(57)【要約】【課題】高速かつ高精度に目標の位置を標定する。【解決手段】送信波に対する送信トリガ信号、指向方向および送信時刻を設定し、送信トリガ信号に従って送信波を生成し、指向方向に向けて送信波を空間に放射し、目標からの反射波を受信信号として受信し、受信信号の受信時刻と送信時刻とから、アンテナ４と目標との間を電波が往復する伝搬時間を検出し、アンテナ４により放射を行う空間における大気の屈折率空間分布を記憶し、伝搬時間、指向方向および屈折率空間分布に基づいて、目標の位置を標定する。【選択図】図１
2015194494.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信波に対する送信トリガ信号、指向方向および送信時刻を設定する設定ステップと、
前記設定ステップにおいて設定した送信トリガ信号に従って前記送信波を生成する送信波生成ステップと、
アンテナにより、前記設定ステップにおいて設定した指向方向に向けて、前記送信波生成ステップにおいて生成した送信波を空間に放射し、目標からの反射波を受信信号として受信する送受信ステップと、
前記送受信ステップにおける受信信号の受信時刻と前記設定ステップにおいて設定した送信時刻とから、前記アンテナと前記目標との間を電波が往復する伝搬時間を検出する伝搬時間検出ステップと、
前記アンテナにより放射を行う空間における大気の屈折率空間分布を記憶する記憶ステップと、
前記伝搬時間検出ステップにおいて検出した伝搬時間、前記設定ステップにおいて設定した指向方向、および前記記憶ステップにおいて記憶した屈折率空間分布に基づいて、前記目標の位置を標定する目標位置標定ステップと
を有する位置標定方法。
【請求項２】
大気の屈折率空間分布を記憶する記憶ステップと、
入力された観測位置および前記記憶ステップにおいて記憶した大気の屈折率空間分布に基づいて、指向方向を演算するアンテナ指向方向演算ステップと、
送信波に対する送信トリガ信号および送信時刻を設定する設定ステップと、
前記設定ステップにおいて設定した送信トリガ信号に従って前記送信波を生成する送信波生成ステップと、
アンテナにより、前記アンテナ指向方向演算ステップにおいて演算した指向方向に向けて、前記送信波生成ステップにおいて生成した送信波を空間に放射し、目標からの反射波を受信信号として受信する送受信ステップと、
前記送受信ステップにおける受信信号の受信時刻と前記設定ステップにおいて設定した送信時刻とから、前記アンテナと前記目標との間を電波が往復する伝搬時間を検出する伝搬時間検出ステップと、
前記伝搬時間検出ステップにおいて検出した伝搬時間、前記アンテナ指向方向演算ステップにおいて演算した指向方向、および前記記憶ステップにおいて記憶した屈折率空間分布に基づいて、前記目標の位置を標定する目標位置標定ステップと
を有する位置標定方法。
【請求項３】
前記記憶ステップにおいて、前記屈折率空間分布を近似した関数の諸元を記憶し、
前記目標位置標定ステップにおいて、前記記憶ステップにおいて記憶した関数の諸元を用いて、前記目標の位置を標定する
ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の位置標定方法。
【請求項４】
前記記憶ステップにおいて、地球の径方向における大気の屈折率の２乗の変化を近似した関数の諸元を記憶する
ことを特徴とする請求項３記載の位置標定方法。
【請求項５】
前記記憶ステップにおいて、地球の径方向における大気の屈折指数の変化を近似した関数の諸元を記憶する
ことを特徴とする請求項３記載の位置標定方法。
【請求項６】
送信波に対する送信トリガ信号、指向方向および送信時刻を設定する設定ステップと、
前記設定ステップにおいて設定した送信トリガ信号に従って前記送信波を生成する送信波生成ステップと、
アンテナにより、前記設定ステップにおいて設定した指向方向に向けて、前記送信波生成ステップにおいて生成した送信波を空間に放射し、目標からの反射波を受信信号として受信する送受信ステップと、
前記送受信ステップにおける受信信号の受信時刻と前記設定ステップにおいて設定した送信時刻とから、前記アンテナと前記目標との間を電波が往復する伝搬時間を検出する伝搬時間検出ステップと、
高層気象観測で得られた気象データに基づいて、前記アンテナにより放射を行う空間における大気の屈折率空間分布を算出する屈折率分布算出ステップと、
前記伝搬時間検出ステップにおいて検出した伝搬時間、前記設定ステップにおいて設定した指向方向、および前記屈折率分布算出ステップにおいて算出した屈折率空間分布に基づいて、前記目標の位置を標定する目標位置標定ステップと
を有する位置標定方法。
【請求項７】
高層気象観測で得られた気象データに基づいて、大気の屈折率空間分布を算出する屈折率分布算出ステップと、
入力された観測位置および前記屈折率分布算出ステップにおいて算出した大気の屈折率空間分布に基づいて、指向方向を演算するアンテナ指向方向演算ステップと、
送信波に対する送信トリガ信号および送信時刻を設定する設定ステップと、
前記設定ステップにおいて設定した送信トリガ信号に従って前記送信波を生成する送信波生成ステップと、
アンテナにより、前記アンテナ指向方向演算ステップにおいて演算した指向方向に向けて、前記送信波生成ステップにおいて生成した送信波を空間に放射し、目標からの反射波を受信信号として受信する送受信ステップと、
前記送受信ステップにおける受信信号の受信時刻と前記設定ステップにおいて設定した送信時刻とから、前記アンテナと前記目標との間を電波が往復する伝搬時間を検出する伝搬時間検出ステップと、
前記伝搬時間検出ステップにおいて検出した伝搬時間、前記アンテナ指向方向演算ステップにおいて演算した指向方向、および前記屈折率分布算出ステップにおいて算出した屈折率空間分布に基づいて、前記目標の位置を標定する目標位置標定ステップと
を有する位置標定方法。
【請求項８】
前記屈折率分布算出ステップにおいて算出した屈折率空間分布を関数で近似する屈折率分布近似関数算出ステップを有し、
前記目標位置標定ステップにおいて、前記屈折率分布近似関数算出ステップにおける近似で用いられた関数の諸元を用いて、前記目標の位置を標定する
ことを特徴とする請求項６又は請求項７記載の位置標定方法。
【請求項９】
前記屈折率分布近似関数算出ステップにおいて、地球の径方向における大気の屈折率の２乗の変化を近似する
ことを特徴とする請求項８記載の位置標定方法。
【請求項１０】
前記屈折率分布近似関数算出ステップにおいて、地球の径方向における大気の屈折指数の変化を近似する
ことを特徴とする請求項８記載の位置標定方法。
【請求項１１】
送信波に対する送信トリガ信号、指向方向および送信時刻を設定する制御器と、
前記制御器により設定された送信トリガ信号に従って前記送信波を生成する送信機と、
前記制御器により設定された指向方向に向けて、前記送信機により生成された送信波を空間に放射し、目標からの反射波を受信信号として受信するアンテナと、
前記アンテナによる受信信号の受信時刻と前記制御器により設定された送信時刻とから、当該アンテナと前記目標との間を電波が往復する伝搬時間を検出する受信機と、
前記アンテナにより放射を行う空間における大気の屈折率空間分布を記憶する記憶装置と、
前記受信機により検出された伝搬時間、前記制御器により設定された指向方向、および前記記憶装置に記憶された屈折率空間分布に基づいて、前記目標の位置を標定する目標位置標定器と
を備えた位置標定装置。
【請求項１２】
大気の屈折率空間分布を記憶する記憶装置と、
入力された観測位置および前記記憶装置に記憶された大気の屈折率空間分布に基づいて、指向方向を演算するアンテナ指向方向演算器と、
送信波に対する送信トリガ信号および送信時刻を設定する制御器と、
前記制御器により設定された送信トリガ信号に従って前記送信波を生成する送信機と、
前記アンテナ指向方向演算器により演算された指向方向に向けて、前記送信機により生成された送信波を空間に放射し、目標からの反射波を受信信号として受信するアンテナと、
前記アンテナによる受信信号の受信時刻と前記制御器により設定された送信時刻とから、当該アンテナと前記目標との間を電波が往復する伝搬時間を検出する受信機と、
前記受信機により検出された伝搬時間、前記アンテナ指向方向演算器により演算された指向方向、および前記記憶装置に記憶された屈折率空間分布に基づいて、前記目標の位置を標定する目標位置標定器と
を備えた位置標定装置。
【請求項１３】
送信波に対する送信トリガ信号、指向方向および送信時刻を設定する制御器と、
前記制御器により設定された送信トリガ信号に従って前記送信波を生成する送信機と、
前記制御器により設定された指向方向に向けて、前記送信機により生成された送信波を空間に放射し、目標からの反射波を受信信号として受信するアンテナと、
前記アンテナによる受信信号の受信時刻と前記制御器により設定された送信時刻とから、当該アンテナと前記目標との間を電波が往復する伝搬時間を検出する受信機と、
高層気象観測で得られた気象データに基づいて、前記アンテナにより放射を行う空間における大気の屈折率空間分布を算出する屈折率分布算出器と、
前記受信機により検出された伝搬時間、前記制御器により設定された指向方向、および前記屈折率分布算出器により算出された屈折率空間分布に基づいて、前記目標の位置を標定する目標位置標定器と
を備えた位置標定装置。
【請求項１４】
高層気象観測で得られた気象データに基づいて、大気の屈折率空間分布を算出する屈折率分布算出器と、
入力された観測位置および前記屈折率分布算出器により算出された大気の屈折率空間分布に基づいて、指向方向を演算するアンテナ指向方向演算器と、
送信波に対する送信トリガ信号および送信時刻を設定する制御器と、
前記制御器により設定された送信トリガ信号に従って前記送信波を生成する送信機と、
前記アンテナ指向方向演算器により演算された指向方向に向けて、前記送信機により生成された送信波を空間に放射し、目標からの反射波を受信信号として受信するアンテナと、
前記アンテナによる受信信号の受信時刻と前記制御器により設定された送信時刻とから、当該アンテナと前記目標との間を電波が往復する伝搬時間を検出する受信機と、
前記受信機により検出された伝搬時間、前記アンテナ指向方向演算器により演算された指向方向、および前記屈折率分布算出器により算出された屈折率空間分布に基づいて、前記目標の位置を標定する目標位置標定器と
を備えた位置標定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、観測結果から目標の位置を標定する位置標定方法および位置標定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
地上に配置されたレーダを用いて航空機や人工衛星等の遠方にある目標を観測する場合、レーダと目標との間を往復する電波は、大気中を比較的長距離、伝搬する。大気の屈折率が地表面からの高度によらず一定（一様分布）である場合には、電波は直進するため、アンテナと目標との間を電波が往復する伝搬時間と、アンテナの指向方向（＝電波の放射方向）とから、簡単な幾何学により目標の位置を正確に標定することができる。この場合の標定精度は、電波の伝搬時間の計測精度とアンテナの指向精度とで決定される。
【０００３】
しかしながら、周知のように、大気中の屈折率空間分布は一様ではなく、位置によって異なり、特に高度方向に対する変化が大きい。大気の屈折率は、気温、気圧および水蒸気圧の気象３要素で決定されるため、気象状況に応じて時々刻々と変化しているが、統計的には、例えば非特許文献１，２に示されているように、高度の増加とともに指数関数的に減少している場合が多い。このような特性を有する大気の屈折率空間分布モデルは標準大気モデルと呼ばれる。標準大気モデルの例として、非特許文献２に示されている中緯度地域の夏季の大気の屈折率空間分布を図１０に示す。図１０において、縦軸は地表面からの高さであり、横軸は屈折指数である。なお、屈折指数Ｎと屈折率ｎの関係（屈折指数Ｎの定義）は次式（１）で与えられる。
2015194494.tif 000003
このように、標準的な大気においては、屈折指数Ｎは高度の増加とともに指数関数的に単調減少し、高度およそ５０ｋｍ以上では０（ｎ＝１：真空）となることがわかる。
【０００４】
上記のように大気中の屈折率は一様ではなく分布を持っているため、大気中を伝搬する電波は直進できず、フェルマーの原理に従って屈折する。そのため、遠方にある目標の位置標定精度を高めるためには、大気の屈折率空間分布による電波の屈折を考慮しなければならない。
電波の屈折を考慮した目標の位置標定方法としては例えば、特許文献１の方法が知られている。この方法では、地球の実半径Ｒに等価地球半径係数Ｋ（定数）を乗じた等価地球半径ＫＲを利用して電波屈折の補正を行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−２８６８３６号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Recommendation ITU-R P.453-10, The radio refractive index: its formula aｎd refractivity data.
【非特許文献２】Recommendation ITU-R P.835‐5, Reference standard atmospheres.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ここで、等価地球半径係数Ｋは次式（２）で定義される。
2015194494.tif 000004
なお、ｈは地表面からの高さであり、ｎ（ｈ）は高度ｈにおける屈折率である。上式（２）からわかるように、屈折率が高度に対して線形に変化する場合は、等価地球半径係数Ｋは高度に依存しない定数となり、等価地球上では伝搬光路が直線となる。しかしながら、非特許文献１，２で示されているように、実際の屈折率高度分布は非線形であるため、Ｋは高度の関数となる。このため、等価地球を用いる方法では、大気による電波屈折の補正に大きな誤差が生じる。
【０００８】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、高速かつ高精度に目標の位置を標定することができる位置標定方法および位置標定装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明に係る位置標定方法は、送信波に対する送信トリガ信号、指向方向および送信時刻を設定する設定ステップと、設定ステップにおいて設定した送信トリガ信号に従って送信波を生成する送信波生成ステップと、アンテナにより、設定ステップにおいて設定した指向方向に向けて、送信波生成ステップにおいて生成した送信波を空間に放射し、目標からの反射波を受信信号として受信する送受信ステップと、送受信ステップにおける受信信号の受信時刻と設定ステップにおいて設定した送信時刻とから、アンテナと目標との間を電波が往復する伝搬時間を検出する伝搬時間検出ステップと、アンテナにより放射を行う空間における大気の屈折率空間分布を記憶する記憶ステップと、伝搬時間検出ステップにおいて検出した伝搬時間、設定ステップにおいて設定した指向方向、および記憶ステップにおいて記憶した屈折率空間分布に基づいて、目標の位置を標定する目標位置標定ステップとを有するものである。
【００１０】
また、この発明に係る位置標定装置は、送信波に対する送信トリガ信号、指向方向および送信時刻を設定する制御器と、制御器により設定された送信トリガ信号に従って送信波を生成する送信機と、制御器により設定された指向方向に向けて、送信機により生成された送信波を空間に放射し、目標からの反射波を受信信号として受信するアンテナと、アンテナによる受信信号の受信時刻と制御器により設定された送信時刻とから、当該アンテナと目標との間を電波が往復する伝搬時間を検出する受信機と、アンテナにより放射を行う空間における大気の屈折率空間分布を記憶する記憶装置と、受信機により検出された伝搬時間、制御器により設定された指向方向、および記憶装置に記憶された屈折率空間分布に基づいて、目標の位置を標定する目標位置標定器とを備えたものである。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によれば、上記のように構成したので、高速かつ高精度に目標の位置を標定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】この発明の実施の形態１に係る位置標定装置の構成例を示すブロック図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る位置標定装置の動作を示すフローチャートである。
【図３】この発明の実施の形態１に係る位置標定装置の動作原理を説明するための図である。
【図４】標準大気モデルの屈折率空間分布を近似した結果を示す図である。
【図５】この発明の実施の形態２に係る位置標定装置の構成例を示すブロック図である。
【図６】この発明の実施の形態３に係る位置標定装置の構成例を示すブロック図である。
【図７】この発明の実施の形態３に係る位置標定装置の動作を示すフローチャートである。
【図８】この発明の実施の形態３におけるアンテナ指向方向演算器による指向方向の演算の一例（二分法）を説明する図である。
【図９】この発明の実施の形態３におけるアンテナ指向方向演算器による指向方向の演算の一例（二分法）を示すフローチャートである。
【図１０】標準大気モデルの屈折率空間分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る位置標定装置の構成例を示すブロック図である。
位置標定装置は、図１に示すように、制御器１、送信機２、送受切替器３、アンテナ４、受信機５、記憶装置６および目標位置標定器７から構成されている。ここで、制御器１、送信機２、送受切替器３、アンテナ４および受信機５は、アンテナ４の指向方向（電波の放射角度）、およびアンテナ４と目標との間を電波が往復する伝搬時間を目標位置標定器７に伝達する基本レーダ部を構成する。
【００１４】
制御器１は、送信波に対する送信トリガ信号、指向方向および送信時刻を設定するものである。この制御器１は、ソフトウェアに基づくＣＰＵを用いたプログラム処理によって実行される。この制御器１により設定された送信トリガ信号は送信機２に伝送され、指向方向を示すデータはアンテナ４および目標位置標定器７に伝送され、送信時刻を示すデータは受信機５に伝送される。
【００１５】
送信機２は、制御器１からの送信トリガ信号に従って送信波を生成するものである。この送信機２により生成された送信波は送受切替器３を介してアンテナ４に伝送される。
【００１６】
送受切替器３は、信号の入力元に応じて出力先を切替えるものである。ここで、送受切替器３は、送信機２から送信波が入力された場合には、当該送信波をアンテナ４に出力する。また、送受切替器３は、アンテナ４から受信信号が入力された場合には、当該受信信号を受信機５に出力する。
【００１７】
アンテナ４は、制御器１により設定された指向方向に向けて、送信機２からの送信波を空間に放射し、目標からの反射波を受信信号として受信するものである。このアンテナ４により受信された受信信号は送受切替器３を介して受信機５に伝送される。
【００１８】
受信機５は、アンテナ４による受信信号の受信時刻と制御器１により設定された送信時刻とから、アンテナ４と目標との間を電波が往復する伝搬時間を検出するものである。この受信機５により検出された伝搬時間を示すデータは目標位置標定器７に伝送される。
【００１９】
記憶装置６は、アンテナ４により放射を行う空間における大気の屈折率空間分布を記憶するものである。この記憶装置６は、ＨＤＤ、ＤＶＤ、メモリ等によって構成される。また、記憶装置６は、屈折率空間分布を近似した関数の諸元を記憶するようにしてもよい。ここで、上記関数としては、地球の径方向における大気の屈折率の２乗の変化を近似した関数、または地球の径方向における大気の屈折指数の変化を近似した関数が挙げられる。この記憶装置６に記憶された屈折率空間分布または当該分布を近似した関数の諸元を示すデータは目標位置標定器７に伝送される。
【００２０】
目標位置標定器７は、受信機５により検出された伝搬時間、制御器１により設定された指向方向、および記憶装置６からのデータに基づいて、目標の位置を標定するものである。この目標位置標定器７は、ソフトウェアに基づくＣＰＵを用いたプログラム処理によって実行される。
【００２１】
次に、上記のように構成された位置標定装置の動作について、図２を参照しながら説明する。なお、記憶装置６では、アンテナ４により放射を行う空間における大気の屈折率空間分布または当該分布を近似した関数の諸元を記憶している（記憶ステップ）。この記憶装置６に記憶された屈折率空間分布または当該分布を近似した関数の諸元を示すデータは目標位置標定器７に伝送される。
【００２２】
位置標定装置の動作では、図２に示すように、まず、制御器１は、送信波に対する送信トリガ信号、指向方向および送信時刻を設定する（ステップＳＴ２０１、設定ステップ）。この制御器１により設定された送信トリガ信号は送信機２に伝送され、指向方向を示すデータはアンテナ４および目標位置標定器７に伝送され、送信時刻を示すデータは受信機５に伝送される。
【００２３】
次いで、送信機２は、制御器１からの送信トリガ信号に従って送信波を生成する（ステップＳＴ２０２、送信波生成ステップ）。この送信機２により生成された送信波は送受切替器３を介してアンテナ４に伝送される。
【００２４】
次いで、アンテナ４は、制御器１により設定された指向方向に向けて、送信機２からの送信波を空間に放射し、目標からの反射波を受信信号として受信する（ステップＳＴ２０３、送受信ステップ）。このアンテナ４により受信された受信信号は送受切替器３を介して受信機５に伝送される。
【００２５】
次いで、受信機５は、アンテナ４による受信信号の受信時刻と制御器１により設定された送信時刻とから、アンテナ４と目標との間を電波が往復する伝搬時間を検出する（ステップＳＴ２０４、伝搬時間検出ステップ）。この受信機５により検出された伝搬時間を示すデータは目標位置標定器７に伝送される。
【００２６】
次いで、目標位置標定器７は、受信機５により検出された伝搬時間、制御器１により設定された指向方向、および記憶装置６からのデータに基づいて、目標の位置を標定する（ステップＳＴ２０５、目標位置標定ステップ）。
【００２７】
次に、本発明の位置標定装置の動作原理について、図３を参照しながら説明する。
ここで、地球を真球とし、地球中心からの距離をｒとする。また、屈折率をｎとし、ｒ＜ｒNでは屈折率はｒに依存するものとし、ｒ＞ｒNでは屈折率はｒに依存せず１であるとする。また、電波は地球中心からの距離ｒ＝ｒ0の位置から仰角β＝β0で放射されるものとする。
【００２８】
電波の放射位置（アンテナ４の位置）から目標位置までの地表面に沿って測った距離Ｄt（グランドレンジ、グレートサークルディスタンス）は、厳密に次式（３）で与えられる。
2015194494.tif 000005
【００２９】
また、アンテナ４から目標までの伝搬光路長Ｐt’は、厳密に次式（４）で与えられる。
2015194494.tif 000006
【００３０】
そして、グランドレンジと伝搬光路長が求まれば、電波の伝搬時間と電波の放射角度（アンテナ４の指向方向）とを勘案し、目標の位置を求めることができる。
【００３１】
ここで、式（３）および式（４）の積分は、分母の根号内がｒに関する２次以下の冪級数、すなわち｛ｎ（ｒ）｝2の項が次式（５）で近似できれば、数値的に積分を評価する必要がなくなり、解析的に、すなわち高速にグランドレンジと伝搬光路長を求めることが可能となる。
2015194494.tif 000007
ここで、ｃ1，ｃ2，ｃ3は定数であり、最小２乗法等により近似誤差が最小となるように定められる。
【００３２】
屈折率の２乗の空間分布を式（５）の関数形で近似する方法は、２通り考えられる。一つは、式（５）のとおり、屈折率の２乗の空間分布を直接近似する方法である。もう一つの方法は、次式（６）のように屈折指数Ｎを近似する方法である。
2015194494.tif 000008
ここで、ａ1，ａ2，ａ3は定数であり、最小２乗法等により近似誤差が最小となるように定められる。
【００３３】
上述したように、標準的な大気の屈折率空間プロファイルは指数関数で与えられ、図１０のような特性となる。そのため、上記２つのうちいずれの方法を用いたとしても、高度約５０ｋｍまでの全体を一括して式（５）あるいは式（６）で精度よく近似することは困難である。この近似精度を上げるためには、大気を高度０〜１０ｋｍ，１０〜２０ｋｍ，・・・のように複数の層に分割し、各層において式（５）あるいは式（６）による近似を行うようにするとよい。しかしながら、層分割数を多くすると、演算量が増加するため、目標のリアルタイム追尾等のアプリケーションには不都合である。そのため、層分割数は、要求される目標の位置標定精度と許容標定時間とを勘案し、適切に定める必要がある。少ない分割数で高い近似精度を得るためには、遺伝的アルゴリズム（ＧＡ）やＰａｒｔｉｃｌｅ  Ｓｗａｒｍ  Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ（ＰＳＯ）等の最適化手法の活用が有効である。
【００３４】
図４は、非特許文献２に示されている中緯度地域の夏季の大気の屈折率空間分布（図１０）を式（６）で近似した結果を示す図である。本計算においては、高度を０〜５ｋｍ，５〜１０ｋｍ，１０〜２０ｋｍ，２０〜３０ｋｍ，３０〜４０ｋｍ，４０〜５０ｋｍの６層に分割している。この図４から、図１０に示す分布を式（６）を用いて非常に精度よく近似できていることがわかる。
【００３５】
以上のように、この実施の形態１によれば、電波の放射角度（アンテナ４の指向方向）と、アンテナ４と目標との間で電波が往復する伝搬時間と、大気の屈折率空間分布とを用いて目標の位置を標定するように構成したので、従来法より正確に大気の屈折率空間分布を考慮することができ、高速かつ高精度に目標の位置を標定することができる。
【００３６】
実施の形態２．
図５はこの発明の実施の形態２に係る位置標定装置の構成例を示すブロック図である。この図５に示す実施の形態２に係る位置標定装置は、図１に示す実施の形態１に係る位置標定装置から記憶装置６を削除し、屈折率分布算出器８および屈折率分布近似関数算出器９を追加したものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付して異なる部分についてのみ説明を行う。
【００３７】
屈折率分布算出器８は、高層気象観測で得られた気象データ（気温、気圧、湿度の高度分布データ）に基づいて、アンテナ４により放射を行う空間における大気の屈折率空間分布を算出するものである。この屈折率分布算出器８により算出された屈折率空間分布を示すデータは、屈折率分布近似関数算出器９または直接、目標位置標定器７に伝送される。
【００３８】
屈折率分布近似関数算出器９は、屈折率分布算出器８により算出された屈折率空間分布を関数で近似するものである。この際、最適な層数、層厚を設定し、および各層における近似関数の係数を求める。ここで、上記関数としては、地球の径方向における大気の屈折率の２乗の変化を近似した関数、または地球の径方向における大気の屈折指数の変化を近似した関数が挙げられる。この屈折率分布近似関数算出器９による近似で用いられた関数の諸元を示すデータは、目標位置標定器７に伝送される。
この屈折率分布算出器８および屈折率分布近似関数算出器９は、ソフトウェアに基づくＣＰＵを用いたプログラム処理によって実行される。
【００３９】
なお、目標位置標定器７は、受信機５により検出された伝搬時間、制御器１により設定された指向方向、および屈折率分布算出器８により算出された屈折率空間分布または屈折率分布近似関数算出器９による近似で用いられた関数の諸元に基づいて、目標の位置を標定する。
【００４０】
実施の形態１では、既存の大気の屈折率空間分布を利用した。しかしながら、大気の屈折率空間分布は観測地域、観測季節、観測時間帯等の観測条件に敏感であり、既存の統計データを用いることが必ずしも最適であるとは限らない。
【００４１】
我が国の気象庁では、全国１６か所の気象官署ならびに海洋気象観測船で定期的にラジオゾンデによる高層気象観測を行っている。ラジオゾンデによる高層気象観測で得られた気温、気圧、湿度の高度分布データに基づいて大気の屈折率空間分布モデルを作成すれば、各観測条件に最適なモデルをほぼリアルタイムに更新できるため、目標の位置標定精度の向上に有効であると考えられる。
【００４２】
高層気象観測で得られた気温、気圧、湿度の高度分布データから大気の屈折率空間分布モデルを作成する方法としては、次の２つが考えられる。一つは、測定生データそのものを式（５）あるいは式（６）を用いてダイレクトに近似する方法である。もう一つは、実施の形態１の記憶装置６に蓄えられている近似関数データを、測定生データとの誤差が最小になるように補正する方法である。
【００４３】
以上のように、この実施の形態２によれば、既存の大気の屈折率空間分布に代えて、高層気象観測で得られた気象データを用いて大気の屈折率空間分布モデルを作成するように構成したので、実施の形態１に対して、目標の位置標定精度がより向上する。
【００４４】
実施の形態３．
実施の形態１，２では、制御器１でアンテナ４の指向方向を設定し、目標の位置を標定する場合について示した。しかしながら、この方法では、所望の観測位置を観測することはできない。実際のアプリケーションでは、例えば軌道が既知である特定の人工衛星等に対して所望の観測位置を設定し、そこを観測するための指向方向を設定したい場合が少なくない。そこで、実施の形態３では上記を解決する構成について示す。
図６はこの発明の実施の形態３に係る位置標定装置の構成例を示すブロック図である。この図６に示す実施の形態３に係る位置標定装置は、図１に示す実施の形態１に係る位置標定装置に、アンテナ指向方向演算器１０を追加したものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付して異なる部分についてのみ説明を行う。
【００４５】
なお、記憶装置６は、記憶した屈折率空間分布または当該分布を近似した関数の諸元を示すデータを目標位置標定器７およびアンテナ指向方向演算器１０に伝送する。
アンテナ指向方向演算器１０は、入力された観測位置および記憶装置６からのデータに基づいて、アンテナ４の指向方向を演算するものである。このアンテナ指向方向演算器１０は、ソフトウェアに基づくＣＰＵを用いたプログラム処理によって実行される。このアンテナ指向方向演算器１０により演算された指向方向を示すデータは、目標位置標定器７、および制御器１を介してアンテナ４に伝送される。
【００４６】
なお、制御器１では、指向方向の設定は行わず、送信波に対する送信トリガ信号および送信時刻のみを設定する。
また、アンテナ４は、アンテナ指向方向演算器１０により演算された指向方向に向けて、送信機２からの送信波を空間に放射し、目標からの反射波を受信信号として受信する。
また、目標位置標定器７は、受信機５により検出された伝搬時間、アンテナ指向方向演算器１０により演算された指向方向、および記憶装置６からのデータに基づいて、目標の位置を標定する。
【００４７】
次に、上記のように構成された位置標定装置の動作について、図７を参照しながら説明する。なお、記憶装置６では、アンテナ４により放射を行う空間における大気の屈折率空間分布または当該分布を近似した関数の諸元を記憶している（記憶ステップ）。この記憶装置６に記憶された屈折率空間分布または当該分布を近似した関数の諸元を示すデータは目標位置標定器７およびアンテナ指向方向演算器１０に伝送される。
【００４８】
位置標定装置の動作では、図７に示すように、まず、アンテナ指向方向演算器１０は、観測位置を受付ける（ステップＳＴ７０１）。この観測位置は緯度、経度、高度等であり、オペレータにより入力される。例えば、軌道が既知である人工衛星等では、いつどこに位置するかが正確にわかるため、当該人工衛星に対する観測位置を設定することができる。
次いで、アンテナ指向方向演算器１０は、記憶装置６からのデータを受付ける（ステップＳＴ７０２）。
【００４９】
次いで、アンテナ指向方向演算器１０は、ステップＳＴ７０１で受付けた観測位置およびステップＳＴ７０２で記憶装置６から受付けたデータに基づいて、当該観測位置に電波を放射するためのアンテナ４の指向方向を演算する（ステップＳＴ７０３）。この指向方向の演算では反復法を用いる。この演算処理の詳細については後述する。このアンテナ指向方向演算器１０により演算された指向方向を示すデータは、目標位置標定器７、および制御器１を介してアンテナ４に伝送される。
なお、このステップＳＴ７０１〜７０３は本発明のアンテナ指向方向演算ステップに相当する。
【００５０】
次いで、制御器１は、送信波に対する送信トリガ信号および送信時刻を設定する（ステップＳＴ７０４、設定ステップ）。この制御器１により設定された送信トリガ信号は送信機２に伝送され、送信時刻を示すデータは受信機５に伝送される。
【００５１】
次いで、送信機２は、制御器１からの送信トリガ信号に従って送信波を生成する（ステップＳＴ７０５、送信波生成ステップ）。この送信機２により生成された送信波は送受切替器３を介してアンテナ４に伝送される。
【００５２】
次いで、アンテナ４は、アンテナ指向方向演算器１０により演算された指向方向に向けて、送信機２からの送信波を空間に放射し、目標からの反射波を受信信号として受信する（ステップＳＴ７０６、送受信ステップ）。このアンテナ４により受信された受信信号は送受切替器３を介して受信機５に伝送される。
【００５３】
次いで、受信機５は、アンテナ４による受信信号の受信時刻と制御器１により設定された送信時刻とから、アンテナ４と目標との間を電波が往復する伝搬時間を検出する（ステップＳＴ７０７、伝搬時間検出ステップ）。この受信機５により検出された伝搬時間を示すデータは目標位置標定器７に伝送される。
【００５４】
次いで、目標位置標定器７は、受信機５により検出された伝搬時間、アンテナ指向方向演算器１０により演算された指向方向、および記憶装置６からのデータに基づいて、目標の位置を標定する（ステップＳＴ７０８、目標位置標定ステップ）。これにより、演算した指向方向にアンテナ４を向けて所望の目標を観測することができる。
【００５５】
次に、ステップＳＴ７０３におけるアンテナ４の指向方向の演算処理について、図８，９を参照しながら説明する。なお以下では、反復法として二分法を用いた場合を例に説明を行う。
図８において、内側の円弧は地表面であり、外側の円弧は観測位置の高度Ｈの等高線である。また、高度Ｈの等高線上の点をＰとする。また、アンテナ４と点Ｐとを結ぶ直線（図８の破線）と、アンテナ４の位置における地面接線（図８の一点鎖線）との成す角度をＥＬａとする。さらに、アンテナ４から点Ｐまでの電波の伝搬経路を細い実線で示し、アンテナ４からの電波の放射角度をＥＬｓとする。
【００５６】
アンテナ指向方向演算器１０による指向方向の演算処理では、まず、図９に示すように、ｉを０とし、ＥＬｓ（ｉ），ＥＬｓ（ｉ＋１）の初期値を設定する（ステップＳＴ９０１）。次いで、式（３）および幾何学により、ＥＬａ（ｉ），ＥＬａ（ｉ＋１）を計算する（ステップＳＴ９０２）。ここで、観測方向ＥＬｔはオペレータが設定し既知であるため、ＥＬｓ（ｉ）とＥＬｓ（ｉ＋１）の値は、これらの間に観測方向ＥＬｔが存在し、かつ、ＥＬｓ（ｉ）およびＥＬｓ（ｉ＋１）と観測方向ＥＬｔとの差が比較的大きくなるように設定すればよい。例えば、観測方向ＥＬｔが４５度であるならば、ＥＬｓ（ｉ）を例えば６０度、ＥＬｓ（ｉ＋１）を例えば３０度等に設定すればよい。この際、例えばＩＴＵ−Ｒの勧告等に記載のデータから、大気中の屈折率分布によって伝搬経路がどれくらい湾曲するかはある程度わかっているので、それを参考にしてある程度余裕を持って設定すればよい。このように設定すると、ＥＬａ（ｉ）とＥＬａ（ｉ＋１）の間に必ず観測方向ＥＬｔが存在することになる。
【００５７】
次いで、ＥＬａ（ｉ）とＥＬａ（ｉ＋１）との中点であるＥＬａ’、およびＥＬｓ（ｉ）とＥＬｓ（ｉ＋１）との中点であるＥＬｓ’を計算する（ステップＳＴ９０３）。
次いで、ＥＬａ’がＥＬｔよりも小さいかを判断する（ステップＳＴ９０４）。
【００５８】
このステップＳＴ９０４において、ＥＬａ’がＥＬｔよりも小さいと判断した場合には、ＥＬａ（ｉ＋１）をＥＬａ’に置き換え、また、ＥＬｓ（ｉ＋１）をＥＬｓ’に置き換える（ステップＳＴ９０５）。
一方、ステップＳＴ９０４において、ＥＬａ’がＥＬｔ以上であると判断した場合には、ＥＬａ（ｉ）をＥＬａ’に置き換え、また、ＥＬｓ（ｉ）をＥＬｓ’に置き換える（ステップＳＴ９０６）。
【００５９】
次いで、ＥＬｔとＥＬａ（ｉ）との差の絶対値ΔＥＬが微小量εより小さいかを判断する（ステップＳＴ９０７、収束判定ステップ）。
このステップＳＴ９０７において、ΔＥＬがε以上であると判断した場合には、ｉをインクリメントして、シーケンスはステップＳＴ９０３に戻り、上記動作を繰り返す。
一方、ステップＳＴ９０７において、ΔＥＬがεより小さいと判断した場合には、シーケンスは終了する。そして、この処理により得られたＥＬｓ（ｉ）とＥＬｓ（ｉ＋１）との算術平均値が所望の観測位置に電波を放射するためのアンテナ４の指向方向となる。
【００６０】
なお上記では、反復法として二分法を用いた例を示したが、これに限るものではなく、反復法として、ニュートン法、ハレー法、ブレント法、デッカー法等を用いてもよい。
【００６１】
以上のように、この実施の形態３によれば、入力された観測位置および大気の屈折率空間分布に基づいて指向方向を演算するアンテナ指向方向演算器１０を設けたので、実施の形態１，２に対し、演算した指向方向にアンテナ４を向けて所望の目標を観測することができる。
【００６２】
なお上記では、実施の形態１の構成に対してアンテナ指向方向演算器１０を設けた場合について示したが、実施の形態２の構成に対してアンテナ指向方向演算器１０を設けてもよい。この場合、アンテナ指向方向演算器１０は、入力された観測位置および屈折率分布算出器８により算出された大気の屈折率空間分布または屈折率分布近似関数算出器９による近似で用いられた関数の諸元に基づいて指向方向を演算する。
【００６３】
また、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。
【符号の説明】
【００６４】
１  制御器、２  送信機、３  送受切替器、４  アンテナ、５  受信機、６  記憶装置、７  目標位置標定器、８  屈折率分布算出器、９  屈折率分布近似関数算出器、１０  アンテナ指向方向演算器。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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