(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号を送信するアクティブなラジオゾンデ（３１）の方位角および仰角を測定するアンテナ・システムであって、
アンテナ・アレイ（１１ａ、１１ｂ）の位相差及びアンテナ・フィールド（１）の回転位置に基づいてラジオゾンデ（３１）の方位角を測定する、指向パターンが少なくとも仰角面で広い少なくとも２つのアンテナ・アレイ（１１ａ、１１ｂ）を含む第１の受動アンテナ・グループ（１３）、
アンテナ・アレイ（１０ａ、１０ｂ）の位相差に基づいてラジオゾンデ（３１）の仰角を測定する、指向パターンが少なくとも仰角面で広い少なくとも２つのアンテナ・アレイ（１０ａ、１０ｂ）を含む第２の受動アンテナ・グループ（１２）、及び
遠隔測定信号を受信する高利得を有する少なくとも１つの第３のアンテナ要素（８）であって、前記要素（８）の指向パターンが方位角面で狭く仰角面で広いアンテナ要素（８）
からなり、
第１（１３）および第２（１２）のアンテナ・グループが堅いアンテナ・フィールド（１）上に配置され、
アンテナ・フィールド（１）が所定の仰角位置に固定的に傾斜している
ことを特徴とするアンテナ・システム。
【請求項２】
第３のアンテナ（８）がアンテナ・フィールド（１）に属することを特徴とする請求項１に記載のアンテナ・システム。
【請求項３】
アンテナ・フィールドが基本的に平面状であることを特徴とする請求項１または２に記載のアンテナ・システム。
【請求項４】
各アンテナ・アレイ（１０ａ、１０ｂ、１１ａ、１１ｂ）の最小利得パターン（３５）（ヌル）が大地反射（３０）の方向に一致することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のアンテナ・システム。
【請求項５】
アンテナ・システムが、アンテナ・フィールド（１）を垂直軸（７）を中心にラジオゾンデ（３１）の略方向に回転させる手段を含み、仰角が基本的に一定であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のアンテナ・システム。
【請求項６】
ラジオゾンデ（３１）の遠隔測定データの受信が方位角および仰角測定から独立していることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のアンテナ・システム。
【請求項７】
アンテナ・フィールド（１４）が仰角および方位角の方向に固定され、システムが異なる方位角方向を指向する少なくとも３つのアンテナ・フィールド（１４）を含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のアンテナ・システム。
【請求項８】
各アンテナ・アレイ（１７ａ、１７ｂ、１８ａ、１８ｂ）の最小利得パターン（ヌル）が大地反射（３０）の方向に一致することを特徴とする請求項７に記載のアンテナ・システム。
【請求項９】
ラジオゾンデの遠隔測定データの受信（１５）が方位角および仰角測定から独立していることを特徴とする請求項７または８に記載のアンテナ・システム。
【請求項１０】
アンテナ・フィールド（１）が後方に固定的に傾斜していることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載のアンテナ・システム。
【請求項１１】
アンテナ・フィールド（１）が反転した文字Ｔを形成することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のアンテナ・システム。
【請求項１２】
信号を送信するアクティブなラジオゾンデ（３１）の方位角および仰角を測定する方法であって、
ラジオゾンデ（３１）の方位角が、アンテナ・アレイ（１１ａ、１１ｂ）間の受信ラジオゾンデ信号の位相差とアンテナ・フィールド（１）の回転位置とに基づいて、指向パターンが少なくとも仰角面で広い少なくとも２つのアンテナ・アレイ（１１ａ、１１ｂ）を含む第１の受動アンテナ・グループ（１３）で測定され、
ラジオゾンデ（３１）の仰角が、アンテナ・アレイ（１０ａ、１０ｂ）間の受信ラジオゾンデ信号の位相差に基いて、指向パターンが少なくとも仰角面で広い少なくとも２つのアンテナ・アレイ（１０ａ、１０ｂ）を含む第２の受動アンテナ・グループ（１２）で測定され、
遠隔測定信号が、要素（８）指向パターンが方位角面で狭く仰角面で広い、高利得を有する少なくとも１つの第３のアンテナ要素で受信され、
第１（１３）および第２（１２）のアンテナ・グループが堅いアンテナ・フィールド（１）上に配置され、
アンテナ・フィールド（１）が所定の仰角位置に固定的に傾斜していることを特徴とする方法。
【請求項１３】
第３のアンテナ（８）がアンテナ・フィールド（１）に属することを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
各アンテナ・アレイ（１７ａ、１７ｂ、１８ａ、１８ｂ）の最小利得パターン（ヌル）が大地反射の方向に一致することを特徴とする請求項１２乃至１３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１５】
ラジオゾンデの遠隔測定データの受信が方位角および仰角測定から独立していることを特徴とする請求項１２乃至１４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１６】
アンテナ・システムが垂直軸（７）を中心にラジオゾンデ（３１）の略方向に回転し、仰角が基本的に一定であることを特徴とする請求項１２乃至１５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１７】
アンテナ・フィールド（１）が後方に固定的に傾斜していることを特徴とする請求項１２乃至１６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１８】
アンテナ・フィールド（１４）が仰角および方位角の方向に固定され、システムが異なる方位角方向を指向する少なくとも３つのアンテナ・フィールド（１４）を含むことを特徴とする請求項１２乃至１７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１９】
各アンテナ・アレイ（１７ａ、１７ｂ、１８ａ、１８ｂ）の最小利得パターン（ヌル）が大地反射の方向に一致することを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
ラジオゾンデの遠隔測定データの受信（１５）が方位角および仰角測定から独立していることを特徴とする請求項１８または１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、前述の請求項１に記載のアンテナ構造に関する。
本発明はまた、前述の請求項１２に記載の方法に関する。
【０００２】
本発明はまた、信号を送信するアクティブなラジオゾンデの方位角および仰角を測定する方法に関する。
【０００３】
本発明は、大気の特性が、無線送信機を含む通常ラジオゾンデと呼ばれる独立した自家発電のアクティブな構成要素によって現場で測定される大気探測システムに関する。この技法の代表的な特徴は、非アクティブな（非送信）受信アンテナであり、測定デバイス（ラジオゾンデ）が測定空間内で飛揚または落下するという事実である。
【背景技術】
【０００４】
大気圧、温度および相対湿度などのラジオゾンデのセンサによって現場で測定されるパラメータはテレメトリ・リンクを介して受信局に送信される。その他の対象パラメータは、ＧＰＳまたはＬｏｒａｎ−Ｃなどのナビゲーション支援ネットワークを用いて、一次または二次レーダによって、または受動（非送信）および独立した（ナビゲーション支援ネットワークを使用しない）無線経緯儀で測定できる風速および風向である。ラジオゾンデの高度は大気圧、温度、および湿度データから計算できる。
【０００５】
【非特許文献１】Robert J. Mailloux、Phased Array Antenna Handbook、第2および3章、1994年 Artech House、Inc、ISBN0-89006-502-0
【非特許文献２】Englar、Mango、Roettcher、Watters、FINAL REPORT FOR THE MININTRACK TRACKING FUNCTION DESCRIPTION、第1巻、1973年3月、NASA-TMX-66213
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、受動（非送信）アンテナ構造がビゲーション支援ネットワークから独立した状態で３次元空間内でアクティブなラジオゾンデの方位角および仰角を決定することである。本発明の通常の用途は水素またはヘリウムを充填したバルーンの助けを借りて大気中に飛揚されたラジオゾンデの位置を突き止めることである。ラジオゾンデの方位角と仰角とは受信したラジオゾンデ信号から決定される。
【０００７】
風速および風向はラジオゾンデの連続する方位角、仰角および高度から計算できる。
１６８０ＭＨｚ気象周波数帯域の従来の解決策は方位角および仰角方向にラジオゾンデを機械的に追跡する。この解決策の欠点は機械式受信アンテナ構造が複雑で高価なことである。
【０００８】
上記従来の解決策の別の欠点はラジオゾンデ信号を小さい仰角で受信した時に大地反射を十分に減衰できないということである。
本発明の目的は従来の解決策の欠点を克服し、ラジオゾンデの方位角および仰角を決定する全く斬新なタイプのアンテナ構造および方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の目的は、アンテナ要素がアンテナ・フレーム上に組み立てられた、固定的に後方に傾斜したアンテナ・フィールドによって達成される。代表的な一実施形態では、アンテナ・フィールドは、ほぼラジオゾンデの方向に垂直軸を中心に回転し、仰角は基本的に一定である。
【００１０】
本発明の別の実施形態では、異なる固定方位角を指向する少なくとも３つのそのような固定傾斜アンテナが存在する。この解決策は可動部を有しない。
より詳細には、本発明のアンテナ・システムは、請求項１の特徴部分の記載内容を特徴とする。
【００１１】
さらに、本発明の方法は、請求項１２の特徴部分の記載内容を特徴とする。
本発明は重要な利点を提供する。
大地反射を減衰することで、特にラジオゾンデの仰角が小さい時にラジオゾンデの方位角および仰角をより正確に測定できる。
【００１２】
アンテナ構想の機構は簡単化でき、また低価格で製造できる。さらに、可動部がより少ないため、システムの信頼性が向上する。
以下に、添付図面を参照しながら実施例によって本発明を詳述する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１では、基本的に平面状のアンテナ・フィールド１は垂直アンテナ・グループ１２と水平アンテナ・グループ１３とを含む。垂直アンテナ・グループ１２は互いの上方に位置する少なくとも２つのアンテナ・アレイ１０ａおよび１０ｂを含む。この解決策では、各アレイは３つのアンテナ要素９を含む。これらのアレイ１０ａおよび１０ｂの指向パターンは仰角面が広い。
【００１４】
垂直アンテナ・グループ１０ａおよび１０ｂはアンテナ・アレイ１０ａおよび１０ｂの間の受信ラジオゾンデ信号の位相差に基いてラジオゾンデの仰角を決定するために使用される。
【００１５】
水平アンテナ・グループ１３はそれぞれアンテナ・フィールド１の垂直中心線を軸として少なくとも基本的に対称の位置にある２つの水平アンテナ・アレイ１１ａおよび１１ｂを含む。この解決策では、各アレイは２つ以上のアンテナ要素９を含む。これらのアレイ１１ａおよび１１ｂの指向パターンも仰角面が広い。
【００１６】
ラジオゾンデの方位角はアンテナ・アレイ１１ａ、１１ｂ間の位相差とアンテナ・フィールド１の回転位置に基いてアレイ１１ａおよび１１ｂで決定される。
【００１７】
本発明の好ましい実施形態１は、上部６および下部１４に分割された１つの回転台のみを含む。フレーム２を備えたアンテナ・フィールド１が脚部５の端末部に円形支え板４を有する固定三脚３上に搭載されている。独立したアンテナ８はラジオゾンデの遠隔測定用である。アンテナ・フレームは垂直軸７を中心に回転可能で、アンテナ・フィールド１をラジオゾンデの略方向に向ける。方位角はフレームの下部１４上の水平アンテナ・グループ１３で測定され、仰角はフレームの上部６および下部１４上の垂直アンテナ・グループ１２の助けを借りて測定される。角度測定に必要なアンテナ・グループの簡単化されたバージョンを図１ｂに示す。傾斜角αは通常３０°である。本明細書内の「固定傾斜」または「固定傾斜角」という用語は、例えば風による傾斜角の微小な振動による偏差が許される解決策も意味する。
【００１８】
方位角測定のためのアンテナ・グループ１３によって、アンテナ・フィールド１は反転したＴまたはＬ字形状を形成する。この解決策では、低い重心と風の負荷を達成できる。本発明の範囲内で方位角アンテナ・グループ１３を上部６内またはアンテナ・フィールド１の中心にも配置できることは当然であり、これによってＴ字形状、反転Ｌ字形状、またはプラス（＋）形状が形成される。本発明では方位角および仰角アンテナ・グループを互いにまたは大地に対して垂直に配置する構成に限定しない。これによって、例えば、Ｘ字形状のアンテナ・フィールドが可能である。
【００１９】
ラジオゾンデの遠隔測定データの受信は方位角および仰角測定から独立している。遠隔測定信号は別の高利得指向性アンテナ８によって受信される。アンテナ８の指向パターンは通常方位角面が狭く仰角面が広い。
【００２０】
図１ｂは、図１ａのアンテナ構造の簡単化されたバージョンを示す。このバージョンでは、各アンテナ・アレイの代わりに単一のアンテナ要素９が使用される。
【００２１】
図２は、４つの傾斜したアンテナ・フィールド１４を備えた固定ピラミッド形アンテナの形状の本発明の別の実施形態を示す。方位角はピラミッドの底部の２つのアンテナ・アレイ１８ａおよび１８ｂを含む水平アンテナ・グループ２０で測定される。アレイは複数のアンテナ要素１６を含む。ピラミッドの上部および下部の垂直に配置された２つのアンテナ・アレイ１７ａおよび１７ｂを含む垂直アンテナ・グループ１９で測定される。遠隔測定信号はピラミッドの頂部にある別の指向性アンテナ１５によって受信される。
【００２２】
上記解決策の両方で、方位角は、少なくとも２つのアンテナ要素またはアレイの水平方向（水平グループ１３または２０）およびアンテナ・フィールド１４の方向の測定された位相差から決定される。
【００２３】
仰角は、少なくとも２つのアンテナ要素またはアレイの基本的に垂直方向（垂直グループ１２または１９）の測定された位相差から決定される。
【００２４】
図３に示すように、アンテナ・システム３４の目的はラジオゾンデ３１から直接無線信号３２を受信することである。ラジオゾンデ３１の仰角が小さい時には、（負の）鏡角から到来する大地反射３０はこれまで従来の解決策の性能を低下させる主要な要因であった。本発明は、放射パターン３３の最小利得パターン３５（ヌル）を大地反射３０の方向と一致させることでこの問題を緩和する。この方向は、通常、大地反射が最小限になるような整相列技法によってメイン・ビームを整列させることで異なる仰角について実験を通して決定される。
【００２５】
図４を参照すると、最小利得パターン３５（ヌル）は、少なくとも２つのアンテナ要素（９または１６）からなるアンテナ・アレイ（１０ａ、１０ｂ、１１ａ、１１ｂ、または１７ａ、１７ｂ、１８ａ、１８ｂ）によって形成される。最小利得パターン３０（ヌル）は、アレイ内の各アンテナ要素の信号位相と振幅とを修正すること（ビーム形成）で方向付けされる。
【００２６】
図５を参照すると、修正された信号の総和はより適した放射パターンを備えた単一のアンテナ要素とみなすことができるアンテナを表す。最小利得パターン（ヌル）は水平および垂直グループ（１２、１３または１９、２０）内のアンテナ・アレイの各々について別々に形成される。
【数１】
0004410684.tif 000002
【００２７】
位相偏移は異なる仰角（放射パターン）について実験に基いて設計されている。アンテナ・ビーム形成は、例えば、Robert J. Mailloux、Phased Array Antenna Handbook、第2および3章、1994年 Artech House、Inc、ISBN0-89006-502-0という文献に詳述されている。
【００２８】
図６を参照すると、到来角は、Englar、Mango、Roettcher、Watters、FINAL REPORT FOR THE MININTRACK TRACKING FUNCTION DESCRIPTION、第1巻、1973年3月、NASA-TMX-66213という文献に詳述されている干渉法原理を用いて２つの同一のアンテナＡ１およびＡ２で測定できる。基本長（ｂ）が波長（λ／２）の半分以下であれば、正確な到来角（−９０°＜α＜９０°）を測定できる。アンテナＡ１とＡ２の位相差（φ）が測定されたら（−１８０°＜φ＜１８０°）、到来方向（ＤＯＡ）は以下の式で計算できる。
【数２】
0004410684.tif 000003
【００２９】
図１ａ、１ｂおよび２の平面状のアンテナ・フィールド１もしくは１４の代わりに、アンテナ・フィールドは凸面状、凹面状、または例えば段差があってもよい。図１ａおよび１ｂの回転式実施形態では、全てのアンテナ、アンテナ・アレイおよびアンテナ要素はアンテナ・フィールドの形状にかかわらずこの均一の堅いアンテナ・フィールド１上に配置されている。図２の実施形態では、遠隔測定アンテナ１５はアンテナ・フィールド１４に含まれない。
【００３０】
ワイド・ビームを使用するこの応用例ではビーム幅は１２０°より大きい。
それぞれの狭いビームは３０°未満のビーム幅を意味する。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１ａ】本発明の回転式アンテナ構造の斜視図である。
【図１ｂ】図１ａの実施形態の簡単化されたバージョンを示す図である。
【図２】本発明の第２の実施形態の固定アンテナ構造の斜視図である。
【図３】バルーン装備ラジオゾンデ、直接信号、大地反射、回転式アンテナ構造、および大地反射の方向に最小利得パターン（ヌル）を備えた代表的な放射パターンを示す概略図である。
【図４】大地反射の方向に最小利得パターン（ヌル）を備えた２要素アンテナ・アレイの代表的な放射パターンのポーラプロットを示す図である。
【図５】２要素アンテナ・アレイの整相の側面概略図である。
【図６】干渉法原理に用いられるアンテナ構成を示す図である。
【図１ａ】
0004410684.tif 000004
【図１ｂ】
0004410684.tif 000005
【図２】
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【図３】
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【図４】
0004410684.tif 000008
【図５】
0004410684.tif 000009
【図６】
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