(57)【要約】モード−Ｓ ＡＤＳ−Ｂ監視レーダーシステムの能力は、モードＳ、４分の１波長の、単一素子スタブアンテナの指向性アレイを使用して、レーダーシステムをセクター化することによって増加される。モード−Ｓアンテナ素子の該アレイからの信号アンサンブルは電子的に処理される。この信号処理・受信の構成は、モード−ＳＡＤＳ−Ｂシステムの能力を増加させ、大混雑した空域内で効果的に機能させ得る。
2004503174.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ．航空機に搭載されたモード‐Ｓアンテナ素子のアレイ；
ｂ．各個別のアンテナ素子の個別の信号を生成および処理するための信号処理受信機；
ｃ．前記個別のアンテナ素子の信号を対応するデジタル信号に変換するための少なくとも１つのアナログ・デジタル（Ａ／Ｄ）変換器；
ｄ．前記個別のアンテナ素子の信号あるいはデジタル信号を逐次的かつ周期的にサンプリングするためのマルチプレクサ；
ｅ．受信システムによって受信したモード‐Ｓ信号中のスクイッタープリアンブルの存在を決定するためのスクイッターフィルタ；
ｆ．前記決定されたモード‐Ｓ信号の存在に応答して、前記受信したモード‐Ｓ信号の信号対雑音比を最大にするために、前記個別のアンテナ素子の信号に対する前記デジタル信号の複合重みを処理し調整するデジタル信号処理部；および
ｇ．前記モード‐Ｓ信号によって伝えられる技術データを処理および識別するために、前記デジタル信号処理部の出力に結合されたモード‐Ｓ受信機；
からなることを特徴とする、航空機の高密度環境内で動作する前記航空機内のモード‐Ｓ信号を受信し処理するためのモード‐Ｓデジタル受信システム。
【請求項２】
ａ．メモリ／バッファは逐次に前記デジタル信号を格納し；
ｂ．コントローラ部は前記スクイッターフィルタの出力に結合され、前記メモリ／バッファおよび前記デジタル信号処理部を制御し、
前記コントローラ部はスクイッタープリアンブルが存在することを前記スクイッターフィルタによって通知されたとき、前記メモリ／バッファに前記モード‐Ｓ信号を隔離し、前記モード‐Ｓ信号は処理が完了するまで前記メモリ／バッファに保持され、
前記隔離されたモード‐Ｓ信号の信号対雑音比を最大にするために、全てのアンテナ素子デジタル信号の複合重みを調整するように前記デジタル信号処理部に指令し、および、
前記信号対雑音比が最大にされた後、前記コントローラ部は、前記モード‐Ｓ受信機に前記モード‐Ｓ信号を出力するように前記デジタル信号処理部に指令し、前記メモリ／バッファに逐次動作を再開するように指令することを特徴とする、請求の範囲第１項記載のモード‐Ｓデジタル受信システム。
【請求項３】
ａ．前記Ａ／Ｄ変換器は各信号ごとに、一対のタイムオフセットデジタル信号を生成し；
ｂ．ヒルベルト変換フィルタは、前記メモリ／バッファの入力として指令される直角Ｉ‐Ｑサンプル対を生成するために、前記一対のタイムオフセットデジタル信号のうち１つをヒルベルト変換することを特徴とする、請求の範囲第２項記載のモード‐Ｓデジタル受信システム。
【請求項４】
前記各モード‐Ｓアンテナ素子は１／４波長単一素子スタブアンテナからなることを特徴とする、請求の範囲第１項記載のモード‐Ｓデジタル受信システム。
【請求項５】
前記信号処理受信機において、前記各アンテナ素子は前記信号処理受信機と連携し、
ａ．前記アンテナ素子の出力を増幅するための前置増幅器；
ｂ．前記前置増幅器の出力を周波数ダウン変換するための周波数ダウンコンバータ；および
ｃ．前記ダウンコンバータの出力をフィルタ処理し、帯域外信号エネルギーを除去して信号出力を生成するフィルタからなることを特徴とする、請求の範囲第１項記載のモード‐Ｓデジタル受信システム。
【請求項６】
前記メモリ／バッファは第１および第２のカスケード接続されたメモリ／バッファ部からなることを特徴とする、請求の範囲第２項記載のモード‐Ｓデジタル受信システム。
【請求項７】
前記コントローラ部は、スクイッタープリアンブルが存在することを通知されたとき、前記第２のメモリ／バッファ部に前記モード‐Ｓ信号を隔離することを特徴とする、請求の範囲第６項記載のモード‐Ｓデジタル受信システム。
【請求項８】
前記スクイッターフィルタは、スクイッタープリアンブルの存在を決定するために、前記アンテナ素子のフィルタ処理された出力をスクイッタープリアンブルサインと絶えずコンボルバ処理する表面弾性波フィルタからなることを特徴とする、請求の範囲第１項記載のモード‐Ｓデジタル受信システム。
【請求項９】
ａ．航空機にモード‐Ｓアンテナ素子のアレイを搭載し；
ｂ．各個別のアンテナ素子の個別の信号を生成および処理し；
ｃ．前記個別のアンテナ素子の信号を対応するデジタル信号に変換し；
ｄ．前記個別のアンテナ素子の信号あるいはデジタル信号を逐次的かつ周期的にサンプリングし；
ｅ．受信システムによって受信したモード‐Ｓ信号中のスクイッタープリアンブルの存在を決定し；
ｆ．前記決定されたモード‐Ｓ信号の存在に応答して、前記受信したモード‐Ｓ信号の信号対雑音比を最大にするために、前記個別のアンテナ素子信号に対する前記デジタル信号の複合重みを処理および調整し；および
ｇ．前記最大にされた信号対雑音比のモード‐Ｓ信号によって伝えられる技術データを処理および識別することを含むことを特徴とする、航空機の高密度環境内で動作する前記航空機内のモード‐Ｓ信号を受信し処理するための方法。
【請求項１０】
ａ．メモリ／バッファに逐次に前記デジタル信号を格納し；
ｂ．スクイッタープリアンブルが存在することを決定したときに、前記メモリ／バッファに前記モード‐Ｓ信号を隔離し、前記モード‐Ｓ信号を処理が完了するまで保持し、
前記隔離されたモード‐Ｓ信号の信号対雑音比を最大にするために、全てのアンテナ素子デジタル信号の複合重みを調整し、および、
前記信号対雑音比が最大にされた後、前記モード‐Ｓ信号を出力し、前記メモリ／バッファの逐次動作を再開することを含むことを特徴とする、請求の範囲第９項記載の方法。
【請求項１１】
ａ．各信号ごとに、一対のタイムオフセットデジタル信号を生成し；
ｂ．前記メモリ／バッファの入力として指令される直角Ｉ‐Ｑサンプル対を生成するために、前記一対のタイムオフセットデジタル信号のうち１つを変換することを含むことを特徴とする、請求の範囲第１０項記載の方法。
【請求項１２】
１／４波長単一素子スタブアンテナのアレイを搭載することを含むことを特徴とする、請求の範囲第９項記載の方法。
【請求項１３】
ａ．前記各アンテナ素子の出力を前置増幅器で増幅し；
ｂ．前記各前置増幅器の出力を周波数ダウン変換し；および
ｃ．帯域外信号エネルギーを除去するために各ダウンされた出力をフィルタ処理することを含むことを特徴とする、請求の範囲第９項記載の方法。
【請求項１４】
第１および第２のカスケード接続されたメモリ／バッファ部を備え、スクイッタープリアンブルの存在を通知されたときに、前記第２のメモリ／バッファ部に前記モード‐Ｓ信号を隔離することを含むことを特徴とする、請求の範囲第１０項記載の方法。
【請求項１５】
スクイッタープリアンブルの存在を決定するために、アンテナ素子のフィルタ処理された出力をスクイッタープリアンブルサインと絶えずコンボルバ処理することを含むことを特徴とする、請求の範囲第９項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する分野】
本発明は、航空機の高密度環境を有する大混雑した空域内で競合的に、効果的に機能し動作することが可能なＡＤＳモードＳシステム用デジタル受信システムに関するものである。
【０００２】
【発明の背景】
ＡＤＳ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｓｕｒｖｅｉｌｌａｎｃｅ：自動従属監視）システムにおいて、航空機はその状態ベクトル（水平方向と鉛直方向の位置、水平方向と鉛直方向の速度）を周期的に放送する。航空機は搭載ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ ＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍ：全地球測位システム）受信機やその放送送信システムのような搭載航法源に依存し、他のユーザーに監視情報を提供する。
【０００３】
ＡＤＳモードＳの構想は、航空機の位置、高度、識別、他の情報の周期的放送（即ち、スクイッター）を提供するモードＳスクイッターの使用に基づいている。現在、５６ビットのモードＳスクイッターは、ＴＣＡＳ（ｔｒａｆｆｉｃａｌｅｒｔ ＆ ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ａｖｏｉｄａｎｃｅ ｓｙｓｔｅｍ：衝突回避警報装置）に使用されており、モードＳ搭載航空機の存在を検出する。ＴＣＡＳはモードＳスクイッターを聴取し、２４ビットのモードＳアドレスを抽出し、このアドレスを使用して個別の呼掛けを行う。より長い１１２ビットスクイッターは、他のデータに加えＡＤＳメッセージフィールドと呼ばれる５６ビットを含む。このＡＤＳメッセージフィールドのビットは、（１）気圧高度、（２）緯度、（３）経度を含むデータを伝える。モードＳトランスポンダーとＧＰＳ受信機を搭載した航空機は、毎秒１回その位置を決定し、この位置情報が長スクイッター応答の５６ビットＡＤＳメッセージフィールドに挿入され、毎秒２回放送して、受信成功の確率を増加させる。現在の５６ビットの短スクイッターは、ＴＣＡＳと適合させるために毎秒１回放送されるように続く。したがって、長短のスクイッターの送信により、電位干渉が生じる。
【０００４】
本発明は、基本的なモードＳアンテナ素子アレイを使用して、基本的なＡＤＳモードＳシステムの能力を向上させ、エラー無しでＡＤＳモードＳメッセージを受信し、信号アンサンブルを電子的に処理する。本発明は、基本的なＡＤＳモードＳシステムの能力を向上させ、エラー無しでＡＤＳモードＳメッセージを受信し、大混雑した空域内で効果的に機能できる信号処理・受信の構成を提供するものである。
ＡＤＳモードＳメッセージによって提供された情報は、フリーフライト計画を実施するにおいて、近くの航空機のパイロットを補佐でき、ＡＴＳ（Ａｉｒ Ｔｒａｆｆｉｃ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ：航空交通業務） によってモニタされ、ある航空機が予定された軌道に従っているかが確かめられる。
【０００５】
フリーフライトとは、ＦＡＡ（Ｆｅｄｅｒａｌ ＡｖｉａｔｉｏｎＡｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ：連邦航空局）と航空コミュニティーとにより開発され、テストされ、実施が増加している構想である。フリーフライトは、ＮＡＳ（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ａｉｒｓｐａｃｅ Ｓｙｓｔｅｍ）の安全性と効率を向上させるために計画された。この構想は、ＮＡＳをパイロットと航空交通管制との間の命令と制御との集中システムから、パイロットに実践で自分自身のルートを選ばせ最も効率的で経済的なルートに従う飛行計画を編成させる分布システムへと移動させる。
【０００６】
フリーフライトの実現化のためには、航空機間で協力決定を行う必要があるであろう。そのような実現化を果たすため考慮すべきシステムの重要なことの１つは、十分な監視の構成である。今日、航法と監視は、主に接地装置、即ち協力して動作しないビーコンレーダーと１次レーダーとによって達成される。
【０００７】
今日、レーダーは航空交通制御において、２つの様式において使用される。第１に、１次レーダーの使用法は、レーダーからパルス散乱平面までのパルスの往復時間を測定して航空機までの距離を測定する装置である。散乱または放射されたエネルギーの幾らかを、通常レーダー送信機と一緒に置かれるレーダー受信機で検出する。航空交通制御において使用されるレーダーの第２のタイプは、２次レーダーと呼ばれる。このレーダーの様式には、トランスポンダーを航空機に搭載する必要がある。航空機を２次レーダーの呼掛けパルスで照明すると、トランスポンダーは航空機の識別と高度を伝えるデジタル信号を放送する。
【０００８】
ＡＤＳ−Ｂ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｓｕｒｖｅｉｌｌａｎｃｅ−Ｂ）は、航空機または地上移動領域内で動く地上車両の関数であり、状態ベクトル（水平方向と鉛直方向の位置、水平方向と鉛直方向の速度）や他の情報を周期的に放送する。ＡＤＳ−Ｂは、送信を引き出す外部励振が必要でないので自動的である。即ち、ＡＤＳ−Ｂは、搭載航法源と搭載放送送信システムに依存し航行情報を他のユーザーに提供するので従属的である。放送源の航空機または車両は、どのユーザーがその放送を受信するかの知識を持っても持たなくてもよい。放送領域内の航空機または車両の任意のユーザーは、ＡＤＳ−Ｂ監視情報を選んで受信処理してよい。ＡＤＳ−Ｂで、ＡＴＳ（Ａｉｒ Ｔｒａｆｆｉｃ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ）はＡＤＳ−Ｂメッセージをモニタし、ある航空機が予定された軌道に従っているかを確かめるであろう。レーダーによるモニタに比較して、ＡＤＳ−Ｂを介して航空機によって直接提供された追加情報と正確さの増大によって、間違いをより速く検出し、間違った警報を減少させる。
【０００９】
ＮＡＳ（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ａｉｒｓｐａｃｅ Ｓｙｓｔｅｍ）Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ（１９９７年．１２月）セクション７．９で、ＡＤＳ−Ｂは最初、回避システムではなく、監視システムとして予定されたものであることに気付く。出願は、ＡＤＳ−Ｂ接地監視能力の創造に基づく。制限を緩和し柔軟性を向上させるので、ＡＤＳ−ＢはフリーフライトおよびＩＦＲ（Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ＦｌｉｇｈｔＲｕｌｅｓ：計器飛行方式）協力分離へ導く重要な要素となるであろう。
【００１０】
ＡＤＳ−Ｂシステムは、ピーク交通環境内で競合的に動作するように要求される。この要求はＬｏｓＡｎｇｌｅｓ Ｂａｓｉｎ ｔｒａｆｆｉｃ ｍｏｄｅｌに基づく。ＡＤＳ−Ｂネットワークは、距離範囲内の任意の飛行場面単位および予期される将来のピーク航空交通レベルに適応するように設計されなくてはいけない。米国の予期されるピーク瞬間航空カウント（ＩＡＣ）は、Ｌｏｓ Ａｎｇｌｅｓ Ｂａｓｉｎ ｔｒａｆｆｉｃ ｍｏｄｅｌにより与えられる。
【００１１】
Ｌｏｓ Ａｎｇｌｅｓ Ｂａｓｉｎの交通分布および多数の他の測定されたターミナルエーリアの交通分布は（中心から約１５ｎｍｉまでの距離の平方として増加する累積数の）一様密度関数によって近似される。この点から６０ｎｍｉまで、航空機の累積数は該距離に比例する。Ｌｏｓ Ａｎｇｌｅｓ Ｂａｓｉｎ ｍｏｄｅｌのおおよそのＩＡＣ分布は、７５０の航空機ピークカウントを有する。これは、飛行場面上で動作する航空機または車両を含んでいない。これらの追加交通要素の概算は、移動車両１００面単位、静止車両１５０面単位である。したがって、合計交通密度は、半径６０ｎｍｉ内に１０００単位になる。これは、隣接セクタ（区域）の途中の交通を含んでいない。
【００１２】
モードＳは、元来モードＡ／Ｃ２次監視レーダー（航空交通管制レーダービーコンシステムＡＴＣＲＢＳ）の監視改良として開発された。これらのモードで、１０３０ＭＨｚの呼掛けは、モードＳトランスポンダー搭載航空機から１０９０ＭＨｚの応答をトリガーする。モードＡは、航空機識別コードを伝える２０．３μｓの再生で答えられる８μｓの呼掛けからなる。モードＣでは、呼掛けは２１μｓで、応答は２０．３μｓで、航空機高度を発生する。通常、航空機を、モードＡそれからモードＣで照明する。
【００１３】
モードＳでは、同一の周波数計画を使用し、呼掛けは、３．５μｓ時間のプリアンブル、その後に続く５６または１１２データビットを伝える１６．２６μｓまたは３０．２６μｓのデータブロックからなる。（１．１５μｓ間、同期位相反転トレーニングする。）呼掛けは、４Ｍｂｉｔｓ／ｓｅｃの速度のＤＰＳＫである。モードＳ応答は、６μｓのプリアンブル、その後に続く５６または１１２μｓのデータブロックからなる。信号は、１Ｍｂｉｔ／ｓｅｃのデータ速度のＰＰＭである。
【００１４】
ＡＤＳモードＳは、ＡＤＳ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｓｕｒｖｅｉｌｌａｎｃｅ：自動従属監視）とモードＳビーコンレーダーの能力を合体するシステム構想として記述される。結果は、航空機をＡＤＳまたはビーコン接地環境に関与させるシームレス（ｓｅａｍｌｅｓｓ）監視とデータリンクの一体化システムである。これは、ビーコン監視システムからＡＤＳ監視へ遷移させる多くの可能性を提供する。ＡＤＳモードＳ構想は、モードＳスクイッターの使用に基づく。現在のモードＳスクイッターは、２４ビットのモードＳアドレスを含む自発的、周期的（毎秒１回）５６ビット放送メッセージである。この放送は、全てのモードＳトランスポンダーによって提供され、近くのモードＳ搭載航空機を得るのにＴＣＡＳによって使用される。航空機位置メッセージは、平均２Ｈｚの速度で送信される。実際のスクイッターの間隔は、２つの航空機間の同期干渉を防止するため少しランダムになる。位置スクイッターの間隔は、０．４〜０．６ｓ間で一様に分布するだろう。
【００１５】
ＡＤＳ−Ｂトランスポンダーは航空機の位置、高度、識別、他の情報の周期的放送（即ち、スクイッター）を提供する。２００５年までに、これらのトランスポンダーはＳＳＲ（２次監視レーダ）からの呼掛けに応答するだろう。最も正確な（予定された）位置基準は、航空機上のＧＰＳ受信機になるであろう。ＡＤＳ−ＢトランスポンダーはモードＡ／Ｃトランスポンダーの直接の代替またはモードＳトランスポンダーへのアップグレードになるであろう。
【００１６】
提案されたＡＤＳモードＳシステムの動作能力は、ＡＴＣＲＢＳ呼掛け（２０μｓ時間）に対するトランスポンダー応答と、「短」（５６ビット）モードＳ応答と、「長」（１１２ビット）モードＳ応答とからなる１０９０周波数上の干渉によって制限されると考えられる。
【００１７】
能力は、Ｐｏｉｓｓｏｎ（ポアソン）の受信機到着を仮定して模型化される。ＡＤＳモードＳスクイッターは、それに重なる他のモードＳ応答がなく、かつそれに重なる１つ以下のＡＴＣＲＢＳ応答がある場合、エラー無しで受信されると仮定する。この仮定から、ＡＤＳモードＳスクイッターがエラー無しで受信される確率ｐは、
ｐ＝（１＋ｔ１ｎ１ｍ）ｅ−ｔ１ｎ１ｍ ＊ ｅ−ｔ２ｎ２ｍ＊ ｅ−ｔ３ｎ３ｍ　（１）
ここでｎ１は航空機１つあたりの、１秒あたりのＡＴＣＲＢＳ応答の平均数
ｎ２は航空機１つあたりの、１秒あたりの短モードＳ応答の平均数
ｎ３は航空機１つあたりの、１秒あたりの長モードＳ応答の平均数
ｍは応答を干渉させるかもしれない航空機数
ｔ１ はＡＤＳモードＳスクイッターがＡＴＣＲＢＳ応答の開始に影響を受けやすい時間の長さ
ｔ２ はＡＤＳモードＳスクイッターが短モードＳ応答に影響を受けやすい時間の長さ
ｔ３ はＡＤＳモードＳスクイッターが長モードＳ応答に影響を受けやすい時間の長さである。
【００１８】
ｔｉを概算すると
ｔ１＝０．０００１４０ｓ，　ｔ２＝０．０００１８４ｓ，　ｔ３＝０．０００２４０ｓ
これらの値から、システムの能力が推定される。信頼度９９．５％以上で、約５秒の更新速度が要求される。
【００１９】
これは、次の点で控え目である。報告更新期間Ｔと更新確率ｐの許容の組合せは、公式（１−ｐ）ＴＣ／Ｔ＜０．０１
ここでＴＣは第９９の百分位数報告更新期間。例えば、衝突回避のために、ＴＣ＝６ｓｅｃ； Ｔ＝３の報告更新期間ｐ＝０．９以上を要求する。第２例として、衝突回避のために、ｐ＝０．５ならＴは０．９秒以下。ＴＣはコースト（ｃｏａｓｔ）期間、即ち状態ベクトル報告更新間最大許容時間をあらわす。
【００２０】
３つのケースは、航空機１機あたりの、１秒あたりのＡＴＣＲＢＳ応答の平均数ｎ１で区別されると仮定する。最も有力なケースは、ｎ１＝１２０．その他のパラメータをｎ２＝８とｎ３＝６で３つのケースに対して固定する。それらは、この仮定で航空機能力が８６プレーン（ｐｌａｎｅｓ）であると決定する。しかし、この結果は、無指向性アンテナに対するものである。６セクタアンテナ（途中）はこの数を２１５航空機に対して２．５の因子だけ改善できる。
【００２１】
能力は、ｎ１が０に下がるにつれて著しく増加する。しかしＬｏｓ Ａｎｇｌｅｓ Ｂａｓｉｎ ｔｒａｆｆｉｃ ｍｏｄｅｌの大混雑ぶりを扱うには不十分である。能力を増加させようとするために為され得ることがある。１つは、送信速度、即ちｎ３を増加させることである。ｎ３を増加させることによって、５秒以内に試行数を増加させ、長モードＳのエラー無し受信を得る。スクイッター率は平均２Ｈｚであるので、５秒以内に少なくとも９の試行があるだろう。ｘはエラー無しスクイッターメッセージ受信の試行数とすると、航空機１つにつき少なくとも１つのスクイッターメッセージがエラー無し受信される確率は、
１−（１−ｐ）ｘ　　　（２）
ここでｐは式（１）で定義される。図１と２のグラフは、３つのケースを表示する。ｘはｎ３に正比例して増加すると仮定する。ｎ３を２倍にすること（ケースＩＩ）によって利得を得るが、ｎ３を１６の因子だけ増加させること（ケースＩＩＩ）は、ｎ３を単に２倍にして得られる能力以下に能力を低下させる。ｎ３が増加するにつれてより多くの干渉が発生するのは当然のことである。
【００２２】
【発明の概要】
本発明は、指向性モードＳアンテナ、特に低コストのモードＳ、４分の１波長の、単一素子スタブアンテナを使用して、セクター化することによって、モードＳシステムの能力を増加させる。
【００２３】
本発明は、基本的なモードＳアンテナのアレイを使用し、信号アンサンブルを電子的に処理する。より高密度環境で動作するために、必要に応じてより多くのアンテナ素子を加えることができよう。一般に、Ｎ個のアンテナ素子が与えられると、Ｎ−１個のヌルを向けることが可能である。
【００２４】
本発明の航空機の高密度環境用デジタル受信システムは、モードＳ のＡＤＳ−Ｂシステムの能力を増加させ、大混雑した空域内で効果的に機能させ得る信号処理・受信の構成を使用する。
【００２５】
本発明は、大変重要な１次的および２次的利益をもち、拡張可能であり、現存の装備を最大限まで使用するようなＡＤＳ−Ｂ機能の実現化への明確でコスト効果のある路を提供できる。
【００２６】
本発明の１次的利益は、拡張可能であり、能力増加のため連続的にアップグレード可能であり、逆行的に併用可能であり、製造コストが比較的低く、世界的周波数スペクトラムの割振りと是認を示し、トランスポンダーモードＳシステムはよく知られ受け入れられていて、また、利得方向を減衰させ、マルチパスを対向させ相殺するのに使用できる。
【００２７】
本発明の２次的利益は、重要な実現可能なアパーチャを可能にする短波長の周波数に使いやすく、アンテナ素子の能動制御が無く、例えば、構成移相器が無く、安全を提供し、例えば、妨害または不良送信機を容易に相殺でき、破損したＧＮＳＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ＳａｔｅｌｌｉｔｅＳｙｓｔｅｍ） をバックアップするのに使用でき、他のユーザーのＧＮＳＳの一貫性をチェックでき、ダイレクトシーケンス拡散スペクトラム通信を支持し、「遠近」問題に対応するのに使用できる。
【００２８】
【詳細な説明】
本発明は、従来のマルチ素子アンテナによるアンテナ応答をセクター化することによって、モードＳシステムの能力を増加させる。ＴＣＡＳ（ｔｒａｆｆｉｃａｌｅｒｔ ＆ ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ａｖｏｉｄａｎｃｅ ｓｙｓｔｅｍ：衝突回避警報装置）は航空機に指向性アンテナを具備させる。ＴＣＡＳとモードＳを搭載した航空機では、ＴＣＡＳとモードＳが４２９バスを介して内部通信する。モードＳは、２２高、４分の１波長の、単一素子スタブアンテナを使用する。ＴＣＡＳは、アンテナアレイを使用する。これらのアレイの１つは、９２直径と航空機スキン上の約１２の突出を有するフリスビーのように幾分見える。アンテナは、方向を向けられ受信信号の方位を推定する。モードＳアンテナのコストは、＄１５０以下位である。ＴＣＡＳアンテナのコストは、＄１０Ｋ位である。また、ＴＣＡＳアンテナは、特定のＴＣＡＳプロセッサに適合しなくてはいけない。
【００２９】
本発明は、基本的なモードＳアンテナを使用するが、それらのより多くを追加し、信号アンサンブルを電子的に処理する。エレクトロニクスのコストは減少し続け、益々複雑で迅速な信号処理の能力は成長し続ける。一層高密度環境で動作するために、必要に応じてより多くのアンテナ素子を加えることができよう。大雑把に言えば、Ｎ個のアンテナ素子が与えられるとすると、Ｎ−１個のヌルを向けることが可能である。
【００３０】
本発明の航空機の高密度環境用デジタル受信システムは、モードＳ のＡＤＳ−Ｂシステムの能力を増加させ、Ｌｏｓ ＡｎｇｌｅｓＢａｓｉｎ ｔｒａｆｆｉｃ ｍｏｄｅｌに基づくような大混雑した空域内で効果的に機能させ得る信号処理・受信の構成を使用する。その動作は、次の通りである。
（１）図３を参照すると、アンテナ素子アレイ１０を航空機上に設置する。
（２）各アンテナ素子１０の出力を前置増幅器１２で増幅する。
（３）各前置増幅器１２の出力を、局部発振器（図示せず）使用してダウンコンバーター１４でダウン変換する。
（４）各ダウンコンバーター１４の出力をフィルタ１６でフィルタ処理し、帯域外信号エネルギを除去する。
（５）フィルタ１６の出力を、マルチプレクサ１８を介して順次、周期的に高速アナログ・デジタル変換器（Ａ／Ｄ）２０へ接続する。Ａ／Ｄ変換器２０は、フィルタ１６の出力をサンプリング処理して、各フィルタ出力に対して、タイムオフセットサンプル対を生成する。代わりの実施例では、別個のＡ／Ｄ変換器３６を各アンテナ素子からの各信号に対して設けて、その出力をデジタルマルチプレクサへ接続する。
（６）タイムオフセットサンプルの１つを、ヒルベルト変換フィルタ２２でヒルベルト変換し、直角Ｉ‐Ｑサンプル対を生成する。
（７）このサンプル対を２つのカスケード接続されたメモリ／バッファ部２４および２６に記憶する。
（８）表面弾性波（ＳＡＷ）フィルタ２８、或いはそれに相当するフィルタが、スクイッタープリアンブルの存在を常に探す。即ち、単一の、それ故に殆ど無指向性のアンテナ素子のコヒーレント出力を、絶えずスクイッタープリアンブルサインとコンボルバ処理する。表面弾性波フィルタ２８の出力を、コントローラ部３０へ入力する。
（９）デジタル信号処理部３２は、コントローラ部３０とインターフェイスし、モードＳ受信機３４へ出力を供給する。
（１０）コントローラ部３０は、幾つかの処理部に対して責任を持つ。表面弾性波フィルタ２８が、スクイッタープリアンブルの存在を通知すると、
ａ．コントローラ部３０は、最も右のメモリ／バッファ部２６にモードＳメッセージを隔離し、処理が完成するまでモードＳメッセージをそこに保持する。
ｂ．コントローラ部３０は、デジタル信号処理部３２に指令して、隔離したモードＳ信号の信号対雑音比を最大にするために、全てのアンテナ素子サンプルの複合重みを調整させる。これを実行する多数のアルゴリズムがある。例えば、プリアンブルは知られているので、適応ビーム形成アルゴリズムあるいは決定指向サーチを案内するのにコントローラ部３０を使用できる。
ｃ．信号対雑音比が一旦最大にされると、コントローラ部３０は、デジタル信号処理部３２に、浄化されたモードＳメッセージをモードＳ受信機３４へ出力するように命令して、メモリ／バッファ部２４および２６のカスケード動作を再開させる。
【００３１】
デジタル信号処理部３２の機能は一般に周知であり、モードＳ信号の受信後、デジタル信号処理部３２は、別個のアンテナ素子の信号に対するデジタル信号の複合重みを処理し調整して、受信したモードＳ信号の信号対雑音比を最大にする。
【００３２】
コントローラ部３０は、基本的に、メモリ／バッファ部２４、２６およびデジタル信号処理部３２によって実行される機能を制御する。コントローラ部３０は、メモリ／バッファ部２４、２６およびデジタル信号処理部３２を制御する。コントローラ部３０は、スクイッタープリアンブルの検出信号をスクイッターフィルタ２８から受信すると、メモリ／バッファ部２４、２６を制御して、第２のメモリ／バッファ部２６にモードＳ信号を隔離し、処理が完成するまでモードＳ信号をそこに保持する。コントローラ部３０は、デジタル信号処理部３２に指令して、全てのアンテナ素子サンプルの複合重みを調整すべく処理を開始させ隔離したモードＳ信号の信号対雑音比を最大にさせる。デジタル信号処理部３２が処理を完成し信号対雑音比を最大にした後、コントローラ部３０は、デジタル信号処理部３２に、モードＳ信号をモードＳ受信機３４へ出力するように指令し、さらにメモリ／バッファ部２４および２６に正常逐次動作を再開するように指令する。
【００３３】
デジタル信号処理部３２によって多くの可能なアルゴリズムが実行される。例えば、モードＳメッセージのプリアンブルについて到着の方向を推定する場合、他のメッセージを拒絶できよう。拒絶は一時的になり得よう。即ち、後者のメッセージを後続処理に遅らせ得るか、或いは、処理用並行連鎖へ回すことができよう。拒絶には、メッセージ送信機の方向において応答制約を使用する電力最小化技術を使用できる。
【００３４】
本発明は、大変重要な１次的および２次的利益をもち、拡張可能であり、現存の装備を最大限まで使用するようなＡＤＳ−Ｂ機能の実現化への明確でコスト効果のある路を提供できる。本発明の利益を要約すると、本発明の１次的利益は、拡張可能であり、能力増加のため連続的にアップグレード可能であり、逆行的に併用可能であり、製造コストが比較的低く、世界的周波数スペクトラムの割振りと是認を示し、トランスポンダーモードＳシステムはよく知られ受け入れられていて、また、利得方向を減衰させ、マルチパスを対向させ相殺するのに使用できる。
【００３５】
本発明の２次的利益は、重要な実現可能なアパーチャを可能にする短波長の周波数に使いやすく、アンテナ素子の能動制御が無く、例えば、構成移相器が無く、安全を提供し、例えば、妨害または不良送信機を容易に相殺でき、破損したＧＮＳＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ＳａｔｅｌｌｉｔｅＳｙｓｔｅｍ） をバックアップするのに使用でき、他のユーザーのＧＮＳＳの一貫性をチェックでき、ダイレクトシーケンス拡散スペクトラム通信を支持し、「遠近」問題に対応するのに使用できる。
本発明の航空機の高密度環境用デジタル受信システムの幾つかの実施例と変更を詳細に説明したが、本発明の開示と教示が当業者に多くの代替設計を示唆することは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】３つのケース（ケースＩ：ｘ＝９， ｎ３＝６； ケースＩＩ：ｘ＝１８，ｎ３＝１２； ケースＩＩＩ：ｘ＝１４４， ｎ３＝９６）に対して、特定のスクイッターが正しく受信される確率のグラフである。
【図２】３つのケース（ケースＩ：ｘ＝９， ｎ３＝６； ケースＩＩ：ｘ＝１８，ｎ３＝１２； ケースＩＩＩ：ｘ＝１４４， ｎ３＝９６）に対して、少なくとも１つのスクイッターが正しく受信される確率のグラフである。
【図３】本発明に関する航空機の高密度環境用デジタル受信システムの一実施例の略ブロック図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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