(57)【要約】【課題】航空機から送信された信号の反射信号を利用して航法支援する。【解決手段】レーダ装置は、受信部と、相関処理部と、演算部とを備える。受信部は、アンテナを介して、第１航空機から送信された拡張スキッタをΩチャンネルで受信するとともに、当該拡張スキッタが第２航空機で反射した反射信号をΣチャンネル及びΔチャンネルで受信する。相関処理部は、受信部が受信した拡張スキッタと当該拡張スキッタの反射信号との遅延時間を求める。演算部は、受信部が受信した拡張スキッタと、当該拡張スキッタの反射信号を受信した際のアンテナの回転角度と、相関処理部で求められた遅延時間とを利用して、他の航空機の位置を推定する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンテナを介して、第１航空機から送信された拡張スキッタをΩチャンネルで受信するとともに、当該拡張スキッタが第２航空機で反射した反射信号をΣチャンネル及びΔチャンネルで受信する受信部と、
前記受信部が受信した拡張スキッタと当該拡張スキッタの反射信号との遅延時間を求める相関処理部と、
前記受信部が受信した拡張スキッタと、当該拡張スキッタの反射信号を受信した際の前記アンテナの回転角度と、前記相関処理部で求められた遅延時間とを利用して、前記他の航空機の位置を推定する演算部と、
を備えることを特徴とするレーダ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、航空機から送信された信号の反射信号を受信するレーダ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
航空機は、飛行の安全を図るため、質問信号や応答信号を送受信するモードＳ二次監視レーダ装置等のレーダ装置を利用して監視されている。また、航空機同士の衝突を防止するために航空機同士で位置情報を交換する放送型自動従属監視（ＡＤＳ−Ｂ：Automatic Dependent Surveillance-Broadcast）も利用されている。
【０００３】
一方、モードＳ二次監視レーダ装置と信号の送受信が可能な航空機ばかりでなく、モードＳ二次監視レーダと信号の送受信を行うトランスポンダを備えていない航空機もある。このような航空機の場合、地上のレーダ装置ではトランスポンダを搭載しない航空機の飛行を把握することが困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１０６２９号公報
【特許文献２】特開２０００−１３７０７３号公報
【特許文献３】特開平５−１４２３４１号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】“Aeronautical Telecommunications，ANNEX10，VOLUMEＩＶ”，Surveillance Radar and Collision Avoidance Systems，1996年７月，ICAO
【非特許文献２】“ＳＳＲモードＳ概説書”，平成14年12月，国土交通省航空局管制保安部無線課
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したように、モードＳ二次監視レーダでは、飛行を監視できない航空機が存在することがあった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の実施形態に係るレーダ装置は、受信部と、相関処理部と、演算部とを備える。受信部は、アンテナを介して、第１航空機から送信された拡張スキッタをΩチャンネルで受信するとともに、当該拡張スキッタが第２航空機で反射した反射信号をΣチャンネル及びΔチャンネルで受信する。相関処理部は、受信部が受信した拡張スキッタと当該拡張スキッタの反射信号との遅延時間を求める。演算部は、受信部が受信した拡張スキッタと、当該拡張スキッタの反射信号を受信した際のアンテナの回転角度と、相関処理部で求められた遅延時間とを利用して、他の航空機の位置を推定する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施形態に係るレーダ装置が受信する信号を説明する概略図である。
【図２】実施形態に係るレーダ装置の構成を説明するブロック図である。
【図３】図１のレーダ装置での演算を説明する概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に、図面を用いて実施形態に係るレーダ装置について説明する。実施形態に係るレーダ装置は、航空機から送信された送信信号が他の航空機に反射した反射信号を受信して解析して航空機を監視する装置である。以下では、実施形態に係るレーダ装置が航空機との間で信号の送受信を行って航空機を監視するモードＳ二次監視レーダ装置に備えられているものとして説明するが、質問は送信せず、反射信号を利用して航空機を監視する機能のみを備えていても実現することができる。
【００１０】
具体的には、図１に示すように、実施形態に係るモードＳ二次監視レーダのアンテナ１０は、第１航空機２００が送信した拡張スキッタＳ１を受信するとともに、拡張スキッタＳ１が他の航空機である第２航空機２０１を反射した反射信号Ｓ２を受信する。ここで、モードＳ二次監視レーダのアンテナ１０は、ＩＮＴパターン（Σパターン）３００、モノパルスパターン（Δパターン）３０１、全周パターン（Ωパターン）３０２で信号を受信する。
【００１１】
Σパターン３００では、指向性があるが、信号の受信感度が高い。一方、Ωパターン３０２では、無指向性であるが、信号の受信感度が低い。また、反射信号Ｓ２は、拡張スキッタＳ１が第２航空機２０１で反射した信号であるため、拡張スキッタＳ１よりも電力が小さい。したがって、アンテナ１０は、受信感度の低いΩパターン３０２では、第１航空機２００が送信した拡張スキッタＳ１を受信することができるが、拡張スキッタＳ１より電力の小さい反射信号Ｓ２を受信することはできない。したがって、アンテナ１０は、受信感度の高いΣパターン３００やΔパターン３０１でのみ反射信号Ｓ２を受信することができる。
【００１２】
図２に示すように、実施形態に係るモードＳ二次監視レーダ１は、アンテナ１０を介してΣパターン、Δパターン、Σパターンの信号を受信する受信部１１と、受信部１１がΣパターンで受信した信号とΩパターンで受信した信号の相関を求める相関処理部１３と、Ωパターンで受信した信号をデコードするデコーダ１４と、受信部１１の処理結果、相関処理部１３の処理結果及びデコーダ１４の処理結果を利用して航空機の位置を推定する演算部１５と、航空機の情報を蓄積して記憶する蓄積データ記憶部１６と、演算部１５の処理結果を利用して航空機を追随する追随部１７と、追随する航空機の情報を記憶する追随データ記憶部１８と、追随部１７の処理結果を表示する表示装置１９と、追随部１７の処理結果を記憶する記憶装置２０とを備えている。
【００１３】
なお、モードＳ二次監視レーダ１は、一般的なモードＳ二次監視レーダが備えるような、質問信号を送信する処理部、受信したモードＳ信号を解析処理する処理部、受信したＡＴＣＲＢＳ信号を解析処理する処理部、解析されたモードＳ信号及びＡＴＣＲＢＳ信号の解析結果からレポートを生成する処理部等を備えているが、図２では省略している。
【００１４】
受信部１１は、一般的なモードＳ二次監視レーダの受信部であって、図２に示すように、アンテナ１０を介して入力するΣパターンの信号と局発１１１からの信号とを混合するミキサ１１２と、混合された信号を増幅するアンプ１１３と、増幅された信号を帯域調整するフィルタ１１４と、帯域調整された信号を対数調整（圧縮又は拡張）するログアンプ１１５と、アンテナ１０を介して入力するΔパターンの信号と局発１１１からの信号とを混合するミキサ１１６と、混合された信号を増幅するアンプ１１７と、増幅された信号を帯域調整するフィルタ１１８と、帯域調整された信号を対数調整（圧縮又は拡張）するログアンプ１１９と、Σパターンの信号とΔパターンの信号を利用して信号の位相の符号を判定する位相検波手段１２０と、判定された位相の符号を利用して信号のビーム内角度を決定するＯＢＡ演算手段１２１と、決定したビーム内角度とアンテナ１０から入力するアンテナ１０の機械的指向角を加算して絶対値であるアンテナ１０の回転角度を求める加算器１２２と、アンテナ１０を介して入力するΩパターンの信号と局発１１１からの信号とを混合するミキサ１２３と、混合された信号を増幅するアンプ１２４と、増幅された信号を帯域調整するフィルタ１２５と、帯域調整された信号を対数調整（圧縮又は拡張）するログアンプ１２６とを備えている。
【００１５】
相関処理部１３は、ログアンプ１１５から出力されたΣパターンの信号と、ログアンプ１２６から出力されたΩパターンの信号とを入力し、相関を求めてΣパターンの信号とΩパターンの信号との遅延量である時間的相関を求める。すなわち、図１に示す例で第１航空機２００が送信した拡張スキッタＳ１は、Ωパターン３０２で受信される。一方、第２航空機２０１で拡張スキッタＳ１が反射した反射信号Ｓ２は、Σパターン３００で受信される。また、反射信号Ｓ２は拡張スキッタＳ１が反射した信号であるため、拡張スキッタＳ１の内容と反射信号Ｓ２の内容は同一である。したがって、相関処理部１３は、Σパターンの信号とΩパターンの信号とから同一信号の時間的相関を求めることで、拡張スキッタＳ１受信から反射信号Ｓ２受信までの遅延時間を求めることができる。
【００１６】
デコーダ１４は、ログアンプ１２６から入力したΩパターンの信号を入力し、デコードする。すなわち、デコーダ１４は、第１航空機２００が送信した拡張スキッタＳ１をデコードする。したがって、デコーダ１４のデコード結果には、第１航空機２００のモードＳアドレス、位置情報等が含まれる。
【００１７】
演算部１５は、受信部１１からアンテナ１０の回転角度を入力し、相関処理部１３から時間的相関を入力し、デコーダ１４からΩパターンの信号のデコード結果を入力すると、入力したデータ及び時刻発生手段２１で発生した時刻を蓄積データ記憶部１６の蓄積データに追加するとともに、蓄積データから第１航空機２００の過去のデータを抽出して利用することで拡張スキッタＳ１を反射した第２航空機２０１の位置を推定する。ここで、受信部１１、相関処理部１３及びデコーダ１４における処理に要する時間は把握することができるため、演算部１５は、時刻発生手段２１から入力する時刻を利用して信号を受信した時刻を求めることができる。
【００１８】
拡張スキッタＳ１を送信した第１航空機２００の位置情報は、拡張スキッタＳ１に含まれているため、モードＳ二次監視レーダ１で把握することができる。一方、第２航空機２０１で反射された反射信号Ｓ２に含まれている位置情報は第１航空機２００の位置情報であって、第２航空機２０１の位置情報は含まれていないため、モードＳ二次監視レーダ１は把握することができない。したがって、演算部１５は、得られた情報から、第２航空機２０１の位置を推定する。
【００１９】
例えば、アンテナ１０、第１航空機２００、第２航空機２０１の位置関係は、図３に示すような三角形で表される。図３は、第１航空機２００と第２航空機２０１間を距離Ｒ１、第２航空機２０１とアンテナ１０間を距離Ｒ２、第１航空機２００とアンテナ１０間を距離Ｒ３とし、アンテナ１０と第１航空機２００及び第２航空機２０１で形成する角度をθ１とした例である。
【００２０】
まず、演算部１５は、第１航空機２００とアンテナ１０の位置から、距離Ｒ３を求める。すなわち、アンテナ１０は固定であるため、演算部１５は、予めアンテナ１０の位置を把握している。また、第１航空機２００が送信した拡張スキッタＳ１は第１航空機２００の位置を含んでいることから、演算部１５は、デコーダ１４のデコード結果から第１航空機２００の位置を把握することができる。
【００２１】
また、演算部１５は、距離Ｒ３と、拡張スキッタＳ１の受信から反射信号Ｓ２の受信までの遅延時間とから、「距離Ｒ１＋距離Ｒ２」を求める。すなわち、演算部１５は、相関処理部１３の求めた時間的相関から、拡張スキッタＳ１の受信から反射信号Ｓ２の受信までの遅延時間を把握することができる。この遅延時間と距離Ｒ３とを利用して、演算部１５は、距離Ｒ１＋距離Ｒ２を求める。
【００２２】
さらに、演算部１５は、加算器１２２から、Σパターンの信号とΔパターンの信号を利用したモノパルス測角とアンテナ１０の回転角度θを利用して求められた第２航空機２０１の精密な方位角度θ１を入力する。
【００２３】
その後、演算部１５は、距離Ｒ３と、距離Ｒ１＋距離Ｒ２と、角度θ１とから、距離Ｒ２を求める。ここで、演算部１５は、アンテナ１０から距離Ｒ２の位置に第２航空機２０１が存在すると推定することができる。一方、第２航空機２０１の位置は二次元ではなく三次元であるため、一組の距離Ｒ３、距離Ｒ１＋距離Ｒ２及び角度θ１のみから推定することはできない。したがって、演算部１５は、蓄積データ記憶部１６に記憶される少なくとも二組の異なるタイミングの距離Ｒ３、又は複数の異なる第１航空機２００との距離Ｒ１＋距離Ｒ２及び角度θ１を利用することで、第２航空機２０１の三次元の位置を推定することができる。
【００２４】
演算部１５は、第２航空機２０１の位置を推定すると、第２航空機２０１の推定位置を追随部１７に出力する。
【００２５】
ここで、探知距離Ｒ２は、受信電力Ｐｒにより決定される。一般的な航空機の信号の送信電力Ｐｔは、５００Ｗ（５７ｄＢｍ）程度である。したがって、図３に示すように、第１航空機２００から第２航空機２０１までの到達電力はＰｔ／（４π（Ｒ１）2）であり、第２航空機２０１のＲＣＳ（散乱断面積）をσとすると、アンテナまでの到達電力は、（Ｐｔ／（４π（Ｒ１）2））・（σ／（４π（Ｒ２）2））となる。また、アンテナ１０のゲインをＧｒとすると、アンテナの受信効率はＧｒλ2／（４π）となる。その結果、アンテナ１０の受信電力Ｐｒは、式（１）で求められる。
【００２６】
Ｐｒ＝（Ｐｔ／（４π（Ｒ１）2））・（σ／（４π（Ｒ２）2））・（Ｇｒλ2／（４π））…（１）
ここで、最小受信感度Ｓｍｉｎ＜Ｐｒが受信可能な領域だとすると、モードＳ二次監視レーダ１で制御可能なパラメータはゲインＧｒ及び最小受信感度Ｓｍｉｎのみである。また、距離Ｒ２を伸ばすには、アンテナ１０のゲインＧｒを上げるか、最小受信感度Ｓｍｉｎを上げる必要がある。したがって、所望の距離Ｒ２を得るためには、最小受信感度Ｓｍｉｎ及びアンテナ１０のゲインＧｒを最適にする必要がある。
【００２７】
蓄積データ記憶部１６に記憶される蓄積データは、デコーダ１４でデコードされた拡張スキッタＳ１と、相関処理部１３から入力した当該拡張スキッタＳ１に対応する反射信号Ｓ２の遅延時間と、当該反射信号Ｓ２を受信した際のアンテナの角度θ１とを含むデータである。
【００２８】
蓄積データ記憶部１６では、航空機の位置の推定に有効なデータのみ記憶していればよい。したがって、蓄積データでは、アンテナ１０が信号受信に利用するビーム幅分のデータのみ含んでいる。また、演算部１５は、ビーム幅外になったデータを蓄積データから削除する。具体的には、アンテナ１０が１５ｒｐｍで回転し、Σビーム幅が２．５°の場合、演算部１５は、受信後、約２８ｍｓ（６０／１５×２．５／３６０）経過したデータは、蓄積データからデータを削除する。
【００２９】
追随部１７は、第２航空機２０１の推定位置と、この推定位置のデータを入力すると、追随データ記憶部１８から対応する航空機についての情報データを選択し、第２航空機２０１の位置を追随する。このとき、第１航空機２００及び第２航空機２０１の移動方向を推定することができるときには、追随部１７は、移動方向を求めて、追随データ記憶部１８に記憶させてもよい。
【００３０】
また、例えば、追随部１７は、処理結果を表示装置１９に出力して表示させたり、記憶装置２０に出力して記憶させたりする。
【００３１】
追随データ記憶部１８に記憶される追随データは、モードＳ二次監視レーダで反射信号Ｓ２を利用して飛行経路を追随している第２航空機２０１に関するデータである。この反射信号Ｓ２を利用して追随する第２航空機２０１のモードＳアドレスは把握できないため、追尾データでは、反射信号Ｓ２に含まれる拡張スキッタＳ１を送信した航空機のモードＳアドレス及び位置情報とともに、演算部１５で得られた第２航空機２０１の推定位置を含んでいる。また、追随部１７で第１航空機２００や第２航空機２０１の移動方向が求められたときには、移動方向を追加してもよい。
【００３２】
なお、図１及び図３では、拡張スキッタＳ１を送信する航空機は第１航空機２００の１機のみ存在する例で説明したが、拡張スキッタＳ１を送信する航空機が複数存在し、１機の航空機が複数の拡張スキッタＳ１を反射する場合もある。また、拡張スキッタＳ１を反射する航空機は第２航空機２０１の１機のみ存在する例で説明したが、拡張スキッタＳ１を反射する航空機が複数存在する場合もある。このように拡張スキッタＳ１を送信する航空機や反射する航空機が複数存在する場合、追随部１７は、演算部１５で位置が推定された複数の航空機について処理する。
【００３３】
上述したように、実施形態に係る二次監視レーダ１では、拡張スキッタＳ１（Ωパターン）と拡張スキッタＳ１の反射信号Ｓ２（Σパターン）とを利用することで、拡張スキッタＳ１を反射した航空機の位置を把握することができる。すなわち、モードＳ二次監視レーダは、モードＳ二次監視レーダと信号の送受信を行うトランスポンダを有している航空機は、質問応答によって飛行を監視することができる。また、モードＳ二次監視レーダで拡張スキッタを受信して処理するようにすることで、拡張スキッタを送信するトランスポンダを有する航空機の飛行も把握することができる。一方、モードＳ二次監視レーダとの信号の送受信が可能なトランスポンダや拡張スキッタＳ１を送信するトランスポンダを有していない航空機については、飛行の把握が困難であったが、反射信号Ｓ２を利用することでこのようなトランスポンダを未搭載の航空機についても飛行を把握することができる。
【００３４】
さらに、二次監視レーダ１では、質問信号を送信しなくても（電波発射機能を有しない場合でも）、運用することができる。
【００３５】
上記のように、本発明を実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例および運用技術が明らかとなる。また、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。
【符号の説明】
【００３６】
１０…アンテナ
１１…受信部
１１１…局発
１１２，１１６，１２３…ミキサ
１１３，１１７，１２４…アンプ
１１４，１１８，１２５…フィルタ
１１５，１１９，１２６…ログアンプ
１２０…位相検波手段
１２１…ＯＢＡ演算手段
１２２…加算器
１３…相関処理部
１４…デコーダ
１５…演算部
１６…蓄積データ記憶部
１７…追随部
１８…追随データ記憶部
１９…表示装置
２０…記憶装置
２００…第１航空機
２０１…第２航空機
【図１】
2013083542.tif 000003
【図２】
2013083542.tif 000004
【図３】
2013083542.tif 000005