(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
空中線主軸周りで空中線の電波輻射方向を回転させつつ、探知信号の無線送信及び周囲の目標からの反射波の受信と、空中線主軸周りでの電波輻射方向の検出と、対地基準の船体方位の検出とを行い、船体基準で得られている電波輻射方向検出値を船体方位検出値に基づき換算することにより目標が存在する方位である目標方位を検出する目標方位検出方法であって、
空中線として、船体非傾斜時に鉛直方向を向くようその回転軸たる空中線主軸の姿勢が船体に対して固定された空中線であって、空中線主軸を含む面内におけるビーム幅が広く空中線主軸と直交する面内におけるビーム幅が狭いファンビーム指向性を有する空中線を、用いる目標方位検出方法において、
船体傾斜角を検出し、船体傾斜角検出値に基づいて、水平面に対する前記電波輻射方向の傾きを示す縦揺れ角と、前記電波輻射方向に平行な鉛直面に対する前記空中線主軸の傾きを示す横揺れ角と、を算出し、
前記縦揺れ角および前記横揺れ角に基づき、目標方位検出値中の船体傾斜による誤差を補償又は防止することを特徴とする目標方位検出方法。
【請求項２】
請求項１記載の目標方位検出方法において、
前記縦揺れ角および前記横揺れ角に基づいて、目標方位検出値中の船体傾斜による誤差が抑圧されるよう、空中線主軸周りでの電波輻射方向回転速度を変調することを特徴とする目標方位検出方法。
【請求項３】
請求項１記載の目標方位検出方法において、
前記縦揺れ角および前記横揺れ角に基づいて、目標方位検出値中の船体傾斜による誤差が抑圧されるよう、電波輻射方向検出値又は目標方位検出値を補正することを特徴とする目標方位検出方法。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか記載の目標方位検出方法において、
船体上に固定的に設定された複数個所で測位衛星からの信号を受信しその結果を比較又は結合させることにより対地基準の船体方位を検出することを特徴とする目標方位検出方法。
【請求項５】
請求項４記載の目標方位検出方法において、
船体上に固定的に設定された３個所以上で測位衛星からの信号を受信しその結果を比較又は結合させることにより対地基準の船体方位と船体傾斜角とを検出することを特徴とする目標方位検出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、船舶の周囲に存在する目標例えば他の船舶や陸地等を船舶に搭載された空中線により無線探知する際に、その目標の方位を得るために実行される目標方位検出方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から様々な船舶に船舶レーダ装置が搭載され無線探知手段として広く用いられている。船舶レーダ装置は、搭載先船舶上の見晴らしのよい箇所に設置したレーダ空中線を用い、略水平面内における他の物体（「目標」）の存否、距離、方向等を探知して、ＣＲＴ、ＬＣＤ等の表示装置により探知結果を表示する装置である。船舶レーダ装置には様々なものがあるが、多くの船舶レーダ装置においては、レーダ空中線の輻射部を略鉛直な軸（空中線主軸）周りで回動させつつ無線信号の送信及び周囲からの反射波の受信を行うことにより、上掲の探知を行う。周囲に存する目標までの距離は、探知のための無線信号の送信からその目標からの反射波の受信までに要した時間から、また搭載先船舶から見たその目標の方向は、無線信号送信・反射波受信時における空中線主軸周りでの輻射部の角度位置から、知ることができる。
【０００３】
更に、通常、輻射部の角度位置は、空中線主軸に付設したロータリーエンコーダ等の回転センサ・角度センサにより検出することができる。このようにして検出される角度位置は、空中線主軸周りでの角度位置であり、ひいては、搭載先船舶に固定された座標系における目標方向を示している。これは、搭載先船舶を基準とした相対的な方位、より具体的には搭載先船舶の船首方向等搭載先船舶に固有・固定の方向を基準とした相対的な方位である。地球表面に固定された座標系における目標方向即ち目標の絶対方位とは、一般に一致しない。そのため、空中線主軸周りでの輻射部の角度位置の検出値から、目標の絶対方位（以下単に「目標方位」又は「目標の方位」と称する）を求めるには、回転センサ・角度センサが基準としている方向を特定するための情報、例えば船首方位に関する情報を、別途、得る必要がある。その種の情報は、通常、ジャイロコンパス等から得ることができる。
【０００４】
図３に、従来における船舶レーダ装置の一例構成を示す。この図に示す船舶レーダ装置は、レーダ空中線１０、送受信機３０及びレーダ表示装置（指示機）４０を備えている。送受信機３０は、例えば、所定の繰返し周期を有するパルスにて無線信号を変調することにより探知信号を発生させ、導波管２０を介しレーダ空中線１０の輻射部１１（図４参照）に供給し、周囲に無線送信させる。レーダ空中線１０は、搭載先船舶の船体に固定されており、その空中線主軸の向きは、搭載先船舶の船体が傾斜していないときに鉛直方向を向くよう設定されている。レーダ空中線１０は、図示しないモータ及びその駆動回路によって、空中線輻射部１１を空中線主軸周りで定速回転させる。レーダ空中線１０は、このようにその輻射部１１を回転させつつ上述の探知信号送信と目標からの反射波の受信を行う。レーダ空中線１０の受信出力は、導波管２０を介して送受信機３０に供給される。送受信機３０は、この受信信号に周波数変換、増幅等の処理を施すことによって生成したレーダビデオを、レーダ表示装置４０に供給する。レーダ表示装置４０は、このレーダビデオに基づき、目標の存否やその位置等に関する表示、例えばＰＰＩ表示を行う。
【０００５】
また、レーダ表示装置４０の画面上でＰＰＩ表示を行うため、またそれに先だって座標変換や相関処理等を行うため、搭載先船舶の船首方位検出値を示す船首方位信号をジャイロコンパスから、また空中線主軸周りでのレーダ空中線１０の角度位置即ち目標の相対方位を示す空中線方位信号をレーダ空中線１０内の回転センサ・角度センサから、それぞれレーダ表示装置４０に供給する。これら、空中線方位信号と船首方位信号とにより、目標の相対方位を絶対方位に変換することができるため、地球表面固定の座標系による表示（例えば画面上方向を北に固定した表示）を行うことができ、また、過去のレーダビデオと最新のレーダビデオとの相関を検出・強調する相関処理を正しく行うことができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の船舶レーダ装置においては、搭載先船舶の船体が動揺した場合に、目標方位を正しく検出できない、という問題点があった。
【０００７】
まず、レーダ空中線１０のビーム形状は、一般的に、図４及び図５に示すファンビーム形状である。一般に「ファンビーム」とは扇状に広がったビームのことであるが、船舶レーダ装置のレーダ空中線１０におけるそれは、その扇を上下方向に広げたファンビームのことである。より詳細には、空中線主軸及び電波輻射方向を含む平面内におけるビーム幅θVが図４及び図５（ａ）に示されるように広く上下対称の扇形であり、かつ、これと直交し空中線主軸と平行な平面内におけるビーム幅θHが図４及び図５（ｂ）に示すように狭い、という特徴を有している。
【０００８】
空中線主軸及び電波輻射方向を含む平面と直交し空中線主軸と平行な平面、即ち船体非傾斜時に水平となる面における狭いビーム幅θHは、図５（ｂ）から明らかなように、方位分解能を高くすること等を目的としたものである。また、空中線主軸及び電波輻射方向を含む平面、即ち船体非傾斜時に鉛直となる面におけるビーム幅θVを広くするのは、図５（ａ）から明らかなように、波浪等によって多少船体が傾いても目標を捕捉できるためである。捕捉する必要がある目標、例えば他の船舶は、一般に水面に現れている物体であるから、仮に、ビーム幅θH及びθVが共に狭いペンシルビームを用いたとしたら、船体の傾斜により目標を捕捉できなくなることがあろう。このように、目標を確実に探知捕捉しその方位分解能を確保するという要請から、上述のように上下に扇が広がったファンビームを使用する。
【０００９】
図４に示したビーム形状は、概念的には、空中線主軸と平行で電波輻射方向と直交する平面におけるきわめて縦長の楕円（図６（ａ）参照）として把握できる。搭載先船舶の船体が傾斜していないときには、水面上の目標は、図６（ｂ）に示すようにこのビームにより好適に捕捉できる。また、発生している動揺が縦揺れのみ又は横揺れのみである場合も、それぞれ図６（ｃ）又は（ｄ）に示すように、目標を好適に捕捉でき方位ずれは生じない。なお、ここでは、空中線主軸と電波輻射方向を含む平面内における空中線輻射部１１の動揺・傾斜を縦揺れ、それと直交し空中線主軸と平行な平面内における空中線輻射部１１の動揺・傾斜を横揺れと称している。一般にピッチ、ロールと称される船体の縦揺れ（船首方向の揺れ）、横揺れ（船幅方向の揺れ）とは一致しないので、留意されたい。
【００１０】
しかし、空中線輻射部１１に縦揺れ・横揺れが同時発生した場合、即ち図６（ｃ）の揺れと図６（ｄ）の揺れが同時発生した場合、図６（ｅ）に示すように、電波輻射方向が目標の方向と一致しているときには、ビームで目標を捕捉できない。図６（ｆ）に示すように、空中線輻射部１１が空中線主軸周りで回転するにつれ、いずれ目標は捕捉されるに至るけれども、目標が捕捉されたときの電波輻射方向は搭載先船舶から見た目標の方向から外れている。
【００１１】
このような原因によるずれを防ぐ方法として、レーダ空中線１０をいわゆる安定台上に設置し、船体が傾斜しても空中線輻射部１１は傾斜しないようにする、という方法があるが、安定台は鉛直ジャイロ等を使用するため一般に高価である。本発明は、船体の傾斜による目標方位検出誤差を抑えること、特に安定台等の高価な部材を使用せずにそれを達成することを、その目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するため、本発明は、（１）空中線主軸周りで空中線の電波輻射方向を回転させつつ、探知信号の無線送信及び周囲の目標からの反射波の受信と、空中線主軸周りでの電波輻射方向の検出と、対地基準の船体方位の検出とを行い、船体基準で得られている電波輻射方向検出値を船体方位検出値に基づき換算することにより目標が存在する方位である目標方位を検出する目標方位検出方法であって、（２）空中線として、船体非傾斜時に鉛直方向を向くようその回転軸たる空中線主軸の姿勢が船体に対して固定された空中線であって、空中線主軸を含む面内におけるビーム幅θVが広く空中線主軸と直交する面内におけるビーム幅θHが狭いファンビーム指向性を有する空中線を、用いる目標方位検出方法において、（３）船体傾斜角を検出し、船体傾斜角検出値に基づいて、水平面に対する前記電波輻射方向の傾きを示す縦揺れ角と、前記電波輻射方向に平行な鉛直面に対する前記空中線主軸の傾きを示す横揺れ角と、を算出し、前記縦揺れ角および前記横揺れ角に基づき、目標方位検出値中の船体傾斜による誤差を補償又は防止することを特徴とする。
【００１３】
この誤差補償・防止は、例えば、（４）前記縦揺れ角および前記横揺れ角に基づいて、目標方位検出値中の船体傾斜による誤差が抑圧されるよう、空中線主軸周りでの電波輻射方向回転速度を変調することによって、実現する。或いは、（５）前記縦揺れ角および前記横揺れ角に基づいて、目標方位検出値中の船体傾斜による誤差が抑圧されるよう、電波輻射方向検出値又は目標方位検出値を補正することによって、実現する。より好ましくは、船体上に固定的に設定された複数個所で測位衛星からの信号を受信しその結果を比較又は結合させることにより対地基準の船体方位を検出し、更に、船体上に固定的に設定された３個所以上で測位衛星からの信号を受信しその結果を比較又は結合させることにより対地基準の船体方位と船体傾斜角とを検出する。
【００１４】
ここに、空中線輻射部の縦揺れ角（図６（ｃ）参照）をθpとし、空中線輻射部の横揺れ角（図６（ｄ）参照）をθrとすると、目標方位検出誤差（図６（ｆ）中の「方位ずれ」）Δａｚは、θp・ｓｉｎθrとなる。
【００１５】
本発明においては、横揺れ角θr及び縦揺れ角θpを船体傾斜角から算出できること（図６参照）、船体傾斜角は傾斜センサにより検出できることに、着目している。即ち、本発明においては、船体傾斜角検出値に基づき目標方位検出誤差Δａｚを補償又は防止している。これにより、安定台を用いることなく目標方位検出誤差Δａｚを軽減できる。更に、この効果は、空中線主軸周りでの電波輻射方向回転速度を変調することによっても、電波輻射方向検出値又は目標方位検出値を補正することによっても、得ることができる。更に、船体上にＧＰＳ受信機等の測位装置を複数個固定的に配置し、それらの出力を比較又は結合させることによって、或いはＧＰＳジャイロ又はそれに類する機器を使用することによって、船体の方位や傾斜を検出し、本発明にて利用することができる。ＧＰＳ等衛星を利用した測位装置であれば、地磁気の影響を受けないため磁北極、磁南極等の近傍でもその効果を期待できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態に関し図面に基づき説明する。なお、図３に示した従来技術と同様の又は対応する構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１７】
図１に、本発明の一実施形態に係る船舶レーダ装置の構成を示す。本実施形態に係る船舶レーダ装置は、レーダ空中線１０Ａ、送受信機３０及びレーダ表示装置（指示機）４０Ａを備えている。レーダ空中線１０Ａは、船舶上の見晴らしの良い箇所に設置されている。安定台等は使用する必要がない。また、レーダ空中線１０Ａは導波管２０によって送受信機３０と接続されている。送受信機３０にて発生させた探知信号は導波管２０を介してレーダ空中線１０Ａに供給され周囲に無線送信される一方、レーダ空中線１０Ａにより受信された反射波は導波管２０を介して送受信機３０に供給される。なお、導波管２０を廃止し、レーダ空中線１０Ａと送受信機３０とを一体化してもかまわない。送受信機３０とレーダ表示装置４０Ａとの一体化も可能である。
【００１８】
本実施形態にて特徴的なところは、ＧＰＳ受信装置５０から得られるＧＰＳ方位信号及び傾斜信号に基づきレーダ空中線１０Ａにおける空中線輻射部１１の回転速度が変調されること、またこれらＧＰＳ方位信号及び傾斜信号に基づきレーダ表示装置４０ＡにおけるＰＰＩ表示が行われることにある。
【００１９】
図２に、レーダ空中線１０Ａ、特に空中線輻射部１１を駆動するための回路を示す。空中線輻射部１１は空中線主軸１５に連結されており、空中線主軸１５は船体非傾斜時に鉛直方向を向くようその姿勢が船体に対し固定されている。空中線駆動モータ１４は、モータ駆動回路１３によって駆動され、空中線主軸１５周りで空中線輻射部１１を回転させる。モータ駆動回路１３は、空中線回転信号発生部１８から供給される空中線回転信号に従い、空中線駆動モータ１４を駆動する。この空中線回転信号は、空中線回転角度の制御目標に対する検出値の誤差を示す信号であり、この空中線回転信号に従い空中線駆動モータ１４を駆動することによって、空中線回転角度が（角度）位置制御されることとなる。なお、ここで空中線回転角度と称しているのは、船体基準の方向例えば船首方向を基準とする電波輻射方向、言い換えれば空中線主軸の周における基準角度位置に対し空中線輻射部１１の電波輻射方向がなす角度のことである。
【００２０】
この位置制御に必要な情報即ち空中線回転信号を発生させるのに必要な情報のうち、空中線回転角度の検出値は、ロータリーエンコーダ１６及び空中線回転角度検出部１７から得られる。ロータリーエンコーダ１６は空中線回転角度を検出するためのセンサであり、空中線主軸１５に付設されている。ロータリーエンコーダ１６から得られる信号は、例えば、空中線輻射部１１が基準角度位置例えば船首方向を向いたことを示す信号や空中線回転角度が所定微小角度変化したことを示す信号である。空中線回転角度検出部１７は、空中線方位信号から空中線回転角度を検出し、これを空中線回転信号発生部１８に供給する。空中線回転信号発生部１８は、この空中線回転角度検出値を目標値から減ずることによって制御誤差を求め、求めた制御誤差に応じて前掲の空中線回転信号を発生させる。このように、空中線回転角度に関しては、フィードバックループが形成されている。
【００２１】
また、位置制御に必要な情報即ち空中線回転信号を発生させるのに必要な情報のうち、空中線回転角度の目標値は、演算部１９から空中線回転信号発生部１８に与えられる。演算部１９では、定速回転信号発生部１２から与えられる各速度ω及び方位信号傾斜信号再生部５２から与えられる補正角θGPSとに基づき、空中線回転信号を発生させる。即ち、定速回転信号発生部１２は、船体が傾斜していないときに空中線主軸１５周りで即ち船体基準で空中線輻射部１１が定速回転するよう、空中線主軸１５周りでの空中線輻射部１１の回転角速度ωを指令する。演算部１９においては、空中線主軸１５周りでの空中線輻射部１１の角度位置即ち空中線回転角度の瞬時値が位相値でωｔ＋θGPSとなるよう、目標値を決定して空中線回転信号発生部１８に供給する。
【００２２】
補正角θGPSは、方位信号傾斜信号再生部５２が、ＧＰＳ受信装置５０からの傾斜信号に基づき発生させる。ＧＰＳ受信装置５０は、例えば、ＧＰＳ衛星からの信号を受信するためのＧＰＳアンテナ５１（及び若干の回路）を複数組備え、船体に固定された装置であり、搭載先船舶の船体の方位を示すＧＰＳ方位信号（例えば船首方位を示す信号）や、搭載先船舶の船体の傾斜を示す傾斜信号を、出力する。即ち、船体に対する各ＧＰＳアンテナ５１の位置関係やＧＰＳアンテナ５１相互の位置関係は既知であるため、各ＧＰＳアンテナ５１により捕捉した信号の位相値を調べることで、或いは各ＧＰＳアンテナ５１による受信結果から個別に導出した測位結果を比較することで、ＧＰＳ方位信号及び傾斜信号を発生させることができる。方位信号傾斜信号再生部５２は、傾斜信号から空中線輻射部１１の傾斜角度を求め、それらから更に補正角θGPSを求めて演算部１９に供給する。ここに、傾斜信号は船体の傾斜角度即ち一般にピッチ、ロールと称される角度を示す信号であるため、船体に対する空中線輻射部１１の電波輻射方向の角度、即ち空中線回転角度がわかれば、傾斜信号から空中線輻射部１１の傾斜角度即ち図６中のθr及びθPを導出できる。本実施形態の場合、空中線回転角度検出部１７、演算部１９又は定速回転信号発生部１２から空中線回転角度の検出値、目標値又は概略値（非傾斜時値）を得て、傾斜信号からθr及びθPを導出する。更に、方位信号傾斜信号再生部５２は、θr及びθPから前掲の式により船体傾斜による方位ずれΔａｚを推定し、その結果を補正角θGPSとして出力する。その際、ＧＰＳ方位信号によって与えられる船首方位、即ち基準方位に対する船首方向のずれを減算することで、補正角θGPSを対地基準で与えることができる。
【００２３】
結果として、空中線回転信号は、補正角θGPSにより位相変調された信号となる。従って、空中線主軸１５周りでの空中線輻射部１１の回転速度は、空中線輻射部１１が船体傾斜に応じて不等速回転するよう、変調される。従って、本実施形態によれば、図６（ｆ）に示した方位ずれΔａｚが補償された空中線方位信号が得られる。ＧＰＳ方位信号に基づき補正角θGPSが対地基準で与えられていれば、空中線方位信号は、対地基準の信号即ち電波輻射方向を（真北等を基準とした）方位で与える信号となる。レーダ表示装置４０Ａにおいては、ＧＰＳ受信装置５０からのＧＰＳ方位信号及び傾斜信号やレーダ空中線１０Ａからの空中線方位信号を利用して、真運動表示（真北等を基準としたＰＰＩ表示）や相関処理を行う。方位ずれΔａｚが補償されているため、これらの表示・処理を従来に比べて正確に行える。傾斜による方位ずれΔａｚが原因となって発生する様々な問題点、即ち動揺時における画面上での目標映像の「飛び」も防止できる。ＡＲＰＡ等、目標の追尾やその危険性判断を行う装置では、これにより、格段に精度及び信頼性が高まる。空中線方位信号が対地基準で与えられれば、真運動表示等のための座標変換処理特に船首方位分の回転変換処理が不要になるため、レーダ表示装置４０Ａが負うべき処理負担が軽減され、また、真方位表示情報のみ保持すればよいため、レーダ表示装置４０Ａにおけるメモリ使用量を低減できかつ映像フレーム間の相関処理を容易かつ正確に実行できる。これは、映像のＳＮ比の改善につながる。ＧＰＳ受信装置５０をいわばジャイロ兼傾斜センサとして用いているため、極地では使用できないという不具合もない。
【００２４】
また、本実施形態では空中線回転信号を発生させる基になる空中線回転角度目標値を、傾斜や船首方位に応じて位相変調することによって、目的を達成している。変調の対象を、目標値ではなく検出値としてもよいし、空中線回転信号（制御誤差値）としてもよい。また、空中線回転制御自体は従来通り行い、方位信号傾斜信号再生部５２の出力により空中線方位信号を補正してレーダ空中線１０Ａから出力するようにしてもよい。或いは、レーダ空中線１０Ａ自体は従来のレーダ空中線１０と同じ構成とし、レーダ表示装置４０Ａ内でこの補正を行うようにしてもよい。更に、周波数やビーム幅が異なるレーダ空中線・送受信機によるレーダビデオレーダを合成して表示する際に本発明を適用することも可能であり、その場合、高精度な映像合成という効果が発生する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施形態に係る船舶レーダ装置の構成を示す図である。
【図２】  本実施形態における空中線駆動原理を示すブロック図である。
【図３】  従来における船舶レーダ装置の一例構成を示す図である。
【図４】  船舶レーダ装置における典型的なビーム形状を示す図である。
【図５】  このビーム形状の所以を示す図であり、特に（ａ）は垂直ビーム幅設定の、（ｂ）は水平ビーム幅設定の理由を示す図である。
【図６】  船体傾斜による目標方位検出誤差の発生原理及びその対策原理を示す図であり、特に（ａ）はビーム断面を、（ｂ）は非傾斜時における目標捕捉状態を、（ｃ）は輻射部縦揺れ時における目標捕捉状態を、（ｄ）は輻射部横揺れ時における目標捕捉状態を、（ｅ）は輻射部縦横揺れ時における目標捕捉状態を、（ｆ）は方位ずれを、それぞれ示す図である。
【符号の説明】
１０Ａ  レーダ空中線、１１  空中線輻射部、１２  定速回転信号発生部、１３  モータ駆動回路、１４  空中線駆動モータ、１５  空中線主軸、１６  ロータリーエンコーダ、１７  空中線回転角度検出部、１８  空中線回転信号発生部、１９  演算部、３０  送受信機、４０Ａ  レーダ表示装置（指示機）、５０  ＧＰＳ受信装置、５１  ＧＰＳアンテナ、５２  方位信号傾斜信号再生部。
【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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