特許 7261933 電波方向探知システム及び電波方向探知方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-04-12

(45)【発行日】2023-04-20

(54)【発明の名称】電波方向探知システム及び電波方向探知方法

(51)【国際特許分類】

   G01S 5/02 20100101AFI20230413BHJP

   G01S 3/48 20060101ALI20230413BHJP

【ＦＩ】

G01S5/02 Z

G01S3/48

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2022502758

(86)(22)【出願日】2020-02-28

(86)【国際出願番号】 JP2020008235

(87)【国際公開番号】W WO2021171535

(87)【国際公開日】2021-09-02

【審査請求日】2022-06-10

(73)【特許権者】

【識別番号】000001122

【氏名又は名称】株式会社日立国際電気

(74)【代理人】

【識別番号】100116687

【弁理士】

【氏名又は名称】田村 爾

(74)【代理人】

【識別番号】100098383

【弁理士】

【氏名又は名称】杉村 純子

(74)【代理人】

【識別番号】100155860

【弁理士】

【氏名又は名称】藤松 正雄

(72)【発明者】

【氏名】小幡 公

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 安彦

【審査官】藤田 都志行

(56)【参考文献】

【文献】特表２０１７－５０４７８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００８／０１８６２３５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２００７－２５６００４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０２－１４０６８０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｓ ３／００－ ３／７４

Ｇ０１Ｓ ５／００－ ５／１４

Ｇ０１Ｓ １９／００－１９／５５

Ｈ０４Ｂ ７／２４－ ７／２６

Ｈ０４Ｗ ４／００－９９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電波の到来方向を推定する電波方向探知システムにおいて、
互いに独立して移動可能な複数の移動局であって、各々が、前記電波を受信するアンテナを有すると共に、前記アンテナの位置の測定と、前記電波の受信信号と移動局間で同期されたローカル周波数との位相差の検出とを行う複数の移動局と、
前記複数の移動局の各々により得られた前記アンテナの位置及び前記受信信号の位相差に基づいて、前記電波の到来方向を推定する機能を持つ電波方向探知装置とを備えたことを特徴とする電波方向探知システム。

【請求項2】

請求項１に記載の電波方向探知システムにおいて、
前記複数の移動局の少なくとも１つが、前記電波方向探知装置を備えることを特徴とする電波方向探知システム。

【請求項3】

請求項１に記載の電波方向探知システムにおいて、
前記複数の移動局のうちのいずれか１つが、移動局間でローカル周波数を同期させるための同期信号を送信し、
前記同期信号を受信した他の移動局が、自局のローカル周波数を前記同期信号の送信元に同期させることを特徴とする電波方向探知システム。

【請求項4】

請求項３に記載の電波方向探知システムにおいて、
前記他の移動局は、受信した同期信号と予め記憶された信号パターンとの相関を算出し、相関が最大となるタイミングに自局のローカル周波数の位相を揃えることを特徴とする電波方向探知システム。

【請求項5】

電波の到来方向を推定する電波方向探知方法において、
互いに独立して移動可能な複数の移動局であって、前記電波を受信するアンテナを有する複数の移動局の各々が、自局のアンテナの位置の測定と、前記電波の受信信号と移動局間で同期されたローカル周波数との位相差の検出とを行い、
電波方向探知装置が、前記複数の移動局の各々により得られた前記アンテナの位置及び前記受信信号の位相差に基づいて、前記電波の到来方向を推定することを特徴とする電波方向探知方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電波の到来方向を探知する電波方向探知システムに関する。

【背景技術】

【0002】

電波の到来方向を探知する技法の１つとして、インターフェロメータ方探技法がある。図４は、インターフェロメータ方探技法の原理を示す模式図である。ここでは、到来した１つの電波３０を２本のアンテナ１０１ａ、１０１ｂで受信するとする。このとき、電波３０の到来方向に対して垂直な線となる波面２００を仮定すると、波面２００に沿った点では、信号の位相差は同じとなる。図４では、アンテナ１０１ａが波面２００上にあり、アンテナ１０１ｂから波面２００に対して垂直となる線２０１を引いたときの波面２００とアンテナ１０１ｂの距離が、経路差となる。この経路差と電波３０の波長の比から、２つのアンテナ１０１ａ、１０１ｂで受信した信号間の位相差を算出することができ、この位相差から電波３０の到来方向を推定することができる。

【0003】

図５には、従来型の電波方向探知装置の構成例を示してある。図５の従来例では、５本の方位測定用のアンテナ１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ、１０１ｄ、１０１ｅで、到来した電波３０を受信する。各アンテナで受信された電波３０は、それぞれ同軸ケーブル１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、１０２ｄ、１０２ｅを経由して、電波方向探知装置１００に入力される。電波方向探知装置１００に入力された受信信号は、受信部１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、１０４ｄ、１０４ｅにて、信号増幅、中間周波数への変調、フィルタリング等の処理が行われる。アンテナ毎に設けられた受信系である各受信部で処理された受信信号は、Ａ／Ｄ変換部１０９にてディジタル信号に変換された後に、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）等のロジックデバイスで構成された信号処理部１１０に渡される。

【0004】

信号処理部１１０は、各アンテナによる電波３０の受信信号についてアンテナ間の位相差を検出し、その位相差の情報と既知であるアンテナ間の距離とに基づいて、電波３０の到来方向の算出を行う。電波の到来方向を正確に算出するためには、アンテナ間の距離を事前に知っておく必要がある。また、アンテナ間の距離は、到来方向を探知しようとする電波の波長に比例するため、波長が長い電波の探知をしようとするほどアンテナ間の距離も長くなる。

【0005】

受信系である各受信部１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、１０４ｄ、１０４ｅでのミキシングやフィルタリング、変調処理に使用されるローカル周波数は、局部信号発振器１０８から発生される。しかしながら、全ての受信系で位相特性を一致させることは難しい。そこで、１つの局部信号発振器１０８から発生された共通のローカル周波数を、分配器１０７を用いて全ての受信系に供給することで、各受信系の位相特性を近似させている。

【0006】

また、位相特性の誤差を解消するために、各アンテナと各受信系との間にスイッチ回路１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ、１０３ｄ、１０３ｅを設け、キャリブレーション用の試験信号を生成する試験信号発振器１０６を接続している。試験信号発振器１０６から発生された共通の試験信号は、分配器１０５を用いて全ての受信部系に供給される。

【0007】

このような従来型の電波方向探知装置１００では、まず、各スイッチ回路１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ、１０３ｄ、１０３ｅを試験信号発生器１０６に接続するように切り替えて、試験信号を各受信部１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、１０４ｄ、１０４ｅへ送ることで、受信系のキャリブレーションを行う。このとき、信号処理部１１０では、各受信系を経由した試験信号の位相差を検出し、メモリに格納する。その後、各スイッチ回路１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ、１０３ｄ、１０３ｅをアンテナ側に切り替えて、到来した電波３０の受信を行う。このとき、信号処理部１１０では、各アンテナによる電波３０の受信信号についてアンテナ間の位相差を検出し、キャリブレーションにより算出してメモリに格納した位相差を用いて補正して、電波３０の到来方向を算出する。

【0008】

電波の到来方向を探知する技術に関し、これまでに種々の発明が提案されている。例えば、特許文献１には、複数の端末のそれぞれが、干渉波の到来方向を推定して基地局に送信し、基地局が、各端末の推定結果に基づいて、最も確からしい到来方向を算出することが開示されている。また、特許文献２には、電波の到来方向を推定し、電波の到来方向及び電波を受信したアンテナの位置を地図情報に重ねて表示することが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【文献】特開２００９－２９６２４７号公報

【文献】特開２０１２－４７４７３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

方位測定用のアンテナ間の距離は、到来方向を推定しようとする電波の波長に比例して長くなる。波長が１０ｍの電波の到来方向の推定を誤差１°以下の精度で実現するには、アンテナ間の距離を４０～５０ｍ程度確保する必要がある。しかしながら、艦船や航空機等の移動局では、このような長い距離を移動局上に確保することはできない。このため、波長の長い電波の到来方向を推定するためのアンテナは、地上固定局として設置することしができなかった。

【0011】

本発明は、上記のような従来の事情に鑑みて為されたものであり、方位測定用のアンテナ間の距離の確保が困難である移動局においても、電波の到来方向を推定できるようにすることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0012】

上記の目的を達成するために、本発明では、電波方向探知システムを以下のように構成した。
すなわち、電波の到来方向を推定する電波方向探知システムにおいて、各々が、電波を受信するアンテナを有すると共に、アンテナの位置の測定と、電波の受信信号と移動局間で同期されたローカル周波数との位相差の検出とを行う複数の移動局と、複数の移動局の各々により得られたアンテナの位置及び受信信号の位相差に基づいて、電波の到来方向を推定する機能を持つ電波方向探知装置とを備えたことを特徴とする。

【0013】

ここで、複数の移動局の少なくとも１つが、電波方向探知装置を備える構成としてもよい。また、電波方向探知装置は、２つ以上の移動局に備えられてもよい。

【0014】

また、複数の移動局のうちのいずれか１つが、移動局間でローカル周波数を同期させるための同期信号を送信し、同期信号を受信した他の移動局が、自局のローカル周波数を同期信号の送信元に同期させる構成としてもよい。
この場合、他の移動局は、受信した同期信号と予め記憶された信号パターンとの相関を算出し、相関が最大となるタイミングに自局のローカル周波数の位相を揃える構成としてもよい。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、方位測定用のアンテナ間の距離の確保が困難である移動局においても、電波の到来方向を推定できるようになる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明の一実施形態に係る電波方向探知システムの構成例を示すブロック図である。

【図2】図１の電波方向探知システムにおける信号処理部の構成例を示すブロック図

【図3】図１の電波方向探知システムによる電波の方向探知の流れを説明するフロー図である。

【図4】インターフェロメータ方探技法の原理を示す模式図である。

【図5】従来型の電波方向探知システムの構成例を示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１には、本発明の一実施形態に係る電波方向探知システムの構成例を示してある。本例の電波方向探知システムは、複数の移動局１０を備える。図１では、移動局１０ａと移動局１０ｂの２つを示してあるが、３つ以上を備えてもよい。

【0018】

移動局１０ａには、到来した電波３０を受信する方位測定用のアンテナ１１ａと、電波３０の到来方向を探知する電波方向探知装置１３ａと、アンテナ１１ａと電波方向探知装置１３ａを接続する同軸ケーブル１２ａとが搭載されている。同様に、移動局１０ｂには、到来した電波３０を受信する方位測定用のアンテナ１１ｂと、電波３０の到来方向を探知する電波方向探知装置１３ｂと、アンテナ１１ｂと電波方向探知装置１３ｂを接続する同軸ケーブル１２ｂとが搭載されている。なお、同軸ケーブル１２ａ、１２ｂに代えて、他の接続ケーブルを用いても構わない。以下では、移動局１０ａを例にして説明するが、移動局１０ｂも同様の構成である。

【0019】

移動局１０ａにおいて、アンテナ１１ａで受信された電波３０は、同軸ケーブル１２ａを経由して、電波方向探知装置１３ａに入力される。電波方向探知装置１３ａに入力された受信信号は、受信系である受信部１６ａにて、信号増幅、中間周波数への変調、フィルタリング等の処理が行われる。受信部１６ａで処理された受信信号は、Ａ／Ｄ変換部１９ａにてディジタル信号に変換された後に、ＤＳＰ、ＦＰＧＡ等のロジックデバイスで構成された信号処理部２０ａに渡される。

【0020】

受信系である受信部１６ａでのミキシングやフィルタリング、変調処理に使用されるローカル周波数は、局部信号発振器１８ａから発生される。電波方向探知装置１３ａは更に、送信系である送信部１５ａを備える。また、電波方向探知装置１３ａは、アンテナ１１ａの接続を送信部１５ａ（送信系）又は受信部１６ａ（受信系）に切り替えられるように、スイッチ回路１４ａを備える。スイッチ回路１４ａは、移動局１０ａが送信動作を行う場合には、アンテナ１１ａを送信部１５ａに接続するように切り替えられ、移動局１０ａが受信動作を行う場合は、アンテナ１１ａを受信部１６ａに接続するように切り替えられる。

【0021】

Ａ／Ｄ変換部１９ａは、受信部１６ａから入力されたアナログ信号をディジタル信号へ変換するアナログディジタル（ＡＤ）変換回路と、信号処理部２０ａから入力されたディジタル信号をアナログ信号へ変換するディジタルアナログ（ＤＡ）変換回路を有する。

【0022】

信号処理部２０ａは、Ａ／Ｄ変換部１９ａから入力されるディジタル信号を処理し、アンテナ１１ａの現在位置の測位、電波３０の受信信号とローカル周波数との位相差の検出、電波３０の到来方向の推定などを行う。図２には、信号処理部の構成例を示してある。同図の信号処理部２０ａは、同期信号を検出してローカル周波数を同期させる同期信号検出部２１ａと、電波３０の受信時にローカル周波数との位相差を検出する電波受信時位相差検出部２２ａと、電波３０の到来方向を算出する到来方向算出部２３ａと、アンテナ１１ａの現在位置を測定するアンテナ現在位置測位部２４ａと、別の移動体のアンテナ（例えば、移動体１０ｂのアンテナ１１ｂ）の位置を取得する他アンテナ位置取得部２５ａと、各アンテナの位置情報を記憶する記憶部２６ａとを備える。

【0023】

本発明に係る電波方向探知方式について、図５のフロー図を参照して説明する。
まず、移動局１０ａにおいて、電波方向探知装置１３ａの送信部１５ａは、電波方向探知装置１３ａの受信部１６ａのローカル周波数と電波方向探知装置１３ｂの受信部１６ｂのローカル周波数を同期させるために、同期信号発生器１７ａから発生された同期信号を移動局１０ｂへと送信する（ステップＳ１）。
移動局１０ｂにおいて、受信部１６ｂは、移動局１０ａから送信された同期信号の受信処理を行う（ステップＳ２１）。その後、同期信号検出部２１ｂにより、受信した同期信号と既知の信号パターン（予め記憶しておいた同期信号の信号パターン）との相関をとり、相関が最大となるタイミングに受信部１６ｂのローカル周波数の位相を揃える（ステップＳ２２）。

【0024】

次いで、移動局１０ａにおいて、電波方向探知装置１３ａのアンテナ現在位置測位部２４ａは、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）などの衛星測位を用いて、アンテナ１１ａの現在位置を取得する（ステップＳ２）。移動局１０ａでは、取得したアンテナ１１ａの現在位置情報を記憶部２６ａに格納する（ステップＳ３）。
また、移動局１０ｂにおいても、電波方向探知装置１３ｂのアンテナ現在位置測位部２４ｂは、ＧＰＳなどの衛星測位を用いて、アンテナ１１ｂの現在位置を取得する（ステップＳ２３）。移動局１０ｂでは、取得したアンテナ１１ｂの現在位置情報を移動局１０ａへと送信する（ステップＳ２４）。

【0025】

移動局１０ａにおいて、受信部１６ａは、移動局１０ｂから送信されたアンテナ１１ｂの現在位置情報の受信処理を行う（ステップＳ４）。他アンテナ位置取得部２５ａは、受信したアンテナ１１ｂの現在位置情報を記憶部２６ａに格納する（ステップＳ５）。これにより、移動局１０ａの記憶部２６ａには、アンテナ１１ａの現在位置情報及びアンテナ１１ｂの現在位置情報が格納されることになる。

【0026】

上記の処理を行った後、移動局１０ａの電波方向探知装置１３ａと移動局１０ｂの電波方向探知装置１３ｂが共同して、電波３０の到来方向の探知を実施する。
すなわち、移動局１０ａにおいて、電波方向探知装置１３ａの電波受信時位相差検出部２２ａは、アンテナ１１ａによる電波３０の受信時に、電波３０の受信信号とローカル周波数との位相差を検出する（ステップＳ６、Ｓ７）。同様に、移動局１０ｂにおいて、電波方向探知装置１３ｂの電波受信時位相差検出部２２ｂは、アンテナ１１ｂによる電波３０の受信時に、電波３０の受信信号とローカル周波数との位相差を検出する（ステップＳ２５、Ｓ２６）。以下では、電波３０の受信信号とローカル周波数との位相差を「受信時位相差」という。

【0027】

移動局１０ｂは、検出した受信時位相差を移動局１０ａへと送信する（ステップＳ２７）。移動局１０ａは、移動局１０ｂから送信された受信時位相差の受信処理を行う（ステップＳ８）。その後、移動局１０ａにおいて、電波方向探知装置１３ａの到来方向算出部２３ａは、移動局１０ａで検出した受信時位相差と、移動局１０ｂで検出した受信時位相差と、記憶部２６ａに格納されたアンテナ１１ａの現在位置情報及びアンテナ１１ｂの現在位置情報とに基づいて、所定の演算処理（本例では、インターフェロメータ方探技法）により、電波３０の到来方向を算出する（ステップＳ９）。

【0028】

以上のように、本例の電波方向探知システムでは、移動局１０ａが、自局のアンテナ１１ａの現在位置の測定と、電波３０の受信信号と移動局間で同期されたローカル周波数との位相差の検出とを行う。同様に、移動局１０ｂが、自局のアンテナ１１ｂの現在位置の測定と、電波３０の受信信号と移動局間で同期されたローカル周波数との位相差の検出とを行う。その後、移動局１０ａに搭載された電波方向探知装置１３ａが、移動局１０ａ及び移動局１０ｂの各々により得られた各アンテナの現在位置及び受信時位相差に基づいて、電波３０の到来方向を推定する。

【0029】

このような構成によれば、移動局１０ａ、１０ｂの少なくとも一方を移動させるだけで、方位測定用のアンテナ１１ａ、１１ｂの位置関係を変化させることができるので、これらアンテナ間の距離を十分に確保することができる。また、移動局１０ａ、１０ｂは、ローカル周波数を互いに同期させているので、各受信系の位相特性を一致させた状態で、受信時位相差の検出を行うことができる。このため、艦船や航空機等のように、単体では方位測定用のアンテナ間の距離の確保が困難な移動局においても、電波の到来方向を推定できるようになる。

【0030】

ここで、上記の説明では、電波の到来方向の推定を、移動局１０ａに搭載された電波方向探知装置１３ａが行っているが、移動局１０ｂに搭載された電波方向探知装置１３ｂが行っても構わない。または、３つ以上の移動局を用いて電波方向探知を行ってもよい。すなわち、例えば、移動局１０ａが、移動局１０ｂの他に、他の移動局１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ（不図示）からもアンテナの現在位置及び受信時位相差を取得し、各アンテナの現在位置及び受信時位相差に基づいて、電波の到来方向を推定してもよい。また、各移動局と通信可能に接続された地上固定局が、電波の到来方向を推定する電波方向探知装置を備えてもよい。

【0031】

また、上記の説明では、移動局１０ａが、移動局間でローカル周波数を同期させるための同期信号を送信し、移動局１０ｂが、自局のローカル周波数を移動局１０ａに同期させているが、逆であってもよい。すなわち、移動局１０ｂが、移動局間でローカル周波数を同期させるための同期信号を送信し、移動局１０ａが、自局のローカル周波数を移動局１０ｂに同期させてもよい。

【0032】

また、上記の説明では、移動局１０ｂが、（１）アンテナ１１ｂの位置を測定して現在位置情報を移動局１０ａへ送信した後に、（２）電波３０の受信信号とローカル周波数との位相差を検出して受信時位相差を移動局１０ａへ送信しているが、（１）と（２）の順番を逆にしてもよい。なお、移動局１０ｂが移動することを考慮すれば、アンテナ位置の測定タイミングと受信時位相差の検出タイミングはなるべく近いことが望ましい。

【0033】

また、上記の説明では、移動局１０ａ、１０ｂは、それぞれ１つのアンテナ１１ａ、１１ｂを送信及び受信で共用しているが、送信用のアンテナと受信用のアンテナを別々に設けても構わない。

【0034】

また、上記の説明では、電波３０の到来方向の算出に、インターフェロメータ方探技法を用いているが、ＭＵＳＩＣ（ＭＵｌｔｉｐｌｅ ＳＩｇｎａｌ Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ）法等の他の手法を用いても構わない。

【0035】

以上、本発明について一実施形態に基づいて説明したが、本発明はここに記載された電波方向探知システムに限定されるものではなく、他の電波方向探知システムに広く適用することができることは言うまでもない。
また、本発明は、例えば、上記の処理に関する技術的手順を含む方法や、上記の処理をプロセッサにより実行させるためのプログラム、そのようなプログラムをコンピュータ読み取り可能に記憶する記憶媒体などとして提供することも可能である。

【0036】

なお、本発明の範囲は、図示され記載された例示的な実施形態に限定されるものではなく、本発明が目的とするものと均等な効果をもたらす全ての実施形態をも含む。更に、本発明の範囲は、全ての開示されたそれぞれの特徴のうち特定の特徴のあらゆる所望する組み合わせによって画され得る。

【産業上の利用可能性】

【0037】

本発明は、電波の到来方向を探知する電波方向探知システムに利用することができる。

【符号の説明】

【0038】

１０ａ，１０ｂ：移動局、 １１ａ，１１ｂ：方位測定用のアンテナ、 １２ａ，１２ｂ：同軸ケーブル、 １３ａ，１３ｂ：電波方向探知装置、 １４ａ，１４ｂ：スイッチ回路、 １５ａ，１５ｂ：送信部、 １６ａ，１６ｂ：受信部、 １７ａ，１７ｂ：同期信号発振器、 １８ａ，１８ｂ：局部信号発生器、 １９ａ，１９ｂ：Ａ／Ｄ変換部、 ２０ａ，２０ｂ：信号処理部、 ２１ａ，２１ｂ：同期信号検出部、 ２２ａ，２２ｂ：電波受信時位相検出部、 ２３ａ，２３ｂ：到来方向算出部、 ２４ａ，２４ｂ：アンテナ現在位置測位部、 ２５ａ，２５ｂ：他アンテナ位置取得部、 ２６ａ，２６ｂ：記憶部、 ３０：到来電波、 １０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃ，１０１ｄ，１０１ｅ：方位測定用のアンテナ、 １０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄ，１０２ｅ：同軸ケーブル、 １０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃ，１０３ｄ，１０３ｅ：スイッチ回路、 １０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃ，１０４ｄ，１０４ｅ：受信部、 １０５：分配器、 １０６：試験信号発生器、 １０７：分配器、 １０８：局部信号発生器、 １０９：Ａ／Ｄ変換部、 １１０：信号処理部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】