送信ビーム形成装置、受信ビーム形成装置および測位装置
【課題】マルチパス波を有効に活用して電波を照射する目標地点に応じて最適な送信ビーム形成荷重を選択して送信することでマルチパスの影響を低減し高い電力で送信できる送信ビーム形成装置、受信ビーム形成装置及び測位装置を得る。
【解決手段】送信波形を生成する信号生成手段１、信号を分配する分配器２、分配器の出力を送信するための送信器３、１つまたは複数のアンテナで構成され、指向方向制御が可能な送信アンテナ４、送信アンテナから目標地点に向けて送信される電波を増幅して送信する複数のリピータアンテナ１０、送信時の送信電力が最大となるビーム形成荷重をデータベースとして持つ電波環境データベースと、目標地点に応じて送信電力が最大となる送信ビーム形成荷重を電波環境データベースから抽出する送信ビーム荷重抽出手段７、抽出された送信ビーム形成荷重を用いて送信アンテナの指向性を制御する指向性制御手段８を備えた。
【解決手段】送信波形を生成する信号生成手段１、信号を分配する分配器２、分配器の出力を送信するための送信器３、１つまたは複数のアンテナで構成され、指向方向制御が可能な送信アンテナ４、送信アンテナから目標地点に向けて送信される電波を増幅して送信する複数のリピータアンテナ１０、送信時の送信電力が最大となるビーム形成荷重をデータベースとして持つ電波環境データベースと、目標地点に応じて送信電力が最大となる送信ビーム形成荷重を電波環境データベースから抽出する送信ビーム荷重抽出手段７、抽出された送信ビーム形成荷重を用いて送信アンテナの指向性を制御する指向性制御手段８を備えた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電波を照射する目標地点に応じて最適な送信ビーム形成荷重を選択して送信するための送信ビーム形成装置、並びに受信ビーム形成装置および測位装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のこの種のビーム形成装置として、直接目標方向を指向するようにビームを形成するものがある（例えば、非特許文献１参照）。このビーム形成装置を用いて目標方向へビームを形成すると、目標に直接到達する波と山などに反射して到達する波（マルチパス波と呼ぶ）とが干渉して目標に到達する電波が大きく減衰するという課題があった。
【０００３】
【非特許文献１】吉田孝監修、改訂 レーダ技術、電子情報通信学会、１９９６年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述したように、従来の送信ビーム形成装置では、マルチパス波の影響を考慮せず、直接目標方向を指向するようにビームを形成するので、目標へ到達する直接波とマルチパス波が干渉して目標到達電力が低下するという問題点があった。
【０００５】
また、電波に照射される目標から電波の送信源を観測すると、直接波が支配的であるために、容易に到来方向を計測することが出来、電波の送信源が発見されやすいという課題があった。
【０００６】
また、従来の受信ビーム形成装置では、マルチパス波を考慮せずにビーム形成を行うために直接波しか抽出できず受信レベルが低いという課題があった。
【０００７】
さらに、従来の測位装置では、直接波の到来方向を測定して測位を行っていたが、マルチパスの影響で到来方向推定精度が低下し、測位精度が低下する課題があった。
【０００８】
この発明は前記のような課題を解決するためになされたもので、従来不要波とされたマルチパス波を有効に活用して、電波を照射する目標地点に応じて最適な送信ビーム形成荷重を選択して送信することでマルチパスの影響を低減して高い電力で送信できる送信ビーム形成装置を得ることを目的とする。
【０００９】
また、マルチパス波を用いて目標に電波を照射することで、目標から発見されにくい送信ビーム形成装置を得ることを目的とする。
【００１０】
また、受信時においては、目標の位置に応じて電波環境データベースから受信ビーム形成荷重を抽出して受信ビーム形成を行うことでマルチパスの影響を低減して高い電力で受信する受信ビーム形成装置を得ることを目的とする。
【００１１】
さらに、上記受信信号を荷重合成する場合に電力が最大となる最大比合成ビーム荷重と相関が高い受信ビーム荷重を上記データベースと照合することにより、マルチパス環境化において目標の測位をすることができる測位装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この発明に係る送信ビーム形成装置は、送信波形を生成する信号生成手段と、前記信号生成手段により生成された信号を分配する分配器と、前記分配器の出力を送信するための送信器と、１つまたは複数のアンテナで構成され、指向方向制御が可能な送信アンテナと、前記送信アンテナから目標地点に向けて送信される電波を増幅して送信する複数のリピータアンテナと、前記送信アンテナから前記複数のリピータアンテナを介して目標地点に電波を送信する場合に送信電力が最大となるビーム形成荷重をデータベースとして持つ電波環境データベースと、前記目標地点に応じて送信電力が最大となる送信ビーム形成荷重を前記電波環境データベースから抽出する送信ビーム荷重抽出手段と、前記送信ビーム荷重抽出手段により抽出された送信ビーム形成荷重を用いて前記送信アンテナの指向性を制御する指向性制御手段とを備えたものである。
【００１３】
また、送信波形を生成する信号生成手段と、前記信号生成手段により生成された信号を分配する分配器と、前記分配器の出力を送信するための送信器と、１つまたは複数のアンテナで構成され、指向方向制御が可能な送信アンテナと、前記送信アンテナと目標との間に設けられて、到来する信号を反射する反射板と、前記送信アンテナから前記反射板を介して目標地点に電波を送信する場合に送信電力が最大となるビーム形成荷重をデータベースとして持つ電波環境データベースと、前記目標地点に応じて送信電力が最大となる送信ビーム形成荷重を前記電波環境データベースから抽出する送信ビーム荷重抽出手段と、前記送信ビーム荷重抽出手段により抽出された送信ビーム形成荷重を用いて前記送信アンテナの指向性を制御する指向性制御手段とを備えたものである。
【００１４】
また、送信波形を生成する信号生成手段と、前記信号生成手段により生成された信号を分配する分配器と、前記分配器の出力を送信するための送信器と、１つまたは複数のアンテナで構成され、指向方向制御が可能な送信アンテナと、前記送信アンテナの周囲の地形の反射状態を考慮して目標地点に電波を送信する場合に送信電力が最大となるビーム形成荷重をデータベースとして持つ電波環境データベースと、前記目標地点に応じて送信電力が最大となる送信ビーム形成荷重を前記電波環境データベースから抽出する送信ビーム荷重抽出手段と、前記送信ビーム荷重抽出手段により抽出された送信ビーム形成荷重を用いて前記送信アンテナの指向性を制御する指向性制御手段とを備えたものである。
【００１５】
また、送信波形を生成する信号生成手段と、前記信号生成手段により生成された信号を分配する分配器と、前記分配器の出力を送信するための送信器と、１つまたは複数のアンテナで構成され、指向方向制御が可能なアンテナと、前記アンテナを介して信号を受信する受信器と、目標からの受信電力が最大となる受信ビーム形成荷重を求め、求められた受信ビーム形成荷重を送信ビーム形成荷重とする送信ビーム荷重抽出手段と、前記送信ビーム形成荷重を用いて前記アンテナの指向性を制御する指向性制御手段とを備えたものである。
【００１６】
また、この発明に係る受信ビーム形成装置は、１つまたは複数のアンテナで構成され、指向方向制御が可能なアンテナと、前記アンテナに接続される受信器と、受信した信号波形を増幅して送信するリピータアンテナと、前記リピータアンテナを介してある地点から送信される電波を受信する場合に受信電力が最大となる受信ビーム形成荷重をデータベースとして持つ電波環境データベースと、目標地点から適切な受信ビーム荷重を前記電波環境データベースから抽出する受信ビーム荷重抽出手段と、前記受信ビーム荷重を用いて前記アンテナの指向性を制御する指向性制御手段と、前記受信器の出力を合成する合成器とを備えたものである。
【００１７】
さらに、この発明に係る測位装置は、１つまたは複数のアンテナで構成され、指向方向制御が可能なアンテナと、前記アンテナに接続される受信器と、受信した信号波形を増幅して送信するリピータアンテナと、上記リピータアンテナを介してある地点から送信される電波を受信する場合に受信電力が最大となる受信ビーム形成荷重をデータベースとして持つ電波環境データベースと、前記受信信号を荷重合成する場合に電力が最大となる受信ビーム荷重を求まる受信ビーム荷重計算手段と、前記受信ビーム荷重と最も類似する荷重を前記電波環境データベースから求め、この荷重に対応する地点を抽出する地点抽出手段とを備えたものである。
【発明の効果】
【００１８】
この発明によれば、従来不要波とされたマルチパス波を有効に活用して、地形からの反射やリピータアンテナを介してある地点に電波を送信する場合に送信電力が最大となる送信アンテナのビーム形成荷重をデータベースとして持つ電波環境データベースを備え、電波を照射する目標地点に応じて最適な送信ビーム形成荷重を選択して送信することでマルチパスの影響を低減して高い電力で送信できる。また、マルチパス波を用いて目標に電波を照射することで、目標から発見されにくい送信ビーム形成装置を得ることができる。
【００１９】
また、受信時においては、目標の位置に応じて電波環境データベースから受信ビーム形成荷重を抽出して受信ビーム形成を行うことでマルチパスの影響を低減して高い電力で受信する受信ビーム形成装置を得ることができる。
【００２０】
さらに、上記受信信号を荷重合成する場合に電力が最大となる最大比合成ビーム荷重と相関が高い受信ビーム荷重を上記データベースと照合することにより、マルチパス環境化において目標の測位をすることができる測位装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による送信ビーム形成装置を示す図である。１は送信波形を生成する信号生成手段、２は信号を各サブアンテナに分割する分配器、３は送信器、４はサブアンテナであり、これがアレーアンテナである場合にはその指向性を可変とするため複数の素子アンテナ５と複素荷重乗算手段６で構成される。サブアンテナ４は、開口面アンテナの場合はアンテナが１つでも良いが、方向を変えるような機械式の駆動部分を有する。８はサブアンテナの指向性を制御する指向性制御手段である。指向性制御はＤＢＦ（Digital Beam Forming）の場合送信器はアンテナの直前に処理を行うのが普通であり、そのように構成してもよいが、簡単のため、ここでは、図１に示すように送信器の後で指向性制御を行う例を説明する。
【００２２】
また、７は、送信ビーム荷重抽出手段であり、サブアレーで構成される送信アンテナの全体のビーム形成を制御するものである。具体的には、ここのサブアンテナの送信信号の位相と振幅を制御することで行われる。サブアンテナ単体の指向性制御を含めて全体の指向性を制御することも可能である。９は電波環境データベース、１０は受信した信号を増幅して送信するリピータアンテナである。電波環境データベース９では、ある地点にある周波数でリピータアンテナ１０を介して送信する場合に最も電力を大きくできる送信ビーム制御荷重を保管している。
【００２３】
従来、目標方向へ電波を指向する場合、図９に示すように送信ビーム荷重を制御して目標方向で電波の位相が合うように送信することで目標に照射される電力を増大させるものであった。例えば、簡単のため、サブアンテナを無指向性とし、ｍ番目のサブアンテナが方向θに電波を送信する場合の基準点に対する位相差をφｍとすると、ｍ番目のサブアンテナの方向θに送信される信号ｘｍ（ｔ）は、信号生成手段１で生成される信号ｓ（ｔ）として次式（１）で表される。ここに、ｔは時間因子である。また、ｗｍはｍ番目のサブアンテナに乗じる複素数の送信ビーム形成荷重である。
【００２４】
【数１】
【００２５】
方向θへ伝搬する電波ｙ（ｔ）は、各サブアンテナから送信する信号が合成されるので次式（２）のように表される。ｗｍ＝１なら、式（２）から、各アンテナで異なる位相φｍの複素数の和なので、方向θへの送信電力は小さくなる。方向θへの送信電力を最大化するための条件は位相を合わせて足すことであり、最適な荷重は、式（３）で与えられる。
【００２６】
【数２】
【００２７】
式（３）の送信ビーム荷重を設定することにより、サブアンテナで構成されるアンテナは方向θに指向性を持ち、この方向に高い電力で送信できる。
【００２８】
このように他に反射体がない前提では、目標を照射する電波は直接波が支配的であり、目標側で測角処理などにより容易に送信側の位置が分かるため、電波の送信装置が目標から発見されやすいという課題がある。
【００２９】
また、目標が低高度である場合や山などの反射物がある場合、目標に直接到達する電波に加え、山や地表面などに反射して目標に到達するマルチパス波が存在し、これらが直接波と干渉するため目標照射電力が著しく低下する問題がある。
【００３０】
この発明は、これらの課題を解決するため、図１に示すように、送信アンテナの周辺にリピータアンテナ１０を配置し、受信した信号を増幅して目標へ送信する。また、リピータアンテナ１０を介してある地点に電波を送信する場合に、最適なビーム形成荷重は一意に定まるので、これをデータベースとして保管する電波環境データベース９を備える。運用時においては、自分が電波を照射したい位置に対応した最適な送信ビーム荷重をデータベースから呼び出して設定することで直接波とマルチパス波の干渉による目標照射電力の低下を抑えることができる。また、リピータアンテナ１０を介することで信号を増幅することが可能であり、より大きな電力で送信することができる。
また、目標から観測すると目標に到達する電波はリピータアンテナ１０を介して到来するので多方向から到来し、送信元の位置を推定することは難しくなる。このため、目標から発見されずに電波を送信することが可能となる。
【００３１】
ｍ番目のサブアンテナ４から照射されてｋ番目のリピータアンテナ１０を介して地点ｐに到達する電波の位相差をφｍ、ｋとし、振幅をａｍ、ｋとすると、式（４）のように表される。このように、一つのアンテナから送信されて地点ｐに到達する電波は複数の振幅位相の和として表されるので、式（１）で示した反射波がない場合に比較して複雑となる。また、マルチパス波の振幅位相の和は、目標地点の位置と周波数で定まる量で、式（１）のように方位、周波数から一意に決まるものではない。しかしながら、目標地点および周波数が定まれば、マルチパス波を加味した位相振幅は一意に定まるので、これらを式（３）で示したように位相を合わせて足すことで電力を最大化するための複素荷重が一意に定まる。
【００３２】
地点ｐにおける観測信号ｙ（ｔ）は、各サブアンテナ４から送信される信号の合成波となるので、式（５）のように表される。ｍ番目のサブアンテナ４に乗じる複素荷重ｗｍは、位相を合わせ振幅に応じた大きさを乗じる場合に最大となるので、式（６）のように式（４）の係数の複素共役数を与えればよい。
【００３３】
これら荷重を要素としてもつベクトルを式（７）に示すようにＷとすれば、電波環境データベース９では、地点ｐ、周波数ｆに対して最適な荷重ベクトルＷを求め、Ｗ（ｐ、ｆ）として格納する。
【００３４】
【数３】
【００３５】
ここに、肩字の＊は複素共役、Ｔは転置をそれぞれ表す。運用時においては、自分が電波を送信したい地点ｐと使用する周波数ｆに応じて電波環境データベース９より荷重ベクトルＷ（ｐ、ｆ）を呼び出し、指向性制御手段８により送信器３の出力の位相振幅制御を行って送信することで、地点ｐに対して最適なビーム送信を行うことができる。なお、先に述べたようにＤＢＦ送信を行う場合には、送信器３より以前に複素数の荷重を乗じるようにしてもよい。
【００３６】
また、リピータアンテナ１０においては、図２に示すように、受信した信号を増幅する増幅手段１１と共に位相を制御する位相制御手段１２を備えることで、送信時だけでなくリピート時にも位相を制御することができ、高い自由度で制御が可能であり、より高い電力を目標地点に送信することが可能となる。
【００３７】
以上説明したように、電波の送信時においてリピータアンテナ１０を介して電波を送信するように構成し、地点に応じて送信電力を最大化するための送信ビーム形成荷重をデータベースとしてもち、送信時において、目標とする地点に応じて最適な送信ビーム形成荷重をデータベースより呼び出してビーム形成を行うので、高い電力で目標地点に電波を送信することができる。また、目標から観測すると電波が多方向から到来するので、電波の送信源が発見されにくいという利点がある。
【００３８】
なお、図３に示すように、電波を反射する反射板を適当な位置に配置することでも、リピータアンテナ１０を用いた場合と同様に、目標に対して多方向から電波を照射することができる。また、このようなマルチパス環境において最適な送信ビーム荷重を電波環境データベースとして持ち、電波を送信した目標地点に応じて送信ビーム形成を行うことで、マルチパスの影響を抑え高い電力で目標とする地点に電波を送信することができる。
【００３９】
また、図４に示すように、山など、送信アンテナの周辺に反射体が存在している場合には、サブアンテナの指向性を意図的に山へ向けることで効果的にマルチパス波を利用して目標に他方向から電波を照射することができる。また、この場合においても、マルチパス環境において最適な送信ビーム荷重を電波環境データベースとして持ち、電波を送信した目標地点に応じて送信ビーム形成を行うことで、マルチパスの影響を抑え高い電力で目標とする地点に電波を送信することができる。
【００４０】
また、これまで、送信ビーム形成について説明したが、送信と受信に対称性が存在することを考慮すれば同様な構成で受信ビーム形成を有効に行うことができる。すなわち、図１において、送信器３に代えて受信器を用い、分配器２に代えて合成器を用い、その出力信号を持って受信信号とする。この場合においても、地点ｐから電波が送信される場合において各アンテナにおける受信位相振幅特性から受信電力が最大化する受信ビーム形成荷重をデータベースとしてもち、観測している地点に応じてこの受信ビーム形成荷重を呼び出して受信ビーム形成すれば、高い受信電力で受信することができる。
【００４１】
なお、送信と受信の対称性から、地点ｐに最適送信するための送信ビーム形成荷重と地点ｐから最適受信するための受信ビーム形成荷重は同一であるので、送信と受信で別々のデータベースを持つ必要はなく、同じ電波環境データベース９を用いればよい。
【００４２】
また、受信の最適なビーム形成荷重は、最大比合成荷重として別の手段で知ることができるから、この最大比合成荷重と前記データベースとの比較照合を行うことで、電波の送信源の位置を知ることができる。
【００４３】
これは、先に説明したようにマルチパスが存在することにより、最適なビーム形成荷重と目標とする地点に対応して決まる性質を逆に利用したものである。仮にマルチパス波が存在しない場合には最適なビーム形成荷重と電波の方向が対応することから、目標の方向を知ることができるが、その位置までは知ることができない。
【００４４】
なお、最大比合成荷重による受信ビーム形成荷重は、次のように求める。まず、ｍ番目のサブアンテナ４の受信信号ｘｍ（ｔ）とし、このうちの何れか一つまたは別途用意するアンテナを参照アンテナとしてこの受信信号をｘｒ（ｔ）とする。このとき、ｍ番目のサブアンテナ４に乗じる複素数の荷重ｗｍは次式（８）で与えられる。ここに、Ｅ[]は時間平均を表す。
【００４５】
【数４】
【００４６】
以上説明したように、電波をリピータアンテナ１０または反射体を介してマルチパスを受信するようにし、受信の最適なビーム形成荷重を計算する最大比合成荷重計算手段と、前記電波環境データベース９を照合して電波の位置を測定する測位手段を備えることで、電波の送信源の位置を測定することができる。
【００４７】
実施の形態２．
図５は、この発明の実施の形態２を示す構成図である。ここでは、山に反射するマルチパス波を示しているが、図１に示したリピータアンテナを利用する方式や図３で示した反射板を利用する構成においても同様に利用することができる。本実施の形態２では、実施の形態１（例えば図４）の構成に加えて受信器を備えており、受信信号を利用して送信ビーム形成荷重を決定する構成となっている。
【００４８】
実施の形態１の構成では、地点に応じて最適な送信ビーム形成荷重を選択していたが、目標の位置が未知な場合には、最適な送信ビーム形成荷重を求めることができない。そこで、本実施の形態２では、受信信号を用いて最適な送信ビーム形成を行うものである。先に説明したように受信と送信には対称性があるため、受信の最適ビームは、送信の最適ビームとなるので、受信電力が最大化する荷重を送信ビーム形成に用いればよい。受信電力を最大化するための受信ビーム形成荷重は、式（８）と同様に最大比合成荷重を求めればよい。
【００４９】
図５の構成は、簡単に送信ビームを決定できるメリットがある反面、Ｓ／Ｎや目標以外からの反射波の影響を受けやすく精度の劣化を生じやすい課題がある。
そこで、図６の構成は、図５の構成に加え、さらに電波環境データベースを備え、前記最大比合成により求めた受信ビーム形成荷重と類似するものを電波環境データベースから抽出し、その荷重を送信ビーム形成荷重として用いるものである。このように電波環境データベースを参照して送信ビーム形成荷重を設定することで、Ｓ／Ｎの影響や他の反射波の影響を受けにくく正確な送信ビーム形成を行って目標に照射電力を高めることができる。また、目標の位置が未知の場合にもビーム形成が可能であり、実施の形態１の構成で捜索するよりも低い演算量で高速に送信ビーム形成をすることができる効果がある。
【００５０】
実施の形態３．
図７は、この発明の実施の形態３を説明する図である。実施の形態３においては図４に示した構成に加え、ビーム形成荷重の候補を抽出するビーム荷重候補抽出手段１５と、これらビーム形成荷重の中から目標方向へ直接波を送信するレベルが最も低いものを選択する荷重選択手段１６を備えたものである。
【００５１】
電波環境データベースでは、式（４）で示したように各サブアンテナの位相振幅の複素共役数を要素としてもつ荷重ベクトルが地点および周波数毎に保存されている。ここで、式（９）、式（１０）に示すように位相振幅に関する係数をｃｍとし、これを要素として持つベクトル
【００５２】
【数５】
【００５３】
をステアリングベクトルと呼ぶ。地点ｐにおける最適な荷重Ｗ（ｐ）は、地点ｐから送信される電波の直接波およびマルチパス波の合成波のステアリングベクトルの複素共役で与えられる。
【００５４】
【数６】
【００５５】
マルチパス環境においては、図７に示すように例えば地点Ａにおいて電力が高くなるように送信すると、その他の地点の例えばＢやＣにおいても電力が高くなる性質がある。すなわち、逆に考えると地点Ａで電力が高くなる送信荷重は複数存在することを意味しており、このような候補をビーム荷重候補手段では抽出する。ビーム荷重候補抽出手段１５では、地点Ａに対応する荷重ベクトルＷ（Ａ）と他の地点ｐに対応する荷重ベクトルＷ（ｐ）の内積ｒ（ｐ）を式（１１）により求め、この値が大きい地点の荷重ベクトルＷ（ｐ）を候補として抽出する。
【００５６】
ビーム選択手段１６では、得られたビーム候補の中から直接目標に照射される電波が最も小さいものを選択する。目標の方向に直接放射される電力は、目標方向のステアリングベクトルを
【００５７】
【数７】
【００５８】
とするとき、式（１２）に示すｒｄ（ｐ）の大きさから知ることができる。
【００５９】
【数８】
【００６０】
ここに、肩字のＨは複素共役転置を示す。そこで、まず、地点Ａで電力が大きいビーム荷重候補を抽出し、その中から式（１２）の値が最小となるものを選択する。
【００６１】
以上説明したような処理を行うことにより、目標に対して多方向から高い電力で電波を送信することができ、直接目標に到来する電波が小さいことから、目標から発見されにくいという効果がある。
【００６２】
実施の形態４．
図８は、この発明の実施の形態４を説明する図である。実施の形態４では図１で示した電波環境データベース９とは異なる送信ビーム荷重を登録している電波環境データベース１７を備えている。図１に示す構成では、リピータアンテナ１０を介して目標に照射される電力が最大化するような荷重を式（６）および式（７）に従って各地点および周波数毎に計算しデータベースに格納していた。本実施の形態４では、さらに目標から発見されにくくするため、送信するアンテナパターンにおいて、目標方向に直接送信される方向の利得を下げ、リピータアンテナ１０を介して目標に到達する電波だけで目標に送信するようにしたものである。
【００６３】
このような送信ビーム荷重の生成方法について以下に説明する。まず、式（９）および式（１０）で示したようにリピータアンテナを介して送信される電波に関わるステアリングベクトルを
【００６４】
【数９】
【００６５】
とし、目標とする地点に直接電波を送信する方向のステアリングベクトルを
【００６６】
【数１０】
【００６７】
とする。このときサブアンテナｍから信号ｓ（ｔ）を目標方向に直接送信する場合の擬似信号ｘｄｍ（ｔ）を下記のように仮定する。
【００６８】
【数１１】
ここで、ｎｍ（ｔ）は雑音成分であり、ここでは電力が１となるように設定する。また、ｃｄｍ（ｔ）はステアリングベクトル
【００６９】
【数１２】
【００７０】
のｍ番目の要素である。信号ｓ（ｔ）も自分自身で仮定する信号であり、雑音との電力比（ＳＮＲ）によって感度を調整できる。擬似信号ｘｄｍ（ｔ）から式（１４）のような信号ベクトルＸｄｍを生成し相関行列Ｒｄを求めると式（１５）のようになる。
【００７１】
【数１３】
【００７２】
ここに、ｐｓは、信号ｓ（ｔ）の電力であり、ＩはＭ次の単位行列である。ここでは、擬似信号を用いて相関行列Ｒｄの導出を説明したが、目標方向のステアリングベクトル
【００７３】
【数１４】
【００７４】
を用いて式（１５）に従って直接導出すればよい。
【００７５】
式（１５）で導出した相関行列Ｒｄを用いて、リピータアンテナを介するステアリングベクトル
【００７６】
【数１５】
【００７７】
に関わる信号成分を残しつつ、直接目標に到達するステアリングベクトル
【００７８】
【数１６】
【００７９】
に関わる信号成分を最小化するような荷重を求める。このような方向拘束付き最小化アルゴリズムとして、「小川恭孝、菊間信良、“アダプティブアンテナ理論の進展と今後の展望、”電子情報通信学会論文誌B-II、vol. J75-B-II、No.11、pp.721-732、Nov. 1992.」に示されるＤＣＭＰ（Directionally Constrained Minimization of Power）を用いることができる。拘束ベクトルをステアリングベクトル
【００８０】
【数１７】
【００８１】
とし、相関行列Ｒｄを用いてＤＣＭＰによる荷重ベクトルＷ（ｐ、ｆ）は式（１６）のように与えられる。
【００８２】
【数１８】
【００８３】
電波環境データベースでは、式（１６）に従って各地点ｐおよび周波数ｆ毎に荷重ベクトルを求め、データベースとして保管する。運用時においては目標とする地点および周波数に応じてビーム形成荷重をデータベースから呼び出し送信ビーム形成を行う。
【００８４】
以上説明したように、ＤＣＭＰを用いて、リピータアンテナを介するステアリングベクトル
【００８５】
【数１９】
【００８６】
に関わる信号成分を残しつつ、直接目標に到達するステアリングベクトル
【００８７】
【数２０】
【００８８】
に関わる信号成分を最小化するような送信ビーム荷重を用いて送信ビーム形成を行うので、目標に対して多方向から高い電力で電波を送信することができ、直接目標に到来する電波が小さくすることで、目標から発見されにくいという効果がある。
【００８９】
なお、ここでは、リピータアンテナを介して送信する場合を示したが、図３や図４で示したように反射板や地形からの反射を介して送信する場合にももちろん適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】この発明の実施の形態１による送信ビーム形成装置を示す図である。
【図２】図１の変形例を示す図である。
【図３】図１の変形例を示す図である。
【図４】図１の変形例を示す図である。
【図５】この発明の実施の形態２による送信ビーム形成装置を示す図である。
【図６】図５の変形例を示す図である。
【図７】この発明の実施の形態３による送信ビーム形成装置を示す図である。
【図８】この発明の実施の形態４による送信ビーム形成装置を示す図である。
【符号の説明】
【００９１】
１ 信号生成手段、２ 分配器、３ 送信器、４ サブアンテナ、５ 素子アンテナ、６ 複素荷重乗算手段、７ 送信ビーム荷重抽出手段、８ 指向性制御手段、９，１７ 電波環境データベース、１０ リピータアンテナ、１１ 増幅手段、１２ 位相制御手段、１３ 反射板、１４ 受信器、１５ ビーム荷重候補抽出手段、１６ 荷重選択手段。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電波を照射する目標地点に応じて最適な送信ビーム形成荷重を選択して送信するための送信ビーム形成装置、並びに受信ビーム形成装置および測位装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のこの種のビーム形成装置として、直接目標方向を指向するようにビームを形成するものがある（例えば、非特許文献１参照）。このビーム形成装置を用いて目標方向へビームを形成すると、目標に直接到達する波と山などに反射して到達する波（マルチパス波と呼ぶ）とが干渉して目標に到達する電波が大きく減衰するという課題があった。
【０００３】
【非特許文献１】吉田孝監修、改訂 レーダ技術、電子情報通信学会、１９９６年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述したように、従来の送信ビーム形成装置では、マルチパス波の影響を考慮せず、直接目標方向を指向するようにビームを形成するので、目標へ到達する直接波とマルチパス波が干渉して目標到達電力が低下するという問題点があった。
【０００５】
また、電波に照射される目標から電波の送信源を観測すると、直接波が支配的であるために、容易に到来方向を計測することが出来、電波の送信源が発見されやすいという課題があった。
【０００６】
また、従来の受信ビーム形成装置では、マルチパス波を考慮せずにビーム形成を行うために直接波しか抽出できず受信レベルが低いという課題があった。
【０００７】
さらに、従来の測位装置では、直接波の到来方向を測定して測位を行っていたが、マルチパスの影響で到来方向推定精度が低下し、測位精度が低下する課題があった。
【０００８】
この発明は前記のような課題を解決するためになされたもので、従来不要波とされたマルチパス波を有効に活用して、電波を照射する目標地点に応じて最適な送信ビーム形成荷重を選択して送信することでマルチパスの影響を低減して高い電力で送信できる送信ビーム形成装置を得ることを目的とする。
【０００９】
また、マルチパス波を用いて目標に電波を照射することで、目標から発見されにくい送信ビーム形成装置を得ることを目的とする。
【００１０】
また、受信時においては、目標の位置に応じて電波環境データベースから受信ビーム形成荷重を抽出して受信ビーム形成を行うことでマルチパスの影響を低減して高い電力で受信する受信ビーム形成装置を得ることを目的とする。
【００１１】
さらに、上記受信信号を荷重合成する場合に電力が最大となる最大比合成ビーム荷重と相関が高い受信ビーム荷重を上記データベースと照合することにより、マルチパス環境化において目標の測位をすることができる測位装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この発明に係る送信ビーム形成装置は、送信波形を生成する信号生成手段と、前記信号生成手段により生成された信号を分配する分配器と、前記分配器の出力を送信するための送信器と、１つまたは複数のアンテナで構成され、指向方向制御が可能な送信アンテナと、前記送信アンテナから目標地点に向けて送信される電波を増幅して送信する複数のリピータアンテナと、前記送信アンテナから前記複数のリピータアンテナを介して目標地点に電波を送信する場合に送信電力が最大となるビーム形成荷重をデータベースとして持つ電波環境データベースと、前記目標地点に応じて送信電力が最大となる送信ビーム形成荷重を前記電波環境データベースから抽出する送信ビーム荷重抽出手段と、前記送信ビーム荷重抽出手段により抽出された送信ビーム形成荷重を用いて前記送信アンテナの指向性を制御する指向性制御手段とを備えたものである。
【００１３】
また、送信波形を生成する信号生成手段と、前記信号生成手段により生成された信号を分配する分配器と、前記分配器の出力を送信するための送信器と、１つまたは複数のアンテナで構成され、指向方向制御が可能な送信アンテナと、前記送信アンテナと目標との間に設けられて、到来する信号を反射する反射板と、前記送信アンテナから前記反射板を介して目標地点に電波を送信する場合に送信電力が最大となるビーム形成荷重をデータベースとして持つ電波環境データベースと、前記目標地点に応じて送信電力が最大となる送信ビーム形成荷重を前記電波環境データベースから抽出する送信ビーム荷重抽出手段と、前記送信ビーム荷重抽出手段により抽出された送信ビーム形成荷重を用いて前記送信アンテナの指向性を制御する指向性制御手段とを備えたものである。
【００１４】
また、送信波形を生成する信号生成手段と、前記信号生成手段により生成された信号を分配する分配器と、前記分配器の出力を送信するための送信器と、１つまたは複数のアンテナで構成され、指向方向制御が可能な送信アンテナと、前記送信アンテナの周囲の地形の反射状態を考慮して目標地点に電波を送信する場合に送信電力が最大となるビーム形成荷重をデータベースとして持つ電波環境データベースと、前記目標地点に応じて送信電力が最大となる送信ビーム形成荷重を前記電波環境データベースから抽出する送信ビーム荷重抽出手段と、前記送信ビーム荷重抽出手段により抽出された送信ビーム形成荷重を用いて前記送信アンテナの指向性を制御する指向性制御手段とを備えたものである。
【００１５】
また、送信波形を生成する信号生成手段と、前記信号生成手段により生成された信号を分配する分配器と、前記分配器の出力を送信するための送信器と、１つまたは複数のアンテナで構成され、指向方向制御が可能なアンテナと、前記アンテナを介して信号を受信する受信器と、目標からの受信電力が最大となる受信ビーム形成荷重を求め、求められた受信ビーム形成荷重を送信ビーム形成荷重とする送信ビーム荷重抽出手段と、前記送信ビーム形成荷重を用いて前記アンテナの指向性を制御する指向性制御手段とを備えたものである。
【００１６】
また、この発明に係る受信ビーム形成装置は、１つまたは複数のアンテナで構成され、指向方向制御が可能なアンテナと、前記アンテナに接続される受信器と、受信した信号波形を増幅して送信するリピータアンテナと、前記リピータアンテナを介してある地点から送信される電波を受信する場合に受信電力が最大となる受信ビーム形成荷重をデータベースとして持つ電波環境データベースと、目標地点から適切な受信ビーム荷重を前記電波環境データベースから抽出する受信ビーム荷重抽出手段と、前記受信ビーム荷重を用いて前記アンテナの指向性を制御する指向性制御手段と、前記受信器の出力を合成する合成器とを備えたものである。
【００１７】
さらに、この発明に係る測位装置は、１つまたは複数のアンテナで構成され、指向方向制御が可能なアンテナと、前記アンテナに接続される受信器と、受信した信号波形を増幅して送信するリピータアンテナと、上記リピータアンテナを介してある地点から送信される電波を受信する場合に受信電力が最大となる受信ビーム形成荷重をデータベースとして持つ電波環境データベースと、前記受信信号を荷重合成する場合に電力が最大となる受信ビーム荷重を求まる受信ビーム荷重計算手段と、前記受信ビーム荷重と最も類似する荷重を前記電波環境データベースから求め、この荷重に対応する地点を抽出する地点抽出手段とを備えたものである。
【発明の効果】
【００１８】
この発明によれば、従来不要波とされたマルチパス波を有効に活用して、地形からの反射やリピータアンテナを介してある地点に電波を送信する場合に送信電力が最大となる送信アンテナのビーム形成荷重をデータベースとして持つ電波環境データベースを備え、電波を照射する目標地点に応じて最適な送信ビーム形成荷重を選択して送信することでマルチパスの影響を低減して高い電力で送信できる。また、マルチパス波を用いて目標に電波を照射することで、目標から発見されにくい送信ビーム形成装置を得ることができる。
【００１９】
また、受信時においては、目標の位置に応じて電波環境データベースから受信ビーム形成荷重を抽出して受信ビーム形成を行うことでマルチパスの影響を低減して高い電力で受信する受信ビーム形成装置を得ることができる。
【００２０】
さらに、上記受信信号を荷重合成する場合に電力が最大となる最大比合成ビーム荷重と相関が高い受信ビーム荷重を上記データベースと照合することにより、マルチパス環境化において目標の測位をすることができる測位装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による送信ビーム形成装置を示す図である。１は送信波形を生成する信号生成手段、２は信号を各サブアンテナに分割する分配器、３は送信器、４はサブアンテナであり、これがアレーアンテナである場合にはその指向性を可変とするため複数の素子アンテナ５と複素荷重乗算手段６で構成される。サブアンテナ４は、開口面アンテナの場合はアンテナが１つでも良いが、方向を変えるような機械式の駆動部分を有する。８はサブアンテナの指向性を制御する指向性制御手段である。指向性制御はＤＢＦ（Digital Beam Forming）の場合送信器はアンテナの直前に処理を行うのが普通であり、そのように構成してもよいが、簡単のため、ここでは、図１に示すように送信器の後で指向性制御を行う例を説明する。
【００２２】
また、７は、送信ビーム荷重抽出手段であり、サブアレーで構成される送信アンテナの全体のビーム形成を制御するものである。具体的には、ここのサブアンテナの送信信号の位相と振幅を制御することで行われる。サブアンテナ単体の指向性制御を含めて全体の指向性を制御することも可能である。９は電波環境データベース、１０は受信した信号を増幅して送信するリピータアンテナである。電波環境データベース９では、ある地点にある周波数でリピータアンテナ１０を介して送信する場合に最も電力を大きくできる送信ビーム制御荷重を保管している。
【００２３】
従来、目標方向へ電波を指向する場合、図９に示すように送信ビーム荷重を制御して目標方向で電波の位相が合うように送信することで目標に照射される電力を増大させるものであった。例えば、簡単のため、サブアンテナを無指向性とし、ｍ番目のサブアンテナが方向θに電波を送信する場合の基準点に対する位相差をφｍとすると、ｍ番目のサブアンテナの方向θに送信される信号ｘｍ（ｔ）は、信号生成手段１で生成される信号ｓ（ｔ）として次式（１）で表される。ここに、ｔは時間因子である。また、ｗｍはｍ番目のサブアンテナに乗じる複素数の送信ビーム形成荷重である。
【００２４】
【数１】
【００２５】
方向θへ伝搬する電波ｙ（ｔ）は、各サブアンテナから送信する信号が合成されるので次式（２）のように表される。ｗｍ＝１なら、式（２）から、各アンテナで異なる位相φｍの複素数の和なので、方向θへの送信電力は小さくなる。方向θへの送信電力を最大化するための条件は位相を合わせて足すことであり、最適な荷重は、式（３）で与えられる。
【００２６】
【数２】
【００２７】
式（３）の送信ビーム荷重を設定することにより、サブアンテナで構成されるアンテナは方向θに指向性を持ち、この方向に高い電力で送信できる。
【００２８】
このように他に反射体がない前提では、目標を照射する電波は直接波が支配的であり、目標側で測角処理などにより容易に送信側の位置が分かるため、電波の送信装置が目標から発見されやすいという課題がある。
【００２９】
また、目標が低高度である場合や山などの反射物がある場合、目標に直接到達する電波に加え、山や地表面などに反射して目標に到達するマルチパス波が存在し、これらが直接波と干渉するため目標照射電力が著しく低下する問題がある。
【００３０】
この発明は、これらの課題を解決するため、図１に示すように、送信アンテナの周辺にリピータアンテナ１０を配置し、受信した信号を増幅して目標へ送信する。また、リピータアンテナ１０を介してある地点に電波を送信する場合に、最適なビーム形成荷重は一意に定まるので、これをデータベースとして保管する電波環境データベース９を備える。運用時においては、自分が電波を照射したい位置に対応した最適な送信ビーム荷重をデータベースから呼び出して設定することで直接波とマルチパス波の干渉による目標照射電力の低下を抑えることができる。また、リピータアンテナ１０を介することで信号を増幅することが可能であり、より大きな電力で送信することができる。
また、目標から観測すると目標に到達する電波はリピータアンテナ１０を介して到来するので多方向から到来し、送信元の位置を推定することは難しくなる。このため、目標から発見されずに電波を送信することが可能となる。
【００３１】
ｍ番目のサブアンテナ４から照射されてｋ番目のリピータアンテナ１０を介して地点ｐに到達する電波の位相差をφｍ、ｋとし、振幅をａｍ、ｋとすると、式（４）のように表される。このように、一つのアンテナから送信されて地点ｐに到達する電波は複数の振幅位相の和として表されるので、式（１）で示した反射波がない場合に比較して複雑となる。また、マルチパス波の振幅位相の和は、目標地点の位置と周波数で定まる量で、式（１）のように方位、周波数から一意に決まるものではない。しかしながら、目標地点および周波数が定まれば、マルチパス波を加味した位相振幅は一意に定まるので、これらを式（３）で示したように位相を合わせて足すことで電力を最大化するための複素荷重が一意に定まる。
【００３２】
地点ｐにおける観測信号ｙ（ｔ）は、各サブアンテナ４から送信される信号の合成波となるので、式（５）のように表される。ｍ番目のサブアンテナ４に乗じる複素荷重ｗｍは、位相を合わせ振幅に応じた大きさを乗じる場合に最大となるので、式（６）のように式（４）の係数の複素共役数を与えればよい。
【００３３】
これら荷重を要素としてもつベクトルを式（７）に示すようにＷとすれば、電波環境データベース９では、地点ｐ、周波数ｆに対して最適な荷重ベクトルＷを求め、Ｗ（ｐ、ｆ）として格納する。
【００３４】
【数３】
【００３５】
ここに、肩字の＊は複素共役、Ｔは転置をそれぞれ表す。運用時においては、自分が電波を送信したい地点ｐと使用する周波数ｆに応じて電波環境データベース９より荷重ベクトルＷ（ｐ、ｆ）を呼び出し、指向性制御手段８により送信器３の出力の位相振幅制御を行って送信することで、地点ｐに対して最適なビーム送信を行うことができる。なお、先に述べたようにＤＢＦ送信を行う場合には、送信器３より以前に複素数の荷重を乗じるようにしてもよい。
【００３６】
また、リピータアンテナ１０においては、図２に示すように、受信した信号を増幅する増幅手段１１と共に位相を制御する位相制御手段１２を備えることで、送信時だけでなくリピート時にも位相を制御することができ、高い自由度で制御が可能であり、より高い電力を目標地点に送信することが可能となる。
【００３７】
以上説明したように、電波の送信時においてリピータアンテナ１０を介して電波を送信するように構成し、地点に応じて送信電力を最大化するための送信ビーム形成荷重をデータベースとしてもち、送信時において、目標とする地点に応じて最適な送信ビーム形成荷重をデータベースより呼び出してビーム形成を行うので、高い電力で目標地点に電波を送信することができる。また、目標から観測すると電波が多方向から到来するので、電波の送信源が発見されにくいという利点がある。
【００３８】
なお、図３に示すように、電波を反射する反射板を適当な位置に配置することでも、リピータアンテナ１０を用いた場合と同様に、目標に対して多方向から電波を照射することができる。また、このようなマルチパス環境において最適な送信ビーム荷重を電波環境データベースとして持ち、電波を送信した目標地点に応じて送信ビーム形成を行うことで、マルチパスの影響を抑え高い電力で目標とする地点に電波を送信することができる。
【００３９】
また、図４に示すように、山など、送信アンテナの周辺に反射体が存在している場合には、サブアンテナの指向性を意図的に山へ向けることで効果的にマルチパス波を利用して目標に他方向から電波を照射することができる。また、この場合においても、マルチパス環境において最適な送信ビーム荷重を電波環境データベースとして持ち、電波を送信した目標地点に応じて送信ビーム形成を行うことで、マルチパスの影響を抑え高い電力で目標とする地点に電波を送信することができる。
【００４０】
また、これまで、送信ビーム形成について説明したが、送信と受信に対称性が存在することを考慮すれば同様な構成で受信ビーム形成を有効に行うことができる。すなわち、図１において、送信器３に代えて受信器を用い、分配器２に代えて合成器を用い、その出力信号を持って受信信号とする。この場合においても、地点ｐから電波が送信される場合において各アンテナにおける受信位相振幅特性から受信電力が最大化する受信ビーム形成荷重をデータベースとしてもち、観測している地点に応じてこの受信ビーム形成荷重を呼び出して受信ビーム形成すれば、高い受信電力で受信することができる。
【００４１】
なお、送信と受信の対称性から、地点ｐに最適送信するための送信ビーム形成荷重と地点ｐから最適受信するための受信ビーム形成荷重は同一であるので、送信と受信で別々のデータベースを持つ必要はなく、同じ電波環境データベース９を用いればよい。
【００４２】
また、受信の最適なビーム形成荷重は、最大比合成荷重として別の手段で知ることができるから、この最大比合成荷重と前記データベースとの比較照合を行うことで、電波の送信源の位置を知ることができる。
【００４３】
これは、先に説明したようにマルチパスが存在することにより、最適なビーム形成荷重と目標とする地点に対応して決まる性質を逆に利用したものである。仮にマルチパス波が存在しない場合には最適なビーム形成荷重と電波の方向が対応することから、目標の方向を知ることができるが、その位置までは知ることができない。
【００４４】
なお、最大比合成荷重による受信ビーム形成荷重は、次のように求める。まず、ｍ番目のサブアンテナ４の受信信号ｘｍ（ｔ）とし、このうちの何れか一つまたは別途用意するアンテナを参照アンテナとしてこの受信信号をｘｒ（ｔ）とする。このとき、ｍ番目のサブアンテナ４に乗じる複素数の荷重ｗｍは次式（８）で与えられる。ここに、Ｅ[]は時間平均を表す。
【００４５】
【数４】
【００４６】
以上説明したように、電波をリピータアンテナ１０または反射体を介してマルチパスを受信するようにし、受信の最適なビーム形成荷重を計算する最大比合成荷重計算手段と、前記電波環境データベース９を照合して電波の位置を測定する測位手段を備えることで、電波の送信源の位置を測定することができる。
【００４７】
実施の形態２．
図５は、この発明の実施の形態２を示す構成図である。ここでは、山に反射するマルチパス波を示しているが、図１に示したリピータアンテナを利用する方式や図３で示した反射板を利用する構成においても同様に利用することができる。本実施の形態２では、実施の形態１（例えば図４）の構成に加えて受信器を備えており、受信信号を利用して送信ビーム形成荷重を決定する構成となっている。
【００４８】
実施の形態１の構成では、地点に応じて最適な送信ビーム形成荷重を選択していたが、目標の位置が未知な場合には、最適な送信ビーム形成荷重を求めることができない。そこで、本実施の形態２では、受信信号を用いて最適な送信ビーム形成を行うものである。先に説明したように受信と送信には対称性があるため、受信の最適ビームは、送信の最適ビームとなるので、受信電力が最大化する荷重を送信ビーム形成に用いればよい。受信電力を最大化するための受信ビーム形成荷重は、式（８）と同様に最大比合成荷重を求めればよい。
【００４９】
図５の構成は、簡単に送信ビームを決定できるメリットがある反面、Ｓ／Ｎや目標以外からの反射波の影響を受けやすく精度の劣化を生じやすい課題がある。
そこで、図６の構成は、図５の構成に加え、さらに電波環境データベースを備え、前記最大比合成により求めた受信ビーム形成荷重と類似するものを電波環境データベースから抽出し、その荷重を送信ビーム形成荷重として用いるものである。このように電波環境データベースを参照して送信ビーム形成荷重を設定することで、Ｓ／Ｎの影響や他の反射波の影響を受けにくく正確な送信ビーム形成を行って目標に照射電力を高めることができる。また、目標の位置が未知の場合にもビーム形成が可能であり、実施の形態１の構成で捜索するよりも低い演算量で高速に送信ビーム形成をすることができる効果がある。
【００５０】
実施の形態３．
図７は、この発明の実施の形態３を説明する図である。実施の形態３においては図４に示した構成に加え、ビーム形成荷重の候補を抽出するビーム荷重候補抽出手段１５と、これらビーム形成荷重の中から目標方向へ直接波を送信するレベルが最も低いものを選択する荷重選択手段１６を備えたものである。
【００５１】
電波環境データベースでは、式（４）で示したように各サブアンテナの位相振幅の複素共役数を要素としてもつ荷重ベクトルが地点および周波数毎に保存されている。ここで、式（９）、式（１０）に示すように位相振幅に関する係数をｃｍとし、これを要素として持つベクトル
【００５２】
【数５】
【００５３】
をステアリングベクトルと呼ぶ。地点ｐにおける最適な荷重Ｗ（ｐ）は、地点ｐから送信される電波の直接波およびマルチパス波の合成波のステアリングベクトルの複素共役で与えられる。
【００５４】
【数６】
【００５５】
マルチパス環境においては、図７に示すように例えば地点Ａにおいて電力が高くなるように送信すると、その他の地点の例えばＢやＣにおいても電力が高くなる性質がある。すなわち、逆に考えると地点Ａで電力が高くなる送信荷重は複数存在することを意味しており、このような候補をビーム荷重候補手段では抽出する。ビーム荷重候補抽出手段１５では、地点Ａに対応する荷重ベクトルＷ（Ａ）と他の地点ｐに対応する荷重ベクトルＷ（ｐ）の内積ｒ（ｐ）を式（１１）により求め、この値が大きい地点の荷重ベクトルＷ（ｐ）を候補として抽出する。
【００５６】
ビーム選択手段１６では、得られたビーム候補の中から直接目標に照射される電波が最も小さいものを選択する。目標の方向に直接放射される電力は、目標方向のステアリングベクトルを
【００５７】
【数７】
【００５８】
とするとき、式（１２）に示すｒｄ（ｐ）の大きさから知ることができる。
【００５９】
【数８】
【００６０】
ここに、肩字のＨは複素共役転置を示す。そこで、まず、地点Ａで電力が大きいビーム荷重候補を抽出し、その中から式（１２）の値が最小となるものを選択する。
【００６１】
以上説明したような処理を行うことにより、目標に対して多方向から高い電力で電波を送信することができ、直接目標に到来する電波が小さいことから、目標から発見されにくいという効果がある。
【００６２】
実施の形態４．
図８は、この発明の実施の形態４を説明する図である。実施の形態４では図１で示した電波環境データベース９とは異なる送信ビーム荷重を登録している電波環境データベース１７を備えている。図１に示す構成では、リピータアンテナ１０を介して目標に照射される電力が最大化するような荷重を式（６）および式（７）に従って各地点および周波数毎に計算しデータベースに格納していた。本実施の形態４では、さらに目標から発見されにくくするため、送信するアンテナパターンにおいて、目標方向に直接送信される方向の利得を下げ、リピータアンテナ１０を介して目標に到達する電波だけで目標に送信するようにしたものである。
【００６３】
このような送信ビーム荷重の生成方法について以下に説明する。まず、式（９）および式（１０）で示したようにリピータアンテナを介して送信される電波に関わるステアリングベクトルを
【００６４】
【数９】
【００６５】
とし、目標とする地点に直接電波を送信する方向のステアリングベクトルを
【００６６】
【数１０】
【００６７】
とする。このときサブアンテナｍから信号ｓ（ｔ）を目標方向に直接送信する場合の擬似信号ｘｄｍ（ｔ）を下記のように仮定する。
【００６８】
【数１１】
ここで、ｎｍ（ｔ）は雑音成分であり、ここでは電力が１となるように設定する。また、ｃｄｍ（ｔ）はステアリングベクトル
【００６９】
【数１２】
【００７０】
のｍ番目の要素である。信号ｓ（ｔ）も自分自身で仮定する信号であり、雑音との電力比（ＳＮＲ）によって感度を調整できる。擬似信号ｘｄｍ（ｔ）から式（１４）のような信号ベクトルＸｄｍを生成し相関行列Ｒｄを求めると式（１５）のようになる。
【００７１】
【数１３】
【００７２】
ここに、ｐｓは、信号ｓ（ｔ）の電力であり、ＩはＭ次の単位行列である。ここでは、擬似信号を用いて相関行列Ｒｄの導出を説明したが、目標方向のステアリングベクトル
【００７３】
【数１４】
【００７４】
を用いて式（１５）に従って直接導出すればよい。
【００７５】
式（１５）で導出した相関行列Ｒｄを用いて、リピータアンテナを介するステアリングベクトル
【００７６】
【数１５】
【００７７】
に関わる信号成分を残しつつ、直接目標に到達するステアリングベクトル
【００７８】
【数１６】
【００７９】
に関わる信号成分を最小化するような荷重を求める。このような方向拘束付き最小化アルゴリズムとして、「小川恭孝、菊間信良、“アダプティブアンテナ理論の進展と今後の展望、”電子情報通信学会論文誌B-II、vol. J75-B-II、No.11、pp.721-732、Nov. 1992.」に示されるＤＣＭＰ（Directionally Constrained Minimization of Power）を用いることができる。拘束ベクトルをステアリングベクトル
【００８０】
【数１７】
【００８１】
とし、相関行列Ｒｄを用いてＤＣＭＰによる荷重ベクトルＷ（ｐ、ｆ）は式（１６）のように与えられる。
【００８２】
【数１８】
【００８３】
電波環境データベースでは、式（１６）に従って各地点ｐおよび周波数ｆ毎に荷重ベクトルを求め、データベースとして保管する。運用時においては目標とする地点および周波数に応じてビーム形成荷重をデータベースから呼び出し送信ビーム形成を行う。
【００８４】
以上説明したように、ＤＣＭＰを用いて、リピータアンテナを介するステアリングベクトル
【００８５】
【数１９】
【００８６】
に関わる信号成分を残しつつ、直接目標に到達するステアリングベクトル
【００８７】
【数２０】
【００８８】
に関わる信号成分を最小化するような送信ビーム荷重を用いて送信ビーム形成を行うので、目標に対して多方向から高い電力で電波を送信することができ、直接目標に到来する電波が小さくすることで、目標から発見されにくいという効果がある。
【００８９】
なお、ここでは、リピータアンテナを介して送信する場合を示したが、図３や図４で示したように反射板や地形からの反射を介して送信する場合にももちろん適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】この発明の実施の形態１による送信ビーム形成装置を示す図である。
【図２】図１の変形例を示す図である。
【図３】図１の変形例を示す図である。
【図４】図１の変形例を示す図である。
【図５】この発明の実施の形態２による送信ビーム形成装置を示す図である。
【図６】図５の変形例を示す図である。
【図７】この発明の実施の形態３による送信ビーム形成装置を示す図である。
【図８】この発明の実施の形態４による送信ビーム形成装置を示す図である。
【符号の説明】
【００９１】
１ 信号生成手段、２ 分配器、３ 送信器、４ サブアンテナ、５ 素子アンテナ、６ 複素荷重乗算手段、７ 送信ビーム荷重抽出手段、８ 指向性制御手段、９，１７ 電波環境データベース、１０ リピータアンテナ、１１ 増幅手段、１２ 位相制御手段、１３ 反射板、１４ 受信器、１５ ビーム荷重候補抽出手段、１６ 荷重選択手段。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信波形を生成する信号生成手段と、
前記信号生成手段により生成された信号を分配する分配器と、
前記分配器の出力を送信するための送信器と、
１つまたは複数のアンテナで構成され、指向方向制御が可能な送信アンテナと、
前記送信アンテナから目標地点に向けて送信される電波を増幅して送信する複数のリピータアンテナと、
前記送信アンテナから前記複数のリピータアンテナを介して目標地点に電波を送信する場合に送信電力が最大となるビーム形成荷重をデータベースとして持つ電波環境データベースと、
前記目標地点に応じて送信電力が最大となる送信ビーム形成荷重を前記電波環境データベースから抽出する送信ビーム荷重抽出手段と、
前記送信ビーム荷重抽出手段により抽出された送信ビーム形成荷重を用いて前記送信アンテナの指向性を制御する指向性制御手段と
を備えた送信ビーム形成装置。
【請求項２】
請求項１に記載の送信ビーム形成装置において、
前記リピータアンテナの受信信号を増幅する増幅器と、
前記リピータアンテナの受信信号の位相を制御する位相制御手段と
を備えたことを特徴とする送信ビーム形成装置。
【請求項３】
送信波形を生成する信号生成手段と、
前記信号生成手段により生成された信号を分配する分配器と、
前記分配器の出力を送信するための送信器と、
１つまたは複数のアンテナで構成され、指向方向制御が可能な送信アンテナと、
前記送信アンテナと目標との間に設けられて、到来する信号を反射する反射板と、
前記送信アンテナから前記反射板を介して目標地点に電波を送信する場合に送信電力が最大となるビーム形成荷重をデータベースとして持つ電波環境データベースと、
前記目標地点に応じて送信電力が最大となる送信ビーム形成荷重を前記電波環境データベースから抽出する送信ビーム荷重抽出手段と、
前記送信ビーム荷重抽出手段により抽出された送信ビーム形成荷重を用いて前記送信アンテナの指向性を制御する指向性制御手段と
を備えた送信ビーム形成装置。
【請求項４】
送信波形を生成する信号生成手段と、
前記信号生成手段により生成された信号を分配する分配器と、
前記分配器の出力を送信するための送信器と、
１つまたは複数のアンテナで構成され、指向方向制御が可能な送信アンテナと、
前記送信アンテナの周囲の地形の反射状態を考慮して目標地点に電波を送信する場合に送信電力が最大となるビーム形成荷重をデータベースとして持つ電波環境データベースと、
前記目標地点に応じて送信電力が最大となる送信ビーム形成荷重を前記電波環境データベースから抽出する送信ビーム荷重抽出手段と、
前記送信ビーム荷重抽出手段により抽出された送信ビーム形成荷重を用いて前記送信アンテナの指向性を制御する指向性制御手段と
を備えた送信ビーム形成装置。
【請求項５】
送信波形を生成する信号生成手段と、
前記信号生成手段により生成された信号を分配する分配器と、
前記分配器の出力を送信するための送信器と、
１つまたは複数のアンテナで構成され、指向方向制御が可能なアンテナと、
前記アンテナを介して信号を受信する受信器と、
目標からの受信電力が最大となる受信ビーム形成荷重を求め、求められた受信ビーム形成荷重を送信ビーム形成荷重とする送信ビーム荷重抽出手段と、
前記送信ビーム形成荷重を用いて前記アンテナの指向性を制御する指向性制御手段と
を備えた送信ビーム形成装置。
【請求項６】
請求項５に記載の送信ビーム形成装置において、
前記アンテナから目標地点に電波を送信する場合に送信電力が最大となるビーム形成荷重をデータベースとして持つ電波環境データベースをさらに備え、
前記送信ビーム荷重抽出手段は、目標からの受信電力が最大となる受信ビーム形成荷重を求め、求められた受信ビーム形成荷重を参照して送信ビーム荷重を前記電波環境データベースから抽出する
ことを特徴とする送信ビーム形成装置。
【請求項７】
請求項１から６までのいずれか１項に記載の送信ビーム形成装置において、
電波を照射する目標地点において到達する電力がほぼ最大となる複数の送信ビーム荷重の候補を抽出するビーム荷重候補抽出手段と、
前記ビーム荷重候補抽出手段により抽出された送信ビーム荷重のうち、目標方向に直接送信するレベルが最も低い送信ビーム荷重を選択するビーム選択手段と
をさらに備えたことを特徴とする送信ビーム形成装置。
【請求項８】
請求項１から６までのいずれか１項に記載の送信ビーム形成装置において、
前記電波環境データベースは、反射体またはリピータアンテナを介して目標に向けて電波を送信する場合に、送信電力を高く、かつ目標地点に直接到達する電波の送信電力が低くなるようなビーム荷重をデータベースとして持つ
ことを特徴とする送信ビーム形成装置。
【請求項９】
１つまたは複数のアンテナで構成され、指向方向制御が可能なアンテナと、
前記アンテナに接続される受信器と、
受信した信号波形を増幅して送信するリピータアンテナと、
前記リピータアンテナを介してある地点から送信される電波を受信する場合に受信電力が最大となる受信ビーム形成荷重をデータベースとして持つ電波環境データベースと、
目標地点から適切な受信ビーム荷重を前記電波環境データベースから抽出する受信ビーム荷重抽出手段と、
前記受信ビーム荷重を用いて前記アンテナの指向性を制御する指向性制御手段と、
前記受信器の出力を合成する合成器と
を備えた受信ビーム形成装置。
【請求項１０】
１つまたは複数のアンテナで構成され、指向方向制御が可能なアンテナと、
前記アンテナに接続される受信器と、
受信した信号波形を増幅して送信するリピータアンテナと、上記リピータアンテナを介してある地点から送信される電波を受信する場合に受信電力が最大となる受信ビーム形成荷重をデータベースとして持つ電波環境データベースと、
前記受信信号を荷重合成する場合に電力が最大となる受信ビーム荷重を求まる受信ビーム荷重計算手段と、
前記受信ビーム荷重と最も類似する荷重を前記電波環境データベースから求め、この荷重に対応する地点を抽出する地点抽出手段と
を備えた測位装置。
【請求項１】
送信波形を生成する信号生成手段と、
前記信号生成手段により生成された信号を分配する分配器と、
前記分配器の出力を送信するための送信器と、
１つまたは複数のアンテナで構成され、指向方向制御が可能な送信アンテナと、
前記送信アンテナから目標地点に向けて送信される電波を増幅して送信する複数のリピータアンテナと、
前記送信アンテナから前記複数のリピータアンテナを介して目標地点に電波を送信する場合に送信電力が最大となるビーム形成荷重をデータベースとして持つ電波環境データベースと、
前記目標地点に応じて送信電力が最大となる送信ビーム形成荷重を前記電波環境データベースから抽出する送信ビーム荷重抽出手段と、
前記送信ビーム荷重抽出手段により抽出された送信ビーム形成荷重を用いて前記送信アンテナの指向性を制御する指向性制御手段と
を備えた送信ビーム形成装置。
【請求項２】
請求項１に記載の送信ビーム形成装置において、
前記リピータアンテナの受信信号を増幅する増幅器と、
前記リピータアンテナの受信信号の位相を制御する位相制御手段と
を備えたことを特徴とする送信ビーム形成装置。
【請求項３】
送信波形を生成する信号生成手段と、
前記信号生成手段により生成された信号を分配する分配器と、
前記分配器の出力を送信するための送信器と、
１つまたは複数のアンテナで構成され、指向方向制御が可能な送信アンテナと、
前記送信アンテナと目標との間に設けられて、到来する信号を反射する反射板と、
前記送信アンテナから前記反射板を介して目標地点に電波を送信する場合に送信電力が最大となるビーム形成荷重をデータベースとして持つ電波環境データベースと、
前記目標地点に応じて送信電力が最大となる送信ビーム形成荷重を前記電波環境データベースから抽出する送信ビーム荷重抽出手段と、
前記送信ビーム荷重抽出手段により抽出された送信ビーム形成荷重を用いて前記送信アンテナの指向性を制御する指向性制御手段と
を備えた送信ビーム形成装置。
【請求項４】
送信波形を生成する信号生成手段と、
前記信号生成手段により生成された信号を分配する分配器と、
前記分配器の出力を送信するための送信器と、
１つまたは複数のアンテナで構成され、指向方向制御が可能な送信アンテナと、
前記送信アンテナの周囲の地形の反射状態を考慮して目標地点に電波を送信する場合に送信電力が最大となるビーム形成荷重をデータベースとして持つ電波環境データベースと、
前記目標地点に応じて送信電力が最大となる送信ビーム形成荷重を前記電波環境データベースから抽出する送信ビーム荷重抽出手段と、
前記送信ビーム荷重抽出手段により抽出された送信ビーム形成荷重を用いて前記送信アンテナの指向性を制御する指向性制御手段と
を備えた送信ビーム形成装置。
【請求項５】
送信波形を生成する信号生成手段と、
前記信号生成手段により生成された信号を分配する分配器と、
前記分配器の出力を送信するための送信器と、
１つまたは複数のアンテナで構成され、指向方向制御が可能なアンテナと、
前記アンテナを介して信号を受信する受信器と、
目標からの受信電力が最大となる受信ビーム形成荷重を求め、求められた受信ビーム形成荷重を送信ビーム形成荷重とする送信ビーム荷重抽出手段と、
前記送信ビーム形成荷重を用いて前記アンテナの指向性を制御する指向性制御手段と
を備えた送信ビーム形成装置。
【請求項６】
請求項５に記載の送信ビーム形成装置において、
前記アンテナから目標地点に電波を送信する場合に送信電力が最大となるビーム形成荷重をデータベースとして持つ電波環境データベースをさらに備え、
前記送信ビーム荷重抽出手段は、目標からの受信電力が最大となる受信ビーム形成荷重を求め、求められた受信ビーム形成荷重を参照して送信ビーム荷重を前記電波環境データベースから抽出する
ことを特徴とする送信ビーム形成装置。
【請求項７】
請求項１から６までのいずれか１項に記載の送信ビーム形成装置において、
電波を照射する目標地点において到達する電力がほぼ最大となる複数の送信ビーム荷重の候補を抽出するビーム荷重候補抽出手段と、
前記ビーム荷重候補抽出手段により抽出された送信ビーム荷重のうち、目標方向に直接送信するレベルが最も低い送信ビーム荷重を選択するビーム選択手段と
をさらに備えたことを特徴とする送信ビーム形成装置。
【請求項８】
請求項１から６までのいずれか１項に記載の送信ビーム形成装置において、
前記電波環境データベースは、反射体またはリピータアンテナを介して目標に向けて電波を送信する場合に、送信電力を高く、かつ目標地点に直接到達する電波の送信電力が低くなるようなビーム荷重をデータベースとして持つ
ことを特徴とする送信ビーム形成装置。
【請求項９】
１つまたは複数のアンテナで構成され、指向方向制御が可能なアンテナと、
前記アンテナに接続される受信器と、
受信した信号波形を増幅して送信するリピータアンテナと、
前記リピータアンテナを介してある地点から送信される電波を受信する場合に受信電力が最大となる受信ビーム形成荷重をデータベースとして持つ電波環境データベースと、
目標地点から適切な受信ビーム荷重を前記電波環境データベースから抽出する受信ビーム荷重抽出手段と、
前記受信ビーム荷重を用いて前記アンテナの指向性を制御する指向性制御手段と、
前記受信器の出力を合成する合成器と
を備えた受信ビーム形成装置。
【請求項１０】
１つまたは複数のアンテナで構成され、指向方向制御が可能なアンテナと、
前記アンテナに接続される受信器と、
受信した信号波形を増幅して送信するリピータアンテナと、上記リピータアンテナを介してある地点から送信される電波を受信する場合に受信電力が最大となる受信ビーム形成荷重をデータベースとして持つ電波環境データベースと、
前記受信信号を荷重合成する場合に電力が最大となる受信ビーム荷重を求まる受信ビーム荷重計算手段と、
前記受信ビーム荷重と最も類似する荷重を前記電波環境データベースから求め、この荷重に対応する地点を抽出する地点抽出手段と
を備えた測位装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１０−１０１８３７（Ｐ２０１０−１０１８３７Ａ）
【公開日】平成２２年５月６日（２０１０．５．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２７５５９８（Ｐ２００８−２７５５９８）
【出願日】平成２０年１０月２７日（２００８．１０．２７）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年５月６日（２０１０．５．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１０月２７日（２００８．１０．２７）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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