JPH0325752B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、基準点に関する遠隔物体の位置及び
方向を決定することに関し、特に、基準点から電
磁界を放射し、遠隔物体のところでこの電磁界を
検出し、そして検出されたこの電磁界を解析し
て、遠隔物体の位置及び方向を決定することに関
する。 磁界を発生しかつ検出するために直交コイルを
使用することは公知である。例えば、このような
装置は、磁界の特性をより良く理解するために磁
界マツプを作る場合に、注目されていた。もし発
生コイルまわりの磁界が、検知コイルの使用によ
つて、非常に正確なマツプにすることができるな
らば、検知されるものに基いて、発生コイルに対
する検知コイルの位置を決定することができると
いうことに、また気づいた。しかしながら、これ
をなすことに関する問題は、通常のダイポール磁
界内には、検知コイルに同じ特性の検知信号を発
生する１以上の位置及び／又は方向があるという
ことである。それ故、位置および方向を決定する
ためには、この磁界を利用する他に別の情報を得
なければならない。 この目的のために必要なこの付加情報を提供す
る一つの方法は、1972年２月22日に発行された
Paul Ｄ、Davis、Jrの米国特許第3644825号
「MAGNETIC DETECTION SYSTEM FOR
DETECTING MOVEMENT OF AN
OBJECT UTILIZING SIGNALS DERIVED
FROM TWO ORTHOGONAL PICKUP
COILS」に教示されるように、発生コイルと相
互コイルを相互に関して動かせることである。コ
イルの動きが磁界内に変化を発生し、そしてその
とき生じる信号は、発生コイル及び検知コイルの
移動方向又は相対位置を決定するために使用する
ことができる。このような方法は、検知される磁
界を基礎にして位置についてのあいまいさをいく
らか取り除くけれども、その精度は相対移動に依
存し、そしてそれらは相対移動なしでは全然使用
することができない。 必要な付加情報を提供するために示唆された別
の方法は、“IRE Transactions on Aerospace
and Navigational Electronics”1962年３月号、
第７〜10頁のKalmusの「Ａ New Guiding
and Tracking System」に教示されるように、
磁界を回転させることである。発生コイルと検知
コイルの間の距離を正確に決定するために、その
方法は、コイルの相対方向を一定に維持すること
を必要とする。それ故、発生コイルと検知コイル
の相対移動と相対方向の両方を決定するために使
用することはできない。 1975年２月25日にJack Kuipersに特許され、
かつ同じ譲受人に譲渡された米国特許第3868565
号「OBJECT TRACKING AND
ORIENTATION DETERMINATION
MEANS、SYSTEM AND PROCESS」は、基
準座標システムの原点で、遠隔物体の相対移動及
び方向を連続的に決定するための追跡システムを
教示している。この追跡システムは、それぞれが
３の直交位置決めループを有する放射及び検知ア
ンテナ配列を含んでいる。放射アンテナ配列の適
切な励起制御によつて、瞬時合成放射電磁界を、
任意の所望方向に向けられた単一ループアンテナ
のそれと等価なものにすることができる。さらに
励起を制御することにより、この放射電磁界を、
指示ベクトルを示す軸まわりに回転させる。この
追跡システムは、放射電磁界方向を制御し、かつ
検知アンテナ配列でなされる測定を解釈するコン
ピユータを有する閉ループシステムとして動作す
る。すなわち、検知アンテナ配列から放射アンテ
ナ配列への情報フイードバツクループが、検知ア
ンテナ配列の方にその回転軸を指示するための情
報を供給する。従つて、指示ベクトルが、放射ア
ンテナ配列から検知アンテナ配列への方向を与え
る。指示ベクトルの適切な方向は、遠隔物体の方
向の計算のために必要である。検知アンテナで検
出された信号は、回転成分を含んでいる。この回
転電磁界は、３つの検出された信号のそれぞれに
異なる回転成分を発生する。放射信号に対する検
知アンテナ配列の方向は、これらの成分の大きさ
から決定される。 1977年10月18日にFrederick H.Raabに特許さ
れ、かつこの出願と同じ譲受人に譲渡された米国
特許第4054881号「REMOTE OBJECT
POSITION LOCATER」は、基準座標システム
に関する遠隔物体の位置を、遠隔物体のところ
で、決定するための磁気もしくは近接電磁界非追
跡システムを教示している。遠隔物体の方向は、
反復計算スキームを使用することによつて基準座
標システムに関して、遠隔物体のところで、決定
することができる。これは、３つの相互に直交す
る放射アンテナのそれぞれに電気信号を印加する
ことによつて達成され、そしてこの電気信号は相
互に関して多量化され、かつ放射電磁界の磁気モ
ーメント及び極性を特徴づける情報を包含してい
る。放射電磁界は、遠隔物体に対して既知の関係
を有し、かつ９つのパラメータを発生する３つの
相互に直交した受信アンテナによつて検出されか
つ測定される。１つの既知位置又は方向パラメー
タと組み合わせたこれらの９つのパラメータは、
放射アンテナの位置及び方向に関して受信アンテ
ナの位置及び方向パラメータを決定するのに十分
である。 次の目的の他の追跡遠隔物体及び方向決定シス
テムが提供された。(a)．第１の本体座標基準フレ
ームの原点で第２の本体の相対位置及び方向を決
定すること。及び(b)．第２の本体座標基準フレー
ムの原点で、第１の本体の相対位置及び方向を決
定すること。本体間の分離距離は、近接電磁界に
制限されない。追跡システムの各本体は、電磁界
を放射しかつ検知するため少くとも２つの独立し
た方向のスタブダイポールを含んでいる。放射ア
ンテナの適切な励起制御により、指示ベクトルを
示す軸まわりに放射電磁界を回転させることがで
きる。第１の本体は、第２の本体から送信された
放射を受信し、かつ第１の本体座標基準フレーム
に関して第２の本体への指示角度を確立する。こ
の指示角度を決定する処理は、半径方向の変調成
分または回転成が存在していないという事実に依
存している。第１の本体によつて受信される電磁
界は、第２の本体の座標基準フレームに関して第
１の本体への第２の本体の指示角度、及びそれら
の相互にそろえられた指示軸まわりの相対ロール
角を限定する情報を包含することができる。この
情報は、第２の本体に対する第１の本体の方向を
決定するのに十分である。それからこのプロセス
が繰り返され、第２の本体は第１の本体から送信
された放射を受信する。さらに、第２の本体から
第３の本体へのベクトルを確立し、従つて、第２
の本体のところで第３の本体の位置を限定する情
報を、第１の本体から第２の本体に送信すること
ができる。 他のものは、遠方電磁界内で開ループ動作しか
つ非反復的に方向を決定する３軸送信及び３軸受
信を有する非追跡遠隔物体位置及び方向決定シス
テムを教示した。このようなシステムにおいて、
放射源の方向もしくはその素子の相対方向につい
ての前もつての知識もなく、受信手段に対する放
射源の位置を決定することがまた教示された。 遠隔物体の位置及び方向を決定する技術は十分
に開発されているけれども、広い範囲にわたつて
近接電磁界システムを動作させることは、非実用
的に大きなアンテナ及び非実用的に高い送信タワ
ーを必要とする。さらに、励起を最小にして遠隔
物体の位置及び方向を決定する必要がある。ま
た、２つの放射アンテナと３つの受信アンテナ
か、又は３つの放射アンテナと２つの受信アンテ
ナのいずれかを使うことによつて、基準座標フレ
ームに関して遠隔物体の位置及び方向を決定する
必要がある。 本発明は、電磁放射源とセンサーの間の遠方電
磁界結合を利用し、電磁放射源とセンサーの間の
相対位置および方向を決定するための技術に関す
るものである。放射源とセンサーの間に大きな分
離距離がある場合に、本発明は、短いパルス送信
を使用することによつて、距離を長くし、かつマ
ルチパス信号（電磁界ひずみ）を最小にして、サ
イズ、重量、及び出力を最小にするという利点を
有している。特に、基準座標フレームに関して遠
隔物体の位置及び方向を決定する装置は、基準座
標フレームの原点を中心にした直交素子を有する
複数の放射手段を備えている。複数の電磁界を発
生する電気信号を、複数の放射手段に印加するた
めの手段が備えられる。送信及び処理速度は、単
に２つの個別励起状態から成る電気信号を放射手
段に印加することによつて増加する。送信電磁界
は多重化され、従つて相互に識別可能である。複
数の受信手段が遠隔物体上に配置され、かつこの
受信手段は、送信電磁界の受信成分を検出しかつ
測定するためのアンテナ素子を有している。放射
手段および受信手段は、伝播された電磁界の遠方
磁界成分が近接磁界成分より実質的に高くなるこ
とが確実となる充分な距離だけ離されている。放
射手段及び受信手段がそれぞれ、少くとも３つの
直交アンテナ素子を備える従来技術の場合には、
受信手段によつて受信された電磁界成分を、位置
及び方向のせいぜい一つのあいまいな組合せで非
反復的に、基準座標フレームに関する遠隔物体位
置及び方向に変換するための解析手段が備えられ
る。この解析手段は、放射手段に関して開ループ
動作し、かつ放射手段と受信手段の間の分離距離
を決定するための計算手段を含んでいる。 本発明の他の実施例において、複数の放射手段
と複数の受信手段の一方を、単に２つの直交素子
にし、かつ他方を３直交素子にすることによつ
て、処理速度はかなり増加し、かつ送信機か又は
受信機のいずれかのコスト及び複雑さはかなり減
少する。この場合、受信手段と関連した解析手段
は、位置及び方向のせいぜい一つのあいまいな組
合せで、送信電磁界の受信された成分を、基準座
標フレームに関する遠隔物体位置及び方向に変換
する。 本発明は、種々の用途に適用し得るものである
が、本発明を以下に遠方着陸システムに関する実
施例に関して説明する。第１図を参照すると、着
陸補助システム１０は、電磁界を放射するための
地上基本要素３０、及び電磁界を受信するための
航空機内要素２０を備えて、地上基本要素３０に
関して航空機内要求２０の位置及び方向を決定す
る。地上基本要素２０は、電力増幅器３２，３
３，３４に並列に結合された信号発生器３１を含
んでいる。地上アンテナ配列４０は、電力増幅器
３２，３３，３４にそれぞれ結合された直交電気
ダイポールアンテナ４１，４２，４３（Ｘ，Ｙ，
Ｚで示す）を含んでいる。ダイポールアンテナ４
１，４２，４３は、それぞれ各アンテナに固有の
ダイポール電界パターンを発生するように、搬送
周波数の波長に対して短くされる。モニター受信
機４１は、地上アンテナ配列４０から離れて、信
号発生器３１に結合され、かつ地上アンテナ配列
４０からの電磁放射を受信するための直交アンテ
ナ配列４５を有している。地上アンテナ配列４０
からモニター受信機４４までの分離距離は、電磁
界が、実質上近接電磁界成分より大きな近接電磁
界成分となるようにされる。モニター受信機４４
は、地面アンテナ配列４０からの電磁送信を確か
める手段を形成している。航空機内要素２０は、
直交受信アンテナ配列２１、信号増幅器群５２、
周波数変換器群５３、信号プロセツサ群５４、コ
ンピユータ５０、及びデイスプレイ５１に順次結
合されている。特に、アンテナ配列２１は、受信
ダイポールアンテナ２２，２３，２４（Ｕ，Ｖ，
Ｗで示す）を含み、それぞれ順次、信号増幅器２
５，２６，２７、周波数変換器５５，５６，５
７、及び信号プロセツサ５８，５９，６０に結合
されている。 着陸補助システム１０は“開ループ”動作し、
航空機内要素２０と地上基本要素３０の間の唯一
の通信は、地上基本要素３０からの放射電磁界で
ある。地上アンテナ配列４０に関して受信アンテ
ナ配列２１の位置及び方向を確立するために航空
機内要素２０から地上基本要素３０への通信の必
要はない。さらに、着陸補助システム１０は、任
意数の遠隔ユーザーによる同時使用を可能にす
る。位置及び方向を測定する能力に加えて、地上
アンテナ配列４０によつて放射された信号は、地
上基本要素３０から受信アンテナ配列２１への一
方向データリングを形成することができる。この
リンクは、送信機識別、送信機出力、電磁界ひず
み補正、近くの障害物の位置、地面アンテナ配列
４０に対する着陸地の位置、風向のような情報を
搬送することができる。 第２図を参照すると、ダイポールアンテナの励
起によつて発生した電磁界は、近接電磁界成分及
び遠方電磁界成分として参照される二つの成分に
分離することができる。本発明によると、送信手
段から遠隔物体までの分離距離は、遠方電磁界状
態に制限される。送信電磁界放射の遠方電磁界成
分は、遠隔物体と送信機の間の距離が増加するに
つれて、直線的に減少する。遠方電磁界の強さ
は、アンテナの相対的サイズ、及び励起周波数の
波長に依存している。励起周波数の波長を短くす
るか、又は励起周波数を増加させた場合のよう
に、電気的に短いアンテナにとつて、遠方電磁界
成分の強さは増大する。電磁放射の遠方電磁界成
分は、一般的に長距離通信及び航行のために使用
される。他方、電磁放射の近接電磁界成分は、ア
ンテナからの距離の３乗で減少して、長距離では
検出が防止されている。近接電磁界の強さは周波
数の関数ではなく、かつそれは、短距離でまつた
く大きくすることができる。遠方電磁界成分を使
うとき、周囲物体のために付加的な電磁界ひずみ
が生じる。周囲物体から生じるひずみ量は、これ
らの物体の導電率及び透磁率、それに受信アンテ
ナ及び送信アンテナに対するそれらのサイズ及び
位置に依存している。近くの固定物体によつて生
じるひずみを予想して、補償し、このように、こ
れらの物体によつて生じる位置及び方向エラーを
実質上取り除くことが可能である。 地上基本要素３０は、遠方電磁界着陸補助信号
を発生する。信号発生器３１は、各アンテナ４
１，４２，４３を励起する電気信号を発生する。
この信号は、受信アンテナ配列２１が、アンテナ
４１，４２，４３のそれぞれからの電磁放射を識
別することができるように多重化されなければな
らない。次のものは完全ではないけれども、各ア
ンテナ４１，４２，４３から送信された電磁放射
は、時分割多重、周波数多重、位相多重、及び拡
散スペクトル多重を使うことによつて識別するこ
とができる。さらに、この電気信号は、電磁放射
の位相を特徴づける情報を包含することができ
る。簡単な例は、信号が正になるときはいつでも
タイミングパルスを包含することであろう。ある
いは、もし周波数多重が使われるならば、各アン
テナ４１，４２，４３の励起は都合のよいことに
コヒレントである。すなわち、信号の全てが周期
的に、同時に正になる（第６図参照）。さらに、
データ周波数が搬送周波数間の間隔を決定し、そ
してそれは、信号発生器３１の基本基準周波数で
ある。データ周波数は、第６図においてf₀と表示
されている。都合のよいことに、基準周波数は、
10MHzレンジの温度補償水晶発振器から得られ、
そして周波数選択は10KHzステツプで得られる。 ３つの電力増幅器３２，３３，３４は、所定の
アンテナによつて所望の出力を発生するのに十分
なレベルにまで、信号発生器３１の出力を増幅す
る。利用可能の出力を効率よく使用するために、
スイツチング電力増幅器を使用することができ
る。例えば、クラスＤ（搬送周波数スイツチン
グ）、又はクラスＳ（高周波数スイツチング）変調
器のいずれかを使用することができる。RF１フ
イルターをまた備えるのが都合がよい。 地上アンテナ配列４０は、相互直交ダイポール
アンテナ４１，４２，４３を含み、かつ着陸パツ
ドの近くに位置させることができる。地面アンテ
ナ配列４０に対する着陸パツドの関係は、航空機
内要素２０への一方向データ流の中に含めること
ができる。遠方電磁界内のアンテナ設計は、動作
搬送周波数に大きく依存している。遠方着陸補助
システム１０にとつて、220MHzの搬送周波数が
適切である。搬送周波数の波長の略々１／10の長
さのダイポールアンテナは、略々12cmのダイポー
ル長を与えるであろう。 モニター受信機４４は、航空機内受信機と同じ
であるが、しかし位置／方向計算、データデコー
デイング、及びデイスプレイを省いている。その
機能は、地面アンテナ配列４０から放射された電
磁界値及び位相が正しいということを確かめるこ
とである。偏差が見つけられるとき、変化指令が
信号発生器に出される。もし規定された許容誤差
内に信号を維持することができないならば、モニ
ターは、データ流の中に、“許容誤差外”メツセ
ージを入れることができる。もちろん、モニター
受信機は、本発明の実施に必要でないということ
が認められよう。 周波数分割多重実施例の着陸補助システム１０
の航空機内要素２０が第１図に示され、かつ受信
ダイポールアンテナ２２，２３，２４からの各信
号のために別々の信号処理通路を有している。
種々の多重について、後に付加的な説明があるけ
れども、時分割多重を使用するならば、アンテナ
２２，２３，２４の間で単一通路を切り換えるこ
とができるであろう。 第７図は、信号通路、特にＵアンテナ通信通路
の詳細なブロツク図を示している。実際的な理由
のために、増幅器群５２及び周波数変換器群５３
は、いくつかの要素に分けられ、かつ信号通路を
通して展開される。特に、増幅器群５２のＵ増幅
器２５は、前置増幅器６１、利得制御器６３、増
幅器６２、及び増幅器６４を含んでいる。周波数
変換器群５３の周波数変換器５５は、帯域フイル
ター６５、ミキサー６６、ミキサー６７、低域フ
イルター６８、及びシンセサイザー６９を含んで
いる。従つて、受信ダイポールアンテナ２２は、
前置増幅器６１、帯域フイルター６５、利得制御
器６２、増幅クリツパー６３、ミキサー６６、帯
域フイルター６５、増幅クリツパー６４、ミキサ
ー６７、及び低域フイルター６８に結合されてい
る。シンセサイザー６９はミキサー６６及び６７
に接続されている。低域フイルター６８の出力
は、信号プロセツサ５８に接続されている。 信号プロセツサ５８は、ミキサー、積分器、及
びサンプルアンドホールドブロツクを順次接続し
た並列組み合せを含んでいる。特に、並列通路の
それぞれは、ミキサー７０〜７５、積分器７６〜
８１、サンプルアンドホールドブロツク８２〜８
７を有している。サンプルアンドホールドブロツ
ク８２〜８７からの出力は、コンピユータ５０に
結合され、それはデイスプレイ５１に結合されて
いる。この実施例において、Ｕアンテナからの信
号を処理するため６つの並列通路がある。Ｙ／Ｕ
で示される、Ｕ受信アンテナによつて受信される
Ｙ送信アンテナからの信号のための１つの通路が
ある。同様に、Ｘ／Ｕで示される、Ｕ受信アンテ
ナによつて受信されるＸ送信アンテナからの信号
のための１つの通路がある。Ｚアンテナからの送
信信号は、バイナリーコードを搬送するための２
つの周波数を有し、そしてZ₁／Ｕ及びZ₀／Ｕで示
される２つの通路を必要とする。さらに、信号取
得中に、Ｚアンテナによつて送信されたデータが
失われないように、２つの付加信号が処理され
る。これらの信号通路は、Z₁／U_q及びZ₀／U_qで
示され、そして受信機が送信周波数にロツクされ
ているときの出力は無視することができる程であ
る。 受信アンテナ配列２１が取り付けられている金
属航空機は、アンテナによつて受信される電磁界
をいくらかひずませる。航空機が送信機に非常に
近づいていなければ、このひずみは、自由空間電
磁界を３つのアンテナ２２，２３，２４にマツプ
する線形変換によつて記述することができる。例
えば、航空機の長さ方向とぴつたりと一致した電
磁界はまた横断及び垂直受信アンテナに現われる
であろう。この影響は、所定の航空機及び装置に
対して一定である。それは、測定データに逆線形
変換を加えることによつて容易に補正される。 増幅器群５２の入力帯域幅は、好適に219〜
221MHzに制限され、その後、この信号は適当な
レベルに増幅され、そしてノイズインパルスがク
リツプされる。正確な利得制御が行なわれて、ノ
イズをクリツプするときの効果を最大にする。あ
るいは、インパルス検出器をこの時点で用いて、
インパルスが生じるとき増幅器２５を遮断するこ
とができる。この信号は今、10MHzのような便利
な中間周波数に下方変換される。この帯域幅はま
た100KHzに減少させられる。最後の増幅及びク
リツピングの後、この信号は、最終処理のために
略々100KHzに下方変換される。 必要な周波数変換を達成するのに必要な混合周
波数は、標準技術によつて合成される。この第１
の混合周波数は、209〜211MHzから10KHzステツ
プで選択可能である。これによつて、219〜221M
Hz帯域の任意の選択された信号を、10MHzに変換
することができる。10.01MHzの第２の混合周波
数は一定であり、かつ10MHz中間周波数を100K
Hz処理周波数に変換する。初期信号取得のため
に、これらの周波数は、安定な基準発振器から合
成される。信号取得後、それらは、周波数エラー
を取り除くために受信信号にロツクすることがで
きる。 信号プロセツサ群５４は、受信信号を取得し、
タイミング基準を確立し、位置／方向計算のため
の測定をし、そして送信データをデコードしなけ
ればならない。これをなすために、それは、一連
のPLL（位相固定ループ）、周波数分割器、及び
積分器を使用している。コンピユータ５０とのイ
ンターフエイスは、Ａ／Ｄ変換器及び適当なバツ
フアーによつて達成される。信号取得は、一対の
PLLに等価なものによつて達成される。前述し
たように、この特別の例において、周波数多重が
使用され、かつデータは一つの放射アンテナによ
つてのみ搬送される（第６図に示されたＺ信号）。
Ｚ信号上に、データ、すなわち１及び０を搬送す
るための周波数は、マーク及びスペース周波数と
して参照される。従つて、PLLは、Ｚ信号のマ
ーク及びスペース周波数に相当する例えば110K
Hzで動作することができる。ループ帯域幅は、初
期取得と後の追跡では変えることができるが、し
かしいずれの場合も、それは十分に低くて、この
ループはF_sＫ（周波数シフトキーイング）の影響
を無視することができるであろう。10KHz基準タ
イミングが、マーク及びスペース周波数を発生す
る２つの発振器の周波数差として得られる。実際
の設置は、測定及びロツクのために、それぞれ
sin及びcosin積分の両方の測定を使用することが
できる。 信号測定は、受信信号を局部発生信号と混合
し、その積を積分することによつてなされる。４
つの送信周波数に相当するコヒレントな組の混合
周波数（例えば、120、110、100、90KHz）が、
10KHz基準周波数から合成される。積分器７６〜
８１は、基準信号によつて、約0.001秒毎に都合
よくリセツトされる。各積分器の値は、積分器７
６〜８１をリセツトする直前にサンプルアンドホ
ールド８２〜８７に転送される。 データをデコードし、かつ測定を平均すること
は、ソフトウエアによつて達成される。コンピユ
ータ５０は、“サンプル毎に”を基本にして信号
値及びSN比を測定することができる。Ｘ及びＹ
信号の航行測定は、適切な数の0.001秒サンプル
を単に加算することによつて達成される。同様な
手順は、初期取得に対してＺチヤンネルで使用さ
れる。測定が満足的なSN比を示すとき、Ｚマー
クサンプルをＺスペースサンプルに比較すること
によつて、データを引き出すことができる。Ｚ航
行情報は、受信データに相当するこれらのサンプ
ルの平均に基いている。すなわち、所定のサンプ
リング点で、Ｚマーク又はＺスペースサンプルの
みが、その期間中にどの搬送波が送信されたかに
ついての決定に依存して、使用される。 コンピユータ及びデイスプレイは遠方着陸補助
システム１０と、1977年10月18日に発行された
Frederick H.Raabの米国特許第4054881号
「REMOTE OBJECT POSITION LOCATER」
及び1979年７月30日に出願されたRaabの相互係
属出願番号第62140号「REMOTE OBJECT
POSITION LOCATER」（両方共にこの出願と
同じ譲受人に譲渡されている）に開示された着陸
補助システムとの両方に共通にすることができ
る。前記特許と、特許出願の両方を参照すること
によつてここに組み合わされる。これは特に、コ
ストを減らし、かつ装置を簡単にするのに都合が
よい。さらに、航空機はこの遠方着陸補助システ
ム１０を使つて、着陸点の数Km以内に航行し、そ
れから最終進入案内のために前記した特許及び特
許出願に開示された着陸補助システムから信号を
取得する。コンピユータ及びデイスプレイは適当
なものをすることができ、それ故、ここでは詳細
な説明をしない。 周波数分割多重による２軸送信又は２軸検知 第１図及び第７図は、本発明に従つて、３つの
送信アンテナ４１，４２，４３、及び３つの受信
アンテナ２２，２３，２４を利用する着陸補助シ
ステム１０を詳細に示すけれども、２つの送信ア
ンテナ４１及び４２と、３つの受信アンテナ２
２，２３，２４を利用する着陸補助システム、又
は３つの送信アンテナ４１，４２，４３と、２つ
の受信アンテナ２２，２３を利用する着陸補助シ
ステムを提供することができる。３軸検知の２軸
送信は送信機を簡単にする。この配列はまた、送
信アンテナ配列の各軸に印加される信号を識別す
るために時分割多重が使用される場合に、処理の
増加をもたらす。２軸検知の３軸送信受信機を簡
単にする。しかしながら、送信又は受信のいずれ
かのために２つのアンテナを使用することは、こ
のシステムにあいまいさを付加する。これは、航
空機が正立又は背面飛行しているということを特
定することに加えて、航空機が北又は南、もしく
は東又は西のいずれから着陸地に進入していると
いうことを特定することによつて、補正すること
ができる。２つの直交アンテナによつてのみ送信
するための装置は、Ｘ、Ｙ、又はＺ信号通路の２
つのみが必要であるという点を除いて、第１図を
参照して前述したのと同じである。これらの信号
を受信するための装置は、Ｘ、Ｙ又はＺ送信アン
テナの１つからの信号が存在していないので、信
号通路が少ない数の並列通路となるのを除いて第
１図及び第７図を参照して前述したのと同じであ
る。２つの受信アンテナのみによつて３つの送信
信号を受信するための装置は、２つの信号通路の
みが２つの直交受信アンテナのために必要なのを
除いて、第１図及び第７図を参照して前述したの
と同じである。 時分割多重 第１２図は、時分割多重化システムにおいて使
用するのに適したパルス化搬送波信号フオーマツ
トを示している。送信アンテナの３軸は、同じ周
波数の信号によつて順次励起される。３つのパル
スの持続期間は既知（一定）であるので、Ｘ軸励
起パルスを他方よりも長くして、受信機の同期化
を確立し、それによつてどの受信信号がどの送信
軸のものであるかを知ることができる。 マルチパルス影響を排除するために、パルス間
に“デツドスペース”を挿入して、エコーが消失
する時間を許容することができる。もしマルチパ
ス障害が問題ないならば、全ての３軸は、異なる
周波数の信号によつて、あるいは異なる拡散スペ
クトルコードにより変調された信号によつて、同
時に励起することができるであろう。これらは、
開示された概念をそれぞれ適用する場合になされ
なければならない普通の工学設計上の問題にすぎ
ない。 ２状態励起のためのフオーマツトは同じである
が、しかしこの場合１軸の励起を省いている。も
し２軸受信が使われるならば、前述したような３
状態励起パターンが依然として必要である。 これらの信号の搬送周波数は、現在の技術では
通常300〜3000MHzの範囲にあるであろう。この
励起パターンは、1KHz〜30MHzの範囲の周波数
で繰り返すことができる。 第１３図は、時分割多重システムの送信機のブ
ロツク図を示している。２状態送信に対して、ア
ンテナのＺ軸及び関連した駆動回路が省かれると
いうことに注意すべきである。 送信機の全ての信号は、周波数シンセサイザー
２０１によつて安定な発振器２００から得られ
る。得られた無線周波信号は、シーケンサー２０
６の制御のもとで動作するゲート２０３，２０
４，２０５によつて、電力増幅器２０７，２０
８，２０９に分配される。電力増幅器２０７，２
０８，２０９は、それぞれアンテナ軸２１０，２
１１，２１２への入力として励起電圧W_x，W_y，
W_zを発生する。アンテナ２１０，２１１，２１
２は、ダイポール電界パターンを発生するため
に、搬送周波数の波長より長さの短いダイポール
とする。 時分割多重システムで使用するのに適した受信
機が第１４図に示されている。信号は、短いダイ
ポールアンテナ２１３，２１４，２１５によつて
受信され、そして前置増幅器２１６，２１７，２
１８によつて増幅される。３状態送信の２軸受信
に対して、受信アンテナの１つ及びそれと関連し
た回路を省くことができる。 前置増幅の後、３つの受信信号は、ミキサー２
１９，２２０，２２１によつて中間周波数に変換
され、ミキサーは、発振器２２２およびシンセサ
イザー２２３によつて発生した信号によつて駆動
される。受信機内の全ての信号及びタイミング
は、１つの主発振器から得られるということに注
意すべきである。受信信号に位相ロツクするため
の装置が図示されていないが、付加することがで
き、かつこれは標準技術である。 中間周波信号は、増幅器２２４，２２５，２２
６によつて増幅される。この増幅された中間周波
信号は、ミキサー２２７，２２８，２２９で、同
じ周波数の信号と混合される。これらのミキサー
の出力は、積分器２３０，２３１，２３２によつ
て積分され、かつ２３３，２３４，２３５によつ
てサンプルされる。出力はコンピユータ２３９に
よつて取得され、かつこれは、位置及び方向情報
を引き出すのに必要な数学的オペレーシヨンを実
行し、そして２４０によつて表示される。後に現
われる数学的オペレーシヨンは、時分割多重及び
周波数分割多重信号フオーマツトと共に、多くの
他の種類の信号フオーマツトに等しく適用でき
る。 オペレーシヨン さて、第１，６，７図に示された周波数分割多
重実施例を参照すると、もしあいまいでない測定
が望まれるならば、幾何学的考慮の結果、送信信
号に基準タイミングを包含する。それらはまた、
各送信アンテナ４１，４２，４３によつて各受信
アンテナ２２，２３，２４に誘起される信号成分
を、航空機内要素が測定することを必要とする。
これらの要求、及び付加的に望まれるデータ伝送
が、信号フオーマツトに束縛を課す。多くの選択
が可能であるけれども、FSKによるコヒレント
な周波数分割多重が多くの一般的目的のユーザー
には適しているかもしれない。 位置及び方向検出アルゴリズムをスムースに開
発するために、第８図において３つの送信アンテ
ナは３軸ソース９８で示され、かつ３つの受信ア
ンテナは３軸センサー１００で示されるというこ
とに注意すべきである。 遠方電磁界結合 電気ダイポール又はループ（磁気ダイポール）
アンテナの励起は、１／ρ³、１／ρ²、１／ρにつ
れて変化し、それぞれ準静止（近接）電磁界、誘
導電磁界、及び遠方電磁界として参照される項を
発生する。本発明はこの実施例においては、遠方
電磁界結合が好ましい。しかしながら、本発明の
他の実施例において、ループアンテナによつて生
じたトロイダル形状磁界又は近接電磁界を使用す
ることが望ましいかもしれない。あるいは、誘導
電磁界結合を使用することが望ましいかもしれな
い。長距離（ρ≫λ／2π）で、遠方電磁界の項
が優勢になり、かつ合成電磁界は実質上平面波を
形成する。電界ベクトルと磁界ベクトルは相互に
直交しており、かつ両方が伝搬方向に直交してい
る。ポインテイングベクトルと呼ばれる電界ベク
トルと磁界ベクトルの外積は、電力の流れを表わ
し、そして伝搬方向に向けられている。 電気ダイポールの動作によつて遠方電磁界結合
について考えることが便利であるけれども、磁気
ダイポール（ループ）ソースとセンサーに対して
も成り立つ。電気的に短いダイポールの励起から
生じる電界は、 E_t＝I_lπ／λ²ρ …(1) ここで、励起電流はIcos wt、アンテナ長はl₁
λは搬送周波数の波長である。軸偏位角度δ、及
び等式(1)によつて限定されるような各テンテナの
ための電磁界パターンが、第３図に示されてい
る。近接電磁界に対比して、遠方電磁界の強さ
は、距離の逆数につれて変化し、かつ周波数に依
存している。 磁界ベクトルは、自由空間η377Ωによつて
電界ベクトルに関連している。従つて、 ｜Ｈ｜＝｜Ｅ｜／η …(2) 受信又は検知モードで、ダイポールは、送信の
場合と同じパターンを有している。それ故、基本
的ダイポールセンサーは、電界ベクトルとダイポ
ールの間の角度のsinに比例した出力を発生する。
軸偏位角度δのsinによる電磁界強さの変化は、
基本的な短いダイポールの特性であるということ
に注意すべきである。この単純な変化は、波長に
対してかなりの長さ（0.1λ以上）となるダイポー
ル、又は結合された同直線上素子の配列には適用
されない。例えば、半波ダイポールによつて発生
した電磁界強さは、cos（π／２cosδ）／sinδにつれ て変化する。 送信機に対して受信機の位置を決定するための
座標システムが第４図に示されている。Ｘ、Ｙ、
及びＺ軸はそれぞれ北、東、及び垂直にそろえら
れ、そして地上送信アンテナ配列４０の中心に置
かれる。受信アンテナ配列の位置は、直角座標
（ｘ，ｙ，ｚ）又は極座標（α，β，ρ）のいず
れかで特定することができる。それはまた、距離
ρ及び３つの方向角度δ_x，δ_y又はδ_zのうちの２つ
によつて特定することができる。 ３つの直交受信アンテナ２２，２３，２４の組
によつて受信されるような地面アンテナ配列４０
からの３つの送信信号の測定は、６つの位置及び
方向パラメータを決定するのに十分な９つのパラ
メータを発生する。前述したように、これは、１
方向又は位置パラメータが独立して決定されると
仮定している。多数の計算アルゴリズムを使用す
ることができるけれども、位置を決定するために
相対的大きさを使用することによつて始めること
が概念的に最も容易である。 位置及び方向発見アルゴリズムを合成するとき
の第１のステツプは、座標、及びセンサー出力を
励起ソースに関係付けるベクトル−マトリツクス
公式化の定義である。 ３軸ソース９８と３軸センサー１００の間の幾
何学的関係は第５図に示されている。ソース座標
フレームX₁−Y₁−Z₁は、ソース９８の各軸によ
つて限定される。各ソース軸を北、東及び下方の
ような都合のよい自然の基準に整合させるように
する。ソース軸は、励起を変えることによつて、
任意の所望の座標フレームと効果的にそろえるこ
とができる。同様に、ソース座標フレームで測定
された座標は、数学的に任意の所望の座標フレー
ムに変換することができる。 センサー位置は、ソース座標フレームに対して
限定される直角座標（ｘ，ｙ，ｚ）又は球座標
（α，β，ρ）で特定される。センサー方向は、
一連の３回の回転によつて特定される。最初のφ
だけの方位角回転は、そのＺ軸まわりに＋Ｘから
＋Ｙの方にセンサーを回転させる。それからθだ
けの仰角回転が、センサーをそのＹ軸まわりに＋
Ｘから−Ｚの方に回転させる。最後に、φだけの
ロール角回転は、そのＸ軸まわりに＋Ｙから＋Ｚ
の方にセンサーを回転させる。ゼロ方向状態にお
いて、３つのセンサー軸は相当するソース軸に平
行であり、そして回転の順序は、ψ、θ、φの値
を変えることなく、入れ換えることができないと
いうことに注意すべきである。 ３軸電気ダイポールソース９８の励起及び合成
３軸センサー出力は、ベクトル表示で最も都合よ
く説明される。それ故、ソースの励起は、f₁＝
〔f_1x，f_1y，f_1z〕^Tによつて表わされる。３つのダイ
ポールの長さは、同一であると仮定し、従つて
f_1x，f_1y，f_1zは、それぞれＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のダ
イポールを励起する電流の大きさを表わしてい
る。 ３軸センサーの出力は同じく、f₃＝〔f_3x，f_3y，
f_3z〕^Tによつて表わし、そしてそのセンサーと同様
にそろえられたソースf₂の間の結合を考える。第
８図は、座標フレームがそろえられている３軸ソ
ース１０２と３軸センサー１００を示している。
センサー１００はX₂軸上に位置しているので、
センサー１００はX₂ダイポールの零点にあり、
従つてX₂励記はどの軸にもセンサー応答を発生
しない。ソースY₂軸はセンサーY₃軸に平行であ
り、それ故、その軸内に応答を発生する。しかし
ながら、Y₂軸励起から生じる電界は、センサー
Z₃軸に直交しており、従つてZ₃応答は発生しな
い。ソースZ₂励起と、センサーY₃及びZ₃軸の間
の結合は類似している。 もし３軸ソース励起がベクトルf₂として表わさ
れ、かつ３軸センサー出力は同様にベクトルf₃と
して表わされるならば、ソース−センサー結合は
次の式によつて記述することができる。 ｆ_３〜＝Ｃ／ρＳ〜ｆ_２〜＝Ｃ／ρ000 010 000ｆ_２〜 …(3) 係数Ｃは、全ての軸に共通の励起及び検知定数
を表わしている。遠方電磁界結合マトリツクスＳ
（先に示す）は、次数が低くなり、近接電磁界結
合マトリツクスとは異つている。もしＣが既知で
なければ、距離を決定することができない。しか
しながら、Ｃが既知であろうとなかろうと、５つ
の角度を決定することができる。 ソース９８と、任意位置及び方向のセンサー１
００との間の結合（第５図）は、等式(3)に直交回
転マトリツクスを挿入することによつて決定する
ことができる。これらのマトリツクスは、表１に
示されるように、位置方位角及び仰角（αとβ）、
それに方向方位角、仰角、ロール角（ψ，θ，
φ）に基いている。サブスクリプト（例：α，
β）は、変換の種類とその独立変数の両方を与え
るものである。

【表】

【表】 逆 転 Ｔ〜^-1〓＝Ｔ〜_-〓、（Ｔ〜〓Ｔ〜〓）^-1＝Ｔ〜_-
〓Ｔ〜_-〓 最初に、第５図に示されるように、ソースと、
（α，β，ρ）に位置したゼロ方向センサー（そ
の出力はｆ〜₄である）との間の結合を考える。ソ
ース９８とセンサー１００を接続するラインとＸ
軸がそろえられる等価ソース１０２の励起ｆ〜₂は、
位置方位角及び仰角だけ、真のソース９８の励起
ベクトルを回転させることによつて決定すること
ができる。すなわち、 ｆ〜₂＝Ｔ〜〓Ｔ〜〓ｆ〜₁ …(4) 同様にそろえられた等価センサーｆ〜₃への結合
は、等式(3)と同じ形をしている。すなわち、ｆ〜₃
＝（ｃ／ρ）Ｓ〜ｆ〜₂。ゼロ方向センサーの出力はそ
のとき、逆転位置回転を適用することによつて見
つけられる。すなわち、 ｆ〜₄＝Ｃ／ρＴ〜_-〓Ｔ〜_-〓Ｓ〜Ｔ〜〓Ｔ〜〓ｆ
〜₁＝Ｃ／ρＱ〜ｆ〜₁…(5) 上で使つた等価ソース及びセンサーは、表２に
示されている。

【表】 表１及び等式(3)及び(4)を利用して、ｆ〜₃を次ぎ
のように展開することができる。 ｆ〜₃＝Ｃ／ρＳ〜Ｔ〜〓Ｔ〜〓ｆ〜₁ …(6) 等式(8)のゼロの列は、いかなるソース励起も、
半径方向（位置フレームX₃）成分を発生するこ
とができないということを意味している。 ソース軸に基いた固定、３状態励起パターン
は、次の式によつて与えられる。 ｆ〜₁（S1）＝１ ０ ０ ｆ〜₁（S2）＝０ １ ０ ｆ〜₁（S3）＝０ ０ １ …(9) これは、近接電磁界大角度アルゴリズムによつ
て使用されたのと同じ励起パターンである。その
とき、これらの励起ベクトルに応答してセンサー
位置に発生した電磁界は、 任意方向（ψ，θ，φ）の３軸センサーの出力
は、等価ゼロ方向センサーの出力に、方向方位
角、仰角、ロール角回転を加えることによつて決
定される。すなわち、 ｆ〜₅＝Ｔ〜_Aｆ〜₄＝Ｃ／ρＴ〜〓Ｔ〜〓Ｔ〜〓Ｔ〜_-
〓Ｔ〜_-〓Ｓ〜Ｔ〜〓Ｔ〜〓ｆ〜₁ …(13) 位置決定 この処理のこの段階では、センサー方向は未知
であるので、方向独立信号パラメータを使用しな
ければならない。３つのこのようなパラメータ
は、 １ センサー応答ベクトルとそれ自身の内積によ
つて得られた信号電力。 ２ 応答ベクトル間の角度のcosinに類似した、
異なるセンサー応答ベクトル間の内積。 ３ これらの応答によつて限定される面と垂直な
面に類似した、異なるセンサー応答間の外積の
大きさ。 次に、いくつかのアルゴリズムが得られる。ア
ルゴリズムの選択はその応用に依存している。 １ ３状態電力解法 ソース励起等式(10)、(11)、(12)の全ての３状態か
らのセンサー応答は、受信電力に変換し、かつ
近接電磁界応用のために使用されたのと同様な
方法で位置を生じるために処理することができ
る。３つの“電力”応答は、３つのセンサー応
答ベクトルとそれ自身の内積をとることによつ
て得られる。センサー方向は、一組の直交回転
によつて決定されるので、センサー回転のもと
でこの電力は不変数である。３つの電力出力
は、 Ｐ（S1）＝C²／ρ²〔sin²α＋cos²αsin²β〕 …(14) Ｐ（S2）＝C²／ρ²〔cos²α＋sin²αsin²β〕 …(15) Ｐ（S3）＝C²／ρ²cos²β …(16) 距離ρは３つの電力の和から得られ、かつこ
れは、α及びβとは独立している。したがつ
て、 等式(15)から、 ρ^と｜β^｜を、等式(15)に代入すると、 ρ^_A、｜β^｜、ρ^によつて限定された位置は、（近
接電磁界アルゴリズムにおけるように）８象限
のあいまいさを包含し、かつこれは内積の符号
によつて２象限のあいまいさにまで減らされ
る。３つの可能な内積は、 ｖ（S1，S2）＝C²／ρ²（−sinαcosα＋sinαcosαs
in²β）＝C²／2ρ²（sin2α）（cos²β）…(20) ｖ（S2，S3）＝C²／ρ²（sinαsinβcosβ）＝C²／2
ρ²sinαsin2β…(21) 及び ｖ（S3，S2）＝C²／ρ²（cosαsinβcosβ）＝C²／2
ρ²cosαsin2β…(22) 表３を見ると、これらの内積のどれか２つの
極性が、象限あいまいさを、８から２に減少さ
せるということがわかる。

【表】 もし電力応答が直角座標で公式化されるなら
ば、やや直接的な解法を得ることができる。第
１に、 Ｐ（S3）＝C²／ρ²x²＋y²／ρ²＝C²／ρ²（ρ²−z²）
…(23) そのとき、幾何学的類似性は、次のことを必
要とする。 Ｐ（S1）＝C²／ρ²y²＋z²／ρ²＝C²／ρ⁴（ρ²−x²）
…(24) 及び Ｐ（S2）＝C²／ρ²x²＋z²／ρ²＝C²／ρ⁴（ρ²−y²）
…(25) 距離ρ^が、等式(17)を使うことによつて最初
に見つけられる。それから、x^²，y^²，z^²の値
が、等式(22)、(24)、(25)に、測定“電力”及び
ρ^²を代入することによつて見つけられる。第１
０図は、位置のための３状態電力解法の実施に
関連した計算のための流れ図を示している。第
１０図はまた、位置のための３状態電力解法か
ら方向を計算するときに関連した計算のための
流れ図を示している。方向を計算するための数
学的オペレーシヨンは後に示される。 ２ ２状態電力及び内積解法 近接電磁界オペレーシヨンのと同様な２状態
大角度アルゴリズムは、次の正規化を使うこと
によつて展開することができる。 Ｘ＝C_x／ρ₂ Ｙ＝C_y／ρ² Ｚ＝C_z／ρ² …(26) そのとき、等式(24)と(25)は、 Ｐ（S1）＝Y²＋Z² …(27) Ｐ（S2）＝X²＋Z² …(28) そのとき、第１の内積等式(20)はまた、正規
化された直角座標に変換される。 ＝−XY …(30) もし内積等式(30)がゼロならば、X₁＝０、又
はY₁＝０、もしくはその両方であつて、かつ
これらが生じる場合は、Ｐ（S2）＞Ｐ（S1）、Ｐ
（S1）＞Ｐ（S2）、又はＰ（S1）＝Ｐ（S2）であるか
どうかによつてそれぞれ容易に決定される。も
し、ν（S1，S2）≠０ならば、そのとき等式(3
０）は次の様に書き換えることができる。 Ｙ＝−ｖ（S1，S2）／Ｘ …(31) (28)式と(27)式の差をとることによりＺを消
去する。 Ｐ（S2）−Ｐ（S1）＝X²−Y² …(32) そして、等式(31)を代入すると、唯一の未知
数としてX²を包含する等式が生じる。 Ｐ（S2）−Ｐ（S1）＝X²−ｖ（S1，S2）／X²…(33) この新しい等式は、X²の二次方程式に変換
して、解くことができる。そのとき、X²の誤
つた値はそのとき捨てられ、そして正しい値を
等式(28)に代入して、Z²を決定する。それか
ら、Z²の値を等式(27)に代入して、Y²を決定す
る。そのとき、内積の符号が、象限あいまいさ
を８から４に減少させる。４象限あいまいさ
は、前述したように特別のパラメータを規定す
ることによつて取り除かれる。第１１図は、位
置のための２状態電力及び内積解法の実施に関
連した計算のための流れ図を示している。第１
１図はまた、位置のための２状態電力及び内積
解法から方向を計算するときに関連した計算の
ための流れ図を示している。 ３ ３状態外積解法 ２つのベクトルの外積の大きさは、直交セン
サー方向回転のもとで不変数であり、それ故、
センサー方向とは無関係に位置を決定するため
に使用することができる。外積の方向は、セン
サー方向のもとでまた、絶対的な意味で、不変
値である。しかしながら、この外積は、それを
発生するために使用されるベクトルと同じ座標
フレームに関係している。それ故、２つのセン
サー応答の外積は、センサー座標フレームに関
係している。信号処理のこの段階では、センサ
ー方向は未知であるので、外積の方向はほとん
ど使用することができない。 ３軸励起状態等式(10)、(11)、(12)のセンサー位置
フレーム電磁界を調べると、全てがゼロＸ成分
を有し、かつこれは、これらのベクトルの外積
のＹとＺ成分の両方がゼロであるということを
意味している。そのとき、合成センサー位置フ
レーム外積ベクトルは、 ξ〜₃（S1，S2）＝ｆ〜₃（S1）×ｆ〜₃（S2） …(34) ＝C²／ρ²（−sinα）（sinαsinβ）−（co
sα）（cosαsinβ） ０ ０ ０＝C²／ρ² −sinβ ０ ０ …(35) ξ〜₃（S2，S3）＝ｆ〜₃（S2）×ｆ〜₃（S3）＝C²
／ρ² cosαcosβ ０ ０ …(36) 及び ξ〜₃（S3，S1）＝ｆ〜₃（S3）×ｆ〜₃（S1）＝C²
／ρ² sinαcosβ ０ ０ …(37) これらの３つの外積は、まだ未知のセンサー
方向角度だけ回転させられる。しかしながら、
外積の大きさ（又は２乗した大きさ）は変化せ
ず、従つて、センサー方向とは無関係に得るこ
とができる。 ≡（S1，S2）＝｜ξ（S1，S2）｜²＝C⁴／ρ⁴sin²β …(38) ≡（S2，S3）＝｜ξ（S2，S3）｜² ＝C⁴／ρ⁴cos²αcos²β …(39) ≡（S3，S1）＝｜ξ（S3，S1）｜² ＝C⁴／ρ⁴sin²αcos²β …(40) ρ，α，βの解法は、他の方法による解法と
一般的に同じである。第１に、 ρ^＝Ｃ〔≡（S1，S2）＋≡（S2，S3）＋≡（S3，S1
）〕^-1/4…(41) それから、(38)式にρを代入すると、 ｜β^｜＝arcsin〔ρ²／C²√≡（1，3）〕…(42) そして、(40)式と(41)式の比が、あいまいな
方位角を与える。 この位置解法は、８象限のあいまいさを含
み、かつこれは、表３に示されるような内積の
符号によつて、４象限のあいまいさにまで減少
させることができる。 ４ ２状態電力及び外積解法 Ｐ（S1）、Ｐ（S2）、≡（S1，Ｓ〜２）が、３
つの未知の位置パラメータの３つの等式をつく
るということが明らかである。位置を見つける
ために、最初に、等式(38)を書き換えると、 sin²β＝ρ⁴／C⁴≡（S1，S2） …(44) 等式(14)と(15)の和に、これを代入すると、
未数としてρのみが残る。 Ｐ（S1）＋Ｐ（S2）＝C²／ρ²＋ρ²／C²≡（S1，S2） …(45) ρ^が決定された後、次に、等式(44)と(19)にそ
れぞれ代入することによつて、｜β^｜とα_Aを決
定することができる。象限あいまいさは、ｖ
（S1，S2）の符号を使うことによつて８から４
に減少させることができる。 方向決定 センサー方向は、ソース軸とそろえた電磁界に
相当するどれか２つのセンサー出力ベクトルか
ら、非反復的に決定することができる。これらの
センサー出力ベクトルは、真のセンサー出力ベク
トルから合成される。反復的に方向を決定するよ
りも非反復的に方向を決定する方がすぐれている
点は、処理速度が速いことである。また、非反復
的方向決定技術には、ラツチアツプがなく、ソフ
トウエアの複雑さを減少させることができる。 等価ゼロ方向センサーの出力を、真のセンサー
１００の出力に変換する方向回転は、単一マトリ
ツクスＡに組み合わせることができ、かつこれ
は、表１を使うことによつて次の様に展開するこ
とができる。 ソース励起は、ゼロ方向センサー内に、ｆ〜₄
（Ｘ）＝〔１，０，０〕Ｔ〜の応答を発生すると仮定
する（すなわち、センサー位置の電磁界はX₁軸
方向を有している）。そのとき、真のセンサー１
００からの出力は、ｆ〜₅（Ｘ）＝Ａｆ〜₄（Ｘ）＝〔a_1
1，
a₂₁，a₃₁〕Ｔ〜であり、そしてこれはＡの第１列で
ある。同様に、Ａの第２及び第３の列は、それぞ
れY₁、Z₁軸方向の電磁界に対するセンサー応答
を表わしている。 もしX₁、Y₁、及びZ₁軸方向の電磁界に相当す
る正規化センサー出力ベクトルを合成することが
できるならば、Ａの要素は既知になり、そして角
度ψ，θ，φを決定することができる。例えば、
Z₁軸方向の電磁界に対するセンサーＸ軸応答を使
つて、 θ^＝−arcsin f_5x（Ｚ）＝−arcsin a₁₃ …(47) a₁₁，a₁₂，a₂₃，a₃₃に相当する応答における
sinθとcosθを打ち消すために、今決定されたθ^の
値を使つて、角度ψ^とφ^を決定することができる。 距離推測における誤り及びソース電力の変動
が、全てのセンサー出力ベクトルに共通な乗算誤
りを生じる。これらの誤りの影響は、センサー応
答の比から方向を決定することによつて避けるこ
とができる。 ψ^＝arctanf_5x（Ｙ）／f_5x（Ｘ）＝arctana₁₂／a₁₁
…(48) φ^＝arctanf_5x（Ｚ）／f_5x（Ｚ）＝arctana₂₅／a₃₃
…(49) （４象限逆タンジエントが、ψ^とφ^を適切な象
限に置くということに注意すべきである。）仰角θ^
は次の式から、 θ^＝arctan［−f_5x（Ｚ）／f_5x（Ｘ）／cos
ψ］＝arctan［−a₁₃／a₁₁／cosψ］…(50) あるいはa₁₅とa₁₂、a₂₅、又はa₃₃を使う３つの
同様な比から決定することができる。全ての４つ
の比の線型組み合せをまた使用して、ノイズの影
響を最小にすることができる。 方向は、全ての３つの合成センサー出力ベクト
ルからの要素を使つて、最も簡単に決定されるけ
れども、等式(46)のマトリツクスＡを調べると、
どれか２つの列に包含されている情報が、全ての
３つの方向角度を決定するのに十分であるという
ことがわかる。それ故、ノイズのある環境ではい
くらかの予軟性がある。例えば、推定ノイズが最
小の２つの出力ベクトルから方向を推測すること
ができる。あるいは、全ての３つの出力ベクトル
からの情報が、等式(48)、(49)、(50)からの初期方
向推測まわりにＡの要素を線型化することによつ
て組み合わされるかもしれない。それから、初期
推測を改善するために、最小の不一致の線型組み
合せが形成されるであろう。 近接電磁界条件、３状態励起 X₁、Y₁、及びZ₁軸方向の電磁界は、センサー
１００がX₁、Y₁、又はZ₁軸上に位置していると
きのみ、センサー位置に発生する。ソース励起パ
ターンは固定されて、多数のセンサーが同じ信号
から位置及び方向情報を得ることができる。３状
態ソース励起パターンの近接電磁界システム（米
国特許第4054881号）において、X₁、Y₁、及びZ₁
軸方向の電磁界に対するセンサーの応答は、三次
元ベクトル空間に及ぶ真のセンサー応答から合成
することができる。 ３つの真のセンサー出力ベクトルは、３×３マ
トリツクスF₅に組み立てることができ、そして
これは次の様に置くことができる。 〔ｆ〜₅（S1）ｉｆ〜₅（S2）ｉｆ〜₅（S3）〕＝Ｆ〜₅＝
Ｃ／ρ³AQI ＝Ｃ／ρＡ〜Ｑ〜〔ｆ〜₁（S1）ｉｆ〜₁（S2）ｉｆ〜
₁（S3）〕 …(51) 上の等式から、合成応答の所望のマトリツクス
Ａ〜＾は、 Ａ〜＾＝ρ³／ＣＦ〜₅Ｑ〜＾^-1 …(52) 結合マトリツクスＱ〜＾^-1は、推測値α^とβ^を使
つて計算される。実際のマトリツクス逆転は不必
要であるということに注意すべきである。という
のは、 Ｑ〜^-1＝（Ｔ〜_-〓Ｔ〜_-〓Ｓ〜Ｔ〜〓Ｔ〜〓）^-1 ＝Ｔ〜_-〓Ｔ〜_-〓S^-1Ｔ〜〓Ｔ〜〓 …(53) ここで、Ｓ〜^-1＝１ ０ ０ ０−２ ０ ０ ０−２ …(54) 遠方電磁界条件、３又は２状態励起 全ての方向情報は、どれか２つのセンサー出力
ベクトル内に包含されているけれども、所望のセ
ンサー応答の合成（すなわち、マトリツクスＡ＾
は、一組の三次元の基礎ベクトルを必要とする。
しかしながら、遠方電磁界結合条件のもとで、結
合マトリツクスＳ〜（等式(3)）は低次元になる（ラ
ンク２）。それ故、逆転Ｓ〜^-1、従つてＱ〜^-1（等式(5
３）と(54)）は存在せず、そして等式(52)は方向マ
トリツクスＡ＾を合成するために直接使用すること
はできない。 しかしながら、方向マトリツクスＡ＾は、必要な
第３の線型独立ベクトルを形成するために、２つ
の同一直線上にないセンサー出力ベクトルの外積
を使うことによつて合成することができる。状態
Ｓ〜１及び状態Ｓ〜２励起に対する応答が利用できる
と仮定し、そして直交回転はベクトル間の角度を
維持するので、 ｆ〜₅（CP）＝ｆ〜₅（Ｓ〜１）×ｆ〜₅（Ｓ〜２）
＝〔Ａｆ〜₄（Ｓ〜１）〕×〔Ａｆ〜₄（Ｓ〜２）〕＝Ａ
〔ｆ〜₄（Ｓ〜１）×ｆ〜₄（Ｓ〜２）〕
…(55) 外積は、マトリツクスF₅及びf₄を形成するとき
に第３の励起状態によつて発生したベクトルのか
わりに使用することができる。 F₅＝〔ｆ〜₅（Ｓ〜１）ｆ〜₅（Ｓ〜２）ｆ〜₅（CP
）〕＝Ａ〔ｆ〜₄（Ｓ〜１）ｆ〜₄（Ｓ〜２）ｆ〜₄（CP
）〕＝AF₄…(56) ベクトルｆ〜₄（Ｓ〜１）及びｆ〜₄（Ｓ〜２）、従つ
てｆ〜₄
（CP）は、推測位置から計算することができる。
ベクトルｆ〜₅（CP）は、２つのセンサー出力ベク
トルから計算することができる。そのとき、推測
方向マトリツクスＡ＾は、次の式から決定すること
ができる。 Ａ＾＝F₅f₄ ^-1 …(57) それから、方向角度が前述のように決定され
る。計算の便宜のために、外積を計算する前に、
ｆ〜₅（Ｓ〜１）、ｆ〜₅（Ｓ〜２）、ｆ〜₄（Ｓ〜１）
にρ＾／ｃを掛
けることが望ましいかもしれない。この結果、外
積ベクトルとセンサー出力ベクトルはだいたい同
じ大きさを有している。 マトリツクス逆転は、方向を決定する別の方法
によつて避けることができる。センサー位置にお
ける２つの電磁界ベクトルの線型組み合せが、２
つの直交合成電磁界ベクトルを形成する。２つの
センサー出力ベクトルに同じ係数をつけて、類似
した合成応答ベクトルをつくる。 ２つの合成センサー応答ベクトルは、マトリツ
クスA′の第２及び第３の列内に置かれ、そして
方向角度ψ′，θ′，φ′はこれらの２つの列から決定
される。これらの方向角度は、ψ，θ，φと同じ
様に定義されるが、しかし２つの合成電磁界ベク
トルによつて形成されたY′−Z′座標フレームに関
連している。X₁−Y₁−Z₁軸に関するY′−Ｚ軸の
方向（α′，β′，γ′）は方向cosinベクトルを掛け
る
ことによつて決定される。そのとき、X₁−Y₁−
Z₁座標フレームに、方向角度が関連しているマト
リツクスＡは、 Ａ＝Ｔ〜〓，Ｔ〜〓，Ｔ〜〓，Ｔ〜〓，Ｔ〜〓，Ｔ〜
〓，…(58) この方法は、いくつかの応用において計算時間
を減少させることができる。 もしセンサーが、X₁−Y₁面内にあるならば、
２つのセンサー出力は同一直線上にあり、そして
方向は、ｆ〜₅（Ｓ〜１）及びｆ〜₅（Ｓ〜２）だけから
決定
することはできない。これは、最も一般的な正当
な方向に対して、常に方向を決定することのでき
る基準が存在するように、３状態オペレーシヨン
が使用されるということを示唆している。 遠方電磁界オペレーシヨンにおいて、センサー
位置でのいずれか２つの電磁界ベクトルの外積は
ソースから半径方向外に向けられている。等式(3
５）、(36)、(37)を参照。このようなベクトルの送
信は物理的に不可能である。従つて、外積は、第
３の軸（Ｓ〜３）励起に直接的に代わるものではな
い。 それでもなお、この外積は、遠方電磁界オペレ
ーシヨンの大角度方向を決定するときに有用であ
る。２つの真のセンサー応答とそれらの外積の線
形組み合せは、非物理的に実現可能のソース−フ
レームＹ及びＺ方向電磁界に対する合成応答を発
生することができる。このように決定された合成
応答g₅（Ｓ〜２）及びg₅（Ｓ〜３）は、大角度方向アル
ゴリズムにおいて使用されるときソース−フレー
ム方向角度を与える。２つの線形変換を実施する
のに必要な係数は、２つの計算された電磁界ベク
トル〔f₄（Ｓ〜１）及びf₄（Ｓ〜２）〕とそれらの外積
f₄
（CP）から成るマトリツクスの逆転マトリツクス
の要素である。 この開示において得られた等式は、電気的に短
い（0.1以下）ダイポールによつて発生した電磁
界に基いているということに注意すべきである。
より長いダイポール及び配列は、これらの等式を
無価値にする異る電磁界パターンを有している。
もしこのようなアンテナが使用されるならば、適
切な等式を導入する必要がある。 信号フオーマツト 送信機によつて使用される信号フオーマツト
は、ユーザーに彼の位置及び方向を決定させるよ
うに設計されなければならない。前述した幾何学
的計算は、このフオーマツトに都合よく合致する
いくつかの情報パラメータを確立する。第１に、
それは、各送信アンテナ（４１，４２，又は４
３）によつて所定の受信アンテナ（２２，２３，
又は２４）に誘起した信号値を航空機内要素２０
に決定させなければならない。第２に、それは、
航空機内要素２０が送信信号の出力（すなわち強
さ）を知ることができるように、一方向データ伝
送能力を都合よく提供しなければならない。第３
に、両方の先の情報パラメータの通信を容易にす
るために、この信号は基準タイミングを含むこと
ができ、そして全ての信号成分は都合よくこの基
準タイミングとコヒレントであろう。送信信号の
極性を特徴づけるために、タイミング信号が使用
される。もしこのタイミング信号が省かれるなら
ば、遠隔物体の位置及び方向に関してあいまいさ
が増加する。もちろん、このあいまいさを取り除
くために、独立情報ソースを使用することができ
る。例えば、放射手段に関して遠隔物体の象限
（すなわち、北東、南東、北西、又は南西）を決
定するために航行補助装置を使用することができ
る。放射手段に関して遠隔物体の相対高さを決定
するために、丘の頂上に設けた高度計を使用する
ことができる。 先の要求に合致することのできる無限のフオー
マツトがある。しかしながら、ユーザーが着陸点
に近づくときユーザーが容易に信号フオーマツト
を取得できることがさらに望ましい。受信機が簡
単であることがまたまつたく望ましい。送信信号
フオーマツトの４つの可能性は次の様である。 １ 周波数分割多重（FDM） このフオーマツトにおいて、配列内の各送信
アンテナには、特別の異なる周波数が割り当て
られる。情報パラメータの測定は単に、３つの
周波数に相当する積分器の出力にすることがで
きる。搬送波は一定位相のものであり、それ
故、適切な時定数の位相固定ループ（PLL）
によつて容易に取得される。 ２ 時分割多重（Ｔ〜DM） Ｔ〜DMにおいて、地上アンテナ配列の唯一の
ダイポールが一時に励起される。回路を時分割
にすることができるので、送信機及び受信機の
簡単化が可能である。しかしながら、データ伝
送はもつと複雑であり、かつ動いている航空機
は、瞬時測定と等価なものにするために測定間
を補間しなければならない。これは、比較的に
ゆつくり動く車輛の位置を求めるのに都合のよ
い多重化方法である。 ３ 位相分割多重（回転運動） ３つのダイポールを適切に励起すると、単一
ダイポールアンテナの物理的回転運動に等価な
ものを生じるであろう。これは、非変調搬送波
によつてＺダイポールを、そしてsin及びcosin
波によりそれぞれ高周波振幅変調した搬送波に
よつてＸ及びＹダイポールを励起することによ
り達成することができる。この結果は、ビーコ
ン状信号になるけれども、その特性は位置及び
方向計算において実際には利用されない。利用
されるのは、地上ダイポールアンテナのそれぞ
れからの放射電磁界が、非変調搬送波によつ
て、あるいは２つの変調搬送波の変調包絡線間
の位相差によつて識別することができるという
ことである。もし回転電磁界が使用されるなら
ば、回転軸を放射アンテナと受信アンテナの間
の線に沿つて位置決めする必要はない。遠隔物
体の位置及び方向は、回転軸の方向にかかわら
ず決定することができる。 ４ 拡散スペクトル多重 拡散スペクトル多重を達成するために、各送
信信号には、搬送波周波数、搬送波位相、（又
はその両方）をシフトする独特のコードシーケ
ンスが割り当てられる。受信は、この変調を取
り除くために同一のコードシーケンスを使うこ
とによつて達成される。３つのアンテナに割り
当てられたコードは、相互に関係しないように
設計され、このように個々の信号の測定を可能
にしている。しかしながら、搬送波成分がない
ために、そして搬送波に加えて、コードタイミ
ングを取得しなければならないために、取得は
より困難である。 搬送周波数、拡散スペクトルチツピングレー
ト、データ周波数、送信機出力、マンテナサイ
ズ、及び他のパラメータは、当然にこの応用に
依存している。200〜3000MHzの範囲内にある
搬送周波数が一般的に適当であることがわかる
であろう。これらの搬送周波数に対して、
100KHz〜10MHzのチツピングレートが実際的
である。従つて、10Kb／Ｓ〜〜1Mb／Ｓ〜のデー
タ周波数が可能である。もし周波数分割が多重
が使用されるならば、搬送周波数は10KHz〜
100KHzによつて分離されて、ドプラーシフト
を許容する。 ３軸ソースに関して２軸センサーの位置及び
方向を決定するために類似した技術を使用する
ことができる。ここに与えられた等式を使用す
ると、センサーに対するソース位置及び方向を
生じる。簡単な一連の変換がこの情報を所望の
座標フレームに変換する。 本発明は、遠方着陸補助システムに関して説明
したけれども、本発明は、空中投下案内及び制
御、衝突防止、ターゲツトハンドオフ、燃料補給
及びステーシヨン管理のような応用において有用
である。 本発明が属する種々の技術に通じた者には疑い
もなく、種々の変化及び変形が可能であろう。上
述したように、信号フオーマツトは多数のものの
中から選択することができる。さらに、送信及び
受信装置の特別のパラメータは、特別の応用に依
存している。より長いか、あるいはより短い距離
用のシステムが、パラメータの適切な選択によつ
て設計することができる。この開示がこの技術を
改良した教えに基本的に頼るこれら及び他の全て
の変化は、特許請求の範囲によつて限定される本
発明の範囲内にあると考えるのが適切である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例の着陸補助システ
ムの一部ブロツクの側面図であり、第２図は、従
来の電界の強さと放射装置からの距離との間の関
係を示すグラフであり、第３図は、従来の電流伝
導電気ダイポールと関連した電界の簡単化された
表示であり、第４図は、本発明の基準座標フレー
ムの原点の位置に関する遠隔物体の位置座標シス
テムのグラフ表示であり、第５図は、本発明の基
準座標フレームに関する遠隔物体の方向座標シス
テムのグラフであり、第６図は、本発明の信号が
周波数分割多重される場合の、送信アンテナに印
加される信号の振幅を時間に関して表示したグラ
フであり、第７図は、本発明の一実施例の受信機
の一部のブロツク図であり、第８図は、本発明の
３軸センサーを３軸ソースに結合する遠方電磁界
結合のグラフであり、第９図は、本発明の３軸セ
ンサーを未知方向の３軸ソースと結合する遠方電
磁界結合のグラフであり、第１０図は、本発明の
遠隔物体位置及び方向のための３状態電力解法で
実行される計算のためのフローチヤートであり、
第１１図は、本発明の遠隔物体位置及び方向のた
めの２状態電力及び内積解法において実行される
計算のためのフローチヤートであり、第１２図
は、本発明の信号が時分割多重される場合の、送
信アンテナに印加される信号を、時間に関して表
示するグラフであり、第１３図は、本発明の時分
割多重システムにおいて使用される送信機の概略
図であり、第１４図は、本発明の時分割多重シス
テムにおいて使用される受信機の概略図である。 図において、１０は着陸補助システム、２０は
航空機内要素、２１はアンテナ配列、２２，２
３，２４は受信ダイポールアンテナ、２５，２
６，２７は信号増幅器、３０は地上基礎要素、３
１は信号発生器、３２，３３，３４は電力増幅
器、４０は地上アンテナ配列、４１，４２，４３
は電気ダイポールアンテナ、４４はモニター受信
機、４５はアンテナ配列、５０はコンピユータ、
５１はデイスプレイ、５２は信号増幅器群、５３
は周波数変換器群、５４は信号プロセツサ群であ
る。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 基準座標フレームに関しての遠隔物体の位置
   ならびに方向を決定する装置において、 前記基準座標フレームの原点を中心とする直交
   要素を有する複数の放射手段と、 互に区別し得る複数の電磁場を発生させる電気
   信号群を前記複数の放射手段に印加する送信機手
   段と、 前記遠隔物体に配置され、前記電磁場の受信成
   分を検出ならびに測定する直交要素を有する複数
   の受信手段とを有し、 前記複数の放射手段と前記複数の受信手段の一
   方がただ二つの直交要素で構成され、 前記放射手段と前記受信手段は、前記電磁場の
   遠方磁界成分が前記電磁場の近接磁界成分より実
   質的に大きい離れた距離で動作し、 さらに、前記受信手段と連動し、前記電磁場受
   信成分を反復せずに、前記基準座標系に関しての
   遠隔物体位置および方向に、方向と位置の一つの
   あいまいな組合せを有して変換し、かつ放射手段
   から受信手段にのびる位置ベクトルと受信手段と
   放射手段との間の角変化を決定する解析手段を有
   し、 該解析手段は、前記放射手段に関して開ループ
   で動作するようになつている遠隔物体位置および
   方向決め装置。 ２ 特許請求の範囲の第１項に記載の装置におい
   て、前記放射手段と前記受信手段とは、それぞれ
   相互に直交する電気ダイポールアンテナである装
   置。 ３ 特許請求の範囲の第２項に記載の装置におい
   て、前記電磁場間の差が、前記電気信号の時間、
   周波数、位相ならびにスペクトル拡散多重からな
   る群の中から選定されるようになつている装置。 ４ 特許請求の範囲の第１項に記載の装置におい
   て、前記解析手段は、前記受信手段から物理的に
   隔置され、前記解析手段とおよび前記受信手段
   は、電磁放射により結合されるようになつている
   装置。 ５ 特許請求の範囲の第３項に記載の装置におい
   て、前記解析手段は、 前記放射手段から放射された電力を決定する手
   段と、 前記受信手段で受信された電力を決定する手段
   と、 前記放射電力と前記受信電力とを比較すること
   により、前記基準座標フレームからの前記遠隔物
   体の距離を解決する手段と、 を有するようになつている装置。 ６ 特許請求の範囲の第１項に記載の装置におい
   て、前記電気信号は、さらに、送信機識別、電磁
   場歪補正、障害物位置、前記放射手段に相対的な
   着陸位置ならびに風向きからなる群の中から選定
   される情報を含むようになつている装置。 ７ 特許請求の範囲の第１項に記載の装置におい
   て、前記放射手段から隔着された位置にモニター
   ステーシヨンが配置され、該ステーシヨンは、前
   記放射された電磁場を検出する受信手段を有する
   とともに、前記送信機手段に結合され、送信され
   た電磁場を特性化する帰還信号を該送信機手段に
   提供するようになつている装置。