JPH09121195A

JPH09121195A - 遠隔較正装置

Info

Publication number: JPH09121195A
Application number: JP8176969A
Authority: JP
Inventors: Seth D Silverstein; セス・デイビッド・シルバースタイン; Robert L Nevin; ロバート・レランド・ネビン; William E Engeler; ウィリアム・アーニスト・エンジェレー
Original assignee: Lockheed Corp; Lockheed Martin Corp
Current assignee: Lockheed Martin Corp
Priority date: 1995-07-07
Filing date: 1996-07-08
Publication date: 1997-05-06
Anticipated expiration: 2016-07-08
Also published as: CA2180051A1; EP0752736A1; JP4223575B2; CA2180051C; EP0752736B1

Abstract

(57)【要約】【課題】フェーズドアレーシステムの様な複数Ｎ個の
エレメントを持つシステムを遠隔較正する方法及び装置
を提供する。【解決手段】互いに所定のスペクトル関係を持つ較正
信号及び基準信号の様なコヒーレント信号を発生し、Ｎ
個のエレメントの各々に印加される較正信号を、２進ア
ダマール行列の様な所定の逆行列作成可能な復号化行列
のエントリに基づいて直交符号化して、第１組及び第２
組の直交符号化信号を発生する。第１組及び第２組の直
交符号化信号及び基準信号を遠隔地へ送信する。送信さ
れた第１組及び第２組の直交符号化信号を遠隔地でコヒ
ーレント検波し、この後、コヒーレント検波された第１
組及び第２組の直交符号化信号を所定の逆行列作成可能
な符号化行列の逆行列を使って復号して、１組の復号信
号を発生する。次に、システムの各エレメントに対する
較正データを発生する為に、この１組の復号信号を処理
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の背景】能動フェーズドアレー（ｐｈａｓｅｄ
ａｒｒａｙ）システム又はスマート（ｓｍａｒｔ）アン
テナシステムは、異なるビーム形成シナリオに対処ため
にフェーズドアレーシステムの夫々のエレメントによっ
て送信並びに／又は受信されるエレメント信号の複素利
得（振幅及び位相）のプログラム可能な変更を行なう能
力を有する。フェーズドアレーシステムを備えた通信衛
星は、普通の反射型アンテナを持つ衛星に比べて固有の
性能の利点を備えているので望ましい。例えば、フェー
ズドアレーシステムを持つ通信衛星は、次に述べる様な
利点を提供し得る。即ち、大陸全体にわたる広くて一様
な範囲から約１°の３dB幅を持つ幅の狭いスポット・ビ
ーム・パターンまでビーム・パターンが構成自在である
こと、多重通信チャンネルに於ける実効等方性放射電力
（ＥＩＲＰ）のレベルを変える融通性があること、並び
に部品の故障を補償する為にシステム性能の劣化を巧妙
に行なう手段が得られることである。衛星におけるフェ
ーズドアレーシステムに対する条件は予測し難い形で変
化し得るから、最適なシステム性能を確実にする為に
は、位相及び振幅特性の様なシステムの特性を規則的に
較正するように計画を立てる事が一般的に必要である。

【０００２】フェーズドアレーシステムの各エレメント
で夫々形成されるエレメント信号の夫々の複素利得の有
意の推定値を得る為、較正過程は、各エレメントから送
信される夫々のエレメント信号に対する複素利得が略準
不動になる位に短い時間窓の中で行なわなければならな
い。典形的な静止衛星の用途では、この為の時間窓は時
間的に変わり得る２つの効果によって支配される。即
ち、送信されるエレメント信号が地球上にある適当な制
御ステーションに向って伝搬する時に出会う変わり得る
大気条件によるエレメント信号の変化と、フェーズドア
レーシステムの各エレメントに対する夫々の回路部品の
位相のオフセットや、フェーズドアレーを支持する為に
用いられるパネル構造の物理的な反り等の様な衛星に熱
によって誘起される効果による送信されるエレメント信
号の相対的な位相の変化とである。熱によって誘起され
る効果は、主にフェーズドアレーのパネルに対する太陽
放射束の密度の昼間変動が原因で起こる。

【０００３】従来提案された較正方式は、本質的に、フ
ェーズドアレーシステムの他の全てのエレメントをター
ンオフしておいて、フェーズドアレーシステムの各々の
１個のエレメント（ＳＥ）の夫々の複素利得を、一度に
１つずつ、個別に測定することに基づいたものである。
こう云う較正方式（以下ＳＥ較正方式と呼ぶ）は、考え
としては単純であるが、都合の悪いことに或る基本的な
問題があり、その為に、通信衛星に対する典形的なフェ
ーズドアレーシステムの較正条件を満す点でその有用性
に疑問がある。その１つの問題は、較正を受ける任意の
１つのエレメントに適当な試験信号を差し向ける又は通
す様に各エレメント信号の夫々の電気通路のフロントエ
ンドに結合される多極マイクロ波スイッチング装置を実
現するのが困難であることである。この多極スイッチン
グ装置は、ＳＥ較正方式では典形的には、任意の所定の
時点で較正を受ける任意の個別のエレメントに夫々形成
されるエレメント信号に対する複素利得を測定する為に
必要である。ＳＥ較正方式のもう１つの問題は、信号対
雑音比（ＳＮＲ）が比較的低いことである。これは実効
的には測定の積分時間が比較的長くなることになる。実
用的な衛星の電力レベルでは、ＳＥ較正方式の為の較正
測定値を抽出するのに要する積分時間は、前に述べた準
不動の時間窓の基準を満すには長すぎる場合が多い。原
理的には、各エレメントから送信される較正信号のエネ
ルギーを増加することにより、ＳＥ過程の実効的なＳＮ
Ｒを高くすることができる。しかし、フェーズドアレー
システムの各々エレメントは、各エレメントにある回路
部品に対する電力処理容量及び直線性の制約によって、
最大電力に近いところで動作する様に設計されているの
が普通であるから、電力レベルを更に勝手に増加するこ
とは典形的には実現できないことになる。この為、ＳＥ
較正方式に伴なう問題を解決することのできる較正方法
を提供することが望ましい。

【０００４】

【発明の要約】全般的に云うと、上に述べた要望を満た
め、本発明は、Ｎを正の整数として、複数Ｎ個のエレメ
ントを持つシステムを遠隔較正する方法と装置を提供す
る。この方法は、相互に所定のスペクトル関係を持つ較
正信号及び基準信号の様なコヒーレント信号を発生する
ことを含む。複数Ｎ個のエレメントの各々に印加される
較正信号は、２進アダマール（Ｈａｄｍａｒｄ）行列の
様な所定の逆行列作成可能な符号化（ｅｎｃｏｄｉｎ
ｇ）行列のエントリ（ｅｎｔｒｙ）に基づいて直交符号
化されて、第１組及び第２の直交符号化信号を発生する
ことができる。これらの第１組及び第２の符号化信号並
びに基準信号は遠隔地へ送信される。送信された第１組
及び第２組の符号化信号は遠隔地でコヒーレント検波さ
れる。その後、コヒーレント検波された第１組及び第２
組の符号化信号は、所定の逆行列作成可能な符号化行列
の逆行列を使って復号され、１組の復号信号を発生す
る。次に、この１組の復号信号は、システムの各エレメ
ントに対する較正データを発生する為に処理される。

【０００５】本発明の新規と考えられる特徴は、特許請
求の範囲に具体的に記載してあるが、本発明自体の構
成、作用、及びその他の目的並び利点は、以下図面につ
いて詳しく説明するところから最もよく理解されよう。
図面に全体にわたり、同様な部分には同じ参照数字を用
いている。

【０００６】

【発明の詳しい説明】図１はフェーズドアレーシステム
１２を用いて、無線周波（ＲＦ）信号１４を送信並び／
又は受信する通信衛星１０を示す。例えば、フェーズド
アレーシステム１２が送信モードで使われる場合、受信
アンテナ２０を介して、地上の制御ステーションの様な
遠隔の制御ステーション１８でＲＦ信号１４を受信する
ことができる。当業者であれば分かる様に、フェーズド
アレーシステムは、アレーのエレメントとから放出され
るＲＦ信号の位相を選択的に調節して、フェーズドアレ
ーの各エレメントから空間的に離れた地点で、所望の干
渉パターンを作ると云う原理に基づいて動作する。Ｎ個
のエレメントのフェーズドアレーシステムからの波長λ
のＲＦ送信を考える。例として、フェーズドアレーの中
心を原点とする座標系を選ぶ。

【０００７】

【外１】

【０００８】

【数１】

【０００９】

【数２】

【００１０】１組の係数｛ａ（ｎ）｝の相対的な値が、
フェーズドアレーの各エレメントに対する移相器５０
（図２）及び電力増幅器８０（図２）の様な夫々の回路
部品に関係する相対的な複素利得になる。フェーズドア
レーによって送信並びに／又は受信された（但し本発明
よる符号化はしてない）任意の干渉パターンを単に空間
的にサンプリングすることによって得られた情報は、送
信ホーン９０（図２）の様なフェーズドアレーのエレメ
ント・ホーンの相対的な位置ぎめによる位相のオフセッ
トを容易に抽出することができないことを証明すること
ができる。原理的には、各々の係数ａ（ｎ）の値は、Ｎ
個の一次独立連立方程式が得られる様に特

【００１１】

【外２】

【００１２】に於ける干渉パターンの振幅及び位相を測
定又はサンプリングすることによって決定することがで
きる。実際には、解を計算する為には、３つの異なるパ
ラメータのＮ個の値が分っていなければならないので、
この手順は実施するのが非常に

【００１３】

【外３】

【００１４】上に述べた空間的なサンプリング較正方式
と対照的に、エレメント信号のコヒ

【００１５】

【外４】

【００１６】化ビーム・パターンを形成することができ
る様にする符号化信号を受信することができるので、劇
的に単純化される。更に、１つの伝搬定数Ｋ₀ しかない
ので、各々の複素利得の相対的な値を決定するのにその
値が分っている必要はない。更に、遠い場においては、
関心のあるパラメータは、この１個の受信点までの距離
が分っていなくても求めることができる。アレーの一様
な位相平面に対する基

【００１７】

【外５】

【００１８】る。業者でてあれば分る様に、この投影角
は、地球、月及び太陽センサの様な普通の天体センサか
らの容易に利用し得る姿勢測定値を使って、測定するこ
とができる。遠い場では、任意のｍ番目のコヒーレント
符号化送信の受信信号は、次の形である。

【００１９】

【数３】

【００２０】ｔ（ｍ，ｎ）がユニタリ符号化行列の様な
所定の逆行列作成可能な符号化行列

【００２１】

【外６】

【００２２】値は、Ｎ個の一次独立連立方程式を解くこ
とができる様にする行列Ｔの逆行列から直接的に求めこ
とができる。一般的に、ユニタリ行列Ｕの逆行列は行列
Ｕのエルミート共役Ｕ^* に等しい、即ちＵ^-1＝Ｕ^* であ
る。当業者であれば分るが、行列Ｕの様なユニタリ行列
の行及び列は、この行列Ｕが定義されているベクトル空
間にわたる完全な正規直交する１組の基本ベクトルを形
成する。一般的に、直交変換は、実ベクトル空間で定義
されたユニタリ変換の部分集合と正式に定義されてい
る。直交変換はイメージング用途に広く用いられてお
り、例えばＰｒｏｃ．ＩＥＥＥ５７，Ｎｏ．１，５８
−６８頁（１９６９年１月号）所載のダブリュ・ケイ・
プラット，ジェイ・ケーン及びエッチ・シー・アンドリ
ュースの論文「アダマール変換イメージ符号化（Ｈａｄ
ａｍａｒｄＴｒａｎｓｆｏｒｍＩｍａｇｅＣｏｄ
ｉｎｇ）」を参照されたい。本明細書で用いる行列Ｔ
は、その関連するユニタリ行列とは正規化係数Ｎ^1/2だ
け異なっている。従って、Ｔは再正規化ユニタリ行列と
呼ばれる。

【００２３】

【数４】

【００２４】これに制限するつもりはないが、例として
云うと、各々の行列の要素が単位の大きさを持つ場合、
即ち｜ｔ（ｍ，ｎ）｜＝１である場合、再正規化ユニタ
リ行列を使うと、最小分散符号化方式を達成することが
できることを示すことができる。大きさが等しい再正規
化ユニタリ行列の注目すべき幾つかの例は、２次元（２
Ｄ）離散的フーリエ変換（ＤＦＴ）及びアダマール行列
の種類である。

【００２５】図２は、Ｎ個のエレメントのフェーズドア
レーシステム１２に対する一例のアナログ式アーキテク
チャの略図である。ディジタル式ビーム形成アーキテク
チャでも本発明の考えの利点が容易に得られるから、本
発明がアナログ式アーキテクチャに制限される必要がな
いことが理解されよう。更に、レーダ、ライダ、通信シ
ステム等に用いられるコヒーレント電磁信号、又はソナ
ー、超音波装置等に用いられるコヒーレント音波信号の
様なコヒーレント信号を用いる任意のシステムが、本発
明の考えから容易に利点が得られるので、本発明がフェ
ーズドアレーシステムに制限される必要がないことが理
解されよう。

【００２６】フェーズドアレーシステム１２は、各々が
ｐビットのビーム形成能力を持つＮ個の移相器５０₁−
５０_N で構成されたビーム形成マトリックス４０を含
む。各々のエレメントに対する各々の移相器はｐ個の独
立の遅延回路６０で構成され、これらは適当なスイッチ
６５を介して、各々のエレメント信号に対する電気通路
に選択的に接続状態に切換えられ、即ち作動されて、ｍ
＝０，１，……（２^p−１）として、２πｍ／２^p の移
相に対応する２^p 個の量子化位相レベルを作ることがで
きる。更に図２は、コヒーレント信号発生器１００が、
フェーズドアレーの各エレメントに印加される較正信号
に対して所定のスペクトル関係を持つ基準トーン又は信
号を供給することを示す。例えば、基準信号は、較正信
号から所定の倍数だけ周波数がずれていてよい。基準信
号及び較正信号は夫々の帯域フィルタ７２を通過し、こ
れらの帯域フィルタは基準信号及び較正信号に対する夫
々の周波数を大体中心とする所定の通過帯域を持つ。図
２では、コヒーレント信号発生器１００が、１つの基準
信号を供給するものとして示されているが、希望によっ
ては、コヒーレント信号発生器１００から追加の基準信
号を容易に得ることができることが理解されよう。

【００２７】図２に示す様に、フェーズドアレーの各々
のエレメントが、夫々の電力増幅器８０及びホーン９０
を含む。図２は、基準信号が別個のホーン９０′から送
信されることを示しているが、基準信号が移相器によっ
て行なわれる任意の符号化手順の影響を受けない様に、
基準信号が任意の移相器５０₁−５０_N の後の電気通路
に注入される限り、基準信号をフェーズドアレーの任意
のエレメントから送信してもよく、結果は同等である。
図２は、システムの通常の動作中、任意の所望のビーム
・パターンを形成する為のスイッチング指令を出すこと
のできる制御装置３００を示している。

【００２８】本発明の好ましい一実施例では、制御装置
３００は更に較正指令モジュール３０２を含む。較正指
令モジュールは、フェーズドアレーシステムのＮ個のエ
レメントによって制御ステーション１８（図１）の様な
遠隔地へ送信される対応する第１組及び第２組の信号を
遅延回路６０で符号化することができる様にする第１組
及び第２組のスイッチング信号を供給する。

【００２９】前に述べた様に、制御されたスイッチン
グ、即ち符号化は、所定の逆行列作成可能な２進行列の
要素又はエントリによって定められる。特に、２進行列
またはバイポーラ・アダマール行列の様な或る種の直交
行列は、推定較正パラメータに対する統計的な分散を極
く小さくすると云う意味で最適である。符号化行列は、
Ｎがアダマール行列を作ることができる偶数であるとす
れば、Ｎ×Ｎの寸法を持つ様に選ぶことができる。次数
Ｎのアダマール行列を構成することができない場合、符
号化の為に、次に高い次数のアダマール構成を便利に使
うことができる。例えば、次に高い次数は、Ｑを正の整
数として、好便にＫ＝Ｎ＋Ｑに選ぶことができる。Ｑ
は、存在しないエレメントに対応する余分の送信を表わ
し、この為、この様な余分の送信は実効的にはゼロの値
の信号で構成されているものとして扱われる。当業者で
あれば、この行列構成方法が、例えば高速フーリエ変換
に使われる「ゼロを埋める」方式に似ていることが理解
されよう。従って、以下の説明では、これに制限するつ
もりはないが、簡単の為、制御されたスイッチング（Ｃ
Ｓ）手順に、アダマール行列だけを考え、これをＨで表
わす。遠隔地で適当なコヒーレント検波及び復号を実施
した時、第１組及び第２組の直交符号化信号が、遅延回
路の夫々の複素利得の任意の変化を表わし、且つどの遅
延回路も接続状態に切換えられてない時のフェーズドア
レーの各々のエレメントに関連する夫々の信号｛ｓ
（ｍ，ｎ＝１，２……Ｎ）｝、即ち、夫々の電力増幅器
及びホーンを含むが、フェーズドアレーのどのエレメン
トにも遅延回路を全く含まない遅延なし即ち「直通」の
電気通路に関係する各々の信号を含む較正データを決定
することができる様にすることを後で示す。

【００３０】アナログ式の実施例では、較正信号に対す
る電力レベルが十分低く、移相器を線形マイクロ波装置
として扱うことができると仮定する。例えば、複素利得
ｄμ （ｎ）を持つ任意のｎ番目の移相器内にあるμ番目
の遅延回路の様な１個の遅延回路６０を接続状態に切換
える即ち作動する効果は、図３ａに示す様に、単に入力
信号ｘ（ｎ）に複素利得を掛けることである。多数の遅
延回路６０及び６０′を接続状態に切換える即ち作動す
る効果は、接続状態に切換えられた多数の回路に対する
夫々の複素利得の積を単に発生する。例えば、図３ｂに
示す様に、複素利得ｄν（ｎ）を持つｎ番目の移相器
に対するν番目の遅延回路と共に接続状態に切換えられ
た場合、入力信号ｘ（ｎ）に対する複素利得は図３ｂに
示す様になる。

【００３１】図４は、較正信号及び基準信号の様なコヒ
ーレント信号を発生する為に使われるコヒーレント信号
発生器１００の略図である。この明細書で云う「コヒー
レント信号」と云う表現は、相互の間に略一定の相対的
な位相関係を持つ信号を云う。図４に示す様に、局部発
振器１０２が所定の周波数ｆ₀ を持つ発振器出力信号を
夫々の周波数逓倍器１０４，１０６，１０８に供給し、
発振器出力信号の周波数に夫々Ｎ₁ ，Ｎ₂ ，Ｎ₃ の様な
夫々の乗数を乗ずる。図４に示す様に、逓倍器１０８，
１０４の夫々の出力信号が第１のミキサ１１０で混合さ
れて、周波数ｆ＝（Ｎ₂ ＋Ｎ₃ ）ｆ₀ を持つ第１のミキ
サ出力信号を供給する。同様に、逓倍器１０６，１０８
の夫々の出力信号が第２のミキサ１１２で混合され、周
波数ｆ＝（Ｎ₁ ＋Ｎ₃ ）ｆ₀ を持つ第２のミキサ出力信
号を供給する。例として云うと、第１のミキサ出力信号
が基準信号を構成し、第２のミキサ出力信号が較正信号
を構成して、フェーズドアレーシステムの各エレメント
に印加される。

【００３２】図５は、制御ステーション１８（図１）に
設けることのできるコヒーレント検波器４００及び較正
プロセッサ４０２の簡単にしたブロック図である。これ
らは、フェーズドアレーシステムから送信される任意の
シーケンスの符号化されたコヒーレント信号を検波及び
復号し、これにより、電力増幅器、ホーン及び移相器の
様な、フェーズドアレーシステムの各々のエレメントを
構成する種々の部品の変化を補償する為に、衛星へ好便
に「アップリンク」することのできる較正データを決定
することが出来る。

【００３３】図６は、コヒーレント検波器４００及び較
正プロセッサ４０２を詳しく示す。図６に示す様に、受
信された基準信号が第１のミキサ４０６及び移相器４０
４に供給され、移相器は受信したコヒーレント基準信号
に略９０°の移相を加える。更に図６に示す様に、各々
の直交符号化信号が第１のミキサ４０６及び第２のミキ
サ４０８に供給される。第１のミキサ４０６は、受信し
た符号化信号を基準信号と混合して、該受信した符号化
信号の内、基準信号と同相である成分の複製である第１
のミキサ出力信号を供給する。これに対し、第２ミキサ
４０８は、受信した符号化信号を移相後の基準信号と混
合して、該受信した符号化信号の内、基準信号に対して
直角位相（９０°）である成分を複製した第２のミキサ
出力信号を供給する。同相及び直角位相成分が、夫々の
アナログ−ディジタル（Ａ／Ｄ）変換器４０９によって
ディジタル・データに変換される。図６に示す様に、較
正プロセッサ４０２は、Ａ／Ｄ変換器４０９から供給さ
れた同相成分及び直角位相成分を夫々記憶する為のレジ
スタ・アレー４１０₁及び４１０₂を含むことができ
る。更に較正プロセッサ４０２はメモリ４１２を持ち、
このメモリは、符号化信号の夫々の直角位相成分を復号
する為に使われる逆行列Ｈ^-1のエントリを記憶すること
ができる。更に、較正プロセッサ４０２は、符号化信号
の夫々の直角位相成分を復号する為に使われる任意の適
当な計算を行なう為の算術論理装置（ＡＬＵ）４１４を
含む。例えば、ＡＬＵ４１４は、第１組及び第２組の直
交符号化信号の各々の直角位相成分の間の差を計算する
為、並びにこうして得られた差と逆行列Ｈ^-1との積を計
算する為に使うことができる。

【００３４】図７は、本発明による一例の較正方法のフ
ローチャートを示す。工程２００で動作が開始された
後、工程２０２で、コヒーレント信号発生器１００（図
２及び４）によって発生される較正信号及び基準信号の
様なコヒーレント信号を発生する。工程２０４で、図２
のフェーズドアレーシステムの様なＮ個のエレメントを
持つコヒーレント・システムの各エレメントに較正信号
を印加する。工程２０６で、コヒーレント・システムの
各エレメントに印加された較正信号を符号化して、例え
ば、第１組及び第２組の符号化信号を発生する。この符
号化は、フェーズドアレーシステムの各エレメントにあ
る遅延回路の制御されたスイッチング又はトグル動作を
用いて行なうのが有利である。即ち、この符号化は、較
正指令モジュール１１０（図２）からのスイッチング信
号に応答して作動される特定の遅延回路に基づいて行な
われるので、追加の又は別個の符号化用ハードウェアを
必要としない。フェーズドアレーシステムの各エレメン
トに印加された較正信号を直交符号化する為に、ユニタ
リ変換符号器を使う別の好ましい具体例については、１
９９５年７月７日出願の米国特許出願第０８／４９９，
７９６号、発明の名称「ユニタリ変換符号器を用いて衛
星通信に使われるフェーズドアレーシステムを遠隔較正
する方法」を参照されたい。次に工程２０８で、制御ス
テーション１８（図１）の様な遠隔地に第１組及び第２
組の符号化信号及び基準信号を送信する。工程２１０
で、送信されてきた第１組及び第２組の符号化信号を遠
隔地でコヒーレント検波する。工程２１２で、検波され
た第１組及び第２組の符号化信号を復号して、１組の復
号信号を発生する。この復号信号は、工程２１６の動作
の終りより前の工程２１４で、フェーズドアレーシステ
ムの各エレメントに対する較正データを発生する為に好
便に処理することができる。

【００３５】図８は、図２のフェーズドアレーシステム
で符号化工程２０６（図７）を実施する為に好便に使う
ことのできるフローチャートを示す。工程２２２に示し
た動作の開始後、工程２２４で、逆行列作成可能な２進
行列Ｈのエントリに基づいて、第１組のスイッチング信
号を発生する。工程２２６で、第１組のスイッチング信
号を印加して、フェーズドアレーシステムの各エレメン
トにあるｐ個の遅延回路の夫々を作動し、これにより第
１組の符号化信号を発生する。これと対照的に、工程２
２８に示す様に、第２組のスイッチング信号は制御され
たスイッチングの為に−Ｈを使い、これによって第２組
の符号化信号を発生する。工程２３２で示した動作の終
りの前の工程２３０で、第２組のスイッチング信号を印
加することにより、フェーズドアレーの各エレメントに
あるｐ個の遅延回路の夫々を作動して第２組の符号化信
号を発生する。アダマール制御行列を用いたこのスイッ
チング手順は実効的に、フェーズドアレーの各々のエレ
メントに印加された較正信号の正確なユニタリ（直交）
変換符号化を作る。前に述べた様に、このスイッチング
方式は、遅延回路自体が所望の符号化作用を行い、追加
の符号化用ハードウェアを必要としないので、特に有利
である。

【００３６】図９は、検波工程２１０及び復号工程２１
２（図７）を実施する為に使うことのできるフローチャ
ートを示す。工程２４０で示した動作の開始後、第１組
及び第２組の符号化信号が夫々第１組及び第２組の直交
符号化信号で構成されていると仮定すると、工程２４２
で、遠隔地で受信した第１組及び第２組の直交符号化信
号の基準信号に対する夫々の同相成分及び直角位相成分
を測定する。例えば、コヒーレント検波器４００（図
６）により、任意の受信した符号化信号の同相成分及び
直角位相成分の両方を測定する。更にこれは、遠隔地で
受信した第１組及び第２組の直交符号化信号の夫々の基
準信号に対する位相及び振幅を測定することを含むこと
ができる。較正データは、位相及び振幅の相対的な測定
値から得ることが出来る、即ち、基準信号の位相に対す
る、受信した各々の符号化信号の位相及び振幅の時間に
つれての変動の夫々の測定値から有効に得ることが出来
るので、絶対値の測定値が重要ではないことが理解され
よう。工程２４４で、遠隔地で受信した第１組及び第２
組の直交符号化信号の夫々の測定された同相及び直角位
相成分の間の夫々の差を計算する。工程２４８で示した
動作の終りの前の工程２４６で、夫々の計算された差
と、制御されたスイッチング符号化で使われる同じ２進
直交行列の逆行列、即ちＨ^-1＝Ｈ^T／Ｎとの積を計算す
る。本発明の別の利点として、この場合の逆行列が単に
係数１／Ｎによって正規化されたＨの転置行列であるか
ら、逆行列Ｈ^-1の計算が簡単であることが理解されよ
う。

【００３７】図１０は、送信する工程２０８（図７）に
ついて更に詳しく示したフローチャートであり、これに
よって、例えば図２のフェーズドアレーシステムのＮ個
のエレメントに関連するＮ（ｐ＋１）個の状態変数の組
全体を較正することができる。本発明の制御されたスイ
ッチング較正基準が一般的に合計２Ｎ（ｐ＋２）回の個
別の逐次的な送信を必要とすること、又はＮ（ｐ＋２）
個の逐次的な送信の対、即ち第１組及び第２組の直交符
号化信号のＮ（ｐ＋２）対を逐次的に送信することを必
要とすることを示す。これは、本発明による較正手順に
よって、毎回の送信に同じ最大エレメント信号エネルギ
ーを用いたＳＥ較正測定に比べて、信号対雑音比（ＳＮ
Ｒ）を実効的に［（ｐ＋１）／（ｐ＋２）］２Ｎ倍に高
めた、ＳＥ較正測定に比肩し得る情報が得られるので有
利である。

【００３８】工程２６０で示した動作の開始の後、工程
２６２で、第１組及び第２組の直交符号化信号に対応す
る様なＮ対の直交符号化信号を逐次的に送信する。この
とき、各々のμ番目の遅延回路が、行列Ｈのエントリに
基づく所定の符号化規則に従って接続状態に切換えら
れ、これに対して、フェーズドアレーシステムの各エレ
メントにある残りの各々の遅延回路は切り離し状態に切
換えられる。逐次的に受信する各々の送信の対は、ベク
トル形式で好便に次の様に表わされる。

【００３９】

【数５】

【００４０】Ｙμ₀の最初の添字「μ」は、μ番目の遅
延回路の様な所定の遅延回路が、アダマール行列Ｈのエ
ントリに基づく所定の符号化規則に従ってトグル作動さ
れることを示す。これらのベクトル信号の２番目の添字
「０」は、これらが、μ番目の遅延回路以外の残りの各
々の遅延回路が切り離し状態に切換えられる時に受信さ
れる信号であることを示す。較正過程のこの工程では、
フェーズドアレーシステムのＮ個のエレメントに対応す
る直交符号化信号のＮ個の送信対が、逐次的に送信され
て、遠隔地で受信される。

【００４１】第１組及び第２組の直交符号化信号の逐次
的に受信される任意のｍ番目の送信対は次の様に表わさ
れる。

【００４２】

【数６】

【００４３】符号化係数Ｄμ（ｍｎ），Ｄμ^R（ｍｎ）
は、次のアダマール符号化規則に従って切換えられる遅
延回路の状態によって定まる。

【００４４】

【数７】

【００４５】符号化行列の差が成分及び行列の形で次の
様に表わされる。

【００４６】

【数８】

【００４７】前に述べた様に、復号は、受信した信号ベ
クトルＹμ₀，Ｙμ₀ ^R の差を計算し、この結果得られた
ベクトル差に、衛星上で行なわれた制御されたスイッチ
ングに使われたのと同じアダマール行列の逆行列を乗ず
ることによって、遠隔地で好便に行なうことができる。
雑音が存在しない場合、次の様に復号ベクトル信号Ｚμ
₀が得られる。

【００４８】

【数９】

【００４９】工程２６４で、直交符号化信号のＮ（ｐ−
１）対を送信する。このとき、各々のμ番目の遅延回路
は所定の符号化規則に従ってトグル作動され、これに対
して、μ番目の遅延回路以外の別の所定の遅延回路、例
えばν番目の遅延回路は、フェーズドアレーの各々のエ
レメントで永久的に接続状態に切換えられる。この場
合、第１組及び第２組の直交符号化信号の受信された任
意のｍ番目の送信対は次の様に表わされる。

【００５０】

【数１０】

【００５１】こゝでも、任意の成分ｙμνの１番目の添
字「μ」は、μ番目の遅延回路が所定のアダマール行列
Ｈのエントリに基づく所定の符号化規則に従ってトグル
作動され、これに対して、２番目の添字「ν」は、フェ
ーズドアレーシステムの各々のエレメントでν番目の遅
延回路が接続状態に切換えられることを示す。この場
合、こうして得られる１組の復号信号が、復号ベクトル
Ｚμνによってベクトル形式で次の様に表わされる。

【００５２】

【数１１】

【００５３】Ｎ個の複素利得ｄν（ｎ）は次のように
復号されたベクトル信号成分の比をとることによって容
易に計算される。

【００５４】

【数１２】

【００５５】所定のμ番目の遅延回路に制御されたスイ
ッチングを使い、残りの他の各々の遅延回路を単独に接
続状態に切換えて、ν≠μになる様な残りの全ての（ｐ
−１）個の遅延回路に対する各々の複素利得ｄν
（ｎ）を決定する為に、上に述べた手順を繰り返えす
ことができる。こうして、工程２６４で第１組及び第２
組の直交符号化信号のＮ（ｐ−１）対を送信し、そこで
所定のμ番目の遅延回路が所定の符号化規則に従ってト
グル作動され、フェーズドアレーの各々の移相エレメン
トにある残りの各々のν番目の遅延回路が逐次的に接続
状態に切換えられる。

【００５６】工程２６６で、第１組及び第２組の直交符
号化信号のＮ対を送信する。このとき、μ番目の遅延回
路以外の任意の遅延回路、例えば、ξ番目の遅延回路
（ξ≠μ）が所定の符号化規則に従ってトグル作動さ
れ、これに対して、フェーズドアレーシステムの各エレ
メントにある残りの各々の遅延回路は切り離し状態に切
換えられる。この場合、こうして得られた１組の復号信
号は、復号ベクトル信号Ｚξ₀によってベクトル形式で
次の様に表わされる。

【００５７】

【数１３】

【００５８】工程２６８で、第１組及び第２組の直交符
号化信号のＮ対を送信する。このとき、ξ番目の遅延回
路が所定の符号化規則に従ってトグル作動され、これに
対して、フェーズドアレーシステムの各々の移相器にあ
る所定のμ番目の遅延回路が接続状態に切換えられる。
この場合、この結果得られる１組の復号信号が、復号ベ
クトル信号Ｚξμによってベクトル形式で次の様に表わ
される。

【００５９】

【数１４】

【００６０】Ｎ個の複素利得ｄμ （ｎ）は、復号され
たベクトル信号成分の比を求めることによって容易に計
算される。

【００６１】

【数１５】

【００６２】一旦全てのγ＝１，２，……ｐ；ｎ＝１，
２……Ｎに対して全ての夫々の複素利得ｄγ（ｎ）が
決定されたら、「直通」信号すなわち遅延なしの信号
｛ｓ（ｎ）｝が次の式から容易に決定される。

【００６３】

【数１６】

【００６４】従って、Ｎ×ｐ個の遅延回路についての夫
々の複素利得とＮ個の直通すなわち遅延なしの電気通路
についての複素利得とに対する完全な較正データが、Ｎ
（ｐ＋２）個の送信対を用いて求められ、これは次の様
に好便にまとめることができる。

【００６５】

【表１】

【００６６】［アダマール制御行列の数理］Ｎ次アダマ
ール行列２はＮ×Ｎの２進直交行列であって、各エント
リ［Ｈ］_mn＝Ｈ（ｍｎ）が±１の何れかに等しい。Ｎ次
アダマール行列は、行又は列の任意の置換によって別の
Ｎ次アダマール行列ができるので、一意的ではない。ア
ダマール行列は逆行列Ｈ^-1＝ＨT ／Ｎを持つ直交行列で
ある。一例として、１組の基数２の自然形（ｎａｔｕｒ
ａｌｆｏｒｍ）のアダマール行列の反復的作成を示
す。次数Ｎ＝２の基本行列を考える。

【００６７】

【数１７】

【００６８】Ｎ＝４次の自然形のアダマール行列は次の
様に構成することができる。

【００６９】

【数１８】

【００７０】次数２Ｎの「自然形」のアダマール行列
は、次式を用いて、Ｎ次アダマール行列から構成するこ
とができる。

【００７１】

【数１９】

【００７２】アダマール制御行列を用いる直交符号化は
次の手順に基づいている。複素数の対角線行列ｄ、即ち
ｄ≡ｄｉａｇ［ｄ（１），ｄ（２），……ｄ（Ｎ）］を
考える。その（ｍｎ）番目の行列要素又はエントリを次
の規則に従って構成した任意の適当なアダマール行列に
基づいて行列Ｄ，Ｄ^R を構成する。

【００７３】

【数２０】

【００７４】Ｄ，Ｄ^R の差の行列は、成分及び行列の形
で次の様に表わされる。

【００７５】

【数２１】

【００７６】こゝでＩは恒等行列である。式（２１）の
各辺に逆行列Ｈ^-1を乗ずると、次のように対角線行列が
得られる。

【００７７】

【数２２】

【００７８】本発明の或る特定の特徴だけを例示し説明
したが、当業者には種々の変更、置換、入替え及び均等
物が容易に考えられよう。例えば、上に述べた数学的な
背景は「自然形」のアダマール行列を使う場合を例示し
たが、全ての形式のアダマール行列を用いて直交符号化
を実施することができ、従って、本発明が「自然形」の
アダマール行列に制限されないことが理解されよう。従
って、特許請求の範囲が、本発明の範囲内に属するこの
様な全ての変更を包括することを承知されたい。

【図面の簡単な説明】

【図１】遠隔の制御ステーションから本発明に従って遠
隔較正することのできるフェーズドアレーシステムを用
いた通信衛星の簡略ブロック図である。

【図２】本発明の一実施例に従ってコヒーレント信号発
生器とフェーズドアレーシステムの各エレメント内の夫
々の遅延回路を制御自在に切換える為の制御装置とを含
む、図１のフェーズドアレーシステムの一例のアーキテ
クチャを示すブロック図である。

【図３】図２のフェーズドアレーシステムの任意の所定
の１つのエレメントで、（ａ）１個の遅延回路が接続状
態に切換えられた場合及び（ｂ）複数（２つ）の遅延回
路が接続状態に切換えられた場合の利得特性を示す線図
である。

【図４】図２のコヒーレント信号発生器のブロック図で
ある。

【図５】図１の遠隔の制御ステーションに設けられたコ
ヒーレント検波器及び較正プロセッサの簡略ブロック図
である。

【図６】図５のコヒーレント検波器のブロック図であ
る。

【図７】本発明による較正方法の実施例のフローチャー
トである。

【図８】図２のフェーズドアレーシステムの様なコヒー
レントシステムで信号を直交符号化する為に使われる工
程を示すフローチャートである。

【図９】直交符号化信号の同相及び直角位相成分を測定
する為、並びに直交符号化信号の測定された同相及び直
角位相成分を復号する為の工程を示すフローチャートで
ある。

【図１０】図２のフェーズドアレーシステムを較正する
為に使われる直交符号化信号を逐次的に送信する為の工
程を示すフローチャートである。

【符号の説明】

１０通信衛星１２フェーズドアレイシステム１８制御ステーション４０ビーム形成マトリックス５０移相器６０遅延回路６５スイッチ８０電力増幅器９０送信ホーン１００コヒーレント信号発生器４００コヒーレント検波器４０２較正プロセッサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ウィリアム・アーニスト・エンジェレーアメリカ合衆国、ニューヨーク州、スコティア、セイント・スティーブンズ・レーン、88番

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数Ｎ個（Ｎは正の整数）のエレメント
を持つシステムを遠隔較正する装置に於て、相互の間に所定のスぺクトル関係を持つ較正信号及び基
準信号を発生するコヒーレント信号発生器と、前記Ｎ個のエレメントの各々に前記較正信号を印加する
手段と、前記Ｎ個のエレメントの各々に印加された較正信号を符
号化して１組の符号化信号を発生する符号化手段と、前記１組の符号化信号及び前記基準信号を遠隔地へ送信
する送信手段と、前記遠隔地で前記送信された１組の符号化信号を検波す
るコヒーレント検波器と、前記コヒーレント検波された１組の符号化信号を復号し
て１組の復号信号を発生する復号手段と、前記システムの各エレメントに対する較正データを発生
する為に、前記１組の復号信号を処理する信号プロセッ
サとを有する遠隔較正装置。
【請求項２】前記システムがフェーズドアレーシステ
ムである請求項１記載の遠隔較正装置。
【請求項３】前記フェーズドアレーシステムにある前
記Ｎ個のエレメントの各々が複数ｐ個の遅延回路を含む
請求項２記載の遠隔較正装置。
【請求項４】前記フェーズドアレーシステムにある前
記Ｎ個のエレメントの各々が複数ｐ個の遅延回路を含
み、前記符号化手段が、所定の逆行列作成可能な行列Ｈ
のエントリに基づいて１組の較正スイッチング信号を発
生する手段と、第１組の符号化信号を発生する様に前記
Ｎ個のエレメントの各々にあるｐ個の遅延回路の夫々を
作動する為に前記１組の較正スイッチング信号を印加す
る手段とを有する請求項２記載の遠隔較正装置。
【請求項５】前記逆行列作成可能な行列Ｈが少なくと
もＮ×Ｎの寸法を持つ２進行列で構成される請求項４記
載の遠隔較正装置。
【請求項６】前記２進行列がアダマール行列である請
求項５記載の遠隔較正装置。
【請求項７】前記符号化手段が更に、（−１）Ｈの積
によって定義された別の逆行列作成可能な行列のエント
リに基づいて第２組の較正スイッチング信号を発生する
手段と、第２組の符号化信号を発生する様に前記Ｎ個の
エレメントの各々にある前記ｐ個の遅延回路の夫々を作
動する為に前記第２組の較正スイッチング信号を印加す
る手段とを有する請求項４記載の遠隔較正装置。
【請求項８】前記復号手段が、前記遠隔地で受信され
る前記第１組及び第２組の符号化信号に対する夫々の測
定された同相及び直角位相成分の間の夫々の差を計算す
る手段と、前記の夫々の計算された差と行列Ｈの逆行列
Ｈ^-1との積を計算する手段とを有する請求項７記載の遠
隔較正装置。
【請求項９】第１組及び第２組の直交符号化信号に対
する夫々の同相及び直角位相成分を測定する手段を含
み、該手段が、前記基準信号に対し、前記遠隔地で受信
される前記第１組及び第２組の直交符号化信号の位相及
び振幅を測定する手段で構成されている請求項８記載の
遠隔較正装置。
【請求項１０】前記送信手段が動作中に合計Ｎ（ｐ＋
２）対の第１組及び第２組の直交符号化信号を送信する
請求項７記載の遠隔較正装置。
【請求項１１】前記第１組及び第２組の直交符号化信
号の送信される合計Ｎ（ｐ＋２）対の内のＮ対は、前記
フェーズドアレーシステムの各エレメントにある所定の
μ番目の遅延回路がアダマール行列のエントリに基づく
所定の符号化規則に従ってトグル作動され、これに対し
て前記フェーズドアレーシステムの各エレメントにある
残りの各々の遅延回路が切り離し状態に切換えられる様
にされた夫々の対で構成されている請求項１０記載の遠
隔較正装置。
【請求項１２】前記第１組及び第２組の直交符号化信
号の送信される合計Ｎ（ｐ＋２）対の内のＮ（ｐ−１）
対は、前記フェーズドアレーシステムの各エレメントに
あるμ番目の遅延回路が所定の符号化規則に従ってトグ
ル作動され、これに対して、前記符号化規則に従ってト
グル作動されるμ番目の遅延回路以外の、前記フェーズ
ドアレーシステムの各エレメントにある残りの各々のν
番目の回路が逐次的に接続状態に切換えられる様にされ
た夫々の対で構成されている請求項１０記載の遠隔較正
装置。
【請求項１３】前記第１組及び第２組の直交符号化信号
の送信される合計Ｎ（ｐ＋２）対の内のＮ対は、前記フ
ェーズドアレーシステムの各エレメントにある、μ番目
の遅延回路以外の、別の所定のξ番目の遅延回路が所定
の符号化規則に従ってトグル作動され、これに対して前
記フェーズドアレーシステムの各エレメントにある残り
の各々の遅延回路が切り離し状態に切換えられる様にさ
れた夫々の対で構成されている請求項１０記載の遠隔較
正装置。
【請求項１４】前記第１組及び第２組の直交符号化信
号の送信される合計Ｎ（ｐ＋２）対の内のＮ対は、前記
フェーズドアレーシステムの各エレメントにある別の所
定のξ番目の遅延回路が所定の符号化規則に従ってトグ
ル作動され、これに対して前記フェーズドアレーシステ
ムの各エレメントにあるμ番目の回路が接続状態に切換
えられる様にされた夫々の対で構成されている請求項１
０記載の遠隔較正装置。
【請求項１５】前記符号化手段によって発生された１
組の符号化信号が１組の直交符号化信号で構成され、前
記コヒーレント検波器が、前記基準信号に対して、前記
遠隔地で受信される前記１組の直交符号化信号の夫々の
同相及び直角位相成分を測定する手段を有する請求項１
記載の遠隔較正装置。
【請求項１６】前記復号手段は、前記の夫々の測定さ
れた同相及び直角位相成分と行列Ｔの逆行列Ｔ^-1との積
を計算する手段を有する請求項１５記載の遠隔較正装
置。
【請求項１７】前記１組の直交符号化信号の夫々の同
相及び直角位相成分を測定する前記手段が、前記基準信
号に対して、前記遠隔地で受信される前記１組の直交符
号化信号の位相及び振幅を測定する手段を有する請求項
１５記載の遠隔較正装置。
【請求項１８】前記送信手段が、動作中に、直交符号
化信号を合計Ｎ（ｐ＋１）回送信する請求項１５記載の
遠隔較正装置。
【請求項１９】直交符号化信号の合計Ｎ（ｐ＋１）回
の送信の内のＮ回は、前記フェーズドアレーシステムの
各エレメントにある各々の遅延回路が切り離し状態に切
換えられる様な直交符号化信号の夫々の送信で構成され
ている請求項１８記載の遠隔較正装置。
【請求項２０】前記直交符号化信号の合計Ｎ（ｐ＋
１）回の送信の内のＮｐ回は、前記フェーズドアレーシ
ステムの各エレメントにあるλ番目の遅延回路が、λ＝
１，２，…ｐ−１，ｐに対して逐次的に接続状態に切換
えられる様にされた直交符号化信号の夫々の送信で構成
されている請求項１８記載の遠隔較正装置。