JP2007501945A - ターゲット位置特定のためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

ビークル（１０２）からターゲット位置を決定する方法が説明される。この方法は、ビデオシステム（１２４）を使用してターゲット（１００）を識別するステップ（１２）、ビークルに関するターゲットに対する角度位置ベクトル（１０４）を決定するステップ（１４）、デジタル地勢高度図（１２２）および精密レーダ高度計（３０）を使用してビークルの位置（１０８）を決定するステップ（１６）、角度位置ベクトルがデジタル地勢高度図と交差する位置を計算するステップ、およびビークル位置ならびに角度位置ベクトルとデジタル地勢高度図との交点の位置に基づいてターゲット位置（１１２）を生成するステップ（１８）を含む。

Description

本発明は、一般にはターゲットの位置に関し、より詳細には、地勢特徴座標位置能力を有するレーダ高度計を使用してターゲット位置を突き止めることに関する。

緯度、経度、および垂直基準（例えば高度）で表したターゲット位置は、すべてのタイプのターゲティングプロセスに関して使用される。現在使用されているターゲット位置特定方法は、例えば視覚ターゲット位置特定装置またはＧＰＳロケータを使用する人員を含む。視覚位置決め装置でターゲットの位置を突き止めるために人員を使用することは危険であり、往々にして、地勢の起伏のために極めて困難である。さらに、ターゲット位置の精度は、ターゲット位置特定を実施する人員の能力および技能に大きく依存する。衛星航法システム（ＧＰＳ）位置特定装置は極めて妨害の影響を受けやすい。

レーダ高度計はＧＰＳ装置ほど容易には妨害されない。１つの既知の精密レーダ高度計は、地上を一連のナロー・ドップラ・スワスで「観察」し、ドップラ帯域フィルタを使用して、一度に１つのスワスに焦点を当てる。エコー信号が２つ以上のアンテナによって受信される。２つのアンテナによって受信され、特定のドップラ帯域フィルタを通過したエコー信号の位相比較を実施することにより、特定のスワス内の最高ポイントの位置が求められる。レーダによって照射されている最高ポイントがエアビークルの真下である場合、エコー信号が両方のアンテナによって同時に受信される。一方、最高ポイントがエアビークルの一方の側から離れている場合、エコー信号は、２番目のアンテナによって受信される前に１番目のアンテナによって受信される。２番目のアンテナまでの戻り経路が１番目のアンテナまでの戻り経路よりも長いからである。

各アンテナでのエコー信号の到来位相または到来時間が比較される。上述のレーダ高度計は、所与のエリアまたは地勢についての記憶された緯度、経度、および高度データを提供するデジタル地勢高度図と共に使用することができる。

一態様では、ビークルからターゲット位置を決定する方法が提供される。この方法は、ビデオシステムを使用してターゲットを識別するステップ、ビークルに関するターゲットに対する角度位置ベクトルを決定するステップ、および精密レーダ高度計でデジタル地勢高度図上のビークルの位置を決定するステップを含む。角度位置ベクトルがデジタル地勢高度図と交差する位置が計算され、ビークル位置ならびに角度位置ベクトルとデジタル地勢高度図との交点の位置に基づいてターゲット位置が生成される。

別の態様では、ビークルで使用するためのターゲット位置特定システムが提供される。このシステムは、レーダ高度計とビデオシステムの両方に通信可能に結合された遠隔測定送信機／受信機を備える。ビデオシステムは、ターゲットを識別し、ターゲットの角度位置を遠隔測定送信機／受信機に与える。レーダ高度計は、デジタル地勢高度図を使用してビークルの位置を求め、ビークルの位置を遠隔測定送信機／受信機に与える。ターゲット位置特定システムは、角度位置ベクトル、ビークル位置、およびターゲット付近のデジタル地勢高度図を使用してターゲットの位置を決定する。

図１は、ビークルに対するターゲット位置を決定する一方法を示すフローチャート１０である。この方法は、ビデオシステムを使用してターゲットを識別するステップ１２、ビークルに関するターゲットに対する角度位置ベクトルを決定するステップ１４、デジタル地勢高度図上のビークルの位置を決定するステップ１６、および角度位置ベクトルをデジタル地勢高度図データと交差させることによってターゲット位置を与えるステップ１８を含む。一実施形態では、ビークルの位置を決定するステップ１６は、ビークルの緯度、経度、および高度を決定するステップを含む。別の実施形態では、ビークルの位置を決定するステップ１６は、レーダ高度計を使用するステップを含み、レーダ高度計は、デジタル地勢高度図と共に働いてビークル位置を決定する。

以下で述べるように、レーダ高度計は、ビークル機体座標における角度位置ベクトルを受け取り、ターゲットの位置をターゲットのローカル座標、例えばターゲットの緯度、経度、および高度に変換する。

図２は、レーダ高度計３０のブロック図である。好ましい実施形態では、レーダ高度計３０はエアビークルに組み込まれる。レーダ高度計３０は、位相アンビギュイティチャネル３２、位相Ａチャネル３４、および位相Ｂチャネル３６の３つのチャネルを含む。チャネル３２は、アンテナ４０Ａ、低ノイズ増幅器（ＬＮＡ）４２Ａ、ミキサ４４Ａ、中間周波数（ＩＦ）増幅器４６Ａ、およびデジタイザ４８Ａを含む。低ノイズ増幅器（ＬＮＡ）４２Ａ、ミキサ４４Ａ、中間周波数（ＩＦ）増幅器４６Ａが受信機５０Ａを形成する。チャネル３４は、アンテナ４０Ｂ、ＬＮＡ４２Ｂ、ミキサ４４Ｂ、ＩＦ増幅器４６Ｂ、およびデジタイザ４８Ｂを含む。ＬＮＡ４２Ｂ、ミキサ４４Ｂ、およびＩＦ増幅器４６Ｂは受信機５０Ｂを形成する。チャネル３６は、アンテナ４０Ｃ、送信／受信スイッチ５２、ＬＮＡ４２Ｃ、ミキサ４４Ｃ、ＩＦ増幅器４６Ｃ、およびデジタイザ４８Ｃを含む。ＬＮＡ４２Ｃ、ミキサ４４Ｃ、およびＩＦ増幅器４６Ｃは受信機５０Ｃを形成する。チャネル３６中の送信／受信スイッチ５２は、チャネル３６アンテナ４０Ｃが送信モードまたは受信モードで動作することを可能にする。

レーダ高度計３０は、ＲＦ発振器６０、クロックジェネレータ６２、送信機６４、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）６６、およびコンピュータ６８をさらに含む。送信機６４は、電力増幅器７０、変調器７２、単側波帯（ＳＳＢ）ミキサ７４、および中間周波数（ＩＦ）オフセットジェネレータ７６を含む。ＲＦ発振器６０は、ミキサ４４Ａ〜４４ＣおよびＳＳＢミキサ７４に結合される。クロックジェネレータ６２は、デジタイザ４８Ａ〜４８ＣおよびＩＦオフセットジェネレータ７６に結合される。

レーダ高度計３０は、アンテナパターンによって境界が画された、例えば１０フィート幅ダウントラックスワス内で、エアビークルの下の最高の対象物までのクロストラックおよび垂直距離を与える。本明細書で使用される「ダウントラック」という用語は移動方向を意味し、本明細書で使用される「クロストラック」という用語は移動方向に対する垂直を意味する。他のアンテナパターンおよびスワス特性を使用することもできる。

レーダ高度計３０は、レーダ信号を地上に向けて送信するのに使用される。レーダ信号を生成するために、クロックジェネレータ６２が、ＩＦオフセットジェネレータ７６に例えば１２０ＭＨｚのクロック信号を供給する。ＩＦオフセットジェネレータ７６は、レーダ伝送信号のためのオフセット信号を生成する。この例を続けると、オフセットジェネレータ７６は、クロックジェネレータ６２からの入力クロック信号を４で割り、３０ＭＨｚのクロック信号を出力する。ＳＳＢミキサ７４は、ＩＦオフセットジェネレータ７６からの３０ＭＨｚクロック信号をＲＦ発振器６０からのＲＦ信号と混合し、その結果ＲＦ信号の３０ＭＨｚオフセットが得られる。ＳＳＢミキサ７４は、オフセット信号を変調器７２に出力する。この例では、ＲＦ発振器２０は約４．３ＧＨｚで動作する。変調器７２は、レンジプロセッサ８０から送信コードデータを受け取り、ＳＳＢミキサ７４から受け取った信号をパルス変調および位相変調し、変調後信号を電力増幅器７０に出力する。電力増幅器７０は、受け取った信号を増幅し、増幅後信号を送信／受信スイッチ５２を介してアンテナ４０Ｃに出力する。アンテナ４０Ｃは、変調後信号を地上に向けて送信する。一例として、送信機６４は、１２ミリ秒の間隔内に約６００個のパルスを約２０マイクロ秒のパルス間隔で送信する。他の周波数およびパルス分離を使用することもできる。

レーダ信号がチャネル３６によって送信された後、地上から反射された信号がアンテナ４０Ａ〜４０Ｃによって受信され、各チャネル３２、３４、および３６の構成要素によって処理される。チャネル３６内のＬＮＡ４２Ｃ、ミキサ４４Ｃ、ＩＦ増幅器４６Ｃ、およびデジタイザ４８Ｃは、チャネル３２および３４内の対応する構成要素と同一であり、したがって各チャネル３２、３４、および３６は、他のチャネルと同じ機能を果たす。したがって、チャネル３２および３４が信号を受信および処理する際に同様に動作するという理解と共に、チャネル３６に関連して各機能を説明する。

アンテナ４０Ｃによって受信されたエコー信号は、送信／受信スイッチ５２を通過し、ＬＮＡ４２Ｃによって増幅される。ミキサ４４Ｃは、増幅されたエコー信号を、ＲＦ発振器６０によって出力されたＲＦ発振器信号と混合し、ＩＦオフセット信号をＩＦ増幅器４６Ｃに出力する。ＩＦオフセット信号はＩＦ増幅器４６Ｃによって増幅され、デジタイザ４８Ｃに出力される。デジタイザ４８Ｃは、受け取った信号をデジタル化し、デジタル化信号をＤＳＰ６６に出力する。クロックジェネレータ６２の周波数により、チャネル３２、３４、および３６上の着信アナログ信号がデジタイザ４８Ａ〜４８Ｃによってサンプリングおよびデジタル化されるレートが決定される。

コンピュータ６８は、エアビークルまたは航空機（Ａ／Ｃ）の垂直および水平速度データをエアビークルの慣性航法システム（ＩＮＳ）（図示せず）から受け取る。コンピュータ６８は、速度データを処理し、ドップラ・スワス・フィルタ制御信号を制御線８２上でＤＳＰ６６に出力する。ＤＳＰ６６は、地上の特定の領域または「スワス」内の最高ポイントの位置を特定するターゲット位置ベクトルを出力し、ビークルの高度を特定するａｂｏｖｅ ｇｒｏｕｎｄ ｌｅｖｅｌ（ＡＧＬ）高度データも出力する。

図３に、ビークル１０２からのターゲット１００の位置を示す。一実施形態では、ターゲット１００はビークル１０２内のビデオシステム（図４に図示）によって識別され、ビデオシステムの方位照準角および仰角に基づいて、ターゲットベクトル１０４が生成される。ターゲットベクトル１０４に基づいて、ターゲット１００の角度位置１０６が、ビークル１０２に関してビークル機体座標として求められる。ターゲットベクトル１０４を受け取るレーダ高度計３０（図２に図示）は、ビークル機体座標をビークル１０２の飛行線に基づく座標に変換する。飛行線に基づく座標はローカル座標またはドップラ座標と呼ばれることもあり、それを図５および図６に関連して以下で説明する。次いでレーダ高度計３０は、ビークル１０２に格納されたデジタル地勢高度図データ１１０に基づいて、ビークル位置１０８を一実施形態では緯度、経度、および高度として決定する。ビークル位置１０８に基づいて、（ドップラ座標に変換された）ビークル機体座標でのターゲット１００の位置、およびターゲット１００付近のデジタル地勢高度図データに基づいて、緯度、経度、および高度１１２でのターゲット１００の実際の座標が求められる。

図４は、上述のターゲット位置特定方法を実現するハイブリッドビデオ／レーダ高度計システム１２０を示すブロック図である。システム１２０は、デジタル地勢高度図データ１２２を受け取るレーダ高度計３０（図２にも図示）を含む。ビデオシステム１２４は、ターゲット１００を識別するのに使用される。システム１２０は、レーダ高度計３０、ビデオシステム１２４、および遠隔基地局１２８からデータを受け取る遠隔測定送信機／受信機１２６をさらに含む。一実施形態では、レーダ高度計３０は、精密地勢支援ナビゲーション（ＰＴＡＮ）レーダシステムである。ハイブリッドシステム１２０は、ビークル１０２、例えば有人または無人航空機上に設置される。ターゲット１００はビデオシステム１２４によって識別され、ターゲット１００の角度位置が、遠隔基地局１２８により、遠隔測定送信機／受信機１２６から受信されたデータと、デジタル地勢高度１２２と同様の遠隔基地局１２８に格納されたデジタル地勢高度図とから、ビークル１０２に対して求められる。

レーダ高度計３０は、精密デジタル地勢高度図１２２からのデータの取込みに基づいて、例えば緯度、経度、および高度によって記述されたビークル１０２の位置を決定する。緯度、経度、および高度でのビークル１０２の位置、遠隔測定送信機／受信機１２６によって与えられる航空機に対するターゲット１００の角度位置、ならびにターゲット１００付近の地勢高度データにより、システム１２０が緯度、経度、および高度でのターゲット１００の位置を決定することが可能となる。

具体的には、一実施形態において、ビデオターゲット認識システムとも呼ばれるビデオシステム１２４がターゲット１００を識別する。精密角度位置、ビークル機体座標での３次元位置が、ビデオシステム１２４の一部であるカメラの方向に基づいて求められる。ビークル１０２の飛行線は通常はビークル機体座標と整合しないので、次いで、機体座標での測定されたターゲットベクトル角度（角度位置）がローカル（ドップラ）座標に基づくベクトルに変換される。レーダ高度計３０は、精密デジタル地勢高度図１２２上のビークル１０２の位置を決定する。ローカル座標でのターゲットベクトルと精密デジタル地勢高度図１２２上のターゲット１００付近の地勢との交点により、ターゲット１００の緯度、経度、および高度座標を決定することが可能となる。

一実施形態では、遠隔測定送信機／受信機１２６は、航空機１０２（例えば無人機）と遠隔基地局１２８との間の通信リンクである。この実施形態では、航空機１０２が飛行経路に沿って飛行するとき、ターゲット１００を取得するためにビデオシステム１２４が使用される。遠隔基地局１２８のオペレータは、ビデオシステム１２４の視野（ＦＯＶ）を制御することができる。可能な注目点（例えばターゲット１００）を見る際に、オペレータはズームインし、（遠隔測定送信機／受信機１２６を介して）ビデオシステム１２４の照準方位角および仰角を調節し、取得したターゲット１００を、狭まったビデオシステム１２４のＦＯＶ内に保ち、制御された角度を実現する。制御された角度は、航空機１０２に対するターゲット１００の位置を与える角度を含む。

この取得期間の間、レーダ高度計３０も、遠隔測定送信機／受信機１２６を使用する遠隔基地局１２８へのデジタル地勢高度図１２２に基づいて航空機１０２の位置を提供している。遠隔基地局１２８は、基地局１２８自体のデジタル地勢高度図を使用して航空機１０２の位置を突き止める。遠隔基地局１２８も遠隔測定送信機／受信機１２６からビデオシステム１２４の照準角を受信しているので、基地局１２８は、ターゲット１００の緯度、経度、および高度の幾何学的に突き止めるのに必要なすべてのデータを格納している。

図５および図６は、ビークル機体座標でのターゲット１００の角度位置からローカル（ドップラ）座標ベクトルへの変換を示す。図５は機体座標系１５０を示す。機体座標系は、ビークル１０２のボディに対する座標系である。ｘ軸Ｘｍは、ビークル１０２のボディのノーズを通る軸である。ｙ軸Ｙｍは、Ｘｍから９０度である軸であり、ビークル１０２のボディの右側に対して正である。ｚ軸Ｚｍは、ＸｍとＹｍの両方から９０度である軸であり、ビークル１０２のボディの底部に対して垂直である。ビークル操縦に関して、正のロールは右翼の降下であり、正のピッチはノーズアップであり、正のヨーはノーズから右の向きである（すべて飛行線に対して）。

エアビークル、例えばビークル１０２は通常、その機体座標と整合して飛行しないことが知られている。そのような飛行経路は飛行線と呼ばれることがある。したがって、ピッチ、ロール、またはヨーのうちの１つまたは複数で飛行中であり、ハードマウントされたレーダシステム、例えば（図２に示す）レーダ高度計３０を有する航空機は、機体座標でターゲット位置を決定する際に誤差要素を導入する。そのようなレーダは通常は飛行線に対して動作するので、飛行線に関する座標系が開発され、その座標系はローカル座標またはドップラ座標系と呼ばれることがある。図６に、ビークル機体座標とローカル座標との差を示す。ローカル座標系のｘ軸Ｘｄはビークルの飛行線上にある。Ｘｄに直角なｙ軸Ｙｄおよびｚ軸Ｚｄがそれぞれ、Ｘｄを横切り、Ｘｄの上および下にあるものとして定義される。

したがって、ビークル１０２がピッチ、ロール、またはヨーなしで飛行中の場合、機体座標系はローカル座標系と整合する。正のロールでは、ＸｍおよびＸｄは依然として整合されるが、ＹｄはＹｍの下に回転し、ＺｄはＺｍの左側に回転する。正のヨーでは、ＸｄはＸｍの右側に回転し、ＹｄはＹｍの後方に回転し、ＺｄおよびＺｍが整合する。正のピッチでは、ＸｄはＸｍの上に回転し、ＹｄはＹｍと整合し、ＺｄはＺｍの前方に回転する。

ピッチ、ロール、およびヨーのうちの複数を有することの効果、ならびにビークル機体座標でのターゲット位置の決定は明らかである。上述のシステムおよび方法は、実際のビークルの位置およびビークルの飛行線に基づくターゲット位置特定機能を提供する。ビークルの飛行線と整合しないビークルを有することによって生成される誤差を除去する、緯度、経度、および高度での実際のターゲット位置の決定。そのような位置決定は、やはり明らかである利点を有する。機体座標とローカル座標との間の関係がほぼ確実に常に変化する関係であり、一方、ターゲット緯度位置、経度位置、および高度位置は通常は一定であるからである。ターゲットの緯度位置、経度位置、および高度位置を有することにより、ターゲットに関係する任意のタイプの動作（すなわちミサイル攻撃、着陸、ターゲット内容の識別）が企図されるときにより高い確実性が得られる。

さらに、ターゲットの位置を与えるのにＧＰＳシステムは不要である。レーダ高度計３０とビデオシステム１２４の組合せは、遠隔測定送信機／受信機１２６と遠隔基地局１２８の通信リンクと一緒に、上述のように妨害の影響を受けやすいＧＰＳシステムへの依存を低減または解消する。

本発明を様々な特定の実施形態によって説明したが、特許請求の範囲の精神および範囲内の修正形態で本発明を実施できることを当業者は理解されよう。

ターゲット位置を決定する一方法を示すフローチャートである。 レーダ高度計のブロック図である。 ビークルからのターゲット位置を示す図である。 ビデオシステムおよびレーダ高度計を示すブロック図である。 機体座標系を示す図である。 機体座標系に対するローカル座標系を示す図である。

Claims (18)

1. ビデオシステムを使用してターゲット（１００）を識別するステップ（１２）と、
   前記ビークルに関する前記ターゲットに対する角度位置ベクトル（１０４）を決定するステップ（１４）と、
   デジタル地勢高度図（１２２）を使用してビークルの位置１０８を決定するステップ（１６）と、
   前記角度位置ベクトルが前記デジタル地勢高度図と交差する位置を計算するステップと、
   ビークル位置ならびに前記角度位置ベクトルとデジタル地勢高度図との交点の位置に基づいてターゲット位置（１１２）を生成するステップ（１８）と、
   を含むビークル（１０２）からターゲット位置を決定する方法。
2. 前記ビークル（１０２）の位置１０８を決定するステップ（１６）は、前記ビークルの緯度、経度、および高度を決定するステップを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記ビークル（１０２）の位置１０８を決定するステップ（１６）は、レーダ高度計（３０）およびデジタル地勢高度図（１２２）を使用して前記ビークルの位置を決定するステップを含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記ターゲットに対する角度位置ベクトル（１０４）を決定するステップ（１４）は、ビークル機体座標における前記ターゲットに対する角度位置ベクトルを決定するステップを含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記角度位置ベクトル（１０４）をローカル座標に変換するステップをさらに含む、請求項４に記載の方法。
6. 前記ビークル（１０２）の前記角度位置ベクトル（１０４）および前記位置１０８を、デジタル地勢高度図（１２２）を含む遠隔基地局（１２８）に送信するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
7. ターゲット位置（１１２）を与えるステップは、前記遠隔基地局から前記ビークル（１０２）に前記ターゲット位置を送信するステップを含む、請求項６に記載の方法。
8. 前記ビークル（１０２）に関する前記ターゲット（１００）に対する角度位置ベクトル（１０４）を決定するステップは、前記遠隔基地局（１２８）からビデオシステム（１２４）の視野を制御するステップを含む、請求項１に記載の方法。
9. 視野を制御するステップは、
   前記ターゲットにズームインし、前記ビデオシステム（１２４）の視野を狭めるステップと、
   前記ビデオシステムの照準方位角および仰角を調節して、狭まった視野内に前記ターゲットを保つステップと
   を含む、請求項８に記載の方法。
10. 遠隔測定送信機／受信機１２６と、
    前記遠隔測定送信機／受信機に通信可能に結合されたレーダ高度計３０であって、デジタル地勢高度図（１２２）を使用してビークルの位置１０８を求め、前記ビークルの前記位置を前記遠隔測定送信機／受信機に与えるレーダ高度計と、
    前記遠隔測定送信機／受信機に通信可能に結合され、ターゲット（１００）を識別し、前記ターゲットの角度位置ベクトル（１０４）を前記遠隔測定送信機／受信機に与えるビデオシステム（１２４）とを備え、
    前記角度位置ベクトル、前記ビークル位置、および前記ターゲット付近のデジタル地勢高度図を使用して前記ターゲットの位置（１２２）を決定する、
    ビークル１０２と共に使用するためのターゲット位置特定システム。
11. 前記レーダ高度計（３０）は、デジタル地勢高度図（１２２）を使用して、緯度、経度、および高度によって前記ビークル（１０２）の位置１０８を決定する、請求項１０に記載のターゲット位置特定システム。
12. 前記ターゲット（１００）の位置（１１２）は、緯度、経度、および高度によって与えられる、請求項１０に記載のターゲット位置特定システム。
13. 前記ビデオシステム（１２４）は、ビークル機体座標におけるターゲット（１００）に関する角度位置ベクトル（１０４）を与える、請求項１０に記載のターゲット位置特定システム。
14. 前記遠隔測定送信機／受信機（１２６）に通信可能に結合された、デジタル地勢高度図（１２２）を有する遠隔基地局（１２８）を備える、請求項１０に記載のターゲット位置特定システム。
15. 前記遠隔測定送信機／受信機（１２６）は、前記ビークル（１００）の前記角度位置ベクトル（１０４）および前記位置を前記遠隔基地局（１２８）に送信する、請求項１４に記載のターゲット位置特定システム。
16. 前記遠隔基地局（１２８）は、ターゲット位置（１１２）を前記遠隔測定送信機／受信機（１２６）に送信する、請求項１４に記載のターゲット位置特定システム。
17. 前記ビデオシステム（１２４）の視野は前記遠隔基地局（１２８）から制御される、請求項１４に記載のターゲット位置特定システム。
18. 前記ビデオシステム（１２４）は、照準方位角および仰角を調節して、視野内に前記ターゲットを保つ、請求項１４に記載のターゲット位置特定システム。

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