JPS6134105B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

〔発明の技術分野〕 本発明は全体として航空機用の航行装置に関
し、更に詳しくいえば航空機用のデジタルタカン
（TACAN）処理装置（いわゆるタカン機上装
置）に関する。 〔発明の技術的背景と問題点〕 タカン装置は選択した任意のタカン局までの距
離と方位指示を得るために、たいていの軍用機に
おいて使用されている。タカン方式においては、
地上局が約2700ppsの割合でタカンパルスを送信
する。地上局のアンテナは１秒間に15回回転し、
カージオイド成分を持つアンテナ指向性パターン
を有する。そのために航空機に搭載されている受
信機により受号されるパルスはプラスマイナス20
％振幅と、タカン局に対する航空機の方位に依存
する位相との15Hz変調を受ける。タカン送信機は
絶対基準位相を定めるために、アンテナ回転の固
定点からアンテナ１回転ごとに基準パルスも送
る。航空機に搭載されている機器は、振幅変調さ
れた信号の位相を基準位相パルスと比較すること
により方位を決定する。更に確度を高めるため
に、第９高調波がアンテナ指向性に重畳され、
135Hzの振幅変調を行わせる。これは上記の15Hz
変調と位相のコヒーレンス性をもつて受信機に生
じ、２速度サーボ系で使用されている方法と類似
の方法でより精密な決定を行う。 距離を測定するために航空機は地上局に対して
質問を送信し、その質問に対する応答までの時間
間隔を用いて距離を決定する。他の航空機に対す
る応答や他の機能を与えるためのような多くの送
信も地上局から行われる（およそ2700pps）。こ
れらは方位パルスのために用いられるのと同じパ
ルスである。全体のパルスは全ての応答を構成
し、コード化された基準パルスや付加的なパルス
は地上局によりランダムに加え合わされて
（2700pps）の希望される数を達成し、航空機は
ある数の質問全体にわたつて相関させることによ
りそれ自体の応答を識別せねばならない。一般
に、最初の質問モードの間は、質問をスピードア
ツプするために１秒間当り約150質問という高い
速度が用いられる。その後で１秒間当30以下の減
少した質問速度でトラツキングモードが導入され
る。質問モード中は、従来のタカン距離測定器
（DME）は零から最大距離でを典型的には10秒要
して走査する低速走差を採用している。 タカン情報を処理するための従来の大低の装置
はアナログ式であるが、構成が複雑であるために
非常にコストが高い。これは方位を決定する必要
がある装置の場合に特にそうである。このように
コストが高いために大部分の民間航空会社では、
タカンDMEとともに、方位決定用として構成の
簡単なVOR装置（超短波全方向性レンジビーコ
ン）を使用している。 従つて、安価で正確であり、しかも動作速度が
高く、軍用と民間用の両方に全世界で使用できる
タカン装置に対する需要があることがわかる。 〔発明の概要〕 本発明のタカン信号処理装置は少数の専用
MOS／LSIチツプを用いて構成でき、または既に
航空機に搭載されている汎用コンピユータを特殊
コンピユータ回路とともに用いて構成でき、もし
くは両者を用いて構成できる新規な最適信号処理
装置である。この装置は最小自乗回帰（カルマン
（Kalman））フイルタの技術を用いて、現在の方
位値を新データ入力ごとに最適な方法で更新す
る。方位計算を行う際には、カルマンフイルタは
基周波数Ｗと基準位相θの値を連続的に与える。
方位信号トラツカとして動作する第２のカルマン
フイルタは振幅データと、第１フイルタからのデ
ータと、各方位パルスの到達時間とを受け、15Hz
および135Hzの変調の振幅と位相、および変調さ
れた方位パルスの平均振幅を与える直流振幅とに
関連する５つの状態変数を更新する。最後に、方
位コンピユータは方位信号トラツカの出力と基準
位相トラツカの出力とを用いて、パイロツトに指
示すべき最終的な方位を計算する。 本発明のデジタル処理技術を用いることにより
取得時間を短縮でき、信号対雑音比が小さくても
方位確度を改善でき、信号対雑音比を自動的にモ
ニタでき、ハードウエアと時間周波数測距通信機
器のような他の機器との統合または役割分担を改
良できる。 測距機能実行機器により全ての距離を同時に走
査し、かつ１秒よりも十分に短かい時間で結果を
得ることができる。この結果を得る段階の間に、
ある距離単位で表した特定の許容誤差を含む粗距
離測定が最少数の質問で行われる。このような動
作を行うために、最大許容距離で示されるRmax
（Rmaxは通常は約480Km（約300マイル）に等し
い）は分割され、Ｗキロメートルとして予め選択
される等しい間隔すなわち「ビン（bins）」によ
り完全にカバーされる。結果取得中は各ビン中に
生じた距離パルスの総数Ｆの記録が保持され、こ
の記録は新しい質問のたびに更新される。航空機
の距離に対応する距離ビンの内容は各質問ごとに
１カウントだけ増すが、他の全ては受信される他
のパルスのランダムな発生により決定されるよう
によりゆつくりと大きくなる。分析によれば約
3.68Km（2.3マイル）幅ごとに距離が128ビンに分
割されていると、各ビンは20の質問で９以下の余
計なパルスを累積する。同じ時間間隔の間に、た
まに失われるパルスを除いて各質問後に正しい距
離ビンが１カウント増加する。控え目に20％の損
失を許すと、適切なビンは20個の質問ごとに少く
とも16個のパルスを累積する。このデータを用い
て、どのビンが正しい距離に一致するかを決定す
るためにいくつかの決定を行うことができる。２
つのビンの間のライン上に落ちる問題をさけるた
めに、ビン数を２倍にして重畳するビンを設け
る。 プラスマイナスＷ／２の許容誤差範囲内で粗距
離が決定されると、精密トラツキングが間始され
て確度を向上し、約0.16Km（0.1マイル）よりも
良い所要の確度を得てそれを維持する。ここで２
状態変数、距離および変距の簡単なカルマンフイ
ルタが使用される。 この装置のデジタル距離トラツキング部分によ
り、結果を得る速度が向上し、地上局に対する質
問数が減少し（従つて交通密度を高くでき）、カ
ルマン波技術を用いることにより確度が高くな
る。この方法はある特殊目的要素とともに既存の
汎用コンピユータを、コンピユータに負荷する余
分な仕事量を小さくして他の機能に関連して用い
ることにより実施でき、または１枚または２枚の
専用デジタル回路カードを用いるハードウエアで
実施できる。 〔発明の実施例〕 以下、図面を参照して本発明を詳細に説明す
る。 デジタルタカン機上装置の全体について デジタルタカン装置の全体のブロツク図を第１
図に示す。地上局から送られてくる前記した15
Hz、135Hzおよび基準パルス情報を含む方位情報
は通常の受信アンテナにより受信され、RFおよ
び検波段１３に与えられる。RFおよび検波段１
３は周波数シンセサイザ１５から入力を受ける。
周波数シンセサイザ１５はチヤンネル選択ユニツ
ト１７により選択されたタカンチヤンネルに依存
する周波数を出力する。周波数シンセサイザ１５
は変調器・増幅器１８へも出力を与える。この変
調器・増幅器１８の出力端子は送信アンテナに接
続される。この部分は距離決定に使用される質問
パルスを送信するために用いられる送信機であ
る。質問パルスはパルス発生器１２により発生さ
れる。RFおよび検波段１３の出力は整合フイル
タ２３に与えられる。第１図に示す装置のこの部
分は従来のタカン装置の対応する部分と同一であ
るから説明は省略する。しかし、フイルタ２３は
希望によつては従来技術を用いてデジタル整合フ
イルタとして作ることができることに注意すべき
である。 フイルタ２３の出力は第１アナログ−デジタル
変換器２５に与えられ、そこでその出力は符号化
されて到達時刻出力を与える。このアナログ−デ
ジタル変換器２５は単に高周波発振器すなわちク
ロツクとカウンタである。カウンタはタカン基準
パルスの間に発生されたパルスの数をカウントす
る。新しいパルスを受けるたびに発振器−カウン
タの出力はゲートされ、カウンタはリセツトされ
る。この操作によりパルスの間のΔｔが得られ
る。これは以下に説明するように問題とする量で
ある。フイルタ２３からの出力は第２のアナログ
−デジタル変換器２７にも与えられる。このアナ
ログ−デジタル変換器２７はその出力の振幅を符
号化する。この変換器２７はピーク検出器のよう
な振幅検出形であつて、受けた各パルスの振幅を
サンプリングし、保持し、変換する機能を果す。
タカン地上局はチヤンネル識別用のコード群を送
信する。このコード群は普通の装置により解読さ
れてパイロツト用表示装置３１に与えられる。 到達時刻情報は基準デコーダ３３を介して基準
位相トラツカ３５に与えられる。この基準位相ト
ラツカ３５はカルマンフイルタである。地上局は
基準位相を識別するためにコード化パルス列を送
出する。デコーダ３３はこのコードを解読するた
めの普通の解読回路を含み、コードが与えられる
たびに出力を発生する。基準位相トラツカ３５は
後述するカルマンフイルタである。基準位相トラ
ツカ３５は基準周波数Ｗと位相θの最適値を連続
的に与える。このＷ出力は振幅アナログ−デジタ
ル変換器２７の出力とともに、方位信号トラツカ
３７に与えられる。この方位信号トラツカ３７も
カルマンフイルタである。方位信号トラツカ３７
においてはこのデータは15Hzおよび135Hz変調の
振幅および位相と、直流振幅成分とに関連する５
つの状態変数を更新させるために使用される。方
位信号トラツカ３７の出力は方位コンピユータ３
９に与えられ、そこで基準位相トラツカ３５から
の位相情報とともに、最終方位出力を計算するた
めに用いられる。この出力は表示器３１に与えら
れる。 到達時刻情報は距離トラツカ４１にも与えられ
る。距離トラツカ４１への第２入力として質問パ
ルスが与えられる。距離トラツカ４１はこれらの
入力を用いて以下に説明するようにして距離を決
定する。この距離トラツカ４１の出力も表示器３
１に加えられる。方位信号トラツカ３７の別の出
力は信号対雑音モニタ４３に与えられる。 カルマン波技術について ここでカルマン波技術の非常に基本的な説明
を行う。要するにこの技術はいくつかのデータ測
定の重みをつけた平均と考えることができる。２
個の電圧計を用いて電圧を測定することを例とし
て説明してみる。第１電圧計の指示をＶ１、第２
電圧計の指示をＶ２とする。平均電圧Ｖは第１電
圧Ｖ１に重み係数Ｌを乗じたものに、別の重み係
数Ｋを乗じた第２電圧Ｖ２を加えたものを、それ
らの重み係数で除したものに等しい。（これらの
重み係数は２個の電圧計の相対確度すなわち偏差
に関連することはもちろんである。重み係数の和
（Ｌ＋Ｋ）を１に等しくした（Ｌ＋Ｋ＝１）とす
ると除算は不必要である。その結果得られる式は
Ｖ＾＝LV1＋KV2である。ここで平均電圧Ｖの上の
〓印は求められた値を示す。ここで本質的に行わ
れるカルマン技術はこの式で重み係数Ｋの値を決
定することである。重み係数Ｋの値を知れば重み
係数Ｌを決定することができる。ＬはＫマイナス
１（Ｌ＝Ｋ−１）である。これを本発明に適用す
れば、２つの測定値は別々の装置からの入力では
なくて、異つた時刻に生ずる測定値である。本発
明のカルマン波技術は測定の間に測定された値
を保持し、前記した式に類似する式に新しい測定
した値とともに用いて、新しい予測値を得る。測
定の間の予測値の流れを保授するためにシステム
のモデルが使用される。このようにして装置は２
つの量の追従を続ける。それらの２つの量のうち
の一方はＸで示される被測定量であり、他方はＰ
で示される変動を表す量で、求められた値の誤差
すなわち非信頼性の測定であつて、カルマン利得
として示されるＫを計算するために使用される。 異つた時刻に得られた２種類の測定値から電圧
を求めるために前記した式を使用する場合につい
て考えてみる。そうすると、第１電圧Ｖ１はいま
はＶ（t₁）、第２電圧Ｖ２はＶ（t₂）である。ここ
でt₁は第１回の測定時刻、t₂は第２回の測定時刻
である。するとこの式はＶ＝LV（t₁）＋LV（t₂）
となる。時刻t₁で求められた値が新しい値を求め
るため用いられている。この例は一定電圧とラン
ダムな測定誤差を仮定している。ここで、観測者
から直線上を遠去かりつつある移動物体までの距
離Ｒのような変化する値の測定について考えて見
る。この場合に行われる計算はＲ＾＝LR₂＋ＫＲ＾_１
で表される。もし測定の時間間隔が狭いと、この
式は適切な重みづけで実際の結果に良く合う。し
かし測定の時間間隔が広いと、第１距離R₁のよ
り良い値を与える助けとなる。これは距離と変距
の両方を用いることにより行うことができる。カ
ルマンの式においては、これは

【式】の ようなマトリツクスの形で表わされる。ここに
X₁は距離、X₂は変距である。X₁とX₂はＸ＾で表わ
されるベクトルの状態変数である。ここで、時刻
t₁で被測定量Ｘ＾（t₁）を測定したとすると、時刻ｔ
_oにおける被測定量Ｘ＾（ｔ_o）の現在値は見積られ
た変距X₂とｔ_o−t₁＝Δｔを用いて計算できる。
すなわち、Ｒ（ｔ_o）＝Ｒ（t₁）＋（変距）Δｔ。さ
て、式Ｒ＾＝LR（ｔ_o）＋ＫＲ＾（ｔ_o）で更新される
Ｒ（ｔ_o）はより正確な見積値を得るために使用
できる。現在の距離を見出すための計算は装置／
モデルが手に入る場合である。この例の装置では
距離に対する我々のモデルは速度、時間および距
離の間の周知の関係である。後に明らかになるよ
うに同様な公知モデルがタカン装置において用い
られている。システムモデルと、各種の式の偏差
とについての詳細な説明は、この明細書の末尾に
附した附録において行つている。二次元の場合に
対する変動値Ｐ＾は前記スカラー変化の代りに、共
変マトリツクスとなる。変動値Ｐ＾の計算において
類似する共変マトリツクスが用いられることに注
意されたい。たとえば、いまの例では である。ここに、変動値P₁とP₂は被測定値X₁と
X₂のそれぞれの悪さすなわち偏移に関連し、P₃
はX₁とX₂の間の相関の測定値に関連する。X₁と
X₂は距離と変距の見積値の量をそれぞれ表す。 カルマン波技術はジヤーナル・オブ・ベーシ
ツク・エンジニヤリング（Journal of Basic
Engineering）1960年３月号35ページ所載のアー
ル・イー・カルマン（R.E.Kalman）の「直線
波に対する新しいアプローチと予測問題（Anew
Approach to Lineer Filtering and
Prediction）」と題する論文、および同じ雑誌の
1961年３月号95ページ所載のカルマンおよびアー
ル・エス・ブキイ（R.S.Bucy）の「直線波お
よび予測理論における新しい結果（New Results
in Linear Fitering and Prediction Theory）〓
と題する論文において詳細に説明されいる。 基準位相トラツカ３５について 第２図は第１図に示す基準位相トラツカ３５の
動作を示す流れ図である。第２図に示すように、
この装置は受けている基準パルスの数を表す変数
であるＮを零にセツトすることにより（ブロツク
５０）、まず初期設定される。 次に基準パルス受信時刻t₀をブロツク５１で示
すように読取る。この計算のために変数ＸとＰを
次のように定義する。 ここでωは基準パルス周波数（すなわち１秒間
当りの基準パルス数）、θは基準パルス位相（す
なわち２πωｔ、（ここでｔは基準ピークパルス
信号の受信時からの経過時間である））である。 ＸとＰの初期値を ととる。ここに、Ωは15Hzまたは135Hzであつ
て、どちらをとるかはどのパルス周波数を利用す
るかによりきめられる。P₁（Ｏ）、P₂（Ｏ）は最
良の推測値である（ブロツク５２）。ブロツク５
２に示されている値の上につけられている〓記号
は、値が見積られていることを示す周知の記号で
ある。計算は次にブロツク５３まで進む。このブ
ロツクではＮは１だけ大きくされる。次の基準パ
ルスの到達時刻はブロツク５４で示されているよ
うにして読まれる。これからパルス間の測定され
た経過時間がブロツク５５により示されているよ
うに計算される。（前記したように実際にはΔｔ_o
が第１図に示す到達時刻アナログ−デジタル変換
器２５から直接供給される。）それから遷移マト
リツクスφと、装置の雑音共変マトリツクスＱの
値を次のようにして計算する。 それからＸ＾とＰ＾の更新された値を次のようにし
て更新して（ブロツク５６）、 Ｘ（ｔ_o）＝φ_oＸ（ｔ_o-1） Ｐ（ｔ_o）＝φ_oＰ（ｔ_o-1）φ_oＴ＋Ｑ（ｔ_o-1）Δ
ｔ_o 位相が時間を乗ぜられた周波数であるシステム
モデルに従つて、位相と周波数とそれらの変化の
現在の見積値を与える。カルマン利得であるベク
トルＫは次のようにして計算される。 Ｋ＝Ｐ（tn）Ｈ^T（HP（tn）Ｈ^T＋Ｒ）^-1 ここにＨは行ベクトル〔01〕で、Ｒは観測ノイ
ズvar（ｒ）である。Ｋのこの値からブロツク５
７で示すようにＸ＾（tn）とＰ＾（tn）の新しい値が
計算される。ブロツク５７に示す式は、重みづけ
を計算するために前記した簡単な式と本質的には
同じである。ここで何が起つたかについて考えて
みる。すなわち、アンテナはパルスで表わされる
１回転を完了している。したがつて、新しい位相
は測定値２を表わすのを助けることができる。こ
こで前述の式Ｖ＝LV（t₁）＋LV（t₂）に戻ると、 X₂＝（１−K₂）X₂（t₁）＋K₂X₂（t₂） ＝X₂（t₁）＋X₂（New） ＝（１−K₂）X₂（Predicted） ＋K₂X₂（Measured） となる。X₂（Measured）＝２πを代入すると、 X₂（New）＝（１−K₂）X₂（Predicted） ＋２πK₂、 すなわち、 X₂（New）＝X₂（Pred）＋K₂（２π −X₂（Pred））＝X₂（Pred）＋K₂（２π −HX（Pred））。 が成立する。ここでＨマトリツクス〔０、１〕
は、ベクトルＸを２πと同じ形に戻すように変換
させるために、すなわち位相を投影するために含
まねばならない。同様なX₁に対して書くことが
でき、それをマトリツクス形で得るためにそれら
はブロツク５７で第２の式となる。Ｐの計算も同
様な形で続けられる。これらは全てブロツク５７
で行われ、その出力はブロツク５３に与えられ
る。これはトラツキングループであつて、このル
ープを通る各時間ごとにＸ＾とＰの新しい値が計算
され、現在の見積値を維持するために使用され
る。時刻tn＋１とtnの間の時刻t₁における任意の
パルスに対して、ブロツク５８で示すようにＸ
（ti）は図示のようにｑ量に等しい。
（

【式】であるから、第１図のブロツクへ のωとθの出力を与えるためにX₁とX₂を利用で
きることを思い出されたい。） 方位信号トラツカ３７について 第３図は第１図の方位信号トラツカ３７で行わ
れる動作を流れ図の形で示す。この装置はブロツ
ク５９でｉを零に等しいようにセツトすることに
より初期設定され、それからブロツク６０で信号
の振幅y₀と、その到達時刻の読取りが行われる。
これらの読取値はブロツク６１でＸ＾（Ｏ）とＰ＾
（Ｏ）の初期値を計算するために使用される。こ
こでＸは５状態変数の関数である。 これらは15Hz位相と振幅(2)135Hz方位相、平均
振幅を与える振幅(2)と直流成分(1)とから生ずる。
同様に、共変マトリツクスＰ（Ｏ）はそれらの各
量の変化に対応する５つの零でない量を有する。
各反復に対してブロツク６２で示されているよう
にｉは１ずつ大きくされ、振幅ｙの新しい値と受
けるパルスの到達時刻tiの新しい値とが読込まれ
る（ブロツク６３）。次にブロツク６４において
Δtn＝ti−ti_-1が計算される。（再び繰り返えせ
ば、Δｔは前記したように直接与えられるのが一
般的である。）値Ｋ、Ｘ＾、Ｐ＾が前記したようにし
てブロツク６５において計算される。〔第３図の
ブロツク６５は第２図のブロツク５７に対応し、
ブロツク６７，６８は第２図のブロツク５６に対
応する。これら２つの計算の順序は特に問題では
ない。その理由は両方の場合にループが閉じられ
ているからである。〕ブロツク６５で使用される
見積られた古い値はブロツク６８で得られてい
る。ブロツク６５の出力は方位コンピユータ３９
と信号対雑音モニタ４３に加えられる。ここで、
基準位相トラツカ３５からの新しいｗがブロツク
６６で得られ、ブロツク６４でマトリツクス計算
が行われる。θはパルスの間でｗとΔｔを用いて
絶えず計算され、ブロツク６８で得られる現在の
見積値を保持する。図示のマトリツクスは近似形
である。正確なマトリツクスは附録に示すように
正弦関数と余弦関数を含む。（ここでは角度が小
さいためにsinωをω、cosωを１と仮定してい
る。）計算されたθの値からブロツク６８におい
てＸ＾とＰ＾の更新された値が計算され、それからト
ラツキングループ６９を介してブロツク６２へ与
えられる。 ブロツク６５，６７，６８で示されている計算
は最も時間のかかる計算である。コンピユータシ
ユミレーシヨンの結果によれば、初期見積の不正
確なことのために、Ｋの零でない成分の値は最初
は大きいが急速に一定の限度に達することが示さ
れている。そうするとＫの一定な成分を供給する
ことが可能となり（またはそれらの成分を段階値
として供給して設定プロセスをスピードアツプす
ることが可能となり）、妥当に短い時間内に方位
信号をなお要求する。従つて、ブロツク６５にお
けるＫの計算と、ブロツク６１，６５，６８にお
けるＰの計算は必要とされる計算の量を十分に減
少させるまで全てなくすことができる。残りの時
間のかかる計算はブロツク６５と６８における計
算である。明らかなように、多くのマトリツクス
乗算を必要とし、その数は確度を維持すべきもの
とすると、約2700個の各パルスについてその乗算
を行わねばならない。この数は航空機に搭載され
ているほとんどの汎用デジタルコンピユータの能
力を超える。従つて、以下に説明するように、こ
れらの計算を実行するために特殊目的の計算用ハ
ードウエアが設けられる。 方位コンピユータブロツク３９について 方位コンピユータブロツク３９の方位計算動作
を第４図の流れ図で示す。ブロツク７０で示され
るように、方位信号の要求された更新時に時刻tj
の新しい値が入力される。そうすると値Ｘ（tj）
とＰ（tj）が方位信号トラツカ３７から得られ
る。上記のようにＰの計算がなくされると、Ｐ
（tj）の値は使用されない。ブロツク７１におい
ては値θ（tj）が基準位相トラツカ３５から得ら
れる（ブロツク７２）。Ｘの状態変数からブロツ
ク７３と７４で示されるように粗方位と精密方位
が計算される。それからブロツク７５において、
精密方位が信頼できるかどうかを調べるためのチ
エツクがＰ＾を用いて行われる。Ｐが計算されない
とすると、精密方位を使用するか否かの決定は計
算開始からの経過時間を基にすることができる。
精密方位が信頼できないとすると、ブロツク７６
で示されるように方位は粗方位に等しくセツトさ
れ、表示器への出力として与えられる。精密方位
が信頼できるものだとすると、ブロツク７７で示
される計算が行われる。この計算は粗方位と精密
方位を組合せて、表示すべき最終的な方位出力を
得る。 距離取得モード動作について 距離取得モードにおける動作を第５図の流れ図
で示す。まず、ブロツク８０で示すように取得モ
ード開始の指令が与えられ、値ｉが零にセツトさ
れる。ブロツク８１ではｉの値は１だけ大きくさ
れ、ブロツク８２で示すように質問パルスが送出
される。この質問パルスの送出の後で、受けられ
て全てのパルスはブロツク８３へ与えられ、Ｒが
Rmaxよりも大きいかどうかを調べるためのチエ
ツクがブロツク８４で行われる。値Ｒは周知のや
り方で到達時刻に直接関連づけられる。すなわ
ち、パルスは光速で動く。従つて、質問パルスの
伝送時間と地上局が応答する態様を知ると、パル
スの送信の間に各受信パルスの到達時刻の間のΔ
ｔを知り、それに定数を剰じて、その受信パルス
に関連する距離Ｒを得ることが必要なだけである
（ここでは各パルスは質問に対する応答であると
仮定している）。Rmaxに対応する時間の後で受
けられたどのパルスも応答できない。パルス自体
はこの決定に使用でき、あるいは最大距離におけ
る応答に関連する時間の経過を指示するためにタ
イマが用いられる。ＲがRmaxに達しないとする
と、ブロツク８５においてＫ＝Ｙ／ω／２が計算され る。この値Ｋはブロツク８６において値Ｆ（Ｋ）
とＦ（Ｋ＋１）を計算するために使用される。こ
れらの値は受信パルスが入る２つの重なり合う距
離ビンに対応する。これら２つの距離ビンは１だ
け大きくされる。それから計算はブロツク８３へ
戻り、装置はこのループ内に留まつて、Rmaxよ
りも大きいＲに対応するパルスが受信されて、全
てのビンを含む全距離が循環されていることを示
すまで、各パルスに対する距離ビンを決定する。
この点ではＲはRmaxよりも大きく、プログラム
はブロツク８７に入る。このブロツク８７では質
問パルスの数であるＩが20に等しいかどうかを調
べるためのチエツクが行われる。Ｉが20に等しく
ないとすると、ライン８８に与えられる出力は質
問パルス発生器からのゲートを開いて他のパルス
を送らせることを可能にし、それからブロツク８
１に戻つてＩを１だけ大きくする。この装置の動
作は次にブロツク８２，８３，８４，８５，８６
を通り、20個の質問パルスが送られるまでこれら
２つのループ内を循環する。20個の質問パルスの
後でブロツク８４はライン９０に出力を与える。
この時には20個の質問パルスが送り出されてお
り、各ビンは各パルスごとに１回調べる。ブロツ
ク９１では値FMが最大Ｆ（Ｉ）に等しいように
セツトされる。すなわち、どのビンが最も多くの
エントリを有するかを調べるために距離ビンが探
索され、FMはいずれのビンの中の最大数に等し
くセツトされる。それからFMが15よりも大きい
かどうかについてのチエツクが行われる。前記し
たように、正しい距離を表すビンが20個の質問パ
ルスのうちの少くとも16個のパルスを受ける。他
のビンは応答に対応しないパルスによりランダム
に増大される。FMが15よりも小さいとすると、
そのFMが９よりも小さいかどうかについてのチ
エツクがブロツク９３において行われる。もしそ
のFMが９よりも小さいとすると、それが距離か
ら外れているということを装置に知らせるための
指示がライン９４に与えられる。もし距離から外
れているとすると、各ビンはランダムに増大さ
れ、20個の質問を行うのに要する時間内に９個以
上のパルスを受けるビンはない。もしそうでない
と、すなわちFMが９と16の間であるとすると、
異常な状態が存在することを示す指示がライン９
５に与えられる。FMが９と15の間にあるとする
と、何かが悪く、再び距離を得るためのステツプ
をとらねばならない。 FMが15よりも大きいとすると、ブロツク９６
においてＭがFMのF^-1に等しくセツトされる。
すなわち、Ｍは中にFMを累積したビンの数にセ
ツトされる。それからＦ（Ｍ）とＦ（Ｍ±１）を
除く全てのＦ（Ｉ）が９よりも小さいかどうかの
チエツクがブロツク９７で行われる。ただ１つの
ビン、および重なり合いのために、その次のビン
がその中に９よりも大きいＦ（Ｉ）を持つている
はずである。これらのビン以外のビンが９より大
きいＦ（Ｉ）を持つていなければ、適切なビンが
選択されたことを示す出力が発生され、粗距離Ｒ
がω／２×Ｍに等しくセツトされる。（距離はそれぞ れが約１．６ω／２Km（ω/2マイル）幅の１個のビンに 分割される。すなわち、Rmaxが約480Km（300マ
イル）に等しく、ｙ＝128とすると256個の重なり
合うビンが与えられる（すなわち２×128×3.68
Km（2.3マイル）ビン、そうするとＭ×
３．６８Km（２．３マイル）／２＝480Km（300マイル）
）もしそ うでないと、取得モードを再開させるために使用
できる異常な状態を示す出力がライン９５に与え
られる。 距離トラツキングモードについて 第６図はこの装置の距離部分のトラツキングモ
ードを示す流れ図である。粗距離値R₀はブロツ
ク１００に入れられ、Ｘ＾を計算するために使用さ
れる。Ｘ＾はここでは距離（X₁）と（X₂）に対応す
る２状態変数を有する。Ｐは上記のように見積ら
れる。（P₁は距離変数、P₂は速度変数である。）次
にブロツク１０１で示されているように質問パル
スが送り出され、距離応答に等しい新しいＲの群
が受信される（ブロツク１０２）。それから、受
信したＲがX₁±30に等しいかどうかを調べるた
めのチエツクが行われる。ここにX₁は距離見積
値であり、０はl₁から得られる標準偏差である。
距離ゲートは応答が予測される時間に対応する短
い時間だけ開くことができる。実際にはこのゲー
トは反応パルスだけをゲートするために十分狭く
作ることができ、パルスの存在または非存在を決
定するためにブロツク１０３の計算が減少され
る。もし答が否定であればブロツク１０３の出力
はライン１０４を介してブロツク１０５へ与えら
れ、計算はブロツク１０５で行われる。答が肯定
であればブロツク１０６に進み、Xiに最も近い
ｙの値が選択される。実際には１個のパルスだけ
がゲートを通じて受けられるから、これらはいず
れも行う必要はない。 次にブロツク１０７において、値Ｘ＾とＰ＾を得る
ために方位計算に関連して前記したのと同じやり
方で、カルマン更新が行われる。距離はＲ＝X₁
にしてブロツク１０８で示すように更新される。
このブロツク１０８の後でブロツク１０５に入
る。このブロツクでの計算はブロツク１０７から
の値Ｘ＾とＰ＾を用いて、またはライン１０４を介し
て得られる初期値を用いて行われ、図示のマトリ
ツクスから得られる値と装置のノイズ共変である
Ｑを用いて新しいＸとＰを計算する。これにより
パルスの間で装置は絶えず更新される。次に設定
された値であるPmaxよりP₁が小さいかどうかを
調べるためのチエツクが行われる。もしP₁が
Pmaxよりも小さいと動作はライン１１０を介し
てブロツク１０１へ戻り、別の質問パルスを送出
させる。P₁がPmaxよりも小さい限り装置はこの
トラツキングモードに留まる。P₁がPmaxよりも
小さくないとすると、ブロツク１０７はライン１
１１に出力を与えて装置を取得モードへ戻す。 デジタルタカン機上装置の基本ハードウエアにつ
いて 第７図に本発明によるデジタルタカン機上装置
の基本的なハードウエアのブロツク図を示す。入
力パルスは前記した受信機１２１により受信され
て変換器１２３に与えられ、そこでパルスの到達
時刻、基準パルスの指示および振幅信号Ｙが出力
として与えられる。第２，４，５，６図に関連す
る計算がデジタルコンピユータ１２５で行われ
る。方位信号トラツカモジユール１２７は後述す
る特殊目的計算ハードウエアを備えている。方位
信号トラツカ１２７はデジタルコンピユータ１２
５から出力θとｙを得て、Ｘ＾_Bを計算するために
それらの出力を使用する。Ｘ＾_Bは第４図に示す方
位出力の計算に使用するためにコンピユータ１２
５へ戻される。デジタルコンピユータ１２５で得
られる方位出力と距離出力は表示器１２９に与え
られる。 第７図に示す方位信号トラツカ１２７を第８図
にブロツク図で詳しく示す。第８図に示す方位信
号トラツカ１２７は加算器、レジスタ、掛算器の
ような普通のデジタル計算素子を含む。第８図に
示す計算動作は図示を簡単にするために粗方位に
ついてだけ示してある。 この装置の心臓部は破線で囲んだ部分１３１で
ある。ここでは第３図のブロツク６７，６８で示
したマトリツクスの掛算が行われる。新しい入力
を受けた後でＸ＾_１、Ｘ＾_２、Ｘ＾_３の値がそれぞれの
レジスタ１３３，１３４，１３５に加えられる。
Ｘ＾_１は直流成分であつて新しい更新が要求される
まで単にレジスタ１３５に貯えられている。しか
し、Ｘ＾_１とＸ＾_２の値は位相と周波数の見積値を保
持するために増大させねばならない。パルス更新
の値は約300マイクロ秒ごとに得られる。ブロツ
ク１３１における計算は約90マイクロ秒ごとに更
新される。これには各更新中に0.5度の増分を角
度に加えることを要する。更新を実行する際にレ
ジスタ１３３内の値がブロツク１３６に与えら
れ、そこでcosθを掛けられる。ここにθは回転
角度すなわち0.5度である。この角度のような小
さな角度に対しては余弦はほぼ１に等しいから、
ブロツク１３６は実際には省略できる。レジスタ
１３４の出力はブロツク１３７に与えられ、そこ
でsinθを掛けられる。実際にはこの掛算は桁送
りにより行われる。掛算後の値は加算ブロツク１
３９に与えられ、そこでそれらの値が互いに加え
合わされてからレジスタ１３３に与えられる。同
様にして、レジスタ１３３の出力にはブロツク１
４０においてcosθが掛けられ、レジスタ１３３
の出力にはブロツク１４１においてsinθが掛け
られ、これら２つの値は加算器１４３において加
え合わされてからレジスタ１３４に与えられる。
このように、更新の間にレジスタ１３３と１３４
の中の値が絶えず大きくされて、状態変数の最良
の見積値を与える。新しいy₁入力が得られると、
その入力は加算器１４９に加えられ、そこでレジ
スタ１３３内の値が差し引かれる。これは更新さ
れた値であり、特定のハードウエア構成により加
算器１３９またはレジスタ１３３から与えること
ができる。また、その新しい入力はレジスタ１３
５に貯えられている値も差し引かれる。これによ
り第３図のブロツク６５に示す値Ｙ−HXが発生
される。この値は次に３つの掛算器１５１，１５
３，１５５に与えられる。これらの掛算器におい
て上記の値にはK₁、K₂、K₃で示されるカルマン
利得が乗ぜられる。前記したように、これらのカ
ルマン利得は一定にできる。なるべくならそれら
の利得は、掛算器１５１，１５２，１５３で行わ
れる掛算が桁送りによる簡単なやり方で行うこと
ができるように、２のべきにする。この場合には
掛算器１５１，１５３，１５５はレジスタとする
ことができる。これらの掛算器の出力は次に加算
器１５７，１５９，１６１においてＸ＾_１、Ｘ＾_２、
Ｘ＾_３の見積られた値にそれぞれ加え合わされて、
最終的に更新された値を与える。このことは第３
図のブロツク６５の第２式に対応する。これらの
出力は次にレジスタ１３３，１３４，１３５の内
容を更新させるために使用され、第７図のデジタ
ルコンピユータ１２５への出力としても与えられ
る。第８図に示す動作は使用するハードウエアを
少くし、しかも必要な動作速度を得るためになる
べく直列演算で構成する。 第９図は第８図に示す装置に関連する制御装置
をブロツク図で示す。ローテータ１３１はコレク
タブロツク１６５で示されている第８図に示す計
算ハードウエアの残りとともに示されている。新
しいデータが第８図に示すレジスタにロードされ
ると、クロツク１６７はそのレジスタに入力を与
えて、前記したようにベクトル回転を行わせる。
この回転はライン１６９上のy₁割込みで示される
ように新しいy₁の値が得られる。途中で回転計算
の中断を避けるために、クロツク出力がこの計算
が終つたことを示すまではそれ以上何も行われな
い。それからライン１７１を介してアンドゲート
群１７３，１７４，１９５に入力が与えられ、新
しい出力がライン１７６に与えられる。これらの
信号に応答してローテータ１３１内の値がコレク
タ１６５に入れられ、そこで第８図を参照して説
明した加算と掛算が行われ、新しい値がローテー
タ１３１に直ちに帰還されて、ローテータ１３１
内のレジスタの内容を更新する。それからクロツ
ク１６７の出力に応じて回転が続けられる。 以上、カルマン液技術を使用する改良したデ
ジタルタカン装置を詳細に説明したが、以下に本
発明の主な実施の態様を要約して烈挙する。 １ 特許請求の範囲の第２項に記載の装置におい
て、前記第１カルマンフイルタと前記計算装置
とはプログラム式デジタルコンピユータを構成
し、前記第２カルマンフイルタはカルマン式を
実施するために相互接続される計算回路を構成
してなる装置。 ２ 特許請求の範囲の第２項に記載の装置におい
て、距離を測定する装置を更に含んでなる装
置。 ３ 態様２に記載の装置において、距離を計算す
る前記装置は送信アンテナと、この送信アンテ
ナから複数の質問パルスを送信する装置と、取
得装置と、トラツキング装置とを計備え、前記
取得装置は、各パルスの到達時刻を入力として
受け、質問後に受けた各パルスの指示を到達時
刻を表す距離に対応するビンに貯える装置と、
所定数の質問パルス後に各ビンに貯えられてい
る指示の数を所定の値と比較し、大部分のエン
トリーを有するビンに関連する距離を粗距離値
として選択し、その距離値を出力として与える
装置とを備え、前記トラツキング装置は初期値
入力として前記粗距離を有する第３カルマンフ
イルタを備え、かつ見積つた距離プラスマイナ
ス所定許容誤差に対応する各質問後に受けるパ
ルスの到達時刻の指示と受け、これらの受けた
到達時刻を用いて現在の距離見積値を維持する
装置を含んでなる装置。 ４ 態様３に記載の装置において、前記第３カル
マンフイルタの共変を所定値と比較し、その値
より大きい時に再取得の必要を示す出力を発生
する装置を更に含んでなる装置。 ５ 特許請求の範囲の第１項に記載の方法におい
て、前記タカン局までの距離も、最大距離を増
分に分割し、各増分に距離ビンを割当てる過程
と、送信中に各受信パルスの到達時刻を用いて
その到達時刻に対する距離に対応するビンを増
加させる過程と、所定数の質問パルスが送信さ
れた後でピンを検査し、見積られた距離として
大部分のエントリイを有する一つを選択する過
程と、質問速度を低下させる過程と、前記見積
られた距離を第３カルマンフイルタ内の初期値
として次の質問パルスからの応答とともに用い
て、現在の距離見積りを維持する過程とを備え
てなる方法。 ６ 態様５に記載の方法において、距離がビンの
間に落ちた時の問題を避けるために以前のビン
に重畳する付加的なＷ個のビンを与えることを
含む方法。 ７ 特許請求の範囲の第２項に記載の受信機にお
いて、変化するパルスを送信する装置と、距離
を計算する装置とを含んでなる受信機。 ８ 態様７に記載の受信機において、距離を計算
するための前記装置は取得装置と、トラツキン
グ装置とを備え、前記取得装置は、各パルスの
到達時刻を入力として受け、到達時刻を表す距
離に対応するビン内の質問後に受けた各パルス
の指示を貯える装置と、所定数の質問パルス後
に、各ビンに貯えられている指示の数を所定の
値と比較し、大部分のエントリイを粗距離値と
して有するビンに関連する距離を選択し、前記
距離値を出力として与える装置とを備え、前記
トラツキング装置は初期入力として前記粗距離
を有する第３カルマンフイルタを備え、かつ見
積られた距離プラスマイナス所定許容値に対応
する各質問後に受けるパルスの到達時刻の指示
を受けて、その到達時刻を現在の距離見積値を
維持するために使用する装置を含んでなる受信
機。 附 録 基準位相トラツカ 装置モデル 基準位相トラツカ用の装置および観測モデルを
第１０図に示す。この図でt₁は受信したｉ番目の
基準位相パルスの到達時刻、U₁，U₂，ｖは装置
ノイズおよび観測ノイズ（一定変化を示す。選択
した任意の値に対して周波数ωおよび位相θの最
良の見積値ω＾、θ＾を得たいものとする。

【式】Ｙ＝HX、Ｈ＝〔01〕、

【式】 ｖ＝〔ｖ〕 とおくと、上記モデル Ｘ〓_１＝U₁、Ｘ〓_２＝X₁＋U₂、ｙ＝X₂＋ｖ X₁（t₂）＝∫₀t₂U₁dt＝X₁（t₁）＋∫_t1t₂U₁dt X₂（t₂）＝X₂（t₁）＋∫_t1 ^t ₂（X₁＋U₂）dt ＝X₂（t₁）＋∫_t1 ^t2＋X₁dt ＋∫_t1 ^t2∫_t1 ^t2U₁dt²＋∫_t1 ^t2U₂dt ここでΔｔ（t₁）〓t₂−t₁と定義する。この時間
間隔Δｔの間に X₁＝X₁（t₁）＝一定 U₁＝U₁（t₁）＝一定 U₂＝U₂（t₂）＝一定 であるようにΔｔが十分に小さい（しかし一定で
はない）と仮定すると、 X₁（t₂）＝X₁（t₁）＋U₁（t₁）Δｔ（t₁） X₂（t₂）＝X₂（t₁）＋X₁（t₁）Δｔ（t₁） ＋U₁（t₁）Δ²t（t₁）＋U₂（t₁）Δｔ（t₁） これから、 Ｘ（Ｎ＋１）＝φ（Ｎ）｛×（Ｎ） ＋（Ｕ（Ｎ）Δｔ（Ｎ）｝ ここに

【表】 観測更新 Ｘ＾ｎ＋＝Ｘ＾ｎ−＋Kn（Yn−ＨＸ＾ｎ−）（カル
マンフイルタ式）ここに添字の−と＋はカルマン
更新の直前と直後の値を示す。 ここに Kn＝Pn−H¹（HP−H¹＋Ｒ）^-1（カルマン利
得） Ｐ〓Ｘの共変マトリツクス Ｒ〓変化（ｖ）＝〔δ〕＝一定 ｉ＝１の時の最初の観測について考えてみる
と、 Ｙ＝〔ｙ〕＝２π また、 であるから、 Ｘ＾ｎ＝Ｘ＾ｎ−＋Kn（２π−θ＾ｎ−） または 各測定更新の後でθが連続的に大きくならない
ようにするために、２πを引くたびにθ_o+をリセ
ツトする。すなわち、θ_o+＝θ_o+−２πにセツト
する。この式はこの記号は「等しいこと」を意味
するのではなく、置換を意味する。 ここでδ_o〓θ＾_o-−２πを定義する。これは予
測誤差角度、すなわち、更新に先立つ時間に対す
る予測された角度マイナス最後の測定値である。
そうすると、 または この後の任意の時刻に対しては、 Ｘ＾（ｔ_o＋Δｔ）＝φ（Δｔ）Ｘ＾（ｔ_o） Ｐ＾（ｔ_o＋Δｔ）＝Φ（Δｔ）Ｐ＾（ｔ_o+）ΦＴ（Δ
ｔ） ＋Ｑ（Δｔ） ここに 附 録 方位信号トラツカ 装置モデル 第１１図は方位信号トラツカに対する受信信号
を示す。 ｙ＝Asinωｔ＋Bcosωｔ＋Esin9ωｔ ＋Fcos9ωｔ＋Ｄ X₁＝Asinωｔ＋Bcosωｔ、 X₂＝Acosωｔ−Bsinωｔ とすると、 Ｘ〓_１＝ωAcosωｔ−ωBsinωｔ Ｘ〓_２＝−ωAsinωｔ−ωBcosωｔ となるから、 Ｘ〓_１＝ωX₂、Ｘ〓_２＝−ωX₁ である。また、 X₃＝Esin9ωｔ＋Fcos9ωｔ X₄＝Ecos9ωｔ−Fsin9ωｔ とすると Ｘ〓_３＝９ω（Ecos9ωｔ−Fsin9ωｔ） Ｘ〓_４＝９ω（Esin9ωｔ−Fcos9ωｔ） であるから Ｘ〓_３＝９ωX₄；Ｘ〓_４＝−９ωX₃ となる。更に、 X₅＝Ｄ Ｘ〓_５＝Ｏ（ランダムウオーク定数） とする。 ここでωは基準トラツカから知られているゆる
やかに変化する値であると仮定する。従つて、第
１２図に示す特有のノイズを有する装置モデルは
次のように表すことができる。 Ｘ〓_１＝ωX₂＋U₁ Ｘ〓_２＝−ωX₁＋U₂ Ｘ〓_３＝９ωX₄＋U₃ Ｘ〓_４＝−９ωX₃＋U₄ Ｘ〓_５＝Ｏ＋U₅ ｙ＝X₁＋X₃＋X₅＋ｖ 遷移マトリツクスの誘導 X₁、X₂はX₃、X₄、X₅とは独立しているからま
ずX₁とX₂についてだけ考えると次のようにな
る。 従つて、 Ｘ（t₂）＝ｅ^A(t ₂ ^-t ₁ ⁾Ｘ（t1）＝Φ（t₂−t₁）×（t₁） ＝Φ（Δｔ）×（t₁） となる。他の手段で級数展開することにより であることを示すことができる。また、ωΔｔ≪
１、すなわち小さな角度または回転に対して となる。同様に、X₃、X₄に対しては （≒はωΔｔ≪１／９の時には良い近似である） となる。 完全な遷移マトリツクスは となる。 Ｕ＝Ｕ（ti）と仮定すると、すなわち、Δｔに
対するノイズベクトル定数を仮定すると、小さな
ωΔｔに対して、 Ｘ（t₂）＝Φ（Δｔ）×（ｔ）＋（Δｔ）Ｕ カルマン公式の応用 qi＝変化（Ui）＝定数（装置ノイズ）（ｉ＝
1.5）とすると、 となる。また、 Ｒ〓Δｔ〔ｒ〕 ｒ＝定数 Ｈ＝〔10101〕、Ｙ＝HXであることにも注意された
い。 そうすると適用可能な公式は次の通りである。

【表】 〓 〓 〓
時間更新〓 X_ｏ＋１〓Φ_ｏX_ｏ＋

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ タカン局により送信されたタカンパルスを受
   信する過程と、 各パルスの到達時刻とその振幅を決定する過程
   と、 各基準パルスの到達時刻を決定する過程と、 前記基準パルスの到達時刻から送信された信号
   の見積られた周波数と位相を第１カルマンフイル
   タで計算する過程と、 周波数と振幅および見積られた周波数とから方
   位信号の状態変数の見積りを第２カルマンフイル
   タで計算する過程と、 前記状態変数と前記見積られた位相から送信局
   に対する受信機の方位を計算する過程と を有することを特徴とするタカン方位を決定する
   方法。 ２ (a) アンテナと、 (b) このアンテナに結合されるRFおよび検波器
   段と、 (c) このRFおよび検波器段の出力を入力として
   受ける整合フイルタと、 (d) このフイルタの出力端子に結合され、各信号
   パルスの到達時刻を検出してそれを示す出力を
   与える信号パルス到達時刻検出装置と、 (e) 各信号パルスの振幅を検出してそれを示す出
   力を与える信号パルス振幅検出装置と、 (f) 前記フイルタの出力端子に結合され、基準パ
   ルスの到達時刻を検出し、それを示す出力を与
   える基準パルス到達時刻検出装置と、 (g) 第１のカルマンフイルタを実行するようプロ
   グラムされたデジタル計算機と、このデジタル
   計算機に接続され送信局の方位を計算するため
   第２のカルマンフイルタを実行する特殊目的の
   計算回路とを有し、前記信号パルス到達時刻検
   出手段と前記信号パルス振幅検出手段と前記基
   準パルス到達時刻検出手段の出力を入力として
   受け、 (1) 記基準パルスの到達時刻から、前記第１の
   カルマンフイルタを用いて送信信号の見積ら
   れた周波数と位相を計算し、 (2) 周波数と、振幅と、見積られた周波数とか
   ら、前記第２のカルマンフイルタを用いて方
   位信号の状態変数の見積値を計算し、 (3) 前記状態変数と見積られた位相とから、送
   信局に対する受信局の方位を計算する ようにプログラムされたデイジタル計算装置と を備えたことを特徴とするタカン方位を決定する
   装置。