レーダー高度計

レーダー高度計の基本概念は、より広範なレーダー分野とは独立して開発され、ベル研究所での長距離電話の研究に端を発している。1910年代、ベル電話は、電話回線のインピーダンスの変化によって引き起こされる信号の反射に苦慮していた。これは通常、機器が回線に接続されている場所で発生していた。これは特に中継局で顕著であり、インピーダンスの不整合によって信号の大部分が反射され、長距離電話が困難になっていた。^{[ 5 ]}

エンジニアたちは、反射波に「こぶ状」のパターンが見られることに気づいた。特定の信号周波数では、デバイスが回線上の特定の位置にある場合にのみ問題が顕著になる。このことから、回線にテスト信号を送り、顕著なエコーが見られるまで周波数を変更するというアイデアが生まれた。これにより、デバイスまでの概算距離が明らかになり、中継局が多数設置されている回線でもデバイスを特定して修正できる。^{[ 5 ]}

ロイド・エスペンシードはベル研究所で働いていたとき、この同じ現象を利用して電線の距離を測定することを思いついた。この分野における彼の最初の開発の一つは、鉄道線路に信号を送り、不連続点までの距離を測定するというアイデアに関する1919年の特許（1924年付与） ^{[ 6 ]}であった。これは、線路の破損を検出したり、距離が列車の速度よりも速く変化している場合は、同じ線路に他の列車が存在することを警告するために使用できた。^{[ 5 ]}

同時期には、物理​​学界で電波伝搬の性質をめぐる大きな議論が繰り広げられていた。グリエルモ・マルコーニの大西洋横断送信の成功は不可能に思われた。電波信号の研究では、少なくとも長距離では電波は直線的に伝搬することが示されていたため、コーンウォールからの放送はニューファンドランドで受信されるのではなく、宇宙空間に消えてしまうはずだった。1902年、イギリスのオリバー・ヘヴィサイドとアメリカのアーサー・ケネリーは、それぞれ独立して、上層大気に電離層が存在し、それが電波を地上に反射させて受信できるようにしていると提唱した。これはヘヴィサイド層として知られるようになった。^{[ 7 ]}

魅力的なアイデアではあったものの、直接的な証拠は不足していた。1924年、エドワード・アップルトンとマイルズ・バーネットは、 BBCと共同で行った一連の実験で、そのような層の存在を実証することができた。その日の予定された放送が終了した後、ボーンマスのBBC送信機は、周波数が徐々に増加する信号を送信した。これはオックスフォードにあるアップルトンの受信機で受信され、2つの信号が現れた。1つは送信機からの直接信号である地表波であり、もう1つは、ヘヴィサイド層まで伝わってから戻ってきた後に受信された電離層波である。^{[ 7 ]}

実証実験では、電離層反射波が実際に空中にあったことを証明するために、電離層反射波が伝わった距離を正確に測定する必要がありました。これが周波数を変化させた目的です。地上信号は伝わる距離が短いため、より最近のものであり、その瞬間に送信された周波数に近くなります。電離層反射波は伝わる距離が長いため遅延し、そのため、しばらく前の周波数になります。周波数ミキサーでこの2つを混合すると、2つの入力の差を符号化した独自の周波数を持つ第3の信号が生成されます。この場合、差は伝わる経路の長さによるものなので、結果として得られる周波数は伝わる経路の長さを直接示します。技術的にはより困難ですが、これは最終的にはベルが電線内の反射板までの距離を測定するために使用したのと同じ基本的な技術でした。^{[ 7 ]}

1929年、オハイオ州立大学の教授であったウィリアム・リッテル・エヴェリットは、アップルトンの基本技術を高度計システムの基礎として利用することを検討し始めた。彼はこの研究を2人の上級生、ラッセル・コンウェル・ニューハウスとMW・ハヴェルに任せた。彼らの実験システムは、周波数の変化を利用してワイヤーの端までの距離を測定するという点で、ベル研究所での初期の研究と共通点が多かった。2人はこれを基礎として、1929年に共同で卒業論文を執筆した。^{[ 8 ]}

エヴェリットは米国特許庁にその概念を開示したが、その時点では特許を出願しなかった。その後、彼は開発資金を求めて航空振興のためのダニエル・グッゲンハイム基金にアプローチした。財団の秘書であるジミー・ドゥーリトルは、ベル研究所のヴァネヴァー・ブッシュに判断を仰いだ。ブッシュはその時点ではシステムが開発できるかどうか懐疑的だったが、それでも財団が実動モデルの開発に資金を提供することを提案した。これにより、ニューハウスはJDコーリーと共同で、1930年の修士論文の基礎となる実験機を製作することができた。^{[ 8 ] [ 9 ]}

その装置はライト・フィールドに持ち込まれ、航空機航法の著名な専門家であるアルバート・フランシス・ヘーゲンバーガーによってテストされた。ヘーゲンバーガーは、システムが宣伝どおりに機能することを確認したが、実用化するにはより高い周波数で動作する必要があると述べた。^{[ 8 ] [ a ]}

エスペンシードは、高度測定にアップルトンのアイデアを使用することも検討していた。1926年、彼は高度測定の方法としてだけでなく、地形回避や衝突検出のための前方監視システムとしてもこのアイデアを提案した。しかし、当時利用可能だった無線システムの周波数は、短波帯でさえ、実用的なシステムに必要な周波数の50分の1に過ぎないと計算された。^{[ 5 ] [ 9 ]}

エスペンシードは最終的に1930年にそのアイデアの特許を出願した。^{[ 9 ]}この頃にはニューハウスはオハイオ州立大学を離れ、ベル研究所に就職していた。そこで彼は、同じく無線航法に関心を持っていたピーター・サンドレットと出会った。サンドレットは1932年にベル研究所を離れ、ユナイテッド航空（UAL）の通信部長に就任し、そこで商用無線システムの開発を主導した。^{[ 8 ]}

エスペンシードの特許は1936年まで付与されず^{[ 10 ]}、その発表は大きな関心を集めた。ほぼ同時期に、ベル研究所は最大500MHzで5～10ワットの出力を供給できる新しい真空管設計に取り組んでおり 、これはその用途に最適であった^{[ 9 ]} 。このことからサンドレットはベルにこのアイデアについて連絡を取り、1937年にベル研究所とUALの間で実用版を構築するための提携が結ばれた。ニューハウス率いるチームは1938年初頭に動作モデルをテストしており、ウェスタン・エレクトリック（ベルの製造部門）はすでに量産モデルの準備を進めていた。ニューハウスはこの研究に基づく技術改良に関するいくつかの特許も出願した^{[ 11 ] 。}

このシステムは1938年10月8日と9日に公表された。^{[ 12 ]}第二次世界大戦中、 RCAが大量生産を引き継ぎ、ABY-1とRC-24という名称で製造した。戦後、多くの企業が生産を引き継ぎ、盲目着陸が一般的になったため、多くの航空機の標準計器となった。^{[ 11 ]}

翌年、エスペンシードとニューハウスが共同でこのシステムに関する論文を発表した。この論文では誤差の原因を探り、最悪の場合の組み込みシナリオは9%程度であると結論付けているが^{[ 13 ]}、都市の市街地のような起伏の多い地形を飛行する場合は10%にも達する可能性がある^{[ 13 ] 。}

システムの初期飛行中に、オシロスコープで観測される反射波のパターンが、航空機の下の地形の種類によって異なることが確認された。これにより、同じ技術を地上スキャンやナビゲーションなど、他のさまざまな用途に利用できる可能性が開かれた。しかし、これらの概念は当時ベルによって探求されることはなかった。^{[ 12 ]}

1800年代後半から金属と水が無線信号の優れた反射体であることが知られており、それ以来、船舶、列車、氷山探知機を開発する試みが数多く行われてきた。これらのほとんどは、適切な性能を得るために大きなアンテナを必要とする低周波信号を使用していたため、実用上の大きな制約があった。450  MHz の基本周波数で動作するベル装置は、当時の最高周波数システムの一つであり、そのため非常に有用であった。^{[ 13 ] [ b ]}

カナダでは、国立研究評議会（NRC）がベル高度計をベースにした航空機搭載レーダーシステムの開発に着手した。1940年10月にティザード使節団の一員としてカナダを訪れたイギリスの研究者たちは、当時この構想に取り組んでいるのは自分たちだけだと信じていたため、この事実に大変驚いた。このアイデアがすでに秘密ではなくなっていたため、使節団はNRCに量産可能な設計図を紹介した。ベルをベースにした設計は放棄され、より高出力で動作する完全に開発されたイギリスのASV Mark II設計が採用された。 ^{[ 14 ]}

フランスでは、IT&Tのフランス支社の研究者たちがレーダーに関する同様の実験を行っていたところ、ドイツ軍の侵攻がパリの研究所に迫った。研究成果がドイツ軍の手に渡るのを防ぐため、研究所は意図的に破壊された。ドイツ軍チームは瓦礫の中からアンテナを発見し、説明を求めた。IT&Tの研究部長は、雑誌の表紙に高度計ユニットを見せ、最新の航法技術に精通していないことを叱責することで、疑いをそらした。^{[ 11 ]}

レーダー高度計は、商用航空機が進入および着陸、特に低視程条件下（計器飛行規則を参照）や、地上高度（AGL）から200～300フィート（61～91メートル）以下のグライドスロープ捕捉モード中の自動着陸時に頻繁に使用され、^{[ 15 ]}オートパイロットがフレア操作を開始するタイミングを知ることができる。レーダー高度計は、フライトコンピュータの一部であるオートスロットルにデータを提供する。  

レーダー高度計は通常、地上2,500フィート（760m ）までの測定値しか得られません。気象レーダーは、より遠距離、地上60,000フィート（18,000m ）までの測定値を得るために、下向きに向けられることがよくあります。 2012年現在  すべての旅客機には、自動着陸機能に不可欠なレーダー高度計が少なくとも2つ、場合によってはそれ以上装備されている。（2012年現在）（ GPSなどの他の方法で高度を測定することは規制で許可されていません。）1960年代の古い旅客機（ブリティッシュ・エアクラフト・コーポレーションのBAC 1-11など）や、座席数50席未満の小型旅客機（ATR 42やBAeジェットストリームシリーズなど）には、これらが装備されています。

レーダー高度計は、地上接近警報システム（GPWS）の重要な構成要素であり、航空機が低空飛行しすぎたり、降下速度が速すぎたりした場合にパイロットに警告を発します。しかし、レーダー高度計は航空機の真前方の地形を視認することはできず、真下のみを視認します。このような機能を実現するには、位置とその位置の地形に関する知識、または前方監視型地形レーダーが必要です。レーダー高度計のアンテナは、約80°の比較的大きな主ローブを備えているため、バンク角が約40°までであれば、レーダーは航空機から地上（具体的には最も近い大きな反射物体）までの距離を検出します。これは、距離が各サンプリング期間の最初の信号反射に基づいて計算されるためです。バンク角またはピッチ角が約40°を超えるまでは、斜距離は検出されません。ピッチ角とロール角は通常20°を超えないため、着陸時にはこれは問題になりません。

民間航空で使用される電波高度計は、4.2～4.4GHzのIEEE Cバンドで動作します。 ^{[ 16 ]}

2022年初頭、5G携帯電話基地局からの潜在的な干渉により、米国で一部のフライトの遅延や欠航が発生した。

レーダー高度計は、軍用機が陸上や海上を非常に低空飛行する際にも使用され、レーダー探知や対空砲、地対空ミサイルによる標的化を回避するために役立てられています。レーダー高度計技術の関連用途としては、地形追随レーダーがあり、これにより戦闘爆撃機は極めて低い高度で飛行することが可能になります。

オーストラリア空軍とアメリカ空軍のF -111戦闘機は、デジタルコンピュータを介して自動操縦装置に接続された前方監視型地形追従レーダー（TFR）システムを搭載している。機首レドームの下には2つの独立したTFRアンテナがあり、それぞれがデュアルチャンネルTFRシステムに個別の情報を提供する。このシステムに不具合が生じた場合に備え、F-111には自動操縦装置に接続されたバックアップレーダー高度計システムも搭載されている。そして、F-111が何らかの理由で事前に設定された最低高度（例えば15メートル）を下回った場合、自動操縦装置はF-111を2Gフライアップ（機首を急上昇させる）状態にして、地形や水面への衝突を回避するよう指示される。戦闘時であっても、敵に探知される危険性よりも衝突の危険性の方がはるかに高い。同様のシステムは、オーストラリアとアメリカが運用するF/A-18スーパーホーネット戦闘機にも採用されている。

• Espenschied, Lloyd; Newhouse, Russell (1939年1月)「地形クリアランスインジケーター」The Bell System Technical Journal . 18 (1): 222– 234. doi : 10.1002/j.1538-7305.1939.tb00813.x .
• 「歴史的な初：電波高度計」（PDF）。ベル研究所： 1948年1月18～ 19日。
• コリン、ロバート（1967年7月）。「1967年パイオニア賞：ロイド・エスペンシードとラッセル・C・ニューハウス」。IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems。AES -3（4）：736–742。doi ：10.1109/TAES.1967.5408855。