基準周波数発生装置
【課題】本発明は、周波数偏差の最大値が制約条件を超えない限りにおいて整定時間を短くでき、且つオーバーシュートが起こらないようにＶＣＯを定量的に制御することのできる基準周波数発生装置を提供することを目的とする。
【解決手段】前記課題を解決するために本発明における基準周波数発生装置は、追従誤差ｅを目標値としてＩ−Ｐ制御部により操作量ｕを決定し、該操作量ｕを電圧制御型発振器の応答特性に寄与する１次遅れフィルタを介して前記電圧制御型発振器に操作量ｕ’として出力するとともに、二項係数標準形をモデルとした部分的モデルマッチング法により前記Ｉ−Ｐ制御部および前記１次遅れフィルタにおける伝達関数を算出することを特徴とする。
【解決手段】前記課題を解決するために本発明における基準周波数発生装置は、追従誤差ｅを目標値としてＩ−Ｐ制御部により操作量ｕを決定し、該操作量ｕを電圧制御型発振器の応答特性に寄与する１次遅れフィルタを介して前記電圧制御型発振器に操作量ｕ’として出力するとともに、二項係数標準形をモデルとした部分的モデルマッチング法により前記Ｉ−Ｐ制御部および前記１次遅れフィルタにおける伝達関数を算出することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地上デジタル放送の送信所や移動体通信の基地局等に設けられ、ＧＮＳＳ衛星から送信された測位信号に基づいて測位１ＰＰＳを生成し、この測位１ＰＰＳに同期した基準１ＰＰＳおよび基準周波数信号を地上デジタル放送の送信所や移動体通信の基地局等に供給する基準周波数発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、一般に普及している地上デジタル放送や移動体通信では、通信データの多重化技術が用いられており、例えば、時分割多重接続（ＴＤＭＡ）や周波数分割多重接続（ＦＤＭＡ）が存在する。このような多重化されたシステムにおいて、送信タイミングや周波数を同期するために、全てのシステムに共通な１秒間隔のタイミング信号（基準１ＰＰＳと称する）や１０ＭＨｚの基準周波数が必要となる。そこで、基準周波数発生装置は地上デジタル放送の送信所や移動体通信の基地局等に基準１ＰＰＳや基準周波数信号を安定して供給することが求められる。このため、基準周波数発生装置は、ＧＮＳＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｓｙｓｔｅｍ）衛星が送信する測位信号から得られる精度の高い時刻情報を参照し、そのＧＮＳＳ時刻の１秒タイミング（測位１ＰＰＳと称する）に同期した基準１ＰＰＳおよび基準周波数信号が出力されるように制御される。
【０００３】
例えば、特許文献１に記載の基準周波数発生装置は、具備する電圧制御型発振器（ＶＣＯと称する）が出力した基準１ＰＰＳのタイミングと測位信号から取得した測位１ＰＰＳのタイミングの時間間隔を測定し、その時間間隔の変化量が等しくなるように、ＰＩ制御を行う。このようにして、基準１ＰＰＳと測位１ＰＰＳとを同期する。
【０００４】
ここで、地上デジタル放送の送信所や移動体通信の基地局の増加に伴い、基準周波数発生装置は様々な場所で利用されるようになり、一時的に測位信号を受信できないことも珍しいことではなくなってきた。上述のように、基準周波数発生装置は測位信号から生成した測位１ＰＰＳを参照することにより、正確な送信タイミングや周波数信号を安定して出力することができる。したがって、一時的にせよ測位信号を受信できなくなれば、つまり測位１ＰＰＳが参照できなくなれば、その間ＶＣＯが出力する基準１ＰＰＳの誤差は徐々に大きくなってしまう。
【０００５】
測位信号の受信を再開しはじめると、受信中断で生じた誤差を補正すべくＶＣＯは制御されるが、従来からの基準周波数発生装置で用いられているＶＣＯの制御方式では、図８に示すような応答を経て定常状態に達することになる。図８（ａ）は、ＶＣＯが出力する基準１ＰＰＳの偏差の時間変化を示し、横軸は測位信号の受信再開時からの経過時間を、縦軸はＶＣＯが出力する基準１ＰＰＳの偏差を表す。図８（ｂ）は、ＶＣＯが出力する周波数偏差の時間変化を示し、横軸は測位信号の受信再開時からの経過時間を、縦軸はＶＣＯが出力する周波数信号の偏差を表す。なお、図８（ａ）および（ｂ）中のＸは周波数偏差の最大値を、Ｙは整定時間を、Ｚは基準１ＰＰＳ偏差のオーバーシュートを表す。また、基準１ＰＰＳ偏差の定常値は測位１ＰＰＳと同期が取れていることを、周波数偏差の定常値は所望の基準周波数を意味する。
【特許文献１】特開平８−１４６１６６号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ここで、基準周波数発生装置の同期制御においては、できるだけ早期に正確な基準１ＰＰＳを出力するために、図８における整定時間Ｙは可能な限り短いことが求められる。この整定時間Ｙは、周波数偏差を大きくすることで短くすることができるが、周波数偏差は放送法や各々の上位システムの仕様により、最大値Ｘの許容値が制約条件として設けられている。さらに、周波数偏差を大きくすることで、オーバーシュートＺが起こってしまう。このオーバーシュートＺがあると、基準１ＰＰＳと測位１ＰＰＳの同期が取れた状態から再び同期が外れてしまうこととなり、同期がとれた状態であることを検知することを困難にしてしまう。逆に、オーバーシュートＺが発生しないように周波数偏差を必要以上に小さくしようとすると、整定時間Ｙが長くなってしまう。
【０００７】
つまり、基準周波数発生装置は、周波数偏差の最大値Ｘが制約条件を超えない限りにおいて整定時間Ｙを短くし、且つオーバーシュートＺが起こらないようにすることが求められる。
【０００８】
しかしながら、従来のような基準周波数発生装置では、ＶＣＯを試行錯誤に制御するため、周波数偏差の最大値が制約条件を超えることなく整定時間をできる限り短くでき、且つオーバーシュートが起こらないよう定量的に制御することができなかった。例えば、測位信号の受信再開時における追従誤差の大きさは測位信号の受信中断時間等により異なるが、この任意の大きさの追従誤差に対して自動的に定量的な制御をすることができなかった。
【０００９】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、周波数偏差の最大値が制約条件を超えることなく、整定時間をできる限り短くでき、且つオーバーシュートが起こらないようにＶＣＯを定量的に制御することのできる基準周波数発生装置を提供することを目的とする。さらに、ＶＣＯの制御における操作量を簡易な方法で算出することのできる基準周波数発生装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決するために本発明における基準周波数発生装置は、測位信号に基づく測位時刻信号に同期した基準時刻信号または基準周波数信号を出力し、前記測位信号に基づいて前記測位時刻信号を出力する受信機と、前記測位時刻信号と前記基準時刻信号を比較し追従誤差を出力する比較器と、前記追従誤差に基づいて操作量を出力する制御器と、前記操作量に応じて発振し周波数信号を出力する電圧制御型発振器と、前記周波数信号から前記基準時刻信号を検出する検出器とを備え、前記制御器は、Ｉ−Ｐ制御部および前記電圧制御型発振器の応答特性に寄与する１次遅れフィルタにより前記操作量を算出し、該Ｉ−Ｐ制御部および１次遅れフィルタの伝達関数を二項係数標準形をモデルとした部分的モデルマッチング法により算出することを特徴とする。
【００１１】
二項係数標準形をモデルとした部分的モデルマッチング法により制御器の伝達関数を算出したことにより、基準１ＰＰＳと測位１ＰＰＳを同期するに際してオーバーシュートが発生しない基準周波数発生装置を提供することができる。また、１次遅れフィルタを設けたことにより電圧制御型発振器の機種に因らず、定量的な制御をすることができる。
【００１２】
さらに、前述の基準周波数発生装置が備える制御器は、前記二項係数標準形モデルの固有値を前記電圧制御型発振器が出力する周波数偏差の許容値に基づいて決定することを特徴とする。また、前述の制御器は、前記二項係数標準形モデルの固有値を前記測位信号の受信再開時における前記追従誤差に基づいて決定することを特徴とする。
【００１３】
このようにすることで、周波数偏差の最大値が制約条件を超えない限りにおいて整定時間を短くでき、且つオーバーシュートが起こらないように電圧制御型発振器を定量的に制御することができる。また、測位信号の受信再開時における追従誤差の大きさに応じて、上述のような制御を行うような制御器の伝達関数を都度算出することができる。つまり、制御器の伝達関数は測位信号の受信再開毎に決定され、電圧制御型発振器が出力する基準１ＰＰＳ誤差の大きさに因らず常に上述のような制御を行うことができる。
【００１４】
さらに、前述の基準周波数発生装置が備える制御器は、前記Ｉ−Ｐ制御部におけるＰ動作の入力量を該Ｐ動作の入力量の変化分を逐次加算することで算出する離散手段を有することを特徴とする。また、前述の離散手段は、前記Ｐ動作の入力量である前記基準時刻信号の変化分を前記追従誤差の変化分とみなして該Ｐ動作の入力量を算出することを特徴とする。
【００１５】
このようにすることで、Ｉ−Ｐ制御を行う際にＰ動作の入力量に誤差が含まれる場合でも、誤差の小さな入力量、ひいては操作量を算出することができる。また、制御器の入力量を追従誤差のみとすることができ、誤差の小さな操作量を算出することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明による基準周波数発生装置は、周波数偏差の最大値が制約条件を超えない限りにおいて整定時間を短くでき、且つオーバーシュートが起こらないようにＶＣＯを定量的に制御することができる。さらに、定量的に制御したことにより、整定時間など基準１ＰＰＳや周波数偏差の応答を簡易に予測することができる。
【００１７】
また、ＶＣＯの制御における操作量の算出を簡易な方法で算出することができるため、計算量の増加等による負荷を大きくすることなく、また高価にすることなく制御できる。また、ＶＣＯの機種に因らずに上述の効果を有した制御系を設計することができるため、異機種に対してもソフトウェアを一本化することができ、開発期間を短縮することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１を図面を参照しながら説明する。図１は、本実施の形態１による基準周波数発生装置１００の主要構成の一例を示す図である。図１に示すように、基準周波数発生装置１００は、アンテナ１０と、受信機２０と、比較器３０と、制御器４０と、ＶＣＯ５０と、検出器６０とを備える。なお、本実施の形態１による制御系において、制御対象はＶＣＯ５０であり、受信機２０から出力される値が目標値ｒ、比較器３０から出力される値が追従誤差ｅ、制御器４０から出力される値が操作量ｕ’、ＶＣＯ５０を介して検出器６０から出力される値が制御量ｙである。
【００１９】
アンテナ１０は、ＧＮＳＳ衛星から測位信号を受信する。受信機２０は、アンテナ１０で受信した受信信号から測位時刻信号を取得し比較器３０に出力する。測位時刻信号は、１秒間隔のタイミングパルスから成る測位１ＰＰＳ（Ｐｕｌｓｅ Ｐｅｒ Ｓｅｃｏｎｄ）である。
【００２０】
比較器３０は、前回のサイクルの処理により検出器６０から出力された基準１ＰＰＳと、今回のサイクルの処理により受信機２０から出力された測位１ＰＰＳとを比較し、それらのタイミングの差（位相差）である追従誤差ｅを制御器４０に出力する。
【００２１】
制御器４０は、比較器３０から出力された追従誤差ｅを入力量として操作量ｕおよびｕ’を算出する。具体的に、制御器４０はＩ−Ｐ制御部４１によって操作量ｕを算出し、１次遅れフィルタ４２を介した操作量ｕ’をＶＣＯ５０に出力する。Ｉ−Ｐ制御部４１および１次遅れフィルタ４２の各伝達関数は、３次の二項係数標準形をモデルとして部分的モデルマッチング法により算出される。なお、この算出方法の詳細は後述する。
【００２２】
Ｉ−Ｐ制御部４１はいわゆる比例先行型ＰＩ制御であり、通常のＰＩ制御と異なり、検出器６０から出力された制御量ｙがＰ動作の入力量ｙとして与えられるといった特徴がある。ここで、Ｐ動作の入力量ｙには、微小時間変動に対してほぼ一定とみなせるような誤差が含まれている。そこで、制御器４０はＰ動作への入力量ｙを、離散手段を用いて入力量の変化分Δｙを逐次加算することにより求める（インクリメント方式）。このようにすることで、上述のような誤差に影響されない入力量ｙを算出することができ、誤差の小さな操作量ｕを求めることができる。なお、この離散手段の詳細は後述する。
【００２３】
また、入力信号に対するＶＣＯ５０の応答特性はその種類に応じて決まっている。つまり、ＶＣＯ５０の時定数はその種類によって一意に固定される。しかしながら、制御対象の時定数が固定であれば、後述するように本発明で用いるモデルとのマッチングを行うことができない。そこで、Ｉ−Ｐ制御部４１における操作量ｕに対して任意な時定数Ｔ１を与えることができ、制御対象であるＶＣＯ５０の応答に寄与する一次遅れフィルタ４２を制御器４０に設ける。このようにすることで、制御対象であるＶＣＯ５０の時定数に左右されることなく、モデルとのマッチングをすることができるようになる。なお、一次遅れフィルタ４２の時定数の算出方法の詳細は後述する。
【００２４】
ＶＣＯ５０は、制御器４０から出力された操作量ｕ’に基づいて発振し、１０ＭＨｚ等の基準周波数信号を地上デジタル放送の送信所や移動体通信の基地局等および検出器６０に出力する。なお、本実施の形態１では、入力信号に対する応答速度が十分に速いＶＣＯ５０を用いている。そのため、ＶＣＯ５０の時定数は無視することができる。
【００２５】
検出器６０は、ＶＣＯ５０から出力された基準周波数信号に基づいて基準時刻信号を検出し、この基準時刻信号を地上デジタル放送の送信所や移動体通信の基地局、および比較器３０に出力する。特に、基準時刻信号は１秒間隔のタイミングパルスから成る基準１ＰＰＳである。
【００２６】
以下、部分的モデルマッチング法によるＩ−Ｐ制御部４１および一次遅れフィルタ４２における伝達関数の算出方法について図面を用いて説明する。
【００２７】
図２は、基準周波数発生装置１００の制御処理を表すブロック線図である。図２中のｒはこの制御系における目標値を表し、受信機２０から出力される測位１ＰＰＳである。また、ｙは制御量を表し、ＶＣＯ５０から出力される基準周波数の偏差Δｆを積分した関係にある基準１ＰＰＳである。ｅは比較器３０により求められる追従誤差を表し、目標値ｒと制御量ｙの差、つまり測位１ＰＰＳのタイミングと基準１ＰＰＳのタイミングとの時間差である。ｕ’は制御対象であるＶＣＯ５０に一次遅れフィルタ４２を介して出力される操作量であり、ｕはＩ−Ｐ制御部４１により求められる操作量である。
【００２８】
さらに、ＫｐはＩ−Ｐ制御部４１におけるＰ動作の伝達関数を、Ｋｉ／ｓはＩ−Ｐ制御部４１におけるＩ動作の伝達関数を、１／（Ｔ１Ｓ＋１）は一次遅れフィルタ４２の伝達関数を、１はＶＣＯ５０の伝達関数を、１／Ｓは検出器６０の伝達関数を示す。なお、本実施の形態１では、入力信号に対する応答速度が十分に速いＶＣＯ５０を用いている。そのため、ＶＣＯ５０の時定数を無視し、ＶＣＯ５０の伝達関数を１に近似している。
【００２９】
図２に示す制御系において、目標値ｒから制御量ｙの伝達関数は数１で与えられる。
【数１】
【００３０】
次に、部分的モデルマッチング法における伝達関数のモデルとして、３次の二項係数標準形である数２を与える。
【数２】
【００３１】
この数２のモデルは、図３で示すようにＳＴＥＰ応答においてオーバーシュートが発生せず、さらに固有値ω０の値が大きくなるにつれて整定時間が短くなり、且つ周波数偏差の最大値が大きくなるような特徴を有している。なお、数２のＳＴＥＰ応答は追従誤差ｅの応答を意味し、図３（ａ）は制御開始時の追従誤差Ｅ０を１秒とした時のＳＴＥＰ応答を示す。また、数２に示すモデルのＩＮＰＵＬＳＥ応答は周波数偏差Δｆを意味し、図３（ｂ）は制御開始時の追従誤差Ｅ０を１秒とした時のＩＮＰＵＬＳＥ応答を示す。
【００３２】
数１と数２を比較することにより、定数項から数３の関係式を、１次の項から数４の関係式を、２次の項から数５の関係式を導くことができる。
【数３】
【数４】
【数５】
【００３３】
ここで、１次遅れフィルタ４２を設けずに制御対象の伝達関数がＶＣＯ５０の応答特性のみよって決定されると、数５に示す等式が成り立たず、２次の項の比較におけるマッチングが行えない。つまり、モデルを用いた定量的な制御を行うことができない。しかしながら、１次遅れフィルタ４２を用いて制御対象の時定数を所望の値とすることで、全ての項において数２のモデルとマッチングすることができる。
【００３４】
また、基準周波数発生装置１００の制御系の構成において、ＶＣＯ５０が出力する基準１ＰＰＳは周波数偏差Δｆを積分した関係にある。つまり、ＳＴＥＰ入力時のＶＣＯ５０の周波数偏差Δｆの応答は、数２に示すモデルのＩＮＰＵＬＳＥ応答に等しいという特徴がある。したがって、数１のモデルから追従誤差ｅの応答とともに周波数偏差Δｆの応答を数６のように求めることができる。
【数６】
【００３５】
そして、数６より周波数偏差の最大値ｆＰＥＡＫに関する関係式数７を求めることができ、ｆＰＥＡＫに周波数偏差の制約条件（許容値）と、制御開始時の追従誤差Ｅ０が入力されたとき、固有値ω０は一意に決定される。このように固有値ω０が決定されれば、数３から数５に示す関係式より各伝達関数を決定することができる。つまり、任意な周波数偏差の許容値や制御開始時の追従誤差Ｅ０に応じた各伝達関数を、制御開始毎に決定することができる。
【数７】
【００３６】
次に、離散手段について説明する。Ｉ−Ｐ制御部４１における伝達関数を数８に示す。
【数８】
ここで、入力量ｙには、微小時間変動に対してほぼ一定とみなせるような誤差が含まれている。そこで数９に示すように、入力量の変化分Δｙを逐次加算することにより入力量ｙを求める。入力量の変化分Δｙには誤差が含まれていないとみなせるため、誤差の小さな入力量ｙを求めることができる。そして、このような逐次求めた入力量ｙを用いることで、数８より誤差の小さな操作量ｕを求めることができる。
【数９】
【００３７】
また、数８を離散化したものの差分を数１０に示す。
【数１０】
上述の入力量ｙを逐次求めてから操作量ｕを求める代わりに、数１０に示す操作量の変化分Δｕを逐次加算することにより操作量ｕを求めてもよい。このようにしても、誤差の小さな操作量ｕを求めることができる。
【００３８】
他に、基準１ＰＰＳの変化分Δｙは、数１１に示すように、追従誤差の変化分Δｅの正負を反転したものと近似することができる。なお、数１１における展開において、測位１ＰＰＳは測位信号から得られる精度の高い時刻情報を参照し生成しているため、その測位１ＰＰＳの変化分Δｒは０とみなしている。
【数１１】
【００３９】
数１０および数１１の関係により、基準１ＰＰＳの変化分Δｙを用いることなく追従誤差ｅ及びその変化分Δｅから、操作量の変化分Δｕを求めることもできる。このようにすることで、制御器４０に入力される値を追従誤差ｅのみとすることができ、誤差の小さな操作量ｕを算出することもできる。
【００４０】
基準１ＰＰＳの変化分Δｙを追従誤差の変化分Δｅとみなして制御を行った基準周波数発生器１００における基準１ＰＰＳおよび基準周波数応答のシミュレーション結果を図４に示し、実機検証結果を図５に示す。図４および図５において、横軸は測位信号の受信再開時からの経過時間を、縦軸左はＶＣＯが出力する基準１ＰＰＳの偏差を、縦軸右はＶＣＯが出力する基準周波数の偏差を表す。また、基準１ＰＰＳの偏差における定常状態は基準１ＰＰＳと測位１ＰＰＳの同期が取れていることを意味し、基準周波数の偏差における定常状態はＶＣＯが出力する周波数が１０ＭＨｚ等の所望の基準周波数であることを意味する。なお、ＧＮＳＳ衛星から送信された測位信号の受信中断で生じた周波数の誤差は、本制御の前処理にて修正されている。
【００４１】
以上のようにして、Ｉ−Ｐ制御部４１の伝達関数ＫｉおよびＫｐ／ｓ、一次遅れフィルタの伝達関数１／（Ｔ１ｓ＋１）を簡易に求めることができる。さらに、図４および図５に示すようにＶＣＯ５０の制御において周波数偏差の最大値が制約条件を超えない限りにおいて整定時間を短くでき、且つオーバーシュートが起こらないように定量的な制御することができる。
【００４２】
（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２を図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態２では、入力信号に対するＶＣＯ５１の応答速度が遅い場合を想定している。つまり、実施の形態１におけるＶＣＯ５０のように時定数が無視できない場合について言及する。
【００４３】
なお、ＶＣＯの時定数を無視することができるか否かの判断は、ＶＣＯの時定数または整定時間が基準周波数発生器の制御周期１秒の２倍未満か否かを一つの目安とすることができる。また、本実施の形態２による基準周波数発生装置２００の構成は、ＶＣＯの応答特性のみが異なるのみで実施の形態１における基準周波数発生装置１００と同様の構成であり、説明を省略する。
【００４４】
基準周波数発生装置２００に備えられたＶＣＯ５１は、上述のように時定数を無視することができない。したがって、本実施の形態２では部分的モデルマッチング法で用いるモデルの次元が異なる。以下、部分的モデルマッチング法によるＩ−Ｐ制御部４１および一次遅れフィルタ４２の伝達関数の算出方法について図面を用いて説明する。
【００４５】
図６は、基準周波数発生装置２００の制御処理を表すブロック線図である。ここで、ＶＣＯ５１の時定数をＴ０とし、伝達関数は１／（Ｔ０Ｓ＋１）である。
【００４６】
目標値ｒから制御量ｙの伝達関数は、数１２で与えられる。
【数１２】
【００４７】
次に、部分的モデルマッチング法における伝達関数のモデルとして、４次の二項係数標準形である数１３を与える。
【数１３】
【００４８】
数１２と数１３とを分母系列表現において比較することにより、１次の項から数１４の関係式が、２次の項から数１５の関係式が、３次の項から数１６の関係式を導くことができる。なお、数１４から数１６の関係式から導き出される各伝達関数と、４次の項から導き出される関係式とは一致させることができない。しかしながら、部分的モデルマッチング法では４次等の高次の項はモデルとのマッチングに際して無視することができるといった特徴を持つ。したがって、数１４から数１６の関係式から各伝達関数を算出することができる。
【数１４】
【数１５】
【数１６】
【００４９】
ここで、１次遅れフィルタ４２を設けずに制御対象の伝達関数がＶＣＯ５１の応答特性のみよって決定されてしまうと、数１６に示す等式が成り立たないため、分母系列表現における３次の項の比較においてマッチングが行えない。つまり、モデルを用いた定量的な制御を行うことができない。しかしながら、ＶＣＯ５１の時定数が無視できない場合であっても、１次遅れフィルタ４２を用いて制御対象の時定数を所望の値とすることで、３次までの項において数１３のモデルとマッチングすることができる。
【００５０】
そして、数１３より周波数偏差の最大値ｆＰＥＡＫに関する関係式数１７を求めることができ、ｆＰＥＡＫに周波数偏差の制約条件（許容値）と、制御開始時の追従誤差Ｅ０が入力されたとき、固有値ω０は一意に決定される。このように固有値ω０が決定されれば、数１４から数１６に示す関係式より各伝達関数を決定することができる。つまり、任意な周波数偏差の許容値や制御開始時の追従誤差Ｅ０に応じた各伝達関数を、制御開始毎に決定することができる。
【数１７】
【００５１】
さらに、実施の形態１と同様の離散手段により、基準１ＰＰＳの変化分Δｙを追従誤差の変化分Δｅにて代用することにより、操作量ｕを逐次加算することで算出する。ここで、目標値ｒおよびＰ動作への入力量ｙの観測に精度の低いタイミングカウンタを用いた場合には、目標値ｒおよび入力量ｙに誤差を多分に含むことになる。しかしながら、追従誤差ｅは入力量ｙと目標値ｒの差分から得られるため、観測に際して生じた誤差は相殺されている。したがって、上述の離散手段によって制御器４０への入力される値は追従誤差ｅのみとすることができるので、目標値ｒおよびＰ動作への入力量ｙの観測に精度の低いタイミングカウンタを用いた場合でも誤差の小さな操作量ｕを算出ことができる。
【００５２】
このようにして制御を行った基準周波数発生器２００の実機検証結果を図７に示す。図７において、横軸は測位信号の受信再開時からの経過時間を、縦軸左はＶＣＯが出力する基準１ＰＰＳの偏差を、縦軸右はＶＣＯが出力する基準周波数の偏差を表す。
【００５３】
図７から、入力信号に対する応答速度が遅いようなＶＣＯ５１の制御においても、周波数偏差の最大値が制約条件を超えない限りにおいて整定時間を短くでき、且つオーバーシュートが起こらないように定量的な制御ができていることがわかる。また、各伝達関数も簡易に求めることができ、計算量の増加等による負荷を大きくすることなく制御できる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の実施の形態１による基準周波数発生装置の主要構成の一例を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態１による基準周波数発生装置の制御に関するブロック線図である。
【図３】本発明の実施の形態１による二項係数標準形モデルの応答を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態１による基準周波数発生装置の制御におけるシミュレーション結果を示すである。
【図５】本発明の実施の形態１による基準周波数発生装置の制御における実機検証結果を示すである。
【図６】本発明の実施の形態２による基準周波数発生装置の制御に関するブロック線図である。
【図７】本発明の実施の形態２による基準周波数発生装置の制御における実機検証結果を示すである。
【図８】従来の基準周波数発生装置の制御における実機検証結果を示すである。
【符号の説明】
【００５５】
１０ アンテナ
２０ 受信機
３０ 比較器
４１ Ｉ−Ｐ制御部
４２ 一次遅れフィルタ
５０、５１ ＶＣＯ
６０ 検出器
１００、２００ 基準周波数発生装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地上デジタル放送の送信所や移動体通信の基地局等に設けられ、ＧＮＳＳ衛星から送信された測位信号に基づいて測位１ＰＰＳを生成し、この測位１ＰＰＳに同期した基準１ＰＰＳおよび基準周波数信号を地上デジタル放送の送信所や移動体通信の基地局等に供給する基準周波数発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、一般に普及している地上デジタル放送や移動体通信では、通信データの多重化技術が用いられており、例えば、時分割多重接続（ＴＤＭＡ）や周波数分割多重接続（ＦＤＭＡ）が存在する。このような多重化されたシステムにおいて、送信タイミングや周波数を同期するために、全てのシステムに共通な１秒間隔のタイミング信号（基準１ＰＰＳと称する）や１０ＭＨｚの基準周波数が必要となる。そこで、基準周波数発生装置は地上デジタル放送の送信所や移動体通信の基地局等に基準１ＰＰＳや基準周波数信号を安定して供給することが求められる。このため、基準周波数発生装置は、ＧＮＳＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｓｙｓｔｅｍ）衛星が送信する測位信号から得られる精度の高い時刻情報を参照し、そのＧＮＳＳ時刻の１秒タイミング（測位１ＰＰＳと称する）に同期した基準１ＰＰＳおよび基準周波数信号が出力されるように制御される。
【０００３】
例えば、特許文献１に記載の基準周波数発生装置は、具備する電圧制御型発振器（ＶＣＯと称する）が出力した基準１ＰＰＳのタイミングと測位信号から取得した測位１ＰＰＳのタイミングの時間間隔を測定し、その時間間隔の変化量が等しくなるように、ＰＩ制御を行う。このようにして、基準１ＰＰＳと測位１ＰＰＳとを同期する。
【０００４】
ここで、地上デジタル放送の送信所や移動体通信の基地局の増加に伴い、基準周波数発生装置は様々な場所で利用されるようになり、一時的に測位信号を受信できないことも珍しいことではなくなってきた。上述のように、基準周波数発生装置は測位信号から生成した測位１ＰＰＳを参照することにより、正確な送信タイミングや周波数信号を安定して出力することができる。したがって、一時的にせよ測位信号を受信できなくなれば、つまり測位１ＰＰＳが参照できなくなれば、その間ＶＣＯが出力する基準１ＰＰＳの誤差は徐々に大きくなってしまう。
【０００５】
測位信号の受信を再開しはじめると、受信中断で生じた誤差を補正すべくＶＣＯは制御されるが、従来からの基準周波数発生装置で用いられているＶＣＯの制御方式では、図８に示すような応答を経て定常状態に達することになる。図８（ａ）は、ＶＣＯが出力する基準１ＰＰＳの偏差の時間変化を示し、横軸は測位信号の受信再開時からの経過時間を、縦軸はＶＣＯが出力する基準１ＰＰＳの偏差を表す。図８（ｂ）は、ＶＣＯが出力する周波数偏差の時間変化を示し、横軸は測位信号の受信再開時からの経過時間を、縦軸はＶＣＯが出力する周波数信号の偏差を表す。なお、図８（ａ）および（ｂ）中のＸは周波数偏差の最大値を、Ｙは整定時間を、Ｚは基準１ＰＰＳ偏差のオーバーシュートを表す。また、基準１ＰＰＳ偏差の定常値は測位１ＰＰＳと同期が取れていることを、周波数偏差の定常値は所望の基準周波数を意味する。
【特許文献１】特開平８−１４６１６６号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ここで、基準周波数発生装置の同期制御においては、できるだけ早期に正確な基準１ＰＰＳを出力するために、図８における整定時間Ｙは可能な限り短いことが求められる。この整定時間Ｙは、周波数偏差を大きくすることで短くすることができるが、周波数偏差は放送法や各々の上位システムの仕様により、最大値Ｘの許容値が制約条件として設けられている。さらに、周波数偏差を大きくすることで、オーバーシュートＺが起こってしまう。このオーバーシュートＺがあると、基準１ＰＰＳと測位１ＰＰＳの同期が取れた状態から再び同期が外れてしまうこととなり、同期がとれた状態であることを検知することを困難にしてしまう。逆に、オーバーシュートＺが発生しないように周波数偏差を必要以上に小さくしようとすると、整定時間Ｙが長くなってしまう。
【０００７】
つまり、基準周波数発生装置は、周波数偏差の最大値Ｘが制約条件を超えない限りにおいて整定時間Ｙを短くし、且つオーバーシュートＺが起こらないようにすることが求められる。
【０００８】
しかしながら、従来のような基準周波数発生装置では、ＶＣＯを試行錯誤に制御するため、周波数偏差の最大値が制約条件を超えることなく整定時間をできる限り短くでき、且つオーバーシュートが起こらないよう定量的に制御することができなかった。例えば、測位信号の受信再開時における追従誤差の大きさは測位信号の受信中断時間等により異なるが、この任意の大きさの追従誤差に対して自動的に定量的な制御をすることができなかった。
【０００９】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、周波数偏差の最大値が制約条件を超えることなく、整定時間をできる限り短くでき、且つオーバーシュートが起こらないようにＶＣＯを定量的に制御することのできる基準周波数発生装置を提供することを目的とする。さらに、ＶＣＯの制御における操作量を簡易な方法で算出することのできる基準周波数発生装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決するために本発明における基準周波数発生装置は、測位信号に基づく測位時刻信号に同期した基準時刻信号または基準周波数信号を出力し、前記測位信号に基づいて前記測位時刻信号を出力する受信機と、前記測位時刻信号と前記基準時刻信号を比較し追従誤差を出力する比較器と、前記追従誤差に基づいて操作量を出力する制御器と、前記操作量に応じて発振し周波数信号を出力する電圧制御型発振器と、前記周波数信号から前記基準時刻信号を検出する検出器とを備え、前記制御器は、Ｉ−Ｐ制御部および前記電圧制御型発振器の応答特性に寄与する１次遅れフィルタにより前記操作量を算出し、該Ｉ−Ｐ制御部および１次遅れフィルタの伝達関数を二項係数標準形をモデルとした部分的モデルマッチング法により算出することを特徴とする。
【００１１】
二項係数標準形をモデルとした部分的モデルマッチング法により制御器の伝達関数を算出したことにより、基準１ＰＰＳと測位１ＰＰＳを同期するに際してオーバーシュートが発生しない基準周波数発生装置を提供することができる。また、１次遅れフィルタを設けたことにより電圧制御型発振器の機種に因らず、定量的な制御をすることができる。
【００１２】
さらに、前述の基準周波数発生装置が備える制御器は、前記二項係数標準形モデルの固有値を前記電圧制御型発振器が出力する周波数偏差の許容値に基づいて決定することを特徴とする。また、前述の制御器は、前記二項係数標準形モデルの固有値を前記測位信号の受信再開時における前記追従誤差に基づいて決定することを特徴とする。
【００１３】
このようにすることで、周波数偏差の最大値が制約条件を超えない限りにおいて整定時間を短くでき、且つオーバーシュートが起こらないように電圧制御型発振器を定量的に制御することができる。また、測位信号の受信再開時における追従誤差の大きさに応じて、上述のような制御を行うような制御器の伝達関数を都度算出することができる。つまり、制御器の伝達関数は測位信号の受信再開毎に決定され、電圧制御型発振器が出力する基準１ＰＰＳ誤差の大きさに因らず常に上述のような制御を行うことができる。
【００１４】
さらに、前述の基準周波数発生装置が備える制御器は、前記Ｉ−Ｐ制御部におけるＰ動作の入力量を該Ｐ動作の入力量の変化分を逐次加算することで算出する離散手段を有することを特徴とする。また、前述の離散手段は、前記Ｐ動作の入力量である前記基準時刻信号の変化分を前記追従誤差の変化分とみなして該Ｐ動作の入力量を算出することを特徴とする。
【００１５】
このようにすることで、Ｉ−Ｐ制御を行う際にＰ動作の入力量に誤差が含まれる場合でも、誤差の小さな入力量、ひいては操作量を算出することができる。また、制御器の入力量を追従誤差のみとすることができ、誤差の小さな操作量を算出することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明による基準周波数発生装置は、周波数偏差の最大値が制約条件を超えない限りにおいて整定時間を短くでき、且つオーバーシュートが起こらないようにＶＣＯを定量的に制御することができる。さらに、定量的に制御したことにより、整定時間など基準１ＰＰＳや周波数偏差の応答を簡易に予測することができる。
【００１７】
また、ＶＣＯの制御における操作量の算出を簡易な方法で算出することができるため、計算量の増加等による負荷を大きくすることなく、また高価にすることなく制御できる。また、ＶＣＯの機種に因らずに上述の効果を有した制御系を設計することができるため、異機種に対してもソフトウェアを一本化することができ、開発期間を短縮することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１を図面を参照しながら説明する。図１は、本実施の形態１による基準周波数発生装置１００の主要構成の一例を示す図である。図１に示すように、基準周波数発生装置１００は、アンテナ１０と、受信機２０と、比較器３０と、制御器４０と、ＶＣＯ５０と、検出器６０とを備える。なお、本実施の形態１による制御系において、制御対象はＶＣＯ５０であり、受信機２０から出力される値が目標値ｒ、比較器３０から出力される値が追従誤差ｅ、制御器４０から出力される値が操作量ｕ’、ＶＣＯ５０を介して検出器６０から出力される値が制御量ｙである。
【００１９】
アンテナ１０は、ＧＮＳＳ衛星から測位信号を受信する。受信機２０は、アンテナ１０で受信した受信信号から測位時刻信号を取得し比較器３０に出力する。測位時刻信号は、１秒間隔のタイミングパルスから成る測位１ＰＰＳ（Ｐｕｌｓｅ Ｐｅｒ Ｓｅｃｏｎｄ）である。
【００２０】
比較器３０は、前回のサイクルの処理により検出器６０から出力された基準１ＰＰＳと、今回のサイクルの処理により受信機２０から出力された測位１ＰＰＳとを比較し、それらのタイミングの差（位相差）である追従誤差ｅを制御器４０に出力する。
【００２１】
制御器４０は、比較器３０から出力された追従誤差ｅを入力量として操作量ｕおよびｕ’を算出する。具体的に、制御器４０はＩ−Ｐ制御部４１によって操作量ｕを算出し、１次遅れフィルタ４２を介した操作量ｕ’をＶＣＯ５０に出力する。Ｉ−Ｐ制御部４１および１次遅れフィルタ４２の各伝達関数は、３次の二項係数標準形をモデルとして部分的モデルマッチング法により算出される。なお、この算出方法の詳細は後述する。
【００２２】
Ｉ−Ｐ制御部４１はいわゆる比例先行型ＰＩ制御であり、通常のＰＩ制御と異なり、検出器６０から出力された制御量ｙがＰ動作の入力量ｙとして与えられるといった特徴がある。ここで、Ｐ動作の入力量ｙには、微小時間変動に対してほぼ一定とみなせるような誤差が含まれている。そこで、制御器４０はＰ動作への入力量ｙを、離散手段を用いて入力量の変化分Δｙを逐次加算することにより求める（インクリメント方式）。このようにすることで、上述のような誤差に影響されない入力量ｙを算出することができ、誤差の小さな操作量ｕを求めることができる。なお、この離散手段の詳細は後述する。
【００２３】
また、入力信号に対するＶＣＯ５０の応答特性はその種類に応じて決まっている。つまり、ＶＣＯ５０の時定数はその種類によって一意に固定される。しかしながら、制御対象の時定数が固定であれば、後述するように本発明で用いるモデルとのマッチングを行うことができない。そこで、Ｉ−Ｐ制御部４１における操作量ｕに対して任意な時定数Ｔ１を与えることができ、制御対象であるＶＣＯ５０の応答に寄与する一次遅れフィルタ４２を制御器４０に設ける。このようにすることで、制御対象であるＶＣＯ５０の時定数に左右されることなく、モデルとのマッチングをすることができるようになる。なお、一次遅れフィルタ４２の時定数の算出方法の詳細は後述する。
【００２４】
ＶＣＯ５０は、制御器４０から出力された操作量ｕ’に基づいて発振し、１０ＭＨｚ等の基準周波数信号を地上デジタル放送の送信所や移動体通信の基地局等および検出器６０に出力する。なお、本実施の形態１では、入力信号に対する応答速度が十分に速いＶＣＯ５０を用いている。そのため、ＶＣＯ５０の時定数は無視することができる。
【００２５】
検出器６０は、ＶＣＯ５０から出力された基準周波数信号に基づいて基準時刻信号を検出し、この基準時刻信号を地上デジタル放送の送信所や移動体通信の基地局、および比較器３０に出力する。特に、基準時刻信号は１秒間隔のタイミングパルスから成る基準１ＰＰＳである。
【００２６】
以下、部分的モデルマッチング法によるＩ−Ｐ制御部４１および一次遅れフィルタ４２における伝達関数の算出方法について図面を用いて説明する。
【００２７】
図２は、基準周波数発生装置１００の制御処理を表すブロック線図である。図２中のｒはこの制御系における目標値を表し、受信機２０から出力される測位１ＰＰＳである。また、ｙは制御量を表し、ＶＣＯ５０から出力される基準周波数の偏差Δｆを積分した関係にある基準１ＰＰＳである。ｅは比較器３０により求められる追従誤差を表し、目標値ｒと制御量ｙの差、つまり測位１ＰＰＳのタイミングと基準１ＰＰＳのタイミングとの時間差である。ｕ’は制御対象であるＶＣＯ５０に一次遅れフィルタ４２を介して出力される操作量であり、ｕはＩ−Ｐ制御部４１により求められる操作量である。
【００２８】
さらに、ＫｐはＩ−Ｐ制御部４１におけるＰ動作の伝達関数を、Ｋｉ／ｓはＩ−Ｐ制御部４１におけるＩ動作の伝達関数を、１／（Ｔ１Ｓ＋１）は一次遅れフィルタ４２の伝達関数を、１はＶＣＯ５０の伝達関数を、１／Ｓは検出器６０の伝達関数を示す。なお、本実施の形態１では、入力信号に対する応答速度が十分に速いＶＣＯ５０を用いている。そのため、ＶＣＯ５０の時定数を無視し、ＶＣＯ５０の伝達関数を１に近似している。
【００２９】
図２に示す制御系において、目標値ｒから制御量ｙの伝達関数は数１で与えられる。
【数１】
【００３０】
次に、部分的モデルマッチング法における伝達関数のモデルとして、３次の二項係数標準形である数２を与える。
【数２】
【００３１】
この数２のモデルは、図３で示すようにＳＴＥＰ応答においてオーバーシュートが発生せず、さらに固有値ω０の値が大きくなるにつれて整定時間が短くなり、且つ周波数偏差の最大値が大きくなるような特徴を有している。なお、数２のＳＴＥＰ応答は追従誤差ｅの応答を意味し、図３（ａ）は制御開始時の追従誤差Ｅ０を１秒とした時のＳＴＥＰ応答を示す。また、数２に示すモデルのＩＮＰＵＬＳＥ応答は周波数偏差Δｆを意味し、図３（ｂ）は制御開始時の追従誤差Ｅ０を１秒とした時のＩＮＰＵＬＳＥ応答を示す。
【００３２】
数１と数２を比較することにより、定数項から数３の関係式を、１次の項から数４の関係式を、２次の項から数５の関係式を導くことができる。
【数３】
【数４】
【数５】
【００３３】
ここで、１次遅れフィルタ４２を設けずに制御対象の伝達関数がＶＣＯ５０の応答特性のみよって決定されると、数５に示す等式が成り立たず、２次の項の比較におけるマッチングが行えない。つまり、モデルを用いた定量的な制御を行うことができない。しかしながら、１次遅れフィルタ４２を用いて制御対象の時定数を所望の値とすることで、全ての項において数２のモデルとマッチングすることができる。
【００３４】
また、基準周波数発生装置１００の制御系の構成において、ＶＣＯ５０が出力する基準１ＰＰＳは周波数偏差Δｆを積分した関係にある。つまり、ＳＴＥＰ入力時のＶＣＯ５０の周波数偏差Δｆの応答は、数２に示すモデルのＩＮＰＵＬＳＥ応答に等しいという特徴がある。したがって、数１のモデルから追従誤差ｅの応答とともに周波数偏差Δｆの応答を数６のように求めることができる。
【数６】
【００３５】
そして、数６より周波数偏差の最大値ｆＰＥＡＫに関する関係式数７を求めることができ、ｆＰＥＡＫに周波数偏差の制約条件（許容値）と、制御開始時の追従誤差Ｅ０が入力されたとき、固有値ω０は一意に決定される。このように固有値ω０が決定されれば、数３から数５に示す関係式より各伝達関数を決定することができる。つまり、任意な周波数偏差の許容値や制御開始時の追従誤差Ｅ０に応じた各伝達関数を、制御開始毎に決定することができる。
【数７】
【００３６】
次に、離散手段について説明する。Ｉ−Ｐ制御部４１における伝達関数を数８に示す。
【数８】
ここで、入力量ｙには、微小時間変動に対してほぼ一定とみなせるような誤差が含まれている。そこで数９に示すように、入力量の変化分Δｙを逐次加算することにより入力量ｙを求める。入力量の変化分Δｙには誤差が含まれていないとみなせるため、誤差の小さな入力量ｙを求めることができる。そして、このような逐次求めた入力量ｙを用いることで、数８より誤差の小さな操作量ｕを求めることができる。
【数９】
【００３７】
また、数８を離散化したものの差分を数１０に示す。
【数１０】
上述の入力量ｙを逐次求めてから操作量ｕを求める代わりに、数１０に示す操作量の変化分Δｕを逐次加算することにより操作量ｕを求めてもよい。このようにしても、誤差の小さな操作量ｕを求めることができる。
【００３８】
他に、基準１ＰＰＳの変化分Δｙは、数１１に示すように、追従誤差の変化分Δｅの正負を反転したものと近似することができる。なお、数１１における展開において、測位１ＰＰＳは測位信号から得られる精度の高い時刻情報を参照し生成しているため、その測位１ＰＰＳの変化分Δｒは０とみなしている。
【数１１】
【００３９】
数１０および数１１の関係により、基準１ＰＰＳの変化分Δｙを用いることなく追従誤差ｅ及びその変化分Δｅから、操作量の変化分Δｕを求めることもできる。このようにすることで、制御器４０に入力される値を追従誤差ｅのみとすることができ、誤差の小さな操作量ｕを算出することもできる。
【００４０】
基準１ＰＰＳの変化分Δｙを追従誤差の変化分Δｅとみなして制御を行った基準周波数発生器１００における基準１ＰＰＳおよび基準周波数応答のシミュレーション結果を図４に示し、実機検証結果を図５に示す。図４および図５において、横軸は測位信号の受信再開時からの経過時間を、縦軸左はＶＣＯが出力する基準１ＰＰＳの偏差を、縦軸右はＶＣＯが出力する基準周波数の偏差を表す。また、基準１ＰＰＳの偏差における定常状態は基準１ＰＰＳと測位１ＰＰＳの同期が取れていることを意味し、基準周波数の偏差における定常状態はＶＣＯが出力する周波数が１０ＭＨｚ等の所望の基準周波数であることを意味する。なお、ＧＮＳＳ衛星から送信された測位信号の受信中断で生じた周波数の誤差は、本制御の前処理にて修正されている。
【００４１】
以上のようにして、Ｉ−Ｐ制御部４１の伝達関数ＫｉおよびＫｐ／ｓ、一次遅れフィルタの伝達関数１／（Ｔ１ｓ＋１）を簡易に求めることができる。さらに、図４および図５に示すようにＶＣＯ５０の制御において周波数偏差の最大値が制約条件を超えない限りにおいて整定時間を短くでき、且つオーバーシュートが起こらないように定量的な制御することができる。
【００４２】
（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２を図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態２では、入力信号に対するＶＣＯ５１の応答速度が遅い場合を想定している。つまり、実施の形態１におけるＶＣＯ５０のように時定数が無視できない場合について言及する。
【００４３】
なお、ＶＣＯの時定数を無視することができるか否かの判断は、ＶＣＯの時定数または整定時間が基準周波数発生器の制御周期１秒の２倍未満か否かを一つの目安とすることができる。また、本実施の形態２による基準周波数発生装置２００の構成は、ＶＣＯの応答特性のみが異なるのみで実施の形態１における基準周波数発生装置１００と同様の構成であり、説明を省略する。
【００４４】
基準周波数発生装置２００に備えられたＶＣＯ５１は、上述のように時定数を無視することができない。したがって、本実施の形態２では部分的モデルマッチング法で用いるモデルの次元が異なる。以下、部分的モデルマッチング法によるＩ−Ｐ制御部４１および一次遅れフィルタ４２の伝達関数の算出方法について図面を用いて説明する。
【００４５】
図６は、基準周波数発生装置２００の制御処理を表すブロック線図である。ここで、ＶＣＯ５１の時定数をＴ０とし、伝達関数は１／（Ｔ０Ｓ＋１）である。
【００４６】
目標値ｒから制御量ｙの伝達関数は、数１２で与えられる。
【数１２】
【００４７】
次に、部分的モデルマッチング法における伝達関数のモデルとして、４次の二項係数標準形である数１３を与える。
【数１３】
【００４８】
数１２と数１３とを分母系列表現において比較することにより、１次の項から数１４の関係式が、２次の項から数１５の関係式が、３次の項から数１６の関係式を導くことができる。なお、数１４から数１６の関係式から導き出される各伝達関数と、４次の項から導き出される関係式とは一致させることができない。しかしながら、部分的モデルマッチング法では４次等の高次の項はモデルとのマッチングに際して無視することができるといった特徴を持つ。したがって、数１４から数１６の関係式から各伝達関数を算出することができる。
【数１４】
【数１５】
【数１６】
【００４９】
ここで、１次遅れフィルタ４２を設けずに制御対象の伝達関数がＶＣＯ５１の応答特性のみよって決定されてしまうと、数１６に示す等式が成り立たないため、分母系列表現における３次の項の比較においてマッチングが行えない。つまり、モデルを用いた定量的な制御を行うことができない。しかしながら、ＶＣＯ５１の時定数が無視できない場合であっても、１次遅れフィルタ４２を用いて制御対象の時定数を所望の値とすることで、３次までの項において数１３のモデルとマッチングすることができる。
【００５０】
そして、数１３より周波数偏差の最大値ｆＰＥＡＫに関する関係式数１７を求めることができ、ｆＰＥＡＫに周波数偏差の制約条件（許容値）と、制御開始時の追従誤差Ｅ０が入力されたとき、固有値ω０は一意に決定される。このように固有値ω０が決定されれば、数１４から数１６に示す関係式より各伝達関数を決定することができる。つまり、任意な周波数偏差の許容値や制御開始時の追従誤差Ｅ０に応じた各伝達関数を、制御開始毎に決定することができる。
【数１７】
【００５１】
さらに、実施の形態１と同様の離散手段により、基準１ＰＰＳの変化分Δｙを追従誤差の変化分Δｅにて代用することにより、操作量ｕを逐次加算することで算出する。ここで、目標値ｒおよびＰ動作への入力量ｙの観測に精度の低いタイミングカウンタを用いた場合には、目標値ｒおよび入力量ｙに誤差を多分に含むことになる。しかしながら、追従誤差ｅは入力量ｙと目標値ｒの差分から得られるため、観測に際して生じた誤差は相殺されている。したがって、上述の離散手段によって制御器４０への入力される値は追従誤差ｅのみとすることができるので、目標値ｒおよびＰ動作への入力量ｙの観測に精度の低いタイミングカウンタを用いた場合でも誤差の小さな操作量ｕを算出ことができる。
【００５２】
このようにして制御を行った基準周波数発生器２００の実機検証結果を図７に示す。図７において、横軸は測位信号の受信再開時からの経過時間を、縦軸左はＶＣＯが出力する基準１ＰＰＳの偏差を、縦軸右はＶＣＯが出力する基準周波数の偏差を表す。
【００５３】
図７から、入力信号に対する応答速度が遅いようなＶＣＯ５１の制御においても、周波数偏差の最大値が制約条件を超えない限りにおいて整定時間を短くでき、且つオーバーシュートが起こらないように定量的な制御ができていることがわかる。また、各伝達関数も簡易に求めることができ、計算量の増加等による負荷を大きくすることなく制御できる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の実施の形態１による基準周波数発生装置の主要構成の一例を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態１による基準周波数発生装置の制御に関するブロック線図である。
【図３】本発明の実施の形態１による二項係数標準形モデルの応答を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態１による基準周波数発生装置の制御におけるシミュレーション結果を示すである。
【図５】本発明の実施の形態１による基準周波数発生装置の制御における実機検証結果を示すである。
【図６】本発明の実施の形態２による基準周波数発生装置の制御に関するブロック線図である。
【図７】本発明の実施の形態２による基準周波数発生装置の制御における実機検証結果を示すである。
【図８】従来の基準周波数発生装置の制御における実機検証結果を示すである。
【符号の説明】
【００５５】
１０ アンテナ
２０ 受信機
３０ 比較器
４１ Ｉ−Ｐ制御部
４２ 一次遅れフィルタ
５０、５１ ＶＣＯ
６０ 検出器
１００、２００ 基準周波数発生装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測位信号に基づく測位時刻信号に同期した基準時刻信号または基準周波数信号を出力する基準周波数発生装置において、
前記測位信号に基づいて前記測位時刻信号を出力する受信機と、
前記測位時刻信号と前記基準時刻信号を比較し追従誤差を出力する比較器と、
前記追従誤差に基づいて操作量を出力する制御器と、
前記操作量に応じて発振し周波数信号を出力する電圧制御型発振器と、
前記周波数信号から前記基準時刻信号を検出する検出器とを備え、
前記制御器は、Ｉ−Ｐ制御部および前記電圧制御型発振器の応答特性に寄与する１次遅れフィルタにより前記操作量を算出し、該Ｉ−Ｐ制御部および１次遅れフィルタの伝達関数を二項係数標準形をモデルとした部分的モデルマッチング法により算出することを特徴とした基準周波数発生装置。
【請求項２】
請求項１に記載の基準周波数発生装置において、
前記制御器は、前記二項係数標準形モデルの固有値を前記電圧制御型発振器が出力する周波数偏差の許容値に基づいて決定することを特徴とした基準周波数発生装置。
【請求項３】
請求項１または２の何れかに記載の基準周波数発生装置において、
前記制御器は、前記二項係数標準形モデルの固有値を前記測位信号の受信再開時における前記追従誤差に基づいて決定することを特徴とした基準周波数発生装置。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れかに記載の基準周波数発生装置において、
前記制御器は、前記Ｉ−Ｐ制御部におけるＰ動作の入力量を該Ｐ動作の入力量の変化分を逐次加算することで算出する離散手段を有することを特徴とした基準周波数発生装置。
【請求項５】
請求項４に記載の基準周波数発生装置において、
前記離散手段は、前記Ｐ動作の入力量である前記基準時刻信号の変化分を前記追従誤差の変化分とみなして該Ｐ動作の入力量を算出することを特徴とした基準周波数発生装置。
【請求項１】
測位信号に基づく測位時刻信号に同期した基準時刻信号または基準周波数信号を出力する基準周波数発生装置において、
前記測位信号に基づいて前記測位時刻信号を出力する受信機と、
前記測位時刻信号と前記基準時刻信号を比較し追従誤差を出力する比較器と、
前記追従誤差に基づいて操作量を出力する制御器と、
前記操作量に応じて発振し周波数信号を出力する電圧制御型発振器と、
前記周波数信号から前記基準時刻信号を検出する検出器とを備え、
前記制御器は、Ｉ−Ｐ制御部および前記電圧制御型発振器の応答特性に寄与する１次遅れフィルタにより前記操作量を算出し、該Ｉ−Ｐ制御部および１次遅れフィルタの伝達関数を二項係数標準形をモデルとした部分的モデルマッチング法により算出することを特徴とした基準周波数発生装置。
【請求項２】
請求項１に記載の基準周波数発生装置において、
前記制御器は、前記二項係数標準形モデルの固有値を前記電圧制御型発振器が出力する周波数偏差の許容値に基づいて決定することを特徴とした基準周波数発生装置。
【請求項３】
請求項１または２の何れかに記載の基準周波数発生装置において、
前記制御器は、前記二項係数標準形モデルの固有値を前記測位信号の受信再開時における前記追従誤差に基づいて決定することを特徴とした基準周波数発生装置。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れかに記載の基準周波数発生装置において、
前記制御器は、前記Ｉ−Ｐ制御部におけるＰ動作の入力量を該Ｐ動作の入力量の変化分を逐次加算することで算出する離散手段を有することを特徴とした基準周波数発生装置。
【請求項５】
請求項４に記載の基準周波数発生装置において、
前記離散手段は、前記Ｐ動作の入力量である前記基準時刻信号の変化分を前記追従誤差の変化分とみなして該Ｐ動作の入力量を算出することを特徴とした基準周波数発生装置。
【図１】
【図２】
【図６】
【図３】
【図４】
【図５】
【図７】
【図８】
【図２】
【図６】
【図３】
【図４】
【図５】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００９−１７４０８（Ｐ２００９−１７４０８Ａ）
【公開日】平成２１年１月２２日（２００９．１．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１７８９３３（Ｐ２００７−１７８９３３）
【出願日】平成１９年７月６日（２００７．７．６）
【出願人】（０００１６６２４７）古野電気株式会社 (441)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１月２２日（２００９．１．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年７月６日（２００７．７．６）
【出願人】（０００１６６２４７）古野電気株式会社 (441)
【Ｆターム（参考）】
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