説明

方位・仰角測定システム

【課題】到来信号の方位および仰角を精密に測定できる方位・仰角測定システムを提供する。
【解決手段】複数のアンテナ11〜11と、複数のアンテナから得られる複数のアンテナ受信信号に基づき推定した到来波数と到来信号を用いてレイトレーシングによる電波伝搬経路推定を行って到来方向を求め、該求めた到来方向を初期値として到来方位および仰角を測定する信号処理装置15を備えている。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の実施形態は、電波の到来方位および仰角を測定する方位・仰角測定システムに関する。
【背景技術】
【0002】
アレイアンテナにより受信された電波の到来方向、つまり到来方位および仰角を測定した結果には、コヒーレントマルチパスの影響により誤差が含まれる。この誤差を低減する方法として、例えばSAGE法が知られている(非特許文献1、非特許文献2参照)。このSAGE法は、到来波(マルチパス波を含む)の信号数と到来信号を仮定し、収束判定を行う評価関数の値が収束するまで繰り返し処理を実行するものである。
【0003】
しかしながら、上述したSAGE法では、初期信号数により収束結果が異なる場合がある。また、初期到来信号として適切な値を設定する方法が存在しない。そのため、一般に、適当な信号数を設定し、ランダムに初期到来信号を決めることが行われている。
【0004】
非特許文献1に示されているSAGE法の初期値設定方法の1つとして、非特許文献3に記載されているAkaike's and Rissanen's criteriaの方法を用いて到来信号数を推定するとともに、非特許文献4に示されているMUSIC法により、到来信号の到来方向を推定し、これらの推定値を初期値として用いる方法が知られている。そして、この方法を用いて到来方向のステアリングベクトルが生成される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0005】
【非特許文献1】Bernard H.Fleury,et.al.:”Channel Parameter Estimation in Mobile Radio Environments Using the SAGE Algorithm’ ,IEEE J.Sel.Areas Commun.,vol.17,no.3,pp434-450,March 1999.
【非特許文献2】石黒靖博、菊間信良、平山裕、榊原久仁男:”SAGEアルゴリズムを用いた高分解能電波到来方向推定のための方形重み付アレーアンテナ校正法”,信学論(B),vol.J93-B,No.2,2010.
【非特許文献3】M.Wax and T.Kailath,”Detection of signals by information theoreteic criteria”,IEEE Trans.Acoust.,Speech,Signal Processing,Vol.ASSP-33,Apr.1985.
【非特許文献4】菊間信良:”アレーアンテナによる適用信号処理”,科学技術出版,1999.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
上述したAkaike's and Rissanen's criteriaの方法を用いる前提条件は、信号が独立性を有し、ノイズが正規分布していることであるが、実際には、独立性がないコヒーレントマルチパス信号が存在しているため、コヒーレントマルチパス信号を含む受信信号の信号数は不明確である。また、コヒーレント信号の到来方向、特に仰角については、初期値として適切な値を設定することは難しい。その結果、到来信号の方位および仰角を精密に測定できないという問題がある。
【0007】
本発明が解決しようとする課題は、到来信号の方位および仰角を精密に測定できる方位・仰角測定システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
実施形態に係る方位・仰角測定システムによれば、複数のアンテナと、複数のアンテナから得られる複数のアンテナ受信信号に基づき推定した到来波数と到来信号を用いてレイトレーシングによる電波伝搬経路推定を行って到来方向を求め、該求めた到来方向を初期値として到来方位および仰角を測定する信号処理装置を備えることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】第1の実施形態に係る方位・仰角測定システムの構成を示すブロック図である。
【図2】第1の実施形態に係る方位・仰角測定システムの動作を示すフローチャートである。
【図3】第1の実施形態に係る方位・仰角測定システムで行われる電波伝搬経路推定および減衰量推定の詳細を示すフローチャートである。
【図4】第1の実施形態に係る方位・仰角測定システムで行われる電波伝搬経路推定を説明するための図である。
【図5】第1の実施形態に係る方位・仰角測定システムで行われる計算位置からの到来方向推定を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【第1の実施形態】
【0011】
図1は、第1の実施形態に係る方位・仰角測定システムの構成を示すブロック図である。方位・仰角測定システムは、信号処理系1、衛星信号処理系2、電離層観測系3、インターネットデータ処理系4およびデータサーバ系5を備えている。
【0012】
信号処理系1は、アレイ信号処理を行う部分であり、p個(pは2以上の整数)の通信電波受信用のアンテナ11〜11、p個のアンプ12〜12、p個の周波数変換部13〜13、p個のデジタイザ14〜14、信号処理装置15および表示部16を備えている。
【0013】
p個のアンテナ11〜11は、外部から到来する電波を受信してアナログの電気信号に変換し、p個のアンプ12〜12にそれぞれ送る。
【0014】
p個のアンプ12〜12は、p個のアンテナ11〜11からそれぞれ送られてくる電気信号を増幅し、p個の周波数変換部13〜13にそれぞれ送る。
【0015】
p個の周波数変換部13〜13は、p個のアンプ12〜12からそれぞれ送られてくる増幅された電気信号の周波数を変換し、p個のデジタイザ14〜14にそれぞれ送る。
【0016】
p個のデジタイザ14〜14は、p個の周波数変換部13〜13からそれぞれ送られてくる周波数変換されたアナログ信号をデジタル信号に変換し、アンテナ受信信号として信号処理装置15に送る。
【0017】
信号処理装置15は、この方位・仰角測定システムの主要部であり、到来信号の到来方向測定を実施する。この信号処理装置15は、到来方向推定のために、p個のデジタイザ14〜14からそれぞれ送られてくるp個のアンテナ受信信号に基づき電離層電子密度を推定し、電波伝搬経路推定を行う。
【0018】
電離層電子密度の推定には、IRI(International Reference Ionosphere)モデルやこのIRIモデルをGPS(Global Positioning System)衛星等からのGPS信号で修正したTEC(Total Electron Contents)を用いることができる。また、信号処理装置15は、電離層観測系3やインターネットデータ観測系4から送られてくる電離層実測データを使用した電離層電子密度の推定も実行する。
【0019】
この信号処理装置15で行う到来方向推定、電離層電子密度推定および電波伝搬経路推定は、1つのCPU(Central Processing Unit)で行うこともできるし、複数のCPUで並行して行うこともできる。電波伝搬経路推定の場合、決められた計算開始場所と到来方向を、複数のCPUで同時に計算させ、到来方向測定の結果を総合するように構成することができる。
【0020】
表示部16は、ディスプレイを含むパーソナルコンピュータから構成されており、信号処理装置15における処理結果を表示する。この表示部16は、パーソナルコンピュータを複数用意して並行に処理を行うように構成することができる。
【0021】
衛星信号処理系2は、衛星信号受信アンテナ21、衛星信号受信器22および衛星信号処理装置23を備えている。衛星信号受信アンテナ21は、GPS衛星またはGalileo衛星等から送られてくる複数の電波を受信し、電気信号に変換して衛星信号受信器22に送る。
【0022】
衛星信号受信器22は、衛星信号受信アンテナ21から送られてくる複数の電気信号の増幅等を行い、衛星信号処理装置23に送る。衛星信号処理装置23は、衛星信号受信器22から送られてくる複数の信号から擬似距離、位相および軌道暦を取得して信号処理系1およびデータサーバ系5へ送る。
【0023】
電離層観測系3は、イオノゾンデ用アンテナ31、イオノゾンデ32およびイオノゾンデ収集データ処理装置33を備えている。イオノゾンデ用アンテナ31は、パルス電波を上空に放射し、電離層で反射された電波を受信して電気信号に変換し、イオノゾンデ32に送る。
【0024】
イオノゾンデ32は、イオノゾンデ用アンテナ31から送られてきた電気信号から、パルス電波の放射から反射波を受信するまでの遅延時間を求めて電離気体の分布を表すイオノグラムを作成し、イオノゾンデ収集データ処理装置33に送る。イオノゾンデ収集データ処理装置33は、イオノゾンデ32から送られてくるイオノグラムから電離層の臨海周波数等を算出し、信号処理系1およびデータサーバ系5に送る。
【0025】
インターネットデータ処理系4は、ネットワーク接続機器41およびGEONET収集データ処理装置42を備えている。ネットワーク接続機器41は、スイッチングハブまたはルータから構成されており、このインターネットデータ処理系4を他の系統に接続する。GEONET収集データ処理装置42は、例えば、ディスプレイを含むパーソナルコンピュータから構成されており、電離層観測情報または衛星観測情報等を入手し、信号処理系1およびデータサーバ系5に送る。また、GEONET収集データ処理装置42は、外部のインターネット網に接続されている。
【0026】
データサーバ系5は、ディスプレイを含むパーソナルコンピュータからなるデータ収集サーバ51と記録装置52を備えている。データ収集サーバ51は、上述した信号処理系1、衛星信号処理系2、電離層観測系3およびインターネットデータ処理系4で処理されたデータを受信して記録装置52に記録するとともに、記録装置52に記録されているデータを読み出して信号処理系1、衛星信号処理系2、電離層観測系3およびインターネットデータ処理系4に送信し、また、記録装置52に記録されているデータを削除する。
【0027】
次に、上記のように構成される第1の実施形態に係る方位・仰角測定システムの動作を説明する。図2は、第1の実施形態に係る方位・仰角測定システムにおいて実行される到来方向初期値推定処理を示すフローチャートである。なお、以下に示す処理は、主に信号処理系1において実行される。
【0028】
到来方向初期値推定処理では、まず、受信信号共分散行列作成・固有値・固有ベクトル計算が実行される(ステップS11)。以下、詳細に説明する。信号処理系1のアンテナ11〜11で受信された信号sは、下記(1)式により表される。
【数1】

【0029】
ここで、
【数2】

【0030】
ここでE[・]は、期待値を計算することを意味し、Rは観測された信号の共分散行列、Esは信号固有ベクトル、Λは固有値を対角要素とする行列、σはノイズの標準偏差、Iは単位行列を表しており、Hはエルミート転置を示している。m〜mは固有値を示している。このうち、m〜mは信号に対応し、mM+1〜mはノイズに対応した固有値である。
【0031】
次いで、到来信号数の推定が行われる(ステップS12)。この到来信号数の推定は、統計的な性質を利用したAkaike's(AIC)またはRissanen's(MDL)による方法(非特許文献3参照)、あるいは、(7)式の固有値が予め設定した閾値より大きい数として設定する。AICまたはMDLによる方法は、下記(8)式または(9)式のkを変化させ、AICまたはMDLの値が最小となった際のkを推定信号数とする方法である。
【数3】

【0032】
ここで、
>m2>…>mM
k=0,1,・・・,p−1
である。
【0033】
次いで、到来方向の推定が行われる(ステップS13)。到来方向の推定方式には、ビームフォーマ法、CAPON法、MUSIC法またはESPRIT法(非特許文献4参照)などが存在し、何れの方法を用いてもよい。以下では、この中のMUSIC法について説明する。
【数4】

【0034】
ここで、
:ノイズ固有ベクトル
θ,φ:ピークサーチ仰角・方位角
である。
【0035】
MUSIC法は、共分散行列の雑音固有値と信号に対応する固有値が直行する性質を利用する方法である。到来方向をサーチする方位・仰角を変化させてステアリングベクトルを算出し、(10)式がピークとなる方向を検出する。
【0036】
次いで、ステップS12で推定された到来信号の信号数が複数であるかどうかが調べられる(ステップS14)。このステップS14において、信号数が複数であることが判断されると、信号抽出が行われる(ステップS15)。
【0037】
信号抽出の方法には、MSN法、DCMP法、ICA(独立成分分析)法、ゼロフォーシング(ZF)法、MMSE法(非特許文献4参照)などが存在し、何れの方法を用いてもよい。以下では、MSN法とZF法について説明する。これらの方法では、抽出したい信号の到来方向に対するステアリングベクトルa(θ,φ)(k=1〜s)と共分散行列が使用される。(11)式のmおよびσは、対応する固有値およびノイズ標準偏差をそれぞれ示している。
【0038】
MSN法による抽出方法を(11)式および(12)式に示す。
【数5】

【0039】
(11)式および(12)式のEは、固有値mの固有ベクトルを示しており、(12)式のsは計算された初期値の受信信号を示し、Xはアンテナ受信信号を示している。
【0040】
ZF法による抽出方法を(13)式に示す。
【数6】

【0041】
以上の信号抽出処理が終了すると、ステップS16の処理に進む。なお、上記ステップS14において、信号数が複数でないことが判断された場合は、ステップS15の処理はスキップされ、ステップS16の処理に進む。
【0042】
ステップS16においては、電波伝搬経路推定および減衰量推定が行われる。電波伝搬経路推定では、抽出されたk信号の伝搬経路をレイトレーシングにより推定する処理が行われる。なお、レイトレーシングによる電波伝搬経路推定については、「前田憲一,後藤三男:”電波伝播”,岩波全書,1953年2月」、「K.G.Buden : ”The Propagation of radio waves” ,Cambridge University Press,1988.」または「Iwane Kimura : ”Effects of Ions on Whistler-Mode Ray Tracing” ,Radio Science.Vol.I,No.3,269-283,March 1966.」などに説明されている。
【0043】
レイトレーシングによる電波伝搬経路推定では、受信した信号のホップ(hop)数は不明であるため、ホップ数分のホップ数伝搬経路推定が行われる。このとき、伝搬モードとして、左偏波(Oモード)および右偏波(Xモード)の両方、または、何れか一方について推定が行われる(図3、図4参照)。
【0044】
推定された伝搬経路の中で、地表に到達した位置(計算位置)から受信位置まで逆に電波伝搬経路推定を実行する。図4は、計算位置2から、1ホップ、2ホップ、3ホップ、・・・の逆計算を示している。このときも、OモードおよびXモードの両方、または、何れか一方について逆計算が実施される。
【0045】
上述した電波伝搬経路推定を行うことにより、伝搬過程で生じる減衰量を推定できる(「前田憲一,後藤三男:”電波伝播”,岩波全書,1953年2月」参照)。下記(14)式〜(16)式は、近似的な減衰量計算方法を示している。
【数7】

【0046】
ここで、
E :受信電界強度
E0 :送信源の電界強度
R1 :地表−電離層間の伝搬距離の総和
R2 :電離層通過距離の総和
Γ :電離層による減衰量
q :電子の電荷
c :光速度
me :電子質量
ε0 :真空の誘電率
f :電波の周波数
STEP:計算ステップ総数
ν0 :電離層最下部における平均衝突回数
α :高さに対する変化率
zk :ステップkにおける高さ
Nk :高さzkにおける電子密度
nk :高さzkにおける屈折率
Δl :ステップkとステップk+1の距離
図5は、上述した電波伝搬経路推定および減衰量推定の処理の詳細を示すフローチャートである。電波伝搬経路推定および減衰量推定の処理では、まず、逆計算仰角初期設定が行われる(ステップS21)。次いで、計算位置を開始位置としたレイトレーシングが実施される(ステップS22)。次いで、電離層貫通があったかどうかが調べられる(ステップS23)。このステップS23において、電離層貫通があったことが判断されると、ステップS28の処理に進む。
【0047】
一方、ステップS23において、電離層貫通がなかったことが判断されると、次いで、計算位置と受信位置との差の絶対値がεより小さいかどうかが調べられる(ステップS24)。このステップS24において、計算位置と受信位置との差の絶対値がεより小さくないことが判断されると、逆計算仰角が変更され(ステップS25)、その後、ステップS22の処理に戻って上述した処理が繰り返される。
【0048】
一方、上記ステップS24において、計算位置と受信位置との差の絶対値がεより小さいことが判断されると、計算された到来仰角・方位角が保存される(ステップS26)。次いで、減衰量が計算されて保存される(ステップS27)。その後、ステップS28の処理に進む。
【0049】
ステップS28においては、OモードおよびXモードが完了したかどうかが調べられる。このステップS28において、OモードおよびXモードが完了していないことが判断されると、OモードからXモードまたはXモードからOモードへのモード変更が行われ(ステップS29)、その後、ステップS22の処理に戻って上述した処理が繰り返される。
【0050】
上記ステップS28において、OモードおよびXモードが完了したことが判断されると、次いで、ホップが最大ホップ数より大きくなったがどうかが調べられる(ステップS30)。このステップS30において、ホップが最大ホップ数より大きくなっていないことが判断されると、ホップ数がインクリメント(+1)される(ステップS31)。次いで、逆計算仰角初期設定が行われ(ステップS32)、その後、ステップS22の処理に戻って上述した処理が繰り返される。
【0051】
上記ステップS30において、ホップが最大ホップ数より大きくなったことが判断されると、次いで、全部の逆計算開始位置に対する処理が完了したかどうかが調べられる(ステップS33)。このステップS33において、全部の逆計算開始位置に対する処理が完了していないことが判断されると、ステップS22の処理に戻って上述した処理が繰り返される。一方、ステップS33において、全部の逆計算開始位置に対する処理が完了したことが判断されると、電波伝搬経路推定および減衰量推定の処理は終了する。
【0052】
図2に示すフローチャートのステップS16における電波伝搬経路推定および減衰量推定の処理が終了すると、次いで、到来方向初期値設定が行われる(ステップS17)。このステップS17では、上記ステップS16で求められた到来信号の到来方向(θ,φ)=(θ,φ)(h:逆計算ホップ数、k:計算位置番号)(u=1〜m)と減衰量が使用される。ここで、mは、求められたマルチパスの数である。(12)式で求められた信号sは、m個のコヒーレントマルチパスの和として表される。
【数8】

【0053】
各アンテナ素子で受信した信号xは、信号uの到来方向に対応するステアリングベクトルを掛けて求められる。
【数9】

【0054】
以上の処理の後、到来方位仰角精密測定が行われる。すなわち、ステップS17で求められた到来信号sの到来方向推定の初期値を基に、さらに詳細な到来方位仰角推定が行われる。推定方法の一例としてSAGE法を使用した例を以下に示す。複数のマルチパスから構成される信号sは、(24)式で表される。
【数10】

【0055】
ここで、(25)式のkは繰り返し回数を示している。
【0056】
SAGE法の処理は、E(Expectation)−StepとM(Maximization)−Stepといった大きく2つのステップから構成される。まずE−Stepが実施され、次にM−Stepが実施され、これらのステップが、予め設定された評価値が閾値以下になるまで繰り返される。
【0057】
[E−Step]
まず、複数信号から構成されている信号のうち、信号uの各アンテナ受信信号が(26)式により更新される。
【数11】

【0058】
[M−Step]
次いで、E−Stepで更新された信号uの共分散行列が計算される。
【数12】

【0059】
ここで、(27)式のE[・]は、括弧内の平均をとる操作である。この共分散行列を利用して、ビームフォーミングアルゴリズムにより到来方位が求められる(非特許文献2参照)。
【数13】

【0060】
次いで、M−Stepで計算されたu信号の到来方向を用いてu信号のステアリングベクトルのみが更新される。次いで、更新された、アレーマニフォールド(混合行列)Aが生成される。次いで、これを用いてZF法により信号の分離が行われる。
【数14】

【0061】
このとき、(29)式の括弧内のεIは、行列が非正則の場合に正則化するためのパラメータである。εがゼロの場合、正則でない場合に、十分小さい値(0.001〜0.00001)が設定される。
【0062】
繰り返し処理の終了条件は、E−Stepの変化が少なくなった場合である。収束条件の一例を以下に示す。
【数15】

【0063】
(30)式のεは、予め設定された閾値である。
【0064】
以上の処理により(28)式で求められた方位角および仰角が精密方位仰角とされる。このように、第1の実施形態に係る方位・仰角測定システムによれば、レイトレーシングによる電波伝搬経路推定を用いることにより、到来波数と到来信号を推定し、SAGEアルゴリズムに代表されるアルゴリズムに、初期設定を行うことができる。その結果、ランダムに初期信号を設定した場合よりも効率的に処理を行うことができ、より実際の信号に近い結果を得ることができる。その結果、到来信号の方位および仰角を精密に測定できる。
【0065】
以上のように、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【0066】
1 信号処理系
2 衛星信号処理系
3 電離層観測系
4 インターネットデータ処理系
5 データサーバ系
11〜11 アンテナ
12〜12 アンプ
13〜13 周波数変換部
14〜14 デジタイザ
15 信号処理装置
16 表示部
21 衛星信号受信アンテナ
22 衛星信号受信器
23 衛星信号処理装置
31 イオノゾンデ用アンテナ
32 イオノゾンデ
33 イオノゾンデ収集データ処理装置
41 ネットワーク接続機器
42 GEONET収集データ処理装置
51 ディスプレイを含むパーソナルコンピュータ
52 記録装置

【特許請求の範囲】
【請求項1】
複数のアンテナと、
前記複数のアンテナから得られる複数のアンテナ受信信号に基づき推定した到来波数と到来信号を用いてレイトレーシングによる電波伝搬経路推定を行って到来方向を求め、該求めた到来方向を初期値として到来方位および仰角を測定する信号処理装置と、
を備えることを特徴とする方位・仰角測定システム。
【請求項2】
前記信号処理装置は、アンテナ受信信号に基づき、IRIモデルまたは該IRIモデルをGPS信号で修正したモデルにより電離層電子密度を推定して電波伝搬経路推定を行うことを特徴とする請求項1記載の方位・仰角測定システム。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【公開番号】特開2012−237705(P2012−237705A)
【公開日】平成24年12月6日(2012.12.6)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−108138(P2011−108138)
【出願日】平成23年5月13日(2011.5.13)
【出願人】(000003078)株式会社東芝 (54,554)
【Fターム(参考)】