複数アンテナ測位装置
【課題】受信信号の合成によって発生するアンテナゲインパターンのNullの発生を防止し、可視性の高い測位装置を得る。
【解決手段】飛しょう体に搭載された複数の受信アンテナからの受信信号を、各受信信号の信号強度により重み付けして平均した位相になるように、それぞれの相関値ベクトルの位相を回転させて一致させ、位相が揃えられたそれぞれの相関値ベクトルの合成を行い、合成された信号に基づき受信信号の追尾を行う。
【解決手段】飛しょう体に搭載された複数の受信アンテナからの受信信号を、各受信信号の信号強度により重み付けして平均した位相になるように、それぞれの相関値ベクトルの位相を回転させて一致させ、位相が揃えられたそれぞれの相関値ベクトルの合成を行い、合成された信号に基づき受信信号の追尾を行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＧＰＳ測位装置に関し、より詳しくは、複数のアンテナを配置した飛しょう体のＧＰＳ測位において、それぞれのアンテナの受信信号強度に応じて位相角を回転させて位相を揃えた後に信号の合成を行い、その合成信号に基づいて測位を行う測位装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ロケットなど円柱形状の物体におけるＧＰＳ測位では、一般に測位を行う物体の側面にＧＰＳアンテナが配置されるため、一つのアンテナではＧＰＳ衛星の可視性が低く、ＧＰＳ衛星の方向によっては測位信号を受信できず、測位が行えない可能性がある。この問題を解決するため、測位を行う物体の円周上に複数のアンテナを配置し、各アンテナで受信された無線信号を合成して測位計算を行うマルチアンテナGPS受信機が開発されている（例えば、非特許文献１および非特許文献２参照）。
【０００３】
【非特許文献１】Markgraf, M., et al., “A low cost GPS system for real-time tracking of sounding rockets”, 15th ESA Symposium of European Rocket and Balloon Programmes and Related Research, ESA SP-471, ISBN 92-9092-725-9, 2001, pp. 495-502.
【非特許文献２】Endrle, W., et al., “A Simple and Low Cost Two-Antennas Concept for the Tracking of a Sounding Rocket Trajectory using GPS”, Proceedings of ION GPS 2000, pp. 376-383.
【０００４】
このような複数のアンテナで受信した測位信号の合成は、アンテナを設置する円柱の径が受信信号の波長に対して充分に小さければ、受信した複数の測位信号の位相差が問題となることなく、それらを合成することができる。しかし、大型ロケットなどのように測位する物体の径が大きくなると、受信した複数の測位信号の位相差が問題となり、合成後の信号強度が極端に低下するNullと呼ばれる領域が生じてしまう。Nullとは、２つのアンテナで受信される測位信号の光路差が半波長であるとき、それらの測位信号が逆位相で加算されるために打ち消し合い、合成後の信号強度が低下する現象である。そのため、Nullの生じた方向に存在するＧＰＳ衛星からの測位信号を受信できず、測位が行えなくなるという問題が発生する。
【０００５】
複数のアンテナで受信した同一の無線信号から、品質のよい信号を優先的に用いる技術、あるいは受信した信号を合成して受信信号の品質を高める技術を、一般にダイバーシティと呼ぶ。ダイバーシティには様々な種類の技術があるが、その中でも複数のアンテナを用意し、信号強度の強いアンテナからの無線信号のみを利用するアンテナ選択方式を利用したＧＰＳ受信機がある（特許文献１）。
【特許文献１】特開2000-275316
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、そのようなアンテナ選択方式では単に複数の受信電波から適切なものを選択するだけであるので、信号強度を改善することはできない。また、飛しょう体が高速に回転しながら飛行する際には、アンテナの指向性によって信号強度が周期的に変動するため、受信が不安定になるという問題が生じる。
ここで、大型ロケットは、一般に姿勢が３軸安定化されているため、アンテナ選択方式のダイバーシティを用いることが可能である。しかし、観測ロケットなどのように、それほど大型ではないため、安定化のために軸周りに数Ｈｚで回転させられているような飛しょう体では、アンテナ選択方式のダイバーシティを用いることは困難である。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、各アンテナの受信信号強度により重み付けした平均の位相になるように、それぞれの受信信号に位相角の回転を与えた後に信号合成を行うことにより、Nullの領域がなく可視性の高いGPS測位を実現するものである。このような合成方式は最大比合成方式と呼ばれるダイバーシティ技術であり、複数のアンテナで受信された電波の信号強度を改善する手段として、携帯電話局などで利用されている。本発明は、信号強度を改善するための最大比合成方式を、複数アンテナを利用したGPS測位システムにおけるNullの抑制に利用することを可能とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明による測位装置は、飛しょう体に搭載され、前記飛しょう体の外周に設置されて複数のGPS衛星から測位信号を受信する複数の受信アンテナと、前記受信アンテナと一対に接続され、共通の基準クロックに基づく観測時刻における受信信号をデジタル化して出力するフロントエンドと、複数の前記フロントエンドからデジタル化された受信信号を入力し、前記観測時刻における各受信信号の信号強度により重み付けして平均した位相になるように、それぞれの相関値ベクトルの位相を回転させて一致させ、位相が揃えられたそれぞれの相関値ベクトルの合成を行う信号合成演算部と、前記信号合成演算部から合成された信号に基づき受信信号の追尾を行い擬似距離の生成を行う信号追尾部と、前記擬似距離から測位演算を行う測位演算部とを備えることを特徴とする。信号合成演算部では、信号強度のより小さい信号の位相をより多く回転させて、信号強度の大きな信号に揃うように合成を行うことを特徴とする。これにより、大きいアンテナのゲインを得ることができ、また、最も電波の強い方向にアンテナ系全体の指向性を向けることが可能となり、強度の強い測位信号に重みをおいた連続的な捕捉を安定して行うことが可能になる。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、複数の受信アンテナからの受信信号を、それぞれの受信信号の大きさにより重み付けした平均になるように位相を回転させた後に合成することによって、受信信号の合成によって発生するアンテナゲインパターンのNullの発生を防止し、測位装置の可視性を高くすることができるという効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
［第１の実施形態］
これから、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。まず、図１は、第１の実施形態に係る複数アンテナ測位装置１００の構成を示すブロック図である。第１の実施形態は、２つのアンテナを使用する形態である。まず、複数アンテナ測位装置１００の構成について説明する。複数アンテナ測位装置１００は、大きく、アンテナ（第１アンテナ１０１Ａ、第２アンテナ１０１Ｂ）、フロントエンド（第１フロントエンド１０２Ａ、第２フロントエンド１０２Ｂ）、基準クロック発生回路１０３、受信処理部（チャンネル１受信処理部ＣＨ１〜チャンネル４受信処理部ＣＨ４）、及び測位演算部１１９から構成される。受信処理部は、同時に捕捉可能な測位衛星の数に対応した数のチャンネル、ここではチャンネル１からチャンネル４の同様の構成を有する回路を含む。図１には、代表して、チャンネル１受信処理部ＣＨ１の構成を示している。チャンネル１受信処理部ＣＨ１は、第１ミキサー１０５Ａ、第２ミキサー１０５Ｂ、第１相関演算部１０６Ａ、第２相関演算部１０６Ｂ、合成相関値演算部１０８、搬送波追尾ループ１１０、コード追尾ループ１１１、ミキサー１１４、及び擬似距離演算部１１７から構成され、これらは所定の演算を行うＡＳＩＣなどのロジック回路や、ＣＰＵで実行されるソフトウェアによって実現される。ＣＰＵによって実行させるソフトウェアは、ＲＯＭに格納していてもよいし、ハードディスク装置などのような外部記憶装置に記憶しており、実行時に読み出してＲＡＭ上にローディングするようにしてもよい。図示していないが、チャンネル２受信処理部ＣＨ２、チャンネル３受信処理部ＣＨ３、チャンネル４受信処理部ＣＨ４も同様の構成を有している。なお、それぞれのチャンネルは、ロジック回路による並列処理や、時分割処理により同一のコンピュータ上で実現することができる。なお、チャンネルは、最低で４チャンネルが必要であるが、実際には、それより多くのチャンネル、例えば１２チャンネル程度が実装されることが通常である。
【００１１】
第１アンテナ１０１Ａ、第２アンテナ１０１Ｂは、測位される飛しょう体などの機体に設置され、測位信号の電磁波を受信して高周波信号を発生する。飛しょう体は、数Ｈｚ程度で回転するような姿勢制御がなされており、第１アンテナ１０１Ａ、第２アンテナ１０１Ｂは、その回転軸に対して対称な位置にお互いに離隔して配設される。図５は、第１の実施形態における飛しょう体に設置したアンテナの配置例を示す構成図である。第１アンテナ１０１Ａ、第２アンテナ１０１Ｂは、飛しょう体が円柱状である場合に、その円周上においてお互いに１８０°の角度を空けて配置される。測位信号は、搬送波を擬似ランダム雑音コードの拡散符号によってスペクトラム拡散を行ったものである。擬似ランダム雑音コードとしては、Ｃ／Ａコードと、Ｃ／Ａコードより周波数が高いＰコードが用いられているが、Ｐコードは一般には開放されていないため、通常、受信機ではＣ／Ａコードを用いた復元が行われる。本実施形態では、コードとしてはＣ／Ａコードを想定しているが、Ｐコードを用いることができるのであれば、それをさらに使用してもよい。さらに測位信号には、より長周期の測位演算に必要な航法データが含まれている。第１アンテナ１０１Ａ、第２アンテナ１０１Ｂには、それぞれ、第１フロントエンド１０２Ａ、第２フロントエンド１０２Ｂが一対に接続される。第１フロントエンド１０２Ａ、第２フロントエンド１０２Ｂには、基準クロック発生回路１０３で発生させられた共通の基準クロックが入力され、それぞれ、第１アンテナ１０１Ａ、第２アンテナ１０１Ｂで受信された測位信号を表わす高周波信号をデジタル信号に変換する。デジタル信号に変換することによって、これ以降の処理を、ロジック回路やコンピュータのＣＰＵによるデジタル信号処理で実行させることが可能となる。第１フロントエンド１０２Ａ、第２フロントエンド１０２Ｂは、典型的には、高周波信号を増幅する増幅器、増幅された高周波信号の周波数をダウンコンバートするダウンコンバータ、ダウンコンバートされた高周波信号を、基準クロック発生回路１０３から入力された共通の基準クロックを基準としてサンプリングして量子化することによって、それぞれ、デジタル化測位信号１０４Ａ及び１０４Ｂを生成するＡ／Ｄコンバータから構成される前処理部である。それらのデジタル信号１０４Ａ及び１０４Ｂは、共通の基準クロックによってサンプリングされ、観測時刻は同期している。チャンネル１受信処理部ＣＨ１は、デジタル化測位信号から擬似距離を算出する回路である。第１ミキサー１０５Ａ及び第２ミキサー１０５Ｂは、それぞれ、デジタル化測位信号１０４Ａ及び１０４Ｂを共通のレプリカ信号１１５と混合することによって逆拡散を行い、測位信号の復元を行う構成であり、典型的には、ロジック回路や、ソフトウェアによってコンピュータ上に実現された、乗算などの所定の演算を行うロジックである。レプリカ信号１１５は、測位信号の搬送波と一致させるべき搬送波レプリカ信号１１２と、測位信号に含まれるコードと一致させるべきコードレプリカ信号１１３を合成したものである。第１相関演算部１０６Ａ、第２相関演算部１０６Ｂは、それぞれ、逆拡散を行ったデジタル化測位信号１０４Ａ及び１０４Ｂに対して一定時間の累積処理を行うことによって、相関値を表わす第１相関値ベクトル１０７Ａ及び第２相関値ベクトル１０７Ｂを出力する構成である。相関値は、レプリカ信号１１５との位相差を情報に含むベクトル量である。合成相関値演算部１０８は、第１相関値ベクトル１０７Ａ及び第２相関値ベクトル１０７Ｂを所定の演算により合成して、１つのチャンネルに対して１つの合成相関値ベクトル１０９を生成する構成である。搬送波追尾ループ１１０は、そこに入力される合成相関値ベクトル１０９に基づいて、測位信号の搬送波と一致させるべき搬送波レプリカ信号１１２を生成し、合成相関値ベクトル１０９の大きさが極大になるように搬送波レプリカ信号１１２の位相を変化させる構成である。コード追尾ループ１１１は、そこに入力される合成相関値ベクトル１０９に基づいて、測位信号に含まれるコードと一致させるべきコードレプリカ信号１１３を生成し、合成相関値ベクトル１０９の大きさが極大になるようにコードレプリカ信号１１３の位相を変化させるとともに、受信した測位信号に含まれるコードのコード遅延時間１１６を出力する構成である。擬似距離演算部１１７は、コード遅延時間１１６に基づいて擬似距離１１８を計算する構成である。擬似距離１１８は、それぞれのチャンネルの受信処理部から出力される。測位演算部１１９は、受信機時刻における複数のチャンネルの擬似距離１１８に基づき、測位演算を行う構成である。
【００１２】
これから、第１の実施形態に係る複数アンテナ測位装置１００の動作について説明する。複数の測位衛星のそれぞれは、それに対応するチャンネルのコードで搬送波を変調した測位信号を生成して送信している。飛しょう体の側面に設置された第１アンテナ１０１Ａ及び第２アンテナ１０１Ｂは、測位信号を受信する。飛しょう体は回転しているため、それぞれのアンテナが受信する測位信号の強度と位相は変動する。第１アンテナ１０１Ａで受信された測位信号は、第１フロントエンド１０２Ａに送られ、そこで、増幅された後にデジタル処理に適した周波数までダウンコンバートされ、基準クロック発生回路１０３で発生させられたすべてのアンテナ系に共通の基準クロックに基づいてＡ／Ｄ変換されてデジタル化測位信号１０４Ａとなる。第２アンテナ１０１Ｂで受信された測位信号も、同様に第２フロントエンド１０２Ｂに送られ、デジタル化測位信号１０４Ｂとなる。デジタル化測位信号１０４Ａ及び１０４Ｂは、共通の基準クロックに基づいてＡ／Ｄ変換されてデジタル化測位信号１０４Ｂとなる。デジタル化測位信号１０４Ａ及び１０４Ｂは、チャンネル１受信処理部ＣＨ１、チャンネル２受信処理部ＣＨ２、チャンネル３受信処理部ＣＨ３、及びチャンネル４受信処理部ＣＨ４に送られる。それぞれのチャンネルの受信処理部では、それぞれが受信する測位衛星の測位信号に含まれるコードに基づいて、同様の処理が実施される。以下では、チャンネル１受信処理部ＣＨ１で行われる処理について説明する。
【００１３】
第１ミキサー１０５Ａは、入力されたデジタル化測位信号１０４Ａに共通のレプリカ信号１１５をデジタル処理による乗算などによって混合する。。第２ミキサー１０５Ｂは、入力されたデジタル化測位信号１０４Ｂに共通のレプリカ信号１１５を混合する。混合された信号は、それぞれ第１相関値演算部１０６Ａ及び第２相関値演算部１０６Ｂによって一定時間の累積処理が行われる。第１相関値演算部１０６Ａ及び第２相関値演算部１０６Ｂから、それぞれ、第１相関値ベクトル１０７Ａ及び第２相関値ベクトル１０７Ｂが出力される。それらの相関値ベクトルの数式モデルを式１に示す。式１において、Pは信号強度、Δτは受信した測位信号とレプリカ信号１１５の間のコード位相差、Δｆとφはそれぞれ受信した測位信号とレプリカ信号１１５の間の搬送波の周波数差と位相差である。
・・・（式１）
【００１４】
式１において、Rは受信機信号とレプリカ信号に含まれるコードの自己相関を表し、ΔτとΔｆが共にゼロであるとき最大値となる。ＧＰＳの測位信号の追尾では、Rが常に最大値となるような搬送波レプリカ信号１１２とコードレプリカ信号１１５が生成される。このために、搬送波追尾ループ１１０は、搬送波の波形の信号の位相をΔｆがゼロになるように変化させることによって搬送波レプリカ信号１１２を生成する。そして、コード追尾ループ１１１は、追尾している測位衛星に対応するコードの波形の信号の位相をΔτがゼロになるように変化させることによってコードレプリカ信号１１３を生成する。次に、ミキサー１１４が、搬送波レプリカ信号１１２とコードレプリカ信号１１２を混合してレプリカ信号１１５を生成する。このレプリカ信号１１５は、Rが最大になるように制御されているものである。
【００１５】
式１において、Rはその最大値で正規化されているとする。このとき、ＧＰＳの測位信号が追尾されている状態、つまりΔτとΔｆが共にゼロであるとき、第１相関値ベクトル１０７Ａと第２相関値ベクトル１０７Ｂは、それぞれ式２と式３で表される。式２と式３において、PAとφAはそれぞれ第１相関値ベクトル１０７Ａの信号強度と位相差、PBとφBはそれぞれ第２相関値ベクトル１０７Ｂの信号強度と位相差である。
・・・式２
・・・式３
【００１６】
第１相関値ベクトル１０７Ａと第２相関値ベクトル１０７Ｂは、合成相関値演算部１０８において所定の演算により合成され、合成相関値ベクトル１０９として出力される。ここで、φAとφBの位相差が半波長、つまりπラジアンであるとき、式２と式３で表される相関値を単純に加算すると、ベクトルの向きが正反対であることからお互いに打ち消しあい、合成相関値ベクトル１０９の信号強度が減少してしまう。このような領域を一般にNullと呼ぶ。
【００１７】
このNullの発生を防止するために、好適には、合成相関値演算部１０８は、第１相関値ベクトル１０７Ａと第２相関値ベクトル１０７Ｂのそれぞれに対して、それぞれの相関値ベクトルの大きさにより重み付けして平均した位相になるように、それぞれの相関値ベクトルの位相を回転させて一致させ、位相が揃えられたそれぞれの相関値ベクトルの合成を行う。それぞれの相関値ベクトルの位相の回転量は、信号強度のより大きい相関値ベクトルの位相により近くなるように決定される。このように、測位信号の位相を合成する前に一致させることにより、それらのベクトルの大きさを加算した大きさの信号を得ることができ、アンテナ系全体のゲインを大きくすることができ、最良の状態で測位信号の受信を行うことが可能となる。また、このように、相関値ベクトルの大きさに応じた平均の位相となるようにそれぞれの相関値ベクトルの位相を回転させることによって、受信状態が安定している強度の強い測位信号に重みをおいた捕捉を行い、それぞれの測位信号の強度の変化に伴って、重みをおいて捕捉する測位信号をより強度の強いものに連続的に変化させることができる。すなわち、それぞれの測位信号の強度の変化に即応して重みをおいて捕捉する測位信号を変化させるため、それぞれの測位信号の変化に対して非常に高い追従性をもって測位信号を捕捉することが可能となり、安定的な捕捉が可能となる。式４に信号合成演算部での信号合成の数式モデルを示す。
・・・式４
ここで、式４において
は合成相関値ベクトル１０９であり、
は回転後の位相である。
【００１８】
式４における
は、式５によって求められる。
・・・式５
従って、第１相関値ベクトル１０７Ａ及び第２相関値ベクトル１０７Ｂは、合成相関値演算部１０８において、それぞれ回転後の位相が、相関値ベクトルの大きさにより重み付けして平均した位相である
となるように回転させられた後に、合成される。より具体的には、入力されるそれぞれの相関値ベクトルの大きさとそれぞれの相関値ベクトルの位相とを乗じたもののすべての相関値ベクトルについての和を、入力されるすべての相関値ベクトルの大きさの和で除したものが新しい位相となるように、入力されるそれぞれの相関値ベクトルの位相を回転させた後に、それらの相関値ベクトルを合成する。
【００１９】
式４に示される方法に従って合成された合成相関値ベクトル１０８は、搬送波追尾ループ１１０およびコード追尾ループ１１１に入力される。コード追尾ループ１１１は、受信された測位信号に含まれるコードを追尾しているとき、任意の受信機時刻tに対する受信コードのコード遅延時間１１６を算出し、それを擬似距離演算部１１７に出力する。擬似距離演算部１１７は、コード遅延時間１１６から受信機時刻tにおける擬似距離１１８を算出して出力する。
【００２０】
デジタル化測位信号１０４Ａとデジタル化測位信号１０４Ｂを入力として擬似距離１１８を出力するまでの処理は、チャンネルと呼ばれる。各チャンネルの受信処理部では、それぞれ異なるＧＰＳ衛星からの信号を追尾し、その衛星に対応した擬似距離１１８の生成を行う。受信機時刻tに同期して生成された複数の擬似距離１１８は、測位演算部１１９に入力される。測位演算部１１９では、これら擬似距離より測位演算が行われ、測位結果が出力される。
測位演算の具体的演算方法に関しては、公知の技術を用いることができる。例えば次の文献に記載がある。（「精説GPS 基本概念・測位原理・信号と受信機」，Pratap Misra and Per Enge原著，日本航海学会GPS研究会訳，pp. 159-163，正陽文庫）
【００２１】
［第２の実施形態］
第１の実施形態では、２つのアンテナで受信される測位信号の合成を行っているが、３つ以上のアンテナが利用できる場合、これらの３つ以上の受信信号の合成を行うことができる。図６は、アンテナを３つとした場合の第２の実施形態における飛しょう体に設置したアンテナの配置例を示す構成図である。第１アンテナ１０１Ａ、第２アンテナ１０１Ｂ、第３アンテナ１０１Ｃは、飛しょう体が円柱状である場合に、その円周上においてお互いに１２０°の角度を空けて配置される。図２は、第２の実施形態に係る複数アンテナ測位装置１００のアンテナから合成相関値演算部までの構成を示すブロック図である。ここでは、アンテナが一般的にＮ個設置されている場合が例示されている。第１アンテナ１０１Ａ、第２アンテナ１０１Ｂ、・・・、第Ｎアンテナ１０１Ｎには、それぞれ、第１フロントエンド１０２Ａ、第２フロントエンド１０２Ｂ、・・・、第Ｎフロントエンド１０２Ｎが一対に接続される。それの後段に、第１ミキサー１０５Ａ、第２ミキサー１０５Ｂ、・・・、第Ｎミキサー１０５Ｎが接続され、それのさらに後段に、第１相関値演算部１０６Ａ、第２相関値演算部１０６Ｂ、・・・、第Ｎ相関値演算部１０６Ｎが接続される。図示されていない部分は、図１に示すブロックと同様である。式６に３つ以上の受信信号を合成したときの数式モデルを示す。
・・・式６
式６においてNはアンテナの数であり、Piはｉ番目のアンテナiから得られる相関値の信号強度である。
【００２２】
式６において、
は式７によって求められる。式７において、φiはアンテナiから得られる相関値の位相差である。
・・・式７
第１相関値ベクトル１０７Ａ、第２相関値ベクトル１０７Ｂ、・・・、第Ｎ相関値ベクトル１０７Ｎは、合成相関値演算部１０８において、それぞれ回転後の位相が、相関値ベクトルの大きさにより重み付けして平均した位相である
となるように回転させられた後に、合成される。より具体的には、入力されるそれぞれの相関値ベクトルの大きさとそれぞれの相関値ベクトルの位相とを乗じたもののすべての相関値ベクトルについての和を、入力されるすべての相関値ベクトルの大きさの和で除したものが新しい位相となるように、入力されるそれぞれの相関値ベクトルの位相を回転させた後に、それらの相関値ベクトルを合成する。
このようにして、アンテナが３つ以上の場合においても、それぞれの相関値ベクトルの位相をどのような回転量で回転させると最適な合成が可能になるのかを求めることができる。
【００２３】
［位相回転の詳細な説明］
上記では、全体的な複数アンテナ測位装置１００の構成や動作について説明してきた。以下では、第１の実施形態における合成相関値演算部１０８の信号処理に焦点を当て、図３を参照して詳細に説明する。図３は、第１の実施形態における合成相関値演算部１０８の構成を示すブロック図である。合成相関値演算部１０８は、第１電力検出部２０１Ａ、第２電力検出部２０１Ｂ、第１位相検出部２０２Ａ、第２位相検出部２０２Ｂ、位相回転角演算部２０３、第１位相回転部２０４Ａ、第２位相回転部２０４Ｂ、加算器２０５から構成される。
【００２４】
まず、合成相関値演算部１０８に入力される第１相関値ベクトル１０７Ａと第２相関値ベクトル１０７Ｂについて、それぞれの信号電力と位相の検出が行われる。第１電力検出部２０１Ａ及び第１位相検出部２０２Ａには、第１相関値ベクトル１０７Ａが入力され、それぞれ、式２で定義される第１相関値ベクトル１０７Ａの信号電力PA及び位相φAが出力される。第２電力検出部２０１Ｂと第２位相検出部２０２Ｂには、第２相関値ベクトル１０７Ｂが入力され、それぞれ、式３で定義される第２相関値ベクトル１０７Ｂの信号電力PB及び位相φBが出力される。
つづいて、これらの信号電力と位相は、位相回転角演算部２０３に入力される。位相回転角演算部２０３において、まず第１相関値ベクトル１０７Ａと第２相関値ベクトル１０７Ｂの位相差Δφが式８に基づいて求められる。
・・・式８
【００２５】
次に、この位相差Δφを第１相関値ベクトル１０７Ａと第２相関値ベクトル１０７Ｂの信号強度に応じて式９および式１０によって分割する。
・・・式９
・・・式１０
式９および式１０は、式１１の関係を満足している。
・・・式１１
【００２６】
式９と式１０で求められたδφAおよびδφBは、それぞれ第１位相回転部２０４Ａおよび第２位相回転部２０４Ｂによって、第１相関値ベクトル１０７Ａおよび第２相関値ベクトル１０７Ｂの位相回転角として与えられる。このとき、位相回転後の両者の位相
は、等しく式１２で表される。（式１２は式５と等価である。）
・・・式１２
したがって、第１位相回転部２０４Ａおよび第２位相回転部２０４Ｂからの出力は、それぞれ式１３および式１４で表される。
・・・式１３
・・・式１４
【００２７】
加算器２０５は、これらの位相回転後の相関値を足し合わせ、式１５で表される合成相関値ベクトル１０９を出力する。（式１５は式４と等価である。）
・・・式１５
第２の実施形態においても、それぞれのアンテナに対応した電力検出部、位相検出部、位相回転部を使用することによって、第１の実施形態と同様に合成相関値ベクトル１０９を求めることができる。図４は、第２の実施形態における合成相関値演算部１０８の構成を示すブロック図である。それぞれのアンテナに対応した電力検出部及び位相検出部からの出力に基づいて、位相回転角演算部でそれぞれのアンテナで受信した測位信号の位相の回転量を決定し、位相回転部でそれぞれのアンテナで受信した測位信号をその回転量だけ位相を回転させた後、加算器２０５で加算することによって、合成相関値ベクトル１０９が求められる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】第１の実施形態に係る複数アンテナ測位装置１００の構成を示すブロック図である。
【図２】第２の実施形態に係る複数アンテナ測位装置１００のアンテナから合成相関値演算部までの構成を示すブロック図である。
【図３】第１の実施形態における合成相関値演算部１０８の構成を示すブロック図である。
【図４】第２の実施形態における合成相関値演算部１０８の構成を示すブロック図である。
【図５】第１の実施形態における飛しょう体に設置したアンテナの配置例を示す構成図である。
【図６】第２の実施形態における飛しょう体に設置したアンテナの配置例を示す構成図である。
【符号の説明】
【００２９】
ＣＨ１ チャンネル１受信処理部
ＣＨ２ チャンネル２受信処理部
ＣＨ３ チャンネル３受信処理部
ＣＨ４ チャンネル４受信処理部
１００ 複数アンテナ測位装置
１０１Ａ 第１アンテナ
１０１Ｂ 第２アンテナ
１０２Ａ 第１フロントエンド
１０２Ｂ 第２フロントエンド
１０３ 基準クロック発生回路
１０４Ａ デジタル化測位信号
１０４Ｂ デジタル化測位信号
１０５Ａ 第１ミキサー
１０５Ｂ 第２ミキサー
１０６Ａ 第１相関演算部
１０６Ｂ 第２相関演算部
１０７Ａ 第１相関値ベクトル
１０７Ｂ 第２相関値ベクトル
１０８ 合成相関値演算部
１０９ 合成相関値ベクトル
１１０ 搬送波追尾ループ
１１１ コード追尾ループ
１１２ 搬送波レプリカ信号
１１３ コードレプリカ信号
１１４ ミキサー
１１５ レプリカ信号
１１６ コード遅延時間
１１７ 擬似距離演算部
１１８ 擬似距離
１１９ 測位演算部
１２０ 測位結果
２０１Ａ 第１電力検出部
２０１Ｂ 第２電力検出部
２０２Ａ 第１位相検出部
２０２Ｂ 第２位相検出部
２０３ 位相回転角演算部
２０４Ａ 第１位相回転部
２０４Ｂ 第２位相回転部
２０５ 加算器
【技術分野】
【０００１】
本発明はＧＰＳ測位装置に関し、より詳しくは、複数のアンテナを配置した飛しょう体のＧＰＳ測位において、それぞれのアンテナの受信信号強度に応じて位相角を回転させて位相を揃えた後に信号の合成を行い、その合成信号に基づいて測位を行う測位装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ロケットなど円柱形状の物体におけるＧＰＳ測位では、一般に測位を行う物体の側面にＧＰＳアンテナが配置されるため、一つのアンテナではＧＰＳ衛星の可視性が低く、ＧＰＳ衛星の方向によっては測位信号を受信できず、測位が行えない可能性がある。この問題を解決するため、測位を行う物体の円周上に複数のアンテナを配置し、各アンテナで受信された無線信号を合成して測位計算を行うマルチアンテナGPS受信機が開発されている（例えば、非特許文献１および非特許文献２参照）。
【０００３】
【非特許文献１】Markgraf, M., et al., “A low cost GPS system for real-time tracking of sounding rockets”, 15th ESA Symposium of European Rocket and Balloon Programmes and Related Research, ESA SP-471, ISBN 92-9092-725-9, 2001, pp. 495-502.
【非特許文献２】Endrle, W., et al., “A Simple and Low Cost Two-Antennas Concept for the Tracking of a Sounding Rocket Trajectory using GPS”, Proceedings of ION GPS 2000, pp. 376-383.
【０００４】
このような複数のアンテナで受信した測位信号の合成は、アンテナを設置する円柱の径が受信信号の波長に対して充分に小さければ、受信した複数の測位信号の位相差が問題となることなく、それらを合成することができる。しかし、大型ロケットなどのように測位する物体の径が大きくなると、受信した複数の測位信号の位相差が問題となり、合成後の信号強度が極端に低下するNullと呼ばれる領域が生じてしまう。Nullとは、２つのアンテナで受信される測位信号の光路差が半波長であるとき、それらの測位信号が逆位相で加算されるために打ち消し合い、合成後の信号強度が低下する現象である。そのため、Nullの生じた方向に存在するＧＰＳ衛星からの測位信号を受信できず、測位が行えなくなるという問題が発生する。
【０００５】
複数のアンテナで受信した同一の無線信号から、品質のよい信号を優先的に用いる技術、あるいは受信した信号を合成して受信信号の品質を高める技術を、一般にダイバーシティと呼ぶ。ダイバーシティには様々な種類の技術があるが、その中でも複数のアンテナを用意し、信号強度の強いアンテナからの無線信号のみを利用するアンテナ選択方式を利用したＧＰＳ受信機がある（特許文献１）。
【特許文献１】特開2000-275316
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、そのようなアンテナ選択方式では単に複数の受信電波から適切なものを選択するだけであるので、信号強度を改善することはできない。また、飛しょう体が高速に回転しながら飛行する際には、アンテナの指向性によって信号強度が周期的に変動するため、受信が不安定になるという問題が生じる。
ここで、大型ロケットは、一般に姿勢が３軸安定化されているため、アンテナ選択方式のダイバーシティを用いることが可能である。しかし、観測ロケットなどのように、それほど大型ではないため、安定化のために軸周りに数Ｈｚで回転させられているような飛しょう体では、アンテナ選択方式のダイバーシティを用いることは困難である。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、各アンテナの受信信号強度により重み付けした平均の位相になるように、それぞれの受信信号に位相角の回転を与えた後に信号合成を行うことにより、Nullの領域がなく可視性の高いGPS測位を実現するものである。このような合成方式は最大比合成方式と呼ばれるダイバーシティ技術であり、複数のアンテナで受信された電波の信号強度を改善する手段として、携帯電話局などで利用されている。本発明は、信号強度を改善するための最大比合成方式を、複数アンテナを利用したGPS測位システムにおけるNullの抑制に利用することを可能とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明による測位装置は、飛しょう体に搭載され、前記飛しょう体の外周に設置されて複数のGPS衛星から測位信号を受信する複数の受信アンテナと、前記受信アンテナと一対に接続され、共通の基準クロックに基づく観測時刻における受信信号をデジタル化して出力するフロントエンドと、複数の前記フロントエンドからデジタル化された受信信号を入力し、前記観測時刻における各受信信号の信号強度により重み付けして平均した位相になるように、それぞれの相関値ベクトルの位相を回転させて一致させ、位相が揃えられたそれぞれの相関値ベクトルの合成を行う信号合成演算部と、前記信号合成演算部から合成された信号に基づき受信信号の追尾を行い擬似距離の生成を行う信号追尾部と、前記擬似距離から測位演算を行う測位演算部とを備えることを特徴とする。信号合成演算部では、信号強度のより小さい信号の位相をより多く回転させて、信号強度の大きな信号に揃うように合成を行うことを特徴とする。これにより、大きいアンテナのゲインを得ることができ、また、最も電波の強い方向にアンテナ系全体の指向性を向けることが可能となり、強度の強い測位信号に重みをおいた連続的な捕捉を安定して行うことが可能になる。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、複数の受信アンテナからの受信信号を、それぞれの受信信号の大きさにより重み付けした平均になるように位相を回転させた後に合成することによって、受信信号の合成によって発生するアンテナゲインパターンのNullの発生を防止し、測位装置の可視性を高くすることができるという効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
［第１の実施形態］
これから、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。まず、図１は、第１の実施形態に係る複数アンテナ測位装置１００の構成を示すブロック図である。第１の実施形態は、２つのアンテナを使用する形態である。まず、複数アンテナ測位装置１００の構成について説明する。複数アンテナ測位装置１００は、大きく、アンテナ（第１アンテナ１０１Ａ、第２アンテナ１０１Ｂ）、フロントエンド（第１フロントエンド１０２Ａ、第２フロントエンド１０２Ｂ）、基準クロック発生回路１０３、受信処理部（チャンネル１受信処理部ＣＨ１〜チャンネル４受信処理部ＣＨ４）、及び測位演算部１１９から構成される。受信処理部は、同時に捕捉可能な測位衛星の数に対応した数のチャンネル、ここではチャンネル１からチャンネル４の同様の構成を有する回路を含む。図１には、代表して、チャンネル１受信処理部ＣＨ１の構成を示している。チャンネル１受信処理部ＣＨ１は、第１ミキサー１０５Ａ、第２ミキサー１０５Ｂ、第１相関演算部１０６Ａ、第２相関演算部１０６Ｂ、合成相関値演算部１０８、搬送波追尾ループ１１０、コード追尾ループ１１１、ミキサー１１４、及び擬似距離演算部１１７から構成され、これらは所定の演算を行うＡＳＩＣなどのロジック回路や、ＣＰＵで実行されるソフトウェアによって実現される。ＣＰＵによって実行させるソフトウェアは、ＲＯＭに格納していてもよいし、ハードディスク装置などのような外部記憶装置に記憶しており、実行時に読み出してＲＡＭ上にローディングするようにしてもよい。図示していないが、チャンネル２受信処理部ＣＨ２、チャンネル３受信処理部ＣＨ３、チャンネル４受信処理部ＣＨ４も同様の構成を有している。なお、それぞれのチャンネルは、ロジック回路による並列処理や、時分割処理により同一のコンピュータ上で実現することができる。なお、チャンネルは、最低で４チャンネルが必要であるが、実際には、それより多くのチャンネル、例えば１２チャンネル程度が実装されることが通常である。
【００１１】
第１アンテナ１０１Ａ、第２アンテナ１０１Ｂは、測位される飛しょう体などの機体に設置され、測位信号の電磁波を受信して高周波信号を発生する。飛しょう体は、数Ｈｚ程度で回転するような姿勢制御がなされており、第１アンテナ１０１Ａ、第２アンテナ１０１Ｂは、その回転軸に対して対称な位置にお互いに離隔して配設される。図５は、第１の実施形態における飛しょう体に設置したアンテナの配置例を示す構成図である。第１アンテナ１０１Ａ、第２アンテナ１０１Ｂは、飛しょう体が円柱状である場合に、その円周上においてお互いに１８０°の角度を空けて配置される。測位信号は、搬送波を擬似ランダム雑音コードの拡散符号によってスペクトラム拡散を行ったものである。擬似ランダム雑音コードとしては、Ｃ／Ａコードと、Ｃ／Ａコードより周波数が高いＰコードが用いられているが、Ｐコードは一般には開放されていないため、通常、受信機ではＣ／Ａコードを用いた復元が行われる。本実施形態では、コードとしてはＣ／Ａコードを想定しているが、Ｐコードを用いることができるのであれば、それをさらに使用してもよい。さらに測位信号には、より長周期の測位演算に必要な航法データが含まれている。第１アンテナ１０１Ａ、第２アンテナ１０１Ｂには、それぞれ、第１フロントエンド１０２Ａ、第２フロントエンド１０２Ｂが一対に接続される。第１フロントエンド１０２Ａ、第２フロントエンド１０２Ｂには、基準クロック発生回路１０３で発生させられた共通の基準クロックが入力され、それぞれ、第１アンテナ１０１Ａ、第２アンテナ１０１Ｂで受信された測位信号を表わす高周波信号をデジタル信号に変換する。デジタル信号に変換することによって、これ以降の処理を、ロジック回路やコンピュータのＣＰＵによるデジタル信号処理で実行させることが可能となる。第１フロントエンド１０２Ａ、第２フロントエンド１０２Ｂは、典型的には、高周波信号を増幅する増幅器、増幅された高周波信号の周波数をダウンコンバートするダウンコンバータ、ダウンコンバートされた高周波信号を、基準クロック発生回路１０３から入力された共通の基準クロックを基準としてサンプリングして量子化することによって、それぞれ、デジタル化測位信号１０４Ａ及び１０４Ｂを生成するＡ／Ｄコンバータから構成される前処理部である。それらのデジタル信号１０４Ａ及び１０４Ｂは、共通の基準クロックによってサンプリングされ、観測時刻は同期している。チャンネル１受信処理部ＣＨ１は、デジタル化測位信号から擬似距離を算出する回路である。第１ミキサー１０５Ａ及び第２ミキサー１０５Ｂは、それぞれ、デジタル化測位信号１０４Ａ及び１０４Ｂを共通のレプリカ信号１１５と混合することによって逆拡散を行い、測位信号の復元を行う構成であり、典型的には、ロジック回路や、ソフトウェアによってコンピュータ上に実現された、乗算などの所定の演算を行うロジックである。レプリカ信号１１５は、測位信号の搬送波と一致させるべき搬送波レプリカ信号１１２と、測位信号に含まれるコードと一致させるべきコードレプリカ信号１１３を合成したものである。第１相関演算部１０６Ａ、第２相関演算部１０６Ｂは、それぞれ、逆拡散を行ったデジタル化測位信号１０４Ａ及び１０４Ｂに対して一定時間の累積処理を行うことによって、相関値を表わす第１相関値ベクトル１０７Ａ及び第２相関値ベクトル１０７Ｂを出力する構成である。相関値は、レプリカ信号１１５との位相差を情報に含むベクトル量である。合成相関値演算部１０８は、第１相関値ベクトル１０７Ａ及び第２相関値ベクトル１０７Ｂを所定の演算により合成して、１つのチャンネルに対して１つの合成相関値ベクトル１０９を生成する構成である。搬送波追尾ループ１１０は、そこに入力される合成相関値ベクトル１０９に基づいて、測位信号の搬送波と一致させるべき搬送波レプリカ信号１１２を生成し、合成相関値ベクトル１０９の大きさが極大になるように搬送波レプリカ信号１１２の位相を変化させる構成である。コード追尾ループ１１１は、そこに入力される合成相関値ベクトル１０９に基づいて、測位信号に含まれるコードと一致させるべきコードレプリカ信号１１３を生成し、合成相関値ベクトル１０９の大きさが極大になるようにコードレプリカ信号１１３の位相を変化させるとともに、受信した測位信号に含まれるコードのコード遅延時間１１６を出力する構成である。擬似距離演算部１１７は、コード遅延時間１１６に基づいて擬似距離１１８を計算する構成である。擬似距離１１８は、それぞれのチャンネルの受信処理部から出力される。測位演算部１１９は、受信機時刻における複数のチャンネルの擬似距離１１８に基づき、測位演算を行う構成である。
【００１２】
これから、第１の実施形態に係る複数アンテナ測位装置１００の動作について説明する。複数の測位衛星のそれぞれは、それに対応するチャンネルのコードで搬送波を変調した測位信号を生成して送信している。飛しょう体の側面に設置された第１アンテナ１０１Ａ及び第２アンテナ１０１Ｂは、測位信号を受信する。飛しょう体は回転しているため、それぞれのアンテナが受信する測位信号の強度と位相は変動する。第１アンテナ１０１Ａで受信された測位信号は、第１フロントエンド１０２Ａに送られ、そこで、増幅された後にデジタル処理に適した周波数までダウンコンバートされ、基準クロック発生回路１０３で発生させられたすべてのアンテナ系に共通の基準クロックに基づいてＡ／Ｄ変換されてデジタル化測位信号１０４Ａとなる。第２アンテナ１０１Ｂで受信された測位信号も、同様に第２フロントエンド１０２Ｂに送られ、デジタル化測位信号１０４Ｂとなる。デジタル化測位信号１０４Ａ及び１０４Ｂは、共通の基準クロックに基づいてＡ／Ｄ変換されてデジタル化測位信号１０４Ｂとなる。デジタル化測位信号１０４Ａ及び１０４Ｂは、チャンネル１受信処理部ＣＨ１、チャンネル２受信処理部ＣＨ２、チャンネル３受信処理部ＣＨ３、及びチャンネル４受信処理部ＣＨ４に送られる。それぞれのチャンネルの受信処理部では、それぞれが受信する測位衛星の測位信号に含まれるコードに基づいて、同様の処理が実施される。以下では、チャンネル１受信処理部ＣＨ１で行われる処理について説明する。
【００１３】
第１ミキサー１０５Ａは、入力されたデジタル化測位信号１０４Ａに共通のレプリカ信号１１５をデジタル処理による乗算などによって混合する。。第２ミキサー１０５Ｂは、入力されたデジタル化測位信号１０４Ｂに共通のレプリカ信号１１５を混合する。混合された信号は、それぞれ第１相関値演算部１０６Ａ及び第２相関値演算部１０６Ｂによって一定時間の累積処理が行われる。第１相関値演算部１０６Ａ及び第２相関値演算部１０６Ｂから、それぞれ、第１相関値ベクトル１０７Ａ及び第２相関値ベクトル１０７Ｂが出力される。それらの相関値ベクトルの数式モデルを式１に示す。式１において、Pは信号強度、Δτは受信した測位信号とレプリカ信号１１５の間のコード位相差、Δｆとφはそれぞれ受信した測位信号とレプリカ信号１１５の間の搬送波の周波数差と位相差である。
・・・（式１）
【００１４】
式１において、Rは受信機信号とレプリカ信号に含まれるコードの自己相関を表し、ΔτとΔｆが共にゼロであるとき最大値となる。ＧＰＳの測位信号の追尾では、Rが常に最大値となるような搬送波レプリカ信号１１２とコードレプリカ信号１１５が生成される。このために、搬送波追尾ループ１１０は、搬送波の波形の信号の位相をΔｆがゼロになるように変化させることによって搬送波レプリカ信号１１２を生成する。そして、コード追尾ループ１１１は、追尾している測位衛星に対応するコードの波形の信号の位相をΔτがゼロになるように変化させることによってコードレプリカ信号１１３を生成する。次に、ミキサー１１４が、搬送波レプリカ信号１１２とコードレプリカ信号１１２を混合してレプリカ信号１１５を生成する。このレプリカ信号１１５は、Rが最大になるように制御されているものである。
【００１５】
式１において、Rはその最大値で正規化されているとする。このとき、ＧＰＳの測位信号が追尾されている状態、つまりΔτとΔｆが共にゼロであるとき、第１相関値ベクトル１０７Ａと第２相関値ベクトル１０７Ｂは、それぞれ式２と式３で表される。式２と式３において、PAとφAはそれぞれ第１相関値ベクトル１０７Ａの信号強度と位相差、PBとφBはそれぞれ第２相関値ベクトル１０７Ｂの信号強度と位相差である。
・・・式２
・・・式３
【００１６】
第１相関値ベクトル１０７Ａと第２相関値ベクトル１０７Ｂは、合成相関値演算部１０８において所定の演算により合成され、合成相関値ベクトル１０９として出力される。ここで、φAとφBの位相差が半波長、つまりπラジアンであるとき、式２と式３で表される相関値を単純に加算すると、ベクトルの向きが正反対であることからお互いに打ち消しあい、合成相関値ベクトル１０９の信号強度が減少してしまう。このような領域を一般にNullと呼ぶ。
【００１７】
このNullの発生を防止するために、好適には、合成相関値演算部１０８は、第１相関値ベクトル１０７Ａと第２相関値ベクトル１０７Ｂのそれぞれに対して、それぞれの相関値ベクトルの大きさにより重み付けして平均した位相になるように、それぞれの相関値ベクトルの位相を回転させて一致させ、位相が揃えられたそれぞれの相関値ベクトルの合成を行う。それぞれの相関値ベクトルの位相の回転量は、信号強度のより大きい相関値ベクトルの位相により近くなるように決定される。このように、測位信号の位相を合成する前に一致させることにより、それらのベクトルの大きさを加算した大きさの信号を得ることができ、アンテナ系全体のゲインを大きくすることができ、最良の状態で測位信号の受信を行うことが可能となる。また、このように、相関値ベクトルの大きさに応じた平均の位相となるようにそれぞれの相関値ベクトルの位相を回転させることによって、受信状態が安定している強度の強い測位信号に重みをおいた捕捉を行い、それぞれの測位信号の強度の変化に伴って、重みをおいて捕捉する測位信号をより強度の強いものに連続的に変化させることができる。すなわち、それぞれの測位信号の強度の変化に即応して重みをおいて捕捉する測位信号を変化させるため、それぞれの測位信号の変化に対して非常に高い追従性をもって測位信号を捕捉することが可能となり、安定的な捕捉が可能となる。式４に信号合成演算部での信号合成の数式モデルを示す。
・・・式４
ここで、式４において
は合成相関値ベクトル１０９であり、
は回転後の位相である。
【００１８】
式４における
は、式５によって求められる。
・・・式５
従って、第１相関値ベクトル１０７Ａ及び第２相関値ベクトル１０７Ｂは、合成相関値演算部１０８において、それぞれ回転後の位相が、相関値ベクトルの大きさにより重み付けして平均した位相である
となるように回転させられた後に、合成される。より具体的には、入力されるそれぞれの相関値ベクトルの大きさとそれぞれの相関値ベクトルの位相とを乗じたもののすべての相関値ベクトルについての和を、入力されるすべての相関値ベクトルの大きさの和で除したものが新しい位相となるように、入力されるそれぞれの相関値ベクトルの位相を回転させた後に、それらの相関値ベクトルを合成する。
【００１９】
式４に示される方法に従って合成された合成相関値ベクトル１０８は、搬送波追尾ループ１１０およびコード追尾ループ１１１に入力される。コード追尾ループ１１１は、受信された測位信号に含まれるコードを追尾しているとき、任意の受信機時刻tに対する受信コードのコード遅延時間１１６を算出し、それを擬似距離演算部１１７に出力する。擬似距離演算部１１７は、コード遅延時間１１６から受信機時刻tにおける擬似距離１１８を算出して出力する。
【００２０】
デジタル化測位信号１０４Ａとデジタル化測位信号１０４Ｂを入力として擬似距離１１８を出力するまでの処理は、チャンネルと呼ばれる。各チャンネルの受信処理部では、それぞれ異なるＧＰＳ衛星からの信号を追尾し、その衛星に対応した擬似距離１１８の生成を行う。受信機時刻tに同期して生成された複数の擬似距離１１８は、測位演算部１１９に入力される。測位演算部１１９では、これら擬似距離より測位演算が行われ、測位結果が出力される。
測位演算の具体的演算方法に関しては、公知の技術を用いることができる。例えば次の文献に記載がある。（「精説GPS 基本概念・測位原理・信号と受信機」，Pratap Misra and Per Enge原著，日本航海学会GPS研究会訳，pp. 159-163，正陽文庫）
【００２１】
［第２の実施形態］
第１の実施形態では、２つのアンテナで受信される測位信号の合成を行っているが、３つ以上のアンテナが利用できる場合、これらの３つ以上の受信信号の合成を行うことができる。図６は、アンテナを３つとした場合の第２の実施形態における飛しょう体に設置したアンテナの配置例を示す構成図である。第１アンテナ１０１Ａ、第２アンテナ１０１Ｂ、第３アンテナ１０１Ｃは、飛しょう体が円柱状である場合に、その円周上においてお互いに１２０°の角度を空けて配置される。図２は、第２の実施形態に係る複数アンテナ測位装置１００のアンテナから合成相関値演算部までの構成を示すブロック図である。ここでは、アンテナが一般的にＮ個設置されている場合が例示されている。第１アンテナ１０１Ａ、第２アンテナ１０１Ｂ、・・・、第Ｎアンテナ１０１Ｎには、それぞれ、第１フロントエンド１０２Ａ、第２フロントエンド１０２Ｂ、・・・、第Ｎフロントエンド１０２Ｎが一対に接続される。それの後段に、第１ミキサー１０５Ａ、第２ミキサー１０５Ｂ、・・・、第Ｎミキサー１０５Ｎが接続され、それのさらに後段に、第１相関値演算部１０６Ａ、第２相関値演算部１０６Ｂ、・・・、第Ｎ相関値演算部１０６Ｎが接続される。図示されていない部分は、図１に示すブロックと同様である。式６に３つ以上の受信信号を合成したときの数式モデルを示す。
・・・式６
式６においてNはアンテナの数であり、Piはｉ番目のアンテナiから得られる相関値の信号強度である。
【００２２】
式６において、
は式７によって求められる。式７において、φiはアンテナiから得られる相関値の位相差である。
・・・式７
第１相関値ベクトル１０７Ａ、第２相関値ベクトル１０７Ｂ、・・・、第Ｎ相関値ベクトル１０７Ｎは、合成相関値演算部１０８において、それぞれ回転後の位相が、相関値ベクトルの大きさにより重み付けして平均した位相である
となるように回転させられた後に、合成される。より具体的には、入力されるそれぞれの相関値ベクトルの大きさとそれぞれの相関値ベクトルの位相とを乗じたもののすべての相関値ベクトルについての和を、入力されるすべての相関値ベクトルの大きさの和で除したものが新しい位相となるように、入力されるそれぞれの相関値ベクトルの位相を回転させた後に、それらの相関値ベクトルを合成する。
このようにして、アンテナが３つ以上の場合においても、それぞれの相関値ベクトルの位相をどのような回転量で回転させると最適な合成が可能になるのかを求めることができる。
【００２３】
［位相回転の詳細な説明］
上記では、全体的な複数アンテナ測位装置１００の構成や動作について説明してきた。以下では、第１の実施形態における合成相関値演算部１０８の信号処理に焦点を当て、図３を参照して詳細に説明する。図３は、第１の実施形態における合成相関値演算部１０８の構成を示すブロック図である。合成相関値演算部１０８は、第１電力検出部２０１Ａ、第２電力検出部２０１Ｂ、第１位相検出部２０２Ａ、第２位相検出部２０２Ｂ、位相回転角演算部２０３、第１位相回転部２０４Ａ、第２位相回転部２０４Ｂ、加算器２０５から構成される。
【００２４】
まず、合成相関値演算部１０８に入力される第１相関値ベクトル１０７Ａと第２相関値ベクトル１０７Ｂについて、それぞれの信号電力と位相の検出が行われる。第１電力検出部２０１Ａ及び第１位相検出部２０２Ａには、第１相関値ベクトル１０７Ａが入力され、それぞれ、式２で定義される第１相関値ベクトル１０７Ａの信号電力PA及び位相φAが出力される。第２電力検出部２０１Ｂと第２位相検出部２０２Ｂには、第２相関値ベクトル１０７Ｂが入力され、それぞれ、式３で定義される第２相関値ベクトル１０７Ｂの信号電力PB及び位相φBが出力される。
つづいて、これらの信号電力と位相は、位相回転角演算部２０３に入力される。位相回転角演算部２０３において、まず第１相関値ベクトル１０７Ａと第２相関値ベクトル１０７Ｂの位相差Δφが式８に基づいて求められる。
・・・式８
【００２５】
次に、この位相差Δφを第１相関値ベクトル１０７Ａと第２相関値ベクトル１０７Ｂの信号強度に応じて式９および式１０によって分割する。
・・・式９
・・・式１０
式９および式１０は、式１１の関係を満足している。
・・・式１１
【００２６】
式９と式１０で求められたδφAおよびδφBは、それぞれ第１位相回転部２０４Ａおよび第２位相回転部２０４Ｂによって、第１相関値ベクトル１０７Ａおよび第２相関値ベクトル１０７Ｂの位相回転角として与えられる。このとき、位相回転後の両者の位相
は、等しく式１２で表される。（式１２は式５と等価である。）
・・・式１２
したがって、第１位相回転部２０４Ａおよび第２位相回転部２０４Ｂからの出力は、それぞれ式１３および式１４で表される。
・・・式１３
・・・式１４
【００２７】
加算器２０５は、これらの位相回転後の相関値を足し合わせ、式１５で表される合成相関値ベクトル１０９を出力する。（式１５は式４と等価である。）
・・・式１５
第２の実施形態においても、それぞれのアンテナに対応した電力検出部、位相検出部、位相回転部を使用することによって、第１の実施形態と同様に合成相関値ベクトル１０９を求めることができる。図４は、第２の実施形態における合成相関値演算部１０８の構成を示すブロック図である。それぞれのアンテナに対応した電力検出部及び位相検出部からの出力に基づいて、位相回転角演算部でそれぞれのアンテナで受信した測位信号の位相の回転量を決定し、位相回転部でそれぞれのアンテナで受信した測位信号をその回転量だけ位相を回転させた後、加算器２０５で加算することによって、合成相関値ベクトル１０９が求められる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】第１の実施形態に係る複数アンテナ測位装置１００の構成を示すブロック図である。
【図２】第２の実施形態に係る複数アンテナ測位装置１００のアンテナから合成相関値演算部までの構成を示すブロック図である。
【図３】第１の実施形態における合成相関値演算部１０８の構成を示すブロック図である。
【図４】第２の実施形態における合成相関値演算部１０８の構成を示すブロック図である。
【図５】第１の実施形態における飛しょう体に設置したアンテナの配置例を示す構成図である。
【図６】第２の実施形態における飛しょう体に設置したアンテナの配置例を示す構成図である。
【符号の説明】
【００２９】
ＣＨ１ チャンネル１受信処理部
ＣＨ２ チャンネル２受信処理部
ＣＨ３ チャンネル３受信処理部
ＣＨ４ チャンネル４受信処理部
１００ 複数アンテナ測位装置
１０１Ａ 第１アンテナ
１０１Ｂ 第２アンテナ
１０２Ａ 第１フロントエンド
１０２Ｂ 第２フロントエンド
１０３ 基準クロック発生回路
１０４Ａ デジタル化測位信号
１０４Ｂ デジタル化測位信号
１０５Ａ 第１ミキサー
１０５Ｂ 第２ミキサー
１０６Ａ 第１相関演算部
１０６Ｂ 第２相関演算部
１０７Ａ 第１相関値ベクトル
１０７Ｂ 第２相関値ベクトル
１０８ 合成相関値演算部
１０９ 合成相関値ベクトル
１１０ 搬送波追尾ループ
１１１ コード追尾ループ
１１２ 搬送波レプリカ信号
１１３ コードレプリカ信号
１１４ ミキサー
１１５ レプリカ信号
１１６ コード遅延時間
１１７ 擬似距離演算部
１１８ 擬似距離
１１９ 測位演算部
１２０ 測位結果
２０１Ａ 第１電力検出部
２０１Ｂ 第２電力検出部
２０２Ａ 第１位相検出部
２０２Ｂ 第２位相検出部
２０３ 位相回転角演算部
２０４Ａ 第１位相回転部
２０４Ｂ 第２位相回転部
２０５ 加算器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の測位衛星から送信される、それぞれの測位衛星に対応するチャンネルのコードで搬送波を変調した測位信号を受信する、お互いに離隔して配置された複数の受信アンテナと、
それぞれの前記受信アンテナと一対に接続され、前記測位信号に対して共通の基準クロックを基準としたサンプリングをすることによって、デジタル化した測位信号をそれぞれ出力する複数のフロンドエンドと、
それぞれの前記フロントエンドと接続され、それぞれの前記フロントエンドから出力される前記デジタル化した測位信号に、搬送波レプリカ信号およびコードレプリカ信号を含む共通のレプリカ信号を合成することによって、前記測位信号と前記レプリカ信号の相関を表わす相関値ベクトルをそれぞれ出力する、１つのチャンネルに対して複数の相関値演算部と、
前記相関値演算部から出力される１つのチャンネルに対して複数の前記相関値ベクトルを所定の演算により合成して、１つのチャンネルに対して１つの合成相関値ベクトルを出力する合成相関値演算部と、
前記合成相関値演算部から出力される前記合成相関値ベクトルが入力され、それに基づいて前記測位信号の搬送波と一致させるべき前記搬送波レプリカ信号を生成し、前記合成相関値ベクトルの大きさが極大になるように前記搬送波レプリカ信号の位相を変化させる、それぞれのチャンネルに対して設けられた搬送波追尾ループと、
前記信号演算部から出力される前記合成信号ベクトルが入力され、それに基づいて前記測位信号に含まれるコードと一致させるべき前記コードレプリカ信号を生成し、前記合成相関値ベクトルの大きさが極大になるように前記コードレプリカ信号の位相を変化させるとともに、受信した前記測位信号に含まれるコードのコード遅延時間を出力する、それぞれのチャンネルに対して設けられたコード追尾ループと、
前記コード追尾ループから出力されるコード遅延時間に基づき、擬似距離を演算する擬似距離演算部と、
前記受信機時刻における複数チャンネルの擬似距離に基づき、測位演算を行う測位演算部と、を備えることを特徴とする複数アンテナ測位装置。
【請求項２】
前記合成相関値演算部は、入力されるそれぞれの相関値ベクトルの大きさにより重み付けして平均した位相になるように、それぞれの相関値ベクトルの位相を回転させて一致させ、位相が揃えられたそれぞれの相関値ベクトルの合成を行うことを特徴とする請求項１に記載の複数アンテナ測位装置。
【請求項３】
前記合成相関値演算部は、入力されるそれぞれの相関値ベクトルの大きさと当該それぞれの相関値ベクトルの位相とを乗じたもののすべての相関値ベクトルについての和を、入力されるすべての相関値ベクトルの大きさの和で除したものが新しい位相となるように、入力されるそれぞれの相関値ベクトルの位相を回転させることによって、それぞれの相関値ベクトルの位相を揃えることを特徴とする請求項２に記載の複数アンテナ測位装置。
【請求項１】
複数の測位衛星から送信される、それぞれの測位衛星に対応するチャンネルのコードで搬送波を変調した測位信号を受信する、お互いに離隔して配置された複数の受信アンテナと、
それぞれの前記受信アンテナと一対に接続され、前記測位信号に対して共通の基準クロックを基準としたサンプリングをすることによって、デジタル化した測位信号をそれぞれ出力する複数のフロンドエンドと、
それぞれの前記フロントエンドと接続され、それぞれの前記フロントエンドから出力される前記デジタル化した測位信号に、搬送波レプリカ信号およびコードレプリカ信号を含む共通のレプリカ信号を合成することによって、前記測位信号と前記レプリカ信号の相関を表わす相関値ベクトルをそれぞれ出力する、１つのチャンネルに対して複数の相関値演算部と、
前記相関値演算部から出力される１つのチャンネルに対して複数の前記相関値ベクトルを所定の演算により合成して、１つのチャンネルに対して１つの合成相関値ベクトルを出力する合成相関値演算部と、
前記合成相関値演算部から出力される前記合成相関値ベクトルが入力され、それに基づいて前記測位信号の搬送波と一致させるべき前記搬送波レプリカ信号を生成し、前記合成相関値ベクトルの大きさが極大になるように前記搬送波レプリカ信号の位相を変化させる、それぞれのチャンネルに対して設けられた搬送波追尾ループと、
前記信号演算部から出力される前記合成信号ベクトルが入力され、それに基づいて前記測位信号に含まれるコードと一致させるべき前記コードレプリカ信号を生成し、前記合成相関値ベクトルの大きさが極大になるように前記コードレプリカ信号の位相を変化させるとともに、受信した前記測位信号に含まれるコードのコード遅延時間を出力する、それぞれのチャンネルに対して設けられたコード追尾ループと、
前記コード追尾ループから出力されるコード遅延時間に基づき、擬似距離を演算する擬似距離演算部と、
前記受信機時刻における複数チャンネルの擬似距離に基づき、測位演算を行う測位演算部と、を備えることを特徴とする複数アンテナ測位装置。
【請求項２】
前記合成相関値演算部は、入力されるそれぞれの相関値ベクトルの大きさにより重み付けして平均した位相になるように、それぞれの相関値ベクトルの位相を回転させて一致させ、位相が揃えられたそれぞれの相関値ベクトルの合成を行うことを特徴とする請求項１に記載の複数アンテナ測位装置。
【請求項３】
前記合成相関値演算部は、入力されるそれぞれの相関値ベクトルの大きさと当該それぞれの相関値ベクトルの位相とを乗じたもののすべての相関値ベクトルについての和を、入力されるすべての相関値ベクトルの大きさの和で除したものが新しい位相となるように、入力されるそれぞれの相関値ベクトルの位相を回転させることによって、それぞれの相関値ベクトルの位相を揃えることを特徴とする請求項２に記載の複数アンテナ測位装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１０−１３９４３９（Ｐ２０１０−１３９４３９Ａ）
【公開日】平成２２年６月２４日（２０１０．６．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３１７４２４（Ｐ２００８−３１７４２４）
【出願日】平成２０年１２月１２日（２００８．１２．１２）
【出願人】（５０３３６１４００）独立行政法人 宇宙航空研究開発機構 (453)
【出願人】（５０５０４４０１５）スペースリンク株式会社 (3)
【出願人】（５０８３６７４９６）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年６月２４日（２０１０．６．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１２月１２日（２００８．１２．１２）
【出願人】（５０３３６１４００）独立行政法人 宇宙航空研究開発機構 (453)
【出願人】（５０５０４４０１５）スペースリンク株式会社 (3)
【出願人】（５０８３６７４９６）
【Ｆターム（参考）】
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