説明

GPS用干渉除去装置

【課題】干渉信号が存在する環境においてもGPS信号の受信感度を向上することができ、測位の信頼性を向上することができるGPS用干渉除去装置を得る。
【解決手段】複数の素子アンテナから構成されるアレーアンテナ1と、前記複数の素子アンテナで受信された各高周波信号をディジタル信号に変換する周波数変換部2と、周波数変換部2の出力信号に対して、重み係数に基づいて振幅及び位相を所定のビーム形状となるよう調整してベクトル合成する合成部3と、合成部3の出力信号の複素共役を演算する共役演算部4と、周波数変換部2の出力信号及び共役演算部4の出力信号を用いて前記重み係数を計算する指向性制御部5とを設けた。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
この発明は、アレーアンテナを用いた干渉除去装置に関し、特にGPS(Global Positioning System)衛星からの電波を利用して地球上における測位を行うGPS受信機に適用する干渉除去装置に関するものである。
【背景技術】
【0002】
GPSは、米国が開発した人工衛星による位置決定のためのシステムである。現在では、カーナビゲーションや携帯端末での測位、精密な位置測量など様々な用途で利用されている。GPS受信機単独での測位のほか、DGPSと呼ばれる基準局を利用した方式や、干渉測位に基づく数cmオーダの精度を実現するGPS測量などは近年、その利用が急速に広まっている。
【0003】
このような測位システムにおいて、精度劣化の大きな要因となるのが干渉電波の存在である。干渉源や他システムからの妨害信号や、大きな遅延を有するマルチパスなどによって、目標とする衛星から送信されたC/A(Coarse/Acquisition)コードや航法メッセージなどを含む測位用信号(以下、GPS信号と呼ぶ)との同期が外れ、測位性能が大きく劣化あるいは測位不能となることが懸念される。
【0004】
この対策のひとつとして、受信アンテナを複数用いたアレーアンテナ構成とし、各素子アンテナの振幅・位相を制御することで目標の衛星方向にビームを形成し、干渉信号の方向にヌル点を作るアダプティブアンテナ、DBF(Digital Beam Forming)アンテナの適用が考えられている(例えば、特許文献1、2、3参照)。
【0005】
【特許文献1】特開2002−026631号公報
【特許文献2】特開2002−064331号公報
【特許文献3】特開2004−336390号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
上述した特許文献1と特許文献2においては、アレーアンテナを用いてビームを適応的に制御し、衛星を追尾する概念は述べられているものの、具体的な制御アルゴリズムについてどちらの文献においても示されていない。また、特許文献1に記載されたLMS(Least Mean Square)、MSN(Maximum Signal to Noise Ratio)、CPM(Constrained Power Minimization)、あるいは特許文献3に記載されたDCMPといったアルゴリズムには、所望信号のレプリカである参照信号や所望信号の到来方向といった事前情報が必要であり、干渉信号によりGPS衛星からの所望信号との同期がとれない状態では適用することは難しいという問題点があった。
【0007】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、干渉信号が存在する環境においてもGPS信号の受信感度を向上することができ、測位の信頼性を向上することができるGPS用干渉除去装置を得るものである。
【課題を解決するための手段】
【0008】
この発明に係るGPS用干渉除去装置は、複数の素子アンテナから構成されるアレーアンテナと、前記複数の素子アンテナで受信された各高周波信号をディジタル信号に変換する周波数変換手段と、前記周波数変換手段の出力信号に対して、重み係数に基づいて振幅及び位相を所定のビーム形状となるよう調整してベクトル合成する合成手段と、前記合成手段の出力信号の複素共役を演算する共役演算手段と、前記周波数変換手段の出力信号及び前記共役演算手段の出力信号を用いて前記重み係数を計算する指向性制御手段とを設けたものである。
【発明の効果】
【0009】
この発明に係るGPS用干渉除去装置は、干渉信号が存在する環境においてもGPS信号の受信感度を向上することができ、測位の信頼性を向上することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【0010】
実施の形態1.
この発明の実施の形態1に係るGPS用干渉除去装置について図1から図4までを参照しながら説明する。図1は、この発明の実施の形態1に係るGPS用干渉除去装置の構成を示す図である。
【0011】
図1において、この実施の形態1に係るGPS用干渉除去装置6は、#1から#KまでのK個の素子アンテナから構成されるアレーアンテナ1と、各素子アンテナで受信された高周波(RF)信号をベースバンド帯のディジタル信号に変換する周波数変換部(周波数変換手段)2(2−1〜2−K)と、周波数変換部2の出力信号の振幅・位相を制御する重み付け器31(31−1〜31−K)及びそれらを合成する合成器32から構成される合成部(合成手段)3と、合成部3の出力信号の複素共役信号を演算する共役演算部(共役演算手段)4と、共役演算部4の出力信号及び周波数変換部2の出力信号を用いて重み付け器31に与える重み係数を演算する指向性制御部(指向性制御手段)5とが設けられている。
【0012】
つぎに、この実施の形態1に係るGPS用干渉除去装置の動作について図面を参照しながら説明する。
【0013】
図2は、この発明の実施の形態1に係るGPS用干渉除去装置で使用する航法メッセージとC/Aコードの関係を示す図である。また、図3及び図4は、この発明の実施の形態1に係るGPS用干渉除去装置のアンテナビームを示す図である。
【0014】
アレーアンテナ1の各素子アンテナで受信されたRF信号は、局部信号発生器やミキサ、A/D変換器などから構成される周波数変換部2−1〜2−Kにそれぞれ入力され、中間周波数(IF)信号などを経由してベースバンド帯、あるいは非常に低い周波数帯のディジタル信号に変換される。このとき、実際には出力信号としてはRF信号をベクトル表記した場合の同相成分と直交成分に対応する、IchとQchの2つの信号が得られるが、これらを複素数表現することが一般的であるので、以下では1つの複素信号として扱う。
【0015】
周波数変換部2−1〜2−Kから出力された信号は、合成部3に供給され、重み付け器31−1〜31−Kにより所定のビーム形状となるよう振幅・位相が調整され、その後、合成器32によりベクトル合成される。この合成部3の出力信号は、干渉信号が除去されGPS信号のみが含まれているので、相関演算やドップラー補償などを含めた一連の測位演算処理を行うGPS受信機へ出力される。
【0016】
次に、重み付け器31−1〜31−Kに与える重み係数の演算方法について説明する。GPS信号の中で一般に開放されているL1帯のC/Aコードは2値の符号からなり、同じく2値のビット列からなる軌道情報などを含む航法メッセージに対して0とπの位相を有するBPSK変調を施す。これらC/Aコードと航法メッセージの関係を図2に示すが、航法メッセージ1ビットが20ms連続して送信される構成となっている。
【0017】
このような2値の変調信号(いわゆるBPSK信号)においては、搬送波周波数の2倍の周波数だけ周波数シフトした信号が元の信号と大きな相関を有することが知られている。このような性質を周期定常性(Cyclostationarity)と呼ぶ。上記の周波数シフト操作は複素表現で考えると、元の信号の複素共役をとった信号により実現することが可能である。一方、干渉源からの妨害信号はGPS信号とは無相関なノイズ性の信号であることが考えられるので、GPS信号の有する周期定常性はない。従って、共役演算部4では、合成部3からの出力信号の複素共役をとることで、GPS信号にのみ相関を持つ参照信号を生成して指向性制御部5へ入力することが可能となる。
【0018】
指向性制御部5では、周波数変換部2から出力された信号ベクトルと、共役演算部4の出力信号を用いてMMSE(Minimum Mean Square Error:最小二乗誤差)制御を施すことで、重み係数を算出する。具体的には、周波数変換部2から出力された信号ベクトルをX(t)、共役演算部4の出力信号をr(t)、合成部3の出力信号をy(t)、重み係数ベクトルをWとすると、以下の評価関数を最小化することが動作原理となる。
【0019】
【数1】

【0020】
ここで、E[]は期待値操作を表し、通常は時間平均で代用される。また、Imは虚数部を取ることを表す。また、ベクトルX(t)、参照信号r(t)は、次のように表される。
【0021】
【数2】

【0022】
実際に、重み係数ベクトルWの導出には、LMS(Least Mean Square)、RLS(Recursive Least Square)、SMI(Sample Matrix Inversion)などの各種最適化アルゴリズムが適用可能である。SMIを用いた場合の最適な重み係数ベクトルWは、次式で求まる。Rxxは相関行列、rxrは相互相関ベクトルを表す。
【0023】
【数3】

【0024】
こうして得られたアンテナビーム7は、図3に示すように、GPS衛星80からのGPS信号81のみにビームを形成し、干渉源91からの干渉信号93と干渉源92からの干渉信号94に対してはヌル点を自動的に形成する。
【0025】
この実施の形態1においては、受信信号のみを用いて指向性制御を実施しており、GPS信号を初期捕捉する際のフレーム同期が確立していない状態でも適用可能である。すなわち、干渉抑圧をブラインド処理で実現できる。従って、干渉信号により受信環境が劣悪な場合でも性能向上が期待できる。
【0026】
また、GPS衛星からの信号については周期定常性を利用した場合には、複素共役演算によりすべての信号との相関を同時に検出できる。従って、図4に示すように、複数のGPS衛星80、82からのGPS信号81、83を1つのビーム7で同時受信が可能であり、測位演算処理を行う後段のGPS受信機においては、これまで通りのC/Aコードによる相関演算によって各衛星からの信号を分離・識別し、複数のGPS衛星からのGPS信号を利用した測位・測量が可能である。
【0027】
このように、この実施の形態1においては、受信信号のみを用いた干渉除去が可能であり、またGPS信号についてすべてを同時に受信し、干渉信号のみを選択的に除去することが可能であるため、劣悪な受信環境においても高精度な測位・測量が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【0028】
【図1】この発明の実施の形態1に係るGPS用干渉除去装置の構成を示す図である。
【図2】この発明の実施の形態1に係るGPS用干渉除去装置で使用する航法メッセージとC/Aコードの関係を示す図である。
【図3】この発明の実施の形態1に係るGPS用干渉除去装置のアンテナビームを示す図である。
【図4】この発明の実施の形態1に係るGPS用干渉除去装置のアンテナビームを示す図である。
【符号の説明】
【0029】
1 アレーアンテナ、2 周波数変換部、3 合成部、4 共役演算部、5 指向性制御部、6 GPS用干渉除去装置、7 アンテナビーム、31 重み付け器、32 合成器、80、82 GPS衛星、91、92 干渉源。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
複数の素子アンテナから構成されるアレーアンテナと、
前記複数の素子アンテナで受信された各高周波信号をディジタル信号に変換する周波数変換手段と、
前記周波数変換手段の出力信号に対して、重み係数に基づいて振幅及び位相を所定のビーム形状となるよう調整してベクトル合成する合成手段と、
前記合成手段の出力信号の複素共役を演算する共役演算手段と、
前記周波数変換手段の出力信号及び前記共役演算手段の出力信号を用いて前記重み係数を計算する指向性制御手段と
を備えたことを特徴とするGPS用干渉除去装置。
【請求項2】
前記指向性制御手段は、目標とするGPS衛星から到来したGPS信号の方向にメインビームを形成するとともに、干渉源から到来した干渉信号の方向に対しては指向性のヌル点を形成するよう前記重み係数を計算する
ことを特徴とする請求項1記載のGPS用干渉除去装置。
【請求項3】
前記指向性制御手段は、前記共役演算手段の出力信号を参照信号として、MMSE規範に基づき前記重み係数を計算する
ことを特徴とする請求項1又は2記載のGPS用干渉除去装置。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【公開番号】特開2007−28152(P2007−28152A)
【公開日】平成19年2月1日(2007.2.1)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2005−206726(P2005−206726)
【出願日】平成17年7月15日(2005.7.15)
【出願人】(000006013)三菱電機株式会社 (33,312)
【Fターム(参考)】