JP6569612B2 - Radio source location estimation device - Google Patents
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Description
この発明は、電波を発信している地上の送信局などの電波源の位置を、衛星で中継された信号を受信して推定する電波源の位置推定装置に関する。 The present invention relates to a position estimation device for a radio wave source that estimates the position of a radio wave source such as a terrestrial transmitting station that is transmitting radio waves by receiving a signal relayed by a satellite.
位置が未知である電波源から発信された電波が2機の衛星に到達する時間の差である到達時間差(TDOA:Time Difference of Arrival)の情報と、2機の衛星に到達する電波の周波数差(FDOA:Frequency Difference of Arrival)の情報とを用いて、その電波源の位置を推定する技術がある(非特許文献1)。 Information on time difference of arrival (TDOA), which is the difference between the time when radio waves transmitted from radio sources with unknown positions arrive at two satellites, and the frequency difference between radio waves reaching two satellites There is a technique for estimating the position of the radio wave source using (FDOA: Frequency Difference of Arrival) information (Non-Patent Document 1).
2機の衛星によりそれぞれ中継された2つの信号を、TDOA(変数τで表現)およびFDOA(変数fで表現)を想定して乗算して時間積分を取る。時間積分した値を2次元相関値と呼ぶ。2次元相関値は、想定した(τ、f)が実際のものと一致する場合に急峻なピークをとる。τおよびfを変化させて、2次元相関値がピークとなる(τ、f)を求める。2次元相関値がピークとなる(τ、f)が求められると、衛星軌道情報から得られる2機の衛星の位置および速度を利用して、2機の衛星と電波源との位置関係に関する2つの関係式が決まる。電波源が地球の表面上にあるという制約条件も加えることで、τおよびfから電波源の位置を推定することができる。 Two signals respectively relayed by two satellites are multiplied by assuming TDOA (represented by variable τ) and FDOA (represented by variable f), and time integration is obtained. A value obtained by time integration is called a two-dimensional correlation value. The two-dimensional correlation value takes a sharp peak when the assumed (τ, f) matches the actual one. By changing τ and f, the two-dimensional correlation value becomes a peak (τ, f). When (τ, f) at which the two-dimensional correlation value reaches a peak is obtained, the position and speed of the two satellites obtained from the satellite orbit information are used to determine 2 regarding the positional relationship between the two satellites and the radio wave source. One relational expression is determined. By adding the constraint that the radio wave source is on the surface of the earth, the position of the radio wave source can be estimated from τ and f.
電波源の位置検出精度を向上させるため、位置が分っているリファレンス局を利用する方法がある。リファレンス局から2衛星を経由した信号の2次元相関値がピークとなる(τ、f)を求め、リファレンス局の位置を基にして、ターゲット局の位置を推定する。 In order to improve the position detection accuracy of the radio wave source, there is a method of using a reference station whose position is known. A two-dimensional correlation value of the signal passing through the two satellites from the reference station is found (τ, f), and the position of the target station is estimated based on the position of the reference station.
過去の推定結果などからの類推や事前情報などから、ターゲット局の位置がある程度は想定できており、受信信号の時間あるいは周波数のオフセットずれ(定常的な偏差)がほとんど無い場合には、2次元相関値のピーク位置(τ、f)は、ターゲット局の推定位置と衛星の軌道情報から想定可能である。想定できる場合には、2次元相関値の相関演算は(τ、f)を探索する範囲を狭くでき、演算量も小さくできる。 If the position of the target station can be assumed to some extent from analogy based on past estimation results, etc., and prior information, etc., and there is almost no offset deviation (steady deviation) in the time or frequency of the received signal, two-dimensional The peak position (τ, f) of the correlation value can be assumed from the estimated position of the target station and the orbit information of the satellite. If it can be assumed, the correlation calculation of the two-dimensional correlation value can narrow the range in which (τ, f) is searched, and the calculation amount can also be reduced.
しかし、実際には、通信衛星の軌道(位置、速度)には実際の位置と予測軌道との間で誤差がある。この誤差を推定することは困難である。通信機器や通信衛星の発振器の周波数ずれもある。例えば、通信衛星では受信するアップリンク信号の周波数と送信するダウンリンク信号の周波数は、固定周波数分だけ変更する。通信衛星の発振器に周波数ずれがあると、この固定周波数の大きさがずれてFDOAにもオフセットずれが出る。また、通信衛星の機器による周波数誤差(例えば1kHz程度)も加わることもある。したがって、探索する(τ、f)の範囲を広くして探索する必要がある。 However, in reality, there is an error in the orbit (position, velocity) of the communication satellite between the actual position and the predicted orbit. It is difficult to estimate this error. There is also a frequency shift in the oscillators of communication equipment and communication satellites. For example, in a communication satellite, the frequency of the received uplink signal and the frequency of the transmitted downlink signal are changed by a fixed frequency. If there is a frequency shift in the oscillator of the communication satellite, the magnitude of this fixed frequency shifts and an offset shift also appears in the FDOA. Further, a frequency error (for example, about 1 kHz) due to a communication satellite device may be added. Therefore, it is necessary to widen the range of (τ, f) to be searched for.
例えば、TDOAの精度は、数km〜数100kmの精度を得るために、概ね数10μ秒〜数1000μ秒の精度が必要である。また、FDOAの精度は、数km〜数100kmの精度を得るために、概ね数mHz〜数100mHzの精度が必要である。探索では、時間ずれは数m秒〜数10m秒、周波数ずれは、数〜数1000Hzのずれを見込んで、TDOAおよびFDOAの探索の範囲を広く決める。そのため、繰り返して測位する場合には、広い範囲を繰り返し探索することになり、計算時間が長くなるという課題がある。 For example, the accuracy of TDOA requires an accuracy of approximately several tens of microseconds to several thousand microseconds in order to obtain an accuracy of several kilometers to several hundred kilometers. Further, the accuracy of FDOA generally requires an accuracy of several mHz to several 100 mHz in order to obtain an accuracy of several km to several hundred km. In the search, a time shift is expected to be several milliseconds to several tens of milliseconds and a frequency shift is expected to be several to several thousand Hz, so that the search range of TDOA and FDOA is broadly determined. Therefore, when positioning is repeated, a wide range is repeatedly searched, and there is a problem that the calculation time becomes long.
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、電波源の位置を推定することを繰り返す際に、その演算量を従来よりも減少させることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to reduce the amount of calculation compared to the conventional method when repeatedly estimating the position of a radio wave source.
この発明に係る位置推定装置は、位置が未知の電波源が放射する電波が第1の衛星で中継されて第1の観測局で受信された第1の受信信号、電波源が放射する電波が第1の衛星とは異なる第2の衛星で中継されて第2の観測局で受信された第2の受信信号を第1の受信信号に対して決められた時間差を持たせ複素共役を取った値および決められた周波数で回転する絶対値が1である複素数を乗算して得られる値を決められた時間だけ積分して得られる2次元相関値を計算する相関値計算部を有する。さらに、時間差と周波数を変化させて、2次元相関値が最大のピークをとる時間差および周波数を検出するピーク検出部と、時間差と周波数を変化させる範囲である探索範囲を決める探索範囲決定部を有する。さらに、2次元相関値が最大のピークをとる時間差および周波数を保存する探索解記憶部と、ピーク検出部で検出された2次元相関値が最大のピークをとる時間差および周波数と、第1の衛星の位置および速度と、第2の衛星の位置および速度とを使用して、電波源の位置を決める測位部とを有する。探索範囲決定部は、直近の測位時の時間差および周波数と直近の測位からの経過時間とに基づき探索範囲を決定する。 In the position estimation device according to the present invention, the first received signal received by the first observation station after the radio wave radiated from the radio wave source having an unknown position is relayed by the first satellite, and the radio wave radiated from the radio wave source is received. The second received signal relayed by the second satellite different from the first satellite and received by the second observation station has a determined time difference with respect to the first received signal and takes a complex conjugate. A correlation value calculation unit that calculates a two-dimensional correlation value obtained by integrating a value obtained by multiplying the value and a complex number having an absolute value of 1 rotating at a determined frequency for a determined time; Furthermore, it has a peak detection unit for detecting the time difference and frequency at which the two-dimensional correlation value takes the maximum peak by changing the time difference and the frequency, and a search range determination unit for determining a search range that is a range for changing the time difference and the frequency. . Further, a search solution storage unit that stores a time difference and frequency at which the two-dimensional correlation value takes the maximum peak, a time difference and frequency at which the two-dimensional correlation value detected by the peak detection unit takes a maximum peak, and the first satellite And a positioning unit that determines the position of the radio wave source using the position and speed of the second satellite and the position and speed of the second satellite. The search range determination unit determines the search range based on the time difference and frequency at the latest positioning and the elapsed time from the latest positioning.
この発明によれば、電波源の位置を推定することを繰り返す際に、その演算量を従来よりも減少させることができる。 According to the present invention, when the estimation of the position of the radio wave source is repeated, the amount of calculation can be reduced as compared with the prior art.
実施の形態1.
図1は、位置が未知の電波源の位置を推定する処理を説明する概念図である。図1は、非特許文献1に開示されている方法に基づいている。図1の例では、位置が未知である電波源70から電波が送信されている。電波源70が放射するメインローブの電波81が衛星(#1)71に向けて送信される。同時に、電波源70はサイドローブの電波82を放射する。衛星(#1)71は電波81を中継して電波83を送信する。衛星(#1)71からの電波83は、監視局のアンテナ(#1)72で受信される。アンテナ(#1)72は、電波83から受信信号91を生成する。電波源70が放射するサイドローブの電波82は、衛星(#2)73により中継され、監視局のアンテナ(#2)74で電波84として受信される。アンテナ(#2)73は、電波84から受信信号92を生成する。
FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating processing for estimating the position of a radio wave source whose position is unknown. FIG. 1 is based on the method disclosed in
アンテナ(#1)72とアンテナ(#2)74は、別の監視局に設置されてもよい。アンテナ(#1)72が設置される監視局が第1の監視局であり、アンテナ(#2)74が設置される監視局が第2の監視局である。受信信号91が、第1の衛星である衛星(#1)71で中継されて第1の観測局で受信された第1の受信信号である。受信信号92が、第2の衛星である衛星(#2)73で中継されて第2の観測局で受信された第2の受信信号である。アンテナ(#1)72とアンテナ(#2)74が同じ監視局に設置される場合には、その監視局が第1の監視局でありかつ第2の監視局である。 The antenna (# 1) 72 and the antenna (# 2) 74 may be installed in different monitoring stations. The monitoring station where the antenna (# 1) 72 is installed is the first monitoring station, and the monitoring station where the antenna (# 2) 74 is installed is the second monitoring station. The received signal 91 is the first received signal that is relayed by the satellite (# 1) 71 that is the first satellite and received by the first observation station. The received signal 92 is the second received signal that is relayed by the satellite (# 2) 73 that is the second satellite and received by the second observation station. When the antenna (# 1) 72 and the antenna (# 2) 74 are installed in the same monitoring station, the monitoring station is the first monitoring station and the second monitoring station.
受信信号91,92が、電波源の位置推定装置50に入力される。位置推定装置50は、衛星(#1)71と衛星(#2)73と受信された際のTDOAとFDOAを推定する。推定したTDOAが一定である面と地表面との交線である等TDOA線61と、推定したFDOAが一定である面と地表面との交線である等FDOA線62の交点を、位置推定装置50は電波源70の位置と推定する。
Received signals 91 and 92 are input to radio wave source
位置が未知の電波源70から放射された電波81がアンテナ(#1)72で電波83として受信されるまでの経路と、電波82がアンテナ(#2)74で電波84として受信されるまでの経路で、衛星(#1)71以降の経路と衛星(#2)72以降の経路は分かっている。電波源70の位置を決めるために、衛星(#1)71および衛星(#2)73に電波が到達する時間差(TDOA)と、受信した電波81,82の周波数差(FDOA)を求める。なお、周波数差は、衛星(#1)71および衛星(#2)73が異なる速度ベクトルで移動するため、ドップラ効果による受信周波数の変化が、衛星(#1)71と衛星(#2)73とで異なることにより発生する。
The path until the
まず、到達時間差(TDOA)および周波数差(FDOA)から電波源70の位置を推定する方法を説明する。 First, a method for estimating the position of the radio wave source 70 from the arrival time difference (TDOA) and the frequency difference (FDOA) will be described.
以下の変数を定義する。
po:電波源70の位置。地球の中心を原点とする3次元座標系による。
ps1:衛星(#1)71の位置。
ps2:衛星(#2)73の位置。
c:光速。
τ1:電波源70から電波81が放射されて衛星(#1)71に到達するまでの時間。
τ2:電波源70から電波82が放射されて衛星(#2)73に到達するまでの時間。
vs1:衛星(#1)71の速度ベクトル。
vs2:衛星(#2)73の速度ベクトル。
fd1:衛星(#1)71の速度により発生するドップラ周波数偏移量。
fd2:衛星(#2)73の速度により発生するドップラ周波数偏移量。
fc:電波源70からの電波の搬送波の周波数。
λ:電波源70からの電波の搬送波の波長。λ=c/fc
Define the following variables:
p o : the position of the radio wave source 70. It is based on a three-dimensional coordinate system with the center of the earth as the origin.
p s1 : The position of the satellite (# 1) 71.
p s2 : The position of the satellite (# 2) 73.
c: Speed of light.
τ 1 : Time until the
τ 2 : Time until the radio wave 82 is emitted from the radio wave source 70 and reaches the satellite (# 2) 73.
v s1 : The velocity vector of the satellite (# 1) 71.
v s2 : The velocity vector of the satellite (# 2) 73.
f d1 : Doppler frequency shift amount generated by the speed of the satellite (# 1) 71.
f d2 : Doppler frequency shift amount generated by the speed of the satellite (# 2) 73.
fc: the frequency of the carrier wave of the radio wave from the radio wave source 70.
λ: the wavelength of the carrier wave of the radio wave from the radio wave source 70. λ = c / fc
電波源70からの電波が衛星(#1)71または衛星(#2)73に到達するまでの時間は、以下で計算できる。 The time until the radio wave from the radio wave source 70 reaches the satellite (# 1) 71 or the satellite (# 2) 73 can be calculated as follows.
衛星(#1)71および衛星(#2)73が電波源70からの電波を受信する際に、衛星が動いていることにより発生するドップラ周波数偏移量は、以下で計算できる。 When the satellite (# 1) 71 and the satellite (# 2) 73 receive the radio wave from the radio wave source 70, the Doppler frequency shift amount generated by the movement of the satellite can be calculated as follows.
衛星(#1)71および衛星(#2)73での到達時間差TDOAは、以下の式(5)で計算できる。ドップラ周波数偏移量の差である周波数差FDOAは、以下の式(6)で計算できる。 The arrival time difference TDOA between the satellite (# 1) 71 and the satellite (# 2) 73 can be calculated by the following equation (5). The frequency difference FDOA, which is the difference in the Doppler frequency shift amount, can be calculated by the following equation (6).
位置が未知の電波源70は地表面に存在すると仮定するので、以下が成立する。 Since it is assumed that the radio wave source 70 whose position is unknown exists on the ground surface, the following holds.
TDOAとFDOAが与えられれば、式(5)〜(7)により、電波源70の位置poを決めることができる。というのは、衛星(#1)71および衛星(#2)73の位置と速度は、衛星の軌道情報として入手可能であり、未知の変数はpoの座標の(x、y、z)の3個であり、方程式の数も3個だからである。 Given TDOA and FDOA, by the equation (5) to (7), it is possible to determine the position p o radio sources 70. Since the satellite position and velocity (# 1) 71 and the satellite (# 2) 73 is available as a satellite orbit information, the unknown variables of the coordinate p o (x, y, z) of This is because there are three and the number of equations is three.
アンテナ(#1)72で観測する衛星(#1)71からの電波83による受信信号91と、アンテナ(#2)74で観測する衛星(#2)73からの電波84による受信信号92とから、TDOAおよびFDOAを推測する方法について説明する。 From the received signal 91 by the radio wave 83 from the satellite (# 1) 71 observed by the antenna (# 1) 72 and the received signal 92 by the radio wave 84 from the satellite (# 2) 73 observed by the antenna (# 2) 74. A method for estimating TDOA and FDOA will be described.
以下の変数を定義する。
s(t):電波源70から放射される信号。
a(t):電波源70から放射される信号において、搬送波に乗算される変調信号。複素数で表現する。
s1(t):衛星(#1)71で受信される電波源70からの電波83の受信信号91。
s2(t):衛星(#2)73で受信される電波源70からの電波84の受信信号92。
s1d(t):アンテナ(#1)72で受信される衛星(#1)71で中継された電波源70からの信号。
s2d(t):アンテナ(#2)74で受信される衛星(#2)73で中継された電波源70からの信号。
τ1d:衛星(#1)71からアンテナ(#1)72に電波が到達するのに要する時間。
τ2d:衛星(#2)73からアンテナ(#2)74に電波が到達するのに要する時間。
ωc:電波源70からの電波の搬送波の角周波数。ωc=2πfc。
f1D:衛星(#1)71で信号が中継される際の搬送波周波数の変更量。
f2D:衛星(#2)73で信号が中継される際の搬送波周波数の変更量。
Define the following variables:
s (t): A signal radiated from the radio wave source 70.
a (t): A modulated signal multiplied by a carrier wave in a signal radiated from the radio wave source 70. Expressed as a complex number.
s 1 (t): Received signal 91 of radio wave 83 from radio wave source 70 received by satellite (# 1) 71.
s 2 (t): A reception signal 92 of the radio wave 84 from the radio wave source 70 received by the satellite (# 2) 73.
s 1d (t): A signal from the radio wave source 70 relayed by the satellite (# 1) 71 received by the antenna (# 1) 72.
s 2d (t): A signal from the radio wave source 70 relayed by the satellite (# 2) 73 received by the antenna (# 2) 74.
τ 1d : Time required for radio waves to reach the antenna (# 1) 72 from the satellite (# 1) 71.
τ 2d : Time required for radio waves to reach the antenna (# 2) 74 from the satellite (# 2) 73.
ωc: Angular frequency of the carrier wave of the radio wave from the radio wave source 70. ωc = 2πfc.
f 1D : A change amount of the carrier frequency when the signal is relayed by the satellite (# 1) 71.
f 2D : A change amount of the carrier frequency when the signal is relayed by the satellite (# 2) 73.
電波源70から放射される信号s(t)は、以下のように表現される。実際には、信号には雑音も含まれるが、ここでは、雑音成分を無視して式を表現する。
s(t)=a(t)*exp(jωct) (8)
衛星(#1)71で受信される電波源70からの信号s1(t)は、以下のように表現される。
s1(t)=a(t-τ1)*exp(j(ωc-2πfd1)(t-τ1)) (9)
衛星(#2)73で受信される電波源70からの信号s2(t)は、以下のように表現される。
s2(t)=a(t-τ2)*exp(j(ωc-2πfd2)(t-τ2)) (10)
The signal s (t) radiated from the radio wave source 70 is expressed as follows. Actually, the signal includes noise, but here, the expression is expressed by ignoring the noise component.
s (t) = a (t) * exp (jωct) (8)
The signal s 1 (t) from the radio wave source 70 received by the satellite (# 1) 71 is expressed as follows.
s 1 (t) = a (t−τ 1 ) * exp (j (ωc−2πf d1 ) (t−τ 1 )) (9)
The signal s 2 (t) from the radio wave source 70 received by the satellite (# 2) 73 is expressed as follows.
s 2 (t) = a (t−τ 2 ) * exp (j (ωc−2πf d 2 ) (t−τ 2 )) (10)
実際には、衛星(#1)71および衛星(#2)73から監視局までの下り衛星回線でも遅延とドップラ周波数変位は発生する。それらは、監視局の位置および衛星の軌道が分っているので、受信信号91、92から除去できる。式(9)と式(10)では、下り衛星回線の影響を除去した後の信号として表現する。 In practice, delay and Doppler frequency displacement also occur in the downlink satellite line from the satellite (# 1) 71 and the satellite (# 2) 73 to the monitoring station. They can be removed from the received signals 91 and 92 because the position of the monitoring station and the satellite's orbit are known. Expressions (9) and (10) are expressed as signals after removing the influence of the downlink satellite channel.
アンテナ(#1)72で受信される衛星(#1)71で中継された電波源70からの信号s1d(t)は、以下のように表現される。
s1d(t)=s1(t-τ1d)*exp(-j2πf1D)(t-τ1d)) (11)
式(11)に式(9)を代入して、以下となる。
s1d(t)=a(t-τ1-τ1d)*exp(-j(ωc-2π(fd1+f1D))(t-τ1-τ1d)) (12)
The signal s 1d (t) from the radio wave source 70 relayed by the satellite (# 1) 71 received by the antenna (# 1) 72 is expressed as follows.
s 1d (t) = s 1 (t-τ 1d ) * exp (-j2πf 1D ) (t-τ 1d )) (11)
Substituting equation (9) into equation (11) yields:
s 1d (t) = a (t−τ 1 −τ 1d ) * exp (−j (ωc−2π (f d1 + f 1D )) (t−τ 1 −τ 1d )) (12)
アンテナ(#2)74で受信される衛星(#2)73で中継された電波源70からの信号s2d(t)は、以下のように表現される。
s2d(t)=s2(t-τ2d)*exp(-j2πf2D)(t-τ2d)) (13)
式(13)に式(10)を代入して、以下となる。
s2d(t)=a(t-τ2-τ2d)*exp(-j(ωc-2π(fd2+f2D))(t-τ2-τ2d)) (14)
The signal s 2d (t) from the radio wave source 70 relayed by the satellite (# 2) 73 received by the antenna (# 2) 74 is expressed as follows.
s 2d (t) = s 2 (t-τ 2d ) * exp (-j2πf 2D ) (t-τ 2d )) (13)
Substituting equation (10) into equation (13) yields:
s 2d (t) = a (t−τ 2 −τ 2d ) * exp (−j (ωc−2π (f d2 + f 2D )) (t−τ 2 −τ 2d )) (14)
観測できる信号s1d(t)および信号s2d(t)から、TDOAおよびFDAを推測するために、以下の式で表現される2次元相関値ccf(τ,f)を使用する。ここで、τはTDOAに相当するパラメータである。fは、FDOAに相当するパラメータである。ここで、x*(t)は、x(t)の複素共役である。なお、式(15)で積分する時間範囲は、例えば数分から数10分の範囲で、状況に応じて適切に決める。2次元相関値ccfを計算する(τ,f)を、探索点と呼ぶ。
ccf(τ,f)=∫s1(t)*s2 *(t-τ)*exp(-j2πft)dt
=∫s1d(t+τ1d)*s2d *(t+τ2d-τ)*exp(j2π(f1D-f2D -f)t)dt (15)
式(15)に、式(12)と式(13)を代入して、以下となる。
ccf(τ,f)=∫a(t-τ1)*a*(t-τ2+τ)*exp(j2π(-fd1 +fd2 -f)t)dt (16)
In order to estimate TDOA and FDA from the observable signals s 1d (t) and s 2d (t), a two-dimensional correlation value ccf (τ, f) expressed by the following equation is used. Here, τ is a parameter corresponding to TDOA. f is a parameter corresponding to FDOA. Here, x * (t) is a complex conjugate of x (t). It should be noted that the time range for integration in equation (15) is, for example, in the range of several minutes to several tens of minutes, and is appropriately determined according to the situation. The (τ, f) for calculating the two-dimensional correlation value ccf is called a search point.
ccf (τ, f) = ∫s 1 (t) * s 2 * (t−τ) * exp (−j2πft) dt
= ∫s 1d (t + τ 1d ) * s 2d * (t + τ 2d −τ) * exp (j2π (f 1D −f 2D −f) t) dt (15)
Substituting Equation (12) and Equation (13) into Equation (15) gives the following.
ccf (τ, f) = ∫a (t−τ 1 ) * a * (t−τ 2 + τ) * exp (j2π (−f d1 + f d2 −f) t) dt (16)
式(15)において、exp(-j2πft)の項は、決められた周波数fで回転する絶対値が1である複素数である。周波数fは、FDOAに相当する周波数である。 In Expression (15), the term exp (−j2πft) is a complex number having an absolute value of 1 that rotates at the determined frequency f. The frequency f is a frequency corresponding to FDOA.
式(16)は、τ=τ1-τ2であり、f=fd1 -fd2である場合に、以下のようになる。
ccf(τ1-τ2, fd1 -fd2)=∫a(t-τ1)*a*(t-τ1)dt
=∫|a(t-τ1)|2dt (17)
式(17)は、τ=τ1-τ2であり、f=fd1 -fd2である場合に、ccf(τ,f)がピークをとることを意味する。(τ,f)がその他の場合には、ccf(τ,f)はゼロになる。
Equation (16) is as follows when τ = τ 1 -τ 2 and f = f d1 -f d2 .
ccf (τ 1 −τ 2 , f d1 −f d2 ) = ∫a (t−τ 1 ) * a * (t−τ 1 ) dt
= ∫ | a (t-τ 1 ) | 2 dt (17)
Equation (17) means that when τ = τ 1 -τ 2 and f = f d1 -f d2 , ccf (τ, f) takes a peak. When (τ, f) is other than that, ccf (τ, f) becomes zero.
以上の式では、s1d(t)およびs2d(t)をアナログな変数として表現した。実際には、A/Dコンバータにより離散化されたデジタル信号に対して処理する。詳細は省略する。 In the above equation, s 1d (t) and s 2d (t) are expressed as analog variables. In practice, the digital signal digitized by the A / D converter is processed. Details are omitted.
実際の測位では、監視局の受信機材や通信衛星の発振器の周波数ずれや、通信衛星の軌道(位置、速度)にオフセットずれ(定常的な偏差)が発生することは避けられない。そのため、受信信号s1(t),s2(t)には時間あるいは周波数のオフセットずれが生じる。 In actual positioning, it is unavoidable that the frequency deviation of the receiving equipment of the monitoring station and the oscillator of the communication satellite and the offset deviation (steady deviation) occur in the orbit (position and velocity) of the communication satellite. Therefore, a time or frequency offset shift occurs in the received signals s1 (t) and s2 (t).
例えば、衛星#1での到達時間τ1は誤差Δτ1を含めばτ1+Δτ1になり、ドップラ周波数偏移量fd1は誤差Δfd1を含めばfd1+Δfd1になる。そして、式(16)がピークを取るTDOAであるτはτ+Δτ1に、FDOAであるfはf+Δfd1にずれる。その結果、ずれ量(Δτ1,Δfd1)に対応した分の位置のずれが生じる。
For example, the arrival time tau 1 for
このずれ量の把握と補正のために、実際には同時にもう一つの位置が分っている電波源を利用する。この電波源をここではリファレンス局と呼ぶ。そして、未知の方の電波源70をターゲット局と呼んで区別する。図2は、リファレンス局を利用した時間および周波数のオフセットずれを補正する処理を説明する図である。 In order to grasp and correct this deviation amount, a radio wave source in which another position is known at the same time is actually used. This radio wave source is referred to herein as a reference station. The unknown radio wave source 70 is called a target station to be distinguished. FIG. 2 is a diagram for explaining processing for correcting a time and frequency offset shift using a reference station.
リファレンス局である電波源75が放射するメインローブの電波85が衛星(#1)71に向けて送信される。同時に、電波源75はサイドローブの電波86を放射する。衛星(#1)71は電波85を中継して電波87を送信する。衛星(#1)71からの電波87は、監視局のアンテナ(#1)72で受信される。アンテナ(#1)72は、電波87から受信信号93を生成する。電波源75が放射するサイドローブの電波86は、衛星(#2)73により中継され、監視局のアンテナ(#2)74で電波88として受信される。アンテナ(#2)74は、電波88から受信信号94を生成する。
The main lobe radio wave 85 radiated from the
リファレンス局である電波源75が放射した電波85,86から生成された受信信号93,94についても2次元相関値ccf(τ,f)を計算する。図3を参照して、リファレンス局を利用した時間および周波数のオフセットずれを補正する処理について説明する。図3(a)に、リファレンス局についての2次元相関値ccfがピークになる探索点の位置の実測値と理論値の関係を示す。2次元相関値ccfがピークになる探索点の位置をピーク位置と呼ぶ。受信信号93,94から計算された2次元相関値ccfがピークを持つ探索点31(ピーク位置の実測値)が(τr, fr)であるとする。リファレンス局の既知の位置から計算できる、オフセットずれが存在しない場合に2次元相関値ccfがピークを持つべき探索点32(ピーク位置の理論値)が(τr0, fr0)であるとする。オフセットずれを表すΔτrとΔfrは、以下のように計算できる。
Δτr=τr−τr0 (18)
Δfr=fr−fr0 (19)
A two-dimensional correlation value ccf (τ, f) is also calculated for the received signals 93 and 94 generated from the radio waves 85 and 86 radiated from the
Δτ r = τ r −τ r0 (18)
Δf r = f r −f r0 (19)
図3(b)に、ターゲット局についての2次元相関値ccfがピークになる探索点の位置の実測値と理論値の関係を示す。ターゲット局である電波源70からの受信信号91,92についての2次元相関値ccf(τ,f)がピークになる探索点33(ピーク位置の実測値)が(τt, ft)であるとする。ターゲット局についてのオフセットずれを(Δτt, Δft)により表す。ターゲット局についてのオフセットずれは、以下のように近似できる。
Δτt≒Δτr=τr−τr0 (20)
Δft≒Δfr=fr−fr0 (21)
ここでは示さないが、オフセットずれをターゲット局およびリファレンス局のピーク位置の実測値も考慮してリファレンス局のオフセットずれから推定するようにしてもよい。
FIG. 3B shows the relationship between the measured value and the theoretical value of the position of the search point where the two-dimensional correlation value ccf for the target station peaks. A search point 33 (measured value of peak position) at which the two-dimensional correlation value ccf (τ, f) for the received signals 91 and 92 from the radio wave source 70 as the target station reaches a peak is (τ t , f t ). And The offset deviation for the target station is represented by (Δτ t , Δf t ). The offset deviation for the target station can be approximated as follows.
Δτ t ≈Δτ r = τ r −τ r0 (20)
Δf t ≈Δf r = f r −f r0 (21)
Although not shown here, the offset deviation may be estimated from the offset deviation of the reference station in consideration of the actually measured values of the peak positions of the target station and the reference station.
ターゲット局のピーク位置の実測値にオフセットずれを考慮した理論値34(τt0, ft0)は、以下のように計算できる。
τt0=τt+Δτt≒τt+Δτr=τt+τr−τr0 (22)
ft0=ft+Δft≒ft+Δfr=ft+fr−fr0 (23)
ターゲット局の位置は、ターゲット局のピーク位置の理論値34(τt0, ft0)を使用して計算する。そうすることで、オフセットずれも考慮して考慮しない場合よりも精度よくターゲット局の位置を推定できる。
A theoretical value 34 (τ t0 , f t0 ) in which an offset deviation is considered in the actual measurement value of the peak position of the target station can be calculated as follows.
τ t0 = τ t + Δτ t ≈τ t + Δτ r = τ t + τ r −τ r0 (22)
f t0 = f t + Δf t ≈f t + Δf r = f t + f r −f r0 (23)
The position of the target station is calculated using the theoretical value 34 (τ t0 , f t0 ) of the peak position of the target station. By doing so, the position of the target station can be estimated with higher accuracy than in the case where the offset deviation is also taken into consideration.
図4は、この発明の実施の形態1に係る位置推定装置の構成を説明する模式図である。電波源の位置推定装置50は、相関値計算部1、探索範囲決定部2、ピーク検出部3、探索解記憶部4、測位部5を有する。
FIG. 4 is a schematic diagram illustrating the configuration of the position estimation apparatus according to
相関値計算部1は、アンテナ(#1)72で受信される衛星(#1)71で中継された電波源70からの信号s1d(t)と、アンテナ(#2)74で受信される衛星(#2)73で中継された電波源70からの信号s2d(t)とに対して、時間差τと周波数差fを設定して式(15)で表現される2次元相関値ccfを計算する。
The correlation
探索範囲決定部2は、直近の測位からの経過時間に応じて、パラメータτおよびfの探索範囲を設定する。例えば、直近の測位から決められた閾値、例えば10時間以上が経過している場合(1回目と呼ぶ)は、直近の測位時のデータは利用できないとして、以下で規定される長方形の範囲を探索範囲とする。
τ0−Δτ1≦τ≦τ0+Δτ1 (24)
f0−Δf1≦f≦f0+Δf1 (25)
ここで、τ0、Δτ1、f0、Δf1は予め決めておく値である。図5は、実施の形態1に係る位置推定装置での1回目の探索範囲を説明する図である。図5に示す探索範囲41は、電波源70の存在可能な範囲や測定条件などが変化してもピークが存在するように決められた第1の範囲である。
The search
τ0−Δτ1 ≦ τ ≦ τ0 + Δτ1 (24)
f0−Δf1 ≦ f ≦ f0 + Δf1 (25)
Here, τ0, Δτ1, f0, and Δf1 are predetermined values. FIG. 5 is a diagram for explaining a first search range in the position estimation apparatus according to the first embodiment. The search range 41 shown in FIG. 5 is a first range determined so that a peak exists even if the range in which the radio wave source 70 can exist, measurement conditions, and the like change.
直近の測位から決められた閾値が経過していない場合を2回目以降の測位と呼ぶ。2回目以降の測位での探索範囲は、1回目の測位での探索範囲である第1の範囲よりも小さい第2の範囲とする。第2の範囲は、直近の測位で2次元相関値ccfがピークになる探索点を(τn, fn)として、係数α(0<α<1)により以下のように表現する。
τn−α*Δτ1≦τ≦τn+α*Δτ1 (26)
fn−α*Δf1≦f≦fn+α*Δf1 (27)
The case where the threshold determined from the latest positioning has not elapsed is called the second or subsequent positioning. The search range in the second and subsequent positioning is a second range that is smaller than the first range that is the search range in the first positioning. The second range is expressed as follows using a coefficient α (0 <α <1), where (τn, fn) is a search point at which the two-dimensional correlation value ccf peaks at the latest positioning.
τn−α * Δτ1 ≦ τ ≦ τn + α * Δτ1 (26)
fn−α * Δf1 ≦ f ≦ fn + α * Δf1 (27)
なお、以下に示すように、時間差τに関して係数ατ、周波数fに関して係数αfというように別の係数にして、第2の探索範囲を決めるようにしてもよい。
τn−ατ*Δτ1≦τ≦τn+ατ*Δτ1 (26A)
fn−αf*Δf1≦f≦fn+αf*Δf1 (27A)
オフセットずれについてある程度は予測できる場合などは、+側の係数をαp、−側の係数をαnとして、以下のようにしてもよい。ここで、0<αn+αp<2とする。
τn−αn*Δτ1≦τ≦τn+αp*Δτ1 (26B)
fn−αn*Δf1≦f≦fn+αp*Δf1 (27B)
また、以下に示すように、第1の探索範囲に関しても、固定値の(τ0,f0)ではなく、直近の探索でピークとなる探索点(τn, fn)を中心に決めるようにしてもよい。
τn−Δτ1≦τ≦τn+Δτ1 (24A)
fn−Δf1≦f≦fn+Δf1 (25A)
As shown below, the second search range may be determined by using different coefficients such as a coefficient ατ for the time difference τ and a coefficient αf for the frequency f.
τn−ατ * Δτ1 ≦ τ ≦ τn + ατ * Δτ1 (26A)
fn−αf * Δf1 ≦ f ≦ fn + αf * Δf1 (27A)
When the offset deviation can be predicted to some extent, the coefficient on the + side may be αp and the coefficient on the − side may be αn as follows. Here, 0 <αn + αp <2.
τn−αn * Δτ1 ≦ τ ≦ τn + αp * Δτ1 (26B)
fn−αn * Δf1 ≦ f ≦ fn + αp * Δf1 (27B)
In addition, as shown below, the first search range may be determined centering on the search point (τn, fn) that becomes the peak in the latest search, instead of the fixed value (τ0, f0). .
τn−Δτ1 ≦ τ ≦ τn + Δτ1 (24A)
fn−Δf1 ≦ f ≦ fn + Δf1 (25A)
図6は、実施の形態1に係る位置推定装置での2回目以降の探索範囲を説明する図である。図6に示す探索範囲42は、図5に示す探索範囲41よりも小さい。探索範囲42は、直近の測位時の時間差τnと周波数差fnを中心とする範囲である。なお、(τn, fn)が探索範囲に含まれれば中心でなくてもよい。 FIG. 6 is a diagram for explaining the second and subsequent search ranges in the position estimation apparatus according to the first embodiment. The search range 42 shown in FIG. 6 is smaller than the search range 41 shown in FIG. The search range 42 is a range centered on the time difference τn and the frequency difference fn at the time of the latest positioning. Note that if (τn, fn) is included in the search range, it may not be the center.
係数αは、直近の測位からの経過時間ΔTにより、例えば、以下のように決める。経過時間ΔTが増加するにつれて単調非減少になるようにαは決める。そうすることで、第2の探索範囲の大きさが経過時間に対して単調非減少になる。
10時間>ΔT≧6時間 α=0.8
6時間>ΔT≧2時間 α=0.5
2時間>ΔT α=0.3
このようにαを決めると、ピーク位置が探索範囲外になることなく経過時間が小さいほど計算量を小さくできる。
The coefficient α is determined as follows, for example, by the elapsed time ΔT from the latest positioning. Α is determined to be monotonously non-decreasing as the elapsed time ΔT increases. By doing so, the size of the second search range becomes monotonously non-decreasing with respect to the elapsed time.
10 hours> ΔT ≧ 6 hours α = 0.8
6 hours> ΔT ≧ 2 hours α = 0.5
2 hours> ΔT α = 0.3
When α is determined in this way, the amount of calculation can be reduced as the elapsed time is smaller without the peak position being outside the search range.
ピーク検出部3は、パラメータτおよびfを決められた刻み幅で変化させて2次元相関値ccfが最大のピーク値をとるパラメータτおよびfを求める。τがTDOAであり、fがFDOAである。探索の刻み幅は最初は大きく、ピークの範囲が推定されるにしたがい小さくしてもよい。
The
探索解記憶部4は、ピーク検出部3が求めた2次元相関値ccfが最大のピーク値をとるτおよびfを記憶する。
The search
測位部5は、ピーク検出部3で求めたパラメータτおよびfから、リファレンス局での測位結果から推定したオフセットずれも考慮して、式(5)〜(7)により、衛星軌道情報を参照して、第1の衛星の位置および速度と第2の衛星の位置および速度とを使用して、電波源70の位置を計算する。なお、衛星軌道情報から、測位部5は、衛星(#1)71および衛星(#2)73の位置および速度ベクトルを取得する。
The positioning unit 5 refers to the satellite orbit information according to the equations (5) to (7) in consideration of the offset deviation estimated from the positioning result at the reference station from the parameters τ and f obtained by the
この発明の電波源の位置推定装置では、直近の測位時の時間差および周波数差と直近の測位からの経過時間とに基づき探索範囲を決定するので、電波源の位置を推定することを繰り返す際に、位置を推定するための演算量を減少させることができる。特に、経過時間が決められた閾値以上である場合の第1の探索範囲よりも、経過時間が閾値未満である場合の第2の探索範囲を小さくし、かつ第2の探索範囲の中心を直近の測位時の時間差τnと周波数差fnとする範囲とする。そうすることで、電波源の位置を推定することを繰り返す際に、常に探索範囲を同じにする場合よりも計算量を小さくできる。 In the radio wave source position estimating apparatus according to the present invention, the search range is determined based on the time difference and frequency difference at the time of the latest positioning and the elapsed time from the most recent positioning, so when the estimation of the position of the radio wave source is repeated. The amount of calculation for estimating the position can be reduced. In particular, the second search range when the elapsed time is less than the threshold is smaller than the first search range when the elapsed time is equal to or greater than a predetermined threshold, and the center of the second search range is closest. The time difference τn and the frequency difference fn at the time of positioning are set to a range. By doing so, when repeatedly estimating the position of the radio wave source, the amount of calculation can be made smaller than when the search range is always the same.
50 電波源の位置推定装置
1 相関値計算部
2 探索範囲決定部
3 ピーク検出部
4 探索解記憶部
5 測位部
31 リファレンス局のピーク位置の実測値
32 リファレンス局のピーク位置の理論値
33 ターゲット局のピーク位置の実測値
34 ターゲット局のピーク位置の理論値
41 1回目の測位での探索範囲
42 2回目以降の測位での探索範囲
61 等TDOA線
62 等FDOA線
70 電波源(ターゲット局)
71 衛星(#1)
72 アンテナ(#1)
73 衛星(#2)
74 アンテナ(#2)
75 電波源(リファレンス局)
81 電波
82 電波
83 電波
84 電波
85 電波
86 電波
87 電波
88 電波
91 受信信号
92 受信信号
93 受信信号
94 受信信号
50 Radio Source
71 Satellite (# 1)
72 Antenna (# 1)
73 Satellite (# 2)
74 Antenna (# 2)
75 Radio source (reference station)
81 radio wave 82 radio wave 83 radio wave 84 radio wave 85 radio wave 86 radio wave 87 radio wave 88 radio wave 91 reception signal 92 reception signal 93 reception signal 94 reception signal
Claims (3)
前記時間差と前記周波数を変化させて、前記2次元相関値が最大のピークをとる前記時間差および前記周波数を検出するピーク検出部と、
前記時間差と前記周波数を変化させる範囲である探索範囲を決める探索範囲決定部と、
前記2次元相関値が最大のピークをとる前記時間差および前記周波数を保存する探索解記憶部と、
前記ピーク検出部で検出された前記2次元相関値が最大のピークをとる前記時間差および前記周波数と、前記第1の衛星の位置および速度と、前記第2の衛星の位置および速度とを使用して、前記電波源の位置を決める測位部とを備え、
前記探索範囲決定部は、直近の測位時の前記時間差および前記周波数と直近の測位からの経過時間とに基づき前記探索範囲を決定する、電波源の位置推定装置。 The first received signal received by the first observation station after the radio wave radiated from the radio wave source having an unknown position is relayed by the first satellite, and the radio wave radiated from the radio wave source is different from that of the first satellite. A value obtained by taking a complex conjugate of the second received signal relayed by the second satellite and received by the second observation station with a predetermined time difference with respect to the first received signal, and a determined frequency A correlation value calculation unit for calculating a two-dimensional correlation value obtained by integrating a value obtained by multiplying a complex number whose absolute value rotates by 1 for a predetermined time;
A peak detector for detecting the time difference and the frequency at which the two-dimensional correlation value takes a maximum peak by changing the time difference and the frequency;
A search range determination unit for determining a search range which is a range in which the time difference and the frequency are changed;
A search solution storage unit for storing the time difference and the frequency at which the two-dimensional correlation value takes a maximum peak;
The time difference and the frequency at which the two-dimensional correlation value detected by the peak detector takes the maximum peak, the position and velocity of the first satellite, and the position and velocity of the second satellite are used. And a positioning unit for determining the position of the radio wave source,
The radio wave source position estimating device, wherein the search range determining unit determines the search range based on the time difference at the time of the latest positioning and the frequency and an elapsed time from the most recent positioning.
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