JP2006217601A - 地理的局所化システムの位置決め信号を捕捉するための方法、地理的局所化システム用受信機及び上記の方法を実行するためのプログラム命令を含んでいるコンピュータデータ媒体 - Google Patents

Abstract

【課題】衛星系地理的局所化システム用受信機における信号捕捉に関し、捕捉感度の向上、捕捉時間の短縮及び低消費電力化をはかった方法、受信機及び媒体。
【解決手段】局所化受信機のための、特にＧＰＳ受信機のための捕捉方法。この方法は、ＦＦＴによって明示される周波数分解能の半整数値に対応する周波数線が、ＦＦＴスペクトル（Ｓ）の振幅値と位相値との両方の結合よって得られる、相関信号の補間ＦＦＴスペクトル（Ｓ′）の計算を伴っている。
【選択図】図３

Description

本発明は局所化信号の捕捉に関するものであり、限定はされないが詳細には、本発明は例えばＧＰＳ（全地球測位システム）受信機の様な衛星系地理的局所化システム用受信機における信号捕捉に関するものである。

ＧＰＳ受信機の動作は、通常は、宇宙機から受信される信号が探索される捕捉モードつまり探索モードと、捕捉された信号が搬送周波数と符号位相との両方において追跡される追尾モードとを含んでいる。

追尾モードにおいてのみ、ＧＰＳ受信機は擬似距離と空間及び時間内における位置とを与えることができる。従って、捕捉位相を最短可能時間へ減少させることが望ましい。

ＧＰＳ信号の捕捉は三次元空間内における相関ピークの探索を必要とする本来的に時間のかかる過程であり、その三次元空間の軸は、（少なくとも受信機が宇宙機番号に関する前知識を有していなければ）宇宙機番号と、その宇宙機の未知のドップラー偏移及びその受信機における不正確な周波数基準の償いをするための周波数空間と、擬似ランダムＧｏｌｄ符号の時間的偏移とに対応している。

捕捉位相における相関ピークの探索を速めるために、多くのＧＰＳ受信機は多数の例えば８、６またはもっと多くの並列探索を行うことができる。特定の衛星にねらいをつけた各探索毎に、ピークが見つけられるまで、考えられる総ての符号位相及び考えられる総ての周波数が相関させられなければならない。探索過程は、前知識を利用することができない場合に特に長くて、最悪の場合には数秒にまで達することがある。

この長い始動時間は、ＧＰＳの多くの応用における制限要因である。詳細には、例えばＧＰＳ受信機を短期間だけ与えることが望ましいであろう携帯電気通信網における位置サービスの様なある種の低速、低電力応用の場合である。

本発明の文脈中では、「受信機」及び「ＧＰＳ受信機」とい用語は、完全な自己充足型の受信機装置を指すことがあるが、複合的な実体中に含まれているモジュール、例えば携帯電話機、自動車警報装置、ＰＤＡ（携帯情報端末）等の中のＧＰＳモジュールを指すこともある。上記の用語は、適切なバス例えばＧＰＳ ＰＣＭＣＩＡカードによってホスト装置に接続されてよいプラグ差し込み可能なモジュールを指してもよい。

「受信機」及び「ＧＰＳ受信機」という用語は、本発明の文脈中では、上記で明示されている様な完全なＧＰＳ受信機または完全なＧＰＳモジュールを実現する様に構成されている一つ以上の集積回路を含むとも理解されるべきである。

捕捉過程の速度を犠牲にすることなく捕捉感度を増加させるために、局部発生Ｇｏｌｄ符号との相関後に信号のＦＦＴ（高速フーリエ変換）を抽出することによって異なる搬送周波数を並列に探索することが公知である。しかし、この所謂相関後ＦＦＴアプローチはＦＦＴ分解能に依存する。同じ初期強度の信号がＦＦＴビンの丁度中央にくるかまたは二つのビンの間にくるかによって、それらの信号が非常に異なる感度で検出されるかもしれない。二つの隣接ＦＦＴビン同士の丁度境界に周波数がくる相関ピークについての感度低下は従来から３．９ｄＢである。このことは概して捕捉感度の減少になる。間接的にこの短所は捕捉時間の長期化及びその結果である電力消費の増加をも意味している。

単一または複数のレベルの閾値による隣接ＦＦＴビンの弁別で得られるデジタルデータの論理結合を伴う進歩した検出方法によってこの短所を軽減することが提案されてきた。その様な仕組みは、ある程度は有効であるが、この問題を完全には解決することができない。

本出願の目的は、従来技術の上記の短所を克服しているＧＰＳ受信機と、捕捉感度がもっと高いＧＰＳ受信機とである。

本出願の別の目的は、従来技術の上記の短所を克服しているＧＰＳ受信機と、捕捉時間がもっと短く且つ電力消費がもっと少ないＧＰＳ受信機とである。

上記の目的は、特許請求の範囲によって明示されている通りの本発明の方法及び装置によって達成される。詳細には、上記の目的は、地理的局所化システムの位置決め信号を捕捉するための方法であって、局所化情報を含んでいる信号を得る段階と、前記信号を局部擬似ランダム符号系列と結合させて相関信号を得る段階と、前記相関信号の周波数の第一スペクトルを得る段階とを具備しており、前記第一スペクトルの隣接ビンの振幅値及び位相値の複素結合によって、中間周波数データを含んでいる第二スペクトルを得る段階と、前記第二スペクトル中のピークを探索する段階とを特徴とする方法によって達成される。

本発明の目的は、地理的局所化システム用受信機であって、局所化情報を含んでいる信号を得るための受信部と、前記信号を局部擬似ランダム符号系列と乗算して相関信号を得るための復調及び相関化手段と、前記相関信号の周波数の第一スペクトルを得るためのスペクトル抽出手段とを具備しており、前記第一スペクトルの隣接ビンの振幅値及び位相値の複素結合によって、中間周波数データを含んでいる第二スペクトルを得るための補間手段と、前記第二スペクトル中のピークを探索するためのピーク検出システムとを特徴とする受信機によっても達成される。

本発明の目的は、デジタル処理装置中へロードされた時に本発明の方法を実行するためのプログラム命令を含んでいるコンピュータデータ媒体によっても達成される。

図面に関連して添付の記載を研究することによって、本発明がいっそう十分に理解されるであろう。

図１は、本発明の第一形態による地理的局所化システム用無線受信機１０を概略的に表している。この受信機には、無線局所化システムにおける情報源の特定の無線信号に適合している受信アンテナ２０がある。ＧＰＳシステムでは、情報源は無線局所化信号を１５７５．４２ＭＨｚで発している周回ＧＰＳ宇宙機である。アンテナによって受信された信号は、搬送波除去段４９へ送り込まれる前に、低雑音増幅器３０によって増幅され、変換器３５中で中間周波数信号へ周波数逓降変換される。例えばＡＤ変換を含む、ＲＦ信号を処理するその他の方法が、従来から公知であり、本発明中に含まれている。

次に、中間周波数信号は、中でも、各宇宙機から受信した信号を復元して各宇宙機毎に特有の擬似ランダム測距符号の局部発生複写と時間的に整列させることが機能である本発明に従う相関処理装置へ送り込まれ、例えば、ＧＰＳ受信機の場合には、粗捕捉ＧＰＳ測距信号を復調して追尾するという任務がこの相関処理装置にある。その様な整列を実行するために相関処理装置には追尾モジュール３８の配列があり、追尾モジュールの各々は例えば特定の宇宙機の捕捉及び追尾に専念する。

追尾モジュール３８の種々の機能が図１と関連して下記に説明されている。しかし、この説明が例としてのみ与えられていて本発明の限定として解釈されるべきではないことが理解されるべきである。詳細には、説明されている種々の要素及びモジュールは機能的な表現で理解されなければならず、物理的な回路要素に必ずしも対応していない。詳細には、一つ以上のデジタル処理装置によって実行されるソフトウェアモジュールによって幾つかの機能が実行されてよい。

また、明快さのために、種々の追尾モジュール３８が完全に独立していて並列であるとたとえ本明細書中で記載されていても、情況が要求する場合には、幾つかの特徴または資源を追尾モジュール間で共有可能であることが理解されなければならない。

各追尾モジュールには、局部発振器信号を発生させるための局部数値制御発振器４０と局部発振器信号の直角位相複製を生じさせる９０°移相器４１とを従来から含んでいる搬送波除去段４９がある。到来無線信号は、夫々乗算器４４、４２中で同相局部発振器信号及び直角位相局部発振器信号と乗算されて、ベースバンド同相信号及びベースバンド直角位相信号を生じる。追尾モードでは、数値制御発振器４０の周波数は追尾している宇宙機の搬送周波数にロックされる。

各追尾モジュール３８には、特定のＧＰＳ宇宙機に対応する粗捕捉符号の局部複製を発生させるための局部Ｇｏｌｄ擬似ランダム符号発生器５０もある。Ｇｏｌｄ擬似ランダム符号は、例えば多段シフトレジスタによって内部的に発生させるか、または、同じことであるが、予め読み込まれている表から抽出するか、またはその他の任意の技術によって発生させることができる。

Ｇｏｌｄ符号発生器５０は、約１．０２３ＭＨｚの独立の数値制御粗捕捉クロックによって動かされる。局部搬送周波数と局部粗捕捉符号周波数との正確な周波数は、宇宙機信号についてのドップラー偏移と局部発振器のドリフト及びバイアスとを補償するために、追尾中に、外部ＣＰＵ（図示せず）によって調整される。到来中間周波数信号は、局部搬送波の同相分（Ｉ）及び直角分（Ｑ）で、並びに複製粗捕捉符号で、乗算される。これらの演算の結果は、例えば、夫々１／１６、１／８、１／４、１／２または１に等しい粗捕捉符号の期間の小部分に対応する、６２．５、１２５、２５６、５１２または１０２４マイクロ秒である規定の積算時間に各々が亙る、夫々Ｉ及びＱ用の積算相関値６５、６３の時系列を発生させるために、プログラマブル積算器６２、６４中で積算される。

Ｉ及びＱ用の積算相関データは最後にＦＦＴモジュール７０中でフーリエ変換されて、Ｇｏｌｄ符号発生器５０中で発生されたＧｏｌｄ符号の特定の位相に特有のＦＦＴスペクトルを発生させる。

捕捉位相の間、システムは、各宇宙機毎に、未知のドップラー偏移と局部発振器のバイアス及びドリフトとによって影響されている搬送波の正確な周波数に局部発振器４０を同調させようとする。同時に、Ｇｏｌｄ符号発生器は、宇宙機によって送信される粗捕捉航法符号にそのＧｏｌｄ符号を整列させるためにスルー（ｓｌｅｗ）される。

ＮがＦＦＴ演算のサイズであるとする。Ｎは、２の累乗、例えばＮ＝８、１６、３２、６４または１２８であることがしばしば選択される。ＦＦＴモジュール７０は、Ｉ及びＱ用のＮ個の積算された相関値の時系列を、一連のＮ個の複素数値
μ_ｔ＝Ｉ_ｔ＋ｊ・Ｑ_ｔ ｔ＝０，．．．Ｎ−１ （１）
へ結合させ、ＦＦＴの結果は、
Ｓ_ｆ＝Ｍ_ｆ・ｅｘｐ（ｊφ_ｆ） ｆ＝０，．．．Ｎ−１ （２）
によって表現されるＮ個の複素数値の周波数スペクトルであり、ここで、Ｍ_ｆ及びφ_ｆは各周波数ビンの振幅及び位相を表している。

相関後ＦＦＴの利点は考えられる幾つかの搬送波偏移を並列に探索することができることであり、従って捕捉時間を減少させ、ピークの位置が搬送周波数と局部周波数との間の周波数偏移に対応しているＦＦＴ振幅スペクトル中のそのピークによって、正しく整列された信号が示される。しかし、８点ＦＦＴ検出アルゴリズム用の感度曲線１０２が示されている図４中で明らかな様に、ＦＦＴ振幅の周波数領域感度は一定ではなくｍ＋１／２チップに等しい周波数偏移毎に最小値を示す。図４中における最大低下は、多くの場合に容認できないかまたは受信機の性能を厳しく制限するかもしれないｓｉｎ（π／２）／（π／２）＝−３．９４ｄＢによって与えられている。

この不都合を免れる公知の方法は、元の時系列ｓ_tを２Ｎ個の点へゼロ埋込みして、二倍の周波数分解能を有する２Ｎ個のＦＦＴ変換を実行することである。この方法は、上記の問題に対して有効であり、ｓｉｎ（π／４）／（π／４）＝−０．９１ｄＢに限定されている感度低下を与える。しかし、総ての捕捉チャンネルにおいて並列に実行されなければならない２Ｎ個のＦＦＴは、計算の多い演算である。従って、上記で議論された方法は、計算資源が制限されている幾つかの場合、例えば低電力装置、には適していないかもしれない。

この状況を例示するために、図５は８個の等距離点で標本抽出された複素正弦信号（Ｉ成分及びＱ成分は実数部及び虚数部のことを指している）を示している。この正弦波の周波数はｆ＝１／（Ｔ・Ｎ・２）に選択されており、ここでＴは標本抽出期間でありＮはＦＦＴ演算の次数である。従って、ｆが最大低下点であり実際、８点ＦＦＴの振幅スペクトル（図６）において明らかな様に、信号は第二周波数ビンと第三周波数ビンとの間に分布している。

図８は１６点にゼロ埋込みされた図５の同じ入力信号についての１６点ＦＦＴの振幅スペクトルを表しており、この場合にはピークが図５中よりも非常によく明示されているが、より大きな計算負荷を犠牲にしている。

別の公知の方法によると、検出閾値と比較される求められている半整数周波数成分を表している平均振幅を得るために、周波数振幅Ｍ_fの二つ以上の隣接ビンを結合させることができる。しかし、雑音変動と従って真の信号対雑音比（ＳＮＲ）との増加によって、増加した感度がある程度は相殺されるので、これは最適な解決策ではない。

正規分布不規則信号によって表される雑音の場合には、統計的に独立しているＮ個の結果をＦＦＴ演算が発生させる、ということを考慮することが重要である。このことは、独立の実数部及び虚数部並びにゼロ平均及びσ標準偏差を各々が有している二つのＦＦＴビンを加算することが、ゼロ平均及びσ（２）^1/2標準偏差を有する新しい信号を生じさせる、ということを意味している。

本発明によると、第一スペクトルの隣接ビンの各対毎に、この第一スペクトルの隣接ビンの位相及び振幅の結合によって与えられる中間周波数値を計算することによって、整数チップ周波数偏移及び半チップ周波数偏移を含む第二周波数スペクトルが得られる。

本発明の一つの形態によると、例えば
Ｓ′_2k＝Ｓ_k Ｓ′_2k+1＝｛Ｓ_k・ｅｘｐ（−ｊπ／２）＋Ｓ_k+1・ｅｘｐ（ｊπ／２）｝／（２）^1/2 ｋ＝０，．．．Ｎ−２ （３）
によって補間スペクトルＳ′が与えられる。

ここでの関心事である、図５中に示されている様に初期入力関数が純粋に正弦波である場合における２Ｎ個のＦＦＴの結果を、２Ｎ−１個のＳ′値が近似している。しかし、Ｓ′補間値の発生は、単一モジュールを有する一定係数による乗算と等価である複素和及び回転しか必要とせず、完全な２Ｎ個のＦＦＴ演算よりも計算がかなり少ない。

図７と関連して、約１８０°だけ位相外れであり従って上記の方法で使用される回転後に構成的に結合する位相値を、ＦＦＴの隣接点が有している、ということに留意することが重要である。このことは正弦波信号の初期位相とは無関係にその正弦波信号に当てはまる。

図９は、本発明の補間方法によって得られ図５の正弦波信号から出発しているスペクトルを示している。

本発明のこの変形についての感度低下が図１０中に表されており、８点ＦＦＴ（曲線１０２）、ゼロ埋込み後の１６点ＦＦＴ（曲線１０３）及び本発明の補間スペクトル（曲線１０４）の感度が図１０に重ねられている。補間スペクトル１０４は、−１．０２５ｄＢから最悪の場合の１．３２５ｄＢへ変化する値に感度低下を限定している。

アルガン−ガウス平面上では、図２に表されている様に、補間演算は、Ｓ_kについては角度θ＝π／２の反時計回り回転（または、数学的に等価な、ｊ＝ｅｘｐ（ｊπ／２）による複素積）、Ｓ_k+1については−θの時計回り回転（または、−ｊによる複素積）、及びそれらに続く複素和と係数２による正規化とに対応している。回転及び正規化のためのその様な値は、純粋に正弦波である入力の場合に、計算が最も便利な様に選択されており、理想的な結果に最良の近似を与える。しかし、これらは二つの隣接ビンを結合させる唯一の可能な方法ではなく、例えば異なる回転角度つまり異なる複素係数による乗算を伴う隣接値のその他の複素結合も本発明が含んでいる。

一方、ＦＦＴスペクトルの二つ超の隣接ビンに関係する補間段階も本発明が含んでいてよい。例えば四つの隣接データが結合されてよい。

図３の流れ図は、本発明に従って、中間周波数値を含んでいる第二スペクトルを得る段階と処理する段階とを表している。Ｎ個のμ_t値は、図１の積算器６４、６２によって与えられ複素数として準備された積算相関値６５、６３である。各μ_tは、同相積算器６４から得られた実数部Ｉ_tと直角位相積算器６２から得られた虚数部Ｑ_tとを有している。

その後、μ_tはＮ点フーリエ変換、通常は、第一複素周波数スペクトルＳ_fを与える高速フーリエ変換（ＦＦＴ）９１に供される。時系列μ_tを周波数スペクトルへ変換するその他の数学的変換が、等価的に可能であり、本発明の範囲内に含まれている。

補間段階９２は、２Ｎ−１個の補間Ｓ′値を含んでいる第二スペクトルＳ′を与える。Ｓ′の偶数インデックス値は、周波数偏移の整数値（周波数チップで表現されている）に対応しており、第一スペクトルの対応値Ｓに等しい。Ｓ′の奇数インデックス値は、周波数偏移の半整数値に対応しており、上述の様にＳの二つの隣接値によって得られる。

第二スペクトルＳ′は、ピーク検出段階９３によって更に処理されて、相関値９５を与える。信号処理装置中の専用ハードウェアモジュールかまたは適切なソフトウェアルーチンによって実行することのできるピーク検出段階９３は、Ｓ′の振幅と固定閾値との比較またはその他の何らかの公知のピーク検出方法を含んでいてよい。

上記の例の様に全第一スペクトルＳが補間されることは必ずしも必要ではない。本発明の変形では、全ＦＦＴスペクトルではなく、情況次第で、全ＦＦＴスペクトルの一部かまたは隣接ビン群のうちの特定の対のみが補間される。

本発明による地理的局所化システム用受信機の略図である。 本発明による補間方法のグラフ表示である。 本発明によるデータ処理方法の流れ図である。 ＦＦＴに基づく公知の検出方法の異なる周波数での感度を描いているグラフである。 時間領域における正弦複素信号の実数部及び虚数部を示しているグラフである。 図５の信号の８点ＦＦＴの結果の実数部を示している。 図５の信号の８点ＦＦＴの結果の虚数部を示している。 図５、６、７の信号に作用しており１６点にゼロ埋込みされている１６点ＦＦＴ検出アルゴリズムの感度を表している。 本発明の検出方法の感度を表している。 図４、８に示されている方法と比較して、本発明の検出方法の感度を描いているグラフである。

Claims (9)

1. 地理的局所化システムの位置決め信号を捕捉するための方法であって、
   局所化情報を含んでいる信号を得る段階と、
   前記信号を局部擬似ランダム符号系列と結合させて相関信号を得る段階と、
   前記相関信号の周波数の第一スペクトルを得る段階とを具備しており、
   前記第一スペクトルの隣接ビンの振幅値及び位相値の複素結合によって、中間周波数データを含んでいる第二スペクトルを得る段階と、
   前記第二スペクトル中のピークを探索する段階とを特徴とする方法。
2. 第二スペクトルを得る前記段階が、前記第一スペクトルの隣接周波数ビンの対の振幅値及び位相値の複素結合によって得られる中間周波数データを計算することを含んでいる、請求項１に記載の方法。
3. 第二スペクトルを得る前記段階が、前記第一スペクトルの二つ超の隣接ビンの群の振幅値及び位相値の複素結合によって得られる中間周波数データを計算することを含んでいる、請求項１に記載の方法。
4. 周波数の第一スペクトルを得る前記段階が高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を伴っており、第二スペクトルを得る前記段階が複素数の回転、加算及び正規化を含んでいる、請求項１〜３のうちの一項に記載の方法。
5. 第二スペクトルを得る前記段階が複素和と定数による複素積とのみを含んでいる、請求項４に記載の方法。
6. 中間周波数データを計算する前記段階が、
   前記対のうちの最初の値の、角度（θ）による第一複素回転と、
   前記対のうちの別の値の、前記第一複素回転とは反対方向への、前記角度（θ）による第二複素回転と、
   前記第一複素回転及び前記第二複素回転から生じる複素数の加算とを含んでいる、請求項２に記載の方法。
7. 中間周波数データを計算する前記段階が、
   Ｓ′_2k+1＝｛Ｓ_k・ｅｘｐ（−ｊπ／２）＋Ｓ_k+1・ｅｘｐ（ｊπ／２）｝／（２）^1/2
   の評価を含んでおり、ここで、Ｓ′_2k+1は中間周波数値を表しており、Ｓ_k及びＳ_k+1は前記第一スペクトルの隣接値の対のうちの第一及び第二の値を表している、請求項２に記載の方法。
8. 請求項１〜７のうちの一項に記載の方法を実行する様に構成されている地理的局所化システム用受信機。
9. デジタル処理装置システムの記憶装置中へ読込み及びロード可能なコンピュータデータ媒体であって、前記デジタル処理装置の前記記憶装置中へロードされた時に請求項１〜７のうちの一項に記載の方法を実行するためのプログラム命令を含んでいる媒体。

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