JP2009109212A - パッシブレーダ装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】送信機から送信される信号を受信する信号受信部101、信号受信部101で受信した信号を用い、送信機から直接到達する直接波と反射物により反射されて到達する反射波との伝搬遅延時間差および直接波と反射波との位相差の算出を行うと共に、送信機および信号受信部の位置を取得する測位演算部102、送信機から平面波が送信され、かつ反射波が平面で反射されていると仮定した場合の幾何学的な制約条件に基づき、測位演算部102で算出した上記伝搬遅延時間差より得られる経路差と、測位演算部102で算出した上記位相差より得られる位相差の変化率とを用いて、反射波の反射位置を推定する反射位置推定部103、並びに推定した反射位置を表示する表示部104により、パッシブレーダ装置100を構成する。
【選択図】図1
Description
また、GPS測位によってGPS衛星との直線距離、受信機位置、及び衛星位置を得、さらにこの受信機位置及び衛星位置を焦点とし、上記反射波の経路長を長径とした回転楕円体を得、その表面上の位置を反射点候補としている。
さらに、上記反射点候補を、複数の衛星位置または複数の受信機位置に関して求め、複数の回転楕円体の共通の交線、または交点を反射位置である反射物の位置と決定している。
図1は、本発明の実施の形態1によるパッシブレーダ装置を示すブロック図である。パッシブレーダ装置100は、アンテナを含む信号受信部101と、送信機位置、受信機(アンテナ)位置、および送信機から信号受信部101に直接到達する直接波と上記送信機から送信される信号が反射物により反射されて信号受信部101に到達する反射波との伝搬遅延時間差および位相差を算出する測位演算部102と、測位演算部102で取得した送信機位置、受信機位置、並びに直接波と反射波との伝搬遅延時間差および位相差を用いて反射位置を推定する反射位置推定部103と、推定した反射位置を利用者に通知する表示部104とから構成されている。
まず、地上面に垂直に立てられた壁で一回反射した場合の反射位置を推定する動作について説明する。
信号受信部101において、アンテナで受信したGPS信号は、中間周波数信号に周波数変換され、所定周期でデジタル信号に変換される。サンプリングされた上記デジタル信号はベースバンド信号に変換される。
サンプリング間隔Tでサンプリングされたベースバンド信号モデルを次式で表す。
ここで、m(T)は信号帯域幅に合わせて帯域制限されたC−Aコード、Pは到来信号数を表す。また、各到来信号の振幅をαp、初期位相をθp、コード遅延量をτpで表す。さらに、
α=(α1,・・・,αP)T
θ=(θ1,・・・,θP)T
τ=(τ1,・・・,τP)T
とする。また、iは虚数単位である。計算を容易にするため、実際には等価な次式を用いる。
以降、
a=(a1,・・・,aP)T
b=(b1,・・・,bP)T
とする。
と仮定する。ここで、n(j)は複素数のホワイトノイズである。
ここで、Im[・]は・の虚部を表す。
(9)式および(10)式は、ak、bkに関して線形式となっているため、τの値が決まれば、連立一次方程式を解くことによりa、bを算出することができる。
具体的には、まず(11)式を、fk(τ)と置く。fk(τ)をτk、τlで偏微分するとそれぞれ次式となる(k、l(エル)は1〜Pまでの値)。
また、測位演算部102は、コード遅延量が2番目に小さな信号を反射波とし、τ2より伝搬遅延時間D2を、a2およびb2より初期位相θ2を算出する。
以上のような計算によって得られた直接波および反射波の伝播遅延時間D1、D2から、直接波と反射波との伝搬遅延時間差ΔD=D1−D2を求め、直接波および反射波の初期位相θ1、θ2から、直接波と反射波の位相差Δθ=θ1−θ2を求める。
また、上記送信機位置、伝搬遅延時間(クロック誤差を含む)を使って、通常のGPS受信機と同様にして受信機位置を算出する。
図2は、本実施の形態1に係わる反射位置推定部103の動作を説明する説明図であり、反射位置を推定する際の動作環境を表す図である。
XY平面を地上面と平行な平面とし、原点OにGPS受信機205があるとする。また、x=−dに、XY平面に垂直に立てられた壁(反射物)203が存在し、GPS受信機205は、GPS衛星(送信機)200から放射された直接波201と、反射物203の表面(鉛直平面)204で反射した反射波202とを受信したとする。
ここで、GPS衛星200から放射される信号を平面波とみなし、GPS衛星200から反射物203への電波と、GPS衛星200からGPS受信機205への電波とが平行であると仮定すると、反射面204における入射角と反射角とが等しいことを利用して、直接波の経路長と反射波の経路長との差(経路差L)が幾何学的に算出できる。
まず、図2に示す点P(反射位置候補)の座標と点Q(GPS衛星200とGPS受信機205とを結ぶ線上、またはGPS衛星200とGPS受信機205とを結ぶ線の延長線上に、点Pより下ろした垂線の位置)の座標とを求める。
点PからGPS衛星200の方向に向かうベクトル、およびGPS受信機205の位置(点O)からGPS衛星200の方向に向かうベクトルをu、GPS受信機205の位置(点O)から点Pの方向に向かうベクトルをv、X軸方向の単位ベクトルをe(e=(1,0,0)T)とすると、
となる。
u=(ux,uy,uz)Tとすると、式(16)より、vはv=(−ux,uy,uz)Tと表せる。
で回転させると、前述のような場合と同様の計算をすることができる。
なお、図4(a)(b)は壁の角度φ、衛星に対する仰角ζおよび方位角ηを示す図である。
(21)式を用いる場合は
となる。(20−1)式と(21−1)式、すなわち鋭角と鈍角との判別は、
ならば、(20−1)式を、
ならば、(21−1)式を用いるものとする。
なお、上記式において、衛星の仰角ζ(t)および方位角η(t)は、測位演算部102で取得した測位位置(送信機位置および受信機位置)より得られ、経路差L(t)はdおよびφで表せる。
従って、経路差の推定値LRに加えて、GPS信号の搬送波における、直接波と反射波との位相差Δθの変化率も用いることによって、精度の良い反射位置を推定することが可能になる。
となる。
(24)式で示される経路差Lの変化量dL(t)/dtは、以下の(25)式に示すように、時刻tにおける、直接波と反射波との位相差Δθの変化率dΔθ(t)/dtに搬送波の波長λを乗算して求めた値と略一致するとみなせる。
したがって、(24)式は(24−1)式に置き換えることができる。
また、(24−1)式のdη(t)/dtは衛星の方位角の変化率、dζ(t)/dtは衛星の仰角の変化率である。また、方位角および仰角の変化率は、測位演算部102で取得した受信機205および衛星200の測位位置より算出する。
によってz軸まわりに−φ回転させることによって、反射位置の受信機位置からの相対座標P’=(Px’、Py’、Pz’)Tを推定することができる。
また、測位演算部102において、直接波と反射波とを分離し、直接波の伝搬遅延時間と反射波の伝搬遅延時間とを演算する際に、信号モデルのパラメータの最尤推定を周波数領域で行っているので、少ない計算量で信号パラメータの推定が可能となり、単一アンテナのみであっても直接波と反射波との分離が容易となる。
また、反射位置推定部103において、送信機から平面波が送信され、かつ反射波が平面で反射されていると仮定した場合の幾何学的な制約条件に基いて、直接波と反射波との経路差Lを反射波の反射位置と送信機の位置とを用いて表した式に対し、経路差Lが測位演算部102で算出した伝搬遅延時間差より得られる経路差LRと略一致し、経路差Lの変化率dL/dtを反射波の反射位置と送信機の位置の変化率とを用いて表した式に対し、経路差Lの変化率dL/dtが測位演算部102で算出した位相差より得られる位相差の変化率に波長を乗じた値と略一致するとして、反射波の反射位置を推定するので、反射波が1波の場合でも反射位置を容易に推定することができる。
また、上記実施の形態1では、信号受信部101はアンテナが1つであり、測位演算部102において、直接波と反射波との分離を行い、直接波と反射波との伝搬遅延時間差を演算する際に、信号モデルのパラメータの最尤推定を周波数領域で行い、得られたパラメータより伝搬遅延時間差および位相差を演算しているが、測位演算部102では他の計算方法により伝搬遅延時間差を演算してもよい。
本発明の実施の形態2は、実施の形態1において複数の反射物からの反射波を受信する場合の直接波と反射波の分離について説明する。
なお、本実施の形態2におけるパッシブレーダ装置のブロック図は図1と同様であり、信号受信部101、表示部104の動作は実施の形態1と同様である。
図5は、本発明の実施の形態2によるパッシブレーダ装置の動作環境を表す説明図である。図5に示すように、パッシブレーダ装置100は、GPS衛星502からの直接波504と、反射物500の表面で反射する反射波503と、反射物501の表面で反射する反射波505とを受信する。
ここでは、BIC(ベイズ情報量規準)を用いて説明する。BICにおいては、次式を最小とするモデルを良いモデルとする。
ここで、Θは最大尤度、Nは標本数、sは独立変数の数を表す。(1)式の信号の数がPのモデルにおいては、(29)式は次式となる。
ここで、σは(4)式の結果をN2で割って平方根をとったものから算出される残差の標準偏差である。
信号の推定を行うために、ベースバンド信号モデルを対象にした最尤推定をP=1から繰り返し算出し、
BIC(P)<BIC(P+1)
となるPを、受信したベースバンド信号r(j)に含まれる信号の数とする。
また、得られた各伝播遅延時間Dから、直接波と反射波との伝搬遅延時間差ΔDを各反射波毎に求める。
また、上述のようにして推定された信号の数を用い、推定された信号モデルパラメータ(a、b、τ)より、直接波と複数の反射波の初期位相を算出し、直接波と反射波の位相差Δθを、各反射波毎に求める。
そして、反射位置推定部103では、各反射波に対する伝搬遅延時間差ΔDと位相差Δθとを用いて、それぞれ実施の形態1と同様の計算を行い、複数の反射位置を算出する。算出した反射位置の中で誤差が所定の閾値以下になる直接波と反射波の組を採用する。誤差が所定の閾値以下である直接波と反射波の組が複数ある場合は、複数の反射位置について推定することができる。
Claims (7)
- 送信機から送信される信号を受信する信号受信手段、上記信号受信手段で受信した信号を用い、上記送信機から上記信号受信手段に直接到達する直接波と上記送信機から送信される信号が反射物により反射されて上記信号受信手段に到達する反射波との伝搬遅延時間差および上記直接波と上記反射波との位相差の算出を行うと共に、上記送信機および上記信号受信手段の位置を取得する測位演算手段、並びに上記送信機から平面波が送信され、かつ上記反射波が平面で反射されていると仮定した場合の幾何学的な制約条件に基づき、上記測位演算手段で算出した上記伝搬遅延時間差より得られる経路差と、上記測位演算手段で算出した上記位相差より得られる位相差の変化率とを用いて、上記反射波の反射位置を推定する反射位置推定手段を備えたことを特徴とするパッシブレーダ装置。
- 反射位置推定手段は、送信機から平面波が送信され、かつ反射波が平面で反射されていると仮定した場合の幾何学的な制約条件に基いて、直接波と上記反射波との経路差Lを上記反射波の反射位置と上記送信機の位置とを用いて表した式において、上記経路差Lを測位演算手段で算出した伝搬遅延時間差より得られる経路差LRとみなし、上記経路差Lの変化率dL/dtを上記反射波の反射位置と上記送信機の位置の変化率とを用いて表した式において、上記経路差Lの変化率dL/dtを上記測位演算手段で算出した位相差より得られる位相差の変化率に波長を乗じた値とみなして、上記反射波の反射位置を推定することを特徴とする請求項1に記載のパッシブレーダ装置。
- 測位演算手段は、直接波と反射波との伝搬遅延時間差および位相差を算出する際に、信号モデルのパラメータの最尤推定を周波数領域で行うことを特徴とする請求項1または2に記載のパッシブレーダ装置。
- 測位演算手段は、情報量基準によって信号の数を推定し、直接波と複数の反射波とに対する各伝搬遅延時間および各位相を算出すると共に、上記直接波と上記反射波との伝搬遅延時間差および位相差を上記各反射波毎に求め、反射位置推定手段は、上記各伝搬遅延時間差および上記各位相差を用いて複数の反射位置を推定することを特徴とする請求項1または2に記載のパッシブレーダ装置。
- 信号受信手段は、GPS衛星から送信されるGPS信号を受信することを特徴とする請求項1または2に記載のパッシブレーダ装置。
- 信号受信手段は、無線通信システムの基地局から送信される信号を受信することを特徴とする請求項1または2に記載のパッシブレーダ装置。
- 信号受信手段は、放送局から送信される信号を受信することを特徴とする請求項1または2に記載のパッシブレーダ装置。
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