JP2009198435A - 未知送信局の測位装置及び測位方法 - Google Patents

Abstract

【課題】衛星の軌道誤差の影響による測位精度の劣化を軽減できる未知送信局の測位装置を得る。
【解決手段】２機の人工衛星を介し、未知送信局２と既知リファレンス局１から送信される同一電波信号を受信する電波信号受信部１１と、受信電波信号の相関演算を行うことにより、未知送信局２及び既知リファレンス局１からの受信電波信号の到来時間差及びドップラー周波数差を計算するＴＤＯＡ／ＦＤＯＡ計算部１２と、到来時間差、ドップラー周波数差、地球の形状に基づき、未知送信局２の位置を測位する未知送信局測位計算部１３と、電波信号受信部１１〜未知送信局測位計算部１３の一連の測位の処理を繰り返すか否かの決定を行う処理繰返決定部１４と、測位の処理を繰り返す場合は、測位結果に距離が最も近いリファレンス局を選択する最短距離リファレンス局選択部１６とを設け、選択されたリファレンス局について、上記一連の測位の処理が行われる。
【選択図】図２

Description

この発明は、２衛星を経由して受信される電波の到来時間差及びドップラー周波数差により地球上の未知送信局を測位する、未知送信局の測位装置及び測位方法に関し、衛星の軌道誤差の影響が小さくなるようにリファレンス局を再選択することにより、測位精度を向上した未知送信局の測位装置及び測位方法に関するものである。

衛星通信では、地上に設置された送信局から衛星に向けて送信された電波信号を、衛星内のトランスポンダを介し、地上の受信局へ送信する。しかしながら、静止衛星の軌道上には、約４度間隔という狭い間隔で多数衛星が配置されており、更に、地上には無数の送信局が存在することから、これらの送信局が、故障等の何らかの原因で送信方向を誤ると、本来送信すべきでない衛星へ電波信号を送信してしまう問題がある。

衛星は、常時、正規送信局からの電波信号を受信しているため、このような想定外の電波信号が送信されると混信が生じ、通信に支障をきたす。衛星の監視局では、このような故障送信局に対し、不適切な電波信号の送信の停止を促す必要があるが、全国（場合によっては海外を含む）に配置された多数の送信局の中から故障送信局を特定することは、その混信電波信号をモニタするだけでは困難である。このため、このような未知の電波信号の送信局の位置を特定する必要がある。

従来の未知送信局の測位装置について図７及び図８を参照しながら説明する（例えば、特許文献１参照）。図７は、従来の未知送信局の測位システムの全体構成を示す図である。また、図８は、従来の未知送信局の測位システムの受信局における測位装置の構成を示すブロック図である。以下、従来技術について、課題を明確にするための必要最小限の説明を行う。詳細は特許文献１等を参照されたい。

図７において、従来の未知送信局の測位システムは、既知リファレンス局１と、未知送信局２と、＃１人工衛星３と、＃２人工衛星４と、＃１受信局５と、＃２受信局６と、測位装置１０とが設けられている。

図８において、従来の測位装置１０は、電波信号受信部１１と、ＴＤＯＡ／ＦＤＯＡ計算部１２と、未知送信局測位計算部１３とが設けられている。

従来は、２機の衛星３、４を経由して受信される同一電波信号を各受信局５、６で受信し、その電波信号の到来時間差（ＴＤＯＡ：Time Difference of Arrival）及びドップラー周波数差（ＦＤＯＡ：Frequency Difference of Arrival）情報を計算し、これらの情報から地表上の未知送信局２を測位する方式である。大きくわけて、図８の３つの処理部１１〜１３により測位を行う。以下、各処理の内容を説明する。

ステップ１において、電波信号受信部１１（受信局）は、未知送信局２の電波信号発生を検知すると、まず、未知送信局２から送信される電波信号が２機の衛星３、４を介して得られる同一電波信号を受信する。このとき、図７のように、２機の衛星３、４に未知送信局２からの同一電波信号が受かるような状況を想定している。地上の各受信局５、６では、各衛星３、４からの電波信号が受信され、ＩＦへのダウンコンバートやデジタル化等の必要な信号処理が行われる。これらの電波信号はそれぞれ異なる軌道上（位置）にある衛星３、４を経由してくるため、その到来時間には差が生じる。また、２機の衛星３、４はそれぞれ異なる速度で運動しているため、衛星３、４の動きにより生じるドップラー周波数にも差が生じる。これらがＴＤＯＡ及びＦＤＯＡと呼ばれるものである。

なお、理由は後で説明するが、同時に、既知リファレンス局１からの電波信号の受信も行う。この既知リファレンス局１の電波信号も、上記と同じ２機の衛星３、４を経由するものとする。この既知リファレンス局１は、既存の既知放送局等を用いてもよいし、新たに既知送信局を設置してもよい。

次に、ステップ２において、ＴＤＯＡ／ＦＤＯＡ計算部１２は、これらの２受信局５、６の電波信号の相関演算を行うことにより、ステップ１で得られた各受信電波信号のＴＤＯＡ及びＦＤＯＡを計算する。相関演算の方法自体は、本発明の主眼ではないので従来技術文献に譲る。

なお、各衛星３、４は、受信した電波信号を地上へ送信する処理を行うが、この際、衛星３、４の内部の中継器で信号に周波数シフトや時間遅延が発生する。また、地上の受信局５、６には時計誤差等もある。これらの誤差量は未知であり、ＴＤＯＡ及びＦＤＯＡを計算する際にバイアス性誤差の要因となる。よって、これらのバイアス性誤差をキャンセルするために、ステップ１で説明した既知リファレンス局１の電波信号を使用するのである。既知リファレンス局１からの電波信号も同様の衛星３、４の内部の中継器を通過し、同じ受信局５、６で受信されるため、未知送信局２からの電波信号が受けたものと同様のバイアス性誤差を受ける。よって、未知送信局２からの電波信号のＴＤＯＡτ_{ｔｇｔ，ｏｂｓ}及びＦＤＯＡｆ_{ｔｇｔ，ｏｂｓ}から、既知リファレンス局１からの電波信号のＴＤＯＡτ_{ｒｅｆ，ｏｂｓ}及びＦＤＯＡｆ_{ｒｅｆ，ｏｂｓ}を引算すれば、これらのバイアス性誤差要因がすべてキャンセルされる。最終的には、以下の引算値、すなわち、既知リファレンス局１を基準とした未知送信局２のＴＤＯＡΔτ_ｏｂｓ及びＦＤＯＡΔｆ_ｏｂｓが、次のステップ３の測位計算に使用される。

なお、式（１．１）及び式（１．２）のｏｂｓとは、観測値を意味する。

最後に、ステップ３において、未知送信局測位計算部１３は、ステップ２で計算したＴＤＯＡΔτ_ｏｂｓ及びＦＤＯＡΔｆ_ｏｂｓから、地表上の未知送信局２の位置を計算する。以下、その方法を説明する。まず、以下の変数を定義する。
『ｐ_ｒｅｆ、λ_ｒｅｆ：既知リファレンス局１の３次元位置ベクトル、送信信号波長
ｐ_ｔｇｔ、λ_ｔｇｔ：未知送信局２の３次元位置ベクトル、送信信号波長
ｐ_ｓａｔｉ、ν_ｓａｔｉ：＃ｉ衛星３、４の３次元位置、速度ベクトル
ｐ_ｂｉ：＃ｉ受信局５、６の３次元位置ベクトル』
いま、τ_ｔｇｔを未知送信局２から２機の衛星３、４を経由して受信される電波信号のＴＤＯＡ、ｆ_ｔｇｔを未知送信局２から２機の衛星３、４を経由して受信される電波信号のＦＤＯＡ、同様に、τ_ｒｅｆを既知リファレンス局１から２機の衛星３、４を経由して受信される電波信号のＴＤＯＡ、ｆ_ｒｅｆを既知リファレンス局１から２機の衛星３、４を経由して受信される電波信号のＦＤＯＡとし、これらの差Δτ及びΔｆを数式で表すと、次式となる。

式（１．３）はｐ_ｔｇｔ、ｐ_ｒｅｆ、ｐ_ｓａｔ１、ｐ_ｓａｔ２の関数、式（１．４）はｐ_ｔｇｔ、λ_ｔｇｔ、ｐ_ｒｅｆ、λ_ｒｅｆ、ｐ_ｂ１、ｐ_ｂ２、ｐ_ｓａｔ１、ν_ｓａｔ１、ｐ_ｓａｔ２、ν_ｓａｔ２の関数となる。これらをΔτ（ｐ_ｔｇｔ、ｐ_ｒｅｆ、ｐ_ｓａｔ１、ｐ_ｓａｔ２）、Δｆ（ｐ_ｔｇｔ、λ_ｔｇｔ、ｐ_ｒｅｆ、λ_ｒｅｆ、ｐ_ｂ１、ｐ_ｂ２、ｐ_ｓａｔ１、ν_ｓａｔ１、ｐ_ｓａｔ２、ν_ｓａｔ２）と記す。これらの定義から、式（１．１）及び式（１．２）のΔτ_ｏｂｓ及びΔｆ_ｏｂｓは次式となる。

ここで、δτ_ｒａｎｄ、δｆ_ｒａｎｄはそれぞれΔτ_ｏｂｓ及びΔｆ_ｏｂｓに含まれるランダム性の観測誤差である。更に、未知送信局２は地表面上に存在する。地球を球体と仮定してその半径をＲｅとし、ｐ_ｔｇｔが地球中心を基準とした３次元座標値であるとすると、地球中心からｐ_ｔｇｔまでの距離がＲｅであれば、地表面上にあると言えるので、次の方程式が成立する。

なお、地球の扁平性等を考慮するのであれば、より複雑な式となるが、一般的な宇宙工学関連の書籍に記載されており、ここでは重要でないので省略する。

式（１．５）から式（１．７）で、ｐ_ｒｅｆ、λ_ｒｅｆ、ｐ_ｂ１、ｐ_ｂ２は既知リファレンス局１及び受信局５、６を用いるので既知である。λ_ｔｇｔは未知送信局２の電波信号の周波数（波長）を受信局５、６でモニタすれば良いのでこれも既知である。ｐ_ｓａｔ１、ν_ｓａｔ１、ｐ_ｓａｔ２、ν_ｓａｔ２は、自ら何らかの方法で推定する他、北アメリカ航空宇宙防衛司令部（ＮＯＲＡＤ：North American Aerospace Defense Command）が定期的にＨＰ上で配信している情報や、実際に衛星を管理している機関等が推定したものを入手することも可能である。すなわち、これらの変数の中で、未知送信局２の３次元位置ベクトルｐ_ｔｇｔ（未知変数数３）のみが未知である。よって、式（１．５）から式（１．７）の３つの連立方程式を３次元位置ベクトルｐ_ｔｇｔ（未知変数数３）について解くことにより、未知送信局２の３次元位置ｐ_ｔｇｔを測位することができる。

特許第３５５６９５２号公報

上述したような従来方式では、式（１．５）から式（１．７）の連立方程式を解く際に、２衛星の軌道（３次元位置及び速度）情報ｐ_ｓａｔ１、ν_ｓａｔ１、ｐ_ｓａｔ２、ν_ｓａｔ２が必要である。この情報は、上記で説明したように、なんらかの方法で入手可能であるが、情報の鮮度が十分でない、衛星は軌道修正のためにマヌーバーを頻繁に行う、種々の摂動の影響を受ける、等の理由で、軌道情報には誤差が含まれる。軌道誤差が存在すると、式（１．５）から式（１．７）の連立方程式を正確に解くことができないため、測位精度が劣化するという問題点があった。

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、衛星の軌道誤差の影響による測位精度の劣化を軽減することができる未知送信局の測位装置及び測位方法を得るものである。

この発明に係る未知送信局の測位装置は、未知送信局の電波信号発生を検知すると、それぞれ異なる軌道上にあり、かつそれぞれ異なる速度で運動している２機の人工衛星を介して得られる、前記未知送信局から送信される同一電波信号を受信するとともに、前記２機の人工衛星を介して得られる、既知リファレンス局から送信される同一電波信号を受信する電波信号受信部と、前記電波信号受信部により受信された電波信号の相関演算を行うことにより、前記未知送信局及び既知リファレンス局からの受信電波信号の到来時間差及びドップラー周波数差を計算するＴＤＯＡ／ＦＤＯＡ計算部と、前記ＴＤＯＡ／ＦＤＯＡ計算部により計算された到来時間差及びドップラー周波数差、並びに地球の形状に基づいて、前記未知送信局の３次元位置を測位する未知送信局測位計算部と、前記電波信号受信部、前記ＴＤＯＡ／ＦＤＯＡ計算部、及び前記未知送信局測位計算部の一連の測位の処理を繰り返すか否かの決定を行う処理繰返決定部と、前記処理繰返決定部により測位の処理を繰り返すと決定された場合には、前記未知送信局測位計算部の測位結果に距離が最も近いリファレンス局を選択する最短距離リファレンス局選択部とを設け、前記最短距離リファレンス局選択部により選択されたリファレンス局について、前記電波信号受信部、前記ＴＤＯＡ／ＦＤＯＡ計算部、及び前記未知送信局測位計算部の一連の測位の処理が行われるものである。

この発明に係る未知送信局の測位装置は、衛星の軌道誤差の影響による測位精度の劣化を軽減することができるという効果を奏する。

実施の形態を説明する前に、従来技術で、衛星の軌道誤差の影響により生じる測位誤差の性質について図１を参照しながら説明する。図１は、ある衛星軌道誤差が存在するときの測位誤差量の等値線図を示す。図１において、横軸は経度、縦軸は緯度である。この図１の読み方は、例えば、図中の鹿児島に未知送信局が存在する場合、衛星の軌道誤差により生じる測位誤差は約１０ｋｍになることを意味している。この図１では、既知リファレンス局として東京に存在する送信局を用いている。図１のように、未知送信局の位置が既知リファレンス局に近い程、測位誤差が小さいことを確認できる。

実施の形態１．
上記の性質を利用すれば、まずどこかのリファレンス局を用いて一旦測位しておき、次に、全国に存在する多数の正規（既知）放送局等の送信局の中から、測位結果に最も近いリファレンス局を選択して再度測位すれば、再測位時にはリファレンス局と未知送信局の距離がより近いため、測位精度が向上するはずである。実施の形態１は、この考えに基づくものである。

この発明の実施の形態１に係る未知送信局の測位装置について図２及び図３を参照しながら説明する。図２は、この発明の実施の形態１に係る未知送信局の測位装置の構成を示すブロック図である。なお、明細書全体において、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。

図２において、この発明の実施の形態１に係る未知送信局の測位装置１０Ａは、電波信号受信部１１と、ＴＤＯＡ／ＦＤＯＡ計算部１２と、未知送信局測位計算部１３と、処理繰返決定部１４と、リファレンス局データベース１５と、最短距離リファレンス局選択部１６とが設けられている。

図３は、この発明の実施の形態１に係る未知送信局の測位装置のリファレンス局データベースの構成を示す図である。図３において、リファレンス局データベース１５は、選択可能なリファレンス局毎に３次元位置と送信周波数がリストアップされている。

図３に示すようなリファレンス局のリストは、各衛星の運営機関が把握しているので、これらのリストをデータベース化しておくことは容易である。また、リファレンス局は、測位用にＶＳＡＴ局等の小型送信局をあらかじめ全国に配置しておくだけでなく、全国に存在する既存の正規放送局の電波信号を用いれば、測位用に新たにリファレンス局を配置する必要もない。

つぎに、この実施の形態１に係る未知送信局の測位装置の動作について図面を参照しながら説明する。

図２のように、測位開始後、まず、どこかの初期の既知リファレンス局１を利用して、未知送信局２を測位する。

次に、処理繰返決定部１４では、測位に係る一連の処理を、繰り返して行うか否かの決定を行う。これは、例えば、オペレータの判断に任せればよい。

再測位を行うと判断されると、最短距離リファレンス局選択部１６において、測位結果に最も近いリファレンス局をリファレンス局データベース１５から選択する。

そして、選択されたリファレンス局の電波信号を用いて再度ＴＤＯＡ及びＦＤＯＡを計算し、再度測位を行う。なお、必要に応じて、この再測位処理を数回繰り返してもよい。

本実施の形態１により、衛星の軌道誤差による未知送信局２の測位誤差が軽減し、測位精度が向上する。

実施の形態２．
上記の実施の形態１では、リファレンス局データベース１５から測位結果に最も近い１局のリファレンス局を選ぶとしたが、リファレンス局を複数選択して測位する方式も考えられる。例えば、上記の実施の形態１と同様、まず、ある初期の既知リファレンス局１を用いて測位を行い、次に、その測位結果から距離がある程度近い複数のリファレンス局を選択すればよい。実施の形態２は、この考えに基づくものである。

この発明の実施の形態２に係る未知送信局の測位装置について図４を参照しながら説明する。図４は、この発明の実施の形態２に係る未知送信局の測位装置の構成を示すブロック図である。

図４において、この発明の実施の形態２に係る未知送信局の測位装置１０Ｂは、電波信号受信部１１と、ＴＤＯＡ／ＦＤＯＡ計算部１２と、未知送信局測位計算部１３と、処理繰返決定部１４と、リファレンス局データベース１５と、短距離リファレンス局選択部１６Ｂとが設けられている。

つぎに、この実施の形態２に係る未知送信局の測位装置の動作について図面を参照しながら説明する。

図４のように、短距離リファレンス局選択部１６Ｂにおいて、リファレンス局データベース１５から、粗測位結果より所定の距離γ以内に存在する、つまり距離条件を満たす複数のリファレンス局を選択する。

なお、この場合、リファレンス局毎にＴＤＯＡΔτ_ｏｂｓ及びＦＤＯＡΔｆ_ｏｂｓが得られる。すなわち、式（１．５）及び式（１．６）に示す方程式が複数得られる。この場合、以下の最小二乗法により未知送信局２の位置を計算することができる。

ここで、Φ、ｒｅｓ_ｊ、Ｖ_ｊは、それぞれ次のように表される。

式（１．８）の第１項内のΦは、粗測位結果ハットｐ_ｔｇｔからある距離γ内のリファレンス局番号の集合である。（ハットｐ_ｔｇｔは、ｐ_ｔｇｔの上に、＾があることを示す。）ｒｅｓ_ｊは、第ｊリファレンス局のＴＤＯＡ及びＦＤＯＡの残差を要素にもつベクトルである。Δτ_{ｏｂｓ，ｊ}及びΔｆ_{ｏｂｓ，ｊ}は、第ｊリファレンス局のＴＤＯＡ及びＦＤＯＡ値、ｐ_{ｒｅｆ，ｊ}、λ_{ｒｅｆ，ｊ}は、第ｊリファレンス局の位置ベクトル及び送信信号波長であり、衛星の位置及び速度ベクトルは、衛星の軌道が時々刻々と変化するため、第ｊリファレンス局の電波信号観測時刻ｔ_ｊの関数となっている。ｗ_ｊは、粗測位結果ハットｐ_ｔｇｔからの距離に応じて重み付けするための係数で、例えば、距離が近いリファレンス局ほど重みが大きくなるように設定する。Ｖ_ｊは、第ｊリファレンス局のＴＤＯＡΔτ_{ｏｂｓ，ｊ}及びＦＤＯＡΔｆ_{ｏｂｓ，ｊ}に含まれるランダム誤差δτ_{ｒａｎｄ，ｊ}、δｆ_{ｒａｎｄ，ｊ}の共分散行列で、ＴＤＯＡは時間［ｓｅｃ］、ＦＤＯＡは周波数［Ｈｚ］と単位が異なるため、これらを正規化（無次元化）するために使用する。

式（１．８）の第２項は、未知送信局２が地球表面に存在する条件である（すなわち、式（１．７））で、ｗ_ｓｕｒｆはその重み付け係数である。

上記の最適化問題は、一般的な解法で解けるので、詳細は省略する。なお、この最小二乗法は、リファレンス局が１局の場合、式（１．５）から式（１．７）の連立方程式を解く問題に帰着することは言うまでもない。

本実施の形態２により、衛星の軌道誤差による未知送信局２の測位誤差が軽減し、測位精度が向上する。

実施の形態３．
上記の実施の形態１では、リファレンス局データベース１５から測位結果に最も近いリファレンス局を選ぶとしたが、移動可能な既知リファレンス局１、例えば可搬型ＶＳＡＴを粗測位結果付近へ移動させ、再度測位を行う方法も考えられる。実施の形態３は、この考えに基づくものである。なお、移動可能なリファレンス局として、送信局を搭載した飛行機、車両、船舶等も考えられる。

この発明の実施の形態３に係る未知送信局の測位装置について図５を参照しながら説明する。図５は、この発明の実施の形態３に係る未知送信局の測位装置の構成を示すブロック図である。

図５において、この発明の実施の形態３に係る未知送信局の測位装置１０Ｃは、電波信号受信部１１と、ＴＤＯＡ／ＦＤＯＡ計算部１２と、未知送信局測位計算部１３と、処理繰返決定部１４と、リファレンス局移動指令部１７とが設けられている。

つぎに、この実施の形態３に係る未知送信局の測位装置の動作について図面を参照しながら説明する。

図５のように、リファレンス局移動指令部１７により、移動可能な既知リファレンス局１に対して移動指令を送信して、移動可能な既知リファレンス局１を粗測位位置付近へ移動させ、再測位を行う。

本実施の形態３により、衛星の軌道誤差による未知送信局２の測位誤差が軽減し、測位精度が向上する。

実施の形態４．
式（１．５）及び式（１．６）の導出において、種々のバイアス誤差量は完全にキャンセルされると説明したが、これは、どの周波数帯においてもバイアス量が一定であるという仮定の下に成り立っている。しかしながら、実際には、周波数毎に衛星内の回路構成が異なる可能性もあるため、この仮定が成立しない可能性がある。この場合、バイアス誤差は完全にはキャンセルされない。この問題を解決するため、未知送信局２の周波数帯に最も近い周波数を持つ既知リファレンス局１を使用すれば、バイアス性誤差がより正確にキャンセルされる。実施の形態４は、この考えに基づくものである。

この発明の実施の形態４に係る未知送信局の測位装置について図６を参照しながら説明する。図６は、この発明の実施の形態４に係る未知送信局の測位装置の構成を示すブロック図である。

図６において、この発明の実施の形態４に係る未知送信局の測位装置１０Ｄは、電波信号受信部１１と、ＴＤＯＡ／ＦＤＯＡ計算部１２と、未知送信局測位計算部１３と、リファレンス局データベース１５と、最近周波数リファレンス局選択部１８とが設けられている。

つぎに、この実施の形態４に係る未知送信局の測位装置の動作について図面を参照しながら説明する。

図６のように、最近周波数リファレンス局選択部１８は、測位開始後、未知送信局２の周波数に最も近い周波数を持つリファレンス局をリファレンス局データベース１５から選択する。なお、未知送信局２の周波数は、受信局５、６で受信信号の周波数スペクトラムをモニタすることにより認識（検出）することが可能である。

本実施の形態４により、バイアス性誤差量がより正確にキャンセルするためＴＤＯＡ及びＦＤＯＡがより正確に得られ、その結果、測位精度が向上する。

実施の形態５．
これまでに説明した実施の形態の組み合わせも考えられる。例えば、上記の実施の形態３の移動可能なリファレンス局の数を、１局ではなく複数局にしても良い。すなわち、処理繰返決定部１４により測位の処理を繰り返すと決定された場合には、リファレンス局移動指令部１７は、移動可能な既知リファレンス局及び他の移動可能なリファレンス局に対して移動指令を送信して、未知送信局測位計算部１３の測位結果の付近まで移動させる。そして、移動指令が送信された複数のリファレンス局について、電波信号受信部１１、ＴＤＯＡ／ＦＤＯＡ計算部１２、及び未知送信局測位計算部１３の一連の測位の処理を最小二乗法により行う。

また、上記の実際の形態４の最も近い周波数を、ある程度近い周波数を持つ複数のリファレンス局にしても良い。すなわち、最近周波数リファレンス局選択部１８は、未知送信局２の送信周波数から所定の周波数範囲内に存在する複数のリファレンス局をリファレンス局データベース１５から選択する。そして、最近周波数リファレンス局選択部１８により選択された複数のリファレンス局について、電波信号受信部１１、ＴＤＯＡ／ＦＤＯＡ計算部１２、及び未知送信局測位計算部１３の一連の測位の処理を最小二乗法により行う。他にも色々な派生的な実施の形態が考えられる。このような実施の形態に係る未知送信局の測位装置の構成は、今までの説明から明らかであるので省略する。

ある衛星軌道誤差が存在するときの測位誤差量の等値線図を示す。 この発明の実施の形態１に係る未知送信局の測位装置の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１に係る未知送信局の測位装置のリファレンス局データベースの構成を示す図である。 この発明の実施の形態２に係る未知送信局の測位装置の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態３に係る未知送信局の測位装置の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態４に係る未知送信局の測位装置の構成を示すブロック図である。 従来の未知送信局の測位システムの全体構成を示す図である。 従来の未知送信局の測位システムの受信局における測位装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ 既知リファレンス局、２ 未知送信局、３ 人工衛星、４ 人工衛星、５ 受信局、６ 受信局、１０Ａ 測位装置、１０Ｂ 測位装置、１０Ｃ 測位装置、１０Ｄ 測位装置、１１ 電波信号受信部、１２ ＴＤＯＡ／ＦＤＯＡ計算部、１３ 未知送信局測位計算部、１４ 処理繰返決定部、１５ リファレンス局データベース、１６ 最短距離リファレンス局選択部、１６Ｂ 短距離リファレンス局選択部、１７ リファレンス局移動指令部、１８ 最近周波数リファレンス局選択部。

Claims (14)

1. 未知送信局の電波信号発生を検知すると、それぞれ異なる軌道上にあり、かつそれぞれ異なる速度で運動している２機の人工衛星を介して得られる、前記未知送信局から送信される同一電波信号を受信するとともに、前記２機の人工衛星を介して得られる、既知リファレンス局から送信される同一電波信号を受信する電波信号受信部と、
   前記電波信号受信部により受信された電波信号の相関演算を行うことにより、前記未知送信局及び既知リファレンス局からの受信電波信号の到来時間差及びドップラー周波数差を計算するＴＤＯＡ／ＦＤＯＡ計算部と、
   前記ＴＤＯＡ／ＦＤＯＡ計算部により計算された到来時間差及びドップラー周波数差、並びに地球の形状に基づいて、前記未知送信局の３次元位置を測位する未知送信局測位計算部と、
   前記電波信号受信部、前記ＴＤＯＡ／ＦＤＯＡ計算部、及び前記未知送信局測位計算部の一連の測位の処理を繰り返すか否かの決定を行う処理繰返決定部と、
   前記処理繰返決定部により測位の処理を繰り返すと決定された場合には、前記未知送信局測位計算部の測位結果に距離が最も近いリファレンス局を選択する最短距離リファレンス局選択部とを備え、
   前記最短距離リファレンス局選択部により選択されたリファレンス局について、前記電波信号受信部、前記ＴＤＯＡ／ＦＤＯＡ計算部、及び前記未知送信局測位計算部の一連の測位の処理が行われる
   ことを特徴とする未知送信局の測位装置。
2. 選択可能なリファレンス局毎に３次元位置と周波数情報がリストアップされたリファレンス局データベースをさらに備え、
   前記最短距離リファレンス局選択部は、前記未知送信局測位計算部の測位結果に距離が最も近いリファレンス局を前記リファレンス局データベースから選択する
   ことを特徴とする請求項１記載の未知送信局の測位装置。
3. 前記最短距離リファレンス局選択部により選択されたリファレンス局について、前記電波信号受信部、前記ＴＤＯＡ／ＦＤＯＡ計算部、及び前記未知送信局測位計算部の一連の測位の処理が複数回行われる
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の未知送信局の測位装置。
4. 未知送信局の電波信号発生を検知すると、それぞれ異なる軌道上にあり、かつそれぞれ異なる速度で運動している２機の人工衛星を介して得られる、前記未知送信局から送信される同一電波信号を受信するとともに、前記２機の人工衛星を介して得られる、既知リファレンス局から送信される同一電波信号を受信する電波信号受信部と、
   前記電波信号受信部により受信された電波信号の相関演算を行うことにより、前記未知送信局及び既知リファレンス局からの受信電波信号の到来時間差及びドップラー周波数差を計算するＴＤＯＡ／ＦＤＯＡ計算部と、
   前記ＴＤＯＡ／ＦＤＯＡ計算部により計算された到来時間差及びドップラー周波数差、並びに地球の形状に基づいて、前記未知送信局の３次元位置を測位する未知送信局測位計算部と、
   前記電波信号受信部、前記ＴＤＯＡ／ＦＤＯＡ計算部、及び前記未知送信局測位計算部の一連の測位の処理を繰り返すか否かの決定を行う処理繰返決定部と、
   前記処理繰返決定部により測位の処理を繰り返すと決定された場合には、前記未知送信局測位計算部の測位結果から所定の距離内に存在する複数のリファレンス局を選択する短距離リファレンス局選択部とを備え、
   前記短距離リファレンス局選択部により選択された複数のリファレンス局について、前記電波信号受信部、前記ＴＤＯＡ／ＦＤＯＡ計算部、及び前記未知送信局測位計算部の一連の測位の処理が最小二乗法により行われる
   ことを特徴とする未知送信局の測位装置。
5. 選択可能なリファレンス局毎に３次元位置と周波数情報がリストアップされたリファレンス局データベースをさらに備え、
   前記短距離リファレンス局選択部は、前記未知送信局測位計算部の測位結果から所定の距離内に存在する複数のリファレンス局を前記リファレンス局データベースから選択する
   ことを特徴とする請求項４記載の未知送信局の測位装置。
6. 前記短距離リファレンス局選択部により選択された複数のリファレンス局について、前記電波信号受信部、前記ＴＤＯＡ／ＦＤＯＡ計算部、及び前記未知送信局測位計算部の一連の測位の処理が、複数のリファレンス局を前記未知送信局測位計算部の測位結果と各リファレンス局の距離に応じて重み付けして、最小二乗法により行われる
   ことを特徴とする請求項４又は５記載の未知送信局の測位装置。
7. 未知送信局の電波信号発生を検知すると、それぞれ異なる軌道上にあり、かつそれぞれ異なる速度で運動している２機の人工衛星を介して得られる、前記未知送信局から送信される同一電波信号を受信するとともに、前記２機の人工衛星を介して得られる、移動可能な既知リファレンス局から送信される同一電波信号を受信する電波信号受信部と、
   前記電波信号受信部により受信された電波信号の相関演算を行うことにより、前記未知送信局及び移動可能な既知リファレンス局からの受信電波信号の到来時間差及びドップラー周波数差を計算するＴＤＯＡ／ＦＤＯＡ計算部と、
   前記ＴＤＯＡ／ＦＤＯＡ計算部により計算された到来時間差及びドップラー周波数差、並びに地球の形状に基づいて、前記未知送信局の３次元位置を測位する未知送信局測位計算部と、
   前記電波信号受信部、前記ＴＤＯＡ／ＦＤＯＡ計算部、及び前記未知送信局測位計算部の一連の測位の処理を繰り返すか否かの決定を行う処理繰返決定部と、
   前記処理繰返決定部により測位の処理を繰り返すと決定された場合には、前記移動可能な既知リファレンス局に対して移動指令を送信して前記未知送信局測位計算部の測位結果の付近まで移動させるリファレンス局移動指令部とを備え、
   前記未知送信局測位計算部の測位結果の付近まで移動させられた前記移動可能な既知リファレンス局について、前記電波信号受信部、前記ＴＤＯＡ／ＦＤＯＡ計算部、及び前記未知送信局測位計算部の一連の測位の処理が行われる
   ことを特徴とする未知送信局の測位装置。
8. 前記リファレンス局移動指令部は、前記移動可能な既知リファレンス局及び他の移動可能なリファレンス局に対して移動指令を送信して前記未知送信局測位計算部の測位結果の付近まで移動させ、
   前記移動指令が送信された複数のリファレンス局について、前記電波信号受信部、前記ＴＤＯＡ／ＦＤＯＡ計算部、及び前記未知送信局測位計算部の一連の測位の処理が最小二乗法により行われる
   ことを特徴とする請求項７記載の未知送信局の測位装置。
9. 選択可能なリファレンス局毎に送信周波数がリストアップされたリファレンス局データベースと、
   未知送信局の送信周波数に最も近い周波数を持つリファレンス局を前記リファレンス局データベースから選択する最近周波数リファレンス局選択部と、
   それぞれ異なる軌道上にあり、かつそれぞれ異なる速度で運動している２機の人工衛星を介して得られる、未知送信局から送信される同一電波信号を受信するとともに、前記２機の人工衛星を介して得られる、前記最近周波数リファレンス局選択部により選択されたリファレンス局から送信される同一電波信号を受信する電波信号受信部と、
   前記電波信号受信部により受信された電波信号の相関演算を行うことにより、前記未知送信局及び既知リファレンス局からの受信電波信号の到来時間差及びドップラー周波数差を計算するＴＤＯＡ／ＦＤＯＡ計算部と、
   前記ＴＤＯＡ／ＦＤＯＡ計算部により計算された到来時間差及びドップラー周波数差、並びに地球の形状に基づいて、前記未知送信局の３次元位置を測位する未知送信局測位計算部と
   を備えたことを特徴とする未知送信局の測位装置。
10. 前記最近周波数リファレンス局選択部は、前記未知送信局の送信周波数から所定の周波数範囲内に存在する複数のリファレンス局を前記リファレンス局データベースから選択し、
    前記最近周波数リファレンス局選択部により選択された複数のリファレンス局について、前記電波信号受信部、前記ＴＤＯＡ／ＦＤＯＡ計算部、及び前記未知送信局測位計算部の一連の測位の処理が最小二乗法により行われる
    ことを特徴とする請求項９記載の未知送信局の測位装置。
11. 選択可能なリファレンス局毎に３次元位置と周波数情報がリストアップされたリファレンス局データベースを備えた未知送信局の測位装置において、
    未知送信局の電波信号発生を検知すると、それぞれ異なる軌道上にあり、かつそれぞれ異なる速度で運動している２機の人工衛星を介して得られる、前記未知送信局から送信される同一電波信号を受信するとともに、前記２機の人工衛星を介して得られる、既知リファレンス局から送信される同一電波信号を受信する電波信号受信ステップと、
    受信された電波信号の相関演算を行うことにより、前記未知送信局及び既知リファレンス局からの受信電波信号の到来時間差及びドップラー周波数差を計算するＴＤＯＡ／ＦＤＯＡ計算ステップと、
    計算された到来時間差及びドップラー周波数差、並びに地球の形状に基づいて、前記未知送信局の３次元位置を測位する未知送信局測位計算ステップと、
    前記電波信号受信ステップ、前記ＴＤＯＡ／ＦＤＯＡ計算ステップ、及び前記未知送信局測位計算ステップの一連の測位の処理を繰り返すか否かの決定を行う処理繰返決定ステップと、
    測位の処理を繰り返すと決定された場合には、前記未知送信局測位計算ステップの測位結果に距離が最も近いリファレンス局を前記リファレンス局データベースから選択する最短距離リファレンス局選択ステップとを含み、
    前記最短距離リファレンス局選択ステップにより選択されたリファレンス局について、前記電波信号受信ステップ、前記ＴＤＯＡ／ＦＤＯＡ計算ステップ、及び前記未知送信局測位計算ステップの一連の測位の処理が所定回行われる
    ことを特徴とする未知送信局の測位方法。
12. 選択可能なリファレンス局毎に３次元位置と周波数情報がリストアップされたリファレンス局データベースを備えた未知送信局の測位装置において、
    未知送信局の電波信号発生を検知すると、それぞれ異なる軌道上にあり、かつそれぞれ異なる速度で運動している２機の人工衛星を介して得られる、前記未知送信局から送信される同一電波信号を受信するとともに、前記２機の人工衛星を介して得られる、既知リファレンス局から送信される同一電波信号を受信する電波信号受信ステップと、
    受信された電波信号の相関演算を行うことにより、前記未知送信局及び既知リファレンス局からの受信電波信号の到来時間差及びドップラー周波数差を計算するＴＤＯＡ／ＦＤＯＡ計算ステップと、
    計算された到来時間差及びドップラー周波数差、並びに地球の形状に基づいて、前記未知送信局の３次元位置を測位する未知送信局測位計算ステップと、
    前記電波信号受信ステップ、前記ＴＤＯＡ／ＦＤＯＡ計算ステップ、及び前記未知送信局測位計算ステップの一連の測位の処理を繰り返すか否かの決定を行う処理繰返決定ステップと、
    測位の処理を繰り返すと決定された場合には、前記未知送信局測位計算ステップの測位結果から所定の距離内に存在する複数のリファレンス局を前記リファレンス局データベースから選択する短距離リファレンス局選択ステップとを含み、
    前記短距離リファレンス局選択ステップにより選択された複数のリファレンス局について、前記電波信号受信ステップ、前記ＴＤＯＡ／ＦＤＯＡ計算ステップ、及び前記未知送信局測位計算ステップの一連の測位の処理が最小二乗法により行われる
    ことを特徴とする未知送信局の測位方法。
13. 未知送信局の電波信号発生を検知すると、それぞれ異なる軌道上にあり、かつそれぞれ異なる速度で運動している２機の人工衛星を介して得られる、前記未知送信局から送信される同一電波信号を受信するとともに、前記２機の人工衛星を介して得られる、移動可能な既知リファレンス局から送信される同一電波信号を受信する電波信号受信ステップと、
    受信された電波信号の相関演算を行うことにより、前記未知送信局及び移動可能な既知リファレンス局からの受信電波信号の到来時間差及びドップラー周波数差を計算するＴＤＯＡ／ＦＤＯＡ計算ステップと、
    計算された到来時間差及びドップラー周波数差、並びに地球の形状に基づいて、前記未知送信局の３次元位置を測位する未知送信局測位計算ステップと、
    前記電波信号受信ステップ、前記ＴＤＯＡ／ＦＤＯＡ計算ステップ、及び前記未知送信局測位計算ステップの一連の測位の処理を繰り返すか否かの決定を行う処理繰返決定ステップと、
    測位の処理を繰り返すと決定された場合には、前記移動可能な既知リファレンス局に対して移動指令を送信して前記未知送信局測位計算ステップの測位結果の付近まで移動させるリファレンス局移動指令ステップとを含み、
    前記未知送信局測位計算ステップの測位結果の付近まで移動させられた前記移動可能な既知リファレンス局について、前記電波信号受信ステップ、前記ＴＤＯＡ／ＦＤＯＡ計算ステップ、及び前記未知送信局測位計算ステップの一連の測位の処理が行われる
    ことを特徴とする未知送信局の測位方法。
14. 選択可能なリファレンス局毎に送信周波数がリストアップされたリファレンス局データベースを備えた未知送信局の測位装置において、
    未知送信局の送信周波数に最も近い周波数を持つリファレンス局を前記リファレンス局データベースから選択する最近周波数リファレンス局選択ステップと、
    それぞれ異なる軌道上にあり、かつそれぞれ異なる速度で運動している２機の人工衛星を介して得られる、未知送信局から送信される同一電波信号を受信するとともに、前記２機の人工衛星を介して得られる、前記最近周波数リファレンス局選択ステップにより選択されたリファレンス局から送信される同一電波信号を受信する電波信号受信ステップと、
    受信された電波信号の相関演算を行うことにより、前記未知送信局及び既知リファレンス局からの受信電波信号の到来時間差及びドップラー周波数差を計算するＴＤＯＡ／ＦＤＯＡ計算ステップと、
    計算された到来時間差及びドップラー周波数差、並びに地球の形状に基づいて、前記未知送信局の３次元位置を測位する未知送信局測位計算ステップと
    を含むことを特徴とする未知送信局の測位方法。

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