JP2010139439A - 複数アンテナ測位装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】飛しょう体に搭載された複数の受信アンテナからの受信信号を、各受信信号の信号強度により重み付けして平均した位相になるように、それぞれの相関値ベクトルの位相を回転させて一致させ、位相が揃えられたそれぞれの相関値ベクトルの合成を行い、合成された信号に基づき受信信号の追尾を行う。
【選択図】図1
Description
ここで、大型ロケットは、一般に姿勢が3軸安定化されているため、アンテナ選択方式のダイバーシティを用いることが可能である。しかし、観測ロケットなどのように、それほど大型ではないため、安定化のために軸周りに数Hzで回転させられているような飛しょう体では、アンテナ選択方式のダイバーシティを用いることは困難である。
これから、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。まず、図1は、第1の実施形態に係る複数アンテナ測位装置100の構成を示すブロック図である。第1の実施形態は、2つのアンテナを使用する形態である。まず、複数アンテナ測位装置100の構成について説明する。複数アンテナ測位装置100は、大きく、アンテナ(第1アンテナ101A、第2アンテナ101B)、フロントエンド(第1フロントエンド102A、第2フロントエンド102B)、基準クロック発生回路103、受信処理部(チャンネル1受信処理部CH1〜チャンネル4受信処理部CH4)、及び測位演算部119から構成される。受信処理部は、同時に捕捉可能な測位衛星の数に対応した数のチャンネル、ここではチャンネル1からチャンネル4の同様の構成を有する回路を含む。図1には、代表して、チャンネル1受信処理部CH1の構成を示している。チャンネル1受信処理部CH1は、第1ミキサー105A、第2ミキサー105B、第1相関演算部106A、第2相関演算部106B、合成相関値演算部108、搬送波追尾ループ110、コード追尾ループ111、ミキサー114、及び擬似距離演算部117から構成され、これらは所定の演算を行うASICなどのロジック回路や、CPUで実行されるソフトウェアによって実現される。CPUによって実行させるソフトウェアは、ROMに格納していてもよいし、ハードディスク装置などのような外部記憶装置に記憶しており、実行時に読み出してRAM上にローディングするようにしてもよい。図示していないが、チャンネル2受信処理部CH2、チャンネル3受信処理部CH3、チャンネル4受信処理部CH4も同様の構成を有している。なお、それぞれのチャンネルは、ロジック回路による並列処理や、時分割処理により同一のコンピュータ上で実現することができる。なお、チャンネルは、最低で4チャンネルが必要であるが、実際には、それより多くのチャンネル、例えば12チャンネル程度が実装されることが通常である。
・・・(式1)
・・・式2
・・・式3
・・・式4
ここで、式4において
は合成相関値ベクトル109であり、
は回転後の位相である。
は、式5によって求められる。
・・・式5
従って、第1相関値ベクトル107A及び第2相関値ベクトル107Bは、合成相関値演算部108において、それぞれ回転後の位相が、相関値ベクトルの大きさにより重み付けして平均した位相である
となるように回転させられた後に、合成される。より具体的には、入力されるそれぞれの相関値ベクトルの大きさとそれぞれの相関値ベクトルの位相とを乗じたもののすべての相関値ベクトルについての和を、入力されるすべての相関値ベクトルの大きさの和で除したものが新しい位相となるように、入力されるそれぞれの相関値ベクトルの位相を回転させた後に、それらの相関値ベクトルを合成する。
測位演算の具体的演算方法に関しては、公知の技術を用いることができる。例えば次の文献に記載がある。(「精説GPS 基本概念・測位原理・信号と受信機」,Pratap Misra and Per Enge原著,日本航海学会GPS研究会訳,pp. 159-163,正陽文庫)
第1の実施形態では、2つのアンテナで受信される測位信号の合成を行っているが、3つ以上のアンテナが利用できる場合、これらの3つ以上の受信信号の合成を行うことができる。図6は、アンテナを3つとした場合の第2の実施形態における飛しょう体に設置したアンテナの配置例を示す構成図である。第1アンテナ101A、第2アンテナ101B、第3アンテナ101Cは、飛しょう体が円柱状である場合に、その円周上においてお互いに120°の角度を空けて配置される。図2は、第2の実施形態に係る複数アンテナ測位装置100のアンテナから合成相関値演算部までの構成を示すブロック図である。ここでは、アンテナが一般的にN個設置されている場合が例示されている。第1アンテナ101A、第2アンテナ101B、・・・、第Nアンテナ101Nには、それぞれ、第1フロントエンド102A、第2フロントエンド102B、・・・、第Nフロントエンド102Nが一対に接続される。それの後段に、第1ミキサー105A、第2ミキサー105B、・・・、第Nミキサー105Nが接続され、それのさらに後段に、第1相関値演算部106A、第2相関値演算部106B、・・・、第N相関値演算部106Nが接続される。図示されていない部分は、図1に示すブロックと同様である。式6に3つ以上の受信信号を合成したときの数式モデルを示す。
・・・式6
式6においてNはアンテナの数であり、Piはi番目のアンテナiから得られる相関値の信号強度である。
は式7によって求められる。式7において、φiはアンテナiから得られる相関値の位相差である。
・・・式7
第1相関値ベクトル107A、第2相関値ベクトル107B、・・・、第N相関値ベクトル107Nは、合成相関値演算部108において、それぞれ回転後の位相が、相関値ベクトルの大きさにより重み付けして平均した位相である
となるように回転させられた後に、合成される。より具体的には、入力されるそれぞれの相関値ベクトルの大きさとそれぞれの相関値ベクトルの位相とを乗じたもののすべての相関値ベクトルについての和を、入力されるすべての相関値ベクトルの大きさの和で除したものが新しい位相となるように、入力されるそれぞれの相関値ベクトルの位相を回転させた後に、それらの相関値ベクトルを合成する。
このようにして、アンテナが3つ以上の場合においても、それぞれの相関値ベクトルの位相をどのような回転量で回転させると最適な合成が可能になるのかを求めることができる。
上記では、全体的な複数アンテナ測位装置100の構成や動作について説明してきた。以下では、第1の実施形態における合成相関値演算部108の信号処理に焦点を当て、図3を参照して詳細に説明する。図3は、第1の実施形態における合成相関値演算部108の構成を示すブロック図である。合成相関値演算部108は、第1電力検出部201A、第2電力検出部201B、第1位相検出部202A、第2位相検出部202B、位相回転角演算部203、第1位相回転部204A、第2位相回転部204B、加算器205から構成される。
つづいて、これらの信号電力と位相は、位相回転角演算部203に入力される。位相回転角演算部203において、まず第1相関値ベクトル107Aと第2相関値ベクトル107Bの位相差Δφが式8に基づいて求められる。
・・・式8
・・・式9
・・・式10
式9および式10は、式11の関係を満足している。
・・・式11
は、等しく式12で表される。(式12は式5と等価である。)
・・・式12
したがって、第1位相回転部204Aおよび第2位相回転部204Bからの出力は、それぞれ式13および式14で表される。
・・・式13
・・・式14
・・・式15
第2の実施形態においても、それぞれのアンテナに対応した電力検出部、位相検出部、位相回転部を使用することによって、第1の実施形態と同様に合成相関値ベクトル109を求めることができる。図4は、第2の実施形態における合成相関値演算部108の構成を示すブロック図である。それぞれのアンテナに対応した電力検出部及び位相検出部からの出力に基づいて、位相回転角演算部でそれぞれのアンテナで受信した測位信号の位相の回転量を決定し、位相回転部でそれぞれのアンテナで受信した測位信号をその回転量だけ位相を回転させた後、加算器205で加算することによって、合成相関値ベクトル109が求められる。
CH2 チャンネル2受信処理部
CH3 チャンネル3受信処理部
CH4 チャンネル4受信処理部
100 複数アンテナ測位装置
101A 第1アンテナ
101B 第2アンテナ
102A 第1フロントエンド
102B 第2フロントエンド
103 基準クロック発生回路
104A デジタル化測位信号
104B デジタル化測位信号
105A 第1ミキサー
105B 第2ミキサー
106A 第1相関演算部
106B 第2相関演算部
107A 第1相関値ベクトル
107B 第2相関値ベクトル
108 合成相関値演算部
109 合成相関値ベクトル
110 搬送波追尾ループ
111 コード追尾ループ
112 搬送波レプリカ信号
113 コードレプリカ信号
114 ミキサー
115 レプリカ信号
116 コード遅延時間
117 擬似距離演算部
118 擬似距離
119 測位演算部
120 測位結果
201A 第1電力検出部
201B 第2電力検出部
202A 第1位相検出部
202B 第2位相検出部
203 位相回転角演算部
204A 第1位相回転部
204B 第2位相回転部
205 加算器
Claims (3)
- 複数の測位衛星から送信される、それぞれの測位衛星に対応するチャンネルのコードで搬送波を変調した測位信号を受信する、お互いに離隔して配置された複数の受信アンテナと、
それぞれの前記受信アンテナと一対に接続され、前記測位信号に対して共通の基準クロックを基準としたサンプリングをすることによって、デジタル化した測位信号をそれぞれ出力する複数のフロンドエンドと、
それぞれの前記フロントエンドと接続され、それぞれの前記フロントエンドから出力される前記デジタル化した測位信号に、搬送波レプリカ信号およびコードレプリカ信号を含む共通のレプリカ信号を合成することによって、前記測位信号と前記レプリカ信号の相関を表わす相関値ベクトルをそれぞれ出力する、1つのチャンネルに対して複数の相関値演算部と、
前記相関値演算部から出力される1つのチャンネルに対して複数の前記相関値ベクトルを所定の演算により合成して、1つのチャンネルに対して1つの合成相関値ベクトルを出力する合成相関値演算部と、
前記合成相関値演算部から出力される前記合成相関値ベクトルが入力され、それに基づいて前記測位信号の搬送波と一致させるべき前記搬送波レプリカ信号を生成し、前記合成相関値ベクトルの大きさが極大になるように前記搬送波レプリカ信号の位相を変化させる、それぞれのチャンネルに対して設けられた搬送波追尾ループと、
前記信号演算部から出力される前記合成信号ベクトルが入力され、それに基づいて前記測位信号に含まれるコードと一致させるべき前記コードレプリカ信号を生成し、前記合成相関値ベクトルの大きさが極大になるように前記コードレプリカ信号の位相を変化させるとともに、受信した前記測位信号に含まれるコードのコード遅延時間を出力する、それぞれのチャンネルに対して設けられたコード追尾ループと、
前記コード追尾ループから出力されるコード遅延時間に基づき、擬似距離を演算する擬似距離演算部と、
前記受信機時刻における複数チャンネルの擬似距離に基づき、測位演算を行う測位演算部と、を備えることを特徴とする複数アンテナ測位装置。 - 前記合成相関値演算部は、入力されるそれぞれの相関値ベクトルの大きさにより重み付けして平均した位相になるように、それぞれの相関値ベクトルの位相を回転させて一致させ、位相が揃えられたそれぞれの相関値ベクトルの合成を行うことを特徴とする請求項1に記載の複数アンテナ測位装置。
- 前記合成相関値演算部は、入力されるそれぞれの相関値ベクトルの大きさと当該それぞれの相関値ベクトルの位相とを乗じたもののすべての相関値ベクトルについての和を、入力されるすべての相関値ベクトルの大きさの和で除したものが新しい位相となるように、入力されるそれぞれの相関値ベクトルの位相を回転させることによって、それぞれの相関値ベクトルの位相を揃えることを特徴とする請求項2に記載の複数アンテナ測位装置。
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