JP2013057592A

JP2013057592A - 衛星信号受信機

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Publication number: JP2013057592A
Application number: JP2011196040A
Authority: JP
Inventors: Taku Yamane; 卓山根; Masahiro Genda; 正弘源田
Original assignee: Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2011-09-08
Filing date: 2011-09-08
Publication date: 2013-03-28
Anticipated expiration: 2031-09-08
Also published as: JP5854718B2

Abstract

【課題】回路規模の増加を抑えつつ、同時に複数の候補ローカル周波数を得る。
【解決手段】候補となる中心ローカル周波数を発生させるローカルキャリアＮＣＯ３と、候補となるドップラー周波数を発生させるドップラーキャリアＮＣＯ４と、ローカルキャリアＮＣＯ３の出力とドップラーキャリアＮＣＯ４の出力を入力して３つ以上の候補ローカル周波数を生成する候補周波数加減算回路５と、入力ＩＦ信号に対してコード発生器２１からの拡散コードと候補周波数加減算回路５からの複数の候補ローカル周波数との相関演算を行う積分器８０〜８４と、を備え、候補周波数加減算回路５は、ドップラーキャリアＮＣＯ４の出力周波数を逓倍する周波数逓倍回路５１と、ローカルキャリアＮＣＯ３の出力に対して、ドップラーキャリアＮＣＯ４および周波数逓倍回路５１からの出力を加算または減算し、複数の候補周波数として出力する加減算器５２１〜５２４と、を備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、ＧＮＳＳ衛星（航法衛星）からの衛星信号を捕捉するための衛星信号受信機に関し、特に、衛星および受信機の移動によるドップラー周波数を探索して衛星信号を捕捉する衛星信号受信機に関する。

ＧＮＳＳ（ＧｌｏｂａｌＮａｖｉｇａｔｉｏｎＳａｔｅｌｌｉｔｅＳｙｓｔｅｍ）は、ＧＮＳＳ衛星（以下、適宜単に「衛星」と言う）からの信号を受信して自己の位置を測位するシステムであり、米国のＧＰＳ（ＧｌｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍ）や欧州のＧＡＬＩＬＥＯ（ガリレオ）などが存在する。衛星は、衛星ごとに異なる拡散コードで情報をスペクトラム拡散し、共通のキャリア周波数で変調して衛星信号として送信する。一方、ＧＮＳＳ受信機（以下、適宜単に「受信機」と言う）は、各衛星から送信された衛星信号が合成された信号を受信し、受信を開始する場合には、地球の裏側に位置する衛星からの衛星信号は受信できないため、受信可能な可視衛星をサーチし、受信可能な衛星からの信号を安定して継続できるように追尾を行う。

すなわち、サーチ処理は、打ち上げられている衛星からの衛星信号の中から、自己が受信可能な衛星信号を探す処理であり、この際、衛星毎の拡散コードは既知であるが、衛星信号を受信するためには、周波数と拡散コード位相を決定する必要がある。より具体的には、キャリア周波数は既知である（例えば、ＧＰＳのＬ１では、１５７５．４２ＭＨｚ）が、正確に受信するためには、衛星と受信機の移動によるドップラー周波数を考慮して、衛星毎の周波数を決定しなければならない。また、衛星毎の拡散コード系列は既知であるが、受信信号に逆拡散を実行するためには、拡散コード位相を決定する必要がある。

ここで、サーチまたは追尾処理で行われる相関演算の基本的な回路構成例について、説明する。

図２は、サーチまたは追尾処理で行われる相関演算の基本的な回路構成である。まず、入力された受信信号ＩＦが、コード乗算器１１１によってコード発生器１１２が出力する拡散コード系列と乗算され、その乗算結果が次のキャリア乗算器１１３に供給される。キャリア乗算器１１３では、コード乗算器１１１の出力とキャリアＮＣＯ１１４の出力とが乗算され、ベースバンドへの周波数変換が行われる。続いて、キャリア乗算器１１３の出力信号は、積分器１１５にて所定時間毎に積分され、その積分結果は、一般に相関値と呼ばれ、制御部１２０に出力される。

一般に、積分器１１５まではハードウェアで実装され、制御部１２０はソフトウェアで実装されることが多い。また、コード乗算器１１１とキャリア乗算器１１３の順序は、逆であってもよい。

制御部１２０は、キャリアＮＣＯ１１４へ設定するキャリア周波数を変更しながら、積分器１１５から相関値を取得し、最も相関値の大きなキャリア周波数を探索する。これが周波数サーチである。

ところで、上記のように、衛星と受信機との移動により、衛星と受信機との位置関係は時々刻々と変化するため、ドップラー周波数を考慮して衛星毎の周波数を決定する必要がある。このため、従来一般的には、ドップラー周波数を探索するための周波数スキャンにおいて、適正な間隔でローカル周波数を変更しながら順次相関値を取得し、それらを比較して最大の相関値となる周波数を選択する、という手法が採られていた。しかし、このような手法では、変更する周波数の数だけ処理に時間がかかり、処理時間を短縮するためには、複数の周波数に対する相関値を一度に得る必要がある。

このため、候補ローカル周波数を発生させるキャリアＮＣＯと乗算器とを複数実装して、複数のドップラー周波数に対する相関値を同時に得る方法が考えられる。図３は、５種類の候補ローカル周波数に対する相関値を同時に得る回路である。まず、入力信号ＩＦとコード発生器１３２の出力とのコード相関演算を乗算器１３１で行い、続いて、候補ローカル周波数発生用キャリアＮＣＯ１３３−１〜１３３−５と、乗算器１３４−１〜１３４−５と、積分器１３５−１〜１３５−５とが並列に実装され、複数の候補ローカル周波数に対する相関値を同時に得るものである。

また、衛星からの信号レベルが弱い環境下において、ドップラー周波数変動に追従して追尾感度を向上させる技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この技術は、図４に示すように、ローカル用キャリアＮＣＯ１４１からのローカル周波数に対して、１ｍｓ分の相関積算（ＩＱベクトル加算）処理１４２を行った後に、ドップラー周波数用キャリアＮＣＯ１４３からの複数のドップラー周波数に対して、周波数変換・複素乗算１４４を行うものである。ここで、１ｍｓは、ＧＰＳの拡散コードであるＣＡコードの周期であり、この技術では１ｍｓという遅い周期で複数のドップラー周波数に対して周波数変換を行うため、１つの周波数変換回路１４４を時分割で利用できる。すなわち、小さな回路規模で、ドップラー周波数を考慮した周波数を決定することが可能である。

特開２００９−０１４４５１号公報

ところで、上記のような技術では、ＩＱ相関値を１ｍｓ間積分し、その後、１ｍｓという低頻度で複数のドップラー周波数に対する周波数変換を行うため、数十Ｈｚ程度の狭い周波数範囲の探索には適している。しかしながら、周波数の探索範囲、つまりドップラー周波数が数百Ｈｚ以上の場合、１ｍｓ積算の間にＩＱ相関値・ベクトル加算値が減少してしまうため、この技術は、比較的広い周波数範囲の探索には適さない。

従って、比較的広い周波数範囲を探索するには、図３に示すように積分を行う前に周波数変換を行う必要がある。しかし、複数の候補ローカル周波数を発生させるには、候補ローカル周波数と同数のキャリアＮＣＯが必要であり、回路規模の増加を招く。

そこでこの発明は、回路規模の増加を抑えつつ、同時に複数の候補ローカル周波数を得ることができる、衛星信号受信機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、この発明は、受信可能な周波数を割り出して、航法衛星からの衛星信号を捕捉する衛星信号受信機において、候補となる拡散コードを発生させるコード発生手段と、候補となる中心ローカル周波数を発生させるローカル周波数用キャリアＮＣＯと、候補となるドップラー周波数を発生させるドップラー周波数用キャリアＮＣＯと、前記ローカル周波数用キャリアＮＣＯの出力と前記ドップラー周波数用キャリアＮＣＯの出力を入力して３つ以上の候補ローカル周波数を生成する候補周波数加減算回路と、入力ＩＦ信号に対して前記コード発生手段からの拡散コードと前記候補周波数加減算回路からの複数の候補ローカル周波数との相関演算を行う相関手段と、を備え、前記候補周波数加減算回路は、前記ドップラー周波数用キャリアＮＣＯの出力周波数を逓倍する周波数逓倍手段と、前記ローカル周波数用キャリアＮＣＯの出力に対して、前記ドップラー周波数用キャリアＮＣＯおよび前記周波数逓倍手段からの出力を加算または減算し、複数の候補周波数として出力する加減算手段と、を備えることを特徴とする。

この発明によれば、ローカル周波数用キャリアＮＣＯとドップラー周波数用キャリアＮＣＯの出力が、候補周波数加減算回路に入力される。候補周波数加減算回路では、入力されたドップラー周波数用キャリアＮＣＯ出力の周波数が周波数逓倍手段によって逓倍され、加減算手段によって、ローカル周波数用キャリアＮＣＯ出力に対して、ドップラー周波数用キャリアＮＣＯの出力および周波数逓倍手段の出力が加算または減算され、候補ローカル周波数として出力される。この候補ローカル周波数とコード発生手段による拡散コードとの相関演算が、相関手段によって行われる。

中心ローカル周波数をＦ０、候補ドップラー周波数をｆとして、Ｆ０、Ｆ０＋ｆ、Ｆ０−ｆ、Ｆ０＋２ｆ、およびＦ０−２ｆの５種類の候補ローカル周波数で同時に周波数変換する場合を考える。図３に示す従来技術で実現する場合、キャリアＮＣＯを候補ローカル周波数と同数、すなわち５個実装する必要がある。ここで、ＮＣＯ（ＮｕｍｅｒｉｃａｌＣｏｎｔｒｏｌｌｅｄＯｓｃｉｌｌａｔｏｒ、数値制御発振器）の一般的な構成を図５に示す。周波数設定値を、加算器１５１とレジスタ１５２で累積加算することにより実現される。例としてＮＣＯ精度が６４ビット必要な場合、加算器１５１とレジスタ１５２はそれぞれ６４ビットとなる。すなわち、６４ビット精度のキャリアＮＣＯを５個実装する場合の回路規模は、６４ビットの加算器１５１と６４ビットのレジスタ１５２がそれぞれ５個、となる。

同じ例を本発明で実現すると、２つのキャリアＮＣＯ、すなわち中心ローカル周波数Ｆ０を発生するローカル周波数用キャリアＮＣＯと、候補ドップラー周波数ｆを発生するドップラー周波数用キャリアＮＣＯ、および、候補周波数加減算回路を実装する。候補周波数加減算回路は、周波数逓倍手段と４個の加減算手段で実現される。周波数逓倍手段は、２Ｎ倍（Ｎは自然数）に限定すると、非常に小さい回路規模で実現できる。すなわち、この場合の回路規模は、６４ビット加算手段が６つ、６４ビットレジスタが２となり、従来技術と比較して６４ビット加算手段が１個増えるが、６４ビットレジスタは３個減るため、全体として従来技術と比較して少ない回路規模で実装が可能となる。

この発明の実施の形態に係る衛星信号受信機の相関演算回路の構成図である。サーチまたは追尾処理で行われる相関演算の基本的な回路構成図である。従来において、複数の候補ローカル周波数用キャリアＮＣＯを備える相関演算回路の構成図である。従来において、１つの周波数変換回路を時分割で利用して複数のドップラー周波数に対する相関値を得る相関演算回路の構成を示す図である。ＮＣＯの一般的な構成を示す図である。ＮＣＯ出力と周波数との関係を示す図である。２つのキャリアＮＣＯ出力を加算して得られる周波数信号と、２の周波数の和に対するキャリアＮＣＯ出力の周波数信号との関係を示す図である。

以下、この発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。

図１は、この発明の実施の形態に係る衛星信号受信機の相関演算回路を示す構成図である。

この相関演算回路は、主として、コード発生器（コード発生手段）２１と、ローカルキャリアＮＣＯ（ローカル周波数用キャリアＮＣＯ）３と、ドップラーキャリアＮＣＯ（ドップラー周波数用キャリアＮＣＯ）４と、候補周波数加減算回路５と、積分器（相関手段）８０〜８４とを備えている。候補周波数加減算回路５は、周波数逓倍回路（周波数逓倍手段）５１と加減算器（加減算手段）５２１〜５２４とを備えている。

コード発生器２１は、候補となる拡散コード系列を発生させる発生器であり、コード発生器２１からのコード系列のコード番号は、制御部（従来の制御部１２０と同等であり、以下同様）から設定され、コード位相は、制御部からの設定に基づいてコードＮＣＯ２２から制御される。このコード発生器２１からの拡散コード系列は、コード乗算器２３に供給・伝送され、コード乗算器２３において、入力された受信信号ＩＦと乗算され、その結果が、各乗算器（相関手段）７０〜７４に供給されるようになっている。

ローカルキャリアＮＣＯ３は、候補となる中心・基準のローカル周波数Ｆ０の信号を出力する発振器であり、ローカルキャリアＮＣＯ３の周波数は、制御部によって設定される。そして、発生された中心ローカル周波数Ｆ０のＮＣＯ出力信号は、各加減算器５２１〜５２４および第１の乗算器７０に供給されるようになっている。

ドップラーキャリアＮＣＯ４は、候補となるドップラー周波数ｆの信号を出力する発振器であり、ドップラーキャリアＮＣＯ４の周波数は、制御部によって設定される。そして、発生されたドップラー周波数ｆのＮＣＯ出力信号は、周波数逓倍回路５１および第１の加減算器５２１、第２の加減算器５２２に供給されるようになっている。

周波数逓倍回路５１は、ドップラーキャリアＮＣＯ４が出力した候補ドップラー周波数ｆを逓倍する論理回路である。図６に示すように、ＮＣＯ出力（すなわち、ＮＣＯのレジスタ値）のＭＳＢは設定周波数の信号であり、ＭＳＢから２ビット目はその２倍の周波数、ＭＳＢから３ビット目はその４倍の周波数となる。このようにＮＣＯでは、設定周波数の２Ｎ倍（Ｎは自然数）の逓倍波を容易に得ることができる。この実施の形態では、周波数逓倍回路５１は入力周波数ｆを２倍にしているが、これは小さな回路規模で容易に実現できることが分かる。周波数逓倍回路５１が出力する周波数２ｆの信号は、第３の加減算器５２３と第４の加減算器５２４とに供給される。

加減算器５２１〜５２４は、ローカルキャリアＮＣＯ３が出力する周波数Ｆ０の信号（すなわちＮＣＯレジスタ値、以下同様）に対して、ドップラーキャリアＮＣＯ４が出力する周波数ｆの信号、および周波数逓倍回路５１が出力する周波数２ｆの信号を加算または減算し、候補周波数として出力するものである。具体的に、第１の加減算器５２１は、ローカルキャリアＮＣＯ３の出力信号（周波数Ｆ０）にドップラーキャリアＮＣＯ４の出力信号（周波数ｆ）を加算して、第２の候補ローカル周波数信号（周波数Ｆ０＋ｆ）を第２の乗算器７１に供給する。第２の加減算器５２２は、ローカルキャリアＮＣＯ３の出力信号（周波数Ｆ０）からドップラーキャリアＮＣＯ４の出力信号（周波数ｆ）を減算して、第３の候補ローカル周波数信号（周波数Ｆ０−ｆ）を第３の乗算器７２に供給する。第３の加減算器５２３は、ローカルキャリアＮＣＯ３の出力信号（周波数Ｆ０）に周波数逓倍回路５１の出力信号（周波数２ｆ）を加算して、第４の候補ローカル周波数信号（周波数Ｆ０＋２ｆ）を第４の乗算器７３に供給する。第４の加減算器５２４は、ローカルキャリアＮＣＯ３の出力信号（周波数Ｆ０）から周波数逓倍回路５１の出力信号（周波数２ｆ）を減算して、第５の候補ローカル周波数信号（周波数Ｆ０−２ｆ）を第５の乗算器７４に供給する。また、第１の乗算器７０には、ローカルキャリアＮＣＯ３からの出力信号が、第１の候補ローカル周波数信号（周波数Ｆ０）として供給されるようになっている。

ここで、２つのキャリアＮＣＯ出力を加算すると、各々の周波数の和の周波数の信号が得られることを、図７にて説明する。既に述べたように、ＮＣＯは設定周波数値を累積加算する回路である。設定周波数Ａを累積加算した結果のレジスタ値と、設定周波数Ｂを累積加算した結果のレジスタ値を加算した結果は、設定周波数（Ａ＋Ｂ）を累積加算した結果に等しい。すなわち、２つのキャリアＮＣＯ出力を加算すると、各々の周波数の和の周波数の信号を得ることができるものである。

積分器８０〜８４は、入力ＩＦ信号と、コード発生器２１からの拡散コード系列、および加減算器５２１〜５２４からの候補ローカル周波数との相関演算を所定時間行う演算器である。すなわち、コード乗算器２３からの出力信号と各候補ローカル周波数とが、各乗算器７０〜７４で乗算されて周波数変換され、その結果を積分器８０〜８４で所定時間毎に積算することで、各候補周波数に対する相関積算（ＩＱベクトル加算）値を算出するものである。

これにより、コード乗算と周波数変換、すなわち相関演算が完了し、その結果を制御部に供給する。一方、相関結果であるＩ成分とＱ成分とを受けた制御部は、この相関結果に基づいて、最適な周波数とコード位相とを算出し、コード発生器２１、コードＮＣＯ２２、ローカルキャリアＮＣＯ３およびドップラーキャリアＮＣＯ４に再設定することで、処理が継続されるものである。

次に、このような構成の相関演算回路の作用などについて説明する。

まず、衛星からの入力信号ＩＦとコード発生器２１からのコード位相とが、コード乗算器２３によって乗算されて各乗算器７０〜７４に供給される。一方、ローカルキャリアＮＣＯ３によって中心ローカル周波数Ｆ０の信号が発生されるとともに、ドップラーキャリアＮＣＯ４によってドップラー周波数ｆの信号が発生され、さらに、周波数逓倍回路５によってドップラー周波数ｆの２倍の周波数２ｆの信号が発生される。

次に、各加減算器５２１〜５２４において、上記のようにして、第２の候補ローカル周波数（Ｆ０＋ｆ）、第３の候補ローカル周波数（Ｆ０−ｆ）、第４の候補ローカル周波数（Ｆ０＋２ｆ）および第５の候補ローカル周波数（Ｆ０−２ｆ）の信号が生成、出力される。続いて、第１の候補ローカル周波数Ｆ０を含む５つの候補ローカル周波数に対して同時に、各乗算器７０〜７４において、コード乗算器２３からの出力信号が乗算されて周波数変換され、その結果が積分器８０〜８４で所定時間積算されて、相関積算値が算出される。

このような相関積算値が制御部に供給され、制御部において最適な周波数とコード位相とが算出されて、各キャリアＮＣＯ３、４とコード発生器２１に再設定されることで、処理が継続されるものである。

以上のように、この衛星信号受信機および相関演算回路によれば、周波数変換した後に相関演算が行われ、しかも、５つの候補周波数に対して同時に相関演算が行われる。このため、比較的広い周波数範囲にわたって複数のドップラー周波数（候補周波数）に対する相関値を得ること、つまり、広い周波数範囲にわたって複数の周波数に対して受信可能か否かを割り出すことが可能となる。この結果、追尾中の小さなドップラー周波数の引き込みだけではなく、サーチ処理後の大きなドップラー周波数の引き込みにも適用することが可能となる。

また、キャリアＮＣＯは中心ローカル周波数用とドップラー用の２つだけ実装し、回路規模が小さい周波数逓倍回路５１と加減算器５２１〜５２４とを組み合わせるだけで、５つの候補周波数に対する相関値を得ることができる。つまり、回路規模の増加を抑えつつ、比較的広い周波数範囲にわたる複数のドップラー周波数・候補周波数に対する相関値を得ることができる。しかも、複数のドップラー周波数に対する演算が同時に行われるため、周波数引き込みの処理時間を低減することできる。

以上、この発明の実施の形態について説明したが、具体的な構成は、上記の実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。例えば、上記のような相関演算回路は、サーチ部、追尾部のどちらに実装、適用してもよい。

また、上記の周波数逓倍回路５では、ドップラー周波数ｆの２倍の周波数２ｆを生成しているが、同様の方法で２Ｎ倍（Ｎは自然数）の周波数信号を生成してもよい。さらに、ドップラーキャリアＮＣＯ４や周波数逓倍回路５１を複数設けて、より多くのドップラー周波数ｆ、候補ローカル周波数を同時に得るようにしてもよい。

２１コード発生器（コード発生手段）
２２コードＮＣＯ
２３コード乗算器
３ローカルキャリアＮＣＯ（ローカル周波数用キャリアＮＣＯ）
４ドップラーキャリアＮＣＯ（ドップラー周波数用キャリアＮＣＯ）
５候補周波数加減算回路
５１周波数逓倍回路（周波数逓倍手段）
５２１〜５２４加減算器（加減算手段）
７０〜７４乗算器（相関手段）
８０〜８４積分器（相関手段）

Claims

受信可能な周波数を割り出して、航法衛星からの衛星信号を捕捉する衛星信号受信機において、
候補となる拡散コードを発生させるコード発生手段と、
候補となる中心ローカル周波数を発生させるローカル周波数用キャリアＮＣＯと、
候補となるドップラー周波数を発生させるドップラー周波数用キャリアＮＣＯと、
前記ローカル周波数用キャリアＮＣＯの出力と前記ドップラー周波数用キャリアＮＣＯの出力を入力して３つ以上の候補ローカル周波数を生成する候補周波数加減算回路と、
入力ＩＦ信号に対して前記コード発生手段からの拡散コードと前記候補周波数加減算回路からの複数の候補ローカル周波数との相関演算を行う相関手段と、を備え、
前記候補周波数加減算回路は、前記ドップラー周波数用キャリアＮＣＯの出力周波数を逓倍する周波数逓倍手段と、前記ローカル周波数用キャリアＮＣＯの出力に対して、前記ドップラー周波数用キャリアＮＣＯおよび前記周波数逓倍手段からの出力を加算または減算し、複数の候補周波数として出力する加減算手段と、
を備えることを特徴とする衛星信号受信機。