JP2014216871A - 信号処理装置、信号処理方法及び信号処理プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】複数の相関ピークが発生した場合に、複数のピーク位置の関係性を検査することで信号捕捉の確度を高めることができる信号処理装置を提供する。
【解決手段】測位信号から入力した単位時間幅分の信号と、周期信号のローカルレプリカとして予め生成された単位時間幅の信号とに対し、ゼロパディング処理を実行することにより、単位時間幅より長い処理時間幅の処理対象信号とローカルレプリカ信号とを生成し、処理対象信号とローカルレプリカ信号との相関処理を実行し、処理時間幅の複数の時点における複数の相関値を算出し、算出された複数の相関値から相関ピークとして第１の相関値と第２の相関値とを選び出し、第１の相関値が算出された第１の時点と第２の相関値が算出された第２の時点との差分と、単位時間幅と処理時間幅との差分とに基づいて、第１の相関値と第２の相関値とについて真に周期信号による相関ピークであることの確からしさを判定する。
【選択図】図５

Description

本発明は、測位信号の信号処理を実行する信号処理装置、信号処理方法及び信号処理プログラムに関する。特に、米国のＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ・Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ・Ｓｙｓｔｅｍ）などに代表される衛星測位システム（Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ・Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ・Ｓｙｓｔｅｍ、以下、ＳＰＳと略す）で用いられる衛星測位受信機（以下、ＳＰＳ用受信機とする）内の信号処理装置、信号処理方法及び信号処理プログラムに関する。

ＳＰＳはカーナビや携帯端末などの一般ユーザー向け機器のみならず、バスや電車の車両運行管理、金融取引の時刻管理、農作業機器や工事用車両の運行自動化など様々な分野で利用され、必要不可欠な社会インフラとなっている。我が国でもその重要性が広く認識されるようになり、準天頂衛星システムの開発が進められている。

準天頂衛星システムは、ＧＰＳを補完・補強する機能と、独自の測位機能（予定）を備える。
補完機能はＧＰＳの測位信号と互換性がある信号を放送することで、端的に言えばＧＰＳ衛星数が準天頂衛星の数だけ増えるのとほぼ同等の効果を有する。
補強機能は、ＧＰＳ測位信号の誤差情報や、精密測位に必要となる情報を放送することで、測位精度向上に寄与する機能である。これらの補完・補強の機能は、ＧＰＳ衛星があって初めて成り立つ機能で、準天頂衛星単独で機能するものではない。
一方、独自の測位機能は準天頂衛星のみを使って測位を行うもので、公共用途に供することを目的とした機能である。測位信号は秘匿化されており、一般のユーザーは利用することができない。

準天頂衛星システムの補強機能にはセンチメートル級測位用途の補正情報放送機能があるが、所要データ転送レートの高さが課題である。一般に航法データビット列によるＢＰＳＫ（Ｂｉ−Ｐｈａｓｅ・Ｓｈｉｆｔ・Ｋｅｙｉｎｇ）を使うＧＰＳ Ｌ１ Ｃ／Ａコードのような測位信号の場合、ビットエラーレートを低く抑えるため、５０ビット毎秒程度のデータ転送レートしか実現できない。しかし、センチメートル級測位で必要となるデータ転送レートは、この１０倍以上である。

所定のビットエラーレートに対して比較的高いデータ転送レートを実現できるデータ伝送方式としては、ＣＳＫ（Ｃｏｄｅ・Ｓｈｉｆｔ・Ｋｅｙｉｎｇ）がよく知られている。ＣＳＫでは、転送したいデータビットに対応するシンボル値の分だけ、測位コードを巡回シフトさせてから搬送波の変調に使うもので、準天頂衛星システムの初号機「みちびき」ではセンチメートル級測位用途のＬＥＸ（Ｌ−ｂａｎｄ・ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ）信号で使われている。
しかし、ＣＳＫ方式では対応するシンボル毎にコードの位相が変わるため、必要となる相関器の数が多くなる。特に、ＬＥＸ信号ではシンボル値のビット数ｋが「８」と比較的大きく、相関器の数も非常に多く必要となる特徴がある。さらに信号捕捉時には巡回シフトさせた測位コードの境界位置が分からないため、相関処理を行った時に相関ピークが複数表れるなどすることから、処理が複雑になりがちである。

ＬＥＸ信号に対応した受信機を設計する場合、所要相関器の多さや処理の複雑さに対応して必要となるプロセッサの処理能力も比較的高く、サイズも大きくなりがちである。したがって少しでも効率的な処理アルゴリズムを採用することが求められる。

準天頂衛星システム ユーザーインターフェース仕様書（ＩＳ−ＱＺＳＳ） Ｖｅｒ．１．４ "Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｃｏｄｅ−ｐｈａｓｅ−ｓｈｉｆｔ ｋｅｙｉｎｇ ｓｐｒｅａｄ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｒｅｃｅｉｖｅｒ ｅｍｐｌｏｙｉｎｇ ａ ＦＰＧＡ ｂａｓｅｂａｎｄ ｄｅｃｏｄｅｒ"，Ｃｈａｎ，Ｓ．Ｋ．Ｓ．；Ｌｅｕｎｇ，Ｖ．Ｃ．Ｍ．，１９９７

準天頂衛星システムのユーザーインターフェース仕様書Ｖｅｒ．１．４（非特許文献１）に示されるＬＥＸ信号の場合、ショートコード（ｓｈｏｒｔ ｃｏｄｅ）（４ｍｓｅｃ周期）とロングコード（ｌｏｎｇ ｃｏｄｅ）（４１０ｍｓｅｃ周期）とが交互に選択されて生成されるコードを使う。ただし、ショートコードは４ｍｓｅｃごとに航法データの８ｂｉｔ分で表されるシンボル値に対応したチップ数だけ巡回シフトされたコードが用いられる。
コード周期が短く初期の迅速な信号捕捉に有利なショートコードを信号捕捉に用いることを考えた場合、上記の理由でショートコードが周期的に現われないため、コードの周期性を前提とした並列コードサーチ手法（Ｐａｒａｌｌｅｌ・Ｃｏｄｅ・Ｓｅａｒｃｈ）である巡回相関法（Ｃｉｒｃｕｌａｒ・Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）による信号検出手法が一般的には使えないという課題がある。
この巡回相関法は、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）を使って効率的に相関値計算を行うもので、受信機ハードウェアへのＦＦＴ実装が可能であれば、処理負荷軽減に大きく寄与する場合がある。

また、ロングコードで信号捕捉処理を行う場合で時刻に関する外部の補助を得られない場合（このように外部の補助データが得られない場合をコールドスタートなどと呼ぶ）、あらゆるタイミングを検査する必要があるため、信号タイミングのサーチに長い時間を要する場合がある。
ＬＥＸ信号のロングコードでは、１周期のコードチップ長が１，０４８，５７５チップであるから、０．５チップごとに検査する場合、２，０９７，１５０のタイミングで相関値を検査する必要がある。周波数の変化分（例えば２０通り）も考慮すると、２，０９７，１５０×２０＝４１，９４３，０００通りもの相関値計算を行う必要が生じる。
この計算は膨大であり、何らかの処理上の工夫が求められる。同時に、ＧＰＳ Ｌ１ Ｃ／Ａコードなどと比べて測位コードのチップレートが高いＬＥＸ信号の場合、受信ＲＦ信号の広帯域化に対応してサンプリング周波数も高く設定する必要がある。その結果、扱うデータのサンプリング数も大きくなり処理負荷が増大するという課題がある。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、例えば、ＣＳＫ方式の測位コードを持つ信号に対し、巡回相関法を用いて複数のピークが発生した際に、これらの複数のピーク位置の関係性を検査することで信号捕捉の確度を高めることができる信号処理装置を提供することを目的とする。

本発明に係る信号処理装置は、単位時間幅の周期信号が複数連続する測位信号の信号処理を実行する信号処理装置において、
前記測位信号から前記単位時間幅分の信号を入力し、入力した前記信号に対してゼロパディング処理を実行することにより、前記単位時間幅より長い時間幅である処理時間幅の処理対象信号を生成する処理対象信号生成部と、
前記周期信号のローカルレプリカとして予め生成された前記単位時間幅の信号に対してゼロパディング処理を実行することにより、前記処理時間幅のローカルレプリカ信号を生成するローカルレプリカ信号生成部と、
前記処理対象信号生成部により生成された前記処理対象信号と、前記ローカルレプリカ信号生成部により生成された前記ローカルレプリカ信号との相関処理を実行し、前記処理時間幅の複数の時点における複数の相関値を算出する相関処理部と、
前記相関処理部により算出された前記複数の相関値から、第１の相関値と第２の相関値とを選び出し、前記複数の時点のうち前記第１の相関値が算出された第１の時点と、前記複数の時点のうち前記第２の相関値が算出された第２の時点との差分と、前記単位時間幅と前記処理時間幅との差分とに基づいて、前記第１の相関値と前記第２の相関値とについて真に前記周期信号による相関ピークであることの確からしさを判定する判定部と
を備えることを特徴とする。

本発明に係る信号処理装置によれば、複数の周期信号から構成される測位信号に対して相関処理を実行した結果、複数の相関ピークである第１の相関値と第２の相関値とが検出された場合でも、これらの第１の相関値と第２の相関値とが算出された第１の時点と第２の時点との関係性を検査することで第１の相関値と第２の相関値とが真に周期信号による相関ピークであることの確からしさを判定することができるので、信号捕捉の確度を高めることができる。

準天頂衛星（初号機）のＬＥＸ信号の構造を示す図である。 ＣＳＫ方式を説明するための図である。 ＬＥＸ信号のタイミング関係図である。 実施の形態１に係る衛星測位受信機１００の構成の一例を示す図である。 実施の形態１に係る信号捕捉処理部１０３の処理を示した図である。 実施の形態１に係る相関値計算部１０３１による相関処理を説明するための図である。 実施の形態１に係るＬＥＸ信号などのシンボル毎に開始位置がずれているコードに対する相関処理について説明するための図である。 実施の形態１に係る相関値計算部１０３１による相関値計算の一例を示す図である。 実施の形態２に係る相関処理に用いる交配コードの一例を示す図であり、（ａ）はショートコードとゼロコードとの交配例、（ｂ）はショートコードの前半部分と後半部分との交配例である。 実施の形態２に係る相関処理に用いる交配コードの他の例を示す図であり、（ａ）は１つのロングコードにおいて、ロングコードの一部分と、ロングコードの他部分との交配例、（ｂ）はショートコードと、ロングコードにおいて一定のタイミングをずらした部分との交配例である。 実施の形態１，２に係る信号捕捉処理部１０３のハードウェア構成を示した図である。

実施の形態１．
図１は、準天頂衛星（初号機）のＬＥＸ信号の構造を示す図である。図２は、ＣＳＫ方式を説明するための図である。図３は、ＬＥＸ信号のタイミング関係図である。
まず、図１〜図３を用いて、本実施の形態の前提となる技術について説明する。

本実施の形態では、測位衛星はＣＳＫ方式を使う測位信号を放送しているものとする。例えば、図１に示す準天頂衛星のＬＥＸ信号を放送しているものとする。
図１に示すように、ＬＥＸ信号のベースバンド信号Ｃ_ＬＥＸは、リードソロモン符号化（Ｒｅｅｄ−Ｓｏｌｏｍｏｎ Ｃｏｄｉｎｇ）された航法メッセージ（Ｎａｖ Ｍｅｓｓａｇｅ）によりＣＳＫ変調されたＰＲＮショートコードと、周期８２０ｍｓの０から始まる矩形波（Ｓｑｕａｒｅｗａｖｅ）（“０１０１０１…”）で変調されたＰＲＮロングコードがチップ毎に時間的に交互に選択され生成される、チッピングレート５．１１５ＭＣｈｉｐ／ｓの信号である。
図面では、ショートコードを「ｓｈｏｒｔ ｃｏｄｅ」、ロングコードを「Ｌｏｎｇ ｃｏｄｅ」と記載する場合もあるが、以下では「ショートコード」、「ロングコード」と記載する。

ＣＳＫ変調は、図２の（＊）Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｏｄｅ ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ （ＣＳＫ） Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎに定義されるように、航法メッセージデータを８ビット毎に切り出し、切り出した８ビットのシンボル値に対応する分だけ、ＰＲＮコードのコード位相をシフトさせるものである。なお以下の説明で、ＣＳＫ変調コードにおける“１周期コード”とは、図２に示されるようにシンボル値“Ｎ”の分だけコードチップパターンを巡回シフトさせた後の１周期分のコードを指すものとする。

ショートコード、ロングコードそれぞれのコード生成器の初期化周期は、ショートコード生成器が４ｍｓ、ロングコード生成器が４１０ｍｓである。ＬＥＸ信号におけるショートコード、ロングコードに関わるタイミング関係は図３のようになる。

なお、本実施の形態では、図３のようにショートコードとロングコードが交互に現われる信号構造を前提とするが、巡回相関法による並列コードサーチ手法を用いるにあたっては、必ずしもこのように２つのコードが交互に現われる信号構造でなくてもよい。

図４は、本実施の形態に係る衛星測位受信機１００の構成の一例を示す図である。
図４に示すように、衛星測位受信機１００は、測位信号受信アンテナ１に接続され、測位信号受信アンテナ１を介して、測位衛星から発せられた測位信号を含むＲＦ信号を入力する。

衛星測位受信機１００は、フロントエンド部１０１、ベースバンド処理部１０２を備える。
ベースバンド処理部１０２は、信号捕捉処理部１０３、シンボル抽出部１０４、追尾フィルタ部１０６を備える。
また、図４においては、衛星測位受信機１００は、航法データデコード部１０７と観測値生データ生成部１０８とを備えているが、これらの構成要素は、衛星測位受信機１００の外部に配置されていてもよい。
ベースバンド処理部１０２の構成要素は、ハードウェアもしくはソフトウェアで構成される。

ＲＦフロントエンド部１０１では、スーパーヘテロダイン方式により中間周波数に落としたＲＦ信号をデジタルサンプリングしてもよいが、本実施の形態では、ダイレクトコンバージョン方式により、Ｉｎ−Ｐｈａｓｅ信号（Ｉ信号）とＱｕａｄｒａｔｕｒｅ−Ｐｈａｓｅ信号（Ｑ信号）に分けてデジタルサンプリングする方式を前提に説明する。Ｉｎ−Ｐｈａｓｅ信号（Ｉ信号）とＱｕａｄｒａｔｕｒｅ−Ｐｈａｓｅ信号（Ｑ信号）との両方の信号を合わせてＩ／Ｑ信号と呼ぶ。
ＲＦフロントエンド部１０１は、フロントエンド処理を実行し、ベースバンド処理部１０２に対し、Ｉ／Ｑ信号を出力する。

信号捕捉処理部１０３は、ＲＦフロントエンド部１０１からＩ／Ｑ信号を入力し、信号捕捉処理を実行する。信号捕捉処理部１０３は、測位信号に対して信号処理を実行する信号処理装置の一例である。

図５は、本実施の形態に係る信号捕捉処理部１０３（信号処理装置の一例）の処理を示した図である。
図５に示すように、信号捕捉処理部１０３は、ゼロパディング部１０３０（処理対象信号生成部）、相関値計算部１０３１、捕捉判定部１０３２を備える。図５の処理は一定時間の入力データをバッファリングし、そのデータに対してまとめて行うのが一般的である。例えば、ＬＥＸ信号の場合、ショートコードの１周期コード長である４ｍｓ分の入力信号を保存しておき、そのデータを入力として処理を行う。

ゼロパディング部１０３０は、Ｉ／Ｑ信号（測位信号）から１周期コード長の信号、すなわちＬＥＸ信号の場合は４ｍｓ（単位時間）幅分の信号を入力し、入力した前記信号に対してゼロパディングを実行することにより、ＦＦＴを行える２の累乗個のデータ数（ＦＦＴ処理時間幅）の処理対象信号を生成する処理対象信号生成部の一例である。

相関値計算部１０３１は、ＦＦＴ、ＩＦＦＴ、Ｃｏｎｊ（複素共役をとる処理）等を用いた巡回相関法を用いて相関値を計算する相関処理部の一例である。ローカルレプリカ信号生成部１０３１ａは、１周期コード分のローカルレプリカコードに対してゼロパディングを実行することにより、ＦＦＴを行える２の累乗個のデータ数（ＦＦＴ処理時間幅）のローカルレプリカ信号を生成する。

相関値計算部１０３１は、ゼロパディング部１０３０から処理対象信号を入力し、ローカルレプリカ信号との相互相関値計算を巡回相関法によって実行し、入力データのサンプリング間隔ごとにタイミングをずらして計算した相互相関値を入力データサンプリング数に対応した数だけ相関値（ｚ（ｎ））として算出する。

捕捉判定部１０３２は、相関値計算部１０３１により算出された相関値ｚ（ｎ）に基づいて、信号の捕捉判定処理を実行する判定部の一例である。ｎは相関インデックスであり、相互相関関数計算時のずれ時間τに対応する相関値ｚのインデックスである。
捕捉判定部１０３２は、相関値計算部１０３１により算出された相関値ｚ（ｎ）から、相関ピークとして第１の相関値と第２の相関値とを選び出し、まずそれらがノイズフロアに対して十分な大きさを持つことを確認するなどして、測位コードによる相関ピークであることを確認する。捕捉判定部１０３２は、最大ピークを表す第１の相関値と、第１の相関値の位置の前後１チップ分の範囲を除いた範囲で最大のピークを表す第２の相関値とを選び出し、これら第１の相関値と第２の相関値が周期コードによる相関値であるかを判定する相関ピーク判定部の一例である。

捕捉判定部１０３２は、上記処理のみでは真にそれらが測位コードによる相関ピークであるのかどうかを確実に判断できるわけではないものの、ひとまずはその判定結果に基づいて、第１の相関値のみがコード相関ピークであると判定された場合には、そのタイミングにより相関ピーク位置を決定し、前記第１の相関値と前記第２の相関値の両方がコード相関ピークであると判定された場合、両者の相関インデックスの差分と、１周期コードのサンプル数とＦＦＴ処理時の２の累乗のサンプル数の差分とに基づいて、前記第１の相関値と前記第２の相関値が真に測位コードによって生じた相関ピークであるかどうかの確からしさを判定する。

図６は、本実施の形態に係る相関値計算部１０３１による相関処理における信号処理方法を説明するための模式図である。
まず、所定のコードが周期的に連続するコードについて、すなわちコードチップパターンに完全な周期性が見られるコードを用いた測位信号における相関処理を行う場合について説明する。所定のコードが周期的に連続するコードとは、例えば、ＧＰＳ衛星にて用いられるＬ１ Ｃ／Ａコード等である。

図６では、説明の簡単のため、１周期のコード長は１ｍｓであり、１周期コードのサンプリングデータ数Ｎｓｃ（＝ｆｓ×０．００１）を３５００とする。すなわち、衛星測位受信機１００の信号捕捉処理部１０３は、１ｍｓ幅（単位時間幅）の１周期コードの信号が複数連続する測位信号を入力する。なお、図６は信号処理方法を説明するための図であるため、具体例としてのコード長、及びコードと付与されるゼロコードとの配分などと、図面におけるコード長、及び上記配分などとの対応については模式化して図示しているものとする。

ＦＦＴに使うデータの数をＦＦＴ長Ｎｆｆｔとする。Ｎｆｆｔ＝２^ｋで、ｋは、Ｎｓｃ≦Ｎｆｆｔを満たす最小の整数である。
ここでは、ｋはＮｓｃ≦Ｎｆｆｔを満たす「最小」の整数であるものとし、以下それを前提に説明を行う。図６では例として、Ｎｆｆｔ＝２¹²＝４０９６とする。
図６に示すように、同一のコードが周期的に繰り返すコード（測位信号）をＸ１コードとする。

図５に示すゼロパディング部１０３０は、以下のような処理を実行し、図６に示す処理対象信号を生成する。Ｉ／Ｑ信号から１周期コード（１ｍｓ幅）分の信号（処理対象コード）を入力し、入力した前記信号に対してゼロパディングを実行することにより、Ｎｆｆｔサンプルの処理対象信号を生成する。
また、図５に示す相関値計算部１０３１のローカルレプリカ信号生成部１０３１ａでは、１周期コード分のローカルレプリカコードに対してもゼロパディングを実行することにより、Ｎｆｆｔサンプルのローカルレプリカ信号を生成する。
ここで、上述したように、１周期コード（１ｍｓ幅）のサンプル数は、データサンプル数Ｎｓｃ＝３５００であり、処理時間幅のサンプル数Ｎｆｆｔ＝４０９６＝２¹²とする。

巡回相関法に使うデータサンプル数ＮｓｃがＮｆｆｔ以下であることから、処理対象コードの後に（Ｎｆｆｔ−Ｎｓｃ）個の０を加え、処理対象コードをＮｆｆｔ個のデータ（処理対象信号）にする。したがって、サンプリング数とＦＦＴ長が等しい場合（Ｎｓｃ＝Ｎｆｆｔの場合）は、ゼロパディング処理は不要である。また、ＦＦＴではなくＤＦＴ（離散フーリエ変換）を使う場合にもゼロパディング処理は不要である。

例えば、上述したように、Ｎｓｃ＝３５００、Ｎｆｆｔ＝４０９６の場合は、５９６個の０を処理対象コードの後に付加して、４０９６サンプルのデータ列とする。また、処理対象コードと相関をとるローカルレプリカコードについても同様に５９６個の０を後に付加して４０９６サンプルのデータ列のローカルレプリカ信号とする。

相関値計算部１０３１は、相関値列のデータをｚ（ｎ）（ｎ＝１〜Ｎｆｆｔ）として、相関値ｚ（ｎ）を計算する。相関値ｚ（ｎ）を算出する方法としては、例えば、図５の相関値計算部１０３１に示すように、ＦＦＴ、ＩＦＦＴ、Ｃｏｎｊ等を用いた巡回相関法で処理する。図５では搬送波周波数を変化させながら処理を行って相関ピーク値を検索する必要があるが、図５の例では“シフト操作”によって周波数シフト処理を実現する例を示した。

図６に示すように、相関処理では、１周期コードの開始位置が不明なため、１周期コードの途中から処理対象コードが取得される場合がある。処理対象コードの始点と、１周期コードの始点（開始位置）とのずれをＮｓとする。
図６では、処理対象コードの始点と、１周期コードの開始位置とのずれＮｓは、２０００サンプル分である場合を示している。

この状態で、処理対象コードとローカルレプリカコードとの相互相関をとると、ローカルレプリカコードの始点がＮｓだけずれた位置で相関ピークが発生する。このずれた位置（ずれた時点（第１の時点の一例））ＮｓをＮｐ１（相関ピーク１）とする。
具体的には、ローカルレプリカコードの始点がＮｓ＝２０００だけずれた位置で相関ピークが発生するので、Ｎｐ１＝２０００である。

さらに、相関処理を続行すると、ローカルレプリカコードの終点から遡ってＮｓサンプル分が、処理対象コードの始点からＮｓサンプル分と重なる場合に、相関値が高くなるはずである。
このとき、１周期コードの開始位置は、図６に示すように、（Ｎｆｆｔ−Ｎｓｃ）＋Ｎｐ１分ずれていることになる。つまり、このずれた位置（ずれた時点（第２の時点の一例））（Ｎｆｆｔ−Ｎｓｃ）＋Ｎｐ１がＮｐ２（相関ピーク２）となる。
つまり、
（Ｎｆｆｔ−Ｎｓｃ）＋Ｎｐ１＝Ｎｐ２ （式１）
が成り立つ。

具体的には、ローカルレプリカコードの終点から遡って２０００サンプル分が処理対象コードの始点から２０００サンプル分と重なる場合であり、１周期コードの開始位置が（４０９６（Ｎｆｆｔ）−３５００（Ｎｓｃ））＋２０００（Ｎｐ１）＝２５９６ずれていることになる。つまり、Ｎｐ２＝２５９６となり、このとき相関値が高くなる。

このように、シンボルコードが連続する周期性のあるコードに対し巡回相関法を適用すると、コード相関による相関ピークであると判定される箇所が２箇所（上記の例のＮｐ１とＮｐ２）発生する場合がある。このときＮｐ１とＮｐ２とがどちらも真にコード相関による相関ピークである場合は、（Ｎｆｆｔ−Ｎｓｃ）＋Ｎｐ１＝Ｎｐ２が成り立たなくてはならない。

次に、上記の巡回相関法を、ＣＳＫ変調によって１周期ごとに本来のコードパターンの開始位置がずれているコードに対して適用する場合について説明する。このようなコードとしては、例えば、上述したＬＥＸ信号などである。

図７は、１周期ごとに異なるシンボル値によってコード位相がずれているコード（Ｘ２コード）に対する相関処理について説明するための図である。
図７に示すように、処理対象コードは、連続する２つの周期コード（周期信号）を跨いで取得されたとする。このとき、上記２つの周期コードの前側のコードの始点は処理対象コードの始点からＮｓずれているものとする。
また、上記２つの周期コードの前側のコードのシンボル値がΔＮｐ１で、上記２つの周期コードの後側のコードのシンボル値がΔＮｐ２であるものとする。
このように、コードＸ２は、コード周期毎にそれぞれのシンボル値によって本来のコードの開始位置がずれているコードである。

このとき、巡回相関法による相互相関値計算によって相関ピークがＮｐ１とＮｐ２の２箇所で検出されたものとすると、（式１）のＮｐ１（１周期コードの区切りとしての先頭位置ではなく、ＣＳＫによって巡回シフトされる前のオリジナルのショートコードの先頭チップが巡回シフト後に移動した位置）はここではＮｐ１＋ΔＮｐ１（これが１周期コードの先頭位置）に対応し、同じく（式１）のＮｐ２はＮｐ２＋ΔＮｐ２に対応すると考えることができる。よって、（式１）でＮｐ１を（Ｎｐ１＋ΔＮｐ１）におきかえ、Ｎｐ２を（Ｎｐ２＋ΔＮｐ２）に置き換えれば、
（Ｎｐ２＋ΔＮｐ２）−（Ｎｐ１＋ΔＮｐ１）＝Ｎｆｆｔ−Ｎｓｃ（式２）
となる。

ここで、ΔＮｐ１とΔＮｐ２とは、ＬＥＸ信号のショートコードの場合、シンボル値が０〜２５５の整数値を取るのに対応して、０〜（２５５×２×ｓｐｃ）の値を取る未知数である。ただし、ｓｐｃはＬＥＸ信号の測位コード（ショートコードとロングコードが交互に交配されたコード）の１チップあたりのサンプリング数とする。また、ΔＮｐ１とΔＮｐ２の差の絶対値は最大でも（５１０×ｓｐｃ）サンプルである。

上記（式２）を変形すると、以下となる。
Ｎｐ２−Ｎｐ１−（Ｎｆｆｔ−Ｎｓｃ）＝ΔＮｐ１−ΔＮｐ２（式３）
右辺（ΔＮｐ１−ΔＮｐ２）は、ある範囲の値をとる未知数であるが、上述したように、仕様上（−５１０×ｓｐｃ）〜（＋５１０×ｓｐｃ）の値を取る。
したがって、以下の式が成立する。
（−５１０×ｓｐｃ）≦｛Ｎｐ２−Ｎｐ１−（Ｎｆｆｔ−Ｎｓｃ）｝≦（＋５１０×ｓｐｃ）（式４）

このように、（式４）はコード相関によるピークであるとして検出された前記第１の相関値と前記第２の相関値が真にコード相関によるピークである場合に満たさなければならない必要条件である。
捕捉判定部１０３２は、Ｎｐ１とＮｐ２とが（式４）を満たす場合には、相関ピークＮｐ１，Ｎｐ２は真にコード相関によるピークであると判定する。

相関ピークの検出方法にもよるが、誤検出ピークすなわちノイズ等によって出現したピーク値を誤ってコード相関によるピークとして検出したものがこの必要条件式を満たす確率は一般に低く、そのため検出ピークの真贋判定をサポートするための有効な検証方法となりうる。

次に、図７において、具体的な数値をあてはめて説明する。なお、図７は説明のための図であるため、具体例としてのコード長、及びコードと付与されるゼロコードとの配分などと、図面におけるコード長、及び上記配分などとの対応については模式化して図示しているものとする。
１周期コードのサンプル数は、Ｎｓｃ＝ｆｓ（２０ＭＨｚ）×０．００４ｍｓ＝８００００とする。Ｎｓ＝２００００、ΔＮｐ１＝１５６、ΔＮｐ２＝７８、Ｎｆｆｔ＝２^１７＝１３１０７２、ｓｐｃ＝Ｎｓｃ／１０２３０＝９．９７とする。
図７に示すように、ローカルレプリカコードは、Ｎｐ１＝２００００−１５６＝１９８４４ずれた位置で相関ピーク１となる。また、Ｎｐ２＝２００００＋（１３１０７２−８００００）−７８＝７０９９４ずれた位置で相関ピーク２となる。
このとき、Ｎｐ１＝１９８４４，Ｎｐ２＝７０９９４は、（−５１０×ｓｐｃ）≦｛Ｎｐ２−Ｎｐ１−（Ｎｆｆｔ−Ｎｓｃ）｝≦（＋５１０×ｓｐｃ）（式４）を満たすものとなるため、Ｎｐ１，Ｎｐ２は本来検出されるべき相関ピークであると判定することができる。

以上のように、上記（式４）が成立する場合には、シンボル毎に開始位置がずれているコード（Ｘ２コード）に巡回相関法を適用した場合でも、相関ピークは確かであると判定することができる。

図８は、本実施の形態に係る相関値計算部１０３１による相関値計算の一例を示す図である。図８の例では、相関ピーク位置のインデックスｎとして二つのピーク（ｎ＝Ｎｐ１及びＮｐ２）が検出できる。
このピークを検出するアルゴリズムはいろいろ考えられるが、ノイズフロア値の何倍かを検出閾値としてピーク位置の相関値インデックスｎを検索する方法などが考えられる。

図５に示す捕捉判定部１０３２は、相関値計算部１０３１の相関値計算結果に基づいて、相関ピークの判定を実行する。
捕捉判定部１０３２は、Ｎｐ１とＮｐ２とが（−５１０×ｓｐｃ）≦｛Ｎｐ２−Ｎｐ１−（Ｎｆｆｔ−Ｎｓｃ）｝≦（＋５１０×ｓｐｃ）を満たす場合には、Ｎｐ１とＮｐ２とは本来の相関ピークであると判定する。

ここで、本実施の形態に係る信号捕捉処理部１０３（信号処理装置）の構成についてまとめる。
信号捕捉処理部１０３（信号処理装置）は、単位時間幅の周期コード信号、あるいは周期コード信号をＣＳＫ変調に基づく巡回シフトした信号が複数連続する測位信号を受信するベースバンド信号処理装置である。
信号捕捉処理部１０３（信号処理装置）は、
前記測位信号から前記単位時間幅分のデジタル信号を入力し、入力した前記デジタル信号に対して後述のゼロパディング処理を実行することにより、ＦＦＴ計算が可能な２の累乗個のデータサンプル数にする処理対象信号生成部と、
前記単位信号のローカルレプリカ信号として予め生成された前記単位時間幅の信号に対してゼロパディングを実行して同様に２の累乗個のデータを生成するローカルレプリカ信号生成部と、
前記処理対象信号生成部により生成された前記処理対象信号と、前記ローカルレプリカ信号生成部により生成された前記ローカルレプリカ信号との相互相関処理を必要な時間幅以下の間隔で複数の相関値算出を実行する相関処理部と、
前記相関処理部により算出された前記複数の相関値から、最大ピークを表す第１の相関値と、第１の相関値の位置の前後１チップ分の範囲を除いた範囲で最大のピークを表す第２の相関値とを選び出し、これら第１の相関値と第２の相関値が周期コードによる相関値であるかを判定する相関ピーク判定部と、
前記相関ピーク判定部により前記第１の相関値と前記第２の相関値が共に周期コードにより生じた相関値ピークであると判定された場合に、前記複数の時点のうち前記第１の相関値が算出された第１の時点と、前記複数の時点のうち前記第２の相関値が算出された第２の時点との差分と、前記単位時間幅と前記処理時間幅との差分とに基づいて、前記第１の相関値と前記第２の相関値とが真に周期コードによる相関ピークであることの確からしさを判定する判定部とを備える。

準天頂衛星のＬＥＸ信号のようにＣＳＫ方式の測位コードを持つ場合、測位コードが周期的に変化しない。したがって、巡回相関法では複数の相関ピークが検出される場合があり、並列コードサーチ手法による信号捕捉（信号検出）には適さない。
巡回相関法はＬＥＸ信号では一般的には適さないと述べたが、巡回相関法は畳み込み積分によってコードタイミングと相関値の関係を計算しているのであって、相関値の処理を工夫すればコードタイミングを発見することは可能となる。上記ショートコードの非周期性に起因して相関ピーク値が複数個所で見つかった場合には、逆にそれらの関係から相関ピークの真贋判定に対する確度を上げることができる。

以上のように、本実施の形態に係る衛星測位受信機１００によれば、ＣＳＫ方式の測位コードを持つ信号に対しても、巡回相関法を用いて複数のピークが発生した際にはそれらのピーク位置の関係性を検査することで信号捕捉の確度を高めることができる。

実施の形態２．
上述したように、準天頂衛星のＬＥＸ信号のようにＣＳＫ方式の測位コードの場合には、コード周期が長く、サンプリング周波数もＧＰＳ Ｌ１ Ｃ／Ａコード受信機に比べて高くせざるをえない事情があることなどから、これに対応する処理負荷軽減策が強く求められる。
そこで、本実施の形態では、相関処理の効率を向上させるための態様について説明する。

図９は、相関処理に用いる交配コードの一例を示す図であり、（ａ）はショートコードとゼロコードとの交配例、（ｂ）はショートコードの前半部分と後半部分との交配例である。
図９（ａ）に示す交配コードは、信号捕捉をショートコードで行う際に用いられるショートコードとゼロデータとの交配コードである。本来ロングコードが配置される位置に０データを配置することで、ショートコード成分のみを取り出し、ショートコードで信号捕捉をすることができる。

本実施の形態では、図９（ａ）の交配コードの代わりに、ショートコードの前半部分と後半部分の交配コードを用いて相関処理を行う。
これにより、ショートコードの前半部分の相関処理と、ショートコードの後半部分の相関処理とを同時にすることができるとともに、扱うサンプル数を半分にすることができる。
扱うサンプル数を半分にすることができるため、使うデータの長さを半分にすることができる。したがって、ＦＦＴを使った巡回相関法によって相関値を求める場合などには、処理効率を向上させるとともに、少ないリソースで処理することができる。このようにショートコードの前半部分と後半部分を交配して用いた場合には、相関ピークが見つかった際に、どちらのコードによるピークであったのかを判定する処理を付加することで、最終的にコードタイミングを確定できる。

図１０は、相関処理に用いる交配コードの他の例を示す図であり、（ａ）は１つのロングコードにおいて、ロングコードの一部分と、ロングコードの他部分との交配例、（ｂ）はショートコードと、ロングコードにおいて一定のタイミングをずらした部分との交配例である。

ロングコードで信号捕捉を行いたい場合は、図１０（ａ）に示すように、ロングコードとゼロデータの交配コードではなく、１つのロングコードにおいて、ロングコードの一部分と、ロングコードの他部分とを交配したコードで相関処理を行えば、処理の効率を約２倍に上げることができる。
このように、ロングコードの二つの部分を交配したコードで信号捕捉処理を行うことで、ロングコードの信号捕捉処理をほぼ２倍の効率で行うことができる。

さらに、準天頂衛星（初号機）のＬＥＸ信号のような例では図３に示される仕様で決まるショートコードとロングコードが取りうる本来のタイミングの関係をずらしたローカルレプリカ信号を利用することで効率的なロングコードの信号捕捉も可能となる。
例えば、準天頂衛星（初号機）のＬＥＸ信号を捕捉する受信機を考えた場合、コード周期の短いショートコードを先に捕捉し、その後にロングコードを捕捉する手順を考える。この時、上記手法などを用いてまずはショートコードの捕捉を行うと、シンボル分の不確定性を有したショートコード１周期の境界位置が判明する。こののち、ショートコードのシンボル値を１周期分ごとに取得するため、上記巡回相関法などを用いて相関値を計算し続ける必要があるが、その処理において、図１０（ｂ）に示すように、わざと一定のタイミングをずらしたロングコードをショートコードに交配し、ショートコードのシンボル値を取得するための巡回相関法による相関値計算処理を行えば、ショートコードのシンボル値を取得するのと同時にその処理になんら影響を与えることなく、ロングコードの検出を行うことが可能となる。図１０（ｂ）では、シンボル値によって１周期コードごとに移動するショートコード先頭が位置し得る範囲に入らないようにロングコードの先頭を配置するようにタイミングをずらすことによって、ショートコードにより生じた相関ピークと、ロングコードを検出したことにより生じた相関ピークを区別することができるようにしている。どちらのコードの相関ピークであるのかを、その位置によって判定可能であるから、ショートコード取得後も１周期コードごとに行う必要があるシンボル値取得処理を行う中で、なんらの処理上の影響も負荷の増加も招くことなく、ロングコードの捕捉も可能となる手法である。

上記の他にも、１の衛星から受信した測位コードのショートコードと、１の衛星とは異なる衛星から受信した測位コードのショートコードとを交配することにより、２衛星分のショートコードの相関処理を同時にすることができる。
また、ロングコードについても同様に、１の衛星から受信した測位コードのロングコードと、１の衛星とは異なる衛星から受信した測位コードのロングコードとを交配することにより、２衛星分のロングコードの相関処理を同時にすることができる。
ロングコードの一部分と、異なる衛星のロングコードの一部分とを交配したり、ショートコードとロングコードの一部分であって、互いに異なる衛星の信号を交配して、相関処理を実行してもよい。

以上のように、本実施の形態に係る衛星測位受信機１００の信号捕捉処理部１０３によれば、処理効率、及びリソース効率を向上することができ、相関処理の負荷の軽減を実現することができる。

図１１は、実施の形態１〜２に係る衛星測位受信機１００の信号捕捉処理部１０３をソフトウェアで実現した場合のハードウェア構成の一例を示す図である。
図１１を用いて、衛星測位受信機１００の信号捕捉処理部１０３のハードウェア構成例について説明する。

上述したように、衛星測位受信機１００の信号捕捉処理部１０３は、各要素をプログラムで実現してもよい。
信号捕捉処理部１０３のハードウェア構成としては、バスに、演算装置９０１、外部記憶装置９０２、主記憶装置９０３、通信装置９０４、入出力装置９０５が接続されている。

演算装置９０１は、プログラムを実行するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ・Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ・Ｕｎｉｔ）である。
外部記憶装置９０２は、例えばＲＯＭ（Ｒｅａｄ・Ｏｎｌｙ・Ｍｅｍｏｒｙ）やフラッシュメモリ、ハードディスク装置である。
主記憶装置９０３は、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ・Ａｃｃｅｓｓ・Ｍｅｍｏｒｙ）である。
本実施の形態の説明において「〜部」として説明するものは、プログラムとして外部記憶装置９０２に記憶されており、演算装置９０１により主記憶装置９０３に読み出され、演算装置９０１により実行される。

本実施の形態の説明において「〜部」として説明するものは、「〜回路」、「〜装置」、「〜機器」であってもよく、また、「〜ステップ」、「〜工程」、「〜手順」、「〜処理」であってもよい。即ち、「〜部」として説明するものは、ＲＯＭ９１３に記憶されたファームウェアで実現されていても構わない。あるいは、「〜部」として説明するものは、ソフトウェアのみ、あるいは、素子、デバイス、基板、配線といったハードウェアのみで実現されていても構わない。あるいは、「〜部」として説明するものは、ソフトウェアとハードウェアとの組み合わせ、あるいは、ソフトウェアとハードウェアとファームウェアとの組み合わせで実現されていても構わない。

なお、図１１の構成は、あくまでも信号捕捉処理部１０３のハードウェア構成の一例を示すものであり、信号捕捉処理部１０３のハードウェア構成は図１１に記載の構成に限らず、他の構成であってもよい。
また、実施の形態１〜２に示す手順により、本発明に係る信号処理方法を実現可能である。

上記実施の形態１〜２の説明では、「ゼロパディング部」、「相関値計算部」、「捕捉判定部」がそれぞれ独立したブロックとしたが、これに限られるわけではなく、例えば、「ゼロパディング部」と「相関値計算部」とをひとつのブロックで実現してもよい。あるいは、これらのブロックを、他のどのような組み合わせで信号捕捉処理部１０３を構成しても構わない。

以上、本発明の実施の形態１〜２について説明したが、これらの実施の形態のうち、２つを組み合わせて実施しても構わない。あるいは、これらの実施の形態のうち、１つを部分的に実施しても構わない。あるいは、これらの実施の形態のうち、２つを部分的に組み合わせて実施しても構わない。なお、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではなく、必要に応じて種々の変更が可能である。

１ 測位信号受信アンテナ、１００ 衛星測位受信機、１０１ フロントエンド部、１０２ ベースバンド処理部、１０３ 信号捕捉処理部、１０４ シンボル抽出部、１０６ 追尾フィルタ部、１０７ 航法データデコード部、１０８ 観測値生データ生成部、９０１ 演算装置、９０２ 外部記憶装置、９０３ 主記憶装置、９０４ 通信装置、９０５ 入出力装置、１０３０ ゼロパディング部、１０３１ 相関値計算部、１０３１ａ ローカルレプリカ信号生成部、１０３２ 捕捉判定部。

Claims (8)

1. 単位時間幅の周期信号が複数連続する測位信号の信号処理を実行する信号処理装置において、
   前記測位信号から前記単位時間幅分の信号を入力し、入力した前記信号に対してゼロパディング処理を実行することにより、前記単位時間幅より長い時間幅である処理時間幅の処理対象信号を生成する処理対象信号生成部と、
   前記周期信号のローカルレプリカとして予め生成された前記単位時間幅の信号に対してゼロパディング処理を実行することにより、前記処理時間幅のローカルレプリカ信号を生成するローカルレプリカ信号生成部と、
   前記処理対象信号生成部により生成された前記処理対象信号と、前記ローカルレプリカ信号生成部により生成された前記ローカルレプリカ信号との相関処理を実行し、前記処理時間幅の複数の時点における複数の相関値を算出する相関処理部と、
   前記相関処理部により算出された前記複数の相関値から、第１の相関値と第２の相関値とを選び出し、前記複数の時点のうち前記第１の相関値が算出された第１の時点と、前記複数の時点のうち前記第２の相関値が算出された第２の時点との差分と、前記単位時間幅と前記処理時間幅との差分とに基づいて、前記第１の相関値と前記第２の相関値とについて真に前記周期信号による相関ピークであることの確からしさを判定する判定部と
   を備えることを特徴とする信号処理装置。
2. 前記判定部は、
   前記第１の時点と前記第２の時点との差分と前記単位時間幅と前記処理時間幅との差分との差分が、所定の範囲以内であるか否かにより、前記第１の相関値と前記第２の相関値との確からしさを判定することを特徴とする請求項１に記載の信号処理装置。
3. 前記測位信号は、複数の前記周期信号のうちの少なくとも１つが、他の前記周期信号がシフトされている数と異なる数でシフトされていることを特徴とする請求項１または２に記載の信号処理装置。
4. 前記測位信号は、コードシフトキーイング方式により変換されていることを特徴とする請求項３に記載の信号処理装置。
5. 前記測位信号は、前記単位時間幅のショートコードであって１つの前記周期信号であるショート用周期信号により構成されたショートコードと、前記単位時間幅の複数倍幅のロングコードであって複数のロング用周期信号により構成されたロングコードとにより構成され、
   前記ローカルレプリカ信号生成部は、
   前記ショートコードにより信号捕捉をする場合は、予め取得した前記ショート用周期信号の前半部分と後半部分とを交配した信号を、前記ショート用周期信号のローカルレプリカとして予め生成することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の信号処理装置。
6. 前記ローカルレプリカ信号生成部は、
   前記ロングコードにより信号捕捉をする場合は、予め取得した前記複数のロング用周期信号の一部分と、前記複数のロング用周期信号の他部分とを交配した信号を、前記ロング用周期信号のモデルとして予め生成することを特徴とする請求項５に記載の信号処理装置。
7. 単位時間幅の周期信号が複数連続する測位信号の信号処理を実行する信号処理装置の信号処理方法において、
   処理対象信号生成部が、前記測位信号から前記単位時間幅分の信号を入力し、入力した前記信号に対してゼロパディング処理を実行することにより、前記単位時間幅より長い時間幅である処理時間幅の処理対象信号を生成する処理対象信号生成工程と、
   ローカルレプリカ信号生成部が、予め取得した前記周期信号に基づいて、前記周期信号のローカルレプリカとして予め生成された前記単位時間幅の信号に対してゼロパディング処理を実行することにより、前記処理時間幅のローカルレプリカ信号を生成するローカルレプリカ信号生成工程と、
   相関処理部が、前記処理対象信号生成工程により生成された前記処理対象信号と、前記ローカルレプリカ信号生成工程により生成された前記ローカルレプリカ信号との相関処理を実行し、前記処理時間幅の複数の時点における複数の相関値を算出する相関処理工程と、
   判定部が、前記相関処理工程により算出された前記複数の相関値から、第１の相関値と第２の相関値とを選び出し、前記複数の時点のうち前記第１の相関値が算出された第１の時点と、前記複数の時点のうち前記第２の相関値が算出された第２の時点との差分と、前記単位時間幅と前記処理時間幅との差分とに基づいて、前記第１の相関値と前記第２の相関値とについて真に前記周期信号による相関ピークであることの確からしさを判定する判定工程と
   を備えることを特徴とする信号処理装置の信号処理方法。
8. 単位時間幅の周期信号が複数連続する測位信号の信号処理を実行する信号処理装置の信号処理プログラムにおいて、
   処理対象信号生成部が、前記測位信号から前記単位時間幅分の信号を入力し、入力した前記信号に対してゼロパディング処理を実行することにより、前記単位時間幅より長い時間幅である処理時間幅の処理対象信号を生成する処理対象信号生成処理と、
   ローカルレプリカ信号生成部が、予め取得した前記周期信号に基づいて、前記周期信号のローカルレプリカとして予め生成された前記単位時間幅の信号に対してゼロパディング処理を実行することにより、前記処理時間幅のローカルレプリカ信号を生成するローカルレプリカ信号生成処理と、
   相関処理部が、前記処理対象信号生成処理により生成された前記処理対象信号と、前記ローカルレプリカ信号生成処理により生成された前記ローカルレプリカ信号との相関処理を実行し、前記処理時間幅の複数の時点における複数の相関値を算出する相関処理と、
   判定部が、前記相関処理により算出された前記複数の相関値から、第１の相関値と第２の相関値とを選び出し、前記複数の時点のうち前記第１の相関値が算出された第１の時点と、前記複数の時点のうち前記第２の相関値が算出された第２の時点との差分と、前記単位時間幅と前記処理時間幅との差分とに基づいて、前記第１の相関値と前記第２の相関値とについて真に前記周期信号による相関ピークであることの確からしさを判定する判定処理と
   をコンピュータである信号処理装置に実行させることを特徴とする信号処理プログラム。

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