JP2015158488A - 受信された衛星無線航法信号の相関を求める方法および同方法を実装した相関装置 - Google Patents

受信された衛星無線航法信号の相関を求める方法および同方法を実装した相関装置 Download PDF

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Abstract

【課題】受信された衛星無線航法信号の相関を求める方法および同方法を実装した相関装置を提供する。
【解決手段】第1の拡散符号Code1により変調された第1のパイロット信号からなる受信された衛星無線航法信号Sと、第1の拡散符号と同一の長さの第2の一次拡散符号Code2により変調された第2のデータ信号との相関103を求める方法であって、第2のデータ信号が複数のチップからなる二次シーケンスにより更に変調されていて、1個のチップの持続期間が第2の一次拡散符号の長さの倍数に等しく、第1のパイロット信号と第2のデータ信号が同期しており、無線航法信号Sと第1の拡散符号Code1の第1の相関101を求め、N個の第1の相関Cから、M個の相関を含む部分集合を、選択104し、部分集合のM個の相関のコヒーレント積分106を実行する。
【選択図】図1

Description

本発明は、GNSS(全地球的航法衛星システム)信号とも呼ばれる衛星無線航法信号の受信器の分野に関する。本発明は特に、GALILEOまたはGPS衛星航法システムに適用できる。
より具体的には、本発明は、GALILEOシステムの信号E1等、2個の同相信号のコヒーレント加算からなる信号に関し、そのような信号の相関を求める方法および装置に関する。
GALILEO衛星航法システムの信号E1は、2個の信号のコヒーレント加算からなる。パイロット信号と呼ばれる第1の信号は、第1の拡散符号により変調され、主に位置計算を実行すべく衛星と信号の受信器の間の距離測定を実行するために用いられる。第2の信号は、データを搬送するための信号である。当該信号は、第2の拡散符号により変調され、符号の各周期が送信対象記号に関連付けられている。記号は、送信対象ビットに対し2値変調を施すことにより得られる。2個の拡散符号は異なっているが、同一の周期を有し、例えば信号E1の場合、周期は4msに等しい。
信号を受信したならば、実行される処理動作の目的は特に、パイロット信号の拡散符号の周期の開始を検知すると共に、第2の信号のデータを復調することである。この目的ため、第1の拡散符号の局所複製と当該信号との間の相関計算が実行される。相関の結果は次いで、熱雑音の影響を相殺して相関ピークを識別可能にすべく符号の複数の周期(例えば25周期)にわたり積分される。
相関の結果は、雑音の2種の異なる発生源により攪乱される。第1に、熱雑音は送信中の信号を乱し、局所符号との相関の結果に影響を及ぼす。熱雑音の影響を相殺する一つの従来手段は、積分時間を延ばすことである。しかし、パイロット信号とデータ信号との相互相関がゼロでないため、第2の拡散符号により変調されたデータ信号の存在により信号全体と第1の拡散符号との相関の結果も攪乱される。2個の信号同士の相互相関のレベルが相関結果に及ぼす影響は、位置決め情報に関してより高い正確さを必要とするアプリケーションにおいて特に大きい。更に、パイロット信号とデータ信号の相互相関に関連付けられた雑音は、信号対雑音比が高い場合に熱雑音よりも影響が大きい場合がある。
公知のGNSS受信器は多くの場合、雑音の影響を相殺すべく高コヒーレント積分時間を用いる。しかし、この解決策ではパイロット信号とデータ信号の相互相関のレベルを下げることはできない。
本発明は、GNSS信号を生成すべくコヒーレント加算される2個の信号間の相互相関の影響を相殺可能にする、衛星無線航法信号の相関を求める方法および装置を提案する。本発明により、局所符号とGNSS信号の相関の結果に影響を及ぼす全体的な雑音レベルを最小化することが可能になる。本発明は、GALILEO_E1信号だけでなく、2個の異なる拡散符号により変調されてコヒーレント加算された2個の信号からなる他の任意の無線航法信号にも有利に適用できる。
本発明の主題は、第1の拡散符号により変調された第1のパイロット信号からなる受信された衛星無線航法信号と、第1の拡散符号と同一の長さの第2の一次拡散符号により変調された第2のデータ信号との相関を求める方法であって、前記第2のデータ信号は複数のチップからなる二次シーケンスにより更に変調されていて、1個のチップの持続期間は第2の一次拡散符号の長さの倍数に等しく、第1のパイロット信号と第2のデータ信号は同期しており、前記相関方法は以下のステップ、すなわち
−前記第1の拡散符号の複数すなわちN個の周期にわたり、無線航法信号と前記第1の拡散符号の第1の相関を求め、
−N個の第1の相関から、M個の相関を含む部分集合を、受信された信号の信号対雑音比の推定値および前記二次シーケンスのチップのうち逆符号のチップのペアの個数の関数として選択し、
−前記部分集合のM個の相関のコヒーレント積分を実行するステップを含んでいる。
本発明の特定の態様によれば、前記部分集合の相関の個数Mはシミュレーションにより決定され、前記個数Mは、M個の相関のコヒーレント積分の結果に関して、最も低い全体的な雑音レベルを、所与の信号対雑音比および前記二次シーケンスのチップのうち逆符号のチップのペアの個数の関数として得られるようにする個数である。
本発明の特定の態様によれば、前記部分集合は、逆符号のチップのペアに属する前記二次シーケンスのチップと同相である少なくとも第1の相関を含んでいる。
本発明の特定の実施形態によれば、前記二次シーケンスは二次拡散符号である。
本発明の特定の実施形態によれば、前記二次シーケンスは、チップがデータビットの変調により得られる2値記号であるデータシーケンスであって、前記相関方法は更に、前記第2の拡散符号の複数すなわちN個の周期にわたり、無線航法信号と前記第2の拡散符号の第2の相関を求め、当該相関から前記二次シーケンスのチップの値を推定する。
本発明の特定の実施形態によれば、受信された信号の信号対雑音比の推定値は、M個の相関のコヒーレント積分の結果から決定される。
本発明の特定の態様によれば、M個の相関のコヒーレント積分の結果は、符号または位相あるいは周波数弁別器への入力として用いられる。
本発明の特定の態様によれば、前記信号はGALILEO E1型である。
本発明の主題はまた、第1の拡散符号により変調された第1のパイロット信号および第1の拡散符号と同一の長さの第2の主拡散符号により変調された第2のデータ信号からなる受信された衛星無線航法信号の相関を求める装置であって、前記第2のデータ信号は複数のチップからなる二次シーケンスにより更に変調されていて、1個のチップの持続期間は第2の一次拡散符号の長さの倍数に等しく、第1のパイロット信号と第2のデータ信号は同期しており、相関装置は、
−前記第1の拡散符号の周期の一つに少なくとも等しい整数であるN個の周期にわたり、無線航法信号と前記第1の拡散符号との第1の相関を求める第1の相関器と、
−N個の第1の相関から、M個の相関を含む部分集合を、受信された信号の信号対雑音比の推定値および前記二次シーケンスのチップのうち逆符号のチップのペアの個数の関数として選択する選択器と、
−前記部分集合のM個の相関のコヒーレント積分を実行する積分器とを含んでいる。
本発明による装置の特定の変型例によれば、当該装置は更に、前記第2の拡散符号の複数すなわちN個の周期にわたり、無線航法信号と前記第2の拡散符号との第2の相関を求め、当該相関から前記二次シーケンスのチップの値を推定する第2の相関器を含んでいる。
本発明の主題はまた、本発明による相関装置を含む衛星無線航法信号の受信器、プロセッサにより実行された場合に本発明による衛星無線航法信号の相関を求める方法を実行する命令を含むコンピュータプログラム、およびプロセッサにより実行された場合に本発明による衛星無線航法信号の相関を求める方法を実行する命令を含むプログラムが格納されたプロセッサ可読記憶媒体である。
本発明の他の特徴および利点は、添付の図面に関する以下の説明を精査することにより明らかになろう。
本発明による無線航法信号の相関を求める方法のフロー図である。 信号相関関数に対する全体的な雑音の影響を最小化すべく積分対象である相関出力の最適な個数を決定可能にするグラフである。 コヒーレント積分の目的で相関を選択する原理を示す概念図である。 本発明による相関装置のブロック図である。 相関器の出力端における雑音強度を、本発明を適用した場合と適用しない場合の信号対雑音比の関数として示すグラフである。 本発明によるGNSS受信器のブロック図である。
図1に、本発明による無線航法信号の相関を求める方法を実装するステップを示すフロー図を模式的に示す。
第1のステップ101において、受信無線航法信号Sの、パイロット信号に関連付けられた第1の拡散符号code1の局所複製との相関が求められる。相関ステップ101は、拡散符号の持続期間、例えばGALILEO E1信号の場合は4msに等しい持続期間にわたり実行される。
第1の符号code1と受信された信号Sとの相関(雑音が無い場合)の結果は、以下の関係を介して定式化できる。
Figure 2015158488
C’E1−Cは受信パイロット信号の拡散符号である。
C’E1−Bは、受信したデータ信号の拡散符号である。
E1−Cは局所的に生成されたパイロット信号の拡散符号である。
関係(1)では、受信データ信号の拡散符号と局所的に生成されたパイロット信号の拡散符号との相互相関項XB/Cを示す。本発明は、この相互相関項の影響を相殺することを目的とする。
相関結果Cは、所与の時間幅にわたりバックアップ102される。例えば、多くの相関結果Cが、これらを蓄積するためにFIFO型のバッファメモリにバックアップされる。
受信された信号Sはまた、順次に、あるいは同時に、データ信号に関連付けられた第2の拡散符号code2の局所複製との相関103が求められる。
データ信号を復調することで、当該データチャネルを介して送信されたビットBが回復される。
ビットBから、および信号対雑音比C/N0の推定値105から、特定のバックアップされた相関結果の選択140が実行される。
最後に、選択された相関結果のコヒーレント積分106が実行される。
本発明による方法の異なるステップは、上記とは異なる順序で実行することができる。特に、実装上の制約に応じて、本方法のステップを同時に、または順次に、あるいはその両方の仕方で実行することができる。
積分対象である相関結果の選択は以下のように実行される。最初に、データチャネル上で復調されたビットシーケンス内で反転ビットのペアを識別する。シーケンス内で反転ビットのペアの個数を決定する。パイロット信号およびデータ信号は無線航法信号を得るためにコヒーレント加算されて同相であるため、2個の信号は同期化されていて、各々の復調されたビットBを相関結果Cと一致させることができる。反転ビットのペアの全ての復調されたビットに関連付けられた相関結果を自身のコヒーレント積分のために選択することにより、第1の局所拡散符号code1と、第2の拡散符号により変調されたデータ信号との相互相関がゼロであることが保証される。実際に、2個の反転ビットは、絶対値は等しいが符号が逆である2個の相互相関結果を生成し、それらの影響は従って相互に相殺される。例えば、ビットシーケンス{11011100}において反転ビットのペア(01)が3個ある。
しかし、復調されたビットシーケンスに含まれる反転ビットのペアの個数が少ない場合、例えば、当該シーケンスで0のビットは1個だけで他の全てのビットは1である場合、相互相関を相殺するには、2個の相関結果だけを積分するのが最良である、熱雑音に対する抵抗が低いという短所がある。
換言すれば、ユニタリ相関のコヒーレント積分の結果Cに対する雑音の影響を大域的に最小化するには、熱雑音の最小化を可能にする多数の積分された相関と、2個の拡散符号(パイロットチャネルおよびデータチャネル)の間の相互相関に関連付けられた雑音を相殺可能にする、復調されたビットのシーケンスに合わせた、より少ない数の積分された相関との妥協点を見つけることが最良である。
積分対象である相関の個数を最適に決定すべく可能な一つの方法は、受信された信号に影響を及ぼす信号対雑音比、および復調されたビットシーケンスの反転ビットのペアの個数の関数として得られた全体的な雑音レベルをシミュレートすることである。
図2は、積分対象である相関の最適個数(右側の目盛り201に示す)を、信号対雑音比C/N0(y軸に示す)および反転されたビットの個数(x軸に示す)の関数として図示している。本例では、図2のシミュレーションで得られた相関の個数は1〜25の間で変動する。
図2によれば、信号対雑音比が低い(例:図2における35〜40dB.Hzの範囲の値)場合、熱雑音レベルは相互相関のレベルよりもはるかに影響が大きい。そのような場合、積分ゲインから利得を得るために相関の最大個数(図2の例では25個の相関)を用いる方がより適している。
逆に、信号対雑音比が高い(例:50〜55dB.Hzの範囲の値)場合、相互相関のレベルは熱雑音レベルよりも影響が大きく、従って積分対象である相関の個数を反転ビットの個数の関数として適合させる方がより有利である。従って、反転ビットの個数が少なくなるほど、積分対象である相関の個数を減らす方がより有利になることが分かる。
信号対雑音比および反転ビットの個数の推定値から、図2を用いて、積分対象である相関の最適な個数を決定することができる。当該個数が決定されたならば、反転ビットに関連付けられたバックアップ済みの相関結果が優先的に選択され、次いで必要に応じて他の相関結果により補完することができる。
図3に、非限定的な例として、復調されたビットシーケンス{11011100}について蓄積される相関の選択原理を示す。シーケンス301は、パイロットチャネルの符号の複数の周期にわたり連続的に計算された相関結果に対応している。シーケンス302は、データチャネル上で復調されたビットに対応している。パイロットおよびデータチャネルが同期化されているため、各々の相関結果を復調されたシーケンスのビットに対応させることができる。相関C、C、C、C、C、Cが、コヒーレント蓄積されるべく選択されている。
信号対雑音比に応じて、CおよびCから他の相関を選択してもよい。
本発明の別の実施形態によれば、無線航法信号に含まれるデータ信号を、一次拡散符号および二次拡散符号により変調されていてチップの持続期間が一次拡散符号の長さの倍数に等しい信号で代替することができる。
この場合、データビットは、値が受信器に知られている二次拡散符号のチップで代替される。反転ビットのペアの選択のステップは従って、二次拡散符号の逆符号チップのペアの選択で代替される。図3の例において、シーケンス302の復調されたビットもまた、組{−1;+1}から値が取られた関連2値記号で代替できる。
一般に、データ信号は、一次拡散符号と、データシーケンス(この場合、ビットの値を決定するためにこれらのデータを復調する必要がある)または公知の拡張シーケンス(この場合、シーケンスを形成するチップの値が既知であるため当該拡張シーケンスを用いて信号の相関を求める必要がない)のいずれかである二次シーケンスとにより変調された信号であると見なすことができる。
図4に、本発明による無線航法信号Sの相関を求める装置400のブロック図を示す。装置400は、図1のフロー図を介して説明した本発明による方法の異なる変型例の実装に適した手段を含んでいる。
特に、装置400は、受信された信号Sと、パイロット関連付けられた第1の符号code1との相関を求めるための第1の相関器401を含んでいる。第1の相関器401の出力Cは、積分する目的でバッファメモリ402にバックアップされている。
装置400はまた、受信された信号Sと、データチャネルに関連付けられた第2の符号code2との相関を求めて、当該チャネルにより搬送されるビットBを復調するための第2の相関器403を含んでいる。
装置400は更に、信号対雑音比C/N0を推定するためのモジュール405を含んでいる。この推定は、本発明の範囲外の手段を介して実行してよく、または相関のコヒーレント積分406の結果から、あるいは格納されている相関C(図4に示さないケース)からでも生成することができる。本発明の特定の変型例によれば、ループ状のシステムが用いられ、積分器406の出力Cを用いて信号対雑音比を測定し、次いで信号対雑音比を用いて積分対象である相関を選択する。そのようなシステムでは、相互相関レベルにより信号対雑音比の推定値にバイアスが掛けられる収束フェーズを設ける必要がある。
装置400はまた、特定の格納された相関Cを、復調されたビットBおよび信号対雑音比C/N0推定値の関数として選択すべく構成された選択モジュール404と、選択された相関をコヒーレント積分するためのアキュムレータ406とを含んでいる。
本発明による装置400は、ソフトウェアおよび/またはハードウェア要素を含んでいてよい。当該装置の各種の構成要素は特に、汎用プロセッサ、専用プロセッサ、特定用途向け集積回路(ASIC)、またはフィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)を含むプロセッサの形式で実装することができる。
図4のブロック図は例示的且つ非限定的な例として与えられており、言うまでもなく、特に同一プロセッサ内で特定のモジュールを結合するような任意の変型実装も等価であって本発明の範囲に含まれるものと考えるべきである。
本発明の変型実施形態によれば、目指すべき目的はまた、信号対雑音比の正確な推定値をコヒーレント積分406の結果から得ることであってよい。この場合、相互相関に関連付けられた雑音レベルを完全に相殺しようと試みることが好適である。この目的のため、コヒーレント積分時間を更に延長することなく反転ビットのペアに対応する相関だけを選択すること、特に熱雑音レベルが高い場合にそのようにすることが好適である。
図5のグラフは、積分器406の出力端に測定された大域的雑音電力とも呼ばれる、相関装置400の出力端における雑音強度を信号対雑音比C/N0の関数として示す。大域的雑音電力は、熱雑音および相互相関に関連付けられた雑音の両方を含んでいる。
曲線501は、本発明が実装されていない場合に測定された雑音強度を示す。信号対雑音比が高い場合に雑音の鈍化が見られ、当該鈍化は、非ゼロ且つ熱雑音の強度が無視できる程度になったときに支配的になる、2個の拡散符号間の相互相関のレベルに起因する。
曲線502は、本発明が用いられる場合に測定された雑音強度を示す。雑音鈍化が存在せず、且つ信号雑音比が高い場合、大域的雑音レベルは、全ての相関出力が積分される従来の解決策に比べて低下している。
当業者に知られているように、GNSS受信器に実装されている通常の処理動作を実行すべく、コヒーレント積分406の出力端で得られた相関結果Cを位相、周波数または符号弁別器の入力として用いて符号、位相、周波数追跡を実行することができる。
図6に、本発明による衛星無線航法受信器600のブロック図を示す。そのような受信器は、本発明による相関装置601を含んでいて、入力側で信号Sを受信し、出力端で相関Cを生成して符号弁別器602に送り、次いで局所拡張符号code1およびcode2の位置決めを進展または遅延させて受信された信号との相関を求める数値制御演算器(NCO)603に送る。
受信器600はまた、受信された信号の位相誤差を補償する訂正器606に位相誤差の推定値を配信する数値制御演算器(NCO)605に関連付けられた位相弁別器604を含んでいてよい。
受信器600はまた、図6に示していない周波数弁別器または信号対雑音比推定器等、他の要素を含んでいてよい。
GNSS受信器の分野の知識を有している当業者であれば、本発明による相関装置601を、受信した無線航法信号の同期化を追跡するために必要な他の要素と統合して、図6に示すGNSS受信器600の他の任意の変型例を作成することができよう。
101 相関ステップ
102 メモリバックアップ
103 データ符号相関
104 積分対象である相関結果の選択
105 信号対雑音比の推定
106 コヒーレント積分
201 積分対象である相関の最適個数
301 シーケンス
302 ビットシーケンス
400 無線航法信号Sの相関を求める装置
401 第1の相関器
402 バッファメモリ
403 第2の相関器
404 選択モジュール
405 モジュール
406 アキュムレータ
501,502 雑音強度
600 衛星無線航法受信器
601 相関装置
602 符号弁別器
603 数値制御演算器
604 位相弁別器
605 数値制御演算器
606 訂正器
Code1 第1の拡散符号
Code2 第2の拡散符号
ビット
C コヒーレント積分の結果
相関結果
S 信号
C/N0 信号対雑音比

Claims (13)

  1. 第1の拡散符号(Code1)により変調された第1のパイロット信号からなる受信された衛星無線航法信号(S)と、前記第1の拡散符号と同一の長さの第2の一次拡散符号(Code2)により変調された第2のデータ信号との相関を求める方法であって、前記第2のデータ信号が複数のチップからなる二次シーケンスにより更に変調されていて、1個のチップの持続期間が前記第2の一次拡散符号(Code2)の長さの倍数に等しく、前記第1のパイロット信号と前記第2のデータ信号が同期しており、前記相関方法が以下のステップ、すなわち
    −前記第1の拡散符号の複数すなわちN個の周期にわたり、前記無線航法信号(S)と前記第1の拡散符号(Code1)の第1の相関(101)を求め、
    −前記N個の第1の相関(C)から、M個の相関を含む部分集合を、前記受信された信号の信号対雑音比(C/N0)の推定値(105)および前記二次シーケンスのチップのうち逆符号のチップのペアの個数の関数として選択(104)し、
    −前記部分集合の前記M個の相関のコヒーレント積分(106)を実行するステップを含む方法。
  2. 前記部分集合の相関の前記個数Mがシミュレーションにより決定され、前記個数Mが、前記M個の相関のコヒーレント積分の結果に関して、最も低い全体的な雑音レベルを、所与の信号対雑音比および前記二次シーケンスのチップのうち逆符号のチップのペアの個数の関数として得られるようにする個数である、請求項1に記載の衛星無線航法信号の相関を求める方法。
  3. 前記部分集合が、前記逆符号のチップのペアに属する前記二次シーケンスのチップと同相である少なくとも前記第1の相関を含む、請求項1〜2のいずれか1項に記載の衛星無線航法信号の相関を求める方法。
  4. 前記二次シーケンスが二次拡散符号である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の衛星無線航法信号の相関を求める方法。
  5. 前記二次シーケンスが、前記チップがデータビット変調により得られる2値記号であるデータシーケンスであって、前記相関方法が更に、前記第2の拡散符号の複数すなわちN個の周期にわたり、前記無線航法信号(S)と前記第2の拡散符号(Code2)の第2の相関(103)を求め、当該相関から前記二次シーケンスの前記チップの値を推定する、請求項1〜3のいずれか1項に記載の衛星無線航法信号の相関を求める方法。
  6. 前記受信された信号の信号対雑音比の前記推定値(105)が、前記M個の相関のコヒーレント積分の結果から決定される、請求項1〜5のいずれか1項に記載の衛星無線航法信号の相関を求める方法。
  7. 前記M個の相関の前記コヒーレント積分の結果(C)が、符号または位相あるいは周波数弁別器への入力として用いられる、請求項1〜6のいずれか1項に記載の衛星無線航法信号の相関を求める方法。
  8. 前記信号(S)がGALILEO E1型である、請求項1〜7のいずれか1項に記載の衛星無線航法信号の相関を求める方法。
  9. 第1の拡散符号(Code1)により変調された第1のパイロット信号および前記第1の拡散符号と同一の長さの第2の主拡散符号(Code2)により変調された第2のデータ信号からなる受信された衛星無線航法信号(S)の相関を求める装置(400)であって、前記第2のデータ信号が複数のチップからなる二次シーケンスにより更に変調されていて、1個のチップの持続期間は前記第2の一次拡散符号(Code2)の長さの倍数に等しく、前記第1のパイロット信号と前記第2のデータ信号が同期しており、前記相関装置が、
    −前記第1の拡散符号(Code1)の周期の一つに少なくとも等しい整数であるN個の周期にわたり、前記無線航法信号(S)と前記第1の拡散符号(Code1)との第1の相関を求める第1の相関器(401)と、
    −前記N個の第1の相関から、M個の相関を含む部分集合を、前記受信された信号の信号対雑音比の推定値および前記二次シーケンスのチップのうち逆符号のチップのペアの個数の関数として選択する選択器(404)と、
    −前記部分集合の前記M個の相関のコヒーレント積分を実行する積分器(406)とを含む装置。
  10. 前記第2の拡散符号の複数すなわちN個の周期にわたり、前記無線航法信号(S)と前記第2の拡散符号(Code2)との第2の相関(103)を求め、当該相関から前記二次シーケンスのチップの値を推定する第2の相関器(403)を更に含む、請求項9に記載の衛星無線航法信号(S)の相関を求める装置(400)。
  11. 請求項9または10のいずれか1項に記載の相関装置を含む、衛星無線航法信号の受信器(600)。
  12. プロセッサにより実行された場合に、請求項1〜8のいずれか1項に記載の衛星無線航法信号の相関を求める方法を実行する命令を含むコンピュータプログラム。
  13. プロセッサにより実行された場合に、請求項1〜8のいずれか1項に記載の衛星無線航法信号の相関を求める方法を実行する命令を含むプログラムが格納されたプロセッサ可読記憶媒体。
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