JP2017169010A

JP2017169010A - 受信装置及び校正方法

Info

Publication number: JP2017169010A
Application number: JP2016051862A
Authority: JP
Inventors: 庄司　直樹; Naoki Shoji; 直樹庄司; 藤岡　孝芳; Takayoshi Fujioka; 孝芳藤岡; 初本　慎太郎; Shintaro Hatsumoto; 慎太郎初本
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2016-03-16
Filing date: 2016-03-16
Publication date: 2017-09-21

Abstract

【課題】送信機の基準周波数の校正を行うにあたり、高価で大掛かりな装置を使用することなく、作業性を向上させることを課題とする。
【解決手段】本発明では、屋内にて位置を示す信号である位置情報信号を受信する受信装置であって、送信機からの位置情報信号を受信する受信回路部と、基準となるクロック信号を生成する基準クロック部と、前記受信回路部にて受信した位置情報信号の周波数と前記基準クロック部からのクロック信号の周波数の誤差を検出する誤差検出部と、前記誤差検出部によって検出した周波数誤差から、送信機の基準クロックを校正するための校正係数を算出する校正係数算出部と、前記校正係数を前記送信機にフィードバックする校正係数フィードバック部と、を備える構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、通信式送信信号の校正技術に関する。

屋内にて位置を示す信号である位置情報信号を送信する屋内ＧＰＳ（ＧｌｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍ）送信機の送信する信号の仕様は国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構によって非特許文献１（Ａ２参照）のように規定されており、その周波数精度は±０．２ｐｐｍとなっている。しかし、送信機の基準信号にＴＣＸＯ（ＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＣｏｍｐｅｎｓａｔｅｄＣｒｙｓｔａｌＯｓｃｉｌｌａｔｏｒ）などを使用している場合、時間の経過などにより基準信号周波数に誤差が発生する。その結果、規定の周波数精度を守れなくなる恐れがあるため、定期的な校正が必要となる。また、屋内ＧＰＳ送信機の送信する情報を取得するためには屋内ＧＰＳに対応したＧＮＳＳ（ＧｌｏｂａｌＮａｖｉｇａｔｉｏｎＳａｔｅｌｌｉｔｅＳｙｓｔｅｍ）受信機などの受信装置が必要となる。

校正を行う手段としては、特許文献１に、受信装置で受信した信号をスペクトラム分析器を用いて分析し、目標とする周波数への校正係数を算出後、送信機へフィードバックすることで校正を行う技術が記載されている。

特開２０１４−２０７５５３

ＩＳ−ＱＺＳＳｖｅｒ．１．６、２０１４年１１月２８日、宇宙航空研究開発機構、[URL: http://qz-vision.jaxa.jp/USE/is-qzss/DOCS/IS-QZSS_16_J.pdf]

校正の対象とする屋内ＧＰＳ（ＩＭＥＳ）送信機は、限られた少量のデータを送信する機器である。複数の送信機を組み合わせて運用し、広帯域でデータを送信する必要がないため、スペクトラム分割回路を搭載する必要はない。

屋内ＧＰＳ送信機の送信する信号の仕様は国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構によって規定されており、その周波数精度は±０．２ｐｐｍとなっている。このため、屋内ＧＰＳ送信機に高精度の基準クロックを使用するか、搭載されている基準クロックを定期的に校正する必要がある。

高精度の基準クロックは高価であるため、高精度の基準クロックの搭載は現実的ではない。一方で、定期的な校正を行う場合には、基準クロックの発生させる周波数を何らかの手段で確認する必要がある。周波数の確認には、一般的にはスペクトラム分析器、周波数カウンタ等が用いられる。基準クロックを高精度に校正するためには、使用する機材は基準クロックの要求する精度より高精度である必要があるが、高精度な機材は高価かつサイズが大きくなる。このため、多数の送信機の校正が必要な現場での作業性を考慮し、安価かつ小型である必要がある。

また、送信機の送信する信号は微弱無線の規格を満足する必要があるため、受信できる信号は微弱である。加えて、送信機から送信される信号はスペクトラム拡散されており、単純に空気中を伝搬する信号をアンテナで受信し、受信したノイズを含む信号から、スペクトラム分析器で屋内ＧＰＳ送信機の送信信号の中心周波数を高い精度で確認することは難しい。このため、スペクトラム分析器で確認した中心周波数から校正係数を算出し、０．２ｐｐｍの精度に校正することは困難である。

そこで、本発明では屋内ＧＰＳに対応したＧＮＳＳ受信機を使用することで、微弱かつ変調された信号を基に送信機を校正する技術を提供する。

本発明では、屋内にて位置を示す信号である位置情報信号を受信する受信装置であって、送信機からの位置情報信号を受信する受信回路部と、基準となるクロック信号を生成する基準クロック部と、前記受信回路部にて受信した位置情報信号の周波数と前記基準クロック部からのクロック信号の周波数の誤差を検出する誤差検出部と、前記誤差検出部によって検出した周波数誤差から、送信機の基準クロックを校正するための校正係数を算出する校正係数算出部と、前記校正係数を前記送信機にフィードバックする校正係数フィードバック部と、を備える構成とする。

本発明により、安価で小型化可能な受信装置を使用して、送信機の基準周波数の校正が可能となり、送信機のメンテナンス性を向上させることができる。

校正実行時のブロック図校正実行時のフローチャート送信機の機器構成例コンピュータを含む受信装置の機器構成例受信機のみで構成された受信装置の機器構成例校正履歴の管理を実施する場合の機器構成例基準クロック校正日時を元に送信機校正判定を行う場合の機器構成例

図１は、本発明の一実施の形態におけるブロック図を示す。送信機は屋内にて位置を示す信号である位置情報信号を送信する屋内ＧＰＳ送信装置、受信装置は、例えば、屋内ＧＰＳに対応したＧＮＳＳ受信機である。

図１に示されるように送信機１０１から送信される信号に基づいて送信機１０１へ校正係数のフィードバックを行う受信装置１０２はアンテナ１０８と、ＲＦ受信回路部１０９と、基準クロック部１１０と、レプリカ信号生成部１１１と、相関値算出部１１２と、周波数誤差検出部１１３と、校正係数算出部１１５と、校正係数フィードバック部１１６とを有する。

アンテナ１０８は、ＧＮＳＳアンテナなどであり、送信機から送信された信号を受信し、ＲＦ受信回路部１０９に入力する。ＲＦ受信回路部１０９はアンテナ１０８で受信した信号を以降の処理で使用可能な信号へと変換する。そして、ＲＦ受信回路部１０９は変換した信号を相関値算出部１１２に入力する。

基準クロック部１１０は、クロック信号を生成し、生成した信号をレプリカ信号生成部１１１および周波数誤差検出部１１３に入力する。基準クロック部１１０は、周波数精度が校正されている必要がある。基準クロック部１１０は比較的安価で小型化が容易であるＴＣＸＯ等で構成されている。基準クロック部１１０を外部の高精度のルビジウムクロック等により予め校正しておく。ＴＣＸＯは送信機を校正する目的とする短期間の使用においてはその周波数精度は十分であるため、送信機に対する基準クロックとして使用できる。

レプリカ信号生成部１１１は基準クロック部１１０から入力されたクロック信号および相関値算出部１１２のフィードバックを基にレプリカ信号（送信機から送信された信号とデータの並びが同一である信号）を生成する。レプリカ信号生成部１１１は生成したレプリカ信号を相関値算出部１１２に入力する。そして、相関値算出部１１２からレプリカ信号を位置情報算出部１１４および周波数誤差検出部１１３に入力する制御があった場合には、生成したレプリカ信号を周波数誤差検出部１１４及び位置情報算出部１１３に入力する。前記の制御がない場合は、フィードバック量を基に相関値計位相をずらすなどしたレプリカ信号を再度生成し相関値算出部１１２に入力する。

相関値算出部１１２はＲＦ受信回路部１０９から入力された信号とレプリカ信号生成部１１１から入力されたレプリカ信号をかけ合わせ、相関値を算出する。相関値を基にレプリカ信号の使用判定を行い、レプリカ信号が使用可能な場合には、レプリカ信号生成部１１１に生成したレプリカ信号を周波数誤差検出部１１３および位置情報算出部１１３に入力するよう制御する。レプリカ信号が使用できない場合には、相関値を基にレプリカ信号に対するフィードバック量を算出し、レプリカ信号生成部１１１に入力する。

周波数誤差検出部１１３は、レプリカ信号生成部１１１から入力されたレプリカ信号と基準クロック部１１０から入力された信号を基に、レプリカ信号の目標とする周波数からの誤差を検出する。検出した周波数誤差を校正係数算出部１１５へ入力する。

校正係数算出部１１５は、周波数誤差検出部１１３から入力された周波数誤差を基に校正係数を算出し、校正係数フィードバック部１１６へ入力する。校正係数は送信機１０１における基準クロック周波数を目標とする周波数にするための補正値である。校正係数フィードバック部１１６は、校正係数を送信機のクロック校正部１０３へフィードバックする。フィードバックは送信機のインターフェースに従い、有線、無線、ネットワーク等で行う。

位置情報算出部１１４はレプリカ信号生成部１１１から入力されたレプリカ信号を基に位置情報算出を行う。送信機１０１は受信機１０２の校正係数フィードバック部からの校正係数をクロック校正部１０３にて受信し基準クロック部１０４の校正を行う。基準クロック部１０４は基準クロックを生成し、送信信号生成部１０５へ入力する。送信信号生成部１０５は入力された基準クロックと、出力する航法メッセージを基に送信信号を生成し、ＲＦ送信回路部１０６へ入力する。ＲＦ送信回路部１０６はアンテナ１０７を通じ、入力された送信信号を送信する。

以上のように、受信装置はノイズを含む微弱な受信信号から送信機が送信した情報を読み取るために、レプリカ信号を生成する。生成したレプリカ信号と受信信号の相関をとり、相関値を基にレプリカ信号にて送信機の送信信号を復元する。送信信号を復元したレプリカ信号の周波数と校正された状態にある基準信号周波数から送信機の基準信号周波数の誤差を算出する。算出した基準信号周波数の誤差から校正係数を算出し、送信機にフィードバックすることで、送信機の周波数校正を可能とする。

図２は、図１における送信機１０１及び受信装置１０２において送信信号の校正を行うフローを示す。まず、Ｓ２０１にて、アンテナ１０８が、送信機１０１から送信された信号を受信する。受信した信号をＲＦ受信回路部１０９に入力する。

次に、Ｓ２０２にて、ＲＦ受信回路部１０９が、アンテナから入力された信号を受信装置内で処理可能な信号に変換する。ＲＦ受信回路部１０９は変換した信号を相関値算出部１１２に入力する。

次に、Ｓ２０３にて、レプリカ信号生成部１１１が、クロック信号および相関値算出部１１２のフィードバック量を基にレプリカ信号を生成する。生成したレプリカ信号を相関値算出部１１２に入力する。

次に、Ｓ２０４にて、相関値算出部１１２が、受信信号とレプリカ信号をかけ合わせ、相関値を算出する。

次に、Ｓ２０５にて、相関値算出部１１２が、相関値を基にレプリカ信号生成部１１１から入力されたレプリカ信号を使用するか否かを判定する。レプリカ信号を使用すると判定した場合（Ｓ２０５−Ｙｅｓ）、レプリカ信号生成部１１１へレプリカを周波数誤差検出部１１３および位置情報算出部１１４へ入力するよう制御し、Ｓ２０７へ進む。一方レプリカ信号を使用しないと判定した場合（Ｓ２０５−Ｎｏ）、Ｓ２０６へ進む。

次に、Ｓ２０６にて、相関値算出部１１２が相関値を基にレプリカ信号を補正するためのフィードバック量を算出し、レプリカ信号生成部１１１に入力する。Ｓ２０６の次はＳ２０３へ戻る。

尚、Ｓ２０１〜Ｓ２０６は従来のＧＰＳ受信機や、屋内ＧＰＳ受信機における処理と同様である。
次に、レプリカ信号が使用可能であると判断されれば、Ｓ２０７にて、周波数誤差検出部１１３がレプリカ信号とクロック信号からレプリカ信号の目標周波数との誤差を検出する。検出した誤差を校正係数算出部１１５へ入力する。

次に、Ｓ２０８にて、校正係数算出部１１５が入力された目標周波数との誤差から校正係数を算出する。算出した校正係数は校正係数フィードバック部１１６に入力する。

次に、Ｓ２０９にて、校正係数フィードバック部１１６が入力された校正係数を送信機のクロック校正部１０３にフィードバックする。

次に、Ｓ２１０にて、クロック校正部１０３が入力された校正係数を基準クロック部１０４に入力する。

次に、Ｓ２１１にて、基準クロック部１０４が入力された校正係数を基にクロック信号を校正する。

尚、上記のＳ２０１からＳ２１１のステップにて校正処理は終了するが、これらのステップを複数回繰り返してもよい。

図３は本発明の送信機１０１の具体的な構成例の概要を示す図である。受信装置の校正係数フィードバック部からの入力をマイコンに受け、マイコンから基準クロックへ校正係数を入力することで、校正係数入力後の基準クロックの校正を実施する。校正係数のフィードバックは、送信機および受信装置の有する通信インターフェースに依存し、有線通信経由でも無線通信でも良い。

図４は本発明の受信装置１０２の具体的な構成例の概要を示す図である。基準クロックとＰＬＬにて、クロック信号を生成し、アンテナで受信した信号をＡＤＣにて受信装置で処理可能なデジタル信号へ変換する。復調器にて、クロック信号と受信信号を基にレプリカ信号の生成、相関値の算出、相関値の使用判定、レプリカ信号再生成時のフィードバック量算出を行い、使用判定の出たレプリカ信号をマイコンに入力する。マイコンにて、レプリカ信号およびクロック信号を基に周波数誤差を算出する。周波数誤差をコンピュータに入力し、コンピュータにて周波数誤差を基に校正係数を算出し、送信機に校正係数をフィードバックする。送信機にアクセスするためにセキュリティを向上させるための鍵などの情報が必要になる場合、コンピュータ内に当該の情報を保持することで対応可能であり、校正実施者を管理された情報を有する者のみに制限可能となる。加えて、送信機の送信情報を保持していれば、送信情報より送信機の特定が可能となり、受信した情報を基に校正対象の送信機を確定させ、自動で対象を選択することが可能となる。

図５は本発明の一実施例に対応した受信装置１０２の他の具体的な構成例の概要を示す図である。マイコンにてレプリカ信号およびクロック信号を基に周波数誤差を算出するまでは図４と同様である。周波数誤差の算出後、マイコンにて周波数誤差を基に校正係数を算出し、送信機に校正係数をフィードバックする。セキュリティの向上に関しては、実施例２にてコンピュータ内に保持した情報を受信装置内部のマイコンに保持することで同様に対応可能である。

本構成であれば、定期的に受信装置の基準クロックを校正することで、受信装置を日常的に使用する際に送信機の校正が可能となり、送信機の構成を別途行う必要性を排除可能である。つまり、受信装置にコンピュータを要しない構成であるため、屋内ＧＰＳ用の従来の受信装置と同様の構成とすることができる。定期的に受信装置の基準クロックを校正する方法としては、屋外にて測位衛星からの信号を受信することで校正が可能である。測位衛星の信号の周波数の精度は高く、また、利用が容易であるため、このような構成とすれば、受信装置ユーザーのみでの校正が可能となる。

図６は、図４の受信装置に加え、校正履歴管理用のサーバを付加した構成例の概要を示す図である。コンピュータは校正係数を送信機にフィードバックした後、送信機に固有の管理番号などを双方向通信、もしくは送信機から送信される信号より入手する。次に、コンピュータは、入手した管理番号を管理サーバに対し入力する。管理サーバは入力された管理番号と、入力された時間を校正履歴として管理サーバ内に記録する。校正履歴を管理サーバ内に記録することにより、長期間に亘り校正されていない送信機の発見や校正の必要な機器一覧などを表示することが容易となる。送信機の管理者は当該情報に基づき、定期的に送信機の校正やメンテナンスが可能である。また、送信機、受信装置及び管理サーバがネットワークにて常時接続されている環境においては、管理サーバが主体となって送信機の校正計画を立てて、校正指示をコンピュータに行うことにより、自動的に定期的な校正が可能となる。

図７は、図５に加え、受信装置の基準クロック校正日時と現在の日時によって送信機の校正の実施判定を付加した構成例の概要を示す図である。受信装置の基準クロック校正時期を記憶装置に格納する。格納された校正日時と現在の日時をマイコンにて比較し、一定範囲内であれば送信機の校正を有効にする。また、一定の期間が経過していれば当該受信装置による送信機を校正する機能を禁止するように切り替える。これにより、受信装置の基準クロックのずれにより送信機が誤った校正をされる事態を防ぐことが可能となる。なお、現在の日時の取得には、受信機内で時計を有していても良いし、ＧＮＳＳ受信機の機能を利用し、測位衛星の送信信号に含まれる日時情報を解読して使用しても良い。また、受信機内の時計を測位衛星の送信信号に含まれる日時情報で補正したものを使用しても良い。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。

また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。

１０１送信機、１０２受信装置

Claims

屋内にて位置を示す信号である位置情報信号を受信する受信装置であって、
送信機からの位置情報信号を受信する受信回路部と、
基準となるクロック信号を生成する基準クロック部と、
前記受信回路部にて受信した位置情報信号の周波数と前記基準クロック部からのクロック信号の周波数の誤差を検出する誤差検出部と、
前記誤差検出部によって検出した周波数誤差から、送信機の基準クロックを校正するための校正係数を算出する校正係数算出部と、
前記校正係数を前記送信機にフィードバックする校正係数フィードバック部と、
を備えることを特徴とする受信装置。
前記受信回路部にて受信した位置情報信号からレプリカ信号を生成するレプリカ信号生成部と、
前記受信回路部にて受信した位置情報信号と前記レプリカ信号の相関値を算出する相関値算出部と、
を備え、前記相関値算出部によりレプリカ信号が使用可能とされることで、前記誤差検出部に前記位置情報信号として前記レプリカ信号が入力されることを特徴する請求項１に記載の受信装置。
前記レプリカ信号から前記送信機の送信する位置情報を算出する位置情報算出部を有することを特徴とする請求項２に記載の受信装置。
校正する送信機の送信情報及び接続に必要となるセキュリティ情報を格納する記憶装置を有し、
前記送信機から受信した送信情報を基に校正する送信機を自動的に選択し校正を実施することを特徴とする請求項１に記載の受信装置。
前記基準クロック部の校正日時を記憶する記憶装置を備え、現在の日時と比較することで送信機の基準クロックの校正する機能が有効か否かを切り替えることを特徴とする請求項１に記載の受信装置。
前記基準クロック部の周波数は、測位衛星からの信号を受信することにより校正されることを特徴とする請求項１に記載の受信装置。
屋内にて位置を示す信号である位置情報信号を送信する送信機の周波数を校正する校正方法であって、
送信機からの位置情報信号を受信するステップと、
受信装置において基準となるクロック信号を生成するステップと、
受信した位置情報信号の周波数と前記クロック信号の周波数の誤差を検出するステップと、
前記周波数誤差から、送信機の基準クロックを校正するための校正係数を算出するステップと、
前記校正係数を前記送信機にフィードバックするステップと、
前記校正係数に基づき送信機の基準クロックを校正するステップと、
を備えることを特徴とする校正方法。
前記位置情報信号からレプリカ信号を生成するステップと、
前記位置情報信号と前記レプリカ信号の相関値を算出するステップと、
を備え、前記レプリカ信号が使用可能とされることで、周波数誤差の検出に前記位置情報信号として前記レプリカ信号が使用されることを特徴する請求項７に記載の校正方法。
前記レプリカ信号から前記送信機の送信する位置情報を算出するステップを有することを特徴とする請求項８に記載の校正方法。
校正する送信機の送信情報及び接続に必要となるセキュリティ情報を格納するステップを有し、
前記送信機から受信した送信情報を基に校正する送信機を自動的に選択し校正を実施することを特徴とする請求項７に記載の校正方法。
前記送信機の基準クロックの校正日時を記憶するステップを有し、現在の日時と比較することで送信機の基準クロックの校正する機能が有効か否かを切り替えることを特徴とする請求項７に記載の校正方法。
受信装置において基準となるクロックの周波数は、測位衛星からの信号を受信することにより校正されることを特徴とする請求項７に記載の校正方法。