JP3739078B2 - 電波源の位置検出システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、移動体などから放射される電波の放射位置を検出するシステムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電波を放射する移動体などの未知局と称される電波源の位置を検出するシステムとして、「Ken-ichi Itoh, Soichi Watanabe, Takuro Sato and Yoshi-saburo Hoshiko," Radio Source Positioning Using Received Time of ArrivalDifferences " Proc．VTC 1999-Fall, pp 2062-2066, Sept.1999 に記載された方法が知られている。この方法によれば、二つのセンサ局を離間して設置し、未知の電波源が発射した電波をこれらのセンサ局で受信し、基準時刻から所定時間内の受信信号波形を実部と虚部とに分解し、各部をフーリエ変換することによって複素周波数成分を作成しこれらの複数周波数成分間の複素共役積を算定し、この複素共役積の位相回転量と周波数との関係から各センサ局間の到達時間差が算定される。
【０００３】
ここで、未知の電波源から放射された電波が上記二つのセンサ局ＡとＢとに伝播するのに要する伝播所要時間をそれぞれｔa 、ｔb とする。この電波源から発射されてセンサ局Ａとセンサ局Ｂとに受信される電波に含まれる周波数ｆm の成分に着目すれば、センサ局Ａ、Ｂで受信されるこの周波数成分は、それぞれ、expj[( 2πfm・ta＋φa)] 、exp[j( 2πfm・tb＋φb)] となる。
【０００４】
これらの周波数成分の共役積は、exp[j( 2πfm(ta −tb) ＋ (φa −φb))]となる。この共役積の位相回転量Θ＝ 2πfm(ta −tb) ＋ (φa −φb)を周波数fmで除算することにより、電波の伝播時間差τ=ta −tb＋ (φa −φb)/ fmが検出される。ここで、位相差 (φa −φb)は、マルチパス伝播や、フェージングによる位相ずれなどに起因して生ずる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記未知の電波源の位置検出システムは、二つの方向探知装置を組み合わせる従来の方式に比べて空中線系が簡易なため、システムが安価に実現できるという利点がある。しかしながら、電波の伝播時間差の算定値の中に位相差 (φa −φb)が含まれ、この位相差が伝播時間差τに対する誤差となるという問題がある。
【０００６】
従って、本発明の目的は、マルチパス伝播や、フェージングによる位相ずれなどに起因して生ずる位相差 (φa −φb)の影響を除去することにより、検出精度を高めた位置検出システムを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記従来技術の課題を解決する本発明に係わる電波源の位置検出システムは、電波源が発射した電波を受信し、基準時刻から所定時間内の受信信号波形を実部と虚部とに分解し、各部をフーリエ変換することによって作成した複素周波数成分をセンター局に送信する複数のセンサ局と、これらのセンサ局から受信した複素周波数成分間の複素共役積を算定し、この複素共役積を処理することにより各センサ局間の到達時間差を算定し、この算定した到達時間差に基づき電波源の位置を検出するセンター局とを備えている。
【０００８】
上記センター局は、所定の周波数と二つのセンサ局について得られた前記複素共役積を前記所定の周波数の異なるものについて複数作成し、これら作成した複数の複素共役積に対して到達時間差の推定値に基づく位相回転量を付与しながら総和を、合成ベクトルを用いて算定し、この総和となる合成ベクトルの絶対値が最大となる時点で付与した前記到達時間差の推定値を真の到達時間差として検出する手段を備えることにより、雑音による影響も軽減でき、検出精度を高めるように構成されている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の好適な実施の形態によれば、センター局は、上記複素共役積の算定に先立って、各センサ局から受信した複素成分の周波数成分に対して相互相関に基づく周波数オフセット補償を行うことにより、検出精度を一層高めるように構成されている。
【００１０】
本発明の更に他の好適な実施の形態によれば、基準時刻をＧＰＳを利用して設定することにより、簡易の構成のもとに高い検出精度を実現するように構成されている。
【００１１】
【原理】
本発明の位置検出システムによれば、伝播時間差の検出誤差の原因となる位相差 (φa −φb)は、次のようにして除去される。すなわち、電波源から発射されてセンサ局Ａとセンサ局Ｂとに受信される電波に含まれる周波数ｆn の成分に着目すると、上述した周波数ｆm の成分の場合と全く同様にして、センサ局Ａ、Ｂにおける受信信号の共役積は、exp[j( 2πfn(ta −tb) ＋ (φa −φb))]で与えられる。
【００１２】
周波数fnの成分について作成したセンサ局間の共役積と、周波数fmの成分について作成したセンサ局間の共役積との間で更に相互の共役積をとると、二重の共役積exp[j( 2π(fn −fm)(ta−tb))] が得られる。この二重の共役積の作成の過程で位相差（φa −φb)が相殺されて式中から消去される。目的とする伝播時間差(ta −tb) は、この二重の共役積の位相 2π(fn −fm)(ta−tb) を差周波数δｆ＝ 2π(fn −fm) で除算することにより検出される。周波数差δｆ＝fn−fmの一例として、ＦＦＴの最隣接サンプル間の周波数などが選択される。
【００１３】
【実施例】
図２は、本発明の一実施例に係わる電波源の位置検出システムの全体構成を示す機能ブロック図である。３個のセンサ局Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３とセンター局Ｃとが離間して設置されており、各センサ局Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３とセンター局Ｃとの間が有線又は無線伝送路で接続されている。×印を付して示す電波源（未知局）から発射された電波は、センサ局Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３のアンテナを経て各センサ局に受信され、基準時刻の複素周波数成分が作成され、伝送路を介してセンター局に転送される。
【００１４】
図３は、センサ局Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３の構成を示す機能ブロック図である。探索対象の電波源（未知局）から送信された電波は、アンテナ１に受信され、複数の周波数帯域ごとに設置されている局部発振器の一つである局部発振器２から供給される局発信号と混合器３で混合される。混合によって発生する差周波のビート信号が帯域通過濾波器４を通過せしめられることにより、受信信号が低周波数のアナログ信号（中間周波信号やベースバンド信号）に変換される。
【００１５】
低周波数のアナログ信号は、Ａ／Ｄ変換回路５に供給され、ここで、ＧＰＳ受信機６を利用して正確に定められる基準時刻から所定時間分（例えば0.5 秒間分）がディジタル信号に変換される。このディジタル信号は、乗算器８と９のそれぞれにおいて、中間周波信号発振器７から供給される第１の信号と、この第１の信号に直交する第２の信号と乗算されたのち、直線位相ディジタルＦＩＲフィルタから成る低域通過濾波器１０と１１とを通過することにより、実数成分Ｉと虚数成分Ｑとから成る複素ベースバンド信号に変換される。
【００１６】
この際、低域通過濾波器１０と１１の帯域幅は、位相ひずみを抑えるために、信号帯域の２倍程度の値に設定される。また、前段のＡ／Ｄ変換器５におけるディジタル信号への変換に際しては、エリアシングによる測定誤差を防ぐために、低域通過濾波器１０と１１の上限周波数の２倍以上のサンプリング周波数でＡ／Ｄ変換が行われる。
【００１７】
低域通過濾波器１０と１１から出力された複素ベースバンド信号Ｉ，Ｑは、並列／直列変換器１２において、実部と虚部とが前後に配列された直列信号に変換されたのち、データ量を圧縮するために百分の一程度にダウン・サンプリングされ、ランダム・アクセス・メモリ１４に蓄積される。メモリ１４から読み出された複素ベースバンド信号に対して、直列／並列変換器１５において、再び、実部と虚部とから成る並列データに変換され、実部と虚部のそれぞれについて高速離散フーリエ変換（ＦＦＴ）が行われ、複素周波数スペクトルに変換される。
【００１８】
ＦＦＴで得られた複素周波数スペクトルは、信号変換・濾波部１７において、正側部分と負側部分との入替えや、信号帯域幅の外側部分の削除などの信号変換と濾波とを受けたのち、有線又は無線伝送路を介してセンター局に転送される。このように、信号帯域幅の外側部分を削除することにより、回線容量の低減も可能になる。
【００１９】
なお、ＦＦＴ周波数分解能の整数倍以外の周波数成分は、ＦＦＴ出力の位相特性を変動させ、時間差検出精度を劣化させる。この実施例では、この不要周波数成分を除去するためのＦＦＴ窓として、矩形窓、バートレット窓、ブラックマン窓、ハニング窓、ハミング窓、カイザー窓、チェビシェフ窓について評価を行った。その結果、ブラックマン窓を用いることにより、フェージング環境下における精度の劣化が最小となることが確認された。また、ＦＦＴの前段にメモリを設置したことにより、バースト性の送信信号と受信信号の急激な変動に対処することが可能となる。
【００２０】
センター局では、各センサ局から転送されてきた基準時刻の複素周波数スペクトルが、ＦＩＦＯ形式のバッファメモリを経ることによって局間の伝送路上の転送時間のバラツキが吸収されたのち、データ処理装置に転送される。
【００２１】
まず、本発明の処理の説明に先立って、二つの周波数と二つのセンター局について二重の複素共役積を算定することにより各センサ局間の位相差（φａ−φｂ）を実質的に除去するという本発明の元となった処理について説明する。すなわち、このデータ処理装置は、各センサ局から転送されたきた複素周波数スペクトルについて図１のフローチャートに示す手順で処理することにより、電波源の位置を検出する。
【００２１】
図１のフローチャートを参照すると、データ処理装置は、各センサ局からの複素周波数スペクトルを受け取ると（ステップ２１）、まず、各センサ局間の周波数オフセットの補正を行う（ステップ２２）。この周波数オフセットの補正は、受信信号の周波数変換に使用される局部発振信号の周波数がセンサ局ごとにばらつき、これが誤差の原因となることを防止するために行われる。データ処理装置では、各センサ局から送られてきた複素周波数スペクトルどうしの相互相関が周波数をずらしながら算定され、この算定値を最大とするように、各センサ局の複素周波数スペクトルに周波数のオフセット量が付与される（ステップ２２）。
【００２２】
次に、周波数オフセットが付与された各局の複素周波数スペクトルの同一周波数成分について、複素共役積が算定される（ステップ２３）。すなわち、図４に例示するように、あるセンサ局（例えばセンサ局Ｓ１）の複素周波数スペクトル中に含まれる周波数ｆ_m の成分Ｓ_m1と、他のセンサ局（例えばセンサ局Ｓ２）の複素周波数スペクトル中に含まれる隣接する周波数ｆ_m の成分Ｓ_m2との複素共役積Ｓ_m1・Ｓ_m2 ^* が算定される。
【００２３】
同様に、センサ局Ｓ１の複素周波数スペクトル中に含まれる他の周波数ｆ_n の成分Ｓ_n1と、センサ局Ｓ２の複素周波数スペクトル中に含まれる対応の周波数ｆ_n の成分Ｓ_n2との複素共役積Ｓ_n1・Ｓ_n2 ^* などの算定が、複素ＦＦＴデータに含まれる全ての周波数成分について行われる。
【００２４】
次に、上述のように算定された各周波数成分のセンサ局間の複素共役積のうち、周波数軸上で優勢な（レベルの大きな）二つのものどうしについて二重の複素共役積が算定される（ステップ２４）。すなわち、例えば、周波数ｆ_m と周波数ｆ_n の成分がそのような二つのものとすれば、先行のステップ２３で算定されたセンサ局間の複素共役積Ｓ_m1・Ｓ_m2 ^* とＳ_n1・Ｓ_n2 ^* との複素共役積（Ｓ_m1・Ｓ_m2 ^* ）・（Ｓ_n1・Ｓ_n2 ^* ）^* の算定が行われ、この結果、異なるセンサ局と異なる周波数に関する二重の複素共役積が作成される。残りの周波数成分についても、センサ局間の同一周波数成分について算定された複素共役積について、周波数軸上で優勢な二つの成分どうしについて二重の複素共役積が算定される。
【００２５】
次のステップ２５では、伝播時間差τに関するメトリック推定が行われる。すなわち、先行のステップ２４で算定された二重の複素共役積のそれぞれに対して、センサ局間の到達時間差の推定値τ₀ に基づく位相回転量が乗算される。例えば、複素共役積（Ｓ_m1・Ｓ_m2 ^* ）・（Ｓ_n1・Ｓ_n2 ^* ）^* については、到達時間差の推定値τ₀ に基づく位相回転量２π( ｆ_n −ｆ_m ) τ₀ が乗算される。
【００２６】
この伝播時間差の推定値τ₀ に基づく位相回転量の乗算を、先行のステップ２４で算定された全ての複素共役積について実行し、これらの総和をメトリックとする。上記伝播時間差の推定値が真値に最も近い場合に、上記メトリックは最大値をとる。本実施例では、このメトリックの手法を利用してセンサ局間の到達時間差の推定値τ₀ が算定される。
【００２７】
次に、２個のセンサ局間の到達時間差の推定値τ₀ に、電波の伝播速度が乗算されて伝播行路差ｄが算定される。そして、既知の距離Ｌ離間して存在する２個のセンサ局間に対して伝播行路差ｄを持つ未知の電波源の位置の軌跡として各センサ局を焦点とする双曲線が算定される。このような双曲線がセンサ局の各対について算定され、未知の電波源の位置は、これらの双曲線の交点として算定される（ステップ２６）。算定された電波源は、センター局内の表示装置に画面表示される。
【００２８】
以上、二重の複素共役積から位相回転量と周波数差との関係から各センサ局間の到達時間差を算定するという本発明の元となった処理について説明した。以下では、この処理を改良した本発明の処理を説明する。本発明では、各周波数成分の二重の複素共役積を算定する代わりに、異なる二つのセンサ局と同一の周波数成分について一重の複素共役積を、周波数を変更しながら複数個算定し、この一重の複素共役積にメトリック法を採用することによって各センサ局間の到達時間差を算定することにより、各センサ局間の位相差（φａ−φｂ）を実質的に除去する構成となっている。
【００２９】
すなわち、複数の周波数ｍ、ｍ＋１、ｍ＋２、ｍ＋３・・・・についての二つのセンサ局１，２間の複素共役積の算定結果は、図５に例示するようなものとなる。各複素共役積の算定結果には、センサ局間の位相差（φａ−φｂ）や、雑音による変動成分が含まれている。これらの複数共役積にメトリック法を適用すると、図６に示すような合成ベクトルが得られる。この合成ベクトルの位相回転量からは雑音の影響が除去されているが、センサ局間の位相差（φａ−φｂ）に基づく固定的な位相回転量が含まれることになる。
【００３０】
しかしながら、算定対象は、この合成ベクトルの位相回転量ではなく、この合成ベクトルの絶対値を最大とするために付与した伝播時間差τの推定値であり、このτはセンサ局間の位相差（φａ−φｂ）に依存しない。このように、二つのセンサ間の同一周波数の一重の複素共役積にメトリック法を採用することにより、各センサ局間の位相差（φａ−φｂ）を実質的に除去することができる。なお、雑音が存在しない場合には、合成ベクトルは折れ線ではなく直線になる。
【００３１】
また、ＧＰＳを利用して基準時刻を設定する構成を例示した。しかしながら、この基準時刻の設定は、ＧＰＳ以外の他の適宜な方法、例えば、局間で同期信号の送受することによる局間の同期化動作などを採用することもできる。
【００３２】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明のシステムによれば、二局間の一重の複数共役積にメトリック法を適用する構成であるから、フェージングなどに起因して生ずる位相差 (φa −φb)や雑音が相殺されて消去され、二重の複素共役積を算定する構成に比べて、検出精度が向上するという効果が奏される。
【００３３】
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施例に係わる電波源の位置検出システムのセンター局において行われる位置検出処理の内容を説明するためのフローチャートである。
【図２】 上記実施例の位置検出システムの全体構成を示す機能ブロック図である。
【図３】 上記実施例の位置検出システムを構成するセンサ局の構成を示す機能ブロック図である。
【図４】 上記実施例の位置検出システムを構成するセンター局が行う処理の一例を説明するための概念図である。
【図５】 本願発明の原理を説明するための概念図である。
【図６】 上記本願発明の原理を説明するための概念図である。
【符号の説明】
S1〜S3 センサ局
C センター局
X 電波源
1 アンテナ
2,7 局部発振器
3,8,9 ミキサー
5 Ａ／Ｄ変換器
6 ＧＰＳ受信機
12 並列/ 直列変換
15 直列/3並列変換
16 高速フーリエ変換回路
S _m,1 センサ局１の受信スペクトル中の周波数ｍの成分
S _m,2 センサ局２の受信スペクトル中の周波数ｍの成分

Claims (3)

1. 電波源が発射した電波を受信し、基準時刻から所定時間内の受信信号波形を実部と虚部とに分解し、各部をフーリエ変換することによって作成した複素周波数成分をセンター局に送信する複数のセンサ局と、これらのセンサ局から受信した複素周波数成分間の複素共役積を算定し、この複素共役積を処理することにより各センサ局間の到達時間差を算定し、これらの到達時間差に基づき電波源の位置を検出するセンター局とを備えたことと、
   このセンター局が、所定の周波数と二つのセンサ局について得られた前記複素共役積を前記所定の周波数の異なるものについて複数作成し、これら作成した複数の複素共役積に対して到達時間差の推定値に基づく位相回転量を付与しながら総和を、合成ベクトルを用いて算定し、この総和となる合成ベクトルの絶対値が最大となる時点で付与した前記到達時間の推定値を真の到達時間差として検出する手段を備えたこととを特徴とする電波源の位置検出システム。
2. 請求項１において、
   前記センター局は、前記複素共役積の算定に先立って、前記各センサ局から受信した複素成分の周波数成分に対して相互相関に基づく周波数オフセット補償を行うことを特徴とする電波源の位置検出システム。
3. 請求項１又は２のいずれかにおいて、
   前記基準時刻は、ＧＰＳを利用して設定されることを特徴とする電波源の位置検出システム。

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