JP4507102B2

JP4507102B2 - Ｇｐｓ用干渉除去装置

Info

Publication number: JP4507102B2
Application number: JP2005206726A
Authority: JP
Inventors: 一成紀平; 和史平田; 裕章宮下
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-07-15
Filing date: 2005-07-15
Publication date: 2010-07-21
Anticipated expiration: 2025-07-15
Also published as: JP2007028152A

Description

この発明は、アレーアンテナを用いた干渉除去装置に関し、特にＧＰＳ（Global Positioning System）衛星からの電波を利用して地球上における測位を行うＧＰＳ受信機に適用する干渉除去装置に関するものである。

ＧＰＳは、米国が開発した人工衛星による位置決定のためのシステムである。現在では、カーナビゲーションや携帯端末での測位、精密な位置測量など様々な用途で利用されている。ＧＰＳ受信機単独での測位のほか、ＤＧＰＳと呼ばれる基準局を利用した方式や、干渉測位に基づく数ｃｍオーダの精度を実現するＧＰＳ測量などは近年、その利用が急速に広まっている。

このような測位システムにおいて、精度劣化の大きな要因となるのが干渉電波の存在である。干渉源や他システムからの妨害信号や、大きな遅延を有するマルチパスなどによって、目標とする衛星から送信されたＣ／Ａ（Coarse／Acquisition）コードや航法メッセージなどを含む測位用信号（以下、ＧＰＳ信号と呼ぶ）との同期が外れ、測位性能が大きく劣化あるいは測位不能となることが懸念される。

この対策のひとつとして、受信アンテナを複数用いたアレーアンテナ構成とし、各素子アンテナの振幅・位相を制御することで目標の衛星方向にビームを形成し、干渉信号の方向にヌル点を作るアダプティブアンテナ、ＤＢＦ（Digital Beam Forming）アンテナの適用が考えられている（例えば、特許文献１、２、３参照）。

特開２００２−０２６６３１号公報特開２００２−０６４３３１号公報特開２００４−３３６３９０号公報

上述した特許文献１と特許文献２においては、アレーアンテナを用いてビームを適応的に制御し、衛星を追尾する概念は述べられているものの、具体的な制御アルゴリズムについてどちらの文献においても示されていない。また、特許文献１に記載されたＬＭＳ（Least Mean Square）、ＭＳＮ（Maximum Signal to Noise Ratio）、ＣＰＭ（Constrained Power Minimization）、あるいは特許文献３に記載されたＤＣＭＰといったアルゴリズムには、所望信号のレプリカである参照信号や所望信号の到来方向といった事前情報が必要であり、干渉信号によりＧＰＳ衛星からの所望信号との同期がとれない状態では適用することは難しいという問題点があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、干渉信号が存在する環境においてもＧＰＳ信号の受信感度を向上することができ、測位の信頼性を向上することができるＧＰＳ用干渉除去装置を得るものである。

この発明に係るＧＰＳ用干渉除去装置は、複数の素子アンテナから構成され、高周波信号を受信するアレーアンテナと、前記複数の素子アンテナで受信された各高周波信号をベースバンド帯のディジタル信号にそれぞれ変換する複数の周波数変換部と、前記複数の周波数変換部の各出力信号に対して、それぞれの重み係数に基づいて振幅及び位相を所定のビーム形状となるようそれぞれ調整する複数の重み付け器と、前記複数の重み付け器の各出力をベクトル合成して、干渉信号が除去されたＧＰＳ信号のみを出力する合成器と、前記合成器からの出力信号の複素共役をとることで、ＧＰＳ信号にのみ相関を持つ参照信号を生成する共役演算部と、前記複数の周波数変換部から出力された信号ベクトル、前記合成器からの出力信号、及び前記共役演算部からの参照信号を用いて最小二乗誤差制御を施すことで、目標とするＧＰＳ衛星から到来したＧＰＳ信号の方向にメインビームを形成するとともに、干渉源から到来した干渉信号の方向に対しては指向性のヌル点を形成するよう、前記複数の重み付け器にそれぞれ対応した重み係数を算出する指向性制御部とを設けたものである。

この発明に係るＧＰＳ用干渉除去装置は、干渉信号が存在する環境においてもＧＰＳ信号の受信感度を向上することができ、測位の信頼性を向上することができるという効果を奏する。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係るＧＰＳ用干渉除去装置について図１から図４までを参照しながら説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係るＧＰＳ用干渉除去装置の構成を示す図である。

図１において、この実施の形態１に係るＧＰＳ用干渉除去装置６は、＃１から＃ＫまでのＫ個の素子アンテナから構成されるアレーアンテナ１と、各素子アンテナで受信された高周波（ＲＦ）信号をベースバンド帯のディジタル信号に変換する周波数変換部（周波数変換手段）２（２−１〜２−Ｋ）と、周波数変換部２の出力信号の振幅・位相を制御する重み付け器３１（３１−１〜３１−Ｋ）及びそれらを合成する合成器３２から構成される合成部（合成手段）３と、合成部３の出力信号の複素共役信号を演算する共役演算部（共役演算手段）４と、共役演算部４の出力信号及び周波数変換部２の出力信号を用いて重み付け器３１に与える重み係数を演算する指向性制御部（指向性制御手段）５とが設けられている。

つぎに、この実施の形態１に係るＧＰＳ用干渉除去装置の動作について図面を参照しながら説明する。

図２は、この発明の実施の形態１に係るＧＰＳ用干渉除去装置で使用する航法メッセージとＣ／Ａコードの関係を示す図である。また、図３及び図４は、この発明の実施の形態１に係るＧＰＳ用干渉除去装置のアンテナビームを示す図である。

アレーアンテナ１の各素子アンテナで受信されたＲＦ信号は、局部信号発生器やミキサ、Ａ／Ｄ変換器などから構成される周波数変換部２−１〜２−Ｋにそれぞれ入力され、中間周波数（ＩＦ）信号などを経由してベースバンド帯、あるいは非常に低い周波数帯のディジタル信号に変換される。このとき、実際には出力信号としてはＲＦ信号をベクトル表記した場合の同相成分と直交成分に対応する、ＩｃｈとＱｃｈの２つの信号が得られるが、これらを複素数表現することが一般的であるので、以下では１つの複素信号として扱う。

周波数変換部２−１〜２−Ｋから出力された信号は、合成部３に供給され、重み付け器３１−１〜３１−Ｋにより所定のビーム形状となるよう振幅・位相が調整され、その後、合成器３２によりベクトル合成される。この合成部３の出力信号は、干渉信号が除去されＧＰＳ信号のみが含まれているので、相関演算やドップラー補償などを含めた一連の測位演算処理を行うＧＰＳ受信機へ出力される。

次に、重み付け器３１−１〜３１−Ｋに与える重み係数の演算方法について説明する。ＧＰＳ信号の中で一般に開放されているＬ１帯のＣ／Ａコードは２値の符号からなり、同じく２値のビット列からなる軌道情報などを含む航法メッセージに対して０とπの位相を有するＢＰＳＫ変調を施す。これらＣ／Ａコードと航法メッセージの関係を図２に示すが、航法メッセージ１ビットが２０ｍｓ連続して送信される構成となっている。

このような２値の変調信号（いわゆるＢＰＳＫ信号）においては、搬送波周波数の２倍の周波数だけ周波数シフトした信号が元の信号と大きな相関を有することが知られている。このような性質を周期定常性（Cyclostationarity）と呼ぶ。上記の周波数シフト操作は複素表現で考えると、元の信号の複素共役をとった信号により実現することが可能である。一方、干渉源からの妨害信号はＧＰＳ信号とは無相関なノイズ性の信号であることが考えられるので、ＧＰＳ信号の有する周期定常性はない。従って、共役演算部４では、合成部３からの出力信号の複素共役をとることで、ＧＰＳ信号にのみ相関を持つ参照信号を生成して指向性制御部５へ入力することが可能となる。

指向性制御部５では、周波数変換部２から出力された信号ベクトルと、共役演算部４の出力信号を用いてＭＭＳＥ（Minimum Mean Square Error：最小二乗誤差）制御を施すことで、重み係数を算出する。具体的には、周波数変換部２から出力された信号ベクトルをＸ（ｔ）、共役演算部４の出力信号をｒ（ｔ）、合成部３の出力信号をｙ（ｔ）、重み係数ベクトルをＷとすると、以下の評価関数を最小化することが動作原理となる。

ここで、E[]は期待値操作を表し、通常は時間平均で代用される。また、Ｉｍは虚数部を取ることを表す。また、ベクトルＸ（ｔ）、参照信号ｒ（ｔ）は、次のように表される。

実際に、重み係数ベクトルＷの導出には、ＬＭＳ（Least Mean Square）、ＲＬＳ（Recursive Least Square）、ＳＭＩ（Sample Matrix Inversion）などの各種最適化アルゴリズムが適用可能である。ＳＭＩを用いた場合の最適な重み係数ベクトルＷは、次式で求まる。Ｒ_ｘｘは相関行列、ｒ_ｘｒは相互相関ベクトルを表す。

こうして得られたアンテナビーム７は、図３に示すように、ＧＰＳ衛星８０からのＧＰＳ信号８１のみにビームを形成し、干渉源９１からの干渉信号９３と干渉源９２からの干渉信号９４に対してはヌル点を自動的に形成する。

この実施の形態１においては、受信信号のみを用いて指向性制御を実施しており、ＧＰＳ信号を初期捕捉する際のフレーム同期が確立していない状態でも適用可能である。すなわち、干渉抑圧をブラインド処理で実現できる。従って、干渉信号により受信環境が劣悪な場合でも性能向上が期待できる。

また、ＧＰＳ衛星からの信号については周期定常性を利用した場合には、複素共役演算によりすべての信号との相関を同時に検出できる。従って、図４に示すように、複数のＧＰＳ衛星８０、８２からのＧＰＳ信号８１、８３を１つのビーム７で同時受信が可能であり、測位演算処理を行う後段のＧＰＳ受信機においては、これまで通りのＣ／Ａコードによる相関演算によって各衛星からの信号を分離・識別し、複数のＧＰＳ衛星からのＧＰＳ信号を利用した測位・測量が可能である。

このように、この実施の形態１においては、受信信号のみを用いた干渉除去が可能であり、またＧＰＳ信号についてすべてを同時に受信し、干渉信号のみを選択的に除去することが可能であるため、劣悪な受信環境においても高精度な測位・測量が実現できる。

この発明の実施の形態１に係るＧＰＳ用干渉除去装置の構成を示す図である。この発明の実施の形態１に係るＧＰＳ用干渉除去装置で使用する航法メッセージとＣ／Ａコードの関係を示す図である。この発明の実施の形態１に係るＧＰＳ用干渉除去装置のアンテナビームを示す図である。この発明の実施の形態１に係るＧＰＳ用干渉除去装置のアンテナビームを示す図である。

符号の説明

１アレーアンテナ、２周波数変換部、３合成部、４共役演算部、５指向性制御部、６ＧＰＳ用干渉除去装置、７アンテナビーム、３１重み付け器、３２合成器、８０、８２ＧＰＳ衛星、９１、９２干渉源。

Claims

複数の素子アンテナから構成され、高周波信号を受信するアレーアンテナと、
前記複数の素子アンテナで受信された各高周波信号をベースバンド帯のディジタル信号にそれぞれ変換する複数の周波数変換部と、
前記複数の周波数変換部の各出力信号に対して、それぞれの重み係数に基づいて振幅及び位相を所定のビーム形状となるようそれぞれ調整する複数の重み付け器と、
前記複数の重み付け器の各出力をベクトル合成して、干渉信号が除去されたＧＰＳ信号のみを出力する合成器と、
前記合成器からの出力信号の複素共役をとることで、ＧＰＳ信号にのみ相関を持つ参照信号を生成する共役演算部と、
前記複数の周波数変換部から出力された信号ベクトル、前記合成器からの出力信号、及び前記共役演算部からの参照信号を用いて最小二乗誤差制御を施すことで、目標とするＧＰＳ衛星から到来したＧＰＳ信号の方向にメインビームを形成するとともに、干渉源から到来した干渉信号の方向に対しては指向性のヌル点を形成するよう、前記複数の重み付け器にそれぞれ対応した重み係数を算出する指向性制御部と
を備えたことを特徴とするＧＰＳ用干渉除去装置。