JP4513742B2 - 発振器の特性自動補償装置、特性自動補償方法、特性自動補償プログラム、及び測位信号受信機 - Google Patents
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Description
そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、より高精度でTCXOの発振周波数のドリフト量を推定することができる特性自動補償装置、特性自動補償方法、特性自動補償プログラム、及び測位信号受信機を提供することを目的としている。
図1は本発明を、人工衛星を使用した全地球測位システム(以下、GPSと称す)の受信機に適用した場合の実施形態を示す概略構成図であり、図中1はGPS受信機であって、このGPS受信機1は、人工衛星からのスペクトラム拡散信号で構成されるGPS信号を受信するためのアンテナ2を備えている。
この場合、PLL回路18が出力する周波数信号は、発振手段としての基準発振器17が出力するほぼ一定の周波数信号を、PLL回路18内の分周回路で分周して作成した信号である。なお、分周比などを制御することでPLL回路18が出力する信号の周波数を変化させることができ、PLL回路18の発振周波数は、温度補償コントローラ15により制御される。
この場合、受信機の位置は(x,y,z)の3つの未知数があるため、受信機のGPSタイムの補正時間tとあわせて4つの未知数を求める必要がある。従って、通常は4個以上の衛星データが必要となる。
TCO16は温度により抵抗値が変化するサーミスタと呼ばれる抵抗を用いた発振器であり、温度により周波数が変化する。周波数カウンタ14に入力された周波数信号を温度補償コントローラ15で判定することで、基準発振器17の温度変化に相当する周波数変化を検出する。温度補償コントローラ15は演算処理部12から入力されたGPS測位により測定した基準発振器17の周波数ドリフト量と、測位時のTCO16の周波数とを用いて、TCO16の周波数と基準発振器17の周波数ドリフト値の温度周波数特性を表すm次の多項式を求める。求めた多項式のm+1個の係数を記憶手段としてのメモリ13に記録することにより、予め記憶していた多項式の係数を更新する。
f(a,x)=a0+a1x+a2x2+…+a9x9 ………(1)
この第2の実施形態は、TCO16の周波数と基準発振器17の周波数ドリフト値との温度周波数特性を表す近似多項式の係数を決定及び更新する処理を、最小二乗法に替えて逐次最小二乗法を適用して行うようにしたものである。
A(N)=F-1(N)F(N−1)A(N−1)+yNF-1(N)X(N) ………(8)
ただし、X(N)=[xN 0 xN 1 … xN 9]Tである。
このように、GPS測位の温度範囲外を一定間隔で分割し、逐次算出する分割データを用いて逐次最小二乗法を適用することで、分割データを用いずに逐次最小二乗法を適用する場合に比べてメモリがオーバーフローすることなく近似多項式の全ての係数を更新することができる。因みに、分割データを使用せず通常の逐次最小二乗法をそのまま適用して近似多項式の全ての係数を更新する場合には、最初に多項式曲線を求める際に逐次最小二乗法を適用し、前記(5)及び(7)式の行列の各要素をメモリ13に蓄積しておき、そのメモリ13に蓄積された行列の各要素と、GPS測位で得られた実測ドリフト値とGPS測位時のTCO16の周波数とを用いて前記(5)及び(7)式の行列の各要素を逐次計算し、前記(8)式をもとに新しい多項式の係数A(N)を得る。しかし、この場合、多項式の次数をmとした場合には、3×(m+1)個のメモリに逐次で周波数ドリフト値の実測値とそれに対応するTCO16の周波数のべき乗を加算していくため、オーバーフローの問題、計算精度を確保するための工夫が必要となる。
この第3の実施形態は、TCO16の周波数と基準発振器17の周波数ドリフト値との温度周波数特性を表す近似多項式の係数を決定及び更新する処理を、最小二乗法又は逐次最小二乗法に替えてカルマンフィルタを適用して行うようにしたものである。
uk+1=Fkuk+wk ………(9)
yk=Hkuk+vk ………(10)
このシステムモデルにおいて、速続したk+1個の観測値y0,…,ykが与えられたときのukの最小分散推定値Uk|k=E{uk|y0,…,yk}或いはUk|k-1=E{uk|y0,…,yk-1}を求める問題をカルマンフィルタリング問題といい、その解を与えるアルゴリズムをカルマンフィルタと呼ぶ。
E{vi・vj T}=δijRi,
E{wi・wj T}=δijQi,
E{vi・wj T}=0,
E{u0・wk T}=0,
E{u0・vk T}=0,
E{u0}=ua0,
E{[u0−ua0][u0−ua0]T}=p0 ………(11)
ここで、δijはi=jのとき1、その他で0となるクロネッカデルタ、ua0は既知の平均ベクトル、Rk、Qk及びp0は既知の共分散行列であり、u0、{wk}及び{vk}は夫々ガウス性である。
Uk|k=Uk|k-1+Kk(yk−HkUk|k-1) ………(12)
Uk+1|k=FkUk|k ………(13)
Kk=Pk|k-1Hk T(HkPk|k-1Hk T+Rk)-1 ………(14)
Pk|k=Pk|k-1−KkHkPk|k-1 ………(15)
Pk+1|k=FkPk|kFk T+Qk ………(16)
U0|-1=ua0, P0|-1=p0 ………(17)
ここで、Kkはフィルタゲインである。
この場合、システムの状態ukが多項式の係数aとなり、上記(9)式の状態方程式は、状態遷移行列Fkを単位行列として以下のように表される。
ここで、uk=[a0(k),…,am(k)]Tである。
また、上記(10)式の観測方程式は以下のように表される。
yk=Hkuk+vk ………(19)
ここで、観測行列HkはTCO16の周波数によって表され、Hk=[x(k)0,…x(k)m]である。
ここで、σw 2は{wk}の分散、σv 2は{vk}の分散である。
また、Fkは単位行列であるので、上記(16)式は以下のようになる。
Pk+1|k=Pk|k+(σW 2/σV 2)I ………(21)
最後にP0|-1=ε0Iとしてε0を適宜設定し、さらにσw 2/σv 2を適宜設定することによりカルマンフィルタアルゴリズムを実行することができる。
今、温度が−25℃〜60℃の間で、TCO16の値は200kHz〜1800kHzまで変化しており、その間の周波数ドリフト値は予め図14(a)の実線に示すような12次の多項式曲線で表されているものとする。本来の特性曲線は図14(a)の破線のように示されるとし、温度20℃〜40℃の間でGPS測位を行ったとする。
ここで、mは多項式の次数である。
この第4の実施形態は、本発明を、デジタルカメラ部分の手ぶれ補正にジャイロセンサを利用したGPS機能付き小型情報端末において、ジャイロセンサの温度補償を行うようにしたものである。
一方、CDMA部34は、送信時に音声処理部35からの出力シンボルを拡散処理した後にデジタルフィルタで帯域制限をかけてI・Q信号とし、変復調部33に出力するように構成されている。
一方、音声処理部35は、送信時にマイクロホン(MIC)37から入力されるアナログの音声信号をデジタル化した後に音声処理DSPで1/8以下に圧縮し、畳込み符号器で誤り訂正符号化してからインタリーブし、その出力シンボルをCDMA部34へ出力するように構成されている。
Claims (7)
- 発振周波数が与えられる物理量に依存する発振信号を出力する発振手段と、該発振手段に与えられる物理量を検出する物理量検出手段と、物理量を変化させながら前記発振手段の発振周波数のドリフト値を測定し、前記物理量検出手段で検出した物理量と前記発振手段の発振周波数のドリフト値との特性を表す近似式を多項式で表し、その多項式の係数を予め決定する特性決定手段と、前記特性決定手段で決定した多項式の係数を記憶する記憶手段と、前記物理量検出手段で検出した物理量と前記記憶手段に記憶した多項式の係数とに基づいて前記多項式の演算を行って、前記発振手段の発振周波数のドリフト値を推定するドリフト値推定手段と、前記物理量検出手段で検出していない物理量範囲に関して、一定間隔で物理量範囲を分割し、分割した物理量に対して、前記特性決定手段で決定した多項式の係数によりドリフト値を算出して物理量とドリフト値のデータの組を作成し、得られたデータの組と、前記発振手段の発振周波数の実測ドリフト値と前記物理量検出手段により検出したその時の物理量とのデータの組を用いて、前記特性決定手段で決定した多項式の係数を更新する特性更新手段とを備えていることを特徴とする発振器の特性自動補償装置。
- 発振周波数が温度に依存する発振信号を出力する発振手段と、該発振手段の温度を検出する温度検出手段と、温度を変化させながら前記発振手段の発振周波数のドリフト値を測定し、前記温度検出手段で検出した温度と前記発振手段の発振周波数のドリフト値との温度周波数特性を表す近似式を多項式で表し、その多項式の係数を予め決定する特性決定手段と、前記特性決定手段で決定した多項式の係数を記憶する記憶手段と、前記温度検出手段で検出した温度と前記記憶手段に記憶した多項式の係数とに基づいて前記多項式の演算を行って、前記発振手段の発振周波数のドリフト値を推定するドリフト値推定手段と、前記温度検出手段で検出していない温度範囲に関して、一定間隔で温度範囲を分割し、分割した温度に対して、前記特性決定手段で決定した多項式の係数によりドリフト値を算出して温度とドリフト値のデータの組を作成し、得られたデータの組と、前記発振手段の発振周波数の実測ドリフト値と前記温度検出手段により検出したその時の温度とのデータの組を用いて、前記特性決定手段で決定した多項式の係数を更新する特性更新手段とを備えることを特徴とする発振器の特性自動補償装置。
- 前記特性更新手段は、最小二乗法及び逐次最小二乗法の何れか一方により前記特性決定手段で決定した多項式の全ての係数を更新することを特徴とする請求項1または2に記載の発振器の特性自動補償装置。
- 前記特性更新手段は、カルマンフィルタにより前記特性決定手段で決定した多項式の全ての係数を更新することを特徴とする請求項1または2に記載の発振器の特性自動補償装置。
- 温度を変化させながら、発振手段から出力される発振信号の周波数ドリフト値を測定すると共に温度検出手段で前記発振手段の温度を測定し、前記発振手段の周波数ドリフト値と前記温度検出手段で測定した温度データとの温度周波数特性を表す近似式を多項式で表し、その多項式の係数を決定するステップと、決定した多項式の係数を記憶手段に記憶し、前記温度検出手段で測定した温度データと前記記憶手段に記憶した多項式の係数をもとに前記多項式の演算を行って、前記発振手段の発振周波数のドリフト値を推定するステップと、前記温度検出手段で検出していない温度範囲に関して、一定間隔で温度範囲を分割し、分割した温度に対して、前記記憶手段に記憶した多項式の係数によりドリフト値を算出して温度とドリフト値のデータの組を作成し、得られたデータの組と、前記発振手段の発振周波数の実測ドリフト値と前記温度検出手段により検出したその時の温度とのデータの組を用いて、前記記憶手段に記憶した多項式の係数を更新するステップとを備えていることを特徴とする発振器の特性自動補償方法。
- 発振器の特性を自動補償する発振器の特性自動補償プログラムであって、温度を変化させながら、発振手段から出力される発振信号の周波数ドリフト値を測定すると共に温度検出手段で前記発振手段の温度を測定し、前記発振手段の周波数ドリフト値と前記温度検出手段で測定した温度データとの温度周波数特性を表す近似式を多項式で表し、その多項式の係数を決定するステップと、決定した多項式の係数を記憶手段に記憶し、前記温度検出手段で測定した温度データと前記記憶手段に記憶した近似式の係数をもとに前記多項式の演算を行って、前記発振手段の発振周波数のドリフト値を推定するステップと、前記温度検出手段で検出していない温度範囲に関して、一定間隔で温度範囲を分割し、分割した温度に対して、前記記憶手段に記憶した多項式の係数によりドリフト値を算出して温度とドリフト値のデータの組を作成し、得られたデータの組と、前記発振手段の発振周波数の実測ドリフト値と前記温度検出手段により検出したその時の温度とのデータの組を用いて、前記記憶手段に記憶した多項式の係数を更新するステップとをコンピュータに実行させることを特徴とする発振器の特性自動補償プログラム。
- 互いに離れた複数の測位衛星から送信される測位信号を受信し、受信した複数の測位信号に含まれる軌道情報を解析して現在位置を測位する測位信号受信機において、
発振周波数が温度に依存する発振信号を出力する発振手段と、該発振手段の温度を検出する温度検出手段と、温度を変化させながら前記発振手段の発振周波数のドリフト値を測定し、前記温度検出手段で検出した温度と前記発振手段の発振周波数のドリフト値との温度周波数特性を表す近似式を多項式で表し、その多項式の係数を予め決定する特性決定手段と、前記特性決定手段で決定した多項式の係数を記憶する記憶手段と、前記温度検出手段で検出した温度と前記記憶手段に記憶した多項式の係数とに基づいて前記多項式の演算を行って、前記発振手段の発振周波数のドリフト値を推定するドリフト値推定手段と、前記温度検出手段で検出していない温度範囲に関して、一定間隔で温度範囲を分割し、分割した温度に対して、前記特性決定手段で決定した多項式の係数によりドリフト値を算出して温度とドリフト値のデータの組を作成し、得られたデータの組と、測位により得られた前記発振手段の発振周波数の実測ドリフト値と前記温度検出手段により検出した測位時の温度とのデータの組を用いて、前記特性決定手段で決定した多項式の係数を更新する特性更新手段とを備えることを特徴とする測位信号受信機。
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