JP4738692B2 - 強信号をキャンセルして弱スペクトラム拡散信号を強める方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、マルチアクセス・スペクトラム拡散受信機に関し、特に、比較的強い信号が存在する中で比較的弱い信号を追跡、捕捉することができる受信機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
信号強度の違いは信号源と受信機の相対距離と考えることができる。そこで、近接した強い信号が存在する中で弱い信号を追跡することにおける問題はスペクトラム拡散マルチアクセスでのニア・ファー（ｎｅａｒ−ｆａｒ）問題と呼ばれる。ある信号源が受信機からは良く捕捉できないのに対し別の信号源が捕捉可能な場合にもこの問題は起こりうる。これは、例えばビル内の窓や扉の近くで受信機を動作させると、ある信号は通常強度で受信できるが他の信号はビルにより減衰するような場合である。
【０００３】
全地球測位システム（ＧＰＳ）は、軍並びに民間に正確な位置情報を提供するために米国空軍が運用しているナビゲーションシステムである。この目的のためＧＰＳには二つのサービスが提供されている。一つは精確測位サービス（ＰＰＳ）であり、主に米国軍事用でＰＰＳ装置を備える受信機が必要となる。もう一つは標準測位サービス（ＳＰＳ）であり、ＰＰＳほど精度は高くないがすべてのユーザがＰＰＳ装置が無くとも利用できるものである。米国国防省は、選択性アベイラビリティ（Ｓ/Ａ）アルゴリズムと呼ばれるアルゴリズムによりＳＰＳの精度を低くすることができ、Ｓ/Ａに起因するすべてのエラーを１００ｍ水平位置範囲（２ｄ−ＲＭＳ）内に抑えることができる立場にある。これに対してＰＰＳの精度は２２ｍ以内である。
【０００４】
ＧＰＳは基本的には地球の軌道を回る少なくとも２４個の衛星を用いる。六つの軌道内の一つの高度は約２０、０００ｋｍである。各軌道には少なくとも４個の衛星が配置されている。各ＧＰＳ衛星より送信された特殊な無線測距信号はＧＰＳ用受信機で受信することができる。この信号には、送信した衛星を特定する情報と時間、衛星位置等のナビゲーションデータが含まれている。基本的には、すべてのＧＰＳ受信機は複数のＧＰＳ衛星からの測距信号を追跡し、そして緯度、経度、高度又は他の対応する空間座標系によりユーザ位置を特定する。
【０００５】
各衛星からの測距信号は二つの信号より成る。搬送周波数１５７５．４２ＭＨｚにより送信される主リンク１（Ｌ１）信号と搬送周波数１２２７．６ＭＨｚにより送信される副リンク２（Ｌ２）信号である。Ｌ１、Ｌ２搬送信号はスペクトラム拡散信号であり、所定周波数帯域で各搬送信号のスペクトラムを拡散するデジタル信号又は符号により変調される。Ｌ１搬送信号は三つの２相（±１）信号で変調される。一つ目の符号は（Ｃｌｅａｒ ｏｒ Ｃｏａｒｓｅ）Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ（Ｃ/Ａ）符号で、これはビット（又はチップ）レート１．０２３ＭＨｚで送信され且つ１ミリ秒毎に繰り返される短い擬似ランダムノイズ（ＰＲＮ）符号である。ここで、チップとはノイズ符号の各パルスのことである。この信号により、Ｌ１搬送信号の各ビットが、直接シーケンススペクトラム拡散として知られる、１０２３ビット又はチップに分割されて１．０２３ＭＨｚの帯域に拡散される。二つ目の符号はＰｒｅｃｉｓｅ（Ｐ）符号で、これは非常に長いＰＲＮ符号で毎週繰り返されＣ/Ａ符号のチップレートの１０倍（１０.２３ＭＨｚ）で送信されるものである。三つ目の符号は５０Ｈｚナビゲーションデータ・符号（Ｄ）である。Ｃ/Ａ符号はいつもクリアに（暗号化されず）送信され、これに対し、Ｐ符号は暗号化（Ｅ）符号により暗号化されていわゆるＹ符号とされる。このデータレートの低いナビゲーション符号ＤはＳ/Ａにより変更された衛星用軌道パラメータと時間修正情報より成る。
【数１】

【０００６】
衛星ナビゲーションデータ・メッセージ（Ｄ）とこれを処理するアルゴリズムは公衆閲覧可能な米国政府規格ＩＣＤ−ＧＰＳ−２００により規定されている。メッセージ（Ｄ）の衛星位置情報部分は、地球上に配置されている五つの監視局で監視しているＧＰＳ衛星の測距手法により予測されたものである。定期的に、通常は毎日、ＧＰＳ制御セグメントから各衛星に予測ナビゲーションデータと衛星搭載原子時計の推定修正情報がアップロードされる。
【０００７】
衛星ナビゲーションデータにはＧＰＳアルマナックが含まれ、これは将来の何週にも渡っての各ＧＰＳの位置と速度が予測される。通常のＧＰＳ受信機は、このアルマナック・データとＩＣＤ−ＧＰＳ−２００に規定されているアルゴリズムと標準線形方程式解法技術を用いて、各ＧＰＳの位置と速度計算し、そして期待範囲（ＰＲＮ符号位相）と衛星からの信号を補足するためのドップラー周波数を予測する。
【０００８】
すべての衛星からの送信は同じ搬送波周波数で行われるので、各衛星測距信号は他の測距信号との干渉が最小限の状態でこの搬送送波周波数を共有できなければならない。これは、符号分割多重アクセス（ＣＤＭＡ）により、ＰＲＮ符号を適確に選択して先鋭な（１−チップ幅）自己相関ピークを得て、符号同期を可能にし、全周波数帯域に渡って同じ拡散となるようにし、そして低い相互相関値を得ることにより行われる。Ｃ/ＡＰＲＮ符号は各衛星に特有で、Ｇｏｌｄ符号として知られる符号群から取り出される。各々１０２３ビット長の二つの最大二進符号シーケンス（Ｇ１、Ｇ２）の積（又はモジュロ２加算）としてＧＰＳＣ/Ａ符号が形成される。Ｇ２レジスタの開始状態をＧ１に関してシフトすることによりＧｏｌｄ符号群の１０２３個の符号が生成される。ＧＰＳ衛星用に１０２３個のＧｏｌｄ符号のうち３２個が次の二つの基準により選ばれた。一つの基準は符号内の１と０の数が正確に１だけ違う（即ち、符号が平衡する。）ことである。さらなる基準はいずれの二つのＣ/Ａ符号においても相互相関が６５/１０２３又は−２３．９ｄＢを越えない（自己相関ピーク１に正規化）ことである。この相互相関免疫性はＧｏｌｄｂｏｕｎｄ（拘束）と呼ばれ、同じ周波数で強度が等しいＣ/Ａ符号信号間の最大干渉状態を示す。このように形成されたＰＲＮ信号を用いることによりＧＰＳシステムで所望のＣＤＭＡ動作を行うことができる。即ち、３２個程度のＧＰＳ衛星によりある送信周波数帯を共有すると受信されたＧＰＳ信号強度はもはやＧｏｌｄ拘束より小さい。これが通常の態様である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
Ｇｏｌｄ符号拘束は同一搬送周波数の信号に適用できる。ところが、軌道上の衛星や受信機の移動に起因するドップラー周波数のシフトにより、受信されたＧＰＳ衛星信号周波数は、通常、公称搬送周波数（Ｌ１）１５７５．４２ＭＨｚから±５ＫＨｚまでずれることになる。どの一つの衛星に対しても、他の衛星の周波数は最大±９ＫＨｚ異なることがありうる。
【００１０】
信号がドップラー・シフトを起こすと強弱相互相関問題はより大きくなる。上述の如く、最大二進符号シーケンス（Ｇ１、Ｇ２）の中の選択された二つのシーケンス間で考えられる１０２３回のシフトに対して、この二つのシーケンスのモジュロ２加算を取ることによりＣ/Ａ符号のＧｏｌｄ符号群が発生される。二進符号の相互相関（二つの信号の乗算）はこれら符号のモジュロ２加算に等しい。なぜならば、±１値の乗算は０，１の二進値のモジュロ２加算と一対一対応関係にあるからである。従って、Ｇｏｌｄ符号群の二つのドップラー・シフトした符号の相互相関が各最大シーケンスとそれ自身とのモジュロ２加算となり、他のモジュロ２加算が次に行われる。最大シーケンスのシフト・加算特性とはある最大シーケンスでのモジュロ２加算とシフトによりその最大シーケンスでのさらなるシフトが生じることを意味する。従って、Ｇｏｌｄ符号群の二つのドップラー・シフトした符号の相互相関によりそのＧｏｌｄ符号群の他の符号が生成されることとなる。これらの生成されたＧｏｌｄ符号はＣ/Ａ符号ではなくＣ/Ａ符号設計限界を超えた相互相関を持ちうることが明らかになっている。
【００１１】
ドップラー・シフトしたＣ/Ａ符号と相対的に異なる搬送周波数との相互相関干渉に対するクローズドフォームな解析は知られていないが、Ｃ/Ａ符号の相互相関におけるドップラー・シフトの効果をシミュレーションで分析することが行われている。これらのシミュレーションでは、二つの所望の周波数オフセット符号を生成して直接相互相関を求めるか、または各符号をフーリエ変換し補正して周波数オフセットし、そしてフーリエ変換された符号の相互相関を求める。±９ＫＨｚのドップラーレンジで最悪の場合ＧＰＳ・Ｃ/Ａ符号の相互相関は−２０．９ｄＢであることが知られている。二つの衛星における信号間相関ドップラー・シフトが１ＫＨｚの整数倍の時がこの最悪の場合となる。
【００１２】
周波数差が１ＫＨｚの整数倍の場合、ドップラー・オフセットにより強弱信号相互相関が増大するが、ドップラー・シフトが１ＫＨｚの整数倍ではない場合、周波数が低くなると相互相関効果が小さくなる。ＧＰＳ受信機は、同相および直交（Ｉ、Ｑ）の測定値を、それらが信号検出または信号追跡に使用される前に、所定の期間に亘って積分（加算）する。積分された信号に周波数誤差が含まれる場合は、公知の関数ｓｉｎ（ｘ）/ｘを用いた累積により信号の見かけ上の強度を減衰させる。ここで、ｘは積分期間内に生じる位相回転量（ラジアン表記したもの）の１/２である。なお、ｘが０に近づいたときのｓｉｎ（ｘ）/ｘの極限は１である。従って、レプリカ弱信号と干渉する強信号のドップラー差が５００ＨｚでＩ，Ｑ積分時間が１ｍｓの場合、ｘはπ/２ラジアンに等しくなり、ｓｉｎ（ｘ）/ｘは２/πに等しくなり、そして干渉は約４ｄＢまで抑えられる。
【００１３】
従って、ある衛星の信号強度が別の衛星の信号強度より大きい２０．９ｄＢに近づくと強弱信号相関問題が起こりうる。このような状態で捕捉サーチを行うと、弱信号衛星からの自己相関スペクトル線の代わりに強信号衛星からの相互相関スペクトル線を検出することができる。
【００１４】
すべての衛星の視野内で屋外で受信機を用いることを前提にＧＰＳシステムは構築されたもので、Ｃ/Ａ符号により強弱信号相関の影響を受けにくくなる。ところが、受信機が屋内や木陰に移動すると、ある信号は依然として通常強度で受信できるのに、別のある信号はかなり減衰してしまう。このような状況では、Ｇｏｌｄ符号における相互相関ピークの動作上の重要性により弱ＧＰＳ信号と比較的強いＧＰＳ信号の相互相関の識別が困難になる。識別を誤まると、ＧＰＳ受信機での緯度、経度、高度の計算に大きな誤差が生じることになる。
【００１５】
ＳＰＳ搭載ＧＰＳ受信機は最大１２個の衛星からのＬ１測距信号をいつでも受信することができる。なお、これら衛星は各々がそのＣ/Ａ ＰＲＮ Ｇｏｌｄ符号により変調され、且つ、同じ搬送周波数で多重化されているものである。受信機はこの複合搬送信号から各衛星の信号を特定し抽出つ、そして各信号を処理してそれに含まれる情報を再現しなければならない。各衛星は他のすべての衛星信号と干渉する可能性がある。最悪の場合、ある一つの衛星からの弱信号と他の複数の衛星からの強信号を同時に受信した場合、この弱信号はその他の各強信号から強い相互相関干渉を受けることになる。
【００１６】
ＧＰＳ受信機の電源を入れたときは、その位置、局部発信機オフセット（すべての衛星に共通なドップラー周波数オフセットとして現れるであろう）そして正しい時間に対して概略しか分かっていない。そこで、すべての可能性のあるＣ/Ａ符号位相とドップラー・オフセットの大部分をシステマチックにサーチして衛星信号を特定する。このサーチの間、いずれかの比較的強信号の衛星からの強弱相互相関により強信号衛星からの相互相関スペクトル線を弱信号衛星からのものと捉えてしまう可能性がある。
【００１７】
ＧＰＳ受信機が動作し始めると、アルマナックデータとＩＣＤ−ＧＰＳ−２００のアルゴリズムにより、すべての衛星のＣ/Ａ符号位相とドップラー・オフセットを予測する。このときは所望の衛星信号に対してＣ/Ａ符号位相とドップラー・オフセットの比較的狭い範囲をサーチすればよい。それでも、比較的弱信号衛星のサーチ範囲内で比較的強信号衛星からの相互相関ピークが生じる場合は依然として強弱相互相関問題が残る。
【００１８】
通常のＧＰＳ受信機は、マルチパスと場合によっては干渉信号を拒絶しながら搬送信号を受信するアンテナと、近接周波数帯での潜在的な強干渉信号を除去するバンドパスフィルタと搬送信号を増幅する低雑音増幅器（ＬＮＡ）を含むプリアンプと、受信機に対して基準時間及び基準周波数を供給する基準発信器と、この発信器により駆動される周波数シンセサイザと、フィルタリングされた搬送信号を中間周波数（ＩＦ）に変換するダウンコンバータと、さらなる周波数帯外雑音と干渉除去、動作可能レベルへの信号増幅、場合によってはＩＦ信号のベースバンド信号への変換を行うＩＦ部と、そして信号サンプリング、量子化により同相（Ｉ）、直交（Ｑ）成分を生成するアナログデジタル変換器（ＡＤＣ）とを備える。受信機の仕様に応じてＡＤＣはＩＦ信号、ベースバンド信号のいずれかをサンプリングする。
【００１９】
デジタル化されたＩ、Ｑ信号は１から１２又はそれ以上のトラッキングチャネルに供給される。これらの信号はＣ/Ａ ＰＲＮ符号レプリカと相関演算される。なお、このＣ/Ａ ＰＲＮ符号レプリカは必要に応じてシフトレジスタにより内部で発生してもよいし、また事前に処理されたＣ/Ａ符号チップとしてメモリに記憶されたものでもよい。このレプリカと受信信号を混合（乗算）し、その結果得られた信号の同相、直交成分のべき乗を積分（合計）することにより、レプリカと受信信号を相関演算することができる。通常、ＰｈａｓｅＬｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐｓ （ＰＬＬｓ）、ＣｏｓｔａｓＰｈａｓｅ Ｄｅｃｔｉｏｎ Ｌｏｏｐｓ及び/又はＤｅｌａｙ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐｓ （ＤＬＬｓ）により搬送信号の位相とレプリカ信号の符号が受信信号と揃えられる。このＰＬＬとＣｏｓｔａｓＬｏｏｐｓにより直交成分を０とし一方同相成分を最大化することにより受信信号とレプリカ信号の位相を合わせることができる。二つ又はそれ以上の符号オフセット、例えば、早い符号オフセットと遅い符号オフセット、又は早い符号オフセットと時間通りの符号オフセットで測定された相関強度の平衡を取ることによりＤＬＬはＣ/Ａ符号列を維持することができる。再現された各拡散スペクトラムＬ１信号は受信機の信号処理部へ送られ復調されて信号搬送波とＣ/Ａ符号とＤ符号が復元される。これらの符号はナビゲーション・データ・プロセサに送られ、Ｄ符号により追跡中の各衛星位置を計算しそして様々な誤差修正が行われる。電離圏並びに対流圏遅延、ドップラー効果、衛星と受信機の時間誤差、装置遅延、雑音、そして反射して何回か受信され若干遅れが生じた信号に起因するマルチパスエラー等が上記誤差に含まれる。
【００２０】
地球表面近くでＧＰＳ受信機により受信された最大Ｃ/Ｎ_０（１Ｈｚ周波数幅での信号対雑音比）は約５５ｄＢ−Ｈｚであり、付加的なマルチパス干渉を許容する。これに対し最新のＧＰＳ追跡アルゴリズムでは最低２４ｄＢのＣ/Ｎ_０でＧＰＳ信号を受信できるが、将来この値はさらに低くなるであろう。従って、使用可能なＧＰＳ信号強度は３５ｄＢ以上となる。最悪の強弱相互相関Ｃ/Ａ符号スペクトル線を−２０．９ｄＢとすると、少なくとも１０ｄＢ−ＨｚでＣ/Ａ符号を識別する能力が必要になる。
【００２１】
符号タイミング、搬送波位相そして信号強度が分かっている場合に二つのドップラー・シフトされたＰＲＮ符号シーケンスの相互相関を予測する方法は従来から知られている。コンピュータ処理上インテンシブなＶｉｔｅｒｂｉアルゴリズムで未知データを最適最尤法により復調することに上記予測方法は集約される。実際には、この最適復調は、低誤差率の強信号の未知データビットを推定するために導入された十分な遅延を伴う強信号キャンセルを行うのに等しい。この方法では理想的なチャネルを想定するが、実際には、ＣＤＭＡのニア・ファー（ｎｅａｒ−ｆａｒ）問題をマルチパス伝搬効果と共に考慮に入れなければいけない。
【００２２】
ＣＤＭＡ符号化スペクトラム信号内の強弱信号識別能力を高める必要があることが理解できるであろう。さらには、ＧＰＳのＳＰＳに見合う方法を開発する必要があることが理解できるであろう。この発明はこれらの必要性を満足するものである。
【００２３】
この発明は、既存のシステムにスループットを抑制するようなさらなるシステムなしに搭載でき、いわゆるＣＤＭＡのニア・ファー（ｎｅａｒ−ｆａｒ）問題である、弱符号拡散信号への強符号拡散信号の影響を取り除く、従来から必要性があったが不可能であった方法を提供することを目的としている。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
この発明の方法は弱信号への強信号の影響後の相関除去を可能にし、全体的なスループット負荷に若干の追加をするだけでほとんどすべてのマルチチャネル受信機に適用できる。この方法により補正された弱信号により今までは困難であったビル屋内や周辺又は森林の中でＣＤＭＡ受信機を使用することができる。
【００２５】
この方法では、通常、ＧＰＳ受信機等のマルチチャネルＣＤＭＡ受信機で一つ以上の強信号を追跡する。受信機では利用可能な信号源情報を用いて存在すると思われるが弱信号として現在追跡中では無いいかなる信号源も識別する。弱信号へのすべての強信号相関の影響を取り除くことにより、これらの弱信号を追跡することができる。マルチチャネル受信機のチャネルを各弱信号の予測される周波数と符号位相に合わせることにより弱信号を追跡することができる。このチャネルからの測定により所望の弱信号と強信号の相互相関も測定できる。強信号は追跡中であり、その強度と位相は分かっているので、強信号と弱信号チャネルの符号シーケンスを相互相関させることにより相互相関を求めることができる。既に述べたように、強弱両信号の相対ドップラーが１０００Ｈｚの整数倍のとき相互相関は最大ピークとなる。強弱両信号の周波数差に起因する減衰量分各追跡した強信号を減衰させ、求められた相互相関を乗ずることにより、弱信号への強信号の影響を推定し除去することができる。ＰＬＬ、ＤＬＬ、Ｃｏｓｔａｓｌｏｏｐにより弱信号の搬送波と符号の両方を追跡するためには、早い符号オフセットと遅い符号オフセット、又は早い符号オフセットと時間通りの符号オフセットという少なくとも二つの基準オフセットに対し処理を繰り返さなけらばならない。
【００２６】
弱信号検出には二通りの方法がある。簡単な方法としては、強弱両信号間のデルタ周波数（実際に受信した周波数差）により強弱信号の相互相関が十分に減衰する場合のみに信号検出を行うものである。処理速度は遅くなるがより完全な方法としては、考えられるすべてのドップラーと符号オフセットについて相互相関した強信号を除去する方法を用いて、ドップラー周波数と考えられる符号オフセットの適当な範囲をサーチするものである。
【００２７】
この発明のさらなる特徴並びに効果は以下に詳細に説明した実施例と添付図面により明らかであろう。
【００２８】
【発明の実施の形態】
ＣＤＭＡ等で用いられるスプクトラム拡散、ＰＲＮ符号群による強弱信号分離又は遠い信号と近い信号の分離はその符号群の様々な符号間の相互相関に依存する。ＧＰＳでは、同じ周波数（又は符号繰り返しレートの倍数、ここでは１ＫＨｚ）での二つの信号は２１乃至２３ｄＢで分離される。二信号の相対強度がこの限界を超える場合は拡散符号のみでは弱信号を識別できない。そこで、この弱信号を追跡する場合は強信号の影響を除去することが必要になる。
【００２９】
既に述べた通り、Ｃ/Ａ ＧＰＳ信号において強弱信号間の相対ドップラー周波数オフセットが１ＫＨｚの整数倍のとき相互相関効果は最大になる。
【００３０】
強スペクトラム拡散信号が存在する場合に弱スペクトラム拡散信号を追跡する一般的な方法が開発されている。弱信号から強信号を切り離すために強信号干渉のすべてのアスペクトが測定できるか又は求めることがこの方法の前提となっている。チャネルの周波数と位相を制御でき、所望の拡散符号を選択でき、そして符号位相位置を設定できるものであればどんなマルチチャネル受信機にもこの方法が適用できる。弱信号を追跡するためのチャネルと干渉強信号を追跡するためのチャネルとの二つが通常受信機で採用されている。しかし、強度、符号位相、周波数等の強信号の特性が他の手段で得られる又は正しく推定できる場合は強信号を追跡するためのチャネルは不要である。
【００３１】
図１に示されているように、受信機の第１チャネルで最初に強信号を捕捉する（１０）。搬送信号と拡散符号の位相と共に強信号強度がこのチャネルで測定される。フローチャートには示さないが、さらなる強信号を追跡するためのさらなるチャネルを設けてもよい。従来方法によるデータメッセージＤを基にして受信周波数とその位相と共に弱信号の拡散符号の位相を予測する（２０）。受信機の第２チャネルで合成搬送信号を受信し予測した弱信号成分を追跡する（３０）。
【００３２】
第２チャネルにより、予測された周波数、信号位相において到来信号と第２符号を相関させる。その結果得られた同相、直交（Ｉ、Ｑ）成分には各々の符号により拡散した強弱信号が含まれる。第２信号のレプリカ符号Ｃｏｄｅ２Ｒと到来信号の積による相関からＣｏｄｅ２Ｒ× （ｗｅａｋ２ × Ｃｏｄｅ２ ＋ ＳｔｒｏｎｇＸ × ＣｏｄｅＸ）が生成される。ここで、ｗｅａｋ２は弱信号２の強度、Ｃｏｄｅ２は弱信号２を送信する衛星２からの実際の符号、ＳｔｒｏｎｇＸ（Ｘ＝１，３、４、...）は強信号Ｘの強度、そしてＣｏｄｅＸは強信号Ｘに含まれる衛星Ｘからの実際の符号を示す。積Ｃｏｄｅ２Ｒ× Ｃｏｄｅ２は受信符号２とレプリカ符号２の自己相関を示す。レプリカ符号が受信符号と合っている場合この自己相関関数は値１を有する。合成信号から除去すべきレプリカ符号２とｃｏｄｅＸ（Ｃｏｄｅ２Ｒ× ＣｏｄｅＸ）の相互相関を計算する（４０）。
【００３３】
Ｃｏｄｅ１とＣｏｄｅ２は共にＰＲＮ符号群の符号であり、これらの自己相関及び相互相関特性は分かっている。従って、Ｃｏｄｅ１の各ビットと時間的に対応するＣｏｄｅ２のビットを乗ずることにより、これらの符号各々の位相での両符号の相互相関値を求めることができる。これらの符号間には相対的ドップラー周波数オフセットがあり得るのでこれら符号の位相を時間軸上で互いに先行させて新たな相互相関関数を生成する。ＧＰＳシステムで起こりうる最大のデルタ符号ドップラーは約±９ＫＨｚで１秒毎に６符号チップ（符号チップ毎に１５４０搬送サイクル）に相当する。従って、相互相関値の最大再計算速度は１秒毎に約６回である。
【００３４】
既に述べたように、最大相互相関は周波数オフセットがゼロで発生し１０００Ｈｚ周期でピ−クを伴う。周波数オフセットがゼロから離れるにつれて相互相関は減衰する。この減衰は周知のｓｉｎ（ｘ）/ｘ曲線となる。１０ｍｓで追跡、捕捉を行うと減衰ファクタはｓｉｎ（Δｆｒｅｑ × π/１００Ｈｚ）/（Δｆｒｅｑ × π/１００Ｈｚ）に等しくなりうる。これはデルタ周波数約７５Ｈｚで−１０ｄＢの減衰となる。ｓｉｎ（ｘ）/ｘ曲線における他の局部的ピーク（即ち、局部最小減衰）は１５０Ｈｚと２５０Ｈｚで起こり、各々−１３．５ｄＢ、−１８ｄＢの減衰を伴う。これは所望の強信号を１０ｄＢ抑圧するのにはｓｉｎ（ｘ）/ｘ曲線の最初のローブのみ考慮すればよいことを意味する。しかし、さらなる抑圧が必要な場合は曲線全体を考慮しなければならない。
【００３５】
次に各強信号の信号強度と計算された周波数及び時間軸（符号位相）相互相関との積を求める（５０）。この積を合成信号から減じて（６０）最終的に弱信号を抽出する。抽出された弱信号は受信機回路内で周知の如く信号処理される。
【００３６】
受信機の各強信号チャネルにおいて又は受信機とは異なる別の手段で各強信号の同相及び直交信号強度（Ｉ，Ｑ）を求める。強信号は受信機のフェーズロックループで能動的に追跡されるので、強信号は０ラジアン近辺であり従ってほとんどすべての信号は同相成分であると推測される。
【００３７】
第１符号Ｃｏｄｅ１で変調された強信号Ｓ１と第２符号Ｃｏｄｅ２で変調された弱信号ｗ２との和より成る信号から（Ｓ１× Ｃｏｄｅ１ ＋ ｗ２ × Ｃｏｄｅ２）が得られる。この二信号の和が第二符号Ｃｏｄｅ２Ｒのレプリカとの相関が取られてΣ｛Ｃｏｄｅ２Ｒ× （Ｓ１ × Ｃｏｄｅ１ ＋ ｗ２ × Ｃｏｄｅ２）｝が得られる。ここで、弱信号ｗ２を変調するのに用いられるＰＲＮ符号のすべてのチップが和Σに含まれる。ある符号とそれ自身の自己相関は１であるので上記等式はΣ｛Ｓ１× Ｃｏｄｅ１ × Ｃｏｄｅ２ ＋ ｗ２｝と表すことができる。ｗ２を得るにはＳ１× Ｃｏｄｅ１ × Ｃｏｄｅ２を除去しなければならない。Ｃｏｄｅ１とＣｏｄｅ２は分かっているのでこれらの相互相関は簡単に求めることができる。個々のチャネルで強信号をそれぞれ追跡するか又は他の手段でＳ１値を推定できる。強信号Ｓ１と弱信号ｗ２が同じ周波数であればＳ１× Ｃｏｄｅ１ × Ｃｏｄｅ２の計算値で十分である。しかし、ドップラー効果やその他の既に述べた要因によりこれら二信号は異なった周波数で受信される。ｓｉｎ（ｘ）/ｘ曲線上のこれら周波数差により相互相関強度が変わることは分かっている。従って、強弱信号の周波数差を基にして減衰ファクタを求めこれを求めた相互相関に適用しなければならない。さらに、強信号が二つ以上存在する場合は各強信号に対して減衰ファクタを求めなければならない。
【００３８】
符号依存相互相関ファクタの計算
周知のＰＲＮ発生器の相対的状態から、強信号の強度単位、ゼロ周波数オフセットと弱信号との相互相関を予測することにより相互相関ファクタの符号に依存する部分を求めることができる。このファクタを対応する強信号の強度に乗じ、周波数減衰に対して調整してから合成信号から減じる。
【００３９】
ＰＲＮ信号を変調するのに用いられる様々なＧｏｌｄ符号はすべて二つの符号シーケンスＧ１、Ｇ２より得られる。選択されたＧｏｌｄ符号に応じてＧ１に対応するいくつかのＧ２のビットをオフセットしてから、これらのシーケンスのビットをＸＯＲにより組み合わせる。既に述べたように、二進数を用いるＸＯＲは数学的に±１の乗算に等しい。これにより、下記の等式を±１の積として表現でき、実際は二進数を用いるＸＯＲ処理を行う。
【００４０】
二つのＣ/Ａ符号の相関は一般的に次のように表すことができる。
【００４１】
ΣＳａｔ１Ｇ１（Ｉ） × Ｓａｔ１Ｇ２（Ｉ） × Ｓａｔ２Ｇ２（Ｉ − ｏｆｆｓｅｔ） × Ｓａｔ２Ｇ２（Ｉ− ｏｆｆｓｅｔ）×ｅ ^{−ｊΔθｔ}
ここで、
Ｉ ＝ ０乃至１０２２までの合計指標
Ｓａｔ１Ｇ１（Ｉ） ＝ 状態Ｉにおける衛星１のＧ１符号化器チップの値で、取り得る値は±１
Ｓａｔ１Ｇ２（Ｉ） ＝ 状態Ｉにおける衛星１のＧ２符号化器チップの値で、取り得る値は±１
Ｓａｔ２Ｇ１（Ｉ） ＝ 状態Ｉにおける衛星２のＧ１符号化器チップの値で、取り得る値は±１
Ｓａｔ２Ｇ２（Ｉ） ＝ 状態Ｉにおける衛星２のＧ２符号化器チップの値で、取り得る値は±１
ｏｆｆｅｓｔ ＝ チップ単位での衛星１、２の時間差
Δθ ＝ 衛星１、２間のチップ毎の位相変化（ラジアン）
ここで、差（Ｉ−ｏｆｆｓｅｔ）が０より小さい場合はこの差に１０２３を加えて０乃至１０２２までの値を維持する。即ち、符号化器チップ状態を戻す関数範囲は０乃至１０２２に限定される。
【００４２】
単一ＣＰＵ命令による８，１６又は３２ビットＸＯＲ処理を行う標準ＣＰＵ命令群を用いることにより１０２３個のビット毎相関計算速度を速めることができる。以下に８チップをパラレルに計算する方法を示す。ＣＰＵによるＸＯＲ処理毎のビット数は他の任意の数でもよいことは当業者であれば理解できるところであろう。
【００４３】
符号シーケンスＧ１、Ｇ２の１０２３個の状態を恒久的なメモリに記憶する。これにより、所望のチップのアドレスとそれに関連して必要なシフトを計算することにより単一ＣＰＵロード命令で８，１６、３２ビット又は他のビット数を迅速に処理することができる。３１により１０２３が割り切れるので３２ビットが特に好ましいビット数である。従って、この実施形態では一度に３２ビットを読み込み、Ｃ/Ａ符号の１０２３チップに渡る３３インターバルの毎回において一度に３２ビットのうちの３１ビットを用いる。３１ビットの和を８，８，８そして７ビットに４分割し、各７又は８ビット和にｅ^{−ｊΔθＩ}を乗じる。ここでＩは各分割部分で７．７５チップ変化する。和は次のように表せる。
【００４４】
Σ（ｅ^{−ｊΔθＩｘ３１} ｘ ΣＳａｔ１Ｇ１（Ｉ ｘ ３１ ＋ Ｊ） ｘ Ｓａｔ１Ｇ２（Ｉ ｘ ３１ ＋ Ｊ） ｘ
Ｓａｔ２Ｇ１（Ｉ ｘ ３１ ＋ Ｊ − ｏｆｆｓｅｔ） ｘ Ｓａｔ２Ｇ２（Ｉ ｘ ３１ ＋ Ｊ − ｏｆｆｓｅｔ） ＋ ^{−ｊΔθ（Ｉｘ３１＋７．７５} ｘΣ（Ｓａｔ１Ｇ１（Ｉ ｘ ３１ ＋ Ｊ ＋ ８） ｘ Ｓａｔ１Ｇ２（Ｉ ｘ ３１ ＋Ｊ ＋ ８） ｘ
Ｓａｔ２Ｇ１（Ｉ ｘ ３１ ＋ Ｊ ＋ ８ − ｏｆｆｓｅｔ） ｘ Ｓａｔ２Ｇ２（Ｉ ｘ ３１ ＋ Ｊ ＋ ８− ｏｆｆｓｅｔ）） ＋
ｅ^{−ｊΔθ（Ｉｘ３１＋１５．５} ｘ Σ（Ｓａｔ１Ｇ１（Ｉ ｘ ３１ ＋ Ｊ ＋ １６） ｘ Ｓａｔ１Ｇ２（Ｉ ｘ ３１ ＋Ｊ ＋ １６） ｘ
Ｓａｔ２Ｇ１（Ｉ ｘ ３１ ＋ Ｊ ＋ １６ − ｏｆｆｓｅｔ） ｘ Ｓａｔ２Ｇ２（Ｉ ｘ ３１ ＋ Ｊ ＋ １６ − ｏｆｆｓｅｔ）） ＋
ｅ^{−ｊΔθ（Ｉｘ３１＋２３．２５} ｘ Σ（Ｓａｔ１Ｇ１（Ｉ ｘ ３１ ＋ Ｊ ＋ ２４） ｘ Ｓａｔ１Ｇ２（Ｉ ｘ ３１ ＋ Ｊ ＋ ２４） ｘＳａｔ２Ｇ１（Ｉ ｘ ３１ ＋ Ｊ ＋ ２４ − ｏｆｆｓｅｔ） ｘ Ｓａｔ２Ｇ２（Ｉ ｘ ３１ ＋ Ｊ ＋ ２４ − ｏｆｆｓｅｔ））
ここで、
Ｉ ＝ ０乃至３２までの外側指標
Ｊ ＝ 最初の三つの合計に対して０乃至７までの内側指標であり最後の合計に対して０乃至６までの内側指標。全部で３１ビットを有する３２ビット語を用い、乗算、シフト、加算により１ビット計算値を合計して内側合計処理を並列に行う。
【００４５】
上記等式におけるＧ１、Ｇ２符号の乗算はビット毎ＸＯＲ命令により行う。正確な計算から多くても−１７ｄＢ程度の誤差を上記アルゴリズムは有し、６０００回のＣＰＵ処理を行う必要がある。
【００４６】
求められた相互相関の使用
周波数差の小さい、即ち、強弱相互相関干渉を起こし得る周波数差のすべての強弱信号ペアに対して、必要に応じ、定期的に符号依存相互相関ファクタを求める。この実施形態では強信号はＣ/Ｎ_０が４０ｄＢより大きく弱信号はＣ/Ｎ_０が３０ｄＢより小さい。なぜならば、Ｉ、Ｑ測定値の１０ｍｓ積分結果を符号、位相追跡ループに用い、また最大の”著しい”周波数差（モジュロ１０００Ｈｚ）は９０Ｈｚであるからである。この実施形態では、信号追跡、信号処理アルゴリズムに用いられ得る測定値の各々に対し、干渉を起こし得る各信号ペアの符号依存相互相関ファクタを求める。例えば、時間的に早い、時間通りそして時間的に遅い測定値を追跡ループに用いる場合は、これらの符号各々の相関ファクタを計算し各テーブルに記憶する。
【００４７】
最大ドップラー差は９ＫＨｚより小さいか又は６チップ/秒より小さいので、これらのテーブルは１０Ｈｚレートで更新しさえすればよい。相互相関テーブルを維持するにはさらに周波数差に起因する相互相関の周波数減衰を１０Ｈｚレートでで求める。この減衰は次のように表せる。
【００４８】
周波数減衰 ＝ sin（ΔF mod 1000 × Π/100）/（ΔF mod 1000 × Π/100）
ここで、
ΔF ＝ 強弱信号間周波数差Ｈｚ
ｍｏｄ ＝ −５００Ｈｚ乃至＋５００Ｈｚの範囲を与えるモジュロオフセット
周波数差が５Ｈｚより大きい場合のみ周波数減衰を計算しなおす必要がある。
【００４９】
強信号推定と除去
強信号位相、強度推定には相互相関を除去する必要がある。この実施形態の方法では、その強信号のチャネルで強信号を追跡し、弱信号Ｉ，Ｑ測定値が得られるのと完全に同じ間隔で強信号Ｉ，Ｑ測定値を収集する。強信号を追跡するのに用いられるレプリカ信号の既知の位相と周波数が強信号の実際の位相と周波数とかなり近い。さらに、強信号はフェーズロックされるのでＩ測定値の強度により強信号の強度を高い精度で推定できる。また、データビット変化が１乃至０又は０乃至１の場合は強信号データビットＤを二相変調することにより強信号位相を１８０度回転することができる。この実施形態では、強信号のＩ測定値が負の場合にはレプリカ信号の位相に１８０度加えて強信号位相を補正する。
【００５０】
弱信号追跡用チャネルから１０ｍｓ毎にＩ，Ｑ相関データが供給される。相互相関ファクタテーブルをチェックし干渉強信号を予測する。強信号があり得る場合は、以下の減算処理を行い強信号相互相関を除去する。
【００５１】
FirstCodeOffset ＝ WeakCodeState − StrongCodeState − StrongDoppler × ΔT − TableEntry0Codestate
DeltaPhase ＝ WeakCarrierPhase − StrongCarrierPhase − StrongDoppler × ΔT ＋ DeltaKHz × StrongCodeState
FirstPhase ＝ FirstCorrelationPhase ＋ DeltaPhase
SecondPhase ＝ SecondCorrelationPhase ＋ DeltaPhase
FirstMag ＝ FirstCorrelationMag ＋ FirstCodeOffsetFraction × strongI ×FrequencyAttenuation
SecondMag ＝ SecondCorrelationMag × (1 −FirstCodeOffsetFraction) × strongI × FrequencyAttenuation
CorrectedWeakIQ ＝ WeakIQ − FirstMag × e^{−jFirstPhase} − SecondMag × e^{−jSecondPhase}
ここで、
WeakCodeState ＝ 弱信号チャネルへの最終出力符号状態
StrongCodeState ＝ 強信号チャネルへの最終出力符号状態
StrongDoppler ＝ 強信号チャネルへの最終出力ドップラー
ΔT ＝ 弱強信号チャネル間出力の時間差
TableEntry0Codestate ＝相互相関テーブルの第１要素符号状態差
WeakCarrierPhase ＝ 弱信号チャネルへの最終出力搬送位相角度
StrongCarrierPhase ＝ 強信号チャネルへの最終出力搬送位相角度
DeltaKHz ＝ 弱強信号チャネル間ドップラー差の１ＫＨｚの最も近い整数倍（単位はＫＨｚ）
FirstCorrelationPhase ＝ FirstCodeOffsetにより示されるチップに対する相互相関テーブルへの位相エントリ
SecondCorrelationPhase ＝ FirstCodeOffset + 1chipにより示されるチップに対する相互相関テーブルへの位相エントリ
FirstCorrelationMag ＝ FirstCodeOffsetにより示されるチップに対する相互相関テーブルへの強度エントリ
SecondCorrelationMag ＝ FirstCodeOffset + 1chipにより示されるチップに対する相互相関テーブルへの強度エントリ
FirstCodeOffsetFraction ＝ FirstCodeOffset内チップの一部
strongI ＝ 強信号チャネルからのＩ相関絶対値
FrequencyAttenuation ＝ 周波数オフセットに起因する減衰
WeakIQ ＝ 弱信号チャネルからのＩＱ相関
CorrectedWeakIQ ＝ 強信号からの相互相関のための補正されたＩＱ相関
例えばチップ毎に約１／２だけFirstCodeOffsetをシフトして時間的に早い相関値、時間通りの相関値そして時間的に遅い相関値に対してCorrectedWeakIQを求める。補正された相関値は通常弱信号用搬送、符号追跡ソフトウエアに用いられる。このアルゴリズムは弱信号を減衰することなく相互相関を少なくとも１０ｄＢ減衰でき、弱信号と干渉する可能性のある各強信号に対して繰り返される。
【００５２】
この発明の好ましい実施形態を説明したが、この発明の精神と範囲に反することなく種々の変更形態のものを行うことができる。上記実施形態ではＧＰＳ受信機への応用について説明したが、これに限らず、ｎｅａｒ−ｆａｒ問題を起こしやすいＣＤＭＡスペクトラム拡散伝送技術を採用した通信システムであればこの発明が応用でき、高い精度で干渉強信号を測定又は推定できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の主なステップを示すフローチャートである。

Claims (4)

1. 各々が既知の符号位相を有する第１および第２符号で変調され、同一の搬送周波数帯で送信される第１および第２受信信号の間の干渉検知能力を高めるための、少なくとも第１および第２信号追跡チャネルを有するスペクトラム拡散無線信号受信機の動作方法であって、
   （ａ）前記第１および第２受信信号を備える第１合成信号を受信するステップと、
   （ｂ）前記第１信号追跡チャネルを動作させて前記第１受信信号を追跡し、その振幅、符号位相および受信周波数を測定するステップと、
   （ｃ）前記第２受信信号の受信周波数と符号位相を選択するステップと、
   （ｄ）前記第２受信信号の前記選択された符号位相と受信周波数で前記第２信号追跡チャネルを動作させて前記第１および第２受信信号を備える第２合成信号を受信するステップと、
   （ｅ）前記第１および第２受信信号の間の周波数差に基づく減衰ファクタを前記第１および前記第２受信信号の間の相互相関に適用して、予測される相互相関を計算するステップと、
   （ｆ）前記第１受信信号の振幅に前記予測される相互相関を乗じて、前記第１および第２受信信号の間の干渉を計算するステップと、
   （ｇ）前記第２合成信号から前記干渉を減じて、少なくともその受信周波数、振幅および符号位相のうちの１つを含む前記第２受信信号を抽出するステップを備えることを特徴とするスペクトラム拡散無線信号受信機の動作方法。
2. 各々が既知の符号位相を有する第１および第２符号で変調され、同一の搬送周波数帯で送信される第１および第２受信信号の間の干渉検知能力を高めるための、少なくとも第１および第２信号追跡チャネルを有するスペクトラム拡散無線信号受信機の動作方法であって、
   （ａ）前記第１および第２受信信号を備える第１合成信号を受信するステップと、
   （ｂ）前記第１信号追跡チャネルを動作させて前記第１受信信号を追跡し、その振幅を測定するステップと、
   （ｃ）前記第１受信信号の第１符号位相と第１受信周波数を予測するステップと、
   （ｄ）前記第２受信信号の第２符号位相と第２受信周波数を選択するステップと、
   （ｅ）前記第２受信信号の前記選択された符号位相と受信周波数で前記第２信号追跡チャネルを動作させて前記第１および第２受信信号を備える第２合成信号を受信するステップと、
   （ｆ）前記第１および第２受信信号の間の周波数差に基づく減衰ファクタを前記第１および前記第２受信信号の間の相互相関に適用して、予測される相互相関を計算するステップと、
   （ｇ）前記第１受信信号の振幅に前記予測される相互相関を乗じて、前記第１および第２受信信号の間の干渉を計算するステップと、
   （ｈ）前記第２合成信号から前記干渉を減じて、少なくともその受信周波数、振幅および符号位相のうちの１つを含む前記第２受信信号を抽出するステップを備えることを特徴とするスペクトラム拡散無線信号受信機の動作方法。
3. 各々が既知の符号位相を有する第１および第２符号で変調され、同一の搬送周波数帯で送信される第１および第２受信信号の間の干渉検知能力を高めるための、少なくとも一つの信号追跡チャネルを有するスペクトラム拡散無線信号受信機の動作方法であって、
   （ａ）前記第１受信信号の振幅、符号位相および受信周波数を取得するステップと、
   （ｂ）前記第２受信信号の前記受信周波数と符号位相を選択するステップと、
   （ｃ）前記第２受信信号の前記選択された符号位相と受信周波数で前記信号追跡チャネルを動作させて前記第１受信信号および前記第２受信信号を備える合成信号を受信するステップと、
   （ｄ）前記第１および第２受信信号の間の周波数差に基づく減衰ファクタを前記第１および前記第２受信信号の間の相互相関に適用して、予測される相互相関を計算するステップと、
   （ｅ）前記第１受信信号の振幅に前記予測される相互相関を乗じて、前記第１および第２受信信号の間の干渉を計算するステップと、
   （ｆ）前記合成信号から前記干渉を減じて、その符号位相、受信周波数および振幅を含む前記第２受信信号を抽出するステップを備えることを特徴とするスペクトラム拡散無線信号受信機の動作方法。
4. 前記スペクトラム拡散無線信号受信機は追加の信号追跡チャネルを有しており、
   前記ステップ（ａ）においてさらに、前記追加の信号追跡チャネルにおいて前記第１受信信号を備える追加の合成信号を受信するステップと、前記追加の信号追跡チャネルを動作させて前記第１受信信号を追跡し、その振幅、符号位相および受信周波数を測定するステップを行うことを特徴とする請求項３に記載のスペクトラム拡散無線信号受信機の動作方法。

Images