JP4850065B2 - 衛星ナビゲーションシステムの変調信号 - Google Patents

Description

本発明は、例えばナビゲーションおよび位置決めの信号、システム、および方法など、変調信号、変調システム、および変調方法に関する。

衛星測位システム（Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ、ＳＰＳ）は、特定のコンステレーション（ｃｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎ）またはコンステレーションのグループに含まれる複数の衛星、地上ベースの同等物、または空中同等物によってブロードキャストされるレンジング信号（ｒａｎｇｉｎｇ ｓｉｇｎａｌ）の受動的測定に依拠する。オンボードクロックが、しばしば「エポック」と呼ばれる規則的な、通常連続した一連のイベントを生成するのに使用され、エポックの発生の時刻は、乱数符号または擬似乱数符号（拡散符号（ｓｐｒｅａｄｉｎｇ ｃｏｄｅ）と称する）にコーディングされる。タイムエポック符号化シーケンスの擬似乱数または乱数機能の結果として、出力信号のスペクトルは、拡散符号要素の変化のレートおよび拡散信号に使用される波形を含む複数の要因によって決定される周波数範囲にわたって広がる。通常、拡散波形は、長方形であり、ｓｉｎｃ関数パワースペクトルを有する。

レンジング信号は、受動的受信器への送信のために搬送波信号に変調される。地上、空中、海上、および宇宙での使用をカバーする応用例が既知である。通常、２位相偏移変調が、搬送波信号の変調に使用され、この搬送波自体は、一定の大きさを有する。通常、少なくとも２つのそのような信号が、同一搬送波に矩象で変調される。結果として生じる搬送波信号は、その一定のエンベロープを保つが、２つの独立の入力信号に依存する４つの位相状態を有する。しかし、２つの変調する信号が、同一の搬送波の大きさを有する必要がないことを理解されたい。π／２ラジアン以外の対応する位相の適当な選択によって、組み合わされた信号の一定の搬送波の大きさを維持することが可能である。

そのような衛星測位システムの例が、全地球測位システム（ＧＰＳ）である。一般に、ＧＰＳは、それぞれ１５７５．４２ＭＨｚ、１２２７．６ＭＨｚ、および１１７６．４５ＭＨｚを中心とするＬ１、Ｌ２、およびＬ５などの複数の周波数を使用して動作する。これらの信号のそれぞれが、それぞれの拡散信号によって変調される。当業者なら理解するように、ＧＰＳ衛星ナビゲーションシステムが発するＣＡ（Ｃｏａｒｓｅ Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ）コード信号は、１５７５．４２ＭＨｚのＬ１周波数でブロードキャストされ、１．０２３ＭＨｚの拡散符号レート（チップレート）を有する。ＣＡは、長方形の拡散波形を有し、ＢＰＳＫ−Ｒ１に分類される。ＧＰＳ信号構造は、Ｌ１周波数で衛星によってブロードキャストされる信号が、矩象の第２成分を有するようになっており、この第２成分は、Ｐ（Ｙ）コード（ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｃｏｄｅ）と称し、許可されたユーザだけが使用可能にされている。Ｐ（Ｙ）信号は、１０．２３ＭＨｚの拡散符号を用いてＢＰＳＫ変調され、ＣＡコード送信より信号電力において３ｄＢ低い大きさを有する。その結果、Ｑ成分は、Ｉ成分の大きさの０．７０７１倍（−３ｄＢ）の大きさを有する。当業者は、これらの信号のこれらの状態の位相角が、±Ｉ軸に対して±３５．２６５°（ＩＣＤ ＧＰＳ ２００Ｃで指定されたＣＡコード信号の位相）であることを理解するであろう。当業者は、Ｐコードが、Ｙコードの関数であるか、Ｙコードによって暗号化されていることも理解するであろう。Ｙコードは、Ｐコードを暗号化するのに使用される。当業者は、Ｉ成分およびＱ成分の両方を含むＬ１信号と、Ｌ２信号とを、所与の衛星ｉについて、
Ｓ_Ｌ１ｉ（ｔ）＝Ａ_Ｐｐ_ｉ（ｔ）ｄ_ｉ（ｔ）ｃｏｓ（ω_１ｔ）＋Ａ_Ｃｃ_ｉ（ｔ）ｄ_ｉ（ｔ）ｓｉｎ（ω_１ｔ）、および
Ｓ_Ｌ２ｉ（ｔ）＝Ｂ_Ｐｐ_ｉ（ｔ）ｄ_ｉ（ｔ）ｃｏｓ（ω_２ｔ）
として表すことができることを理解するであろう。ここで、
Ａ_ＰおよびＡ_Ｃは、ＰコードおよびＣＡコードの振幅であり、通常はＡ_Ｐ＝２Ａ_Ｃであり、
Ｂ_Ｐは、Ｌ２信号の振幅であり、
ω_１およびω_２は、Ｌ１およびＬ２の搬送波周波数であり、
ｐ_ｉ（ｔ）は、Ｐ（Ｙ）レンジング符号を表し、１０．２３Ｍｃｂｐｓのチップレートを有する擬似乱数シーケンスである。Ｐコードは、正確に１週間の周期を有し、＋１および−１の値をとり、
ｃ_ｉ（ｔ）は、ＣＡレンジング符号を表し、１０２３チップＧｏｌｄ符号であり、＋１および−１の値をとり、
ｄ_ｉ（ｔ）は、データメッセージを表し、１および−１の値をとる。

衛星コンステレーションには、通常、しばしば類似する軌道または類似する形状の軌道内だが複数の軌道面内の２４個以上の衛星が含まれる。各衛星からの送信は、符号分割アクセス衛星（ＧＰＳなど）の場合には同一の公称搬送波周波数で、またはＧＬＯＮＡＳＳなどのように近くの関連する周波数で行われる。衛星は、複数の衛星が同時に可視である場合であってもそれぞれを別々に選択できるようにするために、異なる信号を送信する。

ＧＰＳなどのＣＤＭＡシステムでの各衛星からの信号は、異なる拡散符号および／または拡散符号レートの相違すなわち、ｐ_ｉ（ｔ）シーケンスおよびｃ_ｉ（ｔ）シーケンスによって互いに区別される。それでも、図１に示されたパワースペクトル１００から理解されるように、複数の衛星によって送信される信号の間の干渉のかなりの範囲が残っている。図１には、ＣＡコードおよびＰ（Ｙ）コードのパワースペクトル１００が示されている。ＣＡコードのパワースペクトル１０２は、搬送波周波数Ｌ１で最大の電力を有し、ＣＡコードの基本周波数である１．０２３ＭＨｚの倍数で０になる。例えば、０が、搬送波周波数の両側±１．０２３ＭＨｚ、±２．０４６ＭＨｚなどで発生することを理解されたい。同様に、Ｐ（Ｙ）コードのパワースペクトル１０４は、ｓｉｎｃ関数波形について期待されるように、Ｌ１周波数およびＬ２周波数を中心とする最大振幅を有し、０は、±１０．２３ＭＨｚの倍数で発生する。

当技術分野で既知のように、副搬送波を使用してレンジング符号をさらに変調するすなわち、さらなる信号をＰコードおよび／またはＣＡコードと共に畳み込んで、バイナリオフセット搬送波（Ｂｉｎａｒｙ Ｏｆｆｓｅｔ Ｃａｒｒｉｅｒ、ＢＯＣ）変調を作成することが既知である（例えば、非特許文献１参照）。標準的なＢＯＣ変調２００を図２に示す。図２には、ＣＡコードの一部２０２と、例えばＬ１などの搬送波を変調するのに使用されるＢＯＣ信号２０４を作り出すための副搬送波信号との組合せが示されている。ＢＯＣ信号が、長方形の方形波であり、例えばｃ_ｉ（ｔ）＊ｓｉｇｎ（ｓｉｎ（２πｆ_ｓｔ））として表すことができ、ここで、ｆ_ｓが副搬送波の周波数であることを理解されたい。当業者は、ＢＯＣ（ｆ_ｓ，ｆ_ｃ）が、ｆ_ｓの副搬送波周波数およびｆ_ｃの符号レート（またはチッピングレート）を有するバイナリオフセット搬送波変調を表すことを理解する。バイナリオフセット搬送波を使用することによって、衛星から発する信号の次の信号記述がもたらされる。

Ｓ_Ｌ１ｉ（ｔ）＝Ａ_ｍｓｃ_ｉｍ（ｔ）ｍ_ｉ（ｔ）ｄ_ｉ（ｔ）ｃｏｓ（ω_１ｔ）＋Ａ_Ｃｓｃ_ｉｇ（ｔ）ｇ_ｉ（ｔ）ｄ_ｉ（ｔ）ｓｉｎ（ω_１ｔ）＝Ｉ_ＳＬ１ｉ（ｔ）＋Ｑ_ＳＬ１ｉ（ｔ）、および
Ｓ_Ｌ２ｉ（ｔ）＝Ｂ_ｍｓｃ_ｉｍ（ｔ）ｍ_ｉ（ｔ）ｄ_ｉ（ｔ）ｃｏｓ（ω_２ｔ）
ここで、
Ａ_ｍ、Ａ_ｃ、およびＢ_ｍは、振幅であり、
ｍ_ｉ（ｔ）は、ｍコードＢＯＣ（１０，５）信号であり、
ｇ_ｉ（ｔ）は、ガリレオのオープンサービス範囲符号であり、
ｓｃ_ｉｍ（ｔ）は、ｍ_ｉ（ｔ）の副搬送波信号を表し、
ｓｃ_ｉｇ（ｔ）は、ｃ_ｉ（ｔ）の副搬送波信号を表し、
ω_１およびω_２は、Ｌ１およびＬ２の搬送波周波数である。

図２には、ＢＰＳＫ−Ｒ１コードと、ＢＯＣ信号の対すなわち、ＢＯＣ（２，１）およびＢＯＣ（１０，５）のパワースペクトルも示されている。第１のスペクトル２０２は、ＢＰＳＫ−Ｒ１コードに対応する。第２のパワースペクトル２０４は、ＢＯＣ（２，１）符号に対応し、第３のパワースペクトル２０６は、ＢＯＣ（１０，５）符号に対応する。ＢＯＣ（２，１）信号のサイドローブ２０８が、比較的大きい大きさを有することを理解されたい。同様に、ＢＯＣ（１０，５）信号の図示のサイドローブ２１０が、比較的大きい大きさを有する。当業者は、サイドローブのエネルギが、干渉の源であることを理解する。

J. W. Betz, "Binary Offset Carrier Modulation for Radionavigation", Navigation, Vol. 48, pp227-246, Winter 2001-2002 Pratt & Owen; BOC Modulation Waveforms, IoN Proceedings, GPS 2003 Conference, Portland, September 2003

本発明の実施形態の目的は、従来技術の問題を少なくとも軽減することである。

したがって、本発明の実施形態の第１の態様は、請求項１に記載の方法を提供する。

本発明の実施形態の第２の態様は、請求項２０に記載の信号を提供する。

本発明の実施形態の第３の態様は、請求項２８に記載のシステムを提供する。

本発明の実施形態の第４の態様は、請求項２９に記載の受信器を提供する。

実施形態の第５の態様は、請求項３０に記載のコンピュータ可読記憶媒体を提供する。

有利なことに、本発明の実施形態は、信号のパワースペクトルの形状すなわちこれらの信号内のエネルギの分布に対する、かなりより多い制御を提供する。

本発明の他の態様は、請求項に記載され、請求項で定義される。

本発明の実施形態を、例として、添付図面を参照してのみ、これから説明する。

図３を参照すると、副搬送波３００の第一実施形態が示されている。この副搬送波が、正弦波信号３０２の５レベル近似であることを理解されたい。信号レベルが

であることを理解されたい。さらに、これらのレベルが、１単位の大きさを有する回転するベクトルのπ／４ラジアンの角度でのｘ軸またはＩ軸への射影であることを理解されたい。さらに、例えばＳ_Ｌ１ｉの同相成分および直交成分すなわち、Ａ_ｍｓｃ_ｉｍ（ｔ）ｍ_ｉ（ｔ）ｄ_ｉ（ｔ）ｃｏｓ（ω_１ｔ）＝Ｉ_ＳＬ１ｉおよびＡ_Ｃｓｃ_ｉｇ（ｔ）ｇ_ｉ（ｔ）ｄ_ｉ（ｔ）ｓｉｎ（ω_１ｔ）＝Ｑ_ＳＬ１ｉ（ｔ）を与えられれば、直交成分のｙ軸またはＱ軸への射影がまた値

をとるので、信号の大きさが一定になることを理解されたい。

信号の組合せに対する制限があることが好ましく、この制限のうちの少なくとも１つが、定モジュラス（ｃｏｎｓｔａｎｔ ｍｏｄｕｌｕｓ）信号を維持することを理解されたい。制限は、（１）同相成分の「＋１」または「−１」が、直交成分の「０」と共にのみ発生し、逆もまた同様であり、（２）

が、両方の位相で同時に発生する。拡散信号の同相成分および直交成分の大きさ、ｓｃ_ｉｇ（ｔ）またはｓｃ_ｉｍ（ｔ）を、図４に示されているものなど、アルガン図表４００にプロットすることができる。したがって、Ｉ成分およびＱ成分の波形は、次の信号要素シーケンスから作り出される。

Ｉ信号シーケンスまたはＱ信号シーケンスの任意の組合せを、（Ｉ^２＋Ｑ^２）^１／２として計算される一定の大きさの搬送波信号という制約の中で、上のセットから選択することができる。一定の搬送波エンベロープという判断基準を満足する５レベルのセットから選択できるシーケンスの多数の他の同等のセットがあることは、当業者に明白である。ＩチャネルおよびＱチャネルの副搬送波の大きさを、８−ＰＳＫ信号の状態に類似するものと考えることができることを理解されたい。したがって、５レベル副搬送波信号のそのような対は、８相副搬送波信号と考えることができる。

図５に、段付きまたはｍレベル（ｍ＞２）の副搬送波波形を使用することの効果を示す。図５を参照すると、パワースペクトルの対５００が示されている。点線を使用して示された第１のパワースペクトル５０２は、ＢＯＣ（２，２）副搬送波のスペクトルを表す。この副搬送波のエネルギが、徐々に減るサイドローブ５０４、５０６、５０８、および５１０の中に含まれることを理解されたい。第２のパワースペクトル５１２は、８相副搬送波信号すなわち、ＢＯＣ８（２，２）によって表される８つの位相振幅を使用するＢＯＣ（２，２）信号のパワースペクトルを表す。より一般的に、ＢＯＣｍ（ｆ_ｓ，ｆ_ｃ）は、ｆ_ｓの周波数およびｆ_ｃのチッピングレートを有するｍ相副搬送波信号を表す。ＢＯＣ８（２，２）信号のスペクトル５１２が、複数のサイドローブ５１４、５１６、５１８、５２０、５２２、および５２４を有することに留意されたい。これらのサイドローブのうちで、１番目から４番目までのサイドローブは、同一の周波数にまたがるＢＯＣ（２，２）信号のサイドローブと比較して、大きく減らされている、すなわち、非常に少ないエネルギを含む。１番目から４番目までのサイドローブでの大きい減少は、これらのサイドローブがまたぐ周波数スペクトルを他の送信に使用することを当業者が望む状況で有益になる可能性がある。

ＢＯＣ８（２，２）が、当業者によく理解されるＳＳＣ（Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）および自己ＳＳＣを使用する判定による大きく改善された干渉特性を有するすなわち、基準信号とＢＯＣ（２，２）の間のスペクトル結合（ｓｐｅｃｔｒａｌ ｃｏｕｐｌｉｎｇ）が、基準信号とＢＯＣ８（２，２）の間のスペクトル結合より強いことを、当業者は理解するであろう。例えば、ＢＯＣ８（２，２）信号は、従来のＢＯＣ（２，２）信号と比較して、スペクトル分離（ｓｐｅｃｔｒａｌ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）での１０〜１２ｄＢの改善を示す。ＳＳＣと本発明の実施形態による信号との間の関係に関するさらなる情報は、例えば、参照によってそのすべてを本明細書に組み込まれている、付録にあるように本明細書と共に出願された非特許文献２に記載されている。

さらに、本発明の実施形態は、副搬送波の大きさおよび持続時間を利用して、結果として生じる変調波形の高調波のエネルギに影響する、すなわち、これを制御する。例えば、図５を参照すると、追加の零スペクトルが、ＢＯＣ８（２，２）スペクトルの搬送波から実質的に６ＭＨｚオフセットおよび１０ＭＨｚオフセットに現れるが、従来のＢＯＣ（２，２）信号にそのような零スペクトルがないことを理解されたい。零スペクトルの位置は、マルチレベル副搬送波のステップの大きさおよび持続時間のうちの少なくとも１つによって影響される。具体的に言うと、零スペクトルは、この２つの要素のいずれかを変更することによって望みの位置にステアリングすることができる、すなわち、零スペクトルの位置は、この２つの要素によって影響される。付録Ａに、本発明の実施形態による信号のスペクトルとステップの大きさおよび持続時間との間の関係の指摘が含まれる。

図６を参照すると、もう１つのＢＯＣ８信号すなわち８状態を有するバイナリオフセットキャリアのＩ信号およびＱ信号の副搬送波状態または振幅が示されている。この８つの状態は、上で説明した５つの状態または信号振幅ではなく、集合

すなわち、４つの状態または信号振幅から選択された副搬送波振幅によって表すことができる、すなわちそれらに対応することを理解されたい。したがって、Ｉ成分およびＱ成分は、

すなわち

が、±１／２と共に発生することだけができるように、次の通り次の信号要素から構成される。

図６に示された状態１から８が、円周上で等距離に配置されていないことを理解されたい。状態２と３、４と５、６と７、および８と１の間の遷移は、角度ステップにおいて状態１と２、３と４、５と６、および７と８の間の遷移より大きい。これらの状態が、副搬送波振幅に変換される時に、所与の振幅の持続時間が、対応する状態の持続時間またはドウェルタイムに依存する、すなわち、副搬送波が任意の所与の状態に留まる持続時間が、もはや上の図４の状態のように等しくはない可能性があることを理解されたい。ドウェルタイムは、例えば段付き波形と正弦曲線の間の自乗平均差を最小にするためなど、設計選択の問題である。図７ａに、図６に示された状態に対応する副搬送波７００および７０２を示す。副搬送波７００および７０２の各状態の持続時間または持続時間が等しいことを理解されたい。Ｑチャネル副搬送波の大きさは、上で説明したものと実質的に同一のパターンに従うが、π／２ラジアンだけ位相シフトされている。Ｑチャネルの副搬送波７０２は、図７では点線の形で示されている。そのような副搬送波は、すべての振幅の組合せについて（Ｉ²＋Ｑ²）^1/2＝１なので、一定のエンベロープの大きさをもたらすことを理解されたい。しかし、図７ｂを参照すると、各状態の持続時間が等しくない副搬送波７０４および７０６の対が示されている。振幅の組合せのいくつかが（Ｉ²＋Ｑ²）^1/2＝１を満足しないことを理解されたい。したがって、送信される信号は、一定のエンベロープを有しない。

当業者は、副搬送波の段付き半サイクルが１チップに対応することを理解するであろう。しかし、半サイクルの他の倍数が１チップに対応する他の実施形態を実現することができる。例えば、副搬送波の２つの半サイクルが１チップに対応する実施形態を実現することができる。その実施形態では、ＩチャネルおよびＱチャネルの信号は、次のようになる。

同様に、チップあたり３つの半サイクルを使用して実現される実施形態は、次を作り出す。

当業者は、上記をレンジング符号チップあたりｎ個の副搬送波半サイクルに拡張できることを理解するであろう。

副搬送波を記述するのに他の位相を使用できることを理解されたい。例えば、１６−ＰＳＫの位相成分および振幅成分を使用して、第１状態が（＋１，０）であると仮定して９つのレベルを有するＢＯＣ１６副搬送波を作成することができる。ｍ−ＰＳＫ位相状態を使用することを使用して、（ｍ＋２）／２レベルの副搬送波信号を作り出すことができる。したがって、ｍ＝２にセットすることによって、従来のＢＰＳＫおよび２レベル副搬送波が与えられる。ｍ＝４にセットすることによって、３レベル副搬送波すなわちＢＯＣ４変調がもたらされ、ｍ＝８にセットすることによって、５レベル副搬送波すなわちＢＯＣ８変調がもたらされ、ｍ＝１６にセットすることによって、９レベル副搬送波がもたらされ、これはＢＯＣ１６変調に対応する。

位相位置への符号およびデータ状態の割り当ての複数のさらなる変形形態を実現できることを理解されたい。例えば、図４に示された２２．５°の状態の回転は、角度（０°，４５°，９０°，１３５°，１８０°，２２５°，２７０°，３１５°）から角度（２２．５°，６７．５°，１１２．５°，１５７．５°，２０２．５°，２４７．５°，２９２．５°，３３７．５°）への状態に関連する角度の再割り当てにつながる。やはり、これが、スペクトルのモジュラスの変化を引き起こさず、やはり、必要な振幅レベルの個数が、５から４に減る、すなわち、ｍ−ＰＳＫを使用して、適当な回転および位相状態の割り当てに従って［（ｍ＋２）／２−１］個の振幅を実現できることを理解されたい。Ｉ成分およびＱ成分の結果として生じる波形は、この場合に、次の信号要素シーケンスから作り出される。

Ｉ相 ＋１信号を表す（＋ｃｏｓ（６７．５°），＋ｃｏｓ（２２．５°），＋ｃｏｓ（２２．５°），＋ｃｏｓ（６７．５°））
Ｉ相 −１信号を表す（−ｃｏｓ（６７．５°），−ｃｏｓ（２２．５°），−ｃｏｓ（２２．５°），−ｃｏｓ（６７．５°））
Ｑ相 ＋１信号を表す（＋ｓｉｎ（６７．５°），＋ｓｉｎ（２２．５°），−ｓｉｎ（２２．５°），−ｓｉｎ（６７．５°））
Ｑ相 −１信号を表す（−ｓｉｎ（６７．５°），−ｓｉｎ（２２．５°），＋ｓｉｎ（２２．５°），＋ｓｉｎ（６７．５°））

上で説明した場合のＩ信号要素シーケンスおよびＱ信号要素シーケンスが、１つの拡散パルス（チップ）の持続時間にわたって直交することに留意されたい。明らかに、他の回転が、可能であり、直交する信号要素セットを作り出す。

上記を表す代替の方法は、状態表を介することである。ＢＯＣ８変調の実施形態が、等距離の状態を用いて実現されており、第１状態が、上の値に対応する、図８に示されたπ／８ラジアン（２２．５°）の位相角を有すると仮定する。レンジング符号が実質的に同時に遷移することと、実質的に一定の出力エンベロープすなわち副搬送波の状態を維持する望みを仮定すると、Ｉレンジング符号信号成分およびＱレンジング符号信号成分のそれぞれに必要な位相状態のシーケンスは、次の表によって与えられる。

表１の位相状態に対応する副搬送波に、レンジング符号チップあたり半サイクルが含まれることを理解されたい。さらに、フェーザの向きは、ＩおよびＱが等しい場合に時計回り、そうでない場合に反時計回りである。信号要素シーケンスまたは状態シーケンスが、標本化または量子化された正弦曲線のセクション（具体的には、上で開示した本発明の態様では半サイクルセクション）であることは明白である。したがって、この概念を、複数のそのような標本を含むように拡張することができる。有用と思われるこれらの変形形態には、有限個数の半サイクルからの標本を伴う事例が含まれる、すなわち、これらの変形形態を、例えば２、１、８、および７の状態によって表される＋１のＩチャネル値ではなく、例えば２、１、８、７、６、５、４、３、２、１、８、および７などのある他の個数の状態を使用して、すなわち、標本または量子化された正弦曲線の３つの半サイクルによって表すことができる。表２に、そのような実施形態の位相状態を示すが、表２は、標本について図４の位相状態図に基づくが、正弦曲線波形の３つの半サイクル（または任意の個数の半サイクル）を使用している。正弦曲線またはその半サイクルの一部もしくは倍数を、「基礎波形（ｂａｓｉｓ ｗａｖｅｆｏｒｍ）」と称する。当業者は、例えば三角波形または相互に直交する波形のセットなど、他の基礎波形を使用できることを理解する。

当業者は、表１から３で、Ｉチップ遷移およびＱチップ遷移が実質的に同時に発生し、したがって、Ｉ副搬送波およびＱ副搬送波が、それぞれ正弦波形および余弦波形の形になると仮定されていることを理解するであろう。しかし、レンジング符号チップ遷移が、実質的に同時に発生しない実施形態を実現することができる。さらに、レンジング符号チップ遷移が実質的に同時に発生しない状況で、Ｉレンジング符号チップおよびＱレンジング符号チップに対応する副搬送波を、量子化された正弦波の対の形をとるように配置することができる。

波形の１／２サイクルごとに４つのタイムサンプルがあることがわかる。段付き正弦波形は、基本的な拡散波形の副搬送波変調と見なすことができる。タイムサンプルおよび独立情報を担持するチャネルの個数は、搬送波信号がその表現に有する位相状態の個数に関連する。上の例では、「２のべき」である位相状態を使用したが、他の個数を使用する実施形態を実現することができる。例えば、６−ＰＳＫ搬送波信号を使用して、２つの独立の情報を担持するバイナリチャネルを搬送することができる。この場合に、３つの信号要素標本だけが、送信される符号チップごとに必要である。

当業者は、段付き正弦曲線を、正弦曲線の１／２サイクルと等しい各要素の持続時間を有する長方形波と置換することが、当技術分野で周知であることを理解する。上で示したように、これを「バイナリオフセット搬送波」変調と称する。通常は、ＢＯＣ記述に関連するもう２つの属性があり、これらは、符号チッピングレートの周波数およびオフセット副搬送波の周波数に関連する。その結果、ＢＯＣ（２，２）は、２．０４６ＭＨｚのチッピングレートおよび２．０４６ＭＨｚのオフセット副搬送波を有する波形として解釈される。この配置は、符号要素（チップ）ごとに正確に２つの副搬送波信号の１／２サイクルを有する。

本発明の実施形態のもう１つの態様は、マルチレベル波形である副搬送波のうちの少なくとも１つ、複数、またはすべてを用いる、レンジング符号を変調するための副搬送波のセットの使用に関する。当業者は、そのような実施形態を、もう１つの副搬送波信号による副搬送波信号の変調と考えることができる。追加の副搬送波の搬送波周波数ω_１を有するｉ番目の衛星またはシステムによって送信される結果として生じる信号は、
Ｓ_ｉ（ｔ）＝Ａ_ｍｓｃ_ｊｍ（ｔ）ｓｃ_ｉｍ（ｔ）ｍ_ｉ（ｔ）ｄ_ｉ（ｔ）ｃｏｓ（ω_１ｔ）＋Ａ_Ｃｓｃ_ｊｇ（ｔ）ｓｃ_ｉｇ（ｔ）ｇ_ｉ（ｔ）ｄ_ｉ（ｔ）ｓｉｎ（ω_ｉｔ）＝Ｉ_Ｓｉ（ｔ）＋Ｑ_Ｓｉ（ｔ）
という形を有し、ここで、
ｓｃ_ｉｍ（ｔ）およびｓｃ_ｊｍ（ｔ）は、それぞれ例えばＭコードなどの、第１および第２の副搬送波信号の第１レンジング符号を表し、
ｓｃ_ｉｇ（ｔ）およびｓｃ_ｊｇ（ｔ）は、例えばＧｏｌｄ符号などの、第１および第２の副搬送波信号の第２レンジング符号を表す。

ｓｃ_ｉｍ（ｔ）とｓｃ_ｉｇ（ｔ）が同一であるか異なる実施形態を実現できることに留意されたい。同様に、ｓｃ_ｊｍ（ｔ）とｓｃ_ｉｇ（ｔ）が同一であるか異なる実施形態を実現することができる。

ここで、

および

は、例えばｍコードおよびＧｏｌｄ符号など、第１および第２のレンジング符号の副搬送波の積である。

複数の副搬送波を使用することが可能であるが、実用的な実施形態は、通常、２つの副搬送波を使用する。副搬送波の対を使用する変調を、ダブルバイナリオフセット搬送波（Ｄｏｕｂｌｅ Ｂｉｎａｒｙ Ｏｆｆｓｅｔ Ｃａｒｒｉｅｒ、ＤＢＯＣ）変調と称する。３つの副搬送波を使用する変調を、トリプルバイナリオフセット搬送波（Ｔｒｉｐｌｅ Ｂｉｎａｒｙ Ｏｆｆｓｅｔ Ｃａｒｒｉｅｒ、ＴＢＯＣ）変調と称し、以下同様に、副搬送波のｎタプルを使用する変調を、Ｎタプルバイナリオフセット搬送波（Ｎ−ｔｕｐｌｅ Ｂｉｎａｒｙ Ｏｆｆｓｅｔ Ｃａｒｒｉｅｒ、ＮＢＯＣ）と称する。上で述べたように、副搬送波のうちの１つまたは複数を段付きすなわち、それぞれの位相状態に関連する大きさを有するものとすることができる。

本発明のこの態様の例として、図９に、波形の対９００を示す。図９では、ＮＢＯＣ発明の例示として、副搬送波基礎波形が、バイナリであると仮定され、単一の副搬送波波形９０２だけが図示されている。図９の時間持続時間は、５１２標本であり、１つの符号要素持続時間（チップ）の持続時間と正確に一致する。第１副搬送波９０２に、破線の波形によって示されるように、レンジング符号チップあたり４つの副搬送波の半サイクルが含まれる。これが唯一の副搬送波成分である場合には、変調は、ＢＯＣ（２ｘ，ｘ）タイプになり、ここで、ｘは、符号レート（チッピングレート）の周波数である。しかし、５１２サンプルあたり１６個の半サイクルを有する第２の副搬送波（図示せず）が、衛星信号の搬送波と組み合わされる変調された波形９０４を作り出すのに使用されたことを理解されたい。変調された波形は、実線の曲線によって示されている。この２つの副搬送波の変調（乗算）の結果として、生じる波形９０４は、第１副搬送波９０２で符号反転がある時に、必ず、第２副搬送波９０４に関する位相反転を有する。これは、図９の点９０６、９０８、および９１０で明瞭に明白であり、これらの点で、第２副搬送波（図示せず）は、反対になる。結果を生じさせる変調を、ダブルＢＯＣまたはＤＢＯＣと示す。図９の場合に、変調は、ＤＢＯＣ（８ｘ，（２ｘ，ｘ））である、すなわち、レンジング符号（図示せず）のチップあたり８つの第２副搬送波の半サイクルがある。主エネルギは、搬送波信号から周波数±８ｘ付近に集中し、ＢＯＣ風の２つのこぶがあるスペクトルを有する。

図１０を参照すると、パワースペクトルの対１０００が示されている。第１パワースペクトル１００２は、ＤＢＯＣ８（１６，（２，２））信号に関する。ＤＢＯＣ８（１６，（２，２））信号を作成するのに使用された第１副搬送波および第２副搬送波のうちの少なくとも１つに、８つの対応する位相状態から導出された振幅が含まれたことを理解されたい。図示の特定の実施形態では、第１副搬送波が、マルチレベル信号である。ＤＢＯＣ変調または副搬送波を表す用語が、ＤＢＯＣａ（ｂ，ｃ（ｄ，ｅ））であり、ここで、ａおよびｃが、それぞれ周波数ｂおよびｄを有する副搬送波の位相状態すなわち振幅の個数を表す。第２スペクトル１００４は、ＢＯＣ８（２，２）に関する。図示のスペクトルは、本発明の前の態様すなわち、マルチレベル副搬送波すなわち３つ以上の位相状態を有する副搬送波の、ダブルＢＯＣ概念と組み合わされた使用を使用して作り出された。図１０のスペクトルのＩ変調およびＱ変調の波形を、図１１に示す。図１１を参照すると、波形の対１１００が示されている。拡散波形のＩチャネルを表す波形の第１対１１０２に、実線によって表される段付きのまたはマルチレベルのＢＯＣ（２，２）信号１１０４と、破線によって表される１６ＭＨｚ副搬送波変調されたＢＯＣ（２，２）信号１１０６が含まれる。１６ＭＨｚ副搬送波変調されたＢＯＣ（２，２）信号が、ＢＯＣ８（２，２）すなわち段付きＢＯＣ（２，２）信号に、±１の振幅を有する１６ＭＨｚ長方形波形（図示せず）を乗ずることによって作り出されたことを理解されたい。Ｑチャネルを表す第２の波形１１０８に、１６ＭＨｚ副搬送波変調されたＢＯＣ（２，２）信号１１１２と一緒に直角位相ＢＯＣ（２，２）信号１１１０が含まれる。第１副搬送波１１０４または１１１０が、上で説明した本発明の実施形態による副搬送波であるが、両方の場合の第２副搬送波（図示せず）が、通常のバイナリ長方形波形すなわち従来の副搬送波であることを理解されたい。２つのＢＯＣ（２，２）副搬送波１１０４および１１１０とその結果の積すなわち１６ＭＨｚ副搬送波変調されたＢＯＣ（２，２）信号１１０６および１１１２の間にオーバーラップの領域１１１４があることを理解されたい。オーバーラップの領域１１１４内では、波形が、同一の振幅プロファイルを有する。

図１１に示された信号の実施形態の利益は、ＩチャネルまたはＩ成分が、ＤＢＯＣ８変調またはＤＢＯＣ８信号を作り出すか表すが、Ｑチャネルが、ＢＯＣ８変調を使用して作り出されたかＢＯＣ８変調を表すことである。しかし、この配置は、衛星から発する実質的に一定エンベロープの搬送波信号を保存するか提供する。

本発明の実施形態を、周期的である副搬送波信号に関して説明した。しかし、副搬送波信号に擬似ランダムノイズ信号が含まれる実施形態を実現することができる。さらに、副搬送波の形状が、段付き以外の形すなわち、マルチレベル波または正弦波形の量子化された近似の形をとる実施形態を実現することができる。例えば、当業者が、送信される信号のパワースペクトルおよび／または例えばＳＳＣまたは自己ＳＳＣなどの干渉の任意の適当な測定値に対して結果を生じさせる変調が有することを望む影響に従って、図１２に示された信号などのマルチレベルパルス波形、マルチレベル周期的波形、またはマルチレベル非周期的波形を使用することができる。

図１３を参照すると、本発明のさらなる実施形態による副搬送波波形１３００が、例えば別の副搬送波などの符号または他の波形の１チップ１３０２と共に示されている。この副搬送波に、１００ｎｓセクション内のＢＯＣ（５，１）波形の第１部分が、４００ｎｓ部分のＢＯＣ（１，１）波形の諸部分と組み合わされて含まれて、全体的な副搬送波が作り出されることを理解されたい。ＢＯＣ（５，１）波形のスペクトルが、５＊１．０２３ＭＨｚにピークを有し、ＢＯＣ（１，１）波形が、１＊１．０２３ＭＨｚにピークを有することを理解されたい。したがって、当業者は、ＢＯＣ副搬送波を選択的に組み合わせることによって、当業者が全体的な副搬送波のピークを位置決めするか再配置することが可能になることを理解する。やはり、例えばレンジング符号を変調するのに使用される副搬送波が、複数の搬送波から導出されることを理解されたい。図１３に関して説明する信号は、ＢＯＣ（５，１）副搬送波およびＢＯＣ（１，１）副搬送波から導出されたが、ＢＯＣ副搬送波の他の組合せを使用する実施形態を実現することができる。実際に、ＢＯＣ（５，１）およびＢＯＣ（１，１）信号が、多重化されまたは選択的に組み合わされて、全体的な副搬送波信号が作り出された。副搬送波の他のシーケンスを、送信される信号のパワースペクトルに対する所望の影響に従って実現できることを理解されたい。例えば、段付き変調の代わりに副搬送波として擬似ランダムシーケンスを使用することによって副搬送波を実現することができる。主拡散符号のシーケンスに対する追加シーケンスの使用は、これまでは、ティアドコード（ｔｉｅｒｅｄ ｃｏｄｅ）としての使用に制限されてきたが、このティアドコードは、すべての完全な符号反復インターバルの後に状態を変更する。ＧＰＳ Ｌ５符号は、１ｍｓ符号（１０２３０個のチップまたは要素の）を１０ｍｓまたは２０ｍｓに延長するために長さ１０または２０のノイマンホフマンシーケンスを使用して、この形で構成されている。サブ符号チップインターバルの使用は、以前には考慮されていない。完全なシーケンス（サブシーケンス）は、１符号チップの持続時間または多くとも複数の符号チップの持続時間を有する。完全なシーケンスは、放射のスペクトルを制御するという点で、前に説明した副搬送波変調に似た役割を履行する。そのようなサブシーケンスの特徴の１つが、そのようなシーケンスを衛星コンステレーションまたはそのコンステレーションのサブセットの間で共通するように選択することができることである。そのようなサブセットの１つを、システムの空間セグメントにローカル要素または増補を提供する地上送信器のグループとすることができる。例えば、結果として生じる信号のスペクトルに対する所望の効果に従って、１０サブチップインターバル内のシーケンス−＋＋＋＋−−−−＋またはレンジング符号チップもしくは他の副搬送波チップごとの＋１および−１の他のシーケンスを有する副搬送波振幅を実現することができる。７サブチップインターバルシーケンスなどの例に、＋＋−−−−−、＋＋＋−−−−、＋−＋−＋−−が含まれ、放射されるスペクトルに対する類似する制御を提供するように選択することができる。

図１４を参照すると、本発明の実施形態による送信器１４００が概略的に示されている。送信器１４００に、送信のためにレンジング符号を生成するか選択する手段１４０２すなわちジェネレータが含まれる。当業者は、そのようなレンジング符号を、例えば、シフトレジスタ実装によって生成できることを理解するであろう。レンジング符号選択および／または生成手段１４０２が、ｇ_ｉ（ｔ）およびｍ _ｉ （ｔ）を作り出すものとして図示されていることを理解されたい。これらの符号は、それぞれのミキサ１４０４および１４０６に供給される。ミキサ１４０４および１４０６は、本発明の実施形態に従って、レンジング符号を副搬送波と組み合わせるように配置されている。それぞれの副搬送波ジェネレータ１４０８および１４１０が、副搬送波を生成する。任意選択として、データ信号ｄ_ｉ（ｔ）も、レンジング符号および副搬送波と混合されることが好ましい。データ信号の１ビットの持続時間は、通常、符号反復インターバルの整数倍である。例えば、ＧＰＳ ＣＡコードでは、データ信号の１ビットの持続時間は、１ｍｓ符号反復インターバルの２０倍である、すなわち、データレートは５０ｂｐｓである。混合された信号１４１２および１４１４は、ミキサ１４１６および１４１８のもう１つの対に供給され、ここで、これらの信号が、発振器および位相シフタアセンブリ１４２０を介して作り出された同相信号および直交位相信号と混合される。さらなる混合された信号１４２２および１４２４が、コンバイナ１４２６を介して組み合わされ、適当なアップコンバータ１４２８による後続アップコンバージョンのために出力される。アップコンバータ１４２８からの出力は、高出力増幅器１４３０に供給され、その後、例えばレンジング符号を放射または送信するように配置された衛星または他のデバイスによる後続送信のために、適当なフィルタ１４３３によってフィルタリングされる。

図１５を参照すると、一実施形態による変調システム１５００の概略表現が示されている。システム１５００に、レンジング符号を作り出すレンジング符号ジェネレータ１５０２が含まれる。レンジング符号は、位相状態を含む第１ルックアップテーブル１５０４および振幅状態を含む第２ルックアップテーブル１５０６に供給される。位相状態ルックアプテーブル１５０４の出力は、位相変調器１５０８を駆動するのに使用され、位相変調器１５０８は、電圧制御発振器１５１０の位相を制御するために電圧信号を作り出す。発振器１５１０の出力は、例えば利得制御増幅器または乗算器などのコンバイナ１５１２を介して、振幅状態テーブル１５０６からの信号出力と組み合わされて、適当な特性を有する副搬送波が作り出される。

上の実施形態を、実質的に一定の信号エンベロープの維持に関して説明したが、実施形態は、これに制限されない。可変モジュラス信号エンベロープを使用する実施形態を実現することができる。（Ｉ^２＋Ｑ^２）^１／２の単位大きさを保つことを目指す上で説明した制約は、必ずしも適用される必要がないことを理解されたい。

上の実施形態を、同一のチッピングレートを有するＩチャネルおよびＱチャネルに関して説明した。しかし、実施形態は、そのような配置に制限されない。異なるチッピングレートを使用する実施形態を実現することができる。

本発明の実施形態を、Ｌ１周波数およびＬ２周波数に関して説明したが、実施形態は、そのような配置に制限されない。本発明を使用するシステムの要件に従って、他の周波数または周波数帯を使用できる実施形態を実現することができる。例えば、下側のＬ帯域（すなわち、Ｅ５ａおよびＥ５ｂ）、中央（すなわち、Ｅ６）、および上側Ｌ帯域（すなわち、Ｅ２−Ｌ１−Ｅ１）も、本発明の実施形態から利益を得ることができる。そのような実施形態が、上で説明した２つの成分ではなく、少なくとも３つの成分を有する信号を使用できることを理解されたい。

さらに、本発明の実施形態を、標準的なＢＯＣに関して説明した。しかし、当業者は、代替ＢＯＣを使用して実施形態を実現することもできることを理解した。

さらに、符号のチップあたりの副搬送波の半サイクルの個数を、奇数、偶数、チップの整数倍数、またはチップの非整数倍数すなわち、副搬送波半サイクル数とチップ持続時間の間の有理数関係のうちの少なくとも１つにすることができる実施形態を実現できることを理解されたい。

上で説明した本発明の実施形態は、本発明の送信側すなわち、１つまたは複数の副搬送波と組み合わされるレンジング符号の生成、変調、および送信時に焦点を合わせたものである。しかし、当業者は、その信号を受信し、処理するために逆のシステムおよび方法が必要であることを理解した。当業者が、そのような信号を送信するシステムを設計したならば、適当な受信器の設計は、単に、送信動作の逆である。したがって、本発明の実施形態は、上で説明したものなどの信号を処理する受信器にも関する。

読者の注意は、本願に関連する本明細書と同時に出願されたかその前に出願された、本明細書と共に公に自由に検査できるすべての論文および文書に向けられ、そのような論文および文書の内容は、参照によって本明細書に組み込まれている。

本明細書（添付請求項、要約、および図面を含む）に開示された特徴のすべておよび／またはそのように開示されたすべての方法または処理のすべてのステップを、そのような特徴および／またはステップの少なくとも一部が相互に排他的である組合せを除く任意の組合せで組み合わせることができる。

本明細書（添付請求項、要約、および図面を含む）に開示された特徴のそれぞれを、そうでないと明示的に述べられていない限り、同一の目的、同等の目的、または類似する目的のために働く代替の特徴に置換することができる。したがって、そうでないと明示的に述べられていない限り、開示された各特徴は、包括的な一連の同等の特徴または類似する特徴の一例にすぎない。

本発明は、前述の実施形態のいずれの詳細にも制限されない。本発明は、本明細書（添付請求項、要約、および図面を含む）に開示された新規の特徴またはその新規の組合せ、あるいはそのように開示されたすべての方法または処理のステップまたはその新規の組合せに拡張される。

レンジング符号の対のパワースペクトルを示す図である。 レンジング符号（ＢＰＳＫ−Ｒ１）信号およびＢＯＣ（１０，５）信号のパワースペクトルを示す図である。 マルチレベル副搬送波を示す図である。 本発明の実施形態による、マルチレベル副搬送波の少なくとも１つの対の位相状態を示す図である。 従来技術の副搬送波および本発明の実施形態による副搬送波のパワースペクトルを示す図である。 本発明の実施形態による副搬送波の位相状態を示す図である。 本発明の実施形態による同相副搬送波および直交位相副搬送波を示す図である。 本発明の実施形態による同相副搬送波および直交位相副搬送波を示す図である。 本発明の実施形態による副搬送波の位相状態を示す図である。 本発明の実施形態による副搬送波を示す図である。 本発明の実施形態による副搬送波のパワースペクトルを示す図である。 本発明の実施形態による副搬送波を示す図である。 本発明の実施形態による代替の副搬送波波形を示す図である。 本発明の実施形態によるさらなる代替の副搬送波波形を示す図である。 本発明の実施形態による副搬送波を使用する送信器を概略的に示す図である。 一実施形態による送信器のもう１つの実施形態を示す図である。

Claims (22)

1. 搬送波信号を含むナビゲーション信号を生成する方法であって、前記搬送波信号に少なくとも１つの副搬送波変調信号を乗ずるステップを含み、前記少なくとも１つの副搬送波変調信号は、ｍ個の位相コンステレーションから導出されるかこれに関連するｍ個の離散振幅レベルを含み、ｍ＞２であることを特徴とする方法。
2. ｍは、３、４、５、６、７、８、または９のうちの少なくとも１つから選択されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記少なくとも１つの副搬送波変調信号は、基礎波形を近似するかこれから導出されることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 前記基礎波形は、正弦波、余弦波、または三角形波形のうちの少なくとも１つであることを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 前記基礎波形は、前記ナビゲーション信号の所望の電力分布特性に従って選択されることを特徴とする請求項３または４に記載の方法。
6. 少なくとも１つの副搬送波は、少なくとも２つの相互に直交する副搬送波変調信号を含むことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の方法。
7. 少なくとも２つの副搬送波は、所定の位相関係を有する副搬送波の対を含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 少なくとも１つの副搬送波は、同相副搬送波および直交位相副搬送波を含むことを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の方法。
9. 実質的に一定の送信信号エンベロープを維持するために前記同相副搬送波および前記直交位相副搬送波のそれぞれの複数の振幅を決定するステップをさらに含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 複数の位相状態から、少なくとも１つの副搬送波に関連する振幅を導出するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の方法。
11. 前記位相状態は、単位円上で等しい角度で分布することを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 少なくとも１つの副搬送波の振幅の持続時間は、等しいことを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の方法。
13. 少なくとも１つの副搬送波の振幅の少なくとも１つの対の持続時間は、異なることを特徴とする請求項１から１２のいずれかに記載の方法。
14. 前記持続時間は、関連するクロック信号に従って量子化されることを特徴とする請求項１２から１３のいずれかに記載の方法。
15. 副搬送波の少なくとも１対は、相互に直交する軸に従って解かれた関連する複数の位相状態を定義するように協働することを特徴とする請求項１から１４のいずれかに記載の方法。
16. 前記複数の位相状態は、それぞれのレンジング信号に関連することを特徴とする請求項１５に記載の方法。
17. 前記複数の位相状態のうちの少なくとも一部のドウェルタイムは、等しくないことを特徴とする請求項１５および１６のいずれかに記載の方法。
18. 前記位相状態の第１グループは、第１ドウェルタイムを有し、前記位相状態の第２グループは、第２ドウェルタイムを有することを特徴とする請求項１５から１７のいずれかに記載の方法。
19. 前記ドウェルタイム、または前記第１ドウェルタイムおよび前記第２ドウェルタイムは、クロックに従って量子化されることを特徴とする請求項１７または１８に記載の方法。
20. 受信器システムであって、
    ナビゲーション信号を処理する手段を備え、
    前記ナビゲーション信号は少なくとも１つの副搬送波変調信号を乗じた搬送波信号であり、前記少なくとも１つの副搬送波変調信号はｍ個の離散振幅レベルを含み、ｍ＞２であることを特徴とする受信器システム。
21. ナビゲーション信号を処理する手段を備えた受信器システムであって、前記ナビゲーション信号は、少なくとも１つの副搬送波変調信号および少なくとも１つのレンジング信号を乗じた搬送波信号であり、前記少なくとも１つの副搬送波変調信号はｍ個の離散振幅レベルを含み、ｍ＞２であり、
    前記ナビゲーション信号を処理する手段は、
    前記ナビゲーション信号をダウンコンバートして、ダウンコンバート・ナビゲーション信号を生成するダウンコンバータと、
    前記ダウンコンバート・ナビゲーション信号を復調する復調器であって、前記ダウンコンバート・ナビゲーション信号をＩ成分とＱ成分に分離する復調器と、
    前記Ｉ成分と前記Ｑ成分を処理して前記少なくとも１つのレンジング信号を再生する手段と
    を備えたことを特徴とする受信器システム。
22. 請求項１から１９のいずれかに記載の方法をコンピュータに実行させるプログラムを記録したことを特徴とするコンピュータ可読記憶媒体。

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