JP4869022B2

JP4869022B2 - 衛星信号追尾装置及びそれを備えた衛星信号受信機

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Publication number: JP4869022B2
Application number: JP2006293440A
Authority: JP
Inventors: 勝男由井
Original assignee: Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2006-10-30
Filing date: 2006-10-30
Publication date: 2012-02-01
Anticipated expiration: 2026-10-30
Also published as: JP2008111684A

Description

本発明は、携帯電話機や車などの移動体に設置され、ＧＰＳなどの航法衛星からの衛星信号が屋内や高架下など非常に弱い環境の場合でも安定した周波数追尾を行い、その結果として安定した測位位置を出力できる衛星信号追尾装置、及びその衛星信号追尾装置を複数チャンネル備えた衛星信号受信機に関する。

地球を周回する航法衛星（人工衛星）までの距離及び当該航法衛星の軌道に関する情報を利用し、地球上の物体(以下「利用者」と呼ぶ)の位置、速度等を求めるシステムである米国のGlobal Positioning System(ＧＰＳ)等のGlobal Navigation Satellite System(ＧＮＳＳ)の衛星信号受信機において、衛星信号を捕捉する際に、受信する衛星信号が非常に弱い環境であっても衛星信号を順次サーチすることによって、低加速状態であることや数秒以上の観測時間を要する等の制約はあるものの、衛星信号を捕捉し測位位置を求められる捕捉手段が利用できるようになってきている。しかし、衛星信号の追尾中において加速度が高い状態（受信キャリア周波数が変化する状態）でもリアルタイムで測位可能になる簡易構成で高感度な追尾手段の実現が望まれている。

まず、衛星信号が非常に弱い環境下でその衛星信号をサーチする場合は、衛星信号を受信した受信信号に対してＰＮコード相関及びキャリア周波数相関が取られた相関信号を加算する加算時間を長くすることによって、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）を改善した加算相関信号を得、その加算相関信号に基づいてキャリア周波数相関に用いる局部発振器（キャリアＮＣＯ）の発振周波数信号の周波数（及び位相）を制御することが必要である。そのために、特許文献１にはコヒーレント加算とノンコヒーレント加算の２種類の加算処理を併用することが示されている。

コヒーレント加算は、Ｉ（搬送波正位相）相関信号とＱ（搬送波９０°移相）相関信号を各々そのまま加算する加算方法であり、大きなＳ／Ｎ比の改善が行える方法である。ＧＰＳでは２０ｍｓ毎しかＩ，Ｑ相関信号の反転は起こらないので、２０ｍｓまではコヒーレント加算が行える。

ノンコヒーレント加算は、Ｉ，Ｑ相関信号またはこれらをコヒーレント加算した信号の信号パワーＰ（＝Ｉ²＋Ｑ²、又は、＝（Ｉ²＋Ｑ²）^1/2）を加算していく方法である。この方法のＳ／Ｎ比の改善度はコヒーレント加算に劣るが、Ｉ，Ｑ相関信号の反転の影響を受けないため、衛星からの航法メッセージの反転パターンが未知の場合でもＳ／Ｎ比の改善が行える利点がある。

また、衛星信号をサーチ（捕捉）する場合、その受信信号に対してＰＮコードの同期とともにキャリア周波数同期を確保することが必要である。このサーチに要する時間を短くするために、特許文献２（特にその第２図）に示されるように、同一のＰＮコードに関して、複数の異なる周波数範囲毎に局部発振器（キャリアＮＣＯ）を含むキャリア周波数相関手段を設けて、同時に複数の周波数範囲をサーチすることが行われている場合がある。また、特許文献２（特に段落「０００７」）には、各々キャリアＮＣＯを含むキャリア周波数相関手段を用いる代わりに、航法データが変化しない区間内で高速フーリエ変換を用いて周波数を求めている場合もある。これらは、いずれも衛星信号のサーチに関するものであり、その構成として、キャリアＮＣＯを含むキャリア周波数相関手段を複数セット必要としたり、或いは高速フーリエ変換を実行するために回路規模が大きく且つ処理負荷が重くなる。なお、この特許文献２（特に段落「００１９」）では、追尾する際には、１つのキャリア周波数相関手段（直交周波数変換手段）のみを追尾用に使用し、他のキャリア周波数相関手段（直交周波数変換手段）はサーチ用に使用してサーチ時間短縮に利用している。

ベースバンドにおける信号の位相回転を除去するために、信号ベクトルＡｅ^j(ω^NT+φ⁾に逆転単位ベクトルｅ^-jω^NTを乗じることが、特許文献３（特に、図５，図８）に示されている。実際のＩ及びＱ成分（Ｉ＋ｊＱ）の逆転演算の実行は、乗部（ｃｏｓωＮＴ−ｊｓｉｎωＮＴ）を実数部と虚数部で表現し、次の式（１）により行われる。
（Ｉ＋ｊＱ）（ｃｏｓωＮＴ−ｊｓｉｎωＮＴ）
＝ＩｃｏｓωＮＴ＋ＱｓｉｎωＮＴ＋ｊＱｃｏｓωＮＴ−ｊＩｓｉｎωＮＴ（１）
この回転角ωＮＴは数値制御発振器からディジタルワードで与えられ、そのｃｏｓωＮＴ，ｓｉｎωＮＴの値はＰＲＯＭのテーブルが利用される。

また、ＧＰＳ受信装置においては、ＰＮコード（拡散符号）の同期が保持されている場合に、キャリア周波数の同期が保持されているか否かに拘わらず、キャリア周波数の周波数ずれ量Ｘと信号パワー（受信レベル）Ｐの間に、Ｐ∝（ｓｉｎＸ／Ｘ）²の関係が存在している。即ち、受信レベルＰは、キャリア周波数が受信信号と完全に一致している場合に最大となり、キャリア周波数から所定の周波数だけずれた周波数で最小となる（特許文献４、特に図１０）。

特許文献４では、追尾している衛星からの信号パワーが弱くなった場合に、１つのチャンネル回路によって同期保持を行う通常の追尾動作から、２つのチャンネル回路によって同期保持を行う動作に切り替える。２チャンネル回路による同期保持動作は、当該ＧＰＳ衛星の同期保持用に２つのチャンネル回路を確保する。本来のキャリア周波数であると予想される予想キャリア周波数よりも所定周波数βだけ高い周波数を一方のチャンネル回路Ｃ１に設定し、所定周波数βだけ低い周波数を他方のチャンネル回路Ｃ２に設定する。第１，第２のチャンネル回路Ｃ１，Ｃ２の受信レベルＰ１，Ｐ２を比較し、それらの受信レベルＰ１，Ｐ２が等しくなるように予想キャリア周波数を試行錯誤的に調整する。この受信レベルＰ１，Ｐ２が等しいときの予想キャリア周波数を、正しいキャリア周波数として追尾する。
米国特許第６，７２４，３４３号明細書特許第３，１０６，８２９号明細書特許第２，６２０，２１９号明細書特開２００３−２５５０３６号公報

ＧＰＳなどの衛星信号受信機の追尾手段の高感度化を行う場合において、一般的には衛星からの航法データの反転パターンは未知であるため航法データ周期（例、ＧＰＳでは２０ｍｓ）まではコヒーレント加算を行うことができる。しかし、コヒーレント加算の時間を延ばすことは、急激な周波数変化を検出できなくなり、加速度追従仕様を満足できなくなることから、従来では加速度追従仕様を満たす観点から通常５ｍｓ以下のコヒーレント時間が用いられている。したがって、Ｓ／Ｎ比の改善を十分に図ることができなかった。

また、周波数変化に関しては、予想キャリア周波数近傍の複数周波数の信号パワーの比較を行えれば急激な周波数変化にも一応対応することは可能である。しかし、常時、追尾状態を監視するには、通常の追尾動作を行うチャンネル回路とともに、同期保持用に２つのチャンネル回路を追加して追尾中常に、それら全てのチャンネル回路を動作させざるをえない。それらチャンネル回路は、局部発振器等を有するから、回路規模も大きくなり且つ消費電流も過大になってしまう。

本発明は、以上の点に鑑みてなされたものであり、追尾手段のコヒーレント加算時間を長くしてＳ／Ｎ比を向上するとともに、常時追尾状態を監視しつつ同期保持を可能とし、更に同期保持用の追加回路に局部発振器を不要として、回路規模や消費電流の増大を抑制できる衛星信号追尾装置を提供することを目的とする。また、その衛星信号追尾装置を複数備えた衛星信号受信機を提供することを目的とする。

請求項１に記載の衛星信号追尾装置は、周波数制御信号を受けてキャリア周波数信号を発生するキャリア局部発振器を含み、衛星信号を変換し入力される特定衛星信号に関する受信信号とＰＮコードとのコード相関及び前記キャリア周波数信号とのキャリア相関が採られ、１ｍｓ間のＩ相関信号とＱ相関信号とを同時に１ｍｓ毎に出力する１ｍｓ相関チャンネル回路と、
前記Ｉ相関信号とＱ相関信号を前記特定衛星信号の航法データの切り替わりタイミングに同期してコヒーレント加算を行い、前記Ｉ，Ｑ相関信号のＩコヒーレント加算値とＱコヒーレント加算値とを出力するコヒーレント加算器と、
前記Ｉ，Ｑコヒーレント加算値に基づいて前記周波数制御信号を決定するコスタスループ演算器と、
前記Ｉ相関信号とＱ相関信号に対して、複数の周波数候補に関してそれぞれ周波数変換された周波数変換Ｉ相関信号と周波数変換Ｑ相関信号を演算し出力する周波数演算器と、
前記周波数変換Ｉ相関信号と周波数変換Ｑ相関信号を受けて、各周波数候補毎に所定期間の信号パワーを累積加算した複数の累積信号パワーを求めて出力する複数の信号パワー積算器と、
前記複数の累積信号パワーの分布状況に基づいて、前記周波数制御信号における現在の追尾周波数と追尾すべき真の追尾周波数との周波数ずれ量を演算し、その周波数ずれ量に応じて前記周波数制御信号を補正する周波数ずれ・追尾周波数演算器と、を備え、
前記複数の信号パワー積算器は、
前記周波数変換Ｉ相関信号と周波数変換Ｑ相関信号を、前記特定衛星信号の航法データの切り替わりタイミングに同期して各周波数変換Ｉ相関信号と周波数変換Ｑ相関信号毎にそれぞれコヒーレント加算を行い、そのコヒーレント加算した周波数変換Ｉコヒーレント加算値び周波数変換Ｑコヒーレント加算値を記憶し出力する複数の周波数候補コヒーレント加算器と、
前記周波数変換Ｉコヒーレント加算値び周波数変換Ｑコヒーレント加算値から、各周波数候補毎にコヒーレント加算区間内の信号パワーを求め、各周波数候補毎にその信号パワーの所定回数の累積加算を行って累積信号パワーを求めて出力する複数の周波数候補ノンコヒーレント加算器と、を含むことを特徴とする。

請求項２に記載の衛星信号受信機は、請求項１に記載の衛星信号追尾装置を追尾すべき衛星に応じて２つ以上備えることを特徴とする。

本発明の衛星信号追尾装置、衛星信号受信機によれば、追尾手段のコヒーレント加算時間を長くしてＳ／Ｎ比を向上できるとともに、常時追尾状態を監視しつつ同期保持を可能とする。更に、同期保持用の追加回路に局部発振器を不要として、回路規模や消費電流の増大を抑制できる。

以下、本発明を実施するための実施形態について、ＧＰＳを例として説明する。本発明の衛星信号追尾装置は、衛星信号の追尾、特にキャリア周波数追尾に関するものであり、この追尾時のキャリア周波数の周波数チェック範囲と捕捉時（サーチ時）のキャリア周波数の周波数チェック範囲とは、大きく異なっており、その違いをまず説明する。

サーチ時には、特許文献２にも記載されているように、ＰＮコードの周期が１ｍｓであることにより、その周波数対相関出力値の関係からｋＨｚ単位（例えば、１ｋＨｚ刻み）での周波数チェックが行われる。この場合には、特許文献２の図２のように、同一のＰＮコードに関して１ｋＨｚ刻みに複数の局部発振器（キャリアＮＣＯ）を含むキャリア周波数相関手段を設けて、同時に複数の周波数範囲をサーチする。１ｋＨｚの周波数変更に伴い１ｍｓ間の加算相関値も大きく変動するため、数１０ＭＨｚ以上のサンプリング周波数（局部発振周波数）で動作する局部発振器が、キャリア周波数相関手段の数だけ必要となる。

一方、追尾時においては、搭載された車両などの移動により追尾すべき真の周波数が急激に変化したとしても通常数１０Ｈｚ／ｓｅｃ以内である。したがって、数１０Ｈｚ以内の範囲で追尾周波数ずれが計測できれば良い。追尾周波数が数１０Ｈｚ程度以内の周波数ずれであれば、その１ｍｓ間の加算相関値への影響は数％以下であり、ほとんど問題ないと言える。

例えば、衛星信号の周波数追尾において、２０ｍｓコヒーレント加算を行う場合、１ｍｓ加算相関値に関して、例えば１０Ｈｚ分の周波数変換を施して得られた加算相関値を所定時間分コヒーレント加算した加算結果と、局部発振器（キャリアＮＣＯ）を利用して周波数を同じく１０Ｈｚ分ずらした加算相関値を所定時間分コヒーレント加算した加算結果とは、ほぼ同じ結果となる。

本発明の衛星信号追尾装置は、この知見に基づいて、１ｍｓ加算相関値に関して、数Ｈｚ〜数１０Ｈｚ分の周波数変換を施して得られた複数の加算相関値をそれぞれ所定時間分コヒーレント加算した複数の加算結果を利用して、追尾すべき真の周波数と現在の追尾している周波数との周波数ずれ量を求めて、その周波数ずれ量に応じて現在の追尾している周波数を補正する。本発明では、このように、従来の追尾装置で得られる１ｍｓ間の加算相関値を単に周波数変換して用いることで、追加の局部発振器（キャリアＮＣＯ）等を不要として、回路規模や消費電流の大幅削減を実現している。

以下、図１，図２を参照して、本発明の衛星信号追尾装置の実施例について説明する。図１において、衛星からアンテナ１０１に到来した衛星信号は、ダウンコンバータ１０２で中間周波数に変換され、Ａ／Ｄ変換回路１０３にてディジタル処理のためにディジタル信号に変換され、受信信号としてキャリアＮＣＯ２を含む１ｍｓ相関チャンネル回路１に入力される。

１ｍｓ相関チャンネル回路１は、周波数制御信号Ｆｏｕｔを受けてキャリア周波数信号を発生するキャリア局部発振器２を含み、衛星信号を変換し入力される特定衛星信号に関する受信信号とＰＮコードとのコード相関及び前記キャリア周波数信号とのキャリア相関が採られ、１ｍｓ間のＩ相関信号Ｉ０ｉとＱ相関信号Ｑ０ｉとを同時に１ｍｓ毎に出力する。この１ｍｓ相関チャンネル回路１は、従来のＧＰＳ受信機で使用されているものと同様のものでよい。念のためにその主要構成について例示する。

即ち、受信しようとする衛星のＰＮコードと同一のＰＮコードをコード発生器で発生し、受信信号と発生したＰＮコードとをコード相関器で相関を採る。このコード相関器の相関値が最大となるようにコードＮＣＯにてコード発生器のＰＮコード位相を制御するように遅延ロックループ（ＤＬＬ）を構成する。このコード相関器の出力は、Ｉキャリア相関器にてキャリアＮＣＯ２で発生したＩキャリア周波数信号と、またＱキャリア相関器にてキャリアＮＣＯ２で発生したＱキャリア周波数信号とそれぞれ相関が採られて相関値を出力する。Ｉキャリア相関器の出力はレジスタなどで構成されるＩ１ｍｓ積分器で積分され、１ｍｓ間のＩ加算相関値Ｉ０ｉとして１ｍｓ毎に出力される。同様に、Ｑキャリア相関器の出力はＱ１ｍｓ積分器で積分され、１ｍｓ間のＱ加算相関値Ｑ０ｉとして１ｍｓ毎に出力される。

１ｍｓ相関チャンネル回路１から出力されるＩ，Ｑ加算相関値Ｉ０ｉ，Ｑ０ｉは真に追尾されるべき真追尾周波数と、その時点でキャリアＮＣＯ２から出力されている現追尾周波数との周波数差、位相差に応じた周波数成分を持つことになる。現追尾周波数が真追尾周波数に等しい場合には、Ｉ，Ｑ加算相関値Ｉ０ｉ，Ｑ０ｉの周波数成分は理想的には零になる。

Ｎｍｓコヒーレント加算器３では、１ｍｓ相関チャンネル回路１から１ｍｓ間のＩ，Ｑ加算相関値Ｉ０ｉ，Ｑ０ｉが出力される毎にＩ加算相関値Ｉ０ｉ及びＱ加算相関値Ｑ０ｉのコヒーレント加算を、Ｎｍｓ間だけ行う。具体的には、衛星からの航法データの切替タイミング（エッジ情報）の間だけ、コヒーレント加算を行う。そして、エッジタイミングになった時に、Ｎｍｓ（例えば２０ｍｓ）毎に、そのコヒーレント加算結果であるＩ，Ｑコヒーレント加算値Ｉｃｉ，Ｑｃｉを出力し、その後の次回コヒーレント区間での積算のために内部加算結果をリセットする。

エッジ情報発生器１１からエッジ情報が、供給される。このエッジエッジ情報は、概略のユーザ位置（即ち、衛星信号追尾装置の存在位置）、衛星軌道情報が既知で、１つ以上の衛星信号の強い衛星に追尾している条件下であれば全衛星のエッジ位置は正確に求められる。その求め方は例えば、（１）通常感度の衛星を１衛星以上追尾してＧＰＳ時刻を得る、（２）アシスト情報から得られるエフェメリス情報（衛星軌道情報）を用いて、現在時刻におけるＧＰＳ衛星位置を求める、（３）概略のユーザ位置を用い、ＧＰＳ衛星と現在位置間の距離差を求め、それを光速で割ってＧＰＳ衛星からの信号が到達するまでの時間を求める、（４）その時間をエッジ間隔で割ったあまりの時間Ｔ２を求め、その値を切替タイミングとして記憶する、（５）ＧＰＳ時刻をエッジ間隔で割った余りが値Ｔ２になったときに切り替える、ことにより得られる。

コスタスループ演算器４は、コヒーレント加算時間分Ｓ／Ｎ比が改善されたＩ，Ｑコヒーレント加算値Ｉｃｉ，Ｑｃｉに基づいて、キャリアＮＣＯ２へ与えるキャリア周波数制御信号Ｆｏｕｔを決定する。

このコスタスループ演算器４、キャリアＮＣＯ２を含む１ｍｓ相関チャンネル回路１，Ｎｍｓコヒーレント加算器３によってコスタスループが形成される。このコスタスループは、閉ループ制御であり、コヒーレント加算時間はＮｍｓ（＝２０ｍｓ）であるためにＳ／Ｎ比が改善されるから、衛星信号が弱い場合にも精度良いキャリア周波数制御信号Ｆｏｕｔ、即ち高精度のキャリア周波数を得ることができるし、また、リアルタイムの周波数追尾が行える。

周波数変換装置５と各候補周波数設定装置６により構成される周波数演算器は、Ｉ相関信号Ｉ０ｉとＱ相関信号Ｑ０ｉに対して、複数の周波数候補Ｆｃ１〜Ｆｃｋに関してそれぞれ周波数変換された周波数変換Ｉ相関信号Ｉ０ｃ１〜Ｉｏｃｋと周波数変換Ｑ相関信号Ｑ０ｃ１〜Ｑｏｃｋを演算し出力する。

各候補周波数設定装置６は、Ｉ，Ｑ相関信号Ｉ０ｉ，Ｑ０ｉが有している相関信号周波数Ｆｔに加算または減算する複数の候補周波数Ｆｃ１〜Ｆｃｋを、周波数変換装置５に指示する。候補周波数Ｆｃ１〜Ｆｃｋとしては、０Ｈｚを中心として数Ｈｚ〜数１０Ｈｚ間隔で正及び負の周波数が用意される。これらの複数の候補周波数Ｆｃ１〜Ｆｃｋは、或る周波数間隔Ｂ［Ｈｚ］毎に用意されていることがよい。

周波数変換装置５では、１ｍｓ相関チャンネル１からのＩ，Ｑ相関信号Ｉ０ｉ，Ｑ０ｉを、各各候補周波数設定装置６で設定された候補周波数Ｆｃ１〜Ｆｃｋに基づいて周波数変換を行い、周波数変換されたＩ，Ｑ相関信号Ｉ０ｃ１〜ｋ，Ｑ０ｃ１〜ｋを周波数毎、例えばＦ１＝Ｆｔ−Ｆｃ１、Ｆ２＝Ｆｔ−Ｆｃ２、Ｆ３＝Ｆｔ＋Ｆｃ３、Ｆ４＝Ｆｔ＋Ｆｃ４、Ｆ５＝Ｆｔ＋Ｆｃ５、に出力する。

この周波数変換装置５における周波数変換は、例えば特許文献３の図８に示され、式（１）に示したと同様に、Ｉ相関信号Ｉ０ｉ及びＱ相関信号Ｑ０ｉに、乗部（ｃｏｓωＮＴ−ｊｓｉｎωＮＴ）を乗じて、その実数部を周波数変換Ｉ相関信号Ｉ０ｃ１〜Ｉｏｃｋとし、その虚数部を周波数変換Ｑ相関信号Ｑ０ｃ１〜Ｑｏｃｋとする。この回転角ωＮＴは、各候補周波数に合わせてそれぞれ数値制御発振器からディジタルワードで与えられ、そのｃｏｓωＮＴ，ｓｉｎωＮＴの値はＲＯＭのテーブルを利用することができる。

この周波数変換装置５における周波数変換の処理は、対象とするＩ，Ｑ相関信号Ｉ０ｉ，Ｑ０ｉが１ｍｓ毎と非常に遅い周期で行えば良く、また、各候補周波数について１つの変換回路で順次時分割的に処理すれば良いので、極めて小さい回路で実行できるし、消費電流も極めて少なくできる。このことは、局部発振器（キャリアＮＣＯ）を利用して複数の候補周波数に関して周波数変換を行う場合と比較すると、その優位さは明らかである。

複数の周波数候補Ｎｍｓコヒーレント加算器７１〜７ｋと複数の周波数候補Ｍ回ノンコヒーレント加算器８１〜８ｋで構成される複数の信号パワー積算器は、周波数変換Ｉ相関信号Ｉ０ｃ１〜Ｉ０ｃｋと周波数変換Ｑ相関信号Ｑ０ｃ１〜Ｑ０ｃｋを受けて、各周波数候補Ｆｃ１〜Ｆｃｋ毎に所定期間の信号パワーを累積加算した累積信号パワーＰ１〜Ｐｋを求めて出力する。

複数の周波数候補Ｍｍｓコヒーレント加算器７１〜７ｋは、Ｎｍｓコヒーレント加算器３と同様に、周波数変換Ｉ相関信号Ｉ０ｃ１〜Ｉｏｃｋと周波数変換Ｑ相関信号Ｑ０ｃ１〜Ｑｏｃｋを、衛星信号の航法データの切り替わりタイミング（エッジ情報）に同期して各周波数変換Ｉ相関信号Ｉ０ｃ１〜Ｉｏｃｋと周波数変換Ｑ相関信号Ｑ０ｃ１〜Ｑｏｃｋ毎にそれぞれコヒーレント加算を行い、そのコヒーレント加算した周波数変換Ｉコヒーレント加算値び周波数変換Ｑコヒーレント加算値を記憶し出力する。

また、各周波数候補のＭ回ノンコヒーレント加算器８１〜８ｋでは、周波数変換Ｉコヒーレント加算値及び周波数変換Ｑコヒーレント加算値から、各周波数候補Ｆｃ１〜Ｆｃｋ毎にコヒーレント加算区間内の信号パワーを「Ｉ²＋Ｑ²」または「（Ｉ²＋Ｑ²）^1/2」で求め、各周波数候補Ｆｃ１〜Ｆｃｋ毎にその信号パワーの所定回数Ｍ（例えば、Ｍは数１０回以上）の累積加算を行って累積信号パワーＰ１〜Ｐｋを求めて、周波数ずれ＆追尾周波数演算器９に出力する。

なお、候補周波数Ｆｃ１〜Ｆｃｋには、候補周波数「０」の場合を含み、周波数候補コヒーレント加算器７１〜７ｋの１つ及び周波数候補のＭ回ノンコヒーレント加算器８１〜８ｋの１つが候補周波数「０」に対応するものとして説明した。しかし、候補周波数Ｆｃ１〜Ｆｃｋには候補周波数「０」の場合を含まず、周波数候補コヒーレント加算器７１〜７ｋにも候補周波数「０」に対応するものを有しないものとし、その代わりに、Ｎｍｓコヒーレント加算器３から出力されるＩ，Ｑコヒーレント加算値Ｉｃｉ，Ｑｃｉを、周波数候補のＭ回ノンコヒーレント加算器８１〜８ｋの１つに候補周波数「０」に対応するものとして入力することとしても良い。

周波数ずれ・追尾周波数演算器９は、累積信号パワーＰ１〜Ｐｋの分布状況に基づいて、周波数制御信号Ｆｏｕｔにおける追尾すべき真の追尾周波数との周波数ずれ量を演算し、その周波数ずれ量に応じて周波数制御信号Ｆｏｕｔを補正する。この周波数制御信号Ｆｏｕｔの平均周波数Ｆｍｅａｎを、平均周波数演算器１０によって所定の平均化時間、例えば２０ｘＭ［ｍｓ］、に亘って求める。

周波数ずれ・追尾周波数演算器９では、まずＮｘＭｍｓ毎に各周波数候補に対応する信号パワーＰ１〜Ｐｋの分布に基づいて、平均周波数Ｆｍｅａｎと追尾すべき真の周波数との周波数ずれ量を求め、その周波数ずれ量に信号パワーの大きさも考慮して新たに追尾するべき補正周波数制御信号Ｆｍｏｄを決定する。この補正周波数制御信号Ｆｍｏｄを、コスタスループ演算器４に与えて、新たな周波数制御信号Ｆｏｕｔとして、以後の追尾を継続する。

ここで、平均周波数Ｆｍｅａｎを用いるのは、測定対象（自動車など）及び衛星の移動に伴うドップラー周波数変化があり、周波数ずれ＆追尾周波数演算器９で求められるずれ量は、ＮｘＭ［ｍｓ］間の平均周波数ずれ量であることに対応させるためである。

また、周波数ずれ量に信号パワーの大きさも考慮するのは、周波数ずれ＆追尾周波数演算器９で求められる周波数ずれ量の信頼度が信号パワーに依存するためであり、例えば補正周波数制御信号Ｆｍｏｄ＝平均周波数Ｆｍｅａｎ＋Ｋｗ・周波数ずれ量、のように求められる。即ち、信号パワーが大きい場合には周波数ずれ量の信頼度が高いので重み付け値Ｋｗを大きくし、逆に信号パワーが小さい場合には周波数ずれ量の信頼度が低いので重み付け値Ｋｗを小さくすることがよい。

周波数ずれ・追尾周波数演算器９における周波数ずれ量の求め方の１例を、図２の５つの各周波数候補Ｆｃ１〜Ｆｃ５に対応する周波数Ｆ１〜Ｆ５の信号パワーＰ１〜Ｐ５の分布に基づいて説明する。

信号パワーＰ１〜Ｐ５は理想的には、（ｓｉｎＷ／Ｗ）²の理論式にしたがって図２のように分布する。ここで、Ｗは、周波数に対応する変数である。

図２のように、周波数Ｆ１〜Ｆ５に対する信号パワーＰ１〜Ｐ５が得られたとする。まず、最大となるパワーＰｍａｘ（ここでは、Ｐ３）と、第２番目に大きいパワーとなるＰ２ｎｄ（ここでは、Ｐ２）を求める。これらの実際パワー比Ｅｒ＝Ｐ２ｎｄ／Ｐｍａｘが周波数ずれ量に依存する。一方、種々の模擬パワー比Ｅｉ（Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，・・・）に対応する周波数ずれ量を、信号パワー分布から予め計算しておく、或いはその近似式を記憶しておく。

そして、実際に得られたパワー比Ｅｒに近い模擬パワー比Ｅｉを探して、その模擬パワー比Ｅｉに対応する周波数ずれ量を、求める周波数ずれ量として決定する。

なお、最大パワーＰｍａｘ（Ｐ３）が得られた周波数Ｆ３が現在追尾している周波数であるときは、単に実際パワー比Ｅｒに近い模擬パワー比Ｅｉに対応する周波数ずれ量を求めればよい。しかし、最大パワーＰｍａｘ（Ｐ３）が得られた周波数Ｆ３が現在追尾している周波数より例えば±Ｂだけ離れた周波数Ｆ４やＦ２である場合には、実際パワー比Ｅｒに近い模擬パワー比Ｅｉに対応する周波数ずれ量に離れた周波数±Ｂを加算または減算して、求める周波数ずれ量を決定する。

このように、本発明では、複数の周波数の信号パワーの比を用いて直ちに周波数ずれ量を求めるから、特許文献４におけるように予想キャリア周波数を試行錯誤的に調整するものと比べても決定に要する時間が短く、また別チャンネル回路の相関器などは不要である等、本発明の優れていることは明らかである。

本発明の衛星信号追尾装置では、コスタスループにおいて、衛星からの航法データ周期（例、ＧＰＳでは２０ｍｓ）まではコヒーレント加算時間を延ばすことによりＳ／Ｎ比を向上させて、ＧＰＳなどの衛星信号受信機の追尾手段の高感度化を行っている。

一方で、コヒーレント加算時間を延ばすことは、従来装置では急激な周波数変化を検出できなくなり、加速度追従仕様を満足できなっていた。本発明ではこの欠点を、周波数演算器（周波数変換装置５，各候補周波数設定装置６）、複数の信号パワー積算器（周波数候補Ｎｍｓコヒーレント加算器７１〜７ｋ，周波数候補Ｍ回ノンコヒーレント加算器８１〜８ｋ）、周波数ずれ＆追尾周波数演算器９を設けて、衛星信号の強弱に関係なく常時、周波数ずれ量を求めている。

したがって、急激な周波数変化が発生して、例えコスタスループの追尾周波数が真に追尾するべき周波数と異なった周波数に追尾してしまったとしても、直ちに周波数ずれ量が検出されるから、速やかに且つ自動的に真に追尾すべき周波数に追尾する。また、そのための周波数演算器（周波数変換装置５，各候補周波数設定装置６）には、局部発振器を用いる必要がない。

なお、信号パワーＰ１〜Ｐｋが低い場合には、周波数ずれ＆追尾周波数演算器９で求められた周波数ずれ量の信頼性は低くなるので、前回の周波数ずれ量測定値からの周波数変化量に、信号パワーの大きさに応じて制限を設けても良い。

また、周波数ずれ量の加速度変化を考慮して、コスタスループ演算器４に出力する周波数Ｆｍｏｄを決めても良い。

本発明の衛星信号追尾装置をハードウエアで実現する構成に代えて、それらの処理の一部或いは全部をソフトウエア処理で行っても良い。

以上の説明は１台の衛星信号追尾装置に関するものであるが、同様の衛星信号追尾装置を更に追加して、それら追加された衛星信号追尾装置にＡ／Ｄ変換器１０３からの受信信号を供給する。それら複数の衛星信号追尾装置に異なる衛星からの衛星信号を追尾するようにして、複数の衛星信号追尾装置を備えた衛星信号受信機を構成する。

本発明の実施例に係る衛星信号追尾装置の全体構成図周波数ずれ量の求め方の１例を説明するための図

符号の説明

１０１アンテナ
１０２ダウンコンバータ
１０３Ａ／Ｄ変換器
１１ｍｓ相関チャンネル回路
２キャリアＮＣＯ
３Ｎｍｓコヒーレント加算器
４コスタスループ演算器
５周波数変換装置
６各候補周波数設定装置
７１〜７ｋ周波数候補のＮｍｓコヒーレント加算器
８１〜８ｋ周波数候補のＭ回ノンコヒーレント加算器
９周波数ずれ＆追尾周波数演算器
１０平均周波数演算器
１１エッジ情報発生器

Claims

周波数制御信号を受けてキャリア周波数信号を発生するキャリア局部発振器を含み、衛星信号を変換し入力される特定衛星信号に関する受信信号とＰＮコードとのコード相関及び前記キャリア周波数信号とのキャリア相関が採られ、１ｍｓ間のＩ相関信号とＱ相関信号とを同時に１ｍｓ毎に出力する１ｍｓ相関チャンネル回路と、
前記Ｉ相関信号とＱ相関信号を前記特定衛星信号の航法データの切り替わりタイミングに同期してコヒーレント加算を行い、前記Ｉ，Ｑ相関信号のＩコヒーレント加算値とＱコヒーレント加算値とを出力するコヒーレント加算器と、
前記Ｉ，Ｑコヒーレント加算値に基づいて前記周波数制御信号を決定するコスタスループ演算器と、
前記Ｉ相関信号とＱ相関信号に対して、複数の周波数候補に関してそれぞれ周波数変換された周波数変換Ｉ相関信号と周波数変換Ｑ相関信号を演算し出力する周波数演算器と、
前記周波数変換Ｉ相関信号と周波数変換Ｑ相関信号を受けて、各周波数候補毎に所定期間の信号パワーを累積加算した複数の累積信号パワーを求めて出力する複数の信号パワー積算器と、
前記複数の累積信号パワーの分布状況に基づいて、前記周波数制御信号における現在の追尾周波数と追尾すべき真の追尾周波数との周波数ずれ量を演算し、その周波数ずれ量に応じて前記周波数制御信号を補正する周波数ずれ・追尾周波数演算器と、を備え、
前記複数の信号パワー積算器は、
前記周波数変換Ｉ相関信号と周波数変換Ｑ相関信号を、前記特定衛星信号の航法データの切り替わりタイミングに同期して各周波数変換Ｉ相関信号と周波数変換Ｑ相関信号毎にそれぞれコヒーレント加算を行い、そのコヒーレント加算した周波数変換Ｉコヒーレント加算値び周波数変換Ｑコヒーレント加算値を記憶し出力する複数の周波数候補コヒーレント加算器と、
前記周波数変換Ｉコヒーレント加算値び周波数変換Ｑコヒーレント加算値から、各周波数候補毎にコヒーレント加算区間内の信号パワーを求め、各周波数候補毎にその信号パワーの所定回数の累積加算を行って累積信号パワーを求めて出力する複数の周波数候補ノンコヒーレント加算器と、を含むことを特徴とする、衛星信号追尾装置。
請求項１に記載の衛星信号追尾装置を追尾すべき衛星に応じて２つ以上備えることを特徴とする、衛星信号受信機。