JP5519223B2 - Satellite signal receiver - Google Patents
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Description
この発明は、衛星からの信号を追尾する複数の追尾チャンネルを有する衛星信号受信装置に関する。 The present invention relates to a satellite signal receiving apparatus having a plurality of tracking channels for tracking a signal from a satellite.
従来より、GPS(Global Positioning System)やGalileo等のGNSS(Global Navigation Satellite System)において、衛星信号受信装置は、複数の衛星から送信される信号(衛星信号)を複数の追尾チャンネルを用いてそれぞれ追尾し、追尾により得られた衛星からの情報を用いて該衛星信号受信装置の位置(受信機位置)を求める。 Conventionally, in a GNSS (Global Navigation Satellite System) such as GPS (Global Positioning System) or Galileo, a satellite signal receiver uses a plurality of tracking channels to track signals (satellite signals) transmitted from a plurality of satellites. Then, the position (receiver position) of the satellite signal receiving device is obtained using information from the satellite obtained by tracking.
この場合、各追尾チャンネルは、PLL(Phase Locked Loop)制御やFLL(Frequency Locked Loop)制御により信号中の搬送波を追尾する搬送波追尾ループと、DLL(Delay Locked Loop)制御により前記信号中のコードを追尾するコード追尾ループとをそれぞれ備え、追尾チャンネル毎に独立して信号中の搬送波やコードを追尾する。 In this case, each tracking channel has a carrier tracking loop that tracks a carrier in a signal by PLL (Phase Locked Loop) control or FLL (Frequency Locked Loop) control, and a code in the signal by DLL (Delay Locked Loop) control. A code tracking loop for tracking is provided, and a carrier wave and a code in a signal are tracked independently for each tracking channel.
従って、信号レベルが比較的強い強信号(雑音よりも信号レベルが強い衛星信号)を追尾する追尾チャンネルでは、該強信号に対する追尾性能を確保できるが、一方で、信号レベルが比較的弱い弱信号(雑音に埋もれてしまうような信号レベルの衛星信号)を追尾する追尾チャンネルでは、追尾性能が劣化して追尾が不安定になり、この結果、前記弱信号ではなく、前記雑音を誤追尾するおそれがある。 Therefore, in a tracking channel that tracks a strong signal having a relatively strong signal level (a satellite signal having a signal level stronger than noise), tracking performance for the strong signal can be ensured, but on the other hand, a weak signal having a relatively weak signal level. In a tracking channel that tracks (satellite signal of a signal level buried in noise), the tracking performance deteriorates and the tracking becomes unstable, and as a result, there is a possibility that the noise is tracked erroneously instead of the weak signal. There is.
そこで、特許文献1には、強信号を追尾する追尾チャンネルから出力された該強信号に関わる追尾情報を利用することで、弱信号を追尾する追尾チャンネルの追尾処理を支援して、当該追尾チャンネルの追尾性能を改善することが提案されている。
Therefore,
ところで、衛星信号受信装置を移動体に搭載する場合、あるいは、衛星信号受信装置を具備する携帯端末をユーザが所持する場合に、前記移動体又は前記ユーザが移動すると、前記衛星信号受信装置も移動することになるので、衛星に対する前記衛星信号受信装置の相対位置の変化に起因したドップラーシフトによって信号の受信周波数が変化する。 By the way, when the satellite signal receiving device is mounted on the mobile body or when the user has a portable terminal equipped with the satellite signal receiving device, the satellite signal receiving device also moves when the mobile body or the user moves. Therefore, the signal reception frequency changes due to the Doppler shift caused by the change in the relative position of the satellite signal receiving apparatus with respect to the satellite.
しかしながら、特許文献1の技術では、衛星信号受信装置の移動を何ら想定していないので、移動する衛星信号受信装置が弱信号を受信した際の前記弱信号に対する追尾性能の改善を図ることは困難である。
However, since the technique of
この発明は、このような問題を考慮してなされたものであり、移動可能な衛星信号受信装置において、弱信号に対する追尾性能を向上することが可能となる衛星信号受信装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of such a problem, and an object of the present invention is to provide a satellite signal receiver capable of improving tracking performance for weak signals in a movable satellite signal receiver. And
この発明に係る衛星信号受信装置は、衛星からの信号を追尾する複数の追尾チャンネルを有する衛星信号受信装置において、
前記各追尾チャンネルは、前記信号中の搬送波を追尾して該搬送波に関わる追尾情報を出力する搬送波追尾ループと、該信号中のコードを追尾するコード追尾ループとをそれぞれ備え、
前記衛星信号受信装置は、信号レベルが比較的強い強信号を追尾する追尾チャンネルの搬送波追尾ループから出力された追尾情報に基づいて前記衛星信号受信装置の移動速度を推定する速度推定器と、前記移動速度に基づいて信号レベルが比較的弱い弱信号の受信周波数を推定し、前記弱信号を追尾する追尾チャンネルに前記推定した受信周波数を出力する周波数推定器とをさらに有し、
前記弱信号を追尾する追尾チャンネルの搬送波追尾ループは、前記周波数推定器が推定した前記受信周波数を用いて前記弱信号中の搬送波を追尾し、一方で、当該追尾チャンネルのコード追尾ループは、該受信周波数を用いて前記弱信号中のコードを追尾することを特徴としている。
A satellite signal receiving device according to the present invention is a satellite signal receiving device having a plurality of tracking channels for tracking a signal from a satellite.
Each tracking channel includes a carrier tracking loop that tracks a carrier wave in the signal and outputs tracking information related to the carrier wave, and a code tracking loop that tracks a code in the signal, respectively.
The satellite signal receiving device is configured to estimate a moving speed of the satellite signal receiving device based on tracking information output from a carrier tracking loop of a tracking channel that tracks a strong signal having a relatively strong signal level; A frequency estimator that estimates a reception frequency of a weak signal having a relatively weak signal level based on a moving speed and outputs the estimated reception frequency to a tracking channel that tracks the weak signal;
The carrier tracking loop of the tracking channel that tracks the weak signal tracks the carrier in the weak signal using the reception frequency estimated by the frequency estimator, while the code tracking loop of the tracking channel It is characterized in that a code in the weak signal is tracked using a reception frequency.
この発明によれば、速度推定器が強信号の追尾情報を利用して衛星信号受信装置の移動速度を推定し、周波数推定器が前記移動速度を利用して弱信号の受信周波数を推定するので、前記弱信号を追尾する追尾チャンネルは、前記受信周波数を利用して前記弱信号(の搬送波及びコード)を確実に追尾することができる。従って、この発明では、衛星信号受信装置が移動する場合であっても、受信した弱信号に対する追尾性能を確実に向上して、該弱信号であっても安定に追尾することが可能となる。 According to the present invention, the speed estimator uses the tracking information of the strong signal to estimate the moving speed of the satellite signal receiving device, and the frequency estimator uses the moving speed to estimate the reception frequency of the weak signal. The tracking channel for tracking the weak signal can reliably track the weak signal (its carrier and code) using the reception frequency. Therefore, according to the present invention, even when the satellite signal receiving apparatus moves, it is possible to reliably improve the tracking performance for the received weak signal and to stably track even the weak signal.
すなわち、前記強信号は、雑音よりも信号レベルが強い信号であるため、該強信号に基づき得られた前記追尾情報は、信頼性の高い情報とみなすことができる。従って、信頼性の高い前記追尾情報を利用して前記移動速度を推定し、推定した前記移動速度を用いて前記弱信号の受信周波数を推定し、推定した前記受信周波数を利用して前記弱信号を追尾することにより、前記雑音の誤追尾を確実に抑制することができ、この結果、誤追尾率を改善(低減)することが可能となる。 That is, since the strong signal is a signal having a signal level stronger than noise, the tracking information obtained based on the strong signal can be regarded as highly reliable information. Therefore, the movement speed is estimated using the tracking information with high reliability, the reception frequency of the weak signal is estimated using the estimated movement speed, and the weak signal is estimated using the estimated reception frequency. By tracking the noise, it is possible to reliably suppress erroneous tracking of the noise, and as a result, it is possible to improve (reduce) the error tracking rate.
この発明に係る衛星信号受信装置の実施形態について説明するが、その説明に先立ち、本実施形態の前提となる衛星信号受信装置の構成及びその課題について、図1を参照しながら説明する。 An embodiment of a satellite signal receiving apparatus according to the present invention will be described. Prior to the description, the configuration of the satellite signal receiving apparatus that is a premise of the present embodiment and its problems will be described with reference to FIG.
なお、この項目では、一例として、衛星信号受信装置をGPSに適用した実施形態について説明するが、この実施形態は、GPSに限定されることはなく、Galileo等の他のGNSSにも適用可能である。 In this item, an embodiment in which the satellite signal receiving device is applied to GPS will be described as an example. However, this embodiment is not limited to GPS, and can be applied to other GNSS such as Galileo. is there.
本実施形態の前提となる衛星信号受信装置10は、基本的には、特許文献1の従来技術(特許文献1の図5)に係る装置と略同様の構成を備えており、図1に示すように、複数の追尾チャンネル12i(i=0〜N)と、測位演算器14とを有する。
The satellite
この場合、各追尾チャンネル12iは、フェーズローテータ16、相関器18、ディスクリミネータ20、ループフィルタ22及びキャリアNCO(Numerically Controlled Oscillator)24から構成される搬送波追尾ループ26と、相関器18、ディスクリミネータ30、ループフィルタ32、コードNCO34、コードジェネレータ36、逓倍器52及び加算器54から構成されるコード追尾ループ38とをそれぞれ有する。すなわち、各追尾チャンネル12iは、同一の構成要素をそれぞれ有している。
In this case, each tracking channel 12 i includes a
複数の衛星から送信される信号(衛星信号)は、例えば、L1帯(1575.42[MHz])の搬送波(キャリア)を、衛星毎に異なる衛星コードのC/Aコード(1.023[MHz])及び航法メッセージデータ(50[Hz])によって変調した高周波信号である。そのため、衛星信号受信装置10は、各衛星からの衛星信号を図示しないアンテナで受信し、受信した各衛星信号を含む信号(GPS信号)をダウンコンバータにより前記高周波信号(1575.42[MHz]の搬送波周波数を受信周波数とする信号)から中間周波数(IF周波数)の信号にダウンコンバートし、ダウンコンバート後のGPS信号をA/D変換器によりA/D変換した後に各追尾チャンネル12iに出力する。
Signals (satellite signals) transmitted from a plurality of satellites are, for example, carrier waves (carriers) in the L1 band (1575.42 [MHz]), and C / A codes (1.023 [MHz] of different satellite codes for each satellite. ]) And a high-frequency signal modulated by navigation message data (50 [Hz]). Therefore, the satellite
従って、図1のフェーズローテータ16に入力されるGPS信号は、受信周波数が搬送波周波数からIF周波数に変換され、且つ、複数の衛星信号の搬送波、C/Aコード及び航法メッセージデータが含まれる低周波のデジタル信号である。
Accordingly, the GPS signal input to the
各追尾チャンネル12iは、GPS信号中の搬送波及びC/Aコードを衛星毎に追尾しており、従って、互いに独立して衛星を追尾している。前述のように、各追尾チャンネル12iは同じ構成要素を有しているので、ここでは、各追尾チャンネル12iのうち、1つの追尾チャンネル120の構成について説明する。
Each tracking channel 12i tracks the carrier wave and C / A code in the GPS signal for each satellite, and therefore tracks the satellite independently of each other. As described above, since each tracking channel 12i has the same components, here, the configuration of one
追尾チャンネル120において、キャリアNCO24は、GPS信号のIF周波数と同一周波数(搬送波追尾周波数)のローカル信号を生成してフェーズローテータ16に出力する。フェーズローテータ16は、GPS信号とローカル信号とを複素数乗算することにより、前記GPS信号からIF周波数成分(搬送波)が除去されたベースバンド信号を生成し、生成したベースバンド信号を相関器18に出力する。ここで、追尾チャンネル12i内の信号は、複素数として取り扱われる。
In the
コードNCO34は、所定周波数のクロック信号を生成してコードジェネレータ36に出力する。コードジェネレータ36は、前記クロック信号に基づいて、追尾チャンネル120が追尾すべき衛星のC/Aコードと同じコード(レプリカコード)を生成し、生成したレプリカコードを相関器18に出力する。相関器18は、ベースバンド信号とレプリカコードとの相関を取り、相関結果をディスクリミネータ20、30に出力する。
The code NCO 34 generates a clock signal having a predetermined frequency and outputs it to the
搬送波追尾ループ26は、PLL制御又はFLL制御によりGPS信号中の搬送波を追尾し、一方で、コード追尾ループ38は、DLL制御によりGPS信号中のC/Aコードを追尾する。
The
この場合、搬送波追尾ループ26は、GPS信号を初めて捕捉するとき(初期捕捉)には、FLL制御による周波数引き込みを行って搬送波をローカル信号の周波数(搬送波追尾周波数)にロックし、その後、前記搬送波が前記ローカル信号の周波数にロックできた時点でPLL制御に切り替えて、PLL制御による位相引き込みを行い、前記搬送波の位相をローカル信号の位相にロックする。また、PLL制御により搬送波の位相がロックされている状態において、衛星信号(GPS信号)の信号レベルが比較的弱い弱信号になった場合に、搬送波追尾ループ26は、弱信号により位相雑音が大きくなってPLL制御ができなくなるものと判断して、PLL制御からFLL制御に切り替える。
In this case, the
具体的に、搬送波追尾ループ26がFLL制御により搬送波を追尾する場合、ディスクリミネータ20は、相関値の複素数成分に基づいて、IF周波数とローカル信号の周波数(搬送波追尾周波数)との周波数ずれ量を算出し、算出した周波数ずれ量を追尾情報としてループフィルタ22に出力する。
Specifically, when the
ループフィルタ22は、追尾情報中の高周波成分を除去してキャリアNCO24及び逓倍器52に出力するためのローパスフィルタとして機能する。これにより、キャリアNCO24は、前記追尾情報に基づいて、搬送波とローカル信号とが周波数同期するように、前記IF周波数と同一周波数のローカル信号を生成する。これにより、フェーズローテータ16においてGPS信号とローカル信号とを複素数乗算することにより、GPS信号中の搬送波をローカル信号の周波数に引き込んでロックすることができる。
The loop filter 22 functions as a low-pass filter for removing high frequency components in the tracking information and outputting it to the carrier NCO 24 and the
また、搬送波追尾ループ26がPLL制御により搬送波を追尾する場合、ディスクリミネータ20は、相関値の複素数成分に基づいて、搬送波の位相とローカル信号の位相との位相ずれ量を算出し、算出した位相ずれ量を追尾情報としてループフィルタ22に出力する。
When the
この場合も、ループフィルタ22は、追尾情報中の高周波成分を除去してキャリアNCO24及び逓倍器52に出力するので、キャリアNCO24は、前記追尾情報に基づいて、搬送波とローカル信号とが位相同期するように、搬送波と同一周波数のローカル信号を生成する。これにより、フェーズローテータ16においてGPS信号とローカル信号とを複素数乗算することにより、搬送波をローカル信号の位相に引き込んでロックすることができる。
Also in this case, the
なお、上記の説明では、搬送波追尾ループ26がFLL制御又はPLL制御のいずれかの制御により搬送波を追尾する場合について説明したが、FLL制御及びPLL制御を同時に行ってもよい。
In the above description, the case where the
一方、コード追尾ループ38のディスクリミネータ30は、コードジェネレータ36で生成されるレプリカコードに対して+1/2チップずらしたE(Early)位相のコード、及び、−1/2チップずらしたL(Late)位相のコードと、ベースバンド信号中のC/Aコードとの相関を取る。次に、ディスクリミネータ30は、E位相のコードとベースバンド信号中のC/Aコードとの相関結果と、L位相のコードとベースバンド信号中のC/Aコードとの相関結果との差に基づいて、ベースバンド信号中のC/Aコードと、コードジェネレータ36が生成したレプリカコードとのコード位相ずれ量を算出し、算出したコード位相ずれ量を追尾情報としてループフィルタ32に出力する。
On the other hand, the
ループフィルタ32は、追尾情報中の高周波成分を除去して加算器54に出力するためのローパスフィルタとして機能する。
The
追尾チャンネル12iの逓倍器52は、搬送波周波数(1575.42[MHz])とC/Aコード(1.023[MHz])との周波数比1/1540(=1.023/1575.42)を搬送波追尾周波数とIF中心周波数との差分周波数に乗算し、乗算結果を加算器54に出力する。すなわち、逓倍器52は、差分周波数に1/1540を乗ずることで、搬送波に関わる追尾情報をC/Aコードに関わる追尾情報に変換する。
The
さらに、追尾チャンネル12iの加算器54は、ディスクリミネータ30からループフィルタ32を介して入力される追尾情報と、逓倍器52において変換された追尾情報との双方の情報を加算して、コードNCO34及びコードジェネレータ36に出力する。
Further, the
これにより、コードNCO34は、加算器54が出力する追尾情報に基づいてクロック信号を生成する。コードジェネレータ36は、前記クロック信号及び加算器54が出力する追尾情報に基づいて、C/Aコードとレプリカコードとが位相同期するように、C/Aコードと同一のレプリカコードを生成する。この結果、相関器18においてベースバンド信号中のC/Aコードとレプリカコードとの相関を取ることにより、該C/Aコードを追尾することが可能となる。
As a result, the
また、各追尾チャンネル12iのコードNCO34及びコードジェネレータ36は、設定された情報(追尾情報や設定値)を測位演算器14に出力し、測位演算器14は、各追尾チャンネル12iからの情報と、ベースバンド信号に対するPLL制御により得られた位相情報を復調することにより得られる航法データと、時刻情報とに基づいて、衛星信号受信装置10と追尾対象の衛星との間の擬似距離を求め、求めた擬似距離と、衛星の位置と、衛星信号受信装置10の概略位置とから衛星信号受信装置10の位置(受信機位置)を算出する。なお、測位演算器14での測位演算の衛星位置計算に使用される航法データは、通常、4時間程度の有効期間があるため、測位演算器14は、過去に取得した航法データを用いて算出してもよい。
In addition, the
次に、このようにして構成される衛星信号受信装置10の課題について説明する。
Next, the problem of the satellite
衛星信号受信装置10を自動車等の移動体に搭載する場合、あるいは、衛星信号受信装置10を具備する携帯端末をユーザが所持する場合に、前記移動体又は前記ユーザが移動すると、衛星信号受信装置10も移動することになるので、衛星に対する衛星信号受信装置10の相対位置の変化に起因したドップラーシフトによってGPS信号の受信周波数(搬送波周波数)が変化する。
When the satellite
しかしながら、衛星信号受信装置10では、各追尾チャンネル12iがそれぞれ独立してGPS信号(の搬送波及びC/Aコード)を追尾しており、弱信号を追尾している追尾チャンネル12iでは、雑音に埋もれて信号と雑音との区別が付きにくいような状態で前記弱信号を追尾するので、雑音を追尾する確率が高くなることで追尾が不安定になり、該弱信号ではなく雑音を誤追尾するおそれがある。
However, in the satellite
以上が、本実施形態の前提となる衛星信号受信装置10の課題である。
The above is the problem of the satellite
次に、上記の課題を解決するための本実施形態に係る衛星信号受信装置40について、図2を参照しながら説明する。
Next, a satellite
なお、この衛星信号受信装置40を説明する際に、衛星信号受信装置10(図1参照)と同じ構成要素については、同一の参照符号を付けて、その詳細な動作説明を省略する。
In the description of the satellite
この衛星信号受信装置40は、図2に示すように、速度推定器46及び周波数推定器48をさらに備え、各追尾チャンネル42i(i=0〜N)及び追尾チャンネル440が混合器50をさらに有する点で、本実施形態の前提となる衛星信号受信装置10(図1参照)とは異なる。また、図2において、各追尾チャンネル42iは、強信号(例えば、−145[dBm]程度の信号レベルよりも強い信号)のGPS信号を追尾する追尾チャンネルであり、追尾チャンネル440は、弱信号(例えば、−145[dBm]程度の信号レベルよりも弱い信号)のGPS信号を追尾する追尾チャンネルである。
As shown in FIG. 2, the
なお、弱信号を追尾する追尾チャンネル440は、図2のように1つのチャンネルに限定されることはなく、複数のチャンネルであってもよい。また、強信号を追尾する追尾チャンネル42iは、未知量を求めるための後述の観測方程式を解くために4チャンネル以上必要である。すなわち、衛星の個数がn個であり、これに対応して衛星信号受信装置40内にn個の追尾チャンネルが配置されている場合に、弱信号を追尾する追尾チャンネルが追尾チャンネル440となり、一方で、強信号を追尾する追尾チャンネルが追尾チャンネル42iとなる。従って、衛星から送信される衛星信号の信号レベルによっては、同じ追尾チャンネルであっても、強信号を追尾する追尾チャンネル42iになったり、あるいは、弱信号を追尾する追尾チャンネル440になる場合がある。
Note that the tracking
衛星信号受信装置40において、各追尾チャンネル42i、440では、混合器50が搬送波追尾ループ26に含まれ、一方で、逓倍器52及び加算器54がコード追尾ループ38に含まれる。
In the satellite
そして、強信号を追尾する追尾チャンネル42iにおいて、ディスクリミネータ20は、PLL制御又はFLL制御のいずれの制御であっても、ループフィルタ22を介して追尾情報を混合器50に出力する。この場合、該ディスクリミネータ20は、周波数ずれ量又は位相ずれ量をループフィルタ22に出力する。該ループフィルタ22は、現在の搬送波追尾周波数を、高周波成分を除去した周波数ずれ量又は位相ずれ量だけ補正した搬送波追尾情報として混合器50に出力する。混合器50は、該搬送波追尾情報をキャリアNCO24と逓倍器52とに出力する。
In the tracking channel 42 i that tracks the strong signal, the
コードNCO34は、加算器54が出力する追尾情報に基づいてクロック信号を生成し、コードジェネレータ36は、加算器54が出力する追尾情報及び前記クロック信号に基づいてレプリカコードを生成する。
The
また、追尾チャンネル42iのキャリアNCO24は、設定された情報(追尾情報や設定値)を速度推定器46に出力する。さらに、コードNCO34及びコードジェネレータ36は、設定された情報を測位演算器14及び速度推定器46に出力する。
Further, the
一方、弱信号を追尾する追尾チャンネル440において、ディスクリミネータ20は、PLL制御又はFLL制御のいずれの制御であっても、ループフィルタ22を介して追尾情報を混合器50に出力する。この場合、混合器50は、ループフィルタ22からの搬送波追尾周波数f1と、周波数推定器48にて推定した搬送波追尾周波数f2とを混合して、新たな搬送波追尾周波数fを下記の(1)式により生成し、生成した新たな搬送波追尾周波数fを含めた追尾情報をキャリアNCO24に出力する。
f=(w1・f1+w2・f2)/(w1+w2) …(1)
On the other hand, in the
f = (w 1 · f 1 + w 2 · f 2 ) / (w 1 + w 2 ) (1)
ここで、w1及びw2は重みであり、これらの重みw1、w2の値は、GPS信号の信号レベルによって動的に決定される。従って、キャリアNCO24は、搬送波追尾周波数fを含む前記追尾情報に基づいてローカル信号を生成する。なお、周波数推定器48からの搬送波追尾周波数f2の入力がない場合、混合器50は、w2=0に設定する。
Here, w 1 and w 2 are weights, and the values of these weights w 1 and w 2 are dynamically determined by the signal level of the GPS signal. Accordingly, the
また、追尾チャンネル440の逓倍器52は、搬送波追尾周波数fとIF中心周波数との差分周波数に1/1540を乗算することにより、搬送波に関わる追尾情報をC/Aコードに関わる追尾情報に変換する。加算器54は、逓倍器52からの追尾情報と、ループフィルタ32からの追尾情報との双方の情報を加算して、コードNCO34及びコードジェネレータ36に出力する。従って、コードNCO34は、加算器54が出力する追尾情報に基づいてクロック信号を生成し、コードジェネレータ36は、加算器54が出力する追尾情報及び前記クロック信号に基づいてレプリカコードを生成する。
Further, the
また、追尾チャンネル440のコードNCO34及びコードジェネレータ36は、設定された情報を測位演算器14にのみ出力する。
In addition, the
測位演算器14は、各追尾チャンネル42i、440からの情報と、航法データ及び時刻情報とに基づいて擬似距離を求め、求めた擬似距離、衛星の位置及び衛星信号受信装置40の概略位置から受信機位置を算出し、算出した受信機位置を外部に出力すると共に、速度推定器46にも出力する。
The
ここで、速度推定器46及び周波数推定器48の機能について、図3のフローチャートも参照しながら説明する。
Here, the functions of the
速度推定器46は、適応フィルタで構成されるか、あるいは、重み付き最小二乗法を適用して構成され、観測時刻毎に入力された、各追尾チャンネル42iからの搬送波追尾周波数f1(fd)と、測位演算器14からの受信機位置と、航法データ及び時刻情報とに基づいて、衛星信号受信装置10の移動速度を推定する。
The
次に、速度推定器46における移動速度の具体的な推定処理について説明する。
Next, a specific estimation process of the moving speed in the
図3のステップS1において、速度推定器46は、擬似距離の時間変化量を求める。
In step S1 of FIG. 3, the
すなわち、時刻tにおける各衛星Sと衛星信号受信装置40(以下、受信機uともいう。)との間の擬似距離をρS u(t)、受信機uにおける観測間隔をΔt、搬送波の波長をλ(=0.19[m]≒3×108[m/s]/(1.57542×109[Hz]))、各衛星Sから衛星信号を受信したときのGPS信号のIF中心周波数に対する搬送波追尾周波数をfS d、重みをα1及びα2としたときに、擬似距離ρS u(t)の時間変化量ρs u´(t)は、下記の(2)式〜(4)式で表わされる。
ρ1 S u´(t)=lim{ρS u(t)−ρS u(t−Δt)}/Δt
…(2)
ρ2 S u´(t)=−λ・fS d(t) …(3)
ρS u´(t)={α1・ρ1 S u´(t)+α2・ρ2 S u´(t)}
/(α1+α2) …(4)
That is, the pseudo-range between each satellite S and the satellite signal receiver 40 (hereinafter also referred to as receiver u) at time t is ρ S u (t), the observation interval at receiver u is Δt, and the wavelength of the carrier wave Λ (= 0.19 [m] ≈3 × 10 8 [m / s] / (1.57542 × 10 9 [Hz])), IF center of GPS signal when satellite signal is received from each satellite S a carrier tracking frequency for the frequency f S d, when the weight and alpha 1 and alpha 2, the time variation of the pseudorange ρ S u (t) ρ s u '(t) is the following (2) formula - It is represented by the formula (4).
ρ 1 S u ′ (t) = lim {ρ S u (t) −ρ S u (t−Δt)} / Δt
... (2)
ρ 2 S u ′ (t) = − λ · f S d (t) (3)
ρ S u ′ (t) = {α 1 · ρ 1 S u ′ (t) + α 2 · ρ 2 S u ′ (t)}
/ (Α 1 + α 2 ) (4)
なお、(2)式〜(4)式において、「´」は、時間微分であることを示し、(2)式中、極限を示す数学記号limは、Δt→0(Δtを0に近づけること)を意味している。また、(2)式は、コード追尾ループ38からの情報に基づき算出された擬似距離ρS u(t)から得られる時間変化量ρ1 S u´(t)を示す数式であり、(3)式は、搬送波追尾ループ26からの搬送波追尾周波数fS dから得られる時間変化量ρ2 S u´(t)を示す数式である。さらに、重みα1及びα2は、C/Aコードの周波数と搬送波周波数との周波数比(分解能の比)と、ループフィルタ22、32の帯域とに基づいて決定されることが望ましいが、観測したC/Aコードと搬送波との分散に基づいて決定してもよい。
In the expressions (2) to (4), “′” indicates time differentiation, and in the expression (2), the mathematical symbol “lim” indicating the limit is Δt → 0 (Δt approaches 0). ). Further, the expression (2) is an expression showing a time change amount ρ 1 S u ′ (t) obtained from the pseudo distance ρ S u (t) calculated based on the information from the
従って、ステップS1では、擬似距離ρS u(t)、観測間隔Δt、搬送波の波長λ、搬送波追尾周波数fS d、及び、重みα1、α2の各観測値から、時間変化量ρS u´(t)を求めることになる。 Accordingly, in step S1, the time variation ρ S is calculated from the observed values of the pseudo distance ρ S u (t), the observation interval Δt, the carrier wavelength λ, the carrier tracking frequency f S d , and the weights α 1 and α 2. u ′ (t) is obtained.
次のステップS2において、速度推定器46は、(4)式により得られた擬似距離の時間変化量ρS u´(t)から、未知量である受信機uの速度ベクトル(衛星信号受信装置40の移動速度)と、衛星信号受信装置40のクロックドリフトとを求めるための観測方程式を構築する。
In the next step S2, the
ここで、観測ベクトルをy、計画行列をH、未知量ベクトルをθ、誤差ベクトルをεとしたときに、前記観測方程式は、下記の(5)式により表わされる。
y=Hθ+ε …(5)
Here, when the observation vector is y, the design matrix is H, the unknown vector is θ, and the error vector is ε, the observation equation is expressed by the following equation (5).
y = Hθ + ε (5)
ここで、観測ベクトルy、計画行列H、未知量ベクトルθ、誤差ベクトルεは、下記の(6)式〜(9)式で表わされる。
なお、(6)式〜(9)式において、各記号中のS1〜Snは、衛星の番号を示す。また、rS1 u0´〜rSn u0´は、各衛星S1〜Snと受信機uの概略位置(概略受信機位置)u0との間の幾何学距離の変化量である。さらに、cは、光速(c≒3×108[m])である。さらにまた、δtS1´〜δtSn´は、各衛星S1〜Snのクロックドリフトであり、各衛星S1〜Snが送信する衛星信号中の航法データから計算することができる。また、u0´は、概略位置u0の時間変化量(概略速度ベクトル)である。さらに、u´は、受信機uの速度ベクトルであり、δtu´は、受信機uのクロックドリフトであり、εS1 u〜εSn uは、各観測量の誤差である。 In equations (6) to (9), S1 to Sn in each symbol represents a satellite number. Further, r S1 u0'~r Sn u0 'is a variation of the geometrical distance between the approximate position (schematically receiver location) u 0 of the receiver u with each satellite S1 to Sn. Furthermore, c is the speed of light (c≈3 × 10 8 [m]). Furthermore, δt S1 ′ to δt Sn ′ are clock drifts of the satellites S1 to Sn, and can be calculated from the navigation data in the satellite signals transmitted by the satellites S1 to Sn. U 0 ′ is a time change amount (rough velocity vector) of the approximate position u 0 . Further, u ′ is a velocity vector of the receiver u , δt u ′ is a clock drift of the receiver u, and ε S1 u to ε Sn u are errors of the respective observation amounts.
また、(6)式及び(7)式において、gS1 u0〜gSn u0は、各衛星S1〜Snの位置と受信機uの概略位置u0とから求められる勾配ベクトルの転置であり、これらの勾配ベクトルの転置を代表的にgS u0とし、衛星Sの位置をsとすれば、勾配ベクトルの転置gS u0は、下記の(10)式で表わすことができる。
(5)式は、速度ベクトルu´と受信機uのクロックドリフトδtu´(あるいはc・δtu´)とを未知量とした観測方程式であり、従って、ステップS3において、速度推定器46は、この観測方程式から未知量の速度ベクトルu´及びクロックドリフトδtu´を推定することになる。
Equation (5) is an observation equation in which the velocity vector u ′ and the clock drift δt u ′ (or c · δt u ′) of the receiver u are unknown quantities. Therefore, in step S3, the
ここで、推定した未知量ベクトル(推定未知量ベクトル)θをθaとすると、推定未知量ベクトルθaは、下記の(11)式で表わすことができる。
θa=(HTWH)-1HTWy …(11)
Here, if the estimated unknown quantity vector (estimated unknown quantity vector) θ is θa, the estimated unknown quantity vector θa can be expressed by the following equation (11).
θa = (H T WH) −1 H T Wy (11)
なお、Wは、各観測量の誤差分散の逆数を要素とする重み行列である。 Note that W is a weighting matrix whose element is the reciprocal of the error variance of each observation amount.
従って、未知量(u´、δtu´)は、(11)式を用いた重み付きの最小二乗法により推定することができる。 Therefore, the unknown quantity ( u ′, δt u ′) can be estimated by the weighted least square method using the equation (11).
なお、未知量の推定は、上記の最小二乗法以外にも、受信機uの動作をモデル化し(システム方程式を構築し)、拡張カルマンフィルタによって未知量を推定してもよい。この場合、受信機uの動作モデルは、該受信機uの加速度あるいは躍度(ジャーク)を一次のマルコフ過程とした運動モデルを適用し、一方で、受信機uのクロックドリフトの動作モデルは、ARモデル(自己回帰モデル)を適用する。 In addition to the above least square method, the unknown amount may be estimated by modeling the operation of the receiver u (constructing a system equation) and estimating the unknown amount by an extended Kalman filter. In this case, the operation model of the receiver u applies a motion model in which the acceleration or jerk (jerk) of the receiver u is a first-order Markov process, while the operation model of the clock drift of the receiver u is Apply AR model (autoregressive model).
ここで、速度推定器46が推定した速度ベクトルu´をua´とし、推定したクロックドリフトδtu´をδtua´とすると、速度推定器46は、推定した未知量(ua´、δtua´)を周波数推定器48に出力することになる。
Here, if the speed vector u ′ estimated by the
図3のステップS4において、周波数推定器48は、推定された速度ベクトルua´及びクロックドリフトδtua´とを用いて、追尾が不安定な衛星Sjから送信された弱信号の受信周波数の推定値fdjを下記の(12)式により推定する。
fdj=−{rSj ua´+gSj ua・ua´+c(δtua´−δtSj´)}
/λ …(12)
In step S4 of FIG. 3, the
f dj = − {r Sj ua ′ + g Sj ua · u a ′ + c (δt ua ′ −δt Sj ′)}
/ Λ (12)
なお、rSj ua´は、測位演算器14によって得られる受信機uの推定位置(受信機位置の推定値)uaから計算した衛星Sjと受信機uとの間の幾何学的距離の変化量であり、gSj uaは、衛星Sjの位置と推定位置uaとから求められる勾配ベクトルの転置である。また、δtSj´は、航法データから計算される衛星Sjのクロックドリフトである。
Incidentally, r Sj ua 'is the geometric distance between the satellite S j and the receiver u calculated from u a (estimate of the receiver position) estimated position of the receiver u obtained by the
従って、周波数推定器48は、弱信号の受信周波数の推定値fdjを搬送波追尾周波数f2として、前記弱信号を追尾する追尾チャンネル440に出力する。
Accordingly, the
なお、上記の説明では、弱信号を追尾する追尾チャンネル440が1チャンネルである場合について説明したが、追尾チャンネル440が複数ある場合には、周波数推定器48は、チャンネル数分の受信周波数の推定値fdjを推定し、推定した各推定値fdjを各追尾チャンネル440に出力する。
In the above description, the case where there is one
次に、この実施形態に係る衛星信号受信装置40(受信機u)の効果について説明する。 Next, the effect of the satellite signal receiver 40 (receiver u) according to this embodiment will be described.
図4は、衛星信号受信装置40が受信する衛星信号(受信信号)のパワー分布を説明するための模式的グラフである。
FIG. 4 is a schematic graph for explaining the power distribution of the satellite signal (received signal) received by the satellite
ここで、雑音のパワー分布はカイ二乗分布となり、一方で、受信信号のパワー分布は非心カイ二乗分布となる。この場合、受信信号の信号レベルが雑音よりも強ければ(受信信号が強信号であれば)、雑音のパワー分布の平均と受信信号のパワー分布の平均とが乖離して、雑音成分と信号成分とが明確に区別されるので、当該受信信号を安定して追尾することができる。 Here, the noise power distribution is a chi-square distribution, while the received signal power distribution is a non-central chi-square distribution. In this case, if the signal level of the received signal is stronger than the noise (if the received signal is a strong signal), the average of the power distribution of the noise and the average of the power distribution of the received signal are different, and the noise component and the signal component Are clearly distinguished from each other, so that the received signal can be tracked stably.
一方、雑音のパワー分布の平均と受信信号のパワー分布の平均とが近い場合(受信信号が弱信号である場合)には、受信信号が雑音に埋もれてしまい、雑音成分と信号成分とを区別することが困難になるので、雑音を誤追尾するおそれがある。また、追尾に必要な観測情報(観測値)にも雑音に起因した大きな誤差が重畳するので、当該受信信号の追尾が不安定になる。 On the other hand, if the average of the noise power distribution is close to the average of the received signal power distribution (when the received signal is a weak signal), the received signal is buried in noise, and the noise component and the signal component are distinguished. Since it is difficult to do so, there is a risk of mistracking noise. In addition, since a large error due to noise is superimposed on the observation information (observation value) necessary for tracking, the tracking of the received signal becomes unstable.
これに対して、この実施形態に係る衛星信号受信装置40では、速度推定器46が強信号の追尾情報を利用して衛星信号受信装置40の移動速度(速度ベクトルua´)を推定し、周波数推定器48が速度ベクトルua´を利用して弱信号の受信周波数(推定値fdj)を推定するので、前記弱信号を追尾する追尾チャンネル440は、推定値fdj(搬送波追尾周波数f2)を利用して弱信号の搬送波及びC/Aコードを確実に追尾することができる。従って、この実施形態では、衛星信号受信装置40が移動する場合であっても、受信した弱信号(の搬送波及びC/Aコード)に対する追尾性能を確実に向上して、該弱信号であっても安定に追尾することが可能となる。
On the other hand, in the satellite
すなわち、強信号は、雑音よりも信号レベルが強い信号であるため、該強信号に基づき得られた追尾情報は、信頼性の高い情報とみなすことができる。従って、信頼性の高い追尾情報を利用して速度ベクトルua´を推定し、推定した速度ベクトルua´を用いて弱信号の受信周波数の推定値fdjを推定し、推定した推定値fdjを利用して弱信号を追尾することにより、雑音の誤追尾を確実に抑制することができ、この結果、誤追尾率を改善(低減)することが可能となる。 That is, since the strong signal is a signal having a signal level stronger than noise, the tracking information obtained based on the strong signal can be regarded as highly reliable information. Accordingly, the velocity vector u a ′ is estimated using tracking information with high reliability, the estimated value f dj of the reception frequency of the weak signal is estimated using the estimated velocity vector u a ′, and the estimated value f By tracking a weak signal using dj , erroneous noise tracking can be reliably suppressed, and as a result, the erroneous tracking rate can be improved (reduced).
また、従来より、弱信号を追尾する場合には、ループフィルタ32の帯域を狭くして雑音をフィルタリングすることで、前記弱信号に対する追尾感度を上げることが行われている。しかしながら、追尾感度の向上に対するトレードオフとして、衛星信号受信装置10の加速時における追尾性能が劣化するというデメリットも発生する。これに対して、この実施形態に係る衛星信号受信装置40によれば、周波数推定器48が推定した推定値fdjを追尾チャンネル440が利用することにより、加速時の追尾性能を劣化させることなく、ループフィルタ32の帯域を狭くして追尾感度を向上させることが可能となる。
Conventionally, when tracking a weak signal, the sensitivity of tracking the weak signal is increased by narrowing the band of the
さらに、従来より、衛星信号の受信が中断したときには、中断前の追尾情報を利用して衛星信号を再捕捉するポイントを予測している。この場合、弱信号の受信が中断しても、中断前の弱信号に関わる追尾情報の誤差が大きいので、再捕捉するポイントの予測誤差も大きくなってしまう。これに対して、この実施形態に係る衛星信号受信装置40によれば、追尾チャンネル440は、強信号の追尾情報を用いて得られた推定値fdjを利用して弱信号に対する追尾処理を行うので、前記弱信号の受信が中断しても、再捕捉ポイントを精度よく推定することができる。この結果、前記弱信号の受信の中断時刻から再捕捉するまでに要する時間を短縮化(改善)することができる。
Further, conventionally, when reception of a satellite signal is interrupted, a point at which the satellite signal is recaptured is predicted using tracking information before the interruption. In this case, even if the reception of the weak signal is interrupted, the error in the tracking information related to the weak signal before the interruption is large, so that the prediction error of the recapture point is also large. On the other hand, according to the satellite
また、この実施形態に係る衛星信号受信装置40において、速度推定器46は、強信号を追尾する追尾チャンネル42iのコード追尾ループ38が追尾したC/Aコードに基づいて、擬似距離ρS u(t)を算出する。すなわち、速度推定器46は、追尾チャンネル42iからの搬送波追尾周波数fS d及び擬似距離ρS u(t)を用いて擬似距離の時間変化量ρS u´(t)を求め、求めた時間変化量ρS u´(t)に基づいて衛星信号受信装置40のクロックドリフトδtua´及び速度ベクトルua´を推定する。周波数推定器48は、クロックドリフトδtua´及び速度ベクトルua´に基づいて、弱信号の受信周波数の推定値fdjを推定する。
In the satellite
このように、強信号に関わる擬似距離ρS u(t)及び搬送波追尾周波数fS dを用いてクロックドリフトδtua´及び速度ベクトルua´が推定され、推定されたクロックドリフトδtua´及び速度ベクトルua´を用いて弱信号の受信周波数の推定値fdjが推定されるので、弱信号を追尾する追尾チャンネル440は、この推定値fdjを用いて、精度よく前記弱信号を追尾することが可能となる。
In this way, the clock drift δt ua ′ and the velocity vector u a ′ are estimated using the pseudorange ρ S u (t) and the carrier tracking frequency f S d related to the strong signal, and the estimated clock drift δt ua ′ and Since the estimated value f dj of the weak signal reception frequency is estimated using the velocity vector u a ′, the tracking
さらに、追尾チャンネル440の搬送波追尾ループ26を構成する混合器50は、(1)式に基づいて搬送波追尾周波数fを求め、搬送波追尾ループ26は、混合器50が求めた搬送波追尾周波数fを用いて弱信号中の搬送波を追尾する。また、当該追尾チャンネル440のコード追尾ループ38を構成する逓倍器52は、混合器50が出力する搬送波追尾周波数fとIF中心周波数との差分周波数に1/1540を乗算することにより、搬送波に関わる追尾情報をコードに関わる追尾情報(コード追尾周波数)に変換し、コード追尾ループ38は、逓倍器52が変換した追尾情報を加えてC/Aコードを追尾する。
Further, the
これにより、弱信号の搬送波及びC/Aコードに対する追尾性能をさらに向上させることが可能となる。 Thereby, it becomes possible to further improve the tracking performance of the weak signal carrier and the C / A code.
なお、この発明は、上述した実施形態に限らず、種々の構成を採り得ることは勿論である。 Of course, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and may employ various configurations.
10、40…衛星信号受信装置
12i、12N、42i、42N、120、420、440…追尾チャンネル
14…測位演算器 16…フェーズローテータ
18…相関器 20、30…ディスクリミネータ
22、32…ループフィルタ 24…キャリアNCO
26…搬送波追尾ループ 34…コードNCO
36…コードジェネレータ 38…コード追尾ループ
46…速度推定器 48…周波数推定器
50…混合器 52…逓倍器
54…加算器
DESCRIPTION OF
26 ...
36 ...
Claims (2)
前記各追尾チャンネルは、前記信号中の搬送波を追尾して該信号を追尾するための搬送波追尾周波数を求め、求めた前記搬送波追尾周波数を前記搬送波に関わる追尾情報として出力する搬送波追尾ループと、該信号中のコードを追尾するコード追尾ループとをそれぞれ備え、
前記衛星信号受信装置は、
信号レベルが比較的強い強信号を追尾する追尾チャンネルの搬送波追尾ループから出力された追尾情報と当該追尾チャンネルのコードに基づいて求めた擬似距離とを用いて前記擬似距離の変化量を求め、求めた前記擬似距離の変化量及び前記衛星のクロックドリフトに基づいて、前記衛星信号受信装置のクロックドリフト及び移動速度を推定する速度推定器と、
前記衛星信号受信装置のクロックドリフト、追尾が不安定な衛星のクロックドリフト及び前記移動速度に基づいて、信号レベルが比較的弱い弱信号の搬送波追尾周波数を受信周波数として推定し、前記弱信号を追尾する追尾チャンネルに前記推定した受信周波数を出力する周波数推定器と、
をさらに有し、
前記弱信号を追尾する追尾チャンネルの搬送波追尾ループは、前記周波数推定器が推定した前記受信周波数を用いて前記弱信号中の搬送波を追尾し、一方で、当該追尾チャンネルのコード追尾ループは、該受信周波数を用いて前記弱信号中のコードを追尾することを特徴とする衛星信号受信装置。 In a satellite signal receiving apparatus having a plurality of tracking channels for tracking signals from a satellite,
Each tracking channel, obtains the carrier tracking frequency for tracking the signal and track the carriers in the signal, the carrier tracking loop for outputting the carrier tracking frequency was determined as the tracking information related to the carrier, the Each has a code tracking loop that tracks the code in the signal,
The satellite signal receiver is
Using the tracking information output from the carrier tracking loop of the tracking channel that tracks a strong signal having a relatively strong signal level and the pseudo distance obtained based on the code of the tracking channel, the amount of change in the pseudo distance is obtained and obtained. A speed estimator for estimating a clock drift and a moving speed of the satellite signal receiving device based on a change amount of the pseudorange and a clock drift of the satellite;
Based on the clock drift of the satellite signal receiver, the clock drift of the satellite with unstable tracking and the moving speed, the carrier tracking frequency of a weak signal with a relatively weak signal level is estimated as the reception frequency , and the weak signal is tracked A frequency estimator for outputting the estimated reception frequency to the tracking channel
Further comprising
The carrier tracking loop of the tracking channel that tracks the weak signal tracks the carrier in the weak signal using the reception frequency estimated by the frequency estimator, while the code tracking loop of the tracking channel A satellite signal receiving apparatus for tracking a code in the weak signal using a reception frequency.
前記弱信号を追尾する追尾チャンネルの搬送波追尾ループは、前記周波数推定器が推定した搬送波追尾周波数と、当該搬送波追尾ループが求めた搬送波追尾周波数とを重み付け平均し、重み付け平均後の搬送波追尾周波数を求め、求めた前記搬送波追尾周波数を用いて前記弱信号中の搬送波を追尾し、
当該追尾チャンネルのコード追尾ループは、前記重み付け平均後の搬送波追尾周波数とIF中心周波数との差分周波数を前記コードのコード周波数と前記搬送波の搬送波周波数との周波数比で除算することによりコード追尾周波数を求め、求めた前記コード追尾周波数を加えて前記コードを追尾することを特徴とする衛星信号受信装置。 The apparatus of claim 1 .
Carrier tracking loop tracking channels for tracking the pre Kijaku signal, the carrier tracking frequency in which the frequency estimator is estimated, the carrier tracking loop is the weighted average of the carrier tracking frequency determined, carrier tracking frequency of the weighted average And tracking the carrier wave in the weak signal using the carrier tracking frequency obtained,
The code tracking loop of the tracking channel divides the difference frequency between the carrier tracking frequency after the weighted average and the IF center frequency by the frequency ratio between the code frequency of the code and the carrier frequency of the carrier, thereby calculating the code tracking frequency. A satellite signal receiving apparatus characterized in that the code is tracked by adding the obtained code tracking frequency.
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