JP5565644B1 - Ｇｐｓ受信機に内蔵される発振器の出力周波数誤差を測定するための測定システム及び測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＧＰＳ受信機に内蔵される発振器の出力周波数誤差を測定可能な測定システム及び測定方法を提供する。
【解決手段】測定システム１００において、出力周波数誤差算出部５０ｆは、理論受信周波数Ｆrecv’と同期信号Ｓｙｎｃとに基づいて算出される出力周波数Ｆｓｔｄから固有周波数Ｆｘｔａｌを引くことによって、出力周波数誤差ΔＦを算出する。
【選択図】図２

Description

本発明は、飛翔体のＧＰＳ受信機に内蔵される発振器の出力周波数誤差を測定するための測定システム及び測定方法に関する。

従来、ＧＰＳ衛星から送信される衛星電波をＧＰＳ受信機によって捕捉することによって、自己位置を測位可能な砲弾が知られている（特許文献１参照）。このＧＰＳ受信機では、衛星からの情報を受信するために、衛星電波との同期を取る必要があるため、発振器（例えば、水晶振動子など）の出力周波数を基準として衛星電波のサーチが実行される。

特開２０００−６５５００号公報

ここで、発射後の砲弾には急激な加速度がかかるため、出力周波数が発振器の固有周波数から変動してしまう。しかしながら、従来の手法では、出力周波数の固有周波数からの誤差（以下、出力周波数誤差という。）を考慮することなく、固有周波数を出力周波数とみなして同期を取っているため、砲弾の発射直後において迅速に衛星電波をサーチできないという問題がある。

本発明は、上述の状況に鑑みてなされたものであり、ＧＰＳ受信機に内蔵される発振器の出力周波数誤差を測定可能な測定システム及び測定方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様に係る測定システムは、飛翔体のＧＰＳ受信機に内蔵される発振器の出力周波数誤差を測定するための測定システムである。この測定システムは、前記飛翔体の飛行速度と、ＧＰＳ衛星の移動速度と、前記ＧＰＳ衛星から送信される衛星電波の送信規格周波数とに基づいて、前記ＧＰＳ受信機において受信される前記衛星電波の理論受信周波数を算出する理論受信周波数算出部と、前記ＧＰＳ受信機において受信される前記衛星電波の実測受信周波数と、前記発振器の出力周波数とに基づいて、前記衛星電波に同期する同期信号を取得する同期信号取得部と、前記理論受信周波数と前記同期信号とに基づいて算出される前記出力周波数から前記発振器の固有周波数を引くことによって、前記出力周波数誤差を算出する出力周波数誤差算出部と、を備える。

本発明の第１の態様に係る測定システムによれば、発振器の出力周波数の固有周波数からの変動量を定量的かつ簡便に把握することができる。そのため、出力周波数誤差を利用して、衛星電波の迅速なサーチを行うために、ＧＰＳ受信機における探索周波数範囲の設定を適切に設定することができる。

本発明の第２の態様に係る測定システムは、第１の態様に係り、前記同期信号取得部は、前記実測受信周波数を前記出力周波数で除した値に所定係数を乗じることによって、前記同期信号を取得する。

本発明の第３の態様に係る測定システムは、第２の態様に係り、前記出力周波数誤差算出部は、前記同期信号を前記所定係数及び前記理論受信周波数で除することによって、前記出力周波数を算出する。

本発明の第４の態様に係る測定方法は、飛翔体のＧＰＳ受信機に内蔵される発振器の出力周波数誤差を測定するための測定方法である。この測定方法は、前記飛翔体の飛行速度と、ＧＰＳ衛星の移動速度と、前記ＧＰＳ衛星から送信される衛星電波の送信規格周波数とに基づいて、前記ＧＰＳ受信機において受信される前記衛星電波の理論受信周波数を算出する受信周波数算出工程と、前記ＧＰＳ受信機において受信される前記衛星電波の実測受信周波数と、前記発振器の出力周波数とに基づいて、前記衛星電波に同期する同期信号を取得する同期信号取得工程と、前記理論受信周波数と前記同期信号とに基づいて算出される前記出力周波数から前記発振器の固有周波数を引くことによって、前記出力周波数誤差を算出する出力周波数誤差算出工程と、を備える。

本発明の第５の態様に係る測定方法は、第４の態様に係り、前記同期信号取得工程では、前記実測受信周波数を前記出力周波数で除した値に所定係数を乗じることによって、前記同期信号を取得する。

本発明の第６の態様に係る測定方法は、第５の態様に係り、前記出力周波数誤差算出工程では、前記同期信号を前記所定係数及び前記理論受信周波数で除することによって、前記出力周波数を算出する。

本発明によれば、ＧＰＳ受信機に内蔵される発振器の出力周波数誤差を測定可能な測定システム及び測定方法を提供することができる。

測定システムの全体構成を示す概略図 ＧＰＳ受信機の構成を示すブロック図 地上装置の構成を示すブロック図

次に、図面を用いて、本発明の実施形態について説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なっている場合がある。従って、具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

（測定システム１００の全体構成）
実施形態に係る測定システム１００の全体構成について、図面を参照しながら説明する。図１は、測定システム１００の全体構成を示す概略図である。

測定システム１００は、砲弾１０と、火砲２０と、レーダ装置３０と、ＧＰＳ衛星４０と、地上装置５０と、を備える。

砲弾１０は、飛翔体の一例であり、火砲２０から発射されて、所定位置に向かって飛翔する。砲弾１０は、ＧＰＳ受信機１１を内蔵している。ＧＰＳ受信機１１は、ＧＰＳ衛星４０から送信される衛星電波Ｗを捕捉するために、水晶振動子１１ａ（図２参照）の出力周波数Ｆｓｔｄに基づいて、衛星電波Ｗに同期する同期信号Ｓｙｎｃをサーチする。砲弾１０は、無線回線を介して、同期信号Ｓｙｎｃを地上装置５０に対して送信する。なお、ＧＰＳ受信機１１において受信される際、衛星電波Ｗの周波数は、ドップラーシフトによって実測受信周波数Ｆrecvとなっている。

火砲２０は、地上或いは移動体（戦車や船舶など）上に配置されている。火砲２０は、任意の角度で砲弾１０を発射可能である。

レーダ装置３０は、砲弾１０の飛行速度ＶOを計測する。レーダ装置３０は、計測した飛行速度ＶOを地上装置５０に対して送信する。レーダ装置３０としては、例えばドップラーレーダを用いることができるが、これに限られるものではない。

ＧＰＳ衛星４０は、グローバルポジショニングシステムにおいて用いられる人工衛星である。ＧＰＳ衛星４０から送信される衛星電波Ｗは、規格送信周波数Ｆsatを有している。規格送信周波数Ｆsatは、ＧＰＳ衛星４０が砲弾１０から遠ざかる場合には実測受信周波数Ｆrecvよりも高く、ＧＰＳ衛星４０が砲弾１０に近づく場合には実測受信周波数Ｆrecvよりも低い。なお、ＧＰＳ衛星４０の移動速度Vsatは、ＧＰＳ衛星４０の軌道に基づいて算出可能である。

地上装置５０は、レーダ装置３０から受信する砲弾１０の飛行速度ＶOと、ＧＰＳ衛星４０の移動速度Vsatと、規格送信周波数Ｆsatとに基づいて、ＧＰＳ受信機１１において受信される衛星電波Ｗの理論受信周波数Ｆrecv’を算出する。実測受信周波数Ｆrecvが、ＧＰＳ受信機１１によって受信される実際の受信周波数であるのに対して、理論受信周波数Ｆrecv’は、ドップラーシフトを考慮して算出される理論上の受信周波数である。本実施形態では、実測受信周波数Ｆrecvは、理論受信周波数Ｆrecv’と略等価であることが前提とされている。

また、地上装置５０は、砲弾１０のＧＰＳ受信機１１から受信する同期信号Ｓｙｎｃと、算出した理論受信周波数Ｆrecv’とに基づいて、水晶振動子１１ａの出力周波数Ｆｓｔｄを算出する。

さらに、地上装置５０は、出力周波数Ｆｓｔｄから水晶振動子１１ａの固有周波数Ｆｘｔａｌを引くことによって、出力周波数Ｆｓｔｄの固有周波数Ｆｘｔａｌからの誤差（以下、出力周波数誤差という。）ΔＦを算出する。このように算出される出力周波数誤差ΔＦは、砲弾１０の発射後に水晶振動子１１ａに急激な加速度がかかることによって生じるものであり、衛星電波Ｗの迅速なサーチに悪影響を及ぼす要因となっている。そのため、地上装置５０において算出された出力周波数誤差ΔＦは、衛星電波Ｗの迅速なサーチを行うために、ＧＰＳ受信機１１における探索周波数範囲の設定などに利用可能である。

（ＧＰＳ受信機１１の構成）
次に、ＧＰＳ受信機１１の構成について、図面を参照しながら説明する。図２は、ＧＰＳ受信機１１の構成を示すブロック図である。

ＧＰＳ受信機１１は、水晶振動子１１ａと、アンテナ１１ｂと、周波数変換部１１ｃと、同期信号取得部１１ｄと、同期信号送信部１１ｅと、を備える。

水晶振動子１１ａは、発振器の一例であり、衛星電波Ｗをサーチするための基準となる出力周波数Ｆｓｔｄを出力する。出力周波数Ｆｓｔｄは、定常時には固有周波数Ｆｘｔａｌと等価であるが、砲弾１０の発射直後には急激な加速度の影響によって固有周波数Ｆｘｔａｌに出力周波数誤差ΔＦが加重された値となる。出力周波数誤差ΔＦは、発射直後に最大値を取り、その後、加速度の低下にともなって徐々に小さくなっていく。

アンテナ１１ｂは、衛星電波Ｗを受信し、衛星電波Ｗを周波数変換部１１ｃに伝達する。

周波数変換部１１ｃは、衛星電波Ｗをダウンコンバートした後に増幅する。

同期信号取得部１１ｄは、水晶振動子１１ａの出力周波数Ｆｓｔｄを基準として、ダウンコンバート及び増幅された衛星電波Ｗの実測受信周波数Ｆrecvに同期する同期信号Ｓｙｎｃを取得する。この同期信号Ｓｙｎｃは、次の式（１）によって表される。

Ｓｙｎｃ＝（Ｆrecv／Ｆｓｔｄ）×ｋ ・・・（１）
なお、式（１）において、ｋは、逓倍係数（所定係数の一例）である。

同期信号送信部１１ｅは、無線回線を介して、同期信号Ｓｙｎｃを地上装置５０に対して送信する。

（地上装置５０の構成）
次に、地上装置５０の構成について、図面を参照しながら説明する。図３は、地上装置５０の構成を示すブロック図である。

地上装置５０は、飛行速度受信部５０ａと、移動速度算出部５０ｂと、理論受信周波数算出部５０ｄと、同期信号受信部５０ｅと、出力周波数誤差算出部５０ｆと、を備える。

飛行速度受信部５０ａは、レーダ装置３０から砲弾１０の飛行速度ＶOを受信する。

移動速度算出部５０ｂは、ＧＰＳ衛星４０の軌道計算に基づいて、ＧＰＳ衛星４０の移動速度Vsatを算出する。

理論受信周波数算出部５０ｄは、ドップラーシフトを考慮して、飛行速度ＶOと、移動速度Vsatと、衛星電波Ｗの規格送信周波数Ｆsatとに基づいて、ＧＰＳ受信機１１において受信される衛星電波Ｗの理論受信周波数Ｆrecv’を算出する。理論受信周波数Ｆrecv’は、光のドップラー効果を示す周知の式を用いて簡便に算出できる。

同期信号受信部５０ｅは、砲弾１０のＧＰＳ受信機１１から同期信号Ｓｙｎｃを受信する。

出力周波数誤差算出部５０ｆは、同期信号Ｓｙｎｃと、算出した理論受信周波数Ｆrecv’とに基づいて、水晶振動子１１ａの出力周波数Ｆｓｔｄを算出する。具体的に、出力周波数Ｆｓｔｄは、次の式（２）及び式（３）によって算出することができる。なお、式（３）は、上記式（１）の変形である。

Ｆrecv’＝Ｆrecv ・・・（２）
Ｆｓｔｄ＝（Ｆrecv’×ｋ）／Ｓｙｎｃ ・・・（３）
また、出力周波数誤差算出部５０ｆは、出力周波数Ｆｓｔｄから固有周波数Ｆｘｔａｌを引くことによって、出力周波数誤差ΔＦを算出する。

（作用及び効果）
本実施形態に係る測定システム１００において、出力周波数誤差算出部５０ｆは、上記式（２）及び式（３）によって、理論受信周波数Ｆrecv’と同期信号Ｓｙｎｃとに基づいて出力周波数Ｆｓｔｄを算出し、出力周波数Ｆｓｔｄをから固有周波数Ｆｘｔａｌを引くことによって出力周波数誤差ΔＦを算出する。

このように、式（２）及び式（３）を用いることによって、水晶振動子１１ａの出力周波数Ｆｓｔｄの固有周波数Ｆｘｔａｌからの変動量を定量的かつ簡便に把握することができる。そのため、出力周波数誤差ΔＦを利用して、衛星電波Ｗの迅速なサーチを行うために、ＧＰＳ受信機１１における探索周波数範囲の設定を適切に設定することができる。

（その他の実施形態）
本発明は上記の実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

（Ａ）上記実施形態では、飛翔体の一例として砲弾１０について説明したが、これに限られるものではない。飛翔体としては、誘導弾やロケット弾、或いはミサイルなどが挙げられる。

（Ｂ）上記実施形態では、同期信号取得部１１ｄは、ＧＰＳ受信機１１の構成要素であることとしたが、これに限られるものではない。同期信号取得部１１ｄは、地上装置５０の構成要素であってもよいし、地上装置５０とは別の装置の構成要素であってもよい。

（Ｃ）上記実施形態では、出力周波数誤差算出部５０ｆは、地上装置５０の構成要素であることとしたが、これに限られるものではない。出力周波数誤差算出部５０ｆは、ＧＰＳ受信機１１の構成要素であってもよい。この場合には、ＧＰＳ受信機１１自身が、出力周波数誤差ΔＦを考慮して衛星電波Ｗの迅速なサーチを行うことによって、自機の位置を測位することができる。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。従って、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

１０…砲弾、２０…火砲、３０…レーダ装置、４０…ＧＰＳ衛星、５０…地上装置、１１…ＧＰＳ受信機、１１ａ…水晶振動子、１１ｂ…アンテナ、１１ｃ…周波数変換部、１１ｄ…同期信号取得部、１１ｅ…同期信号送信部、５０ａ…飛行速度受信部、５０ｂ…移動速度算出部、５０ｄ…理論受信周波数算出部、５０ｅ…同期信号受信部、５０ｆ…出力周波数誤差算出部、Ｆrecv…実測受信周波数、Ｆrecv’…理論受信周波数、Ｆｓｔｄ…出力周波数、Ｓｙｎｃ…同期信号、Ｆｘｔａｌ…固有周波数、Ｆsat…規格送信周波数、ＶO…飛行速度、Vsat…移動速度

Claims (6)

1. 飛翔体のＧＰＳ受信機に内蔵される発振器の出力周波数誤差を測定するための測定システムであって、
   前記飛翔体の飛行速度と、ＧＰＳ衛星の移動速度と、前記ＧＰＳ衛星から送信される衛星電波の送信規格周波数とに基づいて、前記ＧＰＳ受信機において受信される前記衛星電波の理論受信周波数を算出する理論受信周波数算出部と、
   前記ＧＰＳ受信機において受信される前記衛星電波の実測受信周波数と、前記発振器の出力周波数とに基づいて、前記衛星電波に同期する同期信号を取得する同期信号取得部と、
   前記理論受信周波数と前記同期信号とに基づいて算出される前記出力周波数から前記発振器の固有周波数を引くことによって、前記出力周波数誤差を算出する出力周波数誤差算出部と、
   を備える測定システム。
2. 前記同期信号取得部は、前記実測受信周波数を前記出力周波数で除した値に所定係数を乗じることによって、前記同期信号を取得する、
   請求項１に記載の測定システム。
3. 前記出力周波数誤差算出部は、前記同期信号を前記所定係数及び前記理論受信周波数で除することによって、前記出力周波数を算出する、
   請求項２に記載の測定システム。
4. 飛翔体のＧＰＳ受信機に内蔵される発振器の出力周波数誤差を測定するための測定方法であって、
   前記飛翔体の飛行速度と、ＧＰＳ衛星の移動速度と、前記ＧＰＳ衛星から送信される衛星電波の送信規格周波数とに基づいて、前記ＧＰＳ受信機において受信される前記衛星電波の理論受信周波数を算出する理論受信周波数算出工程と、
   前記ＧＰＳ受信機において受信される前記衛星電波の実測受信周波数と、前記発振器の出力周波数とに基づいて、前記衛星電波に同期する同期信号を取得する同期信号取得工程と、
   前記理論受信周波数と前記同期信号とに基づいて算出される前記出力周波数から前記発振器の固有周波数を引くことによって、前記出力周波数誤差を算出する出力周波数誤差算出工程と、
   を備える測定方法。
5. 前記同期信号取得工程では、前記実測受信周波数を前記出力周波数で除した値に所定係数を乗じることによって、前記同期信号を取得する、
   請求項４に記載の測定方法。
6. 前記出力周波数誤差算出工程では、前記同期信号を前記所定係数及び前記理論受信周波数で除することによって、前記出力周波数を算出する、
   請求項５に記載の測定方法。

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