JP6009131B1 - 速度推定装置 - Google Patents
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Abstract
Description
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1に係る速度推定装置1のハードウェア構成例を示す図である。
速度推定装置1は、図1に示すように、受信アンテナ11a,11b、バンドパスフィルタ12a,12b、局部発振器13、ダウンコンバータ14a,14b、A/Dコンバータ15a,15b、速度計算プロセッサ16、表示器17及びメモリ18を備えている。
バンドパスフィルタ12bは、受信アンテナ11bにより受信された信号に対してフィルタ処理を行うことで、所望の周波数チャンネルに存在する信号を通過させて、他を排除するものである。このバンドパスフィルタ12bを通過した信号は、ダウンコンバータ14bに送られる。
ダウンコンバータ14aは、局部発振器13により発生された周波数信号を用いて、バンドパスフィルタ12aを通過した信号の周波数を低く変換するものである。このダウンコンバータ14aにより周波数が変換された信号は、A/Dコンバータ15aに送られる。
ダウンコンバータ14bは、局部発振器13により発生された周波数信号を用いて、バンドパスフィルタ12bを通過した信号の周波数を低く変換するものである。このダウンコンバータ14bにより周波数が変換された信号は、A/Dコンバータ15bに送られる。
A/Dコンバータ15bは、ダウンコンバータ14bにより周波数が変換された信号(アナログ信号)をデジタル信号に変換するものである。このA/Dコンバータ15bによりデジタル信号に変換された信号は、速度計算プロセッサ16に送られる。
速度計算プロセッサ16は、図2に示すように、周波数計測部161a,161b、ドップラ周波数計算部162a,162b及び速度計算部163を備えている。
速度推定装置1の動作例では、図3に示すように、まず、受信アンテナ11aは、衛星2aを介して、移動体3から送信された信号及びリファレンス局4から送信された信号を受信する。同様に、受信アンテナ11bは、衛星2bを介して、移動体3から送信された信号及びリファレンス局4から送信された信号を受信する(ステップST31)。なお、移動体3としては、例えば、衛星2a,2bに干渉波等の不法電波を送信(アップリンク)してくる電波源が挙げられる。
なお、衛星2aの位置p1及び速度v1を示す軌道情報及び衛星2bの位置p2及び速度v2を示す軌道情報は、衛星2a,2bの運営会社等から入手できるため既知である。また、移動体3の送信周波数ft及び位置ptも既知である。なお、移動体3の位置ptは、例えば、他の衛星からの衛星画像をモニタして不法電波を送信していると疑われる電波源の位置を取得したり、その電波源の周辺まで監視用の航空機や車等を走らせてその位置を取得したりすることで得られる。また、受信アンテナ11aの位置pb1及び受信アンテナ11bの位置pb2も既知である。
なお、リファレンス局4は、送信周波数fr及び位置prが既知であり、静止している。また実施の形態1では、リファレンス局4の送信周波数frは、移動体3の送信周波数ftに近似しているものとする(fr≒ft)。
以下、ドップラ周波数計算部162a,162bによる処理の詳細について説明する。
ここで、λrはリファレンス局4からのアップリンク時の信号の波長である。
よって、周波数計測部161aにより計測された周波数fb1,frb1と、式(5)より計算したドップラ周波数frup1とを、式(7)に代入することで、ドップラ周波数fup1の計測値を得ることができる。
よって、周波数計測部161aにより計測された周波数fb2,frb2と、式(6)より計算したドップラ周波数frup2とを、式(8)に代入することで、ドップラ周波数fup2の計測値を得ることができる。
ここで、λtは移動体3からのアップリンク時の信号の波長であり、vtは移動体3の未知の3次元速度ベクトル(以下、速度と称す)である。
このようにして、ドップラ周波数計算部162a,162bにより計算されたドップラ周波数fup1,fup2を示す情報(式(7),(8),(17),(18)を示す情報)は、速度計算部163に送られる。
なお、fup1,obsは式(7)により得られたドップラ周波数fup1の計測値であり、fup1(vt,surf)は式(17)で示されているドップラ周波数fup1に対応する。同様に、fup2,obsは式(8)により得られたドップラ周波数fup2の計測値であり、fup2(vt,surf)は式(18)で示されているドップラ周波数fup2に対応する。また、Rは周波数計測誤差共分散行列であり、次式(20)で表される。
ここで、σFOA 2は周波数計測誤差分散値である。周波数計測誤差分散値σFOA 2とは、周波数計測部161a,161bで周波数を計測した際に生じる計測誤差を分散値で表記したものである。分散とは、確率論において、確率変数の分布が期待値からどれだけ散らばっているか、すなわち誤差が生じているかを示す値である。この場合、期待値とは周波数の真値である。
また、式(17),(18)は線形連立方程式であるので、明示的に解を導出することも可能である。これについても、詳細な説明は省略する。
実施の形態1では、移動体3の送信周波数ftとリファレンス局4の送信周波数frが近似している場合を想定して説明を行ったが、常時、そのようなリファレンス局4を選択できるとは限らない。すなわち、移動体3の送信周波数ftに対してリファレンス局4の送信周波数frをその差が無視できる程度に近づけることが、機器の制約上困難な場合がある。この場合、移動体3の送信周波数ftとリファレンス局4の送信周波数frの値自体は両者ともGHzオーダーであるが、その差がMHzオーダーとなる場合がある。そのため、リファレンス局4を用いてもダウンリンク項をキャンセルしきれない。そこで、実施の形態2では、上記のような場合に、リファレンス局4でキャンセルしきれない成分をキャンセルする方式について説明する。なお以下では、衛星2aの系統のみを用いて説明を行うが、衛星2bの系統についても同様である。
但し、実施の形態2におけるドップラ周波数計算部162aでは、まず、移動体3の送信周波数ft、リファレンス局4の送信周波数fr、受信アンテナ11aの位置pb1、及び、衛星2aの位置p1及び速度v1から、補正値C1を算出する。そして、ドップラ周波数計算部162aは、周波数計測部161aにより計測された移動体3から送信された信号に対応する信号の周波数fb1から、周波数計測部161aにより計測されたリファレンス局4から送信された信号に対応する信号の周波数frb1及び上記補正値C1を減算することで、ドップラ周波数fup1を計算する。以下、ドップラ周波数計算部162aによる処理の詳細について説明する。
そして、実施の形態2では、上記(ft−fr)+(fdn1−frdn1)の項を打ち消すために、移動体3の送信周波数ft、リファレンス局4の送信周波数fr、受信アンテナ11aの位置pb1、及び、衛星2aの位置p1及び速度v1から、補正値C1を計算し、式(24)の右辺から減算する。
なお、送信周波数ft,frは既知のため、ドップラ周波数fdn1,frdn1が計算できれば式(25)より補正値C1を計算することができる。
ここで、λa1は衛星2aからのダウンリンク時の移動体3から送信された信号に対応する信号の波長である。また、λra1は衛星2aからのダウンリンク時のリファレンス局4から送信された信号に対応する信号の波長である。
なお、ドップラ周波数fup2についても上記と同様に計算することができる。
実施の形態3では、移動体3の送信周波数ftとリファレンス局4の送信周波数frが近似ではない場合の対処法として、スケーリングを用いる場合について説明する。なお以下では、衛星2aの系統のみを用いて説明を行うが、衛星2bの系統についても同様である。
但し、実施の形態3におけるドップラ周波数計算部162aでは、まず、移動体3の送信周波数ft、リファレンス局4の送信周波数fr、受信アンテナ11aの位置pb1、及び、衛星2aの位置p1及び速度v1から、補正値C2を算出する。また、ドップラ周波数計算部162aは、周波数計測部161aにより計測されたリファレンス局4から送信された信号に対応する周波数frb1を、移動体3の送信周波数ft及びリファレンス局4の送信周波数frを用いてスケーリングする。そして、ドップラ周波数計算部162aは、周波数計測部161aにより計測された移動体3から送信された信号に対応する信号の周波数fb1から、上記スケーリングした周波数及び上記補正値C2を減算することで、ドップラ周波数fup1を計算する。以下、ドップラ周波数計算部162aによる処理の詳細について説明する。
なお、送信周波数ft,frは既知のため、ドップラ周波数fdn1,frdn1が計算できれば式(33)より補正値C2を計算することができる。
なお、ドップラ周波数fup2についても上記と同様に計算することができる。
図8はこの発明の実施の形態4における速度計算プロセッサ16の機能構成例を示す図である。図8に示す実施の形態4における速度計算プロセッサ16は、図2に示す実施の形態1における速度計算プロセッサ16に移動方向推定部164を追加したものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付して異なる部分についてのみ説明を行う。
また、表示器17は、実施の形態1における機能に加え、移動方向推定部164により推定された移動体3の移動方向を示す情報も表示する。
なお、移動方向推定部164では、例えば、図9に示すような等比曲線(fup1/fup2)に基づく各方向に対する比曲線の値を、移動方向データベースとして保持している。
移動方向推定部164では、図10に示すように、まず、ドップラ周波数計算部162a,162bにより計算されたドップラ周波数fup1,fup2の比曲線(fup1/fup2)を計算する(ステップST111)。
図11はこの発明の実施の形態5における速度計算プロセッサ16の機能構成例を示す図である。図11に示す実施の形態5における速度計算プロセッサ16は、図2に示す実施の形態1における速度計算プロセッサ16に移動方向推定部165を追加したものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付して異なる部分についてのみ説明を行う。
また、表示器17は、実施の形態1における機能に加え、移動方向推定部165により推定された移動体3の移動方向を示す情報も表示する。
なお、移動方向推定部165の動作は、実施の形態4の移動方向推定部164と同様であるため、その説明を省略する。
Claims (7)
- 位置及び速度が既知の2つの静止衛星毎に設けられ、対応する前記静止衛星を介して、送信周波数及び位置が既知の移動体から送信された信号、及び、送信周波数及び位置が既知の静止した参照局から送信された信号を、受信する受信アンテナと、
前記受信アンテナ毎に設けられ、対応する前記受信アンテナにより受信された前記移動体からの信号の周波数及び前記参照局からの信号の周波数を計測する周波数計測部と、
前記周波数計測部毎に設けられ、対応する前記周波数計測部により計測された周波数から、前記移動体から対応する前記静止衛星へのアップリンクでのドップラ周波数を計算するドップラ周波数計算部と、
2つの前記ドップラ周波数計算部により計算されたドップラ周波数から、前記移動体の速度を計算する速度計算部とを備え、
2つの前記ドップラ周波数計算部は、対応する前記周波数計測部により計測された前記移動体から送信された信号に対応する信号の周波数から、当該周波数計測部により計測された前記参照局から送信された信号に対応する信号の周波数を減算した値を用いて、前記静止衛星毎に前記ドップラ周波数を計算する
ことを特徴とする速度推定装置。 - 位置及び速度が既知の2つの静止衛星毎に設けられ、対応する前記静止衛星を介して、送信周波数及び位置が既知の移動体から送信された信号、及び、送信周波数及び位置が既知の静止した参照局から送信された信号を、受信する受信アンテナと、
前記受信アンテナ毎に設けられ、対応する前記受信アンテナにより受信された前記移動体からの信号の周波数及び前記参照局からの信号の周波数を計測する周波数計測部と、
前記周波数計測部毎に設けられ、対応する前記周波数計測部により計測された周波数から、前記移動体から対応する前記静止衛星へのアップリンクでのドップラ周波数を計算するドップラ周波数計算部と、
2つの前記ドップラ周波数計算部により計算されたドップラ周波数から、前記移動体の速度を計算する速度計算部とを備え、
前記ドップラ周波数計算部は、前記移動体の送信周波数、前記参照局の送信周波数、対応する前記受信アンテナの位置、及び、対応する前記静止衛星の位置及び速度から補正値を算出し、前記周波数計測部により計測された前記移動体から送信された信号に対応する信号の周波数から、当該周波数計測部により計測された前記参照局から送信された信号に対応する信号の周波数及び前記補正値を減算した値を用いて、前記ドップラ周波数を計算する
ことを特徴とする速度推定装置。 - 位置及び速度が既知の2つの静止衛星毎に設けられ、対応する前記静止衛星を介して、送信周波数及び位置が既知の移動体から送信された信号、及び、送信周波数及び位置が既知の静止した参照局から送信された信号を、受信する受信アンテナと、
前記受信アンテナ毎に設けられ、対応する前記受信アンテナにより受信された前記移動体からの信号の周波数及び前記参照局からの信号の周波数を計測する周波数計測部と、
前記周波数計測部毎に設けられ、対応する前記周波数計測部により計測された周波数から、前記移動体から対応する前記静止衛星へのアップリンクでのドップラ周波数を計算するドップラ周波数計算部と、
2つの前記ドップラ周波数計算部により計算されたドップラ周波数から、前記移動体の速度を計算する速度計算部とを備え、
前記ドップラ周波数計算部は、前記移動体の送信周波数、前記参照局の送信周波数、対応する前記受信アンテナの位置、及び、対応する前記静止衛星の位置及び速度から補正値を算出し、前記周波数計測部により計測された前記参照局から送信された信号に対応する信号の周波数を前記移動体の送信周波数及び前記参照局の送信周波数を用いてスケーリングし、前記周波数計測部により計測された前記移動体から送信された信号に対応する信号の周波数から、前記スケーリングした周波数及び前記補正値を減算した値を用いて、前記ドップラ周波数を計算する
ことを特徴とする速度推定装置。 - 2つの前記ドップラ周波数計算部により計算されたドップラ周波数の比曲線から、前記移動体の移動方向を推定する移動方向推定部を備えた
ことを特徴とする請求項1から請求項3のうちのいずれか1項記載の速度推定装置。 - 前記移動方向推定部は、前記比曲線で生じる移動方向のアンビギュイティを、2つの前記ドップラ周波数計算部により計算されたドップラ周波数の符号から解く
ことを特徴とする請求項4記載の速度推定装置。 - 2つの前記ドップラ周波数計算部により計算されたドップラ周波数の比曲線の逆正接関数から、移動方向を推定する移動方向推定部を備えた
ことを特徴とする請求項1から請求項3のうちのいずれか1項記載の速度推定装置。 - 前記移動方向推定部は、前記比曲線の逆正接関数で生じる移動方向のアンビギュイティを、2つの前記ドップラ周波数計算部により計算されたドップラ周波数の符号から解く
ことを特徴とする請求項6記載の速度推定装置。
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