JP6440412B2

JP6440412B2 - 衛星信号受信機

Info

Publication number: JP6440412B2
Application number: JP2014173120A
Authority: JP
Inventors: 勝男由井
Original assignee: Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2014-08-27
Filing date: 2014-08-27
Publication date: 2018-12-19
Anticipated expiration: 2034-08-27
Also published as: JP2016048197A

Description

この発明は、セカンダリコード変調をされた衛星信号を受信する衛星信号受信機に関する。

地上の現在位置を計測するシステムとして、ＧＮＳＳ（ＧｌｏｂａｌＮａｖｉｇａｔｉｏｎＳａｔｅｌｌｉｔｅＳｙｓｔｅｍ：全地球測位システム）がある。ＧＮＳＳは、人工衛星を使用して、地球のすべての地点を計測対象とする（例えば、特許文献１参照。）。そして、近年、ＧＮＳＳを利用する受信機として、ＧＰＳ（ＧｌｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍ）の衛星のみでなく、ＢＤＳ（ＢｅｉＤｏｕｎａｖｉｇａｔｉｏｎｓａｔｅｌｌｉｔｅＳｙｓｔｅｍ）の測位衛星からの信号、ＧＬＯＮＡＳＳ（ＧＬＯｂａｌＮＡｖｉｇａｔｉｏｎＳａｔｅｌｌｉｔｅＳｙｓｔｅｍ）の測位衛星からの信号も同時に受信できることが要求されている。

ＢＤＳの衛星から出力される衛星信号には、Ｄ１信号、Ｄ２信号の２種類がある。Ｄ２信号は、ＧＰＳのＳＢＡＳ（ＳａｔｅｌｌｉｔｅＢａｓｅｄＡｕｇｍｅｎｔａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ）と同じ２ｍｓデータ変調方式であり、ＳＢＡＳと同じ方式で受信できる。Ｄ１信号に関しては、衛星から送られてくるデータがＧＰＳと同じ２０ｍｓ変調をされている。さらに、この２０ｍｓの間はセカンダリコードと呼ばれる１ｍｓ変調がされている。このセカンダリコードの例を図４に示す。また、図４には、航法データの例と、セカンダリコードで変調された実際の変調信号の例を示している。

このＤ１信号を受信するために、２ｍｓデータ変調であるＤ２信号と同様に１ｍｓ変調のままで追尾させれば、Ｄ２信号との処理互換性面では有用である。そのため、従来の衛星信号受信機は、１ｍｓデータ変調のままで追尾処理を行っている。具体的には、従来の衛星信号受信機は、周波数引き込み完了後に、追尾に移行する。このとき、１ｍｓデータしか使えないので、引き込みできる信号レベルが高く、衛星信号受信機は、１ｍｓＰＬＬ（ＰｈａｓｅＬｏｃｋｅｄＬｏｏｐ）にてＰＬＬ状態まで引き込む。そして、衛星信号受信機は、復調データ列を取り込み、そのデータ列でセカンダリコード同期となる位置を見つける。この後、衛星信号受信機は、見つけた位置から、セカンダリコードの影響をなくした復調データ列を再度求め、衛星信号に含まれる航法データを復調する。

特開２０１１−４３３６５号公報

先に述べた従来の衛星信号受信機には、次の課題がある。つまり、従来の衛星信号受信機は１ｍｓデータ変調のままで追尾処理を行うため、周波数安定度が悪く、−１４０ｄＢｍ程度までしか安定追尾できない。また、航法データのデータ復調も１ｍｓデータを元に行うので、データ復調の安定度も低い。

この発明の目的は、前記の課題を解決し、安定度の高い追尾やデータ復調を可能にする衛星信号受信機を提供することにある。

前記の課題を解決するために、請求項１の発明は、各衛星から受信した受信信号を基に、受信対象でありセカンダリコードで変調された衛星信号を探索してＩ信号およびＱ信号に復調する衛星信号受信機において、前記衛星信号を追尾する前に、この衛星信号のセカンダリコード同期タイミングを検出する検出回路と、前記検出回路が検出したセカンダリコード同期タイミングに基づき、受信した衛星信号のＩ信号およびＱ信号についてセカンダリコードで再変調して、追尾に用いるＩ信号およびＱ信号に関してセカンダリコード補正を行い、補正したＩ信号およびＱ信号を、衛星信号を追尾する後段の追尾回路に送る補正回路と、を備えることを特徴とする衛星信号受信機である。

請求項１の発明では、各衛星から受信した受信信号を基に、受信対象でありセカンダリコードで変調された衛星信号を探索してＩ信号およびＱ信号に復調する。この後、検出回路が衛星信号を追尾する前に、この衛星信号のセカンダリコード同期タイミングを検出する。さらに、補正回路は、検出回路が検出したセカンダリコード同期タイミングに基づき、受信した衛星信号のＩ信号およびＱ信号についてセカンダリコードで再変調して、追尾に用いるＩ信号およびＱ信号に関してセカンダリコード補正を行う。そして、補正回路は、補正したＩ信号およびＱ信号を、衛星信号を追尾する後段の追尾回路に送る。

請求項１の発明によれば、セカンダリコード補正されたＩ、Ｑ信号が得られるので、コヒーレント時間が長く、安定度が高い周波数制御が行え、安定した追尾ができる信号レベルを改善することができる。また、請求項１の発明によれば、データ復調も本来の長い積分時間で実施できるので、データ復調安定度も高い利点がある。

この発明の実施の形態１による衛星信号受信機の一例を示す構成図である。セカンダリコードからのずれを示す相関図である。従来の衛星信号受信機を示す構成図である。セカンダリコードを説明するための波形図である。

次に、この発明の各実施の形態について、図面を用いて詳しく説明する。

（実施の形態１）
この実施の形態による衛星信号受信機を図１に示す。図１の衛星信号受信機は、アンテナ１０と受信部２０と信号処理部３０とを備えている。

アンテナ１０は、各測位衛星からの衛星信号を受信して、受信信号を受信部２０に出力する。受信部２０は、アンテナ１０が出力した受信信号の増幅等を行い、この受信信号をデジタル処理の可能な周波数帯の離散データに変換する。受信部２０は、離散データに変換した受信信号を信号処理部３０に出力する。

信号処理部３０は、受信信号の中から受信対象の衛星信号をサーチして追尾するためのものであり、サーチ回路３１と周波数引き込み回路３２とセカンダリコード同期検出回路３３とセカンダリコード補正回路３４と追尾回路３５とを備えている。

信号処理部３０は、受信部２０が出力した受信信号をサーチ回路３１に加える。サーチ回路３１は、受信対象とする衛星からの衛星信号を、入力された受信信号からサーチ（探索）する。サーチ回路３１は、サーチした衛星信号を周波数引き込み回路３２に出力する。具体的には、衛星信号はＰＮコードによって変調され、スペクトラム拡散されているので、サーチ回路３１は衛星信号を逆拡散する必要がある。このために、サーチ回路３１は、ＰＮコードを生成し、生成したＰＮコードと衛星信号をＰＮコード相関部（図示を省略）に供給して逆拡散する。サーチ回路３１は、生成するＰＮコードについては、異なる位相に順に変更することで、相関出力をモニターし、所定の値より大きい相関出力を探索する。

周波数引き込み回路３２は、入力された衛星信号を基に、Ｉ（Ｉｎ−ｐｈａｓｅ）信号とＱ（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ−ｐｈａｓｅ）信号とを生成する。こうした復調を、周波数引き込み回路３２は例えばコスタスループで行う。コスタスループは、ＶＣＯ（ＶｏｌｔａｇｅＣｏｎｔｒｏｌｌｅｄＯｓｃｉｌｌａｔｏｒ）を備え、このＶＣＯによって、変調に用いられたキャリアを生成する。そして、周波数引き込み回路３２は、キャリアと変調信号つまり衛星信号とを乗算し、またキャリアと位相が９０度異なる信号と変調信号とを乗算する。これにより、周波数引き込み回路３２は、衛星信号を復調してＩ信号とＱ信号とを生成する。周波数引き込み回路３２は、生成したＩ信号とＱ信号つまり復調した衛星信号をセカンダリコード同期検出回路３３とセカンダリコード補正回路３４とに出力する。

セカンダリコード同期検出回路３３は、追尾前にセカンダリコード同期タイミングを検出する。つまり、セカンダリコード同期検出回路３３は、前段の周波数引き込み回路３２で数１０Ｈｚ以内に信号引き込みをされた衛星信号から、セカンダリコード同期タイミングを検出する。

このために、セカンダリコード同期検出回路３３は、衛星信号の次の点を利用している。先の図４に示すように、衛星信号受信機で受信した衛星信号は、衛星の航法データで変調され、さらに、セカンダリコードで変調されている。そして、図４の中の矢印Ａで示すように、航法データが切り替わるタイミングは、セカンダリコードが繰り返されるタイミングと同期しているので、航法データが同じ範囲（この例では２０ｍｓ間）はセカンダリ変調のみである。セカンダリコード同期検出回路３３は、セカンダリコードとｍｓ単位でずれた信号との相関特性を利用して、セカンダリコード同期タイミングを検出する。つまり、セカンダリコード同期検出回路３３は、図２に示すように、１ｍｓずつ相関区間をずらした２０候補を比較すれば、セカンダリコード同期タイミングを検出することができる。

また、周波数誤差が数１０Ｈｚ以内であれば、周波数がずれていても、セカンダリコード同期検出回路３３は、セカンダリコード同期タイミングを正しく検出できる場合も多い。このために必須ではないが、さらに検出信頼度を上げるため、周波数引き込み回路３２がＰＬＬ状態（位相ロック状態）まで周波数、位相引き込みを行ってから、セカンダリコード同期検出回路３３がセカンダリコード同期タイミングの検出を行ってもよい。

セカンダリコード同期検出回路３３は、このようにして検出したセカンダリコード同期タイミングをセカンダリコード補正回路３４に出力する。

セカンダリコード補正回路３４は、周波数引き込み回路３２から出力される信号であり、周波数と位相とが引き込まれた衛星信号と、セカンダリコード同期検出回路３３から出力されるセカンダリコード同期タイミングとにより、セカンダリコード変調を補正する。具体的には、セカンダリコード補正回路３４は、セカンダリコード同期検出回路３３で検出されたセカンダリコード同期タイミングに基づき、受信された衛星信号のＩ、Ｑ信号に関し、セカンダリコードで再変調する。これにより、セカンダリコード補正回路３４は、セカンダリコード変調を補正した信号、つまり、先の図４に示す航法データそのもの（２０ｍｓ変調された信号）を求める。そして、セカンダリコード補正回路３４は、セカンダリコード変調を補正した衛星信号であるＩ、Ｑ信号を追尾回路３５に送る。

追尾回路３５は、セカンダリコード補正回路３４から入力されたＩ信号とＱ信号とにより衛星信号を追尾する。つまり、追尾回路３５は、セカンダリコード変調を補正したＩ信号とＱ信号とを用いて、衛星からの信号を追尾する。この場合、Ｉ信号とＱ信号とはセカンダリコード補正回路３４で２０ｍｓ変調された信号になっているので、追尾回路３５は、同じ変調周期であるＧＰＳ用追尾回路と同様に、高感度で安定した制御が行える。なお、説明を省略しているが、追尾回路３５の後段の回路で、Ｉ、Ｑ信号を基に航法データの復調等が行われる。

次に、この実施の形態による衛星信号受信機の作用について説明する。アンテナ１０は、各測位衛星からの衛星信号を受信して、受信信号を受信部２０に出力する。受信部２０は、受信信号をデジタル処理の可能な離散データに変換して信号処理部３０に出力する。信号処理部３０のサーチ回路３１は、受信対象とする衛星からの衛星信号を、入力された受信信号から探索する。サーチ回路３１は、探索した衛星信号を周波数引き込み回路３２に出力する。周波数引き込み回路３２は、入力された衛星信号を復調し、Ｉ信号とＱ信号とを生成する。周波数引き込み回路３２は、復調した衛星信号であるＩ、Ｑ信号をセカンダリコード同期検出回路３３に出力する。

セカンダリコード同期検出回路３３は、前段の周波数引き込み回路３２で数１０Ｈｚ以内に信号引き込みされた信号から、セカンダリコード同期タイミングを検出する。セカンダリコード補正回路３４は、セカンダリコード同期検出回路３３で検出されたセカンダリコード同期タイミングに基づき、入力されたＩ、Ｑ信号に関し、セカンダリコードで再変調することで、セカンダリコード変調を補正した、先の図４に示す航法データそのものを求め、それを追尾回路３５に送る。

追尾回路３５は、セカンダリコード変調を補正したＩ信号とＱ信号とを用いて、衛星からの信号を追尾する。このとき、Ｉ信号とＱ信号とはセカンダリコード補正回路３４で２０ｍｓ変調された信号になっているので、追尾回路３５は、同じ変調周期であるＧＰＳ用追尾回路と同様に、高感度で安定した制御を行える。

こうして、この実施の形態によれば、セカンダリコード変調を補正したＩ信号とＱ信号とを用いて、衛星からの信号を追尾するが、Ｉ信号とＱ信号とはセカンダリコード補正回路３４で２０ｍｓ変調された信号になっているので、追尾回路３５では、同じ変調周期であるＧＰＳ用追尾回路と同様に、高感度で安定した追尾制御を行うことができる。

なお、従来であれば、衛星信号受信機は図３に示すような構成となり、実施の形態１のようなセカンダリコード同期検出回路３３による処理とセカンダリコード補正回路３４とによる処理を行うことなく、位相と周波数が引き込まれた衛星信号は追尾回路３５に加えられる。これにより、従来の衛星信号受信機は１ｍｓデータ変調のままで追尾処理を行うため、周波数安定度が悪く、安定した追尾ができない。

また、この実施の形態によれば、セカンダリコード補正されたＩ、Ｑ信号が得られるので、コヒーレント時間が長く、安定度が高い周波数制御が行え、安定追尾できる信号レベルを数ｄＢ以上改善できる利点がある。

また、この実施の形態によれば、データ復調も本来の長い積分時間（上記のＢＤＳの衛星では２０ｍｓ）で実施できるので、データ復調安定度も高い利点がある。

さらに、この実施の形態によれば、セカンダリコード同期を追尾前に行うので、追尾時はセカンダリ補正した後のデータ変調（図４）が長い周期（２０ｍｓ）になり、このデータ変調での制御ができる。そのため、周波数引き込みは引き込み感度が高い２０ｍｓ周波数引き込みも実施できる。

（実施の形態２）
実施の形態１で使用される周波数引き込み回路３２では、１ｍｓ変調データしか利用できないため、周波数引き込み特性が悪く、５０Ｈｚの整数倍で周波数引き込みが誤る場合がある。また、従来技術ではこの周波数引き込みが正しいかどうかを検出できない。

ところで、セカンダリコード同期後の２０ｍｓコヒーレントした信号パワーは、正しい信号であれば、１ｍｓノンコヒーレントから求めた信号パワーより１０倍以上大きい。一方、５０Ｈｚの整数倍で周波数引き込みが誤った場合、２０ｍｓコヒーレントした信号パワーは０付近となり、１ｍｓノンコヒーレントから求めた信号パワーより小さい値となる。このことを利用して、セカンダリコード同期後の２０ｍｓコヒーレントした信号パワーが１ｍｓノンコヒーレントから求めた信号パワーと比較して、十分に大きく（例えば１０倍以上）ない場合には、衛星信号受信機は、周波数異常と判定する。そして、衛星信号受信機は、追尾を中断し、周波数スキャン（またはサーチ）からやり直すことをしても良い。

この実施の形態によれば、２０ｍｓコヒーレントした場合の信号レベルと、１ｍｓノンコヒーレント加算パワーの比較にて周波数引き込みが正しく行われたかを検出することができる。

（実施の形態３）
実施の形態１による図１の構成は、複数衛星分構成され、各衛星独立に制御できることを例としているが、サーチ回路同様に、セカンダリコード同期検出回路など、その一部を共通用にして回路規模を減らしても良い。

これにより、回路構成を簡単化することができる。

この発明は、セカンダリコード変調を実施している測位システム全般に利用可能である。

１０アンテナ
２０受信部
３０信号処理部
３１サーチ回路
３２周波数引き込み回路
３３セカンダリコード同期検出回路（検出回路）
３４セカンダリコード補正回路（補正回路）
３５追尾回路

Claims

各衛星から受信した受信信号を基に、受信対象でありセカンダリコードで変調された衛星信号を探索してＩ信号およびＱ信号に復調する衛星信号受信機において、
前記衛星信号を追尾する前に、この衛星信号のセカンダリコード同期タイミングを検出する検出回路と、
前記検出回路が検出したセカンダリコード同期タイミングに基づき、受信した衛星信号のＩ信号およびＱ信号についてセカンダリコードで再変調して、追尾に用いるＩ信号およびＱ信号に関してセカンダリコード補正を行い、補正したＩ信号およびＱ信号を、衛星信号を追尾する後段の追尾回路に送る補正回路と、
を備えることを特徴とする衛星信号受信機。