JP7026860B1

JP7026860B1 - 測位装置

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Publication number: JP7026860B1
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Inventors: 禎昭萬谷; 善樹高橋; 武網嶋; 龍平高橋
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Filing date: 2021-06-11
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Abstract

本開示技術に係る測位装置は、相互相関のピークに基づいてＴＤＯＡを算出するＴＤＯＡ算出部（４）と、前記ＴＤＯＡに基づいてＴＤＯＡ測位を行うＴＤＯＡ測位処理部（５）と、少なくとも１機の衛星のアレイアンテナで受信した受信信号からＤＯＡを推定するＤＯＡ推定処理部（６）と、前記ＤＯＡに基づいてＤＯＡ測位を行うＤＯＡ測位処理部（７）と、前記ＴＤＯＡ測位処理部（５）が算出した複数の測位の結果から、前記ＤＯＡ測位処理部（７）により算出された結果に最も近いものを選択するアンビギュイティ対処部（８）と、を含む。

Description

本開示技術は、測位装置に関する。

地上の電波源の位置を測位する技術が開示されている。例えば非特許文献１には、位置が未知である電波源から送信された電波を複数の衛星で受信し、到来時間差（ＴｉｍｅＤｉｆｆｅｒｅｎｃｅｏｆＡｒｒｉｖａｌ、以降「ＴＤＯＡ」と称する）とドップラ周波数（ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＤｉｆｆｅｒｅｎｃｅｏｆＡｒｒｉｖａｌ、以降「ＦＤＯＡ」と称する）に基づいて測位する技術が開示されている。

Ｄ．Ｐ．Ｈａｗｏｒｔｈら著、ＩｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅＬｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎＦｏｒＥｕｔｅｌｓａｔＳａｔｅｌｌｉｔｅｓ－ＴｈｅＦｉｒｓｔＥｕｒｏｐｅａｎＴｒａｎｓｍｉｔｔｅｒＬｏｃａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ、ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＳａｔｅｌｌｉｔｅＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｖｏｌ．１５，１５５－１８３，１９９７

非特許文献１に例示される測位は、測位対象の送信波としてパルスレーダ波が用いられる。パルスレーダ波はその性質上、ＴＤＯＡ及びＦＤＯＡ（両者をまとめて、以降「ＴＤＦＤ」と称する）のアンビギュイティが生じてしまう。複数の衛星を用いる測位では複数の測位アンビギュイティが生じるため、測位精度が劣化する。

本開示技術は上位課題を解決することを目的とし、測位対象の送信波としてパルスレーダ波が用いられる場合でも、測位対象を高精度に測位することができる測位装置を提供する。

本開示技術に係る測位装置は、少なくとも３機の衛星から到来した電波をそれぞれ別々に受信する少なくとも３台の受信アンテナと、前記受信アンテナからの受信信号のすべてから２つを選択する組合せについての相互相関の複数のピークに基づいてＴＤＯＡを算出するＴＤＯＡ算出部と、前記ＴＤＯＡに基づいてＴＤＯＡ測位を行うＴＤＯＡ測位処理部と、少なくとも１機の衛星のアレイアンテナで受信した受信信号からＤＯＡを推定するＤＯＡ推定処理部と、前記ＤＯＡに基づいてＤＯＡ測位を行うＤＯＡ測位処理部と、前記ＤＯＡ測位処理部の結果に基づいてＴＤＯＡの範囲を設定するＴＤＯＡ範囲算出部と、前記ＴＤＯＡ測位処理部が算出した複数の測位の結果から、前記ＤＯＡ測位処理部により算出された結果に最も近いものを選択するアンビギュイティ対処部と、を備える。ＴＤＯＡ範囲算出部は、前記ＤＯＡ測位に基づいて定義された値を基準値として、測位対象とする送信源のパルスレーダ波のＰＲＩ以下となるＴＤＯＡ幅で前記ＴＤＯＡの範囲を設定する。

本開示技術に係る測位装置は上記構成を備えるため、アンビギュイティ対処部８が、ＴＤＯＡ測位処理部５が算出した複数の測位点のうち、ＤＯＡ測位処理部７により算出された測位点Ｘに最も近いものを選択し、選択した値をもっともらしい測位点ｐとする測位結果を出力する。この作用により本開示技術に係る測位装置は、測位対象の送信波としてパルスレーダ波が用いられる場合でも、測位対象を高精度に測位できる。

図１は、測位の概念を示す概念図である。図２は、本開示技術に係る測位装置の一部をプロセッサ上で実行されるプログラムで実現する場合のハードウエア構成図である。図３は、実施の形態１に係る測位装置の構成を示す機能ブロック図である。図４は、実施の形態１に係る測位装置の処理フローを示すフローチャートである。図５は、実施の形態２に係る測位装置の構成を示す機能ブロック図である。図６は、実施の形態２に係る測位装置の処理フローを示すフローチャートである。図７は、実施の形態３に係る測位装置の構成を示す機能ブロック図である。図８は、実施の形態３に係る測位装置の処理フローを示すフローチャートである。図９は、実施の形態４に係る測位装置の構成を示す機能ブロック図である。図１０は、実施の形態４に係る測位装置の処理フローを示すフローチャートである。図１１は、実施の形態５に係る測位装置の構成を示す機能ブロック図である。図１２は、実施の形態５に係る測位装置の処理フローを示すフローチャートである。図１３は、実施の形態５に係る測位装置の効果を示す模式図その１である。図１４は、実施の形態５に係る測位装置の効果を示す模式図その２である。図１５は、実施の形態６に係る測位装置の構成を示す機能ブロック図である。図１６は、実施の形態６に係る測位装置の処理フローを示すフローチャートである。図１７は、実施の形態７に係る測位装置の構成を示す機能ブロック図である。図１８は、実施の形態７に係る測位装置の処理フローを示すフローチャートである。

本開示技術に係る測位装置の作用は、３機の衛星を用いて電波源の位置を測位する以下の説明を示すことにより明らかになる。

図１は、測位の概念を示す概念図である。図１に示されるとおり測位装置は、複数の衛星からの受信信号に対し、相関処理を行う。図１に示される測位装置は、例えば衛星＃１からの受信信号と衛星＃２からの受信信号に対して、２次元相関演算を行う。衛星＃２からの受信信号と衛星＃３からの受信信号に対しても、２次元相関演算が行われる。

図１に示される測位装置の測位は、相関処理の結果に基づいて算出される。まず図１に示される測位装置は、２次元相関演算のピークからＴＤＦＤを算出する。測位点は、算出されたＴＤＦＤから求められる。

以下は、衛星＃１と衛星＃２からの受信信号を用いてＴＤＦＤを算出する式である。

式（１）は、衛星＃１と衛星＃２からの受信信号からＴＤＯＡを算出する式である。下添え字の「１２」は、衛星＃１と衛星＃２からの情報を用いた演算結果であることを示す。ｐは、測位対象についての３次元位置ベクトルである。ｐ_ｓｉ（ｉ＝１、２、３）は、ｉ番目の衛星についての３次元位置ベクトルである。ｃは光速を表す。またλは測位対象の送信波長を表す。
式（２）は、衛星＃１と衛星＃２からの受信信号からＦＤＯＡを算出する式である。ｖ_ｓｉ（ｉ＝１、２、３）は、ｉ番目の衛星についての３次元速度ベクトルである。上添え字のＴは、行と列とを入れ替える転置を表す。

以下は、衛星＃２と衛星＃３からの受信信号を用いてＴＤＦＤを算出する式である。

式（３）は、衛星＃２と衛星＃３からの受信信号からＴＤＯＡを算出する式である。また式（４）は、衛星＃２と衛星＃３からの受信信号からＦＤＯＡを算出する式である。下添え字の「２３」は、衛星＃２と衛星＃３からの情報を用いた演算結果であることを示す。

以下は、測位対象が地表にあるという拘束条件である。

Ｒ_Ｅは、地球の半径を示す。Ｐ_Ｅは、地球の中心についての３次元位置ベクトルである。

電波源の位置の測位は、式（１）から式（５）で示された連立方程式を解くことにより行われる。式（１）から式（５）は非線形方程式であるため、連立方程式は解析的ではなく数値的に求める。連立方程式の数値的解法は、ニュートン法又は逐次近似法等を用いてよい。

数値的解法の見通しをよくするため、式（１）から式（５）の右辺はそれぞれ測位対象についての３次元位置ベクトルｐについての関数であると考える。以下は、式（１）から式（５）に関連した関数である。

以下は、式（６）から式（１０）を測位対象についての３次元位置ベクトルｐで偏微分した式である。

測位対象についての３次元位置ベクトルｐの数値的解は、例えば以下の演算を反復的に行って求めてもよい。

ここでＡは、以下の式で表される行列である。

またΔｕは、以下の式で表されるベクトルである。

反復的に行う式（１６）の停止条件は、例えば式（１６）の｜Ａ^-1Δｕ｜が十分小さくなり所定の閾値より小さいこととしてよい。また停止条件は、反復演算の上限回数を決め、反復回数が上限を超えているかを判定するものでもよい。

実施の形態１．
図２は、本開示技術に係る測位装置の一部をプロセッサ上で実行されるプログラムで実現する場合のハードウエア構成図である。図２に示されるとおり実施の形態１に係る測位装置の機能は、ソフトウエア、ファームウエア、又はソフトウエアとファームウエアとの組合せにより実現されてよい。ソフトウエア及びファームウエアはプログラムとして記述され、メモリ１０１に格納される。プロセッサ１００は、メモリ１０１に記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、各部の機能を実現する。すなわちこのプログラムは、本開示技術に係る測位装置の機能をコンピュータに実行させるものである、ともいえる。ここでメモリ１０１は、例えば、ＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュメモリー、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ等の、不揮発性又は揮発性の半導体メモリであってよい。またメモリ１０１は、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤ等であってもよい。

また実施の形態１に係る測位装置の機能は、専用のハードウエアで実現されてもよい。機能を実現するハードウエアは、処理回路でもよい。処理回路は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、又はこれらを組み合わせたものでもよい。

図２に示されるプロセッサ１００は、相関処理を行う。相関処理は、言い換えれば相互相関の計算である。具体的にプロセッサ１００は、複数の衛星を経由する際に生じるＴＤＯＡを算出し、測位を行う。またプロセッサ１００は、１機の衛星のアレイアンテナで受信した受信信号からＤＯＡを推定し、測位を行う。ここでＤＯＡは、ＤｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆＡｒｒｉｖａｌの頭文字であり、到来方向を意味する。実施の形態１に係る測位装置は、ＤＯＡにより推定した測位点の情報を利用し、ＴＤＯＡのアンビギュイティによる測位アンビギュイティを解消することができる。

図３は、実施の形態１に係る測位装置の構成を示す機能ブロック図である。図３に示されるとおり実施の形態１に係る測位装置は、受信アンテナ１と、受信部２と、相互相関処理部３と、ＴＤＯＡ算出部４と、ＴＤＯＡ測位処理部５と、ＤＯＡ推定処理部６と、ＤＯＡ測位処理部７と、アンビギュイティ対処部８と、測位結果出力部９と、の機能ブロックを含む。

図４は、実施の形態１に係る測位装置の処理フローを示すフローチャートである。図４に示されるとおり実施の形態１に係る測位装置の処理は、大きく３つの部分に分けられる。１つ目の部分は、ＴＤＯＡに関する処理ステップである。ＴＤＯＡに関する処理ステップは、相互相関を計算するステップ（ＳＴ１１）と、ピークを検出するステップ（ＳＴ１２）と、ＴＤＯＡを算出するステップ（ＳＴ１３）と、ＴＤＯＡ測位を行うステップ（ＳＴ１４）と、測位の完了を判定するステップ（ＳＴ１５）と、を含む。２つ目の部分は、ＤＯＡに関する処理ステップである。ＤＯＡに関する処理ステップは、ＤＯＡを推定するステップ（ＳＴ２１）と、ＤＯＡ測位を行うステップ（ＳＴ２２）と、を含む。３つ目の部分は、ＴＤＯＡの結果とＤＯＡの結果とを利用する処理ステップである。ここでの処理ステップは、最も近い測位点を選択するステップ（ＳＴ３１）と、測位結果を出力するステップ（ＳＴ３２）と、を含む。

相互相関処理部３は、相互相関を計算するステップ（ＳＴ１１）を行う。例えば３機の衛星で電波源の位置を測位する場合、相互相関処理部３は、衛星＃１からの受信信号と衛星＃２からの受信信号に対して、２次元相関演算を行う。同様に、衛星＃２からの受信信号と衛星＃３からの受信信号に対しても、２次元相関演算が行われる。３機より多くの衛星を使って電波源の位置を測位する場合、相互相関処理部３はすべての組合せで２次元相関演算を行ってもよいし、一部の組合せで２次元相関演算を行ってもよい。

２次元相関演算は、２つの信号を畳み込む畳み込みの式のうち片方の関数の信号配列の順序をフリップした相互相関関数を用いてよい。具体的に２次元相関関数は、以下の式で表したものでよい。

ＴＤＯＡ算出部４は、相互相関の出力についてピークを検出するステップ（ＳＴ１２）を行う。測位対象の送信波がパルスレーダ波である場合、相互相関の出力には複数のピークが生じる。この複数のピークは、ＴＤＯＡのアンビギュイティがＰＲＩ毎に生じていることを意味する。ここでＰＲＩはＰｕｌｓｅＲｅｐｅｔｉｔｉｏｎＩｎｔｅｒｖａｌの略であり、パルスレーダ波のパルス繰返し時間を表す。

ＴＤＯＡ算出部４は、検出したピークに基づいて、ＴＤＯＡを算出するステップ（ＳＴ１３）を行う。

ＴＤＯＡ測位処理部５は、算出されたＴＤＯＡに基づいてＴＤＯＡ測位を行う（図４のＳＴ１４で示されるステップ）。例えば３機の衛星で電波源の位置を測位する場合、ＴＤＯＡ測位処理部５は、以下の演算を反復的に行う。

ただし、下添え字のｋ（ｋ＝１，２，…Ｋ）はＴＤＯＡのアンビギュイティを区別するためのものである。Ｋは、ＴＤＯＡのアンビギュイティの総数である。
上記のＡ_ｋは、以下の式で表される行列である。

上記のΔｕ_ｋは、以下の式で表されるベクトルである。

反復的に行う式（２０）の停止条件は、例えば式（２０）の｜Ａ_ｋ ^-1Δｕ_ｋ｜が十分小さくなり所定の閾値より小さいこととしてよい。また停止条件は、反復演算の上限回数を決め、反復回数が上限を超えているかを判定するものでもよい。

ＤＯＡ推定処理部６は、ＤＯＡを推定するステップ（ＳＴ２１）を行う。具体的にＤＯＡ推定処理部６は、１機の衛星のアレイアンテナで受信した受信信号から、ＤＯＡを推定する。アレイアンテナを用いて電波源の方向であるＤＯＡを推定する手法には、ビームフォーミング法等が考えられる。

ＤＯＡ測位処理部７は、推定されたＤＯＡに基づいて、ＤＯＡ測位を行う（図４のＳＴ２２で示されたステップ）。ＴＤＯＡ測位と区別するため、ＤＯＡ測位によって求める測位対象の位置はベクトルｘを用いる。以下は、測位対象の位置の真値を表した式である。

ここでＬＯＮは経度を、ＬＡＴは緯度を、それぞれ表す。ベクトルｘは、最小二乗法等により求めてよい。

ＤＯＡ測位処理部７が行う処理は、以下の数式で表される問題を解くことに帰着する。

ここでＰ_ｓａｔは、ＤＯＡを推定する衛星の３次元位置ベクトルである。ＪはｘとＰ_ｓａｔを引数とした評価関数である。評価関数は、コスト関数とも称される。ＤＯＡ測位処理部７が行う処理は、評価関数Ｊを最小にするベクトルｘを求めることに帰着する。

評価関数Ｊを最小にするベクトルｘを求めるためにＤＯＡ測位処理部７は、以下に示される反復演算を実施する。

ここで、ＡｚはＡｚｉｍｕｔｈの略であり方位角を表し、ＥｌはＥｌｅｖａｔｉｏｎの略であり高度角を表す。式（２７）の右辺における行列Ｒは、ＤＯＡの誤差分散行列である。

また、式（２７）の右辺における関数ｈは、Ａｚ測角値とＥｌ測角値とからなるベクトルである。さらに、式（２７）の右辺におけるベクトルｚは、加法性のノイズｎが加わったＡｚ測角値とＥｌ測角値とからなる観測ベクトルである。すなわち、式（２７）の右辺の以下の項は、ノイズｎを算出している。

ＤＯＡ測位処理部７は、反復演算結果がきちんと求めるべき値に収束したかを判断するために、以下に示される収束終了判定条件を用いてもよい。

ここで、εは残差についての閾値、ｍは反復演算回数、Ｉｔｒｍａｘは最大反復演算回数である。ＤＯＡ測位処理部７は、ｍがＩｔｒｍａｘを超えた場合に反復演算が解に収束しなかったとして強制終了してもよい。

式（２５）に示された偏微分の式は、以下のように変形できる。

ここで、式（３２）の右辺のＦとＥとは、以下に示されたものである。

アンビギュイティ対処部８は、ＴＤＯＡ測位処理部５が算出した複数の測位点のうち、ＤＯＡ測位処理部７により算出された測位点Ｘに最も近いものを選択し、選択した値をもっともらしい測位点ｐとする測位結果を出力する。

ここで下添え字ｋは、ＴＤＯＡのアンビギュイティを区別するためものである。ＴＤＯＡのアンビギュイティの総数がＫであれば、ｋは１からＫまでが使われる。また記号∥*∥はここではノルムを表す。ここでのノルムは、ユークリッドノルムとして問題ない。

実施の形態１に係る測位装置は上記構成を備えるため、アンビギュイティ対処部８が、ＴＤＯＡ測位処理部５が算出した複数の測位点のうち、ＤＯＡ測位処理部７により算出された測位点Ｘに最も近いものを選択し、選択した値をもっともらしい測位点ｐとする測位結果を出力する。この作用により本開示技術に係る測位装置は、測位対象の送信波としてパルスレーダ波が用いられる場合でも、測位対象を高精度に測位する、という効果を奏する。

実施の形態２．
実施の形態１には、本開示技術のひとつの態様として１機の衛星がＤＯＡを推定するものが示された。実施の形態２には、本開示技術の別の態様として複数の衛星がＤＯＡを推定するものが示される。実施の形態２では、特に明記する場合を除き、実施の形態１で用いた構成要素の符号と同じものが使用される。また実施の形態２では、実施の形態１と重複する説明は適宜省略される。

実施の形態２に係る測位装置は、その一部をプロセッサ１００上で実行されるプログラムで実現できる。この場合のハードウエア構成は、既に図２に示されたとおりである。実施の形態２に係る測位装置は、実施の形態１で行っていた１機の衛星からの情報に基づくＤＯＡの推定を、複数の衛星のそれぞれで行う。実施の形態２に係る測位装置は、得られた複数の測位点の重心を算出し、算出した重心値を用いて実施の形態１に示された１機の衛星によるＤＯＡ推定値に代えてもよい。

図５は、実施の形態２に係る測位装置の構成を示す機能ブロック図である。図５に示されるとおり実施の形態２に係る測位装置は、実施の形態１で示された機能ブロックに加え、重心値算出部１０の機能ブロックを含む。また図５に示されるとおり実施の形態２に係る測位装置は、衛星の数すなわち受信アンテナの数をＮとすると、ＤＯＡ推定処理部６は受信アンテナのそれぞれに対応したＮ個の独立した処理を行う。またＤＯＡ測位処理部７もＤＯＡ推定処理部６と同様に、受信アンテナのそれぞれに対応したＮ個の独立した処理を行う。

図６は、実施の形態２に係る測位装置の処理フローを示すフローチャートである。図６に示されるとおり実施の形態２に係る測位装置は、実施の形態１で示された処理ステップに加え、ＤＯＡに関する処理ステップにおいて、全ての衛星についてＤＯＡの推定が完了したかを確認するステップ（ＳＴ２３）と、複数のＤＯＡごとに算出した測位点の重心を算出するステップ（ＳＴ２４）と、を含む。

複数のＤＯＡごとに算出した測位点の重心を算出するステップ（ＳＴ２４）は重心値算出部１０で実行され、具体的には以下の計算がなされる。

ただし、Ｃは求める重心であり、Ｎは前述したとおり衛星の数である。

実施の形態２に係るアンビギュイティ対処部８は、ＴＤＯＡ測位処理部５が算出した複数の測位点のうち、重心値算出部１０により算出された測位点の重心Ｃに最も近いものを選択し、選択した値をもっともらしい測位点ｐとする測位結果を出力する。

実施の形態２に係る測位装置は上記構成を備えるため、アンビギュイティ対処部８が、ＴＤＯＡ測位処理部５が算出した複数の測位点のうち、重心値算出部１０により算出された測位点の重心Ｃに最も近いものを選択し、選択した値をもっともらしい測位点ｐとする測位結果を出力する。この作用により本開示技術に係る測位装置は、測位対象の送信波としてパルスレーダ波が用いられる場合でも、測位対象を高精度に測位する、という効果を奏する。

実施の形態３．
実施の形態１及び実施の形態２は、本開示技術の態様としてＴＤＯＡに基づいて測位をするものが示された。本開示技術はこれに限定されるものではなく、ＦＤＯＡに基づいて測位が行われてもよい。実施の形態３にはＦＤＯＡに基づいて測位を行う測位装置の態様が示される。実施の形態３では、特に明記する場合を除き、既出の実施の形態で用いた構成要素の符号と同じものが使用される。また実施の形態３では、既出の実施の形態と重複する説明は適宜省略される。

実施の形態３に係る測位装置は、その一部をプロセッサ１００上で実行されるプログラムで実現できる。この場合のハードウエア構成は、既に図２に示されたとおりである。実施の形態３に係る測位装置は、実施の形態１で行っていたＴＤＯＡについての処理に代えて、ＦＤＯＡについての処理を行う。

図７は、実施の形態３に係る測位装置の構成を示す機能ブロック図である。図７に示されるとおり実施の形態３に係る測位装置は、実施の形態１の機能ブロックのＴＤＯＡ算出部４とＴＤＯＡ測位処理部５とに代えて、ＦＤＯＡ算出部１１とＦＤＯＡ測位処理部１２とを備えるものである。ＴＤＯＡとＦＤＯＡとは、ともに相互相関の出力で複数のピークが生じるが、ＴＤＯＡのアンビギュイティがＰＲＩ毎に生じるのに対しＦＤＯＡのアンビギュイティは１／ＰＲＩ毎に生じる。

図８は、実施の形態３に係る測位装置の処理フローを示すフローチャートである。図８に示されるとおり実施の形態３に係る測位装置は、実施の形態１で示されたＴＤＯＡを算出するステップ（ＳＴ１３）とＴＤＯＡ測位を行うステップ（ＳＴ１４）とに代えて、ＦＤＯＡを算出するステップ（ＳＴ１３Ｂ）とＦＤＯＡ測位を行うステップ（ＳＴ１４Ｂ）とを実行する。ＦＤＯＡを算出するステップ（ＳＴ１３Ｂ）はＦＤＯＡ算出部１１で実行され、ＦＤＯＡ測位を行うステップ（ＳＴ１４Ｂ）はＦＤＯＡ測位処理部１２で実行される。

ＦＤＯＡ測位処理部１２は、算出されたＦＤＯＡに基づいてＦＤＯＡ測位を行う（図８のＳＴ１４Ｂで示されるステップ）。例えば３機の衛星で電波源の位置を測定する場合、ＦＤＯＡ測位処理部１２は、前述の式（２０）に示された反復演算を行う。ただしＦＤＯＡ測位の場合、反復演算に用いるＡ_ｋ及びｕ_ｋは、以下に示されたものである。

ただし、下添え字のｋ（ｋ＝１，２，…Ｋ）はＦＤＯＡのアンビギュイティを区別するためのものである。Ｋは、ＦＤＯＡのアンビギュイティの総数である。

ＦＤＯＡ測位を行うステップ（ＳＴ１４Ｂ）の後の処理は、実施の形態１で示されたものと同じである。

実施の形態３に係る測位装置は上記構成を備えるため、アンビギュイティ対処部８が、ＦＤＯＡ測位処理部１２が算出した複数の測位点のうち、ＤＯＡ測位処理部７により算出された測位点Ｘに最も近いものを選択し、選択した値をもっともらしい測位点ｐとする測位結果を出力する。この作用により本開示技術に係る測位装置は、測位対象の送信波としてパルスレーダ波が用いられる場合でも、測位対象を高精度に測位する、という効果を奏する。

実施の形態４．
実施の形態３には、ＦＤＯＡに基づいて測位を行い１機の衛星がＤＯＡを推定するものが示された。実施の形態４には、ＦＤＯＡに基づいて測位を行い複数の衛星がＤＯＡを推定するものが示される。実施の形態４では、特に明記する場合を除き、既出の実施の形態で用いた構成要素の符号と同じものが使用される。また実施の形態４では、既出の実施の形態と重複する説明は適宜省略される。

実施の形態４に係る測位装置は、その一部をプロセッサ１００上で実行されるプログラムで実現できる。この場合のハードウエア構成は、既に図２に示されたとおりである。実施の形態４に係る測位装置は、実施の形態３で行っていた１機の衛星からの情報に基づくＤＯＡの推定を、複数の衛星のそれぞれで行う。実施の形態４に係る測位装置は、得られた複数の測位点の重心を算出し、算出した重心値を用いて実施の形態３に示された１機の衛星によるＤＯＡ推定値に代えてもよい。

図９は、実施の形態４に係る測位装置の構成を示す機能ブロック図である。図９に示されるとおり実施の形態４に係る測位装置は、実施の形態３で示された機能ブロックに加え、重心値算出部１０の機能ブロックを含む。また図９に示されるとおり実施の形態４に係る測位装置は、衛星の数すなわち受信アンテナの数をＮとすると、ＤＯＡ推定処理部６は受信アンテナのそれぞれに対応したＮ個の独立した処理を行う。またＤＯＡ測位処理部７もＤＯＡ推定処理部６と同様に、受信アンテナのそれぞれに対応したＮ個の独立した処理を行う。実施の形態４におけるＤＯＡ推定処理部６とＤＯＡ測位処理部７とがＮ個の独立した処理を行う構成は、図５に示された実施の形態２に係る構成と同じである。

図１０は、実施の形態４に係る測位装置の処理フローを示すフローチャートである。
図１０に示されるとおり実施の形態４に係る測位装置は、実施の形態１で示されたＴＤＯＡを算出するステップ（ＳＴ１３）とＴＤＯＡ測位を行うステップ（ＳＴ１４）とに代えて、ＦＤＯＡを算出するステップ（ＳＴ１３Ｂ）とＦＤＯＡ測位を行うステップ（ＳＴ１４Ｂ）とを実行する。ＦＤＯＡを算出するステップ（ＳＴ１３Ｂ）はＦＤＯＡ算出部１１で実行され、ＦＤＯＡ測位を行うステップ（ＳＴ１４Ｂ）はＦＤＯＡ測位処理部１２で実行される。
また図１０に示されるとおり実施の形態４に係る測位装置は、実施の形態３で示された処理ステップに加え、ＤＯＡに関する処理ステップにおいて、全ての衛星についてＤＯＡの推定が完了したかを確認するステップ（ＳＴ２３）と、複数のＤＯＡごとに算出した測位点の重心を算出するステップ（ＳＴ２４）と、を含む。

実施の形態４に係る測位装置は、実施の形態２と実施の形態３とを組み合わせた態様である。このように本開示技術に係る測位装置は、技術的思想の創作の範囲内において、各実施の形態で示された態様を自由に組み合わせて構成されたものでもよい。
以上のとおり実施の形態４に係る測位装置は、実施の形態２と実施の形態４とに記載された作用をなし、実施の形態２と実施の形態３とに記載された効果を奏する。

実施の形態５．
既出の実施の形態で示されたとおり本開示技術に係る測位装置は、測位方法が限定されず、ＴＤＯＡ測位であってもＦＤＯＡ測位であってもよい。実施の形態５には、ＴＤＯＡとＦＤＯＡと両方の測位を行うものが示される。

図１１は、実施の形態５に係る測位装置の構成を示す機能ブロック図である。図１１に示されるとおり実施の形態５に係る測位装置は、実施の形態１の機能ブロックのＴＤＯＡ算出部４とＴＤＯＡ測位処理部５とに代えて、ＴＤＦＤ算出部１３とＴＤＦＤ測位処理部１４とを備えるものである。

図１２は、実施の形態５に係る測位装置の処理フローを示すフローチャートである。図１２に示されるとおり実施の形態５に係る測位装置は、実施の形態１で示されたＴＤＯＡを算出するステップ（ＳＴ１３）とＴＤＯＡ測位を行うステップ（ＳＴ１４）とに代えて、ＴＤＦＤを算出するステップ（ＳＴ１３Ｃ）とＴＤＦＤ測位を行うステップ（ＳＴ１４Ｃ）とを実行する。ＴＤＦＤを算出するステップ（ＳＴ１３Ｃ）はＴＤＦＤ算出部１３で実行され、ＴＤＦＤ測位を行うステップ（ＳＴ１４Ｃ）はＴＤＦＤ測位処理部１４で実行される。

ＴＤＦＤ測位処理部１４は、算出されたＴＤＦＤに基づいてＴＤＦＤ測位を行う（図１０のＳＴ１４Ｃで示されるステップ）。例えば３機の衛星で電波源の位置を測定する場合、ＴＤＦＤ測位処理部１４は、前述の式（２０）に示された反復演算を行う。ただしＴＤＦＤ測位の場合、反復演算に用いるＡ_ｋ及びｕ_ｋは、以下のとおり次元が拡大された拡大系のベクトルである。

ただし、下添え字のｋ（ｋ＝１，２，…Ｋ）はアンビギュイティを区別するためのものである。Ｋは、アンビギュイティの総数である。

実施の形態５に係る測位装置の効果は、図１３及び図１４により明らかになる。図１３は、実施の形態５に係る測位装置の効果を示す模式図その１である。また図１４は、実施の形態５に係る測位装置の効果を示す模式図その２である。より具体的に図１３は、実施の形態５に係る測位装置が扱うデータを地図上に示したものであり、測位結果にアンビギュイティがあることを示している。またより具体的に図１４は、実施の形態５に係る測位装置が推定した測位点を地図上に示したものである。図１４に示される推定結果は、測位誤差が４．３［ｋｍ］以下である。

実施の形態５に係る測位装置は上記構成を備えるため、アンビギュイティ対処部８が、ＴＤＦＤ測位処理部１４が算出した複数の測位点のうち、ＤＯＡ測位処理部７により算出された測位点Ｘに最も近いものを選択し、選択した値をもっともらしい測位点ｐとする測位結果を出力する。この作用により本開示技術に係る測位装置は、測位対象の送信波としてパルスレーダ波が用いられる場合でも、測位対象を高精度に測位する、という効果を奏する。

以上の実施の形態５の態様は、本開示技術のひとつの態様として１機の衛星がＤＯＡを推定するものとして示された。しかし本開示技術はこれに限定されない。本開示技術に係る測位装置は、以上の態様に実施の形態２を組み合わせて、複数の衛星がＤＯＡを推定するものであってもよい。

実施の形態６．
本開示技術に係る測位装置は、２次元相関演算のピークからＴＤＦＤを算出する際に、あらかじめＴＤＦＤの範囲を求める工夫がなされていてもよい。実施の形態６は、実施の形態１に係る測位装置の機能ブロックに加え、さらにＴＤＯＡ範囲算出部１５の機能ブロックを含む態様が示される。

図１５は、実施の形態６に係る測位装置の構成を示す機能ブロック図である。図１５に示されるとおり実施の形態６に係る測位装置は、実施の形態１で示された機能ブロックに加え、ＴＤＯＡ範囲算出部１５の機能ブロックを含む。図１５に示されるとおりＴＤＯＡ範囲算出部１５は、ＴＤＯＡ算出部４の数だけあり備えられてよい。ＴＤＯＡ範囲算出部１５は、図２に示されるプロセッサ１００上で実行されるプログラムとして実現されてもよいし、専用のハードウエアで実現されてもよい。

図１６は、実施の形態６に係る測位装置の処理フローを示すフローチャートである。図１６に示されるとおり実施の形態６に係る測位装置は、実施の形態１で示された処理ステップに加え、ＤＯＡに関する処理ステップにおいて、ＴＤＯＡの範囲を算出するステップ（ＳＴ２５）をさらに含む。ＴＤＯＡの範囲を算出するステップ（ＳＴ２５）は、ＴＤＯＡ範囲算出部１５により実施される。

ＴＤＯＡ範囲算出部１５により実施されるＳＴ２５は、以下の数式に沿った説明により明らかになる。まず、ＬＯＮ及びＬＡＴで表される座標系は、いつでもＸＹＺ座標系へ変換可能であることは、よく知られた事実である。そこでＴＤＯＡ範囲算出部１５は、ＤＯＡから算出した緯度経度表示での測位値を、ＸＹＺ座標系である３次元位置ベクトルに変換する。変換された３次元位置ベクトルは、Ｐ_ｘとする。
３機の衛星を用いて電波源の位置を測位する例において、衛星＃１と衛星＃２との間のＴＤＯＡ差は数式（１）から、衛星＃２と衛星＃３との間のＴＤＯＡ差は数式（３）から、それぞれ以下のように求められる。

ここで数式（４２）及び数式（４３）は、３機の衛星についての３次元位置ベクトル、すなわちＰ_ｓ１、Ｐ_ｓ２、及びＰ_ｓ３が既知であることを利用している。

ＴＤＯＡ範囲算出部１５は、数式（４２）及び数式（４３）で求めた値を基準値として、ＴＤＯＡの範囲すなわちＴＤＯＡの上限と下限とを以下のように設定してもよい。

ただし２δ_ＴＤＯＡはＴＤＯＡの幅（以降、「ＴＤＯＡ幅」と称する）である。ＴＤＯＡ幅は、測位対象とする送信源のパルスレーダ波のＰＲＩ以下となるように設定されてよい。

ＴＤＯＡ幅を送信源のパルスレーダ波のＰＲＩ以下となるように設定することは、アンビギュイティの数だけ必要だった反復演算の数式（２０）、数式（２１）、及び数式（２２）の組を、１組に絞れるという効果を奏する。具体的に実施の形態６に係るＴＤＯＡ算出部４が行う反復演算の数式の組は、以下に示されたものになる。

ここでＡ及びΔｕは、以下の数式で与えられる。

以上のとおり実施の形態６に係る測位装置は上記構成を備えるため、実施の形態１で示された効果に加え、アンビギュイティの数だけ必要だった反復演算の組を１組に絞れるという効果を奏する。

以上の実施の形態６の態様は、本開示技術のひとつの態様として１機の衛星がＤＯＡを推定するものとして示された。しかし本開示技術はこれに限定されない。本開示技術に係る測位装置は、以上の態様に実施の形態２を組み合わせて、複数の衛星がＤＯＡを推定するものであってもよい。すなわちＴＤＯＡ範囲算出部１５が算出するＴＤＯＡの範囲は、複数の衛星が推定したＤＯＡの重心をもってして、その範囲の基準値が決められてもよい。

実施の形態７．
本開示技術に係る測位装置は、２次元相関演算のピークからＴＤＦＤを算出する際に、あらかじめＴＤＦＤの範囲を求める工夫がなされていてもよい。実施の形態７は、実施の形態３に係る測位装置の機能ブロックに加え、さらにＦＤＯＡ範囲算出部１６の機能ブロックを含む態様が示される。

図１７は、実施の形態７に係る測位装置の構成を示す機能ブロック図である。図１７に示されるとおり実施の形態７に係る測位装置は、実施の形態３で示された機能ブロックに加え、ＦＤＯＡ範囲算出部１６の機能ブロックを含む。

図１８は、実施の形態７に係る測位装置の処理フローを示すフローチャートである。図１８に示されるとおり実施の形態７に係る測位装置は、実施の形態３で示された処理ステップに加え、ＤＯＡに関する処理ステップにおいて、ＦＤＯＡの範囲を算出するステップ（ＳＴ２５Ｂ）をさらに含む。ＦＤＯＡの範囲を算出するステップ（ＳＴ２５Ｂ）は、ＦＤＯＡ範囲算出部１６により実施される。

３機の衛星を用いて電波源の位置を測位する例において、衛星＃１と衛星＃２との間のＦＤＯＡ差は数式（２）から、衛星＃２と衛星＃３との間のＦＤＯＡ差は数式（４）から、それぞれ以下のように求められる。

ＦＤＯＡ範囲算出部１６は、数式（４９）及び数式（５０）で求めた値を基準値として、ＦＤＯＡの範囲すなわちＦＤＯＡの上限と下限とを以下のように設定してもよい。

ただし２δ_ＦＤＯＡはＦＤＯＡの幅（以降「ＦＤＯＡ幅」と称する）である。ＦＤＯＡ幅は、測位対象とする送信源のパルスレーダ波のＰＲＩの逆数、すなわち１/ＰＲＩ以下となるように設定されてよい。

ＦＤＯＡ幅を送信源の１/ＰＲＩ以下となるように設定することは、アンビギュイティの数だけ必要だった反復演算の数式（２０）、数式（３８）、及び数式（３９）の組を、１組に絞れるという効果を奏する。具体的に実施の形態７に係るＦＤＯＡ算出部１１が行う反復演算の数式は、数式（４６）と同じである。ただしＡ及びΔｕは、以下の数式で与えられる。

以上のとおり実施の形態７に係る測位装置は上記構成を備えるため、実施の形態３で示された効果に加え、アンビギュイティの数だけ必要だった反復演算の組を１組に絞れるという効果を奏する。

以上の実施の形態７の態様は、本開示技術のひとつの態様として１機の衛星がＤＯＡを推定するものとして示された。しかし本開示技術はこれに限定されない。本開示技術に係る測位装置は、以上の態様に実施の形態４を組み合わせて、複数の衛星がＤＯＡを推定するものであってもよい。すなわちＦＤＯＡ範囲算出部１６が算出するＦＤＯＡの範囲は、複数の衛星が推定したＤＯＡの重心をもってして、その範囲の基準値が決められてもよい。

本開示技術に係る測位装置の別の実施の形態は、実施の形態６と実施の形態７とを組み合わせて実現されてもよい。すなわち実施の形態５で示したＴＤＯＡとＦＤＯＡと両方の測位を行う態様に対して、ＴＤＦＤ範囲算出部１７がＴＤＦＤの範囲を算出するようにしてよい。この場合もＤＯＡの推定は、１機の衛星で行われたものでも複数の衛星で行われたものでもよい。

本開示技術は衛星の測位等に応用することができ、産業上の利用可能性を有する。

１受信アンテナ、２受信部、３相互相関処理部、４ＴＤＯＡ算出部、５ＴＤＯＡ測位処理部、６ＤＯＡ推定処理部、７ＤＯＡ測位処理部、８アンビギュイティ対処部、９測位結果出力部、１０重心値算出部、１１ＦＤＯＡ算出部、１２ＦＤＯＡ測位処理部、１３ＴＤＦＤ算出部、１４ＴＤＦＤ測位処理部、１５ＴＤＯＡ範囲算出部、１６ＦＤＯＡ範囲算出部、１７ＴＤＦＤ範囲算出部、１００プロセッサ、１０１メモリ、１０２表示器。

Claims

少なくとも３機の衛星から到来した電波をそれぞれ別々に受信する少なくとも３台の受信アンテナと、
前記受信アンテナからの受信信号のすべてから２つを選択する組合せについての相互相関の複数のピークに基づいてＴＤＯＡを算出するＴＤＯＡ算出部と、
前記ＴＤＯＡに基づいてＴＤＯＡ測位を行うＴＤＯＡ測位処理部と、
少なくとも１機の衛星のアレイアンテナで受信した受信信号からＤＯＡを推定するＤＯＡ推定処理部と、
前記ＤＯＡに基づいてＤＯＡ測位を行うＤＯＡ測位処理部と、
前記ＤＯＡ測位処理部の結果に基づいてＴＤＯＡの範囲を設定するＴＤＯＡ範囲算出部と、
前記ＴＤＯＡ測位処理部が算出した複数の測位の結果から、前記ＤＯＡ測位処理部により算出された結果に最も近いものを選択するアンビギュイティ対処部と、を備え、
前記ＴＤＯＡ範囲算出部は、前記ＤＯＡ測位に基づいて定義された値を基準値として、測位対象とする送信源のパルスレーダ波のＰＲＩ以下となるＴＤＯＡ幅で前記ＴＤＯＡの範囲を設定する
測位装置。
少なくとも３機の衛星から到来した電波をそれぞれ別々に受信する少なくとも３台の受信アンテナと、
前記受信アンテナからの受信信号のすべてから２つを選択する組合せについての相互相関の複数のピークに基づいてＦＤＯＡを算出するＦＤＯＡ算出部と、
前記ＦＤＯＡに基づいてＦＤＯＡ測位を行うＦＤＯＡ測位処理部と、
少なくとも１機の衛星のアレイアンテナで受信した受信信号からＤＯＡを推定するＤＯＡ推定処理部と、
前記ＤＯＡに基づいてＤＯＡ測位を行うＤＯＡ測位処理部と、
前記ＤＯＡ測位処理部の結果に基づいてＦＤＯＡの範囲を設定するＦＤＯＡ範囲算出部と、
前記ＦＤＯＡ測位処理部が算出した複数の測位の結果から、前記ＤＯＡ測位処理部により算出された結果に最も近いものを選択するアンビギュイティ対処部と、を備え、
前記ＦＤＯＡ範囲算出部は、前記ＤＯＡ測位に基づいて定義された値を基準値として、測位対象とする送信源のパルスレーダ波の１/ＰＲＩ以下となるＦＤＯＡ幅で前記ＦＤＯＡの範囲を設定する
測位装置。
少なくとも３機の衛星から到来した電波をそれぞれ別々に受信する少なくとも３台の受信アンテナと、
前記受信アンテナからの受信信号のすべてから２つを選択する組合せについての相互相関の複数のピークに基づいてＴＤＯＡ及びＦＤＯＡを算出するＴＤＦＤ算出部と、
前記ＴＤＯＡ及び前記ＦＤＯＡに基づいてＴＤＯＡ測位及びＦＤＯＡ測位を行うＴＤＦＤ測位処理部と、
少なくとも１機の衛星のアレイアンテナで受信した受信信号からＤＯＡを推定するＤＯＡ推定処理部と、
前記ＤＯＡに基づいてＤＯＡ測位を行うＤＯＡ測位処理部と、
前記ＤＯＡ測位処理部の結果に基づいてＴＤＯＡ及びＦＤＯＡの範囲を設定するＴＤＦＤ範囲算出部と、
前記ＴＤＦＤ測位処理部が算出した複数の測位の結果から、前記ＤＯＡ測位処理部により算出された結果に最も近いものを選択するアンビギュイティ対処部と、を備え、
前記ＴＤＦＤ範囲算出部は、前記ＤＯＡ測位に基づいて定義された値を基準値として、測位対象とする送信源のパルスレーダ波のＰＲＩ以下となるＴＤＯＡ幅で前記ＴＤＯＡの範囲を設定し、１/ＰＲＩ以下となるＦＤＯＡ幅で前記ＦＤＯＡの範囲を設定する
測位装置。
さらに重心値算出部を備え、
前記重心値算出部は、複数のＤＯＡごとに算出した測位点の重心を算出し、
前記アンビギュイティ対処部は、複数の測位の結果から、前記重心値算出部が算出した前記重心に最も近いものを選択する
請求項１から３のいずれか１項に記載の測位装置。