JP7224034B2 - 信号処理装置及び信号処理方法 - Google Patents

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特許法第３０条第２項適用 ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｉｅｉｃｅ．ｏｒｇ／ｋｅｎ／ｐａｐｅｒ／２０１９０２１３Ｃ１ｊＷ／ ２０１９年１月２３日 発表原稿投稿日 〔刊行物等〕 ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｉｅｉｃｅ．ｏｒｇ／ｋｅｎ／ｐａｐｅｒ／２０１９０２１３Ｃ１ｊＷ／ ２０１９年２月６日 予稿ＷＥＢ公開日 〔刊行物等〕 ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｉｅｉｃｅ．ｏｒｇ／ｋｅｎ／ｐａｐｅｒ／２０１９０２１３Ｃ１ｊＷ／ ２０１９年２月１３日 発表講演日

本発明は、例えば自動船舶識別システム（Automatic Identification System（本明細書ではこれを「ＡＩＳ」と呼ぶ。））信号を処理する信号処理装置及び信号処理方法に関する。

日本ではこれまで沿岸に設置された陸上局を利用してＡＩＳ信号を収集してきた。そのカバーエリアは海岸から２０～３０海里（３７～５５ｋｍ）程度の範囲であった。これに対して、人工衛星を用いたＡＩＳは、地上局によるものと比べ、一度に直径５，０００ｋｍ程度の広範囲（陸上局のないエリアも含む。）のＡＩＳ信号の受信が可能である、という利点があり、既に商用サービスが開始される等、普及が進んでいる（非特許文献１、特許文献１参照）。一方で、船舶が過密した地域では、信号が混信してしまい受信しても復調できない、という課題がある。また、広い視野で陸域の地上レーダー等も観測してしまい妨害波による性能劣化も発生する。例えば、日本周辺の海域や陸域では、船舶数や妨害波が多く、既存サービスの衛星数によるシステムでは積極的な処置対策をする報告はない。

従来の解決方法としては、信号衝突をしたＡＩＳ信号はアンテナの指向性を高めることで衝突しうる信号の数を減らし、結果的に数波の混信であれば高負荷な処理により波形を予測し検出を試み、妨害波に対してはフィルタ処理により影響を緩和する技術が開示されている（特許文献２参照）。

特開２０１５－１９７７７９号公報（段落[０１０９]） 特開２０１８－７２１２号公報

http://www.satnavi.jaxa.jp/experiment/spaise/

しかしながら、人工衛星を用いたＡＩＳの場合、アンテナ数Ｎに対し信号数（妨害波も含む。）Ｍが同等に近い状況やそれ以上の状況が起こり、そのような場合は性能が劣化し原理的に分離効果に限界があり信号を検出できなくなってゆく。

昨今の一般的な通信システムでは、予想される信号数が十分検出可能なシステムが設計されるが、ＩｏＴ等で多くの家電製品やセンサ群が無線通信機能を有することになると、ＡＩＳと同様な通信方式を用いた場合、またはシステム構築後に想定以上のユーザー数に成長した場合、ネットワーク配置に対して無線機配置が部分的な隔たりを発生させた場合に同じ課題が起こりうる。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、空間ダイバーシティ処理により分離しても復調できない信号であっても復調することができる信号処理装置及び信号処理方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の信号処理装置は、複数の信号源からの信号を空間ダイバーシティ処理により分離するデジタルビームフォーミング部と、前記デジタルビームフォーミング部で分離された信号と復調される可能性がある複数の信号を合成した信号との比較により、復調する複数の信号を推定する信号推定処理部とを具備する。

これにより、空間ダイバーシティ処理により分離しても復調できない信号であっても復調することができる。

本発明では、前記信号推定処理部により推定された複数の信号に基づいて、前記デジタルビームフォーミング部による空間ダイバーシティ処理前の信号を補正する補正処理部を具備してもよい。

本発明では、前記デジタルビームフォーミング部で分離された信号から、前記複数の信号源の空間的な偏りを利用して、前記復調する複数の信号に含まれない信号を抽出する抽出部を具備し、前記補正処理部は、前記抽出部により抽出された信号に基づいて、前記デジタルビームフォーミング部による空間ダイバーシティ処理前の信号を補正してもよい。

本発明の一形態では、前記復調する複数の信号に含まれない信号は、妨害波又は前記復調する複数の信号の信号源の領域とは異なる領域の信号源の信号である。

本発明の信号処理装置は、複数の信号源からの信号を空間ダイバーシティ処理により分離するデジタルビームフォーミング部と、前記デジタルビームフォーミング部で分離された信号から、前記複数の信号源の空間的な偏りを利用して、前記復調する複数の信号に含まれない信号を抽出する抽出部と、前記抽出部により抽出された信号に基づいて、前記デジタルビームフォーミング部による空間ダイバーシティ処理前の信号を補正する補正処理部とを具備する。

本発明の信号処理方法は、複数の信号源からの信号を空間ダイバーシティ処理により分離し、前記分離された信号と復調される可能性がある複数の信号を合成した信号との比較により、復調する複数の信号を推定する。

本発明の信号処理方法は、複数の信号源からの信号を空間ダイバーシティ処理により分離し、前記分離された信号から、前記複数の信号源の空間的な偏りを利用して、前記復調する複数の信号に含まれない信号を抽出し、前記抽出された信号に基づいて、前記空間ダイバーシティ処理前の信号を補正する。

本発明によれば、空間ダイバーシティ処理により分離しても復調できない信号であっても復調することができる。

本発明の一実施形態に係るＡＩＳ信号受信システムの信号処理装置の構成を示すブロック図である。 図１の詳細を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る信号処理装置の動作を示すフローチャートである。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。なお、本発明は以下の実施形態によって限定的に解釈されるものではない。
図１は本発明の一実施形態に係る信号処理装置を示す図であり、図２はその詳細を示す図である。
ＡＩＳ信号受信システム４は、人工衛星（図示せず）に搭載され、船舶等から送信されるＡＩＳ信号（信号源１、２の信号）を、複数のＡＩＳアンテナ５ａを介してそれぞれ独立してＡ／Ｄ変換器５ｂで受信する受信装置５を有する。

信号処理装置１０は、ＤＢＦ（デジタルビームフォーミング）によりデジタル上で所望のアンテナビームを形成し、形成したアンテナビームに応じて、受信した各ＡＩＳ信号を分離する。

信号処理装置１０は、各受信装置５により受信された受信信号を処理する処理コンピュータ６及び解析装置８を有する。処理コンピュータ６は、信号検出装置７を、解析装置８は、データベース９を、それぞれ有する。

信号検出装置７は、マルチアンテナデータ収集部７ａと、デジタルビームフォーミング部７ｃと、検波復調部７ｅとを備え、さらに、データ補正処理部７ｂと、信号推定処理部７ｄとを備える。

解析装置８は、データベース９の他に、妨害波干渉抽出部８ａと、受信信号数評価処理部８ｂと、受信システム運用情報収集部８ｅとを備える。

マルチアンテナデータ収集部７ａは、ＡＩＳ信号受信システム４の各受信装置５より受信された受信信号を収集する。

デジタルビームフォーミング部７ｃは、空間ダイバーシティ処理を行う。例えば、ＤＢＦによりデジタル上で所望のアンテナビームを形成し、形成したアンテナビームに応じて、受信した各ＡＩＳ信号を分離するものである。典型的にはデジタルビームフォーミング部７ｃは、ＤＢＦ処理としてデジタル信号にそれぞれウエイトを与えて合成することで、デジタル上でアンテナビームを形成し、ＡＩＳ信号を分離するものであり、ウエイトを与えて合成する際に異なるウエイトの組み合わせによる並列処理によって、マルチビームを同時に形成する。デジタルビームフォーミング部７ｃは、各マルチビームを所定の条件に応じて適応的に形成する。なお、ＤＢＦは、利得やビーム幅、方向に合わせてウエイトを決めて分離する手順に限定されず、マルチアンテナによる信号分離全般を意味する。例えば、時空間的分離や周波数的分離処理も含まれる。すなわち、ＤＢＦとは、ヌルの方向やメインローブの利得、サイドローブの位置などが、信号分離に都合のよい状況を適時算出するもの全般を含むものである。

検波復調部７ｅは、デジタルビームフォーミング部７ｃで分離されたＡＩＳ信号からデータをそれぞれ復調する。

信号推定処理部７ｄは、デジタルビームフォーミング部７ｃで分離された信号と複数の模擬信号を合成した信号との比較により、実際に含まれる複数の信号を推定する。ＡＩＳ信号は、規格化された信号であるので、復調される可能性がある信号のパターンは限定される。従って、復調される可能性がある複数の信号を合成した信号もある程度限定される。本発明に係る信号処理装置１０では、この点に着目し、デジタルビームフォーミング部７ｃで分離された信号を、復調される可能性がある複数の信号を合成した信号と例えばパターンマッチングし、復調する信号を推定することで、空間ダイバーシティ処理により分離しても復調できない信号であっても復調することを可能としている。すなわち、空間ダイバーシティ（マルチアンテナによるデジタルビームフォーミング等）効果で除去しきれない信号衝突（例えば信号源１どうしの信号衝突）や妨害波３を信号推定処理部７ｄによりさらに分離することができる。
なお、信号推定処理部７ｄで比較される複数の模擬信号を合成した信号は、例えば、ＡＩＳ信号を模擬して生成された模擬信号を合成した信号であり、復調される可能性がある複数の信号を合成した信号に相当する。複数の模擬信号を合成した信号は、例えば、信号推定処理部７ｄ内または外部からから供給すればよい。

データ補正処理部７ｂは、信号推定処理部７ｄにより推定された複数の信号に基づいて、デジタルビームフォーミング部７ｃによる空間ダイバーシティ処理前の信号を補正する。すなわち、信号推定処理部７ｄの検出結果を空間ダイバーシティ前の混信信号状態から減算等することで信号衝突や妨害波の少ない問題に置き換え、デジタルビームフォーミング部７ｃで再処理することで、復調性能がより向上する。なお、以上の処理で信号推定可能となった受信波形をデジタルビームフォーミング部７ｃによる空間ダイバーシティ処理の拘束条件としてもよい。例えば、観測点ごとの信号推定結果可能となった受信波形生成の条件を蓄積ならびに再利用することで経験則的に効率的な信号処理が可能となる。蓄積されたデータを用いて年度変化や季節変動を学習し推論に利用してもよい。
妨害波干渉抽出部８ａは、デジタルビームフォーミング部７ｃで分離された信号のうち、所望信号以外の特徴を有する妨害波等を判断し受信システム運用情報収集部８ｃからの当該受信システム４と信号処理装置１０における観測条件と紐づいてデータベース９に結果を蓄積する。複数の信号源の空間的な偏りを利用して、復調する複数の信号に含まれない信号を抽出する。

複数の信号源の空間的な偏りとは、例えば信号源１や妨害波３が一様に分布していたとした場合に、群をなした信号源２が一部の地域に存在することをいう。本実施形態では、信号源１を復調する信号とすると、群をなした信号源２及び妨害波３は干渉源となりデジタルビームフォーミング部７ｃはそれらに感度を抑制するように処理する。逆に妨害波干渉抽出部８ａではこれら群をなした信号源２及び妨害波３を抽出し、データベース９に蓄積された運用情報収集部８ｃからの軌道情報等から干渉源の座標、信号強度を求めデータベース９に蓄積することができる。
すなわち、衝突する信号源や妨害波が一様分布ではなく特定の領域に偏る場合、同じ方向から来ることになる信号または妨害波をまとめて一つの干渉源として処理することで、干渉信号の少ない部分問題に置き換えることができる。部分問題となった粗密なエリアからの信号源を検波復調処理または妨害波識別した結果を、空間ダイバーシティ前の混信状態波形から減算等をすることで問題から部分問題を取り除くことを実現できる。
また、同じ方向から来ることになる信号または妨害波をまとめた一つの干渉源に対し、妨害波干渉抽出部８ａの結果を用いて空間ダイバーシティ前の混信状態波形から減算等をすることで、部分問題に対して再度空間ダイバーシティ処理から実施することができる。これらの部分問題化を繰り返すことで検波復調処理結果を改善する。

受信信号数評価処理部８ｂは、デジタルビームフォーミング部７ｃで空間分離された信号と到来方向、データベース９に蓄積された運用情報収集部８ｃからの受信システム４と信号処理装置１０における過去の運用情報を収集し、信号数推定等の結果を海域等と紐づけ、結果をデータベース９に蓄積させる。
受信システム運用情報収集部８ｃは、当該受信システム４と信号処理装置１０における運用情報を収集しデータベース９に蓄積する。この信号処理装置１０では、例えば過去の信号検出装置７における各パラメータや検出結果をデータベース９に蓄積しておき、この蓄積データを用いて或いは加味して空間ダイバーシティ前の混信状態波形から減算等をするように構成してもよい。また、この信号処理装置１０では、信号推定処理部７ｄや妨害波干渉抽出部８ａ、受信信号数評価処理部８ｂの検出結果をデータベース９に蓄積しておき、例えば現在データと蓄積データを用いて信号推定処理や妨害波抽出処理等をするように構成してもよい。すなわち、蓄積データによる学習と現在データからの推論を構成してもよい。

以上のように構成された信号処理装置１０の動作を図３に示すフローチャートに基づき説明する。

ＡＩＳ信号受信システム４からの観測データを受け取ることで信号処理装置１０の動作が開始される（ＳＴ３０１）。

マルチアンテナデータ収集部７ａが、ＡＩＳ信号受信システム４の各受信装置５より受信された受信信号を収集する（ＳＴ３０２）。

受信システム運用情報収集部８ｅが受信システム４と信号処理装置１０における運用実績を収集する（ＳＴ３０３）。例えば、軌道情報、姿勢情報、観測タイミング、観測モード、他機器動作等の観測計画とダウンリンクされたテレメトリ―等による情報を収集する。
処理コンピュータ６は、解析処理の要否を決定する（ＳＴ３０４）。例えば、レイテンシー要求のある定常運用において解析処理は不要とし速やかに検出結果配信を行う。初期校正や実験観測、特別に性能を求められる観測等の場合は、データ補正処理部７ｂやデジタルビームフォーミング部７ｃの性能向上に向けて解析処理を要とする。これは、自動判断、もしくは外部判断によりデータを複製し解析装置８で実施してもよい。
＜解析処理が不要な場合＞
解析処理が不要な場合には、処理コンピュータ６が、データ補正処理の要否を決定する（ＳＴ３０５）。例えば、信号数及び妨害波空間的隔たり照合処理（ＳＴ３２０）、受信システム運用情報収集（ＳＴ３０３）、検波復調処理（ＳＴ３０８）の結果から、減算可能なデータの有無に対してデータ補正処理要否（ＳＴ３０５）を実施する。
データ補正処理が不要な場合には、デジタルビームフォーミング部７ｃが、マルチアンテナデータ収集部７ａにより収集された受信信号をそのまま使って空間ダイバーシティ処理を行う（ＳＴ３０６）。

データ補正処理が必要な場合には、データ補正処理部７ｂが、空間ダイバーシティ処理前の信号を補正し、デジタルビームフォーミング部７ｃに渡し（ＳＴ３１０）、デジタルビームフォーミング部７ｃが、補正後の受信信号を使って空間ダイバーシティ処理を行う（ＳＴ３０６）。

処理コンピュータ６が、信号推定処理の要否を決定する（ＳＴ３０７）。例えば、信号数及び妨害波空間的隔たり照合処理（ＳＴ３２０）、受信システム運用情報収集（ＳＴ３０３）、検波復調処理（ＳＴ３０８）の結果から、複数の信号源が混在し分離が可能と判断された場合に要となり、波形模擬および相関処理（ＳＴ３１１）がデジタルビームフォーミング部７ｃで分離された混信が残るＡＩＳ信号を受け取る。
信号推定処理が不要な場合には、検波復調部７ｅが、デジタルビームフォーミング部７ｃで分離されたＡＩＳ信号からデータを復調する（ＳＴ３０８）。

信号推定処理が必要な場合には、信号推定処理部７ｄが、デジタルビームフォーミング部７ｃで分離された混信が残るＡＩＳ信号を受け取り、内在するＡＩＳ信号の波形パターンを模擬し高い相関が得られたときに信号源候補として結果を検波復調処理（ＳＴ３０８）へ出力し復調させる。

処理コンピュータ６が、検波復調部７ｅで検波復調処理（ＳＴ３０８）を行い、ＡＩＳ信号の情報を生成し結果を検出結果配信（ＳＴ３０９）する。
＜解析処理が必要な場合＞

解析処理が必要な場合には、解析装置８が、妨害波干渉抽出部８ａで妨害波の干渉があるか否かを判断する（ＳＴ３１２）。例えば、フィルタ処理や閾値判断等で妨害波の干渉があるか否かを判断する。
妨害波の干渉がある場合には、デジタルビームフォーミング部７ｃにおいて空間ダイバーシティ処理を行い（ＳＴ３１３）、妨害波干渉抽出部８ａが、空間ダイバーシティ処理後の信号の妨害波の最大化をし、すなわち空間ダイバーシティ処理により妨害波が最大となるように処理を行い（ＳＴ３１４）、その妨害波を分離処理する（ＳＴ３１５）。なお、上記のデータ補正処理部７ｂは、空間ダイバーシティ処理前の信号から、上記の分離処理された妨害波を減算する（ＳＴ３１０）。

妨害波干渉抽出部８ａが、妨害波源の空間分布を照合する処理を行い（ＳＴ３１６）、妨害波源の領域を特定する。例えば、受信システム運用情報収集（ＳＴ３０３）の衛星位置情報等と紐づけて図１に示した妨害波３が発生している領域を特定し、その領域を受信領域から外すようにデジタルビームフォーミング部７ｃにおいて空間ダイバーシティ処理を行う（ＳＴ３１７）。

ＳＴ３１２に妨害波の干渉がないと判断された場合、ＳＴ３１６を踏まずにデジタルビームフォーミング部７ｃにおいて空間ダイバーシティ処理を行う（ＳＴ３１７）。

ＳＴ３１７で空間ダイバーシティ処理を行った後、解析装置８が、空間ダイバーシティ処理後の受信電力の最大化をし、すなわち空間ダイバーシティ処理により受信電力が最大となるように処理を行い（ＳＴ３１８）、受信電力の空間分布を照合する処理を行う（ＳＴ３１９）。これにより、例えば受信システム運用情報収集（ＳＴ３０３）の衛星位置情報等と紐づけて図１に示した信号源１と群をなす信号源２のそれぞれの領域を区別できる。

解析装置８は、信号数及び妨害波の空間的偏りを照合する処理を行う（ＳＴ３２０）。具体的には、受信システム運用情報収集（ＳＴ３０３）の衛星位置情報等と紐づけて図１に示した信号源１と群をなす信号源２、妨害波のそれぞれの領域を区別できる。そして、その各領域に対して感度を調整するようにデジタルビームフォーミング部７ｃにおいて空間ダイバーシティ処理を行う（ＳＴ３０７）。
本実施形態によれば、アンテナ本数を超える数十の信号衝突と、妨害波が受信される場合においても、ある程度の信号検出が可能となり、空間ダイバーシティ処理により分離しても復調できない信号であっても復調することができるようになる。なお、各機能を実現するのに図２や図３で示すフローに限る必要はない。

また、上記の各処理において波形推定や観測点毎の各処理に機械学習、スパース処理、部分推定を用いることにより処理の高性能効率化を図ることができる。

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術思想の範囲内で様々変形や応用が可能であり、その範囲も本発明の技術的範囲に属するものである。

例えば、上記の実施形態では、本発明をＡＩＳ信号受信システムに適用したものであったが、本発明は家庭内通信、ドローンとの通信等にも適用できる。例えば、多数のセンサと制御系が配置される工場等では、これらのセンサとの通信や制御処理にも本発明を適用できる。

７ｂ ：データ補正処理部
７ｃ ：デジタルビームフォーミング部
７ｄ ：信号推定処理部
８ａ ：妨害波干渉抽出部
１０ ：信号処理装置

Claims (7)

1. 複数の信号源からの信号を空間ダイバーシティ処理により分離するデジタルビームフォーミング部と、
   前記デジタルビームフォーミング部で分離された信号と復調される可能性がある複数の信号を合成した信号との比較により、前記複数の信号源からの信号に対応する復調する複数の信号を推定する信号推定処理部と
   を具備する信号処理装置。
2. 前記信号推定処理部により推定された複数の信号に基づいて、前記デジタルビームフォーミング部による空間ダイバーシティ処理前の信号を補正する補正処理部を具備する請求項１に記載の信号処理装置。
3. 前記デジタルビームフォーミング部で分離された信号から、前記複数の信号源の空間的な偏りを利用して、前記復調する複数の信号に含まれない信号を抽出する抽出部を具備し、
   前記補正処理部は、前記抽出部により抽出された信号に基づいて、前記デジタルビームフォーミング部による空間ダイバーシティ処理前の信号を補正する
   請求項２に記載の信号処理装置。
4. 前記復調する複数の信号に含まれない信号は、妨害波又は前記復調する複数の信号の信号源の領域とは異なる領域の信号源の信号である
   請求項３に記載の信号処理装置。
5. 複数の信号源からの信号を空間ダイバーシティ処理により分離するデジタルビームフォーミング部と、
   前記デジタルビームフォーミング部で分離された信号から、前記複数の信号源の空間的な偏りを利用して、前記複数の信号源からの信号に対応する復調する複数の信号に含まれない信号を抽出する抽出部と、
   前記抽出部により抽出された信号に基づいて、前記デジタルビームフォーミング部による空間ダイバーシティ処理前の信号を補正する補正処理部と
   を具備する信号処理装置。
6. 複数の信号源からの信号を空間ダイバーシティ処理により分離し、
   前記分離された信号と復調される可能性がある複数の信号を合成した信号との比較により、前記複数の信号源からの信号に対応する復調する複数の信号を推定する
   信号処理方法。
7. 複数の信号源からの信号を空間ダイバーシティ処理により分離し、
   前記分離された信号から、前記複数の信号源の空間的な偏りを利用して、前記複数の信号源からの信号に対応する復調する複数の信号に含まれない信号を抽出し、
   前記抽出された信号に基づいて、前記空間ダイバーシティ処理前の信号を補正する
   信号処理方法。

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