JP7483173B2

JP7483173B2 - 位置標定装置

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Publication number: JP7483173B2
Application number: JP2024503811A
Authority: JP
Inventors: 浩文福島; 武網嶋; 龍平高橋
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2022-04-28
Filing date: 2022-04-28
Publication date: 2024-05-14
Anticipated expiration: 2042-04-28
Also published as: WO2023209927A1; JPWO2023209927A1

Description

本開示技術は位置標定装置に関する。

衛星通信を行う電波源の位置標定において、受信信号間の相関処理後、信号の時間差（ＴｉｍｅＤｉｆｆｅｒｅｎｃｅＯｆＡｒｒｉｖａｌ：ＴＤＯＡ）及び周波数差（ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＤｉｆｆｅｒｅｎｃｅＯｆＡｒｒｉｖａｌ：ＦＤＯＡ）の情報を用いて位置標定を行う方式が知られている。このＴＤＯＡ及びＦＤＯＡを用いる２段階の従来方式は、本明細書においてＴＳＧ法（ＴｗｏＳｔｅｐＧｅｏｌｏｃａｔｉｏｎ）と称する。

電波源の位置標定において、ＴＳＧ法とは異なる方式も知られている。例えば、非特許文献１には、最尤法を利用し、受信信号から直接的にターゲット位置を標定するＤＧ法（ＤｉｒｅｃｔＧｅｏｌｏｃａｔｉｏｎ）が開示されている。非特許文献１には、ＤＧ法が、ＴＳＧ法と比較して、地上局における受信時に十分な電力が得らない低ＳＮＲ環境下で効果的である、と報告されている。

Ｗｅｉｓｓ，Ａ．，Ａｍａｒ，Ａ．， "ＤｉｒｅｃｔＧｅｏｌｏｃａｔｉｏｎｏｆＳｔａｔｉｏｎａｒｙＷｉｄｅＢａｎｄＲａｄｉｏＳｉｇｎａｌＢａｓｅｄｏｎＤｅｌａｙｓａｎｄＤｏｐｐｌｅｒＳｈｉｆｔｓ，" ＩＥＥＥＷｏｒｋｓｈｏｐｏｎＳｔａｔｉｓｔｉｃａｌＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，Ａｕｇ．３１ - Ｓｅｐｔ．３，２００９．

非特許文献１に開示されているＤＧ法は、衛星で生じる遅延時間、及び周波数変換の際に生じる周波数誤差（両者をあわせて「衛星起因誤差」と称する）、の影響が考慮されていない。

本開示技術は、上記課題を鑑み、ＤＧ法による電波源の位置標定において、衛星起因誤差を低減する新しい位置標定方式、ＨＤＧ法（Ｈｉｇｈ－ＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＤｉｒｅｃｔＧｅｏｌｏｃａｔｉｏｎ）、を提案する。

本開示技術に係る位置標定装置は、複素ベースバンド信号（ｒ^ｎ）から、ターゲットからの信号成分（ｒ^ｎ _ｔａｒ）とリファレンス波源からの信号成分（ｒ^ｎ _ｒｅｆ）とを、それぞれ個別に抽出する信号抽出部と、リファレンス波源からの信号成分（ｒ^ｎ _ｒｅｆ）に対して位置を標定するリファレンス標定処理部と、リファレンス波源の推定位置情報と、リファレンス波源が在る位置の真値と、に基づいて、衛星に起因する誤差成分を算出する衛星起因誤差算出部と、衛星起因誤差算出部で算出された誤差成分と、ターゲットからの信号成分（ｒ^ｎ _ｔａｒ）と、に基づいて、ターゲットの位置を標定する目標標定処理部と、を備える。

本開示技術に係る位置標定装置は上記構成を備えるため、衛星起因誤差を低減する、新しい位置標定方式による位置標定を実現することができる。

図１は、実施の形態１に係る位置標定装置の機能構成を示すブロック図である。図２は、実施の形態１に係る位置標定装置におけるリファレンス標定処理部１５０の機能構成を示すブロック図である。図３は、実施の形態１に係る位置標定装置における目標標定処理部１７０の機能構成を示すブロック図である。図４は、実施の形態１に係る位置標定装置の処理ステップの一例を示すフローチャートである。図５は、実施の形態１に係る位置標定装置のハードウエア構成の一例を示すブロック図である。図６は、実施の形態２に係る位置標定装置の機能構成を示すブロック図である。図７は、実施の形態２に係る位置標定装置の処理ステップの一例を示すフローチャートである。

一般に、用語の「標定」は、英語ではＯｒｉｅｎｔａｔｉｏｎと訳される。用語の「標定」は、例えば、写真測量の技術分野において用いられる。写真測量において標定とは、光線が直進する原理を用いて、写真撮影時のカメラの位置及び姿勢を求める処理を指す。Ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎは、辞典によれば、「物の角度若しくは位置、又はその物が向いている方向」を意味する。本開示技術に係る位置標定装置は、衛星通信をする通信装置すなわち電波源の位置を算出する装置である。本明細書において「位置標定」の用語は、ターゲットである電波源の位置を算出すること、として用いることとする。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る位置標定装置の機能構成を示すブロック図である。図１の上部には、位置標定装置が受信する信号の受信経路の概略図が示されている。図１上部の概略図に示されるとおり、位置標定装置は、「衛星通信波源（標定対象）」及び「リファレンス波源（位置が既知）」からの信号を、２つ以上の衛星を介して受信する。衛星通信波源（標定対象）は、明細書においては「ターゲット」と称する。ＤＧ法を用いる位置標定装置において、複数のアンテナで受信した信号は、周波数変換及び利得調整が行われる。
図１に示されるとおり位置標定装置は、信号受信部１２０（信号受信部１２０－１、信号受信部１２０－２）、ＡＤ変換部１３０（ＡＤ変換部１３０－１、ＡＤ変換部１３０－２）、信号抽出部１４０、リファレンス標定処理部１５０、衛星起因誤差算出部１６０、及び目標標定処理部１７０を含む。

図２は、実施の形態１に係る位置標定装置におけるリファレンス標定処理部１５０の機能構成を示すブロック図である。図２に示されるとおりリファレンス標定処理部１５０は、探索範囲設定部１５１、評価関数算出部１５２、ピーク位置算出部１５３、初期値設定部１５４、最適化処理部１５５、及び大域解判定部１５６を含む。

図３は、実施の形態１に係る位置標定装置における目標標定処理部１７０の機能構成を示すブロック図である。図３に示されるとおり目標標定処理部１７０は、探索範囲設定部１７１、誤差補正付き評価関数算出部１７２、ピーク位置算出部１７３、初期値設定部１７４、最適化処理部１７５、及び大域解判定部１７６を含む。

《信号受信部１２０》
信号受信部１２０は、地上局のアンテナ（アンテナ＃１、アンテナ＃２、…）で受信した信号を受け取り、周波数変換及び利得調整の信号処理を施す機能ブロックである。図１に示されるとおり、アンテナ＃１で受信した信号は信号受信部１２０－１により、アンテナ＃２で受信した信号は信号受信部１２０－２により、それぞれ受け取るように構成されてよい。
信号受信部１２０－１、信号受信部１２０－２、…で信号処理された信号は、それぞれＡＤ変換部１３０－１、ＡＤ変換部１３０－２、…へ送られる。

《ＡＤ変換部１３０》
ＡＤ変換部１３０は、信号受信部１２０から送られたアナログ信号をデジタル信号に変換するための機能ブロックである。
ＡＤ変換部１３０により変換されたデジタル信号は、具体的には、複素数のベースバンド信号（以降、「複素ベースバンド信号」と称する）であり、本明細書ではｒ^ｎと表すものとする。右上添え字のｎ（ｎ＝１，２，…，Ｎ）は、衛星を区別するための通し番号である。
複素ベースバンド信号は、それぞれ信号抽出部１４０へ送られる。

《信号抽出部１４０》
信号抽出部１４０は、ＡＤ変換部１３０から送られた複素ベースバンド信号（ｒ^ｎ）から、ターゲットからの信号成分（ｒ^ｎ _ｔａｒ）とリファレンス波源からの信号成分（ｒ^ｎ _ｒｅｆ）とを、それぞれ個別に抽出するための機能ブロックである。ターゲットからの信号成分を表すｒ^ｎ _ｔａｒの右下添え字のｔａｒは、ターゲットの英語表記ｔａｒｇｅｔの最初の３文字を由来とする。また、リファレンス波源から信号成分を表すｒ^ｎ _ｒｅｆの右下添え字のｒｅｆは、リファレンスの英語表記ｒｅｆｅｒｅｎｃｅの最初の３文字を由来とする。
信号抽出部１４０は、具体的には、周波数フィルタを用いて信号の抽出を行う。
信号抽出部１４０で抽出されたリファレンス波源からの信号成分（ｒ^ｎ _ｒｅｆ）は、リファレンス標定処理部１５０へ、信号抽出部１４０で抽出されたターゲットからの信号成分（ｒ^ｎ _ｔａｒ）は目標標定処理部１７０へ、それぞれ送られる。

《リファレンス標定処理部１５０》
リファレンス標定処理部１５０は、リファレンス波源からの信号成分（ｒ^ｎ _ｒｅｆ）に対して位置標定を実施するための機能ブロックである。
リファレンス標定処理部１５０の詳細な処理内容は、後述の説明により明らかとなる。
リファレンス標定処理部１５０により推定されたリファレンス波源の位置情報は、衛星起因誤差算出部１６０へ送られる。

《衛星起因誤差算出部１６０》
衛星起因誤差算出部１６０は、リファレンス標定処理部１５０から送られたリファレンス波源の推定位置情報と、リファレンス波源の真の位置と、に基づいて、衛星に起因する誤差成分を算出するための機能ブロックである。本開示技術に係る位置標定装置は、衛星起因誤差算出部１６０があることにより、衛星起因誤差が低減されるという効果が発揮される。
衛星起因誤差算出部１６０で算出された衛星に起因する誤差成分は、目標標定処理部１７０へ送られる。

《目標標定処理部１７０》
目標標定処理部１７０は、衛星起因誤差算出部１６０で算出された衛星に起因する誤差成分と、ターゲットからの信号成分（ｒ^ｎ _ｔａｒ）と、に基づいて、ターゲットの位置標定を実施するための機能ブロックである。
目標標定処理部１７０の詳細な処理内容は、後述の説明により明らかとなる。

《リファレンス標定処理部１５０を構成する探索範囲設定部１５１による処理》
リファレンス標定処理部１５０を構成する探索範囲設定部１５１は、評価関数の値を最大にする解を探索する際の探索幅（ｄ_ｗｉｄｅ）を決定するための機能ブロックである。探索幅（ｄ_ｗｉｄｅ）は、具体的には、評価関数の値を最大にする解、すなわちもっともらしいターゲットの位置、を探索する際の、緯度θ［ｄｅｇ］及び経度φ［ｄｅｇ］のそれぞれを変化させる間隔である。探索幅（ｄ_ｗｉｄｅ）は、一般に、狭くすれば精度が向上するが演算時間が増大し、広くすれば演算時間が短くなるが粗くなる。そこで、一般に知られているニュートン法等の数値的解法では、探索幅は一定ではなく、評価関数を評価関数の引数であるパラメータで偏微分して得られる傾きに応じて変化させる。また、一般に、収束の速さを改善する多くのアルゴリズムが提案されている。さらに、より原始的な探索方法として、解を、解よりも小さい側と解よりも大きい側とから探索する二分探索法（バイナリサーチ）を応用することも考えられる。本開示技術に係る位置標定装置において、探索幅（ｄ_ｗｉｄｅ）の初期値は、例えば、数度［ｄｅｇ］から１０度［ｄｅｇ］まで程度に設定されるとよい。
評価関数の値を最大にする解を算出する処理ステップの詳細は、後述の最適化処理部１５５の説明により明らかとなる。
探索範囲設定部１５１で設定された探索幅（ｄ_ｗｉｄｅ）は、評価関数算出部１５２へと送られる。

《リファレンス標定処理部１５０を構成する評価関数算出部１５２による処理》
リファレンス標定処理部１５０を構成する評価関数算出部１５２は、探索範囲設定部１５１から送られた探索幅（ｄ_ｗｉｄｅ）の間隔で、評価関数の値を算出するための機能ブロックである。評価関数（Ｑ（ｐ））は、以下の数式（１）により表される。

ここで、ｐ（θ，φ）は、緯度θ［ｄｅｇ］及び経度φ［ｄｅｇ］の地表面上の地点についての３次元位置ベクトルである。数式（１）の右辺にあるλ_ｍａｘ｛｝は、引数である行列の最大固有値を返す関数である。また、数式（１）の右辺にある上添え字のＨは、エルミート転置を表す。エルミート転置した行列は、随伴行列とも称される。

数式（１）で用いられている行列のφは、以下の数式（２）により与えられる。

ただし、数式（２）右辺に示された行列を構成する縦ベクトルのそれぞれは、以下の数式（３）により与えられる。

数式（３）の右辺に用いられている関数行列のＤ^ｎは、以下の数式（４）により与えられる。

ただし、数式（４）の右辺の引数であるｆ^ｎ _ｐ及びτ^ｎ _ｐは、電波源の位置がｐであるときに、ｎ番目の衛星を介して信号を受信した際に生じるドップラ周波数及び遅延時間である。遅延時間は、ＴＯＦ（ＴｉｍｅｏｆＦｌｉｇｈｔ）と同義である。また、数式（４）の右辺に示されるＤ_τ及びＤ_ｆは、以下の数式（５）及び数式（６）により与えられる。

数式（４）の右辺に現れるＷは、離散フーリエ変換の行列表現で用いられる行列であり、以下の数式（７）により与えられる。

数式（７）に示されるＷは、サイズがＬ×Ｌの行列であり、Ｌ個の点のＤＦＴ（ＤｉｓｃｒｅｔｅＦｏｕｒｉｅｒＴｒａｎｓｆｏｒｍ）の行列表現であるから、「Ｌ点ＤＦＴ行列」（例えばＬ＝８であれば、「８点ＤＦＴ行列」）と称されることもある。
評価関数算出部１５２で算出された評価関数の値は、ピーク位置算出部１５３へ送られる。

《リファレンス標定処理部１５０を構成するピーク位置算出部１５３による処理》
リファレンス標定処理部１５０を構成するピーク位置算出部１５３は、評価関数の値が極値となる、すなわち評価関数の値がピークとなる、位置ベクトルｐを算出するための機能ブロックである。ピーク位置算出部１５３が算出する位置ベクトルｐは、以下の数式（８）で表現されるものである。

ピーク位置算出部１５３で算出された位置ベクトルｐ（θ_Ｍ、φ_Ｍ）は、初期値設定部１５４へ送られる。

《リファレンス標定処理部１５０を構成する初期値設定部１５４による処理》
リファレンス標定処理部１５０を構成する初期値設定部１５４は、後述の最適化処理部１５５が実施する最適化処理についての初期値を設定するための機能ブロックである。最適化処理部１５５が実施する最適化処理の詳細は、後述の説明により明らかとなる。
初期値設定部１５４が設定する初期値は、例えば、ピーク位置算出部１５３で算出された位置ベクトルｐ（θ_Ｍ、φ_Ｍ）と、その周辺４点の位置ベクトルと、からなる５つの位置ベクトルが用いられる。５つの位置ベクトルは、具体的には、以下の数式（９）で与えられるものである。

ここで、Δθ及びΔφは、探索範囲設定部１５１において用いられた探索幅（ｄ_ｗｉｄｅ）と比較して、絶対値の大きさを小さくする。
初期値設定部１５４で設定された５つの初期値は、最適化処理部１５５へ送られる。

《リファレンス標定処理部１５０を構成する最適化処理部１５５による処理》
リファレンス標定処理部１５０を構成する最適化処理部１５５は、評価関数（Ｑ（ｐ））を最大にする解の算出、すなわち最適化処理を、初期値設定部１５４から送られた初期値からスタートして実施する。
本開示技術に係る位置標定装置は、最適化処理部１５５及び後述の最適化処理部１７５を備えることにより、従来のＤＧ法と比較して、演算量が抑えられている、という効果が発揮される。
最適化処理部１５５で実施される最適化処理において、解候補の更新は、以下の数式（１０）により与えられる。

式（１０）において、ｐにハットが付されたものは、ｐの推定値を表す。また式（１０）において、下添え字のｋ、ｋ＋１は、それぞれ推定値の算出の試行回数を示したものである。言い換えれば式（１０）は、試行がｋ番目のｐの推定値と試行がｋ＋１番目のｐの推定値との関係を示したものだ、と言える。
式（１０）の右辺に示されるΔｐの項は、式（１０）を最急降下法の更新則として見た場合の勾配ベクトルの項と同義である。

最急降下法を数値的に行う場合、勾配ベクトルの項は、差分近似により求めればよい。最適化処理部１５５は、例えば、初期値設定部１５４が設定した５つの初期値から、位置ベクトルｐ（θ_Ｍ、φ_Ｍ）を基準として、４つの向きについての勾配を差分近似により求めることができる。位置ベクトルｐを緯度θと経度φとで表した平面で見た場合、４つの向きは、以下の式（１１）で表される。

ここで、式（１１）右辺における右上添え字のＴは、転置を表す。すなわち、位置ベクトルｐは、縦ベクトルで表されるものとする。また式（１１）の左辺に示すようにΔｐについて用いられる右下添え字のｍは、４つの向きに付された識別番号であり、ｐについて用いられる右下添え字のｋとは意味が異なる。

式（１０）の右辺に示されるΔｐの項は、例えば、以下のように与えることができる。

ここで、式（１２）の２行目（ｓ．ｔ．以降）の条件が満たされなくなると、最適化処理が、すなわち反復演算が終了する。言い換えれば式（１２）は、反復演算の継続条件式であると言える。
ΔθとΔφとを同じ値（ｄ_{ｎａｒｒｏｗ}）にした場合、式（１２）の右辺は、以下の式（１３）に示す差分近似式で計算できる。

最適化処理部１５５は、式（１２）の２行目の条件が満たされなくなるまで、式（１０）に示される解候補の更新を繰り返す。一般に、或る評価関数が極値（極大値又は極小値）となるパラメータの解を数値的に求めようとする場合、反復演算の終了条件は、評価関数をパラメータで偏微分したときの勾配の絶対値がゼロになる、又は勾配の絶対値がゼロとみなせるほど小さい（ε以下になる、εはイプシロン－デルタ論法に用いられるイプシロン）ことである。式（１２）の２行目の条件は、まさにこのことと同義である。

最適化処理部１５５により得られたもっともらしい位置ベクトルｐの推定値及びそのときの評価関数（Ｑ（ｐの推定値））の値は、更新前の位置ベクトルｐ（θ_Ｍ、φ_Ｍ）及びその評価関数の値（Ｑ（ｐ（θ_Ｍ、φ_Ｍ）））とともに大域解判定部１５６へ送られる。

《リファレンス標定処理部１５０を構成する大域解判定部１５６による処理》
リファレンス標定処理部１５０を構成する大域解判定部１５６は、最適化処理部１５５で求められたもっともらしい位置ベクトルｐの推定値が、局所的な解ではなく、きちんと大域的な解となっていることを判定するための機能ブロックである。
非線形問題の大域解を求めることは、一般に、容易ではない。しかし本技術分野においては、経験的に、大域解である位置ベクトルｐのときの評価関数のおおよその値を知ることができる。そこで大域解判定部１５６は、大域解における評価関数がなるべきおおよその値と、最適化処理部１５５から送られたもっともらしい位置ベクトルｐの推定値に対応する評価関数（Ｑ（ｐの推定値））の値と比較し、推定した結果が大域解であるかを判断することができる。

大域解判定部１５６は、推定した結果が大域解であるかを判断するのに際し、最適化処理前の評価関数の値と、最適化処理後の評価関数の値と、の間に生じる差分を求めてもよい。大域解判定部１５６は、最適化処理前の評価関数の値と最適化処理後の評価関数の値との差を、予め定めた閾値と比較するようにしてもよい。大域解判定部１５６は、例えば、最適化処理前後における評価関数の値の差が閾値よりも小さかった場合、最適化処理の反復演算で大域解ではない局所解に留まってしまっている現象だと判断し、探索範囲設定部１５１による処理をやり直すようにしてもよい。

《衛星起因誤差算出部１６０による処理》
前述のとおり衛星起因誤差算出部１６０は、リファレンス標定処理部１５０から送られるリファレンス波源の推定位置情報と、リファレンス波源が在る位置の真値と、に基づいて、衛星に起因する誤差成分を算出する。
リファレンス波源が在る位置の真値は、以下の数式記号により表されるものとする。

ここで、式（１４）に登場する右下添え字のｒｅｆは、リファレンスの英語表記ｒｅｆｅｒｅｎｃｅの最初の３文字を由来とする。
また、リファレンス標定処理部１５０の大域解判定部１５６から送られるリファレンス波源の推定位置情報、すなわちリファレンス波源が在る位置の推定値は、以下の数式記号により表されるものとする。

ここで、式（１５）に登場するハットのアクセント記号は、推定値であることを表す。

衛星起因誤差算出部１６０は、以下の数式（１６）及び数式（１７）に示す値（Δε_τ ^ｎ及びΔε_ｆ ^ｎ）を計算する。

ここで、式（１６）左辺に示されるΔε_τ ^ｎは、ｎ番目の衛星で生じる遅延時間である。また式（１７）左辺に示されるΔε_ｆ ^ｎは、ｎ番目の衛星で生じる周波数変位である。式（１６）及び式（１７）に登場するｐ_ｓ ^ｎ及びｖ_ｓ ^ｎは、それぞれｎ番目の衛星の位置ベクトル及び速度ベクトルである。式（１６）及び式（１７）に登場するｐ_ｒは、受信局（Ｒｅｃｅｉｖｅｒ）の位置ベクトルである。式（１７）に登場するｆ_ｕは、リファレンス波源のアップリンク周波数である。式（１７）に登場するｆ_ｄは、リファレンス波源のダウンリンク周波数である。

衛星起因誤差算出部１６０は、数式（１６）及び数式（１７）に示す値（Δε_τ ^ｎ及びΔε_ｆ ^ｎ）を算出した後、さらに以下に示す行列（Ｂ_τ及びＢ_ｆ）の値を計算する。

なお、式（１８）及び式（１９）に示されるＢ_τ及びＢ_ｆの構造は、式（５）及び式（６）に示されるＤ_τ及びＤ_ｆの構造と、それぞれ同じである。本明細書においては、Ｂ_τ及びＢ_ｆを指す場合に、二つの誤差行列、という表現が用いられる。
衛星起因誤差算出部１６０において算出された二つの誤差行列（Ｂ_τ及びＢ_ｆ）は、目標標定処理部１７０へ送られる。

《目標標定処理部１７０を構成する探索範囲設定部１７１の処理》
目標標定処理部１７０を構成する探索範囲設定部１７１は、リファレンス標定処理部１５０を構成する探索範囲設定部１５１と処理内容が同じである。

《目標標定処理部１７０を構成する誤差補正付き評価関数算出部１７２の処理》
誤差補正付き評価関数算出部１７２において行われる処理では、探索範囲設定部１５１で決定された探索幅（ｄ_ｗｉｄｅ）と、衛星起因誤差算出部１６０において算出された二つの誤差行列（Ｂ_τ及びＢ_ｆ）と、が用いられる。
誤差補正付き評価関数算出部１７２において行われる処理では、以下に示される評価関数が用いられる。

ここで、式（２０）の右辺に登場するφ_Ｂは、以下の式で与えられるものである。

ただし、数式（２１）右辺に示された行列を構成する縦ベクトルのそれぞれは、以下の数式（２２）により与えられる。

数式（２２）の右辺に用いられている関数行列のＤ_Ｂ ^ｎは、以下の数式（２３）により与えられる。

以上のように定義された評価関数（Ｑ_Ｂ）が用いられることにより、衛星に起因した遅延時間及び周波数変位に関する誤差成分の影響を排除することが可能となる。

《目標標定処理部１７０を構成するピーク位置算出部１７３の処理》
目標標定処理部１７０を構成するピーク位置算出部１７３は、リファレンス標定処理部１５０を構成するピーク位置算出部１５３と処理内容が同じである。

《目標標定処理部１７０を構成する初期値設定部１７４の処理》
目標標定処理部１７０を構成する初期値設定部１７４は、リファレンス標定処理部１５０を構成する初期値設定部１５４と処理内容が同じである。

《目標標定処理部１７０を構成する最適化処理部１７５の処理》
目標標定処理部１７０を構成する最適化処理部１７５は、リファレンス標定処理部１５０を構成する最適化処理部１５５と処理内容が同じである。

《目標標定処理部１７０を構成する大域解判定部１７６の処理》
目標標定処理部１７０を構成する大域解判定部１７６は、リファレンス標定処理部１５０を構成する大域解判定部１５６と処理内容が同じである。

図１で示されるように、目標標定処理部１７０で算出された目標位置に関する推定値は、位置標定装置による標定結果として出力される。

図４は、実施の形態１に係る位置標定装置の処理ステップの一例を示すフローチャートである。図４は、より詳細には、実施の形態１に係る位置標定装置が、本開示技術に係るＨＤＧ法に基づいて位置標定を行う場合の処理ステップの概略を例示したものである。

図４において「受信信号を取得する」と記載された処理ステップは、信号受信部１２０が実施する処理ステップ（ＳＴ１）である。前述のとおり信号受信部１２０で受信された受信信号は、ＡＤ変換部１３０により複素ベースバンド信号（ｒ^ｎ）へと変換される。

図４において「目標信号、リファレンス局からの信号を分離・抽出する」と記載された処理ステップは、信号抽出部１４０が実施する処理ステップ（ＳＴ２）である。この処理ステップ（ＳＴ２）において信号抽出部１４０は、ＡＤ変換部１３０から送られた複素ベースバンド信号（ｒ^ｎ）から、ターゲットからの信号成分（ｒ^ｎ _ｔａｒ）とリファレンス波源からの信号成分（ｒ^ｎ _ｒｅｆ）とを、それぞれ個別に抽出する。

図４において「リファレンス局からの信号について評価関数を計算する」と記載された処理ステップは、評価関数算出部１５２が実施する処理ステップ（ＳＴ３）である。この処理ステップ（ＳＴ３）において評価関数算出部１５２は、探索範囲設定部１５１で設定された探索幅（ｄ_ｗｉｄｅ）の間隔で、評価関数（Ｑ（ｐ））の値を算出する。

図４において「リファレンス局位置の標定結果を算出する」と記載された処理ステップは、リファレンス標定処理部１５０が実施する処理ステップ（ＳＴ４）である。この処理ステップ（ＳＴ４）においてリファレンス標定処理部１５０は、リファレンス波源からの信号成分（ｒ^ｎ _ｒｅｆ）に対して位置標定を実施する。

図４において「真のリファレンス局の位置と算出した結果とを比較する」と記載された処理ステップは、衛星起因誤差算出部１６０が実施する処理ステップ（ＳＴ５）である。この処理ステップ（ＳＴ５）において衛星起因誤差算出部１６０は、式（１５）で与えられるリファレンス波源が在る位置の推定値と、式（１４）で与えられるリファレンス波源が在る位置の真値と、を比較する。

図４において「衛星起因で生じる誤差成分を推定する」と記載された処理ステップは、衛星起因誤差算出部１６０が実施する処理ステップ（ＳＴ６）である。この処理ステップ（ＳＴ６）において衛星起因誤差算出部１６０は、数式（１６）及び数式（１７）で与えられる値（Δε_τ ^ｎ及びΔε_ｆ ^ｎ）を計算し、最終的に、二つの誤差行列（Ｂ_τ及びＢ_ｆ）を算出する。

図４において「推定した誤差成分を補正しながら、目標信号について評価関数を算出する」と記載された処理ステップは、目標標定処理部１７０が実施する処理ステップ（ＳＴ７）である。この処理ステップ（ＳＴ７）において目標標定処理部１７０は、二つの誤差行列（Ｂ_τ及びＢ_ｆ）を含む数式（２０）で定義された評価関数（Ｑ_Ｂ）の値を算出する。

図４において「目標位置の標定結果を出力する」と記載された処理ステップは、目標標定処理部１７０が実施する処理ステップ（ＳＴ８）である。この処理ステップ（ＳＴ８）において目標標定処理部１７０は、ＳＴ７で算出された評価関数（Ｑ_Ｂ）の値と、ターゲットからの信号成分（ｒ^ｎ _ｔａｒ）と、に基づいてターゲットの位置標定を実施し、標定結果を出力する。

《位置標定装置のハードウエア構成》
位置標定装置を構成する構成要素のうち、信号抽出部１４０、リファレンス標定処理部１５０、衛星起因誤差算出部１６０、及び目標標定処理部１７０は、処理回路により実現される。処理回路は、専用のハードウエアであっても、メモリに格納されるプログラムを実行するＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、ＤＳＰともいう）であってよい。

処理回路が専用のハードウエアである場合、処理回路は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化されたプロセッサ、並列プログラム化されたプロセッサ、ＡＳＩＣ（ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＳｐｅｃｉｆｉｃＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ－ＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＧａｔｅＡｒｒａｙ）又はこれらを組み合わせたものが該当する。信号抽出部１４０、リファレンス標定処理部１５０、衛星起因誤差算出部１６０、及び目標標定処理部１７０は、それぞれが個別の処理回路により実現されてもよいし、各部の機能をまとめて１つの処理回路により実現されてもよい。

図５は、実施の形態１に係る位置標定装置の処理回路（図５における信号処理装置１８０）がＣＰＵの場合におけるハードウエア構成の一例を示すブロック図である。図５に示されるとおり信号処理装置１８０は、プロセッサ１８１と、メモリ１８２と、入力インターフェース１８３と、出力インターフェース１８４と、信号路１８５と、を含む。
信号路１８５は、プロセッサ１８１、メモリ１８２、入力インターフェース１８３、及び出力インターフェース１８４を相互に接続するためのバスである。
入力インターフェース１８３は、ＡＤ変換部１３０から送られた複素ベースバンド信号（図５においては「ＲＳ」と記載）を、信号路１８５を介して、プロセッサ１８１へ転送する。
プロセッサ１８１は、標定結果等の情報を、出力インターフェース１８４を介して、外部の表示装置へ出力する。

処理回路がＣＰＵ（図５におけるプロセッサ１８１）の場合、信号抽出部１４０、リファレンス標定処理部１５０、衛星起因誤差算出部１６０、及び目標標定処理部１７０、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る。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１８２に格納される。処理回路は、メモリ１８２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、位置標定装置は、処理回路により実行されるときに、図４に示された処理ステップ（ＳＴ１からＳＴ８まで）が結果的に実行されることになるプログラムを格納するためのメモリ１８２を備える。また、これらのプログラムは、信号抽出部１４０、リファレンス標定処理部１５０、衛星起因誤差算出部１６０、及び目標標定処理部１７０の手順及び方法をコンピュータに実行させるものであるとも言える。ここでメモリ１８２は、例えば、ＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ等の、不揮発性又は揮発性の半導体メモリであってもよい。またメモリ１８２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、等のディスクを備える態様のものであってもよい。さらにメモリ１８２は、ＨＤＤ又はＳＳＤの態様であってもよい。
リファレンス標定処理部１５０及び目標標定処理部１７０の機能が、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る場合、実質的に同じ機能を有する機能ブロック、例えば、ピーク位置算出部１５３とピーク位置算出部１７３との機能ブロックは、１つの関数として作成し、呼び出されるように実現されてもよい。

なお、信号抽出部１４０、リファレンス標定処理部１５０、衛星起因誤差算出部１６０、及び目標標定処理部１７０の各機能は、一部が専用のハードウエアで実現され、残りがソフトウエア又はファームウエアで実現されてもよい。
図５は、単一のプロセッサ１８１を用いたハードウエア構成を例示しているが、本開示技術はこれに限定されない。本開示技術に係る処理回路は、相互に連携して動作する複数のプロセッサを用いたハードウエア構成であってもよい。
このように処理回路は、ハードウエア、ソフトウエア、ファームウエア、又はこれらの組合せによって、信号抽出部１４０、リファレンス標定処理部１５０、衛星起因誤差算出部１６０、及び目標標定処理部１７０の各機能を実現することができる。

以上のとおり実施の形態１に係る位置標定装置は上記構成を備えるため、従来のＤＧ法と比べ、衛星起因誤差が低減され、実環境の信号に適用が可能な程度に演算量が低減される、という効果を奏する。

実施の形態２．
実施の形態２に係る位置標定装置は、本開示技術に係る位置標定装置の変形例である。特に明記する場合を除き、実施の形態２では、実施の形態１で用いられた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と重複する説明が、適宜、省略される。

図６は、実施の形態２に係る位置標定装置の機能構成を示すブロック図である。図６に示されるとおり実施の形態２に係る位置標定装置は、実施の形態１に示された構成要素に加え、相関処理部１９０と、アルゴリズム選択部２００と、ＴＳＧ法処理部２１０と、をさらに含む。
実施の形態２に係る位置標定装置は、従来のＴＳＧ法に基づくプログラム等資源を有効活用したい場合を想定したものである。

《相関処理部１９０》
相関処理部１９０は、信号抽出部１４０から送られる、ターゲットからの信号成分（ｒ^ｎ _ｔａｒ）とリファレンス波源からの信号成分（ｒ^ｎ _ｒｅｆ）とのそれぞれに対して、相関処理を実施する構成要素である。相関処理部１９０が行う相関処理は、具体的には、以下の数式で与えられる演算である。

ここで、式（２４）及び式（２５）それぞれの左辺におけるＣＦは、相関関数の英語名ＣｏｒｒｅｌａｔｉｏｎＦｕｎｃｔｉｏｎの頭文字に由来する。式（２４）及び式（２５）それぞれの右辺における右上添え字のｎ及びｍは、それぞれ衛星の番号を表し、ｎ≠ｍである。また式（２４）及び式（２５）それぞれの右辺における積分区間に登場するＴは、観測時間を表す。
相関処理部１９０は、ＣＦ_ｔａｒを最大にするτ及びｖの組と、ＣＦ_ｒｅｆを最大にするτ及びｖの組と、をそれぞれ計算する。

ＣＦ_ｔａｒの最大値（ＣＦ_{ｔａｒ＿ｍａｘ}）とそのときのτ及びｖの組（τ_ｔａｒ、ｖ_ｔａｒ）は、アルゴリズム選択部２００へ送られる。またＣＦ_ｒｅｆの最大値（ＣＦ_{ｒｅｆ＿ｍａｘ}）とそのときのτ及びｖの組（τ_ｒｅｆ、ｖ_ｒｅｆ）も、アルゴリズム選択部２００へ送られる。

《アルゴリズム選択部２００》
アルゴリズム選択部２００は、相関処理部１９０から送られた情報に基づいて、位置標定装置のアルゴリズムを、従来技術に係るＴＳＧ法とするか、本開示技術に係るＨＤＧ法とするか、を選択する構成要素である。アルゴリズム選択部２００は、例えば、以下に示す条件を元にアルゴリズムを選択する。

ここで、条件式（２８）右辺に登場するε_{ｎｏｉｚｅ}は、予め設定された閾値である。
式（２８）の条件が成立するときに、アルゴリズム選択部２００は、ターゲット位置を標定するアルゴリズムとして、ＴＳＧ法を採用する。この場合、ＣＦ_ｔａｒの最大値（ＣＦ_{ｔａｒ＿ｍａｘ}）とそのときのτ及びｖの組（τ_ｔａｒ、ｖ_ｔａｒ）がＴＳＧ法処理部２１０へ送られる。同様に、ＣＦ_ｒｅｆの最大値（ＣＦ_{ｒｅｆ＿ｍａｘ}）とそのときのτ及びｖの組（τ_ｒｅｆ、ｖ_ｒｅｆ）がＴＳＧ法処理部２１０へ送られる。
式（２８）の条件が成立しないときに、アルゴリズム選択部２００は、ターゲット位置を標定するアルゴリズムとして、ＨＤＧ法を採用する。この場合、実施の形態１と同様に、リファレンス波源からの信号成分（ｒ^ｎ _ｒｅｆ）はリファレンス標定処理部１５０へ、ターゲットからの信号成分（ｒ^ｎ _ｔａｒ）は目標標定処理部１７０へ、それぞれ送られる。

《ＴＳＧ法処理部２１０》
ＴＳＧ法処理部２１０は、アルゴリズム選択部２００を経由して送られた情報に基づいて、ＴＳＧ法のアルゴリズムに基づいて、ターゲット位置を標定する構成要素である。ＴＳＧ法処理部２１０が用いるＴＳＧ法のアルゴリズムは、従来技術に係るものでよい。

図７は、実施の形態２に係る位置標定装置の処理ステップの一例を示すフローチャートである。図７に示されるとおり実施の形態２に係る位置標定装置の処理ステップは、実施の形態１に示された処理ステップ（ＳＴ１からＳＴ８まで）に加え、ＳＴ９からＳＴ１１までを含む。

図７において「目標信号、リファレンス局からの信号についてそれぞれ相関処理を実施」と記載された処理は、相関処理部１９０が実施する処理ステップ（ＳＴ９）である。この処理ステップ（ＳＴ９）において相関処理部１９０は、ターゲットからの信号成分（ｒ^ｎ _ｔａｒ）とリファレンス波源からの信号成分（ｒ^ｎ _ｒｅｆ）とのそれぞれに対して、相関処理を実施する。

図７において「相関処理時のピークの値と閾値との比較から使用するアルゴリズムを選択」と記載された処理は、アルゴリズム選択部２００が実施する処理ステップ（ＳＴ１０）である。この処理ステップ（ＳＴ１０）においてアルゴリズム選択部２００は、条件式（２８）に基づいて、位置標定装置のアルゴリズムを、従来技術に係るＴＳＧ法とするか、本開示技術に係るＨＤＧ法とするか、を選択する。

図７において「ＴＳＧ法に基づく位置標定処理を実施する」と記載された処理は、ＴＳＧ法処理部２１０が実施する処理ステップ（ＳＴ１１）である。この処理ステップ（ＳＴ１１）においてＴＳＧ法処理部２１０は、ＴＳＧ法のアルゴリズムに基づいて、ターゲット位置を標定する。

実施の形態２で新たに登場した構成要素、すなわち、相関処理部１９０、アルゴリズム選択部２００、及びＴＳＧ法処理部２１０は、他の構成要素と同様に、処理回路により実現される。処理回路は、専用のハードウエアであっても、メモリに格納されるプログラムを実行するＣＰＵであってよい。

処理回路が専用のハードウエアである場合、処理回路は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化されたプロセッサ、並列プログラム化されたプロセッサ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ又はこれらを組み合わせたものが該当する。相関処理部１９０、アルゴリズム選択部２００、及びＴＳＧ法処理部２１０を含む各部は、それぞれが個別の処理回路により実現されてもよいし、各部の機能をまとめて１つの処理回路により実現されてもよい。

実施の形態２に係る位置標定装置の処理回路がＣＰＵの場合、ハードウエア構成は図５に示されたものと同じである。

処理回路がＣＰＵ（図５におけるプロセッサ１８１）の場合、相関処理部１９０、アルゴリズム選択部２００、及びＴＳＧ法処理部２１０、を含む各部の機能は、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る。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１８２に格納される。処理回路は、メモリ１８２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、位置標定装置は、処理回路により実行されるときに、図７に示された処理ステップ（ＳＴ１からＳＴ１１まで）が結果的に実行されることになるプログラムを格納するためのメモリ１８２を備える。また、これらのプログラムは、相関処理部１９０、アルゴリズム選択部２００、及びＴＳＧ法処理部２１０、を含む各部の手順及び方法をコンピュータに実行させるものであるとも言える。

以上のとおり実施の形態２に係る位置標定装置は上記構成を備えるため、実施の形態１に記載した効果に加え、相関処理時のピークの値の大きさから，状況に応じてＴＳＧ法とＨＤＧ法との使い分けをすることができる。この作用を有することにより実施の形態２に係る位置標定装置は、従来のＴＳＧ法に基づくプログラム等資源を有効活用できる、という効果も奏する。

本開示技術に係る位置標定装置は、レーダシステム、及び衛星通信システムの分野に応用でき、産業上の利用可能性を有する。

１２０信号受信部、１３０ＡＤ変換部、１４０信号抽出部、１５０リファレンス標定処理部、１５１探索範囲設定部、１５２評価関数算出部、１５３ピーク位置算出部、１５４初期値設定部、１５５最適化処理部、１５６大域解判定部、１６０衛星起因誤差算出部、１７０目標標定処理部、１７１探索範囲設定部、１７２誤差補正付き評価関数算出部、１７３ピーク位置算出部、１７４初期値設定部、１７５最適化処理部、１７６大域解判定部、１８０信号処理装置、１８１プロセッサ、１８２メモリ、１８３入力インターフェース、１８４出力インターフェース、１８５信号路、１９０相関処理部、２００アルゴリズム選択部、２１０ＴＳＧ法処理部。

Claims

複素ベースバンド信号から、ターゲットからの信号成分とリファレンス波源からの信号成分とを、それぞれ個別に抽出する信号抽出部と、
前記リファレンス波源からの信号成分に対して位置を標定するリファレンス標定処理部と、
前記リファレンス波源の推定位置情報と、前記リファレンス波源が在る位置の真値と、に基づいて、衛星に起因する誤差成分を算出する衛星起因誤差算出部と、
前記衛星起因誤差算出部で算出された前記誤差成分と、前記ターゲットからの信号成分と、に基づいて、前記ターゲットの位置を標定する目標標定処理部と、を備える、
位置標定装置。
前記リファレンス標定処理部は、
評価関数の値を最大にする解を探索する際の探索幅を決定する探索範囲設定部と、
前記探索幅の間隔で、前記評価関数の値を算出する評価関数算出部と、
前記評価関数の値が極値となる位置ベクトルを算出するピーク位置算出部と、
前記位置ベクトルに基づいて、最適化処理についての初期値を設定する初期値設定部と、
前記最適化処理を、前記初期値からスタートして実施する最適化処理部と、を含む、
請求項１に記載の位置標定装置。
前記目標標定処理部は、
評価関数の値を最大にする解を探索する際の探索幅を決定する探索範囲設定部と、
前記衛星起因誤差算出部で算出された前記誤差成分を参照し、前記探索幅の間隔で、前記評価関数の値を算出する誤差補正付き評価関数算出部と、
前記評価関数の値が極値となる位置ベクトルを算出するピーク位置算出部と、
前記位置ベクトルに基づいて、最適化処理についての初期値を設定する初期値設定部と、
前記最適化処理を、前記初期値からスタートして実施する最適化処理部と、を含む、
請求項１に記載の位置標定装置。
前記リファレンス標定処理部は、
前記位置ベクトルが、大域的な解となっていることを判定する大域解判定部をさらに備える、
請求項２に記載の位置標定装置。
前記目標標定処理部は、
前記位置ベクトルが、大域的な解となっていることを判定する大域解判定部をさらに備える、
請求項３に記載の位置標定装置。
前記ターゲットからの信号成分と前記リファレンス波源からの信号成分とのそれぞれに対して、相関処理を実施する相関処理部と、
前記相関処理部から送られた情報に基づいて、ＴＳＧ法又はＨＤＧ法のいずれかのアルゴリズムを選択するアルゴリズム選択部と、
前記アルゴリズムが前記ＴＳＧ法と選択された場合に、前記ＴＳＧ法によりターゲット位置を標定するＴＳＧ法処理部と、をさらに備える、
請求項１に記載の位置標定装置。