JPS61502634A - ロランｃサイクルスリツプ減少装置及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ロランＣサイクルスリップ減少装置及び方法発明の分野 こ＼に開示されている発明は、高信号対雑音位相追跡（ｔ　ｒ　ａ　ｃ　ｋ　− ｉｎｇ）に関する。

更に詳しく云うと、本発明はサイクルスリップ減少を通じての陸上移動ロランＣ 位相追跡装置及び方法に関する。

発明の背景 遠距離航行（Ｌｏｎｇ　Ｒａｎｇｅ　Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ　）の頭字語である ロランＣは米国大陸の沿岸河川や五大湖で運航される海上船舶に航海能力を与え ることをもともと意図した低周波（１００ＫＨｚ）システムである。ロランＣ送 信機の低周波数およびそれらの送信機のきわめて高い出力電力（５０万ワツト） の故に、この信号にまたアメリカ合衆国の陸地の３７４以上をカバーし、更に重 要なことは大都市地域に住む人々の９０％以上をカバーする。従って、ロランＣ はまた航空電子工学市場において用いられており、そこではロランＣは固定翼航 空機およびヘリコプタ−による航行援助施設として用いられる。

航海上の応用例では、船舶上のロランＣ交信機は少なくとも３つの地理的地点か ら送信送信されたロランＣ信号の時間測定を行う。関連する送信機の位置につい ての知識と組合せて標準的な三辺測定技術を適用することによって、ロランＣ受 信機はその船舶の緯度と経度を決定する値を計算することができる。

航空電子工学の応用例においても、位置の計算は殆んど同じである。

海上および高空においてロランＣ信号は自由に伝播する。しかし、陸」−移動応 用例は重要な２つの違いをもっている。本発明に対する必要性は、大都市の環境 に通宝みられる橋を含む構造物は急速なフェージングを生じさせロランＣ信号に ひずみを与える傾向があるという問題から生じている。今度はこのフェージング と信号のひずみはサイクルの滑り（ｓｌｉｐｐａｇｅ　）を引き起こし、従って 陸上移動環境において位置の誤差を生じさせる。

本発明はフェーズロックループ（Ｐ　Ｌ　Ｌ）帯域幅を拡大又は縮小して急速な 位相エクスカーション（ｅｘｃｕｒｓｉｏｎｓ）を追跡するＰＬＬの能力を低下 させることによってこの問題を解決する本発明はフェーズロックループ（Ｐ　Ｌ 　Ｌ）帯域幅を拡大又は縮小して急速な位相エクスカーションを追跡するＰＬＬ の能力を低下させることからなるロランＣサイクルスリップ技術を提供すること によって先行技術に優りこの分野の大きな進歩を表わすものである。

発明の簡単な要約 本発明の目的はフェーズロックループ（Ｐ　Ｌ　Ｌ）帯域幅を拡大又は縮小して 急速な位相エクスカーションを追跡するＰＬＬの能力を低下させることからなる ロランＣサイクルスリップ減少技術（方法）を提供することである。

本発明のもう１つの目的は陸上移動装置市場に通したロランＣ受信機を提供する ことである。

本発明の更にもう１つの目的は動的な、急速にフェージングする高信号対雑音環 境において適当な位相同期にロックされた状態にとどまることができるロランＣ 受信機を提供することがある。

本発明の最終的な目的は、そのような環境において改良された位置精度をもつこ とができ自動車位置測定システムを提供することである。

本発明の究極的目的は、フェーズロックループ（Ｐ　Ｌ　Ｌ）帯域幅を拡大又は 縮小して急速な位相エクスカーションを追跡するＰＬＬの電力を低下させること からなるロランＣサイクルスリップ減少技術（方法）を提供することである。

本発明によると、信号対雑音比を感知し、所定のしきい値を超えているとフェー ズロックループ帯域幅を拡大又は縮小することからなるロランＣサイクルスリッ プ減少棟術（方法）が提供されている。

従って、フェーズロックループ（Ｐ　Ｌ　Ｌ）帯域幅を拡げて急速な位相エクス カーションを追跡するＰＬＬの能力を低下させることからなるロランＣサイクル スリップ減少技術（方法）が提供されている。

図面の簡単な説明 本発明による追加の目的、特色および利点は、添付の図面とともに下記の詳細な 説明から制限のない実例によって更に明確に理解されるものと思われる。

第１図は、ロラン航法の原理を示す図である。

第２図は、主および２次ロランパルス送信間の時間−位相関係を示すグラフであ る。

第３図は、ロランパルス包絡線と追跡サイクルとの間の時間−位相関係を示すグ ラフである。

第４図は、本発明によるロラン受信機のブロック図である。

第５図は、パルス追跡フェーズロックループのブロック図である。

本発明は添付の図面とともに考察すれば詳細な説明を参照することによって容易 に理解されるものと思われる。添付の図面においてどの図面においても同一数字 は同一部品を示す。

好ましい実施例の説明 特許権をとることができる発明は解決のむずがしざ又はその欠除とは関係なく問 題の原因を発見することにある場合があるということが認められている。そのよ うな考察は主題を全体として考えることの一部である。

陸上移動環境にロラン技術を応用しようとした場合にいろいろな問題が起きた。

位置の双曲線を決定する無線航行システムは航海および航空技術においては周知 であるが陸上移動技術においては周知ではない。従来のロランシステムのような システムにおいては、位置の線（第１図）は既知の遠く離れた２つの場所から送 信される２つのパルス無線信号（第２図および第３図）のトラベルに間（ｔｒａ ｖｅｌ　ｔｉｍｅ）の差を受信機において測定することにょっ差を２つの既知の 場所がからの距離の差に変換できる。この距離の差が位置の双曲線（第１図）を 決定する。無線航行システムにしばしば用いられる１つのシステムかロランＣシ ステム（第１図）である。送信局の代表的なロランＣチェーン（２０，２２およ び２４）は主局２０．第に次局２２および第２二次局２４を含み、その各々が互 に関連した予め選択された時間に複数の無線周波数パルスを送信する（第２図） 。

第２図に示すように主Ｍおよび第１ＳＡおよび第２８Ｂ二次局の各々はグループ 繰返し周期（Ｇ　ＲＩ　；　ｇｒｏｕｐ　ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎｉｎｔｅｖａｌ 　）と呼ばれる一定時間の間にパルスグループを送信する。更に詳しく云うと、 先づ主局がＭと呼ばれ１〜８の番号が付けられている一連の８つの無線周波数パ ルスを送信し、そのようなパルスは１ミリ秒の間隔で発生し、その後に主局信号 の手動識別にしばしば債用いられる９番目のパルスが続いている。

第に次局２２は主局２０によるパルスグループ送信後所定の時間がたってからＳ イと呼ばれる８つの無線周波数パルスからなるパルスグループを発生させる。第 ２二次局２４は第に次ＳＡパルスグループの送信後所定の時間がたってからＳＲ と呼ばれる８つの無線周波数パルスからなる更に別のパルスグループを送信する 。主（ｍａｓｔｅｒ）　Ｍおよび第１ＳＡおよび第２８Ｂ二次局パルスグループ が各ＧＲＩで送信される時間は、ロランＣ受信機２６においてパルスグループが 受信される時間が時間的に重ならないように選択される。第１に主局２０により その後第に次局２２および第２二次局２４によるこの順序のパルスグループ送信 （Ｍ、ＳイおよびＳｌ、）は連続するＧＲＩで無限に続く。

遠く離れたロランＣ受信機の位置を決定するために、第に次局２２パルスグルー プＳＡ　と主局２０パルスグループＭの到達時間の時間差（ＴＤ）を測定し、適 当な地図（第１図）上に位置の双曲線（２８）を描くのに用いる。ロランＣ受信 機における第２二次局２４パルスグループＳＩＪと主局２０パルスグループＭの 到達時間の時間差を測定し、位置の第１の線２８と交差する位置の第２の双曲線 ３０を描くのに用い、このようにしてロランＣ受信機の位置がめられる。

第３図は第２図のパルス（Ｍ、　Ｓ、４およびＳＲ）の一部を拡大した図である 。主局パルスＭの包絡線３２がこの図で容易にみられる。

時差を測定するため、ロランＣ受信機２６は主局２２および二次局（２２および ２４）の各々によってそれぞれ送信されるパルスグループ（Ｍ、Ｓ、ｌおよびＳ Ｂ）のパルスの各々の搬送波の第３の正へ向う零交差点Ｔ　に一般的にロックす る。そのような零交差点Ｔ２はパルス追跡基準点又はＰＴＲとして知られる。ロ ランＣ受信機２６の位置を誘導し、又はその場所を固定するために、主局２０お よび二次局（２２および２４）のパルスグループ（Ｍ、Ｓ　およびＳＢ）のパル スの第３の正の零交差が起きる時間を正確に監視する。他の零交差点も基準点と して用いてもよいが、第３零交差点Ｔ２は便利なパルス追跡基準点として用いら れる。ロランＣ受信機２６は主局２０のＰＴＲの受信時間と第に次局２２のＰＴ Ｒ受信時間との間の時間差を測定して、位置の１本の双曲線２８を１作る。受信 機２６は更に受信した主局２０パルスグループＭのＰＴＲと第２の受信した二次 局２４パルスグループＳＲのＰＴＲＯ間の時間差を測定して、位置の第２双曲線 ３０を作る。位置の線の交差点がロランＣ受信機２６の場所を示す。

ロラン送信システムにより発生されたパルス間の時間間隔を自動的に一１定する 受信機が具えられており、その受信機においては主局２０および二次局（２２お よび２４）が発生させた無線周波数の位相が互に同期される。更に、送信ＩＪＩ （２０，２２および２４）はＲＦサイクルとパルス包絡線３２との間の固定した 所定の位相関係を与える。

本発明は陸上移動環境において動作するように特別に設計されたロランＣサイク ルスリップ減少技術である。船舶および航空機受信機は大気雑音レベルおよび信 号対雑音比（ＳＮＲ）環境で動作し、ＳＮＲはロランＣ送信機からの距離のみに よって決定される徐々に変化するパラメータである。

本発明を具体化しているこの受信機は、陸上移動動作においてのみしばしば出（ わす建物、トンネル、ｍ台よびその他の同様な建造物による動的信号損失によっ て特徴づけられる都市ＳＮＲ環境において動作する。ロランＣ陸上移動受信機は きびしい受信環境で動作しなければならないことがしばしばある。即ち、所望し ない外部無線周波数信号がロランＣ受信機の近く又はその通過帯域（一般には９ ０−１１０　ＫＨｚ）に存在することがある。

そのほかにもいくつかの環境上の困難な問題がある。

パルスひずみは先行技術の受信機が動作するように設計された環境におけるより も陸上移動環境における方がはるかにひどい。このことがパルスサイクル選択お よび位相追跡を更に困難にしている。電線およびその他の局地的干渉物もまた追 跡上の問題を生じさせており、位置の誤差を起こしている。これらの干渉物は先 行技術の受信機においては固定同調ノツチによってノツチアウト（ｎｏｔｃｈ　 ｏｕｔ）されているが、それらは不規則な周波数および振幅のものであるので本 システムにおいては適合干渉除去装置（ｃａｎｃｅｌｌｏｒｓ）によって処理さ れる。

ロランＣ受信機を具えた車が橋などの構造物の下を通ると、受信したロランＣ信 号は振幅がフェージングする。この振幅のフェージングとともにこの信号はまた 著しい位相ひずみを起こす。受信信号がきわめて強い（例えばノイズフロアを２ ０〜４０ｄＢ上回る）場合には、その信号は決して完全には雑音にフェージング しない。その結果、受信機は位相エクスカーションを追跡しようとする。もし位 相エクスカーションが十分に早いと、サイクルスリップが起きる可能性がある。

一定の０９７０局に対するフェーズロックループ（Ｐ　Ｌ　Ｌ）の位相追跡点が 正しい位相追跡基準（ＰＴＲ）点から急速にスリップして１搬送波周期だけ離れ た隣りの正零交差点に再ロックすると、サイクルスリップが起きる。サイクルス リップは、ロランＣ船舶受信機においては一般゛的には経験されないが陸上移動 環境においては一般に経験される電線や鉄道線路のような局地的干渉物（ａｎｏ ｍａｌｉｅｓ　）による受信パルス波形の強い動揺による。このプロセスの正確 なメカニズムは完全には理解されていないが、車の動力学および干渉物の方向に 対する走行方向、信号強度、雑音レベルおよびＰＬＬパラメータはすべてスリッ プを起こすかもしれない条件の一部となっている。受信信号が受信機のノイズフ ロアよりも２０ｄＢ又はそれ以下のｄＢだけ上回る場合にはこの状態は一般に起 きない。屋外試験データは、サイクルスリップはきわめて高い（＋２０ｄＢ又は それ以上の）ＳＮＲをもつ局において殆んど独占的に起きることを示している。

この事実は予想外のことではあるが、振り返ってみると、これらの急速なサイク ルスリップの期間中にＰＬＬはその正常な零交差点から追い払われなければなら ず（ｄｒｉｖｅｎ　ｏｆｆ）、単に移動して（’ｄｒｉｆｔ”ｏｆｆ）再ロック するのではないのであるからこのことは驚くべきことではない。ＳＮＲが高くな るにつれて、ＰＬＬの固有周波数Ｗ、は高くなり、その結果ループは拡がり、従 って過渡応答は改善する。従って、ループは局地的干渉物近くで急速な位相エク スカーションを追跡でき、従って別の零交差点に追いやられ易くなる。これらの サイクルスリップは４〜７分間続く可能性があり、大都市地区では時には約１マ イルの位置誤差を生じさせる。

４〜７分間にわたって１マイル程度の位置誤差のあるロランＣを用いた陸上移動 自動車位置測定システムは明らかに受けいれがたい。

第４図は本発明の好ましい実施例を組み入れた一般に４０として示されているサ イクルスリップ減少装置を示す。

次に、サイクルスリッピングの発生率を低下させる１つの方法は、強力な信号を 追跡しつつあるＰＬＬ９５の過渡的性能を低下させることである。これを行う１ つの方法は、信号を追跡しつつあるループのＰＬＬパラメータを変更することで ある。ループのＷｎはその追跡能力を低下させるように意図的に低下させること ができる。この低下は追跡精度を余りに著しくは放棄しない（また位置の誤差を 大きくしない）程度に少なく、追跡点ＰＴＲが別の零交差点へ追いやられないよ うにする程度に大きい。もしロランＣ受信機か局が高ＳＮＲをする区域において 動作しつつあることが判っていれば、パラメータのこの変化はロランＣ受信機に 対する“ＤＩＰ−スイッチ”プログラマブルオプションとすることができ、又は それはその推定ＳＮＲが受信機自体によって測定された一定のしきｐ値を上回る 局に適合するように行うことができる。同様にこの場合には、局の推定ＳＮＲが しきい値を下回る時にはＰＬＬパラメータを正常に切りかえて戻すことができる 。現在の屋外試験データに基づくと、このしきい値は多分＋１５ｄＢ〜＋２０ｄ ＢＳＮＲ範囲内にあると思われる。

二次フェーズロックループＰＬＬが第５図に示されている。

それはパルスグループ標本化回路６８、ラッチ、加算器、マルチプライヤおよび ダウンカウンタ７０からなる。パルスグループ標本化回路６８に結合されたＲＦ 倍信号第３図に示されている時間Ｔ２およびＴ５に標本化される。標本化を行う 時間はダウンカウンタ７０から決定される。時間Ｔ２およびＴＥにおいてとられ たサンプルはパルスグループ標本化回路６８の別々の出力Ｚ５およびＥ５からそ れぞれ結合される。標本化時間Ｔ２は通常パルス追跡基準又はＰＴＲと呼ばれる 。パルスグループ標本化回路のＥ５出力は加算器７２に結合されている。加算器 ７２の出力はラッチ７４に結合され、ラッチの出力は１より小さい正の利得を有 するマルチプライヤ７６に結合されている。ラッチ７４からの出力値はマルチプ ライヤ７６によって乗算され、次にこの値は加算器７２のもう一方の入力に結合 される。これら３つの素子は低域フィルタ７８の機能をデジタル的に行う。この 低域フィルタの出力は巳と呼ばれる。Ｅはフェーズロックループ（ＰＬＬ）９５ によって追跡されている受信ロランＣ信号の平均信号対雑音比に比例する。

パルスグループ標本化回路の第２出力Ｚｓ　は加算器８２の入力およびマルチプ レクサ８４の入力に結合されている。加算器８２の出力はラッチ８６の人力に結 合されている。ラッチ８６の出力は第２加算器８８の入力に結合され、に結合さ れ、また第１加算器８２の第２人力に結合されている。マルチプレクサ８４の出 力は第２加算器８８の第２人力に結合されている。第２加算器８８の出力はマル チプレクサ９０の入力に結合され、このマルチプレクサ９０の出力は第３加算器 の入力に結合されている。この加算器９２の出力はダウンカウンタ９８の入力お びびラッチ９８に結合されている。

ラッチ９８の出力は加算器９２の第２人力に結合きれている。この配置は通常二 次フェーズロックループと云われる。第５図に示した実施例はその性質はデジタ ルである。

第２ラツチ９８に記憶された数にマルチプレクサ９０の出力を加えたものは現代 のサンプルと次のサンプルとの間に必要な発振器サイクルの数を表わす。この数 はダウンカウンタ７０にロードされる。ダウンカウンタは発振器６６によってク ロックされるので、ダウンカウンタ７０が零に達すると、それは次のサンプルを とるのに適当な時間である。従って、ダウンカウンタ７ｏが零に達すると、サン プルコマンドがダウンカウンタ７０からパルスグループ標本化回路６８の入力に 結合される。更に、このサンプル事象（ｓａＩｌｐｌｅ　ｅｖｅｎｔ）はサンプ ル時間としてのｆフェーズロックループ（Ｐ　Ｌ　Ｌ）からの出力であり、Ｔと 指定されている。

簡単にするために、上記の説明は、パルスグループ標本化回路６８が１つのロラ ンＣパルスに関連する場合のその回路の動作についての説明である。実際には、 ロランＣ送信機は連続する各パルス間に正確に１ミリ秒の間隔がある８つのパル スからなるパルスグループを逐次出す。パルスグループ標本化回路６８は実Ｆ＆ ’ｆにはＴ２ｍｓ、Ｔ２＋１ｍｓ、Ｔｚ　＋２ｍｓ、＝−Ｔｚ　＋７ｍｓおよび Ｔｇ　ｍｓ、ＴＥ＋１ｍｓ、ＴＥ＋２ｍｓ、−ＴＥ＋７　ｍ　ｓの時間に標本化 を行う。従ってパルスグループ標本化回路６８の出力はこれらのサンプルの累積 を表わす。

第４図に戻ると、Ｔ、ＶおよびＥはそれらのそれぞれのフェーズロックループ９ ５の出力からマイクロプロセッサ６０の適当な入力に結合される。マイクロプロ セッサ６０は発振器６６からその内部時間基準とともにサンプルに時間Ｔをとり 、主局ＴＭと二次局ＡＴ、の時間差および主局Ｔ、と二次局ＢＴＢの時間差を下 記のように計算する。

但し、Ｔ′は入力Ｔがマイクロプロセッサ６０に結合する時間の実際の数値であ る。

マイクロプロセッサ６０は値Ｅ、、Ｅ、およびＥＢをチェックし、それらの値の うちのいづれかがしきい値ＥＴを下回るかどうかを調べる。これらの値のうちの いづれかが５ＮＲｔ、きい値を上回ると、マイクロプロセッサ６０はＰＬＬ回路 を適当に適合させる。値が再びＳＮ、ＲＬきい値を下回ると、ＰＬＬ回路はその もとの状態に戻る。

以上、フェーズロックループ（ＰＬＬ）帯域幅を拡大又は縮小して急速な位相エ クスカーションを追跡するＰＬＬの能力を低下させることからなるロランＣサイ クルスリップ減少技術を提供されている。

更に、陸上移動市場に適したロランＣ受信機、動的な急速におよびそのような環 境において位置精度を改善できる自動車位置システムが提供されている。

その他の信号識別パターン又は手段が本発明の範囲から逸脱することなしに装置 の対応する変更とともに用いられるということが当業者によって理解されるであ ろヘソーナーおよびナブスター大域位置決定システム（Ｓｏｎａｒａｎｄ　Ｎａ ｖｓｔａｒ　ＧｌｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ）衛星はほん の小数の代替物である。更に、本発明はサイクルからサイクルへの滑り（ｓｌｉ ｐｐａｇｅ　）が問題である高信号対雑音環境における改良された位相追跡に適 用できる。こ＼に示した機能のすべてはデジタル装置又はソフトウェアならびに アナログ装置によって、又はこれら３種の組合せによって行うことができる。従 って、この手続によって意図されている装置は特にデジタル装置に限定されるも のではない。動作可能なロラン受信機の必要条件、動作速度および場所の広さお よび費用から考えて、これらの機能は実際にはデジタル装置およびソフトウェア によって行われる。こ〜に説明した本発明の構造実施例いはデジタル装置で作ら れており、本発明の最もよく知られた用途を表わしている。

種々の実施例についての上記の説明は本発明が意味する広い発明概念を実例をあ げて説明したにすぎないのであって、はっきりと理解させるために制限的でない 例によって述べたものである。しかし、それは本発明の精神および範囲からの逸 脱を引き起こすすべての変更および変形を含むことを意図するものではない。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. １．信号対雑音関係を感知するステツプと、前記信号対雑音関係が所定のしきい 値を超えるとフエーズロツクループ帯域幅を拡大又は縮小するステツプとを含み 、フエーズロツクループ帯域幅の拡大又は縮小が急速な位相エクスカーシヨンを 追跡するフエーズロツクループの能力を低下させることを特徴とする帯域幅を有 するフエーズロツクループにおいて急速なフエージングを起こす高信号対雑音環 境におけるサイクルスリツプを減少させる方法。
2. ２．信号対雑音関係を感知するステツプと、前記信号対雑音関係が所定のしきい 値を超えるとフエーズロツクループ帯域幅を拡大又は縮小するステツプとを含み 、フエーズロツクループ帯域幅の拡大又は縮小が急速な位相エクスカーシヨンを 追跡するフエーズロツクループの能力を低下させることを特徴とするロランＣ受 信機で帯域幅を有するフエーズロツクループにおいて急速なフエージングを起こ す高信号対雑音環境におけるサイクルスリツプを減少させる方法。
3. ３．信号対雑音関係を感知する手段と、前記信号対雑音関係が所定のしきい値を 超えるとフエーズロツクループ帯域幅を拡大又は縮小する手段とを含み、フエー ズロツクループ帯域幅の拡大又は縮小が急速な位相エクスカーシヨンを追跡する フエーズロツクループの能力を低下させることを特徴とする帯域幅を有するフエ ーズロツクループにおいて急速なフエージングを起こす高信号対雑音環境におけ るサイクルスリツプを減少させる装置。
4. ４．信号対雑音関係を感知する手段と、前記信号対雑音関係が所定のしきい値を 超えるとフエーズロツクループ帯域幅を拡大又は縮小する手段とを含み、フエー ズロツクループ帯域幅の拡大又は縮小が急速な位相エクスカーシヨンを追跡する フエーズロツクループの能力を低下させることを特徴とするロランＣ受信機で帯 域幅を有するフエーズロツクループにおいて急速なフエージングを起こす高信号 対雑音環境におけるサイクルスリツプを減少させる装置。