JP4507103B2

JP4507103B2 - Ｇｐｓ用干渉除去装置

Info

Publication number: JP4507103B2
Application number: JP2005206729A
Authority: JP
Inventors: 一成紀平; 和史平田; 裕章宮下
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-07-15
Filing date: 2005-07-15
Publication date: 2010-07-21
Anticipated expiration: 2025-07-15
Also published as: JP2007028153A

Description

この発明は、アレーアンテナを用いた干渉除去装置に関し、特にＧＰＳ（Global Positioning System）衛星からの電波を利用して地球上における測位を行うＧＰＳ受信機に適用する干渉除去装置に関するものである。

ＧＰＳは、米国が開発した人工衛星による位置決定のためのシステムである。現在では、カーナビゲーションや携帯端末での測位、精密な位置測量など様々な用途で利用されている。ＧＰＳ受信機単独での測位のほか、ＤＧＰＳと呼ばれる基準局を利用した方式や、干渉測位に基づく数ｃｍオーダの精度を実現するＧＰＳ測量などは近年、その利用が急速に広まっている。

このような測位システムにおいて、精度劣化の大きな要因となるのが干渉電波の存在である。干渉源や他システムからの妨害信号や、大きな遅延を有するマルチパスなどによって、目標とする衛星から送信されたＣ／Ａ（Coarse／Acquisition）コードや航法メッセージなどを含む測位用信号（以下、ＧＰＳ信号と呼ぶ）との同期が外れ、測位性能が大きく劣化あるいは測位不能となることが懸念される。

この対策のひとつとして、受信アンテナを複数用いたアレーアンテナ構成とし、各素子アンテナの振幅・位相を制御することで目標の衛星方向にビームを形成し、干渉信号の方向にヌル点を作るアダプティブアンテナ、ＤＢＦ（Digital Beam Forming）アンテナの適用が考えられている（例えば、特許文献１、２、３参照）。

また、ＧＰＳ信号の周期性を利用した具体的な干渉除去アルゴリズムが提案されている（例えば、非特許文献１参照）。

特開２００２−０２６６３１号公報特開２００２−０６４３３１号公報特開２００４−３３６３９０号公報 M. Amin and W. Sun、"A Novel Interference Suppression Scheme for Global Navigation Satellite Systems Using Antenna Array、" IEEE Journal on selected areas in communications, vol. 23, no. 5, pp.999-1012, May 2005.

上述した特許文献１と特許文献２においては、アレーアンテナを用いてビームを適応的に制御し、衛星を追尾する概念は述べられているものの、具体的な制御アルゴリズムについてどちらの文献においても示されていない。また、特許文献１に記載されたＬＭＳ（Least Mean Square）、ＭＳＮ（Maximum Signal to Noise Ratio）、ＣＰＭ（Constrained Power Minimization）、あるいは特許文献３に記載されたＤＣＭＰといったアルゴリズムには、所望信号のレプリカである参照信号や所望信号の到来方向といった事前情報が必要であり、干渉信号によりＧＰＳ衛星からの所望信号との同期がとれない状態では適用することは難しいという問題点があった。

一方、非特許文献１において、ＧＰＳ信号の周期性を利用した干渉抑圧アルゴリズムが提案されているが、参照信号を生成するために２つの処理系が必要であり、演算量および回路規模が増大するという問題点があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、干渉信号が存在する環境においてもＧＰＳ信号の受信感度を向上することができ、かつ従来例に比べて演算量や回路規模を増大せずに測位の信頼性を向上することができるＧＰＳ用干渉除去装置を得るものである。

この発明に係るＧＰＳ用干渉除去装置は、複数の素子アンテナから構成され、高周波信号を受信するアレーアンテナと、前記複数の素子アンテナで受信された各高周波信号をベースバンド帯のディジタル信号にそれぞれ変換する複数の周波数変換部と、前記複数の周波数変換部の各出力信号に対して、それぞれの重み係数に基づいて振幅及び位相を所定のビーム形状となるようそれぞれ調整する複数の重み付け器と、前記複数の重み付け器の各出力をベクトル合成して、干渉信号が除去されたＧＰＳ信号のみを出力する合成器と、前記合成器の出力信号を１ビット長の整数倍だけ時間遅延させて参照信号を生成する遅延処理部と、前記複数の周波数変換部から出力された信号ベクトル、前記合成器からの出力信号、及び前記遅延処理部からの参照信号を用いて最小二乗誤差制御を施すことで、目標とするＧＰＳ衛星から到来したＧＰＳ信号の方向にメインビームを形成するとともに、干渉源から到来した干渉信号の方向に対しては指向性のヌル点を形成するよう、前記複数の重み付け器にそれぞれ対応した重み係数を算出する指向性制御部とを設けたものである。

この発明に係るＧＰＳ用干渉除去装置は、干渉信号が存在する環境においてもＧＰＳ信号の受信感度を向上することができ、かつ従来例に比べて演算量や回路規模を増大せずに測位の信頼性を向上することができるという効果を奏する。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係るＧＰＳ用干渉除去装置について図１から図５までを参照しながら説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係るＧＰＳ用干渉除去装置の構成を示す図である。

図１において、この実施の形態１に係るＧＰＳ用干渉除去装置６は、＃１から＃ＫまでのＫ個の素子アンテナから構成されるアレーアンテナ１と、各素子アンテナで受信された高周波（ＲＦ）信号をベースバンド帯のディジタル信号に変換する周波数変換部（周波数変換手段）２（２−１〜２−Ｋ）と、周波数変換部２の出力信号の振幅・位相を制御する重み付け器３１（３１−１〜３１−Ｋ）及びそれらを合成する合成器３２から構成される合成部（合成手段）３と、合成部３の出力信号を一定量時間遅延させる遅延処理部（遅延処理手段）４と、遅延処理部４の出力信号及び周波数変換部２の出力信号を用いて重み付け器３１に与える重み係数を演算する指向性制御部（指向性制御手段）５とが設けられている。

つぎに、この実施の形態１に係るＧＰＳ用干渉除去装置の動作について図面を参照しながら説明する。

図２は、この発明の実施の形態１に係るＧＰＳ用干渉除去装置で使用する航法メッセージとＣ／Ａコードの関係を示す図である。また、図３及び図５は、この発明の実施の形態１に係るＧＰＳ用干渉除去装置のアンテナビームを示す図である。さらに、図４は、この発明の実施の形態１に係るＧＰＳ用干渉除去装置の別の構成を示す図である。

アレーアンテナ１の各素子アンテナで受信されたＲＦ信号は、局部信号発生器やミキサ、Ａ／Ｄ変換器などから構成される周波数変換部２−１〜２−Ｋにそれぞれ入力され、中間周波数（ＩＦ）信号などを経由してベースバンド帯、あるいは非常に低い周波数帯のディジタル信号に変換される。このとき、実際には出力信号としてはＲＦ信号をベクトル表記した場合の同相成分と直交成分に対応する、ＩｃｈとＱｃｈの２つの信号が得られるが、これらを複素数表現することが一般的であるので、以下では１つの複素信号として扱う。

周波数変換部２−１〜２−Ｋから出力された信号は、合成部３に供給され、重み付け器３１−１〜３１−Ｋにより所定のビーム形状となるよう振幅・位相が調整され、その後、合成器３２によりベクトル合成される。この合成部３の出力信号は、干渉信号が除去されＧＰＳ信号のみが含まれているので、相関演算やドップラー補償などを含めた一連の測位演算処理を行うＧＰＳ受信機へ出力される。

次に、重み付け器３１−１〜３１−Ｋに与える重み係数の演算方法について説明する。ＧＰＳ信号の中で一般に開放されているＬ１帯のＣ／Ａコードは２値の符号からなり、軌道情報などを含む航法メッセージを直接拡散するのに用いられる。これらＣ／Ａコードと航法メッセージの関係を図２に示すが、航法メッセージにあたる１ビット情報が２０回連続して、すなわち２０ｍｓの間同一ビットが送信される構成となっている。また、各ビットに対して使用するＣ／Ａコードは同一のものであり繰り返し使用される。

このように一定期間同じビットが周期的に送信されており、ビットが反転する境界をまたがない範囲のデータに関しては、１ｍｓの整数倍だけ時間遅延させた信号は元の信号と強い相関を有する性質をもつ。一方、干渉源からの干渉信号はＧＰＳ信号とは無相関なノイズ性の妨害信号であることが考えられるので、以上のような周期性はない。従って、遅延処理部４では、合成部３からの出力信号をビット長である１ｍｓの整数倍の時間遅延させ、指向性制御部５へ出力する参照信号を生成する。

指向性制御部５では、周波数変換部２から出力された信号ベクトルと、遅延処理部４の出力信号を用いてＭＭＳＥ（Minimum Mean Square Error：最小二乗誤差）制御を施すことで、重み係数を算出する。具体的には、周波数変換部２から出力された信号ベクトルをＸ（ｔ）、合成部３の出力信号をｙ（ｔ）、重み係数ベクトルをＷとすると、以下の評価関数を最小化することが動作原理となる。

ここで、E[]は期待値操作を表し、通常は時間平均操作で代用される。また、Ｔは１ビット長、ｎは整数を表す。さらに、ベクトルＸ（ｔ）、参照信号ｒ（ｔ）は、次のように表される。

実際に、重み係数ベクトルＷの導出には、ＬＭＳ（Least Mean Square）、ＲＬＳ（Recursive Least Square）、ＳＭＩ（Sample Matrix Inversion）などの各種最適化アルゴリズムが適用可能である。ＳＭＩを用いた場合の最適な重み係数ベクトルＷは、次式で求まる。Ｒ_ｘｘは相関行列、ｒ_ｘｒは相互相関ベクトルを表す。

こうして得られたアンテナビーム７は、図３に示すように、ＧＰＳ衛星８０からのＧＰＳ信号８１のみにビームを形成し、干渉源９１からの干渉信号９３と干渉源９２からの干渉信号９４に対してはヌル点を自動的に形成する。遅延時間の設定については、１ビットの送信周期が２０ｍｓであるので、ｎは１９以下の任意の整数とする。

また、複数の遅延時間ｎＴの参照信号を生成して、それらを用いて平均化処理を行うことで収束特性を安定させることも可能である。すなわち、遅延処理部４では、合成部３からの出力信号をビット長である１ｍｓの例えば、１倍、２倍、３倍、・・・時間遅延させた複数の参照信号を生成して指向性制御部５へ出力し、指向性制御部５で複数の参照信号の平均化処理を行う。なお、遅延処理部４で複数の参照信号の平均化処理を行ってもよい。

この実施の形態１においては、受信信号のみを用いて指向性制御を実施しており、ビットの反転が起きないサンプル期間において、ＧＰＳ信号を初期捕捉する際のフレーム同期が確立していない状態でも適用可能である。すなわち、干渉抑圧をブラインド処理で実現できる。従って、干渉信号により受信環境が劣悪な場合でも性能向上が期待できる。

なお、遅延処理については、図４に示すように、周波数変換部２からの出力信号、すなわちアレーアンテナ１の各素子の受信信号に対して、遅延処理部４−１〜遅延処理部４−Ｋを設けて施してもよい。また、各遅延処理部４−１〜４−Ｋで、複数の遅延時間ｎＴの信号をそれぞれ生成して指向性制御部５へ出力し、指向性制御部５で遅延処理部毎に複数の信号の平均化処理を行ってもよい。さらに、各遅延処理部４−１〜４−Ｋで複数の信号の平均化処理をそれぞれ行ってもよい。

また、全ＧＰＳ衛星は原子時計による正確なタイミング制御によりＧＰＳ信号を発信しており、よほど大きな伝搬遅延を生じない限りは複数の衛星からのＧＰＳ信号との相関を検出できる。従って、図５に示すように、複数のＧＰＳ衛星８０、８２からのＧＰＳ信号８１、８３を１つのビーム７で同時受信が可能であり、測位演算処理を行う後段のＧＰＳ受信機においては、Ｃ／Ａコードによる相関演算によって各衛星からの信号を分離・識別し、複数のＧＰＳ衛星からのＧＰＳ信号を利用した測位・測量が可能である。

このように、この実施の形態１においては、ＧＰＳ信号の伝送フォーマットの周期性を利用して受信信号から参照信号を生成することにより、事前知識なしのブラインド処理により干渉抑圧が可能となる。また、参照信号の生成において、アレー合成後の出力信号を利用することで、参照信号生成のための別の系を用意する必要がなく、演算量や回路規模の増大を押さえる効果がある。この結果、後段の測位演算処理においては干渉信号が除去された信号が入力されるため劣悪な受信環境においても高精度な測位結果が得られる。

この発明の実施の形態１に係るＧＰＳ用干渉除去装置の構成を示す図である。この発明の実施の形態１に係るＧＰＳ用干渉除去装置で使用する航法メッセージとＣ／Ａコードの関係を示す図である。この発明の実施の形態１に係るＧＰＳ用干渉除去装置のアンテナビームを示す図である。この発明の実施の形態１に係るＧＰＳ用干渉除去装置の別の構成を示す図である。この発明の実施の形態１に係るＧＰＳ用干渉除去装置のアンテナビームを示す図である。

符号の説明

１アレーアンテナ、２周波数変換部、３合成部、４遅延処理部、５指向性制御部、６ＧＰＳ用干渉除去装置、７アンテナビーム、３１重み付け器、３２合成器、８０、８２ＧＰＳ衛星、９１、９２干渉源。

Claims

複数の素子アンテナから構成され、高周波信号を受信するアレーアンテナと、
前記複数の素子アンテナで受信された各高周波信号をベースバンド帯のディジタル信号にそれぞれ変換する複数の周波数変換部と、
前記複数の周波数変換部の各出力信号に対して、それぞれの重み係数に基づいて振幅及び位相を所定のビーム形状となるようそれぞれ調整する複数の重み付け器と、
前記複数の重み付け器の各出力をベクトル合成して、干渉信号が除去されたＧＰＳ信号のみを出力する合成器と、
前記合成器の出力信号を１ビット長の整数倍だけ時間遅延させて参照信号を生成する遅延処理部と、
前記複数の周波数変換部から出力された信号ベクトル、前記合成器からの出力信号、及び前記遅延処理部からの参照信号を用いて最小二乗誤差制御を施すことで、目標とするＧＰＳ衛星から到来したＧＰＳ信号の方向にメインビームを形成するとともに、干渉源から到来した干渉信号の方向に対しては指向性のヌル点を形成するよう、前記複数の重み付け器にそれぞれ対応した重み係数を算出する指向性制御部と
を備えたことを特徴とするＧＰＳ用干渉除去装置。
複数の素子アンテナから構成され、高周波信号を受信するアレーアンテナと、
前記複数の素子アンテナで受信された各高周波信号をベースバンド帯のディジタル信号にそれぞれ変換する複数の周波数変換部と、
前記複数の周波数変換部の各出力信号に対して、それぞれの重み係数に基づいて振幅及び位相を所定のビーム形状となるようそれぞれ調整する複数の重み付け器と、
前記複数の重み付け器の各出力をベクトル合成して、干渉信号が除去されたＧＰＳ信号のみを出力する合成器と、
前記複数の周波数変換部の各出力信号を１ビット長の整数倍だけ時間遅延させてそれぞれ参照信号を生成する複数の遅延処理部と、
前記複数の周波数変換部から出力された信号ベクトル、前記合成器からの出力信号、及び前記複数の遅延処理部からの参照信号を用いて最小二乗誤差制御を施すことで、目標とするＧＰＳ衛星から到来したＧＰＳ信号の方向にメインビームを形成するとともに、干渉源から到来した干渉信号の方向に対しては指向性のヌル点を形成するよう、前記複数の重み付け器にそれぞれ対応した重み係数を算出する指向性制御部と
を備えたことを特徴とするＧＰＳ用干渉除去装置。
前記遅延処理部は、信号を複数個時間遅延させ、
前記指向性制御部は、複数の時間遅延した信号の平均化処理を行う
ことを特徴とする請求項１記載のＧＰＳ用干渉除去装置。
前記複数の遅延処理部は、信号をそれぞれ複数個時間遅延させ、
前記指向性制御部は、複数の時間遅延した信号の平均化処理を行う
ことを特徴とする請求項２記載のＧＰＳ用干渉除去装置。