(57)【要約】【課題】到来時間差とドップラー周波数差を正しく計算し、干渉局を位置評定することができる測位装置を得る。【解決手段】正規信号成分の情報を用いて受信信号に含まれる正規信号成分を除去するキャンセラ部２と、キャンセラ部２により正規信号成分を除去した受信信号と当該受信信号とは位置の異なる衛星を介して同一電波を受信した他の受信信号との受信信号間の相関処理により干渉局の到来時間差及びドップラー周波数差を計算する相関器３とを備える。【選択図】図１
2010256022.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
正規信号成分の情報を用いて受信信号に含まれる正規信号成分を除去するキャンセラ部と、
前記キャンセラ部により正規信号成分を除去した受信信号と当該受信信号とは位置の異なる衛星を介して同一電波を受信した他の受信信号との受信信号間の相関処理により干渉局の到来時間差及びドップラー周波数差を計算する相関器と
を備えた測位装置。
【請求項２】
請求項１に記載の測位装置において、
受信信号のみから前記正規信号成分を再構築する正規信号再構成部をさらに備えた
ことを特徴とする測位装置。
【請求項３】
請求項２に記載の測位装置において、
前記正規信号再構成部は、受信信号から、復調部による復調、誤り訂正部による誤り訂正、情報源復元部よる情報源復元までを行って正規信号の元情報を復元し、再度、情報源符号化部による情報源符号化、誤り訂正符号化部による誤り訂正符号化、変調部による変調まで行うことにより、正規信号を再構築する
ことを特徴とする測位装置。
【請求項４】
請求項３に記載の測位装置において、
受信信号に基づいて正規信号の変調方式を推定する変調方式推定部をさらに備え、
前記復調部は、前記変調方式推定部による推定結果に基づいて復調を行い、
前記変調部は、前記変調方式推定部による推定結果に基づいての結果に基づいて変調を行う
ことを特徴とする測位装置。
【請求項５】
請求項３または４に記載の測位装置において、
前記復調部からの出力に基づいて誤り訂正方式の推定を行う誤り訂正方式推定部をさらに備え、
前記誤り訂正部は、前記誤り訂正方式推定部による推定結果に基づいて誤りの訂正を行い、
前記誤り訂正符号化部は、前記誤り訂正方式推定部による推定結果に基づいて誤り訂正符号化を行う
ことを特徴とする測位装置。
【請求項６】
請求項３から５までのいずれか１項に記載の測位装置において、
前記誤り訂正部からの出力に基づいて元の情報の符号化方式の推定を行う情報源符号化方式推定部をさらに備え、
前記情報源復元部は、前記情報源符号化方式推定部による推定結果に基づいて情報源の復元を行い、
前記情報源符号化部は、前記情報源符号化方式推定部による推定結果に基づいて符号化を行う
ことを特徴とする測位装置。
【請求項７】
請求項２に記載の測位装置において、
前記正規信号再構成部は、受信信号から、復調部による復調、誤り訂正部による誤り訂正までを行い、再度、誤り訂正符号化部による誤り符号化、変調部による変調を行うことにより、正規信号を再構築する
ことを特徴とする測位装置。
【請求項８】
請求項２に記載の測位装置において、
前記正規信号再構成部は、受信信号から、復調部による復調を行い、再度、変調部による変調を行うことにより、正規信号を再構築する
ことを特徴とする測位装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、衛星に不法電波を送信する未知の地上送信局の位置推定を行う測位装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、地上から衛星へ不法電波を送信する未知の違法電波局の位置を測位する装置がある（例えば、非特許文献１参照）。衛星通信では、多数の通信衛星が静止軌道上に配置されており、その配置間隔は約４度おきと狭く、非常に混み合っているのが現状である。このような状況で、衛星通信では、各地上局が、割り当てられた周波数帯で、特定の衛星に向かって電波を送信（アップリンク）する。
【０００３】
衛星側では、地上の多数の送信局から衛星に向けて送信された電波信号を、衛星内のトランスポンダを介して地上へ送り返す（ダウンリンク）。このとき、例えば、通信の目的が日本全域であれば、日本全域をカバーするような広いビームで電波を送り返す。
【０００４】
一方、このような通信システムでは、地上局の故障や操作誤りなどが原因で、誤った衛星に電波をアップリンクしてしまう場合がある。更に、違法な電波送信局から、意図的に電波をアップリンクされる場合もある。このような電波送信局を干渉局と呼ぶ。このような状況では、通信が混信してしまうため、何等かの方法で干渉局の電波送信の停止を促す必要がある。
【０００５】
しかしながら、地上には無数の送信局が存在し、更に、ＶＳＡＴ（Very Small Aperture Terminal）など、簡単に移動設置可能な送信局も多数存在し、更には、海外の送信局である可能性もあり、干渉局の位置は知ることはできない。特に、故意に違法電波を送信してくるような違法局の場合、当然ながら、その位置は未知である。
【０００６】
上記の問題に対し、従来技術では、衛星からの電波受信した受信信号を使って未知の位置の干渉局の位置を測位する装置が記されている。図７に宇宙電波監視の測位システムの概要を示す。また、図８に測位装置を示す。この装置では、まず、地上に地上監視局を設置し、衛星からのダウンリンク電波を常時モニタする。ある衛星で干渉電波が発生すると、干渉を主に受けている衛星と隣接する衛星を選択する。
【０００７】
一般に、地上送信局が衛星に送信する電波は、送信ビーム制御により特定の衛星に指向して送信される。しかし、アンテナサイドローブなどの漏れ込みによりある程度の空間的広がりを持ち、また、衛星は非常に近接して位置しているため、主衛星に対する電波の電力よりは小さいが、同じ信号源からの電波が隣接する副衛星でも受信されることが多い。これらの計２機の衛星からの電波を地上監視局で受信し、これらの電波の到来時間差（ＴＤＯＡ：Time Difference of Arrival）とドップラー周波数差（ＦＤＯＡ：Frequency Difference of Arrival）を計算する。
【０００８】
これらの２衛星は、位置が異なるため、同一電波を２衛星を介して受信すると、受信信号間で到来時間に差が生じる。また、静止衛星とはいえ、地表面に対して若干ではあるが運動し、その運動は異なるため、同一電波を２衛星を介して受信すると、受信信号でドップラー周波数差が生じる。これらがＴＤＯＡ及びＦＤＯＡである。干渉局からの送信信号をｓ１と呼ぶ。受信信号ｘ１（ｔ）、ｘ２（ｔ）を数式で表すと次式となる。
【０００９】
【数１】
2010256022.tif 000003
【数２】
2010256022.tif 000004
【００１０】
ここで、τ１１、τ２１は干渉局から各衛星を介して受信される電波の時間遅延、ｆ１１、ｆ１２は干渉局から各衛星を介して受信される電波の周波数シフト量である。なお、説明を簡単にするために、ここでは、衛星や受信局で生じる時計誤差やローカル周波数シフトは省略する。α１１、α１２は電波伝搬により生じる、ある位相量及び電力の大きさを意味する複素係数である。衛星＃２にアップリンクされる電波は、サイドローブによる漏れこみにより生じるため、衛星＃１にアップリンクされる電波に比べ、電力が非常に小さいため、｜α２１｜は｜α１１｜に比べ、非常に小さい。
【００１１】
ＴＤＯＡ及びＦＤＯＡは、それぞれτ１１とτ２１の差、及び、ｆ１１とｆ１２の差となるわけだが、当然ながらこれらの値は未知である。これらの値を計算するため、相関器３では、以下の受信信号間の相関処理により計算する。デジタル信号処理系では、次式を用いる。
【００１２】
【数３】
2010256022.tif 000005
【００１３】
ここで、ｍ：ＴＤＯＡインデックス、ｎ：ＦＤＯＡインデックス、ｋ：離散時間インデックス、Ｋ：サンプル数である。また、ｘ１（ｋ）＝ｘ１（ｋΔｔ）、ｘ２（ｋ）＝ｘ２（ｋΔｔ）であり、Δｔはサンプル周期である。この値は次式で与えられる。
【００１４】
【数４】
2010256022.tif 000006
【００１５】
ここで、ｆｓ（＝１／Δｔ）：サンプリング周波数［Ｈｚ］、Ｔ：観測時間［ｓｅｃ］であり、ｍとｎがＴＤＯＡ及びＦＤＯＡの値をもつとき、相関ピークが得られる。その他の場合は０である。なお、実際には完全無相関で無い限り、０ではない何らかの値をもつ（ノイズフロアと呼ばれる）が、ピーク値に比べて極めて低い。よって、図７に示すように、時間方向と周波数方向の２次元相関処理結果で、２信号間の２次元相関値がもっとも高い時間及び周波数を選択した結果（ピークサーチした結果）がＴＤＯＡ及びＦＤＯＡとなる。
【００１６】
【数５】
2010256022.tif 000007
【００１７】
最後に、相関器３で得られたＴＤＯＡとＦＤＯＡより、地上における違法電波局（干渉局）の３次元位置を評定する。遅延時間差及びドップラー周波数差は、２機の衛星の３次元位置及び速度ベクトルｐｓ（ｉ），ｖｓ（ｉ），ｉ＝１，２，及び、干渉局の３次元位置ベクトルｐの情報を用いて次式で表すことができる．
【００１８】
【数６】
2010256022.tif 000008
【数７】
2010256022.tif 000009
【数８】
2010256022.tif 000010
【００１９】
ここで、ｃは光速、λは送信波長、ｐｅは地球中心の位置、Ｒｅは地球の半径である。||・||はノルムで距離を意味する。式（６）は干渉局から２衛星を介して得られる同一電波の到来時間差を表している。同様に式（７）は、干渉局から２衛星を介して得えられる同一電波のドップラー周波数差を表している。式（８）は、地球上にあることを意味する。衛星の位置や速度は衛星の軌道情報から得られるので機知である。よって、未知変数はｐのみであり、３次元ベクトルなので未知数は３である。これらの３式の連立方程式をｐについて解けば、干渉局の位置を測位できる。なお，実際は種々の誤差をキャンセルするリファレンス局を用いるため式（６）及び式（７）はより複雑になるが、表記を簡単にするため、ここでは省略する。また、式（８）では、地球は球と仮定しているが、実際の地球の形状を考慮し、より精密なモデルを用いても良い。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００２０】
【非特許文献１】D. P. haworth, N. G. smith, R. Bardelli and T. Clement,"Interference Localization for Eutelsat Satellites-The ＦＩＲst European Transmitter Localization System,"International Journal of Satellite Communications, Vol. 15, 155-183, 1997.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
隣接する衛星には、電力は弱いが干渉局ｓ１からの信号が受信されている。このとき、干渉信号が存在する周波数帯には、すでに他の正規局ｓ２が通信を行っている場合がある。例えば、図９に示すような場合である。このとき、受信信号は次式となる。
【００２２】
【数９】
2010256022.tif 000011
【数１０】
2010256022.tif 000012
【００２３】
ここで、正規局ｓ２の信号は、正規に通信を行っているのであるから、漏れこみにより受信されている干渉局ｓ１の信号に比べ大電力であり、電力比で数十ｄＢ異なることもある。このため、｜α２１｜は、｜α２２｜に比べ、非常に小さい。また、正規局は正規運用しており、電力が干渉局電力に比べて非常に大きいため、混信はしているものの、通信には支障がないのであるから、正規局に対して運用停止を促すこともできない。このような状況では、干渉局信号ｓ１の成分が、大電力の正規局信号ｓ２の成分に埋もれてしまうため、式（３）〜式（５）の相関処理において、相関ピークがノイズフロアに埋もれてしまい、相関ピークを検出できない問題がある。よって、正しいＴＤＯＡやＦＤＯＡを得られないため、正しく干渉局を位置評定できない。
【００２４】
この発明は上述した点に鑑みてなされたもので、いかなる状況下でも正しく到来時間差とドップラー周波数差を計算し、正しく干渉局を位置評定することができる測位装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
この発明に係る測位装置は、正規信号成分の情報を用いて受信信号に含まれる正規信号成分を除去するキャンセラ部と、前記キャンセラ部により正規信号成分を除去した受信信号と当該受信信号とは位置の異なる衛星を介して同一電波を受信した他の受信信号との受信信号間の相関処理により干渉局の到来時間差及びドップラー周波数差を計算する相関器とを備えたものである。
【発明の効果】
【００２６】
この発明によれば、正規信号と干渉信号が混信した受信信号からキャンセラにより大電力の正規信号を取り除いてから相関処理を行うことにより、正しく到来時間差及びドップラー周波数差を計算することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】この発明の実施の形態１に係る測位装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示すキャンセラ部２の詳細な構成例を示すブロック図である。
【図３】図１の変形例を示す測位装置の構成を示すブロック図である。
【図４】この発明の実施の形態２に係る正規信号再構成部１の詳細な構成を示すブロック図である。
【図５】この発明の実施の形態３に係る正規信号再構成部１の詳細な構成を示すブロック図である。
【図６】図５の変形例を示す正規信号再構成部１の構成を示すブロック図である。
【図７】宇宙電波監視の測位システムの概要を示す説明図である。
【図８】従来の測位装置の構成を示すブロック図である。
【図９】従来の測位システムにおいて、干渉局の信号が正規信号に埋もれてしまう状態の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
実施の形態１．
この実施の形態１では、正規信号と干渉信号が混信した受信信号ｘ２からキャンセラにより大電力の正規信号を取り除いてから相関処理を行うことにより、正しく到来時間差及びドップラー周波数差を計算する。また、受信信号に含まれる正規信号成分の電力が干渉局信号の電力に比べて大きいという性質を利用して、誤り訂正などの一連の処理により、干渉局信号による誤りを訂正して正規信号を再構成する。すなわち、受信信号情報のみから正規信号を推定する。
【００２９】
図１は、この発明の実施の形態１に係る測位装置の構成を示すブロック図である。図１に示す測位装置は、受信信号のみから正規信号成分を再構築する正規信号再構成部１と、正規信号成分の情報を用いて受信信号に含まれる正規信号成分を除去するキャンセラ部２と、キャンセラ部２により正規信号成分を除去した受信信号と当該受信信号とは位置の異なる衛星を介して同一電波を受信した他の受信信号との受信信号間の相関処理により干渉局の到来時間差及びドップラー周波数差を計算する相関器３と、相関器３の出力に基づいて干渉局の位置を評定する測位計算部４とを備えている。
【００３０】
次に各構成について具体的に説明する。図１に示すように、観測値ｘ１，ｘ２が得られると、正規信号再構成部１でｘ２から正規信号のレプリカ
【数１１】
2010256022.tif 000013
を生成する。考え方は、ｘ２に含まれる正規信号成分は、干渉信号に比べ十分電力の大きいデジタル信号であることから、誤り訂正などの処理により、干渉局信号成分の影響による誤り補正して正規信号の元情報を復元できることに基づくものである。
【００３１】
そして、その後、再度、変調までの処理を行えば、誤りの取り除かれた正規信号を正しく再構成する。正規信号再構成部１では、ｘ２を入力信号として用い、まず、キャリア周波数分だけ周波数シフトし、ベースバンド信号に変換する。復調部１ａは、ＡＳＫ，ＰＳＫ，ＦＳＫ，ＱＡＭ，ＯＦＤＭ，その他の種々のデジタル変調方式に基づき、離散的に得られた信号値の位相や周波数から、０，１のビット列に変換する。
【００３２】
誤り訂正部１ｂは、ビット列中の誤りを訂正する。誤り訂正とは、０，１が反転してしまい、誤ったビット列が得られている状態から、それらの誤りを正しく修正し、正しいビット列を得るものである。情報源復元部１ｃは、ビット列から、元の情報を復元する部である。元の情報とは、音声や画像など、通信の目的により異なる。これと反対に、情報源符号化部１ｄは、音声や画像などの元の情報をビット列に変換する部である。
【００３３】
誤り訂正符号部１ｅは、ビットの周期性や冗長性を持たせるなどして、受信側でビット誤りが可能とするようなビット列を生成する部である。変調部１ｆは、ビット列を、ＡＳＫ，ＰＳＫ，ＦＳＫ，ＱＡＭ，ＯＦＤＭ，その他の種々のデジタル変調方式により、デジタル信号に変換する部である。そして最後に、キャリア周波数分だけ周波数変換を行うことにより、最終的な正規信号レプリカ
【数１２】
2010256022.tif 000014
を生成する。
【００３４】
次に、キャンセラ部２において、再構成された正規信号
【数１３】
2010256022.tif 000015
により、ｘ２から、正規信号成分を取り除くことにより、干渉信号成分のみを出力する。キャンセラ部２は、例えば、図２に示したものが考えられる。但し、種々のキャンセラを用いることができるので、これに限ったものではない。
【００３５】
以下、キャンセラを説明する。
【数１４】
2010256022.tif 000016
により、ｘ２から正規局信号成分を除去する。正規局信号の送信から受信までの伝達関数をＦＩＲ表現し、受信信号ｘ２と
【数１５】
2010256022.tif 000017
との誤差が最小となるような伝達関数を求める。
【００３６】
【数１６】
2010256022.tif 000018
【数１７】
2010256022.tif 000019
【数１８】
2010256022.tif 000020
【００３７】
ここで、ｈは伝達関数のＦＩＲ近似係数、Ｎはタップ係数の数、Ｋはサンプル数、ｙは伝達関数ｈを介して得られる
【数１９】
2010256022.tif 000021
の受信信号である。受信信号ｘ２と
【数２０】
2010256022.tif 000022
との誤差が最小となるように、以下の最適化問題を解く。
【００３８】
【数２１】
2010256022.tif 000023
【００３９】
上記最適化問題の解は次式となる。
【００４０】
【数２２】
2010256022.tif 000024
【数２３】
2010256022.tif 000025
【数２４】
2010256022.tif 000026
【数２５】
2010256022.tif 000027
【００４１】
このようにして得られたｈより、式（１３）でｙ（ｋ）を計算し、ｘ２（ｋ）から除算（ｘ２（ｋ）−ｙ（ｋ））すれば、正規信号成分を除去した受信信号＃２が得られる。
【００４２】
最後に、相関器３で、ｘ１と、干渉局成分を取り除かれたｘ２との間で相関演算処理を行えば、正しくＴＤＯＡ及びＦＤＯＡを計算することができる。そして、最後に、測位計算部４で測位計算すれば、干渉局の位置を評定することが可能となる。
【００４３】
なお、ｘ１に正規信号成分が含まれる場合もｘ２の場合と同様に、図３のように、正規信号再構成部１で得られた
【数２６】
2010256022.tif 000028
を用いて、ｘ２側と同様にキャンセラ部２’でｘ１に含まれる正規信号成分を取り除けばよい。
【００４４】
以上のように、正規信号と干渉信号が混信したｘ２からキャンセラ部２により大電力の正規信号を取り除いてから相関処理を行うことにより、正しく到来時間差及びドップラー周波数差を計算できる。また、受信信号に含まれる正規信号成分の電力が干渉局信号の電力に比べて大きいという性質を利用して、誤り訂正などの一連の処理により、干渉局信号による誤りを訂正して正規信号を再構成できる。すなわち、受信信号情報のみから正規信号を推定できる。
【００４５】
実施の形態２．
宇宙電波監視では、電波を監視しているだけなので、一般の通信システムと異なり、変調方式、誤り訂正方式、情報源符号化方式などは未知である。このため、これらの方式を推定する装置部を追加する。こうすることにより、正規信号の性質が全く未知な状況においても、正しく正規信号のレプリカを生成することが可能となる。
【００４６】
図４は、実施の形態２に係る正規信号再構成部１の詳細な構成を示すブロック図である。図４に示す実施の形態２に係る正規信号再構成部１において、ｘ２が得られると、まず、受信信号をベースバンド信号に変換する。次に、変調方式推定部１ｇでは、ベースバンド信号から、正規信号の変調方式を推定する。正規信号の電力の方が十分高いため、変調方式の推定が可能である。変調方式が推定されると、復調部１ａでは、推定方式に基づきベースバンド信号の復調を行い、ビット列を出力する。
【００４７】
次に、誤り訂正方式推定部１ｈでは、復調部１ａからの出力であるビット列に基づき、誤り訂正方式の推定を行う。誤り訂正方式が決定されると、誤り訂正部１ｂでは、推定方式に基づき誤りの訂正を行い、誤り訂正されたビット列を出力する。次に、情報源符号化方式推定部１ｉでは、誤り訂正されたビット列から、元の情報の符号化方式を推定する。情報源復元部１ｃでは、得られた情報源符号化方式に基づき、情報源の復元を行う。
【００４８】
これらの推定方式結果は、それぞれ情報源符号化部１ｄ、誤り訂正符号部１ｅ、変調部１ｆにも伝えられる。そして、情報源符号化部１ｄでは、情報源符号化方式推定部１ｉの結果に基づき符号化を行い、誤り訂正符号化部１ｅでは、誤り訂正方式推定部１ｈの結果に基づき誤り訂正符号化を行い、変調部１ｆでは、変調方式推定部１ｇの結果に基づき変調を行う。最後に、元の周波数に変換して、正規信号のレプリカ
【数２７】
2010256022.tif 000029
を得る。
【００４９】
以上のように、宇宙電波監視では、電波を監視しているだけなので、一般の通信システムと異なり、変調方式、誤り訂正方式、情報源符号化方式などは未知である。このため、これらの方式を推定する装置部を追加する。こうすることにより、正規信号の性質が全く未知な状況においても、正しく正規信号のレプリカを生成することが可能となる。
【００５０】
実施の形態３．
この実施の形態３では、種々の推定方式が得られない場合や、実施することによる効果が十分でない場合、誤り訂正までにしておく、復調までにしておくなど、種々のパターンを用いる。こうすることより、効率的に正規信号を再構成することが可能となる。
【００５１】
図５は、実施の形態３に係る正規信号再構成部１の詳細な構成を示すブロック図である。図５に示す実施の形態３に係る正規信号再構成部１に示すように、情報源復元することの効果が十分でなかったり、情報源符号化方式が得られなかったりする場合を考え、ｘ２が得られると、ベースバンド信号に変換後、復調部１ａによる復調及び誤り訂正部１ｂによる誤り訂正までを行い、再度、誤り訂正符号化部１ｅによる誤り訂正及び変調部１ｆによる変調を行う。最後に、元の周波数に変換することにより、
【数２８】
2010256022.tif 000030
を得る。
【００５２】
また、図６のような正規信号再構成部１の構成も可能である。誤り訂正までやることの効果が十分でなかったり、誤り訂正方式が得られなかったりする場合を考え、ｘ２が得られると、ベースバンド信号に変換後、再度、復調部１ａによる復調までを行い、変調部１ｆにより変調する。最後に、元の周波数に変換することにより
【数２９】
2010256022.tif 000031
を得る。
【００５３】
以上のように、種々の推定方式が得られない場合や、実施することによる効果が十分でない場合、誤り訂正までにしておく、復調までにしておくなど、種々のパターンを用いる。こうすることより、効率的に正規信号を再構成することが可能となる。
【００５４】
実施の形態４．
実施の形態１〜３を組み合わせることも可能である。すなわち、全部推定するのではなく一部だけ推定部を加えたり、必要な部分まで情報を戻したりなど、さまざまな組み合わせが可能である。今までの説明から明らかであるので、詳細説明は省略する。
【符号の説明】
【００５５】
１  正規信号再構成部、１ａ  復調部、１ｂ  誤り訂正部、１ｃ  情報源復元部、１ｄ  情報源符号化部、１ｅ  誤り訂正符号部、１ｆ  変調部、１ｇ  変調方式推定部、１ｈ  誤り訂正方式推定部、１ｉ  情報源符号化方式推定部、２、２’  キャンセラ部、３  相関器、４  測位計算部。
【図１】
2010256022.tif 000032
【図２】
2010256022.tif 000033
【図３】
2010256022.tif 000034
【図４】
2010256022.tif 000035
【図５】
2010256022.tif 000036
【図６】
2010256022.tif 000037
【図７】
2010256022.tif 000038
【図８】
2010256022.tif 000039
【図９】
2010256022.tif 000040