JP7190063B2 - 水晶発振器の加速度感度を測定する方法およびシステム - Google Patents
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Description
(式1)
(式2)
(式3)
最も一般的で概念的に簡潔な静的試験方法の一つとして、一般に「2G-TIPOVER」試験と呼ばれ、基本的に地球の重力場の変化を利用して発振器の周波数シフトを発生させるものがある。「2G-TIPOVER」という呼称は、被試験ユニットを効果的に上下反転させながら周波数変化を測定することに由来する。つまり、加速度と元の共振器の先端の法線ベクトルとのスカラー倍積が-1gから+1gに変化し、正味で2gの変化(差)となるように、被試験ユニットを水平軸の周りに回転させる(例えば180度)。したがって、周波数シフトの測定量を2で割ったものが、この軸における発振器の加速度感度を表す。その後、他の2軸についても上記手順を繰り返す。
の単位、すなわち、発振器の公称周波数に対する周波数偏差の比に109を乗じたもので表している。図2には、ナビゲーション受信機で使用される典型的な水晶発振器を測定した測定値が示される。具体的には、この測定値は、筐体を使用せずにナビゲーション受信機の集合基板上に配置した水晶発振器について測定したものである。図2に示されるように、垂直平面で基板の配向を180度変更したことに起因する重力加速度(g)の符号反転による発振器の周波数の蛇行振動が見られる。さらに、集合基板が固定されている場合、発振器の周波数変化(例えば、いわゆる「フリッカー効果」)によって生じた重畳ノイズ成分に起因する温度ドリフト(例えば、熱傾向)が見られる。これは、発振器の加速度感度を推定する際の精度を低下させるものである。
一般的に、動的試験方法では、試験対象軸に沿って水晶発振器に連続的に変化する加速度の影響を与えることによって加速度感度の測定値を求める。上述したように、一般的に、正弦波振動および広帯域不規則振動の両方を発振器に印加するために振動ベンチが使用される。重力加速度に基づいて加速度感度を求める、振動ベンチを利用しない動的方法もある。例えば、静的方法(図2参照)で用いた軸周りの蛇行配向変更を同じ軸周りの回転に置き換えた場合(かつ、発振器の軸位置を記録した場合)、この軸における加速度感度を推定することができる。この方法では、特定の速度で2つの軸周りに発振器を回転させると同時に、各瞬間における発振器の軸位置を示す(例えば、記録)ことが求められる。図3は、発振器をその一軸周りに回転させる処理中の時間関数として相対周波数ドリフトをppb/g単位で示したプロットである。いくつかの欠点のなかでも、動作中の(例えば、各瞬間における)軸位置を示す必要があるため、試験構成において回転を実現する装置がより複雑になってしまう。振動台を要さない動的方法もある。この場合、水晶結晶の三次元加速度感度ベクトルを推定するための観察可能な三次元モデルを提供することができる既知の回転シナリオ/技術に従って、動作状態に維持される被試験発振器に重力加速度を加えることができる。しかしながら、これらのシナリオ/技術では、高価な機器やより複雑な実装が求められることが多い。
yi x=Cx・cos(Φx(i・T))+Sx・sin(Φx(i・T))
+Bx(i・T)+ni x (式4)
ここで、
yi xは、X軸周りの回転における発振器周波数の相対偏差(例えば公称周波数fqに対する偏差の比率)をppbで表したもの、すなわちyi x=109・(fi x-fq)/fqであり、fi xは、発振器周波数推定値(X軸周りに回転する水晶発振器に関する)、fqは、発振器の公称周波数、
Φx(i・T)は、X軸、Y軸およびZ軸周りの回転それぞれのシナリオに従って算出した位相値、
i=1,2,...,Nxは、X軸周りの回転に対応する測定数、
Tは、測定期間、
ni xは、離散ホワイトガウスノイズ、
Bx(i・T)は、X軸周りに回転する発振器の一定シフトおよび熱周波数変動を表す時間依存項、
Cx、Sxは、回転軸Xに直交する平面への発振器の周波数の直交高調波成分の射影である。
が出力として得られる。
(式5)
ここで、
dは多項式の次数であり、
ak xは、係数Cx、Sxとともに推定される未知の係数である。
したがって、式4は次の形をとる。
(式6)
(式9)
のように表すことができる。ここで、
(式10)
(式11)
(式12)
は観測モデル/行列における係数行列の行であり、
は
から転置により求められる。
および
などの直交高調波成分の推定値のみが使用される。同様に、Y軸周りの回転では直交成分
および
の推定値を、Z軸周りの回転では直交成分
および
の推定値を、例えば、Y軸およびZ軸周りの回転それぞれについて対応する変数を適切に置き換えた上で、上記と同様の方法で求める。
Px=SNx・|Px|
Py=SNy・|Py|
Pz=SNz・|Pz|
ここで、
SNx、SNy、SNzは、3つの直交軸それぞれの符号に対応する。
Φx(i・T)=Φy(i・T)=Φz(i・T)=ωrot・i・T
ここで、
ωrot=2π・frotは角速度である。
yi x=109・DOi x
yi y=109・DOi y
yi z=109・DOi z
Claims (32)
- フルランクシステムを構成する複数の軸それぞれの周りに水晶発振器を連続して回転させる工程と、
前記水晶発振器を回転させる工程中に、前記水晶発振器の周波数を所定の速度で時間関数として測定する工程と、
前記水晶発振器を回転させる工程中に、データ当て嵌め推定モデルと、前記水晶発振器の周波数を測定する工程で得られた複数の周波数測定値とを用いて、積分加速度感度ベクトルを推定する工程と、を含む、
ことを特徴とする、水晶発振器の加速度感度を推定する方法。 - 請求項1において、
前記データ当て嵌め推定モデルは、最小二乗法(LSM)、カルマンフィルタ、ニューラルネットワーキング法、回帰法、ヒューリスティック推定法および非線形推定法のうちのいずれか一つである、
ことを特徴とする、方法。 - 請求項1において、
前記測定する工程を実施することにより、前記複数の軸それぞれの周りに前記水晶発振器を回転させる工程中に周波数推定値を導出し、前記水晶発振器の周波数の相対偏差を求め、
前記複数の軸は、X軸、Y軸およびZ軸を含む3つの直交軸である、
ことを特徴とする、方法。 - 請求項3において、
前記水晶発振器の周波数の相対偏差は、
前記X軸周りの回転に対応するyi x=109・(fi x-fq)/fq、
前記Y軸周りの回転に対応するyi y=109・(fi y-fq)/fq、および
前記Z軸周りの回転に対応するyi z=109・(fi z-fq)/fqとして、10億分の1(ppb)の単位で表され、
fi x、fi yおよびfi zはそれぞれ、前記X軸、Y軸およびZ軸それぞれの周りに回転する前記水晶発振器に関する周波数推定値であり、
fqは、前記水晶発振器の公称周波数である、
ことを特徴とする、方法。 - 請求項4において、
前記所定の速度の値は、約10Hz以上である、
ことを特徴とする、方法。 - 請求項1において、
前記積分加速度感度ベクトルを推定する工程は、前記水晶発振器における熱周波数変動を表すパラメータを含む、
ことを特徴とする、方法。 - 請求項1において、
前記複数の軸は、X軸、Y軸およびZ軸を含む3つの直交軸であり、
前記複数の周波数測定値は、
前記X軸周りの回転に対応するyi x=Cx・cos(Φx(i・T))+Sx・sin(Φx(i・T))+Bx(i・T)+ni x、
前記Y軸周りの回転に対応するyi y=Cy・cos(Φy(i・T))+Sy・sin(Φy(i・T))+By(i・T)+ni y、および
前記Z軸周りの回転に対応するyi z=Cz・cos(Φz(i・T))+Sz・sin(Φz(i・T))+Bz(i・T)+ni zとして表され、
Φx(i・T)、Φy(i・T)、Φz(i・T)は、前記X軸、Y軸およびZ軸それぞれの周りの回転のシナリオに従って算出した位相値であり、
i=1,2,...,Nxは、前記X軸周りの回転に対応する測定数であり、
i=1,2,...,Nyは、前記Y軸周りの回転に対応する測定数であり、
i=1,2,...,Nzは、前記Z軸周りの回転に対応する測定数であり、
Tは測定期間であり、
ni x、ni yおよびni zは、前記X軸、Y軸およびZ軸それぞれの周りの回転に対応する離散ホワイトガウスノイズであり、
yi x、yi yおよびyi zはそれぞれ、前記X軸、Y軸およびZ軸それぞれの周りに回転する水晶発振器の周波数の相対偏差であり、
Bx(i・T)、By(i・T)およびBz(i・T)はそれぞれ、前記X軸、Y軸およびZ軸それぞれの周りに回転する前記水晶発振器の一定シフトおよび熱周波数変動を表す時間依存項であり、
CxおよびSx、CyおよびSy、ならびにCzおよびSzはそれぞれ、前記水晶発振器の回転時における、前記X軸、Y軸およびZ軸それぞれに直交する平面への前記水晶発振器の周波数の直交高調波成分の射影対である、
ことを特徴とする、方法。 - 請求項8において、
最小二乗法(LSM)を適用して、
前記X軸周りの前記水晶発振器の回転に対応する前記推定値
および
を求め、
前記Y軸周りの前記水晶発振器の回転に対応する前記推定値
および
を求め、
前記Z軸周りの前記水晶発振器の回転に対応する前記推定値
および
を求める工程であって、
前記水晶発振器の周波数の各相対偏差は、
によって表され、
前記項Bx(i・T)、By(i・T)およびBz(i・T)は、以下の通り多項式で近似され、
dは前記多項式の次数であり、
ak xは、射影Cx、Sx、Cy、Sy、CzおよびSzとともに推定される未知の係数である工程をさらに含む、
ことを特徴とする、方法。 - 請求項11において、
前記X軸、Y軸およびZ軸の各軸上の前記積分加速度感度ベクトルPの射影Px、Py、Pzの符号SNx、SNy、SNzを求め、
Px=SNx・|Px|、
Py=SNy・|Py|および
Pz=SNz・|Pz|に従って前記射影Px、Py、Pzの値を導出する、
ことを特徴とする、方法。 - 請求項14において、
前記符号SNx、SNy、SNzはそれぞれ、前記X軸、Y軸およびZ軸のそれぞれについて連続して実施する2G-TIPOVER試験によって求め、評価され、g重力加速度を表す、
ことを特徴とする、方法。 - 請求項14において、
前記符号SNx、SNy、SNzはそれぞれ、前記X軸、Y軸およびZ軸それぞれの周りに前記水晶発振器を連続して回転させている間に、回転角度を固定することによって求め、評価される、
ことを特徴とする、方法。 - 請求項16において、
前記回転角度の固定は、前記連続する回転のそれぞれの開始時に行われる、
ことを特徴とする、方法。 - 請求項16において、
前記回転角度の固定は、前記連続する回転のそれぞれの終了時に行われる、
ことを特徴とする、方法。 - 請求項12において、
前記X軸、Y軸およびZ軸周りの回転は、実質的に一定の角速度で行われ、
前記位相値は
Φx(i・T)=Φy(i・T)=Φz(i・T)=ωrot・i・Tとして表され、
ωrot=2π・frotは角速度である、
ことを特徴とする、方法。 - 請求項19において、
前記実質的に一定の角速度の値は、毎秒約0.3から1回転の範囲である、
ことを特徴とする、方法。 - 請求項1において、
前記水晶発振器は、前記水晶発振器の周波数を測定するための全地球航法衛星システム(GNSS)受信機基板上の所定位置に固定され、
前記GNSS受信機基板において、定置型アンテナから信号を受信し、これにロックして、クロックオフセットおよびドリフトレートに基づいてデリバティブオフセット(DO)を求める工程と、
前記GNSS受信機基板をX軸、Y軸およびZ軸それぞれの周りに回転させながら、前記水晶発振器の周波数の相対偏差を求める工程であって、各相対偏差は、
yi x=109・DOi x、
yi y=109・DOi yおよび
yi z=109・DOi zとして表される工程と、をさらに含む、
ことを特徴とする、方法。 - メモリに記憶されたコンピュータプログラム命令を実行するプロセッサを備え、
前記コンピュータプログラム命令は、前記プロセッサによって実行されると、
試験用に水晶発振器を収容する試験アダプタユニットと協働して、フルランクシステムを構成する複数の軸それぞれの周りに前記水晶発振器を連続して回転させる動作と、
前記水晶発振器を回転させる動作中に、前記水晶発振器の周波数を所定の速度で時間関数として測定する動作と、
前記水晶発振器を回転させる動作中に、データ当て嵌め推定モデルと、前記水晶発振器の周波数を測定する動作で得られた複数の周波数測定値とを用いて、積分加速度感度ベクトルを推定する動作と、を前記プロセッサに実行させる、
ことを特徴とする、水晶発振器の加速度感度を推定するシステム。 - 請求項22において、
前記測定する動作を実行することにより、前記複数の軸それぞれの周りに前記水晶発振器を回転させる動作中に、周波数推定値を導出し、前記水晶発振器の周波数の相対偏差を求め、
前記複数の軸は、X軸、Y軸およびZ軸を含む3つの直交軸である、
ことを特徴とする、システム。 - 請求項23において、
前記水晶発振器の周波数の相対偏差は、
前記X軸周りの回転に対応するyi x=109・(fi x-fq)/fq、
前記Y軸周りの回転に対応するyi y=109・(fi y-fq)/fqおよび
前記Z軸周りの回転に対応するyi z=109・(fi z-fq)/fqとして、10億分の1(ppb)の単位で表され、
fi x、fi yおよびfi zはそれぞれ、前記X軸、Y軸およびZ軸それぞれの周りに回転する前記水晶発振器に関する周波数推定値であり、
fqは、前記水晶発振器の公称周波数である、
ことを特徴とする、システム。 - 請求項22において、
前記複数の軸は、X軸、Y軸およびZ軸を含む3の直交軸であり、
前記複数の周波数測定値は、
前記X軸周りの回転に対応するyi x=Cx・cos(Φx(i・T))+Sx・sin(Φx(i・T))+Bx(i・T)+ni x、
前記Y軸周りの回転に対応するyi y=Cy・cos(Φy(i・T))+Sy・sin(Φy(i・T))+By(i・T)+ni yおよび
前記Z軸周りの回転に対応するyi z=Cz・cos(Φz(i・T))+Sz・sin(Φz(i・T))+Bz(i・T)+ni zとして表され、
Φx(i・T)、Φy(i・T)、Φz(i・T)は、前記X軸、Y軸およびZ軸それぞれの周りの回転のシナリオに従って算出した位相値であり、
i=1,2,...,Nxは、前記X軸周りの回転に対応する測定数であり、
i=1,2,...,Nyは、前記Y軸周りの回転に対応する測定数であり、
i=1,2,...,Nzは、前記Z軸周りの回転に対応する測定数であり、
Tは測定期間であり、
ni x、ni yおよびni zは、前記X軸、Y軸およびZ軸それぞれの周りの回転に対応する離散ホワイトガウスノイズであり、
yi x、yi yおよびyi zはそれぞれ、前記X軸、Y軸およびZ軸それぞれの周りに回転する前記水晶発振器の周波数の相対偏差であり、
Bx(i・T)、By(i・T)およびBz(i・T)はそれぞれ、前記X軸、Y軸およびZ軸それぞれの周りに回転する前記水晶発振器の一定シフトおよび熱周波数変動を表す時間依存項であり、
CxおよびSx、CyおよびSy、ならびにCzおよびSzはそれぞれ、前記水晶発振器の回転時における、前記X軸、Y軸およびZ軸それぞれに直交する平面への前記水晶発振器の周波数の直交高調波成分の射影対である、
ことを特徴とする、システム。 - 請求項22において、
前記複数の軸は、X軸、Y軸およびZ軸を含む3つの直交軸を含み、
前記X軸、Y軸、Z軸周りの回転は、実質的に一定の角速度で実施され、前記実質的に一定の角速度の値は、毎秒約0.3から1回転の範囲であり、前記所定の速度の値は約10Hz以上である、
ことを特徴とする、システム。 - 水晶発振器の加速度感度を推定するためのコンピュータプログラム命令を記憶する非一時的コンピュータ可読媒体であって、
前記コンピュータプログラム命令は、プロセッサにおいて実行されると、
試験用に前記水晶発振器を収容する試験アダプタユニットと協働して、フルランクシステムを構成する複数の軸それぞれの周りに前記水晶発振器を連続して回転させる動作と、
前記水晶発振器を回転させる動作中に、前記水晶発振器の周波数を所定の速度で時間関数として測定する動作と、
前記水晶発振器を回転させる動作中に、データ当て嵌め推定モデルと、前記水晶発振器の周波数を測定する動作で得られた複数の周波数測定値とを用いて、積分加速度感度ベクトルを推定する動作と、を前記プロセッサに実行させる、
ことを特徴とする、非一時的コンピュータ可読媒体。 - 請求項31において、
前記測定する動作を実行することにより、前記複数の軸それぞれの周りに前記水晶発振器を回転させる動作中に、周波数推定値を導出し、前記水晶発振器の周波数の相対偏差を求め、前記複数の軸は、X軸、Y軸およびZ軸を含む3つの直交軸である、
ことを特徴とする、非一時的コンピュータ可読媒体。
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