JP4870538B2

JP4870538B2 - Ｇｐｓ測位装置

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Publication number: JP4870538B2
Application number: JP2006333105A
Authority: JP
Inventors: 幹男中村
Original assignee: Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2006-12-11
Filing date: 2006-12-11
Publication date: 2012-02-08
Anticipated expiration: 2026-12-11
Also published as: JP2008145283A

Description

本発明は、擬似雑音パターンを示すＰＮコード信号と、測位計算に必要な情報を含む航法メッセージ信号とが乗ぜられた信号を受信して測位計算を行うＧＰＳ測位装置に関する。

ＧＰＳ衛星から送信された信号によって測位計算を行うＧＰＳ測位装置が広く用いられる。ＧＰＳ衛星から送信される信号は、擬似雑音パターンを示すＰＮコード信号と、ＰＮコード信号の周波数より低い周波数の航法メッセージ信号が乗ぜられたものである。ＰＮコード信号は、ＧＰＳ衛星に固有に割り当てられた擬似雑音パターンを示す。航法メッセージ信号は、ＧＰＳ衛星の軌道情報、ＧＰＳ衛星から送信される信号のタイミングに関する情報等を含む。航法メッセージ信号は、−１または１のいずれかの値をとる２進数を示す信号であるため、ＧＰＳ衛星から送信される信号は、ＰＮコード信号が航法メッセージ信号によって極性変化を受けたものとなる。

ＧＰＳ測位装置は、測位計算に用いるＧＰＳ衛星に割り当てられたＰＮコード信号と受信した信号との間の相関値に基づいて測位計算に用いるＧＰＳ衛星を特定し、そのＧＰＳ衛星から送信される信号とタイミングが合致した処理を実行するための同期処理を行う。そして、そのＧＰＳ衛星から送信された信号に基づいて測位計算を行う。

特許第３６２４８２６号特許第３２７０４０７号

ＧＰＳ測位装置が、測位計算に用いるＧＰＳ衛星を特定し同期処理を行う際には、ＧＰＳ測位装置とは別途設けられた固定局から予め航法メッセージ信号を取得する。ＧＰＳ測位装置は、予め取得した航法メッセージ信号を受信信号に乗ずることで、航法メッセージ信号による受信信号の極性変化を取り除く。そして、極性変化が取り除かれた信号と、特定するＧＰＳ衛星に割り当てられているＰＮコード信号との間の相関値を求め、相関値の大きさに基づいてＧＰＳ衛星を特定し同期処理を行う。

しかし、受信信号に乗ぜられている航法メッセージ信号と、予め取得し受信信号に乗じる航法メッセージ信号との間にタイミングのずれがある場合、極性変化を完全に取り除くことができないことによって相関値に誤差が生じ、測位計算に用いるＧＰＳ衛星との間の同期処理を確実に実行することができないという問題があった。また、当該タイミングのずれを低減するためには、ＧＰＳ測位装置の構成が複雑になるという問題があった。

本発明は、このような課題に対してなされたものである。すなわち、ＧＰＳ衛星から送信される信号に乗ぜられている航法メッセージ信号と、予め取得し受信信号に乗じる航法メッセージ信号との間にタイミングのずれがある場合であっても、測位計算に用いるＧＰＳ衛星との間の同期処理を確実に実行することが可能なＧＰＳ測位装置を実現することを目的とする。

本発明の係るＧＰＳ測位衛星は、ＧＰＳ衛星から送信された信号を受信する受信部と、前記受信部が受信する受信信号とは別に、測位計算を行うための支援情報を取得する支援情報取得部と、互いに極性が異なる２つの値のうちいずれかをそれぞれが示す複数のビット区間を含み、測位計算に必要な情報を含む航法メッセージ信号を、前記支援情報に基づいて出力する航法メッセージ信号発生部と、前記受信信号と前記航法メッセージ信号とを乗算した場合に得られる信号について、各ビット区間の開始時から所定の第１の時間後までの間の区間、および前記航法メッセージ信号の各ビット区間の終了時から所定の第２の時間前までの間の区間の値を零とした、トリミング後再現ＰＮ信号を生成する、トリミング処理／航法メッセージ乗算部と、前記トリミング後再現ＰＮ信号に対する累積加算処理であって、前記受信信号の各周期に対応する値を累積加算する累積加算処理を、複数のビット区間に亘って実行する累積加算部と、前記ＧＰＳ衛星に割り当てられたＰＮコード信号を出力するＰＮコード信号発生部と、前記累積加算処理によって得られた信号と、前記ＰＮコード信号発生部が出力する前記ＰＮコード信号と、の間の相関値を、１つのビット区間より長い区間にわたって求めて出力する相関器と、前記相関器が出力する前記相関値に基づいて測位計算に必要な処理を実行する測位計算部と、を備え、前記トリミング処理／航法メッセージ乗算部は、前記支援情報と、前記ＧＰＳ衛星とは異なる別のＧＰＳ衛星から受信された信号とに基づいて、前記航法メッセージ信号の各ビット区間のタイミングを認識することにより、前記トリミング後再現ＰＮ信号を生成することを特徴とする。

また、本発明の係るＧＰＳ測位衛星は、望ましくは、前記トリミング処理／航法メッセージ乗算部は、前記受信信号と前記航法メッセージ信号とを乗じて出力する航法メッセージ乗算部と、前記航法メッセージ乗算部が出力した信号について、各ビット区間の開始時から前記第１の時間後までの間の区間、および前記航法メッセージ信号の各ビット区間の終了時から前記第２の時間前までの間の区間の値を零とすることにより、前記トリミング後再現ＰＮ信号を生成するトリミング処理部と、を備え、前記トリミング処理部は、前記支援情報と、前記ＧＰＳ衛星とは異なる別のＧＰＳ衛星から受信された信号とに基づいて、前記航法メッセージ信号の各ビット区間のタイミングを認識することにより、前記トリミング後再現ＰＮ信号を生成する。

また、本発明の係るＧＰＳ測位衛星は、望ましくは、前記トリミング処理／航法メッセージ乗算部は、前記航法メッセージ信号について、各ビット区間の開始時から前記第１の時間後までの間の区間、および前記航法メッセージ信号の各ビット区間の終了時から前記第２の時間前までの間の区間の値を零とした、トリミング後航法メッセージ信号を生成するトリミング処理部と、前記受信信号と前記トリミング後航法メッセージ信号とを乗ずることにより、前記トリミング後再現ＰＮ信号を出力する航法メッセージ乗算部と、を備え、前記トリミング処理部は、前記支援情報と、前記ＧＰＳ衛星とは異なる別のＧＰＳ衛星から受信された信号とに基づいて、前記航法メッセージ信号の各ビット区間のタイミングを認識することにより、前記トリミング後航法メッセージ信号を生成する。

本発明によれば、ＧＰＳ衛星から送信される信号に乗ぜられている航法メッセージ信号と、予め取得し受信信号に乗じる航法メッセージ信号との間にタイミングのずれがある場合であっても、測位計算に用いるＧＰＳ衛星との間の同期処理を確実に実行することが可能なＧＰＳ測位装置を実現することができる。

図１に本発明の実施形態に係るＧＰＳシステムの構成を示す。ＧＰＳシステムは、ＧＰＳ衛星１００、ＧＰＳ測位装置１０２、および固定局１０４を備えて構成される。

ＧＰＳ衛星１００は、自らに割り当てられたＰＮコード信号に航法メッセージ信号を乗じた測位信号を生成し、無線信号Ｗ１として送信する。図２（ａ）、（ｂ）および（ｃ１）にそれぞれＰＮコード信号、航法メッセージ信号、および測位信号を示す。これらの図において縦軸は信号の値を示し横軸は時間を示す。

ＰＮコード信号は、−１または１のいずれかの値をとる擬似雑音パターンが所定の周期ＴＡで繰り返される周期信号である。ＰＮコード信号が乗ぜられた信号には、そのＰＮコード信号の擬似雑音パターンと同一の擬似雑音パターンを示し、そのＰＮコード信号と同期したもう１つのＰＮコード信号を乗ずることで、もとの信号を再現することができる。

航法メッセージ信号は、−１または１のいずれかの値をとる２進数を示す信号であり、総てのＧＰＳ衛星１００の軌道情報、総てのＧＰＳ衛星１００からそれぞれ送信される信号のタイミングに関する情報等の測位計算に必要な情報を含む。−１が２進数の０に対応するものとすれば、図２（ｂ）に示される航法メッセージ信号は、２進数１０１１０・・・を示す。航法メッセージ信号の１ビット区間の時間長ＴＢはＰＮコード信号の周期ＴＡのｎ倍（ｎは２以上の自然数）である。現在広く用いられているＧＰＳ衛星では、時間長ＴＢはＰＮコード信号の周期の２０倍、すなわち、ｎ＝２０である。

測位信号は、航法メッセージ信号の１ビット区間の時間長ＴＢごとに、航法メッセージ信号によってＰＮコード信号の極性が規定された信号となる。図２（ｃ１）に示される測位信号では、第２番目のビット区間および第５番目のビット区間において、ＰＮコード信号の極性が反転する。図２（ｃ２）および（ｃ３）はそれぞれ、第１番目のビット区間における最初の周期ＴＡ内の信号波形の例、および第２番目のビット区間における、最初の周期ＴＡ内の信号波形の例を示す。これらの波形は互いに異極性の関係にある。

固定局１０４は地上に固定して設置される。固定局１０４は携帯電話システムの基地局等に増設して構成することが好適である。固定局１０４は複数のＧＰＳ衛星１００からそれぞれ送信される信号を受信し、ＧＰＳ測位装置１０２が実行する測位計算を支援するための支援情報を取得する。

支援情報には、当該支援情報が送信された時刻、固定局１０４の位置情報、複数のＧＰＳ衛星１００からそれぞれ送信された航法メッセージ信号、固定局１０４が設置されている位置の上空に存在するＧＰＳ衛星１００を識別する情報等が含まれる。固定局１０４は取得した支援情報を無線信号Ｗ２によって送信する。

図３にＧＰＳ測位装置１０２の構成を示す。ＧＰＳ測位装置１０２は、支援アンテナ１０、支援情報取得部１２、測位アンテナ１４、受信処理部１６−１〜１６−ｍ、強信号受信処理部１８、測位計算部３６、および表示部３８を備えて構成される。ｍはＧＰＳ測位装置１０２が備える受信処理部の数を示す自然数である。強信号受信処理部１８および受信処理部１６−１〜１６−ｍはそれぞれが１つのＧＰＳ衛星１００から送信された測位信号に対する処理を実行する。測位計算には４個以上のＧＰＳ衛星１００を用いることが好ましいため、ｍは３以上の自然数とする。また、図４に強信号受信処理部１８の構成を示す。強信号受信処理部１８は、受信部１８Ｒ、キャリアＮＣＯ１８Ｎ、ＰＮコード信号発生部１８Ｃｄ、累積加算部１８ＳＩおよび１８ＳＱ、ならびに相関器１８ＣＲＩおよび１８ＣＲＱを備えて構成される。累積加算部１８ＳＱおよび相関器１８ＣＲＱは、それぞれ累積加算部１８ＳＩおよび相関器１８ＣＲＩと同一の構成および機能を有する。携帯電話システムの基地局に増設して固定局１０４を構成した場合には、ＧＰＳ測位装置１０２を携帯電話機に搭載することが好適である。

ＧＰＳ測位装置１０２は、測位計算に用いるｍ＋１個のＧＰＳ衛星１００のうち、十分な強度を以て信号を受信することができるＧＰＳ衛星１００から送信された信号に対しては、強信号受信処理部１８による処理を実行する。強信号受信処理部１８は、受信した測位信号と処理対象のＧＰＳ衛星１００に割り当てられているＰＮコード信号との間の相関値を、ＰＮコード信号の周期ＴＡ以上、かつ、１ビット区間の時間長ＴＢ以下の長さの時間長ＴＳにわたって求め、その相関値に基づいた同期処理を実行する。ここでは、ＴＳ＝ＬＴＡとし、Ｌはｎを割り切ることができる自然数とする。一方、その他のｍ個のＧＰＳ衛星１００からそれぞれ送信された信号に対しては、それぞれ受信処理部１６−１〜１６−ｍによる処理を実行する。受信処理部１６−１〜１６−ｍは、受信した測位信号と処理対象のＧＰＳ衛星１００に割り当てられているＰＮコード信号との間の相関値を、１ビット区間の時間長ＴＢより長い時間長ＴＣにわたって求め、その相関値に基づいた同期処理を実行する。ここでは、ＴＣ＝ｊＴＢとし、ｊは２以上の自然数とする。

強信号受信処理部１８が実行する処理、およびそれに伴う支援情報取得部１２、測位計算部３６が実行する処理について説明する。

支援情報取得部１２は、固定局１０４から送信された無線信号Ｗ２を支援アンテナ１０を介して受信し、支援情報を抽出して受信処理部１６−１〜１６−ｍおよび測位計算部３６に出力する。

測位計算部３６は、強度が最も強い信号を受信することができると予測されるＧＰＳ衛星１００を支援情報に基づいて指定する。そして、指定したＧＰＳ衛星１００に割り当てられているＰＮコード信号を出力するよう、強信号受信処理部１８が備えるＰＮコード信号発生部１８Ｃｄを制御する。測位計算部３６は、さらに、キャリアＮＣＯ１８Ｎを制御し、キャリアＮＣＯ１８Ｎが出力するキャリア信号の位相を調整する。

ＰＮコード信号発生部１８Ｃｄは、測位計算部３６の制御に基づいて、測位計算部３６が指定したＧＰＳ衛星１００に割り当てられたＰＮコード信号を相関器１８ＣＲＩおよび１８ＣＲＱに出力する。

キャリアＮＣＯ１８Ｎは、キャリア信号を生成し受信部１８Ｒに出力する。また、キャリアＮＣＯ１８Ｎは、測位計算部３６の制御に基づいてキャリア信号の位相を調整する。

受信部１８Ｒは、ＧＰＳ衛星１００から無線送信された測位信号を測位アンテナ１４を介して受信する。そして、受信した無線信号にキャリア信号および位相を９０°推移させたキャリア信号を乗ずることで、当該無線信号をベースバンド同相信号およびベースバンド直交信号に変換し、それぞれ同相信号Ｉおよび直交信号Ｑとして、それぞれ累積加算部１８ＳＩおよび１８ＳＱに出力する。

累積加算部１８ＳＩは、加算器ＳＡおよび累積加算用遅延器ＳＤを備えて構成される。加算器ＳＡは、同相信号Ｉと累積加算用遅延器ＳＤが出力する信号とを加算し、累積加算用遅延器ＳＤに出力する。

累積加算用遅延器ＳＤは、ＰＮコード信号の周期ＴＡと同一の時間長の信号を記憶して保持することで、入力された信号を時間ＴＡだけ遅延させて加算器ＳＡに出力する。また、時間ＴＳ（＝ＬＴＡ）ごとに、累積加算用遅延器ＳＤが保持している信号を相関器１８ＣＲＩに出力しつつ、時間ＴＡにわたり零の値を加算器ＳＡに出力する。

このような構成によって、累積加算部１８ＳＩは、時間ＴＳの間、同相信号Ｉを時間長ＴＡで区切り、区切られた信号を累積加算して相関器１８ＣＲＩに出力する。

図５（ａ）および（ｂ）にそれぞれ同相信号Ｉおよび累積加算部１８ＳＩが出力する信号を示す。ここではＬ＝４とした例について示している。累積加算部１８ＳＩが出力する信号は、値がＬ倍されたコード信号の１周期に相当する区間を時間ＴＳごとに含む周期信号となる。累積加算部１８ＳＩが出力する信号の各周期は、それぞれ、当該各周期の直前の同相信号Ｉの時間ＴＳの区間に基づいて生成されたものである。

累積加算部１８ＳＩが実行する処理によれば、同相信号Ｉは時間長ＴＡに区切られ、その区切られた区間で累積加算される。累積加算された信号は、同相信号Ｉよりも値が大きくなるため後段の処理後のＳＮ比を改善することができる。なお、相関演算を行う期間をＰＮコード信号の周期ＴＡと等しくした場合、すなわちＬ＝１の場合、累積加算部１８ＳＩおよび１８ＳＱを設ける必要はなく、同相信号Ｉおよび直交信号Ｑを直接、それぞれ相関器１８ＣＲＩおよび１８ＣＲＱに入力する構成とすることができる。

相関器１８ＣＲＩは、時間ＴＳにわたって、累積加算部１８ＳＩが出力する信号とＰＮコード信号発生部１８Ｃｄが出力するＰＮコード信号との間の相関値を求める。そして、求められた相関値を含む信号を同相相関信号ＣＩとして測位計算部３６に出力する。累積加算部１８ＳＩおよび相関器１８ＣＲＩは、このような処理によって同相信号ＩとＰＮコード信号発生部１８Ｃｄが出力するＰＮコード信号との間の相関値を含む同相相関信号ＣＩを測位計算部３６に出力する。

累積加算部１８ＳＱおよび相関器１８ＣＲＱは、累積加算部１８ＳＩおよび相関器１８ＣＲＩが実行する処理と同様の処理によって、直交信号ＱとＰＮコード信号発生部１８Ｃｄが出力するＰＮコード信号との間の相関値を求める。そして、求められた相関値を含む信号を直交相関信号ＣＱとして測位計算部３６に出力する。

測位計算部３６は、同相相関信号ＣＩの自乗と直交相関信号ＣＱの自乗との和として定義される短区間相関信号を求める。そして、ＰＮコード信号発生部１８Ｃｄを制御し、ＰＮコード信号発生部１８Ｃｄが出力するＰＮコード信号のタイミングを、短区間相関信号の大きさが最大となるよう調整する。測位計算部３６は、さらに、キャリアＮＣＯ１８Ｎを制御し、直交相関信号ＣＱが零になるよう調整する。

測位計算部３６は、短区間相関信号の大きさが所定の閾値Ｈ１を超えた場合には、短区間相関信号を、同期後相関信号ＧＳとして取得する。閾値Ｈ１は、測位計算に用いる複数のＧＰＳ衛星１００のうち、受信される信号の強度が最も強いものから送信された測位信号に基づく相関値がとりうる値の範囲に基づいて、予め決定しておくことが好ましい。

一方、短区間相関信号の大きさが閾値Ｈ１を超えない場合には、測位計算部３６は、指定していたＧＰＳ衛星１００とは異なるＧＰＳ衛星１００を指定し、その指定したＧＰＳ衛星１００から送信された測位信号に基づく短区間相関信号の大きさが最大となるよう、ＰＮコード信号発生部１８Ｃｄが出力するＰＮコード信号のタイミングを調整する。そして、短区間相関信号の大きさが閾値Ｈ１を超えた場合には、短区間相関信号を、同期後相関信号ＧＳとして取得する。

短区間相関信号の値が閾値Ｈ１を超えた状態とすることで、ＰＮコード信号発生部１８Ｃｄが出力するＰＮコード信号と、測位信号に乗ぜられているＰＮコード信号との間の同期がとれた状態とすることができる。また、直交相関信号ＣＱが零となるようキャリア信号の位相が調整されることで、受信部１８Ｒが受信した無線信号に含まれるドップラ周波数シフトによる影響を回避することができる。さらに、測位計算部３６は、ＰＮコード信号発生部１８Ｃｄが出力するＰＮコード信号の位相に関する情報を、ＰＮコード信号発生部１８Ｃｄの制御状態から取得することができる。したがって、測位計算部３６は、同期後相関信号ＧＳ、支援情報、ＰＮコード信号発生部１８Ｃｄが出力するＰＮコード信号の位相に関する情報等に基づいて測位計算を行うことができる。また、測位計算部３６は、同期後相関信号ＧＳおよび支援情報に基づいて、測位計算に用いる総てのＧＰＳ衛星１００について、航法メッセージ信号のタイミングに関する情報を取得することができる。

次に、受信処理部１６−１〜１６−ｍについて説明する。受信処理部１６−１〜１６−ｍのそれぞれは、航法メッセージ信号発生部２０、トリミング処理部２２、受信部２４、キャリアＮＣＯ２６、航法メッセージ乗算部２８Ｉおよび２８Ｑ、累積加算部３０Ｉおよび３０Ｑ、ＰＮコード信号発生部３２、ならびに相関器３４Ｉおよび３４Ｑを備えて構成される。航法メッセージ乗算部２８Ｑ、累積加算部３０Ｑ、および相関器３４Ｑは、それぞれ、航法メッセージ乗算部２８Ｉ、累積加算部３０Ｉ、および相関器３４Ｉと同一の構成および機能を有する。また、受信処理部１６−１〜１６−ｍは、同一の構成および機能を有する。

ここでは、受信処理部１６−１〜１６−ｍのうちの１つである受信処理部１６−ｉ（ｉは１〜ｍの自然数）が、１つのＧＰＳ衛星１００から送信された測位信号のタイミングに合致した処理を実行するよう、測位計算部３６が当該受信処理部１６−ｉを制御する同期処理について説明し、その他の受信処理部については説明を簡略化する。

測位計算部３６は、測位計算に用いる１つのＧＰＳ衛星１００を支援情報に基づいて指定する。この際、強信号受信処理部１８の処理対象となったＧＰＳ衛星１００は指定対象から除外する。そして、指定したＧＰＳ衛星１００が送信する測位信号に乗ぜられている航法メッセージ信号と同一の航法メッセージ信号を出力するよう、航法メッセージ信号発生部２０を制御する。また、指定したＧＰＳ衛星１００に割り当てられているＰＮコード信号を出力するよう、ＰＮコード信号発生部３２を制御する。さらに、測位計算部３６は、キャリアＮＣＯ２６を制御し、キャリアＮＣＯ２６が出力するキャリア信号の位相を調整する。

測位計算部３６は、指定したＧＰＳ衛星１００が送信する測位信号に乗ぜられている航法メッセージ信号の各ビット区間が開始するタイミングを示す航法メッセージクロック信号ＣＫを、強信号受信処理部１８が出力する同期後相関信号ＧＳおよび支援情報に基づいて生成する。そして、航法メッセージクロック信号ＣＫを航法メッセージ信号発生部２０、トリミング処理部２２に出力する。図６（ａ）に航法メッセージクロック信号ＣＫを示す。航法メッセージクロック信号ＣＫは、時間ＴＢごとに時間長ＴＷのパルスを含む信号である。パルスが立ち上がる時刻はビット区間が開始する時刻を示す。時間長ＴＷは時間ＴＢより短い長さで決定する。

航法メッセージ信号発生部２０は、支援情報に含まれる複数の航法メッセージ信号のうちの１つを測位計算部３６の制御に基づいて選択する。そして、各ビット区間が開始するタイミングが航法メッセージクロック信号ＣＫが立ち上るタイミングに一致するようタイミング調整された航法メッセージ信号を、受信側航法メッセージ信号としてトリミング処理部２２に出力する。

トリミング処理部２２は、航法メッセージクロック信号ＣＫが立ち上がった時から時間Δ１後までの間、および航法メッセージクロック信号ＣＫが立ち上がった時から時間ＴＢ−Δ２だけ経過した時から時間Δ２後までの間における受信側航法メッセージ信号の値を零に置き換え、トリミング後メッセージ信号として航法メッセージ乗算部２８Ｉおよび２８Ｑに出力する。時間Δ１およびΔ２は、これらの時間の和Δ１＋Δ２がＰＮコード信号の周期ＴＡのｋ倍（ｋは１以上ｎ−１以下の自然数）となるように決定することが好適である。ここでは、ｋ＝１とし、時間Δ１およびΔ２を、それぞれＰＮコード信号の周期ＴＡの半分とする。図２（ｂ）の航法メッセージ信号に基づいて生成されたトリミング後メッセージ信号の波形を図６（ｂ）に示す。トリミング後メッセージ信号は、受信側航法メッセージ信号の各ビット区間の開始時から時間Δ１後までの間、および各ビット区間の終了時から時間Δ２前までの間の値を零に置き換えた信号となる。

キャリアＮＣＯ２６は、キャリア信号を生成し受信部２４に出力する。また、キャリアＮＣＯ２６は、測位計算部３６の制御に基づいてキャリア信号の位相を調整する。

受信部２４は、ＧＰＳ衛星１００から無線送信された測位信号を測位アンテナ１４を介して受信する。そして、受信した無線信号にキャリア信号および位相を９０°推移させたキャリア信号を乗ずることで、当該無線信号をベースバンド同相信号およびベースバンド直交信号に変換し、それぞれ同相信号Ｉおよび直交信号Ｑとして、それぞれ航法メッセージ乗算部２８Ｉおよび２８Ｑに出力する。

航法メッセージ乗算部２８Ｉは、同相信号Ｉにトリミング後メッセージ信号を乗じて、再現ＰＮコード信号として累積加算部３０Ｉに出力する。

図６（ｃ）に再現ＰＮコード信号を示す。この例では、図２（ｃ１）に示す測位信号を受信した場合を示している。トリミング後メッセージ信号の値が零である期間は、再現ＰＮコード信号もまた零となる。また、再現ＰＮコード信号は、値が零となる期間以外の期間では、測位信号に乗ぜられているもとのＰＮコード信号の同相成分（キャリア信号に対する同相成分をいうものとし、以下、同様とする。）とほぼ同一の波形となる。

受信処理部１６−ｉでは、航法メッセージクロック信号ＣＫは、強信号受信処理部１８から取得した同期後相関信号ＧＳおよび支援情報に基づいて測位計算部３６によって生成される。また、航法メッセージ信号発生部２０は、航法メッセージクロック信号ＣＫのタイミングに基づくタイミングで受信側航法メッセージ信号を出力する。したがって、測位計算部３６が航法メッセージクロック信号ＣＫを生成する処理の精度が十分でない場合、受信側航法メッセージ信号と測位信号に乗ぜられている航法メッセージ信号との間にタイミングのずれが生じる。しかし、ＧＰＳ測位装置１０２では、次に示すように、このようなタイミングのずれによる問題を回避することができる。

ＧＰＳ測位装置１０２では、受信側航法メッセージ信号のビット間隔ごとに時間Δ１およびΔ２にわたって値が零に置き換えられ、測位信号に乗ぜられている航法メッセージ信号による極性変化が取り除かれた測位信号が、再現ＰＮコード信号として生成される。そのため、測位信号に乗ぜられている航法メッセージ信号に対して受信側航法メッセージ信号が時間Δ２より短い時間だけ遅れた場合、または測位信号に乗ぜられている航法メッセージ信号に対して受信側航法メッセージ信号が時間Δ１より短い時間だけ進んだ場合であっても、このようなタイミングのずれによって極性が誤って反転されることを回避し、ビット間隔ごとに異常値が発生することを回避することができる。

累積加算部３０Ｉは、加算器３０Ａおよび累積加算用遅延器３０Ｄを備えて構成される。加算器３０Ａは、再現ＰＮコード信号と累積加算用遅延器３０Ｄが出力する信号とを加算し、累積加算用遅延器３０Ｄに出力する。

累積加算用遅延器３０Ｄは、コード信号の周期ＴＡと同一の時間長の信号を記憶して保持することで、入力された信号を時間ＴＡだけ遅延させて加算器３０Ａに出力する。また、１ビット区間のｊ倍に相当する時間ＴＣ（＝ｊＴＢ）ごとに、累積加算用遅延器３０Ｄが保持している信号を相関器３４Ｉに出力しつつ、時間ＴＡにわたり零の値を加算器３０Ａに出力する。

このような構成によって、累積加算部３０Ｉは、時間ＴＣの間、再現ＰＮコード信号を時間長ＴＡで区切り、区切られた信号を累積加算して相関器３４Ｉに出力する。

図６（ｄ）に累積加算部３０Ｉが出力する信号を示す。ここではｊ＝３とした例について示している。再現ＰＮコード信号は、航法メッセージ信号の１ビット区間に相当する時間内に時間Δ１＋Δ２だけ値が零となる区間を含む。いまの場合、時間Δ１およびΔ２は、それぞれＰＮコード信号の周期ＴＡの半分としているため、時間Δ１＋Δ２は再現ＰＮコード信号の周期ＴＡに等しい。したがって、再現ＰＮコード信号の時間ＴＣの区間には、測位信号に乗ぜられていたもとのＰＮコード信号の同相成分のｊ（ｎ−１）周期分の信号が含まれる。したがって、累積加算部３０Ｉが出力する信号は、値がｊ（ｎ−１）倍されたＰＮコード信号の１周期に相当する区間を時間ＴＣごとに含む周期信号となる。累積加算部３０Ｉが出力する信号の各周期は、それぞれ、当該各周期の直前の同相信号Ｉの時間ＴＣの区間に基づいて生成されたものである。

累積加算部３０Ｉによって累積加算された信号は、再現ＰＮコード信号よりも値が大きくなるため後段の処理後のＳＮ比を改善することができる。

ＰＮコード信号発生部３２は、測位計算部３６の制御に基づいて、測位計算部３６が指定したＧＰＳ衛星１００に割り当てられたＰＮコード信号を相関器３４Ｉに出力する。

相関器３４Ｉは、時間ＴＣにわたって、累積加算部３０Ｉが出力する信号とＰＮコード信号発生部３２が出力するＰＮコード信号との間の相関値を求める。そして、求められた相関値を含む信号を同相相関信号ＣＩとして測位計算部３６に出力する。累積加算部３０Ｉおよび相関器３４Ｉは、このような処理によって同相信号ＩとＰＮコード信号発生部３２が出力するＰＮコード信号との間の相関値を含む同相相関信号ＣＩを測位計算部３６に出力する。

累積加算部３０Ｑおよび相関器３４Ｑは、累積加算部３０Ｉおよび相関器３４Ｉが実行する処理と同様の処理によって、直交信号ＱとＰＮコード信号発生部３２が出力するＰＮコード信号との間の相関値を求める。そして、求められた相関値を含む信号を直交相関信号ＣＱとして測位計算部３６に出力する。

測位計算部３６は、同相相関信号ＣＩの自乗と直交相関信号ＣＱの自乗との和として定義される長区間相関信号を求める。そして、ＰＮコード信号発生部３２を制御し、ＰＮコード信号発生部３２が出力するＰＮコード信号のタイミングを、長区間相関信号の大きさが最大となるよう調整する。測位計算部３６は、さらに、キャリアＮＣＯ２６を制御し、直交相関信号ＣＱが零になるよう調整する。

このような処理によって、累積加算部３０Ｉが出力する信号と、ＰＮコード信号発生部３２が出力するＰＮコード信号との間の相関値の自乗を示す長区間相関信号が測位計算部３６に出力される。また、直交相関信号ＣＱが零となるようキャリア信号の位相が調整されることで、受信部２４が受信した無線信号に含まれるドップラ周波数シフトによる影響を回避することができる。

測位計算部３６は、長区間相関信号の大きさが所定の閾値Ｈ２を超えた場合には、長区間相関信号を同期後相関信号Ｇｉとして取得する。

一方、長区間相関信号の大きさが閾値Ｈ２を超えない場合には、測位計算部３６は、指定していたＧＰＳ衛星１００とは異なり、かつ、強信号受信処理部１８および受信処理部１６−ｉの処理対象となっていない他のＧＰＳ衛星１００を指定する。そして、その指定したＧＰＳ衛星１００から送信された測位信号に基づく長区間相関信号の大きさが最大となるよう、ＰＮコード信号発生部３２が出力するＰＮコード信号のタイミングを調整する。測位計算部３６は、長区間相関信号の大きさが閾値Ｈ２を超えた場合には、そのＧＰＳ衛星１００から送信された測位信号に基づく長区間相関信号を、同期後相関信号Ｇｉとして取得する。

長区間相関信号の値が閾値Ｈ２を超えた状態とすることで、ＰＮコード信号発生部３２が出力するＰＮコード信号と、測位信号に乗ぜられているＰＮコード信号との間の同期がとれた状態とすることができる。また、直交相関信号ＣＱが零となるようキャリア信号の位相が調整されることで、受信部２４が受信した無線信号に含まれるドップラ周波数シフトによる影響を回避することができる。さらに、測位計算部３６は、ＰＮコード信号発生部３２が出力するＰＮコード信号の位相に関する情報を、ＰＮコード信号発生部３２の制御状態から取得することができる。したがって、測位計算部３６は、同期後相関信号Ｇｉ、支援情報、ＰＮコード信号発生部３２が出力するＰＮコード信号の位相に関する情報等に基づいて測位計算を行うことができる。

測位計算部３６は、同様の同期処理を実行して受信処理部１６−ｉ以外の受信処理部からも同期後相関信号を取得し、受信処理部１６−１〜１６−ｍからそれぞれ同期後相関信号Ｇ１〜Ｇｍを取得する。

測位計算部３６は、支援情報取得部１２から出力された支援情報、同期後相関信号ＧＳおよびＧ１〜Ｇｍに基づいて測位計算を行い、測位結果を表示部３８に出力する。表示部３８は、ディスプレイ等によって構成され、測位計算部３６から出力された測位結果を表示する。

本実施形態に係るＧＰＳ測位装置１０２では、強信号受信処理部１８は、航法メッセージ信号の１ビット区間の時間長ＴＢ以下の時間長にわたる相関値を算出するため、十分な強度を以て信号を受信することができるＧＰＳ衛星１００から送信された信号に対し、短時間で同期処理を完了させることができる。また、受信処理部１６−ｉが実行する処理によれば、航法メッセージ乗算部２８Ｉおよび２８Ｑにおいて測位信号の極性変化が取り除かれた再現ＰＮコード信号が相関値に寄与する信号として生成される。これによって、１ビット区間より長い時間長で相関値を算出する処理が容易となる。相関値を算出する区間を長くすることにより、算出される相関値が大きくなるため、強度の弱い信号に対する相関値の精度を高めることができる。また、再現ＰＮコード信号を生成する処理においては、受信側航法メッセージ信号と、測位信号に乗ぜられている航法メッセージ信号との間のタイミングのずれによる異常値の発生が回避される。そのため、１ビット区間より長い時間長で相関値を算出したとしても、そのようなタイミングのずれが相関値に誤差を生ぜしめることがなく、精度の高い相関値を算出することができる。さらに、再現ＰＮコード信号は、累積加算部によってＳＮ比の改善が見込まれる信号に変換された上で相関演算に供される。そのため、異常値に基づく誤差が低減された精度の高い相関値を算出することができる。

このような強信号受信処理部１８および受信処理部１６−ｉが実行する処理によって、ＧＰＳ測位装置１０２は、測位計算に用いるＧＰＳ衛星１００に受信状況が良好でないものが含まれていても、迅速かつ確実に同期処理および測位計算を実行することができる。

なお、上記では、航法メッセージ信号発生部２０と航法メッセージ乗算部２８Ｉおよび２８Ｑとの間にトリミング処理部２２を設けた構成について説明した。このような構成の他、受信側航法メッセージ信号を直接、航法メッセージ乗算部２８Ｉおよび２８Ｑに出力し、航法メッセージ乗算部２８Ｉと累積加算部３０Ｉとの間および航法メッセージ乗算部２８Ｑと累積加算部３０Ｑとの間、または受信部２４と航法メッセージ乗算部２８Ｉとの間および受信部２４と航法メッセージ乗算部２８Ｑとの間にトリミング処理部を設けた構成も可能である。図７に、航法メッセージ乗算部２８Ｉと累積加算部３０Ｉとの間および航法メッセージ乗算部２８Ｑと累積加算部３０Ｑとの間に、トリミング処理部２２ＡＩおよび２２ＡＱをそれぞれ設けたＧＰＳ測位装置１０２Ａを示す。図３のＧＰＳ測位装置１０２と同一の構成部については同一の符号を付してその説明を省略する。

トリミング処理部２２ＡＩは、航法メッセージクロック信号ＣＫが立ち上がった時から時間Δ１後までの間、および航法メッセージクロック信号ＣＫが立ち上がった時から時間ＴＢ−Δ２だけ経過した時から時間Δ２後までの間における、航法メッセージ乗算部２８Ｉが出力する信号の値を零に置き換え、再現ＰＮコード信号として累積加算部３０Ｉに出力する。トリミング処理部２２ＡＱは、トリミング処理部２２ＡＩが実行する処理と同様の処理を実行し、直交信号Ｑに基づく再現ＰＮコード信号を累積加算部３０Ｑに出力する。このような構成によれば、トリミング処理部２２ＡＩからは、ＧＰＳ測位装置１０２において航法メッセージ乗算部２８Ｉが出力する再現ＰＮコード信号と同様の再現ＰＮコード信号が出力され、トリミング処理部２２ＡＱからは、ＧＰＳ測位装置１０２において航法メッセージ乗算部２８Ｑが出力する再現ＰＮコード信号と同様の再現ＰＮコード信号が出力される。そのため、図３のＧＰＳ測位装置１０２と同様、迅速かつ確実に同期処理および測位計算を実行することができる。

ＧＰＳシステムの構成を示す図である。ＰＮコード信号、航法メッセージ信号、および測位信号を示す図である。本発明の実施形態に係るＧＰＳ測位装置の構成を示す図である。強信号受信処理部の構成を示す図である。同相信号および累積加算部が出力する信号を示す図である。航法メッセージクロック信号、トリミング後メッセージ信号、再現ＰＮコード信号、および累積加算部が出力する信号を示す図である。航法メッセージ乗算部と累積加算部との間にトリミング処理部を設けたＧＰＳ測位装置を示す図である。

符号の説明

１０支援アンテナ、１２支援情報取得部、１４測位アンテナ、１６−１〜１６−ｍ受信処理部、１８強信号受信処理部、１８Ｒ，２４受信部、１８ＳＩ，１８ＳＱ，３０Ｉ，３０Ｑ累積加算部、１８ＣＲＩ，１８ＣＲＱ，３４Ｉ，３４Ｑ相関器、１８Ｃｄ，３２ＰＮコード信号発生部、１８Ｎ，２６キャリアＮＣＯ、２０航法メッセージ信号発生部、２２，２２ＡＩ，２２ＡＱトリミング処理部、２８Ｉ，２８Ｑ航法メッセージ乗算部、３０Ａ，ＳＡ加算器、３０Ｄ，ＳＤ累積加算用遅延器、３６測位計算部、３８表示部、１００ＧＰＳ衛星、１０２，１０２ＡＧＰＳ測位装置、１０４固定局。

Claims

ＧＰＳ衛星から送信された信号を受信する受信部と、
前記受信部が受信する受信信号とは別に、測位計算を行うための支援情報を取得する支援情報取得部と、
互いに極性が異なる２つの値のうちいずれかをそれぞれが示す複数のビット区間を含み、測位計算に必要な情報を含む航法メッセージ信号を、前記支援情報に基づいて出力する航法メッセージ信号発生部と、
前記受信信号と前記航法メッセージ信号とを乗算した場合に得られる信号について、各ビット区間の開始時から所定の第１の時間後までの間の区間、および前記航法メッセージ信号の各ビット区間の終了時から所定の第２の時間前までの間の区間の値を零とした、トリミング後再現ＰＮ信号を生成する、トリミング処理／航法メッセージ乗算部と、
前記トリミング後再現ＰＮ信号に対する累積加算処理であって、前記受信信号の各周期に対応する値を累積加算する累積加算処理を、複数のビット区間に亘って実行する累積加算部と、
前記ＧＰＳ衛星に割り当てられたＰＮコード信号を出力するＰＮコード信号発生部と、
前記累積加算処理によって得られた信号と、前記ＰＮコード信号発生部が出力する前記ＰＮコード信号と、の間の相関値を、１つのビット区間より長い区間にわたって求めて出力する相関器と、
前記相関器が出力する前記相関値に基づいて測位計算に必要な処理を実行する測位計算部と、
を備え、
前記トリミング処理／航法メッセージ乗算部は、前記支援情報と、前記ＧＰＳ衛星とは異なる別のＧＰＳ衛星から受信された信号とに基づいて、前記航法メッセージ信号の各ビット区間のタイミングを認識することにより、前記トリミング後再現ＰＮ信号を生成することを特徴とするＧＰＳ測位装置。
請求項１に記載のＧＰＳ測位装置において、
前記トリミング処理／航法メッセージ乗算部は、
前記受信信号と前記航法メッセージ信号とを乗じて出力する航法メッセージ乗算部と、
前記航法メッセージ乗算部が出力した信号について、各ビット区間の開始時から前記第１の時間後までの間の区間、および前記航法メッセージ信号の各ビット区間の終了時から前記第２の時間前までの間の区間の値を零とすることにより、前記トリミング後再現ＰＮ信号を生成するトリミング処理部と、
を備え、
前記トリミング処理部は、前記支援情報と、前記ＧＰＳ衛星とは異なる別のＧＰＳ衛星から受信された信号とに基づいて、前記航法メッセージ信号の各ビット区間のタイミングを認識することにより、前記トリミング後再現ＰＮ信号を生成することを特徴とするＧＰＳ測位装置。
請求項１に記載のＧＰＳ測位装置において、
前記トリミング処理／航法メッセージ乗算部は、
前記航法メッセージ信号について、各ビット区間の開始時から前記第１の時間後までの間の区間、および前記航法メッセージ信号の各ビット区間の終了時から前記第２の時間前までの間の区間の値を零とした、トリミング後航法メッセージ信号を生成するトリミング処理部と、
前記受信信号と前記トリミング後航法メッセージ信号とを乗ずることにより、前記トリミング後再現ＰＮ信号を出力する航法メッセージ乗算部と、
を備え、
前記トリミング処理部は、前記支援情報と、前記ＧＰＳ衛星とは異なる別のＧＰＳ衛星から受信された信号とに基づいて、前記航法メッセージ信号の各ビット区間のタイミングを認識することにより、前記トリミング後航法メッセージ信号を生成することを特徴とするＧＰＳ測位装置。