JP2015108565A - 衛星信号受信用集積回路 - Google Patents
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Abstract
回路の実現。
【解決手段】位置算出部を含み、9.33mm3以下の体積を有し、−162dBm以上
−160dBm以下の信号強度において測位開始から初回測位までが120秒以下である
衛星信号受信用集積回路である。また、サンプルメモリー部と、相関メモリー部とを含み
、サンプルメモリー部と相関メモリー部の合計が300.9キロバイト以下であるように
構成しても良い。また、相関メモリー部は、40個以上54個以下のバンクを有するよう
に構成しても良い。
【選択図】図2
Description
測位用衛星信号の受信機に望まれる要望として、いわゆる弱電界環境であっても、測位開
始から初回測位までの時間(TTFF:Time To First Fix)を短時間(高速)にする要
望がある。測位用衛星信号の信号強度はそもそも微弱である。そのため、弱電界環境での
測位用衛星信号の捕捉や追尾を実現するためには、受信感度を向上させる必要がある。受
信感度を向上させる技術の1つとして、相関処理の結果を積算する時間を長くする技術が
知られている。
結果的にTTFFが長時間となる。そのため、弱電界環境であってもTTFFを短くする
ことは、相反する2つの要求を叶えることであるとも言える。
速い速度で相関処理を行うことで、相関処理を仮想的に並列処理する技術が開示されてい
る。
号の受信機の心臓部は、1又は複数の集積回路で構成され、ユーザーが手にする全体装置
のうちの部品として製造されている。従って、集積回路を可能な限り小型化することが受
信機の小型化における課題であるといえる。
で、受信信号強度が弱い場合にもTTFFが比較的短い衛星信号受信用集積回路を実現す
ることである。
信号に基づいて位置を算出する位置算出部と、を含み、9.33mm3以下の体積を有し
、−162dBm以上−160dBm以下の信号強度において測位開始から初回測位まで
が120秒以下である、衛星信号受信用集積回路である。
下である、衛星信号受信用集積回路である。
ルメモリー部と前記相関メモリー部の合計が300.9キロバイト以下である、衛星信号
受信用集積回路である。
、衛星信号受信用集積回路である。
い衛星信号受信用集積回路を実現することができる。
を適用可能な実施形態が以下説明する実施形態に限定されるわけではないことは勿論であ
る。
図1は、本実施形態における携帯型電子機器1の構成図である。図1に示すように、携
帯型電子機器1は、GPS(Global Positioning System)アンテナ10と、GPS受信
機20と、メイン処理部30と、操作部32と、表示部34と、音出力部36と、通信部
38と、時計部40と、メイン記憶部42とを備えて構成される。
dio Frequency)信号を受信するアンテナである。GPS衛星信号は、拡散符号の一種で
あるC/A(Coarse and Acquisition)コードによってスペクトラム拡散変調された信号
であり、1.57542[GHz]の搬送波に重畳されている。C/Aコードは、コード
長1023チップを1PNフレームとする繰り返し周期1ミリ秒の擬似ランダム雑音符号
であり、GPS衛星毎に異なる。
て搬送されているGPS衛星の軌道情報(エフェメリスやアルマナック)等の航法メッセ
ージに基づいて、GPS受信機20の位置や速度を算出する。
Processor)等のプロセッサーで実現され、メイン記憶部42に記憶されたシステムプロ
グラム等の各種プログラムに従って、携帯型電子機器1の各部を統括的に制御する。
ーの操作に応じた操作信号をメイン処理部30に出力する。表示部34は、LCD(Liqu
id Crystal Display)等で構成される表示装置であり、メイン処理部30からの表示信号
に基づく各種表示を行う。音出力部36は、スピーカー等で構成される音出力装置であり
、メイン処理部30からの音信号に基づく各種音声出力を行う。通信部38は、無線LA
N(Local Area Network)やBluetooth(登録商標)等の通信装置であり、外部
機器との通信を行う。時計部40は、内部時計であり、水晶発振器等を有する発振回路に
よって構成され、現在時刻や、指定タイミングからの経過時間等を計時する。
等で構成される記憶装置であり、メイン処理部30が携帯型電子機器1の各部を統括的に
制御するためのシステムプログラムや、携帯型電子機器1の各種機能を実現するためのプ
ログラムやデータを記憶するとともに、メイン処理部30の作業領域として用いられ、メ
イン処理部30の演算結果や、操作部32からの操作データ等を一時的に格納する。
RF受信回路部100と、ベースバンド処理回路部200とを備えて構成される。また、
GPS受信機20は、1チップで構成された衛星信号受信用集積回路(IC)であり、チ
ップサイズが、3.65mm×3.65mm×0.7mm、である。すなわち、容積は9
.32575mm3であり、9.33mm3以下となっている。なお、チップサイズは、
3.5mm×3.5mm×0.5mm(容積6.125mm3)以上3.65mm×3.
65mm×0.7mm以下とすることができる。従って、容積は、6.12mm3以上9
.33mm3以下とすることができる。
数の信号(IF(Intermediate Frequency)信号)にダウンコンバートし、増幅等した後
、所定のサンプル時間間隔でサンプリングすることでデジタル信号に変換して出力する。
本実施形態において、RF受信回路部100は、衛星信号を受信する受信回路部に相当す
る。
ータを用いてGPS衛星信号を捕捉・追尾し、捕捉したGPS衛星信号から取り出した時
刻情報や衛星軌道情報等を用いて、GPS受信機20(携帯型電子機器1)の位置や時計
誤差を算出する。
部220と、相関演算部230と、相関メモリー部240と、BB(Base Band)処理部
250と、BB記憶部260とを有する。
を記憶する。図3に、サンプルメモリー部210の概略構成図を示す。サンプルメモリー
部210には、20ミリ秒分の受信信号のデータを格納可能な3つの格納領域212(2
12−1〜212−3)が形成されている。
例えば格納領域212−1,212−2,212−3の順に格納されて(書き込まれて)
ゆく。このとき、データを格納している格納領域212以外の2つの格納領域212に格
納されているデータが読み出されて、後述する相関演算に用いられる。つまり、データを
格納する(書き込む)1つの格納領域212と、データを読み出す2つの格納領域212
とが、20ミリ秒毎に切り替えられる。また、3つの格納領域212−1〜212−3の
合計であるサンプルメモリー部210の容量は61.9キロバイトである。
は、BB処理部250から指定されたPRN(Pseudo Random Noise)番号のレプリカコ
ードを、指定された移相量で生成する。
プリカコード生成部220によって生成されたレプリカコードとの相関演算を行う。
4に、相関メモリー部240の概略構成図を示す。図4に示すように、相関メモリー部2
40は、それぞれが2112個のデータを格納可能な54個のバンク242(242−1
〜242−54)を有して構成される。
それぞれをずらしつつ行われる。いわゆる周波数サーチ(周波数方向のサーチ)及び位相
サーチ(位相方向のサーチ)である。例えば、ある1つの周波数について相関演算を行う
場合であっても、異なる位相の数分の相関演算(換言するとレプリカコードを移相させる
各移相分の相関演算)を行う。これを、捕捉対象のGPS衛星全てについて行う。そのた
め、相関演算を行うに当たって、バンク242をどのように割り当てるかが問題となる。
本実施形態では、ある1つのGPS衛星に関するある1つの周波数に係る相関演算であっ
て、全ての位相について相関演算を行う場合に、1つのバンク242を割り当てることと
する。
対して、C/Aコードのコード長(1023チップ)に相当する1ミリ秒の間に2112
回サンプリングを行っている。すなわち、1ミリ秒の受信信号に対して2112個の受信
データを得ている。そして、このサンプリング間隔のn倍(nは0以上2111以下の整
数)を、相関処理におけるレプリカコードの移相量としている。このため、1つのバンク
242は、相関演算を行う位相の数(ポイント)の最大数となる2112個のデータを格
納可能となっている。例えば、ある1つのバンク242の1番目のデータには、レプリカ
コードの移相量をサンプリング間隔の0倍としたとき(すなわち位相をずらさないとき)
の相関演算結果が格納される。2番目のデータには、レプリカコードの移相量をサンプリ
ング間隔の1倍としたときの相関演算結果が格納される、といったように格納される。積
算されるため、各バンク242に格納された相関演算結果は、リセットされるまで、累積
されていくこととなる。
ある。従って、この相関メモリー部240とサンプルメモリー部210との容量の合計は
、300.9キロバイトとなる。
スバンド処理回路部200の各部を統括的に制御する。また、BB処理部250は、メモ
リー制御部251と、衛星捕捉部252と、位置算出部253とを有する。
しを制御する。具体的には、3つの格納領域212の中で、RF受信回路部100から入
力される受信信号のデータを格納する(書き込む)1つの格納領域212と、相関演算部
230に入力するデータを読み出す2つの格納領域212とを、所定順序で繰り返し切り
替えるように制御する。
用いて、GPS衛星を捕捉する。具体的には、先ず、捕捉対象とするGPS衛星の選定や
、周波数のサーチ範囲の設定を行う。次いで、捕捉するGPS衛星及び周波数の組み合わ
せを生成し、生成した組み合わせそれぞれを、相関メモリー部240の各バンク242に
割り当てる。
10から読み出されたデータと、対応するレプリカコードとの相関演算を相関演算部23
0に行わせ、相関演算の結果(相関値)を、割り当てた相関メモリー部240のバンク2
42に格納させる。またこのとき、レプリカコード生成部220に、捕捉するGPS衛星
信号のPRN番号及び移相量を指定し、対応するレプリカコードを生成させる。
捕捉対象のGPS衛星を捕捉できたと判定する。捕捉できなかった場合には、衛星捕捉部
252は、積算時間を更に長くするか、サーチ周波数を変更して再度相関演算を実行する
、捕捉できないGPS衛星であると判定して別の捕捉対象のGPS衛星について相関演算
を実行する、等の処理を行う。積算時間を長くすることで受信感度を向上させることがで
きるが、捕捉時間やTTFF(Time To First Fix:初回位置算出時間)も長くなる。
て、取得された衛星軌道データやメジャメントデータを用いた位置算出処理を行って、G
PS受信機20の位置や時計誤差(クロックバイアス)を算出する。位置算出処理として
は、例えば最小二乗法やカルマンフィルター等の公知の手法を適用することができる。本
実施形態において、位置算出部253は、衛星信号に基づいて位置を算出する位置算出部
に相当する。
り、受信したGPS衛星信号をデコードすることで取得される。メジャメントデータ26
3は、受信したGPS衛星信号の受信周波数やコード位相、ドップラー周波数等のデータ
であり、レプリカコードとの相関演算結果に基づいて取得される。また、位置算出部25
3によって算出された位置や時計誤差のデータは、算出結果データ264として蓄積記憶
される。
ースバンド処理回路部200を統括的に制御するためのシステムプログラム(ベースバン
ドプログラム261等)や、各種機能を実現するためのプログラムやデータ等を記憶する
とともに、BB処理部250の作業領域として用いられ、BB処理部250の演算結果等
が一時的に格納される。本実施形態では、BB記憶部260には、ベースバンドプログラ
ム261と、衛星軌道データ262と、メジャメントデータ263と、算出結果データ2
64とが記憶される。
本実施形態におけるGPS受信機についての実験結果を説明する。実験対象のGPS受
信機として、相関メモリー部240のバンク数が異なる3種類の衛星信号受信用集積回路
を用意した。具体的には、本実施形態のGPS受信機20である、相関メモリー部240
のバンク数が54バンクであるA回路と、性能の比較のため、相関メモリー部240のバ
ンク数が72バンクであるB回路、及び、バンク数が20バンクであるC回路の3種類を
用意した。
実現される機能部を含まず、C回路はRF受信回路部を含まない。そこで、B回路及びC
回路の大きさを、A回路と同等の機能を全て含むパッケージとして推計したところ、B回
路(パッケージ)の容積は9.84mm3、C回路(パッケージ)の容積は34.98m
m3であった。
図5は、GPS衛星信号の信号強度と、捕捉時間との関係を示すグラフである。図5に
おいて、横軸は信号強度(単位は[dBm])、縦軸は捕捉時間(単位は[秒])である
。この実験は、GPS衛星信号を模した信号を生成・発信するシミュレータを用いて行っ
た。図6の実験についても同様である。実環境でも同等の結果が得られることは、当業者
にとっては明らかであろう。
のGPS衛星信号全てが捕捉できるまでの時間(捕捉時間)を算出した。8機とは、GP
S衛星がGPS受信機の上空に存在し得る数である。
捕捉時間が長くなることがわかる。具体的には、信号強度が「−155[dBm]」以下
となると、捕捉時間が急激に長くなる。これは、信号強度が弱くなるほど、積算時間が長
くなるためであると推察される。
短くなっている。また、本実施形態のA回路は、B回路と比較して捕捉時間が僅かに長い
が、同程度の捕捉性能であるといえる。
るからである。例えば、周波数のサーチ範囲を、GPS衛星信号の搬送波周波数である1
.57542[GHz]を中心とした±100[Hz]の範囲とし、50[Hz]間隔で
サーチする場合、1つのGPS衛星について、搬送波周波数に対して「−100,−50
,0,+50,+100」の5つの周波数をサーチすることになる。つまり、1つのGP
S衛星に5つのバンク242を要し、8衛星を同時にサーチする場合、40バンクが必要
となる。すなわち、相関メモリー部240に54バンクを有する本実施形態のA回路、及
び、72バンクを有するB回路では、8衛星を同時にサーチできる。しかし、バンク数が
20バンクであるC回路では、同時に4衛星しかサーチできない。このため、A回路やB
回路に比較して、約2倍の捕捉時間を要する。なお、40バンクの場合の相関メモリー部
の容量は177.0キロバイトである。
図6は、GPS衛星信号の信号強度と、TTFFとの関係を示すグラフである。図6に
おいて、横軸は信号強度(単位は[dBm])、縦軸はTTFF(単位は[秒])である
。なお、TTFFは、測位開始から初回測位までの時間である。
い、各信号強度のTTFFの平均値を算出した。また、各信号強度におけるFix率(測
位の成功率)を併せて算出した(図示せず)。Fix率は、行った測位の回数に対する、
測位に成功した回数の割合である。測位に成功したとは、位置が算出され、且つ、算出さ
れた位置と真の位置との誤差が所定距離以下であることである。
TTFFが長くなることがわかる。また、本実施形態のA回路と、C回路とを比較すると
、A回路のTTFFは、C回路に比較して充分短い。また、A回路とB回路とを比較する
と、A回路のTTFFは、B回路に比較して僅かに長いが、ほぼ同程度の測位性能を有し
ているといえる。これは、上述のように、A,B回路は、ともに8衛星を同時にサーチで
きるが、C回路では、最大4衛星しか同時にサーチできないためである。
施形態のA回路は「−161dBm」、B回路は「−162dBm」、C回路は「−15
8dBm」であった。つまり、本実施形態のA回路は、C回路よりも弱電界環境での受信
に優れると言えるが、B回路との比較においてはほぼ同等の性能であるといえる。特に、
本実施形態のA回路は、弱電界環境でありながらも測位可能な範囲といえる、Fix率が
100%で且つ信号強度が「−160dBm」において、TTFFは100秒以下、詳細
には60秒以下となっている。また、信号強度が「−162dBm」において、TTFF
は120秒以下となっている。
0が有するバンク数が少ないけれども、B回路と同等の性能(捕捉性能や測位性能、測位
可能な信号強度など)を有しているといえる。相関メモリー部240のバンク数は、IC
であるGPS受信機20の容積(チップサイズ)に大きく影響する。つまり、本実施形態
のGPS受信機20(A回路)は、GPS受信機(B回路)と同等の性能を保持しつつ、
容積(チップサイズ)の縮小化を実現している。
本実施形態によれば、受信信号強度が低くとも測位可能であり、加えてTTFFが短く
、更に小型化を図ったGPS受信機20を実現することができる。
なお、本発明の適用可能な実施形態は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の
趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能なのは勿論である。
上述の実施形態では、衛星測位システムとしてGPSを例に挙げて説明したが、WAA
S(Wide Area Augmentation System)、QZSS(Quasi Zenith Satellite System)、
GLONASS(GLObal NAvigation Satellite System)、GALILEO、BeiDo
u(BeiDou Navigation Satellite System)等の他の衛星測位システムであってもよい。
また、本発明を適用可能な携帯型電子機器1としては、例えば、ランナーズウォッチ、
携帯型ナビゲーション装置、パソコン、PDA(Personal Digital Assistant)、携帯電
話、腕時計といった種々の電子機器について適用することが可能である。上記の実施形態
のGPS受信機20は小型であるので、小型化の要求が強いランナーズウォッチや腕時計
に特に好適である。
上記の実施形態では、サンプルメモリー部210が3つの格納領域212−1〜212
−3を有するものとして説明したが、格納領域212は2つであっても良い。この場合、
サンプルメモリー部の容量は41.3キロバイトである。従って、サンプルメモリー部の
容量は、41.3〜61.9キロバイトとすることができ、相関メモリー部240との容
量の合計は、218.3〜300.9キロバイトとすることができる。
013年11月13日に出願された特願2013−235404に基づく優先権を主張し
、当該日本出願に記載されたすべての内容を援用するものである。
路部、200 ベースバンド処理回路部、210 サンプルメモリー部、220 レプリ
カコード生成部、230 相関演算部、240 相関メモリー部、250 BB処理部、
251 メモリー制御部、252 衛星捕捉部、253 位置算出部、260 BB記憶
部、261 ベースバンドプログラム、262 衛星軌道データ、263 メジャメント
データ、264 算出結果データ、30 メイン処理部、32 操作部、34 表示部、
36 音出力部、38 通信部、40 メイン記憶部
Claims (4)
- 衛星信号を受信する受信回路部と、
前記衛星信号に基づいて位置を算出する位置算出部と、
を含み、
9.33mm3以下の体積を有し、−162dBm以上−160dBm以下の信号強度
において測位開始から初回測位までが120秒以下である、
衛星信号受信用集積回路。 - −160dBmにおいて、測位開始から初回測位までが60秒以下である、
請求項1に記載の衛星信号受信用集積回路。 - サンプルメモリー部と、
相関メモリー部と、
を含み、
前記サンプルメモリー部と前記相関メモリー部の合計が300.9キロバイト以下であ
る、
請求項1又は2に記載の衛星信号受信用集積回路。 - 前記相関メモリー部は、40個以上54個以下のバンクを有する、
請求項3に記載の衛星信号受信用集積回路。
Priority Applications (2)
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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