JP2000312163A - 擬似雑音符号位相検出装置 - Google Patents

擬似雑音符号位相検出装置

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JP2000312163A
JP2000312163A JP11906799A JP11906799A JP2000312163A JP 2000312163 A JP2000312163 A JP 2000312163A JP 11906799 A JP11906799 A JP 11906799A JP 11906799 A JP11906799 A JP 11906799A JP 2000312163 A JP2000312163 A JP 2000312163A
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文弥 植木
Yasushi Maruono
容司 丸小野
Tsutomu Okada
勉 岡田
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 受信した擬似雑音符号または擬似雑音符号に
より変調された変調信号と受信部で発生した擬似雑音符
号との相関をとることにより、擬似雑音符号の位相を検
出する装置において、マルチパスの影響を低減しつつ擬
似雑音符号の推定位相を短時間に検出できるようにす
る。 【解決手段】 C/Aコード発生器1とシフトレジスタ
3とによって、推定コード位相を中心として所定位相範
囲について1チップ毎に位相の異なった複数のC/Aコ
ードを発生し、相関器#1〜#10はそれぞれのC/A
コードと受信データとの相関を求める。信号検出制御部
2は相関がピークとなる位相範囲を求め、そのピーク付
近の位相範囲について、0.1チップ毎に位相の異なっ
た複数のC/Aコードを発生し、再び相関器#1〜#1
0を用いてピーク位相を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は擬似雑音符号また
は擬似雑音符号により変調された変調符号から擬似雑音
符号の位相を検出する装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】例えばGPSにおいては、受信機が複数
の衛星からの電波を受信することによって、複数の衛星
から受信機までのそれぞれの距離を計り、これをもとに
受信点の測位を行う。すべてのGPS衛星からは、測位
用として1.5GHz(L1帯)と1.2GHz(L2
帯)の2波の電波が連続送信されている。両波とも擬似
雑音符号で位相変調されているが、この擬似雑音符号は
衛星毎に異なっていて、受信機側で生成する擬似雑音符
号を切り換えることによって、選択受信できるように構
成されている。
【0003】L1帯の電波はm系列の擬似雑音符号を2
つ組み合わせて生成されるゴールド符号と呼ばれる擬似
雑音符号で位相変調されている。この擬似雑音符号は衛
星ごとに異なり、L1帯における擬似雑音符号はC/A
コードと呼ばれている。GPS受信機は、内部で生成す
るC/Aコードを切り替えることによって、所望の衛星
からの電波を分離受信できるように構成されている。以
下、C/Aコードを擬似雑音符号の一例として説明す
る。
【0004】GPSにおいては上記C/Aコードが一巡
するのに要する時間を周期、C/Aコードの変化する最
小の単位をチップ、一周期の中にあるチップの数をコー
ド長と称している。
【0005】C/Aコードはm系列の擬似雑音符号に準
じ、自己相関に関しては以下(1) 〜(3) のような特徴を
持つ。 (1) 図1に示すように遅延量(位相差)τが0で相関出
力は最大となる。因みに、この相関出力の最大値を1と
したときの相関値が相関係数である。 (2) ±1チップ以上ずれると相関出力は得られない。
(相関値は殆ど0となる。) (3) 位相差τ=0から±1チップの間で、相関出力は、
位相のずれ量に比例して直線的に減少する。+側と−側
の減少の割合は等しく、相関関数の形(以下「相関カー
ブ」という)はピーク位置を中心として左右対称とな
る。
【0006】ところで、GPS衛星はその位置が時々刻
々変化しており、衛星と受信機間の距離(この距離を
「擬似距離」と呼んでいる。)もそれに応じて変化して
いる。したがって衛星信号のキャリア周波数はドップラ
周波数を含んでおり、常に一定でない。
【0007】GPS受信機では、まず衛星信号の帯域に
おいて信号が存在するキャリア周波数とコード位相を特
定して信号を検出するためのサーチを行い、続いて、検
出した信号を擬似距離の変化によって引き起こされる位
相のずれのために見失わないように追尾する動作を行っ
ている。
【0008】衛星をサーチする際、すなわちC/Aコー
ドの位相をサーチする際には、受信機で発生させる擬似
雑音符号の位相(以下、推定コード位相という)をすべ
ての範囲に亘って変化させ、受信した信号との相関をと
る。相関が一定のレベル以上あれば推定コード位相から
±0.5チップ以内にピークが存在するものと判断す
る。
【0009】GPSに用いられている擬似雑音符号のコ
ード長は1023チップであり、一度に相関をとれる範
囲を上記のように推定コード位相±0.5チップとする
と、存在する可能性のあるすべての範囲をサーチするに
は1023回推定コード位相を変化させ、都度相関出力
をチェックする必要がある。
【0010】1回の相関を得るのにt秒かかるとすれ
ば、すべての範囲をサーチするには1023×t秒が必
要である。
【0011】サーチにより衛星を検出すると、その後は
追尾動作によって、推定コード位相が受信した信号の位
相と常に一致するように制御され、相関が最大に維持さ
れるように動作する。
【0012】但し、追尾のために、相関値が最大となる
位相を直接検出する方法は存在しない。一般には、相関
カーブが左右対称である性質を利用し、中心と考えられ
るC/Aコード位相(PUNCTUAL)に対して一定量進んだC
/Aコード(EARLY) と遅れたC/Aコード(LATE)を作
り、EARLY 、LATEそれぞれについて受信信号との相関を
とり、両者の相関値が等しくなるように、受信機が発生
する位相を制御する方法が採られている。位相の進んだ
C/AコードEARLY と遅れたC/AコードLATEの間の位
相差を以下「スペーシング」という。
【0013】この方法によれば、EARLY 、LATEそれぞれ
の相関値が等しくなるときの上記2つのC/Aコードの
中間の位相が、受信したC/Aコードのコード位相であ
るものと推定できる。図2は、推定コード位相の設定に
応じて生成されたC/Aコードを0.5チップ進ませて
EARLY を、および生成されたC/Aコードを0.5チッ
プ遅らせてLATEを生成し、それぞれについて受信信号と
の相関値を出力するようにした構成の一例である。
【0014】また、図3はEARLY 、LATEの相関値出力を
利用して推定コード位相を求める方法の説明図である。
推定コード位相が受信信号のコード位相と一致した場
合、図3の(a) のようにEARLY とLATEの相関値は等し
い。一方、推定コード位相が受信信号のコード位相より
進んでいる場合、(b) のようにEARLY の相関出力はLATE
の相関出力より小さな値を示す。このような場合は推定
コード位相をより遅れる方向に制御すれば受信信号のコ
ード位相に近づくことがわかる。逆に、推定コード位相
が受信信号のコード位相より遅れている場合、(c) のよ
うにEARLY の相関出力はLATEの相関出力より大きな値を
示すので、推定コード位相をより進む方向に制御すれば
受信信号のコード位相に近づくことがわかる。
【0015】サーチにより衛星が検出された位相の近傍
では、EARLY とLATEの振幅の差(以下、E−Lと呼ぶ)
は図5のようになっており、実際の受信機ではE−Lを
推定コード位相の決定に用いるのが一般的である。矢印
Aの区間では相関のピークを得るために位相を制御すべ
き方向と量をE−Lの値から知ることができ、この範囲
をコード引き込み範囲と呼んでいる。コード引き込み範
囲においてはE−L=0となるように位相を制御すれば
相関のピークが求められるのは明らかである。
【0016】また、スペーシングは一般に1チップにと
られることから、コード引き込み範囲はピークを中心に
±0.5チップであり、サーチにより、受信信号のC/
Aコードの位相が検出された時点で推定コード位相はコ
ード引き込み範囲に含まれているので、ただちにコード
追尾を始めることができる。
【0017】
【発明が解決しようとする課題】ところで、GPS測位
を行う実際の状況においては、GPS衛星から送信され
た電波がアンテナに直接入射する経路だけでなく、何ら
かの物体に反射してからアンテナに入射する経路(以下
この経路を「マルチパス」という。)が存在する。
【0018】このようなマルチパスがあると、相関カー
ブは直接波による相関カーブと反射波による相関カーブ
を重ね合わせた形となる。図4は直接波よりレベルが6
dB低く、0.5チップ遅れた反射波が直接波と共にア
ンテナに入った場合の例について示している。このよう
に、相関カーブのピークはマルチパスの有無によらず変
化しないが、相関カーブの傾きはマルチパスの影響があ
る場合、ピークの前後で異なり、相関カーブが左右対称
でなくなる。したがってEARLY と LATE の相関値出力が
等しい位置を求めると、図4のように、その中央はピー
ク位置からずれた位置として検出されてしまう。
【0019】この誤差は、スペーシングを狭めるほどス
ペーシングに反比例して小さくなることが知られてお
り、マルチパスの影響を減ずるためにスペーシングを狭
くしたものはナローコリレータと呼ばれている。
【0020】ところが、例えば、スペーシングを0.1
チップにした場合、E−Lのカーブは図6のようにな
る。これによればコード引き込み範囲は0.1チップし
かない。したがってサーチにおいて一度に相関をとれる
範囲を±0.5チップにとってあると、信号の存在を検
出しても推定コード位相がコード引き込み範囲の外にあ
る可能性が高い。この場合、E−L=0にするために必
要な位相の制御量と方向を知ることができず、追尾動作
に移行するのに時間がかかったり、信号を見失ったりす
るおそれがある。
【0021】一方、サーチ幅をコード引き込み範囲と同
じく0.1チップにとってあると、信号の存在を検出し
てすぐに追尾を始められるが、すべてのコード位相の範
囲をサーチするのに10倍の時間がかかり、信号の捕捉
までに長時間を要することになる。
【0022】この発明は上記の問題を解決するためにな
されたものであり、マルチパスの影響を低減しつつ、推
定コード位相の検出を短時間にできる擬似雑音符号位相
検出装置を提供することを目的とする。
【0023】
【課題を解決するための手段】この発明は、擬似雑音符
号の推定位相を中心として所定の位相範囲について、定
められた位相差毎に位相の異なった複数の擬似雑音符号
を生成し、受信された、擬似雑音符号または擬似雑音符
号により変調された変調符号と前記生成された擬似雑音
符号との相関を求める手段と、当該手段により求められ
た、前記位相の異なった複数の擬似雑音符号についての
相関のうち、最大の相関を示す擬似雑音符号の位相を求
め、相対的に前記位相差の小さな状態で前記擬似雑音符
号を生成する際に、前記位相差の大きな状態で求められ
た前記相関の最大となる擬似雑音符号の位相付近につい
て複数の擬似雑音符号が生成されるように、前記位相範
囲と前記位相差を定める手段とを備える。
【0024】例えば、サーチ時の位相分解能を1チップ
として受信信号と複数個の擬似雑音符号との相関を同時
にとり、相関を検出した場合にはその最大の相関を得た
擬似雑音符号の位相を中心に幅1チップの範囲内に擬似
雑音符号の位相が存在することがわかる。相関が得られ
なかった場合には、擬似雑音符号の推定位相をずらせて
再度相関が得られるか否かを調べる。
【0025】ここで、複数の相関器を例えばn個を有
し、これらが互いに1チップずつ位相差を持つ擬似雑音
符号との相関を求められるように構成すれば、サーチに
おいてずらせる量はnチップになる。したがって、全コ
ード位相すべてにわたって相関の有無を判断するのに要
する時間は単一の相関器でサーチを行うときの1/nに
短縮され、性能を落とすことなく、高速なサーチが可能
になる。
【0026】相関が得られた場合、擬似雑音符号の位相
は最大の相関が得られた位相を中心にして1チップの範
囲内にあるとすることができる。しかし、この状態で、
マルチパスの影響を低減するためにEARLY,LATEのスペー
シングを例えば0.1チップに狭めてコード位相誤差
(前記E−Lの値)を検出するとともに、擬似雑音符号
の位相を追尾したとしても、擬似雑音符号の推定位相が
コード引き込み範囲に入っていない可能性があり、直ち
に追尾を行うことができない。
【0027】そこで、例えば位相差を0.1チップとし
て設定したn個の相関器によって受信信号と相関をとる
ことにより、最大の相関を得るコード位相を0.1チッ
プの分解能で求める。これにより、擬似雑音符号の推定
位相を前記コード引き込み範囲に含めることができる。
したがって、その後、EARLY,LATEのスペーシングを1チ
ップ未満に設定してコード位相誤差を検出するとともに
擬似雑音符号の位相を正常に追尾することができるよう
になる。
【0028】
【発明の実施の形態】この発明の実施形態に係るGPS
受信機におけるC/Aコード位相検出装置の構成を図9
および図10を参照して説明する。図9はC/Aコード
位相検出装置の構成を示すブロック図である。図9にお
いてC/Aコード発生器1は信号検出制御部2から指定
されるC/Aコードの種類(衛星番号)とその位相の設
定データ(推定コード位相)に応じてC/Aコードを発
生する。
【0029】シフトレジスタ3は、信号検出制御部から
与えられる遅延時間間隔設定データによって選択された
クロックに応じて、C/Aコード発生器1から出力され
るC/Aコードを順次シフトしていく。
【0030】相関器#1〜#10(4−1〜4−10)
はそれぞれシフトレジスタ3の所定の出力段から出力さ
れるC/Aコードと受信データであるI相データとQ相
データとのそれぞれの相関を求めて、相関データを信号
検出制御部2へ与える。
【0031】信号検出制御部2は、各相関器から出力さ
れた相関出力から相関の有無を判定し、その結果に応じ
てC/Aコード発生器1に対して、衛星番号、推定コー
ド位相を与える。またシフトレジスタ3に対して遅延時
間間隔設定データを与える。まずC/Aコードの概略位
相を検出する段階では、信号検出制御部2は、シフトレ
ジスタ3の遅延時間間隔が1チップになるように設定
し、シフトレジスタ3の各段から出力されるC/Aコー
ド位相が1チップずつの位相差を持つように設定する。
これにより相関器#1〜#10の出力には1チップずつ
異なった位相を持つC/Aコードと受信データとの相関
を同時に得る。
【0032】図7は、シフトレジスタ3に与えられるク
ロックを1チップ周期にした場合、推定コード位相に対
する受信信号の位相遅れに対して、各相関出力を示すも
のである。コード位相遅れが0±0.5チップであれ
ば、すべての相関出力の中で相関出力#1が最大とな
り、コード位相遅れが1±0.5チップであれば、相関
出力#2が最大となる。以下同様に、コード位相遅れが
9±0.5チップのときは、相関出力#10が最大とな
る。したがって、逆に、相関出力が最大となる相関器を
検知することにより、受信信号の位相を±0.5チップ
の範囲内(分解能)で求める。
【0033】図8はシフトレジスタに与えられるクロッ
クを0.1チップ周期にした場合、推定コード位相に対
する受信信号の位相遅れに対して、各相関出力を示すも
のである。コード位相遅れが0.0±0.05チップで
あれば、すべての相関出力の中で相関出力#1が最大と
なり、コード位相遅れが0.1±0.05チップのとき
は相関出力#2が最大となる。以下同様に、コード位相
遅れが0.9±0.05チップのときは相関出力#10
が最大となる。したがって、逆に、相関出力が最大とな
る相関器を検知することにより、受信信号の位相を±
0.05チップの範囲内(分解能)で求める。
【0034】図10は上記信号検出制御部2の処理手順
を示すフローチャートである。まずC/Aコード発生器
1に対して、どのC/Aコードを発生すべきかを示すデ
ータ(衛星番号)を設定し(s1)、最初は概略位相を
検出するため、シフトレジスタのクロックを1チップ周
期に設定する(s2)。その後、C/Aコード発生器1
に対して、発生すべきC/Aコードの位相の初期設定を
行う(s3)。これによりC/Aコード発生器1は、そ
の位相からC/Aコードの発生を開始する。その後、相
関器#1〜#10から相関データが出力されるのを待っ
て、各相関器の出力から最大の相関データを出力する相
関器を検出する(s4)。もし相関器#1〜#10のい
ずれの相関器から出力される相関データも所定値より低
ければ、C/Aコード位相を切り替える(s5→s6→
s7)。すなわちC/Aコード発生器1に対して、位相
が現在より10チップ分進んだC/Aコードを発生する
ようにC/Aコード位相設定データを与える。上記s4
〜s7の処理を繰り返すことによって、10チップ単位
で並行して10個の相関器を用いて、相関カーブがピー
クを示す概略位相を検出する。相関器#1〜#10の出
力からピークを検出すれば、シフトレジスタのクロック
を0.1チップ周期に設定する(s8)。またC/Aコ
ード発生器1に対して、発生すべきC/Aコードの位相
が、上記1チップ分解能の概略位相を中心として、1チ
ップ範囲に亘ってC/Aコードが発生されるように、C
/Aコード位相設定データを設定する(s9)。その
後、相関器#1〜#10の出力から相関データの最も大
きな値を検出する(s10)。これにより0.1チップ
単位で受信データに含まれるC/Aコードの位相を検出
する。
【0035】なお、概略位相を検出するモードで、C/
Aコードの1周期分(1023チップ)について順次相
関データを求め、これを所定回繰り返しても、ピークが
現れなければ、そのC/Aコードについての位相検出は
できなかったもの見なして、次にC/Aコードの切り替
えを行い、以降そのC/Aコードについて同様の処理を
行う(s6→s11→s3→...)。
【0036】このようにしてC/Aコードの位相を0.
1チップの分解能で検出した後は、0.1チップのスペ
ーシングで位相の進んだ相関と位相の遅れた相関との差
(E−L)を求め、発生するC/Aコードの位相をわず
かずつ変化させて、その(E−L)の値が0となる位相
を検出することにより、CAコード位相の追尾を行うこ
とになる。
【0037】次に第2の実施形態に係るC/Aコード位
相検出装置の構成を図11を参照して説明する。このC
/Aコード位相検出装置は、相関処理をパイプライン化
して、1つの積算器と1つの加算器を時分割的に用い
て、実質上所定の位相だけ順次ずれた複数のC/Aコー
ドとの相関データを求めるものである。図11において
C/Aコード発生器1、シフトレジスタ3の構成は図9
に示したものと同様である。ラッチ回路5は受信データ
をサンプリング間隔でラッチする。マルチプレクサ4は
シフトレジスタ3の各段から出力される信号を順次サン
プリング間隔で切り替えて積算器6へ与える。積算器6
はマルチプレクサ4の出力信号とラッチ回路5にラッチ
されたデータとの積算を行う。例えばラッチ回路5の出
力データは2ビットであれば、+3,+1,−1,−3
の4値を採り、マルチプレクサの出力データは1ビット
であって、−1,+1の値を採る。
【0038】図11において8はパイプライン化したラ
ッチ回路(以下「パイプライン化ラッチ回路」とい
う。)であり、シフトレジスタ3の出力段数に応じた段
数を備えている。このパイプライン化ラッチ回路8の最
終段の出力は加算器7の一方の入力に与えられる。加算
器7は積算器6の出力値とパイプライン化ラッチ回路8
の最終段の出力値とを加算してパイプライン化ラッチ回
路8の初段へ与える。パイプライン化ラッチ回路8のシ
フトタイミングおよび加算器7の加算タイミングはマル
チプレクサ4の入力切り替えのタイミングに同期してい
る。たとえば概略位相検出モードでは、1チップ分の時
間でパイプライン化ラッチ回路8のデータを一巡させ、
詳細位相検出モードでは、0.1チップ分の時間でパイ
プライン化ラッチ回路8のデータを一巡させる。
【0039】したがって、積算器6と加算器7による積
和を所定時間繰り返すことによって、パイプライン化ラ
ッチ回路8の各段にはシフトレジスタ3の各段から出力
されるC/Aコードと受信データとの相関データが求ま
ることになる。信号検出制御部2は、C/Aコードの1
周期である1ms経過後、パイプライン化ラッチ回路8
からすべての相関データを読み出し、パイプライン化ラ
ッチ回路8の各段の値をクリアする。
【0040】信号検出制御部2はパイプライン化ラッチ
回路8からシリアルに出力される各相関データからピー
クを示すC/Aコードの概略位相を求め、次にその位相
範囲についてシフトレジスタ3の遅延時間間隔および発
生するC/Aコードの位相を制御する。この信号検出制
御部2、C/Aコード発生器1およびシフトレジスタ3
の動作は第1の実施形態で示したものと同様である。こ
の構成によれば、単一の積算器と単一の加算器を時分割
して用いるため、ハードウェアの規模が縮小化される。
【0041】なお、実施形態では概略位相検出モードと
詳細位相検出モード、という2つのモードで、2段階に
C/Aコードの位相を絞り込んで検出するようにした
が、これをさらに3段階以上で擬似雑音符号の位相を順
次絞り込んで検出するようにしてもよい。
【0042】
【発明の効果】この発明によれば、まず擬似雑音符号の
位相分解能が1チップで位相差が1チップずつであるよ
うな複数個(n個)の擬似雑音符号と受信信号との相関
をそれぞれ求められるn個の相関器を並べて、nチップ
分の範囲を並行してサーチできるので、サーチに要する
時間が短縮できる。
【0043】さらに、上記の過程で検出された位相の範
囲において、位相分解能が0.1チップで位相差が0.
1チップずつであるようにしたn個の擬似雑音符号の受
信信号との相関をそれぞれ求められるn個の相関器を並
べて、相関データのピークを0.1チップの分解能で求
めることにより、スペーシングが0.1チップであるよ
うにして、位相誤差が小さくなるように位相を追尾する
ループにおいて、擬似雑音符号の位相追尾をただちに開
始することができる。結果的に、マルチパスの影響を軽
減するためにE−Lのスペーシングを狭くするように構
成した受信機の衛星のサーチ開始から追尾に至るまでの
時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】GPSにおけるC/Aコードの自己相関を求め
る例と、その結果を示す図
【図2】擬似雑音符号の位相追尾のための相関値を求め
る構成を示す図
【図3】受信信号と位相の異なった2つの擬似雑音符号
との相関値と、推定コード位相との関係を示す図
【図4】マルチパスによる影響を受けた相関カーブの例
を示す図
【図5】スペーシングを設けた2つのC/Aコードによ
る相関カーブとその差の特性を示す図
【図6】微少なスペーシングを設けた2つのC/Aコー
ドによる相関カーブとその差の特性を示す図
【図7】シフトレジスタ3に与えられるクロックを1チ
ップ周期にした場合の、推定コード位相に対する受信信
号の位相遅れに対しての各相関出力を示す図
【図8】シフトレジスタ3に与えられるクロックを0.
1チップ周期にした場合の、推定コード位相に対する受
信信号の位相遅れに対しての各相関出力を示す図
【図9】第1の実施形態に係るC/Aコード位相検出装
置のブロック図
【図10】同装置の信号検出制御部の処理手順を示すフ
ローチャート
【図11】第2の実施形態に係るC/Aコード位相検出
装置のブロック図
【符号の説明】
7−加算器 8−パイプライン化ラッチ回路
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成12年3月27日(2000.3.2
7)
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0019
【補正方法】変更
【補正内容】
【0019】この誤差は、スペーシングを狭めるほどス
ペーシングに反比例して小さくなることが知られてい
る。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岡田 勉 兵庫県西宮市芦原町9番52号 古野電気株 式会社内 Fターム(参考) 5J062 CC07 DD05 5K022 EE02 EE36 5K047 AA02 AA13 BB01 GG34 GG37 HH01 HH15

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 擬似雑音符号の推定位相を中心として所
    定の位相範囲について、定められた位相差毎に位相の異
    なった複数の擬似雑音符号を生成し、受信された、擬似
    雑音符号または擬似雑音符号により変調された変調符号
    と前記生成された擬似雑音符号との相関を求める手段
    と、 当該手段により求められた、前記位相の異なった複数の
    擬似雑音符号についての相関のうち、最大の相関を示す
    擬似雑音符号の位相を求め、相対的に前記位相差の小さ
    な状態で前記擬似雑音符号を生成する際に、前記位相差
    の大きな状態で求められた前記相関の最大となる擬似雑
    音符号の位相付近について複数の擬似雑音符号が生成さ
    れるように、前記位相範囲と前記位相差を定める手段と
    を備えて成る擬似雑音符号位相検出装置。
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