JP2001326588A - 直接経路で受信した信号に伴う多重経路成分の影響を少なくする方法、システムおよび装置 - Google Patents

直接経路で受信した信号に伴う多重経路成分の影響を少なくする方法、システムおよび装置

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JP2001326588A JP2001091097A JP2001091097A JP2001326588A JP 2001326588 A JP2001326588 A JP 2001326588A JP 2001091097 A JP2001091097 A JP 2001091097A JP 2001091097 A JP2001091097 A JP 2001091097A JP 2001326588 A JP2001326588 A JP 2001326588A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 受信したPRN CDMAコードに関する精
密なタイミングを保持するように、GPSの多重経路に
よる擾乱の効果を最小にする方法、システムおよび装置
を提供する。 【解決手段】 繰り返し擬似ランダム・ノイズPRNに
よって変調されている搬送波からなる直接経路信号に伴
なう多重経路成分の影響を減少させる方法であって、P
RNコードを受けるために受信信号を復調させるステッ
プと、PRNコードに対応するレプリカ・コードを作る
ステップと、第1〜第5の遅延時でそれぞれレプリカ・
コードを遅延させるステップと、レプリカ・コード発生
器の開始時間を調整するステップと、レプリカ・コード
発生器を調節するステップからなる方法、システムおよ
び装置。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、グローバル位置決
めシステム(GPS)、とくにすべての衛星航法システ
ムに関する。本発明はさらに、直接シーケンス拡散スペ
クトラム(DSSS)符号分割多重アクセス(CDM
A)通信システムにも関する。
【0002】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】衛星
航法システムは、航法受信者が受信者と衛星の間の距離
を決定するための正確なタイミング信号を作るために、
複数の衛星体SVを使うシステムである。少なくとも4つ
の衛星体SVについての距離を決定して、それらの距離
の球面の交差点として得られる3次元空間の位置が受信
者の3次元空間の位置を決定するために使われる。すな
わち、地球の表面に対する受信者の位置および地球の表
面に対する高さを決定するために使われる(高さとは、
地上の受信者の高さを表わしたり、受信者が航空機等の
中に居るという状況では地面に対する高さを表わす。4
番目の衛星体SVはローカル・クロックの校正のために
必要である。)。
【0003】距離決定の基礎となる概念は到達時間(T
OA)による距離測定である。すなわち、信号源とその
信号を受信する受信者の間の位置を、送信者から受信者
への信号の伝播時間を測定することによって決めること
である。このTOAの決定を遂行するためには、衛星体
SVが正確にそして繰り返して、システム・クロックに
基づいてタイミング・信号を発生することが必要であ
る。なお、そのシステム・クロックは有効に受信者のシ
ステム・クロックと同期している必要がある。これによ
り、その信号が送信側(衛星)と受信側の間の距離を横
切るのに要した時間の長さを決定することができる。そ
して、伝播信号の速度(典型的には光速cの伝播速度)
についての知識により、衛星と受信者の間の距離を決定
することができる。
【0004】少なくとも4つの衛星体SVについての同
様な距離情報により、3つの距離決定用球面の交差は2
つの位置を指すことになる。それらの一方は、受信者の
正しい位置である。その2つの候補位置は三つの衛星体
SVの平面に関して互いに鏡像の関係にあり、そして、
それゆえ、地上のユーザにとってより低い位置が受信者
の正しい位置であることは明白である。地面より上のユ
ーザにとって、補助的情報なしには、そのような曖昧性
がない決定は常に可能であるわけではない。米国で展開
されている衛星航法システム(普通GPSと呼ばれてい
る)、およびロシアの防衛軍によって展開されている衛
星航法システム(普通GLONASSと呼ばれている)
に関する一般的情報は「Understanding GPS Principles
and Applications」(E.D. Kaplan, Editor, Artech H
ousepublishers, Copyright 1996)に記されている。
【0005】以後の議論において、略語GPSはすべて
のタイプの衛星航法システムを一般的に指す。
【0006】あるタイミング信号を作った時刻における
衛星体SVの位置を決定するために、ユーザによって使
われる前記のタイミング信号と航法データを作るため
に、衛星航法システムは特有の周波数の方法論を使用す
る。具体的には、GPS衛星信号は、周波数割り当て、
変調フォーマット、および、疑似ランダム雑音(PR
N)符号を含む。各GPS衛星は2つの搬送周波数L1
(第1の周波数)とL2(第2の周波数)を送信する。
それらの搬送周波数は、各衛星体SVに関連している固
有のPRNシークエンスを有する拡散スペクトラム符号
によって変調され、そして少なくとも一つの搬送周波数
はさらに航法データによって変調される。すべてのGP
S衛星体SVは同じ2つの搬送周波数で送信する。しか
し、基本的に互いに非干渉性である固有のPRN符号に
より、それらの信号は実際上互いに非干渉性である。こ
のようにして、各衛星体SVについてのPRN符号シー
クエンスは近似的に互いに非相関である。そして、これ
ゆえ、それらの衛星体SVの信号は分離されることがで
き、そして符号分割多重アクセス(CDMA)として知
られている技術により検出されることができる。この変
調技術の詳細な議論は、「Understanding GPS Principl
es and Applications」の第4章に記されている。GP
S衛星体SVに使用されている個々のPRN CDMA
は、ゴールド・コードと呼ばれることがある。
【0007】前に議論したように、GPS受信者の最初
の仕事は、受信者自身と視野内の複数の衛星体SVの間
の距離測定と、その距離の変化の割合である距離変化率
の測定である。この仕事を遂行するために、衛星受信者
は受信した航法データを復調することもしなければなら
ない。その航法データは、毎秒50ビットのデータ・ス
トリームからなり、そのデータ・ストリームはGPS
PRN変調信号に変調されている。航法データは、衛星
体SVのクロック情報と、衛星体SVの軌道要素を含
み、後者の要素は受信したPRNコードの発生時点にお
ける衛星体SVの位置を計算するために使われる。衛星
の軌道に基本に関する詳細は、前記の文献「Understand
ing GPS Principles and Applications」の2.3節に
見出される。
【0008】GPS信号変調フォーマットは直接シーク
エンス拡散スペクトラムとして知られている。GPS信
号の処理についての概観はBraasch, M, S. 「GPS Recei
verArchtectures and Measurements」 Proc. of the IE
EE, Vol. 87, 1. January 19, 1999,pp 48 - 64 に記さ
れている。そこで議論されているように、拡散スペクト
ラム・システムにおいては、データは搬送波の上に変調
され、送信される信号は一般に単位時間当たりのデータ
の情報量に比較してかなり大きいバンド幅を有する。拡
散スペクトラム・システムは、典型的には、受信者に知
られた決定論的信号(PRNコード)を使用する。それ
は、送信者によって情報信号を変調しそして送信信号の
スペクトラムを拡散するのに使われたものである。最後
に、拡散スペクトラム・システムは、データを復調する
過程においてその決定論的信号のコピーと、その受信信
号の相互相関を求める受信機を使用し、そして、そうす
ることにより、送信データが復元される。
【0009】GPS衛星システムによって使われる拡散
スペクトラムは、2進位相シフト・キーイング・直接シ
ークエンス拡散スペクトラム(BPSK DSSS)で
ある。用語「直接シークエンス」は、スペクトラムの拡
散が搬送波の位相変調によって達成されることを意味す
る。2進位相シフト・キーイングは、最も簡単な位相変
調形式であり、ビット変化の時点に即座に180度の位
相シフトを与えるものである。
【0010】このようにして、正常な航法オペレーショ
ンの間、GPS受信機はローカルな信号同定用の信号
(レプリカ・コード)を作成する必要があり(それは、
GPS受信機にとってはPRN CDMAコードであ
る)、このPRN CDMAコードと受信したPRNコ
ードの間の当てはめ一致を決定し、それにより衛星を特
定し、そして受信したPRNコードに埋め込まれている
タイミング信号を特定する。さらに、その受信機は、受
信されている各衛星について、ドップラ補償回路を採用
しなければならない。
【0011】ローカル・レプリカPRN CDMAコー
ド発生器を連続的に調節する操作はコード位相トラッキ
ング(追跡)として知られ、各衛星体SVについてドッ
プラ補償回路調節は搬送波位相トラッキングとして知ら
れている。トラッキングのサブ・システムは、トラッキ
ングが閉ループの制御システムを含むことを強調するた
めに、しばしばトラッキング・ループと呼ばれる。前に
言及したように、GPS衛星システムが典型的なCDM
A通信システムと相違する点は、DSSS拡散コードが
変調方法あるいは多重アクセス方法であるばかりでな
く、各衛星体SVから受信者への伝播遅延を正確に測定
するために使われる技術であるという事実である。この
ようにして、それは、衛星と受信者の間距離を決定する
ために使われるタイミング信号となっている。
【0012】拡散コードのビット数よりはよい精度で各
衛星体SVからの(到達時間の)遅延を評価するアルゴ
リズムがGPS受信機によって使用される。そのビット
数は、市民用GPSにおいては毎秒1023ビットであ
る。このPRN拡散コードは粗精度符号(C/A)とし
て知られている。(高い周波数の「P」コードも衛星体
SVによって送信される。このPコードはC/Aコード
の10倍の周波数を有する。しかしこのPコードは暗号
化され、市民用には、一般的には利用することができな
い。)これらの1023ビットはデータ・ビットを表わ
すのではないことを強調するために、これらのビット
は、GPSの業界用語では「チップ(chips)」と呼ば
れている。各衛星体SVに特有のPRN符号シークエン
スは、繰り返してそれぞれの衛星体SVから1ミリ秒毎
に送信されている。
【0013】粗精度符号(C/A)は1ミリ秒の周期を
持ち、それは一定に繰り返されるので、事実上、コード
の長さは距離測定の精度を制限する。1チップ以下の遅
延時間測定精度を達成するためには、多重伝播効果を緩
和するように工夫する必要がある。多重伝播効果は、衛
星体SVからの信号が、障害物のない直接の経路で受信
者に受信されるばかりでなく、建物、周囲の構造物、航
空機等による反射等の他の経路を通って受信されるとき
に起こる。最も有害な多重経路成分は遅延差が0から
1.0チップの成分であり、これはそれぞれ0ナノ秒と
1マイクロ秒の遅延に対応する。光速(c)の伝播で
は、0チップと1.0チップはそれぞれ0メートルと3
00メートルに対応する。
【0014】多重経路で汚染された信号に対する衛星受
信機のコード位相検出器の耐性は、非常に重要な特性で
あり、距離測定を支配し、それゆえ、位置決めの正確さ
を支配する。
【0015】
【課題を解決するための手段】本発明は、受信したPR
N CDMAコードに関する精密なタイミングを保持す
るように、GPSの多重経路による擾乱の効果を最小に
することを目的としている。衛星体SVの信号の多重経
路成分は、受信者へ直接の経路を取らずに、直線経路の
信号の後に到着する。そのような多重経路成分は航空
機、建物、地面等により引き起こされる反射の結果であ
り、事実上、受信されたGPS信号の質を低下させる。
各多重経路成分は受信機に直線経路の信号(すなわち反
射されなかった信号)の後に到着する。すなわち、多重
経路成分は相関関数の先頭端部の開始点には影響を与え
ない。相関関数とは、受信機において作られたレプリカ
PRNコードと受信PRN CDMAコードの間の相関
であって、そのPRN CDMAが何時その受信機に到
着したかを決定するために使われる。相関部分の先頭端
部の開始点における相関関数の振幅を、非相関部分の相
関関数の振幅と比べるとゼロの値になるべきことが認め
られている。しかし、(−1ビットにおける、あるいは
普通呼ばれているように−1チップにおける)この開始
点は、もし受信信号の多重経路成分が存在すると相関部
分の先頭端部を昇り始めていることも認められている。
この(−1チップ)開始点の移動は、相関関数の三角形
の歪みに由来する。この開始点移動は測定することがで
き、多重経路効果を補償するために使うことができる。
【0016】本発明は、CDMAコードの多重経路成分
を受信したことによる相関関数の開始点の動きに関する
情報を使い、そのような成分を補償し、その際PRN
CDMAコードの開始点の位置を修正する。この開始点
は最大相関の点であり、即時相関(P)と呼ばれる。P
RN CDMAの受信の正確なタイミングに対する多重
経路成分の効果は最小にされ、それによって、衛星体S
Vと受信者の間の距離決定に大きな正確さが与えられ
る。
【0017】
【発明の実施の形態】本発明の本質と目的の完全なる理
解のために、添付の図面を参照しながら以下にさらに詳
しく説明する。
【0018】前記のように、受信機によって受信される
コードとして衛星体SVによって繰り返し送信される疑
似ランダムノイズ(PRN)コードを、GPS受信機は
複製しなければならない。その受信機は、さらに、この
レプリカ・コードを衛星体SVのPRNコードと相関が
得られるまで位相シフトをさせねばならない。実際上、
GPS衛星システムの非軍事的使用のための粗精度(C
/A)PRNコードは、1023ビットのPRNシーク
エンスからなる。そして、各衛星のための各シークエン
スは固有のものであり、全体としての衛星全地球位置決
め衛星通信システムを形成する衛星の集団の中の残りの
衛星のPRNコードとは、圧倒的に非相関である。衛星
の集団によって使われているこれらの非相関PRNコー
ドは、「ゴールド」コードとして知られている。このよ
うにして、GPS受信機のレプリカ・コードの位相が、
入って来た衛星体SVのSDMAコードの位相と一致す
る時、図3および図5に示した理想的なものと同様な最
大の相関が生じる。レプリカ・コードの位相が、入って
来た衛星体SVのPRN CDMAコードのいずれかの
側に1ビット(これはGPSの用語では1チップと呼ば
れる)以上ずれているとき、最小の相関となる。このこ
とはどのようなPRNコード相関においても真であり、
「Understanding GPS Principles and Applications」
の4.1.3節にもっと完全に論じられている。図示し
たPRNの相関コードの更に詳細な事項はhttp://www.u
texas.edu/depts/grg/gcraft/gps/gps-htmelで得られる
(とくに、C/Aコード割り当て、C/AコードPRN
のチップおよびそれらの相関アニメーション部分につい
て)。
【0019】さらに、GPS受信機は、衛星体搬送波を
レプリカすることにより検出し、そしてそれの位相とド
ップラ・シフトを検出しなければならない。それゆえ、
GPS信号の取得とトラッキング過程は、2次元(コー
ドと搬送波)の信号レプリカ過程である。GPS信号の
取得とトラッキングに関するさらに詳しいことは、前記
文献の第5章に見られる。
【0020】GPS衛星システムの搬送波周波数は、L
1(1575.42MHz)とL2(1227.6MH
z)と呼ばれる2つの周波数を使う。それらは、これら
の2つの搬送波周波数の少なくとも一つの符号分割多重
アクセス(CDMA)でコード化された、衛星距離測定
用コード(PRNコード)と航法データ(軌道要素、衛
星時間、および他のデータ)を有する。航法データは衛
星受信機にPRN送信の時点における衛星の位置を決定
するために必要な情報を与える。そしてこのデータは、
少なくとも一つの搬送波周波数の毎秒50ビットの変調
からなる。他方、距離測定用コードはPRNコードであ
り、これは、ユーザの衛星受信機が送信時刻を決定する
ことを可能にする。すなわち、衛星体SVから受信機ま
での信号の伝播時間を決定し、それにより、到達時間
(TOA)技術に基づいて、衛星体SVからユーザまで
の距離を決定する手段を提供する。
【0021】GPS受信機は、特定の衛星体SVの位相
を求める最初の捜索で、コードあるいは距離の次元での
相関捜索過程を行なう。すなわち、受信機と衛星体SV
の間の相対運動に起因する衛星体SVのPRNコードの
ドップラ効果により引き起こされた効果を補償するよう
に、受信機のレプリカ・コード発生器の名目上のチップ
周波数率を調整することにより、衛星体SVのコード状
態をトラッキングしようとし、そしてトラッキングす
る。つまり衛星体SVが受信機に近づくとき、見かけの
受信コードの周波数は増加し、他方、衛星体SVが衛星
受信機から遠ざかるときには、それのPRNコードの見
かけの周波数は減少する。
【0022】このように衛星受信機は、この衛星体SV
の搬送波の周波数に適合するように、衛星体SVの搬送
波信号のレプリカを作らねばならない。もし、最初の捜
索過程で、成功裡に衛星体SVコードと搬送波周波数の
レプリカを作ることにより、搬送波信号が成功裡に得ら
れると、その衛星受信機は、その衛星体SVのコードの
到達時刻を決定することができる。そして、それによ
り、コード送信の時刻における衛星の位置を決定する前
記の航法データを介して、衛星体SVの距離を決定でき
る。
【0023】従来は、衛星受信機で使用される相関装置
がかなり高価であったので、典型的には3個の相関器か
らなるただ一つの相関器バンクが使用されていた。この
ことは、順次に衛星測定をする必要を生じさせ、これは
航法における多くの不正確さの原因となった。
【0024】最近の廉価な携帯消費者用GPS受信機は
12個の相関器バンクを有し、これゆえ、同時にすべて
の視野内の衛星体SVをトラックすることができる。
【0025】図1は、受信信号の多重経路成分の影響を
最小にする本発明にかかわる技術を使う、相関器バンク
11と、GPS受信機のコード・トラッキング・ループ
8の他の要素を示す。その相関器バンクは、典型的には
2のチップの遅延範囲をカバーする相関器12を備え、
これゆえ、図2に示す相関関数の三角形は完全にカバー
される。図1は、GPS衛星受信機の搬送波トラッキン
グ・ループ9をも示している。
【0026】搬送波トラッキング・ループ9は、搬送波
位相検出器14と、搬送波ループ・フィルタ16と数値
制御発振器(NCO)18を内蔵している。搬送波位相
検出器は、一つの相関器12から入力信号を受け取る。
典型的には、最大相関点と関連している相関器12a
(即時相関器(P)と呼ばれる)から受け取る。
【0027】搬送波トラッキング・ループの目的は、ド
ップラ効果、すなわち、衛星体SVの受信機に近づいた
り受信機から遠ざかる運動による搬送波周波数の変化を
受信機において調整をすることである。
【0028】コード・トラッキング・ループ8は、特定
の衛星体SVで作られて入ってきたPRNコードをトラ
ッキング(追跡)する。各衛星体SVは特有のPRNコ
ードを作る。非軍事的使用においては、各PRNコード
は、1ミリ秒毎に作られる1023ビット(のチップ)
からなる。特定の衛星体SVの特定のPRNコードは特
有のもので、GPS衛星の集団を形成している他の衛星
体SVのための特定のPRNコードとは互いに最小の相
互相関を持つように選ばれており、これにより、受信さ
れた他の衛星体SVのPRNコードから最小の干渉で各
衛星体SVを検出することが容易になっている。この検
出を行なうために、衛星体SVからの受信PRNコード
と、レプリカ・コード発生器22で作られたレプリカコ
ードとの間で相関値が作られる。そのレプリカ・コード
発生器の信号は、遅延モジュール24によってある時間
だけ遅延させられる。その中には、多数の遅延出力信号
25を作るため多数の遅延モジュール24があり、それ
らの出力はそのレプリカ・コードの位相をずらしたもの
である。図1に示したシステムのためには、サンプリン
グの頻度は、チップ周波数fc43の2倍であり、それ
ゆえ、各遅延モードは1/2チップである。このように
して、相関器は、各遅延信号と入って来たPRNコード
との間の相関を有効に求める。そして、どの相関器が最
大の相関値を有するかが決定される。相関値は相関器出
力26として作られる。ここで注意するべき点は、相関
器の出力は相関の実部(I)と虚部(Q)の値に基づく
相関の振幅であることである。
【0029】これらの出力は、コード位相検出器28に
与えられ、コード位相検出器28は、これらの相関出力
信号を測定し、そしてそれらに伴う値に基づいて、コー
ド位相検出器出力信号30を作る。このコード位相検出
器出力信号により、最大相関値が即時(P)相関器12
aにおいて起こるように、レプリカ・コードの出力23
の発生を調節する。この調節は、コード・ループ・フィ
ルタ32と関連して行なわれる。コード・ループ・フィ
ルタの出力35は数値制御発振器34に結合されてお
り、数値制御発振器の出力信号37(fco)の周波数
を調節することにより、レプリカPRN信号の位相を調
節する。図1と図2に示されているように、遅延モジュ
ール24はシフト・レジスタ39を使用することにより
実現される。数値制御発振器NCO34によって作られ
た信号fnco41はシフト・レジスタにクロック信号を
送るために使われる。チップ頻度の2倍の頻度でサンプ
リングされるために、レプリカ・コードのサンプルは各
1/2チップ毎に保存される。
【0030】さらに図2に示されているように、各相関
器12は典型的には、乗算器45と、積分器/ダンプ・
モジュール47を備える。
【0031】図5は、理想的に受信されたPRNコード
についての、その受信コードと作られたレプリカ・コー
ドの間の当てはめがなされたときの、三角の形状の相関
出力を図示する。図1と図5から分かるように、入って
きた衛星からの受信信号15は最初にダウン・コンバー
タ13で周波数低減が行なわれ、つぎに、デジタル出力
19を作るようにデジタイザ17でデジタル信号に変換
される。このデジタル化された信号は、乗算器20によ
って、搬送波ループからの搬送波位相が調節された信号
21と乗算(ミックス)される。乗算器の出力が受信P
RNコード27であり、それは相関器バンク11の中の
各相関器12に同時に与えられる。
【0032】図5から分かるように、多重経路成分がな
い理想的な信号については、繰り返して受信される各P
RNコードについて、図示の相関三角形29ができる。
【0033】図1は、どのようにしてこの相関が決定さ
れるかを図示する。3個以上の相関器が使用できるとき
でも、相関の原理は3個の相関器に基づく。最後の相関
器は遅い(L)相関器、最後のつぎの相関器は即時
(P)相関器12a、最後から3番目の相関器は早い
(E)相関器と呼ばれる。コード位相検出器はE−L相
関値を測定する(E−Lコード位相検出器31を参照さ
れたい)。もし、E−Lがゼロでないと、数値制御発振
器NCO34は、E−L=0となる点までレプリカ・コ
ードの位相が調節される。典型的には、早い(E)相関
器は即時(P)相関器から1/2チップだけ位相がずら
され、遅い(L)相関器は反対方向に同じだけ位相がず
らされている。図5から分かるように、もし、レプリカ
・コードが受信PRNコードに対して僅かに位相がずれ
ていると(E’とL’、あるいはE”とL”を参照され
たい)、E−Lコード位相検出器は、この位相誤差を修
正するように数値制御発振器NCOを調節するために必
要とされる大きさと方向についての情報を得る。
【0034】多重経路がない理想的相関では、ゼロでな
いことが−1チップにおいて始まり、+1チップにおい
て終わることが、図5に示されていることに注意された
い。これゆえ、−1チップの相関器遅延(たとえばE2
相関器の値)は、E−L=0のときはゼロである。同様
に、−1チップ以上の相関器遅延(たとえば相関器E1
についての−1.5チップ)もまたゼロ相関値を持つ。
E2とE1並びにE,P,Lに関連する3個の相関器に
ついての、各遅延モジュール24の遅延値は0.5チッ
プである。図2に示すようにすべての遅延モジュール2
4の機能を達成するためにシフト・レジスタ39を使う
ことができる。もっと速いサンプリング頻度が望まれる
ならば、そのサンプリング頻度の増加に比例する相関器
の数が必要である。たとえば、10分の1のチップ間隔
が望まれるならば、20の相関器に関連する遅延のため
に使用するために20ビットのシフト・レジスタが使わ
れる。E1とE2の値のためには、シフト・レジスタに
ついては少なくとも2ビットを追加し、少なくとも2つ
の相関器を追加しなければならない。もしE2に比較し
てE1についての遅延の間隔が約0.5チップであれ
ば、シフト・レジスタのビット数は2以上となるであろ
う。
【0035】受信信号に一つ以上の多重経路成分がある
とき、図3〜図5に示した三角形の相関関数29は歪む
であろう。図4は、−6dBまたは0.5チップの遅延
多重経路を伴う複素相関器出力の理論的な歪みを示す。
実際の帯域制限の場合は、0遅延における「鋭い角」は
もっと丸くなる。図4と図6に、一つ以上の多重経路成
分の存在は決定される即時(P)相関器の位相をシフト
させることがあることを示している。このことがどのよ
うに起こるかは、図6を参照すれば分かる。図6から分
かるように、多重経路成分は相関三角形を多数の部分か
らなる形状29aに変える。そのとき、E−L検出器は
ゼロ出力を持つことができるが、それは即時(P)相関
器を最大相関(0チップ遅延)の時間の右側の正しくな
い位置に置く。
【0036】しかし、図6に見られるように、そのよう
な状況では、E2相関器の値は相関「三角形」を「登
り」、そしてE2−E1>0となっている。このE2−
E1の値は、レプリカ・コードの位相を左側に移動させ
るように(たとえば図6においては、このシフトは−
0.2チップであろう)、さらに数値制御発振器NCO
34を調節するために使われる。
【0037】図7に見られるように、多重経路成分は、
E2−E1の値をゼロに保ちながらタイミングを左側に
シフトさせることができる。そのような左側へのシフト
は、多重経路成分が直接経路信号に対してたとえば18
0度位相がずれていることの結果である。そのような多
重経路成分は成分41によって示されている。この成分
が直接経路成分43に加えられると、結果としての相関
関数は、点a、b、c、d、e、fによって決まる線で
ある。それゆえ、1/2チップのサンプリング頻度につ
いては、E*−L*検出器は左側に歪み、これにより即時
遅延点は、Pにおける真の最大相関点ではなく位置P*
に左側に歪まされる。この場合、E2−E1はゼロであ
る、その理由は、これらの遅延点もまた左側にずらされ
ているからである(E2*とE1*を見られたい)。
【0038】この状況を避けるために、コード位相検出
器28の中のE−L判別器31は、E−L検出器の出力
に定数C1を加えることによってタイミングの値を右側
に強制的にずらすように変更を受ける。このように、E
−L−C1=0となるまでタイミング評価が計算され
る。C1の値は、起こるであろう最大の左側へのシフト
と同じ程度に大きくする。定数C1の典型的な値は0.
15から0.3の範囲である。
【0039】たとえば、C1=0.25のとき、E−L
−0.25=0とする位置では、Pが真の最大相関
(P)の右側の点P’にシフトする結果をもたらす
(E’とL’と中点のP’を参照)。しかしその時、E
2’が相関曲線を「登って」いる。これゆえ、E2’−
E1’>0であり、E2−E1検出器は、E2−E1=
0になるまで左側に調節する。その結果、即時相関器を
点(P)の真の最大相関に移動させる。
【0040】さらに、PRNゴールド・コードは理想的
ではなく(つまりそのコードは実際にはある程度の相互
相関を有するものである)、そして、信号が有限に帯域
幅を持っていることは、図3、2B、3、4に見られる
ように、相関関数を滑らかにすることに注意する必要が
ある。低いレベルの受信信号も相関関数に影響する。結
果として、E2−E1は、システムの特性に基礎をおい
て決定される定数C2と比較される。三角形の相関関数
を滑らかにすることは、即時相遅延が最大相関の点にあ
る時のE2の実際の値をゼロ・レベルにしないことを引
き起こす。そしてE2は僅かに正になる。この三角形相
関関数を滑らかにすることは、GPS受信機のRF効率
と信号伝送のチャンネルの特性に依存する。さらに、P
RN「ゴールド」コードのいくつかは形状が正確に三角
形である自己相関関数をもたず、何らかの歪をもってい
る。よってC2の値は、衛星体SVが受信されるものに
基づいて調節されることができる。C2の典型的な値は
0から0.1である。
【0041】この変形例におけるコード位相検出器のシ
ークエンスはつぎの通りである: ・E−L=C1に基づいてタイミング評価を計算する。 ・もしE2−E1>C2なら、E2−E1−C2をタイ
ミング評価として使う。 ・図8はこの方法論を図示するフロー・チャートであ
る。
【0042】このようにして、多重経路成分からの影響
は最小限にされ、そして有限の帯域幅コードでそして低
い信号レベルであっても、これらの影響を最小限にする
ことができる。よって多重経路成分から影響を最小限に
するこの方法論は、GPS受信機の遅延の評価の精度を
顕著に改善するものである。レプリカ・コードの遅延の
評価をよりよく決定することにより、入ってきたPRN
コードとのよりよいタイミングの当てはめが達成でき
る。入ってきたGPS PRNコードは(それが衛星体
SVにおける安定なシステム・クロックで作られたもの
であるという事実に基づいて)TOAを決定するために
使われるので、遅延をよりよく評価することはよりよい
TOAを作り出し、それゆえ、その衛星体SVのよりよ
い位置決め距離をもたらし、そして最終的に、多数の衛
星体SVを用いて伝統的GPS位置決め方法論で決定さ
れるよりよい位置決め精度が得られる。
【0043】本発明の好ましい実施例では、タイミング
評価の目的の主検出器として伝統的なE−L検出器を用
い、さらにE2−E1の値を用いたが、E−L検出器と
同等の他の検出器を用いることもできる。
【0044】多重経路成分を補償するためのこの一般的
方法論は、実現することが容易な方法論であり、多重経
路を良好に拒絶する。この方法論を実施するために必要
な回路は、周知のものであり、そして追加の変数(E
1,E2)を使い、コード位相検出器はこれを多重経路
成分が存在するか否かを決定するために使い、もし存在
すると、レプリカ・コード発生器のためのタイミング評
価をいかによりよく決定するかを決定するために使う。
【0045】前に述べた目的は有効に達成され、そして
前記の方法を実行する際および述べた構造におけるある
程度の変更は本発明の技術的範囲を逸脱することなく行
なうことができることは、当業者にとっては明らかであ
る。これまでの記載および添付図面に示したことは、単
に図示しただけであって、本発明がこれに限られるもの
ではないと解釈されるべきであると意図されている。
【0046】特許請求の範囲の記載事項は、ここに記載
した発明の基本的な特徴と特定の特徴のすべてと、言葉
の問題としてそれらの間に述べられているものと理解さ
れるべき本発明の技術的範囲についてのすべての言明を
カバーすることを意図するものである。
【0047】
【発明の効果】本発明によれば、受信したPRN CD
MAコードに関する精密なタイミングを保持するよう
に、GPSの多重経路による擾乱の効果を最小にするこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明にかかわる、GPSコードと搬送波のト
ラッキング・ループの全体的なブロック・ダイアグラム
である。
【図2】図1に示した遅延モジュールの機能を実行する
シフト・レジスタの使用を示すブロック・ダイアグラム
である。
【図3】繰り返しPRNコードとレプリカPRNコード
の理想的相関を示すダイアグラムである。
【図4】受信PRNコードとレプリカPRNコードの相
関関数を示すダイアグラムであって、PRNコードを含
む受信信号は、0.5チップの遅延で−6dBの多重経
路成分を有している。
【図5】図3と同様の理想的相関関数であるが、多重経
路成分の効果を最小にするために使われる2つの変数E
1とE2を示す図である。
【図6】変数E1とE2の位置、および、受信信号の中
の多重経路成分による即時相関Pの移動を示している、
図5と同様のダイアグラムである。
【図7】180度位相がずれた多重経路成分が、どのよ
うに相関三角形を左に歪ませるを示している、図6と同
様なダイアグラムである。
【図8】本発明における相関方法論のフロー・チャート
である。

Claims (24)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 Mを正の整数とするとき、コードの長さ
    がMのチップである繰り返し疑似ランダム・ノイズPR
    Nによって変調されている搬送波からなる直接経路信号
    に伴う多重経路成分の影響を減少させる方法において、
    つぎのステップを備えることを特徴とする方法: ・疑似ランダム・ノイズコードであるPRNコードを得
    るために受信信号を復調するステップと、 ・受信した信号のPRNコードに対応するレプリカ・コ
    ードを作るステップと、 ・作られたレプリカ・コードを、互いの遅延間隔が等し
    い、少なくとも第1と第2と第3の異なる遅延時間で遅
    延させ、ここにおいて各遅延間隔は1チップ以下である
    ステップと、 ・さらに、第2の遅延時間から1チップに等しい第4の
    遅延時間でそのレプリカ・コードを遅延させ、そして第
    2の遅延時間から1チップ以上の第5の遅延時間でその
    レプリカ・コードを遅延させるステップと、 ・各遅延されたレプリカ・コードについて相関値を作る
    ように、各遅延されたレプリカ・コードと復調されたP
    RNコードとの相関を求めるステップと、 ・第1と第3の遅延時間相関値が互いにほぼ等しく、そ
    してそれがあらかじめ設定された値より大きくなるま
    で、レプリカ・コード発生器の開始時間を調整するステ
    ップと、 ・第4と第5の遅延時間の相関値が互いにほぼ等しいか
    どうかを決定し、そしてその第4と第5の相関値が互い
    にほぼ等しくなかったとき、第4と第5の相関値が互い
    にほぼ等しくなるように前記レプリカ・コード発生器を
    調節するステップと、 ・第2の遅延時間をPRNコードの開始点と判断するス
    テップ。
  2. 【請求項2】 前記第1の遅延時間相関値は遅いL相関
    値と呼ばれ、前記第2の遅延時間相関値は即時P相関値
    と呼ばれ、前記第3の遅延時間相関値は早いE相関値と
    呼ばれ、前記第4の遅延時間相関値はE2相関値と呼ば
    れ、前記第5の遅延時間相関値はE1相関値と呼ばれ、
    そして、前記レプリカ・コード発生器は開始時間の調整
    ステップが、C1が定数であって、E−L−C1が所定
    の値になるまでレプリカ・コード発生器の開始時間を調
    節するステップを含み、さらに、第4と第5の遅延時間
    の相関値がほぼ等しいか否かを決定するステップが、C
    2が定数であって、E2−E1>C2であるか否かを決
    定することにより行なわれ、もしE2−E1>C2であ
    れば、E2−E1−C2が所定の値に等しくなるまで、
    レプリカ・コード発生器の開始時間を調節する請求項1
    記載の多重経路成分の影響を減少させる方法。
  3. 【請求項3】 前記定数C1の値が0.15から0.3
    の範囲である請求項2記載の多重経路成分の影響を減少
    させる方法。
  4. 【請求項4】 前記定数C2の値が0から0.1の範囲
    である請求項3記載の多重経路成分の影響を減少させる
    方法。
  5. 【請求項5】 前記E1遅延時間が第2の遅延時間から
    近似的に−1.5のチップの遅延である請求項4記載の
    多重経路成分の影響を減少させる方法。
  6. 【請求項6】 Mを正の整数とするとき、コードの長さ
    がMのチップである繰り返し疑似ランダム・ノイズPR
    Nによって変調されている搬送波からなる直接経路信号
    に伴う多重経路成分の影響を減少させるシステムにおい
    て: A)受信した信号から疑似ランダム・ノイズコードであ
    るPRNコードを抽出する手段と、 B)受信した信号のPRNコードに対応するレプリカ・
    コードを繰り返して作るレプリカ・コード発生器と、 C)レプリカ・PRNコードを作るためのレプリカ・コ
    ード発生器の開始時間と周波数を調整するための数値制
    御発振器NCOと、 D)レプリカ・コード発生器に引き続く複数の遅延モジ
    ュールであって、作られたレプリカ・コードを少なくと
    も第1と第2と第3の異なる遅延時間でさせ、それらの
    遅延時間の間隔は互いに等しく、そのレプリカ・コード
    を第2の遅延時間から1チップの第4の遅延時間で遅延
    させ、さらに、そのレプリカコードを第2の遅延時間か
    ら1チップ以上の第5の遅延時間で遅延させる遅延モジ
    ュールと、 E)それぞれ異なる遅延モジュールの出力からレプリカ
    ・コードを受け取り、そして受信信号からPRNコード
    を受け取り、それぞれ相関値を発生させる複数の相関器
    と、 F)調節信号を作るために前記複数の相関器の出力を受
    け取るコード位相検出器と、 G)前記コード位相検出器から調節信号を受け取り、そ
    の調節信号を濾波し、その濾波された信号を数値制御発
    振器NCOに与える手段とを備え、前記コード位相検出
    器によって作られた調節信号が、前記第1と第3の遅延
    時間相関値が互いにほぼ等しく、そして所定の値より大
    きくなるまで、前記レプリカ・コード発生器の開始時間
    を調節することを引き起こし、前記コード位相検出器が
    前記第4と第5の遅延時間の相関値が互いにほぼ等しい
    か否かを決定する手段を有し、もし前記第4と第5の相
    関値が互いにほぼ等しくなければ、前記第4と第5の相
    関値が互いにほぼ等しくなるように、前記調節信号が前
    記レプリカ・コード発生器を調節することを引き起こ
    し、前記調節の後の第2の遅延時間を受信PRNコード
    の開始点と判断することを特徴とする、多重経路成分の
    影響を減少させるシステム。
  7. 【請求項7】 前記第1の遅延時間相関値は遅いL相関
    値と呼ばれ、前記第2の遅延時間相関値は即時P相関値
    と呼ばれ、前記第3の遅延時間相関値は早いE相関値と
    呼ばれ、前記第4の遅延時間相関値はE2相関値と呼ば
    れ、前記第5の遅延時間相関値はE1相関値と呼ばれ、
    前記コード位相検出器によって作られた調節信号が、C
    1が定数であって、E−L−C1が所定の値になるまで
    レプリカ・コード発生器の開始時間を調節する調節信号
    を作る手段を含み、前記コード位相検出器が、第4と第
    5の遅延時間の相関値が互いにほぼ等しいか否かを決定
    し、前記第4と第5の遅延時間の相関値がほぼ等しくな
    るようにするための調節信号の発生を、C2が定数であ
    って、E2−E1>C2であるか否かを決定する手段を
    有する前記コード位相検出器が実行し、もしE2−E1
    >C2であれば、E2−E1−C2が所定の値に等しく
    なるまで、レプリカ・コード発生器を調節する調節信号
    をさらに作る請求項6記載の多重経路成分の影響を減少
    させるシステム。
  8. 【請求項8】 前記定数C1の値が0.15から0.3
    の範囲である請求項7記載の多重経路成分の影響を減少
    させるシステム。
  9. 【請求項9】 前記定数C2の値が0から0.1の範囲
    である請求項8記載の多重経路成分の影響を減少させる
    システム。
  10. 【請求項10】 前記E1遅延時間が第2の遅延時間か
    ら近似的に−1.5のチップの遅延である請求項9記載
    の多重経路成分の影響を減少させるシステム。
  11. 【請求項11】 全受信信号を形成する直接経路信号に
    伴う多重経路成分の影響を減少させる装置であって、M
    を正の整数とするとき、各成分と直接経路信号が、コー
    ドの長さがMのチップである繰り返し疑似ランダム・ノ
    イズPRNによって変調されている、直接経路信号に伴
    う多重経路成分の影響を減少させる装置において: A)受信した信号の疑似ランダム・ノイズコードである
    PRNコードに対応するレプリカ・コードを繰り返して
    発生するレプリカ・コード発生器と、 B)レプリカ・コードを作るためのレプリカ・コード発
    生器の開始時間と周波数を調整するための数値制御発振
    器NCOと、 C)前記レプリカ・コードを、隣接遅延レプリカ・コー
    ドの間が同じ遅延間隔である複数の時間で遅延させる手
    段と、 D)各遅延レプリカ・コードとすべての受信信号との相
    関を得る手段と、 E)調節信号を作るために前記相関手段の出力を受け取
    り、そしてその調節信号を数値制御発振器NCOにレプ
    リカ・コード発生器の開始時間を調節するように与える
    コード位相検出器とを備え、前記コード位相検出器によ
    って作られた調節信号は、2つの時間の相関値が第1の
    所定値とほぼ等しくなるまで、他の2つの遅延時間の相
    関値の差が第2の所定値より小さいことを条件として、
    前記レプリカ・コード発生器の開始時間を調節し、もし
    他の2つの時間の相関値の差が前記第2の所定値より大
    きければ、前記他の2つの遅延時間の相関値の差が前記
    第2の所定値より小さくなるまで、レプリカ・コード発
    生器開始時間を調節することを引き起こすことを特徴と
    する、全受信信号を形成する直接経路信号に伴う多重経
    路成分の影響を減少させる装置。
  12. 【請求項12】 前記レプリカ・コードを複数の時間で
    遅延させる手段が少なくとも5つの時間でレプリカ・コ
    ードを遅延させ、前記第1の遅延時間相関値は遅いL相
    関値と呼ばれ、前記第2の遅延時間相関値は即時P相関
    値と呼ばれ、前記第3の遅延時間相関値は早いE相関値
    と呼ばれ、前記第4の遅延時間相関値はE2相関値と呼
    ばれ、前記第5の遅延時間相関値はE1相関値と呼ば
    れ、前記コード位相検出器によって作られた調節信号
    が、C1が定数であって、E−L−C1が所定の値にな
    るまでレプリカ・コード発生器の開始時間を調節する調
    節信号を作る手段を含み、前記コード位相検出器が、第
    4と第5の遅延時間の相関値が互いにほぼ等しいか否か
    を決定し、前記第4と第5の遅延時間の相関値がほぼ等
    しくなるようにするための調節信号の発生を、C2が定
    数であって、E2−E1>C2であるか否かを決定する
    手段を有する前記コード位相検出器が実行し、もしE2
    −E1>C2であれば、E2−E1−C2が所定の値に
    等しくなるまで、レプリカ・コード発生器を調節する調
    節信号をさらに作る請求項11記載の全受信信号を形成
    する直接経路信号に伴う多重経路成分の影響を減少させ
    る装置。
  13. 【請求項13】 前記定数C1の値が0.15から0.
    3の範囲である請求項12記載の多重経路成分の影響を
    減少させるシステム。
  14. 【請求項14】 前記定数C2の値が0から0.1の範
    囲である請求項13記載の多重経路成分の影響を減少さ
    せるシステム。
  15. 【請求項15】 前記定数C2の値が0から0.1の範
    囲である請求項12記載の多重経路成分の影響を減少さ
    せるシステム。
  16. 【請求項16】 前記レプリカ・コードを複数の時間で
    遅延させる手段が、レプリカ・コードをN回遅延させ、
    fcをPRNコードのチップ周波数とするとき、隣接す
    る遅延レプリカ・コードの間の遅延の長さが1/2・fcで
    ある請求項12記載の全受信信号を形成する直接経路信
    号に伴う多重経路成分の影響を減少させる装置。
  17. 【請求項17】 前記レプリカ・コードを複数の時間で
    遅延させる手段が、レプリカ・コードをN回遅延させ、
    fcをPRNコードのチップ周波数とするとき、隣接す
    る遅延レプリカ・コードの間の遅延の長さが1/2・fcで
    ある請求項11記載の全受信信号を形成する直接経路信
    号に伴う多重経路成分の影響を減少させる装置。
  18. 【請求項18】 全受信信号を形成する直接経路信号に
    伴う多重経路成分の影響を減少させる方法であって、M
    を正の整数とするとき、コードの長さがMのチップであ
    る繰り返し疑似ランダム・ノイズPRNによって各成分
    と直接経路信号が変調されている、直接経路信号に伴う
    多重経路成分の影響を減少させる方法において、 ・受信した信号の疑似ランダム・ノイズコードであるP
    RNコードに対応するレプリカ・コードを繰り返して作
    るステップと、 ・レプリカPRNコードを作るために、そのレプリカ・
    コードの開始時間と周波数を調節するステップと、 ・その作られたレプリカ・コードを、隣接する遅延レプ
    リカ・コードの間で同じ遅延距離を有する複数の時間で
    遅延させるステップと、 ・各遅延されたレプリカ・コードと全受信信号との相関
    を求めるステップと、 ・前記レプリカ・コードの開始時間を調節する調節信号
    を作るように相関ステップの出力を受け取るステップと
    を備え、前記調節信号は、2つの時間の相関値が第1の
    所定値とほぼ等しくなるまで、他の2つの遅延時間の相
    関値の差が第2の所定値より小さいことを条件として、
    前記レプリカ・コード発生器の開始時間を調節し、もし
    他の2つの時間の相関値の差が前記第2の所定値より大
    きければ、前記他の2つ遅延の時間の相関値の差が前記
    第2の所定値より小さくなるまで、レプリカ・コード発
    生器開始時間を調節することを引き起こすことを特徴と
    する、全受信信号を形成する直接経路信号に伴う多重経
    路成分の影響を減少させる方法。
  19. 【請求項19】 前記レプリカ・コードを複数の時間で
    遅延させるとき少なくとも5つの時間でレプリカ・コー
    ドを遅延させ、前記第1の遅延時間相関値は遅いL相関
    値と呼ばれ、前記第2の遅延時間相関値は即時P相関値
    と呼ばれ、前記第3の遅延時間相関値は早いE相関値と
    呼ばれ、前記第4の遅延時間相関値はE2相関値と呼ば
    れ、前記第5の遅延時間相関値はE1相関値と呼ばれ、
    前記調節信号が、C1が定数であって、E−L−C1が
    所定の値になるまでレプリカ・コード発生器の開始時間
    を調節し、C2が定数であって、E2−E1>C2であ
    るか否かを決定し、もしE2−E1>C2であれば、E
    2−E1−C2が所定の値に等しくなるまで、レプリカ
    ・コード発生器を調節する調節信号をさらに作る請求項
    18記載の全受信信号を形成する直接経路信号に伴う多
    重経路成分の影響を減少させる方法。
  20. 【請求項20】 前記定数C1の値が0.15から0.
    3の範囲である請求項19記載の多重経路成分の影響を
    減少させる方法。
  21. 【請求項21】 前記定数C2の値が0から0.1の範
    囲である請求項20記載の多重経路成分の影響を減少さ
    せる方法。
  22. 【請求項22】 前記定数C2の値が0から0.1の範
    囲である請求項19記載の多重経路成分の影響を減少さ
    せる方法。
  23. 【請求項23】 前記レプリカ・コードを複数の時間で
    遅延させるステップが、レプリカ・コードをN回遅延さ
    せ、fcをPRNコードのチップ周波数とするとき、隣
    接する遅延レプリカ・コードの間の遅延の長さが1/2・
    fcである請求項19記載の全受信信号を形成する直接経
    路信号に伴う多重経路成分の影響を減少させる方法。
  24. 【請求項24】 前記レプリカ・コードを複数の時間で
    遅延させる手段が、レプリカ・コードをN回遅延させ、
    そして、fcをPRNコードのチップ周波数とすると
    き、隣接する遅延レプリカ・コードの間の遅延の長さが
    1/2・fcである請求項18記載の全受信信号を形成する
    直接経路信号に伴う多重経路成分の影響を減少させる方
    法。
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