JP2002006022A - 測位用受信機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 受信機を間欠動作させる際、スリープからの
復帰直後に正確な測位用時系の時刻（ＧＰＳ時刻）およ
び正確なローカルの現在時刻が求まるようにし、また短
時間のうちに正確な測位結果を得られるようにした、測
位用受信機を得る。 【解決手段】 スリープ中にも、例えば１ｍｓ単位でカ
ウントするフリーランカウンタの動作を継続させ、スリ
ープからの復帰時に、ＲＴＣ４から仮のＧＰＳ時刻を求
め、この仮のＧＰＳ時刻から週番号および週内時刻を求
め、一方、復帰直後のフリーランカウンタの値から求め
た時刻カウンタの値、サブフレームの先頭位置を示す時
刻エポック、ＲＴＣより求めた週番号および週内時刻か
らフリーランカウンタのカウント精度に等しい精度でＧ
ＰＳ時刻を求める。

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、複数の測位用衛
星から送信される電波を受信して、受信点の測位を行な
う測位用受信機に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、ＧＰＳにおいては、複数の測位用
衛星から送信されている電波を受信して、その電波に重
畳されている擬似雑音符号の周期・位相、航法メッセー
ジの主フレームおよびサブフレームの周期、航法メッセ
ージの内容などによって、測位用時系の時刻、各衛星の
位置、および衛星から受信点までの擬似距離を求め、各
衛星の位置と擬似距離とから受信点の位置を求めるよう
にしている。

【０００３】このようなＧＰＳ受信機は、一般には使用
中常に電源をオンしたまま測位を継続するものである
が、例えば小容量の電池を電源とする携帯用の測位装置
などにおいては、その稼動時間を長くするために、測位
を行なうべき時にのみ電源を投入し、測位結果が得られ
た後は電源を遮断する、といった間欠的な使用もなされ
ている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上述のよう
に、受信機を間欠的に動作させると、受信点の現在位置
の情報が必要な時点で、それが直ちに得られない、とい
った問題が生じる。すなわち、受信機の電源が遮断され
ている状態（以下「スリープ状態」という。また、その
時間を「スリープ時間」という。）では、当然、衛星の
追尾は行なえず、電源が投入された時点で衛星の追尾が
開始されるが、例えばＧＰＳにおいてＧＰＳ時刻が正確
に求まっていなければ測位結果を得ることはできない。

【０００５】ＧＰＳ時刻は１秒刻みで歩進するものであ
るため、受信機の電源がオフされている状態でも、動作
しているリアルタイムクロック（以下ＲＴＣという。）
の内容に基づいて、電源が投入された時点で、ＲＴＣか
らＧＰＳ時刻を逆算することが考えられる。現在時刻が
ある程度正確に求まっていて、各衛星の軌道情報（アル
マナック）が十分に新しくて使用可能な場合には、必要
な衛星からの信号をサーチし追尾開始までに要する時間
の短縮化に有効である。

【０００６】しかし、ＲＴＣはＧＰＳ時刻とは独立して
受信機側で単独でカウントしているため、その精度の問
題から、スリープ時間が長くなると、ＲＴＣより逆算し
たＧＰＳ時刻と、航法メッセージの内容および観測によ
り求めた実際のＧＰＳ時刻との間に誤差が生じる場合が
ある。このように誤差を伴うＧＰＳ時刻に基づいて測位
を行えば、測位誤差が生じてしまう。また、このような
誤差が生じると、実際のＧＰＳ時刻から求めたローカル
時刻と、上記ＲＴＣによる時刻とがずれてしまう。ＧＰ
Ｓ時刻から求めたローカル時刻をＲＴＣにセットするこ
とによって、ＲＴＣの時刻カウントを校正するようにし
たものでは、上記のずれは、ＲＴＣの歩進が一旦戻った
り、その歩進が不連続的になる、という現象となって現
れる。

【０００７】衛星からの電波に含まれている航法メッセ
ージを構成する１フレーム内のサブフレームの先頭タイ
ミングと、航法メッセージの内容とからＧＰＳ時刻を求
めるので、６秒毎の上記サブフレームの先頭位置が抽出
できるまで、すなわち受信を開始してから６秒以上経過
しなければ、正確なＧＰＳ時刻を求めることができな
い。結局、受信機の電源を投入してから測位結果が得ら
れるまで最短でも６秒かかってしまう。実際には、受信
機内の各部の初期化処理も必要であるため１０秒以上の
時間がかかってしまう。

【０００８】上述した事情から、受信機を間欠動作させ
ると、復帰直後の時刻出力に矛盾が生じたり、正確な測
位結果が得られない、という問題が生じる。また、スリ
ープから復帰した後、測位結果が求まるまでの時間以上
継続して電源オンの状態を維持しなければならず、間欠
動作に伴う電力消費の削減効果が小さい、という問題が
生じる。

【０００９】この発明の目的は、受信機を間欠動作させ
る際、スリープからの復帰直後に正確な測位用時系の時
刻（ＧＰＳ時刻）および正確なローカルの現在時刻が求
まるようにし、また短時間のうちに正確な測位結果を得
られるようにした、測位用受信機を提供することにあ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この発明は、現在時刻を
カウントするリアルタイムクロック回路（ＲＴＣ）と、
基準周波数信号をカウントするフリーランカウンタと、
該フリーランカウンタに同期して単位時間をカウントす
る時刻カウンタ（timer6000)と、測位系時刻（ＧＰＳ時
刻）に同期した周期信号（サブフレーム）の先頭位置に
おける時刻カウンタの値を時刻エポックとして記憶する
手段とを備えた測位用受信機において、前記フリーラン
カウンタを動作させたまま、受信部および演算処理部
を、設定されたスリープ時間だけ動作を停止させ、スリ
ープ時間終了後に復帰させる動作を繰り返す、間欠動作
制御手段と、復帰時にリアルタイムクロック回路の現在
時刻より仮の測位用時系の時刻を求め、当該仮の測位用
時系の時刻から測位用時系の周期信号を求める手段と、
復帰直後の前記フリーランカウンタの値から当該フリー
ランカウンタに同期した前記時刻カウンタの値を求め、
当該時刻カウンタ、前記時刻エポック、および前記現在
時刻より求めた測位用時系の周期信号から測位用時系の
時刻を求める手段とを備える。

【００１１】上記測位用時系の時刻（ＧＰＳ時刻）が求
まった時の周期信号（サブフレーム）の先頭位置におけ
る時刻カウンタ（timer6000)の値を時刻エポック（epoc
h)とすると、それ以降の測位用時系の時刻（ＧＰＳ時
刻）の例えば６秒周期のカウンタgps6sec は、次式で表
される。

【００１２】〔数１〕 gps6sec ＝INT((timer6000-epoch)/1000) …(1) この時刻カウンタ（timer6000)と時刻エポックから求め
る、ＧＰＳ時刻の６秒周期のカウント値gps6sec は、上
記フリーランカウンタのカウント周期（例えば１ｍｓ）
の精度で正しく求められる。したがって、スリープ復帰
直後のフリーランカウンタの値から時刻カウンタ（time
r6000)の値を求め、その時刻カウンタ、上記時刻エポッ
ク（epoch)、上記リアルタイムクロック回路から求めた
測位用時系の周期信号から、フリーランカウンタのカウ
ント精度を持った測位用時系の時刻（ＧＰＳ時刻）を求
めることができる。これにより、スリープ復帰直後から
秒単位の時刻情報を矛盾することなく出力できる。ま
た、所望の衛星からの信号を直ちに追尾でき、それらの
衛星から受信点までの擬似距離によって受信点の測位結
果を直ちに求めることができる。

【００１３】また、この発明は、基準周波数信号をカウ
ントするフリーランカウンタと、該フリーランカウンタ
に同期して単位時間をカウントする時刻カウンタ（time
r6000)とを備えた測位用受信機において、前記フリーラ
ンカウンタを動作させたまま、受信部および演算処理部
を、設定されたスリープ時間だけ動作を停止させ、スリ
ープ時間終了後に復帰させる動作を繰り返す、間欠動作
制御手段と、動作時に、測位用時系の時刻と前記フリー
ランカウンタの値とのオフセットを求める手段と、復帰
時にフリーランカウンタの値を読み出し、前記オフセッ
トを加算することによって測位用時系の時刻を求める手
段を備える。

【００１４】上記オフセットは、フリーランカウンタの
カウント精度（例えば１ｍｓ）の精度で求められ、復帰
時にフリーランカウンタの値に上記オフセットを加算す
ることによって測位用時系の時刻（ＧＰＳ時刻）をフリ
ーランカウンタのカウント精度で求めることができる。
したがって、この場合もスリープからの復帰直後に高精
度な測位用時系の時刻（ＧＰＳ時刻）を求めて、スリー
プ復帰直後から秒単位の時刻情報を矛盾することなく出
力できる。また、所望の衛星からの信号を直ちに追尾で
き、それらの衛星から受信点までの擬似距離によって受
信点の測位結果を直ちに求めることができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】第１の実施形態に係るＧＰＳ受信
機の構造を図１〜図６を参照して説明する。図１はＧＰ
Ｓ受信機の構成を示すブロック図である。受信部２はＧ
ＰＳアンテナ１が受けた信号を中間周波信号に変換す
る。ＡＳＩＣ３は受信信号処理部とフリーランカウンタ
を含み、受信信号処理部は、上記中間周波信号を信号処
理してＣ／Ａコード位相およびキャリア位相を検出する
ための情報を生成する。またフリーランカウンタは、受
信部２に含まれる基準発振器から発生される基準クロッ
ク信号を１ｍｓ単位でカウントするカウンタである。Ｒ
ＴＣ４は現在の暦および時刻をカウントするリアルタイ
ムクロック回路である。ＭＰＵ５は上記Ｃ／Ａコード位
相およびキャリア位相を検出するための情報を受信信号
処理部から読み取り、Ｃ／Ａコード位相およびキャリア
位相の検出を行なうとともにその追尾を行うように、受
信信号処理部で発生させるＣ／Ａコードの位相、キャリ
アの周波数および位相を制御する。また、ＭＰＵ５は、
航法メッセージの解読、サブフレームの先頭タイミング
の検出を行い、ＧＰＳ時刻を求め、測位演算を行なう。
更に、ローカル時刻を求め、これと測位結果をシリアル
ポートＳＩＯを介して外部へ出力する。

【００１６】図２〜図５は上記ＭＰＵ５の各処理内容を
示すフローチャートである。以降で述べる各変数と、そ
の意味は次のとおりである。

【００１７】 ─────────────────────────────────── 変数 意味 値の範囲 ─────────────────────────────────── １ｍｓカウンタ cnt1ms １ｍｓ毎にカウントするフリーラン 0〜ビット数 カウンタ に応じた値 ─────────────────────────────────── 時刻カウンタ timer6000 １ｍｓカウンタに同期して１ｍｓ毎 0〜 5999 にカウントアップするカウンタ ─────────────────────────────────── 時刻エポック epoch サブフレーム先頭位置時刻における 0〜 5999 timer6000 の値 ─────────────────────────────────── 150秒カウンタ cnt150s 1 msカウンタの差分を足しこんで 0〜149,999 150秒をカウントするカウンタ ─────────────────────────────────── ＧＰＳ時刻 gpstime 1980.1.6(00:00:00 UTC)からの秒数 ─────────────────────────────────── 現在時刻 ＲＴＣ リアルタイムクロック 年月日時分秒 ─────────────────────────────────── 週番号 weekno 1980.1.6からの週番号 ─────────────────────────────────── 週内時刻 weektime 週内時刻（秒数） 0 〜604,799 ─────────────────────────────────── Ｚカウント zcnt ６秒毎の週内時刻 0 〜100,799 ─────────────────────────────────── gps6sec gpstime の６秒カウント値 0 〜5 ─────────────────────────────────── 以降に示す処理でのデータの流れを図６に示す。各フロ
ーチャートの説明と合わせて、この図６を参照された
い。

【００１８】図１に示したＭＰＵ５は、フリーランカウ
ンタから与えられる１ｍｓ毎の割込処理で図２に示す処
理を実行する。まず、１ｍｓ単位でカウントするフリー
ランカウンタ（以下「１ｍｓカウンタ」という。）の値
を読み取る（ｎ１１）。続いて、前回読み取った１ｍｓ
カウンタの値と今回の値との差を求める。読み取った１
ｍｓカウンタの値をcnt1msとし、前回値をmseccnt とす
れば、その差は dmsec ＝cnt1ms−mseccnt として求める（ｎ１２）。ただし、１ｍｓカウンタは所
定ビット数のバイナリカウンタであるため、フルカウン
トの次にはオール０の値をとり、それを繰り返す。した
がって、前回値との差が負の値となれば、上記フルカウ
ントの値を加算して、必ず前回から正のカウントアップ
の量を求めるようにする。

【００１９】次に、今回読み取った１ｍｓカウンタの値
を、次回の差分を求めるために退避する（ｎ１３）。続
いて、１ｍｓの単位で１５０秒をカウントするカウンタ
（１５０秒カウンタ）の値を求める。すなわち前回の１
５０秒カウンタの値に、今回求めた１ｍｓカウンタの差
分dmsec を加算し、これを１５００００で割った余りを
求める。その後、１５０秒カウンタの値を６０００で割
った余りをtimer6000として求める。timer6000 は１ｍ
ｓカウンタに同期して１ｍｓ毎にカウントアップする、
０〜５９９９の値をとるカウンタである。

【００２０】このようにフリーランカウンタの変化を、
そのフリーランカウンタからの１ｍｓ毎の割込処理で検
出し、結果的に１ｍｓ毎に時刻カウンタtimer6000 を１
インクリメントすることにより、そのカウントをフリー
ランカウンタに同期させる。

【００２１】図３は１秒周期で行なわれる処理である。
まずＣ／Ａコードの追尾および航法メッセージの解読に
より求めた、６秒周期のサブフレームの先頭位置での前
記timer6000 の値を時刻エポックepoch として求める
（ｎ２１）。そして、timer6000 の値とこの時刻エポッ
クとの差を秒単位に換算したgps6sec を求める（ｎ２
２）。さらに航法メッセージの抽出とともに求めた６秒
毎の週内時刻（以下「Ｚカウント」という。）zcntの値
とから秒単位の週内時刻weektimeを求める。そして、こ
のweektimeと基準日（1980.1.6）からの週番号weeknoと
に基づいてＧＰＳ時刻gpstime を求める（ｎ２３）。

【００２２】その後、各衛星から受信点までの擬似距離
と各衛星の位置とから、測位演算によって受信点の位置
を求める（ｎ２４）。また、ＧＰＳ時刻gpstime からロ
ーカル時刻を求め、それをリアルタイムクロック回路Ｒ
ＴＣに設定することにより、ＲＴＣを校正する（ｎ２
５）。

【００２３】間欠動作モードでなければそのまま処理を
終了するが、間欠動作モードに設定されている時は、Ｒ
ＴＣに、次回に復帰すべき時刻設定し、図１に示したフ
リーランカウンタが動作するに要する回路以外の、受信
部とＡＳＩＣの電源をオフする（ｎ２７→ｎ２８）。こ
れにより、受信部２内の基準信号発振器の動作およびＡ
ＳＩＣ内のフリーランカウンタのカウント動作は継続さ
せる。すなわち、図１の破線内の回路は継続動作させ
る。

【００２４】上記ＲＴＣに設定された復帰時刻となれ
ば、ＲＴＣ４はＭＰＵ５に対して割込信号を与える。図
４はこの割込処理の手順を示すフローチャートである。
まず１ｍｓカウンタを読み取り、timer6000 の値を作成
する。この処理は図２に示した１ｍｓ毎の割込処理の内
容と同じである（ｎ３１）。次に、ＲＴＣより現在時刻
を読み取り、それを基に仮のＧＰＳ時刻gpstime'を求め
る（ｎ３２）。続いて、この仮のＧＰＳ時刻gpstime'か
ら週番号weekno' 、週内時刻weektime' 、およびＺカウ
ントzcnt' を求める（ｎ３３）。なお、図中の% は剰余
演算子である。続いて、スリープに入る前に求めていた
時刻エポックepoch と、今回の復帰時に求めたtimer600
0 の値とからgps6sec を求める（ｎ３４）。ただし、こ
のtimer6000 のカウント値もフルカウント５９９９の次
は０に戻るため、gps6sec が負の値となる時には６を加
算して、gpstime の６秒カウント値を求める。

【００２５】上記ＲＴＣは、ＧＰＳ時刻との間で±１秒
のずれが生じている可能性がある。この±１秒のずれが
生じているとき、ＲＴＣより求めた週番号weekno' およ
びＺカウントzcnt' が誤っている可能性がある。このこ
とは後述するように、ＲＴＣから求めたgps6sec とステ
ップｎ３４で求めたgps6sec との差に５秒→０秒または
０秒→５秒のまたぎが生じる場合である。このまたぎが
生じた時には、上記Ｚカウントzcntおよび週番号weekno
の補正を行なう（ｎ３５）。

【００２６】このようにして求めたzcntとgps6sec から
週内時刻weektimeを求め、週番号weeknoと週内時刻week
timeとからＧＰＳ時刻gpstime を求める（ｎ３６）。

【００２７】１ｍｓ周期でカウントするフリーランカウ
ンタの精度は基準発振器の周波数精度で定まるが、フリ
ーランカウンタのカウント値がスリープ時間で１ｍｓ以
上ずれないように、最長のスリープ時間を定める。例え
ばスリープ時間は６０秒とする。これにより、ステップ
ｎ３６で結果的に求めたＧＰＳ時刻が１ｍｓ精度を有す
るようにする。

【００２８】図５は上記ステップｎ３５における処理内
容を示すフローチャートである。まず、ＲＴＣより求め
たＺカウントzcnt' をzcntに入れる（ｎ５０）。次に、
ＲＴＣより求めたgps6sec を求め、これをｇ６とする
（ｎ５１）。このｇ６と上記ステップｎ３４で求めたgp
s6sec との差分delta を求める。

【００２９】６０秒のスリープ期間でＲＴＣの精度によ
りｇ６とgps6sec との間に±１秒のずれが生じたとする
と、g6、gps6sec 、およびdelta との関係は次のとおり
となる。

【００３０】 ───────────────────────── gps6sec g6 delta ───────────────────────── ０ １ −１ １ ２ −１ ２ ３ −１ ３ ４ −１ ４ ５ −１ ５ ０ ＋５ ０ ５ −５ １ ０ １ ２ １ １ ３ ２ １ ４ ３ １ ５ ４ １ ───────────────────────── すなわち、delta が−５となるのは、ＲＴＣより求めた
ｇ６と、timer6000 およびエポックから求めたgps6sec
とに１秒のずれがあって、zcntが１秒遅れている場合で
ある。したがって、delta=-5のとき、zcntを１インクリ
メントする（ｎ５３→ｎ５４）。そして、zcntがそのフ
ルカウントの値１００７９９を超えれば、１００８００
を差し引いて、その分、週番号を１インクリメントする
（ｎ５５→ｎ５６）。また、上記delta が５となるの
は、ＲＴＣより求めたｇ６と、timer6000 およびエポッ
クから求めたgps6sec とに１秒のずれがあって、zcntが
１秒進んでいる場合である。したがって、delta=+5のと
き、zcntを１デクリメントする（ｎ５７→ｎ５８）。そ
して、zcntが０を下回れば、１００８００を加算し、そ
の分、週番号を１デクリメントする（ｎ５９→ｎ６
０）。このようにしてＺカウントと週番号の補正を行な
う。

【００３１】次に、第２の実施形態に係るＧＰＳ受信機
の構成を図７および図８を参照して説明する。このＧＰ
Ｓ受信機のハードウェア構成は図１に示したものと同様
である。図７は図１に示したＭＰＵ５の毎秒行なう処理
手順である。まず１ｍｓカウンタの値を読み取る（ｎ７
１）。そして、その値とＧＰＳ時刻gpstime との秒単位
のオフセットを求める（ｎ７２）。その後、測位を行
い、ＧＰＳ時刻gpstime からローカル時刻を求め、それ
をリアルタイムクロック回路ＲＴＣのカウンタの値とし
て設定する（ｎ７３→ｎ７４）。続いて、間欠動作モー
ドである時、ＲＴＣに次の復帰時刻を設定し、受信部と
ＡＳＩＣの電源をオフする（ｎ７５→ｎ７６→ｎ７
７）。

【００３２】図８はＲＴＣによる復帰時の割込処理を示
している。まず１ｍｓカウンタの値を読み取り、これ
に、スリープ直前のオフセットの値を加算してＧＰＳ時
刻gpstime を求める（ｎ８１→ｎ８２）。但し、１ｍｓ
カウンタの値が、前回に読み込んだ値、すなわち毎秒処
理でスリープに入る直前に読み出した値、より小さくな
れば、１ｍｓカウンタがフルカウントを超えた場合であ
るので、その場合には上記gpstime に１ｍｓカウンタの
フルカウント値の１／１０００倍の値を加算する（ｎ８
３）。但し、１ｍｓカウンタの周期はスリープ時間より
長くなるように、そのビット長を定めておく。

【００３３】このようにして求めたＧＰＳ時刻gpstime
から週番号weekno、週内時刻weektime、Ｚカウントzcn
t、gps6sec を逆算する（ｎ８４）。上記ＧＰＳ時刻は
フリーランカウンタのカウント周期である１ｍｓの精度
で求まるため、スリープ復帰直後から正確なＧＰＳ時刻
が求まり、時刻情報の出力に矛盾が生じない。また、直
ちに高い測位精度で測位結果を求めることができる。

【００３４】

【発明の効果】この発明によれば、スリープ復帰直後か
ら秒単位の時刻情報を矛盾することなく出力できる。ま
た、所望の衛星からの信号を直ちに追尾でき、それらの
衛星から受信点までの擬似距離によって受信点の測位結
果を直ちに求めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態に係るＧＰＳ受信機の構成を示すブロ
ック図

【図２】同ＧＰＳ受信機における１ｍｓ割込処理の手順
を示すフローチャート

【図３】同ＧＰＳ受信機における毎秒処理の手順を示す
フローチャート

【図４】同ＧＰＳ受信機におけるＲＴＣからの割込によ
る処理手順を示すフローチャート

【図５】図４におけるステップｎ３５の処理手順を示す
フローチャート

【図６】各データの流れを示す図

【図７】第２の実施形態に係るＧＰＳ受信機における毎
秒処理の手順を示すフローチャート

【図８】同受信機におけるＲＴＣからの割込処理の手順
を示すフローチャート

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 現在時刻をカウントするリアルタイムク
   ロック回路（ＲＴＣ）と、基準周波数信号をカウントす
   るフリーランカウンタと、該フリーランカウンタに同期
   して単位時間をカウントする時刻カウンタ（timer6000)
   と、測位系時刻（ＧＰＳ時刻）に同期した周期信号（サ
   ブフレーム）の先頭位置における時刻カウンタの値を時
   刻エポックとして記憶する手段とを備えた測位用受信機
   において、 前記フリーランカウンタを動作させたまま、受信部およ
   び演算処理部を、設定されたスリープ時間だけ動作を停
   止させ、スリープ時間終了後に復帰させる動作を繰り返
   す、間欠動作制御手段と、 復帰時に前記リアルタイムクロック回路による現在時刻
   より仮の測位用時系の時刻を求め、当該仮の測位用時系
   の時刻から測位用時系の周期信号を求める手段と、 復帰直後の前記フリーランカウンタの値から当該フリー
   ランカウンタに同期した前記時刻カウンタの値を求め、
   当該時刻カウンタ、前記時刻エポック、および前記現在
   時刻により求めた測位用時系の周期信号から測位用時系
   の時刻を求める手段とを備えた測位用受信機。
2. 【請求項２】 基準周波数信号をカウントするフリーラ
   ンカウンタと、該フリーランカウンタに同期して単位時
   間をカウントする時刻カウンタ（timer6000)とを備えた
   測位用受信機において、 前記フリーランカウンタを動作させたまま、受信部およ
   び演算処理部を、設定されたスリープ時間だけ動作を停
   止させ、スリープ時間終了後に復帰させる動作を繰り返
   す、間欠動作制御手段と、 動作時に、測位用時系の時刻と前記フリーランカウンタ
   の値とのオフセットを求める手段と、復帰時にフリーラ
   ンカウンタの値を読み出し、前記オフセットを加算する
   ことによって測位用時系の時刻を求める手段を備えた測
   位用受信機。