JP2004191081A

JP2004191081A - Satellite signal reception method and its reception apparatus

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Publication number: JP2004191081A
Application number: JP2002356344A
Authority: JP
Inventors: Katsuo Yui; 勝男由井
Original assignee: Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2002-12-09
Filing date: 2002-12-09
Publication date: 2004-07-08
Anticipated expiration: 2022-12-09
Also published as: JP4109097B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To determine a position even at a location where the condition of satellite signal reception is adverse by enabling the tracking of carriers of a satellite from which only a weak satellite signal is received in a satellite signal reception method and its reception apparatus for determining the position through the use of the carrier phases of a plurality of satellite signals. <P>SOLUTION: Carrier wave information on a tracked satellite is outputted. On the basis of the carrier wave information, the frequency of carrier waves of a weak signal satellite of which the satellite signal is a weak signal is estimated to output the estimated frequency of the carrier waves. On the basis of the estimated frequency of the carrier waves, the estimated carrier waves of the weak signal satellite are generated. The correlation between the estimated carrier waves and the carrier waves of the weak signal satellite is determined to acquire carrier wave error information. The carrier wave error information is integrated for a long time to determine the amount of correction for correcting the phase of the estimated carrier waves. The phase of the estimated carrier waves is corrected according to the amount of correction for performing tracking. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＧＰＳ、ＧＬＯＮＡＳＳ、ガリレオ等の複数の衛星信号の搬送波（キャリア）位相を利用して位置決定し、ｍｍレベルの微細な位置変動を検出するための微細位置変動検出用衛星信号受信方法及びその受信装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、地滑り地帯や落石地帯等の微細な位置変動を検出する手段として、衛星信号の搬送波（以下、キャリア）位相を利用したスタティック測位装置が用いられている（特許文献１参照）。
【０００３】
図５は、従来のスタティック測位装置の衛星信号受信装置の構成を示す図であり、ここでは衛星信号としてＧＰＳ信号を使用し、地滑り地帯の位置変動を検出する場合を例として説明する。
【０００４】
図５において、衛星信号受信装置では、複数の衛星から送信されてくる高周波数の衛星信号をアンテナ１で受信し周波数変換部２に入力する。この衛星信号は、高周波数キャリア（ＧＰＳでは、約１５７５ＭＨｚ）が衛星毎に異なる衛星コードであるＰＮコード（通常、Ｃ／Ａコード；１．０２３ＭＨｚ）及び航法メッセージデータ（５０Ｈｚ）で変調されている。一方、基準発振器３の基準クロック信号（例えば、１０ＭＨｚ）を周波数変換用周波数発生器４に供給して、所定の局部発振周波数信号を周波数変換部２に入力する。周波数変換部２では、受信した衛星信号と局部発振周波数信号とを混合して、１〜数１０ＭＨｚの低周波数衛星信号にダウンコンバートし、１〜２ビットのディジタル信号に変換して出力する。したがって、このディジタル化された低周波数衛星信号は、低周波数キャリアが衛星毎に異なるＰＮコード及び航法メッセージデータで変調されているものである。
【０００５】
この低周波数衛星信号には、複数衛星の衛星信号が含まれているから、各衛星の衛星信号毎に処理するために複数Ｎ個の受信信号処理部５０１〜５０Ｎが設けられる。また、これらの受信信号処理部５０１〜５０Ｎには、基準発振器３の基準クロック信号が供給されている。
【０００６】
受信信号処理部５０１についてみると、コード位相追尾回路５１０において、目標とする衛星に固有のＰＮコードをＰＮコード発生器５１２で発生させて、混合器５１１で低周波数衛星信号と相関処理して、逆拡散する。これにより、入力される低周波数衛星信号から、その衛星の衛星信号分のみが実質的に含まれている低周波数キャリア信号を抽出する。このコード位相追尾回路５１０での相関処理は詳しくは、図示はしていないが、ＰＮコードと、そのＰＮコード位相を１／２チップずつずらした早い位相（Ｅ）と遅い位相（Ｌ）とのコード位相を用いて、それぞれ低周波数衛星信号と相関をとり、早い位相（Ｅ）との相関結果と遅い位相（Ｌ）との相関結果の差（Ｅ−Ｌ）を用いて、ＰＮコードの追尾を行う公知のディレイ・ロックド・ループ（ＤＬＬ）により行われる。
【０００７】
キャリア位相追尾回路５２０は、コスタス・ループと言われるフェーズ・ロックド・ループ（ＰＬＬ）で構成されている。コード位相追尾回路５１０で取り出された低周波数衛星信号の低周波数キャリア信号とキャリア追尾回路５２３から発生された正位相（０°）及び９０°位相のキャリア信号とを混合器５２１、５２２でミキシングする。そして、混合器５２１の出力を低域通過フィルタ（ＬＰＦ）５２４を通した正位相誤差信号Ｉと、混合器５２２の出力をＬＰＦ５２５を通した９０°位相誤差信号Ｑとから、キャリア追尾回路５２３でキャリア位相誤差を例えばａｒｃｔａｎ（Ｑ／Ｉ）で求める。このキャリア位相誤差に基づいて、正位相（０°）及び９０°位相のキャリア信号の周波数、位相を調整することにより、キャリア追尾を行っている。
【０００８】
３次元位置と受信装置内部の時刻誤差を正確に求めるためには、４衛星以上のキャリア追尾情報が必要であり、４衛星未満である場合には測位位置が求められない。また、４衛星追尾できていたとしても、その時点の衛星配置によっては位置精度が悪い場合があり、正確な位置測定には６衛星以上のキャリア追尾情報を利用できることが望まれている。したがって、受信信号処理部５０１〜５０Ｎは、６以上設けられることになる。
【０００９】
制御部５０は、受信信号処理部５０１〜５０Ｎから各衛星毎のコード追尾情報、キャリア追尾情報、航法メッセージデータなど種々の情報が入力され、それらのデータに基づいて測位演算が行われる。その演算結果によって、微細な位置変動が検出される。なお、制御部５０は、その他、衛星信号受信装置に必要な演算や制御を司る他、コード追尾及びキャリア追尾のための処理の一部を分担することもある。
【００１０】
【特許文献１】
特開２０００−３３７９３２号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、衛星信号に追尾し、微細な位置変動を検出できる程度に正確な位置を求めるためには、衛星毎に異なるＰＮコードに同期するとともに、当該衛星のキャリア周波数・位相にも同期する必要がある。
【００１２】
ＧＰＳなど衛星信号を利用して、地滑り等の微細位置変動を検出する場合には、地滑り防止対策を行っている場所、例えば地滑り対策用井戸の付近に、微細位置変動検出用衛星信号受信装置を設置することが望ましい。このような地滑り防止対策を行っている場所は、一般に山岳地帯が多く、その周りが多くの樹木に囲まれている。したがって、衛星信号受信装置が設置される地点は、衛星信号の受信状況が悪い地点であることが多い。
【００１３】
衛星信号の受信状況が悪く、ノイズに埋もれるような弱信号しか受信できない衛星を追尾することは困難である。受信装置の位置がほぼ固定している場合には、ＧＰＳの衛星信号のＰＮコードの変化は少ないため、ＰＮコードの繰り返し周期（１ｍｓ）に比べて長期間観測することで、その衛星のＰＮコードを追尾することは可能である。
【００１４】
しかし、地滑りなどの微細位置変動を検出する場合、受信装置の設置位置はほぼ固定位置としてよいが、ＧＰＳは周回衛星であるためにキャリア周波数は絶えず変化しており、また受信装置内部の局部発振周波数などの変動も不規則かつ不定である。このため、従来のようなキャリア追尾回路では、弱衛星信号のキャリア信号に追尾することは、ＰＮコードの例のように長期間観測したとしても、不可能であった。
【００１５】
したがって、従来の衛星信号受信装置では、衛星信号受信状況が悪い地点では、追尾可能な衛星数が不足することになり、地滑り監視等の微細位置変動を監視できる時間が大きく制限されてしまうという問題があった。
【００１６】
そこで、本発明は、複数の衛星信号のキャリア位相を利用して位置決定する衛星信号受信方法及びその受信装置において、弱い衛星信号しか受信できない衛星のキャリア追尾を可能にして、衛星信号受信状況の悪い地点でも位置決定を行えるようにすることを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の衛星信号受信方法は、複数の衛星信号の搬送波位相を利用して位置決定する衛星信号受信方法であって、
入力される衛星信号中の特定衛星の衛星の搬送波に追尾し、追尾した衛星の搬送波情報を出力し、
前記搬送波情報に基づいて、衛星信号が弱信号である弱信号衛星の搬送波周波数を推定して推定搬送波周波数を出力し、
前記推定搬送波周波数に基づいて当該弱信号衛星の推定搬送波を発生し、この推定搬送波と当該弱信号衛星の搬送波との相関をとって搬送波誤差情報を得、
前記搬送波誤差情報を積算し、前記推定搬送波の位相を補正する補正量を求め、
前記補正量に応じて前記推定搬送波の位相を補正することを特徴とする。
【００１８】
請求項２の衛星信号受信方法は、請求項１記載の衛星信号受信方法において、前記搬送波周波数の推定は、前記搬送波情報と、追尾した衛星及び当該弱信号衛星のドップラー周波数を用いて演算により行うことを特徴とする。
【００１９】
請求項３の衛星信号受信方法は、請求項１、２記載の衛星信号受信方法において、前記弱信号衛星の搬送波追尾において、前記推定搬送波周波数と共に、追尾開始時には推定した位相値も用いることを特徴とする。
【００２０】
請求項４の衛星信号受信装置は、複数の衛星信号の搬送波位相を利用して位置決定する衛星信号受信装置であって、
入力される衛星信号中の特定衛星の衛星コードを追尾する衛星コード追尾手段と、当該衛星の搬送波に追尾し、追尾した衛星の搬送波情報を出力する搬送波追尾手段とを、含む複数Ｎの受信信号処理部と、
前記搬送波情報に基づいて、衛星信号が弱信号である弱信号衛星の搬送波周波数を推定し、推定搬送波周波数を出力する、少なくとも１つの弱信号搬送波周波数推定部と、
入力される衛星信号中の前記弱信号衛星の衛星コードを追尾する衛星コード追尾手段と、前記推定搬送波周波数に基づいて当該弱信号衛星の推定搬送波を発生する推定搬送波信号発生器、前記推定搬送波と当該弱信号衛星の搬送波との相関をとって搬送波誤差情報を得、この搬送波誤差情報を積算し、前記推定搬送波の位相を補正する補正量を求める長期搬送波追尾調整回路を持つ弱信号搬送波追尾手段とを含む、少なくとも１つの弱信号受信用受信信号処理部とを有することを特徴とする。
【００２１】
請求項５の衛星信号受信装置は、複数の衛星信号の搬送波位相を利用して位置決定する衛星信号受信装置であって、
入力される衛星信号中の特定衛星の衛星コードを追尾する衛星コード追尾手段、当該衛星の搬送波に追尾するための搬送波追尾手段を含む複数Ｎの受信信号処理部と、追尾した衛星の搬送波情報に基づいて衛星信号が弱信号である弱信号衛星の搬送波周波数を推定し、推定搬送波周波数を出力する、少なくとも１つの弱信号搬送波周波数推定部と、を有し、
前記搬送波追尾手段は、
入力される衛星信号中の特定衛星の搬送波を発生すると共に、前記特定衛星に追尾できたときにその衛星の搬送波情報を前記弱信号搬送波周波数推定部に出力する一方、前記特定衛星が弱信号衛星であるときに前記弱信号搬送波周波数推定部からその衛星の前記推定搬送波周波数が入力される搬送波信号発生器と、
前記搬送波信号発生器からの搬送波と当該衛星の搬送波との相関により得られた搬送波誤差情報から当該衛星が弱信号衛星であるか否かを判定し、前記弱信号搬送波周波数推定部にその判定結果を出力する信号強度判定器と、
前記搬送波誤差情報及び前記判定結果が入力され、その判定結果に応じて前記搬送波誤差情報に基づいた通常追尾における周波数指令値及び位相補正値を前記搬送波信号発生器に供給するか、あるいは、前記搬送波誤差情報を積算し、前記推定搬送波の位相を補正する位相補正値を前記搬送波信号発生器に供給するかを決定する通常／長期搬送波追尾調整回路とを持つことを特徴とする。
【００２２】
請求項６の衛星信号受信装置は、請求項５記載の衛星信号受信装置において、通常／長期搬送波追尾調整回路は、前記搬送波誤差情報が入力され、通常追尾における周波数指令値及び位相補正値を出力する通常搬送波追尾調整回路と、前記搬送波誤差情報が入力され、前記搬送波誤差情報を積算し、前記推定搬送波の位相を補正する位相補正値を出力する長期搬送波追尾調整回路と、前記判定結果が入力され、その判定結果に応じて前記通常搬送波追尾調整回路の出力と前記長期搬送波追尾調整回路の出力とを選択して前記搬送波信号発生器に供給する信号選択器とを含むことを特徴とする。
【００２３】
請求項７の衛星信号受信装置は、請求項４〜６記載の衛星信号受信装置において、前記弱信号搬送波周波数推定部は、前記搬送波周波数の推定を、前記搬送波情報と、追尾した衛星及び当該弱信号衛星のドップラー周波数を用いた演算により行うことを特徴とする。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の各実施の形態を、ＧＰＳ信号を使用し、地滑り地帯の位置変動を検出するスタティック測位の衛星信号受信装置を例として説明する。
【００２５】
図１は本発明の第１の実施の形態に係る衛星信号受信装置の構成を示す図であり、図２はキャリア追尾における初期周波数決定用のフローチャートである。
【００２６】
図１において、衛星信号受信装置は、アンテナ１、周波数変換部２、基準発振器３、周波数変換用周波数発生器４からなる従来のものと同様の高周波部と、各衛星の衛星信号毎に処理するために複数Ｎ個（Ｎは、例えば６）の受信信号処理部１０１〜１０Ｎと、弱信号衛星信号のキャリア周波数を推定するキャリア周波数推定部２０、弱信号衛星の衛星信号を処理するための複数Ｍ個（Ｍ＜Ｎ）の弱信号受信用受信信号処理部２０１〜２０Ｍと、受信信号処理部１０１〜１０Ｎや弱信号受信用受信信号処理部２０１〜２０Ｍと結合され、それらの制御に必要な制御信号を供給するとともに、それらからの各衛星毎のコード追尾情報、キャリア追尾情報、航法メッセージデータなど種々の情報が入力され、それらのデータに基づいて測位演算が行われる制御部１０とから構成される。この制御部１０は、その他、衛星信号受信装置に必要な演算や制御を司る他、コード追尾及びキャリア追尾のための処理の一部を分担することもある。
【００２７】
周波数変換用周波数発生器４から出力される低周波数衛星信号には、複数衛星の衛星信号が含まれており、これらの衛星信号には、通常にキャリア追尾できる強信号レベルの衛星信号と、受信状況が悪く、ノイズに埋もれるような弱信号レベルの衛星信号がある。
【００２８】
強信号レベルの衛星信号へのＰＮコード追尾及びキャリア追尾は、受信信号処理部１０１〜１０Ｎで行われる。強信号レベルのある特定の衛星の追尾が、例えば受信信号処理部１０１で行われる。
【００２９】
この場合についてみると、コード位相追尾回路１１０において、強信号レベルの目標とする衛星に固有のＰＮコードをＰＮコード発生器１１２で発生させて、混合器１１１で低周波数衛星信号と相関処理して、逆拡散する。これにより、入力される低周波数衛星信号から、その衛星の衛星信号分のみが実質的に含まれている低周波数キャリア信号を抽出する。このコード位相追尾回路１１０での相関処理は詳しくは、従来の図５と同様に、公知のディレイ・ロックド・ループ（ＤＬＬ）により行われる。
【００３０】
キャリア位相追尾回路１２０は、コスタス・ループと言われるフェーズ・ロックド・ループ（ＰＬＬ）で構成されている。コード位相追尾回路１１０で取り出された低周波数衛星信号の低周波数キャリア信号とキャリア追尾回路１２３から発生された正位相（０°）及び９０°位相のキャリア信号とを混合器１２１、１２２でミキシングする。そして、混合器１２１の出力をＬＰＦ１２４を通した正位相誤差信号Ｉと、混合器１２２の出力をＬＰＦ１２５を通した９０°位相誤差信号Ｑとがキャリア追尾回路１２３に供給される。
【００３１】
キャリア追尾回路１２３から発生されるキャリア信号の初期周波数は、予め収集されているその衛星の衛星軌道情報に基づいて、最初に制御部１０から供給される。その供給される周波数の制御は、図２のフローチャートに示されるように、スタートすると、まず、その衛星の衛星軌道情報に基づいてドップラー成分も含めてある周波数を設定する（ステップＳ１０１）。そして、その衛星のＰＮコードの全コードチップに対して相関値（Ｉ^２＋Ｑ^２）を計算する（ステップＳ１０２）。ステップＳ１０３で、相関値が予め定めた規定値より大きいかどうかを比較する（相関値＞規定値）。その比較結果が、相関値が小さければ、周波数を所定幅（例えば、１ｋＨｚ）ずらし、ステップＳ１０１〜Ｓ１０３を繰り返す。ステップＳ１０３で、相関値が大きくなれば、ステップＳ１０４に移り、周波数をより小さい所定幅（例えば、５０Ｈｚ）ずつ振って、相関値が最大のレベルとなる周波数を検出する。この検出された周波数が、キャリア追尾回路１２３に初期周波数として与えられる。
【００３２】
このようにして与えられた周波数からキャリア追尾を開始し、キャリア追尾回路１２３のキャリア信号が、正位相誤差信号Ｉと９０°位相誤差信号Ｑとから求められるキャリア位相誤差ａｒｃｔａｎ（Ｑ／Ｉ）によって、その周波数及び位相が制御されて、低周波数キャリア信号に同期するように引き込まれる。その後は、この同期状態が継続するように追尾が行われる。
【００３３】
この通常のキャリア追尾が、強信号レベルの各衛星信号について、受信信号処理部１０１〜１０Ｎで行われる。
【００３４】
この追尾されている強信号レベルの衛星の追尾キャリア情報、即ちキャリア周波数の１つが、弱信号衛星信号のキャリア周波数を推定するキャリア周波数推定部２０に供給される。推定された弱信号衛星信号のキャリア周波数が、弱信号衛星の衛星信号を処理するための１つの弱信号受信用受信信号処理部２０１に供給される。
【００３５】
ここで、キャリア周波数推定部２０及び弱信号受信用受信信号処理部２０１の構成を説明する前に、弱信号レベルの衛星信号のキャリア追尾を可能にする、考え方を説明する。
【００３６】
衛星番号ＳｎのＧＰＳ衛星の追尾周波数ｆ（Ｓｎ）は、次の式（１）で表される。但し、ドップラー成分や、変動分で表現している。
ｆ（Ｓｎ）＝ｆ１（Ｓｎ）＋ｆ２＋ｆ３（Ｓｎ）（１）
ｆ１（Ｓｎ）：衛星Ｓｎのドップラー周波数
ｆ２：衛星信号受信装置の内部発振器の周波数誤差（全衛星に共通）
ｆ３（Ｓｎ）：衛星信号受信装置の移動によるドップラー周波数
【００３７】
地滑り等の監視を行うための微細位置変動を測定する場合、衛星信号受信装置の位置は概略固定値と同じであり、移動によるドップラー周波数ｆ３（Ｓｎ）は０であると見なせる。
【００３８】
衛星Ｓｎのドップラー周波数ｆ１（Ｓｎ）は、その衛星の軌道情報と現在時刻と、衛星信号受信装置の現在位置が得られれば、正確に計算で求めることができる。そのための、現在位置は、地滑り等の監視を行うための微細位置変動を測定するものでは事前にほぼ得られており、また衛星軌道情報は、現在は、弱信号であっても、一般的に過去に追尾した時点で最新情報が収集されている。特に、衛星が沈みかけで、今までは通常（従来）の方法で追尾できた衛星の衛星軌道情報はそのまま使用できる。また、別途通信手段を設けて、見晴らしの良い地点から衛星軌道情報を得ても良い。
【００３９】
ここで、１つの衛星信号に追尾することができれば、現在位置はほぼ得られているので、現在時刻を正確に求めることができる。したがって、１衛星以上追尾できれば、各衛星毎のドップラー周波数は正確に求めることができる。
【００４０】
衛星信号受信装置の内部発振器の周波数誤差ｆ２は、キャリア追尾できた衛星Ｓｎの現在追尾周波数ｆ（Ｓｎ）を利用して、ｆ２＝ｆ（Ｓｎ）−ｆ１（Ｓｎ）で、正確に求めることができる。この周波数誤差ｆ２は、全衛星に共通である。
【００４１】
したがって、衛星Ｓｎが追尾できたとき、衛星Ｓｉの追尾周波数ｆ（Ｓｉ）は、次式（２）で、正確に推定することができる。
ｆ（Ｓｉ）＝ｆ１（Ｓｉ）＋ｆ（Ｓｎ）−ｆ１（Ｓｎ）（２）
【００４２】
また、同様な考え方で、キャリア位相も推定することができる。しかし、この推定したキャリア位相には、固定値として取り扱った現在位置の誤差の影響が大きくなるので、正確な位相を求めることは困難である。ただ、この推定したキャリア位相を追尾のための初期値として用いることはできる。
【００４３】
さて、弱信号衛星Ｓｉのためのキャリア周波数推定部２０は、以上のような考え方に基づいて、キャリア追尾回路１２３からの衛星Ｓｎの現在追尾周波数ｆ（Ｓｎ）と、衛星Ｓｎのドップラー周波数ｆ１（Ｓｎ）と、衛星Ｓｉのドップラー周波数ｆ１（Ｓｉ）とにしたがって演算して、衛星Ｓｉの現在追尾周波数ｆ（Ｓｉ）を出力する。以上の演算はドップラー成分や変動分で表現したが、それらを含めた周波数そのもので演算を行っても同様に求めることができる。
【００４４】
この衛星Ｓｉの追尾周波数ｆ（Ｓｉ）は、常時変化するから、その変化に対応するように所定の周期で周波数計算が繰り返して行われ、常時更新される。なお、キャリア周波数推定部２０は、理解を易くするために独立して設けるように示されているが、これは演算手段でも構成できるので、制御部１０の１つの機能として設けても良い。
【００４５】
次に、弱信号レベルの衛星信号へのＰＮコード追尾及びキャリア追尾は、弱信号受信用受信信号処理部２０１〜２０Ｍで行われる。これらには、周波数変換用周波数発生器４から出力される低周波数衛星信号及び基準発振器３の基準クロック信号が供給されている。弱信号レベルのある特定の衛星の追尾が、例えば受信信号処理部２０１で行われる。
【００４６】
この場合についてみると、コード位相追尾回路２１０において、弱信号レベルの目標とする衛星Ｓｉに固有のＰＮコードをＰＮコード発生器２１２で発生させて、混合器２１１で低周波数衛星信号と相関処理して、逆拡散する。これにより、入力される低周波数衛星信号から、その衛星Ｓｉの衛星信号分のみが実質的に含まれている低周波数キャリア信号を抽出する。このコード位相追尾回路２１０での相関処理は詳しくは、従来の図５と同様に、公知のディレイ・ロックド・ループ（ＤＬＬ）により行われる。受信装置の位置がほぼ固定しているから、衛星信号のＰＮコードの変化は少ないため、ＰＮコードの繰り返し周期（１ｍｓ）に比べて長期間観測することで、その衛星のＰＮコードを追尾することができる。
【００４７】
弱信号キャリア位相追尾回路２２０は、コード位相追尾回路２１０で取り出された弱信号レベルの低周波数キャリア信号と推定キャリア信号発生器２２３から発生された正位相（０°）及び９０°位相のキャリア信号とを混合器２２１、２２２でミキシングする。この推定キャリア信号発生器２２３からのキャリア信号は、キャリア周波数推定部２０から供給される衛星Ｓｉの追尾周波数ｆ（Ｓｉ）であり、その周波数信号の位相が位相補正量Ｐにしたがって補正される。
【００４８】
そして、混合器２２１の出力をＬＰＦ２２４を通した正位相誤差信号Ｉと、混合器２２２の出力をＬＰＦ２２５を通した９０°位相誤差信号Ｑとが長期キャリア追尾調整回路２２６に供給される。
【００４９】
この正位相誤差信号Ｉと９０°位相誤差信号Ｑには、弱衛星信号を受信しているためかなりのノイズが含まれている。しかし、推定キャリア信号発生器２２３からのキャリア信号はその衛星Ｓｉの追尾周波数ｆ（Ｓｉ）が演算により正確に推定されている。したがって、長期キャリア追尾調整回路２２６で、正位相誤差信号Ｉと９０°位相誤差信号Ｑを長い期間、即ち、ＰＮコード繰り返し周期１ｍｓに比べて長期間積算（平均）又は近似等を行うことにより、位相補正量Ｐを得ることができる。
【００５０】
この位相補正量Ｐにより位相が補正されたキャリア信号を推定キャリア信号発生器２２３から発生して、弱信号レベルの低周波数キャリア信号に位相同期させることができる。
【００５１】
また、推定キャリア信号発生器２２３に、キャリア周波数推定部２０から供給される追尾周波数ｆ（Ｓｉ）とともに、初期位相値Ｐｓとして推定したキャリア位相を併せて用いることができる。
【００５２】
以上のように、推定キャリア信号発生器２２３は、弱信号衛星Ｓｉの弱信号レベルの低周波数キャリア信号と周波数同期しているため、その位相誤差信号Ｉ、Ｑは極めて低周期の信号となる。したがって、長期キャリア追尾調整回路２２６で、ＰＮコード繰り返し周期１ｍｓに比べて長期間（例えば、２０ｍｓ）観測することで弱信号衛星の位相誤差をも正確に観測することができる。この観測により得た位相補正量Ｐにより、推定されたキャリア信号を位相調整し、弱信号衛星に対する正確な追尾を実現する。
【００５３】
図３は、本発明の第２の実施の形態に係る衛星信号受信装置の構成を示す図である。この第２の実施の形態では、受信信号処理部３０１〜３０Ｎに、通常信号追尾回路と、弱信号追尾回路を両方構成し、信号レベルにより切り替えるようにしている。
【００５４】
図３において、図１と異なる点についてのみ説明する。受信信号処理部３０１〜３０ＮのＰＮコード追尾回路３１０は、図１のＰＮコード追尾回路１１０と同様である。
【００５５】
キャリア位相追尾回路３２０において、キャリア信号発生器３２３は、入力される衛星信号中の特定衛星Ｓｉの搬送波を発生すると共に、その衛星Ｓｉが強信号レベルの衛星であり、追尾できたときにその衛星Ｓｉのキャリア情報（現在追尾周波数ｆ（Ｓｉ））を弱信号搬送波周波数推定部として機能する制御部３０に出力する。また、キャリア信号発生器３２３は、特定衛星Ｓｉが弱信号衛星であるときに弱信号搬送波周波数推定部として機能する制御部３０からその衛星推定キャリア情報（推定キャリア周波数ｆ（Ｓｉ））が入力される。
【００５６】
信号強度判定器３２８は、搬送波信号発生器３２３からの搬送波と当該衛星Ｓｉの低周波数キャリア信号との相関により得られた正位相誤差信号Ｉと９０°位相誤差信号Ｑとの信号レベルから当該衛星Ｓｉが弱信号衛星であるか否かを判定し、弱信号搬送波周波数推定部として機能する制御部３０にその判定結果を出力する。
【００５７】
通常キャリア追尾調整回路３２６は、位相誤差信号Ｉ、Ｑが入力され、通常追尾における周波数指令値Ｆ及び位相補正値Ｐを出力する。また、長期キャリア追尾調整回路３２７は、位相誤差信号Ｉ、Ｑが入力され、位相誤差信号Ｉ、ＱをＰＮコードの繰り返し周期よりも長時間積算し、弱信号追尾における推定キャリアの位相を補正する位相補正値Ｐを出力する。
【００５８】
信号選択器３２９は、信号強度判定器３２８の判定結果が入力され、その判定結果に応じて通常キャリア追尾調整回路３２６の出力Ｆ、Ｐと、長期キャリア追尾調整回路３２７の出力Ｐとを選択してキャリア信号発生器３２３に供給する。
【００５９】
この第２の実施の形態によれば、通常信号のための追尾回路と弱信号のための追尾回路を１つの受信信号処理部に設け、目標とする衛星信号の信号レベルにより切り替える。したがって、図１の第１の実施の形態におけると同様の効果を得ることができるとともに、受信信号処理部の数を少なくすることができる。
【００６０】
図４は、本発明の第３の実施の形態に係る衛星信号受信装置の構成を示す図である。この第３の実施の形態では、図３の第２の実施の形態と同様に、受信信号処理部４０１〜４０Ｎに、通常信号追尾回路と弱信号追尾回路を両方構成し、信号レベルによりその機能を切り替えるようにしている。
【００６１】
ただ、図４の第３の実施の形態においては、受信信号処理部４０１〜４０Ｎのキャリア追尾回路４２０の構成が一部簡略化されている。即ち、通常／長期キャリア追尾調整回路４２１が、図３の通常キャリア追尾調整回路３２６、長期キャリア追尾調整回路３２７及び信号選択器３２９に代えて、用いられている。
【００６２】
この通常／長期キャリア追尾調整回路４２１は、位相誤差信号Ｉ、Ｑ及び信号レベルの判定結果が入力され、その判定結果に応じて位相誤差信号Ｉ、Ｑに基づいた通常追尾における周波数指令値Ｆ及び位相補正値Ｐをキャリア信号発生器３２３に供給するか、あるいは、位相誤差信号Ｉ、ＱをＰＮコードの繰り返し周期よりも長時間積算し、弱信号追尾における推定キャリアの位相を補正する位相補正値Ｐをキャリア信号発生器３２３に供給するかを決定する。
【００６３】
したがって、第３の実施の形態によれば、第２の実施の形態におけると同様の効果を得ることができるとともに、受信信号処理部の構成を簡素化できる。
【００６４】
【発明の効果】
本発明によれば、安定して追尾できている衛星の追尾キャリア情報を利用して、弱信号衛星の追尾すべきキャリア周波数を推定し、この推定キャリア周波数を用いることにより、従来は追尾することができなかった、弱信号衛星のキャリア追尾を行う。したがって、衛星信号受信状況が悪い地点においても、位置決定のために必要な数の衛星のキャリア追尾ができるから、微細位置変動の監視可能な時間を、従来に比して、大きく改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る衛星信号受信装置の構成図。
【図２】キャリア追尾における初期周波数決定用のフローチャート。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係る衛星信号受信装置の構成図。
【図４】本発明の第３の実施の形態に係る衛星信号受信装置の構成図。
【図５】従来のスタティック測位装置の衛星信号受信装置の構成図。
【符号の説明】
１アンテナ
２周波数変換部
３基準発振器
４周波数変換用周波数発生器
１０、３０、４０、５０制御部
２０キャリア周波数推定部
１０１〜１０Ｎ、２０１〜２０Ｍ、３０１〜３０Ｎ、４０１〜４０Ｎ、５０１〜５０Ｎ受信信号処理部
１１０、２１０、３１０、５１０コード位相追尾回路
１１１、２１１、３１１、５１１混合器
１１２、２１２、３１２、５１２ＰＮコード発生器
１２０、２２０、３２０、４２０、５２０キャリア位相追尾回路
１２１、１２２、２２１、２２２、３２１、３２２、５２１、５２２混合器
１２３、５２３キャリア追尾回路
１２４、１２５、２２４、２２５、３２４、３２５、５２４，５２５低域通過フィルタ（ＬＰＦ）
２２３推定キャリア信号発生器
２２６長期キャリア追尾調整回路
３２３キャリア信号発生器
３２６通常キャリア追尾調整回路
３２７長期キャリア追尾調整回路
３２８信号強度判定器
３２９信号選択器
４２１通常／長期キャリア追尾調整回路[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for receiving a satellite signal for detecting a fine position change for determining a position using a carrier wave (carrier) phase of a plurality of satellite signals such as GPS, GLONASS, Galileo and the like, and detecting a fine position change at the mm level. And its receiving device.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, a static positioning device using a carrier (hereinafter, referred to as a carrier) phase of a satellite signal has been used as a means for detecting a minute positional change in a landslide area, a rockfall area, or the like (see Patent Document 1).
[0003]
FIG. 5 is a diagram showing a configuration of a satellite signal receiving device of a conventional static positioning device. Here, a case where a GPS signal is used as a satellite signal and a position change in a landslide zone is detected will be described as an example.
[0004]
In FIG. 5, in the satellite signal receiving apparatus, a high frequency satellite signal transmitted from a plurality of satellites is received by an antenna 1 and input to a frequency converter 2. In this satellite signal, a high frequency carrier (about 1575 MHz in the case of GPS) is modulated with a PN code (usually a C / A code; 1.023 MHz) which is a satellite code different for each satellite and navigation message data (50 Hz). . On the other hand, a reference clock signal (for example, 10 MHz) of the reference oscillator 3 is supplied to the frequency generator 4 for frequency conversion, and a predetermined local oscillation frequency signal is input to the frequency converter 2. The frequency converter 2 mixes the received satellite signal with the local oscillation frequency signal, down-converts the signal into a low-frequency satellite signal of 1 to several tens of MHz, converts the signal into a digital signal of 1 to 2 bits, and outputs the digital signal. Therefore, the digitized low-frequency satellite signal has a low-frequency carrier modulated with a PN code and navigation message data that differ for each satellite.
[0005]
Since this low-frequency satellite signal includes satellite signals of a plurality of satellites, a plurality of N reception signal processing units 501 to 50N are provided to process each satellite signal of each satellite. Further, a reference clock signal of the reference oscillator 3 is supplied to these reception signal processing units 501 to 50N.
[0006]
Regarding the reception signal processing unit 501, in the code phase tracking circuit 510, a PN code unique to a target satellite is generated by a PN code generator 512, and a mixer 511 performs a correlation process with a low-frequency satellite signal. Despread. As a result, a low frequency carrier signal substantially including only the satellite signal component of the satellite is extracted from the input low frequency satellite signal. Although the correlation processing in the code phase tracking circuit 510 is not shown in detail, the correlation between the PN code and the early phase (E) and the late phase (L) obtained by shifting the PN code phase by 1/2 chip is shown. The PN code is tracked by using the code phase to correlate with the low-frequency satellite signal, and using the difference (EL) between the correlation result with the early phase (E) and the correlation result with the late phase (L). Is performed by a known delay locked loop (DLL).
[0007]
The carrier phase tracking circuit 520 is configured by a phase locked loop (PLL) called a Costas loop. Mixers 521 and 522 mix the low-frequency carrier signal of the low-frequency satellite signal extracted by the code phase tracking circuit 510 with the positive phase (0 °) and 90 ° phase carrier signals generated by the carrier tracking circuit 523. . The carrier tracking circuit 523 outputs the output of the mixer 521 from the positive phase error signal I passed through a low-pass filter (LPF) 524 and the output of the mixer 522 from the 90 ° phase error signal Q passed through an LPF 525. The carrier phase error is determined by, for example, arctan (Q / I). Carrier tracking is performed by adjusting the frequency and phase of the carrier signal having the positive phase (0 °) and 90 ° based on the carrier phase error.
[0008]
In order to accurately determine the three-dimensional position and the time error inside the receiving device, carrier tracking information of four or more satellites is required. If the number is less than four, the positioning position cannot be determined. Even if four satellites can be tracked, position accuracy may be poor depending on the satellite arrangement at that time, and it is desired that carrier tracking information of six or more satellites can be used for accurate position measurement. Therefore, six or more reception signal processing units 501 to 50N are provided.
[0009]
The control unit 50 receives various information such as code tracking information, carrier tracking information, and navigation message data for each satellite from the reception signal processing units 501 to 50N, and performs positioning calculation based on the data. A minute position change is detected based on the calculation result. In addition, the control unit 50 also performs calculations and controls necessary for the satellite signal receiving device, and may also share a part of processing for code tracking and carrier tracking.
[0010]
[Patent Document 1]
JP 2000-337932 A
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, in order to track a satellite signal and obtain an accurate position that can detect fine position fluctuation, it is necessary to synchronize with a different PN code for each satellite and also to synchronize with the carrier frequency and phase of the satellite. There is a need to.
[0012]
When detecting a minute position change such as a landslide by using a satellite signal such as a GPS, a minute position change detection satellite signal receiving device is installed in a place where landslide prevention measures are taken, for example, near a landslide prevention well. It is desirable to install. The places where such landslide prevention measures are taken are generally in mountainous areas, and the surrounding area is surrounded by many trees. Therefore, the location where the satellite signal receiving device is installed is often a location where the reception status of the satellite signal is poor.
[0013]
The reception status of the satellite signal is poor, and it is difficult to track a satellite that can receive only a weak signal buried in noise. When the position of the receiving device is almost fixed, since the change in the PN code of the GPS satellite signal is small, the PN code of the satellite is observed longer than the repetition period (1 ms) of the PN code. It is possible to track
[0014]
However, when detecting minute positional fluctuations such as landslides, the installation position of the receiving device may be almost fixed, but since GPS is an orbiting satellite, the carrier frequency is constantly changing. Fluctuations in frequency and the like are also irregular and irregular. For this reason, in a conventional carrier tracking circuit, it is impossible to track a carrier signal of a weak satellite signal even if it is observed for a long time as in the case of the PN code.
[0015]
Therefore, in the conventional satellite signal receiving device, the number of satellites that can be tracked is insufficient at a point where the satellite signal receiving condition is poor, and the time during which fine position fluctuations such as landslide monitoring can be monitored is greatly limited. was there.
[0016]
In view of the above, the present invention provides a satellite signal receiving method for determining a position using a carrier phase of a plurality of satellite signals and a receiver thereof, which enables carrier tracking of a satellite capable of receiving only a weak satellite signal, thereby enabling a satellite signal receiving condition to be determined. The purpose is to be able to determine a position even in a bad spot.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
The satellite signal receiving method according to claim 1 is a satellite signal receiving method for determining a position using a carrier phase of a plurality of satellite signals,
Tracks the carrier of the specific satellite in the input satellite signal, outputs the carrier information of the tracked satellite,
On the basis of the carrier information, the satellite signal estimates the carrier frequency of the weak signal satellite, which is a weak signal, and outputs the estimated carrier frequency,
Generate an estimated carrier of the weak signal satellite based on the estimated carrier frequency, obtain a carrier error information by correlating the estimated carrier and the carrier of the weak signal satellite,
Integrating the carrier error information to determine a correction amount for correcting the phase of the estimated carrier,
The phase of the estimated carrier wave is corrected according to the correction amount.
[0018]
The satellite signal receiving method according to claim 2 is the satellite signal receiving method according to claim 1, wherein the estimation of the carrier frequency is performed by calculation using the carrier information, the Doppler frequency of the tracked satellite and the weak signal satellite. It is characterized by the following.
[0019]
A satellite signal receiving method according to a third aspect of the present invention is the satellite signal receiving method according to the first or second aspect, wherein in the carrier wave tracking of the weak signal satellite, an estimated phase value is used at the start of tracking together with the estimated carrier frequency. And
[0020]
The satellite signal receiving apparatus according to claim 4, which is a satellite signal receiving apparatus that determines a position using a carrier phase of a plurality of satellite signals,
A plurality of N received signals including: satellite code tracking means for tracking a satellite code of a specific satellite in an input satellite signal; and carrier wave tracking means for tracking a carrier wave of the satellite and outputting carrier information of the tracked satellite. A processing unit;
Based on the carrier information, the satellite signal estimates the carrier frequency of the weak signal satellite is a weak signal, and outputs the estimated carrier frequency, at least one weak signal carrier frequency estimator,
Satellite code tracking means for tracking the satellite code of the weak signal satellite in the input satellite signal; an estimated carrier signal generator for generating an estimated carrier of the weak signal satellite based on the estimated carrier frequency; Weak signal carrier tracking means having a long-term carrier tracking adjustment circuit for obtaining carrier error information by correlating with the carrier of the weak signal satellite, integrating the carrier error information, and calculating a correction amount for correcting the phase of the estimated carrier. And at least one reception signal processing unit for receiving a weak signal.
[0021]
The satellite signal receiving apparatus according to claim 5, which is a satellite signal receiving apparatus that determines a position using a carrier phase of a plurality of satellite signals,
Satellite code tracking means for tracking a satellite code of a specific satellite in an input satellite signal, a plurality of N received signal processing units including carrier wave tracking means for tracking a carrier wave of the satellite, and carrier information of the tracked satellite. And at least one weak signal carrier frequency estimator for estimating a carrier frequency of the weak signal satellite based on which the satellite signal is a weak signal and outputting the estimated carrier frequency.
The carrier tracking means,
While generating the carrier of the specific satellite in the input satellite signal, and when the specific satellite can be tracked, the carrier information of the satellite is output to the weak signal carrier frequency estimating unit, while the specific satellite is the A carrier signal generator to which the estimated carrier frequency of the satellite is input from the weak signal carrier frequency estimating unit when
From the carrier error information obtained by the correlation between the carrier from the carrier signal generator and the carrier of the satellite, it is determined whether the satellite is a weak signal satellite, and the weak signal carrier frequency estimating unit determines the result A signal strength determiner that outputs
The carrier error information and the determination result are input, and a frequency command value and a phase correction value in normal tracking based on the carrier error information are supplied to the carrier signal generator according to the determination result, or the carrier wave A normal / long-term carrier tracking adjustment circuit for determining whether to integrate the error information and supply a phase correction value for correcting the phase of the estimated carrier to the carrier signal generator.
[0022]
According to a sixth aspect of the present invention, in the satellite signal receiving apparatus according to the fifth aspect, the normal / long-term carrier tracking adjustment circuit receives the carrier error information and outputs a frequency command value and a phase correction value in the normal tracking. A normal carrier tracking adjustment circuit, and a long-term carrier tracking adjustment circuit that receives the carrier error information, integrates the carrier error information, and outputs a phase correction value that corrects the phase of the estimated carrier, and the determination result is input. And a signal selector for selecting an output of the normal carrier tracking adjustment circuit and an output of the long-term carrier tracking adjustment circuit and supplying the output to the carrier signal generator in accordance with the determination result.
[0023]
The satellite signal receiving device according to claim 7 is the satellite signal receiving device according to claims 4 to 6, wherein the weak signal carrier frequency estimating unit estimates the carrier frequency by using the carrier information, the tracked satellite, and the weak signal. It is characterized in that the calculation is performed by using the Doppler frequency of the signal satellite.
[0024]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, each embodiment of the present invention will be described using a satellite signal receiving apparatus for static positioning that detects a position change in a landslide zone using a GPS signal as an example.
[0025]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a satellite signal receiving apparatus according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a flowchart for determining an initial frequency in carrier tracking.
[0026]
In FIG. 1, a satellite signal receiving apparatus processes a high-frequency unit similar to a conventional one including an antenna 1, a frequency conversion unit 2, a reference oscillator 3, and a frequency conversion frequency generator 4, and processes each satellite signal of each satellite. N (N is, for example, 6) reception signal processing units 101 to 10N, a carrier frequency estimation unit 20 for estimating a carrier frequency of a weak signal satellite signal, and a plurality of processing units for processing a weak signal satellite signal. M (M <N) weak signal reception signal processing units 201 to 20M are combined with the reception signal processing units 101 to 10N and the weak signal reception signal processing units 201 to 20M, and are required for their control. In addition to supplying control signals, various information such as code tracking information, carrier tracking information, and navigation message data for each satellite are input from them, and positioning calculation is performed based on those data. And a control unit 10 for dividing. The control unit 10 also performs calculations and controls necessary for the satellite signal receiving device, and may also share a part of processing for code tracking and carrier tracking.
[0027]
The low-frequency satellite signal output from the frequency conversion frequency generator 4 includes satellite signals of a plurality of satellites. These satellite signals include a satellite signal having a strong signal level that can be normally tracked by a carrier, and a satellite signal having a strong signal level. The situation is bad, and there are satellite signals with weak signal levels buried in noise.
[0028]
The PN code tracking and the carrier tracking for the satellite signal of the strong signal level are performed by the reception signal processing units 101 to 10N. Tracking of a specific satellite having a strong signal level is performed by, for example, the reception signal processing unit 101.
[0029]
In this case, in the code phase tracking circuit 110, a PN code unique to a target satellite having a strong signal level is generated by a PN code generator 112, and a mixer 111 performs a correlation process with a low-frequency satellite signal. , Despread. As a result, a low frequency carrier signal substantially including only the satellite signal component of the satellite is extracted from the input low frequency satellite signal. More specifically, the correlation processing in the code phase tracking circuit 110 is performed by a well-known delay locked loop (DLL), similarly to the related art FIG.
[0030]
The carrier phase tracking circuit 120 is configured by a phase locked loop (PLL) called a Costas loop. Mixers 121 and 122 mix the low-frequency carrier signal of the low-frequency satellite signal extracted by the code phase tracking circuit 110 and the carrier signal of the positive phase (0 °) and 90 ° phase generated by the carrier tracking circuit 123. . Then, the positive phase error signal I obtained by passing the output of the mixer 121 through the LPF 124 and the 90 ° phase error signal Q obtained by passing the output of the mixer 122 through the LPF 125 are supplied to the carrier tracking circuit 123.
[0031]
The initial frequency of the carrier signal generated by the carrier tracking circuit 123 is first supplied from the control unit 10 based on the satellite orbit information of the satellite collected in advance. As shown in the flowchart of FIG. 2, when the supplied frequency is controlled, first, a frequency including a Doppler component is set based on the satellite orbit information of the satellite (step S101). Then, the correlation value (I) is applied to all code chips of the PN code of the satellite. ² + Q ² ) Is calculated (step S102). In step S103, it is compared whether or not the correlation value is greater than a predetermined value (correlation value> specific value). If the comparison result shows that the correlation value is small, the frequency is shifted by a predetermined width (for example, 1 kHz), and steps S101 to S103 are repeated. If the correlation value increases in step S103, the process proceeds to step S104, where the frequency is changed by a predetermined smaller width (for example, 50 Hz), and the frequency at which the correlation value has the maximum level is detected. The detected frequency is provided to the carrier tracking circuit 123 as an initial frequency.
[0032]
Carrier tracking is started from the given frequency in this way, and the carrier signal of the carrier tracking circuit 123 is determined by the carrier phase error arctan (Q / I) obtained from the positive phase error signal I and the 90 ° phase error signal Q. , Its frequency and phase are controlled and pulled in to synchronize with the low frequency carrier signal. Thereafter, tracking is performed so that this synchronization state continues.
[0033]
This normal carrier tracking is performed by the received signal processing units 101 to 10N for each satellite signal having a strong signal level.
[0034]
The tracking carrier information of the tracked satellite having the strong signal level, that is, one of the carrier frequencies, is supplied to the carrier frequency estimating unit 20 that estimates the carrier frequency of the weak signal satellite signal. The estimated carrier frequency of the weak signal satellite signal is supplied to one weak signal reception reception signal processing unit 201 for processing the satellite signal of the weak signal satellite.
[0035]
Here, before describing the configurations of the carrier frequency estimating unit 20 and the reception signal processing unit 201 for weak signal reception, a concept of enabling carrier tracking of a satellite signal having a weak signal level will be described.
[0036]
The tracking frequency f (Sn) of the GPS satellite with the satellite number Sn is represented by the following equation (1). However, it is expressed by a Doppler component and a variation.
f (Sn) = f1 (Sn) + f2 + f3 (Sn) (1)
f1 (Sn): Doppler frequency of satellite Sn
f2: Frequency error of the internal oscillator of the satellite signal receiver (common to all satellites)
f3 (Sn): Doppler frequency due to movement of the satellite signal receiving device
[0037]
When measuring a fine position change for monitoring a landslide or the like, the position of the satellite signal receiving device is substantially the same as a fixed value, and the Doppler frequency f3 (Sn) due to the movement can be regarded as 0.
[0038]
The Doppler frequency f1 (Sn) of the satellite Sn can be accurately obtained by calculation if the orbit information, the current time, and the current position of the satellite signal receiving device are obtained. For this purpose, the current position is almost obtained in advance in the case of measuring fine position fluctuations for monitoring landslides and the like. The latest information is collected when tracking in the past. In particular, the satellite orbit information of a satellite that has been tracking down by a normal (conventional) method until the satellite is sinking can be used as it is. Alternatively, a separate communication means may be provided to obtain satellite orbit information from a point of good view.
[0039]
Here, if it is possible to track one satellite signal, the current position can be obtained, since the current position is almost obtained. Therefore, if one or more satellites can be tracked, the Doppler frequency of each satellite can be accurately obtained.
[0040]
The frequency error f2 of the internal oscillator of the satellite signal receiving apparatus can be accurately determined by f2 = f (Sn) -f1 (Sn) using the current tracking frequency f (Sn) of the satellite Sn that has been able to track the carrier. it can. This frequency error f2 is common to all satellites.
[0041]
Therefore, when the satellite Sn can be tracked, the tracking frequency f (Si) of the satellite Si can be accurately estimated by the following equation (2).
f (Si) = f1 (Si) + f (Sn) -f1 (Sn) (2)
[0042]
Further, the carrier phase can be estimated in the same way. However, the estimated carrier phase is greatly affected by the error of the current position treated as a fixed value, so that it is difficult to obtain an accurate phase. However, the estimated carrier phase can be used as an initial value for tracking.
[0043]
Now, the carrier frequency estimating unit 20 for the weak signal satellite Si, based on the above-described concept, determines the current tracking frequency f (Sn) of the satellite Sn from the carrier tracking circuit 123 and the Doppler frequency f1 ( Sn) and the Doppler frequency f1 (Si) of the satellite Si, and outputs the current tracking frequency f (Si) of the satellite Si. Although the above calculations are represented by Doppler components and fluctuations, they can be obtained in the same manner by performing calculations with the frequencies themselves including those components.
[0044]
Since the tracking frequency f (Si) of the satellite Si constantly changes, the frequency calculation is repeatedly performed at a predetermined cycle so as to correspond to the change, and is constantly updated. Although the carrier frequency estimating unit 20 is shown as being provided independently for easy understanding, it may be provided as a function of the control unit 10 because it can be constituted by arithmetic means.
[0045]
Next, the PN code tracking and the carrier tracking for the satellite signal of the weak signal level are performed by the received signal processing units for weak signal reception 201 to 20M. These are supplied with the low frequency satellite signal output from the frequency conversion frequency generator 4 and the reference clock signal of the reference oscillator 3. Tracking of a specific satellite having a weak signal level is performed by, for example, the reception signal processing unit 201.
[0046]
In this case, in the code phase tracking circuit 210, a PN code unique to the target satellite Si having a weak signal level is generated by the PN code generator 212, and the mixer 211 performs correlation processing with the low-frequency satellite signal. And despread. As a result, a low-frequency carrier signal substantially including only the satellite signal of the satellite Si is extracted from the input low-frequency satellite signal. More specifically, the correlation processing in the code phase tracking circuit 210 is performed by a well-known delay locked loop (DLL), similarly to the related art FIG. Since the position of the receiving device is almost fixed, the change of the PN code of the satellite signal is small. Therefore, the PN code of the satellite is tracked by observing the PN code for a longer period than the repetition period (1 ms) of the PN code. Can be.
[0047]
The weak signal carrier phase tracking circuit 220 includes a low frequency carrier signal of a weak signal level extracted by the code phase tracking circuit 210 and a positive phase (0 °) and 90 ° phase carrier signal generated by the estimated carrier signal generator 223. Are mixed by mixers 221 and 222. The carrier signal from the estimated carrier signal generator 223 is the tracking frequency f (Si) of the satellite Si supplied from the carrier frequency estimator 20, and the phase of the frequency signal is corrected according to the phase correction amount P.
[0048]
Then, the positive phase error signal I obtained by passing the output of the mixer 221 through the LPF 224 and the 90 ° phase error signal Q obtained by passing the output of the mixer 222 through the LPF 225 are supplied to the long-term carrier tracking adjustment circuit 226.
[0049]
The positive phase error signal I and the 90 ° phase error signal Q contain considerable noise because the weak satellite signal is received. However, the tracking frequency f (Si) of the satellite Si of the carrier signal from the estimated carrier signal generator 223 is accurately estimated by calculation. Therefore, the long-term carrier tracking adjustment circuit 226 performs long-term integration (average) or approximation of the positive phase error signal I and the 90 ° phase error signal Q over a long period, that is, compared with the PN code repetition period of 1 ms. The phase correction amount P can be obtained.
[0050]
A carrier signal whose phase has been corrected by the phase correction amount P is generated from the estimated carrier signal generator 223, and can be phase-synchronized with a low-frequency carrier signal having a weak signal level.
[0051]
Further, the carrier phase estimated as the initial phase value Ps can be used together with the tracking frequency f (Si) supplied from the carrier frequency estimation unit 20 for the estimated carrier signal generator 223.
[0052]
As described above, since the estimated carrier signal generator 223 is frequency-synchronized with the low-frequency carrier signal of the weak signal level of the weak signal satellite Si, the phase error signals I and Q have extremely low periods. Therefore, by observing the long-term carrier tracking adjustment circuit 226 for a longer period (for example, 20 ms) than the PN code repetition period of 1 ms, it is possible to accurately observe the phase error of a weak signal satellite. The phase of the estimated carrier signal is adjusted based on the phase correction amount P obtained by this observation, and accurate tracking for a weak signal satellite is realized.
[0053]
FIG. 3 is a diagram showing a configuration of the satellite signal receiving device according to the second embodiment of the present invention. In the second embodiment, both the normal signal tracking circuit and the weak signal tracking circuit are configured in the reception signal processing units 301 to 30N, and are switched according to the signal level.
[0054]
In FIG. 3, only points different from FIG. 1 will be described. The PN code tracking circuit 310 of the reception signal processing units 301 to 30N is the same as the PN code tracking circuit 110 of FIG.
[0055]
In the carrier phase tracking circuit 320, a carrier signal generator 323 generates a carrier wave of a specific satellite Si in an input satellite signal, and when the satellite Si is a satellite having a strong signal level and can be tracked, the satellite The carrier information (current tracking frequency f (Si)) of Si is output to the control unit 30 functioning as a weak signal carrier frequency estimating unit. When the specific satellite Si is a weak signal satellite, the carrier signal generator 323 receives satellite estimated carrier information (estimated carrier frequency f (Si)) from the control unit 30 functioning as a weak signal carrier frequency estimating unit. You.
[0056]
The signal strength determiner 328 determines the signal level of the positive phase error signal I and the 90 ° phase error signal Q obtained by correlation between the carrier from the carrier signal generator 323 and the low frequency carrier signal of the satellite Si, It is determined whether or not Si is a weak signal satellite, and the result of the determination is output to the control unit 30 functioning as a weak signal carrier frequency estimating unit.
[0057]
The normal carrier tracking adjustment circuit 326 receives the phase error signals I and Q and outputs a frequency command value F and a phase correction value P in normal tracking. The long-term carrier tracking adjustment circuit 327 receives the phase error signals I and Q, integrates the phase error signals I and Q for a longer time than the repetition period of the PN code, and corrects the phase of the estimated carrier in the weak signal tracking. The phase correction value P is output.
[0058]
The signal selector 329 receives the determination result of the signal strength determiner 328 and selects the output F or P of the normal carrier tracking adjustment circuit 326 or the output P of the long-term carrier tracking adjustment circuit 327 according to the determination result. And supplies it to the carrier signal generator 323.
[0059]
According to the second embodiment, a tracking circuit for a normal signal and a tracking circuit for a weak signal are provided in one received signal processing unit, and are switched according to the signal level of a target satellite signal. Therefore, the same effect as in the first embodiment shown in FIG. 1 can be obtained, and the number of reception signal processing units can be reduced.
[0060]
FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration of a satellite signal receiving device according to the third embodiment of the present invention. In the third embodiment, both the normal signal tracking circuit and the weak signal tracking circuit are configured in the reception signal processing units 401 to 40N, as in the second embodiment of FIG. To switch.
[0061]
However, in the third embodiment of FIG. 4, the configuration of the carrier tracking circuit 420 of the received signal processing units 401 to 40N is partially simplified. That is, the normal / long-term carrier tracking adjustment circuit 421 is used instead of the normal carrier tracking adjustment circuit 326, long-term carrier tracking adjustment circuit 327, and signal selector 329 of FIG.
[0062]
The normal / long-term carrier tracking adjustment circuit 421 receives the phase error signals I and Q and the determination result of the signal level, and receives the frequency command value F and the frequency command value F in the normal tracking based on the phase error signals I and Q according to the determination result. A phase correction value for supplying the phase correction value P to the carrier signal generator 323 or for integrating the phase error signals I and Q for a longer time than the repetition period of the PN code to correct the phase of the estimated carrier in weak signal tracking. It is determined whether P is supplied to the carrier signal generator 323.
[0063]
Therefore, according to the third embodiment, the same effects as in the second embodiment can be obtained, and the configuration of the received signal processing unit can be simplified.
[0064]
【The invention's effect】
According to the present invention, a carrier frequency to be tracked by a weak signal satellite is estimated using tracking carrier information of a satellite that can be stably tracked, and tracking is conventionally performed by using the estimated carrier frequency. Carrier tracking for weak signal satellites that could not be performed. Therefore, even in a place where the satellite signal reception condition is poor, the carrier tracking of the number of satellites required for position determination can be performed, so that the time in which the fine position change can be monitored can be greatly improved as compared with the related art. it can.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a satellite signal receiving device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a flowchart for determining an initial frequency in carrier tracking.
FIG. 3 is a configuration diagram of a satellite signal receiving device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a configuration diagram of a satellite signal receiving device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a configuration diagram of a satellite signal receiving device of a conventional static positioning device.
[Explanation of symbols]
1 antenna
2 Frequency converter
3 Reference oscillator
4 Frequency generator for frequency conversion
10, 30, 40, 50 control unit
20 Carrier frequency estimator
101 to 10N, 201 to 20M, 301 to 30N, 401 to 40N, 501 to 50N Received signal processing unit
110, 210, 310, 510 Code phase tracking circuit
111, 211, 311 and 511 mixers
112, 212, 312, 512 PN code generator
120, 220, 320, 420, 520 carrier phase tracking circuit
121,122,221,222,321,322,521,522 Mixer
123, 523 Carrier tracking circuit
124, 125, 224, 225, 324, 325, 524, 525 Low-pass filter (LPF)
223 Estimated carrier signal generator
226 Long-term carrier tracking adjustment circuit
323 carrier signal generator
326 Normal carrier tracking adjustment circuit
327 Long-term carrier tracking adjustment circuit
328 Signal strength judgment device
329 signal selector
421 Normal / Long-term carrier tracking adjustment circuit

Claims

A satellite signal receiving method for determining a position using a carrier phase of a plurality of satellite signals,
Tracks the carrier of the specific satellite in the input satellite signal, outputs the carrier information of the tracked satellite,
On the basis of the carrier information, the satellite signal estimates the carrier frequency of the weak signal satellite, which is a weak signal, and outputs the estimated carrier frequency,
Generate an estimated carrier of the weak signal satellite based on the estimated carrier frequency, obtain a carrier error information by correlating the estimated carrier and the carrier of the weak signal satellite,
Integrating the carrier error information to determine a correction amount for correcting the phase of the estimated carrier,
A satellite signal receiving method, wherein a phase of the estimated carrier wave is corrected according to the correction amount.

The satellite signal receiving method according to claim 1, wherein the estimation of the carrier frequency is performed by calculation using the carrier information, the Doppler frequency of the tracked satellite, and the weak signal satellite.

3. The satellite signal receiving method according to claim 1, wherein in the tracking of the carrier of the weak signal satellite, an estimated phase value is used at the start of tracking together with the estimated carrier frequency.

A satellite signal receiving device that determines a position using a carrier phase of a plurality of satellite signals,
A plurality of N received signals including: satellite code tracking means for tracking a satellite code of a specific satellite in an input satellite signal; and carrier wave tracking means for tracking a carrier wave of the satellite and outputting carrier information of the tracked satellite. A processing unit;
Based on the carrier information, the satellite signal estimates the carrier frequency of the weak signal satellite is a weak signal, and outputs the estimated carrier frequency, at least one weak signal carrier frequency estimator,
Satellite code tracking means for tracking the satellite code of the weak signal satellite in the input satellite signal; an estimated carrier signal generator for generating an estimated carrier of the weak signal satellite based on the estimated carrier frequency; Weak signal carrier tracking means having a long-term carrier tracking adjustment circuit for obtaining a carrier error information by correlating with the carrier of the weak signal satellite, integrating the carrier error information, and calculating a correction amount for correcting the phase of the estimated carrier. And a received signal processing unit for receiving a weak signal, comprising:

A satellite signal receiving device that determines a position using a carrier phase of a plurality of satellite signals,
Satellite code tracking means for tracking a satellite code of a specific satellite in an input satellite signal, a plurality of N received signal processing units including carrier wave tracking means for tracking a carrier wave of the satellite, and carrier information of the tracked satellite. And at least one weak signal carrier frequency estimator for estimating a carrier frequency of the weak signal satellite based on which the satellite signal is a weak signal and outputting the estimated carrier frequency.
The carrier tracking means,
While generating the carrier of the specific satellite in the input satellite signal, and when the specific satellite can be tracked, the carrier information of the satellite is output to the weak signal carrier frequency estimating unit, while the specific satellite is the A carrier signal generator to which the estimated carrier frequency of the satellite is input from the weak signal carrier frequency estimating unit when
From the carrier error information obtained by the correlation between the carrier from the carrier signal generator and the carrier of the satellite, it is determined whether the satellite is a weak signal satellite, and the weak signal carrier frequency estimating unit determines the result A signal strength determiner that outputs
The carrier error information and the determination result are input, and a frequency command value and a phase correction value in normal tracking based on the carrier error information are supplied to the carrier signal generator according to the determination result, or the carrier wave A satellite signal receiving apparatus comprising: a normal / long-term carrier tracking adjustment circuit for determining whether to integrate the error information and supply a phase correction value for correcting the phase of the estimated carrier to the carrier signal generator. .

The normal / long-term carrier tracking adjustment circuit receives the carrier error information, receives a normal carrier tracking adjustment circuit that outputs a frequency command value and a phase correction value in normal tracking, and receives the carrier error information, and outputs the carrier error information. A long-term carrier tracking adjustment circuit that integrates and outputs a phase correction value that corrects the phase of the estimated carrier; and the determination result is input, and outputs the normal carrier tracking adjustment circuit and the long-term carrier tracking according to the determination result. 6. The satellite signal receiving apparatus according to claim 5, further comprising a signal selector for selecting an output of an adjustment circuit and supplying the selected signal to the carrier signal generator.

The said weak signal carrier frequency estimating part performs the estimation of the said carrier wave frequency by the calculation using the said carrier wave information, the tracked satellite, and the Doppler frequency of the said weak signal satellite, The Claims 4-6 characterized by the above-mentioned. Satellite signal receiver.