JP2006046911A - 受信装置および受信方法 - Google Patents

Abstract

【課題】衛星を同期する期間を最適化でき、ひいては、測位率向上、ＴＴＦＦ、消費電力削減を図ることができる受信装置および受信方法を提供する。
【解決手段】ＧＰＳ受信装置１０において、同期捕捉を開始する衛星仰角を上昇仰角閾値（同期開始仰角）とし、同期保持を中止する衛星仰角を下降仰角閾値（同期終了仰角）と、仰角閾値を２つ設定し、同期捕捉も同期保持も行われていない衛星の仰角が上昇仰角閾値以上であると計算されれば同期捕捉を開始し、同期保持中の衛星仰角が下降仰角閾値未満であると計算されれば同期保持を中止する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、全地球測位システム（ＧＮＳＳ：Ｇｌｏｂａｌ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓａｔｅｌ１ｉｔｅｓ Ｓｙｓｔｅｍ）を構成する衛星から送出された信号を受信して、これら受信信号に基づいて自己の位置を算出する受信装置および受信方法に関するものである。

地球軌道を周回する人工衛星を利用して地上における移動体の位置を測定する全地球測位システム（ＧＮＳＳ：Ｇｌｏｂａｌ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓａｔｅｌ１ｉｔｅｓ
Ｓｙｓｔｅｍ）としては、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）が良く用いられている（たとえば特許文献１参照）。

ＧＰＳ受信装置は、４個以上のＧＰＳ衛星（以下、単に衛星と記す）からの信号を受信し、受信信号から受信機の位置を計算し、ユーザに知らせることが基本機能である。

すなわち、ＧＰＳ受信装置は、各衛星からの信号を復調して衛星の軌道情報を獲得し、衛星の軌道および時間情報と受信信号の遅延時間から受信機の３次元位置を連立方程式により導き出す。
受信衛星が４個必要となるのは受信機内部の時間と衛星の時間とで誤差があり、その誤差の影響を除去するためである。

以下に、ＧＰＳの一般的な処理についてさらに具体的に説明する。

民生用ＧＰＳ受信装置の場合には、ＧＰＳ衛星（Ｎａｖｓｔａｒ）からのＬ１帯、Ｃ／Ａ（Ｃｏａｓｅ Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ、または、Ｃｌｅａｒ ａｎｄ Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ）コードと呼ばれるスペクトラム拡散（Ｓｐｒｅａｄ−Ｓｐｅｃｔｒｕｍ）信号電波を受信して、測位演算を行う。

Ｃ／Ａコードは、送信信号速度（チップレート）が１．０２３ＭＨｚ、符号長が１０２３のＰＮ（Ｐｓｅｕｄｏｒａｎｄｏｍ Ｎｏｉｓｅ；擬似ランダム雑音）系列の符号、たとえばＧｏｌｄ符号で、５０ｂｐｓのデータを拡散した信号により周波数が１５７５．４２ＭＨｚの搬送波（以下、キャリアという）を２相位相変調（ＢＰＳＫ；Ｂｉｎａｒｙ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）した信号である。
この場合、符号長が１０２３であることから、Ｃ／Ａコードは、ＰＮ系列の符号が、図３（Ａ）に示すように、１０２３チップを１周期（１周期＝１ミリ秒（ｍｓｅｃ））として繰り返すコードとして形成されている。

このＣ／ＡコードのＰＮ系列の符号は、ＧＰＳ衛星毎に異なっているが、どの衛星がどのＰＮ系列の符号を用いているかは、あらかじめＧＰＳ受信装置で検知できるように構成されている。
また、上述するような航法メッセージによって、ＧＰＳ受信装置では、どのＧＰＳ衛星からの信号をその地点およびその時点で受信できるかがわかるようになっている。
したがって、ＧＰＳ受信装置は、たとえば３次元測位であれば、その地点およびその時点で取得できる４個以上のＧＰＳ衛星からの電波を受信してスペクトラム逆拡散し、測位演算を行って自分の位置を求める。

そして、図３（Ｂ）に示すように、衛星信号データの１ビットは、ＰＮ系列の符号の２０周期分、つまり、２０ミリ秒として伝送される。すなわち、データ伝送速度は、５０ｂｐｓである。
ＰＮ系列の符号の１周期分の１０２３チップは、ビットが”１”のときと、”０”のときとでは、反転したものとなる。

図３（Ｃ）に示すように、ＧＰＳでは、３０ビット（６００ミリ秒）で１ワードが形成される。そして、図３（Ｄ）に示すように、１０ワードで１サブフレーム（６秒）が形成される。
図３（Ｅ）に示すように、１サブフレームの先頭のワードには、データが更新されたときであっても常にビットパターンとされるプリアンブルが挿入され、このプリアンブルの後にデータが伝送されてくる。

さらに、５サブフレームで１フレーム（３０秒）が形成される。そして、航法メッセージは、この１フレームのデータ単位で伝送されてくる。この１フレームのデータのうちの始めの３個のサブフレームは、エフェメリス情報と呼ばれる衛星固有の情報である。この情報には、衛星の軌道を求めるためのパラメータと、衛星からの信号の送出時刻とが含まれる。

ＧＰＳ衛星のすべては、原子時計を備え、共通の時刻情報を用いており、ＧＰＳ衛星からの信号の送出時刻は、原子時計の１秒単位とされている。また、ＧＰＳ衛星のＰＮ系列の符号は、原子時計に同期した符号として生成される。

エフェメリス情報の軌道情報は、数時間毎に更新されるが、その更新が行われるまでは同一の情報となる。
しかし、エフェメリス情報の軌道情報は、これをＧＰＳ受信装置のメモリに保持しておくことにより、数時間は同じ情報を精度良く使用することができる。
なお、ＧＰＳ衛星からの信号の送出時刻は、６秒毎に更新される。

１フレームのデータの残りの２サブフレームの航法メッセージは、アルマナック情報と呼ばれるすべての衛星から共通に送信される情報である。
このアルマナック情報は、全情報を取得するために２５フレーム分必要となるもので、各ＧＰＳ衛星のおおよその位置情報や、どのＧＰＳ衛星が使用可能かを示す情報などからなる。このアルマナック情報は、数日毎に更新されるが、その更新が行われるまでは同一情報となる。
しかし、このアルマナック情報は、これをＧＰＳ受信機のメモリに保持しておくことにより、数日は同じ情報を精度良く使用することができる。

ＧＰＳ衛星信号を受信して上述したデータを得るためには、まず、キャリアを除去した後、ＧＰＳ受信装置に用意される受信しようとるＧＰＳ衛星で用いられているＣ／Ａコードと同じＰＮ系列の符号（以下、ＰＮ系列の符号をＰＮ符号という）を用いて、そのＧＰＳ衛星からの信号を捕捉し、スペクトラム逆拡散を行う。
Ｃ／Ａコードとの位相同期がとれて逆拡散が行われると、ビットが検出されて、ＧＰＳ衛星信号から時刻情報を含む航法メッセージを取得することが可能になる。

ＧＰＳ衛星からの信号の捕捉は、Ｃ／Ａコードの位相同期検索により行われるが、この位相同期検索においては、ＧＰＳ受信機のＰＮ符号とＧＰＳ衛星からの受信信号のＰＮ符号との相関を検出する。そして、たとえば、その相関検出結果の相関値があらかじめ設定した値よりも大きい時に、両者が同期していると判定する。同期がとれていないと判定されたときには、なんらかの同期手法を用いて、ＧＰＳ受信装置のＰＮ符号の位相を制御して、受信信号のＰＮ符号と同期させるようにしている。

ところで、上述したように、ＧＰＳ衛星信号は、データを拡散符号で拡散した信号によりキャリアをＢＰＳＫ変調した信号である。したがって、ＧＰＳ衛星信号をＧＰＳ受信機が受信するには、拡散符号のみではなく、キャリアの同期をとる必要があるが、拡散符号とキャリアの同期は独立に行うことはできない。

そして、ＧＰＳ受信装置において、受信信号は、そのキャリア周波数を数ＭＨｚ以内の中間周波数に変換して、その中間周波信号で上述の同期検出処理を行うことが一般的である。
中間周波信号におけるキャリアには、主にＧＰＳ衛星の移動速度に応じたドップラーシフトによる周波数誤差と、受信信号を中間周波信号に変換する際に、ＧＰＳ受信装置内部で発生させる局部発振器の周波数誤差分が含まれる。

したがって、これらの周波数誤差要因により、中間周波信号におけるキャリア周波数は未知であり、その周波数サーチが必要となる。
また、拡散符号の１周期内での同期点（同期位相）は、ＧＰＳ受信機とＧＰＳ衛星との位置関係に依存するので未知であることから、上述のように、何らかの同期手法が必要となる。

ＧＰＳ受信装置においては、キャリアについての周波数サーチと、スライディング相関器＋遅延ロックループ（ＤＬＬ；Ｄｅｌａｙ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）＋コスタスループ（Ｃｏｓｔａｓ Ｌｏｏｐ）による同期手法を用いている。
これについて、以下に説明を加える。

ＧＰＳ受信装置のＰＮ符号の発生器を駆動するクロックは、ＧＰＳ受信装置に用意されている基準周波数発振器の発振信号を分周したものが、一般に用いられている。
この基準周波数発振器としては、高精度の水晶発振器が用いられており、この基準周波数発振器の出力から、ＧＰＳ衛星からの受信信号を中間周波信号に変換するために用いられる局部発振信号を生成する。

図４は、この周波数サーチを説明するための図である。
図４に示すように、ＧＰＳ受信装置のＰＮ符号の発生器を駆動するクロック信号の周波数が、ある周波数ｆ１であるときに、ＰＮ符号についての位相同期検索、つまり、ＰＮ符号の位相を１チップずつ順次ずらして、それぞれのチップ位相のときのＧＰＳ受信信号とＰＮ符号との相関を検出し、相関のピーク値を検出することにより、同期がとれる位相を検出するようにする。

クロック信号の周波数がｆ１のときにおいて、１０２３チップ分の位相検索のすべてで同期する位相が存在しなければ、たとえば基準周波数発振器に対する分周比を変えて、駆動クロック信号の周波数をｆ２に変更し、同様に１０２３チップ分の位相検索を行う。
これを、図４に示すように、駆動クロック信号の周波数をステップ的に変更して繰り返す。
以上の動作が周波数サーチである。

そして、この周波数サーチにより、同期可能とされる駆動クロック信号の周波数が検出されると、そのクロック周波数で最終的なＰＮ符号の位相同期が行われる。

しかしながら同期方法として上述したように手法を用いたのでは、原理的に高速同期には不向きで、実際の受信装置においては、それを補うため、多チャンネル化してパラレルに同期点を検索する必要が生じる。そして、上記のように、拡散符号およびキャリアの同期に時間を要すると、ＧＰＳ受信装置の反応が遅くなり、使用上において不便を生じる。
そこで、拡散符号の位相同期に関しては、上述したようなスライディング相関の手法を用いることなく、高速フーリエ変換（ＦＦＴ；Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）処理を用いたデジタルマッチドフィルタにより符号同期を行う手法が、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）に代表されるハードウエアの能力の向上によって実現している。

このような構成を有するＧＰＳ受信装置の内部のメモリ領域には、上述したようにアルマナックと呼ばれる全衛星の軌道情報が保持されている。
このアルマナックは全ての衛星からの受信データに含まれているため、少なくとも１個の衛星の同期保持がなされていれば、全衛星に関する大まかな軌道情報を獲得することができる。

ＧＰＳ衛星は地球を一方の焦点とする楕円軌道を周回しているため、地球上のある地点から見ることのできる衛星の種類および個数は時間と共に変化する。
そこで、ＧＰＳ受信装置では受信装置内部に保持されているアルマナックと受信装置位置および現在時刻より各衛星の仰角を計算し、あらかじめ定められた閾値より大きい仰角である衛星が受信中で無い場合は同期捕捉動作を開始し、あらかじめ定められた閾値より小さい仰角である衛星が受信中である場合は同期保持動作を終了することにより、常に可視衛星のみを効率的に同期保持することが可能となる。
以下では、このような閾値を仰角閾値と呼ぶ。また、このような同期捕捉動作の開始処理や同期保持動作の終了処理を衛星割り当て処理と呼ぶことにする。
特開２００３−２６２６６７号公報

理論的には、仰角が正であるＧＰＳ衛星の信号は、ＧＰＳ受信装置で受信することが可能である。
しかし、実際には以下のような理由から仰角が正の衛星全てを同期捕捉および同期保持することは好ましくない。

低仰角の衛星からの信号は、地表面（海上であれば海水面）や建造物に反射することにより経路が延びたり、反射波と直接波との干渉により信号強度が著しく低下したりすることにより、最終的に算出される受信装置位置の精度に悪影響を及ぼす可能性がある。また、そもそも同期捕捉に失敗する可能性がある。
特に陸上においては、建造物や地形の影響により、そもそも低仰角の衛星が見えない場合が多いため、同期捕捉動作そのものが無駄になる。無駄な同期捕捉動作は消費電力の増大を招く可能性がある。
また、電源投入直後の場合は、受信機の位置が求まるまでの時間(Time To First Fix,
TTFF)が増大する可能性がある。

よって、上記不都合を回避するために、仰角閾値は、一般には０度とはせずに、あらかじめ定められた０度以上の角度とする。
あらかじめ定めた仰角閾値が大き過ぎると、同期捕捉の成功率は向上するが、まだ同期保持が可能かもしれない衛星の同期保持を中止しまうことにより測位に使用可能な衛星数を減らしてしまう結果となる。
このことは測位率の低下につながる。
一方、あらかじめ定めた仰角閾値が小さすぎると、同期捕捉の成功率が低下し、同期保持衛星に関しても干渉などの影響で位置精度の悪化を招く可能性がある。
以上より、仰角閾値の決定には同期捕捉の成功率や位置精度、測位率といった要素を考慮しなければならない。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、衛星を同期する期間を最適化でき、ひいては、測位率向上、ＴＴＦＦ、消費電力削減を図ることができる受信装置および受信方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の第１の観点は、少なくとも衛星に関する軌道情報および受信装置自体の概略位置情報から当該衛星の仰角を計算可能で、求めた仰角条件に従って衛星の同期捕捉動作および同期保持動作の制御を行う受信装置であって、上記求めた衛星仰角が、あらかじめ定めた同期開始仰角以上の場合には同期捕捉動作を開始し、上記衛星仰角があらかじめ定めた同期終了仰角より小さい場合には同期保持動作を終了する制御部を有する。

好適には、上記制御部は、同期捕捉および同期保持が行われていない衛星の上記衛星仰角が上記同期開始仰角より大きい場合には同期捕捉動作を開始し、上記衛星仰角が上記同期終了仰角より小さい場合には同期保持動作を終了する。

好適には、上記制御部は、仰角を求めた衛星が同期保持中でない場合であって、当該衛星仰角が上記同期開始仰角以上の場合に当該衛星の同期捕捉を開始し、同期捕捉に成功した場合に当該衛星の同期保持を開始する。
好適には、上記制御部は、上記同期捕捉が成功した場合に、同期保持のために空きチャネルがある場合に衛星の同期保持を開始する。

好適には、上記制御部は、仰角を求めた衛星が同期保持中である場合であって、当該衛星仰角が上記同期終了仰角より小さい場合には、当該衛星の同期保持を中止する。

本発明の第２の観点は、求めた仰角条件に従って衛星の同期捕捉動作および同期保持動作の制御を行う受信方法であって、少なくとも衛星に関する軌道情報および受信装置自体の概略位置情報から当該衛星の仰角を計算する第１ステップと、求めた衛星仰角が、あらかじめ定めた同期開始仰角以上であるか否かを判定する第２ステップと、求めた衛星仰角が、あらかじめ定めた同期開始仰角以上である場合には同期捕捉動作を開始する第３ステップと、上記衛星仰角があらかじめ定めた同期終了仰角より小さいか否かを判定する第４ステップと、上記衛星仰角があらかじめ定めた同期終了仰角より小さい場合には同期保持動作を終了する第５ステップとを有する。

本発明によれば、たとえば少なくとも１個以上の衛星に関する軌道情報が既知であり、受信装置の概略位置（およびおよその現在時刻）が既知である場合に、軌道情報、受信装置概略位置情報（およびおよその現在時刻）から衛星仰角を計算可能な衛星に関して、あらかじめ定めた同期開始仰角より大きい場合には同期捕捉動作を開始し、前記衛星仰角があらかじめ定めた同期終了仰角より小さい場合には同期保持動作を終了する。

本発明によれば、同期捕捉開始となる同期開始仰角とは独立に同期保持終了となる同期終了仰角を調整できるため、衛星の同期捕捉開始タイミングを変化させずに衛星の同期保持終了タイミングを変化させることができる。
同期終了仰角をより小さな値にすれば同期保持期間が長くなるため同時に同期保持している衛星数が増えることになり、測位率の向上につながる。
また、同期保持終了となる同期終了仰角とは独立に同期捕捉開始となる同期開始仰角を調整できるため、衛星の同期保持終了タイミングを変化させずに衛星の同期捕捉開始タイミングを変化させることができる。
同期開始仰角をより大きな値にすれば同期捕捉開始タイミングがより遅くなるため、同期捕捉の成功率が向上し、無駄な同期捕捉の減少により同期捕捉部の動作時間が相対的に減少し、このことは消費電力の削減につながる。
その結果、同期捕捉に必要な時間を短縮できれば、受信機の電源投入から最初の測位までの時間を短縮することができる。

以下、本発明の実施形態を、添付図面に関連付けて説明する。
以下では、全地球測位システム（ＧＮＳＳ：Ｇｌｏｂａｌ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓａｔｅｌ１ｉｔｅｓ Ｓｙｓｔｅｍ）を構成する少なくとも４個の衛星から送出された信号を受信して、これら受信信号に基づいて自己の位置を算出する受信装置に本発明を適用した場合について説明する。
なお、本例においては、全地球測位システムとして、日本国で広く利用されているＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）を想定し、このＧＰＳに対応した受信装置として、ＧＰＳ受信装置について説明する。

図１は、本発明に係るＧＰＳ受信装置の一実施形態を示すブロック構成図である。

このＧＰＳ受信装置１０は、Ｌ１帯、Ｃ／Ａ（Ｃｌｅａｒ ａｎｄ Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ）コードと呼ばれるスペクトラム拡散信号電波を受信信号として受信するものであって、図１に示すように、受信した受信信号を復調する際に、自己が発生する擬似ランダムノイズ（Ｐｓｅｕｄｏ−ｒａｎｄｏｍ Ｎｏｉｓｅ：ＰＮ）系列の拡散符号と受信信号における拡散符号との同期を捕捉する機能と、拡散符号と搬送波（以下、キャリアという）との同期を保持する機能とを分離することにより、小さい回路規模のもとに、同期捕捉を高速化するように構成されたものである。

そして、本実施形態に係るＧＰＳ受信装置１０においては、少なくとも１個以上の衛星に関する軌道情報が既知であり、受信機の概略位置およびおよその現在時刻が既知である場合に、軌道情報、受信機概略位置およびおよその現在時刻から衛星仰角を計算可能な衛星に関して、あらかじめ定めた同期開始仰角より大きい場合には同期捕捉動作を開始し、衛星仰角があらかじめ定めた同期終了仰角より小さい場合には同期保持動作を終了するように構成される。

一般に、低仰角衛星は、同期捕捉に際して捕捉失敗などの困難を伴う場合があるが、同期保持中の衛星の仰角が徐々に低下してきた場合に関しては、仮に障害物や干渉が原因で一時的に信号強度が低下したとしても、その影響が短時間であれば信号強度が回復した時点で再び同期保持が可能な場合が多い。
本実施形態のＧＰＳ受信装置１０においては、一般的に１つしか定めなかった仰角閾値を、２つ設定する。すなわち、同期捕捉を開始する衛星仰角を上昇仰角閾値（同期開始仰角）とし、同期保持を中止する衛星仰角を下降仰角閾値（同期終了仰角）と定める。
そして、同期捕捉も同期保持も行われていない衛星の仰角が上昇仰角閾値以上であると計算されれば同期捕捉を開始し、同期保持中の衛星仰角が下降仰角閾値未満であると計算されれば同期保持を中止する。
上昇仰角閾値（同期開始仰角）をα、下降仰角閾値（同期終了仰角）をβとすると、α≧βの関係を満たす必要がある。等号成立の場合すなわちα＝βの場合は単一の仰角閾値の場合に相当する。
前述のように低仰角では同期捕捉が困難である場合があるので、上昇仰角閾値を決定するためには、安定して同期捕捉が可能であるかどうかのみに着目すればよい。一方、下降仰角閾値を決定するためには、同期捕捉の困難を考慮する必要は無く、信号強度や位置精度など同期保持あるいは測位の問題点のみに着目すればよい。
つまり、単一の仰角閾値を決定するためには、同期捕捉の成功率や位置精度、測位率といった要素を考慮する必要があったが、本実施形態に係る受信装置１０においては、仰角閾値を２つに分けることにより、仰角閾値の決定に考慮する必要がある要素を分散させることにより、閾値設定を柔軟に行えるように構成している。

ただし、本発明は、このようなＧＰＳ受信装置への適用に限定されるものではなく、全地球測位システムを構成する複数の衛星から送出された信号を受信して自己の位置を算出する受信装置および位置算出方法に広く適用可能であることは勿論である。

以下に、ＧＰＳ受信装置１０の具体的な構成および機能、並びに、２つの仰角閾値に基づく衛星割り当ての具体的な処理について、順を追って説明する。

ＧＰＳ受信装置１０は、同図に示すように、所定の発信周波数を右する発信信号Ｄ１を生成する水晶発振器（Ｘ’ｔａｌ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ；以下、ＸＯという）１１と、このＸＯ１１とは異なる所定の発振周波数ＦＯＳＣを有する発振信号Ｄ２を生成する温度補償型水晶発振器（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ Ｘ′ｔａｌ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ；以下、ＴＣＸＯという）１２と、このＴＣＸＯ１２から供給される発振信号Ｄ２を逓倍（ｍｕｌｔｉｐｌｙ）および／または分周（ｄｉｖｉｄｅ）する逓倍／分周器１３とを備える。

Ｘ０１１は、たとえば３２．７６８ｋＨｚ程度の所定の発振周波数を有する発振信号Ｄ１を生成する。
ＸＯ１１は、生成した発振信号Ｄ１を後述するＲＴＣ（Ｒｅａｌ Ｔｉｍｅ Ｃｌｏｃｋ）２７に供給する。

ＴＣＸＯ１２は、ＸＯ１１とは異なる、たとえば１８．４１４ＭＨｚ程度の所定の発振周波数ＦＯＳＣを有する発振信号Ｄ２を生成する。
ＴＣＸ０１２は、生成した発振信号Ｄ２を逓倍／分周器１３、および後述する周波数シンセサイザ１８等に供給する。

逓倍／分周器１３は、後述するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）２６から供給される制御信号Ｄ３に基づいて、ＴＣＸＯ１２から供給される発振信号Ｄ２を、所定の逓倍率で逓倍し、および／または所定の分周比で分周する。
逓倍／分周器１３は、逓倍および／または分周した発振信号Ｄ３を後述する同期捕捉部２４、後述する同期保持部２５、ＣＰＵ２６、後述するタイマ２８、および後述するメモリ２９に供給する。

また、ＧＰＳ受信装置１０は、ＧＰＳ衛星から送信されてきたＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）信号を受信するアンテナ１４と、このアンテナ１４によって受信された受信ＲＦ信号Ｄ５を増幅するローノイズ・アンプ（Ｌｏｗ Ｎｏｉｓｅ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ；以下、ＬＮＡという）１５と、このＬＮＡ１５によって増幅された増幅ＲＦ信号Ｄ６のうち所定の周波数帯域成分を通過する帯域通過フィルタ（Ｂａｎｄ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ，以下、ＢＰＦという）１６と、このＢＰＦ１６によって通過された増幅ＲＦ信号Ｄ７をさらに増幅する増幅器１７と、ＴＣＸＯ１２から供給される発振信号Ｄ２に基づいて所定の周波数ＦＬＯを有する局部発振信号Ｄ１０を生成する周波数シンセサイザ１８と、増幅器１７によって増幅された所定の周波数ＦＲＦを有する増幅ＲＦ信号Ｄ８に対して周波数シンセサイザ１８から供給された局部発振信号Ｄ１０を乗算する乗算器１９と、この乗算器１９によって乗算されることによってダウンコンバートされた所定の周波数ＦＩＦを有する中間周波数（Ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ；以下、ＩＦという）信号Ｄ１１を増幅する増幅器２０と、この増幅器２０によって増幅された増幅ＩＦ信号Ｄ１２のうち所定の周波数帯域成分を通過する低域通過フィルタ（Ｌｏｗ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ；以下、ＬＰＦという。）２１と、このＬＰＦ２１によって通過されたアナログ形式の増幅ＩＦ信号Ｄ１３をディジタル形式の増幅ＩＦ信号Ｄ１４に変換するアナログ／ディジタル変換器（Ａｎａｌｏｇ／Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；以下、Ａ／Ｄという）２２とを備える。

アンテナ１４は、ＧＰＳを構成する衛星（以下、ＧＰＳ衛星と称する）から送信されてきた周波数が１５７５．４２ＭＨｚのキャリアが拡散されたＲＦ信号を受信する。このアンテナ１４によって受信された受信ＲＦ信号Ｄ５は、ＬＮＡ１５に供給される。

ＬＮＡ１５は、アンテナ１４によって受信された受信ＲＦ信号Ｄ５を増幅する。ＬＮＡ１５は、増幅した増幅ＲＦ信号Ｄ６をＢＰＦ１６に供給する。

ＢＰＦ１６は、いわゆるＳＡＷ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ）フィルタからなり、ＬＮＡ１５によって増幅された増幅ＲＦ信号Ｄ６のうち所定の周波数帯域成分を通過する。
このＢＰＦ１６によって通過された増幅ＲＦ信号Ｄ７は、増幅器１７に供給される。

増幅器１７は、ＢＰＦ１６によって通過された増幅ＲＦ信号Ｄ７をさらに増幅する。増幅器１７は、増幅した所定の周波数ＦＲＦ、すなわち、１５７５．４２ＭＨｚの増幅ＲＦ信号Ｄ８を乗算器１９に供給する。

周波数シンセサイザ１８は、ＣＰＵ２６から供給される制御信号Ｄ９による制御のもとに、ＴＣＸＯ１２から供給される発振信号Ｄ２に基づいて所定の周波数ＦＬＯを有する局部発振信号Ｄ１０を生成する。
周波数シンセサイザ１８は、生成した局部発振信号Ｄ１０を乗算器１９に供給する。

乗算器１９は、増幅器１７によって増幅された所定の周波数ＦＲＦを有する増幅ＲＦ信号Ｄ８に対して周波数シンセサイザ１８から供給された局部発振信号Ｄ１０を乗算することによって増幅ＲＦ信号Ｄ８をダウンコンバートし、たとえば１．０２３ＭＨｚ程度の所定の周波数ＦＩＦを有するＩＦ信号Ｄ１１を生成する。このＩＦ信号Ｄ１１は、増幅器２０に供給される。

増幅器２０は、乗算器１９によってダウンコンバートされたＩＦ信号Ｄ１１を増幅する。増幅器２０は、増幅した増幅ＩＦ信号Ｄ１２をＬＰＦ２１に供給する。

ＬＰＦ２１は、増幅器２０によって増幅された増幅ＩＦ信号Ｄ１２のうち所定の周波数よりも低帯域成分を通過する。このＬＰＦ２１によって通過された増幅ＩＦ信号Ｄ１３は、Ａ／Ｄ２２に供給される。

Ａ／Ｄ２２は、ＬＰＦ２１によって通過されたアナログ形式の増幅ＩＦ信号Ｄ１３をディジタル形式の増幅ＩＦ信号Ｄ１４に変換する。
このＡ／Ｄ２２によって変換された増幅ＩＦ信号Ｄ１４は、１ビットずつ同期捕捉部２４および同期保持部２５に供給される。

なお、ＧＰＳ受信装置１０においては、これらの各部のうち、ＬＮＡ１５，１７，２０，ＢＰＦ１６、周波数シンセサイザ１８、乗算器１９、ＬＰＦ２１、およびＡ／Ｄ２２は、アンテナ１４によって受信された１５７５．４２ＭＨｚの高い周波数を有する受信ＲＦ信号Ｄ５を、ディジタル信号処理が施しやすいように、たとえば１．０２３ＭＨｚ程度の低い周波数ＦＩＦを有する増幅ＩＦ信号Ｄ１４にダウンコンバートする周波数変換部２３として構成される。

さらに、ＧＰＳ受信装置１０は、自己が発生する拡散符号とＡ／Ｄ２２から供給される増幅ＩＦ信号Ｄ１４における拡散符号との同期捕捉および増幅ＩＦ信号Ｄ１４におけるキャリア周波数の検出を行う同期捕捉部２４と、Ａ／Ｄ２２から供給される増幅ＩＦ信号Ｄ１４における拡散符号とキャリアとの同期保持およびメッセージの復調を行う同期保持部２５と、各部を統括的に制御して各種演算処理を行うＣＰＵ２６と、ＸＯ１１から供給される発振信号Ｄ１に基づいて時間を計測するＲＴＣ２７と、ＣＰＵ２６の内部時計としてのタイマ２８と、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）やＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）等からなるメモリ２９とを備える。

同期捕捉部２４は、ＣＰＵ２６の制御のもとに、逓倍／分周器１３から供給される逓倍および／または分周された発振信号Ｄ３に基づいて、Ａ／Ｄ２２から供給される増幅ＩＦ信号Ｄ１４における拡散符号の同期捕捉を行うとともに、増幅ＩＦ信号Ｄｌ４におけるキャリア周波数の検出を行う。このとき、同期捕捉部２４は、粗い精度での同期捕捉を行う。
同期捕捉部２４は、検出したＧＰＳ衛星を識別するための衛星番号、拡散符号の位相、およびキャリア周波数を同期保持部２５およびＣＰＵ２６に供給する。

同期保持部２５は、ＣＰＵ２６の制御のもとに、逓倍／分周器１３から供給される逓倍および／または分周された発振信号Ｄ３に基づいて、Ａ／Ｄ２２から供給される増幅ＩＦ信号Ｄ１４における拡散符号とキャリアとの同期保持を行うとともに、増幅ＩＦ信号Ｄ１４に含まれる航法メッセージの復調を行う。
このとき、同期保持部２５は、同期捕捉部２４から供給される衛星番号、拡散符号の位相、およびキャリア周波数を初期値として動作を開始する。
同期保持部２５は、複数のＧＰＳ衛星からの増幅ＩＦ信号Ｄ１４についての同期保持を並列的に行い、検出した拡散符号の位相、キャリア周波数、および航法メッセージをＣＰＵ２６に供給する。

ＣＰＵ２６は、同期保持部２５から供給される拡散符号の位相、キャリア周波数、および航法メッセージを取得し、これらの各種情報に基づいて、自己の３次元位置の算出する処理や、ＧＰＳ受信装置１０の時間情報を補正する処理などの各種演算処理を行う。
また、ＣＰＵ２６は、ＧＰＳ受信装置１０の各部及び各種ペリフェラル、並びに外部との入出力（Ｉｎｐｕｔ／Ｏｕｔｐｕｔ）に関する制御を統括的に行う。

ＲＴＣ２７は、ＸＯ１１から供給される発振信号Ｄ１に基づいて、時間を計測する。このＲＴＣ２７によって計測される時間情報は、ＣＰＳ衛星の正確な時間情報が得られるまでの間に代用されるものであって、ＧＰＳ衛星の正確な時間情報を得たＣＰＵ２６がＸＯ１１を制御することによって適宜補正される。

タイマ２８は、ＣＰＵ２６の内部時計として機能するものであり、各部の動作に必要となる各種タイミング信号の生成および時間参照に用いられる。
たとえば、ＧＰＳ受信装置１０においては、同期捕捉部２４が同期捕捉した拡散符号の位相に合わせて同期保持部２５が内部に持つ拡散符号発生器の動作を開始させるタイミングを、このタイマ２８によって参照する。

メモリ２９は、ＲＡＭやＲＯＭ等からなる。メモリ２９においては、ＣＰＵ２６等による各種処理を行う際のワークエリアとしてＲＡＭが用いられるとともに、入力した各種データをバッファリングする際や、同期保持部より得られた衛星の軌道情報であるエフェメリスおよびアルマナック、演算過程で生成される中間データおよび演算結果データを保持する際にもＲＡＭが用いられる。
また、メモリ２９においては、各種プログラムや固定データ等を記憶する手段としてＲＯＭが用いられる。
また、メモリ２９においては、ＧＰＳ受信装置１０の電源が切られている間であっても、衛星の軌道情報であるエフェメリスおよびアルマナック、および測位結果の位置情報、ＴＣＸＯ１２の誤差量などを記憶する手段として不揮発メモリが用いられる場合がある。

なお、ＧＰＳ受信装置１０においては、これらの同期捕捉部２４、同期保持部２５、ＣＰＵ２６、ＲＴＣ２７、タイマ２８、メモリ２９は、ベースバンド処理部として構成される。

このような各部を備えるＧＰＳ受信器１０においては、少なくとも、ＸＯ１１，ＴＣＸＯ１２、アンテナ１４、ＬＮＡ１５、およびＢＰＦ１６を除く各部を、集積回路化した１チップからなる復調回路３０として構成することができる。

ＧＰＳ受信装置１０は、少なくとも４個のＧＰＳ衛星からのＲＦ信号を受信して、このＲＦ信号を周波数変換部２３によってＩＦ信号に変換した後、同期捕捉部２４によって拡散符号の同期捕捉およびキャリア周波数の検出を行い、同期保持部２５によって拡散符号とキャリアとの同期保持および航法メッセージの復調を行う。
そして、ＧＰＳ受信装置１０は、拡散符号の位相、キャリア周波数、および航法メッセージに基づいて、ＣＰＵ２６によって自己の３次元位置を算出する。

ここで、ＧＰＳ受信装置１０においてＣＰＵ２６で行われる処理のうち、同期捕捉部２４および同期保持部２５に対する制御処理について説明する。

ＣＰＵ２６は同期保持部２５で同期保持をすべき衛星を決定し、同期捕捉部２４に対してこの衛星の同期捕捉処理を開始させる。
また、ＣＰＵ２６は同期保持部２５で同期保持している衛星について、同期保持を中止するタイミングを決定し、決定されたタイミングに従い衛星の同期保持を中止する。
以下では、これらの処理を総称して「衛星割り当て処理」と呼び、割り当て処理の例を示す。

メモリ２９に受信装置位置および衛星の軌道情報が保持されている場合は、ＲＴＣ２７の時刻とあわせて、下記の式（１）を用いて衛星の仰角ｂを計算することができる。
この場合は、あらかじめ定められた上昇仰角閾値α以上の仰角を持つ衛星かつ同期保持されていない衛星に関して、同期捕捉処理を開始させる。

しかし、メモリ２９に受信装置位置もしくは衛星の軌道情報が保持されていない場合は、衛星の仰角を計算することができないため、どの衛星が地平線上に存在するかを知ることができない。
この場合は、全ての衛星について順に同期捕捉処理を行い、同期捕捉が成功した衛星についてのみ同期保持動作を行うものとする。

同期捕捉が成功した衛星に関しては、ＣＰＵ２６は同期捕捉部２４より当該衛星の拡散符号の位相情報およびキャリアの周波数を受け取り、この衛星番号と共に、これら拡散符号の位相情報およびキャリアの周波数を初期値として同期保持部２５を動作させる。
仮に、メモリ２９に衛星の軌道情報が保持されていない場合であっても、いずれかの衛星の同期捕捉および同期保持に成功すれば、同期保持部２５より航法メッセージが復調される。
同期保持部２５から得られた航法メッセージに含まれる軌道情報には、アルマナックと呼ばれる、全ＧＰＳ衛星に関する狙い軌道情報が存在する。
このアルマナックと、ＣＰＵ２６により算出された受信装置位置、およびＲＴＣ２７の時刻から、いずれは全ＧＰＳ衛星の仰角を計算することができる。

同期保持部２５で同期保持されている衛星の仰角が、あらかじめ定められた下降仰角閾値β未満となった場合は、ＣＰＵ２６により同期保持部２５に対して当該衛星の同期保持を中止するように制御する。

図２は、以上の衛星割り当て処理の概要を示すフローティングチャートである。

図２に示すように、衛星ｉの軌道情報があり、受信装置位置が既知である場合（ＳＴ１〜ＳＴ３）、衛星ｉの仰角ｂを算出する（ＳＴ４）。

「衛星ｉの仰角ｂ」は次のようにして求める。ここでは簡単のために、地球は回転楕円体ではなく球として扱うが、衛星が可視かどうかを判定する上では、地球を球として扱う際の誤差は無視できる。
受信装置の座標を(x0; y0; z0)とし、衛星ｉの座標を(xi; yi; zi)とする。(xi; yi; zi)は軌道情報（アルマナックあるいはエフェメリス）と現在時刻より求めることができる（たとえば文献：Ｊａｍｅｓ Ｂａｏ−Ｙｅｎ Ｔｓｕｉ，“Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ ｏｆＧｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ Ｒｅｃｅｉｖｅｒｓ：
Ａ Ｓｏｆｔｗａｒｅ Ａｐｐｒｏａｃｈ”，Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ＆ Ｓｏｎｓ，Ｉｎｃ．，２０００．）
このとき、衛星ｉの仰角ｂは、次式で求まる。

ただし、式（１）の各パラメータは次の条件を満足する。

次に、ステップＳＴ５において、衛星ｉは同期保持中であるか否かの判定を行う。
ステップＳＴ５において、衛星ｉは同期保持中であると判定した場合には、求めた仰角ｂが下降仰角閾値βより小さいか否かの判定を行う（ＳＴ６）。
ステップＳＴ６において、求めた仰角ｂが下降仰角閾値βより小さいと判定した場合には、衛星ｉの同期保持を中止する（ＳＴ７）。
そして、ステップＳＴ７で同期保持を中止し、あるいはステップＳＴ６において、求めた仰角ｂが下降仰角閾値β以上であると判定した場合には、次の衛星ｉ＋１の仰角を求める処理に移行する。

ステップＳＴ５において、衛星ｉは同期保持中でないと判定した場合には、求めた仰角ｂが下降仰角閾値β以上であるか否かの判定を行う（ＳＴ８）。
ステップＳＴ８において、求めた仰角ｂが下降仰角閾値β以上であると判定した場合には、衛星ｉの同期捕捉を開始する（ＳＴ９）。
そして、ステップＳＴ１０において、衛星ｉの同期捕捉が成功したか否かの判定を行う。ステップＳＴ１０において、同期捕捉が成功したと判定すると、次に、同期保持部２５に空きチャネルがあるか否かの判定を行う（ＳＴ１１）。
ステップＳＴ１１において、同期保持部２５に空きチャネルがあると判定した場合には、衛星ｉの同期保持を開始する（ＳＴ１２）。
そして、ステップＳＴ１２の後、あるいはステップＳＴ８、ＳＴ１０、ＳＴ１１において否定的な判定結果を得た場合、ｉをインクリメントとして、ｉが３２より大きくなるまで、ステップＳＴ２からの処理を繰り返す（ＳＴ１３，ＳＴ１４）。

以上説明したように、本実施形態によれば、ＧＰＳ受信装置１０において、同期捕捉を開始する衛星仰角を上昇仰角閾値（同期開始仰角）とし、同期保持を中止する衛星仰角を下降仰角閾値（同期終了仰角）と、仰角閾値を２つ設定し、同期捕捉も同期保持も行われていない衛星の仰角が上昇仰角閾値以上であると計算されれば同期捕捉を開始し、同期保持中の衛星仰角が下降仰角閾値未満であると計算されれば同期保持を中止することから、以下の効果を得ることができる。

同期捕捉開始となる上昇仰角閾値とは独立に同期保持終了となる下降仰角閾値を調整できるため、衛星の同期捕捉開始タイミングを変化させずに衛星の同期保持終了タイミングを変化させることができる。
下降仰角閾値をより小さな値にすれば同期保持期間が長くなるため同時に同期保持している衛星数が増えることになり、測位率の向上につながる。
また、同期保持終了となる下降仰角閾値とは独立に同期捕捉開始となる上昇仰角閾値を調整できるため、衛星の同期保持終了タイミングを変化させずに衛星の同期捕捉開始タイミングを変化させることができる。
上昇仰角閾値をより大きな値にすれば同期捕捉開始タイミングがより遅くなるため、同期捕捉の成功率が向上し、無駄な同期捕捉の減少により同期捕捉部の動作時間が相対的に減少し、このことは消費電力の削減につながる。
また、同期捕捉に必要な時間を短縮できれば、受信機の電源投入から最初の測位までの時間(TTFF, Time To First Fix) を短縮することができる。

なお、本発明は、衛星の同期保持や同期捕捉の方法については特定の実施を仮定するものではなく、ＧＰＳ受信装置として備える同期捕捉部や同期保持部（あるいは両者は同一の機能ブロックの場合もある）であればよい。
また、衛星の仰角は、一般には、受信装置内部のメモリ領域に保持されている衛星の軌道情報、受信装置位置および現在時刻より求めるが、これらの情報（軌道情報、受信装置位置、現在時刻）は受信装置の外部からなんらかの通信手段を介して受信機に対して与えてもよいし、さらには、衛星の仰角自体を受信機の外部からなんらかの通信手段を介して受信装置に与えるように構成することも可能である。

本発明に係るＧＰＳ受信装置の一実施形態を示すブロック構成図である。 本実施形態のＧＰＳ受信装置の衛星割り当て処理を説明するためのフローチャートである。 ＧＳＰ衛星からの信号の構成を示す図である。 キャリアおよび拡散符号の同期処理例を示す図である。

符号の説明

１０…ＧＰＳ受信装置、１１…水晶発振器（ＸＯ）、１２…温度補償型水晶発振器（ＴＣＸＯ）、１３…逓倍／分周器、１４…アンテナ、１５…ローノイズアンプ（ＬＮＡ）、１６…帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）、１７…増幅器、１８…周波数シンセサイザ、１９…乗算器、２０…増幅器、２１…低域通過フィルタ（ＬＰＦ）、２２…アナログ／ディジタル変換器（Ａ／Ｄ）、２３…周波数変換部、２４…同期捕捉部、２５…同期保持部、２６…ＣＰＵ，２７…ＲＴＣ、２８…タイマ、２９…メモリ、３０…復調回路。

Claims (12)

1. 少なくとも衛星に関する軌道情報および受信装置自体の概略位置情報から当該衛星の仰角を計算可能で、求めた仰角条件に従って衛星の同期捕捉動作および同期保持動作の制御を行う受信装置であって、
   上記求めた衛星仰角が、あらかじめ定めた同期開始仰角以上の場合には同期捕捉動作を開始し、上記衛星仰角があらかじめ定めた同期終了仰角より小さい場合には同期保持動作を終了する制御部を有する
   受信装置。
2. 上記制御部は、同期捕捉および同期保持が行われていない衛星の上記衛星仰角が上記同期開始仰角より大きい場合には同期捕捉動作を開始し、上記衛星仰角が上記同期終了仰角より小さい場合には同期保持動作を終了する
   請求項１記載の受信装置。
3. 上記制御部は、仰角を求めた衛星が同期保持中でない場合であって、当該衛星仰角が上記同期開始仰角以上の場合に当該衛星の同期捕捉を開始し、同期捕捉に成功した場合に当該衛星の同期保持を開始する
   請求項１記載の受信装置。
4. 上記制御部は、上記同期捕捉が成功した場合に、同期保持のために空きチャネルがある場合に衛星の同期保持を開始する
   請求項３記載の受信装置。
5. 上記制御部は、仰角を求めた衛星が同期保持中である場合であって、当該衛星仰角が上記同期終了仰角より小さい場合には、当該衛星の同期保持を中止する
   請求項１記載の受信装置。
6. 上記制御部は、仰角を求めた衛星が同期保持中である場合であって、当該衛星仰角が上記同期終了仰角より小さい場合には、当該衛星の同期保持を中止する
   請求項３記載の受信装置。
7. 求めた仰角条件に従って衛星の同期捕捉動作および同期保持動作の制御を行う受信方法であって、
   少なくとも衛星に関する軌道情報および受信装置自体の概略位置情報から当該衛星の仰角を計算する第１ステップと、
   求めた衛星仰角が、あらかじめ定めた同期開始仰角以上であるか否かを判定する第２ステップと、
   求めた衛星仰角が、あらかじめ定めた同期開始仰角以上である場合には同期捕捉動作を開始する第３ステップと、
   上記衛星仰角があらかじめ定めた同期終了仰角より小さいか否かを判定する第４ステップと、
   上記衛星仰角があらかじめ定めた同期終了仰角より小さい場合には同期保持動作を終了する第５ステップと、
   を有する受信方法。
8. 上記第２、第３、第４、および第５ステップにおいて、同期捕捉および同期保持が行われていない衛星の上記衛星仰角が上記同期開始仰角より大きい場合には同期捕捉動作を開始し、上記衛星仰角が上記同期終了仰角より小さい場合には同期保持動作を終了する
   請求項７記載の受信方法。
9. 上記第２および第３ステップにおいて、仰角を求めた衛星が同期保持中でない場合であって、当該衛星仰角が上記同期開始仰角以上の場合に当該衛星の同期捕捉を開始し、同期捕捉に成功した場合に当該衛星の同期保持を開始する
   請求項７記載の受信方法。
10. 上記同期捕捉が成功した場合に、同期保持のために空きチャネルがある場合に衛星の同期保持を開始する
    請求項９記載の受信方法。
11. 上記第４ステップにおいて、仰角を求めた衛星が同期保持中である場合であって、当該衛星仰角が上記同期終了仰角より小さい場合には、当該衛星の同期保持を中止する
    請求項７記載の受信方法。
12. 上記第４ステップにおいて、仰角を求めた衛星が同期保持中である場合であって、当該衛星仰角が上記同期終了仰角より小さい場合には、当該衛星の同期保持を中止する
    請求項９記載の受信方法。
    

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