JP2006184219A - 測位衛星受信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＧＰＳ受信装置における基準周波数発信源としての温度補償水晶発振器信号の周波数オフセットの補正を、ＧＰＳ受信電波を復調して得られる１ｐｐｓクロック信号以外の信号で補正する。
【解決手段】ＧＰＳ受信装置１０１の衛星受信部１０のＳＳ復調部５で衛星受信電波を復調したときの同期点のＤＰＬＬ５４の出力周波数と前記衛星受信部１０の所定の中間周波数との差の周波数と、基地局受信部９２で受信した基地局情報のうちの基地局受信部９２における同じチャネルの衛星のドップラーシフト周波数とを比較し、その差の周波数に基づいて、受信動作開始時のフラクショナルシンセサイザ４２ａの動作開始時の出力周波数が衛星受信部１０の所定の中間周波信号の中心周波数となる夜に制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、測位衛星からの送信電波を受信する衛星受信装置に関し、特に衛星のドップラーシフト周波数の情報を用いて、基準周波数発振器のオフセット周波数を補正するように構成した衛星受信装置に関する。

測位衛星システム、例えばＧＰＳ（Global Positioning System）は、衛星を用いた全世界的な測位システムであって、ＧＰＳ受信装置は、ＧＰＳ衛星から送信される測位情報に関する信号を受信して復調処理を行ない、その結果得られた衛星の軌道情報等のデータをもとに演算処理を行ってＧＰＳ受信装置の位置データ（緯度、経度ならびに高度）を出力するものである。
このＧＰＳ受信装置は、年々小型化が進み、固定あるいは据え置き型のものだけでなく、移動体通信の携帯端末に組込まれたものも実用化されている。さらに、国土地理院が提供する電子基準点（ＧＰＳ連続観測局）における観測データを利用することによって極めて精度の高い位置情報を得ることができるようになってきている。そのため、広い分野においてＧＰＳを利用した測位が行われている。

ＧＰＳ受信信号から測位情報に関するデータを取り出すためには、受信信号の搬送波に対応した信号とこの信号に同期したＧＰＳシステムの擬似拡散信号とを掛け合わせて、その相関値を積算し、相関の最も強くなる点を同期点と判別して軌道情報等のデータを取り出す「衛星の捕捉処理」と、衛星を捕捉した後も、衛星の高速移動によるドップラシフトのために前記受信信号の搬送波に対応する信号の周波数が変動するので、掛け合わせる擬似拡散信号の周波数を追従させて、継続してデータを取り出す「衛星の追従処理」を行う。
衛星の捕捉処理が完了し追従処理を行っている間に、得られたデータの演算処理をうことによって受信点の位置情報を得ることができる。

図２は、ＧＰＳを利用した測位システムの一例を示すシステム構成概要図である。同図に示すように、本システムは、ＧＰＳ衛星１００と、その電波をアンテナ１を介して受信する衛星受信部１１０と後述の基地局から送られる情報電波をアンテナ９１を介して受信する基地局受信部９２とからなるＧＰＳ受信装置１２０と、ＧＰＳ信号を高精度に受信する、例えば前述の電子基準点（ＧＰＳ連続観測局）におけるアンテナ１０２を備えた基地局受信装置１０３とこの基地局受信装置１０３で受信したＧＰＳ衛星の測位情報をアンテナ１０４を介して送信する基地局送信装置１０５とからなる基地局装置１０６と、で構成される。

前記基地局受信装置１０３は、その基準周波数発信源にルビジウム発振器あるいはセシウム発振器等の高精度の発振器を備えた受信装置であって、ここで受信された観測データはリアルタイムで基地局送信装置１０５より送信される。
なお、以降の説明においては、ＧＰＳ衛星電波を基地局受信装置１０３で受信して復調して得られ、基地局送信装置１０５を介して送られてくる衛星の軌道情報、時刻情報並びにドップラーシフト周波数等の情報を基地局情報という。
そして、測位点においては、前記ＧＰＳ受信装置１２０を用いてＧＰＳ衛星を受信するとともに、前記基地局情報を受信してこれを用いて素早く高精度の位置情報を得ることができる。

図３は、従来のＧＰＳ受信装置の一例を示す構成概要図である。同図に示すように、本ＧＰＳ受信装置１２０は、アンテナ１と、周波数混合部２１とＰＬＬ・ＶＣＯ回路２２とからなる周波数変換部２と、温度補償水晶発振器（以下、ＴＣＸＯという）３と、一次復調部４と、スペクトラム拡散（Spread Spectrum：以下ＳＳという）復調部（ＳＳ復調部）５と、測位演算部６１を備えたＣＰＵ６と、周波数比較部７と、からなる衛星受信部１１０ト、アンテナ９１と、基地局受信部９２と、で構成される。

前記一次復調部４は、乗算部４１と、フラクショナルシンセサイザ部４２ａを備えた搬送波再生部４２とで構成される。
また、前記ＳＳ復調部５は、受信システムで設定された衛星チャネル数に対応した数のＳＳ復調部が備えられるものであって、その各々のＳＳ復調部は相関器５１、ＰＮ符号発生器５２、相関積算／判定部５３、ＤＰＬＬ５６及び分周回路５５で構成される。ただし、図３には、簡略化のために、１チャネル分のＳＳ復調部５のみを図示している。

前記衛星受信部１１０の受信動作は次のとおりである。アンテナ１で受信された衛星からのＧＰＳ信号（中心周波数：fGPS）は、送信データがＢＰＳＫ(Binary Phase Shift Keying)変調され、更に擬似拡散信号によってスペクトラム拡散変調（ＳＳ変調）された信号である。この信号は周波数変換部２の周波数混合部２１の一方の入力端に入力される。
一方、温度補償水晶発振器（以下、ＴＣＸＯという）３の出力信号（周波数：fXO）は、前記周波数変換部２のＰＬＬ・ＶＣＯ回路２２において所定の局部発振周波数（fLO）に逓倍されて前記周波数混合部２１のもう一方の入力端に入力される。
周波数混合部２１ではＧＰＳ信号（fGPS）が局部発振周波数（fLO）と混合され、受信中間周波信号（ＩＦGPS）に周波数変換されて一次復調部４に出力される。

一次復調部４に入力した受信中間周波信号（ＩＦGPS）は、乗算部４１の一方の入力端に入力されるとともに、搬送波再生回路４２に供給される。この搬送波再生回路４２では、ＴＣＸＯ３出力を基準信号とするフラクショナルシンセサイザ部４２ａの出力の周波数を変化させて前記受信中間周波信号（ＩＦGPS）と同期のとれた搬送波を再生し、乗算部４１のもう一方の入力端へ出力する。
その結果、受信中間周波信号（ＩＦGPS）よりＢＰＳＫ復調波が取り出され、ＳＳ復調部５に出力される。
一次復調部４の出力信号は送信データがＳＳ変調された信号であって、この信号を各衛星チャネルごと設けられたＳＳ復調部５に出力し、該ＳＳ復調部５において以下に述べるようにＳＳ復調することによって、それぞれ衛星軌道情報等の送信データを取り出すことができる。

前記ＳＳ復調部５に入力されたＳＳ変調波は、相関器５１において、ＴＣＸＯ３出力を基準信号とするＤＰＬＬ５６の出力信号をクロック信号としてＰＮ符号発生器５２で生成されたＧＰＳの擬似拡散符号（ＰＮ符号）との相関がとられる。
衛星捕捉の段階では同期点が不明であるので、ＤＰＬＬ５６の出力信号の周波数を所定の割合で変化させながら同期点をサーチする。
相関器５１の出力信号（相関値）は相関積算／判定部５３で１周期分ずつ順次積算し、相関が最も強くなる積算値最大の点を同期点と判定し、そこでサーチを停止、即ちＤＰＬＬ５６の出力周波数を固定して受信データ（衛星軌道情報等）を得ることができる。

前記相関器５１に入力するＳＳ変調波は、高速移動する衛星のドップラー効果によってその周波数が刻々と変化する。このような衛星捕捉後のＳＳ変調波の周波数の変動に追従しつつデータを得る衛星追従の段階では、ＳＳ変調波の周波数変動に対応して前記ＤＰＬＬ５６で生成される出力信号の周波数を変化させて、前記相関積算／判定部５３にて上述と同様の同期点判定を行うことによって同期を保持し続ける。
なお、前記相関積算／判定部５３からは、同期点を求めるためにＤＰＬＬ５６の出力周波数をどのように調整するか（高くするか、低くするか、維持するか）の自動周波数制御情報がＤＰＬＬ５６に供給される。

上記のようにして衛星チャネルごとに得られたそれぞれの軌道情報、時刻情報等の送信データはＣＰＵ６の測位演算部６１に入力され、該測位演算部６において演算処理されて、ＧＰＳ受信装置１２０が位置する点の位置情報が得られる。

上述のように構成された衛星受信部１１０のＴＣＸＯ３の発振周波数は、例えば最大で±２ｐｐｍの温度特性による周波数オフセットを有しており、このＴＣＸＯ３の出力を基準周波数とするフラクショナルシンセサイザ部４２ａの出力も同様の出力周波数の偏差をもって出力している。そのため、このＴＣＸＯ３の出力周波数の偏差を補正するために、次のように構成される。
まず、周波数比較部７の一方の入力端にＴＣＸＯ３の発振周波数を入力し、周波数比較部７のもう一方の入力端には、アンテナ９１を介して前述の基地局情報を基地局受信部９２で受信して復調し、復調された衛星の時刻情報から１ｐｐｓクロック信号を取り出して基準信号として入力する。
前記周波数比較部７で比較されて得られた差分の情報をもとに、ＣＰＵ６を介してフラクショナルシンセサイザ部４２ａの出力周波数を衛星受信部１１０の所定の中間周波数から変化させるように制御して、速やかに受信中間周波信号と同期のとれた搬送波を再生するように構成している。
特開２００２−２２８７３７号公報

しかしながら、上述のＴＣＸＯ３出力周波数の偏差の補正は、１ｐｐｓクロック信号を基準としてＴＣＸＯ３の偏差を補正しているが、この１ｐｐｓクロック信号以外の信号を基準としてＴＣＸＯ３の偏差を補正したいという要望があった。
本発明は、上記要望を解決するためになされたものであって、１ｐｐｓクロック信号以外の信号に基づいてＴＣＸＯの偏差を補正を行うことができるＧＰＳ受信装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１においては、温度補償圧電発振器の出力を基準信号としたフラクショナルシンセサイザより出力される信号をもとに再生した搬送波再生回路出力の搬送波と受信信号とを乗算してＢＰＳＫ（Binary Phase Shift Keying）復調を行い、前記ＢＰＳＫ復調によって取り出された被スペクトラム拡散変調波と前記温度補償圧電発振器の出力を基準信号としたＤＰＬＬ（Digital Phase Lock Loop）よりの出力信号をクロック信号として生成された擬似拡散符号との相関によって同期点を求めてスペクトラム拡散復調を行う測位衛星受信装置であって、前記測位衛星受信装置で計測されたドップラーシフト周波数と高精度の基準周波数発信源を備えた基地局受信装置で観測した当該の測位衛星のドップラーシフト周波数との差分の周波数を前記温度補償圧電発振器のオフセット量として記憶手段に記憶したことを特徴とする。
また、請求項２においては、請求項１に記載の測位衛星受信装置であって、前記測位衛星受信装置の動作開始時に、前記記憶手段に記憶された差分の周波数を前記フラクショナルシンセサイザに設定して該フラクショナルシンセサイザの出力周波数が前記測位衛星受信装置の所定の中間周波周波数となるように構成したことを特徴とする。

本発明のＧＰＳ受信装置では、ＧＰＳ衛星電波を測位点の衛星受信装置で受信したときのドップラーシフト周波数と、高精度にＧＰＳ衛星電波を受信する基地局受信装置で受信したときのドップラーシフト周波数とを比較し、その差分の周波数に基づいて、一次復調部のフラクショナルシンセサイザが前記衛星受信装置の所定の中間周波信号の中心周波数から動作するように構成した。
その結果、本発明によれば、従来のＧＰＳ電波から取り出される１ｐｐｓクロック信号を用いて衛星受信装置の基準信号発生源である温度補償圧電発振器の周波数オフセットを補正する場合と同等レベルで、確実に素早く測位情報を出力することができるＧＰＳ受信装置を提供できる。

本発明を図面に示した実施の形態に基づいて説明する。図１は、本発明に係わるＧＰＳ受信装置の実施の一形態例を示す構成概要図である。本ＧＰＳ受信装置は、図２に示すＧＰＳを利用した測位システムにおいて、ＧＰＳ受信装置１２０と同様に用いられてＧＰＳ受信装置の位置のデータが取り出される。
同図に示されるように、本ＧＰＳ受信装置１０１は、アンテナ１を備えた衛星受信部１０とアンテナ９１を備えた基地局受信部９２とで構成され、また、前記衛星受信部１０は、周波数混合部２１とＰＬＬ・ＶＣＯ回路２２とからなる周波数変換部２と、温度補償水晶発振器（以下、ＴＣＸＯという）３と、一次復調部４と、スペクトラム拡散復調部（ＳＳ復調部）５と、測位演算部６１を備えたＣＰＵ６と、周波数比較部７と、メモリ８と、で構成される。

さらに、前記一次復調部４は、乗算部４１と、フラクショナルシンセサイザ部４２ａを備えた搬送波再生部４２とで構成される。
また、前記ＳＳ復調部５は、受信システムで設定された衛星チャネル数に対応した数のＳＳ復調部が備えられるものであって、その各々のＳＳ復調部は相関器５１、ＰＮ符号発生器５２、相関積算／判定部５３、ＤＰＬＬ５４及び分周回路５５で構成される。ただし、図１には、簡略化のために、１チャネル分のＳＳ復調部５のみを図示している。

なお、衛星受信部１０の各構成部位の機能、動作は、ＳＳ復調部５のＤＰＬＬ５４と、ＣＰＵ６と、周波数比較部７と、メモリ８とを除いて、図４の同一符号で表される構成部位の機能動作と同じであり、また、本受信装置１０におけるＢＰＳＫ復調及びＳＳ復調の基本的な復調動作は図３の衛星受信部１１０の場合と同じであるので、共通部分の詳細な説明は省略する。

本ＧＰＳ受信装置１０１の衛星電波の復調は、次のように行われる。
衛星受信部１０のアンテナ１で受信され周波数変換部２で中間周波信号に周波数変換された受信中間周波信号（ＩＦGPS）は、一次復調部４の乗算部４１の一方の入力端に入力されるとともに、搬送波再生回路４２に供給される。この搬送波再生回路４２では、ＴＣＸＯ３を基準信号源とするフラクショナルシンセサイザ部４２ａの出力信号をもとに前記受信中間周波信号（ＩＦGPS）と同期のとれた搬送波を再生し、乗算部４１のもう一方の入力端へ出力する。
その結果、受信中間周波信号（ＩＦGPS）よりＢＰＳＫ復調波が取り出され、ＳＳ復調部５に出力される。
前記一次復調部４の出力信号は送信データがＳＳ変調された信号であって、この信号は各衛星チャネルごと設けられたＳＳ復調部５に出力され、それぞれ各チャネルごとに送信データ（軌道情報）が得られる。

前記ＳＳ復調部５に入力されたＳＳ変調波は、相関器５１において、ＴＣＸＯ３の出力を基準信号源とするＤＰＬＬ５４の出力信号をクロック信号としてＰＮ符号発生器５２で生成されたＧＰＳの擬似拡散符号（ＰＮ符号）との相関がとられる。
衛星捕捉の段階では同期点が不明であるので、ＤＰＬＬ５４の出力信号の周波数を所定の割合で変化させながら同期点をサーチする。
相関器５１の出力信号（相関値）は相関積算／判定部５３で１周期分ずつ順次積算し、相関が最も強くなる積算値最大の点を同期点と判定し、そこでサーチを停止し、即ちＤＰＬＬ５４の出力周波数を固定して受信データ（衛星軌道情報等）を得る。

上記のようにして得られた同期点におけるＤＰＬＬ５４の出力周波数と衛星受信部の所定の中間周波信号の中心周波数との差分の周波数（ドップラーシフト周波数）が周波数比較部７の一方の入力端へ入力される。
一方、基地局１０６より送信された前記衛星受信部１０で受信したチャネルと同じ衛星の測位情報（軌道情報、時刻情報）及びドップラーシフト周波数等の基地局情報は、アンテナ９１で受信され基地局受信部９２において復調される。復調された情報のうち、ドップラシフト周波数のデータが周波数比較部７のもう一方の入力端へ入力される。
前記基地局受信装置１０３のドップラーシフト周波数と前記ＤＰＬＬ５４からのドップラーシフト周波数とが比較され、その差分の周波数が計測される。同様の計測が所定の回数行われ、その平均値の周波数がＣＰＵ６を介してメモリ８に書き込み、保存される。

前述のように基地局受信装置１０３は基準周波数発信源に高精度の発振器を備えた受信装置であって、したがって、前記メモリ８に保存された差分の周波数は、衛星受信装置１０のＴＣＸＯ３の中心周波数（任意に定めた基準周波数、所謂公称周波数をいう）からのオフセット量に相当する。

上記のようにメモリ８に差分の周波数が保存された状態で、再度、ＧＰＳ受信装置１０１の電源がされて受信動作が開始すると、メモリ８の前記差分の周波数がＣＰＵ６を介して読み出されて一次復調部４のフラクショナルシンセサイザ４２へ出力される。
フラクショナルシンセサイザ４２では、前記差分の周波数によって図示しない分周・位相同期回路が制御され、フラクショナルシンセサイザ４２の基準周波数源であるＴＣＸＯ３のオフセットを補正してフラクショナルシンセサイザ４２の出力周波数が衛星受信部１０の基準の中間周波数となるように設定する。
そして、その周波数からフラクショナルシンセサイザ４２の出力周波数を調整して受信中間周波数をサーチし、搬送波再生回路４２で基準搬送波を再生して、受信中間周波信号を一時復調（ＢＰＳＫ復調）する。

一時復調された受信信号は、ＳＳ復調部５においてＳＳ復調され、測位演算部６１で演算処理されて受信点の位置情報が取り出される。
このとき、周波数比較部７では、前述と同様に衛星受信部１０のドップラーシフト周波数と基地局受信部９２における同じ衛星チャネルのドップラーシフト周波数とが比較されてその差分が計測される。所定の回数比較されて取り出された差分の周波数の平均値が、ＣＰＵ６を介して改めてメモリ８に書き直されて保存される。
上記のように構成することによって、素早く衛星の受信信号を捕捉して一次復調（ＢＰＳＫ復調）することができる。

なお、ドップラーシフト周波数を比較するために基地局受信部９２が受信する基地局受信装置１０３は、ＧＰＳ受信装置１０１の半径３０ｋ以内にある基地局受信装置であって、その基地局受信装置１０３の基準周波数発振器は、ＧＰＳ受信装置１０１の衛星受信部１０の基準周波数発振器（ＴＣＸＯ３）より1／100以上精度が良い発振器であることが必要である。
さらに、ドップラーシフト周波数を比較する基地局受信装置１０３が観測した衛星は、前記基地局受信装置１０３から見て仰角６０度以下の位置にあって、ＧＰＳ受信装置１０１が計測したドップラーシフト周波数より６０秒以内に計測されたドップラーシフト周波数であることが必要である。

本発明に係わるＧＰＳ受信装置の実施の一形態例を示す構成概要図。 ＧＰＳを利用した測位システムの一例を示すシステム構成概要図。 従来のＧＰＳ受信装置の一例を示す構成概要図。

符号の説明

１・・アンテナ、 ２・・周波数変換部、 ３・・温度補償水晶発振器（ＴＣＸＯ）、
４・・一次復調部、 ５・・スペクトラム拡散復調部（ＳＳ復調部）、 ６・・ＣＰＵ、
７・・周波数比較部、 ８・・メモリ、 １０・・衛星受信部、 ２１・・周波数混合部、
２２・・ＰＬＬ・ＶＣＯ回路、 ４１・・乗算部、 ４２・・搬送波再生部、
４２ａ・・フラクショナルシンセサイザ部、 ５１・・相関器、
５２・・ＰＮ符号発生器、 ５３・・相関積算／判定部、 ５４・・ＤＰＬＬ、
５５・・分周回路、 ５６・・ＤＰＬＬ、 ６１・・測位演算部、 ９１・・アンテナ、
９２・・基地局受信部、 １００・・ＧＰＳ衛星、 １０１・・ＧＰＳ受信装置、
１０２・・アンテナ、 １０３・・基地局受信装置、 １０４・・アンテナ、
１０５基地局送信装置、 １０６・・基地局装置、 １１０・・衛星受信部、
１２０・・ＧＰＳ受信装置

Claims (2)

1. 温度補償圧電発振器の出力を基準信号としたフラクショナルシンセサイザより出力される信号をもとに再生した搬送波再生回路出力の搬送波と受信信号とを乗算してＢＰＳＫ（Binary Phase Shift Keying）復調を行い、前記ＢＰＳＫ復調によって取り出された被スペクトラム拡散変調波と前記温度補償圧電発振器の出力を基準信号としたＤＰＬＬ（Digital Phase Lock Loop）よりの出力信号をクロック信号として生成された擬似拡散符号との相関によって同期点を求めてスペクトラム拡散復調を行う測位衛星受信装置であって、
   前記測位衛星受信装置で計測されたドップラーシフト周波数と高精度の基準周波数発信源を備えた基地局受信装置で観測した当該の測位衛星のドップラーシフト周波数との差分の周波数を前記温度補償圧電発振器のオフセット量として記憶手段に記憶したことを特徴とする測位衛星受信装置。
2. 前記測位衛星受信装置の動作開始時に、前記記憶手段に記憶された差分の周波数を前記フラクショナルシンセサイザに設定して該フラクショナルシンセサイザの出力周波数が前記測位衛星受信装置の所定の中間周波周波数となるように構成したことを特徴とする請求項１に記載の測位衛星受信装置。
   

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