JP2006349587A - Ｇｐｓ受信機 - Google Patents

Abstract

【課題】ＧＰＳ受信機における同期捕捉と同期追従は、拡散符号及び搬送波の同期に時間を要する外乱が発生した場合において、同期保持の部分で遅れが発生する。
【解決手段】ＧＰＳ受信機１０は、衛星信号を受信するＩＦ変換器１０１と、同期追従ユニット２０と、受信制御部１１０と、擬似速度測定器１１４と、擬似距離測定器１１６と、ドップラー周波数測定器１１８と、位置・速度演算部１２０及び温度変化検出器１１２と、を有する。さらに同期追従ユニット２０は、測位演算に必要な衛星の個数分用意され、スペクトラム逆拡散コードを出力する比較信号発生器１０２と、周波数誤差測定器１０３と、相関を検出する相関検出器１０７と、受信信号に応じて追従モードを切替える動作モード切替判定器１０６と、切替スイッチ１０８と、通常追従用ループフィルタ１０４と、弱信号追従用ループフィルタ１０５と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＧＰＳ（Global Positioning System）受信機に関し、特にＧＰＳ衛星からの受信信号についての拡散符号及びキャリアである搬送波の同期捕捉及び同期追従動作に関する。

ＧＰＳ衛星を利用して移動体の位置を測定するＧＰＳにおいて、ＧＰＳ受信機は、地球周回軌道上にあるＧＰＳ衛星から受信した衛星信号に基づく測位演算などにより、ＧＰＳ受信機の位置及び速度などを検出する。ＧＰＳ受信機にて測位演算を行うには、原理上必要とされている個数以上のＧＰＳ衛星を選択し、それらのＧＰＳ衛星からの衛星信号を捕捉し、捕捉した衛星信号からデータを復調する。

ＧＰＳ衛星からの衛星信号は、周波数１５７５．４２ＭＨｚの搬送波をＢＰＳＫ（Binary Phase Shift Keying）で変調され、さらに衛星毎に定められたスペクトラム拡散符号によりスペクトラム拡散された信号上に、その送信時刻、詳細軌道情報、軌道暦情報などを示す５０ｂｐｓのデータを含んでいる。このため、ＧＰＳ受信機は、受信した衛星信号を選択したＧＰＳ衛星に対応するスペクトラム逆拡散符号によりスペクトラム逆拡散し、その結果得られた信号からデータを復調する。さらに、ＧＰＳ受信機は、選択した各ＧＰＳ衛星に係る復調データや、スペクトラム逆拡散を通じ位相制御情報として得られるコード位相に基づき、位相演算を実行する。

なお、ＧＰＳ衛星にて使用されるスペクトラム拡散符号にはＣ／Ａ（Coarse Acquisition）コードとＰ（Precision）コードの２種類があり、両者の間には１エポック当たりチップ数、符号速度、エポック長などに関する設計上の相違があるが、いずれも、所定個数のチップから構成される擬似雑音符号であってチップ毎に“１”，“０”の２値をとる。例えば、Ｃ／Ａコードは、１エポック当たりチップ数＝１０２３、符号速度１．０２３ＭＨｚ、繰り返し周期（エポック長）＝１ｍｓｅｃのｇｏｌｄ符号である。

ＧＰＳ受信機におけるスペクトラム逆拡散は、スペクトラム逆拡散符号と衛星信号との相関値の検出、検出した相関値と所定の閾値との比較及びこの比較に基づくスペクトラム逆拡散符号の位相制御であるコード位相制御を伴っている。

スペクトラム逆拡散符号と衛星信号との相関値は、衛星に係る擬似雑音符号の値とスペクトラム逆拡散符号の値との一致／不一致の度合を示す情報であり、衛星信号に係る擬似雑音符号の値とスペクトラム逆拡散符号の値とがエポック全体にわたり一致している状態、すなわち衛星信号に対してスペクトラム逆拡散符号のチップ位置（コード位置）が同期している状態では、他の状態に比べて顕著に大きくなる。

そのため、ＧＰＳ受信機では、検出した相関値をその閾値と比較し、前者が後者を上回った場合は、“コード位相が同期した”と判定する。なお、この閾値は、予めコード位相同期状態を他の状態から区別して検出できるように定めてある。

ＧＰＳ受信機は、コード位相同期状態になり衛星信号を捕捉するまで、かつ１エポック全体を調べ終えるまで、スペクトラム逆拡散符号のコード位相を１チップずつ、ずらしながら上述の相関値検出及び閾値比較を実行する。

１エポックにわたりコード位相をずらして調べたが“同期”との判定が得られない場合は、衛星信号のキャリアに対して周波数同期していない可能性があるため局部発信周波数をわずかにずらして再試行する。コード位相同期状態になると、衛星信号がスペクトラム逆拡散されデータを復調することが可能となると同時に、そのときのコード位相の相関値がピークになるコード位相を、擬似距離導出などに利用可能となる。一度、衛星信号を捕捉した後は、衛星信号に係る擬似雑音符号の位相変化に追従するようコード位相を変化させることにより、その衛星又は衛星信号を追従する。

ＧＰＳ信号の追従には、コスタスループを使用してＩ信号と、位相を９０度ずらしたＱ信号の２つの信号を使用して行うことが一般的である。正常にＧＰＳ信号が追従できている場合は、Ｉ信号との相関度合いが高く、Ｑ信号とは無相関の相関ベクトルとなる。そして、この状態を保つように、受信機から発生する比較信号を制御する。

しかし、上述した従来の手法において、周波数サーチは高速同期に不向きであり、拡散符号及び搬送波の同期に時間を要するという問題があった。そこで、この問題を解決するために特許文献１には、ＧＰＳ衛星からの受信信号についての拡散符号及び搬送波の同期捕捉及び同期保持に関する高速化技術が公開されている。

特開２００３−２５８７６９号公報

しかし、特許文献１に示されている技術は、高速化した同期捕捉と高感度化した同期保持であるため、拡散符号及び搬送波の同期に時間を要する外乱が発生した場合において、同期保持の部分で遅れが発生するという問題がある。

以上のような問題を解決するために、本発明に係るＧＰＳ受信機は、ＧＰＳ信号を送信する複数の送信源のうち、捕捉すべき送信源に対応するスペクトラム逆拡散符号を用いてＧＰＳ信号を捕捉し、ＧＰＳ信号の搬送波周波数を検出する同期捕捉手段と、搬送波周波数に追従する同期追従手段と、を有するＧＰＳ受信機において、複数の送信源からのＧＰＳ信号を受信して各ＧＰＳ信号の搬送波周波数と位相の誤差を測定する誤差測定手段と、搬送波周波数、位相又は信号強度の少なくとも一つの変化に追従させる複数の同期追従手段と、誤差測定手段の情報に基づいて、同期追従手段を切替える追従切替手段と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係るＧＰＳ受信機において、同期追従手段は、ＧＰＳ信号からの搬送波周波数が検出可能な信号強度で捕捉する通常追従手段と、通常追従手段より弱い信号強度で捕捉する弱信号追従手段と、を少なくとも備えることを特徴とする。

さらに、本発明に係るＧＰＳ受信機において、追従切替手段は、誤差測定手段により測定された周波数誤差がしきい値以上のときは、通常追従手段に切替え、通常追従手段より弱い信号強度のときは、弱信号追従手段に切替えることを特徴とする。

さらにまた、本発明に係るＧＰＳ受信機において、誤差測定手段により測定された搬送波周波数の変化が通常の周波数の変化より大きい送信源の再捕捉をさせることを特徴とする。

さらにまた、本発明に係るＧＰＳ受信機において、誤差測定手段は、異なる積算期間によるＧＰＳ信号のコヒーレント加算の相関値比率から求められることを特徴とする。

さらにまた、本発明に係るＧＰＳ受信機において、誤差測定手段は、ＧＰＳ信号の１ｍｓコヒーレント加算×ｎ回で求められる短期積算値と２０ｍｓコヒーレント加算×ｍ回（ｎ、ｍは自然数）で示される長期積算値の比率から求められることを特徴とする。

さらにまた、本発明に係るＧＰＳ受信機において、ＧＰＳ受信機で測定された加速度が通常加速度よりも大きいときは、通常追従手段に切替えることを特徴とする。

さらにまた、本発明に係るＧＰＳ受信機において、ＧＰＳ受信機の温度変化を測定する温度測定手段を有し、温度測定手段により測定された温度変化が通常温度変化より大きいときは、通常追従手段に切替えることを特徴とする。

本発明を用いることにより、同期捕捉と同期追従を機能分離せずに同期追従による処理の停滞を招くことなく高速化が可能となり、信号が途切れ難いという効果が得られる。さらに、もし、信号が途切れても再捕捉までの時間を短くすることができるという効果もある。

以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）を、図面に従って説明する。

図１は、本発明の実施形態に係るＧＰＳ受信機１０の概略構成を示す構成図である。ＧＰＳ受信機１０は、ＲＦ帯の衛星信号を受信してＩＦ帯に変換するＩＦ変換器１０１と、同期の追従動作を行う複数の同期追従ユニット２０と、ＧＰＳ受信機１０の制御を行う受信制御部１１０と、擬似速度測定器１１４と、擬似距離測定器１１６と、ドップラー周波数測定器１１８と、位置・速度演算部１２０及び温度変化検出器１１２を有している。

さらに、同期追従ユニット２０は、測位演算に必要な衛星の個数分用意され、スペクトラム逆拡散コードを出力する比較信号発生器１０２と、コード位相として取り出した搬送波の周波数誤差を測定する周波数誤差測定器（周波数／位相誤差測定器）１０３と、相関を検出する相関検出器１０７と、受信信号に応じて追従モードを切替える動作モード切替判定器１０６と、切替スイッチ１０８と、通常追従用ループフィルタ１０４と、弱信号追従用ループフィルタ１０５と、を有している。

次に信号の流れについて説明する。衛星信号は、アンテナで受信され、ＩＦ変換器１０１にて、ＲＦ帯からＩＦ帯へダウンコンバートされ、さらに比較信号発生器１０２などによりアナログ信号からデジタルデータとして変換されて同期追従ユニット２０へ入力される。同期追従ユニット２０は、測位演算に必要な衛星の個数、捕捉・追従すべき衛星に係るスペクトラム拡散符号の１エポック当たりのチップ数などが受信制御部１１０より入力され、同期追従ユニット２０により捕捉・追従が行われる。

同期追従ユニット２０は、同期ループを形成する比較信号発生器１０２と、周波数誤差測定器１０３と、動作モード切替判定器１０６と、切替スイッチ１０８と、通常追従用ループフィルタ１０４及び弱信号追従用ループフィルタ１０５による同期ループを有する。ＧＰＳ衛星からのデータは、同期ループにおいて追従され、相関信号が相関検出器１０７で処理された後に受信制御部１１０へ出力される。

入力されたデータを元にして受信制御部１１０は、位置・速度演算部１２０が選択した組合せに属する衛星それぞれに対応するスペクトラム逆拡散符号を、比較信号発生器１０２により発生させ、そのコード位相を相関検出器１０７がピークとなるように制御することで「捕捉」を行う。

「捕捉」により衛星信号に対するスペクトラム逆拡散符号のコード位相同期が確立され、データが復調され、得られた送信元衛星の詳細軌道情報や送信時刻に関するデータは、位置・速度演算部１２０に供給される。受信制御部１１０は、このコード位相同期状態が維持されるように、逐次得られる相関値に基づき比較信号発生器１０２におけるコード位相を通常追従用ループフィルタ１０４又は弱信号追従用ループフィルタ１０５に切替えることで「捕捉」と「追従」を連続で行う。

また、同期追従ユニット２０は、周波数誤差測定器１０３で測定した周波数の誤差を補正することができる。通常追従用ループフィルタ１０４と弱信号追従用ループフィルタ１０５は、測定された誤差に応じて比較信号発生器１０２における局部発信周波数の微調整を行うことで、スペクトラム逆拡散符号の１エポックにわたりコード位相同期を確立できなくなる不具合を解決し、信号追従動作を実現している。

図２は、本発明の参考となる構成（以下、参考構成という。）に係るコスタスループ２００の構成図である。コスタスループ２００は、位相変調信号の検波回路であり、ＩとＱの二つの乗算器２０１，２０３を介して位相ズレ９０°の信号を入力する信号源２１４と、ＬＰＦ（積分器）２１０，２１１と、ループフィルタ２１２と、ＶＣＯ（電圧制御発振器）２１３と、を有している。

図３は、参考構成に係る正常に同期ができている場合のＩ信号とＱ信号のタイムチャート図である。このタイムチャートは、ＩＦ信号を図２のコスタスループに入力し、コスタスループの出力から得られたＩ信号と、参考のためにＬＰＦ２１１の出力として得られるＱ信号を示している。正常にＧＰＳ信号を追従できている場合にはＩ信号との相関度が高くＱ信号とは無相関の相関ベクトルとなり、Ｉ信号は、２０ｍｓの航法データによりプラス・マイナスに振れる相関値が出力され、Ｑ信号からは０付近の相関値が出力され、図３下段の位相も安定している。

図４は、参考構成に係る２５Ｈｚ遅れて追従している場合のＩ信号とＱ信号のタイムチャート図である。図４の下段に示した位相が５ｍｓ毎に位相が４５°ずつ変化していき、Ｉ信号の相関の増減と、Ｑ信号の相関の増減を繰り返す。図４に示すように、Ｉ信号はプラスからマイナスに変化していき、４０ｍｓ後に航法データが０になったことにより、相関値がマイナス側に移っている。信号強度は一定と仮定しているので√（Ｉ^２＋Ｑ^２）は、常に一定値となる。

図５は、参考構成に係る１２．５Ｈｚ遅れて追従している場合のＩ信号とＱ信号のタイムチャート図である。１２．５Ｈｚ誤って追従する場合も、２５Ｈｚ誤って追従する場合に比べて周期は倍の４０ｍｓとなり、相関ベクトル回転速度が遅くなる。

図６は、参考構成に係る１２．５Ｈｚ遅れて追従し、さらに位相４５°から始まる場合のＩ信号とＱ信号のタイムチャート図である。図４と図５では、位相０°から始まる場合のタイムチャートを示したが、図６は位相４５°から始まるタイムチャートのように追従遅れには、周波数遅れと位相遅れが発生する。

図７は、参考構成に係る追従周波数のズレ量を算出する場合のタイムチャート図である。図中縦軸のＱの相関度合とは、単なる相関値ではなく、Ｑ／√（Ｉ^２＋Ｑ^２）であり、Ｉの相関度合も同様にＩ／√（Ｉ^２＋Ｑ^２）を示している。一般的な追従周波数のズレ量を算出する場合は、上述した相関ベクトルの回転速度を算出することにより、周波数ズレ量を算出できる。

図中、５ｍｓ区間である時刻５ｍｓのポイントを（ｃ点）、時刻１０ｍｓのポイントを（ｄ点）とすると、Ｉの相関度合として（ａ）と（ｂ）が得られ、同様にＱの相関度合として（ｅ）と（ｆ）が得られる。式１は傾きを求める式である。

さらに、周波数ズレ量＝傾き×１／４［Ｈｚ］により求めることが可能となる。図５に示した１２．５Ｈｚ遅れて追従しているタイムチャートの場合、２０ｍｓで、Ｑ信号が０から１になるので、周波数ズレ量＝１／２０＊１０−３／４＝１２．５Ｈｚとなる。この方法の問題としては、弱信号の場合はノイズが多くなると正確に測定できなくなる。

図８は、参考構成に係る弱信号でノイズが多い場合の追従周波数のズレ量を算出する場合のタイムチャート図である。図中（ａ時刻）と（ｂ時刻）の相関値を測定した場合は、正しく測定できない。そこで、本実施形態では、短期積算値（例１ｍｓ）と長期積算値（例２０ｍｓ）による比較を行い、その比率により周波数のズレ量を推定する処理とした。また、周波数ズレの傾きと、エポックが同期していると、周波数ズレを測定できない可能性があるが、さらに長い時間（例１秒）の測定を行えば、周波数ズレの傾きとエポックは無相関なため、徐々にずれることで回避が可能となる。

実際には、図６に示したタイムチャート図の場合が多く、最初の２０ｍｓのＱ信号は、２０ｍｓのコヒーレント加算をすると、ほぼ０になり、“１ｍｓの積算”＊２０回と差が出ることで判定が可能となり、図５の算出方法より正確に測定が可能となった。

図９は、本発明の実施形態に係るＧＰＳ受信機の信号追従動作の流れを示すフローチャート図である。処理を開始すると、ステップＳ１０において、（式２）に示すような１ｍｓ間（１０２３チップ）のＩ信号とＱ信号（Ｉ_１ｍｓ，Ｑ_１ｍｓ）の短期積算値の算出を行う。

さらに、ステップＳ１２において、（式３）に示すような２０ｍｓ間（２０，４６０チップ）のＩ信号とＱ信号（Ｉ_２０ｍｓ，Ｑ_２０ｍｓ）の長期積算値の算出を行う。

さらにまた、ステップＳ１４において、（式４）に示すような積算比の算出を行う。

ステップＳ１６において、短期積算値が強信号であるかを判定するため、強信号（例えば、−１３５ｄＢｍ）を超える場合には、ステップＳ２１において強度補正係数を０．９とする。この理由は、信号強度が大きいとノイズは小さいが、信号強度が小さいとノイズでＧＰＳ信号が崩れてしまい、ノイズ除去の調整を行う必要があるからである。

ステップＳ１８において、短期積算値が中強度であるかを判定するため、中信号（例えば、−１４０ｄＢｍ）を超える場合には、ステップＳ２２において強度補正係数を０．８とする。同様にして、ステップＳ２０において、短期積算値が弱強度であるかを判定するため、弱信号（例えば、−１４５ｄＢｍ）を超える場合には、ステップＳ２３において強度補正係数を０．６とする。さらに、弱い信号である場合にはステップＳ２４において強度補正係数を０．４とする。

ステップＳ２６において、周波数ズレ量の算出を行う。周波数ズレ量は積算比×強度補正係数×１０［Ｈｚ］で無次元の値を周波数の単位系に変換して周波数ズレ量として算出する。なお、実施に関しては、実機による補正が必要となるので、数値計算よりもテーブルからの参照としても良い。

ステップＳ３２において、周波数ズレ量が５Ｈｚ未満の場合には、ステップＳ２８に移り、ＧＰＳ受信機の擬似速度測定器１１４の速度変化がしきい値を越える値となった場合は、通常追従（ステップＳ３６）が必要と判定する。同様に、ステップＳ３０において、ＧＰＳ受信機に設けられている温度変化検出器１１２の温度変化量がしきい値を越える値となったときも同様とする。ステップＳ２８，Ｓ３０において、しきい値以下の場合は、ＧＰＳの弱信号追従モード（ステップＳ３４）を選択する。

また、ステップＳ３２において、周波数ズレ量が５０Ｈｚ未満の場合には、通常追従モード（ステップＳ３６）を実行し、周波数ズレ量が５０Ｈｚ以上の場合には再捕捉（ステップＳ３８）を実行して最初に戻る。なお、本実施形態における短期積算値、長期積算値の判定に用いた数値及びその他の強度補正係数などの数値は、限定するものではなく、ＧＰＳ受信機の構成によって適切な値を選ぶことが好適である。

なお、ステップＳ３２において（式５）を用いて算出しても良い。

以上、上述したように本発明に係る実施形態において、同期捕捉と同期追従を機能分離せずに同期追従による処理の停滞を招くことなく高速化が可能となり、信号が途切れ難いという効果が得られる。さらに、もし信号が途切れても再捕捉までの時間を短くすることができるという効果もある。

本発明の実施形態に係るＧＰＳ受信機の概略構成を示す構成図である。 本発明の参考となる構成に係るコスタスループの構成図である。 参考構成に係る正常に同期ができている場合のＩ信号とＱ信号のタイムチャート図である。 参考構成に係る２５Ｈｚ遅れて追従している場合のＩ信号とＱ信号のタイムチャート図である。 参考構成に係る１２．５Ｈｚ遅れて追従している場合のＩ信号とＱ信号のタイムチャート図である。 参考構成に係る１２．５Ｈｚ遅れて追従し、さらに位相４５°から始まる場合のＩ信号とＱ信号のタイムチャート図である。 参考構成に係る追従周波数のズレ量を算出する場合のタイムチャート図である。 参考構成に係る弱信号でノイズが多い場合の追従周波数のズレ量を算出する場合のタイムチャート図である。 本発明の実施形態に係るＧＰＳ受信機の信号追従動作の流れを示すフローチャート図である。

符号の説明

１０ ＧＰＳ受信機、２０ 同期追従ユニット、１０１ ＩＦ変換器、１０２ 比較信号発生器、１０３ 周波数誤差測定器、１０４ 通常追従用ループフィルタ、１０５ 弱信号追従用ループフィルタ、１０６ 動作モード切替判定器、１０７ 相関検出器、１０８ 切替スイッチ、１１０ 受信制御部、１１２ 温度変化検出器、１１４ 擬似速度測定器、１１６ 擬似距離測定器、１１８ ドップラー周波数測定器、１２０ 位置・速度演算部、２００ コスタスループ、２０１，２０３ 乗算器、２１０，２１１ ＬＰＦ、２１２ ループフィルタ、２１３ ＶＣＯ、２１４ 信号源。

Claims (8)

1. ＧＰＳ信号を送信する複数の送信源のうち、捕捉すべき送信源に対応するスペクトラム逆拡散符号を用いてＧＰＳ信号を捕捉し、ＧＰＳ信号の搬送波周波数を検出する同期捕捉手段と、搬送波周波数に追従する同期追従手段と、を有するＧＰＳ受信機において、
   複数の送信源からのＧＰＳ信号を受信して各ＧＰＳ信号の搬送波周波数と位相の誤差を測定する誤差測定手段と、
   搬送波周波数、位相又は信号強度の少なくとも一つの変化に追従させる複数の同期追従手段と、
   誤差測定手段の情報に基づいて、同期追従手段を切替える追従切替手段と、
   を備えることを特徴とするＧＰＳ受信機。
2. 請求項１に記載のＧＰＳ受信機において、
   同期追従手段は、
   ＧＰＳ信号からの搬送波周波数が検出可能な信号強度で捕捉する通常追従手段と、
   通常追従手段より弱い信号強度で捕捉する弱信号追従手段と、
   を少なくとも備えることを特徴とするＧＰＳ受信機。
3. 請求項１又は２に記載のＧＰＳ受信機において、
   追従切替手段は、
   誤差測定手段により測定された周波数誤差がしきい値以上のときは、通常追従手段に切替え、通常追従手段より弱い信号強度のときは、弱信号追従手段に切替えることを特徴とするＧＰＳ受信機。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載のＧＰＳ受信機において、
   誤差測定手段により測定された搬送波周波数の変化が通常の周波数の変化より大きい送信源の再捕捉をさせることを特徴とするＧＰＳ受信機。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載のＧＰＳ受信機において、
   誤差測定手段は、異なる積算期間によるＧＰＳ信号のコヒーレント加算の相関値比率から求められることを特徴とするＧＰＳ受信機。
6. 請求項５に記載のＧＰＳ受信機において、
   誤差測定手段は、ＧＰＳ信号の１ｍｓコヒーレント加算×ｎ回で求められる短期積算値と２０ｍｓコヒーレント加算×ｍ回（ｎ、ｍは自然数）で示される長期積算値の比率から求められることを特徴とするＧＰＳ受信機。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載のＧＰＳ受信機において、
   ＧＰＳ受信機で測定された加速度が通常加速度よりも大きいときは、通常追従手段に切替えることを特徴とするＧＰＳ受信機。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載のＧＰＳ受信機において、
   ＧＰＳ受信機の温度変化を測定する温度測定手段を有し、
   温度測定手段により測定された温度変化が通常温度変化より大きいときは、通常追従手段に切替えることを特徴とするＧＰＳ受信機。

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