JP2007124291A - 測位装置およびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】衛星信号の拡散符号の捕捉に要する時間を短縮する測位装置を提供すること。
【解決手段】複数のチャンネルＣＨ１、ＣＨ２・・・を備えた測位装置１００において、各チャンネルの拡散符号発生器１０４は制御部１０７によって設定されるＧＰＳ衛星の拡散符号を発生する。拡散符号位相制御部１０９は、各チャンネルに設定される拡散符号の初期位相を各々チャンネルＣＨ１、ＣＨ２毎にずらして設定する。１つのチャンネル（例えば、ＣＨ１）が拡散符号の捕捉に成功した場合には、該チャンネルの拡散符号位相をもとに他チャンネル（ＣＨ２）の拡散符号の初期位相を再設定することにより、衛星と測位装置１００間の位相差が未知数である場合にも、短時間に拡散符号の捕捉を行うことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）衛星を利用する測位装置およびその制御方法に関する。

従来米国が運用するＧＰＳシステムやロシアが運用するＧＬＯＮＡＳＳ(Global Navigation Satellite System)システムなどの衛星を利用した全地球的衛星航法システム（ＧＮＳＳ）を利用した測位装置は、複数のＧＮＳＳ衛星の電波を同時に受信して、ＧＮＳＳ衛星からの航法メッセージ（軌道情報や時刻情報）を取得することによって、地球上での絶対位置を算出するものである。

衛星を利用する測位装置では、通常４個以上の衛星の信号を同時に受信し、搬送波を捕捉して拡散符号を追尾し、スペクトラム逆拡散処理を行って衛星信号から航法データを復調する。また航法データなどを用いて衛星が信号送信した時刻を算出して各衛星毎の擬似距離（衛星信号が測位装置に到達するのに要した時間）を求め、求めた擬似距離に基づいて測位装置の位置を決定する。

現在ではＧＰＳ受信機が広く利用されており、カーナビゲーションシステムや、携帯電話、航空機制御、地殻変動の測量など様々な分野で利用されている。しかしながら、応用分野が広がるに伴い、ＧＰＳ単独では測位精度や信頼性に対する要求性能を満たすことが困難になりつつある。ＧＰＳを運用する米国では、ＧＰＳ近代化政策の一環として、既存民間周波数帯であるＬ１帯に加え、異なる周波数帯に新しい民生用信号の追加をすることにより、測位精度や信頼性の向上を計画している。

既存のＬ１帯の信号は時刻および位置を示す５０bpsの航法データを搬送波周波数が１．５７５GHzで、符号速度１．０２３Mbpsで符号長１０２３チップで周期１msecのC/Aコード（Coarse/Acquisition Code）と呼ばれる拡散符号によってＢＰＳＫ変調した信号を地上に送信している。新周波数帯にはＬ２帯とＬ５帯域二つが計画されており、Ｌ２帯では、２５bpsの航法データを搬送波周波数が１．２２７GHzで、符号速度１．０２３Mbpsで、符号長１０２３０チップのＬ２ＣＭコードと７６７２５０チップのＬ２ＣＬコードの二つの拡散符号によって、時分割にＢＰＳＫ変調されている。従ってコードの周期はそれぞれ２０msecと１．５秒である。またＬ５帯には、搬送波周波数１．１７６MHzで、符号速度が１０．２３Mbpsで、符号長１０２３０チップのＩ５/Ｑ５コードで周期１msecの拡散符号によってＱＰＳＫ変調されている。

以下、図６を参照しながら従来の測位装置について説明する。

図６は、従来の測位装置を示す機能ブロック図である。図６において、アンテナ部１は、ＧＰＳ衛星からの電波を受信する。ダウンコンバータ部２は、アンテナ部１で受信した衛星信号を中間周波数信号へのダウンコンバートおよびＡ／Ｄ変換を行う。搬送波発生器３は、所定の周波数信号を発生し、上記中間周波数信号と乗算することによって、中間周波数信号に含まれる搬送波成分の除去を行う。拡散符号発生器４は、所定の拡散符号を発生し、搬送波成分の除去された中間周波数信号と乗算する。積分器５、６は、中間周波数信号のＩ相と、Ｉ相に対し９０度位相の異なるＱ相それぞれについて、所定周期で時間積分する。制御部７は、走査する衛星の選択と、受信信号の追尾制御と、衛星から送信される航法メッセージの取得を行う制御部である。

ここで拡散符号とは各衛星毎に固有の符号であり、上述したＣ／ＡコードやＬ２ＣＭコード、Ｌ２ＣＬコード、Ｉ５コード、Ｑ５コードなどがある。衛星の拡散符号の捕捉は、まず制御部７で対象衛星の選択を行って、拡散符号発生器４から対象衛星の拡散符号と同一の拡散符号を生成する。そして、生成した拡散符号と衛星信号の拡散符号との乗算により相関処理を行い、両方の拡散符号の位相が一致するよう制御する。なお位相を一致させるには、拡散符号には位相が一致したときに相関値が最大で、位相が不一致の時は０となる特性があるため、拡散符号発生器４で生成する位相を所定数だけ移相しながら相関処理が行われ、積分器５、６で算出する積分値が最大となるまで、つまり対象衛星の拡散符号が捕捉されるまで繰り返す（例えば、特許文献１参照）。
特開平２−１０３４８７号公報

しかしながら、上記従来の測位装置では、衛星信号の拡散符号の捕捉までに長い時間を要し、特に拡散符号のコード周期が長い場合には、コード周期に比例して信号捕捉に要する時間が増加するという課題を有している。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、衛星信号の拡散符号の捕捉に要する時間を短縮する測位装置を提供することを目的とする。

かかる課題を解決するため本発明の測位装置は、複数の対象衛星が送信する拡散符号信号をそれぞれ捕捉するためチャンネル毎に設けられた複数の拡散符号発生手段と、対象衛星毎の拡散符号位相差分を算出する拡散符号位相予測手段と、前記拡散符号発生手段に設定される拡散符号の初期位相を前記拡散符号位相予測手段が算出した前記拡散符号位相差分に応じて各々のチャンネル毎にずらして設定する拡散符号位相制御手段と、を具備する構成を採る。

また本発明の測位装置の制御方法は、複数の対象衛星が送信する拡散符号信号をそれぞれ捕捉するためチャンネル毎に設けられた複数の拡散符号発生ステップと、対象衛星毎の拡散符号位相差分を算出する拡散符号位相予測ステップと、前記拡散符号発生ステップで設定される拡散符号の初期位相を前記拡散符号位相予測ステップで算出した拡散符号位相差に応じて各々のチャンネル毎にずらして設定する拡散符号位相制御ステップと、を具備する。

本発明によれば、拡散符号の捕捉時間を短縮することができるので、従来の構成と比して、周期の長い拡散符号を走査する場合にも短時間に拡散符号の同期を取ることができ、かくして簡易な構成で速やかに衛星信号を受信して衛星までの距離を算出して自身の位置を算出し得る測位装置を実現できる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る測位装置１００の構成を示す機能ブロック図である。測位装置１００は、アンテナ部１０１と、ダウンコンバータ部１０２と、チャンネル毎に設けられる搬送波発生器１０３、拡散符号発生器１０４、Ｉ積分器１０５およびＱ積分器１０６と、制御部１０７と、拡散符号位相予測部１０８と、拡散符号位相制御部１０９とから主に構成される。

アンテナ部１０１は、衛星からの電波を受信する。ダウンコンバータ部１０２は、アンテナ部１０１で受信した衛星信号を中間周波数信号へのダウンコンバートおよびアナログーディジタル変換（Ａ／Ｄ変換）を行い、各チャンネルに出力する。

各チャンネルにおいて、搬送波発生器１０３は、所定の周波数信号を発生し、ダウンコンバータ部１０２から入力された中間周波数信号と乗算することによって、中間周波数信号に含まれる搬送波成分の除去を行う。拡散符号発生器１０４は、衛星を捕捉するため所定の拡散符号を発生し、搬送波成分の除去された中間周波数信号と乗算し、衛星からの拡散符号信号との相関をとる。そのため、拡散符号発生器１０４は、拡散符号の種別によって決定される所定数のシフトレジスタで構成されており、衛星毎に固有の値として定められている値をシフトレジスタの初期値に設定し、クロックを印加していくことで、対象衛星の拡散符号を発生する。積分器１０５、１０６は、中間周波数信号のＩ相と、Ｉ相に対し９０度位相の異なるＱ相それぞれについて、所定周期で時間積分する。

制御部１０７は、走査する衛星の選択と、受信信号の追尾制御と、衛星から送信される航法メッセージの取得を行う制御を行う。

拡散符号位相予測部１０８は、衛星軌道情報と現在位置の概略地点を基に、走査対象衛星それぞれに間の位相差を予測する。拡散符号位相制御部１０９は、制御部１０７で設定された走査対象衛星の拡散符号を、拡散符号位相予測部１０８で予測した位相差に基づいて拡散符号発生器１０４で生成する拡散符号の位相を制御する。

図２は、拡散符号発生器１０４の動作を示すタイムチャート図である。以下、図２に基づき拡散符号位相制御部１０９と拡散符号位相予測部１０８の動作について予め説明する。

図２において、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、測位装置１００に到達する衛星送信信号を示している。全ての衛星（ＳＶ１、ＳＶ２、ＳＶ３）は高精度に時刻同期をしており、拡散符号を送信する時刻は全衛星で同時であるが、測位装置１００に到達するまでの伝播経路差が衛星毎にそれぞれ異なることになる。また各衛星（ＳＶ１、ＳＶ２、ＳＶ３）が送信する拡散符号もこの時刻に同期しており、拡散符号の折り返しタイミングも全衛星で共通であるが、伝搬経路差により図２に示すように、測位装置１００で受信する拡散符号の折り返しタイミングは各衛星毎に異なるタイミングとして受信することになる。

また図２において（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）は、測位装置１００の各チャンネルに設定する拡散符号を示しており、ここでは、チャンネルＣＨ１にＳＶ１衛星、チャンネルＣＨ２にＳＶ２衛星、チャンネルＣＨ３にＳＶ３衛星が、それぞれ走査対象衛星として設定されていることを示している。

図３は、実施の形態１に係る測位装置１００の動作説明図である。以下図３に基づき、測位装置１００の動作を説明する。

測位装置１００は、まずステップＳ１０１で、動作させるチャンネルの数ＣＨｍａｘを決定する。一般的なＧＰＳ受信機では８から３０程度のチャンネルを備えており、通常はチャンネル数の最大値を設定するが、動作チャンネル数が増加すると消費電力が増加するため、任意のチャンネル数を設定することも可能である。

次にステップＳ１０２で、測位装置１００は、衛星時刻に対する受信機時刻誤差を、対応する拡散符号周期の範囲内で推測する。この受信機時刻は、受信機時刻が衛星時刻と同期している場合には受信機時刻誤差は０であり、受信機時刻が拡散符号周期以内の精度で同期していない場合には拡散符号周期の値となる。この算出した受信機時刻を、動作チャンネル数ＣＨｍａｘで除してΔＰＮを算出して、制御部１０７のＲＡＭへ格納する。

次にステップＳ１０３で、測位装置１００は、衛星軌道情報を用いて衛星座標を計算し、測位装置から見える衛星毎の仰角や方位を算出する。また、測位装置１００が設置されている概略位置と衛星座標を用いて、測位装置１００から各衛星までの距離の概略値（以下、擬似距離予測値という。）を算出し、これらの情報を衛星情報テーブルとしてＲＡＭへ記憶する。

次にステップＳ１０４で、測位装置１００は、衛星情報テーブルの任意の衛星の擬似距離予測値を、基準衛星位相値ＰＮ０に設定する。任意衛星の選択には、各衛星の擬似距離予測値には予測値算出に用いた測位装置概略位置の誤差が含まれており、通常この誤差は各衛星毎に異なるため、予測誤差が小さくなる衛星（最も高仰角の衛星）を選択する。

次にステップＳ１０５で、測位装置１００は、衛星情報テーブルを用いて走査する衛星の選択を行い、選択した衛星番号を拡散符号発生器１０４に設定する。通常、衛星情報テーブルは、衛星からの信号検出率が高くなるように、高仰角の衛星や、過去に受信実績のある衛星を先頭に配置するため、衛星情報テーブルの先頭から順に選択してもよい。

次にステップＳ１０６で、測位装置１００は、各チャンネルの拡散符号発生器１０４の初期位相Ｔｃｈを下の式（１）で算出し、拡散符号発生器１０４に設定した衛星の初期位相を、チャンネル番号（ｎ）順に設定する。また衛星軌道情報を保持しておらず、初期位相Ｔｃｈを算出できないチャンネルについては、初期位相Ｔｃｈを０もしくはΔＰＮ×チャンネル番号（ｎ）として設定する。このようにして各チャンネルの拡散符号発生器１０４への初期値の設定を順次全チャンネルについて行い、全チャンネルに衛星の設定を行う（Ｓ１０７）。

チャンネル番号ｎの拡散符号発生器１０４の初期位相Ｔｃｈ＝対象衛星擬似距離予測値−基準衛星位相値ＰＮ０＋ΔＰＮ×チャンネル番号（ｎ）・・・（１）

上記のように拡散符号発生器１０４には、衛星固有の初期値をシフトレジスタに設定する必要がある。このためには、任意のビット数（位相数）変化した時のシフトレジスタ値を格納したＲＯＭテーブルを事前に準備しておき、このＲＯＭテーブルを用いて任意の位相数に対応する初期値を拡散符号発生器１０４のシフトレジスタに設定することで、衛星毎に任意の初期位相を決定することができる。しかしＲＯＭテーブルを保持するには、シフトレジスタのビット数（数１０ビット）と拡散符号チップ数（数千〜数十万）と衛星数を乗算した容量を保持する必要があり、チップ数を間引いて保持するとしても大きなＲＯＭを測位装置に備える必要があり、測位装置の大型化を招いてしまうことになる。そのためＲＯＭテーブルを保持することなしに、拡散符号速度を用いて各々のチャンネルの初期位相Ｔｃｈを時間に換算しておき、また、基準衛星が設定されたチャンネルだけを走査を開始させる。そして、基準衛星チャンネルの位相走査開始から、それぞれのチャンネルの初期位相Ｔｃｈを時間換算した時間経過後に走査を開始するようにしてもよい。

以上のようにして全チャンネルの初期位相を設定して衛星信号の走査を開始し、少なくとも１チャンネルが信号を検出した場合には、このチャンネルの擬似距離予測値をＰＮ０に再設定して全チャンネルの初期位相Ｔｃｈを再計算して衛星信号の走査を再開する。

以上のように、実施の形態１では、測位装置１００の各チャンネルの初期位相を受信機時刻誤差の範囲内でずらして設定したことにより、いずれかのチャンネルに設定された初期位相の中で最も誤差の小さいチャンネルの信号検出を短時間に行うことできるため、拡散符号周期が長い場合にも、特別な回路を備えることなく、速やかに信号検出をして衛星の捕捉をすることができる。

（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２に係る測位装置４００の構成を示す機能ブロック図である。図４は、図１に対して位相差設定部４１０を追加した構成を採る。なお、図４において、図１と同一部分については、同じ参照番号を付して説明を省略する。

実施の形態２に係る測位装置４００は、拡散符号位相予測部１０８に対し、外部から各チャンネルの位相差を設定する位相差設定部４１０を付加し、測位装置４００の基準クロックの特性が変更した場合や、測位装置４００の使用範囲が変更となった場合においても、各チャンネルに設定する位相差を精度良く算出できる点に特徴がある。

位相差設定部４１０は、測位装置４００内部に設置され、測位装置４００のユーザが外部から各チャンネル間の位相差ΔＰＮもしくは初期位相Ｔｃｈもしくは測位装置４００の概略位置を任意に設定することができる。この場合実施の形態１で説明したように、ΔＰＮと擬似距離予測値には、それぞれ受信機時計の誤差と、測位装置が設置された概略位置の誤差を含んでいる。

まず受信機時刻の誤差は、衛星信号を捕捉して自己の位置を測位算出した場合には、受信機時刻を衛星時刻と高精度に同期させる事ができるため、受信機時刻誤差は０にすることができる。測位できない時には、受信機内部時計で受信機時計をカウントアップすることで、時間経過に伴って誤差が増加することになるが、受信機時計誤差の範囲内で衛星時刻との同期を取ることができる。この受信機時計は通常はＴＣＸＯ（温度保障型水晶発信機）で構成されるが、水晶は一般に長い時間が経過すると経年変化が発生するという特性がある。すなわち、水晶の経年変化によって受信機時刻誤差の予測精度が劣化してしまうため、位相差設定部４１０で水晶の経年変化などによる特性変化を補償する値などを設定することで、受信機時刻誤差の精度に応じた時間内を複数のチャンネルで走査することができる。また、測位装置４００が携帯電話などの外部通信手段をそなえている場合には、外部から衛星時刻情報を入手して受信機時刻誤差を再設定することも可能である。また、測位装置の概略位置を外部から入手できる場合にはこの概略位置を設定することで、擬似距離予測値を高精度に予測することも可能である。

上記のように、実施の形態２に係る測位装置４００では、外部から各チャンネルの位相差を設定する位相差設定部４１０を付加し、測位装置４００の基準クロックの特性が変動した場合や、測位装置４００の使用範囲が変更となった場合においても、位相差設定部４１０の設定値を調整し拡散符号位相予測部１０８で設定する各チャンネルの位相差を精度良く算出できるため、測位装置４００の基準クロックの特性が変動した場合や、測位装置４００の使用範囲が変更となった場合においても、各チャンネルに設定する位相差を精度良く維持することができる。

（実施の形態３）
図５は、本発明の実施の形態３に係る測位装置５００の構成を示す機能ブロック図である。図５は、図１に対し、位相差設定部５１０と、動作チャンネル数を設定するチャンネル数設定部５１１とを付加する構成を採る。図５において、図１と同一部分については、同じ参照番号を付して、説明を省略する。

実施の形態３に係る測位装置５００は、予測範囲を精度良く決定できる場合には動作するチャンネル数を減らすことで消費電力を削減し、予測範囲が広い場合には動作するチャンネル数を増やして拡散符号の捕捉時間を短縮する点に特徴がある。

位相差設定部５１０は、図４で説明した位相差設定部４１０の機能に、更にΔＰＮの規定値を設定し、ΔＰＮ値を常に規定値に設定する機能を追加したものである。ΔＰＮの規定値は、測位装置５００の構成によって異なるが、Ｉ積分器１０５、Ｑ積分器１０６の量子化単位の整数倍として設定する。チャンネル数設定部５１１は、受信機時刻誤差をΔＰＮの規定値で除した数だけ動作チャンネル数を決定する。すなわち具体的には、チャンネル数設定部５１１は、拡散符号位相予測部１０８が算出する衛星毎の拡散符号位相差分と、衛星毎の拡散符号位相差分誤差を用いて測位装置５００のチャンネル数を選択する。従って、ΔＰＮの規定値は固定の値として設定されるため、受信時刻誤差の精度によって、動作チャンネル数が増減されることになる。

以上のように、実施の形態３に係る測位装置５００では、予測範囲を精度良く決定できる場合には動作するチャンネル数を減らすことで消費電力を削減し、予測範囲が広い場合には動作するチャンネル数を増やして拡散符号の捕捉時間を短縮できるため、予測範囲を精度良く決定できる場合には動作するチャンネル数を減らすことで消費電力を削減し、予測範囲が広い場合には動作するチャンネル数を増やして拡散符号の捕捉時間を短縮することができる。

本発明は、拡散符号周期の長い拡散符号を素早く検出する機能を有しており、測位に要する時間の短縮を可能にする測位装置として有用である。

本発明の実施の形態に係る測位装置の構成を示す機能ブロック図 本発明の実施の形態１に係る拡散符号発生器の動作を示すタイムチャート図 本発明の実施１の形態に係る測位装置の動作説明図 本発明の実施の形態２に係る測位装置の構成を示す機能ブロック図 本発明の実施の形態３に係る測位装置の構成を示す機能ブロック図 従来の測位装置の構成を示すブロック図

符号の説明

１００、４００、５００ 測位装置
１０１ アンテナ部
１０２ ダウンコンバータ部
１０３ 搬送波発生器
１０４ 拡散符号発生器
１０７ 制御部
１０８ 拡散符号位相予測部
４１０、５１０ 位相差設定部
５１１ チャンネル数設定部

Claims (6)

1. 複数の対象衛星が送信する拡散符号信号をそれぞれ捕捉するためチャンネル毎に設けられた複数の拡散符号発生手段と、
   対象衛星毎の拡散符号位相差分を算出する拡散符号位相予測手段と、
   前記拡散符号発生手段に設定される拡散符号の初期位相を前記拡散符号位相予測手段が算出した拡散符号位相差に応じて各々のチャンネル毎にずらして設定する拡散符号位相制御手段と、
   を具備する測位装置。
2. 前記拡散符号位相予測手段は、算出した衛星毎の拡散符号位相差分に含まれる誤差を予測し、予測した誤差量をもとに各チャンネルの拡散符号位相差分を決定する請求項１に記載の測位装置。
3. 前記拡散符号位相制御手段の前後チャンネル間での位相差を、外部から設定する位相差設定手段を備えた請求項１または請求項２に記載の測位装置。
4. 前記拡散符号位相予測手段が算出する衛星毎の拡散符号位相差分と、衛星毎の拡散符号位相差分誤差を用いてチャンネル数を選択するチャンネル数設定手段を備えた請求項１から請求項３のいずれかに記載の測位装置。
5. 前記拡散符号位相制御手段において、いずれかのチャンネルが衛星信号を捕捉した場合には、衛星信号を捕捉したチャンネルに設定されている拡散符号位相を真値として他チャンネルの拡散符号の初期位相を設定する請求項１から請求項４のいずれかに記載の測位装置。
6. 複数の対象衛星が送信する拡散符号信号をそれぞれ捕捉するためチャンネル毎に設けられた複数の拡散符号発生ステップと、
   対象衛星毎の拡散符号位相差分を算出する拡散符号位相予測ステップと、
   前記拡散符号発生ステップで設定される拡散符号の初期位相を前記拡散符号位相予測ステップで算出した拡散符号位相差に応じて各々のチャンネル毎にずらして設定する拡散符号位相制御ステップと、
   を具備する測位装置の制御方法。
   

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