JP2008026142A - 測位装置、その制御方法、制御プログラム及びその記録媒体 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】複数のSPS(Satellite Positioning System)衛星からの衛星信号を使用して測位を行う測位装置20であって、各SPS衛星の軌道上の衛星位置を算出する衛星位置算出手段と、測位装置20の初期位置P0と各SPS衛星の軌道上の衛星位置Pvとの相対位置を算出する相対位置算出手段と、相対位置に基づいて、各前記衛星信号の周波数のドップラー偏移の誤差であるドップラー偏移誤差を算出するドップラー偏移誤差算出手段と、ドップラー偏移誤差に基づいて、各衛星信号を受信するための周波数範囲を算出する周波数範囲算出手段と、を有する。
【選択図】図6
Description
GPS受信機は、例えば、上空に位置する、例えば、4個のGPS衛星からの信号(以後、衛星信号と呼ぶ)を受信し、衛星信号が各GPS衛星から発信された時刻とGPS受信機に到達した時刻との差(以後、遅延時間と呼ぶ)によって、各GPS衛星とGPS受信機との間の距離(以後、擬似距離と呼ぶ)を求める。GPS受信機は、各GPS衛星の衛星軌道上の位置と、上述の擬似距離を使用して、GPS受信機の現在位置の測位結果を算出するようになっている。
GPS受信機が衛星信号を受信するためには、各GPS衛星とGPS受信機の相対移動によるドップラー偏移と、GPS受信機のローカル発振器の周波数誤差を考慮して、所定の周波数範囲(以下、「サーチ範囲」と呼ぶ)を決定し、その周波数範囲をサーチする必要がある。
これに関して、温度によるローカル発振器の周波数変化(ドリフト)を考慮して、サーチ範囲を決定する技術が一般に実施されている。
そして、前記測位装置は、前記周波数範囲算出手段を有するから、前記ドップラー偏移誤差に基づいて、各前記衛星信号を受信するための周波数範囲を算出することができる。
これにより、ドップラー偏移の誤差に応じて、各SPS衛星を迅速かつ効率的に捕捉することができる。
このため、第2の発明の構成によれば、前記測位装置は、前記仰角を利用して、各前記SPS衛星ごとに前記ドップラー偏移誤差を算出することができる。
この点、第3の発明の構成によれば、前記測位装置は、前記初期位置誤差に応じて、前記ドップラー偏移誤差を算出することができる。
尚、以下に述べる実施の形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。
図1に示すように、端末20は、GPS衛星12a乃至12hから信号S1乃至S8を受信することができる。
なお、GPS衛星のことを、単に、衛星とも呼ぶ。
SPSはGPSに限らず、例えば、Galileo、準天頂衛星等であってもよい。
図2に示すように、例えば、GPS衛星12aと端末20との間には、C/Aコードが連続的に並んでいると観念することができる。そして、GPS衛星12aと端末20との間の距離は、C/Aコードの長さ(300キロメートル(km))の整数倍とは限らないから、コード端数部C/Aaが存在する。つまり、GPS衛星12aと端末20との間には、C/Aコードの整数倍の部分と、端数部分が存在する。C/Aコードの整数倍の部分と端数部分の合計の長さが擬似距離である。端末20は、3個以上のGPS衛星12a等についての擬似距離を使用して測位を行う。
本明細書において、C/Aコードの端数部C/Aaをコードフェーズと呼ぶ。コードフェーズは、例えば、C/Aコードの1,023あるチップの何番目かで示すこともできるし、距離に換算して示すこともできる。擬似距離を算出するときには、コードフェーズを距離に換算している。
相関積算値が最大になった位相がコード端数C/Aaである。
コヒーレントは、端末20が受信したC/AコードとレプリカC/Aコードとの相関をとる処理である。レプリカC/Aコードは、端末20が発生する符号である。
例えば、図3(a)に示すように、コヒーレント時間が5msecであれば、5msecの時間において同期積算したC/AコードとレプリカC/Aコードとの相関値等を算出する。コヒーレント処理の結果、相関をとった位相(コードフェーズ)と、相関値が出力される。
インコヒーレントは、コヒーレント結果の相関値を積算することによって、相関積算値(インコヒーレント値)を算出する処理である。
相関処理の結果、コヒーレント処理で出力されたコードフェーズと、相関積算値が出力される。
図3(b)に示すように、相関値Pの最大値Pmaxに対応するコードフェーズCP1が、コードフェーズ端数C/Aa(図2参照)である。
図4(b)に示すように、端末20は、例えば、C/Aコードの第1チップから第1,023チップまでをサーチする。
このとき、端末20は、サーチ中心周波数Aを中心として、所定の幅の周波数において信号S1等をサーチする。例えば、(A−100)kHzの周波数から(A+100)kHzの周波数の範囲を、100Hzごとの周波数ステップで信号S1等をサーチする。
ドップラー偏移は、各GPS衛星12a等とGPS受信機との相対移動によって生じる。GPS受信機は、エフェメリスによって現在時刻における各GPS衛星12a等の視線速度(端末20の方向に対する速度)を算出する。そして、その視線速度に基づいて、予想ドップラー周波数H2を算出する。
GPS受信機は、各GPS衛星12a等ごとに、サーチ中心周波数Aを算出する。
特に、例えば、マイナス(−)160dBm乃至マイナス(−)139dBmの弱電界下においては、周波数を固定して積算時間(インコヒーレント時間)を長く確保する必要があるが、サーチ範囲の精度が低い場合には、過度に狭い周波数をサーチすることで信号S1等を捕捉できなかったり、周波数範囲を過度に広くすることで信号S1を捕捉するための時間が長く必要になる場合がある。
そして、従来、GPS受信器の例えば、TCXO(Temperature Compensated Crystal Oscillator)である基準発振器のドリフトは2ppmであったが、例えば、携帯電話の通信電波を利用した周波数補正によって、例えば、0.5ppmに低減している。このため、ドリフトの影響よりも、むしろ、ドップラー周波数の精度が信号S1等を迅速かつ効率よく捕捉するために重要になっている。
この点、端末20は、予想ドップラー周波数H2の誤差を算出し、その誤差に応じて、迅速かつ効率的に信号S1等を捕捉することができるようになっている。
図5は端末20の主なハードウエア構成を示す概略図である。
図5に示すように、端末20は、コンピュータを有しており、コンピュータは、バス22を有する。
このバス22には、CPU(Central Processing Unit)24、記憶装置26が接続されている。記憶装置26は例えば、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)等である。
また、このバス22には、時計38が接続されている。
図6は、端末20の主なソフトウエア構成を示す概略図である。
図6に示すように、端末20は、各部を制御する制御部100、図5の通信装置32に対応する通信部102、GPS装置34に対応するGPS部104、表示装置36に対応する表示部106、時計38に対応する計時部108等を有する。
端末20は、また、各種プログラムを格納する第1記憶部110、各種情報を格納する第2記憶部150を有する。
端末20は、衛星軌道情報152を、信号S1等に基づく測位に使用する。
具体的には、制御部100は、アルマナック152aに基づいて、初期位置P0を基準として現在時刻において観測可能なGPS衛星12a等を算出する。続いて、制御部100は、エフェメリス152bに基づいて、現在時刻におけるGPS衛星12a等の軌道上の位置をGPS衛星12a等ごとに算出する。
例えば、GPS衛星12aの軌道上の衛星位置Pva、GPS衛星12bの軌道上の衛星位置Pvbというように、衛星位置Pvは、GPS衛星12a等ごとに算出される。
制御部100は、算出した衛星位置Pvを示す衛星位置情報158を第2記憶部150に格納する。
具体的には、制御部100は、図7(a)に示すように、エフェメリス152bを参照して、初期位置P0に対する各GPS衛星12a等の現在時刻における移動状態を示すベクトルvsを算出する。
制御部100は、算出した予想ドップラー周波数H2を示す予想ドップラー周波数情報160を第2記憶部150に格納する。
具体的には、制御部100は、初期位置P0から例えば、GPS衛星12aの衛星位置Pvaへ向かうベクトルpgを算出する。
そして、ベクトルpgが示す3次元座標上の方向からGPS衛星12aの仰角及び方位角を算出する。
制御部100は、GPS衛星12a等ごとに、仰角及び方位角を算出する。
制御部100は、算出した仰角及び方位角を示す相対位置情報162を第2記憶部150に格納する。仰角及び方位角は、相対位置の一例である。
図9に示すように、例えば、初期位置P0を基準とすれば、視線ベクトルvsが0の場合であっても、真の位置Prにおいては、視線ベクトルvsが存在する場合がある。一般的に表現すると、初期位置P0における視線ベクトルvsと真の位置Prにおける視線ベクトルvsが異なる場合がある。
これは、初期位置P0が真の位置Prと乖離しているためである。すなわち、初期地位誤差P0erが存在するためである。そして、上述のように、予想ドップラー周波数H2は、初期位置P0を基準とする視線ベクトルvsに基づいて算出されているから、初期位置誤差P0erの影響を受けて、誤差を有する。
なお、図10(a)のグラフは、特定の衛星の軌道が端末20の頭上を通過する前提で作成されているが、特定の衛星の軌道が端末20頭上を通過しない場合であっても、仰角が90度に近いほど、ドップラー誤差uniDerは大きい。このため、図10(a)とは数値は異なるが、同様のグラフを作成することができる。
例えば、仰角θが90度である場合に、初期位置誤差P0erが100kmであると、ドップラー誤差Derは100Hzである。
制御部100は、算出したドップラー誤差Derを示すドップラー誤差情報164を第2記憶部150に格納する。
制御部100は、GPS衛星12a等ごとに、ドップラー誤差Derを算出する。例えば、GPS衛星12aについてのドップラー誤差Deraと、GPS衛星12bについてのドップラー誤差Derbをそれぞれ算出する。仰角θはGPS衛星12a等ごとに異なるから、ドップラー誤差Derもまた、GPS衛星12a等ごとに異なる。すなわち、初期位置P0を基準として、仰角θが大きい衛星ほどドップラー誤差Derは大きく、仰角θが小さい衛星ほどドップラー誤差Derは小さい。
図11(a)に示すように、発信周波数H1と予想ドップラー周波数H2とドリフトDRを中心とする周波数(サーチ中心周波数A)から、30ヘルツ(Hz)及びGPS衛星12a等ごとに異なるドップラー誤差Derを差し引いた周波数を周波数下限とする。そして、サーチ中心周波数Aに30ヘルツ(Hz)及びGPS衛星12a等ごとに異なるドップラー誤差Derを加えた周波数を周波数上限とする。
制御部100は、上述の周波数下限及び周波数上限によって規定される範囲をサーチ範囲BWとする。
制御部100は、GPS衛星12a等ごとに、サーチ範囲BWを算出する。例えば、GPS衛星12aについてのサーチ範囲BWaと、GPS衛星12bについてのサーチ範囲BWbをそれぞれ算出する。
上述のように、ドップラー誤差Derは、GPS衛星12a等ごとに異なるから、図11(b)に示すように、サーチ範囲BWに示される周波数範囲は、GPS衛星12a等ごとに異なる。
制御部100は、算出したサーチ範囲BWを示すサーチ範囲情報166を第2記憶部150に格納する。
制御部100は、算出した測位位置P1を示す測位位置情報168を第2記憶部150に格納する。
上述のように、端末20は、ドップラー誤差Derを算出することができる。
そして、端末20は、ドップラー誤差Derに基づいて、各信号S1等を受信するためのサーチ範囲BWを算出することができる。ドップラー誤差Derを考慮しない場合には、確実に信号S1等を捕捉するためには、例えば、諸要因による受信周波数の最大誤差を考慮して、確定不能範囲として100kHzを規定し、一律にサーチ中心周波数の前後100kHzをサーチ範囲(以下、「一律規定範囲」と呼ぶ)にする必要がある。これに対して、本実施の形態の端末20においては、受信周波数の不確定範囲のうち、ドップラー誤差Derは確定しているから、確定不能範囲として一律に規定する範囲は、上述のように30kHzと最大誤差よりも狭く設定し、衛星ごとのドップラー誤差Derに応じてサーチ範囲BWを設定することができる。このため、仰角に応じて、サーチ範囲BWは最大誤差よりも狭くなるから、一律規定範囲をサーチ範囲とする場合に比べて、迅速に信号S1等を捕捉することができる。
また、サーチ範囲BWが衛星ごとに異なるから、端末20のサーチリソース(相関器)を、サーチ範囲BWが狭い衛星には少なく割り当て、サーチ範囲BWが広い衛星には多く割り当てることができる。すなわち、サーチ範囲BWに応じて、サーチリソースを割り当てることができる。これにより、サーチリソースを効率的に使用することができる。
これにより、ドップラー偏移の誤差に応じて、各SPS衛星を迅速かつ効率的に捕捉することができる。
図12は本実施の形態の端末20の動作例を示す概略フローチャートである。
続いて、端末20は、GPS衛星12a等ごとに、予想ドップラー周波数H2を算出する(ステップST2)。具体的には、端末20は、視線ベクトルvs(図7(a)参照)を算出し、発信周波数H1と視線ベクトルvsに基づいて、予想ドップラー周波数H2を算出する。このステップST2は、視線ベクトル算出ステップの一例であり、ドップラー偏移算出ステップの一例でもある。
続いて、端末20は、初期位置誤差P0erを取得する(ステップST4)。
続いて、端末20は、GPS衛星12a等ごとに、ドップラー誤差Derを算出する(ステップST5)。このステップST5は、ドップラー偏移誤差算出ステップの一例である。
続いて、端末20は、サーチを行い(ステップST7)、トラッキングを行い(ステップST8)、測位を行う(ステップST9)。
続いて、端末20は、測位位置P1を出力する(ステップST10)。
コンピュータに上述の動作例の衛星位置算出ステップと、視線ベクトル算出ステップと、ドップラー偏移算出ステップと、相対位置算出ステップと、ドップラー偏移誤差算出ステップと、周波数範囲算出ステップ等を実行させるための測位装置の制御プログラムとすることができる。
また、このような測位装置の制御プログラム等を記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体等とすることもできる。
Claims (6)
- 複数のSPS(Satellite Positioning System)衛星からの衛星信号を使用して測位を行う測位装置であって、
各前記SPS衛星の軌道上の衛星位置を算出する衛星位置算出手段と、
前記測位装置の初期位置と各前記SPS衛星の軌道上の衛星位置との相対位置を算出す相対位置算出手段と、
前記相対位置に基づいて、各前記衛星信号の周波数のドップラー偏移の誤差であるドップラー偏移誤差を算出するドップラー偏移誤差算出手段と、
前記ドップラー偏移誤差に基づいて、各前記衛星信号を受信するための周波数範囲を算出する周波数範囲算出手段と、
を有することを特徴とする測位装置。 - 前記相対位置は、
前記初期位置に対する各前記衛星位置の仰角であることを特徴とする請求項1に記載の測位装置。 - 前記ドップラー偏移誤差算出手段は、
前記初期位置の初期位置誤差と前記相対位置に基づいて、前記ドップラー偏移誤差を算出する構成となっていることを特徴とする請求項2に記載の測位装置。 - 複数のSPS衛星からの衛星信号を使用して測位を行う測位装置が、各前記SPS衛星の軌道上の衛星位置を算出する衛星位置算出ステップと、
前記測位装置が、前記測位装置に対する各前記SPS衛星の移動状態を示す視線ベクトルを算出する視線ベクトル算出ステップと、
前記測位装置が、前記視線ベクトルに基づいて、前記衛星信号のドップラー偏移を算出するドップラー偏移算出ステップと、
前記測位装置が、前記測位装置の初期位置と各前記SPS衛星の軌道上の衛星位置との相対位置を算出する相対位置算出ステップと、
前記測位装置が、前記相対位置に基づいて、各前記衛星信号の周波数のドップラー偏移の誤差であるドップラー偏移誤差を算出するドップラー偏移誤差算出ステップと、
前記測位装置が、前記ドップラー偏移誤差に基づいて、各前記衛星信号を受信するための周波数範囲を算出する周波数範囲算出ステップと、
を有することを特徴とする測位装置の制御方法。 - コンピュータに、
複数のSPS衛星からの衛星信号を使用して測位を行う測位装置が、各前記SPS衛星の軌道上の衛星位置を算出する衛星位置算出ステップと、
前記測位装置が、前記測位装置に対する各前記SPS衛星の移動状態を示す視線ベクトルを算出する視線ベクトル算出ステップと、
前記測位装置が、前記視線ベクトルに基づいて、前記衛星信号のドップラー偏移を算出するドップラー偏移算出ステップと、
前記測位装置が、前記測位装置の初期位置と各前記SPS衛星の軌道上の衛星位置との相対位置を算出する相対位置算出ステップと、
前記測位装置が、前記相対位置に基づいて、各前記衛星信号の周波数のドップラー偏移の誤差であるドップラー偏移誤差を算出するドップラー偏移誤差算出ステップと、
前記測位装置が、前記ドップラー偏移誤差に基づいて、各前記衛星信号を受信するための周波数範囲を算出する周波数範囲算出ステップと、
を実行させることを特徴とする測位装置の制御プログラム。 - コンピュータに、
複数のSPS衛星からの衛星信号を使用して測位を行う測位装置が、各前記SPS衛星の軌道上の衛星位置を算出する衛星位置算出ステップと、
前記測位装置が、前記測位装置に対する各前記SPS衛星の移動状態を示す視線ベクトルを算出する視線ベクトル算出ステップと、
前記測位装置が、前記視線ベクトルに基づいて、前記衛星信号のドップラー偏移を算出するドップラー偏移算出ステップと、
前記測位装置が、前記測位装置の初期位置と各前記SPS衛星の軌道上の衛星位置との相対位置を算出する相対位置算出ステップと、
前記測位装置が、前記相対位置に基づいて、各前記衛星信号の周波数のドップラー偏移の誤差であるドップラー偏移誤差を算出するドップラー偏移誤差算出ステップと、
前記測位装置が、前記ドップラー偏移誤差に基づいて、各前記衛星信号を受信するための周波数範囲を算出する周波数範囲算出ステップと、
を実行させることを特徴とする測位装置の制御プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
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