JP2013251808A

JP2013251808A - 衛星測位信号生成装置及び方法、生成プログラム、並びに、衛星測位信号受信装置及び方法

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Publication number: JP2013251808A
Application number: JP2012126229A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Maeda; 裕昭前田; Tomoya Shibata; 智哉柴田
Original assignee: Lighthouse Technology and Consulting Co Ltd
Current assignee: Lighthouse Technology and Consulting Co Ltd
Priority date: 2012-06-01
Filing date: 2012-06-01
Publication date: 2013-12-12

Abstract

【課題】全地球測位システム（ＧＰＳ）等の衛星測位システムから送信される、従来にない大容量の衛星測位信号を生成する方法及び装置を提供する。
【解決手段】衛星測位信号送信装置における測位信号を生成する方法であって、前記測位信号は、第１及び第２のチャネルがＱＰＳＫ変調されており、それぞれのチャネルは擬似拡散符号によって変調されており、伝送すべきデータは擬似拡散符号の位相の違いによって定義され、かつ、これらの位相を定期的に変更することで伝送され、そのデータレートは５ｋｂｐｓ以上であることを特徴とする測位信号を生成する。
【選択図】図２Ａ

Description

本発明は、全地球測位システム（ＧＰＳ）に代表される衛星測位システムから送信される衛星測位信号生成技術に関し、より具体的には、かかる衛星測位信号の生成装置及び方法、並びに、受信装置及び方法に関する。

衛星測位システムは、複数の衛星によって放送される衛星測位信号の受動的測定に依拠する。オンボードクロックが、しばしば「エポック」と呼ばれる規則的な、通常連続した一連のイベントを生成するのに使用され、エポックの発生の時刻は、乱数符号または擬似乱数符号（擬似拡散符号（ｓｐｒｅａｄｉｎｇｃｏｄｅ）と称する）にコーディングされる。擬似拡散符号化された電波を受信機で受信することで、受信機の時刻タイミングで生成した擬似拡散符号と、受信した信号の擬似拡散符号との位相差を計測し、測位衛星と受信機間の距離を測定することができる。

そのような衛星測位システムの例が、全地球測位システム（ＧＰＳ）である。一般に、ＧＰＳは、それぞれ１５７５．４２ＭＨｚ、１２２７．６ＭＨｚ、および１１７６．４５ＭＨｚを中心とするＬ１、Ｌ２、およびＬ５等と称される複数の周波数を使用して動作する。これらの信号のそれぞれが、それぞれの拡散信号によって変調される。当業者であれば容易に理解できるように、ＧＰＳ衛星ナビゲーションシステムが発するＣＡ（ＣｏａｒｓｅＡｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ）コード信号は、１５７５．４２ＭＨｚのＬ１周波数で送信され、１．０２３Ｍｃｐｓの擬似拡散符号レート（チップレート）を有する。さらにこれらの信号は航法メッセージと呼ばれるデータを重畳しており、そのデータ伝送レートは５０ｂｐｓである。この擬似拡散符号レート１．０２３Ｍｃｐｓ、データ伝送レート５０ｂｐｓの信号を一般に「Ｌ１Ｃ／Ａ信号」と呼ぶ。

また、衛星測位システムの一事例として、日本において開発されている準天頂衛星システム（ＱｕａｓｉＺｅｎｉｔｈＳａｔｅｌｌｉｔｅＳｙｓｔｅｍ：ＱＺＳＳ）が挙げられる（非特許文献１）。ＱＺＳＳもＧＰＳと同様に、それぞれ１５７５．４２ＭＨｚ、１２２７．６ＭＨｚ、および１１７６．４５ＭＨｚを中心とするＬ１、Ｌ２、およびＬ５などの複数の周波数を使用して動作する方針で開発が進められようとしている。

ＧＰＳを始めとする衛星測位システムによる位置決定においては、測位衛星から送信される電波を地上の受信機で受信し、衛星から受信機までの電波伝搬時間に基づいて衛星と受信機との間の距離を計測する。ここで、測位衛星から送信される電波においては、測位衛星自身の位置を示す軌道情報と、衛星自身の時刻のズレを意味するクロック情報とが重畳される。

受信機は、測位衛星から送信される軌道情報とクロック情報とを復調することにより、衛星の位置と時刻とを知ることができる。ここで、従来、測位衛星が送信する軌道及びクロックは、データ伝送レート５０ｂｐｓで送信され、軌道及びクロックを復調するのに少なくとも３０秒を要していた。

受信機は、複数の衛星と受信機との間の距離の計測値と、衛星の位置と、時刻とを用いて、受信機自身の位置を例えば三辺測量の要領で決定する。

準天頂衛星システムの初号機として、日本が既に開発して軌道上に配備しているのが「みちびき」という名称の人工衛星である。「みちびき」もＧＰＳと同様に、そして準天頂衛星システムの一部として同様に、それぞれ１５７５．４２ＭＨｚ、１２２７．６ＭＨｚ、および１１７６．４５ＭＨｚを中心とするＬ１、Ｌ２、およびＬ５などと称される複数の周波数を使用して動作する。また、これらに加えて、１２７８．７５ＭＨｚの周波数には、ＧＰＳとは異なる我が国独自の信号を有するので、広義の安全保障に有益な将来性を持つものであると認識されており、将来の準天頂衛星システムもこの機能を発展させながら持とうとしている。

この「みちびき」の我が国独自の信号は、Ｌ帯周波数の実験用であるという意味を込めて、ＬＥＸ信号（L-band EXperiment Signal）と呼ばれている。この信号は、１つのチャネルを持ち、それは時分割で実現される２つのサブチャネルを持つ。第１のサブチャネルの擬似拡散符号レートは２．５５７５Ｍｃｐであり、第２のサブチャネルの擬似拡散符号レートも２．５５７５Ｍｃｐｓであり、第１のサブチャネル及び第２のサブチャネルは５．１１５ＭＨｚ毎に交互に５０％ずつの時間割合で選択される。

この「第１のサブチャネル及び第２のサブチャネルは５．１１５ＭＨｚ毎に交互に選択される」という点は、ＬＥＸ信号の周波数軸上の電力密度特性として、中心周波数に対し、±５．１１５ＭＨｚのメインローブを有していることを意味する。

図５に、その様子として、従来の「みちびき」のＬＥＸ信号の周波数に対する電力密度を示す。図５において、縦軸は、電力密度の指標であるＥＩＲＰ（Effective Isotropic Radiation Power）を表し、単位はｄＢ（Ｗ／（Ｈｚ））である。横軸は、周波数（ＭＨｚ）の広がりを表す。図５の中心周波数は、１２７８．７５ＭＨｚとなっており、１２７３．６４ＭＨｚから１２８３．８７ＭＨｚまで、５．１１５ＭＨｚ×２倍の幅に電力が分布している。１２７３．６４ＭＨｚ及び１２８３．８７ＭＨｚのＥＩＲＰは最小となっているが、これらは「ヌル点」と呼ばれる。

また、上記の「交互に５０％ずつの時間割合で選択され」という点は、第１のサブチャネルと第２のサブチャネルは同一の、すなわち５０％ずつのエネルギーを持つということを意味する。

図６に、従来の「みちびき」のＬＥＸ信号の地表面における信号電力と各サブチャネルへの電力配分を図示する。

図６において、ＬＥＸ信号は、パイロットサブチャネルとデータサブチャネルとからなるが、「みちびき」においては、電力配分として５０％ずつ配分され、それぞれ、−１５８．７ｄＢＷとなっている。

ここで、データ伝送性能について考察する。データサブチャネルの擬似拡散符号は、４ｍｓの長さを持っている。したがってチップの個数（以下「チップ長」）は、２．５５７５Ｍｃｐｓ×０．００４ｓ＝１０２３０個である。データサブチャネルは、各４ｍｓにおいて、この１０２３０個の擬似拡散符号を、ｎ番目、ｎ＋１番目、ｎ＋２番目、、、、１０２３０番目、1番目、2番目、、ｎ−２番目、ｎ−１番目と生成送出することで、データの意味を定義している。具体的には、１番目の位相から送信する場合は００００００００という８ビットであり、２５６番目の位相から生成送出する場合は１１１１１１１１という８ビットを意味している。以上の構造により、２５６種÷０．００４ｓ＝８ビット÷０．００４ｓ＝２０００ビット／ｓのデータ伝送を実現する。

さらに、データサブチャネルでは、この２５０シンボル（＝２０００ビット）の終端部に、１６シンボル（＝１２８ビット）迄の誤りを検出及び訂正できる誤り訂正符号（リードソロモン符号）を３２シンボル（256ビット）分含む（図８参照）。

より詳細にこれをビットで表現するならば、ＬＥＸ信号のデータサブチャネルは、４９ビットのヘッダ、１６９５ビットのデータ部、そして２５６ビットの誤り訂正符号の合計２０００ビットで１メッセージが構成されている。この１メッセージを１秒で送信される。

２０１１年９月３０日には、今後の日本の準天頂生成システム（ＱＺＳＳ）についての閣議決定がなさている（非特許文献２）。非特許文献２には、広義の安全保障に資するために、２０１０年代後半には４機の衛星を保有し、さらに将来は７機体制とすることが記載されている。

それに関連する検討として、従来の「みちびき」のＬＥＸ信号を拡張し、妨害や欺瞞に強い信号（以下「Ｌ６ａ信号」）と、民生用信号（以下「Ｌ６ｂ信号」）との２つの信号を提供することで、２つのユーザグループへのサービスを目指すことが検討されている。

この場合、当業者からすれば、図７に示すように、Ｌ６ａ信号をＩチャネルとし、Ｌ６ｂ信号をＱチャネルとしたＱＰＳＫの信号構造を持たせることが容易に考えられる。

宇宙航空研究開発機構："準天頂衛星システムユーザインタフェース仕様書（ＩＳ−ＱＺＳＳ）１．１版"、２００９年７月３１日、インターネット＜URL:http://qzss.jaxa.jp/is-qzss/＞平成２３年９月３０日閣議決定「実用準天頂衛星システム事業の推進の基本的な考え方」、インターネット＜URL: http://www.kantei.go.jp/jp/singi/utyuu/pdf/kakugi_jun.pdf＞

しかしながら、欧州との周波数調整の関係からは現在送信している電力をあまり大きくしないままにしなくてはならないし、大きくするにしても単純に２倍（３ｄB増加）にすることは欧州との周波数調整の関係からは困難を伴うであろう。また、妨害や欺瞞に強いという要請に対しては、単純にＩとＱという２つの直交するチャネルに割り当てるという方法では対応できない。

周波数調整の関係は、具体的には、この信号が使用する予定の周波数が、欧州の開発する同種の衛星測位システムであるＧａｌｉｌｅｏのＬ６信号と重複していることに基づく。そのため、従来の「みちびき」のＬＥＸ信号の地表面における信号電力の大きさは、欧州Ｇａｌｉｌｅｏとの合意の下で決定されたという経緯がある。したがって、前記２つの信号（Ｌ６ａ信号とＬ６ｂ信号）を提供する為には、その合意を遵守しつつ、日本側独自の電力配分が必要となってくる。どのような配分が可能であるかは、綿密なデータの分析や、解析検討に基づく改善された解決手段が必要とされる。

そのため、まず、第１に信号の地表面における信号電力の大きさは、先に「みちびき」で合意したレベルを超えないように当面は考えるべきであろう。そうなると、上述のように、パイロットサブチャネルとデータサブチャネルとに、同一のエネルギーを配分する方式では、Ｌ６ａ信号とＬ６ｂ信号とにそれぞれ５０％ずつの電力を配分するとしても、それらのサブチャネルに割り当てられる電力は元々の電力の２５％となるので、信号受信の余裕が無くなるという課題がある。

また、Ｌ６ｂ信号のパイロットチャネルは不要だとして単純に削除することになると、±５．１１５ＭＨｚのスペクトラムではなくなり、そのスペクトラムは±２．５５７５ＭＨｚのメインローブを持つようになる。そのため、欧州との周波数調整は改めてやり直しということになり、大きな労力を伴う。

また、実際に使用されている擬似拡散符号の周波数は２．５５７５Ｍｃｐｓであるが、±５．１１５ＭＨｚのスペクトラムを持つのだから擬似拡散符号の周波数は５．１１５Ｍｃｐｓまで拡大して先に記載した耐妨害耐欺瞞性能を向上させることが期待される。しかし、単純にＬ６ａ信号をＩチャネルとし、Ｌ６ｂ信号をＱチャネルとしたＱＰＳＫの信号構造にするだけではそれを実現できない。
したがって、かかる課題を解決するための新たな手段が必要とされている。

さらに、妨害や欺瞞に強いＬ６ａ信号と民生用信号であるＬ６ｂ信号との２つのユーザグループを実装しようとすると、これら２つのデータ列を信号に効率的に組み込むことが求められる。

また、仮に民生用信号の送信を停止せざるを得ない事態にあっても、前記の信号電力の条件は維持しながら、民生用信号に振り向けていた電力をＬ６ａ信号が引き継いで、Ｌ６ａ信号としてさらに高い性能を発揮することが求められる。

また、広義の安全保障の観点から、このＬ６ａ信号は、例えば、高ビットレートある特徴を生かし、測位精度が良く且つ測位に至る時間が短いなどの高い性能を備えることが求められる。

本発明は、従来のＬＥＸ信号を基礎にしながらも、それをまずＱＰＳＫ変調に変更して、片方のチャネル（本書ではＩチャネル）に高い拡散周波数の信号を単一のチャンネルとして割り当てることで妨害や欺瞞に強い信号を提供することを特徴とする。

また、同時に、残りのチャンネル（本書ではＱチャネル）にデータチャネルを割り当ててそれを更に時分割で２つのデータサブチャネルで構成し、片方のデータサブチャネルは従来のみちびきのＬＥＸ信号のデータチャンネルを互換性を維持しながら、残りのデータサブチャネルは高い伝送能力を付与することで上述の高い性能を備え、同時に欺瞞に強い信号を提供することを特徴とする。

本発明にかかる変調方式等により、従来のみちびきのＬＥＸ信号のデータチャネルと互換性の持つ信号、広義の安全保障の観点から妨害や欺瞞に強く且つ性能の高い信号を送信することができる。

本発明の一実施形態にかかる衛星測位信号生成装置のブロック構成を説明する説明図である。本発明の一実施形態にかかるＬ６信号の信号構造を説明する説明図である。本発明の他の実施形態にかかるＬ６信号の信号構造を説明する説明図である。本発明の一実施形態にかかるデータサブチャネルにおけるフレームエラーが１６シンボル以下となる確率を示すグラフである。本発明の一実施形態にかかるデータサブチャネルにおけるフレームエラーが１６シンボル以下となる確率を示すグラフである。本願発明の一実施形態にかかるＬ６ａ信号のデータサブチャネルのデータ構造を説明する説明図である。従来の「みちびき」衛星のＬＥＸ信号の周波数毎の電力密度を説明する説明図である。従来の「みちびき」衛星のＬＥＸ信号の地表面における信号電力と各サブチャネルへの電力配分を説明する説明図である。従来の「みちびき」衛星のＬＥＸ信号の信号構造を単純に拡張したときのＬ６信号の信号構造を説明する説明図である。従来の「みちびき」衛星のＬＥＸ信号のデータサブチャネルのデータ構造を説明する説明図である。本発明の他の実施形態にかかる衛星測位信号を生成する生成装置の機能ブロックを説明する説明図である。本発明の一実施形態にかかる衛星測位信号を受信する受信装置の機能ブロックの一例を説明する説明図である。本発明の一実施形態にかかる衛星測位信号を受信する受信装置の捕捉部の詳細ブロックの一例を説明する説明図である。

以下、本発明にかかる衛星測位信号生成方法、生成装置、生成プログラム等を実施するための形態について、図面に基づいて詳述する。

図１に、本発明の一実施形態にかかる衛星測位信号生成装置のブロック構成を示す。衛星測位信号生成装置１００は、測位ペイロード（ＮＰ）として、衛星測位システムの一部をなす人工衛星に搭載される。

衛星測位信号生成装置１００は、Ｒｂ（ルビジウム）原子時計（Rb Atomic Clock）１０１と、時刻制御ユニット（Time Keeping Unit）１０２と、シンセサイザ（Synthesizer）１０３と、搭載制御計算機（Navigation Onboard Computer）１０４と、ＴＴＣサブシステム（TT&C Subsystem）１０５と、変調器（Modulator）１０７と、増幅器（Amplifier）１０８と、合波器（MUX）１０９と、Ｌ−アンテナ１１２とからなり、５つのＱＺＳ信号（Ｌ１−Ｃ／Ａ、Ｌ１Ｃ、Ｌ２Ｃ、Ｌ５、Ｌ６）を送信する機能を有し、これらすべての信号送信において、待機冗長構成を採用している。ＱＺＳ信号の種類を下表に示す。

そして、衛星測位信号生成装置１００において、衛星基準クロックは、Ｒｂ原子時計１０１と時刻制御ユニット１０２とシンセサイザ１０３と搭載制御計算機１０４とからなるタイムキーピングシステム（ＴＫＳ）により生成される。時刻制御ユニット１０２には、良好な位相雑音特性を有する温度制御型電圧制御水晶発振器（ＯＶＣＸＯ）が搭載され、搭載制御計算機１０４からの制御信号によって、長期安定度の高いＲｂ原子時計１０１に追尾するように発振周波数制御が行われる。

そして、シンセサイザ１０３において、時刻制御ユニット１０２のクロックに同期した衛星基準クロック及びＬ帯搬送波が出力され、変調器１０７において、搭載制御計算機１０４によって生成された航法メッセージを含むベースバンド信号によりＬ帯搬送波が変調される。さらに、利得可変増幅器（CAMP）及び進行波管増幅器（TWTA）を含む増幅器１０８において信号増幅された後、合波器１０９において、各増幅器からの測位信号が合波される。

合波器１０９において合成されたＬ１−Ｃ／Ａ、Ｌ１Ｃ、Ｌ２Ｃ、Ｌ５、Ｌ６の各信号は、Ｌ−アンテナ１１２（例えば、１９素子ヘリカルアレイアンテナ）から放射される。

次に、図１における信号の流れを説明する。

まず、Ｒｂ原子時計１０１と時刻制御ユニット１０２とシンセサイザ１０３と搭載制御計算機１０４とからなるタイムキーピングシステム（ＴＫＳ）内においては、時刻制御ユニット１０２と搭載制御計算機１０４との間で、位相誤差信号（１０２→１０４）及び周波数制御信号（１０４→１０２）のやり取りがある。次に、タイムキーピングシステム（ＴＫＳ）内のシンセサイザ１０３から変調器１０４へは搬送波が送られ、搭載制御計算機１０４から変調器１０４へは、航法メッセージ及び擬似拡散符号が送られる。そして、変調器１０７から増幅器１０８を介して、各アンテナへは測位信号が送られる。

また、搭載制御計算機１０４とＴＴＣサブシステム１０５との間では、テレメトリデータやコマンド信号、航法メッセージの送受信が行われる。

図２Ａに、本願発明の一実施形態にかかる信号（Ｌ６信号）の構造を示す。図２Ａにおいて、信号（Ａ）は、Ｌ６ａ信号とＬ６ｂ信号とが共存するよう信号構造が設計されている。さらに、５．１１５Ｍｃｐｓの擬似拡散符号で変調されたＬ６ａ信号のパイロットサブチャネルは、ＱＰＳＫ−Ｉチャネルに割り当てられている。そして、２．５５７５Ｍｃｐｓの擬似拡散符号で変調されたＬ６ａ信号のデータサブチャネルとＬ６ｂ信号のデータサブチャネルは、互いに５０％ずつの時分割で、合わせて５．１１５Ｍｃｐｓの擬似拡散符号変調となっており、ＱＰＳＫ−Ｑチャネルに割り当てられている。

すなわち、パイロットチャンネルの擬似拡散符号の周波数は５．１１５Ｍｃｐｓとデータチャンネルの擬似拡散符号の周波数の２倍であり、これは従来のみちびき初号機のＬＥＸ信号の擬似拡散符号周波数の２倍でもあり、これにより妨害に対しては２倍の強度を持つようになっている。

また、ＱＰＳＫ−Ｑチャネルに割り当てられている電力は全体の８０％であり、これを２つのデータサブチャネル１及び２で折半しているので、それぞれのデータサブチャネル１及び２は、それぞれ、ＱＰＳＫチャネル全体の４０％の電力配分を有する。

このようにＱＰＳＫ変調された２つのチャネル（Ｉチャネル、Ｑチャネル）のそれぞれは、擬似拡散符号で変調されている。また、伝送すべきデータはＩチャンネルに割り当てられた２つのサブチャネルで伝送され、データの意味は擬似拡散符号の位相の違いで定義され、位相を定期的に変更することでデータを伝送する。そのデータレートは、５ｋｂｐｓ以上が好適である。

また、上述の測位信号の典型的な中心周波数は、１２７８．７５ＭＨｚであり、第１のチャネルである上述のＩチャネルの擬似拡散符号の周波数は５．１１５Ｍｃｐｓとすることができる。

さらに、第２のチャネルである上述のＱチャネルが有する２つのサブチャネル（データサブチャネル１及び２）の擬似拡散符号の周波数は、共に２．５５７５ＭＨｚとして実装することができる。このとき、データサブチャネル１及び２は、５．１１５ＭＨｚ毎に交互に選択されることで第２のチャネルであるＱチャネルを実現することができる。

また、データは、４ｍｓ毎に擬似拡散符号の位相を変更することで、４ｍｓ毎に１つのデータシンボルを送信することができる。この場合、最大で２．５５７５Ｍｃｐｓ×０．００４ｓ＝１０２３０種類の位相を表現できるので、４ｍｓでの１つのデータシンボルの長さは最大で２の１３乗（２の１３乗＜１０２３０なので）、すなわち、１３ビットを採用することができる。

図２Ａにおいて、ＱＰＳＫチャネル全体では、ＩチャネルがＬ６ａ信号のパイロットサブチャネルが２０％の電力配分を有し、次に、Ｑチャネルにおいて、Ｌ６ａ信号のデータサブチャネル１が４０％の電力配分を有し、同じくＱチャネルにおいて、Ｌ６ｂ信号のデータサブチャネル２が４０％の電力配分を有することとなる。

次に、図２Ａに示した信号構造の特徴を説明する。まず、第１の特徴は、本願発明に相当する従来の「みちびき」の信号はＬＥＸ信号と呼ばれていたが、そのＬＥＸ信号はパイロットチャネルを持っていたが、そのようなパイロットチャネルはＬ６ｂ信号には不要であるという点にある。その理由は、Ｌ６ｂ信号は基本的にはデータの伝送に使われるだけであり、且つ、Ｌ６ｂ信号のデータ伝送が有効であるのは他の例えばＧＰＳの民生用信号を受信できていることを前提としているからであり、当然その場合はＱＺＳＳの他の民生用信号の受信も可能であるので、Ｌ６ｂ信号のデータ復調には、Ｌ６ｂ信号のパイロットチャネルのタイミングを使わずにＱＺＳＳの他の民生用信号のタイミングを使用することで、Ｌ６ｂ信号のパイロットチャネルを省くことができるからである。

第２の特徴は、Ｌ６ｂ信号のデータサブチャネルは、従来の「みちびき」における電力が５０％であるのに対して、図２Ａに示す信号構造では４０％と少なくなっている点である。従来の「みちびき」のＬＥＸ信号の地表面での受信電力がデータチャネルとパイロットチャネルの合計で−１５５．７ｄＢＷであり、そのためデータチャネルに割り当てられていた電力はその半分の−１５８．７ｄＢＷであった。今回、ＱＺＳＳ用の新信号であるＬ６信号に割り当てられる合計電力が従来と同様に−１５５．７ｄＢＷであるとして、その４０％は−１５９．７ｄＢＷとなる。そのため、従来の「みちびき」のＬＥＸ信号のデータチャネルよりも１ｄＢ弱いことになる。それにも関わらず、本発明の一実施形態にかかる信号構造は、４ｍｓ毎に繰り返されるシンボル伝送を正しく行うことができ、最終的には１秒毎の２５０シンボルを正しく伝送できるという利点がある。仮にデータサブチャネル１の１シンボルが１３ビットであれば１３ビット／４ｍ秒＝３２５０ビット／秒であり、仮にデータサブチャネル２の１シンボルが８ビットであれば８ビット／４ｍｓ＝２０００ビット／秒である。データサブチャネル２が２０００ビット／秒であるとき、従来の「みちびき」のＬＥＸ信号のデータチャネルと同一であり、新信号は従来の信号との互換性を維持することもできる。

次に、図２Ｂに、本願発明の他の実施形態にかかる信号（Ｌ６信号）の構造を示す。図２Ｂにおいて、信号（Ｂ）は、Ｌ６ａ信号のみで構成されるような信号構造設計となっている。Ｌ６ａ信号のパイロットサブチャネルは、ＱＰＳＫ−Ｉチャネルに割り当てられ、Ｌ６ａ信号のデータサブチャネル１と図２ＡにおけるＬ６ｂ信号のデータサブチャネル２とは、共にＬ６ａ信号のデータサブチャネルとして、５０％ずつの時分割で、ＱＰＳＫ−Ｑチャネルに割り当てられている。また、ＱＰＳＫ−Ｑチャネルに割り当てられている電力は全体の８０％であり、これを２つのデータサブチャネル１及び２で折半しているので、それぞれのデータサブチャネル１及び２は、それぞれ、ＱＰＳＫチャネル全体の４０％の電力配分を有する。

このようにＱＰＳＫ変調された２つのチャネル（Ｉチャネル、Ｑチャネル）のそれぞれは、擬似拡散符号で変調されている。また、伝送すべきデータは擬似拡散符号の位相の違いで定義され、位相を定期的に変更することでデータを伝送する。

また、ＱＺＳＳでの使用を想定すると、上述の測位信号の典型的な中心周波数は、１２７８．７５ＭＨｚであり、第１のチャネルであるＩチャンネルの擬似拡散符号の周波数は５．１１５Ｍｃｐｓとすることができる。

さらに、第２のチャネルであるＱチャネルが有する２つのサブチャネル（データサブチャネル１及び２）の擬似拡散符号の周波数は、共に２．５５７５Ｍｃｐｓとして実装することができる。このとき、データサブチャネル１及び２は、５．１１５ＭＨｚ毎に交互に選択されることで第２のチャネルであるＱチャネルを実現することができる。

また、データは、４ｍｓ毎に擬似拡散符号の位相を変更することで、４ｍｓ毎に１つのデータシンボルを送信することができる。この場合の１つのデータシンボルの長さは、最大で１３ビットを採用することができる。

図２Ｂにおいて、ＱＰＳＫチャネル全体では、Ｉチャネル及びＱチャネルがＬ６ａ信号で構成され、パイロットサブチャネルが２０％の電力配分を有し、Ｑチャネルにおいて、Ｌ６ａ信号のデータサブチャネル１及び２がそれぞれ４０％の電力配分を有することとなる。

この電力配分で２０００ビット／秒を伝送できるのか、或いは３２５０ビット／秒を伝送できるのかについて考察する。下表は、従来の「みちびき」のＬＥＸ信号のデータチャネルに関する回線計算表である。地表面での合計受信電力は前述のように−１５５．７ｄＢＷであるものと想定する。アンテナ利得は０ｄＢｉを想定し、受信処理損失は０ｄＢとする。また、受信アンテナから初段増幅器までの損失は０．７５ｄＢとし、初段増幅器のノイズ指数は１．７５ｄＢであるとする。この時、得られるデータチャネルのＣ／Ｎｏは、下表に示す通り、４４．７ｄＢＨｚである。

一方、４ｍｓ当たり１シンボル＝８ビットの時、それを１秒分まとめて２５０シンボル送って、シンボルエラーが誤り訂正可能な１６シンボル以下である確率が９９％を越えるようなＣ／Ｎｏは、図３Ａに示す通り、３９ｄＢＨｚである。そのため、上記の通りに４４．７ｄＢＨｚであれば５．７ｄＢＨｚの余裕を持って成立している。

ここで、仮に、現実に、アンテナ利得を仰角１０度の方向で−３ｄＢｉを想定し、受信処理損失は３ビット量子化を想定して０．４ｄＢとする。また、受信アンテナから初段増幅器までの損失は０．７５ｄＢとし、初段増幅器のノイズ指数は１．７５ｄＢであるとする。この時、得られるＣ／Ｎｏは、下表に示す通り、４１．３ｄＢＨｚである。現実の受信機としても、３９ｄＢＨｚに対して２．３ｄＢＨｚの余裕を持って成立していることを意味している。

新信号では、データチャンネルに４０％ずつの電力を割り当てることとしていた。そのときのＣ／Ｎｏを計算すると、以下の下表に示すように、従来の信号よりも１ｄＢ小さくなる。

しかしながら、４ｍｓ当たり１シンボル＝８ビットの時、それを１秒分まとめて２５０シンボル送って、シンボルエラーが誤り訂正可能な１６シンボル以下である確率が９９％を越えるようなＣ／Ｎｏは３９ｄＢＨｚであったから、４．７ｄＢＨｚの余裕を持って成立している。

また、４ｍｓ当たり１シンボル＝１３ビットの時、それを１秒分まとめて２５０シンボル送って、シンボルエラーが誤り訂正可能な１６シンボル以下である確率が９９％を越えるようなＣ／Ｎｏは４０．０ｄＢＨｚである。また、４ｍｓ当たり１シンボル＝１３ビットの時、それを０．５秒分まとめて１２５シンボル送って、シンボルエラーが誤り訂正可能な１６シンボル以下である確率が９９％を越えるようなＣ／Ｎｏは、図３Ｂに示す通り、３９．５ｄＢＨｚである。そのため、このようにビットレートを大きくしたケースでも、３．７〜４．２ｄＢＨｚの余裕を持って成立している。

ここで、仮に、現実に、アンテナ利得を仰角１０度の方向で−３ｄＢｉを想定し、受信処理損失は３ビット量子化を想定して０．４ｄＢとする。また、受信アンテナから初段増幅器までの損失は０．７５ｄＢとし、初段増幅器のノイズ指数は１．７５ｄＢであるとする。この時、得られるＣ／Ｎｏは４０．３ｄＢＨｚである。現実の受信機としても、前述の３９．５ｄＢＨｚに対して０．８ｄＢＨｚの余裕、前述の４０ｄＢＨｚに対しては０．３ｄＢの余裕を持って成立している。

図４に、本願発明の一実施形態にかかるＬ６ａ信号のデータサブチャネルのデータ構造を示す。図４において、１２５シンボルを１つのフレームとして、０．５ｓ毎のフレームが実現されている。この時の誤り訂正符号の誤り検出・訂正能力は、１６シンボルのままとする。

シンボルで何ビットを表現するのかという点については、原理的には１３ビットまで表現することができる。４ｍｓで１シンボルを伝送するのであるから、擬似拡散符号は区分的に４ｍｓの長さを持ち、したがってチップの個数（以下「チップ長」）は、２．５５７５Ｍｃｐｓ×０．００４ｓ＝１０２３０個である。各４ｍｓにおいて、この１０２３０個の擬似拡散符号を、ｎ番目、ｎ＋１番目、ｎ＋２番目、、、、１０２３０番目、、、、ｎ−２番目、ｎ−１番目と生成送出することで、データの意味を定義するのは従来の「みちびき」と同一にして良いが、最大で１０２３０個までの位相を表現出来ることは明らかである。それに着目し、例えば具体的には、１番目から送信する場合は０００００００００００００の１３ビットであり、２５６番目から生成送出する場合は０００００１１１１１１１１の１３ビット、８１９２番目から生成送出する場合は１１１１１１１１１１１１１の１３ビットを意味させれば良い。これにより、８１９２種÷０．００４ｓ＝１３ビット÷０．００４ｓ＝１６２５ビット／０．５ｓのデータ伝送を実現できる。若しくは、８１９２種÷０．００４ｓ＝１３ビット÷０．００４ｓ＝３２５０ビット／秒のデータ伝送を実現できる。

そのため、Ｌ６ａのデータサブチャネルが３２５０ビット／秒であり、Ｌ６ｂのデータサブチャネルが２０００ビット／秒であるから、Ｌ６信号としては併せて５２５０ビット／秒を伝送できることとなる。

また仮に、従来の「みちびき」のＬＥＸ信号のデータチャネルとの互換性を捨てて、２つのデータサブチャネルで３２５０ビット／秒を伝送することとすれば、６５００ビット／秒を伝送できることとなる。

図９に、本発明の他の実施形態にかかる衛星測位信号を生成する生成装置の機能ブロック図を例示する。図９において、源振クロックは１０．２３ＭＨｚである。そこから、５．１１５ＭＨｚと２．５５７５ＭＨｚのクロックが生成されて、それぞれ５．１１５Ｍｃｐｓと２．５５７５Ｍｃｐｓの擬似拡散符号の生成に使用される。図中の拡散符号生成器９０１からは、Ｌ６ａ信号のパイロットチャンネルが生成され、Ｉチャンネルを構成する。また、拡散符号生成器９０２及び拡散符号位相変換器９０３からは、Ｌ６ａ信号のデータサブチャネルが生成され、拡散符号生成器９０４及び拡散符号位相変換器９０５からは、Ｌ６ｂ信号のデータサブチャネルが生成される。Ｌ６ａ信号のデータサブチャネル及びＬ６ｂ信号のデータサブチャネルは交互に５．１１５ＭＨｚで選択されて、Ｑチャネルを構成する。Ｉチャネルは、源振クロックから生成された１２７８．７５ＭＨｚの搬送波と掛け合わされてβ倍され、Ｑチャネルは、源振クロックから生成された１２７８．７５ＭＨｚの搬送波の９０度位相を進めたものと掛け合わされ、α倍される。そして、β倍されたＩチャネル及びα倍されたＱチャネルは、合成される。合成された結果として得られた信号が、Ｌ６信号となる。ここで、図９に示した実施例では、αは８０％、βは２０％がそれぞれ採用される。

以上、説明した本発明の実施形態は、本発明の送信側すなわち、１又は複数の衛星測位信号の生成時、変調時、及び送信時の信号構造及び動作原理を説明したものである。そこで、上述の送信信号を受信及び処理するためのシステム及び方法も、送信側の動作原理と同様に実施可能である。すなわち、本願発明の実施形態は、上述の信号を処理する受信装置にも適用可能である。

図１０Ａに、本発明の一実施形態にかかる衛星測位信号を受信する受信装置の機能ブロックを例示する。例示のため、図１０Ａに示した受信装置は、ＧＰＳ衛星からの電波信号と準天頂衛星からの電波信号とを受信可能に構成されている。図９Ａにおいて、アンテナ９１は衛星からの電波信号を受信してＲＦ部９２に伝送する。ＲＦ部９２は受信した信号をダウンコンバートして中間周波信号とし捕捉部９３に伝送する。捕捉部９３では、Ｃ／Ａコードを同期させることによって、どの衛星からの信号を受信しているかを走査し、同期した衛星のＣ／Ａコードと同期タイミングをトラッキング部９４に通知する。トラッキング部９４では、捕捉部９３から通知された各衛星のＣ／Ａコードと同期タイミングとに基づいて、ＲＦ部９２から伝送される中間周波信号から各衛星の航法メッセージを再生して各衛星の信号を追尾し続ける。

図１０Ｂは、本発明の一実施形態にかかる衛星測位信号を受信する受信装置の捕捉部の詳細ブロックを例示する。図１０Ｂにおいて、配線９３０にはＲＦ部９２（図１０Ａ）が出力する中間周波信号が供給されて乗算部９３１に入力される。搬送波発生部９３２は、制御部９３３の制御により中間周波数ｆｍにドップラー周波数ｆｄを加算した周波数の搬送波を生成して乗算部９３１に入力する。

乗算部９３１は、中間周波信号と搬送波とを乗算し、一例としてＰＳＫ復調を行い、得られた復調信号をマッチドフィルタ９３４に供給する。マッチドフィルタ９３４では、制御部９３３の制御により各衛星のＣ／Ａコードの複製を生成し、この各衛星のＣ／Ａコードの複製を復調信号中のＣ／Ａコードに同期させることによってサーチ処理が行われる。

Ｃ／Ａコードの複製が復調信号中のＣ／Ａコードに同期すると、マッチドフィルタ３４は同期タイミング表わす信号を生成し、同期したＣ／Ａコードの複製と共に後続のトラッキング部９４（図９Ａ）に送信する。

一般に、捕捉部では、どの衛星についてサーチ処理を行うかを決める衛星サーチと、移動する衛星が電波を放射することによるドップラー周波数ｆｄをサーチするための周波数サーチとを必要とする。ＧＰＳ衛星の場合、衛星の仰角が低いため、ドップラー周波数ｆｄは広範にわたり、周波数サーチに多大の時間を要する。

しかしながら、衛星信号に含まれるドップラー周波数は、衛星の仰角が高いほど小さくなる。本発明が対象としている準天頂衛星の仰角は、目標最低仰角として、略７０度以上としているため、ＧＰＳ衛星の仰角に比して非常に大きい。従って、準天頂衛星のドップラー周波数はＧＰＳ衛星に比して小さくなるので、周波数サーチに要する時間もＧＰＳ衛星の場合よりも僅少で済む。

［公知の技術等］
本発明に関連して、本明細書と同時に出願されたかその前に出願され、公に自由に入手できるすべての論文および文書の内容は、参照によって本明細書の記載内容として組み込まれる。

［組み合わせ］
本明細書（請求項、実施例、要約、及び図面を含む）に記載された構成要件の全て及び／又は開示された全ての方法又は処理の全てのステップについては、これらの特徴が相互に排他的である組合せを除き、任意の組合せで組み合わせることができる。

［特徴の一例］
本明細書（請求項、実施例、要約、及び図面を含む）に記載された特徴の各々は、明示的に否定されない限り、同一の目的、同等の目的、または類似する目的のために働く代替の特徴に置換することができる。したがって、明示的に否定されない限り、開示された特徴の各々は、包括的な一連の同一又は均等となる特徴の一例にすぎない。

本発明は、上述した実施形態のいずれの具体的構成にも制限されるものではない。本発明は、本明細書（請求項、実施例、要約、及び図面を含む）に記載された全ての新規な特徴又はそれらの組合せ、あるいは記載された全ての新規な方法又は処理のステップ、又はそれらの組合せに拡張することができる。

１００衛星測位信号生成装置
１０１Ｒｂ（ルビジウム）原子時計
１０２時刻制御ユニット
１０３シンセサイザ
１０４搭載制御計算機
１０５ＴＴＣサブシステム
１０７変調器
１０８増幅器
１０９合波器
１１２Ｌ−アンテナ

Claims

衛星測位信号送信装置における測位信号を生成する方法であって、
前記測位信号は、第１及び第２のチャネルがＱＰＳＫ変調されており、それぞれのチャネルは擬似拡散符号によって変調されており、伝送すべきデータは擬似拡散符号の位相の違いによって定義され、かつ、これらの位相を定期的に変更することで伝送されることを特徴とする測位信号を生成する方法。
前記測位信号の中心周波数は、１２７８．７５ＭＨｚであることを特徴とする請求項１記載の方法。
前記測位信号の第１のチャネルの擬似拡散符号の周波数は、５．１１５ＭＨｚであることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
第２のチャネルは、データ列を伝送可能な第１及び第２のサブチャネルを有し、第１及び第２のデータサブチャネルの擬似拡散符号の周波数は、それぞれ２．５５７５ＭＨｚであり、これら２のデータサブチャネルは、５．１１５ＭＨｚ毎に交互に選択されることで第２のチャネルとして実現されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
前記データ列は、４ｍｓ毎に擬似拡散符号の位相が変更されることで、４ｍｓ毎に１つのデータシンボルが送信されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
前記１つのデータシンボルは、１３ビット長であることを特徴とする請求項５に記載の方法。
請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法を実施する手段を備えた衛星測位信号生成装置。
請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法で生成された信号を受信する手段を備えたことを特徴とする衛星測位信号受信装置。