JP2015076835A - 衛星測位システム用車載アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】衛星測位システムで用いる車載アンテナにおいて、マルチパスの影響を抑制する技術を提供する。【解決手段】指向性を表すビームの中心軸を天頂方向に向けた場合に、準天頂衛星からの電波を常時受信するように指向性が設定された少なくとも一つの指向性アンテナＡｉを備える。指向性アンテナのビームの中心軸が天頂方向と一致するように車両に搭載することによって、準天頂衛星からの電波を常時受信することができる。また、準天頂衛星が存在しない低仰角から到来する信号の受信レベルを低く抑えることができるため、マルチパスの影響を抑制することができる。【選択図】図２

Description

本発明は、衛星測位システムで用いる車載アンテナに関する。

走行中の車両の位置情報を取得する際に、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）を代表とする地球的衛星測位システム（ＧＮＳＳ：Ｇｌｏｂａｌ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｓｙｓｔｅｍ）が用いられている。

そして、ＧＰＳシステムで使用される車載アンテナは、より多くのＧＰＳ衛星を捕捉することができるように、無指向性のものや比較的低い仰角まで指向性を有したものが用いられている（例えば、特許文献１参照）。

特公平０６−０７３１５８号公報

しかし、従来のアンテナでは、建造物や道路等に反射した電波を受信してしまうことによる、いわゆるマルチパスの影響を受け易いため、その対策が必要であるという問題があった。

本発明は、こうした問題に鑑みてなされたものであり、衛星測位システムで用いる車載アンテナにおいて、マルチパスの影響を抑制する技術を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明者らはＧＮＳＳの位置精度を改善するために運用することが予定されている準天頂衛星を利用した測位システム（ＲＮＳＳ：Ｒｅｇｉｏｎａｌ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｓｙｓｔｅｍ）に着目した。なお、準天頂衛星は、日本の上空を通る準天頂軌道（非対称８の字軌道）から信号を送信することによって、地上から常に高仰角で観測できるように構成されたものである。

本発明の衛星測位システム用車載アンテナは、指向性を表すビームの中心軸を天頂方向に向けた場合に、準天頂衛星からの電波を常時受信するように指向性が設定された少なくとも一つの指向性アンテナを備えている。

このように構成された衛星測位システム用車載アンテナでは、指向性アンテナのビームの中心軸が天頂方向と一致するように車両に搭載することによって、準天頂衛星からの電波を常時受信することができる。また、準天頂衛星が存在しない低仰角から到来する信号の受信レベルを低く抑えることができるため、マルチパスの影響を抑制することができる。

なお、指向性を絞ることによって、衛星を観測できる範囲も狭くなるが、準天頂衛星からの信号を常時受信することができるため、既存のＧＮＳＳシステムの衛星については３個捕捉できればよい。従って、受信可能な範囲が制限された指向性アンテナを使用しても、測位に必要な数の衛星を捕捉できる確率を、既存のＧＮＳＳシステムの衛星を４個捕捉する場合と同程度に維持することができるだけでなく、上空の視界が制限される都市部や山間部では、その確率を向上させることができる。

なお、指向性アンテナのビーム幅は６０度（ビームの中心軸方向に対して±３０度）以下であること、即ち、ビームの中心軸が天頂方向を向いているときには仰角６０度以上の範囲から到来する電波を受信するように設定することが望ましい。

本発明の衛星測位システム用車載アンテナが、一つの指向性アンテナによって構成されている場合、その指向性アンテナを、ビームの中心軸方向が天頂方向を向くように車両に設置すればよい。

また、本発明の衛星測位システム用車載アンテナが、車両への設置時に車両の前後方向に沿って配列される複数の指向性アンテナによって構成されている場合、これら指向性アンテナうち一つが、ビームの中心軸が天頂方向を向くように車両に設置すればよい。

車載アンテナが複数の指向性アンテナによって構成されている場合、各指向性アンテナビームは、その中心軸が指向性アンテナの配列方向に向けて互いに異なる傾斜角度を有していてもよい。なお、ビームの中心軸の傾斜角度は、道路構造令で定められた最大縦断勾配の範囲で設定されていることが望ましい。

更に、選択手段が、指向性アンテナのうち、予め設定された選択条件を満たすものを選択し、選択されたアンテナ素子の受信信号を、受信信号を処理する信号処理部に供給するように構成してもよい。

つまり、車体は常に水平を保っているわけではなく、道路勾配等の影響で前後方向に傾斜する場合がある。このためビームの中心軸方向が異なる複数種類の指向性ビームの中から、良好な受信状態となるものを適宜選択して使用することによって、衛星の捕捉をより的確に行うことができる。

なお、車両の姿勢を表す姿勢情報を取得する姿勢情報取得手段を備えている場合、選択手段は、例えば、姿勢情報取得手段で取得した姿勢情報を考慮した指向性アンテナのビームの中心軸方向が天頂方向に最も近いことを選択条件とすることが考えられる。

また、準天頂衛星からの受信信号に含まれる衛星の位置情報に基づいて、準天頂衛星が存在するような高仰角の領域に位置する、準天頂衛星を含んだ四個以上の衛星からの受信状態が最適となる推定方向を求める推定手段を備えている場合、選択手段は、指向性アンテナのビームの中心軸方向が推定方向に最も近いことを選択条件としてもよい。なお、補強信号には、既存の衛星を短時間で捕捉するための情報が含まれているため、これを利用すればよい。

また、指向性アンテナからの受信信号の受信強度を個別に測定する受信強度測定手段を備えている場合、選択手段は、受信強度測定手段によって測定される受信強度が最も大きいことを選択条件としてもよい。

本発明の衛星測位システム用車載アンテナは、準天頂衛星からの受信信号に含まれる補強信号の受信状態に関する表示を、車両に搭載された表示器に表示させる状態表示制御手段を備えていてもよい。

なお、特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、一つの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

また、本発明は、前述した衛星測位システム用車載アンテナの他、当該衛星測位システム用車載アンテナを構成要素とする各種システムなど、種々の形態で実現することができる。

車載測位システムの構成を示すブロック図である。 指向性アンテナの配置状態を示す説明図である。 指向性アンテナの外観図である。 指向性アンテナの特性を示すグラフである。 指向性アンテナの特性を示すグラフである。 信号処理部が実行する補強情報利用処理のフローチャートである。 選択制御部が実行するアンテナ選択処理のフローチャートである。

以下に本発明が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
本実施形態の車載測位システムは、準天頂衛星およびＧＰＳ衛星等で構成された衛星測位システムを利用して自車の現在位置を測位するものであり、図１に示すように、車載アンテナ１と、表示部２と、車載機器３と、ジャイロセンサ４とを備える。

表示部２は、少なくとも準天頂衛星の捕捉状態を表示する部位を備えている。具体的には、ナビゲーションシステムで使用する地図等を表示したり、車両の状態を示す各種情報をドライバに提示したりするために設けられた既存の表示装置を利用してもよいし、これらとは別に新たに設けられた専用の表示装置を利用してもよい。

車載機器３は、車載アンテナ１とは車載ＬＡＮ等を介して接続され、車載アンテナ１が出力する測位情報を利用した処理を実行する各種電子制御ユニット（ＥＣＵ）等からなる。

ジャイロセンサ４は、自車両の姿勢を検出するために搭載された周知のものである。
＜車載アンテナ＞
車載アンテナ１は、アンテナ部１１と、アンテナ選択部１２と、レシーバ部１３と、衛星位置情報記憶部１４と、選択制御部１５とを備える。

アンテナ部１１は、所定のビーム幅（本実施形態では約６０°）を有するように構成された複数の指向性アンテナＡ１〜Ａｎを備える。以下の説明では、ｎ＝５として説明する。

各指向性アンテナＡｉ（ｉ＝１，２，…５）は、図２に示すように、球体の一部を切り取った形状に形成された基台１１１上に１列に配置されている。但し、中心に位置する指向性アンテナＡ３は、ビームの中心軸が、基台１１１の車体への取付面１１１ａに対して直交するように、基台１１１に固定されている。その他の指向性アンテナＡ１，Ａ２，Ａ４，Ａ５は、指向性アンテナＡ３の取付状態を基準として、指向性アンテナＡ３から離れるほど、ビームの中心軸の傾斜角度が所定角度（本実施形態では５°）ずつ増加するように、基台１１１に固定されている。ここでは、指向性アンテナＡ３を基準として、±１０°の範囲で取付角度（ビームの中心軸の傾斜角度）を変化させているが、この取付角度の変化分は、例えば、道路構造令で定められた最大縦断勾配を考慮して設定すればよい。

そして、アンテナ部１１は、指向性アンテナＡ１〜Ａ５の配列方向が車両の前後方向と一致し、且つ、中心に位置する指向性アンテナのビームの中心軸方向が天頂方向と一致するように車体に取り付けられる。

各指向性アンテナＡｉは、いずれも同様の構成を有しており、図３に示すように、６角形の中心および各頂点に相当する位置に配置された７個のアンテナ素子Ｅ１〜Ｅ７を備えている。この指向性アンテナＡｉは、アンテナ素子Ｅ１〜Ｅ７のそれぞれから出力される受信信号を、位相を合わせて合成することによってアンテナ素子Ｅ１〜Ｅ７の配置面に直交する方向を中心軸方向とするビームを形成する。

なお、各アンテナ素子Ｅ１〜Ｅ７は、所望のビーム幅（中心軸方向に対して±３０°）を確保すると共に、サイドローブをできるだけ小さくすることができるように、衛星から受信する電波の波長をλとして、アンテナ素子Ｅ１〜Ｅ７の中心間の間隔（素子間隔）が互いに０．５λずつ離れるように配置されている。

図４および図５は、このようにして構成された指向性アンテナＡｉの特性を示すグラフである。比較のために、図には、素子間隔を０．４λ、０．６λに設定した場合の特性も示す。このように、素子間隔を適宜設定することによって所望のビーム幅を有する指向性アンテナを実現することができる。

＜アンテナ選択部＞
アンテナ選択部１２は、選択制御部１５からのアンテナ選択信号に従っていずれか一つの指向性アンテナＡｉを選択し、その選択された指向性アンテナＡｉが受信した受信信号を受信回路に供給する周知のセレクタからなる。

＜レシーバ部＞
レシーバ部１３は、アンテナ選択部１２から供給される受信信号から、準天頂衛星およびＧＰＳ衛星の信号を個別に抽出し、その抽出した信号の伝搬時間および信号に含まれる各種情報に基づいて各衛星との距離を求め、その距離から現在位置を求めて、車載機器３に提供する測位処理を所定周期で繰り返し実行する。なお、測位処理は、ＧＰＳ測位システムで使用するＧＰＳレシーバにおける周知の処理であるため、その詳細についての説明は省略する。

また、レシーバ部１３は、上記測位処理に加えて、準天頂衛星からの信号に含まれる補強信号（Ｌ１−ＳＡＩＦ信号）を利用する補強信号利用処理を所定周期で繰り返し実行する。

補強信号利用処理では、図６に示すように、まず、測位処理によって準天頂衛星からの受信信号に含まれる補強信号が抽出されているか否か、即ち、準天頂衛星が捕捉されているか否かを判断する（Ｓ１１０）。

補強信号が抽出されている場合（Ｓ１１０：ＹＥＳ）、天頂衛星捕捉表示をオンにする指令を表示部２に出力し（Ｓ１２０）、更に、補強信号に示されたＧＰＳ衛星の位置を特定する情報およびその取得時刻（以下、まとめて「補強情報」という）を、衛星位置情報記憶部１４に記憶して（Ｓ１３０）、本処理を終了する。なお、天頂衛星捕捉表示は、受信信号の信号レベルに応じて表示色を変化させる等してもよい。また、衛星位置情報記憶部１４は周知のランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）からなる。

一方、補強信号が抽出されていない場合（Ｓ１１０：ＮＯ）、天頂衛星捕捉表示をオフにする指令を表示部２に出力して（Ｓ１４０）、本処理を終了する。
なお、レシーバ部１３が実行する測位処理および補強信号利用処理は、その全てをロジック回路などのハードウェアによって実現してもよいし、その一部をマイクロコンピュータが実行する処理、即ち、ソフトウェアによって実現してもよい。また、Ｓ１２０，Ｓ１４０が本発明における状態表示制御手段に相当する。

＜選択制御部＞
選択制御部１５は、衛星位置情報記憶部１４に記憶された情報、および自車の姿勢を検出するジャイロセンサからの姿勢情報に基づいて、受信に使用するアンテナを選択するアンテナ選択処理を、所定周期で繰り返し実行する。

アンテナ選択処理では、図７に示すように、まず、ジャイロセンサから自車の姿勢情報を取得する（Ｓ２１０）。この処理が本発明における姿勢情報取得手段に相当する。
次に、衛星位置情報記憶部１４に有効な補強情報が記憶されているか否かを判断する（Ｓ２２０）。具体的には、補強情報の取得時刻に基づき、その取得時刻からの経過時間が予め設定された許容時間内であれば、記憶されている補強情報は有効であると判断する。

有効な補強情報が記憶されている場合（Ｓ２２０：ＹＥＳ）、補強情報が示す衛星の位置情報に基づき、準天頂衛星が存在するような高仰角の範囲に位置する、準天頂衛星を含んだ４個以上の衛星からの信号を受信するのに最適なアンテナの向きを推定し、その推定方向と自車の姿勢情報とに基づき、ビームの中心軸の向きが推定方向に最も近い指向性アンテナを選択するためのアンテナ選択信号をアンテナ選択部１２に出力して（Ｓ２３０）、本処理を終了する。

このＳ２３０の処理は、ＧＰＳ受信機の投入後に最初の位置情報が算出されるまでの時間を意味する初期位置算出時間（ＴＴＦＦ）を短縮する手法（例えば「ＧＰＳ初期位置算出時間（ＴＴＦＦ）短縮のための検討（航法・交通管制及び一般）Ｒｅｄｕｃｉｎｇ Ｔｉｍｅ Ｔｏ Ｆｉｒｓｔ Ｆｉｘ ｏｆ ＧＰＳ」坂井丈泰 ＠独立行政法人電子航法研究所の資料で提案されている手法等）を応用することができる。

一方、有効な補強情報が記憶されていない場合（Ｓ２２０：ＮＯ）、自車の姿勢情報に基づき、ビームの中心軸の向きが天頂方向に最も近い指向性アンテナを選択するためのアンテナ選択信号をアンテナ選択部１２に出力して（Ｓ２４０）、本処理を終了する。

なお、選択制御部１５が実行するアンテナ選択処理は、レシーバ部１３が実行する処理と同様に、その全てをロジック回路などのハードウェアによって実現してもよいし、その一部をマイクロコンピュータが実行する処理、即ち、ソフトウェアによって実現してもよい。

＜効果＞
以上説明したように、車載アンテナ１は、複数の指向性アンテナＡ１〜Ａｎでアンテナ部１１を構成し、準天頂衛星からの電波を常時受信することができるようにビーム幅や、ビームの向きを設定している。

このため、準天頂衛星が存在しない低仰角（仰角６０°以下）から到来する信号の受信レベルを低く抑えることができるため、マルチパスの影響を抑制することができる。
なお、ビーム幅（指向性）を絞ることによって、衛星を観測できる範囲も狭くなるが、準天頂衛星からの信号を常に受信することができるため、既存のＧＮＳＳシステムの衛星については３個捕捉できればよい。従って、受信可能な範囲が制限された指向性アンテナを使用しても、測位に必要な数の衛星を捕捉できる確率を、既存のＧＮＳＳ衛星を４個捕捉する場合と同程度に維持することができるだけでなく、上空の視界が制限される都市部や山間部では、その確率を向上させることができる。

＜他の実施形態＞
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。

（１）上記実施形態では、補強情報と自車の姿勢情報に基づき、有効な補強情報がある場合には最適な受信ができる推定方向に近い指向性アンテナを、有効な補強情報がない場合には、天頂方向に近い指向性アンテナを選択しているが、これに限定されるものではない。例えば、補強情報を用いることなく、自車の姿勢情報だけに基づいて、常に天頂方向に近いアンテナを選択するように構成してもよい。また、各指向性アンテナの受信レベルを個別に検出する受信強度測定手段を設け、最も受信レベルの高い指向性アンテナを選択するように構成してもよい。

（２）上記実施形態では、アンテナ部１１を構成する複数の指向性アンテナＡ１〜Ａｎのビームの中心軸の傾きを、車両の前後方向に異ならせているが、車両の横方向にも異ならせるようにしてもよい。この場合、何等かの理由で車体が横方向に傾いた（ロールした）場合にも、指向性アンテナの選択を的確に行うことができる。

（３）上記実施形態では、アンテナ部１１を、複数の指向性アンテナＡ１〜Ａｎによって構成しているが、単一の指向性アンテナによって構成してもよい。この場合、指向性アンテナのビームの中心軸方向が天頂方向と一致するように車両に設置すればよい。また、この場合、アンテナ選択部１２、選択制御部１５を省略することができるため、装置構成を簡略化することができる。

更に、単一の指向性アンテナによってアンテナ部１１を構成する場合、指向性アンテナの姿勢を変化させる機構を設け、自車の姿勢情報に基づいて、指向性アンテナのビームの中心軸方向が常に天頂方向を向くように制御してもよい。また、上記実施形態において指向性アンテナを選択する場合と同様に、補強情報から求めた推定方向を向くように制御してもよい。

（４）上記実施形態では、基台１１１の曲面を利用して指向性アンテナＡｉの取付角度を変化させているが、これに限るものではなく、平板状の基台を加工する等して所望の取付角度を実現するようにしてもよい。

（５）上記実施形態では、指向性アンテナＡｉの取付角度によってビームの中心軸方向を変化させているが、指向性アンテナＡｉにおいて各アンテナ素子Ｅｉの出力を合成する際に適宜位相を変化させること、即ち、ビームフォーミングによってビームの中心軸方向を変化させてもよい。

（６）本発明の各構成要素は概念的なものであり、上記実施形態に限定されない。例えば、一つの構成要素が有する機能を複数の構成要素に分散させたり、複数の構成要素が有する機能を一つの構成要素に統合したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、同様の機能を有する公知の構成に置き換えてもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。

１…車載アンテナ ２…表示部 ３…車載機器 ４…ジャイロセンサ １１…アンテナ部 １２…アンテナ選択部 １３…レシーバ部 １４…衛星位置情報記憶部 １５…選択制御部 １１１…基台 １１１ａ…取付面 Ａ１〜Ａｎ…指向性アンテナ Ｅ１〜Ｅ７…アンテナ素子、

Claims (11)

1. 指向性を表すビームの中心軸を天頂方向に向けた場合に、準天頂衛星からの電波を常時受信するように指向性が設定された少なくとも一つの指向性アンテナを備えることを特徴とする衛星測位システム用車載アンテナ。
2. 前記指向性アンテナのビーム幅は、６０度以下に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の衛星測位システム用車載アンテナ。
3. 前記指向性アンテナを一つ備え、
   該指向性アンテナは、ビームの中心軸が天頂方向を向くように車両に設置されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の衛星測位システム用車載アンテナ。
4. 車両への設置時に車両の前後方向に沿って配列される複数の前記指向性アンテナを備え、
   該指向性アンテナのうち一つは、ビームの中心軸が天頂方向を向くように車両に設置されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の衛星測位システム用車載アンテナ。
5. 前記各指向性アンテナのビームの中心軸は、前記指向性アンテナの配列方向に向けて互いに異なる傾斜角度を有することを特徴とする請求項４に記載の衛星測位システム用車載アンテナ。
6. 前記ビームの中心軸の傾斜角度は、道路構造令で定められた最大縦断勾配の範囲で設定されていることを特徴とする請求項５に記載の衛星測位システム用車載アンテナ。
7. 前記指向性アンテナのうち、予め設定された選択条件を満たすものを選択し、選択されたアンテナ素子の受信信号を、受信信号を処理する信号処理部に供給する選択手段を備えることを特徴とする請求項３乃至請求項６のいずれか１項に記載の衛星測位システム用車載アンテナ。
8. 車両の姿勢を表す姿勢情報を取得する姿勢情報取得手段を備え、
   前記選択手段は、前記姿勢情報取得手段によって取得された姿勢情報を考慮した前記指向性アンテナのビームの中心軸方向が前記天頂方向に最も近いことを前記選択条件とすることを特徴とする請求項７に記載の衛星測位システム用車載アンテナ。
9. 前記準天頂衛星からの受信信号に含まれる衛星の位置情報に基づいて、前記準天頂衛星が存在するような高仰角の範囲に位置する、該準天頂衛星を含んだ四つの衛星からの受信状態が最適となる推定方向を求める推定手段を備え、
   前記選択手段は、前記指向性アンテナのビームの中心軸方向が前記推定方向に最も近いことを前記選択条件とすることを特徴とする請求項７に記載の衛星測位システム用車載アンテナ。
10. 前記指向性アンテナからの受信信号の受信強度を個別に測定する受信強度測定手段を備え、
    前記選択手段は、前記受信強度測定手段によって測定される受信強度が最も大きいことを前記選択条件とすることを特徴とする請求項７に記載の衛星測位システム用車載アンテナ。
11. 前記準天頂衛星からの受信信号に含まれる補強信号の受信状態に関する表示を、車両に搭載された表示器に表示させる状態表示制御手段を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の衛星測位システム用車載アンテナ。