JP3236259B2

JP3236259B2 - Ｇｐｓ受信機

Info

Publication number: JP3236259B2
Application number: JP11385898A
Authority: JP
Inventors: 義隆尾崎; 弘之北川
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1998-04-23
Filing date: 1998-04-23
Publication date: 2001-12-10
Anticipated expiration: 2016-12-10
Also published as: JPH10268022A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は人工衛星からの送信電波
を受信して受信機の位置を検出するＧＰＳ受信機に関す
る。

【０００２】

【従来技術】従来、この種のＧＰＳ受信機においては、
例えば特開昭６３−３０８５８７号公報や特開昭６１−
３４４８６号公報などに示されているようなものがあ
る。このようなＧＰＳ受信機では、衛星電波の捕捉をす
るために疑似雑音符号位相とキャリア周波数のサーチを
行っている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このようなＧ
ＰＳ装置において衛星電波の遮断が起きた場合、その遮
断によって、衛星電波が捕捉できる条件であっても捕捉
を失敗することがある。この場合、サーチ周波数範囲が
広いから捕捉可能となる周波数以外の周波数をサーチす
る。そのため、捕捉するまでの時間が長くなることがあ
る。

【０００４】つまり、捕捉対象の衛星電波と異なる周波
数をサーチすることになるために、捕捉できない状態を
継続することになる。ところが従来では、上記した遮断
から復帰し受信可能な状態になっても捕捉できる周波数
に戻るのに時間がかかり、測位開始を早くできないとい
う問題がある。

【０００５】そこで、本発明は、衛星電波の遮断から復
帰した場合に、早く電波の捕捉ができるようにすること
を目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するため、請求項１に記載の発明によれば、目的とす
る衛星の電波のサーチ動作を繰り返すことによって前記
衛星の電波を捕捉するように構成されたＧＰＳ受信機に
おいて、基準周波数発振手段のずれ量を考慮して衛星電
波送信周波数に基づき捕捉対象衛星の周波数予測値を設
定し、前記衛星電波のサーチ動作を行う頻度を前記設定
した周波数予測値近傍において最も高くし、かつこの周
波数予測値近傍以外のサーチ周波数においては前記周波
数予測値近傍から離れる方向でその頻度が低くなるよう
な一定のサーチ動作を捕捉対象となる全ての衛星電波に
対して捕捉を開始してから捕捉に成功するまで実行する
制御手段を有することを特徴とする。

【０００７】そして、請求項２に記載の発明によれば、
請求項１に記載の発明において、前記周波数予測値近傍
とは、前記周波数予測値から±両方向に広げた所定の周
波数範囲として設定されるものであることを特徴とす
る。また、請求項３に記載の発明によれば、目的とする
衛星の電波のサーチ動作を繰り返すことによって前記衛
星の電波を捕捉するように構成されたＧＰＳ受信機にお
いて、基準周波数発振手段のずれ量を考慮して衛星電波
送信周波数に基づき捕捉対象衛星の周波数予測値を設定
し、前記衛星電波のサーチ動作を行う頻度を前記設定し
た周波数予測値において最も高くし、かつこの周波数予
測値以外のサーチ周波数においては前記周波数予測値か
ら離れる方向でその頻度が低くなるような一定のサーチ
動作を捕捉対象となる全ての衛星電波に対して捕捉を開
始してから捕捉に成功するまで実行する制御手段を有す
ることを特徴とする。

【０００８】

【０００９】

【００１０】

【実施例】以下、本発明を図に示す実施例について説明
する。図１は、本発明の一実施例を示す車両用ＧＰＳ受
信機の構成図である。アンテナ１は、ＧＰＳ衛星からの
衛星電波を捕え電気信号に変換する。この電気信号は増
幅部２で、十分に増幅され、周波数変換部５に入力され
る。周波数変換部５では、基準周波発振器（以下、ＴＣ
ＸＯという）３の出力を周波数逓倍回路４で逓倍した局
部発周波数と受信信号を合成し、周波数変換を行なう。

【００１１】なお、その周波数変換は１度のみならず２
度以上の変換を行なう構成であってもよい。信号処理部
６では、周波数変換された受信信号に対して、ＴＣＸＯ
３の信号を用いてキャリア成分の復調、及び擬似雑音符
号の復調を行なう。この動作をサーチ動作といい、復調
に成功して追従している状態を衛星電波を捕捉した状態
という。さらに、信号処理部６では軌道データの復調、
測位計算の処理を行なう。

【００１２】この信号処理部６において、サーチ動作か
ら衛星電波捕捉迄を高速にするようにした点に本件の特
徴がある。この信号処理部６は、その動作を実行するた
め、マイクロコンピュータを用いて構成されており、後
述する種々の動作を行わせるためのプログラムに従って
その作動を実行する。この信号処理部６におけるマイク
ロコンピュータの作動について次に説明する。図２はそ
の演算処理を示すフローチャトである。

【００１３】まず、ステップ１００では、衛星の選択お
よび衛星の位置を演算する処理を行う。この場合、ウォ
ームスタートあるいはホットスタートの時と、コールド
スタートの時とでは異なる動作を行なう。ウォームスタ
ートとは、概略軌道データ（オルマナックデータ）及び
概略受信機位置を受信機内に記憶しており、かつ現在の
時間も概略わかっている状態をいう。ホットスタートと
は、更に、詳細軌道データ（エフェメリスデータ）も受
信機内に記憶している状態をいう。コールドスタートと
は、上記２つの状態以外を指している。これらのオルマ
ナックデータ、概略受信機位置、エフェメリスデータに
ついては、前回までの処理にて求められ記憶されたもの
であり、その記憶情報に従って、上記３つの場合にいず
れであるかが判別される。

【００１４】そして、ウォームスタートあるいはホット
スタート時においては、まず概略軌道データより衛星位
置を計算し、その中から可視衛星（受信可能衛星）を判
定する。これら可視衛星の組み合せで測位の精度が良く
なるものを追跡可能な数だけ選択する。また、コールド
スタート時においては、衛星位置が計算できない為、衛
星を最適に選択することは不可能である。従って、衛星
番号１〜３２の衛星を順次サーチする様な選択とする。

【００１５】続くステップ１１０では、ステップ１００
で選択した衛星について、衛星電波の周波数を予測す
る。ウォームスタートあるいはホットスタートの場合は
衛星位置が概略軌道データより計算できるので、ステッ
プ１００で求めた衛星位置から適当な微少時間後の衛星
位置を求め、この微少時間での、衛星・受信機（受信機
内の概略受信機位置データを用いる）間の距離の変化に
より、衛星の速度ｖ_Siを求め、この衛星の速度ｖ_Siに基
づきドップラー量△ｆ_siを次式で求める。

【００１６】

【数１】△ｆ_Si＝ｖ_Si・ｆ_O／Ｃ但し、ｆ_Oは衛星電波送信周波数（１５７５．４２ＭＨ
ｚ）、Ｃは光速度（２９９８９２４５８ｍ／ｓ）であ
る。また、後述するステップ１６０あるいは１８０のＴ
ＣＸＯズレ量演算手段で求めるＴＣＸＯズレ量△ｆ_TCXO
と前記衛星の運動によるドップラー量△ｆ_Siを考慮して
以下の式で、衛星電波の周波数予測値ｆ_riを求める。
（Δｆ_TCXOは計算される迄は０とする。）

【００１７】

【数２】ｆ_ri＝ｆ_O＋△ｆ_Si−△ｆ_TCXO この実施例では、ＴＣＸＯのズレ量△ｆ_TCXOは、周波数
逓倍後の値を指している。従って実際のＴＣＸＯの周波
数ズレ量は、△ｆ_TCXOを逓倍数で割った量となる。

【００１８】また、コールドスタートの場合は、衛星の
運動によるドップラー量△ｆ_Sを求めることができない
ので衛星電波の周波数予測値ｆ_riは以下の式で求める。

【００１９】

【数３】ｆ_ri＝ｆ_O−△ｆ_TCXO 続くステップ１２０では、ステップ１００で選択されス
テップ１１０で衛星電波の周波数が予測された衛星につ
いて、サーチ動作を行なう。このステップは、衛星電波
を捕捉するか、擬似雑音符号の全位相について相関計測
を行なっても、相関が得られない場合に終了する。

【００２０】続くステップ１３０においては、ステップ
１２０の結果に従って、処理を振り分ける。すなわち、
ステップ１２０のサーチ動作で衛星電波が捕捉できた場
合には、処理をステップ１５０へ進め、捕捉できなかっ
た場合には、処理をステップ１４０ヘ進める。ここで、
衛星電波の捕捉に失敗し、ステップ１４０へ進むと、ス
テップ１１０で求めた衛星電波予測周波数の近傍でサー
チ周波数を制御する操作を加えるようにする。衛星運動
によるドップラー量は、概略軌道データ，受信機時計，
受信機の概略位置データの精度により誤差を生じる。ま
たＴＣＸＯのズレ量も、温度等の要因で起こる短期変動
分は補正しきれない。さらに、車両の運動による衛星電
波のドップラー等で、衛星電波の予測周波数と、実際の
周波数に誤差が生じるため衛星電波を捕捉できないこと
がある。このため、衛星電波予測周波数を中心とし、前
記予測の精度の範囲迄、サーチ動作を行なう必要があ
る。又、サーチを何Ｈｚ毎に行なうかは、何Ｈｚズレた
信号まで、擬似雑音符号の相関を求めることができるか
という性能で決定される。

【００２１】サーチ周波数の制御の仕方は、以下３つの
状態で異なる。１つはウォームスタートあるいはホット
スタート時で、２つ目はコールドスタート時、３つ目は
測位開始後である。ここで、本件の特徴として、サーチ
周波数の制御を、サーチ範囲内を均等に行なうのではな
く、図３に示すごとく前記衛星電波周波数予測値ｆ_riを
一番頻度を高くし、これから離れるに従って頻度を低く
する。これは建物等による衛星電波の遮断という車両特
有の環境に対する配慮のためである。（１）ウォームスタートあるいはホットスタート時衛星電波の周波数予測値ｆ_riを中心として、ｆ_riを中心に、ｆ_ri±ｆ_nlmt1まで、ｆ_stp1単位で±
両方向交互にサーチする。

【００２２】ｆ_riを中心に、ｆ_ri±ｆ_nlmt1まで、ｆ
_stp1単位で±両方向交互にサーチし、ｆ_ri＋（２＋ｉ）
・ｆ_cstp〜ｆ_ri＋（３＋ｉ）・ｆ_cstpとｆ_ri−（２＋
ｉ）・ｆ_cstp〜ｆ_ri−（３＋ｉ）・ｆ_cstpの周波数帯を
交互にｆ_stp1単位でサーチする。（ｉ＝０）の処理をｉ＝１，２，３と増やしていく。（キャリ
ア周波数のシフト量は±ｆ_wlmtまで）に戻る。

【００２３】なお、ｆ_nlmt1は、頻度高くサーチする範
囲を示し、ｆ_riの精度とＴＣＸＯ周波数の短期変動量よ
り設定される。ｆ_stp1は、サーチ単位を示し、捕捉可能
な範囲のキャリア周波数ズレ量より設定される。

【００２４】ｆ_cstpは、頻度低くサーチする周波数帯の
分割の単位を示す。ｆ_wlmtは、衛星運動によるドップラ
ー量及びＴＣＸＯのズレ量の最大値より設定される。上
記〜の処理によりサーチ周波数は図４に示す範囲内
で変更される。（２）コールドスタート時全衛星の衛星電波周波数予測値ｆ_riを０として、ｆ_stp2
単位に±両方向に、最大ｆ_w1mtまでサーチする。この場
合、図５に示す数字の順番でサーチされる。なお、ｆ
_stp2は、サーチ単位を示し、ｆ_stp2＞ｆ_stp1である。

【００２５】このコールドスタート時においては、前記
衛星電波の周波数予測値ｆ_riを求めることができないの
で、サーチ幅は、考えうるドップラー量全ての幅としな
ければならない。さらに、ＴＣＸＯのズレ量も求められ
ていなければ、そのズレ量の予測最大値を含めたサーチ
幅としなければならない。従って、サーチ時間は非常に
長くなる。このため、サーチの単位をウォームスタート
及びホットスタート時より、大きく設定してある（ｆ
_stp2＞ｆ_stp1）。これにより、信号の弱い衛星を捕捉す
る事はできないが、信号の強い衛星を高速で捕捉するこ
とができ、１つの衛星を捕捉したら、後述するＴＣＸＯ
ズレ量演算手段１で、ＴＣＸＯのズレ量を求め、さらに
この衛星から概略軌道データを収集することにより、以
後の衛星捕捉迄の時間を短縮することが可能となる。

【００２６】実際の制御は図６のフローチャートに従っ
て行なわれる。（３）測位開始後衛星電波予測周波数ｆ_riを中心に、±ｆ_nlmt2まで前記
ｆ_stp1単位で±両方向交互にサーチする。この場合、図
７に示す数字の順番でサーチされる。なお、ｆ
_nlmt2は、サーチする範囲を示し、ｆ_nlmt2＞ｆ_nlmt1で
ある。

【００２７】測位を行なった場合は、受信機の時計が正
確に補正され、又、受信機位置も正確になる。さらに、
ＴＣＸＯズレ量も後述するＴＣＸＯズレ量演算手段２で
正確に求めることができるため、サーチ幅を狭くする事
ができ、新しい衛星の電波捕捉迄の時間を高速化するこ
とができる。実際の制御は図６のフローチャートに示す
ものと同様であるが、ｆ_stp2をｆ_stp1に、ｆ_w1mtをｆ
_nlmt2にして処理が実行される点で異なる。

【００２８】以上がステップ１４０の動作であるが、上
述したサーチの幅・単位等の値ｆ_st _p1、ｆ_stp2、ｆ
_nlmt1、ｆ_nlmt2は、システムに応じて様々に設定する
ことができる。以上の様にステップ１２０，１３０，１
４０の動作が衛星電波の捕捉に成功するまで繰返され
る。

【００２９】衛星電波の捕捉に成功した場合、制御は続
くステップ１５０に移される。ステップ１５０では衛星
電波の捕捉に成功した衛星の数を管理しており、これが
２つ以下の場合と３つ以上の場合で処理を振り分ける。
２つ以下の場合は、ステップ１６０へ、３つ以上の場合
は、ステップ１７０へ処理を移行する。ステップ１６０
では、衛星電波に含まれる時刻情報で、受信機時計を概
略補正し、これと上記した概略もしくは詳細軌道データ
より衛星運動によるドップラー量を求める。このドップ
ラー量と実測周波数の差をＴＣＸＯのズレ量として求め
る。また、捕捉に成功した衛星が２個有る場合には、そ
れぞれで求めたＴＣＸＯのズレ量の平均を求め、この値
をＴＣＸＯのズレ量とする。また、このステップでは、
ステップ１４０のサーチ周波数の制御の初期化も行な
う。初期化とは、サーチ周波数を衛星電波周波数予測値
に戻すことをいう。

【００３０】ここで求めたＴＣＸＯのズレ量には、車両
の運動が考慮されていない、受信機位置が正確でない等
の理由により誤差が含まれている。ステップ１５０で、
捕捉に成功した衛星が３つ以上あると判定した場合は、
ステップ１７０で衛星電波の追跡・測位処理が行なわれ
る。測位については、特開昭６３−１９８８８７号等に
記載されたものと同様である。

【００３１】ステップ１８０では、ステップ１７０で求
めた最新の受信機位置を用いて、ＴＣＸＯのズレ量を正
確に求める。例えば衛星を４個用いて、緯度・経度・高
度を求める３次元測位の後では、以下の様にして求め
る。測位によって求まった受信機の位置を座標の原点と
し、東をＥ軸、北をＮ軸、上方向をＵ軸とするＥＮＵ座
標を定める。このＥＮＵ座標上での各衛星の位置を求
め、受信機から衛星へ向かう単位ベクトルの各座標軸へ
の方向余弦を求め、以下の行列を作成する。

【００３２】

【数４】但し、ｎ₁はＥＮＵ座標系において衛星へ向かう単位ベ
クトルのＮ軸への方向余弦を示し、ｅ_iはＥＮＵ座標系
において衛星へ向かう単位ベクトルのｅ軸への方向余弦
を示し、ｕ_iはＥＮＵ座標系において衛星へ向かう単位
ベクトルのｕ軸への方向余弦を示している。

【００３３】衛星ｉの電波の実測周波数と、前述した衛
星の運動によるドップラー量△ｆ_siとの差が、車両の運
動と、ＴＣＸＯのズレによって生じる。これをｆｄｕｉ
とすると、このｆｄｕｉは次式で求めることができる。

【００３４】

【数５】ｆｄｕｉ＝実測周波数−（ｆo＋Δｆｓｉ）数式４、数式５より、

【００３５】

【数６】但し、ｆｎ、ｆｅ、ｆｕは、車両の速度のｎ、ｅ、ｕ軸
成分のドップラー換算値である。

【００３６】従って、上記式により、ＴＣＸＯのズレ量
Δｆ_TCXOを正確に求めることができる。また、衛星を３
個用いて、高度を固定し緯度・経度を求める２次元測位
の後では、３次元測位と同様に次式を用いて求める。

【００３７】

【数７】なお、このステップ１８０にて求められたＴＣＸＯのズ
レ量Δｆ_TCXOは、この信号処理部６内の記憶装置（バッ
テリバックアップされたもの）に記憶保持され、この記
憶保持された値は次回の車両始動時のステップ１１０の
周波数予測演算に供される。

【００３８】なお、上記実施例では、基準周波発振器に
ＴＣＸＯをもちいたが、これは水晶発振器等の他の発振
手段を用いてもよい。また、上記した衛星電波の周波数
予測を正確にするものは、車両以外の用途のＧＰＳ受信
機にも適用できる。

【００３９】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、衛星
電波のサーチ動作を行う頻度を、設定した周波数予測値
近傍若しくは周波数予測値において最も高くし、かつこ
の周波数予測値近傍若しくは周波数予測値以外のサーチ
周波数においては周波数予測値近傍若しくは周波数予測
値から離れる方向でその頻度が低くなるような一定のサ
ーチ動作を捕捉対象となる全ての衛星電波に対して捕捉
を開始してから捕捉に成功するまで実行しているから、
衛星電波の遮断から復帰した場合に、全ての捕捉対象衛
星に対し、早くその衛星電波の捕捉ができるようにする
ことができるという優れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用したＧＰＳ受信機の構成を示した
図である。

【図２】信号処理部におけるマイクロコンピュータの演
算処理を示すフローチャートである。

【図３】サ−チ周波数制御の説明に供する説明図であ
る。

【図４】ウォ−ムスタート及びホットスタート時のサ−
チ周波数制御を説明するための説明図である。

【図５】コールドスタート時のサ−チ周波数制御を説明
するための説明図である。

【図６】コールドスタート時のサ−チ周波数制御を示す
フローチャートである。

【図７】測位開始後のサ−チ周波数制御を説明するため
の説明図である。

【符号の説明】

１アンテナ２増幅部３基準同波発振器６信号処理機

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】目的とする衛星の電波のサーチ動作を繰
り返すことによって前記衛星の電波を捕捉するように構
成されたＧＰＳ受信機において、基準周波数発振手段のずれ量を考慮して衛星電波送信周
波数に基づき捕捉対象衛星の周波数予測値を設定し、前
記衛星電波のサーチ動作を行う頻度を前記設定した周波
数予測値近傍において最も高くし、かつこの周波数予測
値近傍以外のサーチ周波数においては前記周波数予測値
近傍から離れる方向でその頻度が低くなるような一定の
サーチ動作を捕捉対象となる全ての衛星電波に対して捕
捉を開始してから捕捉に成功するまで実行する制御手段
を有することを特徴とするＧＰＳ受信機。
【請求項２】前記周波数予測値近傍とは、前記周波数
予測値から±両方向に広げた所定の周波数範囲として設
定されるものである請求項１に記載のＧＰＳ受信機。
【請求項３】目的とする衛星の電波のサーチ動作を繰
り返すことによって前記衛星の電波を捕捉するように構
成されたＧＰＳ受信機において、基準周波数発振手段のずれ量を考慮して衛星電波送信周
波数に基づき捕捉対象衛星の周波数予測値を設定し、前
記衛星電波のサーチ動作を行う頻度を前記設定した周波
数予測値において最も高くし、かつこの周波数予測値以
外のサーチ周波数においては前記周波数予測値から離れ
る方向でその頻度が低くなるような一定のサーチ動作を
捕捉対象となる全ての衛星電波に対して捕捉を開始して
から捕捉に成功するまで実行する制御手段を有すること
を特徴とするＧＰＳ受信機。