JP3240314B2 - 衛星航法受信装置および移動体測位システム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、例えばＧＰＳなどの
測位システムにおける衛星航法受信装置およびそれを用
いた移動体測位システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】ＧＰＳ測位システムに用いられる衛星航
法受信装置は、単独測位を行う場合、複数の航法衛星か
ら送信される一定周期のコード変調された測位用電波を
受信し、受信信号に含まれるコードの位相と受信信号の
キャリアの位相に同期して、各航法衛星から受信点まで
の距離と各航法衛星の軌道情報から受信点の位置を求
め、またキャリアのドップラ効果から受信点の移動方向
および移動速度を求める。

【０００３】また、干渉測位を行う衛星航法受信装置
は、既知点に基準局として、また移動体に移動局として
それぞれ設けられ、各々受信信号のキャリア位相をカウ
ントし、基準局が求めた位相カウント値と移動局が求め
た位相カウント値との位相差から基準局と移動局間を基
線とする基準局に対する移動体の相対位置を測位する。

【０００４】何れの受信装置においても、キャリア位相
との同期をとるために、再生キャリア信号を発生する発
振回路と、受信したキャリア信号とその再生キャリア信
号との位相誤差を検出する位相誤差検出部および位相誤
差に基づいて発振回路を制御するループフィルタとから
成るフェーズロックループ（ＰＬＬ）回路が構成されて
いる。

【０００５】また、干渉測位を行う場合、衛星からの電
波に対する障害物や雑音電波、多重反射などの影響で受
信が瞬間的に中断されることがあるが、一瞬でも信号が
止まると、瞬間的に位相同期ループが動作不能となり、
その間、発振回路がフリーランの状態となり、その結
果、受信が再開されたとき、それまでの位相関係と３６
０°の整数倍のジャンプ、いわゆるサイクルスリップが
生じる。従来よりこのようなサイクルスリップが生じな
いように、アンテナの設置場所や運用上の工夫を行って
いる。もしサイクルスリップが生じていたことが後処理
の段階で判明した場合には、記録されている位相データ
の編集によって可能な場合にサイクルスリップを補正し
ている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】キャリア位相に同期を
とるための従来のＰＬＬフィルタでは、受信信号（観測
信号）が常に存在しているとの条件の下で動作する。従
って、受信信号が遮断している間でも、ＰＬＬフィルタ
に入力されるノイズの位相を追尾しようとするため、受
信信号の復帰後には、もはやフェーズロックループの引
込み可能周波数以上に発振周波数がずれてしまい、直ち
に位相追尾が続けられなくなる、といった問題があっ
た。

【０００７】この発明の目的は、このような受信信号の
中断が生じても、その中断中のキャリア位相との同期ず
れを最小限に抑え、信号復帰後に引込み可能周波数以内
に収まるようにして前述の問題を解消した衛星航法受信
装置を提供することにある。

【０００８】また、従来の干渉測位を行う衛星航法受信
装置では、サイクルスリップが発生したことを、蓄積さ
れた位相データを処理して測位を行う後処理の段階で発
見するだけであり、観測中にサイクルスリップが発生し
たことを直ちに知ることはできなかった。

【０００９】この発明の他の目的は、観測中にサイクル
スリップが生じたことを直ちに検出できるようにした衛
星航法受信装置を提供することにある。

【００１０】また、干渉測位により基準局に対する移動
局の相対位置を測位する従来の測位システムでは、陸上
の移動体においてサイクルスリップの発生を検出すれ
ば、移動局を停止してその場で再較正することもできる
が、例えば測量船を用いた海上測量では、測量船を瞬時
に停止させることはできず、サイクルスリップの生じた
場所での再測定は不可能であった。

【００１１】この発明の他の目的は、途中でサイクルス
リップが生じても移動体を停止させずに、移動体の移動
経路を基準局に対する相対位置として順次連続的に測位
できるようにした移動体測位システムを提供することに
ある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この発明の請求項１に係
る衛星航法受信装置は、擬似雑音コードによりスペクト
ラム拡散された測位用衛星からの電波を受信する受信手
段と、受信信号に含まれている擬似雑音コードに同期す
るコード同期手段と、受信信号に含まれるキャリア信号
を再生するキャリア信号再生手段と、このキャリア信号
再生手段により再生された再生キャリア信号と受信信号
との位相比較を行って位相誤差を求める位相誤差抽出手
段と、その位相誤差から受信信号のキャリア位相に同期
する再生キャリア信号の周波数を定めるループフィルタ
手段とを備えた衛星航法受信装置において、コード同期
によりスペクトラム逆拡散された信号の強度を基準強度
と比較し、基準強度に満たないとき、前記ループフィル
タに対する位相誤差を０とし、前記スペクトラム逆拡散
された信号の強度が基準強度以上であるとき、前記ルー
プフィルタに対する位相誤差を前記位相誤差抽出手段の
求めた位相誤差とする位相誤差切替手段を設け、位相誤
差データを順次積算して周波数変化分データを求める位
相誤差データ積算手段と、この周波数変化分データの移
動平均値を記憶する平均周波数変化分データ記憶手段
と、周波数変化分データを積算して周波数データを求め
る周波数変化分データ積算手段と、前記位相誤差デー
タ、周波数変化分データおよび周波数データをそれぞれ
重み付けして加算することにより再生キャリア信号の周
波数制御データを求める周波数制御データ算出手段と、
前記位相誤差切替手段により位相誤差が０に切り替えら
れたとき、前記周波数変化分データ記憶手段の内容を周
波数変化分データとする周波数変化分データ切替手段と
から、前記ループフィルタ手段を構成したことを特徴と
する。

【００１３】

【００１４】

【００１５】

【００１６】請求項２記載の衛星航法受信装置は、複数
ビットからなる航法メッセージデータにより繰り返し変
調された測位用衛星からの電波を受信する受信手段と、
受信信号に含まれるキャリア信号を再生するキャリア信
号再生手段と、再生されたキャリア信号の位相角を積算
する位相角積算手段と、航法メッセージデータを復調す
る航法メッセージデータ復調手段とを備えた衛星航法受
信装置において、復調された航法メッセージデータを構
成する各ビットデータが予め定められた１ビット分の時
間連続するか否かを判定するビットデータ長さ判定手段
を設け、このビットデータ長さ判定手段の結果により、
前記再生キャリア信号の位相角の積算時に生じるサイク
ルスリップの有無を検出することを特徴とする。

【００１７】請求項３記載の衛星航法受信装置は、複数
ビットからなる航法メッセージデータにより繰り返し変
調された測位用衛星からの電波を受信する受信手段と、
受信信号に含まれるキャリア信号を再生するキャリア信
号再生手段と、再生されたキャリア信号の位相角を積算
する位相角積算手段と、航法メッセージデータを復調す
る航法メッセージデータ復調手段とを備えた衛星航法受
信装置において、復調された航法メッセージデータに繰
り返し現れるコードパターンを抽出するコードパターン
抽出手段と、抽出されたコードパターンが予め定められ
た周期で現れるか否かを判定するコードパターン出現判
定手段とを設け、このコードパターン出現判定手段の結
果により、前記再生キャリア信号の位相角の積算時に生
じるサイクルスリップの有無を検出することを特徴とす
る。

【００１８】請求項４に係る衛星航法受信装置は、測位
用衛星からの電波を受信する受信手段と、受信信号に含
まれるキャリア信号を再生するキャリア信号再生手段
と、再生されたキャリア信号の位相角を積算する位相角
積算手段とを備えた衛星航法受信装置において、受信信
号のキャリア周波数の直交成分を抽出する直交成分抽出
手段と、キァリア成分除去手段によりキャリア成分が除
去された直交成分の絶対値を求める絶対値抽出手段と、
その絶対値の一定時間での移動平均値を求める移動平均
値抽出手段と、この移動平均値より求めた基準値と前記
絶対値との大小比較を行う比較手段と、この比較手段の
比較結果により、前記再生されたキャリア信号の位相角
の積算時に生じるサイクルスリップの有無を検出するこ
とを特徴とする。

【００１９】請求項５に係る移動体測位システムは、測
位用衛星からの電波を受信する受信手段と、受信信号に
含まれるキャリア信号を再生するキャリア信号再生手段
と、再生されたキャリア信号の位相角を積算し位相角積
算値データを求める位相角積算手段と、この位相角積算
値データを無線送信する位相角積算値データ送信手段と
からなる、既知の固定点に設置した基準局と、移動体上
で相対的に一定の位置関係にある複数の点で測位用衛星
からの電波をそれぞれ受信する受信手段と、各受信信号
に含まれるキャリア信号を再生するキャリア信号再生手
段と、再生された各キャリア信号の位相角を積算し位相
角積算値データを求める位相角積算手段と、前記基準局
より送信された位相角積算値データを受信する位相角積
算値データ受信手段と、この位相角積算値データ受信手
段の受信した位相角積算値データと、前記複数の点で受
信して求めた位相角積算値データと基準点の位置情報お
よび測位用衛星の位置情報から基準点に対する移動体上
の複数の受信点の相対位置ベクトルを求める相対位置ベ
クトル算出手段と、この相対位置ベクトル算出手段の求
めた移動体上の各受信点間の相対位置ベクトルと移動体
上の各受信点間の既知の相対位置ベクトルとの比較を行
う相対位置ベクトル比較手段と、その比較結果から前記
再生されたキャリア信号の位相角の積算時にサイクルス
リップの発生した受信点を判定するサイクルスリップ発
生点判定手段とからなる、移動体上に設けた移動局、と
からなる。

【００２０】請求項６に係る移動体測位システムは、請
求項５記載の移動体測位システムに対し、さらに前記サ
イクルスリップ発生点判定手段により判定したサイクル
スリップの発生した受信点での受信による位相角積算値
に対しサイクルスリップ分の補正を行うサイクルスリッ
プ補正手段を設けたことを特徴とする。

【００２１】

【作用】請求項１の衛星航法受信装置では、位相誤差抽
出手段はキャリア信号再生手段により再生された再生キ
ャリア信号と受信信号との位相比較を行って位相誤差を
求め、ループフィルタ手段は位相誤差から受信信号のキ
ャリア位相に同期する再生キャアリ信号の周波数を定め
る。そして位相誤差切替手段はコード同期によりスペク
トラム逆拡散された信号の強度を基準強度と比較し、基
準強度に満たないとき、ループフィルタに対する位相誤
差を０とし、信号の強度が基準強度以上であるときルー
プフィルタに対する位相誤差を位相誤差抽出手段の求め
た位相誤差として切り替える。

【００２２】ここで請求項１の衛星航法受信装置の主要
部の構成例をブロック図として図１に示す。図１におい
て受信回路１は衛星から電波を受信し、ＩＱ分離回路２
は受信信号を同相成分（Ｉ信号）と直交成分（Ｑ信号）
に分離する。キャリア成分除去回路３はＩ信号とＱ信号
に対し再生されたキャリア信号を掛け合わせてキャリア
成分を除去する。Ｃ／Ａコード同期回路４は受信信号に
含まれるＣ／Ａコードに同期したＣ／Ａコードとの積算
を行ってスペクトラム逆拡散を行う。位相誤差抽出回路
５は受信信号に含まれるキャリア信号と再生キャリア信
号との位相誤差を抽出する。ループフィルタ６はその位
相誤差からキャリア信号再生回路７を制御する。基準発
振器８は基準周波数信号を発生する。キャリア信号再生
回路７はこの基準周波数信号を基にループフィルタ６の
出力に応じて再生キャリア信号の周波数を制御する。信
号強度検出回路９はスペクトラム逆拡散された同相成分
の信号強度を基準強度と比較する。スペクトラム逆拡散
された同相成分の信号強度が基準強度以上であるとき、
位相誤差抽出回路５により抽出された位相誤差がループ
フィルタ６に与えられ、信号強度が基準強度に達しない
ときにはループフィルタ６に対する位相誤差は０とな
る。

【００２３】受信信号が中断していない状態では位相誤
差抽出回路５、ループフィルタ６、キャリア信号再生回
路７およびキャリア成分除去回路３によるフェーズロッ
クループによってキャリア位相との同期がとられ、信号
が中断したりその強度が極端に低下した場合には、ルー
プフィルタ６に対する位相誤差が０となるため、キャリ
ア信号再生回路７は信号中断前の最後のキャリア周波数
を再生し続ける。従って信号中断中の測位用衛星と受信
装置間の相対的速度変化が少なければ信号中断中におけ
る再生キャリア信号の周波数は実際のキャリア周波数を
ほぼ追尾することになり、信号が復帰するまで引込み可
能周波数範囲内に収めることができる。

【００２４】また、上記ループフィルタ手段は、位相誤
差データ積算手段と平均周波数変化分データ記憶手段と
周波数制御データ算出手段と周波数変化分データ切替手
段とから構成され、位相誤差積算手段は位相誤差データ
を順次積算して周波数変化分データを求め、平均周波数
変化分データ記憶手段は周波数変化分データの移動平均
値を記憶し、周波数変化分データ積算手段は周波数変化
分データを積算して周波数データを求める。周波数制御
データ算出手段は前記位相誤差データ、周波数変化分デ
ータおよび周波数データをそれぞれ重み付けして加算す
ることにより再生キャリア信号の周波数制御データを求
める。そして周波数変化分データ切替手段は、上記位相
誤差切替手段により位相誤差が０に切り替えられたと
き、周波数変化分データ記憶手段の内容を周波数変化分
データとして切り替える。

【００２５】ここで上記ループフィルタ部の構成例をブ
ロック図として図２に示す。図２において積算回路１０
は位相誤差積算手段に相当し、平均回路１１とメモリ１
２が平均周波数変化分データ記憶手段に相当し、積算回
路１３が周波数変化分データ積算手段に相当し、重み付
け回路１４，１５，１６および加算回路１７が周波数制
御データ算出手段に相当する。スイッチＳＷ１，ＳＷ２
は信号の中断のない通常状態を示し、この状態で平均回
路１１は位相誤差の積算による周波数変化分を移動平均
をとり、メモリ１２はそれを記憶する。信号の中断があ
れば、スイッチＳＷ１は開放され、スイッチＳＷ２はｂ
側に切り替えられる。この状態でメモリ１２の内容が周
波数変化分データとして用いられる。従って測位用衛星
と受信装置間が相対的に加速度をもって移動している途
中で信号の中断が生じても、信号の中断中にキャリア位
相の推測追尾が行われることになる。

【００２６】

【００２７】

【００２８】請求項２の衛星航法受信装置では、受信手
段は複数ビットから成る航法メッセージデータにより繰
り返し変調された測位用衛星からの電波を受信し、キャ
リア信号再生手段は受信信号に含まれるキャリア信号を
再生する。位相角積算手段は再生されたキャリア信号の
位相角を積算し、航法メッセージデータ復調手段は航法
メッセージデータを復調する。そしてビットデータ長さ
判定手段は復調された航法メッセージデータを構成する
各ビットデータが予め定められた１ビット分の時間だけ
連続するか否かを判定する。もし復調された航法メッセ
ージデータを構成するデータの或るビットが予め定めら
れた１ビット分の時間連続しなければ、その時点で再生
キャリア信号の位相角の積算時にサイクルスリップが生
じたものと見なすことができる。

【００２９】請求項３の衛星航法受信装置では、コード
パターン抽出手段が、復調された航法メッセージデータ
に繰り返し現れるコードパターンを抽出し、コードパタ
ーン出現判定手段は抽出されたコードパターンが予め定
められた周期で現れるか否かを判定する。もし復調され
た航法メッセージデータに現れるコードパターンが予め
定められた周期と異なった場合には、その時点でサイク
ルスリップが発生したものと見なすことができる。

【００３０】請求項４の衛星航法受信装置では、直交成
分抽出手段は受信信号のキャリア周波数の直交成分を抽
出し、絶対値抽出手段はキャリア成分の除去された直交
信号の絶対値を求める。移動平均値抽出手段は絶対値の
一定時間での移動平均値を求め、比較手段は絶対値と移
動平均値との大小比較を行う。

【００３１】ここで請求項４の衛星航法受信装置の主要
部の構成例をブロック図として図３に示す。図３におい
てＩＱ分離回路２が直交成分抽出手段に相当し、絶対値
回路２１が絶対値抽出手段に相当し、移動平均回路２２
が移動平均値抽出手段に相当し、コンパレータ２４が比
較手段に相当する。受信回路１により受信された信号は
ＩＱ分離回路２により同相成分（Ｉ信号）と直交成分
（Ｑ信号）に分離され、キャリア成分除去回路３よりキ
ャリア成分が除去され、Ｃ／Ａコード同期回路４により
Ｃ／Ａコードとの同期がとられる。位相誤差抽出回路
５、ループフィルタ６およびキャリア信号再生回路７は
キャリア位相に同期するフェーズロックループ回路を構
成する。積算回路２０はキャリア成分の除去された直交
成分を一定時間積算して絶対値回路２１はその絶対値を
求める。キャリア位相と完全に同期がとられている通常
状態では絶対値回路２１の出力レベルは０であるが、サ
イクルスリップが生じれば直交成分が現れ、絶対値回路
２１の出力レベルが上昇する。

【００３２】基準レベル回路２３は通常状態における直
交成分の平均値から基準レベルを設定するため、コンパ
レータ２４の比較結果によりサイクルスリップの有無を
検出できることになる。

【００３３】請求項５の移動体測位システムでは、既知
の固定点に設置した基準局と移動体上に設けた移動局と
から成り、基準局の受信手段は測位用衛星からの電波を
受信し、キャリア信号再生手段は受信信号に含まれるキ
ャリア信号を再生し、位相角積算手段は再生されたキャ
リア信号の位相角を積算し、さらに位相角積算値データ
送信手段は求められた位相角精算値を無線送信する。移
動局側の受信手段は測位用衛星からの電波を移動体上で
相対的に一定の位置関係にある複数の点で受信し、キャ
リア信号再生手段は各受信信号に含まれるキャリア信号
を再生し、位相角積算手段は各キャリア信号の位相角を
積算する。位相角積算値データ受信手段は前記基準局よ
り送信された位相角積算値データを受信し、相対位置ベ
クトル積算手段は受信した位相角積算値と、移動体上の
複数の点で受信して求めた位相角積算値と基準点の位置
情報および測位用衛星の位置情報から基準点に対する移
動体上の複数の受信点の相対位置ベクトルを求める。相
対位置ベクトル比較手段は求めた移動体上の各受信点間
の相対位置ベクトルと移動体上の各受信点間の既知の相
対位置ベクトルとの比較を行う。そしてサイクルスリッ
プ発生点判定手段はその比較結果から再生キャリア信号
の位相角の積算時にサイクルスリップの発生した受信点
を判定する。

【００３４】ここで基準局と移動局の位置と相対位置ベ
クトルとの関係を図４に示す。図４においてＲＥＦは既
知の固定点に設置した基準局、ＭＲＸ１，ＭＲＸ２，Ｍ
ＲＸ３はそれぞれ同一の船舶上に相対的に一定の位置関
係に配置した移動局側の３つの受信点である。基準局Ｒ
ＥＦに対する各受信点ＭＲＸ１，ＭＲＸ２，ＭＲＸ３の
相対位置ベクトルはＰ１，Ｐ２，Ｐ３として求められ
る。移動体上の各受信点間の相対位置ベクトルＰ１２，
Ｐ１３，Ｐ２３は、各受信点が移動体上で固定されてい
るため、また３次元方位はジャイロコンパスなどにより
測定できるため、Ｐ１２，Ｐ１３，Ｐ２３は既知の値で
ある。基準局ＲＥＦおよび移動局上の複数点での受信に
より求めた基準点に対する各受信点の相対位置ベクトル
Ｐ１′，Ｐ２′，Ｐ３′から各受信点間の相対位置ベク
トルＰ１２′，Ｐ１３′，Ｐ２３′がそれぞれ求められ
る。これらの相対位置ベクトルと既知の相対位置ベクト
ルＰ１２，Ｐ１３，Ｐ２３とをそれぞれ比較する。もし
Ｐ１２′，Ｐ１３′がＰ１２，Ｐ１３と大幅に異なる異
常な値で、Ｐ２３′がＰ２３とほぼ等しい正常な値であ
れば、ＭＲＸ１での受信時にサイクルスリップが生じた
ものと判定できる。また、もしＰ１２′，Ｐ２３′がＰ
１２，Ｐ２３と大幅に異なる異常な値で、Ｐ１３′がＰ
１３とほぼ等しい正常な値であれば、ＭＲＸ２での受信
時にサイクルスリップが生じたものと判定できる。同様
にＰ１３′，Ｐ２３′がＰ１３，Ｐ２３と大幅に異なる
異常な値で、Ｐ１２′がＰ１２とほぼ等しい正常な値で
あれば、ＭＲＸ３での受信時にサイクルスリップが生じ
たものと判定できる。

【００３５】請求項６の移動体測位システムでは、サイ
クルスリップ補正手段が前記サイクルスリップ有無判定
手段により判定されたサイクルスリップの発生した受信
点での受信による位相角積算値に対しサイクルスリップ
分の補正を行う。例えば図４においてＰ１２′，Ｐ１
３′がＰ１２，Ｐ１３と大幅に異なる異常な値で、Ｐ２
３′がＰ２３とほぼ等しい正常な値であれば、ＭＲＸ１
での受信時にサイクルスリップが生じたものと判定でき
るが、この場合にはＰ１２′，Ｐ１３′がＰ１２，Ｐ１
３に等しくなる方向にＭＲＸ１での位相角積算値データ
に位相角３６０°の整数倍の加減を行ってその補正を行
う。また、もしＰ１２′，Ｐ２３′がＰ１２，Ｐ２３と
大幅に異なる異常な値で、Ｐ１３′がＰ１３とほぼ等し
い正常な値であれば、ＭＲＸ２での受信時にサイクルス
リップが生じたものと判定できるが、この場合にはＰ１
２′，Ｐ２３′がＰ１２，Ｐ２３に等しくなる方向にＭ
ＲＸ２での位相角積算値データに位相角３６０°の整数
倍の加減を行ってその補正を行う。

【００３６】

【実施例】この発明の実施例であるＧＰＳ受信機の構成
をブロック図として図５に示す。

【００３７】図５において３０は受信アンテナであり、
高周波増幅回路３１はその受信信号を高周波増幅し、混
合器３３は局部発振器３２の信号と混合して中間周波信
号に変換する。中間周波増幅回路３４はこれを増幅す
る。ＡＤコンバータ３５はその中間周波信号をサンプリ
ングしディジタルデータに変換する。ＩＱ分離回路３６
はＡＤ変換されたデータから同相成分（Ｉ信号）と直交
成分（Ｑ信号）とに分離する。キャリア成分除去回路３
７はＩＱ分離回路３６から与えられる値を数値制御発振
回路４７から与えられる信号に基づいてキャリア成分を
除去し、キャリア成分の除去したＩ信号とＱ信号をそれ
ぞれＥＰＬ分離回路３８，３９へ出力する。

【００３８】ＥＰＬ分離回路３８，３９はそれぞれキャ
リア成分の除去されたＩ信号とＱ信号の出力タイミング
を０．５チップ（Ｃ／Ａコードの１ビット長の１／２）
進んだ信号（以下Ｅ（ＥＡＲＬＹ）信号という。）と、
０チップ（以下Ｐ（ＰＵＮＣＴＵＡＬ）信号という。）
および０．５チップ遅れた信号（以下Ｌ（ＬＡＴＥ）信
号という。）に分離してそれぞれ掛け算器４０，４１へ
出力する。掛け算器４０，４１はそれぞれＥ，Ｐ，Ｌの
各信号について、Ｃ／Ａコード発生回路４５から出力さ
れるＣ／Ａコードとの掛け算を行う。積算器４２，４３
は掛け算器４０，４１の各Ｅ，Ｐ，Ｌ信号の出力値を一
定時間積算（カウントアップ）する。このＣ／Ａコード
発生回路４５と掛け算器４０および積算器４２とによっ
てＩ信号の相関器が構成され、Ｃ／Ａコード発生回路４
５と掛け算器４１および積算器４３とによってＱ信号の
相関器が構成される。Ｃ／Ａコード発生回路４５は設定
レジスタ４４のデータに応じて定まる種類および位相の
Ｃ／Ａコードを発生する。基準発振器４８は基準周波数
信号を発生し、数値制御発振回路（ＮＣＯ）４７および
時計回路４９へ与える。数値制御発振回路４７は設定レ
ジスタ４６に設定されるデータに基づいた周波数信号を
キャリア成分除去回路３７へ与える。温度センサ５０は
基準発振器４８の温度を検出する。速度センサ５２はこ
のＧＰＳ受信機が設けられる移動体の移動に伴う速度
（三次元方向と大きさ）を検出する。伝送制御インタフ
ェース５９は外部装置との間でデータ伝送の制御を行
う。例えばこのＧＰＳ受信機が干渉測位を行う際の基準
局に用いられる場合にはデータ送信機との間でデータ伝
送制御を行う。ＣＰＵ５６はＲＯＭ５７に予め書き込ん
だプログラムを実行して後述する各種制御を行う。ＲＡ
Ｍ５８は各種データの一時記憶および演算処理の際のワ
ーキングエリアとして用いる。ＣＰＵ５６はインタフェ
ース５１を介して温度センサ５０による基準発振器４８
の温度データを読み取り、インタフェース５３を介して
移動体の速度データを読み取る。またＣＰＵ５６は積算
器４２，４３のデータを一定周期で読み取って、そのデ
ータからＣ／Ａコードおよびキャリア位相追尾用の演算
（ループフィルタの演算）を行い、設定レジスタ４４，
４６へデータを設定することによってＣ／Ａコード位相
およびキャリア位相との同期をとり、また設定レジスタ
４６に設定したデータを一定時間ごとに積算してキャリ
ア位相の位相角積算値データを求める。

【００３９】次に、図５に示したＣＰＵ５６の請求項１
に対応する動作をフローチャートとして図６に示す。ま
ず速度センサ５２により移動体の速度を読み取り、また
温度センサ５０により基準発振器４８の温度を読み取る
（ｎ１→ｎ２）。続いて信号の中断状態にあるか否かの
判定を行う（ｎ３）。具体的には図５に示した積算器４
２のＰ信号の積算値の値が予め定めた基準値に達しなけ
れば信号が中断しているものと見なし、基準値以上であ
ればＣ／Ａコード位相およびキャリア位相との同期が保
たれているものと見なす。信号の中断状態でなければま
ず位相誤差ＰＥを読み取る（ｎ４）。これは図５に示し
た積算器４２，４３の求める同相成分のＥＰＬ信号およ
び直交成分のＥＰＬ信号の各々の積算値から求める。続
いてその位相誤差を積算して周波数変化分次元のデータ
ＶＥを算出し、その周波数変化分の一定時間に亘る移動
平均値ＶＥ′を求め、更新する（ｎ５→ｎ６）。続いて
ステップｎ１，ｎ２で読み取った移動体の移動速度と基
準発振器の温度を記憶する（ｎ７→ｎ８）。その後、周
波数変化分ＶＥを積算して周波数次元のデータＦＥを求
め、位相誤差ＰＥと周波数変化分ＶＥおよび周波数ＦＥ
にそれぞれ一定の係数ｋ１，ｋ２，ｋ３をそれぞれ重み
付けして加算することによって数値制御発振回路（ＮＣ
Ｏ）に対する制御データを算出し、これを図５に示した
設定レジスタ４６へ設定する（ｎ９→ｎ１０→ｎ１
１）。もし信号の中断状態となれば、まず位相誤差ＰＥ
を０とする（ｎ１２）。続いて信号が中断状態でないと
きに記憶した移動体の速度と基準発振器の温度に対し、
今回読み取った移動体の速度および基準発振器の温度の
変化から周波数変化分の変動量ΔＶＥを予測する（ｎ１
３）。そしてその変動量ΔＶＥ分だけ周波数変化分の移
動平均値ＶＥ′に加算することによって周波数変化分デ
ータの補正を行う（ｎ１４）。その後、この周波数変化
分を積算して周波数次元のデータＦＥを算出し、同様に
して数値制御発振回路（ＮＣＯ）に対する制御データを
算出し、これを設定レジスタ４６へ出力する（ｎ９→ｎ
１０→ｎ１１）。この図６に示した処理は一定周期で繰
り返し行われる。

【００４０】次に図５に示したＧＰＳ受信機を用いて干
渉測位を行う場合の原理を図７を基に説明する。ここで
受信機Ａは基準局の受信機、受信機Ｂは移動局の受信機
と考える。受信機Ａ、受信機ＢおよびＧＰＳ衛星を含む
平面が垂直面であって、衛星の仰角がθであるとき、受
信機Ａと受信機Ｂの受信する電波にはｒｃｏｓ（θ）分
だけの位相差が生じる。逆に、この位相差から受信機Ａ
と受信機Ｂ間の基線長ｒが判明する。そして、異なった
位置から送信される衛星の電波について位相差を求める
ことによって、基準局に対する移動局の基線ベクトル
（三次元方向と距離）が求められる。ＧＰＳの測位用電
波信号のＬ１帯を用いれば、その１波長は約１９ｃｍで
あるため、１波長より短い数センチ程度の変化を検出で
きるようになる。ただしキャリア信号の位相角を積算す
る際に電波のマルチパスなどによって信号が瞬断すれば
３６０°の整数倍のスリップ（サイクルスリップ）が生
じる。このようなサイクルスリップの発生を観測時に検
出する方法を次に説明する。

【００４１】図８は図５に示したＣＰＵ５６の請求項２
に対応する動作を示すフローチャートである。この図８
に示す処理は航法メッセージのビットスタートのタイミ
ングで実行される。航法メッセージはビット率５０ｂｐ
ｓで１８０°位相変調されていて、メインフレームは全
ビット数１５００ビットで３０秒間のデータから成り、
６秒３００ビットづづの５つのサブフレームに分割され
ている。従って１ビットは２０ｍｓｅｃ持続する。図８
に示す例では、１ｍｓｅｃの周期で航法メッセージ信号
を読み取り、これを２０回（２０ｍｓｅｃの間）読み取
る（ｎ２０→ｎ２１→ｎ２２）。そして２０個分のサン
プリングデータが全て同一極性であるか否かを判定する
（ｎ２３）。航法データは１８０°の位相変調がなされ
ているため、もし２０回のサンプリングのうちにビット
の切り替わりがあれば、その時点で極性が変わるため、
このことからサイクルスリップが発生したことを検知で
きる。

【００４２】次に、図５に示したＣＰＵ５６の請求項３
に対応する処理手順をフローチャートとして図９に示
す。この処理は航法メッセージのスタートタイミングか
ら実行される。まず航法メッセージの１ビット分のサン
プリングデータを抽出する（ｎ３０）。具体的には１ビ
ット分である２０ｍｓｅｃの間に１ｍｓｅｃ毎に２０回
のサンプリングを行い、２０個のデータの極性から多数
決によりビット“１”または“０”を決定する（ｎ３
１）。この処理を１サブフレーム（３００ビット）分に
ついて行う（ｎ３２→ｎ３０・・・）。その後、この１
サブフレームの先頭に付加されているＴＬＭと略されて
いるテレメトリを兼ねた同期パターンの８ビット（プリ
アンブル）のビットパターンが予め定められているビッ
トパターン“１０００１０１１”またはこの反転パター
ンとの一致判定を行う。これが一致しなければサイクル
スリップが生じたものと見なすことができる。

【００４３】次に、図５に示したＣＰＵ５６の請求項４
に対応する処理手順をフローチャートとして図１０に示
す。まず直交成分のデータＱを読み取る（ｎ４０）。具
体的には図５に示した積算器４３のＰ信号の積算値を読
み取る。続いてその絶対値の移動平均値ＱＭを算出する
（ｎ４１）。そしてこのＱＭから一定比率高い値ＱＲを
基準レベルとして決定する（ｎ４２）。そして、直交成
分Ｑと基準レベルＱＲとの大小比較を行う（ｎ４３）。
サイクルスリップの生じていない通常状態では直交成分
Ｑは基準レベルＱＲより小さいが、サイクルスリップが
生じれば、直交成分Ｑは基準レベルＱＲを大きく上回る
ことになるため、このことからサイクルスリップの有無
を判定することができる。

【００４４】次に、請求項５および６に対応する移動体
測位システムの構成をブロック図として図１１に示す。
図１１において６０は陸上の既知点に固定配置された基
準局であり、ＧＰＳ受信機６１とデータ送信機６２から
構成している。７０は船舶上に装備された移動局であ
り、３つのＧＰＳ受信機７１，７２，７３とデータ受信
機７４から構成している。固定局のＧＰＳ受信機６１は
複数のＧＰＳ衛星（８１，８２など）からの電波を受信
し、その位相角積算値を求める。データ送信機６２は各
衛星毎の位相角積算値を時刻データとともに無線送信す
る。移動局側の３つのＧＰＳ受信機７１，７２，７３は
図４に示したＭＲＸ１，ＭＲＸ２，ＭＲＸ３の位置に配
置していて、それぞれ各衛星からの電波を受信して位相
角積算値を求める。移動局側のデータ受信機７４は各Ｇ
ＰＳ受信機の求めた各衛星ごとの位相角積算値を時刻デ
ータとともに収集し、基準局のデータ送信機６２から送
信されたデータを受信して、干渉測位法により基準局に
対する各ＧＰＳ受信機７１，７２，７３の相対位置ベク
トルを求める。この構成により、移動局７０は既知点で
ある基準較正点に停船している状態で、移動局の各ＧＰ
Ｓ受信機の絶対位置を設定するとともに、位相角積算値
の整数値バイアスを決定し、その基準較正点から出発し
て衛星からの電波を受信し続けながらその位相角積算値
を求めれば、移動局の移動した各点の位置を基準局に対
する相対位置として順次測位するいわゆるキネマティッ
クＧＰＳ測位を行うことができる。

【００４５】図１１に示したＧＰＳ受信機６１、７１、
７２、７３の構成は図５に示したものと基本的に同一で
あるが、基準局側のＧＰＳ受信機６１については図５に
示した速度センサ５２は不要である。

【００４６】図１１に示したデータ送信機６２の構成を
ブロック図として図１２に示す。図１２においてＣＰＵ
９０はＲＯＭ９１に予め書き込んだプログラムを実行す
る。

【００４７】ＲＡＭ９２はそのプログラムの実行に際し
て伝送データの一時記憶や加工を行う際のワーキングエ
リアとして用いる。伝送制御インタフェース９３はＧＰ
Ｓ受信機６１との間で各種データの伝送制御を行う。Ｃ
ＰＵ９０はこの伝送制御インタフェース９３を介してＧ
ＰＳ受信機６１から衛星の識別情報、位相角積算値およ
び時刻データなどの各種データを読み取る。伝送制御イ
ンタフェース９４は無線送信するための信号を送信し、
データ送信回路９５はその信号を無線送信する。

【００４８】図１１に示した移動局側のデータ受信機７
４の構成をブロック図として図１３に示す。図１３にお
いてＣＰＵ１００はＲＯＭ１０１に予め書き込んだプロ
グラムを実行する。ＲＡＭ１０２はそのプログラムの実
行に際して伝送データの一時記憶や加工を行う際のワー
キングエリアとして用いる。伝送制御インタフェース１
０３は３つのＧＰＳ受信機７１，７２，７３との間で各
種データの伝送制御を行う。ＣＰＵ１００はこの伝送制
御インタフェース１０３を介して各ＧＰＳ受信機から衛
星の識別情報、位相角積算値および時刻データなどの各
種データをそれぞれ読み取る。データ受信回路１０５は
基準局のデータ送信機から無線送信された信号を受信
し、ＣＰＵ１００は伝送制御インタフェース１０４を介
して受信信号を読み取る。ジャイロコンパス１０６は移
動体の３次元方位を検出する。ＣＰＵはこの３次元方位
から３つのＧＰＳ受信機７１，７２，７３間の相対位置
ベクトルを求める。

【００４９】次に図１３に示した移動局側のデータ受信
機のＣＰＵの処理手順をフローチャートとして図１４〜
図１６に示す。まず基準局のデータ送信機６２から送信
された各種データを読み取る。（基準局のデータ送信機
６２から送信された各種データはそれを受信するごとに
順次記憶していて、その記憶データを読み出す。）（ｎ
５０）また各ＧＰＳ受信機７１，７２，７３からデータ
（衛星の識別情報、位相角積算値および時刻情報など）
を読み取る（ｎ５１）。続いてこれらのデータに基づい
て図４に示したように基準局に対する移動局の各ＧＰＳ
受信機の相対位置ベクトルＰ１，Ｐ２，Ｐ３を算出する
（ｎ５２）。続いてジャイロコンパスから３次元方位を
読み取り、この３次元方位とＧＰＳ受信機７１、７２、
７３の各受信点の相対位置に基づき各受信機間の相対位
置ベクトルＰ１２，Ｐ１３，Ｐ２３をそれぞれ算出する
（ｎ５３→ｎ５４）。続いて図１５以降に示すように、
移動局側の各受信機間の相対位置ベクトルＰ１２，Ｐ１
３，Ｐ２３と測定による相対位置ベクトルＰ１２′，Ｐ
１３′，Ｐ２３′をそれぞれ比較することによってサイ
クルスリップの生じた受信点の判定を行う。すなわち図
１５に示すように、まず判定用のフラグＦ１２，Ｆ１
３，Ｆ２３をそれぞれリセットし、相対位置ベクトルＰ
１２とＰ１２′との差が予め定めた値以内であるか否か
によってＰ１２′の正常／異常判定を行う（ｎ５６→ｎ
５７→ｎ５８）。異常であればフラグＦ１２をセットす
る（ｎ５９）。同様に相対位置ベクトルＰ１３とＰ１
３′との差を求めて、Ｐ１３′が正常であるか否かを判
定する（ｎ６０→ｎ６１）。異常であればフラグＦ１３
をセットする（ｎ６２）。さらに相対位置ベクトルＰ２
３とＰ２３′との差を求め、これによりＰ２３′の正常
／異常判定を行う（ｎ６３→ｎ６４）。異常であればフ
ラグＦ２３をセットする（ｎ６５）。続いて図１６に示
すように、フラグＦ１２，Ｆ１３がともにセット状態で
あれば受信点ＭＲＸ１に配置したＧＰＳ受信機７１の求
めた位相角積算値にサイクルスリップが生じたものと見
なし、その補正を行う（ｎ６６→ｎ６７→ｎ６８→ｎ６
９）。またフラグＦ１２，Ｆ２３がセット状態であれば
受信点ＭＲＸ２に配置したＧＰＳ受信機７２の求めた位
相角積算値にサイクルスリップが生じたものと見なし
て、その補正を行う（ｎ７０→ｎ７１）。またフラグＦ
１３，Ｆ２３がセット状態であれば受信点ＭＲＸ３に配
置したＧＰＳ受信機７３の求めた位相角積算値にサイク
ルスリップが生じたものと見なして、その補正を行う
（ｎ７２→ｎ７３→ｎ７４）。

【００５０】フラグＦ１２，Ｆ１３，Ｆ２３がともにリ
セット状態であれば何れにおいてもサイクルスリップが
生じなかったものと見なす。フラグＦ１２，Ｆ１３，Ｆ
２３のうち何れか１つのみがセット状態となった場合に
は異常状態と見なして異常処理を行う（ｎ７７，ｎ７
８，ｎ７９，ｎ８０）。なお、サイクルスリップの補正
は各受信点間の相対位置ベクトルが既知の相対位置ベク
トルに等しくなる方向に３６０°の整数倍の位相角積算
値を加減算して行う。サイクルスリップの生じていない
状態またはサイクルスリップの補正が行われた後は、各
ＧＰＳ受信機間の相対位置ベクトルから船首方位、ロー
リングおよびピッチなどの船体運動を測定する（ｎ７
６）。

【００５１】

【発明の効果】この発明の請求項１の衛星航法受信装置
によれば、受信信号の中断があった場合でも、その間に
キャリア位相の推測追尾を行うことができ、信号復帰後
に直ちにキャリア位相の追尾が続行することができ、マ
ルチパスが生じる場合など受信条件の悪化した場合でも
測位が継続できるようになる。また、請求項２，３，４
の衛星航法受信装置によれば、キャリア信号の位相角の
積算時にサイクルスリップが生じたか否かを観測時に直
ちに知ることができ、サイクルスリップが生じた場合の
対策が容易となる。請求項５，６の移動体測位システム
によれば、移動局側でサイクルスリップが生じたことを
判定することができるとともに、移動局を停止して再較
正することなくその自動補正を容易に行えるようにな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の請求項１に対応する衛星航法受信装
置の主要部の構成例を示すブロック図である。

【図２】図１に示すループフィルタ６の構成例を示すブ
ロック図である。

【図３】この発明の請求項４に対応する衛星航法受信装
置の主要部の構成例を示すブロック図である。

【図４】この発明の請求項５に対応する移動体測位シス
テムにおける基準局と移動局の位置および相対位置ベク
トルとの関係を示す図である。

【図５】この発明の実施例であるＧＰＳ受信機の構成を
示すブロック図である。

【図６】図５に示すＣＰＵ５６の請求項１に対応する処
理手順を示すフローチャートである。

【図７】干渉測位法の原理を示す図である。

【図８】図５に示すＣＰＵ５６の請求項２に対応する処
理手順を示すフローチャートである。

【図９】図５に示すＣＰＵ５６の請求項３に対応する処
理手順を示すフローチャートである。

【図１０】図５に示すＣＰＵ５６の請求項４に対応する
処理手順を示すフローチャートである。

【図１１】請求項５，６に対応する移動体測位システム
の構成を示すブロック図である。

【図１２】図１１に示すデータ送信機６２の構成を示す
ブロック図である。

【図１３】図１１に示すデータ受信機７４の構成を示す
ブロック図である。

【図１４】図１３に示すデータ受信機におけるＣＰＵの
処理手順を示すフローチャートである。

【図１５】図１３に示すデータ受信機におけるＣＰＵの
処理手順を示すフローチャートである。

【図１６】図１３に示すデータ受信機におけるＣＰＵの
処理手順を示すフローチャートである。

【符号の説明】

ＲＥＦ−基準局 ＭＲＸ１，ＭＲＸ２，ＭＲＸ３−移動局の受信点 ６０−基準局 ７０−移動局 ８１，８２−ＧＰＳ衛星

フロントページの続き (72)発明者 福田 治美 鹿児島県鹿児島市谷山港１丁目16番地 運輸省第四港湾建設局鹿児島港工事事務 所内 (72)発明者 井澗 健二 兵庫県西宮市芦原町９番52号 古野電気 株式会社内 (56)参考文献 特開 平６−27217（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−272172（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−230103（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−201813（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−20889（ＪＰ，Ａ) 土屋淳、今給黎哲朗（いまきいれ て つろう），「ＧＰＳ測量と基線解析の手 引」，（社）日本測量協会，1992年10月 26日，ｐｐ．185−186，243−279，299 −303 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01S 5/00 - 5/14 ＩＥＥＥ／ＩＥＥ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉ ｃ Ｌｉｂｒａｒｙ

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 擬似雑音コードによりスペクトラム拡散
   された測位用衛星からの電波を受信する受信手段と、受
   信信号に含まれている擬似雑音コードに同期するコード
   同期手段と、受信信号に含まれるキャリア信号を再生す
   るキャリア信号再生手段と、このキャリア信号再生手段
   により再生された再生キャリア信号と受信信号との位相
   比較を行って位相誤差を求める位相誤差抽出手段と、そ
   の位相誤差から受信信号のキャリア位相に同期する再生
   キャリア信号の周波数を定めるループフィルタ手段とを
   備えた衛星航法受信装置において、 コード同期によりスペクトラム逆拡散された信号の強度
   を基準強度と比較し、基準強度に満たないとき、前記ル
   ープフィルタに対する位相誤差を０とし、前記スペクト
   ラム逆拡散された信号の強度が基準強度以上であると
   き、前記ループフィルタに対する位相誤差を前記位相誤
   差抽出手段の求めた位相誤差とする位相誤差切替手段を
   設け、 位相誤差データを順次積算して周波数変化分データを求
   める位相誤差データ積算手段と、この周波数変化分デー
   タの移動平均値を記憶する平均周波数変化分データ記憶
   手段と、周波数変化分データを積算して周波数データを
   求める周波数変化分データ積算手段と、前記位相誤差デ
   ータ、周波数変化分データおよび周波数データをそれぞ
   れ重み付けして加算することにより再生キャリア信号の
   周波数制御データを求める周波数制御データ算出手段
   と、前記位相誤差切替手段により位相誤差が０に切り替
   えられたとき、前記周波数変化分データ記憶手段の内容
   を周波数変化分データとする周波数変化分データ切替手
   段とから、前記ループフィルタ手段を構成した ことを特
   徴とする衛星航法受信装置。
2. 【請求項２】 複数ビットからなる航法メッセージデー
   タにより繰り返し変調された測位用衛星からの電波を受
   信する受信手段と、受信信号に含まれるキャリア信号を
   再生するキャリア信号再生手段と、再生されたキャリア
   信号の位相角を積算する位相角積算手段と、航法メッセ
   ージデータを復調する航法メッセージデータ復調手段と
   を備えた衛星航法受信装置において、 復調された航法メッセージデータを構成する各ビットデ
   ータが予め定められた１ビット分の時間連続するか否か
   を判定するビットデータ長さ判定手段を設け、このビッ
   トデータ長さ判定手段の結果により、前記再生キャリア
   信号の位相角の積算時に生じるサイクルスリップの有無
   を検出することを特徴とする衛星航法受信装置。
3. 【請求項３】 複数ビットからなる航法メッセージデー
   タにより繰り返し変調された測位用衛星からの電波を受
   信する受信手段と、受信信号に含まれるキャリア信号を
   再生するキャリア信号再生手段と、再生されたキャリア
   信号の位相角を積算する位相角積算手段と、航法メッセ
   ージデータを復調する航法メッセージデータ復調手段と
   を備えた衛星航法受信装置において、 復調された航法メッセージデータに繰り返し現れるコー
   ドパターンを抽出するコードパターン抽出手段と、 抽出されたコードパターンが予め定められた周期で現れ
   るか否かを判定するコードパターン出現判定手段とを設
   け、このコードパターン出現判定手段の結果により、前
   記再生キャリア信号の位相角の積算時に生じるサイクル
   スリップの有無を検出することを特徴とする衛星航法受
   信装置。
4. 【請求項４】 測位用衛星からの電波を受信する受信手
   段と、受信信号に含まれるキャリア信号を再生するキャ
   リア信号再生手段と、再生されたキャリア信号の位相角
   を積算する位相角積算手段とを備えた衛星航法受信装置
   において、 受信信号のキャリア周波数の直交成分を抽出する直交成
   分抽出手段と、 キァリア成分除去手段によりキャリア成分が除去された
   直交成分の絶対値を求める絶対値抽出手段と、 その絶対値の一定時間での移動平均値を求める移動平均
   値抽出手段と、 この移動平均値より求めた基準値と前記絶対値との大小
   比較を行う比較手段と、 この比較手段の比較結果により、前記再生されたキャリ
   ア信号の位相角の積算時に生じるサイクルスリップの有
   無を検出することを特徴とする衛星航法受信装置。
5. 【請求項５】 測位用衛星からの電波を受信する受信手
   段と、受信信号に含まれるキャリア信号を再生するキャ
   リア信号再生手段と、再生されたキャリア信号の位相角
   を積算し位相角積算値データを求める位相角積算手段
   と、この位相角積算値データを無線送信する位相角積算
   値データ送信手段とからなる、既知の点に設置した基準
   局と、 移動体上で相対的に一定の位置関係にある複数の点で測
   位用衛星からの電波をそれぞれ受信する受信手段と、各
   受信信号に含まれるキャリア信号を再生するキャリア信
   号再生手段と、再生された各キャリア信号の位相角を積
   算し位相角積算値データを求める位相角積算手段と、前
   記基準局より送信された位相角積算値データを受信する
   位相角積算値データ受信手段と、この位相角積算値デー
   タ受信手段の受信した位相角積算値データと、前記複数
   の点で受信して求めた位相角積算値データと基準点の位
   置情報および測位用衛星の位置情報から基準点に対する
   移動体上の複数の受信点の相対位置ベクトルを求める相
   対位置ベクトル算出手段と、この相対位置ベクトル算出
   手段の求めた移動体上の各受信点間の相対位置ベクトル
   と移動体上の各受信点間の既知の相対位置ベクトルとの
   比較を行う相対位置ベクトル比較手段と、その比較結果
   から前記再生されたキャリア信号の位相角の積算時にサ
   イクルスリップの発生した受信点を判定するサイクルス
   リップ発生点判定手段とからなる、移動体上に設けた移
   動局、 とからなる移動体測位システム。
6. 【請求項６】 前記サイクルスリップ発生点判定手段に
   より判定したサイクルスリップの発生した受信点での受
   信による位相角積算値に対しサイクルスリップ分の補正
   を行うサイクルスリップ補正手段をさらに設けた請求項
   ５記載の移動体測位システム。