JP3287946B2 - Gps受信装置 - Google Patents

Gps受信装置

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JP3287946B2 JP07690294A JP7690294A JP3287946B2 JP 3287946 B2 JP3287946 B2 JP 3287946B2 JP 07690294 A JP07690294 A JP 07690294A JP 7690294 A JP7690294 A JP 7690294A JP 3287946 B2 JP3287946 B2 JP 3287946B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、GPS(Global Posit
ioning System)人工衛星からの航法メッセージを受信し
解読することによって自分の位置および速度ベクトルを
求めるGPS受信装置に関するもので、例えば自動車や
船の現在位置を地球上の絶対位置として求めたい場合に
広く利用されうるものである。
【0002】
【従来の技術】以下、図面を参照しながら、従来のGP
S受信装置の一例について説明する。図3は従来のGP
S受信装置の概略構成を示すものである。図3におい
て、31は乗算手段、32は航法メッセージ解読手段、
33はPRN符号発生手段、34は電圧制御発振器、3
5は上位処理手段である。
【0003】以上のように構成された従来のGPS受信
装置について、以下その動作を説明する。GPS受信装
置は、地球上での自分の位置、速度を計算し、利用者に
提供する装置である。そのためには少なくとも3個以上
のGPS衛星の電波を受信して航法メッセージを解読
し、各衛星から受信装置までの伝搬時間、ドップラーシ
フト周波数を求めることが必要になる。
【0004】また、各GPS衛星の電波は、例えばL1
(1575.42MHz) の伝送波に載せて送られるが、衛星固有
のC/AあるいはPコードと呼ばれる擬似雑音符号で位
相変調されており、また衛星および利用者の移動により
上記搬送波はドップラーシフトして周波数誤差を含んで
いるという特徴がある。そこで、GPS受信装置は、3
個以上の衛星のPRN符号拡散された電波について、逆
拡散処理と周波数と位相合わせ処理によって航法メッセ
ージを取り出すことになる。
【0005】まず、上位処理手段35は、現在時刻とバ
ックアップデータから今受信できる衛星を割り出し、そ
れらの衛星電波を同時に受信するために各衛星毎に受信
処理タスクを平行して起動する。一般に、衛星の配置に
よって求める位置の精度が変化するために、なるべく多
くの衛星を受信してその中で良い組み合わせを選択した
り、あるいはすべての衛星を使って最小2乗法から誤差
の少ない位置計算を行なう。そこで、同時に起動される
受信処理タスクは、4個以上、例えば8個起動する必要
がある。
【0006】PRN符号発生手段33は、上位処理手段
35から指定された衛星のPRN符号を算出して、電圧
制御発振器34で発生したクロック(1.023MHzにドップ
ラーシフト量を加味した周波数)に同期してPRN符号
を出力する。出力されたPRN符号のコードパターン
は、乗算手段31によって受信電波と掛け合わされる。
受信電波に含まれているある衛星のコードとGPS受信
装置で作られた同じコードとの一定時間の積和をとるの
で、ディジタル信号処理で言えば自己相関を求めている
ことになる。PRN符号の自己相関は周波数、位相が一
致したときのみ急峻なピークを有するので、上位処理手
段35は、上記自己相関値をとるように2つのコードの
位相差、ドップラーシフトの影響をキャンセルしてい
く。具体的には、電圧制御発振器34の周波数を変える
ことでPRN符号の同期クロックの周波数を変え、PR
N符号発生手段33でPRN符号の位相を調整する。位
相に関してはPRNコードが1.023Mbps なので、0.977
[sec ](1/1.023MHz)以下の分析能で合わせ込む必要が
ある。
【0007】上位処理手段35は、上記のように各受信
処理タスクから得られた複数の衛星の航法メッセージと
内部で持っている現在時刻情報から現在位置を計算し、
キャンセルしたドップラーシフト量(ドップラーシフト
周波数)から速度ベクトル(速度値と方向)を計算す
る。
【0008】以上の方法によって、スペクトラム拡散さ
れた電波の中から必要な衛星の航法メッセージを受信し
て、自分の位置、速度ベクトルを算出できるGPS受信
装置を構成することができる。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記に
ような構成では、受信する衛星1つ1つについて受信処
理タスクを持たなければならないために、例えば8個の
衛星を受信するためには8個分の受信処理タスクを具体
的なハードとソフトの処理で実現しなければならなかっ
た。このために、ハード、ソフトの処理負担が多く、コ
ストが高い、回路規模が大きいという問題点を有してい
た。
【0010】また、1個の衛星を受信する場合も、仮に
PRNコード(1.023Mbps )の相違を1ビットずつずら
しながらS/Nの最も良い位相を探すとすると、1回の
自己相関を求めるのにかかる時間をTsとして、S/N
の最も良い位相を求めるに必要な時間の最大値Tmax
は、 Tmax=Ts*1023 ・・・(1) となる。ここでTsを1[msec]とすると、約1[ se
c]強の時間がかかる。さらに、ドップラーシフトの影
響で搬送波の周波数もずれている場合には、その周波数
を変えながら位相合わせを行なうので、さらに時間がか
かり、最悪1分以上時間がかかる場合もあった。つま
り、従来はPRNコードの位相合わせに非常に時間がか
かるという問題を有していた。
【0011】本発明は、このような従来の問題を解決す
るものであり、小型低コストで処理を高速に行なうこと
のできるGPS受信装置を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明のGPS受信装置は、自己相関に用いる受信
機側のPRN符号パターンとして複数のPRN符号の和
または論理和をとって出力するPRN符号和発生手段を
備えたものである。
【0013】
【作用】本発明は、上記構成によって、受信処理タスク
を構成するハード、ソフトの量を減らすことによって小
型化、コストダウンが実現でき、かつ航法メッセージを
S/Nの最も良い位相を効率良く取り出せるまでの処理
を高速に行うことができる。
【0014】
【実施例】
(実施例1)以下、本発明の実施例について、図面を参
照しながら説明する。図1は本発明の第1の実施例にお
けるGPS受信装置の概略構成を示すものである。図1
において、11は乗算手段、12は航法メッセージ解読
手段、13はPRN符号発生手段、14は電圧制御発振
器、15は上位処理手段、16は衛星組み合わせ指定手
段、17はPRN符号和発生手段である。
【0015】GPS衛星の航法メッセージを受信する基
本的原理は従来例に説明したので省略する。上位処理手
段15は、従来例と同様に、現在時刻とバックアップデ
ータから今受信できる衛星を割り出す。衛星組み合わせ
指定手段16は、例えば想定されるドップラーシフト周
波数が近いもの、あるいは想定信号レベルを種々取り混
ぜる等の判断を使って、その複数の衛星をさらにいくつ
かの小グループに分ける。それらの小グループを同時に
受信するために複数の受信処理タスクを並行して起動す
る。
【0016】各受信処理タスクには、PRN符号発生手
段13が小グループの構成数だけ存在するが(逆に小グ
ループの構成数はPRN符号発生手段13の数で制限さ
れる)、各PRN符号発生手段13は、衛星組み合わせ
指定手段16から指定された衛星のPRN符号を算出す
る。次にPRN符号和発生手段17によって、上記PR
N符号発生手段13で求められたPRN符号コードの和
あるいは論理和を求める。このPRN符号和は、電圧制
御発振器14で発生したクロック(1.023MHzにドップラ
ーシフト量を加味した周波数)に同期して出力され、さ
らに乗算手段11によって受信電波と掛け合わされる。
【0017】ここで受信電波aとGPS受信機のPRN
符号bとの自己相関値X1はaとbを使って式(2)の
ように表せる。 X1=a#b ・・・(2) 同様に受信電波aとGPS受信機のPRN符号cとの自
己相関値X2はaとcを使って式(3)のように表せ
る。 X2=a#c ・・・(3)
【0018】次にGPS受信機の内部で、b、cの2つ
の衛星のコードの和と受信電波aとの自己相関をとると
すると、自己相関(コンボリューション)には分配法則
が成り立つので、式(4)のようになる。 a#(b+c) =(a#b)+(a#c) =X1+X2 ・・・(4)
【0019】PRN符号の自己相関は、周波数、位相が
一致したときのみ急峻なピークを有するので、上位処理
手段15は、電圧制御発振器14が出力するPRN符号
の同期クロックの周波数、位相を微小単位ずつずらしな
がら自己相関値が最大値をとる点を探すが、相関値をと
る信号としてPRN符号和を用いると、式(4)に示す
ようにX1、X2のいずれかのピークが見つかること
なる。どちらか早く発見できた衛星の航法メッセージを
受信することとし、その時点で他方の衛星は受信しない
か、あるいは他の受信処理タスクに割り振る。具体的に
はPRN符号和ではなく、発見衛星だけのPRN符号と
受信電波との積算を行なうように変更する。
【0020】以上の処理を行なうことによって、例えば
地球を周回する衛星が32個あるとした場合でも、限ら
れたハード、ソフト、すなわち、限られた受信処理タス
クの中で、同じ時間内でより多くの衛星の航法メッセー
ジの探索を行なうことができる。
【0021】(実施例2)次に、本発明の第2の実施例
について説明する。図2は本発明の第2の実施例におけ
るGPS受信装置の概略構成を示すものである。図2に
おいて、21は乗算手段、22は航法メッセージ解読手
段、23はPRN符号発生手段、24は電圧制御発振
器、25は上位処理手段、26は位相シフト手段、27
はPRN符号和発生手段である。
【0022】本実施例でも、まず上位処理手段25で現
在時刻とバックアップデータから現在受信できる衛星を
割り出し、それらの衛星電波を同時に受信するために各
衛星毎に受信処理タスクを平行して起動する。また、上
位処理手段25は、自己相関値が最大値をとるように、
電圧制御発振器24の周波数を変えることでPRN符号
の同期クロックの周波数を変え、PRN符号発生手段2
3でPRN符号の位相を調整する。このとき、位相調整
を高速化するために、位相シフト手段26で同じPRN
コードの位相を変えたパターンを数種作成し、PRN符
号和発生手段27によりそのPRNコードの和あるいは
論理和をとる。例えばπ/2,π,3π/2と位相シフ
トしたパターン3種と元パターン(位相0)の計4種の
和を取ったパターンをPRN符号和とすると、位相を動
かして自己相関値の最大値を求めるまでの時間は単純に
考えて4倍に早くなる。もちろん和を取るパターンの数
が多いほど自己相関値のS/Nが悪くなるので、加算す
るパターンの数(位相の種類)は必要S/Nに依存す
る。したがって、具体的設計では、高速化とS/Nのト
レードオフとなるが、机上計算によれば2個から3個ま
でのパターンまでは問題なく使える。
【0023】このように、上記第2の実施例によれば、
来のものより速く自己相関値が最大値をとるようにP
RNコードの位相を合わせ込むことができ、その結果、
より高速に自分の位置計算を行なうことが可能となる。
【0024】
【発明の効果】以上のように、本発明は、受信電波と自
己相関を取るパターンとして複数の衛星のPRNコード
の和を用いることによって、限られたハード、ソフトで
より多くの衛星の航法メッセージを探すことができ、そ
の結果、位置計算の高速化を図ることができる。
【0025】本発明はまた、受信電波と自己相関を取る
パターンとしてある1つの衛星のPRNコードで位相を
変えた複数のパターンの和を用いることによって、対象
としている衛星に対し、従来よりもはるかに速く自己相
関値が最大値をとるようにPRNコードの位相を合わせ
込むことができ、その結果、より高速に位置計算を行な
うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例におけるGPS受信装置
の概略構成を示すブロック図
【図2】本発明の第2の実施例におけるGPS受信装置
の概略構成を示すブロック図
【図3】従来のGPS受信装置の概略構成を示すブロッ
ク図
【符号の説明】
11 乗算手段 12 航法メッセージ解読手段 13 PRN符号発生手段 14 電圧制御発振器 15 上位処理手段 16 衛星組み合わせ指定手段 17 PRN符号和発生手段 21 乗算手段 22 航法メッセージ解読手段 23 PRN符号発生手段 24 電圧制御発振器 25 上位処理手段 26 位相シフト手段 27 PRN符号和発生手段 31 乗算手段 32 航法メッセージ解読手段 33 PRN符号発生手段 34 電圧制御発振器 35 上位処理手段
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01C 21/00 - 21/36 G01C 23/00 - 25/00 G01S 5/00 - 5/14 H04B 1/69 - 1/713 H04B 7/14 - 7/216 H04B 7/22 - 7/26 H04Q 7/00 - 7/38

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 複数のGPS人工衛星からの航法メッセ
    ージを受信し解読することによって自分の位置および速
    度ベクトルを求めるGPS受信装置であって、受信対象
    とする複数の衛星のうちのいくつかにより構成される衛
    星の小グループを指定する衛星組み合わせ指定手段と、
    前記衛星組み合わせ指定手段により指定され小グループ
    を構成する衛星のそれぞれのPRN符号の和または論理
    和を作成する複数のPRN符号和発生手段と、前記衛星
    組み合わせ指定手段により指定された衛星の小グループ
    毎に、前記小グループを構成する衛星のそれぞれの受
    電波と前記PRN符号和発生手段で発生させたPRN符
    号の和または論理和との積を出力する複数の乗算手段
    と、前記小グループ毎に前記乗算手段の出力がピークを
    とる衛星を選択し、該選択された衛星のPRN符号と受
    信電波との積算を行う処理手段とを備えたGPS受信装
    置。
  2. 【請求項2】 前記衛星組み合わせ指定手段は、想定さ
    れるドップラーシフト周波数、あるいは想定信号レベル
    に応じて前記小グループを指定することを特徴とする請
    求項1に記載のGPS受信装置。
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