JP3543665B2 - GPS receiving terminal with communication function - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、携帯電話、衛星携帯電話、PHSなどの通信手段を持つGPS(Global Positioning System)の受信端末に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図5に通信機能付きGPS受信端末の概略構成を示す。図中、SV1〜SV3はGPSの可視衛星であり、その衛星番号、ドップラー周波数等の情報は基地局30がGPSアンテナ31で受信した信号から求めて通信手段22,21を介してGPS受信端末10に知らされる。GPS受信端末10では、GPSアンテナ11で受信した可視衛星からの信号を捕捉・追跡するための周波数同期及び位相同期の処理のみを行い、自己の現在位置を計算するために必要なデータを通信手段21,22を介して基地局30に送る。基地局30ではGPS受信端末10から送られてきたデータに基づいてGPS受信端末10の位置等を計算する。その位置計算の精度を上げるために基地局30ではFM放送受信アンテナ32等から受信したDGPS補正情報を利用することもある。計算された端末10の位置情報は基地局30で利用するか、または用途によっては、通信手段22,21を介してGPS受信端末10にも送信される。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
この通信機能付きGPS受信端末は、パーソナルナビゲーションシステムや徘徊老人の探索、防犯用の位置検出システム等に利用されるものであり、携帯に適するように小型軽量化が望まれると共に、長時間の使用を可能とするために、電池の消費電力を低減することが望まれる。
【0004】
通信機能付きGPS受信端末においては、上述のように、端末本体で位置を割り出す演算を行う必要はなく、基地局で位置を割り出す演算を行う。また、GPSの可視衛星に関わる情報も基地局から与えられるので、カーナビゲーションシステムに組み込まれたGPS受信装置とは異なり、可視衛星の衛星番号を知るための探索処理を行わなくてよい。このため、通信機能を持たないGPS受信端末に比べて、必要な回路は小さくなり、測位に要する時間も短縮できる。
【0005】
しかしながら、通信機能を有しているので、GPS受信機能と通信機能が同時に使用される場合、消費電力が大きくなる。また、位相同期を取るための相関演算を高速化するために複数の相関器を同時に動作させようとすると、さらに消費電力が増大する。また、相関演算の高速化を追求すると、誤衛星ロックの可能性も増大する。
【0006】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、通信機能付きGPS受信端末において、できるだけ小さな回路で、消費電力を増大させることなく、最大の演算速度を得ることが課題である。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明の通信機能付きGPS受信端末では、GPS受信部から出力される信号を一旦メモリに取り込み、それを何回か繰り返して利用する方式が基本となっており、繰り返し利用するその利用の仕方を工夫して最小の回路構成で最大の効率を得ることを可能としている。
【0008】
具体的には、請求項1の発明によれば、GPSアンテナ11と、GPSアンテナ11により受信されたGPS信号を周波数変換するGPS受信部(RFフロントエンド部12)と、GPS受信部から出力される信号を蓄積するメモリ13と、メモリ13から読み出される信号とGPS受信部から出力される信号を切り替える切替器14と、メモリ13から読み出された信号が切替器14から出力されている期間にはGPS受信部の電源供給を遮断する制御回路19と、端末位置等の演算機能を持つ基地局30と信号をやり取りする通信手段21と、通信手段21により基地局30から知らされた可視衛星の情報に基づいて可視衛星を捕捉するための疑似雑音符号信号を複数の異なる位相で発生させる疑似雑音符号信号発生器18と、切替器14から出力される信号と疑似雑音符号信号との相関を求める複数の相関器16と、通信手段21を介して基地局30に送るべき位置計算用のデータを出力する複数の自動追跡部17とを備えることを特徴とするものである。
【0009】
ここで、自動追跡部17は相関器16よりも少数とし、複数の相関器16に同一周波数で位相をずらした複数の疑似雑音符号信号をそれぞれ入力し、切替器14から出力される信号との相関を求めることにより、同一の衛星番号の疑似雑音符号信号について位相の異なる複数の相関を同時に発生させ、キャリア相関値がピークとなる位相を1つの自動追跡部の位相同期に用いることにより、位相同期を確立するまでの時間を短縮できる。また、ピーク近傍の複数のキャリア相関値の和を求めて、予め決められた閾値と比較することにより、急峻なピークは誤衛星ロックとして排除することができる。また、GPS受信部からの信号を、C/Aコードのコード長である1msの間に複数回サンプリングしてメモリに蓄積する処理を所定の時間継続し、サンプリング開始時刻からC/Aコードのコード長である1msの整数倍の長さ分のデータについて、1ms毎に時間軸をシフトさせて重ね合わせたデータを相関器の入力とすることにより、キャリア対ノイズ比を高くすることができる。
【0010】
また、1つ目の衛星を捕捉・追跡したときに求まる回路に固有のオフセットを、2つ目以降の衛星の捕捉・追跡時に流用することにより演算時間をさらに短縮できる。また、1つ目の衛星を捕捉・追跡した後、2つ目以降の衛星を捕捉・追跡する際に、1つ目の衛星の疑似雑音符号の特定のチップ(例えば1番目のチップ)と2つ目以降の衛星の疑似雑音符号の同じチップを受信する時間の差をチップ数単位で演算し、基地局に送信するようにしても良い。また、GPS受信部からの信号をメモリに蓄積する際に、その蓄積する量を可変とすることにより、受信状況が良いときには測位時間を短縮することができる。
【0011】
【発明の実施の形態】
(実施例1)
図1は請求項1のGPS受信端末10の構成を一例として示すブロック図である。図中、11はGPSアンテナ、12はGPS受信部としてのRFフロントエンド部であり、GPS衛星からの1.57542GHzの高周波を受信し、周波数変換して、数MHz程度のデジタル信号として出力する。13はメモリであり、RFフロントエンド部12から出力されるデジタル信号を所定の時間にわたり蓄積する。14は切替器であり、RFフロントエンド部12から出力されるデータをそのまま相関器16に送るか、あるいは、一旦メモリ13に格納されたデータを読み出したデータを相関器16に送るかを選択する。15は加算器であり、後述の実施例4では、1ms毎にデータを加算することにより、キャリア対ノイズ比を改善するために使用している。16は相関器であり、n個(nは3以上の整数)の相関器を同時に動作させることにより、位相同期を速やかに確立できるようにしている。すなわち、疑似雑音符号信号発生器18により、可視衛星の番号の疑似雑音符号を発生させると共に、その位相を少しずつずらしたn個の疑似雑音符号信号を発生させて、第1番目から第n番目の相関器16にそれぞれ入力し、切替器14から出力される信号との間で相関を取る。これにより、キャリア相関値がピークとなる位相を短時間で見つけることができる。17は自動追跡部であり、m個(mは3以上の整数でn>m)の自動追跡部により、それぞれ異なる可視衛星からの信号をロックして、図5の通信手段21,22を介して基地局30に送信する。基地局30では、3個以上の衛星からの信号を解析して、GPS受信端末10の位置を計算する。また、基地局30からは可視衛星に関する情報を通信手段22,21を介してGPS受信端末10に予め知らせておく。これにより、GPS受信端末側では、可視衛星の番号を探す必要はなく、複数の相関器16は、基地局10から知らされた衛星番号の疑似雑音符号との位相同期を取るための処理からスタートすることができ、測位に要する時間を短縮できる。また、制御回路19では、各部の動作を制御すると共に、メモリ13から相関器16にデータを読み出している期間中は、RFフロントエンド部12の動作を停止させて、消費電力を低減している。
【0012】
本実施例では、(n−m+1)個の相関器16が1つの自動追跡部17を共用している。このように相関器16と自動追跡部17の数が異なるときには、1つの自動追跡部に複数の相関器を割り当てる。一般に、自動追跡部は、可視衛星の数だけあれば十分なので、相関器の数よりも少なくなることが多い。また、1つ目の衛星を捕捉・追跡したときに求まる回路に固有のオフセット(つまり、衛星からの疑似雑音符号と受信機の疑似雑音符号とのずれ)を、2つ目以降の衛星の捕捉・追跡時に流用することにより、2つ目以降の衛星の捕捉・追跡を容易に行える。なお、1つ目の衛星を捕捉・追跡した後、2つ目以降の衛星を捕捉・追跡する際には、1つ目の衛星の疑似雑音符号の特定のチップ(例えば1番目のチップ)と2つ目以降の衛星の同じチップを受信する時間の差をチップ数単位で演算し、基地局に送信するようにしても良い。
【0013】
(実施例2)
図2は請求項2の説明図である。図中の曲線はキャリア相関値のカーブを示している。グラフの横軸は位相のずれ、縦軸はキャリア相関値であり、グラフ上にプロットされた点×はある時刻での第1番目から第n番目までの相関器によって得られたキャリア相関値である。このように、複数の相関器により同時に複数のキャリア相関値が得られるので、キャリア相関値がピークとなる位相を短時間に求めることができる。また、GPS受信部と相関器を同時に動作させるのではなく、GPS受信部が動作しているときは、相関器の動作を停止させて、受信したデータをメモリに一旦格納し、メモリからデータを読み出している期間では、GPS受信部の動作を停止させて、相関器の動作を開始させることにより、消費電力のピークを低減することができる。さらに、メモリからデータを読み出す速度は、メモリにデータを格納するときの速度よりも速くすることにより、相関器における相関演算の速度を速くすることができ、GPS受信部からのデータを直接利用する場合に比べて、すべての可視衛星を捕捉するまでに要する時間を短縮することができ、それだけトータルの消費電力を低減することができる。
【0014】
(実施例3)
図3は請求項3の説明図である。図中の2つの曲線はキャリア相関値のカーブを示している。グラフの横軸は位相のずれ、縦軸はキャリア相関値であり、グラフ上にプロットされた点×はある時刻での第1番目から第n番目までの相関器によって得られたキャリア相関値である。左側のカーブは所望の衛星(SV1とする)のキャリア相関値のカーブ、右側のカーブは所望の衛星ではない別の衛星(SV2とする)のキャリア相関値のカーブである。所望の衛星SV1と受信機の間に遮蔽物があり受信状態が悪く、所望の衛星ではない別の衛星SV2と受信機の間に遮蔽物が少ないとき、このように各々の衛星から受信する信号強度がおよそ等しくなる場合がある。このような場合は、破線で表しているような低い閾値を設定しなくてはならず、一点のみの相関値であれば、所望の衛星ではない別の衛星の相関も所望の衛星の相関と見誤ることがある。しかし、一般に所望の衛星ではない別の衛星の相関値のカーブは所望の衛星の相関値のカーブに比べて急峻であるので、×で表される相関値の和をとり、その和を判断基準にすると、一点だけの相関値で相関を判断したときに、所望の衛星ではない別の衛星の相関値を所望の衛星の相関値と間違える誤衛星ロックが生じることを回避できる。
【0015】
(実施例4)
図4は請求項4の説明図である。この例では、GPS受信部から出力されるデータをメモリに格納する際に、1msに2048回のサンプリングを行い、これを1ms毎に時間軸をシフトさせて、3ms分重ね合わせてメモリの別アドレスに格納する様子を示している。ここで、1msというのは、疑似雑音符号(PNコード)のうち、民間に開放されているC/Aコードのコード長に相当する。前記別アドレスに格納されたデータをメモリから読み出して相関器に送ると、重ね合わせた後のデータも、やはり1msに2048回のサンプリングが行われたかのように相関器からは見えるが、キャリア対ノイズ比は改善される。なぜなら、キャリア成分はC/Aコードのコード長である1ms毎に相関があるが、ノイズ成分はガウス分布となり、重ね合わせると、キャリア成分の増加率の方がノイズ成分の増加率を上回るからである。これにより、簡単な回路構成で、キャリア対ノイズ比を高くして、ノイズ成分の影響を最小限に抑えることが可能となる。 本実施例のように、メモリのデータを時間軸をシフトさせて重ね合わせる処理を行う場合には、メモリに蓄積すべきデータ量は多く必要となるが、受信状況が良好なときには、本実施例の処理を省略することにより、メモリに蓄積するデータ量を少なくして、処理を高速化することもできる。
【0016】
なお、本実施例では、時間軸をシフトさせて重ね合わせたデータをメモリ13の別のアドレスに格納する例を説明したが、図1の構成のように、切替器14と相関器16の間に加算器15を配置する場合には、図4(a)の3ms分のデータをメモリ13から1ms以内の短時間で読み出して加算器15のバッファに蓄積し、図4(b)のように時間軸をシフトさせて加算した後のデータを加算器15から1ms当たり2048サンプルのレートで相関器16に出力しても良い。この場合、メモリ13の容量を少なくできる。
【0017】
【発明の効果】
請求項1の発明によれば、メモリ内部にGPS受信部からの信号を一旦格納することによって、高速に演算することが可能になり、通常、高速性とトレードオフの関係にある誤ロックの問題も回避することが可能となる。また、メモリから信号を読み出している期間にはGPS受信部の電源供給を遮断できるので、消費電力が少なくて済み、回路規模も小さくて済む。
【0018】
請求項2の発明によれば、複数の相関器に同一周波数で位相をずらした複数の疑似雑音符号信号をそれぞれ入力し、切替器から出力される信号との相関を求めることにより、同一の衛星番号の疑似雑音符号信号について位相の異なる複数の相関を同時に発生させることにより、キャリア相関値のピークを高速に演算することができる。
請求項3の発明によれば、複数のキャリア相関値のピーク近傍の和を求めて、所定の閾値と比較することにより、ターゲットの衛星の受信状況が悪いときに、誤まって別の衛星からの信号にロックすることを防ぐことができる。
【0019】
請求項4の発明によれば、GPS受信部からの信号を、C/Aコードのコード長である1msの間に複数回サンプリングしてメモリに蓄積する処理を所定の時間継続し、サンプリング開始時刻からC/Aコードのコード長である1msの整数倍の長さ分のデータについて、1ms毎に時間軸をシフトさせて重ね合わせたデータを相関器の入力とすることにより、キャリア対ノイズ比を高くすることができ、基地局からのドップラー周波数と実際のドップラー周波数とのずれを感知することができる。
【0020】
請求項5の発明によれば、1つ目の衛星を捕捉・追跡したときに求まる回路に固有のオフセットを、2つ目以降の衛星の捕捉・追跡時に流用することにより、2つ目以降の衛星の捕捉・追跡に要する時間を短縮できる。
請求項6の発明によれば、1つ目の衛星を捕捉・追跡した後、2つ目以降の衛星を捕捉・追跡する際に、1つ目の衛星の疑似雑音符号の特定のチップと2つ目以降の衛星の疑似雑音符号の同じチップを受信する時間の差をチップ数単位で演算し、基地局に送信するようにしたので、2つ目以降の衛星の捕捉・追跡に要する時間を短縮できる。
請求項7の発明によれば、GPS受信部からの信号をメモリに蓄積する際に、その蓄積する量を可変とすることにより、高速に相関をとることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の通信機能付きGPS受信端末の構成を示すブロック図である。
【図2】請求項2の発明の説明図である。
【図3】請求項3の発明の説明図である。
【図4】請求項4の発明の説明図である。
【図5】従来の通信機能付きGPS受信端末の使用状況を示す説明図である。
【符号の説明】
10 GPS受信端末
11 GPSアンテナ
12 RFフロントエンド部
13 メモリ
14 切替器
15 加算器
16 相関器
17 自動追跡部
18 疑似雑音符号発生器
19 制御回路
21 通信手段(GPS受信端末側)
22 通信手段(基地局側)
30 基地局[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a GPS (Global Positioning System) receiving terminal having communication means such as a mobile phone, a satellite mobile phone, and a PHS.
[0002]
[Prior art]
FIG. 5 shows a schematic configuration of a GPS receiving terminal with a communication function. In the figure, SV1 to SV3 are GPS visible satellites, and information such as satellite numbers and Doppler frequencies are obtained from signals received by the
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
This GPS receiving terminal with a communication function is used for a personal navigation system, a search for a wandering elderly person, a position detection system for crime prevention, and the like. It is desired that the power consumption of the battery be reduced in order to enable the above.
[0004]
In the GPS receiving terminal with a communication function, as described above, it is not necessary to perform the operation to determine the position in the terminal body, but to perform the operation to determine the position in the base station. Further, since information relating to GPS visible satellites is also provided from the base station, unlike a GPS receiver incorporated in a car navigation system, it is not necessary to perform a search process for knowing the satellite number of a visible satellite. For this reason, compared to a GPS receiving terminal without a communication function, the required circuits are smaller and the time required for positioning can be reduced.
[0005]
However, since it has a communication function, when the GPS reception function and the communication function are used at the same time, power consumption increases. Further, if a plurality of correlators are simultaneously operated in order to speed up a correlation operation for achieving phase synchronization, power consumption further increases. Further, if the correlation operation is speeded up, the possibility of erroneous satellite lock increases.
[0006]
The present invention has been made in view of such circumstances, and it is an object of a GPS receiving terminal with a communication function to obtain a maximum calculation speed with a circuit as small as possible without increasing power consumption.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The GPS receiving terminal with a communication function according to the present invention is based on a method in which a signal output from a GPS receiving unit is temporarily stored in a memory and is used repeatedly several times. By devising it, it is possible to obtain the maximum efficiency with the minimum circuit configuration.
[0008]
Specifically, according to the first aspect of the present invention, a
[0009]
Here, the automatic tracking unit 17 has a smaller number than the correlator 16, inputs a plurality of pseudo-noise code signals having the same frequency and shifted phases to the plurality of correlators 16, respectively. By calculating the correlation, a plurality of correlations having different phases are simultaneously generated with respect to the pseudo-noise code signal of the same satellite number, and the phase at which the carrier correlation value becomes a peak is used for phase synchronization of one automatic tracking unit. The time required to establish synchronization can be reduced. Further, by calculating the sum of a plurality of carrier correlation values near the peak and comparing the sum with a predetermined threshold, a steep peak can be excluded as an erroneous satellite lock. Further, the process of sampling the signal from the GPS receiving unit a plurality of times during 1 ms, which is the code length of the C / A code, and accumulating the signal in the memory is continued for a predetermined time. The carrier-to-noise ratio can be increased by inputting the correlated data by shifting the time axis every 1 ms and superimposing data on the data corresponding to an integral multiple of the length of 1 ms.
[0010]
Further, the calculation time can be further reduced by diverting the offset unique to the circuit obtained when the first satellite is captured and tracked during the capture and tracking of the second and subsequent satellites. After capturing and tracking the first satellite, when capturing and tracking the second and subsequent satellites, a specific chip (for example, the first chip) of the pseudo noise code of the first satellite and the second A difference in time for receiving the same chip of the pseudo noise code of the third and subsequent satellites may be calculated for each chip number and transmitted to the base station. In addition, when accumulating the signal from the GPS receiver in the memory, the amount of accumulation is variable, so that the positioning time can be shortened when the reception condition is good.
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
(Example 1)
FIG. 1 is a block diagram showing an example of the configuration of the
[0012]
In the present embodiment, (n−m + 1) correlators 16 share one automatic tracking unit 17. When the numbers of the correlators 16 and the automatic tracking units 17 are different from each other, a plurality of correlators are assigned to one automatic tracking unit. In general, the number of visible tracking satellites is sufficient for the automatic tracking unit, so that the number is often smaller than the number of correlators. In addition, the circuit-specific offset (that is, the difference between the pseudo-noise code from the satellite and the pseudo-noise code of the receiver) obtained when the first satellite is acquired and tracked is determined by the acquisition of the second and subsequent satellites. -By diverting during tracking, it is possible to easily capture and track the second and subsequent satellites. After capturing and tracking the first satellite, when capturing and tracking the second and subsequent satellites, a specific chip (for example, the first chip) of the pseudo noise code of the first satellite is used. The difference between the times at which the same chip of the second and subsequent satellites receives the same chip may be calculated in units of chips and transmitted to the base station.
[0013]
(Example 2)
FIG. 2 is an explanatory diagram of the second aspect. The curve in the figure shows the curve of the carrier correlation value. The horizontal axis of the graph is the phase shift, the vertical axis is the carrier correlation value, and the point x plotted on the graph is the carrier correlation value obtained by the first to n-th correlators at a certain time. is there. As described above, since a plurality of carrier correlation values are obtained simultaneously by a plurality of correlators, a phase at which the carrier correlation value has a peak can be obtained in a short time. Also, instead of operating the GPS receiver and the correlator simultaneously, when the GPS receiver is operating, the operation of the correlator is stopped, the received data is temporarily stored in the memory, and the data is stored from the memory. In the reading period, the peak of the power consumption can be reduced by stopping the operation of the GPS receiving unit and starting the operation of the correlator. Furthermore, by making the speed of reading data from the memory faster than the speed of storing data in the memory, the speed of the correlation operation in the correlator can be increased, and the data from the GPS receiver is directly used. Compared with the case, the time required to capture all visible satellites can be reduced, and the total power consumption can be reduced accordingly.
[0014]
(Example 3)
FIG. 3 is an explanatory diagram of
[0015]
(Example 4)
FIG. 4 is an explanatory diagram of
[0016]
In the present embodiment, an example has been described in which data superimposed by shifting the time axis is stored at another address of the
[0017]
【The invention's effect】
According to the first aspect of the present invention, it is possible to perform high-speed operation by temporarily storing a signal from the GPS receiving unit in the memory, and there is a problem of erroneous locking which is usually in a trade-off relation with high-speed operation. Can also be avoided. In addition, since the power supply to the GPS receiving unit can be cut off during a period in which a signal is being read from the memory, power consumption can be reduced and the circuit scale can be reduced.
[0018]
According to the second aspect of the present invention, a plurality of pseudo-noise code signals having the same frequency and shifted in phase are input to a plurality of correlators, and a correlation with a signal output from a switch is obtained, thereby obtaining the same satellite. By simultaneously generating a plurality of correlations having different phases with respect to the pseudo-noise code signal of the number, the peak of the carrier correlation value can be calculated at high speed.
According to the third aspect of the present invention, the sum of the plurality of carrier correlation values near the peak is obtained and compared with a predetermined threshold value. Can be prevented from being locked to the signal.
[0019]
According to the fourth aspect of the present invention, the process of sampling the signal from the GPS receiving unit a plurality of times during 1 ms which is the code length of the C / A code and storing it in the memory is continued for a predetermined time, and the sampling start time , The carrier-to-noise ratio can be reduced by inputting data obtained by superimposing the data corresponding to an integer multiple of 1 ms which is the code length of the C / A code by shifting the time axis every 1 ms to the correlator. The difference can be sensed between the Doppler frequency from the base station and the actual Doppler frequency.
[0020]
According to the fifth aspect of the present invention, the offset unique to the circuit obtained when the first satellite is captured and tracked is used at the time of capturing and tracking the second and subsequent satellites. The time required for satellite acquisition and tracking can be reduced.
According to the invention of claim 6, after capturing and tracking the first satellite, when capturing and tracking the second and subsequent satellites, a specific chip of the pseudo noise code of the first satellite and 2 The difference between the times of receiving the same chip of the pseudo-noise code of the second and subsequent satellites is calculated per chip number and transmitted to the base station, so the time required for acquisition and tracking of the second and subsequent satellites is reduced. Can be shortened.
According to the invention of claim 7, when the signal from the GPS receiving unit is stored in the memory, the amount of storage is variable, so that the correlation can be obtained at high speed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a GPS receiving terminal with a communication function of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram of the invention of
FIG. 3 is an explanatory view of the invention of
FIG. 4 is an explanatory view of the invention of
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a usage state of a conventional GPS receiving terminal with a communication function.
[Explanation of symbols]
22 Communication means (base station side)
30 base stations
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