JP3664791B2

JP3664791B2 - 測位系時刻抽出方法および測位系時刻抽出装置

Info

Publication number: JP3664791B2
Application number: JP34106895A
Authority: JP
Inventors: 雅彦木村; 一明角谷
Original assignee: Furuno Electric Co Ltd
Current assignee: Furuno Electric Co Ltd
Priority date: 1995-12-27
Filing date: 1995-12-27
Publication date: 2005-06-29
Anticipated expiration: 2015-12-27
Also published as: JPH09178870A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は測位用衛星からの信号を受信して受信点の位置を求める測位系において、その測位系の時刻を抽出する方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、例えばＧＰＳなどの測位システムにおいては、各測位用衛星から受信点までの距離を観測するための情報や各測位用衛星の位置を求めるための情報が送信されていて、受信機は３次元測位に要する数の測位用衛星からの測位用信号を用いて各測位用衛星の位置と各測位用衛星から受信点までの距離とを求め、これらの各測位用衛星の位置と各測位用衛星から受信点までの距離とから受信点の位置を求めている。
【０００３】
このような測位システムでは、システムの中での時系を統一するための時系（ＧＰＳシステムではＧＰＳ時）を設定していて、その時系における時刻を求めるための情報が衛星から送信されている信号に含まれている。従って、このような信号を受信する受信機は、測位の目的以外に時計としての機能を有する。ＧＰＳシステムでは、衛星上の時計は原子時計であり、その１秒の長さは協定世界時（以下「ＵＴＣ」という。）と同じ原子時の１秒にほぼ一致している。従って測位用衛星からの信号を受信することによって極めて高精度な電子時計を構成することができる。このような正確な時刻情報を得るための受信機は時刻比較用受信機（time transfer receiver）として専用の装置が用いられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
受信点を固定して運用する従来の時刻比較受信機においては、受信点の３次元位置の情報（緯度，経度，高さ）を外部入力し、少なくとも１つの衛星からの信号を受信すれば、ＵＴＣに同期して毎秒１回パルス信号を高精度に出力する。この信号を以下「１ＰＰＳ」という。例えば、図２に示すように、受信点のＸ，Ｙ，Ｚ座標での位置を（Ｘｕ，Ｙｕ，Ｚｕ）とし、測位用衛星からの信号により求めた測位用衛星の位置を（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）とし、衛星の持っている時計の時刻をＴｓとすると、受信信号から（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ，Ｔｓ）が求められるため、既知である受信点の位置（Ｘｕ，Ｙｕ，Ｚｕ）と衛星の位置（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）との位置関係から衛星と受信点間の距離Ｒが求められ、その間における電波遅延時間が逆算され、その電波伝搬遅延時間だけＴｓを修正すれば測位系における時刻を高精度に求めることができる。
【０００５】
ところが、受信点を固定して運用する従来の時刻比較受信機では受信点の３次元位置の情報を外部入力しなければならず、しかもその入力を誤った場合や、その精度が高くなければ、上記Ｒによる遅延時間分の修正が正確に行われず、１ＰＰＳの精度も低くなる。受信点の正確な位置を求めるためには、▲１▼地図から読み取る方法、▲２▼測量によって求める方法、▲３▼単独測位を行うＧＰＳ受信機から得る方法等があるが、いずれの方法でも次のような問題があった。すなわち、▲１▼の方法では例えば３０ｍ以内の精度の良い位置を知ることのできる場所は限られていて、任意の地点において運用することはできない。▲２▼の方法では費用と時間がかかる。▲３▼の方法では地球上のどの地点においても比較的高精度に受信点の位置を測位することができるが、ＧＰＳにおいてはＳＡ（Selective Availability）モードなどの精度低下要因によって、２σで１００ｍ程度のばらつきが生じるため、求められた受信点の位置精度に応じて１ＰＰＳの精度も限られてしまう。
【０００６】
この発明の目的は、測位用衛星からの信号のみを用い、且つ測位系の時刻を高精度に抽出する方法および装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明の測位系時刻抽出方法は、複数の測位用衛星より送信された、各測位用衛星の軌道情報および時刻情報を含む信号を受信し、測位可能な数の測位用衛星の軌道情報および時刻情報から受信点の位置情報を求め、この受信点の位置情報を所定時間に亘って平均化して受信点の位置を決定する受信点位置決定ステップと、この受信点位置決定ステップの後に、少なくとも１つの測位用衛星より送信された、該測位用衛星の軌道情報および時刻情報を含む信号を受信し、この衛星の少なくとも軌道情報および時刻情報並びに前記決定した受信点の位置情報から測位系の時刻を求める測位系時刻抽出ステップとによって測位系の時刻を求める。
【０００８】
また、この発明の測位系時刻抽出装置は、複数の測位用衛星より送信された、各測位用衛星の軌道情報および時刻情報を含む信号を受信する受信手段と、該受信手段により受信された測位可能な数の測位用衛星の軌道情報および時刻情報から受信点の位置情報を求めるとともに、この受信点の位置情報を所定時間に亘って平均化して前記受信点位置を決定する受信点位置決定手段と、該受信点位置決定手段が受信点位置を決定したとき、受信点位置決定済み状態を記憶するとともに該状態を表示する手段と、前記受信点位置決定済み状態で、１つ以上の測位用衛星からの前記信号を基に、該測位用衛星の少なくとも軌道情報および時刻情報と、前記受信点位置決定手段により求められた受信点位置の情報とに基づいて測位系の時刻を求める測位系時刻抽出手段とを設けたことを特徴とする。
【０００９】
請求項１に係る測位系時刻抽出方法および請求項２に係る測位系時刻抽出装置では、複数の測位用衛星より送信された信号を受信して受信点の位置が求められ、その受信点の位置情報が所定時間にわたって平均化されることによって受信点の位置が高精度に求められる。そして、少なくとも１つの測位用衛星より送信された信号を受信して、その衛星の少なくとも軌道情報および時刻情報並びに受信点の位置情報とから測位系の時刻が求められる。このように衛星からの信号に基づいて求めた受信点の位置情報が平均化されることによって、各種誤差要因による測位点のばらつきが打ち消されて、受信点の位置が高精度に求められ、且つそのようにして求められた位置情報を基に測位系の時刻が求められるため、測位系の時刻は高精度に求められる。例えばＧＰＳの場合、各ＧＰＳ衛星は略１２時間で地球を一周するため、１２時間またはその整数倍にわたって測位結果を平均化することによって、衛星配置による誤差も充分抑えられる。このように受信点の位置が高精度に求められば、図２に示したように、衛星の軌道情報と時刻情報から衛星の位置が求められ、受信点の位置と衛星の位置との位置関係から衛星と受信点間の距離Ｒが求められ、その間における電波遅延時間が逆算され、受信によって求めた時刻情報を電波遅延時間だけ修正すれば測位系における時刻が高精度に求められる。尚、電波伝搬遅延時間を求める際、衛星より受信した電離層補正係数を加味して求めれば、電離層遅延の影響を補正した、より高精度な時刻を求めることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
この発明の測位系時刻抽出装置の信号の流れをブロック図として図１に示す。図１において信号処理部１０１ではアンテナより入力した信号について受信信号の逆拡散によって所定の衛星からの信号を受信するとともに、それらの追尾を行い、また受信信号に含まれる航法メッセージを復調する。測位演算処理部１０２では各衛星の航法メッセージに含まれている軌道情報と時刻情報から各衛星の位置を求めるとともに、衛星から受信点までの擬似距離を求め、これらの情報から受信点の測位を行い、さらにＵＴＣを求める。位置平均化処理部１０３では求められた受信点の位置情報を一定データ数（例えば２４時間分や１週間分等）について平均化を行い、受信点の位置情報を１ＰＰＳ出力処理部１０６へ与える。受信点位置決定済み表示部１０４では上記平均化によって受信点の位置が決定されたとき、その状態を表示する。シリアルデータ出力処理部１０５では求められたＵＴＣおよび決定受信点位置を外部へ出力する。１ＰＰＳ出力処理部１０６では受信した衛星の軌道情報および時刻情報並びに決定した受信点の位置情報から測位系の毎秒のタイミング信号１ＰＰＳを出力する。
【００１１】
次に、この発明の実施形態である測位系時刻抽出装置の構成をブロック図として図３に示す。図３において、アナログ信号処理回路２ａはＧＰＳ受信アンテナ１からの信号を中間周波変換し、ＡＤコンバータ２ｂはその信号をディジタルデータに変換する。信号処理ゲートアレイ３はＡＤコンバータ２ｂからディジタルデータを入力し、ＣＰＵ５からＣ／Ａコードパターンデータ、Ｃ／Ａコード位相データおよびキャリア位相データなどを受けて、Ｃ／Ａコードパターンの発生およびＣ／Ａコードとの相関演算などを行う。また、この信号処理ゲートアレイ３にはフリーランカウンタおよび１ＰＰＳを出力する回路を構成する時刻カウンタを設けていて、ＣＰＵ５は所定のタイミングでそのフリーランカウンタの値を読み取る。時計回路４は基準発振器を備え、その基準発振信号を分周して現在時刻を計時する。但しこの時計回路４の計時内容は電源投入直後に捕捉可能な衛星を予測するために用いるだけであり、衛星からの信号に基づいて直接計時を行うものではない。表示インタフェース９は表示用メモリを備え、その表示用メモリの内容に応じて表示信号を発生し、表示器１０へ出力する。ＣＰＵ５はＲＯＭ６に予め書き込んだプログラムを実行して、信号処理ゲートアレイ３から相関データを読み取り、所定のループフィルタの演算を行い、信号処理ゲートアレイ３に対してＣ／Ａコードパターンデータ、Ｃ／Ａコード位相データおよびキャリア位相データを与えることによってＣ／Ａコード位相およびキャリア位相の同期をとり、さらに航法メッセージデータを抽出する。またＣＰＵ５は航法メッージデータに含まれているＧＰＳ時を求めるための情報と、ＵＴＣパラメータとからＵＴＣを求め、その値を時：分：秒の形式で表示させるためのデータを表示インタフェース９内の表示用メモリに書き込む。また、ＣＰＵ５は各衛星までの観測距離を求めるとともに各エフェメリス（衛星の軌道情報）を抽出して各衛星の位置を求め、受信点の位置を算出し、さらにこれを平均化して受信点の位置を決定する。さらにＣＰＵ５はデータ伝送インタフェース８を介して、決定受信点位置情報およびＵＴＣをホスト装置側へ出力する。ＲＡＭ７はこれらの処理の実行に際してワーキングエリアとして用いる。
【００１２】
図４は図３に示した信号処理ゲートアレイ３内の時刻カウンタの構成を示すブロック図である。図４においてフリーランカウンタ３１は基準クロックをカウントするフリーランカウンタであり、ラッチ回路３３は図３に示したＣＰＵ５から与えられる設定値を保持する回路である。比較回路３２はフリーランカウンタ３１の値がラッチ回路３３の値に等しくなったとき１ＰＰＳを出力する回路である。従ってラッチ回路３３にセットさせる設定値によって１ＰＰＳの発生タイミングが変化する。後述するように、図３に示したＣＰＵ５は次に出力されるべき１ＰＰＳのタイミングにおけるフリーランカウンタ３１の値を算出し、それに等しい値をラッチ回路３３へ設定する。これにより、フリーランカウンタ３１の値自体を修正することなく、修正された正確な１ＰＰＳが出力されることになる。
【００１３】
図５は衛星側で持っているＧＰＳ時と受信機側で求めるＧＰＳ時との関係を示す図である。図５において、「衛星ＧＰＳシステム時刻」は衛星の持っている時計が示す時刻であり、航法メッセージのサブフレームの６秒をカウントするシステム時刻である。「受信機ＧＰＳシステム時刻」は受信機側で受信信号により求めた時刻であり、前記サブフレームの先頭位置を０秒とする６秒周期の時刻であり、衛星ＧＰＳシステム時刻より衛星と受信点間の電波の伝搬遅延時間分だけ遅れている。従って、伝搬遅延時間分だけ受信機ＧＰＳシステム時刻を修正すれば、衛星ＧＰＳシステム時刻すなわち正確なＧＰＳ時が求まる。「受信機時刻カウント」は図４に示したフリーランカウンタ３１の内容であり、この値と衛星ＧＰＳシステム時刻との差をクロックバイアスとして求める。従って、フリーランカウンタ３１の値にクロックバイアス分を加算すれば、ＧＰＳ時に同期した秒数が求まる。
【００１４】
図６は図３に示した測位系時刻抽出装置の単独測位および受信点の位置決定のための処理手順を示すフローチャートである。電源が投入されると先ず、受信点位置が既に求まっているか否かを判別し、まだ求まっていなければ、“ＬＥＤが点灯するまで放置して下さい”というメッセージ表示を行う。その後、少なくとも１つ以上の衛星を追尾している状態では、受信信号を復調して得た航法メッセージより衛星の軌道情報（エフェメリス）、電離層補正係数および時刻情報等を抽出する。この時刻情報としては、Ｚカウント（ＧＰＳ時の基準となる時刻からの経過時間を１週間周期で６秒単位でカウントした値）、ＧＰＳ時の基準となる日からの週番号およびＵＴＣとの差（累積閏秒）および閏秒調整のためのデータであるＵＴＣパラメータである。そして、４つ以上の衛星から受信点までの擬似距離が求められていれば、４つの衛星を用いたいわゆる４衛星測位を行い、また３つの衛星から受信点までの擬似距離が求められていれば、４衛星測位の際に求めた受信点の最終の高さ情報をそのまま用いていわゆる３衛星測位を行う。このようにして求めた受信点の位置情報を一定時間平均化を行う。例えば通常は２４時間程度であれば平均化の効果が十分得られるが、さらに精度を高めるためには例えば１週間程度にわたって平均化を行う。このようにして一定数の平均化を完了すれば、受信点位置決定フラグをセットするとともにＬＥＤなどによりその状態を表示する。その後、前回求めてバックアップしていた決定受信点位置と今回の平均化した受信点位置との差が所定距離以上離れていた場合、今回平均化した受信点位置を決定受信点位置として更新する。そしてその決定受信点位置情報を表示する。例えば２４時間の平均をとると通常数ｍ程度の精度で受信点の位置を求めることができるので、前回の平均化された受信点の位置と今回の平均化により求めた受信点の位置との間に一定の距離を超える差が生じた場合には、受信点の移動があったものと見なす。
【００１５】
図７は毎秒行われる処理手順を示すフローチャートであり、まず受信点位置決定フラグがセット状態であり、且つ１衛星以上の追尾が行われていたなら、ＧＰＳ時（以下GPSTIME と表す。）を算出する。これはGPSTIME ＝週番号＊604800＋Ｚカウント＊６＋クロックバイアスの計算により求める。続いてＵＴＣ＝GPSTIME −ΔＵＴＣとしてＵＴＣを算出し、これを出力する。ここでΔＵＴＣは上述のＵＴＣパラメータより求めたＵＴＣとＧＰＳ時との差の秒数（累積閏秒）である。その後、正確な１ＰＰＳを出力させるための設定値を図４に示したラッチ回路３３へセットさせる。この設定値は、衛星の追尾処理中に求められたクロックバイアスの１秒当たりの変化分から求められるものであり、クロックバイアスの変化は図４に示した基準クロックの誤差に起因して生じる。このように設定値をラッチ回路へセットさせることによって、１ＰＰＳはＧＰＳ時の１秒周期すなわちＵＴＣの１秒周期に極めて高精度に同期した信号となる。
【００１６】
尚、ＵＴＣも１ＰＰＳも１秒周期で出力されるが、ホスト装置が１ＰＰＳの信号を受ける前に、次に受ける１ＰＰＳが何年何月何日何時何分何秒に相当するものであるかを事前に知るようにするためには、ＵＴＣを１ＰＰＳより僅かに先行して出力するように図７に示した処理を実行すればよい。
【００１７】
図８はホスト装置から与えられるコマンドに応答する処理手順を示すフローチャートである。ホスト装置から受信点の位置情報を要求するコマンドが有れば、既に求めている決定受信点位置をホスト装置へ伝送する。
【００１８】
上述した測位系時刻抽出装置は、これを例えばワークステーション等に接続して、そのワークステーションをタイムサーバとして用いることができる。この場合、測位系時刻抽出装置を例えばビルの屋上や近くの視界の開けた場所に置いて電源を投入した後、受信点位置決定済を表すＬＥＤが点灯するまで放置し、その後電源を遮断し、実際に運用する部屋に持ち帰り、ワークステーションに接続し、アンテナを窓際に設置すればよい。ビルの窓際では、同時に４衛星または３衛星が視野内に入る時間帯は限られるが、少なくとも１つの衛星は追尾することが可能であり、その受信信号と、既に求めている決定受信点位置とから正確な１ＰＰＳを出力することができる。この例では決定受信点位置と実際の運用時のアンテナの位置とが異なるが、その差が３０ｍ以内で有れば１ＰＰＳに与える誤差は0.1 μｓ以下となり、上述したタイムサーバに用いる場合には実質上問題とはならない。使用目的に応じてもっと厳しい精度が要求される場合には、決定受信点位置でそのまま運用するようにしてもよい。
【００１９】
【発明の効果】
請求項１，２に係る発明によれば、測位に必要な数の測位用衛星からの信号を受信して、受信点の位置を決定する段階と、受信点の位置を決定した後は、その受信点の位置を既知として１つ以上の測位用衛星からの前記信号を基に測位系の時刻を求める段階とを分けて、測位系の時刻を求めるようにしたことにより、任意位置で測位用衛星からの信号を受信すればよく、一旦受信点位置が決定されれば、その後は受信可能な測位用衛星の数が１であっても、測位系の正確な時刻を求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施形態に係る測位系時刻抽出装置の処理の流れを示すブロック図である。
【図２】測位系時刻抽出方法を説明する図である。
【図３】この発明の実施形態に係る測位系時刻抽出装置の構成を示すブロック図である。
【図４】図３における時刻カウンタの構成例を示すブロック図である。
【図５】衛星側で持っているＧＰＳ時と受信機側で求めるＧＰＳ時との関係を示す図である。
【図６】測位および受信点位置の決定のための処理手順を示すフローチャートである。
【図７】毎秒行われる処理手順を示すフローチャートである。
【図８】コマンド応答処理の手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１−アンテナ

Claims

複数の測位用衛星より送信された、各測位用衛星の軌道情報および時刻情報を含む信号を受信し、測位可能な数の測位用衛星の軌道情報および時刻情報から受信点の位置情報を求め、この受信点の位置情報を所定時間に亘って平均化して受信点の位置を決定する受信点位置決定ステップと、
前記受信点位置決定ステップの後に、少なくとも１つの測位用衛星より送信された、該測位用衛星の軌道情報および時刻情報を含む信号を受信し、この衛星の少なくとも軌道情報および時刻情報並びに前記決定した受信点の位置情報から測位系の時刻を求める測位系時刻抽出ステップと、
からなる測位系時刻抽出方法。
複数の測位用衛星より送信された、各測位用衛星の軌道情報および時刻情報を含む信号を受信する受信手段と、
該受信手段により受信された測位可能な数の測位用衛星の軌道情報および時刻情報から受信点の位置情報を求めるとともに、この受信点の位置情報を所定時間に亘って平均化して前記受信点位置を決定する受信点位置決定手段と、
該受信点位置決定手段が受信点位置を決定したとき、受信点位置決定済み状態を記憶するとともに該状態を表示する手段と、
前記受信点位置決定済み状態で、１つ以上の測位用衛星からの前記信号を基に、該測位用衛星の少なくとも軌道情報および時刻情報と、前記受信点位置決定手段により求められた受信点位置の情報とに基づいて測位系の時刻を求める測位系時刻抽出手段と、
を設けたことを特徴とする測位系時刻抽出装置。