JP4651422B2 - 衛星航法装置 - Google Patents

Description

本発明は、米国のＧＰＳやその他の衛星航法システムの衛星信号を受信し、現在時刻や利用者の現在位置を計算する衛星航法装置に関するものである。

ＧＰＳ（Global Positioning System）は、現在世界中で広く使用されている。このＧＰＳに採用されている技術は、その開発が開始された１９７０年代のものであり、その後の技術発展を取り入れて性能を向上させる必要性が叫ばれてきた。米国政府は、ＧＰＳを近代化するために、より高度な信号形式、新たな送信周波数の追加、高精度なシステム制御などの検討を続けており、２００５年以降にこれらの成果を盛り込んだ新形式の衛星が順次打ち上げられる計画となっている。

ＧＰＳの近代化では、従来の民生用ＧＰＳ受信機が使用していたＬ１搬送波（周波数：１５７５．４２ＭＨｚ）のＬ１Ｃ／Ａ変調コードに加え、これまで軍用のＰ（Ｙ）コードのみで変調されていたＬ２搬送波（周波数：１２２７．６０ＭＨｚ）に、新たな民間用コードとして、Ｌ２Ｃ変調コードの変調が追加される。なお、変調コードを、以下では単にコードという。

このＬ２Ｃコードは、Ｐ（Ｙ）コードと直交した２相位相偏移変調（ＢＰＳＫ：Bi-Phase Shift Keying）であり、その時系列構造を図６に示している。Ｌ２Ｃコードは、Ｌ２ＣＭコードとＬ２ＣＬコードという２種類の疑似雑音コードを時分割して構成されている。このうち、Ｌ２ＣＭコードの部分にはさらに航法データ（例、衛星の軌道情報や時刻情報等）がＢＰＳＫによって乗ぜられている。Ｌ２ＣＭコードのビットレートは５１１．５ｋｂｐｓ、コード長は１０２３０チップなので、繰り返し周期は２０ｍｓである。これに対し、Ｌ２ＣＬコードのビットレートは５１１．５ｋｂｐｓコード長は７６７２５０なので、繰り返し周期は１．５秒である。

ＧＰＳの近代化では、Ｌ２Ｃコードの追加の後に、Ｌ５搬送波（周波数：１１７６．４５ＭＨｚ）に、Ｌ５Ｉ５コード及びＬ５Ｑ５コードが、さらに追加される予定である。Ｌ５Ｉ５コード及びＬ５Ｑ５コードは、いずれもビットレートが１０．２３Ｍｂｐｓ、コード長が１０２３０チップ、繰り返し周期は１ｍｓで、位相が互いに直交しており変調タイミングは同期している。

一つの衛星から、これらＬＩＣ／Ａコード、Ｌ２ＣＭコード、Ｌ２ＣＬコード、Ｌ５Ｉ５コード、Ｌ５Ｑ５コードが全て送信され、各コード位相は互いに同期している。図７にその同期関係を示している。

ＧＰＳでは、これらの信号コードを受信機内のコード発生器で発生させたコードによって逆拡散して信号を取り出す。また、信号を復調するためにはダウンコンバータの最終段の搬送波（キャリア）相関器に与える局部発振周波数がＧＰＳ信号の周波数と一致することが必要である。そのために、ＧＰＳ受信機では、コード相関器に与えるコード位相のスキャンと、キャリア相関器に与える周波数のスキャンとを並行して実施し、コードとキャリアの双方の相関ピーク点を探索する。これらピーク点が検出されたら、ピーク点からずれないようにコードとキャリアとを追尾する。近代化ＧＰＳでの、ＬＩＣ／Ａコード、Ｌ２ＣＭコード、Ｌ２ＣＬコード、Ｌ５Ｉ５コード、Ｌ５Ｑ５コードは、異なる符号であるため、それぞれの周波数、コードに対してコード発生器、コード相関器、キャリア相関器などを独立に用意し、独立した信号処理系を用いてそれぞれ処理している。この出願に関連する先行技術文献としては、次のものがある。
Richard D.Fontana,et al.,The New L2 Civil Signal,Proceedings of the Institute of Navigation ION GPS-2001,Salt Lake City,Utah,September 2001

ＧＰＳ信号の追尾中に、建物でＧＰＳ信号が遮られるなどの理由でＧＰＳ信号の受信が途絶えると、受信機は再びＧＰＳ信号の探索（サーチ）を開始する。このような、ＧＰＳ信号の受信中断後の信号探索を、再サーチという。

この再サーチにおいて、先行技術では、次のような問題がある。図６に示したように、Ｌ２Ｃコードは、Ｌ２ＣＭコードとＬ２ＣＬコードを時分割して構成されている。このため、時分割されない場合に比べて、Ｌ２ＣＭコードとＬ２ＣＬコードはともに信号電力が半分になっており、Ｓ／Ｎ比も半減する。従来からのＬ１Ｃ／Ａコードは、時分割されていないので、Ｌ２ＣコードはＬ１Ｃ／Ａコードに比べてＳ／Ｎ比が３ｄＢ低いことになる。また、ＧＰＳの規格の一つである“Interface Control Document ICD-GPS-200C-005R1”によれば、例えば仰角５度の衛星からのＬ１Ｃ／Ａ信号の受信信号強度は−１５８．５ｄＢであるのに対し、Ｌ２Ｃ信号の受信信号強度は−１６０ｄＢであるので、Ｌ２Ｃコードの方が受信信号強度も低く事情はさらに悪いことがわかる。

このようなＳ／Ｎ比が低いＧＰＳ信号などの衛星信号の相関ピーク点を探索して捕捉することは、何も障害物のない開けた場所ならばあまり問題とはならないが、街路樹が茂った道路や森林の中のように衛星信号が減衰している環境では、困難である。このような衛星信号が減衰した環境では、ＧＰＳ信号でのＬ１Ｃ／Ａ信号やＬ５Ｉ５信号、Ｌ５Ｑ５信号に対しても、良好な捕捉性能を発揮することが難しくなる。

本発明は、このような従来の問題を解決するためになされたものであり、一つの衛星から、異なる変調コードによってスペクトラム拡散された複数の衛星信号の再サーチでの信号捕捉性能を向上させる衛星航法装置を提供することを目的とする。また、１つのＧＰＳ衛星から送信されるＬ２Ｃコードの受信信号の再サーチでの信号捕捉性能を向上させ、さらにＬ１Ｃ／ＡコードやＬ５Ｉ５コード、Ｌ５Ｑ５コードの受信信号の再サーチでの信号捕捉性能をも向上させる衛星航法装置を提供することを目的とする。

請求項１の衛星航法装置は、同一の衛星から、所定の送信キャリアが、同期し且つ異なる変調コードによってスペクトル拡散されて送信される複数の衛星信号を受信し、それら各衛星信号をそれぞれ逆拡散して追尾する衛星航法装置において、
各衛星信号の受信キャリア周波数と発生キャリア周波数とのキャリア相関を求めるキャリア相関部と、
各衛星信号の受信変調コード位相と発生変調コード位相とのコード位相相関を求めるコード位相相関部と、
キャリア相関及びコード位相相関された各衛星信号の相関値を足し合わせた加算相関値のレベルを、検出する相関度検出部を有し、
各衛星信号を追尾している状態から追尾が外れ、再サーチを行う場合に、
前記発生キャリア周波数を発生させる際に、それぞれの衛星信号の衛星からの衛星送信周波数に比例する量として変化するオフセット周波数と、追尾していたときの発生キャリア周波数と、に応じて各サーチキャリア周波数を決定し、且つ、前記発生変調コード位相を発生させる際に、それぞれの衛星信号の衛星からの変調コードのビットレートに比例する量として変化するオフセットコード位相と、追尾していたときの発生変調コード位相と、に応じて各サーチコード位相を決定して、
各衛星信号に対して前記発生キャリア周波数と前記発生変調コード位相とを変化させながら、前記キャリア相関部でのキャリア相関と前記コード位相相関部でのコード位相相関を並行して行い、
前記相関度検出部での加算相関値に基づいて、各衛星信号におけるキャリア周波数とコード位相の再捕捉を行うことを特徴とする。

請求項２の衛星航法装置は、請求項１に記載の衛星航法装置において、キャリア相関及びコード位相相関された各相関値に、それぞれ重み付けを行う重み付加部を設け、各衛星信号の受信状態に応じた重み付けを与えた上で、前記相関度検出部に供給することを特徴とする。

請求項３の衛星航法装置は、請求項１または２に記載の衛星航法装置において、前記複数の衛星信号は、ＧＰＳ衛星から送信されるＬ１Ｃ／Ａコード、Ｌ２ＣＭコード、Ｌ２ＣＬコード、Ｌ５Ｉ５コード、及びＬ５Ｑ５コードのうちの少なくとも２つを含むことを特徴とする。

本発明の衛星航法装置によれば、再サーチの際に、相関度検出部による各相関値を足し合わせた加算相関値のレベルに基づいてキャリア周波数とコード位相の再捕捉を行うから、捕捉性能を向上することができる。

また、衛星送信周波数ｆ_Lnに比例する量として変化するオフセット周波数ｋ・Δｆ_Lnと、追尾していたときの発生キャリア周波数ｆｏ_Lnと、に応じてサーチキャリア周波数を決定し、且つ衛星からの変調コードのビットレートすなわち単位時間当たりの位相変化量φ_Lnに比例する量として変化するオフセットコード位相ｊ・Δφ_Lnと、追尾していたときの発生コード位相φｏ_Lnと、に応じてサーチコード位相を決定する。したがって、複数の衛星信号の再サーチを同時に開始して、同時に捕捉することができる。

また、各衛星信号の受信状態、例えば、受信時間率や信号強度の標準偏差、に応じた重み付けを、各相関値に与えた上で、相関度検出部に供給するから、より適切に相関度の検出を行うことができる。

また、本発明の衛星航法装置は、近代化されたＧＰＳの外にも、ロシアのＧＬＯＮＡＳＳ，欧州のＧＡＬＩＬＥＯ、米国のＷＡＡＳ、日本のＭＳＡＳ，欧州のＥＧＮＯＳなど、同期した複数の変調コードによってそれぞれスペクトラム拡散された複数の衛星信号が送信される衛星航法システムに、広く適用することができる。

図１は、本発明に係る衛星航法装置の実施例の構成を示す図である。本発明の衛星航法装置は、同一の衛星から、所定の送信キャリアが、同期し且つ異なる変調コードによってスペクトル拡散されて送信される複数の衛星信号を受信し、それら各衛星信号をそれぞれ逆拡散して追尾する衛星航法システムに適用することができる。以下の実施例では、近代化される予定のＧＰＳに適用する衛星航法装置について説明するが、同様の他の衛星航法システムの衛星航法装置にも適用することができる。

図１において、アンテナ１０は、ＧＰＳの多数の衛星からの衛星信号を受信する。その多数の衛星のうちの一つの衛星から、Ｌ１Ｃ／Ａコードで変調されたＬ１搬送波（周波数：１５７５．４２ＭＨｚ）と、軍用のＰ（Ｙ）コードと直交したＢＰＳＫのＬ２Ｃコードで変調されたＬ２搬送波（周波数：１２２７．６０ＭＨｚ）を受信する。Ｌ２Ｃコードは、Ｌ２ＣＭコードとＬ２ＣＬコードという２種類の疑似雑音コードを時分割して構成されている。このうち、Ｌ２ＣＭコードの部分にはさらに航法データ（例、衛星の軌道情報や時刻情報等）がＢＰＳＫによって乗ぜられている。

さらに、位相が互いに直交しており変調タイミングは同期しているＬ５Ｉ５コード及びＬ５Ｑ５コードで変調されたＬ５搬送波（周波数：１１７６．４５ＭＨｚ）を受信する。これらＬＩＣ／Ａコード、Ｌ２ＣＭコード、Ｌ２ＣＬコード、Ｌ５Ｉ５コード、Ｌ５Ｑ５コード位相は互いに同期している。それらのコード周期やビットレートなどは、図６や図７に示されており、既に説明した通りである。

Ｌ１受信部１１０は、Ｌ１搬送波を数ＭＨｚの中間周波数に変換するダウンコンバータであり、フィルタによって、Ｌ２搬送波やＬ５搬送波などは除去され、Ｌ１搬送波の受信キャリア周波数が出力される。同様に、Ｌ２受信部１２０は、Ｌ１搬送波を数ＭＨｚの中間周波数に変換するダウンコンバータであり、フィルタによってＬ２搬送波の受信キャリア周波数が出力される。また、同様に、Ｌ５受信部１３０は、Ｌ５搬送波を数ＭＨｚの中間周波数に変換するダウンコンバータであり、フィルタによってＬ５搬送波の受信キャリア周波数が出力される。

Ｌ１周波数相関部２１０は、Ｌ１受信キャリア周波数とＬ１発生キャリア周波数とのキャリア相関を求める。このキャリア相関が得られている追尾状態においては、Ｌ１受信キャリア周波数にＬ１発生キャリア周波数が追尾するように、周波数追尾制御信号ＳｔｆＬ１によってＬ１発生キャリア周波数が制御される。

Ｌ２周波数相関部２２０は、Ｌ２受信キャリア周波数とＬ２発生キャリア周波数とのキャリア相関を求める。このキャリア相関が得られている追尾状態においては、Ｌ２受信キャリア周波数にＬ２発生キャリア周波数が追尾するように、周波数追尾制御信号ＳｔｆＬ２によってＬ２発生キャリア周波数が制御される。

Ｌ５周波数相関部２３０は、Ｌ５受信キャリア周波数とＬ５発生キャリア周波数とのキャリア相関を求める。このキャリア相関が得られている追尾状態においては、Ｌ５受信キャリア周波数にＬ５発生キャリア周波数が追尾するように、周波数追尾制御信号ＳｔｆＬ５によってＬ５発生キャリア周波数が制御される。

受信信号を復調するためには、キャリア相関器に与える発生キャリア周波数が、受信キャリア周波数と一致し、且つ、コード位相相関器に与える発生コード位相が、受信コード位相と一致していることが必要である。追尾している状態では、キャリア周波数及びコード位相が一致しており、受信信号の受信キャリア周波数や受信コード位相の変化に、発生キャリア周波数や発生コード位相が、追従して変化されている。

この追尾状態では、周波数サーチ指令信号Ｓｆｓは発生されていないので、各周波数相関部２１０、２２０、２３０では、周波数サーチは行われない。

図２は、Ｌ１周波数相関部２１０の構成例を示す図であり、相関器２１２とＬ１局部発振器２１４とＬ１探索周波数計算部２１６とＬ１周波数追尾制御部２１８を有している。

相関器２１２は、Ｌ１受信部１１０からの受信キャリア周波数と、Ｌ１局部発振器２１４から発生される発生キャリア周波数との相関を取り、Ｌ１受信コードを出力する。

Ｌ１周波数追尾制御部２１８は、追尾状態では、周波数追尾制御信号ＳｔｆＬ１によって、Ｌ１発振キャリア周波数が、Ｌ１受信キャリア周波数を追尾するように制御されるキャリア周波数制御信号を発生し、Ｌ１探索周波数計算部２１６を介してＬ１局部発振器２１４に入力する。なお、追尾状態では、周波数サーチ指令信号Ｓｆｓが発生されていないので、発生キャリア周波数制御信号は、Ｌ１探索周波数計算部２１６をそのまま通過してＬ１局部発振器２１４へ入力される。

Ｌ１受信キャリア周波数を追尾している状態から追尾が外れると、再サーチを行う。追尾が外れると、Ｌ１周波数追尾制御部２１８の発生キャリア周波数は追尾していたときの発生キャリア周波数に固定される。そして、Ｌ１探索周波数計算部２１６は、追尾外れに応じて発生される周波数サーチ指令信号Ｓｆｓに応じて、その衛星からの衛星送信周波数に比例する量として変化するオフセット周波数と、追尾していたときの発生キャリア周波数とを加算した発生キャリア周波数を発生するような、発生キャリア周波数制御信号をＬ１局部発振器２１４へ供給する。即ち、追尾外れ時に発生される、加算した発生キャリア周波数は、当該衛星からのＬ１送信周波数ｆ_Lnに比例する量として変化するオフセット周波数と、追尾していたときの発生キャリア周波数とに応じて決定される。

なお、Ｌ１探索周波数計算部２１６からの発生キャリア周波数制御信号は、Ｌ１周波数追尾制御部２１８にも入力される。これは、再サーチの結果、受信信号が捕捉されたときに、その捕捉時の発生キャリア周波数を、再追尾時に用いるためである。

Ｌ２周波数相関部２２０と、Ｌ５周波数相関部２３０の構成例は、Ｌ１周波数相関部２１０の構成例を示す図２と同様な構成であり、図２の「Ｌ１」がそれぞれ「Ｌ２」もしくは「Ｌ５」に変更されることになる。

図１に戻って、Ｌ１Ｃ／Ａコード位相相関部３１０は、Ｌ１周波数相関部２１０からのＬ１Ｃ／Ａ受信コードと、Ｌ１Ｃ／Ａ発生コードとのコード相関を求める。このコード相関が得られている追尾状態においては、Ｌ１Ｃ／Ａ受信コード位相にＬ１Ｃ／Ａ発生コード位相が追尾するように、コード位相追尾制御信号ＳｔφＬ１Ｃ／ＡによってＬ１Ｃ／Ａ発生コード位相が制御される。

Ｌ２ＣＭコード位相相関部３２０は、Ｌ２周波数相関部２２０からのＬ２ＣＭ受信コードと、Ｌ２ＣＭ発生コードとのコード相関を求める。このコード相関が得られている追尾状態においては、Ｌ２ＣＭ受信コード位相にＬ２ＣＭ発生コード位相が追尾するように、コード位相追尾制御信号ＳｔφＬ２ＣＭによってＬ２ＣＭ発生コード位相が制御される。

Ｌ２ＣＬコード位相相関部３３０は、Ｌ２周波数相関部２２０からのＬ２ＣＬ受信コードと、Ｌ２ＣＬ発生コードとのコード相関を求める。このコード相関が得られている追尾状態においては、Ｌ２ＣＬ受信コード位相にＬ２ＣＬ発生コード位相が追尾するように、コード位相追尾制御信号ＳｔφＬ２ＣＬによってＬ２ＣＬ発生コード位相が制御される。

Ｌ５Ｉ５コード位相相関部３４０は、Ｌ５周波数相関部２３０からのＬ５Ｉ５受信コードと、Ｌ５Ｉ５発生コードとのコード相関を求める。このコード相関が得られている追尾状態においては、Ｌ５Ｉ５受信コード位相にＬ５Ｉ５発生コード位相が追尾するように、コード位相追尾制御信号ＳｔφＬ５Ｉ５によってＬ５Ｉ５発生コード位相が制御される。

また、同様に、Ｌ５Ｑ５コード位相相関部３５０は、Ｌ５周波数相関部２３０からのＬ５Ｑ５受信コードと、Ｌ５Ｑ５発生コードとのコード相関を求める。このコード相関が得られている追尾状態においては、Ｌ５Ｑ５受信コード位相にＬ５Ｑ５発生コード位相が追尾するように、コード位相追尾制御信号ＳｔφＬ５Ｑ５によってＬ５Ｑ５発生コード位相が制御される。

追尾状態では、コード位相サーチ指令信号Ｓφｓもやはり発生されていないので、各コード位相相関部３１０〜３５０では、コード位相サーチは行われない。

図３は、Ｌ１Ｃ／Ａコード位相相関部３１０の構成例を示す図であり、相関器３１２とＬ１Ｃ／Ａコード発生器３１４とＬ１Ｃ／Ａ探索コード位相計算部３１６とＬ１Ｃ／Ａコード位相追尾制御部３１８と同期加算部３１９を有している。

相関器３１２は、Ｌ１周波数相関部２１０からのＬ１Ｃ／Ａ受信コードと、Ｌ１Ｃ／Ａコード発生器３１４から発生される発生コードとの相関を取り、コード相関値を出力する。

Ｌ１Ｃ／Ａコード位相追尾制御部３１８は、追尾状態では、コード位相追尾制御信号ＳｔφＬ１Ｃ／Ａによって、Ｌ１Ｃ／Ａ発生コード位相が、Ｌ１Ｃ／Ａ受信コード位相を追尾するように制御されるコード位相制御信号を発生し、Ｌ１Ｃ／Ａ探索コード位相計算部３１６を介してＬ１Ｃ／Ａコード発生器３１４に入力する。なお、追尾状態では、コード位相サーチ指令信号Ｓφｓが発生されていないので、コード位相追尾制御信号ＳｔφＬ１Ｃ／ＡはＬ１Ｃ／Ａ探索コード位相計算部３１６をそのまま通過してＬ１Ｃ／Ａコード相関器３１４へ入力される。

Ｌ１Ｃ／Ａ受信コード位相を追尾している状態から追尾が外れると、再サーチを行う。追尾が外れると、Ｌ１Ｃ／Ａコード位相追尾制御部３１８の発生コード位相は追尾していたときの発生コード位相に固定される。そして、Ｌ１Ｃ／Ａ探索コード位相計算部３１６は、追尾外れに応じて発生されるコード位相サーチ指令信号Ｓφｓに応じて、その衛星からの衛星信号の変調コードのビットレートに比例する量として変化するオフセットコード位相と、追尾していたときの発生コード位相とを加算した発生コード位相を発生するような、発生コード位相制御信号をＬ１Ｃ／Ａコード相関器３１４へ供給する。即ち、追尾外れ時に発生される、加算した発生コード位相は、当該衛星からの変調コードのビットレートすなわち単位時間当たりの位相変化量に比例する量として変化するオフセットコード位相と、追尾していたときの発生コード位相とに応じて決定される。

なお、Ｌ１Ｃ／Ａ探索コード位相計算部３１６からの発生コード位相制御信号は、Ｌ１Ｃ／Ａコード位相追尾制御部３１８にも入力される。これは、再サーチの結果、受信信号が捕捉されたときに、その捕捉時の発生コード位相を、再追尾時に用いるためである。

同期加算部３１９は、相関器３１２から出力される相関値を一定時間に亘って同期加算し、Ｌ１Ｃ／Ａコードの相関値として、出力する。その同期加算する一定時間は、Ｌ１Ｃ／Ａコードの周期に合わせて決められる。その一定時間は、通常、Ｌ１Ｃ／Ａコード周期の整数倍に設定される。その整数倍は、感度を良くしたい場合には長く設定されることが良く、また、サーチ時間を短くしたい場合には短く設定されることがよい。

Ｌ２ＣＭコード位相相関部３２０、Ｌ２ＣＬコード位相相関部３３０、Ｌ５Ｉ５コード位相相関部３４０、Ｌ５Ｑ５コード位相相関部３５０の構成例は、Ｌ１Ｃ／Ａコード位相相関部３１０の構成例を示す図３と同様な構成であり、図３の「ＬＣ／Ａ１」がそれぞれ「Ｌ２ＣＭ」、「Ｌ２ＣＬ」、「Ｌ５Ｉ５」もしくは「Ｌ５Ｑ５」に変更されることになる。

再び、図１に戻って、重み付加部４１０は、Ｌ１Ｃ／Ａコード位相相関部３１０からのＬ１Ｃ／Ａコード相関値に、重み付け制御信号ＳｗｔＬ１Ｃ／Ａに応じた重みを付加する。また、重み付加部４２０、４３０、４４０、４５０は、コード位相相関部３２０、３３０、３４０、３５０からのＬ２ＣＭ、Ｌ２ＣＬ、Ｌ５Ｉ５、Ｌ５Ｑ５の各コード相関値に、重み付け制御信号ＳｗｔＬ２ＣＭ、ＳｗｔＬ２ＣＬ、ＳｗｔＬ５Ｉ５、ＳｗｔＬ５Ｑ５に応じた重みを、それぞれ付加する。

これらの重み付け制御信号ＳｗｔＬ２ＣＭ、ＳｗｔＬ２ＣＬ、ＳｗｔＬ５Ｉ５、ＳｗｔＬ５Ｑ５は、追尾状態では全て規定値（例、１）にしておき、再サーチ時には、各受信信号Ｌ１Ｃ／Ａ、Ｌ２ＣＭ、Ｌ２ＣＬ、Ｌ５Ｉ５、Ｌ５Ｑ５の受信状態を追尾中に観測しておき、それぞれの受信状態に応じて所定の重み付け値にすることができる。例えば、追尾中の受信状態としては、受信時間率や、信号強度の標準偏差などが用いられる。例えば、受信時間率が、高いほど受信が安定しているので、受信時間率に比例するように、重み付け値を大きくする。また、信号強度の標準偏差が、小さいほど受信が安定しているので、その標準偏差が大きくなるほど、重み付け値を小さくすることがよい。

加算回路５００は、重み付加部４１０〜４５０でそれぞれ重み付けされた相関値を加算し、相関度検出部６００へ供給する。

相関度検出部６００は、加算回路５００からの加算相関値を監視する。再サーチ時において、加算相関値が、第１所定閾値を超えたときに受信信号が捕捉されたと判定する。また、加算相関値が、ピーク値になったときに受信信号が捕捉されたと判定するようにしてもよく、この場合には、相関度検出部６００を相関ピーク検出部と言い換えても良い。この相関度検出部６００で、加算相関値に基づいて受信信号が捕捉されたと判定されたときに、その捕捉判定信号を、制御装置９００に供給する。

相関度検出部６００は、また、追尾状態においても、加算相関値が入力されており、追尾状態が何らかの原因で外れた場合に、その加算相関値が第２所定閾値よりも低くなることを検出して、同期外れの判定を行うようにする。この同期外れの判定信号を、また、制御装置９００に供給する。

なお、コード位相相関部３１０〜３５０の相関値を、同期外れの判定に用いるようにすることができる。この場合に、いずれか１つのコード位相相関部の相関値を用いて、その相関値レベルで、同期外れを検出することがよい。

制御装置９００は、本発明の衛星航法装置の制御を司るものであり、相関度検出部６００からの再サーチでの捕捉判定信号、追尾状態での同期外れ判定信号が入力され、再サーチを行う際の周波数サーチ指令信号Ｓｆｓやコード位相サーチ指令信号Ｓφｓ、各周波数制御信号ＳｔｆＬ１、ＳｔｆＬ２、ＳｔｆＬ５や、各コード位相制御信号ＳｔφＬ１Ｃ／Ａ、ＳｔφＬ２ＣＭ、ＳｔφＬ２ＣＬ、ＳｔφＬ５Ｉ５、ＳｔφＬ５Ｑ５を発生する。また、重み付け制御信号ＳｔｗＬ１Ｃ／Ａ〜ＳｔｗＬ５Ｑ５を発生する。その他、図示しないが、本発明の衛星航法装置の制御に必要な制御信号を発生する。

なお、本発明の衛星航法装置には、コンピュータを用いたソフトウエア処理を用いることができ、したがって、この実施例において、各構成部は、ソフトウエア処理と専用ハードウエア装置の組み合わせによって、或いはハードウエアもしくはソフトウエアによって、実現することができる。

さて、以上のように構成される本発明の衛星航法装置の動作を、図４の再サーチ時のタイミングチャート、図５の各コード位相の説明図をも参照して、説明する。

まず、追尾状態においては、周波数追尾制御信号ＳｔｆＬ１〜ＳｔｆＬ５によって、各受信キャリア周波数に各発生キャリア周波数が追尾するように制御されており、且つ、コード位相追尾制御信号ＳｔφＬ１Ｃ／Ａ〜ＳｔφＬ５Ｑ５によって、各受信コード位相に各発生コード位相が追尾するように制御されているから、各受信信号についてキャリア相関及びコード相関が得られている。したがって、相関度検出部６００への加算相関値は第２所定閾値を超えており、制御装置９００からは周波数サーチ指令信号Ｓｆｓ、コード位相サーチ指令信号Ｓφｓは発生されていない。

ＧＰＳ信号の追尾中に、建物でＧＰＳ信号が遮られるなどの理由でＧＰＳ信号の受信が途絶えると（図４の時点ｔ１）、各周波数相関部２１０〜２３０、各コード位相相関部３１０〜３５０での相関は得られないから、相関度検出部６００への加算相関値は第２所定閾値を下回り、同期外れを検出する。

同期外れが検出されると、制御装置９００は、周波数サーチ指令信号Ｓｆｓ、コード位相サーチ指令信号Ｓφｓを発生し、且つ、周波数追尾制御信号ＳｔｆＬ１〜ＳｔｆＬ５及びコード位相追尾制御信号ＳｔφＬ１Ｃ／Ａ〜ＳｔφＬ５Ｑ５を同期外れ直前の状態に維持する。また、重み付け制御信号ＳｗｔＬ１Ｃ／Ａ〜ＳｗｔＬ５Ｑ５は、それぞれ所定値に設定される。

再サーチの開始時には、追尾状態の最終時点ｔ１におけるＬ１、Ｌ２、Ｌ５の各発生キャリア周波数を、各探索周波数の初期値とする。ＧＰＳ信号は、ＧＰＳ衛星の運動によってドップラー偏移を受けており、再サーチ中に僅かずつ受信キャリア周波数が変化するので、各周波数相関部２１０〜２３０の探索周波数計算部にて、探索周波数を初期値を中心に所定周波数範囲をスキャンさせて、その周波数変化をカバーする。

同様に、再サーチの開始時には、追尾状態の最終時点ｔ１におけるＬ１Ｃ／Ａ、Ｌ２ＣＭ、Ｌ２ＣＬ、Ｌ５Ｉ５、Ｌ５Ｑ５の各発生コード位相を、各探索コード位相の初期値とする。ここでコードチップとはコード位相の単位であり、コードの１ビットに相当する位相角を１チップと呼ぶ。ＧＰＳ信号は、再サーチ中に僅かずつ受信キャリア周波数が変化するので、相関値が最大となる各コード位相は、追尾時の最終コードチップ（初期値）から次第にずれていく。各コード位相相関部３１０〜３５０の探索コード位相相関部にて、探索コード位相を初期値を中心に所定コード位相範囲をスキャンさせて、そのコード位相変化をカバーする。

再サーチ時の動作を、探索周波数及び探索コード位相について、詳しく説明する。まず、探索周波数については、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ５のいずれの周波数についても追尾状態が外れるまでは追尾できていたのであり、追尾外れと実質的に同時に時点ｔ１で再サーチを開始する。したがって、再サーチ開始時点のＬ１、Ｌ２、Ｌ５の受信キャリア周波数は、追尾状態の最終時点ｔ１におけるＬ１、Ｌ２、Ｌ５の各発生キャリア周波数に等しいとして扱って良い。

Ｌ１、Ｌ２、Ｌ５の受信キャリア周波数は、再サーチ中に僅かずつ変化するが、その変化量Δｆ_L1、Δｆ_L2、Δｆ_L5と、それぞれの衛星信号の衛星からの衛星送信周波数ｆ_L1、ｆ_L2、ｆ_L5には、次の式（１）のような関係がある。

Δｆ_L1／ｆ_L1＝Δｆ_L2／ｆ_L2＝Δｆ_L5／ｆ_L5 （１）
Δｆ_L1：Ｌ１信号の受信キャリア周波数の変化量
Δｆ_L2：Ｌ２信号の受信キャリア周波数の変化量
Δｆ_L5：Ｌ５信号の受信キャリア周波数の変化量
ｆ_L1：衛星から送信されるＬ１信号のキャリア周波数
ｆ_L2：衛星から送信されるＬ２信号のキャリア周波数
ｆ_L5：衛星から送信されるＬ５信号のキャリア周波数

この式（１）の関係を利用して、再サーチでの周波数スキャンの際、Ｌ１信号、Ｌ２信号及びＬ５信号の探索周波数の初期値（即ち、追尾時の最終の発生キャリア周波数）からのオフセットが、変化量Δｆ_L1、Δｆ_L2、Δｆ_L5の関係を保つようにしながら、各探索周波数をスキャンさせる。これにより、例えば、Ｌ１探索周波数がＬ１信号の受信キャリア周波数に合致したときに、Ｌ２探索周波数及びＬ５探索周波数も同時に、Ｌ２信号及びＬ５信号の受信キャリア周波数に合致させることができる。

その再サーチでの周波数スキャンの例が、図４の（ｂ）に示されている。再サーチの開始時点ｔ１から、探索周波数を所定範囲に亘って、次の式（２）のようにスキャンする。式（２）では、Ｌ１信号を例にしているが、Ｌ２信号やＬ５信号についても同様である。

ｆｓ_L1＝ｆｏ_L1＋ｋ・Δｆ_L1 （２）
ｆｓ_L1：Ｌ１探索周波数
ｆｏ_L1：Ｌ１信号の探索周波数の初期値
ｋ ：係数、０、＋１、−１、＋２、−２、＋３、・・・・

この式（２）に示されるような、所定周波数範囲内の探索周波数のスキャンを、第１所定時間Ｔ１で行い、衛星信号が再び捕捉されるまで繰り返し行う。

次に、探索コード位相について説明する。いずれのコードについても、追尾状態が外れるまでは追尾できていたのであり、追尾外れと実質的に同時に時点ｔ１で再サーチを開始する。したがって、再サーチ開始時点のＬ１Ｃ／Ａ、Ｌ２ＣＭ、Ｌ２ＣＬ、Ｌ５Ｉ５、Ｌ５Ｑ５の受信コード位相は、追尾状態の最終時点ｔ１におけるＬ１Ｃ／Ａ、Ｌ２ＣＭ、Ｌ２ＣＬ、Ｌ５Ｉ５、Ｌ５Ｑ５の各発生コード位相に等しいとして扱って良い。

Ｌ１Ｃ／Ａ、Ｌ２ＣＭ、Ｌ２ＣＬ、Ｌ５Ｉ５、Ｌ５Ｑ５の受信コード位相は、再サーチ中に僅かずつ変化するが、その変化量Δφ_L1C/A、Δφ_L2CM、Δφ_L2CL、Δφ_L5I5、Δφ_L5Q5と、それぞれの衛星信号の衛星からの各コードのビットレートには、次の式（３）のような関係がある。

Δφ_L1C/A＝Δφ_L2CM／０．５＝Δφ_L2CL／０．５
＝Δφ_L5I5／１０＝Δφ_L5Q5／１０ （３）
Δφ_L1C/A：Ｌ１Ｃ／Ａコード位相の変化量
Δφ_L2CM ：Ｌ２ＣＭコード位相の変化量
Δφ_L2CL ：Ｌ２ＣＬコード位相の変化量
Δφ_L5I5 ：Ｌ５Ｉ５コード位相の変化量
Δφ_L5Q5 ：Ｌ５Ｑ５コード位相の変化量
０．５ ：Ｌ２ＣＭ及びＬ２ＣＬコードのビットレートとＬ１Ｃ／Ａコードのビットレ ートとの比
１０ ：Ｌ５Ｉ５及びＬ５Ｑ５コードのビットレートとＬ１Ｃ／Ａコードのビットレ ートとの比

これらの関係の一例を図５に示している。再サーチ開始時点ｔ１のコード位相が、Ｌ２ＣＬコードのコード列の開始点（即ち、０チップ目）から時間にして２１．６８５２ｍｓの時点にあったとする。この時点ｔ１での各コードのコードチップは、Ｌ１Ｃ／Ａ＝７０１チップ目、Ｌ２ＣＭ＝８６２チップ目、Ｌ２ＣＬ＝１１０９２チップ目、Ｌ５Ｉ５＝７０１０チップ目、Ｌ５Ｑ５＝７０１０チップ目となる。この位相関係は、図７にも示しているので参照されたい。

この時点ｔ１から、或る時間だけ経過した時点で、Ｌ１Ｃ／Ａコードが＋１０チップずれたとすると、Ｌ２ＣＭコードは＋５チップ、Ｌ２ＣＬコードは＋５チップ、Ｌ５Ｉ５コードは＋１００チップ、Ｌ５Ｑ５コードは＋１００チップずれることになる。したがって、現在の各コード位相は、Ｌ１Ｃ／Ａ＝７１１チップ目、Ｌ２ＣＭ＝８６７チップ目、Ｌ２ＣＬ＝１１０９７チップ目、Ｌ５Ｉ５＝７１１０チップ目、Ｌ５Ｑ５＝７１１０チップ目となる。

この関係を利用して、再サーチでの各コード位相のスキャンの際、Ｌ１Ｃ／Ａ、Ｌ２ＣＭ、Ｌ２ＣＬ、Ｌ５Ｉ５、Ｌ５Ｑ５の探索コード位相の初期値（即ち、追尾時の最終コードチップ）からのオフセットが、式（３）の関係を保つようにしながら、各探索コード位相をスキャンさせる。これにより、例えば、Ｌ１Ｃ／Ａ探索コード位相がＬ１Ｃ／Ａ受信コード位相に合致したときに、他のＬ２ＣＭ、Ｌ２ＣＬ、Ｌ５Ｉ５、Ｌ５Ｑ５の探索コード位相も全て、それぞれＬ２ＣＭ、Ｌ２ＣＬ、Ｌ５Ｉ５、Ｌ５Ｑ５の受信コード位相に合致させることができる。

その再サーチでのコード位相スキャンの例が、図４の（ｃ）に示されている。再サーチの開始時点ｔ１から、探索コード位相を所定範囲に亘って、次の式（４）のようにスキャンする。式（４）では、Ｌ１信号を例にしているが、Ｌ２信号やＬ５信号についても同様である。

φｓ_L1＝φｏ_L1＋ｊ・Δφ_L1 （４）
φｓ_L1：Ｌ１探索コード位相
φｏ_L1：Ｌ１信号の探索コード位相の初期値
ｊ ：係数、０、＋１、−１、＋２、−２、＋３、・・・・

この式（４）に示されるような、所定コード位相範囲内の探索コード位相のスキャンを、第２所定時間Ｔ２で行い、衛星信号が再び捕捉されるまで繰り返し行う。図４（ｃ）では、図示を簡単にするために、探索コード位相は連続的に変化するように表現している。

ＧＰＳ信号を復調するためには、Ｌ１受信信号、Ｌ２受信信号、及びＬ５受信信号について、各受信キャリア周波数と各発生キャリア周波数とが一致し、且つ、各受信コード位相と各発生コード位相とが一致することが必要である。このために、コード相関器に与えるコード位相のスキャンと、キャリア相関器に与える周波数のスキャンとを並行して実施し、コードとキャリアの双方の相関ピーク点を探索する。

図４において、衛星信号が時点ｔ１で断状態になると、直ちに探索周波数及び探索コード位相のスキャンが開始される。

探索周波数が或る特定周波数にあるときに、探索コード位相は第２所定時間Ｔ２の間に所定コード位相範囲内のスキャンを行う。この第２所定時間Ｔ２毎に、探索周波数が変更されその都度、所定コード位相範囲内のスキャンが行われる。

所定周波数範囲内の探索周波数のスキャンが第１所定時間Ｔ１かけて行われると、引き続いて、周波数及びコード位相の探索が繰り返して行われる。

図４（ａ）のように、衛星信号が探索周波数の第２回目のスキャン中の時点ｔ２で回復すると、その回復時点ｔ２の後に、探索周波数が受信キャリア周波数と一致し、且つ、探索コード位相が受信コード位相と一致する時点ｔ３で、衛星信号が再び捕捉される。

衛星信号が捕捉されると、各コード位相相関値３１０〜３５０からの相関値は大きくなり、重み付け、及び加算された加算相関値は、ピーク点或いは、相関度検出部６００の第１所定閾値を超える。そして、相関度検出部６００から制御装置９００へ捕捉判定信号が供給される。

制御装置９００は、その捕捉判定信号を受けて、その時点ｔ３の各受信キャリア周波数及び受信コード位相を追尾するように、周波数相関部２１０〜２３０及びコード位相相関部３１０〜３５０に、各制御信号ＳｔｆＬ１〜ＳｔφＬ５Ｑ５を送出する。このとき、周波数サーチ指令信号Ｓｆｓ、コード位相サーチ指令信号Ｓφｓ等の再サーチのための信号は発生されなくなる。

以上のような、周波数及びコード位相のスキャンを行うことで、Ｌ１Ｃ／Ａ、Ｌ２ＣＭ、Ｌ２ＣＬ、Ｌ５Ｉ５、Ｌ５Ｑ５の５種類全てのコード位相について同時に相関ピークを得ることができる。即ち、相関ピークを検出したときには、５種類全てのコードの相関値が有意な値となっている。これらの相関値を加算回路５００で加算することによって、それぞれのコード単独の相関値よりも大きな値を得ることができ、Ｓ／Ｎ比を改善することができる。

したがって、時分割されて、信号電力が半分になっているＬ２Ｃコード（Ｌ２ＣＭコードとＬ２ＣＬコード）の再サーチでの信号捕捉性能を向上させることができる。また、Ｌ１Ｃ／Ａや、Ｌ５Ｉ５、Ｌ５Ｑ５についても、他のコードと相関値を足し合わせることによって、単独で探索する場合よりも再サーチでの信号捕捉性能を向上させることができる。

以上説明した実施例では、Ｌ１Ｃ／Ａ、Ｌ２ＣＭ、Ｌ２ＣＬ、Ｌ５Ｉ５、Ｌ５Ｑ５の５種類全てのコードを用いているが、５種類のうちの２種類乃至４種類のコードを用いる場合にも本発明は有効である。

また、本発明の衛星航法装置は、近代化されたＧＰＳの外にも、ロシアのＧＬＯＮＡＳＳ，欧州のＧＡＬＩＬＥＯ、米国のＷＡＡＳ、日本のＭＳＡＳ，欧州のＥＧＮＯＳなど、同期した複数の変調コードによってそれぞれスペクトラム拡散された複数の衛星信号が送信される衛星航法システムに、広く適用することができる。

本発明に係る衛星航法装置の実施例の構成を示す図 Ｌ１周波数相関部の構成例を示す図 Ｌ１Ｃ／Ａコード位相相関部の構成例を示す図 本発明の衛星航法装置の再サーチ時のタイミングチャート 各コード位相の状態を説明する図 Ｌ２Ｃコードの時系列構造を示す図 各コードの同期関係を示す図

符号の説明

１０ アンテナ
１１０ Ｌ１受信部
１２０ Ｌ２受信部
１３０ Ｌ５受信部
２１０ Ｌ１周波数相関部
２１２ 相関器
２１４ Ｌ１局部発振器
２１６ Ｌ１探索周波数計算部
２１８ Ｌ１周波数追尾制御部
２２０ Ｌ２周波数相関部
２３０ Ｌ５周波数相関部
３１０ Ｌ１Ｃ／Ａコード位相相関部
３１２ 相関器
３１４ Ｌ１Ｃ／Ａコード相関器
３１６ Ｌ１Ｃ／Ａ探索コード位相計算部
３１８ Ｌ１Ｃ／Ａコード位相追尾制御部
３１９ 同期加算部
３２０ Ｌ２ＣＭコード位相相関部
３３０ Ｌ２ＣＬコード位相相関部
３４０ Ｌ５Ｉ５コード位相相関部
３５０ Ｌ５Ｑ５コード位相相関部
４１０〜４５０ 重み付加部
５００ 加算回路
６００ 相関度検出部
９００ 制御装置
Ｓｆｓ 周波数サーチ指令信号
Ｓφｓ コード位相サーチ指令信号
ＳｔｆＬ１〜ＳｔｆＬ５ 周波数追尾制御信号
ＳｔφＬ１Ｃ／Ａ〜ＳｔφＬ５Ｑ５ コード位相追尾制御信号
ＳｗｔＬ１Ｃ／Ａ〜ＳｗｔＬ５Ｑ５ 重み付け制御信号

Claims (3)

1. 同一の衛星から、所定の送信キャリアが、同期し且つ異なる変調コードによってスペクトル拡散されて送信される複数の衛星信号を受信し、それら各衛星信号をそれぞれ逆拡散して追尾する衛星航法装置において、
   各衛星信号の受信キャリア周波数と発生キャリア周波数とのキャリア相関を求めるキャリア相関部と、
   各衛星信号の受信変調コード位相と発生変調コード位相とのコード位相相関を求めるコード位相相関部と、
   キャリア相関及びコード位相相関された各衛星信号の相関値を足し合わせた加算相関値のレベルを、検出する相関度検出部を有し、
   各衛星信号を追尾している状態から追尾が外れ、再サーチを行う場合に、
   前記発生キャリア周波数を発生させる際に、それぞれの衛星信号の衛星からの衛星送信周波数に比例する量として変化するオフセット周波数と、追尾していたときの発生キャリア周波数と、に応じて各サーチキャリア周波数を決定し、且つ、前記発生変調コード位相を発生させる際に、それぞれの衛星信号の衛星からの変調コードのビットレートに比例する量として変化するオフセットコード位相と、追尾していたときの発生変調コード位相と、に応じて各サーチコード位相を決定して、
   各衛星信号に対して前記発生キャリア周波数と前記発生変調コード位相とを変化させながら、前記キャリア相関部でのキャリア相関と前記コード位相相関部でのコード位相相関を並行して行い、
   前記相関度検出部での加算相関値に基づいて、各衛星信号におけるキャリア周波数とコード位相の再捕捉を行うことを特徴とする、衛星航法装置。
2. キャリア相関及びコード位相相関された各相関値に、それぞれ重み付けを行う重み付加部を設け、各衛星信号の受信状態に応じた重み付けを与えた上で、前記相関度検出部に供給することを特徴とする、請求項１に記載の衛星航法装置。
3. 前記複数の衛星信号は、ＧＰＳ衛星から送信されるＬ１Ｃ／Ａコード、Ｌ２ＣＭコード、Ｌ２ＣＬコード、Ｌ５Ｉ５コード、及びＬ５Ｑ５コードのうちの少なくとも２つを含むことを特徴とする、請求項１または２に記載の衛星航法装置。
   

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