JP5323301B2 - 衛星測位システム - Google Patents

Description

本発明は測位信号を送信する技術に関する。より特定的には、本発明は、同期の取れた測位信号を送信するシステムおよび方法に関する。

測位方法として、衛星から送信される信号を用いる方法が知られている。たとえば、ＧＰＳ（Global Positioning System）衛星から送信されるＧＰＳ信号が、測位のために使用される。すなわち、３つあるいはそれ以上のＧＰＳ衛星からそれぞれ送信されたＧＰＳ信号を受信した装置は、各々の信号に含まれるデータを読み取り、予め定められた演算処理を実行して、位置情報を算出する。この場合、データに含まれる時刻データの精度によって、当該位置情報の精度が定まるため、ＧＰＳ衛星には、高精度の時計（たとえば原子時計）が搭載される。この場合、各時計は、他の時計との間で同期している必要がある。そのため、各ＧＰＳ衛星に搭載される時計の同期を維持するために、たとえば地上に設置されたマスタ時計の時刻情報を用いて、衛星上の時計の時刻を補正する必要が生じる場合がある。

なお、衛星からの信号に基づいて測位を可能にするシステム、いわゆる衛星測位システムは、アメリカ合衆国により運用される上記のＧＰＳに加えて、現在欧州連合において運用が検討されているＧａｌｉｌｅｏ、ロシア連邦共和国が運用しているＧＬＯＮＡＳＳ（Global Navigation Satellite System）等を含むものとする。

以上本発明についての従来技術を、出願人の知得した一般的な技術情報に基づいて説明したが、出願人の記憶する範囲において、出願前までに先行技術文献情報として開示すべき情報を出願人は有していない。

上記のように無線信号により位置情報を算出する場合、以下の問題点があった。すなわち、各衛星に、あるいは、いわゆるスードライト（Pseudolite、擬似衛星）と称される地上に配置される送信装置に、高精度の時計を搭載する必要があるため、測位信号を送信するためのシステムを構築するためのコストが増加するという問題があった。

本発明は、上述の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、同期が取られた信号であって、測位のための信号を送信するシステムを提供することである。

本発明の他の目的は、システム内で１つの時計を用いて、同期が取れた信号であって、測位のための信号を送信するシステムを提供することである。

本発明の他の目的は、同期が取れた信号であって、測位のための信号を送信する方法を提供することである。

本発明の他の目的は、システム内で１つの時計を用いて、同期が取れた信号であって、測位のための信号を送信する方法を提供することである。

上記の課題を解決するために、この発明のある局面に従うと、測位のための測位信号を測位信号を受信する受信装置に送信するシステムが提供される。このシステムは、測位信号を送信する１つの送信装置を備える。１つの送信装置は、時刻を計測する計時手段と、符号化の対象となるデータを格納する記憶手段と、測位信号の送信元を識別するためのコードを用いて、記憶手段に格納されているデータを符号化することにより、時刻が含まれる測位信号を生成する生成手段と、生成手段により生成された測位信号を送信する送信手段とを含む。このシステムは、信号を中継する複数の中継器と、受信装置に、送信装置と複数の中継器の各々との位置関係を特定するためのデータを供給する供給手段とをさらに備える。複数の中継器の各々は、測位装置により送信された信号を受信する受信手段と、受信手段により受信された信号を送信する送信手段とを含む。

好ましくは、供給手段は、生成手段に位置関係を特定するためのデータを出力する出力手段を含む。

好ましくは、供給手段は、受信装置に対して、送信装置による通信の経路と異なる経路を介して、位置関係を特定するためのデータを送信する送信手段を含む。

好ましくは、送信装置および複数の中継器の各々は、複数の人工衛星の各々に搭載されている。

好ましくは、複数の人工衛星の少なくともいずれかは、予め定められた領域の上空に滞在している。

好ましくは、複数の人工衛星の各々は、複数の人工衛星の各々の間で予め定められた位置関係を維持しながら航行している。

好ましくは、生成手段は、送信装置が搭載されている人工衛星を識別するためのコードを用いた符号化により、測位信号を生成する。

好ましくは、計時手段は、原子時計である。
好ましくは、送信装置の送信手段は、無線により測位信号を送信する。中継器の受信手段は、無線により測位信号を受信する。

好ましくは、送信装置の生成手段は、スペクトラム拡散方式に基づく符号化により測位信号を生成する。

好ましくは、符号化により生成された信号の周期は、１ミリ秒と１週間との間である。
好ましくは、符号化により生成された信号の周期は、１秒と１時間との間である。

好ましくは、符号化により生成された信号の周期は、１分から予め定められた許容範囲内である。

好ましくは、中継器の送信手段は、受信手段により受信された信号の内容を変更することなく信号を送信する。

好ましくは、送信装置は、符号化の対象となるデータの入力を受ける受信手段をさらに含む。

好ましくは、符号化の対象となるデータは、送信装置の位置を特定するためのデータを含む。

本発明に係るシステムによると、送信装置および中継器により送信される信号は、共通の時刻情報を含むため、時刻の同期が取られている。したがって、これらの信号を受信する装置であって、位置情報を算出する機能を有する装置は、正確に自己の位置情報を算出することができる。

本発明に係るシステムによると、測位のための信号を送信するシステムは、最初に信号を発信する送信装置においてのみ、時刻を計測する手段を備える。中継装置は、当該手段を必要としない。このようにすると、中継装置の構成が簡略化されるため、中継装置が軽量化され、またコストを抑制することができる。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰り返さない。

＜第１の実施の形態＞
図１を参照して、本発明の実施の形態に係る測位のための信号（以下、測位信号と称す。）を送信するシステムについて説明する。図１は、そのシステムの構成を概略的に表わす図である。以下説明を容易にするため、ＧＰＳ信号についての各用語が用いられる。しかしながら、測位信号は、ＧＰＳ信号に限られない。

このシステムは、人工衛星１０２に搭載された送信装置２００と、人工衛星１０４に搭載されたリピータ３００−１と、人工衛星１０６に搭載されたリピータ３００−２とを含む。人工衛星１０２，１０４，１０６の位置関係は、予め特定されている。たとえば、当該位置関係を表わすためのデータは、各人工衛星を監視する地上の基地局において予め作成されている。この場合、当該データは、たとえば日時と各衛星が航行する位置とが関連付けられたものである。たとえば、いわゆるＧＰＳシステムにおいて用いられる軌道情報（ephemeris；放送暦）等を含む航法メッセージであってもよい。

ここで、人工衛星１０２，１０４，１０６は、たとえば通信衛星であるが、その他の衛星であってもよい。たとえば、現在日本国において検討されている準天頂衛星システムを構成する衛星であってもよい。このシステムを構成する衛星によると、少なくとも１機は、常時日本国の天頂付近に見えるように航行するため、たとえば高層ビルが林立する都市部においても、天頂付近を航行する衛星からの信号は、受信され易くなる。なお、準天頂衛星システムに相当する他のシステムが他国において実現される場合には、当該他のシステムを構成する衛星であってもよい。

送信装置２００は、自己を識別するためのコードを用いて符号化することにより生成された信号を送信する。すなわち送信装置２００は、信号Ｌｑｚ（１），Ｌｑｚ（２），Ｌｑｚ（３），Ｌｑｚ（４），Ｌｑｚ（５）をそれぞれ発信する。その信号のフレーム構造については図５を参照して詳述する。

リピータ３００−１は、送信装置２００から送信された信号Ｌｑｚ（１）を受信すると、その信号を増幅し、送信出力を高めて発信する。すなわちリピータ３００−１は、信号Ｌｑｚ（１１），Ｌｑｚ（１２），Ｌｑｚ（１３）をそれぞれ送信する。ここで、信号Ｌｑｚ（１）には、後述するように航法メッセージあるいは時刻情報等の位置を算出するためのデータが含まれているが、これらのデータは変更されない。送信された各信号は、その信号の受信機能を有する受信装置４００−２，４００−３あるいはアンテナ１２０などにより受信される。

リピータ３００−２は、送信装置２００から送信された信号Ｌｑｚ（２）を受信すると、その信号を増幅し、送信出力を高めて発信する。すなわちリピータ３００−２は、信号Ｌｑｚ（２１），Ｌｑｚ（２２），Ｌｑｚ（２３）をそれぞれ送信する。リピータ３００−２から送信された信号も、リピータ３００−１から送信された信号と同様に、受信機能を有する受信装置によって受信される。なお、リピータは、図１においては２つ示されているが、本発明に係るシステムを構成するためのリピータの数は、２つ以上であればよい。好ましくは、当該システムは、３つのリピータを備えることが好ましい。

図１を再び参照して、地上には、受信装置４００−２，４００−３がそれぞれ設置されている。受信装置４００−２は、建物１１０の屋上に配置されており、人工衛星１０２，１０４，１０６からそれぞれ発信された信号を受信することができる。また建物１１２には、アンテナ１２０が設けられている。アンテナ１２０は、各人工衛星１０２，１０４，１０６から送信された信号を受信することができる。アンテナ１２０は、信号Ｌｑｚ（３），Ｌｑｚ（１１），Ｌｑｚ（２１）をそれぞれ受信する。受信された信号は、ケーブルを介して中継装置１３０−１，１３０−２，１３０−３にそれぞれ伝送される。図１に示されるより多くの中継装置が建物１１０に用いられてもよい。中継装置１３０−１，１３０−２，１３０−３は、その信号を建物１１０の屋内に発信する。受信装置４００−１は、信号Ｌｑｚ（１１），Ｌｑｚ（２１），Ｌｑｚ（３）をそれぞれ受信することができる。

図２を参照して、本発明の実施の形態に係るシステムを構成する送信装置２００について説明する。図２は、送信装置２００のハードウェア構成を表わすブロック図である。

送信装置２００は、信号生成回路２１０とクロック２２０と発振器２３０と、乗算器２４０と、アップコンバータ２５０と、送信部２６０と、アンテナ２７０とを含む。クロック２２０により計測された時刻のデータは、信号生成回路２１０に入力される。信号生成回路２１０は、その時刻のデータと航法メッセージ２１４とに基づいて測位信号（たとえばＧＰＳ信号）を生成する。航法メッセージ２１４は、たとえば地上に設置されている衛星の基地局（図示しない）から送信される。

信号生成回路２１０は、たとえばスペクトル拡散通信方式に基づく符号化によりその信号を生成する。信号生成回路２１０から出力される信号は、乗算器２４０に入力される。発振器２３０から出力される信号も、乗算器２４０に入力される。乗算器２４０は、信号生成回路２１０からの測位信号を発振器２３０からの搬送波により変調して、中間周波数の信号を生成する。生成された信号は、アップコンバータ２５０に入力される。

アップコンバータ２５０は、乗算器２４０から出力される中間周波数信号の周波数を空間伝送のための周波数に上げ、アップコンバート後の信号を送信部２６０に出力する。送信部２６０は、ハイパワーアンプ（図示しない）を含み、入力された信号を送信するための出力を高め、当該出力が高められた信号を送信する。その信号はアンテナ２７０を介して宇宙空間に発信される。

以下、測位信号をＧＰＳ信号を例にして説明する。
たとえば、送信装置２００がＧＰＳ信号を送信するための装置である場合には、送信装置２００からの信号は、人工衛星ごとに識別可能な擬似ランダム系列からなるＣ／Ａ（Coarse and Access）コード（または、ＰＲＮコードとも称される。）により、スペクトラム拡散方式により符号化されている。この場合、各Ｃ／Ａコード（Ｐコード）は、１０２４ビットである。なお、本実施の形態において、測位信号はＧＰＳ信号を変更したものであるため、その送信される測位信号はＧＰＳ信号そのものではないことに留意されるべきである。

図３を参照して、本発明の実施の形態に係るシステムを構成するリピータについて説明する。図３は、リピータ３００のハードウェア構成を表わすブロック図である。ここで、リピータ３００は、図１に示されるリピータ３００−１，３００−２その他のリピータを総称するものとして説明する。

リピータ３００は、アンテナ３１０と、ローノイズ増幅器３２０と、送信部３８０と、アンテナ３９０とを含む。アンテナ３１０は、送信装置２００から送信された信号（たとえば図１に示されるＬｑｚ（１）、Ｌｑｚ（２））を受信する。受信された信号は、ローノイズ増幅器３２０に入力される。ローノイズ増幅器３２０は、その入力された、微弱な信号を増幅して送信部３８０に出力する。送信部３８０は、その信号をアンテナ３９０に対して伝送する。アンテナ３９０は、送信部３８０からの信号を発信する。すなわち、リピータ３００は、アンテナ３１０により受信された信号をその内容を変更することなく再び発信する。したがって、たとえば、リピータ３００により受信される信号が時刻情報を含んでいる場合、その情報は変更されることなくそのまま出力される。

なお、アンテナ３１０は、たとえば電波の受信性能を維持するために、アンテナ３１０の向きを変えるためのアクチュエータその他の駆動装置（図示しない）と、駆動装置の位置を制御するためのコントローラ（図示しない）とをさらに有していてもよい。この場合、コントローラに駆動装置の位置を変更させることにより、アンテナ３１０が送信装置２００から発信された電波を確実に受信させることができる。

図４を参照して、本発明の実施の形態に係るシステムより送信される信号を受信可能なＧＰＳ受信機４００について説明する。図４は、ＧＰＳ受信機４００のハードウェア構成を表わすブロック図である。ＧＰＳ受信機４００は、たとえばＧＰＳ機能により測位を行なう専用装置、ＧＰＳ機能を有する携帯電話等である。

ＧＰＳ受信機４００は、アンテナ４０２と、ローノイズ増幅器４０４と、ダウンコンバータ４０６と、中間増幅器４０８と、乗算器４１０と、並列コリレータ回路４３０と、発振回路４２２と、ＣＰＵ（Central Processing Unit）４５０と、メモリ４６０と、ディスプレイ４７０とを含む。メモリ４６０は、たとえばフラッシュメモリにより実現され、外部から入力された放送暦、さらには、位置を特定するための演算処理を実行するソフトウェア等を格納している。メモリ４６０に格納される情報は、たとえばインターネットのような通信回線を介して、当該情報を予め有している情報提供者あるいはシステム開発者から取得される場合がある。あるいは、ＧＰＳ信号から取得される場合もある。より詳しくは、ＧＰＳ受信機４００がたとえばＧＰＳ機能を有する携帯電話機である場合には、上記の情報は、当該電話機の使用者あるいは製造者によりＧＰＳ受信機４００に格納可能である。

測位信号は、アンテナ４０２により受信される。その信号は、ローノイズ増幅器４０４に入力される。ローノイズ増幅器４０４は、ノイズをカットし、フィルタ処理された信号を増幅し、そして増幅された信号をダウンコンバータ４０６に対して出力する。ダウンコンバータ４０６は、その信号を中間周波数信号に変換し、中間増幅器４０８に対して出力する。中間増幅器４０８は、入力された中間周波数信号を増幅して乗算器４１０に対して出力する。

発振回路４２２からは、中間周波数信号の周波数ｆ_ＩＦを、上記放送暦に基づいて計算されたドップラー周波数ｆ_Ｄをずらせた周波数（ｆ_ＩＦ＋ｆ_Ｄ）の信号が出力される。この周波数の信号は、乗算器４１０に入力される。

乗算器４１０は、発振回路４２２からの周波数の信号と、中間増幅器４０８からの信号とを積算する。これにより、中間周波数信号は、ベースバンド信号に変換される。

乗算器４１０からの信号は、並列コリレータ回路４３０に入力される。並列コリレータ回路４３０は、測位信号の伝播に関し生じ得る遅延を検出するための処理を、同時に実行可能なように並列に配列された複数のコリレータ４３２−１〜４３２−ｎを含む。各コリレータは、ハードウェアにより実現されている。各コリレータは、複数の人工衛星１０２，１０４，１０６からの測位信号の可能な伝播遅延時間に各々対応している。したがって、前述の信号が並列コリレータ回路４３０に入力された後、各コリレータは、局所的に発生されるＰＲＮコードとの相関を取るための処理を実行することにより、複数の衛星から送信された測位信号の伝播遅延時間（局所的に発生するＰＲＮコードに対する当該信号の位相遅れに相当）を平行して計算することができる。

ここで、「測位信号の可能な伝搬遅延時間」の個数について説明する。ＰＲＮコードの１チップ（ビット）あたりに２サンプルのサンプリングがされるとすると、ＰＲＮコードの１周期の間には、２０４６サンプルが存在する、言いかえると、２０４６個の可能な遅延サンプル数が存在し得ることになるので、図１に示されるように、ＰＲＮコードが共通であることを考慮すると、２０４６（１チャネルあたりに可能な遅延）×２チャネル（ＩおよびＱ成分）＝４，０９２個のサンプル数が存在することになる。

並列コリレータ回路４３０からの出力は、インテグレータ４３４−１において、たとえば、ＰＲＮコードの１周期ごとに、同相成分（Ｉ成分）および直交成分（Ｑ成分）について位相をそろえて（コヒーレントに）複数のＰＲＮコードの期間にわたって累算される。各インテグレータ４３４−１〜４３４−ｎからの各々の出力は、演算器（図示しない）において、平方処理され、そして絶対値が取り出される。取出された出力は、累算器（図示しない）によって、ノンコヒーレントに累算される。当該累算器での累算処理の後、信号中のノイズが抑制され、上記位相遅れに相当するコリレータの出力がピークとして観測され、メモリ４６０に格納される。

すなわち、図１に示される例によると、共通のＰＲＮコードで並列コリレータ回路４３０により相関を計算した場合、３つの人工衛星１０２，１０４，１０６からの信号が並列に計算されることにより、各信号に応じたピークが検出される。

特定の人工衛星１０２，１０４，１０６からの測位信号の位相遅れ、すなわち、測位信号の伝搬遅延時間がわかる。また、メモリ４６０に予め格納されている情報に基づいて、各人工衛星についての軌道情報は導出できる。ここで受信された信号に基づく軌道情報から特定される衛星の位置の組み合わせは、有限個である。したがって、従来のたとえばＧＰＳ信号処理と同様にして、ＧＰＳ受信機４００の位置を特定するための演算が可能になる。この演算は、後述するように、たとえばＣＰＵ４５０によって実行される。

ここで、並列コリレータ回路４３０の動作をさらに詳細に説明すると、以下の通りである。

中間周波数のＩＦ入力サンプルが乗算器４１０において、数値制御オッシレータ（以下、ＮＣＯと称す。）からの出力と乗算され、Ｉ成分およびＱ成分が分離される。

続いて、乗算器４１０の出力は、相関処理を行なうのに適したサンプルレートで、リサンプラー（図示しない）でリサンプリングされる。このリサンプリングのレートは、第２のＮＣＯ（図示しない）により決定される。第２のＮＣＯの出力は、到来信号について、ＧＰＳ受信機４００の粗い位置情報と上記放送暦とから予め期待される擬似距離に基づいてプログラムされている。

リサンプラーの出力は、受信した測位信号と見通せる位置にある人工衛星１０２，１０４，１０６に対する参照波形（ＰＲＮコード）の組との間の畳み込み（convolution）を計算するコリレータ４３２−１〜４３２−ｎに入力される。各チャネルは、複数の遅延器（図示しない）を含む。演算ロジックブロック（図示しない）は、入力データの全特徴期間と所望の衛星に対する完全なＰＲＮコード列との間の相関を計算する。ここで、「全特徴期間（エポック）」とは、たとえば、ＰＲＮコードの１周期に相当する期間であり、ＰＲＮコードの１周期が１０２４チップ（ビット）であるとき、１チップあたり２サンプルがあるときは、２０４６サンプルの期間に相当する。

並列コリレータ回路４３０が作動する各クロック周期において、特定の１つの遅延時間に対する新たな相関値の計算結果が生成され、メモリ４６０に格納される。したがって、全特徴期間の終了後には、メモリ４６０には、全ての可能な遅延に対する相関結果の完全な組が格納されていることになる。この相関結果列は、ＰＲＮコード生成器において局所的に生成された参照波形と入力信号との間の畳み込みである。

このようにして、インテグレータ４３４−１〜４３４−ｎと累算器（図示しない）における累算処理という、２つの時間平均化処理により、検出感度の向上が図られる。

上述のような並列コリレータ回路４３０の構成により、後述するように、測位信号の一態様であるＧＰＳ信号の主フレームは３０秒の期間を有するにも関わらず、各衛星からの遅延時間は、たとえば、１秒以下で特定することができる。したがって、受信された当該ＧＰＳ信号から直接に航法メッセージを抽出する必要のある方式に比べて、高速に位置の算出処理を行なうことができる。

図４を再び参照して、ＣＰＵ４５０は、メモリ４６０に格納されている情報と並列コリレータ回路４３０から出力される情報とに基づいて、受信装置４００の位置を特定するための演算処理を実行する。この処理は周知であるため、ここではその説明は繰り返さない。また、ＣＰＵ４５０は、ディスプレイ４７０に画像を表示するためのデータを生成する処理を実行する。この処理は、たとえば、算出された位置情報と別途取得される画像データとに基づいて表示用のデータを生成する処理である。表示用のデータは、ＶＲＡＭ（Video Random Access Memory）（図示しない）に格納される。ディスプレイ４７０は、そのデータに基づいて画像を表示する。

図５を参照して、本実施の形態に係る測位信号を送信するシステムより送信される信号の構造について説明する。図５は、測位信号の一態様であるＧＰＳ信号の構造を概略的に表わす図である。

送信装置２００から送信されるＧＰＳ信号は、２５のメインフレームを含む。メインフレームのそれぞれを受信するために、３０秒が必要とされる。したがって、すべてのフレームを受信するためには、１２分３０秒必要とされる。メインフレームは、航法メッセージを含む。航法メッセージは、時刻補正データ、アルマナック、軌道情報、電離層補正データなどを含む。航法メッセージは、たとえば地上の基地局から人工衛星１０２に搭載されている送信装置２００に送信される。この送信は、たとえば送信装置２００が備えるクロック２２０の時刻を補正するための信号の送信に合わせて行なわれる。あるいは、航法メッセージのみが、必要に応じて送信されてもよい。

メインフレーム５２０は、５つのサブフレーム５２１〜５２５を含む。４番目のフレーム５２４と５番目のサブフレーム５２５とはそれぞれ２５頁含む。サブフレームは、６秒間に１０ワード含む。最初のワードは、テレメトリワード（ＴＬＭ）を含む。２番目のワードは、ハンドオブワード（ＨＯＷ）である。

図６を参照して、測位信号の送信の態様について模式的に説明する。図６（Ａ）は、送信装置２００により送信されるＰＲＮコードの構成を概念的に表わす図である。図６（Ｂ）は、リピータ３００−１により送信されるＰＲＮコードの構成を概念的に表わす図である。図６（Ｃ）は、リピータ３００−２により送信されるＰＲＮコードの構造を概念的に表わす図である。ここでは、説明を簡略化するため、たとえばは４つのＰＲＮコードが含まれる場合について説明する。測位信号が多くのＰＲＮシーケンス（列）の組み合わせであることに留意されるべきである。

図６（Ａ）に示されるように、たとえば送信装置２００が４つのＰＲＮコードを累算した信号を送信する場合、各信号は、コード１、コード２、コード３、コード４の内容を含む。時刻ｔ（１）において、送信装置２００は、コード１の符号を送信している。その後時刻ｔ（２）において、送信装置２００は、コード２の送信を完了している。時刻ｔ（３）において、送信装置２００は、コード３の送信を完了している。時刻ｔ（４）において、送信装置２００は、コード４の送信を完了している。時刻ｔ（５）において、送信装置２００は、次のコード列に含まれる新たなコード１の送信を完了している。

このような場合、リピータ３００−１は、送信装置２００とリピータ３００−１との位置関係により定まる距離に相当する遅れ時間の後、送信装置２００より送信された信号を受信する。リピータ３００−１は、その遅れ時間の後に当該受信された信号を送信するため、リピータ３００−１により送信される信号の系列は、送信装置２００により送信される信号の系列よりも遅れて生じる。

すなわち、図６（Ｂ）に示されるように、時刻ｔ（１）において、リピータ３００−１は、送信装置２００により過去に送信されたコード４の送信を完了している。時刻ｔ（２）において、リピータ３００−１は、送信装置２００によって時刻ｔ（１）において送信されたコード１の送信を遅れて送信する。同様に、リピータ３００−１は、時刻ｔ（３）において、コード２の送信を完了する。この信号は、送信装置２００の場合時刻ｔ（２）のときにその送信が完了しているものである。時刻ｔ（４）において、リピータ３００−１は、コード３の送信を完了する。この信号は、送信装置２００の場合、時刻ｔ（３）のときにその送信が完了している。同様に時刻ｔ（５）において、リピータ３００−１は、コード４の送信を完了する。この信号は、送信装置２００によって時刻ｔ（４）において送信されたものである。

図６（Ｃ）に示されるように、リピータ３００−２は、送信装置２００およびリピータ３００−１による送信のタイミングよりも遅れて、送信装置２００から受信した信号を送信する。たとえば送信装置２００によって時刻ｔ（１）において送信されたコード１の送信は、リピータ３００−２においては、時刻ｔ（３）の時に完了する。

このように同一の信号は、送信装置２００とリピータ３００−１，３００−２とによって、異なる時刻にそれぞれ発信されることになる。これらの信号を受信する受信装置４００−２，４００−３は、送信装置２００とリピータ３００−１，３００−２によりそれぞれ発信されたＧＰＳ信号として、位置情報を算出するための処理を実行する。この場合、リピータ３００−１により送信された信号（図６（Ｂ））とリピータ３００−２により送信された信号（図６（Ｃ））に含まれる時刻データは、送信装置２００により送信された信号（図６（Ａ））に含まれる時刻データと同じである。したがって衛星の軌道の誤差と信号の伝播誤差とを用いることなく、コードチャンクは完全に同期化される。各受信装置は、後述するように、位置情報を正確に算出することができる。また、図３に示されるように、リピータ３００−１，３００−２は、時刻情報を取得するための時計を備える必要がない。したがって、リピータ３００−１，３００−２に対して時刻を補正するための処理が不要になるため、保守が容易になる。また、リピータ３００−１，３００−２を当該時計を有する装置に比べて容易にまた低コストで構成することができる。

図７を参照して、送信装置２００の制御構造について説明する。図７は、送信装置２００が実行する測位信号を送信する処理の手順を表わすフローチャートである。

ステップＳ７１０にて、送信装置２００の信号生成回路２１０は、クロック２２０から時刻情報を取得する。ステップＳ７２０にて、信号生成回路２１０は、その時刻情報と航法メッセージとに基づいて測位信号を生成する。

ステップＳ７３０にて、信号生成回路２１０は、その信号を予め定められたコードにより符号化して、符号化後の信号を乗算器２４０に出力する。ＰＲＮを有する当該コードは、たとえば人工衛星１０２，１０４，１０６を識別するためのものであり、あるいは中継装置１３０−１，１３０−２，１３０−３、スードライト等を識別するためのものである。これらのコードにより識別される物体は、軌道とコードチャンクとに依存する。当該信号は、乗算器２４０によって変調されアップコンバータ２５０に対し出力される。アップコンバータ２５０が乗算器２４０からの信号の周波数を高周波に変換すると、変換後の信号は、送信部２６０に入力される。

ステップＳ７４０にて、送信部２６０は、アップコンバータ２５０からの信号の出力を高出力に変換して、変換後の信号を送信する。このようにして送信されるコードの長さは、たとえば１ミリ秒と１週間との間である。好ましくは、１秒と１時間の間、たとえば数秒から数十秒である。換言すれば、当該コードの長さは、ＧＰＳにおいては、Ｐコードの長さとＣ／Ａコードの長さとの間の長さである。

図８を参照して、本発明の実施の形態に係るシステムを構成するリピータの制御構造について説明する。図８は、リピータ３００が信号を伝送するために実行する処理の手順を表わすフローチャートである。

ステップＳ８１０にて、リピータ３００は、アンテナ３１０を介して送信装置２００により送信された信号を受信する。その信号は、ローノイズ増幅器３２０に対して入力され、増幅処理の後、送信部３８０に対して出力される。

ステップＳ８２０にて、送信部３８０は、その信号の出力を高めて、高出力の信号として送信する。その信号は、アンテナ３９０を介して宇宙空間に放送される。このようにして、リピータ３００は、送信装置２００から受信した信号を発信する。したがって、当該信号に含まれる情報（たとえば時刻情報）は変更されていない。

なお、他の局面においては、リピータ３００−１，３００−２は、受信した信号に各リピータが搭載されている人工衛星１０４，１０６を識別するためのデータを付加してもよい。この場合、リピータ３００からの信号を受ける受信装置は、その信号が人工衛星１０４あるいは人工衛星１０６から送信されたものであることを容易に認識できる。したがって、ＧＰＳ受信機４００による位置情報を算出する処理において、この信号の送信元を特定するための処理を省略することができる。このようにすると、従来用いられている位置情報を算出するための処理により、受信装置の位置を算出することが可能になる。これにより、位置情報を算出する機能を有する受信装置の構成を、一般的な構成にすることができる。

図９を参照して、本発明の実施の形態に係るシステムにより送信された信号を受信可能な受信装置の制御構造について説明する。図９は、ＧＰＳ受信機４００が実行する処理の手順を表わすフローチャートである。

ステップＳ９１０にて、ＧＰＳ受信機４００は、アンテナ４０２を介して各人工衛星１０２，１０４，１０６から測位信号を受信する。ステップＳ９２０にて、ＧＰＳ受信機４００は、最初に受信した信号に基づいてその信号を発信した人工衛星を特定する。図１に示される例では、人工衛星１０２が特定される。

ステップＳ９３０にて、ＧＰＳ受信機４００は、メモリ４６０に格納されている位置を表わすデータと受信された信号とに基づいて、信号の伝播遅延時間を算出する。ここで位置を表わすデータとは、人工衛星１０２，１０４，１０６の相対的な位置（たとえば各衛星間の距離）を表わすデータをいう。このデータにより、いずれかの人工衛星の位置が特定された場合には、他の人工衛星の位置も必然的に特定される。

具体的には、送信装置２００とリピータ３００−１，３００−２との位置関係は、予め知られているため、ＧＰＳ受信機４００が、同一の時刻情報を有する複数の信号を受信した場合、同時に受信された信号の送信元は、送信装置２００であることが容易に特定される。ＧＰＳ信号の伝播遅延時間は、送信装置２００が特定されると、算出される。すなわち、同一の信号を受信する時刻がそれぞれ異なるため、受信時刻の差異が算出される。この結果を用いることにより、送信装置２００から送信された信号を中継可能なリピータの候補は絞られる。したがって、ＧＰＳ受信機４００は、たとえばリピータの候補を組み合わせることにより、実際に受信された信号の送信元であるリピータを特定することができる。

ステップＳ９４０にて、ＧＰＳ受信機４００は、受信した信号と算出された伝播遅延時間とに基づいてＧＰＳ受信機４００の位置を表わす位置情報を算出する。ステップＳ９５０にて、ＧＰＳ受信機４００は、ディスプレイ４７０にその位置情報を出力する。

以上のようにして、本発明の第１の実施の形態に係る測位信号を送信するシステムによると、送信装置２００が時刻情報を含む信号を発信する。発信された信号は、ＧＰＳ受信機４００およびリピータ３００−１，３００−２に受信される。リピータ３００−１，３００−２は、受信した信号を発信する。このとき当該信号に含まれる時刻情報の内容は変更されない。リピータ３００−１，３００−２により発信された信号は、ＧＰＳ受信機４００により受信される。

ＧＰＳ受信機４００は、送信装置２００とリピータ３００−１，３００−２を含む各リピータの位置との関係を表わすデータを予め保持している。したがって、ＧＰＳ受信機４００が同一の時刻情報が含まれる信号を何度も受信しても、ＧＰＳ受信機４００は、当該データに基づいて各信号の送信元であるリピータを特定することができる。これにより、ＧＰＳ受信機４００は、自己の位置を表わす情報を算出することができる。この場合、各信号に含まれる時刻情報は、いずれも、送信装置２００に搭載されたクロック２２０からの信号に基づいて生成されているため、同期が取られている。したがって、ＧＰＳ受信機４００は、時刻情報に関しては同期が取られた信号を受信するため、そのような信号に基づいて算出された位置情報は、時刻の誤差を含まない。

これにより、同期が取られた信号であって、測位のための信号を送信するシステムを提供することができる。また、システム内で１つの時計を用いて、同期が取れた測位のための信号を送信するシステムを提供することができる。

＜第２の実施の形態＞
以下、本発明の第２の実施の形態について説明する。本実施の形態に係る測位のための信号を送信するシステムは、地上において構築される点で、前述の第１の実施の形態に係るシステムと異なる。

図１０を参照して、本実施の形態に係るシステムについて説明する。図１０は、そのシステムの地上における構成の一態様を表わす図である。

測位信号を送信する送信装置１１００は、建物１０００の屋上に取り付けられている。建物１０１０，１０１０の屋上には、測位信号を発信可能なリピータ１２００−１，１２００−２が、それぞれ取り付けられている。リピータ１２００−１，１２００−２は、ネットワーク１０３０を介して送信装置１１００に接続されている。この場合、送信装置１１００と、リピータ１２００−１，１２００−２との位置関係は、既知である。ネットワーク１０３０には、たとえば当該位置関係を表わすデータを提供可能な基地局サーバが接続されている。ネットワーク１０３０は、たとえばインターネットであるが、私設ネットワークであってもよい。

送信装置１１００が測位信号Ｌｑｚ（１）を発信すると、その信号は、図１０に示されるように無線送信されるとともに、ネットワーク１０３０を介してリピータ１２００−１，１２００−２にそれぞれ伝送される。たとえばリピータ１２００−１は、その信号を送信装置１１００から受けると、何らの処理も加えることなくＬｑｚ（１１）として再び発信する。同様にリピータ１２００−２は、送信装置１１００から信号Ｌｑｚ（１）の入力を受けると、信号Ｌｑｚ（１２）として発信する。したがって、信号Ｌｑｚ（１）と、信号Ｌｑｚ（１１）と、信号Ｌｑｚ（１２）とは、ＰＲＮコードの観点からは、同一の信号である。

このような環境において、ＧＰＳ受信機４００は、測位信号として３つの信号すなわちＬｑｚ（１），Ｌｑｚ（１１），Ｌｑｚ（１２）をそれぞれ受信する。ＧＰＳ受信機４００は、それぞれの受信信号に基づいて位置情報を算出することができる。

図１１を参照して、本実施の形態に係るシステムを構成する送信装置１１００について説明する。図１１は、送信装置１１００のハードウェア構成を表わすブロック図である。

送信装置１１００は、図２に示される構成に加えて、出力ポート１１１０を含む。出力ポート１１１０は、信号生成回路２１０から出力される信号をネットワーク１０３０に対して出力する。

図１２を参照して、本実施の形態に係るシステムを構成するリピータ１２００−１，１２００−２の構成について説明する。図１２は、リピータ１２００−１，１２００−２を実現するリピータ１２００のハードウェア構成を表わすブロック図である。

リピータ１２００は、入力ポート１２１０と、乗算器１２２０と、発振器１２３０と、アップコンバータ１２４０と、送信部３８０とを含む。入力ポート１２１０には、たとえばネットワーク１０３０が接続される。

入力ポート１２１０は、ネットワーク１０３０から入力される信号を乗算器１２２０に対して出力する。発振器１２３０は、送信装置１１００により送信される信号のキャリア周波数と同一の周波数を発生する。その信号は、乗算器１２２０に対して出力される。乗算器１２２０は、入力ポート１２１０からの信号Ｌｑｚ（１）と発振器１２３０からの搬送波とを積算することにより測位信号として発振するための信号を生成する。この信号はアップコンバータ１２４０に入力される。アップコンバータ１２４０は、その信号の周波数を高周波に変換して、高周波の信号を送信部３８０に出力する。送信部３８０は、高周波の信号の出力を高めて、アンテナ３９０を介してその信号を発信する。この信号は、図１０に示される信号Ｌｑｚ（１１），Ｌｑｚ（１２）に相当する。

図１３を参照して、本実施の形態に係る送信装置１１００の制御構造について説明する。図１３は、送信装置１１００が実行する処理の手順を表わすフローチャートである。なお、前述の第１の実施の形態における処理と同一の処理には同一のステップ番号を付してある。したがって、それらについての説明はここでは繰り返さない。

ステップＳ１３１０にて、送信装置１１００の出力ポート１１１０は、信号生成回路２１０から出力された、測位信号をネットワーク１０３０に対して出力する。このときの通信の態様は、たとえばパケット通信により実現されるが他の態様であってもよい。

図１４を参照して、本実施の形態に係るシステムを構成するリピータ１２００−１，１２００−２の制御構造について説明する。図１４は、各リピータが信号を伝送するために実行する処理の手順を表わすフローチャートである。以下の説明では、リピータ１２００としてそれぞれの処理を説明する。

ステップＳ１４１０にて、リピータ１２００は、ネットワーク１０３０から測位信号Ｌｑｚ（１）を受信する。ステップＳ１４２０にて、リピータ１２００は、乗算器１２２０において、受信した信号を変調する。ステップＳ１４３０にて、リピータ１２００は、変調された信号（Ｌｑｚ（１１）、Ｌｑｚ（１２））を送信する。

その後、送信された信号が、ＧＰＳ受信機４００によって受信されると、前述のようにして、ＧＰＳ受信機４００は、位置の情報を算出するための処理を実行し、受信機自身の位置が特定される。

以上のようにして、本発明の第２の実施の形態に係るシステムによると、測位信号を送信する送信装置１１００から発信された信号は、無線としてＧＰＳ受信機４００によって直接受信される。一方、当該信号は、ネットワーク１０３０を介して、リピータ１２００−１，１２００−２に伝送される。各リピータは、その信号を発信する。ＧＰＳ受信機４００は、このようにして少なくとも３箇所から発信された信号を受信することができる。これらの信号は、同一の時刻情報を有している。送信装置１１００とリピータ１２００−１，１２００−２とは予め建物１０００，１０１０，１０２０にそれぞれ設置されているため、それらの位置関係も既知である。当該位置関係を表わすデータは、ＧＰＳ受信機４００に予め格納されている場合もあれば、送信装置１１００からの信号に含まれる場合もある。

ＧＰＳ受信機４００は、測位信号を受信すると、これらの信号に基づいて位置を表わす情報を算出する処理を実行する。ＧＰＳ受信機４００は、当該信号の送信元の位置関係を表わすデータに基づいて、送信元を特定することができる。したがって、ＧＰＳ受信機４００は、自己の位置を容易に特定することができる。

なお、本実施の形態に係るシステムによると、送信装置１１００とリピータ１２００−１，１２００−２とはネットワーク１３００により接続されていたが、接続の態様はこれに限られない。たとえばリピータ１２００−１，１２００−２は電波を受信する機能を有していてもよい。この場合、送信装置１１００とリピータ１２００−１，１２００−２とは、無線により接続されていることになる。すなわち、第１の実施の形態と同様にリピータ１２００−１，１２００−２は、電波を中継することができる。このようにすると、ネットワーク１０３０を敷設するための工事が不要になるため、測位のための信号を送信するシステムを速やかに構成することができる。また、ネットワークの敷設の可否その他の設置場所の物理的な制約が抑制されるため、当該システムを柔軟に構成することができる。したがって、ＧＰＳ受信機４００の使用者に対して、広範囲に位置情報を提供することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明は、測位のための信号を発信する装置と、当該信号を伝送する装置とが搭載された複数の人工衛星から構成されるシステムに対して適用可能である。

本発明の第１の実施の形態に係る測位のための信号を送信するシステムの構成を概略的に表わす図である。 本発明の第１の実施の形態に係るシステムを構成する送信装置２００のハードウェア構成を表わすブロック図である。 本発明の第１の実施の形態に係るシステムを構成するリピータ３００のハードウェア構成を表わすブロック図である。 本発明の第１の実施の形態に係るシステムより送信される信号を受信可能なＧＰＳ受信機４００のハードウェア構成を表わすブロック図である。 本発明の第１の実施の形態に係る測位のための信号を送信するシステムより送信される信号の構造を概略的に表わす図である。 送信装置２００、リピータ３００−１、リピータ３００−２により送信される信号の構造を表わす図である。 送信装置２００が実行する測位のための信号を送信する処理の手順を表わすフローチャートである。 リピータ３００が実行する信号の中継処理の手順を表わすフローチャートである。 本発明の実施の形態に係るシステムにより送信された信号を受信可能なＧＰＳ受信機４００が実行する処理の手順を表わすフローチャートである。 本発明の第２の実施の形態に係るシステムの構成の一態様を表わす図である。 本発明の第２の実施の形態に係るシステムを構成する送信装置１１００のハードウェア構成を表わすブロック図である。 本発明の第２の実施の形態に係るシステムを構成するリピータのハードウェア構成を表わすブロック図である。 本発明の第２の実施の形態に係る送信装置１１００が実行する処理の手順を表わすフローチャートである。 本発明の第２の実施の形態に係るシステムを構成するリピータが実行する処理の手順を表わすフローチャートである。

符号の説明

１０２，１０４，１０６ 人工衛星、１１０，１０００，１０１０，１０２０ 建物、１２０，３１０，３９０，４０２ アンテナ、１３０ 中継装置、２００，１１００ 送信装置、２１０ 信号生成回路、２２０ クロック、２３０ 発振器、２４０，４１０ 乗算器、２５０ アップコンバータ、２６０，３８０ 送信部、３００−１，３００−２、１２００−１，１２００−２ リピータ、３２０，４０４ ローノイズ増幅器、４００ ＧＰＳ受信機、４００−１，４００−２，４００−３ 受信装置、４０６ ダウンコンバータ、４３０ 並列コリレータ回路、４３４ インテグレータ、４５０ ＣＰＵ、４６０ メモリ、４７０ ディスプレイ、１０３０ ネットワーク、１１１０ 出力ポート、１２１０ 入力ポート、１２３０ 発信機、１２４０ アップコンバータ。

Claims (12)

1. 測位のための測位信号を前記測位信号を受信する受信装置に送信する衛星測位システムであって、
   測位衛星に搭載されて前記測位信号を送信する１つの送信装置を備え、
   前記１つの送信装置は、
   時刻を計測する計時手段と、
   前記衛星測位システムにおいて用いられる航法メッセージを格納する記憶手段と、
   前記測位信号の送信元を識別するためのコードを用いて、前記記憶手段に格納されている航法メッセージを符号化することにより、前記時刻が含まれる前記測位信号を生成する生成手段と、
   前記生成手段により生成された測位信号を送信する送信手段とを含み、
   前記衛星測位システムは、
   前記測位衛星と異なる他の測位衛星にそれぞれ搭載されて信号を中継する複数の中継器と、
   前記受信装置に、前記送信装置と前記複数の中継器の各々との位置関係を特定するためのデータを供給する供給手段とをさらに備え、
   前記複数の中継器の各々は、
   前記送信装置により送信された信号を受信する受信手段と、
   前記受信手段により受信された信号をその内容を変更することなく送信する送信手段とを含む、衛星測位システム。
2. 前記供給手段は、前記生成手段に、前記位置関係を特定するためのデータを出力する出力手段を含む、請求項１に記載の衛星測位システム。
3. 前記供給手段は、前記受信装置に対して、前記送信装置による通信の経路と異なる経路を介して、前記位置関係を特定するためのデータを送信する送信手段を含む、請求項１に記載の衛星測位システム。
4. 前記生成手段は、前記送信装置が搭載されている測位衛星を識別するためのコードを用いた符号化により、前記測位信号を生成する、請求項１に記載の衛星測位システム。
5. 前記計時手段は、原子時計である、請求項１に記載の衛星測位システム。
6. 前記送信装置の送信手段は、無線により前記測位信号を送信し、
   前記中継器の受信手段は、無線により前記測位信号を受信する、請求項１に記載の衛星測位システム。
7. 前記送信装置の生成手段は、スペクトラム拡散方式に基づく符号化により前記測位信号を生成する、請求項１に記載の衛星測位システム。
8. 前記符号化により生成された信号の周期は、１ミリ秒と１週間との間である、請求項７記載の衛星測位システム。
9. 前記符号化により生成された信号の周期は、１秒と１時間との間である、請求項８に記載の衛星測位システム。
10. 前記符号化により生成された信号の周期は、１分から予め定められた許容範囲内である、請求項９に記載の衛星測位システム。
11. 前記送信装置は、前記符号化の対象となるデータの入力を受ける受信手段をさらに含む、請求項１に記載の衛星測位システム。
12. 前記符号化の対象となるデータは、前記送信装置の位置を特定するためのデータを含む、請求項１に記載の衛星測位システム。

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