JP5325592B2 - 測位システム用信号送信機 - Google Patents

Description

本発明は、ＧＰＳ信号送信機およびその信号送信方法に関し、特に、衛星からの電波を受信することができない場所に設置されるＧＰＳ信号送信機およびその信号送信方法に関する。

位置情報の取得に、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）が利用されることが多い。ＧＰＳは、ＧＰＳ衛星を使った測位システムの一つである。ＧＰＳにおいて、受信機は、地上約２万キロメートルの軌道を周回するＧＰＳ衛星から、時刻情報が含まれる測位信号を受信し、受信した測位信号を計算することによって、地球上における自局の位置（緯度、経度、高さ）を知ることができる。ＧＰＳは、米国で開発されたシステムである。

ＧＰＳ衛星を利用した測位システムを、一般にＧＮＳＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓａｔｅｌｉｔｅ Ｓｙｓｔｅｍ、「全地球測位システム」）という。ＧＮＳＳには、現在運用中であるＧＰＳ以外にも、ロシア連邦のグローナス（ＧＬＯＮＡＳＳ）、欧州連合のガリレオ（Ｇａｌｉｌｅｏ）、日本の準天頂衛星システムといった測位システムの運用が予定されている。本明細書では、衛星測位システムを総称してＧＰＳとする。

ＧＰＳによる測位には、ＧＰＳ衛星から送信される時刻情報を受信することが必要である。したがって、受信機が時刻情報を含む信号を必要な強度で受信することができないトンネル、地下、屋内等の環境（以下、屋内）に位置する場合には、受信機は、必要な精度の位置情報を取得することができない。

特許文献１には、ＧＰＳ衛星の測位信号を受信することができない屋内において、位置情報を提供する方法が開示されている。具体的には、特許文献１においては、ＧＰＳの航法メッセージに準拠した信号を送信する屋内に設置された装置（以下、ＧＰＳ信号送信機）が、ＧＰＳ信号を受信することができる装置（以下、ＧＰＳ信号受信機という）に位置情報を送信する。ＧＰＳ信号受信機は、ＧＰＳ信号送信機の位置情報を取得することによって自局の位置を特定するものである。

また、特許文献２には、固定受信局が受信したＧＰＳ衛星からのデータを施設内へ送信すると共に自局の位置情報を施設内へ送信し、送信されたＧＰＳ衛星のデータを受信して固定受信局を経たＧＰＳ衛星との距離を算出すると共に、受信した位置情報及びＧＰＳ衛星の位置に基づいてＧＰＳ衛星と固定受信局との距離を算出し、これらの結果から各固定受信局との距離を算出して、自局の位置を求める技術が開示されている。

また、非特許文献１には、特許文献１が前提とするＧＰＳ信号送信機の送信する地上補完信号（ＩＭＥＳ（Ｉｎｄｏｏｒ Ｍｅｓｓａｇｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）信号）の送信方式、フォーマット、信号出力等について規定している。

特開２００７−２７８７５６号公報 特許平１０−４８３１７号公報

準天頂衛星システムユーザインタフェース仕様書（ＩＳ−ＱＺＳＳ）［ｏｎｌｉｎｅ］、［平成２１年１月１９日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｑｚｓｓ．ｊａｘａ．ｊｐ／ｉｓ−ｑｚｓｓ／ＩＳ−ＱＺＳＳ＿１０＿Ｊ．ｐｄｆ＞

特許文献１に記載された技術に基づく装置によれば、屋内において位置情報を提供することはできる。しかしながら、当該装置においては、装置を構成する部品が多く、デジタル処理ブロックとアナログ処理ブロックが分離しており、さらに複数のクロックが必要とされる等、構成が複雑であり、その為装置のサイズも大きくならざるを得ない。また、全体として非常に精度の高い部品を使用しなければ装置を動作されることが出来ない。このため、個々の部品も高価なものが多く全体として製造コストが高くなり、消費される電力量が大きくなるという問題がある。

さらに、一装置で一の送信機しか実現しえず、設置やメンテナンスコストも高くなる。これらの問題は、屋内における位置測位のサービスの発展を阻害する要因になり得る。

また、特許文献２に記載する方式においては、複数の装置が必要となり、設置規模が大規模なものになる。また、屋外で観測される衛星の情報を屋内に引き込む必要が生じ、その設置コストは無視し得ないものである。また送信機側においては高度な情報連携が必要となり、また受信機側においては送信機の送信に対応した改造が必要になるなど等、その実現性において多くの困難が想定される。

本発明は、前述したこれらの問題に鑑みてなされたものであり、低コスト、省電力、小型化可能な技術を提供することを目的とする。

本発明の代表的な一例を示せば以下のとおりである。

即ち、本発明のＧＰＳ信号送信機は、水晶発振器と、水晶発振器が出力するクロックを用いて、第１の搬送波と第１の搬送波とは逆相の第２の搬送波を出力する搬送波生成器と、水晶発振器が出力するクロックで駆動され、擬似乱数符号であるＣ／Ａコードに基づいて制御信号を出力するマイコンと、マイコンからの制御信号に基づいて第１の搬送波と第２の搬送波とを切り換えて変調波を生成するスイッチと、変調波を無線送信するアンテナと、を備える。

本発明によれば、低コスト、省電力、小型化可能な技術を提供することが可能となる。
できる。

本発明の実施形態におけるＧＰＳ信号送信機を利用した位置情報システムを示す図である。 従来のＧＰＳ信号送信機におけるハードウェア構成を示す図である。 本発明の実施形態におけるＧＰＳ信号送信機におけるハードウェア構成を示す図である。 ＧＰＳにおける当該ＢＰＳＫ変調を説明する図である。 本発明の実施形態におけるＧＰＳ信号送信機のマイコンに格納されるソフトウエア構成を示す図である。 ＧＰＳにおける当該ＢＰＳＫ変調を行う為に必要な演算を示す概念図である。 ＧＰＳの衛星番号であるＰＲＮ番号に対応したＣ／Ａコードの１０２３ビットの擬似乱数符号から生成するデータ列を示す図である。 一の装置から異なる複数の屋内ＧＰＳ電波を作成するハードウェアを示す図である。 ＱＰＳＫ変調を実現する為に変更した図８のハードウェア構成の一部を示す図である。 ＧＰＳ衛星からの航行メッセージによって、ＧＰＳ信号受信機が位置情報を取得する方法を示す概念図である。

以下、本発明を実施する形態について説明する。
（１）第一の実施例
図１は、本発明の実施形態であるＧＰＳ信号送信機を利用した位置情報システムを示す図である。位置情報を送信する１台以上のＧＰＳ信号送信機５と、当該情報を受信するＧＰＳ信号受信機１（例えば、ＧＰＳ対応携帯端末等）とから成る。なお、ＧＰＳ信号受信機１は、通常のＧＰＳ衛星７からの電波も受けることができるものとする。

図２は、本実施形態の比較例であり、従来のＧＰＳ信号送信機におけるハードウェア構成を示す図である。

水晶発振器４―１は、ＦＰＧＡ４−２とＰＬＬ周波数シンセサイザ４―３に対して、基準クロック（１０ＭＨｚ）を与える。

ＦＰＧＡ４−２は、水晶発振器４―１から得られたクロックを用いて、ＦＰＧＡ４−４を駆動する同期信号を生成する。ＦＰＧＡとは「Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ」の略であり、ユーザーが入出力を定義することによって、ディジタル論理回路を作成することができる、書き換え可能なデバイスをいう。

ＦＰＧＡ４−４は、マイコン４−５から制御命令を受けて、航法メッセージ、およびＣ／Ａコード（疑似乱数符号（ｐｓｅｕｄｏ ｒａｎｄｏｎ ｎｏｉｓｅ ｃｏｄｅ））を生成する。

ここに航法メッセージとは、ＧＰＳ信号受信機１が測位計算を行う為に知らなければならないＧＰＳ衛星７の情報を含むメッセージをいう。一方、Ｃ／Ａコードとは、擬似雑音符合とよばれる０と１が、一見不規則に交替するディジタル符号列であり、ＧＰＳ衛星７ごとに割り付けられている識別用のデータとして用いられているコードであり、ＧＰＳ衛星を識別する手段としても使用されている。この番号によって、ＧＰＳ信号受信機１内部では所定の擬似雑音符号を発生して受信波形と比較して、所望の衛星を捕捉・受信する。なお、これらの内容については、「ＧＰＳ―理論と応用 ８７−８８頁（Ｂｅｒｎｈａｒｄ Ｈｏｆｍａｎｎ‐Ｗｅｌｌｅｎｈｏｆ， Ｊａｍｅｓ Ｃｏｌｌｉｎｓ， Ｈｅｒｂｅｒｔ Ｌｉｃｈｔｅｎｅｇｇｅｒ著 ＩＳＢＮ： ４４３１７１１５８９）に詳しい。

ＰＬＬ周波数シンセサイザ４―３は、プログラムカウンタ等の制御機能を有するマイコン４−６と連携して、ＧＰＳ電波の搬送波である１．５７５４２ＧＨｚの正弦波を生成する。なお屋内ＧＰＳ用の航行メッセージ、フォーマットに関しては前述の非特許文献１２に詳しい記載がある。

信号変調器４―７は、ＦＰＧＡ４−４から時系列で送付されてくるビット情報をアナログ変調し、直交変調器４―８を介してＧＰＳ電波の変調方式である二位相偏移変調（Ｂｉｎａｒｙ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ、以下ＢＰＳＫ変調という）を行う。

直交変調器４―８から出力された信号は、ノイズ成分を除去するフィルタ４―９を経過し、最後にアッテネータ４―１０にて送信出力を、地球上で受信されるＧＰＳ電波と同程度に減衰させた後、アンテナ４―１１から送出されることになる。

計算機６は、マイコン４―５に対して、マイコン４―５が生成するＣ／Ａコードや送信するメッセージを設定する。

図２に記載の装置では、装置を構成する部品が多く、デジタル処理ブロックとアナログ処理ブロックが分離しており、さらに複数のクロックが必要とされる等、構成が複雑であり、その為装置のサイズも大きくならざるを得ない。また、全体として非常に精度の高い部品を使用しなければ装置を動作されることが出来ない。このため、個々の部品も高価なものが多く全体として製造コストが高くなり、消費される電力量が大きくなるという問題がある。さらに、一装置で一の送信機しか実現しえず、設置やメンテナンスコストも高くなる。

図２に対して、図３は、本実施形態に係わるＧＰＳ信号送信機におけるハードウェア構成を示す図である。

水晶発振器５―１は、１６．３６８ＭＨｚの水晶発振器であり、マイコン５―２は水晶発振器の同期信号を使用して動作する。本実施形態のＧＰＳ信号送信機において１６．３６８ＭＨｚを使っている理由は、ＧＰＳ向けでは、１６．３６７ＭＨｚ、および３２．７３６ＭＨｚの発振器は汎用性が高く、精度の高い小型の発振器が低価格で入手できることに因ることと、３２．７３６ＭＨｚでは、マイコンによってはオーバスペックで、動作しないことがあることに因る。

ＰＬＬ周波数シンセサイザ５―３は、図２と同様にＧＰＳ電波の搬送波である１．５７５４２ＧＨｚの正弦波とその逆相の正弦波を生成する。ＰＬＬ周波数シンセサイザ５―３は、１６．３６８ＭＨｚの水晶発振器から、１／３２で分周化して先ず５１１．５ｋＨｚを生成した後、ＰＬＬのフィードバックの分周値を１／３０８０とすることで、３０８０倍にして目的の搬送波とその逆相の搬送波を同時に生成する。

スイッチ５―４は、マイコン５―２から送信されるビット信号をからシリアルインターフェースを介して受けて、スイッチを切り替えることで、ＢＰＳＫ変調を実現する。

これを実施するシリアルインターフェースとしては、ＳＰＩ（Ｓｅｒｉａｌ Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）を用いる方法がある。ＳＰＩはシリアルインターフェースの一種であり、バス接続にして使用することが可能である。ＳＰＩバスとはＳＣＫ（シリアル・クロック）と単方向のＳＤＩ、ＳＤＯの３本の信号線（ＧＮＤは含まず）で通信する同期式のシリアル通信である。バスには複数のスレーブを接続が可能であるが、それらを特定するためにマスタはＳＳ（スレーブ・セレクト）信号でスレーブを選択しなければならない。データのフォーマットや原理が単純なため高速で通信できるというメリットを有する。

本実施形態では搬送波の位相を反転するタイミングである１．０２３ＭＨｚの速度でスイッチを切り替えることで、ＢＰＳＫ変調を実現する。ここに１．０２３ＭＨｚとは、水晶発振器の１６．３６８ＭＨｚの１／１６倍の速度であり、ＳＰＩが水晶発振器と同期して動くことを利用しているものである。

さらに、抵抗５―５を用いて出力を減衰させ、さらにフィルタ５―６でノイズ成分を除去した後に、ＧＰＳ電波としてアンテナ５―７から送出されることになる。アンテナ５−７からは、ＧＰＳ信号送信機が設置された場所またはアンテナが設置された場所を示す信号が送信される。ここで送信される信号は非特許文献１に記載されたフォーマットで送信される。このＧＰＳ信号送信機から送信された信号を受信したＧＰＳ信号受信機は、当該受信した信号からGPS信号送信機またはアンテナの位置を示す情報を抽出する装置構成を備えている。

抵抗５―５については、それをＴ型やπ型のアッテネータとして構成してもよい。また、電圧値で制御することができる可変抵抗を、マイコン５―２のＤ／Ａ変換端末を介したアナログ電圧で制御することで、抵抗値を変えるような可変アッテネッターとすることで。マイコン５―２によって空中線電力を調整するようにしても良い。

フィルタ５―６は、表面弾性波フィルタ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ Ｆｉｌｔｅｒ、以下、ＳＡＷフィルタという）は、大量に生産されていて、安くて供給が安定しているという点で有効である。また、極めて帯域の狭いフィルタが実現できる点も有効である。本実施形態の方式に因れば、スイッチ５−４で位相の異なる搬送波を切り替えることにより、急激な位相差が発生し、搬送波は不連続になる。この為、帯域が広がり、帯域以外にノイズが生じ、エネルギーを分散させてしまうという問題がある。この為、帯域外で急激な減衰が得られるＳＡＷフィルタを用いることによって、帯域外への放射が減らす。但し、上記の同様の目的を達成し得るのであればフィルタの種類は問わない。

なお、計算機６の働きは、図２の内容に同じである。

かかる構成によって、２つのＦＰＧＡ，ＣＰＵ，信号変調器、直交変調器が不要になっており、低コスト化、小型化、省電力化に資することになる。特に、一の水晶発振器で、アナログの搬送波を生成すると同時に、デジタル処理によってＢＰＳＫ変調を実現しており、設置部品の点数を減らすことが可能となる。具体的には、サイズにして約1/20、重さにして約1/12、消費電力にして約1/30を達成することが出来た。

このＧＰＳにおける当該ＢＰＳＫ変調を図４を用いて説明する。１．５７５４２ＧＨｚの搬送波を、１５４０波単位（約１μ秒）で、Ｃ／Ａコードの０または１の内容に応じてこの位相を反転させる（図４（１））。この位相反転は、図3のスイッチ5―4にて行なう。
これによってビット情報が表現されることになる（図４（２））。この情報がスイッチ5―4から出力された後、抵抗5―5にて所定の電力まで低減され、ノイズ成分を除去するフィルタ5―6を経過し、アンテナ5―7から送出されることになる。なお、図４（２）の搬送波が連続して２０回連続して、ＧＰＳ信号受信機１において受信されることによって、１ビット分の電文情報となる（図４（３））。

図５は、本実施形態のＧＰＳ信号送信機５のマイコン５―２に格納されるソフトウエア構成を示す図である。ＧＰＳ情報計算プログラム５２０４は、後述する実施例においてＧＰＳの軌道情報等を算出するプログラムであり、設置情報等管理プログラム５２０７は、本実施形態のＧＰＳ信号送信機またはそのアンテナ、または当該送信機またはアンテナによって提供される場所の位置情報を記憶し管理するプログラムである。

計算機用シリアル通信プログラム５２０２は、外部の計算機と接続して、航法メッセージやＣ／Ａコードを取得し、 航法メッセージ格納プログラム５２０３は、上記の通信プログラムを介して獲得した航法メッセージをマイコン５―２のＲＡＭに格納し、Ｃ／Ａコード格納プログラム５２０６は、ＰＲＮ番号に割りつけられた１０２４ビットからなる疑似乱数符号をＲＡＭに格納する。スイッチ制御プログラム兼通信プログラム５２０８は、上記のＲＡＭに格納された情報の論理積を演算し、当該演算結果をリアルタイムでスイッチ５―４に転送する。

図６は、この演算の様子を示す概念図である。

図６（１）は、航法メッセージの情報のシーケンスを示す図である。例えば、航行メッセージで使用される”５”という数値は、ビット列とすると”１０１”と表記できる。この情報は、１→０→１→という順番で２０ミリ秒単位でＧＰＳ信号受信機１にて認識される。

図６（２）は、Ｃ／Ａコードの情報のシーケンスを示す図である。Ｃ／Ａコードは、１０２４ビットの１と０とからなる情報列であり、これは１ミリ秒毎に繰り返して出現する。従って２０ミリ秒の間には、同じＣ／Ａコードが２０回繰り返されることになる（図４（３）と同じ）。

スイッチ制御プログラム兼通信プログラム５２０８は、上記（１）（２）の排他的論理和（以下ＸＯＲという）を計算し、この結果を、スイッチ５―４に転送する。 スイッチは上記の１、０の情報に応じて、位相が反転した２つの搬送波を切り替えて、目的の電波を作る。

ところが、上記の方式に因れば、１．０２３ＭＨｚのタイミングでビットシフト又は、ＸＯＲの演算を実施する必要が発生し、マイコン５―２のＣＰＵに過負荷を与える可能性がある。これらの過負荷は、制御信号たるビット情報のビット落ちを招き、航行メッセージを破壊することになる。そこで、スイッチ制御プログラム兼通信プログラム５２０８は、上記の１、０のビット情報を休みなく出力し続けられるように、ＧＰＳ特有の信号の性質を利用した以下の処理を行う。

図７は、ＧＰＳの衛星番号であるＰＲＮ番号に対応したＣ／Ａコードの１０２３ビットの擬似乱数符号から生成するデータ列を示す図である。

マイコン５―２は、水晶発振器５―１から１６．３６８ＭＨｚのクロックを供給されており、またＳＰＩバスから１．０２３ＭＨｚの速度でスイッチを切り替えることでＰＳＫ変調を実現する。従って、マイコン５―２は、１６クロックサイクル毎にビット情報を休みなく出力し続けることが必要である。

ここで、マイコン５―２のＵＡＲＴが８ビット（＝１バイト）単位である場合、１２８クロックサイクル毎に１バイトを用意する必要がある。ＵＡＲＴとは、シリアル転送方式のデータとパラレル転送方式のデータを相互に変換するためのデバイスのことである。

マイコン５―２がスイッチ５―４に転送する制御命令は、１０２３ビットの擬似ランダム符号を繰り返すものであり、２０周期毎に、そのまま１０２３ビットを送信する（０）か、反転した１０２３ビットを送信する（１）か、を決定する。前述したように、この反転の有無によって１ビットの情報０／１が表わされることになる。

ここで、ＣＰＵ負荷を低減する為に、以下の処理を行なう。
まず、図７に示すように、ＰＲＮ番号に対応したＣ／Ａコードの１０２３ビットの擬似乱数符号から、以下のデータ列を生成し、予めマイコン５―２の記憶領域に格納しておく。
（１）前半４周期が ０ 、後半４周期が ０ であるデータ列（Ａ）
（２）前半４周期が ０ 、後半４周期が １ であるデータ列（Ｂ）
（３）前半４周期が １ 、後半４周期が ０ であるデータ列（Ｃ）
（４）前半４周期が １ 、後半４周期が １ であるデータ列（Ｄ）
上記のデータ列は、４×１０２３ビット＋４×１０２３ビット＝１０２３バイトになる。
上記データ列を、順番にＵＡＲＴに渡すことによって、本実施形態のＧＰＳ信号送信機は所定の信号を生成する。例えば、０を２０周期、１を２０周期送信する場合は、ＡＡＢＤＤをＵＡＲＴに転送すれば足る。

かかる処理を行うことによって、ビットシフトやＸＯＲの処理などを行うことなく、単に、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ のデータ列のどれを送信するかをＵＡＲＴに一定時間毎に（１０２３×１２８クロックサイクル毎に）指示するだけで足り、クロック単位でのＣＰＵの動作は不要となり、ＣＰＵの負荷が劇的に低減され、ビット落ちなどによる航法メッセージの内容が破壊されることを回避する。

上記のデータ列でなく、送信するメッセージ分の全データ列を予め準備しておくという方法もありえる。 現在Ａ〜Ｄのデータ列の情報量は、１０２３ｘ８ｘ４ ビットであり、約４キロバイト程度である。ＧＰＳの電文データ１ビットに必要となる制御ビット情報は、１０２３ｘ２０ ビット（約２５６０バイト）である。航行メッセージは１フレームが５サブフレームから構成され、１サブフレームは３００ビットであるので、電文として必要なビット数は３００ｘ５ ビットであり、これを、必要となるデータ列に換算すると、３００ ｘ ５ ｘ １０２３ ｘ ２０ ビット、約３．８メガバイトとなり、単にリソースの無駄に留まらず、マイコンに格納できる容量を越えるものとなる。従って、送信するメッセージ分の全データ列を予め準備しておくという方法は、現実的ではない。

また上記の方法は、マイコン本来の計算能力を有効に使わないという点から有効なリソース活用ではなく、仮に外付けのメモリを使用したとしても、Ｉ／Ｏ処理によってビット落ちが発生する恐れがある。
（２）第二の実施例
次に、本発明の実施の形態たる、第二の実施例について説明する。第二の実施例におけるＧＰＳ信号送信機の構成、各構成の機能や動作は特に示さない限りは第一の実施例と同様である。

図８は、マイコン５―２が有するシリアルインターフェースを介してビット制御信号を受けるスイッチを複数準備して、一の装置から異なる複数の屋内ＧＰＳ電波を作成するハードウェアを示す図である。

本図においては、図３のハードウェア構成図と比較して、４つのスイッチ５ー４、抵抗５ー５、フィルタ５ー６、およびアンテナ５ー７からなる電波を生成する部分が追加されている。ＰＬＬ周波数シンセサイザ５ー３は、２種類の位相の異なる搬送波を提供する点においては同一であるが、マイコン５ー２はそれぞれのスイッチ５ー４に対して異なるビット制御信号を提供する点で異なる。

当該制御信号の内容は、図８の４つのアンテナによって提供される位置を生成する信号を生成するものとなり、具体的には異なるＰＲＮ番号、緯度、経度、高度情報等の内容を含む信号となる。緯度、経度、高度情報については、アンテナ５ー７が設置される位置情報を予め調べておき、これらの内容を、計算機６を介して、設置情報等管理プログラム５２０６に転送する。

ソフトウェア構成は、図５に示す内容に同じである。但し、航法メッセージ格納プログラム５２０４、Ｃ／Ａコード格納プログラム５２０６は、図８に示す複数のスイッチを制御する情報を有し、また、スイッチ制御プログラム兼通信プログラム５２０８は、これらの複数のスイッチを並列に実施しうるように制御される。

本実施例においても、図３と同様にＳＰＩを用いる方法を例として説明する。

マイコン５―２が、ＳＰＩのマスタとなり、スイッチ５―４がＳＰＩのスレーブとなる。マイコン５―２は通信する４つのスイッチ５−４の一つを選択し、３本の信号線からなるＳＰＩバスを通じて、所定のスイッチの制御を行う。このような制御によって、一組のＧＰＳの搬送波から、複数の屋内ＧＰＳ送信信号を生成することが可能となる。

なお、図８には電波を生成する部分は４つしか記載されていないが、この数に限定する必要はない。

アンテナ５ー７は、現実にはアンテナケーブルにて延長されて、所定の位置に設置される。一例としては、本実施形態のＧＰＳ信号送信機をあるフロアの天井の中心部に配置して、そこから複数のアンテナケーブルを引き回して、所定の場所にアンテナを設置するようにしても良い。

図９は、ＱＰＳＫ変調を実現する為に変更した図８のハードウェア構成の一部を示す図である。ＰＬＬ周波数シンセサイザ５―３の出力部に、１／２π位相変換装置５−８を設けて、１／２πの位相差のある４の搬送波を生成し、当該４の搬送波を、スイッチ５―４で切り替えることで容易に実現可能である。８ＰＳＫ変調方式を含む、全ＰＳＫ変調方式においても同様の方法を取りえる。また、搬送波と１／２πの位相変換した搬送波の２波のみから、各種のＰＳＫ変換を行う方式を生成しても良い。

一のＧＰＳ信号送信機によって二以上のＧＰＳ電波を生成することが可能となる為、装置コスト、省電力、省スペースに資することになる。
（３）第三の実施例
次に、本発明の実施の形態たる、第三の実施例について説明する。第三の実施例におけるＧＰＳ信号送信機の構成、各構成の機能や動作は特に示さない限りは第一の実施例と同様である。なお、第１の実施例と第２の実施例ではＧＰＳ信号送信機が、ＧＰＳ信号送信機の位置またはアンテナの位置を示す情報を送信する例を示したが、第３の実施例では、ＧＰＳ信号送信機が、実際のＧＰＳ衛星が送出するＧＰＳ信号と同様の信号を送信する例を示す。つまり第３の実施例では、ＧＰＳ信号送信機がＧＰＳ衛星の信号を擬似的に送信する。

図８と同じハードウェア構成を使って、ＧＰＳ信号受信機側の改造なくしてＧＰＳ信号受信機に位置情報を提供する疑似ＧＰＳ衛星装置の実現方法について記載する。

屋内においてＧＰＳが使用できない理由は、屋内においてＧＰＳ信号をＧＰＳ信号受信機が受信することができないからである。従って、屋内においても屋外で受信するＧＰＳの信号と同一の信号を、その信号を受けとるタイミングで提供することがきれば、屋内においても既存のＧＰＳ信号受信機においても位置情報を取得することができる。

第一、第二の実施例においては、ＧＰＳ信号送信機に、例えば、非特許文献１に記載の信号を解釈し得るような改造が前提となるが、本方式においてはかかる改造を前提としない。原則として屋外で取得できるＧＰＳ電波を生成するからである。非特許文献1に記載の信号を解釈し得るような改造とは、後述する、最低4つのGPS衛星から送信されるGPS信号の到着時刻の差分を利用することで、受信機1の位置を算出する方法ではなく、GPS信号が伝送する航行メッセージに、直接GPS信号送信機、またはそのアンテナの位置情報を搭載した場合において、受信機側で当該位置情報を解釈し得るような改造のことである。

図１０は、ＧＰＳ衛星７からの航行メッセージによって、ＧＰＳ信号受信機が位置情報を取得する方法を示す概念図である。

地上にあるＧＰＳ信号受信機１は、４つのＧＰＳ衛星７―１、７―２、７―３、７―４の時計を観測している。各衛星はＧＰＳ時刻に同期した時計を持っているが、各衛星からＧＰＳ信号送信機の距離が異なるため、到達する迄に時間差が発生する。

各ＧＰＳ衛星７の時刻がＴｓになった時に送付された航行メッセージを受信した時刻を、それぞれＴａ，Ｔｂ，Ｔｃ，Ｔｄとする。この際、各ＧＰＳ衛星７は宇宙空間上の自己の座標（地球中心、地球固定の直交座標系 Ｅａｒｔｈ−Ｃｅｎｔｅｒｅｄ Ｅａｒｔｈ−Ｆｉｅｘｅｄ（以下、ＥＣＥＦという）を正確に知っているものとする。

なお、ＧＰＳ信号受信機１とＧＰＳ衛星７の時刻が同期しているというという条件は成立しないとする。従って、時刻Ｔｓと、Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃ，Ｔｄの時間差に光速ｃを乗算した値は、厳密にはＧＰＳ信号受信機１とＧＰＳ衛星７の距離を示すものには成り得ない。しかし、ここで、ＧＰＳ信号受信機１とＧＰＳ衛星７の時刻ずれをΔｔとすると、ΔｔとＧＰＳ信号受信機１の座標（ＥＣＥＦ）を合わせた４つの未知数は、時刻Ｔｓと、Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃ，Ｔｄの時間差に光速ｃを乗算した値を使って、４連立方程式を得ることができる。

従って、ＧＰＳ信号受信機１が少なくとも４つのＧＰＳ衛星７の時刻情報を観測できれば、ＧＰＳ信号受信機１のＧＰＳ信号受信機１の座標。またΔｔによって、ＧＰＳ信号受信機１がＧＰＳ衛星７の時刻と同期時刻を得た後は、その時刻のずれが大きくならない期間内であれば、３つの衛星でも位置測位が可能となる。ＥＣＥＦ座標は、ＧＰＳ信号受信機１で、近似式等を用いて緯度、経度、高度情報に変換される。

マイコン５―４は、屋外であればＧＰＳ信号受信機１が受信できるであろう４つのＧＰＳ衛星７の航法メッセージを生成する。なお、前述のＧＰＳ測位の原理、または、航法メッセージの内容については、 前述した「ＧＰＳ―理論と応用」８９−９０頁、２０９−２１４頁に詳しい。

ここでは、図１０で説明した、Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃ，Ｔｄの航法メッセージ到着時間差を生成する方法について説明する。

光速は秒速３０万キロメートルであるので、例えば１０メートル程度の誤差のＧＰＳ信号送信機を実現する為には、３０ＭＨｚ程度の送信タイミングの精度が必要となる。従って、本実施例においては、水晶発振器５―１の周波数を高くし、高性能のマイコン５―２を使用することを前提として、ＳＰＩの速度を３２．７３６ＭＨｚの速度として、スイッチ５−４を切り替えることでＢＰＳＫ変調と同時に航法メッセージの送信タイミングを調整する。

図８に示すように、本実施形態は４つのアンテナ５―７を具備しているので、原則として４連立方程式を解くことができる。

マイコン５―２は、全てのＧＰＳ衛星７の軌道情報（エフェリメス）を保持する。ＧＰＳ衛星７の軌道は一般的には楕円で現わされ、宇宙空間内で地球と軌道面の位置関係を表わすには、昇交点赤経、軌道傾斜角、近地点引数の３つのパラメータによって軌道面が定まり、さらに、軌道長半径、離心率、真近点角によって、衛星の軌道が決定されることになる。この他の精度を上げる為の補正パラメータ、その他が追加されるが、本実施形態においてはこれらの情報をマイコン５―２にて準備しなくても良い。以下この情報を簡易エフェリメスという。

本装置においては、ＧＰＳ衛星７を模擬する時刻はマイコン５―２によって提供される時刻であり、これが現実のＧＰＳ衛星７と厳密に一致している必要はない。屋内における精度１０メートル程度の位置を提供することを目的とするのであって、ＧＰＳ信号受信機１において厳密時刻を必要とする訳ではないからである。

また、実際のＧＰＳにおいては、エフェリメスの情報は一定時間毎に更新されるが、本装置ではそのような更新を行わなくても良い。厳密なＧＰＳ衛星７の座標情報が必要という訳ではなく、結果として本装置の送信によって、本装置の設置された場所の妥当な位置情報が、ＧＰＳ信号受信機１において提供されれば良いからである。

アルマナック情報についても、マイコン５―２で提供し得るように、エフェリメスと同程度の情報を提供すれば良い。屋内では現実に不要な情報であるからである。屋内から屋外に出た時に、大きな情報のずれが発生せず、正常な屋外測位に復帰できる程度の情報があれば十分であるからである。以下、この情報を、簡易アルマナックという。

但しマイコン５―２に通信機能を設けられる場合は、外部からこれらの情報を取得しても良い。

マイコン５―２が４つのスイッチ５―４に与える制御データを生成する方法と、そのタイミングの計算方法を含めた、ＧＰＳ信号送信機が送信する電波の生成のフローを以下に説明する。
（Ｓｔｅｐ．１）ＧＰＳ信号送信機のＧＰＳ情報計算プログラム５２０４は、設置情報等管理プログラム５２０６に格納されている、ＧＰＳ信号送信機が提供すべき位置情報を予め読み出しておき、その時間において、当該位置が屋外であったとすれば、観測されたであろうＧＰＳ衛星を４つ選択する。この選択に際しては、仰角の高い衛星であって、全天に分散しているものを選択するなどの選択基準を採用しても良い。測位精度に資するからである。
（Ｓｔｅｐ．２）ＧＰＳ情報計算プログラム５２０４は、選択したＧＰＳ衛星の存在する宇宙空間の座標を、簡易エフェリメス情報を使って算出し、ＧＰＳ信号送信機が提供すべき位置情報までの距離を算出する。さらに、この距離を光速で除算することで、当該ＧＰＳ衛星がＧＰＳ信号を転送した場合に到達する時間を算出する。
（Ｓｔｅｐ．３）上記算出した時間から、当該位置が屋外であったとすれば、受信されたであろうＧＰＳ衛星からのＧＰＳ信号の時刻を算出し、当該時刻と必要な航行メッセージの情報を、スイッチ制御プログラム兼通信プログラム５２０８に渡す。
（Ｓｔｅｐ．４）スイッチ制御プログラム兼通信プログラム５２０８は、上記指定されたタイミングがくる前に、前記Ａ〜Ｄのデータ列で構成されるビット制御情報を生成し、上記指定されたタイミングで、当該ビット制御情報をＵＡＲＴに渡す。

上記の（Ｓｔｅｐ．１）から（Ｓｔｅｐ．４）の処理を繰り返すことによって、本実施形態のＧＰＳ信号送信機からＧＰＳ信号を受信したＧＰＳ信号受信機１は、ＧＰＳ信号送信機が提供を予定している位置情報を４連立方程式の演算結果として受けとることができる。

なお、屋内において屋外と同一のＣ／Ａコードを有するＧＰＳ信号を模擬することになると、屋内と屋外の境界部において同一Ｃ／ＡコードからなるＧＰＳ信号が混信する場合があり得る。そこで、上記の（Ｓｔｅｐ．１）を、以下に示すように変更することで、この問題を解決することができる。
（Ｓｔｅｐ．１’）ＧＰＳ信号送信機のＧＰＳ情報計算プログラム５２０４は、設置情報等管理プログラム５２０６に格納されている、ＧＰＳ信号送信機が提供すべき位置情報を予め読み出しておき、その時間において、当該位置が屋外であったとすれば、観測されるはずのないＧＰＳ衛星を４つを選択する。例えば、ＧＰＳ信号送信機が提供すべき位置と地球の中心と点対称の位置において観測されうるＧＰＳ衛星を４つを選択する。具体的には本装置が日本国内で設置されるのであれば、その時刻においてブラジル国で観測されるＧＰＳ衛星を選択する。

かかる選択によっても、ＧＰＳは原則として地球の中心を中心とした全ての位置情報を測位し得るので、ＧＰＳ信号受信機１は位置情報を測位できる。また屋外においては観測される筈のないＧＰＳ衛星のＧＰＳ信号を使っているので、混信の問題は発生しない。

以上のように、本発明の実施形態によれば、低コスト、省電力、小型化、容易な設置を実現しつつ、装置のスケーラビリティを担保しつつ、送信機側の最小限の改造または無改造で屋内における位置情報を提供する装置を提供することができる。

また、ベースとなるマイコン１台のみで、複数の異なるＧＰＳ信号を同時に生成できる。また、低消費電力を実現することができる。また、省スペース化を実現する。アンテナケーブルを延長するだけで、１フロアで数台分の送信機を取りつけることができる。さらに、ＧＰＳ信号受信機の改造を行うことなく、屋内においても位置情報を提供することができる。

１ ＧＰＳ信号受信機
５ ＧＰＳ信号送信機（本発明の実施形態）
７ ＧＰＳ衛星
６ 計算機
４ ＧＰＳ信号送信機（従来）
４―１ 水晶発振器
４―２ ＦＰＧＡ
４−３ ＰＬＬ周波数シンセサイザ
４−４ ＦＰＧＡ
４―５ マイコン
４―６ マイコン
４―７ 信号変調器
４―８ 直交変換器
４―９ フィルタ
４―１０ アッテネータ
４―１１ アンテナ
５―１ 水晶発振器
５―２ マイコン
５―３ ＰＬＬ周波数シンセサイザ
５―４ スイッチ
５―５ 抵抗
５―６ フィルタ
５―７ アンテナ
５―８ １／２π位相変換装置
５２０２ 計算機シリアル通信プログラム
５２０３ 航法メッセージ格納プログラム
５２０６ Ｃ／Ａコード格納プログラム
５２０４ ＧＰＳ情報計算プログラム
５２０７ 設置情報等管理プログラム
５２０８ スイッチ制御プログラム兼通信プログラム

Claims (5)

1. 測位システムにおいて受信機が利用するメッセージを送信する、測位システム用信号送信機であって、
   前記測位システムは、
   前記メッセージがｊ情報ビット（ｊは２以上）で構成され、
   １情報ビット毎に、ｋビットの疑似乱数符号と排他的論理和演算した結果をｍ回（ｍは２以上）繰り返し、前記ｊ情報ビットの前記メッセージを送出する仕様である場合に、
   与えられるクロックを用いて、位相差が等間隔の２つまたは４つの搬送波を出力する搬送波生成器と、
   切り替え信号に基づいて、前記２つまたは４つの搬送波を切り換えて、前記メッセージをＰＳＫ変調したＰＳＫ変調波を生成するスイッチと、
   前記クロックで駆動され、プログラムを実行することにより、前記メッセージに基づく前記切り替え信号を生成する制御信号生成手段と、
   前記ＰＳＫ変調波を無線送信するアンテナと、
   前記制御信号生成手段が前記切り替え信号を生成する際に実行するプログラムを記憶する記憶部と、を備え、
   前記ｊ情報ビットのメッセージを、ｎビットデータの組み合わせで表現するために、予め、複数のｎビット長の基本データを構成し、
   各々の前記ｎビットの基本データについて、前記基本データの各１ビットを、前記擬似乱数符号のｋビットと排他的論理和演算したｋ×ｎビットのデータを、前記切り替え信号の生成用データとして予め生成して、前記記憶部に格納しておき、
   前記制御信号生成手段は、
   パラレルデータから前記切り替え信号を生成するために用いるパラレルシリアル変換手段を備え、
   前記ｊ情報ビットのメッセージを表現する、ｊ×ｋ×ｍビットのデータを前記ＰＳＫ変調するために、前記記憶部から、あらかじめ設定されたプログラムに従い選択した前記切り替え信号生成用データを読み出し、
   選択した前記切り替え信号生成用データを分割して、前記パラレルシリアル変換手段に供給し、
   前記パラレルシリアル変換手段の出力を用いて前記切り替え信号を生成し、出力する
   ことを特徴とする測位システム用信号送信機。
   
2. 請求項１に記載の測位システム用信号送信機において、
   前記ｋ＝１０２３である
   ことを特徴とする測位システム用信号送信機。
   
3. 請求項１または２に記載の測位システム用信号送信機において、
   前記ｍ＝２０である
   ことを特徴とする測位システム用信号送信機。
   
4. 請求項１から３のいずれか一に記載の測位システム用信号送信機において、
   前記ｎ＝８である
   ことを特徴とする測位システム用信号送信機。
   
5. 請求項１から４のいずれか一に記載の測位システム用信号送信機において、
   前記ＰＳＫ変調がＢＰＳＫ変調である場合に、
   前記搬送波生成器は、位相差が等間隔の２つの搬送波を出力し、
   前記スイッチは、前記切り替え信号に基づいて、前記２つの搬送波を切り換えて、ＢＰＳＫ変調波を生成し、
   前記ＰＳＫ変調がＱＰＳＫ変調である場合に、
   前記搬送波生成器は、位相差が等間隔の４つの搬送波を出力し、
   前記スイッチは、前記切り替え信号に基づいて、前記４つの搬送波を切り換えて、ＱＰＳＫ変調波を生成する
   ことを特徴とする測位システム用信号送信機。

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