JP5412707B2

JP5412707B2 - Ｇｐｓ受信装置およびｇｐｓ受信方法

Info

Publication number: JP5412707B2
Application number: JP2006282098A
Authority: JP
Inventors: 心平松田
Original assignee: Casio Computer Co Ltd
Current assignee: Casio Computer Co Ltd
Priority date: 2006-10-17
Filing date: 2006-10-17
Publication date: 2014-02-12
Anticipated expiration: 2026-10-17
Also published as: JP2008101915A

Description

本発明は、ＧＰＳ受信装置およびＧＰＳ受信方法に関し、特に、ＧＰＳ信号の航法メッセージに基づいて現在位置を測定するＧＰＳ受信装置およびＧＰＳ受信方法に関するものである。

ＧＰＳ（Global Positioning System：全地球測位システム）は、複数の衛星からの電波を受信して、現在位置を検出するシステムである。この場合の衛星は静止衛星ではなく、高度２万ｋｍを周回し、地球に対して刻々と位置が変化する３２個の衛星である。現在位置を検出するためには、３２個の衛星の中の最低３個の衛星からＧＰＳ信号を受信する必要がある。実際は、４個の衛星からＧＰＳ信号を受信して現在位置を検出している。各衛星からの航法メッセージのＧＰＳ信号は、決まった順番で５０ｂｐｓ（ビット／秒）の速度で３０秒のメインフレームが送信される。このメインフレームは、各フレームが６秒の５個のサブフレームで構成され、各サブフレームは３００ビットのデータで構成されている。第１ないし第５の５個のサブフレームのうち、第１のサブフレーム（サブフレーム＃１）には、各衛星の状態とクロック補正係数、第２、第３のサブフレーム（サブフレーム＃２、＃３）には、各衛星の軌道情報である「エフェメリス」が格納され、第４および第５の２個のサブフレーム（サブフレーム＃４、＃５）には、３２個のすべての衛星に共通の概略軌道情報である「アルマナック」が格納されている。

ＧＰＳを利用した位置検出の技術に関しては、多くの提案がなされている。
例えば、ある提案のＧＰＳ航法装置においては、エフェメリスのデータをサブフレーム単位に分割収集し、メモリに保存することによって、データ収集に要する時間を短くするようになっている。具体的には、サブフレーム収集フラグを設けて、サブフレームの収集に応じてこのフラグを１（有効）にセットする。したがって、一度収集したサブフレームであるか否かをフラグで判定するので、そのサブフレームを再度収集する必要がなくなり、収集する時間を短縮できる。（特許文献１参照）
また、ある提案のＧＰＳ受信機においては、複数のチャネルを持つ検波部と、検波部で復調した衛星から送信される航法メッセージを収集するメッセージ収集部と、収集したメッセージを解析するメッセージ解析部と、伝搬時間と衛星の位置から受信機の位置を算出する測位部と、各チャネルのメッセージ収集部に対して航法メッセージを走査するタイミングを指定するタイミング指定部とを備え、１チャネル以上で航法メッセージを収集した場合に、他のチャネルに対してメッセージの収集タイミングを指定する。したがって、ＧＰＳ衛星から送信される航法メッセージの先頭を示すビットパターンであるプリアンブルパターンを早く検出し、すべてのチャネルでプリアンブルパターンを検出するまでの時間を短縮し、航法メッセージをすばやく収集することにより、測位不能時間を短縮する。（特許文献２参照）
また、ある提案のＧＰＳ受信装置においては、複数のチャネルにおいてそれぞれＧＰＳ衛星を捕捉することができ、その捕捉したＧＰＳ衛星からの衛星データから取り出した時間情報と、ＧＰＳ受信装置側にて計時した現在時間とに基づいて、ＧＰＳ衛星と現在位置（ＧＰＳ受信装置の位置）との間の距離を測定する。また衛星データに含まれる詳細軌道情報（エフェメリス）を取り出して衛星位置を計算し、さらに測定した距離を加味して、ＧＰＳ受信装置の位置を算出する。これにより、衛星データとの同期確立を早期に行えるようにし、測位を開始するまでの時間を短縮する。（特許文献３参照）
また、ある提案のＧＰＳ位置検出装置においては、ＧＰＳアンテナと、ＧＰＳ電波の受信強度を推測するための周囲の環境条件を検知する環境センサと、ＧＰＳ衛星捕捉のための行列サーチ処理回路を含んだＧＰＳ測位演算処理部とを備え、行列サーチ処理回路に所定の積算演算処理を実行する機能を付加し、環境センサの出力によって推測されたＧＰＳ電波の受信強度に応じて、積算演算処理を選択的に実行させて、ＧＰＳ衛星からのＧＰＳ電波を捕捉して航法メッセージを解読する。（特許文献４参照）
上記特許文献１ないし特許文献４を含め、ＧＰＳを利用した従来のＧＰＳ受信装置では、複数の受信チャネルを時分割で切り替えながら、各受信チャネルによって１個の衛星をサーチして、捕捉された衛星からの情報を記憶し、位置検出に必要な個数（装置自身の高さ情報が既知の場合は３個、高さ情報が未知の場合は４個）の衛星からの情報を順次（シーケンシャル）に取得していた。

図４は、従来のＧＰＳ受信装置による航法メッセージの取得方法を示すフローチャートである。図４の例では、４個の受信チャネルによって衛星Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄからの航法メッセージである５個のサブフレームをそれぞれ同時に受信して現在位置を検出する。
チャネル１によって衛星Ａをサーチし（ステップＳ１０１）、衛星Ａを捕捉する（ステップＳ１０２）。そして、衛星Ａから送信される航法メッセージの情報を読み込み（ステップＳ１０３）、５個のサブフレームの情報を読み込んだときは受信処理を完了する（ステップＳ１０４）。この後は、衛星Ａを追尾して、記憶されている衛星Ａの情報を逐次更新する（ステップＳ１０５）。
チャネル２によって衛星Ｂをサーチし（ステップＳ１１１）、衛星Ｂを捕捉する（ステップＳ１１２）。そして、衛星Ｂから送信される航法メッセージの情報を読み込み（ステップＳ１１３）、５個のサブフレームの情報を読み込んだときは受信処理を完了する（ステップＳ１１４）。この後は、衛星Ｂを追尾して、記憶されている衛星Ｂの情報を逐次更新する（ステップＳ１１５）。
チャネル３によって衛星Ｃをサーチし（ステップＳ１２１）、衛星Ｃを捕捉する（ステップＳ１２２）。そして、衛星Ｃから送信される航法メッセージの情報を読み込み（ステップＳ１２３）、５個のサブフレームの情報を読み込んだときは受信処理を完了する（ステップＳ１２４）。この後は、衛星Ｃを追尾して、記憶されている衛星Ｃの情報を逐次更新する（ステップＳ１２５）。
チャネル４によって衛星Ｄをサーチし（ステップＳ１３１）、衛星Ｄを捕捉する（ステップＳ１３２）。そして、衛星Ｄから送信される航法メッセージの情報を読み込み（ステップＳ１３３）、５個のサブフレームの情報を読み込んだときは受信処理を完了する（ステップＳ１３４）。この後は、衛星Ｄを追尾して、記憶されている衛星Ａの情報を逐次更新する（ステップＳ１３５）。
衛星Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄからの情報をそれぞれ更新した後は、更新した情報に基づいて位置を確定する（ステップＳ１４１）。
このように、従来のＧＰＳ受信方法においては、各受信チャネルによって１つの衛星からのデータを受信し、その後は、その衛星を追尾して、記憶されているその衛星の情報を逐次更新しながら現在位置を検出するようになっている。
特公平３−４２７９３号公報特開平１１−３０４８９９号公報特開２０００−２９２５２１号公報特開２００２−２５０７６４号公報

しかしながら、上記従来のＧＰＳ受信装置においては、任意の受信チャネルで衛星を捕捉した後は、その衛星を追尾しながらデータを受信して、受信したデータによって記憶されているデータを逐次更新しながら測位を行うので、測位を完了するまでの時間であるＴｉｍｅＴｏＦｉｒｓｔＦｉｘ（ＴＴＦＦ）が長くなると共に、電力消費が大きくなり、特に、コイン型電池を使用した携帯型のＧＰＳ受信装置の場合には、電池の著しい電圧降下のために装置自体が機能停止になるおそれがある。
本発明の目的は、このような従来の課題を解決するためのものであり、測位を完了するまでの時間を短縮すると共に、電池で駆動されるＧＰＳ受信装置において、電池の著しい電圧降下のために装置自体が機能停止になることを防止することである。

本発明は、衛星からのデータを受信する複数の受信チャネルを有する受信手段と、前記受信手段の任意の受信チャネルにおいて任意の衛星からのデータのうち、航法メッセージが受信されると、当該任意の受信チャネルにて連続して他の衛星からの航法メッセージを受信するように前記受信手段を制御する制御手段と、所定数の衛星からの航法メッセージが前記受信手段によって受信されたときは、前記航法メッセージを受信した受信チャネルの以後の処理を中断するとともに、当該航法メッセージに基づいて現在位置を検出する検出手段と、を備えたことを特徴とするＧＰＳ受信装置である。

本発明によれば、測位を完了するまでの時間を短縮すると共に、電池で駆動されるＧＰＳ受信装置において、電池の著しい電圧降下のために装置自体が機能停止になることを防止するという効果が得られる。

以下、本発明によるＧＰＳ受信装置の実施形態について、図１ないし図３を参照して詳細に説明する。なお、以下の実施形態は、本発明を実現するための一例であり、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。すなわち、本発明は、その技術的範囲の属する限り、当業者によって容易に考えられる様々な変形例が可能である。

図１は、本発明の実施形態におけるＧＰＳ受信装置の構成を示すブロック図である。図１に示すように、実施形態のＧＰＳ受信装置は、アンテナ１、高周波処理部２、ＧＰＳ信号処理部３で構成されている。なお、図には示していないが、ユーザの指示を入力する操作部やＧＰＳ信号処理部３から出力される時間情報および位置情報を表示するディスプレイなどを有するシステム、各部に電力を供給する電源等がこの装置に含まれている。また、このＧＰＳ受信装置は携帯型であり、コイン型の電池で駆動されている。

アンテナ１は、衛星からの電波を受信して高周波処理部２に入力する。高周波処理部２は、入力された電波を必要なレベルに増幅してＧＰＳ信号処理部３に入力する。ＧＰＳ信号処理部３は、サーチ・エンジン４、サーチ・エンジン制御部５、航法メッセージ用メモリ６、位置演算部７などを有する。

サーチ・エンジン４は、８個乃至１０個の複数の受信チャネルを有し、高周波処理部２から入力された高周波信号の中から航法メッセージのデータを抽出して復調し、アナログ信号からデジタル信号のベースバンド信号に変換する。
航法メッセージ用メモリ６は、サーチ・エンジン４から入力された航法メッセージのデータを記憶する。
位置演算部７は、サーチ・エンジン４によって所定数（３個又は４個）の衛星から必要なデータが受信されて、航法メッセージ用メモリ６に記憶されたときは、そのデータを演算して現在位置を検出する。
サーチ・エンジン制御部５は、任意の受信チャネルが任意の衛星からの必要なデータ（後述するサブフレーム＃１乃至サブフレーム＃５）を受信したときは、連続して他の衛星からのデータを受信するように、サーチ・エンジン４を制御する。また、サーチ・エンジン制御部５は、現在位置の検出指令の入力に応じて、サーチ・エンジン４によって所定数の衛星から必要なデータが受信されたときは、前回の検出指令の入力に応じてサーチ・エンジン４によって受信されて、航法メッセージ用メモリ６に記憶されたデータを更新する。

すなわち、データの更新は、従来のように衛星を追尾しながら逐次に行うのでなく、ユーザから現在位置の検出指令の入力がされるごとに行うようになっている。したがって、サーチ・エンジン制御部５は、現在位置の検出指令の入力がされたときに、サーチ・エンジン４を動作状態に遷移させ、３個又は４個の衛星から必要なデータが受信されて、航法メッセージ用メモリ６に記憶されたときは、サーチ・エンジン４を非動作状態に遷移させる。

図２は、ＧＰＳ信号の航法メッセージであるサブフレームのフォーマットを示す図である。５個のサブフレームで１フレームが構成され、サブフレーム＃１からサブフレーム＃５まで順番に送信される。上記したように、各衛星は、サブフレーム＃１ないしサブフレーム＃３によって固有のデータ（「エフェメリス」と称する）を送信している。また、各衛星は、サブフレーム＃４およびサブフレーム＃５の２つを用いて共通のデータ（「アルマナック（軌道情報）」と称する）を送信している。現在位置を検出するためには、最低３個の衛星のそれぞれに対応するサブフレーム＃１ないしサブフレーム＃３を取得する必要がある。

図２に示すように、各サブフレームは、６秒の時間長からなる３００ビットで構成されている。したがって、メインフレームは３０秒の時間長からなる１５００ビットで構成され、３２個の衛星から３０秒ごとにメインフレームが送信される。通常、各サブフレームの先頭には、３０ビットのＴＬＭ（Telemetry）のデータがあり、次に、同じく３０ビットのＨＯＷ（Handover Word）のデータが続き、その後に、２４０ビットのクロック、各衛星の状態を示すデータ（サブフレーム＃１）、各衛星に固有の詳細軌道情報などのエフェメリスのデータ（サブフレーム＃２、＃３）、３２個の衛星に共通する概略軌道情報や電離層補正情報などのアルマナックのデータ（サブフレーム＃４、＃５）がある。ただし、サブフレーム＃４、＃５については、１回ではアルマナックの全てのデータを送信できないので、２５ページに分割して送信される。

図３は、図１のＧＰＳ信号処理部３によって実行されるＧＰＳ受信方法を示すフローチャートである。図３の例では、チャネル１乃至チャネル３によって、最初は同時に３個の衛星Ａ，Ｂ，Ｃからの航法メッセージを受信する。
図３において、チャネル１によって衛星Ａをサーチし（ステップＳ２０１）、衛星Ａを捕捉する（ステップＳ２０２）。そして、衛星Ａから送信される航法メッセージの情報を読み込み（ステップＳ２０３）、５個のサブフレームの情報を読み込んだときは、その情報を航法メッセージ用メモリ６に記憶して受信処理を完了する（ステップＳ２０４）。
チャネル２によって衛星Ｂをサーチし（ステップＳ２１１）、衛星Ｂを捕捉する（ステップＳ２１２）。そして、衛星Ｂから送信される航法メッセージの情報を読み込み（ステップＳ２１３）、５個のサブフレームの情報を読み込んだときは、その情報を航法メッセージ用メモリ６に記憶して受信処理を完了する（ステップＳ２１４）。
チャネル３によって衛星Ｃをサーチし（ステップＳ２２１）、衛星Ｃを捕捉する（ステップＳ２２２）。そして、衛星Ｃから送信される航法メッセージの情報を読み込み（ステップＳ２２３）、５個のサブフレームの情報を読み込んだときは、その情報を航法メッセージ用メモリ６に記憶して受信処理を完了する（ステップＳ２２４）。

チャネル１が衛星Ａからの５個のサブフレームの情報を読み込んで、その情報を航法メッセージ用メモリ６に記憶した後は、連続して他の衛星Ｄをサーチし（ステップＳ２０５）、衛星Ｄを捕捉する（ステップＳ２０６）。そして、衛星Ｄから送信される航法メッセージの情報を読み込み（ステップＳ２０７）、５個のサブフレームの情報を読み込んだときは、その情報を航法メッセージ用メモリ６に記憶して受信処理を完了する（ステップＳ２０８）。

この結果、チャネル２が衛星Ｂからの５個のサブフレームの情報を読み込んで、その情報を航法メッセージ用メモリ６に記憶した後に、連続して衛星Ｅのサーチを開始し（ステップＳ２１５）、同様に、チャネル３が衛星Ｃからの５個のサブフレームの情報を読み込んで、その情報を航法メッセージ用メモリ６に記憶した後に、連続して衛星Ｆのサーチを開始するが（ステップＳ２２５）、４個の衛星Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄからの情報を航法メッセージ用メモリ６に記憶した後は、チャネル２およびチャネル３は以後の処理を中断する。そして、４個の衛星Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄからの情報に基づいて現在位置を検出する（ステップＳ２３１）。

以上のように、上記実施形態のＧＰＳ受信装置によれば、ＧＰＳ信号処理部３は、衛星からのデータを受信する複数の受信チャネルを有するサーチ・エンジン４と、サーチ・エンジン４の任意の受信チャネルが任意の衛星からの必要なデータを受信したときは、連続して他の衛星からのデータを受信するようにサーチ・エンジン４を制御するサーチ・エンジン制御部５と、４個の衛星からの必要なデータがサーチ・エンジン４によって受信されたときは、そのデータに基づいて現在位置を検出する位置演算部７と、を備えている。
したがって、サーチして捕捉した衛星を追尾してデータを逐次更新する処理がないので、測位を完了するまでの時間を短縮すると共に、電池で駆動されるＧＰＳ受信装置において、電池の著しい電圧降下のために装置自体が機能停止になることを防止することができる。

また、上記実施形態のＧＰＳ受信装置によれば、サーチ・エンジン４によって受信された所定数の衛星からの必要なデータを記憶する航法メッセージ用メモリ６をさらに備えた構成になっている。
したがって、所定数の衛星からの必要なデータを記憶した後は、迅速に現在位置を検出することができる。

さらに、サーチ・エンジン制御部５は、現在位置の検出指令の入力に応じてサーチ・エンジン４によって４個の衛星から必要なデータが受信されたときは、前回の検出指令の入力に応じてサーチ・エンジン４によって受信されて航法メッセージ用メモリ６に記憶されたデータを更新する。
したがって、ユーザから現在位置の検出指令の入力があるごとに、航法メッセージ用メモリ６に記憶されたデータを更新するので、短時間の測位と正確な現在位置の検出とが可能になる。

本発明の実施形態におけるＧＰＳ受信装置の構成を示すブロック図。ＧＰＳ信号の航法メッセージであるサブフレームのフォーマットを示す図。実施形態におけるＧＰＳ受信方法を示すフローチャート。従来のＧＰＳ受信方法を示すフローチャート。

符号の説明

１アンテナ
２高周波処理部
３ＧＰＳ信号処理部
４サーチ・エンジン
５サーチ・エンジン制御部
６航法メッセージ用メモリ
７位置演算部

Claims

衛星からのデータを受信する複数の受信チャネルを有する受信手段と、
前記受信手段の任意の受信チャネルにおいて任意の衛星からのデータのうち、航法メッセージが受信されると、当該任意の受信チャネルにて連続して他の衛星からの航法メッセージを受信するように前記受信手段を制御する制御手段と、
所定数の衛星からの航法メッセージが前記受信手段によって受信されたときは、前記航法メッセージを受信した受信チャネルの以後の処理を中断するとともに、当該航法メッセージに基づいて現在位置を検出する検出手段と、
を備えたことを特徴とするＧＰＳ受信装置。
前記受信手段によって受信された前記所定数の衛星からの航法メッセージを記憶する記憶手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載のＧＰＳ受信装置。
前記制御手段は、現在位置の検出指令の入力に応じて前記受信手段によって所定数の衛星から航法メッセージが受信されたときは、前回の検出指令の入力に応じて前記受信手段によって受信されて前記記憶手段に記憶された航法メッセージを更新することを特徴とする請求項２に記載のＧＰＳ受信装置。
前記航法メッセージは、エフェメリスとアルナックとを含む複数のサブフレームから構成されることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載のＧＰＳ受信装置。
衛星からのデータを受信する複数の受信チャネルを有する受信手段の任意の受信チャネルにおいて任意の衛星からのデータのうち、航法メッセージが受信されると、当該任意の受信チャネルにて連続して他の衛星からの航法メッセージを受信するように当該受信手段を制御するステップＡと、
所定数の衛星からの航法メッセージが前記受信手段によって受信されたときは、前記航法メッセージの受信を完了した受信チャネルの以後の処理を中断するとともに、当該航法メッセージに基づいて現在位置を検出するステップＢと、
を実行することを特徴とするＧＰＳ受信方法。
前記受信手段によって受信された前記所定数の衛星からの航法メッセージを記憶手段に記憶するステップＣをさらに実行することを特徴とする請求項５に記載のＧＰＳ受信方法。
現在位置の検出指令の入力に応じて前記受信手段によって所定数の衛星から航法メッセージが受信されたときは、前回の検出指令の入力に応じて前記受信手段によって受信されて前記記憶手段に記憶された航法メッセージを更新するステップＤをさらに実行することを特徴とする請求項６に記載のＧＰＳ受信方法。