JP5618519B2 - Ｇｐｓ信号受信機及びｇｐｓ信号送信機 - Google Patents

Description

本発明は、ＧＰＳ信号受信機及びＧＰＳ信号送信機に関し、特にＧＰＳ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信号受信機及びＧＰＳ信号送信機に関する。

従来の測位システムとしてＧＰＳ（Global Positioning System）が知られている。その一例として、特許文献１にはＧＰＳの航法メッセージに準拠した信号によって位置情報を提供するシステム、装置及び屋内送信機が開示されている。具体的には、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送信機が、信号を受信することができるＧＰＳ信号受信機に位置情報を送信する技術が開示されている。ＧＰＳ信号受信機は、ＧＰＳ信号送信機の信号を取得することによって自局の位置を特定する。

特開２００７−２７８７５６号公報

ＧＰＳ衛星から送信されるＧＰＳ信号を受信出来るＧＰＳ信号受信機においては、ＧＰＳ信号を受信してからＧＰＳ衛星の捕捉を行い、ＧＰＳ信号受信機の位置情報を取得するまでに、約３０秒の時間がかかる。屋外ではＧＰＳ信号受信機は一旦ＧＰＳ衛星の捕捉を行うと一定時間同じＧＰＳ衛星から送信されるＧＰＳ信号を受信するため測位に用いるＧＰＳ信号送信機を切り替える頻度は低い。

特許文献１に記載の技術は、屋外で使用されているＧＰＳ衛星の機能をそのまま屋内のＧＰＳ信号送信機に適用させたものである。

屋内にＧＰＳ信号送信機を設置する場合は、ＧＰＳ信号受信機がＧＰＳ信号送信機の捕捉を行うことが頻繁に起こる。何故なら、ＧＰＳ信号送信機のＧＰＳ信号送信エリアの直径は１０メートル程度であり、ＧＰＳ信号受信機は１０メートル程度移動する毎に新たなＧＰＳ信号送信機の捕捉を行う必要があるからである。ＧＰＳ信号受信機を持ったユーザが、通常の速度で移動するとＧＰＳ信号送信エリアの滞在時間は１０秒程度であるので、ＧＰＳ信号受信機がＧＰＳ信号送信機を捕捉する前に、他のＧＰＳ信号送信機のエリアに移動している場合がある。従って、ＧＰＳ信号送信機の切り替えが多く、送信機を捕捉する前に別のエリアに移動してしまう恐れがあるため正確な位置測位が出来ない場合がある。

また、ＧＰＳ信号受信機がＧＰＳ信号送信機を捕捉してからも位置情報を取得するまでに一定の時間がかかるため、高速で正確な位置情報の測位が出来ない場合もある。

そこで本発明では、ＧＰＳ信号送信機の捕捉と位置情報の取得の高速化を計り、正確な位置測位を行うことを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は以下の構成を備える。即ち、ＧＰＳ信号を用いて位置を測位するＧＰＳ信号受信機において、複数のＧＰＳ信号送信機から送信されるＧＰＳ信号を受信する受信部と、ＧＰＳ信号のＰＲＮ番号を特定するＰＲＮ番号特定部と、ＧＰＳ信号に含まれるＰＲＮ番号に対応する信号の先頭位置を特定する先頭位置特定部と、ＰＲＮ番号に対応する位置情報を取得する位置情報取得部とを有する。先頭位置特定部は、特定された先頭位置を用いて他のＧＰＳ信号送信機から送信されたＧＰＳ信号に含まれるＰＲＮ番号に対応する信号の先頭位置を特定し、ＰＲＮ番号特定部は、先頭位置特定部によって特定された他のＧＰＳ信号送信機から送信されたＧＰＳ信号に含まれるＰＲＮ番号に対応する信号の先頭位置を用いて他のＧＰＳ信号送信機から送信されたＧＰＳ信号のＰＲＮ番号を特定する。

また、ＧＰＳ信号を送信するＧＰＳ信号送信機において、他のＧＰＳ信号送信機から送信されたＧＰＳ信号を受信する受信部と、ＧＰＳ信号に対応するＰＲＮ番号を特定するＰＲＮ番号特定部と、ＧＰＳ信号に含まれるＰＲＮ番号に対応する信号の先頭位置を特定する先頭位置特定部と、先頭位置特定部で特定された先頭位置と、自機が送信するＧＰＳ信号に含まれるＰＲＮ番号に対応する信号の先頭位置とタイミングを合わせて自機のＧＰＳ信号を送信する送信部とを備える。

本発明に因れば、ＧＰＳ衛星から送信されるＧＰＳ信号が届かない場所においてＧＰＳ信号送信機の捕捉時間と位置情報の取得時間の高速化を計ることが可能となる。

本実施形態における位置情報システムを示す図である。 ＧＰＳ信号送信機におけるハードウェア構成の一例を示す図である。 ＧＰＳ信号送信機におけるハードウェア構成の一例を示す図である。 ＧＰＳにおける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ェア構成を示す図である。 ＧＰＳにおけるＢＰＳＫ変調を行う為に必要な演算を示す概念図である。 ＧＰＳのＧＰＳ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信号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信号受信機１が、ＧＰＳ信号送信機５からのメッセージを取り出す為のハードウェアの構成を示す図である。 ＧＰＳ信号の送信タイミングが１チップ以内に収まったＧＰＳ送信信号を示す図である。 ＧＰＳ信号を用いたＧＰＳ信号送信機間のタイミング同期方法の態様を示す図である。 ＧＰＳ信号送信機がＧＰＳ信号を送信するために必要なハードウェアの構成を示す図である。 簡略化した位置情報変換テーブルの図である。 本実施形態のＧＰＳ信号送信機とＧＰＳ信号受信機を列車におけるトンネルの利用に適用した事例を示す図である。 ＰＲＮ番号を複数組合せた送信方法を示す図である。 ＰＲＮ番号を経過時間単位で変化させた送信方法を示す図である。 ＧＰＳ信号の周波数を偏位させた信号をスペクトラム分布で表示した図である。 ＧＰＳ信号の送信遅延を表示した図である。 ＧＰＳ信号受信機１が、ＧＰＳ信号送信機５からのメッセージを取り出す為のフローチャートである。 ＰＲＮ番号に対応する信号の波形とＧＰＳ信号の波形を表した図である。

以下、本発明を実施する形態について説明する。

まず図１から図９までを用いて、ＧＰＳ信号受信機とＧＰＳ信号送信機の構成を概説する。その後、図１０から図２１を用いて本実施形態の特徴であるＧＰＳ信号受信機とＧＰＳ信号送信機における位置測位の高速化の詳細を説明する。

１．ＧＰＳ信号受信機とＧＰＳ信号送信機の構成
図１は、本実施形態の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ＧＰＳ信号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ＧＰＳ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信号の搬送波である１．５７５４２ＧＨｚの正弦波を生成する。

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信号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信号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ＧＰＳ信号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信号の搬送波である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信号としてアンテナ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従来規格で定めら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、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。

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ェ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ＧＰＳ信号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１０２３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、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、１０２３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ＧＰＳ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。

その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１５００ビットであるので、電文として必要なビット数は１５００ｘ５ ビットであり、これを、必要となるデータ列に換算すると、１５００ ｘ ５ ｘ １０２３ ｘ ２０ ビット、約１９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。

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信号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。

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、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信号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。

２．ＧＰＳ信号送受信機の捕捉時間の短縮
以下、位置測位の高速化に資するためにＧＰＳ信号受信機がＧＰＳ信号送信機を捕捉する捕捉時間とＧＰＳ信号受信機が位置情報を取得する位置情報取得時間の２つの時間についての時間短縮のための原理を記述する。初めに、捕捉時間の短縮のための原理を記す。

２．１ ＧＰＳ信号受信機
以下、捕捉時間の短縮のためのＧＰＳ信号受信機における原理を説明する。

図１０は、ＧＰＳ信号受信機１が、ＧＰＳ信号送信機５からのメッセージを取り出す為のハードウェアの構成を示す図である。受信部１−９は、ＧＰＳ信号送信機５から送信されるＧＰＳ信号を受信する。ＧＰＳ信号には、ＰＲＮ番号に対応する波形が含まれており、このＰＲＮ番号に対応する波形が連続的に現れる信号となっている。（図２１で後述する）。相関部１−２は、複数の相関器を保持している。複数の相関器は、個々のＧＰＳ信号送信機に対応するＰＲＮ番号（＃１７３〜＃１８２）を保持しており、１つの相関器に対して１つのＰＲＮ番号を保持する。データ抽出部１−３は、ＧＰＳ信号に含まれるＰＲＮ番号に対応する信号の先頭位置（詳細は図２１で後述する。）を特定する先頭位置特定部である。相関器コントローラ１−６は、先頭位置特定部で特定されたＧＰＳ信号の中に含まれるＰＲＮ番号の先頭位置の情報を相関部１−２に転送する。位置情報推定部１−４は、ＰＲＮ番号に対応する位置情報（緯度経度等）の対応関係を示す位置情報変換テーブル１−４−１（図１４）を用いて位置情報を取得する。

以下、詳細を説明する。

ＧＰＳ信号受信機のアンテナ１―１でＧＰＳ信号送信機５の信号を受けとると、各各信号は、相関部１−２においてダウンコンバーティングされる。

そして、相関部１―２のそれぞれのＰＲＮ番号（＃１７３〜＃１８２）に対応した相関器に並列に入力される。

ＧＰＳ信号受信機１が、最初にＧＰＳ信号送信機５からのＧＰＳ信号を受信した段階においては、受信されたＧＰＳ信号のタイミングは取れていない為、各ＰＲＮ番号に対応した相関器が相関値を最大にするタイミングを探しだす。ここでタイミングとは、ＧＰＳ信号に含まれるＰＲＮ番号に対応する信号の先頭位置が出現するときである。詳細は図２０と図２１において後述する。

各相関器の最大値は、データ抽出部１―３のデータセレクタに送られる。データセレクタは、位置情報推定部１―４に、ＰＲＮ番号、ドップラー偏差、ＳＮＲ、捕捉、追尾状態、チェックサム、または位置情報等のＧＰＳ信号送信機５の送付するメッセージを、位置情報推定部１―４に転送する。この位置情報推定部１―４の機能については後述する。

データ抽出部１―３は、これらのデータの他に、各データセレクタが獲得したＧＰＳ信号送信機５のタイミング信号を、相関器コントローラ１―６に転送する。相関器コントローラ１―６は、相関器コントローラ制御用のタイミング信号を生成する。

相関器コントローラ制御用のタイミング信号は、ＧＰＳ信号に含まれるＰＲＮ番号に対応する信号の先頭位置が出現する時刻、またはその近似する時刻を相関器に提供する信号である。この信号の生成に関しては、特定のデータセレクタが獲得したタイミングをそのまま採用しても良いし、複数のデータセレクタから得られたタイミングの平均値を採用しても良い。または最もＳＮＲ値が大きいＧＰＳ信号送信機のＧＰＳ信号による相関器のデータセレクタのタイミングとしても良い。

このタイミング信号を受信した相関器コントローラ１―６は、相関部１―２の各相関器に対して、タイミングに対して１チップ以内で相関を調べる相関器を最も早く処理するような制御を行う。具体的な処理は図２１において後述する。

図２０は、ＧＰＳ信号受信機１が、ＧＰＳ信号送信機５からのメッセージを取り出す為のフローチャートである。また図２１は、ＰＲＮ番号に対応する信号の波形とＧＰＳ信号の波形を表した図である。１７３、１７４、１７５は、それぞれＰＲＮ番号１７３、１７４、１７５に対応する信号の波形である。２０１、２０２は、それぞれ第１エリアの第１のＧＰＳ信号受信機が受信する第１のＧＰＳ信号、第２エリアの第２のＧＰＳ信号受信機が受信する第２のＧＰＳ信号の波形である。

図２０と図２１を用いてＧＰＳ信号受信機１が、ＧＰＳ信号送信機５からのメッセージを取り出す為の処理手順を説明する。

ＧＰＳ信号受信機１が第１エリアに移動する（ステップ１０２）。受信部１−９が第１エリアに設置されている第１のＧＰＳ信号送信機から第１のＧＰＳ信号２０１を受信する（ステップ１０４）。

相関部１−２において、受信された第１のＧＰＳ信号の波形２０１のＰＲＮ番号を特定するために、相関部１−２が予め保持しているＰＲＮ番号に対応する信号１７３の先頭位置１０を、第１のＧＰＳ信号の波形２０１の１０−１に合わせたときに一致するか調べる。図２１の例では波形が一致しないので、次に、１０−２の位置に合わせる。しかし１０−２でも一致せず、同様に、１０−３、１０−４、１０−５、１０−６、１０−７でも一致しない。一つのＰＲＮ番号１７３に対応する信号において、全ての位置１０−１、１０−２、１０−３、１０−４、１０−５、１０−６、１０−７について調べた結果、一致する箇所が無いため場合、次のＰＲＮ番号１７４に対応する信号について検討する。図２１の例では、第１のＧＰＳ信号の波形２０１の１０−１とＰＲＮ番号１７４に対応する信号の先頭位置１０を合わせたときに一致する。従って、第１のＧＰＳ信号のＰＲＮ番号は１７４だと特定される（説明では簡単のため、図２１では１０−１から１０−７までの７箇所の位置を検討したが、実際のＧＰＳ信号受信機では１０２３箇所について検討する。）（ステップ１０６）。

また、先頭位置特定部１−３で、第１のＧＰＳ信号に含まれるＰＲＮ番号に対応する信号の先頭位置は１０−１、１０−８、１０−９であることを特定する（ステップ１０８）。なお、第１のＧＰＳ信号に含まれるＰＲＮ番号に対応する信号の波形と相関部１−２が保持しているＰＲＮ番号に対応する信号の波形を合わせることを、タイミングを合わせるという。

位置情報特定部１−４で位置情報変換テーブル１−４−１から特定されたＰＲＮ番号１７４に対応する位置情報、即ち第１エリアの位置情報を取得する（ステップ１１０）。

先頭位置１０−１（１０−８又は１０−９でも可）を相関部１−２に提供する（ステップ１１２）。尚、ＧＰＳ信号には、ＰＲＮ番号に対応する波形が含まれており、ＰＲＮ番号に対応する波形が連続的に現れる信号となっているため、先頭位置１０−１は、周期的に生じるものである。従って１０−８又は１０−９も先頭位置である。先頭位置とはＧＰＳ信号に含まれるＰＲＮ番号に対応する波形の先頭位置が出現するタイミングである。

次にＧＰＳ信号受信機１が第１エリアから第２エリアに移動したとする（ステップ１１４）。受信部が第２エリアに設置されている第２のＧＰＳ信号送信機から第２のＧＰＳ信号２０２を受信する（ステップ１１６）。

相関部１−２において、受信された第２のＧＰＳ信号の波形２０２のＰＲＮ番号を特定するために、相関部１−２が予め保持しているＰＲＮ番号に対応する信号１７３の先頭位置１０を、第２のＧＰＳ信号の波形２０２の１０−１に合わせたときに一致するか調べる。第１のＧＰＳ信号の波形とＰＲＮ番号に対応する信号の波形の相関を検討したときは、ＰＲＮ番号に対応する信号の先頭位置１０を１０−１から１０−７までの位置に合わせて一致するか検討したが、先頭位置特定部１−３で第２のＧＰＳ信号に含まれるＰＲＮ番号に対応する信号の先頭位置１０−１（１０−８又は１０−９でも可）が特定されているので、各ＰＲＮ番号に対応する信号の先頭位置１０を１０−１に合わせて一致するか検討するだけで良い。先頭位置とはＧＰＳ信号に含まれるＰＲＮ番号に対応する波形の先頭位置が出現するタイミングである。

まずＰＲＮ番号１７３に対応する信号の先頭位置１０を第２のＧＰＳ信号に含まれるＰＲＮ番号に対応する信号の波形の先頭位置１０−１に当てはめて一致する波形か検討する。図２１の例では、波形が一致しない。同様にＰＲＮ番号１７４に対応する信号も一致しない。次にＰＲＮ番号１７５に対応する信号の先頭位置１０を１０−１に当てはめてると、一致するため、第２のＧＰＳ信号のＰＲＮ番号は１７５と特定される（説明では簡単のため、図２１では１０−１から１０−７までの７箇所について一致するか調べる必要がなく、ＧＰＳ信号に含まれるＰＲＮ番号に対応する信号の先頭位置１０−１のみを検討した。実際のＧＰＳ信号受信機では１０２３箇所について一致するか調べる必要がなく、ＧＰＳ信号に含まれるＰＲＮ番号に対応する信号の先頭位置の箇所だけ調べれば良いことになる。）（ステップ１１８）。

位置情報特定部１−４で位置情報変換テーブル１−４−１からＰＲＮ番号に対応する位置情報、即ち第２エリアの位置情報を取得する（ステップ１２０）。

上記処理を行うことで、通常であれば１０２３の全パターンを調べなければならないところ、信号の先頭の出現する時点が判っているので、上記のパターンマッチングは不要となり、悪くとも前後に１〜２チップ程度（４パターン程度）を探せば見付かるので、相関器は事実上捕捉時間１チップ以内、すなわち約１μ秒以内でＧＰＳ信号送信機５の信号捕捉を完了することができる。

つまり１つのＰＲＮ番号の相関器は、ＧＰＳ信号に含まれるＰＲＮ番号に対応する波形の先頭位置とＰＲＮ番号に対応する波形の先頭位置を一致させ、波形が一致しているか調べる相関器と、ＧＰＳ信号に含まれるＰＲＮ番号に対応する波形の先頭位置から前後に１チップずれる位置とＰＲＮ番号に対応する波形の先頭位置を一致させ、波形が一致しているか調べる相関器と、さらにＧＰＳ信号に含まれるＰＲＮ番号に対応する波形の先頭位置から前後に２チップずれる位置とＰＲＮ番号に対応する波形の先頭位置を一致させ、波形が一致しているか調べる相関器を備える。その後の位置情報の読み出しは、通常のＧＰＳの方式と同様の手段を採用し得る。例えば、３ワードの位置情報であれば、０．６秒の３倍の時間の、最短１．８秒を要する。最悪の場合でも、その倍の３．６秒以内に測位が完了すると考え得るが、いずれにしても捕捉時間は、これらの時間（１．８から３．６秒）と比較した場合、無視し得るほどに小さいものである。

また、特筆すべき事項としては、ＧＰＳ信号受信機の改造を行ったとしても、改造を行っていないＧＰＳ信号受信機の性能には影響を与えないことである。なぜなら、本実施例のＧＰＳ信号受信機１は、通常のＧＰＳ信号受信機に相関器の優先制御を追加する制御を実現しているものであるからである。

２．２ ＧＰＳ信号送信機
２．１で説明したように、あるＧＰＳ信号送信機から送信されたＧＰＳ信号に含まれるＰＲＮ番号に対応する波形の先頭位置を取得し、他のＧＰＳ信号送信機のエリアに移動した後に、当該先頭位置を用いて捕捉することで高速測位を可能としている。従って、それぞれのＧＰＳ信号送信機が同じタイミングでＧＰＳ信号を送信することが必要である。

以下、それぞれのＧＰＳ信号送信機が同じタイミングでＧＰＳ信号を送信するための原理を説明する。

図１１は、ＧＰＳ信号の送信タイミングが１チップ以内に収まったＧＰＳ送信信号を示す図である。

最初のＧＰＳ信号送信機からのＧＰＳ信号を受信した時の処理を繰り返し行うことになり、再度、捕捉を行わなければならないという問題を回避する為には、ＧＰＳ信号送信機どうしが、１チップ以内の時間（約１μ秒）で同期していれば良い。

しかし、１チップ単位の同期を実現するのは通常の技術では困難である。例えばインターネットの時刻同期方式ＮＴＰでは、同一セグメント上のイーサネット上においても数ｍ秒の誤差を生じ、１μ秒の精度の実現には程遠い。

一方、ＧＰＳ信号受信機は、そもそもＧＰＳ衛星からの距離を厳密に計測する為に、自分自身も時刻同期調整を行っている。本実施例のＧＰＳ信号送信機は、自己に厳密な時刻を所持する機能はないが、前述した、ＧＰＳ信号受信機の機能をＧＰＳ信号送信機にも具備することで、ＧＰＳ信号送信機間の１チップ内の同期を行い得る。図１２、図１３にその実現方法を記載する。

図１２には、ＧＰＳ信号を用いたＧＰＳ信号送信機間のタイミング同期方法の態様を示す。

ＧＰＳ信号送信機５−１（ａ）は、あるＰＲＮ番号と対応したＣ／Ａコードで変調したＧＰＳ信号を送信する。例えば、このＰＲＮ番号を１７３番であるとする。ＧＰＳ信号送信機５−１（ｂ）は受信アンテナ５―９で、ＧＰＳ信号を受信し続ける。このＧＰＳ信号は、ＧＰＳ信号送信機５−１（ｂ）内部に具備されたＧＰＳ信号受信機の相関器１―２で、相関が取られ続け、モジュールからはタイミング用の信号が、タイミング補正機能に与えられ、タイミングが常に補正される。この補正機能については後述する。

図１３は、ＧＰＳ信号送信機がＧＰＳ信号を送信するために必要なハードウェアの構成を示す図である。

ＧＰＳ信号送信機５−１（ｂ）の受信部５−９は、ＧＰＳ信号送信機５−１（ａ）から送信されるＧＰＳ信号を受信する。相関部５−１０は、複数の相関器を保持している。複数の相関器は、個々のＧＰＳ信号送信機に対応するＰＲＮ番号（＃１７３〜＃１８２）を保持しており、１つの相関器に対して１つのＰＲＮ番号を保持する。データ抽出部５−１１は、ＧＰＳ信号に含まれるＰＲＮ番号に対応する先頭位置を特定する先頭位置特定部５−１１である。同期信号推定部５−１２は、先頭位置特定部１−３で特定された先頭位置と自機であるＧＰＳ信号送信機５−１（ｂ）が送信するＧＰＳ信号に含まれるＰＲＮ番号に対応する先頭位置とのタイミングを合わせて送信する信号を生成し、マイコン５−２に転送する。マイコン５−２は、自機であるＧＰＳ信号送信機５−１（ｂ）が生成しているタイミング信号を同期信号推定部５−１２が生成するタイミング信号に合うタイミングで送信するように、スイッチ５−４の制御をおこなう。

尚、５−１から５−７は図３と同様であるため、説明を省略する。

受信したＧＰＳ信号に対応するＰＲＮ番号を探す処理については、図２０の処理手順と同じである。

ＧＰＳ信号受信機のアンテナ５―９でＧＰＳ信号送信機５―１（ａ）の信号を受けとると、信号は、相関部５−１０でダウンコンバーティングされた後、相関部５―１０のそれぞれのＰＲＮ番号に対応した相関器に並列に入力される。

ＧＰＳ信号送信機５―１（ｂ）が、最初にＧＰＳ信号送信機５−１（ａ）からのＧＰＳ信号を受信した段階においては、受信信号との相関は取れていない為、各ＰＲＮ番号に対応した相関器が相関値を最大にするタイミングを探し出す。尚、受信したＧＰＳ信号は他のＧＰＳ信号送信機から送信されたＧＰＳ信号である。

タイミングの探し方は、図２０のステップ１０６と同様である。

各相関器の最大値は、データ抽出部５―１１のデータセレクタに送られる。データセレクタは、同期信号推定部５―１２に、ＧＰＳ信号送信機５―１（ａ）以外のＧＰＳ信号送信機からのタイミングを転送する。図２０のステップにおいては、タイミングを相関器コントローラ１―６に転送しているが、ここでは、同期信号推定部５―１２に転送している点で異なる。同期信号推定部５―１２は、各データセレクタが獲得したタイミングから、ＧＰＳ信号送信機５自身が採用する同期信号を生成する。この信号の生成に関しては、特定のデータセレクタが獲得したタイミングをそのまま採用用いても良いし、複数のデータセレクタから得られたタイミングの平均値を採用しても良い。

同期信号推定部５―１２は、生成した信号を、マイコン５―２に転送する。

マイコン５―２は、自機が生成しているタイミング信号が、同期信号推定部５―１２との間に誤差がある場合は、各スイッチ５―４に対する制御信号のタイミングを変更することで、他のＧＰＳ信号送信機とのＧＰＳ信号の同期を実現する。この実現方法の一つとして、誤差時間に該当するマイコンのクロック数分の処理を遅らせる、または進ませるという方法が取り得る。

なお、ＧＰＳ信号送信機５は、自機が送信しているＰＲＮ番号のＧＰＳ信号は受信しないようにすることが望ましい。自機の送信したＧＰＳ信号を自機で取り込む可能性が高くなるだけであるからである。

これを回避する方法としては、屋内ＧＰＳ信号送信用のＰＲＮ番号の１つを時刻同期用として共用するという手段が取り得る。

その方法を用いることで、ＧＰＳ信号送信機間において特別な通信手段を用いることなく、１チップのタイミング同期を行い、複数のＧＰＳ信号送信機間においても、１チップ以内の初期捕捉時間を実現できるようになる。この場合、一つのＰＲＮ番号を、同期信号専用に使い、他の目的では使わないようにする。

さて、ここに図８、図９に示すＧＰＳ信号送信機の複数のアンテナから送信される複数の信号は、マイコン５―２が作成するものであり、その信号の生成タイミングはマイコン５―２からの制御命令を受けたスイッチ５―４が制御する。

ここでマイコン５―２からスイッチ１乃至４の各スイッチ５―４までは、有線で伝搬されるので、概ね光速と同視しうる程度の速度で伝搬すると考えて良く、マイコン５―２とスイッチ５―４までの間で信号の遅延は考慮する必要はない。一方フィルタ５―６からアンテナ５―７までは、実際には同軸ケーブル等で接続されるので、同軸ケーブルの長さ分だけ遅延が発生する。

なお、タイミング用信号は現実世界の時刻とは関係なく、単にＧＰＳ信号送信機５―１（ａ）のタイミングに合わされる。なお、このタイミング用信号を、そのまま別のＧＰＳ信号送信機５−１（ｂ）または（ｃ）として用いることも可能である。一方、ＧＰＳ信号送信機５−１（ａ）の送信信号が、障害物等の影響で一時的に途絶えるというケースは十分考えられ、タイミングを失った場合でも、タイミングを行い続けられるようにクロックを具備している。

また図１２に記載しているように、ＧＰＳ信号送信機５―１（ａ）にのみ、ＧＰＳ衛星７のＧＰＳ信号から時刻情報を生成するタイムサーバを具備させることによって、ＧＰＳ信号送信機５―１（ａ）の時刻情報から正確なタイミングを提供させることにしても良い。このＧＰＳ信号送信機から送付されるＧＰＳ信号は、さらに別のＧＰＳ信号送信機で受信されることで、複数のＧＰＳ信号送信機が、１チップの精度のタイミングを容易に維持できることとなる。

また図１１では、１００メートルのケーブルにおいて、ＧＰＳ信号送信機の信号は約０．３μ秒程度遅延することを示している。これは、３００メートルの同軸ケーブルで接続した場合においても、そのズレは必ず１チップ内に収まることになる。ここに１チップとは、相関器において相関を行う単位である。

一つのＧＰＳ信号送信機から送信される送信は、アンテナケーブルを３００メートル以内に収めることを条件とすれば、１チップ内で同期していることになる。

ＧＰＳ衛星から送信されＧＰＳ信号受信機により受信される信号は、ＰＲＮ番号と対応付けられたＣ／Ａコードの拡散コードを用いてスペクトル拡散されている。コードはいずれも多数のチップから構成されており、Ｃ／Ａコードは１０２３個のチップから構成されている。従って、あるＧＰＳ衛星を捕捉しようとするときには、１０２３個のチップについて即ち１０２３通りのコード位相について、相関値の検出を行い、どのチップにおいて即ちどのコード位相において相関ピークが現れるのかを、調べる必要がある。

さて、現存のＧＰＳにおける位置測位は、各ＧＰＳ衛星から送信される信号の到着時間の遅延を計るものである。一方、屋内に設置されるＧＰＳ信号送信機は、上記のような到着時間という概念がなく、ＧＰＳのメッセージで直接、緯度、経度、高度等の位置情報を転送するものである。従って、ＧＰＳ衛星間または、ＧＰＳ衛星とＧＰＳ信号受信機との間における時刻同期という制御を要しない。

本実施例の一のＧＰＳ信号送信機５から送信される送信は、マイコン５―２において各スイッチ５―４に対して同期した制御命令を行なうことで、アンテナケーブルを３００メートル以内に収めることを条件とすれば、１チップ内で同期させることが可能となる。

つまり、一度、屋内に設置されるＧＰＳ信号送信機のアンテナから送信される信号との相関を得られれば、別のアンテナから送信される信号との同期タイミングは既知となっているので、屋内に設置されるＧＰＳ信号送信機は、ＧＰＳ信号を捕捉するという制御は事実上不要となる。なぜなら、メッセージの開始場所が、１チップ内の誤差で事前に判明しているからである。

３．ＧＰＳ信号受信機の位置情報取得時間の短縮
３．１ 位置情報取得時間の短縮
本実施形態のＧＰＳ信号受信機は位置測位取得の高速化に資するために、位置情報変換テーブルを備えている。位置情報変換テーブルによって、ＰＲＮ番号と位置情報が対応付けられるので、ＰＲＮ番号取得後、すぐに位置情報を取得できるようになる。

２．で説明した実施形態によれば、捕捉時間に関する改善は図れるものの、位置情報の取得時間の短縮は図れない。何故なら、ＧＰＳのメッセージ転送速度が５０ｂｐｓという低速で、通常は３．６秒程度かかるからである。 図１４に簡略化した位置情報変換テーブル１―４―１の態様を示す。ＧＰＳ信号受信機は、図１４に示すようなＰＲＮ番号から位置情報変換テーブル１―４―１を予め所持しておくか、または、ダウンロードしておきＰＲＮ番号が判明した時点で、ＧＰＳ信号受信機が位置情報に変換する。これによって位置情報取得の高速化が図れる。

また、位置情報変換テーブル１−４−１を利用してＰＲＮ番号から位置情報を取得する方法のメリットは非常に大きい。何故ならば、ＰＲＮ番号に対応したＣ／Ａコードの捕捉時刻は１チップ以内であり、同期ずれを考慮しても、数チップ（数ｍ秒）を越えることはなく、時速３００ｋｍ程度で走行する移動体が十数ｃｍ動く距離に過ぎないが、現状のＧＰＳ信号送信機の提供する範囲を半径１０メートル程度とした場合、新幹線のような高速移動体にＧＰＳ信号送信機によって位置情報を取得することが可能となる。

３．２ 位置情報を取得出来る場所の拡大
３．１の手法により位置情報取得の高速化が図れるものの、屋内ＧＰＳシステムで使用できるＰＲＮ番号が＃１７３〜＃１８２の１０個であり（規格で決まっている）、１つのＧＰＳ信号送信機につき１つのＰＲＮ番号を使用すると１０箇所の場所にしかＧＰＳ信号送信機を配置できない。ここでＧＰＳ信号送信機間の距離を１０メートル程度とすると全体で９０メートル程度の場所でしか位置測位が出来ないことになるため、十分ではない。

以下図１５〜図１８では１０個のＰＲＮ番号という制約がある中で、取得可能な位置情報を実質的に１０箇所以上に増やす原理を説明する。

先ず、ＧＰＳ信号受信機は、以下のＰＲＮ番号とそれに付与する情報の組み合わせに関する情報リストを事前に取得しているか、あるいは必要に応じて取得することができるものとする。ＰＲＮ番号そのものを情報源とする方式がある。

図１５は、本方式を列車におけるトンネルの利用に適用した事例を示す図である。

ＧＰＳ信号送信機の使用順番が保証されているトンネル内で、自由軌道はありえないので、ＧＰＳ信号送信機から位置情報自体が送信される必要はなく、ＰＲＮ番号をＩＤとして利用する情報で足りる。この方式は、図１０に示すＧＰＳ信号受信機１と、図１３に示すＧＰＳ信号送信機５によって実現され得る。但し、この方法ではＰＲＮ番号１７３から１８２しか使えないので、１拠点１０ポイントが上限である。
図１６は、これに対して、ＰＲＮ番号を複数組合わせたＧＰＳ信号送信機を用いるという方式によって、実質上ＰＲＮ番号の増加を可能とする方法がある。例えば、３つのＰＲＮ番号を組み合わせることで、１０Ｃ３＝１２０通りの組み合わせを作り得る。この場合位置情報変換テーブルは、各々組み合わせパターンに対応した１２０通りの位置情報をもつ。但し、組み合わせパターンは慎重に選ぶ必要がある。例えば、ＧＰＳ信号送信機が接近している場合、ある位置で１７３、１７５を使用した場合その付近では、１７３、１７５のいずれも使用しないことが望ましいからである。
なお、図１５、図１６では、列車を記載しているが、一次元的な移動に限定されるものではない。この方式も、図１０に示すＧＰＳ信号受信機１と、図１３に示すＧＰＳ信号送信機５によって実現され得る。

さらに、図１７に示すように、ＰＲＮ番号を経過時間単位で変更させる方法も考え得る。初期捕捉時間が確定すると、その後の捕捉は事実上不要であるため、ＰＲＮ番号を１ｍ秒で変更することも可能である。１０個のＰＲＮ番号の組み合わせの列を２０とした場合でも、１つのＰＲＮ番号のＣ／Ａコードを２チップ単位で送付したとしても５０ｍ秒未満でＩＤを送信しうることになる。

この場合、ＰＲＮ番号の一つ（例えば、１７３番）を、先頭を認識する識別子として使用することで、ＰＲＮ番号の列の組み合わせの先頭を容易に探し得る。この方式も、図１０に示すＧＰＳ信号受信機１と、図１３に示すＧＰＳ信号送信機５によって実現される。

図１８は、ＧＰＳ信号送信機のＧＰＳ信号の周波数を偏位させた信号をスペクトラム分布で表示した図である。ＧＰＳ信号の周波数の偏差をＰＲＮ番号に付帯する情報とするという方法では、意図的に、ＧＰＳ信号受信機の受信可能な範囲で、ＧＰＳ信号送信機の中心周波数を偏らせた周波数を複数パターン用意し、周波数を用いて送信を行う。

ＧＰＳ信号受信機において、この周波数の偏差量を検知し、このずれをパターンとしてＰＲＮ番号と組み合わせることによって、実質的なＰＲＮ番号の増加を計るものである。

この方式も、図１０に示すＧＰＳ信号受信機１と、図１３に示すＧＰＳ信号送信機５によって実現され得、本方式のメリットは、周波数のずれを検知しないＧＰＳ信号受信機においても、影響を与えず、標準の仕様から逸脱しないことである。

図１９は、ＧＰＳ信号の送信遅延時間を情報源とする方式に使う信号の態様である。

具体的には、それぞれのＧＰＳ信号送信機のコード送信タイミングをずらしておいて、そのタイミングのズレ時間をＰＲＮ番号と併わせて、テーブルのインデックスとした上で、座標にする方式である。

但し、ズレ量を把握続ける為に、複数のＧＰＳ信号送信機間で常に同期が必要であり、また受信側はＧＰＳ信号送信機の信号を途切れずに受信し続ける必要ある。

この方式も、図１０に示すＧＰＳ信号受信機１と、図１３に示すＧＰＳ信号送信機５によって実現され得、本方式もまた、標準の仕様から逸脱しない。

さらに上記の方式を組み合わせることにより、実質的なＰＲＮ番号の増加を計ることができる。

１ ＧＰＳ信号受信機
１−２ 相関部
１−３ データ抽出部
１−４ 位置情報推定部
１−４−１ 位置情報変換テーブル
１−６ 相関器コントローラ
１−９ 受信部
５ ＧＰＳ信号送信機（本実施形態）
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 送信アンテナ
５―９ 受信アンテナ
５―１０ 相関部
５―１１ データ抽出部
５―１２ 同期信号推定部
５―８ １／２π位相変換装置
１７３ ＰＲＮ番号１７３に対応する信号
１７４ ＰＲＮ番号１７４に対応する信号
１７５ ＰＲＮ番号１７５に対応する信号
２０１ 第１のＧＰＳ信号の波形
２０２ 第２のＧＰＳ信号の波形
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 (10)

1. ＧＰＳ信号受信機において、
   同期する複数のＧＰＳ信号を受信する受信部と、
   受信した前記ＧＰＳ信号に対応付けられたＰＲＮ番号を特定するＰＲＮ番号特定部と、
   前記ＰＲＮ番号に対応付けられた信号波形の先頭位置を特定する先頭位置特定部と、
   前記先頭位置特定部によって特定された前記先頭位置、を用いて、他のＧＰＳ信号に対応付けられた前記ＰＲＮ番号に対応付けられた信号波形の先頭位置を特定するタイミング信号を生成するタイミング生成部と、を有し、
   前記ＰＲＮ番号特定部は、生成された前記タイミング信号を用いて、前記受信部が受信した同期する他のＧＰＳ信号に対応付けられた他のＰＲＮ番号を特定する
   ことを特徴とするＧＰＳ信号受信機。
2. 請求項１に記載のＧＰＳ信号受信機において、
   各々のＰＲＮ番号に対応付けられた位置情報を記憶し、
   特定された前記ＰＲＮ番号に対応付けられた前記位置情報を出力する位置情報推定部を備える
   ことを特徴とするＧＰＳ信号受信機。
3. 請求項１または２に記載のＧＰＳ信号受信機において、
   前記ＰＲＮ番号特定部は、複数の前記ＰＲＮ番号に対応付けられた信号波形を保持し、
   受信した前記ＧＰＳ信号の波形と複数の前記ＰＲＮ番号に対応付けられた信号波形の各々との相関値に基づき、前記ＧＰＳ信号に対応付けられたＰＲＮ番号を特定する
   ことを特徴とするＧＰＳ信号受信機。
4. 請求項１から３の何れか一に記載のＧＰＳ信号受信機において、
   前記先頭位置特定部が特定する前記先頭位置は、特定された複数のＰＲＮ番号のうちのいずれか１つに対応付けられた信号波形の先頭位置である
   ことを特徴とするＧＰＳ信号受信機。
5. 請求項１から３の何れか一に記載のＧＰＳ信号受信機において、
   前記先頭位置特定部が特定する前記先頭位置は、最もＳＮＲ値が大きいＧＰＳ信号に対応付けられた信号波形の先頭位置である
   ことを特徴とするＧＰＳ信号受信機。
6. ＧＰＳ信号を送信するＧＰＳ信号送信機において、
   他のＧＰＳ信号送信機から送信されたＧＰＳ信号を受信する受信部と、
   受信した前記ＧＰＳ信号に対応付けられたＰＲＮ番号を特定するＰＲＮ番号特定部と、
   前記ＰＲＮ番号に対応付けられた信号波形の先頭位置を特定する先頭位置特定部と、
   自機が送信するＧＰＳ信号に対応付けられた前記ＰＲＮ番号に対応付けられた信号波形の先頭位置を、前記先頭位置特定部で特定された前記先頭位置に合わせるためのタイミング信号を生成する同期信号推定部と、
   前記タイミング信号に同期するタイミングで、前記自機の前記ＧＰＳ信号を送信する送信部と、を備える
   ことを特徴とするＧＰＳ信号送信機。
7. 請求項６に記載のＧＰＳ信号送信機において、
   前記ＰＲＮ番号特定部は、複数の前記ＰＲＮ番号に対応付けられた信号波形を保持し、
   受信した前記ＧＰＳ信号の波形と複数の前記ＰＲＮ番号に対応付けられた信号波形の各々との相関値に基づき、前記ＧＰＳ信号に対応付けられたＰＲＮ番号を特定する
   ことを特徴とするＧＰＳ信号送信機。
8. 請求項６又は７に記載のＧＰＳ信号送信機において、
   アンテナを複数備え、
   前記送信部は、複数の異なるＰＲＮ番号に対応付けられた複数のＧＰＳ信号を各々、前記複数のアンテナから送信する
   ことを特徴とするＧＰＳ信号送信機。
9. 請求項６又は７に記載のＧＰＳ信号送信機において、
   前記送信部は、複数の異なるＰＲＮ番号に対応付けられた複数のＧＰＳ信号を、前記タイミング信号に同期し、所定時間単位異なるタイミングで送信する
   ことを特徴とするＧＰＳ信号送信機。
10. 請求項６又は７に記載のＧＰＳ信号送信機において、
    前記送信部は、他のＧＰＳ信号送信機が送信するＧＰＳ信号とは中心周波数が異なり対応付けられたＰＲＮ番号が同じＧＰＳ信号を送信する
    ことを特徴とするＧＰＳ信号送信機。

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