JP5666230B2 - 衛星測位システム及び測位信号受信機 - Google Patents

衛星測位システム及び測位信号受信機

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Description

本発明は、広く全地球測位システム(GPS)に代表される衛星測位システムから送信される測位信号による位置決定技術に関し、より具体的には、測位信号受信機の起動から位置を決定するまでの時間を短縮化する技術に関する。
衛星測位システムは、複数の衛星より送信される測位信号を測定することにより位置を特定する。例えば、オンボードクロックが、しばしば「エポック」と呼ばれる規則的な、通常連続した一連のイベントを生成するのに使用され、エポックの発生の時刻は、乱数符号または擬似乱数符号(拡散符号(spreading code)と称する)にコーディングされる。拡散符号化された電波を受信機で受信し、受信機の時刻タイミングで生成した拡散符号と受信した信号の拡散符号との位相差を計測することにより、測位衛星と受信機間との距離が測定される。
そのような衛星測位システムの一例として、全地球測位システム(GPS)が挙げられる。一般に、GPSは、それぞれ1575.42MHz、1227.6MHz、および1176.45MHzを中心とするL1、L2、およびL5などの複数の周波数を使用して動作する。これらの信号のそれぞれが、それぞれの拡散信号によって変調される。当業者であれば容易に理解できるように、GPS衛星ナビゲーションシステムが発するCA(Coarse Acquisition)コード信号は、1575.42MHzのL1周波数でブロードキャストされ、1.023MHzの拡散符号レート(チップレート)を有する。また、これらの信号は航法メッセージと呼ばれるデータを重畳しており、そのデータ伝送レートは50bpsである。この拡散符号レートが1.023MHzであり、データ伝送レートが50bpsである信号は、一般に「L1C/A信号」と呼ばれる。
また、衛星測位システムの他の事例として、日本において開発されている準天頂生成システム(QuasiZenith Satellite System:QZSS)が挙げられる(非特許文献1)。QZSSもGPSと同様に、それぞれ1575.42MHz、1227.6MHz、および1176.45MHzを中心とするL1、L2、およびL5などの複数の周波数を使用して動作する。1575.42MHzのL1周波数には、GPSと同様の拡散符号レート1.023MHz、データ伝送レート50bpsのL1C/A信号に加え、拡散符号レート1.023MHz、データ伝送レート250bpsという、L1C/A信号より高速な「L1−SAIF信号」と呼ばれる信号を含む。
GPSを始めとする衛星測位システムによる位置決定においては、測位衛星から送信される電波を地上の受信機で受信し、衛星から受信機までの電波伝搬時間に基づいて衛星と受信機との間の距離を計測する。ここで、測位衛星から送信される電波においては、測位衛星自身の位置を示す軌道情報と、衛星自身の時刻のズレを意味するクロック情報とが重畳される。
受信機は、測位衛星から送信される軌道情報とクロック情報とを復調することにより、衛星の位置と時刻とを知ることができる。ここで、測位衛星が送信する軌道及びクロックは、データ伝送レート50bpsで送信され、軌道及びクロックを復調するのに少なくとも30秒を要していた。
また、受信機は、複数の衛星と受信機との間の距離の計測値と、衛星の位置と、時刻とを用いて、受信機自身の位置を例えば三辺測量の要領で決定することもできる。
また、測位信号受信機の一つであるGPS受信機は、近年では、カーナビゲーションシステム、携帯電話、デジタルカメラなどの電子機器等に広く組み込まれており、日常生活において不可欠なものとなりつつある。
従って、携帯電話など個人が日常で頻繁に使用する電子機器の場合、測位機能を起動してから位置が特定されるまで時間が可能な限り短いことが操作性及び利便性向上の観点から強く望まれている。
このような位置決定までの時間を短縮化する方法の一つとして、A−GPS(アシスト型GPS)と呼ばれる方式がある(A−GPS端末および位置測位方法の一例として、特許文献1)。一般に、A−GPS方式は、測位信号受信機に対して外部から、主に携帯電話回線を用いて、アシスト情報として測位衛星の軌道情報、及びクロック情報を入力することで、測位衛星が送信する電波から軌道情報及びクロック情報を復調する約30秒間の手間を省き、位置を決定するまでの時間の短縮化を図る方法である。
しかしながら、A−GPS方式の場合、受信機外部からアシスト情報を取得するために携帯電話回線等のリアルタイムな通信手段を具備する必要があり、リアルタイムな通信手段を持たない受信機については適用できないという課題があった。
そこで、携帯電話回線など、常時接続できる通信手段を持たない受信機を対象としてA−GPS方式を適用する場合、例えば、1日に1回、24時間以上有効な(つまり、24時間以上使用可能な)、測位衛星の軌道やクロックといったアシスト情報を受信機に入力する方法が考えられる。このようにすると、アシスト情報が有効な期間中、受信機は測位衛星が送信する軌道及びクロック情報を復調する手間が省けるので位置決定時間を短縮化することができる。このような比較的長時間、或いは長期間有効なアシスト情報を受信機に提供するサービスを考えるにあたって、有効期間が長いことは、アシスト情報の入力頻度が少なくて済むため、このサービスを利用する側の利便性が向上する。例えば、1ヶ月間有効なアシスト情報を作成することができると、これを利用する側は1ヶ月に1回、アシスト情報を受信機に入力するだけで、その後1ヶ月間は素早い位置決定が可能となる。
しかしながら、上記方法においても、アシスト情報のうち、衛星の軌道情報については精密な軌道予測モデルの存在により長期間有効な情報を確保可能であるものの、クロック情報については精密な予測モデルを作成することが原理上不可能であるため、結局長期間有効な情報を確保することはできない。
特開2005−83859号公報
宇宙航空研究開発機構:"準天頂衛星システムユーザインタフェース仕様書(IS−QZSS)1.1版"、2009年7月31日、インターネット<URL:http://qzss.jaxa.jp/is-qzss/>
そこで、本発明は、全地球測位システム(GPS)に代表される衛星測位システムより送信される測位信号に基づいて位置を決定するシステム等において、上述の課題を克服したうえで、測位信号受信機の起動から位置決定までの時間を短縮化する衛星測位システム及び測位信号受信機等を提供する。
本発明は、全地球測位システムと、測位信号受信装置と、低頻度に供給されるアシスト情報としての衛星軌道情報を提供する低頻度アシスト情報提供システムと、クロック情報を生成するクロック情報生成装置と、前記クロック情報を前記測位信号受信装置へ送信するQZSとからなる衛星測位システムであって、前記クロック情報生成装置は、前記QZSのL1−SAIF信号にクロック情報を重畳し、前記QZSを介して前記測位信号受信装置へ送信し、前記測位信号受信装置は、前記GPSと前記測位信号受信装置102との間の計測距離値と、前記衛星軌道情報と、前記クロック情報とを用いて前記測位信号受信装置の位置を決定することを特徴とする。
また、本発明における前記クロック情報は、衛星無線により前記測位信号受信装置へ送信されることを特徴とする。
また、本発明における前記QZSは地上無線装置であり、前記クロック情報は、前記地上無線装置の地上無線により前記測位信号受信装置へ送信されることを特徴とする。
また、本発明における前記クロック情報は、1メッセージとして取り扱われるビットアサインフォーマットに複数の衛星に対するクロック情報が含まれることを特徴とする。
本発明によれば、全地球測位システム(GPS)に代表される衛星測位システムより送信される測位信号に基づいて位置を決定するシステム等において、従来には実現できなかった場合にも、測位信号受信機の起動から位置決定までの時間を有意に短縮化することができる。
本発明にかかる衛星測位システムの一実施形態におけるシステム構成例を説明する説明図である。 本発明にかかる衛星測位システムの一実施形態におけるクロック情報のビットアサインフォーマットの具体例を説明する説明図である。 本発明にかかる衛星測位システムの一実施形態におけるクロック情報のGPSインジケータ及びQZSインジケータの例を示す図である。 過去の全GPS衛星のクロックオフセット情報を説明する説明図である。 過去のGPSにおける32衛星のクロックドリフトパラメータの挙動を説明する説明図である。 本発明にかかる衛星測位システムの他の実施形態におけるシステム構成例を説明する説明図である。
以下、本発明にかかる衛星測位システム及び測位信号受信機を実施するための形態について詳述する。
図1に、本発明にかかる衛星測位システムの一実施形態におけるシステム構成例を示す。
衛星測位システム100は、全地球測位システム(GPS)101と、測位信号受信装置102と、低頻度に供給されるアシスト情報としての衛星軌道を提供する低頻度アシスト情報提供システム103と、本発明によって生成されるクロック情報を生成するクロック情報生成装置104と、本発明によって生成されるクロック情報を送信するQZS105と、からなる。
クロック情報生成装置104は、250bpsのデータ伝送レートを有するQZSのL1−SAIF信号にクロック情報を重畳し、QZS105を介して測位信号受信装置102へ送信する。そして、測位信号受信装置102は、GPS101と測位信号受信装置102との間の計測距離値と、アシスト情報である有効期間の長いGPSの軌道情報と、本発明によるGPSのクロック情報とを用いて自身の位置を決定する。
図2に、本発明のクロック情報の具体的なビットアサインフォーマットを示す。フォーマット200においては、250bitを1メッセージとして取り扱われる。1メッセージは、8bitのプリアンブルと、6bitのメッセージタイプIDと、2bitの発行番号と、32bitのGPSインジケータと、5bitのQZSSインジケータと、1衛星分17bitで構成されるクロック情報10衛星分(af0 1st〜af0 10th)と、3bitの予備領域と、24bitの検査ビットとからなる。
ここで、プリアンブルは、一例として、非特許文献1の5.4.3.1.1項に規定されるとおり、次の3パターンが順次繰り返される。
そして、パターンAのプリアンブルの最初のビットの送信開始は、6秒のL1C/A信号の航法メッセージサブフレームの開始と同期している。そして、パターンAのプリアンブルを持つメッセージの次に送信されるメッセージのプリアンブルは、パターンBとなる。パターンBの次はパターンCであり、その次はパターンAに戻る。プリアンブルについてもFEC符号化が適用され、メッセージブロック中のその他のビットと同様に符号化される。従って、プリアンブルはメッセージブロックの始まりを示すが、FEC復号処理に先立って信号捕捉のために使用したり、ビット同期に使用したりすることはできない。
また、メッセージタイプIDは、一例として、非特許文1の5.4.3.1.2項に規定されるとおり、各メッセージは6ビットのメッセージタイプIDを持ち、0〜63のメッセージタイプを識別する。データ領域の内容は、メッセージタイプによって後述の通り定義されている。次表に、メッセージタイプ(SAIFメッセージタイプ)の一覧を示す。
また、発行番号は、次に示すGPSインジケータ及びQZSSインジケータの値が変更されたときに1ずつカウントアップされる。なお、11(Bin)の次は00(Bin)とする。
GPSインジケータ及びQZSSインジケータは、ビットのオン位置(例えば、1となっている位置)に応じて、当該メッセージに含まれるクロック情報がGPSの何番衛星、及びQZSSの何番衛星であるかを指し示すものである。例えば、図3に示すように、GPSインジケータの最上位ビットから2、5、10、15、19、20、23、24、29番目のビット、及びQZSSインジケータの最上位ビットから2番目のビットが“1”の場合、当該メッセージには、GPSの2、5、10、15、19、20、23、24、29番衛星、QZSSの2番衛星のクロック情報が含まれることを意味する。その際に、当該メッセージに含まれる10衛星のクロック情報は、必ずメッセージの最上位ビットから見て衛星番号の小さい順番に配置される。
1衛星分のクロック情報は、17bitで構成され、情報はその衛星のクロックオフセットを意味する。17bitはスケールファクタ(或いは、LSB)を7.43[ns](2.23[m]に相当)とする2の補数表現の数値である。この場合、17bitsで表現できる範囲は±0.5[ms]である。これは最新のGPS衛星(ブロックIIR以降)にとって、十分な範囲である。
図4に、過去1.5年分の全GPS衛星のクロックオフセット情報を示す。図4に示されるとおり、クロックオフセットの範囲が±0.5[ms]を超えているものがいくつか存在するが、これは古い世代のGPS衛星(ブロックIIA)であり、本願の出願時からみて間もなく運用が終了し、新しい世代に交代される予定である。そして、新しい世代の衛星(ブロックIIR以降)に関しては、±0.5[ms]の範囲に納まっている。
なお、ここで例示したものは、250ビットの一区切りのメッセージに10衛星分のクロック情報を挿入するために1衛星のクロック情報を17bitで構成したが、これに替えて、例えば18bitで構成するようにすれば、スケールファクタ(或いは、LSB)を上述の値の半分にすることができる。
クロックオフセットは、次式に基づき、クロック情報生成装置104において生成される。
ここで、
は時刻
における衛星kのクロックオフセット、
は衛星kが送信した最新SVクロックのバイアス(0次項)メッセージ、
は衛星kが送信した最新SVクロックのクロックドリフト(1次項)メッセージ、

及び
のクロック元期である。
検査ビットは、非特許文献1の5.4.3.1.3項に規定されるとおり、メッセージの末尾には、24ビットのCRCパリティコードが付され、24ビットのCRCパリティは、バースト誤り及びランダム誤りのいずれに対しても、ビット誤り率が0.5以下の時、誤り見逃し率が2-24(=5.96×10-8)以下となるようにメッセージを保護するものである。
また、CRCパリティの生成多項式は、一例として、次のものを用いることができる。
なお、受信機は、受信したメッセージに対してCRCパリティの検査を行い、一致しない場合にはそのメッセージに含まれる情報を使用しない。
本発明におけるクロック情報を入力された測位信号受信装置102では、次式に示す演算処理に基づき、その衛星の任意の時刻のクロックオフセットを算出することができる。
ただし、
は時刻tにおける衛星番号kのクロックオフセット、
は時刻
に取得した本願発明による衛星番号kのクロック情報である。
また、
は衛星番号kのクロックドリフトであり、測位信号受信機が過去にGPS或いはQZSが送信する電波から復調したクロックドリフトパラメータ、或いは測位信号受信装置の外部からアシスト情報として入力されたクロックドリフトパラメータの何れか最新のものである。このクロックドリフトパラメータは有効期間が長く、現在時刻から1ヶ月程度古いものであっても構わない。
図5に、GPSにおける32衛星の過去のクロックドリフトパラメータの挙動を示す。図5は、クロックドリフトパラメータaf1が時間と共にどの程度変化するのかを示している。図5によれば、データ表示開始であるGPS週1512.5週から5.5週間経過したGPS週1518週目において、ほとんどの衛星はクロックドリフトパラメータの変化量が±0.01pp1010(10-12)以内であることを示す。クロックドリフトパラメータの変化量が10-12であるということは、式(3)を用いて任意の時刻tにおけるクロックオフセット
を求める場合に、本願発明のクロック情報である
を受け取った時刻と任意の時刻との差である
が数時間以内(例えば、4時間=14400秒)であれば、たとえ
が時刻
の5.5週間前のものであっても、
の変動に起因するクロックオフセット
の誤差は、10-12×14400秒=1.44*10-8秒(=4.3m)程度である。
次に、本発明の一実施形態における測位信号受信装置、及びクロック情報の具体的な利用例を以下に例示する。
測位信号受信装置は、1ヶ月に1度程度の頻度で、低頻度に供給されるアシスト情報を取得する。この低頻度に供給されるアシスト情報は、測位信号受信装置とPCとをインターネットを介して接続されたものなど、オフライン環境での情報取得でも構わない。測位信号受信装置によって位置を決定する場合、QZSのL1−SAIF信号からGPSのクロック情報を高速に取得することで、GPSの低速なL1C/A信号から約30秒かけて軌道及びクロック情報を復調することなく、短時間で位置を決定することができる。
また、本発明の他の実施形態として、デジタルカメラの測位信号受信機がある。すなわち、デジタルカメラの写真をPCにダウンロードする際に、低頻度に供給されるアシスト情報をデジタルカメラに入力させれば、デジタルカメラは携帯電話回線や無線LAN等の通信手段を有することなく、L1−SAIF信号からのクロック情報と併せてアシスト情報による位置決定時間の短縮化を図ることが可能となる。
また、本発明の他の実施形態における利用例をさらに例示する。
測位信号受信装置は、無線LANなどの利用エリアが限定されたリアルタイムな無線通信回線を有する。この測位信号受信装置が、リアルタイムな無線通信回線のサービスエリア内に入っているときに、低頻度に供給されるアシスト情報を取得する。低頻度に供給されるアシスト情報の取得から1日以内程度であれば、低頻度に供給されるアシスト情報のみで、GPSの低速なL1C/A信号から約30秒かけて軌道及びクロック情報を復調することなく、短時間で位置を決定することができる。位置を決定した後に、QZSのL1−SAIF信号より最新のクロック情報を高速に取得して、速やかに測位信号受信装置は動作を終了することができる。動作終了から数時間以内程度であれば、低頻度に供給されるアシスト情報と前回L1−SAIFから取得したクロック情報とを用いて、L1−SAIF信号からのクロック情報の復調さえも省略して、短時間に位置決定を行うことができる。この実施形態の場合、1ヶ月に1回測位信号受信装置が、無線通信回線の利用エリアに入るだけで、測位信号受信装置の数時間に1回程度の間欠動作において位置決定時間を短縮でき、無線LANなどの利用エリアが非常に限定された通信手段しか持たない測位信号受信装置の利便性が向上する。
本発明は、アシスト情報のうち、軌道情報は精密予測モデルにより有効期間の長い情報を作成することが可能だが、クロック情報はその原理上、精密な予測をすることができないため有効期間を長くできない。したがって、測位信号受信装置に入力するアシスト情報として、クロック情報のみを繰り返し提供することを特徴とする。
このように、本発明は、測位衛星のクロックドリフトパラメータが非常に安定しており、変化が少なく、有効期間を長くとることができる点に着目し、クロックドリフトパラメータは古い情報を用いて、クロックオフセット(バイアス分)のみを頻繁に提供するクロック情報とすることで、提供するクロック情報の情報量を削減し、携帯電話や無線LAN等の高速無線通信と比較して、大幅に低速な通信手段においても、アシスト情報の提供を可能とすることを特徴としている。
図6に、本発明にかかる衛星測位システムの他の実施形態におけるシステム構成例を示す。
衛星測位システム600は、全地球測位システム(GPS)101と、測位信号受信装置102と、低頻度に供給されるアシスト情報としての衛星軌道及びクロック情報を提供する低頻度アシスト情報提供システム103と、本発明によって生成されるクロック情報を提供するクロック情報生成装置104と、本発明によって生成されるクロック情報を伝送するための地上無線装置605とからなる。
ここで、クロック情報を伝送するための地上無線装置605は、テレビ電波、FM電波等を発信する無線装置を使用することができる。
本発明に関し、本明細書の出願前に出願され、公に自由に入手可能なすべての論文および文書が確認されるであろうが、かかる論文および文書の内容は、参照によって本明細書に組み込まれている。
本明細書(添付請求項、要約、および図面を含む)に開示された特徴の全て及び/又はそのように開示されたすべての方法または処理のすべてのステップを、そのような特徴及び/又はステップの少なくとも一部が相互に排他的である組合せを除く任意の組合せで組み合わせることができる。
本明細書(添付請求項、要約、および図面を含む)に開示された特徴の各々を、そうでないと明示的に述べられていない限り、同一の目的、同等の目的、または類似する目的のために働く代替の特徴に置き換えることができる。したがって、そうでないと明示的に述べられていない限り、開示された各特徴は、包括的な一連の同等の特徴または類似する特徴の一例にすぎない。
本発明は、上述の実施形態のいずれの詳細にも制限されない。本願発明は、本明細書(添付請求項、要約、および図面を含む)に開示された新規の特徴またはその新規の組合せ、あるいはそのように開示されたすべての方法または処理のステップまたはその新規の組合せに拡張される。
100 衛星測位システム
101 GPS
102 測位信号受信装置
103 低頻度アシスト情報提供システム
104 クロック情報生成装置
105 QZS
605 地上無線装置

Claims (8)

  1. 全地球測位システム(GPS)と、準天頂衛星システム(QZS)と、測位信号受信装置と、低頻度に供給されるアシスト情報として、前記GPS及び/又は前記QZSに関する衛星軌道情報を前記測位信号受信装置に送信する低頻度アシスト情報提供システムと、前記GPS及び/又は前記QZSに関するクロック情報を生成するクロック情報生成装置とからなる衛星測位システムであって、
    前記クロック情報生成装置は、前記QZSのL1−SAIF信号に前記クロック情報を重畳し、前記QZSを介して前記測位信号受信装置へ送信し、
    前記測位信号受信装置は、前記GPS及び/又は前記QZSと前記測位信号受信装置との間の計測距離値と、前記低頻度アシスト情報提供システムから送信された前記衛星軌道情報と、前記クロック情報生成装置が生成した前記クロック情報とを用いて前記測位信号受信装置の位置を決定することを特徴とするシステム。
  2. 前記クロック情報は、1メッセージとして取り扱われるビットアサインフォーマットに複数の衛星に対するクロック情報が含まれることを特徴とする請求項1記載のシステム。
  3. 前記クロック情報は、1メッセージとして取り扱われるビットアサインフォーマットが250ビットであり、その中に8〜10衛星に対するクロック情報が含まれることを特徴とする請求項記載のシステム。
  4. 測位衛星と、測位信号受信装置と、低頻度に供給されるアシスト情報として、前記測位衛星に関する衛星軌道情報を前記測位信号受信装置に送信する低頻度アシスト情報提供システムと、前記測位衛星に関するクロック情報を生成するクロック情報生成装置とからなる衛星測位システムであって、
    前記測位信号受信装置は、前記クロック情報生成装置が生成した前記クロック情報を前記衛星軌道情報とは別に受信し、
    前記測位信号受信装置は、前記測位衛星と前記測位信号受信装置との間の計測距離値と、前記低頻度アシスト情報提供システムから送信された前記衛星軌道情報と、前記クロック情報生成装置が生成した前記クロック情報とを用いて前記測位信号受信装置の位置を決定することを特徴とするシステム。
  5. 前記クロック情報生成装置が、前記クロック情報を地上無線装置に送信し、前記地上無線装置が、受信した前記クロック情報を前記測位信号受信装置に送信することを特徴とする請求項4記載のシステム。
  6. 前記クロック情報生成装置が、前記クロック情報を準天頂衛星システム(QZS)に送信し、前記QZSが、受信した前記クロック情報を前記測位信号受信装置に送信することを特徴とする請求項4記載のシステム。
  7. 前記クロック情報は、L1−SAIF信号で送信され、前記L1−SAIF信号は、データ伝送レート250bpsの信号であり、前記L1−SAIF信号の拡散符号レート1.023MHzであることを特徴とする請求項6記載のシステム。
  8. 請求項1〜のいずれかに1項に記載のシステムにおける測位信号受信装置。
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