JP5798620B2 - ナビゲーション信号送信機、ならびにナビゲーション信号生成方法 - Google Patents

Description

本発明は、地上に設置されてナビゲーション信号あるいは受信機の位置決めのための信号を送信するナビゲーション信号送信機、ならびにナビゲーション信号を生成する方法に関する。

衛星測位システムは、複数の衛星から送信される測位信号を受信機が受動的に測定することによって受信機の位置決定が行われる。この場合、時刻同期が重要な技術要素の一つとなり、「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ために、オンボードクロックが使用され、これらエポックの発生時刻は、乱数符号または擬似乱数符号（拡散符号（ｓｐｒｅａｄｉｎｇ ｃｏｄｅ）と呼ばれる）へとコーディングされる。そして、タイムエポック符号化シーケンスの擬似乱数または乱数機能の結果として、出力信号のスペクトルは、拡散符号要素の変化のレートおよび拡散信号の波形によって決定される。その周波数は広範囲にわたるものである。通常、その拡散波形は、長方形（矩形状）であり、ｓｉｎｃ関数であらわされるパワースペクラムを有する。

かかる衛星測位システムの例として、全地球測位システム（ＧＰＳ）があげられる。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。これらの信号の各々が、それぞれの拡散信号によって変調される。当業者なら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）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。

一方、ＧＰＳをはじめとする衛星測位システムの他に、屋内環境において位置情報を決定することを目的とした地上補完信号（Indoor Messaging System（IMES））がある。ＩＭＥＳ信号はＧＰＳと類似の測位信号であり、同一の１５７５．４２ＭＨｚのＬ１周波数で放送され、ＣＡ信号の拡散符号と同一ファミリ（Gold系列）の１．０２３ＭＨｚの拡散符号レート（チップレート）を有する。

ＩＭＥＳ信号を送信するＩＭＥＳ送信機は、ビル建物内や、地下街に多数設置され、送信機の位置情報をＩＭＥＳ信号に重畳して送信される。すわなち、ＩＭＥＳ受信装置を持ったユーザはＩＭＥＳ信号を受信、復調し、重畳されている位置情報を解読することにより、自身の位置を知ることができる。

ここで、ＩＭＥＳ信号のＣＡコードは、ＧＰＳのＣＡコードと同様で、１０２３ビット（１０２３チップ）の系列が周期１ｍｓで繰り返される。したがって、搬送波周波数とコード位相の探索を行うことなく信号の切り替えを行うためには、搬送波周波数はその期待値との差がコード周期１ｍｓの逆数である１ｋＨｚの幅に入っている必要があるため±５００Ｈｚ以内の精度を確保することが必要となる。これはクロックの周波数偏差としては、５００Ｈｚ／１５７５．４２ＭＨｚ＝０．３３Ｅ−６であるため、若干の余裕を見て約０．２Ｅ−６（０．２ｐｐｍ）以下の精度が必要とされるものとみて良い。また、コード位相は、１チップの長さが約１μ秒であるため、±３００ｎｓ程度以下の精度が必要とされる。

図８に従来のＩＭＥＳ受信機をもったユーザが従来の送信機Ａの信号エリアから送信機Ｂの信号エリアへと移動した場合の様子を示す。ＩＭＥＳ受信機８０３を持ったユーザが送信機Ａ（８０１）の信号エリア（８０１Ｅ）から送信機Ｂ（８０２）の信号エリア（８０２Ｅ）へと移動した場合、ＩＭＥＳ受信機８０３もまた受信信号を送信機８０１に対応する信号ａから送信機８０２に対応する信号ｂへと切り替える必要がある。このように、受信信号を例えば信号ａから信号ｂへ切り替える場合、通信の安定性及びユーザの利便性の観点からＩＭＥＳ信号受信の切断時間は極力少ないほうが望ましい。

そこで、信号切断時間を極力少なくするためには、ＩＭＥＳ送信機Ａ（８０１）から送信される信号ａと送信機Ｂ（８０２）から送信される信号ｂの搬送波周波数及び拡散コードの位相差が小さいことが必要とされる。

ここで、ＩＭＥＳ信号を受信するためには、受信機は、ＩＭＥＳ送信機が送信する信号と同一の周波数、及び同一の拡散コードから成るレプリカ信号と呼ばれる信号を内部で生成させ、放送される信号との相関をとりながら復調を行うことで受信する。典型的な測位信号受信機のブロック構成を図９に示す。図９における測位信号受信機９００は、受信信号を受信するアンテナ９０１と、アンテナ９０１からの受信信号の増幅処理、ダウンコンバート処理及びＡ／Ｄ変換等の受信処理、ならびにデジタル中間周波数信号（デジタルＩＦ信号，ＩＦ：Intermediate Frequency）に変換するための受信部９０２と、コードレプリカ信号を生成するコードレプリカ生成器９０４と、受信部９０２からの信号とコードレプリカ生成器９０４からの信号とをそれぞれ乗算する乗算器９０５および９０６とを含む。

さらに、測位信号受信機９００は、受信機内での搬送波レプリカ信号を生成するための搬送波レプリカ生成器９０７と、搬送波レプリカ生成器９０４からの位相が互いに９０度異なる搬送波レプリカ信号であるｓｉｎω_rｔ信号とｃｏｓω_rｔ信号とを、それぞれ乗算器９０５および９０６の出力に積算する乗算器９０８および９０９とを含み、さらに、乗算器９０８の出力を所定期間積算するための積算器９１０と、乗算器９０９の出力を所定期間積算するための積算器９１１と、積算器９１０および９１１の出力を受けて、Ｓ／Ｎの向上のための積算（２乗する前の積算と２乗後の積算）をソフトウェア的に行い、信号補足および信号追尾のために、コードレプリカ生成器９０４および搬送波レプリカ生成器９０７を制御する演算制御器９１２とを含む。

ここで、演算制御器９１２は、コードレプリカ生成器９０４の生成するコードをソフトウェア的に変更することが可能である。また、演算制御器９１２は、受信した衛星測位信号に基づいて航法メッセージの抽出を行い、測位演算等の処理を行う。

かかる受信機における復調の過程では、放送される搬送波周波数とレプリカ信号の搬送波周波数とが同一（より正確には、上述した±５００Ｈｚ以内の精度）となる周波数の探索、及びＩＭＥＳ送信機から送信される拡散コードとレプリカ信号の拡散コードのコード位相とが同一となるコード位相の探索を行う。図１０に示されるようにレプリカ信号が放送される信号と同一の搬送波周波数及び拡散コード位相になった場合に放送される信号との相関値は最大となり、このとき放送信号を受信できることとなる。

なお、搬送波周波数とコード位相の探索を行うことなく信号の切り替えを行うためには、搬送波周波数は、約０．２Ｅ−６（０．２ｐｐｍ）以下の精度が必要とされ、コード位相は、±３００ｎｓ程度以下の精度が必要とされることは上述したとおりである。

特開２００９−８５９２８号公報 特開２００９−１３３７３１号公報

かかる状況において、全てのＩＭＥＳ送信機が同一の搬送波周波数ＩＭＥＳ信号を送信するためには、送信機内部の原振が公称周波数に対して偏差が小さいこと、周波数の揺らぎが小さいこと、及び周囲の温度変動により周波数が変動しないといった低温度依存性が要求される。一般にこのような特性を持つ発振器は、恒温槽等に収められ厳密な温度管理及び温度コントロールがなされ、ある特定周波数の原子の共鳴を利用した原子時計を利用することもあり、設備費用が高額になるとともにそのサイズも大きくなってしまうという欠点があった。

更に、どんな高価な発振器でも長期に渡り使用していると、必ず周波数が変化する。このため、定期的に周波数の校正を行う必要が生じてしまう。

このような長期的な周波数の変化を抑制する一つの方法として、ＧＰＳ信号を受信して、発振器の長期的な変動を補正する方法がある。しかし、ＧＰＳ信号の屋外環境であれば容易に受信可能であるが、ビル建物内や地下街といった屋内環境では信号が届かないために受信ができないといった問題がある。

これを解決する手段として、ＧＰＳリピータと呼ばれるものがある。屋外で受信したＧＰＳ信号を有線で屋内まで引き込み、屋内で再放射するものである。しかし、この手段を地上に設置するナビゲーション信号送信機の周波数同期に適用する場合、別途ＧＰＳリピータシステムを導入する必要があり、ＧＰＳリピータシステムの装置、工事コストが追加で必要となる。また、ＧＰＳリピータにより送信されるＧＰＳ信号は、微弱ながらも屋外から通過してくる本来のＧＰＳ信号を高感度受信機等により受信しようとするユーザにとって大きな干渉源となってしまう。

また、屋内環境で地上に設置するナビゲーション信号の周波数同期を行う別の手段として、送信機間でタイミング信号を有線或いは無線で送受し実現するものがある。しかし、この手段を地上に設置するナビゲーション信号送信機の周波数同期に適用する場合、送信機はナビゲーション信号とは別にタイミング信号の送信回路を持つ必要があり、これにより送信機の部品点数の増加消費電力の増加を伴ってしまうといった欠点があった。

本願発明の実施形態の第一の目的は、従来技術の問題を少なくとも軽減することである。すなわち本願発明は、地上において送信されるナビゲーション信号の周波数偏差を安価で確実に低減する方法に関するものであって、その生成方式を提供することで従来送信機に内蔵させる必要があった高精度且つ高価な発振器を不要にすることが、発明が解決する課題である。

また、本願発明の実施形態の第二の目的は、地上において送信されるナビゲーション信号のタイミングを合わせることである。すなわち本願発明は、地上において送信されるナビゲーション信号の時刻タイミングを或る基準に合わせる方法に関するものであって、その生成方式を提供することで従来は互いに合っていなかった地上において送信される複数のナビゲーション信号間のタイミングを相対的に、或いは、相対的且つ絶対的に合わせることで、互いのナビゲーション信号間の拡散コード位相差が小さくなり、信号捕捉時間を短くする等の受信時の利便性を向上させることが、発明が解決する課題である。

なお、以上述べた技術課題を踏まえ、発明者らは、ＩＭＥＳ信号ａとＩＭＥＳ信号ｂとが同一の搬送波周波数、及び同一の拡散コード位相であれば、受信機はＩＭＥＳ信号ａを受信して決定した搬送波周波数と拡散コード位相の情報を用いることにより、ＩＭＥＳ信号ｂの搬送波周波数と拡散コード位相の探索を行うことなくＩＭＥＳ信号ｂを受信でき、ＩＭＥＳ信号ａからＩＭＥＳ信号ｂへと切り替えをスムーズに行うことが可能であることを見出している。

本発明にかかるナビゲーション信号送信機は、送信波を受信し所定のデータフレームに同期した同期パルスを生成させる受信部と、前記受信部から生成されたパルスを基準信号として内部クロック原振を生成する基準信号同期部と、前記内部クロック原振に基づいてＩＭＥＳ信号を生成するＩＭＥＳ信号生成部と、前記ＩＭＥＳ信号生成部で生成されたＩＭＥＳ信号を送信する送信アンテナとを備えたナビゲーション信号送信機であって、前記基準信号同期部は、カウント回路と比較器とローパス制御用フィルタとＤ／Ａコンバータと電圧制御発信器と分周回路とを含み、前記カウンタ回路においては、前記送信波から入力された信号を基準信号として前記電圧制御発信器で生成されるクロックのパルス数がカウントされ、前記カウント値は前記比較器において基準値と比較され、前記比較器における比較結果の大小関係が所定値以内の範囲で一方向に所定回数連続した場合に前記電圧制御発信機の制御電圧レベルを調整するよう制御されることを特徴とする。

また、前記比較器における比較結果の大小関係が所定値を超えた場合には、前記カウント値を破棄するよう制御されることを特徴とする。

また、前記比較器における比較結果の大小関係が所定値を超え、かつ前記所定値を超えた値が所定時間内に所定回数連続した場合には、時定数となる値を変更するよう制御されることを特徴とする。

本発明にかかるナビゲーション信号送信方法は、受信部において送信波を受信し所定のデータフレームに同期した同期パルスを生成させるステップと、基準信号同期部において前記受信部から生成されたパルスを基準信号として内部クロック原振を生成するステップと、ＩＭＥＳ信号生成部において前記内部クロック原振に基づいてＩＭＥＳ信号を生成するステップと、送信アンテナにおいて前記ＩＭＥＳ信号生成部で生成されたＩＭＥＳ信号を送信するステップとを備えたナビゲーション信号送信方法であって、前記基準信号同期部においては、カウント回路と比較器とローパス制御用フィルタとＤ／Ａコンバータと電圧制御発信器と分周回路とが含まれ、前記カウンタ回路においては、前記送信波から入力された信号を基準信号として前記電圧制御発信器で生成されるクロックのパルス数がカウントされ、前記カウント値は前記比較器において基準値と比較され、前記比較器における比較結果の大小関係が所定値以内の範囲で一方向に所定回数連続した場合に前記電圧制御発信機の制御電圧レベルを調整するよう制御されることを特徴とする。

本発明にかかるナビゲーション信号送信機ないしナビゲーション信号送信方法によれば、地上において送信されるナビゲーション信号の周波数偏差を安価で確実に低減することができ、従来の送信機に搭載する必要があった高精度且つ高価な発振器を不要にすることができる。さらには、地上において送信される複数のナビゲーション信号間のタイミングを相対的に、或いは、相対的且つ絶対的に合わせることで、互いのナビゲーション信号間の拡散コード位相差が小さくなり、信号捕捉時間を短くする等の受信時の利便性を向上させることができる。

本発明の一実施形態にかかるナビゲーション信号送信機の構成を説明する説明図である。 本発明の一実施形態にかかるナビゲーション信号送信機における基準信号同期部のブロック構成を説明する説明図である。 本発明の一実施形態にかかるナビゲーション信号送信機の基準信号同期部における周波数カウント部の動作を説明する説明図である。 本発明の一実施形態にかかるナビゲーション信号送信機の基準信号同期部における各信号の周波数安定度（アラン標準偏差）を説明する説明図である。 本発明の他の実施形態にかかるナビゲーション信号送信機において時刻同期を行うための基準信号同期部の構成を説明する説明図である。 本発明の他の実施形態にかかるナビゲーション信号送信機において時刻同期を行うための基準信号同期部の構成を説明する説明図である。 本発明の他の実施形態にかかるナビゲーション信号送信機において時刻同期を行うための基準信号同期部における動作フローを説明するフローチャートである。 本発明の他の実施形態にかかるナビゲーション信号送信機における時刻タイミング信号と拡散コードとの関係を説明する説明図である。 本発明の他の実施形態にかかるナビゲーション信号送信機の構成を説明する説明図である。 従来のＩＭＥＳ受信機をもったユーザが従来の送信機Ａの信号エリアから送信機Ｂの信号エリアへと移動した場合の様子を説明する説明図である。 従来の測位信号受信機の受信回路のブロック構成を説明する説明図である。 従来の測位信号の搬送波周波数及びコード位相探索概念を説明する説明図である。

以下、本発明にかかるナビゲーション信号送信機、ならびにナビゲーション信号生成方法について詳述する。

図１に、本発明の一実施形態にかかるナビゲーション信号送信機の構成を示す。ここで、本実施形態における「外部システムの何らかの信号（送信波）」としてＰＨＳ信号を想定するものとする。ナビゲーション信号送信機１００は、ＰＨＳ受信部１０１と、基準信号同期部１０２と、ＩＭＥＳ信号生成部１０３と、送信アンテナ１０４とからなる。なお、ＰＨＳ受信部１０１及び基準信号同期部１０２は、内部クロック生成部（ちょうど特許文献１の図２に示される内部クロック生成器２３１に対応）を構成する。しかしながら、例えば特許文献１の図２に示されるものなど従来の内部クロック生成器においては、高い周波数精度を確保するために高価なＯＣＸＯ（Oven Controlled Xtal Oscillator、「温度制御型水晶発振器」とも呼ばれる）等が用いられていた。

ナビゲーション信号送信機１００において、ＰＨＳ基地局から送信される１．９ＧＨｚ帯のＰＨＳ電波は、図１における内部クロック生成部の構成要素であるＰＨＳ受信部１０１により受信され、ここでＰＨＳデータフレームに同期した１００ｍｓのパルスが生成される。ＰＨＳ基地局の周波数オフセットは小さく複数のＰＨＳ基地局が同期しているので、送信機内部のＰＨＳ受信部の内蔵クロックがずれていたとしても、ＰＨＳデータフレームの周期は一定の基準を満たしている。すなわち、ＰＨＳデータフレームの繰り返し周波数の周波数オフセットは小さい。

ここで、外部システムの何らかの信号を、空中を伝播する電波として、それに同期させることを考えた場合、空中を伝播する電波の搬送波周波数に同期させる方法や、搬送波からタイミング信号を生成する方法が考えられる。しかしながら、搬送波周波数は、電波の変調方式により異なる場合があるため（ＦＭ変調、ＦＤＭＡ、ＣＤＭＡの周波数ホッピング方式などは周波数が動的に変化する）、本発明においては、搬送波ではなくデータフレーム周期に同期させることを特徴としている。

次に、図１におけるＰＨＳ受信部１０１から出力された１００ｍｓのパルスは、基準信号として基準信号同期部１０２へ入力される。基準信号同期部１０２ではこの基準信号に周波数同期した内部クロック原振を生成し、ＩＭＥＳ信号生成部１０３へ出力する。なお、ＩＭＥＳ信号生成部１０３へ出力するかわりに特許文献１の図２に示したようなＭＵＸ２３２に出力することも可能である。

そして、図１におけるＩＭＥＳ信号生成部では、特許文献１及び２において開示されたＩＭＥＳ信号を生成し、送信アンテナ１０４を介して送信する。

ここで、ＰＨＳ受信部１０１が出力し、基準信号同期部１０２の基準信号として入力される信号は、空中を伝播するＰＨＳ電波に同期していることに留意されたい。

なお、ＰＨＳ受信部１０１は、ＰＨＳ信号以外の信号（例えば、ＧＳＭ（global system for mobile communicationsの略称であって登録商標。以下、同じ）、ＬＴＥ（long term evolutionの略称。以下、同じ）、商用電源等）を受信する受信部であってもよい。ＰＨＳ信号以外の信号であっても信号処理の詳細は次段落以降に説明する構成を採用することができる。以下、受信部１０１で受信する信号はＰＨＳ信号であるものとして説明を進める。

図２に、基準信号同期部１０２の詳細構成を説明するブロック図を示す。基準信号同期部１０２は、周波数カウント部２０１とループカウンタ２０２とＶＣＯ（電圧制御発振器）２０３とから構成され、ＰＨＳ受信部１０１から入力された基準信号は、最終的には１０ＭＨｚの内部クロック原振としてＩＭＥＳ信号生成部１０３へ出力される。

次に、基準信号同期部１０２における周波数カウント部２０１の動作を図３に示す。周波数カウント部２０１では、ＰＨＳ受信部１０１から入力される信号を基準信号同期部１０２の基準信号とするが、その信号をトリガとして、図３に示すように基準信号同期部１０２内のＶＣＯ２０３で生成されるクロックのパルス数をカウンタ回路（不図示）を用いてカウントする。計測されたカウント値は、ＶＣＯ２０３の公称周波数と基準信号のパルス周期公称値とから決定されるパルス数と比較回路（不図示）において比較され、その差となる値に対してループフィルタ２０２で平滑化処理を行い、適切なゲイン設定及びＤ／Ａ変換により直流電圧に変換され、ＶＣＯ２０３に入力されるものである。この直流電圧は、基準信号と内部クロック原振との周波数差に比例し、ＶＣＯ２０３は、電圧に応じて自身の周波数を調整することにより基準信号と内部クロック原振との周波数差が一定に保たれることとなる。

ここで、ＶＣＯ２０３の公称周波数及び基準信号のパルス周波数公称値から決定されるパルス数は、ＶＣＯ２０３の公称周波数が１０ＭＨｚ、基準信号のパルス周期公称値が１００ｍｓの場合、
１０＊１０＾６＊０．１＝１００００００［パルス］
となる。

［本発明にかかるナビゲーション信号送信機等の効果］
図４に、基準信号同期部１０２の動作にともない生成される基準信号と内部クロック原振の安定性を説明する説明図を示す。まず、図４において、（ａ）は基準信号同期部の基準信号、すなわちＰＨＳ受信部出力信号の周波数安定度（アラン標準偏差）の典型例であり、（ｂ）は基準信号同期部に組み込まれているＶＣＯ単体の周波数安定度の一例を示すものである。特性（ａ）から分かることは、基準信号は長期的な周波数安定性に優れているものの短期的な周波数安定性に欠けるということであり、特性（ｂ）から分かることは、ＶＣＯは長期的な周波数安定性に欠けるものの短期的な周波数安定性に優れているということである。

そうして、特性（ｃ）は、本発明にかかるナビゲーション信号送信機等における基準信号同期部１０２が出力するクロック信号の周波数安定性を示す。特性（ｃ）によれば、長期的な周波数安定性は基準信号（すなわちＰＨＳ電波）と同等であり、短期的な周波数安定性はＶＣＯの特性と同等の特性を有するので、長期短期にわたる広範な周波数領域において安定した性能を発揮することが分かる。

図５Ａに、本発明の第２の実施形態として、ナビゲーション信号送信機において時刻同期を行うための基準信号同期部の構成を示す。基準信号同期部５００は、位相比較部５０１と、ループフィルタ５０２と、ＶＣＯ（電圧制御発振器）５０３と、分周器５０４とから構成される。

ＰＨＳ受信部が出力する信号を基準信号同期部の基準信号として、ＰＬＬ部内の分周器５０４から生成される信号との位相比較を位相比較部５０１において行い、位相差を計測する。ここで計測された位相差は、ループフィルタ５０２において平滑化処理され、適切なゲイン設定及びＤ／Ａ変換により直流電圧に変換され、ＶＣＯ５０３に入力される。この直流電圧は、基準信号と分周信号との位相差に比例し、したがってＶＣＯ５０３は電圧に応じて自身の周波数を調整することで、基準信号と分周信号との位相差が一定に保たれることとなる。

この実施形態においては、基準信号同期部からは内部クロック原振に加え、例えば、ＰＲＮコードのタイミングを制御するために、パルス周期が１ｍｓの整数倍（一例として、１０ｍｓ、１００ｍｓ、１０００ｍｓが採用される。図７における基準信号パルスとは異なる）である時刻同期タイミング信号パルスが出力される（この時刻同期タイミング信号パルスは、後述する図７において、７０２から７０３へ供給される）。
なお、ＰＲＮコードのタイミング制御例を図６に示す。図６（Ａ）にはＩＭＥＳ信号生成部で生成される周期１ｍｓの拡散コードＣが表されており、拡散コードＣに対して時刻同期タイミング信号Ｔを同期させる。図６（Ａ）の区間Ｔ１−Ｔ２を拡大したものが図６（Ｂ）であり、ビット数（チップ数）１０２３ビット（１０２３チップ）の拡散コードＣ’の先頭（Ｃｏｄｅ１とＣｈｉｐ１とが一致しているタイミング）を、時刻同期タイミング信号Ｔ’のパルスに同期するように制御して放送することで、時刻タイミングもＰＨＳ電波に同期した状態となる。

図７に本願発明の第３の実施形態として、外部システムの何らかの信号として、ＧＳＭやＬＴＥといった携帯電話の電波を利用する場合の構成を示す。ナビゲーション信号送信機７００は、ＧＳＭ又はＬＴＥ信号を受信するためのＧＳＭ受信部又はＬＴＥ受信部（総称して受信部７０１）と、基準信号同期部７０２と、ＩＭＥＳ信号生成部７０３と、送信アンテナ７０４とから構成される。すなわち、本実施形態ではＰＨＳ受信部１０１に替えて、ＧＳＭ或いはＬＴＥ受信部７０１を用いて、１０ｍｓ、１００ｍｓ又は１０００ｍｓのパルスを基準信号として基準信号同期部７０２に入力する。基準信号同期部７０２では、周波数カウント部（図７において不図示）で数えるパルス数と比較する値を１０ｍｓ、１００ｍｓ又は１０００ｍｓへと変更するのみで良く、ＧＳＭ或いはＬＴＥ受信部７０１以外は送信機の構成を変更する必要がなく、これによってＧＳＭやＬＴＥといったＰＨＳ以外の電波を簡便に利用することができる。
ここで、基準信号パルスの周期（１０ｍｓ、１００ｍｓ、１０００ｍｓ）は、通信インフラの環境によって使い分けられる。例えば、ＰＨＳでは１００ｍｓの基準信号のみ利用可能であり、ＣＤＭＡでは１０ｍｓの基準信号が利用可能である。

本願発明の第４の実施形態として、外部システムの何らかの信号として、商用電源を利用しても良い。本実施形態では、受信部７０１に替えて、商用電源受信部を用い、電源周波数（日本では５０／６０Ｈｚ）から１０ｍｓ、１００ｍｓ又は１０００ｍｓのパルスを基準信号として基準信号同期部７０２に入力する。商用電源であれば、絶対精度は悪くとも、例えばビル内では同じ電源であるため、同一ビル内のＩＭＥＳ送信機の相対的な周波数は一致する。これにより、ＰＨＳ，ＧＳＭ，ＬＴＥといった電波が届かない場所においても、ＩＭＥＳ送信機は周波数同期が可能となる。

本願発明の第５の実施形態として、図５Ｂに、ナビゲーション信号送信機において時刻同期を行うための基準信号同期部の構成を説明する。基準信号同期部５５０は、カウンタ回路５５１と、保持回路５５２と、比較器５５３と、ローパス制御用フィルタ５５４と、Ｄ／Ａコンバータ５５５と、電圧制御発信器５５６と、分周回路５５７とから構成される。

カウンタ５５１は、電圧制御型発信器（ＶＣＸＯ）５５６から発信されるクロックの「パルス数（典型的には１０ＭＨｚ）をカウントし、基準信号パルスが送られる１００ｍｓ毎に、カウント値を保持回路５５２へ送信する。さらにカウント値は、比較器５５３において、比較用の基準値（典型的には1,000,000回）と比較し、第１のフィルタリングとして、ＶＣＸＯのカウント値が基準値と±１０％より外れている場合には異常な値として無視する（アウトライアー除去）。
次に、第２のフィルタリングとして、比較結果の大小関係が、大（＋方向）あるいは小（−方向）が連続してｎ回続いた場合に、電圧制御レベルを１だけ変更するように制御する。すわなち、＋方向がｎ回連続して計測された場合には、制御電圧レベルを現在のレベルに対して−１とし、−方向がｎ回連続して計測された場合には、制御電圧レベルを現在のレベルに対して＋１とする。ここで、レベル１に対する電圧制御量は、１２ビットの解像度で制御される場合には、２．５（ｖ）／４０９６（ｖ）である。
また、分周回路５５７からは、時刻同期タイミング信号パルスが出力される。

なお、図５Ｂにおいて、ＲＩＮはリセット入力であり、ＣＬＩＮはクロック入力であり、ＣＮＴＯＵＴはカウント値出力であり、ＣＮＴＩＮはカウント値入力であり、ＳＴＩＮはセットタイミング入力である。

このように、図５Ｂにおいて、比較器５５３及びローパス制御用フィルタ５５４は、いわゆるランダムウォークフィルターを応用した構成になっているが、本願発明においては、上記ｎ（フィルター時定数）の調整に特徴があり、ｎの値を大きくすると収束までの時間は長くなるが、試行の結果、基準信号パルスとしてＰＨＳを使用する場合には、ｎを１０程度に設定することで良好な結果が得られている。また、基準信号パルスとしてＣＤＭＡを使用する場合には、ｎを２程度とすることが望ましい。

ここで、基準信号パルスは１００ｍｓごとの周期なので、ｎ＝１０の場合は、１秒に１回の割合で電圧制御調整が行われることになり、ｎ＝２の場合は、０．２秒に１回の割合で調整が行われることになる。

一般に、ＰＨＳを基準信号パルスとして使用する場合は、ナビゲーション信号送信機の設置後、１５分〜３０分程度で基準信号パルスの周波数とほぼ同期することになる。しかしながら、火災などが生じて、ナビゲーション信号送信機の温度が急激に上昇した場合には、送信機の正確な動作が期待できなくなる場合がある。このような場合には、基準信号パルスの周波数との同期が失われ、速やかにタイミング同期をやり直す必要がある。したがって、火災のような急激な温度上昇等の非常事態を検知するために、温度センサを別途設けるように構成してもよいが、追加の回路やコストがかかるため、カウンタ値の異常を検出することにより、非常事態の判断を行うように構成してもよい。具体的には、ＶＣＸＯが±１０％以上外れる回数が所定時間（例えば、２０秒間とか３０秒間）内に一定回数（例えば、１００回とか１５０回）連続した場合に、温度異常（火災等の非常事態）と判断する。

この場合の詳細フローを図５Ｃに示す。Ｓ５０１において、タイミング同期が開始されると、Ｓ５０２に進み、火災などによる急激な温度上昇等の非常事態であるかどうかをチェックするためのフラグ（以下、非常事態フラグ）が初期化される。

次に、Ｓ５０３に進み、ＶＣＸＯから発信されるパルスをカウンタにおいてカウントする。Ｓ５０４において、ＰＨＳの原振に基づいて時間が計測され、１００ｍｓが経過したかどうかが判断される。まだ１００ｍｓが経過していない場合（Ｓ５０４において、Ｎｏ）は、Ｓ５０３に復帰し、１００ｍｓが経過した場合には、Ｓ５０５に進み、非常事態フラグがオンかどうかチェックされる。Ｓ５０５において非常事態フラグがオンである場合にはＳ５１０に進むが、非常事態フラグがオフである場合には、Ｓ５０６に進む。

Ｓ５０６では、ＶＣＸＯが±１０％以内かどうかが判断される。ＶＣＸＯが±１０％以内であれば、正常な変動として制御電圧調整を進めるが（Ｓ５１０へ進む）、ＶＣＸＯが±１０％を超える場合には、破棄すべきエラー（アウトライアー）か、非常事態であるかどうかが判断される（Ｓ５０７）。Ｓ５０７では、ＶＣＸＯが±１０％を超える場合であって、それが所定時間内に一定回数連続しているかどうかが判断される。一例として、２０秒間に１００回連続しているか、あるいは、３０秒間に１５０回連続しているかが判断される。所定時間内に一定回数連続している場合には（Ｙｅｓ）、Ｓ５０９に進み、ナビゲーション信号送信機が設置されている場所付近は、火災等の非常事態により周辺温度が急激に上昇しているものと判断し、時定数ｎを現在設定されている値よりも小さい値に変更する（例えば、ｎ＝１０からｎ＝２へ変更）。そして、非常事態フラグをオンにする。
Ｓ５０７において、ＶＣＸＯが±１０％を超える場合が所定時間内に一定回数連続しなかった場合には、その値はアウトライアーとして破棄する。

Ｓ５１０では、ＶＣＸＯから発信されるパルスカウントがプラス（＋）方向にずれている場合には＋１としてカウントし、パルスカウントがマイナス（−）方向にずれている場合には−１としてカウントし、Ｓ５１１へ進む。

Ｓ５１１では、Ｓ５１０でカウントされた値（＋又は−）がｎ回連続したかが判断され、ｎ回連続している場合（Ｙｅｓ）には、Ｓ５１２へ進み、ｎ回連続しなかった場合（Ｎｏ）には、Ｓ５０２へ復帰する。

Ｓ５１２では、ｎ回連続したのがプラス（＋）方向であった場合には、制御電圧を−方向へ調整し、ｎ回連続したのがマイナス（−）方向であった場合には、制御電圧を−方向へ調整する。そして、Ｓ５０３に復帰する。

図５Ｃに示したフローでは、Ｓ５０７においてＶＣＸＯが±１０％を超える場合であって、それが所定時間内に一定回数連続しているかどうかが判断されるが、所定時間内に連続してＶＣＸＯが±１０％を超える場合に限らず、所定時間内に累積してＶＣＸＯが±１０％を超える場合が一定回数に達したときに、Ｓ５０９へ進み、非常事態フラグをオンにすると共に、時定数ｎを現在設定されている値よりも小さい値に変更するよう制御することとしてもよい。この場合、例えば、３分間にＶＣＸＯが±１０％を超える場合が累積して１０００回に達したとき、あるいは、５分間にＶＣＸＯが±１０％を超える場合が累積して１０００回に達したときに、Ｓ５０９に進む。

ＶＣＸＯが±１０％を超える場合が所定時間内に一定回数連続しているかどうかを判断するフローは、極めて短時間に火災等の被害を検出できる利点がある。一方で、ＶＣＸＯが±１０％を超える場合が所定時間内に累積して一定回数に達するかどうかを判断するフローは、誤動作を起こってしまうのを防ぎながら、ある程度短時間で火災等の被害を検出できるという利点がある。

図５Ｃに示したフローでは、非常事態フラグをオフにする処理について説明を省略しているが、実施形態に応じて様々な処理を考慮することができる。例えば、予め決められた時間が経過した場合に非常事態フラグをオフにする、手動でオフにするなどである。

あるいは、所定時間内に一定回数連続してＶＣＸＯが±１０％以内に収まったときに非常事態フラグをオフにするよう制御してもよいし、ＶＣＸＯが±１０％以内に収まる場合が所定時間内に累積して一定回数に達したときに非常事態フラグをオフにするよう制御してもよい。

なお、上述した非常事態検知ロジック（Ｓ５０２、Ｓ５０５、Ｓ５０９等）を実装しない簡素なタイミング同期制御も実施可能であることは言うまでもない。

以上述べたように、本発明にかかるナビゲーション信号送信機等おいては、ＧＰＳという高精度クロックに基づく信号を受信する受信機での受信動作に着目し、同時に受信機の利便性を向上させるための地上用に設置されて使用するナビゲーション信号の課題に着目し、０．２ｐｐｍ程度の周波数オフセット要求という課題を克服すべく、かかる条件を満たす送信機を実現するための安価な手段及び方法を提供するものである。

また、ＧＰＳは高精度クロックに基づくものであるので、当業者による自然な考えに基づけば、ＧＰＳと同様に地上用に設置されて使用するナビゲーション信号の生成にも高精度クロックが必要であるとの認識が生まれやすい。しかし、地上に設置するナビゲーション信号送信機で必要とされるのは、絶対的な周波数精度よりというよりは、むしろ各送信機間の相対的な周波数精度である。したがって、使用する周波数基準は高精度であることよりも、各送信機が共通の周波数標準を用いることが重要となる。一方で、上記要求を実現するためのナビゲーション信号送信機に対して新たに付加する機能やモジュールは少ないことが望ましい。よって、地上でのナビゲーション信号送信機の周波数基準は、仮に一般的な周波数標準として利用される性質のものでなくとも、屋内において使用可能で、ナビゲーション信号送信機のカバレッジエリアより広く、複数のナビゲーション信号送信機を利用でき、その周波数標準として既存のものを利用することにより、本発明にかかるナビゲーション信号送信機を含むシステム全体の構成規模を小型化できるという効果を奏するものである。

なお、特許請求の範囲、明細書、要約書、図面に記載された全ての技術的要素、ならびに、方法ないし処理ステップは、これら要素及び／又はステップの少なくとも一部が相互に排他的となる組み合わせを除く任意の組み合わせによって本発明にかかる送信機、ならびに方法の構成要素ないし構成段階となりうる。
さらに、本発明は、上述した実施形態のいずれの個別具体的な詳細記載に制限されることはない。さらに、本発明の技術的範囲は、上述の説明のみによってではなく、特許請求の範囲の記載によってその外延が特定されるものであり、特許請求の範囲と均等となる置換ないし変更も本発明の技術的範囲となるものである。

１００、５００ ナビゲーション信号送信機
１０１ ＰＨＳ受信部
１０２、７０２ 基準信号同期部
１０３、７０３ ＩＭＥＳ信号生成部
１０４、７０４ 送信アンテナ
２０１ 周波数カウント部
２０２、５０２ ループフィルタ
２０３、５０３ ＶＣＯ（電圧制御発信器）
５０１ 位相比較部
５０４ 分周器
５５１ カウンタ
５５２ 保持回路
５５３ 比較器
５５４ ローパス制御用フィルタ
５５５ Ｄ／Ａコンバータ
５５６ 電圧制御型発信器
５５７ 分周回路
７０１ ＧＳＭ又はＬＴＥ受信部

Claims (7)

1. 送信波を受信し所定のデータフレームに同期した同期パルスを生成させる受信部と、前記受信部から生成されたパルスを基準信号として内部クロック原振を生成する基準信号同期部と、前記内部クロック原振に基づいてＩＭＥＳ信号を生成するＩＭＥＳ信号生成部と、前記ＩＭＥＳ信号生成部で生成されたＩＭＥＳ信号を送信する送信アンテナとを備えたナビゲーション信号送信機であって、
   前記基準信号同期部は、カウンタ回路と比較器とローパス制御用フィルタとＤ／Ａコンバータと電圧制御発信器と分周回路とを含み、前記カウンタ回路においては、前記所定のデータフレームに同期した同期パルスを基準信号として前記電圧制御発信器で生成されるクロックのパルス数がカウントされ、前記カウント値は前記比較器において基準値と比較され、前記比較器における比較結果の大小関係が所定値以内の範囲で一方向に所定回数連続した場合に前記電圧制御発信器の制御電圧レベルを調整するよう制御される
   ことを特徴とするナビゲーション信号送信機。
2. 前記比較器における比較結果の大小関係が所定値を超えた場合には、前記カウント値を破棄するよう制御される
   ことを特徴とする請求項１に記載のナビゲーション信号送信機。
3. 前記比較器における比較結果の大小関係が所定値を超え、かつ前記所定値を超えた値が所定時間内に所定回数連続した場合には、時定数となる値を変更するよう制御される
   ことを特徴とする請求項２に記載のナビゲーション信号送信機。
4. 前記送信波はＰＨＳ基地局から送信される１．９ＧＨｚ帯のＰＨＳ電波であり、前記データフレームはＰＨＳデータフレームであり、前記同期パルスは１００ｍｓ周期のパルスであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のナビゲーション信号送信機。
5. 受信部において送信波を受信し所定のデータフレームに同期した同期パルスを生成させるステップと、基準信号同期部において前記受信部から生成されたパルスを基準信号として内部クロック原振を生成するステップと、ＩＭＥＳ信号生成部において前記内部クロック原振に基づいてＩＭＥＳ信号を生成するステップと、送信アンテナにおいて前記ＩＭＥＳ信号生成部で生成されたＩＭＥＳ信号を送信するステップとを備えたナビゲーション信号送信方法であって、
   前記基準信号同期部においては、カウンタ回路と比較器とローパス制御用フィルタとＤ／Ａコンバータと電圧制御発信器と分周回路とが含まれ、前記カウンタ回路においては、前記所定のデータフレームに同期した同期パルスを基準信号として前記電圧制御発信器で生成されるクロックのパルス数がカウントされ、前記カウント値は前記比較器において基準値と比較され、前記比較器における比較結果の大小関係が所定値以内の範囲で一方向に所定回数連続した場合に前記電圧制御発信器の制御電圧レベルを調整するよう制御される
   ことを特徴とする方法。
6. 前記比較器における比較結果の大小関係が所定値を超えた場合には、前記カウント値を破棄するよう制御される
   ことを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 前記比較器における比較結果の大小関係が所定値を超え、かつ前記所定値を超えた値が所定時間内に所定回数連続した場合には、時定数となる値を変更するよう制御される
   ことを特徴とする請求項６に記載の方法。