JP5968053B2 - 衛星信号受信機 - Google Patents

Description

この発明は、自動車等の移動体に設置されたり、携帯電話機等の移動端末に内蔵されたりして用いられ、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）等の航法衛星からの衛星信号を捕捉するための衛星信号受信機に係り、特に、信号レベルが極めて弱い衛星信号を、電源オン直後に再捕捉可能な衛星信号受信機に関する。

近年、カーナビゲーション等のＧＰＳを利用した装置が広く用いられてきている。ＧＰＳ衛星からの衛星信号は、所定の周波数の搬送波がＢＰＳＫへ変調され、さらに、衛星毎に定められたスペクトラム拡散符号によりスペクトラム拡散された信号上に、送信時刻や詳細軌道情報等のデータによるデータ変調（信号反転）が加えられている。

そして、信号を捕捉するには、搬送波と同じ周波数にて、衛星送信時刻に同期したコード位相にする必要がある。このようにして衛星信号を捕捉するための、通常感度サーチ回路の構成例を図３に示す。

図中ＲＦコンバータ１０は、アンテナ１０ａを介して入力された受信信号を、デジタル処理が可能な周波数帯の離散データに変換する。サーチ方法指示部１２Ａは、信号捕捉のためのサーチ周波数を周波数発生器１１に供給するとともに、サーチ衛星番号を衛星信号発生器１３に供給する。

ＲＦコンバータ１０の出力信号は、周波数発生器１１および衛星信号発生器１３の信号と乗算器１１ａ、１３ａによって乗算され、相関演算器１４Ａによって全コード位相候補に対する相関演算処理が行われ、全コード位相候補の瞬時相関値が得られる。

コヒーレント加算器１５Ａは、相関演算器１４Ａによる相関演算結果を所定の加算時間（コヒーレント加算時間、例えば１ｍｓ）に亘って加算する。このコヒーレント加算器１５Ａは、Ｉ（搬送波正位相）相関信号、Ｑ（搬送波９０°移相）相関信号を、それぞれ、そのまま加算するコヒーレント加算を行う。信号パワー演算器１６は、コヒーレント加算器１５Ａによる加算結果に基づいて、信号パワーＰ、すなわち、二乗和（Ｐ＝Ｉ×Ｉ＋Ｑ×Ｑ）を演算する。

ノンコヒーレント加算・記憶器１７Ａは、信号パワー演算器１６によって演算された信号パワーを複数回（例えば１０回）加算し記憶する。候補抽出部１８は、ノンコヒーレント加算・記憶器１７Ａによる信号パワー加算結果に基づいて、演算結果をパワー順に（高い順に）並べて、最も高いパワーから複数個の候補（信号パワー累積加算値と、対応するコード位相及び周波数）を抽出し、検出結果を制御部へ出力する。そして、制御部は、候補抽出部１８から受け取った複数の候補と閾値とに基づいて、衛星信号の特定を行う。例えば、信号パワーの累積加算値と閾値とを比較し、累積加算値が閾値以上の候補のなかから特定し、信号捕捉完了として、次の衛星について信号捕捉を行う。

このような通常感度サーチ回路により、見晴らしが良い環境下であれば、全衛星の信号捕捉、測位が行える。しかしながら、ビル街や高速道路下、鉄道線路下など、上空の見晴らしが悪い場合には、通常感度サーチ回路のみでは捕捉衛星数は２、３衛星に留まり、測位に必要な４つ以上の衛星を捕捉することができない。そのため、さらに弱信号衛星も捕捉できる、図４に示す高感度サーチ回路が併用されている。この高感度サーチ回路は、基本的に通常感度サーチ回路と同等の構成のため、同等の構成要素については同一符号を付することで、その説明を省略する。

高感度化するには、コヒーレント加算時間を延ばすのが一番効率的である。しかしながら、図５に示すように、衛星信号には、送信時刻や詳細軌道情報等のデータによる信号反転が加えられているため、コヒーレント加算時間はそのデータ反転が起こらない期間が選ばれる。例えば、ＧＰＳ衛星の場合、２０ｍｓが選ばれる。

しかしながら、コヒーレント加算を行う加算区間が衛星信号と同期していないと、正しい相関は得られない。例えば、図示のような加算区間Ｂが設定されると、信号反転に伴い、相関値＝０となり、衛星信号を捕捉できなくなる。最大効果を得るためには、加算区間は加算区間Ａで示すように、衛星信号と同期したタイミングに調整する必要がある。そのため、高感度サーチ回路には、コヒーレント加算開始時期を指定できる、コヒーレント加算開始指示器１９が追加されている。

１回のコヒーレント加算のみでは高感度は不十分であるため、さらなる高感度化のために、ノンコヒーレント加算が行われる。この回数は信号レベルに依存するため固定値にしない場合が多く、通常は数１０回である。

高感度サーチの場合、概略のコード位相候補が分かってからサーチすることが多い。従って、サーチ方法指示部１２Ｂからの指示により、相関演算器１４Ｂの相関範囲を限定することも行われている。

また、送信時刻や詳細軌道情報等を示す衛星からのデータを、電源オン直後から再収集すると、測位まで数１０秒かかってしまうため、これらのデータをバックアップメモリに記憶しておき、電源オン直後に利用可能にする技術が知られている（例えば、特許文献１、２参照。）。

一方、測位すると、ＧＰＳ受信モジュール用発振器（ＴＣＸＯなど）の誤差が計測でき、その発振器周波数誤差がわかれば、搬送波周波数は容易に計算できる。そのため、電源オン時に、搬送波周波数予想値をすぐに求めるため、短時間の電源中断時には、次のことが行われている。

すなわち、第１に、電源オン中は、測位計算で求められた、ＧＰＳ受信モジュール用発振器の周波数誤差をバックアップメモリ内に記憶しておく。第２に、電源オン直後に、バックアップメモリに記憶されていたＧＰＳ受信モジュール用発振器の周波数誤差を読み出し、各衛星に対する搬送波周波数を求め、その周波数にて信号サーチを行う。

特開昭６１−１９８０７３号公報 特開２００２−０９０４４３号公報

ところで、コード位相は、時間に換算するとμｓ単位のデータであり、電源オン中はそのタイミングの継続性が維持されるが、電源を一旦オフすると、前回とは全く異なるタイミングとなってしまう。したがって、電源オン直後は、全コード位相範囲（ＧＰＳでは１０２３チップ範囲）をすべてサーチする必要がある。同様に、衛星からの詳細軌道情報等を示すデータの先頭タイミング（ＧＰＳでは２０ｍｓタイミング）も、前回とは異なるため、この先頭タイミング検出も全衛星に対して行う必要がある。

ここで、衛星信号が通常感度（−１３５ｄＢｍ以上）であり、衛星からのデータの符号反転が頻繁に行われている状態であれば、コード位相検出やデータ先頭タイミング検出は１秒程度で行える。このため、通常感度衛星数が多ければ、電源オン直後に測位が行えるため、問題はない。

一方、ビル街や高速道路下、鉄道線路下など、上空の見晴らしが悪い場合には、通常感度衛星数が少なく、通常感度のみでは測位できない。そのため、弱信号も高感度サーチ回路にて捕捉する必要があるが、コヒーレント加算開始時期が不明の場合には、高感度サーチ回路を利用することができない。電源オン継続中の場合、通常感度サーチ回路で受信できた衛星が１衛星以上になり、その衛星に関して衛星時刻も確定して、衛星の送信時刻と受信機内時刻との差分が確定すれば、未受信衛星のコヒーレント加算開始時期は容易に計算することができる。そして、計算したコヒーレント加算開始時期を高感度サーチ回路に指示して、弱信号衛星を捕捉している。

ところが、近年は、エコドライブが普及してきており、交差点などではエンジンをストップし、自己発電ができない状態になるので、その他の内蔵機器もその間は電源をオフできることが望まれている。しかしながら、一旦電源をオフすると、内部タイミングが変わってしまい、未受信衛星のコヒーレント加算開始時期が不明となり、その結果、高感度サーチ回路での弱信号衛星捕捉ができず、測位できなくなってしまう。つまり、現状の衛星信号受信機では、交差点などでの一時電源オフができない、という欠点がある。

そこで、この発明は、信号レベルが極めて弱い衛星信号を、電源オン直後に再捕捉することが可能な衛星信号受信機を提供することを目的としている。

前記の課題を解決するために、請求項１の発明に係る衛星信号捕捉回路は、航法衛星からの衛星信号を捕捉するための衛星信号受信機であって、
測位継続中に、安定追尾している複数衛星の衛星送信時刻（ＣＮ１）、その時刻を取得した時の内蔵タイマー値（ＴＮ１）を記憶する衛星追尾情報記憶手段と、
ＲＴＣの割り込み信号が得られた時の、内蔵タイマー値を計測するＲＴＣ割り込み時刻計測手段と、
測位継続中に、前記ＲＴＣ割り込み時刻計測手段による内蔵タイマー値（ＴＮ１）、ＲＴＣ割り込み間における衛星送信時刻変化率（ＣＲＡＴＩＯ）を記憶するＲＴＣ状況記憶手段と、
電源がオンされてから初回測位までの状態において、
信号サーチを開始する時刻（内蔵タイマー値（ＴＮｍ））における予測衛星送信時刻（ＣＮｍ）を、
ＣＮｍ＝ＣＮ１−（ＴＲ１−ＴＮ１）
＋ＣＲＡＴＩＯ＊（ＴＲｍ−ＴＲ１）
＋（ＴＮｍ−ＴＲｍ）
で演算する衛星サーチ情報演算手段と、
を備えたことを特徴とする。

この発明によれば、測位継続中には、複数衛星の衛星送信時刻、エッジ時刻、その時刻を取得した時の内蔵タイマー値が衛星追尾情報記憶手段に記憶され、ＲＴＣの割り込み信号が得られた時の、内蔵タイマー値、この内蔵タイマー値の単位時間毎の変化量、およびＲＴＣ時刻がＲＴＣ状況記憶手段に記憶される。そして、電源がオンされてから初回測位までの状態においては、複数衛星の衛星送信時刻とＲＴＣ時刻との時刻差と、信号サーチを開始する時刻と現在のＲＴＣ時刻との時刻差と、中断時間と、内蔵タイマー値の単位時間毎の変化量と、に基づいて未受信衛星の予想衛星送信時刻が、衛星サーチ情報演算手段によって演算される。とともに、エッジ時刻に基づいて、各衛星のコヒーレント加算開始時期が求められ、相関範囲とともに高感度サーチ回路に出力される。

請求項１の発明によれば、電源がオンされてから初回測位までにおいて、測位継続中に記憶された情報に基づいて、未受信衛星の予想衛星送信時刻が演算され、さらに、各衛星のコヒーレント加算開始時期が求められ高感度サーチ回路に出力される。このため、高感度サーチ回路で高感度に衛星を捕捉することが可能となる。すなわち、例えば交差点で電源を一時オフしても、電源オン直後に、衛星の予想送信時刻と未受信衛星のコヒーレント加算開始時期とが正確に計算され、それに基づいて高感度サーチすることで、瞬時に弱信号衛星も補足することが可能となる。このように、交差点で停止中に電源がオフされても、移動開始後電源がオン直後に、すぐに測位結果が得られる、という利点がある。

この発明の一実施の形態による衛星信号受信機を示す構成ブロック図である。 図１の衛星信号受信機における衛星信号の受信時刻の推定方法を示す概念図である。 通常感度サーチ回路を示す構成ブロック図である。 高感度サーチ回路を示す構成ブロック図である。 サーチ回路におけるコヒーレント加算のタイミングを説明するための図である。

次に、この発明の実施の形態について、図面を用いて詳しく説明する。

図１は、この発明の一実施の形態による衛星信号受信機を示す構成ブロック図である。この衛星信号受信機は、航法衛星からの衛星信号を捕捉するための受信機であり、従来と同様に、追尾回路２３−１〜２３−Ｎおよび通常感度サーチ回路２４、高感度サーチ回路２５などを備えている。

発振器・タイミング信号発生器２１は、追尾回路２３−１〜Ｎ、通常感度サーチ回路２４、高感度サーチ回路２５に関し、全衛星に対して同期して動作させるためのタイミング信号を発生させる発生器である。また、その発振周波数パルスを内蔵タイマー２２に供給し、この内蔵タイマー２２にて、受信機内部での経過時間を出力するようになっている。ここで、追尾回路２３−１〜２３−Ｎは、捕捉できた衛星に関して、衛星毎に追尾継続を行う回路であり、本発明とは直接関係がないため、その詳細については省略する。

本衛星信号受信機は、主として、状況判定装置２６と、ＲＴＣ割り込み時刻計測装置２７と、衛星サーチ情報演算装置２８と、衛星追尾情報記憶装置３０と、ＲＴＣ状況記憶装置３２とを備える点で、従来の衛星信号受信機と構成が異なるものである。

状況判定装置２６は、図示していない制御部からの測位状態信号から、電源オンから初回測位までの状態か、あるいは測位継続中の状態であるか、を判定する装置である。

ＲＴＣ割り込み時刻計測装置２７は、ＲＴＣ（Ｒｅａｌ Ｔｉｍｅ Ｃｌｏｃｋ）３１の１秒割り込み信号が得られた時の、内蔵タイマー２２の内蔵タイマー値（後述するＴＮ）と、ＲＴＣ３１のＲＴＣ時刻（後述するＴＲ）とを計測する装置である。

衛星追尾情報記憶装置３０は、測位継続中の状態において、安定追尾している複数衛星の衛星送信時刻（後述するＣＲ、ＣＮ）と、エッジ時刻（後述するＴＥ）と、その情報を取得した時の内蔵タイマー値（後述するＴＮ）とを記憶する装置である。

ＲＴＣ状況記憶装置３２は、測位継続中の状態において、ＲＴＣ３１の１秒割り込み信号が得られた時の、内蔵タイマー値（後述するＴＮ）とＲＴＣ時刻（後述するＴＲ）を記憶する装置である。また、１秒毎（単位時間毎）の内蔵タイマー値の変化量（後述する「（ＣＲ１−ＣＲ０）／（ＴＲ１−ＴＲ０）」が相当）を計測し、この計測値にＬＰＦ（Ｌｏｗ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ）処理などを行って、内蔵タイマー値の１秒毎の平均変化量を演算し、その演算結果をも記憶する。

衛星サーチ情報演算装置２８は、電源オンから初回測位までの状態において、次のようにして、現在の未受信衛星の予想衛星送信時刻を演算するとともに、コヒーレント加算開始時期を演算・決定して、その演算結果を高感度サーチ回路２５に出力する装置である。

まず、現在の未受信衛星の予想衛星送信時刻の演算方法を説明する。

ここで、この演算方法をわかりやすく説明するために、図２に示すように直線近似できる場合を例にして説明する。

測位継続中におけるＲＴＣ割り込み時ＴＲ０、ＴＲ１の衛星の送信信号時刻を、それぞれＣＲ０、ＣＲ１とすると、時刻ＴＲ１から電源再投入後のＲＴＣ割り込み時ＴＲｍまでの送信時刻変化ΔＣＲｍは、
ΔＣＲｍ＝{（ＣＲ１−ＣＲ０）／（ＴＲ１−ＴＲ０）}＊（ＴＲｍ−ＴＲ１）
で計算でき、現在のＲＴＣ割り込み時ＴＲｍにおける衛星の送信時刻ＣＲｍは、
ＣＲｍ＝ＣＲ１＋ΔＣＲｍ
で求められる。
ここで、上記式中の「（ＣＲ１−ＣＲ０）／（ＴＲ１−ＴＲ０）」を、衛星送信時刻変化率（ＣＲＡＴＩＯ）と呼ぶことにする。

また、実際には、ＲＴＣ割り込み周期はＲＴＣ３１用の発振クロックの誤差に依存し、正確には１秒ではない。このため、
（１秒毎のＲＴＣ時刻変化）＊（ＴＲｍ−ＴＲ１）
分だけ補正する必要がある。

一方、受信機内での衛星信号の送信時刻計測は、発振器・タイミング信号発生器２１で決定されるタイミング（内蔵タイマー値ＴＮ）で行われていて、ＲＴＣ割り込みタイミング（ＴＲ）とは異なる。

ここで、厳密に言えば、
ＣＲ１＝ＣＮ１−ｆ（ＴＲ１−ＴＮ１）
ＣＮｍ−ＣＲｍ＝ｆ（ＴＮｍ−ＴＲｍ）
ｆ：内蔵タイマー差から求められる送信時刻誤差（発生器２１に依存）
という関係式が成り立つが、基本的には内蔵タイマー誤差はｐｐｍオーダーであり、
ｆ（ｘ）＝ｘ
と近似できる。
従って、求めたいＣＮｍ、つまり未受信衛星の予想衛星送信時刻は、
ＣＮｍ＝ＣＮ１−（ＴＲ１−ＴＮ１）＋ΔＣＲｍ＋（ＴＮｍ−ＴＲｍ）
で求められる。

このようにして、予想衛星送信時刻ＣＮｍを演算するものである。また、直線近似できる場合について説明したが、中断時間が長くなると、直線近似では正確に衛星送信時刻変化ΔＣＲｍを求めることはできない。このような場合には、衛星位置計算に必要なエフェメリスをバックアップメモリに記憶し、電源オン直後に利用可能にすることで、時刻ＴＲｍ、ＴＲ１を用いて計算された衛星位置の変化量から、衛星送信時刻変化ΔＣＲｍを正確に求めることができる。

次に、衛星追尾情報記憶装置３０に記憶されているエッジ時刻に基づいて、各衛星のコヒーレント加算開始時期を演算する。すなわち、エッジ時刻ＴＥ１、ＴＥｍは、衛星送信時刻に同期しているため、電源再投入後のエッジ時刻ＴＥｍは、
ＴＥｍ＝ＴＲｍ＋（ＴＥ１−ＴＲ１）
で求められる。そして、この式に基づいて、コヒーレント加算開始時期（ＴＥｍ−ＴＮｍ）を算出し、その演算結果を高感度サーチ回路２５に出力するものである。

このように、本衛星信号受信機によれば、電源がオンされてから初回測位までに、測位継続中に記憶された情報に基づいて、未受信衛星の予想衛星送信時刻ＣＮｍが演算され、さらに、各衛星のコヒーレント加算開始時期が求められ高感度サーチ回路２５に出力される。このため、高感度サーチ回路２５で高感度に衛星を捕捉することが可能となる。すなわち、例えば交差点で電源を一時オフしても、電源オン直後に、衛星の予想送信時刻ＣＮｍとコヒーレント加算開始時期とが正確に計算され、それに基づいて高感度サーチすることで、瞬時に弱信号衛星も補足することが可能となる。このように、交差点で停止中に電源がオフされても、移動開始後電源がオン直後に、すぐに測位結果が得られる、という利点がある。

以上、この発明の実施の形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があってもこの発明に含まれる。例えば、上述した実施の形態では、内蔵タイマー値の１秒毎の平均変化量に基づいて、予想衛星送信時刻ＣＮｍを演算しているが、変化量の変動が小さい場合などには、直近の内蔵タイマー値の変化量に基づいて演算するようにしてもよい。

測位システムとして、ＧＰＳのほか、ＧＮＳＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｓｙｓｔｅｍ）等を用いる場合に適用することができる。

１０ ＲＦコンバータ
１１ 周波数発生器
１２Ａ、１２Ｂ サーチ方法指示部
１３ 衛星信号発生器
１４Ａ、１４Ｂ 相関演算器
１５Ａ、１５Ｂ コヒーレント加算器
１６ 信号パワー演算器
１７Ａ、１７Ｂ ノンコヒーレント加算・記憶器
１８ 最大候補抽出部
１９ コヒーレント加算開始指示器
２１ 発振器・タイミング信号発生器
２２ 内蔵タイマ
２３−１〜２３−Ｎ 追尾回路
２４ 通常感度サーチ回路
２５ 高感度サーチ回路
２６ 状況判定装置
２７ ＲＴＣ割り込み時刻計測装置（ＲＴＣ割り込み時刻計測手段）
２８ 衛星サーチ情報演算装置（衛星サーチ情報演算手段）
３０ 衛星追尾情報記憶装置（衛星追尾情報記憶手段）
３１ ＲＴＣ
３２ ＲＴＣ状況記憶装置（ＲＴＣ状況記憶手段）
ＣＲ、ＣＮ 衛星送信時刻
ＴＲ ＲＴＣ割り込み時の受信機内部時刻
ＴＮ 受信機内部タイミング時の受信機内部時刻
ＴＥ 衛星のエッジタイミング時の受信機内部時刻

Claims (1)

1. 航法衛星からの衛星信号を捕捉するための衛星信号受信機であって、
   測位継続中に、安定追尾している複数衛星の衛星送信時刻（ＣＮ１）、その時刻を取得した時の内蔵タイマー値（ＴＮ１）を記憶する衛星追尾情報記憶手段と、
   ＲＴＣの割り込み信号が得られた時の、内蔵タイマー値を計測するＲＴＣ割り込み時刻計測手段と、
   測位継続中に、前記ＲＴＣ割り込み時刻計測手段による内蔵タイマー値（ＴＮ１）、ＲＴＣ割り込み間における衛星送信時刻変化率（ＣＲＡＴＩＯ）を記憶するＲＴＣ状況記憶手段と、
   電源がオンされてから初回測位までの状態において、
   信号サーチを開始する時刻（内蔵タイマー値（ＴＮｍ））における予測衛星送信時刻（ＣＮｍ）を、
   ＣＮｍ＝ＣＮ１−（ＴＲ１−ＴＮ１）
   ＋ＣＲＡＴＩＯ＊（ＴＲｍ−ＴＲ１）
   ＋（ＴＮｍ−ＴＲｍ）
   で演算する衛星サーチ情報演算手段と、
   を備えたことを特徴とする衛星信号受信機。