JP6326767B2 - 測位用衛星信号受信方法、測位用衛星信号受信装置及び電子機器 - Google Patents

測位用衛星信号受信方法、測位用衛星信号受信装置及び電子機器 Download PDF

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Description

本発明は、測位用衛星信号受信方法等に関する。
GPS(Global Positioning System)受信機に代表される測位用衛星信号受信機が普及している。GPS受信機は、複数のGPS衛星信号を捕捉し、捕捉したGPS衛星信号それぞれに重畳して搬送されている航法メッセージを用いた位置計算を行って、GPS受信機の位置や時計誤差(クロックバイアス)を求める。GPS受信機に対する要望は多々あるが、特に、携帯型電子機器に搭載されるGPS受信機に対する代表的な要望として、消費電力の低減がある。この要望に応えるため、例えば特許文献1には、受信信号とレプリカコードとの相関演算量を減らすことで、消費電力を低減する技術が開示されている。
特開2011−220998号公報
上述の特許文献1の技術は、受信信号を、GPS衛星信号の拡散符号であるC/A(Coarse and Acquisition)コードのチップレートの整数倍のサンプリングレートでサンプリングして相関演算を行って消費電力を低減している。しかし、整数倍のサンプリングレートは、サンプリング数がC/Aコードの各チップ間で等しいために、受信信号をC/Aコードのチップレートの非整数倍のサンプリングレートでサンプリングした場合に比較して、相関演算の演算結果のピークが鈍る傾向がある。その結果、取得されるメジャメントデータの精度が低下する場合がある。
GPS受信機では、先ずはGPS衛星信号を捕捉し、その後、追尾しているGPS衛星信号から取得されるメジャメントデータ(受信周波数やコード位相)を用いて位置算出を行う。位置算出の精度は、用いるメジャメントデータ(受信周波数やコード位相)の精度に依存する。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、測位用衛星信号を受信する受信機において、位置算出の精度を確保しつつ、消費電力の低減を実現することである。
上記課題を解決するための第1の形態は、測位用衛星信号を受信した受信信号をチップレートの非整数倍の第1のサンプリングレートでサンプリングした第1のデータ列を用いて前記測位用衛星信号を追尾することと、前記受信信号を前記チップレートの整数倍の第2のサンプリングレートでサンプリングした第2のデータ列を用いて前記測位用衛星信号を捕捉することと、を含む測位用衛星信号受信方法である。
また、他の形態として、測位用衛星信号を受信した受信信号を、チップレートの非整数倍の第1のサンプリングレートでサンプリングした第1のデータ列を生成する第1の生成部と、前記受信信号を、前記チップレートの整数倍の第2のサンプリングレートでサンプリングした第2のデータ列を生成する第2の生成部と、前記測位用衛星信号を捕捉する場合に前記第2のデータ列を、前記測位用衛星信号を追尾する場合に前記第1のデータ列を選択する選択部と、前記選択部によって選択されたデータ列とレプリカコードとの相関演算を行う相関演算部と、を備えた測位用衛星信号受信装置を構成しても良い。
この第1の形態等によれば、位置算出の精度を確保しつつ、消費電力の低減を図ることができる。つまり、測位用衛星信号の捕捉を行う場合には、受信信号をチップレートの整数倍の第2のサンプリングレートでサンプリングした第2のデータ列を用いることで、消費電力の低減を優先し、測位用衛星信号の追尾を行う場合には、受信信号をチップレートの非整数倍の第1のサンプリングレートでサンプリングした第1のデータ列を用いることで、位置算出の精度を優先することが可能となる。
また、第2の形態として、前記第1のデータ列に対して所定の変換演算をすることで前記第2のデータ列を生成することを更に含む、測位用衛星信号受信方法を構成しても良い。
この第2の形態によれば、第2のデータ列は、第1のデータ列に対して所定の変換演算をすることで生成される。
また、第3の形態として、前記第2のサンプリングレートは、前記第1のサンプリングレートより低い、測位用衛星信号受信方法を構成しても良い。
この第3の形態によれば、第1のサンプリングレートよりも低い第2のサンプリングレートで第2のデータ列が生成される。
また、第4の形態として、前記第1のデータ列を生成することと、前記第1のデータ列を記憶部に記憶することと、を更に含み、前記追尾することは、前記記憶部に記憶された前記第1のデータ列を用いて前記追尾を行うことを含み、前記第2のデータ列を生成することは、前記記憶部に記憶された前記第1のデータ列から前記第2のデータ列を生成することを含む、測位用衛星信号受信方法を構成しても良い。
この第4の形態によれば、生成した第1のデータ列を記憶部に記憶し、記憶部に記憶された第1のデータ列を用いて、測位用衛星信号の追尾を行う。また、記憶部に記憶された第1のデータ列を用いて、第2のデータ列を生成する。
電子機器の構成例。 GPS受信機の構成例。 ベースバンド処理のフローチャート。 GPS受信機の他の構成例。
[構成]
図1は、本実施形態における電子機器1の構成図である。図1に示すように、電子機器1は、GPSアンテナ10と、GPS受信機20と、メイン処理部30と、操作部32と、表示部34と、音出力部36と、通信部38と、時計部40と、メイン記憶部42とを備えて構成される。
GPSアンテナ10は、測位用衛星であるGPS衛星から送信されている測位用衛星信号であるGPS衛星信号を含むRF(Radio Frequency)信号を受信するアンテナである。GPS衛星信号は、拡散符号の一種であるC/Aコードによってスペクトラム拡散変調された信号であり、1.57542[GHz]の搬送波に重畳されている。
GPS受信機20は、GPSアンテナ10によって受信されたGPS衛星信号に重畳して搬送されているGPS衛星の軌道情報(エフェメリスやアルマナック)等の航法メッセージに基づいて、GPS受信機20の位置や時計誤差(クロックバイアス)等を算出する。
メイン処理部30は、CPU(Central Processing Unit)やDSP(Digital Signal Processor)等のプロセッサーで実現され、メイン記憶部42に記憶されたシステムプログラム等の各種プログラムに従って、電子機器1の各部を統括的に制御する。
操作部32は、タッチパネルやボタンスイッチ等で構成される入力装置であり、ユーザーの操作に応じた操作信号をメイン処理部30に出力する。
表示部34は、LCD(Liquid Crystal Display)等で構成される表示装置であり、メイン処理部30からの表示信号に基づく各種表示を行う。
音出力部36は、スピーカー等で構成される音出力装置であり、メイン処理部30からの音信号に基づく各種音声出力を行う。
通信部38は、無線LAN(Local Area Network)やBluetooth(登録商標)等の通信装置であり、外部機器との通信を行う。
時計部40は、内部時計であり、水晶発振器等を有する発振回路によって構成され、現在時刻や、指定タイミングからの経過時間等を計測する。
メイン記憶部42は、ROM(Read Only Memory)やRAM(Random Access Memory)等で構成される記憶装置であり、メイン処理部30が電子機器1の各部を統括的に制御するためのシステムプログラムの他、電子機器1の各種機能を実現するためのプログラムやデータを記憶するとともに、メイン処理部30の作業領域として用いられ、メイン処理部30の演算結果や、操作部32からの操作データ等を一時的に格納する。
図2は、GPS受信機20の構成図である。図2に示すように、GPS受信機20は、RF受信回路部100と、ベースバンド処理回路部300とを備えて構成される。なお、RF受信回路部100と、ベースバンド処理回路部300とは、それぞれ別のLSI(Large Scale Integration)として製造することも、1チップとして製造することも可能である
RF受信回路部100は、GPSアンテナ10によって受信されたRF信号を中間周波数の信号(IF(Intermediate Frequency)信号)にダウンコンバートし、増幅等した後、デジタルデータに変換して出力する。デジタルデータへの変換前の回路部をRF信号処理回路部105とすると、RF受信回路部100は、RF信号処理回路部105から出力されるアナログ信号を図示しないA/D(Analog/Digital)変換器でデジタルデータに変換して、受信信号としてベースバンド処理回路部300へ出力する。
ベースバンド処理回路部300は、RF受信回路部100によって受信された受信信号のデータを用いてGPS衛星信号を捕捉・追尾し、捕捉したGPS衛星信号から取り出した時刻情報や衛星軌道情報等を用いて、GPS受信機20の位置や時計誤差を算出する。また、ベースバンド処理回路部300は、サンプリング部110と、サンプルメモリー部200と、データ列変換部302と、選択回路部304と、相関演算部308と、レプリカコード生成部306と、BB(BaseBand)処理部310と、BB記憶部320とを備えて構成される。
サンプリング部110は、RF受信回路部100から出力された受信信号を第1のサンプリングレートでサンプリングし、第1のデータ列D1を生成する。第1のサンプリングレートは、GPS衛星信号の拡散符号であるC/Aコードのチップレート(1.023[MHz])の非整数倍の値に定められる。非整数倍とは、整数でない正の値、例えば正の小数である。このサンプリング部110が、第1の生成部に相当する。
サンプルメモリー部200は、第1のデータ列D1を記憶する。
データ列変換部302は、サンプルメモリー部200に記憶されている第1のデータ列D1に対する所定の変換演算を行うことで、受信信号を第2のサンプリングレートでサンプリングしたデータ列に相当する第2のデータ列D2を生成する。具体的には、第1のデータ列D1は、第1のサンプリングレートに対応するサンプルタイミングのデータを有する。第1のデータ列D1の各サンプルタイミング間を補間することで、第2のサンプリングレートに対応するサンプルタイミングのデータ値を推定する。補間演算としては、例えば線形補間やラグランジュ補間、スプライン補間等の公知の補間演算を用いることができる。データ列変換部302は、生成した第2のデータ列D2を選択回路部304に出力する。このデータ列変換部302が、第2の生成部に相当する。
第2のサンプリングレートは、C/Aコードのチップレート(1.023[MHz])の整数倍の値に定められる。第1のデータ列D1に対する補間演算を行って第2のデータ列D2を生成するため、第2のサンプリングレートは、上述の第1のサンプリングレートより低く定められる。例えば、第1のサンプリングレートを「2.112[MHz]」とし、第2のサンプリングレートを「2.046[MHz]」とするといったように定められる。
選択回路部304は、BB処理部310からの選択指示信号に従って、サンプルメモリー部200に記憶されている第1のデータ列D1、或いは、データ列変換部302から出力される第2のデータ列D2の何れかを選択し、相関演算部308に出力する。この選択回路部304が、単独で、或いは、後述の選択制御部312と併せて選択部に相当する。
レプリカコード生成部306は、C/Aコードのレプリカコードを生成する。具体的には、BB処理部310から指定されたPRN(Pseudo Random Noise)番号のレプリカコードを指定された移相量及びサンプリングレートで生成する。
相関演算部308は、選択回路部304によって選択されたデータ列と、レプリカコード生成部306によって生成されたレプリカコードとの相関演算を行う。
BB処理部310は、CPUやDSP等のプロセッサーで実現され、ベースバンド処理回路部300の各部を統括的に制御する。また、BB処理部310は、選択制御部312と、衛星信号捕捉部314と、衛星信号追尾部316と、位置算出部318とを有する。
選択制御部312は、選択回路部304に対してデータ列の選択を制御する。具体的には、GPS衛星信号を捕捉する場合には、データ列変換部302から出力される第2のデータ列D2の選択を指示する選択指示信号を、捕捉したGPS衛星信号を追尾する場合には、サンプルメモリー部200の第1のデータ列D1の選択を指示する選択指示信号を、選択回路部304に出力する。
衛星信号捕捉部314は、GPS衛星信号を捕捉する。具体的には、レプリカコード生成部306に対して、捕捉候補となっているGPS衛星信号のPRN番号や移相量及びサンプリングレートを指定し、相関演算部308に、第2のデータ列D2と捕捉するGPS衛星に対応するレプリカコードとの相関演算を行わせる。そして、相関演算部308による演算結果に対するピーク検出を行って、一定値以上のピークが検出されたならば、GPS衛星信号を捕捉したと判定する。また、ピークを検出した受信周波数及びコード位相を、メジャメントデータ326とする。
衛星信号捕捉部314が指定するサンプリングレートは、チップレートの整数倍の値、例えばチップレート(1倍)である。第2のデータ列D2を用いた相関演算は、第2のデータ列D2の各データのうちチップ間隔のデータと、チップレートで生成されたレプリカコードの各データとを乗算して得られるチップ間隔の乗算データ列を得ることを、乗算の開始位置を第2のデータ列D2のデータ間隔ずつずらして行い、最終的に得られる受信信号のサンプリングレート分の乗算データ列を合成(積算)することで相関演算結果を得る。
言い換えると、受信信号のサンプリングレートをn(nは正の整数)としたとき、第2のデータ列D2の第1番目、第n+1番目…のデータとレプリカコードの各データとの乗算結果と、第2のデータ列D2の第2番目、第n+2番目…のデータとレプリカコードの各データとの乗算結果と、…第2のデータ列D2の第n番目、第n+n番目…のデータとレプリカコードの各データとの乗算結果と、を合成(積算)して、1つの位相についての相関結果を得る。1チップ移相するごとに、第2のデータ列D2の第1番目、第n+1番目…のデータと移相したレプリカコードとの乗算を行って、移相前の乗算データ列と組み合わせることで、移相後の相関結果を得る。
衛星信号追尾部316は、衛星信号捕捉部314によって捕捉されたGPS衛星を追尾する。具体的には、レプリカコード生成部306に対して、追尾するGPS衛星信号のPRN番号や移相量、サンプリングレートを指定し、相関演算部308に、第1のデータ列D1と追尾するGPS衛星に対応するレプリカコードとの相関演算を行わせる。追尾における相関演算は、第1のデータ列D1の各データとレプリカコードとの各データを乗算・積算する、公知の相関演算である。そして、相関演算部308の相関演算結果に対するピーク判定を行って、一定値以上のピークが検出されているならば、GPS衛星信号を追尾していると判定する。また、ピークを検出した受信周波数及びコード位相を、メジャメントデータ326とする。また、追尾しているGPS衛星信号をデコードして、アルマナックやエフェメリス等のデータを取得して、衛星軌道データ324としてBB記憶部320に記憶させる。なお、衛星信号追尾部316が指定するサンプリングレートは、チップレートの非整数倍の値、例えば第1のサンプリングレートである。
位置算出部318は、衛星信号追尾部316によって追尾されているGPS衛星それぞれについて取得された衛星軌道データ324や、追尾によって得られたメジャメントデータ326を用いた位置算出処理を行って、GPS受信機20(電子機器1)の位置や時計誤差(クロックバイアス)を算出する。位置算出処理としては、例えば最小二乗法やカルマンフィルター等の公知の手法を適用することができる。位置算出部318によって算出された位置や時計誤差のデータは、算出結果データ328として蓄積記憶される。
BB記憶部320は、ROMやRAM等の記憶装置で実現され、BB処理部310がベースバンド処理回路部300を統括的に制御するためのシステムプログラムの他、各種機能を実現するためのプログラムやデータ等を記憶するとともに、BB処理部310の作業領域として用いられ、BB処理部310の演算結果等が一時的に格納される。本実施形態では、BB記憶部320には、ベースバンドプログラム322と、衛星軌道データ324と、メジャメントデータ326と、算出結果データ328とが記憶される。
[処理の流れ]
図3は、ベースバンド処理の流れを説明するフローチャートである。この処理は、BB処理部310が、ベースバンドプログラム322に従って実行する処理である。
先ず、BB処理部310は、捕捉候補衛星の選定を行う(ステップS1)。すなわち、衛星軌道データ324を参照して、時計部40で計時されている現在時刻において天空(仰角0度以上)に位置するGPS衛星を、捕捉候補衛星として選定する。また、コールドスタート等の衛星軌道データ324を有していない場合には、全てのGPS衛星を捕捉候補衛星とする。
次いで、捕捉候補衛星それぞれを対象としたループAの処理を行う。ループAでは、選択制御部312が、選択回路部304に対して、データ列変換部302から出力される第2のデータ列D2の選択を指示する選択指示信号を出力して、第2のデータ列D2を相関演算部308に入力させる(ステップS3)。次いで、衛星信号捕捉部314が、対象とする捕捉候補衛星の捕捉を試みる(ステップS5)。
捕捉対象衛星の捕捉を待機し(ステップS7:NO)、捕捉対象衛星が捕捉されたならば(ステップS7:YES)、選択制御部312が、選択回路部304に対する選択指示信号を、サンプルメモリー部200に記憶されている第1のデータ列D1の選択を指示する信号に変更する(ステップS9)。そして、衛星信号追尾部316が、対象とする捕捉候補衛星の追尾を開始する(ステップS11)。なお、ステップS7において、所定時間の捕捉対象衛星の捕捉を試行しても捕捉できない場合には、当該捕捉対象衛星を捕捉不可としてステップS3に移行し、残りの捕捉対象衛星についてステップS3以降の処理を行うように構成してもよい。ループAの処理は、このように行われる。
全ての捕捉候補衛星を対象としたループAの処理を終了すると、位置算出部318が、例えば所定の位置算出タイミング毎に、捕捉・追尾しているGPS衛星信号に基づく位置算出処理を行う(ステップS13)。その後、BB処理部310は、ベースバンド処理を終了するか否かを判断し、終了しないならば(ステップS15:NO)、位置算出処理を継続し、終了するならば(ステップS15:YES)、位置算出処理を終了して、ベースバンド処理を終了する。
[作用効果]
このように、本実施形態のGPS受信機20では、GPS衛星信号を捕捉する際には、C/Aコードのチップレートの整数倍の第2のサンプリングレートで受信信号をサンプリングした第2のデータ列D2と、レプリカコードとの相関演算を行う。また、GPS衛星信号を追尾する際には、C/Aコードのチップレートの非整数倍の第1のサンプリングレートで受信信号をサンプリングした第1のデータ列D1と、レプリカコードとの相関演算を行う。ここで、第2のサンプリングレートはC/Aコードのチップレートの整数倍である。これにより、1チップあたりのデータ数が一定になるので、チップ間隔の乗算データ列を合成して相関演算結果を得ることができるので、同一のC/Aコードに係るデータ列であっても、第2のデータ列D2を用いる測位用衛星信号の捕捉時は、演算量の低減、すなわち消費電力の低減を優先することができる。一方、非整数倍の第1のサンプリングレートでサンプリングした第1のデータ列D1を用いる測位用衛星信号の追尾時は、サンプリング数がC/Aコードの各チップ間で異なるため、相関演算結果のピークが第2のデータ列D2を用いた場合よりも鋭くなりやすい。その結果、第2のデータ列D2を用いた場合よりも精度の良いメジャメントが得られるため、位置算出の精度を優先することが可能となる。
[変形例]
なお、本発明の適用可能な実施形態は、上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能なのは勿論である。以下に変形例について説明するが、変形例の説明にあたっては実施形態と同一の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。
(A)GPS受信機
GPS受信機20を、図4に示すように構成しても良い。図4に示すGPS受信機20Aは、RF受信回路部100と、ベースバンド処理回路部300Aとを備えて構成される。
ベースバンド処理回路部300Aは、第1のサンプリング部112と、第2のサンプリング部114と、第1のサンプルメモリー部202と、第2のサンプルメモリー部204と、選択回路部304と、レプリカコード生成部306と、相関演算部308と、BB処理部310と、BB記憶部320とを有する。
第1のサンプリング部112は、RF信号処理回路部105から出力される受信信号を第1のサンプリングレートでサンプリングすることで第1のデータ列D1を生成する。第2のサンプリング部114は、RF信号処理回路部105から出力される受信信号を第2のサンプリングレートでサンプリングすることで第2のデータ列D2を生成する。第1のサンプルメモリー部202は、第1のサンプリング部112によって生成された第1のデータ列D1を記憶する。第2のサンプルメモリー部204は、第2のサンプリング部114によって生成された第2のデータ列D2を記憶する。
(B)処理の主体
また、上述の実施形態では、位置算出処理をベースバンド処理回路部300のBB処理部310(位置算出部318)が実行するものとして説明したが、メイン処理部30が実行することとしても良い。
(C)電子機器
また、本発明を適用可能な電子機器としては、例えば、ランナーズウォッチ、カーナビゲーション装置、携帯型ナビゲーション装置、パソコン、PDA(Personal Digital Assistant)、携帯電話、腕時計といった種々の電子機器について適用することが可能である。
(D)衛星測位システム
また、上述の実施形態では、衛星測位システムとしてGPSを例に挙げて説明したが、WAAS(Wide Area Augmentation System)、QZSS(Quasi Zenith Satellite System)、GLONASS(GLObal NAvigation Satellite System)、GALILEO、BeiDou(BeiDou Navigation Satellite System)などの他の衛星測位システムであってもよい。
1 電子機器、10 GPSアンテナ、20 GPS受信機、100 RF受信回路部、300 ベースバンド処理回路部、110 サンプリング部、200 サンプルメモリー部、302 データ列変換部、304 選択回路部、306 レプリカコード生成部、308 相関演算部、310 BB処理部、312 選択制御部、314 衛星信号捕捉部、316 衛星信号追尾部、318 位置算出部、320 BB記憶部、322 ベースバンドプログラム、324 衛星軌道データ、326 メジャメントデータ、328 算出結果データ、30 メイン処理部、32 操作部、34 表示部、36 音出力部、38 通信部、40 時計部、42 メイン記憶部

Claims (8)

  1. 測位用衛星信号を受信して得られた受信信号をチップレートの非整数倍の第1のサンプリングレートでサンプリングすることにより得られる第1のデータ列を用いることにより前記測位用衛星信号を追尾するステップと、
    前記受信信号を前記チップレートの整数倍の第2のサンプリングレートでサンプリングすることにより得られる第2のデータ列の各サンプリングデータについてレプリカコードと乗算し、乗算により得られたチップ間隔の乗算データ列を積算する相関演算を行って前記測位用衛星信号を捕捉するステップと、
    を含む、
    測位用衛星信号受信方法。
  2. 請求項1において、
    前記第1のデータ列に対して所定の変換演算をすることにより前記第2のデータ列を生成するステップを含む、
    測位用衛星信号受信方法。
  3. 請求項2において、
    前記第2のサンプリングレートは、前記第1のサンプリングレートより低い、
    測位用衛星信号受信方法。
  4. 請求項2または3において、
    前記第1のデータ列を生成するステップと、
    前記第1のデータ列を記憶部に記憶するステップと、
    を含み、
    前記追尾するステップは、前記記憶部に記憶されている前記第1のデータ列を用いることにより前記追尾を行い、
    前記第2のデータ列を生成するステップは、前記記憶部に記憶されている前記第1のデータ列から前記第2のデータ列を生成する、
    測位用衛星信号受信方法。
  5. 測位用衛星信号を受信して得られた受信信号をチップレートの非整数倍の第1のサンプリングレートでサンプリングすることにより得られる第1のデータ列を生成する第1の生成部と、
    前記受信信号を前記チップレートの整数倍の第2のサンプリングレートでサンプリングすることにより得られる第2のデータ列を生成する第2の生成部と、
    前記測位用衛星信号を捕捉する場合、前記第2のデータ列を選択し、
    前記測位用衛星信号を追尾する場合、前記第1のデータ列を選択する、
    選択部と、
    前記選択部により選択されたデータ列の各サンプリングデータについてレプリカコードとの乗算及びその乗算結果の積算を行うことで相関演算を行う相関演算部と、
    を含
    前記選択部により前記第2のデータ列が選択された場合には、前記相関演算部による前記相関演算は、前記第2のデータ列の各サンプリングデータを前記レプリカコードと乗算して得られるチップ間隔の乗算データ列を積算する演算となる、測位用衛星信号受信装置。
  6. 請求項5において、
    前記第2のサンプリングレートは、前記第1のサンプリングレートより低い、
    測位用衛星信号受信装置。
  7. 請求項5または6において、
    前記第1のデータ列を記憶する記憶部を含む、
    測位用衛星信号受信装置。
  8. 請求項5乃至7の何れか一項に記載の測位用衛星信号受信装置を含む、電子機器。
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