JP6686992B2 - 衛星電波受信装置、電波時計、符号信号取得方法及びプログラム - Google Patents
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Description
衛星から送信される符号信号を含む電波を受信する受信手段と、
受信した電波から前記符号信号を取得する取得手段と、
を備え、
前記取得手段は、
前記符号信号を変調している変調符号列の送信周期に応じた時間ごとに前記符号信号の符号種別を取得し、
取得された符号種別と、当該符号種別として出現が想定され得る照合データとを照合し、当該照合の結果に基づいて前記符号信号を取得する
ことを特徴とする衛星電波受信装置である。
図1は、本発明の電波時計の実施形態である電子時計1の機能構成を示すブロック図である。
電子時計1は、ホストCPU41(Central Processing Unit)と、ROM42(Read Only Memory)と、RAM43(Random Access Memory)と、発振回路44と、分周回路45と、計時回路46(計時手段)と、表示部47(表示手段)と、表示ドライバ48と、操作部49と、電力供給部50と、衛星電波受信装置としての衛星電波受信処理部60と、アンテナANなどを備える。
表示ドライバ48は、表示画面の種別に応じた駆動信号をホストCPU41からの制御信号に基づいて表示部47に出力して、表示画面上に表示を行わせる。
或いは、表示部47の表示画面に重ねてタッチセンサが設けられ、当該タッチセンサによるユーザの接触動作に係る接触位置や接触態様の検出に応じた操作信号を出力するタッチパネルとして表示画面を機能させることで、表示部47と操作部49とが一体的に設けられても良い。
分周回路634は、局部発振器として動作し、発振回路65から入力された所定周波数のクロック信号を適切な周波数の信号に分周してミキサ631に入力させる。
LPF632は、IF信号のうち受信対象の周波数信号に対応した範囲の信号を選択的に通過させる。測位衛星からの電波は、当該測位衛星と受信位置との相対速度によりドップラー効果で受信周波数がシフトするので、受信周波数は、送信周波数(L1帯)に対して想定されるシフト量の範囲で変更可能となっている。
ベースバンド部64は、捕捉部641(捕捉手段)と、追尾部642(符号種別判別手段、符号同期検出手段、符号同定手段)と、C/Aコード生成部643と、分周回路644と、モジュールCPU645と、記憶部646(記憶手段)などを備える。
ベースバンド部64の各部、特に、捕捉部641及び追尾部642は、専用のハードウェア構成(プロセッサ)を備えることで効率良く処理が行われるが、プロセッサとしてのCPUがソフトウェア制御により各部の機能動作の一部又は全部を行っても良い。
GNSSでは、複数の測位衛星を複数の軌道上に分散配置させ、観測地点から同時に複数の異なる測位衛星の送信電波を受信可能とすることで、当該受信可能な測位衛星から送信されている当該測位衛星の現在位置に係る情報や日時情報を4機以上の測位衛星(地表面であるとの仮定の上では3機)から取得して、これらの取得データと、取得タイミングのずれ、即ち、各測位衛星からの伝播時間(距離)の差と、を用いることにより三次元空間における位置座標及び日時を決定することが出来る。また、1機の測位衛星からの日時情報が取得されるだけであっても、当該測位衛星からの伝播時間の誤差範囲(100msec未満程度)で現在日時を取得することが出来る。
GPSでは、各GPS衛星からそれぞれ30秒単位のフレームデータが合計25ページ送信されることで、12.5分周期で全てのデータが出力されている。GPSでは、GPS衛星ごとに固有のC/Aコードが用いられており、このC/Aコードは、1.023MHzで符号(チップ)が1023個配列されて1msec周期(送信周期)で繰り返されている。航法メッセージをなす符号列の各符号(メッセージ符号)の送信時間は、20msec、即ち、C/Aコードの20周期分の長さであり、メッセージ符号の先頭タイミングは、C/Aコードの送信周期の先頭のタイミングと同期している。
図3は、追尾部642の構成を示すブロック図である。
追尾部642は、IQ変換部6421と、位相制御部6422と、符号出力部6423などを備える。
位相制御部6422は、I相信号に対する3つのミキサ6422a〜6422cと、これらに各々対応するLPF6422d〜6422fと、Q相信号に対する3つのミキサ6422g〜6422iと、これらに各々対応するLPF6422j〜6422lと、3bitシフトレジスタ6422mと、ループフィルタ6422nと、差分算出部6422oなどを有する。
符号算出部6423aは、入力された信号IPと信号QPとを用いて逆スペクトラム拡散されて得られた元の航法メッセージの符号種別を1msec単位(C/Aコードの送信周期に応じた時間ごと)で算出する。算出された受信符号は、20ms同期回路6423bに出力されて、更に、モジュールCPU645に出力される。また、20ms同期回路6423bでは、この符号種別の配列に基づいてメッセージ符号の長さである20msecの同期点(即ち、各符号の先頭タイミング)が検出される。この1msec単位の先頭タイミング(チップ同期点)は、C/Aコード生成部643から3bitシフトレジスタ6422mにレプリカ符号列の符号が出力されるタイミングと同期して定められる。
20ms同期回路6423bは、データ取得部681と、レプリカコード生成部682と、排他論理和算出部683と、照合結果保存部684と、一致タイミング抽出部685と、基準値設定部686と、検定部687などを備える。
図5は、レプリカコード生成部682から出力される20種類の符号列を示す図表である。
F(i)=Σm|N−2×E(i)| … (1)
ここで、Σmは、20msec周期数mについての和を示す。
即ち、適合度数F(i)は、完全一致及び不完全一致の何れの場合でも最大となり、一致数と不一致数とが等しい場合に最小となる。これにより、符号種別が「0」から「1」に変化する周期と、符号種別が「1」から「0」に変化する周期との合致の度合を区分せずに容易に複数周期分重ね合わせて(合算して)評価することが可能となる。
基準値設定部686は、検定部687における一致タイミングの検定に係る基準値を設定して当該検定部687に出力する。
なお、一致タイミング抽出部685、基準値設定部686及び検定部687は、各々専用のハードウェア構成(プロセッサ)で構成されていても良いし、その一部又は全部の機能がプロセッサとしてのCPU及びRAMなどを用いたプログラムによるソフトウェア制御で実現されても良い。このCPU及びRAMは、20ms同期回路6423b専用のものであっても良いし、モジュールCPU645であっても良い。
本実施形態の電子時計1では、ホストCPU41の命令により衛星電波受信処理部60が起動され、取得対象とされる情報の種別、即ち、現在の日時や位置の情報などが適宜設定される。衛星電波受信処理部60は、衛星電波の受信を開始し、設定された取得対象の情報の種別に応じた測位衛星からの電波を受信して必要な演算処理を行い、当該取得対象の情報を取得してホストCPU41に送信する。
この情報受信処理は、上述の情報取得処理で衛星電波受信処理部60が起動されると自動的に立ち上げられる。
上述のように、GPS衛星から送信される信号(航法メッセージ)は、20msec長、即ち、C/Aコード20周期分の長さのメッセージ符号が配列されたものである。従って、C/Aコードの受信周期に同期して1msecごと(1kHz)に符号種別が同定される場合、当該同定された符号種別は20個ごとに変化し得ることになり、当該符号の同定には、変化し得るタイミングを定める必要がある。本実施形態の電子時計1では、電波受信強度が低く、符号種別の誤同定が若干想定される状態を考慮して、電子時計1に要求される精度に応じて確率的に正しいといえる先頭タイミングの同定を行う。
符号出力部6423において、符号算出部6423aは、1msecごとに符号種別を同定して、排他論理和算出部683に出力する。また、一致タイミング抽出部685(又は20ms同期回路6423bのCPU若しくはモジュールCPU645)は、当該排他論理和算出部683の出力と各レプリカ符号列r(i)との照合結果(排他論理和)が得られるごとに、当該照合結果の値を照合結果保存部684の照合結果積算値E(i)に積算して更新し、これら照合結果積算値E(i)が全て更新されるごとに、カウント数Nに1を加算する(ステップS801)。
P1=(1−ε)m・N−Em1・εEm1・m・NCEm1 … (2)
P2=(1−ε)m・N−Em2・εEm2・m・NCEm2 … (3)
Pd=P1/P2 … (4)
なお、上述のように、符号の変化がない場合には、レプリカ符号列r(19)と見かけ上一致するので、確率及び確率比Pdの計算に影響を与え得る。従って、隣接する周期で得られるレプリカ符号列r(19)との照合結果積算値E(19)との関係や、隣接する周期における最大照合結果積算値Em1や次点照合結果積算値Em2に対応するレプリカ符号列との関係に応じて、適合度数F(i)に加算させるのを止めたり、或いは、レプリカ符号列r(19)と合致すると見込まれる場合には、他の完全一致による従来の方法を併用したりするなどとしても良い。
これらの構成により、特に、衛星電波の受信強度が十分でなく符号種別の同定に若干の誤りが混入し得る場合でも、確率的に必要な精度以上が得られた段階で符号同期点を確定させることが出来るので、衛星電波の受信時間が長くなる可能性を低減させ、従来よりも負荷の増大を抑えつつ、容易且つ短時間で必要な情報を取得することが出来る。
従って、レプリカ符号列r(i)の長さや数を必要以上に大きくする必要がないので、記憶容量を大きく増大させたり、その読出しなどで処理負荷を増加させたりしない。
従って、若干の符号種別の誤同定が存在しても、確率的に尤もらしい位置を先頭タイミングの候補として先頭タイミングの同定処理を行うので、処理を複雑化させたり処理時間を長引かせたりしない。
従って、要求される精度に従って符号種別の誤同定が原因で偶然2番目に適合度が高いレプリカ符号列の符号間位置を誤って正しい符号間位置であると誤認定する確率が十分に低いという条件を満たす符号間位置を正しい符号の先頭タイミングであると同定することが出来る。即ち、符号同期点の誤認定の可能性を要求精度に応じて十分に低減することが出来る。
従って、BER記憶部646bのサイズを必要以上に大きくする必要がなく、また、直線補間などの容易な計算処理で実用上問題のない符号誤り率を取得することが出来る。
従って、この電子時計1では、衛星電波受信処理部60による受信時間を必要以上に延長させずに負荷を抑制しつつ、より容易且つ確実に日時情報を取得し、計時回路46の日時を修正して正しい日時に保つことが出来る。
即ち、符号同期点の同定にレプリカ符号列との照合を用いて条件判定により最適な符号間位置を符号同期点として定めるので、特に受信強度の低い場合などで、符号同期点を同定する間誤認定なく完全に符号種別が同定出来なくても、再受信などで必要以上に受信時間が延びていく割合を抑制することが出来、これによりL2帯の受信やPコードの同定といった構成や負荷の増大を抑制しつつ容易且つ短時間でより確実に符号信号を取得することが出来る。
従って、L2帯の受信やPコードの同定に必要な構成や処理を行わず、負荷を増大させずに容易且つ短時間の動作で符号信号を取得することが出来る。
例えば、上記実施の形態では、疑似ランダム符号列の送信周期ごとに符号種別を取得したが、当該送信周期を更に複数分割して各々で符号種別を取得しても良い。この場合、レプリカ符号列rとしては、疑似ランダム符号の各周期の先頭に同期したタイミングのものだけが生成されれば良い。
その他、上記実施の形態で示した具体的な構成、動作の内容や手順などは、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
以下に、この出願の願書に最初に添付した特許請求の範囲に記載した発明を付記する。付記に記載した請求項の項番は、この出願の願書に最初に添付した特許請求の範囲の通りである。
<請求項1>
衛星から送信される符号信号を含む電波を受信する受信手段と、
受信した電波から前記符号信号を取得する取得手段と、
を備え、
前記取得手段は、
前記符号信号をスペクトラム拡散している疑似ランダム符号列及びその送信周期内の位相を同定し、
前記送信周期に応じた時間ごとの前記符号信号の符号種別を同定し、
同定された符号種別の配列と、当該符号種別の配列として出現が想定され得る複数の照合配列とを照合して、当該照合の結果が所定の条件を満たす前記照合配列に応じて前記符号信号における各符号の先頭タイミングを同定し、
同定した当該先頭タイミングに同期して各符号を同定する
ことを特徴とする衛星電波受信装置。
<請求項2>
前記照合配列は、前記符号信号における各符号の送信時間に応じた長さであり、
前記取得手段は、前記符号種別の配列と前記照合配列との照合結果を前記照合配列の長さについて複数周期分重ね合わせて、前記先頭タイミングを同定する
ことを特徴とする請求項1記載の衛星電波受信装置。
<請求項3>
前記複数の照合配列の各々は、二値符号のうち所定の一方の符号種別から途中で他方の符号種別へ変化する配列であって、当該変化が生じる符号間位置を互いに異ならせた配列であり、
前記取得手段は、
前記照合配列の周期ごとに照合された前記符号種別の配列の各符号種別と前記照合配列の各符号種別との一致の割合及び不一致の割合のうち大きい方に応じた適合の度合を示す適合合致度を算出し、
当該適合合致度を前記複数周期分積算した値のうち、最も大きいものに対応する最大適合照合配列における前記符号間位置を最大適合タイミングとして、当該最大適合タイミングを前記先頭タイミングの候補とする
ことを特徴とする請求項2記載の衛星電波受信装置。
<請求項4>
前記取得手段は、
前記符号種別の同定について、前記電波の受信強度に応じて定められる誤同定発生率に基づいて、前記最大適合照合配列における適合しない符号種別数の出現に係る第1不適合出現確率の、前記適合合致度を前記複数周期分積算した値のうち2番目に大きいものに対応する次点適合照合配列における適合しない符号種別数の出現に係る第2不適合出現確率に対する確率比を算出し、
当該確率比が所定の適合条件を満たすか否かにより前記最大適合タイミングを前記先頭タイミングと同定するか否かを決定する
ことを特徴とする請求項3記載の衛星電波受信装置。
<請求項5>
前記受信強度と前記誤同定発生率との対応関係を記憶する記憶手段を備えることを特徴とする請求項4記載の衛星電波受信装置。
<請求項6>
前記記憶手段は、予め設定された複数の受信強度と当該受信強度における前記誤同定発生率とを対応付けたデータを記憶し、
前記取得手段は、前記電波の受信強度に応じた前記誤同定発生率を前記記憶手段に記憶された前記データに基づいて所定の関数で補間することで算出する
ことを特徴とする請求項5記載の衛星電波受信装置。
<請求項7>
前記第1不適合出現確率及び前記第2不適合出現確率は二項分布であり、
前記取得手段は、前記確率比を所定の近似式により算出する
ことを特徴とする請求項4〜6の何れか一項に記載の衛星電波受信装置。
<請求項8>
請求項1〜7の何れか一項に記載の衛星電波受信装置と、
日時を計数する計時手段と、
前記計時手段が計数する日時に基づく時刻の表示を行う表示手段と、
を備え、
前記取得手段は、前記取得された信号から現在の日時を求め、当該求められた現在の日時に応じて前記計時手段が計数する日時を修正する
ことを特徴とする電波時計。
<請求項9>
衛星から送信される符号信号を含む電波の受信信号から前記符号信号を取得する符号信号取得方法であって、
前記符号信号をスペクトラム拡散している疑似ランダム符号列及びその送信周期内の位相を同定する捕捉ステップ、
前記送信周期に応じた時間ごとの前記符号信号の符号種別を同定する符号種別判別ステップ、
同定された符号種別の配列と、当該符号種別の配列として出現が想定され得る複数の照合配列とを照合して、当該照合の結果が所定の条件を満たす前記照合配列に応じて前記符号信号における各符号の先頭タイミングを同定する符号同期検出ステップ、
同定した当該先頭タイミングに同期して各符号を同定する符号同定ステップ、
を含むことを特徴とする符号信号取得方法。
<請求項10>
衛星から送信される符号信号を含む電波の受信信号から当該符号信号を取得するコンピュータを、
前記符号信号をスペクトラム拡散している疑似ランダム符号列及びその送信周期内の位相を同定する捕捉手段、
前記送信周期に応じた時間ごとの前記符号信号の符号種別を同定する符号種別判別手段、
同定された符号種別の配列と、当該符号種別の配列として出現が想定され得る複数の照合配列とを照合して、当該照合の結果が所定の条件を満たす前記照合配列に応じて前記符号信号における各符号の先頭タイミングを同定する符号同期検出手段、
同定した当該先頭タイミングに同期して各符号を同定する符号同定手段、
として機能させることを特徴とするプログラム。
41 ホストCPU
42 ROM
421 プログラム
43 RAM
44 発振回路
45 分周回路
46 計時回路
47 表示部
48 表示ドライバ
49 操作部
50 電力供給部
60 衛星電波受信処理部
60a フロントエンド
61 LNA
62 BPF
63 RF部
631 ミキサ
632 LPF
633 ADC
634 分周回路
64 ベースバンド部
641 捕捉部
642 追尾部
6421 変換部
6421a ミキサ
6421b ミキサ
6421c 90度移相器
6421d NCO
6422 位相制御部
6422a〜6422c、6422g〜6422i ミキサ
6422d〜6422f、6422j〜6422l LPF
6422m 3bitシフトレジスタ
6422n ループフィルタ
6422o 差分算出部
6423 符号出力部
6423a 符号算出部
6423b 20ms同期回路
681 データ取得部
682 レプリカコード生成部
683 排他論理和算出部
684 照合結果保存部
685 一致タイミング抽出部
686 基準値設定部
687 検定部
643 C/Aコード生成部
644 分周回路
645 モジュールCPU
646 記憶部
646a プログラム
646b BER記憶部
65 発振回路
AN アンテナ
E 照合結果積算値
Em1 最大照合結果積算値
Em2 次点照合結果積算値
F 適合度数
Fm1 最大適合値
Fm2 次点適合値
r レプリカ符号列
Claims (7)
- 衛星から送信される符号信号を含む電波を受信する受信手段と、
受信した電波から前記符号信号を取得する取得手段と、
を備え、
前記取得手段は、
前記符号信号を変調している変調符号列の送信周期に応じた時間ごとに前記符号信号の符号種別を取得し、
取得された符号種別と、当該符号種別として出現が想定され得る照合データとを照合し、当該照合の結果に基づいて前記符号信号を取得する
ことを特徴とする衛星電波受信装置。 - 前記取得手段は、前記照合の結果が所定の条件を満たす前記照合データに応じて前記符号信号を取得する取得タイミングを取得することを特徴とする請求項1に記載の衛星電波
受信装置。 - 前記取得タイミングは、前記符号信号における各符号の先頭タイミングであり、
取得した前記先頭タイミングに基づいて前記符号信号における各符号を取得することを特徴とする請求項2に記載の衛星電波受信装置。 - 前記取得手段は、前記符号信号を変調している変調符号列の送信周期内の位相を取得し、前記送信周期に応じた時間ごとの前記符号信号の前記符号種別を取得することを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の衛星電波受信装置。
- 請求項1〜4の何れか一項に記載の衛星電波受信装置と、
日時を計数する計時手段と、
前記計時手段が計数する日時に基づく時刻の表示を行う表示手段と、
を備え、
前記取得手段は、取得された前記符号信号から現在の日時を求め、当該求められた現在の日時に応じて前記計時手段が計数する日時を修正する
ことを特徴とする電波時計。 - 衛星から送信される符号信号を含む電波の受信信号から前記符号信号を取得する符号信号取得方法であって、
前記符号信号を変調している変調符号列の送信周期に応じた時間ごとに前記符号信号の符号種別を取得する符号信号データ取得ステップ、
取得された符号種別と、当該符号種別として出現が想定され得る複数の照合データとを照合し、当該照合の結果に基づいて前記符号信号を取得する符号信号取得ステップ、
を含むことを特徴とする符号信号取得方法。 - 衛星から送信される符号信号を含む電波の受信信号から当該符号信号を取得するコンピュータを、
前記符号信号を変調している変調符号列の送信周期に応じた時間ごとに前記符号信号の符号種別を取得する符号信号データ取得手段、
取得された符号種別と、当該符号種別として出現が想定され得る複数の照合データとを照合し、当該照合の結果に基づいて前記符号信号を取得する符号信号取得手段、
として機能させることを特徴とするプログラム。
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