JPH11304899A - Ｇｐｓ受信機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＧＰＳ衛星から送信される航法メッセージの
先頭を早く検出し、測位不能時間を短縮する。 【解決手段】 複数のチャンネルを持つ検波部12と、衛
星から送信される航法メッセージを収集するメッセージ
収集部13と、収集したメッセージを解析するメッセージ
解析部14と衛星の位置と伝搬時間から位置を算出する測
位部15と、メッセージ収集部のあるチャンネルで衛星か
らの航法メッセージ先頭を示すビットパターン（プリア
ンブルパターンと呼ぶ）を検出した際に、衛星毎の伝搬
時間の差の特徴を利用し、他のチャンネルでプリアンブ
ルパターンを走査する時刻を指定するタイミング指定部
16を備え、すべてのチャンネルでプリアンブルパターン
を検出するまでの時間を短縮し、航法メッセージをすば
やく収集することにより、測位不能時間を短縮する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、地球を周回するＧ
ＰＳ衛星から受信機位置、速度を求めるＧＰＳ（Global
Positioning System ）受信機に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ＧＰＳ受信機は、複数の衛星の電波を同
時に受信して、人工衛星からの航法メッセージ（軌道情
報や時刻情報）を取得することによって地球上での絶対
位置を算出することが可能なシステムである。以下図面
を参照しながら、従来のＧＰＳ受信機について説明す
る。41は衛星からの電波を受信するアンテナ部である。
42はアンテナ41で受信した電波を復調して衛星から送信
されるデータを取得する検波部である。43は検波部42で
取得したデータのフレーム検出およびフレームデータの
収集を行うメッセージ収集部である。44はメッセージ収
集部43で取得したフレームデータの内容を解析するメッ
セージ解析部である。45はメッセージ解析部で取得した
衛星の軌道情報や時刻情報を用いて、受信機の位置を算
出する測位部である。

【０００３】ＧＰＳ衛星は、６軌道面に４衛星づつ配置
され、合計２４衛星稼働している。衛星からは、測位用
として1575.42MHz(L1 帯）と1227.6MHz(L2帯）の２波の
電波が送信されていて、衛星毎に異なる疑似雑音符号
（PRN 符号）で位相変調されている。PRN 符号は２種類
あり、一般に開放されているＣ／ＡコードとＰコードに
分けられる。我々が用いるＣ／Ａコードのチップ率は1.
023Mbps であり、そのコード長は１msecである。

【０００４】衛星の軌道情報は、50bps 、300 ビットを
１つのフレームとして送信され、サブフレームと呼ぶ。
サブフレームは、５つの種類に分けられ、その５種類は
順番に送信される。この５つのサブフレームをまとめ
て、メインフレームと呼び、１つのメインフレームを送
信するためには、３０秒必要となる。

【０００５】サブフレームの先頭には、８ビットの同期
確定パターン（プリアンブルパターンと呼ぶ）が格納さ
れており、メッセージ収集部43では、衛星毎にこのプリ
アンブルパターンを検出し、サブフレームのデータ収集
を行う必要がある。

【０００６】サブフレーム１から３には、常にその衛星
固有のデータが格納されており、くり返し送信される。
そのサブフレーム１から３には、その衛星の詳細軌道情
報であるエフェメリデータが格納されており、測位する
ためにはこのエフェメリデータを必ず収集しなければな
らない。

【０００７】サブフレーム４から５には、各衛星共通の
データが格納されており、その内容はメインフレーム番
号とサブフレーム番号で規定されている。データとして
は、概略の軌道情報や、電離層補正パラメータ等が格納
されている。

【０００８】ところで、受信機で位置を算出するために
は、少なくとも３個以上の衛星を同時に受信して、さら
にそれらの衛星のエフェメリデータを収集する必要があ
る。エフェメリデータは、各衛星固有の詳細軌道情報で
あるために、必ずその衛星を受信してサブフレーム１か
ら３を収集する必要がある。位置を算出するまでの立ち
上がり時間としては、このエフェメリデータを収集する
までの時間が大きく影響する。エフェメリデータ収集後
は、その衛星の位置を算出し、受信機と衛星までの距離
をその伝搬時間から求め、球の連立方程式を解くことに
より求めることができる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、プリア
ンブルパターンは8ビットのデータであり、サブフレー
ムのデータの途中にも同様のビットパターンが出現する
場合がある。その場合は、データに含まれるパリティデ
ータを用いて誤検出を判定するが、データの内容によっ
ては、パリティチェックで完全に誤検出の判定をするこ
とはできない。そのため、ある一定時間収集後に始めて
有効／無効を判定することになるが誤検出の場合は、改
めてプリアンブルパターンを走査しなければならないた
め、サブフレームを収集するまでの時間が遅くなってし
まう場合があった。測位計算を行うためには、最低でも
３衛星以上のエフェメリデータが必要であり、プリアン
ブルパターンの誤検出により、測位計算不能時間が長く
なってしまう場合があった。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記問題を解決するため
に、本発明のＧＰＳ受信機は、あるチャンネルでプリア
ンブルパターンを取得した際に、その取得したチャンネ
ルと他のチャンネルとの伝搬時間の差の特徴を利用し
て、プリアンブルパターン走査を行うタイミング指定部
を新たに設け、すべてのチャンネルでプリアンブルパタ
ーンの誤検出を防止することにより、測位計算までの時
間を短縮するようにしたものである。

【００１１】また、ＧＰＳ受信機が停止中においても、
定期的にカウントアップされるカウンタを持ち、常に現
在時刻を出力するＲＴＣ部を設けることにより、現在時
刻からサブフレーム先頭を検出する時刻を推定すること
により、プリアンブルパターンを誤検出することなくサ
ブフレーム先頭を検出し、測位計算までの時間を短縮す
るようにしたものである。

【００１２】さらに、プリアンブルパターンを検出する
前のデータを一定期間保持しておき、あるチャンネルで
プリアンブルパターンを検出した際には、その検出タイ
ミングにあわせてデータを抽出することにより、受信し
た航法メッセージを無駄にすることなく収集でき、測位
計算までの時間を短縮するようにしたものである。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１記載の発明は、
複数のチャンネルを持つ検波部と、検波部で復調した衛
星から送信される航法メッセージを収集するメッセージ
収集部と、収集したメッセージを解析するメッセージ解
析部と、伝搬時間と衛星の位置から受信機の位置を算出
する測位部と、各チャンネルの前記メッセージ収集部に
対して航法メッセージを走査するタイミングを指定する
タイミング指定部とを備え、１チャンネル以上で航法メ
ッセージを収集した場合に、他のチャンネルに対してメ
ッセージの収集タイミングを指定することを特徴とする
ＧＰＳ受信機であり、すべてのチャンネルにおいて、誤
検出することなく航法メッセージを収集することによ
り、測位計算結果をすばやく出力することができるとい
う作用を有する。

【００１４】本発明の請求項２記載の発明は、測位部に
おいて測位計算することにより判明した正しい現在時刻
を基に、受信機の動作が停止している場合でも周期的な
カウンタをカウントアップすることにより、常に現在時
刻を出力するＲＴＣ部を備え、得られた現在時刻からタ
イミング指定部が航法メッセージの先頭を受信する時刻
を算出し、各チャンネルに対して航法メッセージの収集
タイミングを指定する請求項１記載のＧＰＳ受信機であ
り、すべてのチャンネルにおいて、サブフレームの先頭
を誤検出することなく航法メッセージを収集することに
より、測位計算結果をすばやく出力することができると
いう作用を有する。

【００１５】本発明の請求項３記載の発明は、メッセー
ジ収集部で収集した衛星からの航法メッセージをすべて
一定期間保持しておき、その領域からメッセージを抽出
するサブフレーム抽出部を備え、ＲＴＣ部で出力する現
在時刻または他のチャンネルでプリアンブルパターンを
検出したタイミングを用いて、保持しておいた収集済み
のメッセージに対してメッセージを抽出することを特徴
とする請求項２記載のＧＰＳ受信機であり、収集したデ
ータを無駄にすることなく、すばやく全チャンネルの航
法メッセージを収集することにより、測位不能時間を短
縮するという作用を有する。

【００１６】以下、本発明の実施の形態について図面を
用いて説明する。 （実施の形態１）図１は本発明のＧＰＳ受信機の実施の
形態１における構成を示す概略ブロック図である。図１
において、１１は衛星の信号を受信するアンテナ、１２
は受信した信号を復調する検波部、１３は航法メッセー
ジを収集するメッセージ収集部、１４は収集したメッセ
ージを解析するメッセージ解析部、１５は受信機の位置
を算出する測位部、１６はメッセージ収集部１３で収集
するタイミングを指定するタイミング指定部である。

【００１７】次に、本発明の実施の形態１におけるＧＰ
Ｓ受信機の動作について説明する。ＧＰＳ衛星からは測
位用として、1.57542GHzの搬送波にのせてデータが送信
されている。各衛星から送られてくるデータは、航法メ
ッセージと呼ばれ、転送レートとしては50bps で送信さ
れ、１bit の伝搬時間は20msecとなる。サブフレームの
先頭には、先頭を示すビットパターンが格納されてい
る。このビットパターンは８bit で構成され、プリアン
ブルパターンと呼ばれる。そのため、サブフレームを受
信するためには、まずプリアンブルパターンを検出しな
ければならない。

【００１８】ところで、ＧＰＳのシステムでは独自に規
定された、ＧＰＳ時刻を基にすべてのデータが送信され
てくる。サブフレームが送信されるタイミングも、この
ＧＰＳ時刻に同期して送信されるので、すべての衛星で
サブフレームの先頭を送信する時刻は一致する。ＧＰＳ
衛星は、図５に示すように、軌道高度約20000Km で地球
上を周回している。これらの衛星の中で、地球上のある
地点で受信機が受信できる衛星は、受信機の天空上に存
在する衛星のみである。その天空上にある受信可能衛星
の中で、最も衛星に近い衛星と受信機の距離は、その軌
道高度である約20000Km となる。また受信可能衛星の中
で受信機と衛星の距離が最も遠い衛星までの距離は、約
25300Km である。衛星からは、光の速度でデータが送ら
れてくるので、その差約5300Kmを時間にすると、約17.7
msecとなる。つまり、同じ瞬間に送信されたデータを受
信機で受信すると遠い衛星と近い衛星においても、その
差は、必ず18msec以下となる。

【００１９】既に説明したが、各衛星のサブフレームは
ＧＰＳ時刻に同期して送信されているため、各衛星とも
サブフレームの先頭を送信するタイミングは一致してい
る。航法メッセージの転送速度は50bps であるので、１
ビットは約20msecである。従って、近い衛星と遠い衛星
でも１ビット以上プリアンブルパターンを受信するタイ
ミングはずれないこととなる。

【００２０】本実施の形態１では、このような特徴を利
用し、タイミング指定部１６では、あるチャンネルでプ
リアンブルパターンを検出し、そのサブフレームが確定
した際には、その他のチャンネルにおいても、プリアン
ブルパターンを検出した時刻を基に、サブフレームの先
頭を走査するように指定することにより、誤検出するこ
となくサブフレームの収集を早く行うことができる。

【００２１】（実施の形態２）図２は本発明のＧＰＳ受
信機の実施の形態２における構成を示す概略ブロック図
であり、図１に示した実施の形態１にＲＴＣ部２７を追
加したものである。なお、上記実施の形態１と同一の部
分については、その詳細な説明は省略する。ＲＴＣ部２
７は、受信機の動作が停止中においても周期的なカウン
タが動作することにより、現在時刻を常に出力すること
ができる。

【００２２】既に説明したが、衛星から送信される航法
メッセージはＧＰＳ時刻に同期して送られてくる。その
元期は、1980年１月６日０時（ＵＴＤ協定世界時）であ
る。またサブフレームは、このＧＰＳ時刻に同期して６
秒毎に送られてくる。つまり現在時刻が分かれば、サブ
フレームの先頭が送られてくる時刻を逆に推測すること
ができる。

【００２３】本実施の形態２では、ＲＴＣ部２７から現
在時刻を取得し、その現在時刻を用いて、タイミング指
定部２６においてサブフレーム先頭を走査する時刻を指
定する。またその際にＲＴＣ部２７の誤差を考慮し、走
査時刻はある程度の幅を持たせる必要がある。プリアン
ブルパターンが送信される時刻を指定することにより、
データなどに含まれるプリアンブルパターンと同一のデ
ータを誤検出する確率が低くなり、その結果、全チャン
ネルで航法メッセージを収集するまでの時間を短縮する
ことができる。

【００２４】（実施の形態３）図３は本発明のＧＰＳ受
信機の実施の形態３における構成を示す概略ブロック図
であり、図２に示した実施の形態２にサブフレーム抽出
部３８を追加したものである。なお、上記実施の形態２
と同一の部分については、その詳細な説明は省略する。
本実施の形態３は、前記実施の形態１に対してメッセー
ジ収集部１３の機能として、プリアンブルパターンの走
査を行っていたが、これを行わず、収集したメッセージ
を収集バッファに格納し、新たに設けたサブフレーム抽
出部３８に収集したデータを定期的に出力するものであ
る。サブフレーム抽出部３８では、ＲＴＣ部３７の現在
時刻から、データが格納されているバッファのどこにサ
ブフレームの先頭が格納されているかを判定し、そのデ
ータを抽出し、メッセージ解析部に送り、解析を行う。
また同様にあるチャンネルでサブフレームの先頭を検出
し、確定した場合も、その検出した時刻を基にデータを
抽出する時刻をタイミング指定部から出力し、サブフレ
ームを抽出する。

【００２５】このように、本実施の形態３によれば、サ
ブフレーム抽出部３８を設けることにより、サブフレー
ム走査により無駄になる受信データをなくすことがで
き、サブフレーム収集の時間を短縮することができる。

【００２６】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、あるチ
ャンネルでサブフレームを取得した際にそのチャンネル
で取得した時刻を他のチャンネルでも用いて、サブフレ
ームの先頭を走査するようにしたことにより、サブフレ
ームを収集するまでの時間を短縮し、その結果測位計算
の立ち上がりまでを短縮することができる。

【００２７】また、受信機が停止中でも周期的にカウン
トするカウンタを用いて、常に現在時刻を出力するＲＴ
Ｃ部を新たに設け、その現在時刻を用いてプリアンブル
パターンを走査することにより、誤検出することなくサ
ブフレーム先頭を検出でき、その結果測位計算の立ち上
がりまでの時間を短縮することができる。

【００２８】さらに、受信したメッセージについては、
すべてバッファに格納しておき、ＲＴＣ部や他のチャン
ネルで検出したサブフレーム先頭の時刻を用いて、格納
しておいたバッファから抽出することにより、プリアン
ブルパターン走査において受信したデータを無駄にする
ことなく、サブフレームを収集するまでの時間を短縮
し、その結果測位計算の立ち上がりまでを短縮すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態におけるＧＰＳ受信
機の概略ブロック図

【図２】本発明の第２の実施の形態におけるＧＰＳ受信
機の概略ブロック図

【図３】本発明の第３の実施の形態におけるＧＰＳ受信
機の概略ブロック図

【図４】従来のＧＰＳ受信機の概略ブロック図

【図５】受信機から衛星までの距離算出における概略図

【符号の説明】

１１、２１、３１、４１ アンテナ １２、２２、３２、４２ 検波部 １３、２３、３３、４３ メッセージ収集部 １４、２４、３４、４４ メッセージ解析部 １５、２５、３５、４５ 測位部 １６、２６、３６ タイミング指定部 ２７、３７ ＲＴＣ部 ３８ サブフレーム抽出部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数のチャンネルを持つ検波部と、検波
   部で復調した衛星から送信される航法メッセージを収集
   するメッセージ収集部と、収集したメッセージを解析す
   るメッセージ解析部と、伝搬時間と衛星の位置から受信
   機の位置を算出する測位部と、各チャンネルの前記メッ
   セージ収集部に対して航法メッセージを走査するタイミ
   ングを指定するタイミング指定部とを備え、１チャンネ
   ル以上で航法メッセージを収集した場合に、他のチャン
   ネルに対してメッセージの収集タイミングを指定するこ
   とを特徴とするＧＰＳ受信機。
2. 【請求項２】 測位部において測位計算することにより
   判明した正しい現在時刻を基に、受信機の動作が停止し
   ている場合でも周期的なカウンタをカウントアップする
   ことにより、常に現在時刻を出力するＲＴＣ部を備え、
   得られた現在時刻からタイミング指定部が航法メッセー
   ジの先頭を受信する時刻を算出し、各チャンネルに対し
   て航法メッセージの収集タイミングを指定することを特
   徴とする請求項１記載のＧＰＳ受信機。
3. 【請求項３】 メッセージ収集部で収集した衛星からの
   航法メッセージをすべて一定期間保持しておき、その領
   域からメッセージを抽出するサブフレーム抽出部を備
   え、ＲＴＣ部で出力する現在時刻または他のチャンネル
   でプリアンブルパターンを検出したタイミングを用い
   て、保持しておいた収集済みのメッセージに対してメッ
   セージを抽出することを特徴とする請求項２記載のＧＰ
   Ｓ受信機。