JPWO2009019754A1 - 衛星測位装置及び捕捉方法 - Google Patents

Abstract

【課題】捕捉に掛かる時間を短くすること。【解決手段】信号生成部３２は、各衛星からの衛星信号を２乗化した信号を生成する。さらに時間周波数変換部３９は、このように生成された信号を時間周波数変換する。さらに捕捉部３６は、その時間周波数変換によって得られた周波数特性において突出した態様の周波数を特定し、その特定した周波数に基づいて周波数特性において突出する周波数に基づいて、各衛星信号を捕捉する。このようにすると、捕捉部３６は、各衛星信号が存在していそうな周波数の当たり所を付けることができる。

Description

本発明は、捕捉した衛星信号を用いて測位を行う衛星測位装置及び捕捉方法に関する。

従来の衛星測位システムとしては、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）などが存在している。このような衛星測位システムを構成するＧＰＳ受信装置は、衛星から送信される測位情報に関する信号を受信して復調を行い、その結果得られたデータをもとに測位演算を行う。

このようなＧＰＳ受信装置としては、いわゆる温度補償圧電発信器（以下「ＴＣＸＯ」と呼ぶ）を搭載しているものが存在している。このＴＣＸＯは、記憶手段（以下「メモリ」と呼ぶ）を備えており、このメモリに、温度補償データを記憶させている。

従来のＧＰＳ受信装置においては、このＴＣＸＯのメモリに、さらに、このＴＣＸＯの中心発振周波数と、基準温度における発振周波数のオフセット量と、１℃／ｓｅｃで温度を変化させたときのＴＣＸＯの最大周波数変化率を記憶させている（特許文献１参照）。このような構成により、従来のＧＰＳ受信装置は、動作開始時に、一次復調部のフラクショナルシンセサイザにＴＣＸＯの中心周波数と基準温度における発振周波数のオフセットの量を設定して、フラクショナルシンセサイザの出力周波数が受信中間周波信号の所定の中心周波数となるように制御する。これによってＧＰＳ受信装置は、従来より素早くドップラーシフトによって中心周波数からずれている衛星からの衛星信号を捕捉することができる。

特開２００６−１７０６７３号公報

しかしながら、このような従来のＧＰＳ受信装置では、基準温度における「ＴＣＸＯずれ」を予測し、基準温度における発振周波数のオフセット量と、１℃／ｓｅｃで温度を変化させたときのＴＣＸＯの最大周波数変化率とを経験則から設定しているにすぎない。これでは、現時点において捕捉のターゲットとなる周波数をどれだけ正確に把握しているのかが不明瞭であり、各衛星からの衛星信号の周波数を正確に特定できているとは云えなかった。

本発明が解決しようとする課題には、上記した問題が一例として挙げられる。

上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、各衛星からの衛星信号を２乗化した信号を生成する信号生成手段と、前記信号生成手段によって生成された信号を時間周波数変換する時間周波数変換手段と、前記時間周波数変換手段による時間周波数変換によって得られた周波数特性において突出した態様の周波数を特定し、前記特定した周波数に基づいて各前記衛星信号を捕捉する捕捉手段とを有する。

上記課題を解決するために、請求項８記載の発明は、各衛星からの衛星信号を２乗化した信号を生成する信号生成ステップと、前記信号生成ステップによって生成された信号を時間周波数変換する時間周波数変換ステップと、前記時間周波数変換ステップによって生成された信号に基づく周波数特性において突出した態様の周波数を特定し、前記特定した周波数に基づいて各前記衛星信号を捕捉する捕捉ステップとを有する。

以下、本発明の一実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
図１は、本実施形態としての衛星測位装置の一例としての衛星測位装置１００の構成例を示すブロック図である。衛星測位装置１００は、複数の衛星を捕捉、追尾し、その捕捉、追尾数に応じて二次元測位演算又は三次元測位演算する。この衛星測位装置１００は、受信された衛星信号をダウンコンバートするＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）部１と、衛星信号の捕捉から追尾、測位を実行するデジタル処理部２とを備えている。なお、各衛星には衛星番号が対応付けられている。

ＲＦ部１は、ＧＰＳアンテナ１０、ＲＦ入力部１１、ＢＰＦ（Ｂａｎｄ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ）１２及び１４、ＬＮＡ（Ｌｏｗ Ｎｏｉｓｅ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）１３、ダウンコンバータ１５、ＡＧＣ（Ａｕｔｏ Ｇａｉｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ）１６、ＴＣＸＯ（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）１７、周波数シンセサイザー１８及びＡ／Ｄ変換部１９を有している。

ＧＰＳアンテナ１０は、衛星から発信される衛星信号を受信する機能を有する。ＢＰＦ１２は、このＧＰＳアンテナ１０によって受信された衛星信号がＲＦ入力部１１を介して入力される。このＢＰＳ１２は、この衛星信号のうち所定の帯域のみを通過させる電子フィルタである。

ＬＮＡ１３は低雑音増幅器であり、ＢＰＳ１４は、ＬＮＡ１３を介して入力された衛星信号の周波数帯域からＧＰＳ帯域外のノイズを減衰させ、ダウンコンバータ１５に出力する。

ＴＣＸＯ１７は、このダウンコンバータ１５に入力された受信信号の周波数よりも低い周波数を発振する局部発振器である。周波数シンセサイザー１８は、ＴＣＸＯ１７からの出力に基づいて局部発振器信号を生成し、ダウンコンバータ１５に出力する。

このダウンコンバータ１５は、この周波数シンセサイザー１８からの局部発振器信号を用い、受信信号であるＲＦ信号を、ＡＧＣ１６のコントロールによって、安定動作や選択特性が改善される中間周波数、すなわちＩＦ（Ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）信号に変換し、Ａ／Ｄ変換部１９に出力する。このＡ／Ｄ変換部１９は、このように変換されたＩＦ信号をサンプリングし、アナログ信号であるＩＦ信号をデジタル信号に変換し、デジタル処理部２に出力する。

なお、上述したＴＣＸＯ１７は、衛星とＧＰＳアンテナ１０との疑似距離を算出するためにも用いられる。ＴＣＸＯ１７は、衛星に搭載されている原子時計と異なり、誤差を含んでいる。上記「衛星測位装置の内蔵時計の誤差」とはＴＣＸＯ１７の誤差を示している。

デジタル処理部２は、ＣＰＵ２０、ＲＴＣ（Ｒｅａｌ−Ｔｉｍｅ Ｃｌｏｃｋ）２１、ＲＯＭ２２、ＲＡＭ２３及びＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）２４を備えている。

このＣＰＵ２０は、周波数シンセサイザー１８から出力されるクロックに基づいて動作し、デジタル処理部２全体の制御を実行する。ＲＴＣ２１は、図示しない水晶発振器によって動作する時計ＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）であり、例えば電源投入時にＴＣＸＯが動作を開始する前の時計の基準としての機能を果たす。

ＲＯＭ２２には、例えば測位演算を行うためのプログラムを始めとする各種データが格納されている。ＲＡＭ１１２には、例えば高速で処理されるべきデータが一時的に格納される。ＤＳＰ２４は、ＲＦ部１からのＩＦ信号に基づいて測位演算を行う。

ここで、衛星測位装置１００は、より精度の高い測位演算を行うため、複数（好ましくは４つ以上）の衛星を同時に捕捉、追尾しようと動作する。上述したＤＳＰ２４は、複数の衛星に応じて各々複数系統のチャンネルを備えており、ＩＦ信号をそれぞれ別個のチャンネルで処理する。各チャンネルでは、ＩＦ信号のドップラーが極力除去されて、少なくとも１つのコリレータによるコード相関検出及び積算処理が実行される。ＤＳＰ２４は、各チャンネルによる処理信号を用いて測位演算を行う。

測位演算された信号は、位置測位結果及び速度測位結果としてＣＰＵ１０８に出力される。この位置測位結果は、複数の衛星の各々とＧＰＳアンテナ１０との疑似距離に基づいて算出される。

なお、各チャンネルは、ＰＲＮ（Ｐｓｅｕｄｏ Ｒａｎｄｏｍ Ｎｏｉｓｅ）コードのリファレンスコードによって拡散されたキャリア（搬送波）とＩＦ信号との相関ピークを検出することにより、衛星を捕捉する。さらに各チャンネルは、捕捉された衛星の衛星信号のキャリア、コードのトラッキングエラーを補正し、衛星の追尾を続行する。衛星はこのように捕捉、追尾され、それらの情報が測位に用いられる。

図２は、図１に示すＤＳＰ２４において動作するソフトウェアの一例を示すブロック図である。つまり図２は、ＣＰＵ２０の制御の下、ＤＳＰ２４において動作するプログラムの構成例を表している。
ＤＳＰ２４においては、信号生成部３２、時間周波数変換部３９及び捕捉部３６が動作している。このＤＳＰ２４においては、さらに照合部３７及び仰角特定部３８を動作させてもよい。またこのＤＳＰ２４においては、これらに加えて、ダウンコンバート部３１、特定帯域通過部３３、積算部３４及び信号周波数調整部３５のいずれか又はこれらいずれかの組み合わせが動作している形態であってもよい。

本実施形態では、上述した捕捉処理においてＤＳＰ２４が次のように動作している。すなわち、信号生成部３２は信号生成手段の一例に相当し、各衛星からの衛星信号を２乗化した信号を生成する（以下、「信号生成機能」と呼ぶ）。なお、この時間周波数変換部３９は時間周波数変換手段の一例に相当し、このように生成された信号を時間周波数変換する（以下「時間周波数変換機能」と呼ぶ）。また、この捕捉部３６は捕捉手段の一例に相当し、その時間周波数変換によって得られた周波数特性において突出した態様の周波数を特定し、その特定周波数に基づいて各衛星信号を捕捉する（以下「捕捉機能」と呼ぶ）。本実施形態では、このような「突出した態様」として、鋭いピークとなっているスペクトルを例示することができる。

また信号周波数調整部３５は信号周波数調整手段の一例に相当し、上述した周波数特性における信号周波数を１／２倍する。

また衛星測位装置１００は、記憶手段の一例としてのＲＡＭ２４に、現在のおおよその時刻と場所における上空の衛星の軌道情報を記憶している。この軌道情報としては、例えばＧＰＳであればアルマナック（Ａｌｍａｎａｃ）、エフェメリス（Ｅｐｈｅｍｅｒｉｓ）などを例示することができる。

また照合部３７は照合手段の一例に相当し、上述した周波数特性において突出した態様を示す周波数と、上述した軌道情報に基づく各衛星信号の予測周波数をパターンマッチングなどを用いて照合する（以下「照合機能」と呼ぶ）。このようにすると、その周波数特性上に現れる各スペクトルがどの衛星からの衛星信号であるのかを特定することができる。

またダウンコンバート部３１はダウンコンバート手段の一例に相当し、各衛星からの衛星信号の周波数（又はその周波数からダウンコンバート済の中間周波数）を所定の周波数（ベースバンド）に低下させている（以下「ダウンコンバート機能」と呼ぶ）。

また特定帯域通過部３３は特定帯域通過手段に相当し、上述した信号生成機能によって生成された信号の周波数成分のうち、予め定められた周波数以下の周波数成分のみを通過させる特定帯域通過機能を有する。また積算部３４は、時間周波数変換した信号に対して積算処理を実行する（以下「積算機能」と呼ぶ）。

衛星測位装置１００は以上のような構成例であり、次に図１〜図３を参照しつつ衛星測位装置１００による捕捉方法の一例について説明する。この捕捉方法の一例としては、後述する受信測位処理を例示することができる。まずは、通常のＧＰＳ受信機における「捕捉」に関して説明する。

＜捕捉処理の背景＞
通常のＧＰＳ受信機は、複数の衛星からの衛星信号を受信し、自分の位置を計算することで測位を行う。この衛星信号の周波数としては、例えば１５７５．４２ＭＨｚを挙げることができる。衛星からの衛星信号は、いわゆるＢＰＳＫにより変調されているが、そのときに符号分割多重（ＣＤＭ）という多重の一手法を用いている。これは、同じ周波数に複数の信号を同時に送信できる変調手法として広く一般に知られているものである。

具体的には、各衛星に独自のコードが存在し、そのコードを用いて各々の衛星の衛星信号は変調されている（スペクトル拡散）。ＧＰＳ受信機では、特定の衛星のコードを使って正確なタイミングでコードをかけないと衛星信号を復調できない（逆拡散）。

一方、周波数に関してＧＰＳ受信機は、基本的に、例えば１５７５．４２ＭＨｚでの受信ができれば全ての衛星信号に対応できる。しかし複数の衛星は各々が独自の軌道で地球を周回しているため、観測者（衛星測位装置１００の操作者に相当）に対する各衛星のドップラー周波数が異なっている。つまりＧＰＳ受信機から見ると、各々の衛星からの衛星信号は１５７５．４２ＭＨｚから僅かにずれていることになる。その範囲は最大で約±５ｋＨｚとなることが知られている。

更に、ＧＰＳ受信機の多くは水晶振動子（ＴＣＸＯ）を積んでいることである程度正確な時計を持っているが、それでも限界があり、衛星信号に対しては数ｋＨｚの誤差を持ってしまう可能性がある。結局、一般的なＧＰＳ受信機では、このような１５７５．４２ＭＨｚに対して、±１０ｋＨｚのずれを許容できる仕組みを持っている必要がある。

ＧＰＳ受信機は、デジタル処理をするに際して、この１５７５．４２ＭＨｚでは周波数が高すぎるため、前段（ＲＦ部）にて中間周波数（ＩＦ）にダウンコンバージョンするのが一般的である。中間周波数（ＩＦ）は、ＧＰＳ受信機の設計思想によって個々の値をとり得る。以後、ＧＰＳ受信機の内部では、ＩＦの周波数でデジタル化された信号を扱うことになるが、上記のドップラー効果によるずれ±１０ｋＨｚはそのまま残ってしまう。

さてＧＰＳ受信機は、フィードバックループを使って所定の周波数とコードずれに同期するのが一般的である。しかしＧＰＳ受信機は、前述の通り、ある程度正しい衛星コードずれと周波数ずれを把握していないと、一般的なＤＬＬやＰＬＬが使えない。従ってＧＰＳモジュールでは、ループを使った信号追尾の前段に「捕捉」という段があるのが一般的である。本実施形態では、周波数のずれを大まかに特定するための演算を行うが、後述するようにコードのずれを大まかに特定するための演算を行っても良い。

図３は、捕捉処理のための捕捉フィールドのイメージ図である。なお、横軸は、衛星の移動に伴うドップラー効果による周波数ずれを表しており、縦軸は、上述したコードずれを表している。

この捕捉処理においては、この捕捉フィールドとして、図示のような２次元探索フィールドをイメージする。つまり、この捕捉フィールドは、広いフィールドの中でどのマス（これを「ビン」と呼ぶ）に所望の衛星信号があるかを、１つ１つ試しながら特定するための概念である。この捕捉フィールドは、周波数に関するビン（「周波数ビン」とも呼ぶ）のフィールドを表している。ここで、捕捉処理における信号処理手法としては、種々の手法が提案されているが、温度補償型圧電発振器（いわゆるＴＣＸＯに相当）のずれなどは、温度や固体によってばらつきがあり、従来は効果的な手法は存在していなかった。

図４は、受信測位処理の手順の一例を示すフローチャートである。この受信測位処理は、前段処理（ステップＳ１）、捕捉処理（ステップＳ２）及び後段処理（ステップＳ３）を含んでいる。

ステップＳ１では、ＲＦ部１１が前段処理を実行する。この前段処理では、ＧＰＳアンテナ１０が衛星からの衛星信号を受信すると、その衛星信号がＲＦ入力部１１を介してＢＰＦ１２に入力される。このＢＰＦ１２は、この衛星信号のうち所定の帯域のみを通過させるＬＮＡ１４に出力する。このＬＮＡ１４は、低雑音増幅器として機能し、その所定帯域のみを通過させた衛星信号をＢＰＦ１４に出力する。この衛星信号のうちＧＰＳ帯域外のノイズは、このＢＰＦ１４を経て減衰され、ダウンコンバータ１５に入力される。

ＴＣＸＯ１７は、ダウンコンバータ１５に入力された受信信号の周波数よりも低い周波数を発振する局部発振器である。周波数シンセサイザー１８は、ＴＣＸＯ１７からの出力に基づいて局部発振器信号を生成し、ダウンコンバータ１５に出力する。ダウンコンバータ１５は、周波数シンセサイザー１８からの局部発振器信号を用い、受信信号であるＲＦ信号を、ＡＧＣ１６のコントロールによってＩＦ（Ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）信号に変換する。

この変換されたＩＦ信号は、Ａ／Ｄ変換部１９においてアナログ信号からデジタル信号に変換され、デジタル処理部２に出力される。なお、ＴＣＸＯ１７は、衛星とＧＰＳアンテナ１０との疑似距離を算出するためにも用いられる。ＴＣＸＯ１７は、衛星に搭載されている原子時計と異なり、誤差を含んでいる。上述のように「衛星測位装置の内蔵時計の誤差」とはＴＣＸＯ１７の誤差を示している。

次にステップＳ２では、デジタル処理部２が捕捉処理を実行する。この捕捉処理では、デジタル処理部２が、このＩＦ信号に基づいて後述する捕捉処理を実行する。次にステップＳ３では、デジタル処理部２が追尾処理及び測位処理を実行する。

図５は、図４に示す捕捉処理の手順の一例を示すフローチャートである。
まずステップＳ２１では、ダウンコンバート手段に相当するＤＳＰ２４が、ＣＰＵ２０の制御によって、このＩＦ信号を所定の周波数（ベースバンド）にダウンコンバートさせる。このダウンコンバート処理は省略することもできるが、このようにダウンコンバート処理を実行すると、周波数が下がる分、演算量を削減することができる。しかも、このようなダウンコンバート処理を実行すると、ＤＳＰ２４が、その信号生成機能によって各衛星からの衛星信号を２乗化した場合、２乗化したことで生成される信号の直流成分（ＤＣ成分）が現れることを避けることができる。

次にステップＳ２２では、信号生成手段３２が、ＣＰＵ２０の制御によって、このようにダウンコンバートされた信号を２乗する。ここでダウンコンバートされた信号は、例えば位相変調がかかった正弦波で表されており、２乗されることで、２倍の周波数の余弦波に変換される。ここで、同一の信号内に混在する別の衛星の衛星信号については、互いに拡散コードが違っているため、信号生成手段２４が衛星信号を２乗化することは、正確に逆拡散されないまま正弦波同士を掛け合わせているだけのことになる。このため、その２周波の和の項や差の項は、周波数特性において突出した態様として現れない。この突出した態様とは、例えば鋭いピークとなっているスペクトルを表す。

従って、上述した処理を施すことによって、衛星からの衛星信号が存在する周波数の２倍の周波数だけが、スペクトル上で鋭いピークを持った態様で現れることとなる。この衛星測位装置１００では、各衛星からの衛星信号のドップラー周波数が本来の中心周波数からずれている場合でも、どの周波数で衛星信号が届いているのかについて、ある程度当たり所を付けて周波数情報だけを抽出することができる。

次にステップＳ２３では、特定帯域通過部３３が、上述した信号の周波数成分のうち、予め定められた周波数以下の周波数成分のみを通過させる。

次にステップＳ２４では、時間周波数変換部３９が、例えば高速フーリエ変換（ＦＦＴ：Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）を用いてこの抽出信号に関して時間周波数変換を実行し、例えば周波数に対する振幅で表される周波数特性を得る。

なおこの時間周波数変換部３９は、このような高速フーリエ変換に限られず、このように、ある信号に関して周波数に対する振幅の変動状態が表現できる形態であれば、その他の時間周波数変換を用いても良い。

このように時間周波数変換部３９が時間周波数変換処理を実行すると、この処理結果としての周波数特性においては、衛星信号が存在する周波数の２倍の周波数においてスペクトルが鋭く立ち上がる特徴が得られる。このため、結果として、周波数特性においてどの周波数に何らかの衛星からの衛星信号が存在しているかについて知ることができる。さらに本実施形態では、後述するように衛星番号の特定とコードチップずれの探索を行うと、捕捉に掛かる時間を大幅に短縮することができる。

このような時間周波数変換処理によって、次のような利点がある。まず、例えば周波数ビンの１つの幅が、例えば１００Ｈｚとして±１０ｋＨｚの周波数ずれをカバーしようとすること考えると、この周波数ビンには２００個のビンが存在することになる。このような時間周波数変換処理によれば、上述した図３における各ビンを１つ１つを探索して演算することなく、１度の処理で衛星信号が存在している周波数の当たり所をつけることができ、捕捉段（捕捉処理：ステップＳ２に相当）における処理時間を最大で２００倍程度短縮することができる。

次にステップＳ２５では、積算部３４が、上記時間周波数変換部３９による時間周波数変換機能によって生成した信号に対して積算処理を実行する。この積算処理は省略することもできるが、このような積算処理を実行すると、上述した周波数特性において衛星からの衛星信号が存在しているために立ち上がっているスペクトルがさらに鋭く立ち上がるように表して、この鋭いピークを検出し易くすることができる。

次にステップＳ２６では、捕捉部３６がこのような周波数特性について周波数軸調整処理を実行する。この周波数軸調整処理では、信号周波数調整部３５が、例えばその周波数特性における信号周波数を１／２倍する。このように周波数特性について信号周波数を１／２倍するのは、上述した２乗化処理によって信号周波数が２倍となっていることから、この信号周波数を調整するためである。

次のステップＳ２７では、捕捉部３６が周波数特定処理を実行する。この周波数特定処理では、このように衛星信号の周波数が衛星の移動に伴うドップラー効果によって周波数ずれを生じていても（つまりドップラー周波数となっていても）、この捕捉部３６が次のように周波数を特定する。

すなわち、この捕捉部３６は、ＣＰＵ２０の制御によって、上述した周波数特性において鋭く立ち上がるスペクトルに基づいて当たり所を付けて、その鋭いスペクトルの立ち上がる周波数（ドップラー周波数：ＴＣＸＯずれを含む）を特定することができる。

このような周波数特定処理を実行すると、鋭いスペクトルが得られた衛星信号の周波数がどの衛星からのものであるか、つまり衛星番号を迅速に特定することができるため、捕捉部３６は、捕捉処理を全体として従来よりも１０００倍程度高速化することができる。

図６は、図５に示す捕捉処理によって得られた周波数特性において各衛星信号に対応する周波数にピークが現れる様子の一例を示す図である。なお図６においては、縦軸が衛星信号の信号レベルの強弱を表しており、横軸が周波数Ｆ［Ｈｚ］を表している。

上述した時間周波数変換処理では、上述のように２乗化処理によって得られた衛星信号を、例えばこのような周波数に対する信号レベルを表す特性としている。この図６においては、周波数ずれを生じているドップラー周波数の中心周波数が例えば４．０９２［×１０^６Ｈｚ］であるものと例示し、各衛星信号が、各衛星の移動に伴うドップラー効果によって周波数ずれを生じている様子を表している。

この周波数特性例を参照すると、見た目上、例えば９本の鋭いピークを有するスペクトルが存在している。これら鋭いピークのスペクトルの周波数は、各々、複数の衛星からの複数の衛星信号のドップラー周波数を表している（ＴＣＸＯずれも含む）。このようにすると、鋭いピークを有するこれらのスペクトルが、各々どの衛星からの衛星信号に該当するのかどうかまではわからないものの、１つ１つの衛星信号を逐一探索することなく、各衛星からの各衛星信号のドップラー周波数に関して当たり所を付けることができる。なお図６においては、このように当たり所をつけた周波数のところに、例えば信号レベルが３×１０^１１の一列に白抜きの丸印を付している。

また捕捉部３６は、ＲＡＭ２３に予め軌道情報を持っていれば、次のようにして周波数特性上において現れた鋭い各ピークが、どの衛星からの衛星信号に基づくものであるかに関して特定することができる。ここでいう軌道情報とは、例えばアルマナック及びエフェメリスの少なくとも一方を表している。

なお、このように捕捉部３６が、予め軌道情報を持っている状態で受信測位処理を開始することを、「ワームスタート（Ｗａｒｍ Ｓｔａｒｔ）」若しくは「ホットスタート（Ｈｏｔ Ｓｔａｒｔ）」と呼ぶ。一方、捕捉部３６がこのような軌道情報を持っていない状態で受信測位処理を開始することを、「コールドスタート（Ｃｏｌｄ Ｓｔａｒｔ）」と呼ぶ。

具体的には、照合部３７は、各前記衛星の軌道情報に基づいて、例えばパターンマッチングなどにより、周波数特性上に現れる鋭いスペクトルがどの衛星からの衛星信号であるかを特定する。

具体的には、照合部３７は、事前情報として軌道情報を持っているホットスタートである場合、ある特定の時刻のある場所の上空における各衛星の位置を把握することができるため、各衛星からの衛星信号のドップラー周波数をある程度の精度で予測することができる。

ここで、衛星測位装置１００が内蔵するＴＣＸＯ１７は、一般的に多少の周波数ずれを持っており、その周波数ずれがどの程度であるかは温度などの関数で表される。このため、現時点での正確な周波数ずれ量は分からず、一見すると、図３に示す捕捉フィールドにおける正確なビンを予測することができないように思える。

しかしながら本実施形態では、照合部３７が、上述した軌道情報を用いて各衛星からの衛星信号のドップラー周波数を予測し、周波数特性上において各衛星信号が存在する周波数を明確に特定することができる。

具体的には、この照合部３７は、上述した周波数特性におけるピークの各周波数と、軌道情報から演算した各衛星信号の周波数とをパターンマッチングなどで照合する。これにより照合部３７は、捕捉部３６が捕捉すべき衛星信号の周波数を明確にすることができる。

上記実施形態における衛星測位装置１００は、各衛星からの衛星信号を２乗化した信号を生成する信号生成手段３２（信号生成部に相当）と、前記信号生成手段によって生成された信号を時間周波数変換する時間周波数変換手段３９（時間周波数変換部に相当）と、前記時間周波数変換手段３９による時間周波数変換によって得られた周波数特性において突出した態様の周波数を特定し、前記特定した周波数に基づいて各前記衛星信号を捕捉する捕捉手段３６（捕捉部に相当）とを有する。

上記実施形態における捕捉方法は、各衛星からの衛星信号を２乗化した信号を生成する信号生成ステップと、前記信号生成ステップによって生成された信号を時間周波数変換する時間周波数変換ステップと、前記時間周波数変換ステップによって生成された信号に基づく周波数特性において突出した態様の周波数を特定し、前記特定した周波数に基づいて各前記衛星信号を捕捉する捕捉ステップとを有する。

まず本実施形態では、複数の衛星からの衛星信号を２乗化することは、この衛星信号自身で逆拡散を行うことと同様の効果を得ることができる。すなわち、この衛星信号を２乗化すると、正しいコードを正しいタイミングで、正しい周波数で逆拡散を行うことと同様の意味合いを持つ。

具体的には、複数の衛星からの衛星信号を２乗化することは、正弦波の２乗の公式より、ある周波数の正弦波に対して、その周波数の２倍の周波数信号を作成していることになる。つまり、各衛星の任意のドップラー周波数を含んだ正弦波は、このように２乗化することにより周波数が２倍の周波数の余弦波に変換される。

そして、この余弦波で表される信号を時間周波数変換すると、この信号に関する周波数特性が得られる。ここで、同一の衛星信号内に混在する別の衛星の衛星信号については、互いに拡散コードが違っているため、このように衛星信号を２乗化することは、正確に逆拡散されないまま正弦波同士を掛け合わせているだけのことになる。このため、その２周波の和の項や差の項は、周波数特性上、突出した態様として発生しない。この突出した態様としては、例えば鋭いピークでなるスペクトルに相当する。

従って、上述した処理を施すことによって、衛星からの衛星信号が存在する特定の周波数だけがスペクトル上で鋭いピークを持って現れることとなる。この衛星測位装置１００及びこの捕捉方法では、各衛星からの衛星信号のドップラー周波数が本来の中心周波数から散っている場合でも、どの周波数で衛星信号が届いているのかについてある程度当たり所を付けて周波数情報だけを抽出し、この周波数情報に基づいて各衛星からの衛星信号のドップラー周波数を特定することで各衛星を捕捉することができる。

なお、通常、例えば衛星信号を扱った信号処理における時間周波数変換（ＦＦＴ）では、衛星のコードが例えば１０２３チップであることから、このような２乗化する処理を単純に扱うことができなかった。

また、上述した周波数のみならず、各衛星のコード自体も微少であるが、ドップラー効果による影響を受けており、長時間での積分処理において影響を受ける。しかしながら、この衛星測位装置１００においては、受信機内で発生させた各衛星のコードではなく、受信した衛星信号自体を用いて逆拡散を行っていることから、上述した阻害要素は全くなくなる。しかも、この衛星測位装置１００においては、逆拡散にあたり各衛星の航法メッセージによる位相の変調も打ち消していることから、２乗化後に長時間の時間周波数変換（ＦＦＴ）を適用することが可能となる。

上記実施形態における衛星測位装置１００は、上記構成に加えてさらに、前記周波数特性における信号周波数を１／２倍する信号周波数調整手段３５（信号周波数調整部に相当）とを有する。

上記実施形態における衛星測位装置１００は、上記構成に加えてさらに、各前記衛星からの衛星信号の周波数を所定の周波数（ベースバンドに相当）に低下させるダウンコンバート手段３１（ダウンコンバート部に相当）とを有する。

このようにすると、信号生成手段が各衛星からの衛星信号を２乗化した場合に、２乗化した信号の直流成分（ＤＣ成分）が現れることを避けることができるとともに、周波数が下がる分、演算量を削減することができる。

上記実施形態における衛星測位装置１００は、上記構成に加えてさらに、前記信号生成手段によって生成された信号の周波数成分のうち、予め定められた周波数以下の周波数成分のみを通過させる特定帯域通過手段３３（特定帯域通過部に相当）を有する。

このようにすると、信号生成手段２４が生成した信号のスプリアスを除去して、雑音を低減することができる。

上記実施形態における衛星測位装置１００は、上記構成に加えてさらに、前記時間周波数変換手段３９によって生成された信号に対して積算処理を実行する積算手段３４（積算部に相当）を有する。

通常、周波数特性においては、衛星からの信号が雑音に埋もれて検出することが困難であるが、このような積算処理を経ると、その雑音の中から鋭いスペクトルが現れるため、このスペクトルに基づいて容易に周波数を検出することができる。

上記実施形態における衛星測位装置１００は、上記構成に加えてさらに、各前記衛星からの衛星信号を中間周波数に変換する際に温度補償を行いつつ基準クロックを発生する温度補償型圧電発振器１７（ＴＣＸＯに相当）と、各前記衛星の軌道情報を記憶する記憶手段２３と、前記周波数特性において突出した態様を示す周波数と、前記軌道情報に基づく各前記衛星信号の予測周波数とを照合する照合手段２４とを有する。

このようにすると、照合手段２４が、この軌道情報に基づいて、周波数特性に表れた鋭いピークの各スペクトルがどの衛星からの衛星信号に基づくものであるかを容易に特定することができる。しかも照合手段２４は、軌道情報に基づいて把握しうる各衛星の移動方向及び移動速度に基づいて、各衛星から到着する衛星信号のドップラー周波数を正確に予測することができる。このため照合手段２４は、各衛星に関して、この予測したドップラー周波数と、上述した軌道情報から特定した衛星からの衛星信号に基づく周波数との差に基づいて、衛星測位装置１００が内蔵する温度補償型圧電発振器１７（ＴＣＸＯに相当）の周波数ずれを特定することができる。

＜衛星の仰角の特定＞
図７は、アルマナック（軌道情報）から得られるある時刻における各衛星の上空における位置の一例を表す図である。なお図示の円のうち、最も外側の円は地平線以下の上空を表しており、中心部分は天空を表している。最も外側の円から中心にかけては仰角１５°ごとに仰角を表す円形の波線の目安線が設けられている。また図７においては、上方が北を、下方が南を、右方が東を、左方が西を表している。

この各衛星の上空における分布図によれば、ある特定の時刻において、衛星番号が４番（符号ＳＡ４に相当）、１０番（符号ＳＡ１０に相当）、１２番（符号ＳＡ１２に相当）、１７番（符号ＳＡ１７に相当）、２３番（符号ＳＡ２３に相当）に対応する各衛星が上空に見えていることになっている。

図８は、その特定の時刻における周波数特性の一例を示す図である。なお、図８に示す周波数特性は、図７に示す各衛星に対応している。
図７において仰角が２０°程度以下の衛星は、図８において鋭いピークを示すスペクトルとはならない。このような仰角の低い衛星としては、この周波数特性において左から、衛星番号ＳＡ１２の衛星、衛星番号ＳＡ１０の衛星及び衛星番号ＳＡ２７の衛星を例示することができる。

一方、仰角が２０°程度以上の衛星は、鋭いピークを示すスペクトルとなっている。このような仰角の低くない衛星としては、この周波数特性において左から、衛星番号ＳＡ１７の衛星、衛星番号ＳＡ２３の衛星、衛星番号ＳＡ１３の衛星、衛星番号ＳＡ４の衛星及び衛星番号ＳＡ２の衛星を例示することができる。

図８に示す周波数特性を参照するとわかるように、仰角が高い衛星番号ＳＡ４の衛星からの衛星信号ほどレベルの強さ（より鋭いピークの）スペクトルが現れる。従って、このようなレベルの強さに応じて、ある特定の時刻における各衛星の仰角を得ることもできる。

上記実施形態における衛星測位装置１００は、上記構成に加えてさらに、前記周波数特性に突出した態様の強度に応じて各前記衛星の仰角を特定する仰角特定手段３８（仰角特定部に相当）を有する。

このようにすると、捕捉部３６が各衛星の仰角を大まかに特定することができるため、その後、追尾などもし易くなる。

なお、本実施形態は、上記に限られず、種々の変形が可能である。以下、そのような変形例を順を追って説明する。
上記実施形態では、衛星測位システムの一例としてＧＰＳシステムを例示したがこれに限られず、例えばＧａｌｉｌｅｏ又はＱＺＳＳ（準天頂衛星）のようなその他の衛星測位システムに適用しても良い。

また、上記実施形態における衛星測位装置は、上記実施形態のような２乗化処理の代わりに、次のような処理を行うようにしても良い。
まず、ＧＰＳなどの衛星測位システムにおいては、その特有のコード（拡散符号）は１ｍｓｅｃ長であることが知られている。従って、全ての衛星は、基本的に１ｍｓｅｃごとに繰り返しの信号を送っている。なお、衛星からの電波に含まれる航法メッセージは２０ｍｓｅｃの間隔で繰り返し送られている。

従って、例えば航法メッセージの部分を無視すれば、１ｍｓｅｃのｎ倍（ｎは自然数）の時間遅れを持った衛星信号でも、上記実施形態と同様にかけ算をすることで逆拡散を行うことができる。ただし、このような手法によれば、航法メッセージの影響が残ることと、各コードに影響を及ぼしているドップラー効果による影響分は、考慮されないままかけ算を行うことになるので、上述した実施形態に比べて多少性能は劣るものの、上述した実施形態とほぼ同様の効果を発揮することができる。

本実施形態における衛星測位装置の構成例を示すブロック図である。 図１に示すＤＰＳにおいて動作するソフトウェアの構成例を示すブロック図である。 捕捉処理のための周波数ビンのフィールドのイメージ図である。 受信測位処理の手順の一例を示すフローチャートである。 図４に示す捕捉処理の手順の一例を示すフローチャートである。 図５に示す捕捉処理によって得られた周波数特性において各衛星信号に対応する周波数にピークが現れる様子の一例を示す図である。 アルマナック（軌道情報）から得られるある時刻における各衛星の上空における位置の一例を表す図である。 その特定の時刻における周波数特性の一例を示す図である。

符号の説明

１ ＲＦ部
２４ ＤＳＰ
３１ ダウンコンバート部（ダウンコンバート手段に相当）
３２ 信号生成部（信号生成手段に相当）
３３ 特定帯域通過部（特定帯域通過手段に相当）
３４ 時間周波数変換部（時間周波数変換手段に相当）
３５ 信号周波数調整部（信号周波数調整手段に相当）
３６ 捕捉部（捕捉手段に相当）
３７ 照合部（照合手段に相当）
３８ 仰角特定部（仰角特定手段に相当）
１００ 衛星測位装置

【０００２】
化させたときのＴＣＸＯの最大周波数変化率とを経験則から設定しているにすぎない。これでは、現時点において捕捉のターゲットとなる周波数をどれだけ正確に把握しているのかが不明瞭であり、各衛星からの衛星信号の周波数を正確に特定できているとは云えなかった。
［０００７］
本発明が解決しようとする課題には、上記した問題が一例として挙げられる。
課題を解決するための手段
［０００８］
上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、各衛星からの衛星信号を２乗化した信号を生成する信号生成手段と、前記信号生成手段によって生成された信号を時間周波数変換する時間周波数変換手段と、前記時間周波数変換手段による時間周波数変換によって得られた周波数特性において突出した態様の周波数を特定し、前記特定した周波数に基づいて各前記衛星信号を捕捉する捕捉手段と、各前記衛星からの衛星信号を中間周波数に変換する際に温度補償を行いつつ基準クロックを発生する温度補償型圧電発振器と、各前記衛星の軌道情報を記憶する記憶手段と、前記周波数特性において突出した態様を示す周波数と、前記軌道情報に基づく各前記衛星信号の予測周波数とを照合することにより、前記温度補償型圧電発信器の周波数ずれを特定する照合手段とを有する。
［０００９］
発明を実施するための最良の形態
［００１０］
以下、本発明の一実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
図１は、本実施形態としての衛星測位装置の一例としての衛星測位装置１００の構成例を示すブロック図である。衛星測位装置１００は、複数の衛星を捕捉、追尾し、その捕捉、追尾数に応じて二次元測位演算又は三次元測位演算する。この衛星測位装置１００は、受信された衛星信号をダウンコンバートするＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）部１と、衛星信号の捕捉から追尾、測位を実行するデジタル処理部２とを備えている。なお、各衛星には衛星番号が対応付けられている。
［００１１］
ＲＦ部１は、ＧＰＳアンテナ１０、ＲＦ入力部１１、ＢＰＦ（Ｂａｎｄ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ）１２及び１４、ＬＮＡ（Ｌｏｗ Ｎｏｉｓｅ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）１３、ダウンコンバータ１５、ＡＧＣ（Ａｕｔｏ Ｇａｉｎ

Claims (8)

1. 各衛星からの衛星信号を２乗化した信号を生成する信号生成手段と、
   前記信号生成手段によって生成された信号を時間周波数変換する時間周波数変換手段と、
   前記時間周波数変換手段による時間周波数変換によって得られた周波数特性において突出した態様の周波数を特定し、前記特定した周波数に基づいて各前記衛星信号を捕捉する捕捉手段と
   を有することを特徴とする衛星測位装置。
2. 請求項１記載の衛星測位装置において、
   前記周波数特性における信号周波数を１／２倍する信号周波数調整手段を有することを特徴とする衛星測位装置。
3. 請求項１記載の衛星測位装置において、
   各前記衛星からの衛星信号の周波数を所定の周波数に低下させるダウンコンバート手段を有することを特徴とする衛星測位装置。
4. 請求項１記載の衛星測位装置において、
   前記信号生成手段によって生成された信号の周波数成分のうち、予め定められた周波数以下の周波数成分のみを通過させる特定帯域通過手段を有することを特徴とする衛星測位装置。
5. 請求項１記載の衛星測位装置において、
   前記時間周波数変換手段によって生成された信号に対して積算処理を実行する積算手段を有することを特徴とする衛星測位装置。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれか記載の衛星測位装置において、
   各前記衛星からの衛星信号を中間周波数に変換する際に温度補償を行いつつ基準クロックを発生する温度補償型圧電発振器と、
   各前記衛星の軌道情報を記憶する記憶手段と、
   前記周波数特性において突出した態様を示す周波数と、前記軌道情報に基づく各前記衛星信号の予測周波数とを照合する照合手段と
   を有することを特徴とする衛星測位装置。
7. 請求項１乃至請求項５のいずれか記載の衛星測位装置においては、
   前記周波数特性において突出した態様の強度に応じて各前記衛星の仰角を特定する仰角特定手段を有することを特徴とする衛星測位装置。
8. 各衛星からの衛星信号を２乗化した信号を生成する信号生成ステップと、
   前記信号生成ステップによって生成された信号を時間周波数変換する時間周波数変換ステップと、
   前記時間周波数変換ステップによって生成された信号に基づく周波数特性において突出した態様の周波数を特定し、前記特定した周波数に基づいて各前記衛星信号を捕捉する捕捉ステップと
   を有することを特徴とする捕捉方法。

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