WO2020013278A1 - 航法衛星システム受信装置、その航法衛星信号処理方法及びプログラム - Google Patents

航法衛星システム受信装置、その航法衛星信号処理方法及びプログラム Download PDF

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navigation
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誠史 吉田
正勝 藤原
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日本電信電話株式会社
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    • G01S19/42—Determining position

Definitions

  • the present invention relates to a technology for realizing highly accurate time synchronization and positioning in a navigation satellite system even in an environment where a navigation satellite signal cannot always be received as a visible satellite signal.
  • a GPS Global Positioning System
  • GNSS Global Navigation Satellite System
  • the use of the Global Navigation Satellite System (GNSS) is expanding.
  • the GNSS satellite (navigation satellite) is equipped with a high-precision atomic clock synchronized with Coordinated Universal Time (UTC) and transmits navigation satellite signals synchronized with this clock by radio waves.
  • UTC Coordinated Universal Time
  • the navigation satellite signal transmitted from the navigation satellite has a propagation delay before reaching the receiving point, the signals of at least four navigation satellites are simultaneously received in order to correct the delay time, and 3 It is necessary to specify four parameters of the dimensional coordinate information (x, y, z) and the time difference ( ⁇ t) between the satellite and the clock of the receiver.
  • x, y, z the dimensional coordinate information
  • ⁇ t the time difference between the satellite and the clock of the receiver.
  • 24 or more navigation satellites orbit around the earth in six quasi-synchronous orbits with a cycle of about 12 hours.
  • navigation satellite antenna When using GNSS for the purpose of high-precision time synchronization, the line-of-sight space of navigation satellite signals around the antenna that receives navigation satellite signals (hereinafter referred to as navigation satellite antenna) is blocked by buildings, trees, etc. Thus, the number of satellite (hereinafter, visible satellite) signals that can be received as direct waves may be limited.
  • base stations for mobile communication systems tend to be installed at higher density in urban areas where traffic demand is high, but in urban areas the area where four or more navigation satellite signals can always be captured as direct waves is limited. Is done. Therefore, it is important to realize highly accurate and stable time synchronization even in an environment where it is difficult to constantly capture a sufficient number of navigation satellite signals as direct waves and the reception status of navigation satellite signals is not good. Has become.
  • DOP Degree of Precision
  • Another factor that affects accuracy in positioning and time synchronization by navigation satellite signals is reflected waves and diffracted waves (so-called multi-waves) generated by the navigation satellite signals being reflected and diffracted by structures and ground around the receiving position. Path signal).
  • FIG. 13 is a schematic diagram illustrating the state of occurrence of a multipath signal.
  • a multipath signal includes a direct wave (a visible multipath signal) and a non-direct wave (a satellite that cannot be received as a direct wave (hereinafter, an invisible satellite) signal). ) Type.
  • a direct wave a visible multipath signal
  • a non-direct wave a satellite that cannot be received as a direct wave (hereinafter, an invisible satellite) signal).
  • FIGS. 14 and 15 show an example of the reception status of the multipath signal.
  • a GPS satellite antenna in an environment surrounded by buildings as shown in FIG. 14 and receiving GPS satellite signals, as shown in the upper part of FIG.
  • many invisible satellite signals shielded by structures # 2, # 3, # 5, and # 5 in the example of FIG. 15). # 7, # 12, # 17, # 19, # 23, # 25) were confirmed to be received as multipath signals.
  • the reception characteristics of the GPS satellite signal over time are not assumed to be the number of visible satellites obtained from the open space in consideration of the structure around the GPS antenna but are assumed to be an open sky. A number of GPS satellite signals close to the number of satellites were received.
  • open sky means an open reception environment in the sky without any obstacles around.
  • Multipath signals have a longer propagation path length than direct waves, and reach the navigation satellite antenna with a propagation delay.
  • the propagation delay time difference between the reflected wave and the direct wave increases, and the measurement error of the pseudo distance increases.
  • the pseudo distance indicates a distance obtained by multiplying the difference between the transmission time of the navigation satellite signal and the time at which the navigation satellite signal receiving device receives the navigation satellite signal by the speed of light.
  • FIG. 16 shows a difference (time error) between the time obtained by receiving the GPS satellite signal in the environment where the multipath signals shown in FIGS. 14 and 15 are generated and the time obtained by receiving the GPS satellite signal in the nearby open sky environment.
  • 2 shows the configuration of an experimental system used to measure the. GPS satellite signals received in each environment are input to two GPS receivers of the same model, and the phase error of a 1PPS (Pulse @ Per @ Second) signal, which is a timing output signal of generated time information, is measured for time error. It was measured over time with an instrument. With this method, it is possible to quantitatively measure the degree of deterioration of the time synchronization accuracy accompanying the reception of the multipath signal. As a result, as shown in FIG. 17, the time generated from the GPS satellite signal received in the environment where the multipath signal occurs is 250 ns or more at the maximum with respect to the time generated from the GPS satellite signal received in the open sky environment. It was confirmed that it was late.
  • 1PPS Pulse @ Per @ Second
  • the direction of rotation of the circular polarization characteristic of the navigation satellite signal is reversed.
  • the signal intensity of the reflected wave reflected an odd number of times can be attenuated.
  • the signal strength of the reflected wave from the ground or a low elevation angle can be attenuated by the directivity of the navigation satellite antenna in the vertically upward direction.
  • positioning and positioning are determined by the reception strength and the signal-to-noise ratio (Signal-To-Noise Ratio: SNR) of the received navigation satellite signal.
  • SNR Signal-to-noise ratio
  • SNR signal-to-noise ratio
  • FIG. 17 shows a result of measuring time synchronization accuracy when a navigation satellite signal is selected based on a threshold of a carrier-to-noise ratio (CNR), which is one of indexes of a signal-to-noise ratio (SNR).
  • CNR carrier-to-noise ratio
  • SNR signal-to-noise ratio
  • a navigation satellite signal having a small elevation angle has a large reflection angle on a vertical wall surface of a building, and therefore, there is a high possibility that a reflected wave having a large propagation delay time difference reaches a navigation satellite antenna as compared with a direct wave. Therefore, the navigation satellite signal is filtered by the threshold of the elevation angle, the navigation satellite signal with the large elevation angle is used for positioning and time synchronization, and the visible satellite signal and the invisible satellite signal with small propagation delay are preferentially selected. It is expected to reduce the influence of the path signal.
  • This method is called an elevation mask.
  • FIG. 19 shows the result of measuring the time synchronization accuracy when the GPS satellite signals are selected based on the threshold value of the elevation angle in the reception environment of FIG. As shown in FIG. 19, it was confirmed that the time error was improved as the elevation angle threshold was increased.
  • the third method for reducing the influence of the multipath signal implemented in the navigation satellite signal receiving apparatus is to perform preliminary positioning and time synchronization calculation using a combination of navigation satellite signals of a subset of the received navigation satellite signals, This is a method of selecting navigation satellite signals by statistical processing.
  • RAIM Receiveiver Autonomous Integrity Monitoring
  • FDE Fault ⁇ Detection ⁇ and ⁇ Exclusion
  • Non-Patent Document 2 The same statistical processing that pays attention to the delayed arrival of the multipath signal at the navigation satellite antenna with respect to the direct wave, selects the visible satellite signal preferentially, and propagates when the number of visible satellites is less than four. A method of improving the time synchronization accuracy by a method of complementarily selecting an invisible satellite signal having a small delay time has been studied (see Non-Patent Document 2).
  • Method of selecting navigation satellite signal in navigation satellite signal receiving device (1-1) Method using elevation angle mask A navigation satellite used for positioning and time synchronization based on a threshold value set for the elevation angle of navigation satellite signal
  • the method using the elevation mask to select signals is highly effective when the open space is close to a circle with the zenith as the center.
  • visible satellite signals contributing to the above may be excluded. For example, in the reception environment of FIG. 19, if the elevation angle threshold is set to 40 degrees, the visible satellite signal located in the open space on the east side is excluded. For this reason, the navigation satellite signal used for positioning and time synchronization may not be properly selected.
  • the threshold value is strict (when the threshold elevation angle is large), there may be a case where the number of navigation satellite signals required for positioning and time synchronization cannot be temporarily secured.
  • the set value of the threshold is loose (when the threshold elevation angle is small), the invisible satellite signal received as a multipath signal without a direct wave cannot be sufficiently eliminated, and the accuracy may be degraded. There is.
  • (1-2) Method using SNR mask A method using an SNR mask that sets a threshold value for the received signal strength or signal-to-noise ratio of a received navigation satellite signal and selects a navigation satellite signal used for positioning and time synchronization is optimal.
  • the proper threshold value depends on the receiving characteristics of the navigation satellite antenna, the installation environment of the navigation satellite antenna, the sensitivity of the navigation satellite signal receiver, the elevation angle of the navigation satellite, the state of superposition of the interference signal, and the like.
  • interference signals can cause the signal to noise ratio of navigation satellite signals to fluctuate over time.
  • the interference signal may be a jamming signal intentionally transmitted for the purpose of preventing reception of the navigation satellite signal, a signal used in mobile communication, or the like.
  • the positional relationship between the interference signal source and the navigation satellite antenna and the interference signal are considered. If the intensity itself of the navigation satellite signal fluctuates over time, the signal-to-noise ratio of the navigation satellite signal fluctuates over time.
  • the set value of the threshold when the set value of the threshold is strict (when the threshold such as the received signal strength or the signal-to-noise ratio is large), it is necessary for positioning and time synchronization in a time zone when the number of visible satellite signals that can be received decreases. There is a possibility that a certain number of navigation satellite signals cannot be temporarily secured.
  • the set value of the threshold when the set value of the threshold is loose (when the threshold such as the received signal strength or the signal-to-noise ratio is small), the invisible satellite signal received as a multipath signal without a direct wave can be sufficiently eliminated. Cannot be performed, and accuracy may be degraded.
  • a method of receiving a navigation satellite signal in a navigation satellite signal receiving apparatus and performing a correction process (2-1) A method of weighting based on SNR The reception signal strength of the received navigation satellite signal, a signal-to-noise ratio, etc.
  • the signal is received as a multipath signal without a direct wave, compared to the number of visible satellite signals that can be received as a direct wave.
  • the number of invisible satellite signals is larger, the contribution of the invisible satellite signals may be relatively large, and as a result, deterioration of accuracy may not be avoided.
  • a method of attenuating a navigation satellite signal that is inappropriate for use by a navigation satellite antenna (3-1) A method by polarization isolation A circle is used by reversing the rotation direction of the circular polarization of the reflected signal. This is a method of attenuating the signal strength of a navigation satellite signal reflected an odd number of times by a navigation satellite antenna having polarization-dependent isolation characteristics. With this method, it is possible to attenuate the reception intensity of the multipath signal to some extent, but it is possible to receive a signal with an intensity higher than the reception sensitivity of the navigation satellite signal receiver, and it is not possible to eliminate the influence of the multipath signal. There is. For the signal reflected twice more, the rotation direction is further reversed and returns to the original state, so that no attenuation is obtained. For this reason, signals that are not appropriate for use in positioning and time synchronization may not be sufficiently eliminated.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and has a limited reception space for receiving a navigation satellite signal, and a reception state of a navigation satellite signal in which an invisible satellite signal is received as a multipath signal without a direct wave. It is an object of the present invention to provide a navigation satellite system receiving apparatus capable of realizing highly accurate time synchronization or positioning even in an environment where is not good.
  • the present invention provides a navigation satellite system receiving device that performs at least one of a positioning process or a time synchronization process with the navigation satellite based on navigation satellite signals received from a plurality of navigation satellites.
  • a navigation satellite signal receiving unit that calculates a reception position and a reception time based on navigation satellite signals received simultaneously from navigation satellites, and an initial value of a reception position based on navigation satellite signals from four or more navigation satellites capable of simultaneous reception. And calculating the orbital position of each navigation satellite, calculating the arrival time of each navigation satellite signal based on the calculated reception position and orbital position and the time information included in each navigation satellite signal, and calculating the navigation satellite signal based on the calculated arrival time.
  • a reception position is calculated based on the extracted navigation satellite signal, and the arrival time calculation process and the navigation satellite signal are calculated using the calculated reception position.
  • a control unit that controls to perform a positioning process or a time synchronization process based on the navigation satellite signal extracted at the end of the recursion by performing the output process and the calculation process of the reception position recursively. I do.
  • the present invention it is possible to correctly select a navigation satellite signal appropriate for use in time synchronization and positioning and an inappropriate navigation satellite signal. Therefore, the open space for receiving navigation satellite signals is limited, and invisible satellite signals are received as multipath signals without direct waves. The effect of realizing synchronization and positioning is expected.
  • the following effects can be expected in a mode in which positioning and time synchronization are performed simultaneously using four or more navigation satellite signals.
  • At least four or more navigation satellite signals to be used for time synchronization and positioning are selected from the received navigation satellite signals. Therefore, the received signal strength, signal-to-noise ratio, and elevation angle of the received navigation satellite signals are selected. For example, there is no risk that a necessary number of navigation satellites cannot be secured, which has been a problem in the conventional method of setting navigation thresholds and selecting navigation satellite signals to be used for positioning and time synchronization.
  • FIG. 4 is a view for explaining a reception state of a GPS satellite signal in an open sky reception environment.
  • FIG. 3 is a view for explaining a reception state of a GPS satellite signal in a multipath reception environment.
  • FIG. 1 The figure explaining the relationship between the number of navigation satellite signals exceeding the CNR threshold value and the allowable error value Measurement results of positioning accuracy in multipath reception environment
  • Diagram for explaining reception status of multipath signal Configuration diagram showing the time accuracy measurement system in a multipath reception environment Measurement result of deterioration of time accuracy in multipath reception environment and improvement effect by SNR mask
  • Schematic diagram showing the relationship between the elevation angle of the navigation satellite and the reflected wave Degradation of time accuracy in multipath reception environment and measurement results of improvement effect by elevation mask
  • FIG. 1 shows the overall configuration of a system including a navigation satellite system receiving apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • a time synchronization device will be described as an example of a navigation satellite system receiving device.
  • the system includes a navigation satellite antenna 1, a navigation satellite signal receiving unit 2, a time information generating unit 3, a control unit 4, and a setting unit 5.
  • the implementation form of the time synchronization device is not limited, and may be implemented by installing a program in a computer, or may be implemented as a dedicated hard-air device.
  • the navigation satellite antenna 1 is an antenna for receiving navigation satellite signals.
  • the navigation satellite signal receiving unit 2 is a functional unit that receives a plurality of navigation satellite signals, calculates time information at a reception position, and outputs the time information to the time information generation unit 3.
  • the time information generation unit 3 is a functional unit that generates time information and outputs it to the outside.
  • the control unit 4 is a functional unit for controlling the navigation satellite signal receiving unit and the time information generating unit.
  • the setting unit 5 is a functional unit for setting various parameters of the system. Hereinafter, the configuration and operation of each functional unit will be described in detail.
  • the navigation satellite antenna 1 is connected to the navigation satellite signal receiving unit 2 by a coaxial cable or the like, and transmits the received navigation satellite signal to the navigation satellite signal receiving unit 2.
  • the navigation satellite signal receiving unit 2 receives the signals of at least four navigation satellites at the same time, and thereby outputs the three-dimensional coordinate information (x, y, z) of the signal receiving position and the time information received from the navigation satellites.
  • Four parameters of the reception time information (t) corrected based on the propagation delay time from the position to the reception point are specified by calculation.
  • the navigation satellite signal receiving section 2 corrects the transmission delay time of a transmission path such as a coaxial cable between the navigation satellite antenna 1 and the navigation satellite signal receiving section 2 to generate time information at the installation position of the navigation satellite antenna 1. I do.
  • the navigation satellite signal receiving unit 2 outputs the time information synchronized with the navigation satellites generated in this way and information on the used navigation satellites to the time information generation unit 3 and the control unit 4.
  • time information as an example, a timing signal in a signal format such as 1PPS (Pulse @ Per @ Second) synchronized with the navigation satellite signal and information about the absolute time such as time / second (ToD: Time of the day) are notified.
  • Time code data in a format such as NMEA0183 is used.
  • a navigation satellite system type, a satellite number, an azimuth, an elevation angle, a CNR, and the like in a format such as NMEA0183 are used.
  • the navigation satellite signal receiving unit 2 selects a navigation satellite signal used for positioning and time synchronization based on an instruction from the control unit 4.
  • the navigation satellite signal receiving unit 2 may be installed inside the device, or a navigation satellite signal receiving device placed outside the device may be used.
  • the navigation satellite signal receiving unit 2 can store reception position information calculated by positioning based on the navigation satellite signal. In this case, assuming that the position of the navigation satellite antenna 1 does not move, time synchronization can be continuously performed by receiving at least one navigation satellite signal thereafter. Continuously performing time synchronization using the stored reception position information and at least one navigation satellite signal is referred to as “position fixed mode”.
  • the time information generating unit 3 is a function unit for generating time information synchronized with the navigation satellite signal. Based on the time information supplied from the navigation satellite signal receiving unit 2, a predetermined standard time, here Generate a time signal synchronized with UTC. Specifically, the time information generating unit 3 has a reference frequency oscillator and a phase locked loop (PLL: Phase Locked Loop) mounted therein, and is dependent on the 1PPS signal supplied from the navigation satellite signal receiving unit 2. At the same time as synchronizing the timing, time information matching the absolute time based on the ToD information supplied from the navigation satellite signal receiving unit 2 is generated. When the signal from the navigation satellite signal receiving unit 2 is interrupted, the time information generating unit 3 can maintain and continue the generation of the time information by self-running (holdover) by the reference frequency oscillator.
  • PLL Phase Locked Loop
  • the time information generating unit 3 has a role of supplying time information to a device (time synchronized device) external to the device that performs time synchronization.
  • a device time synchronized device
  • Ethernet registered trademark
  • PTP Precision Time Protocol
  • IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers 1588 version2.
  • the control unit 4 controls the navigation satellite signal receiving unit 2 and the time information generating unit 3 based on the parameter information input to the setting unit 5 and implements an algorithm for generating time information, which will be described later. Processing such as comparison of time information output from the section 2 and extraction of navigation satellites is performed.
  • the setting unit 5 externally sets various parameters necessary for the operation of the system.
  • the parameters to be set include a correction value of a transmission delay time generated in a transmission path such as a coaxial cable connecting the navigation satellite antenna 1 and the navigation satellite signal receiving unit 2, a navigation satellite signal type to be used, and a time zone of the navigation satellite signal reception position. And setting parameters for realizing an algorithm for generating positioning information and time information, which will be described later.
  • the present invention provides high-precision time information having a small error with respect to the time of a navigation satellite system and high-precision position when an invisible satellite signal is received as a multipath signal (reflected wave, diffracted wave) without a direct wave.
  • the present invention relates to a navigation satellite system receiving device for generating information. The operation algorithm will be described below.
  • a visible satellite signal (a direct wave signal or a multipath signal accompanied by a direct wave), an invisible satellite signal (a Regardless of whether the signal is a multipath signal without waves), signals from four or more navigation satellites can be received. It is assumed that it is unknown whether the received navigation satellite signal is a visible satellite signal or an invisible satellite signal.
  • improving the positioning accuracy means reducing the difference between the true value of the coordinates of the reception position of the navigation satellite signal by the navigation satellite antenna 1 and the coordinates of the positioning result.
  • Improving time accuracy means reducing the difference from the time generated by the visible satellite signal received in the open sky environment at the position where the navigation satellite antenna 1 receives the navigation satellite signal.
  • the control unit 4 controls the navigation satellite signal receiving unit 2 and the time information generating unit 3 based on the set values of the parameters set by the setting unit 5 to generate the time information according to the procedure.
  • the procedure includes the following procedure (A) procedure for determining initial coordinate values and procedure (B) satellite selection and time synchronization procedure.
  • Procedure (A) is a procedure from the start of reception of navigation satellite signals to determination of initial coordinate values
  • procedure (B) is a procedure of selecting navigation satellite signals and performing positioning and time synchronization.
  • the reception position of the time synchronization device is estimated, so that it is referred to as “position estimation mode”.
  • Procedure (A) The threshold value of the signal-to-noise ratio (SNR) preset in the setting unit 5 among the n navigation satellite signals received after a predetermined reception time preset in the setting unit 5 after the start of the time synchronization device Select navigation satellite signals that exceed.
  • the CNR can be used as one of the indexes of the SNR. If the number of selected satellites is less than four, a navigation satellite signal is selected from satellites having a large CNR in addition to the satellites selected so that the total number of satellites is four.
  • the reception time is set so that the time synchronizer acquires a navigation satellite signal and acquires orbit information of the satellite, that is, position information of the navigation satellite from the navigation satellite signal.
  • satellite orbit information includes two types of orbit data: Almanac data, which is general orbit data of all operating GPS satellites, and Ephemeris data, which is precise orbit data of each satellite.
  • Almanac data which is general orbit data of all operating GPS satellites
  • Ephemeris data which is precise orbit data of each satellite.
  • Each can be acquired from the navigation message included in the navigation satellite signal, but it takes 12 minutes and 30 seconds to acquire almanac data.
  • a navigation satellite signal having a large CNR is promptly received after startup by an operation called random search, and the orbit data of the satellite can be obtained as ephemeris data from the navigation message of the satellite. Therefore, even if the reception time is set to a time shorter than the time required for acquiring almanac data, the operation does not necessarily hinder the operation.
  • Procedure (B) (A) Based on the initial coordinate values calculated in the procedure (A), the arrival time at the position of the initial coordinate value is calculated from the positions of the received n navigation satellites and the time of the navigation satellite signal. (B) said determining the earliest time T 0 of n arrival time calculated in (A). (C) Next, a reference time of T 0 + dT 1 is set based on the allowable error value dT 1 set in the setting unit 5 in advance. (D) A navigation satellite signal that is earlier than T 0 + dT 1 is extracted from the n arrival times calculated in (a). (E) If the number of navigation satellite signals extracted in (d) is four or more, positioning is performed using the extracted navigation satellite signals, and the initial coordinate values in (a) are updated.
  • Procedure (B ') (A) Based on the initial coordinate values calculated in the procedure (A), the arrival time at the position of the initial coordinate value is calculated from the positions of the received n navigation satellites and the time of the navigation satellite signal. (A) The average of the times of arrival at the position of the initial coordinate value calculated in (A) for each of m (where n> m) nCm combinations of the n received navigation satellites Calculate the value. (C) determining the earliest time T 0 of the average value of the (i) nCm number of arrival time calculated in. (D) Next, a reference time of T 0 + dT 2 is set based on the allowable error value dT 2 set in the setting unit 5 in advance.
  • a navigation satellite signal that is earlier than T 0 + dT 2 is extracted from the n arrival times calculated in (A).
  • F When the number of navigation satellite signals extracted in (e) is four or more, positioning is performed using the extracted navigation satellite signals, and the initial coordinate values in (a) are updated.
  • G The above (a) to (f) are repeatedly performed during the coordinate value updating period set in the setting unit 5 in advance. That is, recursive processing is performed in which the position information is used as a parameter and the end condition is the processing time.
  • Positioning and time synchronization are performed using the navigation satellite signal extracted in (g), and the obtained time information is used as time information generated by the received navigation satellite signal.
  • Procedure (B ) (A) Based on the initial coordinate values calculated in the procedure (A), the arrival time at the position of the initial coordinate value is calculated from the positions of the received n navigation satellites and the time of the navigation satellite signal. (A) The average of the times of arrival at the position of the initial coordinate value calculated in (A) for each of m (where n> m) nCm combinations of the n received navigation satellites Calculate the value. (C) determining the earliest time T 0 of the average value of the (i) nCm number of arrival time calculated in. (D) Next, a reference time of T 0 + dT 3 is set based on the allowable error value dT 3 set in the setting unit 5 in advance.
  • (E) The navigation satellite signals included in the combination earlier than T 0 + dT 3 are extracted from the average of the arrival times of the nCm combinations calculated in (a).
  • (F) Positioning is performed using the navigation satellite signal extracted in (e), and the initial coordinate values in (a) are updated.
  • (G) The above (a) to (f) are repeatedly performed during the coordinate value updating period set in the setting unit 5 in advance. That is, recursive processing is performed in which the position information is used as a parameter and the end condition is the processing time.
  • Positioning and time synchronization are performed using the navigation satellite signal extracted in (g), and the obtained time information is used as time information generated by the received navigation satellite signal.
  • the above-mentioned permissible error value dT (dT 1 in procedure (B), dT 2 in procedure (B ′), dT 3 in procedure (B ′′)) is a parameter set by the setting unit 5. Note that the allowable error value dT may be set to 0. A method for determining the allowable error value dT will be described later.
  • a satellite related to a navigation satellite signal whose reception intensity or CNR threshold exceeds a predetermined threshold has a high probability of being a visible satellite. If the CNR is received at 40 dB-Hz or higher, the navigation satellite signal is likely to be a visible satellite signal. Therefore, it is preferable to use a value of 40 dB-Hz as the CNR threshold in the procedure (A). When the number of satellites exceeding the CNR threshold is less than four, the navigation satellite signals are selected in descending order of CNR, and the number is set to four.
  • the navigation satellite signal selected in the procedure (A) in this way includes a large amount of visible satellite signals, and as a result, the error of the initial coordinate values calculated in the procedure (A) is reduced to all of the received navigation satellites. It is expected that the error is small as compared with the error of the coordinate value calculated using the signal.
  • a navigation satellite signal whose arrival time is earlier than the initial coordinate value calculated in the procedure (A) is selected.
  • the navigation satellite signal selected in this way has a high probability of being a visible satellite or an invisible satellite with a small propagation delay.
  • the number of the selected navigation satellite signals is four or more, since the positioning calculation is performed and the initial coordinate value calculated in the procedure (A) is updated, it is expected that the error of the initial coordinate value is reduced.
  • the error in the initial coordinate values is further reduced, and the navigation satellite signal selected based on this is a visible satellite signal. Alternatively, it is expected that the accuracy of an invisible satellite having a small propagation delay is improved.
  • the earliest time T 0 among the n arrival times is determined based on the initial coordinate values calculated in the procedure (A), whereas in the procedures (B ′) and (B ′′), the procedure is performed.
  • the time T 0 is calculated from the earliest time among the average values of the nCm arrival times, and in the procedure (B), an unexpected measurement error may occur in T 0 . the case, it is possible to eliminate the influence of fluctuation or the like of the measurement for calculating the T 0 by arrival times of steps (B ') and procedure (B ") in a plurality of navigation satellite signals.
  • the optimal value of the set value of the allowable error value dT differs depending on the reception state of the navigation satellite signal. In the open sky reception environment, a lot of visible satellite signals are received. In that case, it is necessary to receive as many navigation satellite signals as possible evenly distributed in the sky to reduce the DOP value and improve the accuracy. It is valid. For that purpose, it is necessary to set a relatively large value of the allowable error value dT and select as many visible satellite signals as possible. Since the arrival time of the visible satellites signal delay is small from the reference time T 0, it may be possible to select all visible satellites signals is set to 20ns about as tolerance value dT. On the other hand, if the value of the allowable error value dT is 0 or 20 ns or less, there is a possibility that not all visible satellite signals can be selected.
  • the allowable error value dT when the allowable error value dT is 0, it is expected to select a navigation satellite signal that realizes the highest accuracy, including a visible satellite signal.
  • the value of the permissible error value dT increases, more invisible satellite signals are selected, and there is a concern that positioning / time synchronization accuracy may deteriorate. That is, the smaller the allowable error value dT, the better.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing the relationship between the set value of the allowable error value dT and the time synchronization accuracy.
  • the larger the set value of the permissible error value dT the smaller the time error which is a deviation from the true value of the time.
  • the larger the set value of the permissible error value dT the longer the time error. It indicates that the number increases.
  • the case where the number of visible satellites is 8 or more is defined as “open sky reception environment”
  • the case where the number of visible satellites is 4 or less is defined as “multipath reception environment”.
  • FIG. 3 shows a configuration of an experimental system used for measuring a time error caused by the set value of the allowable error value dT in an open sky environment.
  • the GPS receiver # 1 that generates a reference signal (1 PPS signal and 10 MHz clock signal) serving as a reference signal does not perform satellite selection.
  • it GPS receiver # 2 using the procedure (B ') according to the above embodiment, performing satellite selection by the setting of the allowable error value dT (dT 2) after having set the m to 4.
  • the evaluation index is a value of the measured time error.
  • FIG. 4 shows a measurement result of a time error when a navigation satellite signal is selected with the allowable error value dT set to 0 ns, 10 ns, and 20 ns in an open sky environment.
  • FIG. 5 shows software for observing the status of received and used (selected) navigation satellite signals at an epoch (time) when the value of the allowable error value dT is set to 0 ns and 10 ns in an open sky environment. Partial screen copy.
  • a hatched circle indicating a navigation satellite indicates that a navigation satellite signal from the navigation satellite has been received but is not used (selected).
  • FIG. 6 shows a result of measuring a time error using the measurement system of FIG. 16 in the multipath reception environment shown in FIGS. 14 and 15.
  • procedure (B ') m was set to 4.
  • the allowable error value dT (dT 2 ) is set to 20 ns
  • the maximum value of the time error reaches about 60 ns
  • the allowable error value dT is set to 0 ns and 5 ns
  • the time becomes It was confirmed that the maximum value of the error was reduced to about 20 ns.
  • FIG. 7 and 8 are screen shots of software for observing the reception status of the navigation satellite signal.
  • FIG. 7 shows a case where the satellite selection algorithm of the present invention is not used as a comparison object
  • FIG. 4 shows an example of a GPS satellite signal reception state and a use (selection) state in the case where the GPS satellite signal is received.
  • GPS satellite signal is selected.
  • the satellite selection with the allowable error value dT of 5 ns is performed, the GPS satellite signal estimated as the visible satellite signal is selected. It is considered that as a result of effectively eliminating the invisible satellite signal by the satellite selection algorithm of the present invention, the time synchronization accuracy has been improved.
  • the allowable error value dT is preferably determined according to the reception environment of the navigation satellite signal. Specifically, it is preferable to increase the allowable error value dT as the reception environment is closer to the open sky environment, and to decrease the allowable error value dT as the reception environment is closer to the multipath environment. In other words, it is preferable that the allowable error value dT increases as the number of visible satellites increases, and the allowable error value dT decreases as the number of visible satellites decreases.
  • Reception environment of the actual satellite signal is assumed to be various reception environments from a so-called open sky state where no structure exists around the navigation satellite antenna to a reception environment where there is no visible satellite signal.
  • a method of optimizing the set value of the error allowable value dT according to the reception environment a method of referring to the reception state (CNR) of the navigation satellite signal received in the procedure (A) is considered to be effective. That is, based on the CNR, when there are many navigation satellite signals having a large CNR, it is estimated that the reception environment is closer to the open sky, in other words, it is estimated that the number of visible satellites is large, and the error tolerance dT is set to a large value. Set to. Conversely, when these navigation satellite signals are small, it is estimated that the reception environment is closer to the multipath environment, in other words, it is estimated that the number of visible satellites is small, and the error tolerance dT is set to 0 or a small value. Set.
  • the value of the allowable error value dT based on the number of navigation satellite signals exceeding the CNR threshold set in the procedure (A). Since a satellite related to a navigation satellite signal having a CNR threshold value higher than a predetermined threshold value is highly likely to be a visible satellite, the number of navigation satellite signals is estimated to be the number of visible satellites.
  • FIGS. 9 and 10 are screen copies of software for observing the reception state of the GPS satellite signal with respect to the reception environment.
  • FIG. 9 shows the case where observation is made in the open sky reception environment
  • FIG. 10 shows the case where observation is made in the multipath reception environment.
  • An example of the reception status of a GPS satellite signal is shown.
  • the CNR threshold is set to 40 dB-Hz
  • the number of GPS satellite signals exceeding the CNR threshold is 11 in FIG. 9, and four in FIG.
  • FIG. 11 is a diagram showing a function for obtaining an allowable error value dT set for the number of navigation satellite signals exceeding the CNR threshold.
  • the allowable error value dT is set to increase linearly from 0 ns to 5 ns, and the number of navigation satellite signals exceeding the CNR threshold is 4 to 10 ns.
  • the allowable error value dT is set to increase linearly from 5 ns to 20 ns, and when the number of navigation satellite signals exceeding the CNR threshold is 10 or more, the allowable error value dT is set to 20 ns.
  • the setting examples shown in FIGS. 9 to 11 are not limited to the above examples.
  • the constants (4 and 10) for the number of signals exceeding the threshold and the function for obtaining the allowable error value dT to be set for the number of navigation satellite signals exceeding the CNR threshold appropriate values and appropriate function formulas are determined based on experiments and the like.
  • the index used for estimating the reception environment is not only CNR which is one of the SNR indices, but also the reception status of navigation satellite signals such as SNR itself and reception intensity. Other indices can be used.
  • the navigation satellite signal receiving unit 2 performs positioning and time synchronization using a designated navigation satellite signal among the received navigation satellite signals based on an instruction from the control unit 4, and obtains time information and navigation satellites obtained as a result.
  • the signal information is output to the time information generation unit 3 and the control unit 4.
  • the time information generation unit 3 generates and outputs time information based on the time information and the navigation satellite signal information output from the navigation satellite signal reception unit 2 and the parameter values input from the control unit 4.
  • the control unit 4 creates a table of combinations of navigation satellite signals based on the information of the received navigation satellite signals output from the navigation satellite signal receiving unit 2 and the setting information of the parameters input to the setting unit 5, and performs navigation. It instructs the satellite signal receiver 2 to perform positioning and time synchronization.
  • the time information obtained from the navigation satellite signal receiving unit 2 is compared, the navigation satellite is extracted, and the navigation satellite is finally specified to the navigation satellite signal receiving unit 2 to specify the time information. It instructs positioning and time synchronization for obtaining time information to be output to the generation unit 3.
  • the allowable error value dT calculated based on the reception intensity or CNR of the navigation satellite signal received by the navigation satellite signal receiving unit 2 and the setting information such as the threshold value input to the setting unit 5 is used.
  • the control unit 4 outputs the parameter setting information input to the setting unit 5 to the navigation satellite signal receiving unit 2 and the time information generating unit 3.
  • the present invention does not depend on the receiving characteristics of the navigation satellite antenna and the performance of the navigation satellite signal receiving apparatus, and the navigation satellite signal suitable for time synchronization is used. By selecting, the effect of effectively eliminating the influence of the multipath signal of the invisible satellite signal and improving the time synchronization accuracy can be expected.
  • the navigation satellite signal receiving device selects the navigation satellite signal used for time synchronization, it is not necessary to implement circular polarization isolation or vertical isolation in the navigation satellite antenna. Costs can be reduced.
  • the reception environment of the navigation satellite signal that is, even in an environment where the required number of visible satellite signals cannot be temporarily captured, the reception environment is not good, or the open sky It is possible to generate highly accurate time information synchronized with the navigation satellite signal even in a good reception environment.
  • the average of the arrival times of the nCm combinations is calculated by the above procedures (B ′) (and (B ′′), but the positioning / time using the combination of the navigation satellite signals of a subset of the conventional received navigation satellite signals is calculated. Since the amount of calculation is much smaller than the method of preliminarily performing synchronous calculation and selecting navigation satellite signals by statistical processing, it is necessary to select satellites due to the limitation of signal processing resources in the navigation satellite system receiver. Is difficult to execute, or it takes a long time to calculate, and it is difficult to timely select a satellite.
  • the time synchronization device configured to implement the position estimation mode in which the position information of the reception position is unnecessary, but is started in the position estimation mode first, and thereafter the position is fixed based on the derived position.
  • the operation to shift to the mode may be performed.
  • the difference between the position calculated last time and the position calculated this time is compared with a predetermined threshold value, and the state of temporal change of the derived position, in other words, the convergence of the derived position
  • all of the received n navigation satellite signals are to be processed (steps (a), (B ′), and (B ′′) of procedure (B)).
  • the present invention may be applied after selecting a predetermined number of navigation satellite signals by a masking process such as an elevation mask or a CNR mask.
  • the termination condition in the recursive processing of the procedures (B), (B ′) and (B ′′) is based on whether the processing time is equal to or less than a predetermined threshold. For example, one of a condition in which the number of restarts is compared with a predetermined threshold value, a condition in which a difference between a position calculated last time and a position calculated this time is compared with a predetermined threshold value, or Any combination of conditions in which these are compared with the processing time and a predetermined threshold may be used.
  • the position of the navigation satellite antenna is fixed, but the present invention can be applied to a configuration in which the navigation satellite antenna is moved. In this case, the frequency of updating the output of the position estimation mode is improved as necessary.
  • one navigation satellite system is used.
  • the present invention can be applied to a so-called multi-GNSS usage mode in which a plurality of navigation satellite systems are used in combination.
  • GNSS global navigation satellite system
  • RNSS regional navigation satellite
  • Global navigation satellite systems include GPS, GLONASS, Galileo, and Beidou
  • regional navigation satellite systems include QZSS.
  • the time synchronization device has been described as an example of the navigation satellite system receiving device.
  • the present invention can be applied to a positioning device to improve the positioning accuracy. That is, the navigation satellite signal selection algorithm used for generating the time information in the above-described time synchronization device can be applied to the generation of the reception position information.
  • the reception position information obtained as a result of the positioning in the step (g) of the procedure (B) or the step (h) of the procedures (B ′) and (B ′′) may be output.
  • the reception position information obtained by positioning by the navigation satellite signal receiving unit 2 in the step (h) of the procedures (B ′) and (B ′′) may be output.
  • the navigation satellite signal receiving unit 2 outputs In order to output the reception position information in a predetermined format or timing, a reception position information output unit may be further provided.
  • FIG. 12 shows the result of measuring the positioning accuracy in the multipath reception environment shown in FIGS. 14 and 15 using the positioning device according to the above embodiment.
  • m was set to 4. It was confirmed that when the value of the allowable error value dT (dT 2 ) was set to 5 ns, the positioning accuracy was significantly improved as compared with the case where satellite selection was not performed.

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Abstract

航法衛星信号を受信する開空間が制限され、不可視衛星信号が直接波を伴わないマルチパス信号として受信される、航法衛星信号の受信状態が良好ではない環境においても、高精度な時刻同期又は測位を実現することが可能な航法衛星システム受信装置を提供する。航法衛星システム受信装置は、４つ以上の航法衛星から同時に受信した航法衛星信号に基づき受信位置及び受信時刻を算出する航法衛星信号受信部１と、各航法衛星信号に基づき受信位置の初期値及び各航法衛星の軌道位置を算出し、算出した受信位置及び軌道位置並びに各航法衛星信号に含まれる時刻情報に基づき各航法衛星信号の到達時刻を算出し、算出した到達時刻に基づき航法衛星信号を抽出し、抽出した航法衛星信号に基づき受信位置を算出し、算出した受信位置を用いて前記到達時刻の算出処理と前記航法衛星信号の抽出処理を再帰的に行い、再帰の終了時において抽出された航法衛星信号に基づき測位処理又は時刻同期処理を行うよう制御する制御部２とを備えた。

Description

航法衛星システム受信装置、その航法衛星信号処理方法及びプログラム
　本発明は、航法衛星システムにおいて、航法衛星信号を常時、可視衛星信号として受信できない環境においても、高精度な時刻同期や測位を実現する技術に関する。
　時分割複信（ＴＤＤ：Time Division Duplex）方式のモバイル通信システムで必要となる、基地局間の高精度な時刻（タイミング）同期を実現する手段として、ＧＰＳ（Global Positioning System）をはじめとする全地球航法衛星システム（ＧＮＳＳ：Global Navigation Satellite System）の利用が拡大している。ＧＮＳＳ衛星（航法衛星）は協定世界時（ＵＴＣ：Coordinated Universal Time）に同期した高精度な原子時計を搭載し、これに同期した航法衛星信号を電波により送信するが、地球上の任意の地点で航法衛星信号を受信することによってＵＴＣに高精度に時刻同期することが可能となる。
　航法衛星から送信される航法衛星信号は受信地点に到達するまでに伝播遅延を生じることから、遅延時間を補正するために少なくとも４機の航法衛星の信号を同時に受信し、信号の受信位置の３次元座標情報（ｘ，ｙ，ｚ）及び衛星と受信機の時計の時刻差（Δｔ）の４つのパラメータを特定する必要がある。ＧＰＳの場合、２４機以上の航法衛星を６つの準同期軌道上で約１２時間の周期で地球を周回して運用しているが、測位と時刻同期を定常的に実現するためにはこのうち少なくとも４機の航法衛星を常時捕捉可能な環境を選択する必要がある。
　高精度な時刻同期を目的としてＧＮＳＳを利用する際に、航法衛星信号を受信するアンテナ（以下、航法衛星アンテナ）周辺の航法衛星信号の見通し空間が建造物や樹木等により遮断されることが原因となり、直接波として受信可能な衛星（以下、可視衛星）信号数に制限を生じる場合がある。一般的にモバイル通信システムの基地局はトラフィック需要の多い都市部においてより高密度に設置される傾向にあるが、都市部では常時４機以上の航法衛星信号を直接波として捕捉可能なエリアは限定される。そのため、十分な数の航法衛星信号を直接波として常時捕捉することが困難な、航法衛星信号の受信状態が良好ではない環境においても高精度に、かつ安定した時刻同期を実現することが課題となっている。
　航法衛星信号を使用した測位、または航法衛星信号への時刻同期を行う際には直接波として受信される可視衛星信号をより多く受信できる、開空間の開けた受信環境を選択することが精度を向上する上で有効である。さらに可視衛星が天空上に万遍なく分散して位置している方が測位、時刻の精度が一層向上することが期待される。天空上の衛星配置の偏りによる精度劣化を表す指標としてＤＯＰ（Dilution Of Precision：精度低下率）と呼ばれる指標がしばしば用いられる。
　航法衛星信号による測位、時刻同期においてこの他に精度に影響を与える要因としては、航法衛星信号が受信位置周辺の構造物や地面により反射、回折することにより生じる、反射波、回折波（いわゆるマルチパス信号）の受信が挙げられる。
　図１３にマルチパス信号の発生状況を説明する模式図を示す。図１３に示す通り、マルチパス信号には直接波を伴うケース（可視衛星信号のマルチパス信号）と直接波を伴わないケース（直接波として受信できない衛星（以下、不可視衛星）信号のマルチパス信号）の種別がある。前者については直接波の受信強度がマルチパス信号の受信強度よりも大きい通常のケースでは航法衛星信号受信装置における相関信号処理により、マルチパス信号の影響を効果的に低減する方策がこれまでに検討されている（非特許文献１参照）。一方、後者の直接波を伴わない不可視衛星のマルチパス信号については当該の航法衛星信号を測位や時刻同期に使用しない場合を除き、その影響を取り除くことは困難であるため測位精度や時刻同期精度に及ぼす影響が大きい。
　図１４及び図１５にマルチパス信号の受信状況の一例を示す。図１４に示すような周囲を建造物で囲まれた環境にＧＰＳ衛星アンテナを設置してＧＰＳ衛星信号を受信した結果、図１５上段に示すように、ＧＰＳ衛星アンテナ設置位置における天空画像上で開空間に位置する可視衛星信号（図１５の例では、＃６、＃９）以外にも構造物に遮蔽された不可視衛星信号の多く（図１５の例では、＃２、＃３、＃５、＃７、＃１２、＃１７、＃１９、＃２３、＃２５）がマルチパス信号として受信されることが確認された。また、図１５下段に示すように、経時的なＧＰＳ衛星信号の受信特性についてもＧＰＳアンテナ周辺の構造物を考慮した開空間からシミュレーションで得られる可視衛星数よりもむしろ、オープンスカイを仮定した受信衛星数に近い数のＧＰＳ衛星信号が受信された。ここで「オープンスカイ」とは周囲に遮蔽物のない上空の開けた受信環境を意味する。
　マルチパス信号は直接波と比較して伝搬経路長が長く、伝搬遅延を伴って航法衛星アンテナに到達する。航法衛星アンテナから反射点までの距離が大きいほど反射波の直接波に対する伝搬遅延時間差が大きくなり、疑似距離の計測誤差が大きくなる。ここで疑似距離とは航法衛星信号の送信時刻と航法衛星信号受信装置が航法衛星信号を受信した時刻の差に光速を乗算した距離を指す。疑似距離の計測誤差が大きくなると時刻同期精度および測位精度が劣化する。
　図１６に図１４及び図１５のマルチパス信号が発生する環境でＧＰＳ衛星信号を受信して得られる時刻と近傍のオープンスカイ環境でＧＰＳ衛星信号を受信して得られる時刻の差（タイムエラー）を計測するために使用した実験系の構成を示す。それぞれの環境で受信されたＧＰＳ衛星信号を同一機種の２台のＧＰＳレシーバにそれぞれに入力し、生成された時刻情報のタイミング出力信号である１ＰＰＳ（Pulse Per Second）信号の位相差をタイムエラー計測器により経時的に計測した。この方法によりマルチパス信号の受信に伴う、時刻同期精度の劣化の度合いを定量的に計測することができる。その結果、図１７に示すようにマルチパス信号が発生する環境で受信したＧＰＳ衛星信号から生成された時刻はオープンスカイ環境で受信したＧＰＳ衛星信号から生成された時刻に対して最大で２５０ｎｓ以上、遅れることが確認された。
　以上に説明した通り、受信位置の周囲を構造物に遮られる理想的ではない受信環境において航法衛星信号による時刻同期および測位の精度を向上するには、天空上の分散した位置にある可視衛星信号をできるだけ多く受信し、かつ、マルチパス信号による影響を有効に取り除く必要がある。
　前者の天空上の開空間に位置する可視衛星信号をより多く受信するためには、できるだけ開空間の開かれた受信位置を選択する他に、複数の航法衛星システムを併用するマルチＧＮＳＳと呼ばれる利用形態が有効である。
　一方、マルチパス信号の影響を低減する方法としてはこれまでに様々な方法が検討されている。
　マルチパス信号は建造物等で反射する際に航法衛星信号の円偏波特性の旋転方向が反転する。この反射に伴う円偏波特性の反転を利用し、航法衛星アンテナに円偏波特性に依存するアイソレーション特性を備えることによって奇数回反射した反射波の信号強度を減衰させることができる。また、航法衛星アンテナの鉛直上方向の指向性により地面や低仰角からの反射波の信号強度を減衰させることができる。以上が航法衛星アンテナによる、マルチパス信号の影響の低減方法の１つである。
　一方、航法衛星信号受信装置において実現される、マルチパス信号の影響を低減する方法としては、受信した航法衛星信号の受信強度や信号対雑音比（Signal-To-Noise Ratio：ＳＮＲ）によって測位や時刻同期を行う際に使用する航法衛星信号に相対的に重み付けの処理を行なう方法、あるいは受信した航法衛星信号の受信強度や信号対雑音比（ＳＮＲ）の閾値によって測位や時刻同期に使用する航法衛星信号を選別する方法が挙げられる。後者の方法はＳＮＲマスクと呼ばれる。航法衛星信号が受信位置周辺の建造物で反射、回折する際に建造物の材質や反射、回折の角度に応じて信号強度が減衰するため、直接波として受信される可視衛星信号は反射・回折を伴う不可視衛星信号と比較して相対的に信号対雑音比（ＳＮＲ）が大きいことが期待される。そこで受信した航法衛星信号の信号対雑音比（ＳＮＲ）に基づき、航法衛星信号を選別あるいは重み付けを行うことにより、測位や時刻同期を行う際の可視衛星信号の寄与を高め、精度を改善することが期待される。図１７に、信号対雑音比（ＳＮＲ）の指標の一つであるＣＮＲ（Carrier-To-Noise Ratio）の閾値によって航法衛星信号を選別した場合の、時刻同期精度を測定した結果を示す。図１７の計測においては受信したＧＰＳ衛星信号からＣＮＲが３５ｄＢ－Ｈｚ以上のＧＰＳ衛星信号を選択して時刻を生成した結果、タイムエラーは１００ｎｓ以下に大幅に改善することが確認された。
　航法衛星信号受信装置において実現される、２つめのマルチパス信号の影響の低減方法について説明する。図１８に示す通り、航法衛星信号を反射、回折する航法衛星アンテナ周辺の建造物の高さは有限であることから、マルチパス信号の受信しやすさは航法衛星信号の仰角に依存する。建造物と航法衛星アンテナの設置位置との距離に対して仰角の大きい航法衛星信号は建造物の鉛直方向の壁面において小さな反射角で反射するため、反射信号は地面方向に伝搬し、航法衛星アンテナに到達しない。一方、仰角の小さい航法衛星信号は建造物の鉛直方向の壁面における反射角が大きいため、直接波と比較して大きな伝搬遅延時間差を伴う反射波が航法衛星アンテナに到達する可能性が高い。このため、航法衛星信号を仰角の閾値によりフィルタリングし、仰角の大きい航法衛星信号を測位、時刻同期に使用することにより、可視衛星信号や伝搬遅延の小さい不可視衛星信号を優先的に選択し、マルチパス信号の影響を低減することが期待される。この方法は仰角マスクと呼ばれる。図１９に図１４の受信環境において仰角の閾値によってＧＰＳ衛星信号を選別した場合の、時刻同期精度を測定した結果を示す。図１９に示す通り、仰角の閾値を増大するのに伴いタイムエラーが改善することが確認された。
　航法衛星信号受信装置において実現される、３つめのマルチパス信号の影響の低減方法は受信した航法衛星信号のサブセットの航法衛星信号の組合せを使用した測位・時刻同期演算を予備的に実施し、統計的な処理により航法衛星信号を選別する方法である。航空管制システム等では航法衛星システムのインテグリティ保証のため、正常な運用状態にない航法衛星信号をこうした統計的な信号処理により検知するＲＡＩＭ（Receiver Autonomous Integrity Monitoring）と呼ばれる方法や検知に加え排除を行うＦＤＥ（Fault Detection and Exclusion）と呼ばれる方法が使用されている。マルチパス信号が直接波に対して航法衛星アンテナに遅れて到達することに着目した同様の統計的処理により可視衛星信号を優先的に選択し、可視衛星数が４機に満たない場合には伝搬遅延時間の小さい不可視衛星信号を補完的に選択する方法による時刻同期精度の改善方法が検討されている（非特許文献２参照）。
久保信明、「ＧＰＳ測位におけるマルチパス誤差の低減化と高精度測位の可能性について」、博士論文、東京海洋大学、２００５年 吉田誠史　他、「不可視衛星のマルチパス信号の影響を低減したＧＮＳＳ時刻同期精度の改善」、測位航法学会全国大会、２０１７年
　航法衛星信号による測位や時刻同期において不可視衛星信号の影響による精度の劣化を低減する、従来の方法における課題として以下の点が挙げられる。
　（１）航法衛星信号受信装置において航法衛星信号の選択を行う方法
　（１－１）仰角マスクによる方法
　航法衛星信号の仰角に閾値を設定し、これに基づいて測位、時刻同期に使用する航法衛星信号を選択する仰角マスクによる方法は開空間が天頂を中心とした円形状に近い場合には適用の効果が高いが、それ以外の一般的な受信環境においては本来、測位、時刻同期精度の向上に寄与する可視衛星信号をも排除してしまう可能性がある。例えば図１９の受信環境では仰角閾値を４０度に設定した場合、東側の開空間に位置する可視衛星信号は排除されてしまう。このため測位、時刻同期に使用する航法衛星信号の選択が適切に行われないことがあった。また、閾値の設定値が厳格な場合（閾値仰角が大きい場合）には測位、時刻同期に必要な数の航法衛星信号が一時的に確保できないケースを生じる可能性がある。一方、閾値の設定値が緩い場合（閾値仰角が小さい場合）には直接波を伴わないマルチパス信号として受信される、不可視衛星信号を十分に排除することができず、精度が劣化する可能性がある。
　（１－２）ＳＮＲマスクによる方法
　受信した航法衛星信号の受信信号強度や信号対雑音比等に閾値を設定し、測位、時刻同期に使用する航法衛星信号を選別するＳＮＲマスクによる方法では、最適な閾値が航法衛星アンテナの受信特性、航法衛星アンテナの設置環境、航法衛星信号受信装置の感度、航法衛星の仰角、干渉信号の重畳の状況等に依存する。特に干渉信号は航法衛星信号の信号対雑音比を経時的に変動させる可能性がある。干渉信号には航法衛星信号の受信を妨げる目的で意図的に送出されるジャミング信号やモバイル通信で使用される信号等が想定されるが、干渉信号源と航法衛星アンテナとの位置関係や干渉信号の強度そのものが経時的に変動する場合には航法衛星信号の信号対雑音比の経時的な変動をもたらす。
　ＳＮＲマスク法では閾値の設定値が厳格な場合（受信信号強度や信号対雑音比等の閾値が大きい場合）には受信可能な可視衛星信号数が少なくなる時間帯などにおいて測位、時刻同期に必要な数の航法衛星信号が一時的に確保できないケースを生じる可能性がある。一方、閾値の設定値が緩い場合（受信信号強度や信号対雑音比等の閾値が小さい場合）には直接波を伴わないマルチパス信号として受信される、不可視衛星信号を十分に排除することができず、精度が劣化する可能性がある。
　以上に述べた通り、ＳＮＲマスクによる方法では、重畳される干渉信号のレベルが経時的に変動する可能性を考慮した場合、最適な閾値を設定することは必ずしも容易ではなく、測位、時刻同期に使用するのに適切な航法衛星信号と、適切でない航法衛星信号の選別が正しく行えないことがあった。
　（２）航法衛星信号受信装置において航法衛星信号を受け入れた上で補正処理を行う方法
　（２－１）ＳＮＲに基づく重みづけによる方法
　受信した航法衛星信号の受信信号強度や信号対雑音比等によって測位、時刻同期に使用する航法衛星信号に対して信号処理の際に重みづけをする方法では、直接波として受信可能な可視衛星信号の数よりも直接波を伴わないマルチパス信号として受信される不可視衛星信号の数の方が大きい場合、相対的に不可視衛星信号の寄与が大きくなる可能性があり、結果的に精度の劣化を回避できないことがあった。
　（２－２）仰角に基づく重みづけによる方法
　可視衛星として受信される可能性の高い、仰角の大きい衛星に重みづけを行う方法では、衛星の経時的な位置によっては仰角の大きい衛星数が減少し、相対的に不可視衛星信号の寄与が大きくなる可能性があり、結果的に精度の劣化を回避できないことがあった。
　（３）使用するのに不適切な航法衛星信号を航法衛星アンテナにおいて減衰する方法
　（３－１）偏波アイソレーションによる方法
　反射信号の円偏波の旋転方向が反転することを利用し、円偏波に依存するアイソレーション特性を有する航法衛星アンテナによって奇数回反射した航法衛星信号の信号強度を減衰させる方法である。この方法では、マルチパス信号の受信強度をある程度は減衰することは可能であるが、航法衛星信号受信装置の受信感度以上の強度の信号は受信できてしまい、マルチパス信号の影響を排除できない可能性がある。さらに２回反射する信号に対しては旋転方向がさらに反転して元に戻るので減衰は得られない。そのため測位、時刻同期に使用するのに適切でない信号を十分に排除できないことがあった。
　（３－２）指向性アンテナを用いる方法
　航法衛星アンテナの鉛直上方向の指向性により地面や低仰角からの反射波を減衰させる方法である。この方法は、上記と同様、反射波の受信信号強度をある程度は減衰することはできても、使用するのに適切でない信号を十分に排除できないことがあった。
　（４）統計的処理により衛星選択を行う方法
　マルチＧＮＳＳの利用形態ではより多くの可視衛星数を確保できるため、精度を向上する上で有効であるが、統計的処理により衛星選択を行う方法では受信した航法衛星信号数の増大に伴い信号の処理負荷が指数関数的に増加する課題がある。このためＧＮＳＳ受信機の信号処理のリソースの制限から衛星選択のための演算が実施できない、あるいは計算時間を要し、タイムリーに衛星選択を行うことができない場合があった。
　上記のように、従来技術（１）～（４）では、高精度な時刻同期又は測位を実現する上で使用するのに適切な航法衛星信号と、適切でない航法衛星信号の選択が正しく行えないことがあった。
　本発明は上記の問題点に鑑みなされたものであり、航法衛星信号を受信する開空間が制限され、不可視衛星信号が直接波を伴わないマルチパス信号として受信される、航法衛星信号の受信状態が良好ではない環境においても、高精度な時刻同期又は測位を実現することが可能な航法衛星システム受信装置を提供することにある。
　上記目的を達成するために、本願発明は、複数の航法衛星から受信した航法衛星信号に基づき測位処理又は前記航法衛星との時刻同期処理の少なくとも一方を行う航法衛星システム受信装置において、４つ以上の航法衛星から同時に受信した航法衛星信号に基づき受信位置及び受信時刻を算出する航法衛星信号受信部と、同時受信可能な４つ以上の航法衛星からの各航法衛星信号に基づき受信位置の初期値及び各航法衛星の軌道位置を算出し、算出した受信位置及び軌道位置並びに各航法衛星信号に含まれる時刻情報に基づき各航法衛星信号の到達時刻を算出し、算出した到達時刻に基づき航法衛星信号を抽出し、抽出した航法衛星信号に基づき受信位置を算出し、算出した受信位置を用いて前記到達時刻の算出処理と前記航法衛星信号の抽出処理と前記受信位置の算出処理とを再帰的に行い、再帰の終了時において抽出された航法衛星信号に基づき測位処理又は時刻同期処理を行うよう制御する制御部とを備えたことを特徴とする。
　本発明によれば、時刻同期や測位に使用するのに適切な航法衛星信号と、適切でない航法衛星信号の選択を正しく行うことができる。このため、航法衛星信号を受信する開空間が制限され、不可視衛星信号が直接波を伴わないマルチパス信号として受信される、航法衛星信号の受信状態が良好ではない環境においても、高精度な時刻同期や測位を実現する効果が期待される。
　４機以上の航法衛星信号を使用して測位、時刻同期を同時に行う形態では以下の効果が期待できる。
　（Ａ）受信環境における可視衛星数に依存せず、可視衛星および、伝搬遅延のより小さい不可視衛星を必要に応じて補完的に選択するため、受信環境や受信時刻において最適な航法衛星信号をダイナミックかつアダプティブに選択することによって高精度な時刻同期や測位を実現する効果が期待される。
　（Ｂ）航法衛星アンテナの受信特性、航法衛星信号受信装置の性能に依存せず、マルチパス信号の影響を効果的に排除することが期待される。
　（Ｃ）受信環境に応じてパラメータ値を適切に設定することにより、可視衛星数が少なく不可視衛星のマルチパス信号を多く受信する、良好ではない受信環境だけでなく、オープンスカイ受信環境を含むあらゆる受信環境において高精度な時刻同期や測位を安定的に実現する効果が期待される。
　（Ｄ）本発明では受信した航法衛星信号から少なくとも４機以上の、時刻同期や測位に使用する航法衛星信号の選択を行うため、受信した航法衛星信号の受信信号強度、信号対雑音比や仰角等に閾値を設定し、測位、時刻同期に使用する航法衛星信号を選択する従来の方法で課題となっていた、必要な航法衛星数を確保できないといったリスクを生じない。
　（Ｅ）本発明では航法衛星アンテナにおいて円偏波アイソレーション特性や鉛直方向の指向性を実装する必要がないため、副次的な効果として、航法衛星アンテナのコストを低減することが可能となる。
時刻同期装置の一例を示す構成図 許容誤差値と時刻同期精度の関係を示すグラフ オープンスカイ受信環境における時刻精度の計測系を示す構成図 オープンスカイ受信環境における許容誤差値に対する時刻精度の計測結果 オープンスカイ受信環境における許容誤差値に対する使用されたＧＰＳ衛星信号の状況 マルチパス受信環境における許容誤差値に対する時刻精度の計測結果 マルチパス受信環境における衛星選択アルゴリズム無効で使用されたＧＰＳ衛星信号の状況 マルチパス受信環境における衛星選択アルゴリズム有効で使用されたＧＰＳ衛星信号の状況 オープンスカイ受信環境におけるＧＰＳ衛星信号の受信状態を説明する図 マルチパス受信環境におけるＧＰＳ衛星信号の受信状態を説明する図 ＣＮＲ閾値を上回る航法衛星信号数と許容誤差値との関係を説明する図 マルチパス受信環境における測位精度の計測結果 マルチパス信号の発生状況を説明する模式図 マルチパス信号を受信する環境を説明する図 マルチパス信号の受信状況を説明する図 マルチパス受信環境の時刻精度の計測系を示す構成図 マルチパス受信環境の時刻精度の劣化とＳＮＲマスクによる改善効果の計測結果 航法衛星の仰角と反射波の関係を示す模式図 マルチパス受信環境の時刻精度の劣化と仰角マスクによる改善効果の計測結果
　本発明の一実施の形態に係る航法衛星システム受信装置を含むシステム全体の構成を図１に示す。本システムでは、航法衛星システム受信装置の一例として時刻同期装置について説明する。本システムは、航法衛星アンテナ１、航法衛星信号受信部２、時刻情報生成部３、制御部４、設定部５を備える。時刻同期装置の実装形態は不問であり、コンピュータにプログラムをインストールすることにより実装してもよいし、専用のハードゥエア装置として実装してもよい。
　航法衛星アンテナ１は、航法衛星信号を受信するためのアンテナである。航法衛星信号受信部２は、複数の航法衛星信号を受信し、受信位置における時刻情報を計算し、時刻情報生成部３へ出力する機能部である。時刻情報生成部３は、時刻情報を生成し外部へ出力する機能部である。制御部４は、航法衛星信号受信部および時刻情報生成部を制御するための機能部である。設定部５は、システムの各種のパラメータの設定を行うための機能部である。以下に各機能部の構成・動作について詳述する。
　航法衛星アンテナ１は、航法衛星信号受信部２との間を同軸ケーブル等で接続され、受信した航法衛星信号を航法衛星信号受信部２へ伝送する。
　航法衛星信号受信部２は、少なくとも４機の航法衛星の信号を同時に受信することで信号の受信位置の３次元座標情報（ｘ，ｙ，ｚ）及び航法衛星から受信した時刻情報を航法衛星の位置から受信地点までの伝播遅延時間に基づき補正した受信時刻情報（ｔ）の４つのパラメータを計算により特定する。
　さらに航法衛星信号受信部２は、航法衛星アンテナ１と航法衛星信号受信部２との間の同軸ケーブル等の伝送路の伝送遅延時間を補正し、航法衛星アンテナ１の設置位置における時刻情報を生成する。
　航法衛星信号受信部２は、このようにして生成された航法衛星に同期した時刻情報と使用した航法衛星に関する情報を時刻情報生成部３および制御部４に出力する。時刻情報としては一例として、航法衛星信号に同期した１ＰＰＳ（Pulse Per Second）等の信号形式のタイミング信号および時間・秒などの絶対時刻に関する情報（ＴｏＤ：Time of the Day）を通知するための、ＮＭＥＡ０１８３等のフォーマットによるタイムコード・データが使用される。また、航法衛星に関する情報としては、ＮＭＥＡ０１８３等のフォーマットによる航法衛星システム種別、衛星番号、方位、仰角、ＣＮＲなどが使用される。一方、航法衛星信号受信部２で測位、時刻同期に使用する航法衛星信号の選択は、制御部４の指示に基づく。
　航法衛星信号受信部２は、装置の内部に設置しても良いし、装置の外部に置かれた航法衛星信号受信装置を使用しても良い。航法衛星信号受信部２は、航法衛星信号による測位により計算された受信位置情報を記憶することができる。その場合、航法衛星アンテナ１の位置を移動しないという前提であれば、その後は最低１基の航法衛星信号を受信すれば時刻同期を継続的に行うことができる。なお、記憶した受信位置情報及び最低１基の航法衛星信号を用いて時刻同期を継続的に行うことを「位置固定モード」と呼ぶものとする。
　時刻情報生成部３は、航法衛星信号に同期した時刻情報の生成を担う機能部であり、航法衛星信号受信部２から供給される時刻情報に基づき、所定の標準的な時刻、ここでは前述したＵＴＣに同期した時刻信号を生成する。具体的には、時刻情報生成部３は、内部に基準周波数発振器および位相同期回路（ＰＬＬ：Phase Locked Loop）を搭載し、航法衛星信号受信部２から供給される１ＰＰＳ信号に対して従属的にタイミングを同期すると同時に、航法衛星信号受信部２から供給されるＴｏＤ情報による絶対時刻に整合した時刻情報を生成する。時刻情報生成部３は、航法衛星信号受信部２からの信号が中断した場合は、基準周波数発振器により自走（ホールドオーバ）することにより時刻情報の生成を維持、継続することができる。
　また、時刻情報生成部３は、時刻同期を行う装置外部の装置（被時刻同期装置）に対して時刻情報を供給する役割を担う。この際に使用される時刻情報としては、上記の１ＰＰＳ／ＴｏＤの他にＩＥＥＥ（Institute of Electrical and Electronics Engineers）１５８８　ｖｅｒｓｉｏｎ２で規定されるＰＴＰ（Precision Time Protocol）プロトコルを使用して、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）等のパケット通信インタフェースを介して時刻情報が供給されるケースも想定される。
　制御部４は、設定部５に入力されたパラメータの情報に基づき、後述する時刻情報を生成するアルゴリズムを実現するために航法衛星信号受信部２および時刻情報生成部３の制御、航法衛星信号受信部２から出力された時刻情報の比較、航法衛星の抽出等の処理を行う。
　設定部５は、外部からシステムの動作に必要な各種パラメータの設定を行う。設定するパラメータには、航法衛星アンテナ１と航法衛星信号受信部２を接続する同軸ケーブル等の伝送路で生じる伝送遅延時間の補正値、使用する航法衛星信号種別、航法衛星信号受信位置のタイムゾーンおよび後述する測位情報および時刻情報を生成するアルゴリズムを実現する上でのパラメータの設定等が含まれる。
　本発明は、不可視衛星信号が直接波を伴わないマルチパス信号（反射波、回折波）として受信される場合に航法衛星システムの時刻との誤差の小さい高精度な時刻情報や、高精度な位置情報を生成する航法衛星システム受信装置に関する。以下にその動作アルゴリズムについて説明する。
　まず、前提条件として、航法衛星アンテナ１の周辺に航法衛星信号の伝搬を遮蔽する構造物が存在する環境で可視衛星信号(直接波信号または直接波を伴うマルチパス信号)、不可視衛星信号(直接波を伴わないマルチパス信号)を問わず、４機以上の航法衛星の信号を受信できるものとする。また、受信した航法衛星信号が可視衛星信号であるか、不可視衛星信号であるかは不可知であるとする。
　以上の前提条件で、以下の手順により、受信した航法衛星信号から測位、時刻同期に使用する航法衛星を選択し、測位、時刻精度の向上を図る。ここで測位精度の向上とは航法衛星アンテナ１による航法衛星信号の受信位置の座標の真値と測位結果の座標の差を小さくすることを意味する。時刻精度の向上とは航法衛星アンテナ１による航法衛星信号の受信位置においてオープンスカイ環境で受信した可視衛星信号で生成される時刻からの差を小さくすることを意味する。手順に従った時刻情報の生成を行うために設定部５において設定されたパラメータの設定値に基づき、制御部４は、航法衛星信号受信部２および時刻情報生成部３の制御を行う。
　手順は以下に述べる手順（Ａ）初期座標値決定手順および手順（Ｂ）衛星選択・時刻同期手順から構成される。手順（Ａ）は航法衛星信号の受信を開始してから初期座標値を決定するまでの手順であり、手順（Ｂ）は航法衛星信号を選択し、測位・時刻同期を行う手順である。この手順（Ａ）及び（Ｂ）による処理では、時刻同期装置の受信位置の推定を行うことから「位置推定モード」と呼ぶものとする。
　手順（Ａ）
（ア）時刻同期装置を起動後にあらかじめ設定部５において設定した所定の受信時間を経て受信した、ｎ個の航法衛星信号のうち、あらかじめ設定部５において設定した信号対雑音比（ＳＮＲ）の閾値を超える航法衛星信号を選択する。ここでＳＮＲの指標の一つとしてＣＮＲを使用することができる。選択された衛星数が４機に満たない場合、合計の衛星数が４機となるように選択された衛星に加えてＣＮＲが大きい衛星から航法衛星信号を選択する。ここで前記受信時間は、時刻同期装置が航法衛星信号を捕捉し、航法衛星信号から衛星の軌道情報、すなわち航法衛星の位置情報を取得するために設定する。衛星軌道情報はＧＰＳの場合、運行している全てのＧＰＳ衛星の概略軌道データであるアルマナック（Ａｌｍａｎａｃ）データと各衛星の精密軌道データであるエフェメリス（Ｅｐｈｅｍｅｒｉｓ）データの２種類の軌道データがある。それぞれ航法衛星信号に含まれる航法メッセージから取得することができるが、アルマナックデータを取得するには１２分３０秒を要する。しかし、ＣＮＲの大きい航法衛星信号はランダム・サーチと呼ばれる動作で起動後に速やかに受信され、当該衛星の軌道データは当該衛星の航法メッセージからエフェメリスデータとして取得することができる。従って、前記受信時間はアルマナックデータの取得に要する時間より短い時間の設定であっても必ずしも動作に支障があるわけではない。また、衛星軌道情報は航法メッセージから取得する他にＡｓｓｉｓｔｅｄ　ＧＮＳＳ方式によりモバイル網を経由してＳＵＰＬ（Secure User Plane Location）サーバより取得する方法や、インターネット上に公開されている軌道情報を取得する方法もある。以下は航法衛星の軌道情報を公開するサイトの一例である。
　URL: http://sys.qzss.go.jp/dod/archives/pnt.html
（イ）前記（ア）で選択された航法衛星信号を使用して測位を行い、その結果を初期座標値とする。
　手順（Ｂ）
（ア）手順（Ａ）で算出した初期座標値に基づき、受信したｎ個の航法衛星それぞれの位置と航法衛星信号の時刻から、初期座標値の位置への到達時刻を算出する。
（イ）前記（ア）で算出されたｎ個の到達時刻のうち最も早い時刻Ｔ０を決定する。
（ウ）次にあらかじめ設定部５において設定した許容誤差値ｄＴ１によりＴ０＋ｄＴ１の基準時刻を設定する。
（エ）前記（ア）で算出されたｎ個の到達時刻のうちＴ０＋ｄＴ１より早くなる航法衛星信号を抽出する。
（オ）前記（エ）で抽出された航法衛星信号数が４以上の場合、抽出された航法衛星信号を使用して測位を行い、前記（ア）の初期座標値を更新する。
（カ）あらかじめ設定部５において設定した座標値更新期間の間、前記（ア）～（オ）を繰り返し行う。すなわち、位置情報をパラメータとし且つ終了条件が処理時間である再帰処理を行う。
（キ）前記（カ）で抽出された航法衛星信号を使用して測位、時刻同期を行い、得られた時刻情報を、受信した航法衛星信号で生成された時刻情報とする。
　本発明では、上記手順（Ｂ）に替えて下記の手順（Ｂ’）および（Ｂ”）を実施してもよい。以下に、手順（Ｂ’）および（Ｂ”）について詳述する。
　手順（Ｂ’）
（ア）手順（Ａ）で算出した初期座標値に基づき、受信したｎ個の航法衛星それぞれの位置と航法衛星信号の時刻から、初期座標値の位置への到達時刻を算出する。
（イ）受信したｎ個の航法衛星のうちｍ個（ただしｎ＞ｍ）のｎＣｍ通りの組み合わせのそれぞれに対し、前記（ア）で算出された、初期座標値の位置への到達時刻の平均値を算出する。
（ウ）前記（イ）で算出されたｎＣｍ個の到達時刻の平均値のうち最も早い時刻Ｔ０を決定する。
（エ）次にあらかじめ設定部５において設定した許容誤差値ｄＴ２によりＴ０＋ｄＴ２の基準時刻を設定する。
（オ）前記（ア）で算出されたｎ個の到達時刻のうちＴ０＋ｄＴ２より早くなる航法衛星信号を抽出する。
（カ）前記（オ）で抽出された航法衛星信号が４以上の場合、抽出された航法衛星信号を使用して測位を行い、前記（ア）の初期座標値を更新する。
（キ）あらかじめ設定部５において設定した座標値更新期間の間、前記（ア）～（カ）を繰り返し行う。すなわち、位置情報をパラメータとし且つ終了条件が処理時間である再帰処理を行う。
（ク）前記（キ）で抽出された航法衛星信号を使用して測位、時刻同期を行い、得られた時刻情報を、受信した航法衛星信号で生成された時刻情報とする。
　手順（Ｂ”）
（ア）手順（Ａ）で算出した初期座標値に基づき、受信したｎ個の航法衛星それぞれの位置と航法衛星信号の時刻から、初期座標値の位置への到達時刻を算出する。
（イ）受信したｎ個の航法衛星のうちｍ個（ただしｎ＞ｍ）のｎＣｍ通りの組み合わせのそれぞれに対し、前記（ア）で算出された、初期座標値の位置への到達時刻の平均値を算出する。
（ウ）前記（イ）で算出されたｎＣｍ個の到達時刻の平均値のうち最も早い時刻Ｔ０を決定する。
（エ）次にあらかじめ設定部５において設定した許容誤差値ｄＴ３によりＴ０＋ｄＴ３の基準時刻を設定する。
（オ）前記（イ）で算出されたｎＣｍ個の組み合わせの到達時刻の平均値のうちＴ０＋ｄＴ３より早くなる組み合わせに含まれる航法衛星信号を抽出する。
（カ）前記（オ）で抽出された航法衛星信号を使用して測位を行い、前記（ア）の初期座標値を更新する。
（キ）あらかじめ設定部５において設定した座標値更新期間の間、前記（ア）～（カ）を繰り返し行う。すなわち、位置情報をパラメータとし且つ終了条件が処理時間である再帰処理を行う。
（ク）前記（キ）で抽出された航法衛星信号を使用して測位、時刻同期を行い、得られた時刻情報を、受信した航法衛星信号で生成された時刻情報とする。
　なお、上記の許容誤差値ｄＴ（手順（Ｂ）のｄＴ１、手順（Ｂ’）のｄＴ２、手順（Ｂ”）のｄＴ３）は、設定部５により設定されるパラメータである。ここで、許容誤差値ｄＴとして０を設定する場合もあることに留意されたい。許容誤差値ｄＴの決定手法については後述する。
　以下に各手順において、受信される可視衛星信号数のそれぞれのケースにおいて時刻同期精度が改善される理由を説明する。
　受信強度またはＣＮＲの閾値が所定の閾値より上回る航法衛星信号に係る衛星は可視衛星である蓋然性が高い。ＣＮＲが４０ｄＢ－Ｈｚ以上で受信される場合、その航法衛星信号は可視衛星信号である可能性が高い。そこで、手順（Ａ）においてはＣＮＲ閾値として４０ｄＢ－Ｈｚの値を用いると好適である。ＣＮＲ閾値を上回る衛星数が４機未満の場合、ＣＮＲの大きい順に航法衛星信号を選択し、４機とする。このようにして手順（Ａ）において選択された航法衛星信号は可視衛星信号を多く含むことが期待され、その結果、手順（Ａ）において算出された初期座標値の誤差が受信した全ての航法衛星信号を使用して算出された座標値の誤差と比較して小さいことが期待される。
　次に手順（Ｂ）では手順（Ａ）で算出された初期座標値に対し、到達時刻の早い航法衛星信号を選択する。このようにして選択された航法衛星信号は可視衛星もしくは伝搬遅延の小さい不可視衛星である蓋然性が高い。選択された航法衛星信号が４機以上の場合、測位演算を行い手順（Ａ）で算出された初期座標値を更新するため初期座標値の誤差が低減されることが期待される。手順（Ｂ）であらかじめ設定した座標値更新期間の間（ア）～（オ）を繰り返し行うことにより、初期座標値の誤差がより漸次低減され、これに基づき選択された航法衛星信号は可視衛星もしくは伝搬遅延の小さい不可視衛星である確度が向上することが期待される。
　手順（Ｂ）では手順（Ａ）で算出した初期座標値に基づき、ｎ個の到達時刻のうち最も早い時刻Ｔ０を決定するのに対し、手順（Ｂ’）および 手順（Ｂ”）では手順（Ａ）で算出した初期座標値に基づき、ｎＣｍ個の到達時刻の平均値のうち最も早い時刻により時刻Ｔ０を算出する。手順（Ｂ）ではＴ０に予期しない計測誤差を生じる可能性があるが、手順（Ｂ’）および 手順（Ｂ”）では複数の航法衛星信号の到達時刻によりＴ０を算出するため計測の揺らぎ等の影響を排除することができる。
　次に、許容誤差値ｄＴの決定手法について詳述する。
　許容誤差値ｄＴの設定値の最適値は航法衛星信号の受信状態により異なる。オープンスカイ受信環境においては可視衛星信号が多く受信されるが、その場合には天空上に万遍なく分散する航法衛星信号をできるだけ多く受信することがＤＯＰ値を低減し、精度を向上する上で有効である。そのためには許容誤差値ｄＴの値として比較的大きな値を設定し、可視衛星信号をできるだけ多く選択する必要がある。可視衛星信号の到達時刻は基準時刻Ｔ０からの遅れは小さいため、許容誤差値ｄＴとして２０ｎｓ程度に設定すれば全ての可視衛星信号を選択することが可能であると考えられる。一方、許容誤差値ｄＴの値が０または２０ｎｓ以下の場合には可視衛星信号を全て選択できない可能性がある。
　これに対し、可視衛星信号数が４以下のマルチパス受信環境においては許容誤差値ｄＴが０の場合には可視衛星信号を含む、最も高い精度を実現する航法衛星信号を選択することが期待されるが、許容誤差値ｄＴの値が増大するのに伴い、不可視衛星信号が多く選択される結果、測位・時刻同期精度が劣化する懸念がある。つまり、許容誤差値ｄＴの値は小さい方が望ましい。
　図２は、許容誤差値ｄＴの設定値と時刻同期精度との関係を示す模式図である。オープンスカイ受信環境では、許容誤差値ｄＴの設定値が大きいほど時刻の真値との偏差であるタイムエラーが少なくなるが、マルチパス受信環境では、許容誤差値ｄＴの設定値が大きいほどタイムエラーが多くなることを示している。なお、図２では、可視衛星数が８以上の場合を「オープンスカイ受信環境」であるものとし、可視衛星数が４以下の場合を「マルチパス受信環境」であるものとしている。
　上記実施の形態に係る時刻同期装置を用いて、許容誤差値ｄＴを固定した場合の評価結果を示す。図３はオープンスカイ環境における許容誤差値ｄＴの設定値により生じるタイムエラーを計測するために使用した実験系の構成を示す。参照信号となる基準信号（１ＰＰＳ信号および１０ＭＨｚクロック信号）を生成するＧＰＳレシーバ＃１は衛星選択を行わない。一方、ＧＰＳレシーバ＃２は上記実施の形態に係る手順（Ｂ’）を使用し、ｍを４に設定した上で許容誤差値ｄＴ（ｄＴ２）の設定による衛星選択を行う。評価指標は計測されたタイムエラーの値である。
　図４は、オープンスカイ環境において、許容誤差値ｄＴの値を０ｎｓ、１０ｎｓ、２０ｎｓとして航法衛星信号を選択した場合のタイムエラーの測定結果である。また、図５は、オープンスカイ環境において、許容誤差値ｄＴの値を０ｎｓ、１０ｎｓに設定した場合のあるエポック（時刻）における受信および使用（選択）された航法衛星信号の状況を観測するソフトウェアの一部画面コピーである。図５において航法衛星を示す円に付されたハッチングは、当該航法衛星からの航法衛星信号は受信されたが使用（選択）されないことを示す。
　図４に示すように許容誤差値ｄＴの値を０ｎｓに設定した場合には許容誤差値ｄＴの値を１０ｎｓ、２０ｎｓに設定した場合と比較して３０ｎｓ程度タイムエラーが増大した。また、図５に示すように許容誤差値ｄＴの値を０ｎｓに設定した場合には４機の衛星が使用されているのに対し、許容誤差値ｄＴの値を１０ｎｓに設定した場合には衛星選択を行わない場合と同じ衛星が使用された。即ち、オープンスカイ受信環境ではｄＴの値を１０ｎｓに設定した場合にはより多くの可視衛星信号が選択された結果、ＤＯＰ値が低下し、時刻同期精度が改善されることが確認された。
　図６は図１４及び図１５に示すマルチパス受信環境において図１６の計測系を使用してタイムエラーを計測した結果を示す。手順（Ｂ’）を使用し、ｍは４に設定した。許容誤差値ｄＴ（ｄＴ２）の値を２０ｎｓとして設定した場合にはタイムエラーの最大値は６０ｎｓ程度に達したのに対し、許容誤差値ｄＴの値を０ｎｓ、５ｎｓとして設定した場合にはタイムエラーの最大値は２０ｎｓ程度に低減することが確認された。
　図７及び図８は航法衛星信号の受信状態を観測するソフトウェアの画面コピーであり、図７は比較対象として本願発明の衛星選択アルゴリズムを用いない場合、図８は本願発明の衛星選択アルゴリズムを用いた場合における、ＧＰＳ衛星信号の受信状況および使用（選択）状況の一例を示している。
　図７に示すように衛星選択を行わない場合には０１番、１１番、１７番、１９番、２３番の可視衛星信号と推定されるＧＰＳ衛星信号以外に多くの不可視衛星信号と推定されるＧＰＳ衛星信号を選択している。これに対し、図８に示すように許容誤差値ｄＴの値を５ｎｓとした衛星選択を行った場合は可視衛星信号と推定されるＧＰＳ衛星信号を選択している。このように本願発明の衛星選択アルゴリズムにより不可視衛星信号を有効に排除した結果、時刻同期精度が向上したと考えられる。
　以上の結果が示す通り、許容誤差値ｄＴは航法衛星信号の受信環境に応じて決定することが好ましい。具体的には、受信環境がオープンスカイ環境に近いほど許容誤差値ｄＴを大きくし、マルチパス環境に近いほど許容誤差値ｄＴを小さくすることが好ましい。換言すれば、可視衛星数が多いほど許容誤差値ｄＴを大きくし、可視衛星数が少ないほど許容誤差値ｄＴを小さくすることが好ましい。
　実際の衛星信号の受信環境は航法衛星アンテナの周辺に構造物が存在しない、いわゆるオープンスカイの状態から可視衛星信号が０の受信環境まで様々な受信環境が想定される。受信環境に応じて誤差許容値ｄＴの設定値を最適化する方法としては手順（Ａ）において受信した航法衛星信号の受信状態（ＣＮＲ）を参照する方法が有効であると考えられる。すなわちＣＮＲに基づき、ＣＮＲの大きな航法衛星信号が多く存在する場合にはよりオープンスカイに近い受信環境であると推定し、換言すれば可視衛星数が多いと推定し、誤差許容値ｄＴを大きな値に設定する。逆に、これらの航法衛星信号が少ない場合には、よりマルチパス環境に近い受信環境であると推定し、換言すれば可視衛星数が少ないと推定し、誤差許容値ｄＴを０または小さな値に設定する。
　具体的には手順（Ａ）において設定されたＣＮＲの閾値を上回る航法衛星信号数に基づき、誤差許容値ｄＴの値を決定することが考えられる。ＣＮＲの閾値が所定の閾値より上回る航法衛星信号に係る衛星は可視衛星である蓋然性が高いので、当該航法衛星信号数が可視衛星数であると推定するものである。
　図９、図１０、図１１を用いて、ＣＮＲ閾値を予め設定し、ＣＮＲ閾値を超える航法衛星信号数に基づいて、誤差許容値ｄＴの値を設定する具体例について説明する。
　図９及び図１０は受信環境に対するＧＰＳ衛星信号の受信状態を観測するソフトウェアの画面コピーであり、図９はオープンスカイ受信環境で観測した場合、図１０はマルチパス受信環境で観測した場合における、ＧＰＳ衛星信号の受信状況の一例を示している。図９及び図１０において、ＣＮＲ閾値を４０ｄＢ－Ｈｚと設定すると、図９ではＣＮＲ閾値を上回るＧＰＳ衛星信号数は１１個であり、図１０では４個であった。
　受信した航法衛星信号のＣＮＲに基づき許容誤差値ｄＴを設定する一例について図１１を参照して説明する。本実施の形態の具体例では、ＣＮＲ閾値を上回る航法衛星信号数が大きいほど許容誤差値ｄＴが大きくなるよう関数を設定する。図１１はＣＮＲ閾値を上回る航法衛星信号数に対して設定する許容誤差値ｄＴを求める関数を示す図である。図１１の例では、ＣＮＲ閾値を上回る航法衛星信号数が４以下の場合には許容誤差値ｄＴを０ｎｓから５ｎｓに線形に増加するよう設定し、ＣＮＲ閾値を上回る航法衛星信号数が４から１０までの区間は許容誤差値ｄＴが５ｎｓから２０ｎｓに線形に増加するよう設定し、ＣＮＲ閾値を上回る航法衛星信号数が１０以上の場合には許容誤差値ｄＴを２０ｎｓに設定している。なお、図９～図１１による設定例は、これに限定されるものではなく、ＣＮＲ閾値や、受信した航法衛星信号のＣＮＲに基づく許容誤差値ｄＴの値や、図１１の関数におけるＣＮＲ閾値を上回る信号数についての定数（４及び１０）や、ＣＮＲ閾値を上回る航法衛星信号数に対して設定する許容誤差値ｄＴを求める関数については、実験等に基づいて適切な値や適切な関数式を予め設定することができる。なお、受信環境を推定するために用いる指標、すなわち可視衛星数を推定するために用いる指標としては、ＳＮＲの指標の一つであるＣＮＲのほか、ＳＮＲそのものや受信強度など航法衛星信号の受信状態を表す他の指標を用いることができる。
　上記の手順を実施する上で各機能部の役割は以下のようになる。
　航法衛星信号受信部２は、制御部４からの指示に基づき、受信した航法衛星信号のうち指定された航法衛星信号を使用して測位、時刻同期を行い、結果として得られる時刻情報および航法衛星信号の情報を時刻情報生成部３および制御部４へ出力する。時刻情報生成部３は、航法衛星信号受信部２から出力された時刻情報および航法衛星信号の情報、制御部４から入力されたパラメータ値に基づき、時刻情報を生成、出力する。制御部４は、航法衛星信号受信部２から出力された、受信した航法衛星信号の情報、設定部５に入力されたパラメータの設定情報に基づき、航法衛星信号の組み合わせのテーブルを作成し、航法衛星信号受信部２に対し、測位、時刻同期を指示する。さらに各航法衛星信号の組み合わせに対し航法衛星信号受信部２から得られる時刻情報の比較、航法衛星の抽出を行い、最終的に航法衛星信号受信部２に対し、航法衛星を指定して時刻情報生成部３へ出力する時刻情報を得るための測位、時刻同期を指示する。この抽出処理では、航法衛星信号受信部２で受信した航法衛星信号の受信強度又はＣＮＲと、設定部５に入力された閾値などの設定情報とにより算出された許容誤差値ｄＴが用いられる。また、制御部４は、設定部５に入力されたパラメータの設定情報を航法衛星信号受信部２および時刻情報生成部３へ出力する。
　図６の実験結果を図１７と比較すると明らかなように本発明では航法衛星アンテナの受信特性、航法衛星信号受信装置の性能に依存することなく、時刻同期に使用するのに適切な航法衛星信号を選択することにより、不可視衛星信号のマルチパス信号の影響を有効に排除し時刻同期精度を改善する効果が期待できる。
　また、図４および図６の実験結果が示す通り、受信環境に応じてパラメータ値を適切に設定することにより、高い時刻同期精度を実現することができる。
　本発明では航法衛星信号受信装置において時刻同期に使用する航法衛星信号の選択を行うため、航法衛星アンテナにおいて円偏波アイソレーションや鉛直方向のアイソレーションを実装する必要がないため、航法衛星アンテナのコストを低減することが可能となる。
　このように、本発明によれば、航法衛星信号の受信環境に依らず、すなわち必要な数の可視衛星信号を一時的に捕捉できない、受信環境が良好ではない環境であっても、あるいはオープンスカイの良好な受信環境においても航法衛星信号に同期した高精度な時刻情報を生成することが可能となる。
　また、上記手順（Ｂ’） 及び（Ｂ”）でｎＣｍ個の組み合わせの到達時刻の平均値を計算するが、従来の受信した航法衛星信号のサブセットの航法衛星信号の組合せを使用した測位・時刻同期演算を予備的に実施し、統計的な処理により航法衛星信号を選別する方法と比較して演算量がはるかに少ないため、航法衛星システム受信装置における信号処理のリソースの制限から衛星選択のための演算が実施できない、あるいは計算時間を要し、タイムリーに衛星選択を行うことができないといった問題は生じにくい。
　以上、本発明の一実施の形態について詳述したが本発明はこれに限定されるものではない。例えば、上記実施の形態に係る時刻同期装置は、受信位置の位置情報が不要な位置推定モードを実装した形態としたが、まず位置推定モードで起動し、導出した位置に基づいてその後は位置固定モードへ移行する動作としてもよい。位置固定モードへ移行する契機としては一例として前回算出した位置と今回算出した位置との差を所定の閾値と比較し、導出した位置の経時的な変動の状況、言い換えると導出した位置の収束の状況に基づいて移行を判断するといったアルゴリズムが考えられる。
　また、上記実施の形態では、受信したｎ個の航法衛星信号の全てを処理対象としていたが（上記手順（Ｂ）のステップ（ア）、手順（Ｂ’）および手順（Ｂ”）のステップ（ア）（イ）参照）、計算処理を軽減するために、仰角マスクやＣＮＲマスクなどのマスキング処理により航法衛星信号を所定数に選別した後に本発明を適用してもよい。
　また、上記実施の形態では、上記手順（Ｂ）、（Ｂ’） 及び（Ｂ”）の再帰処理における終了条件として処理時間が所定の閾値以下であるか否かに基づいていたが、他の終了条件であってもよい。例えば、再起回数と所定の閾値とを比較した条件、前回算出した位置と今回算出した位置との差と所定の閾値とを比較した条件の何れか１つ、或いは、これらと前記処理時間と所定の閾値とを比較した条件の任意の組み合わせであってもよい。
　また、上記実施の形態では、航法衛星アンテナの位置を固定していたが、航法衛星アンテナを移動する形態であっても本発明を適用できる。この場合、位置推定モードの出力の更新頻度を必要に応じて向上させる。
　また、上記実施の形態では、１つの航法衛星システムを使用していたが、複数の航法衛星システムを組合せて使用する、いわゆるマルチＧＮＳＳの利用形態においても本発明を適用することができる。この場合、可視衛星信号数が向上するため精度の向上が期待される。組み合わせ対象は、全地球航法衛星システム（ＧＮＳＳ）だけでなく地域航法衛星（ＲＮＳＳ：Regional Navigation Satellite System）システムも用いることができる。全地球航法衛星システムとしてはＧＰＳ、ＧＬＯＮＡＳＳ、Ｇａｌｉｌｅｏ、Ｂｅｉｄｏｕが、地域航法衛星システムとしてはＱＺＳＳがある。複数の航法衛星システムを組み合わせる際に航法衛星システム間の時刻オフセットを反映し、許容誤差値ｄＴを航法衛星システム毎に異なる値を設定してもよい。
　また、上記実施の形態では航法衛星システム受信装置の一例として時刻同期装置について説明したが測位装置にも本発明を適用し、測位精度を向上することができる。すなわち、上述の時刻同期装置において時刻情報の生成に用いる航法衛星信号の選択アルゴリズムを、受信位置情報の生成に適用することができる。この場合、上述の手順（Ｂ）のステップ（キ）又は手順（Ｂ’）および（Ｂ”）のステップ（ク）における測位の結果得られる受信位置情報を出力すればよい。すなわち、この測位装置は、上述の同期装置の構成のうち、航法衛星アンテナ１と、航法衛星信号受信部２と、制御部４と、設定部５とを備え、上述の手順（手順（Ｂ）のステップ（キ）又は手順（Ｂ’）および（Ｂ”）のステップ（ク）において航法衛星信号受信部２で測位して得られた受信位置情報を出力すればよい。なお、航法衛星信号受信部２が出力する受信位置情報を所定のフォーマットやタイミングで出力するために、受信位置情報出力部をさらに設けてもよい。
　図１２は上記実施の形態に係る測位装置を用いて図１４及び図１５に示すマルチパス受信環境において測位精度を計測した結果を示す。手順（Ｂ’）を使用し、ｍは４に設定した。許容誤差値ｄＴ（ｄＴ２）の値を５ｎｓとして設定した場合には衛星選択を行わない場合と比較して測位精度が大幅に改善することが確認された。
　１…航法衛星アンテナ
　２…航法衛星信号受信部
　３…時刻情報生成部
　４…制御部
　５…設定部

Claims (8)

  1. 　複数の航法衛星から受信した航法衛星信号に基づき測位処理又は前記航法衛星との時刻同期処理の少なくとも一方を行う航法衛星システム受信装置において、
    　４つ以上の航法衛星から同時に受信した航法衛星信号に基づき受信位置及び受信時刻を算出する航法衛星信号受信部と、
    　同時受信可能な４つ以上の航法衛星からの各航法衛星信号に基づき受信位置の初期値及び各航法衛星の軌道位置を算出し、算出した受信位置及び軌道位置並びに各航法衛星信号に含まれる時刻情報に基づき各航法衛星信号の到達時刻を算出し、算出した到達時刻に基づき航法衛星信号を抽出し、抽出した航法衛星信号に基づき受信位置を算出し、算出した受信位置を用いて前記到達時刻の算出処理と前記航法衛星信号の抽出処理と前記受信位置の算出処理とを再帰的に行い、再帰の終了時において抽出された航法衛星信号に基づき測位処理又は時刻同期処理を行うよう制御する制御部とを備えた
    　ことを特徴とする航法衛星システム受信装置。
  2. 　前記再帰処理の終了条件のパラメータとして再帰処理の処理時間を含む
    　ことを特徴とする請求項１記載の航法衛星システム受信装置。
  3. 　前記制御部は、最先の到達時刻に許容誤差値を加えた時刻より到達時刻が早い航法衛星信号を抽出する
    　ことを特徴とする請求項１又は２記載の航法衛星システム受信装置。
  4. 　前記制御部は、航法衛星信号の組み合わせ毎に到達時刻の平均値を算出し、最先の平均値に許容誤差値を加えた時刻より到達時刻が早い航法衛星信号を抽出する
    　ことを特徴とする請求項１又は２記載の航法衛星システム受信装置。
  5. 　前記制御部は、航法衛星信号の組み合わせ毎に到達時刻の平均値を算出し、最先の平均値に許容誤差値を加えた時刻より到達時刻の平均値が早い組み合わせに含まれる航法衛星信号を抽出する
    　ことを特徴とする請求項１又は２記載の航法衛星システム受信装置。
  6. 　前記許容誤差値を航法衛星信号の受信状態に基づいて決定した
    　ことを特徴とする請求項３乃至５何れか１項記載の航法衛星システム受信装置。
  7. 　複数の航法衛星から受信した航法衛星信号に基づき測位処理又は前記航法衛星との時刻同期処理の少なくとも一方を行う航法衛星システム受信装置における航法衛星信号処理方法おいて、
    　航法衛星システム受信装置は、４つ以上の航法衛星から同時に受信した航法衛星信号に基づき受信位置及び受信時刻を算出する航法衛星信号受信部と、前記航法衛星信号受信部を制御する制御部とを備え、
    　前記航法衛星信号処理方法は、前記制御部が、
    　同時受信可能な４つ以上の航法衛星からの各航法衛星信号に基づき受信位置の初期値及び各航法衛星の軌道位置を算出するステップと、
    　算出した受信位置及び軌道位置並びに各航法衛星信号に含まれる時刻情報に基づき各航法衛星信号の到達時刻を算出するステップと、
    　算出した到達時刻に基づき航法衛星信号を抽出するステップと、
    　抽出した航法衛星信号に基づき受信位置を算出するステップと、
    　算出した受信位置を用いて前記到達時刻算出ステップと前記航法衛星信号抽出ステップと前記受信位置算出ステップとを再帰的に行うステップと、
    　再帰の終了時において抽出された航法衛星信号に基づき測位処理又は時刻同期処理を行うよう制御するステップとを備えた
    　ことを特徴とする航法衛星システム受信装置における航法衛星信号処理方法。
  8. 　コンピュータを、前記請求項１乃至６何れか１項記載の航法衛星システム受信装置の各部として機能させることを特徴とする航法衛星信号処理プログラム。
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