JP2005164333A - 衛星測位方法及び衛星測位システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 受信した所定時間の衛星受信信号により受信機端末が衛星との間の擬似距離を求める衛星測位方法である。所定時間の衛星受信信号から、航法データ1ビットぶんに相当する長さの第1入力信号をデータ取得開始を微小時間ずつ遅らせて所定数得る。各第1入力信号を同期加算して第2入力信号とする。第2入力信号に受信機端末が予め用意する擬似パターンを作用させたものをさらに第2入力信号に作用させる。さらに、得られた信号について所定時間ぶんの衛星受信信号にわたって同期加算を行い、得られた同期加算信号と受信機端末が予め用意するレプリカPN符号とで相関計算を行い、その結果から遅延値を検出し、擬似距離を求める。
【選択図】 図10
Description
つまり、上記航法データは1ビット{20msec(50bps )}で、この航法データの極性に応じてC/Aコードの極性を反転させている。すなわち航法データが1ならばC/Aコードの極性はそのままであり、航法データが−1ならばC/Aコードも極性が反転する。
このドップラデータは、周波数情報のフォーマットを持ち、メッセージは対象衛星の特定を行う。このメッセージは受信ユニット104 の一部であるモデム118 により受信され、マイクロプロセッサ114 に結合されたメモリ108 に格納される。マイクロプロセッサ114 はDSP回路109 、アドレス書き込み回路113 とモデム118 との間のデータ情報伝達を取扱い受信ユニット104 内でのパワーマネージメント機能をコントロールする。
DSP回路109 ではソードレンジ計算が行われる。更にDSP回路109 は局所的に作成された基準と受信された信号との間の多数のコリレーションオペレーションを迅速に実施することにより、ソードレンジの極めて迅速な演算を可能にするファーストフーリエ変換(FFT)アルゴリズムの使用を可能にする。ファーストフーリエ変換アルゴリズムは、このようなあらゆる位置を同時に並列的に探索し、演算プロセスを加速する。
ソードデータに加え、メモリ108 の中での最初のデータ収集からデータのデータコミュニケーションリンク119 を経た送信の時点迄の経過時間を示すタイムラグが、同時にベースステーション101 に伝送されることができる。このタイムラグは位置計算を行うベースステーション101 の能力を高める。何故ならば、これによりGPS衛星位置はデータ収集の時点に行うことができるからである。
ファーストコンボリューション法を用いた大ブロックのデータの有効な処理は低受信レベルでの信号を処理する為の性能に寄与する(例えば建物、樹木等により著しく遮られた為に受信レベルが低下する時)。可視的なGPS衛星に対するすべてのソードレンジはこの同じ緩衝されたデータを用いて計算される。これは信号の振幅が迅速に変化する状況(都会の障害状態の様な)下の連続追跡GPS受信機に関する性能を改善されたことになる。
すなわちDATAが0になる立ち上がりの点(データの先頭部)から捕らえられた場合の非常に特殊な条件が成立したときの図である。図15(B) の動作はある時点から受信信号(C/Aコード)をとりはじめ、この受信信号(C/Aコード)を4フレーム分ずつ加算して平均することを行っている。
GPS受信信号のC/AコードをA/Dコンバータでいったんメモリに一定時間蓄積する。このC/Aコード信号はGPSの航法データにより、極性が反転しているところが存在する。この特許ではノイズに埋もれたC/Aコード信号を、ノイズの中から浮かび上がらせるために外部からの航法データを入手して、C/Aコード信号の極性を完全に同一にして同期加算および相関計算を行うことにより高感度受信を行うものである。
この通信時間を知ることにより、外部基地局のサーバから航法データを通信回線で受信機に取り入れた航法データの位相差を限りなく小さくして、外部からの航法データをスキャンさせてその位相差を完全に合わせることを行っている(例えば、特許文献2参照)。
そのため、このような処理ではPN信号の極性が航法データにより変化しているため、PN信号の極性により同期加算する時に、図15(B) の過程で信号成分が互いに相殺されて感度(S/N)向上に十分ではないという欠点があった。つまり航法データの極性反転の境目を検出していなかった。そのため、感度(S/N)の向上が不十分であるという問題点がある。
また図15(D) と図15(E) の処理過程で相関計算値の絶対値を取って同期加算することは、白色雑音そのものの軽減にはつながらないため感度(S/N)の向上が不十分であるという問題点がある。
また、上記極性修正演算工程における上記擬似パターンは、上記衛星からの信号の単位フレームに相当する所定ビット数のデータ列であり、しかも1ビットずつ順に変位させた該所定ビット数と同数の群からなる。
また、上記極性修正演算ブロック部は、該第2入力信号に上記受信機端末が予め用意する上記擬似パターンを乗算又は除算させる乗除演算部と、該乗除演算部における結果を平均計算する平均演算部と、該平均演算部における結果を上記第2入力信号に乗算させる極性修正演算部と、を有するものである。
従来のように、外部基地局からのデータを必要とせず、自己が受信した信号にて処理が行え、PN信号を著しくS/Nの向上させて検出できる。つまり、ノイズの中からPN信号を効率よく浮かび上がらせることができ、建物の中やビルの中など、GPS信号(GPS電波)が著しく減衰した場所においても、衛星Sとの擬似距離を精度良くかつ応答性良く測定できる。
なお、本発明では、搬送波(キャリア)が重畳された受信PN信号、又は、搬送波が重畳されていない受信PN信号のどちらであってもよい。
図2において、S1 ,S2 ,S3 ,S4 は地球の廻りを回る対象測位衛星であり、1は基地局である。基地局1は見晴らしの良い環境に設置された受信アンテナ2を備え、GPS基準信号サーバ受信機3にてGPS信号を受信する。
放送電波の周波数がGPS電波(信号)の近傍の周波数帯であるならば、この受信部12はGPS受信部13と共用させても良い。本発明は、通信手段L(回線、放送、携帯電話、インターネットなど)により、多くの端末11に対して同時に受信させることを想定している。なお、図2は1台のGPS受信機端末11を示している。
受信部13はGPS受信信号───PN信号───のアナログ信号をデジタル信号に変換するA/D変換部分である。デジタル化されたPN信号はメモリ(RAM)15───GPS信号蓄積部───に記憶される。
なお、以上の構成は従来よりあるGPS技術で汎用的に広く使われているものであり、詳細な説明は省略する。
なお、第1演算ブロック部23と第2演算ブロック部24と極性修正演算ブロック部25とを、上記極性修正装置17(図2)としている。
なお、同期加算ブロック部9と相関計算ブロック部10とが、上記同期加算・相関計算装置18(図2)とし、擬似距離検出ブロック部19が擬似距離検出装置19′及び位置計算装置20となる。
連続する衛星Sからの信号のうち、20msec区間は、航法データの1ビット区間と同じ時間となる。従って、1sec は、航法データの5ビット区間と同じ時間となる。
図2において、21は受信機端末11が有する信号処理部である。この中のドップラ補正部16、極性修正装置17、同期加算・相関計算装置18、擬似距離検出装置19′は機能ブロックを示し、受信機端末11(信号処理部21)では受信し蓄積された1sec 間(所定時間T)のPN信号(衛星受信信号)の航法データの極性を同一化させ、極性を同一化させた1sec 間(所定時間T)の衛星受信信号を同期加算し、同期加算した信号を演算して遅延値を検出して擬似距離を求める。
また、擬似パターンAは、後述する極性修正演算工程において用いられるものであり、衛星Sからの信号の単位フレーム(1フレーム)に相当する所定ビット数のデータ列であり、しかも1ビットずつ順に変位(シフト)させた所定ビット数と同数の群からなるものである。
ここで得られた擬似距離と、受信部12からの基地局位置、各衛星位置、基地局と各衛星との擬似距離の情報により位置計算装置20で受信機端末11の自己位置を知ることができる。
この機能ブロックを構成する手段はハードウェアによる構成、ソフトウェアによる構成、またはこれら混合した構成などが考えられる。この機能ブロックを構成する手段であるソフトウェア処理を実行するためのハードウェア構成を信号処理部21に示している。
12は図2の基地局1からの情報を放送や通信手段Lを通じて得るための受信部である。また、信号処理部21のRAM45の中のメモリ配置を図4に示す。
受信アンテナ部14からPN信号でスペクトラム拡散変調された 1.5GHZ 帯のGPS信号を高周波増幅部32で受信する。周波数シンセサイザ部34と周波数変換部33でダウンコンバートされて、たとえば70MHz 帯の周波数領域に変換する。これに周波数シンセサイザ部34と90度移相器37で互いに90度位相の異なる70MHz の搬送波で掛け算する部分、すなわちI信号変換(搬送波除去)部35、Q信号変換(搬送波除去)部36で、互いに(搬送波70MHz が除去された互いに)直交するIとQのPN符号が取り出される。
この動作を図5に示す。図5はI信号変換(搬送波除去)部35、Q信号変換(搬送波除去)部36の動作概要を示す図であり、図5においてI信号変換(搬送波除去)部35、Q信号変換(搬送波除去)部36、移相器37、A/Dコンバータ38、A/Dコンバータ39、メモリ15は、図3の符号と対応する。
47,48は乗算器である。49,50は低域フィルター(帯域フィルター)である。
この実施例ではI,Q変換器それぞれにおいて、信号PN.cos((w+Δw)t +Φ) に対して互いに直交する搬送波cos(wt) 、sin(wt) すなわち搬送波周波数w が同一であるため、搬送波が除去されている。
図2におけるデジタル信号処理部21の機能ブロックを、ソフトウェアにより実行するフローチャートを図7に示す。図7において機能ブロックであるドップラ補正部16、極性修正装置17、同期加算・相関計算装置18、擬似距離検出装置19′、位置計算装置20は、図2のデジタル信号処理部21における機能ブロックに対応している。図7のF1 からF10までは、それぞれの機能ブロックが処理しているソフトウェアブロック(工程)である。
このドップラ周波数Δw は、図2の基地局1(サーバ)からGPS受信機端末11の受信部12により入手できる。このΔw はCPU部42で受け取りRAM45に記憶される。
図6はプログラムで行う機能ブロック図である。26,27,28,29は乗算器、30は加算器、31は減算器を示す。tは離散化された値でt=0:Δt:W×Tであり、tは0からW×Tまでサンプル間隔Δtで離散化された値であることを意味する。サンプリング周波数をfKHz とする。ここではf=Nとして説明する。T=1msec;W=1023とする。サンプリング間隔ΔtはΔt=1/fとなる。
これらの信号に対して受信部12より得られたドップラ周波数Δw からcos(Δwt) 、sin(Δwt) を乗算器26,27,28,29で乗算して、加算器30、減算器31を通すと−0.25PN.sin (Φ) 、0.25PN.cos (Φ) が得られる。
I,Q信号のデジタルデータPN.cos (Δwt+Φ) 、−PN.sin (Δwt+Φ) の入力信号をSIin= −0.5PN.sin(Δwt+Φ) 、SQin= 0.5PN.cos(Δwt+Φ) とおいて、−SIin×cos(Δwt) +SQin×sin(Δwt) 、SQin×cos ( Δwt) −SIin×sin(Δwt) を計算する。そして、計算結果として−0.25PN.sin(Φ)、0.25PN.cos (Φ) が得られる。
このようにして得られた互いに直交するI,QのPN信号をそれぞれ図4のメモリ部51,61に蓄積する(工程F4 )。この蓄積されたデータはドップラ成分Δw が含まれない。
この図において横軸の1行N列はC/Aコード1周期分(1msec)を1023KHz でサンプリングしたので1023個1行ぶんでC/Aコード1周期分に相当する。すなわち1行分はC/Aコード1フレームに相当する。そして、1sec 分のデータを収集したので1000行からなることを示す。
従って、図9の行列はD(1:1000,1:N) で表現できる(図9はN=1023で示す)。
これら1000行N列の離散化されたI, QのPN信号(データ)に対して、搬送波の極性を変更(修正)させて同期加算、相関計算結果を得る動作について以下説明する。
すなわちフローチャート図7の極性修正装置17、同期加算・相関計算装置18、擬似距離検出装置19′の動作に入る。
擬似パターン部22の擬似パターンAは、図12のA1 からA1023までの1023種類で一組のパターン群である。この擬似パターンAは、上記説明したように、衛星Sからの信号の単位フレーム(1フレーム)に相当する所定ビット数(1023ビット)のデータ列であり、しかも1ビットずつ順にデータを変位(シフト)させた所定ビット数(1023)と同数の群からなるものである。
また、これらの擬似パターンAは、0のかわりに1、1のかわりに−1としても良い。
図6の出力である−0.25PN.sin(Φ)、0.25PN.cos(Φ)の各信号はメモリ部51,61(図4)に蓄積されている。以下0.25PN.cos(Φ)の信号について説明する(−0.25PN.sin(Φ)についても動作は同様である)。
つまり、1sec (所定時間T)の衛星受信信号から、長さ20msecぶんに相当する第1入力信号を得る初期信号工程が行われる。この工程では、入力・保存・処理された一つの1sec ぶんの入力信号において、データ取得開始を、最大20msecまで、1msecずつ遅らせて所定数(20個)得る。さらに、各1msecずつ遅らせて得る第1入力信号は、1sec (所定時間T)の衛星受信信号にわたって複数回連続して行われ、取得される(1sec/20msec=50個の組が得られる)こととなる。
即ち、所定時間Tの衛星受信信号から、航法データ1ビットぶんに相当する長さの第1入力信号を、データ取得開始を微小時間iずつ遅らせて、所定数得て、各第1入力信号を同期加算して第2入力信号としている。なお、図9における微小時間iは1msecであり、第2入力信号は1msecの長さに相当する。
具体的には、図12に示すように、極性修正演算ブロック部25は、第2入力信号に受信機端末11が予め用意する擬似パターンAを乗算又は除算させる乗除演算部25aと、乗除演算部25aにおける結果を平均計算する平均演算部25bと、平均演算部25bにおける結果を第2入力信号に乗算させる極性修正演算部25cと、を有する。
この処理をさらに具体的に説明すると、以下のようになる。
INPUT SIGNAL=DATA×CA+NOISE ……(1)
そして、{CA/ A}=1であるならば────つまり、第2入力信号のCAコードと擬似パターンAとが(極性は正又は逆であるが)一致すると────、乗除演算部25aにおける結果は、式(2)及び式(3)のように表せる。
INPUT SIGNAL/A=DATA×CA/A+NOISE/A ……(2) INPUT SIGNAL/A=DATA+NOISE′ ……(3)
DD = 1/N×Σ{INPUT SIGNAL/A}
= 1/N×Σ{DATA+NOISE′}
= D′+ NOISE″ ……(4)
DD×INPUT SIGNAL
=(D′+NOISE″)×(DATA×CA+NOISE)
=[D′×DATA]×CA+NOISE ″×DATA×CA
+NOISE×(D′+NOISE″)
=CA+(NOISE ″×DATA×CA)
+{NOISE×(D′+NOISE″)} ……(5)
1/m×{ΣD(M,N)} (ただし、M=1〜m) ……(6)
そして、各GPS衛星Sに対応する(衛星受信信号を復調させる)各レプリカPN符号は、あらかじめGPS受信機端末11が備える信号処理部21のROM46───記憶部7───に記憶させている。
y(k)=ΣX(n) h(n+k) (ただし、n=0〜N−1) ……(7)
また、ここでデータXが信号をm回同期加算して得られたx(n)とすれば、この相関計算により雑音軽減量は式(8)となる。
1/√(m・N) ……(8)
従って、1sec のGPSデータ取得のみで、雑音軽減量は上記式(8)の結果の効果を出すことが可能である。すなわち雑音にうもれた超微弱信号であっても遅延量τを求めることができる。
なお、I信号の相関計算について行なったが、Q信号についても同様の計算を行う。
次にI信号、Q信号の合成を行い、これをメモリ部70に記憶させる(図4)。
その後、図2の位置計算装置20のブロックにて、基地局1からの基地局位置、各衛星位置、各衛星と基地局間の擬似距離の情報を受信機端末11の受信部12で取得して自己位置が決定される。なお、位置計算装置20もここで求めた擬似距離と、基地局位置、各衛星位置、各衛星と基地局間の擬似距離から自己位置を決定する方法は一般に広く知られており容易に実現できる。
また、基本的に1sec のGPSデータ取得のみで、超高感度を実現している。
そして、第2入力信号に受信機端末11が予め用意する擬似パターンAを作用させたものをさらに第2入力信号に作用させる極性修正演算工程を行い、さらに、極性修正演算工程にて得られた信号について所定時間(T=1sec )ぶんの衛星受信信号にわたって50回同期加算を行う。得られた同期加算信号と受信機端末11が予め用意するレプリカPN符号とで相関計算を行い、相関計算による結果から遅延値を検出し、遅延値から擬似距離を求める。
下限未満であると、感度の向上が望めず、また、上限を超えると、処理時間が長くなってしまい、実用性に乏しくなる。
また、ソフトウェア、ハードウェアの混合で構成しても良い。
すなわち、受信機端末11内部にあらかじめ用意した擬似パターンで、受信信号(PN信号)の航法データの極性を同一にして、同期加算、相関計算を行うことにより、劇的な感度(S/N)の向上を図り、家屋内、建物の陰、ビルの中などでも、安定した測位のできる高感度衛星測位手段(方法)を得るものである。
そして、本発明は短時間の連続信号を受信するのみで、A/Dコンバータ38,39におけるサンプリング数を増大することで相関計算において感度(S/N比)を著しく向上させ、また、建物の中などでも衛星Sとの擬似距離を正確かつ迅速に検出させる。
なお、上記PN信号はGPS信号PNや、Gallileo受信PN信号等にも適用できる。
従来のように、外部基地局からのデータを必要とせず、自己が受信した信号にて処理が行え、ノイズに埋もれたPN信号を、著しくS/Nの向上させて検出できる。つまり、ノイズの中からPN信号を効率よく浮かび上がらせることができ、建物の中やビルの中など、GPS信号(GPS電波)が著しく減衰した場所においても、衛星Sとの擬似距離を精度良くかつ応答性良く測定できる。
10 相関計算ブロック部
11 受信機端末
19 擬似距離検出ブロック部
23 第1演算ブロック部
24 第2演算ブロック部
25 極性修正演算ブロック部
25a 乗除演算部
25b 平均演算部
25c 極性修正演算部
A 擬似パターン
S 衛星
T 所定時間
i 微小時間
Claims (5)
- 衛星(S)からの信号を受信機端末(11)が受信し、受信した所定時間(T)の衛星受信信号により該受信機端末(11)が該衛星(S)との間の擬似距離を求める衛星測位方法であって、上記所定時間(T)の衛星受信信号から、航法データ1ビットぶんに相当する長さの第1入力信号をデータ取得開始を微小時間(i)ずつ遅らせて所定数得て、各第1入力信号を同期加算して第2入力信号とし、該第2入力信号に上記受信機端末(11)が予め用意する擬似パターン(A)を作用させたものをさらに上記第2入力信号に作用させる極性修正演算工程を行い、さらに、該極性修正演算工程にて得られた信号について上記所定時間(T)ぶんの衛星受信信号にわたって同期加算を行い、得られた同期加算信号と該受信機端末(11)が予め用意するレプリカPN符号とで相関計算を行い、該相関計算による結果から遅延値を検出し、該遅延値から上記擬似距離を求めることを特徴とする衛星測位方法。
- 衛星(S)からの信号を受信機端末(11)が受信し、受信した所定時間(T)の衛星受信信号により該受信機端末(11)が該衛星(S)との間の擬似距離を求める衛星測位方法であって、上記所定時間(T)の衛星受信信号から長さ20msecぶんの第1入力信号をデータ取得開始を1msecずつ遅らせて所定数得る初期信号工程を、上記所定時間(T)の衛星受信信号にわたって複数回行い、各第1入力信号を同期加算して第2入力信号とし、該第2入力信号に上記受信機端末(11)が予め用意する擬似パターン(A)を乗算又は除算及び平均計算させたものを、さらに上記第2入力信号に乗算させる極性修正演算工程を行い、さらに、該極性修正演算工程にて得られた信号を単位として上記所定時間(T)ぶんの衛星受信信号にわたって同期加算を行い、得られた同期加算信号と該受信機端末(11)が予め用意するレプリカPN符号とで相関計算を行い、該相関計算による結果から遅延値を検出し、該遅延値から上記擬似距離を求めることを特徴とする衛星測位方法。
- 上記極性修正演算工程における上記擬似パターン(A)は、上記衛星(S)からの信号の単位フレームに相当する所定ビット数のデータ列であり、しかも1ビットずつ順に変位させた該所定ビット数と同数の群からなる請求項1又は2記載の衛星測位方法。
- 衛星(S)からの信号を受信機端末(11)が受信し、受信した所定時間(T)の衛星受信信号により該受信機端末(11)が該衛星(S)との間の擬似距離を求める衛星測位システムであって、上記受信機端末(11)は、上記所定時間(T)の衛星受信信号から航法データ1ビットぶんに相当する長さの第1入力信号をデータ取得開始を微小時間(i)ずつ遅らせて所定数得る第1演算ブロック部(23)と、各第1入力信号を同期加算して第2入力信号とする第2演算ブロック部(24)と、該第2入力信号に上記受信機端末(11)が予め用意する擬似パターン(A)を作用させたものをさらに上記第2入力信号に作用させる極性修正演算ブロック部(25)と、該極性修正演算ブロック(25)にて得られた信号について上記所定時間(T)ぶんの衛星受信信号にわたって同期加算を行う同期加算ブロック部(9)と、得られた同期加算信号と該受信機端末(11)が予め用意するレプリカPN符号とで相関計算を行う相関計算ブロック部(10)と、該相関計算による結果から遅延値を検出し該遅延値から上記擬似距離を求める擬似距離検出ブロック部(19)と、を備えることを特徴とする衛星測位システム。
- 上記極性修正演算ブロック部(25)は、該第2入力信号に上記受信機端末(11)が予め用意する上記擬似パターン(A)を乗算又は除算させる乗除演算部(25a)と、該乗除演算部(25a)における結果を平均計算する平均演算部(25b)と、該平均演算部(25b)における結果を上記第2入力信号に乗算させる極性修正演算部(25c)と、を有する請求項4記載の衛星測位システム。
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