JP2539535B2

JP2539535B2 - 測位衛星受信信号処理方法と装置及びナビゲ―ションシステム

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Publication number: JP2539535B2
Application number: JP17742390A
Authority: JP
Inventors: 芳則遠藤; 浩司黒田; 淳一牧野
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1990-07-06
Filing date: 1990-07-06
Publication date: 1996-10-02
Anticipated expiration: 2011-10-02
Also published as: JPH0465687A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明はNAVSTAR/GPS衛星からの信号を受信する受信
装置と受信信号処理方法、及び前記信号を利用したナビ
ゲーションシステムに関する。

〔従来の技術〕

GPS（Global Positioning System:全世界測位システ
ム）は、米国国防総省が構築を進めている人工衛星を用
いた全世界電波航法システムである。システムは衛星系
と地上系から構成される。衛星系は最終的に計24個揃う
予定であり、システムが完成すれば24時間、全世界で３
次元測位が可能になる。

GPS衛星から送られる信号は、干渉や妨害を受けにく
い、信号秘匿能力が高い、距離測定、時刻同期が可能、
符号分割多重接続が可能などの優れた能力を持つスペク
トラム拡散変調信号である。

スペクトラム拡散変調は、情報データ信号を、その情
報信号の周波数帯域より広帯域で、かつ自己相関が高く
て相互相関が低いという特徴を有するランダムな符号で
ある擬似雑音信号（Pseudo Noise符号:PN符号）で変調
し（これをPN拡散と呼ぶ）伝送する方式である。このた
め、スペクトラム拡散信号の受信装置には、次の機能が
必要となる。まず送信側で情報データの拡散に用いたPN
符号と同じパターンのPN符号を受信機内部で生成し、そ
のPN符号の位相と受信信号のPN符号の位相を一致させて
乗算し復調することで、送信された情報データを復調す
る機能である（これをPN逆拡散と呼ぶ）。

次に、その動作を詳細に説明する。

受信装置立ち上げ後、受信すべき信号のPN符号と受信
機内部で作成するPN符号の位相が一致（位相同期）する
までPN符号の位相を変化させる、いわゆるPNサーチを同
期捕捉するまで行い逆拡散信号を得る。

次に、この逆拡散信号には不用な雑音信号が多く混入
しているため、逆拡散信号の中心周波数と、前記逆拡散
信号から不要な雑音を除去する狭帯域なフィルタの中心
周波数を一致させて、逆拡散信号をろ波する（周波数同
期）。前記動作により、不用な雑音成分を除去して情報
信号を復調しPN同期を確立する。

以上の操作によりPN同期が確立した後は、常にPN符号
の位相が一致するように、（例えば横山光雄著「スペク
トル拡散通信システム」PP.311−325に示されるよう
に）震動ループ回路からの信号に基づいてPN符号発生器
を制御し（PN同期追跡）、PNトラッキングする。そのト
ラッキング状態より３衛星以上のGPS衛星と受信機間の
距離を測定し、自己位置を演算する。

上記GPS受信装置では、電源立ち上げ後測位を行なう
までには位相同期や周波数同期といった過程が必要不可
欠であり、時間を要する。そのため、従来は特開昭58−
191552号公報に示される方式により同期サーチスピード
を可変し、立ち上げ時間を短縮する方法がある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

GPS衛星が送信する電波の信号レベルは、衛星の仰角
や、受信装置に使用するアンテナの利得パターンの仰角
に対する偏差などの要因により、大きく変化する。

そのため、信号レベルにより最適なPNサーチスピード
や、不用な雑音を除去する狭帯域フィルタの帯域幅、及
び震動ループ回路におけるループフィルタ等のパラメー
タを最適に選択する必要がある。しかし（１）従来、こ
れらパラメータを信号レベルによらず一律にしていたた
め、位相同期や周波数同期に要する時間が長くなるとい
う問題があった。また（２）同期に要する時間と、距離
の測定精度の間には相反する性質があり、一律にこれら
パラメータを設定すると両特性を満足させるのが困難で
あった。また震動ループ回路において、データが反転す
るとき距離の測定精度が悪化するという問題点があっ
た。さらに（３）GPS信号の受信可否や信号レベルは、
測位に使用する衛星の組合せを変更するためにのみ使用
されていた。

本発明の目的は、PNサーチに要する時間を短縮すると
ともに、距離の測定精度を上げて測位誤差を少なくする
ことにある。さらにGPS信号の受信可否や受信信号レベ
ルの情報をナビゲーションシステムに応用し、測位精度
の高いナビゲーションシステムを実現することにある。

〔問題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明は、（１）GPS衛星から送信された航法データと測位する時
刻より、その時刻に見えるGPS衛星の仰角を予め計算
し、その仰角におけるアンテナの利得やGPS信号の伝搬
損失から、受信されるGPS信号のS/N比（信号対雑音比）
を求める機能を備えた。さらに、その値より最適なPNサ
ーチスピードや、逆拡散信号から不用な雑音を除去する
フィルタの帯域幅、及び震動ループ回路におけるループ
フィルタのパラメータを設定し、PN同期捕捉や追従する
機能を備えたものである。

（２）GPS衛星の航法データが全くないとき、またはそ
のデータの信頼度が著しく悪いときや、時刻情報がない
ときには、最初にフィルタの帯域幅を広げてGPS信号の
同期捕捉を行い、それでPN同期が得られなかった場合に
は、フィルタの帯域幅を狭めて同期捕捉を行い、PN同期
を確立する機能を備えたものである。

（３）震動ループ回路におけるループフィルタのパラメ
ータを、同期追跡前後で切り替える機能を備えたもので
ある。

（４）GPS衛星の航法データ信号が反転する時間を前の
データ反転から推定し、データが反転するときは震動ル
ープ回路におけるループフィルタへの信号入力を止め、
出力をホールドする機能を備えたものである。

（５）GPS信号のS/N比などの外部情報を入力する手段を
備え、その情報をもとに最適なPNサーチスピード・逆拡
散信号から不用な雑音を除去する狭帯域フィルタの帯域
幅・震動ループ回路におけるループフィルタのパラメー
タを設定する機能を備えたものである。

（６）GPS信号の受信の可否、GPS信号の受信レベルなど
の情報を外部に出力する機能を持ち、ナビゲーションシ
ステムではその情報と地図データに記録されている周囲
建物状況を突合せ、現在位置を推定する機能を備えたも
のである。

〔作用〕

（１）GPS信号のS/N比は、GPS衛星の見える仰角のGPS信
号伝搬損失とアンテナの仰角に対する利得パターンから
計算される。GPS衛星の見える仰角が高いときには不用
な雑音を除去する狭帯域フィルタの帯域を広げ、高速に
PN位相同期をとる。またGPS衛星の見える仰角が低いと
きには、このフィルタの帯域を狭め、低速でPN位相同期
をとる。

（２）GPS衛星の航法データが全くないとき、またはそ
のデータの信頼度が著しく悪いとき、時刻情報がないと
きには、GPS信号のレベルを計算できないので、まず逆
拡散信号から不用な雑音を除去する狭帯域フィルタの帯
域を広げ、PNサーチを行う。この処理で同期が検出され
ない場合はGPS信号のレベルが低いので、このフィルタ
の帯域を狭めてS/N比を向上させる。さらにPNサーチを
行い、PN同期を確立する。

（３）震動ループにおけるループフィルタのパラメータ
を、PN同期を検出した時点から測位を開始するまでは短
時間に、かつ安定にPNトラッキングが成り立つパラメー
タを選択し（ループフィルタ内の乗算器の定数を小さく
する）、測位を開始した後は距離の測定誤差が最小にな
るパラメータを選択する（ループフィルタ内の乗算器の
定数を大きくする）ように働く。

（４）GPS衛星の航法データ信号は50BPSなので、20msお
きにデータが反転する。この性質を利用し、前のデータ
反転から次のデータ反転がいつ起きるかを計算し、デー
タ反転が起きるときには震動ループにおけるループフィ
ルタへの信号入力を止める一方、出力信号をホールドす
るように働く。

（５）以前に受信したときのGPS信号レベルなどの情報
を外部データとして受取り、それにもとづぎ信号レベル
が高いと判断されたときには、逆拡散信号から不用な雑
音を除去する狭帯域フィルタ帯域を広げ、高速にPN位相
同期をとる。また信号レベルが低いと判断されたときに
は、このフィルタの帯域を狭め、低速でPN位相同期をと
る。

（６）ナビゲーションシステムで自己位置の奥低にGPS
信号を利用する場合、GPS信号の受信可否や信号レベル
より、そのGPS衛星が見える方向に障害物があるか否か
を確認する。障害物があると判断したときには、地図情
報とGPS受信装置から出力される位置情報を突き合わせ
る。さらにGPS衛星が見える方向に障害物があるか否か
を地図で調べる。さらに障害物の陰になるようにマップ
マッチングして自己位置を決定する。

〔実施例〕

以下、本発明の１実施例を第１図に用いて説明する。

第１図は本発明を適用したGPS受信装置の１構成例で
ある。

第１図で、GPS衛星から送信された中心周波数1575.42
MHzのスペクトラム拡散信号は、アンテナ１で捕らえら
れ高周波部23に送られる。

高周波部23は、この信号を低雑音アンプ２にて増幅
し、基準発振器22（例えば発信周波数が65.472MHzのも
の）で周波数管理される第１局部発振器４で作成した搬
送波（例えば発信周波数1509.948MHz）によりミキサ３
でダウンコンバージョンし、第１中間周波信号S1を得
る。

さらにこの信号S1から不要な雑音信号を帯域通過フィ
ルタ５（例えば通過帯域幅約2MHz）で除去し、逆スペク
トラム拡散部24を送る。

逆スペクトラム拡散部24では、PN符号NCO8とPN符号発
生器７により、受信すべきGPS衛星信号のPN符号と同じ
パターンで、かつ同位相のPN符号で、高周波部23から送
られるスペクトラム拡散信号を逆拡散し、第２中間周波
信号S2を得る。

この第２中間周波信号S2を２分岐し、基準発振器22の
出力位相差を90゜とした２つの信号と混合して周波数変
換（ダウンコンバージョン）し、位相が90゜相異なる第
３中間周波信号S3,a.bを得る（それぞれＩ信号、Ｑ信号
とよばれる）。

以上のようにI,Q信号に分離処理することで、低いサ
ンプリング周波数で処理可能とするとともに、ディジタ
ル信号処理部の構成を簡略化している。

さらにA/D変換器の前に設けられた低域通過フィルタ1
2.a.bで、A/D変換器のサンプリング周波数の1/2以上の
周波数成分であり折り返し信号を除去し、信号S4.a,bを
得る。

ここで信号S3.a,bはドップラ効果により約±4KHzの周
波数変動があり、また基準発信器の周波数変動を考慮す
ると低域通過フィルタ12.a,bの遮断周波数を約５〜7KHz
に選ぶと良い。

さらに、A/D変換器でこのアナログ信号S4.a,bを（例
えば基準発信器信号を分周器11で4096分周した15.98437
5MHzのサンプリング信号で）ディジタル信号S5.a,bに変
換し、ディジタル信号処理部25に送る。

ディジタル信号処理部25では、ディジタル発振器で構
成される第３局部発振器15から出力される搬送波信号
と、信号S5.a,bをミキサ14.a,bで混合し、ダウンコンバ
ージョンされた信号S6.a,bを得る。

さらに、演算部21からの信号S16により、アダプティ
ブに信号遮断周波数を変更可能で通過帯域を変えられる
低域通過フィルタ16.a,bで、信号S6.a,bから不要な雑音
を除去し、航法データ信号を含んだ搬送波信号S7.a,bを
得る。

データ復調器17は、例えばコスタス復調器やTAN形式
復調器で構成され、希望とするデータを含んだ搬送波信
号S7.a,bから搬送波信号を再生し、これを入力信号と比
較することでデータ信号S8を復調し、演算部21に送る。

また検波器18は、入力信号S7.a,bの自乗和の平方根を
計算し、入力信号の振幅情報信号S9を得る。

この信号S9は演算部21に送られ、S9の振幅が設定した
レベル以上であればPN同期状態、S9の振幅が設定したレ
ベル以下であればPN非同期状態と判別し、その結果をPN
同期信号S13として出力する。

さらに振幅情報信号S9は震動ループ19に送られ，基準
発振器22を分周し、PN符号発生器７より発信されたディ
ザー信号S14による処理や，演算部からの基準信号S17よ
り設定されたフィルタ周波数でフィルタリング処理され
てPN同期追跡信号S10が出力される。なお、震動ループ1
9へは演算部21からデータ反転信号S15も入力され検波器
18からの信号S9の震動ループ19への入力を制御してい
る。

またスイッチ20はPN同期補促信号S11とPN同期追跡信
号S10を切り替えるものである。演算部21からのPN同期
信号S13が非同期状態を示していれば演算部21から出力
されるPN同期捕捉信号S11に切り替えられ、同期状態を
示していればPN同期追跡信号S10に切り替えられる。

このスイッチ20から出力される制御信号S12はPN符号N
CO8に入力され、PN符号の位置を制御し、PN同期状態を
作り出す。

以上の構成でGPS信号を復調し、測位がなされるが，
従来方式と異なる点は，低域通過フィルタ16.a,bの遮断
周波数を演算部21からの信号S16に基づいてアダプティ
ブに変化できること，同じく演算部21からの制御信号S1
7に基づいて震動ループのフィルタ定数を変化できるこ
と,PN同期捕捉信号S11が変化可能でPN同期点を捜す速度
（サーチスピード）を自由自在に変化できる点にある。
このPNサーチは、受信波のPN符号チップレート周波数と
受信機内部で作成するPN符号のチップレート周波数をわ
ずかに違えることにより、等価的にPN符号の位相を変化
させることで実現される。例えば受信波PN符号のチップ
レート周波数を1.023MHz、受信機内部で生成するPN符号
のチップレート周波数を1.0232MHzとすれば、サーチス
ピードは200BIT/Secになる。従ってサーチを早めるに
は、互いのチップレート周波数差を大きくすれば良いこ
とになる。

次に演算部の処理構成を第２図に用いて説明する。

航法データ解析部44では復調されたGPS衛星航法デー
タ信号S8から航法データを編集し、測位や速度演算に必
要なアマルナックデータ（GPS衛星の概略位置情報）や
エフェメリスデータ（GPS衛星の詳細位置情報）への変
換を行なう。また、データ信号S8には搬送波のドップラ
周波数変化量に関する情報も重畳して送られる。

フィルタ制御演算部45は、後述するGPS信号のS/N比を
推定演算し、低域通過フィルタの帯域幅を決定し、フィ
ルタ信号S16をデジタル信号処理部25に出力する。

同期判定部46は、入力信号の振幅情報信号S9を監視
し、その振幅が設定したレベル以上であればPN同期状
態、振幅が設定したレベル以下であればPN非同期状態と
判別する。震動ループ制御演算部47は、後述する入力信
号のデータ反転時の測位精度悪化を防ぎ、かつ高速で安
定にトラッキングするためのループフィルタを最適化す
るものである。そのため、データ反転時刻を予測してデ
ータ反転信号S15を出力するとともに、ループフィルタ
の乗算器定数の制御信号S17により変化させる。

スイッチ制御信号部48は、同期捕捉モードと同期追跡
モードを切り換えるPN同期信号S13を出力する。

ドップラ変動補償部49は、搬送波信号S7.a,bにドップ
ラ変動の影響が及ばないように制御する第３局発振制御
信号S24を、第３局部発振器に出力する。

衛星選択部53は、最も測位精度が高くなる衛星の組合
せを選択する。

測位演算54は距離計測カウンタ44より出力される擬似
距離データ信号S23、GPS衛星の位置データより自己の３
次元位置を計算する。

速度演算部55は擬似距離変化率データ（これは搬送波
の周波数変化量より求まる）、GPS衛星の位置データ等
より自己の速度及び進んだ方向を計算する。

次に、演算部21の処理アルゴリズムを第３図を用いて
説明する。電源立ち上げ後、立ち上げ処理100を行な
い、演算部内部に蓄えられているアルマナックデータを
用いて現在見えるGPS衛星の位置と速度を求める101。

その幾何学的な位置の組合せより、最も高い精度で自
己位置を測位可能な４個のGPS衛星の組合せを決定する
（２次元測位の場合には、３個の衛星組合せ）102。

さらにGPS衛星の位置及び速度から衛星信号のドップ
ラシフト周波数量を計算する103。

これら基本演算が終了した後、ディジタル信号処理部
の設定を行なう。

まず、震動ループのループフィルタの定数を急速にト
ラッキングする定数とする104。

次に搬送波信号S7.a,bからドップラ周波数変動を除去
するため、演算されたドップラシフト量から第３局部発
振器15の発振周波数を設定する105。

さらに低域通過フィルタ16.a,bの帯域幅を後で説明す
る方式により設定する106。

以上の設定が終了した後、PN同期サーチを開始する。
同期判定107では、GPS信号の振幅レベルを監視し、これ
がある一定のレベルを越えたときはPN同期が得られたも
のと判断して測位を開始する。

一方振幅がある一定レベル以下の時は、PN1周期分の
サーチが終了するまでサーチを継続し、それでもPN同期
しない場合は第３局部発振器15の発振周波数を僅かに変
化させて再度PN同期サーチを行なう108。

PN同期が得られた場合は、スイッチ制御信号部48から
スイッチ切り換え信号S13を出力しPNNCO制御信号S12をP
N同期捕捉信号S11からPN同期追跡信号S10に変化させて
同期をとる109。同期後、震動ループ制御演算110を行な
いのループフィルタ定数を擬似距離測定精度が改善され
る値に変更した後、データ復調器17より得られるドップ
ラ周波数を基に演算111して、さらに精度良くドップラ
周波数変動を除去し、擬似距離精度を高めるため低域通
過フィルタ16.a,bの帯域を狭める112。また得られる航
法データを編集し、アルマナックデータ・エフェメリス
データ等を得る113。さらに擬似距離や擬似距離変化率
の測定値を入力し114それを用いて自己位置115、速度及
び進行方向116を演算し出力する。同期がとれている間
は測位を継続し、同期が外れた場合は、再度同期を取り
直し測位を継続する117。

次に各部の動作を説明する。

ディジタル信号処理部のデータ復調器17から出力され
る航法データ信号S8は、演算部21で編集・解析が行われ
衛星時刻や各GPS衛星の位置情報（アルマナックデー
タ）が得られる。このアルマナックデータ（あるいは以
前に収集したアルマナックデータ）と時刻、現在位置の
情報より、各GPS衛星の見える仰角を計算する。

さらに演算部21内部のメモリに蓄えられたアンテナ１
の仰角に対する利得Ｇ（dB）を読み出し、その仰角時に
おけるGPS信号が大気中で減衰した量Ｌ（dB）を計算す
る。ここで、GPS信号の実効的な電力をＰ（dBm:101ogP
（mW）で計算され、0dBm＝1mWとなる）とすれば受信さ
れるGPS信号レベルＳは次式により計算される。

Ｓ＝Ｐ−Ｌ＋Ｇまた雑音レベルＮ（dBm）を熱雑音レベルに近似すれ
ば、雑音レベルＮは次式で計算される。

Ｎ＝kTB ただしｋはボルツマン定数、Ｔは等価雑音温度、Ｂは
受信機の帯域幅である。このGPS信号レベルＳと雑音レ
ベルＮの比により、受信するGPS衛星の信号対雑音比（S
/N比）が計算できる。

このS/N比が高いときは、低域通過フィルタ16.a,bの
遮断周波数を高くし帯域幅を１（kHz）程度に広げる。
このように帯域幅を広げることで周波数同期し易くな
る。

さらにPNサーチスピードを早め、位相同期を５秒以下
と短時間で得るようにする。

またS/N比が低いときは、低域通過フィルタ16.a,bの
遮断周波数を低くし帯域幅を200（Hz）程度と狭める。
このように帯域幅を狭めることでS/N比が向上し、GPS信
号の捕捉が可能になる。さらにPNサーチスピードを遅く
し、雑音の影響による誤りなく位相同期を得るようにす
る。このため位相同期時間は10秒前後必要になる。

上記のものは、アルマナックデータ、時刻、現在位置
の情報により各パラメータを変化させる方式であった
が、外部データS18に基づき各パラメータを変化させる
手法もある。次にその動作を説明する。

演算部21は、アルマナックデータを外部データS18で
外部演算装置に出力する。その演算装置では、現在位置
の概略値より時間に対する衛星仰角のテーブル作成し、
メモリに蓄える。GPS衛星の軌道高度が現在のままであ
れば、衛星は時間的に４分強早くなりながら毎日同じ地
上の上を通る。その効果を考慮し、現在時刻と衛星仰角
テーブルからGPS衛星の仰角を割り出す。その仰角値を
外部データS18で演算部に送り、上記手法で低域通過フ
ィルタ16.a,bの遮断周波数、PNサーチスピートを決定
し、PN同期の図る。上記外部演算装置の操作は、演算部
21内で記憶・実行することもできる。

さらに他の手法を説明する。

まず振幅情報信号S9を演算部に取り込み、受信してい
るGPS信号のS/N比を測定する。こればどの衛星も受信し
ていない場合と、GPS衛星からの信号を受信した場合の
振幅の差より計算される。この実測されたS/N比と、衛
星の仰角、アンテナの利得から演算されるS/N比を比較
し、演算されたS/N比を補正し、その補正値を記憶す
る。さらにS/N比情報を外部データS18で外部演算装置
（図示していない）に出力する。この外部演算装置はS/
N比の情報と時刻情報をメモリに蓄える。後日測位を行
う場合には、GPS衛星が時間的に４分強早くなりながら
毎日同じ地上の上を通る効果を考慮し、その時刻におけ
るGPS信号のS/N比をメモリより呼び出し外部データS18
で演算装置21に出力する。この情報により、低域通過フ
ィルタ16.a,bの遮断周波数、PNサービスピードを決定
し、PN同期時間の短縮を図る。上記外部演算装置の操作
は、演算部21内で記憶・実行することもできる。

またアルマチックデータ、時刻情報、現在位置情報が
無い場合の処理方法について次に説明する。まずGPS信
号の受信開始時には、低域通過フィルタ16.a,bの遮断周
波数を高くし、通過帯域幅を広げてPNサーチを開始す
る。このように帯域幅を広げることで周波数同期し易く
なる。しかしこのような帯域幅を広げてしまうと、S/N
比が悪化するため、仰角の低いGPS衛星は捕捉できない
場合が発生する。そこでGPS信号が捕捉できなかった場
合には、S/N比を改善するため、低速通過フィルタ16.a,
bの遮断周波数を低くし、通過帯域幅を狭め、もう１度P
Nサーチを行いPN同期を確立する。

以上GPS信号の捕捉について説明したが、PNサーチ時
間の短縮以外にGPSに希望される機能として、測位精度
がある。測位精度を高めるためには、入力するGPS衛星
信号のPN符号と、受信機内部のPN符号発生器７で作成す
るPN符号の位相を完全に一致させるように震動ループ19
で制御し、距離測定精度を上げればよい。

そこで本発明の適用した震動ループの１構成例を第４
図に示し、以下その詳細を説明する。

入力された振幅情報信号S9は、データ反転信号S15に
よりスイッチ、ホールドされ切換器25に送られる。この
信号は切換器25において、ディザー信号S14で進み信号
と遅れ信号に分けられる。各々進み信号、遅れ信号はル
ープフィルタを通過し、ディザー信号S14で制御される
ホールド26.a,bでデータが記憶される。各々の出力は加
減算器27に入力され、差がとられPN同期追跡信号S10を
出力する。

次にその動作を説明する。

震動ループに入力される振幅情報信号S9は、第５図
（ｂ）に示すような特徴がある。第５図で（ａ）は航法
データ信号S8を示しており、横軸は時間である。つまり
データが反転するところでS9の振幅が落ちる現象が発生
することである。これは受信機に使用しているフィルタ
の影響により発生するもので避けることが出来ないもの
である。またこのような振幅レベルの急激な変動が、ル
ープフィルタ28.a,bを通過すると、PN同期に悪影響を及
ぼし測位性能が悪化する。

そこでGPS航法データ信号S8のデータ反転する時刻
を、前のデータ反転時間とデータ反転周波数20msから演
算部21で計算し、そのデータ反転時間前後の時間に信号
レベルが１になる第５図（ｃ）に示したデータ反転信号
S15を出力する。

S15の信号レベルが０から１に反転したときは、スイ
ッチ23を切り放し入力が加わらないようにするのと同時
にスイッチを切り放す前のデータをホールド24で記憶す
る。

逆にS15の信号レベルが１から０に反転したときは、
スイッチ23を接続したホールド24は無効となるように働
く。

これにより第５図（ｂ）に示した振幅情報信号は、
（ｄ）に示す信号に変換される。このように情報信号の
反転時の振幅レベルの変動が小さくなるので、距離の測
定精度をさらには測位精度が改善される。さらに（ｄ）
に示した信号はスイッチ25でディザー信号S14の制御の
もと進み信号S19と遅れ信号S20に分けられる。

各々進み信号、遅れ信号は、ループフィルタに送られ
処理がなされる。本発明の特徴は、このループフィルタ
28.a,b内部の乗算器定数を、演算部からの制御信号S17
により、その処理過程に応じてアダプティブに変化でき
るところに特徴がある。

PNサーチを行い同期捕捉する時には、確実に同期捕捉
し、さらに急速にトラッキングする必要性があるので、
乗算器29.aの定数に小さな値を選び１次ループフィルタ
の特性に近くする。またPN同期追従時には、トラッキン
グのオフセット成分を無くし、測位性能を上げるため
に、乗算器29.bの定数に大きな値を選ば２次ループフィ
ルタの特性とする。

さらに乗算器30.a,bの定数も測位精度が向上するよう
に値が切り換えられる。以上の方法にてループフィルタ
から出力された信号は、ホールド26.a,bに送られる。ス
イッチ25で切り換えた信号がループフィルタ28.aに出力
している場合には、スイッチ25が切り換えられる直前の
ループフィルタ出力信号をホールド26.bに記憶する。

さらにループフィルタ28.bに出力するようにスイッチ
25が切り換えられた場合は、ホールド26.bは解放され逆
にスィッチ25が切り換えられる直前のループフィルタ出
力信号をホールド26.aに記憶する。このようにして得ら
れる信号S21、S22を、加算器27で加減算しPN同期追跡信
号を得ている。

次に上記で説明したGPS受信装置を自動車ナビゲーシ
ョンシステムに組み込んだ例を第６図に示す。

システムは、センサ系・表示系・情報系・演算系から
なる。

センサには自己の絶対位置を測定するGPS受信装置3
1、回転角度を計測する光ファイバジャイロ39・舵角セ
ンサ37、方位を検出する地磁気センサ38、速度を計測す
る車速センサ36が使用される。

表示系はLCDディスプレイ32、情報系は道路情報受信
機34、演算系は道路地図を記憶するCD−ROM33、センサ
出力より自己位置を求め、マップマッチング・表示など
をコントロールする演算部35で構成される。

簡単にその動作を説明する。GPS受信装置は常時自己
位置を測定し、その測定結果をLCDディスプレイに表示
する。しかし建物の陰等になりGPS信号の受信が不能な
場合は測位出来なくなる。そこで光ファイバジャイロ、
舵角センサより出力される角度情報、車速センサから出
力される角度情報、地磁気センサから出力される方位情
報によりナビゲーションを行なうと共に、マップマッチ
ングを併用し測位精度を高め、その測定結果をLCDディ
スプレイに表示する。このような構成とすることで、常
時正確なナビゲーションが可能になる。また光ファイバ
ジャイロ、舵角センサ、速度センサ、地磁気センサなど
のセンサ情報により常時ナビゲーションを行ない、GPS
受信装置の測位結果で補正することも可能である。

さらにこのGPS受信装置は、船・飛行機・人工衛星な
どのナビゲーションシステムにも適用可能である。

次に、上記構成による自動車ナビゲーションシステム
に、本GPS受信装置を組み込み、ナビゲーションを行っ
た例を第７図に示す。

図において道路上を走行している自動車40の走行方向
をベクトル42、建物を41、GPS衛星が見える方向ベクト
ルを43で表した。

GPSシステムの測位精度は、衛星の見える配置にもよ
るが30m〜50mの誤差がある。その誤差を修正するため、
地図と測位結果の比較を行い、強制的に自己位置を道路
上に合わせるマップマッチングがなされる。

この図の場合、自動車の走行ベクトル42から、図に示
した道路の走行が選択される。しかしこのまま走行を続
ければ、ベクトル43の方向からくるGPS信号が建物41で
遮断されるために、自動車40に搭載したGPS受信装置で
はGPS信号が受信できなくなる。これは第１図の振幅情
報信号S9の信号レベルが下がり、PN同期が外れることで
判定される。よってこのGPS信号遮断の情報を利用すれ
ば、マップマッチングが行える。つまり第７図に示す道
路地図を記憶したCD−ROM33から、建物41の情報を得
て、GPS信号が遮断されたときに、GPS衛星の見えた方向
ベクトル43が建物41と交わる道路上の場所にマップマッ
チングすることで正確な位置を知ることが出来る。

〔発明の効果〕

本発明は、以上説明したように構成されているので、
以下に記載されるような効果を奏する。

（１）GPS衛星から送られる信号のS/N比を、GPS衛星の
見える仰角、GPS受信装置に使用するアンテナの仰角に
対する利得パターンより計算し、その信号レベルに最適
なPNサーチスピード、逆拡散信号から不要な雑音信号を
除去するフィルタの帯域幅をアダプティブに変化させる
ことで、位相同期や周波数同期に要する時間を短縮し、
測位開始するまでの時間を短くできる。

（２）GPS衛星の位置、自己の概略位置、時刻などの情
報が全く無い場合でも、最短の時間でPN同期が出来るの
で、測位開始するまでの時間を短くできる。

（３）震動ループ回路におけるループフィルタのパラメ
ータをPN同期前後で切り換えることにより、高速で安定
した同期捕捉と、測位精度の向上が図られる。

（４）データ反転を以前のデータ反転から推定し、その
期間は震動ループ回路の制御を止めることでGPS信号の
データ反転時に発生する測位誤差の悪化を防ぐことがで
き、測位精度の向上が図られる。

（５）GPS衛星の仰角や、GPS信号のS/N比などの情報を
外部の入出力する手段をもたせ、そのGPS信号レベルに
最適なPNサーチスピード、逆拡散信号から不要な雑音信
号を除去するフィルタの帯域幅をアダプティブに変化さ
せることで、位相同期や周波数同期に要する時間を短縮
し、測位開始するまでの時間を短くできる。

（６）GPS信号の受信可否を外部に出力し、ナビゲーシ
ョン装置ではその情報と地図データに記録された周囲建
物状況を突わせ、マップマッチングすることで、より正
確な位置を決定できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はGPS受信装置のブロック図、第２図は演算処理
部の構成図、第３図は演算処理部の処理のフローチャー
ト、第４図は震動ループ回路の詳細図、第５図は震動ル
ープ回路に入出力される信号、第６図はGPS受信装置を
用いた自動車用ナビゲーション装置、第７図はマップマ
ッチングに使用する地図データである。１……アンテナ、２……低雑音アンプ、3,6,9.a,9.b,1
4.a,14.b……ミキサ、４……第１局部発振器、５……帯
域通過フイルタ、７……PN符号発生器、８……PN符号NC
O、10……90゜ハイブリッド、11……分周器、12.a,12.
b,16.a,16.b……低域通過フイルタ、13.a,13.b……A/D
変換器、15……第３局部発振器、17……データ復調器、
18……検波器、19……震動ループ、20,23,25……スイッ
チ、21……演算部、22……基準発振器、24,26.a,26.b…
…HOLD、27……加算器、28.a,28.b……ループフィル
タ、29.a,29.b,30.a,30.b……乗算器、31……GPS受信装
置、32……LCDディスプレイ、33……CD−ROM、34……道
路情報受信機、35……演算部、36……車速センサ、37…
…舵角センサ、38……地磁気センサ、39……光ファイバ
ジャイロ、40……自動車（ナビゲーター）、41……建
物、42……走行レベル、43……GPS衛星が見える方向ベ
クトル、44……舵法データ解析、45……フィルタ制御演
算、46……同期判定、47……震動ループ制御演算、48…
…スイッチ制御信号、49……ドップラ変動補償、50……
立ち上げ処理、51……衛星位置速度演算、52……ドップ
ラシフト変化量演算、53……衛星選択、54……測位演
算、55……速度演算

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平１−175321（ＪＰ，Ａ) 特開昭52−75917（ＪＰ，Ａ) 特開昭58−191552（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】測位衛星からの信号を受信して移動体の現
在位置を求める測位衛星受信信号処理方法において、前
記測位衛星の仰角及びその仰角におけるアンテナの利得
パターンより前記測位衛星からの信号のS/N比を推定
し、その推定されたS/N比に応じて前記測位衛星から送
られる信号のPN拡散信号の位相と前記移動体の受信機内
部で生成するPN拡散信号の位相との位相差の変化率であ
る同期点サーチスピードを変化させて前記測位衛星から
の信号を受信することを特徴とする測位衛星受信信号処
理方法。
【請求項２】請求項１において、前記同期点サーチスピ
ードに基づいて前記測位衛星からの逆拡散された信号か
ら雑音を除去するフィルタの帯域幅を変えることを特徴
とする測位衛星受信信号処理方法。
【請求項３】請求項２において、前記フィルタは逆拡散
された信号のS/N比を高める低域通過フィルタであるこ
とを特徴とする測位衛星受信信号処理方法。
【請求項４】測位衛星からの信号を受信して移動体の現
在位置を求める測位衛星受信信号処理装置において、前
記測位衛星の仰角及びその仰角におけるアンテナの利得
パターンより前記測位衛星からの信号のS/N比を推定す
る推定手段と、その推定手段によって推定されたS/N比
に応じて前記測位衛星から送られる信号のPN拡散信号の
位相と前記移動体の受信機内部で生成するPN拡散信号の
位相との位相差の変化率である同期点サーチスピードを
変化させて前記測位衛星からの信号を受信する手段とを
備えたことを特徴とする測位衛星受信信号処理装置。
【請求項５】請求項４において、前記同期点サービスピ
ードに基づいて前記測位衛星からの逆拡散された信号か
ら雑音を除去するフィルタの帯域幅を変えることを特徴
とする測位衛星受信信号処理装置。
【請求項６】請求項５にいて、前記フィルタは逆拡散さ
れた信号のS/N比を高める低域通過フィルタであること
を特徴とする測位衛星受信信号処理装置。
【請求項７】測位衛星からの信号を受信して移動体の現
在位置を求める測位衛星受信信号処理装置と、前記移動
体の移動速度と移動距離とを求める車速センサと、前記
測位衛星受信信号処理装置及び前記車速センサからの出
力に基づき前記移動体の位置や進行方向を演算して表示
する手段とを備えたナビゲーションシステムにおいて、
前記測位衛星受信信号装置は、前記測位衛星の仰角及び
その仰角におけるアンテナの利得パターンより前記測位
衛星からの信号のS/N比を推定する推定手段と、その推
定手段によって推定されたS/N比に応じて前記測位衛星
から送られる信号のPN拡散信号の位相と前記移動体の受
信機内部で生成するPN拡散信号の位相との位相差の変化
率である同期点サーチスピードを変化させて前記測位衛
星からの信号を受信する手段とを備えたことを特徴とす
るナビゲーションシステム。
【請求項８】請求項７において、前記同期点サーチスピ
ードに基づいて前記測位衛星からの逆拡散された信号か
ら雑音を除去するフィルタの帯域幅を変えることを特徴
とするナビゲーションシステム。
【請求項９】請求項８において、前記フィルタは逆拡散
された信号のS/N比を高める低域通過フィルタであるこ
とを特徴とするナビゲーションシステム。