JP3174001B2 - Gps受信装置 - Google Patents
Gps受信装置Info
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Description
関し、特に、人工衛星からの航法メッセージ(衛星の時
刻や軌道等のデータ)を受信して、ユーザの現在位置を
得るGPS受信装置に関する。
航法メッセージを利用して、ユーザの位置を得るGPS
(Global Positioning System)と呼ばれる測位システ
ムがある。このシステムにおいては、各衛星から、疑似
ランダムノイズ(チップ速度1.023MHz)で航法
メッセージをスペクトラム拡散するとともに、そのスペ
クトラム拡散信号で搬送波(1575.42MHz,1
227.6MHz)をPSK変調した信号が送信され
る。
似ランダムノイズが使用されているため、受信側におい
て、符号パターンの疑似ランダムノイズを選択的に使用
することで、各衛星からの航法メッセージを分離して受
信することができる。
利用して、ユーザの現在位置(xu,yu,zu)を求
める方法を説明する。
ジには、衛星の時刻や軌道等のデータが含まれている。
各衛星は、GPS時(原子時計が刻む正確な時刻)を保
持しており、1980年1月6日0時UTC時を、同年
同月同日0時GPS時としてスタートさせている。ここ
で、UTCは協定世界時である。
衛星からの航法メッセージの時刻データによる時間軸
を、それぞれSV1乃至SV4とするとともに、ユーザ
の時刻データによる時間軸をSVuとする。時間軸SV
u上で時刻tuであるとき、時間軸SV1乃至SV4上
で時刻t1乃至t4であれば、ユーザの現在位置(x
u,yu,zu)から各衛星の現在位置(xi,yi,
zi)までの距離ri(iは各衛星に対応する1乃至4
の添字)は、それぞれ次式に示すようになる。尚、Cは
光速である。
得られる。これらの式における各衛星の現在位置(x
i,yi,zi)(i=1乃至4)は、各衛星からの航
法メッセージの軌道データに基づいて算出される。 [(x1−xu)2+(y1−yu)2+(z1−zu)2]1/2 =C(tu−t1) [(x2−xu)2+(y2−yu)2+(z2−zu)2]1/2 =C(tu−t2) [(x3−xu)2+(y3−yu)2+(z3−zu)2]1/2 =C(tu−t3) [(x4−xu)2+(y4−yu)2+(z4−zu)2]1/2 =C(tu−t4) ・・・(2)
を解くことで、xu,yu,zuを算出することができ
る。この場合、tuを未知数として計算により求めるこ
とができるため、ユーザの受信機に高価な原子時計を備
える必要がなくなる。
ッセージのフォーマットについて説明する。航法メッセ
ージは、その伝送ビットレートが50bps、メインフ
レームの全ビット数が1500ビットとされている。そ
のため、1メインフレーム送るのに30秒かかる。各メ
インフレームは、6秒、300ビットずつの5つのサブ
フレームに分割されている。
ンブル(同期信号)が配置され、その後に17ビットの
TOWC(Time of Week Count)が配置されている。T
OWCは、週(Week)の最初よりサブフレームの数をカ
ウントした値である。また、メインフレームを構成する
5個のサブフレームのうち、最初のサブフレーム1のT
OWCの後には、10ビットのWN(Week Number)が
配置されている。図4(A)は、1980年1月6日0
時から始まる第1週のメインフレームを示している。同
図(B)は、第n週の最初から4つのメインフレームを
示している。
(B)に示すように、10個のワードから構成され、各
ワードは、600msec、30ビットからなってい
る。10個のワードのうち、最初のワード1の先頭の8
ビットはプリアンブルとされ、次のワード2の先頭の1
7ビットはTOWCとされている。各ワードの最後に
は、6ビットの誤り訂正用のパリティが配置されてい
る。各ワードのパリティは、そのワードの24ビット、
およびその前のワードの最後の2ビットの合計26ビッ
トに対して付加されている。
トが50bpsであるため、図5に示すように、ビット
周期は20msec(=1/50)となる。このような
航法メッセージが、上述したように、チップ速度が1.
023MHzの疑似ランダムノイズ(図5参照)でスペ
クトラム拡散される。この疑似ランダムノイズのコード
長(繰返し周期)は1msecであり、その20周期分
が航法メッセージの1ビットに正確に対応している。
尚、1チップ周期は、略1μsecとなる。
を受信するGPS受信装置では、時間軸SV1乃至SV
4の時刻t1乃至t4は、(3)式により算出される。 ti=1980,1,6 +WNi×7×4×3600×1sec +TOWi×6×1sec +WORDi×600msec +BITi×20msec +SEQi×1msec +CHIPi×1μsec・・・(3) (i=1乃至4)
航法メッセージより前の週に検出されたWNが使用され
る。TOWiとしては、いま受信された航法メッセージ
より前のサブフレームで検出されたTOWCが使用され
るが、週の最初のサブフレームでは0が使用される。W
ORDiとしては、ワードのカウント値が使用され、こ
のカウント値はサブフレームの最初で0にリセットされ
る。BITiとしては、ビットのカウント値が使用さ
れ、このカウント値はワードの最初で0にリセットされ
る。SEQiとしては、逆拡散に使用される疑似ランダ
ムノイズの繰返し周期のカウント値が使用され、このカ
ウント値はビットの最初で0にリセットされる。CHI
Piとしては、チップのカウント値が使用され、このカ
ウント値は疑似ランダムノイズの繰返し周期の最初で0
にリセットされる。
散やPSK復調等の処理を施して得られるビットストリ
ームに基づいて、同期状態になったことを検出する。同
期がはずれた状態から同期状態とするために、衛星から
の信号にスペクトラム逆拡散の処理で乗算される疑似ラ
ンダムノイズの位相が調整される。同期状態となってか
ら、実際に同期状態になったことが検出されるまでの時
間は、ビット周期が20msecであることから、略2
0msec程度かかる。
似ランダムノイズのチップのカウント値よりCHIPi
が決定され、また、ビットエッジを基準とする疑似ラン
ダムノイズの繰返し周期のカウント値よりSEQiが決
定される。
ム)よりプリアンブルの検出が行われる。プリアンブル
は、各サブフレームの先頭に8ビットをもって配置され
ている。プリアンブルが検出されると、WORDiおよ
びBITiが決定される。
リアンブルが検出されるまでの時間は、サブフレーム周
期が6秒であることから、最大6秒かかる。
が行われ、TOWiが決定される。プリアンブルがワー
ド1の先頭に配置されているのに対して、TOWCはワ
ード2の先頭に配置され、ワード周期が600msec
であるので、プリアンブルが検出されてからTOWCが
検出されるまでの時間は、略600msec程度とな
る。
われる。WNは5サブフレーム毎に配置されるので、T
OWCが検出されてからWNを検出するまでの時間は、
最悪略30秒程度かかる。しかし、WNは1週間不変で
あり、その週内であれば、WNiの決定にWNの検出は
不要である。
した(2)式より、衛星の位置を演算により求めるよう
にしていた。しかしながら、例えばノイズなどにより誤
った位置が求められたとしても、それを確認することが
できず、結果的にユーザの現在位置も誤って算出されて
しまう課題があった。
ものであり、誤って演算されたユーザの現在位置が利用
されるのを防止することができるようにするものであ
る。
は、複数の衛星から軌道情報と時刻情報を受信する受信
手段と、軌道情報と時刻情報から少なくとも高度を含む
位置情報を演算する演算手段と、演算手段の演算により
求めた高度を所定の閾値と比較する比較手段と、比較手
段による比較の結果、演算手段の演算により求めた高度
が閾値の範囲外にある場合、演算手段の演算により求め
た位置情報を不良と判定する判定手段と、演算手段によ
る演算結果に基づいて、現在位置のマークの表示を制御
するとともに、判定手段により不良と判定された場合、
現在位置のマークの表示を、確度が低いものであること
を表すために、点滅させるか、その形状を変化させる
か、または色彩を変更する表示制御手段と、演算手段の
演算した位置情報に基づき所定の処理を行うとともに判
定手段により不良と判定された場合、演算手段の演算し
た位置情報を使用して、他の演算を行わないようにする
処理手段とを備えることを特徴とする。
と比較することが可能である。
算された高度が、10kmを越えるとき、演算したユー
ザの位置の確度が不良とされるとともに、演算により求
められた位置が使用されないようにされる。
の一実施例を示し、本例は4個の衛星からの航法メッセ
ージ(航法データ)を受信し、これを利用してユーザの
現在位置を求めるものであり、4チャンネルの受信系を
有している。同図において、アンテナ1で捕らえられる
各衛星からの信号は、RFアンプ2で増幅された後、混
合器3で局部発振器4からの局部発振信号と混合され
て、中間周波信号に変換される。
チャンネル1乃至4の受信処理回路5−1乃至5−4
(受信手段)に供給される。受信処理回路5−1乃至5
−4では、それぞれ第1乃至第4の衛星からの航法メッ
セージを得るため、スペクトラム逆拡散およびPSK復
調等の処理が行われる。受信処理回路5−1乃至5−4
では、それぞれ第1乃至第4の衛星で使用される符号パ
ターンの疑似ランダムノイズが使用され、第1乃至第4
の衛星からの航法メッセージが分離して得られる。
合器3より出力される中間周波信号は、逆拡散回路6に
供給され、疑似ランダムノイズ発生器(PRN発生器)
7からの疑似ランダムノイズを使用してスペクトラム逆
拡散される。逆拡散回路6の出力信号は、データ復調器
8に供給されてPSK復調され、復調データ(第1の衛
星からの航法メッセージDT1)としてCPU11に供
給される。CPU11は、航法メッセージDT1のビッ
トストリームに基づいてチャンネル1の同期状態を判断
する。そして、同期がはずれようとするとき、疑似ラン
ダムノイズコントローラ(PRNコントローラ)9を介
してPRN発生器7を制御し、疑似ランダムノイズの位
相を調整し、同期状態を維持するようにする。
ダムノイズのチップ速度に同期した1.023MHzの
クロックCKが出力され、このクロックCKはレンジカ
ウンタ10にカウントクロックとして供給される。
の繰返し周期(1msec)に同期した信号(エポック
EP1)が出力され、このエポックEP1はCPU11
に供給されるとともに、レンジカウンタ10にリセット
信号として供給される。レンジカウンタ10におけるク
ロックのカウント値は、疑似ランダムノイズのチップの
カウント値としてCPU11に供給される。CPU11
では、内蔵するカウンタにより、PRN発生器7からの
エポックEP1がデータDT1のビットエッジを基準に
カウントされる(疑似ランダム信号繰返し周期がカウン
トされる)。また表示部12には、CPU11の制御の
下に、所定のメッセージが表示される。
乃至4の受信処理回路5−2乃至5−4も、チャンネル
1の受信処理回路5−1と同様に構成されている。それ
ぞれの受信処理回路5−2乃至5−4より、データDT
2乃至DT4、エポックEP2乃至EP4がCPU11
に供給される。
のフローチャートを参照して説明する。アンテナ1によ
り受信された信号は、RFアンプ2を介して混合器3に
入力され、局部発振器4が出力する信号と乗算されて、
中間周波信号とされる。受信処理回路5−1乃至5−4
は、この中間周波信号の入力を受け、DT1,EP1乃
至DT4,EP4をCPU11に出力する。CPU11
は、最初にステップS1において、入力されるDT1乃
至DT4から各衛星の時刻t1乃至t4を検出する。こ
の検出時におけるCPU11の時刻は、tuである。
4より、各衛星の時刻t1乃至t4における位置(x1
(t1),y1(t1),z1(t1)),(x2(t
2),y2(t2),z2(t2)),(x3(t
3),y3(t3),z3(t3)),(x4(t
4),y4(t4),z4(t4))を演算する。
在位置の初期値を(xK,yK,zK,rK)とする。この
初期値としては、例えば前回の計算結果を用いることが
可能である。
おいて求めた各衛星の位置(x1(t1),y1(t
1),z1(t1)),(x2(t2),y2(t
2),z2(t2)),(x3(t3),y3(t
3),z3(t3)),(x4(t4),y4(t
4),z4(t4))と、ステップS3において設定し
た初期値(xK,yK,zK,rK)を、次の繰返し計算式
(4)に代入し、誤差(Δx,Δy,Δz,Δr)を求
める。
(2)の展開による一次近似式よりニュートンラプソン
法により導かれる。
求めた誤差(Δx,Δy,Δz,Δr)の二乗平均を求
め、それが予め設定されている基準値Eより小さいか否
かを判定する。即ち、次式を判定する。 (Δx2+Δy2+Δz2+Δr2)1/2<E ・・・(5)
より大きいと判定された場合においては、ステップS5
からステップS6に進み、この誤差を受信機の現在位置
に加算した値が新たな受信機の現在位置(xu(=
xK),yu(=yK),zu(=zK),ru(=
rK))とされる(初期値が更新される)。即ち、次式
が演算される。
れると、ステップS4に戻り、この更新された位置によ
る演算が再び実行される。
繰返し実行され、平均二乗誤差が基準値Eより小さくな
ったと判定されたとき(誤差が充分小さい値に収束した
とき)、ステップS5からステップS7(演算手段)に
進み、ステップS4乃至S6の処理で求められた現在位
置(xK,yK,zK)を、緯度、経度および高度に変換
する変換式に代入し、緯度λ、経度ψ、および高度hを
求める。
例えば次式によって行われる。 ψ=tan-1(yK/xK) λ=tan-1{(z+Ne2sinλ)/(xK 2+yK 2)1/2} h=z/sinλ−N(1−e2) ・・・(7) 尚、ここで、Nは次式で表される。 N=a/(1−e2sin2λ)1/2 ・・・(8) aは地球の直径を表し、eは地球の離心率を表してい
る。
テップS7で求めた高度hを、予め設定した閾値と比較
する。即ち、高度hが下限の閾値Hminより大きく、上
限の閾値Hmaxより小さい範囲にあるか否かが判定され
る。各衛星の地上からの高さは、約20200kmであ
る。これに対して、ユーザの現在位置の高さの変化、即
ち、地上の高さ方向の変化は、精々10km未満であ
り、極めて小さいものとなる。
min,Hmaxの範囲内にないとき、演算により求めた位置
情報は、ノイズ、その他の原因により、正確な値でない
と推測(判定)することができる。そこで、このような
場合においては、ステップS8からステップS10に進
み、CPU11は表示部12に対して、ステップS7で
演算された緯度λ、経度ψ、高度hを表示部12に表示
させないようにする。
たユーザの現在位置を利用して、他の演算を行わないよ
うにする(処理手段)。そして、このとき表示部12に
は、演算されたユーザの現在位置が確度の低いものであ
ることを示す表示が行われる。この表示は、例えばLE
Dを点灯させたり、表示部12に表示されているユーザ
の現在位置のマークを点滅させたり、その形状を変化さ
せたり、色彩を変更するなどして行うことができる。そ
して、ステップS10の次にステップS4(あるいは、
ステップS1またはS3とすることも可能である)に戻
り、各衛星の位置が再び演算される。
値の範囲内にあると判定された場合においては、ステッ
プS8からステップS9(処理手段)に進み、ステップ
S7で演算された緯度λ、経度ψ、高度hが表示部12
に出力され、表示される。この表示部12には、また、
さらに表示されている緯度、経度および高度が正しいも
の(確度が高いもの)であることを、LEDの点灯、あ
るいは文字を表示する等して表示させる。また、CPU
11は、このようにして演算された現在位置を、表示部
12に、その周囲の地図情報に重畳して表示させること
ができる。
装置によれば、演算により求めた高度が閾値の範囲外で
あるとき、演算により求めた位置情報を不良と判定し、
その演算により求められた位置情報を利用して、他の演
算を行わないようにするとともに、現在位置のマーク
を、確度が低いものであることを表すものに変更するよ
うにしたので、ユーザの誤った現在位置が利用されるの
を防止することができる。
ば、演算された高度を、上限の閾値および下限の閾値と
比較するようにしたので、ユーザの誤った現在位置が利
用されるのを、より有効に防止することが可能になる。
すブロック図である。
である。
時間軸との関係を説明する図である。
トを説明する図である。
を説明する図である。
局部発振器, 5−1乃至5−4 受信処理回路,
6 逆拡散回路, 7 疑似ランダムノイズ発生器,
8 データ復調器, 9 疑似ランダムノイズコントロ
ーラ, 10レンジカウンタ, 11 CPU, 12
表示部
Claims (2)
- 【請求項1】 複数の衛星から軌道情報と時刻情報を受
信する受信手段と、 前記軌道情報と時刻情報から少なくとも高度を含む位置
情報を演算する演算手段と、 前記演算手段の演算により求めた高度を所定の閾値と比
較する比較手段と、 前記比較手段による比較の結果、前記演算手段の演算に
より求めた高度が前記閾値の範囲外にある場合、前記演
算手段の演算により求めた位置情報を不良と判定する判
定手段と、前記演算手段による演算結果に基づいて、現在位置のマ
ークの表示を制御するとともに、 前記判定手段により不
良と判定された場合、前記現在位置のマークの表示を、
確度が低いものであることを表すために、点滅させる
か、その形状を変化させるか、または色彩を変更する表
示制御手段と、 前記演算手段の演算した位置情報に基づき所定の処理を
行うとともに、前記判定手段により不良と判定された場
合、前記演算手段の演算した位置情報を使用して、他の
演算を行わないようにする処理手段とを備えることを特
徴とするGPS受信装置。 - 【請求項2】 前記比較手段は、前記演算手段の演算に
より求めた高度を、上限の閾値および下限の閾値と比較
することを特徴とする請求項1に記載のGPS受信装
置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP15648696A JP3174001B2 (ja) | 1996-06-18 | 1996-06-18 | Gps受信装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP15648696A JP3174001B2 (ja) | 1996-06-18 | 1996-06-18 | Gps受信装置 |
Related Parent Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP4276659A Division JP3067000B2 (ja) | 1992-09-21 | 1992-09-21 | Gps受信方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH08313613A JPH08313613A (ja) | 1996-11-29 |
JP3174001B2 true JP3174001B2 (ja) | 2001-06-11 |
Family
ID=15628819
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP15648696A Expired - Lifetime JP3174001B2 (ja) | 1996-06-18 | 1996-06-18 | Gps受信装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3174001B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US10222482B2 (en) | 2013-01-18 | 2019-03-05 | Seiko Epson Corporation | Position information generation device, timing signal generation device, electronic apparatus, and moving object |
JP6175775B2 (ja) | 2013-01-18 | 2017-08-09 | セイコーエプソン株式会社 | タイミング信号生成装置、電子機器及び移動体 |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP3278911B2 (ja) * | 1992-07-29 | 2002-04-30 | 株式会社デンソー | 車両用gps航法装置 |
JPH0666913A (ja) * | 1992-08-20 | 1994-03-11 | Japan Radio Co Ltd | Gps受信装置 |
-
1996
- 1996-06-18 JP JP15648696A patent/JP3174001B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH08313613A (ja) | 1996-11-29 |
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