JP4092317B2 - 衛星測位方法及び衛星測位システム - Google Patents
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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20(B) の動作はある時点から受信信号(C/Aコード)を取り始め、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20(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20(D) と図20(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、時間ズレを解消させるために原子時計を採用する手段が考えられるが、この場合、構成が複雑で高価なものとなり、また、完全に一致させることはできないという問題点がある。
また、上記処理時間中に行う上記演算処理は、上記取得時間内に取得する上記衛星からの受信信号を同期加算させて得た同期加算信号に、上記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、さらに該同期加算信号に作用させ航法データによる極性を同一化させる極性修正演算工程と、該極性修正演算工程にて得られた信号と該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う相関計算工程と、を有する。
さらに、航法データの極性反転の境目にある信号においても、ノイズに埋もれたPN信号を著しくS/Nを向上させて検出でき、また、建物の中やビルの中など、GPS信号(GPS電波)が減衰した場所においても、感度を著しく向上させることができ、衛星Sとの擬似距離を検出し自己位置の計算を精度良くかつ応答性良く行うことができる。
また、衛星からの信号にドップラが存在していても(残っていても)、確実に上記時間遅延を求めることが可能であり衛星の真の位置を推定でき、位置検出の精度を向上させることができる。
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と図3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は地上に設けられる外部基地局である。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。
GPS受信部13(RFチューナー)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変換部分を有する。デジタル化されたPN信号は次の信号処理部21へ送られる。
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。
これを図3にて説明すると、各衛星Sは上記所定時間(1sec間)にT1 からT2 まで高速移動しており、受信機端末11が処理する衛星Sからの信号は衛星SがTx の位置のものであるのに対し、基地局1から受信した情報は衛星SがT1 の位置の時のものである。
つまり、遅延時間演算部40において、衛星Sから受信機端末11が受信した衛星受信信号の航法データと外部基地局1から受信機端末11が受信した外部航法データとを比較して外部航法データの遅延時間を算出する。そして、衛星位置補正演算部41において、遅延時間に基づいて基地局1からの位置情報を補正し受信機端末11が衛星受信信号を処理する際の衛星位置を推定し、位置計算部7において、推定した衛星位置と(後述する)遅延値(遅延量τ)とに基づいて擬似距離を求め自己位置の計算を行う。
本発明に係る衛星測位システムにおける衛星測位方法は、まず、衛星Sから受信機端末11が受信する衛星受信信号の航法データの1ビットぶんに相当する時間(20msec)を、データ取得開始から前部分の取得時間T1 と、残りの後部分の処理時間T2 として考える。なお、データ取得開始は、極性反転の境目に限らず、衛星受信信号に対して任意の位置(図10参照)からとすることができる。
これを図10により説明すると、20msecのうち、例えば、データ取得開始から15msecを取得時間T1 と設定し、その残りの 5msecを処理時間T2 と設定する。なお、(取得時間T1 )+(処理時間T2 )=20msecとすれば、これらの時間設定は自由であるが、処理時間T2 は航法データの1ビットぶんに相当する時間の約数の値としている。
つまり、取得時間T1 内に取得した受信信号をその後の処理時間T2 中に(後述する)相関計算を含む演算処理を行い、かつ、データ取得開始を微小時間iずつ順次遅らせてから取得時間T1 ぶんの受信信号を所定数取得すると共に、取得開始を順次遅らせた夫々の受信信号においてもその後の各処理時間T2 中に相関計算を含む演算処理を行い、演算処理の結果におけるピーク値の検出により遅延値を求めるようしている。
なお、このデータ列の数(4つ)は、航法データの1ビットぶんに相当する時間を処理時間T2 にて除算した値となる(つまり、20msec÷ 5msec=4 )。なお、データ取得開始を順次遅らせる微小時間iを、処理時間T2 と同じ時間(即ち、 5msec)としている。
なお、処理時間T2 中に行う演算処理について説明すると、取得時間T1 内に取得する衛星Sからの受信信号を同期加算させて得た同期加算信号に、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、さらにその同期加算信号に作用させ、航法データによる極性を同一化させる極性修正演算工程と、極性修正演算工程にて得られた信号(極性修正データ)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う相関計算工程と、を有する。
極性修正演算部25は、取得時間T1 内に取得する衛星Sからの受信信号を同期加算させて得た同期加算信号に、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(図17参照)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における結果をさらに同期加算信号に乗算させる極性修正部25cと、を有する。
また、相関計算部10は、極性修正演算部25にて得られた信号と受信機端末11が予め用意するレプリカPN符号とで相関計算を行う。
なお、データ取得開始を順次遅らせて複数取得した信号について1フレームを単位として行う同期加算は、取得時間T1 中において取得と同時に(逐一)行っても良く、または、取得時間T1 後の処理時間T2 中において同期加算・相関計算部10の機能により、行っても良く、処理時間T2 中に行う上記演算処理は、相関計算の他に、極性修正が含まれる。
また、極性が同一化されたPN信号により、同期加算と相関計算によるノイズ低減は最大に改善される。そして、擬似距離検出部19が、ノイズ低減が最大に改善された状態の擬似距離を検出することができる。
そして、この第2回目の取得時間T1 にて取得した受信信号と、第1回目の取得時間T1 にて既に取得した受信信号と、を同期加算(累積同期加算)して、その後の第2回目の処理時間T2 中に累積同期加算したデータにより、相関計算を含む演算処理を行う。
この累積同期加算は、図6のフローチャートに示すように、位置計算に必要なピーク値が検出できるまで複数回繰り返され、自己位置の計算に必要な所定のピーク値が得られると、その情報により次の位置計算部7にて自己位置の計算を行う。
また、図11(ハ)は、外部基地局1から受信機端末11が受信した外部航法データを示し、図11(ロ)と同様に20msec区間ごとに極性を示したものである。なお、図11(ロ)と図11(ハ)とは、相互の極性パターンが一致した状態である。
また、図11(ニ)は、衛星Sから受信機端末11が受信する航法データであり、ドップラが存在する(ドップラが残っている)もので、破線にて囲む範囲がドップラにより極性が反転している。しかし、この図11(ニ)と図11(ハ)とは、一部において極性が反転しているが、相互の極性パターンが一致した状態であると言える。
つまり、衛星Sから受信した航法データと、外部基地局1から受信した外部航法データとを比較し、極性パターンが不一致であっても(ずれてても)、例えば、航法データを1ビット(20msec)ずつ順に外部航法データに対してシフトさせると、いずれ相互の極性パターンが必ず一致することとなる。つまり、極性パターンが一致するまでのシフトさせるビット数に相当する時間が外部航法データの遅延時間として求めることができる。
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図5において信号処理部21とCPU部8とで示している。
CPU部8は、CPU42、CPU42と接続されたRAM45及びROM46を有する。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。
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。中間周波数増幅部38を経てA/Dコンバータ部39にてA/D変換し、衛星受信信号はアナログ信号からデジタル化された離散化信号に変換される。
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。
なお、以上述べた高周波増幅部32、周波数変換部33、シンセサイザ部34、中間周波数増幅部38、A/Dコンバータ部39、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、は汎用的なものであり一般に広く使われている。
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CPU42で受け取りRAM45に記憶される。
図8はプログラムで行う機能ブロック図である。26,27,28,29は乗算部、30は加算部、31は減算部を示す。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) を乗算部26,27,28,29で乗算して、加算部30、減算部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信号は、それぞれメモリに記憶されることなく(引き続いて)演算ブロック部23へ入力される。この入力されるデータはドップラ成分Δw が含まれない。
そして、図9(a)において、入力信号に対して(1)(3)(2)(4)の順番に出力し、これを繰り返す。また、図9(b)においては、(3)(2)(4)(1)の順番に出力し、これを繰り返す。
すなわち極性修正演算部25、(同期加算・)相関計算部10、遅延時間演算部40、衛星位置補正演算部41の動作に入る。
まず、極性を修正させるための擬似パターン部22の擬似パターンAは、図17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。
なお、第1回目の取得時間T1 内の受信信号について相関計算を終えピーク値が得られなかった場合は、第2回目の取得時間T1 について受信信号の取得を行うよう機能される(例えば、図10のように、ピーク値を得るために第1回目から第3回目までの受信信号が必要となった場合は、15×3 =45msecぶんのデータが得られる)。
具体的には、図17に示すように、極性修正演算部25は、第2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における結果をさらに第2信号に乗算させる極性修正部25cと、を有する。
この処理を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ROM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、受信信号を累積同期加算させることで、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、本発明において、擬似距離とは、一般にGPS用語として汎用的に使用されているものに限定されず、別の手法により計測された距離も包含するものと、定義する。
そして、図12(イ)に示すように{A(n)}と{B(n)}とを並べ比較する。図12(イ)の{A(n)}は図11(ロ)の航法データを数値化させたものであり、図12(イ)の外部基地局1から受信した外部航法データ{B(n)}は{A(n)}に対して1ビットぶんだけ位相がずれて取得されたとする。
なお、第1演算部における組合せ演算を、図12と図13では、隣り合う2つの極性値を一組として行ったが、連続する3つの極性値により行ってもよい。つまり、(n−1)番目とn番目と(n+1)番目の値を一組として演算してもよい。
そして、衛星Sの真の位置により、受信機端末11の擬似距離検出部19が擬似距離を求める。
その後、図2の位置計算部20のブロックにて、真の衛星位置の検出結果に基づいて自己位置が決定される。なお、位置計算部20における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、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。
また、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。
つまり、時間遅延が存在するインターネット等の非同期通信網(通信手段L)において、受信機端末11にて擬似的な時刻同時を図ることが可能となり、時間遅延による誤差を解消させることができる。
7 位置計算部
11 受信機端末
25 極性修正演算部
25a 乗除演算部
25b 平均演算部
25c 極性修正部
40 遅延時間演算部
41 衛星位置補正演算部
A 擬似パターン
S 衛星
T1 取得時間
T2 処理時間
i 微小時間
Claims (4)
- 衛星(S)からの信号を受信すると共に外部基地局(1)との間において情報通信する受信機端末(11)が該衛星(S)との間の擬似距離を求め自己位置の計算を行う衛星測位方法に於て、上記衛星(S)から上記受信機端末(11)が受信する衛星受信信号の航法データの1ビットぶんに相当する時間を、データ取得開始から前部分の取得時間(T 1 )と残りの後部分の処理時間(T 2 )とし、該取得時間(T 1 )内に取得した受信信号をその後の処理時間(T 2 )中に相関計算を含む演算処理を行い、かつ、データ取得開始を微小時間(i)ずつ順次遅らせてから該取得時間(T 1 )ぶんの受信信号を所定数取得すると共に夫々の該受信信号においても後の各処理時間(T 2 )中に相関計算を含む上記演算処理を行い、該演算処理の結果におけるピーク値の検出により遅延値を求め、また、上記衛星(S)から上記受信機端末(11)が受信した衛星受信信号の航法データと上記外部基地局(1)から該受信機端末(11)が受信した外部航法データとを比較して該外部航法データの遅延時間を算出し、該遅延時間に基づいて該受信機端末(11)が衛星受信信号を処理する際の衛星位置を推定し、推定した衛星位置と上記遅延値とに基づいて擬似距離を求め自己位置の計算を行うことを特徴とする衛星測位方法。
- 上記処理時間(T 2 )中に行う上記演算処理は、上記取得時間(T 1 )内に取得する上記衛星(S)からの受信信号を同期加算させて得た同期加算信号に、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、さらに該同期加算信号に作用させ航法データによる極性を同一化させる極性修正演算工程と、該極性修正演算工程にて得られた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工程と、を有する請求項1記載の衛星測位方法。
- 上記遅延時間の算出は、上記衛星(S)から取得した所定ビット数の上記航法データ及び該航法データと同じビット数の上記外部航法データのいずれかを1ビットずつずらしながら相互作用させ、相互の極性パターンが一致するまでのずらしビット数に相当する時間を上記遅延時間として求める請求項1又は2記載の衛星測位方法。
- 衛星(S)からの信号を受信すると共に外部基地局(1)との間において情報通信し該衛星(S)との間の擬似距離を求め自己位置の計算を行う受信機端末(11)を有する衛星測位システムに於て、上記受信機端末(11)は、上記衛星(S)から受信した衛星受信信号の航法データと上記外部基地局(1)から受信した外部航法データとを比較して該外部航法データの遅延時間を算出する遅延時間演算部(40)と、該遅延時間に基づいて該受信機端末(11)が衛星受信信号を処理する際の衛星位置を推定する衛星位置補正演算部(41)と、推定した衛星位置に基づいて擬似距離を求め自己位置の計算を行う位置計算部(7)と、を備え、しかも、上記遅延時間演算部(40)は、所定ビット数の上記航法データ及び該航法データと同じビット数の上記外部航法データのいずれかを1ビットずつずらしながら相互を部分毎に順次組合せ演算させる第1演算部と、組合せ演算させた結果の総和を求める第2演算部と、総和の結果の最大値を求め最大値が得られた際のずらしビット数に相当する時間を上記遅延時間として求める第3演算部と、を有することを特徴とする衛星測位システム。
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