JP4274166B2 - 測位装置、測位方法及びプログラム - Google Patents
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Description
このGPS受信機は、GPS衛星の軌道等を示す航法メッセージ(概略衛星軌道情報:アルマナック、精密衛星軌道情報:エフェメリス等を含む)に基づいて、GPS衛星からの電波(以後、衛星電波と呼ぶ)に乗せられている擬似雑音符号(以後、PN(Psuedo randam noise code)符号と呼ぶ)の一つであるC/A(Clear and AcquisionまたはCoarse and Access)コードを受信する。C/Aコードは、測位の基礎となる符号である。
GPS受信機は、そのC/AコードがどのGPS衛星から発信されたものであるかを特定したうえで、そのC/Aコードの発信時刻と受信時刻に基づいて、GPS衛星とGPS受信機の距離(擬似距離)を算出する。そして、GPS受信機は、3個以上のGPS衛星についての擬似距離と、各GPS衛星の衛星軌道上の位置に基づいて、GPS受信機の位置を測位するようになっている(特開平10−339772号公報等参照)。
そして、C/Aコードの受信感度(S/N比)を上げる方法として、受信したC/AコードとGPS受信機が有しているレプリカのC/Aコードの相関をとり、その相関値を積算するコヒーレント積分(以後、単にコヒーレントと呼ぶ)と、コヒーレントの結果を積算するインコヒーレント積分(以後、単にインコヒーレントと呼ぶ)が一般的に行われている。
ここで、上述の衛星軌道情報とC/Aコードは共に衛星電波に乗っているから、1.023Mbpsのビット率のC/Aコードは、50bpsの衛星軌道情報によって20msecに1回の割合で極性が反転する可能性がある。このため、反転していないC/Aコードと反転しているC/Aコードの相関値が互いに相殺し合い、コヒーレントによる相関積算値が低下する結果、C/Aコードの受信感度が十分に上がらないという問題がある。
これに対して、受信機端末が、PN信号(C/Aコード)を20種類の擬似パターンによって、それぞれ極性を変更し、極性を変化させたPN信号を同期加算することによって感度を向上する技術が提案されている(例えば、特許文献1)。
また、基地局から航法メッセージの情報をもらって、受信したC/Aコードに乗算して極性を同一化する技術も提案されている(例えば、特許文献2)。
また、特許文献2に記載の技術によれば、航法データが反転する位置を特定するために、1ミリ秒(msec)以下の高精度の時刻が必要になるという問題がある。
ないにもかかわらず、測位の基礎となる符号の受信感度を向上させることができる測位装
置等を提供することを目的とする。
そして、前記測位装置は、前記測位基礎符号極性調整手段を有するから、前記極性反転割合情報に基づいて、前記測位基礎符号の極性を維持又は反転させることができる。
そして、前記測位装置は、極性が維持又は反転させられた前記測位基礎符号と、前記測位装置が有する模擬測位基礎符号との相関積算値を計算する処理であるコヒーレントを行い、さらにインコヒーレントを行い、前記現在位置情報を生成することができる。
上述のように、前記測位装置は、前記極性反転割合情報に基づいて極性を維持又は反転した前記測位基礎符号を使用して前記コヒーレントを行うから、前記測位基礎符号の相関値が互いに相殺し合うことを低減することができる。
この結果、前記インコヒーレント情報に示される受信感度が向上し、精度よく前記現在位置情報を生成することができる。
上述のように、前記測位装置は、測位時の前記単位情報を予測し、前記極性反転割合情報を生成し、その前記極性反転割合情報に基づいて、前記測位基礎符号の極性を維持又は反転させるから、測位計算に使用しない無駄な処理はなく、膨大なデータを蓄積する必要もない。
また、前記時刻情報の時刻精度は、測位時に使用する前記単位情報を予想することができる程度で足りるから、高精度の前記時刻情報は必要がない。
これにより、膨大なデータの蓄積が不要であり、かつ、高精度の時刻情報を有しないにもかかわらず、測位の基礎となる符号の受信感度を向上させることができる。
ところが、信号の相殺がある場合(極性反転がある場合)には、上述の感度計算式においてコヒーレント時間Nを長くすると、相殺される割合が高くなり、かえって受信感度が低下する。したがって、相関値の相殺がある場合には、コヒーレント時間Nを短くして、コヒーレント回数Mを多くするほうが大きな感度を得ることができる。
この点、第2の発明の構成によれば、前記測位装置は、前記コヒーレント時間決定手段を有するから、前記極性反転割合情報に基づいて、前記コヒーレント時間を決定することができる。このため、前記極性反転割合情報に基づいて、受信感度を向上することができるように前記コヒーレント時間を設定することができる。
この点、第3の発明の構成によれば、前記測位装置は、前記単位情報種類選択手段によって、前記時刻情報の時刻精度に応じて前記単位情報の種類を選択することができるから、前記測位基礎符号の受信感度を一層向上することができる。
尚、以下に述べる実施の形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。
図1に示すように、端末20は、測位衛星である例えば、GPS衛星12a,12b,12c及び12dから、電波S1,S2,S3及びS4を受信することができる。
電波S1等には各種のコード(符号)が乗せられている。そのうちの一つがC/AコードScaである。このC/AコードScaは、1.023Mbpsのビット率、1,023bit(=1msec)のビット長の信号である。端末20は、現在位置を測位する測位装置の一例であり、このC/Aコードを使用して現在位置の測位を行う。このC/Aコードは、測位基礎符号の一例である。
上述のC/Aコード及び航法メッセージは衛星信号の一例である。
端末20は、まず、受信したC/AコードがどのGPS衛星に対応するものかを特定する。次に、C/Aコードの位相を特定することによって、各GPS衛星12a等と端末20との距離(以後、擬似距離と呼ぶ)を算出する。続いて、現在時刻における各GPS衛星12a等の衛星軌道上の位置と、上述の擬似距離に基づいて、現在位置の測位演算を行うことができるように構成されている。
端末20は、上述のC/Aコードの位相を特定するために、後述のコヒーレント処理及びインコヒーレント処理を行う。
図2は、端末20の主なハードウエア構成を示す概略図である。
図2に示すように、端末20は、コンピュータを有し、コンピュータは、バス22を有する。バス22には、CPU(Central Processing Unit)24、記憶装置26等が接続されている。記憶装置26は、例えば、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)等である。
また、バス22には、入力装置28、電源装置30、GPS装置32、表示装置34、通信装置36及び時計38が接続されている。時計38は、5乃至6秒程度の時刻精度の時計である。
図3は、GPS装置32の構成を示す概略図である。
図3に示すように、GPS装置32は、RF部32aとベースバンド部32bで構成される。
RF部32aは、アンテナ33aで電波S1等を受信する。そして、増幅器であるLNA33bが、電波S1に乗せられているC/Aコード等の信号を増幅する。そして、ミキサー33cが、信号の周波数をダウンコンバートする。そして、直交(IQ)検波器33dが信号をIQ分離する。続いて、A/Dコンバータ33e1及び33e2が、IQ分離された信号をそれぞれデジタル信号に変換するように構成されている。
ベースバンド部32bは、RF部32aからデジタル信号に変換された信号を受信し、信号の各チップ(図示せず)をサンプリングして積算し、ベースバンド部32bが保持しているC/Aコードとの相関をとることによって、受信したC/Aコードを特定するように構成されている。
図4は、端末20の主なソフトウエア構成を示す概略図である。
図4に示すように、端末20は、各部を制御する制御部100、図2のGPS装置32に対応するGPS部102、時計38に対応する計時部104等を有している。
端末20は、また、各種プログラムを格納する第1記憶部110、各種情報を格納する第2記憶部150を有する。
端末20は、アルマナック152a及びエフェメリス152bを、測位のために使用する。
なお、本実施の形態とは異なり、制御部100は、通信装置36(図2参照)によって図示しない外部サーバと通信し、外部サーバからエフェメリスを取得するようにしてもよい。
制御部100は、計時部104または、受信した電波S1等から時刻情報154を取得する。計時部104から時刻情報154を取得した場合の時刻精度は、5乃至6秒である。電波S1等に乗せられた航法メッセージのZcountによって、時刻情報154を取得した場合の時刻精度は、例えば、5msecである。
図5(a)は、制御部100が、計時部104から取得した時刻情報154aを示す図である。
図5(a)に示すように、時刻情報154aは、現在時刻t及びその時刻精度であるプラスマイナス(±)5秒(s)を示す情報である。
図5(b)に示すように、時刻情報154bは、現在時刻t及びその時刻精度であるプラスマイナス(±)5ミリ秒(msec)を示す情報である。
上述の時刻情報154a及び154bにおいて、現在時刻tは現在時刻情報の一例であり、時刻精度は時刻精度情報の一例である。
制御部100は、例えば、時刻精度がプラスマイナス(±)50ミリ秒(msec)以内であればワードを選択し、時刻精度がプラスマイナスス(±)50ミリ秒(msec)以内ではない場合にはサブフレームを選択する。
制御部100は、例えば、図6に示すように、エフェメリス152bを使用して、測位時t(n)においてサブフレームSF1を受信すると予測し、そのサブフレームSF1を示す受信予測情報156を生成する。
制御部100は、生成した受信予測情報156を第2記憶部150に格納する。
なお、各サブフレームは、実際には例えば、300bitであるが、説明の便宜のため、12bitとして図示している。
図7(a)に示すように、例えば、電波S1に乗っているC/Aコードは、サブフレームSF1の各ビットSa1乃至Sa12によって、20msecごとに極性が維持又は反転している。
制御部100は予想反転率算出プログラム122に基づいて、エフェメリス152bの各サブフレームごとに、bitの境目eの総数etotalに対する反転箇所erの数erfigの割合を算出する。ここで、反転箇所erは、bitが変わる点を意味する。例えば、bitが1から0に変わる点、0から1に変わる点が反転箇所erである。この反転箇所erにおいて、C/Aコードも反転している。
例えば、図7(b)のサブフレームSF1においては、境目eの総数etotalは11個であり、反転箇所erの数erfigは9個であるから、予想反転率R1として81.8%を算出する。
なお、制御部100は、サブフレームではなくて、サブフレームを構成するワードを使用する場合には、予想反転率R2を算出する。
制御部100は、算出した予想反転率R1又はR2を示す予想反転率情報158を第2記憶部150に格納する。
図8(a)に示すように、制御部100はコヒーレント時間設定プログラム124に基づいて、例えば、予想反転率R1(又はR2)が0%以上30%未満であれば、コヒーレント時間をtlong、すなわち、100msecに設定する。制御部100は、予想反転率R1(又はR2)が30%以上70%未満であれば、コヒーレント時間をtshort、すなわち、20msecに設定する。そして、制御部100は、予想反転率R1(又はR2)が70%以上100%以下であれば、コヒーレント時間をtlongに設定する。
図8(b)に示すように、制御部100は、例えば、連続して受信する各サブフレームSF1乃至SF5ごとにコヒーレント時間を設定する。
コヒーレント時間情報160は、図8(b)に示すように、連続して受信する各サブフレームSF1乃至SF5ごとに設定されたコヒーレント時間を示す情報である。
制御部100は、生成したコヒーレント時間情報160を第2記憶部150に格納する。
C/Aコードの受信感度は、図9(a)に示す式1によって算出される。
図9(b)に示すように、C/Aコードは、サブフレームSF1の各ビットSa1等によって極性が維持又は反転している。
このため、本実施の形態とは異なり、受信したC/Aコードをそのまま、例えば、40msecのコヒーレントを行うと、例えば、Sa1に対応するC/Aコードについての相関値と、Sa2に対応するC/Aコードについての相関値が互いに相殺し合う結果、図9(a)の式1で算出される受信感度が劣化する。
データ列と受信したC/Aコードとを掛け合わせると、C/Aコードは図10(b)に示す状態となる。
この状態で、例えば、40msecのコヒーレントを行うと、C/Aコード同士が互いに相殺し合う機会を減少させることができる結果、受信感度が向上する。
具体的には、本実施の形態とは異なる方法における受信感度の一例は16.02dB(図9(b)参照)であるのに対して、本実施の形態の方法における受信感度の一例は19.51dB(図10(b)参照)であり、受信感度が確実に向上している。
図11(a)に示すように、制御部100はコヒーレントプログラム126に基づいて、受信したC/Aコードの各chipCb1等とレプリカC/Aコードの各chipについて、サンプリング周波数によって相関をとっていく。
例えば、コヒーレント時間が20msecであれば、20msecの時間における相関積算値α1等を算出し、各相関積算値α1等を示すコヒーレント情報164を生成する。
制御部100は、上述のコヒーレント時間設定プログラム124によって決定したコヒーレント時間に基づいて、コヒーレントを行うようになっている。
制御部100は、生成したコヒーレント情報164を第2記憶部150に格納する。
図12に示すように、制御部100はインコヒーレントプログラム128に基づいて、相関積算値α1等を積算することによって、インコヒーレント値βを算出し、インコヒーレント値βを示すインコヒーレント情報166を生成する。
制御部100は、生成したインコヒーレント情報166を第2記憶部150に格納する。
具体的には、制御部100は、インコヒーレント値によってC/Aコードのコードピークを判断し、受信しているC/Aコードの位相を算出する。そして、C/Aコードの位相を使用して、各GPS衛星12a等と端末20との距離(擬似距離を算出する)。そして、少なくとも3個の擬似距離と、対応する各GPS衛星12a等の衛星軌道上の位置に基づいて、現在位置を算出するようになっている。なお、各GPS衛星12a等の衛星軌道上の位置は、エフェメリス152bを使用して算出する。
制御部100は、生成した測位位置情報168を第2記憶部150に格納する。
測位位置情報出力プログラム132は、制御部100が、測位位置情報168を表示装置34(図2参照)に出力するためのプログラムである。
上述のように、端末20は、予想反転率情報158を生成し、受信したC/Aコードの極性を維持又は反転させることができる。
そして、端末20は、極性が維持又は反転させられたC/Aコードと、レプリカC/Aコードとの相関積算値を計算する処理であるコヒーレントを行い、さらにインコヒーレントを行い、測位位置情報168を生成することができる。
上述のように、端末20は、極性を維持又は反転したC/Aコードを使用してコヒーレントを行うから、C/Aコードの相関値が互いに相殺し合う機会を減少させることができる。
この結果、インコヒーレント情報166に示される受信感度が向上し、精度よく測位位置情報168を生成することができる。
上述のように、端末20は、測位時のサブフレームを予測し、予想反転率情報158を生成し、その予想反転率情報158に基づいて、C/Aコードの極性を維持又は反転させるから、測位計算に使用しない無駄な処理はなく、膨大なデータを蓄積する必要もない。
また、時刻情報154の時刻精度は、測位時に使用する例えば、サブフレームを予想することができる程度で足りるから、高精度の時刻情報は必要がない。
これにより、膨大なデータの蓄積が不要であり、高精度の時刻情報を有しないにもかかわらず、測位の基礎となる符号の受信感度を向上させることができる。
図13に示すように、制御部100が、時刻精度が50msec以内であると判断した場合には、受信するWORDw1等を予測し、各WORDw1等のビットに基づいて、予想反転率R2を算出する。
そして、予想反転率R2に基づいて、コヒーレント時間を決定する。また、予想反転率R2に基づいて、受信するC/Aコードの極性を維持又は反転させる。
このため、C/Aコードの受信感度を一層向上することができる。
図14及び図15は端末20の動作例を示す概略フローチャートである。
続いて、端末20は、第2記憶部150からエフェメリス152b(図4参照)を取得する(ステップST2)。このステップST2は、衛星軌道情報取得ステップの一例である。
続いて、端末20は、時刻情報154に示される時刻精度が50msec以内か否かを判断する(ステップST4)。ステップST4において、時刻精度が50mec以内である判断した場合には、図15のステップST105に進む。
これに対して、端末20は、時刻情報154に示される時刻精度が50msec以内ではないと判断した場合には、測位時に受信するサブフレームを予測する(図14のステップ5)。このステップST5は、単位情報予測ステップの一例である。
続いて、端末20は、予想反転率R1に基づいて、コヒーレント時間tcを設定する(ステップST7,ST7A,ST7B)。
続いて、端末20は、予想反転率R1に基づいて、C/Aコードの極性を維持又は反転してコヒーレントを行う(ステップST8,8A,8B)。このステップST8A等は、コヒーレントステップの一例であり、測位基礎符号極性調整ステップの一例でもある。
続いて、端末20は、測位位置情報168を出力する(ステップST13)。
ステップST105以下は、サブフレームではなくて、ワードに基づいて処理を行う以外は、ステップST5以下と同様であるから、説明を省略する。
Claims (4)
- 複数の単位情報で構成される航法メッセージデータの一連のデータビットそれぞれをC/Aコードの極性反転によって表して搬送しているGPS衛星信号をGPS衛星から受信する衛星信号受信手段と、
前記航法メッセージデータを搬送しているGPS衛星信号を受信して測位を行う際に受信したGPS衛星信号が搬送している単位情報が、前記航法メッセージデータを構成する前記複数の単位情報の中の何れであるかを、前記GPS衛星の衛星軌道を示す衛星軌道情報と現在時刻を示す時刻情報とに基づいて予測する測位時単位情報予測手段と、
前記測位時単位情報予測手段により予測された単位情報に基づいて、当該単位情報を構成するビットの境界の総数に対して、ビットの極性が反転する境界の数の割合を極性反転割合情報として算出する極性反転割合情報算出手段と、
前記極性反転割合情報算出手段により算出された前記極性反転割合情報で示される割合が、前記衛星信号受信手段により受信されたGPS衛星信号に含まれるC/Aコードの極性を1つおきに反転するための閾値として予め定められた所定割合に達しているか否かを判定する判定手段と、
前記判定手段により達していると判定された場合に、前記衛星信号受信手段により受信されたGPS衛星信号に含まれるC/Aコードの極性を1つおきに反転させる極性反転手段と、
前記判定手段により達していないと判定された場合には前記衛星信号受信手段により受信されたGPS衛星信号に含まれるC/AコードとレプリカC/Aコードとを所定時間の間相関積算して相関積算値を算出し、達していると判定された場合には前記極性反転手段により極性が1つおきに反転されたC/AコードとレプリカC/Aコードとを所定時間の間相関積算して相関積算値を算出する相関積算値算出手段と、
前記相関積算値算出手段が前記相関積算を行う時間である前記所定時間を、前記極性反転割合情報に基づいて可変に設定する時間設定手段と、
前記相関積算値算出手段により算出された相関積算値を積算する相関積算値積算手段と、
前記相関積算値積算手段により積算された相関積算値に基づいて、現在位置を示す現在位置情報を生成する現在位置情報生成手段と、
を有することを特徴とする測位装置。 - 前記時刻情報は、現在時刻を示す現在時刻情報と前記時刻情報の時刻精度を示す時刻精度情報を含み、
前記単位情報には前記航法メッセージデータを構成するサブフレームと、当該サブフレームを構成するワードとの2種類が存在し、
前記時刻情報に含まれる時刻精度情報で示される時刻精度が、前記単位情報の種類としてワードを選択するために予め定められた所定の精度範囲以内であるか否かを判定する時刻精度判定手段と、
前記時刻精度判定手段により肯定判定された場合には前記単位情報としてワードを選択し、否定判定された場合にはサブフレームを選択する単位情報種類選択手段と、
を有し、
前記測位時単位情報予測手段は、前記単位情報種類選択手段により選択された種類の単位情報について前記予測を行う、
請求項1に記載の測位装置。 - 複数の単位情報で構成される航法メッセージデータの一連のデータビットそれぞれをC/Aコードの極性反転によって表して搬送しているGPS衛星信号をGPS衛星から受信することと、
前記航法メッセージデータを搬送しているGPS衛星信号を受信して測位を行う際に受信したGPS衛星信号が搬送している単位情報が、前記航法メッセージデータを構成する前記複数の単位情報の中の何れであるかを、前記GPS衛星の衛星軌道を示す衛星軌道情報と現在時刻を示す時刻情報とに基づいて予測することと、
前記予測された単位情報に基づいて、当該単位情報を構成するビットの境界の総数に対して、ビットの極性が反転する境界の数の割合を極性反転割合情報として算出することと、
前記算出された前記極性反転割合情報で示される割合が、前記受信されたGPS衛星信号に含まれるC/Aコードの極性を1つおきに反転するための閾値として予め定められた所定割合に達しているか否かを判定することと、
前記判定により達していると判定された場合に、前記受信されたGPS衛星信号に含まれるC/Aコードの極性を1つおきに反転させることと、
前記判定により達していないと判定された場合には前記受信されたGPS衛星信号に含まれるC/AコードとレプリカC/Aコードとを所定時間の間相関積算して相関積算値を算出し、達していると判定された場合には前記極性が1つおきに反転されたC/AコードとレプリカC/Aコードとを所定時間の間相関積算して相関積算値を算出することと、
前記相関積算を行う時間である前記所定時間を、前記極性反転割合情報に基づいて可変に設定することと、
前記算出された相関積算値を積算することと、
前記積算された相関積算値に基づいて、現在位置を示す現在位置情報を生成することと、
を含む測位方法。 - 測位装置に内蔵されたコンピュータに、
複数の単位情報で構成される航法メッセージデータの一連のデータビットそれぞれをC/Aコードの極性反転によって表して搬送しているGPS衛星信号をGPS衛星から受信することと、
前記航法メッセージデータを搬送しているGPS衛星信号を受信して測位を行う際に受信したGPS衛星信号が搬送している単位情報が、前記航法メッセージデータを構成する前記複数の単位情報の中の何れであるかを、前記GPS衛星の衛星軌道を示す衛星軌道情報と現在時刻を示す時刻情報とに基づいて予測することと、
前記予測された単位情報に基づいて、当該単位情報を構成するビットの境界の総数に対して、ビットの極性が反転する境界の数の割合を極性反転割合情報として算出することと、
前記算出された前記極性反転割合情報で示される割合が、前記受信されたGPS衛星信号に含まれるC/Aコードの極性を1つおきに反転するための閾値として予め定められた所定割合に達しているか否かを判定することと、
前記判定により達していると判定された場合に、前記受信されたGPS衛星信号に含まれるC/Aコードの極性を1つおきに反転させることと、
前記判定により達していないと判定された場合には前記受信されたGPS衛星信号に含まれるC/AコードとレプリカC/Aコードとを所定時間の間相関積算して相関積算値を算出し、達していると判定された場合には前記極性が1つおきに反転されたC/AコードとレプリカC/Aコードとを所定時間の間相関積算して相関積算値を算出することと、
前記相関積算を行う時間である前記所定時間を、前記極性反転割合情報に基づいて可変に設定することと、
前記算出された相関積算値を積算することと、
前記積算された相関積算値に基づいて、現在位置を示す現在位置情報を生成することと、
を実行させるためのプログラム。
Priority Applications (5)
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