JP4291083B2 - 衛星測位システム及び衛星測位方法 - Google Patents
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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12(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12(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12(D) と図12(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。
従来のように、航法データによるC/Aコード信号の位相反転の境目を検出するために外部基地局からのGPS航法データを必要としないため、また受信機端末内部で受信する信号の航法データを必要としないため、ノイズに埋もれた搬送波成分を含む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、本発明において、受信PN信号は搬送波(キャリア)が重畳されたものとして説明している。つまり、以下において、PN信号とは、搬送波成分を含むPN信号としている。
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───搬送波成分を含む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。デジタル化された搬送波成分を含む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、以下、第一演算部8を極性変更装置17とし、第二演算部9と第三演算部10とを同期加算・相関計算装置18としている。
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。
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、極性変更装置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、信号処理部21では蓄積された20msec間のPN信号の極性(+−)をすべて同一化した状態とし、同期加算、相関計算を行なって擬似距離を求める。
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。
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信号変換部35、Q信号変換部36で、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信号変換部35、Q信号変換部36の動作概要を示す図であり、図5においてI信号変換部35、Q信号変換部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は帯域フィルター(バンドパスフィルター)である。
擬似パターン部22の擬似パターンAは図8のA1 からA20までの20種類で一組のパターンである。この擬似パターンAは、〔0000…〕というような連続した0のデータ列と、〔1111…〕というような連続した1のデータ列と、の組みあわせからなる20ビットのもので、0の個数と1の個数の和が20ビットからなる。即ち、A1 からA20はすべて20ビットからなる擬似パターンAである。
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、極性変更装置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=20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(( w+w1 )t+Φ) 、0.25PN.cos(( w+w1 )t+Φ) が得られる。
I,Q信号のデジタルデータPN.cos ((w +Δw +w1 )t+Φ) 、−PN.sin ((w +Δw +w1 )t+Φ) の入力信号をSIin= −0.5PN.sin((w +Δw +w1 )t+Φ) 、SQin= 0.5PN.cos((w +Δw +w1 )t+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(( w +w1 )t+Φ)、0.25PN.cos (( w +w1 )t+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。
従って、図9の行列はD(1:20,1:N) で表現できる(図9はN=204600で示す)。
これら20行N列の離散化されたI, QのPN信号(データ)に対して、PN極性を同一化して同期加算、相関計算結果を得る動作について以下説明する。なお、この同期加算と相関計算とは、搬送波成分(キャリア)を含むPN信号に対して行なわれるものである。
すなわちフローチャート図7の極性変更装置17、同期加算・相関計算装置18、擬似距離検出手段19の動作に入る。
図8において、22は擬似パターン部である。A1 ,A2 ,…A20は20個からなる1組の擬似パターンであり、A1 からA20は、図示するように、左から0を1個ずつシフトしたデータから成る擬似パターンである。
図6の出力である−0.25PN.sin(( w +w1 )t+Φ)、0.25PN.cos(( w +w1 )t+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(( w +w1 )t+Φ)の信号について説明する(−0.25PN.sin(( w +w1 )t+Φ)についても動作は同様である)。
同様におなじ計算を以下繰り返し、乗算器P19では擬似パターンA19をD(1:20,1:N) の各行に乗算する。すなわちD(1,1:N)にA19(1) =0,D(2,1:N) にA19(2) =0,D(3,1:N) にA19(3) =0, …D(20,1:N) にA19(20)=1 を乗算する。この結果D19(1:20,1:N) をメモリ部R19に記憶する。
以上、それぞれ乗算した結果は図10に示すように、各20行N列のデータD1(1:20,1:N),D2(1:20,1:N),D3(1:20,1:N), …D20(1:20,1:N) は、メモリ部R1 ,R2 …R19,R20として、図4のメモリ部52,62に記憶される (工程F5 )。
そして、これら各1行N列の20組データのそれぞれと図8の受信機端末11が予め有している搬送波成分を含むレプリカPN符号とで相関計算を行う。レプリカPN符号や相関計算は広く知られた内容であるが、以下簡単に説明する。
たとえば1575.42 MHz を、衛星S1 はPN信号aで、衛星S2 はPN信号bで、スペクトラム拡散変調して送信しているとする。衛星S1 の信号を受信機端末11にて取り出す(復調させる)ためには受信機端末11側であらかじめPN信号aと同一のPN信号a′を記憶させておき、このPN信号a′により衛星S1 はPN信号aを受信機端末11にて復調させる。
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。
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数3の式となる。
従って、20msecのGPSデータ取得のみで、雑音軽減量は上記数3の式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。
また、Q信号の相関計算結果はメモリ部64(図4)に記憶させ、記憶データはC−Q(1:20,1:N)と表現する。
次にI信号、Q信号の合成を行う。C−I(1:20,1:N)、C−Q(1:20,1:N)から合成したC−IQ(1:20,1:N)の行列を作る。
すなわち、C−I(1:20,1:N)、C−Q(1:20,1:N)のそれぞれのx行目、z列目の項のデータで〔{C−I(x,z) }2 +{C−Q(x,z) }2 〕0.5 を計算し、その結果をC−IQ(1:20,1:N)のx 行目、z 列目の項のデータとする。
x=1:20、 z=1:N について同様にそれぞれ計算を行った結果をC−IQ(1:20,1:N)として、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20msec(航法データ1ビットの時間相当)のGPSデータ取得のみで、超高感度を実現している。取得した20msec(航法データ1ビットの時間相当)のGPSデータにおいて、20個の擬似パターンAをあらかじめ用意し、これをGPS受信信号に作用させることにより、PN極性を同一化した状態で遅延量τを求めたのと等価にした。つまり、本発明はビルの中など、超微弱信号であっても、GPSによる位置計測を可能にできる。
また本動作は実施例ではPN信号 D(1:20,1:N)のデータで説明したが、D/Aコンバータのサンプリング周波数を変えて、D(1:20,1: m) のmを変更しても良い。相関計算部ではmを増大することによりより良い感度(S/N)向上ができる。
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。
また擬似パターンA1 ,A2 …A20の20個のパターンを用意したが、図8のA20はすべて0のパターンであり、これは乗算器P20の計算で極性をすべて変更して同期加算、相関計算を行い、相関ピーク値の絶対値をとることになるので、図示省略するが、擬似パターンA20、乗算器P20を省略して19個の擬似パターンA1 ,A2 …A19としても良い。
さらに、図8で、擬似パターンAの0のかわりに1、1のかわりに0と変えても良い。この場合も、擬似パターンA20はすべて1のパターンであり、擬似パターンA20、乗算器P20を省略して19個の擬似パターンA1 ,A2 …A19としても良い。
そして、受信機端末11は、衛星Sからの信号の航法データのうち、航法データの1ビット区間の衛星受信信号に対して、処理を行ない、また、1ビット区間の衛星受信信号の1フレームを単位として、1ビット区間の搬送波成分を含むPN信号の極性を変化させている。
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20msecの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受信PN信号や、Gallileo受信PN信号等にも適用できる。
また、搬送波を含むPN信号に対して処理を行なうため、サンプリング数を大とすることにより、ノイズの低減が図れて感度を向上させることができる。
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。
また、受信機端末11は、1ビット区間の衛星受信信号の1フレームを単位として、1ビット区間の搬送波成分を含むPN信号の極性を変化させるよう構成したため、ノイズを低減でき、感度の向上が図れる。
また、搬送波を含むPN信号に対して処理を行なうため、サンプリング数を大とすることにより、ノイズの低減が図れて感度を向上させることができる。
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。
また、受信機端末11は、1ビット区間の衛星受信信号の1フレームを単位として、1ビット区間の搬送波成分を含むPN信号の極性を変化させるため、ノイズを低減でき、感度の向上が図れる。
8 第一演算部
9 第二演算部
10 第三演算部
11 受信機端末
19 擬似距離検出装置
22 擬似パターン部
A 擬似パターン
S 衛星
Claims (4)
- 衛星(S)からの信号を受信機端末(11)が受信し、受信した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に於て、上記受信機端末(11)は、20msecの上記衛星受信信号の搬送波成分を含むPN信号の極性を1msecずつずらして変化させるための複数種類の極性変更用の擬似パターン(A)を予め記憶乃至発生させる擬似パターン部(22)と、該衛星受信信号を復調させる搬送波成分を含むレプリカPN符号を記憶する記憶部(7)と、上記複数種類の擬似パターン(A)を20msecの同じ衛星受信信号に作用させ該衛星受信信号における搬送波成分を含むPN信号の極性を1msecずつずらして変化させて複数個の極性変更PN信号を得る第一演算部(8)と、各極性変更PN信号についてそれぞれ同期加算する第二演算部(9)と、同期加算した各同期加算PN信号と上記レプリカPN符号とで相関計算を行なう第三演算部(10)と、該相関計算による結果から相関ピーク値と該相関ピーク値に対応する遅延値と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装置(19)と、を備えたことを特徴とする衛星測位システム。
- 上記受信機端末(11)は、1フレームの搬送波成分を含む上記PN信号を所定サンプル間隔にて離散化させた値として処理するよう構成した請求項1記載の衛星測位システム。
- 衛星(S)からの信号を受信機端末(11)が受信し、受信した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に於て、上記受信機端末(11)は、20msecの同じ上記衛星受信信号に該受信機端末(11)が予め用意する複数種類の極性変更用の擬似パターン(A)を作用させて該衛星受信信号における搬送波成分を含むPN信号の極性を1msecずつずらして変化させ複数個の極性変更PN信号を得て、各極性変更PN信号についてそれぞれ同期加算し、同期加算した各同期加算PN信号と該受信機端末(11)が予め用意する搬送波成分を含むレプリカPN符号とで相関計算を行ない、該相関計算による結果から相関ピーク値と該相関ピーク値に対応する遅延値とを検出し、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。
- 上記受信機端末(11)は、1フレームの搬送波成分を含む上記PN信号を所定サンプル間隔にて離散化させた値として処理する請求項3記載の衛星測位方法。
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