JP5723157B2 - 微弱なGPS/GNSS信号を使用するサブマイクロ秒時刻転送(TimeTransfer)処理 - Google Patents
微弱なGPS/GNSS信号を使用するサブマイクロ秒時刻転送(TimeTransfer)処理 Download PDFInfo
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Description
極めて微弱な信号を追跡するために、搬送波追跡は、従来のGPS信号のFLLよりも非常に狭い、極めて狭いバンド幅(およそ0.01Hz)を用いた周波数ロック・ループ(FLL)を用いて達成される。従来のコスタス位相ロック・ループ(PLL’s)は、データ・ビットにより引き起こされた非コヒーレンスを排除するのに必要な信号二乗により、SNRの損失を大きく受けるため、極めて微弱な(約−151dBmを下回る)信号を追跡するのに適していないことに留意されたい。SNRの損失は、極端に小さなPLLループバンド幅(多分0.01Hzと同程度)を使用することにより取り戻すことができると考えるかもしれない。しかし、そのように小さなループバンド幅においては、ベースバンドへの周波数変換後の単一位相不安定性を追跡するのは困難となりかねない。このような位相の不安定性は、典型的な低コスト受信機の、受信機の周波数基準としての役割を果たすTCXO基準発振器の位相不安定性により引き起こされる。
図1はまた、コード追跡弁別器32、DLL低域通過ループフィルタ34、および受信したC/A−PN(疑似ランダムノイズ)コードのレプリカ38(生成されたレプリカコード)を局所的に生成するコード発生器36を備えたコード追跡遅延ロック・ループ(DLL)30を示している。コード追跡弁別器(相関器)32は、生成PNコード38および受信PNコード(ドップラ補償したベースバンド信号16に存在する)を相関させ、生成PNコード38と受信PNコード16とが整合していない場合に、コード位相誤差信号33を出力する。DLLループフィルタ34は、コード位相誤差信号33のノイズを除去し、その信号をコード位相制御信号35としてコード発生器36に適用する。コード発生器36は、このようにして整合させられた生成PNコード38を出力する。すなわち、DLL30は、コード発生器36を制御して、レプリカPNコード38が、位相回転器12の出力に現れる受信PNコード16に時刻一致するように維持する。コード発生器36はまた、局所的に発生されたPNコード38の、1ミリ秒毎に生じる各エポックにおいて、コード・エポック信号(タイミング信号)39を出力する。
図1に示されるように、1ミリ秒相関(相関器)28は、位相回転器の出力の信号16(受信PNコード)をコード発生器36から来るPNコード38と相互相関させ、複素値(I+JQ)の1ミリ秒相関出力(複素相関値)24の連続した列を生成する。各相関の出力および次の相関の始まりは、局所的に発生したコードの1ミリ秒毎に生じる各エポックで生じる。すなわち、コード・エポック信号(タイミング信号)39により制御され、1ミリ秒相関器28は、各コード周期(すなわち、1ミリ秒または1023チップ)について、ベースバンド信号16と生成PNコード38とを相互相関させ、各コード・エポックで複素相関値を出力する。複素相関値(I+JQ)の列は、航法メッセージを表すデータストリームを形成する。
当技術分野で通常の技術を有する当業者に周知のように、GPS信号の50bps(1秒毎のビット)のデータストリームが航法メッセージを搬送する。50bpsのデータ・ビット境界は、常にPNコードのエポックで生じる。PNコードのエポックは、PNコードの各周期(1ミリ秒、1023チップ)の始まりを示しており、データ・ビット(20ミリ秒、20,460チップ)毎に正確に20のコード・エポックが存在する。位相を確実に追跡することができない極度に低い信号レベルで動作するため、ビット同期の長時間部分コヒーレント法(Long−term partially coherent method)がデータ・ビット・シンクロナイザ40で行われる。本発明の一実施形態によれば、ビット・シンクロナイザ40は、GPSのデータストリームのビット境界の位置を突き止め(探知し)、そのビット境界において、番号付けられた(タグ付)ビット同期パルスを発生する。
サブマイクロ秒精度の時刻を得る鍵は、受信信号上の与えられた一点(ポイント)が送信された人工衛星時刻(SV時刻)を決定する能力にある。信号の所定部分の送信時刻は先験的に(理論に基づき)知られているが、一般的にいくらかの時間的不明確さを有する(この時間的不明確さは後に記載される種々の方法により解決できる)。もし信号の所定部分の生起(Occurrence)が検出できるなら、信号のいかなる部分が送信されたSV時刻をも決定することができる。そして、外部情報源からの時計補正データにより、そのSV時刻を極めて正確なGPS時刻に変換することができる。当技術分野で通常の技術を有する当業者に周知のように、衛星の時計によって規定された時刻は通常SV時刻と参照され、補正が適用された後の時間はGPS時刻と参照される。従って、個々の衛星は完全に同期したSV時刻を持たないかもしれないが、共通のGPS時刻を有する。
図4は、GPS航法データストリームのフレームおよびサブフレームの構造を概略的に示している。完全な航法データメッセージは25フレームから成り、各フレームは50ビット/秒のレートで送信される1500ビットを含む。各フレームは、5つの300ビットのサブフレーム(図4の#1から#5)に分割され、各サブフレームは、最上位ビット(MSB)が最初に送信される各30ビットの10ワードから成る。従って、50ビット/秒のレートでは、サブフレームを送信するのに6秒かかり、1つのフレームを完送するには30秒かかる。完全な25フレームの航法メッセージの送信には750秒または12.5分を必要とする。時折の更新を除き、サブフレーム#1、#2、および#3は、ほとんど変わらず(一定)、各フレーム30秒のフレーム反復レートで繰り返している。一方、サブフレーム#4および#5は各々が25回転換(subcommute)する。サブフレーム#4および#5の25個のバージョンは1〜25ページとして参照される。それ故、時折の更新を除いて、これらのページの各々は、750秒毎または12.5分毎に繰り返される。
図6は、本発明の別の実施形態による、信号送信時刻を得る別の方法を概略的に示しており、航法メッセージのより大きなデータ・ビットセグメントの生起を検出する。図6では、同様の要素には図1と同様の参照番号を付している。図6に示されるように、回路200は、図1のプリアンブル探知器60に代わり目標セグメント探知器80を備えている。衛星エフェメリスデータ、衛星時計補正データ、アルマナックデータ、およびたぶん週の時刻(TOW)のような航法メッセージの他のデータが外部情報源から入手できると仮定できるので、このようは情報を、送信に使用されるビット列を決定するために用いることができる。これらの既知のビット列のフレーム開始に対する相対位置は既知であるため、1つのフレームの開始における最初のビットの発生は、検出された既知のビット列から決定することができる。フレームの開始ビットの送信時刻は30秒の不明確さ(フレームの長さ)で既知であるので、独立した時刻情報により、この不明確さは容易に±15秒内にまで除去できる。
図1および図6に示されるように、サブマイクロ秒の局所時刻を得る最終ステップは、残存する時間的不明確さの解決および信号伝播遅延の補正であり、局所時刻決定回路102の伝播遅延補正部およびの時間的不明確さ解決部により行われる。
時間的不明確さは、種々の源から得られる、受信機における近似的な時刻の情報を使用することにより解決される。
先の例示1または2においては、時間的不明確さを解決する前に、観測された受信信号の任意の位置の不明確ではないGPS送信時刻をサブマイクロ秒精度で決定することができるが、受信機における時刻は、送信時刻と衛星から受信機への伝播時間との合計である。この伝播時間は、送信時刻における衛星の位置が正確に知られさらに受信機の位置は既知であると仮定しているため、容易に計算することが出来る。このことにより衛星から受信機までの距離の計算が可能であり、これを光の速度で割ると、信号の伝播時間が得られる。局所時刻の確立における精度はどれ位正確に受信機の位置が知られているかに依存する(次の項を参照のこと)。
時刻転送の精度は、どれ位正確に受信機の位置が知られているかに依存するだろう。サブマイクロ秒の精度を得るためには、位置の不確実性がおよそ100メートル未満であることが好ましい。±10マイクロ秒の精度には、およそ1000メートル未満の位置の不確実性が許容できる。
(1)2機の衛星122(A)および124(B)からの2つのGPS信号を同時に観測する。この観測によって各々の信号構造上の一点(ポイント)が定義され、先に記載した例示1または例示2のような、時間的不明確さの解決を含む技術を使用して、それぞれのポイントにおける2つのGPS送信時刻TA1およびTB1を得る。
(2)2つのGPS送信時刻TA1およびTB1とエフェメリスデータとを使用して、2機の衛星の位置PA1およびPB1を正確に探知(位置決め)する。
(3)2つの送信時刻の差分(△1=TA1−TB1)を計算する。この差分△1は、緯度および経度の関数としての高度情報とともに、この差分が観測される地球表面上に、位置線(LOP: Line Of Position)PC1(△1)を定義する。
(4)十分に長い時間(恐らく一時間またはそれ以上)の後、上記のステップ(1)から(3)(異なる位置PA2およびPB2にある同じ2機の衛星、あるいは別の一対の衛星を使用してよい)を繰り返す。その結果、地球表面上の第二のLOPであるPc2(△2)が得られる。ここで、△2=TA2−TB2であり、TA2およびTB2は、所定時間後に異なる配置にある同じ2機の衛星、あるいは異なる配置を与える別の2機の衛星対の、2つのGPS送信時刻である。
(5)2つのLOPの交点Pcとして受信機の位置を得る。
全てのGPS信号を失った場合、タイミング情報の外部情報源が利用できる場合を除き、局所時刻の精度の維持は受信機の基準発振器(通常は低コストのTCXO)の安定性に依存する。通常の動作中、受信機はとても正確に時刻を知っているため、長期的なTCXO周波数のずれは、たった1機の衛星を使用するだけでも非常に精密に較正することができる。TCXOが1マイクロ秒の誤差を生じるまで「自在運転」出来る時間は、100万分の1(ppm)で計った較正精度の逆数と同じである。例えば、もしTCXOが0.01ppm以内に較正された場合、±1ミリ秒の誤差が発生する前に、約1/0.01=100秒の間、自律的に動くことが出来る。
GPS衛星は昇ったり沈んだりするため、受信機は1機の衛星から別の衛星へとその追跡を切れ目無く転送できなければならない。これは特に問題ではない、というのは、通常動作において1機の衛星のみを用いた場合でさえ、TXCO周波数がかなり正確に較正され、時刻がサブマイクロ秒のレベルで既知であり、どの衛星への距離も正確に計算できるからである。これにより、周波数またはコード位相の検索を実質的に全く行うことなく、新しい次の衛星を捕捉することができる。
Claims (18)
- 衛星からの微弱なGPS/GNSS信号を使用してGPS/GNSS受信機にサブマイクロ秒の時刻転送をする方法であって、
前記GPS/GNSS信号のデジタル化された複素ベースバンド信号を受信するステップであって、前記ベースバンド信号は、コード周期を有する受信PNコードおよびデータビットを有する航法メッセージを搬送する、ステップと、
前記衛星の生成PNコードを発生させるステップであって、前記生成PNコードは前記受信PNコードに時間整合させられる、ステップと、
前記生成PNコードのコード・エポックを示すタイミング信号を発生させるステップであって、各コード・エポックは、前記生成PNコードの各コード周期の始まりを示し、モジュロー20数によってタグ付けされている、ステップと、
前記ベースバンド信号および前記生成PNコードを、前記タイミング信号に従って各コード周期について相互相関させることにより、各コード・エポックにおいて複素相関値を出力するステップであって、前記複素相関値の列が前記航法メッセージを表す航法データストリームを形成する、ステップと、
前記航法データストリームのデータビット境界を探知し、前記データビット境界において、番号付けしたビット同期パルスを発生させるステップであって、
(a1)前記航法データストリームを受け取り、対応するコード・エポックのタイミングに従い、前記複素相関値を20段複素シフトレジスタに格納するステップであって、前記シフトレジスタは最新20個の複素相関値からなる複素相関値列を保持する、ステップと、
(b1)各エポックにおいて、前記シフトレジスタに保持された前記20個の複素相関値を合計し、前記20個の複素相関値の合計の大きさの値を計算するステップと、
(c1)最新の複素相関値が前記シフトレジスタに格納されるときの前記コード・エポックに付された前記モジュロー20数に対応する、20個の積算器のうちの1つの積算器に、前記大きさの値を蓄積するステップと、
(d1)前記20個の積算器の各々に、前記大きさの値が格納されるまで、ステップ(a1)からステップ(c1)を反復するステップと、
(e1)前記20個の積算器の各々が所定数個の前記大きさの値を積算するように、ステップ(d1)を複数回繰り返すステップと、
(f1)前記20個の積算器のうち、前記大きさの値の積算値の最も大きな値を含む1つの積算器と、前記積算値の最も大きな値を含む前記1つの積算器に関連した特定のモジュロー20数とを決定するステップと、
(g1)前記特定のモジュロー20数を有するコード・エポックを前記データストリームのデータビット境界として特定するステップと、
(h1)前記特定のモジュロー20数によってタグ付けされたコード・エポックのタイミングによって前記ビット同期パルスを出力するステップであって、各ビット同期パルスはモジュローM数によってタグ付けされているステップと、
を含むステップと、
前記航法データストリームにおける航法メッセージ内の目標セグメントを検出し、前記目標セグメントの前記航法データストリームにおけるデータビット位置を決定するステップであって、前記目標セグメントは、前記航法メッセージにおける既知のデータビット位置に既知のkビット列を有しており、
(a2)前記航法データストリームを受け取り、前記ビット同期パルスに従ってデータビット周期について前記複素相関値を加算して、各データビットごとに複素ビット値を得るステップと、
(b2)前記複素ビット値を、対応するビット同期パルスのタイミングによってk段複素シフトレジスタに格納し、前記k段シフトレジスタに最新のk複素ビット値の列を保持させる、ステップと、
(c2)前記最新のk複素ビット値の列の重み付け合計を得るステップであって、各複素ビット値は、k個の重みからなる重み列の対応する1つの重みによって重み付けされ、前記重み列は前記目標セグメントの前記既知のkビット列に対応する、ステップと、
(d2)前記重み付け合計の大きさと、前記k個の複素ビット値のうちの最新の複素ビット値が前記k段シフトレジスタに格納されるときの対応するビット同期パルスと、前記対応するビット同期パルスに関連付けられた特定のモジュローM数とに基づいて、前記目標セグメントの前記データビット位置を決定するステップと、
を含む、ステップと、
決定された前記データビット位置に基づいて、前記目標セグメントの前記衛星からの送信時刻を決定するステップであって、前記送信時刻は所定の時間的不明確さを有している、ステップと、
前記送信時刻の前記所定の時間的不明確さを、外部情報源から得た近似的な時刻を使用して解決するステップと、
伝播遅延を補正してサブマイクロ秒の時刻転送をするステップと、
を含む、方法。 - 前記目標セグメントは、前記既知のkビット列を前記航法メッセージの各サブフレームにおける既知のデータビット位置に有しており、前記Mは300であり、各ビット同期パルスはモジュロー300数によってタグ付けされており、前記データビット位置を決定するステップ(d2)は、
(e2)前記重み付け合計の大きさの値を計算し、前記最新の複素ビット値が前記k段複素シフトレジスタに格納されるときの前記対応するビット同期パルスの前記モジュロー300数に対応する、複数の積算器のうちの1つに前記大きさの値を格納するステップと、
(f2)前記重み付け合計の大きさの値が所定数の積算器に格納されるまで、ステップ(a2)からステップ(d2)を反復するステップと、
(g2)前記所定数の積算器の各々に、前記重み付け合計の大きさの値が所定数個積算されるまで、ステップ(f2)を複数回繰り返すステップと、
(h2)前記所定数の積算器のうちで前記重み付け大きさの値の積算値の最大のものを含む1つの積算器と、その1つの積算器に関連した特定のモジュロー300数とを決定するステップと、
(i2)前記1つの積算器に関連した前記特定のモジュロー300数に基づいてサブフレーム内の前記目標セグメントのデータビット位置を特定するステップと、
を含む、請求項1に記載の方法。 - 前記目標セグメントは、前記既知のkビット列を前記航法メッセージの各フレームにおける既知のデータビット位置に有しており、前記Mは1500であり、各ビット同期パルスはモジュロー1500数によってタグ付けされており、前記データビット位置を決定するステップ(d2)は、
(e2)前記重み付け合計の大きさが所定の閾値を超えるかどうかを決定するステップと、
(f2)前記重み付け合計の大きさが前記所定の閾値を超えない場合は、ステップ(a2)からステップ(d2)を繰り返すステップと、
(g2)前記重み付け合計の大きさが前記所定の閾値を超える場合は、最新のビット値が前記k段シフトレジスタに格納されるときの、前記ビット同期パルスの特定の前記モジュロー1500数に基づいて前記目標セグメントのデータビット位置を特定するステップと、
を含む、請求項2に記載の方法。 - 前記重み付け合計を得るステップ(c2)は、
前記重み付けされた複素ビット値にkポイント高速フーリエ変換(FFT)行い、k個のFFT出力を発生させるステップと、
前記k個のFFT出力の各々の大きさを計算するステップと、
前記大きさの最大値を前記重み付け合計の大きさの値として得るステップと、
を含む、請求項1又は3に記載の方法。 - 前記大きさの最大値を有する前記kポイントFFT出力に関連させられた周波数に基づいて周波数誤差信号を発生させるステップをさらに含む、請求項4に記載の方法。
- 前記所定の時間的不明確さは6(±3)秒の不明確さである、請求項1あるいはは請求項2に記載の方法。
- 前記目標セグメントは、前記航法メッセージのサブフレームのプリアンブルであり、kの数は8であるか、あるいは前記航法メッセージの週の時刻(TOW)であり、kの数は17である、請求項1あるいは請求項2に記載の方法。
- 前記目標セグメントがフレーム毎に一度生起し、前記所定の時間的不明確さが30(±15)秒の不明確さである、請求項1あるいは請求項3に記載の方法。
- 前記目標セグメントが航法メッセージ毎に一度生起し、前記所定の時間的不明確さが12.5(±6.25)分の不明確さである、請求項1あるいは請求項3に記載の方法。
- 前記目標セグメントが航法メッセージのエフェメリスデ−タ・セグメントであり、kの数が128またはそれ以上である、請求項1あるいは請求項3に記載の方法。
- 前記相互相関させるステップの前に、周波数ロック・ループ(FLL)を使用して前記ベースバンド信号をドップラ補償するステップをさらに含む、請求項1から請求項3のいずれかに記載の方法。
- 遅延ロック・ループ(DLL)を使用することにより、前記受信PNコードおよび前記生成PNコードを相関させることにより、前記生成PNコードを時間整合させるステップをさらに含む、請求項1から請求項3のいずれかに記載の方法。
- 前記GPS/GNSS信号のレベルが約−151dBmを下回る請求項1から請求項3のいずれかに記載の方法。
- 衛星からの微弱なGPS/GNSS信号を使用するサブマイクロ秒の時刻転送回路を有するGPS/GNSS受信機であって、前記GPS/GNSS信号はコード周期を有する受信PNコードおよびデータビットを有する航法メッセージを搬送しており、各データビットは20コード周期に対応しており、前記GPS/GNSS受信機は、
前記衛星の生成PNコードを発生するPNコード発生器であって、前記生成PNコードのコード・エポックを示すタイミング信号を出力し、前記各コード・エポックは、前記生成PNコードの各コード周期の始まりを示し、モジュロー20数によってタグ付けされている、PNコード発生器と、
前記タイミング信号に従って、前記生成PNコードおよび前記GPS/GNSS信号のデジタル化された複素ベースバンド信号を、各コード周期について相互相関させることにより各コード・エポックにおいて複素相関値を出力し、前記複素相関値の列が前記航法メッセージを表す航法データストリームを形成する、相互相関器と、
前記相互相関器に連結され、前記航法データストリームのデータビット境界を探知し、前記データビット境界においてビット同期パルスを発生するビット・シンクロナイザであって、
前記タイミング信号に従い、前記複素相関値を、対応するコード・エポックのタイミングにおいて格納し、最新20個の複素相関値からなる複素相関値列を保持する、20段シフトレジスタと、
各コード・エポックにおいて、前記20段シフトレジスタに保持された前記20個の複素相関値を合計する加算器と、
前記20個の複素相関値の合計の大きさの値を計算する大きさ計算器と、
前記最新の複素相関値が前記20段シフトレジスタに格納されるときの前記コード・エポックに付された前記モジュロー20数に関連させて、前記大きさの値を格納及び蓄積する20個の積算器と、
前記20個の積算器のうちで、前記大きさの値の積算値の最大のものを含む1つの積算器及びその1つの積算器に関連付けれられた特定のモジュロー20数を決定し、前記特定のモジュロー20数をタグ付けされたコード・エポックを前記航法データストリームのデータビット境界として特定するコントローラと、
前記特定のモジュロー20数をタグ付けされたコード・エポックにおいて前記ビット同期パルスを出力し、各ビット同期パルスはモジュローM数によってタグ付けされている、ビット同期パルス発生器と、
を備えたビット・シンクロナイザと、
前記ビット・シンクロナイザおよび前記相互相関器に連結され、前記航法データストリームにおける前記航法メッセージ内の目標セグメントを検出し、前記目標セグメントの前記航法データストリームにおけるデータビット位置を決定する目標セグメント探知器であって、前記目標セグメントは前記航法メッセージの既知のデータビット位置に既知のkビット列を有しており、
前記ビット同期パルスに従って前記複素相関値を1データビット周期について積算することにより各データビットの複素ビット値を得る1ビット積算器と、
対応するビット同期パルスのタイミングで前記複素ビット値を格納し、最新のk複素ビット値からなる複素ビット値列を保持する、k段複素シフトレジスタと、
前記最新のk複素ビット値の重み付け合計を得る加重マルチプレクサであって、前記k複素ビット値の各々は、k個の重みからなる重み列の対応する1つの重みによって重み付けされ、前記重み列は前記目標セグメントの前記既知のkビット列に対応する、加重マルチプレクサと、
前記重み付け合計の大きさと、前記k個の複素ビット値のうちの最新の複素ビット値が前記k段シフトレジスタに格納されるときの対応するビット同期パルスと、前記対応するビット同期パルスに関連付けられた特定のモジュロー20数とに基づいて、前記目標セグメントの前記データビット位置を特定する、コントローラと、
を備える、目標セグメント探知器と、
前記目標セグメントの決定されたデータビット位置および前記航法メッセージのある特定のデータビットの既知の送信時刻に基づいて、前記目標セグメントの送信時刻を所定の時間的不明確さをもって決定する送信時刻決定器と、
を備えており、
前記送信時刻の前記所定の時間的不明確さを外部情報源から得た近似的な時刻を使用して解決し、伝播遅延を補正してサブマイクロ秒の時刻転送をする、GPS/GNSS受信機。 - 前記目標セグメントは、前記既知のkビット列を前記航法メッセージの各フレームにおける既知のデータビット位置に有しており、前記Mは1500であり、各ビット同期パルスはモジュロー1500数によってタグ付けされており、
前記目標セグメント探知器は、前記重み付け合計の大きさが所定の閾値を超えるかどうかを決定する比較器を更に備え、
前記コントローラは、前記重み付け合計の大きさが前記所定の閾値を超える場合は、最新のビット値が前記k段シフトレジスタに格納されるときの前記ビット同期パルスの前記特定のモジュロー1500数に基づいて前記目標セグメントの前記データビット位置を特定する、
請求項14に記載のGPS/GNSS受信機。 - 前記目標セグメントは、前記既知のkビット列を前記航法メッセージの各サブフレームにおける既知のデータビット位置に有しており、前記Mは300であり、各ビット同期パルスはモジュロー300数によってタグ付けされており、
前記目標セグメント探知器は、
前記加重マルチプレクサに連結され、前記重み付け合計の大きさの値を計算する大きさ計算器と、
前記最新の複素ビット値が前記k段複素シフトレジスタに格納されるときの前記対応するビット同期パルスの前記モジュロー300数に関連付けて、前記大きさの値を格納及び積算する一連の積算器と、
を更に備え、
前記コントローラは、前記一連の積算器のうちで前記重み付け大きさの値の積算値の最大のものを含む1つの積算器と、その1つの積算器に関連した特定のモジュロー300数とを決定し、前記1つの積算器に関連した前記特定のモジュロー300数に基づいて前記サブフレーム内の前記目標セグメントのデータビット位置を特定する、
請求項14に記載のGPS/GNSS受信機。 - 前記一連の積算器が300個の積算器を備える、請求項16に記載のGPS/GNSS受信機。
- 前記生成PNコードを前記受信PNコードに時間整合させる、遅延ロック・ループ(DLL)をさらに含む、請求項14から請求項16のいずれかに記載のGPS/GNSS受信機。
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