(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれ異なる周波数の搬送波を位相変調する複数の衛星から送出される位相変調信号を受信する受信回路と、
受信された信号から衛星の軌道情報を復調すると共に変調に係る位相を求める複数の復調部と、
各衛星から送信される信号と同一の周波数の搬送波を、当該衛星の信号の変調位相とは所定の量だけ異なる位相の変調信号で変調した基準信号を生成する基準信号生成手段と、
受信回路に対し衛星からの信号に加えて上記基準信号をも供給する混合手段と、
受信回路経由後の上記基準信号の変調に係る位相を求める基準信号復調部と、
受信回路へ供給時の基準信号の位相と上記基準信号復調部により求められる受信回路経由後の基準信号の位相とを比較して、受信回路の内部遅延量を各衛星毎に測定する遅延量測定手段と、
各復調部により求められた位相から受信回路の内部遅延を含む信号の受信時刻をそれぞれ求め、遅延量測定手段により測定された内部遅延時間のうち受信に係る衛星に対応する値を用いて受信時刻を補正し、受信信号中に含まれている各衛星の軌道情報から求めた送信時刻および補正された受信時刻に基づき所定の測位計算を行うことにより使用者の現在位置を求める測位計算手段と、
を備えたことを特徴とする衛星航法装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は衛星航法装置に関し、さらに詳細には衛星毎に送信周波数の異なる例えばロシアのGLONASS 等の衛星航法システムに用いる衛星航法装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
米国のＧＰＳやロシアのGLONASS 等の衛星航法システムの衛星航法装置では、衛星からの信号の送信時刻とその送信信号の受信時刻との差から、衛星と衛星航法装置との間の距離を求め、衛星航法装置の位置を計算する。衛星の時計と衛星航法装置の時計との間には一般に時刻オフセットがあるので、ここで求められる衛星と衛星航法装置との間の距離には、この時刻オフセットに相当する距離が含まれており、実際の衛星と衛星航法装置との間の距離ではないため、疑似距離と呼ばれている。そこで、測位解を求めるに当たっては、一般にこの時刻オフセットも未知数の一つとして連立方程式を立てて解を求める。
【０００３】
一般に、受信機は内部に各種のフィルタを備えており、フィルタには群遅延特性があるため衛星からの受信信号を遅延させる。この結果、群遅延特性に基づく遅延時間分だけ受信時刻が遅れるため、求めた衛星と衛星航法装置との間の距離に誤差を生じる。
【０００４】
ＧＰＳシステムのように、全ての衛星が同一の周波数の信号を送信している場合は、フィルタによる遅延はどの衛星でも同じ値であるためフィルタによる遅延を前記の時刻オフセットの一部に含めて取り扱うことができる。したがって、遅延のある状態で測位解を求めても、遅延時間は時刻オフセットの誤差となり、測位位置には影響しない。
【０００５】
しかし、衛星毎に送信周波数の異なる、GLONASS のような航法システムでは、ＧＰＳにおいては生じない問題点が発生する。
【０００６】
一般に、フィルタの群遅延特性は周波数特性を持っている。衛星毎に送信周波数が異なると、受信機内のフィルタの群遅延時間は各衛星毎に異なる値となる。
【０００７】
GLONASS を例に取れば、各衛星の送信周波数は５６２．５ｋＨｚずつ相違しているので、群遅延時間の値は各衛星毎に数十ｎsec 程度異なる。したがって、各衛星の疑似距離時間に含まれる群遅延時間の値が各衛星毎に異なるため、このような誤差は、時刻オフセットのような全衛星に共通の未知数として扱うことができず、衛星航法装置の位置の誤差となってしまう。
【０００８】
また一般に、フィルタの群遅延特性は温度特性をも持っているので、使用中に温度が変化すると遅延時間も変化するという現象が見られる。この変化は最大で数十ｎsec 程度であることが知られている。
【０００９】
GLONASS のような航法システムにおいて、これらの遅延による誤差の発生を防ぐ手段としては、たとえば、“Digital Hopping GPS/GLONASS Receiver"、James Danaher and Ronald R. Gerlach, Proceedings of ION GPS-91, pp. 69-76 に記載されたものがある。
【００１０】
この文献のものでは、周波数による群遅延時間の変化が生じないよう精密なフィルタ設計を行うとともに、位相特性を周波数による群遅延時間の変化が生じないよう精密なフィルタ設計を行い、位相特性を周波数に対して平坦な特性としている。また、群遅延時間が温度で変化しないよう受信回路の温度制御を実行するという方法が示されている。
【００１１】
また、特願平５−５１１５２号には、衛星航法装置内で衛星の送信信号と同じ信号を発生させて受信機のフロントエンドから入力して遅延時間を実測し、こうして知り得た遅延時間を用いて、実際の衛星からの受信信号の遅延時間を補正する方法が開示されている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記した従来の衛星航法装置には次のような欠点がある。
【００１３】
まず、フィルタの位相特性を平坦にする方法についてみれば、この方法は、当該フィルタの設計を精密に実行しなければならないため、開発設計に係る自由度が制限されると共に、開発設計のコストが著しく増大してしまうという問題点があった。
【００１４】
さらに、受信回路の温度制御を行おうとする場合、受信回路を周囲と断熱するための構造や、受信回路を加熱するためのヒーター、当該ヒーターを制御する手段等を設ける必要があるため、装置構成が大型化してしまうという問題点もあった。
【００１５】
次に、特願平５−５１１５２号に開示されている方法では、遅延時間測定のために受信機内で発生させた信号と、アンテナで受信された実際の衛星の信号とをスイッチで切り替えて受信機のフロントエンドから入力するという手法を採用している。この場合、スイッチの切り替えは数ｍsec 間隔という高速で行われるので、遅延時間測定の間、測位計算に必要な実衛星の受信情報が失われるようなおそれはないが、双方の信号が細かく寸断されているために、わずかなりともＳ／Ｎ比が低下することは避けられないという問題点があった。特に、仰角の低い衛星の場合には、もともとのＳ／Ｎ比が低いので、わずかなＳ／Ｎ比の低下でも受信が困難になる等の問題点が生じやすかった。
【００１６】
本発明はかかる問題点を解決するためになされたものであり、受信信号のＳ／Ｎ比を低下させることなく、受信機内部の遅延時間に起因する測位誤差の発生を防止すると共に、当該内部の遅延時間の周波数および温度による変化の影響を、フィルタ特性の精密設計や受信回路の温度制御を行うことなく排除することが可能な衛星航法装置を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る衛星航法装置は、それぞれ異なる周波数の搬送波を位相変調する複数の衛星から送出される位相変調信号を受信する受信回路と、
受信された信号から衛星の軌道情報を復調すると共に変調に係る位相を求める複数の復調部と、
各衛星から送信される信号と同一の周波数の搬送波を、当該衛星の信号の変調位相とは所定の量だけ異なる位相の変調信号で変調した基準信号を生成する基準信号生成手段と、
受信回路に対し衛星からの信号に加えて上記基準信号をも供給する混合手段と、
受信回路経由後の上記基準信号の変調に係る位相を求める基準信号復調部と、
受信回路へ供給時の基準信号の位相と上記基準信号復調部により求められる受信回路経由後の基準信号の位相とを比較して、受信回路の内部遅延量を各衛星毎に測定する遅延量測定手段と、
各復調部により求められた位相から受信回路の内部遅延を含む信号の受信時刻をそれぞれ求め、遅延量測定手段により測定された内部遅延時間のうち受信に係る衛星に対応する値を用いて受信時刻を補正し、受信信号中に含まれている各衛星の軌道情報から求めた送信時刻および補正された受信時刻に基づき所定の測位計算を行うことにより使用者の現在位置を求める測位計算手段と、
を備えたことを特徴とする。
【００１８】
本発明に係る衛星航法装置は、複数の衛星からそれぞれ異なる周波数の搬送波を位相変調した位相変調信号が受信回路で受信され、受信された信号はそれぞれの復調部において軌道情報が復調されるとともに変調に係る位相が求められる。
【００１９】
一方、各衛星から送信される信号と同一の周波数の搬送波を、当該衛星の信号の変調位相とは所定の量だけ異なる位相の変調信号で変調された基準信号が基準信号生成手段により生成され、生成された基準信号が混合手段により衛星からの信号に加えられて前記受信回路へ送出される。
【００２０】
前記混合手段から出力される信号を受けた受信回路から送出される前記基準信号の変調に係る位相が基準信号復調部において求められる。
【００２１】
受信回路経由後の基準信号の位相と受信回路へ供給時の基準信号の位相とは遅延量測定手段で比較されて、受信回路の内部遅延時間が測定される。
【００２２】
しかるに、基準信号復調部において求められた基準信号の変調にかかる位相は受信回路経由後の基準信号の位相であって受信回路におけるフィルタの群遅延特性による遅延時間の影響を受けている。
【００２３】
各復調部により求められた位相から受信回路の内部遅延を含む信号の受信時刻が求められ、該受信時刻が前記遅延量測定手段で測定された受信回路の内部遅延時間で補正され、送信時刻と補正された受信時刻とに基づき測位計算がなされる。
【００２４】
したがって、受信回路における内部遅延、温度による影響が排除される。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかる衛星航法装置を実施の形態によって説明する。
【００２６】
図１は本発明の実施の一形態ににかかる衛星航法装置の構成を示すブロック図であり、ロシアのGLONASS システムに用いる衛星航法装置の受信機部を示している。図２は図１の復調部の構成を示すブロック図である。
【００２７】
衛星からの信号は受信アンテナ１で受信された後、混合手段を構成する混合器２へ送られる。混合器２は、衛星からの信号と、変調部１１から供給される後記の遅延時間測定用信号とを混合して、混合出力を受信回路３へ送出する。
【００２８】
受信回路３では、混合器２から入力された信号の搬送波周波数を、局部発振器４で発生させた一定周波数の正弦波を用いてスーパーヘテロダイン方式により中間周波に低減させる。受信回路３には、GLONASS 信号の帯域外の妨害波を排除するための各種フィルタが設けられており、これらのフィルタの群遅延特性によって受信信号が遅延される。
【００２９】
受信回路３から出力された中間周波信号は、チャンネル１からｎのｎ個の復調部５および遅延時間測定のための基準信号復調部を構成する遅延量測定チャンネルの復調部６に入力される。
【００３０】
復調部５と復調部６はいずれも同じ回路であり、複数の衛星の信号が混じった中間周波信号から所望の衛星の信号だけ捕捉・復調・追尾するためのものである。復調部５の各チャンネルが各々１個の衛星を受け持つ。
【００３１】
その動作の詳細を図２を用いて説明する。
【００３２】
各復調部５および６は復調制御部１０１、中間周波発振器１０２、コード発生器１０３、中間周波ミキサ１０４、コード相関器１０５を備えている。復調制御部１０１は、最初に外部から与えられる中間周波ならびにコードの周波数・位相の初期値を基に、中間周波発振器１０２に発振すべき周波数・位相を指示し、コード発生器１０３に発生すべきスペクトラム拡散コードの周波数・位相を指示する。GLONASS では全ての衛星が同一のコードを使用しており、コード発生器１０３はこのコードを発生するものである。
【００３３】
中間周波ミキサ１０４は入力された中間周波信号と中間周波発振器１０２からの発振周波数との差の周波数の信号を出力する。この信号はコード相関器１０５にて、コード発生器１０３から出力されたコードによって逆拡散され、復調信号となる。周波数が一致しかつコード相関が取れた場合のみ正しい復調信号が得られ、一致していない場合は白色雑音に近い信号しか得られない。
【００３４】
そのため本発明の実施の一形態にかかる衛星航法装置では、復調制御部１０１において、５ｍsec 毎に中間周波ならびにコードの周波数・位相を制御している。すなわち、衛星信号の捕捉の段階では、外部から与えられる中間周波ならびにコードの周波数・位相の初期値を中心に一定の範囲をスキャンする。相関が取れた後は、その相関を維持すべく追尾を行う。
【００３５】
チャンネル１からｎの復調部５は、実際の衛星の信号を捕捉・復調・追尾するためのものである。どのチャンネルがどの衛星を受け持つのかは、衛星選択部７が指示する。
【００３６】
衛星選択部７は、過去の受信の際に収集しておいた衛星軌道データに基づき、その時点で上空に見える可視衛星を選択する。さらに、その時点の各衛星の位置・受信信号のドップラー偏位を計算して、各衛星の受信信号の中間周波ならびにコードの周波数・位相の推定値を求め、復調処理の初期値としてチャンネル１からｎの復調部５に与える。
【００３７】
遅延量測定チャンネルの復調部６は、変調部１１から供給される遅延時間測定用信号を捕捉・復調・追尾するためのものである。遅延時間測定用信号は実際の衛星からの信号と等価であるため、復調処理も実際の衛星からの信号の処理と同様である。
【００３８】
符号８は遅延量測定制御部である。遅延量測定制御部８は、遅延時間測定開始時に、受信中の実際の衛星の中から遅延時間を測定すべき衛星を１個選び、チャンネル１からｎの復調部５のうち、その衛星を追尾しているチャンネルの復調部５から、中間周波ならびにコードの周波数・位相の、今まさに追尾している現在値を入手する。
【００３９】
次に、入手した中間周波の周波数から元の搬送波周波数を計算し、搬送波発振器９に遅延時間測定用信号の周波数としての搬送波周波数を指示する。
【００４０】
一方、入手したコードの位相を一定量ずらして、コード発生器１０に指示する。位相を一定量ずらすのは、現在受信中の衛星の信号と同じ位相の信号を発生させると、互いに干渉して追尾が乱れるからである。
【００４１】
GLONASS のスペクトラム拡散コードの周波数は５１１チップ（ビット）であるから、位相が最も離れる２５６チップずらすのが好適である。この位相をずらすという処置が本発明の実施の一形態にかかる衛星航法装置での最も特徴的な点である。
【００４２】
コード発生器１０に指示するコード周波数としては、入手したコード周波数をそのまま用いる。これは、コード周波数は、受信回路３にて周波数が低減されないからである。なお、GLONASS では全ての衛星が同一のコードを使用しており、コード発生器１０はこのコードを発生するものである。
【００４３】
符号１１は変調部であり、搬送波発振器９で発生させた搬送波をコード発生器１０で発生させたコードで変調（スペクトラム拡散）する。こうして、遅延量測定制御部８が選んだ衛星の信号と等価でコード位相だけが異なる信号が遅延時間測定用に発生され、混合器２に供給される。
【００４４】
ここで遅延量測定制御部８、搬送波発振器９、コード発生器１０および変調部１１は基準信号生成手段に対応している。
【００４５】
遅延時間測定用信号の周波数は、遅延時間測定用信号を発生させている間、変化させない。この理由は、遅延量測定チャンネルの復調部６での遅延時間測定用信号の捕捉・追尾を簡単にするためである。周波数を変化させなくても、遅延時間測定に要する時間は、１個の衛星につき数秒であり、この間の実際の衛星の受信周波数の変化は数十Ｈｚなので、受信周波数変化による遅延時間の変化は無視できるほど小さく、問題とはならない。
【００４６】
一方、コード位相は、遅延量測定手段を構成する遅延量測定部１２がコード位相を測定する時間間隔よりも充分短い時間間隔で初期値に引き戻す。この理由は、何の制御も行わないと位相が自然に進んでしまい、遅延時間測定の際の基準位相が確保できないからである。
【００４７】
本発明の実施の一形態にかかる衛星航法装置では、遅延量測定部１２がコード位相を測定する時間間隔は２００ｍsec 、初期値に引き戻す時間間隔は５ｍsec とする。
【００４８】
以上の遅延時間測定用信号を発生させる処理と平行して、遅延時間測定開始時に、遅延量測定制御部８からは、遅延時間測定用として発生させる信号の中間周波ならびにコードの周波数・位相と同じ値が、遅延量測定チャンネルの復調部６に対して中間周波ならびにコードの周波数・位相の初期値として与えられる。こうして与えられた周波数と位相は、発生させている信号の値とよく一致しており、違いは受信回路３での遅延のみである。このため、遅延量測定チャンネルの復調部６は容易に遅延時間測定用信号を捕捉・追尾することが可能である。
【００４９】
遅延量測定部１２は、遅延量測定チャンネルの復調部６が追尾している遅延時間測定用信号のコード位相を一定の時間間隔でサンプリングし、同期加算して測定の信頼性を高める。こうして測定したコード位相と、遅延量測定制御部８から与えられる遅延時間測定用信号の発生時のコード位相の差を計算し、遅延時間とする。
【００５０】
本発明の実施の一形態に係る衛星航法装置では、コード発生器１０および１０３に指示されたコード位相の値は、５ｍsec 毎の受信機時計の基準タイミングの時点の位相となる。つまり、いずれのコード位相の設定値・測定値とも、同一のタイミングによっているので直接に比較することが可能となる。
【００５１】
以上のようにして、現在受信中の衛星のすべてについて順々に遅延時間を測定する。このようにして測定した遅延時間を測位計算手段としての測位計算部１３に入力する。測位計算部１３では、各衛星の復調信号から計算した疑似距離を、それぞれの衛星の遅延量で補正することで、遅延のない疑似距離を得ることができて、高精度の測位計算が可能となる。
【００５２】
上記のように、衛星航法装置の受信機内で発生させる遅延時間測定用信号を、切り替えスイッチを用いずに混合器２で実衛星の信号に加え、かつ、発生させる信号の位相を実衛星の位相からずらすことで、実衛星の信号との干渉を防止している。この結果、切り替えに伴う受信信号のＳ／Ｎ比の低下を引き起こすことなく、受信機内部の遅延に起因する測位誤差の発生を防止すると共に、当該内部遅延時間の周波数および温度による変化の影響を、フィルタ特性の精密設計や受信回路の温度制御を行うことなく排除することができるという効果が得られる。
【００５３】
ＧＰＳやGLONASS を利用した時刻測定を行う衛星航法装置の場合、受信機の内部遅延時間がそのまま時刻のオフセット誤差となる。しかし従来は、内部遅延を測定する方法がなかったため、装置設計の際の時刻の精度出しは、衛星航法装置を試作した後で他の時刻標準との差を測定して、それを内部遅延とみなして補正するしかなかった。他の時刻標準との比較は、試作時の限られたサンプルで行わざるを得ず、この方法では、量産時の衛星航法装置の個体差や使用開始後の温度変化による遅延の変化に対応することができず、高精度の測位計算が実現できなかった。
【００５４】
しかし、本発明の実施の一形態にかかる衛星航法装置では、使用中の受信機内部の遅延時間の絶対値を測定できるので、装置の個体差や温度変化に容易に対応することができ、高精度の時刻測定が実現できるという効果も得られる。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明にかかる衛星航法装置によれば、受信回路の内部遅延時間を測定して、測定された遅延時間によって補正された受信時刻と送信時刻とに基づき測位がなされるため、受信回路における内部遅延、温度による影響が排除されるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態ににかかる衛星航法装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施の一形態ににかかる衛星航法装置における復調部の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１…受信アンテナ                ２…混合器
３…受信回路                    ４…局部発振器
５…チャンネル１からｎの復調部  ６…遅延量測定チャンネルの復調部
７…衛星選択部                  ８…遅延量測定制御部
９…搬送波発振器                １０…コード発生器
１１…変調部                    １２…遅延量測定部
１３…測位計算部                １０１…復調制御部
１０２…中間周波発振器          １０３…コード発生器
１０４…中間周波ミキサ          １０５…コード相関器
【図１】
0003691231.tif 000002
【図２】
0003691231.tif 000003