(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
受信したＧＰＳ信号を周波数変換して中間周波信号を出力する高周波部と、
前記中間周波信号をＡ／Ｄ変換して中間周波信号サンプルデータを出力するＡ／Ｄ変換部と、
所定時間分の前記中間周波信号サンプルデータを時系列との対応を付けて格納するメモリ部と、
基地局とデータ通信を行なう通信部と、
前記基地局から供給される航法メッセージの位相反転情報に基づいて前記メモリ部に格納された前記中間周波信号サンプルデータに対して位相補正を施した後に、前記所定時間分の前記中間周波信号サンプルデータの全てを対象に位相積分を行なって位相積分結果を出力する積分部と、
前記位相積分結果に基づいて位置情報を演算するＧＰＳ計算部と、
を備えたことを特徴とするＧＰＳ受信装置。
【請求項２】
請求項１記載のＧＰＳ受信装置と、
このＧＰＳ受信装置に対して航法メッセージの位相反転情報及び測位計算を支援するための情報を提供する基地局と、
からなることを特徴とするＧＰＳ測位システム。
【請求項３】
前記ＧＰＳ受信装置と前記基地局とはインターネットを介して接続されている、
請求項２記載のＧＰＳ測位システム。
【請求項４】
前記ＧＰＳ受信装置と前記基地局とは携帯通信網を介して接続されている、
請求項２記載のＧＰＳ測位システム。
【請求項５】
前記ＧＰＳ受信装置と前記基地局とはインターネット及び携帯通信網を介して接続されている、
請求項２記載のＧＰＳ測位システム。
【請求項６】
前記ＧＰＳ受信装置をクライアントとし、前記基地局をサーバとするサーバ・クライアント方式を採る、
請求項２、３、４又は５記載のＧＰＳ測位システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＧＰＳ受信装置及びＧＰＳ測位システムに係り、詳しくは、航法メッセージの位相反転を補償して長時間の位相積分を行なうことで、ＧＰＳ信号の受信強度が弱い場合でも位置情報を提供できるようにしたＧＰＳ受信装置及びＧＰＳ測位システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常のＧＰＳ受信装置は、見通しのよい場所での受信を前提としており、使用場所には大きな制約がある。そのため、携帯型のＧＰＳ受信装置を持っていたとしても店の中や都心部などの受信状態が良くない場所では、店の外に出たり見通しのよい場所まで移動する必要があった。そこで、受信したＧＰＳ信号に対して位相積分やパワー化積分の信号処理を施すことで、ＧＰＳ信号の受信強度が弱い場合でも測位計算を可能にする技術が提案されている。
【０００３】
図６は従来の信号処理の動作を示す図である。図６（ｂ）はＧＰＳ信号をダウンコンバートした中間周波信号を示している。この中間周波信号は、疑似ノイズ信号と呼ばれる１ｍｓで繰り返す位相変調信号（図６（ａ）のＨ，Ｌはそれぞれ２つの位相を示す）が２０個単位で繰り返される信号である。図６（ａ）に示すように、疑似ノイズ信号の周期はエポックと呼ばれる。疑似ノイズ信号２０個でＧＰＳ衛星が放送する５０ｂｐｓの１ビットをなす。ＧＰＳ衛星が放送する航法メッセージのビットは、２０個の疑似ノイズ信号の位相反転で表現される。図６（ｂ）は航法メッセージが０１０である場合を示している。航法メッセージは、測位計算を行なうために必要となる各衛星毎の詳細は軌道情報や大気による遅延時間の情報、衛星の健康状態等の情報を含む。
【０００４】
従来の高感度化処理では、中間周波信号を２０ｍｓを著しく超えない長さのブロック（これを位相積分ブロックと呼ぶ）に分割し、さらにそれぞれの位相積分ブロックを１エポックに相当する１ｍｓ毎に区切って分割した後に加算して１つにする。図６（ｃ）に示すように、信号波形の１ｍｓ周期への分割と、分割された波形を加算して１つのデータにする操作とを合せて位相積分と呼ぶ。位相積分によって疑似ノイズ信号の波形が強調されて、中間周波信号のＳＮ比が改善される。これが高感度化の基本原理である。位相積分された中間周波信号に対して、ＧＰＳ計算部は予め生成・保持してある疑似ノイズ信号との相関処理を行なう。その結果、図６（ｄ）に示すように、受信された疑似ノイズ信号と生成した疑似ノイズ信号との位相ずれがピークの位置として現われるため、これをＧＰＳの測位計算に用いる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の高感度化の手法では、航法メッセージによる疑似ノイズ信号の位相反転により、高感度化の効果が期待できる位相積分の時間は、２０ｍｓ程度までに限られていた。そのため位相積分の出力を相関処理した出力をパワー化や絶対値化等の処理で符号を取り除いてから加算して１つのデータにしていた。この操作はパワー積分と呼ばれている。パワー積分では、位相積分ブロック毎に相関処理を行なう必要が有る。相関処理は計算負荷が高いために、パワー積分は計算負荷が大きく、また、消費電力も大きい。
【０００６】
【発明の目的】
本発明はこのような課題を解決するためなされたもので、航法メッセージの位相反転を補償して長時間の位相積分を行なうことで、ＧＰＳ信号の受信強度が弱い場合でも位置情報を提供できるようにしたＧＰＳ受信装置及びＧＰＳ測位システムを提供することを目的とする。また、本発明は、同じ積分時間ならば従来手法よりも高感度化が可能であり、同じ感度向上効果を得るためには少ない積分時間しか必要とせず、さらに、電力消費を低減させることのできるＧＰＳ受信装置及びＧＰＳ測位システムを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため本発明に係るＧＰＳ受信装置は、受信したＧＰＳ信号を周波数変換して中間周波信号を出力する高周波部と、中間周波信号をＡ／Ｄ変換して中間周波信号サンプルデータを出力するＡ／Ｄ変換部と、所定時間分の前記中間周波信号サンプルデータを時系列との対応を付けて格納するメモリ部と、基地局とデータ通信を行なう通信部と、基地局から供給される航法メッセージの位相反転情報に基づいてメモリ部に格納された中間周波信号サンプルデータに対して位相補正を施した後に所定時間分の中間周波信号サンプルデータの全てを対象に位相積分を行なって位相積分結果を出力する積分部と、位相積分結果に基づいて位置情報を演算するＧＰＳ計算部とを備えたことを特徴とする。
【０００８】
本発明に係るＧＰＳ測位システムは、上記ＧＰＳ受信装置と、ＧＰＳ受信装置に対して航法メッセージの位相反転情報及び測位計算を支援するための情報を提供する基地局とからなることを特徴とする。
【０００９】
本発明に係るＧＰＳ受信装置及びＧＰＳ測位システムは、ＧＰＳ信号の中間周波信号をサンプリングしたデータを始めから終りまでを対象に、従来の数１０ミリ秒と比較して大幅に長い秒単位の時間で位相積分することができるので、信号のＳＮ比を効果的に向上させることができる。
【００１０】
また、パワー積分をしないため高感度化処理の中では相関計算を必要としない。このため、高感度化処理に伴う計算負荷をパワー積分と比較して大幅に削減でき、低電力化が可能である。
【００１１】
さらに、ＧＰＳ受信装置が航法メッセージによる疑似ノイズ信号の位相反転を取得する必要がないため、基地局との通信が可能な場所ならばどこであっても高感度化処理が実行可能である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。図１は本発明に係るＧＰＳ測位システムのブロック構成図、図２は本発明に係る基地局のブロック構成図、図３は本発明に係るＧＰＳ受信装置（移動局）のブロック構成図、図４はＧＰＳ受信装置（移動局）の積分部の機能ブロック構成図、図５は積分部の動作を示す図である。
【００１３】
図１に示すように本発明に係るＧＰＳ測位システムは、ＧＰＳ衛星１０と、基地局２０と、ＧＰＳ受信装置（移動局）３０と、通信回線４０とからなる。
【００１４】
本発明に係るＧＰＳ測位システムは、一般の利用者が携帯または据え付けで保有するＧＰＳ受信装置（移動局）３０と、このＧＰＳ受信装置（移動局）３０に対して通信回線４０を介して高感度化処理に必要な支援情報を提供しＧＰＳ処理計算の支援を行なう基地局２０と、これらの機器に搭載されるソフトウェアから構成されるシステムにおいて、ＧＰＳ受信装置（移動局）３０が受信するＧＰＳ衛星１０からのＧＰＳ信号１１が極度に減衰している場合でも、ＧＰＳ受信装置（移動局）３０が基地局２０の支援を得てコードトラック及び測位計算を行なって利用者に対して位置情報を提供できるようにしたものである。
【００１５】
基地局２０は、ＧＰＳ衛星１０からのＧＰＳ信号１１を常時受信し、ＧＰＳ受信装置（移動局）３０の受信及び測位計算を支援するための情報を抽出して保持する。基地局２０は、ＧＰＳ受信装置（移動局）３０のための常時用意してある支援情報を、ＧＰＳ受信装置（移動局）３０が必要とするときに通信回線４０を介してＧＰＳ受信装置（移動局）３０へ送る。基地局２０は、ＧＰＳ受信装置（移動局）３０の受信時刻同期の支援を行なう。
【００１６】
ＧＰＳ受信装置（移動局）３０は、ＧＰＳ衛星１０からのＧＰＳ信号１１を受信し、ダウンコンバートして中間周波信号１２２を生成する。中間周波信号１２２は、ＧＰＳ受信装置（移動局）３０に搭載されたメモリ部３３に保存される。ＧＰＳ受信装置（移動局）３０は、メモリ部３３に記憶されたＧＰＳ信号１１を基地局２０から通信回線４０を通じて送られる支援情報に基づいて位相をそろえて積分する。ＧＰＳ受信装置（移動局）３０は、積分されたＧＰＳデータを用いて測位計算を行なう。
【００１７】
このように本発明に係るＧＰＳ測位システムでは、ＧＰＳ信号１１のデータが長時間にわたってＧＰＳ受信装置（移動局）３０のメモリ部３３に記憶され、基地局２０が提供する支援情報に基づいて位相をそろえた上で積分することにより、従来のＧＰＳ受信装置では測位計算に利用できないような微弱なＧＰＳ信号を用いても測位計算を可能にする。
【００１８】
本発明に係るＧＰＳ測位システムでは、中間周波信号サンプルデータと同期した航法メッセージの詳細な位相反転情報（図５（ｅ））を支援情報としてＧＰＳ受信装置（移動局）３０が基地局２０からもらう。ＧＰＳ受信装置（移動局）３０は航法メッセージによる位相反転情報を基に、中間周波信号サンプルデータの位相補正を行なう（図５（ｆ））。この位相補正処理により、取得された中間周波信号サンプルデータのすべてを対象に位相積分を行なうことができるようになる（図５（ｇ））。この位相積分結果はパワー積分結果よりも大きなＳＮ比の向上をもたらす（図５（ｇ），（ｈ））。これにより、従来の高感度化手法では得られなかった非常に効率のよい高感度化処理を可能とした。また、従来の高感度化手法では位相積分ブロックごとに相関処理を行なっていたのに対して、本発明に係る手法では、計算負荷の高い相関処理を位相積分後に１回行なうだけであるため計算負荷の減少及び低電力化にも貢献できる。
【００１９】
図２に示すように基地局２０は、高周波部２１と、Ａ／Ｄ変換部２２と、疑似ノイズ復調部２３と、航法メッセージ復元部２４と、メモリ部２５と、通信部２６とからなる。
【００２０】
高周波部２１は、ＧＰＳ信号１１をダウンコンバートして中間周波信号１２１を出力する。Ａ／Ｄ変換部２２は、中間周波信号１２１をサンプリングしてメモリ部２５に格納する。なお、メモリ部２５は、中間周波信号サンプルデータ１３１、航法メッセージビット列、航法メッセージの解析結果を同時にセグメント毎に別目的で活用している。
【００２１】
疑似ノイズ信号復調部２３は、メモリ部２５に格納された中間周波信号サンプルデータ１３１を受信対象の衛星ごとに固有のコードと相関をとり、時刻ごとの航法メッセージのデータビット列を抽出し、タイムスタンプとともにメモリ部２５に格納する。
【００２２】
航法メッセージ復元部２４は、メモリ部２５に格納されたＧＰＳ衛星ごとの航法メッセージビット列を航法メッセージのフォーマットに従って、航法メッセージを構成する全ての定数・変数を復元し、メモリ部２５に格納する。なお、すでに航法メッセージがメモリ部２５に格納されている場合は、航法メッセージを最新情報に更新しながら上書き格納する。
【００２３】
通信部２６は、疑似ノイズ復調部２３と航法メッセージ復元部２４で作成され、メモリ部２５に格納されたＧＰＳ受信装置（移動局）支援データを、ＧＰＳ受信装置（移動局）３０からの要請を受けて通信回線４０を通じてＧＰＳ受信装置（移動局）３０に送信する。
【００２４】
図３に示すようにＧＰＳ受信装置（移動局）３０は、高周波部３１と、Ａ／Ｄ変換部３２と、メモリ部３３と、通信部３４と、積分部３５と、ＧＰＳ計算部３６とからなる。
【００２５】
高周波部３１は、ＧＰＳ信号１１をダウンコンバートし、中間周波信号１２２とする。Ａ／Ｄ変換部３２は、中間周波信号１２２をサンプリングしてメモリ部３３に格納する。通信部３４は、サンプリング開始時刻を基地局２０の支援に基づいて計測する。通信部３４は、各衛星１０からの信号の位相情報を基地局２０から取得する。
【００２６】
積分部３５は、メモリ部３４に格納した航法メッセージデータを、衛星１０ごとの位相情報に基づいて位相補正を行ない積分する。この積分は基地局２０から取得した衛星選択リストに載っている衛星すべてに対して行ない、結果をメモリ部３３に格納する。
【００２７】
ＧＰＳ計算部３６は、メモリ部３３に格納された積分結果を相関計算してＧＰＳ受信装置（移動局）３０の位置を計算する。
【００２８】
図４に示すように積分部３５は、処理終了判定部５１と、位相補正情報取得部５２と、エポック長計算部５３と、位相補正部５４と、ドップラ周波数計算部５５と、周波数補正部５６と、加算部５７とを備える。なお、これらの各機能部５１〜５７はＣＰＵを用いソフトウェア（プログラム制御）によって構成されている。
【００２９】
処理を開始すると、基地局２０で作成され、ＧＰＳ受信装置（移動局）３０に送られてメモリ部３３に格納されている「処理を行なうべき衛星選択リスト」を参照して次のループに入る。
【００３０】
処理終了判定部５１は、すでに処理すべき衛星選択リストに載せられたすべての衛星からの信号を積分したかどうかを判定し、すべての衛星からの信号に対する積分が終了していなければ、次の積分に進む。終了していれば積分部３５での処理を終了して、ＧＰＳ計算部３６での測位計算処理に進む。
【００３１】
位相補正情報取得部５２では、積分対象の信号の位相補正情報（図５（ｅ））をメモリ部３３から読み出す。メモリ部３３には前もって基地局２０から得た位相補正情報が格納されている。
【００３２】
エポック長計算部５３では、メモリ部３３からの航法メッセージ情報に含まれる衛星の軌道情報を基に、衛星信号のエポック長を計算する。エポック長は衛星からの信号送信時には正確に１ｍｓであるが、受信時は衛星と観測者との間の相対速度によって生ずるドップラー効果のため、１ｍｓとは異なる値を取る。
【００３３】
位相補正部５４では、メモリ部３３から読み出した位相補正情報に従って、中間周波信号サンプルデータの航法メッセージによって生じた位相反転を取り除く補正を行なう。
【００３４】
ドップラ周波数計算部５５では、処理対象衛星１０とＧＰＳ受信装置（移動局）３０との相対速度から生ずるドップラ周波数偏位の値を計算する。
【００３５】
周波数補正部５６では、中間周波信号サンプルデータに対してドップラ周波数とシステムの局発誤差によって生じた位相回転を取り除く修正を行なう。
【００３６】
加算部５７では、中間周波信号サンプルデータを１エポックごとに分割した後でそれらを加算して１エポック分のデータにし、現在着目している衛星信号に対する位相積分の出力とし、メモリ部３３に格納する。位相積分の出力は測位計算を行なうＧＰＳ計算部３６が後で使用する。
【００３７】
処理終了判定部５１は、選択されたすべての衛星コードに対応する位相積分を終了したかどうかの判定を行なう。終了していなければ次の衛星の疑似ノイズコードに対して同じ動作を繰り返す。終了していれば位相積分を終了し測位計算に移行する。
【００３８】
本実施の形態では、基地局２０とＧＰＳ受信装置（移動局）３０とを通信回線４０を介して接続する構成を示したが、通信回線４０をインターネット等のネットワーク、携帯通信網、または放送情報の活用としてもよい。
【００３９】
本発明に係るＧＰＳ測位システムは、基地局２０をサーバとし、ＧＰＳ受信装置（移動局）３０をクライアントするサーバ・クライアントシステムとして構成することができる。
【００４０】
サーバである基地局２０とクライアントであるＧＰＳ受信装置（移動局）３０との間の処理分担は、ある程度の自由度を持って配分を変化させて異なるアプリケーションに対応することが可能である。例えば、ＧＰＳ受信装置（移動局）３０で取得された中間周波信号１２２をＡ／Ｄ変換部３２でサンプルした中間周波信号サンプルデータ１３２を基地局２０へ送り、基地局２０側で積分計算を行ない、その積分計算の結果をＧＰＳ受信装置（移動局）３０に通信回線４０を通じて供給するようにしてもよい。
【００４１】
要約すると、基地局２０はＧＰＳ信号１１を常時受信し、ＧＰＳ受信装置３０の受信及び測位計算を支援するための情報を抽出して保持している。基地局２０は、ＧＰＳ受信装置３０が必要とするときに通信回線４０を介して支援情報を送出する。基地局２０は、ＧＰＳ受信装置３０の受信時刻同期の支援を行なう。ＧＰＳ受信装置３０は、ＧＰＳ信号１１を受信し、ダウンコンバートして中間周波信号を生成し、そのＡ／Ｄ変換データをメモリ部に保存する。ＧＰＳ受信装置３０は、メモリ部３３に記憶されたＧＰＳ信号データを基地局２０から供給される支援情報（衛星航法メッセージ及び位相反転情報）に基づいて位相をそろえて積分する。ＧＰＳ受信装置３０は、積分されたＧＰＳデータを用いて測位計算を行なう。これにより、航法メッセージの位相反転を補償して長時間の位相積分を行なうことで、ＧＰＳ信号の受信強度が弱い場合でも位置情報を提供できるようにする。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係るＧＰＳ受信装置及びＧＰＳ測位システムは、位相積分を行なうために必要な衛星航法メッセージ及び位相反転情報を基地局からＧＰＳ受信装置へ供給し、ＧＰＳ受信装置は航法メッセージの位相反転を補正することでＧＰＳ受信信号（疑似ノイズ信号）を長時間に亘って位相積分できるようにしたので、これによりＧＰＳ受信装置の高感度化を図ることができる。よって、ＧＰＳ信号の受信強度が弱い場合でも位置情報を提供することができる。
【００４３】
ＧＰＳ信号の中間周波信号をサンプリングしたデータをはじめから終りまでを対象に、従来の数１０ミリ秒と比較して大幅に長い秒単位の時間で位相積分することができるので、信号のＳＮ比を効果的に向上させることができる。
【００４４】
パワー積分をしないため高感度化処理の中では相関計算を必要としない。そのため、高感度化処理に伴う計算負荷をパワー積分と比較して大幅に削減でき、低電力化が可能である。
【００４５】
ＧＰＳ受信装置が航法メッセージによる疑似ノイズ信号の位相反転を取得する必要がないため、基地局との通信が可能な場所ならばどこであっても高感度化処理が実行可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るＧＰＳ測位システムのブロック構成図である。
【図２】本発明に係る基地局のブロック構成図である。
【図３】本発明に係るＧＰＳ受信装置（移動局）のブロック構成図である。
【図４】ＧＰＳ受信装置（移動局）の積分部の機能ブロック構成図である。
【図５】積分部の動作を示す図であり、図５（ｅ）は中間周波信号サンプルデータと同期した航法メッセージの詳細な位相反転情報、図５（ｆ）は位相反転情報を基に位相補正された中間周波信号サンプルデータ、図５（ｇ）は位相積分された中間周波信号、図５（ｈ）は受信された疑似ノイズ信号と生成した疑似ノイズ信号との位相ずれである。
【図６】従来の信号処理の動作を示す図であり、図６（ａ）は疑似ノイズ信号と呼ばれる１ｍｓで繰り返す位相変調信号、図６（ｂ）はＧＰＳ信号をダウンコンバートした中間周波信号、図６（ｃ）は位相積分された中間周波信号、図６（ｄ）は受信された疑似ノイズ信号と生成した疑似ノイズ信号との位相ずれである。
【符号の説明】
１０  ＧＰＳ衛星
２０  基地局
２１  高周波部
２２  Ａ／Ｄ変換部
２３  疑似ノイズ復調部
２４  航法メッセージ復元部
２５  メモリ部
２６  通信部
３０  ＧＰＳ受信装置（移動局）
３１  高周波部
３２  Ａ／Ｄ変換部
３３  メモリ部
３４  通信部
３５  積分部
３６  ＧＰＳ計算部
４０  通信回線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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