(57)【要約】【課題】新たなハードウェアの追加することなく、マルチパス波の影響を受けたスペクトル拡散信号の使用を制限することができるスペクトル拡散信号用受信機を提供する。【解決手段】各相関器から出力される相関値に基づいて相関値振幅を求め、その相関値振幅を接続した相関関数の傾斜Ｐ（ｔ）−Ｅ（ｔ）、Ｐ（ｔ）−Ｌ（ｔ）のばらつきを求め、そのばらつきが所定の閾値以上であった場合は、追跡中のＧＰＳ衛星からの受信信号を使用しないようにした。【選択図】図３
2012100087.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
拡散コードによりスペクトル拡散されたスペクトル拡散信号を受信する受信手段と、
前記拡散コードと同一の内部コードを発生する内部コード発生手段と、
前記スペクトル拡散信号を前記内部コードで逆拡散することにより前記拡散コードとの相関を示す相関値を出力する第１相関器と、
前記第１相関器に対して進み方向及び遅れ方向に所定の同一のずれ量だけオフセットしたタイミングで相関値を出力する対の第２相関器と、
前記対の第２の相関器から出力される相関値が一致するように前記内部コードの位相を制御する位相制御手段とを備えたスペクトル拡散信号用受信機において
前記第１相関器及び第２相関器から出力される相関値を接続した相関関数の傾斜を演算する演算手段と、
前記演算手段が演算した傾斜のばらつきを判定する判定手段とを備え、
前記判定手段が傾斜のばらつきが所定の閾値以上であると判定した場合は、現在受信中の受信信号を用いないことを特徴とするスペクトル拡散信号用受信機。
【請求項２】
前記受信信号はＧＰＳ衛星から送信されたスペクトル拡散信号であることを特徴とする請求項１記載のスペクトル拡散信号用受信機。
【請求項３】
前記判定手段は、傾斜のばらつきを過去所定回数分の傾斜の標準偏差を算出することにより求めることを特徴とする請求項１または２記載のスペクトル拡散信号用受信機。
【請求項４】
前記第２相関器は一対設けられ、前記第１相関器に対して前記拡散コードの０．５位相だけオフセットして配置されていることを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載のスペクトル拡散信号用受信機。
【請求項５】
前記第２相関器は二対設けられ、前記第１相関器に対して前記拡散コードの０．２５位相及び０．５位相だけオフセットして配置されていることを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載のスペクトル拡散信号用受信機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばＧＰＳ衛星から送信されるスペクトル拡散信号を受信する受信機に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えばＧＰＳシステムにおいては、ＧＰＳ衛星から民間用のＧＰＳ受信機への情報の送信に、１．５ＧＨｚ帯の周波数のスペクトル拡散方式の通信が用いられている。各衛星からは拡散コードによりスペクトル拡散されたスペクトル拡散信号が送信され、ＧＰＳ受信機がＧＰＳ衛星を追跡するには、受信したスペクトル拡散信号を逆拡散処理し、拡散コードとＧＰＳ受信機側で発生する内部コードとの相関値を求めることにより、拡散コードの位相の同期を確立する必要がある。
【０００３】
この場合、ＧＰＳ受信機が受信するスペクトル拡散信号としては、ＧＰＳ衛星から直接受信する直接波であるのが理想であるが、都市部での走行では、地面或いは建物、橋などの建造物で反射したマルチパス波も受信するのが一般的である。このため、受信波は直接波とマルチパス波とを合成した合成波となる。この合成波は、ＧＰＳ受信機や衛星の移動によりマルチパス波の遅延量や位相が変化することから、合成波の相関関数の形状（複数の相関器からの相関値を接続した三角形状）が変化し、相関関数の傾斜（三角形状の斜面の傾斜）は時間的に変動する。このようにマルチパス波の影響を受けた受信波を使用した場合は、測位精度が低下することから、マルチパス波の影響を受けた受信波を使用しないことが望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４４１８３５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
マルチパス波の影響を防止する方法として、特許文献１には複数の方法が提案されているが、これらの方法の何れであっても、専用のハードウェアを要したり、或いは追加のハードウェアや情報が必要となったりすることから、大幅なコストアップの要因となる。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、新たなハードウェアを追加することなく、マルチパス波の影響を受けたスペクトル拡散信号の使用を制限することができるスペクトル拡散信号用受信機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１の発明によれば、マルチパス波の影響を受けた場合は、相関関数の波形形状が乱れてその傾斜がばらつくようになる。これにより、相関関数の傾斜のばらつきが閾値以上となったときは、マルチパス波の影響が大きいとして現在受信中のスペクトル拡散信号の使用を制限することができる。
請求項２の発明によれば、ＧＰＳ衛星を補足する構成として採用することができる。
請求項３の発明によれば、標準偏差により傾斜のばらつきを求めるので、傾斜のばらつきを精度良く判定することができる。
請求項４の発明によれば、第１相関器と２個の第２相関器の配置により相関関数の傾斜を演算することができるので、一般的な相関器の配置構成で実施することができる。
請求項５の発明によれば、第２相関器を４個とすることで相関関数の傾斜を測定するポイントが増加するので、マルチパス波による影響の判定精度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の第１実施形態における全体構成を示す機能ブロック図
【図２】信号検出・追跡・データ復調部の構成を示す機能ブロック図
【図３】相関関数と相関器の配置との関係を示す図
【図４】演算部の動作を概略的に示すフローチャート
【図５】本発明の第２実施形態を示す図３相当図
【発明を実施するための形態】
【０００８】
（第１実施形態）
以下、本発明を、例えば車両、船舶、航空機などのナビゲーションシステムに用いられるＧＰＳ受信機に適用した第１実施形態について、図１ないし図４を参照して説明する。
まず、ＧＰＳ（Global Positioning System）について簡単に説明する。ＧＰＳにおいては、ＧＰＳ衛星から民間用のＧＰＳ受信機への情報の送信に１．５ＧＨｚ帯の周波数のスペクトル拡散方式の通信が用いられる。このとき、地球を周回する複数のＧＰＳ衛星には、衛星ごとにスペクトル拡散用の拡散コードとして異なる擬似雑音（ＰＮ）コードが割当てられている。民間用に公開されたＰＮコードはＣ／Ａコードと称され、チップレートが１０２３Ｈｚ、コード長が１ｍｓに設定されている。
【０００９】
ＧＰＳ受信機では少なくとも４個の使用可能な衛星を追跡し、各衛星から受信したスペクトル拡散信号を逆拡散することによりＣ／Ａコードを抽出し、そのＣ／Ａコードに重畳されている航法メッセージデータから各衛星に対する擬似距離及びドップラーを測定し、自己の位置（緯度、経度、高度）及び時刻を測定するようになっている。尚、各衛星における拡散コード（Ｃ／Ａコード）間の相互相関は極めて小さくなっており、追跡中のＧＰＳ衛星からの受信信号が他のＧＰＳ信号からの受信信号の影響を極力受けないようになっている。
【００１０】
図１はＧＰＳ受信機の全体構成を示す機能ブロック図である。ＧＰＳ受信機１（スペクトル拡散信号用受信機に相当）は、アンテナ２（受信手段に相当）、周波数変換部３、クロック発振器４、ＡＤ（アナログ−デジタル）変換部５、信号検出・追跡・データ復調部＃１〜＃Ｎ（以下「信号検出・追跡・データ復調部６」という）、演算部７（演算手段、判定手段に相当）から構成されている。
アンテナ２は、ＧＰＳ衛星から送信される電波を受信する。ＧＰＳ衛星から送信される電波は、１ｍｓ周期のＣ／Ａコードを航法メッセージデータ（１ｂｉｔが２０ｍｓ）で変調したデジタル信号でもってＬ１＝１５７５．４２ＭＨｚのキャリア（搬送波）をスペクトル拡散変調して生成されている。
【００１１】
周波数変換部３は、ＧＰＳ衛星から送信されたキャリア（１５７５.４２ＭＨｚ）を例えば４.０９２ＭＨｚのＩＦ（Intermediate Frequency）信号にダウンコンバージョンする。クロック発振器４は例えば１６.３６８ＭＨｚのクロックを発生し、周波数変換部３やＡＤ変換部５の基準クロックとして用いられる。ＡＤ変換部５は、周波数変換部３から出力されたＩＦ信号の量子化・標本化を行う。信号検出・追跡・データ復調部６は、入力された信号を元に、衛星信号の検出（サーチ）を行うとともに、サーチ完了した衛星信号の追跡処理及びデータ復調を行う。信号検出・追跡・データ復調部６は複数の衛星を同時に観測するために複数設置され、これらを通例チャネルと呼ぶ。
【００１２】
演算部７は、どの衛星を受信するか選択して信号検出・追跡・データ復調部６を制御するとともに、信号検出・追跡・データ復調部６から出力される衛星のコード位相やキャリア周波数、復調された航法メッセージのビットなどを元に測位演算を行う。つまり、追跡中の衛星から擬似距離及びドップラーを求めると共に航法メッセージデータを取得し、通常４個以上の衛星から前述の情報を得られた場合は、自己の位置（緯度、経度、高度）及び時刻を測定する。本実施形態では、演算部７が測位演算を行う際は、後述するようにマルチパス波による信号劣化の有無を判別し、衛星を取捨選択（または重みづけを変更）し、測位演算を行うようになっている。
【００１３】
図２は信号検出・追跡・データ復調部６の構成を機能ブロックで示しているが、実際には演算部７と共にマイクロコンピュータにより構成され、信号はデジタル信号処理される。入力されたＩＦ信号は、コサインレプリカキャリア発生器８及びサインレプリカキャリア発生器９から内部発生させたローカル周波数と乗算器１０，１１でミキシングされ、ゼロＩＦにするとともに、Ｉｎ−ｐｈａｓｅ成分（以下「同相成分」という）とＱｕａｄｒａｔｕｒｅ成分（以下「直交成分」という）に分けられる。次に、コード発生器１２（内部コード発生手段に相当）から内部発生させた拡散コードをミキシングすることにより同相成分及び直交成分の入力信号をそれぞれ逆拡散する。この際、同相成分及び直交成分の拡散コードは０．５ｃｈｉｐずつタイミング（位相）をずらした３位相（Ｅａｒｌｙ，Ｐｕｎｃｔｕａｌ，Ｌａｔｅ）の乗算器１３〜１８にてミキシングされる。逆拡散して得られたそれぞれの値を累算器１９〜２４により時間積分し、３位相のそれぞれのタイミングでの相関値を算出する。この際、一般的な積分時間は１〜２０ｍｓｅｃである。所定の乗算器と累積器から相関器が構成されており、同相成分用としては、乗算器１３と累算器１９とからＥａｒｌｙ用相関器２５が構成され、乗算器１４と累算器２０とからＰｕｎｃｔｕａｌ用相関器２６が構成され、乗算器１５と累算器２１とからＬａｔｅ用相関器２７が構成されている。直交成分用としては、乗算器１６と累算器２２とからＥａｒｌｙ用相関器２８が構成され、乗算器１７と累算器２３とからＰｕｎｃｔｕａｌ用相関器２９が構成され、乗算器１８と累算器２４とからＬａｔｅ用相関器３０が構成されている。Ｐｕｎｃｔｕａｌ用相関器２６,２９が第１相関器に相当し、Ｅａｒｌｙ用相関器２５,２８及びＬａｔｅ用相関器２７,３０が第２相関器に相当する。
【００１４】
各相関器２５〜３０から出力される各相関値はキャリアループ弁別器３１及びコードループ弁別器３２に入力される。キャリアループ弁別器３１からの信号はキャリアループフィルタ３３を通じてコサインレプリカキャリア発生器８及びサインレプリカキャリア発生器９に出力することにより内部発生させるキャリア周波数の調整制御に用いられる。コードループ弁別器３２からの信号はコードループフィルタ３４を通じてコード発生器１２に出力することによりコード位相の調整制御に用いられる。これらのコードループ弁別器３２及びコードループフィルタ３４が位相制御手段に相当する。キャリアループ弁別器３１及びキャリアループフィルタ３３はＰＬＬ（Phase Locked Loop）を構成し、コードループ弁別器３２及びコードループフィルタ３４はＤＬＬ（delay Locked Loop）を構成している。また、Ｐｕｎｃｔｕａｌ用相関器２６,２９からの出力に基づいて航法メッセージデータが生成される。
【００１５】
さて、各相関器２５〜３０から出力される各相関値は演算部７にも与えられるようになっており、演算部７は、各相関器２５〜３０からの各相関値に基づいてＥａｒｌｙ，Ｐｕｎｃｔｕａｌ，Ｌａｔｅの各タイミングにおける相関値振幅を求め、それらの相関値振幅を接続した相関関数を監視することにより観測対象のＧＰＳ衛星を追跡する。具体的には、ＧＰＳ衛星からの受信信号中に含まれる拡散コードと、衛星毎の拡散コードと同等のパターンで発生される逆拡散用の内部コードとの同期を確立（追跡）することを複数の衛星に関して順に実行し、必要な４個の衛星を選択し、その後、同期を維持することが行われる。そのうち受信信号中の拡散コードと内部コードとの同期の確立は、シフトレジスタを用いて拡散コードと内部コードとの相関を求めるコード相関処理を、内部コードを１チップ分ずつシフトしながら逐次実行し、Ｐｕｎｃｔｕａｌ用相関器２６,２９からの相関値に基づく相関値振幅がピークとなるように制御している。
【００１６】
次に相関関数について説明する。信号検出・追跡・データ復調部６は、Ｅａｒｌｙ，Ｐｕｎｃｔｕａｌ，Ｌａｔｅの各タイミングにおいて各相関器２５〜３０から出力される同相成分の相関値と直交成分の相関値を合成することにより相関値振幅を得ている。そして、上述したように拡散コードと内部コードとの相関を求めるコード相関処理では、Ｅａｒｌｙ用相関器２５,２８からの相関値に基づいて求めた相関値振幅とＬａｔｅ用相関器２７,３０からの相関値に基づいて求めた相関値振幅とが一致するように制御することで、Ｐｕｎｃｔｕａｌ用相関器２６,２９からの相関値に基づいて求めた相関値振幅がピークとなるように制御し、そのピークが閾値を上回ることで観測中の航法メッセージデータを測位用として採用するようにしている。
【００１７】
図３は、相関関数と図２で説明した各相関器の配置との関係を示している。この図３において、実線Ａで示す波形Ａは直接波を逆拡散して得られる相関値振幅を接続した相関関数を示し、波形Ｂはマルチパス波を逆拡散して得られる相関値振幅を接続した相関関数を示している。マルチパス波は、直接波よりも遅れてＧＰＳ受信機１に到達するため、時間遅延があり、反射等による信号減衰のため、一般的に直接波よりも相関値が低くなる。破線で示す波形Ｃは、直接波とマルチパス波の合成波の相関関数を示している。マルチパス波を受けた際にＧＰＳ受信機１で観測される相関関数は波形Ｃであるため、各相関器２５〜３０からの相関値に基づいて求めた相関値振幅は、時刻ｔにおけるＰｕｎｃｔｕａｌがＰ（ｔ）、ＥａｒｌｙがＥ（ｔ）、ＬａｔｅがＬ（ｔ）のような値となる。ここで、Ｐ（ｔ）とＬ（ｔ）を結ぶ相関関数の傾斜Ｐ（ｔ）−Ｌ（ｔ）を考えてみると、受信信号の強度が一定であり、マルチパス波がないという条件では、この傾斜は一定の値を維持する。
【００１８】
一方、マルチパス波は、ＧＰＳ受信機１や衛星の移動により遅延量や位相が刻々と変化するため、この影響により合成波の相関関数の形状が変化し、相関関数の傾斜は時間的に変動する。本実施形態では、各相関器２５〜３０からの出力に基づいて相関関数の傾斜を算出すると共に、この傾斜のばらつきを算出し、ばらつきが一定以上の場合に、マルチパス波の影響が大きいと判定して追跡中のＧＰＳ衛星の観測値を用いないようにすることで、マルチパス環境下での測位精度向上を実現するものである。
【００１９】
また、マルチパス波の位相が逆相となることも考えられることから、Ｐ（ｔ）とＥ（ｔ）を結ぶ傾斜Ｐ（ｔ）−Ｅ（ｔ）も同様に評価し、マルチパス波の影響の判定に用いる。マルチパス波の影響は、傾斜Ｐ（ｔ）−Ｌ（ｔ）、傾斜Ｐ（ｔ）−Ｅ（ｔ）のいずれか、もしくは両方に出るため、傾斜Ｐ（ｔ）−Ｌ（ｔ）、傾斜Ｐ（ｔ）−Ｅ（ｔ）いずれかの傾斜のばらつきが閾値以上の場合に、マルチパス波による影響が大きいと判定するように構成する。
【００２０】
図４は、演算部７の動作を概略的に示すフローチャートである。以下の説明では、説明の簡単化のためにＰ（ｔ）−Ｅ（ｔ）間の傾斜のばらつきを求める方法を説明するが、実際にはＰ（ｔ）−Ｌ（ｔ）間の傾斜のばらつきも同様に求め、マルチパス波の影響を判定しているのは勿論である。
【００２１】
初めにステップＳ１では、時刻ｔにおけるＰ（ｔ）の相関値振幅をＰｕｎｃｔｕａｌ用相関器２６,２９の出力から数１のように求める。
【数１】
2012100087.tif 000003
【００２２】
つまり、本実施形態では、同相成分及び直交成分の相関値を合成することにより相関値振幅を求めていることから、各相関値の絶対値を２乗した値の平方根を求めることで、同相成分及び直交成分を合成した相関値振幅を求めるようにしている。
【００２３】
同様にＥ（ｔ）の相関値振幅をＥａｒｌｙ用相関器２５,２８の出力から数２のように求める。
【数２】
2012100087.tif 000004
【００２４】
次に相関関数のＰ（ｔ）−Ｅ（ｔ）間の傾斜を数３のように算出する。
【数３】
2012100087.tif 000005
【００２５】
ここで、数３における分母の０．５はＰ（ｔ）とＥ（ｔ）との間のコードオフセットが０．５ｃｈｉｐであることによる。つまり、マルチパスの影響を受けてＥ（ｔ）とＬ（ｔ）が一致しなくなった場合は、それらが一致（Ｅ（ｔ）＝Ｌ（ｔ））するように内部コードがシフトされるので、Ｐ（ｔ）がマルチパスの影響が無い場合からずれてしまった場合であっても、Ｐ（ｔ）とＥ（ｔ）との間は０．５ｃｈｉｐに維持される。これにより、Ｐ（ｔ）−Ｅ（ｔ）を０．５で除算している。また、Ｐ（ｔ）−Ｅ（ｔ）をさらにＰ（ｔ）で除算しているのは、Ｐ（ｔ）−Ｅ（ｔ）を正規化することによりＰ（ｔ）のレベル変化によるＰ（ｔ）−Ｅ（ｔ）のばらつきを抑制するためである。
【００２６】
次に、ステップＳ２で過去に記憶したＮサンプルを用い傾斜のばらつき（標準偏差）を算出する。本実施形態では、サンプリング周波数を１０Ｈｚとし、Ｎ＝１０とすることにより、過去１０個分の傾斜に基づいてばらつきを算出した。
【数４】
2012100087.tif 000006
【００２７】
ここで、数４におけるＥＰ項以外は定数であることから、以下のように簡略化できる。
【数５】
2012100087.tif 000007
【００２８】
次に、ステップＳ３では、算出したばらつきを評価し、ばらつき（標準偏差）が所定の閾値以上であった場合は、その衛星の観測値を用いないように取捨選択を行う。尚、取捨選択でなく、重みづけを決定するように構成してもよい。
次にステップＳ４では、ステップＳ３で出力される値を元に、測位演算に必要な数値への加工を行う。
最後にステップＳ５で選択された衛星とその観測値を元に測位演算を行う。
【００２９】
このような実施形態によれば、各相関器２５〜３０から出力される相関値に基づいて相関値振幅を求め、その相関値振幅を接続した相関関数の傾斜Ｐ（ｔ）−Ｅ（ｔ）、Ｐ（ｔ）−Ｌ（ｔ）のばらつきを求め、そのばらつきが所定の閾値以上であった場合は、追跡中のＧＰＳ衛星からの受信信号を使用しないようにしたので、ＧＰＳ衛星からの受信信号に基づく測位精度が低下してしまうことを効果的に防止することができる。
しかも、このような格別な効果はプログラムの変更により容易に実施できるものであるから、新たなハードウェアを追加する必要はなく、大幅なコストアップを抑制することができる。
【００３０】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図５を参照して説明する。この第２実施形態は、相関関数の傾斜を判定するために使用する相関器を第１実施形態よりも増加したことを特徴とする。
図５は、相関関数と相関器の配置との関係を示している。この例では、相関器を０．２５ｃｈｉｐ毎に５つ配置している。このため、相関関数の傾斜は、傾斜Ｅ（ｔ）−Ｅ（ｔ）‘、傾斜Ｅ（ｔ）’−Ｐ（ｔ）、傾斜Ｐ（ｔ）−Ｌ（ｔ）‘、傾斜Ｌ（ｔ）‘−Ｌ（ｔ）の４か所で算出できる。この場合も、４か所のいずれかの傾斜のばらつきが閾値以上の場合にマルチパス波による影響が大きいと判定し、追跡中のＧＰＳ衛星からの受信信号を使用しないように構成する。
このような実施形態によれば、第１実施形態にくらべ、相関関数において局所的な傾斜を評価できるので、マルチパス波の判定精度を高めることができる。
【００３１】
（他の実施形態）
本発明は、上記実施形態に限定されることなく、次のように変形または拡張できる。
上記実施形態では、本発明をＧＰＳ受信機に適用するようにしたが、他の測位衛星システムであるＧＬＯＮＡＳＳ、ＧＡＬＩＬＥＯ等に適用してもよいし、例えばＣＤＭＡ（Code Division Multiple Access）方式の携帯電話機、ＥＴＣ（Electronic Toll Collection System）、ＶＩＣＳ（Vehicle Information and Communication System、登録商標）といった移動通信分野などスペクトル拡散通信を用いたシステム全般に適用することができる。
相関値を求めるための相関器の数及び構成としては、実施形態に限定されることなく、同相成分の相関器の出力のみを用いて相関値を求める構成に適用するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００３２】
図面中、１はＧＰＳ受信機（スペクトル拡散信号用受信機）、２はアンテナ（受信手段）、７は演算部（演算手段、判定手段）、１２はコード発生器（内部コード発生手段）、２６,２９はＰｕｎｃｔｕａｌ用相関器（第１相関器）、２５,２８はＥａｒｌｙ用相関器（第２相関器）、２７,３０はＬａｔｅ用相関器（第２相関器）、３２はコードループ弁別器３２（位相制御手段）、３４はコードループフィルタ（位相制御手段）である。
【図１】
2012100087.tif 000008
【図２】
2012100087.tif 000009
【図３】
2012100087.tif 000010
【図４】
2012100087.tif 000011
【図５】
2012100087.tif 000012