JPH0271184A - Ｇｐｓ測位装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、複数の人工衛星から構成される装置情報及び
時間情報を、ｌ地点または２地点以上で受信し、受信点
の位置及び既知点から受信点までの距離を求める衛星利
用の測位装置に関するものである。

〔従来の技術〕

人工衛星を利用する測位システムとしては、現在米国が
開発を進めているＧ　Ｐ　Ｓ　（Ｇｌｏｂａｌ　Ｐｏｓ
ｉ−ｔｉｏｎｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ）がある（ＧＰＳに
ついては、文献ＵＳＰ、　４，６６７．２０３参照）。

システム完成時には、６つの軌道に各３個ずつ、計１８
個の衛星が打ち上げられる予定である。

各衛星は、内蔵の高安定原子時計の信号から作った　１
．５Ｇ）Ｉｚ帯（Ｌ、帯）及び　１．２ＧＨｚ帯（Ｌ。

帯）の航法信号を常時、送信しながら地球を周回してい
る。

このＬ１帯、Ｌｔ帯の航法信号により測位に必要な衛星
の軌道情報、時計情報、電離層情報等が送られている。

〔原理の説明〕

このＧＰＳにおいては、地球上、いつでも、どこでも、
これらの衛星の内４個以上が受信できるように設計され
ており、地上の任意の場所に置かれた測位装置は、これ
らの衛星が送信している航法信号を受信再生して、衛星
から受信点までの電波の到達時間を精密に測定すること
により受信点の位置を決定することができる。

今、１番目（ｉ−１〜１８）の衛星と受信点間の真の距
離をり１、擬似距離（測定した電波の到達時間に光速を
掛けて得られる距離を擬似距離という、）をり、′とす
ると、次の関係式が成立する。

Ｄｉ　’　−Ｄｉ　＋Ｃ（Δ１．−Δｔｓｖ）ここで　
Ｄ、’　＝　（ｔ＋＋　　ｔｒ　）ｘｃＤｒ　　＝（（
Ｘｓｔ　　　ｘｏ）”　　＋（ｙｉ；　　　ｙｏ）”＋
（ｚ　ｓｉ　−ｚ　ｏ）　２　　］　　１／　２ΔＬｕ
　：測位装置内の時計のＧＰＳ時刻に対するオフセット
量（誤差） ΔＬｒ、ｖ：衛星内時計のＧＰＳ時刻に対するオフセッ
ト量（誤差） ｔ、：ＧＰＳ衛星の航法信号を測位装置で受信した時刻 ｔｙ　：ＧＰＳ衛星が航法信号を送信した時刻Ｃ：光速 （Ｘｓｉ、ｙｓｉ、　　Ｚｓｔ）　　：　１番目のｃｐ
ｓ衛星が航法信号を発した位置 （Ｘｏ＋ｙｏ＋Ｚｏ）：受信点の位置（測位装置が置か
れている場所） をそれぞれ表わす。

上記（１）式の方程式中、衛星が電波を発信した位置（
Ｘ　ｓｉｔ　ｙ　ｓｉｔ　Ｚ　ｓｉ　＋　Ｉ　＝Ｌ２＋
・・・・”、１８）は前述した通り、衛星より送信され
る軌道情報及び時刻情報より算出でき既知数となるため
、未知数は受信点の位置（Ｘｏ＋　　ｏ＋Ｚｏ）とｔ＝
Δ１゜一ΔＬ、二ヰの４個となる。

従って、同時に４個の衛星を受信し、（１）式に相当す
る観測方程式を４個つくり、最小２乗法を使用して、こ
れらの４個の観測方程式を解くことにより受信点の位置
（Ｘｏ、　　ｙｏ＋　　ｚｏ）を求めることができる。

ＧＰＳ利用の測位装置においては、受信点の位置を精密
に知る測位（例えば、航法装置として位置を知る）のほ
か、２つの受信点間の距離を精密に知る測位にも用いら
れる。しかも後者の測位は前者の測位よりも一最に高い
精度が要求される。

しばらくは後者について考察する。

精密測量分野において利用されるＧＰＳ測位装置は、擬
似距離測定に１．５ＧＨｚ帯の信号の位相、及びＣ／Ａ
コード、Ｐコードのクロックの位相（１，０２３ＭＨｚ
、及び１０．２３Ｍ　Ｈｚの位相）を測定し精度の向上
を図っている。

（１）式に相当する関係を信号の位相を使って表わすと
、下記のようになる。

Ｄｒ　（ｔ）　＝Ｃ（Δｔ＋ｔｘ（ｔ）−Δｔｓｖｔ（
ｔ）ｔｒ　　　ｔＴ） ＋（−（φＲ（ｔ）−φ１　（１）） 十〇、）λ　　　　　・・・・・・（２）ここで Ｌｌ　：電離層による電波の遅延時間 Ｌ７　：対流圏による電波の遅延時間 Δｔ　ｓｖ＝　（ｔ）　　：衛星内時計のＧＰＳ時刻に
対する遅延時間（オフセット時 間） Δｔ、１ｘ（ｔ）：受信装置内時計のＧＰＳ時刻に対す
る遅延時間（オフセット時 間） ｎｌ　：ある整数 λ：測定電波の波長 φ１（ｔｌ受信アンテナにおける受信電波の位相 φＬ（ｔ）：測位装置内の局発信号の位相（基準信号発
生器の位相） Ｃ：光速 をそれぞれ表わす。

上記（２）式中の衛星内時計のＧＰＳ時刻に対する遅延
時間、（Δｔｓｖ＋（ｔ））及び測位装置内時計のＧＰ
Ｓ時刻に対する遅延時間・、（ΔＬ＋＋ｘ（Ｌ））は１
個の衛星をＡ、Ｂ２地点で同時受信し、観測方を 程弐を）でそれらを引算することにより、文具なる２衛
星をＡ、Ｂ２地点で同時に受信することにより観測方程
式をたて、それらを引算することによりこれらの誤差を
取り除いた観測方程式をたてることができる。

従って、前記（１）式と同様にこれらの方程式に含まれ
る未知数分だけ観測方程式をたて、最小２乗法を使用し
て解くことにより数地点から受信点までの距離、又受信
点間の距離等を求めることができる。

これらのＧＰＳを利用した測位の原理、測位技術、方法
については、例えば、日本測地学会編ｒＧＰＳ−人工衛
星による精密測位システムｊ社団法人、日本測量協会、
１９８６年１１月発行に詳しく開示されている。

今、１個の衛星Ｓ■、を２地点Ａ、Ｂで時刻１、時に同
時に観測した場合を考えると、前記（２）式では次のよ
うになる。

Ｄ　Ａｌ　（＋＋）＝　Ｃ（ΔＬｅＡ（＋＋）−Δｔｓ
ｖ＋（＋＋）ＬＩＡ−ｔＴＡ） ＋（−〔φ１ａ（＋＋）−φｔＡ（＋＋））＋ｎ、）　
λ ＝ＡＩ　＋　（−（φ＊Ａ（＋＋）−φＬＡ（ｔＩ）〕
＋＋１）λ　　　　　　　　　・・・・・・（３）Ｄ　
Ｂｌ　（＋＋）＝　ｃ　（ΔＬｒ５（＋＋）−Δｔ　ｓ
ｖ　Ｉ（＋＋）ｔｅｓｔ□） ＋（−［φ□（Ｌ、）−φｔｉ（＋＋）］＋＋２　）　
λ −Ｂ＋＋（（φ１ｌｌ（＋＋）−φｔｍ（＋＋））＋ｎ
２　）　λ　　　　　　　　　　　　・・・・・・（４
）（３）−（４）より Ｄ　Ａｌ　（＋＋）−Ｄ　＋＋　（＋＋）＝　Ａ　＋　
　−Ｂ　＋＋（−（φ＋ｕ（＋＋）−φＲＲ（ｔｌ））
＝　（φＬＡ（＋＋）−φＬｎ（＋＋））＋　ｎ　＋　
　　ｎ　ｚ　　）　　λ　　　　　　　　・・・・・・
（５）ただし　　　　　　ｌ Ａ　＋　　＝　Ｃ（Δｔ、１Ａ（ｔＩ）−Δｔｓｖ＋（
＋＋）ｔｌＡ　　　ｔＴＡ） Ｂ、　　＝Ｃ（Δｔｉｎ（＋＋）−Δｔｓｖ＋（＋＋）
Ｌｌつ−ｔオ） をそれぞれ示す。

また、ｉ番目の衛星についても同様に考え、下記関係式
を得る。

Ｄｈ＝−Ｄｍ＝　　（ｔｔ　）＝Ａ、−Ｂ。

＋（−（φ＊Ａ　（ｔｉ）−φ、ｌＩｌ　（Ｌｌ））−
（φＬＡ（ｔＩ）−φｔ＋＋（ｔｌ）＋　ｎ　ｉｓ　ｚ
　　ｎ　＝や３）λ　　　　　・・・・・・（６）（ｉ
　＝　１．２．・・・　、１８） 複数の受信チャンネルを持ち、複数の衛星を同時に受信
する場合は、ｔ　１−ｔ　２　＝ｔ　ｘ・・・＝ム。

となり φＬＡ　（＋＋）−φ１＋＋（１＋） ＝φＬＡ　（ｔｚ）−φＬｌｌ　（Ｌ２）＝φＬ＾　（
む、）−φＬｌｌ　（Ｌ８）＝α（一定）　　　　　　
　　・・・・・・（７）ここで　α：Ａ、Ｂ基準信号発
生器間の固定位相差を示す。

となる。

従って、（６）式の複数の観測方程式を引算することに
より両側位装置内の基準信号発生器の固定位相差分を消
去した観測方程式が得られる。しかし、指向性アンテナ
を使用し、１チヤンネルの受信回路で切替え受信する方
式の測位装置においては、受信する衛星が変れば、同時
に受信することはできず、測定時間をずらして受信する
ことが必要となる。従って、（６）式中のむ１の値は衛
星が変わるたびに異なる受信時刻となり、次のようにな
る。

ｔ、≠ｔ２≠ｔ、・・・・・・≠ｔ１ ｔ１時におけるＡ、Ｂ２地点の測位装置の基準信号発生
器の位相は、次のようになる。

φＬＡ　（Ｌｌ）＝φＬａ（ｔ＋＋ΔＬ　）＝φＬＡ　
（ｔＩ） ＋（２π／λ）（σ７．×Δｔ　ＸＣ）・・・・・・（
８）φｖａ（ｔｉ）＝φｔｍ（ｔ＋＋ΔＬ　）＝φＬｓ
（＋＋） ＋（２π／λ）（σ、×Δｔ　ＸＣＩ・・・・・・（９
）ここに　Δｔ＝ｔｉ−ｔｌ　　（ｉ＝”ｌ１２＋３・
・・）σ、Ａ：測位装置Ａ内の基準信号発生器の周波数
安定度 σｙ璽：測位装置Ｂ内の基準信号発生器の周波数安定度 λ：観測電波の波長 Ｃ：光速 をそれぞれ表わす。

従って、両者の位相差は φＬａ（ｔｔ）　　−φＬｍ　　（むｉ　）＝φＬＡ（
ＣＩ）　　−φＬｍ（ｔｔ）＋（２π／λ）（（σｙＡ
−σｙｍ） ×Δ　ｔｘｃ）ｘ（１０） ＝φＬＡ（ｔｔ）−φｕ＋（ｔｔ）十ε・・・・・・（
１０）ただし、ε＝（２π／λ）（（σｙＡ−σｙ８）
×ΔｔＸｃ）　とする。

故に　σｙＡ≠σ、　より　ε≠０ φＬＡ　（ｔｔ）−φ□　（Ｌｌ） ≠φｔ、Ａ　（ｔｚ）−φｔｍ（ｔｚ）≠φＬ＾　（Ｌ
３）−φＬＩＩ　（ｔ３）≠φＬＡ　（ｔｔ）　　−φ
ｔｍ（ｔ　　直　）≠α（一定）　　　　　　　・・・
・・・　（１１）となり、観測方程式中の基準信号発生
器の位相に関する項が消去出来なくなる。

（１０）式のεが無視出来る程小さな値であれば良いが
、Ａ、Ｂ双方の基準信号発生器の周波数安定度の影響が
観測時間の経過と共に累積され許容誤差を越える場合は
測位精度劣化の原因となる。

〔発明が解決しようとする課題〕

以上の原理説明で述べたように、この種の測位装置（１
チャンネル切替受信方式）においては、この影響を極力
小さくしてεを無視出来るオーダとするため基準信号発
生器に超高安定のルビジューム、及びセシューム等の原
子発振器を使用することが常であり、非常に高価なもの
になっている。

又、この種の原子発振器は特殊精密機器に属し、振動、
衝撃にも弱く取扱いが煩わしいという欠点がある。

従って、ユーザ用測位装置としては、高価な原子発振器
を使用せず同等以上の精度が得られる装置の提供が望ま
しい。

本発明は以上の点を考慮し、原子発振器を使用せず原子
発振器使用時に匹敵、又は、それ以上の精度を得ること
が出来る測位装置を提案するものである。

〔課題を解決するための手段〕

かかる目的を達成するため、この発明の装置ではテレビ
放送信号受信用のアンテナ、チューナ、基準信号を再生
、変換する信号変換器で構成した基準信号発生器を設け
、２地点Ａ、Ｂの受信点で同一のテレビ放送信号のカラ
ーサブキャリア信号をほぼ同時刻に受信し、本基準信号
発生器で再生、変換し、この変換した信号を測位装置の
基準発振信号として使用する。

〔作用〕

この発明の基準信号発生器で再生、変換した信号を基準
信号源として使用すれば、再生する前のテレビ放送の信
号は、Ａ、Ｂ２地点で同一のものであるため、Ａ、Ｂ２
地点の測位装置を共通の基準信号源で動作させた場合と
ほぼ等価となる。しかも、テレビ放送信号で使用されて
いるカラーサブキャリア信号は、例えばルビジニウムと
かセシュウムなどの原子発振器を採用して、きわめて周
波数安定度、精度（ｒＩｆｉ度）、位相安定度などが優
れた信号を使用しているので、このカラーサブキャリア
信号のもつ特徴を利用することができる。

つまり、Ａ、Ｂ２地点で再生されたテレビカラーサブキ
ャリア信号間の位相差は、基準信号発生器の固定誤差の
みとなり時間経過に関係なく一定量となる。

〔実施例〕

第１図は本発明の測位装置の構成を示すブロック図であ
る。第２図は従来技術の指向性アンテナを使用した１チ
ャンネル切替え受信方式のＧＰＳ測位装置のブロック図
を示したものである。

第１図と第２図を比較すると、基準信号発生器（第２図
のＡ）の部分の構成に差異がある。その他の部分は類似
である。

ＧＰＳ信号は受信用の指向性アンテナ１で受信される。

この指向性アンテナ１の指向性を利用し受信を希望する
衛星の信号を他の衛星の信号と分離することができる。

アンテナ駆動装置２は指向性アンテナ１を受信を希望す
る衛星方向に指向させるための装置であり、アンテナ駆
動装置２はアンテナ制御装置３により制御される。

以上に述べた指向性アンテナ１、アンテナ駆動装置２、
アンテナ制御装置３により受信されたＧＰＳ衛星のスペ
クトラム拡散された信号は、高周波増幅器４に導かれ必
要なレベルまで増幅された後、周波数変換器６ａへ送ら
れ、そこで基準信号発生器Ａの基準信号をもとにして、
局発シンセサイザ６ｅで作った局部発振器の信号と混合
され、数１０ＭＨｚ帯の中間周波数に変換される。この
信号はＩＦフィルタ６ｂにより必要な帯域の信号に帯域
制限された後、ミキサ６ｃに送られる。

一方、Ｃ／Ａコード変調器６ｇでは、ドツプラー周波数
のシフト量だけシフトした第２局発信号を作っているド
ツプラーシフト用ＮＧＯ（数値制御発振器）６ｆで作ら
れた信号をＰＮ信号発生器６ｊで作った受信希望衛星の
ＰＮコードで変調した変調波を作っており、この信号を
ミキサ６Ｃへ送出している。

ミキサ６ｃでは、スペクトラム拡散されたＩＦ傷信号上
記変調信号が混合され、もとのＢＰＳＫ信号にもどされ
た後、Ａ／Ｄ変換器６ｄに送られる。Ａ／Ｄ変換器６ｄ
では、アナログ信号であるＢＰＳＫ信号をディジタル信
号に変換した後、制御演算部１０へ送出する。ミキサ６
ｃ、Ａ／Ｄ変換器６ｄ、制御演算部１０、数値制御発振
器６ｆ、Ｃ／Ａコード変調器６ｇで構成される回路、及
びミキサ６ｃ、Ａ／Ｄ変換器６ｄ、制御演算部１０、Ｃ
／Ａコード用ＮＣ０６ｈ、、ＰＮ信号発生器６ｊ１Ｃ／
Ａコード変調器６ｇで構成される回路はそれぞれディジ
タルコスタスループを構成しており、前者はＢ１帯の航
法信号のドツプラ周波数の追従を、後者は受信を希望す
る衛星のＰＮ符号の周期検出を行っており、これらの回
路によりミキサ６Ｃより出力されたＢＰＳＫ信号は復調
され、５０ｂｐｓの航法データの再生、Ｃ／Ａコードの
クロックの位相、Ｂ１帯のキャリアの位相が測定され、
制御演算部ＩＯで制御されたメモリーへ記録される。

なお、局内遅延校正装置５は測位装置内の信号の遅延時
間を校正する装置である。

第２図に示す従来技術では、周波数変換器６ａへ入力さ
れる局発信号は、基準信号発生器Ａである基準発振器ａ
で作られた信号であり、周波数変換器６ａの出力信号の
位相φは、 φ＊Ａ（ｔ＋）−φＬＡ（ｔ＋）　　　となっている。

この従来の方式では、基準信号発生器Ａは、基準発振器
ａとしてルビジューム、及びセシューム等の原子発振器
が使用されるのに対して、第１図に示す本発明の一実施
例においては、基準発振器ａの従来形式を改め、この部
分を第１図で示したテレビ放送受信用のアンテナ７、チ
ューナ８および信号変換器９で構成される基準信号発生
器Ａで置換するものである。

アンテナ７で受信されたテレビ放送信号はアンテナ内蔵
のコンバータにより周波数変換された後、チューナ８へ
導かれる。チューナ８では、高周波増幅、中間周波増幅
、及び帯域制限した後、ビデオ信号として信号変換器９
へ出力する。信号変換器９では、入力されたバースト状
のビデオ信号の中からカラーサブキャリア信号を抽出し
、フェーズロックループを使用してこの信号に同期した
連続信号を再生するのに加え、この再生したカラーサブ
キャリア信号を必要な周波数に変換し測位装置の基準信
号源として使用するものである。

なお、本発明では、共通の基本信号発生源の信号として
テレビのカラーサブキャリア信号を受信再生して使用し
ているが、この信号に限定するものではなく、高安定で
、２地点Ａ、Ｂで同時に受信出来る信号であれば良く、
例えばテレビのＰＣＭ音声信号、又は他の通信システム
で使用している信号等であって、周波数標準となり得る
程度の周波数安定度、精度（確度）、位相安定度を備え
ている高品質の信号を使用しても良い。

また、この測位装置は、ある地点間の距離を精密に測定
するだけでなく、ある地点の位置を精密に知るために使
用することもできることは原理の説明で述べた通りであ
る。

〔発明の効果〕

基準信号発生源として、テレビのカラーサブキャリア信
号、又は類似の高品質の信号を再生して使用することに
より、同一の信号をＡ、Ｂ２地点で同一時刻１．で受信
再生することになるため、両地点の測位装置で再生され
た基準信号発生源間の位相差は、　前記（９）式に於て
　σｙａ＝σ、。

ｔ１≠Ｌ２≠Ｌ３・・・・・・≠Ｌｉ＋　とおいて得ら
れ、（π／２）（（σｙＡ−σｙｌ＋）×ΔｔＸＣ）＝
Ｏよりφｔ、Ａ　（ｔｉ）−φｕ＋（ｔｉ） ＝φｃａ（ｔｚ）−φＬＩｌ（ｔｚ） ＝φＬＡ　　（む　３）−φＬＢ　　（む３）−φＬＡ
　（ｔ８　）−φＬｌｌ（ｔｉ）−α（一定） となり、位相差を常に一定とすることができた。

この結果、基準信号発生源の位相の時間経過による累積
誤差を完全に取り除く事ができ、超精密で高価な原子発
振器を使用することな（、原子発振器使用時に匹敵、又
は、それ以上の精度の測位装置を提供することができた
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る測位装置の一実施例を示すブロッ
ク図である。第２図は従来技術説明用の）′ロンク図で
ある。 図において、ｌは指向性アンテナ、２はアンテナ駆動装
置、３はアンテナ制御装置、４は高周波増幅器、５は局
内遅延校正装置、６ａは周波数変換器、６ｂはＢＰＦ、
６Ｃはミキサ、６ｄはＡ／Ｄ変換器、６ｅは局発シンセ
サイザ、６ｆはドツプラーシフト用ＮＧＯ２６ｇはＣ／
Ａコード用変副変調器ｈはＣ／Ａ／ＡコードＣ０１６ｊ
はＰＮ信号発生器、７はアンテナ、８はチューナ、９は
信号変換器、Ａは基準信号発生器をそれぞれ示す。 特許出願人　　アンリツ株式会社 代理人　弁理士　小　池　龍太部

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 基準信号発生器（Ａ）が発生する基準信号により作動す
   るＧＰＳ測位装置において、 該基準信号発生器（Ａ）は、アンテナ（７）と、該アン
   テナ（７）が受信した電磁波から周波数標準となり得る
   電磁波を選択するチューナ（８）と、該チューナ（８）
   を通過した信号を処理して基準信号を発生する信号変換
   器（９）とから成ることを特徴とするＧＰＳ測位装置。