JPH03183979A - 広域位置決めシステムにおける受信信号処理方法 - Google Patents

広域位置決めシステムにおける受信信号処理方法

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JPH03183979A
JPH03183979A JP2256771A JP25677190A JPH03183979A JP H03183979 A JPH03183979 A JP H03183979A JP 2256771 A JP2256771 A JP 2256771A JP 25677190 A JP25677190 A JP 25677190A JP H03183979 A JPH03183979 A JP H03183979A
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    • G01S19/00Satellite radio beacon positioning systems; Determining position, velocity or attitude using signals transmitted by such systems
    • G01S19/01Satellite radio beacon positioning systems transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
    • G01S19/13Receivers
    • G01S19/24Acquisition or tracking or demodulation of signals transmitted by the system
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  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Position Fixing By Use Of Radio Waves (AREA)

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】 本発明は、一般的に広域位置決めシステムに係り、特に
広域位置決めシステムから得られた異なる検索結果の速
度及び正確度を改良する技術に係る。GPS (広域位
置決めシステム)の用語において、本発明は、L2を変
調する信号の「耐だまし」暗号化にかかわらずL2とし
て公知の抑圧搬送波信号のコード及び位相測定を得る技
術に係る。
後述の如く、「コード」測定はL2を変調するのに用い
られたコード又は信号のイベント回数から決められる如
く、受信器に関する衛星の明確な距離又は「擬似領域」
の測定である。
L211送波信号信号アクセスを得るのに2つの重要な
利点がある。1つは、搬送波位相の測定がコード測定の
みから得られるより高いレベルの相対的又は差の位置決
めの正確度を提供することでアル。第2の利点は、L2
へのアクセスが搬送波信号検出を用いる位置決めにおい
て固有である搬送波周期不明瞭性のより速い解決を可能
にすることである。
GPSいわゆるNAvSTARは、多重軌道人工衛星か
ら受信した信号から、地球上又は地球に近い利用者の位
置を決めるためのシステムである。
システムが充分に配置される場合、衛星の軌道は、信号
が地球上又はその近くのある選ばれた点での少なくとも
4つの衛星から受信されつるよう多重軌道面に配置され
る。
軌道宇宙機の軌道は、固定地上局から正確に決1 められ、宇宙機にリレーバックされる。GPSの航法適
用において、地球に近いある点の緯度、経度及び高度は
4つ又はそれ以上の宇宙機から地球上又はその近くの点
への電磁エネルギーの伝搬の回数から計算されうる。一
般的に、少なくとも4つの衛星信号は、4つの不明な量
があるので、完全な位置を決めるために地上局で受信さ
れる必要がある。未知の3つは、緯度、経度及び高度に
より表わされる三次元位置座標であり、第4の未知の量
は衛星上のタイミングクロック及び受信器のタイミング
クロック間の時間差又はずれである。
システムの通常動作に対し、衛星上の送信器の動作を調
整するのに用いられるクロックは効果的に全く同期され
るか、少なくともそれらの間の差は既知である。しかし
、受信器での動作を制御するのに用いられるクロックは
ある程度まで衛星クロックとの同期から外れており、こ
の誤差は、決定されるべき位置座標があるより更に1つ
の衛星測定の利点を有さないて削減はてきない。従って
、三次元位置決めの為、少なくとも4つの衛星信号=1
2 が必要である。
GPS衛星から送信さた信号の性質は、文献から良く知
られており、本発明の望ましい実施例の説明でより詳細
に説明される。要するに、各衛星は、別な搬送波周波数
でLl及びL2として公知のL帯域の2つのスプレッド
スペクトル信号を送信する。2つの信号は電離層により
送信された信号の屈折により生じる誤差を除去するのに
必要である。衛星信号は、1つはC/A (粗/取得)
コードとして呼ばれ、他はP(精密)コードと呼ばれる
2つの擬似ランダムコードにより、及び衛星軌道を決め
る低速変動データ信号及び他のシステム情報により変調
される。擬似ランダムコードシーケンスは、それぞれが
それに先行するものと認識できない関係をもつ意味でラ
ンダムであるが真にランダムでない一連の数である。そ
の理由はシーケンスかそれ自体周期的に繰り返す。
二進擬似ランダムコードか搬送波信号の位相を変調する
のに用いられる場合、結果は((sinX)/X) 2
分布に従うスペクトル密度を有する信号である。この「
スプレッドスペクトル」信号は狭帯域信号より妨害又は
干渉をよりさけられる利点を有する。擬似ランダムコー
ドにより変調された信号のスペクトルは、信号が同じ擬
似ランダムコードのレプリカと適正に相関される場合、
有益な性質を有し、スプレッドスペクトルエネルギーは
スペクトル中に大きい狭帯域ピークとして分布されるか
ただ2つの相関した信号が適当に同時に同期する場合で
ある。この性質は、受信信号を多重に局部的に発生され
た擬似ランダムコードシーケンスと相関させることによ
り多重衛星からの信号を識別及び分離するのに用いられ
うる。各GPS衛星は、公知であるユニークなPコード
及びC/Aコードシーケンスを用いる。従って、特別な
衛星は、受信信号のその衛星に対応する局部的に発生し
たコードシーケンスとの相関により識別可能である。−
度受信信号が識別され、復号化されると、受信器は衛星
からの明らかな送信時間を測定し、それから明らかな領
域又は擬似領域が計算される。各衛星から送信された信
号はある信号期間で衛星の時間と位置を決め、受信のそ
の回数は受信器て測定されうる。送信時間はGPSシス
テム時間と呼ばれる共通時間軸を参照して測定される。
各受信器は衛星からの信号の受信回数を記録するそれ自
体の地方時基準を用いる。従って、各受信器はGPSシ
ステム時間で測定された送信時間及び地方時間で測定さ
れた受信時間の知識を有する。位置未知量かあるより少
なくとも1以上の衛星信号がある場合、地方時間と衛星
時間の時間差は位置未知量に従って決定されうる。例え
ば、4つの衛星信号は、3つの位置未知量及び時間差を
見つけるのに必要である。擬似領域データから、地球上
又はその近くの受信器の位置は軌道データの正確性によ
って高程度の正確性まで計算されうる。
海での航海用のようにほとんどの民間航法適用の為単に
C/Aコードが必要とされ、電離層屈折による誤差は無
視しうる。かかる受信器はLl搬送波周波数上に変調さ
れたC/Aコード信号の分析に基づいたその計算を実施
するに必要なだけで5 ある。しかし、より精密な差又は検索適用の為、L1搬
送波上に変調されたC/Aコードと同様L2搬送波上に
変調されたPコードの使用は関連位置のより精密な決定
を行なう。その理由は2つの搬送波周波数の有用性は周
波数依存である電離層屈折誤差用の補償を可能にする。
測定適用は2つの主要面におけるGPSの純粋の航法適
用と異なる。第1に、測量作業はほとんどの航法適用よ
り高レベルの正確性を必要とする。
幸いに、このより高い正確性は、2つのタイプの適用間
の第2の差故に得られ、それはほとんどの部分に対する
測量作業が位置の全体決定よりむしろ他に関する1点の
位置の測定を含むことである。
はとんどの測量作業において、水準点または基準位置は
高程度の正確性で知られ、他の点の相対的位置は水準点
に関して決められる。水準点及び他の点間のラインは時
々基線と呼ばれる。
GPSの測量適用により要求される高正確性は、基線の
端部に位置する2つの受信器で衛星搬送波信号L1又は
L2の少なくとも1つを再生し、2つの位置で同期した
時間点で搬送波の位相を測定することにより最良に得ら
れうる。L1搬送波信号は略19センチメートル(cm
)の波長を有する。
その位相が略10°より小さい正確性で決められうる場
合1、距離測定は5ミリメートルより良い正確性でなさ
れつる。
搬送波位相検出に基づく距離測定を行う1つの問題は、
搬送波信号位相における不明瞭さを解決することである
。−度受信器が入来搬送波信号に取得されるかロックさ
れると、搬送波の各連続周期は同一であり、受信器はど
の周期が時間的にある瞬間に受信されるかを決めること
はできない。
この搬送波周期不明瞭を解決する測量器具で用いられる
実際のアプローチは、1つの搬送波周期の正確なレベル
、すなわち+9.5cmから−9,5印の正確性の器具
の位置を明らかにすることである。このレベルの正確性
の位置を決める2つの可能な方法は、十分な回数の擬似
領域測定が端点間の十分な幾何学ての総合ドツプラー測
定かのいずれかを用いることである。第1の方法は各個
別測定において雑音を平均化する多くの擬似領域(又は
コード)測定を用いる。これは各Pコードチップは、各
サンプルの熱雑音が(信号多重路効果を無視する)数メ
ートルだけであるに対し、単に30メ一トル長であるの
で、Pコード測定用実行可能なアプローチになる。しか
しC/Aコード測定に対し、チップ長が300メートル
であり、雑音が(より明らかな多重路効果をもって)同
様な大きさであるので、アプローチはあまり実行可能で
ない。従って、所望の平均時間は非常に長くなる。
搬送波位相測定に基づく位置決めの第2のアプローチは
ローランC又はトランジットのような他のシステムで用
いられる双曲線航法測定と似ている。この方法は、それ
がその軌道を横断すると同じ衛星の2つの位置間の領域
差により決められた複数の(各衛星の1つが追跡され始
める)双曲線位置線を展開する。領域差は2つの衛星位
置により決められた2つの端点間の受信信号の総合ドツ
プラー測定により決められる。測定の正確性は端点の離
間(測定の幾何学)により大きく決められ、各測定から
要求される正確性は衛星間の相対的幾何学により大きく
決められる。いずれにせよ、これらの技術の1つを用い
ることにより、受信搬送波信号の位相不明瞭さは解決さ
れ、すなわち受信されるべき周期を決めることは可能で
あり、1つの周期内の位相測定は非常に精密な測定がな
されるのを可能にする。
このアプローチの困難さは、搬送波周期不明瞭さを除去
するに十分な測定サンプルを蓄積するのに不都合に長い
時間がかかることである。より速い技術は搬送波周期不
明瞭さを解決するに必要な測定正確性を減少する差周波
数Ll−L2を用いる。差又はビート周波数Ll−L2
は、略350MHzの周波数及び略86cmの波長を有
する。従って、差周波数の1周期に対しLl搬送波の4
及び5周期間にある。本質的に、各受信器は、搬送波同
期不明瞭さを解決する為に、19cmと比較されて、8
6cm内に位置を決めるのに十分なサンプルを蓄積する
ことだけが必要である。これは如何にL20PS信号へ
のアクセスが測量適用に非常に重要であるかの2つの理
由の内の1っである。Llへのアクセスだけて、多くの
サンプルは後処理中搬送波周期不明瞭さを解決する為に
各受信器で蓄積されなければならない。
L2へのアクセスが重要である他の理由はGPS信号の
電離層効果を補償することである。差周波数が電離層に
より異なって屈折されるので、GPS信号の電離層屈折
の効果は2つの信号間の位相変化を観測することにより
良い正確性で決められうる。Ll及びL2信号は送信さ
れる場合−貫している。すなわち、それらの相対位相は
一定である。受信時の2つの搬送波の相対的位相は電離
層屈折効果を提供し、従ってLlの位相は補償されうる
。短い基線を測定する場合、両受信器への送信路が実際
に同一であるので、電離層補償は小さい値である。しか
し、より長い基線測定に対し、受信された信号は実質的
に電離層を通る異なったパスをとり、補償は正確な結果
の為に必要である。
Pコードがシステムを「だます」のを試みる偽の送信器
により発生されえないことを確実にする努力で、GPS
システムを動作させる米国政府は「耐だまし」測定を実
行した。Pコードは、システムが動作中である時間の少
なくとも一部中にある方法で暗号化される。政府は自由
に暗号化をオン又はオフにしうる。システムか意図する
よう用いられるべき場合、受信した暗号化Pコード信号
は局部的に発生した暗号化Pコードシーケンスと相関さ
れなければならない。暗号化処理又は暗号化キーへのア
クセスの知識なしに、現在利用されている受信技術を用
いる擬似領域の測定は現実的に不可能である。
前述の如く、GPS信号は、各入来信号をコード:Pコ
ード又はC/Aコードの局部的に発生されたレプリカと
相関させることにより再生されるよう意図される。GP
S信号の搬送波は、変調信号がPコード又はC/Aコー
ドのような擬似ランダムコードシーケンスである場合、
全体的に抑圧される。換言すれば、受信L2信号は12
周波数での成分を含まない。しかし、測量適用の為、L
2搬送波を再構成し、その位相を測定できることは重要
である。Pコードが暗号化されない限りは、L2搬送波
は受信信号を局部的に発生されたPコードレプリカと相
関させることにより容易に再生される。局部的に発生さ
れたカードは入来信号との最適相関を提供するよう適時
に調整される。
相関出力は搬送波周波数に中心を有する単一狭帯域ピー
つてある。すなわち、搬送波の再生は入来GPS信号を
識別2分離するのに用いられる相関処理の自然の結果で
ある。更に、相関により再生された搬送波は最も有用な
信号対雑音比を提供する。
L2搬送波は、Pコードか暗号化される場合、この相関
処理により再生されえないが、L2は、入来信号を2乗
、すなわちそれ自体により信号を逓倍することにより更
に再生されうる。周知の如く、これは、信号から全ての
二相変調を除去し、抑圧搬送波の周波数の2倍で単一周
波数出力信号を発生する効果を有する。従って、L2搬
送波信号は、変調Pコードが暗号化されるか否かにかか
わらず2乗によって得られうる。この処理の最大の欠点
は信号の2乗はその雑音成分も2乗することである。再
生されたL2搬送波信号に対し得られる信号対雑音比は
、相関によって再生された搬送波用の比で比較された3
0dB (デシベル)又はそれ以上だけ2乗処理により
かなり低下される。
カランヒルマン、■の米国特許明細書第4,667.2
03号において短形技術の変形が提案され、それにより
、入来信号は上及び下側波帯に分割され、これらは搬送
波信号の第2の高調波を得るよう共に逓倍される。しか
し、信号対雑音比の低下は全信号を2乗するのと同じこ
の処理てなされる。
よりよい方法は、受信したGPSL2信号を単に2乗す
ることから生じるSNR低下なしに、GPS信号中のL
2搬送波へのアクセスに必要とされることは前記から理
解される。本発明はこれに向けられている。
本発明の概要 本発明は、これらの搬送波でのPコードが暗号化される
としても、GPS衛星から受信した信号3 からL2搬送波を再生する方法及び装置に係る。
本発明の別な利点は擬似領域信号が暗号化Pコード信号
から得られうろことである。簡単に一般用語で述べると
、本発明の方法は、複数の衛星の1つから送信された、
Pコードとして公知の擬似ランダムコードシーケンスの
暗号化バージョンを含む信号を受信し、Pコード擬似ラ
ンダムコードシーケンスのレプリカを独立に発生し、受
信信号をPコードシーケンスの局部的に発生されたレプ
リカと相関させ、相関段階の結果を帯域濾波し、以前に
可能であったよりもより望ましい信号対雑音比で搬送波
信号の高周波を再生するよう相関され、濾波された信号
を2乗する段階からなる。本発明の方法は又、局部的に
発生されたPコードシーケンスにより多重衛星からの入
来信号を識別。
分離する段階を含む。
現在望まれる如く、この方法は、相関した周波数スペク
トルでのピークを最大にするようPコードシーケンスの
レプリカを発生する段階を制御することを含む。更に、
相関段階の結果を帯域濾波4 する段階は、信号の従来の2乗に亘る改良が、25キロ
ヘルツより大きく、又10メガヘルツより小さい帯域幅
を有すると思われるが、略500キロヘルツの帯域幅て
実行される。より一般的用語では、濾波段階の帯域幅は
略−fn/2から+fn / 2までであるべきであり
、ここで+fn及びfnは相関段階で得られた周波数ス
ペクトルにおける一次零点の周波数である。
本発明の本質は、受信した暗号化Pコード信号のPコー
ド信号の局部的に発生されたレプリカとの相関が帯域幅
において低減されるスプレッドスペクトル信号となるこ
とである。本発明の望ましい実施例での帯域幅現象は略
±10メガヘルツから±500キロヘルツである。±2
50キロヘルツまで濾波した後に信号を2乗することに
より、得られる信号対雑音比は10メガヘルツ帯域幅で
2乗することにより達成されるよりも大きい。
装置に関しては、その最も広域意味での本発明は受信G
PS信号からL2搬送波信号を得るGPS受信器成分の
組合せにある。装置は複数の衛星の1つから送信された
、Pコードとして公知の擬似ランダムコードシーケンス
の暗号化バージョンを含むGPS信号を受信する為の受
信アンテナと、Pコ−ド擬似ランダムシーケンスのレプ
リカを独立に発生するPコード発生器と、受信した暗号
化PコードシーケンスをPコードシーケンスの局部的に
発生されたレプリカと相関させる為の相関回路を含む。
該装置は更に相関回路から得られた信号を濾波する帯域
フィルターと、より望ましい信号対雑音比で抑圧搬送波
信号の2次高調波を再生するよう相関され濾波された信
号を2乗する為の2乗回路を含む。該装置は又、Pコー
ドシーケンスのレプリカを発生する段階を制御し、相関
回路の出力中のスペクトルピークを最大にする為のディ
ジタル処理回路を含む。望ましくは、帯域フィルターは
上述の如く略500キロヘルツの帯域幅を有するが、本
発明の改良により25キロヘルツ及びIOメガヘルツ間
に濾波帯域幅が得られる。
本発明は、その変調Pコードか暗号化される場7 合、L2搬送波信号を再生する従来技術に対する重要な
改良を提供することか上述及び後述の詳細な説明で分か
る。特に、全Pコードシーケンスのそれより狭帯域幅に
亘る相関Pコード信号を2乗することは改良された信号
対雑音性能を生じる。
暗号化Pコードの相関は又所望の衛星信号か他から識別
され、分離されることを可能にする。本発明の他の面及
び利点は以下図面と共にするより詳細な説明より明らか
となろう。
実施例 本発明は、広域的位置決めシステム(GPS)受信器、
特に両L1及びL2搬送波信号へのアクセスか基線測定
の速度及び正確性を改良するのに必要である測定適用に
おける使用のためのGPS受信器の改良に係る。再搬送
波信号へのアクセスはGPS信号の電離層屈折を補償す
るのを可能とし、測量解決での位相あいまいさの素早い
解決を容易にする。
更なるバックグラウンドによって第1図は如何に2つの
L帯域GPS信号が複数のGPS衛星の1つから伝送用
に同期化されるかを示す。各衛星の送信器は参照符号1
0により示される原子クロック及び4つの周波数逓信器
又は分周器12゜14.16および18を含む。クロッ
ク周波数は、10.23メガヘルツ(M Hz )であ
り、L1信号で示される第1のL帯域受信用に1575
.42MHzの搬送波周波数を設けるよう周波数逓倍器
12において154の係数で逓信され、L2信号で示さ
れる第2のL帯域受信用に1227. 6MHzの搬送
波周波数を提供するよう周波数逓倍器14において12
0の係数で逓倍される。受信器は又(精密コード用)P
コードとして公知の擬似ランダムコードの発生用のPソ
ーダ20、及び(粗/取得コード用)C/Aコードとし
て公知の別な擬似ランダムコードの発生用のC/Aコー
ダ22を含む。
PコードはクロックIOから直接に得られたIO,23
MHzレートで状態を変える2値レベル又は二進コード
である。コードの各ビット又は「チップ」は空間を介し
て送信されるようl830メ一トル長であり、コードの
期間は1週間であ。
即ち、コードシーケンスの各全サイクルは1週間長であ
る。C/Aコードは、クロック10から周波数分周器1
6を介して得られた、Pコードのそれのl/10だけの
周波数で、すなわち1.023MHzのレートで状態を
変える。C/Aコードは、1023チツプの期間を有し
;これはコードが1023コード素子の後繰り返すこと
を意味する。
C/Aコードの各全サイクルは1ミリ秒(1mS)を要
し、各C/Aコードチップは送信されるような長で略3
00メートルである。
送信器における残る周波数分周器18は、50ヘルツの
クロックレートを生成するよう204600の分周係数
を有し、メモリ24をアドレスする為、Ll及びL2信
号で送信されるべきデータを含む。Pソーダ20及びメ
モリ24からの出力はエクスクル−シブオア(XOR)
ゲート30への入力として接続され、C/Aコーダ22
及びメモリ24からの出力は別なエクスクル−シブオア
(XOR)ゲート32への入力として接続される。
第1のXORゲート30からの出力は2つの混合器34
.36に接続され、第2のXORゲート32からの出力
は第3の混合器38に接続される。
機能ブロック40は1575.42L1搬送波信号が2
つの直角成分に分割されることを示すよう意図され、該
直角成分は次に混合器34及び38で別々に変調され、
増幅器44での増幅及びアンテナ46からの送信の前に
信号結合器42で再結合される。
Ll信号は、1575. 42MHz搬送波、データ信
号と結合したPコード信号及び同じデータ信号と結合し
た直角C/Aコード信号から得られることが分かる。L
2信号は] 227.6MHz搬送波及びデータ信号と
結合したPコード信号から得られる。通常、Ll信号に
おけるC/Aコードに対するコードの電力比は1/2で
ある。
擬似ランダムコードにより変調された搬送波信号の周波
数スペクトルは第2図に示される。周波数は水平軸に沿
ってプロットされ、スペクトル成分の電力密度は垂直軸
に沿ってプロットされる。
スペクトル電力密度曲線における垂直ラインはコード反
復周波数に相当する周波数により離間される。搬送波周
波数は、分布の中心のミッシングスペクトル線により示
される如く抑圧される。曲線の形は次式で表わされる。
電力密度=〔(sinX)/X〕2、ここでXはfに正
比例し、式X=πf / f clockにより与えら
れ;ここでf clockは擬似ランダムコードクロッ
ク周波数である。第2図から明らかな如く、分布におけ
る一次零は中心周波数に関して周波数+ f cloc
k及び−f clockで生じる。
従来のGPS受信器において、2つの重要な機能は、受
信位置が計算される前に実行されることである。1つは
、(3次元位置決定の為)用いられる少なくとも4つの
衛星のそれぞれに明らかな又は擬似の領域を測定するこ
とであり、3つの衛星だけが2次元位置決定の為必要と
されることが理解される。他の機能は搬送波信号に変調
されたデータを再生することである。測量適用における
高精密の基線測定の為、搬送波信号L1及びL2は受信
された信号により再生され、搬送波位相情報は受信器の
相対的位置をより精密な測定を得るのに用いられる。G
PS信号からの位置決定に用いられた数式は公知であり
、本発明の一部を形成するものではない。
各受信器は1つの衛星を他から区別できなければならな
い。通常の装置では、各衛星はそのPコード及びそのC
/Aコード用の異なる擬似ランダムコードを発生する。
受信器は、多重チャネルを有し、そのそれぞれは、入来
信号と整合し、各衛星を正確に識別する為に衛星コード
を発生しうるPコード及びC/Aコード発生器を有する
相関による搬送波再生 擬似領域の測定は、Pコード(及び/又はC/Aコード
の)レプリカを発生し、衛星から受信したコードでレプ
リカを相関させることによりなされる。レプリカ及び受
信したコードか時間的に適当な整列する場合、相関処理
の結果は出力信号の周波数スペクトルにおいてシャープ
に画成されたピーク又はスパイクである。スペクトルピ
ークは、衛星におけるコード変調により抑圧された元の
搬送波周波数に中心がある。従って、相関処理は、元の
搬送波信号を得るよう受信された信号を「デイスプレッ
ディング」するものとして考えられ、比較的遅い50ヘ
ルツレートてデータ信号により変調される。特別にその
位相において再生された搬送波信号は、2つ又はそれ以
上の位置での受信器間の相対的伝播時間の精密決定用の
測量適用において用いられうる。再生された搬送波は、
データを得るよう復調され、これは受信器の位置を決定
するよう多重衛星から擬似領域に関連して用いられうる
Pコード暗号化の効果 L2搬送波を再生するPコードの使用は搬送波のその変
調の前のPコードの暗号化によりさらに困難になる。こ
の暗号化により、受信した暗号化Pコードは局部的に発
生したPコードと整合はせず、入来信号上のロッキング
は従来のGPS受信器では実際的に不可能になる。L2
信号がPコード(及びデータ)だけで変調されるので、
従って従来の相関アプローチによるL2搬送波へのアク
セスは、Pコードが暗号化される際に、実質的に否定さ
れる。相関の代わりに、この問題の1つの解決策はL2
搬送波へのアクセスを得るよう受信した信号を2乗する
ことである。二相変調搬送波信号がそれにより逓倍され
る場合、結果は変調が全て除去された搬送波周波数の2
倍の信号である。
これは下記の三角恒等式から明らかである:cos2X
=1−2s 1n2X。
X=’2πfctを置換する場合、下記の様になる。こ
こでfcは搬送波周波数である:5in22 yr f
c t =1/2(1−cos 4 yr fc t)
結果は、元の搬送波信号の位相が二相変調により逆転さ
れるか否かにかかわらず、同じである。
従って、2乗は、受信した信号に存在する二相変調の性
質にかかわらず元の搬送波信号を再生する技術を提供す
る。このアプローチの原理的欠点は得られた搬送波信号
の信号対雑音比が本質的に低下することである。
改良 本発明により、入来暗号化PコードGPS信号は従来技
術の如くすぐに2乗されない。その代り、中間周波数へ
のその周波数を妨げる局部的発振信号と混合した後、暗
号化Pコード信号は局部的に発生したPコード信号と相
関される。局部的に発生したPコード信号か暗号化Pコ
ードシーケンスと完全に整合しないので、相関は周波数
スペクトルにおいてシャープなピークを発生しない。し
かし、相関の結果は帯域フィルタにより濾波され、縮小
帯域幅信号は2乗される。2乗信号は、発生するスペク
トルピークを最大化する従来のタワーデイザ−コードル
ープ又は遅延ロックコードループで処理される。誤差信
号か発生され、出力信号の周波数スペクトルにおいてピ
ークを最大化するような方法でPコード信号の発生を制
御するようフィードバックされ、効果的に入来L2にP
コード信号をロックする。同時に2乗処理から得られる
抑圧搬送波信号の2次高周波はL22搬送波相測定を提
供するよう処理される。
5 本発明に対する実験基礎 全Pコード帯域幅における入来信号を2乗する代りに、
この技術の使用で生じる重要な改良は、暗号化信号のス
ペクトル分析によりPコード暗号化の2つの特徴から得
られる。第3図は如何にGPS受信器が暗号化Pコード
の主要特徴を理解するよう実験的に接続されたかのブロ
ック系統図を示す。この受信器はアンテナ50及び関連
プリアンプ52を含み、それを介して入来信号が処理さ
れる。実験の目的の為、アンテナ50は選択された衛星
に位置する方向性皿形アンテナである。信号は、先ず、
第1の混合器54、第1の中間周波数増幅器56、第2
の混合器58及び第2の中間周波数増幅器60を含む2
つの中間周波数段により処理される。局部的に発生した
発振信号は、発振器64からその周波数基準を得る周波
数合成回路62により第1及び第2の混合器54.58
に提供される。
第2の中間周波数増幅器60の出力は相関器66に接続
され、その第2の入力は追跡される衛星用のPコードの
レプリカを発生するPコード発生器68から得られる。
相関器66の出力はフィルター70を介してループ制御
回路72に送られ、その主要目的は、相関器出力におけ
るスペクトルピークを最大にするようPコード発生器6
8に制御信号を提供することである。74に示す如く、
ループ制御回路は、LIGPS信号におけるC/Aコー
ドの従来の相関の結果として得られたタイミング信号に
より補助される。スペクトル分析器76は暗号化Pコー
ド信号の性質を理解するよう受信器テストシステムにお
いて種々の点に取付けられる。
第4−7図は第3図の装置から得られたテスト結果のい
くつかを示す。先ず、第4図はフィルター70の雑音応
答を示す。dBで示される出力信号レベルは、広帯域雑
音からなる入力信号に対し周波数に対してプロットされ
る。同図及び第5−7図に対し、フィルターの中心周波
数は26゜593MHzてあり、周波数目盛は区画当た
り200kHzであり、出力信号レベル目盛は区画当た
り5dBである。
第5図はアンテナか非暗号化Pコードを受信し、Pコー
ド相関処理が意図された様に動作する時のフィルター7
0の出力を示す。フィルターのスペクトル出力における
中心ピークは搬送波信号について示される。第6図はP
コードが暗号化される時のフィルター出力を示す。この
場合における相関処理は非常に不明瞭なスペクトルピー
クを発生するだけである。第7図は第4図と第6図の合
成てあり、不完全に相関されたPコード信号の特性((
s i nX)/X) 2形状を示す。
暗号化Pコードの2つの重要な特徴は第7図から明らか
である。第1に、暗号化は実際にPコード上に重畳され
た付加コードであり;第2に暗号化の帯域幅はPコード
自体の帯域幅よりかなり小さい。暗号化のスペクトルは
、+500kHz及び500kHzに位置した第1の零
を有する式(SinX)/Xとして現れる。本発明はか
なり高められた信号対雑音比でL2搬送波信号を得るよ
うこれらの特徴を用いる。
改良の説明 第8図は如何に入来GPS信号が本発明により処理され
るかのブロック系統図を示す。本発明の受信器はアンテ
ナ80及び関連したプリアンプ82を含み、それを介し
て入力信号は処理される。
第1の中間周波数(IF)混合器84、関連した中間周
波数増幅器86、第2の中間周波数混合器88、関連し
た中間周波数増幅器90、基準発振器92及び基準発振
信号から得られた種々の周波数で局発振信号を発生する
周波数合成回路94か含まれる。アンテナで受信された
入力信号は従来の中間周波数混合器84.88により低
周波数に周波数逓降され、次に入力は相関器96に供給
される。相関器への入力もPコード発生器98において
発生した信号である。相関処理から生じる信号は、本発
明の本所望実施例において、500kHzの通過帯域幅
を有し、第7図に示されるスペクトル分析と一致するフ
ィルター100に入力される。フィルター100からの
出力信号は2乗回路102への入力である。2乗機能は
従来の混合回路104により実行され、ここで入力信号
はそれ自体とは混合され、すなわち逓倍され、又は全波
整流回路により近似される。2乗回路の出力は搬送波位
相の検出及びPコード発生器98へフィードバックされ
た適切な制御信号の発生用ループ制御回路106に入力
される。
受信器の他の面は従来と同じで、第8図には示されない
。入来Ll信号は元来Ll及びL2信号の両方で変調さ
れた50へルッデータ信号を得るよう完全に復調されな
ければならない。次に、入来Ll及びL2信号を分析す
ることにより得られたこのデータ及びタイミング信号は
受信器の位置を求めるよう処理される。測量適用におい
て、2つ又はそれ以上の受信器は次のコンピュータ処理
の為の記録媒体への出力用に搬送波位相測定を同時に発
生する。
本発明の主要な利点は、信号対雑音比の簡単な分析から
明らかである。下記表1は、Pコードの全10MHz帯
域幅に亘って入来L2信号を単に2乗することにより得
られた結果と、より小さい帯域幅に亘って相関、濾波及
び2乗することにより得られた対応する結果との比較を
示す。両方の場合において、典型的な良い信号対雑音比
、又は搬送波対雑音比C/Noは、40dB/Hz、す
なわち1ヘルツ帯域幅に亘って測定された40dBであ
るとする。この図は、−170d B/Hz、すなわち
1ミリワツト以下の170dBの典型的雑音電力及び−
130dBmの典型的な良いGPS電力の仮定から得ら
れる。
表  1 2乗帯域幅       10MHz    500K
Hz典型的に良いC/ N 。
2乗帯域幅に変更 2乗帯域幅でのS/N 2乗信号のS/N 実行損失 2乗信号の最終S/N IHz帯域幅への戻し 2乗信号C/NO 公知の如くデシベルは +40dB/Hz  +40dB/Hz−70dB  
   −57dB −30dB     −17dB 60dB     −34dB 3dB     −3dB 63dB     −37dB +70dB     +57dB + 7dB/Hz  +20dB/Hz2つの信号の電
力比を測 定し、電力比の一般又はベーステン対数の10倍として
定義される。従って、例えば10,000の電力比は1
010g+o 10. 000=40 dBとして表わ
される。単位dBmは1ミリワツト基準レベルに関する
電力を測定する。例えば、40dBm進行は、10,0
00mW又は10クワット電力に等しく、−40dBm
信号は0.0001mWの電力に等しい。2つの信号の
電力がdBmで表わされる場合、dBでのそれらの比は
dBmの値の差から計算される。従って、信号電力が−
130d Bm/Hzであり、雑音電力が一170dB
 m / Hzである場合、信号対雑音比は−130(
−170) d B/Hz又は40dB/Hzである。
GPS信号が略10MHzのPコードの全帯域波幅に亘
って2乗されるべきである場合、雑音電力は107又は
70dBの係数で増加し、従って、2乗帯域幅における
信号対雑音比は4O−7030dBである。2乗は、信
号対雑音比を2乗する又はdBにて示された比を2倍す
る効果を有する。従って、2乗後の比は一60dBであ
る。
別な3dBは、雑音信号かそれ自体て逓倍され、2乗帯
域幅において一63dBの最終信号対雑音比を与える結
果として失われる。I Hz帯域幅の見地で表わされた
2乗信号は一63+70=+7dBの信号対雑音比を有
する。
500kHzの2乗帯域幅用の対応する図は本発明の主
要利点を指摘する。40dBの典型的信号対雑音比は、
2乗帯域幅に亘って表わされる場合、先ず、57dBだ
け減少される。(10log。
(500,000)=57)従って、2乗帯域幅におけ
る信号対雑音比は4O−57=−17dBである。2乗
の後、最終信号対雑音比は2(−17)−3=−37d
Bであり、1ヘルツ帯域幅への変換の後、2乗信号対雑
音比は一37+57=+206Bである。従って、本発
明から得られる信号対雑音比における改良は+13dB
であり、2つの2乗帯域幅の比である略20の係数であ
る。
第8a図はlヘツル帯域幅で表わされ、選択された2乗
帯域幅を有する2乗信号C/ N o比の変形例を示す
。((s i nX)/X) 2倍号を2乗3 する場合、最高性能(最大C/No比)は±fnull
/2で定義された帯域幅に亘って2乗することにより得
られ、ここで±f nullは信号のスペクトル分布に
おける一次零点での周波数である。相関器96(第8図
)て処理する以前に、−次零点はPコード用に10.2
3MHzクロックレートから得られた略±10MHzに
位置し、信号対雑音性能は、2乗が略±5MHzの帯域
幅、すなわち略10MHzの全帯域幅に亘って実行され
る場合、最大になる。第8b図における曲線108で示
す如くC/ N o比は10MHz値より大きいか又は
小さい2乗帯域幅に入る。本発明の装置に対するC /
 N 。
比において対応する変形例は第8a図において109で
示される。局部的に発生されたPコードと相関した後、
得られる周波数分布の零点は、第7図に示す如く、略±
500kHzに位置する。従って、最大C/ N o比
の点は、±250kHzの2乗帯域幅から、すなわち5
00kHzの全帯域幅に亘って得られる。
一般的言葉では最良2乗帯域幅は±f null/ 2
4 であり、ここで±f nullは局部的に発生したPコ
ードと入力暗号化Pコードを相関させた後周波数分布に
おける一次零点周波数である。略25kHz及び略10
MHz間のある2乗帯域幅の利用が相関なしに信号を2
乗することにより得られる最良比に対するC / N 
o比改良を提供することが第8a図から分かる。
本発明の方法及び装置は、位置決め用のL2測定又は基
線測定を必要とするあるGPS受信器に実際に組込まれ
る。実行の特別の詳細は受信器の設計に大いに依存する
。これらの詳細は受信器によって異なるが、相関及び帯
域濾波の後にだけL22倍を2乗する概念は同様に適用
可能である。
例として、本発明はスイス国ヘールプルツク9435の
、ワイルドライツ リミテッド及び米国カリフォルニア
、トランスのマグナボックスサーベイシステムインコー
ボコレーテッドのジヨイントベンチャーである、ダブリ
ュエム衛星サーベイカンパニーで製造されたモデルWM
1020PS探索システムで用いられる。この受信器シ
ステムに限定されないことは分かるが、モデルダブリス
エム102システムの設定をある程度詳細に説明する。
例示的受信器の説明 第9図はアンテナ組立体110、ライン増幅器組立体1
12及び受信部組立体114を含む受信器のブロック系
統図である。アンテナ組立体110はアンテナ116及
びプリアンプモジュール118を含む。現在用いられる
アンテナ116は、コロラド、ブルームフィールドのポ
ールブラザースにより製造され、部品番号ANIIIを
有するマイクロストリップパッチアンテナである。ライ
ン増幅器組立体112はアンテナから受信器までの距離
が大きい場合に任意に用いられる。受信部組立体114
は、内部バッテリーパック122と外部に設けられた電
源用の接続部124を備えられた電源モジュール120
、逓降モジュール126、基準発振器128.6チヤン
ネルLl受信モジユール130、及びLl/L2l/上
ジュール132を含む。又、中央処理装置(CPU)モ
ア ジュール134、キーボード組立体136、スタンバイ
モジュール138、表示モジュール140、入力/出力
(Ilo)モジュール142゛及びテープカセットデツ
キ144も含まれる。
逓降モジュール126は入来Ll及びL2信号を中間周
波数に変換し、中間周波数信号を6チヤンネルLl受信
モジユール+30及びLl/L2l/上ジュール132
に送る。CPUモジュール134は、受信モジュール1
30.132及び逓降モジュール126を制御し、−度
に6つの送信衛星までから測定を得るようシステムの動
作を指示する。6チヤンネルLl受信器130は並列に
6つの別なL1信号までを追跡し、C/Aコード、デー
タ及びL1信号から搬送波位相情報を得る。
Ll/L2受信器132は、衛星がLl上で追跡される
間に時間分割又は逓倍される。このモジュールは、正確
なL2搬送波位相測定を行い、かなり改良された信号雑
音比でこれらの測定を得るよう本発明の技術を用いる。
得られた測定の全ては、別々なコンピュータシステム(
図示せず)にて最終に事後処理する為テープカセットに
記録するよう、カセットデツキ144にI10モジュー
ル142を介して送信される。I10モジュール142
は、蓄積されたデータをテープカセットよりもむしろコ
ンピュータに直接に送信する為の、146で示された付
加出力接続部を有する。
第10図はアンテナ組立体110及びLl/L2逓降器
組立体126をより詳細に示す。アンテナプリアンプモ
ジュール118は、アンテナ116を交互にL1フィル
ター152及びL2フィルター154に接続するダイプ
レクサ150を含む。
これらのフィルターの出力は別なライン増幅器156.
158に接続され、ライン増幅器の出力はトリプレクサ
160へ入力として接続され、その出力はLl/L2l
/上ジュール126に導くアンテナケーブル162に接
続される。
Ll/L2l/上ジュールはアンテナケーブル162に
接続された別なトリプレクサ164を含み、その出力は
L1フィルター166及びL2フィルター168に接続
される。トリプレクサ164.160を通る第3のパス
はアンテナ組立体110への電力信号に用いられる。L
l信号は、第1のL1増幅器170、第1のLl混合器
172、第2のLl増幅器174及びLl中間周波数信
号をライン17Bに出力する第2のL1混合器176に
より処理される。同様に、L2信号は、第1のL2増幅
器180、第1のL2混合器184及びL2中間周波数
信号をライン188に出力する第2のL2混合器186
により処理される。
逓降モジュール126は、電圧制御発振器(VCo)1
90.位相周波数検出器192及び3つの周波数分周回
路194.196.198からなる位相ロックドループ
により制御される。公称5MHzの基準周波数はVCO
190へのライン200に制御信号を発生する位相周波
数検出器192への入力であり、その出力は第1のL1
混合器172及び第1のL2混合器182へ入力として
接続される。VCO出力は又分周器194を介して第2
のLl及びL2混合器176.178に接続される。分
周器196及び198による更なる分割の後、vCO出
力は、ループ濾波機能をも有する位相周波数検出器19
2に帰還される。回路は、基準発振器と同期され、入来
L1及びL2信号を逓降するのに用いられる種々の局部
発振信号を発生する位相ロックドループの従来の方法で
動作する。公称5MHz信号は分周器198からのライ
ン202に発生され、L2局部発振信号は分周器196
からのライン204に発生され、L1局部発振信号は別
な分周器108からのライン206に発声される。
第11図は受信機における6つのL1チャンネルの1つ
のブロック系統図である。これは、局部的に発生された
C/Aコードとの従来の相関を用いるLl信号の追跡を
示す。受信器のこの部分は相関器210、第1の増幅器
212、混合器214及び第2の増幅器216を含む。
相関器210はライン178のL1中間周波数信号を受
け、相関器出力は、第1の増幅器212で増幅され、再
生Ll信号を略1.2797M Hzの周波数で出力す
る混合器214て低い周波数に混合逓降される。第2の
増幅器216は、この点まて基本的に正弦形を有する信
号から矩形波出力を発生する、ブロック218で示され
るようなピーク制限機能も与える。矩形波信号はその後
相関器210に入力として接続されたライン222にC
/Aコードも発生する。ディジタル処理回路220にお
いて処理される。ディジタル処理回路220は、局部的
に発生されたコード及び搬送波信号を同期化する目的用
の従来のコード及び搬送波追跡機能を実行する受信処理
器224により制御される。受信処理器224はCPU
モジュール134に接続される(第9図)。
L1信号は、従来の受信器技術を用いる第11図に示す
相関ループにより再生され、追跡される。
C/Aコード発生器のタイミングを調整するループ制御
は遅延ロック又はコードの早−遅処理のような従来の技
術を用いつる。−度Ll信号が受信処理器224におけ
る制御ループで追跡されると、L1情報の全ては符号化
データ及びLl搬送波信号の正確な位相を含む受信信号
から得られうる。
1 多数の受信器設計が実現可能であることか分かる。上記
の受信モジュールにおいて、相関及び混合はアナログ回
路にて実行され、ディジタル処理は再生Ll信号につい
て実行される。他の機能もアナログモードよりむしろデ
ィジタルモードで実行され、これらの差違は大いに設計
選択の問題であることは、拡張スペクトル受信器設計の
当業者には明らかである。受信器のハードウェア及びソ
フトウェア実現間には設計妥協点かある。図示の受信器
において、ディジタル処理回路220はハードワイヤー
ド回路の形で実現され、受信処理器224は、実行され
る機能がソフトウェア又は「ファームウェア」で決めら
れるプログラム可能処理器の形をとる。又、これらは設
計選択の問題であり、受信器の全体の機能には影響しな
い。
前述の如く、第1図に示すもののような6つの独立なL
l受信チャンネルがあるディジタル処理回路220は、
適合された設計の特性に依存する2つ又はそれ以上のチ
ャンネルで分担される。各L1チャンネルは、CPUモ
ジュールにより指示2 される如く、衛星により送信されたアルマナックデータ
へのアクセスを有し、全ての衛星の位置を含む単一衛星
からの信号を受ける。従って、適切な受信位置に基づい
て、CPUモジュール134は衛星が視野内にあるべき
ことを決め、C/Aコードシーケンスが発生するチャン
ネルを指示するこyにより選択された衛星から受信する
よう各L1チャンネルを設定しうる。受信位置が不明な
場合、CPUモジュール134は、多重C/Aコードシ
ーケンスか順番に発声される走査動作を実行しなければ
ならない。
L1受信モジュール130(第9図)に含まれる6つの
L1チャンネルに加えて、受信器は第12図についてよ
り詳細に説明される。Ll/L2l/上ジュール132
(第9図)を含む。このモジュールのL1部は第11図
により説明される6つのL1チャンネの1つと同一であ
る。それは、相関器210°、第1の増幅器212°、
混合器214°、第2の増幅器216“、ピーク制限器
218’ 、C/Aコード発生器を含むディジタル処理
回路220′及び受信処理器224′を含む。
しかし、6つのL1チャンネルと違ってLl/L2l/
上ジュールはCPUモジュール(第9図)の制御下で周
期的方法で衛星から衛星に切り換えられるか多重化され
る。しかし、Ll/L2l/上ジュールのこの時間分割
は、単に設計選択である。システムは、さらにコストか
高いか、6つのLl/L2チャンネルを含むよう容易に
設計できる。この動作の説明の見地から、Ll/L2l
/上ジュールの時間分割は完全に無視されてもよい。
Ll/L2l/上ジ−ニルに置けるL2チャンネルは次
に説明する如く、多重路を含む。これらの部品のいくつ
かは第8図を参照して既に説明した。ライン188に受
信したL2中間波数信号は相関器96に入力され、その
別な入力はうイン230を介してPコード発生器98か
ら得られる。
相関器96の出力は、帯域フィルター100に接続され
、そこから2東回路102に接続される。
2乗の後、相関器出力は増幅器232で増幅され、混合
器234で低周波数に逓降され、増幅器236にて増幅
され、制限器238でハード制限、すなわち振幅制限さ
れる。その結果の信号は、受信処理器224′の制御下
でスイッチ240を介してディジタル処理回路242に
送られる。
相関器96からの並列信号路は、Pコードが暗号化され
ない場合に用いられ、Pコードの従来の相関を実行する
。この並列路はフィルター244、増幅器246、混合
器248、第2の増幅器250及び制限器252を含む
。このパスに沿った相関器出力は、ライン204のその
別な入力としてL2局部発振信号を有する混合器248
により逓降され、スイッチ242への第2の入力を提供
する。Pコードが暗号化されない場合、この並列路はP
コードを用いる相関を実行し、従来の方法でL2搬送波
信号を再生する。Pコードが暗号化される場合、スイッ
チ240は低い並列路から信号を選択するよう制御され
、ここでL22倍はフィルター100により決められた
比較的狭い帯域幅に亘って2乗することで再生される。
混合器234により実行された逓降処理において、ライ
ン25 04の局部発振L22倍は、別な2乗回路254におい
て混合器234への適用の前に先ず2乗され、混合器の
別な端子への入力の前に相関L22倍の2乗と一致する
。フィルター100及び2東回路+02を介してパスか
ら得られたL2搬送波信号は、2乗により得られたL2
2倍が従来の得られた信号の周波数の2倍であることを
除いて、高並列路を用いる従来の相関から得られたもの
に似ている。従って、Pコード暗号が有効である場合、
この装置により得られたL22倍はディジタル処理回路
342における搬送波周波数の2倍の位相基準とに比較
されねばならない。
前述の如く、制御ループ106(第8図)は、入来信号
中のPコードにPクー1発生器をロックさせるような方
法でPコード発生器98を制御し、それにより、相関器
96からの出力のスペクトルピークを最大にする。この
受信器で用いられる技術はタウデイザリングとして知ら
れている従来のものである。局部的に発生したPコード
は、中立位置の各サイドに、半分の様な「チップ」の断
片6 部に等しい時間のある増加により交互に先行及び遅延さ
れる。局部Pコードが入来Pコードと正確に同期して発
生される場合、デイザ−されたPコード信号は同一であ
る相関器出力を発生する。
「先行Pコード」及び「遅延Pコード」信号に対応する
相関器出力が異なる場合、局部Pコードの中立タイミン
グは正確に同期していない。従って、先行及び遅延局部
Pコード用相関器出力間の差は局部Pコード発生器の中
立位置を先行又は遅延させるよう補正信号を発生するの
に用いられる。
ライン230で発生されたPコードは交互に先行及び遅
延されたPコードである。Pコード発生器98は又ライ
ン230°に「時間的に正確なJPコードを発生する。
これはライン188にL2中間周波数信号を受信する別
な相関器96′への入力として接続される。Ll/L2
l/上ジュールの別な分岐は帯域フィルター100’ 
  2東回路102’、増幅器232°、混合器234
′別な増幅器236′、観測器238′ 及びディジタル処理回路242′に直列に接続された相
関器96°により形成される。機能相関、f波及び2乗
を含む付加的並列路の目的は、用いられる特定ループ制
御技術、即ちタウデイザ−の要求を満たすことであり、
2.5−3.0dB小さい振幅の平均を有する信号を発
生する。異なる実現は本発明の範囲内で可能であり、そ
のいくつかはかかる第2の並列路を必要としないことが
理解される。
詳細にはまだ説明されていない受信器の他の機能はL2
搬送波信号を再生する制御ループの「L1補助」に関連
するものである。受信信号の位相及び周波数シフトの多
くの源、例えば衛星動作、受信動作、発振周波数ドリフ
ト、対流圏屈折及び電離層屈折かあることは良く知られ
ている。電離層屈折を除いて、全てのかかる源は、搬送
波周波数:この場合L1及びL2に厳密に比例する位相
及び周波数シフトを生じる。
この比例により、より強いL1信号を追跡することから
得られた情報でより弱いL2信号の追跡を「補助」する
ことは可能である。上記の受信器において、L1信号は
従来の方法で受信され、相関され、追跡され、従って、
受信器はLl搬送波の位相及び周波数の非常に正確な記
録を有する。
Ll及びL2か一貫してすなわち公知の位相関係で送信
されることがわかる。Llと異なってL2の位相に影響
するたった1つの要因は電離層ひずみであり、これは比
較的遅く現象を変えることて知られている。従って、L
lの既に公知の位相及び周波数を使用する場合にL2の
追跡はより困難でなくなる。これはL2制御ループのr
L1補助」として知られている。
本受信器におけるLl補助の実現は先ず公知のL1搬送
波の周波数を60/77の係数、L2及びLlの周波数
の比て逓倍し、次に受信したL2信号及びL 1 * 
60/77信号間の差を計算することを含む。実際にお
いて、L2追跡機能はL2及びL1*60/77間の誤
差信号を追跡する単純な問題になる。基本的にL 1 
* 60/77の位相角における変化は累積され、受信
したL2信号の位相と連続的に比較される。差は、L2
位相続9 みを更新するようCPUモジュール134(第9図)に
より用いられる。上記と同様な他の数学的に均等な技術
が同じ結果を達成するのに用いられることが分かる。
動作の原則の要約 本発明の技術は、Pコードが暗号化されたGPS信号か
らL2搬送波信号を再生する際に改良された信号対雑音
比を提供する。本発明による信号対雑音比の改良は、P
コードの全帯域幅に亘るL2受信信号を2乗する他のア
プローチと比較される際、略13dB又は信号電力にお
いて20の係数である。信号対雑音比における改良は、
悪化状態下で、特に受信したデータのより高い信頼性を
確実にし、従って基線読みが有益な探索正確性で得られ
る良い信頼性を確実にする。良い信号対雑音比は又高い
正確な探索がより短い時間で生じることを可能にしつる
。この増速の重要な利点は多重衛星からの信号を処理す
るのに逓倍又は連続方法で用いられることである。これ
は受信器の寸法及びコストにおける実質的減少を意味す
る。本発明の別な利点は、Pコードの再生が多重衛星か
ら信号を識別及び分離するのに用いられることである。
又、Pコードの使用なしに、装置は衛星を識別するのに
ドツプラー周波数シフトにおける差の検出、2つの衛星
のドツプラー周波数が互いに交差する際の期間に本来従
う技術に依存しなければならない。
本発明を用いる受信器においては、Ll信号は、Ll搬
送波信号の位相を再生するよう搬送波上にエンコードさ
れたデータの全てと共に、局部的に発生されたC/Aコ
ードと従来的に相関することにより処理される。Pコー
ドが暗号化される場合、L2搬送波信号は、局部的に発
生されたPコードと相関した後だけを除いて入力信号を
2乗し、最大利点用に略500KHzの帯域幅に濾波す
ることにより再生される。信号対雑音比における改良の
変動度合いは25KH2及び10MHz間のフィルター
帯域幅に亘って得られる。L2搬送波の追跡はL2の追
跡を助けるよう既に正確に追跡されたLl信号を用いる
ことにより容易になされる。
Pコードか暗号化されない場合、L2は従来の相関を用
いて再生される。
結論 明らかとなった如く、本発明の技術は、GPSの使用者
にPコード信号が送信に先立ち暗号化されるとしても良
い信号対雑音比でL2搬送波信号位相の再生から利益を
得、衛星信号を分離し、L2擬似領域の測定を得ること
を可能にする。しかし、この技術はともかくPコード暗
号化の目的を回避しないことが注目される。暗号化は「
耐だます」測定として意図される。GPSを監視する責
任のある主要関係の1つは、だれかがGPS信号の適性
フォーマットを有する偽の衛星信号を発生するが、それ
らはある他の位置から放出し他の誤りデータも含むので
、これらの信号はシステムの軍事的利用者を誤り位置情
報を得るのに「だます」ことである。Pコード信号の暗
号化は効果的にこのタイプの非公認行動を防ぐ。本発明
は、システムの非軍事利用者がLl及びL2搬送波信号
の両方の満足な利用を更に得るが、暗号化の「耐 3− だまし」効果を妨げない技術を提供する。本発明はPコ
ード暗号化が行われる場合、システムの受動的利用者が
改良探索設備性能を達成するのを可能にするが、Pコー
ド信号を複合化せず、だれかが偽のPコード信号を発生
するべく捜すのには役立たない。
本発明はGPS信号処理の分野において意味のある進歩
を表すことか前記から評価される。特に本発明は、Pコ
ード信号が「耐だまし」測定として暗号化はされるとし
ても、衛星から受信した入来GPS信号からPコード疑
似領域及びより正確な搬送波位相情報を得る為の技術を
提供する。さらに、本発明は暗号化の「耐だまし」効果
を減じないでPコード及びL2搬送波信号の利点を引き
出す。本発明の特定実施例を例示の目的で詳細に説明し
たが、種々の変形例が本発明の精神及び範囲を逸脱しな
いでなされうる。従って、本発明は従属請求項によって
制限はされない。
【図面の簡単な説明】
第1図はGPS衛星によって含まれる信号送信4 装置の簡略ブロック系統図、 第2図はGPS衛星から送信されたスプレッドスペクト
ル信号のスペクトル密度を示す図、第3図はPコード暗
号でGPS衛星信号を分析するのに用いられるテスト装
置のブロック系統図、第4図は第3図で示すフィルター
の雑音応答を示す図、 第5図はテスト装置が非暗号化Pコード信号を受信し、
それを局部的に発生されたPコードと相関させる際の第
3図におけるフィルターの出力をを示す図、 第6図は装置が暗号化Pコード信号を受信する際のフィ
ルター出力を示す第5図と同様の図、第7図は第5図及
び第6図を1つに統合させた図、 第8図は本発明により構成された受信器システムの簡略
ブロック系統図、 第8a図は2乗帯域幅及び搬送波対雑音比間の関係を示
す図、 第9図は本発明か用いられる受信器システムのブロック
系統図、 第1O図はアンテナ組立体及びLl/L2逓降組立体の
詳細を示す受信器システムの一部のブロック系統図、 第11図は第9図の受信器システムにおける6つのLl
受信モジュールの1つのブロック系統図、第12図は第
9図の受信器システムのLl/L2l/上ジュールのブ
ロック系統図である。 10・・・・クロック、12.+4.16.18,19
4.196,198・−分周器、20・・Pコーグ、2
2・・・C/Aコーダ、24・・・メモリ、30.32
エクスクル−ジグオアゲート、34,36.38.54
.58,84,234,234’   248−混合器
、40・−・−機能ブロック、42−結合器、44.2
32,232’、236,236’  246−・・−
増幅器、46,50,80.116−アンテナ、52.
82−プリアンプ、56,60,86.90・・−中間
周波数増幅器、62.94−周波数合成回路、64−発
振器、66.96.96’210.210’−・−相関
器、68.98−・Pコ−ド発生器、70,100,1
00’、244フイルター 72,106−ループ制御
回路、76 ・−スペク)・ル分析器、88・−中間周
波数混合器、92.128・・−基準発振器、102,
102’254・・−・二乗回路、104・−混合回路
、108萌線、110−アンテナ組立体、I 12−ラ
イン増幅器組立体、114−・−受信部組立体、118
プリアンプモジユール、120−電源モジュール、12
2・−白部バッテリーパック、124,146−接続部
、126−逓降モジュール、l 30−Llモジュール
、132−・−Ll/L2 受信モジュール、134・
−・・CPUモジュール、136−・・キーボード組立
体、138・−スタンバイモジュール、140−・−表
示モジュール、142−・−110モジユール、144
・・・テープカセットデツキ、150・−・ダイプレク
サ、152,166・−L 1フイルター 154. 
168−L2フィルター 156゜158−−ライン増
幅器、160.164・・・斗すプレクサ、162・・
−アンテナケーブル、170,174.212,212
’−Ll増幅器、172゜176.2]4,214’−
Ll  混合器、178、 188. 202. 20
4. 206. 222゜230.230’ −・ライ
ン、180,184,216.216’、250−L2
  増幅器、182゜186−・・L2 混合器、19
0−VCO,l 92・・・位相周波数検出器、218
,218’−ピーク制限機能、220,220’、24
2,242’・−ディジタル処理回路、224,224
’−・・−受信処理器、228.238’、252・・
−制限器、240・・−スイッチ。

Claims (32)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)暗号化Pコード信号で変調されたL2搬送波信号
    を再生するよう広域的位置決めシステム(GPS)にお
    ける受信信号を処理する方法であって、 複数の衛星のそれぞれから送信された、Pコードとして
    公知の擬似ランダムコードシーケンスの暗号化バージョ
    ンを含む信号を受信し; 暗号化しないPコード擬似ランダムコードシーケンスの
    レプリカを独立に発生し; 受信暗号化Pコードシーケンスと局部的に発生されたP
    コードシーケンス間の時間関係を示すピークを含む周波
    数スペクトルを得るよう、受信暗号化Pコードシーケン
    スをPコードシーケンスの局部的に発生されたレプリカ
    と相関させ;相関段階の結果を帯域濾波し; 望ましい信号対雑音比でL2搬送波信号再生するよう相
    関され、濾波された信号を2乗する段階よりなる受信信
    号の処理方法。
  2. (2)周波数スペクトルにおけるピークを最大にするよ
    うPコードシーケンスのレプリカを発生する段階を制御
    する段階を更に有する請求項1記載の方法。
  3. (3)Pコードシーケンスのレプリカの発生を制御する
    段階は衛星用擬似領域を示すタイミング情報を得ること
    を含む請求項2記載の方法。
  4. (4)相関段階の結果を帯域に波する段階は、相関段階
    から得られた周波数スペクトルにおいて中心にある略±
    fnull/2の帯域幅で実行され、ここで±fnul
    lは周波数スペクトルにおいて一次零点の位置を決める
    請求項1記載の方法。
  5. (5)相関段階の結果を帯域濾波する段階は約10メガ
    ヘルツより小さく約25キロヘルツより大きい帯域幅で
    実行される請求項1記載の方法。
  6. (6)相関段階の結果を帯域濾波する段階は約500キ
    ロヘルツの帯域幅で実行される請求項1記載の方法。
  7. (7)C/Aコード擬似ランダムコードシーケンスと相
    関することによりL1搬送波信号を再生し; L1搬送波信号から得られた信号で制御段階を補助する
    ことを更に含む請求項2記載の方法。
  8. (8)L2搬送波信号の位相を補助段階はL1搬送波信
    号から得られた信号の位相と比較することを含む請求項
    7記載の方法。
  9. (9)局部的に発生されたPコードシーケンスにより多
    重衛星からの入来信号を識別し分離する段階を更に有す
    る請求項1記載の方法。
  10. (10)広域位置決めシステム(GPS)受信器に用い
    られ、高精度用L2搬送波信号を得る装置であって、 複数の衛星のそれぞれから送信された、Pコードとして
    公知の擬似ランダムコードシーケンスの暗号化バージョ
    ンを含むGPS信号を受信する受信アンテナと; Pコード擬似ランダムコードシーケンスのレプリカを独
    立に発生するPコード発生器と; 受信した暗号化PコードシーケンスをPコードシーケン
    スの局部的に発生されたレプリカと相関させる相関回路
    と; 相関回路から得られた信号をに波する帯域フィルターと
    ; 比較的良い信号対雑音比でL2搬送波信号を得るよう、
    相関され濾波された信号を2乗する2乗回路とからなる
    装置。
  11. (11)L2搬送波信号の出力を最大にするようPコー
    ド発生器のタイミングを調整する制御信号を発生し、各
    衛星用擬似領域を示す信号を得るよう2乗回路からのL
    2搬送波信号出力を処理するディジタル信号処理回路を
    更に含む請求項10記載の装置。
  12. (12)C/Aコード擬似ランダムコードシーケンスと
    相関することによりL1搬送波信号を再生する手段を更
    に含み; ディジタル処理回路はL1搬送波信号から得られた信号
    を用いるPコード発生器の制御を補助する手段を含む請
    求項11記載の装置。
  13. (13)補助する手段はL2搬送波信号の位相をL1搬
    送波信号から得られた信号の位相と比較する手段を含む
    請求項12記載の装置。
  14. (14)帯域フィルターは略500kHzの帯域幅を有
    する請求項10記載の装置。
  15. (15)帯域フィルターは相関器回路から得られた信号
    の周波数スペクトルに中心を有する略±fnull/2
    の帯域幅を有し、ここで±fnullは周波数スペクト
    ルでの1次零点の位置を決める請求項10記載の装置。
  16. (16)帯域フィルターは約10メガヘルツより小さく
    約25キロヘルツより大きい帯域幅を有する請求項10
    記載の装置。
  17. (17)暗号化されたPコード信号の利点を得るべく、
    搬送用に用いられた広域位置決めシステム(GPS)に
    おいて受信信号を処理する方法であって、 複数の衛星のそれぞれから送信された、Pコードとして
    公知の擬似ランダムコードシーケンスの暗号化バージョ
    ンを含む信号を受信し; Pコード擬似ランダムコードシーケンスのレプリカを独
    立に発生し; 受信暗号化PコードシーケンスをPコードシーケンスの
    局部的に発生されたレプリカと相関させ; 相関段階の結果を帯域濾波し; 相関され、濾波された信号を2乗し; 受信Pコードシーケンス及びその局部的に発生されたレ
    プリカ間のタイミング関係を示す明確なピークを含む周
    波数スペクトルを得る2乗信号を処理し; 周波数スペクトルにおけるピークを最大にし、位置決定
    において使用用信号到着時間の正確な測定を得るべくP
    コードシーケンスのレプリカを発生する段階を制御する
    段階よりなる受信信号処理方法。
  18. (18)相関段階の結果を帯域に波する段階は、相関段
    階から得られた周波数スペクトルに中心を有する略±f
    null/2の帯域幅で実行され、ここで±fnull
    は周波数スペクトルにおける一次零点の位置を決める請
    求項17記載の方法。
  19. (19)相関段階の結果を帯域濾波する段階は約10メ
    ガヘルツより小さく約25キロヘルツより大きい帯域幅
    で実行される請求項17記載の方法。
  20. (20)相関段階の結果を帯域濾波する段階は略500
    キロヘルツの帯域幅で実行される請求項17記載の方法
  21. (21)広域位置決めシステム(GPS)搬送受信器に
    用いられ、高精度位置決め用Pコード信号を用いる装置
    であって、 複数の衛星の1つから送信された、Pコードとして公知
    の擬似ランダムコードシーケンスの暗号化バージョンを
    含むGPS信号を受信する受信アンテナと; Pコード擬似ランダムタコードシーケンスのレプリカを
    独立に発生するPコード発生器と;受信した暗号化Pコ
    ードシーケンスをPコードシーケンスの局部的に発生さ
    れたレプリカと相関させる相関回路と; 相関回路から得られた信号を濾波する帯域フィルターと
    ; 相関され、濾波された信号を2乗する2乗回路と; 受信Pコードシーケンス及びその局部的に発生されたレ
    プリカ間のタイミング関係を示す明白なピークを含む周
    波数スペクトルを得るよう2乗信号を処理するディジタ
    ル信号処理回路と; 周波数スペクトルにおけるピークを最大にし、位置決め
    において用いられる信号到着時間の正確な測定を得るべ
    くPコード発生器を制御するフィードバック回路とから
    なる装置。
  22. (22)帯域フィルターは500キロヘルツの帯域幅を
    有する請求項21記載の装置。
  23. (23)帯域フィルターは相関回路から得られた信号の
    周波数スペクトルに中心を有する略±fnull/2の
    帯域幅を有し、ここで±fnullは周波数スペクトル
    における一次零点の位置を決める請求項21記載の装置
  24. (24)帯域フィルターは約10メガヘルツより小さく
    約25キロヘルツより大きい帯域幅を有する請求項21
    記載の装置。
  25. (25)複数の衛星の1つから送信され、C/Aコード
    として公知の擬似ランダムコードで変調されたL1搬送
    波信号及びPコードとして公知の擬似ランダムコードで
    変調されたL2搬送波信号を含むGPS信号を受信する
    受信アンテナと、ここでPコードシーケンスは送信の前
    の暗号化され;C/Aコード発生器と、L1搬送波信号
    及び変調されたデータをそれに得るよう、局部的に発生
    されたC/Aコードを受信L1信号と相関させる相関回
    路とを含み、L1搬送波信号を再生するL1受信モジュ
    ールと; Pコード擬似ランダムコードシーケンスのレプリカと独
    立に発生するPコード発生器と、受信暗号化Pコードシ
    ーケンスをPコードシーケンスの局部的に発生されたレ
    プリカと相関させる相関回路と、相関回路から得られた
    信号を濾波する帯域フィルターと、比較的良い信号対雑
    音比でL2搬送波信号を得るよう相関され、濾波された
    信号を2乗する2乗回路とを含みPコードシーケンスの
    暗号化にもかかわらずL2搬送波信号を再生するL2受
    信モジュールと; からなる広域位置決めシステム(GPS)受信器。
  26. (26)L2受信器は、L2搬送波信号の出力を最大に
    するPコード発生器のタイミングを調整する制御信号を
    発生するべく2乗回路からのL2搬送波信号出力を処理
    するディジタル信号処理回路を更に含む請求項25記載
    のGPS受信器。
  27. (27)ディジタル処理回路は、L1搬送波信号から得
    られた信号を用いてPコード発生器の制御を補助する手
    段を含む請求項26記載のGPS受信器。
  28. (28)補助する手段は、L2搬送波信号の位相をL1
    搬送波信号から得られた信号の位相と比較する手段を含
    む請求項27記載のGPS受信器。
  29. (29)帯域フィルターは略500kHzの帯域幅を有
    する請求項25記載の装置。
  30. (30)帯域フィルターは相関回路から得られた信号の
    周波数スペクトルに中心を有する略±fnull/2の
    帯域幅を有し、ここで±fnullは周波数スペクトル
    における一次零点の位置を決める請求項25記載の装置
  31. (31)帯域フィルターは約10メガヘルツより小さく
    約25キロヘルツより大きい帯域幅を有する請求項25
    記載の装置。
  32. (32)L2受信モジュールは、Pコードが暗号化され
    ない場合、帯域フィルター及び2乗回路をバイパスする
    切換手段を更に有し、ここでL2搬送波は局部的に発生
    されたPコードとの相関によってのみ再生される請求項
    25記載の受信器。
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