JPH0465687A - 測位衛星受信信号処理方法と装置及びナビゲーションシステム - 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ＮＡＶＳＴＡＲ／ＧＰＳ衛星からの信号を受信
する受信装置と受信信号処理方法、及び前記信号を利用
したナビゲーションシステムに関する。

〔従来の技術〕

Ｇ　Ｐ　Ｓ　（Ｇｌｏｂａｌ　’Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎ
ｇＳｙｓｔｅｍ　：全世界測位システム）は、米国国防
総省が構築を進めている人工衛星を用いた全世界電波航
法システムである。

システムは衛星系と地上系から構成される。衛星系は最
終的に計２４個揃う予定であり、システムが完成すれば
２４時間、全世界で３次元測位が可能になる。

ＧＰＳ衛星から送られる信号は、干渉や妨害を受けにく
い、信号秘匿能力が高い、距離測定、時刻同期が可能、
符号分割多重接続が可能などの優れた能力を持つスペク
トラム拡散変調信号である。

スペクトラム拡散変調は、情報データ信号を、その情報
信号の周波数帯域より広帯域で、かつ自己相関が高くて
相互相関が低いという特徴を有するランダムな符号であ
る擬似雑音符号（Ｐｓｅｕ−ｄｏ　　Ｎ。

ｉ、ｓｅ符号：ＰＮ符号）で変調しくこれをＰＮ拡散と
呼ぶ）伝送する方式である。このため、スペクトラム拡
散信号の受信装置には、次の機能が必要となる。まず送
信側で情報データの拡散に用いたＰＮ符号と同じパター
ンのＰＮ符号を受信機内部で生成し、そのＰＮ符号の位
相と受信信号のＰＮ符号の位相を一致させて乗算し復調
することで、送信された情報データを復調する機能であ
る（これをＰＮ逆拡散と呼ぶ）。

次に、その動作を詳細に説明する。

受信装置立ち上げ後、受信すべき信号のＰＮ符号と受信
機内部で作成するＰＮ符号の位相が一致（位相同期）す
るまでＰＮ符号の位相を変化させる、いわゆるＰＮサー
チを同期捕捉するまで行い逆拡散信号を得る。

次に、この逆拡散信号には不用な雑音信号が多く混入し
ているため、逆拡散信号の中心周波数と、前記逆拡散信
号から不要な雑音を除去する狭帯域なフィルタの中心周
波数を一致させて、逆拡散信号をろ波する（周波数同期
）。前記動作により、不用な雑音成分を除去して情報信
号を復調しＰＮ同期を確立する。

以上の操作によりＰＮ同期が確立した後は、常にＰＮ符
号の位相が一致するように、（例えば横山光雄著「スペ
クトル拡散通信システムＪ　ＰＰ、３１１−３２５に示
されるように）震動ループ回路からの信号に基づいてＰ
Ｎ符号発生器を制御し くＰＮ同期追跡）、ＰＮ）−ラッキングする。そのトラ
ッキング状態より３衛星以上のＧＰＳ衛星と受信機間の
距離を測定し、自己位置を演算する。

上記ＧＰＳ受信装置では、電源立ち上げ後測位を行なう
までには位相同期や周波数同期といった過程が必要不可
欠であり、時間を要する。そのため、従来は特開昭５８
−１９１５５２号公報に示される方式により同期サーチ
スピードを可変し、立ち上げ時間を短縮する方法がある
。

〔発明が解決１ようとする問題点〕 ＧＰＳ衛星が送信する電波の信号レベルは、衛星の仰角
や、受信装置に使用するアンテナの利得パターンの仰角
に対する偏差などの要因により、大きく変化する。

そのため、信号レベルにより最適なＰＮサーチスピード
や、不用な雑音を除去する狭帯域フィルタの帯域幅、及
び震動ループ回路におけるループフィルタ等のパラメー
タを最適に選択する必要がある。しかしく１）従来、こ
れらパラメータを信号レベルによらず一律にしていたた
め、位相同期や周波数同期に要する時間が長くなるとい
う問題があった。また（２）同期に要する時間と、距離
の測定精度の間には相反する性質があり、−律にこれら
パラメータを設定すると両特性を満足させるのが困難で
あった。また震動ループ回路において、データが反転す
るとき距離の測定精度が悪化するという問題点があった
。さらに（３）ＧＰＳ信号の受信可否や信号レベルは、
測位に使用する衛星の組合せを変更するためにのみ使用
されていた。

本発明の目的は、ＰＮサーチに要する時間を短縮すると
ともに、距離の測定精度を上げて測位誤差を少なくする
ことにある。さらにＧＰＳ信号の受信可否や受信信号レ
ベルの情報をナビゲーションシステムに応用し、測位精
度の高いナビゲーションシステムを実現することにある
。

（問題を解決するための手段〕 上記目的を達成するために、本発明は、（１）ＧＰＳ衛
星から送信された航法データと測位する時刻より、その
時刻に見えるＧＰＳ衛星の仰角を予め計算し、その仰角
におけるアンテナの利得やＧＰＳ信号の伝搬損失から、
受信されるＧＰＳ信号のＳ／Ｎ比（信号対雑音比）を求
める機能を備えた。さらに、その値より最適なＰＮサー
チスピードや、逆拡散信号から不用な雑音を除去するフ
ィルタの帯域幅、及び震動ループ回路におけるループフ
ィルタのパラメータを設定し、ＰＮ同期捕捉や追従する
機能を備えたものである。

（２）ＧＰＳ衛星の航法データが全くないとき、または
そのデータの信頼度が著しく悪いときや、時刻情報がな
いときには、最初にフィルタの帯域幅を広げてＧＰＳ信
号め同期捕捉を行い、それでＰＮ同期が得ら′丘なかっ
た場合には、フィルタの帯域幅を狭めて同期捕捉を行い
、ＰＮ同期を確立する機能を備えたものである。

（３）震動ループ回路におけるループフィルタのパラメ
ータを、゛同期追跡前後で切り替える機能を備えたもの
である。□ （４）ＧＰＳ衛星の航法データ信号が反転する時間を前
のデータ反転から推定し、データが反転するときは震動
ループ回路におけるループフィルタへの信号入力を止め
、出力をホールドする゛機能を備えたものである。

（５）ＧＰＳ信号のＳ／Ｎ比などの外部情報を入力する
手段を備え、その情報をもとに最適なＰＮサーチスピー
ド・逆拡散信号から不用な雑音を除去する狭帯域フィル
タの帯域幅・震動ループ回路におけるループフィルタの
パラメータを設定する機能を備えたものである。

（６）ＧＰＳ信号の受信の可否、ＧＰＳ信号の受信レベ
ルなどの情報を外部に出力する機能を持ち、ナビゲーシ
ョンシステムではその情報と地図データに記録されてい
る周囲建物状況を突合せ、現在位置を推定する機能を備
えたものである。

〔作用〕

（１）ＧＰ≦信号のＳ／Ｎ比は、ＧＰＳ衛星の見える仰
角のＧＰＳ信号伝搬損失とアンテナの仰角に対する利得
パターンから計算される。ＧＰＳ衛星の見える仰角が高
いときには不用な雑音を除去する狭帯域フィルタの帯域
を広げ、高速にＰＮ位相同期をとる。またＧＰＳ衛星の
見える仰角が低いときには、このフィルタの帯域を狭め
、低速でＰＮ位相同期をとる。

（２）ＧＰＳ衛星の航法データが全くないとき、または
そのデータの信頼度が著しく悪いとき、時刻情報がない
ときには、ａｐｃＪｔ号のレベルを計算できないので、
まず逆拡散信号から不用な雑音を除去する狭帯域フィル
タの帯域゛を広げ、ＰＮサーチを行う。この処理で同期
が検圧されない場合はＧＰＳ信号のレベルが低いので、
このフィルタの帯域を狭めてＳ／Ｎ比を向上させる。さ
らにｐＮサーチを行い、ＰＮ同期勢確立する。

（３）　ｌ：動ループにｉけるループフィルタのパラメ
ータを、ＰＮ同期を検圧した時点から測位を開始するま
では短時間に、かつ安定にＰＮトラーツキングが成り立
つパラメータを選択しくループフィルタ内の乗算器の定
数を小さくする）、測位を開始した後は距離の測定誤差
が最小になるパラメータを選択する（ループフィルタ内
の乗算器の定数を大きくする）ように働く。

（４）ＧＰＳ衛星の航法データ信号は５０ＢＰＳなので
、２０ｍ５おきにデータが反転する。この性質を利用し
、前のデータ反転から次のデータ反転がいつ起きるかを
計算し、データ反転が起きるときには震動ループにおけ
るループフィルタへの信号入力を止める一方、出力信号
をホールドするように働く。

（５）以前に受信したときのＧＰＳ信号レベルなどの情
報を外部データとして受取り、それにもとづき信号レベ
ルが高いと判′断されたときには、逆拡散信号から不用
な雑音を除去する狭帯域フィルタの帯域を広げ、高速に
ＰＮ位相同期をとる。また信号レベルが低いと判断され
たときには、このフィルタの帯域を狭め、低速でＰＮ位
相同期をとる。

（６）ナビゲーションシステムで自己位置の測定にＧＰ
Ｓ信号を利用する場合、ＧＰＳ信号の受信可否や信号レ
ベルより、そのＧＰＳ衛星が見える方向・に障害物があ
るか否かを確認する。障害物があると判断したときには
、地図情報とＧＰＳ受信装置から構成される装置情報を
突き合わせる。さらにＧＰＳ衛星が見える方向に障害物
があるか否かを地図で調べる。さらに障害物の陰になる
ようにマツプマツチングして自己位置を決定する。

（実施例〕 以下、□本発明の１実施例を第１図を用いて説明する。

　　　゛ 第１−は本発明を適用したＧＰＳ受信装置の１構成例で
ある。

第１図で、ＧＰＳ衛星から送信された中心周波数１５７
５゜４２ＭＨｚのスペクトラム拡散信号は、アンテナ１
で捕らえられ高周波部２３に送られる。

高周波部２３は、この信号を低雑音アンプ２にて増幅し
、基準発振器２２（例えば発信周波数が６５．４７２Ｍ
Ｈｚのもの）で周波数管理される第１局部発振器４で作
成した搬送波（例えば発信周波数１５０９．９４８Ｍ）
（ｚ）によりミキサ３でダウンコンバージョンし、第１
中間周波信号Ｓｌを得る。

さらにこの信号Ｓ１から不要な雑音信号を帯域通過フィ
ルタ５（例えば通過帯域幅約２　Ｍ　Ｈｚ　）で除去し
、逆スペクトラム拡散部２４に送る。

逆スペクトラム拡散部２４では、ＰＮ符号ＮＣＯ３とＰ
Ｎ符号発生器７により、受信すべきＧＰＳ衛星信号のＰ
Ｎ符号と同じパターンで、かつ同位相のＰＮ符号で、高
周波部２３がら送られ為スペクトラム拡散信号を逆拡散
し、第２中間周波信号Ｓ２を得る。

この第２中間周波信号Ｓ２を２分岐し、基準発振器２２
の出力位相差を９０”とした２′″：）の信号と混合し
て周波数変換（ダウンコンバージョン）し１位相が９０
°相異なる第３中間周波信号Ｓ３．ａ、ｂを得る（それ
ぞ１［信号、Ｑ信号とよばれる）。

以上のようにＩ、Ｑ信号に一分離処理することで、低い
サンプリング周波数で処理可能とするとともに、ディジ
タル信号処理部の構成を簡略化している。

さらにＡ／Ｄ変換器の前に設けられた低域通過フィルタ
１２．ａ、ｂで、Ａ／Ｄ変換器のサンプリング周波数の
１７２以上の周波数成分である折り返し信号を除去し、
信号Ｓ４．ａ、ｂを得る。

ここで信号８３．ａ、ｂはドツプラ効果により約±４Ｋ
Ｈｚの周波数変動があり、また基準発信器の周波数変動
を考慮すると低域通過フィルタ１２、ａ、’ｂの遮断周
波数を約５〜７ＫＨｚに選ぶと良い。

さらに、Ａ／ＩＩ＞変換器でこのアナログ信号Ｓ４゜ａ
、ｂを（例えば基準発信器信号を分局器１１で４０９６
分周した１５．９８４３７５ＭＨｚのサンプリング信号
で）ディジタル信号Ｓ５．ａ、、ｂに変換し、ディジタ
ル信号処理部２５に送る。

ディジタル信号処理部２５では、ディジタル発振器で構
成される第３局部発振器１５から出力される搬送波信号
と、信号Ｓ５．ａ、ｂをミキサ１４゜ａ、ｂで混合し、
ダウンコンバージョンされた信号Ｓ６．ａ、ｂを得る。

さらに、演算部２１からの信号８１６により、アダプテ
ィブに信号遮断周波数を変更可能で通過帯域を変えら九
る低域通過フィルタ１６．ａ、ｂで、信号５６．ａ、ｂ
がら不要な雑音を除去し、航法データ信号を含んだ搬送
波信号Ｓ７．ａ、ｂを得る。

データ復調器１７は、例えばコスタス復調器やＴＡＮ形
式復調器で構成され、希望とするデータを含んだ搬送波
信号Ｓ７．ａ、ｂがら搬送波信号を再生し、これを入力
信号と比較することでデータ信号Ｓ８を復調し、演算部
２１に送る。

また検波器１８は、入力信号Ｓ７．ａ、ｂの自乗和の平
方根を計算し、入力信号の振幅情報信号Ｓ９を得る。

この信号Ｓ９は演算部２１に送られ、＄９の振幅が設定
したレベル以上であればＰＮ同期状態、Ｓ９の振幅が設
定したレベル以下であればＰＮ非同期状態と判別し、そ
の結果をＰＮ同期信号５１３として出力する。

さらに振幅情報信号Ｓ９は震動ループ１９に送られ、基
準発振器２２から発信されたデイザ−信号８１４による
処理や、演算部からの基準信号Ｓ１７により設定された
フィルタ周波数でフィルタリング処理されてＰＮ同期追
跡信号５１０が出力される。なお、震動ループ１９へは
演算部２１からデータ反転信号Ｓ１５も入力され検波器
１８からの信号Ｓ９の震動ループ１９への入力を制御し
ている。

またスイッチ２０はＰＮ同期捕捉信号ＳＳｌ上ＰＮ同期
追跡信号Ｓ１０を切り替えるものである。

演算部２１からのＰＮ同期信号８１３が非同期状態を示
していれば演算部２１から出力されるＰＮ同細捕捉信号
Ｓｌｌに切り替えられ、同期状態を示していればＰＮ同
期、追跡信号Ｓ１０に切り替えられる。

このスイッチ２０から出力される制御信号Ｓ１２はＰＮ
符号ＮＣＯ３に入力され、ＰＮ符号の位相を制御し、Ｐ
Ｎ同”□期状態を作り出す。

以上の構成でＧＰＳ信号を復調し、測位がなされるが、
従来方式と異′なる点は、低域通過フィルタ１６．ａ、
ｂの遮断周波数を演算部２１からの信号Ｓ１６に基づい
てアダプティブに変化できること、同じく演算部２１か
らの制御信号Ｓ１７に基づいて震動ループのフィルタ定
数を変化できること、ＰＮ同期捕捉信号ＳＳｌ上変化可
能でＰＮ同期点を捜す速度（サーチスピード）を自由自
在に変化できる点にある。このＰＮサーチは、受信波の
ＰＮ符号チップレート周波数と受信機内部で作成するＰ
Ｎ符号のチップレート周波数をわずかに違えることによ
り、等価的にＰＮ符号の位相を変化させることで実現さ
れる。例えば受信波ＰＮ符号のチップレート周波数を１
．０２３ＭＨｚ、受信機内部で生成するＰＮ符号のチッ
プレート周波数を１．０２３２ＭＨｚとすれば、サーチ
スピードは２００ＢＩＴ／Ｓｅｃになる。従ってサーチ
を早めるには、互いのチップレート周波数差を大きくす
れば良いことになる。

次に演算部の処理構成を第２図を用いて説明する。

航法データ解析部４４では復調されたＧＰＳ衛星航法デ
ータ信号Ｓ８から航法データを編集し。

測位や速度演算に必要なアマルナツクデータ（ＧＰＳ衛
星の概略位置情報）やエフオメリスデータ（ＧＰＳ衛星
の詳細位置情報）への変換を行なう。

また、データ信号Ｓ８には搬送波のドツプラ周波数変化
量に関する情報も重畳して送られる。

□フィルタ制御演算部４５は、後述するＧＰＳ信号のＳ
／Ｎ比を推定演算し、低域通過フィルタの帯域幅を決定
し、フィルタ信号８１６をデジタル信号処理部２４に出
力する。

同期判定部４６は１人力信号の振幅情報信号Ｓ９を監視
し、その振幅が設定したレベル以上であればＰＮ同期状
態、振幅が設定したレベル以下であればＰＮ非同期状態
と判別する。震動ループ制御演算部４７は、後述する入
力信号のデータ反転時の測位精度悪化を防ぎ、かつ高速
で安定にトラッキングするためのループフィルタを最適
化するものである□、そのため、データ反転時刻を予測
してデータ反転信号Ｓ１５を出力するとともに、ループ
フィルタの乗算器定数の制御信号Ｓ１７により変イヒさ
せる。

スイッチ制御信号部４８は、同期捕捉モードと同期追跡
モードを切り換えるＰＮ同期信号Ｓ１３を出力する。

ドツプラ変動補償部４９は、搬送波信号Ｓ７゜ａ、ｂに
ドツプラ変動の影響が及ばないように制御する第３局発
振制御信号Ｓ２４を、第３局部発振器に出力する。

衛星選択部５３は、最も測位精度が高くなる衛星の組合
せを選択する。

測位演算５４は距離計測カウンタ４４より出力される擬
似距離データ信号Ｓ２３、ＧＰＳ衛星の位置データよ′
り自己の３次元位置を計算する。

速度演算部５５は擬似距離変化率データ（これは搬送波
の周波数変化量より求まる）、ＧＰＳ衛星の位置データ
等より自己の速度及び進んだ方向を計算する。

次に、演算部２１の処理アルゴリズムを第３図を用いて
説明する。電源立ち上げ後、立ち上げ処理１００を行な
い、演算部内部に蓄えられているアルマナックデータを
用いて現在見えるＧＰＳ衛星の位置と速度を求める１０
１゜ その幾何学的な位置の組合せより、最も高い精度で自己
位置を測位可能な４個のＧＰＳ衛星の組合せを決定する
（２次元測位の場合には、３個の衛星組合せ）１０２゜ さらにＧＰ８ｔｈ星の位置及び速度から衛星信号のドツ
プラシフト周波数量を計算する１０３゜これら基本演算
が終了した後、ディジタル信号処理部の設定を行なう。

まず、震動ループのループフィルタの定数を急速にトラ
ッキングする定数とする１０４゜次に搬送波信号Ｓ７．
ａ、ｂからドツプラ周波数変動を除去するため、演算さ
れたドツプラシフト量から第３局部発振器１５の発振周
波数を設定する１０５□。

さらに低域通過フィルタ１６．ａ、ｂの帯域幅を後で説
明する方式により設定する１０６゜以上の設定が終了し
た後、ＰＮ同期サーチを開始する。同期判定１０７では
、ＧＳＰ信号の振幅レベルを監視し、これがある一定の
レベルを越えたときはＰＮ同期が得られたものと判断し
て測位を開始する。

一方振幅がある同定レベル以下の時は、ＰＮＩ周期分の
サーチが終了するまでサーチを継続し。

それでもＰＮ同期しない場合は第３局部発振器１５の発
振周波数を僅かに変化させて再度ＰＮ同期サーチを行な
う１０８゜ ＰＮ同期が得られた場合は、スイッチ制御信号部４８か
らスイッチ切り換え信号５１３を出力しＰＮＮＣＯ制御
信号Ｓ１２をＰＮサーチ信号ＳｌｌからＰＮトラッキン
グ信号Ｓ１０に変化させて同期をとる１０９゜同期後、
震動ループ制御演算１１０を行ないのループフィルタ定
数を擬似距離測定精度が改善される値に変更した後、デ
ータ復調器１７より得られるドツプラ周波数を基に演算
ｌｌｌして、さらに精度良くドツプラ周波数変動を除去
し、擬似距離精度を高めるため低域通過フィルタ１６．
ａ、ｂの帯域を狭める１１２゜また得られる航法データ
を編集し、アルマナックデータ・エフオメリスデータ等
を得る１１３゜さらに擬似距離や擬似距離変化率の測定
値を入力し１１４それを用いて自己位ＩＬ１’５．速度
及び進行方向１１６を演算し出力する。同期がとれてい
る間は測位を継続し、同期が外れた場合は、再度同期を
取り直し測位を継続する１′１７゜ 次に各部の動作を説明する。

ディジタル信号処理部のデータ復調器１７から出力され
る航法データ信号Ｓ８は、演算部２１で編集・解析が行
われ衛星時刻や各ＧＰＳ衛星の位置情報（アルマナラ・
クデータ）が得られる。

このアルマナックデータ（あるいは以前に収集したアル
マナックデータ）と時刻、現在位置の情報より、各ＧＰ
Ｓ衛星の見える仰角を計算する。

”さらに演算部２１内部のメモリに蓄えられたアンテナ
１の仰角に対する利得Ｇ（ｄＢ）を読み出し、その仰角
時におけるＧＰＳ信号が大気中で減衰した量Ｌ　（ｄＢ
）を計算する。ここで、ＧＰＳ信号の実効的な電力をＰ
　（ｄＢｍ：　１０１１０１ｏ　ｍ　Ｗ　）で計算され
、Ｏｄ、Ｂｍ＝１ｍＷとなる）とすれば受信されるＧＰ
Ｓ信号信号レベル軸式により計算される。

５＝Ｐ−Ｌ＋Ｇ また雑音レベルＮ（ｄＢｍ）を熱雑音レベルに近似すれ
ば、雑音レベルＮは法式で計算される。

Ｎ＝ｋＴＢ・ ただしｋはボルツマン定数、Ｔは等価雑音温度、Ｂは受
信機の帯域幅である。このＧＰＳ信号信号レベル軸音レ
ベルＮの比により、受信するＧＰＳ衛星の信号対雑音比
（Ｓ／Ｎ比）が計算できる。

このＳ／Ｎ比が高いときは、低域通過フィルタ１６、ａ
、ｂの遮断周波数を高くし帯域幅を１　（ｋＨｚ）程度
に広げる。このように帯域幅を広げることで周波数同期
・し易くなる。

さらにＰＮサーチスピードを早め、位相同期を５秒以下
と短時間で得るようにする。

またＳ／Ｎ比が低いときは、低域通過フィルタＬ６．ａ
、ｂの遮断周波数を低くし帯域幅を２００（Ｈｚ）程度
と狭める。このよう−に帯域幅を狭めることでＳ／・Ｎ
比が向上し、ＧＰＳ信号の捕捉が可能になる。さらにＰ
Ｎサーチスピードを遅くシ。

雑音の影響による誤りなく位相同期を得るようにする。

このため位相同期時間は１０秒前後必要になる。

上記のものは、アルマナックデータ、時刻、現在位置の
情報により各パラメータを変化させる方式であったが、
外部データＳ１８に基づき各パラメータを変化させる手
法もある。次にその動作を説明する。

演算部２１は、アルマナックデータを外部データＳ１８
で外部演算装置に出力する。その演算装置では、現在位
置の概略値より時間に対する衛星仰角のテーブルを作成
し、メモリに蓄える。ＧＰＳ衛星の軌道高度が現在のま
まであれば、衛星は時間的に４分強早くなりながら毎日
同じ地上の上を通る。その効果を考慮し、現在時刻と衛
星仰角テーブルからＧＰＳ衛星の仰角を割り出す。その
仰角値を外部データ８１８で演算部に送り、上記手法で
低域通過フィルタ１６．ａ、ｂの遮断周波数、ＰＮサー
チスピードを決定し、ＰＮ同期を図る。

上記外部演算装置の操作は、演算部２１内で記憶・実行
することもできる。

さらに他の手法を説明する。

まず振幅情報信号Ｓ９を演算部に取り込み、受信してい
るＧＰＳ信号のＳ／Ｎ比を測定する。これはどの衛星も
受信していない場合と、ＧＰＳＩ星からの信号を受信し
た場合の振幅の差より計算される。この実測されたＳ／
Ｎ比と、衛星の仰角。

アンテナの利得から演算されるＳ／Ｎ比を比較し、演算
されたＳ／Ｎ比を補正し、その補正値を記憶する。さら
にＳ／Ｎ比情軸情報部データ８１８で外部演算装置（図
示していない）に出力する。この外部演算装置はＳ／Ｎ
比の情報と時刻情報をメモリに蓄える。後日測位を行う
場合には、ＧＰＳ衛星が時間的に４分強早くなりながら
毎日同じ地上の上を通る効果を考慮し、その時刻におけ
るＧＰＳ信号のＳ／Ｎ比をメモリより呼び出し外部デー
タ８１８で演算装置２１に出力する。この情報により、
低域通過フィルタ１６．ａ、ｂの遮断周波数、ＰＮサー
チスピードを決定し、ＰＮ同期時間の短縮を図る。上記
外部演算装置の操作は、演算部２１内で記憶・実行する
こともできる。

またアルマナックデータ、時刻情報、現在位置情報が無
い場合の処理方法について次に説明する。

まずＧＰＳ信号の受信開始時には、低域通過フィルタ１
６．ａ、ｂの遮断周波数を高くし、通過帯域幅を広げて
ＰＮサーチを開始する。このように帯域幅を広げること
で周波数同期し易くなる。しかしこのように帯域幅を広
げてしまうと、Ｓ／Ｎ比が悪化するため、仰角の低いＧ
ＰＳ衛星は捕捉できない場合が発生する。そこでＧＰＳ
信号が捕捉できなかった場合には、 Ｓ／Ｎ比を改善するため、低域通過フィルタ１６、ａ、
ｂの遮断周波数を低くし、通過帯域幅を狭め、もう１度
ＰＮサーチを行いＰＮ同期を確立する。

以上ｃ　ｐ　ｓ　４＝号の捕捉について説明したが、Ｐ
Ｎサーチ時間の短縮以外にＧＰＳに希望される機能とし
て、測位精度がある。測位精度を高めるためには、入力
するＧＰＳ衛星信号のＰＮ符号と。

受信機内部のＰＮ符号発生器７で作成するＰＮ符号の位
相を完全に一致させるように震動ループ１９で制御し、
距離測定精度を上げればよい。

そこで本発明を適用した震動ループの１構成例を第４図
に示し、以下その詳細を説明する。

入力された振幅情報信号Ｓ９は、データ反転信号Ｓ１５
によりスイッチ、ホールドされ切換器２５に送られる。

この信号は切換器２５において、デイザ−信号Ｓ１４で
進み信号と遅れ信号に分けられる。各々進み信号、遅れ
信号はループフィルタを通過し、デイザ−信号８１４で
制御されるホールド２６．ａ、ｂでデータが記憶される
。各々の出力は加減算器２７に入力され、差がとられＰ
Ｎ同期追跡信号Ｓ１０を出力する。

次にその動作を説明する。

震動ループに入力される振幅情報信号Ｓ９は。

第５図（ｂ）に示すような特徴がある。第５図で（ａ）
は航法データ信号Ｓ８を示しており、横軸は時間である
。つまりデータが反転するところで８９の振幅が落ちる
現象が発生することである。

これは受信機に使用しているフィルタの影響により発生
するもので避けることが出来ないものである。またこの
ような振幅レベルの急激な変動が、ループフィルタ２８
．ａ、ｂを通過すると、ＰＮ同期に悪影響を及ぼし測位
性能が悪化する。

そこでＧＰＳ航法データ信号Ｓ８のデータ反転する時刻
を、前のデータ反転時間とデータ反転周期２０ｍ５から
演算部２１で計算し、そのデータ反転時間前後の時間に
信号レベルが１になる第５図（Ｃ）に示したデータ反転
信号Ｓ１５を８カする。

Ｓ１５の信号レベルがＯから１に反転したときは、スイ
ッチ２３を切り放し入力が加わらなＬＸようにするのと
同時にスイッチを切り放す前のデータをホールド２４で
記憶する。

逆に８１５の信号レベルが１から０に反転したときは、
スイッチ２３を接続しホールド２４」士無効とするよう
に働く。

これにより第５図（ｂ）に示した振幅情報信号は、（ｄ
）に示す信号に変換される。このようｔこ情報信号の反
転時の振幅レベルの変動が小さくなるので、距離の測定
精度さらには測位精度力〜改善される。さらに（ｄ）に
示した信号るよスイッチ２５でデイザ−信号Ｓ１４の制
御のもと進み信号Ｓ１９と遅れ信号Ｓ２０に分けられる
。

各々進み信号、遅れ信号は、ループフィルタに送られ処
理がなされる。本発明の特徴は、このループフィルタ２
８．ａ、ｂ内部の乗算器定数を、演算部からの制御信号
８１７により、その処理過程に応じてアダプティブに変
化できるところに特徴がある。

ＰＮサーチを行い同期捕捉する時には、確実に同期捕捉
し、さらに急速にトラッキングする必要性があるので、
乗算器２９．８の定数に小さな値を選び１次ループフィ
ルタの特性に近くする。またＰＮ同期追従時には、トラ
ッキングのオフセット成分を無くし、測位性能を上げる
ために、乗算器２９、ｂの定数に大きな値を選び２次ル
ープフィルタの特性とする。

さら″に乗算器３０．ａ、ｂの定数−も測位精度が向上
するように値が切り換えられる。以上の方法にてループ
フィルタから出力された信号は、ホールド２６．ａ、ｂ
に送られる。スイッチ２５で切り換えた信号がループフ
ィルタ２８．８　に出力しでいる場合には、スイッチ２
５が切り換えられる直前のループフィルタ出力信号をホ
ールド２６．ｂに記憶する。

さら−にループフィルタ２８．ｂに出力するようにスイ
ッチ２５が切り換えられた場合は、ホールド２６、ｂ　
は解放され逆にスイッチ２５が切り換えられる直前のル
ープフィルタ出力信号をホールド２６、ａ　に艷憶する
。このようにして得られる信号Ｓ２１．Ｓ２２を、加算
器２７で加減算しＰＮ同期追跡信号を得ている。

次に上記で説明したＧＰＳ受信装置を自動車ナビゲーシ
ョンシステムに組み込んだ例を第６図に示す。

システムは、センサ系・表示系・情報系・演算系からな
る。

センサには自己の絶対位置を測定するＧＰＳ受信装置３
１１回転角度を計測する光ファイノくジャイロ３９・舵
角センサ３７、方位を検出する地磁気センサ３８、速度
を計測する車速センサ３６カ１使用される。

表示系はＬＣＤデイスプレィ３２．情報系は道路情報受
信機３４、演算系は道路地図を記憶するＣＤ−□ＲＯＭ
３３、センサ出力より自己位置を求め、マツプマツチン
グ・表示などをコントロールする演算部３５で構成され
る。

簡単にその動゛作を説明する。ＧＰＳ受信装置は常時自
己位置を測定し、その測定結果をＬＣＤデイスプレィに
表示する。しかし建物の陰等になりＧＰＳ信号の受信が
不能な場合は′測位出来なくなる。そこで光フアイバジ
ャイロ、舵角センサより出力される角度情報、車速セン
サから出力される角度情報、地磁気センサから出力され
る方位情報によりナビゲーションを行なうと共に、マツ
プマツチングを併用し測位精度を高め、その測定結果を
ＬＣＤデイスプレィに表示する。このような構成とする
ことで、常時正確なナビゲーションが可能になる。また
光フアイバジャイロ、舵角センサ、速度センサ、地磁気
センサなとのセンサ情報により常時ナビゲーションを行
ない、ＧＰＳ受信装置の測位結果で補正することも可能
である。

さらにこのＧＰＳ受信装置は、船・飛行機・人工衛星な
どのナビゲーションシステムにも適用可能である。

次に、上記構成による自動車ナビゲーションシステムに
、本ＧＰＳ受信装置を組み込み、ナビゲーションを行っ
た例を第７図に示す。

図において道路上を走行している自動車４０の走行方向
をベクトル４２、建物を４１、ＧＰＳ衛星が見える方向
ベクトルを４３で表した。

ＧＰＳシステムの測位精度は、衛星の見える配置にもよ
るが３０ｍ・〜５０ｍの誤差がある。その誤差を修正す
るため、地図と測位結果の比較を行い、強制的に自己位
置を道路上に合わせるマツプマツチングがなされる。

この図の場合、自動車の走行ベクトル４２から、図に示
した道路の走行が選択される。しかしこのまま走行を続
ければ、ベクトル４３の方向からくるａ　ｐ　Ｓ　信号
が建物４１で遮断されるために、自動車４ｏに搭載した
ＧＰＳ受信装置ではＧＰＳ信号が受信できなくなる。こ
れは第１図の振幅情報信号Ｓ９の信号レベルが下がり、
ＰＮ同期が外れることで判定される。よってこのＧＰＳ
信号遮断の情報を利用すれば、マツプマツチングが行え
る。

つまり第７図に示す道路地図を記憶したＣＤ−ＲＯＭ３
３から、建物４１の情報を得て、ＧＰＳ信号が遮断され
たときに、ＧＰＳ衛星の見えた方向ベクトル４３が建物
４１と交わる道路上の場所にマツプマツチングすること
で正確な位置を知ることが出来る。

〔発明の効果〕

本発明は、以上説明したように構成されているので、以
下に記載されるような効果を奏する。

（１）ＧＰＳ衛星から送られる信号のＳ／Ｎ比を、ＧＰ
Ｓ衛星の見える仰角、ＧＰＳ受信装置に使用するアンテ
ナの仰角に対する利得パターンより計算し、その信号レ
ベルに最適なＰＮサーチスピード、逆拡散信号から不要
な雑音信号を除去するフィルタの帯域幅をアダプティブ
に変化させることで、位相同期や周波数同期に要する時
間を短縮し、測位開始するまでの時間を短くできる。

（２）ａｐｓ衛星の位置、自己の概略位置、時刻などの
情報が全く無い場合でも、最短の時間でＰＮ同期が出来
るので、測位開始するまでの時間を短くできる。

（３）□嚢動ループ回路におけるループフィルタのパラ
メータをＰＮ同期前後で切り換えることにより、高速で
安定した同期捕捉と、測位精度の向上が図られる。

（４）データ反転を以前のデータ反転から推定し、その
期間は震動ループ回路の制御を止めることでＧＰＳ信号
のデータ反転時に発生する測位誤差の悪化を防ぐことが
でき、測位精度の向上が図られる。

（５）ＧＰＳ衛星の仰角や、ＧＰＳ信号のＳ／Ｎ比など
の情報を外部と入出力する手段をもたせ、そのＧＰＳ信
号レベルに最適なＰＮサーチスピード、逆拡散信号から
不要な雑音信号を除去するフィルタの帯域幅をアダプテ
ィブに変化させることで、位相同期や周波数同期に要す
る時間を短縮し、測位開始するまでの時間を短くできる
。

（６）ＧＰＳ信号の受信可否を外部に８力し、ナビゲー
ション装置ではその情報と地図データに記録された周囲
建物状況を突合わせ、マツプマツチングすることで、よ
り正確な位置を決定できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はＧＰＳ受信装置のブロック図５第２図は演算処
理部の構成図、第３図は演算処理部の処理のフローチャ
ート、第４図は震動ループ回路の詳細図、第５図は震動
ループ回路に入出力される信号、第６図はＧＰＳ受信装
置を用いた自動車用ナビゲーション装置、第７図はマツ
プマツチングに使用する地図データである。 １・・・アンテナ、２・・・低雑音アンプ、３，６，９
．ａ、９．ｂ、１４゜ａ、１４．ｂ・・・ミキサ、４・
・・第１局部発振器、５・・・帯域通過フィルタ、７・
・・ＰＮ符号発生器、８・・・ＰＮ符号ＮＣ０１１０・
・・９０”ハイブリッド、１１・・・分周器、１２、ａ
、１２．ｂ、１６．ａ、１６．ｂ−低域通過フィルタ、
１３、ａ、１３．ｂ−Ａ　／　Ｄ変換器、１５・・・第
３局部発振器。 １７・・・データ復調器、１８・・・検波器、１９・・
震動ループ。 ２０．２３，２５・・・スイッチ、２１・・・演算部、
２２・・・基準発振器、２４，２６．ａ、２６．ｂ−Ｈ
ＯＬ　Ｄ、２７−・・加算器、２８．ａ。 ２８、ｂ−・・ループフィルタ、２９．ａ、２９．ｂ、
３０．ａ、３０．ｂ−乗算器、３１・・・ＧＰＳ受信装
置、３２・・・ＬＣＤデイスプレィ、３３・・・ＣＤ−
ＲＯＭ、３４・・・道路情報受信機、３５・・・演算部
、３６・・・車速センサ、３７・・・舵角センサ、３８
・・・地磁気センサ、３９・・・光フアイバジャイロ、
４０・・・自動車（ナビゲータ−）＼、４１・・・建物
、４２・・・走行ベクトル、４３・・・ＧＰＳ衛星が見
える方向ベクトル、４４・・・航法データ解析、４５・
・・フィルタ制御演算、４６・・・同期判定、４７・・
・震動ループ制御演算、４８・・・スイッチ制御信号、
４９・・・ドツプラ変動補償、５０・・・立ち上げ処理
、５１・・・衛星位置速度演算−５２・・・ドツプラシ
フト変化量演算、５３・・・衛星選択、５４・・・測位
演算、５５・・・速度演算

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、測位衛星からの信号を受信して移動体の現在位置を
   求める測位衛星受信信号処理方法において、衛星の仰角
   、アンテナの利得パターンより、測位衛星からの信号の
   Ｓ／Ｎ比を演算し、前記Ｓ／Ｎ比に基づき最適な同期パ
   ラメータを求め、移動体の現在位置を求めることを特徴
   とする測位衛星受信信号処理方法。 ２、請求項第１項において、前記同期パラメータは同期
   点サーチスピード、逆拡散された測位衛星からの信号か
   ら雑音を除去するフィルタの帯域幅、震動ループにおけ
   るループフィルタのゲインであることを特徴とする測位
   衛星受信信号処理方法。 ３、請求項第２項において、衛星の通過時刻、仰角を演
   算すると共に、前記Ｓ／Ｎ比および前記同期パラメータ
   と共に予め記憶しておき前記記録時刻に応じて同期パラ
   メータを用いて受信信号を処理することを特徴とする測
   位衛星受信信号処理方法。 ４、請求項第３項において、前記記録データは実際の測
   定結果に基づいて補正し、前記補正結果を再記録するよ
   うにしたことを特徴とする測位衛星受信信号処理方法。 ５、測位衛星からの信号を受信して移動体の位置を求め
   る測位衛星受信信号処理方法において、前記測位衛星か
   らの信号の受信開始時は、逆拡散され測位衛星からの信
   号から雑音を除去するフィルタの帯域幅を広げ、前記状
   態で同期が得られない場合は前記フィルタの帯域幅を狭
   めて測位衛星からの信号の同期捕捉を行うことを特徴と
   する測位衛星受信信号処理方法。 ６、測位衛星からの信号を受信して移動体の現在位置を
   求める測位衛星受信信号処理方法において、受信信号と
   同期を取り、信号追跡を行う震動ループ内のループフィ
   ルタのゲインを、同期捕捉時と同期追従時で変化させる
   ことを特徴とする測位衛星受信信号処理方法。 ７、請求項第６項において、前記震動ループフィルタの
   ゲインを同期補足時は短時間にトラッキングが成り立つ
   ようにし、同期追従時には距離の測定精度が向上するよ
   うにした測位衛星受信信号処理方法。 ８、測位衛星からの信号を受信して移動体の現在位置を
   求める測位衛星受信信号処理方法において、前記測位衛
   星から送られるスペクトラム拡散信号のデータ反転時刻
   を予め演算し、前記予測時刻には震動ループのループフ
   ィルタへのデータ信号の入力を止め、前記震動ループか
   らは前記出力を止める前の値を出力することを特徴とす
   る測位衛星受信信号処理方法。 ９、測位衛星からの信号を受信して移動体の現在位置を
   求める測位衛星受信信号処理方法において、外部入力デ
   ータに基づき同期点サーチスピード、逆拡散された測位
   衛星からの信号から雑音を除去するフィルタの帯域幅、
   震動ループにおけるループフィルタのパラメータを設定
   することを特徴とする測位衛星受信信号処理方法。 １０、測位衛星からの信号を受信して移動体の現在位置
   を求める測位衛星受信信号処理方法において、同期サー
   チスピードは、受信波のＰＮ符号と、受信機内部のＰＮ
   符号の周波数の差を大きくすることによりサーチ速度を
   早くすることを特徴とする測位衛星受信信号処理方法。 １１、測位衛星からの信号を受信して移動体の現在位置
   を求める測位衛星信号受信装置において、前記受信装置
   は測位衛星信号の同期を判定する手段を有し、前記判定
   結果に基づいてフィルタの帯域幅を可変する手段を備え
   たことを特徴とする測位衛星信号受信装置。１２、測位
   衛星からの信号を受信して移動体の現在位置を求める測
   位衛星信号受信装置において、衛星の仰角、アンテナの
   利得パターンを検出する手段と、測位衛星からの受信信
   号のＳ／Ｎ比を演算するＳ／Ｎ比演算手段と、前記演算
   結果から最適な同期点サーチスピードを決定するサーチ
   スピード決定手段と、逆拡散された測位衛星からの信号
   から雑音を除去するフィルタの帯域幅を決定する帯域幅
   決定手段と、震動ループにおけるループフィルタのゲイ
   ンを決定するゲイン決定手段とを備えたことを特徴とす
   る測位衛星信号受信装置。 １３、測位衛星からの信号を受信して移動体の現在位置
   を求める測位衛星信号受信装置において、前記測位衛星
   からの信号受信開始時は、逆拡散された測位衛星からの
   信号から雑音を除去するフィルタの帯域幅を広げ、前記
   状態で同期が得られない場合は前記フィルタの帯域幅を
   狭めて測位衛星からの信号の同期捕捉を行うフィルタ帯
   域幅決定手段を設けたことを特徴とする測位衛星信号受
   信装置。 １４、測位衛星からの信号を受信して移動体の現在位置
   を求める測位衛星信号受信装置において、前記受信装置
   は外部情報入力端子を備え、前記外部入力端子を介して
   入力された信号に基づいて、受信信号との同期を取るに
   最適な同期パラメータを決定する手段を備えたことを特
   徴とする測位衛星信号受信装置。 １５、測位衛星からの信号を受信して移動体の現在位置
   を求める測位衛星信号受信装置において、前記測位衛星
   からの信号を短時間で処理する第１の処理手段と、長期
   のデータを処理する第２の処理手段と前記処理結果を記
   憶する記憶手段を備えたことを特徴とする測位衛星信号
   受信装置。 １６、請求項第１５項において、前記第１の処理手段は
   測位衛星からの信号から前記移動体の位置や速度を求め
   、前記第２の処理手段は測位衛星の位置や通過時間や同
   期パラメータを求めることを特徴とする測位衛星信号受
   信装置。 １７、請求項第１５項において、前記記憶手段は前記第
   ２の処理手段の処理結果を記録することを特徴とする測
   位衛星信号受信装置。 １８、測位衛星からの信号を受信して移動体の現在位置
   を求める測位衛星信号受信装置において、震動ループの
   ループフィルタを２つ備え、短時間トラッキング処理と
   、距離の測定精度が向上する処理を行なうことを特徴と
   する測位衛星信号受信装置。 １９、請求項第１８項において、受信装置内部で生成す
   るＰＮ符号を進み信号、遅れ信号としたとき、それぞれ
   相異なるループフィルタで処理するように切り替える機
   構を有することを特徴とする測位衛星信号受信装置。 ２０、請求項第１８項において、前記短時間のトラッキ
   ング処理の場合は、前記ループフィルタのゲインを大き
   くし、測定精度を向上する場合には前記ゲインを小さく
   することを特徴とする測位衛星信号受信装置。 ２１、測位衛星からの信号を受信して移動体の現在位置
   を求める測位衛星信号受信装置と他のセンサ情報を用い
   て移動体の現在位置を報知する報知装置を備えたナビゲ
   ーションシステムにおいて、前記測位衛星信号受信装置
   は受信可否、受信信号レベルを記憶する記憶手段と前記
   記憶された情報をナビゲーション演算部に出力する出力
   端子を備え、ナビゲーション演算部は前記出力端子から
   の情報に基づいて前記移動体周囲の建物の状況を判断す
   る手段を備えたことを特徴とするナビゲーションシステ
   ム。 ２２、移動体に積載された地磁気センサとジャイロから
   の信号により前記移動体の移動方向を検出し、車速セン
   サにより移動速度と移動距離を求めその結果に基づき前
   記移動体の位置や進行方向を演算して表示するナビゲー
   ションシステムにおいて、測位衛星からの信号のＳ／Ｎ
   比を推定し、前記推定結果から同期点サーチスピード、
   雑音除去フィルタの帯域幅や震動ループのループフィル
   タのゲインを決定する機能を有する測位衛星信号受信装
   置を付加し、自己位置検出にい前記地磁気センサとジャ
   イロとに組み合わせて利用することを特徴とするナビゲ
   ーションシステム。 ２３、測位衛星からの信号を受信して移動体の現在位置
   を求める測位衛星受信信号処理方法において、衛星の仰
   角、受信アンテナの指向性及び角度から、受信する測位
   衛星からの信号のＳ／Ｎ比を演算し、前記Ｓ／Ｎ比に基
   づき同期を取るために最適な各種パラメータを求め、移
   動体の現在位置を求めることを特徴とする測位衛星受信
   信号処理方法。 ２４、請求項第２３項において、前記各種パラメータは
   同期点サーチスピード、逆拡散された測位衛星からの信
   号から雑音を除去するフィルタの帯域幅、震動ループに
   おけるループフィルタのゲインであることを特徴とする
   測位衛星受信信号処理方法。 ２５、請求項第２４項において、衛星の通過時刻、仰角
   を演算すると共に、前記Ｓ／Ｎ比および前記各種パラメ
   ータと共に予め記憶しておき前記記録時刻に応じて前記
   各種パラメータを用いて受信信号を処理することを特徴
   とする測位衛星受信信号処理方法。 ２６、請求項第２５項において、前記記録データは実際
   の測定結果に基づいて補正し、前記補正結果を再記録す
   るようにしたことを特徴とする測位衛星受信信号処理方
   法。 ２７、測位衛星からの信号を受信して移動体の現在位置
   を求める測位衛星受信信号処理方法において、衛星の仰
   角、受信アンテナの指向性及び角度から、受信する測位
   衛星からの信号の受信感度を演算し、前記受信感度に基
   づき同期を取るために最適な同期点サーチスピード、逆
   拡散された測位衛星からの信号から雑音を除去するフィ
   ルタの帯域幅、震動ループにおけるループフィルタのゲ
   インを求め、前記求められた値を用いて同期を取り移動
   体の現在位置を求めることを特徴とする測位衛星受信信
   号処理方法。