JPH0627215A - 携帯型ｇｐｓ受信機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 位置測位の収束演算を発振することなく安定
して行う。 【構成】 測位開始時には前回測位結果位置を測位演算
のための初期位置に設定し、選択した衛星が視野外にあ
る場合は他の衛星を捕捉するとともに、捕捉した複数の
衛星の中から受信電力の最も大きい衛星の番号を初期位
置設定手段１２ｃに出力する。それに従って、初期位置
設定手段１２ｃはこの最大受信電力の衛星の位置から初
期位置を算出し、そこで得た初期位置をメモリ手段１３
に出力し、初期位置変更を行う。到来電波強度が最大で
あればその衛星が最も天頂方向に近い位置にある事が予
測されるので、その衛星位置と地球中心とを結んだ線と
地球表面との交点が実際の測位点に最も近いものとし、
その交点を初期位置とする。 【効果】 上記構成により、位置測位の逐次近似計算に
よる収束演算を発振することなく安定して行うとともに
収束演算回数を削減することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＧＰＳ衛星を利用して
位置測定を行なう単独測位ＧＰＳ受信機、特に電源オフ
の状態で移動を行なう頻度の高い携帯型ＧＰＳ受信機に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、ＧＰＳ衛星からの電波を単独
で受信して現在位置を測定する単独測位型のＧＰＳ受信
機は知られており、利用の拡大および小型化技術の進展
に伴い携帯型のＧＰＳ受信機が出現している。

【０００３】図３は従来のＧＰＳ受信機のブロック図で
あり、図４は従来のＧＰＳ受信機の動作概要を示すフロ
ーチャートである。

【０００４】図３において、１１は変調された複数の衛
星からの電波信号を復調し衛星位置情報と電波伝搬時間
および全衛星軌道概略情報（以下アルマナックと呼ぶ）
を演算装置１２へ出力する航法データ受信手段である。

【０００５】１２は演算装置で、１２ａは航法データ受
信手段１１から入力される複数の衛星位置位置情報と電
波伝搬時間をもとに初期位置からの逐次近似計算で現在
位置を測定し、結果をメモリ手段１３と表示装置１５へ
出力する測位手段、１２ｂは航法データ受信手段１１か
ら入力されるアルマナックをメモリ手段１３へ出力する
と共に、測位開始時にアルマナックをメモリ手段１３か
ら時刻データを時計手段１４から入力し、現在位置が初
期位置または前回測位結果位置と仮定して衛星選択を行
なう衛星選択手段である。

【０００６】１３は測位結果やアルマナック等を記憶す
るメモリ手段、１４はバックアップ電源により停電時も
時刻を計測し、測位開始時に衛星飛来予測を行なう為の
概略時刻を出力する時計手段、１５は演算装置１２から
入力される測位結果等をＣＲＴ等に表示する表示装置で
ある。

【０００７】次に、従来の動作を説明する。衛星選択手
段１２ｂは、測位開始時に時計手段１４から概略の時刻
データを読みだし、メモリ手段１３から全衛星の軌道概
略情報であるアルマナックと初期位置または初期位置と
して用いる前回測位結果を読みだし、初期位置での時計
手段１４で示される時刻における衛星飛来予測を行な
い、位置計測に使用するための３個または４個以上の衛
星の番号を航法データ受信手段１１に通知し、衛星捕捉
動作開始を指示する（ステップ２０１）。

【０００８】航法データ受信手段１１は衛星選択手段１
２ｂにより指示される衛星について順次捕捉動作を開始
する。捕捉不可能の場合は衛星切替え要求を衛星選択手
段１２ｂに出力し、衛星選択手段１２ｂはアルマナック
に従い別衛星を選択してその衛星番号を航法データ受信
手段１１に出力する（ステップ２０２，２０３）。

【０００９】衛星を捕捉し、その衛星の電波を受信する
と、航法データ受信手段１１はスペクトラム拡散変調さ
れた衛星電波を復調することにより同期した受信信号の
位相から電波伝搬時間を測定し、またその受信電波に乗
せられた信号から送信時刻および衛星位置の衛星情報を
抽出して測位手段１２ａへ出力する。

【００１０】測位手段１２ａは、航法データ受信手段１
１から入力される電波伝搬時間・電波送信時刻・衛星位
置情報に基づき、後述する収束演算によって現在位置を
計測する。そしてその測位結果を表示装置１５に出力表
示するとともに、メモリ手段１３に出力し記憶する（ス
テップ２０４）。

【００１１】ここでＧＰＳによる測位の原理は次の通り
である。電波の送信点と受信点に完全に同期した時計が
あって、送信信号がその時計で制御されていたとする
と、受信点でその受信のタイミングを測定すれば送受信
点間の電波の伝搬時間を求めることができ、それに光速
度を乗ずれば送受信点間の距離を求めることができる。
またＧＰＳ衛星はその衛星自体の位置を受信側にて計算
によって求める為の位置情報を送信している。

【００１２】従って、その電波の伝搬時間を受信点で測
定して距離を求めれば、衛星を中心とした一定距離の球
面上に測定点は位置することになる。またその中心とな
る衛星の位置はそのデータとその時の受信電波に乗せら
れた衛星位置情報に基づいて求められる。そしてそれぞ
れ位置が異なった３つの衛星について行えば、３つの各
衛星を中心とする３つの球面の交点として測定位置を求
めることができる。

【００１３】しかしこのように３つの衛星のみからの電
波を受信して３つの球面の交点を求めようとするなら、
受信点の時計を衛星の時計に正確に同期させる必要があ
る。現実には受信点の時計を衛星の時計に同期させるこ
とは技術的に問題があるうえ、受信機を安価にするうえ
でも不利である。

【００１４】この問題を解決するために、受信する衛星
の数を１個増加させる。すなわち受信点では４つの衛星
の信号を受信して３方向の座標と衛星・受信機間の時計
誤差の４つを未知数とする連立方程式を解くことによ
り、受信点の位置を求めることができる。また測定点の
高さが既知の場合は３個の衛星からの信号受信で位置を
求めることもできる。

【００１５】しかし、移動衛星であるＧＰＳ衛星が視野
から消える時やビル等の障害物によって電波が遮断され
る時の受信衛星の切り替えをスムーズに行うために、通
常は受信機は予備の衛星信号受信回路を持ち、同時に５
個以上の衛星からの電波を受信できる構成にする。

【００１６】今、図５に示すように、地球中心を原点と
し地球自転軸に沿って北方向を正方向とするｚ軸、グリ
ニッジ子午面と赤道面との交点方向にｘ軸をとる３次元
右手系直交座標系を考え、測定点の座標を｛ｘ₀ ，ｙ
₀ ，ｚ₀ ｝とし、衛星の位置を｛ｘ_i ，ｙ_i ，ｚ_i ｝と
する。ｉは衛星を特定する番号を示すものとする。

【００１７】航法データ受信手段１により測定したｉ番
衛星からの電波伝搬時間をｔ_i とすれば、実測距離ｒ_i
はピタゴラスの定理によって次の（数１）で表わされ
る。

【００１８】

【数１】

【００１９】ここにｃは光速、ｔ_0iは真の電波伝搬時
間、δｔは受信機の時計のずれである。

【００２０】ここでｘ₀ ，ｙ₀ ，ｚ₀ ，δｔという４つ
の数が未知数であるため、４つの衛星（ｉ＝１，２，
３，４）について４元連立方程式を立てれば、位置を計
測することができる。

【００２１】しかしながら、上式には未知数の２乗や平
方根があって線形ではないので簡単に解くことができな
い。そこで実際には以下のような位置の推定値を真の位
置に収束させる方法が一般的に行われている。

【００２２】即ち、まず、位置の推定値を（ｘ_e ，ｙ
_e ，ｚ_e ）とし、時計のずれの推定値をδｔ_e とし、各
推定値と真の値との誤差をΔｘ，Δｙ，Δｚ並びにΔｔ
とすれば真の値との関係は次の（数２）のようになる。

【００２３】

【数２】

【００２４】また、推定距離をｒ_e とすると次の（数
３）のようになる。

【００２５】

【数３】

【００２６】ここに、Δｒ_i は推定距離と実測距離との
差であるのでこの値を求めることができる。

【００２７】ここで、（数２）を（数１）に代入してテ
ーラー展開して２次以降の微少項を省略し、更に（数
３）を代入して整理すると次の（数４）を得る（導出に
ついては省略する）。

【００２８】

【数４】

【００２９】（数４）は推定値の誤差Δｘ、Δｙ、Δｚ
に、推定位置から衛星方向を向いた単位ベクトルの各方
向余弦をそれぞれ乗じて成分毎の値を求め、この合成値
に、推定時間誤差Δｔに光速を乗じた値を加え合わせれ
ば、推定距離ｒ_e と実測距離ｒ_i の差Δｒ_i に等しくな
ることを示している。（数４）に基づいて４つのｉにつ
いて１次の４元連立方程式を立てることにより推定位置
の誤差Δｘ、Δｙ、Δｚ並びに推定時間誤差Δｔを求め
ることができる。

【００３０】そのあと、求められた各誤差を推定値に加
え、これを新たな推定値とし、誤差が所定の微少値に収
束するまで繰返しの演算を行い真の位置と時計誤差を求
める。これが従来よりの収束演算方式である。

【００３１】ここで、高さが既知の場合は（数４）のΔ
ｚが既知であり、３個の衛星を使用した１次の３元連立
方程式を立てることにより位置を計測することができ
る。

【００３２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うに従来のＧＰＳ受信機の測位位置計算方法では、演算
を行う場合の推定位置（この推定位置を初期値として演
算を開始する）をいかに決めるかが課題である。例えば
一旦測位を中断し、長い距離を移動した後で再び測位を
開始したような場合に、実際の測定位置と推定位置が大
きくずれてしまう事となり、このように実際の測定位置
と推定位置が大きくずれていた場合には位置計算結果が
収束せず、システムが発振状態におちいることがあると
いう問題点があった。

【００３３】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するもので、まずは前回測位した時の測位位置における
衛星飛来予測を行い、その予測結果に基づいて衛星を決
めて捕捉を試み、衛星電波を捕捉できた場合は前回測位
結果を初期位置として収束演算を行うように構成し、前
記衛星飛来予測によって衛星電波を捕捉できない場合
は、新規に別の衛星を探索して衛星電波捕捉を試み、別
の衛星の捕捉に成功した場合にはこの捕捉衛星と地球中
心と結んだ線と地球表面との交点近辺に測位初期位置を
変更する初期位置設定手段を設けたものである。

【００３４】

【作用】本発明は上記した構成により、衛星飛来予測に
よって衛星電波を捕捉できない場合に、前回測位位置か
ら大きく移動しているものとみなすので、初期位置変更
の処理をいち早く開始する事が出来るとともに、その変
更位置を、捕捉衛星と地球中心とを結んだ線と地球表面
との交点近辺としたので、収束演算を安定して行う事が
出来る。

【００３５】

【実施例】以下本発明における携帯型ＧＰＳ受信機の一
実施例について、図を参照しながら説明する。

【００３６】図１は本発明の一実施例における携帯型Ｇ
ＰＳ受信機のブロック図であり、図２は本発明の一実施
例の動作概要を示したフローチャートである。

【００３７】図１において、１１は変調された複数の衛
星からの電波信号を復調し、衛星位置情報と電波伝搬時
間およびアルマナックを演算装置１２へ出力する航法デ
ータ受信手段である。１２は演算装置であり、１２ａは
航法データ受信手段１１から入力される複数の衛星位置
位置情報と電波伝搬時間をもとに初期位置からの逐次近
似計算で現在位置を測定し、結果をメモリ手段１３と表
示装置１５へ出力する測位手段である。

【００３８】１２ｂは衛星選択手段、１３は測位結果や
アルマナック等を記憶するメモリ手段である。衛星選択
手段１２ｂは主に次のような処理を行う。すなわち、航
法データ受信手段１１から入力されるアルマナックをメ
モリ手段１３へ出力する。また測位開始時にアルマナッ
クをメモリ手段１３から読み出し、時計手段１４から時
刻データを受け、現在位置が初期位置であると仮定して
衛星選択を行ない、選択衛星番号を航法データ受信手段
１１に出力する。衛星捕捉が不可能であって航法データ
受信手段１１から別衛星要求信号が入力された場合は、
次の衛星を選択し、衛星番号を航法データ受信手段１１
に出力すると共に初期位置変更要求を初期位置設定手段
１２ｃへ出力する。

【００３９】初期位置設定手段１２ｃは主に次のような
処理を行う。すなわち、測位開始時に前回測位結果位置
を測位演算のための初期位置に設定し、衛星選択手段１
２ｂから初期位置変更要求が入力された場合は航法デー
タ受信手段１１から入力される衛星位置情報から衛星位
置と地球中心とを結んだ線と地球表面との交点を計算
し、初期位置をこの計算によって得られた位置データに
変更設定する。

【００４０】１４はバックアップ電源により停電時も時
刻を計測し、測位開始時に衛星飛来予測を行なう為の概
略時刻を出力する時計手段、１５は演算装置１２から入
力される測位結果等をＣＲＴ等に表示する表示装置であ
る。

【００４１】次に本実施例の携帯型ＧＰＳ受信機の動作
を詳細に説明する。初期位置設定手段１２ｃは、測位開
始時にメモリ手段１３から前回測位結果位置を読みだ
し、測位演算のための初期位置としてメモリ手段１３に
出力記憶する（ステップ１０１）。

【００４２】次に衛星選択手段１２ｂは、時計手段４か
ら概略の時刻データを読みだし、メモリ手段１３から全
衛星の軌道概略情報であるアルマナックと初期位置を読
みだし、初期位置での時計手段１４で示される時刻にお
ける衛星飛来予測を行なう。この衛星飛来予測の結果よ
り、位置計測に適すると予測される３個または４個以上
の衛星の番号を航法データ受信手段１１に通知し、衛星
捕捉動作を開始させる（ステップ１０２）。

【００４３】航法データ受信手段１１は、衛星選択手段
１２ｂにより指示された衛星の捕捉動作を行ない、捕捉
不可能な衛星がある場合は別衛星選択要求を衛星選択手
段１２ｂに要求する（ステップ１０３）。衛星選択手段
１２ｂはアルマナックに従い別衛星を選択し、航法デー
タ受信手段１１に衛星番号を通知する（ステップ１０
４）とともに、選択した衛星が初期位置から視野内にあ
るかを判定する（ステップ１０５）。

【００４４】選択した衛星が視野外にある場合は初期位
置変更を初期位置設定手段１２ｃに出力する。航法デー
タ受信手段１１はスペクトラム拡散変調された衛星電波
を復調することにより同期した受信信号の位相から電波
伝搬時間を測定するとともに、受信電波から送信時刻お
よび衛星位置の衛星情報を抽出し、測位手段１２ａへ出
力するとともに、受信電力の最も大きい衛星の番号を初
期位置設定手段１２ｃに出力する。

【００４５】次に初期位置設定手段１２ｃは、衛星選択
手段１２ｂから初期位置変更要求が入力されている場合
のみ、航法データ受信手段１１により指示される最大受
信電力の衛星の位置から得た初期位置をメモリ手段１３
に出力し変更する（ステップ１０６）。

【００４６】ここで初期位置の変更を最大受信電力の衛
星の位置に従って行う理由は、衛星が測位点の天頂方向
にある時がその衛星までの距離が最も短かく、また伝搬
損失が最も小さいことからその衛星からの到来電波強度
が最大となる事が予測されるからである。つまり、到来
電波強度が最大であればその衛星が最も天頂方向に近い
位置にある事が予測されるので、その衛星位置と地球中
心とを結んだ線と地球表面との交点が実際の測位点に最
も近いと思われるからである。

【００４７】また最近主流の平面型マイクロストリップ
アンテナの指向特性は天頂方向の受信電波強度が最大に
なるので、この事からも到来電波強度が最大であればそ
の衛星が最も天頂方向に近い位置にある事が予測され
る。

【００４８】測位手段１２ａは航法データ受信手段１１
から入力される電波伝搬時間・電波送信時刻・衛星位置
情報から、従来例で示した収束演算によって現在位置を
計測し、その測位結果を表示装置１５に出力表示し、ま
たこの測位結果をメモリ手段１３に出力し、記憶させる
（ステップ１０７）。

【００４９】

【発明の効果】以上のように本発明は、前回測位位置に
おける衛星飛来予測を行い視野外の衛星を捕捉した場合
に、受信最大電力の衛星を天頂とする位置に測位計算の
初期位置を変更する初期位置設定手段を設けた構成によ
り、位置測位の逐次近似計算による収束演算を発振する
ことなく安定して行うとともに収束演算回数を削減する
ことができる。従って、例えば電源断の状態で装置を大
きく移動させたような場合や、記憶している初期位置が
失われた場合でも、安定して測位位置収束演算を行うこ
とができ、かつ初期位置と測位位置との誤差が小さいこ
とにより収束演算を短時間で行うことができるものであ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における携帯型ＧＰＳ受信機の一実施例
のブロック図

【図２】同実施例の動作概要を示したフローチャート図

【図３】従来のＧＰＳ受信機のブロック図

【図４】従来のＧＰＳ受信機の動作概要を示すフローチ
ャート

【図５】ＧＰＳによる位置測定を説明するための説明図

【符号の説明】

１１ 航法データ受信手段 １２ 演算装置 １２ａ 測位手段 １２ｂ 衛星選択手段 １２ｃ 初期位置設定手段 １３ メモリ手段 １４ 時計手段 １５ 表示装置

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ＧＰＳ衛星からの電波信号を復調して電
   波伝搬時間を測定すると共に航法データを受ける航法デ
   ータ受信手段と、該受信手段で得られた電波伝搬時間と
   航法データをもとに初期位置からの逐次近似計算により
   現在位置を測定する測位手段と、前記航法データ受信手
   段から得られる全衛星軌道概略情報と前記測位手段から
   得られる測位結果を蓄積するメモリ手段と、時計手段
   と、現在の位置が初期位置と仮定して前記メモリ手段の
   アルマナックと前記時計手段の時刻から飛来衛星を予測
   して捕捉衛星を選択する衛星選択手段とを備え、測位結
   果を次回測位計算の初期値とし、さらに予測捕捉衛星を
   捕捉できない場合には他の衛星を捕捉するように構成
   し、他の衛星を捕捉した場合には捕捉衛星の中の測位点
   の天頂方向に最も近い位置にある捕捉衛星と地球の中心
   を結んだ線と地球表面の交点近辺の位置に初期位置を更
   新する初期位置設定手段とを備えたことを特徴とする携
   帯型ＧＰＳ受信機。