JP4778277B2 - 測位信号受信装置及び測位信号受信方法 - Google Patents

Description

本発明は、測位信号受信装置及び測位信号受信方法に関し、特に、マルチパス誤差軽減を目的とした測位信号受信装置及び測位信号受信方法に関する。本発明は、例えば、ＧＰＳ（Global Positioning System）受信機や、ＧＡＬＩＬＥＯ受信機、ＧＬＯＮＡＳＳ受信機等の測位信号受信装置に広く適用することができる。

測位信号受信装置は、ＧＰＳ衛星などの航法衛星からの直接波を受信して、その発信源と測位信号受信装置間との距離を測定（測距）することがその第一の目的である。しかし、市街地などにおいては、直接波以外に、建物などで反射されて到来したマルチパス波が、測位信号受信装置に到来し、直接波と合成されて処理されることになり、本来の距離とは異なる距離を算出してしまうという、マルチパス誤差が発生する。

このため、マルチパス誤差を軽減する技術が各種開発されてきており、特許文献１に示す特開２０００−２６６８３６号公報「ＧＰＳマルチパス補償方法」には、ＧＰＳ衛星からの電波が反射する波の変動周期（フェージング帯域幅）が移動局の移動速度に比例することと、ＤＬＬ（遅延同期ループ）のループ帯域幅と、マルチパスによる測位誤差との関係に着目して、ＤＬＬ（遅延同期ループ）のループ帯域幅を可変にし、移動局の移動速度が遅い場合に発生するマルチパスによる測位誤差を、ＤＬＬのループ帯域幅を狭くして防止する技術が提案されている。これにより、サンプリング周波数を上げることなく、かつ、ハードウェアの追加もなく、マルチパスを補償することができるとしている。

特開２０００−２６６８３６号公報（第６−７頁、図２、図３）

しかしながら、前記特許文献１のような既に知られているマルチパス誤差軽減技術には、限界がある。即ち、マルチパス波の強さが、直接波の１０分の１程度の強さの場合、マルチパス誤差軽減技術を備えていない測位技術では、最大で１５ｍのマルチパス誤差が発生するが、現在知られている最良のマルチパス軽減技術を使用した測位技術であっても、１．５ｍのマルチパス誤差が残ってしまう。

その理由は、マルチパス誤差とマルチパス長との関係は、図４に示すように、振動的な挙動を示すにも関わらず、従来のマルチパス軽減技術は、斯かる振動的な挙動のマルチパス誤差に関する対策が全く考慮されていないし、更には、従来のマルチパス軽減技術が、周波数領域での処理を念頭に置いた技術であり、測位信号の全ての周波数帯域が既に使用されているからである。したがって、前述したように、従来技術では、マルチパス誤差を１．５ｍ以下に更に軽減をすることができない。

図４は、マルチパス誤差とマルチパス長との典型的な関係を示すグラフであり、横軸がマルチパス長、縦軸がマルチパス誤差である。図４には、実線表示のように、マルチパス長が長くなるにつれて、振動的な挙動のマルチパス誤差の振幅が増加していく場合と、破線表示のように、マルチパス長の長短によらず、振動的な挙動のマルチパス誤差の振幅がほとんど変わらない場合とを典型例として示しているが、いずれの場合でも、マルチパス長に応じてマルチパス誤差が振動する性質を有している。

そこで、本発明の目的は、斯かる振動的挙動を考慮に入れてマルチパス誤差の影響をより確実に軽減することができ、ＧＰＳ受信機や、ＧＡＬＩＬＥＯ受信機、ＧＬＯＮＡＳＳ受信機等の測位信号受信装置に好適に適用することができる測位信号受信装置及び測位信号受信方法を提供することにある。

前述の課題を解決するため、本発明による測位信号受信装置及び測位信号受信方法は、次のような特徴的な構成を採用している。

（１）航法衛星からの受信信号に含まれる測距観測量に基づいて測位情報を算出する測位信号受信装置において、受信信号に含まれる測距観測量を抽出する際に、受信信号に含まれる測距観測量を予め定めたハイレートで高速にサンプリングしてハイレート測距観測量として出力する高速測距観測手段と、該高速測距観測手段から前記ハイレート測距観測量として出力されたサンプリングデータを、予め定めたローレートの時間間隔で平均化してローレート測距観測量として出力する平均化手段とを備え、該平均化手段から出力された前記ローレート測距観測量に基づいて、測位情報を算出する測位信号受信装置。
（２）移動局のナビゲーションに適用する際に、前記ローレートの時間間隔がリアルタイム追尾可能な時間間隔であり、前記ハイレートの時間間隔が、複数の前記ハイレート測距観測量のサンプリングデータを前記ローレート測距観測量として平均化することにより、マルチパス長に応じて振動的な挙動を示すマルチパス誤差の影響を十分軽減可能な前記ハイレート測距観測量のサンプル数が得られる時間間隔である上記（１）の測位信号受信装置。
（３）航法衛星からの受信信号に含まれる測距観測量に基づいて測位情報を算出する測位信号受信方法において、受信信号に含まれる測距観測量を抽出する際に、受信信号に含まれる測距観測量を予め定めたハイレートで高速にサンプリングしてハイレート測距観測量として出力する高速測距観測ステップと、該高速測距観測ステップにて前記ハイレート測距観測量として出力されたサンプリングデータを、予め定めたローレートの時間間隔で平均化してローレート測距観測量として出力する平均化ステップとを備え、該平均化ステップにて出力された前記ローレート測距観測量に基づいて、測位情報を算出することを特徴とする測位信号受信方法。
（４）移動局のナビゲーションに適用する際に、前記ローレートの時間間隔がリアルタイム追尾可能な時間間隔であり、前記ハイレートの時間間隔が、複数の前記ハイレート測距観測量のサンプリングデータを前記ローレート測距観測量として平均化することにより、マルチパス長に応じて振動的な挙動を示すマルチパス誤差の影響を十分軽減可能な前記ハイレート測距観測量のサンプル数が得られる時間間隔である上記（３）の測位信号受信方法。

本発明の測位信号受信装置及び測位信号受信方法によれば、測距観測量を出力する際に、測距観測量を含む受信信号を高速にサンプリングする機能と、高速サンプリング結果を平均化して測距観測量として出力する機能とを有しているので、次のような効果を奏することができる。

即ち、本発明によれば、マルチパス誤差の影響をより確実に軽減することができる。その理由は、 マルチパス誤差とマルチパス長とが振動的な挙動を示すため、測距観測量を予め定めた時間間隔で平均化する際に、測距観測量のサンプリング周期を高速化して、サンプル数を増加させ、増加した測距観測量のサンプル数の平均値を算出することにより、平均化効果を向上させることができるからである。

以下、本発明による測位信号受信装置及び測位信号受信方法の好適実施形態例について、測位信号受信装置を例にとって添付図を参照しながら説明する。

（測位信号受信装置の構成）
図１には、本発明による測位信号受信装置が適用される一実施例として航法衛星にＧＰＳ衛星を用いたＧＰＳ（Global Positioning System）受信機の測位信号受信装置において、本発明が対象とする構成部位を示している。図１のＧＰＳ受信機の測位信号受信装置１０は、測距観測回路１１、測位演算部１２、アンテナ１３を少なくとも備えており、アンテナ１３で受信した受信信号を１Ｈｚの出力レートでサンプリングして抽出した測距観測量を測距観測回路１１から測位演算部１２に出力している例を示している。なお、図中の１Ｈｚという数値は、本発明を理解しやすいように、一例を示しているに過ぎない。

本発明は、この測距観測回路１１を対象とするものであり、図４に示したようにマルチパス長に応じて振動的な挙動を示すマルチパス誤差について、より正確な観測信号（測距観測量）を測位演算部１２に対して出力可能とすることに、その狙いがある。なお、図１の実施例では、ＧＰＳ受信機の測位信号受信装置１０を例にとって示しているが、本発明は、斯かる場合に限るものではなく、ＧＡＬＩＬＥＯ受信機、ＧＬＯＮＡＳＳ受信機等の測位信号受信装置としても全く同様に適用することができる。

図２に、本発明の一実施例として図１に示した測位信号受信装置１０の測距観測回路１１の内部構成の一例を示している。図２に示すように、測距観測回路１１は、高速測距観測回路１１ａと平均化回路１１ｂとを含んで構成されている。

図２において、高速測距観測回路１１ａは、振動的な挙動を示すマルチパス誤差が含まれる測距観測量を、ハイレート（図２では一例として１，０００Ｈｚのレート）でサンプリングして、ハイレート測距観測量として平均化回路１１ｂに対して出力する。一方、平均化回路１１ｂは、高速測距観測回路１１ａからハイレートで出力されてくるハイレート測距観測量をローレート（図２では一例として１Ｈｚ）の時間間隔で平均化して、ローレートのローレート測距間測量として、測位演算部１２に対して出力する。測位演算部１２は、ローレート測距観測量に基づいて、測位情報を算出する。なお、図２中の出力レート１，０００Ｈｚや１Ｈｚという数値も、あくまでも、理解しやすいように、一例を示しているに過ぎない。

図２のような実施例における構成において、測距観測回路１１及び測位演算部１２を含めた測位信号受信装置１０の構成については、一般的なものであって良く、当業者には良く知られたもので十分であり、また、本発明とは直接関係していないので、その詳細な構成についての説明はここでは割愛する。

（測位信号受信装置の動作）
次に、図２に示した測距観測回路１１の高速測距観測回路１１ａ及び平均化回路１１ｂの動作とその効果を、図３を用いて説明する。図３は、本発明の一実施例として図２に示した測位信号受信装置１０の高速測距観測回路１１ａ及び平均化回路１１ｂの動作を模式的に示す概念図である。

図３において、高速測距観測回路１１ａは、アンテナ１３からの測距観測量を含む受信信号を予め定めたハイレート（図３では、一例として、１，０００Ｈｚ即ち１ミリ秒に１回の割合の周期）で高速にサンプリングしているので、高速測距観測回路１１ａから平均化回路１１ｂへ出力されるハイレート測距観測量は、図３（Ａ）に示すように、マルチパス誤差により振動的な信号となっている。

一方、平均化回路１１ｂは、高速測距観測回路１１ａからハイレート（図３では、一例として、１，０００Ｈｚ即ち１ミリ秒に１回の割合の周期）で出力されてきたハイレート測距観測量を、予め定めたローレートの時間間隔（図３では、一例として、１Ｈｚ即ち１秒の周期）で、平均化処理（図３では、ハイレート測距観測量のサンプル数１０００個単位ずつの平均化処理）を施し、図３（Ｂ）に示すように、マルチパス誤差を含む振動的な信号成分からより平均化効果を高めたローレート測距観測量として測位演算部１２に対して出力する。

このように、一旦ハイレートでサンプリングしたハイレート測距観測量をローレートの時間間隔で平均化してローレート測距観測量として測位演算部１２に出力することにより、図４に示したように、マルチパス長に対して振動的な挙動を示すマルチパス誤差の影響を軽減して、より正確な測位情報を算出し、より正確な測距を行うことが可能となる。

ここで、高速測距観測回路１１ａに適用するハイレートとしては、平均化回路１１ｂにおける平均化処理の効果を上げるために、信号追尾制御のバンド幅をより広く取って、ハイレートで出力されるハイレート測距観測量のサンプル数を増加させ、一方、ローレートとしては、リアルタイムの追尾が可能な程度の短い時間間隔で、平均化回路１１ｂからローレート測距観測量を出力することにより、移動局のナビゲーション用としても適用可能な、マルチパス誤差の影響を軽減したより正確な測距情報をリアルタイムで出力することが可能である。

更に説明すれば、自動車などの移動局のナビゲーション用に適用する場合に際し、平均化回路１１ｂにおけるローレートの時間間隔を、ナビゲーション用としてリアルタイム追尾が可能な時間間隔とし、一方、高速測距観測回路１１ａにおけるハイレートの時間間隔を、高速測距観測回路１１ａからの複数のハイレート測距観測量のサンプリングデータを平均化回路１１ｂのローレート測距観測量として平均化することにより、マルチパス長に応じて振動的な挙動を示すマルチパス誤差の影響を十分軽減可能なサンプリングデータのサンプル数が得られる時間間隔とすることにより、マルチパス誤差の影響を軽減したより正確な測距情報をリアルタイムで出力することが可能である。

（本発明の特徴）
一般に、マルチパス誤差とマルチパス長との関係は、図４に示したように、振動的な挙動を示すため、例えば自動車などの移動局のナビゲーションに適用する場合であっても、リアルタイム追尾が可能な時間間隔として予め定めた時間間隔で測距観測量を平均化することにより、マルチパス誤差の影響を軽減することができる。この平均化処理では、平均化対象の測距観測量のサンプル数が多いほど、信頼度を高くすることができる。

したがって、本発明の測位信号受信装置においては、測距観測回路の高速化により、予め定めた前記時間間隔における測距観測量のサンプル数を増加させ、平均化回路により、増加させた測距観測量のサンプル数を用いて平均値を算出させることにより、平均化効果をより向上させ、マルチパス誤差の影響をより確実に軽減させている点に、本発明の特徴がある。

以上、本発明の好適実施例の構成を説明した。しかし、斯かる実施例は、本発明の単なる例示に過ぎず、何ら本発明を限定するものではないことに留意されたい。本発明の要旨を逸脱することなく、特定用途に応じて種々の変形変更が可能であること、当業者には容易に理解できよう。

本発明による測位信号受信装置が適用される一実施例として、ＧＰＳ（Global Positioning System）受信機の測位信号受信装置において本発明が対象とする構成部位を示すブロック図である。 本発明の一実施例として図１に示す測位信号受信装置の測距観測回路の内部構成の一例を示すブロック図である。 本発明の一実施例として図２に示す測位信号受信装置の高速測距観測回路及び平均化回路の動作を模式的に示す概念図である。 マルチパス誤差とマルチパス長との典型的な関係を示すグラフである。

符号の説明

１０ 測位信号受信装置
１１ 測距観測回路
１１ａ 高速測距観測回路
１１ｂ 平均化回路
１２ 測位演算部
１３ アンテナ

Claims (4)

1. 航法衛星からの受信信号に含まれる測距観測量に基づいて測位情報を算出する測位信号受信装置において、
   前記受信信号に含まれる前記測距観測量を抽出する際に、
   前記受信信号に含まれる前記測距観測量を予め定めたハイレートで高速にサンプリングしてハイレート測距観測量として出力する高速測距観測手段と、
   該高速測距観測手段から前記ハイレート測距観測量として出力されたサンプルデータを、予め定めたローレートの時間間隔で平均化してローレート測距観測量として出力する平均化手段とを備え、
   該平均化手段から出力された前記ローレート測距観測量に基づいて、測位情報を算出することでマルチパス長に応じて振動的な挙動を示す前記測距観測量のマルチパス誤差の影響を軽減することを特徴とする測位信号受信装置。
2. 移動局のナビゲーションに適用する際に、前記ローレートの時間間隔がリアルタイム追尾可能な時間間隔であることを特徴とする請求項１に記載の測位信号受信装置。
3. 航法衛星からの受信信号に含まれる測距観測量に基づいて測位情報を算出する測位信号受信方法において、
   前記受信信号に含まれる前記測距観測量を抽出する際に、
   前記受信信号に含まれる前記測距観測量を予め定めたハイレートで高速にサンプリングしてハイレート測距観測量として出力する高速測距観測ステップと、
   該高速測距観測ステップにて前記ハイレート測距観測量として出力されたサンプルデータを、予め定めたローレートの時間間隔で平均化してローレート測距観測量として出力する平均化ステップとを備え、
   該平均化ステップにて出力された前記ローレート測距観測量に基づいて、測位情報を算出することでマルチパス長に応じて振動的な挙動を示す前記測距観測量のマルチパス誤差の影響を軽減すること特徴とする測位信号受信方法。
4. 移動局のナビゲーションに適用する際に、前記ローレートの時間間隔がリアルタイム追尾可能な時間間隔であることを特徴とする請求項３に記載の測位信号受信方法。

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