JP5697391B2 - 衛星測位システム及び測位信号受信機 - Google Patents

Description

本発明は、広く全地球測位システム（ＧＰＳ）に代表される衛星測位システムから送信される測位信号による位置決定技術に関し、より具体的には、測位信号受信機の起動から位置を決定するまでの時間を短縮化する技術に関する。

従来、衛星測位システムによる位置決定においては、測位衛星から送信される電波を地上の受信機で受信し、衛星から受信機までの電波伝搬時間にもとづいて衛星と受信機との間の距離を計測する。

測位衛星から送信される電波には、エフェメリスと呼ばれる測位衛星自身の位置を示す軌道情報と、衛星自身の時刻のズレを意味するクロック情報とが航法データとして重畳される。航法データにはアルマナックと呼ばれるこれらについての全衛星分の概略値も含まれている。これらは５０ｂｐｓで伝送され、エフェメリスから軌道およびクロックを復調するのには少なくとも３０秒を必要とする。

一方で、日本において開発されている衛星測位システムとして準天頂衛星システム（ＱＺＳＳ）がある。ＱＺＳＳは、上述の５０ｂｐｓの測位信号に加え、２５０ｂｐｓのＬ１−ＳＡＩＦ信号と呼ばれる補強信号を有する。このＬ１−ＳＡＩＦ信号の仕様は、ＩＳ−ＱＺＳＳ（非特許文献１）において定義され、そのフォーマットはＳＢＡＳ方式に準拠している。Ｌ１−ＳＡＩＦやＳＢＡＳでは、主に測位精度を改善するための情報が送信される。

そして、衛星測位システムにおける受信機による位置決定にはエフェメリスが必要であるため、受信機が動作を開始してから最初の位置決定を行うまでの時間、即ち初期位置算出時間（ＴＴＦＦ：Ｔｉｍｅ Ｔｏ Ｆｉｒｓｔ Ｆｉｘ）は、少なくともエフェメリスの伝送時間である３０秒が必要とされる。ＴＴＦＦは、ユーザの利便性に直結するものであるため、潜在的に短縮化が求められている。

このようなＴＴＦＦを短縮化する手法の一例として、特許文献１に示すような、基準となるアルマナックを保持している受信機に対し、エフェメリスとアルマナックとにもとづいて算出した衛星位置と衛星クロックとの差分情報を伝送することにより、受信機はエフェメリスを使用せずに測位を可能とする方式(以下、これを「差分方式」と呼ぶ)がある。

そして、特許文献１に示す技術の実装について、ＳＢＡＳやＬ１−ＳＡＩＦのメッセージフォーマットを用いた場合の検討が行われている（非特許文献２）。

非特許文献２における検討によると、同文献に開示されたビット割り当てを用いることにより、ＧＰＳの５衛星分のＴＴＦＦ短縮に特化した情報の伝送が１メッセージで可能となっている。これにより、性能は、エフェメリスを用いた測位に対し、衛星位置の劣化の程度が１０〜１５秒程度にわたり１０ｍ程度以内とされている。なお、１０秒に一度、１０衛星分の差分情報を伝送しようとした場合の帯域利用率は、２０．０％である。

この差分方式を用いるためには、別途、差分の基準とするアルマナック(以下、基準情報という)の伝送も必要とされる。受信機は、測位の前に基準情報を不揮発性メモリに格納しておき、差分情報受信時にこれを使用する。この基準情報は、差分情報の差分値が時間の経過と共に大きくなる性質のものであるため、差分情報の表現可能範囲を超えないうちに一定期間毎に更新する必要がある。また、受信機がいつこのデータを受信するかは、送信システム側は知り得ないので定常的にこれを伝送する必要がある。

さらに、ＧＰＳ３２衛星分の基準情報を８分で伝送しようとした場合の帯域利用率は、６．７％である。

なお、非特許文献２で対象としている衛星はＧＰＳ衛星であり、準天頂衛星に対応させようとした場合、差分情報を伝送する空き領域がないため衛星数もしくは精度を落とす必要がある。

一方で、１ヶ月に一度程度の頻度でアシスト情報を外部から与える事が可能な場合には、受信機において衛星の軌道情報の長期間の推定が可能となるのでクロック情報のみを伝送するという手法（以下、クロック方式という）も考えられる。クロック方式におけるメッセージフォーマット例としては、図７に示すフォーマットが考えられるが、この場合には１メッセージでＧＰＳ衛星と準天頂衛星について１０衛星分の情報を載せることができ、１０秒に一度１０衛星分の差分情報を伝送しようとした場合の帯域利用率は１０．０％となる。

上述の差分方式とクロック方式との相違点はその機能である。端的に言えば、差分方式は、外部からアシスト情報を得ることがない受信機に対して有効であり、クロック方式は、外部からアシスト情報を得ることがある受信機に対して有効である。そして、送信システムとしては、幅広い受信機層に対応することが望ましいが、これら２種類の受信機に向けて、上述した条件でデータを伝送しようとした場合の帯域利用率は、２０．０％＋６．７％＋１０．０％＝３６．７％である。

特開２００８−１４５３６３号公報

宇宙航空研究開発機構："準天頂衛星システムユーザインタフェース仕様書（ＩＳ−ＱＺＳＳ）１．１版"、２００９年７月３１日、インターネット＜URL:http://qzss.jaxa.jp/is-qzss/＞ 坂井丈泰 「ＧＰＳ初期位置算出時間（ＴＴＦＦ）短縮のための軌道情報伝送方法」 電子情報通信学会論文誌 Ｂ Ｖｏｌ．Ｊ８３−Ａ Ｎｏ．４ ｐｐ．４７９−４８６ ２００８年４月

しかしながら、Ｌ１−ＳＡＩＦ信号については、測位精度を向上させるための情報伝送も必要であり、この性能を維持するためには、測位精度向上のための情報の伝送頻度はできるだけ高くすることが望ましい。

また、衛星軌道情報を有する測位信号受信機に対しても衛星軌道情報を有さない測位信号受信機に対しても有効な初期位置算出時間短縮手段の提供が望まれる。

そこで、本発明は、全地球測位システム（ＧＰＳ）に代表される衛星測位システムより送信される測位信号に基づいて位置を決定するシステム等において、上述の課題を克服する衛星測位システム及び測位信号受信機等を提供する。

本発明は、全地球測位システムと、衛星軌道情報を有する測位信号受信装置と、衛星軌道情報を有さない測位信号受信装置と、初期位置算出支援情報を提供する初期位置算出支援情報生成装置と、前記初期位置算出支援情報を送信するＱＺＳとからなる衛星測位システムであって、初期位置算出支援情報生成装置からは、クロック情報と衛星軌道情報とが前記ＱＺＳのＬ１−ＳＡＩＦ信号に重畳されて前記衛星軌道情報を有する測位信号受信装置及び前記衛星軌道情報を有さない測位信号受信装置に送信されることを特徴とする。

また、本発明は、前記衛星軌道情報を有する測位信号受信装置では、前記全地球測位システム／ＱＺＳと前記衛星軌道情報を有する測位信号受信装置との距離計測値と、前記衛星軌道情報を有する測位信号受信装置が有する衛星軌道情報と、前記クロック情報とを用いて前記衛星軌道情報を有する測位信号受信装置の位置を決定し、前記衛星軌道情報を有さない測位信号受信装置では、前記全地球測位システムＧＰＳ／ＱＺＳと前記衛星軌道情報を有さない測位信号受信装置との距離計測値、受信したクロック情報、及び衛星軌道情報を用いて前記衛星軌道情報を有さない測位信号受信装置の位置を決定することを特徴とする。

本発明によれば、全地球測位システム（ＧＰＳ）に代表される衛星測位システムより送信される測位信号に基づいて位置を決定するシステム等において、測位精度向上のための情報の伝送頻度はできるだけ高く維持したうえで、衛星軌道情報を有する測位信号受信機に対しても衛星軌道情報を有さない測位信号受信機に対しても、起動から位置決定までの時間を有意に短縮化することができる。

本発明にかかる衛星測位システムの一実施形態におけるシステム構成例を説明する説明図である。 本発明にかかる衛星測位システムの一実施形態における衛星軌道情報のビットアサインフォーマットの具体例を説明する説明図である。 本発明にかかる衛星測位システムの一実施形態におけるＧＰＳインジケータ及びＱＺＳインジケータの例を示す図である。 従来方式と本発明にかかる衛星測位システムの一実施形態の送信パターンの相違を説明する説明図である。 本発明にかかる衛星測位システムの一実施形態における差分方式を必要とする受信機の基準情報の蓄積の流れを示したフローチャートを示す。 本発明にかかる衛星測位システムの他の実施形態におけるシステム構成例を説明する説明図である。 本発明が想定するクロック方式のメッセージフォーマット例である。

以下、本発明にかかる衛星測位システム及び測位信号受信機を実施するための形態について詳述する。

図１に、本発明にかかる衛星測位システムの一実施形態におけるシステム構成例を示す。

衛星測位システム１００は、全地球測位システム（ＧＰＳ）１０１と、衛星軌道情報を有する測位信号受信装置１０２と、衛星軌道情報を有さない測位信号受信装置１０３と、初期位置算出支援情報を提供する装置１０４と、初期位置算出支援情報を送信するＱＺＳ１０５と、からなる。

初期位置算出支援情報生成装置１０４からは、クロック情報と衛星軌道情報とが、２５０ｂｐｓのデータレートを有するＱＺＳのＬ１−ＳＡＩＦ信号に重畳されて衛星軌道情報を有する測位信号受信装置１０２、及び衛星軌道情報を有さない測位信号受信装置１０３に送信される。衛星軌道情報を有する測位信号受信装置１０２では、ＧＰＳ／ＱＺＳと測位信号受信装置との距離計測値、自身が有する衛星軌道情報、及び受信したクロック情報を用いて自身の位置を決定する。衛星軌道情報を有さない測位信号受信装置１０３ではＧＰＳ／ＱＺＳと測位信号受信装置との距離計測値、受信したクロック情報、及び衛星軌道情報を用いて自身の位置を決定する。

図２に、本願発明の衛星軌道情報の具体的なビットアサインフォーマットを示す。本フォーマットは２５０ｂｉｔを１メッセージとして扱う。一実施形態として、１メッセージに８ｂｉｔのプリアンブルと、６ｂｉｔのメッセージタイプＩＤと、２１２ビットのデータと、２４ｂｉｔのＣＲＣパリティとからなる。

また、上記２１２ビットのデータは、２ビットの発行番号と、１ビットのＰＲＮマスクフラグと、１４０ビットの差分情報と、６４ビットの基準情報と、５ビットの予備領域とからなる。

発行番号は、この軌道情報が送信される直近前に送信されたクロック情報の発行番号と同期して同一の番号である。クロック情報の示すＧＰＳインジケータ、ＱＺＳＳインジケータの値が変更されたときに、１ずつカウントアップする。なお、１１（Ｂｉｎ）の次は００（Ｂｉｎ）とする。

ＰＲＮマスクフラグは、差分情報がクロック情報の１０衛星のうち、１〜５番目についての情報か、あるいは６〜１０番目の情報かを識別するためのものである。例えば、図３に示すように、ＧＰＳインジケータの最上位ビットから２、５、１０、１５、１９、２０、２３、２４、２９番目のビット、及びＱＺＳＳインジケータの最上位ビットから２番目のビットが"１"の場合、ＰＲＮマスクフラグが０であれば、差分情報にはＧＰＳの２、５、１０、１５、１９番衛星が含まれることを意味し、ＰＲＮマスクフラグが１であれば、差分情報にはＧＰＳの２０、２３、２４、２９番衛星、ＱＺＳＳの２番衛星が含まれることを意味する。この様に衛星情報としてクロック情報を参照することで、例えば、非特許文献２の差分情報から衛星識別のための情報であるＰＲＮ_i−１およびΔＰＲＮ_i−１を取り除くことができる。また、準天頂衛星への対応にも支障がない。

１４０ビットの差分情報は、一例として非特許文献２の差分情報で規定されているΔｘ_i、Δｙ_i、Δｚ_iの２８ビットを１衛星とし、５衛星分を記載する。クロックに関してはクロック情報を参照することとし、クロックの差分であるΔＢ_iについては取り除くことが出来る。

６４ビットの基準情報は、ＧＰＳ、ＱＺＳＳのアルマナックデータを用いるデータであり、８ｂｉｔのｔ_0a、６ｂｉｔの衛星番号、２ｂｉｔのシーケンス番号、４８ビットの分割アルマナックからなる。
ここで、ｔ_0aはＧＰＳ、ＱＺＳＳで用いられている衛星番号に対応したアルマナックデータのｔ_0aである。送信システムが基準情報を更新すると、この値が変化することになる。例えば、非特許文献２において定義されていたＩＯＤＡはこのようにｔ_0aで代用できるため、取り除くことができる。

衛星番号は、最上位ビットが０の時はＧＰＳを意味しており、下位５ビットに１を加算した値がＧＰＳのＰＲＮ番号である。また、最上位ビットが１の時はＱＺＳＳを意味しており下位５ビットに１９３を加算した値がＱＺＳのＰＲＮ番号である。

分割アルマナックは、１〜３の３フレームで構成され、フレームはシーケンス番号で識別される。シーケンス番号が０の時が１フレーム目、１の時が２フレーム目、２の時が３フレーム目の定義で送信される。分割アルマナックには１フレーム目に１６ビットの離心率ｅ、２４ビットの軌道長半径の平方根

、８ビットの平均近点角Ｍ₀の上位1/3が、２フレーム目に１６ビットの軌道傾斜角の基準値との差δ_i、２４ビットの昇交点赤径Ω₀、８ビットの平均近点角Ｍ₀の中間1/3が、３フレーム目に１６ビットの昇交点赤径の変化率

、２４ビットの近地点引数ω、８ビットの平均近点角Ｍ₀の下位1/3が定義される。ａ_f0、及びａ_f1は、は、クロック補正に関するパラメータなので、基準情報から取り除くことができる。

差分による衛星位置の表現範囲を超えた衛星が存在した場合、差分情報でそれが無効であることを示す必要がある。そのような衛星のΔｘ_iには８００（ＨＥＸ）、Δｙ_iとΔｚ_iには８０（ＨＥＸ）と負の最大値を設定することにする。

図４に、従来方式と本願発明との送信パターンの違いを示す。クロック情報は、１０衛星分の情報を格納するのに対し差分情報は５衛星分であるので、クロック情報１メッセージに差分情報２メッセージを対応させる構成とする。本願発明により、基準情報を別途送信する必要がなくなり、伝送するデータ量を削減することができる。

クロック方式を必要とする受信機は、クロック情報を受信する。ここに含まれる衛星のうち、４衛星分の測位信号を受信できた時点で初期位置の算出を行える。
差分方式を必要とする受信機は、まずクロック情報を受信し保持する。引き続いて発行番号が同じ値である、衛星軌道情報の差分情報により５衛星分の衛星位置を算出することができる。この時点で、この５衛星のうち、４衛星について基準情報を既に所持しており、かつ、Ｌ１ Ｃ／Ａによる測位信号を受信できていれば測位を行える。続いて残りの５衛星分の衛星軌道情報を受信することで、使用出来る衛星数が１０個になる。

図５に、差分方式を必要とする受信機における、基準情報の蓄積の流れを示したフローチャートを示す。Ｓ５０１にて処理を開始した衛星軌道情報を受信した受信機は、Ｓ５０２に進み、基準情報の更新の有無を知るために、衛星番号とｔ_0aとを確認する。もし当該衛星のｔ_0aについて既に所持しており（Ｓ５０４においてＹｅｓ）、その所持しているｔ_0aと受信したｔ_0aが異なっていれば（Ｓ５０５においてＮｏ）、送信システムが基準情報の更新を行ったことを意味するので、受信機は所持している全衛星の基準情報を破棄する必要がある（Ｓ５０６）。

続いて受信した衛星軌道情報のうち基準情報の蓄積所持を行い（Ｓ５０７）、このとき分割アルマナックが３フレーム分揃ったならば（Ｓ５０８においてＹｅｓ）、以後当該衛星の基準情報が測位に使用可能となる（Ｓ５０９）。なお、フローには記載していないが受信した基準情報が既に所持している衛星のフレームであるならば、この処理は省略してもよい。

基準情報は最大で（ＧＰＳ ３２衛星＋ＱＺＳ ５衛星）×３フレームの１１１種類のデータで構成されるものであるが、受信機ではこれらを全て蓄積しなければ測位を行えないというわけではない。最小で４衛星×３フレーム分が揃った時点から測位が可能となり、さらに蓄積を進めることで対象と出来る衛星が増えていくものである。従って、受信機には連続的に基準情報を受信しなくてはならないという制約は無い。

図６に、本発明にかかる衛星測位システムの他の実施形態におけるシステム構成例を示す。衛星測位システム６００は、全地球測位システム（ＧＰＳ）１０１／ＱＺＳと、衛星軌道情報を有する測位信号受信装置１０２と、衛星軌道情報を有しない測位信号受信装置１０３と、初期位置算出支援情報を提供する装置１０４と、初期位置算出支援情報を伝送するための地上無線装置６０５とからなる。

本願発明による初期位置算出支援情報を伝送するための地上無線装置６０５は、テレビ電波、ＦＭ電波等を発信する無線装置を使用することができる。

本発明に関し、本明細書の出願前に出願され、公に自由に入手可能なすべての論文および文書が確認されるであろうが、かかる論文および文書の内容は、参照によって本明細書に組み込まれている。

本明細書（添付請求項、要約、および図面を含む）に開示された特徴の全て及び／又はそのように開示されたすべての方法または処理のすべてのステップを、そのような特徴及び／又はステップの少なくとも一部が相互に排他的である組合せを除く任意の組合せで組み合わせることができる。

本明細書（添付請求項、要約、および図面を含む）に開示された特徴の各々を、そうでないと明示的に述べられていない限り、同一の目的、同等の目的、または類似する目的のために働く代替の特徴に置き換えることができる。したがって、そうでないと明示的に述べられていない限り、開示された各特徴は、包括的な一連の同等の特徴または類似する特徴の一例にすぎない。

本発明は、上述の実施形態のいずれの詳細にも制限されない。本願発明は、本明細書（添付請求項、要約、および図面を含む）に開示された新規の特徴またはその新規の組合せ、あるいはそのように開示されたすべての方法または処理のステップまたはその新規の組合せに拡張される。

１００ 衛星測位システム
１０１ ＧＰＳ
１０２ 衛星軌道情報を有する測位信号受信装置
１０３ 衛星軌道情報を有しない測位信号受信装置
１０４ 初期位置算出支援情報生成装置
１０５ ＱＺＳ
６０５ 地上無線装置

Claims (6)

1. 全地球測位システムと、衛星軌道情報を有する測位信号受信装置と、衛星軌道情報を有さない測位信号受信装置と、初期位置算出支援情報を提供する初期位置算出支援情報生成装置と、前記初期位置算出支援情報を少なくとも送信する測位衛星とからなる衛星測位システムであって、
   初期位置算出支援情報生成装置からは、前記全地球測位システム及び前記測位衛星の時刻のズレを表すクロック情報と、前記全地球測位システム及び前記測位衛星のエフェメリス及びアルマナックにもとづいて算出した当該全地球測位システム及び当該測位衛星の位置の差分情報及びアルマナックに関する情報を少なくとも含む衛星軌道情報とが前記測位衛星のＬ１−ＳＡＩＦ信号に少なくとも重畳されて前記衛星軌道情報を有する測位信号受信装置及び／又は前記衛星軌道情報を有さない測位信号受信装置に前記測位衛星を介して送信され、
   前記クロック情報及び前記衛星軌道情報は、前記クロック情報の１メッセージに対して前記衛星軌道情報の２メッセージの割合で前記Ｌ１−ＳＡＩＦ信号に重畳されていることを特徴とするシステム。
2. 前記衛星軌道情報を有さない測位信号受信装置では、前記測位衛星と前記衛星軌道情報を有さない測位信号受信装置との第１の距離計測値と、前記全地球測位システムと前記衛星軌道情報を有さない測位信号受信装置との第２の距離計測値と、受信したクロック情報及び衛星軌道情報とを用いて前記衛星軌道情報を有さない測位信号受信装置の位置を決定する
   ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 前記初期位置算出支援情報は、衛星無線により前記測位信号受信装置へ送信されることを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項に記載のシステム。
4. 前記測位衛星は地上無線装置であり、前記初期位置算出支援情報は、前記地上無線装置の地上無線により前記測位信号受信装置へ送信されることを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項に記載のシステム。
5. 前記クロック情報は、１メッセージとして取り扱われるビットアサインフォーマットが２５０ビットであり、その中にクロック情報に関連付けられた情報が含まれることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のシステム。
6. 前記衛星軌道情報を有する測位信号受信装置では、前記測位衛星と前記衛星軌道情報を有する測位信号受信装置との第１の距離計測値と、前記全地球測位システムと前記衛星軌道情報を有する測位信号受信装置との第２の距離計測値と、前記衛星軌道情報を有する測位信号受信装置が有する衛星軌道情報と、前記クロック情報とを用いて前記衛星軌道情報を有する測位信号受信装置の位置を決定する
   ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。

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