測位装置、測位システム、測位方法、測位プログラム
【課題】少なくとも１つの衛星からの信号を受信できれば、正確な位置と正確な時刻とを得ることができる測位装置、測位システム、測位方法、測位プログラムを提供する。
【解決手段】高精度発振器１２１が発生する高精度なリファレンスクロック信号に基づいて、内部クロック発振部１１１が内部クロック信号を発振する。ＲＦ受信部１１２は、この内部クロック信号を用いて人工衛星からの衛星信号を受信時刻の記録を行いながら複数回受信する。測位演算部１１４は、複数回受信した衛星信号とその受信時刻とを用いて測位演算を行う。
【解決手段】高精度発振器１２１が発生する高精度なリファレンスクロック信号に基づいて、内部クロック発振部１１１が内部クロック信号を発振する。ＲＦ受信部１１２は、この内部クロック信号を用いて人工衛星からの衛星信号を受信時刻の記録を行いながら複数回受信する。測位演算部１１４は、複数回受信した衛星信号とその受信時刻とを用いて測位演算を行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人工衛星を利用した測位装置、測位システム、測位方法、測位プログラムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＧＰＳ（Global Positioning System）と呼ばれる人工衛星を利用した測位システムが知られている（例えば、非特許文献１）。ＧＰＳを利用した測位システムでは、時刻同期がなされている複数の送信機（ＧＰＳ衛星）からの信号を受信機（測位装置）が受信する。受信機では自身の時刻に基づき、各送信機から受信機までの擬似伝搬時間を得る。この擬似伝搬時間と、単位時間あたりの電波の伝搬距離から、受信機と送信機間の擬似距離が求められる。
【０００３】
受信機における受信タイミングの検出には、スペクトラム拡散の相関演算を利用している。各送信機からは、それぞれ異なるＰＮ（Pseudo Noise）符号を用いてスペクトラム拡散を施した信号を送信している。この信号を受信した受信機では、受信した信号とＰＮ符号との相関演算を行い、相関値が極大となるタイミングから、当該ＰＮに対応する特定の送信機からの信号の受信タイミングを得る。
【０００４】
ＧＰＳを利用した測位システムでは、スペクトラム拡散方式を利用しているため、複数の送信機からの信号を同時に受信し、復調することが可能となる。ＧＰＳを利用した測位システムでは、前述のこの擬似伝搬距離の算出を、同一時刻に受信した信号に対して異なる複数のＰＮ符号を用いて行い、同時に複数の送信機までの擬似伝搬距離を得る。
【０００５】
一方、各送信機の位置情報（座標）は、送信機からの送信信号に重畳されており、これを受信機で受信することにより得られる。ただし、Ａｓｓｉｓｔｅｄ−ＧＰＳのようなシステムでは、各送信機の位置情報（座標）は、ネットワークを介す等の別の手段により得るものもある。ここで求めた「受信機と各送信機との擬似距離」と、「各送信機の位置情報（座標）」を基に、受信機の位置情報を算出することが可能となる。
【０００６】
以下、従来の位置情報の算出方法をより詳しく説明する。
図８は、従来の位置情報の算出方法における信号と時間との関係を示す図である。
図９は、従来の位置情報の算出方法における送信機と受信機との関係を示す模式図である。
図８において、ＴＳは、送信機での基準時刻であり、ＴＳ’は、受信機での基準時刻であり、Ｔｉ’は、受信機での受信時刻である。なお、送信機の時計と受信機の時計との間には、送信機に対する受信機の時刻誤差δのずれが生じているものとする。
【０００７】
この場合、擬似距離ｒｉは、以下の式で表すことができる。
ｒｉ＝ρｉ＋ｃδ＝ρｉ＋ｓ
ただし、
擬似距離ｒｉ：送信機ｉに対する受信機の時刻誤差により生ずる距離誤差を含んだ距離、
真の距離ρｉ：送信機ｉと受信機の真の距離、
距離誤差ｓ：時刻誤差により生ずる真の距離との誤差、
電波の速度ｃ：単位時間当たりの電波の伝送距離とする。
【０００８】
ここで、受信した信号から擬似距離ｒｉを求めることができる。
ｒｉ＝ｃ×（Ｔｉ’−ＴＳ’）
【０００９】
受信機の位置を（ｘ，ｙ，ｚ）とし、送信機ｉの位置を（ｘｉ，ｙｉ，ｚｉ）とするとき、擬似距離ｒｉは、次のように表すことができる。
【数１】
【００１０】
ここで、送信機ｉ＝１〜４に対して、それぞれの距離は、次のように表すことができる。
【数２】
【００１１】
従来は、未知数ｘ，ｙ，ｚ，ｓに関して上記の４つの方程式を解くことにより、受信機の正しい位置及び正しい時刻を得ていた。すなわち、同時に４つ以上の送信機からの信号を受信することが必要であった。
また、受信機の高度Ｈが既知のときは、この高度の情報を下記の式で与えることにより、３つ以上の送信機からの信号が受信できれば（すなわち、３つの方程式を解けば）、受信機の正しい平面上の位置及び正しい時刻を得ることができた。
【数３】
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】坂井 丈泰著 「ＧＰＳ技術入門」 東京電機大学出版局 ２００３年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかし、従来の技術では、受信機は、正確な位置や正確な時刻を得るためには、少なくとも４つ（条件によっては３つ）の送信機からの信号を同時に受信する必要があった。したがって、同時に４つ（又は３つ）の送信機からの信号が取得できないと、正確な位置及び時刻を得ることができないという問題があった。
【００１４】
本発明の課題は、少なくとも１つの衛星からの信号を受信できれば、正確な位置と正確な時刻とを得ることができる測位装置、測位システム、測位方法、測位プログラムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、上記の課題を解決するために、以下の事項を提案している。
【００１６】
（１）本発明は、人工衛星からの衛星信号を受信時刻の記録を行いながら複数回受信する衛星信号受信手段（１１２）と、前記衛星信号の受信時刻を予め設定した時刻ずれ量以下で測定するための内部クロック信号を発振する内部クロック発振手段（１１１）と、前記衛星信号受信手段が複数回受信した前記衛星信号とその受信時刻とを用いて測位演算を行う測位演算手段（１１４）とを備える測位装置（１１０，２１０，４１０，６１０）を提案している。
【００１７】
この発明によれば、衛星信号受信手段は、人工衛星からの衛星信号を受信時刻の記録を行いながら複数回受信する。内部クロック発振手段は、衛星信号の受信時刻を予め設定した時刻ずれ量以下で測定するための内部クロック信号を発振する。測位演算手段は、衛星信号受信手段が複数回受信した衛星信号とその受信時刻とを用いて測位演算を行う。したがって、少なくとも１つの衛星からの信号を受信できれば、正確な位置と正確な時刻とを得ることができる。
【００１８】
（２）本発明は、（１）に記載の測位装置において、前記内部クロック発振手段（１１１）は、外部から取得したリファレンスクロック信号に基づいて前記内部クロック信号を発振することを特徴とする測位装置（１１０，２１０，６１０）を提案している。
【００１９】
この発明によれば、内部クロック発振手段は、外部から取得したリファレンスクロック信号に基づいて内部クロック信号を発振する。したがって、必要なときにのみリファレンスクロック信号を外部から取得してりようすることにより、正確な位置と正確な時刻とを得ることができる。
【００２０】
（３）本発明は、（２）に記載の測位装置において、前記内部クロック発振手段（１１１）は、当該測位装置に直接接続されて当該測位装置の一部として機能する補助装置（１２０，２２０，５２０）から前記リファレンスクロック信号を取得することを特徴とする測位装置（１１０，２１０）を提案している。
【００２１】
この発明によれば、内部クロック発振手段は、当該測位装置に直接接続されて当該測位装置の一部として機能する補助装置からリファレンスクロック信号を取得する。したがって、簡単な構成で高精度なリファレンスクロック信号を利用できる。
【００２２】
（４）本発明は、（３）に記載の測位装置において、前記補助装置（１２０）は、前記リファレンスクロック信号を発振するリファレンスクロック発振器（１２１）を備えることを特徴とする測位装置（１１０）を提案している。
【００２３】
この発明によれば、補助装置は、前記リファレンスクロック信号を発振するリファレンスクロック発振器を備えるので、簡単な構成で高精度なリファレンスクロック信号を利用できる。
【００２４】
（５）本発明は、（３）に記載の測位装置において、前記補助装置（２２０，５２０）は、無線又は有線の通信又は放送により前記リファレンスクロック信号又は前記リファレンスクロック信号の基準とすることができる基準信号を受信することを特徴とする測位装置（２１０）を提案している。
【００２５】
この発明によれば、補助装置は、無線又は有線の通信又は放送により前記リファレンスクロック信号又は前記リファレンスクロック信号の基準とすることができる基準信号を受信する。したがって、高精度の発振器を個々の測位装置専用で用いることなく、高精度なリファレンスクロック信号を利用できる。
【００２６】
（６）本発明は、（１）に記載の測位装置において、リファレンスクロック信号を発振するリファレンスクロック発振器（４１６）を備え、前記内部クロック発振手段（１１１）は、前記リファレンスクロック発振器が発生した前記リファレンスクロック信号に基づいて前記内部クロック信号を発振することを特徴とする測位装置（４１０）を提案している。
【００２７】
この発明によれば、リファレンスクロック発振器は、リファレンスクロック信号を発振する。内部クロック発振手段は、リファレンスクロック発振器が発生したリファレンスクロック信号に基づいて内部クロック信号を発振する。したがって、測位装置単体で少なくとも１つの衛星からの信号を受信できれば、正確な位置と正確な時刻とを得ることができる。
【００２８】
（７）本発明は、（４）又は（６）に記載の測位装置において、前記リファレンスクロック発振器（１２１，４１６）は、人工衛星からの衛星信号に基づいて校正されることを特徴とする測位装置を提案している。
【００２９】
この発明によれば、リファレンスクロック発振器は、人工衛星からの衛星信号に基づいて校正される。したがって、リファレンスクロック発振器が発振するリファレンスクロック信号の精度を高めることができ、さらに正確な位置と正確な時刻とを得ることができる。
【００３０】
（８）本発明は、（４）又は（６）に記載の測位装置において、前記リファレンスクロック発振器（１２１，４１６）は、人工衛星からの衛星信号に基づいて前記リファレンスクロック信号を発振することを特徴とする測位装置を提案している。
【００３１】
この発明によれば、リファレンスクロック発振器は、人工衛星からの衛星信号に基づいて前記リファレンスクロック信号を発振する。したがって、個々のリファレンスクロック発振器を高精度の発振器としなくとも、正確な位置と正確な時刻とを得ることができる。
【００３２】
（９）本発明は、（２）に記載の測位装置において、無線又は有線の通信又は放送により前記リファレンスクロック信号を受信する受信部（６２１）を備えることを特徴とする測位装置（６１０）を提案している。
【００３３】
この発明によれば、受信部は、無線又は有線の通信又は放送により前記リファレンスクロック信号を受信する。したがって、高精度の発振器を個々の測位装置専用で用いることなく、高精度なリファレンスクロック信号を利用できる。また、測位装置に補助装置を取り付けることなく測位を行える。
【００３４】
（１０）本発明は、測位装置（１１０，２１０，４１０，６１０）と、前記測位装置にリファレンスクロック信号又は前記リファレンスクロック信号の基準とすることができる基準信号を送る基準信号送信装置（２３０，５３０）とを有する測位システムであって、前記測位装置は、人工衛星からの衛星信号を受信時刻の記録を行いながら複数回受信する衛星信号受信手段（１１２）と、前記衛星信号の受信時刻を予め設定した時刻ずれ量以下で測定するための内部クロック信号を外部から受信したリファレンスクロック信号に基づいて発振する内部クロック発振手段（１１１）と、前記衛星信号受信手段が複数回受信した前記衛星信号とその受信時刻とを用いて測位演算を行う測位演算手段（１１４）とを備え、前記基準信号送信装置は、前記リファレンスクロック信号又は前記基準信号を自ら発振、又は、外部（２４０，３４０）から取得し、前記測位装置へ送信することを特徴とする測位システムを提案している。
【００３５】
この発明によれば、衛星信号受信手段は、人工衛星からの衛星信号を受信時刻の記録を行いながら複数回受信する。内部クロック発振手段は、衛星信号の受信時刻を予め設定した時刻ずれ量以下で測定するための内部クロック信号を外部から受信したリファレンスクロック信号に基づいて発振する。測位演算手段は、衛星信号受信手段が複数回受信した衛星信号とその受信時刻とを用いて測位演算を行う。基準信号送信装置は、リファレンスクロック信号又は前記基準信号を自ら発振、又は、外部から取得し、測位装置へ送信する。したがって、高精度の発振器を個々の測位装置専用で用いなくとも、少なくとも１つの衛星からの信号を受信できれば、正確な位置と正確な時刻とを得ることができる。
【００３６】
（１１）本発明は、内部クロック信号を発振する内部クロック発振ステップ（Ｓ１０）と、人工衛星からの衛星信号を受信時刻の記録を行いながら複数回受信する衛星信号受信ステップ（Ｓ２０）と、前記衛星信号受信ステップで複数回受信した前記衛星信号とその受信時刻とを用いて測位演算を行う測位演算ステップ（Ｓ５０）とを実行する測位方法を提案している。
【００３７】
この発明によれば、内部クロック発振ステップでは、内部クロック信号を発振する。衛星信号受信ステップでは、人工衛星からの衛星信号を受信時刻の記録を行いながら複数回受信する。測位演算ステップでは、衛星信号受信ステップで複数回受信した衛星信号とその受信時刻とを用いて測位演算を行う。したがって、少なくとも１つの衛星からの信号を受信できれば、正確な位置と正確な時刻とを得ることができる。
【００３８】
（１２）本発明は、コンピュータに、内部クロック信号を発振する内部クロック発振ステップ（Ｓ１０）と、人工衛星からの衛星信号を受信時刻の記録を行いながら複数回受信する衛星信号受信ステップ（Ｓ２０）と、前記衛星信号受信ステップで複数回受信した前記衛星信号とその受信時刻とを用いて測位演算を行う測位演算ステップ（Ｓ５０）とを実行させることを特徴とする測位プログラムを提案している。
【００３９】
この発明によれば、内部クロック発振ステップでは、内部クロック信号を発振する。衛星信号受信ステップでは、人工衛星からの衛星信号を受信時刻の記録を行いながら複数回受信する。測位演算ステップでは、衛星信号受信ステップで複数回受信した衛星信号とその受信時刻とを用いて測位演算を行う。したがって、少なくとも１つの衛星からの信号を受信できれば、正確な位置と正確な時刻とを得ることができる。
【発明の効果】
【００４０】
本発明によれば、少なくとも１つの衛星からの信号を受信できれば、正確な位置と正確な時刻とを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明による測位装置の第１実施形態を示す図である。
【図２】測位装置１１０の測位動作を示すフローチャートである。
【図３】本発明による測位装置を含む測位システムの第３実施形態を示す図である。
【図４】本発明による測位装置を含む測位システムの第４実施形態を示す図である。
【図５】本発明による測位装置の第５実施形態を示す図である。
【図６】第３実施形態の測位システムを有線通信を用いる形態に変更した変形形態を示す図である。
【図７】第３実施形態の測位システムにおける受信部２２１の機能を測位装置６１０に内蔵した変形形態を示す図である。
【図８】従来の位置情報の算出方法における信号と時間との関係を示す図である。
【図９】従来の位置情報の算出方法における送信機と受信機との関係を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
以下、図面を用いて、本発明の実施形態について詳細に説明する。
なお、本実施形態における構成要素は適宜、既存の構成要素等との置き換えが可能であり、また、他の既存の構成要素との組み合わせを含む様々なバリエーションが可能である。したがって、本実施形態の記載をもって、特許請求の範囲に記載された発明の内容を限定するものではない。
【００４３】
（第１実施形態）
図１は、本発明による測位装置の第１実施形態を示す図である。
測位装置１１０は、内部クロック発振部１１１と、ＲＦ受信部１１２と、ベースバンド信号処理部１１３と、測位演算部１１４と、ＧＰＳアンテナ１１５とを備えている。また、測位装置１１０は、外部に接続された補助装置１２０を備えている。
【００４４】
補助装置１２０は、測位装置１１０とケーブルを介して直接接続されており、測位装置１１０の一部として機能する。また、補助装置１２０は、高精度発振器１２１を備えている。高精度発振器１２１は、非常に高い精度のリファレンスクロック信号を発振し、発振したリファレンスクロック信号を測位装置１１０の内部クロック発振部１１１へ送るリファレンスクロック発振器である。高精度発振器としては、例えば、ルビジウム発振器やセシウム発振器等を用いるとよい。
従来のＧＰＳ測位装置に用いられている水晶発振器としては、ＴＣＸＯ(Temperature Compensated Crystal Oscillator)が多く用いられている。ＴＣＸＯは、略１×１０−６程度の周波数精度を持っている。一方、本実施形態に用いるルビジウム発振器であれば、略１×１０−１１程度、セシウム発振器であれば、略１×１０−１２程度の周波数精度を持っている。このように、本実施形態で用いる高精度発信器は、従来用いられている発振器と比較して非常に高い精度を備えている。
【００４５】
内部クロック発振部１１１は、補助装置１２０の高精度発振器１２１から受信したリファレンスクロック信号に基づいて、内部クロック信号を発振する。具体的には、内部クロック発振部１１１は、入力したリファレンスクロック信号を参照し、内部クロック信号の発振周期を同期させる。内部クロック発振部１１１は、発振した内部クロック信号をＲＦ受信部１１２及びベースバンド信号処理部１１３へ送る。
【００４６】
ＲＦ受信部１１２は、ＧＰＳアンテナ１１５を介してＧＰＳ衛星からの衛星信号を受信する衛星信号受信手段である。また、ＲＦ受信部１１２は、内部クロック発振部１１１から取得した内部クロック信号を用いて、衛星信号の受信時刻を予め設定した時刻ずれ量（後述）以下で測定する。
ベースバンド信号処理部１１３は、ＲＦ受信部１１２が受信した衛星信号をデコードして、衛星信号に含まれる情報を取り出す。
【００４７】
測位演算部１１４は、ＲＦ受信部１１２が複数回受信した衛星信号とその受信時刻とを用いて測位演算を行う。
ここで、測位演算部１１４が行う測位演算について説明する。
測位演算部１１４では、衛星信号を４回受信し、それぞれの衛星信号を用いて疑似距離ｒｉ（測位装置から人工衛星までの距離であって、時刻誤差に起因する誤差を含む距離）を求める。各擬似距離ｒｉは、以下の式（１）のように表すことができる。
【数４】
ただし、式（１）において、受信機の位置を（ｘ，ｙ，ｚ）とし、送信機ｉの位置を（ｘｉ，ｙｉ，ｚｉ）とし、単位時間当たりの電波の伝送距離（電波の速度）をｃとし、各測定における時刻誤差をδ（ｔｉ）とする。
【００４８】
ここで、各測定における時刻誤差をδ（ｔｉ）とすると、時刻誤差により生ずる真の距離との誤差である距離誤差ｓ（ｔｉ）との間には、次の関係がなり立つ。
ｃδ（ｔｉ）＝ｓ（ｔｉ）
【００４９】
本実施形態では、衛星信号の受信は必ずしも同時に行っていない。すなわち、各擬似距離の測定は、必ずしも同時に行っていない。したがって、精度が悪い従来の測位装置１１０内の内部クロック発振部を用いていたとすると、各測定における時刻誤差は一定ではないので、ｉ≠ｊのとき以下の関係となる。
δ（ｔｉ）≠δ（ｔｊ）
【００５０】
ここで、測定期間中に内部クロック発振部１１１が発振する内部クロック信号に生ずる最大の時刻ずれをΔｔとし、許容する疑似距離測定誤差Ｄとする。時刻ずれΔｔと許容する疑似距離測定誤差Ｄとの関係が、ｃΔｔ≦Ｄの関係を満たす場合には、各測定における時刻誤差は一定とみなすことができる。そこで、本実施形態では、内部クロック発振部１１１が発振する内部クロック信号に生ずる最大の時刻ずれΔｔが上記関係を満たすようにしている。内部クロック信号の最大の時刻ずれは、リファレンスクロック信号の最大の時刻ずれと同等となる。よって、本実施形態は、高精度発振器１２１が発振するリファレンスクロック信号に生ずる最大の時刻ずれがＤ／ｃ以下となるような精度の高い高精度発振器１２１を用いている。
【００５１】
上述のように、各測定における時刻誤差が一定とみなすことができると、ｉ≠ｊのとき以下の式（２）の関係が成立する。
δ（ｔｉ）＝δ（ｔｊ） ・・・式（２）
【００５２】
式（１）及び式（２）より、連立方程式を解くことにより、変数ｘ，ｙ，ｚ，δ（ｔｉ）の値を得ることができる（測位演算）。これにより、測位装置の正確な位置と正確な時刻を得られる。
【００５３】
図２は、測位装置１１０の測位動作を示すフローチャートである。
測位装置１１０により測位を行う場合には、測位装置１１０は、測位完了まで静止させる、又は、許容誤差範囲内での移動にとどめる。
ステップ（以下、単にＳとする）１０では、内部クロック発振部１１１は、補助装置１２０から入力したリファレンスクロック信号を参照し、内部クロック信号の発振周期を同期させながら内部クロック信号を発振する（内部クロック発振ステップ）。
【００５４】
Ｓ２０では、ＲＦ受信部１１２は、ＧＰＳアンテナ１１５を介してＧＰＳ衛星からの衛星信号を受信する（衛星信号受信ステップ）。このとき、内部クロック信号にしたがい衛星信号を受信した受信時刻を取得する。
Ｓ３０では、測位演算部１１４は、ＧＰＳ衛星からの衛星信号とその受信時刻とを用いて疑似距離の算出を行う。
【００５５】
Ｓ４０では、測位演算部１１４は、４つの疑似距離の取得を完了したか否かを判定する。４つの疑似距離の取得を完了したらＳ５０へ進み、４つの疑似距離の取得を完了していない場合には、Ｓ２０へ戻る。なお、４つの疑似距離は、従来のように４つの衛星から同時に取得する必要がない。例えば、１つの衛星から受信時刻をずらして４回取得してもよいし、２つの衛星から受信時刻をそれぞれずらして２回ずつ取得してもよい。
Ｓ５０では、測位演算部１１４は、取得した４つの疑似距離から測位装置の正確な位置と正確な時刻とを演算する（測位演算ステップ）。
【００５６】
以上説明したように、第１実施形態によれば、少なくとも１つの人工衛星からの信号を４回受信できれば、正確な位置と正確な時刻とを得ることができる。
【００５７】
（第２実施形態）
第２実施形態の測位装置の構成は、第１実施形態と同様であり、前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を付して、重複する説明を適宜省略する。
前述した第１実施形態では、高精度発振器１２１は、非常に高い精度のリファレンスクロック信号を発振し、そのリファレンスクロック信号をそのまま用いても必要な精度の測位を行えた。これに対して、第２実施形態では、高精度発振器１２１が発振するリファレンスクロック信号の精度をさらに高める形態である。具体的には、高精度発振器１２１は、校正手段を有している。この校正手段は、測位前に、ＧＰＳ衛星の衛星信号を参照して校正を行う。なお、ＧＰＳ衛星の衛星信号は、測位装置１１０のＧＰＳアンテナ１１５を介して取得してもよいし、補助装置１２０にＧＰＳアンテナを設けてこのＧＰＳアンテナを介して取得してもよい。
第２実施形態によれば、測位装置１１０は、さらに精度の高い測位を行える。
【００５８】
（第３実施形態）
図３は、本発明による測位装置を含む測位システムの第３実施形態を示す図である。
第３実施形態の測位システムは、測位装置２１０と、補助装置２２０と、基準信号送信装置２３０と、高精度発振器２４０とを備えている。
【００５９】
測位装置２１０は、第１実施形態の測位装置１１０と同様な構成をしている。
補助装置２２０は、測位装置２１０とケーブルを介して直接接続されており、測位装置２１０の一部として機能する。また、補助装置１２０は、受信部２２１を備えている。受信部２２１は、無線通信又は無線放送によりリファレンスクロック信号の基準とすることができる基準信号を受信する。そして、受信部２２１は、受信した基準信号に基づいてリファレンスクロック信号を再生、又は、生成し、そのリファレンスクロック信号を測位装置２１０へ送る。
【００６０】
基準信号送信装置２３０は、無線通信又は無線放送により基準信号を補助装置２２０へ送信する。
本実施形態の基準信号送信装置２３０には、例えば、携帯電話サービスの基地局装置や、テレビ放送やラジオ放送の放送局装置を利用することができる。デジタル方式の通信や放送では、クロック信号そのものを送ってはいないが、基準信号として利用可能な信号を送信している。すなわち、フレームやスロットと呼ばれるデータの区切りや決まったタイミングで送られてくる制御情報は、このタイミングが正確で精度が高いので、基準信号として用いることができる。なお、アナログテレビ放送では、カラーバースト信号と呼ばれるクロック信号が定期的に、短い時間だけ送信されており、これを基準信号として用いてもよい。
なお、基準信号送信装置２３０は、携帯電話サービスの基地局装置等の既存の施設を利用せず、測位システムに専用の装置としてもよい。その場合には、直接リファレンスクロック信号を送信するようにしてもよい。
【００６１】
高精度発振器２４０は、第１実施形態の補助装置１２０が有する高精度発振器１２１と同様なリファレンスクロック信号を発振し、発振したリファレンスクロック信号を基準信号送信装置２３０へ送る。リファレンスクロック信号を受信した基準信号送信装置２３０では、リファレンスクロック信号に基づいて精度の高い基準信号を発振する。
【００６２】
上記構成によりリファレンスクロック信号を受信した測位装置２１０は、第１実施形態の測位装置１１０と同様な測位演算を行い、正確な位置と正確な時刻とを得ることができる。
【００６３】
（第４実施形態）
図４は、本発明による測位装置を含む測位システムの第４実施形態を示す図である。
第４実施形態の測位システムは、第３実施形態の高精度発振器２４０に代えて高精度発振器３４０とＧＰＳ受信機３５０とを設けた形態であり、その他の構成は、第３実施形態と同様である。よって、前述した第３実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を付して、重複する説明を適宜省略する。
【００６４】
高精度発振器３４０は、ＧＰＳ受信機３５０からのリファレンスクロック信号を参照して、リファレンスクロック信号を発振する。これにより、高精度発振器３４０は、精度の高いリファレンスクロック信号を発振できる。
【００６５】
第４実施形態によれば、高精度発振器３４０を簡易な構成としても、精度の高いリファレンスクロック信号を発振でき、正確な位置と正確な時刻とを得ることができる。
【００６６】
（第５実施形態）
図５は、本発明による測位装置の第５実施形態を示す図である。
第５実施形態は、第１実施形態において補助装置１２０が有する高精度発振器１２１を測位装置４１０に内蔵した形態である。よって、前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を付して、重複する説明を適宜省略する。
測位装置４１０は、内部クロック発振部１１１と、ＲＦ受信部１１２と、ベースバンド信号処理部１１３と、測位演算部１１４と、ＧＰＳアンテナ１１５と、高精度発振器４１６とを備えている。
【００６７】
高精度発振器４１６は、第１実施形態の高精度発振器１２１と同様のリファレンスクロック信号を発振し、内部クロック発振部１１１へ送る。
第５実施形態によれば、高精度発振器４１６を内蔵したので、測位装置４１０の使い勝手を向上できる。
【００６８】
なお、測位装置の処理をコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録し、この記録媒体に記録されたプログラムを測位装置に読み込ませ、実行することによって本発明の測位装置、測位システム、測位方法、測位プログラムを実現することができる。ここでいうコンピュータシステムとは、ＯＳや周辺装置等のハードウェアを含む。
【００６９】
また、「コンピュータシステム」は、ＷＷＷ（Ｗｏｒｌｄ Ｗｉｄｅ Ｗｅｂ）システムを利用している場合であれば、ホームページ提供環境（あるいは表示環境）も含むものとする。また、上記プログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピュータシステムから、伝送媒体を介して、あるいは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク（通信網）や電話回線等の通信回線（通信線）のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。
【００７０】
また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよい。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であってもよい。
【００７１】
以上、この発明の実施形態につき、図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。
【００７２】
（変形形態）
（１）第３実施形態から第５実施形態において、第２実施形態と同様に、ＧＰＳ衛星の衛星信号を参照して高精度発振器を校正する校正手段をさらに設けてもよい。
【００７３】
（２）第３実施形態及び第４実施形態において、無線通信や無線放送を用いてリファレンスクロック信号を送信機から補助装置へ送る例を挙げて説明した。しかし、これに限らず、例えば、送信機と補助装置との間をケーブルで接続した有線通信や有線放送を用いてもよい。
図６は、第３実施形態の測位システムを有線通信を用いる形態に変更した変形形態を示す図である。この場合、基準信号送信装置５３０と補助装置５２０の受信部５２１との間では、同期通信を行う。なお、測位装置２１０及び高精度発振器２４０は、第３実施形態の測位装置２１０及び高精度発振器２４０と同様である。
【００７４】
（３）第３実施形態及び第４実施形態において、補助装置によりリファレンスクロック信号を受信し、受信したリファレンスクロック信号を測位装置へ送る例を挙げて説明した。しかし、これに限らず、例えば、リファレンスクロック信号を受信して内部クロック発振部へ送る機能を測位装置に内蔵してもよい。
図７は、第３実施形態の測位システムにおける受信部２２１の機能を測位装置６１０に内蔵した変形形態を示す図である。測位装置６１０は、第３実施形態の測位システムにおける受信部２２１に相当する受信部６２１を内蔵している。なお、基準信号送信装置２３０及び高精度発振器２４０は、第３実施形態の基準信号送信装置２３０及び高精度発振器２４０と同様である。
また、リファレンスクロック信号を受信して内部クロック発振部へ送る機能を測位装置に内蔵する形態においても、有線通信や有線放送を用いる形態としてもよい。
【００７５】
なお、第１実施形態〜第５実施形態及び変形形態は、適宜組み合わせて用いることもできるが、詳細な説明は省略する。
【符号の説明】
【００７６】
１１０，２１０，４１０，６１０ 測位装置
１１１ 内部クロック発振部
１１２ ＲＦ受信部
１１３ ベースバンド信号処理部
１１４ 測位演算部
１１５ ＧＰＳアンテナ
１２０，２２０，５２０ 補助装置
１２１，２４０，３４０，４１６ 高精度発振器
２２１，５２１，６２１ 受信部
２３０，５３０ 基準信号送信装置
３５０ ＧＰＳ受信機
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人工衛星を利用した測位装置、測位システム、測位方法、測位プログラムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＧＰＳ（Global Positioning System）と呼ばれる人工衛星を利用した測位システムが知られている（例えば、非特許文献１）。ＧＰＳを利用した測位システムでは、時刻同期がなされている複数の送信機（ＧＰＳ衛星）からの信号を受信機（測位装置）が受信する。受信機では自身の時刻に基づき、各送信機から受信機までの擬似伝搬時間を得る。この擬似伝搬時間と、単位時間あたりの電波の伝搬距離から、受信機と送信機間の擬似距離が求められる。
【０００３】
受信機における受信タイミングの検出には、スペクトラム拡散の相関演算を利用している。各送信機からは、それぞれ異なるＰＮ（Pseudo Noise）符号を用いてスペクトラム拡散を施した信号を送信している。この信号を受信した受信機では、受信した信号とＰＮ符号との相関演算を行い、相関値が極大となるタイミングから、当該ＰＮに対応する特定の送信機からの信号の受信タイミングを得る。
【０００４】
ＧＰＳを利用した測位システムでは、スペクトラム拡散方式を利用しているため、複数の送信機からの信号を同時に受信し、復調することが可能となる。ＧＰＳを利用した測位システムでは、前述のこの擬似伝搬距離の算出を、同一時刻に受信した信号に対して異なる複数のＰＮ符号を用いて行い、同時に複数の送信機までの擬似伝搬距離を得る。
【０００５】
一方、各送信機の位置情報（座標）は、送信機からの送信信号に重畳されており、これを受信機で受信することにより得られる。ただし、Ａｓｓｉｓｔｅｄ−ＧＰＳのようなシステムでは、各送信機の位置情報（座標）は、ネットワークを介す等の別の手段により得るものもある。ここで求めた「受信機と各送信機との擬似距離」と、「各送信機の位置情報（座標）」を基に、受信機の位置情報を算出することが可能となる。
【０００６】
以下、従来の位置情報の算出方法をより詳しく説明する。
図８は、従来の位置情報の算出方法における信号と時間との関係を示す図である。
図９は、従来の位置情報の算出方法における送信機と受信機との関係を示す模式図である。
図８において、ＴＳは、送信機での基準時刻であり、ＴＳ’は、受信機での基準時刻であり、Ｔｉ’は、受信機での受信時刻である。なお、送信機の時計と受信機の時計との間には、送信機に対する受信機の時刻誤差δのずれが生じているものとする。
【０００７】
この場合、擬似距離ｒｉは、以下の式で表すことができる。
ｒｉ＝ρｉ＋ｃδ＝ρｉ＋ｓ
ただし、
擬似距離ｒｉ：送信機ｉに対する受信機の時刻誤差により生ずる距離誤差を含んだ距離、
真の距離ρｉ：送信機ｉと受信機の真の距離、
距離誤差ｓ：時刻誤差により生ずる真の距離との誤差、
電波の速度ｃ：単位時間当たりの電波の伝送距離とする。
【０００８】
ここで、受信した信号から擬似距離ｒｉを求めることができる。
ｒｉ＝ｃ×（Ｔｉ’−ＴＳ’）
【０００９】
受信機の位置を（ｘ，ｙ，ｚ）とし、送信機ｉの位置を（ｘｉ，ｙｉ，ｚｉ）とするとき、擬似距離ｒｉは、次のように表すことができる。
【数１】
【００１０】
ここで、送信機ｉ＝１〜４に対して、それぞれの距離は、次のように表すことができる。
【数２】
【００１１】
従来は、未知数ｘ，ｙ，ｚ，ｓに関して上記の４つの方程式を解くことにより、受信機の正しい位置及び正しい時刻を得ていた。すなわち、同時に４つ以上の送信機からの信号を受信することが必要であった。
また、受信機の高度Ｈが既知のときは、この高度の情報を下記の式で与えることにより、３つ以上の送信機からの信号が受信できれば（すなわち、３つの方程式を解けば）、受信機の正しい平面上の位置及び正しい時刻を得ることができた。
【数３】
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】坂井 丈泰著 「ＧＰＳ技術入門」 東京電機大学出版局 ２００３年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかし、従来の技術では、受信機は、正確な位置や正確な時刻を得るためには、少なくとも４つ（条件によっては３つ）の送信機からの信号を同時に受信する必要があった。したがって、同時に４つ（又は３つ）の送信機からの信号が取得できないと、正確な位置及び時刻を得ることができないという問題があった。
【００１４】
本発明の課題は、少なくとも１つの衛星からの信号を受信できれば、正確な位置と正確な時刻とを得ることができる測位装置、測位システム、測位方法、測位プログラムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、上記の課題を解決するために、以下の事項を提案している。
【００１６】
（１）本発明は、人工衛星からの衛星信号を受信時刻の記録を行いながら複数回受信する衛星信号受信手段（１１２）と、前記衛星信号の受信時刻を予め設定した時刻ずれ量以下で測定するための内部クロック信号を発振する内部クロック発振手段（１１１）と、前記衛星信号受信手段が複数回受信した前記衛星信号とその受信時刻とを用いて測位演算を行う測位演算手段（１１４）とを備える測位装置（１１０，２１０，４１０，６１０）を提案している。
【００１７】
この発明によれば、衛星信号受信手段は、人工衛星からの衛星信号を受信時刻の記録を行いながら複数回受信する。内部クロック発振手段は、衛星信号の受信時刻を予め設定した時刻ずれ量以下で測定するための内部クロック信号を発振する。測位演算手段は、衛星信号受信手段が複数回受信した衛星信号とその受信時刻とを用いて測位演算を行う。したがって、少なくとも１つの衛星からの信号を受信できれば、正確な位置と正確な時刻とを得ることができる。
【００１８】
（２）本発明は、（１）に記載の測位装置において、前記内部クロック発振手段（１１１）は、外部から取得したリファレンスクロック信号に基づいて前記内部クロック信号を発振することを特徴とする測位装置（１１０，２１０，６１０）を提案している。
【００１９】
この発明によれば、内部クロック発振手段は、外部から取得したリファレンスクロック信号に基づいて内部クロック信号を発振する。したがって、必要なときにのみリファレンスクロック信号を外部から取得してりようすることにより、正確な位置と正確な時刻とを得ることができる。
【００２０】
（３）本発明は、（２）に記載の測位装置において、前記内部クロック発振手段（１１１）は、当該測位装置に直接接続されて当該測位装置の一部として機能する補助装置（１２０，２２０，５２０）から前記リファレンスクロック信号を取得することを特徴とする測位装置（１１０，２１０）を提案している。
【００２１】
この発明によれば、内部クロック発振手段は、当該測位装置に直接接続されて当該測位装置の一部として機能する補助装置からリファレンスクロック信号を取得する。したがって、簡単な構成で高精度なリファレンスクロック信号を利用できる。
【００２２】
（４）本発明は、（３）に記載の測位装置において、前記補助装置（１２０）は、前記リファレンスクロック信号を発振するリファレンスクロック発振器（１２１）を備えることを特徴とする測位装置（１１０）を提案している。
【００２３】
この発明によれば、補助装置は、前記リファレンスクロック信号を発振するリファレンスクロック発振器を備えるので、簡単な構成で高精度なリファレンスクロック信号を利用できる。
【００２４】
（５）本発明は、（３）に記載の測位装置において、前記補助装置（２２０，５２０）は、無線又は有線の通信又は放送により前記リファレンスクロック信号又は前記リファレンスクロック信号の基準とすることができる基準信号を受信することを特徴とする測位装置（２１０）を提案している。
【００２５】
この発明によれば、補助装置は、無線又は有線の通信又は放送により前記リファレンスクロック信号又は前記リファレンスクロック信号の基準とすることができる基準信号を受信する。したがって、高精度の発振器を個々の測位装置専用で用いることなく、高精度なリファレンスクロック信号を利用できる。
【００２６】
（６）本発明は、（１）に記載の測位装置において、リファレンスクロック信号を発振するリファレンスクロック発振器（４１６）を備え、前記内部クロック発振手段（１１１）は、前記リファレンスクロック発振器が発生した前記リファレンスクロック信号に基づいて前記内部クロック信号を発振することを特徴とする測位装置（４１０）を提案している。
【００２７】
この発明によれば、リファレンスクロック発振器は、リファレンスクロック信号を発振する。内部クロック発振手段は、リファレンスクロック発振器が発生したリファレンスクロック信号に基づいて内部クロック信号を発振する。したがって、測位装置単体で少なくとも１つの衛星からの信号を受信できれば、正確な位置と正確な時刻とを得ることができる。
【００２８】
（７）本発明は、（４）又は（６）に記載の測位装置において、前記リファレンスクロック発振器（１２１，４１６）は、人工衛星からの衛星信号に基づいて校正されることを特徴とする測位装置を提案している。
【００２９】
この発明によれば、リファレンスクロック発振器は、人工衛星からの衛星信号に基づいて校正される。したがって、リファレンスクロック発振器が発振するリファレンスクロック信号の精度を高めることができ、さらに正確な位置と正確な時刻とを得ることができる。
【００３０】
（８）本発明は、（４）又は（６）に記載の測位装置において、前記リファレンスクロック発振器（１２１，４１６）は、人工衛星からの衛星信号に基づいて前記リファレンスクロック信号を発振することを特徴とする測位装置を提案している。
【００３１】
この発明によれば、リファレンスクロック発振器は、人工衛星からの衛星信号に基づいて前記リファレンスクロック信号を発振する。したがって、個々のリファレンスクロック発振器を高精度の発振器としなくとも、正確な位置と正確な時刻とを得ることができる。
【００３２】
（９）本発明は、（２）に記載の測位装置において、無線又は有線の通信又は放送により前記リファレンスクロック信号を受信する受信部（６２１）を備えることを特徴とする測位装置（６１０）を提案している。
【００３３】
この発明によれば、受信部は、無線又は有線の通信又は放送により前記リファレンスクロック信号を受信する。したがって、高精度の発振器を個々の測位装置専用で用いることなく、高精度なリファレンスクロック信号を利用できる。また、測位装置に補助装置を取り付けることなく測位を行える。
【００３４】
（１０）本発明は、測位装置（１１０，２１０，４１０，６１０）と、前記測位装置にリファレンスクロック信号又は前記リファレンスクロック信号の基準とすることができる基準信号を送る基準信号送信装置（２３０，５３０）とを有する測位システムであって、前記測位装置は、人工衛星からの衛星信号を受信時刻の記録を行いながら複数回受信する衛星信号受信手段（１１２）と、前記衛星信号の受信時刻を予め設定した時刻ずれ量以下で測定するための内部クロック信号を外部から受信したリファレンスクロック信号に基づいて発振する内部クロック発振手段（１１１）と、前記衛星信号受信手段が複数回受信した前記衛星信号とその受信時刻とを用いて測位演算を行う測位演算手段（１１４）とを備え、前記基準信号送信装置は、前記リファレンスクロック信号又は前記基準信号を自ら発振、又は、外部（２４０，３４０）から取得し、前記測位装置へ送信することを特徴とする測位システムを提案している。
【００３５】
この発明によれば、衛星信号受信手段は、人工衛星からの衛星信号を受信時刻の記録を行いながら複数回受信する。内部クロック発振手段は、衛星信号の受信時刻を予め設定した時刻ずれ量以下で測定するための内部クロック信号を外部から受信したリファレンスクロック信号に基づいて発振する。測位演算手段は、衛星信号受信手段が複数回受信した衛星信号とその受信時刻とを用いて測位演算を行う。基準信号送信装置は、リファレンスクロック信号又は前記基準信号を自ら発振、又は、外部から取得し、測位装置へ送信する。したがって、高精度の発振器を個々の測位装置専用で用いなくとも、少なくとも１つの衛星からの信号を受信できれば、正確な位置と正確な時刻とを得ることができる。
【００３６】
（１１）本発明は、内部クロック信号を発振する内部クロック発振ステップ（Ｓ１０）と、人工衛星からの衛星信号を受信時刻の記録を行いながら複数回受信する衛星信号受信ステップ（Ｓ２０）と、前記衛星信号受信ステップで複数回受信した前記衛星信号とその受信時刻とを用いて測位演算を行う測位演算ステップ（Ｓ５０）とを実行する測位方法を提案している。
【００３７】
この発明によれば、内部クロック発振ステップでは、内部クロック信号を発振する。衛星信号受信ステップでは、人工衛星からの衛星信号を受信時刻の記録を行いながら複数回受信する。測位演算ステップでは、衛星信号受信ステップで複数回受信した衛星信号とその受信時刻とを用いて測位演算を行う。したがって、少なくとも１つの衛星からの信号を受信できれば、正確な位置と正確な時刻とを得ることができる。
【００３８】
（１２）本発明は、コンピュータに、内部クロック信号を発振する内部クロック発振ステップ（Ｓ１０）と、人工衛星からの衛星信号を受信時刻の記録を行いながら複数回受信する衛星信号受信ステップ（Ｓ２０）と、前記衛星信号受信ステップで複数回受信した前記衛星信号とその受信時刻とを用いて測位演算を行う測位演算ステップ（Ｓ５０）とを実行させることを特徴とする測位プログラムを提案している。
【００３９】
この発明によれば、内部クロック発振ステップでは、内部クロック信号を発振する。衛星信号受信ステップでは、人工衛星からの衛星信号を受信時刻の記録を行いながら複数回受信する。測位演算ステップでは、衛星信号受信ステップで複数回受信した衛星信号とその受信時刻とを用いて測位演算を行う。したがって、少なくとも１つの衛星からの信号を受信できれば、正確な位置と正確な時刻とを得ることができる。
【発明の効果】
【００４０】
本発明によれば、少なくとも１つの衛星からの信号を受信できれば、正確な位置と正確な時刻とを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明による測位装置の第１実施形態を示す図である。
【図２】測位装置１１０の測位動作を示すフローチャートである。
【図３】本発明による測位装置を含む測位システムの第３実施形態を示す図である。
【図４】本発明による測位装置を含む測位システムの第４実施形態を示す図である。
【図５】本発明による測位装置の第５実施形態を示す図である。
【図６】第３実施形態の測位システムを有線通信を用いる形態に変更した変形形態を示す図である。
【図７】第３実施形態の測位システムにおける受信部２２１の機能を測位装置６１０に内蔵した変形形態を示す図である。
【図８】従来の位置情報の算出方法における信号と時間との関係を示す図である。
【図９】従来の位置情報の算出方法における送信機と受信機との関係を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
以下、図面を用いて、本発明の実施形態について詳細に説明する。
なお、本実施形態における構成要素は適宜、既存の構成要素等との置き換えが可能であり、また、他の既存の構成要素との組み合わせを含む様々なバリエーションが可能である。したがって、本実施形態の記載をもって、特許請求の範囲に記載された発明の内容を限定するものではない。
【００４３】
（第１実施形態）
図１は、本発明による測位装置の第１実施形態を示す図である。
測位装置１１０は、内部クロック発振部１１１と、ＲＦ受信部１１２と、ベースバンド信号処理部１１３と、測位演算部１１４と、ＧＰＳアンテナ１１５とを備えている。また、測位装置１１０は、外部に接続された補助装置１２０を備えている。
【００４４】
補助装置１２０は、測位装置１１０とケーブルを介して直接接続されており、測位装置１１０の一部として機能する。また、補助装置１２０は、高精度発振器１２１を備えている。高精度発振器１２１は、非常に高い精度のリファレンスクロック信号を発振し、発振したリファレンスクロック信号を測位装置１１０の内部クロック発振部１１１へ送るリファレンスクロック発振器である。高精度発振器としては、例えば、ルビジウム発振器やセシウム発振器等を用いるとよい。
従来のＧＰＳ測位装置に用いられている水晶発振器としては、ＴＣＸＯ(Temperature Compensated Crystal Oscillator)が多く用いられている。ＴＣＸＯは、略１×１０−６程度の周波数精度を持っている。一方、本実施形態に用いるルビジウム発振器であれば、略１×１０−１１程度、セシウム発振器であれば、略１×１０−１２程度の周波数精度を持っている。このように、本実施形態で用いる高精度発信器は、従来用いられている発振器と比較して非常に高い精度を備えている。
【００４５】
内部クロック発振部１１１は、補助装置１２０の高精度発振器１２１から受信したリファレンスクロック信号に基づいて、内部クロック信号を発振する。具体的には、内部クロック発振部１１１は、入力したリファレンスクロック信号を参照し、内部クロック信号の発振周期を同期させる。内部クロック発振部１１１は、発振した内部クロック信号をＲＦ受信部１１２及びベースバンド信号処理部１１３へ送る。
【００４６】
ＲＦ受信部１１２は、ＧＰＳアンテナ１１５を介してＧＰＳ衛星からの衛星信号を受信する衛星信号受信手段である。また、ＲＦ受信部１１２は、内部クロック発振部１１１から取得した内部クロック信号を用いて、衛星信号の受信時刻を予め設定した時刻ずれ量（後述）以下で測定する。
ベースバンド信号処理部１１３は、ＲＦ受信部１１２が受信した衛星信号をデコードして、衛星信号に含まれる情報を取り出す。
【００４７】
測位演算部１１４は、ＲＦ受信部１１２が複数回受信した衛星信号とその受信時刻とを用いて測位演算を行う。
ここで、測位演算部１１４が行う測位演算について説明する。
測位演算部１１４では、衛星信号を４回受信し、それぞれの衛星信号を用いて疑似距離ｒｉ（測位装置から人工衛星までの距離であって、時刻誤差に起因する誤差を含む距離）を求める。各擬似距離ｒｉは、以下の式（１）のように表すことができる。
【数４】
ただし、式（１）において、受信機の位置を（ｘ，ｙ，ｚ）とし、送信機ｉの位置を（ｘｉ，ｙｉ，ｚｉ）とし、単位時間当たりの電波の伝送距離（電波の速度）をｃとし、各測定における時刻誤差をδ（ｔｉ）とする。
【００４８】
ここで、各測定における時刻誤差をδ（ｔｉ）とすると、時刻誤差により生ずる真の距離との誤差である距離誤差ｓ（ｔｉ）との間には、次の関係がなり立つ。
ｃδ（ｔｉ）＝ｓ（ｔｉ）
【００４９】
本実施形態では、衛星信号の受信は必ずしも同時に行っていない。すなわち、各擬似距離の測定は、必ずしも同時に行っていない。したがって、精度が悪い従来の測位装置１１０内の内部クロック発振部を用いていたとすると、各測定における時刻誤差は一定ではないので、ｉ≠ｊのとき以下の関係となる。
δ（ｔｉ）≠δ（ｔｊ）
【００５０】
ここで、測定期間中に内部クロック発振部１１１が発振する内部クロック信号に生ずる最大の時刻ずれをΔｔとし、許容する疑似距離測定誤差Ｄとする。時刻ずれΔｔと許容する疑似距離測定誤差Ｄとの関係が、ｃΔｔ≦Ｄの関係を満たす場合には、各測定における時刻誤差は一定とみなすことができる。そこで、本実施形態では、内部クロック発振部１１１が発振する内部クロック信号に生ずる最大の時刻ずれΔｔが上記関係を満たすようにしている。内部クロック信号の最大の時刻ずれは、リファレンスクロック信号の最大の時刻ずれと同等となる。よって、本実施形態は、高精度発振器１２１が発振するリファレンスクロック信号に生ずる最大の時刻ずれがＤ／ｃ以下となるような精度の高い高精度発振器１２１を用いている。
【００５１】
上述のように、各測定における時刻誤差が一定とみなすことができると、ｉ≠ｊのとき以下の式（２）の関係が成立する。
δ（ｔｉ）＝δ（ｔｊ） ・・・式（２）
【００５２】
式（１）及び式（２）より、連立方程式を解くことにより、変数ｘ，ｙ，ｚ，δ（ｔｉ）の値を得ることができる（測位演算）。これにより、測位装置の正確な位置と正確な時刻を得られる。
【００５３】
図２は、測位装置１１０の測位動作を示すフローチャートである。
測位装置１１０により測位を行う場合には、測位装置１１０は、測位完了まで静止させる、又は、許容誤差範囲内での移動にとどめる。
ステップ（以下、単にＳとする）１０では、内部クロック発振部１１１は、補助装置１２０から入力したリファレンスクロック信号を参照し、内部クロック信号の発振周期を同期させながら内部クロック信号を発振する（内部クロック発振ステップ）。
【００５４】
Ｓ２０では、ＲＦ受信部１１２は、ＧＰＳアンテナ１１５を介してＧＰＳ衛星からの衛星信号を受信する（衛星信号受信ステップ）。このとき、内部クロック信号にしたがい衛星信号を受信した受信時刻を取得する。
Ｓ３０では、測位演算部１１４は、ＧＰＳ衛星からの衛星信号とその受信時刻とを用いて疑似距離の算出を行う。
【００５５】
Ｓ４０では、測位演算部１１４は、４つの疑似距離の取得を完了したか否かを判定する。４つの疑似距離の取得を完了したらＳ５０へ進み、４つの疑似距離の取得を完了していない場合には、Ｓ２０へ戻る。なお、４つの疑似距離は、従来のように４つの衛星から同時に取得する必要がない。例えば、１つの衛星から受信時刻をずらして４回取得してもよいし、２つの衛星から受信時刻をそれぞれずらして２回ずつ取得してもよい。
Ｓ５０では、測位演算部１１４は、取得した４つの疑似距離から測位装置の正確な位置と正確な時刻とを演算する（測位演算ステップ）。
【００５６】
以上説明したように、第１実施形態によれば、少なくとも１つの人工衛星からの信号を４回受信できれば、正確な位置と正確な時刻とを得ることができる。
【００５７】
（第２実施形態）
第２実施形態の測位装置の構成は、第１実施形態と同様であり、前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を付して、重複する説明を適宜省略する。
前述した第１実施形態では、高精度発振器１２１は、非常に高い精度のリファレンスクロック信号を発振し、そのリファレンスクロック信号をそのまま用いても必要な精度の測位を行えた。これに対して、第２実施形態では、高精度発振器１２１が発振するリファレンスクロック信号の精度をさらに高める形態である。具体的には、高精度発振器１２１は、校正手段を有している。この校正手段は、測位前に、ＧＰＳ衛星の衛星信号を参照して校正を行う。なお、ＧＰＳ衛星の衛星信号は、測位装置１１０のＧＰＳアンテナ１１５を介して取得してもよいし、補助装置１２０にＧＰＳアンテナを設けてこのＧＰＳアンテナを介して取得してもよい。
第２実施形態によれば、測位装置１１０は、さらに精度の高い測位を行える。
【００５８】
（第３実施形態）
図３は、本発明による測位装置を含む測位システムの第３実施形態を示す図である。
第３実施形態の測位システムは、測位装置２１０と、補助装置２２０と、基準信号送信装置２３０と、高精度発振器２４０とを備えている。
【００５９】
測位装置２１０は、第１実施形態の測位装置１１０と同様な構成をしている。
補助装置２２０は、測位装置２１０とケーブルを介して直接接続されており、測位装置２１０の一部として機能する。また、補助装置１２０は、受信部２２１を備えている。受信部２２１は、無線通信又は無線放送によりリファレンスクロック信号の基準とすることができる基準信号を受信する。そして、受信部２２１は、受信した基準信号に基づいてリファレンスクロック信号を再生、又は、生成し、そのリファレンスクロック信号を測位装置２１０へ送る。
【００６０】
基準信号送信装置２３０は、無線通信又は無線放送により基準信号を補助装置２２０へ送信する。
本実施形態の基準信号送信装置２３０には、例えば、携帯電話サービスの基地局装置や、テレビ放送やラジオ放送の放送局装置を利用することができる。デジタル方式の通信や放送では、クロック信号そのものを送ってはいないが、基準信号として利用可能な信号を送信している。すなわち、フレームやスロットと呼ばれるデータの区切りや決まったタイミングで送られてくる制御情報は、このタイミングが正確で精度が高いので、基準信号として用いることができる。なお、アナログテレビ放送では、カラーバースト信号と呼ばれるクロック信号が定期的に、短い時間だけ送信されており、これを基準信号として用いてもよい。
なお、基準信号送信装置２３０は、携帯電話サービスの基地局装置等の既存の施設を利用せず、測位システムに専用の装置としてもよい。その場合には、直接リファレンスクロック信号を送信するようにしてもよい。
【００６１】
高精度発振器２４０は、第１実施形態の補助装置１２０が有する高精度発振器１２１と同様なリファレンスクロック信号を発振し、発振したリファレンスクロック信号を基準信号送信装置２３０へ送る。リファレンスクロック信号を受信した基準信号送信装置２３０では、リファレンスクロック信号に基づいて精度の高い基準信号を発振する。
【００６２】
上記構成によりリファレンスクロック信号を受信した測位装置２１０は、第１実施形態の測位装置１１０と同様な測位演算を行い、正確な位置と正確な時刻とを得ることができる。
【００６３】
（第４実施形態）
図４は、本発明による測位装置を含む測位システムの第４実施形態を示す図である。
第４実施形態の測位システムは、第３実施形態の高精度発振器２４０に代えて高精度発振器３４０とＧＰＳ受信機３５０とを設けた形態であり、その他の構成は、第３実施形態と同様である。よって、前述した第３実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を付して、重複する説明を適宜省略する。
【００６４】
高精度発振器３４０は、ＧＰＳ受信機３５０からのリファレンスクロック信号を参照して、リファレンスクロック信号を発振する。これにより、高精度発振器３４０は、精度の高いリファレンスクロック信号を発振できる。
【００６５】
第４実施形態によれば、高精度発振器３４０を簡易な構成としても、精度の高いリファレンスクロック信号を発振でき、正確な位置と正確な時刻とを得ることができる。
【００６６】
（第５実施形態）
図５は、本発明による測位装置の第５実施形態を示す図である。
第５実施形態は、第１実施形態において補助装置１２０が有する高精度発振器１２１を測位装置４１０に内蔵した形態である。よって、前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を付して、重複する説明を適宜省略する。
測位装置４１０は、内部クロック発振部１１１と、ＲＦ受信部１１２と、ベースバンド信号処理部１１３と、測位演算部１１４と、ＧＰＳアンテナ１１５と、高精度発振器４１６とを備えている。
【００６７】
高精度発振器４１６は、第１実施形態の高精度発振器１２１と同様のリファレンスクロック信号を発振し、内部クロック発振部１１１へ送る。
第５実施形態によれば、高精度発振器４１６を内蔵したので、測位装置４１０の使い勝手を向上できる。
【００６８】
なお、測位装置の処理をコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録し、この記録媒体に記録されたプログラムを測位装置に読み込ませ、実行することによって本発明の測位装置、測位システム、測位方法、測位プログラムを実現することができる。ここでいうコンピュータシステムとは、ＯＳや周辺装置等のハードウェアを含む。
【００６９】
また、「コンピュータシステム」は、ＷＷＷ（Ｗｏｒｌｄ Ｗｉｄｅ Ｗｅｂ）システムを利用している場合であれば、ホームページ提供環境（あるいは表示環境）も含むものとする。また、上記プログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピュータシステムから、伝送媒体を介して、あるいは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク（通信網）や電話回線等の通信回線（通信線）のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。
【００７０】
また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよい。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であってもよい。
【００７１】
以上、この発明の実施形態につき、図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。
【００７２】
（変形形態）
（１）第３実施形態から第５実施形態において、第２実施形態と同様に、ＧＰＳ衛星の衛星信号を参照して高精度発振器を校正する校正手段をさらに設けてもよい。
【００７３】
（２）第３実施形態及び第４実施形態において、無線通信や無線放送を用いてリファレンスクロック信号を送信機から補助装置へ送る例を挙げて説明した。しかし、これに限らず、例えば、送信機と補助装置との間をケーブルで接続した有線通信や有線放送を用いてもよい。
図６は、第３実施形態の測位システムを有線通信を用いる形態に変更した変形形態を示す図である。この場合、基準信号送信装置５３０と補助装置５２０の受信部５２１との間では、同期通信を行う。なお、測位装置２１０及び高精度発振器２４０は、第３実施形態の測位装置２１０及び高精度発振器２４０と同様である。
【００７４】
（３）第３実施形態及び第４実施形態において、補助装置によりリファレンスクロック信号を受信し、受信したリファレンスクロック信号を測位装置へ送る例を挙げて説明した。しかし、これに限らず、例えば、リファレンスクロック信号を受信して内部クロック発振部へ送る機能を測位装置に内蔵してもよい。
図７は、第３実施形態の測位システムにおける受信部２２１の機能を測位装置６１０に内蔵した変形形態を示す図である。測位装置６１０は、第３実施形態の測位システムにおける受信部２２１に相当する受信部６２１を内蔵している。なお、基準信号送信装置２３０及び高精度発振器２４０は、第３実施形態の基準信号送信装置２３０及び高精度発振器２４０と同様である。
また、リファレンスクロック信号を受信して内部クロック発振部へ送る機能を測位装置に内蔵する形態においても、有線通信や有線放送を用いる形態としてもよい。
【００７５】
なお、第１実施形態〜第５実施形態及び変形形態は、適宜組み合わせて用いることもできるが、詳細な説明は省略する。
【符号の説明】
【００７６】
１１０，２１０，４１０，６１０ 測位装置
１１１ 内部クロック発振部
１１２ ＲＦ受信部
１１３ ベースバンド信号処理部
１１４ 測位演算部
１１５ ＧＰＳアンテナ
１２０，２２０，５２０ 補助装置
１２１，２４０，３４０，４１６ 高精度発振器
２２１，５２１，６２１ 受信部
２３０，５３０ 基準信号送信装置
３５０ ＧＰＳ受信機
【特許請求の範囲】
【請求項１】
人工衛星からの衛星信号を受信時刻の記録を行いながら複数回受信する衛星信号受信手段と、
前記衛星信号の受信時刻を予め設定した時刻ずれ量以下で測定するための内部クロック信号を発振する内部クロック発振手段と、
前記衛星信号受信手段が複数回受信した前記衛星信号とその受信時刻とを用いて測位演算を行う測位演算手段と、
を備える測位装置。
【請求項２】
請求項１に記載の測位装置において、
前記内部クロック発振手段は、外部から取得したリファレンスクロック信号に基づいて前記内部クロック信号を発振すること、
を特徴とする測位装置。
【請求項３】
請求項２に記載の測位装置において、
前記内部クロック発振手段は、当該測位装置に直接接続されて当該測位装置の一部として機能する補助装置から前記リファレンスクロック信号を取得すること、
を特徴とする測位装置。
【請求項４】
請求項３に記載の測位装置において、
前記補助装置は、前記リファレンスクロック信号を発振するリファレンスクロック発振器を備えること、
を特徴とする測位装置。
【請求項５】
請求項３に記載の測位装置において、
前記補助装置は、無線又は有線の通信又は放送により前記リファレンスクロック信号又は前記リファレンスクロック信号の基準とすることができる基準信号を受信すること、
を特徴とする測位装置。
【請求項６】
請求項１に記載の測位装置において、
リファレンスクロック信号を発振するリファレンスクロック発振器を備え、
前記内部クロック発振手段は、前記リファレンスクロック発振器が発生した前記リファレンスクロック信号に基づいて前記内部クロック信号を発振すること、
を特徴とする測位装置。
【請求項７】
請求項４又は請求項６に記載の測位装置において、
前記リファレンスクロック発振器は、人工衛星からの衛星信号に基づいて校正されること、
を特徴とする測位装置。
【請求項８】
請求項４又は請求項６に記載の測位装置において、
前記リファレンスクロック発振器は、人工衛星からの衛星信号に基づいて前記リファレンスクロック信号を発振すること、
を特徴とする測位装置。
【請求項９】
請求項２に記載の測位装置において、
無線又は有線の通信又は放送により前記リファレンスクロック信号を受信する受信部を備えること、
を特徴とする測位装置。
【請求項１０】
測位装置と、前記測位装置にリファレンスクロック信号を送る基準信号送信装置とを有する測位システムであって、
前記測位装置は、
人工衛星からの衛星信号を受信時刻の記録を行いながら複数回受信する衛星信号受信手段と、
前記衛星信号の受信時刻を予め設定した時刻ずれ量以下で測定するための内部クロック信号を外部から受信したリファレンスクロック信号に基づいて発振する内部クロック発振手段と、
前記衛星信号受信手段が複数回受信した前記衛星信号とその受信時刻とを用いて測位演算を行う測位演算手段と、
を備え、
前記基準信号送信装置は、
前記リファレンスクロック信号を自ら発振、又は、外部から取得し、前記測位装置へ送信すること、
を特徴とする測位システム。
【請求項１１】
内部クロック信号を発振する内部クロック発振ステップと、
人工衛星からの衛星信号を受信時刻の記録を行いながら複数回受信する衛星信号受信ステップと、
前記衛星信号受信ステップで複数回受信した前記衛星信号とその受信時刻とを用いて測位演算を行う測位演算ステップと、
を実行する測位方法。
【請求項１２】
コンピュータに、
内部クロック信号を発振する内部クロック発振ステップと、
人工衛星からの衛星信号を受信時刻の記録を行いながら複数回受信する衛星信号受信ステップと、
前記衛星信号受信ステップで複数回受信した前記衛星信号とその受信時刻とを用いて測位演算を行う測位演算ステップと、
を実行させること、
を特徴とする測位プログラム。
【請求項１】
人工衛星からの衛星信号を受信時刻の記録を行いながら複数回受信する衛星信号受信手段と、
前記衛星信号の受信時刻を予め設定した時刻ずれ量以下で測定するための内部クロック信号を発振する内部クロック発振手段と、
前記衛星信号受信手段が複数回受信した前記衛星信号とその受信時刻とを用いて測位演算を行う測位演算手段と、
を備える測位装置。
【請求項２】
請求項１に記載の測位装置において、
前記内部クロック発振手段は、外部から取得したリファレンスクロック信号に基づいて前記内部クロック信号を発振すること、
を特徴とする測位装置。
【請求項３】
請求項２に記載の測位装置において、
前記内部クロック発振手段は、当該測位装置に直接接続されて当該測位装置の一部として機能する補助装置から前記リファレンスクロック信号を取得すること、
を特徴とする測位装置。
【請求項４】
請求項３に記載の測位装置において、
前記補助装置は、前記リファレンスクロック信号を発振するリファレンスクロック発振器を備えること、
を特徴とする測位装置。
【請求項５】
請求項３に記載の測位装置において、
前記補助装置は、無線又は有線の通信又は放送により前記リファレンスクロック信号又は前記リファレンスクロック信号の基準とすることができる基準信号を受信すること、
を特徴とする測位装置。
【請求項６】
請求項１に記載の測位装置において、
リファレンスクロック信号を発振するリファレンスクロック発振器を備え、
前記内部クロック発振手段は、前記リファレンスクロック発振器が発生した前記リファレンスクロック信号に基づいて前記内部クロック信号を発振すること、
を特徴とする測位装置。
【請求項７】
請求項４又は請求項６に記載の測位装置において、
前記リファレンスクロック発振器は、人工衛星からの衛星信号に基づいて校正されること、
を特徴とする測位装置。
【請求項８】
請求項４又は請求項６に記載の測位装置において、
前記リファレンスクロック発振器は、人工衛星からの衛星信号に基づいて前記リファレンスクロック信号を発振すること、
を特徴とする測位装置。
【請求項９】
請求項２に記載の測位装置において、
無線又は有線の通信又は放送により前記リファレンスクロック信号を受信する受信部を備えること、
を特徴とする測位装置。
【請求項１０】
測位装置と、前記測位装置にリファレンスクロック信号を送る基準信号送信装置とを有する測位システムであって、
前記測位装置は、
人工衛星からの衛星信号を受信時刻の記録を行いながら複数回受信する衛星信号受信手段と、
前記衛星信号の受信時刻を予め設定した時刻ずれ量以下で測定するための内部クロック信号を外部から受信したリファレンスクロック信号に基づいて発振する内部クロック発振手段と、
前記衛星信号受信手段が複数回受信した前記衛星信号とその受信時刻とを用いて測位演算を行う測位演算手段と、
を備え、
前記基準信号送信装置は、
前記リファレンスクロック信号を自ら発振、又は、外部から取得し、前記測位装置へ送信すること、
を特徴とする測位システム。
【請求項１１】
内部クロック信号を発振する内部クロック発振ステップと、
人工衛星からの衛星信号を受信時刻の記録を行いながら複数回受信する衛星信号受信ステップと、
前記衛星信号受信ステップで複数回受信した前記衛星信号とその受信時刻とを用いて測位演算を行う測位演算ステップと、
を実行する測位方法。
【請求項１２】
コンピュータに、
内部クロック信号を発振する内部クロック発振ステップと、
人工衛星からの衛星信号を受信時刻の記録を行いながら複数回受信する衛星信号受信ステップと、
前記衛星信号受信ステップで複数回受信した前記衛星信号とその受信時刻とを用いて測位演算を行う測位演算ステップと、
を実行させること、
を特徴とする測位プログラム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１０−２３０６２５（Ｐ２０１０−２３０６２５Ａ）
【公開日】平成２２年１０月１４日（２０１０．１０．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−８１２６５（Ｐ２００９−８１２６５）
【出願日】平成２１年３月３０日（２００９．３．３０）
【出願人】（０００２０８８９１）ＫＤＤＩ株式会社 (2,700)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１０月１４日（２０１０．１０．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月３０日（２００９．３．３０）
【出願人】（０００２０８８９１）ＫＤＤＩ株式会社 (2,700)
【Ｆターム（参考）】
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