ＧＰＳ受信機および位置検出方法
【課題】コストを増大させることなく、位置検出精度を向上させること。
【解決手段】ＧＰＳ受信機は、ｘ軸上に並べられたアンテナ素子Ａ０，Ａｘと、ｘ軸に直交するｙ軸上に並べられたアンテナ素子Ａ０，Ａｙとを有するアレイアンテナを備え、このアレイアナテナによって受信された衛星信号に基づいて、基準方角に対する衛星信号の到来角度を推定し、推定した到来角度と衛星信号の軌道情報から求められる到来角度との角度差分が基準値未満であるか否かを判定し、角度差分が基準値未満であった場合に、当該衛星信号を用いて位置検出を行う。
【解決手段】ＧＰＳ受信機は、ｘ軸上に並べられたアンテナ素子Ａ０，Ａｘと、ｘ軸に直交するｙ軸上に並べられたアンテナ素子Ａ０，Ａｙとを有するアレイアンテナを備え、このアレイアナテナによって受信された衛星信号に基づいて、基準方角に対する衛星信号の到来角度を推定し、推定した到来角度と衛星信号の軌道情報から求められる到来角度との角度差分が基準値未満であるか否かを判定し、角度差分が基準値未満であった場合に、当該衛星信号を用いて位置検出を行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＧＰＳ受信機および位置検出方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、大都市中心部への過剰な自動車の乗り入れによる交通渋滞、大気汚染などを緩和する対策として、都市部に課金対象エリアを設け、この課金対象エリアに進入する車両に対して一定額の課金を行う、いわゆるロードプライシングが実現されている。
このロードプライシングでは、課金対象エリアの各出入口に、課金用の無線通信装置が設置されたガントリが設けられているとともに、課金対象エリアに進入する車両には、車載器の搭載が義務付けられている。車両がガントリを通過して課金対象エリアに進入すると、課金用の無線通信装置と車載器との間で課金をするために必要となる情報の授受が行われ、電子的な手段によって車両に対する課金処理が行われる。
また、上述したように、ガントリと車載器との間で課金処理を行う方法のほか、例えば、車載器にＧＰＳ受信機を設け、このＧＰＳ受信機によって車両の位置を検出し、この車両の位置を地上波通信により総合センタへ送信し、総合センタにおいて車両が課金対象領域に侵入したか否かを判定して課金を行う課金システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特許第３３６５２９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、ＧＰＳ受信機は、複数のＧＰＳ衛星から衛星信号を受信し、これら衛星信号から自己の位置を検出する装置である。
以下、ＧＰＳ受信機における一般的な位置検出方法について図を参照して説明する。
図５は、ＧＰＳ受信機での信号処理について説明するための説明図である。
まず、ＧＰＳ衛星では、１５７５．２５ＭＨｚの正弦波である搬送波を１．０２３ＭＨｚのＰＮコードで変調し、これを衛星信号として送信する。
ＧＰＳ受信機は、この衛星信号を受信すると、この衛星信号に、遅延させたＰＮコードを乗算することにより衛星信号を復調する。ここで、ＰＮコードの遅延量φが正しければ、このＰＮコードにより復調された衛星信号は、１５７５．２５ＭＨｚの正弦波である搬送波と一致することとなり、図６に示すように、復調後の衛星信号と１５７５．２５ＭＨｚの正弦波である搬送波との相関値は最大値Ｒmaxを示す。
【０００４】
これに対し、遅延量が正確な遅延量φから徐々にずれると、復調後の衛星信号と１５７５．２５ＭＨｚの正弦波である搬送波との相関値は最大値Ｒmaxから徐々に低下し、１チップ分ずれたところで、相関値は０（ゼロ）を示す。これにより、図６に示すように、遅延量と相関値との関係は、正しい遅延量φにおいて最大値Ｒmaxを持つ三角形状の特性を有することとなる。
【０００５】
このような遅延量φにおける左右対称性に着目し、ＧＰＳ受信機では、図６に示すように、復調後の衛星信号と搬送波との相関値が所定の基準値Ｒとなるときの遅延量φ１とφ２とを求め、この遅延量φ１とφ２との中間値を正確な遅延量φとみなし、この遅延量φを用いて衛星までの距離（以下「疑似距離」という。）を演算する。
【０００６】
ここで、疑似距離Ｌは、以下の（１）式により求めることが可能である。
Ｌ＝（相関値が最大Ｒmaxとなる遅延量φ）＊（ＰＮコードの１波長） （１）
【０００７】
上述のように、ＧＰＳ受信機は、少なくとも３つの衛星から受信した衛星信号に基づいてそれぞれの疑似距離Ｌを算出し、この疑似距離Ｌを用いて位置を検出するものであるが、ビル等が多い都市部にて位置検出を行う場合、衛星信号を受信できる衛星の数が減少する上、図７に示すように、ビルなどによって衛星信号が反射されることにより、疑似距離Ｌが実際の距離（例えば、直接波により求められる疑似距離）よりも長くなってしまい、疑似距離Ｌの検出精度が低下するという問題がある。
【０００８】
図８及び図９は、ビル等によって衛星信号が反射された後に受信された場合の相関値（以下、「反射波相関値」という。）の一例と、ビル等に衛星信号が反射されることなく直接的に受信された場合の相関値（以下、「直接波相関値」という。）の一例とを比較して示した図であり、図８は、直接波と反射波とが同相の場合、図９は直接波と反射波とが逆相の場合を示している。
【０００９】
このように、反射波と直接波とでは、最大相関値を示すときの遅延量にずれが生ずるため、これらの衛星信号に基づいて算出される疑似距離Ｌには、誤差が含まれることがわかる。このように、疑似距離Ｌに誤差が含まれると、これらの疑似距離Ｌを用いて検出された位置には、百ｍ以上の誤差が生ずるおそれがある。
位置検出の誤差が大きいと、課金対象エリアの境界付近を走行している車両に対して誤った課金をしてしまうという問題がある。
これに対し、ＧＰＳ受信機における位置検出の精度を向上させる技術として、ＤＧＰＳが知られている。このＤＧＰＳは、地球の周り電離層や、衛星の軌道ずれ等による擬似距離の誤差を補正することが出来る。しかしながら、上述のようなビル等による反射波による擬似距離の誤差を補正することはできないとう問題がある。
【００１０】
本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、コストを増大させることなく、位置検出精度を向上させることのできるＧＰＳ受信機及び位置検出方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、第１の軸上に並べられたアンテナ素子と、前記第１の軸に交わる第２の軸上に並べられたアンテナ素子とを有するアレイアンテナを備えるＧＰＳ受信機を提供する。
【００１２】
このような構成によれば、第１の軸上に並べられたアンテナ素子により受信される衛星信号と、第２の軸上に並べられたアンテナ素子により受信される衛星信号とを比較することにより、ビル等によって反射されて受信された衛星信号であるのか、或いは、ビル等に反射されることなく受信された衛星信号であるのかを判別することが可能となる。
【００１３】
上記ＧＰＳ受信機は、基準方角に対する前記衛星信号の到来角度を推定し、推定した前記到来角度と前記衛星信号の軌道情報から求められる到来角度との角度差分が基準値未満であるか否かを判定し、前記角度差分が前記基準値未満であった場合に、当該衛星信号を用いて位置検出を行うこととしてもよい。
【００１４】
このような構成によれば、基準方角（例えば、真北）に対する衛星信号の到来角度を推定し、推定した到来角度と衛星信号の軌道情報から求められる到来角度との角度差分が基準値未満であるか否かを判定する。ここで、例えば、衛星からの衛星信号がビル等によって反射された後に受信された場合、疑似距離は実際の距離よりも長くなり、誤差が含まれることとなる。このため、衛星信号の到来角度と軌道情報から求められる到来角度との間には、基準値以上の誤差が生ずることとなる。従って、衛星信号の到来角度と軌道情報から求められる到来角度との角度差分が基準値を超えた場合には、この衛星信号はビル等により反射された衛星信号である可能性が高いとして、位置検出に用いる衛星信号から除外し、一方、該角度差分が基準値未満であった場合には、ビル等に反射されることなく直接的に受信された信号であると判断する。本発明によれば、このように直接的に受信された衛星信号のみを用いて位置検出を行うので、位置検出の精度を向上させることが可能となる。
【００１５】
上記ＧＰＳ受信機は、例えば、前記第１の軸と前記衛星とを含む平面内における第１の仰角を求めるとともに、前記第２の軸と前記衛星とを含む平面内における第２の仰角を求め、前記第１の仰角および前記第２の仰角ならびに基準方角に対する前記アレイアンテナの設置角度を用いて、前記基準方角に対する前記衛星信号の到来角度を推定することとしてもよい。
【００１６】
更に、上記ＧＰＳ受信機は、例えば、各前記アンテナ素子により受信された前記衛星信号と位相をずらしたＰＮコードとの相関により、各前記アンテナ素子から前記衛星までの距離をそれぞれ求め、この距離の差分に基づいて前記第１の仰角および前記第２の仰角を求めることとしてもよい。
【００１７】
上記ＧＰＳ受信機において、同軸上に配置された各前記アンテナ素子については、共通の位相ずれ量を持つ前記ＰＮコードを用いて前記衛星までの距離をそれぞれ求めることとしてもよい。
このように、同軸上に配置されたアンテナ素子については、共通の位相ズレ量を持つＰＮコードを用いて衛星までの距離をそれぞれ求める、より具体的には、衛星信号を共通の位相ズレ量を持つＰＮコードを用いて復調し、復調後の衛星信号と搬送波との相関値に基づいて疑似距離をそれぞれ求める。この結果、異なる位相ズレ量を持つＰＮコードを用いて疑似距離を求める場合に比べて、アレイアンテナの大型化を防止しつつ、低廉な価額で、かつ、位置検出の精度向上を図ることが可能となる。
【００１８】
上記ＧＰＳ受信機は、複数の衛星から衛星信号をそれぞれ受信し、基準方角を０°から３６０°まで連続的にまたは断続的に変位させたときの各前記基準方角に対する前記衛星信号の到来角度をそれぞれ求め、前記基準方角毎に、前記衛星信号の到来角度と該衛星信号の軌道情報から求められる到来角度との角度差分を算出し、同一の前記基準方角における各前記衛星信号の前記角度差分を積算することにより、前記基準方角毎に積算角度差分を算出し、前記積算角度差分が最小となるときの前記基準方角を真の基準方角として特定し、前記衛星信号毎に、前記真の基準方角に対する前記衛星信号の到来角度と該衛星信号の軌道情報から求められる到来角度との角度差分が基準値未満であるか否かを判定し、前記角度差分が基準値未満である前記衛星信号に基づいて位置を検出することとしてもよい。
【００１９】
このような構成によれば、複数の衛星から衛星信号をそれぞれ受信し、基準方角を０°から３６０°まで連続的に、又は、断続的に変位させたときの各基準方角に対する衛星信号の到来角度をそれぞれ求める。続いて、基準方角ごとに、衛星信号の到来角度と該衛星信号の軌道情報から求められる到来角度との角度差分を算出する。これにより、各基準方角における角度差分が、衛星信号毎に求められることとなる。
続いて、同一の基準方角毎に各衛星信号の角度差分を積算することにより、積算角度差分を基準方角毎に求め、この積算角度差分が最小となる基準方角を特定する。そして、この基準方角を真の基準方角（例えば、真北）とみなし、この真の基準方角に対する各衛星信号の到来角度と、軌道情報から求められる到来角度との角度差分が基準値未満か否かを、衛星信号毎に判断する。この結果、角度差分が基準値未満である衛星信号については、ビル等に反射されることなく直接的に受信された信号である可能性が高いと判断し、このような信号のみを用いて位置検出を行うことで、位置検出の精度向上を図ることができる。
【００２０】
上記ＧＰＳ受信機は、例えば、車載器に搭載されるのに好適である。
本発明は、上記ＧＰＳ受信機を搭載する車載器によって検出された車両の位置情報を受信し、該位置情報に基づいて前記車両が課金対象エリアに進入したか否かを判定し、前記課金対象エリアに進入していると判定した場合に課金を行う課金システムを提供する。
【００２１】
本発明は、第１の軸上に並べられたアンテナ素子と、該第１の軸に交わる第２の軸上に並べられたアンテナ素子とを有するアレイアンテナによって衛星から送信される衛星信号を受信する過程と、基準方角に対する前記衛星信号の到来角度を推定する過程と、推定した前記到来角度と前記衛星信号の軌道情報から求められる到来角度との角度差分が基準値未満であるか否かを判定する過程と、前記角度差分が前記基準値未満である前記衛星信号を用いて位置を検出する過程とを有する位置検出方法を提供する。
【００２２】
本発明は、第１の軸上に並べられたアンテナ素子と、該第１の軸に交わる第２の軸上に並べられたアンテナ素子とを有するアレイアンテナによって複数の衛星から送信される衛星信号を受信する過程と、基準方角を０°から３６０°まで連続的にまたは断続的に変位させたときの各前記基準方角に対する前記衛星信号の到来角度をそれぞれ求める過程と、前記基準方角毎に、前記衛星信号の到来角度と該衛星信号の軌道情報から求められる到来角度との角度差分を算出する過程と、同一の前記基準方角における各前記衛星信号の前記角度差分を積算することにより、前記基準方角毎に積算角度差分を算出する過程と、前記積算角度差分が最小となるときの前記基準方角を真の基準方角として特定する過程と、前記衛星信号毎に、前記真の基準方角に対する前記衛星信号の到来角度と該衛星信号の軌道情報から求められる到来角度との角度差分が基準値未満であるか否かを判定する過程と、前記角度差分が基準値未満である前記衛星信号に基づいて位置を検出する過程とを有する位置検出方法を提供する。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、コストを増大させることなく、位置検出精度を向上させることができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下に、本発明に係るＧＰＳ受信機及び位置検出方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。
〔第１の実施形態〕
図１は、本発明の第１の実施形態に係るＧＰＳ受信機が備えるアレイアンテナを示した図である。
図１に示すように、アレイアンテナは、ｘ軸（第１の軸）上に並べられたアンテナ素子Ａ０，Ａｘと、ｘ軸に直交するｙ軸（第２の軸）上に並べられたアンテナ素子Ａ０，Ａｙとを備えている。本実施形態では、第１の軸と第２の軸とが直交している場合を例示して説明するが、これらの軸は互いに交わっていればよく、直交している場合に限定されない。また、アンテナ素子は、３つ以上備えられていればよく、３つの場合に限定されない。アンテナ素子Ａ０，Ａｘ，Ａｙは、例えば、パッチアンテナである。
【００２５】
図２は、ＧＰＳ受信機の概略構成を示したブロック図である。
図２に示すようにＧＰＳ受信機は、各アンテナ素子Ａ０，Ａｘに対してそれぞれ設けられる信号処理部１ａ，１ｂ、及び信号処理部１ａ，１ｂからの衛星信号が与えられ、これらに基づいて位置検出処理等を行うＣＰＵ２を主な構成として備えている。
なお、図２において、図１に示したアンテナ素子Ａｙが図示されていないが、アンテナ素子Ａｙに対しても、アンテナＡ０，Ａｘと同様の構成を備える信号処理部が設けられているとともに、その信号処理部からＣＰＵに信号が出力される構成とされている。
【００２６】
アンテナ素子Ａ０に対応する信号処理部１ａは、位相をずらしたＰＮコードを生成するＰＮコード発生器１１ａ、アンテナ素子Ａ０により受信された衛星信号とＰＮコード発生器１１ａにより生成されたＰＮコードとを乗算する乗算器１２ａ、乗算器１２ａからの信号の相関をとる相関器１３ａを備えている。
信号処理部１ｂは、ＰＮコードを生成するＰＮコード発生器１１ｂ、アンテナ素子Ａｘにより受信された衛星信号とＰＮコード発生器１１ｂにより生成されたＰＮコードとを乗算する乗算器１２ｂ、乗算器１２ｂからの信号の相関をとる相関器１３ｂを備えている。
相関器１３ａ，１３ｂからの出力は、ＣＰＵ２に与えられ、ＣＰＵ２において、各アンテナ素子Ａ０，Ａｘから衛星Ｓまでの擬似距離等がそれぞれ算出されるようになっている。
【００２７】
相関器１３ａは、例えば、図３に示すように、Ｉ（同相）チャネルの搬送波が与えられ、Ｉチャネルの搬送波を復調後の衛星信号に乗算して出力する乗算器２１と、乗算器２１からの信号を積算し、相関信号Ｉ０として出力する積算器２２と、Ｑ（直交）チャネルの搬送波が与えられ、Ｑチャネルの搬送波を復調後の衛星信号に乗算して出力する乗算器２３と、乗算器２３からの信号を積算し、相関信号Ｑ０として出力する積算器２４とを備えている。また、相関器１３ｂも同様の構成を備えており、相関信号Ｉｘと相関信号ＱｘとがＣＰＵ２に出力されるようになっている。
なお、上述した信号処理部１ａ，１ｂの構成は公知の構成を採用することが可能であり、詳しい説明は省略する。
【００２８】
このような構成を備えるＧＰＳ受信機において、アンテナＡ０により受信された衛星信号は、乗算器１２ａに与えられる。乗算器１２ａでは、ＰＮコード発生器１１ａにより生成された所定の位相ずれ量を有するＰＮコードが衛星信号に乗算されることにより復調され、復調後の衛星信号が相関器１３ａに出力される。相関器１３ａでは、復調後の衛星信号に対して同相チャネルの搬送波および直交チャネルの搬送波がそれぞれ乗算器２１，２３において乗算され、これらの各積算値が相関信号Ｉ０、相関信号Ｑ０として相関器２２，２４から出力される。
また、アンテナＡｘにより受信された衛星信号においても、同様の手順により相関信号Ｉｘおよび相関信号Ｑｘが求められ、ＣＰＵ２に出力される。
【００２９】
ＣＰＵ２は、相関信号Ｉ０，Ｑ０，Ｉｘ，Ｑｘを入力情報として受け付けると、これらの信号に基づいて相関値（Ｉ０２＋Ｑ０２，Ｉｘ２＋Ｑｘ２）が最大となるＰＮコードの位相ズレ量（遅延量φ）を求め、この位相ズレ量に基づいて疑似距離Ｌ０，Ｌｘを算出する。
続いて、図２に示すように、アンテナ素子Ａ０による疑似距離Ｌ０と、アンテナ素子Ａｘによる疑似距離Ｌｘとの差分からアンテナ素子Ａ０，Ａｘおよび衛星Ｓを含む平面内での仰角αｘを求める。仰角αｘは以下の（２）式にて表される。
【００３０】
αｘ＝ｃｏｓ−１（（Ｌ０−Ｌｘ）／ｄｘ） （２）
上記（２）式において、ｄｘは、図１に示すように、アンテナ素子Ａ０，Ａｘ，Ａｙを含む平面内でのアンテナ素子Ａ０とＡｘとの距離である。なお、ｄｘはＰＮコードの１波長よりも小さい値に設定することが求められる。
【００３１】
同様に、ＣＰＵ２は、ｙ軸上に並べられたアンテナ素子Ａｙについても同様の手順に基づいて、衛星Ｓまでの疑似距離Ｌｙを求め、上記アンテナ素子Ａ０における疑似距離Ｌ０との差分からアンテナ素子Ａ０，Ａｙおよび衛星Ｓを含む平面内での仰角αｙを求める。仰角αｙは以下の（３）式にて表される。
【００３２】
αｙ＝ｃｏｓ−１（（Ｌ０−Ｌｙ）／ｄｙ） （３）
上記（３）式において、ｄｙはアンテナ素子Ａ０，Ａｘ，Ａｙを含む平面内でのアンテナ素子Ａ０とＡｙとの距離である。なお、ｄｙはＰＮコードの１波長よりも小さい値に設定することが求められる。
【００３３】
続いて、ＣＰＵ２は、上記仰角αｘ，αｙを用いて相対的な仰角φａ´および相対的な方位角θａ´を算出する。
続いて、ＣＰＵ２は、ＧＰＳ受信機が搭載されている車両の車両方位検出手段からの角度情報を用いて、真北に対する現在のアレイアンテナの配置角度を計算し、この配置角度を用いて相対的な仰角φａ´および相対的な方位角θａ´を補正することによって、真北に対する電波の到来角度、即ち、真北を原点としたときの絶対的な仰角φａおよび絶対的な方位角θａを求める。
【００３４】
上記車両方位検出手段としては、例えば、方位磁石、ジャイロスコープのような角速度検出手段の積分値等が一例として挙げられる。
続いて、ＣＰＵ２は、上述した手順により求めた到来角度（φａ，θａ）と、衛星から受信した軌道情報（エフェメリス）を用いて計算した到来角度（φｅ，θｅ）との角度差分を算出し、これらの角度差分が基準値（例えば、９０°）以上であるか否かを判定する。
つまり、以下の（４）及び（５）の条件を満たすか否かを判定する。
|φａ−φｅ|＜φｒｅｆ （４）
|θａ−θｅ|＜θｒｅｆ （５）
【００３５】
この結果、ＣＰＵ２は、上記（４）かつ（５）の条件を満たしていた場合には、衛星Ｓから受信した衛星信号は、ビル等に反射された信号ではなく、直接的に受信された信頼性の高い信号であるとみなして、この衛星信号に基づいて算出された疑似距離（例えば、疑似距離Ｌ０）を位置検出に使用可能と判断する。
一方、上記（４）かつ（５）の条件を満たしていない場合には、衛星Ｓから受信した衛星信号は、ビル等に反射された電波である可能性が高く、信頼性が低い信号であるとみなして、位置検出に用いる衛星信号からこの衛星信号を除外する。
【００３６】
以上、説明してきたように、本実施形態に係るＧＰＳ受信機及び位置検出方法によれば、ｘ軸上に並べられたアンテナ素子Ａ０，Ａｘにより受信される衛星信号と、ｙ軸上に並べられたアンテナ素子Ａ０，Ａｙにより受信される衛星信号に基づいて、衛星信号の到来角度（φａ，θａ）を求め、この到来角度（φａ，θａ）と衛星から受信した軌道情報（エフェメリス）を用いて計算した到来角度（φｅ，θｅ）との角度差分を算出する。そして、これらの角度差分が基準値（例えば、９０°）以上であった場合に、ビル等によって反射されて受信された衛星信号である可能性が高いと判断して、この衛星信号を位置検出に用いる衛星信号から除外するので、直接波の可能性が高い衛星信号のみを用いて位置検出を行うことが可能となる。
【００３７】
これにより、位置検出精度を向上させることができる。
そして、このようなＧＰＳ受信機を車載器に搭載し、ロードプライシング等のような課金システムに利用することにより、課金対象エリアへの進入の有無の判断精度を向上させることができる。
【００３８】
〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態について、図を用いて説明する。
本実施形態のＧＰＳ受信機及び位置検出方法が第１の実施形態と異なる点は、図４に示すように、各信号処理部１ａ，１ｂにおいて、共通のＰＮコード発生器１１により生成されたＰＮコードを用いて各衛星信号を復調する点である。
以下、本実施形態のＧＰＳ受信機及び位置検出方法について、第１の実施形態と共通する点については説明を省略し、異なる点について主に説明する。
【００３９】
図４に示すように、本実施形態に係るＧＰＳ受信機では、共通のＰＮコード発生器１１により生成されたＰＮコードが、各アンテナ素子の信号処理部１ａ，１ｂにおける乗算器１２ａ，１２ｂにそれぞれ与えられる。
乗算器１２ａ，１２ｂにより位相がずれた共通のＰＮコードが乗算されることによって復調された衛星信号は、それぞれの相関器１３ａ，１３ｂに入力されることにより、相関信号Ｉ０，Ｑ０，Ｉｘ，Ｑｘがそれぞれ算出され、ＣＰＵ２´に与えられる。
【００４０】
ＣＰＵ２´は、相関信号Ｉ０，Ｑ０，Ｉｘ，Ｑｘを用いて、以下の（６）式に基づいて電波の位相差Δβｘを求め、更に、この位相差Δβｘおよび（７）式を用いてアンテナ素子Ａ０，Ａｘおよび衛星Ｓを含む平面内での仰角αｘを求める。
【００４１】
Δβ＝ａｔａｎ２（Ｉ０，Ｑ０）−ａｔａｎ２（Ｉｘ，Ｑｘ） （６）
αｘ＝ｃｏｓ−１（Δβ・λ／２πｄｘ） （７）
ここで、上記ａｔａｎ２（Ｉ０，Ｑ０）は、複素数Ｉ０＋ｉＱ０の主偏角の逆正接である。
上記（７）式において、ｄｙはアンテナ素子Ａ０，Ａｘ，Ａｙを含む平面内でのアンテナ素子Ａ０とＡｘとの距離である。なお、ｄｘは搬送波の１波長よりも小さい値に設定することが求められる。
【００４２】
同様に、ＣＰＵ２´は、ｙ軸上に並べられたアンテナ素子Ａｙについても同様の手順に基づいて、位相差Δβｙを求め、この位相差Δβｙおよび（８）式を用いてアンテナ素子Ａ０，Ａｙおよび衛星Ｓを含む平面内での仰角αｙを求める。
αｙ＝ｃｏｓ−１（Δβ・λ／２πｄｙ） （８）
上記（８）式において、ｄｙはアンテナ素子Ａ０，Ａｘ，Ａｙを含む平面内でのアンテナ素子Ａ０とＡｙとの距離である。なお、ｄｙは搬送波の１波長よりも小さい値に設定することが求められる。
【００４３】
そして、ＣＰＵ２´は、上記仰角αｘ，αｙおよび車両の車両方位検出手段からの角度情報を用いて、真北を原点としたときの絶対的な仰角φａおよび絶対的な方位角θａを求め、これに基づいて当該衛星Ｓからの衛星信号を位置検出に用いるか否かを決定し、位置検出に使用可能と判断した衛星信号のみを用いて位置検出を行う。
【００４４】
以上、説明してきたように、本実施形態に係るＧＰＳ受信機及び位置検出方法によれば、同軸上に配置されているアンテナ素子においては、同じ位相ズレ量のＰＮコードを用いて衛星信号を復調する。このように、同一の遅延量のＰＮコードを用いて衛星信号を復調することにより、各アンテナ素子間の距離ｄｘ、ｄｙを数十ｃｍ以内に設定することが可能となる。これにより、アレイアンテナの大型化を防止しつつ、低廉な価額で、かつ、位置検出の精度向上を図ることが可能となる。
【００４５】
〔第３の実施形態〕
次に、本発明の第３の実施形態について、図を用いて説明する。
本実施形態のＧＰＳ受信機が第１および第２の実施形態と異なる点は、ＣＰＵ２が車両の方位検出手段からの角度情報を用いて絶対的な到来角度を求めるのではなく、このような方位検出手段からの情報を用いることなく、複数の衛星からの衛星信号を用いて絶対的な到来角度を求める点である。
以下、本実施形態のＧＰＳ受信機について、第１の実施形態と共通する点については説明を省略し、異なる点について主に説明する。
【００４６】
本実施形態に係るＧＰＳ受信機では、ＣＰＵ２が、上述した第１または第２の実施形態と同様の手順に従って相対的な仰角φａ´および方位角θａ´を求めると、続いて、現在の真北に対するアレイアンテナの角度γを０〜３６０°まで仮定し、各仮定の下における絶対的な仰角φａ及び絶対的な方位角θａを求め、これらと衛星から受信した軌道情報（エフェメリス）を用いて計算した到来角度（φｅ，θｅ）との差分を算出する。
【００４７】
これにより、真北に対するアレイアンテナの角度γが０°であると仮定したときの、到来角度の角度差分|φａ０−φｅ０|、真北に対するアレイアンテナの角度γが１°であると仮定したときの、到来角度の角度差分|φａ１−φｅ１|、・・・、真北に対するアレイアンテナの角度γが３６０°であると仮定したときの、到来角度の角度差分|φａ３６０−φｅ３６０|がそれぞれ求められる。
【００４８】
そして、ＣＰＵ２は、上述したような到来角度の角度差分の算出処理を、衛星信号が受信可能な全ての衛星に対して行う。
これにより、各衛星Ｓｉ（ｉ：衛星番号）に対して、アレイアンテナの角度γを０〜３６０の各角度に仮定した場合の到来角度の角度差分|φａγ−φｅγ|がそれぞれ求められる。
【００４９】
続いて、ＣＰＵ２は、このようにして求めた到来角度の角度差分|φａγ−φｅγ|をアレイアンテナの角度γ毎に積算することにより、積算値Ｉｎｔ（γ）を求める。
具体的には、ＣＰＵ２は、γ＝０°と仮定した場合の各衛星Ｓｉの到来角度の角度差分|φａ０−φｅ０|の積算値Ｉｎｔ（０）、γ＝１°と仮定した場合の各衛星Ｓｉの到来角度の差分|φａ１−φｅ１|の積算値Ｉｎｔ（１）、・・・、γ＝３６０°と仮定した場合の各衛星Ｓｉの到来角度の角度差分|φａ３６０−φｅ３６０|の積算値Ｉｎｔ（３６０）をそれぞれ求める。
【００５０】
続いて、ＣＰＵ２は、これらの積算値Ｉｎｔ（γ）が最小値を取るときのγを真の基準方角に対するアレイアンテナの実際の角度として決定し、この角度γを用いて各衛星の相対的な到来角度を補正することにより、絶対的な到来角度を衛星Ｓｉ毎に算出する。
そして、ＣＰＵ２は、上述した第１の実施形態と同様に、上記（４）及び（５）の条件を満たすか否かにより、位置検出に使用可能な衛星信号を決定する。
【００５１】
以上説明してきたように、本実施形態に係るＧＰＳ受信機及び位置検出方法によれば、複数の衛星信号に基づいて真の基準方角を決定し、この真の基準方角に対する衛星信号の到来角度に基づいて、当該衛星信号を位置検出に用いるか否かを判別するので、上述した第１または第２の実施形態のように、基準方角に対するアレイアンテナの設置角度を用いる必要がなくなり、車両方位検出手段からの入力情報を不要とすることができる。
これにより、車両方位検出手段が計測誤差を含む場合でも、これらの誤差にかかわらず、常に安定した位置検出を行うことが可能となる。
また、アンテナ設置角度が変化した場合でも、その変化に追従することが可能となるので、位置検出を容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るＧＰＳ受信機が備えるアレイアンテナを示した図である。
【図２】ＧＰＳ受信機の概略構成を示したブロック図である。
【図３】図２に示した相関器の概略構成を示したブロック図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係るＧＰＳ受信機の概略構成を示したブロック図である。
【図５】ＧＰＳ受信機における位置検出方法を説明するための図である。
【図６】ＰＮコードの遅延量と相関値との関係を示した図である。
【図７】直接波と反射波とについて説明するための説明図である。
【図８】直接波と反射波とが同相の場合における反射波の相関値と直接波の相関値とを比較して示した図である。
【図９】直接波と反射波とが逆相の場合における反射波の相関値と直接波の相関値とを比較して示した図である。
【符号の説明】
【００５３】
Ａ０，Ａｘ，Ａｙ アンテナ素子
１ａ，１ｂ 信号処理部
２，２´ ＣＰＵ
１２ａ，１２ｂ 乗算器
１３ａ，１３ｂ 相関器
１１，１１ａ，１１ｂ ＰＮコード発生器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＧＰＳ受信機および位置検出方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、大都市中心部への過剰な自動車の乗り入れによる交通渋滞、大気汚染などを緩和する対策として、都市部に課金対象エリアを設け、この課金対象エリアに進入する車両に対して一定額の課金を行う、いわゆるロードプライシングが実現されている。
このロードプライシングでは、課金対象エリアの各出入口に、課金用の無線通信装置が設置されたガントリが設けられているとともに、課金対象エリアに進入する車両には、車載器の搭載が義務付けられている。車両がガントリを通過して課金対象エリアに進入すると、課金用の無線通信装置と車載器との間で課金をするために必要となる情報の授受が行われ、電子的な手段によって車両に対する課金処理が行われる。
また、上述したように、ガントリと車載器との間で課金処理を行う方法のほか、例えば、車載器にＧＰＳ受信機を設け、このＧＰＳ受信機によって車両の位置を検出し、この車両の位置を地上波通信により総合センタへ送信し、総合センタにおいて車両が課金対象領域に侵入したか否かを判定して課金を行う課金システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特許第３３６５２９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、ＧＰＳ受信機は、複数のＧＰＳ衛星から衛星信号を受信し、これら衛星信号から自己の位置を検出する装置である。
以下、ＧＰＳ受信機における一般的な位置検出方法について図を参照して説明する。
図５は、ＧＰＳ受信機での信号処理について説明するための説明図である。
まず、ＧＰＳ衛星では、１５７５．２５ＭＨｚの正弦波である搬送波を１．０２３ＭＨｚのＰＮコードで変調し、これを衛星信号として送信する。
ＧＰＳ受信機は、この衛星信号を受信すると、この衛星信号に、遅延させたＰＮコードを乗算することにより衛星信号を復調する。ここで、ＰＮコードの遅延量φが正しければ、このＰＮコードにより復調された衛星信号は、１５７５．２５ＭＨｚの正弦波である搬送波と一致することとなり、図６に示すように、復調後の衛星信号と１５７５．２５ＭＨｚの正弦波である搬送波との相関値は最大値Ｒmaxを示す。
【０００４】
これに対し、遅延量が正確な遅延量φから徐々にずれると、復調後の衛星信号と１５７５．２５ＭＨｚの正弦波である搬送波との相関値は最大値Ｒmaxから徐々に低下し、１チップ分ずれたところで、相関値は０（ゼロ）を示す。これにより、図６に示すように、遅延量と相関値との関係は、正しい遅延量φにおいて最大値Ｒmaxを持つ三角形状の特性を有することとなる。
【０００５】
このような遅延量φにおける左右対称性に着目し、ＧＰＳ受信機では、図６に示すように、復調後の衛星信号と搬送波との相関値が所定の基準値Ｒとなるときの遅延量φ１とφ２とを求め、この遅延量φ１とφ２との中間値を正確な遅延量φとみなし、この遅延量φを用いて衛星までの距離（以下「疑似距離」という。）を演算する。
【０００６】
ここで、疑似距離Ｌは、以下の（１）式により求めることが可能である。
Ｌ＝（相関値が最大Ｒmaxとなる遅延量φ）＊（ＰＮコードの１波長） （１）
【０００７】
上述のように、ＧＰＳ受信機は、少なくとも３つの衛星から受信した衛星信号に基づいてそれぞれの疑似距離Ｌを算出し、この疑似距離Ｌを用いて位置を検出するものであるが、ビル等が多い都市部にて位置検出を行う場合、衛星信号を受信できる衛星の数が減少する上、図７に示すように、ビルなどによって衛星信号が反射されることにより、疑似距離Ｌが実際の距離（例えば、直接波により求められる疑似距離）よりも長くなってしまい、疑似距離Ｌの検出精度が低下するという問題がある。
【０００８】
図８及び図９は、ビル等によって衛星信号が反射された後に受信された場合の相関値（以下、「反射波相関値」という。）の一例と、ビル等に衛星信号が反射されることなく直接的に受信された場合の相関値（以下、「直接波相関値」という。）の一例とを比較して示した図であり、図８は、直接波と反射波とが同相の場合、図９は直接波と反射波とが逆相の場合を示している。
【０００９】
このように、反射波と直接波とでは、最大相関値を示すときの遅延量にずれが生ずるため、これらの衛星信号に基づいて算出される疑似距離Ｌには、誤差が含まれることがわかる。このように、疑似距離Ｌに誤差が含まれると、これらの疑似距離Ｌを用いて検出された位置には、百ｍ以上の誤差が生ずるおそれがある。
位置検出の誤差が大きいと、課金対象エリアの境界付近を走行している車両に対して誤った課金をしてしまうという問題がある。
これに対し、ＧＰＳ受信機における位置検出の精度を向上させる技術として、ＤＧＰＳが知られている。このＤＧＰＳは、地球の周り電離層や、衛星の軌道ずれ等による擬似距離の誤差を補正することが出来る。しかしながら、上述のようなビル等による反射波による擬似距離の誤差を補正することはできないとう問題がある。
【００１０】
本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、コストを増大させることなく、位置検出精度を向上させることのできるＧＰＳ受信機及び位置検出方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、第１の軸上に並べられたアンテナ素子と、前記第１の軸に交わる第２の軸上に並べられたアンテナ素子とを有するアレイアンテナを備えるＧＰＳ受信機を提供する。
【００１２】
このような構成によれば、第１の軸上に並べられたアンテナ素子により受信される衛星信号と、第２の軸上に並べられたアンテナ素子により受信される衛星信号とを比較することにより、ビル等によって反射されて受信された衛星信号であるのか、或いは、ビル等に反射されることなく受信された衛星信号であるのかを判別することが可能となる。
【００１３】
上記ＧＰＳ受信機は、基準方角に対する前記衛星信号の到来角度を推定し、推定した前記到来角度と前記衛星信号の軌道情報から求められる到来角度との角度差分が基準値未満であるか否かを判定し、前記角度差分が前記基準値未満であった場合に、当該衛星信号を用いて位置検出を行うこととしてもよい。
【００１４】
このような構成によれば、基準方角（例えば、真北）に対する衛星信号の到来角度を推定し、推定した到来角度と衛星信号の軌道情報から求められる到来角度との角度差分が基準値未満であるか否かを判定する。ここで、例えば、衛星からの衛星信号がビル等によって反射された後に受信された場合、疑似距離は実際の距離よりも長くなり、誤差が含まれることとなる。このため、衛星信号の到来角度と軌道情報から求められる到来角度との間には、基準値以上の誤差が生ずることとなる。従って、衛星信号の到来角度と軌道情報から求められる到来角度との角度差分が基準値を超えた場合には、この衛星信号はビル等により反射された衛星信号である可能性が高いとして、位置検出に用いる衛星信号から除外し、一方、該角度差分が基準値未満であった場合には、ビル等に反射されることなく直接的に受信された信号であると判断する。本発明によれば、このように直接的に受信された衛星信号のみを用いて位置検出を行うので、位置検出の精度を向上させることが可能となる。
【００１５】
上記ＧＰＳ受信機は、例えば、前記第１の軸と前記衛星とを含む平面内における第１の仰角を求めるとともに、前記第２の軸と前記衛星とを含む平面内における第２の仰角を求め、前記第１の仰角および前記第２の仰角ならびに基準方角に対する前記アレイアンテナの設置角度を用いて、前記基準方角に対する前記衛星信号の到来角度を推定することとしてもよい。
【００１６】
更に、上記ＧＰＳ受信機は、例えば、各前記アンテナ素子により受信された前記衛星信号と位相をずらしたＰＮコードとの相関により、各前記アンテナ素子から前記衛星までの距離をそれぞれ求め、この距離の差分に基づいて前記第１の仰角および前記第２の仰角を求めることとしてもよい。
【００１７】
上記ＧＰＳ受信機において、同軸上に配置された各前記アンテナ素子については、共通の位相ずれ量を持つ前記ＰＮコードを用いて前記衛星までの距離をそれぞれ求めることとしてもよい。
このように、同軸上に配置されたアンテナ素子については、共通の位相ズレ量を持つＰＮコードを用いて衛星までの距離をそれぞれ求める、より具体的には、衛星信号を共通の位相ズレ量を持つＰＮコードを用いて復調し、復調後の衛星信号と搬送波との相関値に基づいて疑似距離をそれぞれ求める。この結果、異なる位相ズレ量を持つＰＮコードを用いて疑似距離を求める場合に比べて、アレイアンテナの大型化を防止しつつ、低廉な価額で、かつ、位置検出の精度向上を図ることが可能となる。
【００１８】
上記ＧＰＳ受信機は、複数の衛星から衛星信号をそれぞれ受信し、基準方角を０°から３６０°まで連続的にまたは断続的に変位させたときの各前記基準方角に対する前記衛星信号の到来角度をそれぞれ求め、前記基準方角毎に、前記衛星信号の到来角度と該衛星信号の軌道情報から求められる到来角度との角度差分を算出し、同一の前記基準方角における各前記衛星信号の前記角度差分を積算することにより、前記基準方角毎に積算角度差分を算出し、前記積算角度差分が最小となるときの前記基準方角を真の基準方角として特定し、前記衛星信号毎に、前記真の基準方角に対する前記衛星信号の到来角度と該衛星信号の軌道情報から求められる到来角度との角度差分が基準値未満であるか否かを判定し、前記角度差分が基準値未満である前記衛星信号に基づいて位置を検出することとしてもよい。
【００１９】
このような構成によれば、複数の衛星から衛星信号をそれぞれ受信し、基準方角を０°から３６０°まで連続的に、又は、断続的に変位させたときの各基準方角に対する衛星信号の到来角度をそれぞれ求める。続いて、基準方角ごとに、衛星信号の到来角度と該衛星信号の軌道情報から求められる到来角度との角度差分を算出する。これにより、各基準方角における角度差分が、衛星信号毎に求められることとなる。
続いて、同一の基準方角毎に各衛星信号の角度差分を積算することにより、積算角度差分を基準方角毎に求め、この積算角度差分が最小となる基準方角を特定する。そして、この基準方角を真の基準方角（例えば、真北）とみなし、この真の基準方角に対する各衛星信号の到来角度と、軌道情報から求められる到来角度との角度差分が基準値未満か否かを、衛星信号毎に判断する。この結果、角度差分が基準値未満である衛星信号については、ビル等に反射されることなく直接的に受信された信号である可能性が高いと判断し、このような信号のみを用いて位置検出を行うことで、位置検出の精度向上を図ることができる。
【００２０】
上記ＧＰＳ受信機は、例えば、車載器に搭載されるのに好適である。
本発明は、上記ＧＰＳ受信機を搭載する車載器によって検出された車両の位置情報を受信し、該位置情報に基づいて前記車両が課金対象エリアに進入したか否かを判定し、前記課金対象エリアに進入していると判定した場合に課金を行う課金システムを提供する。
【００２１】
本発明は、第１の軸上に並べられたアンテナ素子と、該第１の軸に交わる第２の軸上に並べられたアンテナ素子とを有するアレイアンテナによって衛星から送信される衛星信号を受信する過程と、基準方角に対する前記衛星信号の到来角度を推定する過程と、推定した前記到来角度と前記衛星信号の軌道情報から求められる到来角度との角度差分が基準値未満であるか否かを判定する過程と、前記角度差分が前記基準値未満である前記衛星信号を用いて位置を検出する過程とを有する位置検出方法を提供する。
【００２２】
本発明は、第１の軸上に並べられたアンテナ素子と、該第１の軸に交わる第２の軸上に並べられたアンテナ素子とを有するアレイアンテナによって複数の衛星から送信される衛星信号を受信する過程と、基準方角を０°から３６０°まで連続的にまたは断続的に変位させたときの各前記基準方角に対する前記衛星信号の到来角度をそれぞれ求める過程と、前記基準方角毎に、前記衛星信号の到来角度と該衛星信号の軌道情報から求められる到来角度との角度差分を算出する過程と、同一の前記基準方角における各前記衛星信号の前記角度差分を積算することにより、前記基準方角毎に積算角度差分を算出する過程と、前記積算角度差分が最小となるときの前記基準方角を真の基準方角として特定する過程と、前記衛星信号毎に、前記真の基準方角に対する前記衛星信号の到来角度と該衛星信号の軌道情報から求められる到来角度との角度差分が基準値未満であるか否かを判定する過程と、前記角度差分が基準値未満である前記衛星信号に基づいて位置を検出する過程とを有する位置検出方法を提供する。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、コストを増大させることなく、位置検出精度を向上させることができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下に、本発明に係るＧＰＳ受信機及び位置検出方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。
〔第１の実施形態〕
図１は、本発明の第１の実施形態に係るＧＰＳ受信機が備えるアレイアンテナを示した図である。
図１に示すように、アレイアンテナは、ｘ軸（第１の軸）上に並べられたアンテナ素子Ａ０，Ａｘと、ｘ軸に直交するｙ軸（第２の軸）上に並べられたアンテナ素子Ａ０，Ａｙとを備えている。本実施形態では、第１の軸と第２の軸とが直交している場合を例示して説明するが、これらの軸は互いに交わっていればよく、直交している場合に限定されない。また、アンテナ素子は、３つ以上備えられていればよく、３つの場合に限定されない。アンテナ素子Ａ０，Ａｘ，Ａｙは、例えば、パッチアンテナである。
【００２５】
図２は、ＧＰＳ受信機の概略構成を示したブロック図である。
図２に示すようにＧＰＳ受信機は、各アンテナ素子Ａ０，Ａｘに対してそれぞれ設けられる信号処理部１ａ，１ｂ、及び信号処理部１ａ，１ｂからの衛星信号が与えられ、これらに基づいて位置検出処理等を行うＣＰＵ２を主な構成として備えている。
なお、図２において、図１に示したアンテナ素子Ａｙが図示されていないが、アンテナ素子Ａｙに対しても、アンテナＡ０，Ａｘと同様の構成を備える信号処理部が設けられているとともに、その信号処理部からＣＰＵに信号が出力される構成とされている。
【００２６】
アンテナ素子Ａ０に対応する信号処理部１ａは、位相をずらしたＰＮコードを生成するＰＮコード発生器１１ａ、アンテナ素子Ａ０により受信された衛星信号とＰＮコード発生器１１ａにより生成されたＰＮコードとを乗算する乗算器１２ａ、乗算器１２ａからの信号の相関をとる相関器１３ａを備えている。
信号処理部１ｂは、ＰＮコードを生成するＰＮコード発生器１１ｂ、アンテナ素子Ａｘにより受信された衛星信号とＰＮコード発生器１１ｂにより生成されたＰＮコードとを乗算する乗算器１２ｂ、乗算器１２ｂからの信号の相関をとる相関器１３ｂを備えている。
相関器１３ａ，１３ｂからの出力は、ＣＰＵ２に与えられ、ＣＰＵ２において、各アンテナ素子Ａ０，Ａｘから衛星Ｓまでの擬似距離等がそれぞれ算出されるようになっている。
【００２７】
相関器１３ａは、例えば、図３に示すように、Ｉ（同相）チャネルの搬送波が与えられ、Ｉチャネルの搬送波を復調後の衛星信号に乗算して出力する乗算器２１と、乗算器２１からの信号を積算し、相関信号Ｉ０として出力する積算器２２と、Ｑ（直交）チャネルの搬送波が与えられ、Ｑチャネルの搬送波を復調後の衛星信号に乗算して出力する乗算器２３と、乗算器２３からの信号を積算し、相関信号Ｑ０として出力する積算器２４とを備えている。また、相関器１３ｂも同様の構成を備えており、相関信号Ｉｘと相関信号ＱｘとがＣＰＵ２に出力されるようになっている。
なお、上述した信号処理部１ａ，１ｂの構成は公知の構成を採用することが可能であり、詳しい説明は省略する。
【００２８】
このような構成を備えるＧＰＳ受信機において、アンテナＡ０により受信された衛星信号は、乗算器１２ａに与えられる。乗算器１２ａでは、ＰＮコード発生器１１ａにより生成された所定の位相ずれ量を有するＰＮコードが衛星信号に乗算されることにより復調され、復調後の衛星信号が相関器１３ａに出力される。相関器１３ａでは、復調後の衛星信号に対して同相チャネルの搬送波および直交チャネルの搬送波がそれぞれ乗算器２１，２３において乗算され、これらの各積算値が相関信号Ｉ０、相関信号Ｑ０として相関器２２，２４から出力される。
また、アンテナＡｘにより受信された衛星信号においても、同様の手順により相関信号Ｉｘおよび相関信号Ｑｘが求められ、ＣＰＵ２に出力される。
【００２９】
ＣＰＵ２は、相関信号Ｉ０，Ｑ０，Ｉｘ，Ｑｘを入力情報として受け付けると、これらの信号に基づいて相関値（Ｉ０２＋Ｑ０２，Ｉｘ２＋Ｑｘ２）が最大となるＰＮコードの位相ズレ量（遅延量φ）を求め、この位相ズレ量に基づいて疑似距離Ｌ０，Ｌｘを算出する。
続いて、図２に示すように、アンテナ素子Ａ０による疑似距離Ｌ０と、アンテナ素子Ａｘによる疑似距離Ｌｘとの差分からアンテナ素子Ａ０，Ａｘおよび衛星Ｓを含む平面内での仰角αｘを求める。仰角αｘは以下の（２）式にて表される。
【００３０】
αｘ＝ｃｏｓ−１（（Ｌ０−Ｌｘ）／ｄｘ） （２）
上記（２）式において、ｄｘは、図１に示すように、アンテナ素子Ａ０，Ａｘ，Ａｙを含む平面内でのアンテナ素子Ａ０とＡｘとの距離である。なお、ｄｘはＰＮコードの１波長よりも小さい値に設定することが求められる。
【００３１】
同様に、ＣＰＵ２は、ｙ軸上に並べられたアンテナ素子Ａｙについても同様の手順に基づいて、衛星Ｓまでの疑似距離Ｌｙを求め、上記アンテナ素子Ａ０における疑似距離Ｌ０との差分からアンテナ素子Ａ０，Ａｙおよび衛星Ｓを含む平面内での仰角αｙを求める。仰角αｙは以下の（３）式にて表される。
【００３２】
αｙ＝ｃｏｓ−１（（Ｌ０−Ｌｙ）／ｄｙ） （３）
上記（３）式において、ｄｙはアンテナ素子Ａ０，Ａｘ，Ａｙを含む平面内でのアンテナ素子Ａ０とＡｙとの距離である。なお、ｄｙはＰＮコードの１波長よりも小さい値に設定することが求められる。
【００３３】
続いて、ＣＰＵ２は、上記仰角αｘ，αｙを用いて相対的な仰角φａ´および相対的な方位角θａ´を算出する。
続いて、ＣＰＵ２は、ＧＰＳ受信機が搭載されている車両の車両方位検出手段からの角度情報を用いて、真北に対する現在のアレイアンテナの配置角度を計算し、この配置角度を用いて相対的な仰角φａ´および相対的な方位角θａ´を補正することによって、真北に対する電波の到来角度、即ち、真北を原点としたときの絶対的な仰角φａおよび絶対的な方位角θａを求める。
【００３４】
上記車両方位検出手段としては、例えば、方位磁石、ジャイロスコープのような角速度検出手段の積分値等が一例として挙げられる。
続いて、ＣＰＵ２は、上述した手順により求めた到来角度（φａ，θａ）と、衛星から受信した軌道情報（エフェメリス）を用いて計算した到来角度（φｅ，θｅ）との角度差分を算出し、これらの角度差分が基準値（例えば、９０°）以上であるか否かを判定する。
つまり、以下の（４）及び（５）の条件を満たすか否かを判定する。
|φａ−φｅ|＜φｒｅｆ （４）
|θａ−θｅ|＜θｒｅｆ （５）
【００３５】
この結果、ＣＰＵ２は、上記（４）かつ（５）の条件を満たしていた場合には、衛星Ｓから受信した衛星信号は、ビル等に反射された信号ではなく、直接的に受信された信頼性の高い信号であるとみなして、この衛星信号に基づいて算出された疑似距離（例えば、疑似距離Ｌ０）を位置検出に使用可能と判断する。
一方、上記（４）かつ（５）の条件を満たしていない場合には、衛星Ｓから受信した衛星信号は、ビル等に反射された電波である可能性が高く、信頼性が低い信号であるとみなして、位置検出に用いる衛星信号からこの衛星信号を除外する。
【００３６】
以上、説明してきたように、本実施形態に係るＧＰＳ受信機及び位置検出方法によれば、ｘ軸上に並べられたアンテナ素子Ａ０，Ａｘにより受信される衛星信号と、ｙ軸上に並べられたアンテナ素子Ａ０，Ａｙにより受信される衛星信号に基づいて、衛星信号の到来角度（φａ，θａ）を求め、この到来角度（φａ，θａ）と衛星から受信した軌道情報（エフェメリス）を用いて計算した到来角度（φｅ，θｅ）との角度差分を算出する。そして、これらの角度差分が基準値（例えば、９０°）以上であった場合に、ビル等によって反射されて受信された衛星信号である可能性が高いと判断して、この衛星信号を位置検出に用いる衛星信号から除外するので、直接波の可能性が高い衛星信号のみを用いて位置検出を行うことが可能となる。
【００３７】
これにより、位置検出精度を向上させることができる。
そして、このようなＧＰＳ受信機を車載器に搭載し、ロードプライシング等のような課金システムに利用することにより、課金対象エリアへの進入の有無の判断精度を向上させることができる。
【００３８】
〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態について、図を用いて説明する。
本実施形態のＧＰＳ受信機及び位置検出方法が第１の実施形態と異なる点は、図４に示すように、各信号処理部１ａ，１ｂにおいて、共通のＰＮコード発生器１１により生成されたＰＮコードを用いて各衛星信号を復調する点である。
以下、本実施形態のＧＰＳ受信機及び位置検出方法について、第１の実施形態と共通する点については説明を省略し、異なる点について主に説明する。
【００３９】
図４に示すように、本実施形態に係るＧＰＳ受信機では、共通のＰＮコード発生器１１により生成されたＰＮコードが、各アンテナ素子の信号処理部１ａ，１ｂにおける乗算器１２ａ，１２ｂにそれぞれ与えられる。
乗算器１２ａ，１２ｂにより位相がずれた共通のＰＮコードが乗算されることによって復調された衛星信号は、それぞれの相関器１３ａ，１３ｂに入力されることにより、相関信号Ｉ０，Ｑ０，Ｉｘ，Ｑｘがそれぞれ算出され、ＣＰＵ２´に与えられる。
【００４０】
ＣＰＵ２´は、相関信号Ｉ０，Ｑ０，Ｉｘ，Ｑｘを用いて、以下の（６）式に基づいて電波の位相差Δβｘを求め、更に、この位相差Δβｘおよび（７）式を用いてアンテナ素子Ａ０，Ａｘおよび衛星Ｓを含む平面内での仰角αｘを求める。
【００４１】
Δβ＝ａｔａｎ２（Ｉ０，Ｑ０）−ａｔａｎ２（Ｉｘ，Ｑｘ） （６）
αｘ＝ｃｏｓ−１（Δβ・λ／２πｄｘ） （７）
ここで、上記ａｔａｎ２（Ｉ０，Ｑ０）は、複素数Ｉ０＋ｉＱ０の主偏角の逆正接である。
上記（７）式において、ｄｙはアンテナ素子Ａ０，Ａｘ，Ａｙを含む平面内でのアンテナ素子Ａ０とＡｘとの距離である。なお、ｄｘは搬送波の１波長よりも小さい値に設定することが求められる。
【００４２】
同様に、ＣＰＵ２´は、ｙ軸上に並べられたアンテナ素子Ａｙについても同様の手順に基づいて、位相差Δβｙを求め、この位相差Δβｙおよび（８）式を用いてアンテナ素子Ａ０，Ａｙおよび衛星Ｓを含む平面内での仰角αｙを求める。
αｙ＝ｃｏｓ−１（Δβ・λ／２πｄｙ） （８）
上記（８）式において、ｄｙはアンテナ素子Ａ０，Ａｘ，Ａｙを含む平面内でのアンテナ素子Ａ０とＡｙとの距離である。なお、ｄｙは搬送波の１波長よりも小さい値に設定することが求められる。
【００４３】
そして、ＣＰＵ２´は、上記仰角αｘ，αｙおよび車両の車両方位検出手段からの角度情報を用いて、真北を原点としたときの絶対的な仰角φａおよび絶対的な方位角θａを求め、これに基づいて当該衛星Ｓからの衛星信号を位置検出に用いるか否かを決定し、位置検出に使用可能と判断した衛星信号のみを用いて位置検出を行う。
【００４４】
以上、説明してきたように、本実施形態に係るＧＰＳ受信機及び位置検出方法によれば、同軸上に配置されているアンテナ素子においては、同じ位相ズレ量のＰＮコードを用いて衛星信号を復調する。このように、同一の遅延量のＰＮコードを用いて衛星信号を復調することにより、各アンテナ素子間の距離ｄｘ、ｄｙを数十ｃｍ以内に設定することが可能となる。これにより、アレイアンテナの大型化を防止しつつ、低廉な価額で、かつ、位置検出の精度向上を図ることが可能となる。
【００４５】
〔第３の実施形態〕
次に、本発明の第３の実施形態について、図を用いて説明する。
本実施形態のＧＰＳ受信機が第１および第２の実施形態と異なる点は、ＣＰＵ２が車両の方位検出手段からの角度情報を用いて絶対的な到来角度を求めるのではなく、このような方位検出手段からの情報を用いることなく、複数の衛星からの衛星信号を用いて絶対的な到来角度を求める点である。
以下、本実施形態のＧＰＳ受信機について、第１の実施形態と共通する点については説明を省略し、異なる点について主に説明する。
【００４６】
本実施形態に係るＧＰＳ受信機では、ＣＰＵ２が、上述した第１または第２の実施形態と同様の手順に従って相対的な仰角φａ´および方位角θａ´を求めると、続いて、現在の真北に対するアレイアンテナの角度γを０〜３６０°まで仮定し、各仮定の下における絶対的な仰角φａ及び絶対的な方位角θａを求め、これらと衛星から受信した軌道情報（エフェメリス）を用いて計算した到来角度（φｅ，θｅ）との差分を算出する。
【００４７】
これにより、真北に対するアレイアンテナの角度γが０°であると仮定したときの、到来角度の角度差分|φａ０−φｅ０|、真北に対するアレイアンテナの角度γが１°であると仮定したときの、到来角度の角度差分|φａ１−φｅ１|、・・・、真北に対するアレイアンテナの角度γが３６０°であると仮定したときの、到来角度の角度差分|φａ３６０−φｅ３６０|がそれぞれ求められる。
【００４８】
そして、ＣＰＵ２は、上述したような到来角度の角度差分の算出処理を、衛星信号が受信可能な全ての衛星に対して行う。
これにより、各衛星Ｓｉ（ｉ：衛星番号）に対して、アレイアンテナの角度γを０〜３６０の各角度に仮定した場合の到来角度の角度差分|φａγ−φｅγ|がそれぞれ求められる。
【００４９】
続いて、ＣＰＵ２は、このようにして求めた到来角度の角度差分|φａγ−φｅγ|をアレイアンテナの角度γ毎に積算することにより、積算値Ｉｎｔ（γ）を求める。
具体的には、ＣＰＵ２は、γ＝０°と仮定した場合の各衛星Ｓｉの到来角度の角度差分|φａ０−φｅ０|の積算値Ｉｎｔ（０）、γ＝１°と仮定した場合の各衛星Ｓｉの到来角度の差分|φａ１−φｅ１|の積算値Ｉｎｔ（１）、・・・、γ＝３６０°と仮定した場合の各衛星Ｓｉの到来角度の角度差分|φａ３６０−φｅ３６０|の積算値Ｉｎｔ（３６０）をそれぞれ求める。
【００５０】
続いて、ＣＰＵ２は、これらの積算値Ｉｎｔ（γ）が最小値を取るときのγを真の基準方角に対するアレイアンテナの実際の角度として決定し、この角度γを用いて各衛星の相対的な到来角度を補正することにより、絶対的な到来角度を衛星Ｓｉ毎に算出する。
そして、ＣＰＵ２は、上述した第１の実施形態と同様に、上記（４）及び（５）の条件を満たすか否かにより、位置検出に使用可能な衛星信号を決定する。
【００５１】
以上説明してきたように、本実施形態に係るＧＰＳ受信機及び位置検出方法によれば、複数の衛星信号に基づいて真の基準方角を決定し、この真の基準方角に対する衛星信号の到来角度に基づいて、当該衛星信号を位置検出に用いるか否かを判別するので、上述した第１または第２の実施形態のように、基準方角に対するアレイアンテナの設置角度を用いる必要がなくなり、車両方位検出手段からの入力情報を不要とすることができる。
これにより、車両方位検出手段が計測誤差を含む場合でも、これらの誤差にかかわらず、常に安定した位置検出を行うことが可能となる。
また、アンテナ設置角度が変化した場合でも、その変化に追従することが可能となるので、位置検出を容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るＧＰＳ受信機が備えるアレイアンテナを示した図である。
【図２】ＧＰＳ受信機の概略構成を示したブロック図である。
【図３】図２に示した相関器の概略構成を示したブロック図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係るＧＰＳ受信機の概略構成を示したブロック図である。
【図５】ＧＰＳ受信機における位置検出方法を説明するための図である。
【図６】ＰＮコードの遅延量と相関値との関係を示した図である。
【図７】直接波と反射波とについて説明するための説明図である。
【図８】直接波と反射波とが同相の場合における反射波の相関値と直接波の相関値とを比較して示した図である。
【図９】直接波と反射波とが逆相の場合における反射波の相関値と直接波の相関値とを比較して示した図である。
【符号の説明】
【００５３】
Ａ０，Ａｘ，Ａｙ アンテナ素子
１ａ，１ｂ 信号処理部
２，２´ ＣＰＵ
１２ａ，１２ｂ 乗算器
１３ａ，１３ｂ 相関器
１１，１１ａ，１１ｂ ＰＮコード発生器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の軸上に並べられたアンテナ素子と、前記第１の軸に交わる第２の軸上に並べられたアンテナ素子とを有するアレイアンテナを備えるＧＰＳ受信機。
【請求項２】
基準方角に対する前記衛星信号の到来角度を推定し、
推定した前記到来角度と前記衛星信号の軌道情報から求められる到来角度との角度差分が基準値未満であるか否かを判定し、
前記角度差分が前記基準値未満であった場合に、当該衛星信号を用いて位置検出を行う請求項１に記載のＧＰＳ受信機。
【請求項３】
前記第１の軸と前記衛星とを含む平面内における第１の仰角を求めるとともに、前記第２の軸と前記衛星とを含む平面内における第２の仰角を求め、
前記第１の仰角および前記第２の仰角ならびに基準方角に対する前記アレイアンテナの設置角度を用いて、前記基準方角に対する前記衛星信号の到来角度を推定する請求項２に記載のＧＰＳ受信機。
【請求項４】
各前記アンテナ素子により受信された前記衛星信号と位相をずらしたＰＮコードとの相関により、各前記アンテナ素子から前記衛星までの距離をそれぞれ求め、この距離の差分に基づいて前記第１の仰角および前記第２の仰角を求める請求項３に記載のＧＰＳ受信機。
【請求項５】
同軸上に配置された各前記アンテナ素子については、共通の位相ずれ量を持つ前記ＰＮコードを用いて前記衛星までの距離をそれぞれ求める請求項４に記載のＧＰＳ受信機。
【請求項６】
複数の衛星から衛星信号をそれぞれ受信し、
基準方角を０°から３６０°まで連続的にまたは断続的に変位させたときの各前記基準方角に対する前記衛星信号の到来角度をそれぞれ求め、
前記基準方角毎に、前記衛星信号の到来角度と該衛星信号の軌道情報から求められる到来角度との角度差分を算出し、
同一の前記基準方角における各前記衛星信号の前記角度差分を積算することにより、前記基準方角毎に積算角度差分を算出し、
前記積算角度差分が最小となるときの前記基準方角を真の基準方角として特定し、
前記衛星信号毎に、前記真の基準方角に対する前記衛星信号の到来角度と該衛星信号の軌道情報から求められる到来角度との角度差分が基準値未満であるか否かを判定し、
前記角度差分が基準値未満である前記衛星信号に基づいて位置を検出する請求項１に記載のＧＰＳ受信機。
【請求項７】
請求項１から請求項６に記載のＧＰＳ受信機を備える車載器。
【請求項８】
請求項７に記載の車載器によって検出された車両の位置情報を受信し、該位置情報に基づいて前記車両が課金対象エリアに進入したか否かを判定し、前記課金対象エリアに進入していると判定した場合に課金を行う課金システム。
【請求項９】
第１の軸上に並べられたアンテナ素子と、該第１の軸に交わる第２の軸上に並べられたアンテナ素子とを有するアレイアンテナによって衛星から送信される衛星信号を受信する過程と、
基準方角に対する前記衛星信号の到来角度を推定する過程と、
推定した前記到来角度と前記衛星信号の軌道情報から求められる到来角度との角度差分が基準値未満であるか否かを判定する過程と、
前記角度差分が前記基準値未満である前記衛星信号を用いて位置を検出する過程と
を有する位置検出方法。
【請求項１０】
第１の軸上に並べられたアンテナ素子と、該第１の軸に交わる第２の軸上に並べられたアンテナ素子とを有するアレイアンテナによって複数の衛星から送信される衛星信号を受信する過程と、
基準方角を０°から３６０°まで連続的にまたは断続的に変位させたときの各前記基準方角に対する前記衛星信号の到来角度をそれぞれ求める過程と、
前記基準方角毎に、前記衛星信号の到来角度と該衛星信号の軌道情報から求められる到来角度との角度差分を算出する過程と、
同一の前記基準方角における各前記衛星信号の前記角度差分を積算することにより、前記基準方角毎に積算角度差分を算出する過程と、
前記積算角度差分が最小となるときの前記基準方角を真の基準方角として特定する過程と、
前記衛星信号毎に、前記真の基準方角に対する前記衛星信号の到来角度と該衛星信号の軌道情報から求められる到来角度との角度差分が基準値未満であるか否かを判定する過程と、
前記角度差分が基準値未満である前記衛星信号に基づいて位置を検出する過程と
を有する位置検出方法。
【請求項１】
第１の軸上に並べられたアンテナ素子と、前記第１の軸に交わる第２の軸上に並べられたアンテナ素子とを有するアレイアンテナを備えるＧＰＳ受信機。
【請求項２】
基準方角に対する前記衛星信号の到来角度を推定し、
推定した前記到来角度と前記衛星信号の軌道情報から求められる到来角度との角度差分が基準値未満であるか否かを判定し、
前記角度差分が前記基準値未満であった場合に、当該衛星信号を用いて位置検出を行う請求項１に記載のＧＰＳ受信機。
【請求項３】
前記第１の軸と前記衛星とを含む平面内における第１の仰角を求めるとともに、前記第２の軸と前記衛星とを含む平面内における第２の仰角を求め、
前記第１の仰角および前記第２の仰角ならびに基準方角に対する前記アレイアンテナの設置角度を用いて、前記基準方角に対する前記衛星信号の到来角度を推定する請求項２に記載のＧＰＳ受信機。
【請求項４】
各前記アンテナ素子により受信された前記衛星信号と位相をずらしたＰＮコードとの相関により、各前記アンテナ素子から前記衛星までの距離をそれぞれ求め、この距離の差分に基づいて前記第１の仰角および前記第２の仰角を求める請求項３に記載のＧＰＳ受信機。
【請求項５】
同軸上に配置された各前記アンテナ素子については、共通の位相ずれ量を持つ前記ＰＮコードを用いて前記衛星までの距離をそれぞれ求める請求項４に記載のＧＰＳ受信機。
【請求項６】
複数の衛星から衛星信号をそれぞれ受信し、
基準方角を０°から３６０°まで連続的にまたは断続的に変位させたときの各前記基準方角に対する前記衛星信号の到来角度をそれぞれ求め、
前記基準方角毎に、前記衛星信号の到来角度と該衛星信号の軌道情報から求められる到来角度との角度差分を算出し、
同一の前記基準方角における各前記衛星信号の前記角度差分を積算することにより、前記基準方角毎に積算角度差分を算出し、
前記積算角度差分が最小となるときの前記基準方角を真の基準方角として特定し、
前記衛星信号毎に、前記真の基準方角に対する前記衛星信号の到来角度と該衛星信号の軌道情報から求められる到来角度との角度差分が基準値未満であるか否かを判定し、
前記角度差分が基準値未満である前記衛星信号に基づいて位置を検出する請求項１に記載のＧＰＳ受信機。
【請求項７】
請求項１から請求項６に記載のＧＰＳ受信機を備える車載器。
【請求項８】
請求項７に記載の車載器によって検出された車両の位置情報を受信し、該位置情報に基づいて前記車両が課金対象エリアに進入したか否かを判定し、前記課金対象エリアに進入していると判定した場合に課金を行う課金システム。
【請求項９】
第１の軸上に並べられたアンテナ素子と、該第１の軸に交わる第２の軸上に並べられたアンテナ素子とを有するアレイアンテナによって衛星から送信される衛星信号を受信する過程と、
基準方角に対する前記衛星信号の到来角度を推定する過程と、
推定した前記到来角度と前記衛星信号の軌道情報から求められる到来角度との角度差分が基準値未満であるか否かを判定する過程と、
前記角度差分が前記基準値未満である前記衛星信号を用いて位置を検出する過程と
を有する位置検出方法。
【請求項１０】
第１の軸上に並べられたアンテナ素子と、該第１の軸に交わる第２の軸上に並べられたアンテナ素子とを有するアレイアンテナによって複数の衛星から送信される衛星信号を受信する過程と、
基準方角を０°から３６０°まで連続的にまたは断続的に変位させたときの各前記基準方角に対する前記衛星信号の到来角度をそれぞれ求める過程と、
前記基準方角毎に、前記衛星信号の到来角度と該衛星信号の軌道情報から求められる到来角度との角度差分を算出する過程と、
同一の前記基準方角における各前記衛星信号の前記角度差分を積算することにより、前記基準方角毎に積算角度差分を算出する過程と、
前記積算角度差分が最小となるときの前記基準方角を真の基準方角として特定する過程と、
前記衛星信号毎に、前記真の基準方角に対する前記衛星信号の到来角度と該衛星信号の軌道情報から求められる到来角度との角度差分が基準値未満であるか否かを判定する過程と、
前記角度差分が基準値未満である前記衛星信号に基づいて位置を検出する過程と
を有する位置検出方法。
【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２００８−１３９２５５（Ｐ２００８−１３９２５５Ａ）
【公開日】平成２０年６月１９日（２００８．６．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３２８２６９（Ｐ２００６−３２８２６９）
【出願日】平成１８年１２月５日（２００６．１２．５）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年６月１９日（２００８．６．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１２月５日（２００６．１２．５）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
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