JP3522258B2 - 方位情報取得方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ＧＰＳ衛星より
送信される信号により方位情報を取得する方法に関す
る。

【０００２】

【従来技術】ＧＰＳ（Global Positioning System）衛
星より送信されてくる信号により、緯度、経度、高度、
ＧＰＳ時刻等の測位情報は容易に得られたが、方位情報
は得られなかった。

【０００３】そこで、本発明者は、一対の平面パッチア
ンテナを用いて、方位情報を取得する方法を提案した
（特願２０００−９１３６２号）。

【０００４】この方位情報取得方法に依ると、一対の平
面パッチアンテナを互いに平行且つ背向で垂直に配置
し、各平面パッチアンテナに、向いている方向の上空の
四分の一天球にアンテナの感度が及ぶ上空覆域を形成さ
せ、それぞれのアンテナに接続されている受信機部より
受信した全てのＧＰＳ衛星の信号強度値を取り出し、こ
の取り出した信号強度の比較に基いて、それぞれの信号
を送信したＧＰＳ衛星がどちらのアンテナの上空覆域に
存在していたかの判定を行い、この衛星の存在領域判定
結果を円環的に整列させ、上記円環的判定結果列が含む
情報に基いて計測方向の方位を限定または特定した。

【０００５】上記の方位情報取得方法を市販のＧＰＳ受
信機で実施させるため、本発明者は、更に、データ送信
部、データ受信部及びデータ処理部を設けたＧＰＳ受信
機を提案した（特願２０００−３６４６０５号）。

【０００６】その結果、一対の平面パッチアンテナは、
互に平行且つ背向で垂直に配置すると共に、一対のＧＰ
Ｓ受信機をデータ送信部とデータ受信部が互いに対面す
るよう配置させると、一方のＧＰＳ受信機で受信したＧ
ＰＳ衛星のデータを他方のＧＰＳ受信機へ送信すること
ができ、二つのデータをデータ処理部で処理して、方位
情報を容易に取得することが可能となった。

【０００７】ＧＰＳ衛星の信号による方位情報は、磁場
に影響されるコンパスによる方位情報に較べて信頼性が
高い。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記提案の方
位情報取得方法は、二枚の平面アンテナを平行に設置す
るため、背面や側面に高層建造物が存在して、全天のう
ち限られた方位部分のみが使用可能な場所では、幅が比
較的小さい方位限定の方位角の結果を得にくく、また地
物遮蔽方向に向けられたアンテナ覆域は無駄となった。

【０００９】また、上記提案の方位情報取得方法は、二
枚の平面アンテナを平行に設置するため、流線形状の先
頭部を有する陸上移動体には設置することが困難であっ
た。

【００１０】この発明は、上記に鑑みなされたもので、
少なくとも一つでもＧＰＳ衛星よりの信号を受ける上空
覆域領域が存在すれば、方位情報を得ることができる方
位情報取得方法を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明に依る方位情報取得方法は、それぞれ半球の
アンテナパターンを有する一対の平面パッチアンテナを
それぞれの上空覆域の一部が少なくとも重なり合う共通
領域を形成するような角度で大地に垂直に配置し、上記
二つのアンテナにより形成する角度を検出し、上記二つ
のアンテナにそれぞれ接続しているＧＰＳ受信機でそれ
ぞれの上空覆域に存在するＧＰＳ衛星から送信される信
号の受信を試みさせ、得られた衛星の信号を比較して、
信号を送信した衛星が三つに分割した上空覆域のどの領
域に存在していたかの領域判定を行い、各三つの領域に
於て、衛星の方位角の数列を時計回りに作成し、初項の
方位角と終項の方位角を抽出し、少なくとも一つの領域
で得られた初項の方位角と終項の方位角と二つのアンテ
ナの形成する角度により方位を限定することを特徴とす
る。

【００１２】上述の如く、この発明に依る方位情報取得
方法は、山やビルが存在して地物遮蔽の顕著な状況で
も、みすみすアンテナ感度を全天に割り付けることを避
けられ、これまで方位限定の結果範囲が広くなりがちだ
った上記の状況でも、希望幅に近方位限定の結果を得や
すいという特徴をもった方位情報の取得が可能となっ
た。

【００１３】更に、本発明に依る方位情報取得方法は、
一対のアンテナを所定の角度を形成するように設置する
ため、上記角度を流線形状の角度と設定することによ
り、陸上移動体の先頭部に容易に一対の平面アンテナを
設置することができ、走行中にも方位情報を得ることが
できる。

【００１４】

【発明の実施の形態】先ず、この発明に依る方位情報取
得方法の原理を図１〜３に基いて、説明する。それぞれ
半球のビームパターンを有する一対の平面パッチＧＰＳ
アンテナ１１ａ，１１ｂを図１に示すように角度δで大
地に垂直に配置する。図１では、どちらのアンテナの主
ビームも紙面裏側の空間方向へ伸びているとする。

【００１５】この方位情報取得に用いる平面パッチアン
テナの大きな特徴として、小型軽量であり、製造が容易
で、安価に作成できることが挙げられる。第１平面パッ
チアンテナ１１ａ、第２平面パッチアンテナ１１ｂの作
成時に実際には、設計時に無限大地板を仮定して理論的
に計算された対円偏波ビーム幅である半球よりも、若干
広い立体角の対円偏波ビーム幅を構成する平面アンテナ
が完成してしまうことがある。これは理論計算上無限地
板を想定して設計する結果と、現実の様相が異なること
から生じる。これについては、下記の文献に明示されて
いる。

【００１６】（社）電子情報通信学会発行、「小型・平
面アンテナ」羽石操・平澤一広・鈴木康夫共著、初版平
成８年８月１０日発行、Ｐ１００．

【００１７】Global Positioning System: Theory and
Applications Volume I Edited byBradford W. Parkins
on and James J. Spilker Jr. Published by the Ameri
canInstitute of Aeronautics and Astronautics, Inc.
1996, P342-P343, P722.

【００１８】このようなビーム形状のずれを基板サイズ
やパッチサイズなどをわずかに変更しながら、修正を施
していき所望のアンテナパターンを得ることはアンテナ
パターンシェーピングとして知られる。

【００１９】あるいは、半天球の設計時計算と異なり、
製作結果が半天球よりも大きめのビームを持つ場合、不
要な感度部分を除去するために、裏側に電波遮蔽素材か
ら成る遮蔽物質を配置すれば簡単に半天球ビームアンテ
ナが構成できる。

【００２０】二つのアンテナ１１ａ、１１ｂの形成する
角度δは、それぞれのアンテナの上空覆域の一部が重複
する共通領域を少なくとも形成する角度とする。即ち、
図２に示すように、第１平面パッチアンテナ１１ａの上
空覆域は、第１領域１と第２領域２となり、第２平面パ
ッチアンテナ１１ｂの上空覆域は、第２領域２と第３領
域３となり、第２領域は両アンテナの共通領域となる。
図２では使用者の上空を、さらに上から見おろした状態
を想定して描かれているので、使用者にとっての天頂と
使用者の位置は重なっている。円弧は使用者からみた仰
角０度と一致し、中心の天頂は使用者から見た仰角９０
度と一致する。アンテナに関してはわかりやすさのため
に模式的に大きく表現してある。

【００２１】第１平面パッチアンテナ１１ａにおける
（第２平面パッチアンテナ１１ｂに近い方の）片端の指
している方向４を計測する方向Ｘとすると、第１アンテ
ナ１１ａの反対の方向はＸに１８０度加算した方向とな
り、第２アンテナ１１ｂの（第１平面パッチアンテナ１
１ａに近い方の）片端の指している方向はＸより角度δ
を減算した方向であり、反対方向はその方向に１８０度
加算した方向となる。

【００２２】第１平面パッチアンテナ１１ａには、図３
に示すように、第１ＧＰＳ受信機１２ａが接続され、第
２平面パッチアンテナ１１ｂには、第２ＧＰＳ受信機１
２ｂがそれぞれ接続されている。

【００２３】第１ＧＰＳ受信機１２ａは、第１平面パッ
チアンテナ１１ａを通して、上空半天球に存在する衛星
よりの信号に対する同期・復号を試み、そして測位を試
みる。同様に、第２ＧＰＳ受信機１２ｂは、第２平面パ
ッチアンテナ１１ｂを通して、上空半天球に存在する衛
星よりの信号に対する同期・復号を試み、そして測位を
試みる。

【００２４】図３における第１ＧＰＳ受信機１２ａ、第
２ＧＰＳ受信機１２ｂの持つべき機能・仕様は広く普及
しているＬ１波利用の小型の携帯型測位装置が含むＧＰ
Ｓ受信機と同等でよい。すなわち民生用ＧＰＳ測位装置
の小型軽量化に際して培われた小型性・量産性を受け継
ぎ流用する。民生用ＧＰＳ測位装置の小型軽量化では、
平面パッチアンテナに応分のサイズのＧＰＳ受信機がす
でに多く存在している。あるいは容易に製造できる。ま
た、平面パッチアンテナとＧＰＳ受信機が筐体に一体型
となっており、両者を併せても、手のひらにすっぽり収
まる程度の小型のものもすでに安価に存在しており、製
造技術として問題はない。これら既存の、小型化技術の
蓄積を流用することができるので、本発明に使用するＧ
ＰＳ受信機などは経済的にかつ小型に構成できる。

【００２５】ＧＰＳ受信機は次のデータ列を例えば毎秒
以下の周期で出力するもの、即ち、標準的な仕様のもの
を用いる。出力に含まれるデータは次のようである。ま
ず現在時刻、そして、測位データとして、緯度、経度、
高度、測位計算時刻、測位計算モード（３衛星を用いた
２次元測位か４衛星を用いた３次元測位かを示す）、そ
して、チャネル１に割り当てられた衛星番号、衛星仰
角、衛星方位角、チャネル状態、チャネル２に割り当て
られた衛星番号、衛星仰角、衛星方位角、チャネル状
態、・・・、チャネルｎに割り当てられた衛星番号、衛
星仰角、衛星方位角、チャネル状態である。チャネル数
ｎは通常１２が用いられている。これは１２衛星の信号
に並列同期できるもので、現在の標準的な仕様であると
いえる。本発明は、これら普及型の廉価な携帯用Ｌ１波
ＧＰＳ受信機と平面アンテナをほぼそのまま流用でき
る。出力は、データ処理部１３へ送られる。

【００２６】第１平面パッチアンテナ１１ａを通して第
１ＧＰＳ受信機１２ａは衛星信号に対する同期・復号を
試みそして測位を試みる。同様に第２平面パッチアンテ
ナ１１ｂを通して第２ＧＰＳ受信機１２ｂは衛星信号に
対する同期・復号を試みさらに測位を試みる。即ち第１
ＧＰＳ受信機１２ａ、第２ＧＰＳ受信機１２ｂには、通
常の携帯型衛星測位装置のＧＰＳ受信機同様、あたかも
上空半天球を覆域としているアンテナに接続されている
時と全く同じ様に、上空に存在することが期待されてい
る全ＧＰＳ衛星の信号探索を行わせるのである。

【００２７】尚、ＧＰＳ衛星から送信される電波には、
全ＧＰＳ衛星の軌道情報（アルマナックデータ）も含ま
れており、これは全ての衛星から送信されている。その
ため、現在位置からみて仰角０度以上の上空に存在はす
るが、地物や地形の遮蔽により信号が遮断されている場
合か、あるいは、アンテナの覆域に存在しておらず、信
号と同期できない状態のＧＰＳ衛星についての仰角およ
び方位角は、どちらかのアンテナによって同期した他の
ＧＰＳ衛星から受信されたところのデータから簡易な計
算によって算定および出力可能となっている。事実その
ような情報を出力する機器は存在する。

【００２８】また、全ＧＰＳ衛星はまったく同じ周波数
で信号を送信するが、疑似雑音符号による拡散スペクト
ル（Spread Spectrum）通信方式という技術を用いてい
るために、同じ周波数を用いていても混信するおそれが
ない。疑似雑音符号とよばれる、０と１が一見不規則に
交代するディジタル符号の配列を、それぞれのＧＰＳ衛
星に違う配列のものを割り当てることで、各衛星からの
信号を識別し、分離受信が可能となっており、即ち，現
在位置から見て仰角０度以上に存在しているＧＰＳ衛星
すべてに関してそれらの上空における仰角、方位角のみ
ならず、それらの衛星からの信号に対する同期の成立・
非成立すなわち受信状態を分離検出することは原理的に
容易となっている。

【００２９】ＧＰＳ受信機に信号探索を行わせる過程
で、各衛星のデータである、ＧＰＳ衛星の衛星番号、衛
星仰角、衛星方位角、チャネル状態を双方のＧＰＳ受信
機から周期的に出力させる。また、測位結果データであ
る、緯度、経度、高度、測位計算時刻、測位計算モー
ド、および現在時刻も双方から周期的に出力させる。な
お、データの出力を行う周期は特に限定されるものでは
なく、現在では毎秒程度のＧＰＳ受信機が普及している
が、さらに短い周期で出力するものを用いることが可能
ならば、そうしても良い。

【００３０】さらに測位非成立が生じる時への対応とし
て、緯度、経度、高度、測位計算時刻、測位計算モード
のデータは、最も最近の測位計算成立時の値を出力させ
る。その最も最近の測位計算成立時の、緯度、経度、高
度を活用して、かつ現在時刻を利用して、衛星軌道要素
から衛星仰角と衛星方位角を算出するという、極めて標
準的な仕様のＧＰＳ受信機を用いる。すると、仮に測位
が成立しない状況下でも、最も最近の測位計算が近傍の
地点で成立していさえすれば、その近傍地点での測位計
算成立結果と現在時刻とを用いて、極めてよい精度で、
衛星仰角、衛星方位角を算出できる。例えば、３００ｋ
ｍ離れた地点で、測位計算が成立していたとして、その
値と現在時刻とを用いて、衛星方位角、衛星角を算出し
たとしてさえ、衛星仰角、衛星方位角のずれは、非常に
小さく（１度未満）、非常に良い精度で算出できる。即
ち、誤差は事実上無視できる。

【００３１】データ処理部１３では先ず２つのＧＰＳ受
信機双方ともチャネル状態がともに同期していないこと
を示しているＧＰＳ衛星のデータを除外する。（このよ
うな衛星が存在するのは地物遮蔽による場合と、アンテ
ナ感度のない上空領域にある場合とがあるが、区別する
必要は特にない。）次に天頂に近い高仰角、例えば仰角
８５度以上のＧＰＳ衛星は、それらの方位角の数値上差
異は認められても、実際の離角としては、極く微小であ
るので、それらの衛星のデータを除去する。

【００３２】データ処理部１３は、残ったＧＰＳ衛星の
データを相互に比較して、第１領域１、共通領域２、第
３領域３のいずれに存在していたかの領域判定を行う。

【００３３】第１ＧＰＳ受信機内において、ある衛星か
ら送信される信号に割り当てられた、チャネル状態が同
期を示しており、第２ＧＰＳ受信機内において、その衛
星から送信される信号に割り当てられた、チャネル状態
が同期を示していない時は、上記衛星は第１領域１に存
在していると判定できる。

【００３４】第２ＧＰＳ受信機内において、ある衛星か
ら送信される信号に割り当てられた、チャネル状態が同
期を示しており、第１ＧＰＳ受信機内において、その衛
星から送信される信号に割り当てられた、チャネル状態
が同期を示していない時は、上記衛星は第３領域３に存
在していると判定できる。

【００３５】第１ＧＰＳ受信機内において、ある衛星か
ら送信される信号に割り当てられた、チャネル状態が同
期を示しており、第２ＧＰＳ受信機内においても、その
衛星から送信される信号に割り当てられた、チャネル状
態が同期を表している時は、上記衛星は共通領域２に存
在していると判定できる。

【００３６】より新しい測位計算時刻を示している方の
ＧＰＳ受信機から、出力されている、衛星方位角を用い
て、上記の領域判定済み衛星について、下記の処理を行
う。

【００３７】各領域１，２，３に存在している衛星の方
位角の数列を時計回りに作成し、数列の先頭（初項）の
衛星と最後（終項）の衛星のデータを抽出する。領域に
衛星が一つしか存在しない場合は、初項＝終項として処
理する。領域に衛星が二つ以上存在する場合は、次のよ
うに初項と終項を定める。領域に存在しているとされた
衛星のみについて衛星方位角の順序で円順列を作る。該
円順列においてある衛星（Ａとする）の方位角と、時計
回りに見て次に存在する衛星（Ｂとする）の方位角が時
計回りに構成する角度が、３６０度から領域の中心角度
を減じた角度以上のとき、該衛星Ａを終項とし該衛星Ｂ
を初項とすればよい。

【００３８】これを実施すると、図２に於て、衛星５は
第１領域１の初項衛星となり、衛星６は終項衛星とな
る。共通領域２に於ても、４個の衛星が存在するが、衛
星７が初項衛星となり、衛星８が終項衛星となる。第３
領域３には衛星９が一つしか存在しないので、衛星９は
初項兼終項衛星となる。

【００３９】また、図２の初項と終項衛星についている
記号Ａ（Ｓ１，１）等は、下記のように規定された衛星
の方位角を示す。

【００４０】例えば衛星５のＡ（Ｓ１，１）のカッコ内
の左側のＳ１は第１領域１に存在すると判定された衛星
の数列であることを表し、右側の１は数列内の何番目の
項かを表す。よってＡ（Ｓ１，１）は、領域１に存在す
る衛星の数列の初項衛星の方位角を表す。衛星８の場
合、第２領域２に存在しているので、カッコ内の左側の
表示はＳ２となり、右側にはこの領域内の時計回りに見
た方位角の数列内での何番目かを表すことになるが、衛
星８は終項なので、第２領域２における数列の終項を表
す表示としてｅ２として示される。（より具体的には、
４番目であるので、ｅ２＝４である。）

【００４１】その結果、図２より次の式（１）が得られ
る。

【数１】 上記式中、記号“＜”は時計回りに方向に見た場合の方
位の出現順序を示す。

【００４２】次に上記式（１）より領域１の初項、終項
に基き、方位Ｘを制約する式を導き出す方法を説明す
る。

【００４３】先ず、式（１）から領域１以外の領域の初
項と終項を抽出可能性に基づき落とす。

【数２】 加減算可能性に基づき、式（１−１）に（１８０）を加
算する。

【数３】 同様に、加減算可能性に基づき、式（１−１）に（δ）
を加算する。

【数４】 連結可能性に基づき、Ｘ項とＸ＋１８０項に関して式
（１−２）と式（１−３）を連結する。

【数５】 抽出可能性に基づき、（１−４）からＸ項と隣接項のみ
残し他を落とすことにより、領域１の初項・終項によっ
て方位Ｘを制約する式（１−５）を得る。

【数６】

【００４４】同様にして、式（１）より領域２の初項、
終項に基き、方位Ｘを制約する式の導き出す方法を説明
する。

【００４５】先ず、式（１）から、領域２以外の領域の
初項と終項を抽出可能性に基づき落とす。

【数７】 加減算可能性に基づき、式（２−２）に（δ）を加算す
る。

【数８】 連結可能性に基づき、Ｘ項とＸ＋１８０項に関して式
（２−２）と式（２−３）を連結。

【数９】 抽出可能性に基づき、（２−４）からＸ項と隣接項のみ
残し他を落とすことにより、領域２の初項・終項によっ
て方位Ｘを制約する式（２−５）を得る。

【数１０】

【００４６】最後に、式（１）より領域３の初項、終項
に基き、方位Ｘを制約する式の導き出す方法を説明す
る。先ず式（１）から、領域３以外の領域の初項・終項
を抽出可能性に基づき落とす。

【数１１】 加減算可能性に基づき、式（３−１）に（δ−１８０）
を加算する。

【数１２】 式（３−２）において、第二項（Ｘ−１８０）は（Ｘ＋
１８０）と同じであるから書き換える。

【数１３】 連結可能性に基づき、Ｘ項とＸ＋１８０項に関して（３
−１）と（３−３）を連結する。

【数１４】 抽出可能性に基づき、（３−４）から Ｘ項と隣接項の
み残し他を落とすことにより、領域３の初項・終項によ
って方位Ｘを制約する式（３−５）を得る。

【数１５】

【００４７】上記のようにして得た式（１−５）、式
（２−５）、式（３−５）は、本発明における方位情報
取得において重要な役目を果たし、これら主要三式の
内、一つのみが得られていればその式を使って方位情報
を取得し、複数の式が得られていればそれらを同時に満
たす方位角範囲を取って更に正確な方位情報を取得する
ことができ、液晶画面、スピーカー等の結果出力部１４
より出力される。

【００４８】上記の処理は、データ処理部１３で行われ
るが、このデータ処理部は、数値演算機能とメモリ保持
機能を有する汎用のマイクロプロセッサによって構成す
ることができる。

【００４９】上記説明中、「抽出可能性」は、４つ以上
の項からなる正しい方位の円順列から、環状の順序を保
って３つ以上の要素を抽出して表記しても、正しい方位
の円順列が成立する、という定理に基く。

【００５０】「加減可能性」は、正しい方位の円順列の
全項に任意の角度の回転を加算（あるいは減算）して
も、正しい方位の円順列が成立する、という定理に基
く。

【００５１】「連結可能性」は、ある正しい方位の円順
列内に項ａとその直後に続く項ｂがあり、別の正しい方
位の円順列において項ｂとその直後に続く項ａがある場
合、前者の方位の円順列をａ、ｂ間で切断して作った数
列と、後者の方位の円順列をｂ、ａ間で切断して作った
数列とを、互いに、ａとａ、ｂとｂに関して連結して新
しい方位の円順列を作成しても、それは方位の円順列と
して正しい、という定理に基く。

【００５２】次に、上記主要な三つの式（１−５），
（２−５），（３−５）を用いて、具体的に方位情報を
取得する方法を説明するが、角度の単位は度（deg）を
用い、北を０度として時計回り方向に東が９０度、南が
１８０度、西が２７０度の方位角表示を用いる。また仰
角は水平面を０度として、天頂を９０度とする仰角表示
を用いている。

【００５３】先ず、二つの平面パッチアンテナ１１ａ、
１１ｂを所定の角度δで大地に垂直に配置する。上記角
度δは、測定する位置の状況、方位取得方向等を考慮し
て適宜設定するが、それぞれのアンテナの上空覆域の一
部が少なくとも重複する共通領域を少なくとも形成する
角度とする。

【００５４】この二つのアンテナの形成する角度は、回
転角度を電圧等の数値として取り出すことの出来る可変
容量コンデンサ、可変抵抗器等の公知の角度検出器で測
定する。

【００５５】図４に示すように、二つのアンテナ１１
ａ、１１ｂの形成する角度δを１００度と設定すると、
第１領域１は、開始方位角Ｘ＋１８０度、終端方位角Ｘ
−１００度、時計回りで定まる中心角８０度の扇形であ
る。

【００５６】この領域１内の衛星としては、チャネル状
態が、第１ＧＰＳ受信機１２ａでは同期で、第２ＧＰＳ
受信機１２ｂでは同期でないものが該当する。三つの衛
星が領域内に存在すると判定され、それぞれの衛星の方
位角は、１２度、６度、３５１度であったとする。

【００５７】これら三つの衛星方位角の円順列は、６＜
１２＜３５１と表記できる。この領域１の中心角は８０
度であった。ある衛星（Ａとする）の方位角と、時計回
りに見て次の衛星（Ｂとする）の方位角が時計回りに構
成する角度が、３６０度から領域の中心角度を減じた角
度（３６０−８０＝２８０度）より大きければ、該衛星
Ａが終項、衛星Ｂを初項とするので、衛星５の３５１度
を初項Ａ（Ｓ１，１）とし、衛星６の１２度を終項Ａ
（Ｓ１，ｅ１）とする。

【００５８】上述のようにして、初項Ａ（Ｓ１，１）は
３５１、終項Ａ（Ｓ１，ｅ１）は１２であることが判明
したので、既述の式（１−５）にこれらを代入する。

【数１６】 であり、これを整理すると、Ｘを制約する次の式が得ら
れる。

【数１７】

【００５９】次に、共通領域２は、図４に示すように、
開始方位角Ｘ−１００度、終端方位角Ｘ度、時計回り、
で定まる中心角１００度の扇形である。

【００６０】この共通領域２内の衛星としては、チャネ
ル状態が、第１ＧＰＳ受信機１２ａでは同期で、第２Ｇ
ＰＳ受信機１２ｂでも同期である衛星が該当する。４個
の衛星が領域内に存在すると判定され、それぞれの衛星
の方位角は、７２度、５３度、１４８度、１０２度であ
ったとする。

【００６１】円順列は、５３＜７２＜１０２＜１４８或
いは、１４８＜５２＜７２＜１０２或いは、１０２＜１
４８＜５３＜７２或いは、７２＜１０２＜１４８＜５３
と表記される。

【００６２】ある衛星（Ａとする）の方位角と、時計回
りに見て次の衛星（Ｂとする）の方位角が時計回りに構
成する角度が、３６０度から領域の中心角度を減じた角
度（３６０−１００＝２６０度）より大きければ、該衛
星Ａが終項、衛星Ｂを初項とするので、衛星７の５３度
を初項Ａ（Ｓ２，１）とし、衛星８の１４８度を終項Ａ
（Ｓ２，ｅ２）とする。

【００６３】上記のようにして、初項Ａ（Ｓ２，１）は
５３、終項Ａ（Ｓ２，ｅ２）は１４８であることが判明
したので、既述の式（２−５）に代入する。

【数１８】 これを整理すると、Ｘを制約する次の式を得る。

【数１９】

【００６４】最後に、第３領域３は、図４に示すように
開始方位角Ｘ度、終端方位角Ｘ＋８０度、で定まる中心
角８０度の扇形である。

【００６５】この領域３内の衛星としては、チャネル状
態が、第１ＧＰＳ受信機１２ａでは同期でなく、第２Ｇ
ＰＳ受信機１２ｂで同期である衛星が該当する。一個の
衛星９が領域内に存在すると判定され、その衛星９の方
位角が２１５度であったとすると、初項Ａ（Ｓ３，
１）、終項Ａ（Ｓ３，ｅ３）共にこの値を既述の式（３
−５）に代入する。

【数２０】 これを整理すると、Ｘを制約する次の式が得られる。

【数２１】

【００６６】得られた式（１）’，（２）’，（３）’
を同時に満たす方位角範囲として、１４８＜Ｘ＜１５３
が得られる。

【００６７】即ち、図４に於ける未知の方向Ｘは、１４
８度以上１５３度以下の範囲の方位である、という情報
が得られる。

【００６８】次に、上空覆域の三方が極めて高い建物な
どで遮蔽されて全天のうち一部の方向領域にある衛星の
信号しか受信できない場合の方位情報取得方法について
説明する。

【００６９】図５に示すように、ハッチにより示される
高い建造物などの遮蔽により、衛星情報が得られる可能
性がある（空が開けている）上空領域が、天頂を中心に
持つ中心角約１００度の扇形にしかない場合を考える。
この場合には、二つのアンテナ１１ａ，１１ｂは、例え
ば、δが３０度となるように、且つ、共通領域２が空が
開けている方向に形成するよう配置する。

【００７０】次にそれぞれのアンテナに接続しているＧ
ＰＳ受信機を作動させ、上空半天球にあるＧＰＳ衛星の
信号の同期・復号および測位を試みさせる。

【００７１】第１領域１と共通領域２（両者併せると、
即ち第１平面パッチアンテナの覆域）では実際には６個
の衛星が存在してはいたが、４個の衛星よりの信号は建
造物の陰となって受信（同期）できず（このことを観察
者は、該衛星がアンテナ感度のない上空領域にいたため
か、そうでなくて地物遮蔽されているためか、を区別は
できないが）、結果的に２個の衛星（衛星１８と衛星２
２）よりの信号のみが受信でき、そのうち１個（衛星１
８）は共通領域２に存在している衛星と判定できたとす
る。

【００７２】図中、斜線は建物等の陰となって信号が受
信できない領域を示し、グレイの丸印は領域１に存在す
ると判定された衛星、黒丸印は領域２に存在すると判定
された衛星、白丸に十の字の印は領域３に存在すると判
定された衛星、白丸印は領域１，２，３のいずれに存在
するか判定されえなかった衛星を示す。また、実線の最
外周円は仰角０度を示し、実線の各同心円は仰角を１０
度毎示す。

【００７３】第３領域３と共通領域２（両者併せると、
即ち第二平面パッチアンテナの覆域）では、同様に、６
個の衛星が存在していたが、４個の衛星よりの信号は建
物の陰となって受信できず（このことを観察者は衛星が
不感度領域にあったためか、地物遮蔽のためか区別でき
ないが）、結果的に２個の衛星（衛星１８と衛星２０）
よりの信号のみが受信でき、そのうち１個（衛星１８）
は共通領域２に存在している衛星のものと判定できたと
する。

【００７４】上述の如く、三つの領域１，２，３にそれ
ぞれ１個宛の衛星が存在しているので、初項＝終項とな
り、それぞれの領域で下記の情報が得られる。

【数２２】 上から、第１領域１、共通領域２、第３領域３における
衛星方位角の情報である。

【００７５】上記情報とδ＝３０度を、下記の重要三式
（１−５），（２−５），（３−５）へ代入する。

【数２３】

【００７６】上記情報をそれぞれの重要式に代入すると
下記の式が得られる。

【数２４】

【００７７】上記式を整理すると、下式の如くなる。

【数２５】

【００７８】上記三つの式を同時に満す方位角範囲をと
って、２４４＜Ｘ＜２６２が得られる。即ち、求めてい
た方位Ｘは、２４４度から２６２度の範囲となる。

【００７９】δの角度の取り方としては、次のトレード
オフを考えながら観察者が決定する。

【００８０】δの値と共通領域２の中心角の値は同じで
あるため、共通領域２で衛星が１つでも捕らえられる
と、ただちに、δの幅の方位限定が行われることにな
る。この意味では、δを狭く取るメリットは精度の良い
結果が得られることである。しかしδを狭く取ると、共
通領域２の中心角を狭めるので、１つも衛星が捉えられ
ない可能性もある。

【００８１】ここで、観察者の今いる場所と時刻によっ
て定まる、上空利用可能衛星数を考える。中緯度地域で
ある東京における実際のＧＰＳ利用可能衛星数は、常時
８から１２個であることが知られている。よって、利用
可能衛星数の平均値として、１０個を仮定することは妥
当である。仮に、観察者の今いる場所から見あげた上空
の利用可能な空の領域は、たった３６度の中心角しかな
い扇形領域のみの場合を想定する。すると、観察者の上
空のこの狭い３６度角の空領域に、存在が期待できる利
用可能衛星数を試算すると１衛星（１０衛星×３６度／
３６０度=１衛星）が統計確率的に期待できる。

【００８２】今、仮に、二つのアンテナの開く角度δを
３６度に設定して、中心角３６度の共通領域を上記の利
用可能な空領域と一致させる。すると、存在が期待され
る一衛星の信号が捕捉される可能性が高い。そして、一
般に、本発明による計測では、共通領域で、たった１つ
の衛星が捕捉されただけで、瞬く間に、幅δの方位限定
ができる（式（２−５）即ちＡ（Ｓ２，ｅ２）＜Ｘ＜Ａ
（Ｓ２，１）＋δにおいて、初項＝終項、即ち、ｅ２＝
１とおけば、Ａ（Ｓ２，１）＜Ｘ＜Ａ（Ｓ２，１）+δ
より１衛星でも即座に幅δの方位限定がなされる）。こ
のような狭い空領域しか使えない環境でも、本発明によ
れば、高い確率で、３６度程度の方位限定が期待でき
る。

【００８３】使用可能な空領域は通常は、３６度などと
いう劣悪な環境であることは普通あまりなく、より広い
場合が多い。その場合に捕捉されうる衛星数は当然なが
らより増える。これは式（２−５）における項数（ｅ
２）も増えることを意味する。この場合式（２−５）だ
けからでもδより小さく方位限定できうるし、さらに領
域１や領域３におけるＳ１やＳ３の存在が期待でき、式
（１−５）や、式（３−５）もつかえるようになり、方
位限定の限定の精度もより上がる。

【００８４】次に、図６に示すように、ハッチにより示
される高い建造物などの遮蔽により、衛星情報が得られ
る可能性がある（空が開けている）上空領域が、天頂を
中心に持つ中心角約４５度の扇形にしかない場合を考え
る。観察者は、何らかの理由により、２５度幅以下の情
報を欲しているとする。この場合には、上空覆域が測定
できる方向に共通領域２が形成するよう、二つのアンテ
ナ１１ａ，１１ｂを例えばδ＝２５度で配置し、それぞ
れのアンテナに接続しているＧＰＳ受信機に上空のＧＰ
Ｓ衛星について同期・復号そして測位を試みさせる。

【００８５】運良く共通領域２内に衛星が存在すること
を判定できたら、得られた方位角度（２４４度）とδ＝
２５を、領域２の重要式に代入する。この場合も、衛星
が一つであるので初項Ａ（Ｓ２，１）と終項Ａ（Ｓ２，
ｅ２）は同じなので下記の如くなる。

【数２６】 即ち求める方位Ｘは、２４４度から２６９度の範囲とな
る。

【００８６】一般化すれば次のようになる。一衛星だけ
しか捕らえられないような劣悪な環境を考える。その一
衛星を、もし共通領域２で捕らえたとき、方位限定幅
は、δ度である。（式（２−５）即ち、Ａ（Ｓ２，ｅ
２）＜Ｘ＜Ａ（Ｓ２，１）+δにおいて、初項＝終項、
即ち、ｅ２＝１とおけば、Ａ（Ｓ２，１）＜Ｘ＜Ａ（Ｓ
２，１）+δより１衛星でも即座に幅δ度の方位限定が
なされることが解る）。

【００８７】もし第１領域で捕らえたとき、方位限定幅
は、１８０−δ度である。（式（１−５）即ち、Ａ（Ｓ
１，ｅ１）＋δ＜Ｘ＜Ａ（Ｓ１，１）＋１８０におい
て、初項＝終項、即ち、ｅ１＝１とおけば、Ａ（Ｓ１，
１）＋δ＜Ｘ＜Ａ（Ｓ１，１）＋１８０より１衛星でも
即座に幅１８０−δ度の方位限定がなされることが解
る）。

【００８８】もし第３領域で捕らえたときでも、方位限
定幅は、同じく１８０−δである。（式（３−５）即
ち、Ａ（Ｓ３，ｅ３）＋δ−１８０＜Ｘ＜Ａ（Ｓ３，
１）において、初項＝終項、即ち、ｅ３＝１とおけば、
Ａ（Ｓ３，１）＋δ−１８０＜Ｘ＜Ａ（Ｓ３，１）より
１衛星でも即座に幅１８０−δ度の方位限定がなされる
ことが解る）。

【００８９】これらを、仮に共通領域を持たない構成で
の結果と比べるとその優位性が解る。即ち、δ＝０の
(共通領域を持たない)設定では、１つの衛星を、第１領
域で捕らえても、第３領域で捕らえても、そのときの方
位限定幅は、１８０度である（式（１−５）においてｅ
１＝１およびδ＝０を代入した場合に相当する）。すな
わち、共通領域２を持たせることは、たった一つの衛星
しか捕らえられない状況下では、特に優れた方位限定機
能を持たせることになるのである。

【００９０】この発明に依る方位取得方法は、上記の説
明で明らかなように、上空の一部が遮蔽された場所や地
物遮蔽が明らかに予想されるような場所でも、方位情報
を効果的に得ることができる。

【００９１】特に、上空の大部分が遮蔽されたような場
所でも、遮蔽されていない上空に少なくとも一つの衛星
が存在し、信号を受信することができれば、方位情報を
得ることができる。

【００９２】また、一対のパッチアンテナは並行に設置
する必要が無いため、例えば、流線形部分を先頭に保持
する移動体（流線型カウルを持つ自動二輪車等）に配置
することにより、走行方向に常に方位情報を取得しなが
ら走行が可能となる。

【００９３】

【発明の効果】請求項１，２に記載の発明では、一対の
平面パッチアンテナをそれぞれの上空覆域の少なくとも
一部が互に重なり合う共通領域を形成するような角度で
配置し、アンテナの上空覆域を、第１のアンテナ覆域の
みの領域、第２のアンテナ覆域のみの領域、両アンテナ
覆域の共通領域に分け、少なくとも一つの領域に少なく
とも一つの衛星が存在し、信号を受信することができれ
ば、効率的に方位限定の情報を得ることができるので、
上空の大部分が遮蔽されたような場所でも方位限定の情
報を有効に得ることができる。

【００９４】また請求項３に記載の発明では、複数の領
域にそれぞれ衛星が存在し、各領域で方位が得られた
ら、それぞれの方位の共通の積集合をとって一つの方位
に限定することにより、より正確な方位情報を得ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の方位情報取得方法における一対の平面
パッチアンテナの配置状態の説明図である。

【図２】図１のように一対のアンテナを配置したときの
各アンテナの形成する上空覆域の説明図である。

【図３】本発明の方位情報取得方法を実施するための装
置のブロック図である。

【図４】一対のアンテナを１００度で配置したときの一
対のアンテナと上空衛星との位置関係を示す説明図であ
る。

【図５】衛星情報を得られる上空領域が、天頂を中心と
する中心角約１００度の扇形のみである場合に、方位情
報を取得するための説明図である。

【図６】衛星情報を得られる上空領域が、天頂を中心と
する中心角約４５度の扇形のみである場合に、方位情報
を取得するための説明図である。

【符号の説明】

１ 第１領域 ２ 共通領域 ３ 第３領域 ４ 計測する方位 ５〜９ 衛星 １１ａ 第１平面パッチアンテナ １１ｂ 第２平面パッチアンテナ １２ａ 第１ＧＰＳ受信機 １２ｂ 第２ＧＰＳ受信機 １３ データ処理部 １４ 結果出力部

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−281716（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−244878（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−117977（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−231038（ＪＰ，Ａ) 特開2002−372576（ＪＰ，Ａ) 特許3430459（ＪＰ，Ｂ２) 特許3473948（ＪＰ，Ｂ２) 米国特許6018315（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01S 5/00 - 5/14 G01S 3/02 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 それぞれ半球のアンテナパターンを有す
   る一対の平面アンテナをそれぞれの上空覆域の一部が少
   なくとも重なり合う共通領域を形成するような角度で大
   地に垂直に配置し、 上記二つのアンテナにより形成する角度を検出し、 上記二つのアンテナにそれぞれ接続しているＧＰＳ受信
   機で上空半天球に存在するＧＰＳ衛星から送信される信
   号の捕捉を試みさせ、 得られた衛星信号を比較して、信号を送信した衛星が三
   つに分割した上空覆域のどの領域に存在していたかの領
   域判定を行い、 各三つの領域に於て、衛星の方位角の数列を時計回りに
   作成し、初項の方位角と終項の方位角を抽出し、 少なくとも一つの領域で得られた初項の方位角と終項の
   方位角と二つのアンテナの形成する角度により方位を限
   定する、 ことを特徴とする方位情報取得方法。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の方位情報取得方法にお
   いて、 上記少なくとも一つの領域に一つの衛星が存在し、初項
   の方位角と終項の方位角が同じである、 ことを特徴とする方位情報取得方法。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の方位情報取得方法にお
   いて、 複数の領域で得られたそれぞれの方位は、共通の積集合
   をとって一つの方位を限定する、 ことを特徴とする方位情報取得方法。