[go: up one dir, main page]

JP2004012286A - Position and attitude estimation system of moving object by gps - Google Patents

Position and attitude estimation system of moving object by gps Download PDF

Info

Publication number
JP2004012286A
JP2004012286A JP2002165728A JP2002165728A JP2004012286A JP 2004012286 A JP2004012286 A JP 2004012286A JP 2002165728 A JP2002165728 A JP 2002165728A JP 2002165728 A JP2002165728 A JP 2002165728A JP 2004012286 A JP2004012286 A JP 2004012286A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
antenna
receiving
gps
antennas
pseudorange
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
JP2002165728A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Hidenori Hashimoto
橋本 秀紀
Masaki Wada
マサキ ワダ
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Foundation for the Promotion of Industrial Science
Original Assignee
Foundation for the Promotion of Industrial Science
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Foundation for the Promotion of Industrial Science filed Critical Foundation for the Promotion of Industrial Science
Priority to JP2002165728A priority Critical patent/JP2004012286A/en
Publication of JP2004012286A publication Critical patent/JP2004012286A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Position Fixing By Use Of Radio Waves (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a position and attitude estimation system of a moving object by GPS wherein attitude and position can be estimated simultaneously under a condition that the number of necessary satellites is smaller than the normal number of satellites for GPS (three satellites in a case of two antennas). <P>SOLUTION: In order to receive radio wave from GPS satellites, at least one pair of antennas 1, 2 fixed on the moving object are fixed. By using a calculating means of position and azimuth of the moving object, positions of the respective antennas and inclination of segment between the antennas are calculated according to a navigation message, psudorange or psudorange and transfer phase, and geometrical condition of the antennas. It is also possible that inclination of segment between the receiving antennas can be calculated by a method wherein correction information from a base station is received by using a correction information receiving means, and phase difference between the receiving antennas and phase difference between the respective receiving antennas and an antenna of the base station are obtained by using the calculating means of position and azimuth of the moving object. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、GPSによる移動体の位置・姿勢推定システム、さらに詳しく言えばGPSシステムを利用して、移動体(車両、航空機、船舶、人等)の位置および姿勢の同時推定を可能にするGPSによる移動体の位置・姿勢推定システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来から移動体の位置を推定するシステムが、数多く提案され、実用に供されている。しかしこれ等の従来の技術では、最低必要な衛星の数の低減ができないから実用上適用する範囲が狭くなり、GPSシステムの問題とされていた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
そのような位置推定システムで、可視衛星の数を十分に確保できない市街地などでは、位置の推定が困難な場合が多く、移動体の姿勢を位置とともに同時に推定することは不可能であった。
従来技術では、位置の推定に必要の最小の衛星の数の低減ができないので、画期的な方式の変更が必要である。
本発明では複数アンテナの幾何学条件を導入したり、同一クロックを用いることにより、あるいは、受信アンテナ間の位相差と各受信アンテナと基地局アンテナ間の位相差に着目した。
本発明の目的は、通常のGPSより高精度で、通常のGPSより必要な衛星の数が少ない(2アンテナの場合、3衛星)条件で、姿勢と位置が同時に推定できGPSによる移動体の位置・姿勢推定システムを提供することにある。
【0004】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明による請求項1記載のGPSによる移動体の位置・姿勢推定システムは、
GPS衛星からの電波を受信するために、予め定めた幾何学条件によって移動体に固定された少なくとも一対のアンテナと、
前記アンテナにより同時に受信された電波を同一クロックを用いて周波変換を行う受信手段と、
前記受信信号から同一クロックで、疑似距離または、疑似距離と搬送波を検出し、航法メッセージを解読し復調する検出復調手段と、
前記航法メッセージ、疑似距離または疑似距離と搬送位相、および前記アンテナの幾何学条件により前記各アンテナの位置または前記アンテナ間の線分の傾きを演算する移動体位置・方位演算手段を備えて構成されている。
【0005】
本発明による、請求項2記載のGPSによる移動体の位置・姿勢推定システムは、
GPS衛星からの電波を受信するために、予め定めた幾何学条件によって移動体に固定された少なくとも一対のアンテナと、
前記アンテナにより同時に受信された電波を同一クロックを用いて周波変換を行う受信手段と、
前記受信信号から同一クロックで、疑似距離または、疑似距離と搬送波を検出し、航法メッセージを解読し復調する検出復調手段と、
基地局からの補正情報を受信する補正情報受信手段と、
前記航法メッセージ、疑似距離または疑似距離と搬送位相、前記基地局からの補正情報、および前記アンテナの幾何学条件により前記各アンテナの位置または前記アンテナ間の線分の傾きを演算する移動体位置・方位演算手段を備えて構成されている。
【0006】
本発明による、請求項3記載のGPSによる移動体の位置・姿勢推定システムは、
GPS衛星からの電波を受信するために、移動体に固定された少なくとも一対のアンテナと、
前記アンテナにより同時に受信された電波を周波変換する受信手段と、
前記受信信号から、疑似距離または、疑似距離と搬送波を検出し、航法メッセージを解読し復調する検出復調手段と、
基地局からの補正情報を受信する補正情報受信手段と、
前記航法メッセージ、疑似距離または疑似距離と搬送位相、および前記受信アンテナ間の位相差、前記各受信アンテナと基地局アンテナ間の位相差により前記各アンテナの位置または前記各受信アンテナ間の線分の傾きを演算する移動体位置・方位演算手段を備えて構成されている。
【0007】
本発明による、請求項4記載のGPSによる移動体の位置・姿勢推定システムは、
GPS衛星からの電波を受信するために、移動体に固定された少なくとも一対のアンテナと、
前記アンテナにより同時に受信された電波を周波変換する受信手段と、
前記受信信号から、搬送位相を検出し、航法メッセージを解読し復調する検出復調手段と、
基地局からの補正情報を受信する補正情報受信手段と、
前記航法メッセージ、疑似距離または疑似距離と搬送位相、および前記受信アンテナ間の位相差、前記各受信アンテナと基地局アンテナ間の位相差により前記各アンテナの位置または前記各受信アンテナ間の線分の傾きを演算する移動体位置・方位演算手段を備えて構成されている。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下図面等を参照して本発明によるGPSによる移動体の位置・姿勢推定システムの実施の形態を説明する。
図1は、本発明によるGPSによる位置・姿勢推定システムを実行する第1の装置のブロック図である。Aアンテナ1とBアンテナ2は移動体に一定の幾何学的条件を保って固定されている。この実施形態ではAアンテナ1とBアンテナ2は同一姿勢で距離lだけ離れて固定されている。Aアンテナ1とBアンテナ2により受信された衛星からの信号は受信手段4に接続される。各アンテナ対応で設けられている受信回路には同一クロック3からの信号が接続されている。つまり、各アンテナからの信号は同一クロック基準で処理される。受信手段4の出力は、信号検出復調回路5に接続されており、この回路5で、航法メッセージと両アンテナの疑似距離が同一クロックで検出される。
【0009】
信号検出復調回路5からの航法メッセージと疑似距離信号6は、位置方位演算手段7に接続されている。
位置方位演算手段7には航法メッセージ解読アルゴリズムが格納されており、これにより前記航法メッセージから、アルマナックデータ、エフメリスデータ、GPS時刻情報、電離層補正パラメータを解読し取得する。
位置方位演算手段7は、位置・方位演算アルゴリズムを用いて、前記取得データと、予め与えられている前述のアンテナ間距離lおよび疑似距離から移動体の位置と方位を推定(演算)して出力する。
【0010】
(移動体の位置と方位の推定システムの第1の実施例)
次に移動体の位置と方位を推定するシステムの実施態様を図5に示す流れ図(ステップ100〜110)を参照して説明する。このシステムは図1に示す装置を用いて実施される。
幾何学条件を示す方程式、n個衛星の測定による測定方程式を近似値x  ,y ,z ,x  ,y  ,z のまわりでテイラー展開し1次までの項をとって得たGPS3次元測位方程式は以下の通りである。

Figure 2004012286
Figure 2004012286
【0011】
ここで
lはAアンテナ とBアンテナ 間の既知距離
x  y  z はi番目の衛星の座標(衛星軌道情報により既知)
x  ,y  ,z はAアンテナの座標
x  ,y  ,z はBアンテナの座標
P   , P  はi番目の衛星のAアンテナとBアンテナでの観測疑似距離(受信電波計測により既知)
h  xi,h  yi ,h  ziはi番目の衛星とAアンテナ間の方向余弦(衛星軌道情報により既知)
h  xi,h  yi ,h  ziはi番目の衛星とBアンテナ間の方向余弦(衛星軌道情報により既知)
△x  ,△y  ,△z はAアンテナの位置座標補正値
△x  ,△y  ,△z はBアンテナの位置座標補正値
δtは受信時刻誤差
【0012】
以上の式1の一般解は、最小2乗法によってえられる。通常(幾何学条件を考慮しない)の手段で導かれる方程式は衛星数が4個以下の場合では解が存在しない。以上の方式では3衛星(6個の測定値・n =3)の場合未知変数7つ(△x  ,△y  ,△z  ,△x  ,△y  ,△z  , t )に対して7つの独立方程式が得られる。以上の方式を用いることで、受信している衛星が3衛星の場合でもGPSのみを使用して3次元絶対位置算出ができるようになる。
【0013】
Aアンテナ1とBアンテナ2の座標の値からアンテナ間線分のピッチとヨーの演算を行う。ピッチとヨーは原点が現在位置・x軸が東方向向き・y軸が北方向向きの座標に対する車両座標系の回転角度として演算可能である。
以上のシステムはGPS 適用範囲を大きく広げることができ、同時にピッチ、ヨーの推定、精度の向上もできる。
【0014】
図5は、図1に示した第1の装置を用いて実現したGPSによる移動体の位置・姿勢推定システムの第1の実施例を説明するための流れ図である。
ステップ100〜ステップ110で構成されている。
この実施例は、移動体の位置方位演算アルゴリズムで疑似距離とアンテナの幾何学的条件を使用する。アンテナの幾何学的条件を示す方程式はステップ105に示すように最小2乗法を用いて解く。
【0015】
(移動体の位置と方位の推定システムの第2の実施例)
移動体の位置と方位を推定するシステムの第2の実施例は、前述の実施例同様に図1に示す装置を用いて実施される。
【0016】
幾何学条件を考慮した両アンテナからn個衛星の測定による出力方程式は以下のようになる。
式7
Figure 2004012286
【0017】
ここで、
lはAアンテナ とBアンテナ 間の既知距離
x  (t), y  (t), z  (t)はt時刻でi番目の衛星の座標(衛星軌道情報により既知)
x (t),y (t),z (t)はAアンテナ(またはB)の座標
ρ  (t) ,ρ  (t)はt時刻でi番目の衛星のAアンテナとBアンテナでの観測疑似距離(受信電波計測により既知)
α (t),β (t)はt時刻でABアンテナ間線分の方向オイラー角度(未知変数)δt (t)は受信時刻誤差
【0018】
以上の方程式とx (t),y (t),z (t),α (t),β (t), At (t)を状態変数として含める状態方程式f (x (t),y (t),z (t),α (t),β (t), At (t),...)によってシステム方程式が記述される。このシステム方程式をカルマンフィルタ手法に用いるとx (t),y (t),z (t),α (t),β (t),δt(t)が推定可能になる。
以上の方式を用いることで、受信している衛星が3衛星の場合でもGPSのみを使用して長時間3次元絶対位置算出ができるようになる。
また方位角度が3衛星以上存在すれば短期間初期化(静止状態を含む)で出力可能となる。ピッチとヨーは原点が現在位置・x軸が東方向向き・y軸が北方向向きの座標に対する車両座標系の回転角度として演算可能である。
以上のシステムはGPS 適用範囲を大きく広げることができ、同時にピッチ、ヨーの推定、精度の向上もできる。
【0019】
図6は実施例2の位置・方位演算処理手段のフローチャートを示している。
ステップ200〜ステップ209で構成されている。この実施例は前述のようにシステム方程式をカルマンフィルタ手法により演算する。
【0020】
(移動体の位置と方位の推定システムの第3の実施例)
この第3の実施例は、第2図に示す装置により実行される。図7A(ステップ300〜319)と図7B(ステップ3070〜3078)は実施例3の位置・方位演算処理アルゴリズムのフローチャートを示している。図7Bは図7Aのステップ307の詳細を示す流れ図である。
この装置の基本的な構成は図1と殆どかわらない。アンテナA・BはGPS衛星からの電波を受信するために、移動体に既知距離lに設置され、受信手段4で同時に受信された電波を同一クロックで周波変換をで行う。
信号検出復調手段5で信号の検出と解読を行い航法メッセージ(このメッセージからアルマナックデータ、エフェメリデータ、GPS時刻情報、電離層補正パラメータ導出が可能である)、擬似距離、搬送波の位相を同一クロックで導出する。この第3の実施例を実行するためには搬送波の位相が必要になる点は先の構成と異なる。
位置方位演算手段7は、これらの情報と既知アンテナ幾何学情報(相対姿勢・距離等)をもとに移動体位置・方位計演算アルゴリズムにより算出する。
【0021】
図2は、本発明によるGPSによる移動体の位置・姿勢推定システムを実行するさらに第2の装置のブロック図である。GPS受信手段4においてAアンテナ1とBアンテナ2から電波を受信する。
受信手段4では発振器3からの同一クロックで擬似距離、搬送波の位相の導出6を行う。
位置方位演算手段は7は、航法メッセージからアルマナックデータ、エフェメリデータ、GPS時刻情報、電離層補正パラメータを導出し、これらの情報と擬似距離、搬送波の位相と既知アンテナ間距離情報がGPSによる移動体の位置・方位演算アルゴリズムにより処理される。
【0022】
同一クロックを用いているためアンテナ間一重位相差 DφiAB (t)を演算することで受信機の内部時計誤差による位相データの誤差、衛星の時計誤差による位相データの誤差が消去される。
さらにアンテナ間一重位相差 DφiAB (t)を以下の方程式で近似して演算できる。
Figure 2004012286
【0023】
以上の式を用いて搬送波位相測定の幾何学、2アンテナ幾何学条件を含めたn個衛星測定方程式は以下のようになる。
Figure 2004012286
更に、
Figure 2004012286
Figure 2004012286
Figure 2004012286
【0024】
ここで、
lはAアンテナ とアンテナB間の既知距離
x  (t) ,y (t) ,z (t)はt時刻でAアンテナの座標
x  (t) ,y (t) ,z (t)はt時刻でBアンテナの座標
DφiBA (t)はt時刻でi番目、受信機B、受信機Aによる一重位相(受信電波計測により既知)
h  xi(t),h  yi(t) ,h  zi (t)はt時刻でi番目の衛星とAアンテナ間の方向余弦(衛星軌道情報により既知)
N iBAはi番目衛星、受信機A、受信機Bによる一重位相の整数値アンビギュティ
cは光速
fは搬送波周波数
さらに、幾何学条件を示す方程式、n個衛星の測定による測定方程式を近似値
x  ,y  ,z のまわりでテイラー展開し1次までの項をとって得たGPS 3次元測位方程式は以下の用になる。
【0025】
Figure 2004012286
【0026】
ここで、
x  (t), y  (t), z  (t)はi番目の衛星の座標(衛星軌道情報により既知)
P   (t) , P   (t)はi番目の衛星のAアンテナ1とBアンテ2での観測疑似距離(受信電波計測により既知)
△x  ,△y  ,△z はAアンテナの位置座標補正値
δt (t)は受信時刻誤差
式9の未知数はアンテナ間ベクタBAの3次元成分と各一重位相毎式整数アンビギュイティ(N iBA)ということになる。この式はm =0では未知数を求めることができない。この問題は複数エポックに対応した(m≧1)式9を用いて化観測性を確保した方程式を用いることで解決できる。
各整数アンビギュイティN iBAの値が収束するまで複数の時刻tにおける式9の解を最小2乗法で得ることでシステム初期化を行いながらアンテナ間ベクタBAの3次元成分推定が可能になる。この初期化アルゴリズムで得られた解はFloat解と呼ばれる。
一旦収束したN iBAの値が得られると式9は式19のように書き表すことが出来る(ここでc/f N 1BA , c/f N 2BA , c/f N nBAのあたいは既知である)。
c/f N 1BA , c/f N 2BA , c/f N nBAが既知であるのでこの式の解は最小2乗法で得られる。この式で得られた解はFix解と呼ばれる。
Figure 2004012286
【0027】
以上の式9または式19で得られたアンテナ間ベクタBAの3次元成分を式18に用いてアンテナ位置推定値が得られる。式18,式9,式19の解は最小2乗法のような一般的なアルゴリズムで得られる。
以上の式19では2衛星(2個の一重位相測定・n =2)の場合未知変数3つ(dxBA(t),dy BA (t),dzBA (t))に対して3つの独立方程式が得られる。
また式18では同様に2衛星(4個の測定・n =2)の場合未知変数4つ(△x  (t) ,△y  (t) ,△z  (t), cδt (t))に対して5つの独立方程式が得られる。この場合衛星2個があるとシステムの可観測性が存在し姿勢が推定可能となる。
【0028】
以上の方式を用いることで、受信している衛星が2衛星の場合でもGPSのみを使用して3次元絶対位置算出ができるようになる。
アンテナ間ベクタBA 3次元成分の値からピッチとヨーの演算を行う。ピッチとヨーは原点が現在位置・x軸が東方向向き・y軸が北方向向きの座標に対する車両座標系の回転角度として演算可能である。
以上のシステムはGPS 適用範囲を大きく広げることができ、同時にピッチ、ヨーの推定、精度の向上もできる。
【0029】
図7A(ステップ300〜319)と図7B(ステップ3070〜3078)は実施例3の位置・方位演算処理アルゴリズムのフローチャートを示している。図7Bは図7Aのステップ307の詳細を示す流れ図である。式19を最小2乗る法を用いて解き、式X(t)を求めている。
【0030】
(移動体の位置と方位の推定システムの第4の実施例)
図3は、本発明によるシステムの第4の実施例を実施するために利用される装置のブロック図である。移動体でGPS衛星からの電波を受信するために、Aアンテナ1とBアンテナ2が既知距離lだけ離れて移動体に設けられている。
受信手段4aおよび受信手段4bは、各アンテナが受信した各電波周波変換を行う。各受信手段の出力はそれぞれ信号検出復調手段5a,5bにに接続されている。受信手段4aおよび信号検出復調手段5aは発振器4aの発生するクロックで動作させられ、受信手段4bおよび信号検出復調手段5bは発振器4bの発生するクロックで動作させられる。
図1、図2に示した装置は、同一のクロックで動作さけられているがこの装置は個別の発振器を使用している。以上の構成により各アンテナ信号の検出が行われる。この信号は位置方位演算手段7に接続される。Cアンテナ9は基地局(図示せず)から送信された補正情報を受信し、補正情報受信機10に接続する。位置方位演算手段7にはさらに、前記補正情報受信機10からの補正情報が接続されている。位置方位演算手段7は航法メッセージ(このメッセージからアルマナックデータ、エフェメリデータ、GPS時刻情報、電離層補正パラメータ導出が可能である)、を導出する各手段を備えている。
【0031】
動作について説明する。移動体に搭載された2つのアンテナ1,2から電波の受信を行い、GPS受信手段4a,4bで各信号の周波数変換を行う。
信号検出復調手段により各信号の検出と解読を行い航法メッセージ、擬似距離、搬送波の位相の導出を行う。
基地局から送信された補正情報はCアンテナ9で受信され、補正情報受信機10で処理さる。航法メッセージからアルマナックデータ、エフェメリデータ、GPS時刻情報、電離層補正パラメータを導出し、これらの情報と擬似距離、搬送波の位相、補正情報と既知アンテナ間距離情報がGPS位置・方位演算アルゴリズムにあたえられる。
【0032】
エポックtにおいて受信機Aアンテナと受信機Bアンテナ間二重位相差D DφijAB(t)、受信機Xアンテナと基地局Rアンテナ間二重位相差D DφijXR(t)は以下の方程式のようになる。
Figure 2004012286
ここで、
KX(t)はGPS信機アンテナXと衛星k間の距離
φKX(t)はGPS受信機アンテナXで測定された衛星kからの搬送位相データ
以上の式を用いて、衛星1を基準とし搬送波位相測定の幾何学条件を表すn個衛星測定方程式は以下のようになる。
Figure 2004012286
さらに、
Figure 2004012286
Figure 2004012286
【0033】
ここで、
lはアンテナAとアンテナB間の既知距離
x  (t) ,y (t) ,z (t)はt時刻でi番目の衛星の座標(衛星軌道情報により既知)
x  (t) ,y (t) ,z (t)はt時刻でアンテナAの座標
x  (t) ,y (t) ,z (t)はt時刻でアンテナBの座標
KX(t)はGPS受信機アンテナXと衛星k間の距離
KR(t)は基地局受信機アンテナRと衛星k間の距離
△x  ,△y  ,△z はt時刻でAアンテナの位置座標補正値
△x  ,△y  ,△z はt時刻でBアンテナの位置座標補正値
D DφijXR(t)はt時刻でi番目、j番目衛星受信機X、基地局Rによる二重位相 (受信電波計測、補正データにより既知)
D DφijAB(t)はt時刻でi番目、j番目衛星受信機A、受信機Bによる二重位相 (受信電波計測により既知)
ijXRはi番目、j番目衛星受信機X、基地局Rによる二重位相の整数値アンビギュティ
ijABはi番目、j番目衛星受信機A、受信機Bによる二重位相の整数値アンビギュティ
cは光速
fは搬送波周波数
【0034】
各整数アンビギュイティN ijRA, N ijRB , N ijABの値が収束するまで複数の時刻における式23のかいを最小2乗法で得ることで各アンテナの3次元座標推定が可能になる。この初期化アルゴリズムで得られた解はFloat解と呼ばれる。
一旦収束したN ijRA, N ijRB , N ijABの値が得られると式23は式35のように書き表すことができる(ここで各 c/f NijRA , c/f NijRB , c/f NijABのあたいは既知である)。各c/f N ijRA , c/f NijRB , c/f NijABが既知であるのでこの式の解は最小2乗法で得られる。この式で得られた解はFix解と呼ばれる。
Figure 2004012286
【0035】
通常(単独アンテナを用いた)の補正データを用いた手段で導かれる方程式は衛星数が4個以下の場合では解が存在しない。以上の方式では3衛星(二重位相6個・n=3)の場合未知変数6つ(△x  ,△y  ,△z  ,△x  ,△y  ,△z )に対して6つの独立方程式が得られる。以上の方式を用いることで、受信している衛星が3衛星の場合でもGPSのみを使用して3次元絶対位置算出ができるようになる。
アンテナAとBの座標の値からアンテナ間線分のピッチとヨーの演算を行う。ピッチとヨーは原点が現在位置・x軸が東方向向き・y軸が北方向向きの座標に対する車両座標系の回転角度として演算可能である。
以上のシステムはGPS適用範囲を大きく広げることができ、同時にピッチ、ヨーの推定、精度の向上もできる。
【0036】
図8は、実施例4の位置・方位演算処理アルゴリズムのフローチャート(ステップ400〜415)を示している。
(移動体の位置と方位の推定システムの第5の実施例)
図4は、本発明によるシステムの第5の実施例を実施するために利用される装置(第4の装置)のブロック図である。
移動体でGPS衛星からの電波を受信するために、Aアンテナ1とBアンテナ2が既知距離lだけ離れて移動体に設けられている。
受信手段4の出力は信号検出復調手段5に接続されている。受信手段4および信号検出復調手段5発振器4の発生する同一クロックで動作させられる。
以上の構成により各アンテナ信号の検出が行われる。この信号は位置方位演算手段7に接続される。Cアンテナ9は基地局(図示せず)から送信された補正情報を受信し、補正情報受信機10に接続する。位置方位演算手段7にはさらに、前記補正情報受信機10からの補正情報が接続されている。位置方位演算手段7は航法メッセージ(このメッセージからアルマナックデータ、エフェメリデータ、GPS時刻情報、電離層補正パラメータ導出が可能である)、搬送波の位相を導出する各手段を備えている。
【0037】
動作について説明する。
GPS受信手段4において2つのアンテナ1,2かからの電波の受信を行う。
前記受信手段4で同一クロックを用いて同時に受信された信号の周波数変換を行う。そして信号の検出と解読を行い航法メッセージ、搬送波の位相の導出を同一クロックで行う。
一方基準局(図示せず)から送信された補正情報受信を行う。航法メッセージからアルマナックデータ、エフェメリデータ、GPS時刻情報、電離層補正パラメータを導出し、これらの情報と擬似距離、搬送波の位相、補正情報と既知アンテナ間距離情報が位置方位演算手段7のGPS位置・方位演算アルゴリズムで処理される。
【0038】
エポックtにおいて受信機Aアンテナと受信機Bアンテナ間一重位相差DφiAB (t)受信機Xアンテナと基地局Rアンテナ間二重位相差D DφijXR(t)は下の方程式のようになる。
Figure 2004012286
Figure 2004012286
ここで、
KX(t)はGPS信機アンテナXと衛星k間の距離
φKX(t)はGPS受信機アンテナXで測定された衛星kからの搬送位相データ
【0039】
同一クロックを用いているためアンテナ間一重位相差DφiAB (t)を演算することで受信機の内部時計誤差による位相データの誤差、衛星の時計誤差による位相データの誤差消去が可能であり、この(受信機アンテナ間)場合二重位相差の演算が必要で無い。
【0040】
以上の式を用いて、衛星1を基準とし搬送波位相測定の幾何学、2アンテナ幾何学条件を含めたn個衛星測定方程式は以下の用になる。
Figure 2004012286
さらに、
Figure 2004012286
Figure 2004012286
Figure 2004012286
ここで、
lはアンテナAとアンテナB間の既知距離
x  (t) ,y (t) ,z (t)はt時刻でi番目の衛星の座標(衛星軌道情報により既知)
x  (t) ,y (t) ,z (t)はt時刻でアンテナAの座標
x  (t) ,y (t) ,z (t)はt時刻でアンテナBの座標
KX(t)はGPS受信機アンテナXと衛星k間の距離
KR(t)は基地局受信機アンテナRと衛星k間の距離
△x  (t) ,△y  (t) ,△z  (t)はt時刻でAアンテナの位置座標補正値
△x  (t) ,△y  (t) ,△z  (t)はt時刻でBアンテナの位置座標補正値
D DφijXR(t)はt時刻でi番目、j番目衛星受信機X、基地局Rによる二重位相 (受信電波計測、補正データにより既知)
DφAB(t)はt時刻でi番目衛星受信機A受信機Bによる一重位相 (受信電波計測より既知)
ijXRはi番目、j番目衛星受信機X、基地局Rによる二重位相の整数値アンビギュティ
iAB はi番目衛星、受信機A、受信機Bによる一重位相の整数値アンビギュティ
cは光速
fは搬送波周波数
【0041】
各整数アンビギュイティN ijRA, N ijXRB , N iAB値が収束するまで複数の時刻における式39の解を最小2乗法で得ることで各アンテナの3次元座標推定が可能になる。この初期化アルゴリズムで得られた解はFloat解と呼ばれる。
一旦収束したN ijRA, N ijRB , N iABの値が得られると式39は式62のように書き表すことが出来る(ここで各 c/f NijRA , c/f NijRB , c/f NiABのあたいは既知である)。
各c/f N ijRA , c/f NijRB , c/f NiABが既知であるのでこの式の解は最小2乗法で得られる。この式で得られた解はFix解と呼ばれる。
Figure 2004012286
【0042】
通常(単独アンテナを用いた)の補正データを用いた手段で導かれる方程式は衛星数が4個以下の場合では解が存在しない。以上の式62では3衛星(一重位相3個・二重位相4個・n=3)の場合未知変数6つ(△x  ,△y  ,△z  ,△x  ,△y  ,△z )に対して8つの独立方程式が得られる。以上の方式を用いることで、受信している衛星が3衛星の場合でもGPSのみを使用して3次元絶対位置算出ができるようになる。
アンテナAとBの座標の値からアンテナ間線分のピッチとヨーの演算を行う。ピッチとヨーは原点が現在位置・x軸が東方向向き・y軸が北方向向きの座標に対する車両座標系の回転角度として演算可能である。
以上のシステムはGPS適用範囲を大きく広げることができ、同時にピッチ、ヨーの推定、精度の向上もできる。
【0043】
図9は実施例5の位置・方位演算処理アルゴリズムのフローチャート(ステップ500〜517)を示している。この実施例は、基地局の情報を利用して演算される各受信アンテナと基地局の位相差を用いる点に特徴がある。
【0044】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明よるシステムによれば、同時に受信された信号を同一クロックで処理することでレシーバクロックを表す未知変数が一つのみになる。幾何学条件を用いて未知変数を含めた測定方程式から独立した方程式が記述可能となる。この新たな方程式を用いることで従来の方式と比較すると(未知変数−未知数を含めた独立方程式)が低減される。
この結果同数の測定(衛星)でも演算可能となった。
【0045】
本発明では複数アンテナの幾何学条件を用いることにより、測定に必要な衛星の数の低減が可能となり、測定可能な範囲を大きく広げることができ、同時に精度の向上もできる。
【0046】
また、本発明では、前述のように、複数アンテナの幾何学条件や、同一クロックを用いない場合でも、前記第4,第5の実施例に示すように、移動体に複数のアンテナを搭載し、受信アンテナ間の二重位相差または一重位相差、と各受信アンテナと基地局アンテナ間二重位相差または一重位相差を用いて(未知変数−未知変数を含めた独立方程式)を低減し位置・姿勢を正確に推定できる。
【0047】
以上詳しく説明した実施例について本発明の範囲内で種々の変形を施すことができる。そのようなものも本発明の範囲に含まれるべきものと理解されるべきである。本発明の実施例は何れも移動体の位置と姿勢を推定することができるように構成されているが、位置と姿勢のいずれかのみを推定する場合も本発明の範囲に含まれと理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるGPSによる位置・姿勢推定システムを実行する第1の装置のブロック図である。
【図2】本発明によるGPSによる位置・姿勢推定システムを実行する第2の装置のブロック図である。
【図3】本発明によるGPSによる位置・姿勢推定システムを実行する第3の装置のブロック図である。
【図4】本発明によるGPSによる位置・姿勢推定システムを実行する第4の装置のブロック図である。
【図5】本発明によるGPSによる位置・姿勢推定シスの第1の実施例のフローチャートである。
【図6】本発明によるGPSによる位置・姿勢推定シスの第2の実施例のフローチャートである。
【図7A】本発明によるGPSによる位置・姿勢推定シスの第3の実施例のフローチャートの主要部分を示す図である。
【図7B】図7Aに示すフローチャートの一部を補充するためのフローチャートである。
【図8】本発明によるGPSによる位置・姿勢推定シスの第4の実施例のフローチャートである。
【図9】本発明によるGPSによる位置・姿勢推定シスの第5の実施例のフローチャートである。
【符号の説明】
1 Aアンテナ
2 Bアンテナ
3 発振器
4 受信手段
5 信号検出復調手段
6 航法メッセージ疑似距離信号
7 位置方位演算手段
8 アンテナ間距離情報信号
9 Cアンテナ
10 補正情報受信手段[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a system for estimating the position and orientation of a moving object by GPS, more specifically, a GPS that enables simultaneous estimation of the position and orientation of a moving object (vehicle, aircraft, ship, person, etc.) using a GPS system. The present invention relates to a system for estimating the position / posture of a moving object by using a computer.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, many systems for estimating the position of a moving body have been proposed and put to practical use. However, these conventional techniques cannot reduce the minimum number of required satellites, so that the range of practical application is narrowed, which has been regarded as a problem of the GPS system.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
In an urban area where the number of visible satellites cannot be sufficiently secured by such a position estimation system, it is often difficult to estimate the position, and it has been impossible to simultaneously estimate the attitude of the moving object together with the position.
In the prior art, since the number of minimum satellites required for position estimation cannot be reduced, a revolutionary change in the method is required.
In the present invention, attention has been paid to the phase difference between the receiving antennas and the phase difference between each receiving antenna and the base station antenna by introducing geometric conditions of a plurality of antennas, using the same clock, or.
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to be able to simultaneously estimate the attitude and position under conditions that the accuracy is higher than that of a normal GPS and the number of satellites required is smaller than that of a normal GPS (three satellites in the case of two antennas),・ To provide a posture estimation system.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a position / posture estimation system for a moving object by GPS according to claim 1 according to the present invention,
At least one pair of antennas fixed to a mobile body by predetermined geometric conditions to receive radio waves from GPS satellites;
Receiving means for performing frequency conversion of radio waves simultaneously received by the antenna using the same clock,
With the same clock from the received signal, a pseudo-range or a pseudo-range and a carrier wave are detected, and a demodulation means for decoding and demodulating a navigation message,
The navigation message, a pseudorange or a pseudorange and a carrier phase, and a moving object position / azimuth calculating means for calculating a position of each of the antennas or a gradient of a line segment between the antennas based on a geometric condition of the antenna. ing.
[0005]
According to a second aspect of the present invention, there is provided a position / posture estimation system for a moving object based on a GPS.
At least one pair of antennas fixed to a mobile body by predetermined geometric conditions to receive radio waves from GPS satellites;
Receiving means for performing frequency conversion of radio waves simultaneously received by the antenna using the same clock,
With the same clock from the received signal, a pseudo-range or a pseudo-range and a carrier wave are detected, and a demodulation means for decoding and demodulating a navigation message,
Correction information receiving means for receiving correction information from the base station,
The navigation message, the pseudorange or the pseudorange and the carrier phase, the correction information from the base station, and the moving object position for calculating the position of each antenna or the inclination of the line segment between the antennas according to the geometric conditions of the antenna. The azimuth calculation means is provided.
[0006]
According to a third aspect of the present invention, there is provided a position / posture estimation system for a moving object by GPS.
At least one pair of antennas fixed to a mobile object for receiving radio waves from GPS satellites;
Receiving means for frequency-converting radio waves simultaneously received by the antenna,
From the received signal, a pseudorange or a pseudorange and a carrier wave are detected, and a demodulation means for decoding and demodulating a navigation message,
Correction information receiving means for receiving correction information from the base station,
The navigation message, pseudorange or pseudorange and carrier phase, and the phase difference between the receiving antennas, the position of each antenna or the line segment between each receiving antenna by the phase difference between each receiving antenna and the base station antenna. It is provided with a moving body position / azimuth calculating means for calculating a tilt.
[0007]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a position / posture estimation system for a moving object by GPS.
At least one pair of antennas fixed to a mobile object for receiving radio waves from GPS satellites;
Receiving means for frequency-converting radio waves simultaneously received by the antenna,
From the received signal, a carrier phase is detected, and a demodulation means for decoding and demodulating a navigation message,
Correction information receiving means for receiving correction information from the base station,
The navigation message, pseudorange or pseudorange and carrier phase, and the phase difference between the receiving antennas, the position of each antenna or the line segment between each receiving antenna by the phase difference between each receiving antenna and the base station antenna. It is provided with a moving body position / azimuth calculating means for calculating a tilt.
[0008]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of a system for estimating the position and orientation of a moving object by GPS according to the present invention will be described with reference to the drawings and the like.
FIG. 1 is a block diagram of a first device that executes a GPS position / posture estimation system according to the present invention. The A antenna 1 and the B antenna 2 are fixed to a mobile body while maintaining certain geometric conditions. In this embodiment, the A antenna 1 and the B antenna 2 are fixed in the same posture and separated by a distance l. The signals from the satellites received by the A antenna 1 and the B antenna 2 are connected to the receiving means 4. A signal from the same clock 3 is connected to a receiving circuit provided for each antenna. That is, signals from each antenna are processed based on the same clock reference. The output of the receiving means 4 is connected to a signal detection / demodulation circuit 5, which detects the navigation message and the pseudo distance between both antennas with the same clock.
[0009]
The navigation message and the pseudo distance signal 6 from the signal detection / demodulation circuit 5 are connected to a position / azimuth calculating means 7.
A navigation message decryption algorithm is stored in the position / azimuth calculation means 7, whereby the almanac data, efmelis data, GPS time information, and ionospheric correction parameters are decrypted and obtained from the navigation message.
The position and orientation calculation means 7 estimates (calculates) the position and orientation of the moving object from the acquired data and the previously given inter-antenna distance l and pseudo distance by using a position and orientation calculation algorithm, and outputs it. I do.
[0010]
(First Embodiment of System for Estimating Position and Orientation of Moving Object)
Next, an embodiment of a system for estimating the position and orientation of a moving object will be described with reference to the flowchart (steps 100 to 110) shown in FIG. This system is implemented using the apparatus shown in FIG.
The equation representing the geometric condition, the measurement equation based on the measurement of n satellites is approximated by xA, YA, ZA, XB, YB, ZBThe GPS three-dimensional positioning equation obtained by performing a Taylor expansion around and taking the terms up to the first order is as follows.
Figure 2004012286
Figure 2004012286
[0011]
here
l is the known distance between antenna A and antenna B
xiYi{Z}iIs the coordinate of the i-th satellite (known from the satellite orbit information)
xA, YA, ZAIs the coordinates of the A antenna
xB, YB, ZBIs the coordinates of the B antenna
PA i, PB iIs the pseudo distance observed by the A and B antennas of the i-th satellite (known from measurement of received radio waves)
hA xi, HA yi, HA ziIs the direction cosine between the i-th satellite and the A antenna (known from satellite orbit information)
hB xi, HB yi, HB ziIs the direction cosine between the i-th satellite and the B antenna (known from satellite orbit information)
△ xA, △ yA, △ zAIs the position coordinate correction value of the A antenna
△ xB, △ yB, △ zBIs the position coordinate correction value of the B antenna
δt is the reception time error
[0012]
The general solution of the above equation 1 is obtained by the least squares method. Equations derived by ordinary means (without considering geometric conditions) have no solution when the number of satellites is four or less. In the above method, in the case of three satellites (six measured values, n = 3), seven unknown variables ({x})A, △ yA, △ zA, △ xB, △ yB, △ zB{, {T}) yields seven independent equations. By using the above method, even when the number of receiving satellites is three, three-dimensional absolute position calculation can be performed using only GPS.
[0013]
The pitch and the yaw of the line segment between the antennas are calculated from the coordinates of the A antenna 1 and the B antenna 2. The pitch and the yaw can be calculated as the rotation angle of the vehicle coordinate system with respect to the coordinates where the origin is the current position, the x axis is in the east direction, and the y axis is in the north direction.
The above system can greatly expand the GPS application range, and at the same time, can estimate pitch and yaw and improve accuracy.
[0014]
FIG. 5 is a flowchart for explaining a first embodiment of a system for estimating the position and orientation of a moving object by GPS implemented using the first device shown in FIG.
It comprises steps 100 to 110.
This embodiment uses a pseudorange and an antenna geometric condition in a mobile position and orientation calculation algorithm. Equations indicating the antenna geometric conditions are solved using the least squares method as shown in step 105.
[0015]
(Second Embodiment of System for Estimating Position and Orientation of Moving Object)
The second embodiment of the system for estimating the position and orientation of a moving object is implemented using the apparatus shown in FIG.
[0016]
An output equation based on measurement of n satellites from both antennas in consideration of geometric conditions is as follows.
Equation 7
Figure 2004012286
[0017]
here,
l is the known distance between antenna A and antenna B
xi{(T), {y}i{(T), {z}i(T) is the coordinate of the i-th satellite at time t (known from satellite orbit information)
x (t), y (t), z (t) are the coordinates of A antenna (or B)
ρi A{(T)}, ρi B(T) is the pseudo distance observed by the A antenna and the B antenna of the i-th satellite at time t (known from measurement of received radio waves)
α (t) and β (t) are the time t and the direction Euler angle (unknown variable) between the AB antenna line segments δtδ (t) is the reception time error
[0018]
The above equation and the state equation f (x (t), y 含 め る (t) including x (t), y (t), z (t), α (t), β (t), and {At} (t) as state variables ), Z (t), α (t), β (t), {At} (t),...) Describe the system equation. When this system equation is used for the Kalman filter method, x (t), y (t), z (t), α (t), β (t), and δt (t) can be estimated.
By using the above method, it is possible to calculate a three-dimensional absolute position for a long time using only GPS even when three satellites are being received.
If there are three or more azimuth angles, the output can be performed in a short period of time (including a stationary state). The pitch and the yaw can be calculated as the rotation angle of the vehicle coordinate system with respect to the coordinates where the origin is the current position, the x axis is in the east direction, and the y axis is in the north direction.
The above system can greatly expand the GPS application range, and at the same time, can estimate pitch and yaw and improve accuracy.
[0019]
FIG. 6 shows a flowchart of the position / direction calculation processing means of the second embodiment.
It is composed of steps 200 to 209. In this embodiment, the system equation is calculated by the Kalman filter method as described above.
[0020]
(Third Embodiment of System for Estimating Position and Orientation of Moving Object)
This third embodiment is executed by the apparatus shown in FIG. 7A (steps 300 to 319) and FIG. 7B (steps 3070 to 3078) show a flowchart of the position / azimuth calculation processing algorithm according to the third embodiment. FIG. 7B is a flowchart showing details of step 307 in FIG. 7A.
The basic configuration of this device is almost the same as that of FIG. The antennas A and B are installed at a known distance 1 to the mobile object to receive radio waves from GPS satellites, and perform frequency conversion of radio waves simultaneously received by the receiving means 4 using the same clock.
The signal detection and demodulation means 5 detects and decodes the signal to determine the navigation message (almanac data, ephemeri data, GPS time information, ionospheric correction parameters can be derived from this message), pseudorange, and carrier wave phase with the same clock. Derive. The difference from the previous configuration is that the phase of the carrier is required to execute the third embodiment.
The position / azimuth calculation means 7 calculates the position / azimuth of the mobile object based on the information and the known antenna geometric information (relative attitude, distance, etc.) using an algorithm.
[0021]
FIG. 2 is a block diagram of a second device that executes the system for estimating the position and orientation of a moving object by GPS according to the present invention. The GPS receiving means 4 receives radio waves from the A antenna 1 and the B antenna 2.
The receiving means 4 derives the pseudo distance and the phase of the carrier wave 6 using the same clock from the oscillator 3.
The position / azimuth calculating means 7 derives almanac data, ephemeri data, GPS time information, and ionospheric correction parameters from the navigation message. Is processed by the position / azimuth calculation algorithm.
[0022]
Since the same clock is used, single phase difference between antennas DφiABBy calculating (t), errors in the phase data due to the internal clock error of the receiver and errors in the phase data due to the clock error of the satellite are eliminated.
Furthermore, the single phase difference between antennas DφiAB(T) can be calculated by approximating the following equation.
Figure 2004012286
[0023]
Using the above equations, the n satellite measurement equations including the carrier phase measurement geometry and the two-antenna geometry conditions are as follows.
Figure 2004012286
Furthermore,
Figure 2004012286
Figure 2004012286
Figure 2004012286
[0024]
here,
l is the known distance between antenna A and antenna B
xA{(T)}, yA(T), zA(T) is the coordinate of the A antenna at time t
xB{(T)}, yB(T), zB(T) is the coordinate of the B antenna at time t
iBA(T) is the i-th at time t, single phase by receiver B and receiver A (known by measurement of received radio wave)
hA xi(T), hA yi(T), hA zi(T) is the direction cosine between the i-th satellite and the A antenna at time t (known from satellite orbit information)
NiBAIs the single-phase integer ambiguity of the i-th satellite, receiver A and receiver B
c is the speed of light
f is the carrier frequency
Furthermore, the equation showing the geometric condition and the measurement equation based on the measurement of n satellites are approximated.
xA, YA, ZAThe GPS three-dimensional positioning equation obtained by performing Taylor expansion around and taking the terms up to the first order is used as follows.
[0025]
Figure 2004012286
[0026]
here,
xi{(T), {y}i{(T), {z}i(T) is the coordinate of the i-th satellite (known from satellite orbit information)
PA i{(T)}, {P}B i(T) is the pseudo distance observed by the A antenna 1 and B antenna 2 of the i-th satellite (known from measurement of received radio waves)
△ xA, △ yA, △ zAIs the position coordinate correction value of the A antenna
δt (t) is the reception time error
The unknowns in Equation 9 are the three-dimensional components of the inter-antenna vector BA and the integer ambiguities (NiBA)It turns out that. In this equation, unknown values cannot be obtained when m = 0. This problem can be solved by using an equation that secures the observability using Equation (9) corresponding to a plurality of epochs (m ≧ 1).
Each integer ambiguity NiBABy obtaining the solution of Equation 9 at a plurality of times t by the least squares method until the value of converges, it is possible to estimate the three-dimensional component of the inter-antenna vector BA while performing system initialization. The solution obtained by this initialization algorithm is called a Float solution.
N once convergediBAEquation 9 can be written as Equation 19 (where c / f {N}).1BA, C / f N2BA, C / f NnBAIs already known).
c / f {N}1BA, C / f N2BA, C / f NnBAIs known, the solution of this equation is obtained by the least squares method. The solution obtained by this equation is called a Fix solution.
Figure 2004012286
[0027]
The three-dimensional component of the inter-antenna vector BA obtained by the above equation 9 or 19 is used in equation 18 to obtain an estimated antenna position. The solutions of Expressions 18, 9, and 19 can be obtained by a general algorithm such as the least squares method.
In the above equation 19, in the case of two satellites (two single phase measurements, n = 2), three unknown variables (dxBA(T), dyBA(T), dzBA独立 (t)) yields three independent equations.
In equation 18, similarly, in the case of two satellites (four measurements, n = 2), four unknown variables ({x})A{(T)}, {y}A{(T)}, {z}AFive independent equations are obtained for {(t), {cδt} (t)). In this case, if there are two satellites, the observability of the system exists and the attitude can be estimated.
[0028]
By using the above method, even when the number of receiving satellites is two, three-dimensional absolute position calculation can be performed using only GPS.
The pitch and yaw are calculated from the value of the inter-antenna vector BA 3D component. The pitch and the yaw can be calculated as the rotation angle of the vehicle coordinate system with respect to the coordinates where the origin is the current position, the x axis is in the east direction, and the y axis is in the north direction.
The above system can greatly expand the GPS application range, and at the same time, can estimate pitch and yaw and improve accuracy.
[0029]
7A (steps 300 to 319) and FIG. 7B (steps 3070 to 3078) show a flowchart of the position / azimuth calculation processing algorithm according to the third embodiment. FIG. 7B is a flowchart showing details of step 307 in FIG. 7A. Equation 19 is solved using the method of least squares to find Equation X (t).
[0030]
(Fourth Embodiment of System for Estimating Position and Orientation of Moving Object)
FIG. 3 is a block diagram of an apparatus used to implement a fourth embodiment of the system according to the present invention. In order for a mobile to receive radio waves from GPS satellites, an A antenna 1 and a B antenna 2 are provided on the mobile at a known distance l.
The receiving unit 4a and the receiving unit 4b perform each radio frequency conversion received by each antenna. The output of each receiving means is connected to signal detection / demodulation means 5a, 5b, respectively. The receiving means 4a and the signal detection / demodulation means 5a are operated by the clock generated by the oscillator 4a, and the reception means 4b and the signal detection / demodulation means 5b are operated by the clock generated by the oscillator 4b.
The devices shown in FIGS. 1 and 2 are operated with the same clock, but use a separate oscillator. With the above configuration, each antenna signal is detected. This signal is connected to the position and orientation calculation means 7. The C antenna 9 receives correction information transmitted from a base station (not shown) and connects to the correction information receiver 10. The correction information from the correction information receiver 10 is further connected to the position and orientation calculation means 7. The position / azimuth calculating means 7 is provided with each means for deriving a navigation message (almanac data, ephemeri data, GPS time information, ionospheric correction parameters can be derived from this message).
[0031]
The operation will be described. Radio waves are received from two antennas 1 and 2 mounted on a moving body, and frequency conversion of each signal is performed by GPS receiving means 4a and 4b.
The signal detection and demodulation means detects and decodes each signal to derive a navigation message, a pseudorange, and a phase of a carrier wave.
The correction information transmitted from the base station is received by the C antenna 9 and processed by the correction information receiver 10. The almanac data, ephemeri data, GPS time information, and ionospheric correction parameters are derived from the navigation message, and the information, pseudorange, carrier phase, correction information, and distance information between known antennas are given to the GPS position / azimuth calculation algorithm. .
[0032]
At epoch t, the double phase difference D Dφ between the receiver A antenna and the receiver B antennaijAB(T), double phase difference D Dφ between receiver X antenna and base station R antennaijXR(T) becomes like the following equation.
Figure 2004012286
here,
rKX(T) is the distance between GPS transceiver antenna X and satellite k
φKX(T) is carrier phase data from satellite k measured by GPS receiver antenna X
Using the above equation, the n satellite measurement equations representing the geometric conditions of the carrier phase measurement with reference to the satellite 1 are as follows.
Figure 2004012286
further,
Figure 2004012286
Figure 2004012286
[0033]
here,
l is the known distance between antenna A and antenna B
xi{(T)}, yi(T), zi(T) is the coordinate of the i-th satellite at time t (known from satellite orbit information)
xA{(T)}, yA(T), zA(T) is the coordinate of antenna A at time t
xB{(T)}, yB(T), zB(T) is the coordinate of antenna B at time t
rKX(T) is the distance between the GPS receiver antenna X and the satellite k
rKR(T) is the distance between the base station receiver antenna R and the satellite k
△ xA, △ yA, △ zAIs the position coordinate correction value of antenna A at time t
△ xB, △ yB, △ zBIs the position coordinate correction value of antenna B at time t
D DφijXR(T) is the double phase 二 重 by the i-th and j-th satellite receivers X and the base station R at the time t (known from measurement of received radio waves and correction data)
D DφijAB(T) is the time t, the double phase に よ る by the i-th and j-th satellite receivers A and B (known from measurement of received radio waves)
NijXRIs the double-phase integer ambiguity of the i-th and j-th satellite receivers X and the base station R
NijABIs the double-phase integer ambiguity of the i-th and j-th satellite receivers A and B.
c is the speed of light
f is the carrier frequency
[0034]
Each integer ambiguity NijRA, {N}ijRB, NijABBy obtaining the padding of Expression 23 at a plurality of times by the least squares method until the value of converges, the three-dimensional coordinates of each antenna can be estimated. The solution obtained by this initialization algorithm is called a Float solution.
N once convergedijRA, {N}ijRB, NijABEquation 23 can be written as Equation 35 (where each {c / f} NijRA, C / f NijRB, C / f NijABIs already known). Each c / f {N}ijRA, C / f NijRB, C / f NijABIs known, the solution of this equation is obtained by the least squares method. The solution obtained by this equation is called a Fix solution.
Figure 2004012286
[0035]
An equation derived by means using normal (using a single antenna) correction data has no solution when the number of satellites is four or less. In the above method, in the case of 3 satellites (6 double phases, n = 3), 6 unknown variables ({x})A, △ yA, △ zA, △ xB, △ yB, △ zB) Yields six independent equations. By using the above method, even when the number of receiving satellites is three, three-dimensional absolute position calculation can be performed using only GPS.
The pitch and the yaw of the line segment between the antennas are calculated from the coordinates of the antennas A and B. The pitch and the yaw can be calculated as the rotation angle of the vehicle coordinate system with respect to the coordinates where the origin is the current position, the x axis is in the east direction, and the y axis is in the north direction.
The above system can greatly expand the GPS application range, and at the same time, can estimate pitch and yaw and improve accuracy.
[0036]
FIG. 8 shows a flowchart (steps 400 to 415) of the position / direction calculation algorithm according to the fourth embodiment.
(Fifth Embodiment of System for Estimating Position and Orientation of Moving Object)
FIG. 4 is a block diagram of an apparatus (a fourth apparatus) used to implement the fifth embodiment of the system according to the present invention.
In order for a mobile to receive radio waves from GPS satellites, an A antenna 1 and a B antenna 2 are provided on the mobile at a known distance l.
The output of the receiving means 4 is connected to the signal detection / demodulation means 5. The receiving means 4 and the signal detection / demodulation means 5 are operated by the same clock generated by the oscillator 4.
With the above configuration, each antenna signal is detected. This signal is connected to the position and orientation calculation means 7. The C antenna 9 receives correction information transmitted from a base station (not shown) and connects to the correction information receiver 10. The correction information from the correction information receiver 10 is further connected to the position and orientation calculation means 7. The position / azimuth calculation means 7 includes means for deriving a navigation message (almanac data, ephemeri data, GPS time information, ionospheric correction parameters can be derived from the message), and a carrier phase.
[0037]
The operation will be described.
The GPS receiving means 4 receives radio waves from the two antennas 1 and 2.
The receiving means 4 performs frequency conversion of signals received simultaneously using the same clock. Then, the signals are detected and decoded, and the navigation message and the phase of the carrier are derived by the same clock.
On the other hand, it receives correction information transmitted from a reference station (not shown). The almanac data, ephemeri data, GPS time information, and ionospheric correction parameters are derived from the navigation message, and these information, the pseudorange, the phase of the carrier, the correction information, and the distance information between the known antennas are used as the GPS position information of the position / azimuth calculation means 7. Processed by the azimuth calculation algorithm.
[0038]
Single phase difference Dφ between receiver A antenna and receiver B antenna at epoch tiAB(T) Double phase difference D Dφ between receiver X antenna and base station R antennaijXR(T) becomes like the following equation.
Figure 2004012286
Figure 2004012286
here,
rKX(T) is the distance between GPS transceiver antenna X and satellite k
φKX(T) is carrier phase data from satellite k measured by GPS receiver antenna X
[0039]
Since the same clock is used, single phase difference Dφ between antennasiABBy calculating (t), it is possible to eliminate the error of the phase data due to the internal clock error of the receiver and the error of the phase data due to the clock error of the satellite. Not necessary.
[0040]
Using the above equations, the n satellite measurement equations including the geometry of the carrier wave phase measurement with reference to the satellite 1 and the geometric conditions of the two antennas are as follows.
Figure 2004012286
further,
Figure 2004012286
Figure 2004012286
Figure 2004012286
here,
l is the known distance between antenna A and antenna B
xi{(T)}, yi(T), zi(T) is the coordinate of the i-th satellite at time t (known from satellite orbit information)
xA{(T)}, yA(T), zA(T) is the coordinate of antenna A at time t
xB{(T)}, yB(T), zB(T) is the coordinate of antenna B at time t
rKX(T) is the distance between the GPS receiver antenna X and the satellite k
rKR(T) is the distance between the base station receiver antenna R and the satellite k
△ xA{(T)}, {y}A{(T)}, {z}A(T) is the position coordinate correction value of antenna A at time t
△ xB{(T)}, {y}B{(T)}, {z}B(T) is the position coordinate correction value of B antenna at time t
D DφijXR(T) is the double phase 二 重 by the i-th and j-th satellite receivers X and the base station R at the time t (known from measurement of received radio waves and correction data)
AB(T) is the time t, a single phase よ り by the i-th satellite receiver A and receiver B (known from measurement of received radio waves)
NijXRIs the double-phase integer ambiguity of the i-th and j-th satellite receivers X and the base station R
NiABIs the single-phase integer ambiguity of the i-th satellite, receiver A, and receiver B
c is the speed of light
f is the carrier frequency
[0041]
Each integer ambiguity NijRA, {N}ijXRB, NiABBy obtaining the solution of Equation 39 at a plurality of times by the least square method until the values converge, three-dimensional coordinate estimation of each antenna becomes possible. The solution obtained by this initialization algorithm is called a Float solution.
N once convergedijRA, {N}ijRB, NiABIs obtained, the expression 39 can be written as the expression 62 (where each {c / f} NijRA, C / f NijRB, C / f NiABIs already known).
Each c / f {N}ijRA, C / f NijRB, C / f NiABIs known, the solution of this equation is obtained by the least squares method. The solution obtained by this equation is called a Fix solution.
Figure 2004012286
[0042]
An equation derived by means using normal (using a single antenna) correction data has no solution when the number of satellites is four or less. In the above equation 62, in the case of three satellites (three single phases, four double phases, n = 3), six unknown variables ({x})A, △ yA, △ zA, △ xB, △ yB, △ zB) Yields eight independent equations. By using the above method, even when the number of receiving satellites is three, three-dimensional absolute position calculation can be performed using only GPS.
The pitch and the yaw of the line segment between the antennas are calculated from the coordinates of the antennas A and B. The pitch and the yaw can be calculated as the rotation angle of the vehicle coordinate system with respect to the coordinates where the origin is the current position, the x axis is in the east direction, and the y axis is in the north direction.
The above system can greatly expand the GPS application range, and at the same time, can estimate pitch and yaw and improve accuracy.
[0043]
FIG. 9 shows a flowchart (steps 500 to 517) of the position / direction calculation algorithm according to the fifth embodiment. This embodiment is characterized in that a phase difference between each receiving antenna and the base station, which is calculated using information on the base station, is used.
[0044]
【The invention's effect】
As described above, according to the system according to the present invention, the signals received at the same time are processed by the same clock, so that there is only one unknown variable representing the receiver clock. Using the geometric condition, an equation independent of the measurement equation including the unknown variable can be described. By using this new equation, (independent equation including unknown variable-unknown number) is reduced as compared with the conventional method.
As a result, even the same number of measurements (satellite) can be calculated.
[0045]
In the present invention, by using the geometric conditions of a plurality of antennas, the number of satellites required for measurement can be reduced, and the measurable range can be greatly expanded, and at the same time, the accuracy can be improved.
[0046]
Further, in the present invention, as described above, even when the geometric conditions of a plurality of antennas and the same clock are not used, as shown in the fourth and fifth embodiments, a plurality of antennas are mounted on a moving body. Using the double phase difference or single phase difference between the receiving antennas and the double phase difference or single phase difference between each receiving antenna and the base station antenna (unknown variable-independent equation including unknown variable) to reduce the position・ Position can be accurately estimated.
[0047]
Various modifications can be made to the embodiment described in detail above within the scope of the present invention. It is to be understood that such should be included in the scope of the present invention. Although all of the embodiments of the present invention are configured to be able to estimate the position and orientation of the moving object, it is understood that the case where only one of the position and orientation is estimated is also included in the scope of the present invention. I want to.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram of a first apparatus that executes a GPS position / posture estimation system according to the present invention.
FIG. 2 is a block diagram of a second device that executes the GPS position / posture estimation system according to the present invention.
FIG. 3 is a block diagram of a third device that executes the GPS position / posture estimation system according to the present invention.
FIG. 4 is a block diagram of a fourth apparatus that executes the GPS position / posture estimation system according to the present invention.
FIG. 5 is a flowchart of a first embodiment of a position / posture estimation system using GPS according to the present invention.
FIG. 6 is a flowchart of a second embodiment of a position / posture estimation system using GPS according to the present invention.
FIG. 7A is a diagram showing a main part of a flowchart of a third embodiment of a GPS position / posture estimation system according to the present invention;
FIG. 7B is a flowchart for supplementing a part of the flowchart shown in FIG. 7A.
FIG. 8 is a flowchart of a fourth embodiment of a position / posture estimation system using GPS according to the present invention.
FIG. 9 is a flowchart of a fifth embodiment of a position / posture estimation system using GPS according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1 A antenna
2 B antenna
3 oscillator
4) Receiving means
5 Signal detection and demodulation means
6 Navigation message pseudorange signal
7 ° position and orientation calculation means
8 Distance information signal between antennas
9 C antenna
10 Correction information receiving means

Claims (4)

GPS衛星からの電波を受信するために、予め定めた幾何学条件によって移動体に固定された少なくとも一対のアンテナと、
前記アンテナにより同時に受信された電波を同一クロックを用いて周波変換を行う受信手段と、
前記受信信号から同一クロックで、疑似距離または、疑似距離と搬送波を検出し、航法メッセージを解読し復調する検出復調手段と、
前記航法メッセージ、疑似距離または疑似距離と搬送位相、および前記アンテナの幾何学条件により前記各アンテナの位置または前記アンテナ間の線分の傾きを演算する移動体位置・方位演算手段を備えて構成したGPSによる移動体の位置・姿勢推定システム。
At least one pair of antennas fixed to a mobile body by predetermined geometric conditions to receive radio waves from GPS satellites;
Receiving means for performing frequency conversion of radio waves simultaneously received by the antenna using the same clock,
With the same clock from the received signal, a pseudorange or a pseudorange and a carrier wave are detected, and a demodulation means for decoding and demodulating a navigation message,
The navigation message, the pseudo distance or the pseudo distance and the carrier phase, and the moving object position / azimuth calculating means for calculating the position of each antenna or the inclination of the line segment between the antennas according to the geometric conditions of the antenna. A mobile object position / posture estimation system using GPS.
GPS衛星からの電波を受信するために、予め定めた幾何学条件によって移動体に固定された少なくとも一対のアンテナと、
前記アンテナにより同時に受信された電波を同一クロックを用いて周波変換を行う受信手段と、
前記受信信号から同一クロックで、疑似距離または、疑似距離と搬送波を検出し、航法メッセージを解読し復調する検出復調手段と、
基地局からの補正情報を受信する補正情報受信手段と、
前記航法メッセージ、疑似距離または疑似距離と搬送位相、前記基地局からの補正情報、および前記アンテナの幾何学条件により前記各アンテナの位置または前記アンテナ間の線分の傾きを演算する移動体位置・方位演算手段を備えて構成したGPSによる移動体の位置・姿勢推定システム。
At least one pair of antennas fixed to a mobile body by predetermined geometric conditions to receive radio waves from GPS satellites;
Receiving means for performing frequency conversion of radio waves simultaneously received by the antenna using the same clock,
With the same clock from the received signal, a pseudorange or a pseudorange and a carrier wave are detected, and a demodulation means for decoding and demodulating a navigation message,
Correction information receiving means for receiving correction information from the base station,
The navigation message, the pseudorange or the pseudorange and the carrier phase, the correction information from the base station, and the moving object position for calculating the position of each antenna or the inclination of the line segment between the antennas according to the geometric conditions of the antenna. A system for estimating the position and orientation of a moving object by using a GPS, the system including azimuth calculation means.
GPS衛星からの電波を受信するために、移動体に固定された少なくとも一対のアンテナと、
前記アンテナにより同時に受信された電波を周波変換する受信手段と、
前記受信信号から、疑似距離または、疑似距離と搬送波を検出し、航法メッセージを解読し復調する検出復調手段と、
基地局からの補正情報を受信する補正情報受信手段と、
前記航法メッセージ、疑似距離または疑似距離と搬送位相、および前記受信アンテナ間の位相差、前記各受信アンテナと基地局アンテナ間の位相差により前記各アンテナの位置または前記各受信アンテナ間の線分の傾きを演算する移動体位置・方位演算手段を備えて構成したGPSによる移動体の位置・姿勢推定システム。
At least one pair of antennas fixed to a mobile object for receiving radio waves from GPS satellites;
Receiving means for frequency-converting radio waves simultaneously received by the antenna,
From the received signal, a pseudorange or a pseudorange and a carrier wave are detected, and a demodulation means for decoding and demodulating a navigation message,
Correction information receiving means for receiving correction information from the base station,
The navigation message, pseudorange or pseudorange and carrier phase, and the phase difference between the receiving antennas, the position of each antenna or the line segment between each receiving antenna by the phase difference between each receiving antenna and the base station antenna. A system for estimating the position / posture of a moving object by GPS, comprising a moving object position / azimuth calculating means for calculating a tilt.
GPS衛星からの電波を受信するために、移動体に固定された少なくとも一対のアンテナと、
前記アンテナにより同時に受信された電波を周波変換する受信手段と、
前記受信信号から、搬送位相を検出し、航法メッセージを解読し復調する検出復調手段と、
基地局からの補正情報を受信する補正情報受信手段と、
前記航法メッセージ、疑似距離または疑似距離と搬送位相、および前記受信アンテナ間の位相差、前記各受信アンテナと基地局アンテナ間の位相差により前記各アンテナの位置または前記各受信アンテナ間の線分の傾きを演算する移動体位置・方位演算手段を備えて構成したGPSによる移動体の位置・姿勢推定システム。
At least one pair of antennas fixed to a mobile object for receiving radio waves from GPS satellites;
Receiving means for frequency-converting radio waves simultaneously received by the antenna,
From the received signal, a carrier phase is detected, and a demodulation means for decoding and demodulating a navigation message,
Correction information receiving means for receiving correction information from the base station,
The navigation message, pseudorange or pseudorange and carrier phase, and the phase difference between the receiving antennas, the position of each antenna or the line segment between each receiving antenna by the phase difference between each receiving antenna and the base station antenna. A system for estimating the position / posture of a moving object by GPS, comprising a moving object position / azimuth calculating means for calculating a tilt.
JP2002165728A 2002-06-06 2002-06-06 Position and attitude estimation system of moving object by gps Withdrawn JP2004012286A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2002165728A JP2004012286A (en) 2002-06-06 2002-06-06 Position and attitude estimation system of moving object by gps

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2002165728A JP2004012286A (en) 2002-06-06 2002-06-06 Position and attitude estimation system of moving object by gps

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2004012286A true JP2004012286A (en) 2004-01-15

Family

ID=30433496

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2002165728A Withdrawn JP2004012286A (en) 2002-06-06 2002-06-06 Position and attitude estimation system of moving object by gps

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2004012286A (en)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007306540A (en) * 2006-04-11 2007-11-22 Oki Electric Ind Co Ltd Position estimating method, position estimation system, and wireless communication terminal
JP2017063500A (en) * 2016-12-21 2017-03-30 日本電信電話株式会社 Loop Antenna
JP2018520335A (en) * 2015-04-27 2018-07-26 オートリブ エー・エス・ピー・インク GNSS real-time kinematic dead reckoning receiver for automobile
WO2019003623A1 (en) * 2017-06-29 2019-01-03 パナソニックIpマネジメント株式会社 Positioning method and positioning terminal
CN113474680A (en) * 2019-02-25 2021-10-01 古野电气株式会社 Mobile information calculation device and mobile information calculation method

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007306540A (en) * 2006-04-11 2007-11-22 Oki Electric Ind Co Ltd Position estimating method, position estimation system, and wireless communication terminal
JP2018520335A (en) * 2015-04-27 2018-07-26 オートリブ エー・エス・ピー・インク GNSS real-time kinematic dead reckoning receiver for automobile
JP2017063500A (en) * 2016-12-21 2017-03-30 日本電信電話株式会社 Loop Antenna
WO2019003623A1 (en) * 2017-06-29 2019-01-03 パナソニックIpマネジメント株式会社 Positioning method and positioning terminal
JPWO2019003623A1 (en) * 2017-06-29 2020-04-30 パナソニックIpマネジメント株式会社 Positioning method and terminal
JP7153842B2 (en) 2017-06-29 2022-10-17 パナソニックIpマネジメント株式会社 Positioning method and positioning terminal
CN113474680A (en) * 2019-02-25 2021-10-01 古野电气株式会社 Mobile information calculation device and mobile information calculation method

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN114174850B (en) System and method for high-integrity satellite positioning
JP4430304B2 (en) Method and apparatus for estimating terminal speed in a wireless communication system
JP5523575B2 (en) Centimeter-accurate positioning method using low-cost single-frequency GNSS receiver
JP3576177B2 (en) GPS pointing or attitude system using a single receiver
JP3012854B2 (en) Method and apparatus for determining the relative position of a secondary receiving antenna to a reference receiving antenna in a satellite-based positioning system
EP2634593B1 (en) Positioning using a local wave-propagation model
JP2003518632A (en) Method and apparatus for determining algebraic solutions to GPS ground hybrid positioning system equations
CN113466912B (en) A method for determining the attitude of ships at sea based on multi-frequency GNSS dual antennas
JP6017984B2 (en) Vehicle position measuring method and vehicle position measuring system
JP4561732B2 (en) Mobile positioning device
CN111123295A (en) Positioning method and device based on SSR (simple sequence repeat), and positioning system
JP6509422B2 (en) Satellite positioning device and train control system
JP2002054946A (en) Attitude sensor of object and integer bias re- determination method
JP2009025233A (en) Carrier phase type positioning device
JP5301762B2 (en) Carrier phase relative positioning device
CN116879927B (en) Ship satellite compass heading determination method based on three-antenna collinear common clock architecture
JP2004012286A (en) Position and attitude estimation system of moving object by gps
US7403155B2 (en) Method for the accelerated acquisition of satellite signals
US5999123A (en) Time-relative positioning for static applications
JP3853676B2 (en) Positioning device
JP6199679B2 (en) Posture detection apparatus, moving body including the same, and posture detection method
KR100972815B1 (en) Precision navigation system based on radio recognition combined navigation system
WO2004044608A1 (en) Lock slip detection using inertial information
JP2001083227A (en) GPS receiver
Wu et al. Approximate Position Estimation Method of Weak-Signal Receiver of Global Navigation Satellite Systems Assisted by Barometric Altimeter.

Legal Events

Date Code Title Description
A300 Withdrawal of application because of no request for examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300

Effective date: 20050906