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JP2006189320A - Positioning calculator, positioning device, and positioning calculation method - Google Patents

Positioning calculator, positioning device, and positioning calculation method Download PDF

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JP2006189320A
JP2006189320A JP2005001283A JP2005001283A JP2006189320A JP 2006189320 A JP2006189320 A JP 2006189320A JP 2005001283 A JP2005001283 A JP 2005001283A JP 2005001283 A JP2005001283 A JP 2005001283A JP 2006189320 A JP2006189320 A JP 2006189320A
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positioning
clock
distance
error
satellite
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Application number
JP2005001283A
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Rui Hirokawa
類 廣川
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Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Publication date
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Abstract

【課題】 衛星航法システムにおいて測位精度、受信感度、測位中断時の外挿精度の向上を図る。
【解決手段】 演算機300において観測量補正部330はGPS受信機の出力した擬似距離とドップラー量とに基づく衛星と受信機との距離と距離変化率を観測値として出力する。相対運動計算部340は前回の測位演算結果である移動体位置/速度に基づく距離と距離変化率を計算値として出力する。残差計算部350は観測値と計算値との差を残差として出力する。測位演算部370は残差とクロック誤差に基づいてカルマンフィルタ処理により測位演算を行う。このカルマンフィルタ処理においてクロック誤差をクロックバイアスとクロックドリフトとクロックバイアス加速度との3次系とすることを特徴とする。また、クロックリセット検出/補償部360で受信機のクロックリセットに伴うクロック誤差の補償処理においてクロック誤差を3次系で処理することも特徴とする。
【選択図】 図4
PROBLEM TO BE SOLVED: To improve positioning accuracy, reception sensitivity, and extrapolation accuracy when positioning is interrupted in a satellite navigation system.
In an arithmetic unit 300, an observation amount correction unit 330 outputs a distance between a satellite and a receiver based on a pseudorange and a Doppler amount output from a GPS receiver and a rate of change in distance as an observation value. The relative motion calculation unit 340 outputs the distance based on the moving body position / velocity, which is the previous positioning calculation result, and the distance change rate as calculated values. The residual calculation unit 350 outputs the difference between the observed value and the calculated value as a residual. The positioning calculation unit 370 performs positioning calculation by Kalman filter processing based on the residual and the clock error. In this Kalman filter process, the clock error is a tertiary system of clock bias, clock drift, and clock bias acceleration. The clock reset detection / compensation unit 360 is also characterized in that the clock error is processed in a tertiary system in the compensation process of the clock error accompanying the clock reset of the receiver.
[Selection] Figure 4

Description

本発明は、衛星航法システムにおける測位演算機、測位装置および測位演算方法に関するものである。   The present invention relates to a positioning calculator, a positioning device, and a positioning calculation method in a satellite navigation system.

GPS(Global Positioning System)/GNSS(Global Navigation Satellite System)受信機においては、衛星・受信機間の伝播時間を計測し、伝播時間に光速を乗じることで測距を行った後、測距した距離情報を用いて測位計算を行う。伝播時間計測に使用される基準信号は受信機内のクロックにより生成される。そのため、位置・速度を正確に計測するには極めて安定なクロックが必要とされる。そこで、高性能受信機では温度補償付の高精度水晶クロック(TCXO:Temperature Compensated Xtal Oscillator)が使用される。
また、カルマンフィルタ等によりクロックバイアスとクロックドリフトの推定・補償が行われる(非特許文献1)。
Introduction to Random Signals and Applied Kalman Filtering,3rd Edition, R. G. Brown and P. Y. C. Hwang, John Wiley & Sons, 1997
In GPS (Global Positioning System) / GNSS (Global Navigation Satellite System) receivers, the distance measured after measuring the propagation time between the satellite and the receiver and multiplying the propagation time by the speed of light. Perform positioning calculation using information. The reference signal used for the propagation time measurement is generated by a clock in the receiver. Therefore, an extremely stable clock is required to accurately measure the position and speed. Therefore, a high-accuracy crystal clock with temperature compensation (TCXO: Temperature Compensated Xtal Oscillator) is used in a high-performance receiver.
Further, the clock bias and the clock drift are estimated and compensated by a Kalman filter or the like (Non-Patent Document 1).
Introduction to Random Signals and Applied Kalman Filtering, 3rd Edition, R.M. G. Brown and P.M. Y. C. Hwang, John Wiley & Sons, 1997

但し、TCXOは比較的高価であるため、温度補償無しのXOを使用することがコスト的には望ましい。しかし、この場合、測位精度、感度、測位中断時の外挿精度の性能が低下する。
また、クロックバイアス誤差が過大となりGPS時刻との同期がとれなくなった場合、受信機はクロックをリセットすることで時刻整合を行う。この際、廉価な水晶発信器(XO)を使用する受信機ではクロックドリフトおよびそのレートの変化率が大きいため、リセット時に速度、位置に不連続が発生する。
However, since TCXO is relatively expensive, it is desirable in terms of cost to use XO without temperature compensation. However, in this case, the performance of positioning accuracy, sensitivity, and extrapolation accuracy when positioning is interrupted is degraded.
Further, when the clock bias error becomes excessive and synchronization with the GPS time cannot be achieved, the receiver performs time alignment by resetting the clock. At this time, in a receiver using an inexpensive crystal oscillator (XO), the clock drift and the rate of change of the rate are large, so discontinuity occurs in the speed and position at the time of reset.

本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、温度補償無しのXOのように精度の低いクロックを用いた受信機で測位信号を受信して測位を行う場合にでも測位精度を向上できるようにすることを目的とする。
また、受信機の受信感度を向上できるようにすることを目的とする。
また、測位信号の受信が絶たれた場合に行う外挿による測位についても測位精度を向上できるようにすることを目的とする。
また、受信機のクロックのリセット時においても算出する移動体の位置、速度の不連続性を縮小することを目的とする。
The present invention has been made in order to solve the above-described problems. Even when a positioning signal is received by a receiver using a low-accuracy clock such as XO without temperature compensation, positioning accuracy is improved. The purpose is to be able to improve.
It is another object of the present invention to improve the receiving sensitivity of the receiver.
It is another object of the present invention to improve positioning accuracy with respect to positioning by extrapolation performed when reception of a positioning signal is interrupted.
It is another object of the present invention to reduce the discontinuity of the position and speed of the moving object calculated even when the receiver clock is reset.

本発明の測位演算機は、受信機の備えるクロックの誤差を、クロックの誤差に基づく測位対象の位置の誤差を示すクロックバイアスとクロックの誤差に基づく測位対象の速度の誤差を示すクロックドリフトとクロックの誤差に基づく測位対象の加速度の誤差を示すクロックバイアス加速度とで表してカルマンフィルタの処理をして測位対象に対する測位演算を行うことを特徴とする。   The positioning calculator of the present invention includes a clock error included in the receiver, a clock bias indicating a positioning target position error based on the clock error, and a clock drift and clock indicating a positioning target speed error based on the clock error. It is characterized by performing a positioning operation on a positioning target by performing a Kalman filter process expressed by a clock bias acceleration indicating an error of the positioning target acceleration based on the error of the positioning target.

本発明によれば、温度補償無しのXOのように精度の低いクロックを用いた受信機で測位信号を受信して測位を行う場合にでも測位精度を向上することができる。
また、受信機の受信感度を向上することができる。
また、測位信号の受信が絶たれた場合に行う外挿による測位についても測位精度を向上することができる。
According to the present invention, positioning accuracy can be improved even when positioning is performed by receiving a positioning signal with a receiver using a low-accuracy clock such as XO without temperature compensation.
Further, the receiving sensitivity of the receiver can be improved.
In addition, positioning accuracy can be improved for positioning by extrapolation performed when reception of positioning signals is interrupted.

実施の形態1.
図1は、実施の形態1における測位装置100の構成図である。
図1において、測位装置100は、GPS受信機200と演算機300とを備える。
GPS受信機200は、GPS、GNSSの航法メッセージを含む測位信号を受信する。そして、受信した測位信号の伝搬時間に基づいて測位信号を発信したGPS衛星からの擬似距離を算出する。また、受信した測位信号の周波数に基づいてGPS衛星との距離方向における相対速度をドップラー量として算出する。
また、演算機300は、GPS受信機200から擬似距離とドップラー量と航法メッセージとを入力し測位演算を行う。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a configuration diagram of a positioning device 100 according to the first embodiment.
In FIG. 1, the positioning device 100 includes a GPS receiver 200 and a calculator 300.
The GPS receiver 200 receives a positioning signal including GPS and GNSS navigation messages. Then, the pseudo distance from the GPS satellite that has transmitted the positioning signal is calculated based on the propagation time of the received positioning signal. Further, the relative speed in the distance direction from the GPS satellite is calculated as the Doppler amount based on the frequency of the received positioning signal.
In addition, the calculator 300 receives the pseudo distance, the Doppler amount, and the navigation message from the GPS receiver 200 and performs a positioning calculation.

図2は、実施の形態1における測位装置100、GPS受信機200、演算機300のハードウェア構成図である。
図2において、測位装置100、GPS受信機200、演算機300は、プログラムを実行するCPU(Central Processing Unit)911を備えている。但し、測位装置100とGPS受信機200と演算機300とがそれぞれCPU911および以下のハードウェアを備えていてもよいし、CPU911および以下のハードウェアを共有しても構わない。
CPU911は、バス912を介してROM913、RAM914、通信ボード915、磁気ディスク装置920と接続されている。
RAM914は、揮発性メモリの一例である。ROM913、磁気ディスク装置920は、不揮発性メモリの一例である。これらは、記憶装置あるいは記憶部の一例である。
通信ボード915は、FAX機、電話器、LAN、インターネット等に接続されている。
例えば、通信ボード915は、情報入力部の一例であり、出力部の一例である。
FIG. 2 is a hardware configuration diagram of the positioning device 100, the GPS receiver 200, and the arithmetic unit 300 in the first embodiment.
In FIG. 2, the positioning device 100, the GPS receiver 200, and the arithmetic unit 300 include a CPU (Central Processing Unit) 911 that executes a program. However, the positioning device 100, the GPS receiver 200, and the arithmetic unit 300 may each include the CPU 911 and the following hardware, or may share the CPU 911 and the following hardware.
The CPU 911 is connected to the ROM 913, the RAM 914, the communication board 915, and the magnetic disk device 920 via the bus 912.
The RAM 914 is an example of a volatile memory. The ROM 913 and the magnetic disk device 920 are examples of a nonvolatile memory. These are examples of a storage device or a storage unit.
The communication board 915 is connected to a FAX machine, a telephone, a LAN, the Internet, and the like.
For example, the communication board 915 is an example of an information input unit and an example of an output unit.

磁気ディスク装置920には、オペレーティングシステム(OS)921、プログラム群923、ファイル群924が記憶されている。プログラム群923は、CPU911、OS921により実行される。   The magnetic disk device 920 stores an operating system (OS) 921, a program group 923, and a file group 924. The program group 923 is executed by the CPU 911 and the OS 921.

上記プログラム群923には、以下に述べる実施の形態の説明において「〜部」として説明する機能を実行するプログラムが記憶されている。プログラムは、CPU911により読み出され実行される。
ファイル群924には、以下に述べる実施の形態の説明において、「〜の判定結果」、「〜の計算結果」、「〜の処理結果」、「〜の更新結果」、「〜の外挿結果」のような表現で説明する結果情報が、「〜ファイル」として記憶されている。
また、以下に述べる実施の形態の説明において説明するフローチャートの矢印の部分は主としてデータの入出力を示し、そのデータの入出力のためにデータは、磁気ディスク装置920、FD(Flexible Disk cartridge)、光ディスク、CD(コンパクトディスク)、MD(ミニディスク)、DVD(Digital Versatile Disk)、その他の記録媒体に記録される。あるいは、信号線やその他の伝送媒体により伝送される。
The program group 923 stores programs that execute functions described as “˜units” in the description of the embodiments described below. The program is read and executed by the CPU 911.
In the file group 924, in the description of the embodiment described below, “determination result of”, “calculation result of”, “processing result of”, “update result of”, “extrapolation result of” The result information described with an expression such as “is stored as“ ˜file ”.
In addition, the arrow portion of the flowchart described in the description of the embodiment described below mainly indicates input / output of data, and for the input / output of the data, the data is the magnetic disk device 920, FD (Flexible Disk cartridge), Recording is performed on an optical disc, a CD (compact disc), an MD (mini disc), a DVD (Digital Versatile Disk), and other recording media. Alternatively, it is transmitted through a signal line or other transmission medium.

また、以下に述べる実施の形態の説明において「〜部」として説明するものは、ROM913に記憶されたファームウェアで実現されていても構わない。或いは、ソフトウェアのみ、或いは、ハードウェアのみ、或いは、ソフトウェアとハードウェアとの組み合わせ、さらには、ファームウェアとの組み合わせで実施されても構わない。   In addition, what is described as “unit” in the description of the embodiment described below may be realized by firmware stored in the ROM 913. Alternatively, it may be implemented by software alone, hardware alone, a combination of software and hardware, or a combination of firmware.

また、以下に述べる実施の形態を実施するプログラムは、磁気ディスク装置920、FD、光ディスク、CD、MD、DVD、その他の記録媒体による記録装置を用いて記憶されても構わない。   In addition, a program for implementing the embodiment described below may be stored using a recording device using a magnetic disk device 920, FD, optical disk, CD, MD, DVD, or other recording medium.

図3は、実施の形態1におけるGPS受信機200の構成図である。
図3において、GPS受信機200はGPSアンテナ210、RF(Radio Frequency)フロントエンド処理部220、XO230、A/D(Analog/Digital)変換部240、ベースバンドチップ処理部250を備える。
GPS受信機200では、まず、GPSアンテナ210が、GPS、GNSSの測位信号を受信する。
そして、XO230は、例えば20MHz程度の基準信号を生成する。
次に、RFフロントエンド処理部220は、受信した測位信号に対する高周波のアナログ処理を行う。具体的には、約1.5GHzの測位信号を直接デジタル処理することは困難であるため、XO230が生成した基準信号を使ってミキシングを行い、差の周波数信号を取り出す。そして、ミキシング処理を複数回行うことで、最終的に、測位信号の周波数を2MHz〜10MHz程度まで落とす処理を行う。
次に、A/D変換部240は、RFフロントエンド処理部220が処理した測位信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する。A/D変換の前に、エイリアシング等の影響を避けるためにフィルタ処理を行っても良い。フィルタ処理では高周波フィルタとして一般的にSAW(Surface Acoustic Wave)フィルタが使用される。
ベースバンドチップ処理部250は、デジタルに変換された測位信号にスペクトラム逆拡散を行う。スペクトラム逆拡散を行うことにより、GPS衛星がスペクトラム拡散して発信した測位信号から、スペクトラム拡散前の搬送波を抽出する。次に、スペクトラム逆拡散を行って抽出した搬送波とXO230で生成した基準信号との位相差(チップ時間)を検出する。そして、検出した位相差(測位信号の伝搬時間)に光速を乗じて、測位信号を発信したGPS衛星とGPS受信機200間の擬似距離を算出する。また、受信した測位信号の周波数とGPS L1信号の基準周波数である1575.42MHzとの周波数差をドップラー周波数として、ドップラー周波数に基づいて擬似距離の距離方向におけるGPS衛星とGPS受信機200との相対速度をドップラー量として算出する。
FIG. 3 is a configuration diagram of the GPS receiver 200 according to the first embodiment.
3, the GPS receiver 200 includes a GPS antenna 210, an RF (Radio Frequency) front-end processing unit 220, an XO 230, an A / D (Analog / Digital) conversion unit 240, and a baseband chip processing unit 250.
In the GPS receiver 200, first, the GPS antenna 210 receives GPS and GNSS positioning signals.
Then, the XO 230 generates a reference signal of about 20 MHz, for example.
Next, the RF front end processing unit 220 performs high frequency analog processing on the received positioning signal. Specifically, since it is difficult to directly digitally process a positioning signal of about 1.5 GHz, mixing is performed using a reference signal generated by the XO 230, and a difference frequency signal is extracted. And the process which finally drops the frequency of a positioning signal to about 2 MHz-10 MHz is performed by performing a mixing process in multiple times.
Next, the A / D conversion unit 240 converts the positioning signal processed by the RF front end processing unit 220 from an analog signal to a digital signal. Before the A / D conversion, a filtering process may be performed to avoid the influence of aliasing or the like. In the filtering process, a SAW (Surface Acoustic Wave) filter is generally used as a high frequency filter.
The baseband chip processing unit 250 performs spectrum despreading on the digitally converted positioning signal. By performing the spectrum despreading, the carrier wave before the spectrum spread is extracted from the positioning signal transmitted by the spectrum spread by the GPS satellite. Next, the phase difference (chip time) between the carrier wave extracted by performing spectrum despreading and the reference signal generated by the XO 230 is detected. Then, the detected phase difference (positioning signal propagation time) is multiplied by the speed of light to calculate a pseudo distance between the GPS satellite that has transmitted the positioning signal and the GPS receiver 200. Further, the relative difference between the GPS satellite and the GPS receiver 200 in the pseudo-distance distance direction based on the Doppler frequency, with the frequency difference between the received positioning signal frequency and 1575.42 MHz being the reference frequency of the GPS L1 signal as the Doppler frequency. The speed is calculated as a Doppler amount.

図4は、実施の形態1における演算機300の構成図である。
図4において、演算機300は距離補正計算部310、衛星位置/速度計算部320、観測量補正部330、相対運動計算部340、残差計算部350、リセット検出/補償部360、測位演算部(カルマンフィルタ)370を備える。
演算機300は、GPS受信機200から擬似距離とドップラー量と航法メッセージとを入力し、測位演算部370で測位演算を行い、GPS受信機200を備えた測位対象である移動体の位置、速度およびGPS受信機200で発生したXO230のクロック誤差を出力する。ここで、演算機300は、測位演算部370が出力した移動体位置、移動体速度、クロック誤差を、GPS受信機200が出力する擬似距離、ドップラー量、航法メッセージと共に次の測位演算時に入力して測位演算を行う。そして、このフィードバック処理により測位精度を向上する。
FIG. 4 is a configuration diagram of the arithmetic unit 300 according to the first embodiment.
In FIG. 4, a calculator 300 includes a distance correction calculation unit 310, a satellite position / velocity calculation unit 320, an observation amount correction unit 330, a relative motion calculation unit 340, a residual calculation unit 350, a reset detection / compensation unit 360, and a positioning calculation unit. (Kalman filter) 370 is provided.
The arithmetic unit 300 receives the pseudo distance, the Doppler amount, and the navigation message from the GPS receiver 200, performs a positioning calculation by the positioning calculation unit 370, and the position and speed of the moving object that is the positioning target including the GPS receiver 200. And the XO 230 clock error generated by the GPS receiver 200 is output. Here, the calculator 300 inputs the moving body position, moving body speed, and clock error output from the positioning calculation unit 370 together with the pseudo distance, Doppler amount, and navigation message output from the GPS receiver 200 during the next positioning calculation. To perform positioning calculation. And the positioning accuracy is improved by this feedback processing.

まず、衛星位置/速度計算部320は、GPS受信機200から航法メッセージを入力し、入力した航法メッセージに基づいて衛星位置、衛星速度を算出する。   First, the satellite position / velocity calculation unit 320 receives a navigation message from the GPS receiver 200 and calculates a satellite position and a satellite speed based on the input navigation message.

そして、距離補正計算部310は、GPS受信機200が出力した航法メッセージと測位演算部370が出力した移動体位置と衛星位置/速度計算部320が出力した衛星位置とを入力し、GPS受信機200が出力した擬似距離とドップラー量のそれぞれに対する補正量を算出する。
補正量とは、GPS受信機200の算出した擬似距離、ドップラー量に含まれる誤差を補正するためのものである。この擬似距離とドップラー量とに含まれる誤差には、受信した測位信号が電離層、対流圏の影響を受けることによる誤差、GPS衛星の備えるクロックの誤差、GPS受信機200のXO230のクロック誤差が存在する。そして、距離補正計算部310は、このうちの電離層および対流圏による誤差とGPS衛星のクロック誤差とを算出する。GPS受信機200のクロック誤差については、測位演算部370が算出し、観測量補正部330が入力してクロック誤差に対する演算を行う。
そこで、距離補正計算部310は、まず、測位演算部370から入力した移動体位置と衛星位置/速度計算部320から入力した衛星位置とに基づいて、移動体のGPS衛星に対する相対位置関係から仰角を求める。また、移動体位置から移動体の位置する高度を取得する。また、GPS受信機200が出力した航法メッセージから電離層の情報を取得する。そして、GPS衛星の仰角、移動体の高度、電離層の情報などに基づいて電離層および対流圏による誤差を算出する。電離層および対流圏による誤差の算出方法は、例えば「Global Positioning System:Theory and Applications Volume,1996,AIAA,Parkinson,B.W.andSpikler,J」に記される。また、GPS衛星のクロック誤差は航法メッセージから取得する。
The distance correction calculation unit 310 receives the navigation message output from the GPS receiver 200, the moving body position output from the positioning calculation unit 370, and the satellite position output from the satellite position / velocity calculation unit 320. The correction amount for each of the pseudo distance and the Doppler amount output by 200 is calculated.
The correction amount is for correcting an error included in the pseudo distance and Doppler amount calculated by the GPS receiver 200. Among the errors included in the pseudorange and the Doppler amount, there are errors due to the received positioning signal being affected by the ionosphere and troposphere, clock errors of GPS satellites, and clock errors of the XO 230 of the GPS receiver 200. . Then, the distance correction calculation unit 310 calculates an error due to the ionosphere and the troposphere and a clock error of the GPS satellite. The positioning error calculation unit 370 calculates the clock error of the GPS receiver 200, and the observation amount correction unit 330 inputs the calculation to the clock error.
Therefore, the distance correction calculation unit 310 first determines the elevation angle from the relative positional relationship of the mobile body with respect to the GPS satellites based on the mobile body position input from the positioning calculation unit 370 and the satellite position input from the satellite position / velocity calculation unit 320. Ask for. Further, the altitude at which the moving body is located is acquired from the moving body position. Also, ionospheric information is acquired from the navigation message output by the GPS receiver 200. Then, an error due to the ionosphere and the troposphere is calculated based on the elevation angle of the GPS satellite, the altitude of the moving object, information on the ionosphere, and the like. The calculation method of the error due to the ionosphere and the troposphere is described in, for example, “Global Positioning System: Theory and Applications Volume, 1996, AAAA, Parkinson, BW and Spikler, J”. The clock error of the GPS satellite is obtained from the navigation message.

次に、観測量補正部330では、GPS受信機200から擬似距離とドップラー量を入力し、距離補正計算部310から擬似距離とドップラー量のそれぞれに対する補正量を入力し、測位演算部370からクロック誤差を入力する。
測位演算部370から入力するクロック誤差はクロックバイアスとクロックドリフトで示され、クロックバイアスはクロックの誤差時間に光速を乗じた距離の値で、クロックドリフトはクロックドリフトを時間で微分した速度の値である。
ここで、GPS受信機200から入力した擬似距離をρ、ドップラー量をρ’、距離補正計算部310から入力した擬似距離に対する補正量をΔρ、ドップラー量に対する補正量をΔρ’、測位演算部370から入力したクロック誤差のクロックバイアスをtcb、クロックドリフトをtcdとする。
そして測位演算部370は、ρ+Δρ+tcbを衛星と移動体間の距離の観測値、ρ’+Δρ’+tcdを衛星と移動体間の距離変化率の観測値として出力する。
Next, the observation amount correction unit 330 receives the pseudo distance and the Doppler amount from the GPS receiver 200, inputs the correction amount for each of the pseudo distance and the Doppler amount from the distance correction calculation unit 310, and receives the clock from the positioning calculation unit 370. Enter the error.
The clock error input from the positioning calculation unit 370 is indicated by a clock bias and a clock drift. The clock bias is a distance value obtained by multiplying the clock error time by the speed of light, and the clock drift is a speed value obtained by differentiating the clock drift with respect to time. is there.
Here, the pseudo distance input from the GPS receiver 200 is ρ, the Doppler amount is ρ ′, the correction amount for the pseudo distance input from the distance correction calculation unit 310 is Δρ, the correction amount for the Doppler amount is Δρ ′, and the positioning calculation unit 370. The clock bias of the clock error input from tcb is tcb and the clock drift is tcd.
Then, the positioning calculation unit 370 outputs ρ + Δρ + tcb as an observed value of the distance between the satellite and the moving object, and ρ ′ + Δρ ′ + tcd as an observed value of the distance change rate between the satellite and the moving object.

また、相対運動計算部340では、衛星位置/速度計算部320から衛星位置と衛星速度を入力し、測位演算部370から移動体位置と移動体速度を入力する。そして、衛星位置と移動体位置間の距離をρC、衛星速度と移動体速度との間の距離変化率(衛星と移動体との距離方向における相対速度)をρ’Cとして算出して出力する。 The relative motion calculation unit 340 inputs the satellite position and the satellite velocity from the satellite position / velocity calculation unit 320, and inputs the moving body position and the moving body speed from the positioning calculation unit 370. The distance between the satellite position and the moving body position is calculated as ρ C , and the distance change rate between the satellite speed and the moving body speed (relative speed in the distance direction between the satellite and the moving body) is calculated as ρ ′ C and output. To do.

次に、残差計算部350は、観測量補正部330から衛星と移動体間の距離の観測値ρ+Δρ+tcbと衛星と移動体間の距離変化率の観測値ρ’+Δρ’+tcdを入力し、相対運動計算部340から衛星と移動体間の距離の計算値ρCと衛星と移動体間の距離変化率ρ’Cの計算値を入力する。そして、観測値と計算値の差を残差として算出して出力する。つまり、衛星と移動体間の距離の残差は(ρ+Δρ+tcb)−ρCであり、衛星と移動体間の距離変化率の残差は(ρ’+Δρ’+tcd)−ρ’Cである。
また、残差計算部350は、観測量補正部330からクロック誤差を入力し、入力したクロック誤差を出力する。
Next, the residual calculation unit 350 inputs the observation value ρ + Δρ + tcb of the distance between the satellite and the moving object and the observation value ρ ′ + Δρ ′ + tcd of the distance change rate between the satellite and the moving object from the observation amount correction unit 330, The calculated value ρ C of the distance between the satellite and the moving object and the calculated value of the distance change rate ρ ′ C between the satellite and the moving object are input from the motion calculation unit 340. Then, the difference between the observed value and the calculated value is calculated and output as a residual. That is, the residual of the distance between the satellite and the moving body is (ρ + Δρ + tcb) −ρ C , and the residual of the distance change rate between the satellite and the moving body is (ρ ′ + Δρ ′ + tcd) −ρ ′ C.
The residual calculation unit 350 receives the clock error from the observation amount correction unit 330 and outputs the input clock error.

次に、リセット検出/補償部360は、残差計算部350から残差とクロック誤差を入力する。
ここで、演算機300は、GPS受信機200においてクロックのリセットが行われたか判定するための閾値を記憶部に記憶するものとする。例えば、GPSのC/Aコードの周期である1msecに対応して、1msecに光速を乗じたおおよその距離である300kmを閾値として記憶する。ただし、閾値はその他の値、例えば、GPS受信機200のクロックリセットに関する仕様に基づく値などであっても構わない。
そして、リセット検出/補償部360は、記憶部に記憶された閾値と残差計算部350から入力した距離の残差とを比較し、残差が閾値より大きい場合はGPS受信機200においてクロックのリセットが行われたものと判定する。但し、リセット検出/補償部360は、GPS受信機200から直接にリセットの有無の情報を取得して、取得した情報に基づいてリセットの有無を判定しても構わない。
Next, the reset detection / compensation unit 360 inputs the residual and the clock error from the residual calculation unit 350.
Here, it is assumed that the arithmetic unit 300 stores a threshold value for determining whether or not the clock is reset in the GPS receiver 200 in the storage unit. For example, corresponding to 1 msec which is the period of the GPS C / A code, 300 km which is an approximate distance obtained by multiplying 1 msec by the speed of light is stored as a threshold value. However, the threshold value may be another value, for example, a value based on specifications related to clock reset of the GPS receiver 200.
Then, the reset detection / compensation unit 360 compares the threshold stored in the storage unit with the residual of the distance input from the residual calculation unit 350. If the residual is larger than the threshold, the GPS receiver 200 It is determined that a reset has been performed. However, the reset detection / compensation unit 360 may acquire information on the presence / absence of reset directly from the GPS receiver 200 and determine the presence / absence of reset based on the acquired information.

リセット検出/補償部360は、GPS受信機200においてクロックのリセットが行われたと判定した場合、以下の式1を計算してクロック誤差を修正し、リセットに対する補償を行う。   If the reset detection / compensation unit 360 determines that the clock has been reset in the GPS receiver 200, the reset detection / compensation unit 360 calculates the following Equation 1 to correct the clock error and perform compensation for the reset.

Figure 2006189320
Figure 2006189320

上記式1において、tcb,kは、ある観測(k)時におけるクロックバイアスを示し、tcd,kは、ある観測時におけるクロックドリフトを示し、tca,kは、ある観測時におけるクロックドリフトを時間で微分した加速度の値(クロックバイアス加速度)を示す。また、Δtはリセット時のオフセットされた時間を示し、cは光速を示す。   In the above Equation 1, tcb, k represents a clock bias at a certain observation (k), tcd, k represents a clock drift at a certain observation, and tca, k represents a clock drift at a certain observation in time. Indicates the differentiated acceleration value (clock bias acceleration). Δt indicates the offset time at the time of resetting, and c indicates the speed of light.

従来、GPS受信機200のクロックのリセットに対する補償においては、以下の式2の計算が行われていた。   Conventionally, in the compensation for the reset of the clock of the GPS receiver 200, the following equation 2 is calculated.

Figure 2006189320
Figure 2006189320

上記式2に示すように、従来は、クロックバイアスの値にオフセット分の距離(c×Δt)を加算することでクロックのリセットに対する補償を行っていた。   As shown in Equation 2 above, conventionally, compensation for clock reset has been performed by adding a distance (c × Δt) for the offset to the value of the clock bias.

上記式1は、従来の式2に比べ、クロックバイアス(tcb,k)の計算にオフセット時間内のクロックドリフトによる変位距離(Δt×tcd,k)を加えている。これにより、例えば、クロックのリセットにより1msecのオフセットがされた場合で、クロックドリフトが300m/sであれば従来の式2に対して約3mの誤差を補正することができ、オフセットされた時間やクロックドリフトの値が大きければ更に誤差を補正することができる。つまり、測位精度を高めることができる。
また、上記式1では、従来の式2に比べ、クロックバイアス加速度(tca,k)分の計算を加えている。これにより、上記同様に測位精度を高めることができる。
クロックのリセットに対する補償のための計算において、クロックドリフトによる変位距離(Δt×tcd,k)を加えたこと及びクロックバイアス加速度(tca,k)分の計算を加えたことは、それぞれ、実施の形態1における測位装置100、演算機300の特徴点である。
Compared with the conventional formula 2, the above formula 1 adds a displacement distance (Δt × tcd, k) due to clock drift within the offset time to the calculation of the clock bias (tcb, k). Thus, for example, when the offset is 1 msec by resetting the clock, if the clock drift is 300 m / s, an error of about 3 m can be corrected with respect to the conventional equation 2, and the offset time or If the clock drift value is large, the error can be further corrected. That is, positioning accuracy can be improved.
Further, in the above formula 1, the calculation for the clock bias acceleration (tca, k) is added as compared with the conventional formula 2. As a result, the positioning accuracy can be increased as described above.
In the calculation for compensation for the clock reset, the addition of the displacement distance (Δt × tcd, k) due to the clock drift and the calculation for the clock bias acceleration (tca, k) are respectively described in the embodiments. 1 is a characteristic point of the positioning device 100 and the arithmetic unit 300.

リセット検出/補償部360は上記処理後、残差計算部350にクロック誤差を出力する。   The reset detection / compensation unit 360 outputs a clock error to the residual calculation unit 350 after the above processing.

次に、測位演算部370は、残差計算部350から距離の残差と距離変化率の残差とクロック誤差とを入力し、カルマンフィルタ処理を行って移動体に対する測位演算を行い、移動体位置、移動体速度、クロック誤差を出力する。   Next, the positioning calculation unit 370 inputs the distance residual, the distance change rate residual, and the clock error from the residual calculation unit 350, performs Kalman filter processing, performs positioning calculation on the moving body, and moves the moving body position. , Mobile speed, clock error is output.

図5は、実施の形態1における測位演算部370の構成図である。
測位演算部370のカルマンフィルタ処理について、図5に基づいて以下に説明する。
FIG. 5 is a configuration diagram of the positioning calculation unit 370 in the first embodiment.
The Kalman filter process of the positioning calculation unit 370 will be described below with reference to FIG.

以下、式中で使用する上付きの「+」は、カルマン処理後の推定値であることを示し、上付きの「−」はカルマン処理前の予測値であることを示す。また、上付きの「T」は転置行列であることを示し、上付きの「−1」は逆行列であることを示す。また、下付きの「k」は観測の時期を示す。ここでは、「k」が前回の観測に対応し、「k+1」が「k」から1サンプリング時間経過した今回の観測に対応する。   Hereinafter, the superscript “+” used in the equations indicates an estimated value after Kalman processing, and the superscript “−” indicates a predicted value before Kalman processing. The superscript “T” indicates a transposed matrix, and the superscript “−1” indicates an inverse matrix. The subscript “k” indicates the time of observation. Here, “k” corresponds to the previous observation, and “k + 1” corresponds to the current observation after one sampling time has elapsed from “k”.

測位演算部370は、時間外挿処理部371と観測更新処理部372とを備える。   The positioning calculation unit 370 includes a time extrapolation processing unit 371 and an observation update processing unit 372.

まず、時間外挿処理部371は、カルマンフィルタ処理済みの移動体の状態量X(移動体位置、移動体速度、クロック誤差)に状態量の推移を示す推移行列Φを適用して1サンプリング時間分外挿し、状態量Xの予測値を求める。計算式を式3に示す。   First, the time extrapolation processing unit 371 applies the transition matrix Φ indicating the transition of the state quantity to the state quantity X (moving body position, moving body speed, clock error) of the moving body that has been subjected to the Kalman filter processing, for one sampling time. Extrapolation is performed to obtain a predicted value of the state quantity X. The calculation formula is shown in Formula 3.

Figure 2006189320
Figure 2006189320

次に、時間外挿処理部371は、誤差共分散行列Pに対する外挿を行い、誤差共分散行列Pの予測値を求める。計算式を式4に示す。   Next, the time extrapolation processing unit 371 performs extrapolation on the error covariance matrix P to obtain a predicted value of the error covariance matrix P. The calculation formula is shown in Formula 4.

Figure 2006189320
Figure 2006189320

上記式4において、Qはプロセスノイズ行列を示し、移動体のダイナミクスに対応して算出されるものである。   In the above equation 4, Q represents a process noise matrix, which is calculated corresponding to the dynamics of the moving object.

次に、観測更新処理部372は、カルマンゲイン行列Kを求める。計算式を式5に示す。   Next, the observation update processing unit 372 obtains a Kalman gain matrix K. The calculation formula is shown in Formula 5.

Figure 2006189320
Figure 2006189320

上記式5において、Hは観測行列を示し、衛星と移動体の幾何学的関係から方向余弦ベクトルを求めることで算出されるものである。また、Rは観測ノイズ行列を示し、C/N(Carrier/Noise)比や仰角などのGPS受信機200の受信状態に対応して算出されるものである。   In Equation 5, H represents an observation matrix, and is calculated by obtaining a direction cosine vector from the geometric relationship between the satellite and the moving body. R represents an observation noise matrix, which is calculated corresponding to a reception state of the GPS receiver 200 such as a C / N (Carrier / Noise) ratio and an elevation angle.

次に、観測更新処理部372は、式5で求めたカルマンゲイン行列Kを用いて、時間外挿処理部371が求めた誤差共分散行列Pの予測値を更新して、誤差共分散行列Pの推定値を求める。計算式を式6に示す。   Next, the observation update processing unit 372 updates the prediction value of the error covariance matrix P obtained by the time extrapolation processing unit 371 by using the Kalman gain matrix K obtained by Expression 5, and the error covariance matrix P Obtain an estimate of. The calculation formula is shown in Formula 6.

Figure 2006189320
Figure 2006189320

次に、観測更新処理部372は、式5で求めたカルマンゲイン行列Kを用いて、時間外挿処理部371が求めた状態量Xの予測値を更新して、状態量Xの推定値を求める。計算式を式7に示す。   Next, the observation update processing unit 372 updates the predicted value of the state quantity X obtained by the time extrapolation processing unit 371 using the Kalman gain matrix K obtained by Equation 5, and obtains the estimated value of the state quantity X. Ask. The calculation formula is shown in Formula 7.

Figure 2006189320
Figure 2006189320

上記式7において、Zは観測量ベクトルを示し、残差計算部350の算出した残差をクロック誤差として含む移動体の観測量(移動体位置、移動体速度、クロック誤差)である。   In Equation (7), Z represents an observed quantity vector, and is an observed quantity (moving object position, moving object speed, clock error) of the moving object that includes the residual calculated by the residual calculating unit 350 as a clock error.

測位演算部370は、上記の処理を行い、求めた状態量X(移動体位置、移動体速度、クロック誤差)を出力する。そして、出力した移動体位置が測位装置100の測位結果になる。また、出力した移動体位置、移動体速度、クロック誤差は次回の測位演算処理時に演算機300の入力になる。   The positioning calculation unit 370 performs the above processing and outputs the obtained state quantity X (moving body position, moving body speed, clock error). Then, the output moving body position becomes the positioning result of the positioning device 100. The output mobile body position, mobile body speed, and clock error are input to the arithmetic unit 300 during the next positioning calculation process.

また、測位演算部370の観測更新処理部372が求めた状態量Xの推定値と誤差共分散行列Pの推定値は、次回の状態量外挿処理時(式3)と誤差共分散外挿処理時(式4)に時間外挿処理部371の入力になる。   Further, the estimated value of the state quantity X and the estimated value of the error covariance matrix P obtained by the observation update processing unit 372 of the positioning calculation unit 370 are the same as those in the next state quantity extrapolation process (Equation 3) and the error covariance extrapolation. It becomes an input of the time extrapolation processing unit 371 at the time of processing (Equation 4).

次に、測位演算部370が行うカルマンフィルタ処理時の実施の形態1における特徴点について説明する。
図6は、従来のクロック誤差モデルを示す図である。
図6のクロック誤差モデルは、測位演算部370の時間外挿処理部371が状態量外挿処理(式3)と誤差共分散外挿(式4)で使用する推移行列Φの行列要素のうち、クロック誤差の推移を示す部分についての従来モデルを示している。この従来のクロック誤差モデルを数式で表したものを式8に示す。
Next, feature points in the first embodiment at the time of Kalman filter processing performed by the positioning calculation unit 370 will be described.
FIG. 6 is a diagram illustrating a conventional clock error model.
The clock error model of FIG. 6 is the matrix element of the transition matrix Φ used by the time extrapolation processing unit 371 of the positioning calculation unit 370 in the state quantity extrapolation processing (Equation 3) and the error covariance extrapolation (Equation 4). The conventional model about the part which shows transition of a clock error is shown. A formula representing this conventional clock error model is shown in Formula 8.

Figure 2006189320
Figure 2006189320

上記式8において、TSはサンプリング間隔を示し、前回の測位演算時からの経過時間のことである。また、Wcb,kとWcd,kはそれぞれクロックバイアスとクロックドリフトに対するホワイトノイズであり、このホワイトノイズは平均値がゼロで分散が既知である。また、図6のクロック誤差モデルとの関係において、Wcb,kとWcd,kはそれぞれWbとWdを離散系に置き換えたものである。 In the above equation 8, T S indicates a sampling interval and is an elapsed time since the previous positioning calculation. Wcb, k and Wcd, k are white noises with respect to the clock bias and the clock drift, respectively, and this white noise has an average value of zero and known dispersion. In the relationship with the clock error model in FIG. 6, Wcb, k and Wcd, k are obtained by replacing Wb and Wd with discrete systems, respectively.

ここで、実施の形態1のように、水晶クロックに温度補償付きであるTCXOではなく、温度補償無しであるXOを使用する場合、クロックの精度が悪いためクロックバイアス加速度が大きくなるという課題がある。しかし、上記に示す従来のクロック誤差モデルは、クロックバイアスとクロックドリフトからなる2次元系のモデルであり、クロックバイアス加速度の影響を除去できず測位精度が悪くなるという課題がある。   Here, when the XO without temperature compensation is used for the crystal clock instead of the TCXO with temperature compensation as in the first embodiment, there is a problem that the clock bias acceleration increases due to poor clock accuracy. . However, the conventional clock error model shown above is a two-dimensional model composed of a clock bias and a clock drift, and there is a problem that positioning accuracy is deteriorated because the influence of clock bias acceleration cannot be removed.

図7は、実施の形態1におけるクロックバイアスを示すグラフである。
図8は、実施の形態1におけるクロックドリフトを示すグラフである。
実施の形態1のように温度補償無しであるXOを使用する場合、クロックバイアスは図7に示すように変化する。図8は、クロックバイアスを微分したクロック速度を示すクロックドリフトの変化である。値が大きく変化していることからクロックドリフトを微分したクロック加速度の値が大きいということが分かる。
FIG. 7 is a graph showing the clock bias in the first embodiment.
FIG. 8 is a graph showing clock drift in the first embodiment.
When the XO without temperature compensation is used as in the first embodiment, the clock bias changes as shown in FIG. FIG. 8 shows a change in clock drift indicating a clock speed obtained by differentiating the clock bias. It can be seen that the value of the clock acceleration obtained by differentiating the clock drift is large because the value changes greatly.

そこで、実施の形態1ではクロックバイアス加速度の影響を除去するためのクロック誤差モデルを使用する。
図9は、実施の形態1におけるクロック誤差モデルを示す図である。この実施の形態1におけるクロック誤差モデルを数式で表したものを式9に示す。
Therefore, in the first embodiment, a clock error model for removing the influence of clock bias acceleration is used.
FIG. 9 is a diagram illustrating a clock error model according to the first embodiment. Expression 9 represents the clock error model in the first embodiment expressed by a mathematical expression.

Figure 2006189320
Figure 2006189320

実施の形態1におけるクロック誤差モデルでは、従来のクロック誤差モデルにクロックバイアス加速度tca,k分を付加している。つまり、クロックバイアスtcb,kには加速度から求めた距離の値(tca,k)×(Ts2/2)を加え、クロックドリフトtcd,kには加速度から求めた速度の値(tca,k)×Tsを加えている。 In the clock error model in the first embodiment, the clock bias acceleration tca, k is added to the conventional clock error model. In other words, the clock bias tcb, the value of the distance calculated from the acceleration in the k (tca, k) × ( Ts 2/2) was added, clock drift tcd, the rate of the value calculated from the acceleration in the k (tca, k) X Ts is added.

図10は、実施の形態1におけるクロックバイアス加速度を示すグラフである。
図8のクロックドリフトの変化に比べ、図10のクロックバイアス加速度の変化は少ないことがわかる。このため、クロックバイアス加速度の影響を除去することで、温度補償無しであるXOを使用した場合でも高い精度で測位することができるといえる。
FIG. 10 is a graph showing clock bias acceleration in the first embodiment.
It can be seen that the change in the clock bias acceleration in FIG. 10 is less than the change in the clock drift in FIG. For this reason, by removing the influence of the clock bias acceleration, it can be said that positioning can be performed with high accuracy even when XO without temperature compensation is used.

上記のように、クロック誤差モデルがクロックバイアス、クロックドリフトおよびクロックバイアス加速度の3次元系のモデルであることは、実施の形態1における特徴点である。   As described above, the feature of the first embodiment is that the clock error model is a three-dimensional model of clock bias, clock drift, and clock bias acceleration.

上記実施の形態1では、GPS衛星からの信号により移動体の位置・速度を計算する測位装置100において、搭載クロックのドリフト誤差の変化率を推定する機能とクロックリセット時の不連続を解消する機能を付加したことがポイントであることを示した。   In the first embodiment, in the positioning device 100 that calculates the position / velocity of the moving object based on the signal from the GPS satellite, the function of estimating the change rate of the drift error of the mounted clock and the function of eliminating the discontinuity at the time of clock reset It was shown that the addition of was the point.

つまり、従来の測位演算部では、クロック誤差モデルがクロックバイアスおよびクロックドリフトレートからなる2次系であったが、安定性が低い低価格のクロックにおいても高い精度を得るために、クロックバイアス加速度を加えた3次系としてカルマンフィルタのダイナミクスを構成し、推定を行うことがポイントの1つである。
2次系モデルでは、クロックバイアス加速度がガウスノイズであることを仮定するが、廉価な温度補償無しクロック(XO)を使用する場合は、相関成分を有するクロックバイアス加速度が発生し、この仮定は成り立たない。このため、カルマンフィルタによる推定精度が低下し、誤差を拡大させてしまう。そこで、実施の形態1では、クロックバイアス加速度を変動するバイアス成分(ランダムウォークプロセス)としてモデル化することで、誤差の拡大の防止を図った。
In other words, in the conventional positioning calculation unit, the clock error model is a secondary system consisting of a clock bias and a clock drift rate, but in order to obtain high accuracy even with a low-cost clock with low stability, the clock bias acceleration is set. One of the points is to construct the Kalman filter dynamics as an added third order system and perform estimation.
In the second-order model, it is assumed that the clock bias acceleration is Gaussian noise. However, when an inexpensive temperature uncompensated clock (XO) is used, a clock bias acceleration having a correlation component is generated, and this assumption holds. Absent. For this reason, the estimation accuracy by the Kalman filter is lowered, and the error is enlarged. Therefore, in the first embodiment, the error is prevented from being enlarged by modeling the clock bias acceleration as a bias component (random walk process) that fluctuates.

これにより、カルマンフィルタにより推定される位置・速度の精度が向上し、また、速度推定精度が向上することでドップラ積算の高精度化が可能になり受信感度が向上する。さらに、クロックの動的モデルを高精度に推定することで、衛星追尾断となった場合の位置・速度推定精度が向上する。
ここで、受信感度が向上することについて説明を加える。GPSの信号は極めて微弱であるが、1msec周期のC/Aコードが20回連続して送信されており、50Hzの航法メッセージの各サンプルの間までは積分を行うことができる。また、信号を二乗した後に20msec以上の周期で積分を行うことで、更に感度を上げることができる。但し、この積分の間に衛星とGPS受信機の間のドップラー遷移が変わるため、補正を行いながら積分を行う必要がある。この補正を行うためにドップラー遷移量を積算して行き、これをドップラー積算という。この補正を高精度に行うには、ドップラー遷移量を正確に推定することが必要で、移動体の速度の推定精度を向上させることが必要となる。つまり、実施の形態1により受信感度が向上するということの理由である。
次に、衛星追尾断となった場合に位置・速度推定精度が向上することについて説明を加える。衛星追尾断の場合、位置は速度外挿することで求められるが、従来方式では速度においてクロックバイアス加速度の影響を除去できないのに対して、実施の形態1では除去できるため、速度の推定精度が相対的に良く、外挿した位置の精度も向上する。
Thereby, the accuracy of the position / velocity estimated by the Kalman filter is improved, and the accuracy of the Doppler integration can be improved by improving the velocity estimation accuracy, thereby improving the reception sensitivity. Furthermore, by estimating the dynamic model of the clock with high accuracy, position / velocity estimation accuracy in the case of satellite tracking interruption is improved.
Here, a description will be given of improvement in reception sensitivity. Although the GPS signal is very weak, a C / A code with a period of 1 msec is transmitted 20 times continuously, and integration can be performed between samples of a navigation message of 50 Hz. Further, the sensitivity can be further increased by performing integration at a period of 20 msec or longer after the signal is squared. However, since the Doppler transition between the satellite and the GPS receiver changes during this integration, it is necessary to perform integration while performing correction. In order to perform this correction, the Doppler transition amount is integrated, and this is called Doppler integration. In order to perform this correction with high accuracy, it is necessary to accurately estimate the Doppler transition amount, and it is necessary to improve the estimation accuracy of the speed of the moving body. In other words, the reason is that the reception sensitivity is improved by the first embodiment.
Next, a description will be given of the improvement in position / velocity estimation accuracy when satellite tracking is cut off. In the case of satellite tracking interruption, the position is obtained by extrapolating the speed, but the influence of the clock bias acceleration on the speed cannot be removed by the conventional method, but can be removed by the first embodiment. It is relatively good and the accuracy of the extrapolated position is improved.

また、リセット検出/補償部360において、クロックのリセットを補償したクロックバイアスとクロックドリフトを算出するのにクロックドリフトによる変位距離(Δt×tcd,k)を加えること及びクロックバイアス加速度(tca,k)分の計算を加えることがそれぞれポイントである。
GPS受信機200では、クロックバイアス誤差を小さな値に保つため、誤差が一定の閾値を超えた場合にリセット処理を行う。この際、連続的なダイナミクスを仮定するカルマンフィルタにおいてはリセットによる不連続を検出・補償しないと移動体の位置・速度推定出力に不連続等の影響が発生する。また、クロックバイアス加速度に相関成分がある低価格クロック(XO)を使用する場合、リセット時にクロックバイアス加速度の影響により不連続が発生する。そこで、実施の形態1では、クロックバイアス加速度の影響を考慮した補正を行うことで、その不連続の発生の防止を図った。
The reset detection / compensation unit 360 adds a displacement distance (Δt × tcd, k) due to the clock drift and calculates the clock bias acceleration (tca, k) to calculate the clock bias and clock drift that compensate for the clock reset. The point is to add minutes.
In the GPS receiver 200, in order to keep the clock bias error at a small value, reset processing is performed when the error exceeds a certain threshold. At this time, in the Kalman filter that assumes continuous dynamics, if the discontinuity due to the reset is not detected and compensated, the influence of the discontinuity or the like occurs on the position / speed estimation output of the moving body. In addition, when using a low-cost clock (XO) having a correlation component in the clock bias acceleration, discontinuity occurs due to the influence of the clock bias acceleration at the time of reset. Therefore, in the first embodiment, the occurrence of the discontinuity is prevented by performing correction in consideration of the influence of the clock bias acceleration.

実施の形態1における測位装置100の構成図。1 is a configuration diagram of a positioning device 100 according to Embodiment 1. FIG. 実施の形態1における測位装置100、GPS受信機200、演算機300のハードウェア構成図。FIG. 2 is a hardware configuration diagram of the positioning device 100, the GPS receiver 200, and the arithmetic unit 300 in the first embodiment. 実施の形態1におけるGPS受信機200の構成図。FIG. 2 is a configuration diagram of a GPS receiver 200 in the first embodiment. 実施の形態1における演算機300の構成図。FIG. 3 is a configuration diagram of a calculator 300 in the first embodiment. 実施の形態1における測位演算部370の構成図。FIG. 3 is a configuration diagram of a positioning calculation unit 370 in the first embodiment. 従来のクロック誤差モデルを示す図。The figure which shows the conventional clock error model. 実施の形態1におけるクロックバイアスを示すグラフ。3 is a graph showing a clock bias in the first embodiment. 実施の形態1におけるクロックドリフトを示すグラフ。3 is a graph showing clock drift in the first embodiment. 実施の形態1におけるクロック誤差モデルを示す図。FIG. 4 shows a clock error model in the first embodiment. 実施の形態1におけるクロックバイアス加速度を示すグラフ。3 is a graph showing clock bias acceleration in the first embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

100 測位装置、200 GPS受信機、210 GPSアンテナ、220 RFフロントエンド処理部、230 XO、240 A/D変換部、250 ベースバンドチップ処理部、300 演算機、310 距離補正計算部、320 衛星位置/速度計算部、330 観測量補正部、340 相対運動計算部、350 残差計算部、360 リセット検出/補償部、370 測位演算部、371 時間外挿処理部、372 観測更新処理部、911 CPU、912 バス、913 ROM、914 RAM、915 通信ボード、920 磁気ディスク装置、921 OS、923 プログラム群、924 ファイル群。   100 positioning device, 200 GPS receiver, 210 GPS antenna, 220 RF front end processing unit, 230 XO, 240 A / D conversion unit, 250 baseband chip processing unit, 300 arithmetic unit, 310 distance correction calculation unit, 320 satellite position / Speed calculation unit, 330 observation amount correction unit, 340 relative motion calculation unit, 350 residual calculation unit, 360 reset detection / compensation unit, 370 positioning calculation unit, 371 time extrapolation processing unit, 372 observation update processing unit, 911 CPU , 912 bus, 913 ROM, 914 RAM, 915 communication board, 920 magnetic disk device, 921 OS, 923 program group, 924 file group.

Claims (9)

クロックを備える受信機であり測位信号を受信する受信機の出力データを入力し、受信機の備えるクロックの誤差に対応してカルマンフィルタを用いて測位対象に対する測位演算を行う測位演算機において、
受信機の備えるクロックの誤差を、クロックの誤差に基づく測位対象の位置の誤差を示すクロックバイアスとクロックの誤差に基づく測位対象の速度の誤差を示すクロックドリフトとクロックの誤差に基づく測位対象の加速度の誤差を示すクロックバイアス加速度とで表してカルマンフィルタの処理をして測位対象に対する測位演算を行うことを特徴とする測位演算機。
In the positioning calculator that inputs the output data of the receiver that receives the positioning signal, which is a receiver equipped with a clock, and performs the positioning calculation on the positioning object using the Kalman filter corresponding to the error of the clock provided in the receiver.
The clock error of the receiver is the clock bias indicating the position error of the positioning target based on the clock error, the clock drift indicating the speed error of the positioning target based on the clock error, and the positioning target acceleration based on the clock error. A positioning calculator that performs a positioning operation on a positioning target by performing a Kalman filter process with a clock bias acceleration indicating an error in the positioning.
クロックを備える受信機であり測位信号を受信する受信機の出力データを入力して測位対象に対する測位演算を行う測位演算機であり、受信機がクロックをリセットした場合にリセットされた分のクロックの誤差に対応して測位対象に対する測位演算を行う測位演算機において、
受信機がクロックをリセットした場合に、クロックの誤差に基づく測位対象の位置の誤差を示すクロックバイアスに、クロックの誤差に基づく測位対象の速度の誤差を示すクロックドリフトに対応する距離分の値を加算して、測位対象に対する測位演算を行うことを特徴とする測位演算機。
This is a positioning calculator that performs positioning calculation on the positioning target by inputting the output data of the receiver that receives the positioning signal, and is equipped with a clock. In a positioning calculator that performs positioning calculations on positioning targets in response to errors,
When the receiver resets the clock, a value corresponding to the distance corresponding to the clock drift indicating the speed error of the positioning target based on the clock error is added to the clock bias indicating the positioning position error based on the clock error. A positioning calculator that performs a positioning calculation on a positioning target by adding.
受信機がクロックをリセットした場合に、クロックの誤差に基づく測位対象の位置の誤差を示すクロックバイアスに、クロックの誤差に基づく測位対象の加速度の誤差を示すクロックバイアス加速度に対応する距離分の値を加算して、測位対象に対する測位演算を行うことを特徴とする請求項2記載の測位演算機。   When the receiver resets the clock, the value corresponding to the distance corresponding to the clock bias acceleration indicating the error of the positioning target acceleration based on the clock error and the clock bias indicating the positioning target position error based on the clock error The positioning calculator according to claim 2, wherein the positioning calculation is performed on the positioning target. 衛星から航法メッセージを含む測位信号を受信するアンテナと基準信号を生成するためのクロックとを備え、アンテナから受信した測位信号とクロックで生成された基準信号との位相差に基づいて衛星と測位対象間の距離を算出し、受信した測位信号と衛星が発信した測位信号との周波数差に関する情報をドップラー量として算出し、受信した測位信号に含まれる航法メッセージと算出した距離と算出したドップラー量とを出力する受信機と、
測位対象の位置と測位対象の速度とを演算して出力する測位演算機であり、
受信機が出力した航法メッセージを入力し、入力した航法メッセージに基づいて衛星の位置と衛星の速度とを計算し出力する衛星位置/速度計算部と、
測位演算機が出力した測位対象の位置と衛星位置/速度計算部が出力した衛星の位置と受信機が出力した航法メッセージとを入力し、入力した測位対象の位置と衛星の位置と航法メッセージとに基づいて受信機が出力した距離に対する補正量を計算すると共に、受信機が出力したドップラー量に基づく衛星と測位対象との距離方向における相対速度を距離変化率として、入力した測位対象の位置と衛星の位置と航法メッセージとに基づいて距離変化率に対する補正量を計算し、計算した距離に対する補正量と距離変化率に対する補正量とを出力する距離補正計算部と、
受信機が出力した距離とドップラー量とを観測量として入力すると共に、距離補正計算部が出力した距離に対する補正量と距離変化率に対する補正量とを入力し、入力した距離に入力した距離に対する補正量を加算すると共に、入力したドップラー量に基づく衛星と測位対象との距離方向における相対速度を距離変化率として、距離変化率に入力した距離変化率に対する補正量を加算し、補正量を加算した距離と距離変化率とを出力する観測量補正部と、
測位演算機が出力した測位対象の位置と測位対象の速度と衛星位置/速度計算部が出力した衛星の位置と衛星の速度とを入力し、衛星と測位対象間の距離と、衛星と測位対象の距離方向における相対速度を示す距離変化率とを計算し出力する相対運動計算部と、
観測量補正部が出力した距離と距離変化率と相対運動計算部が出力した距離と距離変化率とを入力し、観測量補正部から入力した距離と相対運動計算部から入力した距離との差分と観測量補正部から入力した距離変化率と相対運動計算部から入力した距離変化率との差分とを計算し残差として出力する残差計算部と、
残差計算部が出力した残差を入力し、受信機の備えるクロックの誤差を、クロックの誤差に基づく測位対象の位置の誤差を示すクロックバイアスとクロックの誤差に基づく測位対象の速度の誤差を示すクロックドリフトとクロックの誤差に基づく測位対象の加速度の誤差を示すクロックバイアス加速度とで表し、入力した残差に基づいてクロックの誤差をクロックバイアスとクロックドリフトとクロックバイアス加速度としてカルマンフィルタの処理をして測位対象に対する測位演算を行い、測位演算で算出した測位対象の位置と測位対象の速度とを出力する測位演算部と
を備えたことを特徴とする測位装置。
An antenna for receiving a positioning signal including a navigation message from a satellite and a clock for generating a reference signal are provided, and a satellite and a positioning target based on a phase difference between the positioning signal received from the antenna and a reference signal generated by the clock. Information on the frequency difference between the received positioning signal and the positioning signal transmitted by the satellite is calculated as the Doppler amount, the navigation message included in the received positioning signal, the calculated distance, and the calculated Doppler amount A receiver that outputs
A positioning calculator that calculates and outputs the position of the positioning target and the speed of the positioning target.
A satellite position / velocity calculation unit that inputs a navigation message output by a receiver, calculates a satellite position and a satellite velocity based on the input navigation message, and outputs the calculated position;
The positioning target position output by the positioning calculator, the satellite position output by the satellite position / velocity calculation unit, and the navigation message output by the receiver are input, and the input positioning target position, the satellite position and the navigation message are input. And calculating the correction amount for the distance output by the receiver, and the relative velocity in the distance direction between the satellite and the positioning target based on the Doppler amount output by the receiver as the distance change rate and the position of the input positioning target. A distance correction calculation unit that calculates a correction amount for the distance change rate based on the position of the satellite and the navigation message, and outputs a correction amount for the calculated distance and a correction amount for the distance change rate;
The distance output by the receiver and the Doppler amount are input as observation amounts, and the correction amount for the distance output by the distance correction calculation unit and the correction amount for the distance change rate are input, and the correction for the input distance is input to the input distance. In addition to adding the amount, the relative speed in the distance direction between the satellite and the positioning target based on the input Doppler amount is used as the distance change rate, and the correction amount for the input distance change rate is added to the distance change rate, and the correction amount is added. An observation amount correction unit that outputs a distance and a rate of change in distance;
Input the position of the positioning target output by the positioning calculator, the speed of the positioning target, the position of the satellite and the speed of the satellite output by the satellite position / velocity calculation unit, the distance between the satellite and the positioning target, the satellite and the positioning target A relative motion calculation unit that calculates and outputs a distance change rate indicating a relative speed in the distance direction of
Enter the distance and distance change rate output by the observation amount correction unit, the distance and distance change rate output by the relative motion calculation unit, and the difference between the distance input from the observation amount correction unit and the distance input from the relative motion calculation unit And a residual calculation unit that calculates a difference between the distance change rate input from the observation amount correction unit and the distance change rate input from the relative motion calculation unit and outputs as a residual,
The residual output from the residual calculator is input, and the clock error of the receiver is calculated as the clock bias indicating the position error based on the clock error and the speed error based on the clock error. The clock drift acceleration and the clock bias acceleration indicating the error of the positioning target acceleration based on the clock error are shown. Based on the input residual, the clock error is processed as the clock bias, clock drift and clock bias acceleration. A positioning apparatus comprising: a positioning calculation unit that performs a positioning calculation on a positioning target and outputs a position of the positioning target calculated by the positioning calculation and a speed of the positioning target.
クロックを備える衛星から航法メッセージを含む測位信号を受信するアンテナと基準信号を生成するためのクロックとを備え、アンテナから受信した測位信号とクロックで生成させた基準信号との位相差に基づいて衛星と測位対象間の距離を算出し、受信した測位信号と衛星が発信した測位信号との周波数差に関する情報をドップラー量として算出し、受信した測位信号に含まれる航法メッセージと算出した距離と算出したドップラー量とを出力する受信機であり、受信機の備えるクロックと衛星の備えるクロックとの同期が取れない場合にクロックをリセットする受信機と、
測位対象の位置と測位対象の速度と受信機の備えるクロックの誤差とを演算して出力する測位演算機であり、
受信機が出力した航法メッセージを入力し、入力した航法メッセージに基づいて衛星の位置と衛星の速度とを計算し出力する衛星位置/速度計算部と、
測位演算機が出力した測位対象の位置と衛星位置/速度計算部が出力した衛星の位置と受信機が出力した航法メッセージとを入力し、入力した測位対象の位置と衛星の位置と航法メッセージとに基づいて受信機が出力した距離に対する補正量を計算すると共に、受信機が出力したドップラー量に基づく衛星と測位対象との距離方向における相対速度を距離変化率として、入力した測位対象の位置と衛星の位置と航法メッセージとに基づいて距離変化率に対する補正量を計算し、計算した距離に対する補正量と距離変化率に対する補正量とを出力する距離補正計算部と、
受信機が出力した距離とドップラー量とを観測量として入力すると共に、距離補正計算部が出力した距離に対する補正量と距離変化率に対する補正量とを入力し、入力した距離に入力した距離に対する補正量を加算すると共に、入力したドップラー量に基づく衛星と測位対象との距離方向における相対速度を距離変化率として、距離変化率に入力した距離変化率に対する補正量を加算し、補正量を加算した距離と距離変化率とを出力する観測量補正部と、
測位演算機が出力した測位対象の位置と測位対象の速度と衛星位置/速度計算部が出力した衛星の位置と衛星の速度とを入力し、衛星と測位対象間の距離と、衛星と測位対象の距離方向における相対速度を示す距離変化率とを計算し出力する相対運動計算部と、
観測量補正部が出力した距離と距離変化率と相対運動計算部が出力した距離と距離変化率とを入力し、観測量補正部から入力した距離と相対運動計算部から入力した距離との差分と観測量補正部から入力した距離変化率と相対運動計算部から入力した距離変化率との差分とを計算し残差として出力する残差計算部と、
測位演算機が出力したクロックの誤差を入力し、受信機がクロックをリセットした場合に、クロックの誤差に基づく測位対象の位置の誤差を示すクロックバイアスに、クロックの誤差に基づく測位対象の速度の誤差を示すクロックドリフトに対応する距離分の値を加算する計算を行い出力するリセット計算部と、
残差計算部が出力した残差とリセット計算部が出力したクロックバイアスとを入力し、入力した残差とクロックバイアスとに基づいて測位対象に対する測位演算を行い、測位対象の位置と測位対象の速度とクロックの誤差とを出力する測位演算部と
を備えたことを特徴とする測位装置。
An antenna for receiving a positioning signal including a navigation message from a satellite having a clock and a clock for generating a reference signal, and a satellite based on a phase difference between the positioning signal received from the antenna and a reference signal generated by the clock And the distance between the positioning target and the information on the frequency difference between the received positioning signal and the positioning signal transmitted by the satellite is calculated as the Doppler amount, and the navigation message included in the received positioning signal and the calculated distance are calculated. A receiver that outputs the amount of Doppler, a receiver that resets the clock when the clock of the receiver and the clock of the satellite cannot be synchronized, and
It is a positioning calculator that calculates and outputs the position of the positioning target, the speed of the positioning target, and the clock error of the receiver,
A satellite position / velocity calculation unit that inputs a navigation message output by a receiver, calculates a satellite position and a satellite velocity based on the input navigation message, and outputs the calculated position;
The positioning target position output by the positioning calculator, the satellite position output by the satellite position / velocity calculation unit, and the navigation message output by the receiver are input, and the input positioning target position, the satellite position and the navigation message are input. And calculating the correction amount for the distance output by the receiver, and the relative velocity in the distance direction between the satellite and the positioning target based on the Doppler amount output by the receiver as the distance change rate and the position of the input positioning target. A distance correction calculation unit that calculates a correction amount for the distance change rate based on the position of the satellite and the navigation message, and outputs a correction amount for the calculated distance and a correction amount for the distance change rate;
The distance output by the receiver and the Doppler amount are input as observation amounts, and the correction amount for the distance output by the distance correction calculation unit and the correction amount for the distance change rate are input, and the correction for the input distance is input to the input distance. In addition to adding the amount, the relative speed in the distance direction between the satellite and the positioning target based on the input Doppler amount is used as the distance change rate, and the correction amount for the input distance change rate is added to the distance change rate, and the correction amount is added. An observation amount correction unit that outputs a distance and a rate of change in distance;
Input the position of the positioning target output by the positioning calculator, the speed of the positioning target, the position of the satellite and the speed of the satellite output by the satellite position / velocity calculation unit, the distance between the satellite and the positioning target, the satellite and the positioning target A relative motion calculation unit that calculates and outputs a distance change rate indicating a relative speed in the distance direction of
Enter the distance and distance change rate output by the observation amount correction unit, the distance and distance change rate output by the relative motion calculation unit, and the difference between the distance input from the observation amount correction unit and the distance input from the relative motion calculation unit And a residual calculation unit that calculates a difference between the distance change rate input from the observation amount correction unit and the distance change rate input from the relative motion calculation unit and outputs as a residual,
When the clock error output by the positioning calculator is input and the receiver resets the clock, the clock bias indicating the positioning target position error based on the clock error is set to the positioning target speed based on the clock error. A reset calculation unit that calculates and outputs a value corresponding to a distance corresponding to a clock drift indicating an error; and
The residual output from the residual calculation unit and the clock bias output from the reset calculation unit are input, and the positioning calculation is performed on the positioning target based on the input residual and clock bias, and the positioning target position and the positioning target A positioning apparatus comprising a positioning calculation unit that outputs a speed and a clock error.
上記リセット計算部は、
受信機がクロックをリセットした場合に、クロックの誤差に基づく測位対象の位置の誤差を示すクロックバイアスに、クロックの誤差に基づく測位対象の加速度の誤差を示すクロックバイアス加速度に対応する距離分の値を加算する計算を行い出力することを特徴とする請求項5記載の測位装置。
The reset calculator is
When the receiver resets the clock, the value corresponding to the distance corresponding to the clock bias acceleration indicating the error of the positioning target acceleration based on the clock error and the clock bias indicating the positioning target position error based on the clock error 6. The positioning device according to claim 5, wherein a calculation for adding is performed and output.
クロックを備える受信機であり測位信号を受信する受信機の出力データを入力し、受信機の備えるクロックの誤差に対応してカルマンフィルタを用いて測位対象に対する測位演算を行う測位演算機の測位演算方法において、
受信機の備えるクロックの誤差を、クロックの誤差に基づく測位対象の位置の誤差を示すクロックバイアスとクロックの誤差に基づく測位対象の速度の誤差を示すクロックドリフトとクロックの誤差に基づく測位対象の加速度の誤差を示すクロックバイアス加速度とで表してカルマンフィルタの処理をして測位対象に対する測位演算を行うことを特徴とする測位演算方法。
A positioning calculation method for a positioning calculator that inputs output data of a receiver that is equipped with a clock and receives a positioning signal, and performs positioning calculation for a positioning target using a Kalman filter in response to an error of the clock included in the receiver. In
The clock error of the receiver is the clock bias indicating the position error of the positioning target based on the clock error, the clock drift indicating the speed error of the positioning target based on the clock error, and the positioning target acceleration based on the clock error. A positioning calculation method characterized in that a positioning calculation is performed on a positioning target by performing a Kalman filter processing expressed by a clock bias acceleration indicating an error of the positioning error.
クロックを備える受信機であり測位信号を受信する受信機の出力データを入力して測位対象に対する測位演算を行う測位演算機であり、受信機がクロックをリセットした場合にリセットされた分のクロックの誤差に対応して測位対象に対する測位演算を行う測位演算機の測位演算方法において、
受信機がクロックをリセットした場合に、クロックの誤差に基づく測位対象の位置の誤差を示すクロックバイアスに、クロックの誤差に基づく測位対象の速度の誤差を示すクロックドリフトに対応する距離分の値を加算して、測位対象に対する測位演算を行うことを特徴とする測位演算方法。
This is a positioning calculator that performs positioning calculation on the positioning target by inputting the output data of the receiver that receives the positioning signal, and is equipped with a clock. In the positioning calculation method of the positioning calculator that performs the positioning calculation for the positioning target in response to the error,
When the receiver resets the clock, a value corresponding to the distance corresponding to the clock drift indicating the speed error of the positioning target based on the clock error is added to the clock bias indicating the positioning position error based on the clock error. A positioning calculation method characterized by adding and performing a positioning calculation on a positioning target.
受信機がクロックをリセットした場合に、クロックの誤差に基づく測位対象の位置の誤差を示すクロックバイアスに、クロックの誤差に基づく測位対象の加速度の誤差を示すクロックバイアス加速度に対応する距離分の値を加算して、測位対象に対する測位演算を行うことを特徴とする請求項8記載の測位演算方法。   When the receiver resets the clock, the value corresponding to the distance corresponding to the clock bias acceleration indicating the error of the positioning target acceleration based on the clock error and the clock bias indicating the positioning target position error based on the clock error The positioning calculation method according to claim 8, wherein the positioning calculation is performed on the positioning target by adding.
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