JP2008058164A - 測位方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、電波航法において加減速や方向転換するなどの移動局に動きの変化があったり、基準局から移動局への補正情報や観測データの送信遅延があったとしても、移動体の現時刻の位置を高精度に測位することを可能にすることである。
【解決手段】測位情報を発信する衛星の信号から、衛星の軌道情報、現時刻の搬送波位相を検出し、位置が既知である基準局で観測時刻に観測された搬送波位相と、衛星の軌道情報に基づき算出した観測時刻と現時刻における衛星の位置、観測時刻における基準局での搬送波位相をもとに、現時刻における基準局での一重位相差または現時刻における基準局での受信機クロック誤差及び搬送波位相を予測し、移動局の搬送波位相、予測された基準局の一重位相差あるいは搬送波位相及び衛星位置をもとに、移動局の位置を算出する。
【選択図】図３

Description

本発明は、人工衛星から送られてくる信号をもとに位置を測定する測位システム、その装置及び方法に関する。

複数の基準局及び移動局で観測された擬似距離及び電離層変化率に関する補正データをもとに、移動局の位置を算出する（例えば、特許文献１）。

特開２００５−７７２９１号公報

特許文献１の従来技術は、基準局の観測データ（擬似距離、搬送波位相など）を移動局に送信する時間分、位置出力が遅れる。このため、移動体の位置を算出した場合、移動体が送信時間の間に移動した距離だけ出力位置に誤差が生じてしまう。また、算出した観測時刻の位置、速度及び加速度をもとに、現時刻の位置を予測したとしても、加減速や方向転換した場合、予測位置に加速度が変化した分の誤差が生じてしまう。

本発明の目的は、電波航法において加減速や方向転換したり、基準局から移動局への観測データの送信遅延があったとしても、移動体の現時刻の位置精度を維持することである。

上記の目的は、宇宙あるいは地上から測位情報を発信する衛星の信号を受信し、衛星の軌道情報を検出し、現時刻の搬送波位相を観測し、位置が既知である基準局で観測時刻に観測された搬送波位相を受信し、衛星の軌道情報をもとに観測時刻と現時刻における衛星の位置を算出し、観測時刻における基準局での搬送波位相、観測時刻と現時刻の衛星の位置をもとに、現時刻における基準局での一重位相差または現時刻における基準局での受信機クロック誤差及び搬送波位相を予測し、現時刻における移動局の搬送波位相、予測された基準局の一重位相差あるいは搬送波位相及び衛星位置をもとに、現時刻における移動局の位置を算出することを特徴とする測位方法により達成される。

上記の目的は、宇宙あるいは地上から測位情報を発信する衛星の信号を受信し、衛星の軌道情報を検出し、現時刻の搬送波位相を観測する受信手段と、
位置が既知である基準局で観測時刻に観測された搬送波位相を受信する通信手段と、衛星の軌道情報をもとに観測時刻と現時刻における衛星の位置を算出し、観測時刻における基準局での搬送波位相、観測時刻と現時刻の衛星の位置をもとに、現時刻における基準局での一重位相差あるいは受信機クロック誤差及び搬送波位相を予測し、
現時刻における移動局の搬送波位相、予測された基準局の一重位相差あるいは搬送波位相及び衛星位置をもとに、現時刻における移動局の位置を算出する演算手段とを備えたことを特徴とする測位装置により達成される。

本発明の測位方法及び測位装置によれば、基準局から移動局へ観測データを通信するのに遅れが生じても、現時刻における観測データを予測することにより、位置精度が低下せず、移動体の制御が可能となる。

搬送波位相の相対測位において、基準局の搬送波位相データが通信遅延により移動局での受け取りが遅くなっても移動体位置の予測精度を維持するという目的を、その誤差の原因となっている受信機クロック誤差を除去あるいは予測することにより実現する。

図１に本発明の測位システムの一実施例の構成を示す。本発明の一実施例は、移動局測位装置１００と、通信回線１１０と、基準局測位装置１２０とを備えている。移動局測位装置１００は、受信手段１０１と、演算手段１０２と、通信手段１０３とを備えている。

受信手段１０１は、アンテナを含んでおり、ダウンコンバート、アナログ・デジタル・コンバート、直交検波、Ｃ／Ａ（Coarse／Acquisition）コード生成、相関検出、復号、遅延ロックループ、位相ロックループの処理機能を備えている。測位衛星から送られてきた信号（測位信号）をアンテナで受信し、軌道情報や測位衛星状態の情報などを含む航法メッセージを検出し、擬似距離（衛星からの距離）及び搬送波位相積算値（搬送波位相）などの観測データを測定する。ＧＰＳ衛星や擬似衛星などの測位衛星は宇宙あるいは地上から測位のための信号を発信する装置である。

ＣＰＵ（中央演算処理装置）などの演算手段１０２は、航法メッセージ、時刻ｔ−ΔＴにおける基準局の観測データ及び時刻ｔにおける移動局での搬送波位相をもとに現時刻の移動局の位置を算出する。電話機、衛星通信機、無線機などの通信手段１０３は、基準局からの擬似距離や搬送波位相などの観測データを取得する。

電話回線、衛星通信回線、無線などの通信回線１１０は、基準局測位装置１２０から移動局測位装置１００へ基準局の観測データを送信する。

基準局測位装置１２０は、受信手段１２１と、演算手段１２２と、通信手段１２３とを備えている。受信手段１２１は、アンテナを含んでおり、ダウンコンバート、アナログ・デジタル・コンバート、直交検波、Ｃ／Ａコード生成、相関検出、復号、遅延ロックループ、位相ロックループの処理機能を備えている。測位衛星から送られてきた測位信号をアンテナで受信し、軌道情報や測位衛星状態の情報などを含む航法メッセージを検出し、擬似距離及び搬送波位相などの観測データを測定する。ＣＰＵなどの演算手段１２２は、受信手段１２１で測定された観測データを通信手段１２３に送る。

電話機、衛星通信機、無線機などの通信手段１２３は、通信回線１１０を通して、基準局の観測データを移動局測位装置１００に送信する。

図１に示す本発明の測位システムの基準局測位装置１２０の動作手順を、図２を用いて説明する。
ステップ２０１：受信手段１２１は、測位衛星からの信号をアンテナで受信し、ダウンコンバート、アナログ・デジタル・コンバート、直交検波、Ｃ／Ａコード生成、相関検出、復号の処理を行うことにより軌道情報などの航法メッセージ、受信時刻及び擬似距離を検出する。相関検出の信号をもとに遅延ロックループ、位相ロックループの処理を行うことにより、搬送波位相を検出する。これらの情報を演算手段１２２に送る。
ステップ２０２：演算手段１２２は、航法メッセージ、受信時刻、擬似距離及び搬送波位相の情報を通信手段１２３に送り、通信手段１２３はこれらの情報を通信回線１１０を通して、移動局測位装置１００に送信する。

図１に示す本発明の測位システムの移動局測位装置１００の動作手順を、図３を用いて説明する。
ステップ３０１：通信手段１０３は、通信回線１１０を経由して、航法メッセージ及び時刻ｔ−ΔＴにおける基準局の観測データを受信し、演算手段１０２に送る。ここで、時間ΔＴは通信による遅延などにより生じた基準局での観測時刻と移動局での観測時刻（現時刻）の差（遅れ時間）である。
ステップ３０２：受信手段１０１は、測位衛星からの信号をアンテナで受信し、ダウンコンバート、アナログ・デジタル・コンバート、直交検波、Ｃ／Ａコード生成、相関検出、復号の処理を行うことにより軌道情報などの航法メッセージ、受信時刻及び擬似距離を検出する。相関検出の信号をもとに遅延ロックループ、位相ロックループの処理を行うことにより、搬送波位相を検出する。これらの航法メッセージ及び時刻ｔにおける移動局での観測データを演算手段１０２に送る。
ステップ３０３：演算手段１０２は、航法メッセージの軌道情報、受信時刻及び擬似距離をもとに、時刻ｔ−ΔＴ及びｔにおける衛星の位置ｒ^qを算出する。
ステップ３０４：演算手段１０２は、ｑは衛星番号、λは搬送波の波長として、衛星の位置ｒ^q、基準局の搬送波位相φ^q _k、基準局の位置ｒ_kをもとに、時刻ｔにおける一重位相差φ＾^1q _kを、式１により予測する。

初めて観測を行う観測開始時刻である場合ステップ３０５に進み、観測開始時刻でない通常の観測の場合はステップ３０６に進む。
ステップ３０５：演算手段１０２は、時刻ｔにおける衛星位置及び擬似距離をもとに初期位置を算出する。位置ｒ、速度ｖ、加速度ａ及び整数値バイアスの実数解Ｎの推定誤差共分散Ｐの初期値、システム雑音の標準偏差、観測雑音の標準偏差、時定数の逆数を設定する。
ステップ３０６：演算手段１０２は、式２〜式２１を用いて、衛星位置、初期位置及び搬送波位相をもとに位置、速度、加速度、整数値バイアスの実数解及びそれらの共分散を算出する。

先ず、式２〜式６を用いて、行列Ｈを算出する。ここで、（ｘ_u，ｙ_u，ｚ_u）、（ｘ_k，ｙ_k，ｚ_k）は移動局および基準局の推定位置、（ｘ^q，ｙ^q，ｚ^q）は衛星位置、ｍは観測された衛星数、Δｔは受信手段１０１の観測間隔である。

式７を用いて、フィルタゲイン行列Ｋを算出する。ここで、Ｐ（ｔ｜ｔ−Δｔ）は時刻ｔ−Δｔにおける観測に基づき予測した時刻ｔにおける、位置、速度、加速度及び整数値バイアスの実数解の推定誤差共分散行列、Ｒは観測雑音共分散行列である。

式８〜式１５を用いて、推定位置、速度、加速度及び整数値バイアスの実数解を算出する。ここで、η＾（ｔ｜ｓ）は時刻ｓの観測データをもとに予測した時刻ｔの推定位置ｒ＾、速度ｖ＾、加速度ａ＾及び整数値バイアスの実数解Ｎ＾を表し、ξ＾（ｔ｜ｓ）は時刻ｓの観測データをもとに予測した時刻ｔの推定位置、速度及び加速度を表し、ｙは二重位相差、φ^q _uは移動局の搬送波位相、Φは状態遷移行列、αは加速度の時定数の逆数を表す。

また、式１６〜式２５を用いて、推定位置、速度、加速度及び整数値バイアスの実数解の推定誤差共分散行列Ｐを算出する。

ここで、加速度ａの分布が図４に示すものである場合、式２６を用いて、システム雑音の分散σ_w ²を算出する。

ステップ３０７：演算手段１０２は、推定誤差共分散行列において整数値バイアスの実数解の推定誤差共分散の要素を抽出し、整数値バイアスの実数解の推定誤差共分散行列を作成する。整数値バイアスの実数解の推定誤差共分散行列及びを実数解をもとに、ＬＡＭＢＤＡ法を用いて、実数解に最も近い整数値を探索し、求められた整数値を整数値バイアスの整数解とする。
ステップ３０８：演算手段１０２は、式２７及び式２８を用いて、観測時刻の位置ｒ（ｔ）及び速度ｖ（ｔ）を算出する。ここで、ｒ＾（ｔ｜ｔ）及びｖ＾（ｔ｜ｔ）は推定位置及び速度、Ｐ_rN（ｔ｜ｔ）及びＰ_vN（ｔ｜ｔ）は位置ｒと速度ｖについての整数値バイアスの実数解の推定誤差共分散行列、Ｐ_NN（ｔ｜ｔ）は整数値バイアスの実数解の推定誤差共分散行列、Ｎ＾及びＮは整数値バイアスの実数解及び整数解である。

搬送波位相に影響を及ぼす誤差は、衛星軌道誤差、衛星クロック誤差、電離層遅延誤差、対流圏遅延誤差、受信機クロック誤差（受信機雑音）である。衛星軌道誤差、衛星クロック誤差、電離層遅延誤差、対流圏遅延誤差は時間的変化が非常に小さいため、時間ΔＴが数秒であれば、その変化量が非常に小さく、無視できる。しかし、受信機クロック誤差は数秒で数十〜数ｃｍ変動する。このため、時刻ｔ−ΔＴにおける基準局の搬送波位相をもとに、時刻ｔにおける基準局の搬送波位相を予測しようとすると、搬送波位相の予測値が受信機クロック誤差の影響を受けてしまう。

図１に示す本発明の測位システムの一実施例によれば、２つの衛星の搬送波位相には同じ受信機クロック誤差が含まれているため、その差をとった一重位相差を算出することにより、受信機クロック誤差の影響を除去できる。そして、時刻ｔ−ΔＴにおける基準局の搬送波位相をもとに、高精度に時刻ｔにおける一重位相差を計算できる。このため、搬送波位相及び擬似距離を含む基準局の観測データが移動局に送信されるタイミングが数秒遅れても、現時刻における基準局の一重位相差を高精度に計算でき、現時刻の位置を算出できることになる。

図１に示す本発明の測位システムの一実施例によれば、時間ΔＴ遅れた観測データをもとに時刻ｔ−ΔＴにおける位置、速度、加速度を求め、これらのデータをもとに時刻ｔの位置を推定する手法に比べて、時間ΔＴの間に加速、減速、方向転換が起こっても、基準局の一重位相差を推定しているため、加速、減速、方向転換の影響を受けず、位置精度が低下しない。

図１に示す本発明の測位システムの一実施例の移動局測位装置１００において、搭載する移動体の動きにあわせて、加速度の分布を設定すると、その移動体に適合した位置を予測することができる。例えば、加速度の分布を平均０、分散σ_aの正規分布で表す場合、システム雑音σ_w ²は式２９で算出できる。

あるいは、加速度の分布を図５に示す平均０、分散σ_aの正規分布と加速度０で表される場合、システム雑音σ_w ²は式３０で算出できる。

図１に示す本発明の測位システムの一実施例の移動局測位装置１００の動作手順のステップ３０４における一重位相差の予測の代わりに搬送波位相及び受信機クロック誤差の予測処理を行うことによっても、移動局で基準局からの観測データを受信する際に通信時間分遅れても、精度良く位置を算出することができる。この場合、搬送波位相に含まれる受信機クロック誤差を予測することにより、搬送波位相を高精度に予測することができる。搬送波位相及び受信機クロック誤差を予測する場合のステップ３０４に替わる動作手順を説明する。

この場合ステップ３０４での動作では、搬送波位相と受信機クロック誤差の推定誤差共分散の初期値、システム雑音の標準偏差、観測雑音の標準偏差、時定数の逆数を設定する。そして式３１及び式３２を用いて、フィルタゲイン行列Ｋ_φを算出する。ここで、Ｐ_φ（ｔ｜ｔ−Δｔ）は搬送波位相及び受信機クロック誤差の推定誤差共分散行列、Ｒ_φは観測雑音共分散行列である。

式３３〜式４０を用いて、搬送波位相及び受信機クロック誤差を算出する。ここで、η＾_φ（ｔ｜ｓ）は時刻ｓの観測データをもとに予測した時刻ｔの搬送波位相φ＾^q _k及び受信機クロック誤差ｅ＾、ｙ_φは搬送波位相の観測値φ^q _kベクトル、Φ_φは状態遷移行列、α_eは受信機クロック誤差の時定数の逆数。ｄ^qは測位衛星と基準局との距離変化である。

式４１〜式４３を用いて、搬送波位相及び受信機クロック誤差の推定誤差共分散行列Ｐ_φを算出する。ここで、σ_eは受信機クロック誤差の標準偏差である。

図１に示す本発明の測位システムの一実施例によれば、搬送波位相に含まれる受信機クロック誤差を予測することにより、搬送波位相を高精度に予測できる。このため、基準局からの観測データを受信することが移動局で通信時間分遅れても、移動局の動きに影響を受けず、精度良く位置を算出できる。

図１に示す本発明の測位システムの一実施例の移動局測位装置１００において、慣性センサ手段１０４を追加し、制御手段１０６と、記憶手段１０５と、駆動手段１０７を接続し、図６に示す動作手順を行うことにより、基準局からの観測データを受信することが移動局で通信時間分遅れても、精度良く移動体を制御できる。

受信手段１０１は、観測データを検出する時刻にパルス信号を慣性センサ手段１０４に送る。

ジャイロや加速度などの慣性センサ手段１０４は、三次元の角速度と三次元の加速度を出力する。受信手段１０１からのパルス信号に同期して、これらのデータを出力する。ここで、データを出力するレートは受信手段１０１よりも高い。このため、パルス信号間にもデータを出力している。

メモリやハードディスクなどの記憶手段１０５は、移動局の経路を記憶している。

ＣＰＵなどの制御手段１０６は、移動局の経路をもとに駆動手段１０７の制御量を算出する。

エンジン、モータや油圧機器などの駆動手段１０７は、制御手段１０６からの制御量をもとに駆動し、移動局を移動させる。

図１に示す本発明の測位システムの一実施例の動作手順を、図６を用いて説明する。ここで、慣性センサ手段１０４の観測データ出力は移動局の観測データ出力と同期しているため、ステップ６０４とステップ６０３は同時に行われる。慣性センサ手段１０４の出力レートが移動局よりも高いため、ステップ６０３のみが行われるケースがある。基準局の観測データの取得（ステップ６０５）は通信時間分（時間ΔＴ）遅れる。
ステップ６０１：慣性センサ手段１０４は、三次元の角速度と三次元の加速度を出力しそのデータを演算手段１０２に送る。演算手段１０２はアライメントを実施し、移動局の方位及び姿勢を算出する。
ステップ６０２：ステップ３０１〜ステップ３０８を実施し、移動局の位置を算出する。
ステップ６０３：慣性センサ手段１０４は、三次元の角速度と三次元の加速度を出力し、そのデータを演算手段１０２に送る。受信手段１０１からのパルス信号を受け取ったときに同期させて、データを出力する。
ステップ６０４：受信手段１０１は、測位衛星からの信号をアンテナで受信し、ダウンコンバート、アナログ・デジタル・コンバート、直交検波、Ｃ／Ａコード生成、相関検出、復号の処理を行うことにより軌道情報などの航法メッセージ、受信時刻及び擬似距離を検出する。相関検出の信号をもとに遅延ロックループ、位相ロックループの処理を行うことにより、搬送波位相を検出する。これらの航法メッセージ及び観測データを演算手段１０２に送る。観測時間にパルス信号を慣性センサ手段１０４に送る。
ステップ６０５：通信手段１０３は、通信回線１１０を経由して、航法メッセージ及び基準局の観測データを受信し、演算手段１０２に送る。
ステップ６０６：演算手段１０２に送られたデータが慣性センサ手段１０４からの観測データである場合ステップ６０７に進み、移動局の観測データと慣性センサ手段１０４の観測データである場合ステップ６０８に進み、基準局の観測データである場合ステップ６１０に進む。
ステップ６０７：演算手段１０２は、慣性センサ手段１０４からの三次元の角速度と三次元の加速度、前回のストラップダウン演算あるいは複合航法演算で算出した位置、速度、方位及び姿勢をもとにストラップダウン演算を行い、位置、速度、方位及び姿勢を算出し、それらの情報を制御手段１０６に送る。
ステップ６０８：演算手段１０２は、航法メッセージ、基準局及び移動局の搬送波位相をもとに、ステップ３０３〜ステップ３０８を実施し、現時刻の位置及び速度を算出する。
ステップ６０９：演算手段１０２は、ステップ６０８で算出した現時刻の位置及び速度、慣性センサ手段１０４の三次元の角速度と三次元の加速度、前回のストラップダウン演算で算出した位置、速度、方位及び姿勢をもとに複合航法演算を用いて、位置、速度、方位及び姿勢を算出し、それらの情報を制御手段１０６に送る。
ステップ６１０：演算手段１０２は、受信手段１０１から基準局の観測データを受け取る。
ステップ６１１：制御手段１０６は、記憶手段１０５から移動局の経路を読み込み、演算手段１０２からの位置、速度、方位及び姿勢をもとに駆動手段１０７の制御量を算出し、制御量を駆動手段１０７に送る。
ステップ６１２：駆動手段１０７は、制御量をもとに移動局を移動させる。

図１に示す本発明の測位システムの一実施例によれば、基準局から移動局に観測データを送信するのが通信時間分遅れても、高精度に現時刻の位置を予測できるため、リアルタイム制御が可能になる。

測位装置を人、自動車や列車などの移動体及び配送物などに装着することにより、現時刻の位置が高精度に検出できる。また、制御装置で現時刻の位置を用いることにより、移動体の制御ができる。

本発明の測位システムの一実施例の構成を示す図である。 本発明の測位システムの一実施例の基準局測位装置の動作を示す図である。 本発明の測位システムの一実施例の移動局測位装置の動作を示す図である。 加速度分布の一例を示す図である。 加速度分布の一例を示す図である。 本発明の測位システムの一実施例の移動局測位装置の動作を示す図である。

符号の説明

１００…移動局測位装置、１０１…受信手段、１０２…演算手段、１０３…通信手段、１１０…通信回線、１２０…基準局測位装置、１２１…受信手段、１２２…演算手段、１２３…通信手段。

Claims (4)

1. 宇宙あるいは地上から測位情報を発信する衛星の信号を受信し、衛星の軌道情報を検出し、現時刻の搬送波位相を観測し、
   位置が既知である基準局で観測時刻に観測された搬送波位相を受信し、
   衛星の軌道情報をもとに観測時刻と現時刻における衛星の位置を算出し、
   観測時刻における基準局での搬送波位相、観測時刻と現時刻の衛星の位置をもとに、現時刻における基準局での一重位相差を予測し、
   現時刻における移動局の搬送波位相、予測された基準局の一重位相差及び衛星位置をもとに、現時刻における移動局の位置を算出することを特徴とする測位方法。
2. 宇宙あるいは地上から測位情報を発信する衛星の信号を受信し、衛星の軌道情報を検出し、現時刻の搬送波位相を観測し、
   位置が既知である基準局で観測時刻に観測された搬送波位相を受信し、
   衛星の軌道情報をもとに観測時刻と現時刻における衛星の位置を算出し、
   観測時刻における基準局での搬送波位相、観測時刻と現時刻の衛星の位置をもとに、現時刻における基準局での受信機クロック誤差及び搬送波位相を予測し、
   現時刻における移動局の搬送波位相、予測された基準局の搬送波位相及び衛星位置をもとに、現時刻における移動局の位置を算出することを特徴とする測位方法。
3. 宇宙あるいは地上から測位情報を発信する衛星の信号を受信し、衛星の軌道情報を検出し、現時刻の搬送波位相を観測する受信手段と、
   位置が既知である基準局で観測時刻に観測された搬送波位相を受信する通信手段と、
   衛星の軌道情報をもとに観測時刻と現時刻における衛星の位置を算出し、
   観測時刻における基準局での搬送波位相、観測時刻と現時刻の衛星の位置をもとに、現時刻における基準局での一重位相差を予測し、
   現時刻における移動局の搬送波位相、予測された基準局の一重位相差及び衛星位置をもとに、現時刻における移動局の位置を算出する演算手段とを備えたことを特徴とする測位装置。
4. 宇宙あるいは地上から測位情報を発信する衛星の信号を受信し、衛星の軌道情報を検出し、現時刻の搬送波位相を観測する受信手段と、
   位置が既知である基準局で観測時刻に観測された搬送波位相を受信する通信手段と、
   衛星の軌道情報をもとに観測時刻と現時刻における衛星の位置を算出し、
   観測時刻における基準局での搬送波位相、観測時刻と現時刻の衛星の位置をもとに、現時刻における基準局での受信機クロック誤差及び搬送波位相を予測し、
   現時刻における移動局の搬送波位相、予測された基準局の搬送波位相及び衛星位置をもとに、現時刻における移動局の位置を算出する演算手段とを備えたことを特徴とする測位装置。
   

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