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JP2008232761A - 移動体用測位装置 - Google Patents

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JP2008232761A
JP2008232761A JP2007071322A JP2007071322A JP2008232761A JP 2008232761 A JP2008232761 A JP 2008232761A JP 2007071322 A JP2007071322 A JP 2007071322A JP 2007071322 A JP2007071322 A JP 2007071322A JP 2008232761 A JP2008232761 A JP 2008232761A
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Kiyomi Eimiya
清美 永宮
Kiichi Motozono
貴一 本園
Tomohiro Usami
知洋 宇佐美
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Abstract

【課題】早期に擬似距離のばらつきを収束させること。
【解決手段】本発明による移動体用測位装置1は、慣性航法測位部60と、衛星と移動体の間の擬似距離を計測するGPS受信機20と、擬似距離推測部80と、衛星軌道情報に係る衛星の位置の分散と、慣性航法測位部60により導出された前記移動体の位置の分散と、GPS受信機20の時計誤差の分散とに基づいて、擬似距離推測部80により推測された擬似距離ρ推測の分散ρ推測を算出する分散算出部30と、を備える。好ましくは、GPS受信機20により計測された擬似距離ρと、擬似距離推測部80により推測された擬似距離ρ推測とを結合して、結合擬似距離ρCOMを算出する擬似距離結合部40と、この結合擬似距離ρCOMを用いて移動体位置を測位する測位演算部50とを更に備え、擬似距離結合部40は、分散算出部30により算出された分散ρ推測を用いて、結合擬似距離ρCOMを算出する。
【選択図】図2

Description

本発明は、移動体の位置を測位する移動体用測位装置に関する。
従来から、GPS受信機の観測情報と、自律航法(慣性航法)用複合センサの計測情報を用いて、車両の現在位置、進行方向及び速度等を計算する複合航法を備えたロケータ装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。このロケータ装置では、慣性航法と衛星航法とをルーズカップリング型で融合するカルマンフィルタを用いて、車輪速センサのスケーリングファクタが補正されている。
また、近年では、慣性航法と衛星航法とを融合する際に、GPS受信機の測位結果ではなく、GPS受信機の観測生データ(例えば擬似距離の計測データ)を直接的に用いるタイトカップリング型カルマンフィルタが提案されている。
特開2000−346661号公報
ところで、実際のGPS衛星からの電波(衛星信号)には、GPS衛星からGPS受信機までの間に、熱雑音(自然界に存在するノイズ)が加わるので、C/Aコード等の擬似雑音符号に基づき擬似距離を算出する構成においては、擬似距離のばらつきを収束させるのに長い時間を要する。
この点、上述の背景技術に記載された文献では、センサのバイアス誤差やドリフト誤差等を補正して測位精度を高める観点から、ルーズカップリング型やタイトカップリング型により慣性航法と衛星航法とを融合させているが、早期に擬似距離のばらつきを収束させる観点から何ら提案がなされていない。
そこで、本発明は、早期に擬似距離のばらつきを収束させることができる移動体用測位装置の提供を目的とする。
上記目的を達成するため、第1の発明は、移動体に搭載され、該移動体の位置を測位する移動体用測位装置において、
慣性航法を用いて前記移動体の位置を算出する慣性航法測位手段と、
衛星からの電波に乗せられたコード情報と、受信機時計の時刻情報とに基づいて、該衛星と前記移動体の間の擬似距離を計測する擬似距離計測手段と、
前記擬似距離計測手段により計測される擬似距離を、衛星軌道情報に基づく衛星の位置の算出値と、前記慣性航法測位手段による前記移動体の位置の算出値と、前記受信機時計の時計誤差の推定値とに基づいて推測する擬似距離推測手段と、
前記衛星軌道情報に係る衛星の位置の分散と、前記慣性航法測位手段により算出された前記移動体の位置の分散と、前記時計誤差の分散とに基づいて、前記擬似距離推測手段により推測された擬似距離の分散を算出する分散算出手段と、を備えることを特徴とする。
第2の発明は、第1の発明に係る移動体用測位装置において、
前記擬似距離計測手段により計測された擬似距離と、前記擬似距離推測手段により推測された擬似距離とを結合して、結合擬似距離を算出する結合擬似距離算出手段と、
前記結合擬似距離算出手段により算出された前記結合擬似距離を用いて移動体位置を測位する測位演算手段とを更に備え、
前記結合擬似距離算出手段は、前記分散値算出手段により算出された分散を用いて、前記擬似距離の結合処理を行うことを特徴とする。
第3の発明は、第1の発明に係る移動体用測位装置において、
前記擬似距離推測手段により推測された擬似距離段及び擬似距離計測手段により計測された擬似距離は、タイトカップリング型のカルマンフィルタに入力されることを特徴とする。
第4の発明は、第3の発明に係る移動体用測位装置において、
前記分散算出手段は、前記タイトカップリング型のカルマンフィルタで導出される誤差共分散行列の対角成分に基づいて、前記慣性航法測位手段により算出された前記移動体の位置の分散と、前記時計誤差の分散とを算出することを特徴とする。
本発明によれば、早期に擬似距離のばらつきを収束させることができる移動体用測位装置が得られる。
以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態の説明を行う。
図1は、本発明に係る移動体用測位装置が適用されるGPS(Global Positioning System)の全体的な構成を示すシステム構成図である。図1に示すように、GPSは、地球周りを周回するGPS衛星10と、地球上に位置し地球上を移動しうる車両90とから構成される。但し、車両90は、移動局の一例であり、他の移動体としては、自動二輪車、鉄道、船舶、航空機、ホークリフト、ロボットや、人の移動に伴い移動する携帯電話等の情報端末が想定される。
GPS衛星10は、航法メッセージを地球に向けて常時放送する。航法メッセージには、対応するGPS衛星10に関する衛星軌道情報(エフェメリスやアルマナク)、時計の補正値、電離層の補正係数が含まれている。航法メッセージは、C/Aコードにより拡散されL1波(周波数:1575.42MHz)に乗せられて、地球に向けて常時放送されている。尚、L1波は、C/Aコードで変調されたSin波とPコード(Precision Code)で変調されたCos波の合成波であり、直交変調されている。C/Aコード及びPコードは、擬似雑音(Pseudo Noise)符号であり、−1と1が不規則に周期的に並ぶ符号列である。
尚、現在、24個のGPS衛星10が高度約20,000kmの上空で地球を一周しており、各4個のGPS衛星10が55度ずつ傾いた6つの地球周回軌道面に均等に配置されている。従って、天空が開けている場所であれば、地球上のどの場所にいても、常時、少なくとも5個以上のGPS衛星10が観測可能である。
車両90には、移動体用測位装置1が搭載される。図2は、本発明による移動体用測位装置1の一実施例における主要な機能ブロック図である。
移動体用測位装置1は、図2に示すように、タイトカップリング型で慣性航法と衛星航法とを融合させたタイトカップリング型測位システム5に、分散算出部30、擬似距離結合部40、及び測位演算部50を追加した構成となっている。
タイトカップリング型測位システム5は、GPS受信機20と、慣性航法測位部60と、状態推定器70と、擬似距離推測部80とを備える。
GPS受信機20は、擬似距離及びドップラ速度を計測する機能を有する構成であれば、如何なる構成であってもよい。
図3は、GPS受信機20の内部構成の一例を示す。以下では、説明の複雑化を避けるため、ある1つのGPS衛星10からの衛星信号に関する信号処理(1チャンネルの信号処理)を代表して説明する。以下で説明する信号処理は、観測周期毎(例えば1ms)に、観測可能な各GPS衛星10,10,10等からの衛星信号に対して並列的(同時)に実行される。
GPS受信機20は、GPSアンテナ21、高周波回路22、A/D(analog-to-digital)変換回路24、DDL[Delay―Locked Loop]110、PLL(Phase−Locked Loop)120、ドップラ速度算出部122、衛星位置算出部124、及び、フィルタ130を含む。DDL110は、相互相関演算部111,112、位相進め部113、位相遅れ部114、位相ずれ計算部115、位相補正量計算部116、レプリカC/Aコード生成部117、及び、擬似距離算出部118を含む。
GPSアンテナ21は、GPS衛星10から発信されている衛生信号を受信し、受信した衛星信号を電圧信号(本例では、周波数1.5GHz)に変換する。1.5GHzの電圧信号をRF(radio frequency)信号と称する。
高周波回路22は、GPSアンテナ21を介して供給される微弱なRF信号を後段でA/D変換できるレベルまで増幅すると共に、RF信号の周波数を信号処理できる中間周波数(典型的には、1MHz〜20MHz)に変換する。尚、このようにRF信号をダウンコンバートして得られる信号を、IF(Intermediate frequency)信号と称する。
A/D変換回路24は、高周波回路22から供給されるIF信号(アナログ信号)を、デジタル信号処理ができるようにデジタルIF信号に変換する。デジタルIF信号は、DDL110及びPLL120等に供給される。
DDL110のレプリカC/Aコード生成部117では、レプリカC/Aコードが生成される。レプリカC/Aコードとは、GPS衛星10からの衛星信号に乗せられるC/Aコードに対して、+1、−1の並びが同一のコードである。
相互相関演算部111には、レプリカC/Aコード生成部117で生成されるレプリカC/Aコードが、位相進め部113を介して入力される。即ち、相互相関演算部111には、Earlyレプリカ符号が入力される。位相進め部113では、レプリカC/Aコードが所定の位相だけ進められる。位相進め部113で進められる位相進み量をθとする。
相互相関演算部111には、また、デジタルIF信号が、図示しないミキサにより、PLL120で生成されるレプリカキャリアが乗算されてから入力される。
相互相関演算部111では、入力されるデジタルIF信号と、位相進み量θのEarlyレプリカ符号を用いて、相関値(Early相関値ECA)が演算される。Early相関値ECAは、例えば以下の式で演算される。
Early相関値ECA=Σ{(デジタルIF)×(Earlyレプリカ符号)}
相互相関演算部112には、レプリカC/Aコード生成部117で生成されるレプリカC/Aコードが、位相遅れ部114を介して入力される。即ち、相互相関演算部112には、Lateレプリカ符号が入力される。位相遅れ部114では、レプリカC/Aコードが所定の位相だけ遅らされる。位相遅れ部114で遅らされる位相遅れ量は、位相進み量θと大きさ同一で符号が異なる。
相互相関演算部112には、また、デジタルIF信号が、図示しないミキサにより、PLL120で生成されるレプリカキャリアが乗算されてから入力される。
相互相関演算部112では、入力されるデジタルIF信号と、位相遅れ量−θのLateレプリカ符号を用いて、相関値(Late相関値LCA)が演算される。Late相関値LCAは、例えば以下の式で演算される。
Late相関値LCA1=Σ{(デジタルIF)×(Lateレプリカ符号)}
このようにして、相互相関演算部111、112では、コリレータ間隔d(“スペーシング”とも称される)を2θとした相関値演算が実行される。相互相関演算部111、112にてそれぞれ演算されたEarly相関値ECA及びLate相関値LCAは、位相ずれ計算部115に入力される。
位相ずれ計算部115では、デジタルIF信号と、レプリカC/Aコード生成部117で生成されるレプリカC/Aコードとの間に、どの程度位相のずれがあるかが算出される。即ち、位相ずれ計算部115では、受信したC/Aコードに対するレプリカC/Aコードの位相ずれ量Δφが算出(推定)される。レプリカC/Aコードの位相ずれ量Δφは、例えば以下の式で演算される。
(位相ずれ量Δφ)=(ECA−LCA)/2(ECA+LCA
このようにして算出された位相ずれ量Δφは、位相補正量計算部116に入力される。
位相補正量計算部116では、位相ずれ量Δφを無くすべく、適切な位相補正量が算出される。適切な位相補正量が、例えば以下の演算式に従って、算出される。
(位相補正量)=(Pゲイン)×(位相ずれ量Δφ)+(Iゲイン)×Σ(位相ずれ量Δφ)
この式は、PI制御を利用したフィードバック制御を表す式であり、Pゲイン及びIゲインは、それぞれバラツキと応答性の兼ね合いから実験的に決定される。このようにして算出された位相補正量は、レプリカC/Aコード生成部117に入力される。
レプリカC/Aコード生成部117では、生成されるレプリカC/Aコードの位相が、位相補正量計算部116により算出された位相補正量だけ補正される。即ち、レプリカC/Aコードの追尾点が補正される。かくして生成されたレプリカC/Aコードは、上述の如く位相進め部113及び位相遅れ部114を介して相互相関演算部111、112に入力されると共に、擬似距離算出部118に入力される。尚、相互相関演算部111、112では、このようにして生成されたレプリカC/Aコードは、次回の観測周期で入力されるIFデジタル信号に対する相関値演算に用いられることになる。
擬似距離算出部118では、レプリカC/Aコード生成部117で生成されるレプリカC/Aコードの位相情報に基づいて、擬似距離ρ’CAが、例えば以下の式により演算される。尚、符号の意味として、擬似距離ρCAに付された「’」は、後述のフィルタ処理が実行されていないことを示し、「CA」は、C/Aコードに基づいて算出された擬似距離ρであることを示す。
ρ’CA=NCA×300
ここで、NCAは、GPS衛星10と車両90との間のC/Aコードのビット数に相当し、レプリカC/Aコード生成部117で生成されるレプリカC/Aコードの位相及び受信機1内部の受信機時計に基づいて算出される。尚、数値300は、C/Aコードが、1ビットの長さが1μsであり、1ビットに相当する長さが約300m(1μs×光速)であることに由来する。このようにして算出された擬似距離ρ’CAを表す信号は、DDL110からフィルタ130に入力される。
PLL120では、内部で発生させたキャリアレプリカ信号を用いて、ドップラシフトした受信搬送波(受信キャリア)のドップラ周波数Δfが測定される。即ち、PLL120では、レプリカキャリアの周波数frと既知の搬送波周波数fL1(1575.42MHz)に基づいて、ドップラ周波数Δf(=fr−fL1)が測定される。尚、PLL120に入力されるデジタルIF信号は、図示しないミキサにより、DDL110から供給されるレプリカC/Aコードが乗算されたものである。PLL120からのドップラ周波数Δfを表す信号は、ドップラ速度算出部122及びフィルタ130に入力される。
フィルタ130では、ドップラ周波数Δfを用いて、擬似距離ρ’CAのフィルタ処理が実行される。フィルタ130では、例えば以下の演算式に従って、フィルタ処理後の擬似距離ρCAが計算される。
Figure 2008232761
ここで、(i)は今回値を表し、(i−1)は前回値を表し、Mは、重み係数である。Mの値は、精度と応答性を考慮しつつ適切に決定される。また、ΔVは、GPS衛星10と車両90との間の相対速度(ドップラ速度)である。フィルタ処理は、本分野で知られているキャリアスムージングと呼ばれる処理であってよく、上記のハッチフィルタの他、カルマンフィルタを用いても実現可能である。
ドップラ速度算出部122では、入力されたドップラ周波数Δfに基づいて、GPS衛星10と車両90との間の相対速度(ドップラ速度)ΔVが、例えば以下の関係式を用いて、算出される。
Δf=ΔV・fL1/(c−ΔV)
尚、cは光速を表す。
衛星位置算出部124は、航法メッセージの衛星軌道情報に基づいて、GPS衛星10の、ワールド座標系での現在位置r(SV)=(XSV、YSV、ZSV)及び移動速度V(SV)を計算する。尚、GPS衛星10は、人工衛星の1つであるので、その運動は、地球重心を含む一定面内(軌道面)に限定される。また、GPS衛星10の軌道は地球重心を1つの焦点とする楕円運動であり、ケプラーの方程式を逐次数値計算することで、軌道面上でのGPS衛星10の位置が計算できる。また、GPS衛星10の位置r(SV)は、GPS衛星10の軌道面とワールド座標系の赤道面が回転関係にあることを考慮して、軌道面上でのGPS衛星10の位置を3次元的な回転座標変換することで得られる。尚、ワールド座標系とは、図4に示すように、地球重心を原点として、赤道面内で互いに直交するX軸及びY軸、並びに、この両軸に直交するZ軸により定義される。
GPS受信機20にて導出される衛星位置r(SV)及び衛星移動速度V(SV)は、後述の擬似距離推測部80に入力される。
図2に戻る。慣性航法測位部60は、例えば車両の挙動を表すことができる状態量を検出する車輪速センサ等の車載センサの出力値を入力とする車両モデルを用いて適切な拘束を付与しつつ、IMU(加速度センサ及びジャイロセンサからなる慣性計測装置)の出力信号に基づいて、車両位置、速度や車両姿勢(方位角)を算出する。車両モデルは、例えばセンサのバイアスやドリフトが経時的に変化する性質を有することを考慮したガウスマルコフモデルに基づくものであってよい。この種の慣性航法による車両位置の測位方法は、多種多様でありえ、如何なる方法であってもよい。例えば車両位置は、加速度センサの出力値に、姿勢変換、重力補正、コリオリ力補正を行って2回積分し、当該2回積分により得られる移動距離を、車両位置の前回値に積算することで導出されてよい。姿勢変換を行うための変換式は、ジャイロセンサの出力値に、地球自転を加味する補正を行って積分し、その積分値(ヨー角)と姿勢の前回値とを積算した値を用いて作成されてよい。このようにして得られる車両位置及び速度を、ここでは、それぞれ、車両推定位置r(INS)=(XINS、YINS、ZINS)及び車両推定速度V(INS)という。車両推定位置r(INS)及び車両推定速度V(INS)は、後述の擬似距離推測部80に入力される。
擬似距離推測部80は、GPS受信機20から得られる衛星位置r(SV)及び衛星移動速度V(SV)と、慣性航法測位部60から得られる車両推定位置r(INS)及び車両推定速度V(INS)とに基づいて、以下の式により、推測擬似距離ρ推測及び推測ドップラ速度ΔV推測を算出する。
ρ推測=√{(XINS−XSV+(YINS−YSV+(ZINS−ZSV}+C
ΔV推測=V(INS)−V(SV)
ここで、Cとは、GPS受信機20にて計測される擬似距離ρCA(或いはフィルタ前の擬似距離ρ’CA、以下、計測擬似距離ρと称する。)に含まれる時計誤差の推定値、即ち、GPS受信機20内の受信機時計と、GPS衛星10に搭載される原子時計との間の誤差の推定値である。Cは、後述の状態推定器70から供給される。
このようにして擬似距離推測部80にて導出される推測擬似距離ρ推測及び推測ドップラ速度ΔV推測は、それぞれ、GPS受信機20から得られる計測擬似距離ρ及びドップラ速度ΔVに対して時間的に同期した態様で差分が取られる(例えば同一のGPS時刻に係る値同士で差分が取られる)。そして、これらの差分値が観測量zとして状態推定器70に入力される。
状態推定器70は、タイトカップリング型のカルマンフィルタを用いて、各種の状態量ηを推定する。状態方程式は、以下のように設定される。
η(t)=F・η(tn−1)+G・u(tn−1)+Γ・w(tn−1
ここで、η(t)は、時刻t=tでの状態変数を表わし、また、u(tn−1)及びw(tn−1)は、それぞれ、時刻t=tn−1での既知入力及び外乱(システム雑音:正規性白色雑音)である。η(t)は、車両推定位置r(INS)及び車両推定速度V(INS)のそれぞれの誤差δr(INS)及びδv(INS)、慣性航法測位部60で推定される車両の姿勢の誤差δε(INS)、ジャイロセンサのバイアス誤差δb、加速度センサのドリフト誤差δd、車両90のタイヤの半径誤差δs、及び、GPS受信機20内の受信機時計の誤差δCを含む。
また、観測方程式は、次のように設定される。
z(t)=H(t)・η(t)+v(t
観測量zは、上述の如く、擬似距離推測部80にて導出される推測擬似距離ρ推測及び推測ドップラ速度ΔV推測と、GPS受信機20にて導出される計測擬似距離ρ及びドップラ速度ΔVとのそれぞれの差分値である。
ここで、観測量zは、(ρ−ρ推測、ΔV−ΔV推測)であるが、車両推定位置r(INS)及び車両推定速度V(INS)に、各種誤差δr(INS)、δv(INS)、δε(INS)、δb、δd及びδsが含まれていると仮定する。この場合、例えば擬似距離に関する観測量は、ρ−ρ推測=√{(XINS+Σδ*−XSV+(YINS+Σδ*−YSV+(ZINS+Σδ*−ZSV}+C+δCとなる。(δ*、δ*、δ*)は、各種誤差δr(INS)、δv(INS)、δε(INS)、δb、δd及びδsに対応する各誤差のX,Y,Z成分を表す。このように、上記の状態方程式は線形であるのに対して、観測量zは、状態変数η(各種誤差)に関して非線形であるため、線形化して上記の観測方程式の観測行列Hが求められる。
分散算出部30は、先ず、GPS受信機20にて導出される計測擬似距離ρの分散σ を算出する機能を有する。分散σ は、例えば以下の式に従って算出されてよい。
σ =Σ(ρ”−ave(ρ”))/(n−1) 式(1)
式(1)において、ρ”は、計測擬似距離ρから観測周期毎の擬似距離変化量を差し引いたものである。擬似距離変化量は、上述のドップラ周波数Δfから導出されてよい。ave(ρ”)は、データ数nのρ”の平均を表す。
或いは、計測擬似距離ρの分散値σ は、例えば以下の式に従って算出されてよい。
σ =λ×√(d/τ・C/N) 式(2)
式(2)において、C/Nは、搬送波の強度(電力)と雑音の強度(電力)の比である。C/N以外は固定値であり、λは、C/Aコードの1ビットの長さであり、約300[m]である。dは、計測擬似距離ρを算出した際に用いたレプリカC/Aコードに係るEarlyレプリカ符号とLateレプリカ符号の位相差(コリレータ間隔)である。τは、フィルタにおけるフィルタ時定数であり、データ数に相当する。
この場合、C/Nの算出方法は、多種多様であり、例えば以下の式(3)に従って算出されてよい。
C/N={(GPS衛星10の発信電波強度)−α×L}/(熱雑音レベル) 式(3)
これは、C/Nを理論式により推測する方法があり、熱雑音は基本的に常に一定であり、信号は距離の二乗に比例して減衰するという特徴を利用したものである。ここで、GPS衛星10の発信電波強度及び熱雑音レベルは、既知の値を用いる。Lは、GPS衛星10と車両90との間の距離であり、GPS衛星10の位置と、車両90の位置とに基づいて、算出される。GPS衛星10の位置は、衛星位置算出部124からの情報が用いられてよく、車両90の位置は、測位演算部50における前回周期の測位結果であってよく、又は今回周期の測位結果をフィードバックして利用してもよい。また、αは、減衰係数である。尚、式(2)において、GPSアンテナ21の指向性ないしGPS衛星10の仰角を加味するための項を追加してもよい。
或いは、C/Nは、例えば以下の式(4)に従って算出されてよい。
C/N=log(ECA+LCA)+β 式(4)
これは、C/Nがノイズ電力Wnと信号電力(搬送波電力)Wcを用いて、C/N=10log(Wc/Wn)で表され、Wc/WnがEarly相関値ECA及びLate相関値LCAの和(=ECA+LCA)に比例関係にあることを考慮したものである。式(3)において、βは、適切な固定値であり、例えば既知のノイズ電力Wnを用いて、−10logWnで表されてよい。尚、Early相関値ECA及びLate相関値LCAは、熱雑音に起因してバラツキが発生するため、式(4)により求めるC/Nには、バラツキが発生する。従って、以下の式(5)のように、ある程度データをためてフィルタ(平均)処理を行うことで、各相関値ECA、LCAのバラツキの影響を低減することが可能である。
C/N=Σ(C/N’)/n 式(5)
C/N’は、上記の式(4)により算出されたC/Nで表す。nは、データ数(例えば、1ms毎にデータを収集し、100ms分のデータを用いる場合には、n=100)である。尚、データ数nは、観測開始時をゼロとして、その後、観測周期(例えば1ms)毎に1つずつ増加するものである。
或いは、C/Nは、例えば以下の式(6)に従って算出されてよい。
C/N=(C/N推測+n×C/N実測)/(n+1) 式(6)
C/N推測は、上記の式(3)により算出されたC/Nを表し、C/N実測は、上記の式(4)又は(5)により算出されたC/Nを表す。この式(6)では、データ数nが増えるに従って、C/N実測に大きい重みが付与されるようになっている。即ち、観測開始直後は、実測データ量の少なさに起因したC/N実測のバラツキを考慮してC/N推測に相対的に大きな重みが付与され、時間が経過するに従って、実測データ量の増加に伴って信頼性が高くなったC/N実測に相対的に大きな重みが付与されるようになっている。
分散算出部30は、更に、擬似距離推測部80にて導出される推測擬似距離ρ推測の分散σ推測 を算出する機能を有する。
分散σ推測 は、ρ推測=√{(XINS−XSV+(YINS−YSV+(ZINS−ZSV}+Cであることから、衛星軌道情報に係る衛星の位置の分散と、慣性航法測位部60により導出された車両推定位置r(INS)の分散と、GPS受信機20の時計誤差の分散とから算出される。
分散σ推測 は、分散の伝播則により、衛星軌道情報に係る衛星の位置の分散と、慣性航法測位部60により導出された車両推定位置r(INS)の分散とから算出される分散σ に、GPS受信機20の時計誤差の分散σCt を足し合わせることにより算出されてよい。即ち、分散σ推測 =σ +σCt として算出されてよい。
分散σ は、分散の伝播則により以下のようにして算出されてよい。
Figure 2008232761
数2において、f=√{(XINS−XSV+(YINS−YSV+(ZINS−ZSV}である。また、(XINS0、YINS0、ZINS0)は、前回周期(1サンプル前)の値を表し、(XSV0、YSV0、ZSV0)は、前回周期(1サンプル前)の値を表す。但し、今回周期の各値が用いられてもよい。また、(σXINS 、σYINS 、σZINS )は、それぞれ、車両推定位置r(INS)のX,Y,Z成分の分散を表し、状態推定器70で導出される誤差共分散行列Pにおける対応する対角成分の値が用いられる。(σXSV 、σYSV 、σZSV )は、それぞれ、衛星位置r(SV)のX,Y,Z成分の分散を表す。(σXSV 、σYSV 、σZSV )は、過去に得られた衛星位置の分散値を考慮して設定されてもよいし、予め適切な固定値として適宜設定するようにしてもよい。固定値の場合、(σXSV 、σYSV 、σZSV )は、例えばそれぞれ±10程度であってよい。
GPS受信機20の時計誤差の分散σCt は、状態推定器70で導出される誤差共分散行列Pにおける対応する対角成分の値が用いられる。
擬似距離結合部40は、同一GPS時刻に係る計測擬似距離ρと推測擬似距離ρ推測とを結合して、1つの擬似距離ρCOM(以下、「結合擬似距離」という)を算出する。擬似距離結合部40は、例えば簡易的に以下の式により、結合擬似距離ρCOMを算出してよい。
ρCOM=(ρ+ρ推測)/2
即ち、結合擬似距離ρCOMは、計測擬似距離ρと推測擬似距離ρ推測とを平均化することにより算出されてよい。但し、好ましくは、擬似距離結合部40は、分散算出部30から得られる計測擬似距離ρの分散値σ 及び推測擬似距離ρ推測の分散値σ推測 を用いて、例えば以下の式に従って、第1擬似距離ρと第2擬似距離ρとを結合することで、結合擬似距離ρCOMを算出する。
ρCOM=(σ推測 2m×ρ+σ 2m×ρ推測)/(σ推測 2m+σ 2m
ここで、上付き「」は、階乗を表し、正の整数(m=1,2、・・)のうちの適切な値が用いられる。例えば、m=1であってよい。この場合、結合擬似距離ρCOMは、以下の式に従って算出されることになる。
ρCOM=(σ推測 ×ρ+σ ×ρ推測)/(σ推測 +σ
このようにして擬似距離結合部40にて算出される結合擬似距離ρCOMは、測位演算部50に入力される。
測位演算部50は、衛星位置算出部124から得られる衛星位置r(SV)と、擬似距離結合部40から供給される結合擬似距離ρCOMとに基づいて、車両90の位置(X,Y,Z)を測位する。測位結果は、例えばナビゲーションシステムに出力されてよい。車両90の位置は、3つのGPS衛星10に対して得られるそれぞれの結合擬似距離ρCOM及び衛星位置r(SV)を用いて、三角測量の原理で導出されてよい。この場合、結合擬似距離ρCOMは上述の如く時計誤差を含むので、4つ目のGPS衛星10に対して得られる結合擬似距離ρCOM及び衛星位置r(SV)を用いて、時計誤差成分が除去されてよい。或いは、5つ以上のGPS衛星10に対して得られる結合擬似距離ρCOM及び衛星位置r(SV)を用いて、統計的なアルゴリズムを用いて最終的な車両90の位置(X,Y,Z)が決定されてもよい。尚、車両90の位置の測位方法としては、上述のような単独測位に限られず、干渉測位(既知の点に設置された固定局での受信データを併用する方式)であってもよい。干渉測位の場合、上述の如く固定局及び車両90にてそれぞれ得られる擬似距離の一重位相差や2重位相差等を用いて車両90の位置が測位されることになる。
次に、以上説明した本実施例の移動体用測位装置1の主要動作について、図5を参照して説明する。図5に示す処理は、所定周期毎に繰り返し実行されるが、ここでは、時刻tに係る周期を今回周期として説明する。
ステップ300では、IMUの出力値(例えば3軸方向の加速度、及び、3軸まわりのヨー)がサンプリングされる。IMUの値は、後述のステップ350の前回周期にて状態推定器70により算出される誤差に基づいて補正を受けてよい。即ち、ジャイロセンサのバイアス誤差δb、加速度センサのドリフト誤差δdの推定値に基づいて、それぞれの誤差が補正されてよい。また、車輪速センサのスケーリングファクタ(車両モデル)についても、後述のステップ350の前回周期にて状態推定器70により導出されるタイヤ半径誤差δsの推定値に基づいて、補正されてよい。
ステップ310では、慣性航法測位部60において、上記ステップ300で得られるIMUの出力値に基づいて、車両推定位置r(INS)及び車両推定速度V(INS)等が導出される。車両推定位置r(INS)等は、擬似距離推測部80において推測擬似距離ρ推測(t)の算出に用いられる。
ステップ320では、状態推定器70においてカルマンフィルタの時間更新が実行される。カルマンフィルタの時間更新は、例えば以下のように表される。
η(t(−)=η(tn−1(+)+u(tn−1
P(t(−)=F・P(tn−1(+)・F+Γ・Q(tn−1)・Γ
尚、Pは、予測・推定誤差の共分散行列であり、Qは、外乱wの共分散行列(正定値対称行列)である。
ステップ330乃至360では、状態推定器70においてカルマンフィルタの観測更新及び誤差推定処理が実行される。具体的には、以下のとおりである。
ステップ330では、現在見えている(観測可能な)GPS衛星10のそれぞれに対して、擬似距離推測部80にて推測擬似距離ρ推測(t)が算出されると共に、GPS受信機20にて計測擬似距離ρ(t)が計測される。この際、擬似距離推測部80にて導出される推測擬似距離ρ推測(t)の算出に用いる時計誤差Cは、後述のステップ350の前回周期にて状態推定器70により導出される誤差δCの推定値に基づいて、補正されてよい。次いで、これらの計測擬似距離ρ及び推測擬似距離ρ推測に基づいて、上述の如く観測量z(t)が導出される。そして、ステップ330では、現在見えているGPS衛星10に応じた観測行列H(t)が演算される。尚、観測方程式(即ち、観測行列H(t))は、現在見えているGPS衛星10の数に応じて変化する。
ステップ340では、カルマンゲインK(t)が以下のように演算される。
K(t)=P(t(−)・H(t)・(H(t)・P(t(−)・H(t)+R(t))−1
尚、Rは、観測ノイズ(正規性白色雑音)vの共分散行列(正定値対称行列)である。
ステップ350では、上記のステップ340で得られるカルマンゲインK(t)に基づいて、推定誤差δη(t)が以下のように算出される。
δη(t)=K(t)・z(t
このようにして導出された状態量ηの推定誤差δη(t)は、次回周期(tn+1)における上記のステップ310や330における誤差補正に利用される。
ステップ360では、上記のステップ340で得られるカルマンゲインK(t)に基づいて、共分散行列Pが以下のように更新される。
P(t(+)=P(t(−)−K(t)・H(t)・P(t(−)
ステップ370では、分散算出部30において分散σ (t)、σ推測 (t)が算出される。分散σ推測 (t)の算出には、上記のステップ360で導出されるP(t(+)における対応する対角成分の値、及び、所定の固定値が利用される。
ステップ380では、擬似距離結合部40において計測擬似距離ρ(t)及び推測擬似距離ρ推測(t)が結合されて結合擬似距離ρCOM(t)が算出される。計測擬似距離ρ(t)及び推測擬似距離ρ推測(t)の結合には、上記のステップ370で導出される分散σ (t)及びσ推測 (t)が用いられる。
ステップ390では、測位演算部50において車両90の位置が測位される。この測位には、上記のステップ380で導出される結合擬似距離ρCOM(t)が用いられる。
以上説明した本実施例の移動体用測位装置1によれば、とりわけ以下の有利な効果が奏される。
上述の如く、本実施例では、1観測周期でのC/Aコードの観測データから、1つのGPS衛星10に対する2個の擬似距離(計測擬似距離ρ、推測擬似距離ρ推測)が算出されるので、1つのGPS衛星10に対して1観測周期で唯一の擬似距離(例えば計測擬似距離ρのみ)を算出する構成に比べて、擬似距離(結合擬似距離ρCOM)のばらつきを早期に収束させることができる。
また、2個の擬似距離(計測擬似距離ρ、推測擬似距離ρ推測)を、それぞれの分散σ 、σ推測 (バラツキ度合いを表す指標)を用いて結合させることで、結合擬似距離ρCOMのばらつきを早期に収束させつつ、高い精度の結合擬似距離ρCOMを得ることができる。また、推測擬似距離ρ推測の分散σ推測 は、タイトカップリング型のカルマンフィルタにて導出される共分散行列Pの対角線分を利用して導出されるので、推測擬似距離ρ推測の分散σ推測 を精度良く算出することができる。
また、分散算出部30と擬似距離推測部80から推測擬似距離ρ推測とその分散σ推測 を求めることで、受信機内で擬似距離を絞り込む際のパラメータとして用いることができ、擬似距離推定の高速化を行うことも可能である。
また、状態推定器70において、車両90のタイヤの半径誤差δsを考慮したタイトカップリング型のカルマンフィルタを構成することにより、車輪速センサの誤差要因をも補償できる精度の高い車両モデルを用いることができ、慣性航法測位部60の測位精度ひいては測位演算部50の測位精度を高めることができる。
以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。
例えば、上述の実施例では、既存のGPS受信機20を含むタイトカップリング型測位システム5に、分散算出部30、擬似距離結合部40及び測位演算部50を追加する態様で、移動体用測位装置1が実現されているが、本発明はこれに限られず、GPS受信機20内に、分散算出部30、擬似距離結合部40及び測位演算部50の全部若しくは一部がソフトウェア的に及び/又はハードウェア的に組み込まれてもよい。
また、上述の実施例では、C/Aコードを用いて計測擬似距離ρを導出しているが、計測擬似距離ρは、L2波のPコードに基づいて導出されてもよい。尚、Pコードの場合、Wコードで暗号化されているので、Pコード同期を行う際に、クロス相関方式を利用したDLLにより、Pコードを取り出すこととしてよい。Pコードに基づく擬似距離ρ’は、GPS衛星10でPコードが0ビット目であるとしてPコードのMビット目が車両90にて受信されているかを計測することで、ρ’=M×30として求めることができる。
また、同様の観点から、上述の実施例において、C/Aコードに基づく計測擬似距離ρに代えて、車載カメラを用いた道路標識等(例えば、交差点手前の菱形のペイントのような、位置が既知の標識等)の画像認識結果に基づいて導出可能な推測擬似距離、路車間通信や車間通信を介して得られる車両位置に基づいて導出可能な推測擬似距離等を用いてもよい。
また、上述の実施例では、2個の擬似距離(計測擬似距離ρ、推測擬似距離ρ推測)を結合して結合擬似距離ρCOMを算出しているが、推測擬似距離ρ推測を含む3個以上の擬似距離を結合して結合擬似距離ρCOMを算出してもよい。この場合、他の擬似距離としては、Pコードに基づく計測擬似距離ρ’や、異なる追尾方法で得られるC/Aコードに基づく計測擬似距離、車載カメラを用いた道路標識等の画像認識結果に基づいて導出可能な推測擬似距離、路車間通信や車車間通信を介して得られる車両位置に基づいて導出可能な推測擬似距離等が考えられる。この場合、結合態様としては、ある一の擬似距離に対して、1つずつ他の擬似距離を結合させてもよいし、すべての擬似距離を一括的に結合させてもよい。
また、上述の実施例では、GPSに本発明が適用された例を示したが、本発明は、GPS以下の衛星システム、例えばガリレオ等の他のGNSS (Global Navigation Satellite System)にも適用可能である。
本発明に係る移動体用測位装置が適用されるGPSの全体的な構成を示すシステム構成図である。 本発明による移動体用測位装置1の一実施例における主要な機能ブロック図である。 GPS受信機20の内部構成の一例を示す図である。 ワールド座標系とローカル座標系との関係、及び、ローカル座標系とボディ座標との関係を示す図である。 本実施例の移動体用測位装置1の主要動作を示すフローチャートである。
符号の説明
1 移動体用測位装置
10 GPS衛星
20 GPS受信機
21 GPSアンテナ
22 高周波回路
24 A/D変換回路
30 分散算出部
40 擬似距離結合部
50 測位演算部
60 慣性航法測位部
70 状態推定器
80 擬似距離推測部
110 DDL
120 PLL
130 フィルタ

Claims (4)

  1. 移動体に搭載され、該移動体の位置を測位する移動体用測位装置において、
    慣性航法を用いて前記移動体の位置を算出する慣性航法測位手段と、
    衛星からの電波に乗せられたコード情報と、受信機時計の時刻情報とに基づいて、該衛星と前記移動体の間の擬似距離を計測する擬似距離計測手段と、
    前記擬似距離計測手段により計測される擬似距離を、衛星軌道情報に基づく衛星の位置の算出値と、前記慣性航法測位手段による前記移動体の位置の算出値と、前記受信機時計の時計誤差の推定値とに基づいて推測する擬似距離推測手段と、
    前記衛星軌道情報に係る衛星の位置の分散と、前記慣性航法測位手段により算出された前記移動体の位置の分散と、前記時計誤差の分散とに基づいて、前記擬似距離推測手段により推測された擬似距離の分散を算出する分散算出手段と、を備えることを特徴とする移動体用測位装置。
  2. 前記擬似距離計測手段により計測された擬似距離と、前記擬似距離推測手段により推測された擬似距離とを結合して、結合擬似距離を算出する結合擬似距離算出手段と、
    前記結合擬似距離算出手段により算出された前記結合擬似距離を用いて移動体位置を測位する測位演算手段とを更に備え、
    前記結合擬似距離算出手段は、前記分散値算出手段により算出された分散を用いて、前記擬似距離の結合処理を行う、請求項1に記載の移動体用測位装置。
  3. 前記擬似距離推測手段により推測された擬似距離段及び擬似距離計測手段により計測された擬似距離は、タイトカップリング型のカルマンフィルタに入力される、請求項1に記載の移動体用測位装置。
  4. 前記分散算出手段は、前記タイトカップリング型のカルマンフィルタで導出される誤差共分散行列の対角成分に基づいて、前記慣性航法測位手段により算出された前記移動体の位置の分散と、前記時計誤差の分散とを算出する、請求項3に記載の移動体用測位装置。
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