JP2012008013A - ヒーブ量計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
従来は、ヒーブ量を計測する場合には、必ず４個以上の測位用衛星の受信が必要であったため、例えば受信が中断し、受信中の測位用衛星が３個以下になった場合に、ヒーブ量計測も中断してしまうという問題があった。
【解決手段】
位置を特定できる３個以上の測位用衛星から送信された電波を受信して、当該電波に重畳されているコードの位相から受信点の位置を求める測位手段と、観測周期における前記電波のキャリア位相量を観測する手段と、前記観測によるキャリア位相量をフィルタしヒーブ量に起因するキャリア位相量であるところのヒーブ位相量を求める手段と、前記受信点の位置と衛星の位置および前記ヒーブ位相量からヒーブ量を算出する手段と、を備えたヒーブ量計測装置とする。
【選択図】図２

Description

この発明は、ＧＰＳ衛星等の測位用衛星から送信される電波を移動体上で受信して、移動
体のヒーブ量を計測する装置に関するものである。

移動体の上下方向の振動を一般にヒーブ（上下揺）と呼ぶが、特許文献１に示されるように、従来のヒーブ量計測装置は、たとえばＧＰＳ衛星等の測位用衛星から送信された電波を受信して、その電波に重畳されている、たとえばＣ／Ａコード等のコード位相から受信点の位置を求め、前回の観測時から今回の観測時までの観測周期における前記電波のキャリア位相変化量を観測する。

なお、Ｃ／Ａコードとは、ＧＰＳ衛星ごとに割り付けられている識別用のデータのことで、これが受信した信号の中のどの時刻にあるかで、現在どの衛星が見えているのか、そしてどの衛星の電波をどういったタイミングで受信できたか、ということがわかるものである。

またさらに、測位された受信点の位置に対する測位用衛星の移動による上記観測周期におけるキャリア位相の変化分と、前記測位用衛星から送信された電波に重畳されている航法メッセージ中のＧＰＳ時刻補正係数から算出した、観測周期の１周期の間における衛星が備える基準発振器のドリフトによって生じるキャリア位相変化分とを、前記観測によるキャリア位相の変化量から差し引いて、受信点の移動に伴うキャリア位相の変化量を求め、４個以上の測位用衛星について求めた上記キャリア位相の変化量から、観測周期における受信点の偏位量を求め、観測周期における受信点の偏位量を積算して受信点の積算偏位量を求めていた。

特許４２８９７６７

しかるに前記従来の手段によれば、必ず４個以上の測位用衛星の受信が必要であるため、受信が中断し受信中の測位用衛星が３個以下になった場合、ヒーブ量計測が中断する問題があった。

前記課題を解決するために、本発明は次の手段とする。つまり、
位置を特定できる３個以上の測位用衛星から送信された電波を受信して、
当該電波に重畳されているコードの位相から受信点の位置を求める測位手段と、
観測周期における前記電波のキャリア位相量を観測する手段と、
前記観測によるキャリア位相量をフィルタしヒーブ量に起因するキャリア位相量であるところのヒーブ位相量を求める手段と、
前記受信点の位置と衛星の位置および前記ヒーブ位相量からヒーブ量を算出する手段と、
を備えたヒーブ量計測装置である。

このように本発明のヒーブ量計測装置は、３個以上の測位用衛星から送信された電波を受信して、その電波に重畳されているコードの位相から受信点の位置を求め、観測周期における前記電波のキャリア位相量を観測し、前記観測によるキャリア位相量をフィルタしヒーブ量に起因するキャリア位相量（ヒーブ位相量）を求め、前記ヒーブ位相量から、前記観測周期におけるヒーブ量を算出することを特徴としている。

また、本発明は、
１個または２個の測位用衛星から送信された電波を受信し、
受信衛星の最大仰角があらかじめ決めた値を超える場合に、
最大仰角の衛星のキャリア位相量から、前記観測周期におけるヒーブ量を算出する手段を備えたヒーブ量計測装置である。

このように、１個または２個の測位用衛星から送信された電波を受信し、受信衛星の最大仰角があらかじめ決めた値（設定仰角）を超える場合に、最大仰角の衛星のキャリア位相量から、前記観測周期におけるヒーブ量を算出することを特徴としている。

この発明によれば、３個の測位用衛星の受信によりヒーブ量が計算可能であるので、４個以上の測位用衛星を用いる手段と比べて、ヒーブ量計測中断を防止することが可能である。

また、設定仰角以上の高仰角衛星が存在する場合は、精度低下はあるが１個または２個の測位用衛星の受信でもヒーブ量計側が可能であるので、さらにヒーブ量計測中断を防止することが可能である。

ヒーブ量計測装置の構成を示すブロック図である。 受信チャネルの構成を示すブロック図である。 一つの実施例でのヒーブ量計測装置の測位演算部における処理手順を示すフローチャートである。 別の実施例でのヒーブ量計測装置の測位演算部における処理手順を示すフローチャートである。 衛星の仰角と方位角を示した図である。

この発明の実施形態に係る移動体のヒーブ量計測装置の構成を図を参照して説明する。

図１は装置全体の構成を示すブロック図である。図１において、１はＧＰＳアンテナ、２はＧＰＳアンテナ１からの高周波信号を増幅するプリアンプ、３は基準発信器、４は基準発信器３の信号から必要な周波数信号を発生する周波数シンセサイザである。

５は周波数シンセサイザ４の発生信号と、プリアンプ２で増幅された高周波信号とをミキシングし中間周波信号に変換するダウンコンバータ、６はダウンコンバータ５からの中間周波信号をデジタル信号に変換するＡＤ（アナログデジタル）変換器である。ＡＤ変換器６は適正に変換できるよう、ＡＧＣ（自動利得制御部）７を通してダウンコンバータ５の利得を制御し入力信号の振幅がほぼ一定になるようにする。

８１から８Ｎは衛星ごとにＡＤ変換器６のデジタル信号を受信しコード位相、キャリア信号の周波数と位相を測定するＮ個の受信チャネルである。Ｎは受信機で異なるが、１２が一般的である。これは、１２個の衛星を受信出来ていると、衛星切り替えが早くなるためである。

９は受信チャネル８１から８Ｎのコード位相、キャリア信号の周波数、位相から受信点の位置を演算する測位演算部である。ヒーブ量の演算も測位演算部９で行う。測位演算部９はＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＲＴＣ（リアルタイムクロック）、外部へデータを出力するためのインタフェース、および受信チャネル８に対してデータを入出力するためのインタフェースを備えている。

図２は受信チャネル８１から８Ｎのいずれか一つの構成を示すブロック図である。１０２はキャリア位相データを発生するキャリアＮＣＯ（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｌｙ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ：数値制御発振器）、１０４はキャリアＮＣＯ１０２のキャリア位相データをＳＩＮ（正弦）デジタル信号に変換するＳＩＮテーブル、１０６はキャリアＮＣＯ１０２のキャリア位相データをＣＯＳ（余弦）デジタル信号に変換するＣＯＳテーブルである。

そして、１０８はＡＤ変換器６のデジタル信号とＳＩＮテーブル１０４のＳＩＮデジタル信号と乗算しＩ成分を復調するためのミキサ、１１０はＡＤ変換器６のデジタル信号とＣＯＳテーブル１０６のＣＯＳデジタル信号と乗算しＱ成分を復調するためのミキサである。

１２０はコード位相データを発生するコードＮＣＯ、１２２は受信処理部１５０より設定された衛星のＰＮコードの番号とコードＮＣＯ１２０のコード位相データに対応したＣ／Ａコード信号を発生するＣ／Ａコード発生器で、１２４は所定のコード位相のずれ（実施例では０．５チップ）を有する３種のＣ／Ａコードを発生するため、コード位相をずらすシフトレジスタである。発生した信号は、コード位相の早い順にＥ信号、Ｐ信号、Ｌ信号と呼ぶ。

１２６はミキサ１０８の出力信号とシフトレジスタのＥ信号とを乗算するミキサであり、１２８は該ミキサの出力信号を積分することによって相関ＩＥを求める積分器である。同様に、１３０はミキサ１０８の出力信号とシフトレジスタのＰ信号とを乗算するミキサであり、１３２は該ミキサの出力信号を積分することによって相関ＩＰを求める積分器である。また、１３４はミキサ１０８の出力信号とシフトレジスタのＬ信号とを乗算するミキサであり、１３６は該ミキサの出力信号を積分することによって相関ＩＬを求める積分器である。

１３８はミキサ１１０の出力信号とシフトレジスタのＥ信号とを乗算するミキサであり、１４０は該ミキサの出力信号を積分することによって相関ＱＥを求める積分器である。同様に、１４２はミキサ１１０の出力信号とシフトレジスタのＰ信号とを乗算するミキサであり、１４４は該ミキサの出力信号を積分することによって相関ＱＰを求める積分器である。また、１４６はミキサ１１０の出力信号とシフトレジスタのＬ信号とを乗算するミキサであり、１４８は該ミキサの出力信号を積分することによって相関ＱＬを求める積分器である。

受信処理部１５０はキャリアの追尾のため、積分器１３２の出力データと積分器１４４の出力データからキャリア周波数を求め、キャリアＮＣＯ１０２に設定する。キャリアＮＣＯに設定する周波数をｆ[Hz]、設定間隔をｔ秒とする。設定間隔は受信機で異なるが、実施例では０．００５秒である。中間周波の名目周波数をｆ０[Hz]とすると、
はｔ秒間でのキャリア位相変化量となる。受信処理部１５０は、このキャリア位相変化量を積算しキャリア位相量を得る。

また、受信処理部１５０はＣ／Ａコードの追尾のため、積分器１２８の出力データと積分器１４０の出力データと積分器１３６の出力データと積分器１４８の出力データからコード位相を求め、コードＮＣＯ１２０に設定する。受信処理部１５０は前記のようにして算出したキャリア位相量とコード位相を測位計算部９に出力する。

図３は測位演算部９における処理手順を示すフローチャートである。まず、Ｓ２００において、現在受信中の複数の衛星についてのコード位相を前記のように受信処理部１５０が求め、これが測位演算部９に入力される。

次に、Ｓ２０２において、前回の測位位置と衛星の航法データより算出した衛星位置を用いて方向余弦を算出する。Ｓ２０４において、測位可能（受信中の衛星数が３個以上）である場合はＳ２０６の処理へ進むが、受信中の衛星数が２個以下の場合はＳ２００の処理へ戻る。Ｓ２０６において、測位計算を行い、受信点の位置を算出する。Ｓ２０８において、受信処理部１５０によって前記のように求められたキャリア位相量を入力する。

次にＳ２１０において、以下のようにヒーブ成分を抽出する。ヒーブ成分の周波数成分がｆｃ[Ｈｚ]以上とする場合、カットオフ周波数がｆｃ[Ｈｚ]のデジタルＨＰＦ（ハイパスフィルタ）を通すことによって直流や低周波数成分を除去し、ヒーブ量に起因するキャリア位相量を求める。その際、遅れや進みが発生しないように、通過域での位相変化が小さいフィルタを選択する。このようにフィルタリングして求まるヒーブ量に起因するキャリア位相量を、ヒーブ位相量と呼ぶ。

次にＳ２１２においてヒーブ量を以下のように計算する。一例として３衛星受信時の処理について、図５を参照して説明する。

３衛星のヒーブ位相量をθ１、θ２、θ３とする。３衛星の仰角をＥ１、Ｅ２、Ｅ３とする。３衛星の方位角をＡ１、Ａ２、Ａ３とする。なお、衛星の仰角、方位角は前回の測位位置と衛星の航法データより算出した衛星位置とから算出する。受信点の東方向、北方向、上方向の偏位をＸ，Ｙ，Ｚとする。それぞれの変数の関係は図５に示すとおりである。さらに、測位衛星のキャリアの波長をλとする。ＧＰＳでは一般に約０．１９ｍとされている。

例えば図５のように衛星が一つであれば、該衛星の方位角をＡ、仰角をＥとした場合に、受信点の偏位による衛星までの距離変化は、偏位ベクトルと衛星への単位ベクトルの内積になる。また距離変化はヒーブ位相量に波長を乗じた値に等しくなることにより、数２が成立する。
ここで、ヒーブ量の計算にあたってＸ方向の要素とＹ方向の要素が出現するのは、受信点が垂直方向のみの揺れではなく、斜め方向に揺れることを想定しているためである。

数２を３個の衛星に拡張し、行列表現すると数３のようになり、さらに数４と数５を定義する。
数３、数４、および数５におけるｍ、Ｈ、ｐは数６の関係にある。
これは、数７のように変形できる。

未知数は、変位量Ｘ、Ｙ、およびＺの３個であるから、前記３個の連立方程式を用いれば数５のそれぞれの要素を得ることができる。ここで、受信点の上方向の偏位Ｚが本発明によって算出したい値であるところのヒーブ量である。

なお、４衛星以上受信の場合は、従来技術と同様に最小自乗法を適用してヒーブ量を計算することができる。本発明によれば、受信できる衛星が３個であってもヒーブ量を計算できるのである。その後はＳ２００処理へ戻り、以上の処理を所定の観測周期で繰り返す。

さらに、別の実施の形態として、図４に測位演算部９の処理手順を示す。Ｓ３００、Ｓ３０２、Ｓ３０４、Ｓ３０６、Ｓ３１０、Ｓ３１２、Ｓ３１４は図３に対応した処理があり前記のように説明したので省略する。

前記別の実施の形態とは、Ｓ３０４にて測位が可能でない場合、つまりここまで説明した手段によれば受信衛星が１個あるいは２個の場合であってもヒーブ量を計算できる手段である。

つまり、Ｓ３０８において、受信中の衛星の最大仰角が事前に設定した閾値であるところの、設定仰角以上かどうかを調べ、設定仰角以上の場合はＳ３１６において、最大仰角の衛星のキャリア位相量を入力する。ここで最大仰角とは、受信できている衛星のそれぞれの仰角のうち最大の値を示すものである。

次にＳ３１８において、受信衛星が３個である場合のＳ２１０と同様にハイパスフィルタを用いてヒーブ成分を抽出しヒーブ位相量を求める。さらにＳ３２０において、ヒーブ位相量に波長λを掛けヒーブ量を求める。その後はＳ３００処理へ戻り、以上の処理を所定の観測周期で繰り返す。

この場合、設定仰角は、衛星が真上に有る状態に近似できる程度の値であり、従って、最大仰角が設定仰角以上であれば、数４においてｃｏｓ（Ｅ）を０と置くことができ、ヒーブ量の算出において数５のＺ以外の成分であるところの方位方向の影響を無視できることを根拠としている。

なお、本発明において、ヒーブ成分の抽出に用いたハイパスフィルタの形態は、カットオフ周波数がヒーブ成分の周波数の下限以上であれば、これをなんら限定するものではない。

また、本発明において、使用環境としてＧＰＳ信号の受信を例として説明したが、その他の衛星であっても原理は同じであり、対象をＧＰＳ衛星に限定するものではない。

また、図２のシフトレジスタ１２４において、ビットシフト量を０．５チップとして説明したが、このビットシフト量に限定するものではない。

１…ＧＰＳアンテナ、 ２…プリアンプ、
３…基準発振器、 ４…周波数シンセサイザ、
５…ダウンコンバータ、 ６…ＡＤ変換器、
７…ＡＧＣ、 ８１〜８Ｎ…受信チャネル、
９…測位演算部、
１０２…キャリアＮＣＯ、 １０４…ＳＩＮテーブル、
１０６…ＣＯＳテーブル、 １２０…コードＮＣＯ、
１２２…コード発生器、 １２４…シフトレジスタ、
１０８，１１０，１２６，１３０，１３４，１３８，１４２，１４６…ミキサ、
１２８，１３２，１３６，１４０，１４４，１４８…積分器、
１５０…受信処理部。

Claims (2)

1. 位置を特定できる３個以上の測位用衛星から送信された電波を受信して、
   当該電波に重畳されているコードの位相から受信点の位置を求める測位手段と、
   観測周期における前記電波のキャリア位相量を観測する手段と、
   前記観測によるキャリア位相量をフィルタしヒーブ量に起因するキャリア位相量であるところのヒーブ位相量を求める手段と、
   前記受信点の位置と衛星の位置および前記ヒーブ位相量からヒーブ量を算出する手段と、
   を備えたヒーブ量計測装置。
2. 請求項１に記載されたヒーブ量計測装置であって、
   １個または２個の測位用衛星から送信された電波を受信し、
   受信衛星の最大仰角があらかじめ決めた値を超える場合に、
   最大仰角の衛星のキャリア位相量から、前記観測周期におけるヒーブ量を算出する手段を備えたヒーブ量計測装置。