CN101535833B - 移动体定位装置 - Google Patents

Abstract

本发明的移动体定位装置的特征在于，包括：第一电离层状态信息接收单元(70)，接收与预测出的、直到当前时点之后的时点的电离层状态相关的信息；第二电离层状态信息接收单元(20)，接收与当前时点的电离层状态相关的信息；电离层延迟误差估计单元(50)，估计电离层延迟误差；以及定位单元(40)，基于来自卫星的无线电波的接收结果和所述估计出的电离层延迟误差来定位移动体位置；其中，所述电离层延迟误差估计单元基于根据所述第二电离层状态信息导出的第二电离层延迟误差来修正根据所述第一电离层状态信息导出的第一电离层延迟误差，由此估计出所述电离层延迟误差。

Description

移动体定位装置

技术领域

本发明涉及恰当地估计电离层延迟误差来定位移动体位置的移动体定位装置。

背景技术

以往公开有以下技术：在具有GPS接收机和GPS服务器的卫星定位系统中，在GPS服务器侧接收如日出、正午、以及日落这样的与电离层的变化同时产生的断续的电离层信息，生成电离层模型来估计电离层误差，并将关于所估计出的电离层误差的信息提供给GPS接收机(例如，参照专利文献1)。

专利文献1：日本专利文献特表2005-517931号公报。

发明内容

本发明所要解决的问题

目前，能够获得各种用于估计电离层误差的、关于电离层状态的信息(例如，从修正系数到电离层模型或电离层电子数等信息)，但是以往未提出关于将这些信息在考虑了其特性的情况下恰当地加以利用的方法。

因此，本发明的目的在于提供一种能够恰当地利用与电离层状态有关的各种信息而高精度地估计出电离层延迟误差并进行修正的移动体定位装置。

用于解决问题的手段

为了达到上述目的，第一发明的移动体定位装置的特征在于，包括：

第一电离层状态信息接收单元，接收与预测出的、直到当前时点之后的时点的电离层状态相关的信息；

第二电离层状态信息接收单元，接收与当前时点的电离层状态相关的信息；

电离层延迟误差估计单元，估计电离层延迟误差；以及

定位单元，基于来自卫星的无线电波的接收结果和所述估计出的电离层延迟误差来定位移动体位置；

其中，所述电离层延迟误差估计单元基于根据所述第二电离层状态信息导出的第二电离层延迟误差来修正根据所述第一电离层状态信息导出的第一电离层延迟误差，由此估计出所述电离层延迟误差。

第二发明在第一发明的移动体定位装置的基础上具有以下特征：

所述电离层延迟误差估计单元对根据所述第一电离层状态信息导出的第一电离层延迟误差和根据所述第二电离层状态信息导出的第二电离层延迟误差分别赋予加权系数来进行加权平均，由此估计出所述电离层延迟误差。

第三发明在第二发明的移动体定位装置的基础上具有以下特征：

赋予所述第一电离层延迟误差的加权系数根据从所述第一电离层状态信息的接收时刻开始经过的时间而被改变，所述经过的时间长时的所述加权系数被设定为比所述经过的时间短时的所述加权系数大的值。

第四发明在第一至三发明中的任一发明的移动体定位装置的基础上具有以下特征：所述第一电离层状态信息为GIM(Global Ionosphere Map)数据，

所述第二电离层状态信息为导航信息所包含的电离层修正系数。

第五发明在第四发明的移动体定位装置的基础上具有以下特征：

所述第一电离层状态信息接收单元从外部中心站接收所述GIM数据。

第六发明在第四发明的移动体定位装置的基础上具有以下特征：

将所述电离层修正系数应用于Klobuchar模型而导出所述第二电离层延迟误差。

发明的效果

根据本发明，可以提供一种能够恰当地利用与电离层状态有关的各种信息而高精度地估计出电离层延迟误差并进行修正的移动体定位装置。

附图说明

图1是表示应用本发明的移动体位置定位装置的GPS的整体构成的系统构成图；

图2是简要地表示装载在图1的车辆90上的GPS接收机1的一个实施例的系统构成图；

图3是表示世界(world)坐标系与局部(local)坐标系的关系的图；

图4是概念性地表示第一电离层延迟误差ΔI₁、第二电离层延迟误差ΔI₂、以及电离层延迟误差ΔI的关系的图；

图5中的(A)是概念性地表示以往的定位方法下的GPS卫星10的可用性(availability)的图，(B)是概念性地表示本实施例的定位方法下的GPS卫星10的可用性的图；

图6中的(A)是表示以往的定位方法下的定位精度的图，(B)是表示本实施例的定位方法下的定位精度的图。

标号说明：

1GPS接收机

10GPS卫星

20接收部

30滤波器

40定位计算部

50电离层延迟误差估计部

60卫星位置计算部

70通信部

80外部中心站(center)

90车辆

具体实施方式

以下，参照附图来说明用于实施本发明的最佳方式。

图1是表示应用本发明的移动体位置定位装置的GPS(GlobalPositioning System，全球定位系统)的整体构成的系统构成图。如图1所示，GPS包括围绕地球旋转的GPS卫星10和位于地球上并能够在地球上移动的车辆90。另外，车辆90只是移动体的一个例子，作为其它的移动体，可以是摩托车、轨道车、船舶、航空器、叉车、机器人、以及随着人的移动而一起移动的便携式电话等信息终端等。

GPS卫星10向地球持续地广播导航信息(卫星信号)。在导航信息中包含时钟的修正值、电离层的修正系数、以及与对应的GPS卫星10有关的卫星轨道信息(星历表和历书)。导航信息通过C/A码被扩展并被承载在L1波(频率：1575.42MHz)上而被向地球持续地广播。另外，L1波是以C/A码调制后的Sin波和以P码(Precision Code，精测距码)调制后的Cos波的合成波，该L1波被进行了正交调制。C/A码和P码是伪噪声(Pseudo Noise)码，是-1和1不规则地周期性排列的码串。

另外，目前24个GPS卫星10在高度约为20,000Km的上空围绕着地球一周，各4个的GPS卫星10均等地配置在各自相差55度而倾斜的6个环地轨道平面上。因此，只要是天空敞开的处所，不管处于地球上的任何位置都始终能够观测到至少5个以上的GPS卫星10。

在车辆90上装载有作为移动体位置定位装置的GPS接收机1。如以下详细说明的那样，GPS接收机1根据来自GPS卫星10的卫星信号来定位车辆90的位置。

图2是简要地表示装载在图1的车辆90上的GPS接收机1的一个实施例的系统构成图。在图2中，为了避免复杂的说明，只表示了一个GPS卫星10₁(下标为卫星序号)。这里，代表性地说明与来自GPS卫星10₁的卫星信号有关的信号处理。关于来自GPS卫星10₁的卫星信号的信号处理与关于来自GPS卫星10₂、10₃等的卫星信号的信号处理实质上相同。实际上，对来自能够观测到的各GPS卫星10₁、10₂、10₃等的卫星信号并行(同步)地执行以下说明的关于卫星信号的信号处理。

如图2所示，本实施例的GPS接收机1作为主要的功能部而包括：接收部20、滤波器30、定位计算部40、电离层延迟误差估计部50、卫星位置计算部60、以及通信部70。

接收部20经由GPS天线22接收从GPS卫星10₁发送的卫星信号，使用在内部生成的复制(replica)C/A码来进行C/A码同步，提取出导航信息。C/A码同步的方法有多种，可以采用任意的恰当的方法。例如，可以采用以下方法：使用DDL(Delay-Locked Loop，延迟锁定环)来跟踪复制C/A码与所接收的C/A码的相关值变为峰值的码相位。只要导航信息被更新，接收部20就将包含在导航信息中的电离层修正系数提供给电离层延迟误差估计部50。

另外，接收部20根据对来自GPS卫星10₁的卫星信号的接收结果计算出GPS卫星10₁与车辆90(准确地说是GPS接收机1)之间的虚拟距离ρ’。虚拟距离ρ’不同于GPS卫星10₁与车辆90之间的真实距离，其中含有时钟误差(clock bias)和如电离层延迟误差这样的由于无线电波传播速度的变化而导致的误差。另外，关于符号，对虚拟距离ρ标注的“’”表示未执行后述的滤波处理。

这里，例如可以如下计算出相对于GPS卫星10₁的虚拟距离ρ’。

ρ’＝N×300

这里，N相当于GPS卫星10₁与车辆90之间的C/A码的比特数，根据复制C/A码的相位和GPS接收机1内部的接收机时钟来计算该N。另外，数值300的由来是：C/A码的1比特的长度为1μs，与1比特相当的长度约为300m(1μs×光速)。表示这样计算出的虚拟距离ρ’的信号被输入给滤波器30。

另外，接收部20具有测定卫星信号的载波相位的功能，并具有使用在内部生成的复制载波来测定所接收的发生了多普勒频移的载波的多普勒频率变化量Δf的功能。多普勒频率变化量Δf作为复制载波的频率fr与已知的载波频率f_c(1575.42MHz)的差(＝fr-f_c)而被测定。该功能通过PLL(Phase-Locked Loop)来实现，其中所述PLL使用复制载波来计算载波相关值并跟踪接收载波。表示多普勒频率变化量Δf的信号被输入给滤波器30。

滤波器30使用多普勒频率变化量Δf_L1对虚拟距离ρ’执行滤波处理。在滤波器30中，例如按照以下的计算式子来导出滤波处理后的虚拟距离ρ。

[式1]

$\mathrm{\ρ}\left(i\right)=\frac{{\mathrm{\ρ}}^{,}\left(i\right)+(M-1)\×\{\mathrm{\ρ}(i-1)+\∫\mathrm{\ΔVgdt}\}}{M}$

这里，(i)表示这次的值，(i-1)表示上次的值，M为加权系数。M的值是在考虑了精度和响应性的情况下被适当地决定的。ΔV是GPS卫星10₁与车辆90之间的相对速度Δ，使用计测出的多普勒频率变化量Δf并例如通过以下的关系式来计算该ΔV。

Δf＝ΔV·f_c/(c-ΔV)

这里，c为光速。另外，滤波器30中的滤波(smoothing)也可以使用上述式1所示的Hatch滤波器以外的滤波器、例如卡尔曼滤波器来实现。表示滤波处理后的虚拟距离ρ的信号被输入给定位计算部40。

卫星位置计算部60根据导航信息的卫星轨道信息和当前的时间计算出GPS卫星10₁在世界坐标系中的当前位置(X₁、Y₁、Z₁)。另外，GPS卫星10₁是人造卫星之中的一个，因此其运动被限定在包括地球重心的确定的面内(轨道平面)。另外，GPS卫星10₁的轨道是将地球重心作为一个焦点的椭圆运动，可以通过逐次数值计算开普勒方程式来计算轨道平面上的GPS卫星10₁的位置。另外，考虑到GPS卫星101的轨道平面与世界坐标系的赤道面具有旋转关系，可以通过对轨道平面上的GPS卫星10₁的位置进行三维的旋转坐标变换来获得GPS卫星10₁的位置(X₁、Y₁、Z₁)。另外，如图3所示，通过将地球重心作为原点并在赤道面内相互正交的X和Y轴、以及与该两轴正交的Z轴来定义世界坐标系。表示卫星位置(X₁、Y₁、Z₁)的信号被输入给定位计算部40。

通信部70经由天线72从外部中心站80获得全球性的电离层分布数据、即GIM(Global Ionosphere Map，全球电离层地图)。伯尔尼大学(CODE：Center for Orbit Determination in Europe)通过因特网公开了GIM。GIM数据包含根据过去的电离层分布数据、过去的实测电离层分布数据预测出的一定时间之后(一日之后)的预测电离层分布数据，这里利用一定时间之后的预测电离层分布数据。在该情况下，通信部70例如在GPS接收机1启动时获取最新的GIM数据，此后只要GPS接收机1继续工作，则每当最新的GIM数据被更新了(每经过上述的一定时间)时获取最新的GIM数据即可。通过通信部70获取的GIM数据被提供给电离层延迟误差估计部50。

电离层延迟误差估计部50根据从通信部70提供的GIM数据和从接收部20提供的电离层修正系数来估计电离层延迟误差ΔI。电离层延迟误差ΔI是无线电波从GPS卫星10₁通过电离层时由于受到折射率的影响而产生的传播速度的变化所导致的误差。公知该电离层延迟误差ΔI一般来说正比于传播路径上的总电子数(TEC)并反比于载波频率的平方。

具体的电离层延迟误差估计方法可以如下来实现。

首先，电离层延迟误差估计部50根据GIM数据来估计电离层延迟误差。以下，将这样根据GIM数据估计出的电离层延迟误差称为“第一电离层延迟误差ΔI₁”。第一电离层延迟误差ΔI₁具有以下特性：精度高，但是由于GIM数据的更新周期长(例如一日)，因此可靠性随着时间的经过而降低。

另一方面，电离层延迟误差估计部50将电离层修正系数应用于预先准备的电离层模型(典型的是Klobuchar模型)来估计定位点(车辆90的位置)的垂直延迟量。接着，电离层延迟误差估计部50通过使垂直延迟量反映GPS卫星10₁的仰角(卫星仰角)来导出斜距方向(slant rangedirection)的延迟量(相当于电离层延迟误差)。以下，将这样根据来自接收部20的电离层修正系数估计出的电离层延迟误差称为“第二电离层延迟误差ΔI₂”。第二电离层延迟误差ΔI₂具有以下特性：精度低于第一电离层延迟误差ΔI₁，但是由于基于当前的电离层状态生成的电离层修正系数包含在导航信息中，因此实时性优越。另外，关于Klobuchar模型，例如在J.Klobuchar“Design and characteristics of the GPS ionospheric timedelay algorithm for single frequency users”，Proc.Position Location andNavigation Symposium，1986”中有记载，也可以使用在此基础上进行了各种改进的模型。

电离层延迟误差估计部50结合如上述那样通过相互独立的模型导出的第一电离层延迟误差ΔI₁和第二电离层延迟误差ΔI₂来估计电离层延迟误差ΔI。该结合例如可以如下来实现。

ΔI＝α·ΔI₁+(1-α)·ΔI₂

这里，α为加权系数，|α|＜1。α可以为固定值，但优选的是α为随时间变化的可变值。具体地说，可以通过下式来决定。

α＝1-t/ΔT    式(1)

这里，ΔT为GIM数据的更新周期(在本例子中为1日)，t表示从最接近的GIM数据的更新时点到当前时点所经过的时间。因此，如图4概念性地表示的那样，随着从最接近的GIM数据的更新时点到当前时点的经过时间的延长，对第一电离层延迟误差ΔI₁的加权变小，并且对第二电离层延迟误差ΔI₂的加权变大。这是出于以下考虑：GIM数据的更新周期长，可靠性随着更新后的时间的经过而降低，另一方面第二电离层延迟误差ΔI₂由于基于实时信息而不容易受到时间经过的影响。另外，上述式(1)是α随着从最接近的GIM数据的更新时点到当前时点的时间的经过而连续地减小的式子，但是也可以采用α随着从最接近的GIM数据的更新时点到当前时点的时间的经过而不连续地减小的式子。表示这样导出的电离层延迟误差ΔI的信号被输入给定位计算部40。

定位计算部40根据卫星位置的计算结果、电离层延迟误差ΔI、以及从接收部20提供的虚拟距离ρ的计算结果来定位车辆90的位置(X_u，Y_u，Z_u)。具体地说，可以使用以下的关系式。

$\mathrm{\ρ}=\sqrt{\mathrm{}}\{{(X_1-X_u)}^2+{(Y_1-Y_u)}^2+{(Z_1-Z_u)}^2\}+w+\mathrm{\ΔI}$ 式(2)

这里，w表示电离层延迟误差ΔI以外的误差(主要为时钟误差)。另外，该式是关于GPS卫星10₁的关系式，但是对其它的能够观测到的GPS卫星10也可以使用相同的关系式。可以将针对3个GPS卫星10如上述那样估计出的各电离层延迟误差ΔI代入到3个GPS卫星10的式(2)的ΔI中，使用针对该3个GPS卫星10得出的各虚拟距离ρ和卫星位置，通过三角测量原理来导出车辆90的位置。在该情况下，虚拟距离ρ如上述那样包含时钟误差，因此使用针对第四个GPS卫星10得出的虚拟距离ρ、电离层延迟误差ΔI、以及卫星位置来除去时钟误差。

定位计算部40的定位周期例如可以为观测周期(例如1ms)或预定的观测周期(例如50ms或100ms)。定位结果例如被提供给未图示的导航系统。

下面，使用概念图来说明以上说明的本实施例的电离层延迟误差估计方法的有用性。

图5的(A)是表示以往的定位方法下的GPS卫星10的可用性的图，图5的(B)是表示本实施例的定位方法下的GPS卫星10的可用性的图。在图5的(A)和(B)中，划线区域表示该GPS卫星10可用于定位计算。

在以往的定位方法下(在不使用GIM数据的情况下)，如图5的(A)所示，在区间A(7至10之间的3个小时)中，很多GPS卫星10为低仰角，由于低仰角遮蔽(mask)而无法利用。

相反，在本实施例中，如图5的(B)所示，在区间A中，虽然很多GPS卫星10为低仰角，但是能够使用来自这些低仰角GPS卫星10的卫星信号来进行定位。这意味着：如上所述，在本实施例中能够通过GIM数据来估计电离层延迟误差并进行修正，因此即使在电离层延迟误差大的低仰角下也能够维持高精度的定位。

图6的(A)是表示以往的定位方法下的定位精度的图，图6的(B)是表示本实施例的定位方法下的定位精度的图。在图6的(B)中，作为参考，表示仅使用GIM数据时的定位精度的曲线由实线表示，表示如本实施例那样根据第一电离层延迟误差ΔI₁和第二电离层延迟误差ΔI₂来估计电离层延迟误差ΔI时(即，并用了GIM数据和Klobuchar模型时)的定位精度的曲线由单点划线表示。

在以往的定位方法下(在不使用GIM数据的情况下)，如图6的(A)所示，在图5的(A)所示的区域A中，由于无法使用低仰角的GPS卫星10，因此定位精度大幅地降低。

另一方面，当通过GIM数据来估计电离层延迟误差时，如图6的(B)中的实线曲线所示，由于在区间A中也能够利用低仰角的GPS卫星10，因此能够维持高精度的定位。但是，在该情况下，如图6的(B)中的实线曲线所示，当从最接近的GIM数据的更新时点(与横轴的刻度0相对应的位置)经过了时间时(例如，参照经过了10小时以上的区间)，由于GIM数据的可靠性下降，因此定位精度多少会下降。

相反，在本实施例中，由于通过GIM数据来估计电离层延迟误差，因此如图6的(B)中的单点划线曲线所示，即使在区间A中也能够利用低仰角的GPS卫星10，因此能够维持高精度的定位。并且，在从最接近的GIM数据的更新时点(与横轴的刻度0相对应的位置)经过了时间时(例如，参照经过了10小时以上的区间)，通过并用第一电离层延迟误差ΔI₁和第二电离层延迟误差ΔI₂(在特别优选的实施例中通过使对第二电离层延迟误差ΔI₂的加权变大)，也防止了由于GIM数据的可靠性随着时间经过而下降所导致的定位精度的降低。

如上所述，根据本实施例，尤其能够取得以下的优良效果。

通过如上述那样有效地利用GIM数据和Klobuchar模型的各自特性的优点来并用两者，能够实现使用了低仰角GPS卫星10的高精度的定位并防止从GIM数据被更新后经过了长时间之后可能出现的定位精度的降低。

以上详细地说明了本发明的优选实施例，但是本发明不限于上述实施例，可以在不脱离本发明的范围的情况下对上述实施例进行各种变形和替换。

例如，在上述实施例中，当GPS接收机1为能够接收L1波和L2波这两者的双频接收机时，可以根据双频数据来估计电离层模型并估计电离层延迟误差。

另外，在上述实施例中使用了在目前的GPS环境下适用的两个电离层模型(GIM和Klobuchar模型)，但是如果将来能够利用具有相同特性的电离层模型，则可以替代性地同样地使用这些电离层模型。另外，还可以应用对GIM或Klobuchar模型进行了各种改进或变形而得到的电离层模型。

另外，在上述实施例中，由外部中心站80经由因特网获取的GIM数据被传送给车辆90，但是也可以采用其它方式。例如，也可以将由路边的设施经由因特网获取的GIM数据通过道路车辆间通信传送给车辆90侧，还可以由车辆90的通信部70自身通过无线通信来访问因特网并直接获取GIM数据。

本国际申请要求基于2006年12月11日提交的日本专利申请2006-333675号的优先权，该申请的全部内容通过在此处被参照而被本国际申请所引用。

Claims (6)

1.一种移动体定位装置，其特征在于，包括：

第一电离层状态信息接收单元，接收与预测出的、直到当前时点之后的时点的电离层状态相关的信息；

第二电离层状态信息接收单元，接收与当前时点的电离层状态相关的信息；

电离层延迟误差估计单元，估计电离层延迟误差；以及

定位单元，基于来自卫星的无线电波的接收结果和所述估计出的电离层延迟误差来定位移动体位置；

其中，所述电离层延迟误差估计单元基于根据所述第二电离层状态信息导出的第二电离层延迟误差来修正根据所述第一电离层状态信息导出的第一电离层延迟误差，由此估计出所述电离层延迟误差。

2.如权利要求1所述的移动体定位装置，其中，

所述电离层延迟误差估计单元对根据所述第一电离层状态信息导出的第一电离层延迟误差和根据所述第二电离层状态信息导出的第二电离层延迟误差分别赋予加权系数来进行加权平均，由此估计出所述电离层延迟误差。

3.如权利要求2所述的移动体定位装置，其中，

赋予所述第一电离层延迟误差的加权系数根据从所述第一电离层状态信息的接收时刻开始经过的时间而被改变，所述经过的时间长时的所述加权系数被设定为比所述经过的时间短时的所述加权系数小的值。

4.如权利要求1至3中任一项所述的移动体定位装置，其中，

所述第一电离层状态信息为全球电离层地图数据，

所述第二电离层状态信息为导航信息所包含的电离层修正系数。

5.如权利要求4所述的移动体定位装置，其中，

所述第一电离层状态信息接收单元从外部中心站接收所述全球电离层地图数据。

6.如权利要求4所述的移动体定位装置，其中， 

将所述电离层修正系数应用于Klobuchar模型而导出所述第二电离层延迟误差。 

Images