DE112009002148T5

DE112009002148T5 - Positionsmesseinrichtung und Positionsmessverfahren mittels GPS

Info

Publication number: DE112009002148T5
Application number: DE112009002148T
Authority: DE
Inventors: Toshihide Miyake; Haruhiko Yoshida; Tomohiro Abe
Original assignee: Hitachi Zosen Corp
Current assignee: Hitachi Zosen Corp
Priority date: 2008-09-25
Filing date: 2009-07-30
Publication date: 2012-01-19
Also published as: WO2010035384A1; US20110205109A1; JP2010078382A; KR20110059833A; DE112009002148A5; KR101597640B1; JP5253067B2; US8604972B2

Abstract

Bei einem Positionsmessverfahren werden GPS-Entfernungsdaten, die an einer Referenzstation 1 und einer Beobachtungsstation 2 gewonnen werden, in vier Lösungsberechnungsabschnitte 12 eingegeben, in den Lösungsberechnungsabschnitten 12 werden RTK-Lösungen wie etwa eine Fixed-Lösung an der Beobachtungsstation 2 gemäß dem RTK-System berechnet, und die RTK-Lösungen werden in eine Lösungsgewinnungseinheit 13 eingegeben. Ferner wird entschieden, ob die RTK-Lösungen mehrere Fixed-Lösungen enthalten oder nicht. Wenn entschieden wird, dass die RTK-Lösungen mehrere Fixed-Lösungen enthalten, werden Abweichungen zwischen den Fixed-Lösungen bestimmt, und es wird entschieden, ob die Abweichungen ein zulässigen Wert übersteigen oder nicht. Wenn entschieden wird, dass keine der Abweichungen den zulässigen Wert übersteigt, wird eine vorbestimmte arithmetische Verarbeitung der Fixed-Lösungen durchgeführt, um eine normale Fixed-Lösung zu gewinnen. Außerdem werden die Lösungsberechnungsabschnitte sequentiell in vorbestimmten Zeitintervallen neu gestartet.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Positionsmesseinrichtung und ein Positionsmessverfahren mittels GPS.
Stand der Technik
Das RTK-(Real Time Kinematic, Echtzeitkinematik-)System ist ein Ortungsverfahren zum Bestimmen der dreidimensionalen Position eines Messobjektes (dieses wird im Weiteren ”Messpunkt” genannt) in Echtzeit mittels GPS (Global Positioning System). Das RTK-System wird auch zur Tsunami-/Ozeanwellen-Beobachtung unter Verwendung von Meeres-Forschungsbojen angewendet.
Beim RTK-System wird eine Trägerphase an einem Messpunkt unter Bezugnahme auf den gemessenen Wert einer Trägerphase an einem Referenzpunkt von einem GPS-Satelliten aus gemessen. Die geographische Breite, die geographische Länge und die Höhe des Referenzpunktes sind im Voraus bestimmt worden. Ferner wird ein Basislinienvektor bestimmt, wenn der Messpunkt vom Referenzpunkt aus betrachtet wird, und die dreidimensionale Position des Messpunktes wird genau gemessen. Im RTK-System wird eine ganzzahlige Mehrdeutigkeit (integer biss) für den gemessenen Wert der Trägerphase bestimmt, wodurch eine Positionsbestimmung von hoher Genauigkeit erzielt wird.
Jedoch kann, wenn zum Beispiel Meeresspiegelpositionen, das heißt Meeresspiegelverschiebungen, nacheinander im RTK-System gemessen werden, eine ganzzahlige Mehrdeutigkeit aufgrund des Einflusses der Ionosphäre und der Troposphäre oder von Faktoren wie etwa einem Phasensprung (Cycle Slip) eines GPS-Empfängers, der ein Sprungphänomen mit einer schnellen Änderung von GPS-Entfernungsdaten (Daten, die einer Entfernung zwischen einem GPS-Satelliten und einem Empfänger entsprechen) zur Folge hat, falsch bestimmt werden. Diese Erscheinung kann die Zuverlässigkeit der GPS-Entfernungsdaten verringern und eine falsche Warnung, z. B. bei der Tsunami-Beobachtung, verursachen.
Um dieses Problem zu lösen, steht gegenwärtig ein Verfahren zur Identifizierung von GPS-Ortungsdaten (dreidimensionalen Positionsdaten, die auf der Basis der Position eines GPS-Satelliten und von GPS-Entfernungsdaten berechnet wurden) zur Verfügung, die durch ein Sprungphänomen falsch erkannt wunden, auf der Basis von Informationen darüber, ob eine aktuelle Lösung eine Fixed-Lösung oder eine weniger genaue Lösung ist (siehe z. B. Japanische Patent-Auslegeschrift Nr. 2008-2975 ).
Literaturverzeichnis
Patentliteratur

Patentliteratur 1: Japanische Patent-Auslegeschrift Nr. 2008-2975

Offenbarung der Erfindung
Technisches Problem
Im RTK-System bleibt eine ganzzahlige Mehrdeutigkeit (integer biss) unverändert, bis die Erfassung eines GPS-Satelliten an einem GPS-Empfänger unterbrochen wird. Anders ausgedrückt, im Algorithmus des RTK-Systems bleibt, sobald eine ganzzahlige Mehrdeutigkeit bestimmt worden ist, die ganzzahlige Mehrdeutigkeit typischerweise fest und wird nicht neu berechnet. Daher werden, wenn ein Sprungphänomen bei der ganzzahligen Mehrdeutigkeit bei einer langen und kontinuierlichen Positionsbestimmung auftritt, während einer langen Zeit fehlerhafte GPS-Entfernungsdaten ausgegeben.
Daher können bei der Konfiguration, die in der Japanischen Patent-Auslegeschrift Nr. 2008-2975 offenbart wird, falsch erkannte Positionsbestimmungsdaten auf der Basis einer erhaltenen Lösung sicher identifiziert werden. Falls jedoch ein Sprungphänomen bei einer ganzzahligen Mehrdeutigkeit auftritt und eine Fixed-Lösung einen anormalen Wert hat, können die falsch erkannten Daten nicht identifiziert werden.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Positionsmesseinrichtung und ein Positionsmessverfahren mittels GPS bereitzustellen, welche eine Fixed-Lösung mit einem anormalen Wert im RTK-System beseitigen können.
Lösung des Problems
Um die Aufgabe zu lösen, ist eine Positionsmesseinrichtung mittels GPS gemäß der vorliegenden Erfindung eine Einrichtung zum Messen einer dreidimensionalen Position eines sich bewegenden Objektes auf der Basis von GPS-Entfernungsdaten, die an einer Referenzstation gewonnen werden, welche ein Referenz-GPS-Empfänger ist, der auf dem Festland installiert ist, und von GPS-Entfernungsdaten, die an einer Beobachtungsstation gewonnen werden, welche ein Beobachtungs-GPS-Empfänger ist, der an dem zu ortenden sich bewegenden Objekt angeordnet ist,
wobei die Positionsmesseinrichtung mehrere Lösungsberechnungsabschnitte aufweist, welche die GPS-Entfernungsdaten von der Referenzstation und die GPS-Entfernungsdaten von der Beobachtungsstation empfangen und in der Lage sind, RTK-Lösungen, wie etwa eine Fixed-Lösung und eine Float-Lösung, als Positionsdaten der Beobachtungsstation gemäß dem Echtzeitkinematik-(Real Time Kinematic, RTK-)System zu berechnen, wobei die Lösungsberechnungsabschnitte sequentiell in vorbestimmten Zeitintervallen neu gestartet werden,
wobei die Positionsmesseinrichtung ferner eine Lösungsgewinnungseinheit zum Empfangen der RTK-Lösungen, die von den Lösungsberechnungsabschnitten ausgegeben werden, und Gewinnen einer normalen Fixed-Lösung aufweist;
wobei die Lösungsgewinnungseinheit aufweist:
einen Anzahlentscheidungsabschnitt zum Entscheiden, ob die eingegebenen RTK-Lösungen mehrere Fixed-Lösungen enthalten oder nicht;
einen Abweichungsberechnungsabschnitt zum Bestimmen von Abweichungen zwischen den Fixed-Lösungen, wenn der Anzahlentscheidungsabschnitt entscheidet, dass die RTK-Lösungen mehrere Fixed-Lösungen enthalten; und
einen Entscheidungsabschnitt betreffs des zulässigen Wertes zum Entscheiden, ob die Abweichungen, die durch den Abweichungsberechnungsabschnitt berechnet werden, einen zulässigen Wert übersteigen oder nicht,
wobei, wenn der Entscheidungsabschnitt betreffs des zulässigen Wertes entscheidet, dass keine der Abweichungen den zulässigen Wert übersteigt, auf der Basis der Fixed-Lösungen eine normale Fixed-Lösung gewonnen wird.
Ferner ist bei der Positionsmesseinrichtung die Beobachtungsstation auf einer Beobachtungsboje installiert, die in einem vorbestimmten Seegebiet verankert ist, und die Positionsdaten werden als eine Meeresspiegelposition berechnet.
Ein Position messverfahren mittels GPS gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst: Eingeben, in mehrere Lösungsberechnungsabschnitte, von GPS-Entfernungsdaten, die an einer Referenzstation gewonnen werden, welche ein Referenz-GPS-Empfänger ist, der auf dem Festland installiert ist, und von GPS-Entfernungsdaten, die an einer Beobachtungsstation gewonnen werden, welche ein Beobachtungs-GPS-Empfänger ist, der an einem zu ortenden sich bewegenden Objekt angeordnet ist;
Berechnen von RTK-Lösungen, wie etwa einer Fixed-Lösung und einer Float-Lösung, als Positionsdaten der Beobachtungsstation gemäß dem Echtzeitkinematik-(Real Time Kinematic, RTK-)System in den jeweiligen Lösungsberechnungsabschnitten;
Entscheiden, ob die gewonnenen RTK-Lösungen mehrere Fixed-Lösungen enthalten oder nicht;
Bestimmen von Abweichungen zwischen den Fixed-Lösungen, wenn entschieden worden ist, dass die RTK-Lösungen mehrere Fixed-Lösungen enthalten;
Entscheiden, ob die bestimmten Abweichungen einen zulässigen Wert übersteigen oder nicht; und
Gewinnen einer normalen Fixed-Lösung auf der Basis der Fixed-Lösungen, wenn entschieden worden ist, dass keine der Abweichungen den zulässigen Wert übersteigt,
wobei die Lösungsberechnungsabschnitte sequentiell in vorbestimmten Zeitintervallen neu gestartet werden.
Bei dem Positionsmessverfahren ist die Beobachtungsstation auf einer Beobachtungsboje installiert, die in einem vorbestimmten Seegebiet verankert ist, und die Positionsdaten werden als eine Meeresspiegelposition berechnet.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Entsprechend der Positionsmesseinrichtung und dem Positionsmessverfahren werden die das RTK-System verwendenden Lösungsberechnungsabschnitte bereitgestellt, und die Abweichungen zwischen den in den Lösungsberechnungsabschnitten gewonnenen Fixed-Lösungen werden mit dem zulässigen Wert verglichen. Wenn keine der Abweichungen den zulässigen Wert übersteigt, wird eine normale Fixed-Lösung auf der Basis der Fixed-Lösungen gewonnen. Somit ist es möglich, im Wesentlichen immer eine normale Fixed-Lösung zu gewinnen. Anders ausgedrückt, Fixed-Lösungen mit anormalen Werten können mit einer höheren Zuverlässigkeit entfernt werden.
Ferner werden die Lösungsberechnungsabschnitte sequentiell in vorbestimmten Zeitintervallen neu gestartet. Daher wird sogar dann, wenn eine Fixed-Lösung einen anormalen Wert hat, eine in dem Lösungsberechnungsabschnitt bestimmte ganzzahlige Mehrdeutigkeit, die den anormalen Wert hat, innerhalb einer vorbestimmten Zeit auf einen normalen Wert zurückgeführt, so dass eine normale Fixed-Lösung gewonnen werden kann.
Somit ist es anders als im Stand der Technik möglich, eine fortlaufende Ausgabe falscher Positionsdaten zu verhindern, wenn eine Fixed-Lösung einen anormalen Wert hat. Daher bieten die Positionsmesseinrichtung und das Positionsmessverfahren die Möglichkeit, einen Tsunami oder Ähnliches mit hoher Genauigkeit zu detektieren, wodurch die Ausgabe einer falschen Tsunami-Warnung verhindert wird.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist einschematisches Gesamt-Strukturbild, das die Installationsumgebung einer Meeresspiegel-Positionsmesseinrichtung zum Messen einer Meeresspiegelposition unter Verwendung einer Positionsmesseinrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist ein Blockschaltbild, das schematisch die Konfiguration der Meeresspiegel-Positionsmesseinrichtung zeigt, welche die Positionsmesseinrichtung verwendet.
3 ist ein Flussdiagramm zur Erläuterung des RTK-Systems, das für die Meeresspiegel-Positionsmesseinrichtung verwendet wird.
4 ist ein Blockschaltbild, das schematisch die Konfiguration einer Lösungsgewinnungseinheit der Meeresspiegel-Positionsmesseinrichtung zeigt.
5 ist ein Flussdiagramm, welches die Schritte zum Messen einer Meeresspiegelposition durch die Meeresspiegel-Positionsmesseinrichtung zeigt.
6 zeigt einen Start-/Neustart-Zeitablaufplan von Lösungsberechnungsabschnitten in der Meeresspiegel-Positionsmesseinrichtung.
7 ist ein Blockschaltbild, das schematisch die Konfiguration eines Referenzbeispiels der Meeresspiegel-Positionsmesseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
8 ist ein Start-/Neustart-Zeitablaufplan von Lösungsberechnungsabschnitten in der Meeresspiegel-Positionsmesseinrichtung gemäß dem Referenzbeispiel.
Beschreibung von Ausführungsformen
Es wird auf 1 bis 6 Bezug genommen; im Folgenden werden eine Positionsmesseinrichtung und ein Positionsmessverfahren mittels GPS gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Die Positionsmesseinrichtung und das Positionsmessverfahren werden zum genauen Messen der Position eines sich bewegenden Objektes, genauer gesagt, einer Meeresspiegelposition, mittels GPS (Global Positioning System) verwendet. Das Messverfahren verwendet das Echtzeitkinematik-System [dieses wird im Weiteren ”RTK-System” (Real Time Kinematic System) genannt], das heißt, das System der differentiellen Positionsbestimmung (auch ”System der interferometrischen Positionsbestimmung” genannt) unter Verwendung einer Trägerphase.
Die vorliegende Ausführungsform beschreibt eine Meeresspiegel-Positionsmesseinrichtung unter Verwendung der Positionsmesseinrichtung. Das Positionsmessverfahren wird als ein Hauptteil eines Meeresspiegel-Positionsmessverfahrens beschrieben.
Es wird auf 1 Bezug genommen; im Folgenden wird zunächst die schematische Konfiguration der Meeresspiegel-Positionsmesseinrichtung beschrieben, welche die Positionsmesseinrichtung enthält.
Die Meeresspiegel-Positionsmesseinrichtung verwendet das RTK-System. Wie in 1 dargestellt, wird das RTK-System zum Messen einer Meeresspiegelposition in einem vorbestimmten Seegebiet verwendet, auf der Basis von GPS-Entfernungsdaten, die an einem Referenz-GPS-Empfänger (dieser wird im Weiteren ”Referenzstation” genannt) 1 auf dem Festland und einem Beobachtungs-GPS-Empfänger (dieser wird im Weiteren ”Beobachtungsstation” genannt) 2 gewonnen werden, wobei die Beobachtungsstation 2 auf einer Beobachtungsboje (einem Beispiel eines sich bewegenden Objektes, das zu orten ist) 3 installiert ist, die in dem vorbestimmten Seegebiet verankert ist.
Wie in 2 dargestellt, weist eine Meeresspiegel-Positionsmesseinrichtung 11 auf: mehrere, z. B. vier, Lösungsberechnungsabschnitte (auch ”RTK-Berechnungsabschnitte” genannt) 12 (12A bis 12D), welche GPS-Entfernungsdaten von der Referenzstation 1 und GPS-Entfernungsdaten von der Beobachtungsstation 2 empfangen und Meeresspiegel-Positionsdaten (dreidimensionale Positionsdaten, auch ”Positionsbestimmungsdaten oder ”Ortungsdaten” genannt) der Beobachtungsstation 2 durch das RTK-System gewinnen; eine Lösungsgewinnungseinheit 13, welche RTK-Lösungen empfängt, die von den Lösungsberechnungsabschnitten 12 ausgegeben werden, eine vorbestimmte arithmetische Verarbeitung der RTK-Lösungen durchführt, um eine normale Fixed-Lösung zu gewinnen, und die Fixed-Lösung ausgibt; eine Datenanalyseeinheit 14, welche die Fixed-Lösung, das heißt die Meeresspiegel-Positionsdaten, von der Lösungsgewinnungseinheit 13 empfängt und eine Meeresspiegelverschiebung analysiert, um Ozeanwellen-/Gezeitenpegel-/Tsunami-Komponenten zu extrahieren; und eine Datenanzeigeeinrichtung (die insbesondere ein Monitor oder ein Drucker sein kann) 15 zum Anzeigen der Daten, die durch die Datenanalyseeinheit 14 extrahiert wurden, z. B. auf einem Bildschirm. Die Lösungsberechnungsabschnitte 12 werden sequentiell in vorbestimmten Zeitintervallen gestartet und neu gestartet, z. B. jede Stunde. Ferner ist eine Hochfahrsteuereinheit 16 vorgesehen, welche die Lösungsberechnungsabschnitte 12 sequentiell startet und neu startet (dies kann ”Initialisierung” oder ”Reset” genannt werden). Beim Neustart wird eine Antriebsleistungsquelle nicht ausgeschaltet, Anfangswerte für eine interne arithmetische Verarbeitung werden zurückgesetzt, und arithmetische Werte für die anschließende arithmetische Verarbeitung werden ebenfalls zurückgesetzt (z. B. auf null). Selbstverständlich können die Lösungsberechnungsabschnitte 12 wieder eingeschaltet werden.
Unter Bezugnahme auf das Flussdiagramm von 3 wird im Folgenden das RTK-System, das heißt, werden die Berechnungsschritte in den Lösungsberechnungsabschnitten 12 schematisch beschrieben.
Wenn Funkwellen von den GPS-Satelliten S an der Beobachtungsstation (diese wird im Folgenden ”Empfänger” genannt) 2 empfangen werden und in die Lösungsberechnungsabschnitte 12 eingegeben werden, werden zuerst die Positionen der erfassten GPS-Satelliten S und die Pseudoentfernungen (Pseudoranges) [Laufzeit der Funkwellen von dem Satelliten zu dem Empfänger bei der Geschwindigkeit von Röntgenstrahlen (Lichtgeschwindigkeit)] zu den GPS-Satelliten S berechnet [Schritt 1(1A)].
Als Nächstes werden ein Fehler, der durch den Einfluss der Ionosphäre und der Troposphäre verursacht wird, und ein Uhrenfehler des Empfängers geschätzt [Schritt 2(2A)].
Anschließend werden die Pseudoentfernungen zu den GPS-Satelliten S unter Verwendung des geschätzten Fehlers und des geschätzten Uhrenfehlers von Schritt 2(2A) korrigiert [Schritt 3(3A)].
Als Nächstes werden die Pseudoentfernungen, die in Schritt 3(3A) bestimmt wurden, gemäß Gleichung (1) geglättet [Schritt 4(4A)]. Die Glättung wird durchgeführt, um den Einfluss eines großen Beobachtungsrauschens der Pseudoentfernungen durch Verwendung einer Trägerphase mit einem geringeren Beobachtungsrauschen zu reduzieren.
[Ausdruck 1] ρ ^_L1(k) = M - 1 / M[ρ ^_L1(k – 1) + λ_L1·Δϕ_L1(k) + 1 / M ·ρ ^_L1(k) (1) wobei ρ ^_L1 die L1-Pseudoentfernung [m] (Zeilenwert) zur Epoche (Betriebsperiode) k ist; ϕ_L1(k) die L1-Trägerphase [Zyklus] zur Epoche k ist; ρ ^_L1(k) die geglättete L1-Pseudoentfernung [m] zur Epoche k ist λ_L1 die L1-Wellenlänge [m] ist, ... ein konstanter Wert ist; und M eine Glättungskonstante ist. Δϕ_L1(k) = ϕ_L1(k) – ϕ_L1(k – 1)
Anschließend wird unter Verwendung der in Schritt 4(4A) bestimmten Pseudoentfernung eine individuelle Positionsbestimmung durchgeführt [Schritt 5(5A)].
Die Schritte 1(1A) bis 5(5A) werden gleichzeitig auch an der Referenzstation 2 durchgeführt [Schritte 1(1B) bis Schritte 5(5B)].
Als Nächstes wird auf der Basis der Pseudoentfernung, die an der Referenzstation 1 bestimmt wunde, und einer Position, die in der Referenzstation 1 genau bestimmt worden ist, ein der Pseudoentfernung überlagerter Fehler bestimmt, und der Fehler wird von der an der Beobachtungsstation 2 bestimmten Pseudoentfernung subtrahiert, um eine korrekte Entfernung zu erhalten, das heißt eine D-GPS-Lösung (Positionsbestimmung mit differentiellem GPS) (Schritt 6).
Anschließend werden unter Verwendung von zwei Frequenzsignalen (L1, L2), die von dem GPS-Satelliten S ausgesendet werden, gemäß Gleichung (2) ganzzahlige Mehrdeutigkeiten (integer biases) in einer ”Wide Lane” (”breiter Streifen”) bestimmt. [Ausdruck 2]
wobei λ_w die Wellenlange der ”Wide Lane” (= 86,2 cm) [m] ist; ϕ_w die Trägerphase der ”Wide Lane” [Zyklus] ist; f_L1, f_L2 die L1- und L2-Frequenzen [Hz] sind; ϕ_L1, ϕ_L2 die L1- und L2-Trägerphasen {Zyklus] sind; und c eine Lichtgeschwindigkeit [m/s] ist.
Ein Träger mit L1 hat eine Wellenlange von 19,0 cm, und ein Träger mit L2 hat eine Wellenlange von 24,4 cm, während die ”Wide Lane” eine recht lange Wellenlänge von 86,2 cm hat und somit Kandidaten für ganzzahlige Mehrdeutigkeit leicht eingegrenzt werden können. Daher werden ganzzahlige Mehrdeutigkeiten eingegrenzt bei L1, nachdem ganzzahlige Mehrdeutigkeiten in der ”Wide Lane” bestimmt worden sind.
Nachdem die ganzzahligen Mehrdeutigkeiten in der ”Wade Lane” bestimmt worden sind, kann ein Vorgang zur Positionsbestimmung in der ”Wade Lane” (Wide Lane Positioning) durchgeführt werden (Schritt 7).
Als Nächstes wird eine ganzzahlige Mehrdeutigkeit bei L1 auf der Basis der ganzzahligen Mehrdeutigkeiten in der ”Wade Lane” bestimmt. Nach der Bestimmung der ganzzahligen Mehrdeutigkeit bei L1 kann ein Vorgang zur Positionsbestimmung bei L1 durchgeführt werden (L1-Positionsbestimmung) (Schritt 8).
Durch diese Schritte können RTK-Lösungen gewonnen werden.
Wie in 4 gestattet, weist die Lösungsgewinnungseinheit 13 auf: einen Lösungsauswahlabschnitt 21, welcher die RTK-Lösungen von den Lösungsberechnungsabschnitten 12 empfängt und mindestens eine Fixed-Lösung auswählt; einen Anzahlentscheidungsabschnitt 22, welcher entscheidet, ob durch den Lösungsauswahlabschnitt 21 mehrere Fixed-Lösungen ausgewählt worden sind oder nicht; einen Abweichungsberechnungsabschnitt 23, welcher Abweichungen (die auch einfach ”Differenzen” genannt werden können) zwischen den Fixed-Lösungen bestimmt, wenn der Anzahlentscheidungsabschnitt 22 entscheidet, dass die mehreren Fixed-Lösungen ausgewählt worden sind; einen Entscheidungsabschnitt betreffs des zulässigen Wertes 24, welcher entscheidet, ob alle Abweichungen, die von dem Abweichungsberechnungsabschnitt 23 berechnet wunden, einen zulässigen Wert (Schwellwert) übersteigen oder nicht; und einen arithmetischen Verarbeitungsabschnitt 25, welcher eine vorbestimmte arithmetische Verarbeitung der Fixed-Lösungen durchführt, um eine normale (echte oder optimale) Fixed-Lösung zu gewinnen, wenn der Entscheidungsabschnitt betreffs des zulässigen Wertes 24 entscheidet, dass die Abweichungen den zulässigen Wert nicht übersteigen.
In dem arithmetischen Verarbeitungsabschnitt 25 wird zum Beispiel der Mittelwert der Fixed-Lösungen bestimmt, und die mittlere Fixed-Lösung wird von der Lösungsgewinnungseinheit 13 als eine normale Fixed-Lösung ausgegeben. Anstelle des Mittelwertes kann der Median verwendet werden (im Falle einer geraden Anzahl von Datenelementen wird der Mittelwert der zwei Datenelemente in der Mitte verwendet).
Die Datenanalyseeinheit 14 weist einen Ozeanwellen-Extraktionsabschnitt 31, welcher die in der Lösungsgewinnungseinheit 13 gewonnene Fixed-Lösung, das heißt Meeresspiegel-Positionsdaten, empfängt und eine Ozeanwelle extrahiert; einen Gezeitenpegel-Extraktionsabschnitt 32, welcher einen Gezeitenpegel extrahiert; und einen Tsunami-Extraktionsabschnitt 33, welcher einen Tsunami extrahiert, auf.
In dem Ozeanwellen-Extraktionsabschnitt 31 werden die Meeresspiegel-Positionsdaten einer Hochpassfilter-Verarbeitung (z. B. einem FIR-Filter) unterzogen, und es werden nur Ozeanwellen-Komponenten extrahiert, welche kurzperiodische Komponenten sind.
In dem Gezeitenpegel-Extraktionsabschnitt 32 werden die Meeresspiegel-Positionsdaten einer Tiefpassfilter-Verarbeitung unterzogen, kurzperiodische Komponenten wie etwa Ozeanwellen-Komponenten werden entfernt, und es wird ein Gezeitenpegel extrahiert, welcher eine langperiodische Komponente ist (Tsunami-Komponenten verbleiben). In diesem Falle wird ein FIR-Tiefpassfilter verwendet (das Berechnungsverfahren entspricht einem gewichteten gleitenden Mittelwert), und die kurzperiodischen Komponenten können entfernt werden, ohne eine Wellenform zu verformen.
Der Tsunami-Extraktionsabschnitt 33 weist auf: einen Abschnitt zur Detektion des gemessenen Gezeitenpegels, welcher die Meeresspiegel-Positionsdaten einer FIR-Tiefpassfilter-Verarbeitung unterzieht und kurzperiodische Komponenten wie etwa Ozeanwellen-Komponenten entfernt, um einen Ist-Gezeitenpegel zu gewinnen (dieser wird im Folgenden ”gemessener Gezeitenpegel” genannt); einen Gezeitenpegel-Schatzabschnitt, welcher einen Gezeitenpegel unter Verwendung einer Gezeitenpegel-Schätzformel schätzt; und einen Tsunami-Detektionsabschnitt, welcher den gemessenen Gezeitenpegel, der von dem Abschnitt zur Detektion des gemessenen Gezeitenpegels gewonnen wurde, und den geschätzten Gezeitenpegel, der von dem Gezeitenpegel-Schätzabschnitt gewonnen wunde, empfängt und einen Tsunami detektiert, indem er den geschätzten Gezeitenpegel von dem gemessenen Gezeitenpegel subtrahiert. Anders ausgedrückt, Tsunami-Komponenten, die längere Perioden als Ozeanwellen aufweisen, können extrahiert werden, indem der geschätzte Gezeitenpegel von dem gemessenen Gezeitenpegel subtrahiert wird.
Es wird auf das Flussdiagramm von 5 Bezug genommen; im Folgenden wird ein Meeresspiegel-Positionsmessverfahren beschrieben, das den Schritt des Gewinnens einer normalen Fixed-Lösung durch die Meeresspiegel-Positionsmesseinrichtung 11 umfasst.
Wie erläutert wurde, weist die Meeresspiegel-Positionsmesseinrichtung 11 die vier Lösungsberechnungsabschnitte 12 auf, welche von der Hochfahrsteuereinheit 16 zu den vorbestimmten Zeitintervallen, z. B. jede Stunde, gestartet und neu gestartet werden. 6 zeigt einen Start-/Neustart-Zeitablaufplan. ”T” in 6 stellt die Startzeit des zuerst gestarteten Lösungsberechnungsabschnitts 12 dar. ”T + 1 Stunde”, ”T +2 Stunden” und ”T + 3 Stunden” stellen die Startzeiten des als zweiter, als dritter bzw. als vierter gestarteten Lösungsberechnungsabschnitts 12 dar.
Anders ausgedrückt, wie in 5 dargestellt, werden die GPS-Entfernungsdaten, die an der Referenzstation 1 und der Beobachtungsstation 2 gewonnen werden, in die Lösungsberechnungsabschnitte 12 eingegeben, und von dem RTK-System wird eine Fixed-Lösung (FIX-Lösung) genau bestimmt. Selbstverständlich werden zusätzlich zu der Fixed-Lösung Lösungen wie etwa eine Float Lösung, eine D-GPS-Lösung und eine individuelle Positionsbestimmungs-Lösung bestimmt, mit einer geringeren Genauigkeit als die Fixed-Lösung.
Ferner werden die RTK-Lösungen, wie etwa eine Fixed-Lösung, eine Float Lösung, eine D-GPS-Lösung und eine individuelle Positionsbestimmungs-Lösung, von den Lösungsberechnungsabschnitten 12 in den Lösungsauswahlabschnitt 21 der Lösungsgewinnungseinheit 14 eingegeben, und danach wird mindestens eine Fixed-Lösung ausgewählt.
Als Nächstes wird die von dem Lösungsauswahlabschnitt 21 ausgewählte Fixed-Lösung in den Anzahlentscheidungsabschnitt 22 eingegeben, und danach wird die Anzahl der Fixed-Lösungen bestimmt.
Wenn der Anzahlentscheidungsabschnitt 22 entscheidet, dass mehrere Fixed-Lösungen ausgewählt worden sind, werden die Fixed-Lösungen in den Abweichungsberechnungsabschnitt 23 eingegeben, und es werden Abweichungen zwischen den Fixed-Lösungen bestimmt
Als Nächstes werden die Abweichungen in den Entscheidungsabschnitt betreffs des zulässigen Wertes 24 eingegeben, die absoluten Beträge der Abweichungen und ein voreingestellter Wert werden miteinander verglichen, und danach wird entschieden, ob alle Abweichungen den zulässigen Wert übersteigen oder nicht
Wenn der Entscheidungsabschnitt betreffs des zulässigen Wertes 24 entscheidet, dass keine der Abweichungen den zulässigen Wert übersteigt, wird entschieden, dass alle Fixed-Lösungen normale Werte haben. Danach werden die Fixed-Lösungen in den arithmetischen Verarbeitungsabschnitt 25 eingegeben, und es wird der Mittelwert sämtlicher Fixed-Lösungen berechnet. Der Mittelwert wird als Meeresspiegel-Positionsdatenelement ausgegeben.
Wenn der Anzahlentscheidungsabschnitt 22 entscheidet, dass nur eine Fixed-Lösung ausgewählt worden ist, wird die Feed-Lösung von der Lösungsgewinnungseinheit 13 ausgegeben.
Wenn der Entscheidungsabschnitt betreffs des zulässigen Wertes 24 entscheidet, dass die Abweichungen nicht alle den zulässigen Wert übersteigen, das heißt, wenn irgendeine der Abweichungen den zulässigen Wert übersteigt, tritt ein Sprungphänomen bei ganzzahligen Mehrdeutigkeiten auf, und es wird entschieden, dass die Fixed-Lösungen anormale Werte haben. Somit werden die Fixed-Lösungen, die zu diesem Zeitpunkt gewonnen wurden, alle für ungültig erklärt.
Die normale Fixed-Lösung, die so gewonnen wurde, wird zu der Datenanalyseeinheit 14 als Meeresspiegel-Positionsdaten übertragen. Anschließend wird die Fixed-Lösung analysiert in eine Ozeanwelle, eine Gezeit, einen Tsunami und so weiter, und danach wird die Fixed-Lösung zu der Datenanzeigeeinrichtung 15 übertragen und z. B. auf einem Bildschirm angezeigt.
Wenn die Lösungsberechnungsabschnitte 12 neu gestartet werden, werden in der Vergangenheit gemessene Pseudoentfernungen und Trägerphasen z. B. bei Glätten verwendet, und daher werden die Pseudoentfernungen und Trägerphasen initialisiert.
Gemäß der Meeresspiegel-Positionsmesseinrichtung und dem Meeresspiegel-Positionsmessverfahren werden die mehreren Lösungsberechnungsabschnitte 12, die das RTK-System verwenden, bereitgestellt, und die Abweichungen zwischen den in den Lösungsberechnungsabschnitten 12 gewonnenen Fixed-Lösungen werden mit dem zulässigen Wert verglichen. Wenn keine der Abweichungen den zulässigen Wert übersteigt, wird auf der Basis dieser Fixed-Lösungen eine normale Fixed-Lösung gewonnen. Somit kann eine normale Fixed-Lösung im Wesentlichen immer gewonnen werden. Anders ausgedrückt, Fixed-Lösungen mit anormalen Werten können zuverlässiger entfernt werden.
Ferner werden die Lösungsberechnungsabschnitte 12 sequentiell in den vorbestimmten Zeitintervallen neu gestartet. Daher kehrt sogar dann, wenn eine Fixed-Lösung einen anormalen Wert hat, eine ganzzahlige Mehrdeutigkeit in dem Lösungsberechnungsabschnitt 12, in dem der anormale Wert aufgetreten ist, innerhalb einer vorbestimmten Zeit zu einem normalen Wert zurück, so dass eine normale Fixed-Lösung gewonnen Wird.
Somit ist es anders als im Stand der Technik sogar dann, wenn eine Fixed-Lösung einen anormalen Wert hat, möglich, eine fortlaufende Ausgabe falscher Positionsdaten zu verhindern. Daher bieten die Meeresspiegel Positionsmesseinrichtung und das Meeresspiegel-Positionsmessverfahren die Möglichkeit, einen Tsunami oder Ähnliches mit hoher Genauigkeit zu detektieren, wodurch die Ausgabe einer falschen Tsunami-Warnung verhindert wird.
In der vorstehenden Erläuterung wurde die Positionsmesseinrichtung als der Hauptteil der Meeresspiegel-Positionsmesseinrichtung beschrieben. Die Positionsmesseinrichtung besteht z. B. aus den Lösungsberechnungsabschnitten 12 und der Lösungsgewinnungseinheit 13.
Die vorhergehende Ausführungsform beschrieb die Meeresspiegel-Positionsmesseinrichtung, welche die vier Lösungsberechnungsabschnitte enthält, die sequentiell in den vorbestimmten Zeitintervallen neu gestartet werden, und das Meeresspiegel-Positionsmessverfahren. Im Folgenden werden einfach eine Meeresspiegel-Positionsmesseinrichtung und ein Meeresspiegel-Positionsmessverfahren als ein Referenzbeispiel beschrieben, das dieselbe Wirkung erzielt.
Die Meeresspiegel-Positionsmesseinrichtung weist zwei Lösungsberechnungsabschnitte auf, von denen einer als ein Haupt-Lösungsberechnungsabschnitt (Main) und von den der andere als ein Unter-Lösungsberechnungsabschnitt (Sub) fungiert. Der Unter-Lösungsberechnungsabschnitt wird in vorbestimmten Zeitintervallen neu gestartet, und der Haupt Lösungsberechnungsabschnitt wird nur zu einem Zeitpunkt neu gestartet, wenn eine Abweichung zwischen Fixed-Lösungen, die in den Lösungsberechnungsabschnitten gewonnen wunden, einen zulässigen Wert übersteigt.
Unter Bezugnahme auf das Flussdiagramm von 7 wird im Folgenden eine einfache Beschreibung des Meeresspiegel-Positionsmessverfahrens gegeben.
Insbesondere werden RTK-Lösungen, die in den zwei Lösungsberechnungsabschnitten bestimmt wurden, in den Lösungsauswahlabschnitt einer Lösungsgewinnungseinheit eingegeben, und es wird mindestens eine Fixed-Lösung aus den RTK-Lösungen ausgewählt. Danach wird in einem Lösungsentscheidungsabschnitt (welcher dem Anzahlentscheidungsabschnitt der vorhergehenden Ausführungsform entspricht) entschieden, ob beide RTK-Lösungen Fixed-Lösungen sind oder nicht. In dem Falle, wenn nur eine der RTK-Lösungen eine Fixed-Lösung ist, wird entschieden, welcher der Lösungsberechnungsabschnitte die Fixed-Lösung ausgegeben hat.
Wenn entschieden wird, dass beide RTK-Lösungen Fixed-Lösungen sind, wird eine Abweichung zwischen den Fixed-Lösungen bestimmt, und anschließend wird die Abweichung mit dem vorbestimmten zulässigen Wert verglichen, um zu entscheiden, ob die Abweichung den zulässigen Wert übersteigt oder nicht.
Wenn entschieden wird, dass die Abweichung den zulässigen Wert nicht übersteigt, wird die Fixed-Lösung von dem Haupt-Lösungsberechnungsabschnitt als eine normale Fixed-Lösung gewonnen. Wenn die Abweichung den zulässigen Wert übersteigt, werden die Fixed-Lösungen beide für ungültig erklärt, und es wird für der Haupt-Lösungsberechnungsabschnitt neu gestartet
Wenn der Lösungsentscheidungsabschnitt entscheidet, dass die RTK-Lösungen keine Fixed-Lösungen sind, wird zuerst entschieden, ob die Lösung von dem Haupt-Lösungsberechnungsabschnitt eine Fixed-Lösung ist oder nicht. Wenn entschieden wird, dass die Lösung von dem Haupt-Lösungsberechnungsabschnitt eine Fixed-Lösung ist, wird die Fixed-Lösung als eine normale Fixed-Lösung gewonnen.
Wenn der Lösungsentscheidungsabschnitt entscheidet, dass die Lösung von dem Haupt-Lösungsberechnungsabschnitt keine Fixed-Lösung ist, wird als Nächstes entschieden, ob die Lösung von dem Unter-Lösungsberechnungsabschnitt eine Fixed-Lösung ist oder nicht. Wenn entschieden wird, dass die Lösung von dem Unter-Lösungsberechnungsabschnitt eine Fixed-Lösung ist, wird die Fixed-Lösung als eine normale Fixed-Lösung gewonnen. Wenn entschieden wird, dass die Lösung keine Fixed-Lösung ist, sind die Lösungen von dem Haupt- und dem Unter-Lösungsberechnungsabschnitt keine Fixed-Lösungen. Daher wird entschieden, dass keine Fixed-Lösungen vorhanden sind. 8 zeigt einen Neustart-Zeitablaufplan der Lösungsberechnungsabschnitte in diesem Falle.
Die Meeresspiegel-Positionsmesseinrichtung und das Meeresspiegel-Positionsmessverfahren des Referenzbeispiels können dieselbe Wirkung erzielen wie die vorhergehende Ausführungsform.
Anders ausgedrückt, im Vergleich zum Stand der Technik, bei welchem der einzige Lösungsberechnungsabschnitt vorgesehen ist, kann eine normale Fixed-Lösung leichter gewonnen werden. Daher können Fixed-Lösungen, die anormale Werte aufweisen, zuverlässiger entfernt werden.
Industrielle Anwendbarkeit
Mindestens ein Beobachtungs-GPS-Empfänger einer Positionsmesseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist auf einer Beobachtungsboje installiert, die in einem vorbestimmten Seegebiet verankert ist, wodurch eine Verschiebung des Meeresspiegels genau detektiert wird. Daher sind die Positionsmesseinrichtung und das Positionsmessverfahren der vorliegenden Erfindung hervorragend geeignet, um z. B. einen Tsunami zu detektieren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2008-2975 [0005, 0006, 0008]

Claims

Positionsmesseinrichtung mittels GPS, wobei die Einrichtung eine dreidimensionale Position eines sich bewegenden Objektes auf der Basis von GPS-Entfernungsdaten, die an einer Referenzstation gewonnen werden, welche ein Referenz-GPS-Empfänger ist, der auf dem Festland installiert ist, und von GPS-Entfernungsdaten, die an einer Beobachtungsstation gewonnen werden, welche ein Beobachtungs-GPS-Empfänger ist, der an dem zu ortenden sich bewegenden Objekt angeordnet ist, misst, wobei die Positionsmesseinrichtung mehrere Lösungsberechnungsabschnitte umfasst, welche die GPS-Entfernungsdaten von der Referenzstation und die GPS-Entfernungsdaten von der Beobachtungsstation empfangen und in der Lage sind, RTK-Lösungen, wie etwa eine Fixed-Lösung und eine Float-Lösung, als Positionsdaten der Beobachtungsstation gemäß dem Echtzeitkinematik-(Real Time Kinematic, RTK-)System zu berechnen, wobei die Lösungsberechnungsabschnitte sequentiell in vorbestimmten Zeitintervallen neu gestartet werden, wobei die Positionsmesseinrichtung ferner eine Lösungsgewinnungseinheit zum Empfangen der RTK-Lösungen, die von den Lösungsberechnungsabschnitten ausgegeben werden, und Gewinnen einer normalen Fixed-Lösung umfasst; wobei die Lösungsgewinnungseinheit umfasst: einen Anzahlentscheidungsabschnitt zum Entscheiden, ob die eingegebenen RTK-Lösungen mehrere Fixed-Lösungen enthalten oder nicht; einen Abweichungsberechnungsabschnitt zum Bestimmen von Abweichungen zwischen den Fixed-Lösungen, wenn der Anzahlentscheidungsabschnitt entscheidet, dass die RTK-Lösungen mehrere Fixed-Lösungen enthalten; und einen Entscheidungsabschnitt betreffs des zulässigen Wertes zum Entscheiden, ob die Abweichungen, die durch den Abweichungsberechnungsabschnitt berechnet werden, einen zulässigen Wert übersteigen oder nicht, wobei, wenn der Entscheidungsabschnitt betreffs des zulässigen Wertes entscheidet, dass keine der Abweichungen den zulässigen Wert übersteigt, auf der Basis der Fixed-Lösungen eine normale Fixed-Lösung gewonnen wird.
Positionsmesseinrichtung mittels GPS nach Anspruch 1, wobei die Beobachtungsstation auf einer Beobachtungsboje installiert ist, die in einem vorbestimmten Seegebiet verankert ist, und die Positionsdaten als eine Meeresspiegelposition berechnet werden.
Positionsmessverfahren mittels GPS, welches umfasst: Eingeben, in mehrere Lösungsberechnungsabschnitte, von GPS-Entfernungsdaten, die an einer Referenzstation gewonnen werden, welche ein Referenz-GPS-Empfänger ist, der auf dem Festland installiert ist, und von GPS-Entfernungsdaten, die an einer Beobachtungsstation gewonnen werden, welche ein Beobachtungs-GPS-Empfänger ist, der an einem zu ortenden sich bewegenden Objekt angeordnet ist; Berechnen von RTK-Lösungen, wie etwa einer Fixed-Lösung und einer Float-Lösung, als Positionsdaten der Beobachtungsstation gemäß einem Echtzeitkinematik-(Real Time Kinematic, RTK-)System in den jeweiligen Lösungsberechnungsabschnitten; Entscheiden, ob die gewonnenen RTK-Lösungen mehrere Fixed-Lösungen enthalten oder nicht; Bestimmen von Abweichungen zwischen den Fixed-Lösungen, wenn entschieden worden ist, dass die RTK-Lösungen mehrere Fixed-Lösungen enthalten; Entscheiden, ob die bestimmten Abweichungen einen zulässigen Wert übersteigen oder nicht; und Gewinnen einer normalen Fixed-Lösung auf der Basis der Fixed-Lösungen, wenn entschieden worden ist, dass keine der Abweichungen den zulässigen Wert übersteigt, wobei die Lösungsberechnungssbschnitte sequentiell in vorbestimmten Zeitintervallen neu gestartet werden.
Positionsmessverfahren mittels GPS nach Anspruch 3, wobei die Beobachtungsstation auf einer Beobachtungsboje installiert ist, die in einem vorbestimmten Seegebiet verankert ist, und die Positionsdaten als eine Meeresspiegelposition berechnet werden.