JP2000065593A - ハイブリッド形航法システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＩＮＳで計測した速度の時間と共に増大する
誤差の補正と、低価格化と、サイクルスリップの検出と
補正の高速化。 【解決手段】 １周波形ＧＰＳ受信機３ａ及び計算部３
ｂを有するＧＰＳ移動局３と、慣性装置４とより構成す
る。計算部３ｂは、受信機３ａで計測された移動局の速
度Ｖ１及び位置Ｐ１と、慣性装置４で計測された移動局
の速度Ｖ２及び位置Ｐ２とをフィルタリングして、より
精度のよい補正された移動局の速度Ｖ３及び位置Ｐ３を
計算して、外部に出力すると共に、速度Ｖ３（またはＶ
２）を受信機に与え、また速度Ｖ２に含まれる誤差ΔＶ
２＝Ｖ２−Ｖ３を演算して、慣性装置４に与える。ＧＰ
Ｓ受信機は、速度Ｖ１を補正された速度Ｖ３（またはＶ
２）と比較して、サイクルスリップの検出とその補正を
行う。慣性装置４は、計算部より与えられた速度誤差Δ
Ｖ２を用いて速度Ｖ２及び位置Ｐ２を補正する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ＧＰＳ受信機と
ＩＮＳとを併用したハイブリッド形航法システムに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】（１）従来例１ 従来のこの種のハイブリッド形航法システム５は、図３
に示すように１周波形のＧＰＳ受信機３ａ及び計算部３
ｂより成るＧＰＳ移動局３と、慣性装置（ＩＮＳ）４よ
り構成される。ＧＰＳ移動局３ａはＧＰＳ基準局２から
送られる基準局位置、衛星からの搬送波位相、時間など
のデータにより支援される。ところで、ＧＰＳ受信機３
ａがＧＰＳ衛星１より搬送波位相を取得する際、ノイズ
等の影響で位相がスリップしたように、数サイクルずれ
ることがあり、この現象をサイクルスリップと呼んでい
る。ＧＰＳ受信機３ａは、このサイクルスリップが発生
すると、サイクルスリップを補正しなければならない。

【０００３】２周波形ＧＰＳ受信機では一方の搬送波が
サイクルスリップしたときには、もう一方の搬送波を用
いて補正できる。しかし、１周波形ＧＰＳ受信機では、
受信機単独では補正することができない。そこで、１周
波形ＧＰＳ受信機３ａはＧＰＳ衛星１からの電波を受信
して、移動局（受信機）の速度を演算し、その演算値Ｖ
１をＩＮＳ４の計測した移動局の速度Ｖ２と比較して、
ＧＰＳ搬送波位相のサイクルスリップの検出と、その補
正を行っている。計算部３ｂはＧＰＳ受信機３ａの出力
から航法計算を行って、移動局の位置Ｐ３，速度Ｖ３を
求める。従来例１の欠点は、ＩＮＳ４より得られる速度
Ｖ２の誤差が時間の経過と共に増大するので、ある程度
時間がたつと速度Ｖ２のデータが使えないので、サイク
ルスリップの検出と、その補正ができなくなる点であ
る。

【０００４】（２）従来例２ 従来の他のハイブリッド形航法システムでは、図４に示
すように２周波形のＧＰＳ受信機３ａを用い、自身でサ
イクルスリップを検出し補正を行う。計算部３ｂはＧＰ
Ｓ受信機３ａで得られる位置Ｐ１，速度Ｖ１と、ＩＮＳ
４で得られる位置Ｐ２，速度Ｖ２をフィルタリングして
より精度の良い位置Ｐ３，速度Ｖ３を計算する。

【０００５】従来例２の欠点は、２周波形ＧＰＳ受信機
３ａが１周波形に比べて極めて高価のため、航法システ
ム５も高価になる点と、サイクルスリップの検出に時間
が掛かる点である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】 １周波形ＧＰＳ受
信機を用いた従来例１において、ＩＮＳ４で測定した速
度Ｖ２の誤差が時間と共に増大するため、ある程度時間
がたつとサイクルスリップの検出とその補正ができなく
なる点を改善する。 ２周波形ＧＰＳ受信機を用いた従来例２のように、
システムが非常に高価になる点を改善する。 従来例２のようにサイクルスリップの検出に時間が
掛かる点を改善する。

【０００７】

【課題を解決するための手段】（１）請求項１の発明
は、１周波形ＧＰＳ受信機及び計算部を有するＧＰＳ移
動局と、慣性装置とより成る航法システムに関する。請
求項１では特に、計算部は、ＧＰＳ受信機で計測された
移動局（ＧＰＳ受信機）の速度Ｖ１及び位置Ｐ１と、慣
性装置で計測された移動局の速度Ｖ２及び位置Ｐ２とを
フィルタリングして、より精度のよい補正された移動局
の速度Ｖ３及び位置Ｐ３を計算して、外部に出力すると
共に、前記速度Ｖ３またはＶ２をＧＰＳ受信機に与え、
また前記速度Ｖ２に含まれる誤差ΔＶ２＝Ｖ２−Ｖ３を
演算して、慣性装置に与える。ＧＰＳ受信機は、前記速
度Ｖ１を前記補正された速度Ｖ３またはＶ２と比較し
て、受信したＧＰＳ衛星の搬送波位相のサイクルスリッ
プの検出とその補正を行う。慣性装置は、計算部より与
えられた速度誤差ΔＶ２を用いて前記速度Ｖ２及び位置
Ｐ２を補正する。

【０００８】（２）請求項２の発明は、前記（１）にお
いて、前記速度Ｖ１、及びＶ３またはＶ２より搬送波の
位相変化率φ′１、及びφ′３またはφ′２を求め、両
者の偏差よりサイクルスリップの検出と位相変化率の補
正を行う。

【０００９】

【発明の実施の形態】（１）２周波形ＧＰＳ受信機を用
いる従来例２の航法システムでは、２周波形であるため
極めて高価となると共にサイクルスリップの検出に時間
が掛かるので、この発明の航法システムでは、従来例１
と同じく安価な１周波形のＧＰＳ受信機を用いる。しか
し、従来例１において、ＩＮＳ４の測定した速度Ｖ２の
誤差が時間と共に増大し、サイクルスリップの検出とそ
の補正ができなくなる点の改善を図っている。

【００１０】図１に示すこの発明の航法システム５で
は、計算部３ｂは、１周波形のＧＰＳ受信機３ａで得ら
れた速度Ｖ１及び位置Ｐ１と、ＩＮＳ４で得られた速度
Ｖ２及び位置Ｐ２とをフィルタリングして、より精度の
良い補正された速度Ｖ３，位置Ｐ３を計算して、外部に
出力すると共に、速度Ｖ３またはＶ２をＧＰＳ受信機３
ａに与え、またＩＮＳ４で得られた速度Ｖ２に含まれる
誤差ΔＶ２＝Ｖ２−Ｖ３を演算してＩＮＳ４に与える。

【００１１】ＧＰＳ受信機３ａは計測した速度Ｖ１を補
正された速度Ｖ３またはＶ２と比較してサイクルスリッ
プの検出とその補正を行う。ＩＮＳ４の計測した速度Ｖ
２が時間と共に誤差が増大するのを防止するために、Ｉ
ＮＳ４は計算部３ｂより入力された速度誤差ΔＶ２を用
いて速度データＶ２，位置データＰ２を常時補正する。
上述において、前記速度Ｖ１、及びＶ３またはＶ２より
搬送波の位相変化率φ′１、及びφ′３またはφ′２を
求め、両者の偏差よりサイクルスリップの検出と位相変
化率の補正を行うことができる。

【００１２】（２）位相変化率φ′と移動局速度Ｖ_i の
関係 基準座標は地球固定座標とする。図２に示すように、Ｇ
ＰＳ受信機３ａの速度をＶ_m ，衛星１の速度をＶ_i とす
る。受信機３ａから衛星１を見た方向（視線方向）にお
ける相対速度Ｖ_rel は Ｖ_rel ＝Ｖ_SV−Ｖ_g ＝Ｓ・（Ｖ_i −Ｖ_m ） …… （１） となる。ただし、Ｓは視線方向の単位ベクトルである。

【００１３】ＧＰＳ受信機３ａが観測できる位相の変化
率はトップラ効果の式を用いて次のように表される。 Δｆ／ｆ＝Ｖ_rel ／ｃ …… （２） （２）式において、Δｆ：周波数変化、ｆ：搬送波周波
数、Ｖ_rel ：相対速度、ｃ：搬送波速度（光速）であ
る。

【００１４】観測される位相変化Δφと周波数変化Δｆ
の関係は Δｆ＝Δφ／２π＝（Ｖ_rel ／ｃ）ｆ …… （３） Δφ＝（Ｖ_rel ／ｃ）２πｆ＝（Ｖ_rel ／λ）２π …… （４） となる。λ：搬送波波長である。単位時間の位相変化は
位相変化率と一致するから、式（４）を見て位相変化率
φ′〔rad/ｓ〕は φ′＝２π（Ｖ_rel ／λ） …… （５） とかける。よって（１）より φ′＝（２π／λ）Ｓ・（Ｖ_i −Ｖ_m ） …… （６） の関係が求められる。

【００１５】衛星の位置をＰsv＝（Ｘsv，Ｙsv，Ｚs
v），受信機の位置をＰｇ＝（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）とす
ると、受信機から衛星を見た方向の単位ベクトルＳは Ｓ＝〔(Xsv−Xg）／Ｒ，(Ysv−Yg）／Ｒ，(Zsv−Zg）／Ｒ〕………（７） Ｒ＝√｛(Xsv−Xg)²＋(Ysv−Yg)²＋(Zsv−Zg)²｝ ………（８） である。

【００１６】衛星１−ｉの速度Ｖ_i （ｉ＝１，２…，
ｎ）は衛星の軌道情報から計算される。衛星１−ｉから
の搬送波の位相変化率のＧＰＳ受信機による測定値φ′
_mes ⁱは（６）式より、 φ′_mes ⁱ ＝（２π／λ）Ｓⁱ ・（Ｖ_i −Ｖ_m ）＋Δφ′ ………（９） （ｉ＝１，２，…，ｎ） 上式のΔφ′は受信機誤差（主に受信機内の基本発振器
によるもの）である。

【００１７】変数がΔφ′と受信機速度の３成分
（Ｖ_mx，Ｖ_my，Ｖ_mz）であるため、４つの衛星に対する
（９）式を解けば求められる。 φ′_mes ¹ ＝（２π／λ）Ｓ¹ ・（Ｖ₁ −Ｖ_m ）＋Δφ′ …（９−１） φ′_mes ² ＝（２π／λ）Ｓ² ・（Ｖ₂ −Ｖ_m ）＋Δφ′ …（９−２） φ′_mes ³ ＝（２π／λ）Ｓ³ ・（Ｖ₃ −Ｖ_m ）＋Δφ′ …（９−３） φ′_mes ⁴ ＝（２π／λ）Ｓ⁴ ・（Ｖ₄ −Ｖ_m ）＋Δφ′ …（９−４）

【００１８】（３）ＩＮＳの移動局速度による位相変化
率の推定とサイクルスリップの補正ＩＮＳによって計測
した受信機速度から位相変化率を推定すると φ′^* ＝（２π／λ）Ｓ・（Ｖ_i −Ｖ_m ^INS ） ……… (10) となる。推定値φ′^* とＧＰＳ受信機または移動局によ
る計測値φ′の偏差は Δφ′＝φ′−φ′^* ＝（２π／λ）Ｓ・（Ｖ_m ^INS −Ｖ_m ）…… (11) 誤差（偏差）Δφ′がある値を超えることによりサイク
ルスリップが起きたことが分る。サイクルスリップは通
常、整数値で起こるためその偏差が例えば0.５cycle/s
(π rad/s）以上でサイクルスリップが起きたと判断で
きる。

【００１９】また、Ｓの成分は１以上にならないためλ
は約１９cm，衛星速度の精度が数cm/sであることを考え
ると、ＩＮＳ速度の精度はは５cm/s程度あればよい。Ｇ
ＰＳ受信機による測定値φ′にはサイクルスリップによ
る誤差が含まれている。ここで、サイクルスリップが整
数サイクル（例えば±１，±２）で起こることが分かっ
ているので、その誤差の値により補正値Δφ′を決定す
る。

【００２０】 例えば（単位〔cycle/s 〕） −0.５＜Δφ′≦ 0.５のとき、Δφ′＝０ 0.５＜Δφ′≦ 1.５のとき、Δφ′＝＋１ −1.５＜Δφ′≦−0.５のとき、Δφ′＝−１とする。 補正された位相変化率φ′₀ は φ′₀ ＝φ′−Δφ′ ……… (12) として、次回にはφ′をφ′₀ に置き換えて測位を続け
る。

【００２１】上述ではＩＮＳ４で計測した受信機速度Ｖ
_m ^INS より位相変化率を推定したが、（１）で述べたＩ
ＮＳ４で計測した受信機速度Ｖ２と、ＧＰＳ受信機３ａ
が計測した受信機速度Ｖ１とを計算部３ｂがフィルタリ
ング処理（ハイブリッド）して得たより精度のよい補正
された速度Ｖ３を用いて位相変化率φ′^* を推定すれ
ば、推定の精度が向上する。従って、その推定値φ′^*
とＧＰＳ受信機の計測した速度Ｖ_m を用いて計算した
（６）式の位相変化率φ′との差より上記の偏差Δφ′
を求める。

【００２２】

【発明の効果】 この発明では、計算部３ｂが、ＧＰ
Ｓ受信機３ａの計測した速度Ｖ１とＩＮＳ４の計測した
速度Ｖ２とをフィルタ処理（ハイブリッド）して、より
精度のよい補正された速度Ｖ３を計算し、その速度Ｖ３
に対する速度Ｖ２の誤差ΔＶ２＝Ｖ２−Ｖ３を計算して
ＩＮＳ４に与え、ＩＮＳ４はこのΔＶ２を用いて自分が
測定した速度Ｖ２，位置Ｐ２を補正するので、時間の経
過と共にＩＮＳ出力の誤差が増大し、サイクルスリップ
の検出ができなくなると言った不都合は生じない。

【００２３】 この発明では、高価な２周波形ＧＰＳ
ではなく、安価な１周波形ＧＰＳを用いているので、従
来例２のようにシステムが高価になることはない。 受信機速度Ｖ１，Ｖ２（従ってＶ３）の取得間隔を
短くすれば、それら速度Ｖ１，Ｖ３（またはＶ２）より
求めた位相変化率φ′１，φ′３（またはφ′２）を比
較して瞬時にサイクルスリップの判定と補正を行うこと
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例を示すブロック図。

【図２】衛星速度とＧＰＳ受信機速度と視線方向速度の
関係を説明するための図。

【図３】従来の１周波形ＧＰＳ移動局を用いたハイブリ
ッド形航法システムのブロック図。

【図４】従来の２周波形ＧＰＳ移動局を用いたハイブリ
ッド形航法システムのブロック図。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 １周波形のＧＰＳ受信機及び計算部を有
   するＧＰＳ移動局と、慣性装置とより成るハイブリッド
   形航法システムにおいて、 前記計算部は、前記ＧＰＳ受信機で計測された移動局
   （ＧＰＳ受信機）の速度Ｖ１及び位置Ｐ１と、前記慣性
   装置で計測された移動局の速度Ｖ２及び位置Ｐ２とをフ
   ィルタリングして、より精度のよい補正された移動局の
   速度Ｖ３及び位置Ｐ３を計算して、外部に出力すると共
   に、前記速度Ｖ３またはＶ２を前記ＧＰＳ受信機に与
   え、また前記速度Ｖ２に含まれる誤差ΔＶ２＝Ｖ２−Ｖ
   ３を演算して、前記慣性装置に与え、 前記ＧＰＳ受信機は、前記速度Ｖ１を前記補正された速
   度Ｖ３または前記速度Ｖ２と比較して、受信したＧＰＳ
   衛星の搬送波位相のサイクルスリップの検出とその補正
   を行い、 前記慣性装置は、前記計算部より与えられた速度誤差Δ
   Ｖ２を用いて前記速度Ｖ２及び位置Ｐ２を補正すること
   を特徴とするハイブリッド形航法システム。
2. 【請求項２】 請求項１において、前記速度Ｖ１、及び
   Ｖ３またはＶ２より搬送波の位相変化率φ′１、及び
   φ′３またはφ′２を求め、両者の偏差よりサイクルス
   リップの検出と位相変化率の補正を行うことを特徴とす
   るハイブリッド形航法システム。