JP2003167044A - 測位装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 姿勢変化の激しい飛翔体などの移動体におい
て、その姿勢変動があっても測位を継続できるようにし
た測位装置を提供する。 【解決手段】 第１の受信機の受信点である第１の受信
点ｒ１と、第２の受信機の受信点である第２の受信点ｒ
２とを、各測位用衛星Ｓａ〜Ｓｄから受信点ｒ１，ｒ２
までの擬似距離の測距精度より短い距離を隔てて、且つ
指向方向を異ならせて、移動体上に配置する。この第１
・第２の受信機が求めた各測位用衛星からの信号の位相
情報により、各測位用衛星から受信点までの擬似距離を
求め、それらの擬似距離を統合して移動体の位置を算出
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衛星など
の測位用衛星から送信される電波を受信する受信機を搭
載した、移動体の測位を行う測位装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】移動体の位置を測位するシステムでは、
測位用衛星からの電波を受信して、受信点の測位を行う
測位装置を移動体に搭載している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】航空機やロケットなど
の飛翔体においても、測位用衛星からの電波を受信でき
れば、その測位を行うことは可能である。例えばロケッ
トなどの円筒型の飛翔体においては、複数の測位用衛星
からの電波を受信するアンテナとして、いわゆるサーフ
ェイスマウント型のアンテナを円筒形状の側面部分に配
置することになる。ところが、移動体の姿勢変化などに
より、移動体に搭載されているアンテナの指向方向は大
きく変動する。特に、ロケットのような円筒型の飛翔体
では、そのローリングなどによって、アンテナの視野か
ら測位用衛星が外れてしまい、衛星からの電波の追尾が
中断される（すなわち衛星を見失なう）確率が高くな
る。追尾中の衛星の数が４に満たなくなると、測位計算
ができなくなり、移動体の測位が中断してしまう。

【０００４】この発明の目的は、姿勢変化の激しい飛翔
体などの移動体において、その大きな姿勢変化があって
も測位を継続できるようにした測位装置を提供すること
にある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この発明は、複数の測位
用衛星からの信号を受信する手段と、該受信信号の位相
情報を検出する手段と、を含む受信機を備えた測位装置
において、第１・第２の受信機のそれぞれの第１・第２
の受信点を、各測位用衛星から受信点までの擬似距離の
測距精度より短い距離を隔て、且つ指向方位を異ならせ
て、移動体に配置し、前記第１・第２の受信機が求めた
前記位相情報により、各測位用衛星から受信点までの擬
似距離を求め、該擬似距離を用いて、前記移動体の位置
を算出する測位演算手段を備えたことを特徴とする。

【０００６】このように指向方向の異なった少なくとも
２つの受信点を移動体に配置することによって、全体に
より広範囲に亘って測位用衛星からの電波を受信できる
ようにする。

【０００７】また、上記少なくとも２つの受信点の間隔
は、擬似距離の測距精度より短い間隔とする。このこと
により、第１・第２の受信点の位置の違いが、擬似距離
に与える影響を無視できるように、第１・第２の受信点
で求めた擬似距離を統合できるようにする。

【０００８】また、この発明は、前記測位演算手段が、
前記複数の測位用衛星のうちの、第１・第２の受信点で
共に受信可能な、基準測位用衛星から第１の受信点まで
の擬似距離と、前記基準測位用衛星から第２の受信点ま
での擬似距離との差分を求め、第２の受信機が求めた擬
似距離を前記差分で補正した擬似距離と、第１の受信機
が求めた擬似距離とを用いて、前記移動体の位置を算出
することを特徴とする。

【０００９】このように基準測位用衛星から第１の受信
点までの擬似距離と、基準測位用衛星から第２の受信点
までの擬似距離との差分で、第１・第２の受信機の時計
誤差の差分を求め、この時計誤差の差分を補正すること
によって、第１・第２の受信機がそれぞれ求めた複数の
擬似距離を、実質上１つの受信機が観測した擬似距離と
して統合し、測位に用いられるようにする。

【００１０】また、この発明は、前記測位演算手段が前
記第１の受信点で受信可能な複数の測位用衛星のうちの
１つの測位用衛星を第１の基準測位用衛星とし、該第１
の基準測位用衛星から第１の受信点までの擬似距離と、
他の測位用衛星から第１の受信点までの擬似距離との差
である擬似距離差を求め、前記第２の受信点で受信可能
な複数の測位用衛星のうちの１つの測位用衛星を第２の
基準測位用衛星とし、該第２の基準測位用衛星から第２
の受信点までの擬似距離と、他の測位用衛星から第２の
受信点までの擬似距離との差である擬似距離差を求め、
前記それぞれの擬似距離差を用いて、前記移動体の位置
を算出することを特徴とする。

【００１１】第１の受信機が求めた擬似距離差と、第２
の受信機が求めた擬似距離差とは、共に第１・第２の受
信機の時計誤差を含まない。このことを利用して、上記
構成により、実質上１つの受信機が求めた擬似距離差と
して統合し、測位に用いられるようにする。

【００１２】

【発明の実施の形態】この発明の実施形態に係る測位装
置の構成を各図を参照して順に説明する。図１はロケッ
トなどの円筒型の飛翔体における２つのアンテナの取り
付け位置の例を示している。この図１は、中心軸に垂直
な面での円筒型飛翔体の胴体部分の断面図である。ここ
で、１は飛翔体である。１１は第１の受信点に設けたア
ンテナ、１２は第２の受信点に設けたアンテナである。
但し、図１ではアンテナの存在を誇張して表している。
実際には、これらのアンテナは、飛翔体１の流体力学
上、適切な外形状となるように搭載する。

【００１３】図１に示す例では、飛翔体１の中心軸Ｏを
中心として、角度間隔９０°だけずれた位置に、２つの
アンテナ１１，１２を配置している。アンテナ１１，１
２は、それぞれ一点鎖線で示す方向を指向特性の中心と
する略１８０°の半球状の指向特性を有する。但し、２
つのアンテナの角度間隔は９０°に限らない。また、各
アンテナの指向範囲も１８０°に限らない。

【００１４】また、２つのアンテナ１１，１２は、直線
距離間隔を１ｍ程度としている。ＧＰＳにおいては、擬
似距離の測距精度が約５ｍであるので、２つのアンテナ
１１，１２間の直線距離を５ｍ以内とする。このことに
より、２つのアンテナ１１，１２のいずれのアンテナで
受信して観測した擬似距離も、実質上１つのアンテナで
受信して観測した結果と等しく扱えるようになる。

【００１５】図２は、複数の測位用衛星（以下単に「衛
星」という。）から２つのアンテナ１１，１２までの距
離について示している。図２において、Ｓａ，Ｓｂ，Ｓ
ｃ，Ｓｄはそれぞれ衛星、ｒ１，ｒ２はアンテナ１１，
１２の受信点である。Ｄａ１，Ｄｂ１，Ｄｃ１は、衛星
Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃから第１の受信点ｒ１までの距離であ
る。また、Ｄｃ２，Ｄｄ２は、衛星Ｓｃ，Ｓｄから第２
の受信点ｒ２までの距離である。

【００１６】図３は、図２に示した５つの距離と、それ
を用いた測位演算の方法について示している。ここでε
１は、アンテナ１１からの信号を入力する第１の受信機
の時計誤差の距離換算値である。ε２は、アンテナ１２
からの信号を入力する第２の受信機の時計誤差の距離換
算値である。したがって、衛星Ｓａから第１の受信点ｒ
１までの擬似距離は（Ｄａ１＋ε１）と表せる。同様
に、衛星Ｓｂから第１の受信点ｒ１までの擬似距離は
（Ｄｂ１＋ε１）、衛星Ｓｃから第１の受信点ｒ１まで
の擬似距離は（Ｄｃ１＋ε１）と表せる。さらに、衛星
Ｓｃから第２の受信点ｒ２までの擬似距離は（Ｄｃ２＋
ε２）、衛星Ｓｄから第２の受信点ｒ２までの擬似距離
は（Ｄｄ２＋ε２）と表せる。

【００１７】ここで、２つの受信点ｒ１，ｒ２で共に受
信可能な衛星であるＳｃから、受信点ｒ１，ｒ２までの
擬似距離の差をＴｅで表すと、次の関係が成り立つ。

【００１８】 Ｔｅ＝（Ｄｃ１＋ε１）−（Ｄｃ２＋ε２） ＝ε１−ε２ したがって、この擬似距離の差分は、第１・第２の受信
機の時計誤差の差に相当する。そこで、図３に示したよ
うに、第２の受信機が求めた擬似距離（Ｄｃ２＋ε２）
に対して上記差分Ｔｅを加算することによって、第１・
第２の受信機の時計誤差の差分の補正を行う。これで、
第１の受信機が衛星Ｓｃからの信号を受信した場合に相
当する擬似距離（Ｄｃ２＋ε１）が求まる。同様に、衛
星Ｓｄから第２の受信点ｒ２までの擬似距離（Ｄｄ２＋
ε２）に上記Ｔｅを加算することによって、第１の受信
機が衛星Ｓｄからの信号を受信した場合に相当する等価
的な擬似距離（Ｄｄ２＋ε１）が求まる。

【００１９】但し、第１・第２の受信点ｒ１，ｒ２は同
一ではないので、Ｄｃ１とＤｃ２とは厳密には等しくな
い。しかし、第１・第２の受信点間距離は、擬似距離の
測距精度より短い距離としているので、その誤差分は無
視できる。したがって、図３に示した（Ｄａ１＋ε
１），（Ｄｂ１＋ε１），（Ｄｃ１＋ε１）または（Ｄ
ｃ２＋ε１），（Ｄｄ２＋ε１）の４つの擬似距離を基
に、移動体の位置を算出できる。

【００２０】図４および図５は上述した方法とは別の方
法で移動体の測位を行う例を示している。図４におい
て、Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃは、第１の受信点ｒ１から見たア
ンテナ１１の視野内に存在する衛星である。Ｓｄ，Ｓ
ｅ，Ｓｆは、第２の受信点ｒ２から見たアンテナ１２の
視野内に存在する衛星である。

【００２１】また、Ｄａ１は衛星Ｓａから受信点ｒ１ま
での距離、Ｄｂ１は衛星Ｓｂから受信点ｒ１までの距
離、Ｄｃ１は衛星Ｓｃから受信点ｒ１までの距離であ
る。Ｄｄ２は衛星Ｓｄから受信点ｒ２までの距離、Ｄｅ
２は衛星Ｓｅから受信点ｒ２までの距離、Ｄｆ２は衛星
Ｓｆから受信点ｒ２までの距離である。

【００２２】図２および図３に示した例と異なり、この
例では、第１・第２の受信点で共に受信可能な衛星が存
在しない。

【００２３】図５は、図４に示した６つの距離と、それ
を用いた測位演算の方法について示している。ここでε
１は、アンテナ１１からの信号を入力する第１の受信機
の時計誤差の距離換算値である。ε２は、アンテナ１２
からの信号を入力する第２の受信機の時計誤差の距離換
算値である。したがって、衛星Ｓａから第１の受信点ｒ
１までの擬似距離は（Ｄａ１＋ε１）、衛星Ｓｂからｒ
１までの擬似距離は（Ｄｂ１＋ε１）、衛星Ｓｃからｒ
１までの擬似距離は（Ｄｃ１＋ε１）と表せる。さら
に、衛星Ｓｄから第２の受信点ｒ２までの擬似距離は
（Ｄｄ２＋ε２）、衛星Ｓｅからｒ２までの擬似距離は
（Ｄｅ２＋ε２）、衛星Ｓｆからｒ２までの擬似距離は
（Ｄｆ２＋ε２）と表せる。

【００２４】このような場合には、第１の受信点ｒ１で
受信可能な３つ衛星のうち、たとえば衛星Ｓｂを第１の
基準衛星とし、擬似距離（Ｄｂ１＋ε１）に対する擬似
距離（Ｄａ１＋ε１）の差を擬似距離差として求める。
これにより、第１の受信機の時計誤差ε１を除去して、
擬似距離差（Ｄａ１−Ｄｂ１）を求める。同様に、擬似
距離（Ｄｂ１＋ε１）に対する擬似距離（Ｄｃ１＋ε
１）の差（Ｄｃ１−Ｄｂ１）を求める。

【００２５】同様に、第２の受信点ｒ２で受信可能な３
つの衛星のうち、たとえば衛星Ｓｅを第２の基準衛星と
し、擬似距離（Ｄｅ２＋ε２）に対する擬似距離（Ｄｄ
２＋ε２）の差を擬似距離差として求める。これによ
り、第２の受信機の時計誤差ε２を除去して、擬似距離
差（Ｄｄ２−Ｄｅ２）を求める。同様に、擬似距離（Ｄ
ｅ２＋ε２）に対する擬似距離（Ｄｆ２＋ε２）の差
（Ｄｆ２−Ｄｅ２）を求める。

【００２６】このように、第１・第２の受信機の時計誤
差を含まない４つの擬似距離差データを求めれば、それ
らを基にして移動体の位置を計算することができる。

【００２７】さて、図６は測位装置全体の構成を示すブ
ロック図である。ここで１１，１２はそれぞれＧＰＳア
ンテナ、２１，２２は第１・第２の受信機、３０は測位
演算部である。第１・第２の受信機２１，２２におい
て、２１１，２２１はアンテナ１１，１２からの信号を
中間周波信号に変換するダウンコンバータである。２１
２，２２２はその中間周波信号を所定ビット数のディジ
タルデータ列に変換するＡ／Ｄコンバータである。受信
信号処理部２１３，２２３は、Ａ／Ｄコンバータ２１
２，２２２からの出力データ列に対して信号処理を行
う。この受信信号処理部２１３，２２３には、位相０度
と９０度のキャリア信号を発生するキャリアＮＣＯ、こ
のキャリア信号と入力信号との相関を求める相関器、Ｃ
／Ａコード発生器、そのＣ／Ａコード位相を数値制御す
るコードＮＣＯ、所定のＣ／Ａコード位相のずれを有す
る３つＣ／Ａコードと入力信号との位相差を検出する相
関器を備えている。

【００２８】測位演算部３０は、ＣＰＵ３０１、ＲＯＭ
３０２、ＲＡＭ３０３、ＲＴＣ（リアルタイムクロッ
ク）３０４、外部へデータを出力するためのインターフ
ェイス３０５、および受信機２１，２２に対してデータ
を入出力するためのインターフェイス３０６，３０７を
備えている。この測位演算部３０は、受信機２１，２２
で求められたＣ／Ａコード位相に関する相関値に基づ
き、上記コードＮＣＯの位相を制御し、キャリア位相に
関する相関値に基づき、キャリアＮＣＯの周波数および
位相を制御して、Ｃ／Ａコード位相およびキャリア位相
の追尾を行う。

【００２９】図７は、図６に示した受信機２１，２２の
処理手順を示すフローチャートである。まず衛星からの
信号を受信するとともに、目的の衛星をサーチし，捕捉
・追尾を行う（ｎ１）。そして、各衛星のＣ／Ａコード
位相を求め、各衛星のＣ／Ａコード位相、衛星番号を測
位演算部３０へ出力する（ｎ２→ｎ３）。また、ステッ
プｎ３では、必要に応じて衛星の軌道情報を含む航法メ
ッセージを測位演算部３０へ出力する。

【００３０】図８は、図２および図３に示した方法で測
位演算を行う場合の、測位演算部３０の処理手順を示す
フローチャートである。

【００３１】まず、第１受信機２１の追尾中の衛星数が
４以上であるか否かの判定を行う（ｎ１１）。また第２
受信機２２の追尾中の衛星数が４以上であるか否かの判
定を行う（ｎ１２）。いずれも衛星数が４に満たない場
合には、第１・第２の受信機２１，２２で共に受信され
た、基準となる衛星を検出する（ｎ１３）。たとえば図
２および図３に示した例では、衛星Ｓｃを基準衛星に選
ぶ。

【００３２】次に、第１、第２の受信点ｒ１，ｒ２から
基準衛星Ｓｃまでの擬似距離の差分Ｔｅを求める（ｎ１
４）。続いて、第２の受信機による擬似距離を上記差分
Ｔｅで補正する（ｎ１５）。

【００３３】その後、第１の受信機による各衛星の擬似
距離と、第２の受信機による各衛星の擬似距離の補正後
の擬似距離とから、測位演算により、受信点ｒ１，ｒ２
の位置を計算する（ｎ１６）。

【００３４】その後、この測位結果を外部に接続されて
いる装置へ出力する（ｎ１７）。なお、第１・第２の受
信機の追尾中の衛星数が４以上であれば、その４つ以上
の衛星を用いて測位演算を行う（ｎ１８，ｎ１９）。

【００３５】図９は、図４および図５に示した方法によ
り測位演算を行う手順を示している。ここでステップｎ
１１〜ｎ１２，ｎ１７，ｎ１８，ｎ１９の処理は図８に
示したものと同様である。第１・第２の受信機での追尾
中の衛星数が４に満たない場合には、まず第１の受信機
が追尾中の３つの衛星から受信点ｒ１までの擬似距離を
求め、前述したとおり、その３つの衛星のうちいずれか
１つを基準衛星とし、２つの擬似距離差を求める（ｎ２
３）。

【００３６】同様に、第２の受信機が追尾中の３つの衛
星から受信点ｒ２までの擬似距離を求め、その３つの衛
星のうちいずれか１つを基準衛星とし、２つの擬似距離
差を求める（ｎ２４）。

【００３７】その後、４つの擬似距離差に基づいて、受
信点ｒ１，ｒ２の位置を計算する（ｎ２５）。この計算
は、公知の一重位相差を基にした測位演算である。

【００３８】なお、第１・第２受信機が共に共通の衛星
からの信号が受信可能な場合と、そうでない場合とで、
フローチャートを分けて説明したが、これらは勿論同じ
測位装置で行うものである。すなわち、第１・第２受信
機が共に共通の衛星からの信号が受信可能な場合には、
図８に示した手順で測位演算処理を行い、そうでない場
合には、図９に示した手順で測位演算を行えばよい。

【００３９】また、以上に示した実施形態では、第１・
第２の２つの受信機のみを用い、第１・第２の受信点の
みを設けた例を示したが、これらは勿論３つ以上備えて
いてもよく、要するに、複数の受信点のうち２つの受信
点の組み合わせについて前述した方法を適用すればよ
い。

【００４０】

【発明の効果】この発明によれば、第１・第２の受信機
のそれぞれの第１・第２の受信点を、指向方位を異なら
せて移動体に配置したため、全体により広範囲に亘って
測位用衛星からの電波を受信できるようになる。

【００４１】また、上記少なくとも２つの受信点の間隔
を、擬似距離の測距精度より短い間隔としたことによ
り、第１・第２の受信点の位置の違いが、擬似距離に与
える影響を無視でき、第１・第２の受信点で求めた擬似
距離を統合できるようになる。

【００４２】また、この発明によれば、複数の測位用衛
星のうちの、第１・第２の受信点で共に受信可能な基準
測位用衛星から第１の受信点までの擬似距離と、前記基
準測位用衛星から第２の受信点までの擬似距離との差分
を求め、第２の受信機が求めた擬似距離を前記差分で補
正することにより、第１・第２の受信機の時計誤差の差
分が補正でき、第１・第２の受信機がそれぞれ求めた複
数の擬似距離を、実質上１つの受信機が観測した擬似距
離として統合でき、そのまま、通常の測位演算に用いる
ことができる。そのため、測位演算手段の構成が複雑化
することもない。

【００４３】また、この発明によれば、第１の受信点で
受信可能な複数の測位用衛星のうちの１つの測位用衛星
を基準にして擬似距離差を求め、第２の受信点で受信可
能な複数の測位用衛星のうちの１つの測位用衛星を基準
にして擬似距離差を求め、それぞれの擬似距離差を用い
て、移動体の位置を算出するようにしたため、第１・第
２の受信点の指向方位を大きく異ならせて配置すること
ができ、その分、移動体の大きな姿勢変動にも対応可能
となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】移動体における第１・第２の受信点の配置例を
示す図

【図２】２つの受信点と複数の測位用衛星との関係を示
す図

【図３】２つの受信機でそれぞれ受信された衛星から第
１・第２の受信点までの擬似距離と、それらを基に測位
演算する方法を説明する図

【図４】２つの受信点と複数の測位用衛星との関係を示
す図

【図５】２つの受信機でそれぞれ受信された衛星から第
１・第２の受信点までの擬似距離と、それらを基に測位
演算する方法を説明する図

【図６】測位装置全体の構成を示すブロック図

【図７】受信機の処理手順を示すフローチャート

【図８】測位演算部の処理手順を示すフローチャート

【図９】測位演算部の処理手順を示すフローチャート

【符号の説明】

ｒ１−第１の受信点 ｒ２−第２の受信点 １−飛翔体（移動体） １１，１２−アンテナ ２１−第１の受信機 ２２−第２の受信機 ３０−測位演算部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の測位用衛星からの信号を受信する
   手段と、該受信信号の位相情報を検出する手段と、を含
   む少なくとも２つの受信機を備えた測位装置において、 第１・第２の受信機のそれぞれの第１・第２の受信点
   を、各測位用衛星から受信点までの擬似距離の測距精度
   より短い距離を隔て、且つ指向方位を異ならせて、移動
   体に配置し、 前記第１・第２の受信機が求めた前記位相情報により、
   各測位用衛星から受信点までの擬似距離を求め、該擬似
   距離を用いて、前記移動体の位置を算出する、測位演算
   手段を備えた測位装置。
2. 【請求項２】 前記測位演算手段は、前記複数の測位用
   衛星のうちの、前記第１・第２の受信点で共に受信可能
   な、基準測位用衛星から前記第１の受信点までの擬似距
   離と、前記基準測位用衛星から前記第２の受信点までの
   擬似距離との差分を求め、 前記第２の受信機が求めた擬似距離を前記差分で補正し
   た擬似距離と、前記第１の受信機が求めた擬似距離とを
   用いて、前記移動体の位置を算出する、請求項１に記載
   の測位装置。
3. 【請求項３】 前記測位演算手段は、前記第１の受信点
   で受信可能な複数の測位用衛星のうちの１つの測位用衛
   星を第１の基準測位用衛星とし、該第１の基準測位用衛
   星から第１の受信点までの擬似距離と、他の測位用衛星
   から第１の受信点までの擬似距離との差である擬似距離
   差を求め、 前記第２の受信点で受信可能な複数の測位用衛星のうち
   の１つの測位用衛星を第２の基準測位用衛星とし、該第
   ２の基準測位用衛星から前記第２の受信点までの擬似距
   離と、他の測位用衛星から前記第２の受信点までの擬似
   距離との差である擬似距離差を求め、 前記それぞれの擬似距離差を用いて、前記移動体の位置
   を算出する、請求項１に記載の測位装置。