JP2004077228A - Ｇｐｓによる自律測位方法、自律航法装置及びコンピュータプログラム - Google Patents
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Abstract
【課題】基地局を使用しなくとも精度の高い測位を可能にする。
【解決手段】ＧＰＳ受信機２０を測位点に置き、ＧＰＳ受信機２０に接続された測位装置１０で、単独測位と搬送波測位とを行う。単独測位では、４つのＧＰＳ衛星をＧＰＳ受信機２０で観測してＧＰＳ実測データを取得し、このＧＰＳ実測データの現在値と過去に推定した値とに基づく将来の推定値の算定を推定誤差共分散が搬送波の１波長以内に収束するまで繰り返し、収束した時点の推定値を仮想基準局の位置を表す測位基準情報としてメモリに保存する。搬送波測位では、測位基準情報を参照情報としてた測位点での搬送波測位を行い、測位精度を上げる。
【選択図】 図１
【解決手段】ＧＰＳ受信機２０を測位点に置き、ＧＰＳ受信機２０に接続された測位装置１０で、単独測位と搬送波測位とを行う。単独測位では、４つのＧＰＳ衛星をＧＰＳ受信機２０で観測してＧＰＳ実測データを取得し、このＧＰＳ実測データの現在値と過去に推定した値とに基づく将来の推定値の算定を推定誤差共分散が搬送波の１波長以内に収束するまで繰り返し、収束した時点の推定値を仮想基準局の位置を表す測位基準情報としてメモリに保存する。搬送波測位では、測位基準情報を参照情報としてた測位点での搬送波測位を行い、測位精度を上げる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）測位方式に係り、特に、実時間単独測位を可能にする自律航法装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＧＰＳを利用した測位方式として、単独測位方式と相対測位方式とがある。
単独測位方式は、測位点にＧＰＳ受信機を置き、このＧＰＳ受信機で、同時に４個以上のＧＰＳ衛星からデータコード（時間、衛星位置）を受信して、このデータコードを分析することによって測位点の３次元位置情報（座標値）を算出する方式である。
【０００３】
相対測位方式は、その３次元の位置情報が既知である基地局と測位点にあるＧＰＳ受信機とを用いた測位方式であり、ディファレンシャル方式と、干渉測位方式とに大別される。
ディファレンシャル方式は、基地局およびＧＰＳ受信機でそれぞれデータコードによる単独測位を行い、共通の誤差を相殺する方式である。一方、干渉測位方式は、基地局とＧＰＳ受信機とで、それぞれＧＰＳ衛星からの搬送波の位相を観測した後、既知点と測位点との間の相対位置を求めることで、測位点の位置情報を算定する方式である。この干渉測位方式は、測位点が移動した場合にもほぼリアルタイムに位置情報を算定できることから、リアルタイムキネマティック（ｒｅａｌ ｔｉｍｅ ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ：以下、「ＲＴＫ」）方式とも呼ばれる。
【０００４】
ＲＴＫ方式では、基地局からＧＰＳ受信機までの距離と、ＧＰＳ受信機から４つのＧＰＳ衛星までの距離との行路差を逐次計算により求める。距離と行路差は、ＧＰＳ衛星からの搬送波の位相、すなわち搬送波位相に基づいて求めることができる。搬送波位相には、電離層等による遅延誤差、時計誤差等も含まれる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
単独測位方式は、簡易な測位方式であるが、誤差が大きい。一方、相対測位方式、特にＲＴＫ方式は、測位による誤差が基地局の観測結果との間で相殺されるために誤差は少ないが、測位可能な範囲が基地局の覆域内に限られる。
つまり、簡易に使える測位装置は精度が悪く、精度が高いものは制約が多い（時間、位置およびＧＰＳ誤差が明確な基地局が必要となる）。
【０００６】
本発明は、基地局が存在しない場合であっても、高精度の測位を可能にする自律測位方法を提供することを、その課題とする。
本発明の他の課題は、自律測位方法の実施に適した自律航法装置及びコンピュータプログラムを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明が提供する自律測位方法は、ＧＰＳ受信機及びメモリを有する１つの自律航法装置を測位点に置き、この自律航法装置で、複数のＧＰＳ衛星を前記ＧＰＳ受信機で観測して１つのＧＰＳ実測データを取得するとともに、取得したＧＰＳ実測データの現在値と過去に推定した値とに基づく将来の推定値の算定を当該推定値による推定誤差共分散が所定値以内に収束するまで繰り返し、収束した時点の推定値を仮想基準局の位置を表す測位基準情報として前記メモリに保存する段階と、前記自律航法装置が、前記メモリに保存されている測位基準情報を参照情報として前記測位点での搬送波測位を行う段階とを有することを特徴とする方法である。
【０００８】
誤差収束の時間をより短縮させる観点からは、現在値による測位誤差が最小となる４つのＧＰＳ衛星の組合せを検出し、検出した４つのＧＰＳ衛星の各々を前記ＧＰＳ受信機で２種類の周波数で観測して比較することによりノイズ成分を削除した１つの前記ＧＰＳ実測データを取得するようにする。
前記所定値は、例えば、観測するＧＰＳ衛星が発信する搬送波の１波長以内の値とする。これにより、位相角の修正によって誤差をさらに小さくすることができる。
【０００９】
前記自律航法装置は、例えば、誤差値の収束を可能にするためのパラメータを現在値及び過去に推定した値による推定誤差共分散に基づいて算定する処理、現在値、前回求めた推定値に現在値に基づいて修正した推定誤差共分散を加えることにより算定する処理、誤差共分散を、前回求めた推定共分散誤差から現在値による共分散の値を差し引くことにより修正する処理、将来推定値を、現在値を前回まで求めた推定値推移のパラメータを用いて修正することで算定する処理、推定共分散誤差を、共分散の変化と非不定値の変化を加えることで算定する処理を繰り返して実行することにより、前記推定誤差共分散の値を収束させる。
【００１０】
前記測位点が移動したときの前記搬送波測位による測位結果を新たな測位基準情報として前記メモリに記録することにより、測位点が移動した場合であっても、測位誤差が増加することがなくなり、高精度の測位が可能になる。
前記搬送波測位は、例えば、前記メモリに保存されている測位基準情報により特定される仮想位置を起点とした前記複数のＧＰＳ衛星までの距離をそれぞれ各ＧＰＳ衛星からの搬送波の周波数と当該搬送波の伝達時間との関数により算定し、これにより算定された距離を前記搬送波の周波数で除算して整数値バイアスを算定し、さらに、この整数値バイアスから前記搬送波の１波長以内の位相角を算定し、この位相角が表す長さに基づいて、測位点の位置を特定する手法である。
【００１１】
本発明が提供する自律航法装置は、２種類の周波数で複数のＧＰＳ衛星の各々を観測可能なＧＰＳ受信機で受信した２種類の周波数の信号を入力する入力手段と、入力したこれらの信号から各周波数で共通となるノイズ成分を削除して１つのＧＰＳ実測データを得る前処理手段と、この前処理手段により得られたＧＰＳ実測データを取得するとともに、取得したＧＰＳ実測データの現在値と過去に推定した値とに基づく将来の推定値の算定を、推定される誤差共分散が所定値以内に収束するまで繰り返し、これにより得られた推定値を測位基準情報として所定のメモリに保存する測位基準情報生成手段と、前記メモリに保存されている測位基準情報を参照情報とした搬送波測位を行う搬送波測位手段とを有する、装置である。前記測位基準情報決定手段は、具体的には、推定誤差共分散を最小にするためのフィルタ部を含み、このフィルタ部により前記将来の推定値を算定するように構成される。
【００１２】
本発明のコンピュータプログラムは、２種類の周波数で複数のＧＰＳ衛星の各々を観測可能なＧＰＳ受信機と接続可能なコンピュータに読み込まれて実行されることにより、コンピュータを上記の自律航法装置として動作させるものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を詳細に説明する。
図１は、本発明の自律航法装置を、コンピュータ搭載の測位装置１０と、この測位装置１０にケーブル等を介して接続されるＧＰＳ受信機２０とにより構成する場合の実施形態を示した図である。この自律航法装置は、複数のＧＰＳ衛星（図示の場合は６つのＧＰＳ衛星ＧＳ１〜ＧＳ６）から発信されているＧＰＳデータを受信して、任意の測位点の位置を単独で測定する。
【００１４】
ＧＰＳ衛星は、測位に必要なデータコードをＬ１帯（１．５ＧＨｚ帯）とＬ２帯（１．２ＧＨｚ）の２つの周波数の搬送波にのせて、これを常時送信している。ＧＰＳ受信機２０は、これらのＧＰＳ衛星の中から、ＧＤＯＰ（Ｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌ Ｄｉｌｕｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ）を用いて最適な４つのＧＰＳ衛星を選択する。ＧＤＯＰは、測位に使うＧＰＳ衛星が測位点に対して誤差の少ない配置にあるかどうかの偏差であり、この値が大きいほど、位置の推定値と実測値との誤差が大きくなる。ＧＰＳ受信機２０は、このＧＤＯＰが小さくなる最適な組み合わせを自動的に決定している。
【００１５】
ＧＰＳ受信機２０は、図２に示されるように、上記の各ＧＰＳ衛星ＧＳ１〜ＧＳ６が送信している２種類の周波数を受信するＧＰＳアンテナ２１と、ＧＰＳ受信機２０が移動したときの移動量を検出して移動量データを出力する加速度計等からなる移動検出センサ２２と、ＧＰＳアンテナ２１及び移動検出センサ２２からのデータを受信して高周波増幅及び検波等を行い、位置、時間等の情報を含むＧＰＳデータを出力するデータ受信回路２３と、このデータ受信回路２３から出力されるＧＰＳデータ及び移動量データを測位装置に送出するためのインタフェース回路２４とを有している。
【００１６】
測位装置１０は、外部記憶装置と、プロセッサ及びメモリを含むコンピュータと、ディスプレイとを有し、必要に応じてプリンタが接続されるようになっている。この実施形態では、外部記憶装置に記録されている測位用プログラムと、オペレーティングシステム等の基本プログラムとをプロセッサが読み取って実行することにより、コンピュータ内に、図３に示すような機能ブロック、すなわち、ＧＰＳデータ入力部１１、移動量データ入力部１２、ノイズ除去部１３、フィルタ部１４、位置座標算定部１５、測位基準情報管理部１６、表示画像生成部１８及び出力制御部１９の機能を実現するための機能ブロックを構築するとともに、外部記憶装置に、測位基準情報格納部１７を形成する。好ましくは、測位基準情報格納部１７は、不揮発性のメモリ領域に形成する。
【００１７】
ＧＰＳデータ入力部１１は、ＧＰＳ受信機２０で受信した２種類の周波数の信号のうちＧＰＳデータを時系列に入力するものであり、移動量データ入力部１２は、ＧＰＳ受信機２０の移動検出センサ２２で検出した移動量データを入力するものである。
【００１８】
ノイズ除去部１３は、入力されたＧＰＳデータから各周波数で共通となるノイズ成分を削除して１つのＧＰＳ実測データを得るものである。ＧＰＳ衛星より受信したデータには、対流圏ないし電離層での電波遅延等のノイズが含まれているが、２周波同時受信を行い、これらを比較することにより、ノイズを除去することができる。
【００１９】
フィルタ部１４は、ＧＰＳ実測データによる測位点の位置座標の推定を、特徴的なフィルタリングにより行う。
ＧＰＳデータから測位点の位置座標を推定すること自体は、従来のＲＴＫ方式においても行われているが、精度よく推定するためには、多大な時間がかかる。すなわち、従来のＲＴＫ方式では、測位点の位置座標（ｘ、ｙ、ｚ）と、４つのＧＰＳ衛星のアンビギュイティ（整数値バイアスと同義）という、７種類の未知パラメータが存在していたため、ＦＬＯＡＴ解、すなわち未知数である測位点の位置座標と整数値バイアスを最小自乗法などで推定する手法によって仮のアンビギュイティを推定した後、基地局からの付加情報、例えばＧＰＳ衛星からの距離、基地局の位置座標、現在時刻等を用いて真のアンビギュイティを確定する必要があり、そのために、多大な計算量が必要になっていた。
【００２０】
これに対し、本実施形態では、単独の測位結果であるＧＰＳ実測データを、誤差が収束する方向にフィルタイリングすることにより推定値の誤差を低減させる。このように実測した値をフィルタリングするという発想は、従来は存在しない。本実施形態によるフィルタリングは、ＧＰＳ実測データの現在値及び過去の推定値から将来の推定値を算定するという処理を、推定値による推定誤差共分散が収束するまで繰り返す処理である。収束点は、例えば、搬送波の１波長（２０〜２４ｃｍ）に設定しておく。
【００２１】
上記のフィルタリングを行うためのフィルタ部１４の具体的なパラメータ構成例を図４に示す。フィルタ部１４は、４種類のパラメータを図示のように組み合わせて実現される。
図４中、「Ｋ」は初段に設けられるパラメータであり、推定誤差値の最適な条件を得るために共分散を最小にするフィルタゲインである。フィルタゲインＫは、具体的には比例行列の形で用意される。「Ｆ」は前回まで求めた推定値推移を導出するためのパラメータであり、「Ｈ」は将来推定値を導出するためのパラメータであり、「Ｚ−１」は過去値により過去推定値を導出するためのパラメータである。また、「ｖｔ」は時刻ｔにおける推定共分散誤差を含んだＧＰＳ実測データの現在値であり、ａｘ（ｔ／ｔ）は現時点（ｔ）での推定値であり、「ａｘ（ｔ／ｔ−１）」は現時点（ｔ）の推定値から推定した過去推定値であり、「ａｘ（ｔ−１／ｔ−１）」は前回測定（ｔ−１）の値から推定した過去推定値である。
【００２２】
時系列に入力されるＧＰＳ実測データには、真値といえるものは存在しない。これらのＧＰＳ実測データは、真値であるデータ成分に伝搬過程で付加されたノイズ成分が重畳したものとなっている。フィルタ部１４は、このノイズ成分を過去推定値と現在値との誤差を考慮してなるべく分解していき、データ成分だけを抜き出すものである。
【００２３】
図４は、ＧＰＳ実測データｙｔ（ノイズ成分が加えられた状態）がパラメータＫに入力され、このパラメータＫの出力データとパラメータＦから出力された推定値ａｘ（ｔ／ｔ−１）とを発散防止のために合算して得た推定値ａｘ（ｔ／ｔ）がパラメータＺ−１に入力される様子を示している。パラメータＺ−１からは推定値ａｘ（ｔ−１／ｔ−１）が位置座標算定部１５に出力されるが、その分岐出力がパラメータＦにも入力されるようになっている。パラメータＦから出力された上記推定値ａｘ（ｔ／ｔ−１）は、パラメータＨで将来推定値としてパラメータＫの入力段に帰還される。
【００２４】
上記のように構成されるフィルタ部１４において、過去の推定値と現在値に基づく誤差値の共分散を「Ｐ（ｔ／ｔ−１）」、観測するＧＰＳ衛星の数により決定されるｎ×ｎ（ｎは１以上の自然数：通常は４）行列を「Ｒ」とすると、
誤差値の収束を可能にするための最適なパラメータＫは、以下の式より求めることができる。
Ｋ＝Ｐ（ｔ／ｔ−１）・ＨＴ・［Ｈ・Ｐ（ｔ／ｔ−１）・ＨＴ ＋Ｒ］−１
【００２５】
また、推定値ａｘ（ｔ／ｔ）は、前回求めた推定値（過去の推定値）に、ＧＰＳ実測データの現在値に基づいて修正した推定誤差共分散を加えることにより求めることができる。すなわち、以下の式により算出される。
ａｘ（ｔ／ｔ）＝ａｘ（ｔ／ｔ−１）＋Ｋ｜ｙｔ−Ｈ・ａｘ（ｔ／ｔ−１）｜
【００２６】
共分散Ｐ（ｔ／ｔ）は、前回算出した推定共分散誤差から、今回得た情報に基づいて求めた共分散の値を差し引くことにより修正することができる。すなわち、以下の式により算出される。
Ｐ（ｔ／ｔ）＝Ｐ（ｔ／ｔ−１）−Ｋ・Ｈ・Ｐ（ｔ／ｔ−１）
【００２７】
また、将来推定値ａｘ（ｔ＋１／ｔ）と、推定共分散誤差Ｐ（ｔ＋１／ｔ）は、以下のようにして求めることができる。
将来推定値ａｘ（ｔ＋１／ｔ）は、Ｆ・ｘ（ｔ／ｔ）の演算、すなわち、現在値を前回まで求めた推定値推移のパラメータを用いて修正することで求めることができる。
推定共分散誤差Ｐ（ｔ＋１／ｔ）は、求めた共分散の変化と非不定値Ｑの変化を加えることで、求めることができる。すなわち、Ｇを新たなパラメータ（行列）として用いて以下の式により求めることができる。
Ｐ（ｔ＋１／ｔ）＝Ｆ・Ｐ（ｔ／ｔ）・ＦＴ＋Ｇ・Ｑ・ＧＴ
以上の処理を繰り返し、推定誤差共分散の値を限りなくゼロ値に近づけることができる。
【００２８】
図３に戻り、位置座標算定部１５は、測位点の３次元位置座標を算定する。３次元位置座標の算定は、少なくとも２つの場面において行う。
一つの場面は、単独測位により位置座標を算定する場面であり、もう一つは搬送波測位により位置座標を算定する場面である。
単独測位による位置座標の算定は、上記のようなフィルタ部１４でフィルタリングし、指定誤差共分散が収束したときの推定値をもとに、３次元の位置座標（ｘ，ｙ，ｚ）を算定する処理である。フィルタ部１４では、上記のように、誤差を収束させる方向に推定値を算定するので、ＦＬＯＡＴ解によって推定値を求めていた従来方式に比べて、誤差が収束するまでの時間が著しく短縮される。この位置座標を仮想基地局の位置を表す測位基準情報として、測位基準情報管理部１６を通じて測位基準情報格納部１７に格納させる。
一旦、測位基準情報が生成された後であっても、例えば、測位点が大きく変更された場合や、誤差が大きくなった場合には、適宜上記の手順で再測定を行い、これにより得られた測位結果に基づいて、既に格納されている測位基準情報を更新する。連続して測位を行う場合は、既に格納されている測位基準情報との差分値に基づいて新たな測位点での測位を行うことにより、効率的な測位が可能になる。
【００２９】
搬送波測位では、電波の性質を利用して整数値バイアスを求める。整数値バイアスは、信号受信開始時における搬送波波長の整数部分の個数＋α（上記位相角の部分）であり、同一のＧＰＳ衛星の組合せからの搬送波を受信し続ける限り、整数値バイアスは一定値となる。一方のＧＰＳ衛星からの距離が＋になれば、他方のＧＰＳ衛星からの距離が−となるためである。この点に着目し、この実施形態では、整数部分の個数についてはＧＰＳ衛星からの距離と搬送波の周波数との演算、あるいは搬送波個数の計数により求め、さらに、上記のフィルタリングによって、誤差を＋αの範囲まで絞り込む。そして、図５に示すように、＋α分を表す位相角から、測位基準情報の誤差をさらに小さくする。その結果、最終的な誤差は、数ｃｍとなる。
【００３０】
＜動作＞
次に、この実施形態による自律航法装置の動作を、図６及び図７を参照して説明する。この自律航法装置の動作は、大きく分けて、単独測位により仮想基準局の位置情報である測位基準情報を生成して保存する段階と、この測位基準情報に基づく搬送波測位を行う段階とに分かれる。
【００３１】
単独測位に際しては、図６に示すように、まず、ＧＰＳ受信機２０で最適な４つのＧＰＳ衛星を選定し（ステップＳ１０１）、Ｌ１帯（１．５ＧＨｚ）及びＬ２帯（１．２ＧＨｚ）の２つの周波数を用いてこれらのＧＰＳ衛星を観測する（ステップＳ１０２）。ＧＰＳ衛星の数４個は、未知数に対して連立方程式が成り立つ最低単位である。ここでの留意点は、精度の悪い情報は使用しない、すなわち、最適な情報をもたらすＧＰＳ衛星のみを選択するということである。
【００３２】
測位装置１０では、各周波数のデータを比較して、それらに共通に含まれるノイズ成分を除去し、２種類のデータから１つのＧＰＳ実測データを生成する（ステップＳ１０３）。そして、過去、現在及び将来の推定値をパラメータとして用いたフィルタリングにより、ＧＰＳ実測データによる測位誤差を搬送波の１波長以内まで収束させ、測位基準情報を得る（ステップＳ１０４）。
【００３３】
図７（ａ）は、仮想基準局と測位基準情報との関係を示している。図中、円は誤差範囲を表している。両者が完全一致の場合には誤差なしということになるが、種々の要因により、それはあり得ない。そのため、フィルタリングの結果を最適化する方法を確立する。この実施形態のフィルタリングは、過去の推定値に基づいて測位誤差を積極的に収束させていく手法なので、測位誤差が１波長以内まで達する時間は数分程度で足りる。なお、実測により得られた情報自身をフィルタリングするという考え方は、従来は存在しない。
【００３４】
この測位基準情報を仮想基準局の位置情報として用いるために、測位装置１０は、この測位基準情報を測位基準情報格納部１７に保存する（ステップＳ１０５）。そして、この測位基準情報を用いて整数値バイアスを算定し（ステップＳ１０６）、１波長内の位相角を検出する。この検出結果に基づいて搬送波測位を行い（ステップＳ１０７）、測位点の位置を確定する（ステップＳ１０８）。必要に応じて測位結果を新たな測位基準情報として選定し、測位基準情報格納部１７を更新する。
【００３５】
図７（ｂ）は、搬送波測位を行うことにより、測位基準情報の誤差がさらに小さくなり、最大の誤差であったとしても、それが仮想基準局としての誤差内に入りきることを示している。このように誤差が小さくなっている状態では、図７（ｃ）のように自律航法装置が移動した場合であっても、仮想基準局自体は変動しないため、安定的な測位が可能になる。
以上のような測位方式を、従来のＲＴＫ方式と比較して説明すると、以下のようになる。図８（ａ）は従来のＲＴＫ方式、（ｂ）は本実施形態の測位方式の概要を示している。
【００３６】
従来のＲＴＫ方式では、図８（ａ）に示されるように、測位点の大まかな位置を測定した後、基準局からの付加情報（距離、時間等）に基づく測位点の位置を推定し、仮アンビギュイティ（仮整数値バイアス）を計算する。未知パラメータは、ＧＰＳ受信機の位置情報（ｘ，ｙ，ｚ）と４つのＧＰＳ衛星のアンビギュイティ（整数値バイアス）の７つである。そのため、ＦＬＯＡＴ解を用いなければならず、多大な時間がかかる。測位点の位置を推定した後は、真の整数値バイアスを算定する。その際、基地局からの付加情報に基づいて仮アンビギュイティを再計算する。基準局からの付加情報に基づく搬送波測位の未知パラメータは、受信機位置情報（ｘ，ｙ，ｚ）の３つとなる。その後、ＦＩＸ解により測位点の位置を確定する。
【００３７】
これに対し、本実施形態の測位方式では、最適な４つのＧＰＳ衛星を選択し、２周波観測及び観測結果の推定誤差共分散を収束させるフィルタリングにより、測位基準情報（仮想基準局の位置情報）を推定するので、長くとも数分程度の測定を行うだけで、測位基準情報を装置内に保存することができる。
測位基準情報がほぼ正確に求められているので、整数値バイアスの算定、すなわち測位基準情報により真のアンビギュイティを算定する処理が迅速に行われる。測位基準情報に基づく搬送波測位を行って、誤差をさらに修正する。このときの未知パラメータは、ＧＰＳ受信機の位置情報（ｘ，ｙ，ｚ）の３つとなる。その後、ＦＩＸ解により測位点の位置を確定する。
移動量データ入力部１２から移動量データが入力されたときには、その移動量データと、測位基準情報とに基づいて、移動した測位点の位置座標（ｘ，ｙ，ｚ）を算定する。
【００３８】
このように、本実施形態の自律航法装置では、基準局を用いることなくともほぼリアルタイムに高精度の搬送波測位ができるため、基準局が設置されていない山岳地域での測位、海上での船舶による測位、基地局が存在しない未開発地域の測位、電波の使用が抑制されている離着陸時の飛行機の測位も可能となる。また、基準局を受信する必要がないので、自律航法装置自体のコスト低減化も可能になる。
【００３９】
なお、本実施形態では、測位装置１０とＧＰＳ受信機２０とを分離した場合の例について説明したが、両者は一体型であってもよい。
また、メモリ及びプロセッサを搭載したＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ（Ｄａｔａ） Ａｓｓｉｓｔａｎｔｓ）にＧＰＳ受信機構を付加するとともに、本発明のコンピュータプログラムをメモリにロードして、プロセッサでそれを実行させることにより、本発明の自律測位方法を実施することもできる。
【００４０】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、既存のＧＰＳ衛星、ＧＰＳ受信機を利用して、高精度且つリアルタイムの測位を行うことができる。また、コンピュータによって測位のアルゴリズムを実現することができるので、アルゴリズムの改良やパラメータの追加によるさらなる最適化にも柔軟に対応できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した自律航法装置の使用状態説明図。
【図２】ＧＰＳ受信器の構成図。
【図３】測位装置の機能ブロック図。
【図４】測位装置のフィルタ部のパラメータ構成図。
【図５】本発明の一実施形態による搬送波測位方式の原理説明図。
【図６】本発明の一実施形態による測位の手順説明図。
【図７】（ａ）〜（ｃ）は本発明の測位方法の概念説明図。
【図８】従来の測位方式と本発明の測位方式の比較説明図。
【符号の説明】
１０ 測位装置
１１ ＧＰＳデータ入力部
１２ 移動量データ入力部
１３ ノイズ除去部
１４ フィルタ部
１５ 位置座標算定部
１６ 測位基準情報管理部
１７ 測位基準情報格納部
１８ 表示画像生成部
１９ 出力制御部
２０ ＧＰＳ受信機
２１ ＧＰＳアンテナ
２２ 移動検出センサ
２３ データ受信回路
２４ インタフェース回路
ＤＤ 記憶装置
ＰＲ プリンタ
ＤＰ ディスプレイ
ＧＳ１〜ＧＳ６ ＧＰＳ衛星
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）測位方式に係り、特に、実時間単独測位を可能にする自律航法装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＧＰＳを利用した測位方式として、単独測位方式と相対測位方式とがある。
単独測位方式は、測位点にＧＰＳ受信機を置き、このＧＰＳ受信機で、同時に４個以上のＧＰＳ衛星からデータコード（時間、衛星位置）を受信して、このデータコードを分析することによって測位点の３次元位置情報（座標値）を算出する方式である。
【０００３】
相対測位方式は、その３次元の位置情報が既知である基地局と測位点にあるＧＰＳ受信機とを用いた測位方式であり、ディファレンシャル方式と、干渉測位方式とに大別される。
ディファレンシャル方式は、基地局およびＧＰＳ受信機でそれぞれデータコードによる単独測位を行い、共通の誤差を相殺する方式である。一方、干渉測位方式は、基地局とＧＰＳ受信機とで、それぞれＧＰＳ衛星からの搬送波の位相を観測した後、既知点と測位点との間の相対位置を求めることで、測位点の位置情報を算定する方式である。この干渉測位方式は、測位点が移動した場合にもほぼリアルタイムに位置情報を算定できることから、リアルタイムキネマティック（ｒｅａｌ ｔｉｍｅ ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ：以下、「ＲＴＫ」）方式とも呼ばれる。
【０００４】
ＲＴＫ方式では、基地局からＧＰＳ受信機までの距離と、ＧＰＳ受信機から４つのＧＰＳ衛星までの距離との行路差を逐次計算により求める。距離と行路差は、ＧＰＳ衛星からの搬送波の位相、すなわち搬送波位相に基づいて求めることができる。搬送波位相には、電離層等による遅延誤差、時計誤差等も含まれる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
単独測位方式は、簡易な測位方式であるが、誤差が大きい。一方、相対測位方式、特にＲＴＫ方式は、測位による誤差が基地局の観測結果との間で相殺されるために誤差は少ないが、測位可能な範囲が基地局の覆域内に限られる。
つまり、簡易に使える測位装置は精度が悪く、精度が高いものは制約が多い（時間、位置およびＧＰＳ誤差が明確な基地局が必要となる）。
【０００６】
本発明は、基地局が存在しない場合であっても、高精度の測位を可能にする自律測位方法を提供することを、その課題とする。
本発明の他の課題は、自律測位方法の実施に適した自律航法装置及びコンピュータプログラムを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明が提供する自律測位方法は、ＧＰＳ受信機及びメモリを有する１つの自律航法装置を測位点に置き、この自律航法装置で、複数のＧＰＳ衛星を前記ＧＰＳ受信機で観測して１つのＧＰＳ実測データを取得するとともに、取得したＧＰＳ実測データの現在値と過去に推定した値とに基づく将来の推定値の算定を当該推定値による推定誤差共分散が所定値以内に収束するまで繰り返し、収束した時点の推定値を仮想基準局の位置を表す測位基準情報として前記メモリに保存する段階と、前記自律航法装置が、前記メモリに保存されている測位基準情報を参照情報として前記測位点での搬送波測位を行う段階とを有することを特徴とする方法である。
【０００８】
誤差収束の時間をより短縮させる観点からは、現在値による測位誤差が最小となる４つのＧＰＳ衛星の組合せを検出し、検出した４つのＧＰＳ衛星の各々を前記ＧＰＳ受信機で２種類の周波数で観測して比較することによりノイズ成分を削除した１つの前記ＧＰＳ実測データを取得するようにする。
前記所定値は、例えば、観測するＧＰＳ衛星が発信する搬送波の１波長以内の値とする。これにより、位相角の修正によって誤差をさらに小さくすることができる。
【０００９】
前記自律航法装置は、例えば、誤差値の収束を可能にするためのパラメータを現在値及び過去に推定した値による推定誤差共分散に基づいて算定する処理、現在値、前回求めた推定値に現在値に基づいて修正した推定誤差共分散を加えることにより算定する処理、誤差共分散を、前回求めた推定共分散誤差から現在値による共分散の値を差し引くことにより修正する処理、将来推定値を、現在値を前回まで求めた推定値推移のパラメータを用いて修正することで算定する処理、推定共分散誤差を、共分散の変化と非不定値の変化を加えることで算定する処理を繰り返して実行することにより、前記推定誤差共分散の値を収束させる。
【００１０】
前記測位点が移動したときの前記搬送波測位による測位結果を新たな測位基準情報として前記メモリに記録することにより、測位点が移動した場合であっても、測位誤差が増加することがなくなり、高精度の測位が可能になる。
前記搬送波測位は、例えば、前記メモリに保存されている測位基準情報により特定される仮想位置を起点とした前記複数のＧＰＳ衛星までの距離をそれぞれ各ＧＰＳ衛星からの搬送波の周波数と当該搬送波の伝達時間との関数により算定し、これにより算定された距離を前記搬送波の周波数で除算して整数値バイアスを算定し、さらに、この整数値バイアスから前記搬送波の１波長以内の位相角を算定し、この位相角が表す長さに基づいて、測位点の位置を特定する手法である。
【００１１】
本発明が提供する自律航法装置は、２種類の周波数で複数のＧＰＳ衛星の各々を観測可能なＧＰＳ受信機で受信した２種類の周波数の信号を入力する入力手段と、入力したこれらの信号から各周波数で共通となるノイズ成分を削除して１つのＧＰＳ実測データを得る前処理手段と、この前処理手段により得られたＧＰＳ実測データを取得するとともに、取得したＧＰＳ実測データの現在値と過去に推定した値とに基づく将来の推定値の算定を、推定される誤差共分散が所定値以内に収束するまで繰り返し、これにより得られた推定値を測位基準情報として所定のメモリに保存する測位基準情報生成手段と、前記メモリに保存されている測位基準情報を参照情報とした搬送波測位を行う搬送波測位手段とを有する、装置である。前記測位基準情報決定手段は、具体的には、推定誤差共分散を最小にするためのフィルタ部を含み、このフィルタ部により前記将来の推定値を算定するように構成される。
【００１２】
本発明のコンピュータプログラムは、２種類の周波数で複数のＧＰＳ衛星の各々を観測可能なＧＰＳ受信機と接続可能なコンピュータに読み込まれて実行されることにより、コンピュータを上記の自律航法装置として動作させるものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を詳細に説明する。
図１は、本発明の自律航法装置を、コンピュータ搭載の測位装置１０と、この測位装置１０にケーブル等を介して接続されるＧＰＳ受信機２０とにより構成する場合の実施形態を示した図である。この自律航法装置は、複数のＧＰＳ衛星（図示の場合は６つのＧＰＳ衛星ＧＳ１〜ＧＳ６）から発信されているＧＰＳデータを受信して、任意の測位点の位置を単独で測定する。
【００１４】
ＧＰＳ衛星は、測位に必要なデータコードをＬ１帯（１．５ＧＨｚ帯）とＬ２帯（１．２ＧＨｚ）の２つの周波数の搬送波にのせて、これを常時送信している。ＧＰＳ受信機２０は、これらのＧＰＳ衛星の中から、ＧＤＯＰ（Ｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌ Ｄｉｌｕｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ）を用いて最適な４つのＧＰＳ衛星を選択する。ＧＤＯＰは、測位に使うＧＰＳ衛星が測位点に対して誤差の少ない配置にあるかどうかの偏差であり、この値が大きいほど、位置の推定値と実測値との誤差が大きくなる。ＧＰＳ受信機２０は、このＧＤＯＰが小さくなる最適な組み合わせを自動的に決定している。
【００１５】
ＧＰＳ受信機２０は、図２に示されるように、上記の各ＧＰＳ衛星ＧＳ１〜ＧＳ６が送信している２種類の周波数を受信するＧＰＳアンテナ２１と、ＧＰＳ受信機２０が移動したときの移動量を検出して移動量データを出力する加速度計等からなる移動検出センサ２２と、ＧＰＳアンテナ２１及び移動検出センサ２２からのデータを受信して高周波増幅及び検波等を行い、位置、時間等の情報を含むＧＰＳデータを出力するデータ受信回路２３と、このデータ受信回路２３から出力されるＧＰＳデータ及び移動量データを測位装置に送出するためのインタフェース回路２４とを有している。
【００１６】
測位装置１０は、外部記憶装置と、プロセッサ及びメモリを含むコンピュータと、ディスプレイとを有し、必要に応じてプリンタが接続されるようになっている。この実施形態では、外部記憶装置に記録されている測位用プログラムと、オペレーティングシステム等の基本プログラムとをプロセッサが読み取って実行することにより、コンピュータ内に、図３に示すような機能ブロック、すなわち、ＧＰＳデータ入力部１１、移動量データ入力部１２、ノイズ除去部１３、フィルタ部１４、位置座標算定部１５、測位基準情報管理部１６、表示画像生成部１８及び出力制御部１９の機能を実現するための機能ブロックを構築するとともに、外部記憶装置に、測位基準情報格納部１７を形成する。好ましくは、測位基準情報格納部１７は、不揮発性のメモリ領域に形成する。
【００１７】
ＧＰＳデータ入力部１１は、ＧＰＳ受信機２０で受信した２種類の周波数の信号のうちＧＰＳデータを時系列に入力するものであり、移動量データ入力部１２は、ＧＰＳ受信機２０の移動検出センサ２２で検出した移動量データを入力するものである。
【００１８】
ノイズ除去部１３は、入力されたＧＰＳデータから各周波数で共通となるノイズ成分を削除して１つのＧＰＳ実測データを得るものである。ＧＰＳ衛星より受信したデータには、対流圏ないし電離層での電波遅延等のノイズが含まれているが、２周波同時受信を行い、これらを比較することにより、ノイズを除去することができる。
【００１９】
フィルタ部１４は、ＧＰＳ実測データによる測位点の位置座標の推定を、特徴的なフィルタリングにより行う。
ＧＰＳデータから測位点の位置座標を推定すること自体は、従来のＲＴＫ方式においても行われているが、精度よく推定するためには、多大な時間がかかる。すなわち、従来のＲＴＫ方式では、測位点の位置座標（ｘ、ｙ、ｚ）と、４つのＧＰＳ衛星のアンビギュイティ（整数値バイアスと同義）という、７種類の未知パラメータが存在していたため、ＦＬＯＡＴ解、すなわち未知数である測位点の位置座標と整数値バイアスを最小自乗法などで推定する手法によって仮のアンビギュイティを推定した後、基地局からの付加情報、例えばＧＰＳ衛星からの距離、基地局の位置座標、現在時刻等を用いて真のアンビギュイティを確定する必要があり、そのために、多大な計算量が必要になっていた。
【００２０】
これに対し、本実施形態では、単独の測位結果であるＧＰＳ実測データを、誤差が収束する方向にフィルタイリングすることにより推定値の誤差を低減させる。このように実測した値をフィルタリングするという発想は、従来は存在しない。本実施形態によるフィルタリングは、ＧＰＳ実測データの現在値及び過去の推定値から将来の推定値を算定するという処理を、推定値による推定誤差共分散が収束するまで繰り返す処理である。収束点は、例えば、搬送波の１波長（２０〜２４ｃｍ）に設定しておく。
【００２１】
上記のフィルタリングを行うためのフィルタ部１４の具体的なパラメータ構成例を図４に示す。フィルタ部１４は、４種類のパラメータを図示のように組み合わせて実現される。
図４中、「Ｋ」は初段に設けられるパラメータであり、推定誤差値の最適な条件を得るために共分散を最小にするフィルタゲインである。フィルタゲインＫは、具体的には比例行列の形で用意される。「Ｆ」は前回まで求めた推定値推移を導出するためのパラメータであり、「Ｈ」は将来推定値を導出するためのパラメータであり、「Ｚ−１」は過去値により過去推定値を導出するためのパラメータである。また、「ｖｔ」は時刻ｔにおける推定共分散誤差を含んだＧＰＳ実測データの現在値であり、ａｘ（ｔ／ｔ）は現時点（ｔ）での推定値であり、「ａｘ（ｔ／ｔ−１）」は現時点（ｔ）の推定値から推定した過去推定値であり、「ａｘ（ｔ−１／ｔ−１）」は前回測定（ｔ−１）の値から推定した過去推定値である。
【００２２】
時系列に入力されるＧＰＳ実測データには、真値といえるものは存在しない。これらのＧＰＳ実測データは、真値であるデータ成分に伝搬過程で付加されたノイズ成分が重畳したものとなっている。フィルタ部１４は、このノイズ成分を過去推定値と現在値との誤差を考慮してなるべく分解していき、データ成分だけを抜き出すものである。
【００２３】
図４は、ＧＰＳ実測データｙｔ（ノイズ成分が加えられた状態）がパラメータＫに入力され、このパラメータＫの出力データとパラメータＦから出力された推定値ａｘ（ｔ／ｔ−１）とを発散防止のために合算して得た推定値ａｘ（ｔ／ｔ）がパラメータＺ−１に入力される様子を示している。パラメータＺ−１からは推定値ａｘ（ｔ−１／ｔ−１）が位置座標算定部１５に出力されるが、その分岐出力がパラメータＦにも入力されるようになっている。パラメータＦから出力された上記推定値ａｘ（ｔ／ｔ−１）は、パラメータＨで将来推定値としてパラメータＫの入力段に帰還される。
【００２４】
上記のように構成されるフィルタ部１４において、過去の推定値と現在値に基づく誤差値の共分散を「Ｐ（ｔ／ｔ−１）」、観測するＧＰＳ衛星の数により決定されるｎ×ｎ（ｎは１以上の自然数：通常は４）行列を「Ｒ」とすると、
誤差値の収束を可能にするための最適なパラメータＫは、以下の式より求めることができる。
Ｋ＝Ｐ（ｔ／ｔ−１）・ＨＴ・［Ｈ・Ｐ（ｔ／ｔ−１）・ＨＴ ＋Ｒ］−１
【００２５】
また、推定値ａｘ（ｔ／ｔ）は、前回求めた推定値（過去の推定値）に、ＧＰＳ実測データの現在値に基づいて修正した推定誤差共分散を加えることにより求めることができる。すなわち、以下の式により算出される。
ａｘ（ｔ／ｔ）＝ａｘ（ｔ／ｔ−１）＋Ｋ｜ｙｔ−Ｈ・ａｘ（ｔ／ｔ−１）｜
【００２６】
共分散Ｐ（ｔ／ｔ）は、前回算出した推定共分散誤差から、今回得た情報に基づいて求めた共分散の値を差し引くことにより修正することができる。すなわち、以下の式により算出される。
Ｐ（ｔ／ｔ）＝Ｐ（ｔ／ｔ−１）−Ｋ・Ｈ・Ｐ（ｔ／ｔ−１）
【００２７】
また、将来推定値ａｘ（ｔ＋１／ｔ）と、推定共分散誤差Ｐ（ｔ＋１／ｔ）は、以下のようにして求めることができる。
将来推定値ａｘ（ｔ＋１／ｔ）は、Ｆ・ｘ（ｔ／ｔ）の演算、すなわち、現在値を前回まで求めた推定値推移のパラメータを用いて修正することで求めることができる。
推定共分散誤差Ｐ（ｔ＋１／ｔ）は、求めた共分散の変化と非不定値Ｑの変化を加えることで、求めることができる。すなわち、Ｇを新たなパラメータ（行列）として用いて以下の式により求めることができる。
Ｐ（ｔ＋１／ｔ）＝Ｆ・Ｐ（ｔ／ｔ）・ＦＴ＋Ｇ・Ｑ・ＧＴ
以上の処理を繰り返し、推定誤差共分散の値を限りなくゼロ値に近づけることができる。
【００２８】
図３に戻り、位置座標算定部１５は、測位点の３次元位置座標を算定する。３次元位置座標の算定は、少なくとも２つの場面において行う。
一つの場面は、単独測位により位置座標を算定する場面であり、もう一つは搬送波測位により位置座標を算定する場面である。
単独測位による位置座標の算定は、上記のようなフィルタ部１４でフィルタリングし、指定誤差共分散が収束したときの推定値をもとに、３次元の位置座標（ｘ，ｙ，ｚ）を算定する処理である。フィルタ部１４では、上記のように、誤差を収束させる方向に推定値を算定するので、ＦＬＯＡＴ解によって推定値を求めていた従来方式に比べて、誤差が収束するまでの時間が著しく短縮される。この位置座標を仮想基地局の位置を表す測位基準情報として、測位基準情報管理部１６を通じて測位基準情報格納部１７に格納させる。
一旦、測位基準情報が生成された後であっても、例えば、測位点が大きく変更された場合や、誤差が大きくなった場合には、適宜上記の手順で再測定を行い、これにより得られた測位結果に基づいて、既に格納されている測位基準情報を更新する。連続して測位を行う場合は、既に格納されている測位基準情報との差分値に基づいて新たな測位点での測位を行うことにより、効率的な測位が可能になる。
【００２９】
搬送波測位では、電波の性質を利用して整数値バイアスを求める。整数値バイアスは、信号受信開始時における搬送波波長の整数部分の個数＋α（上記位相角の部分）であり、同一のＧＰＳ衛星の組合せからの搬送波を受信し続ける限り、整数値バイアスは一定値となる。一方のＧＰＳ衛星からの距離が＋になれば、他方のＧＰＳ衛星からの距離が−となるためである。この点に着目し、この実施形態では、整数部分の個数についてはＧＰＳ衛星からの距離と搬送波の周波数との演算、あるいは搬送波個数の計数により求め、さらに、上記のフィルタリングによって、誤差を＋αの範囲まで絞り込む。そして、図５に示すように、＋α分を表す位相角から、測位基準情報の誤差をさらに小さくする。その結果、最終的な誤差は、数ｃｍとなる。
【００３０】
＜動作＞
次に、この実施形態による自律航法装置の動作を、図６及び図７を参照して説明する。この自律航法装置の動作は、大きく分けて、単独測位により仮想基準局の位置情報である測位基準情報を生成して保存する段階と、この測位基準情報に基づく搬送波測位を行う段階とに分かれる。
【００３１】
単独測位に際しては、図６に示すように、まず、ＧＰＳ受信機２０で最適な４つのＧＰＳ衛星を選定し（ステップＳ１０１）、Ｌ１帯（１．５ＧＨｚ）及びＬ２帯（１．２ＧＨｚ）の２つの周波数を用いてこれらのＧＰＳ衛星を観測する（ステップＳ１０２）。ＧＰＳ衛星の数４個は、未知数に対して連立方程式が成り立つ最低単位である。ここでの留意点は、精度の悪い情報は使用しない、すなわち、最適な情報をもたらすＧＰＳ衛星のみを選択するということである。
【００３２】
測位装置１０では、各周波数のデータを比較して、それらに共通に含まれるノイズ成分を除去し、２種類のデータから１つのＧＰＳ実測データを生成する（ステップＳ１０３）。そして、過去、現在及び将来の推定値をパラメータとして用いたフィルタリングにより、ＧＰＳ実測データによる測位誤差を搬送波の１波長以内まで収束させ、測位基準情報を得る（ステップＳ１０４）。
【００３３】
図７（ａ）は、仮想基準局と測位基準情報との関係を示している。図中、円は誤差範囲を表している。両者が完全一致の場合には誤差なしということになるが、種々の要因により、それはあり得ない。そのため、フィルタリングの結果を最適化する方法を確立する。この実施形態のフィルタリングは、過去の推定値に基づいて測位誤差を積極的に収束させていく手法なので、測位誤差が１波長以内まで達する時間は数分程度で足りる。なお、実測により得られた情報自身をフィルタリングするという考え方は、従来は存在しない。
【００３４】
この測位基準情報を仮想基準局の位置情報として用いるために、測位装置１０は、この測位基準情報を測位基準情報格納部１７に保存する（ステップＳ１０５）。そして、この測位基準情報を用いて整数値バイアスを算定し（ステップＳ１０６）、１波長内の位相角を検出する。この検出結果に基づいて搬送波測位を行い（ステップＳ１０７）、測位点の位置を確定する（ステップＳ１０８）。必要に応じて測位結果を新たな測位基準情報として選定し、測位基準情報格納部１７を更新する。
【００３５】
図７（ｂ）は、搬送波測位を行うことにより、測位基準情報の誤差がさらに小さくなり、最大の誤差であったとしても、それが仮想基準局としての誤差内に入りきることを示している。このように誤差が小さくなっている状態では、図７（ｃ）のように自律航法装置が移動した場合であっても、仮想基準局自体は変動しないため、安定的な測位が可能になる。
以上のような測位方式を、従来のＲＴＫ方式と比較して説明すると、以下のようになる。図８（ａ）は従来のＲＴＫ方式、（ｂ）は本実施形態の測位方式の概要を示している。
【００３６】
従来のＲＴＫ方式では、図８（ａ）に示されるように、測位点の大まかな位置を測定した後、基準局からの付加情報（距離、時間等）に基づく測位点の位置を推定し、仮アンビギュイティ（仮整数値バイアス）を計算する。未知パラメータは、ＧＰＳ受信機の位置情報（ｘ，ｙ，ｚ）と４つのＧＰＳ衛星のアンビギュイティ（整数値バイアス）の７つである。そのため、ＦＬＯＡＴ解を用いなければならず、多大な時間がかかる。測位点の位置を推定した後は、真の整数値バイアスを算定する。その際、基地局からの付加情報に基づいて仮アンビギュイティを再計算する。基準局からの付加情報に基づく搬送波測位の未知パラメータは、受信機位置情報（ｘ，ｙ，ｚ）の３つとなる。その後、ＦＩＸ解により測位点の位置を確定する。
【００３７】
これに対し、本実施形態の測位方式では、最適な４つのＧＰＳ衛星を選択し、２周波観測及び観測結果の推定誤差共分散を収束させるフィルタリングにより、測位基準情報（仮想基準局の位置情報）を推定するので、長くとも数分程度の測定を行うだけで、測位基準情報を装置内に保存することができる。
測位基準情報がほぼ正確に求められているので、整数値バイアスの算定、すなわち測位基準情報により真のアンビギュイティを算定する処理が迅速に行われる。測位基準情報に基づく搬送波測位を行って、誤差をさらに修正する。このときの未知パラメータは、ＧＰＳ受信機の位置情報（ｘ，ｙ，ｚ）の３つとなる。その後、ＦＩＸ解により測位点の位置を確定する。
移動量データ入力部１２から移動量データが入力されたときには、その移動量データと、測位基準情報とに基づいて、移動した測位点の位置座標（ｘ，ｙ，ｚ）を算定する。
【００３８】
このように、本実施形態の自律航法装置では、基準局を用いることなくともほぼリアルタイムに高精度の搬送波測位ができるため、基準局が設置されていない山岳地域での測位、海上での船舶による測位、基地局が存在しない未開発地域の測位、電波の使用が抑制されている離着陸時の飛行機の測位も可能となる。また、基準局を受信する必要がないので、自律航法装置自体のコスト低減化も可能になる。
【００３９】
なお、本実施形態では、測位装置１０とＧＰＳ受信機２０とを分離した場合の例について説明したが、両者は一体型であってもよい。
また、メモリ及びプロセッサを搭載したＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ（Ｄａｔａ） Ａｓｓｉｓｔａｎｔｓ）にＧＰＳ受信機構を付加するとともに、本発明のコンピュータプログラムをメモリにロードして、プロセッサでそれを実行させることにより、本発明の自律測位方法を実施することもできる。
【００４０】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、既存のＧＰＳ衛星、ＧＰＳ受信機を利用して、高精度且つリアルタイムの測位を行うことができる。また、コンピュータによって測位のアルゴリズムを実現することができるので、アルゴリズムの改良やパラメータの追加によるさらなる最適化にも柔軟に対応できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した自律航法装置の使用状態説明図。
【図２】ＧＰＳ受信器の構成図。
【図３】測位装置の機能ブロック図。
【図４】測位装置のフィルタ部のパラメータ構成図。
【図５】本発明の一実施形態による搬送波測位方式の原理説明図。
【図６】本発明の一実施形態による測位の手順説明図。
【図７】（ａ）〜（ｃ）は本発明の測位方法の概念説明図。
【図８】従来の測位方式と本発明の測位方式の比較説明図。
【符号の説明】
１０ 測位装置
１１ ＧＰＳデータ入力部
１２ 移動量データ入力部
１３ ノイズ除去部
１４ フィルタ部
１５ 位置座標算定部
１６ 測位基準情報管理部
１７ 測位基準情報格納部
１８ 表示画像生成部
１９ 出力制御部
２０ ＧＰＳ受信機
２１ ＧＰＳアンテナ
２２ 移動検出センサ
２３ データ受信回路
２４ インタフェース回路
ＤＤ 記憶装置
ＰＲ プリンタ
ＤＰ ディスプレイ
ＧＳ１〜ＧＳ６ ＧＰＳ衛星
Claims (9)
- ＧＰＳ受信機とメモリを有する１つの自律航法装置を測位点に置き、この自律航法装置で、複数のＧＰＳ衛星を前記ＧＰＳ受信機で観測して１つのＧＰＳ実測データを取得するとともに、取得したＧＰＳ実測データの現在値と過去に推定した値とに基づく将来の推定値の算定を当該推定値による推定誤差共分散が所定値以内に収束するまで繰り返し、収束した時点の推定値を仮想基準局の位置を表す測位基準情報として前記メモリに保存する段階と、
前記自律航法装置が、前記メモリに保存されている測位基準情報を参照情報として前記測位点での搬送波測位を行う段階とを有することを特徴とする、
ＧＰＳによる自律測位方法。 - 現在値による測位誤差が最小となる４つのＧＰＳ衛星の組合せを検出し、検出した４つのＧＰＳ衛星の各々を前記ＧＰＳ受信機で２種類の周波数で観測して比較することによりノイズ成分を削除した１つの前記ＧＰＳ実測データを取得することを特徴とする、
請求項１記載の自律測位方法。 - 前記所定値は、観測するＧＰＳ衛星が発信する搬送波の１波長以内の値であることを特徴とする、
請求項１記載の自律測位方法。 - 前記自律航法装置が、誤差値の収束を可能にするためのパラメータを現在値及び過去に推定した値による推定誤差共分散に基づいて算定する処理、現在値、前回求めた推定値に現在値に基づいて修正した推定誤差共分散を加えることにより算定する処理、誤差共分散を、前回求めた推定共分散誤差から現在値による共分散の値を差し引くことにより修正する処理、将来推定値を、現在値を前回まで求めた推定値推移のパラメータを用いて修正することで算定する処理、推定共分散誤差を、共分散の変化と非不定値の変化を加えることで算定する処理を繰り返して実行することにより、前記推定誤差共分散の値を収束させることを特徴とする、
請求項１記載の自律測位方法。 - 前記測位点が移動したときの前記搬送波測位による測位結果を新たな測位基準情報として前記メモリに記録することを特徴とする、
請求項１記載の自律測位方法。 - 前記搬送波測位は、前記メモリに保存されている測位基準情報により特定される仮想位置を起点とした前記複数のＧＰＳ衛星までの距離をそれぞれ各ＧＰＳ衛星からの搬送波の周波数と当該搬送波の伝達時間との関数により算定し、これにより算定された距離を前記搬送波の周波数で除算して整数値バイアスを算定し、さらに、この整数値バイアスから前記搬送波の１波長以内の位相角を算定し、この位相角が表す長さに基づいて、測位点の位置を特定することを特徴とする、
請求項１記載の自律測位方法。 - ２種類の周波数で複数のＧＰＳ衛星の各々を観測可能なＧＰＳ受信機で受信した２種類の周波数の信号を入力する入力手段と、
入力したこれらの信号から各周波数で共通となるノイズ成分を削除して１つのＧＰＳ実測データを得る前処理手段と、
この前処理手段により得られたＧＰＳ実測データを取得するとともに、取得したＧＰＳ実測データの現在値と過去に推定した値とに基づく将来の推定値の算定を、推定される誤差共分散が所定値以内に収束するまで繰り返し、これにより得られた推定値を測位基準情報として所定のメモリに保存する測位基準情報生成手段と、
前記メモリに保存されている測位基準情報を参照情報とした搬送波測位を行う搬送波測位手段とを有する、
自律航法装置。 - 前記測位基準情報決定手段が、推定誤差共分散を最小にするためのフィルタ部を含み、このフィルタ部により前記将来の推定値を算定するように構成されている、
請求項７記載の自律航法装置。 - ２種類の周波数で複数のＧＰＳ衛星の各々を観測可能なＧＰＳ受信機と接続可能なコンピュータに、
前記ＧＰＳ受信機で受信した２種類の周波数の信号を入力し、入力したこれらの信号から各周波数で共通となるノイズ成分を削除して１つのＧＰＳ実測データを得る前処理手段と、
この前処理手段により得られたＧＰＳ実測データを取得するとともに、取得したＧＰＳ実測データの現在値と過去の推定値とに基づく将来の推定値の算定を、前記現在値との差分が所定値に収束するまで繰り返し、これにより得られた推定値を測位基準情報として所定のメモリに保存する測位基準情報決定手段と、
前記メモリに保存されている測位基準情報を参照情報とした搬送波測位を行う搬送波測位手段とを形成するための、コンピュータプログラム。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002236137A JP3651678B2 (ja) | 2002-08-13 | 2002-08-13 | Ｇｐｓによる自律測位方法、自律航法装置及びコンピュータプログラム |
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