JP2004361125A

JP2004361125A - 衛星信号受信装置

Info

Publication number: JP2004361125A
Application number: JP2003156918A
Authority: JP
Inventors: Shinji Oda; 真嗣小田
Original assignee: Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2003-06-02
Filing date: 2003-06-02
Publication date: 2004-12-24
Anticipated expiration: 2023-06-02
Also published as: JP4203359B2

Abstract

【課題】衛星信号受信装置において、従来抑圧することのできなかったキャリアマルチパス雑音を抑圧する。
【解決手段】誤差記憶装置５５−１〜５５−Ｎにキャリア位相の過去の誤差情報を記憶しておき、測位装置５３により測位位置を求めたとき、真値予測装置５８により、過去の長時間の測位位置からキャリア位相の真値を予測する。そして、誤差補正装置５６−１〜５６−Ｎは、予測した真値に基づき誤差記憶装置５５−１〜５５−Ｎに記憶してある前記誤差情報が有効かどうかを判定し、有効と判定した場合には前記誤差情報に基づき、新たに得たキャリア位相を補正して測位装置５３に供給する。このようにして、各衛星のキャリアマルチパス雑音を抑圧することができる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、たとえば地すべり地帯や火山活動地帯等に設置され、ＧＰＳ（ＧｌｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍ）、ＧＬＯＮＡＳＳ（ＧｌｏｂａｌＯｒｂｉｔｉｎｇＮａｖｉｇａｔｉｏｎＳａｔｅｌｌｉｔｅＳｙｓｔｅｍ）、ガリレオ等の衛星信号のキャリア（搬送波ともいう。）を利用して、［ｍｍ］オーダーの微細な位置変動を検出する衛星信号受信装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近時、災害防止等の観点から地すべり発生危険箇所の地盤の微小な位置変動、具体的には、［ｍｍ］オーダーの位置変動を長期間モニタリングすることが不可欠とされてきている。
【０００３】
微小な位置変動を検出する装置としてＧＰＳ等の衛星信号を利用する衛星信号受信装置が知られている。
【０００４】
図５は、従来技術に係る衛星信号受信装置１０の構成を示している。この衛星信号受信装置１０は、各衛星に対応させることの可能なＮ個の受信モジュール２−１〜２−Ｎを有し、この受信モジュール２−１〜２−Ｎは、アンテナ１からの衛星信号を受信し、それぞれコード情報、キャリア情報、および追尾情報を信号として測位装置３に出力する。
【０００５】
測位装置３は、受信モジュール２−１〜２−Ｎからの信号の内、追尾情報を参照し、安定に追尾している衛星のコード情報、キャリア情報を用いて、測位位置を求めている。なお、ここでは説明を簡単にするため、１台の衛星信号受信装置１０で示しているが、実際には、［ｃｍ］以下の高精度を得るため、２台の受信装置間の差分が用いられる。
【０００６】
ところで、ＧＰＳ衛星等の衛星信号を利用して地すべり発生地帯の微細位置変動検知を行う場合、通常、衛星信号受信装置１０の周りが多くの木々に囲まれているため、それらの地物に当たって反射した衛星信号の電波を一緒に受信してしまい多くの、いわゆるキャリアマルチパスが発生する。
【０００７】
実際上、キャリアマルチパスは、時間と共に変化するため、その測定結果の１時間平均データでは５［ｍｍ］程度の精度しか得られていない。しかしながら、地すべり発生、火山の異常状態を早期に検出するため、１時間平均データで１［ｍｍ］程度の位置精度が得られることが望まれている。
【０００８】
図６に示すように、衛星１９、２０からの正しい電波の伝送経路である直接波１１、１２に対してキャリアマルチパス１３、１４は異なる伝送経路をとるため、地上１５に固定された衛星信号受信装置１０により観測したキャリア情報（キャリア位相）に誤差を与えることになる。また、キャリアマルチパス経路は衛星１９、２０毎に異なる。なお、図６中、参照符号１６は、飛行機、車、人、動物あるいは鳥等の一時的な障害物を意味しており、このような一時的な障害物１６によっても新たなキャリアマルチパス１７が発生する。
【０００９】
ここで、固定点で観測する場合を考えると、衛星１９、２０の地球周回周期時間（ＧＰＳ衛星の場合約２４時間）毎に同じ衛星配置となるため、本願発明者等が観測して作成した図７に示すように、黒丸で表している１日目と黒四角で表している２日目のマルチパスによる測位誤差には強い日周期性が見られる。しかしながら、上述したように、飛行機、車、人、動物あるいは鳥等の一時的な障害物１６があった場合、たとえば、衛星１９に係わるキャリアマルチパス１３の経路がキャリアマルチパス１７の経路に一時的に変化する。したがって、図７に示すように、完全な日周期性にはなっていない。
【００１０】
この出願では、１［ｍｍ］〜１［ｃｍ］程度の微細な位置変動がある場合を対象としているため、キャリアマルチパス等があっても位置変動を正確に検出する必要がある。
【００１１】
この出願が対象とするキャリアを利用した衛星信号受信装置ではなく、コード情報に対して日周期性誤差を低減する衛星信号受信装置が提案されている（特許文献１〜３参照）。
【００１２】
図８は、これらの特許文献１〜３に開示されている衛星信号受信装置３０の概略的な構成を示している。図８に示す衛星信号受信装置３０において、受信モジュール３２−１〜３２−Ｎは、アンテナ３１からの衛星信号を受信し、それぞれコード情報および追尾情報を信号として測位装置３３に出力する。
【００１３】
コード情報に基づき測位装置３３から出力された測位位置と、図示しない入力装置から入力された真位置との差分を、誤差補正装置３４にて記憶する。誤差補正装置３４に記憶されている約２４時間前の誤差分により、測位装置３３から出力されたコード情報に基づく測位位置を補正することで、具体的には、補正装置３５により、測位位置から２４時間前の誤差を引いた測位位置を得ることで測位位置の誤差が低減される。
【００１４】
キャリアマルチパスも同様に日周期性を持つが、コードとキャリアは全く異なる観測量であり、マルチパスも全く異なる量となるため、図８に示す衛星信号受信装置３０で得られるコードマルチパスでキャリアマルチパスを低減することはできない。また、キャリアはコードと異なり、整数値バイアスと呼ばれる整数サイクル分の不確定部分がある。
【００１５】
したがって、図８に示す衛星信号受信装置３０を、特開平７−５２３９号公報（特許文献１）の請求項３に「既知の定点で観測して記憶する位置変動の日周期成分を、個々のＧＰＳ衛星毎の距離の変動データから抽出して時刻とともに記憶する記憶手段と、個々のＧＰＳ衛星毎に距離補正をした後に、位置計算をして補正する補正手段とを具備する」と記載されているように、衛星毎に補正値を求める装置構成に拡張したとしても、キャリアマルチパス自体を推定することはできないという欠点があった。
【００１６】
また、特開平１１−１０９０１８号公報（特許文献２）には、位置が判明している固定点に設置したＧＰＳ受信装置のコード情報から算出した、２４時間分の誤差補正値を、過去数日分平均した、平均誤差補正値を使用して補正する方法が開示されている。この方法は、正確な位置が分かっている固定点での一時的な変動（振動）等の影響をなくすために、過去のコード情報を平均し、さらに閾値を設けて補正値の評価を行っている。
【００１７】
そのため、この出願が対象とする観測点で位置変動がある場合のように、閾値を超過する変動が断続する場合には適用できないという欠点があった。また変動が閾値以内であっても一方向へ移動した場合は、平均誤差補正値に移動分の誤差が含まれるため、正確に補正できない欠点があった。
【００１８】
上述した特開平７−５２３９号公報（特許文献１）には、ＧＰＳ受信装置を位置が判明している固定点に２４時間以上設置して得られた位置情報を利用して精度を向上させる方法が開示されている。この方法は、観測点（位置が変動する箇所）にあるＧＰＳ受信装置を位置が判明している固定点に２４時間以上設置して、補正値を求める必要があるため、固定点の近傍に一時的な障害物が存在する状態で補正値を求めた場合等において、正しく補正できないという欠点があった。
【００１９】
さらに、特開２００２−１１６２４６号公報（特許文献３）には、固定点に設置したＧＰＳ受信装置で補正値を求め、求めた補正値を測定点に設置したＧＰＳ受信装置で使用する方法が開示されている。この方法は、観測場所によって異なるキャリアマルチパスを低減できないという欠点があった。
【００２０】
【特許文献１】
特開平７−５２３９号公報（図１、段落［０００７］〜［０００９］）
【特許文献２】
特開平１１−１０９０１８号公報（図１、図９〜図１２、段落［００６４］〜［００８８］）
【特許文献３】
特開２００２−１１６２４６号公報（図４、図５、段落［００１３］、［００１７］）
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明したように、従来技術に係る衛星信号受信装置では、キャリアマルチパスを低減することができない、また、閾値を超過する変動が断続する場合には補正が不能になるという問題があった。
【００２２】
この発明はこのような種々の課題を考慮してなされたものであり、キャリアマルチパスを低減することを可能とする衛星信号受信装置を提供することを目的とする。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
この発明の衛星信号受信装置は、衛星信号のキャリアを利用して受信位置の変動を検出する衛星信号受信装置において、キャリア位相の過去の誤差情報を記憶する誤差記憶装置と、新たに得たキャリア位相から測位位置を求める測位装置と、過去の長時間の測位位置からキャリア位相の真値を予測する真値予測装置と、予測したキャリア位相の真値に基づき前記誤差情報が有効かどうかを判定し、有効と判定した場合には前記キャリア位相の過去の誤差情報及び真値予測情報に基づき、前記新たに得たキャリア位相を補正する誤差補正装置とを有することを特徴とする（請求項１記載の発明）。
【００２４】
この発明によれば、従来不可能であった、キャリアマルチパスを低減することができる。
【００２５】
なお、この発明の衛星信号受信装置は、前記誤差記憶装置に、キャリア位相の過去の誤差情報に代替して測位位置の過去の誤差情報を記憶し、前記真値予測装置は、過去の長時間の測位位置から真位置を予測する真位置予測装置に代替し、前記誤差補正装置は、予測した真位置に基づき前記誤差情報が有効かどうかを判定し、有効と判定した場合には前記誤差情報に基づき、前記新たに得た測位位置を補正するようにしてもよい（請求項２記載の発明）。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００２７】
図１は、この発明の一実施形態に係るキャリアを利用する衛星信号受信装置５０の構成を示している。この衛星信号受信装置５０は、基本的には、衛星からの信号を受信するアンテナ５１と、アンテナ５１により受信された衛星信号から各衛星のキャリア位相を推定してキャリア情報を出力するための衛星キャリア推定装置５７−１〜５７−Ｎと、衛星キャリア推定装置５７−１〜５７−Ｎから出力されるキャリア情報に基づき測位位置を求める測位装置５３と、過去の長時間の測位位置からキャリア位相の真値を予測する真値予測装置５８とから構成されている。ここで、過去の長時間の測位位置とは、例えば、ＧＰＳの場合、最新観測時点を基準として、１時間前から２４時間前までの１分毎の測位位置、特に好ましくは、１時間前から２４時間以上での１分毎の測位位置を意味する。
【００２８】
ここで、衛星キャリア推定装置５７−１〜５７−Ｎの数は、測位しようとする衛星数によって決定する。ＧＰＳ衛星の場合には、通常８〜１２である。
【００２９】
この衛星信号受信装置５０では、アンテナ５１及び受信モジュール５２−１〜５２−Ｎで各衛星から送信される電波のキャリアを受信し、キャリア情報を出力する。キャリアマルチパスが存在する場合、キャリア情報の出力にはキャリアマルチパス雑音が含まれる。
【００３０】
キャリアマルチパス雑音が含まれる各衛星のキャリア情報の補正を行うため、真値予測装置５８を設けるとともに、受信モジュール５２−１〜５２−Ｎと測位装置５３との間に誤差記憶装置５５−１〜５５−Ｎおよび誤差補正装置５６−１〜５６−Ｎを設けている。
【００３１】
測位装置５３は、各衛星キャリア推定装置５７−１〜５７−Ｎから供給される各衛星のキャリア情報に基づき測位演算を行い、測位位置を求める。
【００３２】
真値予測装置５８では、測位装置５３から出力される現在の測位位置結果と過去に出力された測位位置結果を基に整数値バイアスを含むキャリア位相の真値を、統計学的手法を用いて予測する。
【００３３】
予測するキャリア位相の真値（予測真値）は、衛星の地球周回周期時間程度あるいはそれ以上の長い周期での真位置変動を観測した結果を利用して、数時間（２〜６時間）程度の短時間での予測を求めることで、変動を予測した真位置値を算出し、この予測した真位置から逆算してキャリア位相の真値を予測する。
【００３４】
算出された予測真値は、各衛星キャリア推定装置５７−１〜５７−Ｎの誤差記憶装置５５−１〜５５−Ｎの一方の入力に供給される。なお、衛星の測位環境が悪くキャリア情報および位置情報の欠測が起こり得る場合は、真値予測装置５８の結果からトレンド（傾向）を求め、そのトレンドから得られる値で欠測したキャリア情報およびコード情報を補うようにしてもよい。
【００３５】
誤差記憶装置５５−１〜５５−Ｎは、受信モジュール５２−１〜５２−Ｎからのキャリア情報が他方の入力に供給されるので、このキャリア情報と上記予測された真値との差を、観測時刻と共に、誤差情報として記憶する。また、誤差記憶装置５５−１〜５５−Ｎには、誤差情報以外に、キャリア情報、コード情報、真値予測装置５８の情報および誤差補正装置５６−１〜５６−Ｎで使用する上記トレンドの情報等各種情報を記憶しておく。
【００３６】
誤差補正装置５６−１〜５６−Ｎは、受信モジュール５２−１〜５２−Ｎからのキャリア情報と、誤差記憶装置５５−１〜５５−Ｎから得られる衛星の地球周回周期時間前の誤差情報を基に誤差補正値を算出し、算出した誤差補正値が有効かどうかを判定する。この場合、たとえば、誤差補正値による補正により予測する真値に近づく場合には有効とする等の判定を行い、有効な場合には補正、すなわちキャリア位相の補正を行う。すなわち、受信したキャリア位相から算出した誤差補正値を差し引いて、測位装置５３に補正後のキャリア情報であるキャリア位相を供給する。なお、補正は、各衛星のキャリア情報毎に行われる。
【００３７】
ここで、衛星がＧＰＳ衛星の場合、その１周回周期は約１２時間であるが、地球が自転しているために地球表面のある観測点から見て、ＧＰＳ衛星が再び同じ位置に現れるのが約２４時間周期となり、これを「地球周回周期」と定義している。
【００３８】
誤差記憶装置５５−１〜５５−Ｎに、衛星の地球周回周期時間前の誤差情報が存在しない場合には、誤差記憶装置５５−１〜５５−Ｎに記憶している情報を利用して誤差補正値を割り出すようにしてもよい。たとえば、衛星がＧＰＳ衛星の場合には、４８時間前のデータを利用して補正値を割り出す、もしくは欠測補間を行い補間したデータで補正値を割り出す、あるいは過去の補正値からトレンドを求める等の手法により誤差補正値を割り出すことができる。図２により、上述した衛星信号受信装置５０の動作を再度説明する。
【００３９】
ステップＳ１で、現在と過去の測位衛星番号、方向余弦データ、キャリア情報等の入力を測位装置５３に対して行う。
【００４０】
ステップＳ２では、キャリア情報に異常がないかどうかを評価し、異常があれは除去を行う。なお、実際上、キャリア情報の異常について、衛星ヘルス情報により異常判断を行い、さらに、キャリア情報の時間変化・バイアスエラーを監視し所定の閾値を超過した場合に異常と判断する。
【００４１】
ステップＳ３では、真値予測装置５８で真値予測を行い、誤差記憶装置５５−１〜５５−Ｎに真値予測情報を供給する。そして、誤差補正装置５６−１〜５６−Ｎにおいて、誤差記憶装置５５−１〜５５−Ｎに記憶されている真値予測情報を取り込む。真値予測情報は、真値予測装置５８で算出された情報である。
【００４２】
次いで、ステップＳ４で誤差補正装置５６−１〜５６−Ｎにおいて真値予測情報およびキャリア情報等から補正値の割り出しを行う。
【００４３】
ステップＳ５で割り出された補正値が有効であるかどうかの評価を行い、補正値が有効である場合のみ、ステップＳ６で補正処理を行う。この場合、誤差補正装置５６−１〜５６−Ｎは、受信モジュール５２−１〜５２−Ｎから供給されたキャリア情報を補正して測位装置５３に供給する。
【００４４】
測位装置５３では、補正後のキャリア情報に基づきキャリア位相を求め、測位位置を演算する。
【００４５】
ここで、測位装置５３におけるキャリア位相の求め方および測位位置の求め方を説明する。ここでは、原理説明のため１衛星１次元の場合を例として、図３を参照して説明する。図３において、衛星６０からの衛星信号を受信する衛星信号受信装置５０が地点Ａと地点Ｂに設置されているものとする。地点Ａは、たとえば岩盤の上等、位置の動かない固定点（既知位置）とし、地点Ｂは、変位を測定するための観測点とする。
【００４６】
ここで、地点Ａ、Ｂ間の基線長をＬ、地点Ｂでの方向余弦に対応する仰角（衛星毎に異なるが、衛星信号中のエフェメリスデータから求めることができる。）をθ、キャリアの１波長をλ（たとえば、１９ｃｍ）、キャリア位相φの整数値バイアスをＭとすれば、キャリア位相φは、次の（１）式で表される。
φ＝（Ｌｃｏｓθ−Ｍ）／λ …（１）
【００４７】
したがって、基線長Ｌおよび整数値バイアスＭを、地点Ｂの真位置値予測値（真位置値予測座標値）を代入して求めた値とすれば、各衛星のキャリア位相φの予測真値を求めることができる。地点Ｂの位置が更新されるとき、基線長Ｌも更新される。
【００４８】
以上説明したように、この実施形態のキャリアを利用する衛星信号受信装置５０では、誤差記憶装置５５−１〜５５−Ｎにキャリア位相の過去の誤差情報を記憶しておき、測位装置５３により測位位置を求めたとき、真値予測装置５８により、求めた測位位置からキャリア位相の真値を予測する。そして、誤差補正装置５６−１〜５６−Ｎは、予測したキャリア位相の真値に基づき誤差記憶装置５５−１〜５５−Ｎに記憶してある前記の誤差情報が有効かどうかを判定し、有効と判定した場合には前記誤差情報に基づき、新たに得たキャリア位相を補正して測位装置５３に供給するようにしている。このため、各衛星のキャリアマルチパス雑音を抑圧することができる。
【００４９】
なお、過去の誤差情報としては、キャリア位相の誤差情報ではなく、キャリア位相の誤差情報とともに測位位置の誤差情報を記憶しておき、さらに、真値予測装置５８は、測位装置５３で求められた測位位置から真位置を予測し、誤差補正装置５６−１〜５６−Ｎは、キャリア位相を補正するのではなく、予測した真位置に基づき前記誤差情報が有効かどうかを判定し、有効と判定した場合には前記測位位置の誤差情報に基づき、前記新たに得た測位位置を補正するように構成を変更することができる。
【００５０】
また、図１例の衛星信号受信装置５０は、オンライン処理で行うようにしているが、この発明は、オンライン処理に限らず、オフライン処理として過去に蓄積されたキャリア情報を補正させても良い。
【００５１】
その場合は、図４に示すように、図１例の受信モジュール５２−１〜５２−Ｎを測位装置５３に接続し、誤差補正装置５６を通さないときの測位装置５３の入力データであるキャリア情報をデータベースであるキャリア情報蓄積装置５９に蓄積し、このキャリア情報蓄積装置５９から、受信モジュール５２−１〜５２−Ｎに代替して、過去のキャリア情報を時系列で誤差補正装置５６と誤差記憶装置５５に出力すれば補正処理をオンライン処理と同様に行うことができる。
【００５２】
なお、この発明は、上述の実施形態に限らず、この明細書の記載内容に基づき、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、従来技術に係る衛星受信装置では、位置が変動した際に正しく補正することができなかった日周期性の各衛星のキャリアマルチパス雑音に対し、キャリア位相の過去の誤差を記憶する誤差記憶装置、測位位置を求める測位装置、測位位置情報から真値を予測する真値予測装置により、キャリアマルチパス雑音を抑圧することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態に係る衛星信号受信装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図１例の動作説明に供されるフローチャートである。
【図３】キャリア位相の求め方等の説明図である。
【図４】この発明の他の実施形態に係る衛星信号受信装置の構成を示すブロック図である。
【図５】従来技術に係る衛星信号受信装置の構成を示すブロック図である。
【図６】衛星信号受信装置の設置例を示す説明図である。
【図７】キャリアマルチパスの影響による誤差例の相関を示す説明図である。
【図８】従来技術に係る誤差補正処理が適用された衛星信号受信装置のブロック図である。
【符号の説明】
１、３１、５１…アンテナ
２−１〜２−Ｎ、３２−１〜３２−Ｎ、５２−１〜５２−Ｎ…受信モジュール
３、３３、５３…測位装置１０、３０、５０…衛星信号受信装置
１１、１２…直接波１３、１４、１７…キャリアマルチパス
１５…地上１９、２０、６０…衛星
５５、５５−１〜５５−Ｎ…誤差記憶装置
５６、５６−１〜５６−Ｎ…誤差補正装置
５７−１〜５７−Ｎ…衛星キャリア推定装置
５８…真値予測装置５９…キャリア情報蓄積装置

Claims

衛星信号のキャリアを利用して受信位置の変動を検出する衛星信号受信装置において、
キャリア位相の過去の誤差情報を記憶する誤差記憶装置と、
新たに得たキャリア位相から測位位置を求める測位装置と、
過去の長時間の測位位置からキャリア位相の真値を予測する真値予測装置と、
予測したキャリア位相の真値に基づき前記誤差情報が有効かどうかを判定し、有効と判定した場合には前記キャリア位相の過去の誤差情報及び真値予測情報に基づき、前記新たに得たキャリア位相を補正する誤差補正装置と
を有することを特徴とする衛星信号受信装置。
衛星信号のキャリアを利用して受信位置の変動を検出する衛星信号受信装置において、
測位位置の過去の誤差情報を記憶する誤差記憶装置と、
新たに得たキャリア位相から新たな測位位置を求める測位装置と、
過去の長時間の測位位置から真位置を予測する真位置予測装置と、
予測した真位置に基づき前記誤差情報が有効かどうかを判定し、有効と判定した場合には前記誤差情報に基づき、前記新たに得た測位位置を補正する誤差補正装置と
を有することを特徴とする衛星信号受信装置。