JP2005077291A - 三次元測位システム - Google Patents

Abstract

【課題】安価な構成にて、測定精度を向上させ得る三次元測位システムを提供する。
【解決手段】移動局である測位装置１によりＧＰＳ衛星Ｓからの電波を受信して三次元位置を測定するとともに地上側に設けられた基準局２からの補正データを用いて、当該測位装置１における三次元位置の測定精度の向上を図るようにした三次元測位システムにおいて、エリア内の複数箇所に配置された基準局２からの擬似距離および電離層変化率に関する補正データを双一次補間法に基づき修正した値を、測位装置１における補正用データとして用いたものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＧＰＳ測位方式を用いた三次元測位システムに関するものである。

最近、土木測量分野での位置測定、および車両、船舶などの移動体の位置測定においては、ＧＰＳ衛星からの電波を受信して三次元位置を得るようにしたＧＰＳ測位方式（全地球測位システム）が利用されている。

このＧＰＳ測位については、大きく分けて、単独測位方式と相対測位方式とがあるが、高い精度が要求される場合には、相対測位方式が用いられている。
そして、この相対測位方式には、ディファレンシャル方式、スタティック方式、キネマティック方式、リアルタイムキネマティック方式などがあり、この相対測位方式は、基本的には、位置が既知である基準局（固定局）で得られた補正データを用いて、例えば電波が電離層および大気層を通過する際の伝搬路遅延量に基づく誤差を除去するようにしたものである（例えば、特許文献１参照）。
特開平６−１８６４９号公報

ところで、従来のディファレンシャル方式によると、基準局はかなりの間隔（距離）でもって配置されており、例えば半径１００〜２００ｋｍの範囲においては、同一の補正データが配信されており、したがって測定位置（地点）が基準局からかなり離れている場合には、どうしても、測定誤差が発生するという問題がある。

より具体的に説明すれば、伝搬路遅延量については、基準局と自己の測定位置との距離（基線）が長くなるにつれて、それぞれの遅延量の違いが大きくなり、測定精度が低下するという問題がある。

このような問題を解決する方法として、例えばＧＰＳ衛星からのＬ１帯およびＬ２帯の２つの周波数の信号を用いて伝搬路遅延量を補正する方法があるが、２つの周波数を用いて測定を行うＧＰＳ受信機については、その価格が高いという課題がある。

そこで、本発明は、安価な構成にて、測定精度を向上させ得る三次元測位システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１に係る三次元測位システムは、移動局である測位装置によりＧＰＳ衛星からの電波を受信して三次元位置を測定するとともに地上側に設けられた固定局からの補正データを用いて、当該測位装置における三次元位置の測定精度の向上を図るようにした三次元測位システムにおいて、
複数箇所に配置された固定局からの擬似距離および電離層変化率に関する補正データをそれぞれ双一次補間法に基づきまたは平均をとることによりそれぞれ修正した値を、上記測位装置における補正用データとして用いるようにした測位システムである。

また、請求項２に係る三次元測位システムは、請求項１に記載のシステムにおいて、測位し得る範囲を、予め、複数のエリアに分割するとともに、測位装置が位置するエリアに応じて補正用データを作成するようにした測位システムである。

また、請求項３に係る三次元測位システムは、請求項１または２に記載のシステムの測位装置において、所定時間おきに、ＧＰＳ衛星までの擬似距離および搬送波位相端数分を求めるとともにこれらの差であるアンビギュイティを求め、次にこれら求められた所定時間おきの複数のアンビギュイティの平均値を求め、次にこの平均値に係るアンビギュイティを補正用データに基づき補正した後、当該補正後のアンビギュイティに上記搬送波位相端数分を加算することにより、ＧＰＳ衛星までの距離を算出するようにした三次元測位システムである。

また、請求項４に係る三次元測位システムは、移動局である測位装置によりＧＰＳ衛星からの電波を受信して三次元位置を測定するとともに地上側に設けられた固定局からの補正データを用いて、当該測位装置における三次元位置の測定精度の向上を図るようにした三次元測位システムにおいて、
測位し得る範囲を、予め、複数のエリアに分割しておき、これら各エリアに配置された固定局からの擬似距離および電離層変化率に関する補正データをそれぞれ受け取るとともに、これら補正データを当該測位装置の位置に応じて双一次補間法に基づきまたは平均をとることによりそれぞれ修正してなる補正用データを作成し且つこの補正用データを当該測位装置に配信する配信施設を具備した測位システムである。

さらに、請求項５に係る三次元測位システムは、移動局である測位装置によりＧＰＳ衛星からの電波を受信して三次元位置を測定するとともに地上側に設けられた固定局からの補正データを用いて、当該測位装置における三次元位置の測定精度の向上を図るようにした三次元測位システムにおいて、
測位し得る範囲を、予め、複数のエリアに分割しておき、これら各エリアに配置された固定局からの擬似距離および電離層変化率に関する補正データをそれぞれ受け取るとともに、これら補正データを当該測位装置の位置に応じて双一次補間法に基づきまたは平均をとることによりそれぞれ修正してなる補正用データを作成し得る配信施設を具備し、
さらに上記測位装置にて所定時間おきに求められたＧＰＳ衛星までの擬似距離および搬送波位相端数分を上記配信施設に入力し、
且つ当該配信施設にて、所定時間おきに求められた擬似距離と搬送波位相端数分との差であるアンビギュイティをそれぞれ求めた後、これら求められた所定時間おきの複数のアンビギュイティの平均値を求め、次にこの求められたアンビギュイティを補正用データを用いて補正をした後、当該補正後のアンビギュイティに上記搬送波位相端数分を加算することにより、ＧＰＳ衛星までの距離を算出し、次にこの距離に基づき上記測位装置の三次元位置を求めた後、この三次元位置を移動局である測位装置に送信するようにした測位システムである。

以上のように本発明の三次元測位システムの構成によると、ＧＰＳ衛星からの電波を受信して、搬送波位相に基づき測位装置の三次元位置を求める際に、その周囲に設置されている複数の固定局にて得られた擬似距離および電離層変化率に関する補正データを双一次補間法に基づきまたは平均をとることにより修正してなる補正用データを用いて、そのアンビギュイティを補正するようにしたので、例えば１つの固定局からの補正データに基づき補正する場合に比べて、測定精度の向上を図ることができ、しかも、１周波数型のＧＰＳ受信機を採用した場合でも、測定精度を低下させることがないので、安価で且つ測定精度の良い測位システムが得られる。

また、補正用データを配信する配信施設を具備することにより、三次元測位システムの効率的な運用を行うことができる。
さらに、配信施設において、測位装置から送信される擬似距離および搬送波位相端数分に基づき、アンビギュイティを求めた後、補正用データを用いてアンビギュイティを補正して、精度の良い三次元位置を求め、この三次元位置を測位装置に配信することにより、測位装置での演算処理能力の軽減を図ることができるとともに、当該配信施設にて、測位装置が具備された物体の位置管理などを行うこともできる。

以下、本発明の実施の形態に係る三次元測位システムについて説明する。
［実施の形態１］
本実施の形態１に係る三次元測位システムを、図１〜図６に基づき説明する。

この三次元測位システムは、全地球測位システム（ＧＰＳ）を用いており、具体的には、例えばディファレンシャル測位方式（ＤＧＰＳ方式）が用いられており、移動局である三次元測位装置により、ＧＰＳ衛星からの電波を受信してその三次元位置を測定するとともに複数箇所に設置された固定局である基準局からの補正データを用いて、当該三次元測位装置の測定精度の向上を図るようにしたものである。

すなわち、図１に示すように、この三次元測位システムには、少なくとも４個のＧＰＳ衛星Ｓからの電波を受信して自己の三次元位置を測定する三次元測位装置（ＧＰＳ受信機でもあり、以下、測位装置という）１と、三次元位置が既知とされた複数箇所にそれぞれ設置された基準局２と、これら各基準局２にて得られた補正データをネットワーク回線（勿論、無線による通信回線または放送型の一方向通信でもよい）３を介して受信する（受け取る）とともに、その測位装置１の現在位置に基づきこれら補正データに修正を施した修正補正データ（補正用データ）を当該測位装置１に配信するための配信センター（配信施設）４とが具備されている。なお、図１において、１２ａはデータ通信手段１２側の無線用アンテナを示し、また２ａは基準局２側のＧＰＳ用受信アンテナを示し、さらに４ａは配信センター４側の無線用アンテナを示している。

上記測位装置１は、図２に示すように、ＧＰＳ衛星Ｓからの電波を受信する電波受信手段（具体的には、ＧＰＳ用受信アンテナである）１１と、少なくとも配信センター４からの修正補正データを受信するデータ通信手段（例えば、無線によるデータ送受信機が用いられる）１２と、上記電波受信手段１１にて受信した電波から測位用コード（Ｃ／Ａコード）を抽出してＧＰＳ衛星までの擬似距離および搬送波位相の観測データを検出する観測データ検出手段（例えば、測位用コードに基づき擬似距離を求める回路、搬送波位相のカウント回路などを有するもの）１３と、この観測データ検出手段１３にて得られたデータを入力して擬似距離に基づき擬似位置を単独で演算する擬似位置演算手段（例えば、演算回路である）１４と、この擬似位置演算手段１４にて得られた擬似距離および上記観測データ検出手段１３にて得られた搬送波位相を入力して精度良く位置を演算する高精度位置演算手段（例えば、演算回路である）１５と、基準局２に対する相対位置を演算する相対位置演算手段１６と、上記各手段を制御する制御手段１７と、この制御手段１７に接続されたキーボードなどの入力手段１８と、演算された三次元位置を表示する液晶表示板などの表示手段１９とから構成されている。勿論、これら各手段の他に、三次元位置を演算する際に必要な記憶手段などが具備されている。なお、搬送波位相にはノイズが含まれているため、この搬送波位相を検出するに際し、カルマンフィルタなどのフィルタが用いられてノイズが除去されている。

次に、基準局２について説明する。
各基準局２においては、２周波数型（Ｌ１帯，Ｌ２帯）のＧＰＳ受信機を用いることで、ＧＰＳ衛星からの信号の搬送波位相および信号の到達時間が測定されて、基準局２とＧＰＳ衛星Ｓとの間の距離が精度良く求められる。

このとき、ＧＰＳ衛星Ｓから発信されるＬ１帯（１５７５．４２ＭＨｚ）およびＬ２帯（１２２７．６ＭＨｚ）の周波数信号を受信することで、基準局２において、電波が電離層を通過する際の電離層遅延の変化率（変動率ともいう）が求められるとともに、測位用コードにより求められる擬似距離に関する補正データ（距離データ）についても求められる。そして、この電離層変化率が、擬似距離に関する補正データとともに、補正データとして用いられる。

次に、上記配信センター４について説明する。
この配信センター４には、図３に示すように、測定に係る測位装置１から入力される位置データ（擬似位置）に基づき、当該測位装置１が含まれるエリア（例えば、日本国土を１００〜２００ｋｍ×１００〜２００ｋｍ程度の大きさにて区画した地域）を選択するエリア選択手段２１と、このエリア選択手段２１により選択されたエリアにおける各基準局２から送信される擬似距離に関する補正データおよび電離層変化率を入力して双一次曲面を用いて補間データを求める双一次補間法に基づき修正補正データを得るための修正補正データ演算手段２２と、各測位装置１および各基準局２との間でデータの受け渡しを行うためのデータ通信手段２３とが具備されている。勿論、各基準局２からの補正データおよび測位装置１からの位置データは、上記データ通信手段２３を介して入力される。

ここで、上記高精度位置演算手段１６を、図４に基づき、詳しく説明する。
この高精度位置演算手段１６は、観測データ検出手段１３からの擬似距離ρおよび搬送波位相Φの端数分φを入力してその差（ρ−φ）であるアンビギュイティＮを演算するアンビギュイティ演算部３１と、このアンビギュイティ３１にて得られた複数個のアンビギュイティＮの平均を求めて仮アンビギュイティＮ′を求める仮アンビギュイティ演算部３２と、この仮アンビギュイティＮ′に配信センター４から送られてきた修正補正データ［修正された擬似距離に関する補正データおよび電離層変化率］を用いて補正を行い精度の良い高精度アンビギュイティＮ″を演算する高精度アンビギュイティ演算部３３と、この高精度アンビギュイティ演算部３３にて得られた高精度アンビギュイティＮ″に搬送波位相端数分φを加算して精度の良い高精度距離ρ′を演算する高精度距離演算部３４とから構成されている。なお、上記高精度アンビギュイティ演算部３３においては、修正補正データである電離層変化率に基づき予測される電離層の影響をなくすようにアンビギュイティが補正される。例えば、電離層変化率から予測される電離層の影響を打ち消すようなパラメータ（係数）が用いられてアンビギュイティの補正が行われる。

上記三次元測位システムにおいて、ディファレンシャル方式を用いた測位動作について説明する。
測位装置１により三次元位置を測定する場合、少なくとも４個のＧＰＳ衛星Ｓからの電波が電波受信手段１１にて受信されるとともにこの受信された信号が観測データ検出手段１３に入力され、ここで、Ｌ１帯の周波数に載っている測位コードに基づき擬似距離ρおよびＬ１帯の信号に基づき搬送波位相Φが求められる。

そして、この擬似距離が擬似位置演算手段１５に入力されて擬似的な三次元位置が求められるとともに、この位置データが配信センター４に送信されて当該測位装置１に係る修正補正データが求められる。

すなわち、配信センター４においては、図５に示すように、その測位装置１から送られた位置データに基づき、エリア選択手段２１により、当該測位装置１が含まれるエリアが選択されるとともに、このエリアに属する複数、例えば４つの基準局２から入力された擬似距離に関する補正データおよび電離層変化率が修正補正データ演算手段２２に入力され、ここで、それぞれのデータが双一次補間法に基づき、すなわち図６に示すように、エリア内の複数の基準局２による補正データに基づき得られた双一次曲面上の当該測位装置（移動局）１の三次元位置に応じて一義的に定まる値（勿論、この値は、擬似距離に関する補正量および電離層変化率である）が修正補正データとして求められる。

上記求められた修正補正データが配信センター４から測位装置１にデータ通信手段２３を介して無線により送信され、この修正補正データに基づき高精度位置演算手段１６にて精度の良いＧＰＳ衛星までの高精度距離ρ′が求められる。なお、修正補正データの電離層変化率が入力されると、上述したように、この変化率に基づきアンビギュイティの補正が行われる。そして、この高精度距離ρ′が相対位置演算手段１７に入力されて、当該測位装置１の三次元位置が高精度でもって求められる。

勿論、上記高精度位置演算手段１６においては、まず、観測データ検出手段１３からの擬似距離ρおよび搬送波位相Φがアンビギュイティ演算部３１に入力されてその差（ρ−φ）であるアンビギュイティＮが求められ、次にこのアンビギュイティ演算部３１にて得られた複数個のアンビギュイティＮが仮アンビギュイティ演算部３２に入力されてその平均値である仮アンビギュイティＮ′が求められる。

次に、この仮アンビギュイティＮ′が高精度アンビギュイティ演算部３３に入力されて配信センター４からの修正補正データに基づき擬似距離に関する補正および電離層変化率に基づき精度の良い高精度アンビギュイティＮ″が求められ、この高精度アンビギュイティＮ″が高精度距離演算部３４に入力されて搬送波位相端数分φが加算されて精度の良い高精度距離ρ′が求められることになる。

このように、ＧＰＳ衛星Ｓからの電波を受信して、搬送波位相により測位装置１の三次元位置を求める際に、当該測位装置１が位置するエリアの複数の基準局２にて且つ双一次補間法に基づきそれぞれ得られた擬似距離に関する補正データおよび電離層変化率の修正補正データを用いて補正を行うようにしているので、例えば１つの基準局にて得られた補正データを用いて補正する場合に比べて、測定精度の向上を図ることができる。

勿論、本実施の形態１に係る測位装置１としては１周波数型のＧＰＳ受信機が採用されており、このような１周波数型のものであっても、測定精度を低下させることがないので、安価で且つ測定精度の良い測位システムが得られる。また、Ｌ２帯は電波強度が弱いので使用範囲が限定されるが、電波強度の強いＬ１帯だけを使用するため、従来の２周波数型のものよりも、その使用範囲を広げることができる。

さらに、修正補正データを配信する配信センターを具備しているので、三次元測位システムの効率的な運用を行うことができる。
［実施の形態２］
本実施の形態２に係る三次元測システムについて簡単に説明する。

上記実施の形態１においては、配信センター４にて求められた修正補正データを測位装置１に送信して当該測位装置１の高精度位置演算手段１６にて搬送波位相におけるアンビギュイティを補正するように説明したが、例えば測位装置１の観測データ検出手段１３にて得られた擬似距離および搬送波位相端数分を直接に配信センター４に送信し、当該配信センター４に、高精度位置演算手段１６と同等の機能を具備させて、ここで、精度良く測位装置１の三次元位置を求め、そしてこの求められた三次元位置を測位装置１に送信するようにしてもよい。

このシステムを簡単に説明すると、測位装置によりＧＰＳ衛星からの電波を受信して三次元位置を測定するとともに地上側に設けられた基準局からの補正データを用いて、当該測位装置における三次元位置の測定精度の向上を図るようにした三次元測位システムにおいて、測位し得る範囲を、予め、複数のエリアに分割しておき、これら各エリアに配置された基準局からの擬似距離および電離層変化率に関する補正データを受け取るとともに、これら補正データを当該測位装置の位置に応じて双一次補間法に基づき修正してなる補正用データを作成し得る配信センターを具備し、さらに上記測位装置にて所定時間おきに求められたＧＰＳ衛星までの擬似距離および搬送波位相端数分を上記配信センターに送信し、且つ当該配信センターにて、所定時間おきに求められた擬似距離および搬送波位相端数分の差であるアンビギュイティをそれぞれ求めた後、これら求められた所定時間おきの複数のアンビギュイティの平均値を求め、次にこの求められたアンビギュイティを補正用データを用いて補正をした後、当該補正後のアンビギュイティに上記搬送波位相端数分を加算することにより、ＧＰＳ衛星までの距離を算出し、この算出された距離を上記測位装置に送信するようにしたものである。

勿論、この実施の形態２に係る構成においても、上記実施の形態１と同様の効果を有しており、さらに配信センター側にて、精度良く三次元位置を演算するようにしているので、測位装置での演算処理能力の軽減化を図ることができ、延いては、測位装置の製造コストの低減化を図ることができる。

なお、このような構成に係るシステムを、測位装置が具備された端末装置の位置を、監視施設にて、常時または集中して監視するようなシステムに適用することができ、または配信センターにおいて位置情報に付加価値をつけて端末装置側に送信するようなサービス（ＡＳＰ：アプリケーション・サービス・プロバイダ）を展開することができる。

ところで、上記各実施の形態においては、測位装置から送信される擬似位置に基づきエリアを選択するように説明したが、勿論で、このようなサービスを自動で行う場合には、アクセスされた電話番号の局番から一番近いエリアを選択するようにしてもよく、また、エリアごとに無線の周波数を異ならせておき、それぞれのエリアに応じた修正補正データを無線にて送信しておくこともできる。

また、上記各実施の形態においては、修正補正データとして擬似距離および電離層変化率を双一次補間法を用いて求めたが、双一次補間法ではなく各エリアにおける基準局で得られた擬似距離および電離層変化率の平均をとり、これら平均値を用いてもよい。

本発明の実施の形態に係る三次元測位システムの概略全体構成を示す図である。 同三次元測位システムにおける三次元測位装置の概略構成を示すブロック図である。 同三次元測位システムにおける配信センターの概略構成を示すブロック図である。 同三次元測位システムにおける高精度位置演算手段の概略構成を示すブロック図である。 同三次元測位システムにおける測位動作を説明するための図である。 同三次元測位システムにおける修正補正データを説明するための図である。

符号の説明

Ｓ ＧＰＳ衛星
１ 三次元測位装置
２ 基準局
３ ネットワーク回線
４ 配信センター
１１ 電波受信手段
１２ データ通信手段
１３ 観測データ検出手段
１５ 擬似位置演算手段
１６ 高精度位置演算手段
１７ 相対位置演算手段
１８ 制御手段
２１ エリア選択手段
２２ 修正補正データ演算手段
２３ データ通信手段
３１ アンビギュイティ演算部
３２ 仮アンビギュイティ演算部
３３ 高精度アンビギュイティ演算部
３４ 高精度距離演算部

Claims (5)

1. 移動局である測位装置によりＧＰＳ衛星からの電波を受信して三次元位置を測定するとともに地上側に設けられた固定局からの補正データを用いて、当該測位装置における三次元位置の測定精度の向上を図るようにした三次元測位システムにおいて、
   複数箇所に配置された固定局からの擬似距離および電離層変化率に関する補正データをそれぞれ双一次補間法に基づきまたは平均をとることによりそれぞれ修正した値を、上記測位装置における補正用データとして用いることを特徴とする三次元測位システム。
2. 測位し得る範囲を、予め、複数のエリアに分割するとともに、測位装置が位置するエリアに応じて補正用データを作成することを特徴とする請求項１に記載の三次元測位システム。
3. 測位装置において、所定時間おきに、ＧＰＳ衛星までの擬似距離および搬送波位相端数分を求めるとともにこれらの差であるアンビギュイティを求め、次にこれら求められた所定時間おきの複数のアンビギュイティの平均値を求め、次にこの平均値に係るアンビギュイティを補正用データに基づき補正した後、当該補正後のアンビギュイティに上記搬送波位相端数分を加算することにより、ＧＰＳ衛星までの距離を算出するようにしたことを特徴とする請求項１または２に記載の三次元測位システム。
4. 移動局である測位装置によりＧＰＳ衛星からの電波を受信して三次元位置を測定するとともに地上側に設けられた固定局からの補正データを用いて、当該測位装置における三次元位置の測定精度の向上を図るようにした三次元測位システムにおいて、
   測位し得る範囲を、予め、複数のエリアに分割しておき、
   これら各エリアに配置された固定局からの擬似距離および電離層変化率に関する補正データをそれぞれ受け取るとともに、これら補正データを当該測位装置の位置に応じて双一次補間法に基づきまたは平均をとることによりそれぞれ修正してなる補正用データを作成し且つこの補正用データを当該測位装置に配信する配信施設を具備したことを特徴とする三次元測位システム。
5. 移動局である測位装置によりＧＰＳ衛星からの電波を受信して三次元位置を測定するとともに地上側に設けられた固定局からの補正データを用いて、当該測位装置における三次元位置の測定精度の向上を図るようにした三次元測位システムにおいて、
   測位し得る範囲を、予め、複数のエリアに分割しておき、
   これら各エリアに配置された固定局からの擬似距離および電離層変化率に関する補正データをそれぞれ受け取るとともに、これら補正データを当該測位装置の位置に応じて双一次補間法に基づきまたは平均をとることによりそれぞれ修正してなる補正用データを作成し得る配信施設を具備し、
   さらに上記測位装置にて所定時間おきに求められたＧＰＳ衛星までの擬似距離および搬送波位相端数分を上記配信施設に入力し、
   且つ当該配信施設にて、所定時間おきに求められた擬似距離と搬送波位相端数分との差であるアンビギュイティをそれぞれ求めた後、これら求められた所定時間おきの複数のアンビギュイティの平均値を求め、次にこの求められたアンビギュイティを補正用データを用いて補正をした後、当該補正後のアンビギュイティに上記搬送波位相端数分を加算することによりＧＰＳ衛星までの距離を算出し、次にこの距離に基づき上記測位装置の三次元位置を求めた後、この三次元位置を移動局である測位装置に送信するようにしたことを特徴とする三次元測位システム。
   
   

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