JP2005308462A - コードディファレンシャル測位方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 基準局から放送される擬似距離補正値ＰＲＣを含むコードディファレンシャル補正データの受信が例えば３０秒程度の比較的長時間途切れても、現在の安定な擬似距離補正値および擬似距離変化速度を再計算して、それを基にＤＧＰＳ測位で高精度な測位を行えるようにする。
【解決手段】 基準局１００からＤＧＰＳ受信装置３０に対して放送された擬似距離補正値ＰＲＣを受信し、この受信擬似距離補正値ＰＲＣの前回受信時の擬似距離補正値の推測値Ｓと、これまでの擬似距離補正値の推測値の変化速度の推測値Ｖとを用いて今回の擬似距離補正値の予想値Ｐを求め、該予想値Ｐと今回の受信擬似距離補正値ＰＲＣとを按分して今回の擬似距離補正値の推測値Ｓを求める。この補正値Ｓだけ観測距離を補正して測位演算する。
【選択図】 図４

Description

この発明は、ＧＰＳ衛星等の測位用衛星からの電波を受信するとともに、測位演算の際の補正情報を受信して、受信点の測位を行うコードディファレンシャル測位方法および装置に関するものである。

従来、ＧＰＳ衛星から送信される電波に含まれるＣ／Ａコードの位相情報を基に相対測位を行うコードディファレンシャルＧＰＳ（以下、「ＤＧＰＳ」と言う。）方式による測位システムが利用されている（非特許文献１参照）。

海上でＤＧＰＳ方式で測位を行う場合、その補正情報は海上保安庁の基準局（ビーコン局）から中波で放送されているＲＴＣＭ ＳＣ−１０４ タイプ９の補正データを利用している。この補正データは、基準局が所定周期で求めた各ＧＰＳ衛星の擬似距離補正値ＰＲＣ、擬似距離変化速度ＲＲＣおよびこのＰＲＣとＲＲＣを求めた時刻ｔ０のデータを放送している。現状ではこれらの値が３秒毎に更新・放送されている。

このように一定周期で更新される擬似距離補正値ＰＲＣと擬似距離変化速度ＲＲＣは、擬似距離補正値ＰＲＣをその周期の擬似距離変化速度ＲＲＣで補間することによって任意の時刻における擬似距離補正値を求めるために利用されている。すなわち、利用者は擬似距離補正値ＰＲＣと擬似距離変化速度ＲＲＣの最新値を用いて、時刻ｔにおける擬似距離の補正値を
ＰＲＣ＋ＲＲＣ（ｔ−ｔ０） …(1)
により求めて利用している。

しかし、上記基準局からの電波は中波帯であるため、昼と夜とでは信号強度が大きく変わり、またエンジンノイズの影響も受けやすいため、必ずしも常に最新の補正データが得られるとは限らない。そのため利用者側では最新の時刻ｔ０での補正データが得られないこともあり、その場合には、過去の受信によって得た擬似距離補正値ＰＲＣと擬似距離変化速度ＲＲＣをそのまま用いて現在の擬似距離補正値を求めることになる。例えば、今回または最新の時刻ｔ０での補正データが受信できていなかった場合には、前回の時刻ｔ０での補正データを利用することになり、前回の時刻ｔ０での補正データも受信できていなかった場合には、それより前回の時刻ｔ０での補正データを利用することになる。このようにして、ｔ−ｔ０が１分程度となるまでは過去の擬似距離補正値ＰＲＣと擬似距離変化速度ＲＲＣを採用して上記（１）式を用いて現在の時刻ｔにおける擬似距離補正値を算出し、利用している。
土屋 淳・辻 宏道 著、「新訂版やさしいＧＰＳ測量」、社団法人日本測量協会出版、１９９７年４月１５日発行、ｐ１２２−１２３（擬似距離方式ＤＧＰＳ），ｐ１３２−１３３（伝送手段の具体的な内容）

上記ＤＧＰＳ方式が実用になった（必要とされた）背景には、ＧＰＳ衛星から送信される情報にＳＡ（selective availability）がかけられていて、単独測位での測位精度が１００ｍ程度でしか得られないように故意に精度が低下されていたことが挙げられる。当時はＳＡがかかっている状況でコードディファレンシャル測位によって１０ｍ程度の測位精度を得ることが目的であった。

ところが、現時点ではＳＡが解除となったため、ＧＰＳ単独測位でも１０ｍ程度の測位精度が得られるようになった。そこで、最近ではＤＧＰＳ方式で１ｍ程度の測位精度を得ることが目標となってきている。

ところが上記ＲＴＣＭ ＳＣ−１０４ タイプ９の補正データでは、１ｍ精度の測位を行うための補正値としては、擬似距離補正値ＰＲＣや擬似距離変化速度ＲＲＣの誤差変動がかなり大きく、たとえば３０秒以上過去のＰＲＣ，ＲＲＣで擬似距離補正を行うと、その擬似距離補正値自体の誤差が１ｍを超えてしまう。そのため、電波状況やノイズの影響によってたとえば３０秒以上ＰＲＣ，ＲＲＣが更新できなくて、過去の補正データを基にして現在時刻における補正値を求めて補正を行っても、殆どの場合、１ｍ精度の測位ができなくなってしまう。

さらに現状のＤＧＰＳ基準局から放送されている擬似距離変化速度ＲＲＣの情報は、１ｍ精度のディファレンシャル測位のためには精度自体が低いため、これを用いては高精度なディファレンシャル測位が望めないことが分かった。

そこで、この発明の目的は、基準局から放送される擬似距離補正値ＰＲＣを含むコードディファレンシャル補正データの受信が比較的長時間途切れても、現在の安定な擬似距離補正値および擬似距離変化速度を再計算して、それを基にＤＧＰＳ測位で高精度な測位を行えるようにしたコードディファレンシャル測位方法および装置を提供することにある。

（１）この発明のコードディファレンシャル測位方法は、コードディファレンシャル測位装置に対して放送された擬似距離補正値ＰＲＣを含むコードディファレンシャル補正データを受信し、前記擬似距離補正値ＰＲＣの前回受信時の擬似距離補正値の推測値Ｓ（−１）と、これまでの擬似距離補正値の推測値の変化速度の推測値Ｖを用いて擬似距離補正値の今回の予想値Ｐを求め、該予想値Ｐと、今回受信した擬似距離補正値ＰＲＣとを按分して擬似距離補正値の今回の推測値Ｓ（０）を求め、該擬似距離補正値の今回の推測値Ｓ（０）で受信点から測位用衛星までの観測距離を補正してコードディファレンシャル測位を行うことを特徴としている。

（２）また、この発明のコードディファレンシャル測位装置は、測位用衛星からの電波を受信して、受信点から前記測位用衛星までの観測距離を求める観測手段と、
コードディファレンシャル測位装置に対して放送された擬似距離変化速度ＲＲＣを含むコードディファレンシャル補正データを受信する手段と、
前記擬似距離補正値ＰＲＣの前回受信時の擬似距離補正値の推測値Ｓ（−１）と、これまでの擬似距離補正値の推測値の変化速度の推測値Ｖを用いて擬似距離補正値の今回の予想値Ｐを求め、該予想値Ｐと、今回受信した擬似距離補正値ＰＲＣとを按分して擬似距離補正値の今回の推測値Ｓ（０）を求める手段と、
前記擬似距離補正値の今回の推測値Ｓ（０）で前記観測距離を補正してコードディファレンシャル測位を行う手段とを備えたことを特徴としている。

この発明によれば、基準局から放送された電波のＳＮ比が低くて比較的長時間補正データの更新ができなくても擬似距離を高精度に補正でき、高い測位精度が維持できる。

図１はＤＧＰＳシステムの基本構成部分のブロック図である。図１においてＤＧＰＳ基準局１００は、位置が既知である所定箇所（通常は固定位置）に設けられていて、ＧＰＳアンテナ２０で複数のＧＰＳ衛星からの電波を受信し、擬似距離変化速度ＲＲＣおよび擬似距離補正値ＰＲＣをそれぞれ求めて、それらをＲＴＣＭ ＳＣ−１０４ タイプ９のフォーマットでデータ通信アンテナ２６から送信する。但し、この例では擬似距離変化速度ＲＲＣの情報は利用しない。

また、図１において補正情報処理部１０１は、データ通信アンテナ１６によって上記擬似距離変化速度ＲＲＣおよび擬似距離補正値ＰＲＣのデータを受信し、後述する処理によって、測位すべき時点での擬似距離変化速度と擬似距離補正値の再計算値を求めてＤＧＰＳ受信機１０２へ提供する。

ＤＧＰＳ受信機１０２は補正情報処理部１０１からの上記再計算による擬似距離変化速度（以下、「再計算擬似距離変化速度」という。）と再計算による擬似距離補正値（以下、「再計算擬似距離補正値」という。）を入力し、ＧＰＳアンテナ３０で複数のＧＰＳ衛星からの電波を受信し、測位演算に用いる衛星から受信点までの擬似距離の補正を行い、測位演算によって受信点の位置を求める。

図２は上記基準局側および測位装置側の構成を示す図であり、（Ａ）は基準局側のブロック図、（Ｂ）は上記補正情報処理部１０１の構成を示すブロック図、（Ｃ）は上記ＤＧＰＳ受信機１０２の構成を示すブロック図である。

（Ａ）に示す基準局１００において、受信回路２１はＧＰＳアンテナ２０からの受信信号を増幅して中間周波信号に変換する。Ａ／Ｄコンバータ２２は、その受信信号をディジタル信号のデータ列としてディジタル信号処理回路２３へ与える。このディジタル信号処理回路２３は、そのディジタルデータ列に対して演算処理を行ってＣ／Ａコード位相を求める。プロセッサ２４は、上記ディジタル信号処理回路２３で求められたＣ／Ａコード位相から観測による擬似距離を計測する。一方、既知点である受信点から各衛星の位置までの計算上の距離を求める。これらのデータから、ＰＲＣ＝計算上の距離−擬似距離 の演算により擬似距離補正値（ＰＲＣ）を求め、２エポック間のＰＲＣの変化から擬似距離変化速度（ＲＲＣ）を求める。

（Ｂ）に示す補正情報処理部１０１において、データ通信機１７は、基準局１００から送信された擬似距離変化速度ＲＲＣおよび擬似距離補正値ＰＲＣをアンテナ１６を介して受信する。プロセッサ１４は後述する所定の演算によって上記擬似距離補正値と擬似距離変化速度の再計算値を求めてインターフェース１５を介しＤＧＰＳ受信機１０２へ出力する。

（Ｃ）に示すＤＧＰＳ受信機１０２において、受信回路３１はＧＰＳアンテナ３０からの受信信号を増幅し中間周波信号に変換する。Ａ／Ｄコンバータ３２は、その受信信号をディジタル信号のデータ列としてディジタル信号処理回路３３へ与える。このディジタル信号処理回路３３は、そのディジタルデータ列に対して演算処理を行い、Ｃ／Ａコード位相を求める。プロセッサ３４は、ディジタル信号処理回路３３で求められた各相関値からＣ／Ａコード位相を検出し、Ｃ／Ａコード位相の追尾を行う。さらにインターフェース３５を介して補正情報処理部１０１で再計算された擬似距離補正値と擬似距離変化速度を基に擬似距離の補正を行い、その補正後の擬似距離を基に測位演算して受信点の位置を求める。そして、最終的にインターフェース３６を介して外部へ測位結果を出力する。

図４は補正情報処理部１０１での擬似距離補正値と擬似距離変化速度の再計算の手順について示している。この処理はたとえば３秒毎に行う。まず基準局１００から放送された補正情報に含まれている受信擬似距離補正値（以下単に「ＰＲＣ」という。）を読み取る（Ｓ１）。この処理が初回であれば、擬似距離補正値の推測値（以下「再計算擬似距離補正値」という。）Ｓに初期値としてＰＲＣを代入する（Ｓ３）。また、擬似距離補正値の推測値の変化速度の推測値（以下「再計算擬似距離変化速度」という。）Ｖに初期値０．０を代入する（Ｓ４）。または、受信位置、衛星位置、時刻を用いてモデル計算した値をＶの初期値とする。

この図４に示す処理は基準局１００からディファレンシャル補正データが放送される周期に合わせて実行されるが、電波状況が悪くてＰＲＣが得られなかった場合は、それまでに得ているＰＲＣをそのまま用いることになる。

そして、現時点の擬似距離補正値の予想値Ｐを
Ｐ＝Ｓ＋Ｖ×ＤＴ …(2)
で求める（Ｓ５）。ここでＤＴは、基準局１００から放送されたＰＲＣが受信できた時点から今回のタイミングまでの時間である。

続いて、
Ｓ＝Ｐ＋Ａ（ＰＲＣ−Ｐ） …(3)
によって今回の再計算擬似距離補正値Ｓを求める（Ｓ６）。この再計算擬似距離補正値Ｓは、Ｓ＝Ａ×ＰＲＣ＋（１−Ａ）Ｐにより求めても同様である。

ここでＡは、今回求めた擬似距離補正値の予想値ＰとＰＲＣとから再計算擬似距離補正値Ｓを求める際の、（ＰＲＣ−Ｐ）に対する、すなわち位置修正に対する、重み（第１のフィルタ係数）である。

続いて、
Ｖ′＝Ｖ＋Ｂ（ＰＲＣ−Ｐ）／ＤＴ …(4)
によって、今回の再計算擬似距離変化速度Ｖ′を求める（Ｓ７）。ここでＶは前回の再計算擬似距離変化速度である。またＢは、Ｖと（ＰＲＣ−Ｐ）／ＤＴから再計算擬似距離変化速度Ｖ′を求める際の（ＰＲＣ−Ｐ）／ＤＴすなわち速度修正分に対する重み（第２のフィルタ係数）である。この第２のフィルタ係数は、Ｂ＝Ａ×Ａ／（２−Ａ）として定める。ＡとＢをこの関係にすれば、臨界減衰応答（臨界減幅応答）となる。すなわち擬似距離補正値のステップ変化に対して振動することなく急速に減衰して応答性を高めることができる。

そして今回求めた再計算擬似距離変化速度Ｖ′を次回の演算に備えてＶとし、再計算擬似距離補正値Ｓと再計算擬似距離変化速度Ｖを出力する（Ｓ８→Ｓ９）。

図３は上記再計算擬似距離補正値Ｓ、今回の擬似距離補正値の予想値Ｐおよび受信擬似距離補正値ＰＲＣ等の関係について示している。ここでＳ(-1)は前回に求めた再計算擬似距離補正値、Ｓ(0) は今回求めた再計算擬似距離補正値である。ＰＲＣの前回受信時から今回受信時までの経過時間がＤＴで、再計算擬似距離変化速度がＶであるので、補正値の予想値ＰはＶ・ＤＴだけＳ(-1)から変化する。そしてこの予想値ＰにＡ（ＰＲＣ−Ｐ）を加算した値が今回の再計算擬似距離補正値Ｓ(0) である。この再計算擬似距離補正値Ｓ(0) は、上記（３）式によって、今回の擬似距離補正値の予想値Ｐと今回の受信擬似距離補正値ＰＲＣとを按分して求めたものに他ならない。

ここで（３）式のフィルタ係数Ａは実用的には０．０１〜０．１程度、望ましくは０．０５〜０．２程度 とする。平滑化を軽くする場合には例えばＡ＝０．２，Ｂ＝０．０２２とし、平滑化を重くする場合には例えばＡ＝０．０５，Ｂ＝０．００１３とする。Ａを大きくする程、擬似距離補正値を平滑化して求める際の応答性が高まるように作用し、Ａを小さくする程、擬似距離補正値がより滑らかに変化するように作用する。例えば、Ａ＝０．０１とすれば、時定数１００エポック（３００秒）、Ａ＝０．１とすれば、時定数１０エポック（３０秒）で平滑化することに相当する。

図５は３つの衛星について３０秒毎に補正情報を受信した場合について、擬似距離補正値を３時間（１０８００秒）にわたって、従来方式とこの発明方式の両方についてプロットしたものである。ここでＳＶ１１，ＳＶ３１，ＳＶ０２はそれぞれ衛星番号１１，３１，０２の各衛星について従来方式で求めた擬似距離補正値の推移である。また、ＳＶ１１′，ＳＶ３１′，ＳＶ０２′はそれぞれ衛星番号１１，３１，０２の各衛星について本発明の方式によって求めた擬似距離補正値の推移である。

図６は上記３つの衛星について上記３時間での衛星の移動状況を天頂図として表している。この図６と図５とを対比すれば明らかなように、受信点から見て衛星が低仰角になる程、電離層の伝搬遅延の影響が顕著になって擬似距離の補正値が大きくなる傾向を示す。

従来方式では、擬似距離変化速度ＲＲＣと擬似距離補正値ＰＲＣの更新が３０秒も行われないと、衛星の仰角に関わらず３０秒毎に擬似距離補正値は１ｍを超える程度に大きく変動することになり、その結果１ｍ精度の測位結果が得られない。これに対し本発明の方式によれば、同じ補正情報を用いながらも擬似距離の補正値は時間経過と共に滑らかに推移する。そのため、ばらつきの少ない補正が行え、その結果１ｍ精度の測位が可能となる。

なお、図１に示した例では補正情報処理部１０１とＤＧＰＳ受信機１０２とを分離して表したが、ＧＰＳ受信機のコードディファレンシャル測位の演算処理で上述の擬似距離補正値と擬似距離変化速度の再計算処理を行うことよって、補正情報処理部１０１の機能をＤＧＰＳ受信機１０２に一体化してもよい。

また図４に示した例では第１のフィルタ係数Ａと第２のフィルタ係数Ｂとを用いて所謂αβフィルタによって擬似距離補正値の再計算および擬似距離変化速度の再計算を行ったが、受信擬似距離補正値ＰＲＣの前回の再計算擬似距離補正値Ｓと、これまでの再計算擬似距離変化速度Ｖを用いて今回の擬似距離補正値の予想値Ｐを求め、該予想値Ｐと今回の受信擬似距離補正値ＰＲＣとを按分して今回の再計算擬似距離補正値Ｓを求める、という方法であれば他の平滑化処理であっても擬似距離補正値および擬似距離変化速度の再計算を行うことができる。

さらに、補正情報を送信する基準局（ビーコン局）は中波帯のＡＭ信号で放送されるものに限らず、例えば超短波帯のＦＭ信号で放送されるものにも同様に適用でき、同様の効果を得ることができる。

実施形態に係るＤＧＰＳ測位システムの基本構成を示すブロック図 同システムにおける基準局、補正情報処理部およびＤＧＰＳ受信機の構成を示すブロック図 擬似距離補正値の再計算による変化の例を示す図 補正情報処理部での処理手順を示すフローチャート ３つの衛星について３０秒毎に補正情報を受信した場合の、従来方式と本発明方式の両方について擬似距離補正値をプロットした図 ３つの衛星について図５に示した時間での衛星の移動状況を天頂図として表した図

符号の説明

２０，３０−ＧＰＳアンテナ
１６，２６−データ通信アンテナ

Claims (2)

1. コードディファレンシャル測位装置に対して放送された擬似距離補正値ＰＲＣを含むコードディファレンシャル補正データを受信し、前記擬似距離補正値ＰＲＣの前回受信時の擬似距離補正値の推測値Ｓ（−１）と、これまでの擬似距離補正値の推測値の変化速度の推測値Ｖとを用いて今回の擬似距離補正値の予想値Ｐを求め、該予想値Ｐと、今回受信した擬似距離補正値ＰＲＣとを按分して擬似距離補正値の今回の推測値Ｓ（０）を求め、該擬似距離補正値の今回の推測値Ｓ（０）で受信点から測位用衛星までの観測距離を補正してコードディファレンシャル測位を行う測位方法。
2. 測位用衛星からの電波を受信して、受信点から前記測位用衛星までの観測距離を求める観測手段と、
   コードディファレンシャル測位装置に対して放送された擬似距離補正値ＰＲＣを含むコードディファレンシャル補正データを受信する手段と、
   前記擬似距離補正値ＰＲＣの前回受信時の擬似距離補正値の推測値Ｓ（−１）と、これまでの擬似距離補正値の推測値の変化速度の推測値Ｖとを用いて今回の擬似距離補正値の予想値Ｐを求め、該予想値Ｐと、今回受信した擬似距離補正値ＰＲＣとを按分して擬似距離補正値の今回の推測値Ｓ（０）を求める手段と、
   前記擬似距離補正値の今回の推測値Ｓ（０）で前記観測距離を補正してコードディファレンシャル測位を行う手段と、
   を備えたコードディファレンシャル測位装置。

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