JP2006003208A - 位置検出装置及び位置検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 基準衛星の切り替え等が発生した場合であっても、整数値バイアスの確定処理を一からやり直す必要の無い位置検出装置の提供。
【解決手段】 移動局により観測可能な複数の衛星の中から１つの基準衛星を設定し、移動局が所定周期毎に観測する観測データを用いて、各衛星からの衛星信号の搬送波位相の積算値に含まれる整数値バイアスを、前記基準衛星に係る積算値を基準とした他の衛星に係る積算値の位相差に基づいて推定し、該推定した整数値バイアスに基づいて移動局の位置を検出する位置検出装置であって、前記基準衛星が観測不能となった場合、観測可能な複数の衛星の中から前記基準衛星以外の衛星を新たな基準衛星として、過去の観測データを用いて整数値バイアスの推定を実行することを特徴とする。
【選択図】 図５

Description

本発明は、移動局の位置を検出する位置検出装置及び位置検出方法に関する。

近年、測量の分野では、搬送波位相によるＧＰＳ測量が広く利用されている。この搬送波位相によるＧＰＳ測量では、基準側の受信機と測位側の受信機とが、複数の衛星から送られる衛星信号を同時に受信し、基準側と測位側とで各衛星信号の搬送波位相の積算値をそれぞれ独立に算出する。この搬送波位相の積算値（以下、単に「位相積算値」という）には、搬送波の波長の整数倍に相当する不確定な要素（以下、「整数値バイアス」という）が含まれているが、この整数値バイアスは、時計誤差等とは異なり、位相積算値の一重位相差や二重位相差を取ることによっても消去することができない。このため、ＧＰＳ測量の分野において、位相積算値の三重位相差を取ることで不確定要素である整数値バイアスを消去することや、整数値バイアスそのものを求める技術が提案されている。

ここで、整数値バイアスを確定する技術として、カルマンフィルタを用いる技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。この技術では、測位側の位置と整数値バイアスを状態変数とし、基準側に対する測位側の位相積算値の一重位相差を観測量として、観測を重ねる毎に前記状態変数を更新する追尾フィルタが構成される。また、整数値バイアスを確定するその他の技術として、整数値バイアスを含んだ搬送波の二重位相差を用いて、最小二乗法により所定の条件で二重位相差の整数値バイアスを求める技術が知られている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００４−７７２２８号公報 特開２００３−９８２４５号公報

ところで、上述のような従来技術は、少なくとも５つの衛星からの電波が、整数値バイアスの確定処理中に継続して（サイクルトリップ無しに）受信されることを前提としている。しかしながら、実際には、整数値バイアス確定後若しくは確定中にある衛星からの電波の途切れが生じる場合（サイクルトリップ）があり、この場合、整数値バイアスを確定するための処理を一からやり直さなければならない。

また、上述の従来技術は、整数値バイアスの確定処理中に測位側が移動することを想定していないが、仮に測位側が車両のような移動体であるような場合、周辺建物やトンネル等の影響により整数値バイアスの確定処理中にもサイクルトリップが生じ易くなる。また、移動体の移動によって、移動体側の受信機の衛星からの電波受信状態が変化するため、測位に用いる基準衛星を切り替える必要も生じうる。

そこで、本発明は、上記の問題点に鑑み、基準衛星のサイクルトリップや切り替えが発生した場合であっても、整数値バイアスの確定処理を一からやり直す必要の無い位置検出装置及び位置検出方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の一局面によれば、移動局により観測可能な複数の衛星の中から１つの基準衛星を選定し、移動局が所定周期毎に観測する観測データを用いて、各衛星からの衛星信号の搬送波位相の積算値に含まれる整数値バイアスを、前記基準衛星に係る積算値を基準とした他の衛星に係る積算値の位相差に基づいて推定し、該推定した整数値バイアスに基づいて移動局の位置を検出する位置検出装置であって、
前記基準衛星が観測不能となった場合、観測可能な複数の衛星の中から前記基準衛星以外の他の衛星を新たな基準衛星として、過去の観測データを用いて整数値バイアスの推定を実行することを特徴とする、位置検出装置が提供される。

また、本発明のその他の一局面によれば、移動局が所定周期毎に観測する衛星信号の搬送波位相の積算値に含まれる整数値バイアスを推定して移動局の位置を検出する位置検出装置であって、
移動局により観測可能な複数の衛星の中から１つの基準衛星を選定し、所定周期毎に、移動局が観測する観測データを用いて、各衛星からの衛星信号の搬送波位相の積算値を算出し、前記基準衛星に係る積算値を基準とした他の衛星に係る積算値の位相差を算出し、該位相差を用いて、前記基準衛星を基準とした第１の共分散データを更新する第１の共分散更新手段と、
移動局により観測可能な複数の衛星の中から前記基準衛星とは異なる予備基準衛星を選定し、所定周期毎に、移動局が観測する観測データを用いて、各衛星からの衛星信号の搬送波位相の積算値を算出し、前記予備基準衛星に係る積算値を基準とした他の衛星に係る積算値の位相差を算出し、該位相差を用いて、前記予備基準衛星を基準とした第２の共分散データを更新する第２の共分散更新手段と、
前記第１の共分散更新手段により得られる第１の共分散データを用いて整数値バイアスを推定する整数値バイアス推定手段とを備え、
前記整数値バイアス推定手段は、前記基準衛星が観測不能となった場合、前記第２の共分散更新手段により得られる第２の共分散データを用いて整数値バイアスを推定することを特徴とする、位置検出装置が提供される。

本局面において、前記予備基準衛星は１つだけ選定されており、前記基準衛星が観測不能となった場合、前記第１の共分散更新手段は、前記予備基準衛星を基準衛星として、前記第２の共分散更新手段による更新処理を引き継ぎ、前記第２の共分散更新手段は、前記予備基準衛星とは異なる新たな予備基準衛星を選定し、該新たな予備基準衛星に対して前記更新処理を開始してよい。或いは、前記予備基準衛星は複数選定されており、前記基準衛星が観測不能となった場合、前記整数値バイアス推定手段は、継続して観測されている時間の最も長い予備基準衛星に係る第２の共分散データを用いて、前記整数値バイアス推定処理を行ってよい。或いは、前記予備基準衛星は複数選定されており、前記基準衛星が観測不能となった場合、前記整数値バイアス推定手段は、その時点で最も分散が小さい予備基準衛星に係る第２の共分散データを用いて、前記整数値バイアス推定処理を行ってよい。

また、本発明のその他の一局面によれば、移動局により観測可能な複数の衛星の中から１つの基準衛星を選定する基準衛星選定ステップと、
移動局が所定周期毎に観測する観測データを用いて、所定周期毎に、前記基準衛星を基準とした第１の共分散データを更新する第１の共分散更新ステップと、
観測可能な複数の衛星の中から前記基準衛星以外の衛星を予備基準衛星として選定する予備基準衛星選定ステップと、
前記予備基準衛星選定ステップ後、所定周期毎に、前記第１の共分散更新ステップと並列的に実行され、移動局が所定周期毎に観測する観測データを用いて、前記予備基準衛星を基準とした第２の共分散データを更新する第２の共分散更新ステップと、
前記第１の共分散更新ステップにより得られた第１の共分散データに基づいて、各衛星からの衛星信号の搬送波位相の積算値に含まれる整数値バイアスを推定し、該推定した整数値バイアスに基づいて移動局の位置を検出する位置検出ステップとを含み、
前記位置検出ステップでは、前記基準衛星が観測不能となった場合に、前記第２の共分散更新ステップにより得られた第２の共分散データに基づいて、前記整数値バイアスの推定が実行されることを特徴とする、位置検出方法が提供される。

上記の何れの局面おいても、衛星の観測（受信）が不能若しくは可能であるかの判断は、該衛星からの衛星信号の受信強度が所定の最低受信強度以上が確保されているか否かの判断に基づくものであってよい。

本発明によれば、基準衛星の切り替え等が発生した場合であっても、整数値バイアスの確定処理を一からやり直す必要の無い位置検出装置及び位置検出方法を得ることができる。

以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態の説明を行う。

図１は、本発明に係る搬送波位相式ＧＰＳ測位システムの構成図である。図１に示すように、ＧＰＳ測位システムは、地球周りを周回するＧＰＳ衛星１０と、地球上の所定位置（既知点）に設置される固定型の基準局２０と、地球上に位置し地球上を移動しうる移動局３０とから構成される。

ＧＰＳ衛星１０は、航法メッセージを地球に向けて常時放送する。航法メッセージには、対応するＧＰＳ衛星１０に関する軌道情報、時計の補正値、電離層の補正係数が含まれている。航法メッセージは、Ｃ／Ａコードにより拡散されＬ１搬送波（周波数：1575.42ＭＨz）に乗せられて、地球に向けて常時放送されている。

尚、現在、２４個のＧＰＳ衛星１０が高度約２０，０００kmの上空で地球を一周しており、各４個のＧＰＳ衛星１０が５５度ずつ傾いた６つの地球周回軌道面に均等に配置されている。従って、天空が開けている場所であれば、地球上のどの場所にいても、常時、少なくとも５個以上のＧＰＳ衛星１０が観測可能である。

図２は、図１の搬送波位相式ＧＰＳ測位システムのより詳細な構成図である。移動局３０は、ＧＰＳ受信機３２を備える。ＧＰＳ受信機３２内には、その周波数がＧＰＳ衛星１０の搬送周波数と一致する発振器（図示せず）が内蔵されている。ＧＰＳ受信機３２は、ＧＰＳアンテナ３２ａを介してＧＰＳ衛星１０から受信した電波を中間周波数に変換後、ＧＰＳ受信機３２内で発生させたＣ／Ａコードを用いてＣ／Ａコード同期を行い、航法メッセージを取り出す。

また、ＧＰＳ受信機３２は、各ＧＰＳ衛星１０_ｉからの搬送波に基づいて、搬送波位相の位相積算値Φ_ｉｕを計測する。尚、位相積算値Φ_ｉｕについて、添え字ｉ（＝０，１，２，・・・）は、各ＧＰＳ衛星１０_ｉに割り当てられた番号を示し、添え字ｕは移動局３０側での積算値であることを示す。位相積算値Φ_ｉｕは、次式に示すように、搬送波受信時刻ｔでの発振器の位相Θ_ｉｕ（ｔ）と、ＧＰＳ衛星１０_ｉでの衛星信号発生時の搬送波位相Θ_ｉｕ（ｔ−τ）との差として得られる。
Φ_ｉｕ（ｔ）＝Θ_ｉｕ（ｔ）−Θ_ｉｕ（ｔ−τ_ｕ）＋Ｎ_ｉｕ＋ε_ｉｕ（ｔ） 式（１）
ここで、τ_ｕは、ＧＰＳ衛星１０からＧＰＳ受信機３２までのトラベル時間を示し、ε_ｉｕは、ノイズ（誤差）を表わす。尚、位相差の観測開始時点では、ＧＰＳ受信機３２は、搬送波位相の１波長以内の位相を正確に測定できるが、それが何波長目に相当するかを確定できない。このため、位相積算値Φ_ｉｕ（ｔ）には、上式に示すように、不確定な要素として整数値バイアスＮ_ｉｕが導入される。

移動局３０は、また、携帯電話等の通信機３３を備える。通信機３３は、後述する如く、基準局２０側の携帯電話基地局等のような通信施設２３と双方向通信を行うように構成されている。

基準局２０は、ＧＰＳアンテナ２２ａを備えるＧＰＳ受信機２２を有する。ＧＰＳ受信機２２は、移動局３０のＧＰＳ受信機３２と同様に、各ＧＰＳ衛星１０_ｉからの搬送波に基づいて、次式に示すように、時刻ｔにおける搬送波位相の積算値Φ_ｉｂ（ｔ）を計測する。
Φ_ｉｂ（ｔ）＝Θ_ｉｂ（ｔ）−Θ_ｉｂ（ｔ−τ_ｂ）＋Ｎ_ｉｂ＋ε_ｉｂ（ｔ） 式（２）
尚、Ｎ_ｉｂは、整数値バイアスを示し、ε_ｉｂは、ノイズ（誤差）を表わす。尚、位相積算値Φ_ｉｂについて、添え字ｂは基準局２０側での積算値であることを示す。基準局２０は、計測した位相積算値Φ_ｉｂを通信施設２３を介して移動局３０に送信する。尚、基準局２０は、所定領域に複数設置されている。各基準局２０と通信施設２３（複数も可）とは、図２に示すように、インターネット等のネットワークを介して接続されてよく、若しくは、各基準局２０毎に通信施設２３が設けられてもよい。前者の構成では、移動局３０は、通信施設２３との間で通信可能な状態である限り、各基準局２０が受信した情報を得ることができる。

図３は、移動局３０に搭載される本発明による位置検出装置３４の一実施例を示す機能ブロック図である。本実施例の位置検出装置３４は、演算器４０を中心に構成され、演算器４０には、上述のＧＰＳ受信機３２及び通信機３３に接続されている。演算器４０には、更に、移動局３０に搭載される各種センサ５０が接続される。尚、演算器４０は、ＧＰＳ受信機３２に内蔵されるものであってもよい。また、移動局３０が車両の場合、ＧＰＳ受信機３２及び演算器４０及び／又は通信機３３は、ナビゲーション装置内に実装されてよい。

演算器４０は、マイクロコンピューターから構成されてよく、図３に示すように、衛星位置算出部４２と、動的状態量導入部４４と、整数値バイアス推定部４８とを含む。

衛星位置算出部４２は、ＧＰＳ受信機３２が受信した航法メッセージの軌道情報に基づいて、観測可能な各ＧＰＳ衛星１０_ｉの、時刻ｔにおけるワールド座標系での位置（Ｘ_ｉ（ｔ）、Ｙ_ｉ（ｔ）、Ｚ_ｉ（ｔ））を計算する。尚、ＧＰＳ衛星１０は、人工衛星の１つであるので、その運動は、地球重心を含む一定面内（軌道面）に限定される。また、ＧＰＳ衛星１０の軌道は地球重心を１つの焦点とする楕円運動であり、ケプラーの方程式を逐次数値計算することで、軌道面上でのＧＰＳ衛星１０の位置が計算できる。また、搬送波受信時刻ｔでの各ＧＰＳ衛星１０_ｉの位置（Ｘ_ｉ（ｔ）、Ｙ_ｉ（ｔ）、Ｚ_ｉ（ｔ））は、ＧＰＳ衛星１０の軌道面とワールド座標系の赤道面が回転関係にあることを考慮して、軌道面上でのＧＰＳ衛星１０の位置を３次元的な回転座標変換することで得られる。尚、ワールド座標系とは、図４に示すように、地球重心を原点として、赤道面内で互いに直交するＸ軸及びY軸、並びに、この両軸に直交するＺ軸により定義される。

動的状態量導入部４４は、所定周期で入力される各種センサ５０の出力信号に基づいて、移動局３０の所定の動的状態量を算出し、既知入力を作成する。例えば、移動局３０が車両の場合、動的状態量導入部４４は、車両の非駆動輪に設定された２つの車輪速センサや、ヨーレートセンサ、左右Ｇ加速度センサ、方位角計等の各種センサ５０の出力信号に基づいて、搬送波受信時刻ｔでの車両の前後速度Ｖｘ（ｔ）及び車両の左右速度Ｖｙ（ｔ）を算出する。

車両の速度ベクトル（Ｖｘ（ｔ）、Ｖｙ（ｔ））は、車体を基準としたボディ座標系（図４参照）に基づいているため、動的状態量導入部４４は、速度ベクトル（Ｖｘ（ｔ）、Ｖｙ（ｔ））を、ローカル座標系を介してワールド座標系へと座標変換する。通常、座標の回転変換は、オイラー角を用いて実現できるが、ここでは、ボディ座標系からローカル座標系への変換に関しては、ロール角及びピッチ角が小さいとしてヨー角ψ（ｔ）のみで実現することとする（但し、ロール角及びピッチ角を考慮することも、ヨー角を無視することも当然に可能である。）。また、ローカル座標系からワールド座標系への変換に関しては、車両位置の経度φ（ｔ）及び緯度λ（ｔ）を用いた変換で実現される。

具体的には、ワールド座標系における車両位置を（Ｘ_ｕ、Ｙ_ｕ、Ｚ_ｕ）とし、車両位置の経度及び緯度を（φ、λ）とすると、ワールド座標系で表わした車両の速度ベクトルｄ／ｄｔ［Ｘ_ｕ、Ｙ_ｕ、Ｚ_ｕ］は、次式の通りである。
d/dt［Ｘ_ｕ、Ｙ_ｕ、Ｚ_ｕ］^Ｔ＝rot（φ、λ）・rot（ψ）・［Ｖｘ、Ｖｙ］^Ｔ 式（３）
ここで、［］^Ｔは行列の転置を意味し、rot（φ、λ）及びrot（ψ）は、次の通りとする。

尚、経度φ（ｔ）及び緯度λ（ｔ）は、測量が既に完了している所定地点の既知の経度及び緯度（固定値）であってよい。但し、経度φ（ｔ）及び緯度λ（ｔ）は、単独測位により得られる移動局３０の経度φ（ｔ）及び緯度λ（ｔ）（変動値）であってもよい。また、ヨー角度ψ（ｔ）は、ヨー角速度（ヨーレートセンサの検出信号）を積分することで算出されてよく、若しくは、方位角計を用いて決定されてもよい。

上記式（３）の右辺を入力Ｕ０１、Ｕ０２及びＵ０３と置いて、離散化すれば次のようになる。
Ｘ_ｕ（ｔ_ｎ）＝Ｘ_ｕ（ｔ_ｎ−１）＋ＤＴ・Ｕ０１ 式（４）
Ｙ_ｕ（ｔ_ｎ）＝Ｙ_ｕ（ｔ_ｎ−１）＋ＤＴ・Ｕ０２ 式（５）
Ｚ_ｕ（ｔ_ｎ）＝Ｚ_ｕ（ｔ_ｎ−１）＋ＤＴ・Ｕ０３ 式（６）
よって、最終的な既知入力は、次の通りとなる。
Ｕ＝［ＤＴ・Ｕ０１、ＤＴ・Ｕ０２、ＤＴ・Ｕ０３］^Ｔ 式（６−１）
尚、上式において、ＤＴは、サンプル時間（データ更新間隔）であり、ｔ_ｎ＝ｔ_ｎ−１＋ＤＴである。尚、以下では、説明上、サンプル時間ＤＴは、上述のＧＰＳ受信機２２，３２による位相積算値の演算周期と同一であるとする。

整数値バイアス推定部４８では、各ＧＰＳ衛星１０_ｉに係る観測データ（特に、移動局３０が通信機３３を介して受信する基準局２０側の位相積算値Φ_ｉｂ、及び、移動局３０側の位相積算値Φ_ｉｕ）に基づいて整数値バイアスが推定される。

具体的には、時刻ｔにおける２つのＧＰＳ衛星１０_ｊ、１０_ｈ（ｉ＝ｊ、ｈ、但し、ｊ≠ｈ）に関する位相積算値の２重位相差は、次式となる。
Φ_ｊｈｂｕ＝（Φ_ｊｂ（ｔ）−Φ_ｊｕ（ｔ））−（Φ_ｈｂ（ｔ）−Φ_ｈｕ（ｔ）） 式（７）
一方、位相積算値の２重位相差Φ_ｊｈｂｕは、（ＧＰＳ衛星１０_ｉとＧＰＳ受信機２２若しくは３２との距離）＝（搬送波の波長Ｌ）×（位相積算値）という物理的な意味合いから、次のようになる。

ここで、式（８）における［Ｘ_ｂ（ｔ）、Ｙ_ｂ（ｔ）、Ｚ_ｂ（ｔ）］は、時刻ｔにおける基準局２０のワールド座標系における座標値（既知）であり、［Ｘ_ｕ（ｔ）、Ｙ_ｕ（ｔ）、Ｚ_ｕ（ｔ）］は、時刻ｔにおける移動局３０の座標値（未知）であり、［Ｘ_ｊ（ｔ）、Ｙ_ｊ（ｔ）、Ｚ_ｊ（ｔ）］及び［Ｘ_ｈ（ｔ）、Ｙ_ｈ（ｔ）、Ｚ_ｈ（ｔ）］は、時刻ｔにおける各ＧＰＳ衛星１０_ｊ、１０_ｈの座標値（衛星位置算出部４２により算出）である。Ｎ_ｊｈｂｕは、整数値バイアスの２重位相差である（即ち、Ｎ_ｊｈｂｕ＝（Ｎ_ｊｂ−Ｎ_ｊｕ）−（Ｎ_ｈｂ−Ｎ_ｈｕ））。

整数値バイアス推定部４８では、動的状態量導入部４４によって導出された既知入力（上記式（６−１）参照）を用いて、次の状態方程式が設定される。
η（ｔ_ｎ）＝η（ｔ_ｎ−１）＋Ｕ（ｔ_ｎ−１）＋Ｗ（ｔ_ｎ−１） 式（９）
ここで、η（ｔ_ｎ）は、時刻ｔ＝ｔ_ｎでの状態変数を表わし、移動局３０の位置［Ｘ_ｕ（ｔ_ｎ）、Ｙ_ｕ（ｔ_ｎ）、Ｚ_ｕ（ｔ_ｎ）］、及び、整数値バイアスの２重位相差Ｎ_ｉｊｂｕである（但し、ｉ≠ｊ）。ここで、整数値バイアスの２重位相差Ｎ_ｉｊｂｕは少なくとも４個以上必要であり、例えば、５つのGPS衛星１０_０〜４が観測可能な場合、GPS衛星１０_０を基準として、η＝［Ｘ_ｕ、Ｙ_ｕ、Ｚ_ｕ、Ｎ_０１ｂｕ、Ｎ_０２ｂｕ、Ｎ_０３ｂｕ、Ｎ_０４ｂｕ］であってよい。尚、Ｕ及びＷは、それぞれ、上述の既知入力及び外乱（システム雑音：正規性白色雑音）である。

整数値バイアス推定部４８では、次の観測方程式が採用される。
Ｚ（ｔ_ｎ）＝Ｈ（ｔ_ｎ）・η（ｔ_ｎ）＋Ｖ（ｔ_ｎ） 式（１０）
を用いて、ここで、Ｚ及びＶは、それぞれ、観測量及び観測ノイズ（正規性白色雑音）を示す。観測量Ｚは、位相積算値の２重位相差（上記式（７）参照）である。上記式（９）の状態方程式は線形であるが、観測量Ｚは、状態変数Ｘ_ｕ、Ｙ_ｕ及びＺ_ｕに関して非線形であるため、式（８）の各項が状態変数Ｘ_ｕ、Ｙ_ｕ及びＺ_ｕのそれぞれで偏微分され、式（１０）のＨが求められる。

従って、上記式（９）の状態方程式及び上記式（１０）の観測方程式にカルマンフィルタを適用すると、以下の式が得られる。
時間更新として、
η（ｔ_ｎ）^（−）＝η（ｔ_ｎ−１）^（＋）＋Ｕ（ｔ_ｎ−１） 式（１１）
Ｐ（ｔ_ｎ）^（−）＝Ｐ（ｔ_ｎ−１）^（＋）＋Ｑ（ｔ_ｎ−１） 式（１２）
また、観測更新として、
Ｋ（ｔ_ｎ）＝Ｐ（ｔ_ｎ）^（−）・Ｈ^Ｔ（ｔ_ｎ）・（Ｈ（ｔ_ｎ）・Ｐ（ｔ_ｎ）^（−）・Ｈ^Ｔ（ｔ_ｎ）＋Ｒ（ｔ_ｎ））^−１ 式（１３）
η（ｔ_ｎ）^（＋）＝η（ｔ_ｎ）^（−）＋Ｋ（ｔ_ｎ）・（Ｚ（ｔ_ｎ）−Ｈ（ｔ_ｎ）・η（ｔ_ｎ）^（−）） 式（１４）
Ｐ（ｔ_ｎ）^（＋）＝Ｐ（ｔ_ｎ）^（−）−Ｋ（ｔ_ｎ）・Ｈ（ｔ_ｎ）・Ｐ（ｔ_ｎ）^（−） 式（１５）
ここで、Ｑ，Ｒは、外乱の共分散行列及び観測ノイズの共分散行列をそれぞれ表わす。尚、上記式（１１）及び式（１４）がフィルタ方程式、上記式（１３）がフィルタゲイン、上記式（１２）及び式（１５）が共分散方程式となる。また、上付き文字で示す^（−）及び^（＋）は、更新前後を示す。

次に、図５を参照して、本実施例の位置検出装置３４の動作について説明する。図５に示す処理ルーチンは、ＧＰＳ受信機２２，３２による位相積算値の演算周期毎（サンプル時間ＤＴ）に実行される。以下、時刻ｔ＝ｔ_ｎ（＝ｔ_ｎ−１＋ＤＴ）における処理ルーチンを例として説明する。

先ずステップ１００において、時刻ｔ＝ｔ_ｎにおける衛星情報（各ＧＰＳ衛星１０_ｉの位置情報、各ＧＰＳ衛星１０_ｉに対する基準局２０側の位相積算値、及び、各ＧＰＳ衛星１０_ｉに対する移動局３０側の位相積算値）が取得される。

続くステップ１１０では、前回の周期（ｔ＝ｔ_ｎ−１）で得られた衛星情報と、今回の周期で得られた衛星情報とを比較して、今回の周期で衛星の切り替わり（例えば、新たなＧＰＳ衛星１０_ｉの出現やＧＰＳ衛星１０_ｉの消失）が生じたか否かが判断される。この際、所定の最低受信強度以上が確保されているＧＰＳ衛星１０_ｉのみが考慮されてもよい。即ち、今回の周期で最低受信強度を下回ったＧＰＳ衛星１０_ｉに対しては、“消失（観測不能）”と判断されてよく、今回の周期で最低受信強度を上回ったＧＰＳ衛星１０_ｉに対しては、“出現（観測可能）”と判断されてよい。

上記ステップ１１０では、特に、前回の周期まで基準衛星として観測されていたＧＰＳ衛星１０_ｉが今回の周期でも観測されているか否かが判断される。基準衛星として観測されていたＧＰＳ衛星１０_ｉが今回の周期で観測不能となった場合、ステップ１２０に進む。

ステップ１２０では、予備基準衛星として観測されていたＧＰＳ衛星１０_ｉを基準衛星に格上げし、今回の周期で観測可能な他のＧＰＳ衛星１０_ｉを新たな予備基準衛星として選定する。

ここで、“予備基準衛星”及び“基準衛星”とは、上述の演算上の扱いは同じであるが、演算結果が最終出力として用いられるか否かいう点のみが異なる。即ち、本実施例では、実質的には、二以上の基準衛星を選定して、当該二以上の基準衛星に対する上述の演算を並列的に実行している。例えば、初回（時刻ｔ＝ｔ₀）の処理ルーチンで６つのＧＰＳ衛星１０_０−５が観測可能である場合、整数値バイアス推定部４８では、ＧＰＳ衛星１０_０が基準衛星として選定され、状態変数η＝［Ｘ_ｕ、Ｙ_ｕ、Ｚ_ｕ、Ｎ_０１ｂｕ、Ｎ_０２ｂｕ、Ｎ_０３ｂｕ、Ｎ_０４ｂｕ、Ｎ_０５ｂｕ］が設定（初期化）され、これに応じた誤差共分散行列Ｐ等が設定（初期化）され、上述のカルマンフィルタが適用される。一方、これとは別に、整数値バイアス推定部４８では、ＧＰＳ衛星１０_１が予備基準衛星として選定され、状態変数η＝［Ｘ_ｕ、Ｙ_ｕ、Ｚ_ｕ、Ｎ_１０ｂｕ、Ｎ_１２ｂｕ、Ｎ_１３ｂｕ、Ｎ_１４ｂｕ、Ｎ_１５ｂｕ］が設定（初期化）され、これに応じた誤差共分散行列Ｐ等が設定（初期化）され、上述のカルマンフィルタが適用される。この予備基準衛星に関する演算結果は、次回の周期での演算処理（上記式（１１）乃至（１５）参照）に利用される（ステップ１３０参照）が、基準衛星が観測不能となった際に初めて、測位解の出力処理（ステップ１４０参照）で利用されるものである。尚、状態変数ηや誤差共分散行列Ｐ等に対する“初期化”とは、その各成分に所定の初期値を代入することをいう。

本ステップ１２０において、複数の観測可能なＧＰＳ衛星１０_１の中から何れを“予備基準衛星”又は“基準衛星”とするかの基準は、ＧＰＳ衛星１０_１の高度等に基づく基準等、如何なるものであってもよい。或いは、“予備基準衛星”又は“基準衛星”は、複数の観測可能なＧＰＳ衛星１０_１の中からランダムに選択されてもよい。

続くステップ１３０では、今回の周期で得た観測量Ｚ（ｔ_ｎ）を用いて、上記式（１１）乃至式（１５）が適用され、測位算出が実行される。この際、上記ステップ１２０を経由した場合には、予備基準衛星を基準に設定・更新された状態変数η及び誤差共分散行列Ｐが、上記式（１１）及び式（１２）のη（ｔ_ｎ−１）^（＋）及びＰ（ｔ_ｎ−１）^（＋）として用いられる（尚、初回の処理ルーチンの場合、予備基準衛星を基準に初期化された状態変数η及び誤差共分散行列Ｐが、上記式（１１）及び式（１２）のη（ｔ_ｎ）^（−）及びＰ（ｔ_ｎ）^（−）として用いられる）。

一方、上記ステップ１２０を経由しない場合、即ち上記ステップ１１０において基準衛星が今回の周期でも観測可能である場合、通常通り、前回の周期（ｔ＝ｔ_ｎ−１）で上記式（１４）及び式（１５）により得られたη（ｔ_ｎ−１）^（＋）及びＰ（ｔ_ｎ−１）^（＋）を用いて、上記式（１１）乃至式（１５）が適用される。この演算処理は、前回の周期から観測されている基準衛星及び予備基準衛星の双方に関して並列的に実行される。即ち、上記ステップ１２０を経由する場合やそうでない場合の何れの場合であっても、基準衛星及び予備基準衛星の双方に関する演算処理が並列的に実行される。

従って、“予備基準衛星”及び“基準衛星”が継続して観測可能である限り、次回の周期（ｔ＝ｔ_ｎ＋１）では、今回の周期で“予備基準衛星”及び“基準衛星”のそれぞれについて導出されたη（ｔ_ｎ）^（＋）及びＰ（ｔ_ｎ）^（＋）を用いて、上記式（１１）乃至式（１５）が適用される。このようにして、所定周期ＤＴ毎に、“予備基準衛星”及び“基準衛星”に対する演算処理がそれぞれ独立的・並列的に繰り返される。即ち、誤差共分散行列Ｐ及び状態変数ηが、“予備基準衛星”及び“基準衛星”に対してそれぞれに同時・並列的に導出・更新され、次回の周期へとそれぞれに引き継ぎされていく。

続くステップ１４０では、測位解を算出・出力する処理が実行される。上記ステップ１３０から得られる整数値バイアスの推定値は、実数解として求められる。しかし、整数値バイアスは、実際には整数値であるので、求めた実数解に対して最も近い整数解（即ち、波数）を求める。この手法としては、整数値バイアスの無相関化をはかり、整数解の探索空間を狭めて解を特定するＬＡ
ＭＢＤＡ法等が使用されてよい。また、ＧＰＳ受信機２２、３２が、GPS衛星１０から発射されるＬ１波及びＬ２波の双方を受信可能な２周波受信機である場合には、Ｌ１波及びＬ２波のそれぞれに対して上述と同様の推定を同時・並列的に実行し、双方の周期の和（ワイドレーン）を作成して整数値バイアスの整数解の候補を絞り込んでもよい。

本ステップ１４０における上述の測位解の算出・出力には、“予備基準衛星”ではなく“基準衛星”に対する上記ステップ１３０の演算結果が利用される。従って、上記ステップ１２０を経由した場合には、前回の周期では“予備基準衛星”であったが今回の周期で“基準衛星”に格上げされた新しい基準衛星に対する上記ステップ１３０の演算結果が利用される。

尚、このようにして整数値バイアスの整数解が確定されると、以後、サイクルトリップが生じない限り、移動局３０の位置は、当該整数値バイアスの整数解を用いて干渉測位法により高精度に算出できる。

ところで、本実施例によれば、既知の外部入力Ｕ（k）をカルマンフィルタに入力することで、移動局３０が移動しながらでも状態変数（測位、整数値バイアス）の算出が可能となっている。従って、本実施例による位置検出装置３４は、車両のような移動体に搭載しても、高精度の測位を実現することができる。

しかしながら、実際の移動局３０の移動中においては、周辺建物やトンネル等の影響により各ＧＰＳ衛星１０_ｉからの電波受信状態が安定せず、一定数のＧＰＳ衛星１０_ｉから安定して電波が受信できない場合がある。特に、基準衛星としていたＧＰＳ衛星１０_ｉが観測不能となった場合、観測可能な複数のＧＰＳ衛星１０_ｉの中から新たな基準衛星を１つ特定し、当該新たな基準衛星を基準として整数値バイアスの確定処理を一からやり直さざるを得ない。

また、実際の移動局３０の移動中においては、移動局３０の長距離の移動に伴い、移動局３０により観測可能なＧＰＳ衛星１０_ｉが変化し、基準衛星の切り替えが必要となる場合がある。このように、基準衛星のサイクルトリップや切り替えが生じる毎に、新たな基準衛星に対して整数値バイアスの確定処理を一からやり直す構成（即ち、新たな基準衛星を基準として、誤差共分散行列Ｐや状態変数ηのすべての成分を初期化する構成）では、当該初期化による位置検出精度の一時的な悪化が頻繁に発生するので、車両のような移動体に対して不適となる。

これに対して、本実施例によれば、上述の如く、基準衛星とは別に予備基準衛星を選定し、当該予備基準衛星に対して基準衛星に対してと同様の演算処理を行っておくことによって、基準衛星の切り替わりやサイクルトリップが発生した場合であっても、当該切り替わり以前から導出されていた当該予備基準衛星に対する誤差共分散行列Ｐや状態変数ηをそのまま利用することができる。これにより、基準衛星の切り替わり後に、整数値バイアスの確定処理を一からやり直す必要が無くなり、また、位置検出精度が大きく悪化することも無くなる。即ち、本実施例によれば、基準衛星の切り替わりやサイクルトリップに対してロバストな位置検出を実現でき、車両のような移動体に搭載された場合であっても、安定した位置検出精度を維持することができる。

尚、本実施例において、予備基準衛星の個数は、計算負荷の観点から、１であってよい。この場合、基準衛星が観測不能となり予備基準衛星が上述の如く新たな基準衛星として格上される毎に、若しくは、予備基準衛星が観測不能となる毎に、新たな予備基準衛星が１つ設定される。或いは、予備基準衛星の個数は、２以上の固定値又は変動値であってもよい。この場合、基準衛星が観測不能となった際、予め付与された優先度に従って適切な予備基準衛星が新たな基準衛星として格上されてよい。或いは、基準衛星が観測不能となった際、最も長い周期で連続的に観測されている予備基準衛星が新たな基準衛星として格上されてよい。或いは、基準衛星が観測不能となった際、その時点で分散が最も小さい予備基準衛星が新たな基準衛星として格上されてよい。これにより、基準衛星の切り替え時の一時的な精度の悪化を更に抑制することができる。

図６は、本実施例による位置検出装置３４により実現される高い位置検出精度を実証する試験データである。図６（Ａ）は、本実施例のアルゴリズム（予備基準衛星を導入した並列演算処理）が適用された構成による試験結果を示し、横軸にエポック（演算）数を示し、縦軸に測位誤差を示している。図６（Ｂ）は、基準衛星の切り替わり毎に誤差共分散行列Ｐを初期化する構成による試験結果を示している。何れの演算結果も、ＧＰＳ衛星１０_ｉの切り替わりが多発している同一の衛星軌道データを用いて実行されている。

本実施例のアルゴリズムが適用されない場合には、図６（Ｂ）に示すように、基準衛星の切り替わりが生じた際に大きな精度誤差が発生し、解のばらつきも大きいのに対して、本実施例のアルゴリズムが適用された場合、図６（Ａ）に示すように、解のばらつきが小さく、良好な精度の解が求めることが可能となった。即ち、図６（Ａ）に示すように３つの時点で基準衛星の切り替わりが生じているが、当該切り替わり時に、上述の如く裏処理として演算されていた予備基準衛星に対する演算結果を利用することで、当該切り替わり時（及び切り替わり後）において高い精度の解を得ることが可能となった。

以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、上述した実施例では、上記式（９）の状態方程式及び上記式（１０）の観測方程式にカルマンフィルタを適用するものであったが、本発明は、最小２乗法等の他の推定手法を適用する構成に対しても適用可能である。

また、上述した実施例では、移動局３０の移動中においても短時間且つ高精度に整数値バイアスを確定できるように、上記式（９）の状態方程式に既知入力Ｕを導入しているが、他の方法により移動局３０の動的な移動が補償されてもよく、或いは、簡易的に当該補償が省略されてもよい（即ち、既知入力Ｕ無し）。

また、上述した実施例では、上述の如く２重位相差を取ることでＧＰＳ受信機２２，３２内での発振器の初期位相、及び、時計誤差等の影響を消去しているが、ＧＰＳ衛星１０の初期位相及びＧＰＳ時計誤差のみを消去できる一重位相差を取る構成であってもよい。また、本実施例では、電離層屈折効果、対流圏屈折効果及びマルチパスの影響を無視しているが、これらを考慮するものであってもよい。

また、上述の説明では、移動局３０の例として車両を挙げたが、移動局３０は、受信機３２及び／又は演算器４０が実装されたホークリフト、ロボットや、受信機３２及び／又は演算器４０を内蔵する携帯電話等の情報端末を含む。

また、上述の実施例では、他の共分散行列（例えば、Q、R）には定数を用いているため、誤差共分散行列Pに対するような、予備基準衛星を導入した並列演算処理が不要であるが、定数を採用しない場合、他の共分散行列に対して同様の並列演算処理が適用されてよい。

本発明に係る搬送波位相式ＧＰＳ測位システムの構成図である。 図１の搬送波位相式ＧＰＳ測位システムのより詳細な構成図である。 移動局３０に搭載される本発明による位置検出装置３４の一実施例を示す機能ブロック図である。 ワールド座標系とローカル座標系との関係、及び、ローカル座標系とボディ座標との関係を示す図である。 本実施例の位置検出装置３４により実現される処理のフローチャートである。 本実施例による位置検出装置３４により実現される高い位置検出精度を実証する試験データである。

符号の説明

１０ ＧＰＳ衛星
２０ 基準局
２２ 基準局側ＧＰＳ受信機
３０ 移動局
３２ 移動局側ＧＰＳ受信機
３４ 位置検出装置
４０ 演算器
４２ 衛星位置算出部
４４ 動的状態量導入部
４８ 整数値バイアス推定部

Claims (11)

1. 移動局により観測可能な複数の衛星の中から１つの基準衛星を選定し、移動局が所定周期毎に観測する観測データを用いて、各衛星からの衛星信号の搬送波位相の積算値に含まれる整数値バイアスを、前記基準衛星に係る積算値を基準とした他の衛星に係る積算値の位相差に基づいて推定し、該推定した整数値バイアスに基づいて移動局の位置を検出する位置検出装置であって、
   前記基準衛星が観測不能となった場合、観測可能な複数の衛星の中から前記基準衛星以外の他の衛星を新たな基準衛星として、過去の観測データを用いて整数値バイアスの推定を実行することを特徴とする、位置検出装置。
2. 前記新たな基準衛星とされる他の衛星は、前記基準衛星が観測不能となる周期より前に、予備基準衛星として選定されており、
   前記予備基準衛星の選定後、整数値バイアスの推定に必要な処理が、所定周期毎に、前記基準衛星及び前記予備基準衛星をそれぞれ基準として並列的に実行されており、該処理により得られるデータが、前記過去の観測データとして用いられる、請求項１記載の位置検出装置。
3. 前記新たな基準衛星とされる他の衛星は、前記基準衛星が観測不能となる周期より前に、予備基準衛星として選定されており、
   前記予備基準衛星の選定後、前記予備基準衛星を基準として設定された共分散が、所定周期毎に観測データを用いて更新され、前記過去の観測データとして用いられる、請求項１記載の位置検出装置。
4. 車両に搭載される請求項１乃至３の何れかに記載の位置検出装置。
5. 前記車両の移動に関する動的状態量を検出する検出手段を備え、該動的状態量の検出結果が整数値バイアスの推定に用いられる、請求項４記載の位置検出装置。
6. 移動局が所定周期毎に観測する衛星信号の搬送波位相の積算値に含まれる整数値バイアスを推定して移動局の位置を検出する位置検出装置であって、
   移動局により観測可能な複数の衛星の中から１つの基準衛星を選定し、所定周期毎に、移動局が観測する観測データを用いて、各衛星からの衛星信号の搬送波位相の積算値を算出し、前記基準衛星に係る積算値を基準とした他の衛星に係る積算値の位相差を算出し、該位相差を用いて、前記基準衛星を基準とした第１の共分散データを更新する第１の共分散更新手段と、
   移動局により観測可能な複数の衛星の中から前記基準衛星とは異なる予備基準衛星を選定し、所定周期毎に、移動局が観測する観測データを用いて、各衛星からの衛星信号の搬送波位相の積算値を算出し、前記予備基準衛星に係る積算値を基準とした他の衛星に係る積算値の位相差を算出し、該位相差を用いて、前記予備基準衛星を基準とした第２の共分散データを更新する第２の共分散更新手段と、
   前記第１の共分散更新手段により得られる第１の共分散データを用いて整数値バイアスを推定する整数値バイアス推定手段とを備え、
   前記整数値バイアス推定手段は、前記基準衛星が観測不能となった場合、前記第２の共分散更新手段により得られる第２の共分散データを用いて整数値バイアスを推定することを特徴とする、位置検出装置。
7. 前記予備基準衛星は１つだけ選定されており、
   前記基準衛星が観測不能となった場合、前記第１の共分散更新手段は、前記予備基準衛星を基準衛星として、前記第２の共分散更新手段による更新処理を引き継ぎ、前記第２の共分散更新手段は、前記予備基準衛星とは異なる新たな予備基準衛星を選定し、該新たな予備基準衛星に対して前記更新処理を開始する、請求項６記載の位置検出装置。
8. 前記予備基準衛星は複数選定されており、
   前記基準衛星が観測不能となった場合、前記整数値バイアス推定手段は、継続して観測されている時間の最も長い予備基準衛星に係る第２の共分散データを用いて、前記整数値バイアス推定処理を行う、請求項６記載の位置検出装置。
9. 前記予備基準衛星は複数選定されており、
   前記基準衛星が観測不能となった場合、前記整数値バイアス推定手段は、その時点で最も分散が小さい予備基準衛星に係る第２の共分散データを用いて、前記整数値バイアス推定処理を行う、請求項６記載の位置検出装置。
10. 移動局により観測可能な複数の衛星の中から１つの基準衛星を選定する基準衛星選定ステップと、
    移動局が所定周期毎に観測する観測データを用いて、所定周期毎に、前記基準衛星を基準とした第１の共分散データを更新する第１の共分散更新ステップと、
    観測可能な複数の衛星の中から前記基準衛星以外の衛星を予備基準衛星として選定する予備基準衛星選定ステップと、
    前記予備基準衛星選定ステップ後、所定周期毎に、前記第１の共分散更新ステップと並列的に実行され、移動局が所定周期毎に観測する観測データを用いて、前記予備基準衛星を基準とした第２の共分散データを更新する第２の共分散更新ステップと、
    前記第１の共分散更新ステップにより得られた第１の共分散データに基づいて、各衛星からの衛星信号の搬送波位相の積算値に含まれる整数値バイアスを推定し、該推定した整数値バイアスに基づいて移動局の位置を検出する位置検出ステップとを含み、
    前記位置検出ステップでは、前記基準衛星が観測不能となった場合に、前記第２の共分散更新ステップにより得られた第２の共分散データに基づいて、前記整数値バイアスの推定が実行されることを特徴とする、位置検出方法。
11. 請求項１０記載の位置検出方法を実行するためのコンピューター読取り可能なプログラムが記憶された記憶媒体。

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