JP2006023144A

JP2006023144A - 周波数間バイアス算出装置及び方法

Info

Publication number: JP2006023144A
Application number: JP2004200213A
Authority: JP
Inventors: Nobuo Hiroe; 信雄廣江
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2004-07-07
Filing date: 2004-07-07
Publication date: 2006-01-26

Abstract

【課題】簡単な構成で電離層遅延量を正確に求める。
【解決手段】周波数間バイアス算出装置１０は、データ収集部１１、周波数間バイアス算出部１２、データ出力部１３等を備えている。データ収集部１１は、ＧＰＳ衛星４０からＧＰＳ受信機２０，２１，２２，…までの第一の周波数による各第一の擬似距離と第二の周波数による各第二の擬似距離とを、通信回線４１を介してＧＰＳ受信機２０，２１，２２，…から入力する。周波数間バイアス算出部１２は、データ収集部１１から入力した複数の第一及び第二の擬似距離を所定の演算式に代入して、第一及び第二の周波数による周波数間バイアスを算出する。データ出力部１３は、周波数間バイアス算出部１２で算出された周波数間バイアスを、通信回線４１を介してＧＰＳ受信機２０，２１，２２，…へ出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＧＰＳを利用して電離層遅延量を計算するための周波数間バイアス算出装置に関する。

ＧＰＳによる単独測位では、ＧＰＳ衛星から送信される衛星の位置や時刻などの情報を一台のアンテナで受信することにより、衛星から電波が発信されてから受信機に到達するまでに要した時間を測り、この時間を距離に換算する。そして、位置のわかっているＧＰＳ衛星を動く基準として、四個以上の衛星から観測点までの距離を知ることにより、観測点の位置を決定する。

ＤＧＰＳ（ディファレンシャルＧＰＳ）測位では、位置のわかっている基準局と位置を求めようとする観測点とで同時に単独測位を行い、基準局で観測したデータを無線等を用いて観測点へリアルタイムに送信し、基準局の位置成果に基づき観測点の位置をリアルタイムに補正して求める。

ところで、衛星から発信された電波は、電離層を通過するときに時間の遅れが発生する。この時間の遅れを「電離層遅延量」といい、観測点の正確な位置を得るには、この電離層遅延量を知る必要がある。

特開平１０−５４８７１号公報

しかしながら、従来の電離層遅延量を正確に求める技術は、構成が複雑になるという問題があった（例えば上記特許文献１）。特にＧＰＳ受信機側が複雑な構成になるので、ＧＰＳ受信機の大型化及び高価格化を招く。また、正確な電離層遅延量を計算するためには、周波数間バイアスを除去することが必要である。周波数間バイアスは、周波数間での電気的な経路差によるものであり、受信機、衛星等のハードウェアごとに異なる。しかしながら、特許文献１の技術では、周波数間バイアスが何ら考慮されていないため、計算した電離層遅延量の精度が低かった。

そこで、本発明の目的は、簡単な構成でありながら電離層遅延量を正確に求めることのできる、周波数間バイアス算出装置を提供することにある。

本発明に係る周波数間バイアス算出装置は、ＧＰＳ衛星から複数のＧＰＳ受信機までの第一の周波数による各第一の擬似距離と第二の周波数による各第二の擬似距離とを、当該複数のＧＰＳ受信機から入力するデータ収集部と、このデータ収集部から入力した複数の前記第一及び第二の擬似距離を所定の演算式に代入して前記第一及び第二の周波数による周波数間バイアスを算出する周波数間バイアス算出部と、この周波数間バイアス算出部で算出された周波数間バイアスを前記ＧＰＳ受信機へ出力するデータ出力部と、を備えたものである。

前記データ出力部は、ＤＧＰＳ基準局に対しても前記周波数間バイアスを出力する機能を有する、としてもよい。

前記周波数間バイアス算出部は、次のようにしてもよい。前記第一及び第二の周波数で決まる係数をＫ、前記第一の擬似距離をρ₁、前記第二の擬似距離をρ₂、前記ＧＰＳ衛星と前記ＧＰＳ受信機との間の真の電離層遅延量をＩ'、前記ＧＰＳ衛星の周波数間バイアスをτ、前記ＧＰＳ受信機の周波数間バイアスをＲ、前記第一の周波数をｆ₁、前記第二の周波数をｆ₂、γ＝（ｆ₁／ｆ₂）²としたとき、次式「Ｋ（ρ₂−ρ₁）＝Ｉ'＋τ＋｛Ｒ／（γ−１）｝」に既知の前記Ｋ，γ及び複数の実測値の前記ρ₁，ρ₂を代入することにより連立方程式を作成し、この連立方程式を解くことにより未知の前記Ｉ'，τ，Ｒの解を得る。

本発明に係る周波数間バイアス算出方法は、本発明を方法の発明として捉えたものであり、本発明に係る周波数間バイアス算出装置に使用される。

ＧＰＳを利用して電離層遅延量を計算するために、複数周波数のＧＰＳ受信機を利用することが一般的である。このとき、正確な電離層遅延量を計算するためには、周波数間バイアスを除去することが必要である。周波数間バイアスは、周波数間での電気的な経路差によるものであり、受信機、衛星等のハードウェアごとに異なる。現存するＧＰＳ衛星の周波数はＬ１(1575.42MHz)、Ｌ２(1227.6MHz)の二周波であり、その周波数間バイアス（以下「Ｌ１／Ｌ２バイアス」という。）は０〜１０［ｍ］程度である。１［ｍ］程度のＤＧＰＳ位置精度を求めるシステムには、このバイアスは非常に大きい。

本発明は、このＬ１／Ｌ２バイアスに代表される周波数間バイアスを計算することができるバイアス算出装置（多量なデータを収集するデータ収集部及びそのデータを使用して周波数間バイアスを算出する周波数間バイアス算出部を有する。）を設けることによって、ユーザのシステムを肥大化することなく電離層遅延量の計算精度を高める又はＤＧＰＳ位置精度を高めることができる。以降、Ｌ１／Ｌ２の二周波を例にとって議論を進める。周波数が異なる場合は、これらを読み替えることで、同様の効果が得られる。

本発明によれば、ＧＰＳ衛星から複数のＧＰＳ受信機までの第一の周波数による各第一の擬似距離と第二の周波数による各第二の擬似距離とを複数のＧＰＳ受信機から入力し、入力した複数の第一及び第二の擬似距離を所定の演算式に代入して第一及び第二の周波数による周波数間バイアスを算出し、算出した周波数間バイアスをＧＰＳ受信機へ出力することにより、簡単な構成で正確な周波数間バイアスをユーザに提供することができる。また、大量の演算を周波数間バイアス算出装置側で行うことにより、ＧＰＳ受信機側すなわちユーザ側の負担を軽減できる。

図１は、本発明に係る周波数間バイアス算出装置の第一実施形態を示すブロック図である。以下、この図面に基づき説明する。

本実施形態の周波数間バイアス算出装置１０は、データ収集部１１、周波数間バイアス算出部１２、データ出力部１３等を備えている。データ収集部１１は、ＧＰＳ衛星４０からＧＰＳ受信機２０，２１，２２，…までの第一の周波数による各第一の擬似距離と第二の周波数による各第二の擬似距離とを、通信回線４１を介してＧＰＳ受信機２０，２１，２２，…から入力する。周波数間バイアス算出部１２は、データ収集部１１から入力した複数の第一及び第二の擬似距離を所定の演算式に代入して、第一及び第二の周波数による周波数間バイアスを算出する。データ出力部１３は、周波数間バイアス算出部１２で算出された周波数間バイアスを、通信回線４１を介してＧＰＳ受信機２０，２１，２２，…へ出力する。

ＧＰＳ受信機２０は、受信アンテナ３１、ＧＰＳ受信部３２、電離層遅延量計算部３３等を備えている。通信回線４１は、例えば電話回線、インターネット、個別回線（無線等）などである。

次に、ＧＰＳ衛星４０を「衛星１」、ＧＰＳ受信機２０を「受信機Ａ」と言い換えて、更に具体的に説明する。

受信機Ａで得られる衛星１の電離層遅延量Ｉ_A1はＧＰＳの電波の遅延が周波数の２乗に比例することから、次式（１）によって求められる。

Ｉ_A1＝ｄ_ion｛ｆ_L2 ²／（ｆ_L1 ²−ｆ_L2 ²）｝＝1.54573（ρ_L2A1−ρ_L1A1）・・・（１）
ρ_L1：Ｌ１擬似距離［ｍ］
ρ_L2：Ｌ２擬似距離［ｍ］
ｆ_L1：Ｌ１周波数＝1575420000［Ｈｚ］
ｆ_L2：Ｌ２周波数＝1227600000［Ｈｚ］
ｄ_ion：電離層定数［ｍ］

ただし、この電離層遅延量には実際にはＬ１／Ｌ２バイアスが含まれており、以下のような式で計算できる。なお、Ｌ１／Ｌ２バイアスについては“Algorithm for Inter-frequency Bias Calibration and Application to
WAAS Ionosphere Modeling”, Y. Chao et al., Proceedings of ION-GPS-95, P.639-646に定義が示されている。

Ｉ_A1＝Ｉ'_A1＋τ¹ _gd＋｛Ｒ_A／（γ−１）｝・・・（２）
γ＝（ｆ₁／ｆ₂）²＝（1575.42／1227.6）²＝（77／60）²＝1.64694
τ¹ _gd：衛星１のＬ１／Ｌ２バイアス［ｍ］
Ｒ_A：受信機ＡのＬ１／Ｌ２バイアス［ｍ］
Ｉ'_A1：衛星１と受信機Ａとの間の真の電離層遅延量

したがって、式（２）は式（１）に基づき次のように書き直せる。
1.54573（ρ_L2A1−ρ_L1A1）＝Ｉ'_A1＋τ¹ _gd＋｛Ｒ_A／（γ−１）｝・・・（３）

衛星及び受信機のＬ１／Ｌ２バイアス、並びに真の電離層遅延量を未知数として、実測値であるＬ１擬似距離及びＬ２擬似距離を利用して方程式を解くことにより、衛星及び受信機のＬ１／Ｌ２バイアスを求めることができる。この場合、真の電離層遅延量は、衛星／受信機の組み合わせや時刻が異なれば当然異なった値となるが、電離層が太陽活動に大きく依存することを考慮し、太陽磁気座標系に変換し、衛星／受信機の視線が電離層を通過する緯度、経度、仰角の関数となるようなモデル化を行うことで、一つのモデルが形成できる。そのモデルのパラメータも同時に未知数として解くことを意味する。

この方程式をより精度良く解くには、複数の受信機で測定した複数の共通衛星の電離層遅延量が必要であり、単独の受信機ユーザがそれを計算することは不可能である。本システムは、そのようなユーザがＬ１／Ｌ２バイアスを利用し正確な電離層遅延量を計算するための装置を提供する。

周波数間バイアス算出装置１０では、大量のデータを処理することになる。一方、ＧＰＳ受信機２０のユーザ側は、通信回線やｗｅｂ等を通して周波数間バイアス算出装置１０と接続し、少量のデータを伝送するだけで、バイアスデータを入手することが可能となる。

図２は、本発明に係る周波数間バイアス算出装置の第二実施形態を示すブロック図である。以下、この図面に基づき説明する。ただし、図１と同じ部分は同じ符号を付すことにより説明を省略する。

本実施形態では、データ出力部１３が通信回線４１を介してＤＧＰＳ基準局３０へ周波数間バイアスを出力する機能を有する。ＤＧＰＳ基準局３０は、受信アンテナ３１、ＧＰＳ受信部３２、ＤＧＰＳ補正計算部３４、無線送信部３５、送信アンテナ３６等を備えている。

ＤＧＰＳ補正値を計算してユーザに提供するＤＧＰＳ基準局３０にとっても、Ｌ１／Ｌ２バイアスは重要な情報である。ＤＧＰＳ基準局３０においてＬ１／Ｌ２バイアスを除去しないと、その分ＤＧＰＳ補正誤差が大きくなる。本実施形態によれば、そのようなＤＧＰＳ基準局３０にバイアスデータを提供することができる。

本発明に係る周波数間バイアス算出装置の第一実施形態を示すブロック図である。本発明に係る周波数間バイアス算出装置の第二実施形態を示すブロック図である。

符号の説明

１０周波数間バイアス算出装置
１１データ収集部
１２周波数間バイアス算出部
１３データ出力部
２０，２１，２２ＧＰＳ受信機
３０ＤＧＰＳ基準局
３１受信アンテナ
３２ＧＰＳ受信部
３３電離層遅延量計算部
３４ＤＧＰＳ補正計算部
３５無線送信部
３６送信アンテナ
４０ＧＰＳ衛星
４１通信回線

Claims

ＧＰＳ衛星から複数のＧＰＳ受信機までの第一の周波数による各第一の擬似距離と第二の周波数による各第二の擬似距離とを、当該複数のＧＰＳ受信機から入力するデータ収集部と、
このデータ収集部から入力した複数の前記第一及び第二の擬似距離を所定の演算式に代入して前記第一及び第二の周波数による周波数間バイアスを算出する周波数間バイアス算出部と、
この周波数間バイアス算出部で算出された周波数間バイアスを前記ＧＰＳ受信機へ出力するデータ出力部と、
を備えた周波数間バイアス算出装置。
前記データ出力部は、ＤＧＰＳ基準局に対しても前記周波数間バイアスを出力する機能を有する、
請求項１記載の周波数間バイアス算出装置。
前記周波数間バイアス算出部は、
前記第一及び第二の周波数で決まる係数をＫ、前記第一の擬似距離をρ₁、前記第二の擬似距離をρ₂、前記ＧＰＳ衛星と前記ＧＰＳ受信機との間の真の電離層遅延量をＩ'、前記ＧＰＳ衛星の周波数間バイアスをτ、前記ＧＰＳ受信機の周波数間バイアスをＲ、前記第一の周波数をｆ₁、前記第二の周波数をｆ₂、γ＝（ｆ₁／ｆ₂）²としたとき、次式
Ｋ（ρ₂−ρ₁）＝Ｉ'＋τ＋｛Ｒ／（γ−１）｝
に既知の前記Ｋ，γ及び複数の実測値の前記ρ₁，ρ₂を代入することにより連立方程式を作成し、
この連立方程式を解くことにより未知の前記Ｉ'，τ，Ｒの解を得る、
請求項１又は２記載の周波数間バイアス算出装置。
ＧＰＳ衛星から複数のＧＰＳ受信機までの第一の周波数による各第一の擬似距離と第二の周波数による各第二の擬似距離とを、当該複数のＧＰＳ受信機から入力するデータ収集ステップと、
このデータ収集ステップで入力した複数の前記第一及び第二の擬似距離を所定の演算式に代入して前記第一及び第二の周波数による周波数間バイアスを算出する周波数間バイアス算出ステップと、
この周波数間バイアス算出ステップで算出した周波数間バイアスを前記ＧＰＳ受信機へ出力するデータ出力ステップと、
を備えた周波数間バイアス算出方法。
前記データ出力ステップは、ＤＧＰＳ基準局に対しても前記周波数間バイアスを出力する、
請求項４記載の周波数間バイアス算出方法。
前記周波数間バイアス算出ステップは、
前記第一及び第二の周波数で決まる係数をＫ、前記第一の擬似距離をρ₁、前記第二の擬似距離をρ₂、前記ＧＰＳ衛星と前記ＧＰＳ受信機との間の真の電離層遅延量をＩ'、前記ＧＰＳ衛星の周波数間バイアスをτ、前記ＧＰＳ受信機の周波数間バイアスをＲ、前記第一の周波数をｆ₁、前記第二の周波数をｆ₂、γ＝（ｆ₁／ｆ₂）²としたとき、次式
Ｋ（ρ₂−ρ₁）＝Ｉ'＋τ＋｛Ｒ／（γ−１）｝
に既知の前記Ｋ，γ及び複数の実測値の前記ρ₁，ρ₂を代入することにより連立方程式を作成し、
この連立方程式を解くことにより未知の前記Ｉ'，τ，Ｒの解を得る、
請求項４又は５記載の周波数間バイアス算出方法。