JP2006132949A - 測位装置、測位方法および測位プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】 マルチパスが発生する環境においても、ＧＰＳ受信機の測位精度を向上させる。
【解決手段】 ＣＰＵ１４は、測位に用いるｎ個のＧＰＳ衛星を捕捉する場合、ＧＰＳ衛星から送られる電波の受信パワーまたはノイズパワーおよびＧＰＳ衛星の仰角に基づいて複数のＧＰＳ衛星から高信頼度衛星を選択し、初期位置が安定していることを確保できるなら、全ての高信頼度衛星における近似距離と擬似距離との差分値の平均を基準値とし、各ＧＰＳ衛星の近似距離と擬似距離との差分から基準値を引いた値を判定値とし、判定値が誤差許容範囲内のｎ個のＧＰＳ衛星を選別し、演算処理部１１は、選別されたＧＰＳ衛星から求めた近似距離及び擬似距離を用いてＧＰＳ受信機の現在地の座標および時計誤差を変数とするｎ個の関数を生成し、生成されたｎ個の関数について収束計算を行う。
【選択図】 図１

Description

本発明は測位装置、測位方法および測位プログラムに関し、特に、ＧＰＳ（グローバルポジショニングシステム）に適用して好適なものである。

ＧＰＳ衛星を利用する測位技術は、自動車のナビゲーションシステムをはじめ、社会のあらゆる分野に利用されている。特に最近では、総務省から、「２００７年４月以後、携帯電話事業者が新規に提供する３Ｇ携帯電話端末について、原則としてＧＰＳ測位方法による位置情報通知機能に対応する」という方針が定められ、今後ＧＰＳ搭載端末の増加が見込まれる。こうした背景の中で、高精度なＧＰＳ測位技術が求められている。しかし、マルチパス発生する環境においては、ＧＰＳ衛星からの電波が障害物に反射され、直接波のほか、異なった経路を通ってきた反射波も受信されるため、信号の伝播時間の測定に誤差を生じる。従って、マルチパスの信号を直接利用すると、測位精度が大幅に低下することがある。

一方、特許文献１には、マルチパス等の誤差衛星による影響を除去するために、前回測位結果から求めた受信機の予測位置座標と衛星からの軌道情報を用いて算出した衛星位置座標とを用いて、予測位置から衛星までの距離（近似距離）を計算する近似距離計算部と、衛星の送信時刻と受信機の受信時刻との時刻差分を用いて衛星から受信機までの伝搬距離（擬似距離）を計算する擬似距離計算部とを設け、擬似距離と近似距離とを比較した差分が、あらかじめ定めた誤差許容範囲を超えた場合、マルチパス等により誤差が発生していると判定し、当該衛星の擬似距離及び近似距離を測位算出に使用しないようにする方法が開示されている。
特開２００３−５７３２７号公報

しかしながら、ＧＰＳ受信機では通常１秒毎に位置算出が行われるため、予測位置としては、その直前の測位結果が使用される。このため、特許文献１に開示された方法では、ＧＰＳ受信機が移動する場合、あるいはトンネルを通過して受信できない状態が発生する場合、実際のＧＰＳ受信機の位置と予測位置とが大きくずれる可能性があった。
また、異常衛星判定部では、最も仰角の高い衛星の近似距離と擬似距離との差分を基準にして、各衛星の近似距離と擬似距離との差分から前記基準値を引いた値を判定値とし、誤差許容範囲を超える衛星が識別される。しかし、ノイズの影響があると、最も仰角の高い衛星を基準として利用した場合においても、マルチパスの影響のある衛星を識別することが困難になるという問題があった。

また、特許文献１に開示された方法では、Ｃｏｌｄ Ｓｔａｒｔなど初期位置は全く分からない場合、高い仰角の衛星についても、初期位置から算出した近似距離には誤差が大きくなり、その近似距離と擬似距離との差分を基準にして、マルチパスの影響のある衛星を識別できなくなる可能性があった。
そこで、本発明の目的は、マルチパスが発生する環境においても、測位精度を向上させることが可能な測位装置、測位方法および測位プログラムを提供することである。

上述した課題を解決するために、本発明の一態様に係る測位装置によれば、衛星から送られる電波の受信パワーまたはノイズパワーおよび衛星の仰角に基づいて複数の衛星から高信頼度衛星を選択する衛星選択手段と、前記高信頼度衛星からの電波を受信し測位計算を行う測位手段とを備えることを特徴とする。
これにより、初期位置が安定していることを確保できなくても、マルチパスの影響のない衛星を精度よく選択することが可能となって、マルチパスが発生する環境においても、高信頼度衛星を利用して、航法衛星信号を用いた受信機の測位精度を向上させることができる。

また、本発明の一態様に係る測位装置によれば、衛星から信号が送信された送信時刻を算出する送信時刻計算部と、前記衛星での前記送信時刻と受信機での受信時刻との差から擬似距離を算出する擬似距離計算部と、衛星航法メッセージから前記送信時刻での衛星の座標位置を算出する軌道計算部と、前記衛星の位置から前記受信機の初期位置までの近似距離を算出する近似距離計算部と、複数の衛星から求めた前記近似距離及び擬似距離を用いて受信機の位置を算出する測位計算部と、前記高信頼度衛星について算出された擬似距離と近似距離との差分に基づいて基準値を設定し、初期位置が安定していることを確保できるなら、各衛星について算出された擬似距離と近似距離との差分を前記基準値と比較することにより、測位に用いる衛星を除外する衛星除外手段とを備えることを特徴とする。

これにより、初期位置が安定していることを確保して、マルチパスの影響のある衛星を除外しながら、測位に用いる衛星を追加することが可能となる。このため、マルチパスによる測位精度の劣化を防止しつつ、測位に用いる衛星を増やすことが可能となり、航法衛星信号を用いた受信機の測位精度を向上させることができる。
また、本発明の一態様に係る測位装置によれば、前記衛星除外手段は、初期位置が安定していることを前提に、全ての高信頼度衛星における前記近似距離と前記擬似距離との差分値の平均を基準値とし、各衛星の前記近似距離と前記擬似距離との差分から前記基準値を引いた値を判定値とし、前記判定値が誤差許容範囲を超える衛星を識別することを特徴とする。

これにより、初期位置が安定していることを確保して、複雑な演算を行うことなく、マルチパスの影響のある衛星を精度よく判別することが可能となり、マルチパスの影響のある衛星を除外しながら測位計算を行うことが可能となる
また、本発明の一態様に係る測位装置によれば、衛星から送られた搬送波のドップラー測定に基づいて、受信機の速度を算出する速度算出手段と、前記受信機の速度に基づいて前記受信機の初期位置を予測する初期位置予測手段とをさらに備えることを特徴とする。

これにより、受信機が移動する場合、あるいはトンネルを通過して受信できない状態が発生する場合においても、受信機の初期位置の予測精度を向上させることができる。このため、実際のＧＰＳ受信機の位置と予測位置とが大きくずれることを防止することができ、航法衛星信号を用いた受信機の測位精度を向上させることができる。
また、本発明の一態様に係る測位装置によれば、初期位置が安定していることを確保できない場合、前記高信頼度衛星を利用して測位を行う。前記高信頼度衛星の個数が４個未満の場合、擬似距離と近似距離との差分の分散値およびＰＤＯＰ値に基づいて４個分の衛星を確保する衛星確保手段をさらに備えることを特徴とする。

これにより、衛星配置およびマルチパスが測位計算に与える影響を考慮して、４個分の衛星を確保することが可能となる。このため、初期位置が安定していることを確保できない場合、高信頼度衛星の個数が４個未満の場合においても、マルチパスの影響を抑制しつつ、測位計算を行うことができる。
また、本発明の一態様に係る測位装置によれば、今回の測位結果と前回の測位結果の差分に基づいて前記測位結果の安定性を判断する安定性判断手段と、前記測位結果の安定性が確保されている場合、全ての高信頼度衛星における前記近似距離と前記擬似距離との差分値の平均を基準値とし、各衛星の前記近似距離と前記擬似距離との差分から前記基準値を引いた値を判定値とし、前記判定値が誤差許容範囲内の衛星からの電波を受信し測位計算を行う簡易測位手段をさらに備えることを特徴とする。

これにより、測位結果が安定している場合、マルチパスの影響のない衛星を選択しながら、測位手順を簡易化することが可能となる。このため、測位精度の劣化を抑制しつつ、測位処理を高速化することができる。
また、本発明の一態様に係る測位方法によれば、衛星から送られる電波の受信パワーまたはノイズパワーおよび衛星の仰角に基づいて複数の衛星から高信頼度衛星を選択するステップと、初期位置が安定していることを確保できるなら、全ての高信頼度衛星における近似距離と擬似距離との差分値の平均を基準値とし、初期位置が安定していることを確保しながら、各衛星の前記近似距離と前記擬似距離との差分から前記基準値を引いた値を判定値とし、前記判定値が誤差許容範囲を超える衛星を除外しながら測位計算を行うステップとを備えることを特徴とする。

これにより、初期位置が安定していることを確保して、マルチパスの影響のない衛星を選択しながら、測位計算を行うことが可能となり、マルチパスが発生する環境においても、航法衛星信号を用いた受信機の測位精度を向上させることができる。
また、本発明の一態様に係る測位プログラムによれば、衛星から送られる電波の受信パワーまたはノイズパワーおよび衛星の仰角に基づいて複数の衛星から高信頼度衛星を選択するステップと、衛星から信号が送信された送信時刻を算出するステップと、衛星での前記送信時刻と受信機での受信時刻との差から擬似距離を算出するステップと、前記衛星航法メッセージから前記送信時刻での衛星の座標位置を算出するステップと、前記衛星の位置から前記受信機の初期位置までの近似距離を算出するステップと、初期位置が安定していることを確保できるなら、前記高信頼度衛星について算出された擬似距離と近似距離との差分に基づいて基準値を設定し、初期位置が安定していることを確保して、各衛星について算出された擬似距離と近似距離との差分を前記基準値と比較することにより、測位に用いるｎ個の衛星を選別するステップと、前記選別された衛星から求めた前記近似距離及び擬似距離を用いて受信機の現在地の座標および時計誤差を変数とするｎ個の関数を生成するステップと、前記生成されたｎ個の関数について収束計算を行うことにより、ｎ元連立方程式の解として受信機の現在地の座標および時計誤差を算出するステップとをコンピュータに実行させることを特徴とする。

これにより、測位プログラムをコンピュータに実行させることで、マルチパスの影響を考慮しながら、測位に用いる衛星を選択することが可能となり、マルチパスによる測位精度の劣化を防止しつつ、航法衛星信号を用いた受信機の測位精度を向上させることができる。

以下、本発明の実施形態に係る測位装置および測位方法について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る測位システムの概略構成を示すブロック図である。
図１において、ＧＰＳ衛星から送信されたＧＰＳ信号は、アンテナ１を介して受信される。そして、アンテナ１にて受信されたＧＰＳ信号はローノイズアンプ２に入力され、ローノイズアンプ２にて増幅される。そして、ローノイズアンプ２にて増幅されたＧＰＳ信号は、バンドパスフィルタ３に入力され、バンドパスフィルタ３にて所望の周波数が抽出された後、混合器４に出力される。

一方、基準発振器１６から出力される基準信号はＰＬＬ回路１７に入力され、基準発振器１６から出力された基準信号がＰＬＬ回路１７にて分周または逓倍されて、一定の周波数を持つ周波数信号が生成される。なお、ＰＬＬ回路１７はＣＰＵ１４により制御され、ＰＬＬ回路１７における分周比などを制御することで、ＰＬＬ回路１７にて生成される周波数信号の周波数を変化させることができる。

そして、ＰＬＬ回路１７にて生成された周波数信号は混合器４に出力され、ＰＬＬ回路１７にて生成された周波数信号がバンドパスフィルタ３から出力されたＧＰＳ信号に混合されることで、所定の周波数（１．５ＧＨｚ帯）のＧＰＳ信号が第１中間周波数信号にダウンコンバート（周波数変換）される。
そして、混合器４から出力された第１中間周波数信号はオートゲインコントロールアンプ５に入力され、所定の振幅に増幅される。なお、オートゲインコントロールアンプ５はＣＰＵ１４により制御され、復調回路１０の状況に応じてオートゲインコントロールアンプ５の増幅率を調整することができる。そして、オートゲインコントロールアンプ５にて増幅された第１中間周波数信号はバンドパスフィルタ６に入力され、バンドパスフィルタ６にて所望の周波数が抽出された後、混合器７に出力される。

そして、ＰＬＬ回路１７にて生成された周波数信号が混合器７に出力され、ＰＬＬ回路１７にて生成された周波数信号がバンドパスフィルタ６から出力された第１中間周波数信号に混合されることで、第１中間周波数信号が第２中間周波数信号にダウンコンバートされる。なお、ＰＬＬ回路１７は、混合器４に出力した基準信号よりも周波数の低い基準信号を混合器７に出力することができる。

そして、混合器７から出力された第２中間周波数信号はローパスフィルタ８に入力され、ローパスフィルタ８にて高周波成分が除去された後、Ａ／Ｄコンバータ９に出力される。そして、ローパスフィルタ８から出力された第２中間周波数信号がＡ／Ｄコンバータ９にてデジタル化された後、復調回路１０に出力される。そして、復調回路１０は、第２中間周波数信号が入力されると、ＣＰＵ１４からの制御に基づいて、ＧＰＳ信号の復調処理を行うことができる。

この復調回路１０では、デジタル化された第２中間周波数信号にＰＮ符号（擬似ランダム符号）を乗算して、スペクトラム逆拡散処理を行うとともに、このスペクトラム逆拡散処理された信号をＢＰＳＫ復調して、ＧＰＳ信号の復調処理を行うことにより、ＧＰＳ衛星から送信されたアルマナックデータ、エフェメリスデータおよびＧＰＳタイムデータなどを得ることができる。

ここで、スペクトラム逆拡散処理に使用されるＰＮ符号は、各ＧＰＳ衛星ごとに決められた値をとり、このＰＮ符号を選択することでＧＰＳ信号を受信するＧＰＳ衛星を選択することができる。なお、ＧＰＳ信号を受信するＧＰＳ衛星は、ＣＰＵ１４からの制御に基づいて選択することができる。また、復調回路１０は、８チャンネルから最大１６チャンネルまで同時に復調処理を行うことができ、複数のＧＰＳ衛星から送信されるＧＰＳ信号を同時に復調することができる。

次に、復調回路１０にて復調された伝送データは演算処理部１１に送られ、各ＧＰＳ衛星から送られたＧＰＳ信号の伝播時間が計算されるとともに、各ＧＰＳ衛星の位置および各ＧＰＳ衛星とＧＰＳ受信機との間の距離を計算するために必要な補正値（対流圏補正値、電離層補正値、ＧＰＳタイム補正値）に関する情報を得る。そして、演算処理部１１は、これら得られた情報に基づいてＧＰＳ受信機（移動端末）の現在位置とＧＰＳ受信機のＧＰＳタイムの補正時間とを求めることができる。

この場合、ＧＰＳ受信機の位置には、（ｘ、ｙ、ｚ）の３つの未知数があるため、ＧＰＳ受信機のＧＰＳタイムの補正時間ｔと合わせて４つの未知数を求める必要がある。このため、ＧＰＳ受信機の測位計算を行うためには、通常は４個以上のＧＰＳ衛星から送られたＧＰＳ信号が必要となる。なお、測位計算に用いられるＧＰＳ衛星が４個の場合、各ＧＰＳ衛星とＧＰＳ受信機との間の補正された距離データと、各ＧＰＳ衛星の位置データに基づいて、４個の連立方程式が作成される。そして、これら４個の連立方程式を解くことにより、ＧＰＳ受信機の現在位置とＧＰＳ受信機のＧＰＳタイムの補正時間（ＧＰＳ時に対するオフセット値）とを求めることができる。そして、ＣＰＵ１４は、演算処理部１１にてＧＰＳ受信機の現在位置が算出されると、その測位結果をメモリ１２に記憶することができる。

ここで、ＣＰＵ１４は、測位に用いるｎ個のＧＰＳ衛星を捕捉する場合、ＧＰＳ衛星から送られる電波の受信パワーまたはノイズパワーおよびＧＰＳ衛星の仰角に基づいて複数のＧＰＳ衛星から高信頼度衛星を選択する。そして、初期位置が安定しているなら、全ての高信頼度衛星における近似距離と擬似距離との差分値の平均を基準値とし、各ＧＰＳ衛星の近似距離と擬似距離との差分から基準値を引いた値を判定値とし、判定値が誤差許容範囲内のｎ個のＧＰＳ衛星を選別することができる。そして、測位に用いるｎ個のＧＰＳ衛星が選別されると、演算処理部１１は、選別されたＧＰＳ衛星から求めた近似距離及び擬似距離を用いてＧＰＳ受信機の現在地の座標および時計誤差を変数とするｎ個の関数を生成し、生成されたｎ個の関数について収束計算を行うことにより、ｎ元連立方程式の解としてＧＰＳ受信機の現在地の座標および時計誤差を算出することができる。

ここで、マルチパスの影響があるＧＰＳ衛星からは、ＧＰＳ衛星からの電波が障害物に反射され、直接波のほか、異なった経路を通ってきた反射波も送られるため、受信パワーが小さくなったり、ノイズパワーが増大したりする。また、ＧＰＳ衛星の仰角が大きくなると、山やビルなどの障害物による反射を伴うことなく、ＧＰＳ衛星から送られた電波がＧＰＳ受信機に直接届くようになる。

このため、ＧＰＳ衛星から送られる電波の受信パワーまたはノイズパワーおよびＧＰＳ衛星の仰角に基づいてＧＰＳ衛星を選択することにより、初期位置が安定していることを確保できなくても、マルチパスの影響のないＧＰＳ衛星を精度よく選択することが可能となって、マルチパスが発生する環境においても、高信頼度衛星を利用することにより、ＧＰＳ受信機の測位精度を向上させることができる。

なお、高信頼度衛星として用いられるＧＰＳ衛星の仰角は５０〜６０度以上とすることが好ましい。これにより、高信頼度衛星として選択可能なＧＰＳ衛星の個数を最大限確保することを可能としつつ、マルチパスの影響の少ないＧＰＳ衛星を高信頼度衛星として選択することができる。
図２は、本発明の一実施形態に係るＧＰＳの測位方法を説明する図である。

図２において、任意の時刻における各ＧＰＳ衛星ＳＶ１〜ＳＶ４の位置は、ＧＰＳ衛星ＳＶ１〜ＳＶ４が絶えず地球に送信する航法メッセージから正確に求めることができる。
各ＧＰＳ衛星ＳＶ１〜ＳＶ４から送信されるナビゲーション信号には、アルマナックおよびエフェメリスを含む天体暦データの他に、その信号の精密な送信時刻が含まれている。ＧＰＳ受信機ＭＢから各ＧＰＳ衛星ＳＶ１〜ＳＶ４までの距離は、各ナビゲーション信号内に含まれるこの送信時刻から決定することができる。すなわち、ナビゲーション信号の送信時刻と、ＧＰＳ受信機ＭＢがナビゲーション信号を受信した受信時刻を用いることにより、ナビゲーション信号の伝播遅延時間を計算することができる。そして、ナビゲーション信号の伝播遅延時間にナビゲーション信号の伝播速度を乗じることにより、ナビゲーション信号を送信中のＧＰＳ衛星ＳＶ１〜ＳＶ４からＧＰＳ受信機ＭＢまでの擬似距離を求めることができる。

ここで、ＧＰＳ受信機ＭＢの時計はＧＰＳ時に完全に同期されていないため、ナビゲーション信号の伝播遅延時間には一定のオフセット時間が含まれている。また、ナビゲーション信号が大気圏を通ることにより、信号伝播時間が遅延する。このため、擬似距離には、ＧＰＳ衛星ＳＶ１〜ＳＶ４からＧＰＳ受信機ＭＢまでの真の距離に、ＧＰＳ受信機ＭＢのオフセット時間、ナビゲーション信号伝播遅延時間および各ＧＰＳ衛星ＳＶ１〜ＳＶ４に搭載された時計のＧＰＳ時からの誤差が含まれている。

ここで、ナビゲーション信号をデコードすると、対流圏補正値、電離層補正値、ＧＰＳタイム補正値が得られる。ＧＰＳ受信機ＭＢの時計誤差ｔｕ及び地球の中心に対するＧＰＳ受信機ＭＢの３次元的な位置（ｘ、ｙ、ｚ）をあわせて、４個の未知数があるため、ＧＰＳ受信機ＭＢの３次元的な位置を求めるためには、少なくとも４個のＧＰＳ衛星ＳＶ１〜ＳＶ４を捕捉する必要がある。そして、これら少なくとも４個のＧＰＳ衛星ＳＶ１〜ＳＶ４からの２つの情報（ＧＰＳ衛星ＳＶ１〜ＳＶ４の位置情報と擬似距離）を用いることにより、ＧＰＳ受信機ＭＢの位置を三角測量法にて決定することができる。

この三角測量法を用いてＧＰＳ受信機ＭＢの現在の位置を決定するには、以下の３つのステップが必要である。第１に、地球の周囲を周回している２４個のＧＰＳ衛星の中から、ＧＰＳ受信機ＭＢの視野内の少なくとも４個のＧＰＳ衛星ＳＶ１〜ＳＶ４の位置を決定する。第２に、ＧＰＳ受信機ＭＢから各ＧＰＳ衛星ＳＶ１〜ＳＶ４までの距離を決定する。第３に、第１および第２のステップで得られた情報から、地球の中心に対するＧＰＳ受信機ＭＢの位置を幾何学的に決定する。

ＧＰＳ受信機ＭＢの位置の推定精度は、選択するＧＰＳ衛星の数および天空でのＧＰＳ衛星の幾何学的な配置によって左右される。このため、より多くのＧＰＳ衛星をＧＰＳ受信機ＭＢの位置計算に使用することで、地球の中心に対するＧＰＳ受信機ＭＢの位置の推定精度を高めることができる。
ここで、各ＧＰＳ衛星ＳＶ１〜ＳＶ４とＧＰＳ受信機ＭＢとの擬似距離の観測値ｍｅａｓＰＲは、以下の（１）式で表すことができる。

ｍｅａｓＰＲ＝ｃ・Δｔ ・・・（１）
ただし、
ｃ ：光速
Δｔ：受信時間
である。

また、受信機位置（x，y，z）において、各ＧＰＳ衛星とＧＰＳ受信機ＭＢとの近似距離ｐｒｅｄＰＲは、以下の（２）式で表すことができる。

ｐｒｅｄＰＲ（ｘ，ｙ，ｚ）＝√（（Ｘ−x）²＋（Ｙ−y）²＋（Ｚ−z）²）・・（２）
ただし、
（Ｘ，Ｙ，Ｚ）：各衛星の座標
である。

そして、非線形方程式（２）を予測位置（x₀、y₀、z₀）でテーラー展開すると、以下の（３）式が得られる。

ｍｅａｓＰＲ−ｐｒｅｄＰＲ（ｘ₀、ｙ₀、ｚ₀）＝ｈ₁Δｘ＋ｈ₂Δｙ＋ｈ₃Δｚ＋ｃΔｔ_u ・・・（３）

ここで、擬似距離の観測値ｍｅａｓＰＲおよび近似距離ｐｒｅｄＰＲ（ｘ₀、ｙ₀、ｚ₀）は計算できるから既知である。また、（ｈ₁，ｈ₂，ｈ₃）はＧＰＳ受信機ＭＢから各ＧＰＳ衛星への方向べクトルで計算できる。従って、未知数は（Δｘ，Δｙ，Δｚ，Δｔ_u）の４個となり、４個のＧＰＳ衛星ＳＶ１〜ＳＶ４の同時観測によって求めることができる。この結果、第１回目の観測で得られた（Δｘ，Δｙ，Δｚ）をＧＰＳ受信機ＭＢの予測位置（ｘ₀，ｙ₀，ｚ₀）に加えた新しい推定値を作り、これを基に再度計算して解が収斂するまで繰り返すことにより、ＧＰＳ受信機ＭＢの現在位置を計算することができる。また、ＧＰＳ受信機ＭＢの現在位置が求まると、各ＧＰＳ衛星から送られた搬送波のドップラー測定を行うことにより、ＧＰＳ受信機ＭＢの速度を求めることができる。

図３は、本発明の一実施形態に係る速度ベクトルの演算方法を示す図である。
図３において、ＧＰＳ受信機ＭＢがＧＰＳ衛星に対して相対速度を持つ場合、ドップラー効果による周波数偏移Δｆ（Ｈｚ）は、以下の（４）式で表すことができる。

Δｆ＝ｆρ／ｃ ・・・（４）
ただし、
ｆ：搬送波周波数
ρ：ＧＰＳ受信機ＭＢとＧＰＳ衛星との相対速度
ｃ：光速
である。

そして、Ｓ_iをＧＰＳ衛星SV_iへの視線の単位ベクトル、Ｖ_iをＧＰＳ衛星SV_iの速度ベクトル、ＶをＧＰＳ受信機ＭＢの速度ベクトル、ρ_iを真の視線速度とすると、以下の（５）式の関係が成り立つ。
（Ｖ_i−Ｖ）Ｓ_i＝ρ_i ・・・（５）

ここで、ドップラー周波数（ｆ±Δｆ）を測定するために、ＧＰＳ受信機ＭＢには基準発振器が設けられている。ここで、基準発振器の周波数に誤差があると、測定したドップラー周波数（ｆ±Δｆ）は（ｆ±Δｆ＋δｆ）になってしまい、相対速度ρ_iobs＝ｃ（±Δｆ＋δｆ）／ｆ＝ρ_i＋Δρと間違えてしまう。なお、Δρは周波数測定誤差による視線速度の測定誤差である。従って、ドップラー測定における基準発振器の周波数誤差は、すべてのＧＰＳ衛星の視線速度の測定値に同一の誤差が乗るため、（５）式は以下の（６）式のようになる。
（Ｖ_i−Ｖ）Ｓ_i＋Δρ＝ρ_iobs ・・・（６）

（６）式において、各ＧＰＳ衛星の速度ベクトルＶ_iは各ＧＰＳ衛星の軌道情報から計算できる。また、ＧＰＳ衛星それぞれへの視線の単位ベクトルＳ_iは、ＧＰＳ衛星の位置から求めることができる。このため、（６）式の未知数は、ＧＰＳ受信機ＭＢの速度ベクトルＶと視線速度の測定誤差Δρの４つである。この結果、４つのＧＰＳ衛星ＳＶ１〜ＳＶ４の同時観測により、ＧＰＳ受信機ＭＢの速度ベクトルＶを求めることができる。この時、GPS受信機MBの基準発振器の周波数誤差も得られ、ＧＰＳ衛星の原子周波数標準と同等の精度の周波数を取得できる。

そして、ＧＰＳ受信機ＭＢの速度ベクトルＶが求まると、以下の（７）式〜（９）式に示すように、ＧＰＳ受信機ＭＢの速度ベクトルＶに基づいてＧＰＳ受信機ＭＢの初期位置を予測することができる。
ｘ_t＝ｘ_t-1＋ｖ_x,t-1・Δｔ ・・・（７）
ｙ_t＝ｙ_t-1＋ｖ_y,t-1・Δｔ ・・・（８）
ｚ_t＝ｚ_t-1＋ｖ_z,t-1・Δｔ ・・・（９）
ただし、
（ｘ_t，ｙ_t，ｚ_t）：時刻ｔにおけるＧＰＳ受信機ＭＢの座標
（ｘ_t-1，ｙ_t-1，ｚ_t-1）：時刻ｔ−１におけるＧＰＳ受信機ＭＢの座標
（ｖ_x,t-1，ｖ_y,t-1，ｖ_z,t-1）：時刻ｔ−１におけるＧＰＳ受信機ＭＢの速度ベクトルＶ
Δｔ：時刻ｔと時刻ｔ−１との差分
である。

これにより、ＧＰＳ受信機ＭＢが移動する場合、あるいはトンネルを通過して受信できない状態が発生する場合においても、ＧＰＳ受信機ＭＢの初期位置の予測精度を向上させることができる。このため、実際のＧＰＳ受信機ＭＢの位置と予測位置とが大きくずれることを防止することができ、ＧＰＳ受信機ＭＢの測位精度を向上させることができる。
図４は、本発明の一実施形態に係る測位方法のアルゴリズムを示すフローチャートである。

図４において、初期位置が安定していることを確保できない場合、まず第１測位法を使ってＧＰＳ受信機ＭＢの位置計算を行う（ステップＳ１）。ここで、第１測位法では、ＧＰＳ衛星から送られる電波の受信パワーまたはノイズパワーおよび衛星の仰角に基づいて複数のＧＰＳ衛星から高信頼度衛星を選択する。そして、４個以上の高信頼度衛星が得られると、これらの高信頼度衛星をベースセットとしてＧＰＳ受信機ＭＢの測位計算を行う。

ここで、ＧＰＳ衛星から送られる電波の受信パワーまたはノイズパワーおよびＧＰＳ衛星の仰角を用いることにより、初期位置が安定していることを確保できなくても、複数のＧＰＳ衛星から高信頼度衛星を選択することができる。高信頼度衛星を利用して、マルチパスによる測位精度の劣化を防止しつつ、ＧＰＳ受信機ＭＢの測位計算を行うことができる。

そして、ＧＰＳ受信機ＭＢの測位結果が得られると、今回の測位結果と前回の測位結果と比較する（ステップＳ２）。そして、それらの差分が閾値を超えるなら、測位結果が安定してないと判断して（ステップＳ３）、引き続き第１測位法を使うことでＧＰＳ受信機ＭＢの位置計算を行う（ステップＳ１）。
一方、今回の測位結果と前回の測位結果との差分が閾値以下でかつ、この状態が規定回数以上続いたら、測位結果が安定していると判断し（ステップＳ３）、第２測位法に切り替えてＧＰＳ受信機ＭＢの位置計算を行う（ステップＳ４）。ここで、第２測位法では、全ての高信頼度衛星における近似距離と擬似距離との差分値の平均を基準値とし、各ＧＰＳ衛星の近似距離と擬似距離との差分から基準値を引いた値を判定値とし、この判定値が誤差許容範囲を超えるＧＰＳ衛星を除外しながら、ＧＰＳ受信機ＭＢの測位計算を行う。

これにより、第２測位法では、測位計算に用いるＧＰＳ衛星を選択する時に、初期位置が安定している場合のみ、高信頼度衛星群の擬似距離の観測値と近似距離の差分を基準値として用いることができる。このため、マルチパスの影響のないＧＰＳ衛星を精度よく選択することが可能となり、測位精度の劣化を抑制しつつ、測位手順を簡易化することを可能として、測位処理を高速化することができる。

図５は、図４の第１測位法のアルゴリズムを示すフローチャートである。
図５において、ＧＰＳ衛星から送られる電波の受信パワーまたはノイズパワーおよび衛星の仰角に基づいて複数のＧＰＳ衛星から高信頼度衛星選択し、これらの高信頼度衛星をベースセットとして固定する（ステップＳ１１）。
そして、ベースセットとして固定された高信頼度衛星の個数を判断し（ステップＳ１２）、高信頼度衛星の個数が４つ以上なら、これらの高信頼度衛星群をベースセットとして測位計算する。そして、高信頼度衛星群をベースセットとした測位結果が求まると、ＧＰＳ衛星の追加アルゴリズムを適用することにより、ＧＰＳ衛星を追加する（ステップＳ１３）。

すなわち、その測位結果を基準にして残ったＧＰＳ衛星の擬似距離と近似距離を比較する。そして、それらの差分がある閾値以下なら、そのＧＰＳ衛星をベースセットに追加するとともに、それらの差分がある閾値以上ならそのＧＰＳ衛星を却下することにより、ＧＰＳ衛星の拡張セットを形成する。そして、ＧＰＳ衛星の拡張セットが形成されると、その拡張セットを用いて測位計算を行うことにより（ステップＳ１４）、ＧＰＳ受信機の測位結果を求める（ステップＳ１５）。

一方、ステップＳ１２において、高信頼度衛星数が４つ未満なら、ＧＰＳ衛星の数が４つになる組み合わせをそれぞれ形成する（ステップＳ１６）。そして、これらのＧＰＳ衛星のすべての組み合わせについて測位計算を行い、これらのＧＰＳ衛星のすべての組み合わせの中から最適な測位結果が得られるＧＰＳ衛星の組み合わせをベースセットとして抽出する（ステップＳ１７、Ｓ１８）。ここで、最適な測位結果が得られるＧＰＳ衛星の組み合わせを抽出する場合、ＰＤＯＰ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｄｉｌｕｔｉｏｎ Ｏｆ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ）値と観測距離と近似距離の差分の分散値を参照することができる。

なお、ＧＰＳ受信機の測位精度は、測位計算に用いたＧＰＳ衛星の配置により大きな影響を受ける。このため、ＧＰＳ衛星の配置が測位計算に与える影響を数値化した値として、ＰＤＯＰ値と呼ばれる指標が使用される。このＰＤＯＰ値は、ＧＰＳ衛星の空間配置が測位精度にどの程度の影響を与えるかの目安として定義された値であり、ＰＤＯＰ値が小さいほど測位精度が良い。

そして、４つのＧＰＳ衛星の最適な組み合わせが求まると、これらの４つのＧＰＳ衛星をベースセットとして測位計算する。そして、これらの４つのＧＰＳ衛星をベースセットとした測位結果が求まると、ＧＰＳ衛星の追加アルゴリズムを適用することにより、ＧＰＳ衛星を追加する（ステップＳ１９）。
すなわち、その測位結果を基準にして残ったＧＰＳ衛星の観測距離と近似距離を比較する。そして、それらの差分がある閾値以下なら、そのＧＰＳ衛星をベースセットに追加するとともに、それらの差分がある閾値以上ならそのＧＰＳ衛星を却下することにより、ＧＰＳ衛星の拡張セットを形成する。そして、ＧＰＳ衛星の拡張セットが形成されると、その拡張セットを用いて測位計算を行うことにより（ステップＳ２０）、ＧＰＳ受信機の測位結果を求める（ステップＳ２１）。

図６は、図５におけるステップＳ１３およびステップＳ１９における追加アルゴリズムを示すフローチャートである。
図６において、ＧＰＳ衛星のベースセットが形成されると、ＧＰＳ衛星が未だ残っているかどうかを判断する（ステップＳ３２）。そして、ＧＰＳ衛星が未だ残っている場合、残ったＧＰＳ衛星の観測距離と近似距離の差分を計算する（ステップＳ３３）。そして、それらの差分がある閾値以下なら（ステップＳ３４）、そのＧＰＳ衛星をベースセットに追加するとともに（ステップＳ３５）、それらの差分がある閾値以上ならそのＧＰＳ衛星を却下する。そして、以上の処理を残りのすべてのＧＰＳ衛星について行うことにより（ステップＳ３６）、ＧＰＳ衛星の拡張セットを形成する（ステップＳ３７）。

図７は、図４の安定性判断のアルゴリズムを示すフローチャートである。
図７において、カウント値Ｃｏｕｎｔを０に初期化した後（ステップＳ４１）、ＧＰＳ受信機の今回の測位結果と前回の測位結果との差分を計算する（ステップＳ４２）。そして、これらの差分を閾値ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ１と比較し、これらの差分が閾値ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ１以下で（ステップＳ４３）、かつこの状態が規定回数ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ２だけ連続して続くなら（ステップＳ４３、Ｓ４４）、測位結果が安定していると判断する（ステップＳ４６）。一方、今回の測位結果と前回の測位結果との差分が閾値ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ１以下でなくなった場合、カウント値Ｃｏｕｎｔを０に初期化した後（ステップＳ４７）、測位結果が安定してないと判断する（ステップＳ４８）。

図８は、図４の第２測位法のアルゴリズムを示すフローチャートである。
図８において、まずＧＰＳ受信機の予測位置を計算する（ステップＳ５１）。そして、衛星から送られる電波の受信パワーまたはノイズパワーおよび衛星の仰角に基づいて複数の衛星から高信頼度衛星を選択し、全ての高信頼度衛星における近似距離と擬似距離との差分値の平均を基準値として設定する（ステップＳ５２）。そして、各ＧＰＳ衛星の観測距離と近似距離との差分からこの基準値を引いた値を判定値とし（ステップＳ５４）、その判定値が誤差許容範囲ｔｈｒｅｓｈｌｄを超えるＧＰＳ衛星をマルチパスなどノイズに影響されると識別して（ステップＳ５５）、そのＧＰＳ衛星が直接測位演算に利用されないようにしながら（ステップＳ５３、Ｓ５６、Ｓ５７）、ＧＰＳ受信機の測位計算を行う（ステップＳ５８）。

本発明の一実施形態に係る測位装置の概略構成を示すブロック図。 本発明の一実施形態に係るＧＰＳの測位方法を説明する図。 本発明の一実施形態に係る速度ベクトルの演算方法を示す図。 本発明の一実施形態の測位方法のアルゴリズムを示すフローチャート。 図４の第１測位法のアルゴリズムを示すフローチャート。 図５の追加アルゴリズムを示すフローチャート。 図４の安定性判断のアルゴリズムを示すフローチャート。 図４の第２測位法のアルゴリズムを示すフローチャート。

符号の説明

１ ＧＰＳアンテナ、２ ローノイズアンプ、３、６ バンドパスフィルタ、４、７ 混合器、５ オートゲインコントロールアンプ、８ ローパスフィルタ、９ Ａ／Ｄコンバータ、１０ 復調回路、１１ 演算処理部、１２ メモリ、１２ａ 高度情報、１２ｂ 測位結果、１６ 基準発信器、１７ ＰＬＬ回路、ＳＶ１〜ＳＶ４ ＧＰＳ衛星、ＭＢ 移動端末

Claims (8)

1. 衛星から送られる電波の受信パワーまたはノイズパワーおよび衛星の仰角に基づいて複数の衛星から高信頼度衛星を選択する衛星選択手段と、
   前記高信頼度衛星からの電波を受信し測位計算を行う測位手段とを備えることを特徴とする測位装置。
2. 衛星から信号が送信された送信時刻を算出する送信時刻計算部と、
   前記衛星での前記送信時刻と受信機での受信時刻との差から擬似距離を算出する擬似距離計算部と、
   衛星航法メッセージから前記送信時刻での衛星の座標位置を算出する軌道計算部と、
   前記衛星の位置から前記受信機の初期位置までの近似距離を算出する近似距離計算部と、
   複数の衛星から求めた前記近似距離及び擬似距離を用いて受信機の位置を算出する測位計算部と、
   初期位置が安定しているなら、
   前記高信頼度衛星について算出された擬似距離と近似距離との差分に基づいて基準値を設定し、各衛星について算出された擬似距離と近似距離との差分を前記基準値と比較することにより、測位に用いる衛星を除外する衛星除外手段とを備えることを特徴とする請求項１記載の測位装置。
3. 前記衛星除外手段は、初期位置が安定していることを前提にして、全ての高信頼度衛星における前記近似距離と前記擬似距離との差分値の平均を基準値とし、各衛星の前記近似距離と前記擬似距離との差分から前記基準値を引いた値を判定値とし、前記判定値が誤差許容範囲を超える衛星を識別することを特徴とする請求項２記載の測位装置。
4. 衛星から送られた搬送波のドップラー測定に基づいて、受信機の速度を算出する速度算出手段と、
   前記受信機の速度に基づいて前記受信機の初期位置を予測する初期位置予測手段とをさらに備えることを特徴とする請求項２または３記載の測位装置。
5. 初期位置が安定していることを確保できない場合、前記高信頼衛星を利用して測位を行う測位法１では、
   前記高信頼度衛星の個数が４個に満たない場合、擬似距離と近似距離との差分の分散値およびＰＤＯＰ値に基づいて４個分の衛星を確保する衛星確保手段をさらに備えることを特徴とする請求項２から４のいずれか１項記載の測位装置。
6. 今回の測位結果と前回の測位結果の差分に基づいて前記測位結果の安定性を判断する安定性判断手段と、
   前記測位結果の安定性が確保されている場合、全ての高信頼度衛星における前記近似距離と前記擬似距離との差分値の平均を基準値とし、各衛星の前記近似距離と前記擬似距離との差分から前記基準値を引いた値を判定値とし、前記判定値が誤差許容範囲内の衛星からの電波を受信し測位計算を行う簡易測位手段をさらに備えることを特徴とする請求項２から５のいずれか１項記載の測位装置。
7. 衛星から送られる電波の受信パワーまたはノイズパワーおよび衛星の仰角に基づいて複数の衛星から高信頼度衛星を選択するステップと、
   初期位置が安定していることを確保できるなら、全ての高信頼度衛星における近似距離と擬似距離との差分値の平均を基準値とし、各衛星の前記近似距離と前記擬似距離との差分から前記基準値を引いた値を判定値とし、前記判定値が誤差許容範囲を超える衛星を除外しながら測位計算を行うステップとを備えることを特徴とする測位方法。
8. 衛星から送られる電波の受信パワーまたはノイズパワーおよび衛星の仰角に基づいて複数の衛星から高信頼度衛星を選択するステップと、
   衛星から信号が送信された送信時刻を算出するステップと、
   衛星での前記送信時刻と受信機での受信時刻との差から擬似距離を算出するステップと、
   前記衛星航法メッセージから前記送信時刻での衛星の座標位置を算出するステップと、
   前記衛星の位置から前記受信機の初期位置までの近似距離を算出するステップと、
   初期位置が安定していることを確保できるなら、前記高信頼度衛星について算出された擬似距離と近似距離との差分に基づいて基準値を設定し、各衛星について算出された擬似距離と近似距離との差分を前記基準値と比較することにより、測位に用いるｎ個の衛星を選別するステップと、
   前記選別された衛星から求めた前記近似距離及び擬似距離を用いて受信機の現在地の座標および時計誤差を変数とするｎ個の関数を生成するステップと、
   前記生成されたｎ個の関数について収束計算を行うことにより、ｎ元連立方程式の解として受信機の現在地の座標および時計誤差を算出するステップとをコンピュータに実行させることを特徴とする測位プログラム。
   
   

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