JP2006308387A

JP2006308387A - 測位用信号受信機、測位方法及びタイミング同期方法

Info

Publication number: JP2006308387A
Application number: JP2005130042A
Authority: JP
Inventors: Heisuke Ikeda; 平輔池田; Takahiko Ikeda; 貴彦池田
Original assignee: Furuno Electric Co Ltd
Current assignee: Furuno Electric Co Ltd
Priority date: 2005-04-27
Filing date: 2005-04-27
Publication date: 2006-11-09
Anticipated expiration: 2025-04-27
Also published as: JP4866566B2

Abstract

【課題】アンテナの設置状況が悪い場合でも、衛星からの時刻情報との同期をとって正確なタイミング信号を出力するＧＰＳ受信機を提供することを目的とする。
【解決手段】位置情報取得部３で取得したアンテナ設置位置の２次元位置情報と、衛星情報取得部２で取得した衛星位置情報及び衛星とアンテナとの擬似距離情報とを用いて、受信機時計誤差Δδ及びアンテナ１の３次元位置情報を演算処理部４による演算することにより、少なくとも２つ以上の衛星からのＧＰＳ信号を用いて衛星の時刻情報との同期をとって正確なタイミング信号を出力することができるため、衛星の正確な時刻情報と同精度の時刻情報を取得することが可能になる。
【選択図】図６

Description

本発明は、アンテナの３次元位置情報を算出する測位用信号受信機及び測位方法、並びに該算出した３次元位置情報を用いて１秒パルスを出力するタイミング同期方法に関する。

測位用衛星から送信される測位用信号を使用して受信点の位置を測位するとともに、正確な時刻情報を得るシステムとして例えば、ＧＰＳがある。ＧＰＳ用人工衛星から発射される電波には、正確に協定世界時（以下、ＵＴＣという。）に同期した１秒信号が含まれており、ＧＰＳ受信機は、この１秒信号との同期をとることによって、正確な時刻情報である１秒パルス信号（以下、１ＰＰＳという。）を得ることができる。そして、このような１ＰＰＳ出力仕様のＧＰＳ受信機は、携帯電話基地局や地上デジタル放送局等で、通信や放送の同期化のために多く使用されている。

この１ＰＰＳの抽出には、ＧＰＳ受信機の正確な緯度／経度／高さの３軸位置情報が必要であり、従来の１秒パルス出力ＧＰＳ受信機では、この位置を求めるため、先ず複数の衛星を用いた通常の測位計算によって３次元測位を実施した後、その位置に基づいて１秒パルス出力の正しい出力タイミングを計算し、１ＰＰＳを出力していた。

また、ＧＰＳ受信機は、複数の衛星を用いた３次元測位ができない環境、すなわち少なくとも４個以上の衛星を捕捉することができない環境で使用する場合を想定して、外部から緯度／経度／高さの各位置データを入力し、これを正しいものとして１秒パルスのタイミング計算を行い、１ＰＰＳを出力するモードを有している。この場合は、外部から入力する位置データが正確であれば、３次元測位ができない環境であっても、少なくとも衛星を１個でも捕捉することができれば１ＰＰＳを出力することができる。
特開平８−１０５９８４号公報特許第９−１７８８７０号公報

複数の衛星からの信号により３次元測位を行うためには、ＧＰＳ受信機が均等に配置した４個以上の衛星からの信号を受信することができる環境にあることが必要であるが、そのためにはアンテナを十分に天空の開けた良好な条件のところに設置する必要がある。

しかしながら、実際にＧＰＳアンテナが設置される場所は、ビルの壁面のように遮蔽物が多くある環境であることが多い。
こういったケースでは３次元測位を行うことが困難であるため、アンテナ設置工事後のＧＰＳ受信機の動作確認時等において、何時までたっても１ＰＰＳの抽出ができなかったり、１ＰＰＳの出力開始までに長時間を要するといった問題点を有していた。

また、外部から３次元位置を入力して上記問題を解決しようとしても、その入力する位置データに正確さを欠く場合、内部のタイミング計算に矛盾が生じ、正確な１ＰＰＳ出力を行うことができない、または１ＰＰＳ出力自体ができない場合も多く発生していた。

特に、基地局のアンテナ位置は、国土地理院等から発行される正確な測量データそのものがアンテナ設置位置のものでないことから、アンテナ設置位置を水平面に投影して得られる水平位置のみ（緯度／経度）については正確なデータを得ることが出来るが、高さ位置については、実際に設置したＧＰＳアンテナの高さ位置情報を必要とするため、正確なデータを得ることが困難であった。また、正確な水平位置データに大まかな高さデータを加えて１ＰＰＳのタイミング計算を行ったとしても、高さデータが包含する誤差のためタイミング計算がうまく完了せず、正確な１ＰＰＳ出力を行うことができない、または１ＰＰＳの出力が開始されないといった問題点を有していた。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、衛星からの信号を用いた３次元測位ができないような環境化において正確なＧＰＳアンテナ位置を得ることができない場合であっても、アンテナ２次元位置情報に基づいてアンテナの３次元位置情報を算出することができるＧＰＳ受信機、並びに該３次元位置情報を用いて正確且つ迅速なシステム立上げができる１ＰＰＳ出力仕様のＧＰＳ受信機、及びこれらの方法を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために本発明は、アンテナ設置位置の２次元位置情報を取得する位置情報取得部と、アンテナで受信した少なくとも２つ以上の衛星の測位用信号より、各衛星の位置情報、及びアンテナと衛星の擬似距離情報を得る衛星情報取得部と、前記位置情報取得部で取得したアンテナ設置位置の２次元位置情報と、前記衛星情報取得部で取得した衛星位置情報及び擬似距離情報とを基に、前記アンテナの３次元位置情報を算出する演算処理部とを備えたことを特徴とする。

この構成により、アンテナの設置場所が悪い場合であっても、アンテナの２次元位置情報の取得と、少なくとも２つ以上の衛星からの測位用信号の受信をすることができれば、アンテナ設置位置の３次元位置情報を得ることが可能になる。

また、本発明は、アンテナ設置位置の２次元位置情報を取得する位置情報取得部と、アンテナで受信した少なくとも２つ以上の衛星の測位用信号より、各衛星の位置情報、及びアンテナと衛星の擬似距離情報を得る衛星情報取得部と、前記位置情報取得部で取得したアンテナ設置位置の２次元位置情報と、前記衛星情報取得部で取得した衛星位置情報及び擬似距離情報とを基に、受信機時計誤差及び前記アンテナの３次元位置情報を算出する演算処理部と、前記演算処理部で算出された情報を用いて、前記衛星から送信される時刻信号との同期をとりタイミング信号を出力するタイミング同期部とを備えたことを特徴とする。

この構成により、アンテナの設置場所が悪い場合であっても、アンテナの２次元位置情報の取得と、少なくとも２つ以上の衛星からの測位用信号の受信をすることができれば、測位用信号受信機側において衛星からの正確な時刻情報との同期をとることができるため、衛星の正確な時刻情報と同精度の時刻情報を得ることが可能になる。

また、本発明は、前記演算処理部が、未知数を１つ含む前記アンテナの３次元位置のうち、前記位置情報取得部で取得した既知の２次元位置の座標がともにゼロとなるように座標軸変換を行う座標軸変換部と、前記座標軸変換部によって座標軸変換された、未知数を１つ含む前記アンテナの３次元位置情報、前記衛星位置情報及び前記擬似距離情報とを用いて、受信機時計誤差及び座標軸変換された前記３次元位置情報の未知数を算出する演算部と、前記座標軸変換部で変換した座標軸を元に戻し、前記アンテナの３次元位置情報を得る逆座標軸変換部とを有することを特徴とする。

この構成により、簡単な演算処理により、受信機時計誤差及びアンテナの３次元位置情報を算出することが可能になる。

本発明によれば、アンテナの設置場所が悪い場合であっても、アンテナの２次元位置情報の取得と、少なくとも２つ以上の衛星からの測位用信号の受信をすることができれば、受信機時計誤差及びアンテナの３次元位置情報を算出することができる。また、本発明では、該情報を用いて衛星からの時刻情報との同期をとり正確なタイミング信号を出力することができるため、衛星の時刻情報と同精度の時刻情報を得ることが可能になる。

以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、ここでは測位用受信機であるＧＰＳ受信機を例に挙げて説明する。
（実施の形態１）

本発明の実施の形態１によるＧＰＳ受信機は、既知のアンテナ２次元位置情報に基づいてアンテナの３次元位置情報を算出するものである。

図１は、本発明の実施の形態１によるＧＰＳ受信機の構成の一例を示す図であり、図２は、本発明の実施の形態１によるＧＰＳ受信機の演算処理部の構成の一例を示す図である。
図１において、本発明の実施の形態１によるＧＰＳ受信機は、衛星情報取得部２と、位置情報取得部３と、演算処理部４とからなる。

衛星情報取得部２は、衛星より送信されたＧＰＳ信号をアンテナ１から取得することにより、衛星の位置情報を取得するとともに、衛星から発射されたＧＰＳ信号がアンテナ１に辿り着くまでの伝送時間を計測してアンテナと衛星との擬似距離情報を得るものである。なお、この衛星情報取得部２は、少なくとも２つ以上の衛星の位置情報及び擬似距離情報を取得できればよい。

位置情報取得部３は、アンテナ１の設置位置の２次元位置情報を取得するものであり、外部インターフェイスを介して入力されるアンテナ設置位置の２次元位置情報を取得する。なお、ここでは国土地理院等が発行する正確な測量データから得られる、アンテナの設置位置を水平面に投影させた水平位置、すなわちアンテナ設置位置の緯度、経度情報が入力されるものとする。

演算処理部４は、位置情報取得部３で取得したアンテナ１の設置位置の２次元位置情報と、衛星情報取得部２で取得した衛星位置情報及び擬似距離情報とを基に、受信機時計誤差及びアンテナ設置位置の３次元位置情報を算出するものであり、図２に示すように座標軸変換部２１と、演算部２２と、逆座標軸変換部２３とからなる。

図２において、座標軸変換部２１は、未知数を１つ含むアンテナ１の３次元位置のうち、位置情報取得部３で取得した既知の２次元位置の座標がともにゼロとなるように座標軸変換を行うものであり、演算部２２は、座標軸変換部２１によって座標軸変換された、未知数を１つ含むアンテナ１の３次元位置情報、衛星位置情報及び前記擬似距離情報とを用いて、受信機時計誤差及び座標軸変換された３次元位置情報の未知数を算出するものである。

また、逆座標軸変換部２３は、座標軸変換部２１で変換した座標軸を元に戻し、アンテナ１の３次元位置情報を得るものである。

次に、本発明の実施の形態１によるＧＰＳ受信機の動作について図３から図５を用いてさらに詳細に説明する。

図３は、本発明の実施の形態１によるＧＰＳ受信機の動作を説明するためのフローチャートである。
図３において、先ず、衛星情報取得部２は、衛星より送信されたＧＰＳ信号をアンテナ１から取得することにより、衛星の位置情報及びアンテナと衛星との擬似距離情報を得る（Ｓ１）。また、位置情報取得部３では、外部から入力されたアンテナ１の設置位置の緯度、経度情報（２次元位置情報）を取得する（Ｓ２）。

これらの情報は、演算処理部４の座標軸変換部２１に出力され、座標軸変換部２１により座標軸の変換処理が行われる（Ｓ３）。

図４は、衛星位置及びアンテナ位置を３次元表示した図であり、ＷＧＳ−８４に準拠した楕円体により表示している。

座標軸変換部２１には、衛星情報取得部２からの衛星１と衛星２の位置情報及びアンテナと衛星との擬似距離情報と、位置情報取得部３からのアンテナ位置の緯度・経度情報が入力される。なお、これらの情報をＷＧＳ−８４に準拠した楕円体での座標に変換して表記したものが図４であり、図４において、衛星１の位置情報が（e_sx１，e_sｙ1，e_sｚ1）、衛星２の位置情報が（e_sx２，e_sｙ２，e_sｚ２）、アンテナと衛星１との擬似距離情報がｒ1、アンテナと衛星２との擬似距離情報がｒ2、アンテナ位置情報が（e_x，e_ｙ，e_ｚ）として示されている。なお、e_ｚは未知数であり、アンテナの高さ情報（適当な初期値）を、ＷＧＳ−８４に準拠した楕円体座標系に変換したものである。

座標軸変換部２１は、未知数を１つ含む前記アンテナの３次元位置のうち、前記位置情報取得部で取得した既知の２次元位置の座標がともにゼロとなるように座標軸変換を行う。すなわち、図4に示すｚ軸を軸としてy軸をβ度回転し、さらに移動したx軸を軸としてz軸をα度回転する処理を行い、新しい座標系（ローカル座標系と称する）でのアンテナ位置、衛星位置を計算する。

図５は、このローカル座標系を示す図であり、図示するようにアンテナ位置のx座標、y座標がともに0になる。

そして、この図５に示すローカル座標系では、以下の等式が成り立つため、

（t＝ｃ・Δδ、ｃ：光速、Δδ：受信機時計誤差）

演算処理部４の演算部２２は、座標軸変換部２１によって座標軸変換された、未知数を１つ含むアンテナ１の３次元位置情報、衛星位置情報及び擬似距離情報とから、座標軸変換された３次元位置情報の未知数１_zと受信機時計誤差Δδを算出する。なお、この演算は、代数的には求まらないため、１_zとｔに適当な初期値、例えば「０」を与え、収束演算の要領で解を得ることができる（Ｓ４）。

そして、演算処理部４の逆座標軸変換部２３により、座標軸変換部２１で行った座標軸変換の逆を行うことにより、最終的にアンテナ設置位置の３次元位置情報を得ることができる（Ｓ５）。

以上のように、本発明の実施の形態１によるＧＰＳ受信機によれば、衛星情報取得部２で取得した衛星位置情報及び擬似距離情報と、位置情報取得部３で取得したアンテナ設置位置の２次元位置情報とから、アンテナ１の３次元位置情報を演算処理部４による演算によって求めることにより、アンテナの設置場所が悪い場合であっても、アンテナの２次元位置情報の取得と、少なくとも２つ以上の衛星からのＧＰＳ信号の受信をすることができれば、ＧＰＳ受信機のアンテナの３次元位置情報と受信機時計誤差Δδとを簡単な演算により求めることが可能になる。

（実施の形態２）

本発明の実施の形態２によるＧＰＳ受信機は、アンテナの３次元位置情報及び受信機時計誤差を用いて衛星からの時刻情報との同期をとり正確なタイミング信号を出力するものである。

図6に示すように、本発明の実施の形態２によるＧＰＳ受信機は、前記実施の形態１で説明したＧＰＳ受信機に、さらに演算処理部４で得られたアンテナ１の３次元位置情報及び受信機時計誤差Δδを用いて、衛星から送信される時刻信号との同期をとりタイミング信号を出力するタイミング同期部５を設けたものである。これにより、アンテナ１の設置場所が悪い場合であっても、アンテナ１の２次元位置情報の取得と、少なくとも２つ以上の衛星からのＧＰＳ信号の受信をすることができれば、ＧＰＳ受信機側で衛星からの正確な時刻情報との同期をとり正確なタイミング信号を出力することができるため、衛星の正確な時刻情報と同精度の時刻情報を得ることが可能になる。また、これにより、正確且つ迅速なシステム立上げが実現できる１ＰＰＳ出力仕様のＧＰＳ受信機を得ることが可能になる。

本発明は、アンテナの設置状況が悪い場合でも、衛星からの時刻情報との同期をとって正確なタイミング信号の出力をすることができるＧＰＳ受信機を提供する。

本発明の実施の形態１によるＧＰＳ受信機の構成の一例を示す図本発明の実施の形態１によるＧＰＳ受信機の演算処理部の構成の一例を示す図本発明の実施の形態１によるＧＰＳ受信機の動作を説明するためのフローチャートＷＧＳ−８４に準拠した楕円体により衛星位置及びアンテナ位置を示した図図５は、演算処理部の座標軸変換部によって座標軸変換を行った状態を示す図本発明の実施の形態２によるＧＰＳ受信機の構成の一例を示す図

符号の説明

１アンテナ
２衛星情報取得部
３位置情報取得部
４演算処理部
５タイミング同期部
２１座標軸変換部
２２演算部
２３逆座標軸変換部

Claims

アンテナ設置位置の２次元位置情報を取得する位置情報取得部と、
アンテナで受信した少なくとも２つ以上の衛星の測位用信号より、各衛星の位置情報、及びアンテナと衛星の擬似距離情報を得る衛星情報取得部と、
前記位置情報取得部で取得したアンテナ設置位置の２次元位置情報と、前記衛星情報取得部で取得した衛星位置情報及び擬似距離情報とを基に、前記アンテナの３次元位置情報を算出する演算処理部とを備えることを特徴とする測位用信号受信機。
アンテナ設置位置の２次元位置情報を取得する位置情報取得部と、
アンテナで受信した少なくとも２つ以上の衛星の測位用信号信号より、各衛星の位置情報、及びアンテナと衛星の擬似距離情報を得る衛星情報取得部と、
前記位置情報取得部で取得したアンテナ設置位置の２次元位置情報と、前記衛星情報取得部で取得した衛星位置情報及び擬似距離情報とを基に、受信機時計誤差及び前記アンテナの３次元位置情報を算出する演算処理部と、
前記演算処理部で算出された情報を用いて、前記衛星から送信される時刻信号との同期をとりタイミング信号を出力するタイミング同期部とを備えることを特徴とする測位用信号受信機。
請求項１又は請求項２に記載の測位用信号受信機において、
前記演算処理部は、
未知数を１つ含む前記アンテナの３次元位置のうち、前記位置情報取得部で取得した既知の２次元位置の座標がともにゼロとなるように座標軸変換を行う座標軸変換部と、
前記座標軸変換部によって座標軸変換された、未知数を１つ含む前記アンテナの３次元位置情報、前記衛星位置情報及び前記擬似距離情報とを用いて、座標軸変換された前記３次元位置情報の未知数を算出する演算部と、
前記座標軸変換部で変換した座標軸を元に戻し、前記アンテナの３次元位置情報を得る逆座標軸変換部とを有することを特徴とする測位用信号受信機。
アンテナ設置位置の２次元位置情報を取得する位置情報取得ステップと、
アンテナで受信した少なくとも２つ以上の衛星の測位用信号より、各衛星の位置情報、及びアンテナと衛星の擬似距離情報を得る衛星情報取得ステップと、
前記位置情報取得ステップで取得したアンテナ設置位置の２次元位置情報と、前記衛星情報取得ステップで取得した衛星位置情報及び擬似距離情報とを基に、前記アンテナの３次元位置情報を算出する演算処理ステップとを備えることを特徴とする測位方法。
衛星から送信される情報に含まれる正確な時刻信号との同期をとってタイミング信号を出力するタイミング同期方法において、
アンテナ設置位置の２次元位置情報を取得する位置情報取得ステップと、
アンテナで受信した少なくとも２つ以上の衛星の測位用信号より、各衛星の位置情報、及びアンテナと衛星の擬似距離情報を得る衛星情報取得ステップと、
前記位置情報取得ステップで取得したアンテナ設置位置の２次元位置情報と、前記衛星情報取得ステップで取得した衛星位置情報及び擬似距離情報とを基に、受信機時計誤差及び前記アンテナの３次元位置情報を算出する演算処理ステップと、
前記演算処理ステップで算出した情報を用いて、前記衛星から送信される時刻信号との同期をとりタイミング信号を出力するタイミング同期ステップとを有することを特徴とするタイミング同期方法。
請求項５に記載のタイミング同期方法において、
前記演算処理ステップは、
未知数を１つ含む前記アンテナの３次元位置のうち、前記位置情報取得ステップで取得した既知の２次元位置の座標がともにゼロとなるように座標軸変換を行う座標軸変換ステップと、
前記座標軸変換ステップによって座標軸変換された、未知数を１つ含む前記アンテナの３次元位置情報、前記衛星位置情報及び前記擬似距離情報とを用いて、受信機時計誤差及び座標軸変換された前記３次元位置情報の未知数を算出する演算ステップと、
前記座標軸変換ステップで変換した座標軸を元に戻し、前記アンテナの３次元位置情報を得る逆座標軸変換ステップとを有することを特徴とするタイミング同期方法。