JP2007010422A

JP2007010422A - 測位システム

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Publication number: JP2007010422A
Application number: JP2005190064A
Authority: JP
Inventors: Shuichi Suga; 秀一須賀
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2005-06-29
Filing date: 2005-06-29
Publication date: 2007-01-18
Anticipated expiration: 2025-06-29
Also published as: JP4723932B2

Abstract

【課題】差分補強情報とその誤差を正確に算出できるようにし、移動体における測位精度の向上を図った測位システムを提供すること。
【解決手段】各衛星信号受信機２１１〜２１ｎ、各衛星１１〜１ｋの対流圏遅延量と電離層遅延量和を算出する際、各衛星信号受信機２１１〜２１ｎで重みを考慮した最小二乗法による単独測位を行う。その値を元に衛星信号受信機２１１〜２１ｎごとに例えば９５％の範囲を求め、受信機相互に重なりのあるデータのみを有効なデータとして採用する。さらに、ある衛星の有効な衛星信号受信機のデータについて、対流圏遅延量と電離層遅延量和の平均を求め、或る衛星の対流圏遅延量と電離層遅延量との和が平均からのずれ量を、衛星信号受信機２１１〜２１ｎごとに計算する。そして平均からのずれを各衛星信号受信機２１１〜２１ｎの誤差情報とする。
【選択図】図１

Description

この発明は、例えばＧＰＳ（Global Positioning System）などを用いる測位システムに関する。

衛星を使用し衛星のコード距離を用いた精密測位を実現するため、ＩＣＡＯ（International Civil Aviation Organization）で、地上補強型システムとしてＧＢＡＳ（Ground Based Augmentation System）の規格が議論され、カテゴリＩの規格が制定された。現時点ではＧＰＳ衛星単独の測位によっては、民間航空機の場合、精密着陸進入カテゴリＩで要求される精度や完全性などの規格を満足することができない。この規格を満足すべく、測位データを補強するシステムを地上側に設けることが必要となる。この種の補強情報を差分補強情報と称する。

この種の衛星航法システムにあっては技術革新が目覚しく、例えば非特許文献１〜８にその詳細が開示される。ＧＰＳを使用して測位精度を向上させる方式については、非特許文献１に既に記載されている。この文献に記載されている構成は、ＧＰＳアンテンナ、ＧＰＳ受信機、データ処理装置、データフォーマット生成装置、変調機、データリンク送信機、送信アンテナである。

非特許文献２には、ＧＢＡＳで使用される差分ＧＰＳ（Differential GPS）方式の手法として、２つあるいはそれ以上の受信機が使われた時には、既知位置の一つのリファレンスあるいは受信機に対してＤＧＰＳが適用できると記載されている。さらに、補正の方法として、ＩＣＡＯＧＢＡＳ規格に記載されているように、既知位置におけるＧＰＳ観測擬似距離から計算した距離を引いた差分を使う方式が記述されている。非特許文献３にはこのＤＧＰＳ方式についての不利な点などが記載されている。

非特許文献４にはキネマティック方式に関する記述があり、２つの受信機を使うよりも４つの受信機機を使って、平均することにより位相ノイズやマルチパスを無くす方式の説明が成されている。非特許文献５には、DGPS RULES of THUMBで必要とされる項目として、モニタ局ネットワークと複数のコントロール局などが挙げられている。非特許文献６，７には、ＧＰＳ衛星の位置を決定する方法などが記載されている。さらに非特許文献８にはＧＢＡＳの規格（要件）が記載されており、２〜４受信機を使う地上補強システムの通信の方式が記載されている。
"RTCM RECOMMENDED STANDARDS FOR DIFFERENTIAL NAVSTAR GPS SERVICE VERSION 2.0",RTCM SC-104,January 1,1990. B.Hofmann-Wellenhof, et. al,"GPS Theory and Practice Third,revised edition",Springer-Verlag Wien New York,1994. Lindemann U,Haverland M,"AERONAV - an integrated navigation system for special mission aircraft.",Proceedings of the First International Symposium on Real Time Differential Applications of the Global Positioning System,TUV Rheinland,vol1,pp238-247,1991. "Dynamic Real Time Precise Positioning (Part IV)",ION GPS-93 Tutorial,Sep.21,1993. "GPS Integrity Issues (Part I)",ION GPS-93 Tutorial,Sep.20,1993. ICD-GPS-200,Navstar GPS/JPO,1983. "新訂版ＧＰＳ −人工衛星による精密測位システム−"，日本測地学会，９月，１９８９． "International Standards and Recommended Practices AERONUTICAL TELECOMMUNICATIONS",Annex10,Vol.I(RADIO NAVIGATION AIDS),Amendment 77,Nov.28,2002.

以上のように衛星を用いる測位システムの精度を向上させるための努力がなされているが、さらなる技術革新が待たれている。特に民間航空機が衛星を利用して精密進入を行うためには、測位精度の改善だけでなく衛星に異常が発生したか否かを判定する必要がある。この要求は航空機だけでなく、鉄道などの移動体において衛星航法を行う場合にも必要となる。また近年策定された規格では差分補強情報とその誤差情報とを地上システムから移動体に通知することが要求されており、その精度を向上させる必要もある。
この発明は上記事情によりなされたもので、その目的は、差分補強情報とその誤差を正確に算出できるようにし、移動体における測位精度の向上を図った測位システムを提供することにある。

上記目的を達成するためにこの発明の一態様によれば、複数の測位衛星から送信される衛星信号に含まれる測位情報を利用して位置情報を得る測位システムにおいて、予め位置座標データが精密計測された基準観測点に設置され、前記衛星信号から自己の位置情報を得る基準局装置と、移動体に搭載され、前記衛星信号から自己の位置情報を得るユーザ装置とを具備し、前記基準局装置は、前記衛星信号を受信する複数の衛星信号受信機と、
前記受信された衛星信号から前記測位情報を抽出して前記ユーザ装置に送信するための補正情報を生成するデータ処理手段と、前記補正情報を前記ユーザ装置に送信する送信手段とを備え、前記ユーザ装置は、前記基準局装置から送信される補正情報を受信する受信手段と、自装置で得た位置情報を前記基準局装置から送信される補正情報に基づいて補正する手段を備え、前記データ処理手段は、前記複数の衛星信号受信機ごとに、当該衛星信号受信機ごとの重みを考慮した最小二乗法による単独測位により前記複数の測位衛星ごとの前記衛星信号の対流圏遅延量と電離層遅延量和を算出し、前記複数の衛星信号受信機ごとに算出された対流圏遅延量と電離層遅延量和の平均化から差分補強情報を算出し、前記差分補強情報と前記複数の衛星信号受信機ごとの対流圏遅延量と電離層遅延量和との差から誤差情報を算出し、前記送信手段は、前記前記差分補強情報と前記誤差情報とを前記補正情報として送信することを特徴とする測位システムが提供される。

このような手段を講じることにより、最小二乗法による単独測位のもとで、複数の測位衛星に対する対流圏遅延量と電離層遅延量和が衛星受信機ごとに算出される。その値の平均から差分補強情報が算出される。さらに、衛星受信機ごとに対流圏遅延量と電離層遅延量和の平均値からのずれが誤差情報として算出される。従って差分補強情報とその誤差を正確に算出できるようになり、これらの情報がユーザ装置に送信されることにより、ユーザ装置自身による測位の精度をさらに向上させることが可能になる。

この発明によれば、差分補強情報とその誤差を正確に算出できるようになり、移動体における測位精度の向上を図った測位システムを提供することができる。

図１は本発明の実施形態を示すシステム図である。本発明は、衛星１１〜１ｋ、基準局装置２、およびユーザ装置３を中核として形成される。衛星１１〜１ｋは例えばＧＰＳ衛星、Galileo衛星、Glonass衛星、MTSAT衛星、QZS衛星などであり、これらを単独の種別で用いても良いし、混在させても良い。基準局装置２はそれぞれ衛星受信アンテナを備える複数の衛星信号受信機２１１〜２１ｎ、データ処理装置２２、データ送受信装置２３、データ伝送用アンテナ２４、データ記録装置２５、および表示装置２６を備える。ユーザ装置３は衛星受信アンテナを備える衛星信号受信機３１、データ処理部３２、データ送受信部３３、およびデータ伝送用アンテナ３４を備える。

ここで、基準局装置２の設置位置、少なくとも衛星受信アンテナの位置は予め正確に測量され、正確な位置データが予め用意される。またユーザ装置は民間航空機などの移動体に搭載される。このほかユーザ装置は、自動車・鉄道・船舶にも搭載することが可能である。

基準局装置２およびユーザ装置の衛星受信アンテナは、衛星１１〜１ｋから放送されるＬ１信号、Ｌ２信号、Ｌ５信号などを受信可能な特性を持つ。ここで、基準局装置２の衛星信号受信アンテナの位置は事前に精密に測量され既知であるが、ユーザ装置３の衛星受信アンテナの位置はユーザ装置３が移動するので不明である。基準局装置２の衛星信号受信機は２１１〜２１ｎはこれらの信号を受信し、衛星・受信機間のコード距離、キャリア位相、衛星から放送される航法情報などを出力する。

基準局装置２のデータ処理装置２２は、衛星信号受信機は２１１〜２１ｎから出力される衛星情報をもとに測位処理を行うとともに差分補強情報を作成する。その処理手順を図２のフローチャートを参照して説明する。
図２のステップＳ１において、基準局装置２の各衛星信号受信機２１１〜２１ｎにより衛星信号を観測する。観測により得られたデータ（コード距離、キャリア位相、受信強度、信号対雑音比、追尾状態、エフェメリス情報、アルマナック情報など）はデータ処理装置２２により収集される。その収集状況（追尾衛星・追尾衛星の受信強度、信号対雑音比、衛星仰角・方位角等）は表示装置２６に表示される。収集されたデータはデータ記録装置２５に記録される。
次のステップＳ２において、観測した結果を元に各衛星信号受信機２１１〜２１ｎで観測した衛星１１〜１ｋごとの対流圏遅延量と電離層遅延量との和の値、およびその誤差を推定する。

次のステップＳ３において、各衛星信号受信機２１１〜２１ｎにより或る衛星に関する観測値の例えば９５％範囲を求める。そして、９５％範囲に各衛星信号受信機２１１〜２１ｎの結果で相互に重なりのある受信機結果を有効なデータとすることにより、有効なデータと無効なデータとを振り分ける。ここでは、正常なデータが２つの受信機からの結果だけになってしまった場合には、その衛星の情報を使用しない。なおこの処理については図３を参照して後述する。

次のステップＳ４では、ある衛星の有効な衛星信号受信機のデータについて、対流圏遅延量と電離層遅延量和の平均を求める。そして、或る衛星の対流圏遅延量と電離層遅延量との和が平均からのずれ量を、衛星信号受信機２１１〜２１ｎごとに計算する。平均からのずれを各衛星信号受信機２１１〜２１ｎの誤差情報とする。
次のステップＳ５では、有効なデータを示す衛星の対流圏遅延量と電離層遅延量との和の平均の符号を反転し、その衛星の差分補強情報とする。さらに、平均からのずれを、各衛星信号受信機２１１〜２１ｎ受信機からの誤差情報とする。

次のステップＳ６では、作られた差分補強情報と平均からのずれを適切なフォーマット（ＧＢＡＳ放送フォーマット等）に変換する。さらに次のステップＳ７では、フォーマット変換されたデータをデータ送受信装置２４からデータリンクを介してユーザ装置３に送信する。

次のステップＳ８では、ユーザ装置３は送信されたデータを受信し、差分補強測位を実施する。次のステップＳ９では、ユーザ装置３における測位の結果が、データリンクを介して基準局装置２に送信される。基準局装置２はユーザ装置３の位置を表示装置２６に表示する。さらに、データ記録装置２５にユーザ装置３からの送信情報・位置情報などが記録される。

次に、対流圏遅延量と電離層遅延量和の推定方法と補正量の作成方法を詳細に説明する。まず、基準局装置２において観測したコード距離とキャリア位相は次式（１）、（２）により表される。

次に、キャリアスムージング処理を行う。コード距離は非常に大きいノイズ成分を含んでいるので、コード距離にあるノイズを低減するためキャリアを使ったスムージング（フィルタ）を行う。RTCA-DO253A LAAS MOPSに記載されている処理方法によれば、次式（３）が得られる。

式（３）におけるＰは、キャリアスムージング後のシュードレンジ（pseudo range）を示す。αはサンプリング時間を１００で割った値であり、１秒サンプリングの場合、１００秒間の時定数となる。

次に、上記の値を用いて各衛星信号受信機２１１〜２１ｎ、各衛星１１〜１ｋの対流圏遅延量と電離層遅延量和を算出する。まず、基準局装置２の衛星受信アンテナ位置は既知であり、各衛星信号受信機２１１〜２１ｎで重みを考慮した最小二乗法による単独測位を行う。その結果は次式（４）〜（９）により表される。

ここで、Ｘｒ，ｔ１，Ｘｒ０、δＸｒ，ｔ１は、それぞれ、受信機ｒにおける測位結果、真の位置、真の位置からのずれを示す。また（ｅ１，ｅ２，ｅ３）は、衛星受信アンテナから衛星方向への方向単位ベクトルである。さらに、Ｗ行列に示されるσは各衛星のコード距離観測値に含まれる誤差の標準偏差である。この値は受信機ノイズ・衛星の仰角・信号強度・対流圏誤差・電離層誤差等により定まる。衛星クロックオフセットの計算は、非特許文献６または非特許文献７に記載される方式を用いることができる。これらの方式により式（６）を変形すると、式（９´）が得られる。

式（９´）の真中の行列は観測データやアンテナ位置などから求められる値である。式（９´）の４行目の関係から受信機のクロックオフセットを求めると、次式（１０）〜（１２）により表される。

ある衛星ｉについて、受信機毎に（１２）式で算出した対流圏遅延量の和と電離層遅延量の和の９５％確率範囲を次式（１３）とする。

各衛星信号受信機２１１〜２１ｎで、この範囲に重なりがあれば、それぞれ（１２）式で求めた結果を有効とする。重なりがない受信機出力結果は異常として、以降の処理に使用しない。図３〜図５はこの処理を説明するための模式図である。図３〜図５において黒点は或る衛星について受信した衛星信号受信機から計算される対流圏遅延量＋電離層遅延量を示し、その上下に９５％確率の範囲を示す線が示される。点線範囲は他の衛星信号受信機の結果と重なりがあり、有効なデータとみなす範囲を示す。一点鎖線の囲み部分は他の衛星信号受信機と重なりがなく、異常なデータとみなす範囲を示す。

図３は２個の衛星信号受信機に関する判定例を示すもので、図３（ａ）においては９５％の範囲内に重なりがあるので、両方のデータがいずれも有効となる。図３（ｂ）においてはいずれのデータも重なっておらず、いずれのデータも異常値として排除される。
図４は３個の衛星信号受信機に関する判定例を示すもので、図４（ａ）においては３つのデータともに９５％の範囲内に重なっており、全てのデータが有効となる。図４（ｂ）においては一つのデータのみが異常値として排除される。
図５は４個の衛星信号受信機に関する判定例を示すもので、図５（ａ）、図５（ｂ）においては全てのデータが９５％の範囲内に重なっており、全てのデータが有効となる。図５（ｃ）においては一つのデータのみが異常値として排除される。
ある衛星に対し有効な衛星信号受信機が複数ある場合、統計で一般的に知られる中心極限定理を利用することにより、ノイズを低減させることができる。そこで、有効な受信機について平均をとり、この平均値を衛星ｉの差分補強情報とする。その値を式（１４）に示す。さらに、差分補強情報と各衛星信号受信機の演算結果との差を、その衛星信号受信機の誤差情報とする。その値を式（１５）に示す。

以上述べたようにこの実施形態では、各衛星信号受信機２１１〜２１ｎ、各衛星１１〜１ｋの対流圏遅延量と電離層遅延量和を算出する際、各衛星信号受信機２１１〜２１ｎで重みを考慮した最小二乗法による単独測位を行う。その値を元に衛星信号受信機２１１〜２１ｎごとに例えば９５％の範囲を求め、受信機相互に重なりのあるデータのみを有効なデータとして採用する。さらに、ある衛星の有効な衛星信号受信機のデータについて、対流圏遅延量と電離層遅延量和の平均を求め、或る衛星の対流圏遅延量と電離層遅延量との和の平均からのずれ量を、衛星信号受信機２１１〜２１ｎごとに計算する。そして平均からのずれを各衛星信号受信機２１１〜２１ｎの誤差情報とするようにしている。このようにしたので、差分補強情報と受信機毎の誤差を正確に算出することができ、民間航空など移動体の差分補強測位を行うとともに、移動体における測位精度の向上を図ることができるようになる。

なお、この発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。

本発明の実施形態を示すシステム図。図１のシステムにおける測位処理手順を示すフローチャート。この発明の実施形態においてデータの有効性を判定する処理を説明するための模式図。同実施形態においてデータの有効性を判定する処理を説明するための模式図。同実施形態においてデータの有効性を判定する処理を説明するための模式図。

符号の説明

１１〜１ｋ…衛星、２…基準局装置、３…ユーザ装置、２１１〜２１ｎ…衛星信号受信機、２２…データ処理装置、２３…データ送受信装置、２４…データ伝送用アンテナ、２５…データ記録装置、２６…表示装置、３１…衛星信号受信機、３２…データ処理部、３３…データ送受信部、３４…データ伝送用アンテナ

Claims

複数の測位衛星から送信される衛星信号に含まれる測位情報を利用して位置情報を得る測位システムにおいて、
予め位置座標データが精密計測された基準観測点に設置され、前記衛星信号から自己の位置情報を得る基準局装置と、
移動体に搭載され、前記衛星信号から自己の位置情報を得るユーザ装置とを具備し、
前記基準局装置は、
前記衛星信号を受信する複数の衛星信号受信機と、
前記受信された衛星信号から前記測位情報を抽出して前記ユーザ装置に送信するための補正情報を生成するデータ処理手段と、
前記補正情報を前記ユーザ装置に送信する送信手段とを備え、
前記ユーザ装置は、
前記基準局装置から送信される補正情報を受信する受信手段と、
自装置で得た位置情報を前記基準局装置から送信される補正情報に基づいて補正する手段を備え、
前記データ処理手段は、
前記複数の衛星信号受信機ごとに、当該衛星信号受信機ごとの重みを考慮した最小二乗法による単独測位により前記複数の測位衛星ごとの前記衛星信号の対流圏遅延量と電離層遅延量和を算出し、
前記複数の衛星信号受信機ごとに算出された対流圏遅延量と電離層遅延量和の平均化から差分補強情報を算出し、
前記差分補強情報と前記複数の衛星信号受信機ごとの対流圏遅延量と電離層遅延量和との差から誤差情報を算出し、
前記送信手段は、前記前記差分補強情報と前記誤差情報とを前記補正情報として送信することを特徴とする測位システム。
前記データ処理手段は、前記複数の衛星信号受信機ごとに算出した対流圏遅延量と電離層遅延量和のうち一定の確率範囲内に分布する算出値を有効なデータとし、前記有効なデータのみを用いて前記差分補強情報および前記誤差情報を算出することを特徴とする請求項１に記載の測位システム。