JP2007010554A

JP2007010554A - 測位装置

Info

Publication number: JP2007010554A
Application number: JP2005193625A
Authority: JP
Inventors: Yasunori Aiga; 康則相賀
Original assignee: Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2005-07-01
Filing date: 2005-07-01
Publication date: 2007-01-18

Abstract

【課題】従来技術では、移動に伴うユーザ位置の変化を滑らかにするだけであり、測位結果の精度向上にはならないという問題があった。
【解決手段】車両に搭載されたＧＰＳ測位装置１０の測位計算部１６は、複数のＧＰＳ衛星１２からの擬似距離によって求められた位置ベクトルＰ（ｔ）と、ドップラー周波数から算出された移動速度の速度ベクトルＶ（ｔ）を測位信頼度算出部２２に出力する。次に、測位信頼度算出部２２は、信頼度Ｓ（ｔ）を求め、時定数算出部２４に出力する。時定数算出部２４は時定数Ｔ（ｔ）を補正位置算出部２６に出力する。さらに、補正位置算出部２６は、位置ベクトルＰ（ｔ）と時定数Ｔ（ｔ）を取得して補正されたユーザ位置Ｐ’（ｔ）を出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、衛星が送信する信号を受信して測位を行う測位装置に関する。

衛星測位システム（ＧＰＳ）は、複数の衛星から送信される信号を受信し、受信信号に含まれる情報から各衛星の軌道情報と各衛星までの擬似距離に基づいて測位計算を行う測位手段を有する測位装置である。近年、携帯電話、車両などのあらゆる物の位置検出にＧＰＳを利用した測位装置が広く用いられるようになった。

測位装置を搭載した移動体が移動する場合において、衛星から送信されるＧＰＳ信号の状態が変化し、何らかの物陰に入ることでＧＰＳ信号が途絶える場合や、ＧＰＳ信号が何らかの物体（例えば、ビルなど）に反射して多重経路でＧＰＳ信号が測位装置に受信される場合（例えば、マルチパスなど）が生じる。このような、測位装置へのＧＰＳ信号の遮断やマルチパスが生じると、測位結果が不連続に変化し、移動体位置（以下、ユーザ位置という）の位置跳び現象が現れる。

そこで、このような問題を解決する技術が、特許文献１に示されている。特許文献１には、測位手段により求められた受信点の位置を当該位置の所定時間間隔における移動距離と、ＧＰＳ信号のキャリアのドップラー周波数から求めた所定時間間隔における移動距離と、で平滑化する技術が示されている。この技術を用いることにより、受信点の移動に伴うユーザ位置の変化が滑らかに出力されるようにした測位装置とすることが可能とされている。

特開２０００−１９３７３２号公報

しかし、特許文献１に示された技術では、移動に伴うユーザ位置の変化を滑らかにするだけであり、測位結果の精度向上にはならないという問題があった。

具体的には、平滑化の指標である時定数Ｔを大きくするほど、速度Ｖ（ｔ）の平滑化が強く働き、位置Ｐ（ｔ）誤差の削減効果が大きい。しかし、速度Ｖ（ｔ）誤差は比較的小さいものの、平滑化を継続すると、その小さいＶ（ｔ）誤差が、時間ｔとともに累積され、平滑化により補正位置Ｐ’（ｔ）にその誤差を増やしていってしまい、逆に悪化させてしまう懸念がある。

このように、両誤差の影響は相反する特性であり、現状よりも時定数Ｔを延長しても、両誤差ともに十分に除去し、さらに測位精度を改善することは困難になっている。また、平滑化に伴い実際の測位結果が遅れるという問題もある。

以上のような問題を解決するために、本発明に係る測位装置は、移動体に搭載され、複数の衛星からの信号を受信する受信機と、受信した信号から測位に用いられるコード擬似距離及びキャリアのドップラー周波数などを検出して受信機の位置を求める測位手段と、を有する測位装置において、衛星から受信機までの擬似距離を算出する擬似距離算出手段と、複数の擬似距離から受信機の位置情報を算出する測位算出手段と、キャリアのドップラー周波数から受信機の移動速度を算出する移動速度算出手段と、算出された受信機の位置情報と移動速度の相関値を位置情報の信頼度として算出する測位信頼度算出手段と、算出された信頼度と反比例関係となる時定数を、位置変化の時定数として算出する時定数算出手段と、時定数算出手段からの時定数により、測位算出手段からの位置情報を補正する補正位置算出手段と、を有することを特徴とする。

また、本発明に係る測位装置において、測位信頼度算出手段は、算出された受信機の位置情報と移動速度を用いて、一定距離毎に走行した位置と移動速度の軌跡から相関値を求め、位置情報の信頼度として算出することを特徴とする。

さらに、本発明に係る測位装置において、移動速度算出手段からの移動速度を積算して積算速度を算出する積算速度算出手段を有し、積算速度算出手段は、時定数算出手段からの時定数により位置と積算速度との差分となるオフセットを平滑化することを特徴とする。

さらにまた、本発明に係る測位装置において、測位信頼度算出手段は、移動体の運動状態を測定するセンサなどから得られた移動速度と、測位算出手段からの位置情報と、の相関値を位置情報の信頼度として算出することを特徴とする。

走行中の位置Ｐ（ｔ）の走行軌跡は、速度Ｖ（ｔ）の走行軌跡とその形状を比較すると、本来は一致するが、マルチパスによる誤差が多いときは、位置Ｐ（ｔ）の軌跡が正しい形状と異なってしまうことが目立ち、結果的に、両者の軌跡形状の相違が増える特徴がある。

そこで、本発明に係る測位装置は、測位信頼度算出部で、測位計算部で得られた位置Ｐ（ｔ）及び速度Ｖ（ｔ）を用いて、一定距離走行したこの両者の軌跡形状の相関値を位置Ｐ（ｔ）の信頼度Ｓ（ｔ）として算出する。さらに、時定数設定部では、前記信頼度Ｓ（ｔ）と反比例関係となる時定数Ｔ（ｔ）を決定することを特徴とする。

本発明を用いると、移動に伴う測位結果の変化を滑らかにするだけでなく測位結果の精度向上が実現可能となる。例えば、従来よりも時定数Ｔを延長しても、ユーザ位置Ｐ（ｔ）の誤差が大きいと判断した場合は、時定数Ｔ（ｔ）＝Ｔが大きく設定されることで、好適に制御される。また、ユーザ位置Ｐ（ｔ）の誤差がほぼ０で正しいと判断した場合は、Ｔ（ｔ）≒１と小さくなり、補正位置Ｐ’（ｔ）＝ユーザ位置Ｐ（ｔ）でユーザ速度ベクトルＶ（ｔ）誤差の累積は防がれ、従来よりも補正位置Ｐ’（ｔ）の測位精度が改善できるだけでなく、測位結果の遅延も改善可能となる。

以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）を、図面に従って説明する。

図１は、本発明の実施形態に係るＧＰＳ測位装置１０の全体の構成を示した構成図である。ＧＰＳ測位装置１０は、ＧＰＳアンテナ１７と、信号受信部１８と、複数の測距部（１４ａ，１４ｂ，１４ｃ）と、測位計算部１６と、測位信頼度算出部２２と、時定数算出部２４と、補正位置算出部２６と、を備えている。上空には複数のＧＰＳ衛星（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ）が配置され、時折、ビル１９の壁面で反射された信号がＧＰＳアンテナ１７に入力されることもある。

例えば車両に搭載されたＧＰＳ測位装置１０の測位計算部１６は、複数のＧＰＳ衛星１２からの擬似距離によって求められた位置ベクトルＰ（ｔ）と、ドップラー周波数から算出された移動速度の速度ベクトルＶ（ｔ）を測位信頼度算出部２２に出力する。次に、測位信頼度算出部２２は、信頼度Ｓ（ｔ）を求め、時定数算出部２４に出力する。時定数算出部２４は時定数Ｔ（ｔ）を補正位置算出部２６に出力する。さらに、補正位置算出部２６は、位置ベクトルＰ（ｔ）と時定数Ｔ（ｔ）を取得して補正されたユーザ位置Ｐ’（ｔ）を出力する。

図２は、本発明の実施形態に係る速度ベクトルＶ（ｔ）、位置ベクトルＰ（ｔ）及び信頼度Ｓ（ｔ）を時間軸と共に示した説明図である。ドップラー周波数は、マルチパスの影響を受けにくく、速度ベクトルＶ（ｔ）は図２に示すように順調に推移するが、擬似距離から求められる位置ベクトルＰ（ｔ）はＰ（ｉ＋３）地点で位置跳びを生じてしまい、結果として信頼度Ｓ（ｉ＋３）も低下する。

図３は、本発明の第１の実施形態に係るＧＰＳ測位装置１０の補正位置算出処理の流れを示したフローチャート図である。以下、処理の流れを図３と図１を用いて説明する。処理が開始されると、使用される変数の初期設定が行われる。特に、位置安定数は、あらかじめ電源立ち上げ時、または衛星電波中断により測位できなくなった場合に初期値０にセットしておく（ステップＳ１０）。次に、ループ開始点であるステップＳ１２を通過して、測位位置取得（ステップＳ１４）を実行する。

ＧＰＳアンテナ１７よりＧＰＳ衛星からの電波が受信され、信号受信部１８で復調される。得られたＧＰＳ信号は、複数の測距部１４に入力される。各測距部１４は、経過時間ｔでの各ＧＰＳ衛星とユーザ位置との間に擬似的な距離Ｒ（ｔ）及びドップラー周波数Ｄ（ｔ）を求め、その結果を測位計算部１６へ出力する。

測位計算部１６は、前記Ｒ（ｔ）からユーザの位置ベクトルＰ（ｔ）を求め（ステップＳ１４）、また前記Ｄ（ｔ）からユーザの速度ベクトルＶ（ｔ）を求める（ステップＳ１６）。

次に、ステップＳ１８において、得られた位置ベクトルＰ（ｔ）と速度ベクトルＶ（ｔ）を基にして信頼度算出を行う。

１．第１の実施形態における瞬時信頼度算出
第１の実施形態は、信頼度Ｓ（ｔ）を瞬時の位置ベクトルＰ（ｔ）と速度ベクトルＶ（ｔ）との比較で決定するものである。以下、第１の実施形態について説明する。

測位計算部１６は、１ｓｅｃ毎に各ＧＰＳ衛星１２の擬似距離から時刻ｔにおけるユーザの測位位置ベクトルＰ（ｔ）＝｛Ｐｘ（ｔ），Ｐｙ（ｔ），Ｐｚ（ｔ）｝を求める（ステップＳ１４）。同時に、各ＧＰＳ衛星１２のドップラー周波数Ｄ（ｔ）からユーザ測位速度Ｖ（ｔ）＝｛Ｖｘ（ｔ），Ｖｙ（ｔ），Ｖｚ（ｔ）｝を求める（ステップＳ１６）。そして、この位置ベクトルＰ（ｔ）と速度ベクトルＶ（ｔ）を、測位信頼度算出部２２、補正位置算出部２６へ出力する。

測位信頼度算出部２２は、測位計算部１６から得られた位置ベクトルＰ（ｔ）と速度ベクトルＶ（ｔ）から、下記の（式１）により、信頼度Ｓ（ｔ）を求める。

Ｓ（ｔ）＝１−［√｛（Ｐｘ（ｔ）−Ｐｘ（ｔ−１）−Ｖｘ（ｔ））^２＋（Ｐｙ（ｔ）−Ｐｙ（ｔ−１）−Ｖｙ（ｔ））^２＋（Ｐｚ（ｔ）−Ｐｚ（ｔ−１）−Ｖｚ（ｔ））^２｝／√｛Ｖｘ（ｔ）^２＋Ｖｙ（ｔ）^２＋Ｖｚ（ｔ）^２｝］・・・（式１）

ただし、√｛Ｖｘ（ｔ）^２＋Ｖｙ（ｔ）^２＋Ｖｚ（ｔ）^２｝＝０のときはＳ（ｔ）＝０とする。そして、求めた信頼度Ｓ（ｔ）を、時定数算出部２４へ出力する（ステップＳ１８）。

ステップＳ２０において、位置安定数が１０より大きい値であるか判定する。理由は、補正するための初回位置が誤っていると、誤った位置を速度で引きずってしまい位置ずれを継続してしまう恐れがある。このため、「位置安定数＞１０」であれば、前回の補正位置（Ｐ’（ｔ）：いわゆる初回の補正位置）は正しい位置に測位できているものとし、時定数算出（ステップＳ２２）に進む。

もし、位置安定数が１０より小さい場合、前回の補正位置Ｐ’（ｔ）はまだ信頼が低く、これを初回位置として補正を行うと誤った位置からの速度で延長した位置となり、誤った補正位置にしてしまう可能性があるため、速度による補正を行わないようにステップＳ２６以下の安定化処理を行う。

ステップＳ２６の安定時間経過の判断は、「Ｔ（ｔ）＜２」の場合に位置Ｐ（ｔ）は正しいものとし、ステップＳ２８において位置安定カウンタの「位置安定数」を1インクリメントする。これは、ステップＳ２０の位置安定判定において、この「位置安定数＞１１０」となったとき、例えば図２に示す速度ベクトルＶ（ｔ）の走行軌跡の形状と位置ベクトルＰ（ｔ）の走行軌跡の形状であったときに、この位置Ｐ（ｉ＋５）)は正しいと判断するものである。次に、ステップＳ３０では位置ベクトルの補正は行わず、Ｐ’（ｔ）＝Ｐ（ｔ）として繰返しループ（ステップＳ３２）へ移る。ステップＳ２０において、正しい位置に測定できていると判定されると、ステップＳ２２に進み、時定数算出処理を行う。

時定数算出部２４は、測位信頼度算出部２２から得られた信頼度Ｓ（ｔ）及び位置ベクトルＰ（ｔ）から、式２に代入して時定数Ｔ（ｔ）を求める。

Ｔ（ｔ）＝（１−Ｓ（ｔ））×（Ｔ−１）＋１・・・（式２）

例えば、信頼度Ｓ（ｔ）と時定数Ｔ（ｔ）の関係を以下に示す。（例１）．信頼度Ｓ（ｔ）＝１のとき、Ｔ（ｔ）＝１［ｓｅｃ］。（例２）．信頼度Ｓ（ｔ）＝０．５のとき、Ｔ（ｔ）＝０．５×（Ｔ−１）＋１→５．５［ｓｅｃ］。（例３）．信頼度Ｓ（ｔ）＝０のとき、Ｔ（ｔ）＝Ｔ→１０［ｓｅｃ］となる。そして、求めた時定数Ｔ（ｔ）を、補正位置算出部２６へ出力する。

次に、得られたＰ（ｔ）及びＶ（ｔ）を用いて補正位置Ｐ’（ｔ）を求める。これは、マルチパスの誤差が多く信頼性が低い位置Ｐ（ｔ）を、信頼性が高い速度Ｖ（ｔ）を利用して時定数Ｔで平滑化する補正位置算出部２６において、例えば下記のように補正したユーザ位置Ｐ’（ｔ）を求める処理である（ステップＳ２４）。

Ｐ'（ｔ）＝Ｗ（ｔ）×（Ｐ'（ｔ−１）＋Ｖ（ｔ））＋（１−Ｗ（ｔ））×Ｐ（ｔ）・・・（式３）

重みＷ（ｔ）は、常に０≦Ｗ（ｔ）≦１を満たし、例えば、初回測位であるｔ＝１のとき、Ｗ（１）＝０，２≦ｔ＜Ｔのとき、Ｗ（ｔ）＝ｔ−１／ｔ，ｔ≧Ｔのとき、Ｗ（ｔ）＝（Ｔ（ｔ）−１）／Ｔ（ｔ）となる。以下、同様にして繰返しループ（ステップＳ３２）へ移る。

２．第２の実施形態における積算信頼度算出
次に、第２の実施形態における、積算した位置ベクトルＰ（ｔ）と速度ベクトルＶ（ｔ）との比較で信頼度Ｓ（ｔ）を決定する処理について説明する。

図４は、本発明の第２の実施形態に係る測位信頼度計算処理の流れを示したフローチャート図である。第１の実施形態に示した瞬時の比較では、高周波数のノイズの影響により、位置ベクトルＰ（ｔ）と速度ベクトルＶ（ｔ）の両者が変動し、判断が困難になることがある。測位信頼度算出部２２は、図４に示すように、規定距離を走行する毎に信頼度Ｓ（ｔ）を決定する方法がある。

まず、走行距離Ｌ、カウンタｎ、平均位置Ｒ［４］及び記憶数Ｍの初期値は０とする。

ステップＳ４０の走行距離算出において、Ｖ（ｔ）から走行距離Ｌ＝Ｌ＋√（Ｖｘ（ｔ）^２＋Ｖｙ（ｔ）^２＋Ｖｚ（ｔ）^２）を算出し、Ｐ（ｔ）から平均位置Ｒ［４］＝ΣＰ（ｔ）／ｎ（ステップＳ４２）及びＶ（ｔ）から平均速度Ｈ［４］＝ΣＶ（ｔ）／ｎ（ステップＳ４４）を計算する。ここで、Ｒ［ｋ］，Ｈ［ｋ］（ｋ＝０，１，２，３，４）は、これまでに、走行距離Ｌを走行する毎に、メモリに記憶した平均位置、平均速度であり、ｋ＝０は最も過去のものとなる。

これは、ステップＳ４６における走行距離判定において、走行距離がＬ≧１０ｍのときステップＳ４８における平均位置、平均速度の更新を実施して、過去の平均位置Ｒ［０］、平均速度Ｈ［０］を更新する。

ステップＳ５０における記憶数判定において、Ｍは、走行距離が１０ｍ間隔毎に過去の平均位置、平均速度を記憶した記憶数であり、Ｍ≧３のとき、信頼度算出（ステップＳ５４）を実施する。そうでない場合は、まだ過去の記憶数が不足しているものとし、記憶数のカウントアップ（ステップＳ５２）で記憶数Ｍを1インクリメントして終了する。

さらに、ステップＳ５２において、（式４）に代入して過去３つの記憶したＲ［ｋ］，Ｈ［ｋ］からＳ（ｔ）を計算する。

３．第３の実施形態における積算信頼度算出
次に、第３の実施形態における、記憶した平均データの中で過去のものよりも最新のものを重視する処理について説明する。

図４のステップＳ５４を、（式５）に変更することにより、過去データよりも現在のものを重視することもできる。

なお、第２の実施形態におけるステップＳ５４では、ｋ＝１，２，３の各データは、均等に１／３の係数で行ったが、ここでは例えば、ｋ＝１のとき１／６、ｋ＝２のとき２／６、ｋ＝３のとき４／６と異なる係数を乗算することで、過去よりも最新のデータを重視した場合での信頼度を算出することになる。

図５は、本発明の実施形態に係るＧＰＳ測位装置１０による走行試験で用いた道路図である。本走行試験を行った道路は、マルチパスの影響が非常に大きい環境であり、１方、２方、４方を高層ビルに囲まれた地区を含んでいる。

図６は、本発明の参考となる位置補正がない場合の測位結果を示す軌跡図である。位置補正が無い場合は、マルチパスの影響により正しい走行ルートの軌跡が全く示されず、頻繁に位置跳びが発生している。

図７は、本発明の実施形態に係るＧＰＳ測位装置を用いて、位置補正処理をおこなった場合の軌跡図である。本実施形態では、マルチパスの影響を低減しつつほぼ正しい走行ルートの軌跡を残すことができている。以上のことから、本実施形態に係るＧＰＳ測位装置は、位置補正処理によりマルチパスの影響が大きく測位精度が非常に悪い環境でも十分に機能することが可能である。

本発明の実施形態に係るＧＰＳ測位装置の全体の構成を示した構成図である。本発明の実施形態に係る速度ベクトル、位置ベクトル及び信頼度を時間軸とともに示した説明図である。本発明の第１の実施形態に係るＧＰＳ測位装置の補正位置算出処理の流れを示したフローチャート図である。本発明の第２の実施形態に係る測位信頼度計算処理の流れを示したフローチャート図である。本発明の実施形態に係るＧＰＳ測位装置による走行試験で用いた道路図である。本発明の参考となる位置補正がない場合の測位結果を示す軌跡図である。本発明の実施形態に係るＧＰＳ測位装置を用いて、位置補正処理をおこなった場合の軌跡図である。

符号の説明

１０ＧＰＳ測位装置、１２ＧＰＳ衛星、１４測距部、１６測位計算部、１７ＧＰＳアンテナ、１８信号受信部、１９ビル、２２測位信頼度算出部、２４時定数算出部、２６補正位置算出部。

Claims

移動体に搭載され、複数の衛星からの信号を受信する受信機と、受信した信号から測位に用いられるコード擬似距離及びキャリアのドップラー周波数などを検出して受信機の位置を求める測位手段と、を有する測位装置において、
衛星から受信機までの擬似距離を算出する擬似距離算出手段と、
複数の擬似距離から受信機の位置情報を算出する測位算出手段と、
キャリアのドップラー周波数から受信機の移動速度を算出する移動速度算出手段と、
算出された受信機の位置情報と移動速度の相関値を位置情報の信頼度として算出する測位信頼度算出手段と、
算出された信頼度と反比例関係となる時定数を、位置変化の時定数として算出する時定数算出手段と、
時定数算出手段からの時定数により、測位算出手段からの位置情報を補正する補正位置算出手段と、
を有することを特徴とする測位装置。
請求項１に記載の測位装置において、
測位信頼度算出手段は、
算出された受信機の位置情報と移動速度を用いて、一定距離毎に走行した位置と移動速度の軌跡から相関値を求め、位置情報の信頼度として算出することを特徴とする測位装置。
請求項１又は２に記載の測位装置において、
さらに、移動速度算出手段からの移動速度を積算して積算速度を算出する積算速度算出手段を有し、
積算速度算出手段は、時定数算出手段からの時定数により位置と積算速度との差分となるオフセットを平滑化することを特徴とする測位装置。
請求項１から３のいずれか１項に記載の測位装置において、
測位信頼度算出手段は、
移動体の運動状態を測定するセンサなどから得られた移動速度と、測位算出手段からの位置情報と、の相関値を位置情報の信頼度として算出することを特徴とする測位装置。
複数の衛星からの信号を受信機で受信し、受信した信号から測位に用いられるコード擬似距離及びキャリアのドップラー周波数などを検出して受信機の位置を求める測位方法において、
衛星から受信機までの擬似距離を算出する擬似距離算出工程と、
複数の擬似距離から受信機の位置情報を算出する測位算出工程と、
キャリアのドップラー周波数から受信機の移動速度を算出する移動速度算出工程と、
算出された受信機の位置情報と移動速度の相関値を位置情報の信頼度として算出する測位信頼度算出工程と、
算出された信頼度と反比例関係となる時定数を、位置変化の時定数として算出する時定数算出工程と、
時定数算出工程からの時定数により、測位算出工程からの位置情報を補正する補正位置算出工程と、
を含むことを特徴とする測位方法。
請求項５に記載の測位方法において、
測位信頼度算出工程は、
算出された受信機の位置情報と移動速度を用いて、一定距離毎に走行した位置と移動速度の軌跡から相関値を求め、位置情報の信頼度として算出することを特徴とする測位方法。
請求項５又は６に記載の測位方法において、
さらに、移動速度算出工程からの移動速度を積算して積算速度を算出する積算速度算出工程を有し、
積算速度算出工程は、時定数算出工程からの時定数により位置と積算速度との差分となるオフセットを平滑化することを特徴とする測位方法。