JP2007033324A - 測位システム - Google Patents

Abstract

【課題】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】ユーザ装置３から伝送される測位衛星の観測データを用いて、基準局装置２の衛星信号受信機２１１〜２１ｎごとにキネマティック測位を行ってユーザアンテナ位置を決定する。さらに、基準局装置２からユーザ装置３へ、基準局装置２で観測した測位衛星データを伝送し、ユーザ装置３でも独自にキネマティック測位を行う。それぞれ独立してアンビギュィティを解き、それぞれユーザ装置３のキネマティック測位位置を計算する。ユーザ装置３の測位結果は、基準局装置２へ伝送する。基準局装置２で求めた複数のユーザアンテナ位置結果と、ユーザ装置３から伝送されてきたアンテナ位置結果とを比較し、ユーザ測位結果の妥当性を確かめるようにする。
【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。特にこの発明は、移動体に応用可能なキネマティック測位（動的キネマティック測位：オンザフライキネマティック測位（ＯＴＦ））技術を用いる測位システムに関する。

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１〜３にその詳細が開示される。特に、非特許文献１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、ＩＣＡＯ ＧＢＡＳ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。また非特許文献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。
B.Hofmann-Wellenhof, et. al,"GPS Theory and Practice Third,revised edition",Springer-Verlag Wien New York,1994. Pratap Misra,PerEnge,"GLOBAL POSITIONIG SYSTEM Signals,Measurements,and Performance.",Ganga-Jamuna Press,2001. "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．

ところで、数ｃｍ程度の測位結果を出力するキャリア位相整数解を解くためには、既存の技術においてはＬ１／Ｌ２キャリア位相値をそのまま使用している。このためノイズによる影響で間違った値を解としてしまう可能性がある。またその演算過程においては、可視できる全ての衛星に対するＬ１／Ｌ２キャリア位相値のみを使用している。しかしながら低仰角衛星を用いると、マルチパスの影響や信号強度が弱いため安定した解を出力できない。さらに、上記キャリア位相整数解を数ｃｍ程度の精度で解くキネマティック測位方式は知られているが、その信頼性を高めるための具体的提案は過去に知られていない。
この発明は上記事情によりなされたもので、その目的は、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第１および第２の周波数を含む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、前記衛星信号の２周波観測結果により算出したコード距離に対してそれぞれキャリア位相を用いたフィルタ処理を実施して得られる値と、前記２周波のキャリア位相とを用いて整数不確定値の候補となる解を算出し、この算出した解に含まれるノイズをカルマンフィルタにより除去して得られる整数値のうち最も出現頻度の高い値を整数化して前記衛星信号の第１の周波数の整数不確定値に変換して得られる整数不確定値と、前記第１の周波数のキャリア位相の二重差分とを用いて前記補正情報を生成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、２周波例えばＬ１／Ｌ２キャリア位相を用いた測位データの生のノイズを取り除くことができ、さらに解が正しいものであるかを判断できるようになる。また低仰角衛星のキャリア位相にある整数不確定値を安定して精度良く推定し、安定した高精度測位を実施することができるようになる。さらに、キネマティック測位結果の信頼性を高め、民間航空機などの移動体でも安全にキネマティック測位が使えるようにすることができるようになる。従って、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。

この発明によれば、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。この実施形態におけるキネマティック測位では、ユーザ装置の衛星受信アンテナの位置が求められる。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は衛星受信アンテナと衛星信号受信機２１１〜２１ｎを１セット、あるいはそれ以上の数にわたって備える。データ処理装置２２は衛星信号受信機２１１〜２１ｎからのデータを収集する。データ処理装置２２は衛星信号受信機２１１〜２１ｎから出力される衛星情報を元に測位処理を行う。測位処理の方法には以下の三つの方法がある。

（Ａ） 基準局装置２で観測した衛星情報と基準局装置２の衛星受信アンテナの位置情報とを、データ送受信装置２３〜データ送受信部３３のデータリンクを介してユーザ装置３に伝達する。これらのデータとユーザ装置３で受信した衛星情報とを統合し、ユーザ装置３のデータ処理部３２においてキネマティック測位を行う。ユーザ装置３における測位結果はデータリンクを介して基準局装置２へ伝送され、データ処理装置２２においてユーザ位置が確認される。
（Ｂ） ユーザ装置３で観測された衛星情報をデータリンクを介して基準局装置２に伝達し、基準局装置２で受信した衛星情報と統合して、基準局装置２のデータ処理装置２２においてキネマティック測位を行う。このとき、複数の衛星信号受信機２１１〜２１ｎごとにキネマティック測位を行う。複数の測位結果の平均値を、ユーザ装置３の位置情報としてデータリンクを介してユーザ装置３に向け伝送する。
（Ｃ） （Ａ）および（Ｂ）を並行して実施し、基準局装置２で計算したユーザ装置３の測位位置と、ユーザ装置３で計算したユーザ装置３自身の測位位置とを比較し、正しく測位ができているかどうかを基準局装置２のデータ処理装置２２で判定する。
以上、（Ａ）〜（Ｃ）の全ての方法に対し、衛星信号の受信状況、単独測位結果、キネマティック測位結果などを基準局装置２の表示装置２６に表示する。また、受信した衛星データ、ユーザ装置３との送受信データ、単独測位結果、キネマティック測位結果を、基準局装置２のデータ記録装置２５で記録する。

次に、測位データの具体的な算出方法につき詳細に説明する。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、ＯＴＦアルゴリズムに基づく処理を行う。オンザフライキネマティックを実現するためには高速で信頼性のあるキャリア位相の整数不確定値（アンビギュィティ）サーチ手法が必要である。コード距離とキャリア位相のダブルディファレンスは次のように表される。ダブルディファレンスとは、衛星ｋ、ｌとユーザｕ、基準局ｒとのコード距離（ρ）差、あるいはキャリア位相差（φ）を２回取ることである。

ここで、ｕ，ｒはそれぞれユーザ地点と基準局地点での観測を表し、ｋ，ｌは衛星を識別するための識別子である。式（４）〜式（７）は、Ｌ１周波数とＬ２周波数とにそれぞれ存在する。このとき、衛星の一つ（例えば衛星ｌ）を、基準局装置とユーザ装置両方で可視できる最も仰角の高い衛星（リファレンス衛星）とする。このことにより、安定してダブルディファレンスをとることができる。

次に、Ｌ１キャリア位相のアンビギュィティを解くために、まずＬ１及びＬ２キャリア位相の差分を取る（Wide Laneと言われる）。Ｌ１及びＬ２の整数不確定値の差分も整数であり、次式によりこの差分を求める。

このとき、ユーザ・基準局受信機間の距離が数十ｋｍであると対流圏遅延量及び電離層遅延量が両地点間でほぼ同じ値になるので、差分をゼロとみなすことができ、次式を得る。

式（１０）で表される値を整数化した値が、求めるアンビギュイティ解である。ただしコード距離にノイズがあるので、間違った値が出力される可能性がある。そこで、式（１０）につき衛星ごとにカルマン（Kalman）フィルタを適用し、ノイズを取り除く。このとき、フィルタを実施するのは、式（１０）の高仰角の例えば４衛星だけを対象とする。

Ｋａｌｍａｎフィルタの状態方程式、および観測方程式は次式に示すようになる。

ここで、ｘｋが求める値である。ｙｋは実際に観測した値であり、この場合Ｎ12,floatになる。ｋは、観測したデータの識別子である。この場合、φ，Ｉは単位行列とする。ｗｑ，ｖｒはそれぞれシステム雑音、観測雑音を表し、システム雑音ｗｑ及びシステム雑音共分散行列Ｑはゼロとする。観測雑音ｖｒ及び観測雑音共分散行列は、受信機などの特性により設定し、例として０．０５²を観測雑音、観測共分散行列要素とする。ここでの処理を図２のフローチャートに示す。

図２において、まず初期化処理を行ったのち（データ収集開始時のみ）（ステップＳ１）、観測行列Ｈおよび遷移行列φをそれぞれ単位行列に設定する（ステップＳ２）。次に、システム雑音、システム共分散行列ｗｑ、およびＱをゼロに設定し（ステップＳ３）、さらに、観測雑音、観測雑音共分散行列ｖｒ，Ｒを０．０５²に設定する（ステップＳ４）。さらに、Ｐ⁺ _k＝Ｐ^- _k＝０．１²に設定し（ステップＳ５）、以上のパラメータを用いてカルマンゲインを計算する（ステップＳ６）。次に、初期データＸ⁺ _k＝Ｎ12,floatを設定し（ステップＳ７）、Ｘ^- _k＝Ｘ⁺ _kに設定する（ステップＳ８）。

次に、式（１１）〜式（１６）に従い、観測したＮ12,floatデータをデータ収集期間ごとに入力し、更新する。

式（１７）式に示すように、フィルタ処理後のＸ⁺ _kを四捨五入して整数化し、この値をワイドレーンのアンビギュィティ解の候補とする。

次に、この候補となる整数値が出現する回数を時系列に数えるためのテーブルを作成し、このテーブルの中でもっとも多く出現している整数値を真の解とみなす。この解を、Ｎ12_mostとすると、このワイドレーンにより求められた解を次式（１８）によりＬ１信号のアンビギュィティに変換する。

この値を式（１９）によりさらに四捨五入することによりＬ１信号のアンビギュィティを求めることができる。

整数化した値Ｎ_{L1_solv}をアンビギュィティ解とすることにより、より信頼性のある結果を短時間で得ることができるようになる。

また、次のような手法によりさらに信頼性を高めることもできる。すなわち整数化した値Ｎ_{L1_solv}の出現頻度を衛星毎に求め、もっとも出現頻度の高い整数値をその衛星の整数値解とする。
図３は、算出されたアンビギュィティ解の整数値とその出現頻度の例を示す図である。

図３において横軸がＮ_{L1_solv}の値の例（１〜４）を示し、縦軸がその出現頻度を示す。図３においては２の出現頻度が最も高いので、２を最終的な解とする。このアンビギュィティ解を用いて次式（２０）に代入することにより、基準局位置Ｘ_rからユーザ位置Ｘ_uへのベクトルＸ_urを求めることができる。基準局アンテナ位置は既知であるので、ユーザ装置の位置は次の式で決定される。

ここで、Ｘ_urは、基準局装置２とユーザ装置３の双方から可視できる衛星のアンビギュィティ解を（１９）で求め、次式（２１）〜（２３）に代入することで求めることができる。

式（２３）におけるｅ¹ _rは、基準局アンテナから衛星１への方向単位ベクトルを示す。

次に、高仰角の３衛星を除く衛星アンビギュィティ解を決定する方式につき説明する。まず、基準局装置アンテナから衛星までの方向ベクトル差分から構成される行列を次式（２４）〜（２６）のように定義する。

式（２４）のｅ¹ _rは、基準局装置のアンテナから衛星１への方向単位ベクトルを示す。このとき、衛星ｌは最も仰角の高い衛星とし、ｎは共通可視衛星より１少ない衛星数を示す。

このとき、Ｑ行列はｎ×ｎの正方行列となる。この正方行列は、次式（２７）のような部分行列から構成される。

Ｑ₁₁は（ｎ−３）×（ｎ−３）行列、Ｑ₁₂は（ｎ−３）×３行列、Ｑ₂₁は３×（ｎ−３）行列、Ｑ₂₂は３×３行列とすることができる。ダブルディファレンスキャリア位相を要素とする行列を式（１５）のように設定する。このとき、式（１５）の下３行の衛星は仰角の高い衛星３つを選択し、前項のWide LaneのKalman Filter対象衛星を配置する。対応した衛星のアンビギュィティ解を以下に示す。ここで、３つの高仰角衛星に対するアンビギュィティＮ² _{ur,L1_solv}は、第１の実施形態のWide Laneによる式（１９）から決定される整数値である。残るアンビギュィティＮ¹ _{ur,L1_solv}を以下の式に基づいて順次決定する。

まず、既に決定されているＮ² _{ur,L1_solv}を使い、アンビギュィティＮ¹ _{ur,L1_solv}の候補となる実数解Ｎ¹ _{ur,L1_float}を求める。

式（２９）の実数解を四捨五入した値（式（３０））を残りのアンビギュィティ解とする。

次に、キネマティク測位処理につき説明する。式（３０）のアンビギュィティ解を用いて次式（３１）に代入することにより、基準局装置アンテナ位置Ｘ_rからユーザ装置アンテナ位置Ｘ_uへのベクトルＸ_urを求めることができる。基準局装置アンテナ位置は既知であるので、ユーザ装置アンテナ位置は次の式で決定される。

ここで、Ｘ_urは、前項までに求めたアンビギュィティ解を次の式に代入することで求めることができる。

次に、先に述べた方法（Ａ）〜（Ｃ）に対する測位データの検証方式につき述べる。上記の過程では、ユーザ装置３から伝送される測位衛星の観測データを用いて、基準局装置２の衛星信号受信機２１１〜２１ｎごとにキネマティック測位を行ってユーザアンテナ位置を決定する。さらに、基準局装置２からユーザ装置３へ、基準局装置２で観測した測位衛星データを伝送し、ユーザ装置３でも独自にキネマティック測位を行う。それぞれ独立してアンビギュィティを解き、それぞれユーザ装置３のキネマティック測位位置を計算する。ユーザ装置３の測位結果は、基準局装置２へ伝送する。基準局装置２で求めた複数のユーザアンテナ位置結果と、ユーザ装置３から伝送されてきたアンテナ位置結果とを比較し、ユーザ測位結果の妥当性を確かめるようにしている。

ここで、ユーザ装置３で計算した結果を基準局装置２側の結果と照合し、誤差がある一定の範囲（事前に決めておく）内にある場合に、正常に解が決定できたと判断する。そして、正常に解が決定されているかどうかをユーザ装置３側へ通知する。また、引き続きユーザ装置３のキネマティック測位結果を基準局装置２側でチェックし、異常があった場合にはユーザ装置３側に通知するようにする。解の正常性の判定は例えば四段階で行うことができる。その判定基準の例を以下に説明する。

（Ｘ_u，Ｙ_u，Ｚ_u）をユーザ装置３で測位した測位位置とし、（Ｘ^k _r，Ｙ^k _r，Ｚ^k _r）を基準局装置２の衛星信号受信機で測位したユーザの測位位置とする。なお基準局装置３の衛星信号受信機２１１〜２１ｎを識別子ｋで区別する。両者の位置誤差は次式（３３）で表すことができる。

位置誤差に関する判定基準として、例えば次の基準を用いることができる。
ε^k _ru＞１ｍ（解けていない：レッド状態）
０．２ｍ＜ε^k _ru＜＝１ｍ（部分的に解けている：イエロー状態）
０．０５ｍ＜ε^k _ru＜＝０．２ｍ（部分的に解けている：グリーン状態）
ε^k _ru＜＝０．０５ｍ（完全に解けている：ブルー状態）
基準局装置２側で複数の受信機がグリーン状態になった場合、解が解けたと判断する。この状態になった基準局装置２側の受信機の測位解の平均をユーザ位置と判断する。判定後のユーザ位置をユーザ装置３側に伝送する。これに対し、基準局装置２側で複数の受信機がレッド状態になった場合、異常が発生したとして、異常が発生していることをユーザ装置３側に通知するようにする。

以上の処理により、Ｌ１／Ｌ２キャリア位相を用いた生のノイズを取り除くことができ、さらに解が正しいものであるかを判断できるようにする。また低仰角衛星のキャリア位相にある整数不確定値を安定して精度良く推定し、安定した高精度測位を実施することができる。さらに、キネマティック測位結果の信頼性を高め、民間航空機などの移動体でも安全にキネマティック測位が使えるようにすることができる。

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。 この発明の実施形態におけるアンビギュイティ解の算出過程の一例を示すフローチャート。 算出されたアンビギュィティ解の整数値とその出現頻度の例を示す図。

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 (3)

1. 複数の測位衛星から送信され第１および第２の周波数を含む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、
   前記衛星信号の２周波観測結果により算出したコード距離に対してそれぞれキャリア位相を用いたフィルタ処理を実施して得られる値と、前記２周波のキャリア位相とを用いて整数不確定値の候補となる解を算出し、
   この算出した解に含まれるノイズをカルマンフィルタにより除去して得られる整数値のうち最も出現頻度の高い値を整数化して前記衛星信号の第１の周波数の整数不確定値に変換して得られる整数不確定値と、前記第１の周波数のキャリア位相の二重差分とを用いて前記補正情報を生成することを特徴とする測位システム。
2. 前記データ処理手段は、可視可能な測位衛星のうち高仰角に位置するものから順に少なくとも４つの測位衛星から送信される衛星信号の２周波観測結果に基づいて前記補正情報を生成することを特徴とする請求項１に記載の測位システム。
3. 前記データ処理手段は、前記ユーザ装置から通知されるこのユーザ装置の測位位置と、前記基準局装置において測位した前記ユーザ装置の測位位置との相互の位置誤差に基づいて、前記整数不確定値の正常性を判定することを特徴とする請求項１に記載の測位システム。

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