JP2007101484A - Device for measuring carrier phase relative position - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は移動体に固定された複数のGPSアンテナを備えたキャリア位相相対測位装置に関する。 The present invention relates to a carrier phase relative positioning device including a plurality of GPS antennas fixed to a moving body.
キャリア位相差を用いて測位を行うキャリア位相相対測位装置として、例えば、移動体にリジットに固定された複数のGPSアンテナと慣性センサユニットを用いて移動体の姿勢を検出する姿勢検出装置がある。この姿勢検出装置では、アンテナ対と複数の衛星間で生成されるキャリア位相差の観測量から整数バイアス解を求め、得られた整数バイアス解から基準アンテナに対する他のアンテナ(以下、スレーブアンテナとする。)の位置ベクトル、即ち、基線ベクトルを算出し、この基線ベクトルから移動体の姿勢を決定している。 As a carrier phase relative positioning device that performs positioning using a carrier phase difference, for example, there is a posture detection device that detects the posture of a moving body using a plurality of GPS antennas fixed to the moving body and inertial sensor units. In this attitude detection device, an integer bias solution is obtained from an observed amount of carrier phase difference generated between an antenna pair and a plurality of satellites, and another antenna (hereinafter referred to as a slave antenna) with respect to a reference antenna is obtained from the obtained integer bias solution. )), That is, a base line vector, and the posture of the moving body is determined from the base line vector.
このような姿勢算出装置等のキャリア位相差を用いて測位を行うキャリア位相相対測位装置において、整数バイアス解(Integer Ambiguity)を高速にかつ正しく決定することは主要な技術課題である。 In such a carrier phase relative positioning device that performs positioning using a carrier phase difference, such as an attitude calculation device, it is a major technical problem to determine an integer bias solution (Integer Ambiguity) quickly and correctly.
図6はこの整数バイアス解を得るための演算処理手順を説明する図である。整数バイアス解の決定は、図6に示すように整数バイアスのフロート解(Ambiguity float solution)の推定処理101、整数バイアス解の決定処理102、及び整数バイアス解の検定処理103の3つに大別できる。
FIG. 6 is a diagram for explaining an arithmetic processing procedure for obtaining this integer bias solution. As shown in FIG. 6, the integer bias solution determination is roughly divided into an integer bias float
整数バイアスのフロート解の推定処理101は測位用信号の位相差観測量から整数バイアスのフロート解を算出する処理であり、カルマンフィルタ等を用いて整数バイアスのフロート解を推定する(非特許文献1)。整数バイアス解の決定処理102は整数バイアスのフロート解を算出後、整数バイアスのフロート解の算出精度に応じて決定されるサーチ範囲に基づいて整数バイアス候補解を決定し、該整数バイアス候補解からp個の整数バイアス候補解セット(N1,N2,・・・,Nk)pを決定する。その後決定したp個の整数バイアス候補解セット(N1,N2,・・・,Nk)pから1個の真の整数バイアス解セットを絞り込み、整数バイアス解を決定する。整数バイアス解の決定処理102にはLAMBDA技法(非特許文献2)等の公知の技法が用いられる。整数バイアス解の検定処理103は基線長情報等の既知情報を用いて決定された整数バイアス解が正しいかどうかを検定する処理である。
An integer bias float
一旦整数バイアス解が決まれば、整数バイアス解を既知としてカルマンフィルタ等を用いて基線ベクトルを算出することができる。この基線ベクトルから姿勢検出装置は移動体の姿勢を得ることができる。 Once an integer bias solution is determined, the baseline vector can be calculated using a Kalman filter or the like with the integer bias solution known. The posture detection apparatus can obtain the posture of the moving body from the baseline vector.
ところで、整数バイアス解を高速にかつ正しく決定するための技法は種々提案されている。例えば、非特許文献3、4は整数バイアスのフロート解や整数バイアス解の検定に基線長等の制約(baseline length constrain)を利用した技法を提案している。
By the way, various techniques for quickly and correctly determining an integer bias solution have been proposed. For example, Non-Patent
非特許文献3は、移動体外の既知位置に置かれたGPS基準局に対して 移動体に2個のGPS移動局が固定設置された構成において、2個の移動局アンテナ間の基線長を既知の制約条件として整数バイアス解を推定するものである。なお、非特許文献3は、ピッチ、heading等の制約条件の利用も提示しているが、此等の制約は整数バイアスが決定された後でないと適用できない。
Non-Patent
非特許文献4は、整数バイアス候補解の決定において、3次元空間のサーチ範囲を低次元化することによって効率的に整数バイアス候補解を求めるために、また、整数バイアスの検定のために既知の基線長情報を利用する技法である。 Non-Patent Document 4 is known in order to efficiently obtain an integer bias candidate solution by reducing the search range of a three-dimensional space in determining an integer bias candidate solution, and for an integer bias test. This technique uses baseline length information.
これに対し、後述する本発明は、移動体上にリジットに固定された複数のアンテナから得られる位相差観測量を用いて、整数バイアスのフロート解、基線ベクトルを推定するものであり、整数バイアスのフロート解、基線ベクトルを推定する推定アルゴリズムに直接、基線長等の既知情報制約を組み込んで整数バイアスのフロート解或いは基線ベクトルを求める技法である。
しかしながら、前述の従来の技法を用いたとしても、整数バイアスのフロート解の収束に要する時間はGPSの衛星数に大きく依存するため、使用できるGPS衛星数が最小必要数の場合には整数バイアスフロート解の推定処理101を終えるのに通常20〜30分以上かかってしまう。また、推定された整数バイアスのフロート解の精度も悪くなる。整数バイアスのフロート解の精度が劣化することにより、その後の整数バイアス解の決定処理102や整数バイアス解の検定処理103に要する時間も長くなり、誤った整数バイアス解が生じることにもなる。
However, even if the above-described conventional technique is used, the time required for the convergence of the integer bias float solution greatly depends on the number of GPS satellites. Therefore, when the number of GPS satellites that can be used is the minimum necessary number, the integer bias float is used. It usually takes 20 to 30 minutes or more to finish the
さらに、整数バイアス解を決定するために要する時間や整数バイアス解の決定精度は、マルチパス観測誤差の影響も受け、時には整数バイアス解が求められないか誤った整数バイアス解を生じることもある。 Furthermore, the time required to determine the integer bias solution and the accuracy of determining the integer bias solution are also affected by multipath observation errors, and sometimes an integer bias solution cannot be obtained or an incorrect integer bias solution may be generated.
特に、短い基線長が要求される装置においては、整数バイアス解の僅かな誤りでも位置、速度、姿勢等に許容できない誤差を与えるので、正しい整数バイアス解を速く決定することが極めて重要となる。 In particular, in an apparatus that requires a short baseline length, even a slight error in the integer bias solution gives an unacceptable error in position, velocity, attitude, etc., so it is extremely important to quickly determine the correct integer bias solution.
また、慣性センサを利用したGPS/INS統合化装置(MA−GPS/INSシステム)も提案されているが、上述の欠点は十分に克服できていない。特に、電源ON時の整数バイアス解の決定に関してはGPSシステムの性能に依存するためINSを統合したメリットを十分に生かせていない。 Also, a GPS / INS integrated device (MA-GPS / INS system) using an inertial sensor has been proposed, but the above-mentioned drawbacks have not been sufficiently overcome. In particular, the determination of the integer bias solution when the power is turned on depends on the performance of the GPS system, and therefore, the merit of integrating the INS is not fully utilized.
本発明は前記課題に鑑みてなされたものであり、整数バイアスのフロート解の推定処理101において、整数バイアスのフロート解を高速且つ高精度に推定することを目的とする。また、同時に、本発明は整数バイアス解決定後に、決定された整数バイアス解を用いて基線ベクトルを高速且つ高精度に求めることを目的とする。
The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to estimate an integer bias float solution at high speed and with high accuracy in the integer bias float
前記課題を解決するために、本発明は、移動体上に固定された複数のアンテナを備えるキャリア位相相対測位装置において、前記複数のアンテナで受信した測位用信号から位相差観測量を得る受信機と、記複数のアンテナの相対的な位置関係より得られる既知情報を制約条件として、前記位相差観測量から整数バイアスのフロート解を推定する整数バイアスフロート解推定部を備えることを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a receiver for obtaining a phase difference observation amount from positioning signals received by a plurality of antennas in a carrier phase relative positioning device including a plurality of antennas fixed on a moving body. And an integer bias float solution estimator for estimating an integer bias float solution from the phase difference observation amount using known information obtained from the relative positional relationship of the plurality of antennas as a constraint.
すなわち、整数バイアスフロート解推定部は、整数バイアスのフロート解の推定アルゴリズムに基線長等の既知情報制約条件を直接組み込み、整数バイアスのフロート解を推定する。既知情報制約付きの条件下で整数バイアスのフロート解を推定する具体的な技法としては、例えば、ラグランジェ乗数(Lagrange multiplier)や拡張カルマンフィルタによる方法が考えられる。 That is, the integer bias float solution estimation unit directly incorporates a known information constraint condition such as a baseline length into an integer bias float solution estimation algorithm to estimate an integer bias float solution. As a specific technique for estimating an integer bias float solution under a condition with known information constraints, for example, a method using a Lagrange multiplier or an extended Kalman filter is conceivable.
ここで、複数のアンテナの相対的な位置関係より得られる既知情報とは、複数のGPSアンテナ1が固定されていることから得られる既知の情報をいい、例えば、GPSアンテナ間の基線長情報や、各GPSアンテナ間に形成される基線の内積、外積情報がある。
Here, the known information obtained from the relative positional relationship of the plurality of antennas refers to known information obtained from the fact that the plurality of
また、本発明は、基線ベクトル初期値演算部が基線ベクトルの初期値を推定し、推定した基線ベクトルを前記整数バイアスフロート解推定処理時の基線ベクトルの初期値として与えることを特徴とする。これにより、整数バイアスのフロート解の推定処理をより高精度かつ高速に行うことが可能になる。なお、基線ベクトルの初期値の推定技法としては、例えば、移動体速度から算出した擬似姿勢角を用いて基線ベクトルを推定する技法や慣性センサの観測量及び移動体速度を用いて基線ベクトルを推定する技法がある。 Further, the present invention is characterized in that the baseline vector initial value calculation unit estimates an initial value of the baseline vector, and provides the estimated baseline vector as an initial value of the baseline vector during the integer bias float solution estimation processing. This makes it possible to perform an integer bias float solution estimation process with higher accuracy and speed. Note that the initial value of the baseline vector is estimated by using, for example, a technique for estimating the baseline vector using the pseudo posture angle calculated from the moving body velocity, or estimating the baseline vector using the observation amount of the inertial sensor and the moving body speed. There is a technique to do.
更に、本発明における既知情報制約による技法は、整数バイアスのフロート解の推定に適用できるのみならず、整数バイアス解が決定した後の基線ベクトルの算出においても同様に適用することができる。 Furthermore, the technique based on the known information constraint in the present invention can be applied not only to the estimation of the integer bias float solution but also to the calculation of the baseline vector after the integer bias solution is determined.
すなわち、本発明は移動体上に固定された複数のアンテナを備えるキャリア位相相対測位装置において、前記複数のアンテナで受信した測位用信号から位相差観測量を得る受信機と、前記位相差観測量から整数バイアス解を算出する整数バイアス解算出部と、前記複数のアンテナの相対的な位置関係より得られる既知情報を制約条件として、前記位相差観測量及び前記整数バイアス解から基線ベクトルを算出する基線ベクトル算出部を備えることを特徴とする。 That is, the present invention relates to a carrier phase relative positioning device including a plurality of antennas fixed on a moving body, a receiver for obtaining a phase difference observation amount from positioning signals received by the plurality of antennas, and the phase difference observation amount. The base line vector is calculated from the phase difference observation amount and the integer bias solution, using the integer bias solution calculation unit for calculating the integer bias solution from the above and the known information obtained from the relative positional relationship of the plurality of antennas as constraints. A baseline vector calculation unit is provided.
この基線ベクトル算出部は、整数バイアス解算出部で算出された整数バイアス解を既知量として、基線ベクトルの推定アルゴリズムに基線長等の既知情報制約条件を直接組み込み、基線ベクトルを算出する。既知情報制約付きの条件下で基線ベクトルを求める具体的な技法としては、例えば、ラグランジェ乗数(Lagrange multiplier)や拡張カルマンフィルタによる方法が考えられる。 The baseline vector calculation unit calculates a baseline vector by directly incorporating known information constraint conditions such as a baseline length into the baseline vector estimation algorithm using the integer bias solution calculated by the integer bias solution calculation unit as a known amount. As a specific technique for obtaining the baseline vector under a condition with known information constraints, for example, a method using a Lagrange multiplier or an extended Kalman filter can be considered.
また、本発明は、基線ベクトル初期値演算部が基線ベクトルの初期値を推定し、推定した基線ベクトルを前記基線ベクトル算出処理時の基線ベクトルの初期値として与えることを特徴とする。これにより、整数バイアスのフロート解の推定処理をより高精度かつ高速に行うことが可能になる。なお、基線ベクトルの初期値の推定技法としては、例えば、移動体速度から算出した擬似姿勢角を用いて基線ベクトルを推定する技法や慣性センサの観測量及び移動体速度を用いて基線ベクトルを推定する技法がある。 Further, the present invention is characterized in that the baseline vector initial value calculation unit estimates an initial value of the baseline vector, and provides the estimated baseline vector as an initial value of the baseline vector during the baseline vector calculation process. This makes it possible to perform an integer bias float solution estimation process with higher accuracy and speed. Note that the initial value of the baseline vector is estimated by using, for example, a technique for estimating the baseline vector using the pseudo posture angle calculated from the moving body velocity, or estimating the baseline vector using the observation amount of the inertial sensor and the moving body speed. There is a technique to do.
また、本発明は、慣性センサの観測量を基線ベクトルの初期値推定に用いる場合において該慣性センサ誤差を補正する手段をさらに備えることを特徴とする。すなわち、整数バイアス解の決定後に得られる情報を用いて前記慣性センサの観測量誤差を補正する慣性センサ誤差補正部をさらに備え、前記基線ベクトル初期値演算部は、整数バイアス解の再決定時に、前記慣性センサ誤差補正部で誤差補正された前記慣性センサの観測量を用いて基線ベクトルを推定することにより、初期値として与える基線ベクトルの値を得る。この構成により、整数バイアス解の再決定時には、より高精度かつ高速に整数バイアスのフロート解、及び基線ベクトルを求めることが可能になる。 The present invention is further characterized by further comprising means for correcting the inertial sensor error when the observed amount of the inertial sensor is used to estimate the initial value of the baseline vector. That is, it further includes an inertial sensor error correction unit that corrects an observation amount error of the inertial sensor using information obtained after the determination of the integer bias solution, and the baseline vector initial value calculation unit re-determines the integer bias solution, A baseline vector value is obtained as an initial value by estimating a baseline vector using the observed amount of the inertial sensor whose error is corrected by the inertial sensor error correction unit. With this configuration, when the integer bias solution is re-determined, the integer bias float solution and the baseline vector can be obtained with higher accuracy and higher speed.
本発明によれば、複数のアンテナの相対的な位置関係より得られる既知情報を制約条件として、前記位相差観測量から整数バイアスのフロート解を推定することにより、制約の条件のない従来の推定技法に比べて、より高精度且つ高速に整数バイアスのフロート解が推定できる。この結果、整数バイアス解も高精度かつ高速に決定できる。 According to the present invention, by using known information obtained from the relative positional relationship of a plurality of antennas as a constraint condition, a float solution with an integer bias is estimated from the phase difference observation amount, so that conventional estimation without a constraint condition is performed. Compared to the technique, an integer bias float solution can be estimated with higher accuracy and speed. As a result, the integer bias solution can also be determined with high accuracy and high speed.
また、本発明は基線ベクトル初期値演算部により基線ベクトルの初期値を正確に推定することができるため、基線ベクトルの初期値の精度が良い場合は直接、整数バイアスと見なせることができるような精度で整数バイアスのフロート解が決定できる。また、このような高精度で基線ベクトル初期値が得られない場合であったとしても、整数バイアスのフロート解の誤差共分散は従来の技法に比べて格段小さくできる。このため、整数バイアス解を決定のためのサーチ範囲を狭くすることができ、結果として、より高速且つ正確に整数バイアス解を求めることが可能になる。 In addition, since the present invention can accurately estimate the initial value of the baseline vector by the baseline vector initial value calculation unit, if the accuracy of the initial value of the baseline vector is good, the accuracy can be regarded as an integer bias directly. To determine the integer bias float solution. Even if the baseline vector initial value cannot be obtained with such high accuracy, the error covariance of the integer bias float solution can be made much smaller than that of the conventional technique. Therefore, the search range for determining the integer bias solution can be narrowed, and as a result, the integer bias solution can be obtained more quickly and accurately.
更に、本発明における既知情報制約による技法は、整数バイアスのフロート解の推定に適用できるのみならず、整数バイアス解が決定した後の基線ベクトルの算出においても同様に適用することができる。 Furthermore, the technique based on the known information constraint in the present invention can be applied not only to the estimation of the integer bias float solution but also to the calculation of the baseline vector after the integer bias solution is determined.
また、本発明による既知情報制約による技法は位相差観測量の観測雑音に起因する推定精度の劣化対策として寄与するのみならず、マルチパス雑音による精度の劣化対策としても効果が期待できる。 In addition, the technique based on the known information restriction according to the present invention not only contributes as a measure against the deterioration of estimation accuracy caused by the observation noise of the phase difference observation amount, but also can be expected to be effective as a measure against the deterioration of accuracy due to multipath noise.
(実施の形態1)
以下、本発明の実施の形態1によるキャリア位相相対測位装置について図面を参照しながら説明する。
(Embodiment 1)
Hereinafter, a carrier phase relative positioning apparatus according to
図1は、本発明で使用する航法座標系と移動体座標系について説明する説明図である。
図1(a)は、航法座標系と移動体座標系について示す図である。図1に示すように、基準となる航法座標系は北、東方向をそれぞれX軸、Y軸とする右手系の直交座標系(Geodetic座標系)である。また、移動体座標系は移動体の進行方向、右手方向をそれぞれX軸、Y軸とする右手系の直交座標系であり、移動体が船舶の場合には船首方向をX軸、右舷方向をY軸として設定する。なお、両座標系の原点は必ずしも一致させる必要はないが、ここでは理解を助けるために一致させている。また、本発明の説明中、右肩添え字nは航法座標系を示し、右肩添え字bは、移動体座標系(Body座標系)を示す。
FIG. 1 is an explanatory diagram for explaining a navigation coordinate system and a moving body coordinate system used in the present invention.
FIG. 1A is a diagram showing a navigation coordinate system and a moving body coordinate system. As shown in FIG. 1, the reference navigation coordinate system is a right-handed orthogonal coordinate system (Geodetic coordinate system) in which the north and east directions are the X axis and the Y axis, respectively. The moving body coordinate system is a right-handed orthogonal coordinate system in which the moving direction of the moving body and the right hand direction are the X axis and the Y axis, respectively. When the moving body is a ship, the bow direction is the X axis and the starboard direction is the starboard direction. Set as Y-axis. Note that the origins of both coordinate systems do not necessarily match, but here they are matched to help understanding. In the description of the present invention, the right shoulder suffix n indicates a navigation coordinate system, and the right shoulder suffix b indicates a moving body coordinate system (Body coordinate system).
図1(b)は、図1(a)の移動体座標系上にマウントされたGPSアンテナ位置を示す図である。図1(b)において、基準アンテナが移動体座標系の原点に設置され、スレーブアンテナが所定の位置に設置されている。スレーブアンテナの位置は複数の基線ベクトルの方向が異なるような既知の任意の位置に設定される。図1(b)は2個のスレーブアンテナの例を示しているが、スレーブアンテナは1個以上であればよい。 FIG. 1B is a diagram showing the position of the GPS antenna mounted on the moving object coordinate system of FIG. In FIG. 1B, the reference antenna is installed at the origin of the moving object coordinate system, and the slave antenna is installed at a predetermined position. The position of the slave antenna is set to a known arbitrary position where the directions of the plurality of baseline vectors are different. FIG. 1B shows an example of two slave antennas, but one or more slave antennas may be used.
図2は、本発明の実施の形態1によるキャリア位相相対測位装置の構成の一例を示す図であり、移動体上にリジットに固定された3個のGPSアンテナを備えたキャリア位相相対測位装置の構成例を示している。 FIG. 2 is a diagram illustrating an example of the configuration of the carrier phase relative positioning device according to the first embodiment of the present invention, in which the carrier phase relative positioning device including three GPS antennas fixed to a rigid body on a moving body. A configuration example is shown.
図2において、本発明の実施の形態1によるキャリア位相相対測位装置は、GPSアンテナ1と、GPS受信機2と、演算処理部3aとからなる。演算処理部3aは、整数バイアスフロート解推定部11と、整数バイアス決定部12と、整数バイアス検定部13と、基線ベクトル算出部14と、GPS姿勢演算部15とから構成されている。
In FIG. 2, the carrier phase relative positioning device according to the first embodiment of the present invention includes a
GPSアンテナ1は、移動体上にリジットに固定されたアンテナであり、各アンテナは既知の位置に置かれている。なお、移動体上に固定されたGPSアンテナ1は必ずしも3個に限られず、少なくとも2個以上、また基線の内積、外積を既知情報として用いる場合には少なくとも3個以上であればよい。なお、本発明の実施形態では、GPSアンテナ1を例に挙げて説明するが、アンテナが受信する電波はGPS衛星から送信される測位用信号に限らず、GLONASS衛星、GALILEO衛星、或いは、準天頂衛星等の測位用衛星から送信される測位用信号のうち少なくとも1つ以上の信号を受信できるものであればよい。
The
GPS受信機2は、複数の衛星からの測位用信号をGPSアンテナ1経由で受信して位相差観測量を生成し、基準アンテナ位置及び衛星位置の情報(Ephemeris)と共に整数バイアスフロート解推定部11に出力する。ここで、位相差観測量は1重位相差、または2重位相差であっても良い。
The
整数バイアスフロート解推定部11は、位相差観測量と整数バイアスのフロート解とを関係づける観測方程式にGPSアンテナ間の相対的な位置関係より得られる既知情報の制約を組み込んで整数バイアスのフロート解を推定する。なお、GPSアンテナ間の相対的な位置関係より得られる既知情報とは、複数のGPSアンテナ1が固定されていることから得られる既知の情報をいい、例えば、基線長情報や、各GPSアンテナ間に形成される基線の内積、外積情報がある。また、整数バイアスフロート解推定部11が既知情報制約付きの条件下で整数バイアスのフロート解を推定する具体的な技法としては、例えば、ラグランジェ乗数(Lagrange multiplier)や拡張カルマンフィルタによる方法が考えられる。なお、この詳細は後述する。
The integer bias float solution estimator 11 incorporates the constraint of known information obtained from the relative positional relationship between GPS antennas into the observation equation relating the phase difference observation amount and the integer bias float solution, and thereby the integer bias float solution. Is estimated. The known information obtained from the relative positional relationship between the GPS antennas means known information obtained from the fact that the plurality of
整数バイアス決定部12は、公知のLAMBDA技法等を用いて整数バイアスフロート解推定部11で推定された整数バイアスのフロート解からp個の整数バイアス候補解セットを求める。その後p個の整数バイアスの整数バイアス候補解セットの中から1個の真の整数バイアス解セットを絞り込み、整数バイアス解を決定する。ところで、整数バイアス決定部12における整数バイアス候補解のサーチ範囲は、前述の整数バイアスフロート解推定部11によって得られる整数バイアスのフロート解の精度に依存する。そのため、整数バイアスのフロート解の高精度化を実現することにより、整数バイアス候補解のサーチ範囲を狭め、整数バイアスの決定処理の高速化も同時に実現することができる。また、整数バイアスフロート解推定部11による整数バイアスのフロート解の推定精度によっては、直接整数バイアスの整数解が得られるため、整数バイアス決定部12を省略し、直接、整数バイアスフロート解推定部11から整数バイアス解の検定を行うことも不可能ではない。 The integer bias determination unit 12 obtains p integer bias candidate solution sets from the integer bias float solution estimated by the integer bias float solution estimation unit 11 using a known LAMBDA technique or the like. Thereafter, one true integer bias solution set is narrowed down from the integer bias candidate solution sets of p integer biases, and integer bias solutions are determined. By the way, the search range of the integer bias candidate solution in the integer bias determination unit 12 depends on the precision of the integer bias float solution obtained by the integer bias float solution estimation unit 11 described above. Therefore, by realizing higher accuracy of the integer bias float solution, the search range of the integer bias candidate solutions can be narrowed, and the speed of the integer bias determination process can be simultaneously realized. Further, depending on the estimation accuracy of the integer bias float solution by the integer bias float solution estimation unit 11, an integer solution of an integer bias can be obtained directly. Therefore, the integer bias determination unit 12 is omitted, and the integer bias float solution estimation unit 11 directly. It is not impossible to test integer bias solutions from
整数バイアス検定部13は、基線長検定や統計的検定等の公知の技法により整数バイアス決定部12によって決定された整数バイアス解が正しいかどうかを検定するものである。 The integer bias test unit 13 tests whether the integer bias solution determined by the integer bias determination unit 12 is correct by a known technique such as a baseline length test or a statistical test.
基線ベクトル算出部14は、整数バイアス検定部13をパスした整数バイアス解を既知量として、基線ベクトルに対して線形化した位相差観測方程式にGPSアンテナ間の相対的な位置関係より得られる既知情報の制約を組み込んで基線ベクトルを算出する。この際、基線ベクトル算出部14は、整数バイアス解を既知とした新たな位相差観測量を用いる。なお、既知情報制約付きの条件下で基線ベクトルを求める具体的な手法としては、上述と同様、ラグランジェ乗数や拡張カルマンフィルタ技法が適用できる。この詳細については後述する。
The baseline
GPS姿勢演算部15は、基線ベクトル算出部14で算出された基線ベクトルからTRIAD技法やQUEST技法等の公知の技法を用いて姿勢角を求めるものである。
The GPS attitude calculation unit 15 obtains an attitude angle from the baseline vector calculated by the baseline
整数バイアス解算出部16は、位相差観測量から整数バイアス解を算出するブロックを図示したものであり、例えば、前述の整数バイアスフロート解推定部11、整数バイアス決定部12、及び整数バイアス検定部13を構成要素とする。
The integer bias
次に、整数バイアスフロート解推定部11が行う処理についてさらに詳細に説明する。
例えば、1重位相差観測モデル(single difference observation model )における航法座標系のキャリア位相差観測量ΔΦijは、次式〔数1〕で表わせる。ここで、右下添え字で示したi、jはそれぞれ、i番目のスレーブアンテナ、j番目の衛星を示す。
For example, the carrier phase difference observation amount ΔΦ ij in the navigation coordinate system in the single difference observation model can be expressed by the following equation (Equation 1). Here, i and j indicated by subscripts at the lower right indicate the i-th slave antenna and the j-th satellite, respectively.
なお、以下の説明では、説明の簡略化のため、ある1個の基線ベクトルについて考える。そのために基線ベクトルにつけた右下添え字iは省略する。もし、複数の基線ベクトルで考える場合はそれに対応する式を形成すれば良く、以下で説明する技法を同様に適用することができる。 In the following description, a single baseline vector is considered for the sake of simplicity. Therefore, the lower right subscript i attached to the baseline vector is omitted. If a plurality of baseline vectors are considered, an expression corresponding to the baseline vector may be formed, and the technique described below can be similarly applied.
さて、観測方程式〔数1〕を線形化してマトリクス表現すると次式〔数2〕のように表現することができる。なお、右下添え字で示したt(1,2,・・・,n)は観測エポックを示す。
整数バイアスフロート解推定部11は、観測方程式〔数2〕に基づいて基線ベクトル(xt,yt,zt)、整数バイアス解(ΔN1,ΔN2,・・・,ΔNk)からなるステートXtをGPSアンテナ間の相対的な位置関係より得られる既知情報の制約条件下で推定する。 The integer bias float solution estimation unit 11 includes a baseline vector (x t , y t , z t ) and integer bias solutions (ΔN 1 , ΔN 2 ,..., ΔN k ) based on the observation equation [Equation 2]. The state Xt is estimated under a constraint condition of known information obtained from the relative positional relationship between GPS antennas.
ここで、〔数2〕の観測方程式に基づいてステートXtを推定するためには、観測数が推定される未知数と同等以上であることが要求される。1重位相差観測モデルの場合、1基線ベクトル当り得られる観測数はn×kであり、未知数は3×n+k個であるから、必要な観測エポックはn≧k/k−3でなければならない。従って、4個以上の衛星数(k=4)で4観測エポック以上の観測量が必要となる。 Here, in order to estimate the state Xt based on the observation equation of [Equation 2], it is required that the number of observations be equal to or greater than the estimated unknown number. In the case of a single phase difference observation model, the number of observations obtained per baseline vector is n × k, and the number of unknowns is 3 × n + k. Therefore, the required observation epoch must be n ≧ k / k−3. I must. Therefore, an observation amount of 4 observation epochs or more is required with 4 or more satellites (k = 4).
そこで、必要な観測エポックにおいて形成された観測方程式を改めて次式〔数3〕のように表わす。
整数バイアスフロート解推定部11は、この〔数3〕の観測方程式に基づいて、ラグランジェ乗数(Lagrange multiplier)や拡張カルマンフィルタを用いて、GPSアンテナ間の相対的な位置関係より得られる既知情報の制約条件の下、ステートXを推定する。 The integer bias float solution estimator 11 uses the Lagrange multiplier or the extended Kalman filter based on the observation equation [3] to obtain known information obtained from the relative positional relationship between the GPS antennas. State X is estimated under the constraints.
以下に、このラグランジェ乗数(Lagrange multiplier)及び拡張カルマンフィルタを用いたステートXの推定手法として、GPSアンテナ間の相対的な位置関係より得られる既知情報が基線長情報である場合を例にとって説明する。 Hereinafter, as an estimation method of the state X using the Lagrange multiplier and the extended Kalman filter, a case where the known information obtained from the relative positional relationship between the GPS antennas is the baseline length information will be described as an example. .
先ず、ラグランジェ乗数を用いた技法について説明する。
(1)ラグランジェ乗数を用いた技法
ラグランジェ乗数の技法では、〔数3〕の観測方程式と〔数4〕の線形制約式を考える。
(1) Technique Using Lagrange Multiplier In the Lagrange multiplier technique, an observation equation [Equation 3] and a linear constraint equation [Equation 4] are considered.
ここでは1基線ベクトルについて考えているから、Cは当該の基線長でありスカラーである。ラグランジェ乗数による制約条件下における最適問題は〔数3〕、〔数4〕より、次式〔数5〕の問題に変換できる。なお、μはラグランジェ乗数である。
この〔数5〕のステートXの最適解は次式〔数6〕で得ることができる。なお、ステートXの最適解をより正確且つ高速に推定するためには、基線ベクトルv(x,y,z)の初期値をできるだけ正確に与えてやることが望ましい。
この時、ラグランジェ乗数μは〔数6〕を〔数4〕に代入することにより次式〔数7〕で求めることができる。
ところで、〔数6〕で求まるステートXの最適解は線形の制約関数に対する解であるが、制約条件として基線長情報を用いる場合には、次式〔数8〕に示すように制約関数が非線形となる。
従って、〔数8〕をテーラーの次近似を用いて〔数9〕のように基線ベクトル推定値廻りで線形化し、反復計算でステートXの最適解を求める必要がある。
この場合〔数4〕のBは次式〔数10〕から算出できる。
なお、ここでは、基線長を制約条件として用いる場合について説明したが、基線長以外の既知情報を制約条件として用いる場合には、適用される既知量CとステートXとの関係式を考えることによって同様に処理することができる。 Here, the case where the baseline length is used as a constraint condition has been described. However, when known information other than the baseline length is used as a constraint condition, the relational expression between the applied known amount C and the state X is considered. It can be processed similarly.
次に、拡張カルマンフィルタを用いた技法について説明する。
(2)拡張フィルタを用いた技法
公知の拡張カルマンフィルタ(extended Kalman filter)を用いて既知情報制約付きで整数バイアスのフロート解及び基線ベクトルを推定することもできる。なお、拡張カルマンフィルタとは、推定したい状態量の初期値を与えておき、それと観測量の時間履歴を元に状態量の推定値を逐次計算していく手法である。この拡張カルマンフィルタは観測エポック毎の観測量に基づいて、順次、誤差共分散(error covariance)を更新しながらステートを推定できる利点があるので実用に便利である。
Next, a technique using an extended Kalman filter will be described.
(2) Technique Using Extended Filter It is also possible to estimate integer bias float solutions and baseline vectors with known information constraints using a known extended Kalman filter. The extended Kalman filter is a technique in which an initial value of a state quantity to be estimated is given and an estimated value of the state quantity is sequentially calculated based on the initial value and the time history of the observed quantity. This extended Kalman filter is convenient for practical use because it has an advantage that the state can be estimated while sequentially updating the error covariance based on the observation amount for each observation epoch.
拡張カルマンフィルタによる技法においては、〔数2〕のk個の観測量に、GPSアンテナ間の相対的な位置関係より得られる既知情報を擬似観測量として追加することでラグランジェ乗数に等価な既知情報制約付きの推定ができる。この際、〔数2〕のステートXtの最適解をより正確且つ高速に推定するためには、基線ベクトルv(x,y,z)の初期値をできるだけ正確に与えてやることが望ましい。 In the technique using the extended Kalman filter, known information equivalent to a Lagrange multiplier is obtained by adding, as a pseudo-observed quantity, known information obtained from the relative positional relationship between GPS antennas to the k observed quantities of [Equation 2]. Can perform constrained estimation. At this time, in order to estimate more accurately and faster to the optimal solution of the state X t [Equation 2] is preferably'll give baseline vector v (x, y, z) the initial value of as accurately as possible.
この〔数2〕のk個の観測量に擬似観測量として追加する擬似観測量ycの観測モデルは次式〔数11〕で定義することができる。
本来νcは零であるが、擬似観測量と実際の観測量とのウェートを調整するために平均値が零、分散Rcの擬似観測雑音とすることもできる。また、Bは観測マトリクスであり、制約条件とする既知情報を基線長とするときは、前述と同様に、〔数10〕で決まる観測マトリックスとなる。 Although νc is essentially zero, in order to adjust the weight between the pseudo observation amount and the actual observation amount, pseudo observation noise having an average value of zero and variance Rc can be used. B is an observation matrix, and when the known information as the constraint condition is the base line length, the observation matrix is determined by [Equation 10] as described above.
このように、整数バイアスフロート解推定部11は、(1)ラグランジェ乗数或いは(2)拡張カルマンフィルタを用いて、GPSアンテナ間の相対的な位置関係から得られる既知情報の制約の下で、整数バイアスのフロート解を推定することができる。なお、上述の例では、制約条件として基線長情報のみを用いるものについて説明したが、他の既知情報を制約条件とする場合も同様のことがいえる。もちろん制約条件として課す情報が増えれば増えるほど得られる結果は良くなる。 As described above, the integer bias float solution estimation unit 11 uses the (1) Lagrange multiplier or (2) the extended Kalman filter, and the integer bias under the restriction of the known information obtained from the relative positional relationship between the GPS antennas. A float float solution can be estimated. In the above example, the case where only the baseline length information is used as the constraint condition has been described, but the same can be said when other known information is used as the constraint condition. Of course, the more information you impose as constraints, the better the results you get.
次に、基線ベクトル算出部14が行う処理について詳細に説明する。
基線ベクトル算出部14は、整数バイアス検定部12で決定された整数バイアス解を既知量として観測方程式〔数2〕から基線ベクトルを求めるものである。具体的には、次の処理を行う。
Next, the process performed by the baseline
The baseline
先ず、整数バイアス検定部12をパスした整数バイアス解を観測方程式〔数2〕の整数バイアス解(ΔN1,ΔN2,・・・,ΔNk)に代入する。そして、基線ベクトル算出部14は、整数バイアス解を既知とした新たな位相差観測量を用いてこの位相差観測方程式から基線ベクトルを求める。この際、推定アルゴリズムには、前述の整数バイアスフロート解推定部11における処理と同様、GPSアンテナ間の相対的な位置関係より得られる既知情報が制約条件として直接組み込まれる。なお、当該の既知情報制約付きでステートを推定する具体的な技法としては、例えば、ラグランジェ乗数(Lagrange multiplier)や拡張カルマンフィルタを用いた技法があり、できるだけ正確な基線ベクトルv(x,y,z)の初期値を与えることが望ましい。なお、これらの処理内容の詳細については、前述の整数バイアスフロート解推定部11における処理で説明したものと同様であるため説明を省略する。
First, the integer bias solution that has passed the integer bias test unit 12 is substituted into the integer bias solution (ΔN 1 , ΔN 2 ,..., ΔN k ) of the observation equation [Equation 2]. Then, the baseline
以上のように本発明の実施の形態1によるキャリア位相相対測位装置によれば、GPSアンテナ間の相対的な位置関係より得られる既知情報の制約条件の下で整数バイアスのフロート解の推定を行うことにより、高精度且つ高速に整数バイアスの決定を行うことが可能になる。また、本発明の実施の形態1によるキャリア位相相対測位装置によれば、GPSアンテナ間の相対的な位置関係より得られる既知情報の制約条件の下で基線ベクトルを求めることにより、高精度且つ高速に基線ベクトルを算出することが可能になる。
As described above, according to the carrier phase relative positioning apparatus according to
なお、本発明の実施の形態1では、整数バイアスフロート解推定部11による整数バイアスのフロート解の推定処理と、基線ベクトル算出部14による基線ベクトルの算出処理をともに制約条件を課して行うものについて説明したが、何れか一方の処理のみに制約条件を課して処理してもよい。
In the first embodiment of the present invention, the integer bias float solution estimation process by the integer bias float solution estimation unit 11 and the baseline vector calculation process by the baseline
(実施の形態2)
前述のように、ラグランジェ乗数や拡張カルマンフィルタを用いて整数バイアスのフロート解や基線ベクトルを正確且つ高速に求めるためには、正確な基線ベクトルの初期値を与えることが望ましい。
(Embodiment 2)
As described above, in order to obtain an integer bias float solution and a baseline vector accurately and at high speed using a Lagrange multiplier or an extended Kalman filter, it is desirable to provide an accurate initial value of the baseline vector.
そこで、本発明の実施の形態2では整数バイアスのフロート解や基線ベクトルを算出する際に、より正確な基線ベクトルの初期値を与えるための技法を提案する。
Therefore,
(1)移動体速度から算出した擬似姿勢角を用いて基線ベクトルを推定する技法
図3は、移動体速度から算出した擬似姿勢角を用いて基線ベクトルを推定する技法を説明するための図である。
(1) Technique for Estimating Baseline Vector Using Pseudo Attitude Angle Calculated from Moving Body Speed FIG. 3 is a diagram for explaining a technique for estimating a baseline vector using a pseudo attitude angle calculated from moving body speed. is there.
図3において、キャリア位相相対測位装置は、GPSアンテナ1と、GPS受信機2と、演算処理部3bとからなる。演算処理部3bは、整数バイアスフロート解推定部11と、整数バイアス決定部12と、整数バイアス検定部13と、基線ベクトル算出部14と、GPS姿勢演算部15と、速度検出部21と、基線ベクトル初期値演算部22とから構成されている。なお、本発明の実施の形態1によるキャリア位相相対測位装置と同様の構成要素については同じ符号を付し、ここでは説明を省略する。
In FIG. 3, the carrier phase relative positioning device includes a
速度検出部21は、航法座標系における移動体速度を検出するものであり、移動体速度は、例えばGPSアンテナ1で受信した側位用信号を用いて算出することが可能である。
The
基線ベクトル初期値演算部22は、移動体速度から算出した擬似姿勢角を用いて基線ベクトルを推定し、整数バイアスフロート解推定部11及び基線ベクトル算出部14に最適な基線ベクトルの初期値を与えるものである。
The baseline vector initial
基線ベクトル初期値演算部22において、ある1個の基線ベクトル初期値は次式の関係に基づいて算定できる。
ここで、3-2-1軸の回転順序(the3-2-1sequence)で定義された移動体座標系から航法座標系への回転マトリックス(rotation matrix)は次式で表わせる。なお、θr,θp,θyはそれぞれ、ロール、ピッチ、yawである。
移動体座標系における基線ベクトルは既知の位置に複数のGPSアンテナ1を設置しているため既知情報である。そのため、θr,θp,θyを何らかの方法により算出できれば、航法座標系における基線ベクトルを算出することができる。
Baseline vectors in the moving body coordinate system are known information because a plurality of
ここでは、非特許文献5に開示されているように、θr,θp,θyを速度検出部21で検出された速度から次式〔数14〕によって算定される擬似姿勢角(pseudo attitude)より求める。ここで、Lは速度を微分して求めた加速度と、重力(Gravity)から計算された上昇加速度(Lift acceleration )であり、Pは速度とGravityから計算された水平基準ベクトルである。またL・PはL,Pの内積を示す。
なお、θyについては、ジャイロコンパス等の方位センサから情報を得ることも可能である。 Note that θy can be obtained from an orientation sensor such as a gyrocompass.
(2)慣性センサの観測量及び移動体速度を用いて基線ベクトルを推定する技法
スレーブアンテナを移動体座標系Xb軸上に設置している場合には、当該基線ベクトルを求めるためのロール、ピッチを慣性センサの観測量から求めることができる。また、yawは方位検出部出力より求めることもできる。
(2) A technique for estimating a base line vector using an observation amount of an inertial sensor and a mobile body speed When a slave antenna is installed on the mobile body coordinate system Xb axis, a roll for obtaining the base line vector, The pitch can be obtained from the observation amount of the inertial sensor. Moreover, yaw can also be calculated | required from an azimuth | direction detection part output.
図4は、慣性センサの観測量及び方位検出部出力を用いて基線ベクトルを推定する技法を説明するための図であり、前記実施の形態1によるキャリア位相相対測位装置にINSシステムを統合したものを示す。 FIG. 4 is a diagram for explaining a technique for estimating the baseline vector using the observed amount of the inertial sensor and the output of the azimuth detection unit. The INS system is integrated with the carrier phase relative positioning device according to the first embodiment. Indicates.
図4において、キャリア位相相対測位装置は、GPSアンテナ1と、GPS受信機2と、演算処理部3bと、IMU4とからなる。演算処理部3bは、整数バイアスフロート解推定部11と、整数バイアス決定部12と、整数バイアス検定部13と、基線ベクトル算出部14と、GPS姿勢演算部15と、速度検出部31と、基線ベクトル初期値演算部32と、INS航法演算部33と、INS航法誤差推定部34とから構成されている。なお、本発明の実施の形態1によるキャリア位相相対測位装置と同様の構成要素については同じ符号を付し、ここでは説明を省略する。
In FIG. 4, the carrier phase relative positioning device includes a
IMU4は角速度センサ及び加速度センサから構成される慣性センサであり、GPSアンテナ1と同様、移動体上にリジットに固定されている。図5は、図1(a)の移動体座標系上にマウントされた慣性センサ及びGPSアンテナ位置を示す図である。図5に示すように、IMU4は移動体座標系の直交する3軸にそれぞれマウントされた加速度センサと角速度センサから構成され、3軸の各々の軸に対して、各センサの感度軸(sensitive axis)が一致するように、加速度センサ及び角速度センサがそれぞれ1個づつマウントされている。これにより、移動体の前後方向、左右方向、及び上下方向の加速度及び角速度は、慣性センサから得られる観測量をそのまま使用することができる。もっとも、IMU4で定義される直交3軸は移動体座標系からの回転量が既知であれば必ずしも一致させる必要はなく、慣性センサの観測量に対して軸回転のための演算処理を行うことにより、移動体の前後方向、左右方向、及び上下方向の加速度及び角速度を得ることができる。なお、慣性センサは、測定の対象となる情報或いは測定精度に応じて必要最小限のセンサが設けられていればよく、必ずしも3軸方向それぞれに加速度センサ及び角速度センサを設ける必要はない。
The IMU 4 is an inertial sensor composed of an angular velocity sensor and an acceleration sensor, and is fixed to a rigid body on the moving body like the
速度検出部31は、航法座標系における移動体速度を検出するものであり、移動体速度は、例えばGPSアンテナ1で受信した側位用信号を用いて算出することが可能である。
The
基線ベクトル初期値演算部32は、整数バイアスフロート解推定部11及び基線ベクトル算出部14に最適な基線ベクトルの初期値を与えるものである。前述のように移動体座標系における基線ベクトルは既知であるため、基線ベクトル初期値演算部32はθr,θp,θyを算出することにより、〔数12〕、〔数13〕の関係式から航法座標系における基線ベクトルを求めることができる。なお、移動体の速度ベクトルが移動体座標系Xb軸と一致する場合、この移動体座標系における基線ベクトル(xb,yb,zb)Tは(xb,0,0)Tとすることができるため、〔数12〕、〔数13〕の関係式より、ピッチθP、方位θyのみを用いて基線ベクトルを推定できる。
The baseline vector initial value calculation unit 32 gives an optimum initial value of the baseline vector to the integer bias float solution estimation unit 11 and the baseline
θr,θpはIMU4からの加速度及び角速度の観測量を受け、直接或いはこれらの観測量に含まれる高周波雑音成分を除去するためのLPF処理を行った後、IMU4観測量及び速度検出部31出力を用いて後述の〔数19〕から算出することができる。また、θyは速度検出部31出力を用いて後述の〔数20〕から算出することができる。なお、詳細は後述する。
θr and θp receive the observed amount of acceleration and angular velocity from the IMU 4, and directly or after performing LPF processing for removing high frequency noise components included in these observed amounts, the IMU 4 observed amount and the output of the
INS航法演算部33はIMU4からの観測量、GPS受信機からの位置、速度出力、GPS姿勢演算部14からの姿勢角等を受け、公知の方法で位置、速度、ロール、ピッチ、方位などの航法演算を行う。
The INS navigation calculation unit 33 receives the observation amount from the IMU 4, the position from the GPS receiver, the velocity output, the attitude angle from the GPS
INS誤差推定部34は、慣性センサ誤差補正部に相当し、INS航法演算部33から得られた位置、速度、姿勢角とGPS受信機やGPS姿勢演算部15から得られたそれらの値との差に基づき、例えば、カルマンフィルタを用いてIMU4のセンサ誤差や航法誤差を推定し、これらの誤差を負帰還によって除去する。これにより、GPSの瞬断後の整数バイアス再決定(Ambiguity resolution)時に基線ベクトル初期値演算部21は校正された慣性センサの観測量を用いてロール、ピッチの算出を算出することができ、より高精度な演算結果を得ることができる。
The INS error estimator 34 corresponds to an inertial sensor error corrector. The position, speed, and attitude angle obtained from the INS navigation calculator 33 and those values obtained from the GPS receiver and the GPS attitude calculator 15 are used. Based on the difference, for example, a sensor error or navigation error of the IMU 4 is estimated using a Kalman filter, and these errors are removed by negative feedback. Thereby, at the time of integer bias re-determination (Ambiguity resolution) after the instantaneous interruption of GPS, the baseline vector initial
次に、基線ベクトル初期値演算部21によるロールθr、ピッチθpの算定処理について詳細に説明する。
Next, the calculation process of the roll θ r and the pitch θ p by the baseline vector initial
地球に対する航法座標系の回転角速度及び慣性座標系に対する地球の回転角速度に関連する加速度は、重力(gravity)に比べ小さいため無視すると、移動体座標系における加速度センサ出力(specific force)Abは次式〔数15〕で近似できる。ここで、gは重力(gravity)であるから既知である。また、移動体座標系における速度成分は、移動体座標系のX軸を移動体の進行方向に設定しているため、vb(vb x,0,0)と設定できる。
また、3-2-1軸の回転順序(the3-2-1sequence)で定義された航法座標系から移動体座標系への回転マトリックス(rotation matrix)は次式〔数16〕で表わせる。
移動体が急発進や急停止のような高ダイナミックスな運動を行わない場合には運動加速度は無視することができる。もし、運動加速度が無視できない場合でも、前述のように加速度観測量に含まれる高周波雑音成分を除去するためのLPF処理を行うか、または、低周波数帯域で誤差の小さいGPS速度観測量の支援情報を用いることにより、信号処理で加速度観測量に含まれる運動加速度を低減することができる。そのため〔数15〕は次式〔数17〕のように近似できる。
スレーブアンテナを移動体座標系Xb軸上に設置した場合、移動体座標系における速度ベクトルがx成分のみであること、及び航法座標系と移動体座標系における速度ベクトルの大きさが変化しないことから、vb xは次式〔数18〕で求めることができる。
従って、移動体のロールθr、ピッチθpは、IMU4から得られる観測量と速度検出部31で得られる移動体のX軸方向に対する速度情報から次式〔数19〕のように算出することができる。
このように慣性センサから求めたロールθr、ピッチθpは〔数14〕で求めたロールθr、ピッチθpの代用して使用することもできるが、より良い精度を期待するために併用することもできる。 As described above, the roll θ r and the pitch θ p obtained from the inertial sensor can be used in place of the roll θ r and the pitch θ p obtained by [Equation 14], but are used together in order to expect better accuracy. You can also
また、方位θyは、速度検出部31出力を用いて次式で求めることができる。
このようにして上記(1)、(2)の方法で求めたロールθr、ピッチθp、方位θyの誤差は約数度以内である。この場合、1mの基線長のとき、基線ベクトルの初期値の誤差は数cm以内の十分な精度で決定できる。 Thus, the errors of the roll θ r , the pitch θ p , and the direction θ y determined by the methods (1) and (2) are within about several degrees. In this case, when the baseline length is 1 m, the error in the initial value of the baseline vector can be determined with sufficient accuracy within several centimeters.
なお、ここでは移動体座標系における移動体の速度Vx bを考慮してロールθrを求めるものについて説明したが、移動体座標系における移動体の速度及び運動加速度を無視することによって、移動体の進行方向に対する速度情報なしで移動体のロールθrを算出することもできる。 Although the description has been given here of determining the roll θ r in consideration of the velocity V x b of the moving object in the moving object coordinate system, it is possible to move by ignoring the speed and motion acceleration of the moving object in the moving object coordinate system. It is also possible to calculate the roll θ r of the moving body without speed information regarding the moving direction of the body.
以上のように、本発明の実施の形態2によるキャリア位相相対測位装置によれば、整数バイアスフロート解推定部11及び基線ベクトル算出部14に対して基線ベクトル初期値演算部21、31から正確な基線ベクトルの初期値を与えることにより、整数バイアスフロート解推定部11及び基線ベクトル算出部14における演算処理をより正確且つ高速に行うことが可能になる。
As described above, according to the carrier phase relative positioning device according to the second embodiment of the present invention, the integer bias float solution estimation unit 11 and the baseline
なお、前述した実施形態1、2は最良の実施形態の一例であって、本発明の要旨を損なわない範囲で種々の変更が可能であり、本発明は前述した実施形態に限定されるものではない。 The first and second embodiments described above are examples of the best embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. The present invention is not limited to the above-described embodiments. Absent.
(実験結果)
以下、表1、表2に本発明のラグランジェ乗数による基線長制約付き整数バイアスフロート解と基線ベクトル推定特性のシミュレーション実験結果の一例を示す。
(Experimental result)
Tables 1 and 2 show examples of simulation experiment results of base line length-constrained integer bias float solutions and baseline vector estimation characteristics according to the Lagrange multipliers of the present invention.
(1)整数バイアスフロート解推定部11の性能評価実験
外部姿勢角支援データが得られると仮定したとき、スレーブアンテナを移動体座標系Xb軸上に設置した場合の基線ベクトルの初期値は、ピッチθP、方位θyから前述の〔数12〕より求めることができる。そこで、それぞれ3°、5°、10°のピッチ/方位誤差を持つ姿勢角から算定した基線ベクトルの初期値に基づいて実験を行った。なお、使用衛星数は5個、アンテナ間距離(基線長)は0.5mとした。
(1) Performance Evaluation Experiment of Integer Bias Float Solution Estimator 11 Assuming that external attitude angle support data is obtained, the initial value of the baseline vector when the slave antenna is installed on the mobile coordinate system Xb axis is It can be obtained from the above [Equation 12] from the pitch θ P and the direction θ y . Therefore, an experiment was performed based on the initial values of the baseline vectors calculated from the attitude angles having pitch / azimuth errors of 3 °, 5 °, and 10 °, respectively. The number of satellites used was 5, and the distance between the antennas (baseline length) was 0.5 m.
上記条件で、ラグランジェ乗数による基線長制約付技法を用いて整数バイアスのフロート解を求めた結果を表1に示す。
表1に示すように、船の静止時はピッチ/方位誤差が3°(σ)、船の動揺時はピッチ/方位誤差が10°(σ)以内であれば、衛星数5個で30秒以内に整数バイアス解(整数Ambiguity)をほぼ100%の確立で直接、整数バイアス解を推定することができた。 As shown in Table 1, when the ship is stationary, the pitch / heading error is 3 ° (σ), and when the ship is shaking, the pitch / heading error is within 10 ° (σ), and the number of satellites is five and 30 seconds. The integer bias solution (integer Ambiguity) could be directly estimated within 100% probability.
また、静止時においてピッチ/方位誤差が5°、10°の時には、それぞれ、89%、74%と決定率が低下するが、整数バイアス解の真値からの差はせいぜい±1〜±2の誤りであった。 In addition, when the pitch / azimuth error is 5 ° and 10 ° at rest, the decision rate decreases to 89% and 74%, respectively, but the difference from the true value of the integer bias solution is ± 1 to ± 2 at most. It was an error.
また、本実験では、船の静止時に比べて動揺時の整数バイアス解(整数Ambiguity)の決定率が高いことが確認され、実用面において大変好ましい結果が得られた。この理由は基線ベクトルの初期値が違っていても船の動揺により基線ベクトルの初期値と接近する、即ち、基線ベクトルの初期値と実際の基線ベクトル位置が一致するタイミングがあるためであると考えられる。 In this experiment, it was confirmed that the decision rate of the integer bias solution (integer Ambiguity) at the time of shaking was higher than that when the ship was stationary. The reason is that even if the initial value of the baseline vector is different, the initial value of the baseline vector approaches the initial value of the baseline vector due to the movement of the ship, that is, there is a timing when the initial value of the baseline vector matches the actual baseline vector position. It is done.
(2)基線ベクトル算出部14の性能評価実験
ラグランジェ乗数による基線長制約付技法を用いて基線ベクトルを求めた時の姿勢角換算誤差を表2に示す。なお、使用衛星数は5個、アンテナ間距離(基線長)は0.5mとした。
表2から分かるように、ラグランジェ乗数による基線長制約付き基線ベクトル推定特性は制約無しに比較して、約30%程度改善できる。また、マルチパスに対しても約10%程度の改善が見られた。 As can be seen from Table 2, the baseline vector estimation characteristic with the baseline length constraint by the Lagrange multiplier can be improved by about 30% compared to the case of no constraint. In addition, an improvement of about 10% was observed for multipath.
なお、ここではラグランジェ乗数を用いたシミュレーション実験結果を示したが、カルマンフィルタによる特性もほぼ同様の結果が得られた。 In addition, although the simulation experiment result using a Lagrange multiplier was shown here, the result by the Kalman filter was also almost the same.
1 GPSアンテナ
2 GPS受信機
3a、3b、3c 演算処理部
4 IMU
11 整数バイアスフロート解推定部
12 整数バイアス決定部
13 整数バイアス検定部
14 基線ベクトル算出部
15 GPS姿勢演算部
16 整数バイアス解算出部
21、31 速度検出部
22、32 基線ベクトル初期値演算部
33 INS航法演算部
34 INS航法誤差推定部
101 整数バイアスのフロート解推定処理
102 整数バイアス解の決定処理
103 整数バイアス解の検定処理
DESCRIPTION OF
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Integer bias float solution estimation part 12 Integer bias determination part 13 Integer
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前記複数のアンテナで受信した測位用信号から位相差観測量を得る受信機と、
前記複数のアンテナの相対的な位置関係より得られる既知情報を制約条件として、前記位相差観測量から整数バイアスのフロート解を推定する整数バイアスフロート解推定部を備えることを特徴とするキャリア位相相対測位装置。 In a carrier phase relative positioning device comprising a plurality of antennas fixed on a moving body,
A receiver for obtaining a phase difference observation amount from positioning signals received by the plurality of antennas;
An integer bias float solution estimator for estimating an integer bias float solution from the phase difference observation amount, with known information obtained from the relative positional relationship of the plurality of antennas as a constraint condition. Positioning device.
前記整数バイアスフロート解推定部は、ラグランジェ乗数を用いて整数バイアスのフロート解推定処理を行うことを特徴とするキャリア位相相対測位装置。 In the carrier phase relative positioning device according to claim 1,
The carrier phase relative positioning apparatus, wherein the integer bias float solution estimation unit performs integer bias float solution estimation processing using a Lagrange multiplier.
前記整数バイアスフロート解推定部は、拡張カルマンフィルタを用いて整数バイアスのフロート解推定処理を行うことを特徴とするキャリア位相相対測位装置。 In the carrier phase relative positioning device according to claim 1,
The carrier phase relative positioning device, wherein the integer bias float solution estimation unit performs integer bias float solution estimation processing using an extended Kalman filter.
移動体速度を検出する速度検出部と、
前記移動体速度から算出した擬似姿勢角を用いて基線ベクトルを推定し、該基線ベクトルを前記整数バイアスのフロート解推定処理時の基線ベクトルの初期値として与える基線ベクトル初期値演算部をさらに備えることを特徴とするキャリア位相相対測位装置。 In the carrier phase relative positioning device according to any one of claims 1 to 3,
A speed detector for detecting the moving body speed;
A baseline vector initial value computing unit that estimates a baseline vector using a pseudo attitude angle calculated from the moving body velocity and gives the baseline vector as an initial value of the baseline vector during the integer bias float solution estimation processing; A carrier phase relative positioning device.
移動体の加速度及び角速度を計測する慣性センサと、
移動体速度を検出する速度検出部と、
前記慣性センサの観測量と前記移動体速度から基線ベクトルを推定し、該基線ベクトルを前記整数バイアスのフロート解推定処理時の基線ベクトルの初期値として与える基線ベクトル初期値演算部をさらに備えることを特徴とするキャリア位相相対測位装置。 In the carrier phase relative positioning device according to any one of claims 1 to 3,
An inertial sensor for measuring acceleration and angular velocity of the moving object;
A speed detector for detecting the moving body speed;
A baseline vector initial value calculation unit that estimates a baseline vector from the observed amount of the inertial sensor and the moving body speed, and that provides the baseline vector as an initial value of the baseline vector during the float solution estimation process of the integer bias; Characteristic carrier phase relative positioning device.
前記複数のアンテナで受信した測位用信号から位相差観測量を得る受信機と、
前記位相差観測量から整数バイアス解を算出する整数バイアス解算出部と、
前記複数のアンテナの相対的な位置関係より得られる既知情報を制約条件として、前記位相差観測量及び前記整数バイアス解から基線ベクトルを算出する基線ベクトル算出部を備えることを特徴とするキャリア位相相対測位装置。 In a carrier phase relative positioning device comprising a plurality of antennas fixed on a moving body,
A receiver for obtaining a phase difference observation amount from positioning signals received by the plurality of antennas;
An integer bias solution calculation unit for calculating an integer bias solution from the phase difference observation amount;
Carrier phase relative, comprising: a baseline vector calculation unit that calculates a baseline vector from the phase difference observation amount and the integer bias solution using known information obtained from a relative positional relationship of the plurality of antennas as a constraint condition Positioning device.
前記整数バイアスフロート解推定部は、ラグランジェ乗数を用いて基線ベクトル算出処理を行うことを特徴とするキャリア位相相対測位装置。 In the carrier phase relative positioning device according to claim 6,
The carrier phase relative positioning device, wherein the integer bias float solution estimation unit performs a baseline vector calculation process using a Lagrange multiplier.
前記整数バイアスフロート解推定部は、拡張カルマンフィルタを用いて基線ベクトル算出処理を行うことを特徴とするキャリア位相相対測位装置。 In the carrier phase relative positioning device according to claim 6,
The carrier phase relative positioning device, wherein the integer bias float solution estimation unit performs a baseline vector calculation process using an extended Kalman filter.
移動体速度を検出する速度検出部と、
前記移動体速度から算出した擬似姿勢角を用いて基線ベクトルを推定し、該基線ベクトルを前記基線ベクトル算出処理時の基線ベクトルの初期値として与える基線ベクトル初期値演算部をさらに備えることを特徴とするキャリア位相相対測位装置。 In the carrier phase relative positioning device according to any one of claims 6 to 8,
A speed detector for detecting the moving body speed;
A baseline vector initial value calculation unit that estimates a baseline vector using a pseudo posture angle calculated from the moving body velocity and gives the baseline vector as an initial value of the baseline vector during the baseline vector calculation process; Carrier phase relative positioning device.
移動体の加速度及び角速度を計測する慣性センサと、
移動体速度を検出する速度検出部と、
前記慣性センサの観測量と前記移動体速度から基線ベクトルを推定し、該基線ベクトルを前記基線ベクトル算出処理時の基線ベクトルの初期値として与える基線ベクトル初期値演算部をさらに備えることを特徴とするキャリア位相相対測位装置。 In the carrier phase relative positioning device according to any one of claims 6 to 8,
An inertial sensor for measuring acceleration and angular velocity of the moving object;
A speed detector for detecting the moving body speed;
It further comprises a baseline vector initial value calculation unit that estimates a baseline vector from the observed amount of the inertial sensor and the moving body speed and gives the baseline vector as an initial value of the baseline vector during the baseline vector calculation process. Carrier phase relative positioning device.
前記基線ベクトル初期値演算部は、前記慣性センサの観測量から移動体のピッチを算出するとともに前記速度検出部からの速度情報より方位を算出し、該ピッチ及び方位情報から基線ベクトルを推定することを特徴とするキャリア位相相対測位装置。 In the carrier phase relative positioning device according to any one of claims 5 and 10,
The baseline vector initial value calculation unit calculates the pitch of the moving body from the observation amount of the inertial sensor, calculates the direction from the speed information from the speed detection unit, and estimates the baseline vector from the pitch and direction information. A carrier phase relative positioning device.
整数バイアス解の決定後に得られる情報を用いて、前記慣性センサの観測量誤差を補正する慣性センサ誤差補正部をさらに備え、
前記基線ベクトル初期値演算部は、整数バイアス解の再決定時に、前記慣性センサ誤差補正部で誤差補正された前記慣性センサの観測量を用いて初期値として与える基線ベクトルを推定することを特徴とするキャリア位相相対測位装置。
In the carrier phase relative positioning device according to any one of claims 5 and 10,
Using an information obtained after determination of the integer bias solution, further comprising an inertial sensor error correction unit for correcting an observation amount error of the inertial sensor;
The baseline vector initial value calculation unit estimates a baseline vector to be provided as an initial value by using the observation amount of the inertial sensor corrected for error by the inertial sensor error correction unit when an integer bias solution is redetermined. Carrier phase relative positioning device.
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