JP2007218865A

JP2007218865A - 測位システム、測位方法及びカーナビゲーションシステム

Info

Publication number: JP2007218865A
Application number: JP2006042826A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Ueda; 晃宏上田; Iwao Maeda; 岩夫前田; Kiyomi Himiya; 清美氷宮; Yasuhiro Tajima; 靖裕田島
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-02-20
Filing date: 2006-02-20
Publication date: 2007-08-30
Anticipated expiration: 2026-02-20
Also published as: EP1988408A1; US7869950B2; CN101384919A; EP1988408A4; CN101384919B; WO2007097245A1; EP1988408B1; JP4020143B2; US20100169006A1

Abstract

【課題】受信可能なＧＰＳ衛星の数が十分でなくても移動体の位置を精度よく測位可能な測位システム、カーナビゲーションシステムを提供すること。
【解決手段】人工衛星から発信される電波を利用した測位と自律航法による測位とを協調制御して、移動体の位置を推定する測位システム１０において、捕捉された人工衛星が３未満の場合、電波を利用して測位された範囲から、自律航法により測位された慣性測位位置との距離が最小となる地点を抽出し、当該地点を電波を利用して測位された衛星測位位置と推定することを特徴とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、ＧＰＳ衛星等の複数の無線局からの電波を受信して、移動体の現在位置を推定する測位システム、測位方法及びカーナビゲーションシステムに関し、特に、十分な数の無線局からの電波を受信できない場合にも精度よく移動体の現在位置を推定できる測位システム、測位方法及びカーナビゲーションシステムに関する。

車両の走行位置や目的地までの走行経路をユーザに提供するため車両の走行位置を検出するＧＰＳ（ＧｒｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍ）装置が知られている。車載されたＧＰＳ装置は、ＧＰＳ衛星から疑似ランダム符号で変調された搬送波を受信して、復調の過程で得られる搬送波の伝播時間に光速を乗じることでＧＰＳ衛星との距離を算出する。地球上の車両の位置は、緯度、経度及び標高（以下、単に座標という）の三次元空間において特定されるため、ＧＰＳ装置は３つのＧＰＳ衛星から発信時刻情報を受信して、３つのＧＰＳ衛星と車両との距離を半径とする球体の交点を車両の座標として算出する。また、ＧＰＳ衛星が保持する時計は極めて高い精度が保証されているが車両に搭載された時計は若干の誤差を含むため伝播時間も誤差を含むものとなり、ＧＰＳ衛星との距離を正確に算出できない。そこで、ＧＰＳ装置は４つめのＧＰＳ衛星を利用して時間誤差を補正しより精度よく自車両の位置を測位するように構成されている。

しかしながら、ＧＰＳ装置を自動車等の移動体に搭載した場合、ビルの陰等、４つ全てのＧＰＳ衛星から発信時刻情報を搬送する電波を受信できない場合がある。ＧＰＳ衛星からの電波を受信できない場合、車載された測位システムでは、自律航法やマップマッチングにより現在位置を推定することができるが、ＧＰＳ衛星からの電波が得られない状態が長時間にわたると、自律航法やマップマッチングによる位置推定に誤差が累積されることとなり、好ましくない。

そこで、電波を受信できるＧＰＳ衛星が１つでもあっても車両の位置を測位する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１では、まず、１つのＧＰＳ衛星から受信した電波に基づき、現在の自車両の位置を含むとされる円を算出する。また、自車両はジャイロセンサ等により進行方向の履歴を蓄積しているので、自車両の移動方向と円との交点を算出することで、現在位置を精度よく推定することを図っている。
特開平８−７５４７９号公報

ところで、電波を受信できるＧＰＳ衛星が１つの場合、原理的に算出可能な位置は、ＧＰＳ衛星から等距離となる所定の球面である。この場合、地球の表面位置が既知であれば、球面と地球表面とが交わる交線が得られ、自車両の移動方向との交点が自車両の位置として測位される。しかしながら、地球の表面には高低差（標高）があるため、特許文献１の方法による測位は、標高が既知でなければ又は標高を一定としなければ利用できない。標高が定まらなければ、緯度及び経度もずれるため、結果として精度のよい測位が困難である。

本発明は、上記問題に鑑み、受信可能なＧＰＳ衛星の数が十分でなくても移動体の位置を精度よく測位可能な測位システム、カーナビゲーションシステムを提供することを目的とする。

上記課題に鑑み、本発明は、人工衛星から発信される電波を利用した測位と自律航法による測位とを協調制御して、移動体の位置を推定する測位システムにおいて、捕捉された人工衛星が３未満の場合、電波を利用して測位された範囲から、自律航法により測位された慣性測位位置との距離が最小となる地点を抽出し、当該地点を電波を利用して測位された衛星測位位置と推定することを特徴とする。

本発明によれば、慣性測位位置に最も近い位置を衛星測位位置として抽出するので、捕捉されるＧＰＳ衛星の数が十分でなくても自車両の位置を精度よく測位できる。

また、本発明の一形態において、捕捉された人工衛星が１つの場合、範囲は、当該人工衛星から等距離な球面として規定され、捕捉された人工衛星が２つの場合、範囲は、当該２つの人工衛星から等距離な２つの球面がなす曲線として規定される、ことを特徴とする。

本発明によれば、球面又は曲線上から衛星測位位置として抽出することができる。

また、本発明の一形態において、衛星測位位置を自律航法による測位で補正して移動体の位置を推定する。

本発明によれば、捕捉されるＧＰＳ衛星の数が十分でなくても、衛星測位位置を自律航法による測位で補正して移動体の位置を推定することができる。

受信可能なＧＰＳ衛星の数が十分でなくても移動体の位置を精度よく測位可能な測位システム、カーナビゲーションシステムを提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の測位システム１０を適用したカーナビゲーションシステムの全体構成図を示す。カーナビゲーションシステム（以下、単にカーナビという）１は、測位システム１０が測位した自車両の位置に基づき、自車両の位置を地図上に表示したり目的地までの経路を案内する等、乗員に種々のサービスを提供する。

測位システム１０は、ＧＰＳ衛星からの電波を受信するＧＰＳ受信部１１、自律航法により自車両の位置を推定するＩＮＳ（Inertial Navigation Systems)部１４、ＧＰＳ衛星からの電波及び自律航法による測位に基づき自車両の位置を推定する測位部１５、測位部１５が推定した車両の位置の誤差を見積もり補正値を算出する推定部１１、とを有する。測位システム１０は、ＧＰＳ衛星から発信される電波を利用した測位とＩＮＳ部１４による測位とを協調制御して、最も確からしい自車両の位置を推定する。

ＧＰＳ衛星は、複数の軌道（例えば６個）に複数（例えば２４個）配置され地球を周回している。ＧＰＳ衛星のおおよその軌道は既知であり、また、航法メッセージとして受信されるエフェメリスにより詳細な軌道が取得できるので、ＧＰＳ受信部１１は、複数のＧＰＳ衛星のうち現在の車両の位置から所定の仰角に入るＧＰＳ衛星を好ましくは４つ以上選択し、それらのＧＰＳ衛星から発信される電波を受信する。

ＧＰＳ衛星が発信する電波は、波長１５７５．４２ＭＨｚの搬送波Ｌ１を衛星毎に固定のＣ／Ａコード（Coarse/Acquisition Code）により変調されて発信される。ＧＰＳ受信部１１は、選択したＧＰＳ衛星のＣ／Ａコードを生成して、受信される電波の復調を試みる。Ｃ／Ａコードは１又は０のビット列を繰り返しながら１０２３ビットで１つのコードを構成し、繰り返し搬送波Ｌ１を変調している。ＧＰＳ受信部１１は、生成したＣ／Ａコードにより電波が復調されるように１０２３ビットの位相（１又は０のビット状態）を調整し、復調が可能な位相が決定されると当該ＧＰＳ衛星を捕捉できたこととなる。

ＧＰＳ衛星の時計とＧＰＳ受信部１１が保持する時計が完全に一致しているとすれば（実際にはＧＰＳ受信部１１が保持する時計は誤差を有する）、ＧＰＳ衛星で生成され搬送波Ｌ１を変調したＣ／Ａコードの位相と、受信した電波を復調したＣ／Ａコードの位相とは、電波の到達時間の分だけシフトしている。

測位部１５は、そのシフト分に基づき電波の到達時間を計算し、到達時間と光速ｃから捕捉したＧＰＳ衛星までの距離を算出する。図２は、車両とＧＰＳ衛星ｓｔ１〜ｓｔ４との関係を示す図である。

測位部１５は、捕捉されたＧＰＳ衛星の数だけ次のような連立方程式を立て、変数（Ｘ，Ｙ，Ｚ）について解くことで、自車両の緯度Ｘ、経度Ｙ、標高Ｚを算出することができる（以下、ＧＰＳ衛星により推定した座標を衛星測位座標という）。

（Ｘ１、Ｙ１、Ｚ１）はＧＰＳ衛星１の座標、（Ｘ２、Ｙ２、Ｚ２）はＧＰＳ衛星２の座標、（Ｘ３、Ｙ３、Ｚ３）はＧＰＳ衛星３の座標であるが、各ＧＰＳ衛星の位置はエフェメリスデータにより既知である。したがって、変数が３つなので、自車両の位置を算出するためには捕捉するＧＰＳ衛星が３つ以上必要である。連立方程式を解くことは、ＧＰＳ衛星を中心とする３つの球の表面の交点を求めることになり、それがＧＰＳ衛星の電波から測位される自車両の座標となる。
ＧＰＳ衛星ｓｔ１までの距離ρ１
＝√｛（Ｘ１−Ｘ）^２＋（Ｙ１−Ｙ）^２＋（Ｚ１−Ｚ）^２｝
ＧＰＳ衛星ｓｔ２までの距離ρ２
＝√｛（Ｘ２−Ｘ）^２＋（Ｙ２−Ｙ）^２＋（Ｚ２−Ｚ）^２｝
ＧＰＳ衛星ｓｔ３までの距離ρ３
＝√｛（Ｘ３−Ｘ）^２＋（Ｙ３−Ｙ）^２＋（Ｚ３−Ｚ）^２｝
また、ＧＰＳ受信部１１の時計の誤差をΔｔとすれば、各式に「ｃ（光速）×Δｔ」を加えることで時計の誤差を補正した距離が算出されることとなる。この場合にはΔｔを含め変数が４つになるので、捕捉するＧＰＳ衛星が４つ以上必要となる。

なお、各ＧＰＳ衛星との距離ρを時間で微分すれば、各ＧＰＳ衛星に対する自車両の相対速度が求められので、これにより自車両の速度を取得することができる。また、自車両の速度は、搬送波Ｌ１のドップラー量に基づき算出してもよい。ドップラー量は自車両の速度とＧＰＳ衛星の速度の差に比例するので、ＧＰＳ衛星の速度（既知）とドップラー量に基づき自車両の速度を算出できる。ドップラー量は搬送波の周波数のズレから算出できる。

このように、ＧＰＳ衛星による測位では測位されるＧＰＳ衛星が３つ以上あることが好ましいが、本実施の形態の測位システムは、捕捉可能なＧＰＳ衛星が２つ以下であっても、自車両の位置を精度よく推定することを可能とする。

なお、上記の連立方程式により算出された位置座標はＷＧＳ（ＷｏｒｌｄＧｅｏｄｅｔｉｃＳｙｓｔｅｍ）基準座標系による位置座標であるため、測位部１５はこれを地球固定直交座標系に変換する。変換された後の車両の位置を、衛星測位位置と称す。

さて、測位部１５には、ＩＮＳ部１４が有する車速センサ１２及びジャイロセンサ１３が接続されている。車速センサ１２は、例えば、各輪に備えられたロータの円周上に定間隔で設置された凸部が通過する際の磁束の変化をパルスとして計測して、単位時間あたりのパルス数に基づき各輪毎に車速を計測する。

また、ジャイロセンサ１３は、光ファイバージャイロ、震動片型ジャイロ等のヨーレートセンサであり、自車両が回転する時の角速度を検知して検知結果を積分することで角度、すなわち進行方向に変換できる。３次元上の方向を推定するためにジャイロセンサ１３は３軸方向の進行方向が検出可能であることが望ましい。

測位部１５は、衛星測位位置に、車速センサ１２による走行距離及びジャイロセンサ１３による走行方向を累積しながら自律航法により車両の現在位置を精度よく推定する（以下、自律航法により推定した位置を慣性測位位置という）。

したがって、測位部１５は、仮に、ＧＰＳ衛星が全く捕捉されなくてもＩＮＳ１４の検出する車速や進行方向を用いて自律航法により自車両の位置を推定できる。

また、推定部１６は衛星測位位置及び慣性測位位置を入力され、それらの値及び過去に検出された値に基づきそれぞれが含む誤差を見積もると共に、慣性測位位置の補正値を算出する。慣性測位位置について算出された補正値はＩＮＳ部１４に入力され、ＩＮＳ部１４は補正値により補正した慣性測位位置を測位部１５に出力する。

推定部１６は、例えばカルマンフィルタにより慣性測位位置の補正値を算出する。カルマンフィルタは、雑音を含む観測値から真の値に最適な推定値を求めるフィルタ（アルゴリズム）である。カルマンフィルタは、次々に入力される慣性測位位置に所定の処理を施して得られる推定値の誤差の二乗平均を最小化するように補正値を算出する。このようにして、測位部１５は、ＩＮＳ１４により検出した慣性測位位置が含む誤差を高精度に補正できる。

なお、推定部１６には衛星測位位置も入力されるため、衛星測位位置に基づき慣性測位位置が含む誤差を推定してもよい。この場合、４つ以上のＧＰＳ衛星が捕捉されている状態があれば、その時の衛星測位位置に大気の状態や仰角による補正を施し、ＩＮＳ１４により測位された慣性測位位置が有する誤差の推定に算入させることができる。

ここで、推定部１６は衛星測位位置の誤差を推定しない、又は、仮に推定しても衛星測位位置の補正値を測位部１５に入力しない点も、本実施の形態の特徴である。カルマンフィルタは、過去の計測値の傾向を元に誤差を推定するものなので、瞬時測位である衛星測位位置に適用することは好適でない。例えば、ＧＰＳ衛星からの電波がマルチパス等により大きく変位した場合、カルマンフィルタはその後長時間にわたって誤差の大きな衛星測位位置を使用して補正値を算出することになるので、衛星測位位置についてはカルマンフィルタにより補正しない方が精度が確保されやすい。

これに対し、ＧＰＳ衛星が３つ以上捕捉されている場合には、ＧＰＳ受信部１１が有する時計の誤差は残るものの（３つの場合）、ＧＰＳ衛星により車両の三次元空間における衛星測位位置が取得され、これをＩＮＳ部１４による自律航法により補正すれば高精度に自車両の位置を推定できる。

しかしながら、捕捉されたＧＰＳ衛星が２つ以下の場合、ＧＰＳ衛星との距離により規定される位置は広範囲になる。図３（ａ）は、ＧＰＳ衛星が１つの場合に規定される位置の範囲を、図３（ｂ）はＧＰＳ衛星が２つの場合に規定される位置の範囲を、それぞれ示す。ＧＰＳ衛星が１つの場合、ＧＰＳ衛星から等距離な位置の軌跡は球になるため、自車両の位置は球上のいずれかとしか特定できない。また、ＧＰＳ衛星が２つの場合、２つのＧＰＳ衛星から等距離な位置の軌跡は、２つのＧＰＳ衛星を中心とする球が交差する曲線となるため、自車両の位置は曲線上のいずれかとしか特定できない。

本実施の形態の測位システム１０は、捕捉されたＧＰＳ衛星が３未満の場合、衛星測位位置（球又は曲線）から、自律航法により測位された慣性測位位置が最も近くなる地点を衛星測位位置とすることで、衛星測位位置をある１つの地点に特定することができる。

図１に戻り、カーナビＥＣＵ１９は、このようにして推定された自車両の位置に基づき地図データ２０から道路地図を抽出し、出力装置１８に表示する。出力装置１８は、液晶や有機ＥＬ、ＨＵＤ（Head Up Display）等である。また、出力装置１８はスピーカと接続されており、カーナビＥＣＵ１９はスピーカにより案内する交差点などの進行方向を音声により出力する。

入力装置１７は、押下式のキーボード、ボタン、リモコン、十字キー、タッチパネル等で構成され、運転者からの操作を入力するためのインターフェイスである。また、マイクを備え運転者の発する音声を音声認識回路で認識して操作を入力してもよい。目的地までのルート検索を行う場合、運転者は目的地を住所、地名、ランドマーク名、郵便番号等で入力することができる。

また、カーナビゲーションシステム１は、テレビ及びラジオの受信装置やＤＶＤ等のメディアを再生するメディアプレーヤを装備しており、これらは入力装置１７により操作される。

また、地図データ２０は、ハードディスクやＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ等で構成され、道路網や交差点などの道路地図情報が、緯度・経度に対応づけて格納されている。地図データ２０は、実際の道路網に対応して、ノード(道路と道路が交差する点、すなわち交差点)に関係する情報と、リンク(ノードとノードを接続する道路)に関係する情報とからなるテーブル状のデータベースに格納される。

ノードテーブルは、ノードの番号、座標、そのノードから流出するリンク数及びそれらのリンク番号を有する。また、リンクテーブルは、リンクの番号、リンクを構成する始点ノードと終点ノード、リンク長を有する。ノード番号及びリンク番号は、互いに重複しないように定められている。したがって、ノード番号とリンク番号をそれぞれ辿ることで道路網が形成される。

測位システム１０による自車両の位置の推定手順について図４のフローチャート図に基づき説明する。まず、ＧＰＳ受信部１１がＧＰＳ衛星を捕捉する（Ｓ１）。捕捉されなければ、ＩＮＳ１４による自律航法を継続する。

ＧＰＳ衛星が捕捉されたら、測位部１５は捕捉されたＧＰＳ衛星の数が、上記の連立方程式により自車両の位置を算出するために必要な未知数の数より多いか否かを判定する（Ｓ２）。必要な未知数の数は、上述したように、時計の誤差まで補正するためには４つであり、時計の誤差を別の方法で補正するような場合は３つとなる。本実施の形態では未知数を３つとすることとして、捕捉されたＧＰＳ衛星が２つ以下の場合には、ステップＳ３の処理を、３つ以上の場合にはステップＳ４の処理を行う。

捕捉されたＧＰＳ衛星の数が３つ以上の場合、測位部１５は３つ以上のＧＰＳ衛星との距離に基づき衛星測位位置を算出する（Ｓ４）。

また、捕捉されたＧＰＳ衛星の数が３つ未満の場合、測位部１５は、ＩＮＳ１４により算出された慣性測位位置との距離が最小となる位置を、図３（ａ）又は（ｂ）に示す球面又は曲線から抽出し、その位置を衛星測位位置とする（Ｓ３）。

ついで、測位部１５は、通常の測位と同様に、衛星測位位置を慣性測位位置により補正して自車両の位置を推定する（Ｓ５）。なお、さらに、地図データ２０の道路地図に、推定した自車両の位置を対応づけるマップマッチング法により位置を高精度に決定してもよい。決定された車両の位置は、カーナビＥＣＵ１９に送出される。

また、推定部１６は、慣性測位位置に基づき慣性測位位置の真値を推定し、その補正値をＩＮＳ１４にフィードバックする（Ｓ６）。

本実施の形態の測位システムによれば、ＧＰＳ衛星が３つ未満の場合、球又は曲線としか規定されない衛星測位位置から、慣性測位位置に最も近い位置を衛星測位位置として抽出し、この衛星測位位置を自律航法により補正して自車両の位置を推定するため、捕捉されるＧＰＳ衛星の数が１又は２であっても精度よく自車両の位置を推定できる。また、本実施の形態では、推定部１６により慣性測位位置の誤差を補正しているため、慣性測位位置から最も近い位置として抽出される衛星測位位置も精度が保たれる。

また、本実施の形態では車両を対象に説明したが、船や航空機などのその他の移動体の位置を推定する場合にも適用できる。また、無線局としてＧＰＳ衛星を用いたが、無線局は地上に設置されていてもよい。

測位システムを適用したカーナビゲーションシステムの全体構成図である。車両とＧＰＳ衛星ｓｔ１〜ｓｔ４との関係を示す図である。捕捉されたＧＰＳ衛星の数が１つ又は２つの場合に測位により規定される範囲を示す図である。測位システムによる自車両の位置の推定手順を示すフローチャート図である。

符号の説明

１カーナビゲーションシステム
１０測位システム
１１ＧＰＳ受信部
１２車速センサ
１３ジャイロセンサ
１４ＩＮＳ部
１５測位部
１６推定部
１７入力装置
１８出力装置
１９カーナビＥＣＵ
２０地図データ

Claims

人工衛星から発信される電波を利用した測位と自律航法による測位とを協調制御して、移動体の位置を推定する測位システムにおいて、
捕捉された前記人工衛星が３未満の場合、前記電波を利用して測位された範囲から、前記自律航法により測位された慣性測位位置との距離が最小となる地点を抽出し、当該地点を前記電波を利用して測位された衛星測位位置と推定する、
ことを特徴とする測位システム。
捕捉された前記人工衛星が１つの場合、前記範囲は、当該人工衛星から等距離な球面として規定され、
捕捉された前記人工衛星が２つの場合、前記範囲は、当該２つの人工衛星から等距離な２つの球面がなす曲線として規定される、
ことを特徴とする請求項１記載の測位システム。
前記衛星測位位置を前記自律航法による測位で補正して前記移動体の位置を推定する、ことを特徴とする請求項１記載の測位システム。
人工衛星から発信される電波を利用した測位と自律航法による測位と協調制御して、位置を推定する測位方法において、
捕捉された前記人工衛星が３未満の場合、電波を利用して測位された範囲から、前記自律航法により測位された慣性測位位置との距離が最小となる地点を抽出し、当該地点を前記電波を利用して測位された衛星測位位置と推定する、
ことを特徴とする測位方法。
請求項１〜３いずれか記載の測位システムにより推定された車両の前記位置を含む道路地図を表示可能なカーナビゲーションシステム。