JP2007271500A - Position/attitude estimation device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はGNSS航法測位技術に関し、特に、姿勢推定精度および位置推定精度を向上させる装置に関する。このGNSSとはGlobal Navigation Satellite Systemの略称であって、GPSに代表される人工衛星による全世界航法測位システムや、ロシアが運用中のGLONASS、欧州が開発中のGALILEO、そして、日本が開発中の準天頂衛星システム等が含まれる。 The present invention relates to a GNSS navigation positioning technique, and more particularly to an apparatus for improving posture estimation accuracy and position estimation accuracy. This GNSS is an abbreviation for Global Navigation Satellite System. It is a global navigation positioning system using satellites represented by GPS, GLONASS operated in Russia, GALILEO being developed in Europe, and Japan being developed. Includes quasi-zenith satellite system.
GNSSは航空機、船舶、自動車の航法測位に広く使われているが、複数のアンテナに対するGPS観測データ(搬送波位相)の位相差を用いることで姿勢決定にも使用でき、船舶ではGPSコンパスとして実用化されている。位置・姿勢推定精度を高めるためにはGNSS信号に含まれるマルチパス誤差(多重伝搬誤差)を軽減する必要がある。
このマルチパス誤差は、特別なアンテナ(チョークリング・アンテナ等)を使用すること、受信機内部で高度な相関器(ナローコリレータ,ストロボコリレータ)を使うことで軽減できることが知られているが、複数のアンテナを使って受信し、これらの受信信号を総合処理して軽減することも可能である。
GNSS is widely used for navigation positioning of aircraft, ships, and automobiles, but it can also be used for attitude determination by using the phase difference of GPS observation data (carrier phase) for multiple antennas, and practically used as a GPS compass for ships Has been. In order to improve the position / posture estimation accuracy, it is necessary to reduce the multipath error (multiple propagation error) included in the GNSS signal.
It is known that this multipath error can be reduced by using a special antenna (choke ring, antenna, etc.) and using an advanced correlator (narrow correlator, strobe correlator) inside the receiver. It is also possible to reduce the noise by receiving these antennas and comprehensively processing these received signals.
複数のアンテナによって受信するものとして、特許文献1には、電波の一時的な遮蔽あるいはフェージング等がある場合にも、高い測位精度を実現することのできる測位装置を得ることを目的とした、測位装置が提示されている。この測位装置は発信機からの電波を複数の受信機で受信し、その受信信号に基づいて発信機の位置を一定周期ごとに測位するとともに、次回周期測位予測値を推定する機能を備えており、複数の受信機の受信信号による観測値と、推定された次回周期測位予測値による予測値との比較に基づいて測位予測誤差を算出する測位処理部と、測位予測誤差に基づいて発信機の測位値及び次回周期測位予測値の状態推定を行うフィルタ手段とを備えるものである。従来の測位装置は電波の一時的な遮蔽、あるいは室内環境で発生するフェージング等により、一時的に測位が中断されてしまうと、整数値バイアスが失われてしまい、測位の続行が不可能となる。あるいは、誤った整数値バイアスを用いて測位しなければならないため、以後の測位における誤差が大きくなってしまうという問題がある。また、受信機間の位相差によって測位を行うため、位相の基準とする受信機が遮蔽される、あるいはフェージング等により受信状態が悪くなると、全ての方程式における位相差の計測精度が悪くなってしまい、測位精度が劣化してしまうという問題がある。しかし、この発明は前記フィルタ手段により推定される測位予測値を活用することにより、基準となる特定の受信機を定める必要がなく、それぞれの受信機の受信信号に基づいて測位を行うことができ、ある受信機で電波の一時的な遮蔽あるいはフェージング等がある場合にも、高い測位精度を実現することのできる測位装置を得ることができるものである。
As what is received by a plurality of antennas,
また、特許文献2には、GPS衛星を用いて移動体の測位を行う測位装置において、マルチパスによる影響を除去して測位の検出精度を向上させると共に、信頼性を向上させることを目的とした「測位装置」が開示されている。この測位装置はGPS衛星からの信号を受信するn個(nは1以上の整数)のアンテナと、n個のベースバンド信号を時間軸方向にm個分割して得られた(m×n)のベースバンド信号から(m×n)チャンネルの位置情報を算出する(m×n)個のベースバンド信号処理部を備えn個のアンテナのそれぞれから受信信号を復調してn個のベースバンド信号に変換し、各n個のベースバンド信号毎に、時間の異なるm個のデータに分配し、(m×n)個のベースバンド信号を得て、空間ダイバシティと時間ダイバシティとにより、移動体の位置を算出するように構成することで、信頼性が向上され、また、位置検出精度が向上されるものである。
Further,
ところで、前記の特許文献1と特許文献2そして非特許文献1も精度の高い測位装置を提供することを課題としたものであり、精度の良い姿勢装置を提供することは想定していない。また、特許文献1は電波の一時的な遮蔽あるいはフェージング等による影響を除去する技術であり、マルチパス誤差を軽減または除去する技術ではない。特許文献2はマルチパスについての言及はあるものの、この装置は(m×n)個のベースバンド信号処理部で算出された(m×n)チャンネルの位置情報の中から、受信状態検出部で検出された受信状態の情報に応じて、受信状態の悪いチャンネルの位置情報をスクリーニングするスクリーニング部と、(m×n)個のベースバンド信号処理部で算出された(m×n)チャンネルの位置情報からスクリーニングされた情報を除いた後、演算部においてダイバシティ処理を行って、移動体の位置情報を検出算出するという手法を採用しており、処理方法が厄介であり装置が複雑化する。
特許文献3の米国特許は複数のアンテナを配置して各アンテナで取得した信号と受信機内部で生成した信号の相関をとる相関器を用いるものであるが、姿勢角については外部情報を用いるものである。
The US patent of
本発明の課題は、複数アンテナを使用するGNSS位置・姿勢推定装置において、装置を複雑化することなく、マルチパス誤差を軽減することにより、姿勢推定精度および位置推定精度を向上させることにある。 An object of the present invention is to improve posture estimation accuracy and position estimation accuracy by reducing a multipath error in a GNSS position / posture estimation device using a plurality of antennas without complicating the device.
本発明の姿勢推定装置は、移動体上に複数のアンテナを搭載し、各アンテナで取得したGNSS衛星信号と装置内部で生成したレプリカ信号の相関をとる相関器において、姿勢角情報を用いて式2で計算した搬送波位相差を拘束条件として課する機能を備えるようにした。
また、本発明の姿勢推定装置は、上記構成に加え、再計算した姿勢角が収束したか否かを判定する手段を備え、収束していなければこの時の推定値を初期値として再び処理を繰り返し、収束するまで行い、その結果として姿勢角を高精度に推定する。また、マルチパス誤差が低減された搬送波位相を用い搬送波差分測位や精密単独測位手法における精度を向上させるようにした。
The attitude estimation apparatus according to the present invention includes a plurality of antennas mounted on a moving body, and uses an attitude angle information in a correlator that correlates a GNSS satellite signal acquired by each antenna and a replica signal generated inside the apparatus. A function of imposing the carrier phase difference calculated in 2 as a constraint condition is provided.
In addition to the above configuration, the posture estimation apparatus of the present invention further includes means for determining whether or not the recalculated posture angle has converged. If the posture angle has not converged, the estimated value at this time is used as an initial value to perform the process again. Repeat until convergence, and as a result, estimate the attitude angle with high accuracy. In addition, the carrier phase with reduced multipath error is used to improve the accuracy in the carrier differential positioning and precision single positioning methods.
本発明の姿勢推定装置は、移動体上に複数のアンテナを搭載し、各アンテナで取得したGNSS衛星信号と装置内部で生成したレプリカ信号の相関をとる相関器において、姿勢角情報を用いて式2で計算した搬送波位相差を拘束条件として課する機能を備えるようにしたものであるから、
そのことにより、本発明の姿勢推定装置は、ジャイロ等の姿勢検出装置を使用せずに、GNSS受信機のみで姿勢推定が出来、マルチパス誤差を軽減することで従来よりも推定精度が向上することができる。この装置を船舶等移動体に搭載すれば、従来よりも高精度に移動体の位置、姿勢を推定することができ、移動体からのリモートセンシング等、地球環境科学・工学におおきな貢献をすることができる。
The attitude estimation apparatus according to the present invention includes a plurality of antennas mounted on a moving body, and uses an attitude angle information in a correlator that correlates a GNSS satellite signal acquired by each antenna and a replica signal generated inside the apparatus. Since it has a function to impose the carrier phase difference calculated in 2 as a constraint condition,
As a result, the posture estimation apparatus of the present invention can perform posture estimation only by a GNSS receiver without using a posture detection device such as a gyro, and the estimation accuracy is improved as compared with the conventional case by reducing multipath errors. be able to. If this device is mounted on a moving body such as a ship, the position and orientation of the moving body can be estimated with higher accuracy than before, and it will make a significant contribution to earth environmental science and engineering, such as remote sensing from the moving body. Can do.
レプリカ信号との相関をとる方式の本発明の姿勢推定装置における姿勢推定の原理を説明する。複数(n個)のGNSSアンテナ群(Ant-1〜Ant-n)が船舶や航空機、大型車両といった移動設備に搭載され、三次元空間に配設されているとき、1つのアンテナAnt-1と他のアンテナAnt-kとGNSS衛星の位置関係を図3に示して考察する。実際の位置関係は三次元であるが、この図は三者の中心位置を含む平面で二次元的に描写してある。アンテナのAnt-1とAnt-kからGNSS衛星の距離はアンテナのAnt-1とAnt-k間の距離と比較すると十分に大きく無限遠の存在と見なせるので、受ける電波の方向は平行の関係となる。今、アンテナのAnt-1を基準としてアンテナから見たGNSS衛星の仰角をEとし、アンテナのAnt-1とAnt-kの位相中心の間隔をdkとし、アンテナのAnt-1とAnt-kとを結ぶ線の水平線とのなす角を姿勢角θとすると、アンテナのAnt-1とGNSS衛星間の距離と、アンテナのAnt-kとGNSS衛星間の距離との差である遅延距離Lは次式(式1)で計算される。
本発明の姿勢推定装置の全体構成は、図1のように複数のGNSSアンテナ1〜Nの群1、低ノイズアンプ(LNA)2、バンドパスフィルタ,アンプ,ミキサ等からなるRF部3、アナログ/デジタル変換器(ADC)4、各アンテナからの信号を通常のGNSS受信機と同様に処理して疑似距離,搬送波位相,航法メッセージを出力するデータ処理器5、各アンテナ対する疑似距離,搬送波位相,航法メッセージから位置および姿勢角を演算する演算器6、そして位置姿勢を高精度に推定する推定器7からなっている。推定器7は演算器6で計算した姿勢角、または過去の推定器7の出力姿勢角値、または過去の推定器7の出力値に基づく現在の姿勢角予測値を初期値として使用する。
As shown in FIG. 1, the overall configuration of the posture estimation apparatus of the present invention includes a
推定器7における処理を図2に示すフローチャートに沿って説明する。複数のアンテナが移動設備上に搭載されているため、当初姿勢角Eは従来装置と同様に正確には特定されていない。ステップ1でまず不正確な姿勢角Eの予測値を初期値としてアンテナ対における搬送波位相差φkを計算する。ステップ2で位相差を拘束条件とする相関計算を行い、各アンテナにおける搬送波位相φm+φkを推定する。ステップ3で推定した搬送波位相φm+φkにより姿勢角Eを再度計算する。続いてステップ4で姿勢角Eの推定が収束したかの判定を行い、収束していなければこの時の推定値を初期値としてステップ1から再び処理を繰り返し、収束するまで行う。収束すればステップ5に進み、その時の搬送波推定値を用いてアンテナ位置計算を行い精度の高い位置・姿勢角値を出力する。
本発明の位置・姿勢推定装置は基準局を使わずにGPS精密衛星軌道、時計推定値と搬送波観測データを使って精密測位を行う精密単独測位(PPP:Precise Point Positioning)の装置であってもよい。
The processing in the estimator 7 will be described along the flowchart shown in FIG. Since a plurality of antennas are mounted on the mobile equipment, the initial posture angle E is not accurately specified as in the conventional apparatus. The predicted value of the first incorrect posture angle E in
The position / orientation estimation apparatus of the present invention may be a precision point positioning (PPP) apparatus that performs precise positioning using GPS precise satellite orbits, clock estimates, and carrier observation data without using a reference station. .
マルチパス誤差低減による位置姿勢角精度が向上するので、高精度な位置または姿勢角を必要とするすべてのGNSS応用分野で利用できる。例えば船舶等で使用されるGPSコンパスの改良品となる。また移動体からのリモートセンシング等、地球環境科学・工学の分野で貢献することができる。 Since the position / orientation angle accuracy is improved by reducing the multipath error, it can be used in all GNSS application fields that require a highly accurate position or orientation angle. For example, it is an improved product of a GPS compass used in ships and the like. It can also contribute to the field of global environmental science and engineering, such as remote sensing from mobile objects.
1 アンテナ群 2 低ノイズアンプ(LNA)
3 RF部 4 アナログ/デジタル変換器(ADC)
5 データ処理器 6 演算器
7 推定器
1
3
5 Data processor 6 Arithmetic unit 7 Estimator
Claims (4)
なお、φmは基準となるアンテナにおける位相の推定値 The attitude angle obtained by the function of the conventional GNSS attitude estimation device is set as an initial value, and the multipath error of the carrier phase is reduced by using the correlator having the above-described constraint conditions, and the carrier phase φ m + φ k at each antenna is reduced. The position / orientation estimation apparatus according to claim 1, further comprising means for estimating the angle and recalculating the attitude angle.
Φ m is the estimated phase of the reference antenna.
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