JP2007315766A - ナビゲーション装置 - Google Patents

Abstract

【課題】地図データベースのデータ量を大幅に増大させることなく、マルチパスの影響による測位精度の低下を軽減するナビゲーション装置を提供する。
【解決手段】記憶部４に格納される地図データベースの各道路要素のデータに仰角マスク値を記録し、市街地などマルチパスの影響が大きいと予想される地域の道路では他の地域の道路より仰角マスク値を大きくする。測位部３１は、この仰角マスク値より大きな仰角のＧＰＳ衛星からの信号を用いて測位を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、衛星からの信号を受信して自身の現在位置を算出するナビゲーション装置に関する。

カーナビゲーション装置やポータブルナビゲーション装置では、ＧＰＳ（Global Positioning System）衛星などの位置測位用の人工衛星から信号を受信して、現在位置の測位を行っている。測位は複数の衛星からの信号を受信して行われている。測位のための重要なパラメータとして、各衛星からの電波の到達時間があるが、衛星の仰角が低い場合には、電波が大気圏を長い期間通ってくるため、遅延誤差が大きい。また、衛星の仰角が低いと、障害物による受信障害が発生しやすい。このため、仰角が低い衛星からの信号を用いて測位を行うと、測位精度が低下するおそれがある。

そこで、従来、仰角が５〜１５度程度以下の衛星については、位置測位に利用しないようにする仰角マスクが行われている。通常、衛星は仰角マスクされない範囲に、数個が位置するように軌道や周期が設定されているため、仰角の低い衛星をマスクして測位計算に利用しないようにしても、問題なく現在位置を測位することができる。

ところで、建物等が多く存在する市街地では、建物等により電波が反射されることによってマルチパスが多く発生する。マルチパスが発生すると、ＧＰＳ衛星から直接到達する信号とＧＰＳ受信機に間接的に到達する「エコー」信号との区別が、ＧＰＳ受信機側でできない場合があり、以下のような影響がある。（１）正確な到達時間が観測できない。（２）ＧＰＳ受信機を搭載した車両が走行しているため、マルチパスを起こす周囲の状況（建物等）が刻々変化し、観測結果にバラツキがでる。（３）マルチパスの発生原理上、系統的な誤差にならず、発生してしまうと統計的な誤差除去が難しい。

このため、マルチパスが発生しやすい場所では、その他の場所と同様の仰角マスクを行っていても、十分な測位精度が得られないことがあった。

従来のカーナビゲーション装置では、ＧＰＳ衛星を利用した測位の他に、車速パルス信号により移動速度を検出し、ジャイロにより進行方向の変化を検出して、以前の位置からの相対的な位置移動を求める慣性航法も併用して利用されていた。これにより、市街地など障害物が多く、ＧＰＳ信号にマルチパスが多く発生して、正確な測位が難しい場所や、トンネルや地下駐車場などの、ＧＰＳ信号が受信できない場所でも、最後にＧＰＳ信号を受信して測位した位置からの移動距離と方位から、現在位置の算出を行うことができた。

ところが、車両への取り付け形態の関係から、車速パルス信号やジャイロ信号を得ることができないポータブルナビゲーション装置では、上記のような場合に、相対位置を算出するための補助の位置算出手段がない場合が多く、現在位置が算出できなくなってしまう。

そこで、トンネルなどでＧＰＳ信号が受信できなくなった場合には、トンネルに入る前の速度を維持して直進している（トンネルの多くが直線で、かつ交通渋滞の機会が少ない）と仮定して、現在位置を変化させるといったことなどが行われている。また、市街地では、現在の進行方向と近くの道が平行していて、距離が近い場合は、測位に誤差があり、実際には道路上を走っていると判断して、現在位置を道路上と判断して修正するマップマッチング処理により、マルチパスによる位置や方位の変動を抑えている。

しかし、マップマッチング処理では、道路が近接した場所では、ＧＰＳ信号で測位した位置のズレが大きいと、隣接する道にマッチングしてしまうといった不都合が生じることがある。このため、マップマッチング処理のような後処理による位置修正には限界があり、本質的にはＧＰＳ信号を用いて測位した位置が正確であることが要求される。

マルチパスの影響による測位精度の低下を軽減するナビゲーション装置としては、例えば特許文献１に開示されたものがある。このナビゲーション装置は、地図データベースに主要建築物の位置および高さを記録しておき、ナビゲーション装置を搭載した車両と衛星とを結ぶ線上に建築物が存在するか否かを調べて、建築物が存在しない衛星から送られてくる位置情報を使用して車両位置を検出するようにしている。
特開平１０−２５３３７１号公報

しかしながら、特許文献１に開示されたナビゲーション装置では、地図データベースに主要建築物の位置や高さの情報を記録するので、既存の地図データベースを利用して簡単に作成することができず、また、地図データベースのデータ量が膨大になるという問題があった。

本発明は上記に鑑みてなされたもので、地図データベースのデータ量を大幅に増大させることなく、マルチパスの影響による測位精度の低下を軽減するナビゲーション装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明のナビゲーション装置は、衛星から受信した信号を用いて現在位置の測位を行うナビゲーション装置であって、複数の衛星から送信される航法データを含む信号を受信する受信手段と、地図上の各道路要素に対して設定した、測位に用いる衛星を選択するための仰角のしきい値である仰角マスク値を含む地図データを格納する地図データ記憶手段と、前記航法データに基づいて、前記仰角マスク値よりも大きな仰角に対応する位置に存在する衛星を選択し、選択した衛星から受信した信号を用いて測位を行う測位手段とを備えることを特徴とする。

また、本発明のナビゲーション装置は、衛星から受信した信号を用いて現在位置の測位を行うナビゲーション装置であって、前記衛星から送信される航法データを含む信号を受信する受信手段と、地図上の各道路要素に対して、測位に用いる衛星の数を制限するか否かを示す仰角マスク最適処理フラグを含む地図データを格納する地図データ記憶手段と、前記仰角マスク最適処理フラグが測位に用いる衛星の数を制限することを示す場合に、前記航法データに基づいて、仰角の大きな位置に存在する衛星から順に予め設定された数だけ衛星を選択し、選択した衛星から受信した信号を用いて測位を行う測位手段とを備えることを特徴とする。

本発明のナビゲーション装置は、地図データベースの各道路要素に記録した仰角マスク値に基づいて、測位に用いる衛星を選択し、選択した衛星から受信した信号を用いて測位を行うので、地図データベースのデータ量を大幅に増大させることなく、マルチパスの影響による測位精度の低下を軽減することができる。

以下、本発明のナビゲーション装置を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下では、測位に用いる衛星としてＧＰＳ衛星を例にとって説明する。

図１は本発明の一実施の形態に係るナビゲーション装置の構成を示すブロック図である。図１に示すように本実施の形態の衛星測位装置は、アンテナ１と、受信部２と、制御部３と、記憶部４と、表示部５とを備える。

受信部２は、ＧＰＳ衛星が送信した信号をアンテナ１を介して受信すると、ＧＰＳ衛星に固有のＰＮ符号（擬似ランダム符号）を用いて受信信号を逆拡散する。また、受信部２は、逆拡散された受信信号を復調することにより、ＧＰＳ衛星から送信されたアルマナックデータ、エフェメリスデータなどの航法データを得る。ここで、アルマナックデータは全衛星の概略の軌道情報を含み、エフェメリスデータは衛星自身の軌道情報や時計の補正情報などを含む。得られた航法データは、制御部３に出力される。

制御部３は、測位部３１、マップマッチング部３２、画像生成部３３を備える。測位部３１は、受信部２からの航法データを用いてナビゲーション装置の位置を算出する。

各ＧＰＳ衛星から送信される信号には、アルマナックデータ、エフェメリスデータの他に、その信号の送信時刻が含まれている。この送信時刻と、ナビゲーション装置がそのＧＰＳ衛星からの送信信号を受信した時刻との時間差に光速度を乗じることで、ＧＰＳ衛星とナビゲーション装置との距離（擬似距離）が算出される。そして、この擬似距離を用いて位置座標を未知数とした連立方程式を解くことで、位置を算出することができる。

ここで、３次元の測位を行う場合、経度、緯度、高度と未知数が３つであるから、少なくとも３個のＧＰＳ衛星からの信号を用いる必要がある。さらに、ナビゲーション装置の時計（図示せず）は、ＧＰＳ衛星の時計に比べ不正確なため、この時計（時刻）の誤差を消去するために、時計の誤差補正量を未知数として１つ加えた４つの未知数からなる方程式を解く必要がある。したがって、３次元の測位を行う場合には、同時に４個以上のＧＰＳ衛星からの信号を用いる必要がある。

マップマッチング部３２は、測位部３１で算出した測位位置付近の地図データを記憶部４から読み出してマップマッチング処理を行い、測位位置に最も整合する道路上の位置を現在位置として算出する。画像生成部３３は、マップマッチング部３２で算出された現在位置に対応した地図データを記憶部４から読み出し、現在位置を示すマークを含む地図画像を生成する。

記憶部４は、ＨＤＤ等からなり、道路を表すリンクやノードの詳細データや地図表示に必要な画像データ等を地図データとして記録した地図データベースを格納している。表示部５は、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）等からなり、画像生成部３３で生成された地図画像を表示する。

図２に示すように、ナビゲーション装置を搭載した車両１０が、建物等が多く存在する市街地を走行しているような場合、高仰角のＧＰＳ衛星１１では、建物等で到来波が反射して受信されるマルチパスが発生しにくく、車両１０では、ＧＰＳ衛星１１からの直接波１２が受信されやすい。

一方、低仰角のＧＰＳ衛星１３では、周囲の建物１６によってマルチパスが発生しやすい。また、両側に建物がある場合は、反射回数の異なるマルチパスが受信される。車両１０において、ＧＰＳ衛星１３からの直接波１４と、建物１６の壁面によって反射された間接波１５とを受信すると、アナログＴＶ信号波のゴースト画像と同じような状態となる。このため、正確な位相（ＴＶ画像で言えば画像の水平位置）検出が難しくなり、時間計測のエラーや誤差が生じやすくなる。

一般にＧＰＳ衛星は、複数個が常に受信されるように軌道と周期が設定されており、ＧＰＳ衛星１３のような仰角の低いＧＰＳ衛星を利用しなくても測位が可能である。低仰角のＧＰＳ衛星を測位に利用している理由の一つに、測位に使うＧＰＳ衛星数が多い程、測位精度が向上することが挙げられる。しかし、これはマルチパスが無い条件が仮定としてあり、マルチパスがある場合は、低仰角のＧＰＳ衛星を除いて測位を行ったほうが、測位精度が向上することがある。

また、マルチパスは、移動中に刻々と状態が変化するため、測位誤差も変化し、場合によっては測位位置がジャンプしたり、測位方位や速度が不連続に変化したりするなどの症状が発生することがある。

本実施の形態のナビゲーション装置では、地図データベースの各道路要素のデータに、測位に用いる衛星を選択するための仰角のしきい値である仰角マスク値を挿入する。市街地で高い建物が多く、マルチパスの影響が大きいと予想される道路については、仰角マスク値を大きな値にして、マルチパスによる位置、方位、速度の不連続を防止しつつ、マップマッチング処理による引き込みが正常に行われる程度の測位精度が得られる程度に、測位に用いるＧＰＳ衛星の数を絞る。

図３は地図上の道路要素を示す図、図４は図１に示すナビゲーション装置における地図データベース中の道路要素のデータを示す図である。図４に示すように、図３の道路要素２０のデータには、ノードＡ，Ｂそれぞれの緯度および経度、ノードＡ，Ｂ間の距離、ノードＡ→ノードＢの方位、ノードＡ←ノードＢの方位、一方通行等の通行規制情報、車線数情報等とともに、仰角マスク値が含まれている。

仰角マスク値は、マルチパスの影響が大きいと予想される道路については、例えば、３０度程度の大きな値とする。その他の道路では、従来のナビゲーション装置における仰角マスク値と同様に、例えば、５〜１５度程度の値とする。

次に、本実施の形態に係るナビゲーション装置の動作を説明する。ＧＰＳ衛星が送信した信号をアンテナ１を介して受信すると、受信部２は、受信信号の逆拡散処理を行う。そして、逆拡散された受信信号を復調することにより、各ＧＰＳ衛星から送信されたアルマナックデータ、エフェメリスデータなどの航法データを得て、この航法データを測位部３１に出力する。また、受信部２は、各ＧＰＳ衛星からの信号に含まれるその信号の送信時刻情報を測位部３１に出力する。

測位部３１は、受信部２から出力される各ＧＰＳ衛星からの航法データから、各ＧＰＳ衛星の仰角を得ることができる。また、測位部３１は、現時点で認識しているナビゲーション装置の位置に基づいて、記憶部４の地図データベースを参照し、走行中の道路の仰角マスク値を読み出す。そして、測位部３１は、地図データベースに記録された仰角マスク値よりも大きな仰角に対応する位置に存在するＧＰＳ衛星を選択し、選択したＧＰＳ衛星からの信号に含まれる航法データおよび送信時刻情報を用いて、ナビゲーション装置の位置を算出する。

そして、マップマッチング部３２は、測位部３１で算出した測位位置付近の地図データを記憶部４から読み出してマップマッチング処理を行い、測位位置に最も整合する道路上の位置を現在位置として算出する。画像生成部３３は、マップマッチング部３２で算出された現在位置に対応した地図データを記憶部４から読み出し、現在位置を示すマークを含む地図画像を生成し、表示部５に地図画像を表示する。

なお、３次元の測位を行う場合には、４個以上のＧＰＳ衛星からの信号を用いる必要があるため、仰角マスク値より大きな仰角のＧＰＳ衛星が３個以下しかない場合は、仰角マスク値より小さな仰角のＧＰＳ衛星からの信号も用いて測位を行うものとする。

このように本実施の形態によれば、地図データベースの各道路要素のデータに仰角マスク値を記録し、市街地などマルチパスの影響が大きいと予想される地域の道路では他の地域より仰角マスク値を大きくして、この仰角マスク値より大きな仰角のＧＰＳ衛星からの信号を用いて測位を行うので、マルチパスの影響による測位精度の低下を軽減することができる。また、本実施の形態の地図データベースは、既存の地図データベースに仰角マスク値を追加するだけで簡単に作成することができ、地図データベースのデータ量が大幅に増大することがない。

（変形例）
図５は本発明の実施の形態の変形例における地図データベース中の道路要素のデータを示す図である。図５に示すように、この変形例における道路要素のデータは、図４に示すデータに対して、仰角マスク値を仰角マスク最適処理フラグに置き換えたものである。マルチパスの影響が大きいと予想される道路では、測位に利用するＧＰＳ衛星の数を制限するための仰角マスク最適化処理を行うため、仰角マスク最適処理フラグをＯＮとし、その他の道路では、仰角マスク最適処理フラグをＯＦＦとする。

測位部３１は、仰角マスク最適処理フラグがＯＮの道路においては、仰角の大きな位置に存在するＧＰＳ衛星から順に、予め設定された数だけＧＰＳ衛星を選択し、選択したＧＰＳ衛星からの信号に含まれる航法データおよび送信時刻情報を用いて、ナビゲーション装置の位置を算出する。選択するＧＰＳ衛星の数としては、例えば、３次元の測位を行うために必要な４個以上とする。仰角マスク最適処理フラグがＯＦＦの道路においては、従来のナビゲーション装置と同様の測位を行う。

このようにしても、地図データベースのデータ量を大幅に増大させることなく、マルチパスの影響による測位精度の低下を軽減することができる。

本発明の一実施の形態に係るナビゲーション装置の構成を示すブロック図である。 マルチパスを説明するための図である。 地図上の道路要素を示す図である。 図１に示すナビゲーション装置における地図データベース中の道路要素のデータを示す図である。 変形例における地図データベース中の道路要素のデータを示す図である。

符号の説明

１ アンテナ
２ 受信部
３ 制御部
４ 記憶部
５ 表示部
３１ 測位部
３２ マップマッチング部
３３ 画像生成部

Claims (2)

1. 衛星から受信した信号を用いて現在位置の測位を行うナビゲーション装置であって、
   複数の衛星から送信される航法データを含む信号を受信する受信手段と、
   地図上の各道路要素に対して設定した、測位に用いる衛星を選択するための仰角のしきい値である仰角マスク値を含む地図データを格納する地図データ記憶手段と、
   前記航法データに基づいて、前記仰角マスク値よりも大きな仰角に対応する位置に存在する衛星を選択し、選択した衛星から受信した信号を用いて測位を行う測位手段と
   を備えることを特徴とするナビゲーション装置。
2. 衛星から受信した信号を用いて現在位置の測位を行うナビゲーション装置であって、
   前記衛星から送信される航法データを含む信号を受信する受信手段と、
   地図上の各道路要素に対して、測位に用いる衛星の数を制限するか否かを示す仰角マスク最適処理フラグを含む地図データを格納する地図データ記憶手段と、
   前記仰角マスク最適処理フラグが測位に用いる衛星の数を制限することを示す場合に、前記航法データに基づいて、仰角の大きな位置に存在する衛星から順に予め設定された数だけ衛星を選択し、選択した衛星から受信した信号を用いて測位を行う測位手段と
   を備えることを特徴とするナビゲーション装置。
   

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