JP2008039689A - Position-detecting device and position-detecting method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、移動局の位置を検出する位置検出装置及び位置検出方法に関する。 The present invention relates to a position detection device and a position detection method for detecting the position of a mobile station.
近年、測量の分野では、搬送波位相によるGPS測量が広く利用されている。この搬送波位相によるGPS測量では、基準側の受信機と測位側の受信機とが、複数の衛星から送られる衛星信号を同時に受信し、基準側と測位側とで各衛星信号の搬送波位相の積算値をそれぞれ独立に算出する。この搬送波位相の積算値(以下、単に「位相積算値」という)には、搬送波の波長の整数倍に相当する不確定な要素(以下、「整数値バイアス」という)が含まれているが、この整数値バイアスは、時計誤差等とは異なり、位相積算値の一重位相差や二重位相差を取ることによっても消去することができない。このため、GPS測量の分野において、位相積算値の三重位相差を取ることで不確定要素である整数値バイアスを消去することや、整数値バイアスそのものを求める技術が提案されている。 In recent years, GPS surveying using a carrier phase has been widely used in the field of surveying. In this GPS survey using the carrier phase, the reference side receiver and the positioning side receiver simultaneously receive satellite signals sent from a plurality of satellites, and the reference side and the positioning side integrate the carrier phase of each satellite signal. Each value is calculated independently. The integrated value of the carrier phase (hereinafter simply referred to as “phase integrated value”) includes an indeterminate element (hereinafter referred to as “integer value bias”) corresponding to an integral multiple of the wavelength of the carrier. Unlike the clock error or the like, this integer value bias cannot be eliminated by taking a single phase difference or a double phase difference of the phase integration value. For this reason, in the field of GPS surveying, a technique has been proposed in which the integral value bias, which is an uncertain factor, is eliminated by taking the triple phase difference of the phase integration value, or the integer value bias itself is obtained.
ここで、整数値バイアスを確定する技術として、カルマンフィルタを用いる技術が知られている(例えば、特許文献1参照)。この技術では、測位側の位置と整数値バイアスを状態変数とし、基準側に対する測位側の位相積算値の一重位相差を観測量として、観測を重ねる毎に前記状態変数を更新する追尾フィルタが構成される。また、整数値バイアスを確定するその他の技術として、整数値バイアスを含んだ搬送波の二重位相差を用いて、最小二乗法により所定の条件で二重位相差の整数値バイアスを求める技術が知られている(例えば、特許文献2参照)。
ところで、上述のような従来技術は、少なくとも5つの衛星からの電波が、整数値バイアスの確定処理中に継続して(サイクルスリップ無しに)受信されることを前提としている。しかしながら、実際には、整数値バイアス確定後若しくは確定中にある衛星からの電波の途切れが生じる場合(サイクルスリップ)があり、この場合、整数値バイアスを確定するための処理を一からやり直さなければならない。 By the way, the prior art as described above is based on the premise that radio waves from at least five satellites are continuously received (without cycle slip) during the integer value bias determination process. However, in practice, there may be a case where the interruption of radio waves from a satellite that has been or has been determined to be an integer value bias (cycle slip). In this case, the process for determining the integer value bias must be repeated from the beginning. Don't be.
また、上述の従来技術は、整数値バイアスの確定処理中に測位側が移動することを想定していないが、仮に測位側が車両のような移動体であるような場合、周辺建物やトンネル等の影響により整数値バイアスの確定処理中にもサイクルスリップが生じ易くなる。また、移動体の移動によって、移動体側の受信機の衛星からの電波受信状態が変化するため、測位に用いる衛星を切り替える必要も生じうる。 In addition, the above-mentioned conventional technology does not assume that the positioning side moves during the integer bias determination process, but if the positioning side is a moving body such as a vehicle, the influence of surrounding buildings, tunnels, etc. Thus, cycle slip is likely to occur even during the integer value bias determination process. In addition, since the radio wave reception state from the satellite of the receiver on the mobile body changes due to the movement of the mobile body, it may be necessary to switch the satellite used for positioning.
そこで、本発明は、上記の問題点に鑑み、サイクルスリップや衛星の切り替えが発生した場合であっても、整数値バイアスの確定処理を一からやり直す必要の無い位置検出装置及び位置検出方法を提供することを目的とする。 Therefore, in view of the above problems, the present invention provides a position detection device and a position detection method that do not require the integer bias determination process to be restarted from the beginning even when a cycle slip or satellite switching occurs. The purpose is to do.
上記課題を解決するため、本発明の一局面によれば、移動局が所定周期毎に観測する衛星信号の搬送波位相の積算値に含まれる整数値バイアスを推定して移動局の位置を検出する位置検出装置であって、
移動局により観測可能な衛星が今回周期で変化した場合、今回周期で観測可能となった衛星の係る観測データと、前回周期から継続して観測可能な衛星の係る観測データとに基づいて整数値バイアスを推定し、該推定に、前回周期で導出された前記継続して観測可能な衛星に係る共分散を用いることを特徴とする、位置検出装置が提供される。
In order to solve the above-described problem, according to one aspect of the present invention, the position of the mobile station is detected by estimating an integer value bias included in the integrated value of the carrier phase of the satellite signal observed by the mobile station every predetermined period. A position detecting device,
When the satellites that can be observed by the mobile station change in this cycle, an integer value based on the observation data of satellites that can be observed in this cycle and the observation data of satellites that can be observed continuously from the previous cycle A position detecting device is provided, characterized in that a bias is estimated, and the covariance relating to the continuously observable satellite derived in the previous period is used for the estimation.
また、本発明のその他の一局面によれば、移動局が所定周期毎に観測する衛星信号の搬送波位相の積算値に含まれる整数値バイアスを推定して移動局の位置を検出する位置検出装置であって、
整数値バイアスの推定に用いる共分散行列を、前回周期で導出した各衛星に係る共分散を用いて更新し、
今回周期で新たな衛星が観測可能となった場合、前記共分散行列に、該新たな衛星に係る共分散として所定の初期値を追加することを特徴とする、位置検出装置が提供される。
Further, according to another aspect of the present invention, a position detecting device for detecting a position of a mobile station by estimating an integer value bias included in an integrated value of a carrier wave phase of a satellite signal observed by the mobile station every predetermined period Because
Update the covariance matrix used to estimate the integer bias using the covariance associated with each satellite derived in the previous period,
When a new satellite becomes observable in the current cycle, a position detection device is provided, wherein a predetermined initial value is added to the covariance matrix as a covariance related to the new satellite.
本局面において、前回周期で観測可能であった衛星が今回周期で観測不能となった場合、前記共分散行列から、該観測不能となった衛星に係る共分散を削除してよい。 In this aspect, when a satellite that was observable in the previous cycle becomes unobservable in the current cycle, the covariance related to the unobservable satellite may be deleted from the covariance matrix.
また、本発明のその他の一局面によれば、移動局が所定周期毎に観測する衛星信号の搬送波位相の積算値に含まれる整数値バイアスを推定して移動局の位置を検出する位置検出装置であって、
所定の判断基準に基づいて移動局で観測可能な衛星を判断する判断手段と、
前記判断手段による判断結果に基づいて、前回周期及び今回周期で観測可能な衛星に対しては、前回周期で導出した同衛星に係る共分散を用い、今回周期で初めて観測可能となった衛星に対しては、所定の初期値を用いて、今回周期で観測可能な全ての衛星に係る共分散行列を生成する共分散行列生成手段とを備え、
前記共分散行列と、今回周期で得た各衛星に係る観測データとを用いて、整数値バイアスを推定すると共に、前記共分散行列を更新することを特徴とする、位置検出装置が提供される。
Further, according to another aspect of the present invention, a position detecting device for detecting a position of a mobile station by estimating an integer value bias included in an integrated value of a carrier wave phase of a satellite signal observed by the mobile station every predetermined period Because
A determination means for determining a satellite that can be observed by the mobile station based on a predetermined determination criterion;
Based on the determination result by the determination means, for the satellites that can be observed in the previous cycle and the current cycle, the covariance related to the satellite derived in the previous cycle is used, and the satellites that can be observed for the first time in the current cycle are used. On the other hand, using a predetermined initial value, the covariance matrix generating means for generating a covariance matrix related to all satellites that can be observed in the current cycle,
Provided is a position detection device characterized by estimating an integer value bias and updating the covariance matrix using the covariance matrix and observation data relating to each satellite obtained in the current cycle. .
また、本発明のその他の一局面によれば、移動局が所定周期毎に観測する衛星信号の搬送波位相の積算値に含まれる整数値バイアスを推定して移動局の位置を検出する位置検出方法であって、
整数値バイアスの推定に用いる共分散行列を、前回周期で導出した各衛星に係る共分散を用いて更新し、
今回周期で新たな衛星が観測可能となった場合、前記共分散行列に、該新たな衛星に係る共分散の所定の初期値を追加することを特徴とする、位置検出方法が提供される。
According to another aspect of the present invention, a position detection method for detecting the position of a mobile station by estimating an integer value bias included in an integrated value of a carrier wave phase of a satellite signal observed by the mobile station every predetermined period Because
Update the covariance matrix used to estimate the integer bias using the covariance associated with each satellite derived in the previous period,
When a new satellite becomes observable in the current cycle, a position detection method is provided, wherein a predetermined initial value of the covariance relating to the new satellite is added to the covariance matrix.
上記の何れの局面おいても、衛星の観測(受信)が不能若しくは可能であるかの判断は、該衛星からの衛星信号の受信強度が所定の最低受信強度以上が確保されているか否かの判断に基づくものであってよい。 In any of the above aspects, whether or not satellite observation (reception) is impossible or possible is determined by whether or not the satellite signal reception intensity from the satellite is more than a predetermined minimum reception intensity. It may be based on judgment.
本発明によれば、サイクルスリップ等が発生した場合であっても、整数値バイアスの確定処理を一からやり直す必要の無い位置検出装置及び位置検出方法を得ることができる。 According to the present invention, it is possible to obtain a position detection device and a position detection method that do not require the integer bias determination process to be repeated from the beginning even when a cycle slip or the like occurs.
以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態の説明を行う。 The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は、本発明に係る搬送波位相式GPS測位システムの構成図である。図1に示すように、GPS測位システムは、地球周りを周回するGPS衛星10と、地球上の所定位置(既知点)に設置される固定型の基準局20と、地球上に位置し地球上を移動しうる移動局30とから構成される。
FIG. 1 is a configuration diagram of a carrier phase GPS positioning system according to the present invention. As shown in FIG. 1, the GPS positioning system includes a
GPS衛星10は、航法メッセージを地球に向けて常時放送する。航法メッセージには、対応するGPS衛星10に関する軌道情報、時計の補正値、電離層の補正係数が含まれている。航法メッセージは、C/Aコードにより拡散されL1搬送波(周波数:1575.42MHz)に乗せられて、地球に向けて常時放送されている。
The
尚、現在、24個のGPS衛星10が高度約20,000kmの上空で地球を一周しており、各4個のGPS衛星10が55度ずつ傾いた6つの地球周回軌道面に均等に配置されている。従って、天空が開けている場所であれば、地球上のどの場所にいても、常時、少なくとも5個以上のGPS衛星10が観測可能である。
Currently, 24
図2は、図1の搬送波位相式GPS測位システムのより詳細な構成図である。移動局30は、GPS受信機32を備える。GPS受信機32内には、その周波数がGPS衛星10の搬送周波数と一致する発振器(図示せず)が内蔵されている。GPS受信機32は、GPSアンテナ32aを介してGPS衛星10から受信した電波を中間周波数に変換後、GPS受信機32内で発生させたC/Aコードを用いてC/Aコード同期を行い、航法メッセージを取り出す。
FIG. 2 is a more detailed configuration diagram of the carrier phase GPS positioning system of FIG. The
また、GPS受信機32は、各GPS衛星10iからの搬送波に基づいて、搬送波位相の位相積算値Φiuを計測する。尚、位相積算値Φiuについて、添え字i(=0,1,2,・・・)は、各GPS衛星10iに割り当てられた番号を示し、添え字uは移動局30側での積算値であることを示す。位相積算値Φiuは、次式に示すように、搬送波受信時刻tでの発振器の位相Θiu(t)と、GPS衛星10iでの衛星信号発生時の搬送波位相Θiu(t−τ)との差として得られる。
Φiu(t)=Θiu(t)−Θiu(t−τu)+Niu+εiu(t) 式(1)
ここで、τuは、GPS衛星10からGPS受信機32までのトラベル時間を示し、εiuは、ノイズ(誤差)を表わす。尚、位相差の観測開始時点では、GPS受信機32は、搬送波位相の1波長以内の位相を正確に測定できるが、それが何波長目に相当するかを確定できない。このため、位相積算値Φiu(t)には、上式に示すように、不確定な要素として整数値バイアスNiuが導入される。
Further, the
Φ iu (t) = Θ iu (t) −Θ iu (t−τ u ) + N iu + ε iu (t) Equation (1)
Here, τ u represents the travel time from the
移動局30は、また、携帯電話等の通信機33を備える。通信機33は、後述する如く、基準局20側の携帯電話基地局等のような通信施設23と双方向通信を行うように構成されている。
The
基準局20は、GPSアンテナ22aを備えるGPS受信機22を有する。GPS受信機22は、移動局30のGPS受信機32と同様に、各GPS衛星10iからの搬送波に基づいて、次式に示すように、時刻tにおける搬送波位相の積算値Φib(t)を計測する。
Φib(t)=Θib(t)−Θib(t−τb)+Nib+εib(t) 式(2)
尚、Nibは、整数値バイアスを示し、εibは、ノイズ(誤差)を表わす。尚、位相積算値Φibについて、添え字bは基準局20側での積算値であることを示す。基準局20は、計測した位相積算値Φibを通信施設23を介して移動局30に送信する。尚、基準局20は、所定領域に複数設置されている。各基準局20と通信施設23(複数も可)とは、図2に示すように、インターネット等のネットワークを介して接続されてよく、若しくは、各基準局20毎に通信施設23が設けられてもよい。前者の構成では、移動局30は、通信施設23との間で通信可能な状態である限り、各基準局20が受信した情報を得ることができる。
The
Φ ib (t) = Θ ib (t) −Θ ib (t−τ b ) + N ib + ε ib (t) Equation (2)
N ib represents an integer value bias, and ε ib represents noise (error). For the phase integration value Φ ib , the subscript b indicates the integration value on the
図3は、移動局30に搭載される本発明による位置検出装置34の一実施例を示す機能ブロック図である。本実施例の位置検出装置34は、演算器40を中心に構成され、演算器40には、上述のGPS受信機32及び通信機33に接続されている。演算器40には、更に、移動局30に搭載される各種センサ50が接続される。尚、演算器40は、GPS受信機32に内蔵されるものであってもよい。また、移動局30が車両の場合、GPS受信機32及び演算器40及び/又は通信機33は、ナビゲーション装置内に実装されてよい。
FIG. 3 is a functional block diagram showing an embodiment of the
演算器40は、マイクロコンピューターから構成されてよく、図3に示すように、衛星位置算出部42と、動的状態量導入部44と、整数値バイアス推定部48とを含む。
The
衛星位置算出部42は、GPS受信機32が受信した航法メッセージの軌道情報に基づいて、観測可能な各GPS衛星10iの、時刻tにおけるワールド座標系での位置(Xi(t)、Yi(t)、Zi(t))を計算する。尚、GPS衛星10は、人工衛星の1つであるので、その運動は、地球重心を含む一定面内(軌道面)に限定される。また、GPS衛星10の軌道は地球重心を1つの焦点とする楕円運動であり、ケプラーの方程式を逐次数値計算することで、軌道面上でのGPS衛星10の位置が計算できる。また、搬送波受信時刻tでの各GPS衛星10iの位置(Xi(t)、Yi(t)、Zi(t))は、GPS衛星10の軌道面とワールド座標系の赤道面が回転関係にあることを考慮して、軌道面上でのGPS衛星10の位置を3次元的な回転座標変換することで得られる。尚、ワールド座標系とは、図4に示すように、地球重心を原点として、赤道面内で互いに直交するX軸及びY軸、並びに、この両軸に直交するZ軸により定義される。
The satellite
動的状態量導入部44は、所定周期で入力される各種センサ50の出力信号に基づいて、移動局30の所定の動的状態量を算出し、既知入力を作成する。例えば、移動局30が車両の場合、動的状態量導入部44は、車両の非駆動輪に設定された2つの車輪速センサや、ヨーレートセンサ、左右G加速度センサ、方位角計等の各種センサ50の出力信号に基づいて、搬送波受信時刻tでの車両の前後速度Vx(t)及び車両の左右速度Vy(t)を算出する。
The dynamic state
車両の速度ベクトル(Vx(t)、Vy(t))は、車体を基準としたボディ座標系(図4参照)に基づいているため、動的状態量導入部44は、速度ベクトル(Vx(t)、Vy(t))を、ローカル座標系を介してワールド座標系へと座標変換する。通常、座標の回転変換は、オイラー角を用いて実現できるが、ここでは、ボディ座標系からローカル座標系への変換に関しては、ロール角及びピッチ角が小さいとしてヨー角ψ(t)のみで実現することとする(但し、ロール角及びピッチ角を考慮することも、ヨー角を無視することも当然に可能である。)。また、ローカル座標系からワールド座標系への変換に関しては、車両位置の経度φ(t)及び緯度λ(t)を用いた変換で実現される。
Since the vehicle speed vectors (Vx (t), Vy (t)) are based on the body coordinate system (see FIG. 4) based on the vehicle body, the dynamic state
具体的には、ワールド座標系における車両位置を(Xu、Yu、Zu)とし、車両位置の経度及び緯度を(φ、λ)とすると、ワールド座標系で表わした車両の速度ベクトルd/dt[Xu、Yu、Zu]は、次式の通りである。
d/dt[Xu、Yu、Zu]T=rot(φ、λ)・rot(ψ)・[Vx、Vy]T 式(3)
ここで、[]Tは行列の転置を意味し、rot(φ、λ)及びrot(ψ)は、次の通りとする。
Specifically, the vehicle position in the world coordinate system (X u, Y u, Z u) and the longitude and latitude of the vehicle position (phi, lambda) and when, velocity vector d of the vehicle in terms of the world coordinate system / Dt [X u , Y u , Z u ] is as follows:
d / dt [X u , Y u , Z u ] T = rot (φ, λ) · rot (ψ) · [Vx, Vy] T equation (3)
Here, [] T means transposition of a matrix, and rot (φ, λ) and rot (ψ) are as follows.
上記式(3)の右辺を入力U01、U02及びU03と置いて、離散化すれば次のようになる。
Xu(tn)=Xu(tn−1)+DT・U01 式(4)
Yu(tn)=Yu(tn−1)+DT・U02 式(5)
Zu(tn)=Zu(tn−1)+DT・U03 式(6)
よって、最終的な既知入力は、次の通りとなる。
U=[DT・U01、DT・U02、DT・U03]T 式(6−1)
尚、上式において、DTは、サンプル時間(データ更新間隔)であり、tn=tn−1+DTである。尚、以下では、説明上、サンプル時間DTは、上述のGPS受信機22,32による位相積算値の演算周期と同一であるとする。
If the right side of the above equation (3) is placed as inputs U01, U02, and U03 and discretized, the result is as follows.
X u (t n ) = X u (t n−1 ) + DT · U01 Expression (4)
Y u (t n ) = Y u (t n−1 ) + DT · U02 Formula (5)
Z u (t n ) = Z u (t n−1 ) + DT · U03 Equation (6)
Therefore, the final known input is as follows.
U = [DT · U01, DT · U02, DT · U03] T equation (6-1)
In the above equation, DT is a sample time (data update interval), and t n = t n−1 + DT. In the following description, for the sake of explanation, it is assumed that the sample time DT is the same as the calculation cycle of the phase integration value by the
整数値バイアス推定部48では、各GPS衛星10iに係る観測データ(特に、移動局30が通信機33を介して受信する基準局20側の位相積算値Φib、及び、移動局30側の位相積算値Φiu)に基づいて整数値バイアスが推定される。
In the integer value
具体的には、時刻tにおける2つのGPS衛星10j、10h(i=j、h、但し、j≠h)に関する位相積算値の2重位相差は、次式となる。
Φjhbu=(Φjb(t)−Φju(t))−(Φhb(t)−Φhu(t)) 式(7)
一方、位相積算値の2重位相差Φjhbuは、(GPS衛星10iとGPS受信機22若しくは32との距離)=(搬送波の波長L)×(位相積算値)という物理的な意味合いから、次のようになる。
Specifically, the double phase difference between the phase integration values for the two
[ Phi] jhbu = ([ Phi] jb (t)-[Phi] ju (t))-([ Phi] hb (t)-[Phi] hu (t)) Equation (7)
On the other hand, the double phase difference Φ jhbu of the phase integrated value is expressed as (distance between
整数値バイアス推定部48では、動的状態量導入部44によって導出された既知入力(上記式(6−1)参照)を用いて、次の状態方程式が設定される。
η(tn)=η(tn−1)+U(tn−1)+W(tn−1) 式(9)
ここで、η(tn)は、時刻t=tnでの状態変数を表わし、移動局30の位置[Xu(tn)、Yu(tn)、Zu(tn)]、及び、整数値バイアスの2重位相差Nijbuである(但し、i≠j)。ここで、整数値バイアスの2重位相差Nijbuは少なくとも4個以上必要であり、例えば、5つのGPS衛星100〜4が観測可能な場合、GPS衛星100を基準として、η=[Xu、Yu、Zu、N01bu、N02bu、N03bu、N04bu]であってよい。また、U及びWは、それぞれ、上述の既知入力及び外乱(システム雑音:正規性白色雑音)である。
In the integer value
η (t n ) = η (t n−1 ) + U (t n−1 ) + W (t n−1 ) Equation (9)
Here, η (t n ) represents a state variable at time t = t n , and the position of the mobile station 30 [X u (t n ), Y u (t n ), Z u (t n )], And an integer value bias double phase difference N ijbu (where i ≠ j). Here, the double difference N Ijbu integer bias is required at least four, for example, when five GPS satellites 10 0-4 is observable, based on the
整数値バイアス推定部48では、次の観測方程式が採用される。
Z(tn)=H(tn)・η(tn)+V(tn) 式(10)
を用いて、ここで、Z及びVは、それぞれ、観測量及び観測ノイズ(正規性白色雑音)を示す。観測量Zは、位相積算値の2重位相差(上記式(7)参照)である。上記式(9)の状態方程式は線形であるが、観測量Zは、状態変数Xu、Yu及びZuに関して非線形であるため、式(8)の各項が状態変数Xu、Yu及びZuのそれぞれで偏微分され、式(10)のHが求められる。
The integer value
Z (t n ) = H (t n ) · η (t n ) + V (t n ) (10)
Here, Z and V indicate an observation amount and an observation noise (normal white noise), respectively. The observation amount Z is a double phase difference of phase integration values (see the above formula (7)). State equation of the equation (9) is a linear, observation quantity Z is the state variable X u, Y since it is non-linear with respect to u and Z u, each term state variable X u of the formula (8), Y u And Z u are partially differentiated to obtain H in equation (10).
従って、上記式(9)の状態方程式及び上記式(10)の観測方程式にカルマンフィルタを適用すると、以下の式が得られる。
時間更新として、
η(tn)(−)=η(tn−1)(+)+U(tn−1) 式(11)
P(tn)(−)=P(tn−1)(+)+Q(tn−1) 式(12)
また、観測更新として、
K(tn)=P(tn)(−)・HT(tn)・(H(tn)・P(tn)(−)・HT(tn)+R(tn))−1 式(13)
η(tn)(+)=η(tn)(−)+K(tn)・(Z(tn)−H(tn)・η(tn)(−)) 式(14)
P(tn)(+)=P(tn)(−)−K(tn)・H(tn)・P(tn)(−) 式(15)
ここで、Q,Rは、外乱の共分散行列及び観測ノイズの共分散行列をそれぞれ表わす。尚、上記式(11)及び式(14)がフィルタ方程式、上記式(13)がフィルタゲイン、上記式(12)及び式(15)が共分散方程式となる。また、上付き文字で示す(−)及び(+)は、更新前後を示す。
Therefore, when the Kalman filter is applied to the state equation of the above equation (9) and the observation equation of the above equation (10), the following equation is obtained.
As time update,
η (t n ) (−) = η (t n−1 ) (+) + U (t n−1 ) Equation (11)
P (t n ) (−) = P (t n−1 ) (+) + Q (t n−1 ) Formula (12)
As an observation update,
K (t n) = P ( t n) (-) · H T (t n) · (H (t n) · P (t n) (-) · H T (t n) + R (t n)) -1 Formula (13)
η (t n ) (+) = η (t n ) (−) + K (t n ) · (Z (t n ) −H (t n ) · η (t n ) (−) ) (14)
P (t n ) (+) = P (t n ) (−) −K (t n ) · H (t n ) · P (t n ) (−) Equation (15)
Here, Q and R represent a covariance matrix of disturbance and a covariance matrix of observation noise, respectively. The above equations (11) and (14) are filter equations, the above equation (13) is a filter gain, and the above equations (12) and (15) are covariance equations. In addition, (-) and (+) indicated by superscript indicate before and after updating.
次に、図5を参照して、本実施例の位置検出装置34の動作について説明する。図5に示す処理ルーチンは、GPS受信機22,32による位相積算値の演算周期毎(サンプル時間DT)に実行される。以下、時刻t=tn(=tn−1+DT)における処理ルーチンを例として説明する。
Next, with reference to FIG. 5, the operation of the
先ずステップ100において、時刻t=tnにおける衛星情報(各GPS衛星10iの位置情報、各GPS衛星10iに対する基準局20側の位相積算値、及び、各GPS衛星10iに対する移動局30側の位相積算値)が取得される。
First, at
続くステップ110では、前回の周期(t=tn−1)で得られた衛星情報と、今回の周期で得られた衛星情報とを比較して、今回の周期で衛星の切り替わり(例えば、新たなGPS衛星10iの出現やGPS衛星10iの消失)が生じたか否かが判断される。この際、所定の最低受信強度以上が確保されているGPS衛星10iのみが考慮されてもよい。即ち、今回の周期で最低受信強度を下回ったGPS衛星10iに対しては、“消失(観測不能)”と判断されてよく、今回の周期で最低受信強度を上回ったGPS衛星10iに対しては、“出現(観測可能)”と判断されてよい。
In the following step 110, the satellite information obtained in the previous cycle (t = t n-1 ) and the satellite information obtained in the current cycle are compared, and the satellite switching (for example, new whether
上記ステップ110でGPS衛星10iの切り替わりが発生したと判断された場合、誤差共分散行列Pの再編成処理が実行される(ステップ120)。例えば、前回の周期で基準衛星100以外に5つのGPS衛星101−5が受信されており、今回の周期でGPS衛星106からの受信が新たに確認できた場合、前回の周期で得られた誤差共分散行列P(tn−1)(+)(上記式(12)参照)に対して、図6(A)に示すように、GPS衛星106に係る共分散が新たに追加される。この際、5つのGPS衛星101−5に係る共分散は、初期化されることはなく、前回の周期で得られた共分散が引き継がれ、新たなGPS衛星106に係る共分散のみが、所定の初期値により初期化される。尚、図6(A)には、所定の初期値の1例として枠70内の数値(対角成分100/3以外は0)が示されている。尚、所定の初期値は、必ずしも所定値である必要は無く、尤もらしい値が採用されてもよい。
If it is determined in step 110 that the switching of the
一方、前回の周期で5つのGPS衛星101−5が受信されており、今回の周期でGPS衛星104からの受信が途絶えた場合、前回の周期で得られた誤差共分散行列P(tn−1)(+)に対して、図6(B)に示すように、GPS衛星104に係る共分散が削除され、他の4つのGPS衛星101−3、5に係る共分散が引き継がれる。
On the other hand, have been received five
また、本ステップ120では、上記式(11)の時間更新において、誤差共分散行列P(tn−1)(+)と同様に、状態変数η(tn−1)(+)(上記式(12)参照)に対しても再編成処理が実行される。例えば、図7(A)に示す例では、GPS衛星106の新たな出現に対応して、GPS衛星106に関連する状態変数が所定の初期値により初期化され、図7(B)に示す例では、GPS衛星104の消失に対応して、GPS衛星104に関連する状態変数が削除される。
Further, in this
続くステップ130では、上記式(13)乃至式(15)が適用され、測位算出が実行される。この際、上記ステップ120を経由した場合には、再編成処理を介して得られるη(tn)(−)及びP(tn)(−)が用いられる。本ステップ130で得られる今回の周期の誤差共分散行列P(tn)(+)は、状態変数(tn)(+)と共に、次回の周期(t=tn+1)における上記ステップ120の処理で利用されることになる。
In the subsequent step 130, the above formulas (13) to (15) are applied, and positioning calculation is executed. At this time, in the case of passing through the
続くステップ140では、測位解を算出・出力する処理が実行される。上記ステップ130から得られる整数値バイアスの推定値は、実数解として求められる。しかし、整数値バイアスは、実際には整数値であるので、求めた実数解に対して最も近い整数解(即ち、波数)を求める。この手法としては、整数値バイアスの無相関化をはかり、整数解の探索空間を狭めて解を特定するLA
MBDA法等が使用されてよい。また、GPS受信機22、32が、GPS衛星10から発射されるL1波及びL2波の双方を受信可能な2周波受信機である場合には、L1波及びL2波のそれぞれに対して上述と同様の推定を同時・並列的に実行し、双方の周期の和(ワイドレーン)を作成して整数値バイアスの整数解の候補を絞り込んでもよい。
In the following step 140, processing for calculating and outputting a positioning solution is executed. The estimated value of the integer bias obtained from step 130 is obtained as a real number solution. However, since the integer value bias is actually an integer value, the closest integer solution (that is, wave number) is obtained with respect to the obtained real number solution. As this method, the integer value bias is decorrelated, and the search space for the integer solution is narrowed to specify the solution.
An MBDA method or the like may be used. In addition, when the
尚、このようにして整数値バイアスの整数解が確定されると、以後、サイクルスリップが生じない限り、移動局30の位置は、当該整数値バイアスの整数解を用いて干渉測位法により高精度に算出できる。
If the integer solution of the integer value bias is determined in this manner, the position of the
ところで、本実施例によれば、既知の外部入力U(k)をカルマンフィルタに入力することで、移動局30が移動しながらでも状態変数(測位、整数値バイアス)の算出が可能となっている。従って、本実施例による位置検出装置34は、車両のような移動体に搭載しても、高精度の測位を実現することができる。
By the way, according to the present embodiment, by inputting a known external input U (k) to the Kalman filter, it is possible to calculate a state variable (positioning, integer value bias) even when the
しかしながら、実際の移動局30の移動中においては、周辺建物やトンネル等の影響により各GPS衛星10iからの電波受信状態が安定せず、一定数のGPS衛星10iから安定して電波が受信できない場合がある。また、移動局30の長距離の移動に伴い、移動局30により観測可能な(受信可能な)GPS衛星10iが変化し、GPS衛星10iの切り替えが必要となる場合がある。これに対して、5つのGPS衛星10iの組み合せが変化する毎に、新たな5つのGPS衛星10iの組み合せに対して整数値バイアスの確定処理を一からやり直す構成(即ち、新たな5つのGPS衛星10iに係る共分散をすべて初期化する構成)では、当該初期化による位置検出精度の一時的な悪化が頻繁に発生するので、車両のような移動体に対して不適となる。
However, during the actual movement of the
これに対して、本実施例によれば、上述の如く、GPS衛星10iの切り替わりやサイクルスリップが発生した場合であっても、それ以前に導出されていた共分散を引き継いで利用しているので、GPS衛星10iの切り替わり後に、整数値バイアスの確定処理を一からやり直す必要が無く、また、位置検出精度が大きく悪化することも無い。従って、本実施例によれば、GPS衛星10iの切り替わりやサイクルスリップに対してロバストな位置検出を実現でき、車両のような移動体に搭載された場合であっても、安定した位置検出精度を維持することができる。
On the other hand, according to the present embodiment, as described above, even when the
また、本実施例によれば、上述の如く、基準衛星を除く新たなGPS衛星10i(i≠0)の出現が確認されると、当該GPS衛星10iに係る共分散が随時追加されるので、常に4つ以上のGPS衛星10iに係る共分散(初期値でない共分散)を利用できる可能性が高い。従って、本実施例によれば、電波受信状態が安定しない環境下での移動局30の移動中においても、基準衛星であるGPS衛星100からの受信が途絶え無い限り、高い検出精度を維持することができる。
Further, according to the present embodiment, as described above, when the appearance of a new GPS satellite 10 i (i ≠ 0) excluding the reference satellite is confirmed, the covariance related to the
図8は、本実施例による位置検出装置34により実現される高い位置検出精度を実証する試験データである。図8(A)は、本実施例のアルゴリズム(上述の共分散の再編成処理)が適用された構成による試験結果を示し、横軸にエポック(演算)数を示し、縦軸に測位誤差を示している。図8(B)は、GPS衛星10iの切り替わり毎に誤差共分散行列Pを初期化する構成による試験結果を示している。何れの演算結果も、基準衛星を除くGPS衛星10i(i≠0)の切り替わりが多発している同一の衛星軌道データを用いて実行されている。
FIG. 8 shows test data demonstrating high position detection accuracy realized by the
本実施例のアルゴリズムが適用されない場合には、図8(B)に示すように、GPS衛星10iの切り替わりが生じた際に大きな精度誤差が発生し、解のばらつきも大きいのに対して、本実施例のアルゴリズムが適用された場合、図8(A)に示すように、解のばらつきが小さく、良好な精度の解が求めることが可能となった。
When the algorithm of the present embodiment is not applied, as shown in FIG. 8B, when the
以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。 The preferred embodiments of the present invention have been described in detail above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and substitutions can be made to the above-described embodiments without departing from the scope of the present invention. Can be added.
例えば、上述した実施例では、上記式(9)の状態方程式及び上記式(10)の観測方程式にカルマンフィルタを適用するものであったが、本発明は、最小2乗法等の他の推定手法を適用する構成に対しても適用可能である。例えば、最小2乗法の場合、同様に、誤差行列の非対角成分の共分散(及び/又は対角成分の分散)に対して上述と同様の再編成処理が適用されてよい。 For example, in the above-described embodiment, the Kalman filter is applied to the state equation of the above equation (9) and the observation equation of the above equation (10), but the present invention uses other estimation methods such as the least square method. The present invention can also be applied to the applied configuration. For example, in the case of the least square method, similarly, the reorganization processing similar to the above may be applied to the covariance (and / or the variance of the diagonal components) of the non-diagonal components of the error matrix.
また、上述した実施例では、移動局30の移動中においても短時間且つ高精度に整数値バイアスを確定できるように、上記式(9)の状態方程式に既知入力Uを導入しているが、他の方法により移動局30の動的な移動が補償されてもよく、或いは、簡易的に当該補償が省略されてもよい(即ち、既知入力U無し)。
In the above-described embodiment, the known input U is introduced into the state equation of the above equation (9) so that the integer value bias can be determined with high accuracy in a short time even while the
また、上述した実施例では、上述の如く2重位相差を取ることでGPS受信機22,32内での発振器の初期位相、及び、時計誤差等の影響を消去しているが、GPS衛星10の初期位相及びGPS時計誤差のみを消去できる一重位相差を取る構成や、位相差を一切取らない構成であってもよい。また、本実施例では、電離層屈折効果、対流圏屈折効果及びマルチパスの影響を無視しているが、これらを考慮するものであってもよい。
In the above-described embodiment, the influence of the initial phase of the oscillator and the clock error in the
また、上述の説明では、便宜上、GPS衛星100を参照衛星としている場合があるが、移動局30と基準局20の位置等に依存して、他のGPS衛星10i(=1,2,・・・)が参照衛星となりえる。
In the above description, for convenience, there is a case that the reference satellite to the
また、上述の説明では、移動局30の例として車両を挙げたが、移動局30は、受信機32及び/又は演算器40が実装されたホークリフト、ロボットや、受信機32及び/又は演算器40を内蔵する携帯電話等の情報端末を含む。
In the above description, a vehicle is given as an example of the
また、上述の実施例では、他の共分散行列(例えば、Q、R)には定数を用いているため、誤差共分散行列Pに対するような再編成処理が不要であるが、定数を採用しない場合、他の共分散行列に対して同様の再編成処理が適用されてよい。 In the above-described embodiment, constants are used for other covariance matrices (for example, Q and R), so that reorganization processing for the error covariance matrix P is unnecessary, but constants are not adopted. In this case, a similar reorganization process may be applied to other covariance matrices.
10 GPS衛星
20 基準局
22 基準局側GPS受信機
30 移動局
32 移動局側GPS受信機
34 位置検出装置
40 演算器
42 衛星位置算出部
44 動的状態量導入部
48 整数値バイアス推定部
DESCRIPTION OF
48 Integer Bias Estimator
Claims (10)
移動局により観測可能な衛星が今回周期で変化した場合、今回周期で観測可能となった衛星の係る観測データと、前回周期から継続して観測可能な衛星の係る観測データとに基づいて整数値バイアスを推定し、該推定に、前回周期で導出された前記継続して観測可能な衛星に係る共分散を用いることを特徴とする、位置検出装置。 A position detection device that detects an integer value bias included in an integrated value of a carrier wave phase of a satellite signal observed by a mobile station every predetermined period, and detects the position of the mobile station,
When the satellites that can be observed by the mobile station change in this cycle, an integer value based on the observation data of satellites that can be observed in this cycle and the observation data of satellites that can be observed continuously from the previous cycle A position detecting apparatus, wherein a bias is estimated, and the covariance relating to the continuously observable satellite derived in the previous cycle is used for the estimation.
整数値バイアスの推定に用いる共分散行列を、前回周期で導出した各衛星に係る共分散を用いて更新し、
今回周期で新たな衛星が観測可能となった場合、前記共分散行列に、該新たな衛星に係る共分散として所定の初期値を追加することを特徴とする、位置検出装置。 A position detection device that detects an integer value bias included in an integrated value of a carrier wave phase of a satellite signal observed by a mobile station every predetermined period, and detects the position of the mobile station,
Update the covariance matrix used to estimate the integer bias using the covariance associated with each satellite derived in the previous period,
When a new satellite becomes observable in the current cycle, a predetermined initial value is added to the covariance matrix as a covariance related to the new satellite.
所定の判断基準に基づいて移動局で観測可能な衛星を判断する判断手段と、
前記判断手段による判断結果に基づいて、前回周期及び今回周期で観測可能な衛星に対しては、前回周期で導出した同衛星に係る共分散を用い、今回周期で初めて観測可能となった衛星に対しては、所定の初期値を用いて、今回周期で観測可能な全ての衛星に係る共分散行列を生成する共分散行列生成手段とを備え、
前記共分散行列と今回周期で得た各衛星に係る観測データとを用いて、整数値バイアスを推定すると共に、前記共分散行列を更新することを特徴とする、位置検出装置。 A position detection device that detects an integer value bias included in an integrated value of a carrier wave phase of a satellite signal observed by a mobile station every predetermined period, and detects the position of the mobile station,
A determination means for determining a satellite that can be observed by the mobile station based on a predetermined determination criterion;
Based on the determination result by the determination means, for the satellites that can be observed in the previous cycle and the current cycle, the satellite that can be observed for the first time in the current cycle using the covariance of the satellite derived in the previous cycle. On the other hand, using a predetermined initial value, the covariance matrix generating means for generating a covariance matrix related to all satellites that can be observed in the current cycle,
A position detection apparatus that estimates an integer value bias and updates the covariance matrix using the covariance matrix and observation data relating to each satellite obtained in the current cycle.
移動局により観測可能な衛星が今回周期で変化した場合、今回周期で観測可能となった衛星の係る観測データと、前回周期から継続して観測可能な衛星の係る観測データとに基づいて整数値バイアスを推定し、該推定に、前回周期で導出された前記継続して観測可能な衛星に係る共分散を用いることを特徴とする、位置検出方法。 A position detection method for detecting a position of a mobile station by estimating an integer value bias included in an integrated value of a carrier wave phase of a satellite signal observed by the mobile station every predetermined period,
When the satellites that can be observed by the mobile station change in this cycle, an integer value based on the observation data of satellites that can be observed in this cycle and the observation data of satellites that can be observed continuously from the previous cycle A position detection method characterized in that a bias is estimated, and the covariance relating to the continuously observable satellite derived in the previous cycle is used for the estimation.
整数値バイアスの推定に用いる共分散行列を、前回周期で導出した各衛星に係る共分散を用いて更新し、
今回周期で新たな衛星が観測可能となった場合、前記共分散行列に、該新たな衛星に係る共分散として所定の初期値を追加することを特徴とする、位置検出方法。 A position detection method for detecting a position of a mobile station by estimating an integer value bias included in an integrated value of a carrier wave phase of a satellite signal observed by the mobile station every predetermined period,
Update the covariance matrix used to estimate the integer bias using the covariance associated with each satellite derived in the previous period,
When a new satellite becomes observable in the current cycle, a predetermined initial value is added to the covariance matrix as a covariance related to the new satellite.
所定の判断基準に基づいて移動局で観測可能な衛星を判断するステップと、
前記判断手段による判断結果に基づいて、前回周期及び今回周期で観測可能な衛星に対しては、前回周期で導出した同衛星に係る共分散を用い、今回周期で初めて観測可能となった衛星に対しては、所定の初期値を用いて、今回周期で観測可能な全ての衛星に係る共分散行列を生成するステップと、
前記共分散行列と今回周期で得た各衛星に係る観測データとを用いて、整数値バイアスを推定すると共に、前記共分散行列を更新するステップとを含むことを特徴とする、位置検出方法。 A position detection method for detecting a position of a mobile station by estimating an integer value bias included in an integrated value of a carrier wave phase of a satellite signal observed by the mobile station every predetermined period,
Determining satellites that can be observed by the mobile station based on predetermined criteria;
Based on the determination result by the determination means, for the satellites that can be observed in the previous cycle and the current cycle, the satellite that can be observed for the first time in the current cycle using the covariance of the satellite derived in the previous cycle. On the other hand, using a predetermined initial value, generating a covariance matrix for all satellites that can be observed in the current cycle;
A position detection method comprising: estimating an integer value bias using the covariance matrix and observation data relating to each satellite obtained in the current cycle and updating the covariance matrix.
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