JP2008128793A - 移動体位置測位装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の測位手段を用いて効率的に且つ精度良く移動体位置を測位すること。
【解決手段】本発明による移動体位置測位装置は、衛星からの信号の観測データに基づいて瞬時測位方法により移動体の位置を測位する第１測位手段と、過去の移動体の位置の測位結果と、移動体の速度情報とを用いて、移動体の位置を測位する第２測位手段と、過去の前記第１又は第２測位手段の測位結果から得られる変数解を用いて、移動体の位置を測位する第３測位手段と、前記各測位手段のうち測位処理を実行する測位手段を選択する制御手段６０とを備え、前記制御手段は、選択した測位手段の測位結果の信頼性が所定基準値より低い場合に、別の測位手段を選択して測位処理を実行させることを特徴とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、複数の測位手段を用いて移動体の位置を測位する移動体位置測位装置に関する。

従来から、ＧＰＳ信号を受信するＧＰＳ受信手段と、前記ＧＰＳ信号に基づいて第１の車両位置を演算する第１の演算手段と、車両の走行距離を検出する距離検出手段と、前記車両の進行方位を検出する方位検出手段と、前記距離検出手段により検出された走行距離と前記方位検出手段により検出された進行方向とに基づいて第２の車両位置を演算する第２の演算手段と、を備えた車両位置検出装置において、前記第１の車両位置の信頼性を算出する判定手段と、前記判定手段による信頼性および前記第１の演算手段による演算時間を考慮して前記第１の車両位置により前記第２の車両位置を補正する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００６−９８２４６号公報

ところで、衛星からの信号やＩＮＳセンサ等を用いて移動体位置を測位する方法が各種提案されているが、複数の測位方法を組み合わせつつ、それらの長所と短所を考慮して、効率的に且つ精度良く測位を行う技術については提案がなされていない。

そこで、本発明は、複数の測位手段を用いて効率的に且つ精度良く移動体位置を測位することができる移動体位置測位装置の提供を目的とする。

上記目的を達成するため、第１の発明に係る移動体位置測位装置は、衛星からの信号の観測データに基づいて瞬時測位方法により移動体の位置を測位する第１測位手段と、
過去の移動体の位置の測位結果と、移動体の速度情報とを用いて、移動体の位置を測位する第２測位手段と、
過去の前記第１又は第２測位手段の測位結果から得られる変数解を用いて、移動体の位置を測位する第３測位手段と、
前記各測位手段のうち測位処理を実行する測位手段を選択する制御手段とを備え、
前記制御手段は、選択した測位手段の測位結果の信頼性が所定基準値より低い場合に、別の測位手段を選択して測位処理を実行させることを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明に係る移動体位置測位装置において、
前記制御手段は、観測可能な衛星の数が所定数以上ある場合には、前記第１測位手段よりも前記第２又は第３測位手段を優先して選択することを特徴とする。これにより、観測可能な衛星の数に応じて、他の測位手段により演算負荷の高い第１測位手段による演算処理回数を適切に低減することができる。

第３の発明は、第１の発明に係る移動体位置測位装置において、
前記制御手段は、前記第２測位手段より測位処理が所定時間以上継続した場合には、前記第２測位手段よりも前記第１又は第３測位手段を優先して選択することを特徴とする。これにより、他の測位手段により演算負荷の低い第２測位手段を有効に利用しつつ、第２測位手段による測位解に含まれるドリフト誤差が蓄積を適切な段階で除去することができる。

第４の発明は、第１の発明に係る移動体位置測位装置において、前記変数解は、整数値バイアスの整数解であることを特徴とする。

本発明によれば、複数の測位手段を用いて効率的に且つ精度良く移動体位置を測位することができる移動体位置測位装置が得られる。

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。

図１は、本発明に係る搬送波位相式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車両３０とから構成される。尚、車両３０は、あくまで移動体の一例であり、その他の移動体としては、自動二輪車、鉄道、船舶、航空機、ホークリフト、ロボットや、人の移動に伴い移動する携帯電話等の情報端末等がありうる。

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。

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。

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。車両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（衛星信号）を中間周波数に変換後、ＧＰＳ受信機３２内で発生させたレプリカ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。尚、Ｃ／Ａコード同期の方法は、多種多様でありえ、任意の適切な方法が採用されてよい。例えば、ＤＤＬ（Ｄｅｌａｙ―Ｌｏｃｋｅｄ
Ｌｏｏｐ）を用いて、受信したＣ／Ａコードに対するレプリカＣ／Ａコードの相関値がピークとなるコード位相を追尾する方法であってよい。

また、ＧＰＳ受信機３２は、各ＧＰＳ衛星１０_iからの搬送波に基づいて、搬送波位相の位相積算値Φ_iuを計測する。尚、位相積算値Φ_iuについて、添え字ｉ（＝１，２，・・・）は、各ＧＰＳ衛星１０_iに割り当てられた番号を示し、添え字ｕは車両３０側での積算値であることを示す。位相積算値Φ_iu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Θ_iu（ｔ）と、ＧＰＳ衛星１０_iでの衛星信号発生時の搬送波位相Θ_iu（ｔ−τ）との差として得られる。
Φ_iu（ｔ）＝Θ_iu（ｔ）−Θ_iu（ｔ−τ_u）＋Ｎ_iu＋ε_iu（ｔ） 式（１）
ここで、τ_uは、ＧＰＳ衛星１０からＧＰＳ受信機３２までのトラベル時間を示し、ε_iu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Φ_iu（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Ｎ_iuが導入される。

ＧＰＳ受信機３２には、処理装置４０が接続される。処理装置４０は、以下で詳説する各種測位演算処理を行う装置である。

処理装置４０には、車両３０に搭載される車両センサ５０が接続される。車両センサ５０は、車両３０の移動量及び向き（方位）に関連する情報（以下、「車両情報」という）を取得するセンサであり、複数種のセンサの組み合わせであってよい。例えば、車両センサ５０は、車両３０の方位を検出する磁気インピーダンスセンサ（地磁気センサ）と、車両３０の加速度を検出する加速度センサとの組み合わせであってよい。或いは、車両センサ５０は、加速度センサと、車両３０のヨー方向の速度（角速度）を検出するヨーレートセンサ（ジャイロセンサ）との組み合わせ（即ち、ＩＮＳセンサ）であってもよい。車両センサ５０は、車輪速センサを含んでもよい。車両センサ５０からの車両情報は、所定周期毎に、処理装置４０に入力される。

処理装置４０は、通信機能を備え、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。

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、車両３０のＧＰＳ受信機３２と同様に、各ＧＰＳ衛星１０_iからの搬送波に基づいて、次式に示すように、搬送波受信時刻ｔにおける搬送波位相の積算値Φ_ik（ｔ）を計測する。
Φ_ik（ｔ）＝Θ_ik（ｔ）−Θ_ik（ｔ−τ_k）＋Ｎ_ik＋ε_ik（ｔ） 式（２）
尚、Ｎ_ikは、整数値バイアスを示し、ε_ikは、ノイズ（誤差）を表わす。尚、位相積算値Φ_ikについて、添え字ｋ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Φ_ikを通信施設２３を介して車両３０（処理装置４０）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、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、車両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。

処理装置４０は、マイクロコンピューターないしプロセッサ（DSP）を中心として構成されてよく、以下で詳説する３種類の測位方法により、車両３０の位置を測位する機能を有する。３種類の測位方法は、瞬時測位方法と、解引継ぎ測位方法と、速度積算測位方法とを含む。処理装置４０には、測位制御装置６０が接続されている。測位制御装置６０は、後に詳説する如く、処理装置４０で実行されるべき測位方法を適切に選択し、処理装置４０に対して実行すべき測位方法を指令する機能を有する。尚、測位制御装置６０の機能は、処理装置４０内に組み込まれてもよい。例えば、測位制御装置６０は、ＧＰＳ受信機３２及び測位制御装置６０と共に、車両３０に搭載されるナビゲーションシステム内に実装されてよい。

次に、以上の構成を前提として、３種類の測位方法、即ち瞬時測位方法、解引継ぎ測位方法、速度積算測位方法の一例を順に説明し、その後、測位制御装置６０の機能について説明する。

［瞬時測位方法］
ここでは、処理装置４０により実現される瞬時測位方法の一例について説明する。

処理装置４０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１０_iの、測位周期ｉにおけるワールド座標系での位置（Ｘ_i（ｉ）、Ｙ_i（ｉ）、Ｚ_i（ｉ））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、測位周期ｉでの各ＧＰＳ衛星１０_iの位置（Ｘ_i（ｉ）、Ｙ_i（ｉ）、Ｚ_i（ｉ））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３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。

処理装置４０は、各ＧＰＳ衛星１０_iに係る観測データ（車両３０が受信する基準局２０側の位相積算値Φ_ik、及び、車両３０側の位相積算値Φ_iu）に基づいて整数値バイアスを推定する。以下、その推定方法を説明する。

測位周期ｉにおける２つのＧＰＳ衛星１０_j、１０_h（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。
Φ^jh _ku＝（Φ_jk（ｉ）−Φ_ju（ｉ））−（Φ_hk（ｉ）−Φ_hu（ｉ）） 式（３）
一方、位相積算値の２重位相差Φ^jh _kuは、（ＧＰＳ衛星１０_i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。

ここで、式（４）における［Ｘ_k、Ｙ_k、Ｚ_k］は、基準局２０のワールド座標系における座標値（既知）であり、［Ｘ_u（ｉ）、Ｙ_u（ｉ）、Ｚ_u（ｉ）］は、測位周期ｉにおける車両３０の座標値（未知）であり、［Ｘ_j（ｉ）、Ｙ_j（ｉ）、Ｚ_j（ｉ）］及び［Ｘ_h（ｉ）、Ｙ_h（ｉ）、Ｚ_h（ｉ）］は、測位周期ｉにおける各ＧＰＳ衛星１０_j、１０_hの座標値である。Ｎ^jh _kuは、整数値バイアスの２重位相差である（即ち、Ｎ^jh _ku＝（Ｎ_jk−Ｎ_ju）−（Ｎ_hk−Ｎ_hu））。尚、測位周期ｉの各値は、例えばGPS時刻で同期が取られているものとする（以下のＺ（ｉ）等についても同様）。

整数値バイアスの推定には、次の観測方程式が用いられる。
Ｚ（ｉ）＝Ｈ・η（ｉ）＋Ｖ（ｉ） 式（５）
ここで、η（ｉ）は、観測周期ｉ（＝１，２．．．）での状態変数を表わし、車両３０の位置［Ｘ_u（ｉ）、Ｙ_u（ｉ）、Ｚ_u（ｉ）］、及び、整数値バイアスの２重位相差である。即ち、ここでは、n個の観測可能なＧPS衛星１０_１〜ｎのうちＧPS衛星１０_１を基準衛星として、η（ｉ）＝［Ｘ_u（ｉ）、Ｙ_u（ｉ）、Ｚ_u（ｉ）、Ｎ¹¹ _ku（ｉ）、Ｎ¹² _ku（ｉ）、．．．、Ｎ¹ⁿ _ku（ｉ）］^Ｔである（^Ｔは転置を表す）。また、Ｚ（ｉ）及びＶ（ｉ）は、それぞれ、観測量及び観測ノイズを示す。式（５）の観測量Ｚ（ｉ）は、位相積算値の２重位相差Φ^jh _ku（上記式（３）参照）である。即ち、Ｚ（ｉ）＝［Φ¹¹ _ku（ｉ）、Φ¹² _ku（ｉ）、．．．、Φ¹ⁿ _ku（ｉ）］^Ｔである。観測量Ｚは、状態変数Ｘ_u、Ｙ_u及びＺ_uに関して非線形であるため、式（４）の各項が状態変数Ｘ_u、Ｙ_u及びＺ_uのそれぞれで偏微分され、観測行列Ｈが求まる。

整数値バイアスの推定値η^（＋）（ｉ）は、以下のようにして、最小二乗法により求めることができる。
η^（＋）（ｉ）＝（Ｈ^ＴＱＨ）^−１ＷＱ^−１Ｚ（ｉ） 式（６）
或いは、整数値バイアスの推定値η^（＋）（ｉ）は、エポック間で共分散の引き継ぎが行われないカルマンフィルタにより求めることができる。この場合、カルマンフィルタは、例えば、以下のように構成される。
Ｋ＝Ｐ^（−）・Ｈ^Ｔ・（Ｈ・Ｐ^（−）・Ｈ^Ｔ＋Ｒ）^−１ 式（７）
η（ｉ）^（＋）＝η（ｉ）^（−）＋Ｋ・（Ｚ（ｉ）−Ｈ・η（ｉ）^（−）） 式（８）
Ｐ^（＋）＝Ｐ^（−）−Ｋ・Ｈ・Ｐ^（−） 式（９）
ここで、Ｑ，Ｒは、外乱ｕの共分散行列及び観測ノイズＶの共分散行列をそれぞれ表わす。尚、上記式（８）がフィルタ方程式、上記式（７）がフィルタゲイン、上記式（９）が共分散方程式となる。η（ｉ）^（−）及びη（ｉ）^（＋）は、それぞれ予測値（初期値ないし前回値）及び推定値であり、Ｐ^（−）及びＰ^（＋）は、それぞれ予測誤差共分散及び推定誤差共分散であり、η（ｉ）^（−）及びη（ｉ）^（＋）の推定精度を表している。また、上記式（８）は、推定値η（ｉ）^（＋）は、予測値η（ｉ）^（−）に、観測予測誤差にカルマンゲインＫ（修正ゲイン）を乗じたものを補正項として加えることで導出されることを示している。

ここで、瞬時測位方法を実現する上で一般的なカルマンフィルタの適用とは異なる点は、誤差共分散行列Ｐ^（−）が、測位周期（エポック）毎に毎回初期化され、測位周期間で共分散の引き継ぎが行われないことである。即ち、誤差共分散行列Ｐ^（−）としては、常時、所定の行列が用いられる。この場合、誤差共分散行列Ｐ^（−）における共分散の値は、１例として対角成分を100/3とし、それ以外を０としてよい。但し、この値は、必ずしも所定値である必要は無く、尤もらしい可変値（共分散の引き継ぎによる可変態様とは異なる。）が採用されてよい。

尚、最小二乗法とカルマンフィルタの何れを用いる場合も、整数値バイアスの推定値η^（＋）（ｉ）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。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、車両３０の位置が、当該整数値バイアスの整数解を用いて算出される。

このような瞬時測位方法によれば、ノイズの影響が少ない環境下では後述の他の測位方法よりも高精度の測位解を得ることができる。また、瞬時測位方法によれば、前回測位周期での推定（測位）結果が今回測位周期の推定結果に影響を及ぼさない故に、例えば車両３０のような比較的移動性の高い移動体であっても、車両３０の移動方向の急な変化（例えばカーブ走行）時に生じうるオーバーシュート等が防止され、比較的高い精度の測位結果を得ることができる。

処理装置４０は、上述の如く算出した車両３０の位置を今回周期（ｉ）の測位結果として、例えばナビゲーションシステム（図示せず）に供給する。また、処理装置４０は、上述の如く算出した測位解をメモリ７０（図２参照）に記憶する。このようにして記憶された測位解の整数値バイアスは、後述の解引継ぎ測位方法による測位処理で利用される。また、記憶された測位解の車両位置は、後述の速度積算測位方法による測位処理で利用されうる。

処理装置４０は、得られた測位解の信頼度を算出する。測位解の信頼度を算出・評価する方法は、多種多様でありえ、任意の適切な方法が採用されてよい。例えば、測位解の信頼度は、測位解の分散σや、残差二乗和Ｔを算出することで、導出されてよい。残差二乗和Ｔは、先ず、導出した整数値バイアスの推定値η^（＋）（ｉ）又はその整数解を用いて、残差ベクトルν（ｉ）を以下の式（１０）のように求め、次いで、以下の式（１１）により求めることとしてよい。
ν（ｉ）＝Ｚ（ｉ）−Ｈ・η^（＋）（ｉ） 式（１０）
Ｔ＝ν（ｉ）Ｑ^−１ν（ｉ）／ｍ 式（１１）
ここで、Ｑは、誤差行列であり、ｍは未知数の数を表す。

このようにして算出された測位解の信頼度は、瞬時測位方法により測位解を算出する毎に、測位制御装置６０に出力される。

［解引継ぎ測位方法］
ここでは、処理装置４０により実現される解引継ぎ測位方法の一例について説明する。

処理装置４０は、前回の測位周期（ｉ−１）で得られた整数値バイアス（整数解）を用いて（引継いで）、今回の測位周期（ｉ）における車両３０の位置［Ｘ_u（ｉ）、Ｙ_u（ｉ）、Ｚ_u（ｉ）］を測位する。即ち、処理装置４０は、前回の測位周期（ｉ−１）で得られた整数値バイアスと、今回の測位周期（ｉ）で得られる観測量Ｚ（ｉ）とを用いて、上記の式（４）の関係式に基づいて、今回の測位周期（ｉ）における車両３０の位置［Ｘ_u（ｉ）、Ｙ_u（ｉ）、Ｚ_u（ｉ）］を算出する。

このような解引継ぎ測位方法によれば、前回の測位周期で得られた整数値バイアス（整数解）を用いるので、それを得るための演算処理が不要となり、少ない演算負荷で、精度の良い測位解を得ることができる。

処理装置４０は、上述の如く算出した車両３０の位置を、例えばナビゲーションシステム（図示せず）に供給すると共に、今回周期（ｉ）の測位解としてメモリ７０に記憶する。この際、メモリ７０には、上述の如く解引継ぎ測位処理で利用された前回の測位周期（ｉ−１）の整数値バイアスが、今回周期（ｉ）の測位解に含まれた形態で、記憶される。

処理装置４０は、得られた測位解の信頼度を算出する。測位解の信頼度の算出方法は、上述の瞬時測位方法で説明した方法と同様であってよい。このようにして算出された測位解の信頼度は、解引継ぎ測位方法により測位解を算出する毎に、測位制御装置６０に出力される。

［速度積算測位方法］
ここでは、処理装置４０により実現される速度積算測位方法の一例について説明する。

処理装置４０は、前回の測位周期（ｉ−１）で得られる車両３０の位置（Ｘ_ｕ（ｉ−１），Ｙ_ｕ（ｉ−１），Ｚ_ｕ（ｉ−１））を初期位置として、当該初期位置に、前回の測位周期から今回の測位周期に至るまでの移動ベクトルを積算することにより、今回の測位周期（ｉ）における車両３０の位置［Ｘ_u（ｉ）、Ｙ_u（ｉ）、Ｚ_u（ｉ）］を測位する。移動ベクトルは、車両センサ５０からの車両情報に基づいて算出される。移動ベクトルの算出方法は、多種多様でありえ、適切な方法が用いられてよい。例えば、移動ベクトルの向きは、車両３０の向き（例えば地磁気センサからの情報）に基づいて導出され、車両３０の移動量（移動ベクトルの大きさ）は、加速度センサからの加速度信号（フィルタ後でもよい）を２回積分することで導出されてよい。車両３０の移動量は、車輪速センサからの車速パルスやトランスミッションの出力軸の回転数のような車速を表すパラメータを用いて導出されてもよい。或いは、移動ベクトルは、同様の考え方で、車両センサ５０としてＩＮＳセンサ（加速度センサ及びジャイロセンサ）を用いて算出されてもよい。或いは、移動ベクトルは、衛星信号の搬送波のドップラー周波数変化量Δｆに基づいて導出されてもよい。ドップラー周波数変化量Δｆは、ＧＰＳ衛星１０からの受信波とＧＰＳ受信機３２内で発生させたレプリカキャリアとの相関を取り、相関値がピークとなるレプリカキャリア周波数ｆｒと既知の搬送波周波数ｆ_ｃ（1575.42ＭＨz）の差分（＝ｆｒ−ｆ_ｃ）として測定される。この場合、例えば、ＧＰＳ衛星１０と車両３０との間の相対速度ΔＶを、例えばΔｆ＝ΔＶ・ｆ_ｃ／（ｃ−ΔＶ）の関係式を用いて算出し、車両３０のＧＰＳ衛星１０に対する速度ベクトルと、ＧＰＳ衛星１０の移動ベクトル（前回周期の衛星位置と今回周期の衛星位置の差分ベクトル）との差分ベクトルとして、移動ベクトルを算出してもよい。

初期位置、即ち前回の測位周期（ｉ−１）で得られる車両３０の位置（Ｘ_ｕ（ｉ−１），Ｙ_ｕ（ｉ−１），Ｚ_ｕ（ｉ−１））は、上述の瞬時測位方法、解引継ぎ測位方法、又は速度積算測位方法、若しくは他の別の測位方法で導出されたものが用いられてよい。他の別の測位方法としては、上述の瞬時測位方法以外の干渉測位方法や、擬似距離の計測結果を用いる単独測位方法であってもよい。

このような速度積算測位方法によれば、前回の測位周期で得られた車両３０の位置と、演算負荷の低い移動ベクトルとを用いて、今回の測位周期での車両３０の位置の測位解を得るので、演算負荷を非常に低く抑えることができる。また、車両センサ５０がＩＮＳセンサの場合には、測位周期を短くすることも可能となる（例えば、ＧＰＳ受信機３２の１Ｈｚ〜２０Ｈｚのサンプルレートに対して、１００Ｈｚのような高サンプルレートが可能となる）。

処理装置４０は、上述の如く算出した車両３０の位置［Ｘ_u（ｉ）、Ｙ_u（ｉ）、Ｚ_u（ｉ）］と、今回の測位周期（ｉ）で得られる観測量Ｚ（ｉ）とを用いて、上記の式（４）ないし（６）の関係式に基づいて、今回の測位周期（ｉ）における整数値バイアス［Ｎ¹¹ _ku（ｉ）、Ｎ¹² _ku（ｉ）、．．．、Ｎ¹ⁿ _ku（ｉ）］^Ｔを算出してもよい。即ち、処理装置４０は、整数値バイアスを逆算してもよい。この場合、処理装置４０は、上述と同様、整数値バイアスの整数解を導出し、今回周期（ｉ）の測位解として車両３０の位置算出結果と共にメモリ７０に記憶する。

処理装置４０は、得られた測位解の信頼度を算出する。測位解の信頼度の算出方法は、上述の瞬時測位方法で説明した方法と同様であってよい。尚、残差二乗和Ｔを算出する場合、今回の測位周期（ｉ）で得られる観測量Ｚ（ｉ）と、上述の如く速度積算測位方法により導出した車両３０の位置及びそれに基づいて導出した整数値バイアスとが用いられる。このようにして算出された測位解の信頼度は、速度積算測位方法により測位解を算出する毎に、測位制御装置６０に出力される。

［測位制御装置６０の機能］
ここでは、測位制御装置６０により実現される好ましい３つの測位制御アルゴリズムＡ，Ｂ，Ｃの一例を順に説明する。測位制御アルゴリズムＡ，Ｂ，Ｃは、何れか１つが実行されてもよいし、後に図７及び図８を参照して説明するように２つ以上のアルゴリズムが状況に応じて切り替えられながら実行されてもよい。

［アルゴリズムＡ］
図４は、アルゴリズムＡの主要処理流れを示すフローチャートである。アルゴリズムＡが単独で用いられる場合、図４に示す処理ルーチンは、例えば車両３０のイグニッションスイッチがオンにされてからオフにされるまで、繰り返し実行されてよい。

ステップ１００では、測位制御装置６０は、処理装置４０に対して、瞬時測位処理を実行するように指示を出力する。この場合、処理装置４０は、上述の如く瞬時測位方法により、今回周期（ｉ）の測位解を算出する。

ステップ１１０では、測位制御装置６０は、今回周期（ｉ）の測位解に対して算出される信頼度に基づいて、今回周期（ｉ）の測位解の信頼性を評価する。具体的には、測位制御装置６０は、算出された信頼度が所定閾値Ｔｈ１より大きい場合には、今回周期（ｉ）の測位解の信頼性が高いと判断して、ステップ１２０に進み、算出された信頼度が所定閾値Ｔｈ１以下の場合には、今回周期（ｉ）の測位解の信頼性が低いと判断して、ステップ１３０に進む。所定閾値Ｔｈ１は、要求される測位精度等を考慮して実験・試験結果に基づいて適合される適合値であってよい。

ステップ１２０では、測位制御装置６０は、処理装置４０に対して、今回周期（ｉ）の測位解を出力するように指示を出力する。処理装置４０から出力される今回周期（ｉ）の測位解は、例えばナビゲーションシステムに供給される。また、測位制御装置６０は、処理装置４０に対して、今回周期（ｉ）で得られた測位解をメモリ７０に記憶するように指示を出力する。これにより、メモリ７０内の測位解が更新される。

ステップ１３０では、測位制御装置６０は、メモリ７０内の測位解の整数値バイアスをチェックし、前回周期で更新ないし記憶された整数値バイアスが存在するか否かを判断する。メモリ７０内に整数値バイアスが存在する場合には、解引継ぎ測位処理が可能であるので、ステップ１４０に進み、メモリ７０内に整数値バイアスが存在しない場合には、解引継ぎ測位処理が不能であるので、ステップ１７０に進む。

ステップ１４０では、測位制御装置６０は、今回周期（ｉ）と前回周期（ｉ−１）間で基準衛星が不変であるか否かを判定する。基準衛星が変化していない場合には、メモリ７０内に記憶されている前回周期（ｉ−１）の測位解の整数値バイアスを利用することができるので（即ち解引継ぎ測位を行うことができるので）、ステップ１５０に進み、基準衛星が変化した場合には、メモリ７０内に記憶されている前回周期（ｉ−１）の整数値バイアスを利用することができないので、ステップ１７０に進む。

ステップ１５０では、測位制御装置６０は、処理装置４０に対して、解引継ぎ測位処理を実行するように指示を出力する。この場合、処理装置４０は、上述の如く解引継ぎ測位方法により、今回周期（ｉ）の測位解を算出する。尚、このステップ１５０の処理に至る場合、処理装置４０は、今回周期（ｉ）で少なくとも２回の測位処理（瞬時測位処理と解引継ぎ測位処理）を実行することになる。

ステップ１６０では、測位制御装置６０は、解引継ぎ測位による測位解の信頼性を評価する。具体的には、測位制御装置６０は、解引継ぎ測位による測位解に対して算出された信頼度が所定閾値Ｔｈ２より大きい場合には、今回周期（ｉ）の測位解の信頼性が高いと判断して、ステップ１２０に進む。この場合、ステップ１２０では、今回周期（ｉ）で得られた解引継ぎ測位による測位解がメモリ７０に記憶されることになる。一方、信頼度が所定閾値Ｔｈ２以下の場合には、今回周期（ｉ）の測位解の信頼性が低いと判断して、ステップ１７０に進む。所定閾値Ｔｈ２は、実験・試験結果に基づく適合値であってよい。所定閾値Ｔｈ２は、上述のステップ１１０に係る所定閾値Ｔｈ１と同一であってよいし、所定閾値Ｔｈ１よりも大きい値（緩和された値）であってもよい。

ステップ１７０では、測位制御装置６０は、メモリ７０内の測位解をチェックし、前回周期で更新ないし記憶された初期位置が存在するか否かを判断する。メモリ７０内に初期位置が存在する場合には、上述の速度積算測位処理が可能であるので、ステップ１８０に進む。一方、メモリ７０内に初期位置が存在しない場合には、速度積算測位処理が不能であるので、今回周期（ｉ）の処理ルーチンはそのまま終了する。この場合、ステップ１２０を経由せずに終了し、今回周期（ｉ）でメモリ７０内の測位解が更新されないことになるので、次回周期（ｉ＋１）では、上記のステップ１３０やステップ１７０で否定判定がなされることになる。

ステップ１８０では、測位制御装置６０は、処理装置４０に対して、速度積算測位処理を実行するように指示を出力する。この場合、処理装置４０は、上述の如く速度積算測位方法により、今回周期（ｉ）の測位解を算出する。尚、このステップ１８０の処理に至る場合、処理装置４０は、今回周期（ｉ）で３回の測位処理（瞬時測位処理と、速度積算測位処理）を実行することになる。

ステップ１９０では、測位制御装置６０は、処理装置４０に対して、速度積算測位により得られた結果を用いて整数値バイアスを導出するように指示を出力する。この場合、処理装置４０は、速度積算測位により得られた結果と今回周期（ｉ）の観測量Ｚ（ｉ）とを用いて、上述の如く逆算により整数値バイアスを導出する。

ステップ２００では、速度積算測位による測位解の信頼性を評価する。具体的には、測位制御装置６０は、速度積算測位による測位解に対して算出された信頼度が所定閾値Ｔｈ３より大きい場合には、今回周期（ｉ）の測位解の信頼性が高いと判断して、ステップ１２０に進む。この場合、今回周期（ｉ）で得られた速度積算測位による測位解（上記ステップ１９０で導出した整数値バイアスを含む。）がメモリ７０に記憶されることになる。一方、信頼度が所定閾値Ｔｈ３以下の場合には、今回周期（ｉ）の測位解の信頼性が低いと判断して、今回周期（ｉ）の処理ルーチンはそのまま終了する。この場合、ステップ１２０を経由せずに終了し、今回周期（ｉ）でメモリ７０内の測位解が更新されないことになるので、次回周期（ｉ＋１）では、上記のステップ１３０やステップ１７０で否定判定がなされることになる。所定閾値Ｔｈ３は、実験・試験結果に基づく適合値であってよい。所定閾値Ｔｈ３は、上述のステップ１１０に係る所定閾値Ｔｈ１と同一であってよいし、上述の所定閾値Ｔｈ１又はＴｈ２よりも大きい値（緩和された値）であってもよい。

以上のアルゴリズムＡによれば、瞬時測位方法を他の２つの測位方法よりも優先的に用いることで、精度の高い測位結果を得ることができる。また、瞬時測位方法ではノイズ等の影響で測位に失敗する場合（又は信頼性が低い場合）があるが、かかる場合でも、解引継ぎ測位若しくは速度積算測位を行うことで、高精度測位を継続することができる。

尚、以上のアルゴリズムＡは、解引継ぎ測位を速度積算測位よりも優先的に用いるように構成されているが、逆に、速度積算測位を解引継ぎ測位よりも優先的に用いるように構成することも可能である。

［アルゴリズムＢ］
図５は、アルゴリズムＢの主要処理流れを示すフローチャートである。アルゴリズムＢが単独で用いられる場合、図５に示す処理ルーチンは、例えば車両３０のイグニッションスイッチがオンにされてからオフにされるまで、繰り返し実行されてよい。

アルゴリズムＢは、図４及び図５に示すように、上述のアルゴリズムＡに対して、処理順序が異なる。アルゴリズムＢの各処理内容は、上述のアルゴリズムＡの各処理内容と順序が異なる以外は実質的に同じであるので、ここでは、上述のアルゴリズムＡと実質的に同一である処理内容について同一のステップ番号を付して説明を省略する。

図５に示すようなアルゴリズムＢによれば、解引継ぎ測位方法を他の２つの測位方法よりも優先的に用いることで、演算負荷の高い瞬時測位を毎回行わないようにすることができ、アルゴリズムＡに比べて一測位周期当たりの演算負荷を低くし且つ演算時間を短縮することができる。また、解引継ぎ測位方法は、車両９０の移動や時間の経過に伴って基準衛星が変化した場合には実行不能となるが、かかる場合でも、瞬時測位若しくは速度積算測位を行うことで、高精度測位を継続することができる。

尚、以上説明したアルゴリズムＢは、速度積算測位を瞬時測位よりも優先的に用いるように構成されているが、逆に、瞬時測位を速度積算測位よりも優先的に用いるように構成することも可能である。

［アルゴリズムＣ］
図６は、アルゴリズムＣの主要処理流れを示すフローチャートである。アルゴリズムＣが単独で用いられる場合、図６に示す処理ルーチンは、例えば車両３０のイグニッションスイッチがオンにされてからオフにされるまで、繰り返し実行されてよい。

アルゴリズムＣは、図４及び図６に示すように、上述のアルゴリズムＡに対して、処理順序が異なる。アルゴリズムＣの各処理内容は、上述のアルゴリズムＡの各処理内容と順序が異なる以外は実質的に同じであるので、ここでは、上述のアルゴリズムＡと実質的に同一である処理内容について同一のステップ番号を付して説明を省略する。

図６に示すようなアルゴリズムＣによれば、速度積算測位を他の２つの測位方法よりも優先的に用いることで、演算負荷の高い瞬時測位を毎回行わないようにすることができ、アルゴリズムＡに比べて演算負荷を低くし且つ演算時間を短縮することができる。また、速度積算測位方法は、基準衛星が変化した場合でも継続して実行可能であり、且つ、高サンプルレートで測位結果を出力することが可能であるので、かかる利点を最大限に享受することができる。また、速度積算測位方法は、初期位置を必要とするが、かかる初期位置が存在しない場合であっても、瞬時測位若しくは解引継ぎ測位を行うことで、高精度測位を継続することができる。尚、瞬時測位若しくは解引継ぎ測位を行うことで初期位置が生成されるので、再び例えば次の周期から、速度積算測位を開始することも可能である。

尚、以上説明したアルゴリズムＣは、解引継ぎ測位を瞬時測位よりも優先的に用いるように構成されているが、逆に、瞬時測位を解引継ぎ測位よりも優先的に用いるように構成することも可能である。

次に、状況に応じて適切に上述のアルゴリズムＡ，Ｂ，Ｃを切り替える方法について説明する。

［アルゴリズム切り替え方法１］
図７は、アルゴリズム切り替え方法１による切り替え態様を示すフローチャートである。図７に示す処理ルーチンは、例えば車両３０のイグニッションスイッチがオンにされてからオフにされるまで、繰り返し実行されてよい。

ステップ３００では、測位制御装置６０は、現在観測可能なＧＰＳ衛星１０の数が所定数Ｔｈ４（例えば８個）以上であるか否かを判定する。観測可能なＧＰＳ衛星１０とは、例えば、サイクルスリップなどが無く、所定レベル以上の電波強度で衛星信号が受信されているＧＰＳ衛星１０であってよい。尚、上記の所定数Ｔｈ４は、瞬時測位方法の演算負荷ないし演算時間が、他の測位方法による演算負荷ないし演算時間に対して有意に大きくなるようなＧＰＳ衛星１０の数に対応し、実験的に適合される値であってよい。観測可能なＧＰＳ衛星１０の数が所定数Ｔｈ４以上である場合には、ステップ３１０に進み、観測可能なＧＰＳ衛星１０の数が所定数Ｔｈ４未満の場合には、ステップ３２０に進む。

ステップ３１０では、測位制御装置６０は、上述のアルゴリズムＢ又はＣに従って、測位制御を実行する。これは、観測可能なＧＰＳ衛星１０の数が多い場合には、瞬時測位方法を優先的に用いる上述のアルゴリズムＡによれば、演算時間が長くなってしまうことを考慮したものである（例えば、観測可能なＧＰＳ衛星１０の数が８個の場合、７個の整数値バイアスの２重位相差が未知数となり、これらの整数解を求めるのに時間がかかる）。他言すると、観測可能なＧＰＳ衛星１０の数が多い場合には、演算負荷が低い測位方法を優先的に用いる上述のアルゴリズムＢ又はＣが好適であることを考慮している。

ステップ３２０では、測位制御装置６０は、上述のアルゴリズムＡに従って、測位制御を実行する。これは、観測可能なＧＰＳ衛星１０の数がさほど多くない場合には、瞬時測位方法を優先的に用いる上述のアルゴリズムＡによっても、演算時間が過度に長くなることが無く、測位精度を重視する方が有用であるためである。

このようにアルゴリズム切り替え方法１によれば、観測可能なＧＰＳ衛星１０の数に応じてアルゴリズムＡ，Ｂ，Ｃを切り替えることで、演算時間と測位精度の両立を図ることができる。

［アルゴリズム切り替え方法２］
図８は、アルゴリズム切り替え方法２による切り替え態様を示すフローチャートである。図８に示す処理ルーチンは、例えば車両３０のイグニッションスイッチがオンにされてからオフにされるまで、繰り返し実行されてよい。

ステップ４００では、測位制御装置６０は、連続Ｎサンプル（連続Ｎ回の測位周期）以上、上述のアルゴリズムＣに従って測位制御を実行した否かを判定する。尚、上記の閾値Ｎは、ドリフト誤差の蓄積が測位結果の精度に有意な影響を与えるような測位周期数に対応し、実験的に適合される値であってよい。肯定判定の場合、ステップ４１０に進み、否定判定の場合、ステップ４２０に進む。

ステップ４１０では、測位制御装置６０は、上述のアルゴリズムＣから上述のアルゴリズムＡに切り替え、上述のアルゴリズムＡに従って測位制御を実行する。これは、連続した多数の測位周期で上述のアルゴリズムＣを実行した場合には、演算負荷が少なく且つ高サンプルレートを実現できる反面、車両センサ５０の持つドリフト誤差が蓄積されることを考慮したものである。これにより、上述のアルゴリズムＡが実行されることで、測位解に蓄積されたドリフト誤差を除去（リセット）することができる。尚、一旦上述のアルゴリズムＡが実行され、瞬時測位が成功すると、再び例えば次の周期から、上述のアルゴリズムＣ又はＢを開始することも可能である。

ステップ４２０では、測位制御装置６０は、上述のアルゴリズムＣを維持するか、若しくは、上述のアルゴリズムＣから上述のアルゴリズムＡに切り替え、上述のアルゴリズムＣ又はＢに従って測位制御を実行する。これは、比較的少ない連続周期数の場合には車両センサ５０の持つドリフト誤差が有意に蓄積されていないことを考慮し、演算負荷を重視したものである。

このようにアルゴリズム切り替え方法２によれば、上述のアルゴリズムＣの連続した測位周期の数に応じてアルゴリズムＡ，Ｂ，Ｃを切り替えることで、演算時間と測位精度の両立を図ることができる。

以上説明したアルゴリズム切り替え方法２に対しては、以下のような変形例が考えられる。

例えば、上記のステップ４００において、測位制御装置６０は、上述のアルゴリズムＣに従って測位制御を行っている状況下で、連続Ｎサンプル以上、速度積算測位による測位解が採用されたか否か（即ち連続Ｎサンプル以上、上述のアルゴリズムＣのステップ２００で肯定判定がなされたか否か）を判断してもよい。同様に、測位制御装置６０は、上述のアルゴリズムＢに従って測位制御を行っている状況下で、連続Ｎサンプル以上、速度積算測位による測位解が採用されたか否かを判断してもよい。これらの場合も、上述のアルゴリズムＡに切り替え、上述のアルゴリズムＣ又はＢに従って測位制御を実行することで、ドリフト誤差の蓄積を除去することができる。

尚、以上説明した実施例においては、処理装置４０が図４等のステップ１００の処理を実行することにより、添付の特許請求の範囲における「第１測位手段」が実現され、処理装置４０が図４等のステップ１８０の処理を実行することにより、同特許請求の範囲における「第２測位手段」が実現され、処理装置４０が図４等のステップ１５０の処理を実行することにより、同特許請求の範囲における「第３測位手段」が実現される。

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。

例えば、上述した実施例において、ＧＰＳ受信機２２、３２が、GPS衛星１０から発射されるＬ１波及びＬ２波（周波数：1227.6ＭＨz）の双方を受信可能な２周波受信機である場合には、Ｌ２波に対する位相積算値の２重位相差Φ^jh _kuが追加的若しくは代替的に観測量Zとして用いられてよい。また、他の帯域の搬送波（例えば、今後追加が予定されているL5帯の電波）に対する位相積算値の２重位相差Φ^jh _kuが追加的若しくは代替的に観測量Zとして用いられてよい。

また、上述した実施例では、上述の３種類の測位方法を用いているが、上述の３種類の測位方法と他の測位方法を組み合わせた４種類以上の測位方法を用いてもよい。この場合、上述の３種類の測位方法の利用態様が、上述した実施例と同様であれば、上述の実施例と同様の効果を得ることができる。

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。

また、上述の説明では、便宜上、ＧＰＳ衛星１０_１を基準衛星としている場合があるが、移動局３０と基準局２０の位置やＧＰＳ衛星１０の仰角等に依存して、他のＧＰＳ衛星１０_ｉ（＝２，３・・・）が基準衛星となりえる。尚、基準衛星は、一般的には、観測可能なＧＰＳ衛星１０のうち、仰角の最も大きいＧＰＳ衛星１０が選択される。

また、上述の実施例では、ＧＰＳに本発明が適用された例を示したが、本発明は、ＧＰＳ以下の衛星システム、例えばガリレオ等の他のGNSS (Global Navigation Satellite System)にも適用可能である。

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。 ワールド座標系とローカル座標系との関係、及び、ローカル座標系とボディ座標との関係を示す図である。 アルゴリズムＡの主要処理流れを示すフローチャートである。 アルゴリズムＢの主要処理流れを示すフローチャートである。 アルゴリズムＣの主要処理流れを示すフローチャートである。 アルゴリズム切り替え方法１による切り替え態様を示すフローチャートである。 アルゴリズム切り替え方法２による切り替え態様を示すフローチャートである。

符号の説明

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
４０ 処理装置
５０ 車両センサ
６０ 測位制御装置
７０ メモリ

Claims (4)

1. 衛星からの信号の観測データに基づいて瞬時測位方法により移動体の位置を測位する第１測位手段と、
   過去の移動体の位置の測位結果と、移動体の速度情報とを用いて、移動体の位置を測位する第２測位手段と、
   過去の前記第１又は第２測位手段の測位結果から得られる変数解を用いて、移動体の位置を測位する第３測位手段と、
   前記各測位手段のうち測位処理を実行する測位手段を選択する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、選択した測位手段の測位結果の信頼性が所定基準値より低い場合に、別の測位手段を選択して測位処理を実行させることを特徴とする、移動体位置測位装置。
2. 前記制御手段は、観測可能な衛星の数が所定数以上ある場合には、前記第１測位手段よりも前記第２又は第３測位手段を優先して選択する、請求項１に記載の移動体位置測位装置。
3. 前記制御手段は、前記第２測位手段より測位処理が所定時間以上継続した場合には、前記第２測位手段よりも前記第１又は第３測位手段を優先して選択する、請求項１に記載の移動体位置測位装置。
4. 前記変数解は、整数値バイアスの整数解である、請求項１に記載の移動体位置測位装置。

Images