JP2009008492A - Gps測位システム及びgps測位方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】GPS基準局の周りに遮蔽構造物がある環境においても、GPS基準局で衛星をより多く捕捉できるGPS測位システム及びGPS測位方法を提供することにある。
【解決手段】
設置位置とGPS衛星からのGPS情報に基き補正情報を生成して送信する基準局と、移動体に搭載されると共に、GPS衛星からのGPS情報と前記基準局の補正情報に基いて該移動体の測位を行う移動局からなるGPS測位システムにおいて、前記基準局はGPS情報を受信するGPSアンテナと、前記GPSアンテナを支える架台と、GPS情報を解析して衛星軌道情報を算出するGPS受信機と、算出された衛星軌道情報に基づいて捕捉衛星数がより多くなるアンテナ位置を検出してその移動量を算出するコンピュータと、算出された移動量に基づいて前記架台を移動するアクチュエータを備えている。
【選択図】図2

Description

本発明は、GPS衛星の情報を利用して移動局を測位するGPS測位システムに関し、特に基準局から補正情報を受けて、より正確に移動局を測位するシステムに関する。
GPS衛星を利用した測位システムとしては、カーナビゲーションなどが挙げられるが、これらの多くはGPS移動局(GPSを載せた車)による単独測位であるため、精度が50m〜10mと悪い。これは、GPS衛星からの電波信号が地上のGPSアンテナに到達する過程で、大気中を通過するときの電波伝播遅延などで誤差を含んだ状態になるためである。
この改善策として、予め決められた絶対座標値にGPS基準局のアンテナを設置して、アンテナ位置の測位を行い、この測位に基いて補正信号を生成して移動局に送信する相対測位方式がある。その原理は、GPS基準局での測位結果(座標値)は予め決められた絶対座標値と一致するはずであるが、実際は先に述べた電波伝播遅延などの影響で、その絶対座標値と異なる位置が測位されることになる。GPS基準局(アンテナ)の絶対座標値と測位した座標値の差分(誤差)は、補正情報としてGPS基準局からGPS移動局に無線伝送し、GPS移動局において精度改善された位置を得ることができる。なお、GPS基準局での前記差分(誤差)は、移動局でも同等に含まれていることを前提としている。
前記相対測位方式としては、DGPS(ディファレンシャルGPS)やRTKGPS(リアルタイムキネマテックGPS)測位などの高精度測位が挙げられる。ここで、精度を維持するためには、基準局と移動局の両方で同時に捕捉できる共通衛星数の数が重要であり、移動局と基準局の一方で多くの衛星を捕捉しても他方での衛星捕捉数が少ないと、共通衛星が少なくなり測位精度に影響を及ぼす。
衛星捕捉数(可視衛星数)は、その設置場所の周辺環境(GPS電波の遮蔽構造物の有無など)に依存するため、予め衛星捕捉の影響の少ない場所を選んで設置している。
特許文献1には、移動局で多数の衛星を捕捉出来るようにアンテナを移動、または複数アンテナから最適アンテナを選択するものが記載されている。
特開平8−178649号公報
特許文献1は、移動局で出来るだけ多くの衛星を捕捉出来るようにしたものであるが、基準局につては考慮されていない。都市部においては、基準局の設置後にその周りにビルが建設される場合や、既存のビルの間に基準局を設置せざるを得ない場合が多々あり、このようなビルはGPS電波の遮蔽構造物となり、測位精度に影響を及ぼす。
本発明の目的は、周りに遮蔽構造物がある環境においても、GPS基準局で衛星をより多く捕捉できるGPS測位システム及びGPS測位方法を提供することにある。
本発明は、設置位置とGPS衛星からのGPS情報に基き補正情報を生成して送信する基準局と、移動体に搭載されると共に、GPS衛星からのGPS情報と前記基準局の補正情報に基いて該移動体の測位を行う移動局からなるGPS測位システムにおいて、前記基準局はGPS情報を受信するGPSアンテナと、前記GPSアンテナを支える架台と、GPS情報を解析して衛星軌道情報を算出するGPS受信機と、算出された衛星軌道情報に基づいて捕捉衛星数がより多くなるアンテナ位置を検出してその移動量を算出するコンピュータと、算出された移動量に基づいて前記架台を移動するアクチュエータを備えたことを特徴とする。
また、前記基準局はGPS情報を受信するGPSアンテナと、前記GPSアンテナを支える架台と、GPS情報を解析して衛星軌道情報を算出するGPS受信機と、算出された衛星軌道情報に基づいて捕捉衛星数がより多くなるアンテナ位置を検出してその移動量を算出すると共に、移動したアンテナ位置での補正情報を生成して送信するコンピュータと、前記算出された移動量に基づいて前記架台を移動するアクチュエータを備えたことを特徴とする。
また、前記基準局はGPS情報を受信するGPSアンテナと、前記GPSアンテナを支える架台と、GPS情報を解析して衛星軌道情報を算出するGPS受信機と、算出された衛星軌道情報と基準局周囲の遮蔽物による遮蔽情報に基づいて捕捉衛星数がより多くなるアンテナ位置を検出してその移動量を算出すると共に、移動したアンテナ位置での補正情報を生成して送信するコンピュータと、前記算出された移動量に基づいて前記架台を移動するアクチュエータを備えたことを特徴とする。
また、設置位置が特定されている基準局がGPS衛星からのGPS情報に基いて補正情報を生成して送信し、移動体に搭載された移動局がGPS衛星からのGPS情報と前記基準局の補正情報とに基いて該移動体位置の測位を行うGPS測位方法において、前記基準局はGPSアンテナで受信したGPS情報を解析して衛星軌道情報を算出し、算出された衛星軌道情報に基づいて捕捉衛星数がより多くなるアンテナ位置を検出してその移動量を算出し、算出された移動量に基づいてGPSアンテナを移動させることを特徴とする。
また、前記基準局はGPSアンテナで受信したGPS情報を解析して衛星軌道情報を算出し、算出された衛星軌道情報に基づいて捕捉衛星数がより多くなるアンテナ位置を検出してその移動量を算出し、算出された移動量に基づいてGPSアンテナを移動させ、受信したGPS情報と移動後のGPSアンテナ位置とに基いて補正情報を生成して移動局に送信することを特徴とする。
さらに、前記基準局はGPSアンテナで受信したGPS情報を解析して衛星軌道情報を算出し、算出された衛星軌道情報と基準局周囲の遮蔽物による遮蔽情報に基づいて捕捉衛星数がより多くなるアンテナ位置を検出してその移動量を算出し、算出された移動量に基づいてGPSアンテナを移動させ、受信したGPS情報と移動後のGPSアンテナ位置とに基いて補正情報を生成して移動局に送信することを特徴とする。
本発明によれば、GPS基準局の設置場所を移動できるようなレールの上に、GPS基準局を固定し、常に最大数の衛星捕捉ができるようにアルマナック情報に基づいて、レール上の基準局を移動させながら測位を行うことで、いつも衛星捕捉数を多い状態での基準局の運用を実現できる。また、基準局のGPSアンテナの座標値に対応した補正情報を生成し送信することで、移動しながらの状態で基準局としての役割を実現するため、GPS基準局設置場所の遮蔽の影響を低減したかたちで基準局の機能を実現することができる。
本発明の実施例を説明する。図1に、実施例を適用するGPS測位方式の概念を示す。10は基準局で、GPSアンテナ、GPS受信機、補正情報送信用無線機及び無線送信アンテナを内蔵する。11は移動局で、GPSアンテナ、GPS受信機、補正情報受信用無線機及び無線受信アンテナを内蔵する。基準局10からは無線送信アンテナと無線受信アンテナを介してGPS補正情報が移動局11に送られ、相対測位方式で測位される。
基準局10と移動局11では、前述したように両方で同時に共通のGPS衛星を捕捉する必要がある。図1では、移動局11と基準局10の上空には合計で7個のGPS衛星が存在する状態を示している。しかし、基準局10と移動局11の周辺環境の遮蔽物(ビル、広告塔など)の影響により、共通で捕捉可能な衛星は12〜15の4個しかないことを例示している。残り3個は基準局10か移動局11の片方でしか捕捉できない衛星となる例を示している。即ち、衛星16,17はGPS基準局10のみで捕捉可能で、衛星18は移動局11でのみ捕捉可能である。
図2に、実施例の基準局10の機器構成を示す。基準局10は、予め絶対座標が明確になっている場所に設置される。105は剛性をもったリニアガイドレール106上を移動走行する機器搭載架台で、この上にはGPSアンテナ101、GPS受信機102、移動量算出コンピュータ103、機器搭載架台105を移動駆動するサーボモータアクチュエータの駆動指令制御を行うサーボアンプ110、サーボアンプからの指令で機器搭載架台105を移動させるアクチュエータ(サーボモータ)104が搭載される。
また、機器搭載架台105の実際の移動量を把握するために架台移動用車輪111の回転量を検出する移動量検出エンコーダ107、GPSアンテナ101の位置に対応した絶対座標値を含む補正情報を送信するための補正情報送信用無線機108、無線機108のアンテナ109も搭載される。上記のように基準局10は、リニアガイドレール106上を可動式に構成される。
図3に、機器搭載架台105上の各機器の接続ブロック図を示す。GPSアンテナ101はGPSアンテナケーブル208を介してGPS受信機102に接続される。GPS受信機102と移動量算出コンピュータ103は、RS232Cシリアル通信ケーブル209で接続される。移動量算出コンピュータ103とサーボアンプ110の間は、シリアル通信ケーブル210で接続される。サーボアンプ110とアクチュエータであるサーボモータ104の間は、サーボモータ動力線211で接続される。
機器搭載架台105上に搭載されるGPSアンテナ101の移動量(架台105の移動量)を検出するために、架台移動用車輪111と結合された移動量検出エンコーダ107を設けている。移動量検出エンコーダ107と移動量算出コンピュータ103の間は、カウンタ信号ケーブル212で接続される。また、移動量検出エンコーダ107で使用できる電源電圧(DC24V)にAC100Vから変換するために電源コンバータ206も搭載する。
上記構成において、GPS受信機102は衛星から受信したGPS情報を解析して衛星軌道情報(アルマナックデータ)を算出する。移動量算出コンピュータ103は、算出された衛星軌道情報と周囲の遮蔽物による予め登録された遮蔽情報に基き、リニアガイドレール106上で最大の衛星を補足できるアンテナ位置を求め、この位置と現在位置からの距離を移動情報として算出する。この移動情報はサーボアンプ110を介してアクチュエータ104に送られる。
図4に基準局10のアンテナ位置と遮蔽物による遮蔽状態との関係を示す。GPSアンテナ101はビルAの屋上に設置されると仮定する。図4(1)に、GPSアンテナ101がリニアガイドレール106上のX位置にある場合の、ビルBによる遮蔽部分302を示す。また、図4(2)に、GPSアンテナ101がリニアガイドレール106上のZ位置にある場合の、ビルCによる遮蔽部分304を示す。
図5は、アンテナ101が位置Zにあるとき、ビルCによる遮蔽を考慮した場合の衛星軌道情報(アルマナックデータ)から算出した可視衛星(捕捉衛星)の説明図である。図5(2)の衛星軌道情報の格子メッシュで覆われた部分401は、ビルCによる遮蔽情報を示し、それ以外の部分はアンテナ101からの可視衛星の範囲である。丸で囲まれた数字と表示位置は、衛星の番号とその時間での位置を示し、曲線は各衛星の軌道を示す。可視衛星の範囲にある衛星をカウントすることにより可視衛星数を把握できる。
図6は、アンテナ101が位置Xにあるとき、ビルBによる遮蔽を考慮した場合の衛星軌道情報から算出した可視衛星(捕捉衛星)の説明図である。図6(2)で、衛星軌道情報の格子メッシュで覆われた部分501は、ビルBによる遮蔽情報を示し、それ以外の部分はアンテナ101からの可視衛星の範囲である。
図7は、アンテナ101が位置XとZの中間位置Yにあるとき、ビルBとビルCとによる遮蔽を考慮した場合の衛星軌道情報から算出した可視衛星(捕捉衛星)の説明図である。図7(2)で衛星軌道情報の格子メッシュで覆われた部分601はビルCによる遮蔽情報を示し、格子メッシュで覆われた部分602はビルBによる遮蔽情報を示し、それ以外の部分はアンテナ101からの可視衛星の範囲である。
図8に基準局10の移動量算出コンピュータ103内での移動量算出処理と補正情報を生成して送信するフローを示す。以下、図8に基いて基準局10の動作を説明する。
移動量算出コンピュータ103を立上げて所定のアプリケーションを立ち上げると次の処理が継続動作する。先ず、処理(ステップ)701は、GPS受信機102で衛星の概略軌道情報であるアルマナックデータを受信する処理である。GPS受信機102はGPS衛星から電波信号を捕捉することでアルマナックデータを取得することが出来る。
処理702は、予め設定したGPSアンテナ101の移動可能位置における遮蔽範囲を示す定義ファイルをメモリから取り込む処理である。図示しないメモリには、基準局10の設置場所での特有の遮蔽物によって生じる、GPSアンテナ101の移動可能位置における遮蔽範囲を遮蔽情報として定義ファイルに設定されて、予め記憶されている。
処理703は、予め登録された定義ファイルの遮蔽情報と、アルマナックデータの衛星軌道配置情報から、GPSアンテナ101の移動可能位置(移動目標位置)毎の可視衛星数を算出する処理である。次の処理704は、処理703で算出した衛星数について、多い少ないの大小比較を行う。即ち、GPSアンテナ101の移動可能位置(移動目標位置)のうち、どの位置で最も多くの衛星が捕捉できるかをソフトウェアプログラムで比較判断処理する。
処理705は、処理704で一番多くの衛星が捕捉できるGPSアンテナ101の位置が特定されるので、その位置を目指して基準局を移動させるための移動量と方向を算出決定する処理である。
処理706は、GPSアンテナ101の移動前の位置(現在位置)の絶対座標値を取り込む処理である。この取込みは、移動前の絶対位置を記憶してその後の移動時のアンテナ位置を明確にするためである。この段階でのGPS補正情報は、移動前のGPSアンテナ101の絶対座標値を設定した条件で、移動局側へ送信される。
処理707は、処理705で算出された移動量と方向に基づいてアクチュエータ104を駆動するために、サーボアンプ110に指令値を送出する処理である。この指令値に基づいて、サーボアンプ110はモータを正確に駆動し、目標位置へGPSアンテナ101を移動させる。
処理708は、前記指令後のGPSアンテナ101の実際の移動量を把握するために、機器搭載架台105の移動量を架台移動用車輪111に接続されたエンコーダ107の回転量(回転パルス)をカウントし、移動距離として換算する処理である。処理709は、処理708で算出された実際の移動量と、処理706で取得した絶対座標値とから、レール上を移動している(移動中)GPSアンテナ101の絶対座標値を算出する処理である。エンコーダ107で回転量をリアルタイムで取得し、その回転量から移動距離を算出して、レール上の絶対座標位置を算出把握する。
処理710は、処理709で算出したGPSアンテナ101の絶対座標値を設定した内容でGPS補正情報を生成する処理である。GPS補正情報は、国際規格で決まっており、RTCM SC−104規格に準拠した補正情報を生成する。
処理711は、処理710生成したGPS補正情報を、移動局に送信する処理である。具体的には、補正情報を基準局10の補正情報送信用無線機108から移動局の補正情報受信ポートへ送信する処理を行う。この段階では、GPSアンテナ101の移動途中の補正情報が移動局に送信される。
処理712は、基準局のGPSアンテナ位置が、処理707で指令された移動目標位置に到達したかどうかを判定する処理を行う。具体的には、サーボアンプ110からの到達完了信号を受けたかどうかで判定する。目標位置に到達していない場合は、処理707に戻ってレール106上の前記移動処理を継続する。移動完了したと判断した場合には、次の移動指令に従うべく、処理701の先頭に戻り順次処理を継続する。
目標位置に移動が完了して停止しているときも処理701〜処理711を繰り返すが、処理709で停止位置での絶対座標値が算出され、処理710で停止中の現在位置(絶対座標値)に対応したGPS補正情報が生成され、処理711でこのGPS補正情報が移動局に送信される。
各衛星は軌道に沿って移動しているため、時間と共に捕獲衛星数が最大となる場所が変化していく。従って、実際には処理701〜処理711を繰り返しながら基準局のGPSアンテナ101の位置が変化することが多いが、どの位置においても常に絶対座標値に対応したGPS補正情報が生成されて移動局11に送信され、移動局11は正確な測位が実行できる。
GPSアンテナ101の位置は、エンコーダ107の回転量(回転パルス)をカウントして実際の移動量から把握しているため、常に現実の正確な位置となり、これに基いて正確な補正情報が生成され、送信される。
本発明実施例のGPS測位方式の概念図。 本発明実施例のGPS基準局の機器構成図。 本発明実施例の機器搭載架台の機器の接続ブロック図。 本発明実施例のGPS基準局のアンテナ位置と遮蔽との関係図。 本発明実施例のアンテナ位置Zと遮蔽との説明図。 本発明実施例のアンテナ位置Xと遮蔽との説明図。 本発明実施例のアンテナ位置Yと遮蔽との説明図。 本発明実施例の基準局のコンピュータの動作フロー図。
符号の説明
10…基準局、11…移動局、12〜18…GPS衛星、101…GPSアンテナ、102…GPS受信機、103…移動量算出コンピュータ、104…アクチュエータ、105…機器搭載架台、106…リニアガイドレール、107…移動量検知エンコーダ、108…補正情報送信用無線機、401、501、601、602…遮蔽情報。

Claims (6)

  1. 設置位置とGPS衛星からのGPS情報に基き補正情報を生成して送信する基準局と、移動体に搭載されると共に、GPS衛星からのGPS情報と前記基準局の補正情報に基いて該移動体の測位を行う移動局からなるGPS測位システムにおいて、
    前記基準局はGPS情報を受信するGPSアンテナと、前記GPSアンテナを支える架台と、GPS情報を解析して衛星軌道情報を算出するGPS受信機と、算出された衛星軌道情報に基づいて捕捉衛星数がより多くなるアンテナ位置を検出してその移動量を算出するコンピュータと、算出された移動量に基づいて前記架台を移動するアクチュエータを備えたことを特徴とするGPS測位システム。
  2. 設置位置とGPS衛星からのGPS情報に基き補正情報を求めて送信する基準局と、移動体に搭載されると共に、GPS衛星からのGPS情報と前記基準局の補正情報に基いて該移動体の測位を行う移動局からなるGPS測位システムにおいて、
    前記基準局はGPS情報を受信するGPSアンテナと、前記GPSアンテナを支える架台と、GPS情報を解析して衛星軌道情報を算出するGPS受信機と、算出された衛星軌道情報に基づいて捕捉衛星数がより多くなるアンテナ位置を検出してその移動量を算出すると共に、移動したアンテナ位置での補正情報を生成して送信するコンピュータと、前記算出された移動量に基づいて前記架台を移動するアクチュエータを備えたことを特徴とするGPS測位システム。
  3. 設置位置とGPS衛星からのGPS情報に基き補正情報を求めて送信する基準局と、移動体に搭載されると共に、GPS衛星からのGPS情報と前記基準局の補正情報に基いて該移動体の測位を行う移動局からなるGPS測位システムにおいて、
    前記基準局はGPS情報を受信するGPSアンテナと、前記GPSアンテナを支える架台と、GPS情報を解析して衛星軌道情報を算出するGPS受信機と、算出された衛星軌道情報と基準局周囲の遮蔽物による遮蔽情報に基づいて捕捉衛星数がより多くなるアンテナ位置を検出してその移動量を算出すると共に、移動したアンテナ位置での補正情報を生成して送信するコンピュータと、前記算出された移動量に基づいて前記架台を移動するアクチュエータを備えたことを特徴とするGPS測位システム。
  4. 設置位置が特定されている基準局がGPS衛星からのGPS情報に基いて補正情報を生成して送信し、移動体に搭載された移動局がGPS衛星からのGPS情報と前記基準局の補正情報とに基いて該移動体位置の測位を行うGPS測位方法において、
    前記基準局はGPSアンテナで受信したGPS情報を解析して衛星軌道情報を算出し、算出された衛星軌道情報に基づいて捕捉衛星数がより多くなるアンテナ位置を検出してその移動量を算出し、算出された移動量に基づいてGPSアンテナを移動させることを特徴とするGPS測位方法。
  5. 設置位置が特定されている基準局がGPS衛星からのGPS情報に基いて補正情報を生成して送信し、移動体に搭載された移動局がGPS衛星からのGPS情報と前記基準局の補正情報とに基いて該移動体位置の測位を行うGPS測位方法において、
    前記基準局はGPSアンテナで受信したGPS情報を解析して衛星軌道情報を算出し、算出された衛星軌道情報に基づいて捕捉衛星数がより多くなるアンテナ位置を検出してその移動量を算出し、算出された移動量に基づいてGPSアンテナを移動させ、受信したGPS情報と移動後のGPSアンテナ位置とに基いて補正情報を生成して移動局に送信することを特徴とするGPS測位方法。
  6. 設置位置が特定されている基準局がGPS衛星からのGPS情報に基いて補正情報を生成して送信し、移動体に搭載された移動局がGPS衛星からのGPS情報と前記基準局の補正情報とに基いて該移動体位置の測位を行うGPS測位方法において、
    前記基準局はGPSアンテナで受信したGPS情報を解析して衛星軌道情報を算出し、算出された衛星軌道情報と基準局周囲の遮蔽物による遮蔽情報に基づいて捕捉衛星数がより多くなるアンテナ位置を検出してその移動量を算出し、算出された移動量に基づいてGPSアンテナを移動させ、受信したGPS情報と移動後のGPSアンテナ位置とに基いて補正情報を生成して移動局に送信することを特徴とするGPS測位方法。
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