JP2009192325A - 衛星航法／推測航法統合測位装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低価格で構成でき且つ位置・速度等の航法データの精度を高めた衛星航法／推測航法統合測位装置を構成する。
【解決手段】追尾処理部３１は、ＧＰＳ測位信号に基づいて、その捕捉処理、追尾処理、航法メッセージの復調処理を行う。ＧＰＳ測位演算部３２は擬似距離観測量やドップラー周波数観測量及びエフェメリスデータを基に位置・速度等を演算し、これらを出力判定部４３と追尾処理部３１へ与える。統合測位演算部４２は擬似距離観測量やドップラー周波数観測量の他に、慣性センサの出力や地図情報又は地図位置と測位との差の情報等の外部支援情報に基づいて、位置・速度などを推定し、出力判定部４３へ与える。出力判定部４３はＧＰＳ測位演算部３２の出力と統合測位演算部４２の出力とを比較し、統合測位演算部４２の出力データの信頼性判定や外部支援データの異常判定を行う。
【選択図】図２

Description

この発明は、航法衛星からの測位信号を受信して得られる観測量と、推測航法装置より得られる観測量とを統合して測位を行う衛星航法／推測航法統合測位装置に関するものである。

非自立システムである例えばＧＰＳ測位装置より得られる観測量（以下ＧＰＳ観測量）と自立システムである推測航法装置(DR：Dead-ReckoningNavigationSystem)より得られた観測量（以下、ＤＲ観測量）を統合した衛星航法／推測航法統合測位装置（以下、GPS/DR統合測位装置）において、どの観測量を用いて測位を行うか、またそれらの観測量をどのような方式で統合して測位を行うかについて様々な構成が知られている（例えば特許文献１，２参照）。

ＧＰＳ観測量とＤＲ観測量とを統合するためにどのような構成を採るかは、装置の価格や要求精度などに大きく依存する。図１はこの統合方式の典型的な例をブロック図に表したものである。

図１（Ａ）はLoosely-Coupled方式、図１（Ｂ）はTightly-Coupled方式及び、Deeply-Coupled方式である。
図１（Ａ）において、追尾処理部１１はＧＰＳ衛星からの信号を受信して得られるベースバンドのＧＰＳ測位信号の位相を追尾するとともに各衛星の位置・速度などを求める。ＧＰＳ測位演算部１２は追尾処理部１１が求めた擬似距離（ＰＲ）やドップラー周波数観測量や各衛星の位置・速度に基づいて受信点の位置・速度を求める。ＤＲ測位演算部１３は慣性センサなどの外部支援データに基づいて位置・速度を求める。そして、統合測位演算部１４は、ＧＰＳ測位演算部１２で得られた位置・速度などのＧＰＳ観測量と、ＤＲ測位演算部１３により求められた位置・速度などのＤＲ観測量とを統合し、より高品質の位置・速度などをユーザに提供する。

図１（Ｂ）において、追尾処理部２１はＧＰＳ衛星からの信号を受信して得られるベースバンドのＧＰＳ測位信号の位相を追尾するとともに各衛星の位置・速度などを求める。Tightly-Coupled方式の場合、統合測位演算部２２は、追尾処理部２１で得られる擬似距離及びドップラー周波数をＧＰＳ観測量とし、慣性センサなどの外部支援データをＤＲ観測量として、一つの統合測位演算部２２で統合し、高品質の位置・速度などを算出し、ユーザに提供する。

Deeply-Coupled方式の場合、統合測位演算部２２は、追尾処理部２１で得られるベースバンド複素信号（Ｉ，Ｑ）をＧＰＳ観測量とし、慣性センサなどの外部支援データをＤＲ観測量として、統合測位演算を行う。

なお、Loosely-Coupled方式のＧＰＳ測位演算部１２や統合測位演算部１４、Tightly/Deeply-Coupled方式の統合測位演算部２２は航法フィルタとも呼ばれ、通常、位置及び位置誤差、速度及び速度誤差、慣性センサ誤差などがカルマン・フィルタによって推定され、推定されたそれぞれの誤差は補正量として、しかるべき箇所に負帰還され、補正される。

最近、脚光を浴びている、人・車用途のPND（PortableNavigation Devices）では、低価格且つ高精度であることが要求され、特許文献１，２に示されるように安価な慣性センサ（ジャイロや加速度センサ）や地図データなどの外部支援データとＧＰＳ観測量とをLoosely-Coupled方式又はTightly-Coupled方式で統合した装置が用いられようとしている。
特開２００７−９３４８３号公報 米国特許第６，６４３，５８７号

しかしながら、特許文献１，２を含む従来のGPS/DR統合測位装置では次に述べるような解決すべき課題があった。

（１）Loosely-Coupled方式は、ＧＰＳ測位演算部で求められる受信点の位置・速度などのデータとＤＲ測位演算部により求められる位置・速度とを統合するものであるので、このLoosely-Coupled方式では、ＧＰＳ測位演算の結果が出るまではＧＰＳデータをＤＲ測位の演算に利用できない。ＧＰＳ測位の一般的な方法では、３次元の位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と時刻の４つの変数を求めるために最低４衛星が必要であるが、上述の理由により、４衛星以上の衛星からの信号が捕捉・追尾できなければＧＰＳデータをＤＲ演算に利用できない。

また、Loosely-Coupled方式の最大の欠点は、ＧＰＳ測位演算部１２から得られる位置・速度の誤差が有色となり、統合測位演算部２２のカルマン・フィルタの必須要件である白色性誤差条件を満たさないことである。

（２）Tightly-Coupled方式では、ＧＰＳ観測量である擬似距離及びドップラー周波数とＤＲ観測量とを一つの統合測位演算部で統合化するため、前記カルマン・フィルタの設計にＧＰＳに関する詳細な知識を必要とする。しかも、Loosely-Coupled方式に比べて統合測位演算部の設計そのものが複雑である。

また、例えば、慣性センサの出力が異常になった時には、位置・速度・姿勢など（以下、航法データという。）がユーザに提供できなくなる。

（３）Deeply-Coupled方式では、ＧＰＳ測位信号の追尾処理部に対してフィードバックする測位結果が、センサユニットやユーザからの入力値（マップマッチデータ等）に影響されてしまう。そのため、例えば異常なセンサデータが入力された場合にＧＰＳ衛星を追尾できなくなり、ＧＰＳ測位結果を用いたセンサの異常検出ができない。

このように価格と性能とを両立させるために、特に、低信頼性であるが安価な慣性センサを利用する場合に異常を検知する方法は極めて重要な技術となる。しかし、特許文献１，２を含む従来のGPS/DR統合測位装置では、慣性センサなどの外部支援データの異常に起因する測位演算部の出力の異常を判定することはできない。

そこで、この発明の目的は、低価格で構成でき且つ位置・速度等の航法データの精度を高めた衛星航法／推測航法統合測位装置を提供することにある。

前記課題を解決するために、この発明の衛星航法／推測航法統合測位装置は次のように構成する。

（１）航法衛星から送信される測位信号を受信し、該測位信号（測位信号の位相情報）を追尾するとともに擬似距離及びドップラー周波数情報を求める追尾処理手段と、
前記擬似距離、ドップラー周波数情報を基に測位演算を行い、移動体の位置及び速度を求める衛星航法測位演算手段と、
前記追尾処理手段により求められた前記擬似距離及びドップラー周波数情報並びに（慣性センサや地図データなどの）外部支援データを基に、前記外部支援データの誤差を求めて当該外部支援データの補正を行うとともに、移動体の位置及び速度を求める統合測位演算手段と、
前記衛星航法測位演算手段による測位演算の結果と前記統合測位演算手段による測位演算の結果との比較によって前記外部支援データの異常を判定する異常判定手段と、
を備えて衛星航法／推測航法統合測位装置を構成する。

これにより、従来のLoosely-Coupled方式とは異なり、衛星航法測位演算ができない、又はできていない状態でも観測できている擬似距離及びドップラー周波数情報を基に移動体の位置及び速度を求めることができる。また、外部支援データが異常状態になって統合測位演算ができない場合でも、衛星航法測位演算手段による演算結果をユーザに提供できるようになる。

（２）前記外部支援データには例えば慣性センサによるデータを含み、異常判定手段は、前記衛星航法測位演算手段による測位演算の結果と前記慣性センサによるデータとの比較によって前記慣性センサの異常を判定する。

この構成により、慣性センサの異常を検知でき、異常状態の慣性センサを用いることによる測位精度の低下を防止できる。

（３）前記外部支援データは例えば地図データ入力情報を含み、異常判定手段は、前記衛星航法測位演算手段による測位演算の結果と前記地図データとの比較によって前記地図データ入力情報の異常を判定する。

この構成により、地図データ入力情報の異常を検知でき、異常な地図データを用いることによる測位精度の低下を防止できる。

（４）前記異常判定手段は、前記衛星航法測位演算手段により求められた結果と前記統合測位演算手段により求められた結果とを比較して、前記統合測位演算手段の演算結果の異常を判定する。

この構成により、統合測位演算に用いる外部支援データの異常又は統合測位演算手段の異常を検知することができ、異常な航法データがユーザに提供されるのを防止できる。

（５）前記異常判定手段により異常と判定された場合に、前記衛星航法測位演算手段による演算結果をユーザへ出力する手段を備える。この演算結果と共に異常状態の旨をユーザへ知らせるようにしてもよい。

この構成により、前記異常状態であっても衛星航法測位演算手段の演算結果を得ることができる。また、異常状態の旨をユーザへ出力すれば、ユーザは異常状態を把握できる。

（６）前記統合測位演算手段は、例えば前記外部支援データの異常等により統合測位演算部を停止した状態から再び測位演算を開始する際、前記衛星航法測位演算手段により求められた前記位置及び速度を初期値として統合測位演算を開始する。

このことにより、統合測位演算のダウンからの復帰時に、統合測位演算手段は早期に測位結果を得ることができる。

（７）前記統合測位演算手段は、前記追尾処理手段により求められた、衛星間１重差による擬似距離及びドップラー周波数情報を基に測位演算を行うようにしてもよい。

このように衛星間一重差を基に測位演算を行えば、統合測位演算手段は受信機のクロック誤差及びその変化をカルマン・フィルタで推定する必要が無い。そのため、統合測位演算手段でのカルマン・フィルタの演算負荷を軽減できるのみならず、前記クロック誤差及びその変化のモデルを考える必要がなくなる。

この発明によれば、従来のLoosely-Coupled方式とは異なり、例えば４つ以上の航法衛星からの測位信号が受信できずに衛星航法測位演算ができない、又はできていない状態でも、観測できている擬似距離及びドップラー周波数情報を基に移動体の位置及び速度を求めることができる。また、外部支援データが異常状態となって統合測位演算ができない場合でも、衛星航法測位演算手段による演算結果をユーザに提供可能となる。

《第１の実施形態》
図２は第１の実施形態に係る衛星航法／推測航法統合測位装置の構成を示すブロック図である。
ＧＰＳ受信回路３０は、ＧＰＳアンテナで受信した衛星からの測位信号を中間周波数に変換し、Ａ／Ｄ変換して、所謂ベースバンドのＧＰＳ測位信号を出力する。

センサユニット４０は、少なくとも、加速度センサ、角速度センサ、方位情報を得るためのジャイロ慣性センサ等を備える、外部支援データを出力する外部装置である。

上記各種センサで得られる値以外の外部支援情報としては、ユーザから入力される地図位置入力情報（マップマッチデータ）又は地図位置の誤差入力情報（マップマッチデータの誤差）を用いる。

追尾処理部３１は、上記ＧＰＳ測位信号に基づいて、その捕捉処理、追尾処理、エフェメリスデータ（衛星軌道情報）を含む航法メッセージの復調処理を行い、擬似距離観測量やドップラー周波数観測量をＧＰＳ測位演算部３２及び統合測位演算部４２へ与える。

ＧＰＳ測位演算部３２は、擬似距離観測量、ドップラー周波数観測量、エフェメリスデータ等を基に通常の方法で位置・速度等の航法データを演算する。

統合測位演算部４２は、擬似距離観測量やドップラー周波数観測量の他に、慣性センサ（ジャイロや必要に応じて加速度センサ）の出力や、必要に応じて、前記地図情報（マップマッチデータ）又は地図位置と測位との差（マップマッチデータの誤差）の情報等の外部支援情報に基づいて、公知のカルマン・フィルタを用いて位置、位置誤差、速度、速度誤差、慣性センサ等の外部支援データの誤差などを推定する。そして位置・速度などの航法データを出力判定部４３へ与える。また、推定された外部支援データの誤差は所定の処理部に補正量として負帰還する。

ＧＰＳ測位演算部３２の航法データは統合測位演算部４２とは独立して演算される。この構成によって、もし、外部支援データに起因して生じる統合測位演算部４２の航法データに異常が現れても、ＧＰＳ測位演算部３２の航法データは外部支援データの異常に影響されないため、ＧＰＳ測位演算部３２の航法データは統合測位演算部４２の航法データの異常を判定するために利用することができる。すなわち、出力判定部４３において、ＧＰＳ測位演算部３２で演算された航法データの全て又はいずれかは、ユーザのハードウエア／ソフトウエア４４へ出力される統合測位演算部４２の出力の信頼性を判定するための比較基準として用いることができる。

なお、ＧＰＳ測位演算部３２や統合測位演算部４２に対して擬似距離、ドップラー周波数と共にエフェメリスデータが与えられるが、第１の実施形態では直接関係ないので、図示を略している。

次に、出力判定部４３の各種異常判定の方法について図３〜図５を参照して説明する。
図３は、出力判定部４３が行う、統合測位演算部の異常判定の手順を示すフローチャートである。

出力判定部４３はＧＰＳ測位演算部３２の出力と統合測位演算部４２の出力とを比較する（Ｓ１１）。図３に示す例では、統合測位演算部４２の出力データの信頼性判定は、航法データの位置判定、速度判定、姿勢判定のＡＮＤ条件で判定する（Ｓ１２，Ｓ１３，Ｓ１４）。

ＧＰＳ測位演算部３２と統合測位演算部４２がそれぞれ求めた航法データのうち、位置の差が所定の閾値以上であれば、ＧＰＳ測位演算部３２が求めた航法データをユーザのハードウエア／ソフトウエア４４に出力するように切り替える（Ｓ１２→Ｓ１６）。同様に、速度の差が所定の閾値以上であれば、ＧＰＳ測位演算部３２が求めた航法データをユーザのハードウエア／ソフトウエア４４に出力するように切り替える（Ｓ１３→Ｓ１６）。

また、ＧＰＳ測位演算部３２が求めた移動体の姿勢と統合測位演算部４２が求めた移動体の姿勢との差が所定の閾値以上であれば、ＧＰＳ測位演算部３２が求めた航法データをユーザのハードウエア／ソフトウエア４４に出力するように切り替える（Ｓ１４→Ｓ１６）。ここで移動体の姿勢とは、移動体が向く方位であり、例えば位置情報を基にして求める場合には、時刻における位置ベクトルから求め、速度情報を基にして求める場合には、水平速度成分の比をとることによって求める。

位置・速度・姿勢のいずれも所定の閾値未満であるなら、統合測位演算部４２が求めた航法データをユーザのハードウエア／ソフトウエア４４に出力する。

なお、統合測位演算部４２の測位演算再開時には、ＧＰＳ測位演算部３２が求めた位置及び速度を初期値として、または速度を初期値として、統合測位演算部処理を再開する。

統合測位演算部４２の出力データの信頼性判定は、航法データの位置判定、速度判定、姿勢判定のＯＲ条件の組み合わせで判定してもよいし、任意の２つをＡＮＤ又はＯＲとして、他の１つとＡＮＤ又はＯＲの条件で判定してもよい。例えば、（位置AND速度）OR姿勢の条件や、（位置OR速度）AND姿勢の条件で判定してもよい。

図４は、出力判定部４３が行う、外部支援データの異常判定の手順を示すフローチャートである。

出力判定部４３は、ＧＰＳ測位演算部３２の出力を用いて、外部支援データの異常判定を行なう。例えば、方位情報を得るためのジャイロ慣性センサ信号の異常は、少なくとも移動中におけるＧＰＳ測位演算部３２の速度に基づいて算出された方位角の所定の時間間隔における方位角変化を算出し、当該方位角変化量を基準として、ジャイロ慣性センサ信号と比較することで判定する（Ｓ２１→Ｓ２２）。両者の差が所定の閾値未満であれば、統合測位演算部４２が求めた航法データをユーザのハードウエア／ソフトウエア４４に出力する（Ｓ２２→Ｓ２３）。両者の差が所定の閾値以上であれば、ジャイロ慣性センサ信号が異常であるものと見なして、ＧＰＳ測位演算部３２が求めた航法データをユーザのハードウエア／ソフトウエア４４に出力するように切り替える（Ｓ２２→Ｓ２４）。

なお、前記方位変化が一定値以上の場合に、ジャイロ慣性センサの信号に変化がなければ、ジャイロ慣性センサの出力が異常であると判定するようにプログラムを定めてもよい。

図５は、出力判定部４３が行う、別の外部支援データの異常判定の手順を示すフローチャートである。
出力判定部４３は、ＧＰＳ測位演算部３２が求めた速度の所定時間間隔における変化量を算出し、この速度変化量を基準値とし、この基準値と加速度センサの信号と比較する（Ｓ３１→Ｓ３２）。両者の差が所定の閾値未満であれば、統合測位演算部４２が求めた航法データをユーザのハードウエア／ソフトウエア４４に出力する（Ｓ３２→Ｓ３３）。両者の差が所定の閾値以上であれば、加速度センサ信号が異常であるものと見なして、ＧＰＳ測位演算部３２が求めた航法データをユーザのハードウエア／ソフトウエア４４に出力するように切り替える（Ｓ３２→Ｓ３４）。

なお、前記速度変化が予め設定された閾値以上の場合に、加速度センサの信号に変化がなければ加速度センサが異常であると判定するようにプログラムを定めてもよい。

同様にして、外部支援データとして速度センサを用いる場合に、速度センサの信号の異常は、ＧＰＳ測位演算部３２の速度を基準値とし、この基準値と速度センサ信号と比較することで判定する。また、前記速度が予め設定された閾値以上の場合に、速度センサ信号に変化がなければ速度センサが異常であると判定してもよい。

また、地図位置入力情報の異常は、ＧＰＳ測位演算部３２が求めた位置を基準値とし、この基準値と地図位置入力情報と比較することで判定する。

同様に、地図位置の誤差入力情報の異常は、ＧＰＳ測位演算部３２が求めた速度又は所定の時間間隔における位置変化を基準値とし、この基準値と地図位置の誤差入力情報と比較することで判定する。

上記地図位置入力情報は、具体的には例えばカーナビで生成される衛星航法／推測航法統合装置の地図位置データのことであり、この地図位置は例えば経度，緯度データで入力される。

また、上記地図位置の誤差入力情報は、具体的には例えばカーナビ又は他の位置計測装置と上記地図位置データとの差の情報であり、位置誤差情報として入力される。

なお、上記のいずれの異常判定においても、基準値と異常判定対象との差が所定の閾値を超えるかだけでなく、前記差が所定の閾値を超えた回数が所定数に達したことで入力データの異常性を判定してもよい。

《第２の実施形態》
図６は第２の実施形態に係る衛星航法／推測航法統合測位装置の構成を示すブロック図である。
第１の実施形態で図２に示した衛星航法／推測航法統合測位装置と異なるのは、統合測位演算部５３の構成とこの統合測位演算部５３とＧＰＳ測位演算部３２との関係である。

ＧＰＳ測位演算部３２内の衛星位置補正値演算部５１は、エフェメリス等の情報と測位演算部５２で求まる測位結果から衛星位置・速度，衛星時刻補正値、電離層補正値、対流圏補正値等の衛星位置・補正値に関わる値を演算する。これらの値自体は一般的なＧＰＳ受信機の構成と同様である。この衛星位置・補正値演算部５１で演算した値は測位演算部５２と統合測位演算部５３の両方で利用する。

このように衛星位置・補正量演算部５１を共通化することによって、衛星航法／推測航法統合測位装置全体での演算処理負荷が低減できる。そのため、低速なＣＰＵを用いても処理することができ、その分低価格化できる。

なお、以上に示した例では衛星航法測位のためにＧＰＳを用いる例を示したが、別の衛星航法測位システムを利用する場合にも同様に適用できる。

従来の衛星航法／推測航法統合測位装置の統合方式の典型的な構成例を示すブロック図である。 第１の実施形態に係る衛星航法／推測航法統合測位装置の構成を示すブロック図である。 同衛星航法／推測航法統合測位装置の出力判定部が行う、統合測位演算部の異常判定の手順を示すフローチャートである。 同衛星航法／推測航法統合測位装置の出力判定部が行う、外部支援データの異常判定の手順を示すフローチャートである。 同衛星航法／推測航法統合測位装置の出力判定部が行う、別の外部支援データの異常判定の手順を示すフローチャートである。 第２の実施形態に係る衛星航法／推測航法統合測位装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

３０…ＧＰＳ受信回路
３１…追尾処理部
３２…ＧＰＳ測位演算部
４２…統合測位演算部
４３…出力判定部
５１…衛星位置補正値演算部
５２…測位演算部
５３…統合測位演算部
１００，１０１…衛星航法／推測航法統合測位装置

Claims (7)

1. 航法衛星の測位信号を受信し、該測位信号を追尾するとともに擬似距離及びドップラー周波数情報を求める追尾処理手段と、
   前記擬似距離、ドップラー周波数情報を基に測位演算を行い、移動体の位置及び速度を求める衛星航法測位演算手段と、
   前記追尾処理手段により求めた前記擬似距離及びドップラー周波数情報と外部装置より得られる外部支援データを基に、移動体の位置及び速度を求める統合測位演算手段と、
   前記衛星航法測位演算手段による測位演算の結果と前記統合測位演算手段による測位演算の結果との比較によって前記外部支援データの異常を判定する異常判定手段と、
   を備えた衛星航法／推測航法統合測位装置。
2. 前記外部支援データは慣性センサによるデータを含み、前記異常判定手段は、前記衛星航法測位演算手段による測位演算の結果と前記慣性センサによるデータとの比較によって前記慣性センサの異常を判定する、請求項１に記載の衛星航法／推測航法統合測位装置。
3. 前記外部支援データは地図データ入力情報を含み、前記異常判定手段は、前記衛星航法測位演算手段による測位演算の結果と前記地図データとの比較によって前記地図データ入力情報の異常を判定する、請求項１に記載の衛星航法／推測航法統合測位装置。
4. 前記異常判定手段は、前記衛星航法測位演算手段により求められた結果と前記統合測位演算手段により求められた結果とを比較して、前記統合測位演算手段の演算結果の異常を判定する、請求項１に記載の衛星航法／推測航法統合測位装置。
5. 前記異常判定手段により異常と判定された場合に、前記衛星航法測位演算手段による演算結果をユーザへ出力する手段を備えた請求項１〜４のいずれかに記載の衛星航法／推測航法統合測位装置。
6. 前記統合測位演算手段は、前記外部支援データの異常等により測位演算を停止した状態から再び測位演算を開始する際、前記衛星航法測位演算手段により求められた前記位置及び速度を初期値として統合測位演算を開始する、請求項１〜５のいずれかに記載の衛星航法／推測航法統合測位装置。
7. 前記統合測位演算手段は、前記追尾処理手段により求められた、衛星間１重差による擬似距離及びドップラー周波数情報を基に測位演算を行う請求項１〜６のいずれかに記載の衛星航法／推測航法統合測位装置。

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