JP2009210460A - 雑音成分除去装置及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】簡便な構成で、ＧＰＳ受信機の搬送波位相測定値に含まれる雑音成分を推定することのできる技術を提供する。
【解決手段】ＧＰＳ受信機１において測定した搬送波位相測定値に対して雑音成分を除去するための雑音成分除去プログラムにおいて、ＧＰＳ受信機１で測定した搬送波位相測定値に基づき、２周波数の受信信号に対する幾何距離項を含む第１の線形結合及び電離層遅延項を含む第２の線形結合量を算出する。算出した第１及び第２の線形結合量から、第１及び第２の時間変動成分をそれぞれ抽出する。第１及び第２の時間変動成分を抽出した値に基づき、共分散行列を算出する。算出した共分散行列の成分に基づいた比例係数値σ_αβ／σ_ααと第２の時間変動成分抽出値とを用いて、第１の線形結合に含まれる測定雑音由来項を推定した値を算出する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＧＰＳ（グローバル・ポジショニング・システム、Global Positioning System）受信機もしくは全地球航法衛星システム（GNSS）受信機において、搬送波位相測定値から雑音成分を除去する技術に関する。

ＧＰＳ受信機や全地球航法衛星システム（GNSS）受信機（以下、総称してＧＰＳ受信機とする）は、衛星から受信した周波数信号から搬送波位相測定値を算出し、算出した値を用いて自装置の位置座標を計算している。ＧＰＳ受信機において算出される搬送波位相測定値は、高精度ではあるが、受信機の周辺環境において発生する反射波が間接波として混入し、ＧＰＳ受信機で測定されてしまう。このような原因により、搬送波位相測定値に誤差が生じ、測定値から計算される位置推定の精度が損なわれることとなる。

上記の問題に対して、公知の技術として、特別に設計した受信アンテナをＧＰＳ受信機に設けることにより、ＧＰＳ受信機において算出する搬送波位相測定値に対して間接波の強度をある程度抑制することのできる技術が提供されている（例えば、非特許文献１）。

また、上記の問題に対する他の公知の技術として、ＧＰＳ受信機の信号処理方式を特別に設計することにより、ＧＰＳ受信機において算出する搬送波位相測定値に対して間接波の強度をある程度抑制することのできる技術が提供されている。

ここで、ＧＰＳ受信機の搬送波位相測定値の計算方法に関しては、２周波数の受信信号の搬送波位相測定値に対して線形結合量を算出し、幾何距離項及び電離層遅延項を推定する方法が広く知られている。
Ｂ．ホフマン−ウェレンホフ，Ｈ．リヒテネガー，Ｊ．コリンズ、「ＧＰＳ理論と応用」、シュプリンガー・フェアラーク東京株式会社、２００５年３月３１日、ｐ．１０８−１０９、ｐ．１２０−１２３、ｐ．２４０−２４１

上記のとおり、従来においては、搬送波位相測定値から反射波による雑音成分を除去するためには、特別に受信アンテナや信号処理回路を設ける必要があった。そして、製造コスト削減のためには、特別な構成を備える必要がなく、プログラム等により雑音成分を推定できることが好ましい。

本発明は、簡便な構成で、ＧＰＳ受信機の搬送波位相測定値に含まれる雑音成分を推定することのできる技術を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、開示の雑音低減プログラムは、グローバル・ポジショニング・システム受信機もしくは全地球航法衛星システム（GNSS）受信機において測定した搬送波位相測定値に対して雑音成分を除去するための雑音成分除去プログラムであって、前記グローバル・ポジショニング・システム受信機もしくは全地球航法衛星システム受信機で測定した搬送波位相測定値に基づき、２周波数の受信信号に対する幾何距離項を含む第１の線形結合及び電離層遅延項を含む第２の線形結合を算出し、前記算出した第１及び第２の線形結合から、第１及び第２の時間変動成分をそれぞれ抽出し、前記第１及び第２の
時間変動成分を抽出した値に基づき、共分散行列を算出し、前記算出した共分散行列の成分に基づいた比例係数値と前記第２の時間変動成分とを用いて、前記第１の線形結合に含まれる測定雑音由来項を推定した値を算出する処理をコンピュータに実行させること構成とする。

搬送波位相測定値から作成される線形結合の時間変動成分に対する分散を算出し、算出した分散から、位置測定計算において測定値に含まれる雑音成分を推定することができる。

更に、前記第１の線形結合から、上記測定雑音由来項を推定した値を減算する処理を更にコンピュータに実行させる構成としてもよい。測定値に含まれる雑音成分を除去することにより、位置測定の精度が向上する。

開示の雑音低減装置によれば、簡便な構成で、グローバル・ポジショニング・システム受信機の搬送波位相測定値に対する雑音成分を推定することが可能となる。

以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本実施形態に係るＧＰＳ受信機を含むグローバル・ポジショニング・システムの構成図である。図１に示すように、グローバル・ポジショニング・システムは、ＧＰＳ衛星１０と、ＧＰＳ受信機１とを含む。

ＧＰＳ衛星１０は、時間情報及びＧＰＳ衛星１０自身の軌道情報を含むデータを信号に乗せて地上に向けて発信している。ＧＰＳ受信機１は、ＧＰＳ衛星１０から受信した２周波数信号から自装置の位置座標を算出する。

本実施形態に係るＧＰＳ受信機１は、搬送波位相測定部２、雑音低減部３及び座標計算部４を含んで構成される。
ＧＰＳ受信機１の搬送波位相測定部２は、ＧＰＳ衛星１０から受信した２周波数信号から搬送波位相測定値を算出する。雑音低減部３は、搬送波位相測定値に含まれる雑音成分を算出し、求めた雑音成分を除去する。座標計算部４は、雑音低減部３において雑音成分を除去した搬送波位相測定値を用いて、ＧＰＳ受信機１の位置座標を計算し、出力する。

なお、ＧＰＳ受信機１は複数の衛星１０から２周波数信号を受信しているが、図１においては省略して記載している。また、図１においては、搬送波位相測定値からＧＰＳ受信機１の位置座標を算出する処理に関わる構成のみを示す。

図１に示すＧＰＳ受信機１では、雑音低減部３において、搬送波位相測定値の雑音成分を推定し、雑音成分の除去を行う。以下、本実施形態に係るＧＰＳ受信機１による雑音成分を推定する方法について、具体的に説明する。

図２は、本実施形態に係るＧＰＳ受信機１における雑音低減部３の構成図である。図２に示す雑音低減部３は、線形結合量算出部１１、第１の時間変動成分抽出部１２、第２の時間変動成分抽出部１３、共分散行列算出部１４、相関係数・比例係数推定部１５、更新判定部１６、推定比例係数記憶部１７、推定雑音算出部１８及び雑音除去部１９を含む。

線形結合量算出部１１は、搬送波位相測定部２から入力される２周波数ＧＰＳ受信機１の搬送波位相測定値から、線形結合量を算出する。
第１の時間変動成分抽出部１２及び第２の時間変動成分抽出部１３は、線形結合量算出
部１１において算出された線形結合量から、時間変動成分（速く変動する成分）を抽出し、分離する。具体的には、ハイパスフィルタから構成される。このうち、第１の時間変動成分抽出部１２は、幾何距離項ρを含む線形結合から時間変動成分（第１の時間変動成分）を分離し、第２の時間変動成分抽出部１３は、電離層遅延項Iを含む線形結合から時間変動成分（第２の時間変動成分）を分離する。

なお、幾何距離項ρとは、ＧＰＳ衛星１０とＧＰＳ受信機１との幾何距離を表す項であり、電離層遅延項Ｉとは、ＧＰＳ衛星１０とＧＰＳ受信機１の間に存在する電離層の電子密度により生じる遅延を表す項である。

共分散行列算出部１４は、第１及び第２の時間変動成分抽出部１２、１３において抽出・分離して得られた第１及び第２の時間変動成分から、共分散行列を算出する。
相関係数・比例係数推定部１５は、共分散行列算出部１４において算出した共分散行列から相関係数と比例係数を求める。ここで、比例係数とは、後述する式（１２）に表されるσ_αβ／σ_ααをいう。更新判定部１６は、相関係数・比例係数推定部１５において求めた時刻ｔの搬送波位相測定値から計算した相関係数について、所定の条件を満たすか否かを判定する。推定比例係数記憶部１７は、更新判定部１６により、相関係数について、上記所定の条件を満たし、雑音成分の推定に利用可能であると判定された場合に、時刻ｔの搬送波位相測定値から計算した共分散行列から求めた比例係数σ_αβ／σ_ααを記憶させる。それ以前の記憶値は更新される（上書きされる）ことになる。

推定雑音算出部１８は、推定比例係数記憶部１７にその時点において記憶されている比例係数を乗算し、幾何距離項ρを含む線形結合のうち、測定雑音由来項を推定する。
雑音除去部１９は、推定雑音算出部１８において算出した雑音成分を用いて、搬送波位相測定値から雑音成分を除去し、出力する。

図２に示す雑音低減部３における測定雑音の推定方法について、具体的に説明する。
まず、線形結合量算出部１１に入力される搬送波位相測定値φ及びその測定雑音δφは、以下の式（１）、（２）で表される。

上記の式（１）及び式（２）のうち、ｋはＧＰＳ衛星１０、Ｌ１及びＬ２は２周波数信号、λはＧＰＳ信号波長、Ｉは電離圏遅延項、ρはＧＰＳ受信機１とＧＰＳ衛星１０との幾何距離、Ｎはバイアス項、κ（＝５９２９／３６００＝１．６４６９）は定数をそれぞれ表す。このうち、バイアス項Ｎについては、時間的に一定値である。

線形結合量算出部１１は、上記の式（１）及び式（２）から、以下の式（３）〜式（６）で表される線形結合量を得る。

このうち、式（４）及び式（６）にそれぞれ含まれる測定雑音

及び

の線形結合量については、以下の式（７）及び式（８）で表される。

式（３）及び式（４）においては、幾何距離項ρを含まず、電離層遅延項Ｉを含んでいる。一般的には電離層遅延項Ｉの時間変動は小さいため、時系列データに対するフィルタ処理の方法を用いて時間変動雑音

を分離することにより、測定雑音由来項、すなわち式（７）をほぼ正確に分離抽出することができる。

一方、式（５）及び式（６）においては、電離層遅延項Ｉを含まず、幾何距離項ρを含んでいる。幾何距離項ρには、ＧＰＳ受信機１の座標が反映されているため、上記フィルタ処理を行うことにより分離される成分は、測定雑音だけでなく、ＧＰＳ受信機１の座標の変動が存在すれば、それによる影響が含まれる。このため、式（８）に示す測定雑音を正確に分離したことにはならない。

そこで、まず、搬送波位相測定値から求めた線形結合量に対して時間変動成分を分離抽
出する。具体的には、式（５）に対し、図２の第１の時間変動成分抽出部１２において更にフィルタ処理を行い、時間変動雑音

を分離する。また、式（３）に対し、図２の第２の時間変動成分抽出部１３においてフィルタ処理を行い、時間変動雑音

を分離する。
そして、共分散行列算出部１４において、これらの共分散行列を計算する。共分散行列は、以下の式（９）、式（１０）で表される。

式（９）、（１０）で表される共分散行列の相関係数は、以下の式（１１）により表される。

相関係数・比例係数推定部１５は、２変量相関に関する一般論に基づき、得られた共分散行列の成分を用いて比例係数σ_αβ／σ_ααを計算し、推定雑音算出部１８は、第２の時間変動成分（電離層遅延項Ｉを含む線形結合から抽出した時間変動成分）と比例係数σ_αβ／σ_ααとから、式（１２）の計算を行い、第１の線形結合のうちの測定雑音由来項の推定値を得る。

そして、式（１２）により表される第１の線形結合のうちの測定雑音の推定値を、式（１３）に示すように幾何距離項ρを含む線形結合（すなわち式（６））から減算する。

これにより、幾何距離項ρを含む線形結合から測定雑音が除去される。
図３は、本実施形態に係る雑音低減方法を用いて搬送波位相測定値から雑音成分を除去した場合の幾何距離項ρを含む線形結合の時系列値を示す例のグラフである。ただしグラフ内に収まるように幾何距離の既知オフセット成分は除去してグラフ化している。

図３に示すように、電離層遅延項Ｉを含む線形結合から雑音成分を推定し、幾何距離項ρを含む線形結合から推定した雑音成分を除去することにより、より小さい雑音を含む幾何距離測定値を得たことに相当するので座標計算の精度を向上させることができる。

なお、式（１１）に示す相関係数については、ＧＰＳ受信機１の位置測定中においても常時その値を監視し、相関性が変化する可能性に対応することもできる。
具体的には、更新判定部１６において、相関係数・係数推定部１５において求めた相関係数が所定の条件を満たすか否かを判定する。所定の条件として、実施例では、相関係数が０．５以上の値をとる場合に、雑音成分が有意の相関を持つと判断し、比例係数σ_αβ／σ_ααを用いて雑音成分の推定に利用する。相関係数が０．５未満である場合は、過去に「０．５以上」の条件を満たした際の比例係数σ_αβ／σ_ααが推定係数記憶部１７に記憶されているので、それから読み出し、読み出した値を用いて雑音成分の推定を行う。

更には、移動体等に搭載したＧＰＳ受信機１では、例えば、受信機座標の変動の影響により、測定値雑音の相関効果を推定しにくい場合がある。このような場合であっても、過去に推定できていた条件下の比例係数σ_αβ／σ_ααを記憶しておき、測定値雑音の大きさの推定に利用することができる。

受信機座標の変動の影響の有無については、静止センサによりＧＰＳ受信機１の移動の有無を判定する。ＧＰＳ受信機１が移動中であると判定された場合には、例えば、ＧＰＳ受信機１において計算した座標から速度変動を算出する。ＧＰＳ受信機１が自動車等に搭載されている場合には、タイヤの回転数により加速度を計算し、加速度から自動車等の移動体の速度を求める。

そして、上記の方法により速度変動量を計算し、ハイパスフィルタにより時間変動成分を抽出して幾何距離と比較することにより、受信機座標の変動の影響の有無を判定することができる。時定数としては、例えば１８０秒とする。受信機座標の変動の影響が大きいと判定された場合には、推定比例係数記憶部１７に記憶されている比例係数σ_αβ／σ_ααを用いて、測定雑音の推定を行う。

以上説明したように、本実施形態に係る雑音低減方法によれば、搬送波位相測定値について線形結合量で表し、線形結合で表される式のうち、測定雑音に由来する項を推定し、幾何距離項ρを含む線形結合から除去することにより、座標計算における推定雑音の影響を低減させている。測定雑音を除去するために特別に受信アンテナや信号処理回路を設ける必要がない。すなわち、簡便な構成で、例えば上記の方法をコンピュータに実行させるためのプログラムをＧＰＳ受信機１に搭載することにより、ＧＰＳ受信機１の座標計算における測定雑音による影響を低減させることが可能となる。

実施形態に係るＧＰＳ受信機を含むグローバル・ポジショニング・システムの構成図である。 実施形態に係る雑音低減部の構成図である。 実施形態に係る雑音低減方法を用いて搬送波位相測定値から雑音成分を除去した場合の幾何距離項を含む線形結合の時系列値の例を示すグラフである。

符号の説明

１ ＧＰＳ受信機
２ 搬送波位相測定部
３ 雑音低減部
４ 座標計算部
１０ ＧＰＳ衛星
１１ 線形結合量算出部
１２ 第１の時間変動成分抽出部
１３ 第２の時間変動成分抽出部
１４ 共分散行列算出部
１５ 比例係数・相関係数推定部
１６ 更新判定部
１７ 推定比例係数記憶部
１８ 推定雑音算出部
１９ 雑音除去部

Claims (5)

1. グローバル・ポジショニング・システム受信機もしくは全地球航法衛星システム（GNSS）受信機において測定した搬送波位相測定値に対して雑音成分を除去するための雑音成分除去プログラムであって、
   前記グローバル・ポジショニング・システム受信機もしくは全地球航法衛星システム受信機で測定した搬送波位相測定値に基づき、２周波数の受信信号に対する幾何距離項を含む第１の線形結合及び電離層遅延項を含む第２の線形結合を算出し、
   前記算出した第１及び第２の線形結合から、第１及び第２の時間変動成分をそれぞれ抽出し、
   前記第１及び第２の時間変動成分を抽出した値に基づき、共分散行列を算出し、
   前記算出した共分散行列の成分に基づいた比例係数値と前記第２の時間変動成分とを用いて、前記第１の線形結合に含まれる測定雑音由来項を推定した値を算出する、
   処理をコンピュータに実行させることを特徴とする雑音成分除去プログラム。
2. 前記第１の線形結合から、上記測定雑音由来項を推定した値を減算する
   処理を更にコンピュータに実行させることを特徴とする請求項１記載の雑音成分除去プログラム。
3. 前記共分散行列についての相関係数の値が所定の条件を満たすか否かを判定する
   処理を更にコンピュータに実行させ、
   前記測定雑音由来項を推定した値を算出する処理において、前記相関係数の値が前記条件を満たさないと判定された場合に、その時点の比例係数値を用いず、それ以前に記憶手段に記憶しておいた前記比例係数値を用いて、前記測定雑音由来項を推定した値を算出する
   ことを特徴とする請求項２記載の雑音成分除去プログラム。
4. 前記相関係数の値が所定の条件を満たすか否かを判定する処理において、
   前記相関係数の値が所定のしきい値以上の相関値をとるか否かを判定し、
   前記相関係数の値が前記所定のしきい値以上の相関値をとる場合には、時刻ｔの比例係数を前記記憶手段に記憶し、
   前記測定雑音由来項を推定した値を算出する処理において、時刻ｔ＋ｎにおける前記相関係数の値が前記所定のしきい値未満の相関値をとると判定された場合には、前記記憶手段に記憶されている時刻ｔの比例係数を用いて、前記測定雑音由来項を推定した値を算出する
   ことを特徴とする請求項３記載の雑音成分除去プログラム。
5. グローバル・ポジショニング・システム受信機もしくは全地球航法衛星システム（GNSS）受信機で測定した搬送波位相測定値に基づき、２周波数の受信信号に対する幾何距離項を含む第１の線形結合及び電離層遅延項を含む第２の線形結合を算出する線形結合量算出手段と、
   前記線形結合量算出手段において算出した第１及び第２の線形結合から、第１及び第２の時間変動成分をそれぞれ抽出する時間変動成分抽出手段と、
   前記時間変動成分抽出手段により第１及び第２の時間変動成分を抽出した値に基づき、共分散行列を算出する共分散行列算出手段と、
   前記共分散行列算出手段において算出した共分散行列の成分に基づいた比例係数値と前記第２の時間変動成分とを用いて、前記第１の線形結合に含まれる測定雑音由来項を推定した値を算出する推定手段と、
   を備えたことを特徴とする雑音成分除去装置。

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