JP2009216529A

JP2009216529A - 位相ずれ算出装置及び測位装置

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Publication number: JP2009216529A
Application number: JP2008060421A
Authority: JP
Inventors: Teppei Sekizawa; 鉄兵関澤
Original assignee: Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2008-03-11
Filing date: 2008-03-11
Publication date: 2009-09-24

Abstract

【課題】測位側のアンテナが建物の傍など障害物の近傍に設置されていても、アンテナで受信した衛星信号のマルチパス誤差分を求め、衛星信号のマルチパス誤差分を除去して、正確な測位ができるようにする。
【解決手段】マルチパス算出部１０は、アンテナ４に対する障害物とアンテナ４との相対位置情報、衛星４１の位置情報、及び、障害物の反射率の各情報に基づいて、衛星４１の信号の搬送波位相に障害物によるマルチパス雑音により発生したずれを算出する。搬送波位相前処理部１１は、単独測位部９で単独測位した衛星４１の信号の搬送波位相から、マルチパス算出部１０で算出したマルチパス雑音によるずれ分を差し引くことにより当該搬送波位相のずれを除去する。
【選択図】図１

Description

本発明は、位相ずれ算出装置及び測位装置に関する。

米国が運用しているＧＰＳ衛星や、ロシア共和国が運用しているＧＬＯＮＡＳＳ衛星などの衛星信号を基準局と測位局とで同時に受信し、その受信信号の搬送波位相を比較することにより基準局に対する測位局の相対位置を求めて、測位局側の位置座標を測定するＲＴＫ（Real Time Kinematic）測位技術が知られている。

このようなＲＴＫ測位技術を用いて測量を行なうＧＰＳ測量では、基準局側と測位局側にそれぞれＧＰＳ受信機を用意する。この両方のＧＰＳ受信機は、複数の衛星それぞれから送信される信号の搬送波と、当該ＧＰＳ受信機が持っている基準信号とを比較することにより、ＧＰＳ受信機の基準信号に対する衛星信号の搬送波位相を同時観測するものである。この搬送波位相の測定値は時間に対して連続的に累積した値を出力し、１サイクルを超える分を含んでいる。

そして、両方のＧＰＳ受信機で求めた位相を相互に比較することにより、基準局側のアンテナに対する測位局側のアンテナの相対位置を数ｃｍの精度で求めることができる。米国のＧＰＳ衛星からはＬ１信号とＬ２信号の両方の信号が送信され、これらの信号の搬送波の波長λ１とλ２はそれぞれ約１９ｃｍと約２４ｃｍである。なお、観測した基準局に対する測位局の搬送波位相差は“整数値アンビギュイティ”と呼ばれる搬送波の波長λ１とλ２の整数倍だけの不確定な部分を含んでいる。

両方のＧＰＳ受信機が衛星信号の搬送波を連続して追尾している間は、この整数値アンビギュイティの値は変化しないので、連続した搬送波位相の観測結果から当該整数値アンビギュイティを導き出すようにしているが、これには複雑な処理が必要であり、様々な技術が開発されている。
特開２００３‐９８２４３号公報

ＲＴＫ測位技術において、通常、基準局側のアンテナは見通しの良い場所（オープンスカイ）に固定されており、測位に必要な衛星信号を適切に受信することができる。したがって測位側のアンテナが見通しの良い場所に固定されていれば、比較的容易に整数値アンビギュイティを求めることができることになる。

しかしながら、測位側のアンテナが建物の傍など障害物の近傍に設置されている場合、衛星信号が当該障害物に反射し、測位側のアンテナにマルチパス雑音として入射してしまい、当該マルチパス雑音による搬送波位相のずれにより整数値アンビギュイティの解決が困難になってしまい、正確な測位ができなくなってしまうという不具合がある。

本発明の目的は、測位側のアンテナが建物の傍など障害物の近傍に設置されていても、アンテナで受信した衛星信号のマルチパス誤差分を求め、衛星信号のマルチパス誤差分を除去して、正確な測位ができるようにすることである。

本発明は、第１のアンテナと、前記第１のアンテナを介して衛星の信号を受信する第１の受信手段と、前記第１の受信手段で受信した前記衛星の信号の搬送波位相を求める搬送波位相測定手段と、第２のアンテナと、前記第２のアンテナを介して基準局の信号を受信する第２の受信手段と、前記第１の受信手段で受信する前記衛星の信号にマルチパス雑音を発生させる障害物になると想定される面と前記第１のアンテナとの相対位置の入力を受け付ける入力手段と、各種材料ごとに当該材料で前記面が形成されているときの前記衛星の信号の反射率を記憶している反射率記憶手段と、前記反射率記憶手段に記憶されている反射率の中から所望のものの選択を受け付ける選択手段と、前記第２の受信手段で前記基準局から受信した当該基準局で測位した前記衛星の位置情報、前記入力手段で入力した相対位置、及び前記選択手段で選択した反射率に基づいて前記搬送波位相測定手段で求めた前記衛星の信号の搬送波位相に前記マルチパス雑音により発生したずれを算出する位相ずれ算出手段と、を備えている位相ずれ算出装置である。

別の本発明は、第１のアンテナと、前記第１のアンテナを介して衛星の信号を受信する第１の受信手段と、前記第１の受信手段で受信した前記衛星の信号の搬送波位相を求める搬送波位相測定手段と、第２のアンテナと、前記第２のアンテナを介して基準局の信号を受信する第２の受信手段と、前記第１の受信手段で受信する前記衛星の信号にマルチパス雑音を発生させる障害物になると想定される面と前記第１のアンテナとの相対位置の入力を受け付ける入力手段と、各種材料ごとに当該材料で前記面が形成されているときの前記衛星の信号の反射率を記憶している反射率記憶手段と、前記反射率記憶手段に記憶されている反射率の中から所望のものの選択を受け付ける選択手段と、前記第２の受信手段で前記基準局から受信した当該基準局で測位した前記衛星の位置情報、前記入力手段で入力した相対位置、及び前記選択手段で選択した反射率に基づいて前記搬送波位相測定手段で求めた前記衛星の信号の搬送波位相に前記マルチパス雑音により発生したずれを算出する位相ずれ算出手段と、前記第１の受信手段で受信した衛星の信号の搬送波位相から前記位相ずれ算出手段で算出したずれを除去する位置ずれ除去手段と、前記第２の受信手段で前記基準局から受信した当該基準局で測位した前記衛星の搬送波位相と前記位相ずれ除去手段によりずれを除去した搬送波位相とを比較することにより前記第１のアンテナの位置座標を測位する測位手段と、を備えている測位装置である。

本発明によれば、衛星信号を受信する第１のアンテナの近傍に障害物が存在していても、その障害物により発生する衛星信号の搬送波位相のマルチパス誤差によるずれを算出することができる。よって、受信した衛星信号から搬送波位相のマルチパス誤差によるずれ分を除去して、正確な測位を行うことができる。

以下、本発明の一実施の形態について図面を参照しつつ説明する。

図１は、本発明の一実施の形態である測位装置１の構成を説明するブロック図である。測位装置１は、衛星４１を単独測位し、その衛星４１の位置情報などの情報を送信する基準局３１からの信号を、アンテナ２を介して受信する受信部３と、衛星４１からの信号を、アンテナ４を介して受信する受信部５と、を備えている。アンテナ２とアンテナ４とは共通のアンテナであってもよい。ここで、基準局３１は、この例では、国土地理院がＧＰＳ連続監視システム（ＧＥＯＮＥＴ）のために全国に配置している電子基準点である。基準局３１からの信号には、基準局３１で単独測位した衛星４１の位置情報を含んでいる。

図２は、衛星４１からの受信信号に発生するマルチパス雑音について説明する説明図である。アンテナ４が建物などの障害物ｓの近傍に設置されているときは、アンテナ４には衛星４１からの直接波ｗ１のほかに、直接波ｗ１が障害物ｓの面ｓ１に反射した間接波（マルチパス）ｗ２も入射し、このマルチパスｗ２の入射がマルチパス雑音となる。

図１に戻り、入力装置６は、衛星４１からの受信信号にマルチパス雑音を発生させる障害物になると想定される障害物ｓの面ｓ１とアンテナ４との相対位置情報の入力を受け付ける。具体的には、この相対位置情報は、障害物ｓの面ｓ１とアンテナ４との直線距離を実地に測定して得られた当該距離情報である。この入力された相対位置情報は、記憶部７に記憶される。また、記憶部７には、基準局３１から受信した信号の情報や、衛星４１から受信した信号の情報も記憶される。基準局３１から受信した信号の情報としては、基準局３１で単独測位を行なった衛星４１の位置を示す位置情報や、基準局３１で単独測位を行なった衛星４１の搬送波位相の情報が含まれる。

障害物情報記憶部８は、障害物ｓの面ｓ１の材料として想定される様々な材料について、その材料で衛星４１から信号が反射するときの反射率の値をそれぞれ登録しているテーブルを備えている。すなわち、障害物ｓの面ｓ１の材料として想定される材料としては、コンクリート（鉄筋コンクリートの建物など）、木材（木造の建物など）、鉄、など様々な材料が想定され、これらの反射率の値は周知であるため、その材料ごとの反射率の値がテーブルに登録されている。入力装置６の操作により、このテーブルに登録されている各材料の反射率の値から所望のものを選ぶと、その選択された反射率の値は記憶部７に記憶される。なお、同一の材料でも、雨の日は水に濡れて反射率が変動しうるので、同一材料について雨天用と青天用の反射率のデータを用意し、天候に応じて選択するようにしてもよい。

単独測位部９は、受信部５で受信した衛星４１の信号の搬送波位相を求める単独測位を行なう。

マルチパス算出部１０は、前述のとおり記憶部７に記憶されている、障害物ｓの面ｓ１とアンテナ４との相対位置情報、衛星４１の位置情報、及び、障害物ｓの面ｓ１の反射率の各情報に基づいて、衛星４１の信号の搬送波位相に前述のマルチパス雑音により発生したずれを算出する。

そして、搬送波位相前処理部１１は、単独測位部９で単独測位した衛星４１の信号の搬送波位相から、マルチパス算出部１０で算出したマルチパス雑音によるずれ分を差し引くことにより当該搬送波位相のずれを除去する。

相対測位部１２は、基準局３１で単独測位した衛星４１の信号の搬送波位相と、搬送波位相前処理部１１によりマルチパス雑音の影響を除去した後の単独測位部９で単独測位した衛星４１の信号の搬送波位相とを比較することにより、アンテナ４の位置座標を測位する。

次に、測位装置１の各部が行なうより具体的な処理について説明する。

最初にマルチパス算出部１０が行なう処理について説明する。

まず、前述の図２、図３において、マルチパスｗ２の面ｓ１での反射角θが求められているとする。ここで、入射角θは、基準局３１で単独測位を行った衛星４１の位置情報から求めることができる。衛星４１の信号が平面波であるとしてマルチパスｗ２による直接波ｗ１の位相のずれを算出する。そのために直接波ｗ１とマルチパスｗ２を共に受信した際の搬送波位相を求める。ここで面ｓ１における衛星４１の信号の屈折率をｎとする。

面ｓ１からアンテナ４までに光が進む位相δ_２は、ｄ_１を面ｓ１からアンテナ４までの距離、λを衛星４１の信号の波長とすると、

……（１）
である。

そして、アンテナ４からマルチパスｗ２の電波を示す線に引いた垂線と、マルチパスｗ２の電波を示す線との交点ｋから面ｓ１までの間に光が進む位相δ_１は、角度θが４５度以下であるなら、

……（２）
である。

また、角度θが４５度より大きくなれば、

……（３）
である。

次に、マルチパスｗ２による衛星４１の信号の搬送波位相のずれを求める。すなわち、

……（４）

……（５）

……（６）
となる。ここで、ｒは面ｓ１での衛星４１の信号の反射率、ｒに付された下付きの添え字の“１”は空気、“２”は面ｓ１の材料（コンクリートなど）をそれぞれ示し、ｒに付された上付き添え字のｓは直交偏波、ｐは平行偏波をそれぞれ示し、“θ´”は衛星４１の信号の入射角を示している。よって、“ｒ_１２ ^ｓ”であれば、空気から面ｓ１の材料に電波が入射するときの面ｓ１における電波の反射率の直交偏波であることを示している。

そして、面ｓ１で反射してアンテナ４に入射する衛星４１の信号であるマルチパスｗ２のマルチパス電波をＥ_０とし、このときに面ｓ１に入射する入射波をＥ_ｉとすれば、

……（７）
となる。

したがって、直接波ｗ１の電波もＥ_ｉであるから、アンテナ４に入射するマルチパス電波Ｅ_０をＥ_０´とすると、アンテナ４が受信する全電波Ｅ_TOTALは、

……（８）
となる。ここで、“ｅ”はエクスポネンシャル、“ｊ”は虚数を示している。

よって、ある衛星ｎ（反射率ｎとは別の“ｎ”である）における全電波Ｅ_TOTALの位相と直接波ｗ１との位相のずれΔθ_ｎは、

……（９）
となる。ここで、angle（Ａ）は、Ａの位相を求める関数であり、Ｅ_全体は全電波Ｅ_TOTALである。

したがって、マルチパス算出部１０では、基準局３１から受信した当該基準局３１で測位した衛星４１の位置情報、障害物情報記憶部８に記憶されているものから選択した前述の反射率ｎの値、及び、直接測定するなどして入力装置６で入力した面ｓ１からアンテナ４までの距離ｄ_１の値に基づいて、（９）式により、ある衛星ｎにおける位相のずれΔθ_ｎを求める。

次に、搬送配送前処理部１１が行う処理について説明する。

まず、ある衛星ｎからその信号を受信するある基準局ｉへの信号の搬送波位相φ_ｉ ^ｎとする。また実験で得られる面ｓ１の影響のある信号の搬送波位相をφ^ｗとする。測位装置１への信号は面ｓ１からのマルチパス雑音の影響を受けるため、

……（１０）
となる。

一方、面ｓ１からのマルチパスの影響がない場合の搬送波二重位相差をφとすれば、

……（１１）
となる。

したがって、マルチパス雑音の影響がある場合とない場合での位相のずれは、

……（１２）
となる。

したがって、搬送波移送前処理部１１では、（１２）式に基づいて、単独測位部９で単独測位した衛星４１の信号の搬送波位相から、マルチパス算出部１０で算出したマルチパス雑音によるずれ分を差し引くことにより当該搬送波位相のずれを除去する。

次に、相対測位部１２が実行する処理について説明する。

ここでは、説明の簡単化のために、基準局３１のアンテナから測位装置１のアンテナ２までの距離が十分短いとすれば、アンテナ４の座標の測定手順は次の（１）（２）のようになる。

（１）まず、測位装置１で得られた搬送波位相から、一重位相差（基準局３１のアンテナ及び測位装置のアンテナ４における、同一衛星４１からの信号の搬送波位相の差分）又は二重位相差（複数の衛星４１のうち基準衛星となる衛星４１に対する一重位相差と他の衛星４１の一重位相差との差分）を求める。

（２）次に、この一重位相差又は二重位相差と衛星４１への視線方向ベクトルの関係から、最小二乗法により基線ベクトルを算出する。

次に、このような算出手順の詳細について説明する。まず、基線と一重位相差又は二重位相差との関係について説明する。

一重位相差とは、基準局３１のアンテナ及び測位装置１のアンテナ４における、同一衛星４１からの信号の搬送波位相の差分である。この差分と基準局３１のアンテナ及び測位装置のアンテナ４により構成される基線ベクトルの間には行路差から、

……（１３）
が成り立つ。

ここで、ｙは位相差、ｈ（太字）は衛星への単位方向ベクトル、ｂ（太字）は基線ベクトル、ａは整数値アンビギュイティ、Δｔは測位装置１の位相差の取得タイミングのズレを表す時計誤差、ｅは観測誤差であり、ｙ，ｂ（太字），ａ，Δｔ，ｅの単位は波数とする。また、添え字ｓは一重位相差についての値であることを意味し、

……（１４）
となる。ここで、φ_ｒｅｆは基準局３１で観測された搬送波位相、φ_ＵＳＥＲは測位装置１で観測された搬送波位相差である。また、

……（１５）
である。ここで、Ｎ_ｒｅｆは基準局３１で観測された衛星４１の信号の搬送波位相測定値における整数値アンビギュイティ、Ｎ_ｕｓｅｒは測位装置１で観測された衛星４１の信号の搬送波位相測定値における整数値アンビギュイティである。

二重位相差とは、ある基線における基準衛星となる衛星４１の一重位相差と基準衛星以外の衛星４１の一重位相差との差分である。基準衛星ｉと衛星ｋの二重位相差と基線の関係は、

……（１６）
と表される。

ここで、

……（１７）
を意味する。添え字ｄは二重位相差に関する値であることを表している。二重位相差を用いる利点は、時計誤差を打ち消すことができる点にある。

次に、基線の算出について説明する。複数の衛星４１の信号を受信すれば、基線ベクトルｂ（太字）に関する連立方程式を立てることができ、この連立方程式を最小二乗法により解けば、基線ベクトルｂ（太字）を算出することができる。

一重位相差の場合、連立方程式は、

……（１８）
と表される。

ここで、

……（１９）
である。

そして、整数値アンビギュイティが既知であるとすれば、基線と時計誤差は、最小二乗法を用いて、

……（２０）
と推定できる。ここで、Ｑは重み行列であり、通常、

……（２１）
と設定するのが一般的である。ここでσ^２は規格化係数である。

二重位相差の場合も同様に解け、連立方程式は、

……（２２）
と表され、整数値アンビギュイティが既知であるとすれば、基線の推定値ｂ（太字のｂにハット）は、

……（２３）
と求めることができる。

そして、整数値アンビギュイティは、LAMBDA法などの周知の手法を用いることで解くことができる。

以上のようにして、相対測位部１２では、基線ベクトルを求め、測位装置１のアンテナ４の現在位置の測位を行なうことができる。

最後に、このような測位を行なう場合に、測位装置１で（１２）式により求めた衛星４１の信号の搬送波位相のずれの検出結果のデータを用い、面ｓ１からのマルチパス誤差の影響を低減するための手法について説明する。（１３）式で一重位相差をとる際に測位装置１で観測した衛星４１の信号の搬送波位相には面ｓ１からのマルチパス誤差が含まれている。したがって、（１２）式の面ｓ１からのマルチパス誤差の推定値を測位装置１で受信した衛星４１の信号の搬送波位相から引いてから、（１３）式の一重位相差、（１５）式の二重位相差をとることで、短時間で整数値アンビギュイティを決定することができる。

本発明の一実施の形態である測位装置の構成を説明するブロック図である。測位装置が行う処理について説明する説明図である。測位装置が行う処理について説明する説明図である。

符号の説明

１測位装置
２アンテナ
３受信部
４アンテナ
５受信部
６入力装置
７記憶部
８障害物情報記憶部
９単独測位部
１０マルチパス算出部
１１搬送波位相前処理部
１２相対測位部
１３入力装置
３１基準局
４１衛星

Claims

第１のアンテナと、
前記第１のアンテナを介して衛星の信号を受信する第１の受信手段と、
前記第１の受信手段で受信した前記衛星の信号の搬送波位相を求める搬送波位相測定手段と、
第２のアンテナと、
前記第２のアンテナを介して基準局の信号を受信する第２の受信手段と、
前記第１の受信手段で受信する前記衛星の信号にマルチパス雑音を発生させる障害物になると想定される面と前記第１のアンテナとの相対位置の入力を受け付ける入力手段と、
各種材料ごとに当該材料で前記面が形成されているときの前記衛星の信号の反射率を記憶している反射率記憶手段と、
前記反射率記憶手段に記憶されている反射率の中から所望のものの選択を受け付ける選択手段と、
前記第２の受信手段で前記基準局から受信した当該基準局で測位した前記衛星の位置情報、前記入力手段で入力した相対位置、及び前記選択手段で選択した反射率に基づいて前記搬送波位相測定手段で求めた前記衛星の信号の搬送波位相に前記マルチパス雑音により発生したずれを算出する位相ずれ算出手段と、
を備えている位相ずれ算出装置。
第１のアンテナと、
前記第１のアンテナを介して衛星の信号を受信する第１の受信手段と、
前記第１の受信手段で受信した前記衛星の信号の搬送波位相を求める搬送波位相測定手段と、
第２のアンテナと、
前記第２のアンテナを介して基準局の信号を受信する第２の受信手段と、
前記第１の受信手段で受信する前記衛星の信号にマルチパス雑音を発生させる障害物になると想定される面と前記第１のアンテナとの相対位置の入力を受け付ける入力手段と、
各種材料ごとに当該材料で前記面が形成されているときの前記衛星の信号の反射率を記憶している反射率記憶手段と、
前記反射率記憶手段に記憶されている反射率の中から所望のものの選択を受け付ける選択手段と、
前記第２の受信手段で前記基準局から受信した当該基準局で測位した前記衛星の位置情報、前記入力手段で入力した相対位置、及び前記選択手段で選択した反射率に基づいて前記搬送波位相測定手段で求めた前記衛星の信号の搬送波位相に前記マルチパス雑音により発生したずれを算出する位相ずれ算出手段と、
前記第１の受信手段で受信した衛星の信号の搬送波位相から前記位相ずれ算出手段で算出したずれを除去する位置ずれ除去手段と、
前記第２の受信手段で前記基準局から受信した当該基準局で測位した前記衛星の搬送波位相と前記位相ずれ除去手段によりずれを除去した搬送波位相とを比較することにより前記第１のアンテナの位置座標を測位する測位手段と、
を備えている測位装置。