JP2009270928A - 移動体用測位システム - Google Patents

Abstract

【課題】基準局側で導出される速度補正データを用いて精度良く移動体の位置等を測位することができる移動体用測位システムの提供。
【解決手段】本発明による移動体用測位システムは、基準局２０に設けられ、該基準局で観測して得られる衛星電波のドップラレンジに基づいて該基準局の速度を測位し、該測位結果に基づいて速度補正データを生成する補正データ生成手段５０，５２と、前記基準局に設けられ、該基準局で観測して得られる衛星電波の観測データと、前記速度補正データとを移動体に送信するデータ送信手段５４と、前記移動体３０に設けられ、前記基準局から送信される前記観測及び速度補正データを受信するデータ受信手段４０と、前記移動体に設けられ、該移動体で観測して得られる衛星電波の観測データと、前記データ受信手段で受信した前記観測及び速度補正データとに基づいて、該移動体の位置を測位する測位手段４２，４４，４６，４８とを備えることを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、基準局側の観測データを用いて移動体の位置等を測位する移動体用測位システムに関する。

従来から、近接車両でのＧＰＳ電波伝搬時間のデータと自車でのＧＰＳ電波伝搬時間のデータとの差分を求めると共に、これにより求められた３個以上のＧＰＳ電波伝搬時間差分値と未知数となる相対位置との関係式を連立させて解くことによって自車を基準とした近接車両の相対位置を求める、ＧＰＳ電波伝搬時間差分による相対位置算出手段と、を備えたことを特徴とする車車間通信による相対位置算出装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、ＤＧＰＳ（Differential Global. Positioning System）は一般的に知られており（例えば、特許文献２参照）、ＤＧＰＳでは、基地局側から供給される補正データは、擬似距離に関する補正データであり、移動局側で観測される擬似距離を補正する際に利用されている。
特開平１０−１４８６６５号公報 特開２００５−３０８４６２号公報

上記の特許文献１に記載の技術では、測位にＧＰＳ電波伝搬時間の差分と、自車と衛星とを結んだ線分の相対座標系の各軸とのなす角度の方向余弦とを用いて表現する幾何的な関係式を設定し、当該関係式を連立させることで相対位置を求めている。しかしながら、かかる構成では、誤差の大きいＧＰＳ電波伝搬時間のみを観測データとして利用する点や、自車と衛星とを結んだ線分の相対座標系の各軸とのなす角度の方向余弦を正確に求めることができない点等に起因して、測位精度の観点で問題がある。

そこで、本発明は、基準局側で導出される速度補正データを用いて精度良く移動体の位置等を測位することができる移動体用測位システム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用測位システムは、固定位置に配置される基準局に設けられ、該基準局で観測して得られる衛星電波のドップラレンジに基づいて該基準局の速度を測位し、該測位結果に基づいて速度補正データを生成する補正データ生成手段と、
前記基準局に設けられ、該基準局で観測して得られる衛星電波の観測データと、前記速度補正データとを移動体に送信するデータ送信手段と、
前記移動体に設けられ、前記基準局から送信される前記観測データと前記速度補正データを受信するデータ受信手段と、
前記移動体に設けられ、該移動体で観測して得られる衛星電波の観測データと、前記データ受信手段で受信した前記観測データと、前記データ受信手段で受信した前記速度補正データとに基づいて、該移動体の位置を測位する測位手段とを備え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用測位システムにおいて、
前記速度補正データ生成手段は、前記基準局の速度の測位結果を所定時間積算し、該積算した値に基づいて、前記速度補正データを生成することを特徴とする。

第３の発明は、第１の発明に係る移動体用測位システムにおいて、
前記速度補正データ生成手段は、前記基準局の速度の測位結果を所定時間積算し、該積算した値に基づいて、前記基準局の速度の測位結果のドリフト率を算出し、該算出したドリフト率に基づいて前記速度補正データを生成することを特徴とする。

第４の発明は、第１の発明に係る移動体用測位システムにおいて、
前記衛星電波の観測データは、衛星からの電波の搬送波の位相の積算値（以下、「搬送波位相積算値」という）を含み、
前記測位手段は、前記基準局側で取得された衛星電波の観測データと、前記移動体側で取得された衛星電波の観測データの一重位相差若しくは二重位相差を観測量とし、前記移動体の位置、及び、前記搬送波位相積算値に含まれる整数値バイアスの一重位相差若しくは二重位相差を状態変数とした関係式を用いて、干渉測位により前記移動体の位置を測位し、該測位過程で前記速度補正データを用いることを特徴とする。

第５の発明は、第４の発明に係る移動体用測位システムにおいて、
前記測位手段は、前記関係式に対する拘束条件であって、２時点における前記移動体の位置の各測位結果間の関係に対する拘束条件として、前記速度補正データを用いることを特徴とする。

第６の発明は、第４の発明に係る移動体用測位システムにおいて、
前記測位手段は、前記関係式に加えて、
前記移動体で観測して得られるドップラレンジを観測量とし、前記移動体の位置及び速度を状態量とする関係式であって、前記速度補正データを反映する補正項が導入された関係式を用いて、前記移動体の位置を測位することを特徴とする。

第７の発明は、第４の発明に係る移動体用測位システムにおいて、
前記測位手段は、前記衛星電波の観測データをエポック毎に独立して用いる瞬時測位法により前記干渉測位を行うことを特徴とする。

第８の発明に係る移動体用測位システムは、固定位置に配置される基準局に設けられ、該基準局で観測して得られる衛星電波のドップラレンジに基づいて該基準局の速度を測位し、該測位結果に基づいて速度補正データを生成する補正データ生成手段と、
前記基準局に設けられ、前記速度補正データを移動体に送信する速度補正データ送信手段と、
前記移動体に設けられ、前記基準局から送信される前記速度補正データを受信する速度補正データ受信手段と、
前記移動体に設けられ、該移動体で観測して得られる衛星電波のドップラレンジと、前記速度補正データ受信手段で受信した前記速度補正データとに基づいて、前記速度補正データで補正された該移動体の速度を算出する移動体速度算出手段とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、基準局側で導出される速度補正データを用いて精度良く移動体の位置等を測位することができる移動体用測位システムが得られる。

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、本発明に係る移動体用測位システムが適用されるＧＰＳ（Global Positioning System）の全体的な構成を示すシステム構成図である。図１に示すように、ＧＰＳは、地球周りを周回するＧＰＳ衛星１０を備える。

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。

基準局２０は、地球上の所定位置（既知点）に設置される。基準局２０の位置は、高精度に測量されたものが使用されてもよい。

車両３０は、地球上に位置し、地球上を移動しうる。車両３０は、基準局２０に対する相対位置が測位される対象の車両である。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。

図２は、基準局２０と車両３０の主要構成を示す図である。基準局２０には、ＧＰＳ受信機２２及び通信機２４が設けられる。また、車両３０には、ＧＰＳ受信機３２及び通信機３４が設けられる。

ＧＰＳ受信機２２、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２２、３２は、ＧＰＳアンテナ２２ａ、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２２、３２内で発生させた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。

ＧＰＳ受信機２２は、ＧＰＳ衛星１０_iからの搬送波に基づいて、次式に示すように、時刻ｔにおける搬送波位相の積算値Φ_ik（ｔ）を計測する。位相積算値Φ_ikは、Ｌ１波及びＬ２波（周波数：1227.6ＭＨz）の双方に対してそれぞれ計測されてもよい。
Φ_ik（ｔ）＝Θ_ik（ｔ）−Θ_ik（ｔ−τ_k）＋Ｎ_ik＋ε_ik（ｔ） 式（１）
尚、位相積算値Φ_ikについて、添え字ｉ（＝１，２，・・・）は、ＧＰＳ衛星１０_iに割り当てられた番号を示し、添え字ｋは基準局側での積算値であることを示す。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。

また、ＧＰＳ受信機２２は、ＧＰＳ衛星１０_iからの各搬送波に乗せられるＣ／Ａコードに基づいて、擬似距離ρ_ikを計測する。
ρ_ik（ｔ）＝ｃ・τ_k＋ｂ_k 式（２）
ここで、ｃは光速であり、ｂ_kは、クロックバイアスとも称され、ＧＰＳ受信機２２内の時計誤差による距離誤差に対応する。

また、ＧＰＳ受信機２２は、ＧＰＳ衛星１０_iからの各搬送波のドップラ周波数に基づいて、次式に示すように、時刻ｔにおけるドップラレンジｄρ_ｉ（ｔ）を計測する。
ｄρ_ｉ（ｔ）＝Ｌ・Δｆ_ｉ（ｔ） 式（２−１）
ここで、Ｌは搬送波の波長である。また、Δｆ_ｉ（ｔ）は、ＧＰＳ衛星１０_ｉに関するドップラ周波数であり、例えば内部で再生するレプリカキャリアの周波数ｆｒと既知の搬送波周波数ｆ_Ｌ１（1575.42ＭＨz）に基づいて、Δｆ_１＝ｆｒ−ｆ_Ｌ１により、測定される。

また、ＧＰＳ受信機２２は、計測したドップラレンジｄρ_ｉ（ｔ）に基づいて、基準局２０の速度を測位し、測位結果に基づいて速度補正データを生成する。この処理については後述する。

通信機２４は、ＧＰＳ受信機２２で計測した位相積算値Φ_ik及び擬似距離ρ_ikのデータ並びに後述の速度補正データ等を車両３０の通信機３４に送信する。以下では、ＧＰＳ受信機２２で計測した位相積算値Φ_ik及び擬似距離ρ_ikのデータを総称して「観測データ」ともいい、位相積算値Φ_ikのデータを、Ｌ１波及びＬ２波のそれぞれに対応して、それぞれ「Ｌ１データ」及び「Ｌ２データ」ともいい、擬似距離ρ_ikのデータを「Ｃ／Ａデータ」ともいう。

ＧＰＳ受信機３２は、同様に、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。位相積算値Φ_iuは、Ｌ１波及びＬ２波の双方に対してそれぞれ計測されてもよい。尚、位相積算値Φ_iuについて、添え字ｉ（＝１，２，・・・）は、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、同様に、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（３）
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。

また、ＧＰＳ受信機３２は、ＧＰＳ衛星１０_iからの各搬送波に乗せられるＣ／Ａコードに基づいて、擬似距離ρ_iuを計測する。ここで計測される擬似距離ρ_iuは、以下のように距離誤差等の誤差を含んでいる。
ρ_iu（ｔ）＝ｃ・τ_u＋ｂ_u 式（４）
ここで、ｂ_uは、クロックバイアスとも称され、ＧＰＳ受信機３２内の時計誤差による距離誤差に対応する。

また、ＧＰＳ受信機３２は、ＧＰＳ受信機２２と同様、ドップラレンジｄρ_ｉ（ｔ）を計測する。また、ＧＰＳ受信機３２は、上述の計測を行う他、図３を参照して後述する各種処理を行う。

図３は、本実施例の基準局２０及び車両３０においてそれぞれ実行される主要処理を示すブロック図である。尚、また、基準局２０側の構成において、速度演算部５０及び積算＆ドリフト率算出部５２は、ＧＰＳ受信機２２により実現されるが、ＧＰＳ受信機２２に接続される他のマイクロコンピューター等により実現されてもよい。また、基準局２０側の構成において、送信部５４は通信機２４により実現される。車両３０側の構成において、受信部４０は、通信機３４により実現され、拘束条件設定部４２、実数解算出部４４、整数解算出部４６及びＦＩＸ判定部４８は、ＧＰＳ受信機３２により実現されるが、ＧＰＳ受信機３２に接続される他のマイクロコンピューター等により実現されてもよい。

図３に示すように、基準局２０においては、速度演算部５０において、基準局２０で計測されたドップラレンジｄρ_ｉ（ｔ）に基づいて、基準局２０の速度ｖ（ｔ）が測位演算される。基準局２０の速度ｖ（ｔ）は、の測位方法は、例えば以下の通りであってよい。先ず、前提として、ドップラレンジｄρ_ｉと、衛星移動速度ベクトルＶと、基準局２０の速度ベクトルｖ＝（ｖ_ｘ，ｖ_ｙ，ｖ_ｚ）との間には、以下の関係式が成り立つ。尚、文字の上についた記号黒丸は、ドット（時間微分）を表し、例えばドップラレンジｄρ_ｉは、ρ_ｉドット（時間微分）である。

ここで、Ｉドット及びＴドットは、電離層誤差の変動量及び対流圏誤差の変動量を表すが、非常に小さいので、ここでは、白色ノイズεとして扱う。また、ｂドットは、時計誤差の微分値である。数１の式は、４つのＧＰＳ衛星１０_１、１０_２、１０_３、１０_４からのデータを用いる場合、以下のように変形できる。

数２の式において、左辺を、観測量ｚとする。ＧＰＳ衛星１０_ｉに関する観測量ｚ_ｉの「ｄρ_ｉ」は、上述の如くドップラ周波数Δｆ_ｉ（ｔ）に基づいて、搬送波の波長Ｌ（既知）を用いてｄρ_ｉ＝Ｌ・Δｆ_ｉ（ｔ）により算出される。また、ＧＰＳ衛星１０_ｉに関する観測量ｚ_ｉの「ｌ_ｉ・Ｖ_ｉ」は、時刻（ｔ）における視線ベクトルの単位ベクトルｌ_ｉ（ｔ）と衛星移動速度ベクトルＶ_ｉ（ｔ）との内積であり、衛星移動速度ベクトルＶ_ｉ（ｔ）は、航法メッセージの衛星軌道情報に基づいて算出されるＧＰＳ衛星１０_ｉの衛星位置の今回値と前回値の差分を、演算周期の時間幅で除算することにより演算されてよい。単位ベクトルｌ_ｉ（ｔ）は、基準局２０の既知の測量座標（Ｘ_ｋ，Ｙ_ｋ，Ｚ_ｋ）を用いて、以下のように、算出されてよい。

そして、観測行列Ｇを以下のように設定する。

状態量ηは、基準局２０の速度ベクトルｖ＝（ｖ_ｘ，ｖ_ｙ，ｖ_ｚ）とｂドットからなり、η＝（ｖ，ｂドット）とおくと、状態量ηは、最小二乗法により次の通り求まる。

尚、ここでは、説明の便宜上、基準局２０の速度ベクトルｖ＝（ｖ_ｘ，ｖ_ｙ，ｖ_ｚ）は、地球重心を原点にして北極方向をz軸、グリニッジ子午線面をx軸に、右手直交座標系を成すようy軸を定めた地球固定座標系で表されているが、他の座標系（例えば基準局２０の位置を原点として東、北、上方向を各軸とする局地水平面座標系）でも同様である（各座標系間の変換式は広く知られている）。このようにして速度演算部５０にて演算される基準局２０の速度ｖ（ｔ）は、演算周期毎に、積算＆ドリフト率算出部５２に入力される。

積算＆ドリフト率算出部５２においては、速度演算部５０にて演算される基準局２０の速度ｖ（ｔ）が所定時間積算（積分）され、その積算値に基づいて、ドリフト率（α，β，γ）が算出される。

ここで、基準局２０の速度ｖ（ｔ）は、基準局２０が移動しない固定の設備であることから、本来ゼロであるべきである。しかしながら、実際には衛星数や衛星配置等に依存して、演算される基準局２０の速度ｖには微小なオフセットが存在し、基準局２０の速度ｖの積算値（積算位置）はドリフトしていく。このときのドリフト率は、基準局３０から近い位置に存在する車両３０でも略同一であると考えることができる。

具体的には、積算＆ドリフト率算出部５２では、先ず、速度演算部５０にて演算される基準局２０の速度ベクトルｖの各方向の成分（ｖ_ｘ，ｖ_ｙ，ｖ_ｚ）が、初期値ゼロとして積算される。この積算時間は、ドリフト率が算出できるような適切な時間であるが、例えば１分程度であってよい。この結果、例えば図４（Ａ）、図４（Ｂ）及び図４（Ｃ）にそれぞれ示すように、ｘ方向の積算位置、ｙ方向の積算位置及びｚ方向の積算位置が算出される。次いで、積算＆ドリフト率算出部５２では、ｘ方向の積算位置、ｙ方向の積算位置及びｚ方向の積算位置のそれぞれのドリフト率（傾き角度α，β，γ）を算出する。例えば、ｘ方向の積算位置、ｙ方向の積算位置及びｚ方向の積算位置のそれぞれを積算時間で除算することでドリフト率（α，β，γ）を算出する。尚、同様の観点から、所定時間（＝積算時間）に亘って速度演算部５０にて演算される基準局２０の各速度ベクトルｖの各方向の成分をそれぞれ平均することで、ドリフト率（α，β，γ）を算出してもよい。また、ドリフト率は、各方向で算出される以外にも、２次元の方向で導出されてもよい。例えば、図５に示すように、例えば基準局２０の速度ベクトルが局地水平面座標系で算出される場合など、東西方向成分の積算位置と南北方向成分の積算位置との関係を表すドリフト率ζが算出されてもよい。即ち、図５に示す例では、ドリフト率ζは、南北方向成分の積算位置を東西方向成分の積算位置で除算することで算出される。

送信部５４には、所定の周期毎に、上述の如く観測されたＬ１データ、Ｌ２データ及びＣ／Ａデータからなる観測データが供給されると共に、上述の如く積算＆ドリフト率算出部５２により演算されたドリフト率のデータ（以下、「速度補正データ」という）が供給される。そして、送信部５４において、観測データ及び速度補正データが送信データとして車両３０に送信される。尚、送信データには、他の情報（例えば測量により既知の基準局２０の位置情報や、ドリフト率の演算に用いた衛星番号）が含められてよい。また、速度補正データは、必ずしも観測データの送信周期（観測周期）毎に送信データに常に含められる必要はなく、観測データの送信周期よりも長い周期毎に定期的に含められる態様であってもよい。

車両３０においては、所定の周期毎に、基準局側からの送信データが受信される。また、ＧＰＳ受信機３２において、車両３０側の位相積算値Φ_iu（Ｌ１データ、Ｌ２データ）及び擬似距離ρ_iu（Ｃ／Ａデータ）が取得される。これらの基準局側の観測データと車両３０側の観測データは、各データはＧＰＳ時刻やＰＳＳ信号等を利用して同期が取られてよい。基準局側の観測データと車両３０側の観測データは、実数解算出部４４に供給される。また、基準局側から受信した速度補正データは、拘束条件設定部４２に供給される。

拘束条件設定部４２においては、後述の車両３０の位置の測位演算時に用いる拘束条件が、速度補正データに基づいて設定される。即ち、車両３０の速度に対する条件が、速度補正データに基づいて設定され、当該車両３０の速度に対する条件が、後述の車両３０の位置の測位演算時に拘束条件として用いられる。車両３０の速度に対する条件は、ドリフト率（α，β，γ）を用いて、例えば次の通りであってよい。

数６において、（ΔＸ_u，ΔＹ_u，ΔＺ_u）は、時間ΔＴ間での車両３０の移動量を表し、（ｖ_ux，ｖ_uy，ｖ_uz）は、車両３０の速度ｖ_uを表す。尚、車両３０の移動量及び速度の各成分は、地球固定座標系で表されているが、他の座標系（例えば局地水平面座標系）でも考え方は同様である。但し、局地水平面座標系を用いる場合は基準局２０側と車両３０側とで用いるそれぞれの局地水平面座標系の原点を一致させる必要があり、例えば基準局２０の位置に原点を一致させる。また、数６において、ｋはエポック（即ち観測周期番号）を表し、従って、ΔＴは、１エポックの周期であり、（ΔＸ_u，ΔＹ_u，ΔＺ_u）は、ｋ−１エポックからｋエポックまでの１エポック間での移動量を表す。

上記の数６で用いる車両３０の速度（ｖ_ux，ｖ_uy，ｖ_uz）は、車両３０で観測されるドップラレンジｄρ_ｉを用いて、上述の数１〜数５で示した基準局３０の速度と同様の方法で測位されてもよい。この場合、単位ベクトルｌ_ｉ（ｔ）は、単独測位により導出された車両３０の位置（Ｘ_u（ｔ），Ｙ_u（ｔ），Ｚ_u（ｔ））を用いて算出されてもよい。

ここで、上記の数６において、右辺の第２項は、ドリフト率（α，β，γ）で表現される、車両３０の移動量に対する補正項である。これは、上述の如く基準局３０側のドリフト率は、基準局３０から近い位置に存在する車両３０でも略同一であることに基づく。

実数解算出部４４においては、観測データの二重位相差を観測量とし車両３０の位置と整数値バイアスの２重位相差とを状態変数として、最小二乗法により、車両３０の位置（典型的には、基準局２０に対する相対位置）が測位される。このとき、上述の拘束条件設定部４２で設定された拘束条件が利用される。

ここでは、先ず、車両３０の位置の測位方法の一例について説明し、続いて、拘束条件の利用態様について説明する。以下では、説明の簡略化のため、位相積算値について、Ｌ１波のみを用いる場合を説明するが、Ｌ２波の位相積算値も用いる場合、Ｌ２波の位相積算値を、Ｌ１波の位相積算値と同様の態様で、追加すればよい。

先ず、ペアリングされた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（ｔ）−Φ_ju（ｔ））−（Φ_hk（ｔ）−Φ_hu（ｔ）） 式（５）
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（６）における［Ｘ_k（ｔ）、Ｙ_k（ｔ）、Ｚ_k（ｔ）］は、時刻ｔにおける基準局２０の地球固定座標系における座標値であり、［Ｘ_u（ｔ）、Ｙ_u（ｔ）、Ｚ_u（ｔ）］は、時刻ｔにおける車両３０の座標値（未知）であり、［Ｘ_j（ｔ）、Ｙ_j（ｔ）、Ｚ_j（ｔ）］及び［Ｘ_h（ｔ）、Ｙ_h（ｔ）、Ｚ_h（ｔ）］は、時刻ｔ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、時刻ｔは、例えばGPS時刻で同期が取られているものとする。

また、時刻ｔにおける２つのＧＰＳ衛星１０_j、１０_h（ｉ＝ｊ、ｈ、但し、ｊ≠ｈ）に関する擬似距離の２重位相差は、次式となる。
ρ^jh _ku＝（ρ_jk（ｔ）−ρ_ju（ｔ））−（ρ_hk（ｔ）−ρ_hu（ｔ）） 式（７）
擬似距離の２重位相差ρ^jh _kuは、次のように表せる。

ここで、式（８）における［Ｘ_k（ｔ）、Ｙ_k（ｔ）、Ｚ_k（ｔ）］、［Ｘ_u（ｔ）、Ｙ_u（ｔ）、Ｚ_u（ｔ）］、［Ｘ_j（ｔ）、Ｙ_j（ｔ）、Ｚ_j（ｔ）］及び［Ｘ_h（ｔ）、Ｙ_h（ｔ）、Ｚ_h（ｔ）］は、上記式（６）と同様である。また、時刻ｔは、例えばGPS時刻で同期が取られているものとする。

観測量Ｚと状態変数ηの関係は、次の線形モデルで表現される。
Ｚ＝Ｈ・η＋Ｖ 式（９）
ここで、Ｖは観測雑音を示す。ηは、状態変数を表わし、車両３０の座標値（未知）及び整数値バイアスの２重位相差である。例えばペアリングされたＧＰＳ衛星１０のペア（ｊ、ｈ）が（１，２）、（１，３）、（１，４）及び（１，５）の４組である場合、η＝［Ｘ_u、Ｙ_u、Ｚ_u、Ｎ¹² _ku、Ｎ¹³ _ku、Ｎ¹⁴ _ku、Ｎ¹⁵ _ku］^Ｔである（^Ｔは転置を表す）。式（９）の観測量Ｚは、位相積算値の２重位相差Φ^jh _ku（上記式（５）参照）及び擬似距離の２重位相差ρ^jh _ku（上記式（７）参照）である。例えば、ペアリングされたＧＰＳ衛星１０のペア（ｊ、ｈ）が（１，２）、（１，３）、（１，４）及び（１，５）の４組である場合、Ｚ＝［Φ¹² _ku、Φ¹³ _ku、Φ¹⁴ _ku、Φ¹⁵ _ku、ρ¹² _ku、ρ¹³ _ku、ρ¹⁴ _ku、ρ¹⁵ _ku］^Ｔである。上記式（９）の観測方程式は線形であるが、式（６）及び式（８）では、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（６）及び式（８）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、上記式（９）の観測行列Ｈが求められる。例えば、ペアリングされたＧＰＳ衛星１０のペア（ｊ、ｈ）が（１，２）、（１，３）、（１，４）及び（１，５）の４組である場合、以下のように、観測行列Ｈは、以下の通りである。

ここで、数８のＨ_１は、観測量Ｚ_１＝［Φ¹² _ku、Φ¹³ _ku、Φ¹⁴ _ku、Φ¹⁵ _ku］^Ｔとした場合の観測行列であり、数８のＨ_２は、観測量Ｚ_２＝［ρ¹² _ku、ρ¹³ _ku、ρ¹⁴ _ku、ρ¹⁵ _ku］^Ｔとした場合の観測行列であり、観測行列Ｈは、２つの観測行列Ｈ_１、Ｈ_２が組み込まれた形となる。

本実施例では、上記式（９）の関係式は、ｋエポックの観測データと、ｋ−１エポックの観測データを用いて、エポック毎に２通り用意される。そして、ｋエポックとｋ−１エポックのそれぞれの車両３０の位置（未知数）に対して、数６で示した拘束条件が適用される。即ち、ｋエポックとｋ−１エポックの上記式（９）の関係式と、数６で示した拘束条件の式とを全て連立させて最小二乗法で解くと、ηの実数解（フロート解）が得られる。

尚、ｋエポックとｋ−１エポックの観測データを用いるのに代えて、ｋエポックとｋ−ｐエポックの観測データを用いて連立させてもよい。この場合、数６で示した拘束条件において、Σのｔの初期値はｋ−ｐとなる。

整数解算出部４６においては、実数解算出部４４で算出された整数値バイアスの実数解（フロート解）に基づいて、整数値バイアスの整数解が算出される。例えば、実数解算出部４４で算出された実数解に対して最も誤差の小さい整数解（即ち、波数）を第１候補として求め、次に誤差の小さい整数解を第２候補として求める。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ＬＡＭＢＤＡ法が使用されてよい。或いは、ＬＡＭＢＤＡ法に代えて、他の整数最小二乗法や簡易の四捨五入により整数解を導出してもよい。

ＦＩＸ判定部４８においては、整数解算出部４６で導出された整数解をＦＩＸ解とするか否かが判定される。即ち、整数解算出部４６で導出された整数解の信頼性を判断し、信頼性が高い整数解が得られた場合には、当該整数解をＦＩＸして、以後、当該整数解を用いたＲＴＫ測位により測位結果を出力していく。整数解の信頼性の判定方法は、多種多様であり、任意の適切な方法が使用されてもよい。例えば、レシオテストを適用して、整数解の信頼性が判定されてもよい。例えば、レシオテストの一例として、ペアリングされたＧＰＳ衛星１０のペア（ｊ、ｈ）が（１，２）、（１，３）、（１，４）及び（１，５）の４組であり、それぞれ４つの整数値バイアスの実数解（ｎ¹²、ｎ¹³、ｎ¹⁴、ｎ¹⁵）、整数値バイアスの整数解の第１候補（Ｎ¹² ₁、Ｎ¹³ ₁、Ｎ¹⁴ ₁、Ｎ¹⁵ ₁）及び第２候補（Ｎ¹² ₂、Ｎ¹³ ₂、Ｎ¹⁴ ₂、Ｎ¹⁵ ₂）が算出される場合を想定する。このとき、レシオＲは、以下に示すように、整数値バイアスの実数解と整数値バイアスの整数解の第１候補との間の距離（ノルム）と、整数値バイアスの実数解と整数値バイアスの整数解の第２候補との間の距離との間の比である。
Ｒ＝｛（ｎ¹²−Ｎ¹² ₂）^２＋（ｎ¹³−Ｎ¹³ ₂）^２＋（ｎ¹⁴−Ｎ¹⁴ ₂）^２＋（ｎ¹⁵−Ｎ¹⁵ ₂）^２｝／｛（ｎ¹²−Ｎ¹² ₁）^２＋（ｎ¹³−Ｎ¹³ ₁）^２＋（ｎ¹⁴−Ｎ¹⁴ ₁）^２＋（ｎ¹⁵−Ｎ¹⁵ ₁）^２｝ 式（１１）
レシオＲは、一般的に、高い値であるほど整数値バイアスの整数解の第１候補の信頼度が高いことを表す。従って、適切な所定の閾値αを設定して、レシオＲが所定の閾値αよりも大きい場合に、整数解の信頼性が高いと判定して、整数値バイアスの整数解の第１候補を採用することとしてよい。

以上説明した本実施例の移動体用測位システムによれば、とりわけ、以下のような優れた効果が奏される。

上述の如く、基準局２０側で観測したドップラレンジから速度補正データ（ドリフト率）を生成し、当該速度補正データを、車両３０の位置の測位に用いることで、干渉測位演算で得られる整数解がＦＩＸしやすくなり、高精度の測位解を得ることができる。また、エポック毎にドップラレンジのデータを基準局２０側から車両３０に送信する必要が無く、データ量の少ない速度補正データを基準局２０側から車両３０に送信するだけでよいので、通信負荷を低減することができる。

尚、上述の実施例では、数６の式を用いて速度補正データを車両３０の位置の測位に反映させているが、その他の多種多様な方法が考えられる。例えば、車両３０の速度と車両３０の位置を未知数とした以下の数１０の式と、１エポック分の観測データによる上記式（９）の関係式と連立させて最小二乗法で測位解を導出してもよい。この場合も、速度補正データにより補正された車両３０の速度を用いて精度良く測位解を導出することができる。

数１０の式は、上記の数１の式と関連しており、車両３０の速度ｖ_u＝（ｖ_ｘ，ｖ_ｙ，ｖ_ｚ）を、速度補正データ（α，β，γ）を用いて補正した速度（ｖ_ｘ−α，ｖ_ｙ−β，ｖ_ｚ−γ）に置き換えたものである。数１０の式は、観測可能なＧＰＳ衛星１０（又はそのうちの干渉測位に用いるＧＰＳ衛星１０）のそれぞれに対して立てられてよい。

尚、数１０の式は、車両３０の速度を未知数としているが、車両３０の位置だけを未知数として用いることもできる。例えば、車両３０の速度を、単独測位により導出された車両３０の位置（Ｘ_u（ｔ），Ｙ_u（ｔ），Ｚ_u（ｔ））を用いて、上述の数１〜数５で示した基準局３０の速度と同様の方法で測位し、次いで、当該測位により得られた車両３０の速度を、数１０の式に代入して、車両３０の位置だけが未知数の関係式を作成し、当該作成した関係式と、１エポック分の観測データによる上記式（９）の関係式と連立させて最小二乗法で測位解を導出してもよい。

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、上述した実施例では、速度補正データが干渉測位に利用されるものであったが、例えば図６に示すように、速度補正データが車両３０の速度の単独測位結果の補正に利用されてもよい。この場合、基準局２０から車両３０には、速度補正データのみが送信されてもよい（即ち、Ｌ１データ等の観測データの送信は不要となる）。また、車両３０側の速度測位部４９では、単独測位により導出された車両３０の位置（Ｘ_u（ｔ），Ｙ_u（ｔ），Ｚ_u（ｔ））を用いて、上述の数１〜数５で示した基準局３０の速度と同様の方法で、ドップラレンジから車両３０の速度（ｖ_ｘ，ｖ_ｙ，ｖ_ｚ）を測位し、その測位結果を、速度補正データ（α，β，γ）により、（ｖ_ｘ−α，ｖ_ｙ−β，ｖ_ｚ−γ）として補正すればよい。

また、上述した実施例では、好ましい実施例として、瞬時測位法により整数値バイアスの実数解を求めているが、整数値バイアスの実数解の算出方法は、多種多様であり、上述の方法以外の他の方法が採用されてもよい。例えば、擬似距離の２重位相差ρ^jh _kuを用いずに、位相積算値の２重位相差Φ^jh _kuだけを用いる方法も可能である。また、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。同様に、擬似距離の２重位相差ρ^jh _kuについても、Ｃ／Ａコード以外の同様のＰＲＮコード（擬似雑音符号）（例えば、Ｐコード等）に基づく擬似距離の1重又は2重位相差ρ^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。上述した整数値バイアスの実数解の算出方法では、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、一重位相差を取る構成であってもよい。また、上述の方法では、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、その他の例として、最小二乗法に代えて、カルマンフィルタを用いてもよい。この場合、前回エポックでの推定（測位）結果が今回エポックの推定結果に影響を及ぼさないように、状態変数や誤差共分散行列の初期化をエポック毎に行う瞬時測位を実現してもよいし、状態変数や誤差共分散行列の初期化を行うことなく、通常的なカルマンフィルタの適用によりエポック毎に状態変数や誤差共分散行列を更新（引継ぎ）することとしてもよい。また、車両３０の移動に起因した車両特有の動的状態量を考慮するため、速度補正データで補正された車両の速度の動的状態量を既知入力として、カルマンフィルタに導入してもよい（例えば特開２００５−１４７９５２号航法参照）。また、車両３０の移動履歴から該車両３０の現時刻の状態を予測する移動体モデルをカルマンフィルタに導入してもよい。この場合、移動体モデルは、速度補正データにより補正された速度や加速度のような車両３０の移動状態を表すことができる任意のパラメータを用いて構成されてよい。例えば、速度補正データにより補正された車両３０の速度ｖ_uを一次のマルコフ過程と仮定して移動体モデルを構成して、カルマンフィルタに導入してもよい。

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以外の衛星システム、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。

本発明に係る移動体用測位システムが適用されるＧＰＳの全体的な構成を示すシステム構成図である。 基準局２０と車両３０の主要構成を示す図である。 本実施例の基準局２０及び車両３０においてそれぞれ実行される主要処理を示すブロック図である。 基準局２０の速度ベクトルｖの各成分の積算値とドリフト率の関係を示す図である。 ドリフト率の他の算出態様を示す図である。 速度補正データが車両３０の速度の単独測位結果の補正に利用される構成を示す図である。

符号の説明

１０ ＧＰＳ衛星
２０ 基準局
２２ 基準局側ＧＰＳ受信機
２４ 基準局側通信機
３０ 車両
３２ 車両側ＧＰＳ受信機
３４ 車両側通信機
４０ 受信部
４２ 拘束条件設定部
４４ 実数解算出部
４６ 整数解算出部
４８ ＦＩＸ判定部
５０ 速度演算部
５２ 積算＆ドリフト率算出部

Claims (8)

1. 固定位置に配置される基準局に設けられ、該基準局で観測して得られる衛星電波のドップラレンジに基づいて該基準局の速度を測位し、該測位結果に基づいて速度補正データを生成する補正データ生成手段と、
   前記基準局に設けられ、該基準局で観測して得られる衛星電波の観測データと、前記速度補正データとを移動体に送信するデータ送信手段と、
   前記移動体に設けられ、前記基準局から送信される前記観測データと前記速度補正データを受信するデータ受信手段と、
   前記移動体に設けられ、該移動体で観測して得られる衛星電波の観測データと、前記データ受信手段で受信した前記観測データと、前記データ受信手段で受信した前記速度補正データとに基づいて、該移動体の位置を測位する測位手段とを備えることを特徴とする、移動体用測位システム。
2. 前記速度補正データ生成手段は、前記基準局の速度の測位結果を所定時間積算し、該積算した値に基づいて、前記速度補正データを生成する、請求項１に記載の移動体用測位システム。
3. 前記速度補正データ生成手段は、前記基準局の速度の測位結果を所定時間積算し、該積算した値に基づいて、前記基準局の速度の測位結果のドリフト率を算出し、該算出したドリフト率に基づいて前記速度補正データを生成する、請求項１に記載の移動体用測位システム。
4. 前記衛星電波の観測データは、衛星からの電波の搬送波の位相の積算値（以下、「搬送波位相積算値」という）を含み、
   前記測位手段は、前記基準局側で取得された衛星電波の観測データと、前記移動体側で取得された衛星電波の観測データの一重位相差若しくは二重位相差を観測量とし、前記移動体の位置、及び、前記搬送波位相積算値に含まれる整数値バイアスの一重位相差若しくは二重位相差を状態変数とした関係式を用いて、干渉測位により前記移動体の位置を測位し、該測位過程で前記速度補正データを用いる、請求項１に記載の移動体用測位システム。
5. 前記測位手段は、前記関係式に対する拘束条件であって、２時点における前記移動体の位置の各測位結果間の関係に対する拘束条件として、前記速度補正データを用いる、請求項４に記載の移動体用測位システム。
6. 前記測位手段は、前記関係式に加えて、
   前記移動体で観測して得られるドップラレンジを観測量とし、前記移動体の位置及び速度を状態量とする関係式であって、前記速度補正データを反映する補正項が導入された関係式を用いて、前記移動体の位置を測位する、請求項４に記載の移動体用測位システム。
7. 前記測位手段は、前記衛星電波の観測データをエポック毎に独立して用いる瞬時測位法により前記干渉測位を行う、請求項４に記載の移動体用測位システム。
8. 固定位置に配置される基準局に設けられ、該基準局で観測して得られる衛星電波のドップラレンジに基づいて該基準局の速度を測位し、該測位結果に基づいて速度補正データを生成する補正データ生成手段と、
   前記基準局に設けられ、前記速度補正データを移動体に送信する速度補正データ送信手段と、
   前記移動体に設けられ、前記基準局から送信される前記速度補正データを受信する速度補正データ受信手段と、
   前記移動体に設けられ、該移動体で観測して得られる衛星電波のドップラレンジと、前記速度補正データ受信手段で受信した前記速度補正データとに基づいて、前記速度補正データで補正された該移動体の速度を算出する移動体速度算出手段とを備えることを特徴とする、移動体用測位システム。

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