JP2011163817A

JP2011163817A - 測位装置及びプログラム

Info

Publication number: JP2011163817A
Application number: JP2010024451A
Authority: JP
Inventors: Tatsuya Iwase; 竜也岩瀬; Noriyoshi Suzuki; 徳祥鈴木; Tomosuke Watanabe; 友輔渡辺
Original assignee: Denso Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Denso Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2010-02-05
Filing date: 2010-02-05
Publication date: 2011-08-25
Anticipated expiration: 2030-02-05
Also published as: JP5352492B2

Abstract

【課題】簡易な方法でマルチパスの影響を考慮した信頼性の高い測位結果を得る。
【解決手段】測位演算部２６で、ＧＰＳ受信機１２から出力された擬似距離及びドップラーシフト周波数に基づいて、受信位置の位置座標及び速度を演算する。建物高情報取得部３０で、建物高情報記憶部２８に記憶された緯度及び経度に対応した建物高情報から、演算された位置座標に対応した受信位置周辺の建物高情報を取得する。観測誤差算出部３４で、ＧＰＳ受信機１２から出力された衛星仰角、取得された建物高情報、演算された位置座標及び速度に基づいて、擬似距離誤差及びドップラーシフト誤差を算出し、誤差補正測位演算部３６で、ＧＰＳ受信機１２から出力された擬似距離及びドップラーシフト周波数、並びに観測誤差算出部３４によって算出された擬似距離誤差及びドップラーシフト誤差に基づいて、誤差を補正した受信位置の位置座標及び速度を演算する。
【選択図】図１

Description

本発明は、測位装置及びプログラムに係り、特に、測位衛星からの衛星信号に基づいて、受信位置又は速度を測位する測位装置及びプログラムに関する。

従来より、ＧＰＳ測位装置において、都市部における測位誤差の主要な要因であるマルチパスによる影響を低減し、測位精度の向上を図ることが行われている。例えば、複数の衛星から送出される電波を受信するＧＰＳ受信装置において、各衛星から送出される電波を受信するアンテナと、受信した電波に基づいて各衛星の仰角θｎを求め、仰角θｎが基準仰角角度θｒｅｆよりも大きい衛星からの電波のみを選択的に利用して位置を計測するＧＰＳ受信装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、建物等の構造物についての位置情報及び高さ情報を記憶しておき、ＧＰＳ衛星からの信号に基づき移動体の位置を検出し、記憶された構造物の位置情報及び高さ情報を参照し、移動体の現位置とＧＰＳ衛星の位置とを結ぶ直線上に構造物が存在する場合には、移動体の現位置を直線が構造物の面と反射したときに得られる位置に補正する位置検出装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００２−２７７５２７号公報特開２００５−１９５４９３号公報

しかしながら、仰角が低くても見通しの良い場所で直接電波が届く衛星からの信号は、擬似距離誤差も小さく、測位に利用できるにもかかわらず、上記の特許文献１に記載の技術では、周辺の建物環境による影響を考慮せず、仰角のみで衛星の選択を判断するため、適切に衛星を選択することができない、という問題がある。また、特許文献１に記載の技術では、擬似距離誤差は求めていないため、擬似距離誤差の補正をすることはできない、という問題もある。

また、上記の特許文献２に記載の技術では、詳細で精度の高い最新の建物情報を保持しておく必要があり、廉価な装置に適用するのは困難である、という問題がある。また、擬似距離ではなく測位結果を補正しているため、衛星信号個々のマルチパスによる影響が考慮されておらず、正確な位置に補正することができない、という問題がある。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、簡易な方法でマルチパスの影響を考慮した信頼性の高い測位結果を得ることができる測位装置及びプログラムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、第１の発明の測位装置は、複数の異なる測位衛星から送信された衛星信号を受信し、受信した衛星信号に基づいて前記測位衛星の各々から受信位置までの擬似距離を測定するＧＰＳ受信機で測定された前記擬似距離に基づいて、前記受信位置を測位する第１の測位手段と、前記受信位置周辺の建物の高さに関する建物高情報を取得する建物高取得手段と、前記建物高情報が示す高さを前記衛星信号のマルチパスによる最高反射位置と仮定して、前記建物高情報、前記測位衛星との距離、及び前記ＧＰＳ受信機で測定された衛星仰角に基づいて、前記複数の測位衛星の各々の擬似距離誤差の範囲を算出する擬似距離誤差算出手段と、前記擬似距離誤差算出手段によって算出された前記複数の測位衛星の各々の擬似距離誤差の範囲に含まれる擬似距離誤差を用いて、前記受信位置を測位する第２の測位手段と、を含んで構成されている。

第１の発明の測位装置によれば、第１の測位手段が、複数の異なる測位衛星から送信された衛星信号を受信し、受信した衛星信号に基づいて測位衛星の各々から受信位置までの擬似距離を測定するＧＰＳ受信機で測定された擬似距離に基づいて、受信位置を測位する。また、建物高取得手段が、受信位置周辺の建物の高さに関する建物高情報を取得する。建物の高さに関する建物高情報とは、受信位置周辺に存在する建物の高さの平均値、最高値、中央値等である。

そして、擬似距離誤差算出手段が、建物高情報が示す高さを衛星信号のマルチパスによる最高反射位置と仮定して、建物高情報、測位衛星との距離、及びＧＰＳ受信機で測定された衛星仰角に基づいて、複数の測位衛星の各々の擬似距離誤差の範囲を算出する。建物高情報が示す高さをマルチパスによる最高反射位置と仮定することで、算出される擬似距離誤差は最大値となる。すなわち、擬似距離誤差の範囲をこの最大値以下であるとして算出することができる。ここで算出された擬似距離誤差が大きいほど、マルチパスによる影響が大きいと判断することができるため、この擬似距離誤差の範囲を測位精度の信頼度を示す指標として用いることができる。そこで、第２の測位手段が、擬似距離誤差算出手段によって算出された複数の測位衛星の各々の擬似距離誤差の範囲に含まれる擬似距離誤差を用いて、受信位置を測位する。

このように、建物高情報、測位衛星との距離、及び衛星仰角に基づいて算出された擬似距離誤差の範囲を測位精度の信頼度を示す指標として用いるため、簡易な方法でマルチパスの影響を考慮した信頼性の高い測位結果を得ることができる。

また、第１の発明において、前記第２の測位手段は、前記擬似距離誤差算出手段によって算出された擬似距離誤差の範囲に含まれる擬似距離誤差が小さい測位衛星の擬似距離を選択して前記受信位置を測位するか、または前記擬似距離の各々に、前記擬似距離誤差算出手段によって算出された擬似距離誤差の範囲に応じた重み付けを行って前記受信位置を測位するようにすることができる。

また、第２の発明の測位装置は、複数の異なる測位衛星から送信された衛星信号を受信し、受信した衛星信号に基づいて前記測位衛星の各々からの衛星信号のドップラーシフトを測定するＧＰＳ受信機で測定された前記ドップラーシフトに基づいて、前記ＧＰＳ受信機の速度を推定する第１の速度推定手段と、前記衛星信号を受信した受信位置周辺の建物の高さに関する建物高情報を取得する建物高取得手段と、前記建物高情報が示す高さを前記衛星信号のマルチパスによる最高反射位置と仮定して、前記建物高情報、前記測位衛星との距離、ＧＰＳ受信機の速度、及び前記ＧＰＳ受信機で測定された衛星仰角に基づいて、前記複数の測位衛星の各々のドップラーシフト誤差の範囲を算出するドップラーシフト誤差算出手段と、前記ドップラーシフト誤差算出手段によって算出された前記複数の測位衛星の各々のドップラーシフト誤差の範囲に含まれるドップラーシフト誤差を用いて、前記ＧＰＳ受信機の速度を推定する第２の速度推定手段と、を含んで構成されている。

第２の発明の測位装置によれば、第１の速度推定手段が、複数の異なる測位衛星から送信された衛星信号を受信し、受信した衛星信号に基づいて測位衛星の各々からの衛星信号のドップラーシフトを測定するＧＰＳ受信機で測定されたドップラーシフトに基づいて、ＧＰＳ受信機の速度を推定し、建物高取得手段が、衛星信号を受信した受信位置周辺の建物の高さに関する建物高情報を取得し、ドップラーシフト誤差算出手段が、建物高情報が示す高さを衛星信号のマルチパスによる最高反射位置と仮定して、建物高情報、測位衛星との距離、ＧＰＳ受信機の速度、及びＧＰＳ受信機で測定された衛星仰角に基づいて、複数の測位衛星の各々のドップラーシフト誤差の範囲を算出し、第２の速度推定手段が、ドップラーシフト誤差算出手段によって算出された複数の測位衛星の各々のドップラーシフト誤差の範囲に含まれるドップラーシフト誤差を用いて、ＧＰＳ受信機の速度を推定する。

なお、ドップラーシフト誤差の範囲を算出する際に用いられるＧＰＳ受信機の速度は、第１の速度推定手段により推定された速度を用いてもよいし、慣性航法装置で検出された移動体の速度を取得して用いてもよい。

このように、建物高情報、ＧＰＳ受信機の速度、及び衛星仰角に基づいて算出されたドップラーシフト誤差の範囲を測位精度の信頼度を示す指標として用いるため、簡易な方法でマルチパスの影響を考慮した信頼性の高い測位結果を得ることができる。

また、第２の発明において、前記第２の速度推定手段は、前記ドップラーシフト誤差算出手段によって算出されたドップラーシフト誤差の範囲に含まれるドップラーシフト誤差が小さい測位衛星のドップラーシフトを選択して前記ＧＰＳ受信機の速度を測位するか、または前記ドップラーシフトの各々に、前記ドップラーシフト誤差算出手段によって算出されたドップラーシフト誤差の範囲に応じた重み付けを行って前記ＧＰＳ受信機の速度を推定するようにすることができる。

また、第１及び第２の発明において、前記建物高取得手段は、前記受信位置周辺の建物の高さを検出するセンサから出力される建物高情報を取得するか、または予め経度及び緯度に対する建物高情報を記憶しておき、記憶された建物高情報から前記受信位置に対応した建物高情報を取得するようにすることができる。

また、第３の発明の測位プログラムは、コンピュータを、複数の異なる測位衛星から送信された衛星信号を受信し、受信した衛星信号に基づいて前記測位衛星の各々から受信位置までの擬似距離を測定するＧＰＳ受信機で測定された前記擬似距離に基づいて、前記受信位置を測位する第１の測位手段、前記受信位置周辺の建物の高さに関する建物高情報を取得する建物高取得手段、前記建物高情報が示す高さを前記衛星信号のマルチパスによる最高反射位置と仮定して、前記建物高情報、前記測位衛星との距離、及び前記ＧＰＳ受信機で測定された衛星仰角に基づいて、前記複数の測位衛星の各々の擬似距離誤差の範囲を算出する擬似距離誤差算出手段、及び前記擬似距離誤差算出手段によって算出された前記複数の測位衛星の各々の擬似距離誤差の範囲に含まれる擬似距離誤差を用いて、前記受信位置を測位する第２の測位手段として機能させるためのプログラムである。

また、第４の発明の測位プログラムは、コンピュータを、複数の異なる測位衛星から送信された衛星信号を受信し、受信した衛星信号に基づいて前記測位衛星の各々からの衛星信号のドップラーシフトを測定するＧＰＳ受信機で測定された前記ドップラーシフトに基づいて、前記ＧＰＳ受信機の速度を推定する第１の速度推定手段、前記衛星信号を受信した受信位置周辺の建物の高さに関する建物高情報を取得する建物高取得手段、前記建物高情報が示す高さを前記衛星信号のマルチパスによる最高反射位置と仮定して、前記建物高情報、前記測位衛星との距離、ＧＰＳ受信機の速度、及び前記ＧＰＳ受信機で測定された衛星仰角に基づいて、前記複数の測位衛星の各々のドップラーシフト誤差の範囲を算出するドップラーシフト誤差算出手段、及び前記ドップラーシフト誤差算出手段によって算出された前記複数の測位衛星の各々のドップラーシフト誤差の範囲に含まれるドップラーシフト誤差を用いて、前記ＧＰＳ受信機の速度を推定する第２の速度推定手段として機能させるためのプログラムである。

なお、本発明のプログラムを記憶する記憶媒体は、特に限定されず、ハードディスクであってもよいし、ＲＯＭであってもよい。また、ＣＤ−ＲＯＭやＤＶＤディスク、光磁気ディスクやＩＣカードであってもよい。更にまた、該プログラムを、ネットワークに接続されたサーバ等からダウンロードするようにしてもよい。

以上説明したように、本発明の測位装置及びプログラムによれば、建物高情報、測位衛星との距離、及び衛星仰角に基づいて算出された擬似距離誤差の範囲、または建物高情報、ＧＰＳ受信機の速度、及び衛星仰角に基づいて算出されたドップラーシフト誤差の範囲を、測位精度の信頼度を示す指標として用いるため、簡易な方法でマルチパスの影響を考慮した信頼性の高い測位結果を得ることができる、という効果が得られる。

本実施の形態に係る車載測位装置を示すブロック図である。建物による衛星信号の反射を説明するための図である。擬似距離誤差の算出の原理を説明するための図である。ドップラーシフト誤差の算出の原理を説明するための図である。本実施の形態に係る車載測位装置のコンピュータにおける測位処理ルーチンの内容を示すフローチャートである。本実施の形態に係る車載測位装置による擬似距離誤差推定結果、及び実際の擬似距離誤差データの一例を示す図である。本実施の形態に係る車載測位装置によるドップラーシフト誤差推定結果、及び実際のドップラーシフト誤差データの一例を示す図である。間接波の遅れと擬似距離誤差との関係を示す図である。コリレータモデルによる擬似距離誤差推定結果の一例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、車両に搭載されて受信位置（自車両の位置）を測定する車載測位装置に、本発明を適用した場合を例に説明する。

図１に示すように、本実施の形態に係る車載測位装置１０は、測位衛星からの電波を受信して衛星信号の情報を出力するＧＰＳ受信機１２と、ＧＰＳ受信機１２からの出力に基づいて、受信位置の測位及び速度の推定を実行するコンピュータ１４とを備えている。

ＧＰＳ受信機１２は、測位衛星から送信された衛星信号を受信する受信部１８と、受信部１８で受信された全ての測位衛星から送信された衛星信号に基づいて、測位衛星と受信位置との間の擬似距離（各測位衛星から受信した信号の伝播距離）を算出し、算出した擬似距離をコンピュータ１４へ出力する擬似距離算出部２０と、受信部１８で受信された全ての測位衛星から送信された衛星信号に基づいて、衛星信号のドップラーシフト周波数を算出するドップラー算出部２２と、受信部１８で受信された全ての測位衛星から送信された衛星信号に基づいて、軌道情報を取得して衛星位置を算出し、受信位置における全ての衛星位置の仰角を算出する衛星仰角算出部２４と、を備えている。また、ＧＰＳ受信機１２は、受信部１８で受信された全ての測位衛星から送信された衛星信号に基づいて、ＧＰＳ衛星の情報として、更に、ＧＰＳ衛星の衛星番号や、搬送波位相、信号強度などを取得して、コンピュータ１４に出力している。

コンピュータ１４は、ＣＰＵ、後述する測位処理ルーチンを実現するためのプログラムを記憶したＲＯＭ、データを一時的に記憶するＲＡＭ、及びＨＤＤ等の記憶装置で構成されている。

コンピュータ１４を以下で説明する測位処理ルーチンに従って機能ブロックで表すと、図１に示すように、ＧＰＳ受信機１２から出力された擬似距離及びドップラーシフト周波数に基づいて、受信位置の位置座標及び速度を演算する測位演算部２６と、緯度及び経度に対応した建物高情報を記憶した建物高情報記憶部２８と、演算された位置座標及び建物高情報に基づいて、受信位置周辺の建物高情報を取得する建物高情報取得部３０と、ＧＰＳ受信機１２から出力された衛星仰角、取得された建物高情報、演算された位置座標及び速度に基づいて、擬似距離誤差の範囲及びドップラーシフト誤差の範囲を算出する観測誤差算出部３４と、ＧＰＳ受信機１２から出力された擬似距離及びドップラーシフト周波数、並びに観測誤差算出部３４によって算出された擬似距離誤差の範囲及びドップラーシフト誤差の範囲に基づいて、誤差を補正した受信位置の位置座標及び速度を演算する誤差補正測位演算部３６とを備えている。

測位演算部２６は、ＧＰＳ受信機１２から出力された擬似距離及び衛星位置から、衛星信号を受信した４つ以上の測位衛星の組み合わせ毎に、以下に説明するニュートンラフソン法により、受信位置の位置座標を演算する。

まず、衛星ｉの擬似距離Ｒ_ｉは、衛星ｉの位置座標を（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ，ｚ_ｉ）、ＧＰＳ受信機１２の推定位置座標の初期値を（ｘ_０，ｙ_０，ｚ_０）、求めたいＧＰＳ受信機１２の真の位置座標を（ｘ_ｐ，ｙ_ｐ，ｚ_ｐ）、ＧＰＳ受信機１２の推定クロックバイアスの初期値をＢ_０、衛星ｉのクロックバイアス（時計誤差）をｂ_ｉとすると、（１）式のように表すことができる。

また、ＧＰＳ受信機１２の真の位置座標と推定値との差分をΔとすると、（２）式となる。

上記（１）式を、（２）式で線形化すると、（３）式となる。

（３）式を全衛星について行列表現で書き下すと、（４）式となり、さらに（５）式で置き換えると（６）式となる。

ただし、Ａは衛星配置を特徴付ける幾何行列、ΔＲは電離層遅延、対流圏遅延、及び衛星クロックバイアスを補正したｉ番目の測位衛星の擬似距離Ｒｉのベクトル表記である。

ここで、ｍ＞４の場合、求めたい変数の数４つに対して式の本数が多くなり、過剰決定状態となるため、最小自乗法を使ってｍ本の式の制約にできるだけ従うような解を求める。これは、（７）式で示す方程式で求めることができる。

（７）式から求められたΔＸを用いて（２）式を更新し、推定値の値が収束するまで繰り返し計算することで、受信位置の位置座標及びクロックバイアスＢを算出することができる。

測位演算部２６は、例えば、衛星信号を受信したｎ個全ての測位衛星の組み合わせ、及び１つの測位衛星を除いたｎ−１個の測位衛星の全ての組み合わせ（ｎ通りの組み合わせ）の各々について、上述した最小自乗法を用いた最適推定により、受信位置の位置座標を演算する。

また、測位演算部２６は、ＧＰＳ受信機１２から出力されたドップラーシフト周波数及び衛星位置から、例えば、衛星信号を受信したｎ個全ての測位衛星の組み合わせ、及び１つの測位衛星を除いたｎ−１個の測位衛星の全ての組み合わせ（ｎ通りの組み合わせ）の各々について、上記の測位演算と同様に最小自乗法を用いた最適推定により、ＧＰＳ受信機１２の速度（自車両の速度）とクロックドリフトを表わすベクトルｖ（＝（ｖ_ｘ、ｖ_ｙ、ｖ_ｈ、Ｄ））を演算する。ただし、ｖ_ｘは経度方向の速度、ｖ_ｙは緯度方向の速度、ｖ_ｈは高度方向の速度、Ｄはクロックドリフトである。なお、この速度及びクロックドリフトの演算については、非特許文献（坂井丈泰、“ＧＰＳのための実用プログラミング”、東京電機大学出版局、２００７．）に記載された、最適推定を用いればよく、詳細な説明を省略する。

建物高情報記憶部２８には、緯度及び経度に対応した建物高情報が記憶されており、緯度及び経度（ｘ，ｙ）を入力とすると、建物高情報ｈを出力する以下の（８）式で表される関数として振舞う。なお、建物高情報は、対応する緯度及び経度の周辺の建物の高さの平均値、最高値、中央値等である。

ｈ＝ｆ（ｘ，ｙ）・・・（８）

観測誤差算出部３４は、ＧＰＳ受信機１２から出力された衛星仰角、取得された建物高情報、演算された位置座標及び速度に基づいて、擬似距離誤差の範囲及びドップラーシフト誤差の範囲を算出する。

ここで、本実施の形態における擬似距離誤差の範囲を算出する原理について説明する。

図２に示すように、仰角の低い測位衛星からの衛星信号は、ビル等の建物に反射してＧＰＳ受信機１２まで届くため、これが原因で大きなマルチパスによる擬似距離誤差が生じる。一方、仰角の高い測位衛星からの衛星信号は、ビル等の建物に反射しても、反射角が大きいためにＧＰＳ受信機１２に届く前に地表に到達する可能性が高く、マルチパスによる擬似距離誤差を生じにくい。従って、衛星の仰角の情報、及び受信位置周辺のビル等の建物の高さの情報に基づいて、マルチパスによる擬似距離誤差の程度を予測することができる。

図３に示すように、測位衛星からの衛星信号が建物高ｈの建物の最高点で反射してＧＰＳ受信機１２に到達したと仮定すると、反射波と直接波との伝播経路に差が生じ、これがマルチパスの主要な発生原因になる。なお、ここでは、実際にどの高さで衛星信号が反射したかを知ることは困難であるため、後述する理由により、建物高ｈを建物の最高点とした場合について説明する。まず、反射点における入射角φは、以下の（９）式で計算される。

ここで、ｄは測位演算部２６で演算された位置座標を用いて求められるＧＰＳ受信機１２と測位衛星との距離、ＧＰＳ受信機１２の擬似距離算出部２０から出力された擬似距離、または予め定めた固定値であり、θは測位衛星の衛星仰角、及びｌは建物で反射した反射波の建物からの水平方向の到達可能距離である。

一方、反射角φは以下の（１０）式で計算される。

（９）式及び（１０）式よりφを削除すると、到達可能距離ｌは以下の（１１）式で計算される。

このように、測位衛星との距離ｄ、衛星仰角θ、及び反射点（建物高ｈ）が定まると、反射波の到達可能距離ｌは一意に決まり、反射角φも一意に決まる。そして、マルチパスによる擬似距離誤差ｅ_ρ、すなわち反射波と直接波との伝播経路長の差も以下の（１２）式により一意に決まる。

なお、ここでは、建物の最高点で衛星信号が反射する場合について説明したが、受信位置の周辺の建物の高さの平均値、中央値等を用いてもよい。ただし、（１０）〜（１２）式からわかるように、マルチパスの反射位置として仮定した建物高ｈが高いほど、反射点も高くなり、反射波はＧＰＳ受信機１２まで届きやすくなる。実際の反射位置を知ることは困難であっても、少なくとも反射点は建物の高さより高くなることはない。擬似距離誤差が最大となるのは、衛星信号が建物の最高点で反射し、ＧＰＳ受信機１２に届く場合であるので、建物の高さと衛星仰角によって、擬似距離誤差の上限が決定されるといえる。すなわち、建物高ｈを建物の最高点と仮定した場合に、（１２）式により算出される擬似距離誤差ｅ_ρは、擬似距離誤差の最大値となるため、擬似距離誤差の範囲をこの最大値以下であるとして算出することができる。従って、受信位置周辺の建物の最高値を用いて計算すれば、擬似距離誤差も最大となるため、測位精度の信頼度をより厳格に判断することができる。

観測誤差算出部３４では、上記原理に従って、測位衛星との距離ｄを求め、または取得し、距離ｄ、建物高情報取得部３０により取得された建物高情報ｈ、及びＧＰＳ受信機１２から出力された衛星仰角θに基づいて、（１１）式により到達可能距離ｌを求め、求めた到達可能距離ｌ、及び建物高情報ｈに基づいて、（１０）式により反射角φを求める。そして、距離ｄ、衛星仰角θ、及び反射角φに基づいて、（１２）式により擬似距離誤差ｅ_ρを算出する。

次に、本実施の形態におけるドップラーシフト誤差の範囲を算出する原理について説明する。

図４に示すように、測位衛星からの衛星信号がビル表面の高さｈの点で反射してＧＰＳ受信機１２に到達したとすると、車速の衛星方向成分Δｖは、以下の（１３）式で計算される。

また、車速の反射波方向成分Δｖ_ｒｆｌは、以下の（１４）式で計算される。

（１３）式及び（１４）式より、マルチパスによるドップラーシフト誤差ｅ_ｄは、衛星信号に対する相対車速の反射前後の変化分に等しいから、以下の（１５）式で計算される。ドップラーシフト誤差は、擬似距離誤差の場合と異なり、建物高ｈの影響が小さい。

なお、建物高ｈを建物の最高点と仮定した場合に、（１５）式により算出されるドップラーシフト誤差ｅ_ｄは、ドップラーシフト誤差の最大値となるため、ドップラーシフト誤差の範囲をこの最大値以下であるとして算出することができる。

観測誤差算出部３４では、上記原理に従って、測位衛星との距離ｄを求め、または取得し、距離ｄ、建物高情報取得部３０により取得された建物高情報ｈ、及びＧＰＳ受信機１２から出力された衛星仰角θに基づいて、（１１）式により到達可能距離ｌを求め、求めた到達可能距離ｌ、及び建物高情報ｈに基づいて、（１０）式により反射角φを求める。そして、測位演算部２６で演算されたＧＰＳ受信機１２の速度ｖ、衛星仰角θ、及び反射角φに基づいて、（１５）式によりドップラーシフト誤差ｅ_ｄを算出する。なお、速度ｖとして、慣性航法装置４０で検出された自車両の速度を取得して用いてもよい。

誤差補正測位演算部３６は、衛星信号を受信した全ての測位衛星の擬似距離と、観測誤差算出部３４で求めた擬似距離誤差ｅ_ρを使って、誤差を補正した受信位置の位置座標を演算する。例えば、以下の（１６）式のように重み行列を定義し、上記（７）式に重み行列を適用した以下の（１７）式に従って、重み付き最小自乗法により、誤差を補正した受信位置の位置座標を演算する。

ここで、ｅ_ρｉはｉ番目の衛星の擬似距離誤差、Ｗは（ｉ，ｉ）成分がｗ_ｉｉである重み行列である。

また、誤差補正測位演算部３６は、衛星信号を受信した全ての測位衛星のドップラーシフト周波数と、観測誤差算出部３４で求めたドップラーシフト誤差ｅ_ｄを使って、誤差を補正したＧＰＳ受信機１２の速度を演算する。例えば、上記（１６）式と同様に、ドップラーシフト誤差ｅ_ｄから求める重み行列を定義し、重み付き最小自乗法により、誤差を補正したＧＰＳ受信機１２の速度を演算する。

なお、擬似距離誤差ｅ_ρが大きい場合にはドップラーシフト誤差ｅ_ｄも大きいと仮定すれば、上記（１６）式が示す重み行列Ｗを、速度演算に適用してもよい。

また、擬似距離誤差ｅ_ρ及びドップラーシフト誤差ｅ_ｄは、擬似距離誤差の範囲及びドップラーシフト誤差の範囲の最大値であるので、擬似距離誤差ｅ_ρ及びドップラーシフト誤差ｅ_ｄの各々に係数ｋ（０＜ｋ≦１）を乗算した値を擬似距離誤差及びドップラーシフト誤差として、誤差の補正に用いてもよい。

誤差補正測位演算部３６は、演算した受信位置の位置座標及びＧＰＳ受信機１２の速度を外部装置（例えば、測位結果表示装置、車両制御装置、センサ統合装置など）に出力する。

次に、本実施の形態に係る車載測位装置１０の作用について説明する。

ＧＰＳ受信機１２の受信部１８によって、複数の測位衛星から電波を受信しているときに、コンピュータ１４において、図５に示す測位処理ルーチンが繰り返し実行される。

まず、ステップ１００において、ＧＰＳ受信機１２から出力される複数の測位衛星の情報（擬似距離、ドップラーシフト周波数、衛星仰角など）を取得する。

次に、ステップ１０２で、上記ステップ１００で取得された擬似距離の４つ以上を用いて受信位置の位置座標（経度及び緯度）を演算すると共に、上記ステップ１００で取得されたドップラーシフト周波数に基づいて、ＧＰＳ受信機１２の速度を演算する。

次に、ステップ１０４で、上記ステップ１０２で演算された受信位置の位置座標に対応する建物高情報を、建物高情報記憶部２８から取得する。

次に、ステップ１０６で、上記ステップ１０２で演算された位置座標からＧＰＳ受信機１２と測位衛星との距離ｄを求め、求めた距離ｄ、上記ステップ１０４で取得された建物高情報ｈ、及び上記ステップ１００で取得された衛星仰角θに基づいて、（１１）式により到達可能距離ｌを求め、求めた到達可能距離ｌ、及び建物高情報ｈに基づいて、（１０）式により反射角φを求める。そして、距離ｄ、衛星仰角θ、及び反射角φに基づいて、（１２）式により擬似距離誤差ｅ_ρを算出する。

次に、ステップ１０８で、上記ステップ１０２で演算された位置座標からＧＰＳ受信機１２と測位衛星との距離ｄを求め、求めた距離ｄ、上記ステップ１０４で取得された建物高情報ｈ、及び上記ステップ１００で取得された衛星仰角θに基づいて、（１１）式により到達可能距離ｌを求め、求めた到達可能距離ｌ、及び建物高情報ｈに基づいて、（１０）式により反射角φを求める。そして、上記ステップ１０２で演算されたＧＰＳ受信機１２の速度ｖ、衛星仰角θ、及び反射角φに基づいて、（１５）式によりドップラーシフト誤差ｅ_ｄを算出する。

なお、上記ステップ１０６及び１０８において、距離ｄとして、ＧＰＳ受信機１２の擬似距離算出部２０から出力された擬似距離、または予め定めた固定値を用いてもよい。また、上記ステップ１０８において、速度ｖとして、慣性航法装置４０で検出された車速を用いてもよい。

次に、ステップ１１０で、上記ステップ１００で取得された擬似距離と、上記ステップ１０６で算出された擬似距離誤差ｅ_ρとに基づいて、受信位置を演算すると共に、上記ステップ１００で取得されたドップラーシフト周波数と、上記ステップ１０８で算出されたドップラーシフト誤差ｅ_ｄとに基づいて、ＧＰＳ受信機１２の速度を演算して、測位処理ルーチンを終了する。

図６に、実際の擬似距離誤差データ（図中の黒点）、及び本実施の形態の車載測位装置１０により算出された擬似距離誤差（推定値）を示す。パラメータの値として、ｄ＝２．２４ｅ７を示し、同図中において、ｈ＝１００の推定値を実線、ｈ＝５０の推定値を破線で示している。この結果より、衛星仰角が高くなるにつれ、反射波がＧＰＳ受信機１２まで届きにくくなり、擬似距離誤差が出にくいという仮説と、実際の擬似距離誤差データの傾向とが良く一致していることがわかる。また、建物高情報ｈ、すなわち反射点が高くなるほど反射波がＧＰＳ受信機１２まで届きやすくなるため、推定値の誤差の値が大きくなっている。反射点高の最大値は、受信位置周辺の建物の最高値の高さであり、この高さにより擬似距離誤差の上限が決定されているといえる。本実施の形態において算出される擬似距離誤差は、受信位置周辺の最も高い建物の高さを入力することで、発生する擬似距離誤差の上限をよく再現している。

また、図７に、実際のドップラーシフト誤差データ（図中の黒点）、及び本実施の形態の車載測位装置１０により算出されたドップラーシフト誤差（推定値）を示す。パラメータの値として、ｄ＝２．２４ｅ７を示し、同図中において、ｖ＝４０の推定値を実線、ｖ＝６０の推定値を破線で示している。この結果より、擬似距離誤差の場合と同様に、仰角が高くなるにつれ誤差が小さくなるという傾向がよく再現されていることがわかる。しかし、ドップラーシフト誤差の場合は、擬似距離誤差の場合と異なり、反射波がＧＰＳ受信機１２に届きにくいために誤差が生じないというよりも、衛星仰角が高いと衛星信号に対する車両の相対速度が反射波と直接波とでそれほど変化しないため、誤差が生じにくいと考えられる。また、車速ｖが大きくなるにつれ、反射による相対速度変化の影響も大きくなるため、発生するドップラーシフト誤差の値も大きくなっている。すなわち、本実施の形態において算出されるドップラーシフト誤差は、ＧＰＳ受信機１２の速度を入力することで、発生するドップラーシフト誤差の上限及び下限を推定することができ、図７はこの結果をよく示している。

以上説明したように、本実施の形態に係る車載測位装置によれば、受信位置の高さに関する建物高情報、測位衛星との距離、及び衛星仰角に基づいて算出された擬似距離誤差、または建物高情報、ＧＰＳ受信機の速度、及び衛星仰角に基づいて算出されたドップラーシフト誤差を、測位精度の信頼度を示す指標として用いるため、受信位置周辺の詳細、高精度、かつ最新の建物情報を保持する必要がなく、簡易な方法でマルチパスの影響を考慮した信頼性の高い測位結果を得ることができる。

なお、上記実施の形態では、算出された擬似距離誤差またはドップラーシフト誤差を用いた重み行列により、補正された位置座標及び速度を演算する場合について説明したが、算出された擬似距離誤差またはドップラーシフト誤差が小さい測位衛星、例えば、擬似距離誤差またはドップラーシフト誤差が小さい順に４つの測位衛星を選択して、選択された測位衛星から送信された衛星信号を用いて位置座標及び速度を演算するようにしてもよい。

また、上記実施の形態では、擬似距離誤差及びドップラーシフト誤差の双方を算出して、誤差補正した位置座標及び速度を演算する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、擬似距離誤差のみを算出して、誤差補正した位置座標のみを演算するように構成してもよく、また、ドップラーシフト誤差のみを算出して、誤差補正した速度のみを演算するように構成してもよい。

また、擬似距離データではなく、ＧＰＳ電波伝搬時間を用いて、各種演算処理を行うようにしてもよい。

また、上記実施の形態で述べた擬似距離誤差は、測位衛星からの直接波は受信せず、建物で反射した間接波のみが受信されることで発生する値である。直接波及び間接波が両方受信される場合には、出力される擬似距離誤差の値はコリレータの動作に依存する。直接波に対する間接波の遅れδは、本実施の形態で述べた擬似距離誤差に相当する。ＳＭＲ（間接波／直接波振幅比）、及び相関器幅ｗが決まると、直接波及び間接波が両方受信されるときの擬似距離誤差は、以下の（１８）式で計算される。ただし、Ｔはチップ幅である。

図８に、ＳＭＲ＝０．５のときの直接波に対する間接波の遅れと、出力される擬似距離誤差との関係を示す。本実施の形態において、受信位置周辺の最も高い建物の高さを入力することで、発生する擬似距離誤差の上限を推定できるが、下限については推定できない。これをカバーするのが、このコリレータモデルである。コリレータモデルによる誤差下限推定の結果を図９に示す。パラメータの値は、ｄ＝２．２４ｅ７、ｈ＝１００、ＳＭＲ＝０．５、及びｗ＝１である。マルチパスによる擬似距離誤差はほとんど正の値をとり、負の値をとることはまれであるが、その傾向をよく再現している。

１０車載測位装置
１２ＧＰＳ受信機
１４コンピュータ
１８受信部
２０擬似距離算出部
２２ドップラー算出部
２４衛星仰角算出部
２６測位演算部
２８建物高情報記憶部
３０建物高情報取得部
３４観測誤差算出部
３６誤差補正測位演算部
４０慣性航法装置

Claims

複数の異なる測位衛星から送信された衛星信号を受信し、受信した衛星信号に基づいて前記測位衛星の各々から受信位置までの擬似距離を測定するＧＰＳ受信機で測定された前記擬似距離に基づいて、前記受信位置を測位する第１の測位手段と、
前記受信位置周辺の建物の高さに関する建物高情報を取得する建物高取得手段と、
前記建物高情報が示す高さを前記衛星信号のマルチパスによる最高反射位置と仮定して、前記建物高情報、前記測位衛星との距離、及び前記ＧＰＳ受信機で測定された衛星仰角に基づいて、前記複数の測位衛星の各々の擬似距離誤差の範囲を算出する擬似距離誤差算出手段と、
前記擬似距離誤差算出手段によって算出された前記複数の測位衛星の各々の擬似距離誤差の範囲に含まれる擬似距離誤差を用いて、前記受信位置を測位する第２の測位手段と、
を含む測位装置。
前記第２の測位手段は、前記擬似距離誤差算出手段によって算出された擬似距離誤差の範囲に含まれる擬似距離誤差が小さい測位衛星の擬似距離を選択して前記受信位置を測位するか、または前記擬似距離の各々に、前記擬似距離誤差算出手段によって算出された擬似距離誤差の範囲に応じた重み付けを行って前記受信位置を測位する請求項１記載の測位装置。
複数の異なる測位衛星から送信された衛星信号を受信し、受信した衛星信号に基づいて前記測位衛星の各々からの衛星信号のドップラーシフトを測定するＧＰＳ受信機で測定された前記ドップラーシフトに基づいて、前記ＧＰＳ受信機の速度を推定する第１の速度推定手段と、
前記衛星信号を受信した受信位置周辺の建物の高さに関する建物高情報を取得する建物高取得手段と、
前記建物高情報が示す高さを前記衛星信号のマルチパスによる最高反射位置と仮定して、前記建物高情報、前記測位衛星との距離、ＧＰＳ受信機の速度、及び前記ＧＰＳ受信機で測定された衛星仰角に基づいて、前記複数の測位衛星の各々のドップラーシフト誤差の範囲を算出するドップラーシフト誤差算出手段と、
前記ドップラーシフト誤差算出手段によって算出された前記複数の測位衛星の各々のドップラーシフト誤差の範囲に含まれるドップラーシフト誤差を用いて、前記ＧＰＳ受信機の速度を推定する第２の速度推定手段と、
を含む測位装置。
前記第２の速度推定手段は、前記ドップラーシフト誤差算出手段によって算出されたドップラーシフト誤差の範囲に含まれるドップラーシフト誤差が小さい測位衛星のドップラーシフトを選択して前記ＧＰＳ受信機の速度を測位するか、または前記ドップラーシフトの各々に、前記ドップラーシフト誤差算出手段によって算出されたドップラーシフト誤差の範囲に応じた重み付けを行って前記ＧＰＳ受信機の速度を推定する請求項３記載の測位装置。
前記建物高取得手段は、前記受信位置周辺の建物の高さを検出するセンサから出力される建物高情報を取得するか、または予め経度及び緯度に対する建物高情報を記憶しておき、記憶された建物高情報から前記受信位置に対応した建物高情報を取得する請求項１〜請求項４のいずれか１項記載の測位装置。
コンピュータを、
複数の異なる測位衛星から送信された衛星信号を受信し、受信した衛星信号に基づいて前記測位衛星の各々から受信位置までの擬似距離を測定するＧＰＳ受信機で測定された前記擬似距離に基づいて、前記受信位置を測位する第１の測位手段、
前記受信位置周辺の建物の高さに関する建物高情報を取得する建物高取得手段、
前記建物高情報が示す高さを前記衛星信号のマルチパスによる最高反射位置と仮定して、前記建物高情報、前記測位衛星との距離、及び前記ＧＰＳ受信機で測定された衛星仰角に基づいて、前記複数の測位衛星の各々の擬似距離誤差の範囲を算出する擬似距離誤差算出手段、及び
前記擬似距離誤差算出手段によって算出された前記複数の測位衛星の各々の擬似距離誤差の範囲に含まれる擬似距離誤差を用いて、前記受信位置を測位する第２の測位手段
として機能させるための測位プログラム。
コンピュータを、
複数の異なる測位衛星から送信された衛星信号を受信し、受信した衛星信号に基づいて前記測位衛星の各々からの衛星信号のドップラーシフトを測定するＧＰＳ受信機で測定された前記ドップラーシフトに基づいて、前記ＧＰＳ受信機の速度を推定する第１の速度推定手段、
前記衛星信号を受信した受信位置周辺の建物の高さに関する建物高情報を取得する建物高取得手段、
前記建物高情報が示す高さを前記衛星信号のマルチパスによる最高反射位置と仮定して、前記建物高情報、前記測位衛星との距離、ＧＰＳ受信機の速度、及び前記ＧＰＳ受信機で測定された衛星仰角に基づいて、前記複数の測位衛星の各々のドップラーシフト誤差の範囲を算出するドップラーシフト誤差算出手段、及び
前記ドップラーシフト誤差算出手段によって算出された前記複数の測位衛星の各々のドップラーシフト誤差の範囲に含まれるドップラーシフト誤差を用いて、前記ＧＰＳ受信機の速度を推定する第２の速度推定手段
として機能させるための測位プログラム。
コンピュータを、請求項１〜請求項５のいずれか１項記載の測位装置を構成する各手段として機能させるための測位プログラム。