JP2012047496A - Gps satellite position calculation method and apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、GPS(Global Positioning System)衛星が発信した信号を受信し、地平線上における位置が既知の基準点からGPS衛星の位置を算出する、GPS衛星位置算出方法及び装置に関する。 The present invention relates to a GPS satellite position calculation method and apparatus for receiving a signal transmitted from a GPS (Global Positioning System) satellite and calculating the position of the GPS satellite from a reference point whose position on the horizon is known.
通常、GPS受信機が位置検出を行うためには、GPS衛星までの距離と、GPS衛星の位置とを知る必要がある。GPS衛星から送られてくる信号には、航法メッセージと呼ばれるデータ(以下、航法データという)が変調されており、この航法データの中には軌道情報が含まれている。 Usually, in order for the GPS receiver to detect the position, it is necessary to know the distance to the GPS satellite and the position of the GPS satellite. In the signal sent from the GPS satellite, data called a navigation message (hereinafter referred to as navigation data) is modulated, and the navigation data includes orbit information.
GPS受信機は、複数のGPS衛星から航法データを受信し、GPS衛星の位置や、GPS衛星から基準点までの距離を測定することにより、例えば、自動車、船舶、航空機、作業用車両、携帯端末等、基準点となる移動体の位置を検出する。 A GPS receiver receives navigation data from a plurality of GPS satellites, and measures the position of the GPS satellite and the distance from the GPS satellite to a reference point, for example, an automobile, a ship, an aircraft, a work vehicle, a portable terminal For example, the position of the moving body as a reference point is detected.
ところで、GPS受信機では、GPS衛星から信号が発せられる発信時刻と、この信号を受信した受信時刻とで時間差Δtが発生する。この場合、GPS受信機が備えている時計と、GPS衛星が備えている原子時計との間で時刻が完全に一致していれば、電波の伝播時間だけ遅れて航法データを受信することになる。従って、GPS受信機は、この電波の伝播時間に光速(電磁場の伝搬速度)を乗算すれば、GPS衛星との間の距離を算出することができる。 By the way, in the GPS receiver, a time difference Δt is generated between a transmission time when a signal is transmitted from a GPS satellite and a reception time when the signal is received. In this case, if the time completely matches between the clock provided to the GPS receiver and the atomic clock provided to the GPS satellite, the navigation data is received with a delay of the radio wave propagation time. . Therefore, the GPS receiver can calculate the distance to the GPS satellite by multiplying the propagation time of the radio wave by the speed of light (the propagation speed of the electromagnetic field).
しかしながら、双方の時計の間で時刻が完全には一致していない場合が多い。このため、GPS受信機は、GPS衛星までの距離を、「疑似距離(Pseudo-range)」として算出ている。ここで、「疑似距離」とは、GPS衛星からGPS受信機までの正確な距離に、GPS受信機の時計の進みによる誤差が加わって測定されるものである。つまり、GPS受信機は、信号を受信した時刻から、GPS衛星が信号を発信した時刻を減算して得られる伝播時間に、光速を乗算することによって疑似距離を算出している。又、各GPS衛星の位置は、航法データのエフェメリスを受信することにより算出され、GPS衛星の発信時刻における位置と、算出された疑似距離とから3次元で基準点の位置を算出することになる(例えば、特許文献1参照)。 However, in many cases, the time is not exactly the same between both watches. For this reason, the GPS receiver calculates the distance to the GPS satellite as a “pseudo-range”. Here, the “pseudo distance” is measured by adding an error due to the advance of the clock of the GPS receiver to an accurate distance from the GPS satellite to the GPS receiver. That is, the GPS receiver calculates the pseudo distance by multiplying the propagation time obtained by subtracting the time when the GPS satellite transmits the signal from the time when the signal is received, by the speed of light. The position of each GPS satellite is calculated by receiving the ephemeris of the navigation data, and the position of the reference point is calculated in three dimensions from the position of the GPS satellite at the transmission time and the calculated pseudo distance. (For example, refer to Patent Document 1).
GPSで用いられる航法データのエフェメリスは、例えば、図7に示されるように、位置情報が既知である地上に位置する5つの基準点であるモニタ受信局(GPS受信機105〜109)の観測データ等に基づき決定される。測定点の位置は、GPS衛星101の位置から算出されるため、GPS衛星101の位置は非常に重要であり、現在は約2時間毎に更新されている。測定点が有するGPS受信機は、GPS衛星101の発信時の位置と疑似距離とから3次元で現在位置を算出することになる。
The ephemeris of navigation data used in GPS is, for example, as shown in FIG. Determined based on the above. Since the position of the measurement point is calculated from the position of the
ところで、GPS受信機は、上記した時間誤差Δtが少なければ、GPS衛星からの信号による3次元xyzの3変数で基準点の位置を算出できるはずである。しかしながら、時間誤差Δtが非常に大きいため、3次元xyzの3変数に時間誤差Δtの1変数を加えた4変数を用いて測定点の現在位置を算出する技術が知られている。例えば、図8に示すように、GPS受信機105は、最低でも4台のGPS衛星101〜104からの航法データの受信を必要とする。
By the way, if the above-mentioned time error Δt is small, the GPS receiver should be able to calculate the position of the reference point using the three-dimensional xyz three variables based on the signal from the GPS satellite. However, since the time error Δt is very large, a technique for calculating the current position of the measurement point using four variables obtained by adding one variable of the time error Δt to three variables of the three-dimensional xyz is known. For example, as shown in FIG. 8, the
また、4台以上のGPS衛星からの航法データを用いる方法がある(例えば、特許文献2参照)。これらの技術によれば、いずれも算出した疑似距離に大きな誤差が生じるため、測位精度の向上に限界があった。そこで、図9に示すように、参照する地上の基地局(固定局受信機110)での測位結果であるディファレンシャルデータから疑似距離の誤差を推定する方法等、精度を高めるために様々な方法が提案されている。しかしながら、これらの方法はシステムの複雑化を招き、計算時間やコストが増大化する等の欠点があった。 There is also a method using navigation data from four or more GPS satellites (see, for example, Patent Document 2). According to these techniques, since a large error occurs in the calculated pseudo distance, there is a limit in improving the positioning accuracy. Therefore, as shown in FIG. 9, there are various methods for improving accuracy, such as a method of estimating an error in pseudorange from differential data that is a positioning result at a reference base station (fixed station receiver 110). Proposed. However, these methods have disadvantages such as increasing the complexity of the system and increasing the calculation time and cost.
誤差の要因として、GPS衛星では時計の誤差や軌道の誤差、信号伝播では電離層屈折や対流圏屈折、そして、GPS受信機ではアンテナ位相中心の変化、時計の誤差、マルチパス等が考えられる。又、時計の誤差には、時計自身の誤差によるものと、相対論効果と呼ばれる特殊相対論や一般相対論による時間遅れ等が含まれる。更に、ランダムノイズの影響も考えられる。 Possible causes of errors include clock errors and orbit errors in GPS satellites, ionospheric refraction and tropospheric refraction in signal propagation, and changes in antenna phase center, clock errors, and multipaths in GPS receivers. In addition, the clock error includes a time error due to the error of the clock itself, a special relativity called a relativistic effect, and a general relativity. Furthermore, the influence of random noise can be considered.
これらの誤差による影響を抑制するため、従来多くの試みがなされている。しかしながら、現状は、決め手となる対策が存在せず、未だに試行錯誤がなされている状況にある。そのため、上述したように、4台以上のGPS衛星からデータを取得し、あるいは、参照する地上の基地局での測位結果から疑似距離を推定する方法がとられている。
又、例えば、図10に、仰角と測距誤差との関係がグラフで示されているように、誤差の要因として、仰角(あるいは天頂角)に対する依存特性が明らかになっている。このため、比較的に測距離誤差の少ない、仰角が大きいGPS衛星のデータを優先的に使用するのが一般的であり、これら誤差のために疑似距離の計算方法やシステムが複雑化している。
Many attempts have been made to suppress the influence of these errors. However, at present, there are no decisive measures, and there is still trial and error. Therefore, as described above, a method is used in which data is acquired from four or more GPS satellites, or a pseudo distance is estimated from a positioning result at a reference ground base station.
Further, for example, as shown in FIG. 10, the relationship between the elevation angle and the distance measurement error is shown in a graph, and the dependence characteristic on the elevation angle (or zenith angle) is clarified as a factor of the error. For this reason, it is common to preferentially use GPS satellite data with a relatively small distance measurement error and a large elevation angle, and these errors complicate the pseudorange calculation method and system.
本発明は、疑似距離の計算方法を簡素化しつつ計算精度の向上を図り、結果的にGPS衛星の位置検出精度の改善が可能な技術を提供することを課題とする。 It is an object of the present invention to provide a technique capable of improving the calculation accuracy while simplifying the pseudo distance calculation method and consequently improving the GPS satellite position detection accuracy.
請求項1に係る発明では、少なくとも3基のGPS衛星が発信した信号を受信機によって受信し、地平線上における位置Oが既知の基準点に基づき信号の発信時刻tbにおけるGPS衛星の位置Aを演算器によって算出するGPS衛星位置算出方法であって、信号から、信号の発信時刻tbと、軌道速度vと、高度hとを含む軌道情報を取得する第1のステップと、受信時刻trでのGPS衛星の位置Bを、受信時刻trと発信時刻tbとの時間差と軌道速度vとから算出し、GPS衛星の位置Bと基準点の位置Oとを結ぶ線分が地平線に対してなす角度αを算出する第2のステップと、基準点OからGPS衛星の位置Bまでの距離ctと、高度hと、角度αとに基づき、基準点の位置OからGPS衛星の信号の発信時刻tbにおける位置Aまでの距離csを算出する第3のステップと、基準点の位置Oから少なくとも3基のGPS衛星の信号の発信時刻における位置Aまでの距離csのそれぞれからGPS衛星の前記位置Aを算出する第4のステップと、を有することを特徴とする。
In the invention according to
請求項2に係る発明では、少なくとも3基のGPS衛星が発信した信号を受信機によって受信し、地平線上における位置Oが既知の基準点に基づき信号の受信時刻trにおけるGPS衛星の位置Bを演算器によって算出するGPS衛星位置算出方法であって、信号から、信号の発信時刻tbと、軌道速度vと、高度hとを含む軌道情報を取得する第1のステップと、受信時刻trでのGPS衛星の位置Bを、受信時刻trと発信時刻tbとの時間差と軌道速度とから算出する第2のステップと、基準点の位置OからGPS衛星の信号の受信時刻trにおける位置Bまでの距離ctを算出する第3のステップと、基準点の位置Oから少なくとも3基のGPS衛星の位置Bまでのそれぞれの距離ctからGPS衛星の位置Bを算出する第4のステップと、を有することを特徴とする。
In the invention according to
請求項3に係る発明では、少なくとも3基のGPS衛星が発信した信号を受信し、地平線上における位置Oが既知の基準点から信号の発信時刻tbにおけるGPS衛星の位置Aを算出するGPS衛星位置算出装置であって、信号から、信号の発信時刻tbと、軌道速度vと、高度hとを含む軌道情報を取得する航法データ取得部と、受信時刻trでのGPS衛星の位置Bを、受信時刻trと発信時刻tbとの時間差と軌道速度vとから算出し、GPS衛星の位置Bと基準点の位置Oとを結ぶ線分が地平線に対してなす角度αを算出する仰角算出部と、基準点OからGPS衛星の位置Bまでの距離ctと、高度hと、角度αとに基づき、基準点の位置OからGPS衛星の信号の発信時刻tbにおける位置Aまでの距離csを算出する疑似距離算出部と、基準点の位置Oから少なくとも3基のGPS衛星の信号の発信時刻tbにおける位置Aまでの距離csのそれぞれからGPS衛星の位置Aを算出する衛星位置算出部と、を有することを特徴とする。 In the invention according to claim 3, a GPS satellite position that receives a signal transmitted from at least three GPS satellites and calculates a position A of the GPS satellite at a signal transmission time tb from a reference point whose position O on the horizon is known. A calculation device that receives a navigation data acquisition unit that acquires orbit information including a signal transmission time tb, an orbital velocity v, and an altitude h from a signal, and a GPS satellite position B at the reception time tr An elevation angle calculation unit for calculating an angle α formed by a line segment connecting the position B of the GPS satellite and the position O of the reference point with respect to the horizon, calculated from the time difference between the time tr and the transmission time tb and the orbital velocity v; Based on the distance ct from the reference point O to the position B of the GPS satellite, the altitude h, and the angle α, a pseudo value for calculating the distance cs from the position O of the reference point to the position A at the GPS satellite signal transmission time tb. Distance calculation And a satellite position calculation unit that calculates the position A of the GPS satellite from each of the distances cs from the position O of the reference point to the position A at the transmission time tb of at least three GPS satellite signals. And
請求項4に係る発明では、少なくとも3基のGPS衛星が発信した信号を受信し、地平線上における位置Oが既知の基準点から信号の受信時刻tbにおけるGPS衛星の位置Bを算出するGPS衛星位置算出装置であって、信号から、信号の発信時刻tbと、軌道速度vと、高度hとを含む軌道情報を取得する航法データ取得部と、受信時刻trでのGPS衛星の位置Bを、受信時刻trと発信時刻tbとの時間差と軌道速度vとから算出し、基準点の位置OからGPS衛星の信号の受信時刻における位置Bまでの距離ctを算出する疑似距離算出部と、基準点の位置Oから少なくとも3基のGPS衛星の位置Bまでのそれぞれの距離ctからGPS衛星の位置Bを算出する衛星位置算出部と、を有することを特徴とする。 In the invention according to claim 4, a GPS satellite position that receives a signal transmitted from at least three GPS satellites and calculates a position B of the GPS satellite at a signal reception time tb from a reference point whose position O on the horizon is known. A calculation device that receives a navigation data acquisition unit that acquires orbit information including a signal transmission time tb, an orbital velocity v, and an altitude h from a signal, and a GPS satellite position B at the reception time tr A pseudo distance calculation unit that calculates a distance ct from the position O of the reference point to the position B at the reception time of the GPS satellite signal, calculated from the time difference between the time tr and the transmission time tb and the orbital velocity v; A satellite position calculating unit that calculates the position B of the GPS satellite from each distance ct from the position O to the position B of at least three GPS satellites.
請求項1に係る発明によれば、信号を発信した時刻tbにおけるGPS衛星の位置Aと基準点の位置Oとを結ぶ距離を疑似距離として用い、GPS衛星の位置Aを算出するため、信号受信刻trにおけるGPS衛星の位置Bと基準点の位置Oとの間の距離ctを疑似距離としてGPS衛星の位置Aを算出していた従来の方法に比べ、疑似距離の計算方法を簡素化しつつ計算精度の向上を図り、結果的にGPS衛星の位置検出精度の改善が可能になる。また、GPS衛星の発信時刻trにおける位置Aを算出するにあたり、地上の複数の既地局からの観測データを不要とするため、計算方法が簡素化される。 According to the first aspect of the present invention, since the distance connecting the position A of the GPS satellite and the position O of the reference point at the time tb when the signal is transmitted is used as the pseudo distance, the position A of the GPS satellite is calculated. Compared to the conventional method of calculating the GPS satellite position A using the distance ct between the GPS satellite position B and the reference point position O at tr as the pseudo distance, the calculation method of the pseudo distance is simplified. The accuracy can be improved, and as a result, the position detection accuracy of the GPS satellite can be improved. In addition, when calculating the position A of the GPS satellite at the transmission time tr, observation data from a plurality of existing stations on the ground is not required, so that the calculation method is simplified.
請求項2に係る発明によれば、信号を受信した時刻trにおけるGPS衛星の位置Bと基準点の位置O間の距離ctを疑似距離として用い、GPS衛星の位置Bを算出するため、信号発信時刻tbにおけるGPS衛星の位置Aと基準点の位置O間との間の距離csを疑似距離としてGPS衛星の位置Bを算出していた従来の方法に比べ、疑似距離の計算方法を簡素化しつつ計算精度の向上を図り、結果的にGPS衛星の位置検出精度の改善が可能になる。また、GPS衛星の信号受信時刻trにおける位置Bを算出するにあたり、地上の複数の既地局からの観測データを不要とするため、計算方法が簡素化される。 According to the second aspect of the present invention, the GPS satellite position B is calculated by using the distance ct between the GPS satellite position B and the reference point position O at the time tr when the signal is received as the pseudo distance. Compared to the conventional method of calculating the GPS satellite position B using the distance cs between the GPS satellite position A and the reference point position O at the time tb as a pseudo distance, the pseudo distance calculation method is simplified. The calculation accuracy can be improved, and as a result, the position detection accuracy of the GPS satellite can be improved. In addition, in calculating the position B of the GPS satellite signal reception time tr, observation data from a plurality of existing stations on the ground is not required, so that the calculation method is simplified.
請求項3に係る発明によれば、衛星位置算出部が、信号を発信した時刻tbにおけるGPS衛星の位置Aと基準点の位置O間との間の距離csを疑似距離とし、GPS衛星の信号発信時刻tbにおける位置Aを算出するため、信号受信時刻trにおけるGPS衛星の位置Bと基準点の位置Oとの間の距離ctを疑似距離としてGPS衛星の位置Aを算出していた従来のGPS衛星位置算出装置に比べて、疑似距離の計算方法を簡素化しつつ計算精度の向上を図り、結果的にGPS衛星の位置検出精度の改善を可能としたGPS衛星位置算出装置を提供することができる。また、GPS衛星の信号発信時刻tbにおける位置Aを算出するにあたり、地上の複数の既地局からの観測データを不要とするため、計算負荷を軽減したGPS衛星位置算出装置を提供することができる。 According to the third aspect of the invention, the satellite position calculation unit uses the distance cs between the position A of the GPS satellite and the position O of the reference point at the time tb when the signal is transmitted as a pseudo distance, and the signal of the GPS satellite In order to calculate the position A at the transmission time tb, the conventional GPS that calculates the position A of the GPS satellite using the distance ct between the position B of the GPS satellite and the position O of the reference point at the signal reception time tr as a pseudo distance. As compared with the satellite position calculation device, it is possible to provide a GPS satellite position calculation device that can improve the calculation accuracy while simplifying the pseudo distance calculation method, and consequently improve the position detection accuracy of the GPS satellite. . In addition, since the observation data from a plurality of ground stations on the ground is not necessary for calculating the position A at the signal transmission time tb of the GPS satellite, it is possible to provide a GPS satellite position calculation device that reduces the calculation load. .
請求項4に係る発明によれば、衛星位置算出部が、信号を受信した時刻trにおけるGPS衛星の位置Bと基準点の位置Oとの間の距離ctを疑似距離として用い、GPS衛星の位置Bを算出するため、信号発信時のGPS衛星の位置Aと基準点の位置Oとの間の距離csを疑似距離としてGPS衛星の位置Bを算出していた従来のGPS衛星位置算出装置に比べ、疑似距離の計算方法を簡素化しつつ計算精度の向上を図り、結果的にGPS衛星の位置検出精度の改善を可能にしたGPS衛星位置算出装置を提供することができる。また、GPS衛星の信号受信時刻trにおける位置Bを算出するにあたり、地上の複数の既地局からの観測データを不要とするため、計算負荷が軽減される。 According to the invention of claim 4, the satellite position calculation unit uses the distance ct between the GPS satellite position B and the reference point position O at the time tr when the signal is received as a pseudo-range, Compared with the conventional GPS satellite position calculation device that calculates the position B of the GPS satellite using the distance cs between the position A of the GPS satellite at the time of signal transmission and the position O of the reference point as a pseudo distance in order to calculate B. Thus, it is possible to provide a GPS satellite position calculation device that can improve the calculation accuracy while simplifying the calculation method of the pseudo distance, and consequently improve the position detection accuracy of the GPS satellite. In addition, when calculating the position B of the GPS satellite signal reception time tr, observation data from a plurality of existing stations on the ground is not required, so the calculation load is reduced.
本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
先ず、本発明の実施例1を図面に基づいて説明する。
(実施例1の構成)
図1に示すように、本発明の実施例1に係るGPS衛星位置算出装置10は、受信機11と、アナログ・デジタル変換器12(A/D(analog/digital)変換器12)と、相関器13と、演算器14と、制御部15と、記憶部16と、により構成される。尚、受信機11は、アンテナ11aと、高周波回路11b(以降ではRF(Radio Frequency Circuit)回路11bという)とによって構成される。
First,
(Configuration of Example 1)
As shown in FIG. 1, a GPS satellite
RF回路11bは、少なくとも3基のGPS衛星21〜23から発せられた信号(電波)をアンテナ11aを介して受信し、中間周波数帯(IF:Intermediate Frequency)の信号にダウンコンバートしてA/D変換器12へ出力する。
The
A/D変換器12は、RF回路11bから出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換して相関器13及び制御部15に出力する。
The A /
相関器13は、入力したデジタル信号に基づき受信周波数を検出する。具体的に、相関器13は、A/D変換器12が出力するデジタル信号をGPS衛星のC/A(Coarse and Access)コードから復調し、電波伝播遅れを算出する。
The
制御部15は、A/D変換器12から出力されたデジタル信号から航法データを取得して演算器14に出力すると共に、演算器14に対し、疑似距離の演算を含む測位指令を発して、演算器14に疑似距離の演算、及び測位演算を行わせる機能を有する。
The
ところで、GPS測位に用いられる航法データには、「アルマナックデータ」と「エフェメリスデータ」とが含まれている。 By the way, the navigation data used for GPS positioning includes “almanac data” and “ephemeris data”.
「アルマナックデータ」には、全てのGPS衛星の概略位置がわかるパラメータが記述されており、約2週間使用することができる。この時間制限は、GPS衛星の軌道が時間と共にずれていくことによる制限であり、データの有効期間に相当する。「エフェメリスデータ」は、各衛星軌道情報の詳細なパラメータを記述したデータであり、制御部15が各GPS衛星の位置を算出する際に用いられる。なお、エフェメリスデータの制限時間は約2時間である。
“Almanac data” describes parameters that indicate the approximate positions of all GPS satellites, and can be used for about two weeks. This time limit is a limit due to the GPS satellite orbit shifting with time, and corresponds to the valid period of data. “Ephemeris data” is data describing detailed parameters of each satellite orbit information, and is used when the
演算器14は、制御部15によるプログラム制御の下で、以下の第1のステップから第4のステップの処理を実行する。
The
具体的に、第1のステップでは、RF回路11bが受信した信号に含まれる航法データから、信号を発信した時刻tbにおける3基のGPS衛星21〜23の各位置A1、A2、A3(以下、総称して位置Aと記す)と、各GPS衛星21〜23が信号を発信した時刻tb1、tb2、tb3(以下、総称してtbと記す)と、各GPS衛星21〜23の軌道速度v1、v2、v3(以下、総称してvと記す)と、各GPS衛星21〜23が信号を発信した時刻における高度h1、h2、h3(以下、総称してhと記す)とを含む軌道情報を取得する。
Specifically, in the first step, from the navigation data included in the signal received by the
次の第2のステップでは、第1のステップで取得した受信時刻trにおける各GPS衛星21〜23の各位置B1、B2、B3(以下、総称して位置Bと記す)を、この受信時刻trと発信時刻tbとの時間差(t=tr−tb)と軌道速度vとから算出し、このGPS衛星の位置Bと基準点の位置Oとを結ぶ線分が地平線に対してなす角度α1、α2、α3(以下、総称してαと記す)を算出する。尚、ここで、基準点の位置Oとは、地平線上における位置が既知の固定局の位置Oとする。
In the next second step, the positions B1, B2, and B3 (hereinafter collectively referred to as position B) of the
次の第3のステップでは、第2のステップで算出した基準点OからGPS衛星の位置Bまでの距離ct1、ct2、ct3(以下、総称してctと記す)と、第1のステップで取得した各々のGPS衛星21〜23の高度hと、第2のステップで算出した角度αとに基づき、信号発信時刻tbにおける各GPS衛星21〜23の位置Aと基準点の位置Oとの間の距離csを演算することによって疑似距離を算出する。
In the next third step, distances ct1, ct2, and ct3 (hereinafter collectively referred to as ct) from the reference point O calculated in the second step to the position B of the GPS satellite are acquired in the first step. Based on the altitude h of each of the
次の第4ステップでは、第3のステップで算出した3基のGPS衛星21〜23の位置Aと基準点の位置O間の距離csからGPS衛星の発信時刻tbにおける位置Aを算出する。
In the next fourth step, the position A at the GPS satellite transmission time tb is calculated from the distance cs between the position A of the three
上記した第1のステップ〜第4のステップは、予めプログラミングされ、記憶部16に格納されているものとする。制御部15は、例えば、マイクロプロセッサにより構成されており、記憶部16に格納されたプログラムを逐次読み出し実行することにより、演算器14に、上記した角度α、距離cs(疑似距離)を算出させ、最終的に、GPS衛星の発信時刻tbにおける位置Aを算出する。
The first to fourth steps described above are programmed in advance and stored in the
記憶部16には、他に、制御部15により参照される、地球の中心位置と半径r、GPS信号の受信対象となるGPS衛星21〜23の周波数、及び光速c等の情報も格納されている。
In addition, the
尚、上記した角度α、距離cs(疑似距離)、及びGPS衛星の発信時刻tbにおける位置Aの算出は、いずれも制御部15による制御の下で、演算器14が実行するものとして説明するが、演算器14に代わって制御部15が実行しても良い。
The calculation of the angle α, the distance cs (pseudo distance), and the position A at the GPS satellite transmission time tb will all be described as being performed by the
(実施例1の動作)
以下、本発明の実施例1に係るGPS衛星位置算出装置10についての動作説明を行うが、その前に、実施例を説明する上で基本となるGPS測位演算の考え方について、図2、図3を用いて簡単に説明する。
(Operation of Example 1)
Hereinafter, the operation of the GPS satellite
ここでは、図2(a)に示すように、時刻0(Time=0)で、位置AにいるGPS衛星から発せられる信号を、基準点に位置するGPS衛星位置算出装置10で受信する場合を想定する。GPS衛星位置算出装置10がその信号を受信する時刻において、GPS衛星は、既に位置Aにはなく、位置Bに移動している。尚、図2(a)において、GPS衛星は記号Sで示されている。
Here, as shown in FIG. 2A, a case where a GPS satellite
この様子を、図2(b)に四角形(平行四辺形)の点線で示すK座標と、図2(c)に四角形の点線で示すQ座標で説明する。 This state will be described with reference to a K coordinate indicated by a square (parallelogram) dotted line in FIG. 2B and a Q coordinate indicated by a rectangular dotted line in FIG.
図2(b)によれば、K座標の対角にO点とB点がある。また、図2(c)によれば、Q座標の上辺の右側にA点がある。K座標はQ座標に対して速度vで右方向に運動している。ここで、GPS衛星Sは、常にK座標のB点にある。この2つの慣性系(慣性の法則が成立する座標系)が、Time=0で重なっている様子を図2(d)に示す。 According to FIG. 2B, there are an O point and a B point on the diagonal of the K coordinate. Further, according to FIG. 2C, there is a point A on the right side of the upper side of the Q coordinate. The K coordinate moves in the right direction at a velocity v with respect to the Q coordinate. Here, the GPS satellite S is always at the B point of the K coordinate. FIG. 2D shows a state in which these two inertia systems (a coordinate system in which the law of inertia is established) are overlapped at Time = 0.
図2(d)において、位置Aと位置Bは重なっている。この状態で、Time=0の時刻で、K慣性系のA点からO点に向け、GPS衛星が電波伝搬速度(光速c)で信号を発したとすれば、時刻t(Time=t)でその信号がO点に到達する。このように、B点とO点の距離はctになるように設定してある。また、O点とP点の間の距離は、vtになるように設定してある。
In FIG. 2 (d), position A and position B overlap. In this state, if a GPS satellite emits a signal at a radio wave propagation speed (light velocity c) from time A to point O of the K inertial system at
Time=tで、O点とP点が重なったときの様子を図2(e)に示す。図2(e)によれば、GPS衛星によりB点から発信される信号はO点に到達する。別のQ慣性系に位置するGPS衛星位置算出装置10は、A点から発せられる信号がP点に到達したように見える。このとき、Q慣性系でも信号は光速で伝播するため、A点からP点までの距離をcsとする。
FIG. 2 (e) shows the situation when the point O and the point P overlap when Time = t. According to FIG.2 (e), the signal transmitted from the B point by the GPS satellite reaches the O point. The GPS satellite
図2(e)の慣性系で示す信号と運動の関係に角度を反映させたものが図3に示されている。ここでは、GPS衛星の信号発信時の仰角(地平線eに対する、GPS衛星Sの基準位置Aと基準点の位置Oとを結ぶ線分の角度)がβ、その信号をGPS衛星位置算出装置10が受信する時刻での仰角(地平線eに対する、GPS衛星の現在位置Bと基準点の位置Oとを結ぶ線分の角度)がαである。尚、GPS衛星Sの高度はhであり、この高度h他、軌道速度v、時刻tに関する情報は、いずれもGPS衛星Sから発信される航法データに含まれている。
FIG. 3 shows an angle reflected in the relationship between the signal and the motion shown by the inertial system in FIG. Here, the elevation angle at the time of signal transmission of the GPS satellite (the angle of the line segment connecting the reference position A of the GPS satellite S and the position O of the reference point with respect to the horizon e) is β, and the GPS satellite
図3から、距離csは、直角三角形△OACに基づく3平方の定理から以下の演算式(1)で表現することができる。 From FIG. 3, the distance cs can be expressed by the following arithmetic expression (1) from the three-square theorem based on the right triangle ΔOAC.
ここで、ct・sinαは、高度hに等しい。そして、2つの直角三角形△OBDと、△OACの長さの関係式であるct・sinα=cs・sinβに、上記の演算式(1)を代入すると、次の関係式(2)が導出される。これを更に変形すると、次の角度関係式(3)が導出される。続いてこの角度関係式(3)に対して上記の長さの関係式を考慮すると、次の時間変化式(4)が導出される。 Here, ct · sin α is equal to the height h. Then, by substituting the above equation (1) into ct · sin α = cs · sin β, which is the relational expression between the two right triangles ΔOBD and ΔOAC, the following relational expression (2) is derived. The When this is further modified, the following angular relational expression (3) is derived. Subsequently, when the above length relational expression is considered with respect to this angular relational expression (3), the following time change expression (4) is derived.
上記の角度関係式(3)に従い、GPS衛星Sの位置Bと基準点の位置Oとを結ぶ線分の地平線eに対する角度αと、GPS衛星の基準位置Aと基準点の位置Oとを結ぶ線分の地平線eに対する角度βとを算出することができる。そして、この角度関係式(3)で算出された角度αから、GPS衛星Sからの信号受信時における基準点とGPS衛星Sとの間の疑似距離csが次の関係式(5)により求まる。 In accordance with the above angle relation (3), the angle α with respect to the horizon e of the line segment connecting the position B of the GPS satellite S and the position O of the reference point and the reference position A of the GPS satellite and the position O of the reference point are connected. An angle β with respect to the horizon e of the line segment can be calculated. Then, the pseudo distance cs between the reference point and the GPS satellite S at the time of signal reception from the GPS satellite S is obtained from the angle α calculated by the angle relational expression (3) by the following relational expression (5).
ところで、上記した角度関係式(3)で、β=π/2の場合α=cos−1(v/c)となり、このときの時間変化式(4)は、次の演算式(6)に変形される。 By the way, in the above-described angular relational expression (3), when β = π / 2, α = cos −1 (v / c), and the time variation expression (4) at this time is expressed by the following arithmetic expression (6) Deformed.
上記の演算式(6)は特殊相対論による時間遅れと一致する。つまり、特殊相対論では角度αと角度βとの関係が考慮できないことを示している。このため、従来は、図8のグラフに示したように、仰角が大きい衛星からの信号に基づいて疑似距離を算出しないと誤差が大きくなる傾向があった。この傾向は、従来誤差として報告されている天頂角遅延量に類似している。即ち、天頂角が大きくなるにつれてその遅延量も概ね1/cosの割合で大きくなるため誤差も大きくなっている。 The above arithmetic expression (6) coincides with the time delay due to the special relativity. That is, the special relativity indicates that the relationship between the angle α and the angle β cannot be considered. For this reason, conventionally, as shown in the graph of FIG. 8, the error tends to increase unless the pseudorange is calculated based on a signal from a satellite having a large elevation angle. This tendency is similar to the amount of zenith angle delay that has been reported as a conventional error. That is, as the zenith angle increases, the amount of delay increases at a rate of approximately 1 / cos, so the error increases.
これに対し、本発明の実施例1では、角度αと角度βの関係を疑似距離の算出に反映させることで、天頂角に依存しない精度の高い疑似距離の算出を可能にするものである。又、特殊相対論を考慮してGPS衛星の時計を受信局の時計に対して遅らせる必要もない。即ち、GPS衛星の時計と受信局の時計は同期させればよい。以上が相対運動を行う2つの慣性系の疑似距離計算のベースとなる考え方である。 On the other hand, in the first embodiment of the present invention, the relationship between the angle α and the angle β is reflected in the calculation of the pseudo distance, thereby making it possible to calculate the pseudo distance with high accuracy independent of the zenith angle. Further, it is not necessary to delay the GPS satellite clock with respect to the clock of the receiving station in consideration of special relativity. That is, the GPS satellite clock and the receiving station clock may be synchronized. The above is the idea that is the basis for the pseudorange calculation of two inertial systems that perform relative motion.
次に、図1に示す本発明の実施例1に係るGPS衛星位置算出装置10の動作について、図4に示す制御部15の処理フローチャートを参照しながら詳細に説明する。
Next, the operation of the GPS satellite
制御部15は、まず、ステップS101において、プログラムに割り当てられたカウンタの値iに0を入力する。カウンタは、信号受信の対象となるGPS衛星の数をカウントするものであり、ここでは、n基(例えば、3基)のGPS衛星21〜23を使用して基準点の位置を検出するものとして説明する。
First, in step S101, the
次に、制御部15は、ステップS102において、RF回路11bが、信号受信の対象となるGPS衛星21から発信される高周波アナログ信号を受信したか否かを判定して、受信したことを確認すると、ステップS103において、IF信号にダウンコンバートしてA/D変換器12に出力する。
Next, in step S102, the
次に、制御部15は、A/D変換器12による信号の変換動作を起動する。これを受けてA/D変換器12は、ステップS104において、I/F信号をデジタル信号に変換して相関器13及び制御部15に出力する。
Next, the
次に、制御部15は、ステップS105においてA/D変換されたデジタル信号から航法データ(軌道速度v、発信時刻tb、高度h)を取得して演算器14に出力する。このとき同時に、演算器14に対して疑似距離の算出指令を発する。
Next, the
演算器14は、制御部15から疑似距離の算出指令を受けると、ステップS105で取得した軌道速度vと発信時刻tbとから、受信局(基準点の位置O)にて信号を受信した時刻trにおけるGPS衛星の位置Bを算出する。ここで、GPS衛星の位置Bは、受信局が信号を受信した受信時刻trと航法データの発信時刻tbとの時間差t(t=tr−tb)と航法データの軌道速度vとから算出する。
When the
続いて、地平線に対する、GPS衛星Sの位置Bと基準点の位置Oとを結ぶ線分の角度αを上記の角度関係式(3)に基づき算出する。そして、ここで算出された角度αと、取得したGPS衛星の軌道速度vとから、同じく角度関係式(3)に基づき、地平線eに対し、発信時刻tbにおけるGPS衛星の位置Aと基準点の位置Oとを結ぶ線分の角度βを算出する。 Subsequently, the angle α of the line segment connecting the position B of the GPS satellite S and the position O of the reference point with respect to the horizon is calculated based on the above angle relational expression (3). Then, based on the angle α calculated here and the orbital velocity v of the acquired GPS satellite, the position A of the GPS satellite at the transmission time tb and the reference point of the horizon e based on the angular relational expression (3). The angle β of the line segment connecting the position O is calculated.
次に、演算器14は、ステップS107において、ステップS106で算出した角度αと、GPS衛星の位置Bと位置が既知の基準点の位置Oとの間の距離ctと、高度hの各情報に基づき、疑似距離として、GPS衛星の位置Aと基準点の位置O間との間の距離csを算出する。疑似距離csの算出は、演算器14が、上記した関係式(5)を算出することにより得られる。
Next, in step S107, the
続いて、演算器14は、ステップS108において、疑似距離であるGPS衛星の位置Aと位置が既知の基準点の位置O間の距離cs(疑似距離)から、発信時刻tbにおけるGPS衛星の位置Ai(Si(xi,yi,zi))を、以下の演算式(7)を解くことにより算出する。そして、演算部14は、その算出結果を制御部15に引き渡す。
Subsequently, in step S108, the
制御部15は、演算器14からGPS衛星の位置Aの情報を受け取ると、ステップS109において、記憶部16の所定の領域に保存し、ステップS110において、カウンタの値iを1だけ増加させる。
When receiving the information on the position A of the GPS satellite from the
制御部15は、ステップS111において、カウンタの値iと、受信対象とするGPS衛星の数nを比較する。ここで、信号を受信したGPS衛星の数がnに満たない場合は(ステップS111”NO”)、ステップS102のGPS信号受信判定処理に戻り、以降、GPS衛星22〜23に関し、上述したGPS衛星21の信号受信と同様の処理(ステップS102〜S110)を繰り返し実行する。即ち、演算器14は、信号の発信時刻tbにおける各GPS衛星の位置Aと位置Oが既知の基準点のちの間の距離csを演算することにより疑似距離とし、この疑似距離csからGPS衛星の発信時刻tbにおける位置A(S1(x1,y1,z1)、S2(x2,y2,z2),S3(x3,y3,z3))を、上記の演算式(7)で示す連立方程式(5)を解くことにより算出する。
In step S111, the
最後に、制御部15は、ステップS111において、カウンタの値iが、受信対象とするGPS衛星の数nに達したことを確認すると(ステップS111”YES”)、上記したGPS衛星の位置A計算のための一連の処理を終了する。
Finally, in step S111, the
(実施例1の効果)
上記した実施例1に係るGPS衛星位置算出装置10によれば、GPS衛星が信号を発信した時刻における位置Aと基準点の位置Oとの間の距離を疑似距離として用い、GPS衛星の位置を算出するため、信号を受信した時刻におけるGPS衛星の位置Bと基準点の位置Oとの間の距離ctを疑似距離としてGPS衛星の位置Aを算出していた、従来の方法と比べて、疑似距離の計算方法を簡素化しつつ計算精度の向上を図り、結果的にGPS衛星の位置検出精度の改善が可能になる。尚、本実施例1によれば、疑似距離csを算出するにあたりGPS衛星の速度vと角度αに関するデータが必要になるが、GPS衛星の信号受信時の疑似距離ctを、信号発信時の疑似距離csに置き換えるだけで、簡単に精度の高い計算が可能になる。
(Effect of Example 1)
According to the GPS satellite
尚、図4のフローチャートにおいて、ステップS105は、GPS衛星位置算出装置10を構成する「信号から、信号の発信時刻tbと、軌道速度vと、高度hとを含む軌道情報を取得する航法データ取得部」に相当する。
In the flowchart of FIG. 4, step S105 constitutes GPS satellite
又、ステップS106は、「受信時刻trにおけるGPS衛星の位置Bを、受信時刻trと発信時刻tbとの時間差と軌道速度vとから算出し、GPS衛星の位置Bと基準点の位置Oとを結ぶ線分が地平線に対してなす角度αを算出する仰角算出部」に相当する。 Further, the step S106 calculates “the position B of the GPS satellite at the reception time tr is calculated from the time difference between the reception time tr and the transmission time tb and the orbital velocity v, and the position B of the GPS satellite and the position O of the reference point are obtained. It corresponds to an “elevation angle calculating unit that calculates an angle α formed by a connecting line segment with respect to the horizon”.
又、ステップS107は、「基準点OからGPS衛星の位置Bまでの距離ctと、高度hと、角度αとに基づき、基準点の位置OからGPS衛星の信号の発信時刻における位置Aまでの距離csを算出する疑似距離算出部」に相当する。 Further, the step S107 is “based on the distance ct from the reference point O to the GPS satellite position B, the altitude h, and the angle α, from the reference point position O to the position A at the GPS satellite signal transmission time. This corresponds to a “pseudo distance calculation unit that calculates the distance cs”.
又、ステップS108は、「基準点の位置Oから少なくとも3基のGPS衛星の信号の発信時刻tbにおける位置Aまでの距離csのそれぞれからGPS衛星の位置Aを算出する衛星位置算出部」に相当する。 Step S108 corresponds to “a satellite position calculation unit that calculates the position A of the GPS satellite from each of the distances cs from the position O of the reference point to the position A at the transmission time tb of at least three GPS satellite signals”. To do.
尚、上記した実施例1では、2つの慣性系を用いて疑似距離の計算を試みた。ところが、実際上、GPS衛星21〜23と地上の基準点との間の関係は相対的な円軌道であることから回転慣性系になる。以降では、回転慣性系の回転運動と信号伝達の関係について、図5を参照しながら説明する。
In Example 1 described above, calculation of the pseudorange was attempted using two inertial systems. However, in practice, the relationship between the
図5において、K座標から見た回転運動と信号伝達の関係を図5(a)に、Q座標から見た回転運動と信号伝達の関係を図5(b)に示す。
図5(a)では、K座標から見た場合、地上の基準点にあるGPS衛星位置算出装置10が、時刻tでPの位置からOの位置に角度ωtだけ移動することになる。また、図5(b)では、Q座標からみた場合、GPS衛星21〜23が、時刻tでAの位置からBの位置に角度ωtだけ移動することになる。
In FIG. 5, the relationship between rotational motion and signal transmission as viewed from the K coordinate is shown in FIG. 5 (a), and the relationship between rotational motion and signal transmission as viewed from the Q coordinate is shown in FIG. 5 (b).
In FIG. 5A, when viewed from the K coordinate, the GPS satellite
このことから、K座標で次の関係式(8)を算出することにより、回転運動における運動と時間の関係を計算することができ、又、Q座標において、次の関係式(9)を算出することにより、回転運動における運動と時間の関係を計算することができる。ここで、ωは、地上の測位点にあるGPS衛星位置算出装置10とGPS衛星21〜23の相対角速度であり、rは地球の半径、RはGPS衛星の軌道の半径である。
From this, by calculating the following relational expression (8) with the K coordinate, it is possible to calculate the relation between the movement and the time in the rotational movement, and also calculating the following relational expression (9) with respect to the Q coordinate. By doing so, it is possible to calculate the relationship between the motion and time in the rotational motion. Here, ω is the relative angular velocity of the GPS satellite
尚、楕円や、更に複雑な軌道の衛星に対しても、ct,cs,vtrの関係は変化しないため、同様のct,cs,vtrからなる三角形のベクトルを描くことにより、疑似距離csを算出することが可能である。従って、GPS衛星位置算出装置10において、疑似距離csを算出するにあたり、演算器14が、回転運動における運動と時間の関係を上述した関係式(8)及び(9)により算出することを除いては、上述した実施例1と同様の動作を行う。
Note that since the relationship between ct, cs, and vtr does not change for ellipses and satellites with more complicated orbits, the pseudo distance cs is calculated by drawing a similar triangular vector consisting of ct, cs, and vtr. Is possible. Accordingly, in calculating the pseudo distance cs in the GPS satellite
このように、円軌道を行うGPS衛星21〜23と地上の基準点との関係は回転慣性系で表現でき、このときの回転運動と時間の関係について上述した関係式(13)及び(14)を算出することにより、楕円他、より複雑な軌道をとる場合にも上述した実施例と同様、誤差を生じない精度の高い疑似距離csを算出することができる。
As described above, the relationship between the
尚、疑似距離cs算出するにあたり、GPS衛星21〜23の速度vと角度αに関する情報が必要であるが、従来、疑似距離として使用していたctを単にcsに置き換えるだけで精度の高い計算が可能である。又、円軌道の場合にも同様、誤差を生じない精度の高い疑似距離の計算が可能である。
In calculating the pseudo distance cs, information on the velocity v and the angle α of the
又、本発明の実施例1に係るGPS衛星位置算出方法は、仰角依存特性を考慮することができる計算方法であり、これによって疑似距離の算出精度を大幅に改善することができる。疑似距離の算出精度が向上すれば、結果的に基準点の位置検出の精度の大幅な向上につながる。又、計算方法の簡素化、使用するGPS衛星の数の削減等、産業上得られる効果は極めて大きい。 In addition, the GPS satellite position calculation method according to the first embodiment of the present invention is a calculation method that can take elevation angle-dependent characteristics into consideration, and this can greatly improve the calculation accuracy of the pseudorange. If the calculation accuracy of the pseudo distance is improved, the accuracy of the position detection of the reference point is consequently greatly improved. In addition, industrial effects such as simplification of the calculation method and reduction of the number of GPS satellites used are extremely large.
上記した本発明の実施例1では、信号の発信時刻tbにおけるGPS衛星の位置Aと基準点の位置Oとの間の距離csを疑似距離として用い、GPS衛星の位置Aを算出する例について説明したが、以降では、実施例2として、信号の受信時刻trにおけるGPS衛星の位置Bと基準点の位置Oとの間の距離ctを疑似距離として用い、GPS衛星の位置Bを算出する例について説明する。 In the first embodiment of the present invention described above, an example in which the position A of the GPS satellite is calculated using the distance cs between the position A of the GPS satellite and the position O of the reference point at the signal transmission time tb as a pseudo distance will be described. However, hereinafter, as the second embodiment, the GPS satellite position B is calculated using the distance ct between the GPS satellite position B and the reference point position O at the signal reception time tr as a pseudo distance. explain.
(実施例2の構成)
以下に説明する実施例2において、GPS衛星位置算出装置10は、図1に示す実施例1と同じ構成を使用するものとする。但し、演算器14は、制御部15によるプログラム制御の下で、以下に示す第1のステップから第4のステップの処理を実行する。
(Configuration of Example 2)
In the second embodiment described below, the GPS satellite
具体的に、第1のステップでは、RF回路11が受信した信号に含まれる航法データから、信号を発信した時刻での3基のGPS衛星21〜23の各位置A1、A2、A3(以下、総称してAと記す)と、各発信時刻tbと、各軌道速度vとを含む軌道情報を取得する。
Specifically, in the first step, from the navigation data included in the signal received by the RF circuit 11, the positions A1, A2, A3 (hereinafter referred to as the three
続く第2のステップでは、第1のステップで取得した軌道速度vと時刻tbとから、基準点の位置Oが信号を受信した受信時刻trにおけるGPS衛星の位置B1、B2、B3(以下、総称してBと記す)を時間差t=tr−tbから算出する。 In the subsequent second step, the GPS satellite positions B1, B2, and B3 (hereinafter, generic names) at the reception time tr when the position O of the reference point received the signal from the orbital velocity v and the time tb acquired in the first step. And B) is calculated from the time difference t = tr−tb.
そして、第3のステップでは、第2のステップで算出したGPS衛星の位置Bと基準点の位置Oとの間の距離ct1、ct2、ct3(以下、総称してctと記す)を疑似距離として算出する。 In the third step, distances ct1, ct2, and ct3 (hereinafter collectively referred to as ct) between the position B of the GPS satellite calculated in the second step and the position O of the reference point are referred to as pseudo distances. calculate.
最後に、第4のステップでは、第3のステップで算出した3基のGPS衛星の位置Bと位置Oが既知の基準点Oとの間のそれぞれの距離ctから信号の受信時刻trにおける各GPS衛星の位置Bを算出する Finally, in the fourth step, each GPS at the reception time tr of the signal from each distance ct between the position B and the position O of the three GPS satellites calculated in the third step is known. Calculate satellite position B
上記した第1のステップ〜第4のステップは、予めプログラミングされ、記憶部16に格納されている。そして、制御部15は、例えば、マイクロプロセッサにより構成され、記憶部16に格納されたプログラムを逐次読み出し実行することにより、演算器14に、上記した距離ct(疑似距離)に基づくGPS衛星の位置Bの算出を行わせる。
The first to fourth steps are programmed in advance and stored in the
(実施例2の動作)
以下、図6に示すフローチャートを参照しながら実施例1との差異に着目して詳細な動作説明を行う。GPS衛星測位演算装置10が、GPS衛星から信号を受信してから演算器14に対し疑似距離の算出指令を発するまでの処理(S201〜S204)は、実施例1(S101〜S104)と同様であるため、ステップS205の航法データの取得処理から説明する。
(Operation of Example 2)
Hereinafter, a detailed operation will be described by paying attention to the difference from the first embodiment with reference to the flowchart shown in FIG. The processing (S201 to S204) from when the GPS satellite
演算器14は、制御部15から疑似距離の算出指令を受けると、ステップS206において、ステップS205で取得した軌道速度vと受信時刻tbとから、基準点の位置Oが信号を受信した受信時刻trにおけるGPS衛星の位置Bを時刻差t=tr−tbから算出する。そして、ステップS207において、GPS衛星が信号を発信した発信時刻tbと基準点が信号を受信した受信時刻trとの時間差(t=tr−tb)に光速cを乗算することにより、基準点が信号を受信した受信時刻trでのGPS衛星と基準点との間の距離ctを疑似距離として算出する。
When the
続いて、演算器14は、ステップS208において、疑似距離であるGPS衛星の位置Bと位置が既知の基準点の位置Oとの間の距離ctから、GPS衛星の信号の受信時刻trでの位置B(=Si(xi,yi,zi))を、上記した演算式(7)により算出する。そして、演算部14は、その算出結果を制御部15に引き渡す。
Subsequently, in step S208, the
制御部15は、演算器14からGPS衛星の位置Bの情報を受け取ると、ステップS209において、記憶部16の所定の領域に保存し、ステップS210において、カウンタの値iを1だけ増加させる。
When receiving the information on the position B of the GPS satellite from the
制御部15は、ステップS211において、カウンタの値iと、受信対象とするGPS衛星の数nを比較する。ここで、信号を受信したGPS衛星の数がnに満たない場合は(ステップS211”NO”)、ステップS202のGPS信号受信判定処理に戻り、以降、GPS衛星22〜23に関し、上述したGPS衛星21の信号受信と同様の処理(ステップS202〜S210)を繰り返し実行する。即ち、演算器14は、信号受信時刻trにおける各GPS衛星の位置Bと位置が既知の基準点の位置Oとの間の距離ctを演算することによって疑似距離を算出し、この疑似距離ctからGPS衛星の受信時刻trでの位置B(S1(x1,y1,z1)、S2(x2,y2,z2),S3(x3,y3,z3))を、上記した演算式(7)で示す連立方程式(7)を解くことにより算出する。
In step S211, the
最後に、制御部15は、ステップS211において、カウンタの値iが、受信対象とするGPS衛星の数nに達したことを確認すると(ステップS211”YES”)、上記したGPS衛星の位置B計算のための一連の処理を終了する。
Finally, in step S211, the
(実施例2の効果)
上記した本発明の実施例2に係るGPS衛星位置算出装置10によれば、衛星位置算出部が、信号を受信した時刻におけるGPS衛星の位置Bと位置Oが既知の基準点との間の距離ctを疑似距離として用い、GPS衛星の位置Bを算出するため、信号発信時のGPS衛星の位置と基準点の位置Oとを結ぶ距離を疑似距離としてGPS衛星の位置を算出していた従来の方法と比べて、疑似距離の計算方法を簡素化しつつ計算精度の向上を図り、結果的にGPS衛星の位置検出精度の改善を可能にしたGPS衛星位置算出装置10を提供することができる。また、GPS衛星の位置Bを算出するにあたり、地上の複数の既地局からの観測データを不要とするため、計算方法が簡素化される。
(Effect of Example 2)
According to the GPS satellite
尚、ここでは、算出したGPS衛星の位置Bと基準点の位置Oとの間の距離ctを疑似距離としたが、更に、基準点の位置Oから、GPS衛星の位置Aと基準点の位置Oとを結ぶ距離csを算出し、ここで算出された線分の距離csを疑似距離としてもよい。この場合、演算工数は増えるが、仰角を使用せずに疑似距離csの計算が可能になり、既存のGPS測位システムを使用した演算が可能になることから演算負荷も軽減される。 Here, the distance ct between the calculated GPS satellite position B and the reference point position O is a pseudo distance, but from the reference point position O, further, the GPS satellite position A and the reference point position. The distance cs connecting with O may be calculated, and the calculated distance cs of the line segment may be a pseudo distance. In this case, although the number of operation steps increases, the pseudo distance cs can be calculated without using the elevation angle, and the calculation using the existing GPS positioning system can be performed, thereby reducing the calculation load.
又、図6のフローチャートにおいて、ステップS205は、GPS衛星位置算出装置10を構成する「信号から、信号の発信時刻tbと、軌道速度vと、高度hとを含む軌道情報を取得する航法データ取得部」に相当する。
Further, in the flowchart of FIG. 6, step S205 is “acquisition of navigation data that acquires the orbit information including the signal transmission time tb, the orbital velocity v, and the altitude h from the signal” constituting the GPS satellite
又、ステップS206とS207は、「信号受信時刻trにおけるGPS衛星の位置Bを、受信時刻trと発信時刻tbとの時間差と軌道速度vとから算出し、基準点の位置OからGPS衛星の信号の受信時刻trにおける位置Bまでの距離ctを算出する疑似距離算出部」に相当する。 Steps S206 and S207 are as follows: “The position B of the GPS satellite at the signal reception time tr is calculated from the time difference between the reception time tr and the transmission time tb and the orbital velocity v, and the GPS satellite signal is calculated from the reference point position O. Corresponds to a “pseudo distance calculation unit that calculates the distance ct to the position B at the reception time tr”.
又、ステップS208は、「基準点の位置Oから少なくとも3基のGPS衛星の位置Bまでのそれぞれの距離ctからGPS衛星の位置Bを算出する衛星位置算出部」に相当する。 Step S208 corresponds to “a satellite position calculation unit that calculates the position B of the GPS satellite from each distance ct from the position O of the reference point to the position B of at least three GPS satellites”.
尚、上記した実施例2では、2つの慣性系を用いて疑似距離の計算を試みた。ところが、実際上、GPS衛星21〜23と地上の基準点との間の関係は相対的な円軌道又は楕円軌道になることから回転慣性系になる。この回転慣性系の回転運動と信号伝達の関係については、図5で説明した実施例1と同様であるため、重複を回避する意味で説明を省略する。
In Example 2 described above, calculation of the pseudorange was attempted using two inertial systems. However, in practice, the relationship between the
本発明のGPS衛星位置算出装置は、カーナビゲーションシステムに限らず、船舶、航空機、作業用車両、携帯端末等、基準点となる移動体の位置検出に用いることが可能である。又、ディファレンシャルデータから疑似距離の誤差を推定する等の方法を採れば、更に精度を向上することが可能となる。又、位置検出以外にも、大気遅延量、電離圏遅延量等を高精度に算出できるため、気象観測における飛躍的な精度向上が望める。 The GPS satellite position calculation apparatus of the present invention is not limited to a car navigation system, and can be used for detecting the position of a moving body serving as a reference point, such as a ship, an aircraft, a work vehicle, and a portable terminal. Further, if a method such as estimating the pseudo-range error from the differential data is adopted, the accuracy can be further improved. In addition to position detection, atmospheric delay, ionospheric delay, and the like can be calculated with high accuracy, so a dramatic improvement in weather observation can be expected.
10…GPS衛星位置算出装置、11…受信機、11a…アンテナ、11b…RF回路、12…A/D変換器、13…相関器、14…演算器、15…制御部、16…記憶部、21〜23…GPS衛星。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記信号から、前記信号の発信時刻tbと、軌道速度vと、高度hとを含む軌道情報を取得する第1のステップと、
前記信号の受信時刻trにおける前記GPS衛星の位置Bを、前記受信時刻trと前記発信時刻tbとの時間差と前記軌道速度vとから算出し、前記受信時刻trにおける前記GPS衛星の位置Bと前記基準点の位置Oとを結ぶ線分が前記地平線に対してなす角度αを算出する第2のステップと、
前記基準点の位置Oから前記受信時刻trにおける前記GPS衛星の位置Bまでの距離ctと、前記高度hと、前記角度αとに基づき、前記基準点の位置Oから前記発信時刻tbにおける前記GPS衛星の位置Aまでの距離csを算出する第3のステップと、
前記基準点の位置Oから前記少なくとも3基のGPS衛星の前記発信時刻tbにおける位置Aまでの距離csのそれぞれから前記発信時刻tbにおける前記GPS衛星の位置Aを算出する第4のステップと、
を有することを特徴とするGPS衛星位置算出方法。 A GPS satellite position in which a signal transmitted from at least three GPS satellites is received by a receiver, and a position A of the GPS satellite at the time of signal transmission is calculated by a calculator based on a reference point whose position O on the horizon is known. A calculation method,
A first step of acquiring trajectory information including a transmission time tb of the signal, a trajectory speed v, and an altitude h from the signal;
The position B of the GPS satellite at the reception time tr of the signal is calculated from the time difference between the reception time tr and the transmission time tb and the orbital velocity v, and the position B of the GPS satellite at the reception time tr A second step of calculating an angle α formed by a line segment connecting the position O of the reference point with respect to the horizon;
Based on the distance ct from the position O of the reference point to the position B of the GPS satellite at the reception time tr, the altitude h, and the angle α, the GPS at the transmission time tb from the position O of the reference point. A third step of calculating a distance cs to the position A of the satellite;
A fourth step of calculating the position A of the GPS satellite at the transmission time tb from each of the distances cs from the position O of the reference point to the position A of the at least three GPS satellites at the transmission time tb;
A GPS satellite position calculation method comprising:
前記信号から、前記信号の発信時刻tbと、軌道速度vとを含む軌道情報を取得する第1のステップと、
前記受信時刻trにおける前記GPS衛星の位置Bを、前記受信時刻trと前記発信時刻tbとの時間差と前記軌道速度とから算出する第2のステップと、
前記基準点の位置Oから前記受信時刻trにおける前記GPS衛星の位置Bまでの距離ctを算出する第3のステップと、
前記基準点の位置Oから前記少なくとも3基のGPS衛星の前記受信時刻trにおける前記位置Bまでのそれぞれの距離ctから前記受信時刻trにおける前記GPS衛星の前記位置Bを算出する第4のステップと、
を有することを特徴とするGPS衛星位置算出方法。 A GPS satellite position calculation method in which a signal transmitted from at least three GPS satellites is received by a receiver, and a position B of the GPS satellite at the reception time is calculated by a calculator based on a reference point whose position O on the horizon is known. Because
A first step of acquiring trajectory information including a transmission time tb of the signal and a trajectory velocity v from the signal;
A second step of calculating the position B of the GPS satellite at the reception time tr from the time difference between the reception time tr and the transmission time tb and the orbital speed;
A third step of calculating a distance ct from the position O of the reference point to the position B of the GPS satellite at the reception time tr;
A fourth step of calculating the position B of the GPS satellite at the reception time tr from each distance ct from the position O of the reference point to the position B of the at least three GPS satellites at the reception time tr; ,
A GPS satellite position calculation method comprising:
前記信号から、前記信号の発信時刻tbと、軌道速度vと、高度hとを含む軌道情報を取得する航法データ取得部と、
前記受信時刻trにおける前記GPS衛星の位置Bを、前記受信時刻trと前記発信時刻tbとの時間差と前記軌道速度vとから算出し、前記受信時刻trにおける前記GPS衛星の位置Bと前記基準点の位置Oとを結ぶ線分が前記地平線に対してなす角度αを算出する仰角算出部と、
前記基準点の位置Oから前記受信時刻trにおける前記GPS衛星の位置Bまでの距離ctと、前記高度hと、前記角度αとに基づき、前記基準点の位置Oから前記発信時刻tbにおける前記GPS衛星の位置Aまでの距離csを算出する疑似距離算出部と、
前記基準点の位置Oから前記少なくとも3基のGPS衛星の前記発信時刻tbにおける位置Aまでの距離csのそれぞれから前記発信時刻tbにおける前記GPS衛星の前記位置Aを算出する衛星位置算出部と、
を実行することを特徴とするGPS衛星位置算出装置。 A GPS satellite position calculation device that receives a signal transmitted by at least three GPS satellites and calculates a position A of the GPS satellite at a signal transmission time from a reference point where a position O on the horizon is known,
A navigation data acquisition unit for acquiring trajectory information including the signal transmission time tb, trajectory speed v, and altitude h from the signal;
The position B of the GPS satellite at the reception time tr is calculated from the time difference between the reception time tr and the transmission time tb and the orbital velocity v, and the position B of the GPS satellite at the reception time tr and the reference point An elevation angle calculation unit for calculating an angle α formed by a line segment connecting the position O to the horizon;
Based on the distance ct from the position O of the reference point to the position B of the GPS satellite at the reception time tr, the altitude h, and the angle α, the GPS at the transmission time tb from the position O of the reference point. A pseudo-range calculator for calculating a distance cs to the position A of the satellite;
A satellite position calculating unit that calculates the position A of the GPS satellite at the transmission time tb from each of the distances cs from the position O of the reference point to the position A of the at least three GPS satellites at the transmission time tb;
A GPS satellite position calculation device that executes the following.
前記信号から、前記信号の発信時刻tbと、軌道速度vと、高度hとを含む軌道情報を取得する航法データ取得部と、
前記受信時刻trにおける前記GPS衛星の位置Bを、前記受信時刻trと前記発信時刻tbとの時間差tと前記軌道速度vとから算出し、前記基準点の位置Oから前記受信時刻trにおける前記GPS衛星の位置Bまでの距離ctを算出する疑似距離算出部と、
前記基準点の位置Oから前記少なくとも3基のGPS衛星の前記受信時刻trにおける位置Bまでのそれぞれの距離ctから前記受信時刻trにおけるGPS衛星の位置Bを算出する衛星位置算出部と、
を有することを特徴とするGPS衛星位置算出装置。 A GPS satellite position calculation device that receives a signal transmitted by at least three GPS satellites and calculates a position B of the GPS satellite at a reception time of the signal from a reference point where a position O on the horizon is known;
A navigation data acquisition unit for acquiring trajectory information including the signal transmission time tb, trajectory speed v, and altitude h from the signal;
The position B of the GPS satellite at the reception time tr is calculated from the time difference t between the reception time tr and the transmission time tb and the orbital velocity v, and the GPS satellite at the reception time tr is calculated from the reference point position O. A pseudo-range calculator for calculating a distance ct to the satellite position B;
A satellite position calculation unit that calculates the position B of the GPS satellite at the reception time tr from the distance ct from the position O of the reference point to the position B of the at least three GPS satellites at the reception time tr;
A GPS satellite position calculation device characterized by comprising:
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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US13/195,460 US20120026034A1 (en) | 2010-08-02 | 2011-08-01 | Position calculation method and apparatus with gps |
US13/195,452 US20120026033A1 (en) | 2010-08-02 | 2011-08-01 | Position calculation method and apparatus with gps |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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