JP2012208033A

JP2012208033A - 航法計算システム

Info

Publication number: JP2012208033A
Application number: JP2011074359A
Authority: JP
Inventors: Kenji Nakakuki; 健司中久喜
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-03-30
Filing date: 2011-03-30
Publication date: 2012-10-25

Abstract

【課題】外部からの助けなしに、独自に、ＧＰＳ観測値の異常を異常発生後速やかに検出することができる。
【解決手段】検定１処理部８にて、ＩＭＵ６の出力に基づき計算される姿勢角と、ＧＰＳの搬送波観測値に基づいてＧＰＳコンパス計算部５で計算される姿勢角を比較して、ほぼ一致する場合には、ＧＰＳの搬送波位相観測値が正常であると判断し、さらに、検定２処理部９にて、検定１処理部８で正常と判断された搬送波位相観測値の変化量と、擬似距離観測値の変化量を比較して、ほぼ一致する場合に、擬似距離観測値も正常であると判定する。これらの判定で正常であると判定されたＧＰＳ観測値だけを航法計算装置７で使うようにすることで、異常なＧＰＳ観測値が航法計算に用いられることを防止することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は航法計算システムに関し、特に、米国のＧＰＳ（Global Positioning System）などに代表される衛星測位システム（Satellite Positioning System、以下、ＳＰＳと略す）で用いられる衛星測位受信機（以下、ＳＰＳ用受信機とする。）内の航法計算に使う搬送波位相観測値や擬似距離観測値の異常値検出を行うための航法計算システムに関する。

ＳＰＳはカーナビや携帯端末などの一般ユーザー向け機器のみならず、バスや電車の車両運行管理、金融取引の時刻管理、農作業機器や工事用車両の運行自動化など様々な分野で利用され、必要不可欠な社会インフラとなっている。そのため、不測の事態によって異常な測位結果や時刻が得られた場合、社会的に大きな影響を与える可能性がある。

不測の事態による測位の異常は、ＳＰＳのスペースセグメントの不具合による場合、すなわち測位衛星の不具合による場合や、故意あるいは故意ではない妨害信号による場合、故意の欺瞞信号による場合、受信機の動作不良による場合などが考えられる。

ＧＰＳの場合、使用できない衛星は航法メッセージ中のHealthフラグやAlertフラグを適切に設定することによってユーザーに観測値の利用可否を伝える仕組みがあるが（非特許文献１）、これは、ＧＰＳの地上制御局（Ground Control Station）が制御するものであるため、突然の異常後、HealthフラグやAlertフラグが適切に設定されるまでに時間がかかる場合もあり、それまでの間はＳＰＳ用受信機が異常な信号を使って測位計算を実行してしまう可能性がある。

このような測位衛星の突然の不具合に対処する方法は大きく分けて２種類考えられる。ひとつは複数の地上モニタ局による測位信号観測結果に基づき異常データ検出を行う方法で、検出結果を何らかの通信手段でＳＰＳ用受信機に入力する。もうひとつは、ＳＰＳ用受信機内部で独自に観測値の異常を検出するもので、一般的にＲＡＩＭ（Receiver Autonomous Integrity Monitoring）と呼ばれる異常値検出手法を用いるものである。

GLOBAL POSITIONING SYSTEM WING (GPSW) SYSTEMS ENGINEERGING & INTEGRATION, INTERFACE SPECIFICATION IS-GPS-200 Revision E

上述の測位衛星の突然の不具合に対処する方法のうち、前者の方法は、ＳＢＡＳ（Satellite Based Augmentation System）によって実現されており、異常発生から数秒程度で警報がＳＢＡＳ衛星から送信される。日本ではＭＳＡＳ（MTSAT Satellite-based Augmentation System）と呼ばれるＳＢＡＳがあり、すでに運用されている。ただし、２基あるＭＳＡＳのどちらかを受信できていなければ警報情報を受信することができない点が難点となっている。

また、後者の方法は上述のようにＲＡＩＭを用いる方法であり、ＲＡＩＭは受信機によってはすでに実装されているが、測位信号を受信できている衛星の数が少ない場合には使うことができないという欠点がある。

また、測位衛星から送信されている信号は正常であるにも関わらず、受信環境の影響やＳＰＳ用受信機の問題により、観測値が異常となってしまう可能性もあり、その場合にはＳＢＡＳから受信する警報では異常値の除去ができないという問題点もあった。

本発明は、かかる問題点を解決するためになされたものであり、外部からの助けなしに、独自に、ＧＰＳ観測値の異常を異常発生後速やかに検出することが可能な、航法計算システムを得ることを目的としている。

この発明は、衛星測位システムからの信号を受信する複数の受信アンテナと、前記受信アンテナにより受信した前記信号に基づいて搬送波位相観測値および疑似距離観測値を計算する観測値計算手段と、前記搬送波位相観測値に基づいて姿勢角を計算し、第１の姿勢角として出力する姿勢角計算手段と、自装置の加速度および角速度を計測する慣性センサと、前記慣性センサの出力に基づく慣性航法計算を行って姿勢角を計算し、第２の姿勢角として出力する慣性航法手段と、前記姿勢角計算手段による前記第１の姿勢角と、前記慣性航法手段による前記第２の姿勢角とを比較して、それらの差の絶対値が所定の第１の誤差許容値以内であった場合に、前記搬送波位相観測値が正常であると判定し、それ以外の場合は異常であると判定する、第１の検定処理手段とを備え、前記慣性航法手段は、前記第１の検定処理手段により正常と判定された搬送波位相観測値を、前記慣性航法計算の補正に用いることを特徴とする航法計算システムである。

この発明は、衛星測位システムからの信号を受信する複数の受信アンテナと、前記受信アンテナにより受信した前記信号に基づいて搬送波位相観測値および疑似距離観測値を計算する観測値計算手段と、前記搬送波位相観測値に基づいて姿勢角を計算し、第１の姿勢角として出力する姿勢角計算手段と、自装置の加速度および角速度を計測する慣性センサと、前記慣性センサの出力に基づく慣性航法計算を行って姿勢角を計算し、第２の姿勢角として出力する慣性航法手段と、前記姿勢角計算手段による前記第１の姿勢角と、前記慣性航法手段による前記第２の姿勢角とを比較して、それらの差の絶対値が所定の第１の誤差許容値以内であった場合に、前記搬送波位相観測値が正常であると判定し、それ以外の場合は異常であると判定する、第１の検定処理手段とを備え、前記慣性航法手段は、前記第１の検定処理手段により正常と判定された搬送波位相観測値を、前記慣性航法計算の補正に用いることを特徴とする航法計算システムであるので、外部からの助けなしに、独自に、ＧＰＳ観測値の異常を異常発生後速やかに検出することができる。

本発明の実施の形態１に係る航法計算システムの構成を示すブロック図である。本発明の実施の形態１に係る航法計算システムの処理の流れを示したフローチャートである。

実施の形態１．
本発明の実施の形態１に係る航法計算システムを、ＳＰＳとして代表的なＧＰＳを用いる場合について説明する。但し、本発明はその場合に限定されるものではなく、ＧＰＳ以外の他の任意のＳＰＳを用いる場合にも適用可能である。

本発明の航法計算システムは、ＧＰＳ受信機だけでは構成できるものではなく、ＧＰＳとＩＮＳ（Inertial Navigation System）の複合航法システムにおいて実現される。ＩＮＳとは、慣性航法装置と呼ばれるもので、ジャイロと加速度計から成るＩＭＵ（慣性センサ）を用いて、移動体である自身の角速度や加速度を計測し、内部コンピュータにより、それを積分することで、位置、移動距離、速度、姿勢角などの情報を計算し、出力する装置である。電波などの外部からの信号を必要としない自律航法で、しかも、計測可能なダイナミクス・レンジが広いため、航空宇宙機の航法システム等として有効であることが知られている。但し、積分に伴うドリフト誤差のため、高い測位精度を長時間維持できない。そこで、本発明においては、ＧＰＳと組み合わせ、ＧＰＳ観測値による補正を行うことにより、高い測位精度を長時間維持できるようにした。

本発明の航法計算システムは、例えば、航空機などの飛翔体や自動車などの走行体等の移動体に搭載されて、ＧＰＳとＩＮＳとの複合航法により、自己の位置、速度、姿勢角を測定するためのものである。本発明の特徴は、ＩＮＳの出力する値を用いた検定を行うことにより、外部からの助けなしに、独自に、ＧＰＳ観測値の異常を検出できる点である。

まず、本発明の実施の形態１に係る航法計算システムの構成について、図１を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係る航法計算システムの構成を示す図である。図１に示されるように、実施の形態１に係る航法計算システムにおいては、ＧＰＳ受信機１にＧＰＳアンテナ２が接続されており、同様に、ＧＰＳ受信機３にＧＰＳアンテナ４が接続されている。ＧＰＳ受信機１および３は同じものでよく、同様に、ＧＰＳアンテナ２と４も同じものでよい。また、ＧＰＳ受信機は、一般的に、１周波のみを使用するものと多周波の観測値を利用するものがあり、本発明では、どちらを使用してもよい。ＧＰＳ受信機１および３は、ＧＰＳアンテナ２，４により、少なくとも１以上のＧＰＳ衛星からの搬送波によるＧＰＳ観測データ（ＧＰＳ衛星の軌道とＧＰＳ衛星に搭載された原子時計からの時刻データ）を受信し、それを基に、当該搬送波の位相を示す搬送波位相観測値およびＧＰＳ衛星から自機までの疑似距離を示す疑似距離観測値を計算する。なお、搬送波位相観測値および疑似距離観測値の計算方法は、ごく一般的に行われている技術であるので、ここではその詳細の説明は省略する。

ＧＰＳ受信機１および３の出力は、ＧＰＳコンパス計算部５に接続されるとともに、検定２処理部９に接続されている。ＧＰＳ受信機１および３で計算された値のうち、搬送波位相観測値は、ＧＰＳコンパス計算部５と検定２処理部９の両方に入力され、疑似距離観測値は検定２処理部９のみに入力される。また、ＧＰＳコンパス計算部５の出力は、検定１処理部８に接続されており、検定１処理部８に、計算結果である姿勢角を入力する。検定１処理部８には、ＩＭＵ（Inertial Measuring Unit）６と航法計算装置７とから構成されるＩＮＳが接続されており、ＩＮＳからの姿勢角も入力される。ここで、ＩＭＵ６は、加速度および角速度を検出するための慣性センサであり、航法計算装置７は、その検出データに基づいてストラップダウン航法演算を行い、位置・速度・姿勢角を計算するものである。このように、検定１処理部８には、航法計算装置７からの姿勢角と上述のＧＰＳコンパス計算部５からの姿勢角との両方が入力され、それらがほぼ一致するか否かにつき、それらの比較が行われる。ほぼ一致すれば、当該搬送波位相観測値は正常であると判定される。検定１処理部８のこの比較による検定結果は検定２処理部９に入力される。検定２処理部９では、検定１処理部８で正常と判定された搬送波位相観測値の変化に対して、疑似距離観測値の変化がほぼ一致するかにつき、それらの比較を行う。ほぼ一致すれば、疑似距離観測値も正常と判定する。こうして、検定１および検定２で正常と判定されたＧＰＳ観測値のみが航法計算装置７に入力され、それを基に、航法計算装置７は、計算した位置・速度・姿勢角の値を補正する。

本発明の実施の形態１に係る航法計算システムの動作について図１および図２を用いて説明する。図２は、本発明の実施の形態１に係る航法計算システムの処理の流れを示すフローチャートである。まず、ＧＰＳ受信機１および３は、それぞれ、ＧＰＳアンテナ２，４により、ＧＰＳ衛星からの搬送波を受信し、それを用いて搬送波位相観測値および疑似距離観測値を計算し、搬送波位相観測値をＧＰＳコンパス計算部５と検定２処理部９の両方に入力し、疑似距離観測値を検定２処理部９のみに入力する。ＧＰＳコンパス計算部５は、入力されたＧＰＳ搬送波位相観測値に基づいて、２つのＧＰＳアンテナ２および４の間の基線ベクトル（２つのアンテナの位相中心の間を結ぶベクトル）を計算し、当該基線ベクトルに基づいて、姿勢角を計算する。なお、搬送波位相観測値を用いたＧＰＳコンパス計算は、ごく一般的に行われている技術であるので、ここではその詳細の説明は省略する。

ＧＰＳコンパス計算部５で計算された姿勢角は、２つのＧＰＳアンテナを用いる場合に求められるものであるから、ピッチ角（Pitch angle）およびヨー角(Yaw angle)の２つの方位角を含み、これを、ＩＮＳからの姿勢角情報と検定１処理部８で比較する。ＩＮＳは、上述したように、加速度および角速度を検出するＩＭＵ６と、その観測データに基づいてストラップダウン航法演算を行い位置・速度・姿勢角を計算する航法計算装置７によって構成されている。航法計算装置７から出力される姿勢角のうちピッチ角とヨー角を検定１処理部に入力し、検定１処理部８において、ＧＰＳコンパス計算部５から出力されるピッチ角およびヨー角と、航法計算装置７から出力されるピッチ角とヨー角とが比較され、それらが一致するかどうか判定される。なお、航法計算装置７の出力する姿勢角はＩＭＵの種類などに応じて一定の誤差を持つため、両者の姿勢角が一致すると判定する際の誤差許容値はＩＭＵの精度に応じて適切に設定する。この検定１処理部８の処理を、以下では、検定１（図２のステップＳ１）と呼ぶこととする。

検定１処理部８における検定１の処理は例えば以下のようにできる。まず、ＧＰＳコンパス計算部５が出力するピッチ角とヨー角をそれぞれθ₁およびψ₁とする。また、航法計算装置７が出力するピッチ角とヨー角をそれぞれθ₂およびψ₂とする。また、ピッチ角とヨー角の誤差許容値をそれぞれδθおよびδψとする。このとき、以下の数式（１）における２つの不等式が共に成立するかどうかを検定する。すなわち、ピッチ角θ₁，θ₂の差の絶対値、および、ヨー角ψ₁，ψ₂の差の絶対値が、それぞれ、誤差許容値δθおよびδψ以下か否かを検定する。

上記の数式（１）の両方の不等式が成立する場合、検定１の結果はＯＫとし、それ以外はＮＧとする。また、例えばＧＰＳコンパス計算部５において、何らかの理由により、姿勢角のピッチ角およびヨー角が計算できなかった場合も、検定１の結果はＮＧとする。

このような手法で、検定１処理部８においてＧＰＳコンパス計算部５が出力する姿勢角が航法計算装置７の出力する姿勢角とほぼ一致する（ＯＫ）と判定された場合、検定１処理部８は、ＧＰＳ受信機１および３が出力した搬送波位相観測値は正常であると判定する。

次に、検定２処理部９において、ＧＰＳ受信機１，３から入力された搬送波位相観測値を用いて、一定の時間内の搬送波位相観測値による距離変化量を計算するとともに、同じくＧＰＳ受信機１，３から入力された疑似距離観測値を用いて、一定時間内の疑似距離観測値の距離の変化量を計算する。次に、検定２処理部９は、こうして得られた一定の時間内の搬送波位相観測値による距離変化量と、一定時間内の疑似距離観測値の距離の変化量とを、比較する。このとき、擬似距離観測値がステップ状に変化して異常を示す場合と、ランプ状の変化により異常を示す場合の両方に対応するため、１秒程度の極短時間と５〜１０秒程度の時間の両方の距離変化量を算出する。距離変化量の積算時間は特に限定されるものではなく、何パターンかの積算時間で同時に検定を行うのがよい。疑似距離観測値が正常であれば、搬送波位相観測値から計算される距離の変化量と、擬似距離観測値から計算される距離の変化量はほぼ一致するはずであるから、両者がある誤差の範囲内で一致するかどうかを検定２処理部９において判定する。「ある誤差」とは、主に擬似距離を生成するコード追尾ループの性能と、マルチパス誤差によって決まる値である。この検定２処理部９における処理を、以下では、検定２（図２のステップＳ２）と呼ぶこととする。

検定２処理部９における検定２の処理は例えば以下のようにできる。まず、ＧＰＳ受信機１が出力する時刻tにおける搬送波位相観測値と擬似距離観測値とを、それぞれ、φ₁(t)[cycle]、ρ₁(t)[m]とすると、次式（２）を満たすとき、距離の変化量が一致すると判定する。

ここで、λ[m]は使用する搬送波の波長であり、ＧＰＳのＬ１波の場合は約0.19[m]である。また、τは距離変化の積算時間であり、１秒や１０秒に設定する。判定の閾値δRは、マルチパス誤差などを考慮して設定された誤差許容値であり、例えば２０[m]程度に設定できる。すなわち、上記の式（２）は、搬送波位相観測値の一定時間τ内の距離の変化量と疑似距離観測値の一定時間τ内の距離の変化量との差の絶対値が、許容誤差値δＲ以下か否かを判定している。なお、ここでは、ＧＰＳ受信機１の観測値について説明したが、ＧＰＳ受信機３についても同様に判定処理を行える。

このように、上記の数式（２）の不等式が成立する場合、検定２の結果はＯＫとし、それ以外はＮＧとする。また、例えば、検定２処理部９で、搬送波位相観測値から計算される距離の変化量や、擬似距離観測値から計算される距離の変化量が、何らかの理由で計算できなかった場合も、検定２の結果はＮＧとする。

このような手法で、検定２処理部９において、一致すると判定された場合、擬似距離観測値も正常であると判定する。よって、検定１および検定２においてＯＫと判定された場合には、搬送波位相観測値と擬似距離観測値は共に正常であると判断できるので、航法計算装置７においてストラップダウン航法演算のほかに、それら正常と判断されたＧＰＳ観測値（搬送波位相観測値および疑似距離観測値）を航法計算装置７が航法計算に用いて、位置・速度・姿勢角を補正処理することもできる（図２のステップＳ３）。この補正処理の方式には、疎結合方式(Loosely Coupled Integration)や密結合方式（Tightly Coupled Integration）などの良く知られた方法があり、どの方法を用いてもよい。

一方、検定１および検定２のうちの少なくともいずれか一方で、ＧＰＳ観測値（搬送波位相観測値および疑似距離観測値）が正常でない（ＮＧ）と判定された場合には、航法計算装置７で、ＧＰＳ観測値を用いずに、ＩＮＳ観測値でのみ、航法計算を行う（図２のステップＳ４）。

以上のように、本実施の形態１においては、ＧＰＳの搬送波観測値に基づいてＧＰＳコンパス計算部５によって得られる姿勢角情報と、ＩＭＵ６の出力に基づいて航法計算装置７から得られる姿勢角情報とを比較することによって、それらの差の絶対値が所定の誤差許容値以内だった場合に、ほぼ一致すると判定して、搬送波位相観測値が正常であると判定する、検定１を行う。このことによって、追尾している信号が欺瞞信号ではないことや、測位衛星の異常の可能性を排除できる効果がある。また、このようにして正常と判定された搬送波位相観測値の距離変化量と、正常であることがまだ確認できていない擬似距離観測値の各々の時間変化量とを比較し、それらの差の絶対値が所定の誤差許容値以内だった場合に、それらがほぼ一致すると判定して、擬似距離観測値が正常であると判定する、検定２も行う。これにより、ＧＰＳ衛星からの搬送波が異常になれば、検定１により異常を即座に検出でき、擬似距離算出に使われる測位コードが異常になれば、検定２により異常を迅速に検出できる。このように、本実施の形態においては、ＩＮＳと合わせてＧＰＳ受信機を用いる場合、ＩＮＳの出力する値を用いてＧＰＳ受信機が出力する観測値の異常検出処理を実施して、正常と判断された場合にのみ、ＧＰＳ観測値を航法計算に使用するようにすることで、外部からの助けなしに独自にＧＰＳ観測値の異常を即座に検出でき、異常なＧＰＳ観測値を航法計算に用いてしまうことを防止する。これにより、測位衛星の不具合や、故意あるいは故意ではない妨害信号、故意の欺瞞信号、受信機の動作不良などの不測の事態によるＧＰＳ測位の異常を迅速に検出し、異常なＧＰＳ観測値の利用を防止するとともに、ＧＰＳ観測値を利用する航法計算装置への影響が及ばないようにすることができるという効果を奏する。

また、ＩＮＳは、航法計算時の積分に伴うドリフト誤差により、高い測位精度を長時間維持できないという欠点があるが、本実施の形態においては、ＩＮＳによる位置、速度、姿勢角の情報を、正常と判定されたＧＰＳ観測値を用いて補正するようにしたので、高い測位精度を長時間維持することが可能である。

なお、上記の説明においては、検定１と検定２の２つの検定を行う例について説明したが、その場合に限らず、検定１のみを行うようにしてもよい。この場合には、２つの検定を行う場合に比べて、信頼性は低くなるが、計算の負荷が少なくなり、処理時間が短縮するという効果がある。

本発明はＳＰＳの衛星測位信号の異常をリアルタイムに瞬時に検出することが求められる用途で用いられる。特に航空機などの人命に関わるアプリケーションなどにおける応用が考えられる。

１ＧＰＳ受信機、２ＧＰＳアンテナ、３ＧＰＳ受信機、４ＧＰＳアンテナ、５ＧＰＳコンパス計算部、６ＩＭＵ、７航法計算装置、８検定１処理部、９検定２処理部。

Claims

衛星測位システムからの信号を受信する複数の受信アンテナと、
前記受信アンテナにより受信した前記信号に基づいて搬送波位相観測値および疑似距離観測値を計算する観測値計算手段と、
前記搬送波位相観測値に基づいて姿勢角を計算し、第１の姿勢角として出力する姿勢角計算手段と、
自装置の加速度および角速度を計測する慣性センサと、
前記慣性センサの出力に基づく慣性航法計算を行って姿勢角を計算し、第２の姿勢角として出力する慣性航法手段と、
前記姿勢角計算手段による前記第１の姿勢角と、前記慣性航法手段による前記第２の姿勢角とを比較して、それらの差の絶対値が所定の第１の誤差許容値以内であった場合に、前記搬送波位相観測値が正常であると判定し、それ以外の場合は異常であると判定する、第１の検定処理手段と
を備え、
前記慣性航法手段は、前記第１の検定処理手段により正常と判定された搬送波位相観測値を、前記慣性航法計算の補正に用いる
ことを特徴とする航法計算システム。
前記第１の検定処理手段により正常と判定された搬送波位相観測値の変化量を計算し、第１の変化量として出力する観測値変化量計算手段と、
前記観測値計算手段により計算された前記疑似距離観測値の変化量を計算し、第２の変化量として出力する疑似距離変化量計算手段と、
前記観測値変化量計算手段による前記第１の変化量と、前記疑似距離変化量計算手段による前記第２の変化量とを比較して、それらの差の絶対値が所定の第２の誤差許容値以内であった場合に、前記疑似距離観測値が正常であると判定し、それ以外の場合は異常であると判定する、第２の検定処理手段と
をさらに備え、
前記慣性航法手段は、前記第１の検定処理手段により正常と判定された搬送波位相観測値および前記第２の検定処理手段により正常と判定された疑似距離観測値を、前記航法計算に用いる
ことを特徴とする請求項１に記載の航法計算システム。