JP2014048075A - Ｇｎｓｓによる位置計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】別途の基準点を設置せずに低コスト且つ高精度で２つの測定点の絶対位置を計測できると共に、実時間性を担保できるＧＮＳＳによる位置計測装置を提供する。
【解決手段】ＧＰＳ受信機Ｒが夫々設置された２つの測定点Ａ，Ｂの位置を計測するＧＰＳによる位置計測装置１であって、精密単独測位法で測定点Ａ，Ｂの絶対位置を夫々計測する精密単独測位部１２と、之ら計測された２つの絶対位置から、測定点Ａに基づくＢの相対位置を算出する相対位置算出部３１と、キネマティック測位法で測定点Ａに基づくＢの相対位置を計測するキネマティック測位部１１と、キネマティック測位部１１の相対位置から、相対位置算出部３１の相対位置を減じて相対位置誤差を算出する相対位置誤差算出部３５と、少なくとも相対位置誤差と精密単独測位１２で計測された測定点Ａ，Ｂの絶対位置とを用いて、之ら絶対位置を夫々補正する絶対位置補正部３８と、が具備された。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＧＮＳＳによる位置計測装置に関するものである。

近年、ＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System：全地球航法衛星システム）を用いて種々の計測、例えば地球上における三次元位置、地殻の変動、海面の変位量などの計測がされている。なお、ＧＮＳＳには、ＧＰＳ（Global Positioning System：全地球測位システム）などが含まれる。

ＧＰＳによる測位方法には、精密単独測位法（ＰＰＰ：Precise Point Positioning）やキネマティック測位法などがある。精密単独測位法には、観測点の絶対位置を計測できるという長所と、計測誤差が大きいという短所とがある（例えば、非特許文献１および２参照）。また、キネマティック測位法には、２つの観測点の相対位置を高精度で計測できるという長所と、観測点の絶対位置を計測できないという短所とがある（例えば、非特許文献３参照）。

ＧＰＳによる土地変動観測システムとして、地盤の安定した場所に設置された観測点（以下、基準点という）と傾斜地の各観測点（以下、測定点という）とに観測装置を設置したものが提案されている。この土地変動観測システムでは、各観測装置に、受信した衛星からの電波に基づき位相情報に関する測定データを求めさせ、各測定データから、キネマティック測位法などにより、基準点に対する各測定点の相対位置および変動を検知するように構成されている（例えば、特許文献１参照）。

杉本末雄・柴崎亮介編、「ＧＰＳハンドブック」、株式会社朝倉書店、２０１０年９月２５日、ｐ．１９５−１９６ 高須知二・笠井晶二、「ＧＰＳによる精密単独測位（ＰＰＰ）法の精度評価」、電子情報通信学会、宇宙・航行エレクトロニクス研究会、２００５年７月２９日 杉本末雄・柴崎亮介編、「ＧＰＳハンドブック」、株式会社朝倉書店、２０１０年９月２５日、ｐ．１５１−１５３

特開平６−１６０５０９号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の土地変動観測システムに精密単独測位法を用いた場合、計測誤差が大きいという問題がある。この問題により、計測されたデータのばらつきが実際の土地変動なのか誤差なのかを判別することができない。このため、崩落の危険性がある土地などでは、土地変動が発生すると迅速な対策が要求されるので、上記の土地変動観測システムは適していない。一方、土地変動観測システムにキネマティック測位法を用いた場合、別途の測定点を設置する必要があり、これにより次の問題が発生する。第一に、実際に計測したい位置以外の安定した地盤上に基準点を設置しなければならず、その分だけコストが上昇するという問題である。第二に、キネマティック測位法は基準点から測定点までの相対測位を計測するものであるから、基準点が変動した場合、測定点の変動を正確に計測できないという問題である。

そこで、本発明は、別途の基準点を設置することなく低コスト且つ高精度で２つの測定点の絶対位置を計測することができるＧＮＳＳによる位置計測装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１に係る本発明のＧＮＳＳによる位置計測装置は、ＧＮＳＳ受信機がそれぞれ設置された２つの測定点の位置を計測するためのＧＮＳＳによる位置計測装置であって、
精密単独測位法で上記２つの測定点の絶対位置をそれぞれ計測する絶対位置計測部と、
絶対位置計測部で計測された２つ絶対位置から、一方の測定点に基づく他方の測定点の相対位置を算出する相対位置算出部と、
高精度相対測位計測方法で一方の測定点に基づく他方の測定点の相対位置を計測する高精度相対位置計測部と、
上記高精度相対位置計測部で計測された相対位置から、上記相対位置算出部で算出された相対位置を減じて相対位置誤差を算出する相対位置誤差算出部と、
少なくとも、上記相対位置誤差算出部で算出された相対位置誤差と、上記絶対位置計測部で計測された２つの測定点の絶対位置とを用いて、これら２つの絶対位置をそれぞれ補正する絶対位置補正部と、
が具備されたものである。

また、請求項２に係る本発明のＧＮＳＳによる位置計測装置は、請求項１に係る発明のＧＮＳＳによる位置計測装置において、高精度相対位置計測部で所定時間に計測された多数の相対位置を一の変量とし、相対位置算出部で上記所定時間に算出された多数の相対位置を他の変量とした相関係数を算出する相関係数算出部が具備され、
絶対位置補正部が、
２つの測定点の両相関係数に対する一方の測定点の相関係数の割合に上記相対位置誤差を乗じた値を、上記絶対位置計測部で計測された一方の測定点の絶対位置から減ずることで、一方の測定点の絶対位置を補正するとともに、
２つの測定点の両相関係数に対する他方の測定点の相関係数の割合に上記相対位置誤差を乗じた値を、上記絶対位置計測部で計測された他方の測定点の絶対位置から減ずることで、他方の測定点の絶対位置を補正するものである。

さらに、請求項３に係る本発明のＧＮＳＳによる位置計測装置は、請求項１または２に係る発明のＧＮＳＳによる位置計測装置において、高精度相対測位計測方法がキネマティック測位法であるものである。

上記ＧＮＳＳによる位置計測装置によると、別途の基準点を設置することなく低コスト且つ高精度で２つの測定点の絶対位置を計測することができる。

本発明の実施の形態に係るＧＮＳＳによる位置計測装置の概略構成図である。 本発明の実施例に係るＧＮＳＳによる位置計測装置の精密単独測位部で計測された絶対位置データを示すグラフである。 同ＧＮＳＳによる位置計測装置のキネマティック測位部で計測された相対位置データを示すグラフである。 同ＧＮＳＳによる位置計測装置の絶対位置補正部で補正された絶対位置データを示すグラフである。 図３と図４とを比較したグラフである。

以下、本発明の実施の形態に係るＧＮＳＳによる位置計測装置を図１に基づき説明する。
ＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System：全地球航法衛星システム）は、複数の航法衛星（人工衛星の一種）から不特定に送信される電波を受信する受信機を用いて、当該受信機の位置を計測する航法システムである。このＧＮＳＳには、ＧＰＳなどが含まれる。なお、本実施の形態では、ＧＮＳＳの一例として、ＧＰＳについて説明する。

このＧＰＳによる位置計測装置は、簡単に説明すると、測定点の絶対位置を計測する精密単独測位法（ＰＰＰ：Precise Point Positioning）と、高精度であるが２つの測定点の相対位置のみ計測でき絶対位置を計測できないキネマティック測位法とを組み合わせて、高精度で２つの測定点の絶対位置を計測できるようにしたものである。

具体的には、図１に示すように、このＧＰＳによる位置計測装置１は、２つの測定点Ａおよび測定点Ｂにおける各ＧＰＳ受信機（ＧＮＳＳ受信機の一例である）Ｒによる観測データを所定時間間隔Ｔ秒（例えばＴは数〜数百である）ごとに通信網（インターネットなど）Ｗ経由でそれぞれ受信する入力部１０と、この入力部１０の測定点Ａおよび測定点Ｂにおける各観測データに基づき精密単独測位法で測定点Ａおよび測定点Ｂの絶対位置を計測する精密単独測位部（絶対位置計測部の一例である）１２と、上記入力部１０の測定点Ａおよび測定点Ｂにおける各観測データに基づきキネマティック測位法で測定点Ａから測定点Ｂまでの相対位置を計測するキネマティック測位部（高精度相対位置計測部の一例である）１１と、上記精密単独測位部１２およびキネマティック測位部１１で計測された上記絶対位置および相対位置に基づき当該絶対位置の精度を向上させる高精度化処理部１３と、この高精度化処理部１３で精度を向上させた上記絶対位置を表示する結果表示部１４とを具備する。

ここで、上記ＧＰＳによる位置計測装置１が高精度で測定点Ａおよび測定点Ｂの絶対位置を計測するための演算について説明する。
上記精密単独測位部１２が計測する測定点Ａおよび測定点Ｂの絶対位置は、それぞれ大きな誤差を有している。すなわち、精密単独測位部１２が計測する測定点Ａおよび測定点Ｂの絶対位置をそれぞれＰ_ａ（ｔ）およびＰ_ｂ（ｔ）とし、測定点Ａおよび測定点Ｂの真の絶対位置をそれぞれＰ_ａ０（ｔ）およびＰ_ｂ０（ｔ）とし、その誤差をそれぞれε_ａ（ｔ）およびε_ｂ（ｔ）とすると、これらの関係式は下の式（１）および（２）の通りである。

Ｐ_ａ（ｔ）＝Ｐ_ａ０（ｔ）＋ε_ａ（ｔ）・・・（１）
Ｐ_ｂ（ｔ）＝Ｐ_ｂ０（ｔ）＋ε_ｂ（ｔ）・・・（２）
また、上記キネマティック測位部１１が計測する測定点Ａから測定点Ｂまでの相対位置は、上記の通り高精度であるものの多少の誤差を有しているが、上記ε_ａ（ｔ）やε_ｂ（ｔ）と比較して僅かであるから、測定点Ａから測定点Ｂまでの真の相対位置とみなして考える。すなわち、キネマティック測位部１１が計測する測定点Ａから測定点Ｂまでの相対位置をＰ_ｂ−ａ（ｔ）とすると、これらの関係式は下の式（３）の通りである。

Ｐ_ｂ−ａ（ｔ）＝Ｐ_ｂ０（ｔ）−Ｐ_ａ０（ｔ）・・・（３）
上記（１）〜（３）式により、下の式（４）が導かれる。
ε_ａ（ｔ）−ε_ｂ（ｔ）＝Ｐ_ｂ−ａ（ｔ）−｛Ｐ_ｂ（ｔ）−Ｐ_ａ（ｔ）｝・・・（４）
すなわち、上記精密単独測位部１２が計測する測定点Ａおよび測定点Ｂの絶対位置の誤差の差は、上記キネマティック測位部１１が計測する測定点Ａから測定点Ｂまでの相対位置から、上記精密単独測位部１２が計測した測定点Ａおよび測定点Ｂの絶対位置に基づく測定点Ａから測定点Ｂまでの相対位置を減じたものである。

上の式（４）から精密単独測位部１２により計測された測定点Ａおよび測定点Ｂの各絶対位置の誤差の差であるε_ａ（ｔ）−ε_ｂ（ｔ）を算出できるが、個々の誤差であるε_ａ（ｔ），ε_ｂ（ｔ）までは算出できない。しかし、これら個々の誤差であるε_ａ（ｔ），ε_ｂ（ｔ）を近似したε’_ａ（ｔ）およびε’_ｂ（ｔ）については、測定点Ａおよび測定点Ｂの相関係数をそれぞれｋ_ａおよびｋ_ｂとして、下の式（５）および（６）により算出される。

上の式（５）および（６）における相関係数のｋ_ａ，ｋ_ｂは、測定点Ａ，Ｂについてキネマティック測位部１１で６００秒間に計測された多数の相対位置（正確には相対距離）を一の変量とし、相対位置算出部３１で上記６００秒間に算出された多数の相対位置（正確には相対距離）を他の変量としたものである。なお、上記の通り６００秒間としたのは、上記ＧＰＳによる位置計測装置１が絶対位置を計測したい時点の前後３００秒間を演算対象とするためである。勿論、上記６００秒間は一例であり、数秒〜数百秒間程度であればよい。

また、これらε’_ａ（ｔ）およびε’_ｂ（ｔ）に基づき、上記精密単独測位部１２が計測した測定点Ａおよび測定点Ｂの絶対位置であるＰ_ａ（ｔ）およびＰ_ｂ（ｔ）を補正することで、それらの精度を向上させたＰ’_ａ（ｔ）およびＰ’_ｂ（ｔ）が得られる。すなわち、これらの関係式は、下の式（７）および（８）の通りである。

Ｐ’_ａ（ｔ）＝Ｐ_ａ（ｔ）−ε’_ａ（ｔ）・・・（７）
Ｐ’_ｂ（ｔ）＝Ｐ_ｂ（ｔ）−ε’_ｂ（ｔ）・・・（８）
次に、本発明の要旨である上記高精度化処理部１３について詳細に説明する。

図１に示すように、この高精度化処理部１３は、上記精密単独測位部１２が計測した測定点Ａおよび測定点Ｂの絶対位置に基づき測定点Ａから測定点Ｂまでの相対位置を算出する相対位置算出部３１と、上記精密単独測位部１２が計測した測定点Ａおよび測定点Ｂの多数の絶対位置データから各相関係数を算出する相関係数算出部３２とを有する。また、上記高精度化処理部１３は、上記キネマティック測位部１１が計測した測定点Ａから測定点Ｂまでの相対位置から、上記相対位置算出部３１で算出された相対位置を減じて相対位置誤差を算出する相対位置誤差算出部３５を有する。さらに、上記高精度化処理部１３は、上記各相関係数および相対位置誤差に基づき上記精密単独測位部１２が計測した測定点Ａおよび測定点Ｂの絶対位置を補正する絶対位置補正部３８を有する。

上記相対位置算出部３１は、精密単独測位部１２で計測されたＰ_ａ（ｔ）およびＰ_ｂ（ｔ）に基づき、上の式（４）におけるＰ_ｂ（ｔ）−Ｐ_ａ（ｔ）を算出するものである。また、上記相関係数算出部３２は、測定点Ａおよび測定点Ｂについてキネマティック測位部１１で６００秒間に計測された多数の相対位置（正確には相対距離）を一の変量とし、相対位置算出部３１で上記６００秒間に算出された多数の相対位置（正確には相対距離）を他の変量とした相関係数を算出するものである。言い換えれば、上記相関係数算出部３２は、上の式（４）におけるｋ_ａおよびｋ_ｂを算出するようにされている。上記相対位置誤差算出部３５は、キネマティック測位部１１で計測されたＰ_ｂ−ａ（ｔ）から、上記相対位置算出部３１で算出されたＰ_ｂ（ｔ）−Ｐ_ａ（ｔ）を減じて、ε_ｂ（ｔ）−ε_ａ（ｔ）を算出するものである。言い換えれば、上記相対位置誤差算出部３５は、上の式（４）を演算するように構成されている。上記絶対位置補正部３８は、上記相対位置誤差算出部３５で算出されたε_ｂ（ｔ）−ε_ａ（ｔ）と、上記相関係数算出部３２で算出されたｋ_ａおよびｋ_ｂとに基づきε’_ａ（ｔ）およびε’_ｂ（ｔ）を算出し、これらε’_ａ（ｔ）およびε’_ｂ（ｔ）によりＰ_ａ（ｔ）およびＰ_ｂ（ｔ）を補正することでＰ’_ａ（ｔ）およびＰ’_ｂ（ｔ）を得るものである。言い換えれば、上記絶対位置補正部３８は、上の式（５）〜（８）を演算するように構成されている。

以下、上記ＧＰＳによる位置計測装置１の機能について説明する。
測定点Ａおよび測定点Ｂでは、各ＧＰＳ受信機ＲによるＴ秒ごとの観測データが得られる。これら観測データは、通信網Ｗ経由でＧＰＳによる位置計測装置１の入力部１０に送信される。これら観測データに基づき、精密単独測位部１２で測定点Ａおよび測定点Ｂにおける絶対位置が計測されるとともに、キネマティック測位部１１で測定点Ａから測定点Ｂまでの相対位置が計測される。

相対位置算出部３１では、精密単独測位部１２が計測した測定点Ａおよび測定点Ｂの絶対位置に基づき測定点Ａから測定点Ｂまでの相対位置を算出する。また、相関係数算出部３２では、精密単独測位部１２が計測した測定点Ａおよび測定点Ｂの多数の絶対位置データから各相関係数を算出する。なお、上記多数の絶対位置データは６００秒間における観測データに基づくものであるから、上記絶対位置データの個数は６００をＴで除した値となる。さらに、相対位置誤差算出部３５では、キネマティック測位部１１が計測した測定点Ａから測定点Ｂまでの相対位置から、上記相対位置算出部３１で算出された相対位置を減じて相対位置誤差を算出する。また、絶対位置補正部３８では、上記各相関係数および相対位置誤差に基づき上記精密単独測位部１２が計測した測定点Ａおよび測定点Ｂの絶対位置を補正する。そして、補正された測定点Ａおよび測定点Ｂの絶対位置が、結果表示部１４で表示される。

このように、上記ＧＰＳによる位置計測装置１によると、キネマティック測位法のように別途基準点を設置することなく、低コスト且つ高精度で２つの測定点の絶対位置を計測することができる。

また、現時点よりも僅か３００秒前の時点の絶対位置を計測するので、計測時間の遅れを少なくすることができる。

以下、上記実施の形態をより具体的に示した実施例について説明する。
この実施例では、測定点Ａを国土地理院の電子基準点９６０６２４とし、測定点Ｂを国土地理院の電子基準点９３０９４とした。また、通信網Ｗとしてインターネットを使用した。さらに、本実施例に係るＧＰＳによる位置計測装置１を、公然知られるおそれのない状況下で、２０１１年１１月１５日に使用した。なお、ＧＰＳ受信機Ｒで得られる観測データの時間間隔Ｔを６００秒とした。

図２に、精密単独測位部１２で計測された測定点Ａおよび測定点Ｂの所定時間における絶対位置データのグラフを示す。また、図３に、キネマティック測位部１１で計測された測定点Ａから測定点Ｂまでの所定時間における相対位置データのグラフを示す。図２および図３に示すグラフは、縦軸が南北方向座標であり、横軸が時間である。これら図２と図３とを比較すると、精密単独測位部１２で計測された絶対位置データは、キネマティック測位部１１で計測された相対位置データに比べてばらつきがあり、誤差が大きいと考えられる。

そして、図４に、本実施例に係るＧＰＳによる位置計測装置１の絶対位置補正部３８で補正された絶対位置データ（補正後の絶対位置データ）のグラフを示す。また、図５に、この補正後の絶対位置データと、補正前の絶対位置データ（つまり図３に示すデータ）とを比較したグラフを示す。なお、図５では、灰色のプロットが補正前の絶対位置データであり、黒色のプロットが補正後の絶対位置データである。この図５に示すように、灰色のプロットに比べて黒色のプロットは、上下方向のばらつきが少なくなっている。言い換えれば、本実施例に係るＧＰＳによる位置計測装置１で得られた絶対位置データ（補正後の絶対位置データ）は、より誤差の少ない値となっている。

具体的に説明すると、図５に示すように、補正前の絶対位置データ（灰色のプロット）は、測定点Ａにおける１４０００［ｓｅｃ］付近（図５のイであり以下ではイ点という）および８３０００［ｓｅｃ］付近（図５のロであり以下ではロ点という）、並びに測定点Ｂにおける１２０００［ｓｅｃ］付近（図５のハであり以下ではハ点という）で、誤差が大きい。それぞれの誤差は、イ点だと−０．６［ｍ］、ロ点だと＋０．５［ｍ］、ハ点だと＋１．５［ｍ］に達している。しかし、補正後の絶対位置データ（黒色のプロット）は、イ点だと−０．６［ｍ］が−０．４［ｍ］まで補正され、ロ点だと＋０．５［ｍ］が＋０．１［ｍ］まで補正され、ハ点だと＋１．５［ｍ］が＋１．０［ｍ］まで補正されている。このため、絶対位置補正部３８での補正により、計測された絶対位置データの精度が向上したといえる。また、これらの絶対位置データは、得られた時点よりも３００秒前の時点のものである。

このように、本実施例に係る上記ＧＰＳによる位置計測装置１によると、キネマティック測位法のように別途基準点を設置することなく、低コスト且つ高精度で２つの測定点の絶対位置を計測することができた。

また、現時点よりも僅か３００秒前の時点の絶対位置を計測するので、計測時間の遅れを少なくすることができた。
ところで、上記実施の形態および実施例では、ＧＮＳＳの一例としてＧＰＳについて説明したが、これに限定されるものではなく、ＧＬＯＮＡ、ガリレオ、北斗など他の全地球航法衛星システムであってもよい。

また、上記実施の形態および実施例では、相関係数算出部３２を有するものとして説明したが、相関係数算出部３２を有しなくてもよい。この場合、相関係数を算出しないことで、ＧＰＳによる位置計測装置１は現時点と同時点の絶対位置を計測するので、完全な実時間性を担保することができる。

さらに、上記実施の形態および実施例では、精密単独測位部１２の詳細について説明しなかったが、ＧＮＳＳにより絶対位置を計測できるものであればよい。また、上記精密単独測位法は、より高精度に絶対位置を計測できるＰＰＰ−ＡＲ（Precise Point Positioning with Ambiguity Resolution）であってもよい。

また、上記実施の形態および実施例では、高精度相対位置計測部の一例としてキネマティック測位部１１について説明したが、これに限定されるものではなく、キネマティック測位法よりも高精度で相対位置を計測できるものであればよい。

１ 位置計測装置
１１ キネマティック測位部
１２ 精密単独測位部
３１ 相対位置算出部
３２ 相関係数算出部
３５ 相対位置誤差算出部
３８ 絶対位置補正部

Claims (3)

1. ＧＮＳＳ受信機がそれぞれ設置された２つの測定点の位置を計測するためのＧＮＳＳによる位置計測装置であって、
   精密単独測位法で上記２つの測定点の絶対位置をそれぞれ計測する絶対位置計測部と、
   絶対位置計測部で計測された２つ絶対位置から、一方の測定点に基づく他方の測定点の相対位置を算出する相対位置算出部と、
   高精度相対測位計測方法で一方の測定点に基づく他方の測定点の相対位置を計測する高精度相対位置計測部と、
   上記高精度相対位置計測部で計測された相対位置から、上記相対位置算出部で算出された相対位置を減じて相対位置誤差を算出する相対位置誤差算出部と、
   少なくとも、上記相対位置誤差算出部で算出された相対位置誤差と、上記絶対位置計測部で計測された２つの測定点の絶対位置とを用いて、これら２つの絶対位置をそれぞれ補正する絶対位置補正部と、
   が具備されたことを特徴とするＧＮＳＳによる位置計測装置。
2. 高精度相対位置計測部で所定時間に計測された多数の相対位置を一の変量とし、相対位置算出部で上記所定時間に算出された多数の相対位置を他の変量とした相関係数を算出する相関係数算出部が具備され、
   絶対位置補正部が、
   ２つの測定点の両相関係数に対する一方の測定点の相関係数の割合に上記相対位置誤差を乗じた値を、上記絶対位置計測部で計測された一方の測定点の絶対位置から減ずることで、一方の測定点の絶対位置を補正するとともに、
   ２つの測定点の両相関係数に対する他方の測定点の相関係数の割合に上記相対位置誤差を乗じた値を、上記絶対位置計測部で計測された他方の測定点の絶対位置から減ずることで、他方の測定点の絶対位置を補正するものであることを特徴とする請求項１に記載のＧＮＳＳによる位置計測装置。
3. 高精度相対測位計測方法がキネマティック測位法であることを特徴とする請求項１または２に記載のＧＮＳＳによる位置計測装置。
   

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