JP2014215146A - 位置算出方法及び位置算出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】測位の精度を向上させることができる位置算出方法を提供する。【解決手段】位置算出方法は、長期予測軌道情報を用いた測位時においてヘルス状態（正常状態）な測位用衛星の衛星番号を取得することと、取得した衛星番号に基づいて、長期予測軌道情報を用いた測位に使用する測位用衛星を選定することと、選定した測位用衛星の長期予測軌道情報を用いて、測位を行うこと、を含む。【選択図】図３

Description

本発明は、位置算出方法及び位置算出装置に関するものである。

測位用信号を利用した測位システムとしては、ＧＰＳ（Global Positioning System）が広く知られており、携帯型電話機やカーナビゲーション装置等に内蔵された測位装置に利用されている。ＧＰＳでは、自機の位置を示す３次元の座標値と、時計誤差とを、複数のＧＰＳ衛星の位置や各ＧＰＳ衛星から自機までの擬似距離等の情報に基づいて求める測位演算を行うことで測位（位置算出）をする。

初回位置算出時には、エフェメリスを保有していないため、先ずはエフェメリスを取得する必要があるが、これには数十秒程度の時間を要するため、初期位置算出時間（Time to First Fix：ＴＴＦＦ）が増大する。

そこで、初期位置算出時間を短縮するため、特許文献１や特許文献２に記載されているような、例えば１週間といった長期間分のエフェメリスである長期予測エフェメリス（長期予測軌道データ）を算出し、当該算出した長期予測軌道データを用いて測位を行う方法がある。

米国特許出願公開第２００２／０１８８４０３号明細書 米国特許出願公開第２００５／０２１２７００号明細書

しかしながら、長期予測エフェメリスは、例えば１週間、衛星信号を計算することができる衛星軌道データであるため、長期予測エフェメリスの生成時点と長期予測エフェメリスの使用時点が離れてしまうことがある。そのため、長期予測エフェメリスの生成時点において測位に利用できるヘルスなＧＰＳ衛星であっても、長期予測エフェメリスの使用時点において測位に利用できないアンヘルスなＧＰＳ衛星になってしまう可能性がある。

アンヘルスなＧＰＳ衛星は、軌道／クロックが修正されることがあるので、長期予測エフェメリスによって算出された衛星の位置と実際の位置との差が大きくなってしまうことがある。そのため、長期予測エフェメリスの使用時点においてアンヘルスなＧＰＳ衛星を用いて、測位を行うと、測位精度が低下するおそれがある。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］本適用例に係る位置算出方法は、位置算出に使用できる正常な測位用衛星の衛星番号を取得することと、前記取得した衛星番号に基づいて、位置算出に使用する測位用衛星を選定することと、前記選定した測位用衛星の長期予測軌道データを用いて、位置算出を行うこと、を含むことを特徴とする。

本適用例によれば、長期予測軌道データの使用時点において測位に使用できる正常な衛星を用いて位置算出することができるので、位置算出の精度を向上させることができる。

［適用例２］上記適用例に記載の位置算出方法において、前記長期予測軌道データを用いて、前記測位用衛星を捕捉することを更に含み、前記測位用衛星を選定することは、前記取得した衛星番号と前記捕捉した測位用衛星の衛星番号を比較し、前記捕捉した測位用衛星の衛星番号のうち、前記取得した衛星番号に含まれる衛星番号を選択することによって、前記測位用衛星を選定すること、を含むことを特徴とする。

本適用例によれば、取得した衛星番号と捕捉した衛星番号を比較することで、位置算出の精度を更に向上させることができる。

［適用例３］本適用例に係る位置算出装置は、位置算出に使用できる正常な測位用衛星の衛星番号を取得する受信部と、前記取得した衛星番号に基づいて、位置算出に使用する測位用衛星を選定する測位用衛星選定部と、前記選定した測位用衛星の長期予測軌道データを用いて、位置算出を行う測位部と、を含むことを特徴とする。

本適用例によれば、長期予測軌道データの使用時点において位置算出に使用できる正常な衛星を用いて位置算出することができるので、位置算出の精度を向上させることができる。

本実施形態の位置算出装置の構成図。 ベースバンド処理回路部の機能構成図。 ベースバンド処理の流れを説明するフローチャート。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。ただし、本発明の適用可能な実施形態がこれに限定されるものではない。

１．位置算出装置の構成
図１は、本実施形態の位置算出装置１の機能構成の一例を示すブロック図である。位置算出装置１は、衛星受信アンテナ１０と、衛星信号受信部２０と、ホスト処理部３０と、操作部３１と、表示部３２と、音出力部３３と、時計部３４と、記憶部３５とを備えて構成される。

衛星受信アンテナ１０は、ＧＰＳ衛星３（測位用衛星）から発信されているＧＰＳ衛星信号や、準天頂衛星５から発信されている準天頂衛星信号（ＱＺＳ衛星信号）を含むＲＦ（Radio Frequency）信号を受信するアンテナであり、受信信号を衛星信号受信部２０に出力する。

衛星信号受信部２０は、衛星受信アンテナ１０から出力された信号に基づいて、後述の測位処理を行う位置算出装置であり、位置算出装置１の位置を算出する回路或いは装置である。

衛星信号受信部２０は、ＲＦ受信回路部２１と、ベースバンド処理回路部２２とを備えて構成される。なお、ＲＦ受信回路部２１とベースバンド処理回路部２２とは、それぞれ別のＬＳＩ（Large Scale Integration）として製造することも、１チップとして製造することも可能である。

ＲＦ受信回路部２１は、ＲＦ信号を受信する受信部である。回路構成としては、例えば、衛星受信アンテナ１０にて受信されたＲＦ信号をＡ／Ｄ変換器でデジタル信号に変換し、デジタル信号を処理する受信回路としても良いし、衛星受信アンテナ１０にて受信されたＲＦ信号をアナログ信号のまま信号処理し、最終的にＡ／Ｄ変換することでデジタル信号をベースバンド処理回路部２２に出力する構成としても良い。

後者の場合には、例えば、次のようにＲＦ受信回路部２１を構成することができる。すなわち、所定の発振信号を分周或いは逓倍することで、ＲＦ信号乗算用の発振信号を生成する。そして、生成した発振信号を、衛星受信アンテナ１０から出力されたＲＦ信号に乗算することで、ＲＦ信号を中間周波数の信号（以下、ＩＦ（Intermediate Frequency）信号）にダウンコンバートし、ＩＦ信号を増幅等した後、Ａ／Ｄ変換器でデジタル信号に変換してベースバンド処理回路部２２に出力する。

ベースバンド処理回路部２２は、ＲＦ受信回路部２１にて受信された信号に対してキャリア除去や相関処理等を行って、ＧＰＳ衛星信号や準天頂衛星信号を捕捉する。そして、捕捉したＧＰＳ衛星信号から取り出したエフェメリスや、捕捉した準天頂衛星信号から取り出した測位情報に基づく所定の位置算出を行って、位置算出装置１の位置（位置座標）や時計誤差を算出する。

ホスト処理部３０は、例えば、ＣＰＵ等の演算装置で実現され、記憶部３５に記憶されているシステムプログラム等の各種プログラムに従って、位置算出装置１の各部を統括的に制御する。例えば、ベースバンド処理回路部２２から取得した位置座標をもとに、表示部３２に現在位置を指し示した地図を表示させたり、その位置座標を各種のアプリケーション処理に利用したりする。

操作部３１は、例えばタッチパネルやボタンスイッチ等の入力装置であり、なされた操作に応じた操作信号を、ホスト処理部３０に出力する。この操作部３１の操作により、位置算出要求等の各種指示入力がなされる。

表示部３２は、例えばＬＣＤ等の表示装置であり、ホスト処理部３０から入力される表示信号に基づく各種表示を行う。

音出力部３３は、例えばスピーカーなどの音出力装置であり、ホスト処理部３０から入力される音声信号に基づく各種音出力を行う。

時計部３４は、内部時計であり、水晶発振器等の発振回路を備えて構成される。

記憶部３５は、例えばＲＯＭやＲＡＭ等の記憶装置で実現され、ホスト処理部３０が位置算出装置１を統括的に制御するためのシステムプログラムや、各種アプリケーション処理を実行するための各種プログラムやデータ等を記憶する。

２．ベースバンド処理回路部の構成
図２は、ベースバンド処理回路部２２の回路構成の一例を示すブロック図であり、本実施形態に係わる回路ブロックを中心に記載した図である。ベースバンド処理回路部２２は、主要な構成として、処理部１００と、記憶部２００とを備える。

処理部１００は、例えばＣＰＵやＤＳＰ等の演算装置で実現され、記憶部２００に記憶されたプログラムやデータ等に基づいて、ベースバンド処理回路部２２の全体制御を行う。処理部１００は、ＧＰＳ衛星捕捉部１１０と、準天頂衛星捕捉部１２０と、座標変換行列生成部１３０と、エフェメリス推定部１４０と、位置算出部１５０とを有する。なお、処理部１００は、測位用衛星選定部に相当する。

ＧＰＳ衛星捕捉部１１０は、ＧＰＳ衛星３の捕捉を行う機能部である。具体的には、ＲＦ受信回路部２１から出力されるデジタル信号に対して、キャリア除去や相関演算等のデジタル信号処理を実行し、そのデジタル信号処理の結果に基づいてＧＰＳ衛星３を捕捉する。また、ＧＰＳ衛星捕捉部１１０は、捕捉したＧＰＳ衛星信号に含まれる航法メッセージの復号を行い、航法メッセージに含まれるエフェメリスを取得する。取得したエフェメリスは、当該ＧＰＳ衛星３の受信エフェメリス情報２３２として記憶部２００に記憶される。

準天頂衛星捕捉部１２０は、準天頂衛星信号の捕捉を行う。すなわち、ＧＰＳ衛星捕捉部１１０によるＧＰＳ衛星３の捕捉と同様に、ＲＦ受信回路部２１から出力されている受信信号に対して、キャリア除去や相関演算等のデジタル信号処理を実行し、そのデジタル信号処理の結果に基づいて準天頂衛星５を捕捉する。また、準天頂衛星捕捉部１２０は、捕捉した準天頂衛星信号の復号を行い、当該準天頂衛星信号に含まれる測位支援情報及びヘルス情報を取得する。取得した測位支援情報は、測位支援情報２２０として記憶部２００に記憶され、取得したヘルス情報は、ヘルス情報２４０として記憶部２００に記憶される。

本実施形態において、人工衛星である準天頂衛星５は、日本の衛星測位システムとして知られる準天頂衛星システム計画の衛星を用いるものとする。また、本実施形態において、準天頂衛星５は、サブメーター級補強信号であるＬ１−ＳＡＩＦ信号に重畳されるメッセージとして、ＧＰＳ測位を支援するための情報である測位支援情報及びヘルス情報を発信するものとする。

この測位支援情報は、衛星位置速度情報と、地球姿勢パラメーター（Earth Orientation Parameter：ＥＯＰ）とを含む。衛星位置速度情報は、ＧＰＳ衛星３それぞれの、ある時刻ｔ０における位置ｒ０及び速度ｖ０と、クロック誤差とを含んでいる。地球姿勢情報である地球姿勢パラメーターは、ＵＴ１−ＵＴＣと、日長（Length of Day：ＬＯＤ）と、Ｘ極運動と、Ｘ極運動速度と、Ｙ極運動と、Ｙ極運動速度とを含んでいる。

ヘルス情報は、全ＧＰＳ衛星３のうち、現在正常に機能しているＧＰＳ衛星（ヘルスなＧＰＳ衛星）のＩＤ番号である。そのため、当該ヘルス情報を取得することによって、現在日時においてヘルスなＧＰＳ衛星を特定することができる。

座標変換行列生成部１３０は、測位支援情報２２０に含まれる地球姿勢パラメーター（ＥＯＰ）を用いて、後述のエフェメリスの推定で用いる、地球中心慣性（ＥＣＩ）座標系と、地球中心地球固定（ＥＣＥＦ）座標系との座標変換行列を算出する。

地球中心慣性（ＥＣＩ）座標系と、地球中心地球固定（ＥＣＥＦ）座標系との座標変換行列Ｑは、公知のように、次式（１）で与えられる。

式（１）において、Ａは極運動の回転行列、Ｂは恒星時の回転行列、Ｃは章動の回転行列、Ｄは歳差の回転行列、を表す。これらの行列Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは、時刻ｔと、測位支援情報に含まれる地球姿勢パラメーター（ＥＯＰ）とによって決まる。換言すると、地球姿勢パラメーターによってこれらの行列Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄが示され、座標変換行列Ｑが決まるとも言える。

エフェメリス推定部１４０は、測位支援情報２２０をもとに、各ＧＰＳ衛星３のエフェメリスを推定する。

具体的には、測位支援情報２２０に含まれるＧＰＳ衛星３の位置ｒ０及び速度ｖ０を、座標変換行列生成部１３０によって生成された座標変換行列Ｑを用いて、地球中心地球固定（ＥＣＥＦ）座標系から地球中心慣性（ＥＣＩ）座標系に変換する。次いで、下記式（２）の軌道関数ｒ（ｔ）に対して、座標変換後の位置ｒ０及び速度ｖ０を初期値とした数値積分を行うことで、時刻ｔにおけるＧＰＳ衛星３の位置ｒ（ｔ）、つまり衛星軌道を表す軌道関数ｒ（ｔ）を求める。そして、この軌道関数ｒ（ｔ）で表される衛星軌道に適合するエフェメリスを算出する。

上式（３）において、ａ_gは重力加速度、ａ_moonは月の引力、ａ_sunは太陽の引力、ａ_srgは太陽輻射圧、である。

エフェメリスの算出は、例えば、規定のエフェメリスのパラメーター値に基づく衛星軌道と、軌道関数ｒ（ｔ）で表される衛星軌道との差を最小化させる数値計算（例えば、最小二乗法）によって求めることができる。ただし、これ以外の方法であってもよいことは勿論である。そして、算出したエフェメリスは、該当するＧＰＳ衛星３の長期予測エフェメリス情報２３３として記憶部２００に記憶される。

なお、本実施形態では、算出した長期予測エフェメリス情報２３３は、４時間以上（例えば、２日〜７日）、ＧＰＳ衛星３の位置算出に使用できる長期予測軌道データであるものとする。

位置算出部１５０は、位置算出装置１の位置を算出する測位部である。具体的には、後述のように、受信エフェメリス情報２３２若しくは長期予測エフェメリス情報２３３及び、ＧＰＳ衛星３について取得されたコード位相やドップラー周波数等のメジャメント情報２３４とを用いて、従来公知の位置算出処理を行い、位置算出装置１の位置を算出する。算出した位置は、例えば算出時刻と対応付けて、算出位置データ２５０として記憶部２００に蓄積記憶される。

記憶部２００は、ＲＯＭやＲＡＭ等の記憶装置で実現され、処理部１００がベースバンド処理回路部２２を統合的に制御するためのシステムプログラムや、各種機能を実現するためのプログラムやデータ等を記憶しているとともに、処理部１００の作業領域として用いられ、処理部１００が各種プログラムに従って実行した演算結果が一時的に格納される。本実施形態では、ベースバンド処理プログラム２１０と、測位支援情報２２０と、個別衛星情報２３０と、ヘルス情報２４０と、算出位置データ２５０とが記憶される。

個別衛星情報２３０は、ＧＰＳ衛星３毎に記憶され、該当するＧＰＳ衛星３を識別する衛星ＩＤ２３１と、受信エフェメリス情報２３２と、長期予測エフェメリス情報２３３と、メジャメント情報２３４とが含まれる。

３．位置算出方法
図３は、ベースバンド処理プログラム２１０に従って、ベースバンド処理回路部２２の処理部１００が実行する位置算出処理（位置算出方法）の流れを説明するフローチャートである。なお、各ＧＰＳ衛星３の長期予測エフェメリス情報２３３は、既に算出されており、記憶部２００に記憶されているものとする。

まず、処理部１００は、ＧＰＳ衛星捕捉部１１０は、ＧＰＳ衛星信号を捕捉する（ステップＡ１）。本実施形態では、例えば、記憶部２００に記憶されている長期予測エフェメリス情報２３３を用いて選定した、測位に用いる少なくとも４つのＧＰＳ衛星３を捕捉する。そして、捕捉したＧＰＳ衛星３のメジャメント情報２３４を取得し、記憶部２００に記憶する。

ＧＰＳ衛星３を捕捉すると、捕捉したＧＰＳ衛星３の長期予測エフェメリス情報２３３が有効期間内であるか否かを判断する（ステップＡ３）。本実施形態では、例えば、有効期間として、１週間とする。

捕捉したＧＰＳ衛星３の長期予測エフェメリス情報２３３のうち１つでも有効期間内にないと判断された場合（ステップＡ３；Ｎｏ）には、ＧＰＳ衛星捕捉部１１０は、捕捉したＧＰＳ衛星３の信号から、エフェメリス（受信エフェメリス情報２３２）を取得し、記憶部２００に記憶する（ステップＡ３１）。そして、位置算出部１５０は、取得した受信エフェメリス情報２３２及びメジャメント情報２３４を用いて、位置算出装置１の位置を算出する（ステップＡ３３）。

一方、捕捉したＧＰＳ衛星３の長期予測エフェメリス情報２３３全てが有効期間内であると判断された場合（ステップＡ３；Ｙｅｓ）には、捕捉したＧＰＳ衛星３の長期予測エフェメリス情報２３３それぞれの算出日時から現在日時までの経過時間を用いて、準天頂衛星５からヘルス情報２４０を取得する必要があるか否かを判断する（ステップＡ５）。本実施形態では、例えば、算出日時から現在日時までの経過時間が１日以上である場合には、準天頂衛星５からヘルス情報２４０を取得する必要があると判断し、一方、算出日時から現在日時までの経過時間が１日未満である場合には、準天頂衛星５からヘルス情報２４０を取得する必要がないと判断する。

準天頂衛星５からヘルス情報２４０を取得する必要があると判断した場合（ステップＡ５；Ｙｅｓ）には、準天頂衛星捕捉部１２０は、準天頂衛星信号の捕捉を行い、ヘルス情報２４０を取得する（ステップＡ７）。

ヘルス情報を取得したら、処理部１００は、捕捉したＧＰＳ衛星３のＩＤとヘルス情報２４０に含まれるＧＰＳ衛星３のＩＤを比較し、捕捉したＧＰＳ衛星３のうち、ヘルスなＧＰＳ衛星３を特定する（ステップＡ９）。

ヘルスなＧＰＳ衛星３を特定したら、位置算出部１５０は、当該特定したＧＰＳ衛星３の長期予測エフェメリス情報２３３及びメジャメント情報２３４を用いて、位置算出装置１の位置を算出する（ステップＡ１１）。

一方、準天頂衛星５からヘルス情報２４０を取得する必要がないと判断した場合（ステップＡ５；Ｎｏ）には、捕捉したＧＰＳ衛星３の長期予測エフェメリス情報２３３及びメジャメント情報２３４を用いて、位置算出装置１の位置を算出する（ステップＡ５１）。

４．作用効果
このように、本実施形態の位置算出装置１では、測位処理時に、準天頂衛星５が送信するヘルス情報を取得する。このヘルス情報は、全ＧＰＳ衛星３のうち、現在正常に機能しているＧＰＳ衛星（ヘルスなＧＰＳ衛星）のＩＤ番号である。そのため、測位処理時において、ヘルスなＧＰＳ衛星３を特定することができ、ヘルスなＧＰＳ衛星３の長期予測エフェメリス情報２３３を使用することができる。それによって、長期予測エフェメリス情報２３３を使用した測位の測位精度を向上させることができる。

５．変形例
なお、本発明の適用可能な実施形態は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能なのは勿論である。

（Ａ）測位支援情報
また、上述の実施形態では、測位支援情報には、ある時刻ｔ０における位置ｒ０及び速度ｖ０という１つの位置情報と１つの速度情報とが含まれる例を挙げて説明したが、複数の時刻における位置情報及び速度情報を含んでいても良い。

（Ｂ）ヘルス情報
また、上述の実施形態では、ヘルス情報の送信源として準天頂衛星を例に挙げて説明したが、ＱＺＳＳであっても、ヘルス情報の送信源はサーバーでもよい。

（Ｃ）位置算出方法
また、上述の実施形態では、捕捉したＧＰＳ衛星３の長期予測エフェメリス情報２３３それぞれの算出日時から現在日時までの経過時間を用いて、準天頂衛星５からヘルス情報２４０を取得する必要があるか否かを判断する場合を例に挙げて説明した。これは、算出日時から現在日時までの経過時間が短い場合には、捕捉したＧＰＳ衛星３がヘルスである可能で高いため、準天頂衛星信号の捕捉及びヘルス情報２４０の取得を省略することにより、位置算出の高速化を図ろうとしたものである。しかし、準天頂衛星５からヘルス情報２４０を取得する必要があるか否かを判断せず、必ず準天頂衛星信号の捕捉及びヘルス情報２４０の取得を行っても良い。算出日時から現在日時までの経過時間が短い場合であっても、捕捉したＧＰＳ衛星３がヘルスでない衛星となってしまうこともありうるため、必ず準天頂衛星信号の捕捉及びヘルス情報２４０の取得を行うことによって、位置算出の精度をより上げることができる。

（Ｄ）衛星測位システム
また、上述の実施形態では、ＧＰＳ衛星のエフェメリスを取得して位置算出を行う位置算出装置を例に挙げて説明したが、ＷＡＡＳ（Wide Area Augmentation System）、ＧＬＯＮＡＳＳ（GLObal NAvigation Satellite System）、ＧＡＬＩＬＥＯ等の他の衛星測位システムとしても良い。

（Ｅ）人工衛星
また、上述の実施形態では、人工衛星を準天頂衛星としたが、静止衛星としてもよい。位置算出装置１の使用地域が赤道近傍の地域である場合には静止衛星が好適である。

（Ｆ）長期予測エフェメリス
また、上述の実施形態では、長期予測エフェメリスの生成場所を位置算出装置を例に挙げて説明したが、長期予測エフェメリスの生成場所はサーバーでもどこでもよい。

１…位置算出装置 ３…ＧＰＳ衛星（測位用衛星） ５…準天頂衛星 １０…衛星受信アンテナ ２０…衛星信号受信部（受信部） ２１…ＲＦ受信回路部 ２２…ベースバンド処理回路部 ３０…ホスト処理部 ３１…操作部 ３２…表示部 ３３…音出力部 ３４…時計部 ３５…記憶部 １００…処理部 １１０…ＧＰＳ衛星捕捉部 １２０…準天頂衛星捕捉部 １３０…座標変換行列生成部 １４０…エフェメリス推定部（測位部） １５０…位置算出部（測位部） ２００…記憶部 ２１０…ベースバンド処理プログラム ２２０…測位支援情報 ２３０…個別衛星情報 ２３１…衛星ＩＤ ２３２…受信エフェメリス情報 ２３３…長期予測エフェメリス情報 ２３４…メジャメント情報 ２４０…算出位置データ ２５０…算出位置データ。

Claims (3)

1. 位置算出に使用できる正常な測位用衛星の衛星番号を取得することと、
   前記取得した衛星番号に基づいて、位置算出に使用する測位用衛星を選定することと、
   前記選定した測位用衛星の長期予測軌道データを用いて、位置算出を行うことと、
   を含むことを特徴とする位置算出方法。
2. 請求項１に記載の位置算出方法において、
   前記長期予測軌道データを用いて、前記測位用衛星を捕捉することを更に含み、
   前記測位用衛星を選定することは、
   前記取得した衛星番号と前記捕捉した測位用衛星の衛星番号を比較し、前記捕捉した測位用衛星の衛星番号のうち、前記取得した衛星番号に含まれる衛星番号を選択することによって、前記測位用衛星を選定することと、
   を含むことを特徴とする位置算出方法。
3. 位置算出に使用できる正常な測位用衛星の衛星番号を取得する受信部と、
   前記取得した衛星番号に基づいて、位置算出に使用する測位用衛星を選定する測位用衛星選定部と、
   前記選定した測位用衛星の長期予測軌道情報を用いて、位置算出を行う測位部と、
   を含むことを特徴とする位置算出装置。

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