JP2015068767A - 測位システムと装置と方法並びにプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】衛星からの測位信号が断となっても、高い精度の測位をリアルタイムで実現可能とする装置、システム、方法、プログラムを提供する。
【解決手段】衛星１から受信した測位信号に基づき測位する測位装置３は、前記衛星からの測位信号が断となると、前記衛星１の移動情報及び測位装置の移動情報を取得して前記衛星と前記測位装置間の距離Ｒ'を計算し搬送波位相の整数バイアスを推定する。
【選択図】図１

Description

本発明は測位システムと装置、方法並びにプログラムに関する。

＜準天頂衛星システム（ＱＺＳＳ）＞
準天頂衛星（Quasi-Zenith Satellites；ＱＺＳ）を準天頂軌道（Quasi-Zenith orbit）に配置し日本付近で常に天頂方向に見えるようにした衛星システムである準天頂衛星システム（Quasi-Zenith Satellite System：ＱＺＳＳ）において、日本で受信可能な特定地域上にのみ留まる３機の衛星によって、米国のＧＰＳ（Global Positioning System）を補完及び補強するための計画が進行中である。すなわち、２０１０年にＱＺＳの１機目が打ち上げられ、２０１３年にはすべてが運用状態にされる予定である。この準天頂衛星システムでは、準天頂衛星を３機以上用意して準天頂軌道から信号を送信し、地上から高仰角で観測できる準天頂衛星を常に１機は見通せることができるようにすることで、例えば山間地やビル陰等に影響されず、全国をほぼ１００％カバーする高精度の測位サービスの提供を実現可能とする（なお、ＱＺＳＳの詳細は例えば非特許文献１参照）。

なお、よく知られているように、ＧＰＳ衛星は、測位用のＬ１帯とＬ２帯の送信機、複数のセシウムおよびルビジウム原子時計を搭載し、軌道高度約２０．０００ｋｍ、周回周期０．５恒星日、６枚の軌道面に４個ずつ合計２４個の衛星でシステムを構成する。ＱＺＳＳのサービスとして、このＧＰＳを補完・補強する２つのサービスを有している。

ＱＺＳＳにおけるＧＰＳ補完サービスはＧＰＳと組み合わせ、準天頂軌道を利用して衛星の幾何学的配置を改善することにより、都市部や山間部等における測位可能エリア・時間を増大させるとともに、準天頂衛星（ＱＺＳ）から、測位信号（Ｌ１Ｃ／Ａ信号、Ｌ１Ｃ信号、Ｌ２Ｃ信号及びＬ５信号）を送信して、測位精度の向上を目指すものである。

ＱＺＳＳにおけるＧＰＳ補強サービスは、準天頂衛星（ＱＺＳ）から、例えばＬ１−ＳＡＩＦ信号及びＬＥＸ信号を送信することで、測距補正情報の送信による高精度化、ヘルス情報の通知や故障判定による高信頼性化及びＧＰＳ衛星の捕捉支援情報等をユーザへ通知して、ユーザの利便性の向上を図る（非特許文献１）。天頂に必ず１機（準天頂衛星）があるので、これを捕捉し、次に、このＱＺＳの中にあるＧＰＳ情報を利用して他のＧＰＳ衛星を速やかに捕捉し、４機を確保し、測位を開始する。このようにして衛星捕捉時間を短縮化する。

準天頂衛星（ＱＺＳ）からは、図７に示すように、
・Ｌ１Ｃ／Ａ（周波数１５７５．４２ＭＨｚ）、
・Ｌ１Ｃ（周波数１５７５．４２ＭＨｚ）、
・Ｌ１−ＳＡＩＦ（ＳＢＡＳ(Satellite Based Augmentation System)互換信号：周波数１５７５．４２ＭＨｚ：準天頂独自）、
・ＬＥＸ（周波数１２７８．７５ＭＨｚ：準天頂独自）、
・Ｌ２Ｃ（周波数１２２７．６０ＭＨｚ）、
・Ｌ５（周波数１１７６．４５ＭＨｚ）
の６種類の衛星測位信号の送信が計画されている。Ｌ１Ｃ／Ａ、Ｌ１Ｃ、Ｌ２Ｃ、Ｌ５測位信号はＧＰＳ補間信号である。Ｌ１−ＳＡＩＦ、ＬＥＸ信号は付加価値情報を重畳して送信する補強信号である。重畳可能な伝送速度は、Ｌ１ＳＡＩＦでは２５０ｂｐｓ（補正情報、インテグリティ情報を２５０ｂｐｓの速度で配信する）、ＬＥＸでは、２ｋｂｐｓの高速メッセージが送信可能である。

＜ＬＥＸ信号＞
ＬＥＸ信号の中心周波数は１２７８．７５ＭＨｚ、ＬＥＸ信号の変調はＫａｓａｍｉ系列拡散符号を使用したＢＰＳＫ（Binary Phase Shift Keying）で周期４ｍｓのショートコードと周期４１０ｍｓのロングコードを交互に切り替える仕様となっている。ショートコードには１フレーム２０００ビットの航法メッセージ（ＬＥＸメッセージ）が重ね合わされる。メッセージは４９ビットのヘッダ、１６９５ビットのデータ部と、誤り検出・訂正用２５６ビットのリードソロモン（Reed-Solomon）符号の計２０００ビットで構成される。ヘッダはメッセージ先頭を示す３２ビットのプリアンブル、送信衛星識別用８ビットのＰＲＮ番号（Pseudo Random Noise：ＧＰＳ衛星の擬似ランダム雑音信号の番号、この番号によって、受信機内部では所定の擬似雑音符号を発生して受信波形と比較して、所望の衛星を捕捉・受信する）、メッセージ種別を表す８ビットのメッセージタイプＩＤ、および１ビットのアラートフラグから構成される。１フレームのＬＥＸメッセージは、１秒間で送信されるため高精度測位補強用補正データ用に利用可能な実効データ伝送レートは１６９５ｂｐｓとなる（非特許文献１、２）。

ＧＰＳでは、ＧＰＳ衛星軌道の推定位置を、
・天体暦（almanac）、
・放送暦（ephemeris：ＧＰＳ衛星の航法メッセージの中にある衛星自身の軌道要素：軌道要素を基に、衛星の位置が計算される）、
・精密暦（precise ephemeris：地上追跡網によってＧＰＳ衛星の高精度の軌道追跡を行い、それを基に計算された軌道要素）
の３種類を用いて提供している。ＧＰＳ受信機は、アルマナック（almanac）データにより測位に使用できる衛星を確認し、エフェメリス（ephemeris）データから正確な時刻情報を得て、受信機内部の時計とナノ秒単位で合わせる。放送暦（ephemeris）はＧＰＳ衛星が常時放送しており、精密暦は地上局により後処理で計算され、アルマナック（almanac）とともにインターネット等を通して得られる。アルマナック（almanac）の精度は約数ｋｍ、エフェメリス（ephemeris）はＳＡ（Selectable Availability：ＧＰＳ衛星の電波信号に雑音を重畳し一般利用者の測位精度を低下させる）オン時で例えば２〜５０ｍ、ＳＡオフ時で例えば２〜５ｍ以下、精密暦は例えば０．５〜１ｍ以下とされる。

＜ＰＰＰ型高精度測位＞
準天頂衛星（ＱＺＳ）から送信されるＬＥＸ信号を使って実施される各種実験では、例えばリアルタイムＰＰＰ（Precise Point Positioning：単独搬送波位相測位）型高精度測位の実証・評価を目的としたものもあり、ＬＥＸ信号のヘッダのメッセージタイプが１０、１１のものには、例えば、以下の補正データが格納される（非特許文献２）。

（１）エフェメリス、ＳＶ（衛星ビークル）クロックパラメータ：ＱＺＳＳおよびＧＰＳ衛星の高精度エフェメリスおよびＳＶクロックパラメータ（ノミナル放送周期１２秒、更新周期３分、ノミナル有効期間６分）。

（２）電離層遅延補正パラメータ（ノミナル放送周期１２秒、更新周期３０分）

（３）信号ヘルス（ノミナル放送周期１秒、更新周期１秒）

このようなＰＰＰ型高精度測位では、準天頂衛星（ＱＺＳ）１号機である「みちびき」からのＬＥＸ信号で送られる精密な衛星の軌道とクロック情報を使うことによって、基準局を必要とせずに、通常地上の基準点を用いて相対的に実現しているＰＰＰ型高精度測位を実現するものである。

なお、通常のＰＰＰ型測位では、後述される搬送波位相観測値中に含まれる整数バイアス（Integer Ambiguity）を解くことができない。このため、測位解の収束時間が長く、サブデシメータ級精度の解を得るためだけでも、通常数１０分の連続観測が必要となる。また電離層遅延の影響をキャンセルするため２周波受信機の利用が必須であり、安価な１周波受信機を使った運用は困難である。

＜ＲＴＫ−ＧＰＳ＞
一方、既に実用化されているネットワークＲＴＫ（Real Time Kinematic）型測位（ＲＴＫ−ＧＰＳ）では、整数バイアスを解くことにより、高速にセンチメートル級精度の解を求めることができる（非特許文献３）。しかしながら、補正データ伝送に携帯電話を利用するため、携帯電話サービスエリア外ではサービスが利用できないという制約がある。

＜ＰＰＰ−ＲＴＫ型測位＞
そこで、ＰＰＰ−ＲＴＫ型測位は、これらの問題点を解決し、補正情報を誤差項目毎に分離し最適化した頻度で送信することにより、高精度測位サービスを提供する。高頻度に補正データを更新することにより、静止ユーザだけでなく、移動体ユーザもサービスの対象となる。ＰＰＰ−ＲＴＫ型の補正データを、ＬＥＸ信号を使ってユーザに放送できれば、センチメータ級精度の測位が可能となる。ＬＥＸ信号を用いて準天頂衛星（ＱＺＳ）から放送される補正データとして、衛星軌道・時計誤差、電離層遅延、対流圏遅延、衛星コードバイアス（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ５用の衛星コードバイアス）・衛星搬送波位相バイアス（衛星初期位相）、衛星ＩＤ、品質管理情報、地表補正格子点の版、補正時刻、フレーム番号等があげられる（非特許文献２）。これらの補正データは、データセンタで基準局網のＧＰＳ／ＧＮＳＳ観測データをもとにモデルパラメータを逐次推定することで計算される。

以下では、ＧＰＳの測位について概説しておく。ＧＰＳなどの測位衛星が放送する測位／測距信号を受信する端末等では、測位衛星との距離を算出する場合、測位衛星との距離を４つ以上取得し、端末の位置（ｘ、ｙ、ｘ）と時刻を推定する。よく知られているように、距離の算出方法には、２通りある。

＜擬似距離＞
一般的なＧＰＳ／ＧＮＳＳ受信機において得られる測位信号の測定値は擬似距離（pseudo range）と呼ばれる。

単独測位では４個ＧＰＳ衛星の距離を測定する。距離は電波が衛星を出発した時刻と受信機に到達した時刻の差から求める。受信機の時計が不正確であるので、こうして求めた距離も不正確であることから「擬似距離」という。擬似距離観測値Pは、ＧＰＳ／ＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）衛星から送信された測位信号中のＰＲＮ（Pseudo-Random Noise）コードと呼ぶ測位コードにより測定された衛星Sと受信機r間の測位信号伝搬時間に光速を掛けたものと定義される。

ρは、衛星・受信機間の幾何学距離（ｍ）、ｃは光速（ｍ／ｓ），ｄｔ_ｒは受信機時計誤差、ｄT^Sは衛星時計誤差、I_ｒ ^Sは電離層遅延（ｍ）、T_ｒ ^Sは対流圏遅延（ｍ）、ε_ｐはマルチパスを含んだ擬似距離観測誤差（ｍ）を表している。

幾何学距離ρは衛星Ｓと受信機間の物理的な距離を表すものであり、測位信号送信時の衛星アンテナ位相中心位置と測位信号受信時の受信アンテナ位相中心位置の間の慣性空間上での距離として定義される。

式(2)において、ρ^Ｓ，ρ_ｒは、地球固定座標系での衛星及び受信機の位置（ｍ）を示す。ｔは、測位信号受信時刻であり、受信機時計で測った観測時刻ｔｒから受信機時計誤差ｄｔ（ｓｅｃ）を引いたものである（ｔ＝ｔｒ−ｄｔ）。τは電波伝搬時間（ｓｅｃ）であり、幾何学距離を光速ｃで割ったものである（τ＝ρ／ｃ）。地球自転により電波伝搬時間τの間に、地球固定座標系は慣性座標系に対してω_Ｅτ（ｒａｄ）回転する。測位信号送信時の衛星位置の計算にはその座標系回転分の補正Ｒｚ（ω_Ｅτ）が含まれている。なお、Ｒｚ（θ）はｚ軸回りの座標系回転行列（回転角θ）である。

＜単独測位＞
図８は、測位装置（受信機）と衛星の座標（ＥＣＥＦ（Earth-Centered Earth-Fixed）系：地球中心地球固定）を模式的に示す図である。図８を参照して、測位装置の単独測位を説明する。衛星、測位装置の位置ベクトルをそれぞれρ^Ｓ=［x^Ｓ，y^Ｓ，z^Ｓ］、ρ_Ｒ=［x_R，y_R，z_R］とする。衛星・測位装置間の幾何学的距離ρは以下で与えられる。

ρ＝｜ρ^S-ρ_R｜＝√（（x^S-x_R）²+（y^S-y_R）²+（z^S-z_R）²) ・・・(4)

測位装置は、以下の擬似距離Ｒを測定する。

Ｒ＝ρ＋Δρ＝ρ＋ｃΔδ ・・・(5)
Δδ＝δ^S−δ_R＋δ_D ・・・(6)

ただし、
δ^Sは衛星時計のオフセット時間（航法メッセージの時計補正係数から見積もられる）、δ_Rは測位装置時計のオフセット時間、
δ_Dは信号の衛星から測位装置までの到達時間のオフセット時間
である。

測位演算における未知数は、
・測位装置の位置座標ρ_R=［x_R，y_R，z_R］、
・測位装置の時計補正項δ_R
の４個である。

測位装置での観測量は、
・擬似距離Ｒ、
・衛星の位置座標ρ^S=［x^S，y^S，z^S］、
・時計補正項δ^S、δ_Dのモデル化不可能な項、
これ以外はノイズｎとして扱う。

４つの衛星i(=1〜４)に関して、
Ｒ＝ρⁱ−ｃΔδⁱ＋ｃδ_R＋ｎⁱ ・・・(7)

ただし、
ρⁱ＝｜ρⁱ−ρ_R｜＝√（（xⁱ - x_R)² + (yⁱ - y_R）² + (zⁱ - z_R）²） ・・・(8)

測位装置の座標ρ_Ｒの値ρ_０（近似値）の周りで線形近似する。

ρ_Ｒ＝ρ_０＋Δρ＝［x_０，y_０，z_０］＋［Δx_R，Δy_R，Δz_R］ ・・・(9)

関数f(x）のTayler展開f(a+h）＝ｆ（a）+h f'(a)より、ρ^ｉをρ^ｉ _０（＝ρ^ｉ｜ρ_Ｒ＝ρ_０）でTayler展開すると、
ρ^ｉ＝ρ^ｉ _０＋(−１／ρⁱ _０)（ρⁱ−ρ_０）^TΔρ ・・・(10)
(ただし、Ｔは転置を表す)

ρ^ｉ _０＝｜ρ^ｉ−ρ_０｜＝√（（xⁱ - x₀）² + (yⁱ - y₀）² + (zⁱ - z₀）²) ・・・(11)

Ｒ^ｉ−ρⁱ _０−ｃδｉ＝−(１／ρⁱ _０)（ρⁱ−ρ_０）^ＴΔρ＋ｃδ_Ｒ＋ｎ^ｉ ・・・(12)

式(12)を４個の衛星の線形連立方程式を解き、（Δρ、δ_Ｒ）を求め、ρ_０＋Δρが所定の計算精度内に収束するまで繰り返すことで単独測位が行われる。

＜搬送波位相距離＞
主に精密測量を目的とする精密測位用ＧＰＳ／ＧＮＳＳ受信機（測位装置）は擬似距離に加えて搬送波位相（ｃａｒｒｉｅｒ ｐｈａｓｅ）と呼ばれる観測量を測定する。搬送波位相とは受信機で復調した測位信号の搬送波位相角を連続的に測定したものである。搬送波位相には擬似距離と同様に衛星と観測点間の距離情報が含まれているが、擬似距離と比較して高精度な測定が可能なため、精密測位に使用される。搬送波位相観測値は以下のように表すことができる。

λは搬送波の波長、ε_Φはマルチパスを含んだ観測誤差を表している。

＜数不定性（Integer Ambiguity）＞
搬送波位相には擬似距離とは異なり、搬送波位相バイアスと呼ぶ連続的な測定では固定値となるバイアスが含まれている。搬送波位相バイアスＮ（cycle）は、受信機初期位相φ_０ｒ（cycle）、衛星初期位相φ^Ｓ _０（cycle）及び整数不定性（Integer Ambiguity）ｎを用いて以下のように表すことができる。

上記した擬似距離は、コード単位（１波長単位）での測定となるため精度は粗い。これに対して、搬送波位相角は、１搬送波内の位相角まで測定するために、精度が高い。測位衛星との距離を測定には、衛星位置誤差、衛星時計誤差、電離層遅延誤差、対流圏遅延誤差、マルチパス誤差、ノイズ等の誤差要因がある。

マルチパスは衛星から送信された測位信号が受信機近くの物体に反射され伝搬経路が複数となることにより電波伝搬時間に変動を起こす現象である。マルチパスは擬似距離測定値においては大きな誤差要因であり、その大きさは数ｍに達することがある。搬送波位相測定値においても擬似距離測定値と同様にマルチパスの影響を受けるがその大きさは擬似距離に比べるとずっと小さく、マルチパス対策を施した精密測位用のアンテナ及び受信機を使用した場合では最大でも数ｃｍのオーダーである。搬送波位相測定における観測誤差は、通常はｃｍ以下の値であり、他の項を十分な精度で与えることによりｃｍ以下の精度で衛星と観測点の間の距離を測定することができる。実測できるのは、φである。アンビギュイティは、例えばコード測位という粗い測定で別途概算しておく。コード（１コード＝１ｍｓ）の数を計測して衛星から受信装置への到達時間を算出し、光速を掛けて距離を算出する。

＜サイクルスリップ（cycle slip）＞
搬送波位相バイアスは、相対測位において、搬送波位相の二重差をとることにより、受信機および衛星初期位相の項が消去されて整数となるが、差をとらない場合には一般には整数にはならない。測位信号が一時的に途切れたり、あるいは観測雑音が大きくなったりして、受信機において搬送波位相の測定が連続的に行えなくなった場合に、搬送波位相バイアスの整数不定性に新しい値が導入され、搬送波位相測定値が飛ぶことがある。この現象をサイクルスリップ（cycle slip）と呼ぶ。サイクルスリップの検出と修正は、搬送波位相を使用した精密解析の重要な課題の一つである。

ＧＰＳ受信機は電源を切る直前のアルマナックデータとエフェメリスデータを保存している。このデータを完全に失ってしまった状態を「コールド」、アルマナックデータは失っていない状態を「ウォーム」、エフェメリスデータを失っていない状態を「ホット」という。ＧＰＳ受信機が有効なエフェメリスを記憶している間は、ホットスタートできるが、期限切れの場合、アルマナックだけなので、ウォームスタートになる。軌道情報がまったくない状態では、コールドスタートとなる。例えば、軌道情報を全部受信するには、１２．５分かかるので、コールドスタートしたときは１５分程度受信して、軌道情報を得る。

なお、特許文献１には、アンビギュイティの算出を高速化する測位装置として、衛星からの搬送波位相及び擬似距離を測定し、アンビギュイティの初期値を算出し、算出した初期値を用いて解の候補を推定する。測位装置は、自身の概略の水平位置（緯度、経度）とその水平位置での道路の高度情報により測位装置の高さ位置の範囲を設定し、各衛星からの搬送波位相が等しい等位相の多数の交点（解の候補）の中から、設定した範囲内にある解の候補に限定した上で真の解であるか否かの検定を行う構成が開示されている。

特許文献２には、衛星用通信部は、各衛星との擬似距離を測定するコード位相測定部、各衛星の搬送波の位相を測定する搬送波位相測定部、各衛星の搬送波の周波数を測定する搬送波周波数測定部を備え、処理部は、各衛星の搬送波の周波数を測定してドップラーシフトを求めることにより、測位対象の速度ベクトルを算出し、測位前の測位対象の位置をＡとし、速度ベクトルをＶとし、速度ベクトル算出の時間間隔をＴとすると、解の探索範囲の中心Ｂを、Ｂ＝Ａ＋Ｔ・Ｖにより求め、解の探索範囲を制限してアンビギュイティを決定する構成が開示されている。

特開２００９−７４９３０号公報 特開２０１０−７１６８６号公報

準天頂衛星システム ユーザインタフェース仕様書（ＩＳ−ＱＺＳＳ）２０１３年３月２７日 宇宙航空研究開発機構 インターネット（２０１３年４月２７日検索）＜ＵＲＬ：http://qz-vision.jaxa.jp/USE/is-qzss/DOCS/IS-QZSS_15_J.pdf＞ 高須知二、海老沼拓史、安田明生（東京海洋大学）、小暮聡、宮野智行 （宇宙航空研究開発機構） ２．６ ＱＺＳＳ ＬＥＸ 信号の概要、評価と拡張、インターネット（２０１３年４月２７日検索）＜ＵＲＬ：http://gpspp.sakura.ne.jp/paper2005/gpssymp_2009_revA.pdf＞ 高須知二（東京海洋大学）、Ａ．４ ＲＴＫ−ＧＰＳ 及びネットワーク型ＲＴＫ−ＧＰＳ測位技術 インターネット（２０１３年４月２７日検索）＜ＵＲＬ:http://gpspp.sakura.ne.jp/paper2005/gpssymp_2007.pdf＞

以下に関連技術の分析を与える。

搬送波位相を用いる測位装置では、測位信号を捕捉している（ロックしている）かぎり、搬送波バイアスＮの推定は、毎回行う必要はない。測位信号（電波）の受信が途切れる（サイクルスリップすると）と、再度、Ｎを推定し直す必要がある。

定点での測位の場合、衛星側のみを考慮すればよいため、Ｎの推定のし直しは容易であるが、移動体での測位の場合、Ｎが大きく変化するので、Ｎの推定に時間を要する。また移動体では、測位信号が断となる機会が多い。

ＰＰＰ−ＲＴＫ型測位等において、準天頂衛星（ＱＺＳ）からの測位信号（補正データ）により、位置、時刻情報をいち早く知りたいという要求がある。

そこで、本発明に目的は、衛星からの測位信号が断となっても、高い精度の測位をリアルタイムで実現可能とする装置、システム、方法、プログラムを提供することにある。

本発明のいくつかの関連する側面の１つによれば(視点１)、衛星から受信した測位信号に基づき測位する手段と、前記衛星からの測位信号が断となると、前記衛星の移動情報及び測位装置の移動情報を取得して前記衛星と前記測位装置間の距離を計算し搬送波位相の整数バイアスを推定する手段と、を備えた測位装置が提供される。

別の側面によれば(視点２)、衛星から受信した測位信号に基づき測位し、前記衛星からの測位信号が断となると、前記衛星の移動情報及び測位装置の移動情報を取得して前記衛星と前記測位装置間の距離を計算し搬送波位相の整数バイアスを推定する、測位方法が提供される。

さらに別の側面によれば(視点３)、衛星と、前記衛星から受信した測位信号に基づき測位する測位装置と、を備え、前記測位装置において、前記衛星からの測位信号が断となると、前記衛星の移動情報及び前記測位装置の移動情報に基づき、前記衛星と前記測位装置間の距離を計算し、搬送波位相の整数バイアスを推定する手段を備えた測位システムが提供される。

さらに別の側面によれば(視点４)、衛星から受信した測位信号に基づき測位する装置を構成するコンピュータに、
前記衛星からの測位信号が断となると、前記衛星の移動情報及び測位装置の移動情報を取得して前記衛星と前記測位装置間の距離を計算し搬送波位相の整数バイアスを推定する処理を実行させるプログラムが提供される。

さらに別の側面によれば(視点５)、視点４のプログラムを記録したコンピュータ読み出し可能な媒体（例えば半導体メモリや磁気／光ディスク等）が提供される。

本発明によれば、衛星からの測位信号が断となっても、高い精度の測位をリアルタイムで実現可能としている。

本発明の原理を模式的に説明するための図である。 本発明の原理を模式的に説明するための図である。 実施形態１の受信機の構成を示す図である。 実施形態１の処理手順（動作）を説明する図である。 実施形態１のシステムを説明する図である。 実施形態１の別のシステムを説明する図である。 ＱＺＳからの信号を説明する図である。 単独測位を説明するための図である。

本発明の実施形態によれば、測位装置では、衛星からの測位信号が断となると、衛星の移動情報及び測位装置の移動情報を取得し、前記衛星と前記測位装置間の距離を計算し搬送波位相の整数バイアスを推定する。このため、測位装置の移動情報を利用して高精度測位を実時間（real-time）で継続可能としている。

図１は、本発明の原理を説明する図である。Ａ地点での測位装置（受信機）３と衛星１（準天頂衛星）間の距離Ｒを、
Ｒ＝λＮ＋φ（＝ｃ（ｔ_Ｒ−ｔ^Ｓ）） ・・・(15)
とする。

ただし、λは測位信号の波長、Ｎは整数、φは搬送波位相、Ｒは擬似距離、ρは衛星・測位装置間の幾何学的距離、Δρは距離誤差、ｃは光の速度、ｔ_Ｒ、は測位装置３での測位信号着信時刻、ｔ^Ｓは衛星の送信時刻である。

測位装置３で観測できるのは、衛星が送信した搬送波の位相φ（０≦φ＜λ）であり、整数バイアスＮは直接測定することはできない。

測位装置３では、測定された搬送波位相φの測定値から、公知の手法（例えばカルマンフィルタ（Kalman Filter）を用いたＬＡＭＢＤＡ（least square ambiguity de-correlation adjustment）法）で整数バイアスＮを推定する。さらに求めた整数バイアスの検定を行う。そして、測位装置３では、整数バイアスＮに基づき、測位（測位装置３の位置座標と時計誤差δR）を行う。

歩道橋の下や、トンネル等のＢ地点で断となった場合、
・Ａ地点での測位装置３と準天頂衛星１との距離Ｒと、
・測位装置３のＡ地点（測位信号を最後の受信した測位装置での時刻：ｔ）からＢ地点（測位信号が断となった測位装置での時刻：ｔ’＝ｔ＋Δｔ）への移動情報（移動ベクトル）ΔＸと、準天頂衛星１の時刻ｔ^Ｓからｔ^Ｓ＋Δｔまでの移動ベクトルΔＳと、
から、Ｂ地点での測位装置３と準天頂衛星１との擬似距離Ｒ’を算出する。

Ｒ’＝ρ’＋Δρ’ ・・・(16)

ただし、ρ’は、準天頂衛星１と測位装置３間の幾何学的距離、Δρ’は距離誤差である。

このＲ’から整数バイアスＮを推定する。

Ｒ’＝λＮ’＋φ ・・・(17)
（０≦φ＜λ）

測位装置３で準天頂衛星１からの測位信号を受信できたＡ地点では、測位装置３は、測定した搬送波位相φに基づき整数バイアスＮを求めているが、測位信号を受信できないＢ地点では、測位装置３は、推定した距離Ｒ’に基づき、整数バイアスＮを求めている。

測位装置３は、Ｃ地点で、準天頂衛星１からの測位信号の受信再開時（測位装置での時刻ｔ”）、前記衛星からの測位信号が断のときに推定した前記搬送波位相の整数バイアス値Ｎ’に基づき（例えば初期値とする）、搬送波位相データからの搬送波位相の整数バイアスの導出を行う。このため、測位装置３では、準天頂衛星１からの測位信号（補正データを載せたＬＥＸ信号を含む）の受信再開時、すみやかに高精度測位（ＰＰＰ−ＲＴＫ）を継続させることができる。本発明によれば、測位装置３の移動情報を利用して高精度測位を実時間で継続可能としている。なお、図１では、準天頂衛星１と測位装置３の間の距離をＲとしているが、ＧＰＳ衛星２との間の距離についても同様なことがいえる。

図２は、図１のＡ地点とＢ地点における測位装置（受信機）と衛星の座標（ＥＣＥＦ（Earth-Centered Earth-Fixed）系：地球中心地球固定）を説明するための図である。図２のＡ地点の測位装置は、図８に対応しており、衛星からの測位信号が受信され、測位が行われる。一方、Ｂ地点では、測位信号は得られない。

擬似距離の算出の一例として、Ａ地点での測位装置による衛星からの測位信号の受信時刻（測位装置での時刻）をｔとし（衛星での測位信号送信時刻はｔ−τ：ただし、τは電波伝搬時間）、衛星からの測位信号が断となるＢ時点での測位装置での時刻をｔ’（＝ｔ＋Δｔ）とする。測位装置は、時刻ｔ（測位装置の位置ベクトルはρ_Ｒ）から時刻ｔ’までに、測位装置が移動した移動ベクトル（Δｘ）を取得する。よって、Ｂ地点における測位装置の位置ベクトルρ^’ _Ｒは、以下で与えられる。

ρ^’ _Ｒ＝ρ_Ｒ＋Δｘ ・・・(18)

式（18）において、ρ_Ｒは、測位装置が、測位装置時計のオフセットδ_Ｒとともに求めた、図２のＡ地点の測位装置の位置ベクトル（ρ_Ｒ）である。

また、測位装置は、Ａ地点で時刻ｔに受信した測位信号を衛星が送信した時刻ｔ−τにおける衛星の位置情報と衛星軌道に基づき、時刻ｔと時刻ｔ’の時間区間（Δｔ＝ｔ’−ｔ）における衛星の時刻ｔ−τからの移動ベクトルを取得する。衛星の時刻ｔ−τ＋Δｔでの位置ベクトルρ^’Ｓは、次式(19)で与えられる。

ρ^’Ｓ＝ρ^Ｓ＋ΔＳ ・・・(19)

ρ^Ｓは、Ａ地点で衛星から送信されたデータ（時刻ｔ−τでの準天頂衛星１の位置ベクトル：ただし、準天頂衛星から送信された補正データを含んでもよい）であり、ΔＳは、衛星の軌道計算から求まる（時刻ｔ−τで位置ベクトルρ^Ｓにあった衛星が時間Δｔで移動した距離に対応するベクトル）。

よって、測位装置での時刻ｔ’における衛星・測位装置間の幾何学的距離ρ’は次式(20)で与えられる。なお、時刻：ｔ’での衛星位置の計算には、前述したその座標系回転分の補正Ｒｚ（ω_Ｅτ）が含まれている。

ρ^’＝｜ρ^’Ｓ−ρ’_Ｒ｜＝｜（ρ^Ｓ＋ΔＳ）−（ρ_Ｒ＋Δｘ）｜ ・・・(20)

測位装置でＡ地点からΔｘ移動したＢ地点での擬似距離Ｒ’を算出するにあたり、
Ｒ’＝ρ^’＋ｃ（δ_Ｒ−δ_Ｓ＋δ_Ｄ） ・・・(21)
において、例えば、測位装置時計δ_Ｒは、Ａ地点での測位の結果で近似し、衛星時計のオフセットδ_ＳはＡ地点で受信した測位信号（あるいはＬＥＸ信号）に含まれる衛星時計のオフセットを用いてもよい。また、衛星から測位装置までの到達時間のオフセットδ_Ｄは近似値を用いるようにしてもよい。あるいは、δ_ＤはＡ地点で受信したＬＥＸ信号に含まれる電離層遅延、対流圏遅延情報を用いて、近似してもよい。測位装置では、
Ｒ’＝Ｎ’λ＋φ
から、整数バイアスを推定する。なお、衛星の移動ΔＳは、衛星軌道（ケプラー方程式等）から、数値演算で求まる。なお、式（21）において、衛星時計のオフセットδ_Ｓや衛星から測位装置までの到達時間のオフセットδ_Ｄをパラメータフィッティング等により求めてもよいことは勿論である。なお、図２を用いて説明したＲ’の算出例は、あくまで一例であり、本発明において、図１のR'の算出は、上記算出例に制限されるものでないことは勿論である。以下実施形態に即して説明する。

＜実施形態１＞
図３は、実施形態１の測位装置３に搭載される受信機１０の構成を例示する図である。なお、測位装置３は、表示装置等の出力装置、入力装置、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等を備えているが、図３には図示されていない。図３を参照すると、受信機１０は、受信したＬ１信号を処理するＬ１信号処理部１０１、受信したＬ２信号を処理するＬ２信号処理部１０２、受信したＬＥＸを処理するＬＥＸ信号処理部１０３、測位信号を受信した衛星の位置と該衛星の時計を計算する衛星位置・時計計算部１０４、電離層・対流圏遅延量を補正する電離層・対流圏遅延量補正部１０５、測距観測データ（搬送波位相）、衛星の位置と該衛星の時計、電離層・対流圏遅延量から補正距離を計算する距離補正部１０６、補正距離データに基き、測位装置の位置、時計を算出する測位演算部１０７、衛星からの測位信号の断を検出する測位信号断検出部１０８、測位信号断検出部１０８で信号断のとき、衛星と測位装置間の距離を算出し算出された距離から整数バイアスを推定する距離算出部１０９、アンテナ１１０を備えている。このうち、Ｌ１信号処理部１０１、Ｌ２信号処理部１０２、ＬＥＸ信号処理部１０３、衛星位置・時計計算部１０４、電離層・対流圏遅延量補正部１０５、距離計算部１０６、測位演算部１０７は、関連技術の構成を用いてもよい。測位装置３は、距離センサとして機能する加速度・ジャイロセンサ１１を備えている。ジャイロセンサは角速度（例えば左右にどのくらい曲がっているか）を検出する。測位装置３をカーナビ装置として実装する場合、さらにタイヤの回転等を用いて、移動距離を算出するようにしてもよい。

なお、図３では、説明の簡単のため、測位信号断検出部１０８は、アンテナ１１０の出力信号からＬ１、Ｌ２、ＬＥＸ信号の受信の有無を検出しているが、測位信号断検出部１０８は、Ｌ１信号処理部１０１、Ｌ２信号処理部１０２、ＬＥＸ信号処理部１０３の出力から、Ｌ１、Ｌ２信号、ＬＥＸ信号の受信の有無を検出するようにしてもよい。

測位信号断検出部１０８で測位信号の断を検出したとき、測位信号断検出部１０８は、電離層・対流圏遅延量補正部１０５、距離補正部１０６、衛星位置・時計計算部１０４の動作を停止（非活性化）させるようにしてもよい。測位信号断検出部１０８で測位信号断のとき、距離算出部１０９は、加速度・ジャイロセンサ１１の出力に基づき、測位装置３の移動ベクトルΔｘを算出し、さらに、衛星の移動ベクトルΔＳを算出し、衛星・受信機間の距離Ｒ’を算出し、距離Ｒ’から整数バイアスを推定する。

測位信号受信時に動作する距離補正部１０６では、測距観測データ（搬送波位相データ）、衛星位置・時計情報から、一重位相差（二つのアンテナを組として１つの測位衛星からの搬送波の位相差）又は二重位相差（二つの測位衛星からの電波を基に求めた１重位相差の差）の観測量を算出し、カルマンフィルタ、ＬＡＭＢＤＡ法を用いて一重位相差、二重位相差の整数バイアスを決定し、整数バイアス情報を測位演算部１０７に渡す。測位演算部１０７は、衛星情報（位置、時計）と位相差情報と、整数バイアスとに基づき、測位装置の測位データを更新するようにしてもよい。なお、図３の各処理部の機能の１部又は全部を、測位装置３を構成するコンピュータ上で実行されるプログラムで実現するようにしてもよいことは勿論である。

図４は、実施形態１の動作を説明する図である。測位装置３は、衛星から受信した測位信号に基づき、衛星と測位装置３間の距離Ｒを算出し、不図示の記憶装置に保持する（ステップＳ１）。測位装置３は、車載のナビゲーションシステムであってもよいし、あるいは移動体端末であってもよい。

測位装置３の受信機１０の測位信号断検出部１０８で測位信号断を検出すると（ステップＳ２のＹｅｓ）、測位信号に基づく測位は行えないため、測位装置３の受信機１０の距離算出部１０９は、前回の測位信号を取得した時点からの測位装置３の移動距離を算出する（ステップＳ３）。測位装置３の受信機１０で測位信号が受信できる場合（ステップＳ２のＮｏ）、ステップＳ１の測位が行われる。

測位装置３の受信機１０の距離算出部１０９は、前回の測位信号を取得した時点での準天頂衛星１の位置からの準天頂衛星１の移動距離ΔＳを算出する（ステップＳ４）。

測位装置３の受信機１０の距離算出部１０９は、前回の距離Ｒ（準天頂衛星１と測位装置３間の距離Ｒ）、準天頂衛星１の移動距離ΔＳ、測位装置３の移動距離ΔＸから、準天頂衛星１と測位装置３間の距離Ｒ’を算出する（ステップＳ５）。

測位装置３の受信機１０の距離算出部１０９は、準天頂衛星１と測位装置３間の距離Ｒ’から整数バイアスＮ’（Ｒ’＝Ｎ’λ＋φ）を算出する（ステップＳ６）。その後、測位装置３の受信機１０で測位信号の受信を再開した場合、（ステップＳ２のＮｏ）、ステップＳ１の測位が行われる。その際、測位演算部１０７は、距離算出部１０９で求めた整数バイアスＮ’を候補(例えば候補の初期値)として用いることで、最初から整数バイアスを求める場合と比べて、測位時間を短縮することができる。

図５は、実施形態１のシステム構成を示す図である。図５を参照すると、モニタ局・補正情報生成装置５は、ＱＺＳ１からの信号（衛星位置・時計情報等）に基づき、補正情報を生成し、マスタコントロール局・追尾管制局４から補正情報を含む信号をＱＺＳ１に送信する。モニタ局・補正情報生成装置５はＱＺＳ１からのＬＥＸ信号を受け取り、補正情報を作成し、マスタコントロール局・追尾管制局４に送信する。マスタコントロール局・追尾管制局４は、生成した補正情報をＱＺＳ１に送信する。ＱＺＳ１は、マスタコントロール局・追尾管制局４からの補正情報を受け、測位装置３に補正信号(電波)を送信するＬＥＸ信号を用いて準天頂衛星（ＱＺＳ）１から放送される補正データとして、例えば衛星軌道情報、衛星時計誤差情報を含むようにしてもよい。

図６は、実施形態１の別のシステム構成を示す図である。図５を参照すると、モニタ局・補正情報生成装置５は、ＱＺＳ１からの信号（衛星位置・時計情報等）と、複数（全国）の電子基準点６（参照基準点）での衛星の測位信号のモニタ結果と、に基づき、補正情報を生成し、マスタコントロール局・追尾管制局４から補正情報を含む信号をＱＺＳ１に送信する。電子基準点６からの測位情報に基づき、測位用補正データを生成し、ＱＺＳ１から放送することで、測位精度を向上させることができる。

ＬＥＸ信号を用いて準天頂衛星（ＱＺＳ）１から放送される補正データとして、例えば衛星軌道情報、衛星時計誤差情報、電離層遅延モデル、対流圏遅延モデルを、電子基準点６の観測データから、モニタ局・補正情報生成装置５で生成するようにしてもよい。これらの補正データは、全国の電子基準点６のネットワークのＧＰＳ／ＧＮＳＳ観測データをもとに、モニタ局・補正情報生成装置５でモデルパラメータを逐次推定することで計算される。本実施形態によれば、電子基準点での観測データを基に生成した補正データをＱＺＳで放送することで、測位装置３での高精度測位を可能としている。

上記した実施形態に係る測位装置３は、スマートフォン等の携帯端末に実装してもよい。あるいは、車載ナビゲーション装置に実装してもよい。あるいは、街並みや道路のモニタ等をはじめ、任意の測位装置に適用可能である。

なお、上記の特許文献の各開示を、本書に引用をもって繰り込むものとする。本発明の全開示（請求の範囲を含む）の枠内において、さらにその基本的技術思想に基づいて、実施形態の変更・調整が可能である。また、本発明の請求の範囲の枠内において種々の開示要素の多様な組み合わせないし選択が可能である。すなわち、本発明は、請求の範囲を含む全開示、技術的思想にしたがって当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。

１ 準天頂衛星（ＱＺＳ）
２ ＧＰＳ衛星
３ 測位装置
４ マスタコントロール局・追尾管制局
５ モニタ局・補正情報生成装置
６ 電子基準点
７ 通信網
１０ 受信機
１１ 加速度・ジャイロセンサ
１０１ Ｌ１信号処理部
１０２ Ｌ２信号処理部
１０３ ＬＥＸ信号処理部
１０４ 衛星位置・時計計算部
１０５ 電離層・対流圏遅延補正部
１０６ 距離補正部
１０７ 測位演算部
１０８ 測位信号断検出部
１０９ 距離算出部
１１０ アンテナ

Claims (15)

1. 衛星から受信した測位信号に基づき測位する手段と、
   前記衛星からの測位信号が断となると、前記衛星の移動情報及び測位装置の移動情報を取得して前記衛星と前記測位装置間の距離を計算し搬送波位相の整数バイアスを推定する手段と、
   を備えた、ことを特徴とする測位装置。
2. 前記衛星からの測位信号の受信再開時に、前記衛星からの測位信号が断のときに推定した前記搬送波位相の整数バイアス値に基づき、搬送波位相データからの搬送波位相の整数バイアスの導出を行う、ことを特徴とする請求項１記載の測位装置。
3. 前記衛星からの測位信号が断となると、前記測位装置で前記衛星からの測位信号が断となる直前に測位信号を受信した第１の時点（ｔ）から、前記衛星からの測位信号が断となる第２の時点（ｔ’）までに前記測位装置が移動した移動情報（Δｘ）を取得し、
   前記測位装置が前記第１の時点で受信した前記測位信号を前記衛星が送信した第３の時点での前記衛星の位置情報と衛星軌道に基づき、前記第２の時点と前記第１の時点の区間（Δｔ＝ｔ’−ｔ）における、前記衛星の前記第３の時点からの移動情報（ΔＳ）を取得する手段を備えた、ことを特徴とする請求項１又は２記載の測位装置。
4. 前記衛星は、準天頂衛星を含み、前記測位装置は、前記準天頂衛星から放送される測位補正情報を受信する、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の測位装置。
5. 衛星から受信した測位信号に基づき測位し、
   前記衛星からの測位信号が断となると、前記衛星の移動情報及び測位装置の移動情報を取得して前記衛星と前記測位装置間の距離を計算し搬送波位相の整数バイアスを推定する、ことを特徴とする測位方法。
6. 前記衛星からの測位信号の受信再開時に、前記衛星からの測位信号が断のときに推定した前記搬送波位相の整数バイアス値に基づき、搬送波位相データからの搬送波位相の整数バイアスの導出を行う、ことを特徴とする請求項５記載の測位方法。
7. 前記衛星は、準天頂衛星を含み、
   前記測位装置は、前記準天頂衛星から放送される補正情報を受信する、ことを特徴とする請求項５又は６記載の測位方法。
8. 衛星と、
   前記衛星から受信した測位信号に基づき測位する測位装置と、
   を備え、
   前記測位装置において、前記衛星からの測位信号が断となると、前記衛星の移動情報及び前記測位装置の移動情報に基づき、前記衛星と前記測位装置間の距離を計算し、搬送波位相の整数バイアスを推定する手段を備えた、ことを特徴とする測位システム。
9. 前記測位装置は、前記衛星からの測位信号の受信再開時に、前記衛星からの測位信号が断のときに推定した前記搬送波位相の整数バイアス値に基づき、搬送波位相データからの搬送波位相の整数バイアスの導出を行う、ことを特徴とする請求項８記載の測位システム。
10. 前記衛星は、準天頂衛星を含み、
    測位に関する補正情報を生成して前記準天頂衛星に送信する手段を備え、
    前記準天頂衛星は、前記補正情報を放送し、
    前記測位装置は、前記補正情報を受信する、ことを特徴とする請求項８又は９記載の測位システム。
11. 衛星から受信した測位信号に基づき測位する装置を構成するコンピュータに、
    前記衛星からの測位信号が断となると、前記衛星の移動情報及び測位装置の移動情報を取得して前記衛星と前記測位装置間の距離を計算し搬送波位相の整数バイアスを推定する処理を実行させるプログラム。
12. 前記衛星からの測位信号の受信再開時に、前記衛星からの測位信号が断のときに推定した前記搬送波位相の整数バイアス値に基づき、搬送波位相データからの搬送波位相の整数バイアスの導出を行う処理を、前記コンピュータに実行させる請求項１１記載のプログラム。
13. 前記衛星は、準天頂衛星を含み、前記準天頂衛星から放送される補正情報を受信する処理を、前記コンピュータに実行させる請求項１１又は１２記載のプログラム。
14. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の測位装置を備えた携帯端末。
15. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の測位装置を備えた車載ナビゲーション装置。

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