JP2015087227A - Positioning method and positioning device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、測位方法等に関する。 The present invention relates to a positioning method and the like.
測位用信号を利用した測位システムとして、GPS(Global Positioning System)が広く知られている。GPSでは、複数のGPS衛星の位置や各GPS衛星までの擬似距離等の情報を用いた位置計算を行って、GPS受信機の位置やクロックバイアスを求めている。このような測位用信号を利用した位置算出の手法としては、カルマンフィルターを用いた手法が広く知られている。例えば特許文献1には、受信したGPS衛星信号の受信周波数及びコード位相を観測値とするカルマンフィルターを用いた位置算出手法が開示されている。
A GPS (Global Positioning System) is widely known as a positioning system using positioning signals. In GPS, position calculation using information such as the positions of a plurality of GPS satellites and pseudo distances to the respective GPS satellites is performed to obtain the position and clock bias of the GPS receiver. As a position calculation method using such positioning signals, a method using a Kalman filter is widely known. For example,
ところで、GPSの測位誤差の大きな要因の一つとして、マルチパスがある。マルチパスは、GPS衛星信号が、建物や地面等への反射や回折による間接波信号として受信される現象である。 Incidentally, multipath is one of the major causes of GPS positioning errors. Multipath is a phenomenon in which a GPS satellite signal is received as an indirect wave signal due to reflection or diffraction on a building or the ground.
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、カルマンフィルターを用いた測位演算において、マルチパスによる測位誤差を低減させることである。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to reduce a positioning error due to multipath in a positioning calculation using a Kalman filter.
上記課題を解決するための第1の形態は、各捕捉衛星について、測位装置と当該捕捉衛星との間の距離を幾何学的位置関係から求めた幾何学距離と、当該捕捉衛星から前記測位装置までの信号伝搬時間を用いて求めた擬似距離との差を算出することと、各捕捉衛星について、前記測位装置による当該捕捉衛星の捕捉衛星信号の強度と、当該捕捉衛星に係る前記差とを用いて、当該捕捉衛星信号の誤差を示す指標値を算出することと、各捕捉衛星の捕捉衛星信号と、前記指標値とを用いて測位することと、を含み、前記指標値を算出することは、前記差が前記幾何学距離よりも前記擬似距離が長く、且つ、前記強度が所定の弱信号条件を満たす場合には、前記指標値を、当該捕捉衛星信号の誤差が大きいことを示す第1の値とすることと、前記差が前記幾何学距離よりも前記擬似距離が短く、且つ、前記強度が所定の強信号条件を満たす場合には、前記指標値を、当該捕捉衛星信号の誤差が小さいことを示す第2の値とすることとを含む測位方法である。 A first form for solving the above-described problem is that, for each captured satellite, a geometric distance obtained from a geometric positional relationship between the positioning device and the captured satellite, and the positioning device from the captured satellite. Calculating the difference from the pseudorange obtained using the signal propagation time until, and, for each captured satellite, the intensity of the captured satellite signal of the captured satellite by the positioning device and the difference related to the captured satellite Calculating an index value indicating an error of the captured satellite signal, and using the captured satellite signal of each captured satellite and positioning using the index value, and calculating the index value If the difference is longer than the geometric distance and the pseudorange is greater and the intensity satisfies a predetermined weak signal condition, the index value indicates that the error of the captured satellite signal is large. A value of 1 and the above When the pseudorange is shorter than the geometric distance and the intensity satisfies a predetermined strong signal condition, the index value is a second value indicating that the error of the captured satellite signal is small. Positioning method.
また、他の発明として、各捕捉衛星について、測位装置と当該捕捉衛星との間の距離を幾何学的位置関係から求めた幾何学距離と、当該捕捉衛星から前記測位装置までの信号伝搬時間を用いて求めた擬似距離との差を算出する差算出部と、各捕捉衛星について、前記測位装置による当該捕捉衛星の捕捉衛星信号の強度と、当該捕捉衛星に係る前記差とを用いて、当該捕捉衛星信号の誤差を示す指標値を算出する誤差指標値算出部であって、前記差が前記幾何学距離よりも前記擬似距離が長く、且つ、前記強度が所定の弱信号条件を満たす場合には、前記指標値を、当該捕捉衛星信号の誤差が大きいことを示す第1の値とし、前記差が前記幾何学距離よりも前記擬似距離が短く、且つ、前記強度が所定の強信号条件を満たす場合には、前記指標値を、当該捕捉衛星信号の誤差が小さいことを示す第2の値とする誤差指標値算出部と、を備え、各捕捉衛星の捕捉衛星信号と、前記指標値とを用いて測位する測位装置を構成しても良い。 As another invention, for each captured satellite, the geometric distance obtained from the geometric positional relationship between the positioning device and the captured satellite, and the signal propagation time from the captured satellite to the positioning device are calculated. A difference calculating unit that calculates a difference from the pseudo distance obtained by using the captured satellite signal intensity of the captured satellite by the positioning device and the difference related to the captured satellite for each captured satellite, An error index value calculation unit for calculating an index value indicating an error of a captured satellite signal, wherein the difference is longer than the geometric distance and the intensity is a predetermined weak signal condition. The index value is a first value indicating that the error of the captured satellite signal is large, the difference is shorter than the geometric distance, the pseudo distance is shorter, and the intensity is a predetermined strong signal condition. If it does, An error index value calculation unit that sets a second value indicating that the error of the captured satellite signal is small, and a positioning device that performs positioning using the captured satellite signal of each captured satellite and the index value It may be configured.
この第1の形態等によれば、測位装置と捕捉衛星との間の距離を幾何学的位置関係から求めた幾何学距離と信号伝搬時間を用いて求めた擬似距離との差、及び、捕捉衛星信号の強度を用いて、捕捉衛星信号の誤差を示す指標値を算出し、この指標値を用いた測位が行われる。マルチパスが生じている場合には、幾何学距離と擬似距離との差が大きくなるため、指標値は誤差が大きいことを示す値となる。これにより、マルチパスによる測位誤差を低減させて測位精度の向上が図れる。 According to the first aspect and the like, the difference between the geometric distance obtained from the geometric positional relationship between the positioning device and the acquisition satellite and the pseudo distance obtained using the signal propagation time, and the acquisition An index value indicating an error of the captured satellite signal is calculated using the intensity of the satellite signal, and positioning using the index value is performed. When multipath occurs, the difference between the geometric distance and the pseudo distance becomes large, and the index value is a value indicating that the error is large. Thereby, the positioning error can be reduced and the positioning accuracy can be improved.
また、擬似距離が幾何学距離より長く、且つ、信号強度が弱い場合は、マルチパス環境にあると推定できる。このような場合には、指標値を、受信した捕捉衛星信号の誤差が大きいことを示す第1の値とすることができる。 In addition, when the pseudo distance is longer than the geometric distance and the signal strength is weak, it can be estimated that the multipath environment exists. In such a case, the index value can be a first value indicating that the error of the received captured satellite signal is large.
また、測位位置の誤りによる測位誤差の低減が可能となる。つまり、擬似距離が幾何学距離より短く、且つ、信号強度が強い場合には、測位装置の測位位置が誤っているとみなせる。このような場合には、指標値を、捕捉衛星信号の誤差が小さいことを示す第2の値とすることができる。 In addition, it is possible to reduce positioning errors due to positioning position errors. That is, when the pseudo distance is shorter than the geometric distance and the signal strength is strong, it can be considered that the positioning position of the positioning device is incorrect. In such a case, the index value can be a second value indicating that the error of the captured satellite signal is small.
また、第2の形態として、前記指標値を前記第1の値とすることは、前記差が前記幾何学距離よりも前記擬似距離が所定の長大条件を満たすほど長く、且つ、前記強度が前記所定の弱信号条件を満たす場合に、前記指標値を前記第1の値とすることである、測位方法を構成しても良い。 Further, as a second form, the index value is the first value when the difference is longer than the geometric distance so that the pseudo distance satisfies a predetermined length condition, and the strength is If a predetermined weak signal condition is satisfied, a positioning method may be configured in which the index value is set to the first value.
この第3の形態によれば、更なる条件として、擬似距離が幾何学距離よりも所定の長大条件を満たすほど長い場合に、指標値を第1の値とする。擬似距離が幾何学距離よりも長いとしてもその差が微差である場合には、必ずしもマルチパスの影響とみなせない。このため、擬似距離が幾何学距離に対して充分“長い”場合に、指標値を、捕捉衛星信号の誤差が大きいことを示す第1の指標値とするのである。 According to the third embodiment, as a further condition, the index value is set to the first value when the pseudo distance is longer than the geometric distance so as to satisfy a predetermined length condition. Even if the pseudo distance is longer than the geometric distance, if the difference is a slight difference, it cannot be regarded as a multipath effect. Therefore, when the pseudo distance is sufficiently “long” with respect to the geometric distance, the index value is set as the first index value indicating that the error of the captured satellite signal is large.
また、第3の形態として、前記指標値を第2の値とすることは、前記差が前記幾何学距離よりも前記擬似距離が所定の短小条件を満たすほど短く、且つ、前記強度が前記所定の強信号条件を満たす場合に、前記指標値を前記第2の値とすることである、測位方法を構成しても良い。 In addition, as a third aspect, setting the index value to the second value means that the difference is shorter than the geometric distance so that the pseudo distance satisfies a predetermined short condition, and the intensity is the predetermined value. When the strong signal condition is satisfied, a positioning method may be configured in which the index value is set to the second value.
この第3の形態によれば、更なる条件として、擬似距離が幾何学距離よりも所定の短小条件を満たすほど短い場合に、指標値を第2の値とする。擬似距離が幾何学距離よりも短いとしてもその差が微差である場合には、必ずしも測位位置が誤っているとはみなせない。このため、擬似距離が幾何学距離に対して充分“短い”場合に、指標値を、捕捉衛星信号の誤差が小さいことを示す第2の指標値とするのである。 According to the third embodiment, as a further condition, the index value is set to the second value when the pseudo distance is shorter than the geometric distance so as to satisfy a predetermined short and short condition. Even if the pseudo distance is shorter than the geometric distance, if the difference is a slight difference, the positioning position cannot always be regarded as incorrect. Therefore, when the pseudo distance is sufficiently “short” with respect to the geometric distance, the index value is set as the second index value indicating that the error of the captured satellite signal is small.
また、第4の形態として、前記測位することは、前記測位装置の位置を状態ベクトルの成分とし、前記擬似距離を観測値とし、前記指標値を測定誤差としたカルマンフィルター処理を実行して測位することである、測位方法を構成しても良い。 Further, as a fourth mode, the positioning may be performed by executing a Kalman filter process using the position of the positioning device as a state vector component, the pseudorange as an observed value, and the index value as a measurement error. A positioning method may be configured.
この第4の形態によれば、カルマンフィルターを用いた測位において、測位装置の位置を状態ベクトルの成分とし、擬似距離を観測値とし、捕捉衛星信号の誤差を示す指標値を測定誤差とすることで、測位精度の向上が可能となる。 According to the fourth embodiment, in the positioning using the Kalman filter, the position of the positioning device is a state vector component, the pseudorange is an observation value, and the index value indicating the error of the captured satellite signal is the measurement error. Thus, the positioning accuracy can be improved.
[原理]
(A)GPSの概要
測位装置であるGPS受信機は、測位用衛星であるGPS衛星から送信されている測位用信号であるGPS衛星信号を受信し、受信したGPS衛星信号に重畳して搬送されているGPS衛星の軌道情報(エフェメリスやアルマナック)等の航法メッセージに基づいて、GPS衛星の位置や移動方向、速度情報等の衛星情報を算出する。
[principle]
(A) Outline of GPS A GPS receiver that is a positioning device receives a GPS satellite signal that is a positioning signal transmitted from a GPS satellite that is a positioning satellite, and is superimposed on the received GPS satellite signal and conveyed. Based on the navigation message such as the orbit information (ephemeris and almanac) of the GPS satellites, the satellite information such as the position and moving direction of the GPS satellites and the speed information is calculated.
次いで、内蔵している水晶時計により計時されるGPS衛星信号の受信時刻と、当該受信したGPS衛星信号のGPS衛星からの送信時刻との差に基づいて、GPS衛星から自機までの距離(擬似距離)を算出する。信号伝搬時間に基づく距離(擬似距離)の算出である。そして、自機の位置を示す三次元の座標値と、時計誤差との4つのパラメーターの値を、複数のGPS衛星の軌道情報や、各GPS衛星から自機までの距離(擬似距離)等に基づいて算出する測位演算を行うことで、自機の現在位置を測位する。 Next, based on the difference between the reception time of the GPS satellite signal measured by the built-in quartz clock and the transmission time of the received GPS satellite signal from the GPS satellite, the distance from the GPS satellite to its own device (pseudo Distance). This is a calculation of a distance (pseudo distance) based on the signal propagation time. Then, the values of the four parameters, the three-dimensional coordinate value indicating the position of the aircraft and the clock error, are used as the orbit information of a plurality of GPS satellites, the distance from each GPS satellite to the aircraft (pseudo distance), etc. By performing a positioning calculation calculated based on the current position, the current position of the own device is determined.
なお、GPS衛星は、6つの周回軌道面それぞれに4機ずつ配置され、原則地球上のどこからも常時4機以上のGPS衛星が観測できるように運用されている。 In addition, four GPS satellites are arranged on each of the six orbital planes, and in principle, four or more GPS satellites are operated from anywhere on the earth.
ところで、GPS衛星信号を用いた測位では、マルチパスによる測位誤差が問題となる。本実施形態では、受信したGPS衛星信号の誤差(受信信号の擬似距離誤差)を示す指標値を算出し、この指標値を測位演算に用いることで、測位誤差の改善を図っている。指標値は、GPS衛星とGPS受信機との間の距離、及び、GPS受信機におけるGPS衛星信号の受信強度(信号強度)に基づいて設定し、いわば受信したGPS衛星信号の信頼性を示しているとも言える。 By the way, in positioning using GPS satellite signals, positioning error due to multipath becomes a problem. In the present embodiment, an index value indicating an error of the received GPS satellite signal (pseudo distance error of the received signal) is calculated, and this index value is used for positioning calculation, thereby improving the positioning error. The index value is set based on the distance between the GPS satellite and the GPS receiver, and the reception strength (signal strength) of the GPS satellite signal in the GPS receiver, so to speak, it indicates the reliability of the received GPS satellite signal. It can be said that there is.
具体的には、図1に示すように、GPS衛星SとGPS受信機10との間の距離として、擬似距離L1及び幾何学距離L2を算出する。GPS衛星Sの位置PS(xS,yS,zS)は、航法メッセージに基づいて取得する。また、GPS受信機10の位置P2(x2,y2,z2)は、直前の測位演算で算出した測位位置や移動速度等から算出した予測位置とする。なお、測位演算を行って算出した位置が測位位置である。位置P1(x1,y1,z1)は、擬似距離L1から算出されるGPS受信機10の位置である。また、図1及び図2において、信号の直線は擬似距離L1を、破線は幾何学距離L2を示す。また、図2(a)及び図2(b)において、“真値”と記載された位置が正しい位置(或いは正しい位置に近い位置)である。
Specifically, as shown in FIG. 1, the pseudo distance L1 and the geometric distance L2 are calculated as the distance between the GPS satellite S and the
擬似距離L1は、受信したGPS衛星信号の伝搬時間から算出する。また、幾何学距離L2は、幾何学的位置関係から、次式(1)のように算出する。
擬似距離L1と幾何学距離L2との差を、距離差ΔL(=擬似距離L1−幾何学距離L2)、とする。この距離差ΔLと、GPS衛星信号の信号強度とに基づいて、GPS衛星信号の指標値を算出する。図1に示すように、測位誤差が発生していない正常な状態では、擬似距離L1と幾何学距離L2とは一致或いは略一致して距離差ΔLは「0」或いは微小な値となる。 A difference between the pseudo distance L1 and the geometric distance L2 is a distance difference ΔL (= pseudo distance L1−geometric distance L2). Based on the distance difference ΔL and the signal strength of the GPS satellite signal, an index value of the GPS satellite signal is calculated. As shown in FIG. 1, in a normal state in which no positioning error has occurred, the pseudo distance L1 and the geometric distance L2 match or substantially match, and the distance difference ΔL becomes “0” or a minute value.
一方、図2は、何らかの誤差が発生している場合の例である。図2(a)は、予測位置P2が真値で、且つ、マルチパスが生じているいわゆるマルチパス環境の場合である。マルチパスの影響で擬似距離L1が幾何学距離L2よりも長く、距離差ΔLは「正値」となる。また、GPS衛星信号は間接波となるため、信号強度は、正常時と比較して“弱い”(弱信号条件を満たす)。このような場合には、受信しているGPS衛星信号の誤差が大きい(信頼性が低い)とみなし、指標値を、例えば正常時と比較して“大きな値”に設定する。 On the other hand, FIG. 2 shows an example in the case where some error has occurred. FIG. 2A shows a case of a so-called multipath environment where the predicted position P2 is a true value and multipath occurs. The pseudo distance L1 is longer than the geometric distance L2 due to the influence of the multipath, and the distance difference ΔL becomes a “positive value”. Further, since the GPS satellite signal is an indirect wave, the signal strength is “weak” (normally satisfies the weak signal condition) as compared with the normal time. In such a case, the received GPS satellite signal is regarded as having a large error (low reliability), and the index value is set to a “large value”, for example, compared with the normal value.
また、図2(b)は、位置P1が真値で、GPS受信機10の予測位置P2が誤っている場合である。例えば、前回の測位においていわゆる位置飛びが発生したり、算出した速度(速さや方向)が大きく誤った場合である。マルチパスの影響がないとすると、この場合、擬似距離L1は、GPS衛星Sの位置PS(xS,yS,zS)と、GPS受信機10の真の位置P1(x1,y1,z1)との間の距離となる。このため、幾何学距離L2が擬似距離L1よりも長く、距離差ΔLは「負値」となる。また、GPS衛星信号は直接波信号となるため、信号強度は、 “強い”(強信号条件を満たす)。このような場合には、受信しているGPS衛星信号の誤差は小さい(信頼性が高い)とみなして、指標値を、例えば正常時と比較して“小さな値”に設定する。
FIG. 2B shows a case where the position P1 is a true value and the predicted position P2 of the
(B)測位演算
本実施形態では、カルマンフィルター(KF:Kalman Filter)を用いた測位処理(KF測位処理)を行って現在位置を測位する。カルマンフィルターは、誤差を含む観測値を利用して、時々刻々に変化する状態量を推定する確率理論に基づく推定手法である。本実施形態では、GPS受信機10の状態(位置や速度など)を状態ベクトルXとして予測演算及び補正処理を行って、状態推定値であるGPS受信機10の位置を算出する。
(B) Positioning calculation In this embodiment, a positioning process (KF positioning process) using a Kalman filter (KF: Kalman Filter) is performed to determine the current position. The Kalman filter is an estimation method based on probability theory that estimates an amount of state that changes from moment to moment by using observation values including errors. In the present embodiment, prediction calculation and correction processing are performed using the state (position, velocity, etc.) of the
カルマンフィルターでは、観測値に誤差が含まれることを前提とし、この観測値に含まれる誤差を観測誤差(R値)として補正処理に反映させる。本実施形態では、GPS衛星信号のコード位相、及び、受信周波数の2つの成分を有するメジャメントを観測値としているため、この2つの成分に含まれる誤差をそれぞれ設定する。具体的には、受信周波数の観測誤差である速度R値と、コード位相の観測誤差である位置R値とを設定する。 The Kalman filter is based on the premise that an error is included in the observed value, and the error included in the observed value is reflected in the correction process as an observation error (R value). In this embodiment, since the measurement having two components of the code phase of the GPS satellite signal and the reception frequency is used as an observation value, an error included in each of these two components is set. Specifically, a speed R value that is an observation error of the reception frequency and a position R value that is an observation error of the code phase are set.
具体的には、図1及び図2を用いて説明した受信しているGPS衛星信号の誤差を示す指標値を、位置R値に反映させる。すなわち、距離差ΔLの正負、及び、GPS衛星信号の受信強度(信号強度)に基づいて、位置R値を変更する。具体的には、距離差ΔLが「正値」であり、且つ、信号強度が“弱い”場合には(図2(a)に相当)、位置R値を増加させるように変更し、距離差ΔLが「負値」であり、且つ、信号強度が“強い”場合には(図2(b)に相当)、位置R値を減少させるように変更する。 Specifically, the index value indicating the error of the received GPS satellite signal described with reference to FIGS. 1 and 2 is reflected in the position R value. That is, the position R value is changed based on the sign of the distance difference ΔL and the reception strength (signal strength) of the GPS satellite signal. Specifically, when the distance difference ΔL is “positive value” and the signal intensity is “weak” (corresponding to FIG. 2A), the position R value is changed to increase, and the distance difference When ΔL is a “negative value” and the signal strength is “strong” (corresponding to FIG. 2B), the position R value is changed to decrease.
[構成]
図3は、本実施形態における携帯型電子機器1の構成図である。この携帯型電子機器1は、身体に装着、或いは、携帯して使用される小型の電子機器であり、例えば、いわゆるランナーズウォッチとよばれる腕時計タイプのウェアラブルコンピューター等によって実現される。図3によれば、携帯型電子機器1は、GPS受信機10と、メイン処理部30と、操作部32と、表示部34と、音出力部36と、時計部38と、通信部40と、メイン記憶部42とを備えて構成される。
[Constitution]
FIG. 3 is a configuration diagram of the portable
GPS受信機10は、GPSアンテナ12と、RF受信回路部14と、ベースバンド処理回路部16とを備えて構成され、GPS衛星から発信されているGPS衛星信号を受信して携帯型電子機器1の位置を測位する。
The
GPSアンテナ12は、GPS衛星から送信されているGPS衛星信号を含むRF(radio Frequency)信号を受信するアンテナである。
The
RF受信回路部14は、GPSアンテナ12によって受信されたRF信号を中間周波数の信号(IF(Intermediate Frequency)信号)にダウンコンバートし、増幅等した後、デジタル信号に変換して出力する。
The RF
ベースバンド処理回路部16は、RF受信回路部14から入力される受信信号のデータを用いてGPS衛星信号を捕捉・追尾し、捕捉したGPS衛星信号から取り出した時刻情報や衛星軌道情報等を用いて、携帯型電子機器1の位置や時計誤差等を算出する。
The baseband
図4は、ベースバンド処理回路部16の構成図である。図4によれば、ベースバンド処理回路部16は、BB処理部100と、BB記憶部200とを有して構成される。
FIG. 4 is a configuration diagram of the baseband
BB処理部100は、CPU(Central Processing Unit)やDSP(Digital Signal Processor)等のプロセッサーで実現され、BB記憶部200に記憶されたベースバンドプログラム210に従ってベースバンド処理回路部16の各部を統括的に制御する。また、BB処理部100は、メジャメント取得部110と、KF測位演算部120とを有する。
The
メジャメント取得部110は、RF受信回路部14から入力される受信信号のデータに対して、キャリア除去や相関演算等のデジタル信号処理を行って、GPS衛星(信号)を捕捉する。そして、捕捉したGPS衛星信号の受信周波数やコード位相を含むメジャメント(実測値)を取得する。また、捕捉したGPS衛星信号の信号強度を測定する。メジャメント取得部110によって取得されたメジャメントは、メジャメントデータ230として記憶され、測定された信号強度は、信号強度データ240として記憶される。
The
図5は、メジャメントデータ230のデータ構成例である。図5によれば、メジャメントデータ230は、捕捉衛星231それぞれに、メジャメント実測値232を対応付けて格納している。メジャメント実測値232は、GPS衛星信号の受信周波数F、及び、コード位相CPを含む。
FIG. 5 is a data configuration example of the
図6は、信号強度データ240のデータ構成例である。図6によれば、信号強度データ240は、捕捉衛星241それぞれに、信号強度242を対応付けて格納している。
FIG. 6 is a data configuration example of the
図4に戻り、KF測位演算部120は、位置R値設定部122を有し、KF測位プログラム212に従ったKF測位処理(図9参照)を行う。KF測位処理では、メジャメント取得部110によって取得された捕捉衛星のメジャメントに基づいて、カルマンフィルターを用いた測位演算を行って、携帯型電子機器1の位置や速度を算出する。測位演算に用いたカルマンフィルターの各種パラメーター(状態ベクトルVelX,PosX、誤差共分散行列VelP,PosP等)は、KFパラメーターデータ250として記憶される。
Returning to FIG. 4, the KF
また、算出された位置や速度は、測位履歴データ260として蓄積記憶される。図7は、測位履歴データ260のデータ構成例である。図7によれば、測位履歴データ260は、測位時刻261と、位置262と、速度263とを対応付けて格納している。
Further, the calculated position and speed are accumulated and stored as positioning
位置R値設定部122は、KF位置補正処理(図12参照)で用いられる位置R値を設定する。具体的には、GPS衛星から受信したGPS衛星信号の受信強度(信号強度)をもとに、基準位置R値設定テーブル220に従って、基準位置R値を設定する。
The position R
図8は、基準位置R値設定テーブル220のデータ構成例である。図8によれば、基準位置R値設定テーブル220は、信号強度221と、基準位置R値222とを対応付けて格納している。図8の例では、信号強度が小さいほど、基準位置R値が大きくなるように定められている。
FIG. 8 is a data configuration example of the reference position R value setting table 220. According to FIG. 8, the reference position R value setting table 220 stores the
位置R値設定部122は、この基準位置R値を変更する。具体的には、GPS衛星信号のコード位相である観測値Zに応じた値を加算して、基準位置R値を更新する。また、携帯型電子機器1が停止している場合に、所定値を加算して基準位置R値を変更する。
The position R
更に、GPS衛星と携帯型電子機器1との間の距離、及び、携帯型電子機器1におけるGPS衛星信号の受信強度(信号強度)に基づいて、基準位置R値を変更する。具体的には、受信したGPS衛星信号の送信時刻と受信時刻の時間差から、擬似距離L1を算出する。また、GPS衛星の位置P1と携帯型電子機器1の予測位置P2との幾何学的位置関係から、式(1)に従って、幾何学距離L2を算出する。そして、擬似距離L1と幾何学距離L2との差である距離差ΔLを算出し、判定値Yとする。
Further, the reference position R value is changed based on the distance between the GPS satellite and the portable
次いで、判定値Yと、GPS衛星信号の受信強度(信号強度)とに応じて、基準位置R値を変更する。すなわち、判定値Yが「正値」の場合、判定値Yが所定の第1の閾値より大きく(長大条件を満たす)、且つ、GPS衛星信号の信号強度が平均信号強度より小さい(所定の弱信号条件を満たす)ならば、候補値Rt(第1の値)を次式(2)に従って算出する。
一方、距離差ΔLが「負値」の場合、判定値Yが所定の第2の閾値より小さく(短小条件を満たす)、且つ、GPS衛星信号の受信強度が平均信号強度より大きい(所定の強信号条件を満たす)ならば、候補値Rt(第2の値)を次式(3)に従って算出する。
ここで、平均信号強度は、捕捉衛星それぞれの信号強度の平均値である。また、第1の閾値は、非マルチパス環境において強信号である場合の、擬似距離誤差の統計値であり、例えば10mである。第2の閾値は、強・中信号である場合の、擬似距離誤差の統計値であり、例えば20mである。 Here, the average signal strength is an average value of the signal strength of each captured satellite. The first threshold is a statistical value of pseudorange error in the case of a strong signal in a non-multipath environment, and is 10 m, for example. The second threshold is a statistical value of the pseudorange error in the case of a strong / medium signal, and is 20 m, for example.
擬似距離誤差は、座標が既知の位置において、当該座標を用いて求めたGPS衛星SとGPS受信機10との幾何学的距離と、当該位置における擬似距離との差(擬似距離−幾何学的距離)である。つまり、後述の位置R値設定処理(図12)において、ステップD19までの判定でマルチパスである可能性が高いと判定されたときに、受信状況が良好な場合に生じ得る擬似距離誤差と、距離差ΔLとを比較する。また、マルチパスである可能性が低いと判定されたときに、マルチパスを含む条件での擬似距離誤差と距離差ΔLとを比較する。マルチパスの影響の有無をより正確に推定するためである。
The pseudorange error is the difference between the geometric distance between the GPS satellite S and the
図4に戻り、BB記憶部200は、ROMやRAM等で構成される記憶装置であり、BB処理部100がベースバンド処理回路部16の各部を統括的に制御するためのシステムプログラムや、ベースバンド処理回路部16の各種機能を実現するためのプログラムやデータを記憶するとともに、BB処理部100の作業領域として用いられ、BB処理部100の演算結果等を一時的に格納する。本実施形態では、BB記憶部200には、KF測位プログラム212を含むベースバンドプログラム210と、基準位置R値設定テーブル220と、メジャメントデータ230と、信号強度データ240と、KFパラメーターデータ250と、測位履歴データ260とが記憶される。
Returning to FIG. 4, the
図3に戻り、メイン処理部30は、メイン記憶部42に記憶されたシステムプログラム等の各種プログラムに従って、携帯型電子機器1の各部を統括的に制御する。
Returning to FIG. 3, the
操作部32は、タッチパネルやボタンスイッチ等で構成される入力装置であり、ユーザーの操作に応じた操作信号をメイン処理部30に出力する。
The
表示部34は、LCD(Liquid Crystal Display)等で構成される表示装置であり、メイン処理部30からの表示信号に基づく各種表示を行う。
The
音出力部36は、スピーカー等で構成される音出力装置であり、メイン処理部30からの音信号に基づく各種音声出力を行う。
The
時計部38は、内部時計であり、水晶発振器等を有する発振回路によって構成され、現在時刻や、指定タイミングからの経過時間等を計時する。
The
通信部40は、例えば無線LAN(Local Area Network)やBluetooth(登録商標)等の無線通信装置で構成され、外部機器との通信を行う。
The
メイン記憶部42は、ROMやRAM等で構成される記憶装置であり、メイン処理部30が携帯型電子機器1の各部を統括的に制御するためのシステムプログラムや、携帯型電子機器1の各種機能を実現するためのプログラムやデータを記憶するとともに、メイン処理部30の作業領域として用いられ、メイン処理部30の演算結果や、操作部32からの操作データ等を一時的に格納する。
The
[処理の流れ]
図9は、KF測位処理の流れを示すフローチャートである。この処理は、KF測位演算部120が、KF測位プログラム212に従って、所定の測位間隔(例えば、1秒)毎に実行する処理である。
[Process flow]
FIG. 9 is a flowchart showing the flow of the KF positioning process. This process is a process executed by the KF
図9によれば、先ず、初期設定を行う(ステップA1)。具体的には、次式(4),(5)に示すように、携帯型電子機器1の位置を成分とする位置状態ベクトルPosX、及び、速度を成分とする速度状態ベクトルVelXを定義する。
また、位置状態ベクトルPosXの誤差共分散行列(状態ノイズ)PosP、及び、速度状態ベクトルVelXの誤差共分散行列(状態ノイズ)VelPを、次式(6),(7)に示すように定義する。式中の添え字「k」は、時刻を表す。
次いで、携帯型電子機器1の速度を予測する速度予測処理を行う(ステップA3)。具体的には、次式(8),(9)に従って、速度状態ベクトルVelXの予測値VelX−、及び、誤差共分散行列VelPの予測値VelP−を算出する。
式(9)において、「VelQ」はプロセスノイズであり、式(10)に示すように定義される。
続いて、予測速度を補正する速度補正処理を行う(ステップA5)。図10は、速度補正処理の流れを示すフローチャートである。速度補正処理では、捕捉衛星それぞれを対象としたループAの処理を繰り返し実行する。 Subsequently, a speed correction process for correcting the predicted speed is performed (step A5). FIG. 10 is a flowchart showing the flow of speed correction processing. In the speed correction process, the loop A process for each captured satellite is repeatedly executed.
ループAでは、先ず、対象捕捉衛星(処理対象とする捕捉衛星)の位置と、速度予測処理で算出された速度状態ベクトルの予測値VelX−から得られる携帯型電子機器1の位置とに基づいて、携帯型電子機器1から対象捕捉衛星への視線方向を示す観測行列Hを算出する(ステップB1)。また、対象捕捉衛星からのGPS衛星信号の受信周波数の実測値(メジャメント実測値)を、観測値Zとする(ステップB3)。また、カルマンフィルターの入力値となる観測値Zの測定誤差を示す行列として、観測値Zである受信周波数の誤差(速度R値)として所定値を設定した誤差推定行列Rを設定する(ステップB5)。
In the loop A, first, based on the position of the target capturing satellite (captured satellite to be processed) and the position of the portable
次いで、速度予測処理で算出された誤差共分散行列の予測値VelP−と、観測行列Hと、誤差推定行列Rとを用いて、次式(11)に従って、カルマンゲインKを算出する(ステップB7)。
続いて、速度状態ベクトルの予測値VelX−と、カルマンゲインKと、観測値Zと、観測行列Hとを用いて、次式(12)に従って、速度状態ベクトルの補正値VelXを算出する(ステップB9)。
また、カルマンゲインKと、観測行列Hと、誤差共分散行列の予測値VelP−とを用いて、次式(13)に従って、誤差共分散行列VelPの補正値VelPを算出する(ステップB11)。
速度補正処理が終了すると、続いて、携帯型電子機器1の位置(予測位置)を予測する位置予測処理を行う(ステップA7)。具体的には、次式(14),(15)に従って、位置状態ベクトルPosXの予測値PosX−、及び、誤差共分散行列PosPの予測値PosP−を算出する。
式(14),(15)において、「φ」は状態遷移行列であり、前回のKF測位処理からの経過時間「Δt」を成分として含む行列として定義される。また、「PosQ」は、プロセスノイズであり、式(16)に示すように定義される。
続いて、予測位置を補正する位置補正処理を行う(ステップA9)。図11は、位置補正処理の流れを示すフローチャートである。位置補正処理では、捕捉衛星それぞれを対象としたループBの処理を繰り返し実行する。 Subsequently, position correction processing for correcting the predicted position is performed (step A9). FIG. 11 is a flowchart showing the flow of position correction processing. In the position correction process, the loop B process for each captured satellite is repeatedly executed.
ループBでは、先ず、携帯型電子機器1から対象捕捉衛星への視線方向を示す観測行列Hを算出する(ステップC1)。また、対処捕捉衛星からのGPS衛星信号のコード位相の実測値(メジャメント実測値)を、観測値Zとする(ステップC3)。次いで、位置R値設定部122が位置R値設定処理を行って、位置R値を設定する。(ステップC5)。位置R値設定処理は、指標値を算出することに相当する。
In the loop B, first, an observation matrix H indicating the line-of-sight direction from the portable
図12は、位置R値設定処理の流れを示すフローチャートである。図12によれば、先ず、対象捕捉衛星のGPS衛星信号の信号強度に基づいて、基準位置R値を設定する(ステップD1)。次いで、捕捉衛星のコード位相である観測値Zに基づいて、基準位置R値を変更する(ステップD3)。すなわち、信号強度に基づき設定した基準位置R値を、コード位相の観測値Zに基づいて調整する。続いて、携帯型電子機器1が停止しているか否かを判定し、停止しているならば(ステップD5:停止)、所定値を加算して基準位置R値を変更する(ステップD7)。携帯型電子機器1が停止していないならば(ステップD5:移動)、次のステップD7をスキップする。また、全ての捕捉衛星の信号強度の平均値を算出する(ステップD9)、
FIG. 12 is a flowchart showing the flow of the position R value setting process. According to FIG. 12, first, the reference position R value is set based on the signal strength of the GPS satellite signal of the target capturing satellite (step D1). Next, the reference position R value is changed based on the observation value Z which is the code phase of the captured satellite (step D3). That is, the reference position R value set based on the signal intensity is adjusted based on the observed value Z of the code phase. Subsequently, it is determined whether or not the portable
また、対象捕捉衛星と携帯型電子機器1との間の距離として、対象捕捉衛星からのGPS衛星信号の送信時刻と、携帯型電子機器1における当該GPS衛星信号の受信時刻との時間差に基づく擬似距離L1を算出する(ステップD11)。また、捕捉衛星の位置P1と、速度予測処理で算出された速度状態ベクトルの予測値VelX−から得られる携帯型電子機器1の予測位置P2とをもとに、幾何学的位置関係である幾何学距離L2を算出する(ステップD13)。そして、擬似距離L1と幾何学距離L2との距離差ΔLを算出して判定値Yとする(ステップD15)。
Further, the distance between the target capturing satellite and the portable
その後、判定値Yの正負を判定し、「正値」ならば(ステップD17:正(Y>0))、対象捕捉衛星の信号強度と平均信号強度とを比較する(ステップD19)。対象捕捉衛星の信号強度が平均信号強度より小さいならば(ステップD19:YES)、更に、判定値Yと第1閾値とを比較する(ステップD21)。判定値Yが第1閾値より大きいならば(ステップD21:YES)、判定値Yをもとに、「Y×Y」の値を候補値Rtとして算出する(ステップD23)。そして、算出した候補値Rtと基準位置R値とを比較し、基準位置R値が候補値Rtより小さいならば(ステップD25:YES)、候補値Rtを基準位置R値として設定する(ステップD27)。 Thereafter, whether the determination value Y is positive or negative is determined, and if it is “positive value” (step D17: positive (Y> 0)), the signal intensity of the target capturing satellite is compared with the average signal intensity (step D19). If the signal intensity of the target capturing satellite is smaller than the average signal intensity (step D19: YES), the determination value Y is further compared with the first threshold value (step D21). If the determination value Y is larger than the first threshold (step D21: YES), a value “Y × Y” is calculated as the candidate value Rt based on the determination value Y (step D23). Then, the calculated candidate value Rt is compared with the reference position R value, and if the reference position R value is smaller than the candidate value Rt (step D25: YES), the candidate value Rt is set as the reference position R value (step D27). ).
また、対象捕捉衛星の信号強度が平均信号強度以上の場合(ステップD19:NO)、判定値Yが第1閾値以下の場合(ステップD21:NO)、基準位置R値が候補値Rt以上の場合(ステップD25:NO)の何れかの場合には、以降の処理をスキップする。 Further, when the signal strength of the target captured satellite is equal to or higher than the average signal strength (step D19: NO), when the determination value Y is equal to or lower than the first threshold value (step D21: NO), and when the reference position R value is equal to or higher than the candidate value Rt In any case (step D25: NO), the subsequent processing is skipped.
一方、判定値Yが「負値」ならば(ステップD17:負(Y≦0))、対象捕捉衛星の信号強度と平均信号強度とを比較する(ステップD29)。信号強度が平均信号強度より大きいならば(ステップD29:YES)、更に、判定値Yと第2閾値とを比較する(ステップD31)。判定値Yが第2閾値より小さいならば(ステップD31:YES)、判定値Yをもとに、「(0.2×Y)×(0.2×Y)」の値を候補値Rtとして算出する(ステップD33)。そして、算出した候補値Rtと基準位置R値とを比較し、基準位置R値が候補値Rtより大きいならば(ステップD35:YES)、候補値Rtを基準位置R値として設定する(ステップD37)。 On the other hand, if the determination value Y is “negative value” (step D17: negative (Y ≦ 0)), the signal intensity of the target captured satellite is compared with the average signal intensity (step D29). If the signal strength is larger than the average signal strength (step D29: YES), the determination value Y is further compared with the second threshold value (step D31). If the determination value Y is smaller than the second threshold (step D31: YES), the value “(0.2 × Y) × (0.2 × Y)” is set as the candidate value Rt based on the determination value Y. Calculate (step D33). Then, the calculated candidate value Rt is compared with the reference position R value, and if the reference position R value is larger than the candidate value Rt (step D35: YES), the candidate value Rt is set as the reference position R value (step D37). ).
また、対象捕捉衛星の信号強度が平均信号強度以下の場合(ステップD29:NO)、判定値Yが第2閾値以上の場合(ステップD31:NO)、基準位置R値が候補値Rt以下の場合(ステップD35:NO)の何れかの場合には、以降の処理をスキップする。以上の処理を行うと、位置R値設定処理を終了する。 Further, when the signal strength of the target captured satellite is equal to or lower than the average signal strength (step D29: NO), when the determination value Y is equal to or larger than the second threshold value (step D31: NO), and when the reference position R value is equal to or smaller than the candidate value Rt. In any case of (Step D35: NO), the subsequent processing is skipped. When the above process is performed, the position R value setting process is terminated.
位置R値設定処理が終了すると、カルマンフィルターの入力値となる観測値Zの測定誤差を示す行列として、位置R値設定処理において設定した位置R値を設定した誤差推定行列Rを設定する(ステップC7)。 When the position R value setting process ends, an error estimation matrix R in which the position R value set in the position R value setting process is set is set as a matrix indicating the measurement error of the observed value Z that is the input value of the Kalman filter (step C7).
続いて、位置予測処理で算出された誤差共分散行列の予測値PosP−と、観測行列Hと、誤差推定行列Rとを用いて、次式(17)に従って、カルマンゲインKを算出する(ステップC9)。
続いて、位置状態ベクトルの予測値PosX−と、カルマンゲインKと、観測値Zと、観測行列Hとを用いて、次式(18)に従って、位置状態ベクトルの補正値PosXを算出する(ステップC11)。
また、カルマンゲインKと、観測行列Hと、誤差共分散行列の予測値PosP−とを用いて、次式(19)に従って、誤差共分散行列の補正値PosPを算出する(ステップC13)。
その後、位置算出処理で算出された携帯型電子機器1の位置を出力し(ステップA11)、KF測位処理を終了する。
Thereafter, the position of the portable
[作用効果]
このように、本実施形態によれば、カルマンフィルターを利用した測位における精度の向上が図れる。すなわち、GPS受信機の位置及び速度を状態ベクトルPosX,VelXとし、受信した捕捉衛星信号のコード位相を観測値Zとしたカルマンフィルター処理を行うが、観測値Z(コード位相)の誤差である位置R値を、(1)捕捉衛星信号の擬似距離L1と、GPS衛星とGPS受信機との幾何学的位置関係に基づく幾何学距離L2との距離差ΔL、及び、(2)捕捉衛星信号の信号強度を用いて設定する。
[Function and effect]
Thus, according to the present embodiment, it is possible to improve accuracy in positioning using the Kalman filter. That is, the position and velocity of the GPS receiver is set to the state vectors PosX and VelX, and the Kalman filter processing is performed with the code phase of the received captured satellite signal as the observation value Z. The R value is determined by (1) the distance difference ΔL between the pseudorange L1 of the captured satellite signal and the geometric distance L2 based on the geometric positional relationship between the GPS satellite and the GPS receiver, and (2) the captured satellite signal Set using signal strength.
なお、本発明の適用可能な実施形態が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。 It should be noted that embodiments to which the present invention can be applied are not limited to the above-described embodiments, and can of course be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention.
例えば、衛星測位システムとしてGPSを例に挙げて説明したが、WAAS(Wide Area Augmentation System)、QZSS(Quasi Zenith Satellite System)、GLONASS(GLObal NAvigation Satellite System)、GALILEO等の他の衛星測位システムであってもよい。 For example, the GPS has been described as an example of the satellite positioning system, but other satellite positioning systems such as WAAS (Wide Area Augmentation System), QZSS (Quasi Zenith Satellite System), GLONASS (GLObal NAvigation Satellite System), and GALILEO. May be.
1 携帯型電子機器、10 GPS受信機、12 GPSアンテナ、14 RF受信回路部、16 ベースバンド処理回路部、100 BB処理部、110 メジャメント取得部、120 KF測位演算部、122 位置R値設定部、200 BB記憶部、210 ベースバンドプログラム、212 KF測位プログラム、220 基準位置R値設定テーブル、230 メジャメントデータ、240 信号強度データ、250 KFパラメーターデータ、260 測位履歴データ、30 メイン処理部、32 操作部、34 表示部、36 音出力部、38 時計部、40 通信部、42 メイン記憶部
DESCRIPTION OF
Claims (5)
各捕捉衛星について、前記測位装置による当該捕捉衛星の捕捉衛星信号の強度と、当該捕捉衛星に係る前記差とを用いて、当該捕捉衛星信号の誤差を示す指標値を算出することと、
各捕捉衛星の捕捉衛星信号と、前記指標値とを用いて測位することと、
を含み、
前記指標値を算出することは、
前記差が前記幾何学距離よりも前記擬似距離が長く、且つ、前記強度が所定の弱信号条件を満たす場合には、前記指標値を、当該捕捉衛星信号の誤差が大きいことを示す第1の値とすることと、
前記差が前記幾何学距離よりも前記擬似距離が短く、且つ、前記強度が所定の強信号条件を満たす場合には、前記指標値を、当該捕捉衛星信号の誤差が小さいことを示す第2の値とすることと、
を含む測位方法。 For each captured satellite, the geometric distance obtained from the geometric positional relationship between the positioning device and the captured satellite, and the pseudo-range obtained using the signal propagation time from the captured satellite to the positioning device, Calculating the difference between
For each captured satellite, calculating an index value indicating an error of the captured satellite signal using the captured satellite signal intensity of the captured satellite by the positioning device and the difference regarding the captured satellite;
Positioning using the captured satellite signal of each captured satellite and the index value;
Including
To calculate the index value,
If the difference is longer than the geometric distance and the pseudorange is greater and the intensity satisfies a predetermined weak signal condition, the index value is a first value indicating that the error of the captured satellite signal is large. Value and
When the difference is shorter than the geometric distance and the pseudorange is shorter and the intensity satisfies a predetermined strong signal condition, the index value is a second value indicating that the error of the captured satellite signal is small. Value and
Positioning method including.
請求項1に記載の測位方法。 The index value is set to the first value when the difference is longer than the geometric distance so that the pseudo distance satisfies a predetermined long condition and the intensity satisfies the predetermined weak signal condition. In addition, the index value is the first value.
The positioning method according to claim 1.
請求項1又は2に記載の測位方法。 The index value is set to the second value when the difference is shorter than the geometric distance so that the pseudo distance satisfies a predetermined short condition and the intensity satisfies the predetermined strong signal condition. The index value is the second value.
The positioning method according to claim 1 or 2.
請求項1〜3の何れか一項に記載の測位方法。 The positioning is to perform positioning by executing a Kalman filter process with the position of the positioning device as a state vector component, the pseudo distance as an observation value, and the index value as a measurement error.
The positioning method as described in any one of Claims 1-3.
各捕捉衛星について、前記測位装置による当該捕捉衛星の捕捉衛星信号の強度と、当該捕捉衛星に係る前記差とを用いて、当該捕捉衛星信号の誤差を示す指標値を算出する誤差指標値算出部であって、前記差が前記幾何学距離よりも前記擬似距離が長く、且つ、前記強度が所定の弱信号条件を満たす場合には、前記指標値を、当該捕捉衛星信号の誤差が大きいことを示す第1の値とし、前記差が前記幾何学距離よりも前記擬似距離が短く、且つ、前記強度が所定の強信号条件を満たす場合には、前記指標値を、当該捕捉衛星信号の誤差が小さいことを示す第2の値とする誤差指標値算出部と、
を備え、各捕捉衛星の捕捉衛星信号と、前記指標値とを用いて測位する測位装置。 For each captured satellite, the geometric distance obtained from the geometric positional relationship between the positioning device and the captured satellite, and the pseudo-range obtained using the signal propagation time from the captured satellite to the positioning device, A difference calculation unit for calculating the difference between
For each captured satellite, an error index value calculation unit that calculates an index value indicating an error of the captured satellite signal using the intensity of the captured satellite signal of the captured satellite by the positioning device and the difference related to the captured satellite. When the pseudo distance is longer than the geometric distance and the intensity satisfies a predetermined weak signal condition, the difference between the index value and the captured satellite signal is large. When the pseudo-distance is shorter than the geometric distance and the intensity satisfies a predetermined strong signal condition, the index value is set as an error of the captured satellite signal. An error index value calculation unit serving as a second value indicating a small value;
A positioning device that performs positioning using a captured satellite signal of each captured satellite and the index value.
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