JP2990990B2

JP2990990B2 - Ｇｐｓ受信機の測位演算方法

Info

Publication number: JP2990990B2
Application number: JP5050456A
Authority: JP
Inventors: 良文舘田; 晃久川崎
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1993-03-11
Filing date: 1993-03-11
Publication date: 1999-12-13
Anticipated expiration: 2014-12-13
Also published as: JPH06265622A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は人工衛星の電波を受信
し、受信機の位置を測定するＧＰＳ（グローバル・ポジ
ショニング・システム）受信機の測位演算方法に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、ＧＰＳ受信機は車両や船舶等に利
用するナビゲーションシステムのセンサとして注目され
ている。

【０００３】以下、従来のＧＰＳ受信機の測位演算方法
について説明する。図４は従来のＧＰＳ受信機の測位演
算方法の手順を示す流れ図である。図４に示すように、
まず、受信部で複数の衛星の電波を受信し、軌道情報の
受信と信号が示す時刻を測定する（ステップ１）。次
に、衛星時刻を入力する（ステップ２）。次に、得られ
る測位精度を評価する（ステップ３）。続いて軌道計算
及び補正（ステップ４）を行い、測位演算（ステップ
５）の後、測位結果を出力（ステップ６）する。

【０００４】以上のような処理の流れによるＧＰＳ受信
機の測位演算方法について、以下その動作をさらに詳細
に説明する。

【０００５】まず、受信（ステップ１）において複数の
測位衛星の信号を同時に受信し、各衛星の信号が示す時
刻をそれぞれ測定し、衛星時刻の入力（ステップ２）に
出力する。次に、精度の評価（ステップ３）において入
力した時刻情報から測定可能であった衛星を判別し、こ
れらの衛星の組合せにおいて十分な精度で測位が可能で
あるか判断する。精度が得られない場合は次の衛星時刻
の入力（ステップ２）を待つ。精度が得られる場合は、
軌道計算及び補正（ステップ４）において、測定可能で
あった衛星についてそれぞれ、受信部（ステップ１）に
おいて事前に取得した軌道情報や各種補正に関する情報
により、衛星が電波を発射した位置を求めると共に、受
け取った衛星時刻に各種補正を加える。得られた各衛星
の位置と、補正された時刻によって、測位演算（ステッ
プ５）において、受信位置を仮定し、各衛星の位置と受
信位置の間の、電波伝搬時間を求め、この伝搬時間の影
響を衛星時刻から除去し、地球の自転補正を行った後、
相互に比較する。比較する時刻ができる限り一致すると
ころの前記仮定位置を求めることにより位置を決定す
る。時刻を測定した衛星数が４個の場合は一意的に位置
が決まる。３個の場合は、受信位置の高度等他の情報を
加えれば、衛星の配置により測位が可能となる。衛星数
が４個以上の時は、最小自乗法や、誤差の絶対値の総和
を最小とする等により位置及び測位時刻を決定し測定値
とする。得られた測定値を測位結果の出力（ステップ
６）で外部に出力する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記の従
来の方式では、市街地を走行しながらの測定など、衛星
の信号が跡切れる場合、使用衛星の組合せが変化するの
で、測定した位置の軌跡が不連続になるという課題を有
していた。また、特開平１−１４８９８３号公報に示さ
れる衛星時刻ににオフセットを加え軌跡を連続的にする
技術があるが、３衛星測位の場合に地図などから高度情
報を受け取って測位すると、４衛星との切り替わり事に
不連続が発生することが避けられないことに加え、３ま
たは４衛星で測位するので、測位に使用しない衛星から
得られる情報を放棄することになる等の課題を有してい
た。

【０００７】本発明は上記従来技術の課題を解決するも
ので、衛星信号の跡切れに対し連続的な測位結果を得る
ことが出来るＧＰＳ受信機の測位演算方法を提供するこ
とを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明は、時刻が測定できた衛星について、精度が特
に悪い衛星を除いたより多くの衛星を利用して位置を決
定し、決定した位置と各衛星の位置から、各々電波の伝
搬時間を求め、この影響を衛星時刻から除去し、地球の
自転補正を行った結果から測位時刻を減算した誤差をオ
フセットとして、各衛星毎に保存し、以降の測定におい
て、このオフセット値を衛星時刻の測定結果から減算
し、この結果により位置を決定し、ここで得られた時刻
誤差で、前記オフセットを補正するようにしたものであ
る。

【０００９】

【作用】本発明は上記方法によって、衛星による測定結
果の差を、オフセットとして予め求めており、測定した
衛星時刻からこのオフセットを減算するとともに、電波
の伝搬時間の影響を、各衛星時刻から除去した後、相互
に比較して出来る限り一致するように、最小自乗法や、
誤差の絶対値の総和を最小とする等により位置及び測位
時刻を決定することによって、位置決定後に残る誤差が
非常に小さくなり、衛星の組み合わせが変わる事による
位置の変化を非常に小さくすることができる。

【００１０】

【実施例】

（実施例１）以下、本発明の第１の実施例について、図
面を参照しながら説明する。

【００１１】図１は本発明の一実施例におけるＧＰＳ受
信機の測位演算方法の手順を示す流れ図である。図１に
示すように、ステップ１１では複数の衛星の電波を受信
し、軌道情報の受信と信号の示す時刻を測定する。ステ
ップ１２では衛星時刻の入力を行なう。ステップ１３で
は精度の評価、すなわち得られる測位精度を評価する。
ステップ１４では軌道計算及び補正、ステップ１５では
補正した時刻から各衛星のオフセット値を減算するオフ
セット処理を行なう。ステップ１６ではオフセット処理
後の衛星時刻により位置を決定する測位演算、ステップ
１７では測位結果の出力を行なう。ステップ１８では測
位で得られた位置により評価した、電波伝搬時間の影響
をオフセット処理後の衛星時刻から除去し、この結果か
ら測位で得られた時刻を減算する処理を行なう。ステッ
プ１９ではこの時刻差をオフセットに加えるオフセット
の補正処理を行なう。

【００１２】以上のような処理の流れによるＧＰＳ受信
機の測位演算方法について、以下その再度その詳細な動
作を説明する。

【００１３】まず、受信（ステップ１１）において、複
数の測位衛星の信号を同時に受信し、各衛星の信号が示
す時刻をそれぞれ測定し、衛星時刻の入力（ステップ１
２）に出力する。

【００１４】次に、精度の評価（ステップ１３）におい
て入力した時刻情報から測定可能であった衛星を判別
し、これらの衛星の組合において十分な精度で測位が可
能であるか判断する。精度が得られない場合は次の衛星
時刻の入力（ステップ１２）を待つ。

【００１５】精度が得られる場合は、軌道計算及び補正
（ステップ１４）において、測定可能であった衛星につ
いてそれぞれ、受信（ステップ１１）において事前に取
得した軌道情報や各種補正に関する情報により、衛星が
電波を発射した位置を求めると共に、受け取った衛星時
刻に各種補正を加える。

【００１６】オフセット処理（ステップ１５）ではこの
補正した時刻からオフセット値を減算する。なお、オフ
セット値は最初零に初期化しておくものとする。

【００１７】次に、得られた各衛星の位置と、オフセッ
ト処理（ステップ１５）された時刻によって、測位演算
（ステップ１６）において、受信位置を仮定し、各衛星
の位置と受信位置の間の電波伝搬時間を求め、これらの
影響を衛星時刻から除去し、地球の自転補正を行った
後、相互に比較する。比較する時刻ができる限り一致す
るところの前記仮定位置を求めることにより位置を決定
する。時刻を測定した衛星数が４個の場合は一意的に位
置が決まる。３個の場合は、受信位置の高度等他の情報
を加えれば、衛星の配置により測位が可能となる。衛星
数が５個以上の時は、最小自乗法や、誤差の絶対値の総
和を最小とする等により位置及び測位時刻を決定し測定
値とする。

【００１８】得られた測定値を測位結果の出力（ステッ
プ１７）において外部に出力する。さらに、時刻差を求
める処理（ステップ１８）において、各衛星の位置と測
定結果の受信位置の間の電波伝搬時間を求め、これらの
影響をオフセット処理した衛星時刻から除去し、さらに
地球の自転補正を行った時刻から、測位結果で得られた
時刻を減算する。

【００１９】次に、オフセットの補正処理（ステップ１
９）において、この時刻の差をそれぞれのオフセット値
に加え合わせ、さらにオフセット値を軌跡に影響を与え
ない１０分の時定数で減衰させた後、次回の測定のオフ
セット値として出力する。

【００２０】図２は本実施例による測位結果の実施例に
ついて説明する模式図である。図２において（ａ）は従
来の走行軌跡であり、（ｂ）は本実施例による走行軌跡
である。

【００２１】まず、ａの区間は５個の衛星が測定可能で
あったとする、ｂにおいて新たに１個の衛星が測位に利
用可能となった。その後ｃ、ｅ、ｇの区間ではａの区間
の５個の衛星に加え、ｂで利用可能となった１個の衛星
を測位に利用した。しかし、ｄ、ｆ、ｈの区間ではａの
区間の５個の衛星のみが受信でき、ｂにおいて加わった
衛星は受信できなかった。図のようにａの区間では
（ａ）、（ｂ）共に同様の軌跡を描く。

【００２２】次に、ｂにおいて新たな衛星が加わった事
により、ｃの区間に変わるｂにおいて（ａ）、（ｂ）共
に測位位置が実際の移動量に比べ大きく変化する。しか
し、確率的にはより良い精度で測位できたことになる。

【００２３】この変化は（ａ）、と（ｂ）では多少差が
あるがこれは（ｂ）ではオフセット値を管理している事
による。ｄの区間ではｂで加わった衛星の影響が無くな
るため（ａ）の従来の方式による軌跡はａの区間が継続
した様な軌跡を描く。

【００２４】一方、（ｂ）の本実施例ではｄの区間にお
いて変更されたオフセット値が保存されており、オフセ
ット処理１５の後、受信位置を仮定し、各衛星の位置と
受信位置の間の、電波伝搬時間を求め、これらの影響を
衛星時刻から除去し、地球の自転補正を行った後、時刻
が出来る限り一致するような仮定位置を求めるので、求
めた位置はｂで受信した衛星が加わった場合とほとんど
差がない。

【００２５】従って、ｃの区間に対して連続的な測定結
果を得る事ができる。以後、同様にｅ、ｆ、ｇ、ｈの区
間におて（ａ）では不連続な走行経路となり、本実施例
によれば（ｂ）のより精度が高ことが期待できる連続的
な走行軌跡が得られる。

【００２６】また、特開平１−１４８９８３号公報に示
される衛星時刻にオフセットを加え軌跡を連続的にする
従来技術によれば、ａの区間で最も精度が得られる衛星
の組み合わせで測定結果を出力したとすると、ｂの区間
に入ってもａの区間の軌跡に連続した測位結果を出力す
る事になる。従って本実施例では、たとえ軌跡が不連続
になっても、より精度の高い測位結果を出力し、衛星の
数が減少した後では、以前の精度の高い測位結果に連続
的な測位結果が得られるので、前記従来技術に比べる
と、より精度の良い測位結果が期待できる。

【００２７】この図２から明らかなように、本実施例に
よるＧＰＳ受信機の測位演算方法は、測位結果の位置精
度と軌跡の連続性の点で優れた効果が得られる。

【００２８】以上のように本実施例によれば、複数の衛
星信号を測定して得られた時刻に対して、各衛星のオフ
セット値を減算した値から、衛星の位置と仮定した受信
位置の間の、電波伝搬時間の影響を除去して得られた時
刻が、各衛星間で出来るだけ等しくなる位置を求めるこ
とで測位すると共に、残りの相対誤差を各衛星のオフセ
ット値に加えることにより次回のオフセット値を得る測
位演算方法をとることにより、衛星の組み合わせの変化
に対しても精度良く連続的な測位結果を得ることができ
る。

【００２９】（実施例２）以下、本発明の第２の実施例
について、図面を参照しながら説明する。

【００３０】図３は本発明の第２の実施例におけるＧＰ
Ｓ受信機の測位演算方法の手順を示す流れ図である。図
３に示すように、ステップ２１では複数の衛星の電波を
受信し、軌道情報の受信と信号が示す時刻を測定する。
ステップ２２では衛星時刻の入力を行なう。ステップ２
３では精度の評価で、得られる測位精度を評価する。ス
テップ２４では軌道計算及び補正、ステップ２５では補
正した時刻から、各衛星のオフセット値を減算するオフ
セット処理を行なう。ステップ２６ではオフセット処理
後の衛星時刻により位置を決定する測位演算、ステップ
２７では測位結果の出力を行なう。ステップ２８では測
位結果の位置で評価した、電波の伝搬時間の影響をオフ
セット処理後の衛星時刻から除去した後、測位結果で得
られた時刻を減算する処理を行なう。ステップ２９では
この差をオフセットに加えるオフセットの補正処理を行
なう。

【００３１】以上は図１の流れ図と同様なものである
が、第１の実施例における処理と異なるのはステップ２
６の測位演算において、外部の地図データ等から高度情
報を受け取り、仮定した位置の高度と外部より受け取っ
た高度を比べ、この高度差を時間に換算して、この値も
含めて時刻が一致するような仮定位置を求めるようにし
た点である。

【００３２】上記の方法によるＧＰＳ受信機の測位演算
方法について、以下そのより詳細な動作を説明する。

【００３３】まず、受信（ステップ２１）において複数
の測位衛星の信号を同時に受信し、衛星の信号が示す時
刻を測定し、衛星時刻の入力（ステップ２２）を出力す
る。

【００３４】次に、精度の評価（ステップ２３）におい
てこれらの衛星の組合せにおいて測位可能であるか判断
する。精度が得られない場合は次の衛星時刻の入力（ス
テップ２２）を待つ。

【００３５】精度が得られる場合は、軌道計算及び補正
（ステップ２４）において、それぞれの衛星について、
衛星が電波を発射した位置を求めると共に、衛星時刻に
各種補正を加える。

【００３６】オフセット処理（ステップ２５）はこの補
正した時刻からオフセット値を減算する。なお、オフセ
ット値は最初零に初期化しておく。

【００３７】次に、得られた各衛星の位置と、オフセッ
ト処理（ステップ２５）された時刻と、外部から得られ
た高度情報を用いて、測位演算（ステップ２６）におい
て、受信位置と時刻を仮定し、各衛星の位置と受信位置
から、電波伝搬時間を求め、この影響を衛星時刻から除
去し、地球の自転補正を行った後、仮定した時刻を減算
して時刻差を求める。さらに、仮定した位置の高度と外
部より受け取った高度を比べ、この高度差を時間に換算
した値と前記時刻差が、それぞれ出来る限り小さくなる
ような仮定位置を求めることにより位置と測位時刻を決
定する。時刻を測定した衛星数が３個の場合は一意的に
位置が決まる。衛星数が４個以上の時は、最小自乗法
や、前記時刻差の絶対値の総和を最小とする等により位
置及び測位時刻を決定し測定値とする。

【００３８】得られた測定値を測位結果の出力（ステッ
プ２７）により外部に出力する。さらに、時刻差を求め
る処理（ステップ２８）において、各衛星の位置と測定
結果の受信位置の間の電波伝搬時間を求め、この影響を
オフセット処理された衛星時刻から除去するとともに、
地球の自転補正を行った上で測位結果で得られた時刻を
減算する。

【００３９】次に、オフセットの補正処理（ステップ２
９）において、この時刻の差を、それぞれのオフセット
値に加え合わせ、このオフセットの値は軌跡に影響を与
えない１０分の時定数で減衰させた後、次回の測定のオ
フセット値として出力する。

【００４０】以上のように本実施例によれば、外部から
入力した高度情報を常に測位演算に組み込むことによ
り、測位精度の向上が期待できると共に、３衛星を受信
している状態と４衛星を受信している状態との変化にお
いて、外部からの高度を利用に関わる測位結果の不連続
を避けることができる。

【００４１】（実施例３）以下、本発明の第３の実施例
について説明する。

【００４２】本発明の第３の実施例においては、ＧＰＳ
受信機の測位演算方法の手順を示す流れ図は図１に示す
第１の実施例と同様である。

【００４３】第１の実施例と同様に、測位演算（ステッ
プ１６）において、各衛星の時刻から仮定位置と衛星位
置間の電波伝搬時間の影響を除去した値が、出来るだけ
一致するように仮定位置を求めるが、第１の実施例との
違いは、相互に時刻を比較する段階において、衛星毎に
評価した測定精度に応じて、より精度の高い衛星は時刻
差を厳しく評価するような重み付けを行うようにして、
位置を求めるようにした点である。

【００４４】運用されている測位用の衛星が個々に時刻
の測定で得られる精度が異なり、５個以上の衛星または
４個以上の衛星と外部からの高度情報を使用する場合、
情報量に冗長があるので、精度の高い情報に重みを持た
せることにより、より高い測位精度を得ることができ
る。

【００４５】（実施例４）以下、本発明の第４の実施例
について説明する。

【００４６】本発明の第４の実施例において、ＧＰＳ受
信機の測位演算方法の手順を示す流れ図は図１に示す第
１の実施例と同様である。

【００４７】第１の実施例と同様に、オフセットの補正
処理１９において、時刻の差を、それぞれのオフセット
値に加え合わせ、このオフセットの値は軌跡に影響を与
えないの時定数で減衰させた後、次回の測定のオフセッ
ト値として出力するが、本実施例ではこの減衰常数を、
測定される時刻の誤差変化の割合に合わせた値とする。
この変化の割合は、測位に利用する衛星の性質と運用状
態や電波伝搬の状態によって変わるので、状況に応じて
変更しても良い。時定数は、誤差の変化量が期待される
測定誤差値に到達する程度の時間とする。

【００４８】オフセット値を減衰させるのは絶対的な位
置精度を保証するためであるが、減衰が早すぎると測位
結果の連続性が損なわれる。そこで、測定誤差の性質を
見て出来るだけ大きな値に設定する。また、衛星の時刻
誤差の変化に比べて遅い減衰を選ぶと、不連続さが増加
する可能性もある。

【００４９】以上、本実施例によると、衛星の時刻誤差
の性質に合わせて減衰の早さを決定するので、より良い
連続性と位置精度の測位性能が得られる。

【００５０】（実施例５）以下、本発明の第５の実施例
について説明する。

【００５１】本発明の第５の実施例において、ＧＰＳ受
信機の測位演算方法の手順を示す流れ図は図１に示す第
１の実施例と同様である。

【００５２】第１の実施例の動作と異なる点は以下の点
である。すなわち、図２においてｂの新たな衛星が加わ
ったときに、いきなりこの衛星を測位に利用せず、他の
衛星を使って測位演算（ステップ１６）において位置を
決定する。その後、時刻差を求める処理（ステップ１
８）において、新たに加わった衛星を含め、各衛星の位
置と測定結果の受信位置の間の電波伝搬時間を求め、こ
れらの影響をオフセット処理された衛星時刻から除去す
るとともに、地球の自転補正を行った時刻から、測位結
果で得られた時刻を減算し、オフセットの補正処理（ス
テップ１９）において、この時刻との差をそれぞれのオ
フセット値に加え合わせ、このオフセット値を減衰させ
た後、次回の測定のオフセット値として出力する。そし
て、次回の測定からこの新たに加わった衛星を含めた測
位を行うようにする。

【００５３】本実施例によれば、新たに加わった衛星は
測位に利用せず、オフセット値のみを評価するので、こ
の衛星を測位に最初に使用するときには、適切なオフセ
ットが設定済であり、測位結果の連続性においてより優
れた測位結果を得ることができる。ただし、一定時間以
上この新たに加わった衛星を使用しなければ測位できな
い状態が継続した場合は、この衛星のオフセットを零に
して測位に使用する。

【００５４】なお、第１の実施例においてオフセット処
理１５は精度の評価１３と軌道計算及び補正１４の後に
処理するものとしたが、この順序に限定しない。また、
オフセットの補正処理１９も測位演算と次回のオフセッ
ト処理１５の間であれば何時行っても良い。さらにオフ
セット値の減衰は一定の時定数に限定しない。測位に影
響が少ないタイミングに初期化する等の方法でも良い。

【００５５】地球の自転の補正は衛星時刻に対して行う
としたが、衛星位置を補正するなど他の方法を選ぶこと
もできる。測位演算２６において衛星間ので時刻を比較
したが、測位時刻を仮定して、これとの差から電波の伝
搬速度を用いて距離に換算するなど、他の単位系で比較
しててもよいことは言うまでもない。

【００５６】

【発明の効果】以上のように本発明は測位に必要な衛星
に冗長分の衛星を加えた衛星で位置を測定すると共に、
相互に比較した時刻が一致しなかった誤差分をオフセッ
ト値として衛星毎に管理し、新たに加える衛星について
はこの処理のオフセット値を概略零とし、このオフセッ
ト値で測定された衛星時刻を補正する方法により、観測
された衛星時刻を補正するにより、観測される衛星の組
合せが変化しても連続的な測位結果の軌跡を得ることが
できる優れたＧＰＳ受信機の測位演算方法を実現できる
ものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例におけるＧＰＳ受信機の
測位演算方法の流れ図

【図２】同第１の実施例におけるＧＰＳ受信機の測位演
算方法による測位結果の軌跡を示す図

【図３】本発明の第２の実施例におけるＧＰＳ受信機の
測位演算方法の流れ図

【図４】従来のＧＰＳ受信機の測位演算方法の流れ図

【符号の説明】

１１受信１２衛星時刻の入力１３精度の評価１４軌道計算及び補正１５オフセット処理１６測位演算１７測位結果の出力１８時刻差を求める処理１９オフセットの補正処理

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平１−148983（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−111484（ＪＰ，Ａ) 特開平３−108681（ＪＰ，Ａ) 特開平４−265879（ＪＰ，Ａ) 特開平１−109278（ＪＰ，Ａ) 特開平４−80679（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01S 5/00 - 5/14

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の衛星の電波を受信し衛星信号の時
刻を測定し、前記受信から衛星時刻を入力し、次に衛星
の軌道計算及び時刻の補正処理するとともに、その補正
した時刻から衛星毎のオフセット値を減算するオフセッ
ト処理を行い、新たに加える衛星についてはこの処理の
オフセット値を概略零とし、衛星の数からすると情報量
に冗長がある場合にも冗長分を含めて測位に利用し、オ
フセット処理後の衛星時刻により位置を決定する測位演
算するとともに、オフセット処理後の衛星時刻より、測
位結果の位置で評価した伝搬時間の影響を除去し、この
値から測位結果で得られた時刻を減算し、この時刻差を
オフセットに加えるオフセットの補正処理を行なうＧＰ
Ｓ受信機の測位演算方法。
【請求項２】外部から受信位置の高度情報を受け取
り、測位演算において、仮定した位置の高度と外部より
受け取った高度を比べる評価を、測定時刻に仮定位置に
よる伝搬時間を加算した時刻の比較の評価に加えて、測
位結果を算出する請求項１記載のＧＰＳ受信機の測位演
算方法。
【請求項３】測位演算における時刻の比較評価におい
て、衛星毎に評価した衛星時刻の精度に応じて、評価す
る時刻差に重み付けをして位置を決定する請求項１また
は請求項２いずれか記載のＧＰＳ受信機の測位演算方
法。
【請求項４】衛星の信号から得られる時刻の誤差の値
が変動する特性に合わせた減衰条件で、オフセット値を
時間と共に減衰させる処理を設けた請求項１、請求項２
または請求項３いずれか記載のＧＰＳ受信機の測位演算
方法。
【請求項５】各々の衛星について、最初または一定の
時間が経過した後、測位に利用可能となった第一回目の
測位において、この衛星を測位に使用しないで、オフセ
ットの補正処理のみに使用し、次回の測定から測位に利
用する処理を持つものである請求項１、請求項２、請求
項３または請求項４いずれか記載のＧＰＳ受信機の測位
演算方法。