JP3544887B2

JP3544887B2 - GPS receiving device and GPS receiving method applied to this device

Info

Publication number: JP3544887B2
Application number: JP7848599A
Authority: JP
Inventors: 友一佐藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1999-03-23
Filing date: 1999-03-23
Publication date: 2004-07-21
Anticipated expiration: 2019-03-23
Also published as: JP2000275320A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ＧＰＳ（ＧｌｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍ）衛星を利用して、自装置の位置を計測するＧＰＳ受信装置及びこの装置に適用されるＧＰＳ受信方法において、特に、航法もしくは測位精度、及び航法もしくは測位における信頼性の向上を図るようにしたものである。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、例えば自動車等の移動体に搭載されるＧＰＳ受信装置は、例えばＧＰＳ衛星からの衛星信号を受信して、この受信信号から移動体の移動方向及び移動位置を測定している。この種のＧＰＳ受信装置は、４個の可視ＧＰＳ衛星からの衛星信号が受信可能である。すなわち、このＧＰＳ受信装置では、４個以上の可視ＧＰＳ衛星からの衛星信号を受信して連続的に測位を行なっている時において、測位誤差が最小となるＧＰＳ衛星を予測し、移動に伴って、次々と受信すべきＧＰＳ衛星を切り替えて、常に測位精度を最適にしておくようにしている。
【０００３】
しかし、上記ＧＰＳ受信装置では、４個のＧＰＳ衛星からの衛星信号により測位を行なっているが、１つの衛星信号に大きな誤差があると３つの衛星信号により測位するため測位精度に大きく影響することになり、航法もしくは測位における信頼性を低下させてしまうことになる。また、ＧＰＳ衛星の切り替わりにより、航法もしくは測位データが不連続でもある。なお、ＧＰＳ衛星からの衛星信号には、予め誤差が与えられており、また、差分航法を行なうシステムにおいても、例えば地上局からの軌道データ等に誤差が与えられている。
【０００４】
従って、近時においては、ＧＰＳ衛星の切り替わりに起因する航法もしくは測位データの不連続性を抑え、精度の向上を図り、さらに差分航法への拡張性を確保できるようなＧＰＳ受信装置の改良が強く望まれている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、従来のＧＰＳ受信装置では、４個のＧＰＳ衛星からの衛星信号により測位を行なっているが、１つの衛星信号に大きな誤差があると３つの衛星信号により測位するため測位精度に大きく影響することになり、航法もしくは測位における信頼性を低下させるという問題を有している。また、ＧＰＳ衛星の切り替わりにより、航法もしくは測位データが不連続になるという問題も有している。
【０００６】
この発明の目的は、選択衛星の切り替わりに起因する航法／測位のデータの不連続性を最小限に抑制でき、かつ航法／測位精度及び航法／測位における信頼性の向上を図り得るＧＰＳ受信装置及びこの装置に適用されるＧＰＳ受信方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明は、ＧＰＳ衛星を利用して、自装置の位置を計測するＧＰＳ受信装置において、可視ＧＰＳ衛星全てから衛星信号を受信する受信手段と、この受信手段で得られた可視ＧＰＳ衛星全ての衛星信号から可視ＧＰＳ衛星に関する擬似距離データもしくは搬送波位相データと、可視ＧＰＳ衛星の放送暦データとを含む観測データを抽出する観測データ抽出手段と、この観測データ抽出手段で得られた可視ＧＰＳ衛星全ての観測データを入力して、衛星信号に与えられる誤差値もしくは自装置に発生する誤差値の推定確率に最大を与える誤差の推定値を算出する誤差推定値算出手段と、この誤差推定値算出手段により算出された誤差の推定値に基づいて、受信手段で得られた可視ＧＰＳ衛星全ての観測データの中から必要なＧＰＳ衛星からの観測データを決定する観測データ決定手段とを備えるようにしたものである。
【０００８】
この構成によれば、可視ＧＰＳ衛星全てからの観測データが取り込まれ、これら観測データを用いて、衛星信号に与えられる誤差値もしくは自装置に発生する誤差値の推定確率に最大を与える誤差の推定値が算出され、この誤差推定値に基づいて、可視ＧＰＳ衛星全ての観測データの中から必要なＧＰＳ衛星からの観測データが決定される。すなわち、観測データを入力して、推定確率が最大となるような誤差の推定値を算出し、この推定値に基づいて推定される観測データと可視ＧＰＳ衛星全ての観測データとを比較照合することにより、観測データの品質を評価でき、この結果を基に所定値以下のずれの観測データを信頼性の高い観測データとして選択でき、所定値より大きいずれの観測データに対しては信頼性の低い観測データと判断し棄却できるようになる。
【０００９】
このため、通常の航法においてみられる、選択衛星の切り替わりに起因する航法／測位のデータの不連続性が最小限に抑えられ、使用可能な観測データを最適利用しているので、航法／測位精度及び航法／測位における信頼性の向上を図ることが可能となる。さらにＧＰＳ衛星等の故障による一部の観測データの品質劣化に対する耐性が得られる。
【００１０】
また、上記構成において、受信手段は、予め決められた位置に設置された地上局から送出され、地上局による擬似距離データ及び観測時刻データを含む地上局信号を受信する手段を有し、観測データ抽出手段は、受信手段で受信された地上局信号から擬似距離データ及び観測時刻データを抽出する手段を有し、誤差推定値算出手段は、地上局による擬似距離データ及び観測時刻データを入力して、地上局による観測衛星位置の誤差値の推定確率に最大を与える推定値を算出する手段を有することを特徴とする。このようにすることで、差分航法を行なう場合に、高精度で、かつ信頼性の高い航法を実現できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この発明に係るＧＰＳ受信装置の一実施形態を示す回路ブロック図である。図２は、このＧＰＳ受信装置と複数のＧＰＳ衛星との位置関係及び測位概念を示す図である。
【００１２】
図１において、例えばＧＰＳ衛星から送信されたＧＰＳ衛星信号は、アンテナ１１にて受信され、その直後に低雑音増幅器１２にて低雑音増幅されることによりＲＦ（ＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙ）信号に変換され、乗算器１３の一方の入力端に供給される。この乗算器１３の他方の入力端には、局部発振器１４から発生されたＧＰＳ中心周波数を有する局発信号をてい倍器１５でてい倍された第１のローカル信号が供給される。そして、乗算器１３は、ＲＦ信号に第１のローカル信号を乗算することにより、ＩＦ（中間周波数）帯まで周波数変換する。
【００１３】
このＩＦ信号は、その時受信することのできる可視ＧＰＳ衛星信号で、各ＧＰＳ衛星を識別するためのＰＮ（擬似雑音）コードに応じて予め決められた複数の振幅が拡散されている。このＩＦ信号は、ベースバンド部１０１〜１０Ｎにそれぞれ供給される。
【００１４】
このうちのベースバンド処理部１０１において、入力されたＩＦ信号は、ＰＮコード解除器１６の一方の入力端に供給される。ＰＮコード解除器１６の他方の入力端には、ＰＮコード発生器１７により発生される自装置に割り当てられたＰＮコード発振信号が供給される。そして、ＰＮコード解除器１６は、ＩＦ信号にＰＮコード発振信号を乗算することにより、逆拡散して、自装置に割り当てられた各ＧＰＳ衛星信号を抽出することができる。よって、ベースバンド処理部１０１〜１０Ｎの数がそのＧＰＳ受信装置のチャネル数となり最大受信可能な衛星数である。
【００１５】
また、ＰＮコード解除器１６により抽出された衛星識別信号は、位相比較器１８に供給され、ＮＣＯ（ＮｅｗｍｅｄｉｃａｌＣｏｎｔｒｏｌＯｃｉａｌ）１９により発生されるＧＰＳ中心周波数を有する第２のローカル信号と位相比較されることにより、その位相差成分が受信信号として抽出される。この受信信号は、受信制御部２００に供給される。
【００１６】
受信制御部２００は、入力された受信信号に基づいて、ＰＮコード発生器１７に設定するＰＮコード位相設定値、ＮＣＯ１９に設定する搬送波位相設定値をリアルタイムで演算し、この演算結果であるＰＮコード位相設定信号及び搬送波位相設定信号をＰＮコード発生器１７及びＮＣＯ１９にそれぞれ与えて、ＰＮコード解除器１６及び位相比較器１８にそれぞれ入力される信号に対する位相追尾を行なうように制御する。また、受信制御部２００は、入力された受信信号に基づいて演算された擬似距離データもしくは搬送波位相データと、受信信号のデータ復調により得られる可視ＧＰＳ衛星の放送暦データとを含む観測データを測位演算部３００に出力する。この処理は、各ベースバンド部１０１〜１０Ｎで各ＧＰＳ衛星信号毎に独立して行なわれる。
【００１７】
測位演算部３００は、各ベースバンド処理部１０１〜１０Ｎに対する観測データに基づいて測位演算処理を実行することにより、自装置の位置を示す測位データを求める。ここで得られる測位データは、図２に示す如く例えば４個のＧＰＳ衛星４０１〜４０４から見たＧＰＳ受信装置の位置を表す（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の３次元情報と、その変化分（速度）を表す（ｄＸ／ｄｔ，ｄＹ／ｄｔ，ｄＺ／ｄｔ）である。
【００１８】
また、図２において、ＧＰＳ受信装置は、ＧＰＳ衛星４０１を利用して自装置におけるＸ成分の位置情報が得られ、ＧＰＳ衛星４０２を利用して自装置におけるＹ成分の位置情報が得られ、ＧＰＳ衛星４０３を利用して自装置におけるＺ成分の位置情報が得られる。さらに、ＧＰＳ衛星４０４を利用して自装置における動作時刻情報が得られる。
【００１９】
以上が一般的なＧＰＳ受信装置の構成である。
【００２０】
次に、上記ＧＰＳ受信装置における可視ＧＰＳ衛星全体からの観測データの処理概念について説明する。
まず、従来のＧＰＳ受信装置では、３次元位置情報（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と、時間情報（Ｔ）とを用いて自装置の位置を計測していることにより、どれか１つの情報が間違っている可能性も高く、またデータが不足して大きい誤差が生じることになる。
【００２１】
そこで、この発明は、可視ＧＰＳ衛星全てから衛星信号を取り込み、多数決原理を用いて品質の良い観測データを決定するものである。すなわち、受信すべき可視ＧＰＳ衛星全てからの衛星信号には、各ＧＰＳ衛星で予め与えられる誤差やＧＰＳ受信装置内で発生する誤差が含まれている。
【００２２】
測位演算部３００は、受信制御部２００から与えられる可視ＧＰＳ衛星全ての観測データを入力して、衛星信号に与えられる誤差値もしくは自装置に発生する誤差値の推定確率に最大を与える誤差の推定値を算出する。すなわち、誤差推定値を求める式として、以下の式（１）に示すようなＴＯＴＡＬＬａｇｒａｎｇｉａｎ（トータルラグランジュ）を導入し、
ＴＯＴＡＬＬａｇｒａｎｇｉａｎ：Ｌ（Δｚ”^Ｇ，Δｚ’）＝Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３＋Ｌ４ …（１）
以下の式（２）に示すこのラグランジュに対する変分方程式を解くことにより、推定確率に最大を与えるユーザ位置／クロック誤差の推定値を算出する。
【００２３】
航法方程式：∂Ｌ／∂Δｚ”^Ｇ＝０ ∂Ｌ／∂Δｚ’＝０…（２）
なお、Δｚ”^Ｇは、可視ＧＰＳ衛星♯Ｇの位置／クロック誤差に関する放送暦データからの偏差にＳＡＧＮＡＣ効果、つまり地球の自転による補正係数を加えた値を示す。また、Δｚ’は、ユーザの位置の更新前位置からの偏差及び自装置のクロック誤差を表す４次元変数で、これが推定対象である。
【００２４】
次に、トータルラグランジュに使用される上記Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４それぞれの項の意味及び作用について説明する。
まず、Ｌ１はＧＰＳ受信装置位置／クロック偏差のアプリオリ推定のラグランジュの式で以下の式（３）となる。
【数１】

【００２５】
ここで、Ｓは観測データ取得／更新前の共分散行列である。つまり、Ｌ１は観測が行なわれる直前の時点でのＧＰＳ受信装置の状態に関する推定を表している。
【００２６】
Ｌ２は、ＧＰＳ受信装置の位置推定のラグランジュの式で以下の式（４）となる。
【数２】

【００２７】
ここで、σ_ＧＲはＧＰＳ受信装置によるＧＰＳ衛星♯Ｇの受信装置誤差レベルである。ε_Ｇはデータ採用のフラグで、ＧＰＳ衛星♯Ｇのデータを採用するか否かに従って１または０をとる。Ｖ^Ｇは、時間成分１と、空間成分として推定更新前のＧＰＳ受信装置の位置から見たＧＰＳ衛星♯Ｇの方向の単位ベクトルからなる４次元ベクトルである。Δｙ^Ｇは、観測データ（擬似距離）に電離層伝搬遅延補正と対流圏伝搬遅延補正を考慮して計算される誘導観測量である。Σ_Ｇは、可視ＧＰＳ衛星全ての和を表している。
すなわち、Ｌ２は、可視ＧＰＳ衛星に対する観測データに起因する状態推定を表していることになる。
【００２８】
次に、Ｌ３は、衛星位置／クロック誤差に関するアプリオリ推定のラグランジュの式で以下の式（５）となる。
【数３】

【００２９】
ここで、σ_ＧＥはＧＰＳ衛星♯Ｇのエフェメリス精度を表している。すなわち、ＧＰＳ衛星の放送暦が提供する衛星位置情報は、完全に正確なわけではなく、これには精度情報も付加されている。これより、衛星放送暦から計算した衛星位置／クロック誤差についても、精度情報に従った重みをかけてこれを推定変数としている。
【００３０】
次に、Ｌ４は、予め決められた位置に設置された地上局による観測の衛星位置推定のラグランジュの式で以下の式（６）となる。
【数４】

【００３１】
ここで、σ_ＧＢは、例えば地上局ＢによるＧＰＳ衛星♯Ｇの受信機誤差レベルを表している。すなわち、Ｌ４は差分航法を行なう場合に導入される。差分航法を行なわない場合には、Ｌ４は０となる。なお、Σ_ＧＢは、地上局Ｂにおける可視ＧＰＳ衛星全ての和である。
【００３２】
次に、上記ラグランジュの式を利用した測位演算部３００の処理について図３〜図５のフローチャートを参照して説明する。
図３において、測位演算部３００は、まず、ＧＰＳ受信装置を所有したユーザの位置及びクロック誤差の初期推定値が設定されると（ステップＳ１１）、自装置の状態を示すパラメータ値を設定し（ステップＳ１２）、可視ＧＰＳ衛星全ての観測データを取得し（ステップＳ１３）、ラグランジュ要素項の評価を行なう（ステップＳ１４）。すなわち、上記Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４の項内のパラメータ値の評価を行なう。そして、この評価結果に基づいて、航法方程式の逐次解法を行ない（ステップＳ１５）、この算出結果に基づいて、ステップＳ１２の処理で自装置の状態パラメータ設定を行なう。つまり、可視ＧＰＳ衛星からの観測データの品質評価を行なうためのしきい値を設定する。
【００３３】
図４は、上記ステップＳ１４の処理の詳細を示している。
すなわち、測位演算部３００は、上記ステップＳ１３で可視ＧＰＳ衛星全ての観測データを入力した時点で、ラグランジュの要素項Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４が所定値以上であるか否かを判定し（ステップＳ１４１）、所定値を満たしていない場合に（ＮＧ）、２回連続ＮＧであるか否かを判定し（ステップＳ１４２）、２回連続ＮＧである場合に（ＹＥＳ）、可視ＧＰＳ衛星数が４より大きいか否かを判定する。ここで、４より大きい数である場合に（ＹＥＳ）、ラグランジュ要素項Ｌ２、Ｌ４のパラメータ値ε_Ｇを０に設定して（ステップＳ１４４）、観測データの棄却を図るようにする。また、上記ステップＳ１４１で評価値が所定値以上である場合（ＧＯＯＤ）や、ステップＳ１４２でＮＧが１回だけである場合（ＮＯ）、ステップＳ１４３で可視ＧＰＳ衛星数が４以下である場合（ＮＯ）には、ε_Ｇを１に設定する（ステップＳ１４５）。
【００３４】
次に、図５は、上記ステップＳ１５の処理の詳細を示している。
すなわち、測位演算部３００は、上記式（２）示すような航法方程式を解いて、推定確率が最大となる誤差推定値Δｚ’，Δｚ”^Ｇを求める（ステップＳ１５１）。そして、これら誤差推定値Δｚ’，Δｚ”^Ｇに基づいて推定される観測データに入力された観測データが収束するか否かを判定し（ステップＳ１５２）、収束する場合（ＹＥＳ）には、ＧＰＳ受信装置に設定された状態パラメータの更新を行なう（ステップＳ１５３）。また、ステップＳ１５２において、収束しない場合（ＮＯ）、航法方程式の逐次解法を３回より多く実行したか否かを判定し（ステップＳ１５４）、３回より多い場合（ＹＥＳ）には、異常処理を行なう（ステップＳ１５５）。
【００３５】
以上のように、上記実施形態によれば、測位演算部３００にて可視ＧＰＳ衛星全てからの観測データが取り込まれ、これら観測データを用いて、衛星信号に与えられる誤差値もしくは自装置に発生する誤差値の推定確率に最大を与える誤差推定値が算出され、この誤差推定値に基づいて、可視ＧＰＳ衛星全ての観測データから必要なＧＰＳ衛星からの観測データが決定される。すなわち、測位演算部３００は、可視ＧＰＳ衛星全ての観測データを入力して、誤差値の推定確率に最大を与える誤差推定値を算出し、この誤差推定値に基づいて推定される観測データと実際の可視ＧＰＳ衛星全ての観測データとを比較照合することにより、観測データの品質を評価でき、この結果を基に所定値以下のずれの観測データを信頼性の高い観測データとして選択でき、所定値より大きいずれの観測データに対しては信頼性の低い観測データと判断し棄却できるようになる。
【００３６】
このため、通常の航法においてみられる、選択衛星の切り替わりに起因する航法／測位のデータの不連続性が最小限に抑えられ、使用可能な観測データを最適利用しているので航法／測位精度及び航法／測位における信頼性の向上を図ることが可能となる。さらにマルチパス等に起因する一部の観測データの品質劣化に対する耐性が得られる。
【００３７】
また、差分航法を行なう場合には、上記式（１）に示すように、ラグランジュ要素項Ｌ４を付加することで確保されるため、差分航法への拡張が簡単となる。さらに、上記式（１）を構成する各項が観測残差の２次形式で与えられるため、可視ＧＰＳ衛星数が４より大きい場合に、ε_Ｇ＝０とすることで、信頼性の低い観測データを棄却することが可能となる。
【００３８】
また、上記実施形態によるＧＰＳ受信装置を用いれば、現在使用されている自動車、船舶の航法、及び土木、建築、測量の測位等に即座に実施可能となり、高精度な測位、航法を実現できるようになる。
【００３９】
なお、上記実施形態では、誤差の推定値を算出する演算アルゴリズムとして、トータルラグランジュの方程式を利用しているが、この他に推定誤差値を最小にする最小自乗法を用いても同様に実施できる。
【００４０】
その他、ＧＰＳ受信装置の構成、誤差の推定値を算出する演算アルゴリズム等についても、この発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施できる。
【００４１】
【発明の効果】
以上詳述したようにこの発明によれば、選択衛星の切り替わりに起因する航法／測位のデータの不連続性を最小限に抑制でき、かつ航法／測位精度及び航法／測位における信頼性の向上を図り得るＧＰＳ受信装置及びこの装置に適用されるＧＰＳ受信方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係るＧＰＳ受信装置の一実施形態を示す回路ブロック図。
【図２】同実施形態におけるＧＰＳ受信装置と複数のＧＰＳ衛星との位置関係及び測位概念を示す図。
【図３】上記図１に示した測位演算部の動作を示すフローチャート。
【図４】上記図３に示したステップＳ１４の詳細な処理を示すフローチャート。
【図５】上記図３に示したステップＳ１５の詳細な処理を示すフローチャート。
【符号の説明】
１１…アンテナ、
１２…低雑音増幅器、
１３…乗算器、
１４…局部発振器、
１５…てい倍器、
１６…ＰＮコード解除器、
１７…ＰＮコード発生器、
１８…位相比較器、
１９…ＮＣＯ（ＮｅｗｍｅｄｉｃａｌＣｏｎｔｒｏｌＯｃｉａｌ）、
１０１〜１０Ｎ…ベースバンド処理部、
２００…受信制御部、
３００…測位演算部、
４０１〜４０４…ＧＰＳ衛星。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a GPS receiving device that measures the position of the own device using a GPS (Global Positioning System) satellite and a GPS receiving method applied to the device, and particularly to navigation or positioning accuracy and navigation or positioning. This is to improve reliability.
[0002]
[Prior art]
As is well known, for example, a GPS receiver mounted on a mobile body such as an automobile receives a satellite signal from a GPS satellite, for example, and measures a moving direction and a moving position of the mobile body from the received signal. This type of GPS receiver can receive satellite signals from four visible GPS satellites. That is, in this GPS receiving apparatus, when satellite signals from four or more visible GPS satellites are received and positioning is continuously performed, a GPS satellite with a minimum positioning error is predicted, and the GPS satellite is moved with the movement. The GPS satellites to be received are switched one after another so that the positioning accuracy is always optimized.
[0003]
However, in the above-mentioned GPS receiver, positioning is performed using satellite signals from four GPS satellites. However, if there is a large error in one satellite signal, positioning is performed using three satellite signals, which greatly affects positioning accuracy. And the reliability in navigation or positioning is reduced. In addition, navigation or positioning data is discontinuous due to switching of GPS satellites. An error is given to a satellite signal from a GPS satellite in advance, and an error is also given to, for example, orbit data from a ground station in a system that performs differential navigation.
[0004]
Therefore, recently, GPS receivers have been strongly improved so that discontinuity of navigation or positioning data due to switching of GPS satellites can be suppressed, accuracy can be improved, and expandability to differential navigation can be ensured. Is desired.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, in the conventional GPS receiver, positioning is performed using satellite signals from four GPS satellites. However, if there is a large error in one satellite signal, positioning is performed using three satellite signals. This has a problem in that it has a large effect and reduces the reliability in navigation or positioning. There is also a problem that the navigation or the positioning data becomes discontinuous due to the switching of the GPS satellites.
[0006]
An object of the present invention is to provide a GPS receiving apparatus and a GPS receiver capable of minimizing discontinuity of navigation / positioning data due to switching of a selected satellite and improving navigation / positioning accuracy and reliability in navigation / positioning. An object of the present invention is to provide a GPS receiving method applied to this device.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The present invention relates to a GPS receiving device that measures the position of its own device using a GPS satellite, a receiving unit that receives satellite signals from all visible GPS satellites, and a satellite for all the visible GPS satellites obtained by the receiving unit. Observation data extraction means for extracting observation data including pseudo-range data or carrier wave phase data relating to visible GPS satellites and broadcast calendar data of visible GPS satellites from signals, and all of the visible GPS satellites obtained by the observation data extraction means. Error estimation value calculation means for inputting observation data, calculating an error value given to a satellite signal or an error estimation value which gives a maximum to an estimation probability of an error value occurring in the own device; and an error estimation value calculation means. On the basis of the calculated error estimation value, a necessary GPS satellite is selected from observation data of all visible GPS satellites obtained by the receiving means. It is obtained by so and a monitoring data determining means for determining the measurement data.
[0008]
According to this configuration, observation data from all the visible GPS satellites is taken in, and using these observation data, an error value given to a satellite signal or an error estimation that gives a maximum to an estimation probability of an error value generated in the own device is estimated. A value is calculated, and the necessary observation data from the GPS satellites is determined from the observation data of all the visible GPS satellites based on the error estimation value. That is, by inputting observation data, calculating an estimated value of an error that maximizes the estimation probability, and comparing the observed data estimated based on the estimated value with the observation data of all visible GPS satellites. Can evaluate the quality of the observation data, and based on the result, can select observation data with a deviation less than a predetermined value as highly reliable observation data, and have low reliability for observation data with a deviation larger than the predetermined value. Judgment as observation data and rejection.
[0009]
As a result, the discontinuity of navigation / positioning data due to the switching of the selected satellite, which is seen in normal navigation, is minimized, and the available observation data is optimally used. In addition, it is possible to improve reliability in navigation / positioning. Furthermore, resistance to quality deterioration of some observation data due to a failure of a GPS satellite or the like can be obtained.
[0010]
Further, in the above configuration, the receiving means has means for receiving a ground station signal including pseudo distance data and observation time data transmitted from the ground station installed at a predetermined position, and The extracting means has means for extracting pseudorange data and observation time data from the ground station signal received by the receiving means, and the error estimation value calculating means inputs pseudorange data and observation time data from the ground station. Means for calculating an estimated value that gives the maximum to the estimation probability of the error value of the observation satellite position by the ground station. By doing so, highly accurate and highly reliable navigation can be realized when performing differential navigation.
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a circuit block diagram showing an embodiment of a GPS receiver according to the present invention. FIG. 2 is a diagram showing a positional relationship between the GPS receiver and a plurality of GPS satellites and a positioning concept.
[0012]
In FIG. 1, for example, a GPS satellite signal transmitted from a GPS satellite is received by an antenna 11, immediately thereafter, is subjected to low-noise amplification by a low-noise amplifier 12, converted into an RF (Radio Frequency) signal, and multiplied. It is supplied to one input of the unit 13. The other input terminal of the multiplier 13 is supplied with a first local signal obtained by multiplying the local oscillator signal having the GPS center frequency generated by the local oscillator 14 by the multiplier 15. Then, the multiplier 13 performs frequency conversion to an IF (intermediate frequency) band by multiplying the RF signal by the first local signal.
[0013]
This IF signal is a visible GPS satellite signal that can be received at that time, and a plurality of predetermined amplitudes are spread according to a PN (pseudo noise) code for identifying each GPS satellite. This IF signal is supplied to each of the baseband units 101 to 10N.
[0014]
In the baseband processing unit 101, the input IF signal is supplied to one input terminal of the PN code canceller 16. The other input terminal of the PN code canceler 16 is supplied with a PN code oscillation signal generated by the PN code generator 17 and assigned to the own device. Then, the PN code canceler 16 can despread by multiplying the IF signal by the PN code oscillation signal to extract each GPS satellite signal assigned to the own device. Therefore, the number of baseband processing units 101 to 10N becomes the number of channels of the GPS receiver, and is the maximum number of satellites that can be received.
[0015]
Further, the satellite identification signal extracted by the PN code canceler 16 is supplied to a phase comparator 18 and compared in phase with a second local signal having a GPS center frequency generated by an NCO (New Medical Control OCI) 19. Thereby, the phase difference component is extracted as a received signal. This reception signal is supplied to the reception control section 200.
[0016]
The reception control unit 200 calculates, in real time, a PN code phase set value to be set in the PN code generator 17 and a carrier phase set value to be set in the NCO 19 based on the input received signal. The phase setting signal and the carrier phase setting signal are supplied to the PN code generator 17 and the NCO 19, respectively, so that the signals are input to the PN code canceler 16 and the phase comparator 18 so as to perform phase tracking. Further, the reception control unit 200 performs positioning of observation data including pseudorange data or carrier phase data calculated based on the input reception signal and broadcast GPS data of a visible GPS satellite obtained by demodulating the reception signal. Output to the arithmetic unit 300. This processing is performed independently for each GPS satellite signal in each of the baseband units 101 to 10N.
[0017]
The positioning calculation section 300 performs positioning calculation processing based on observation data for each of the baseband processing sections 101 to 10N, thereby obtaining positioning data indicating the position of the own device. The positioning data obtained here includes three-dimensional information (X, Y, Z) representing the position of the GPS receiver as viewed from, for example, four GPS satellites 401 to 404 as shown in FIG. ) (DX / dt, dY / dt, dZ / dt).
[0018]
In FIG. 2, the GPS receiving apparatus obtains the position information of the X component in the own apparatus using the GPS satellite 401, obtains the position information of the Y component in the own apparatus using the GPS satellite 402, Using the satellite 403, position information of the Z component in the own device can be obtained. Further, the operation time information of the own device can be obtained using the GPS satellite 404.
[0019]
The above is the configuration of the general GPS receiver.
[0020]
Next, the concept of processing observation data from the entire visible GPS satellite in the GPS receiver will be described.
First, in the conventional GPS receiver, one of the information is incorrect because the position of the own device is measured using the three-dimensional position information (X, Y, Z) and the time information (T). It is highly possible that the data is insufficient and a large error occurs due to lack of data.
[0021]
Therefore, the present invention is to capture satellite signals from all visible GPS satellites and determine high-quality observation data using the majority rule. That is, satellite signals from all visible GPS satellites to be received include an error given in advance by each GPS satellite and an error generated in the GPS receiver.
[0022]
The positioning calculation unit 300 receives the observation data of all the visible GPS satellites supplied from the reception control unit 200 and estimates an error that gives a maximum to an error value given to a satellite signal or an estimation probability of an error value generated in the own device. Calculate the value. That is, TOTAL Lagrangian (total Lagrangian) as shown in the following equation (1) is introduced as an equation for calculating an error estimation value.
TOTAL Lagrangian: L (Δz ″ ^G , Δz ′) = L1 + L2 + L3 + L4 (1)
By solving a variational equation for this Lagrange expressed by the following equation (2), an estimated value of the user position / clock error that gives the maximum estimated probability is calculated.
[0023]
Navigation equation: ∂L / ∂Δz ” ^G = 0 ∂L / ∂Δz ′ = 0 (2)
Note that Δz ″ ^G indicates a value obtained by adding the SAGNAC effect, that is, a correction coefficient due to the rotation of the earth, to the deviation from the broadcast calendar data relating to the position / clock error of the visible GPS satellite ♯G. This is a four-dimensional variable representing the deviation of the position from the position before the update and the clock error of the own device, and is an estimation target.
[0024]
Next, the meaning and operation of each of the above L1, L2, L3, and L4 terms used in total Lagrange will be described.
First, L1 is a Lagrangian equation of a priori estimation of the GPS receiver position / clock deviation, and is given by the following equation (3).
(Equation 1)

[0025]
Here, S is a covariance matrix before observation data acquisition / update. That is, L1 represents the estimation of the state of the GPS receiver immediately before the observation is performed.
[0026]
L2 is the Lagrange's equation for estimating the position of the GPS receiver, and is expressed by the following equation (4).
(Equation 2)

[0027]
Here, σ _GR is a receiver error level of the GPS satellite ΔG by the GPS receiver. ε _G is a data adoption flag, which takes 1 or 0 depending on whether or not the data of the GPS satellite ♯G is employed. V ^G is the time component 1, is a four-dimensional vector of the unit vector in the direction of the GPS satellites ♯G viewed from the estimated position of the pre-update GPS receiver as a spatial component. Δy ^G is a guided observation amount calculated in consideration of the ionospheric propagation delay correction and the tropospheric propagation delay correction to the observation data (pseudorange). _G represents the sum of all visible GPS satellites.
That is, L2 represents the state estimation caused by the observation data for the visible GPS satellite.
[0028]
Next, L3 is a Lagrangian equation of a priori estimation relating to the satellite position / clock error, and is given by the following equation (5).
[Equation 3]

[0029]
Here, σ _GE represents the ephemeris accuracy of the GPS satellite ♯G. That is, the satellite position information provided by the GPS satellite broadcast calendar is not completely accurate, and accuracy information is also added thereto. Thus, the satellite position / clock error calculated from the satellite broadcast calendar is also weighted according to the accuracy information and used as an estimated variable.
[0030]
Next, L4 is a Lagrange's equation for estimating a satellite position for observation by a ground station installed at a predetermined position, and is expressed by the following equation (6).
(Equation 4)

[0031]
Here, σ _GB represents, for example, a receiver error level of the GPS satellite ΔG by the ground station B. That is, L4 is introduced when performing differential navigation. When the differential navigation is not performed, L4 becomes 0. Note that Ｇ _GB is the sum of all visible GPS satellites at the ground station B.
[0032]
Next, the processing of the positioning operation unit 300 using the Lagrangian equation will be described with reference to the flowcharts of FIGS.
In FIG. 3, when the position of the user who owns the GPS receiver and the initial estimated value of the clock error are set (step S11), the positioning calculator 300 sets parameter values indicating the state of the own device (step S11). Step S12) Obtains observation data of all visible GPS satellites (step S13), and evaluates Lagrange element terms (step S14). That is, the parameter values in the terms L1, L2, L3, and L4 are evaluated. Then, based on the evaluation result, a sequential solution of the navigation equation is performed (step S15), and based on the calculation result, the state parameter of the own device is set in the process of step S12. That is, a threshold for evaluating the quality of observation data from the visible GPS satellites is set.
[0033]
FIG. 4 shows the details of the process in step S14.
That is, the positioning calculation unit 300 determines whether or not the Lagrange element terms L1, L2, L3, and L4 are equal to or greater than a predetermined value at the time when the observation data of all the visible GPS satellites is input in step S13 (step S13). S141), if the predetermined value is not satisfied (NG), it is determined whether or not it is twice consecutive NG (step S142). If it is twice consecutive NG (YES), the number of visible GPS satellites is 4 It is determined whether it is greater than. If the number is larger than 4 (YES), the parameter value ε _G of the Lagrange element terms L2, L4 is set to 0 (step S144), and the observation data is rejected. Further, when the evaluation value is equal to or more than the predetermined value in step S141 (GOOD), when NG is only one time in step S142 (NO), and when the number of visible GPS satellites is four or less in step S143 (NO) ), Ε _G is set to 1 (step S145).
[0034]
Next, FIG. 5 shows the details of the processing in step S15.
That is, the positioning calculation unit 300 solves the navigation equation as shown in the above equation (2) to obtain the error estimation values Δz ′, Δz ″ ^G with the maximum estimation probability (step S151). It is determined whether or not the observation data input to the observation data estimated based on Δz ′, Δz ″ ^G converges (step S152). If the observation data converges (YES), the observation data set in the GPS receiver is set. The state parameter is updated (step S153). Also, in step S152, if the convergence does not occur (NO), it is determined whether the sequential solution of the navigation equation has been performed more than three times (step S154), and if more than three times (YES), abnormal processing is performed. Perform (Step S155).
[0035]
As described above, according to the above-described embodiment, the positioning calculation unit 300 fetches observation data from all visible GPS satellites, and uses these observation data to generate an error value given to a satellite signal or to the own device. An error estimation value that gives the maximum to the estimation probability of the error value is calculated, and necessary observation data from GPS satellites is determined from observation data of all visible GPS satellites based on the error estimation value. That is, the positioning calculation unit 300 inputs the observation data of all the visible GPS satellites, calculates an error estimation value that gives the maximum to the estimation probability of the error value, and compares the observation data estimated based on the error estimation value with the actual observation data. The quality of the observation data can be evaluated by comparing and collating with the observation data of all visible GPS satellites, and based on the result, the observation data with a deviation of less than a predetermined value can be selected as highly reliable observation data, and the predetermined value can be selected. Observation data with a larger deviation can be judged as unreliable observation data and rejected.
[0036]
Therefore, the discontinuity of navigation / positioning data due to switching of the selected satellite, which is observed in normal navigation, is minimized, and the available observation data is optimally used, so that the navigation / positioning accuracy and It is possible to improve the reliability in navigation / positioning. Furthermore, resistance to quality degradation of some observation data due to multipath or the like can be obtained.
[0037]
Further, when performing the differential navigation, as shown in the above equation (1), the Lagrange element term L4 is ensured, so that the extension to the differential navigation is simplified. Further, since each term constituting the above equation (1) is given in a quadratic form of the observation residual, when the number of visible GPS satellites is larger than 4, ε _G = 0 is set so that low-reliability observation is performed. Data can be rejected.
[0038]
Further, if the GPS receiver according to the above embodiment is used, the present invention can be immediately carried out for navigation of currently used automobiles and ships, and for civil engineering, construction, surveying, and the like, so that highly accurate positioning and navigation can be realized. become.
[0039]
In the above embodiment, the total Lagrangian equation is used as an arithmetic algorithm for calculating the estimated value of the error. However, the present invention can be similarly implemented by using a least square method that minimizes the estimated error value. .
[0040]
In addition, the configuration of the GPS receiver, the operation algorithm for calculating the estimated value of the error, and the like can be variously modified without departing from the scope of the present invention.
[0041]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, it is possible to minimize the discontinuity of navigation / positioning data due to switching of the selected satellite, and to improve the navigation / positioning accuracy and the reliability in navigation / positioning. A possible GPS receiving device and a GPS receiving method applied to this device can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit block diagram showing an embodiment of a GPS receiver according to the present invention.
FIG. 2 is an exemplary view showing a positional relationship between a GPS receiving apparatus and a plurality of GPS satellites and a positioning concept according to the embodiment;
FIG. 3 is a flowchart showing an operation of the positioning calculation unit shown in FIG. 1;
FIG. 4 is a flowchart showing a detailed process of step S14 shown in FIG. 3;
FIG. 5 is a flowchart showing a detailed process of step S15 shown in FIG. 3;
[Explanation of symbols]
11 ... antenna,
12. Low noise amplifier,
13 Multiplier,
14 ... Local oscillator,
15 ...
16 ... PN code canceler,
17 ... PN code generator
18 ... phase comparator,
19: NCO (Newmedical Control Ocial),
101 to 10N: baseband processing unit,
200: reception control unit,
300: positioning operation unit,
401 to 404: GPS satellites.

Claims

In a GPS receiver that measures the position of its own device using a GPS (Global Positioning System) satellite,
Receiving means for receiving satellite signals from all visible GPS satellites;
Observation data extraction means for extracting observation data including pseudorange data or carrier phase data relating to the visible GPS satellites and broadcast calendar data of the visible GPS satellites from satellite signals of all the visible GPS satellites obtained by the reception means;
The observation data of all the visible GPS satellites obtained by the observation data extraction means is inputted, and the error value given to the satellite signal or the estimation probability of the error value generated in the own device is calculated from the total Lagrangian equation shown below. Error estimation value calculating means for calculating an estimation value Δz ′ , Δz ″ ^G of an error giving a maximum;
L (Δz ″ ^G , Δz ′) = L1 + L2 + L3 + L4

S is the covariance matrix before observation data acquisition / update

sigma _GR receiving apparatus error level of GPS satellites ♯G by the GPS receiver, epsilon _G flag data employed according to the number of visible GPS satellites, V ^G is the time component 1, estimated before updating of the GPS receiver as a spatial component Δy ^G , a four-dimensional vector composed of unit vectors in the direction of the GPS satellite ♯G as viewed from the position of the device, is a guided observation calculated in consideration of ionospheric propagation delay correction and tropospheric propagation delay correction in observation data (pseudorange). Quantity, Σ _G is the sum of all visible GPS satellites,

σ _GE is the ephemeris accuracy of GPS satellite ♯G

σ _GB is the receiver error level of GPS satellite ♯G by ground station B, Σ _GB is the sum of all visible GPS satellites at ground station B,
∂L / ∂Δz ” ^G = 0
∂L / ∂Δz '= 0
Based on the estimated values Δz ′ , Δz ″ ^G calculated by the error estimated value calculating means, an observation for determining required observation data of GPS satellites from observation data of all visible GPS satellites obtained by the receiving means. A GPS receiver comprising: a data determination unit.

In a GPS receiving method applied to a GPS receiving device that measures the position of the own device using a GPS satellite,
Receiving satellite signals from all visible GPS satellites,
Extracting observation data including pseudorange data or carrier phase data relating to the visible GPS satellites and broadcast calendar data of the visible GPS satellites from all the obtained satellite signals of the visible GPS satellites,
Using the obtained observation data of all visible GPS satellites,
L (Δz ″ ^G , Δz ′) = L1 + L2 + L3 + L4

S is the covariance matrix before observation data acquisition / update

σ _GE is the ephemeris accuracy of GPS satellite ♯G

σ _GB is the receiver error level of GPS satellite ♯G by ground station B, Σ _GB is the sum of all visible GPS satellites at ground station B,
∂L / ∂Δz ” ^G = 0
∂L / ∂Δz '= 0
To calculate the estimated values Δz ′ , Δz ″ ^G that give the maximum to the estimated error value given to the satellite signal or the estimated probability of the error value generated in the own device,
A GPS receiving method characterized in that required GPS satellite observation data is determined from observation data of all the visible GPS satellites based on the calculated estimated values Δz ′ , Δz ″ ^G.