JP3554365B2

JP3554365B2 - 位置測定装置

Info

Publication number: JP3554365B2
Application number: JP15862194A
Authority: JP
Inventors: 豊中村
Original assignee: 株式会社ソキア
Priority date: 1994-07-11
Filing date: 1994-07-11
Publication date: 2004-08-18
Anticipated expiration: 2019-08-18
Also published as: JPH0829192A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、位置測定装置に関し、特に、海上の作業船などのように、測定対象地点が順次移動する場合に好適な位置測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
海岸線に近接した海底地盤中に杭を打設して地盤を改良する工法が知られており、この種の地盤改良工法では、杭の打設位置を特定する必要があって、海上を運行する杭打ち船の位置を測定することにより、杭の打設位置の管理を行なっていた。特開平２−２９０５７６号公報には、この種の用途に用いられる位置測定装置の一例が開示されている。
【０００３】
この公報に示されている位置測定装置は、座標値が既知の地上の２地点に設置されるターゲット（反射鏡）と、座標値が未知の作業船上に設置される自動追尾光波距離計とを有し、光波距離計の自動追尾部に、レーザ光線の投射および受光部と、このレーザ光線の投射、受光部を水平ないしは垂直方向にスキャンニングするスキャンニング部とが設けられている。
【０００４】
そして、未知点の座標値を求める際には、２既知点と未知点との間の距離を、投射および受光部をスキャンニング部の作動により水平および垂直方向にスキャンニングさせて光波距離計で測定し、この測定値をマイクロコンピュータで演算処理することにより未知点の座標値を求めていた。
しかしながら、このような位置測定装置には、以下に説明する技術的課題が内在していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
すなわち、上記公報に示されている位置測定装置では、作業船が移動した後に停止した状態で光波距離計により２既知点と未知点間の距離を測定しなければならないので、この距離の測定に時間がかかるという問題があった。また、この公報に示されている装置では、作業船が移動している過程での位置測定が難しいので、杭の打設位置に作業船を位置決めすることが迅速に行なえなかった。
【０００６】
さらに、上記測定装置では、自動追尾部を設ける必要があるので、装置全体がコスト高になるという問題もあった。
本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、測定および位置決めが迅速に行なえる低コストの位置測定装置を提供することにある。
【０００７】
上記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、座標値が既知の地点に反射ターゲットとともに設置され、複数の衛星から発信された電波を受信する第１ＧＰＳ受信機と、前記第１ＧＰＳ受信機と接続され、当該第１ＧＰＳ受信機で受信した前記電波から得られた衛星信号情報を送出する送信機と、座標値を測定する未知点に、少なくとも測定の開始時に、光波距離計と電子的測角装置を備えたトータルステーションとともに設置され、複数の衛星から発信された電波を前記第１ＧＰＳ受信機と同時刻に受信する第２ＧＰＳ受信機と、前記送信機から送出される前記衛星信号情報を受信する受信機と、前記第２ＧＰＳ受信機と前記受信機とが接続され、測定開始時に、前記トータルステーションにより測定された前記反射ターゲットと前記第２ＧＰＳ受信機との間の距離測定値から、測定開始未知点の座標値を求めるとともに、測定開始以後の未知点座標値を前記第１および第２ＧＰＳ受信機の衛星信号情報に基づいて求める演算処理装置とを有することを特徴とする。
【０００８】
また、請求項２に係る発明は、前記座標値が既知の地点は、地上に設定された第１及び第２地点からなり、この第１地点に反射ターゲットとともに前記第１ＧＰＳ受信機を設置し、前記第２地点に第２反射ターゲットを設置し、前記第２ＧＰＳ受信機、前記トータルステーション、前記受信機および前記演算処理装置を海上の作業船に設置することを特徴とする。
【０００９】
【作用】
上記構成の位置測定装置によれば、演算処理装置で、測定開始時に、トータルステーションにより座標値が既知の地点に設置される反射ターゲットと、座標値が未知の測定点に設置される第２ＧＰＳ受信機との間の距離を測定して、測定開始未知点の座標値を求めた後は、第１および第２ＧＰＳ受信機の衛星信号情報に基づいて未知点座標値を求めるので、測定対象点が移動している過程でもリアルタイムに未知点座標値を測定することができる。
【００１０】
【実施例】
以下本発明の好適な実施例について添附図面を参照して詳細に説明する。図１から図５は、本発明にかかる位置測定装置の一実施例を示している。同図に示す位置測定装置は、本発明を海上で運行される作業船１０の位置を測定する際に適用した場合を示しており、陸上に座標値が既知の第１および第２地点Ｋ_１（ｘ_１，ｙ_１，ｚ_１）_，Ｋ_２（ｘ_２，ｙ_２，ｚ_２）が設定される。
【００１１】
座標値が既知の第１地点Ｋ_１（ｘ_１，ｙ_１，ｚ_１）には、第１反射ターゲット１２とともに、第１ＧＰＳ受信機１４が設置される。第１ＧＰＳ受信機１４は、地球上の軌道を周回する複数の衛星から発信された電波信号を受信するものであって、三脚上に支持された反射ターゲット１２の中心と同軸上に設けられたアンテナ部１４ａと、このアンテナ部１４ａと電気的に接続された本体部１４ｂとを有している。
【００１２】
なお、反射ターゲット１２は、反射鏡部とターゲット板とから構成されている。本体部１４ｂには、第１ＧＰＳ受信機１４で受信した衛星信号情報、すなわち、キャリアの位相データ、Ｃ／Ａコード位置データ、航法メッセージなどを送出するデジタル情報送信機１６が接続されている。また、座標値が既知の第２地点Ｋ_２（ｘ_２，ｙ_２，ｚ_２）には、第２反射ターゲット１８が設置されている。一方、座標値を測定する未知点Ｐ（ｘ，ｙ，ｚ）は、作業船１０上に設定されている。
【００１３】
この未知点Ｐ（ｘ，ｙ，ｚ）は、作業船１０の移動に伴って移動し、作業船１０上には、トータルステーション２０、すなわち、距離測定用光波距離計の光軸と視準望遠鏡の光軸とを同軸に構成し、かつ、電子的測角装置、すなわち、エンコーダを備えた測距測角儀とともに、複数の衛星から発信された電波信号を第１ＧＰＳ受信機１４と同時刻受信する第２ＧＰＳ受信機２２が設置されている。第２ＧＰＳ受信機２２は、三脚上に支持されたトータルステーション２０と同軸上に設けられたアンテナ部２２ａと、アンテナ部２２ａと電気的に接続された本体部２２ｂとを有している。
【００１４】
また、作業船１０上には、第１地点Ｋ_１近傍に設置されるデジタル情報送信機１６から送出される第１ＧＰＳ受信機１４で受信した衛星信号情報を受信するデジタル情報受信機２４と、演算処理装置２６とが設置されていて、第２ＧＰＳ受信機２２の本体部２２ｂとデジタル情報受信機２４とが演算処理装置２６に接続されている。
【００１５】
第１および第２ＧＰＳ受信機１４，２２は、同一構成のものであって、その電気的な構成ブロックを図２に示している。同図に示すＧＰＳ受信機１４，２２は、各受信機１４，２２のアンテナ部１４ａ，２２ａに設けられたマイクロストリップタイプのアンテナ２８と、このアンテナ２８に接続された増幅器３０と、増幅器３０の出力側に接続された混合器３２と、混合器３２の入力側に接続された局部発振器３４と、混合器３２の出力側に接続された中間周波数増幅器３６と、この増幅器３６の出力側に接続されたＤ．Ｓ．Ｐ（ＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｏｒ）３８と、Ｄ．Ｓ．Ｐ３８の出力側に接続された出力インターフェイス４０とを有している。
【００１６】
混合器３２は、衛星から受信した情報信号の搬送周波数を所定の周波数に変換するものである。Ｄ．Ｓ．Ｐ３８は、混合器３２で周波数変換された情報信号を受けて、アナログ信号をデジタル信号に変換するものであって、Ｄ．Ｓ．Ｐ３８からは、衛星から発信された電波信号の搬送波位相を計数した搬送位相データと、同電波信号から軌道要素情報を抽出した軌道要素データと、同電波信号から発信時刻情報を抽出した時刻データとが、所定時間間隔、例えば、１秒毎に出力インターフェイス４０に送出される。
【００１７】
デジタル情報送信機１６とデジタル情報受信機２４との間では、第１ＧＰＳ受信機１４のＤ．Ｓ．Ｐ３８から送出される上述した搬送位相データ，軌道要素データ，時刻データの送受信が行なわれるとともに、受信している衛星の番号や第１ＧＰＳ受信機１４の制御状態の信号なども送受信される。
一方、演算処理装置２６は、いわゆるマイクロコンピュータから構成されていて、図３に示すように、第２ＧＰＳ受信機２２の出力インターフェイス４０と接続される入力ポート２６ａと、デジタル情報受信機２４の出力側に接続される入力ポート２６ｂと、ＣＰＵ２６ｃと、表示部２６ｄと、キー入力部２６ｅと、データ処理プログラムと通信制御プログラムとが格納されたメモリ２６ｆと、データ処理用メモリ２６ｇとを有している。
【００１８】
このように構成された位置測定装置では、未知点Ｐ_ｎ（ｘ_ｎ，ｙ_ｎ，ｚ_ｎ）の座標値を求める際には、図４に示すような手順で行なわれる。同図に示す手順では、スタートするとまず、ステップｓ１でトータルステーション２０を使用して、第１地点Ｋ_１（ｘ_１，ｙ_１，ｚ_１）と測定開始未知点Ｐ_０（ｘ_０，ｙ_０，ｚ_０）との間の距離ｄ_１と、第２地点Ｋ_２（ｘ_２，ｙ_２，ｚ_２）と測定開始未知点Ｐ_０（ｘ_０，ｙ_０，ｚ_０）との間の距離ｄ_２とが測定される。
【００１９】
この測定は、トータルステーション２０の視準望遠鏡で反射ターゲット１２，１８のターゲットを視準し、トータルステーション２０から発射される距離測定用の光波を第１および第２反射ターゲット１２，１８に照射することにより行なわれ、このときに併せて第１地点Ｋ_１および第２地点Ｋ_２と未知点Ｐとの間の高度角θ_１，θ_２が測定される。この測定によって得られたｄ_１，ｄ_２およびθ_１，θ_２は、キー入力部２６ｅから演算処理装置２６に入力され、これらの値が入力されると、ステップｓ２で測定開始未知点Ｐ_０の座標値（ｘ_０，ｙ_０，ｚ_０）が演算される。
【００２０】
この演算では、まず、トータルステーション２０て測定された値ｄ1,ｄ2 およびθ1,θ2 から、第１地点Ｋ1 と測定開始未知点Ｐ0 との間の水平距離Ｄ1 と、第２地点Ｋ2 と測定開始未知点Ｐ0 との間の水平距離Ｄ2 とが演算される。この水平距離Ｄ1，Ｄ2 は、これと測定値ｄ1,ｄ2 およびθ1,θ2 とが図５（Ａ）に示すような関係になるので、Ｄ1 ＝ｄ1 ｃｏｓθ1,Ｄ2 ＝ｄ2 ｃｏｓθ2 として求められる。
【００２１】
この水平距離Ｄ1，Ｄ2 が求められると、図５（Ｂ）に示すように、Ｋ1，Ｋ2,Ｐ0 を同一平面上に投影することによってＰ0 の座標値（ｘ0 ，ｙ0 ）を求めることができる。これは、Ｋ1 を中心とする半径Ｄ1 の円と、Ｋ2 を中心とする半径Ｄ2 の円の交点の１つがＰ0 となり、（ｘ0 −ｘ1 ）＋（ｙ0 −ｙ1 ）＝Ｄ12，（ｘ0 −ｘ2 ）＋（ｙ0 −ｙ2 ）＝Ｄ22の連立方程式を解くことによって求められる。
【００２２】
この連立方程式は、２次方程式なので解は２つ得られるが、Ｐ_０が海上なので、この条件を考慮すると一方に特定することができる。また、ｚ座標は、高度角θ_１，θ_２を測定することによって得られるので、以上の演算処理を行なえば、測定開始未知点Ｐ_０の座標値（ｘ_０，ｙ_０，ｚ_０）の値が決定する。ステップｓ２で、測定開始未知点Ｐ_０の座標値（ｘ_０，ｙ_０，ｚ_０）の値が演算されると、ステップｓ３で、座標系の変換が行なわれる。
【００２３】
すなわち、ステップｓ２で求められた測定開始未知点Ｐ_０の座標値（ｘ_０，ｙ_０，ｚ_０）は、ローカル座標系であって、地球規模の座標系を扱うＧＰＳシステムでは、この座標系の値をそのまま使用することができないので、ＷＧＳ−８４座標系への変換を行なう。
座標変換が完了すると、続くステップｓ４では、２つのＧＰＳ受信機１４，２２を使用し、一方のＧＰＳ受信機２２を未知の測定点に順次移動しながら位置を測定する、いわゆるキネマティック測量における解の中に整数波数分の未知数が現れるがその演算が行なわれる。この解の中の整数波数分の未知数の演算は、２地点Ｋ_１，Ｐ_０の座標値が求まれば公知の演算式を使用することによって決定される。
【００２４】
以上のような方法でキネマティック測量の解を求めると、従来、この種の解を求めるために行なわれていた２つのＧＰＳ受信機１４，２２間でのアンテナの交換や、所定時間のスタティック測量を行なう方法よりも迅速且つ簡単に解を求めることができる。
そして、ステップｓ４で解が求められると、その後は、第１および第２ＧＰＳ受信機１４，２２を使用したキネマティック測量により未知点Ｐ_ｎの座標値（ｘ_ｎ，ｙ_ｎ，ｚ_ｎ）値が演算される（ステップｓ５）。このときのキネマティック測量は、第１ＧＰＳ受信機１４で受信した衛星からの情報をデジタル送，受信機１６，２４を介して演算処理装置２６に取込むとともに、同時刻に第２ＧＰＳ受信機２２で受信した情報を同様に演算処理装置２６に取り込んで行なわれる。
【００２５】
この演算によって求められた座標値は、ステップｓ６で、ＷＧＳ−８４座標系からローカル座標系に変換されて、表示部２６ｄに表示される。このときの未知点Ｐ_ｎの座標値（ｘ_ｎ，ｙ_ｎ，ｚ_ｎ）値が得られるサイクルは、ＧＰＳ受信機の電波信号の採取間隔とほぼ一致していて、例えば、１秒間隔毎に表示することができる。
【００２６】
ステップｓ６で表示出力が行なわれると、ステップｓ７で測定の停止信号が出されているか否かが判断され、これが出されていない場合には、ステップｓ５に戻り、位置の測定が継続されるとともに、停止信号が出されていると判断された場合には、処理手順が終了する。なお、作業船１０の移動は、ステップｓ１で距離ｄ_１，ｄ_２の測定が行なわれた後に適宜行なわれる。
【００２７】
さて、以上のように構成された本発明の位置測定装置によると、演算処理装置２６で、測定開始時に、トータルステーション２０により座標値が既知の地点Ｋ_１（ｘ_１，ｙ_１，ｚ_１），Ｋ_２（ｘ_２，ｙ_２，ｚ_２）に設置される反射ターゲット１２，１８と、座標値が未知の測定点Ｐ_０（ｘ_０，ｙ_０，ｚ_０）に設置される第２ＧＰＳ受信機２２との間の距離を測定して、測定開始未知点の座標値（ｘ_０，ｙ_０，ｚ_０）を求めた後は、第１および第２ＧＰＳ受信機１４，２２の衛星信号情報に基づいて未知点Ｐ_ｎの座標値（ｘ_ｎ，ｙ_ｎ，ｚ_ｎ）を求めるので、測定対象点が移動している過程でもリアルタイムに未知点座標値を測定することができる。
【００２８】
また、本発明の位置測定装置では、従来のこの種の装置のように追尾手段を必要としないので、装置の低コスト化を図ることができる。さらに、本発明の装置では、例えば、第１または第２ＧＰＳ受信機１４，２２の何れか一方ないしは双方で、衛星からの電波信号の受信が途切れるサイクルスリップや、一時的な受信不能状態が発生した場合には、これらの不都合が発生した位置で、上述したステップｓ１〜ｓ４を繰り返すと、その位置から再びキネマティック測位を再開することができる。
【００２９】
なお、上記実施例では、本発明の位置測定装置を海上で運行される作業船１０に適用した場合を例示したが、本発明の実施はこれに限定されることはなく、地上の位置を測定することも可能である。この場合、地上の位置を測定する際には、上記実施例で示した第２地点に設置する第２反射ターゲット１８は不必要なので撤去すればよい。
【００３０】
また、上記実施例で示した第２ＧＰＳ受信機２２のアンテナ部２２ａは、常時トータルステーション２０と一体的に結合させておく必要はなく、測定開始時に未知点Ｐ_０の座標値（ｘ_０，ｙ_０，ｚ_０）の値を求めれば、その後は、第２ＧＰＳ受信機２２を単独で移動させてもよい。
【００３１】
【発明の効果】
以上、実施例で詳細に説明したように、本発明にかかる位置測定装置によれば、測定および位置決めが迅速に行なえるとともに、装置の低コスト化を達成することも可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる位置測定装置の一実施例を示す設置状態の全体説明図である。
【図２】同測定装置で使用するＧＰＳ受信機のブロック図である。
【図３】同測定装置で使用する演算処理装置のブロック図である。
【図４】図３に示した演算処理装置の処理手順の一例を示すフローチャート図である。
【図５】図１に示した距離Ｄ_１，Ｄ_２を求める場合の説明図である。
【符号の説明】
１０作業船
１２第１反射ターゲット
１４第１ＧＰＳ受信機
１６デジタル情報送信機
１８第２反射ターゲット
２０トータルステーション
２２第２ＧＰＳ受信機
２４デジタル情報送信機
２６演算処理装置

Claims

座標値が既知の地点に反射ターゲットとともに設置され、複数の衛星から発信された電波を受信する第１ＧＰＳ受信機と、
前記第１ＧＰＳ受信機と接続され、当該第１ＧＰＳ受信機で受信した前記電波から得られた衛星信号情報を送出する送信機と、
座標値を測定する未知点に、少なくとも測定の開始時に、光波距離計と電子的測角装置を備えたトータルステーションとともに設置され、複数の衛星から発信された電波を前記第１ＧＰＳ受信機と同時刻に受信する第２ＧＰＳ受信機と、
前記送信機から送出される前記衛星信号情報を受信する受信機と、
前記第２ＧＰＳ受信機と前記受信機とが接続され、測定開始時に、前記トータルステーションにより測定された前記反射ターゲットと前記第２ＧＰＳ受信機との間の距離測定値から、測定開始未知点の座標値を求めるとともに、測定開始以後の未知点座標値を前記第１および第２ＧＰＳ受信機の衛星信号情報に基づいて求める演算処理装置とを有することを特徴とする位置測定装置。
前記座標値が既知の地点は、地上に設定された第１及び第２地点からなり、この第１地点に反射ターゲットとともに前記第１ＧＰＳ受信機を設置し、
前記第２地点に第２反射ターゲットを設置し、
前記第２ＧＰＳ受信機、前記トータルステーション、前記受信機および前記演算処理装置を海上の作業船に設置することを特徴とする請求項１記載の位置測定装置。