JP3615113B2

JP3615113B2 - 測位処理装置

Info

Publication number: JP3615113B2
Application number: JP2000081267A
Authority: JP
Inventors: 秀人後藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2000-03-23
Filing date: 2000-03-23
Publication date: 2005-01-26
Anticipated expiration: 2020-03-23
Also published as: JP2001264411A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばＧＰＳ（ＧｌｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍ）を利用して航空機の着陸誘導などに資する測位処理装置に関し、特にＧＢＡＳと称されるシステムにおける擬似距離補正データの算出方式の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、測位衛星を用いたＧＰＳなどの測位システムが様々な分野に普及しつつある。航空管制など特に高精度な測位データを必要とする分野では、ＧＰＳのほかにＧＢＡＳと呼ばれるシステムを併用することが将来考えられている。
【０００３】
ＧＢＡＳ（ＧｒｏｕｎｄＢａｓｅｄＡｕｇｍｅｎｔａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ）とは、ＧＰＳを使用する航空機の着陸進入時における測位精度およびインテグリティの向上を目的とした機材であり、ＤＧＰＳ（ＤｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌＧＰＳ）として知られるシステムの一形態である。いずれも予め正確な位置座標が判っている地上局にてＧＰＳ測位を行い、得られた測位データ（誤差を含む）と正確な座標値との差分データを移動体に通知して、移動体側のＧＰＳ受信機で得られた測位データの誤差を補正するものである。
【０００４】
ＧＢＡＳでは、主として２つの情報が地上局から航空機に向け通知される。１つは擬似距離補正値であり、すなわち上記差分データである。この擬似距離補正値は、地上局側における演算処理遅延などの事情から例えば１秒おきに送信されるのが実情であるが、この間にも航空機は移動してしまう。よってその間の時間の隙間を埋める情報が必要である。
【０００５】
そこで、２つ目の情報として擬似距離補正値変化率を通知する。これは擬似距離補正値の時間変化率であり、地上局側で算出される。この情報を航空機に通知して擬似距離補正値の時間の隙間を補完させることにより、時間的に連続した補正値を得られるようにしている。
【０００６】
ところで、ＧＰＳにおいては、衛星からのＧＰＳ測位信号に含まれるコードをもとに擬似距離を算出する。従来のＧＢＡＳではこの擬似距離をもとに擬似距離補正値を算出し、さらにこれを時間微分することで擬似距離補正値変化率を得ていた。
【０００７】
しかしながら周知のように、コードから算出した擬似距離はマルチパスなどの影響によって多分のノイズ成分を含んでいる。当然ながら擬似距離補正値にもこのノイズ成分がそのまま反映され、精度が劣化する。また時間で微分するとノイズ成分が増大するため、擬似距離補正値変化率に至ってはさらに精度の劣化をきたすことになる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように従来のＧＢＡＳでは、ＧＰＳ測位信号に含まれるコードから擬似距離を算出し、これをもとにして擬似距離補正値と擬似距離補正値変化率とを算出していた。このためいずれのデータにもノイズ成分を多く含み、特に擬似距離補正値変化率の精度が低かった。したがって航空機側での測位データ補正処理の精度が悪く、航空機の安全な運用に支障をきたす虞が有るなどの不具合が有った。
【０００９】
本発明は上記事情によりなされたもので、その目的は、精度の高い補正データを得ることのできる測位処理装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、以下に示す手段を講じている。
【００１１】
（１）複数の測位衛星から送信される周波数拡散された測位信号を捕捉する受信手段と、この受信手段から与えられる情報をもとに、個々の測位衛星ごとの擬似距離補正値変化率を算出する処理手段と、前記複数の測位衛星から送信される前記測位信号を利用して自己の位置を単独測位する機能を備えた移動体に、前記処理手段で算出した前記擬似距離補正値変化率を通知する送信手段とを具備し、
前記受信手段に、測位衛星ごとに捕捉した前記測位信号にそれぞれ逆拡散処理を施して搬送波を再生する搬送波再生手段と、再生搬送波の位相の変化をカウントし、単位時間毎のカウント値の差から擬似距離変化率φ′を算出してこれを前記処理手段に与える位相カウンタと、前記測位信号に含まれる個々の測位衛星の軌道情報と自装置の設置位置座標とをもとに、個々の測位衛星までの幾何学的距離Ｒを算出してこれを前記処理手段に与える距離算出手段とを備え、
前記処理手段に、前記擬似距離補正値変化率を、前記幾何学的距離Ｒの時間変化率Ｒ′と、前記擬似距離変化率φ′との差として算出させるようにしたものである。
【００１２】
（２）特に（１）に記載の受信手段を複数備える場合に、
前記処理手段に、個々の受信手段における前記複数の測位衛星に対する前記擬似距離補正値変化率を算出させ、これらの値を測位衛星間で平均して個々の受信機ごとの誤差係数を算出させ、個々の受信手段ごとに前記擬似距離補正値変化率と前記誤差係数との差を算出させ、その値を受信手段間で平均した値を前記移動体に通知すべき擬似距離補正値変化率とさせるようにした。
【００１３】
このような手段を講じることで、搬送波位相の変化がカウントされ、その単位時間ごとの差から直接に擬似距離変化率φ′が算出される。これと、既知の手法により算出される衛星との幾何学的距離Ｒの時間変化率Ｒ′との差から、擬似距離補正値変化率を算出することができる。
【００１４】
上記擬似距離変化率を求める過程で、擬似距離そのものは必要としない。すなわち通信環境による誤差の大きいデータを用いることなく擬似距離補正値変化率を算出できるので、その精度の向上を図れることになる。また（２）のように複数の受信機を備えて平均化処理を行うことで、受信機の誤差を小さくすることができ、更なる精度の向上を図れるようになる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、本発明に係る測位処理装置が使用されるシステムの例を示す図である。このシステムは、複数のＧＰＳ衛星Ｓ１〜ＳＮから送出されるＧＰＳ測位信号を複数のＧＰＳアンテナＡ１〜ＡＭで受信し、測位処理装置Ｃで擬似距離補正値と擬似距離補正値変化率とを算出して、これを移動体としての航空機Ｐに通知するものである。
【００１６】
測位処理装置Ｃは、それぞれＧＰＳアンテナＡ１〜ＡＭで捕捉された無線電波を受信復調する受信機Ｘ１〜ＸＭと、受信機Ｘ１〜ＸＭから出力されるデータをもとに擬似距離補正値および擬似距離補正値変化率を算出する処理部１００と、処理部１００で算出された擬似距離補正値、擬似距離補正値変化率を送信アンテナＡＮＴを介して航空機Ｐに送出する送信機ＴＸとを備える。
【００１７】
受信機Ｘ１〜ＸＭは、それぞれ受信したＧＰＳ測位信号からデータＲおよびφを算出してこれを処理部１００に入力する。Ｒは測位処理装置ＣとＧＰＳ衛星Ｓ１〜ＳＮ間の幾何学的距離であり、ＧＰＳ測位信号に含まれる衛星ごとの詳細軌道情報（エフェメリス）と、測位処理装置Ｃが設置される地点の位置座標（既知の情報）との比較に基づいて、既知の手法により算出される。φは測位処理装置ＣとＧＰＳ衛星Ｓ１〜ＳＮ間の擬似距離であり、本発明の特徴とする搬送波位相の積算処理により算出される。
【００１８】
Ｒおよびφは、ＧＰＳ衛星Ｓ１〜ＳＮのそれぞれに対応付けて、受信機Ｘ１〜ＸＭごとに個別に算出される量であるので、次のようにインデックスを付して示す。すなわちＲ^ｎ _ｍ、φ^ｎ _ｍと表記したとき、ｎはＧＰＳ衛星のインデックス、ｍは個々の受信機のインデックスである。例えば受信機Ｘ１からは、ＧＰＳ衛星Ｓ１〜ＳＮに対応してＲ^１ _１〜Ｒ^Ｎ _１（Ｎ個）と、φ^１ _１〜φ^Ｎ _１（Ｎ個）とが出力される。
なお以下の説明では煩雑を避けるため、通常２４個有るＧＰＳ衛星のうちＮ個の衛星を受信機Ｘ１〜ＸＭで共通に観測しているとする。
【００１９】
処理部１００は、擬似距離補正値変化率算出手段１００ａを備える。擬似距離補正値変化率算出手段１００ａは、受信機Ｘ１〜ＸＭから与えられるＲ，φをもとに擬似距離補正値および擬似距離補正値変化率を算出する。
【００２０】
図２は、図１の受信機Ｘ１〜ＸＭの構成を示すブロック図である。図２には、代表してＧＰＳアンテナＡ１に接続された受信機Ｘ１の構成を示す。
図２においてＧＰＳアンテナＡ１に到来したＧＰＳ測位信号は、低雑音の無線周波（ＲＦ）増幅器２０で増幅されたのちミキサ３０に入力されて、局部発振器４０の発振周波数に応じた中間周波数信号（ＩＦ信号）にダウンコンバートされる。このＩＦ信号は中間周波（ＩＦ）増幅器５０を介して複数のベースバンド処理部１１〜１２４にそれぞれ入力される。
【００２１】
ベースバンド処理部１１〜１Ｎ〜１２４は、共通のクロック供給部６０からそれぞれ与えられる動作クロックに基づいて動作するもので、搬送波再生部２と、衛星情報抽出部３と、位相カウンタ４と、距離算出部５とを備える。搬送波再生部２は、入力されたＩＦ信号にそれぞれ固有のＰＮ（擬似雑音）コードを乗算してスペクトル逆拡散処理を施し、搬送波を再生する。再生された搬送波は衛星情報抽出部３と位相カウンタ４とに入力される。
【００２２】
衛星情報抽出部３は、再生搬送波に含まれる信号をデータ復調し、エフェメリスなどの測位データを取得する。位相カウンタ４は、再生搬送波の位相変化の回数をカウントし、単位時間毎のカウント値とＧＰＳ測位信号の波長（無線周波数１．５７ＧＨｚに相当するほぼ２０ｃｍ）との乗算値を擬似距離φ（φ^１ _１）として出力する。距離算出部５は、衛星情報抽出部３で得られた測位データと自装置（測位処理装置Ｃ）の設置地点の位置座標とを比較して幾何学的距離Ｒ（Ｒ^１ _１）を算出し、これを出力する。他のベースバンド処理部１２〜１２４についても同様に、それぞれＲ^２ _１，φ^２ _１〜Ｒ^２４ _１，φ^２４ _１を出力する。
【００２３】
なお図２においては、ＧＰＳ衛星の個数（２４個）に応じてベースバンド処理部の数を最大の２４個とし、またそのように符号を付したが、現実には同時に観測できるＧＰＳ衛星の個数は限られている。また全てのＧＰＳ衛星を観測する必要も全然ないので、ベースバンド処理部１１〜１Ｎ〜１２４の全てが必要となる訳ではない。よって、受信機Ｘ１〜ＸＭで共通にＧＰＳ衛星Ｓ１〜ＳＮを観測しているとの前提を受けて、ベースバンド処理部１１〜１Ｎまでを用いてＲ^１ _１，φ^１ _１〜Ｒ^Ｎ _１，φ^Ｎ _１を以降の処理に使用するものとする。
【００２４】
またベースバンド処理部１１〜１Ｎ（〜１２４）は、それぞれ共通の動作クロックをクロック供給部６０から与えられている。この動作クロックはクロック供給部６０に固有のクロックドリフトΔｔ′を含み、ＧＰＳ衛星が従うＧＰＳ基準時刻系との誤差を持つことに注意する。
【００２５】
以上述べたのと同様の構成を図１の受信機Ｘ２〜ＸＭも備え、よって処理部１００には、Ｒ^ｉ _ｊ，φ^ｉ _ｊ（ｉは１からＮまでの自然数、ｊは１からＭまでの自然数）なるそれぞれＮ×Ｍ個のデータが与えられる。なお図１の受信機Ｘ１〜ＸＭはそれぞれクロック供給部６０を独立に備え、個々に異なるクロックドリフトを持つので、区別のためクロックドリフトΔｔ′に受信機インデックスを付してΔｔ′_ｍ（ｍは１からＭまでの自然数）と表記する。
【００２６】
次に、簡単な数式を用いて上記構成における動作を説明する。
まず、式（１）により、測位処理装置Ｃと各ＧＰＳ衛星Ｓ１〜ＳＮ間の擬似距離φの時間変化率と、幾何学的な距離Ｒの時間変化率とを個別に計算する。
【数１】

【００２７】
ｋは時刻インデックスであり、記号（′）は時間変化率を示す。φ′^ｎ _ｍは「受信機Ｘｍの衛星Ｓｎに対する擬似距離の時間変化率」であり、φ′^ｎ _ｍの式の分子は時刻ｔ（ｋ−１）からｔ（ｋ）までの間の擬似距離φの変化量である。本実施形態では擬似距離φを搬送波位相のカウント値から求めており、よってφ′^ｎ _ｍの分子はカウント値の増分に相当する。Ｒ′^ｎ _ｍは、「受信機Ｘｍの衛星Ｓｎに対する幾何学的距離の時間変化率」であり、その算出手法は既知であるので説明を省略する。
【００２８】
式（１）では、「擬似距離の変化率」と「幾何学的距離の変化率」とを算出した。次の式（２）ではこれらの量の次元が同じ（共に速度の次元を持つ）ことに注意して両者の差を取り、いわば「擬似距離の変化率の補正値」を算出する。
【数２】

【００２９】
ここでは、求めた疑似距離変化率補正値を一時的なものとして取り扱い、ＲＲＣ１として表記する。ＲＲＣ１^ｎ _ｍは、「受信機Ｘｍの衛星Ｓｎに対する一時的な擬似距離変化率補正値」である。「一時的」の意味するところは、この値をもとに平均化処理を行い、後にさらに正確な値を算出するためである。
【００３０】
次に、ＲＲＣ１^ｎ _ｍをＧＰＳ衛星Ｓ１〜ＳＮで平均して、式（３）のごとく各受信機Ｘ１〜ＸＭのクロックドリフトΔｔ′_ｍ（Δｔ′１〜Δｔ′Ｍ）を算出する。
【数３】

【００３１】
クロックドリフトΔｔ′_ｍは、ＲＲＣ１^ｎ _ｍと同じ速度の次元を持つ。
【００３２】
次に、式（４）のごとくクロックドリフト分を加味した疑似距離変化率補正値を求める。
【数４】

【００３３】
ＲＲＣ^ｎ _ｍは「受信機Ｘｍの衛星Ｓｎに対する擬似距離変化率補正値」であり、これを更に受信機Ｘ１〜ＸＭ間で平均して、式（５）のごとくＲＲＣ_ｎを算出する。
【数５】

【００３４】
このＲＲＣ_ｎが「測位処理装置Ｃの衛星Ｓｎに対する擬似距離変化率補正値」であり、航空機Ｐに擬似距離補正値と共に送出されるデータである。なお受信機を１個しか設けなかった場合、すなわちＭ＝１の場合には平均を取る必要は無い。
【００３５】
このように本実施形態では、受信機Ｘ１〜ＸＭにそれぞれ位相カウンタ４を備え、再生したＧＰＳ測位信号の搬送波の位相変化の回数をカウントして、単位時間毎のカウント値の差を擬似距離変化率φ′として求める。また測位データと測位処理装置Ｃの位置座標とをもとに、距離算出部５で測位処理装置ＣとＧＰＳ衛星Ｓ１〜ＳＮとの幾何学的距離Ｒを算出する。そして、Ｒの時間変化率Ｒ′と擬似距離変化率φ′との差から擬似距離変化率補正値を算出し、これを従来で言うところの擬似距離補正値変化率として移動体に通知するようにしている。
【００３６】
すなわち従来では、ＧＰＳ測位信号に含まれるコード情報から擬似距離φそのものを算出し、これとＲとの差から擬似距離補正値を求め、さらにその時間変化率を擬似距離補正値変化率としていた。これに対して本実施形態では、単位時間毎の搬送波位相の積算から直接に擬似距離変化率φ′を求め、これとＲの時間変化率Ｒ′との差から、擬似距離変化率の補正値を算出するようにしている。
【００３７】
つまり従来と本実施形態とでは、全く異なる演算過程を踏む。これに応じて文中では「擬似距離補正値変化率」、「擬似距離変化率補正値」のように用語を区別したが、両者は同じ速度の次元を持つ同一のデータである。以下では「擬似距離補正値変化率」に統一する。
【００３８】
そして本実施形態では、擬似距離補正値変化率を算出する過程で、ＧＰＳ測位信号に含まれるコード情報を使用していない。したがって、マルチパスなどによるノイズの悪影響を抑圧した高精度の測位データを得られ、その結果、移動体側での擬似距離補正の精度を高めることができ、測位精度を向上させることが可能となる。
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。例えば図１では測位処理装置Ｃに受信機Ｘ１〜ＸＭを備えるようにしたが、受信機Ｘ１〜ＸＭと測位処理装置Ｃとを分離して通信回線を介してデータの授受を行うようにしても良い。
また位相カウンタ４では、数値が大きくなりすぎるのを避けるため、適宜カウント値をリセットしても良い。必要なのは時間毎のカウント値の差だけであるからである。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形実施を行うことができる。
【００３９】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、精度の高い補正データを得ることのできる測位処理装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る測位処理装置が使用されるシステムの実施の形態を示す図。
【図２】図１の受信機Ｘ１〜ＸＭの構成を示すブロック図。
【符号の説明】
Ｐ…航空機
Ｓ１〜Ｓｎ…ＧＰＳ衛星
Ｃ…測位処理装置
４…航空機
Ａ１〜ＡＭ…ＧＰＳアンテナ
Ｘ１〜ＸＭ…受信機
１００…処理部
１００ａ…擬似距離補正値変化率算出手段
ＴＸ…送信機
ＡＮＴ…送信アンテナ
２０…無線周波（ＲＦ）増幅器
３０…ミキサ
４０…局部発振器
５０…中間周波（ＩＦ）増幅器
６０…クロック供給部
１１〜１Ｎ〜１２４…ベースバンド処理部
２…搬送波再生部
３…衛星情報抽出部
４…位相カウンタ
５…距離算出部

Claims

複数の測位衛星から送信される周波数拡散された測位信号を捕捉する受信手段と、
この受信手段から与えられる情報をもとに、個々の測位衛星ごとの擬似距離補正値変化率を算出する処理手段と、
前記複数の測位衛星から送信される前記測位信号を利用して自己の位置を単独測位する機能を備えた移動体に、前記処理手段で算出した前記擬似距離補正値変化率を通知する送信手段とを具備し、
前記受信手段は、
測位衛星ごとに捕捉した前記測位信号にそれぞれ逆拡散処理を施して搬送波を再生する搬送波再生手段と、
再生搬送波の位相の変化をカウントし、単位時間毎のカウント値の差から擬似距離変化率φ′を算出してこれを前記処理手段に与える位相カウンタと、
前記測位信号に含まれる個々の測位衛星の軌道情報と自装置の設置位置座標とをもとに、個々の測位衛星までの幾何学的距離Ｒを算出してこれを前記処理手段に与える距離算出手段とを備え、
前記処理手段は、
前記擬似距離補正値変化率を、前記幾何学的距離Ｒの時間変化率Ｒ′と、前記擬似距離変化率φ′との差として算出することを特徴とする測位処理装置。
請求項１に記載の受信手段を複数備える場合に、
前記処理手段は、
個々の受信手段における前記複数の測位衛星に対する前記擬似距離補正値変化率を算出し、これらの値を測位衛星間で平均して個々の受信手段ごとの誤差係数を算出し、
個々の受信手段ごとに前記擬似距離補正値変化率と前記誤差係数との差を算出し、その値を受信手段間で平均した値を前記移動体に通知すべき擬似距離補正値変化率とすることを特徴とする請求項１に記載の測位処理装置。