JP3715741B2

JP3715741B2 - 測位装置

Info

Publication number: JP3715741B2
Application number: JP7466897A
Authority: JP
Inventors: 茂男河島
Original assignee: Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd
Priority date: 1997-03-12
Filing date: 1997-03-12
Publication date: 2005-11-16
Anticipated expiration: 2017-03-12
Also published as: JPH10253735A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＧＰＳ衛星からの信号を利用した測位装置、さらに詳しくはその受信部に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図３は、従来の擬似距離（補正）方式で単独測位を行う測位装置の概略の構成を示す図であり、１は空中線、２は受信装置を示す。
ＧＰＳ衛星からの電波は空中線１で受信され、信号として受信装置２へ送られる。受信装置２では、ＧＰＳ受信機２１で空中線１からの信号を受信し、メモリ２３に記憶しているアルマナック(almanac) 等の情報を用いてキャリア周波数の捕捉，追尾を行い、航法データを復調して位置計算部２２へ送り、位置計算部２２で空中線１の現在位置を測位する。
【０００３】
このような測位装置における測位精度を劣化させる大きな要因にマルチパスがある。
マルチパスとは、良く知られているように衛星から直接空中線で受信する電波の他に、地表の建物等で反射した反射波が直接波と同時に受信されてしまう現象であるが、マルチパスが強いと例えば直接波の本当のコードと反射波のそれとの区別がつきにくく擬似距離測定誤差につながる。
なお、マルチパスは全ての種類のＧＰＳを利用する測位装置の精度に影響を及ぼし、単独測位でも無視できないが、測位精度の高いＤＧＰＳ(differential GPS)や干渉測位を行うcarrier phase ＤＧＰＳ等では特に問題となる。
このようなＧＰＳを利用して位置を求める方法やマルチパスの影響については、例えば日本測量協会発行の「ＧＰＳ−人工衛星による精密測位システム」，「ＧＰＳ測量の基礎」等に記載されている。
【０００４】
従ってこのマルチパスを除去させる方法として、従来では、
▲１▼水平方向の感度を低減させた空中線を用いる。
▲２▼ＧＰＳ衛星の電波が右円偏波であることを利用し、右円偏波の受信感度が高いチョーク・リング型空中線を用いる等の方法が考えられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように従来のＧＰＳを利用する測位装置ではマルチパスに起因する測定誤差によりその測位精度が劣化し、例えば擬似距離（補正）方式のＤＧＰＳではその測位精度を１メートル以内にすることが可能であるにも係わらず、マルチパスの影響により実際には数メートル程度の測位精度となる。
また、水平方向の感度を低減させた空中線を用いる場合、低仰角衛星からの受信感度が犠牲になり、衛星の有効利用が制限されてしまう。
また、チョーク・リング型空中線は機械構造的に大きく重く、高価格なため、現在のところＤＧＰＳサービスを提供する基準局（既知局）などでの利用に留まっており、小型の移動局に利用できない。
さらに、同様に低仰角からの電波の受信感度が弱く、衛星の有効利用が制限されてしまう等の問題点があった。
【０００６】
本発明はかかる問題点を解決するためになされたものであり、マルチパスの影響を除去して測位精度を大幅に改善した測位装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係わる測位装置は、
ＧＰＳ衛星からの電波を受信する空中線、
この空中線が受信する電波の偏波方向を回転させる偏波方向回転装置、
前記空中線で受信した信号を処理し測位を行う受信装置、
この受信装置に設けられ、前記偏波方向回転装置からの回転情報と、アルマナック等により、前記空中線の偏波方向の回転によりＧＰＳ衛星からの直接波がシフトした周波数位置を算出し、この位置を中心に捕捉，追尾周波数範囲を設定する捕捉・追尾周波数範囲設定手段を備えたことを特徴とする。
ＧＰＳ衛星からのキャリア周波数は右円偏波であり空中線の偏波方向を回転させることにより、直接波と反射波（直接波が１回反射した反射波）とは異なった方向に周波数がシフトするので直接波がシフトする位置を中心に捕捉，追尾周波数範囲を設定すれば、シフトした反射波はこの捕捉，追尾周波数範囲から外れるので、反射波を誤って捕捉，追尾することがなくなる。
【０００８】
また、請求項１に記載の測位装置を備える、既知点に配設される既知局装置と、請求項１に記載の測位装置を備える、測位点に配設される測位局装置とを備え、前記既知局装置から伝送される情報を用いて前記測位局装置でＤＧＰＳによる測位を行う構成を特徴とする。ＤＧＰＳを構成する場合でも、既知局装置，測位局装置ともに本発明の構成とすれば、既知局から得られる擬似距離補正情報やキャリア周波数の位相情報も正確なものとなり、擬似距離（補正）方式ＤＧＰＳでもcarrier phase ＤＧＰＳでもその測位精度を大幅に向上させることができる。
【０００９】
また、前記偏波方向回転装置は、前記空中線が受信する電波の偏波方向を電子的に回転させる装置で構成されることを特徴とする。
偏波方向を電子的に回転させることにより、空中線および偏波方向回転装置を軽量，小型，安価に構成でき、カーナビゲーションにおける移動局等に容易に実施できるようになる。
【００１０】
さらに、前記偏波方向回転装置は、前記空中線が受信する電波の偏波方向を機械的に回転させる装置で構成されることを特徴とする。
空中線の種類によっては、偏波方向を電子的に回転させることが難しい場合には機械的に回転させる装置としても同様に実施できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
図１は、本発明の装置構成の一実施形態を示す概略ブロック図であり、図において、１は空中線、２は受信装置、３は空中線偏波方向回転装置である。また、受信装置２において、２１はＧＰＳ受信機、２２は位置計算部、２３はメモリ、２４は捕捉・追尾周波数範囲変換部を示す。
【００１２】
ＧＰＳ測位装置の測位精度劣化要因であるマルチパスは、直接波と反射波とが同時に受信され、反射波が直接波の波形を乱すことにあるので、マルチパスを除去させるためには、直接波と反射波とを分離し、直接波のみを取り出せば良い。このために直接波と反射波の性質の違いを利用する。
【００１３】
すなわち、
▲１▼ＧＰＳ衛星からの電波は右円偏波であること。
▲２▼右円偏波は１回反射すると左円偏波になること。
▲３▼通常，反射する度に受信電界強度は急激に弱まるので、マルチパスで問題となるのは、１回反射した左円偏波であること。
従ってマルチパスの影響を除去するためには、右円偏波と左円偏波とを分離して右円偏波のみを捕獲，追尾するように構成すれば良い。
このため本発明では、右円偏波と左円偏波とを分離できるだけその周波数をシフトさせ、通常受信装置のメモリに記憶しているアルマナック(almanac) 等を利用して右円偏波が周波数シフトすると予測される位置に、捕捉，追尾周波数範囲を設定することによって、右円偏波である直接波のみを信号として取り入れる構成とできる。
【００１４】
例えば、近代科学社，1958, 空中線（下巻）pp542 〜566 ( J.D.Kraus)には、円偏波を受信する空中線の場合、この空中線の偏波方向を回転させると、右円偏波と左円偏波とがそれぞれ異なる方向に、空中線の回転周波数分だけ周波数シフトすることが記載されている。
偏波方向を機械的に回転させることはこの種の全ての空中線で容易に行うことができ、また垂直偏波と水平偏波との受信強度を電子的にズラすことで、この種の多くの空中線で偏波方向を電子的に容易に回転させることができる。従って本実施形態では、空中線偏波方向回転装置３を備え、空中線１の偏波方向を機械的または電子的に回転させることによって右円偏波と左円偏波の周波数を互いに反対方向シフトして分離する。
【００１５】
一方、受信装置には、ＧＰＳ衛星信号を捕捉する場合の受信キャリア周波数の探索を高速に行うべく、通常メモリ２３にアルマナックと呼ばれる全衛星の概略の軌道情報を記憶しており、従来の受信装置（図３の２に示す）ではこの情報と空中線の概略位置および概略の現在時刻を基に、受信キャリア周波数を推定し、その推定情報２００をＧＰＳ受信機２１へ入力して、その周波数を中心に探索する方法が取られている。
【００１６】
本実施形態においては、この推定情報２００が捕捉・追尾周波数範囲変換部２４に入力され、空中線偏波方向回転装置３から入力される空中線の回転方向および回転周波数の情報３００により補正されてＧＰＳ受信機２１へ入力され、ＧＰＳ受信機２１では直接波がシフトした周波数位置を中心に探索を行う捕捉・追尾周波数範囲設定手段が設けられている。
従って偏波方向の回転周波数を充分大きくしておけば、直接波と反射波の周波数差を大きくでき、補正された情報２０１により直接波のみがシフトした周波数範囲を中心に探索が行われるので、その周波数が大きく外れた反射波を誤って捕捉することなく、直接波のみの捕捉が容易に行えるようになる。
【００１７】
また追尾では、受信キャリア周波数を追尾する帯域幅は、通常数十Ｈｚ以下に設計される。従ってこれに比べて充分大きな空中線偏波方向回転周波数を設定することにより、反射波を誤追尾することもない。
本実施形態に係わる測位装置は以上のような構成および動作により、マルチパスに含まれる反射波を分離，除去し、直接波のみによる高精度な測位が可能となる。
【００１８】
図２は、本発明の他の実施形態の装置構成の概略を示すブロック図であり、図において、１ａ，２ａ，３ａはそれぞれ既知点Ａに既知局装置として設置される空中線，受信装置，空中線偏波方向回転装置、１ｂ，２ｂ，３ｂはそれぞれ測位点Ｂの測位局装置となる空中線，受信装置，空中線偏波方向回転装置であり、共に図１に示す空中線１，受信装置２，空中線偏波方向回転装置３と同様の構成のものである。また、４ａは既知局情報送信機、４ｂは既知局情報受信機を示す。
【００１９】
上述の実施形態は、擬似距離（補正）方式による単独測位を行う装置について説明したが、既知点Ａに設置する既知局装置を上述の実施形態で説明した構成と同様な装置構成とすることにより、マルチパスに含まれる反射波を分離，除去し、直接波のみによる高精度な補正情報を測位局装置へ送信することができ、高精度なＤＧＰＳによる測位が可能となる。
なおこの場合のＤＧＰＳは、擬似距離（補正）方式でも良く、マルチパスの影響が除去されたキャリア周波数の位相情報を送信して干渉測位を行うcarrier phase ＤＧＰＳでも良いことは言うまでもないが、例えば擬似距離（補正）方式ＤＧＰＳの測位誤差は通常、受信機の熱雑音等のマルチパス以外の要因による誤差が数十センチメートル以下に設計されており、本実施形態のように既知点Ａに設置する装置でもマルチパスに含まれる反射波を分離・除去し、直接波のみで測位して補正値を送信する構成とすれば、高精度な補正が行え、１メートル以下の測位精度が期待できるようになる。
【００２０】
【発明の効果】
本発明の測位装置は以上のように構成することにより、マルチパスの影響を除去して測位精度を大幅に改善することができる。
特に空中線の偏波方向を電子的に回転させる構成とした場合、機械構造的に小さく軽くでき、かつ低仰角衛星からの受信感度を犠牲にすることなく、更に低価格で実現できる。
またＤＧＰＳを構成する場合、擬似距離（補正）方式を用いる場合であっても１メートル以下の測位精度が期待でき、近年始まりつつあるＤＧＰＳサービスを利用するＤＧＰＳ移動局で構成されるカーナビゲーション装置等に、特に有効となる等の効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の装置構成の概略を示すブロック図である。
【図２】本発明の他の実施形態の装置構成の概略を示すブロック図である。
【図３】従来のこの種の測位装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１，１ａ，１ｂ空中線
２，２ａ，２ｂ受信装置
３，３ａ，３ｂ空中線偏波方向回転装置
４ａ既知局情報送信機
４ｂ既知局情報受信機
２１ＧＰＳ受信機
２２位置計算部
２３メモリ
２４捕捉・追尾周波数範囲変換部

Claims

ＧＰＳ衛星からの電波を受信する空中線、
この空中線が受信する電波の偏波方向を回転させる偏波方向回転装置、
前記空中線で受信した信号を処理し測位を行う受信装置、
この受信装置に設けられ、前記偏波方向回転装置からの回転情報と、アルマナック(almanac) 等により、前記空中線の偏波方向の回転によりＧＰＳ衛星からの直接波がシフトした周波数位置を算出し、この位置を中心に捕捉，追尾周波数範囲を設定する捕捉・追尾周波数範囲設定手段を備えたことを特徴とする測位装置。
請求項１に記載の測位装置を備える、既知点に配設される既知局装置と、
請求項１に記載の測位装置を備える、測位点に配設される測位局装置とを備え、
前記既知局装置から伝送される情報を用いて前記測位局装置でＤＧＰＳ(differential GPS)による測位を行う測位装置。
前記偏波方向回転装置は、前記空中線が受信する電波の偏波方向を電子的に回転させる装置で構成されることを特徴とする請求項第１項または第２項記載の測位装置。
前記偏波方向回転装置は、前記空中線が受信する電波の偏波方向を機械的に回転させる装置で構成されることを特徴とする請求項第１項または第２項記載の測位装置。