JP3721964B2

JP3721964B2 - Ｇｐｓ受信装置

Info

Publication number: JP3721964B2
Application number: JP2000275882A
Authority: JP
Inventors: 章二吉河; 克彦山田; 潤津久井
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2000-09-12
Filing date: 2000-09-12
Publication date: 2005-11-30
Anticipated expiration: 2020-09-12
Also published as: US6480787B2; JP2002090439A; US20020032525A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ＧＰＳ受信装置にかかわり、特に、宇宙機、飛行機または車両などの移動体間で、相対位置や相対速度を高精度に測定できる、ＧＰＳ受信装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
地球を周回する複数の人工衛星（ＧＰＳ衛星）から発信される測位電波（ＧＰＳ信号）を解読して、３次元の位置情報を推定する電波航法システムとしてＧＰＳ(Global Positioning System)が知られている。
現在、複数のＧＰＳ衛星が軌道上を周回し、ＧＰＳ信号を発信している。ＧＰＳでは、信頼度の高い測位を行うため、ＧＰＳ受信機と最低４機のＧＰＳ衛星との間の距離を測定する。ＧＰＳ衛星とＧＰＳ受信機の間の距離は、ＧＰＳ信号がＧＰＳ衛星を出発してからＧＰＳ受信機に到達するまでの時間から推定され、求められた距離は疑似距離またはシュードレンジ（pseudo range）と呼ばれる。
【０００３】
ＧＰＳ受信機を搭載した宇宙機、飛行機、車両等の移動体は、自機の位置や速度などの情報を推定することができる（ＧＰＳ絶対航法）。これに対し、移動体間でＧＰＳを活用すると、一方のＧＰＳ受信機（を搭載する移動体）に対する他方のＧＰＳ受信機（を搭載する移動体）の相対的な位置および速度を求めることができる（ＧＰＳ相対航法）。
【０００４】
ＧＰＳ相対航法では、双方のＧＰＳ受信機に共通な誤差を相殺することによって測位精度が改善される。たとえば、それぞれのＧＰＳ受信機が共通のＧＰＳ衛星から同時刻に発信されたＧＰＳ信号を測定することによって、相対位置や相対速度の推定精度が高められる。このため、共通のＧＰＳ衛星からＧＰＳ信号を受信する技術および等価的に同時刻にＧＰＳ信号を受信する技術が開発されてきた。
【０００５】
共通のＧＰＳ衛星から受信したＧＰＳ信号を受信データの中に必要数含めることは、近年、１台のＧＰＳ受信機が追尾できるＧＰＳ衛星の数が、航法に必要な数（４）に対して十分に大きい数（例えば、１２）に増加したことから、ＧＰＳアンテナの視野の共通部分を移動体間で十分に広くとることで容易になった。
また、等価的に同時刻にＧＰＳ信号を受信する技術は、外部から同期信号を入力する方法の他に、ソフトウェアで等価的に受信時刻を同一化する方法が知られている。
【０００６】
従来のＧＰＳ受信装置を、特開平１０−２７４３号公報に開示されたＧＰＳ受信装置を用いて説明する。図１３に示されたＧＰＳ受信装置のブロック図において、前車両と後車両は道路上を前後して同方向に相対航法している２台の移動体である。
前車両と後車両は、相対距離測定装置Ｓ１、Ｓ２、ＧＰＳアンテナ１１、２１、ＧＰＳ受信部１２、２２、制御装置１３、２３、車車間通信を行う通信装置１４、２４、地上用アンテナ１５、２５をそれぞれ備えている。
また制御装置１３、２３は車両位置演算部１３１、２３１とエンジン、変速機、ブレーキ等（図示せず）の動作を制御する追従走行制御部１３２、２３２から構成されている。
【０００７】
前車両と後車両は、それぞれＧＰＳアンテナ１１、２１でＧＰＳ信号をＧＰＳ受信部１２、２２に取り込む。ＧＰＳ信号はそれぞれのＧＰＳ衛星から一定時間（周期：Ｔ）毎に発信されるので、このＧＰＳ信号の時刻情報を同期信号として利用する。
【０００８】
次に前車両と後車両の間で行われる相対航法を、図１４に示した通信タイミング図を用いて説明する。
前車両は時刻ｔ=nに受信したＧＰＳ信号ｆ_GPS(n)に基づき自車の現在位置Ｆ_nを算出する。前車両のＧＰＳ受信部１２が自車の現在位置と過去の位置から自車速度及び進行方向を演算すると、制御装置１３内の車両位置演算部１３１は自車が１周期（Ｔ）後に達すると推定される自車の推定位置Ｆ*_n+1を演算し、時刻ａ_nに後車両へ送信する。
【０００９】
後車両の制御装置２３内の車両位置演算部２３１は、時刻ｔ=n+1に受信したＧＰＳ信号ｆ_GPS(n+1)に基づき自車の現在位置Ｒ_n+1を算出し、あらかじめ通信装置１４、２４を介して取り込んだ前車両の推定位置Ｆ*_n+1と対比することにより、時刻ｔ=n+1での両車両間の相対位置を時刻ｂ_n+1に算出する。
この操作を一周期ごとに繰り返すことによって、前車両に対する後車両の相対位置が常時観測できる。
【００１０】
この方法は、外部同期信号を必要としない点では優れているが、ＧＰＳ受信機がＧＰＳ信号の時刻情報に高精度に同期していることが前提になっている。同期誤差が大きい場合には同時刻性が失われ、測定結果に重大な誤差が生じる。
同期誤差が生じる理由には、ＧＰＳ受信機に内蔵されている受信機時計が温度の影響を受けて、わずかではあるが、計測時刻に誤差を生じることなどがあげられる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
以上述べたようにＧＰＳ相対航法を行う場合には、移動体間でＧＰＳ信号の観測時刻（または受信時刻）に同期が必要である。外部同期信号を用いて同期をとると新たなハードウェアを必要とし、装置が高価になるという問題点がある。またソフトウェアで等価的に同期させる場合には、ＧＰＳ受信機がＧＰＳ信号の時刻情報に高精度（例えば数十μ秒レベル）に同期していることを要求されるという問題点があった。
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、ＧＰＳ受信機がＧＰＳ信号の時刻情報に高精度に同期していなくても、ソフトウェアでＧＰＳ信号の観測時刻の同期を等価的にとることができるＧＰＳ受信装置を得ることを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明にかかるＧＰＳ受信装置は、第１の移動体が搭載する第１のＧＰＳ受信機と第２の移動体が搭載する第２のＧＰＳ受信機を備えており、第１のＧＰＳ受信機が出力する第１のＧＰＳデータと第２のＧＰＳ受信機が出力する第２のＧＰＳデータから共通のＧＰＳ衛星識別番号を所有するＧＰＳデータを抽出し、両移動体間の相対位置と相対速度を算出するＧＰＳ受信装置であって、第１の移動体または第２の移動体の少なくとも一方が、ＧＰＳ衛星と第１の移動体の間の第１の疑似距離とＧＰＳ衛星と第２の移動体の間の第２の疑似距離に観測時刻の共通化を行う観測時刻共通化処理手段と、観測時刻共通化処理手段で共通化された第１の疑似距離と第２の疑似距離の差分量を求める差分量計算手段と、差分量に対し第１のＧＰＳ受信機及び第２のＧＰＳ受信機の時計誤差と第１のＧＰＳ受信機及び第２のＧＰＳ受信機のＧＰＳ衛星に対する移動とに起因する観測時刻誤差を補正する観測時刻誤差補正処理手段をさらに備えている。
【００１３】
また、観測時刻誤差補正処理手段は、第１の疑似距離の変化率である第１のレンジレートと、第１のＧＰＳ受信機の時計誤差である第１のクロックバイアスと、第２の疑似距離の変化率である第２のレンジレートと、第２のＧＰＳ受信機の時計誤差である第２のクロックバイアスから補正量を算出してもよい。
【００１４】
また、第１のＧＰＳ受信機の出力から第１のクロックバイアスを推定する第１の絶対航法手段と、第１のＧＰＳ受信機の出力から第１のレンジレートを算出する第１のレンジレート算出手段と、第２のＧＰＳ受信機の出力から第２のクロックバイアスを推定する第２の絶対航法手段と、第２のＧＰＳ受信機の出力から第２のレンジレートを算出する第２のレンジレート算出手段を備えていて、観測時刻誤差補正処理手段は、第１および第２の絶対航法手段が推定した第１および第２のクロックバイアスと、第１および第２のレンジレート算出手段が算出した第１および第２のレンジレートから補正量を算出してもよい。
【００１５】
また、観測時刻誤差補正処理手段は、第１のクロックバイアスと第２のクロックバイアスの差である相対クロックバイアスと、第１または第２のレンジレートから補正量を算出してもよい。
【００１６】
また、観測時刻誤差補正処理手段の出力を入力として両移動体間の相対位置と相対速度を算出する相対航法処理手段を備えていて、相対クロックバイアスに、相対航法処理手段が出力する相対クロックバイアスを用いてもよい。
【００１７】
また、観測時刻誤差補正処理手段は、差分量と、第１または第２のレンジレートから補正量を算出してもよい。
【００１８】
また、第１の移動体または第２の移動体の少なくとも一方が、ＧＰＳデータの観測時刻に対しクロックバイアスを用いて第１のＧＰＳ受信機及び第２のＧＰＳ受信機の時計誤差と第１のＧＰＳ受信機及び第２のＧＰＳ受信機の共通のＧＰＳ衛星に対する移動とに起因する観測時刻誤差を補正する観測時刻誤差補正処理手段と、第２の観測時刻誤差補正処理手段で補正されたＧＰＳデータに観測時刻の共通化を行う観測時刻共通化処理手段と、第２の観測時刻共通化処理手段で共通化された第１の疑似距離と第２の疑似距離の差である第２の差分量を求める差分量計算手段を備えていてもよい。
【００１９】
また、第１の絶対航法処理手段と、第２の絶対航法処理手段を備えていて、観測時刻誤差補正処理部は、クロックバイアスに第１の絶対航法処理手段が推定した第１のクロックバイアスと、第２の絶対航法処理手段が推定した第２のクロックバイアスを用いてもよい。
【００２２】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１に示されたブロック図を用いて、本発明の実施の形態１にかかるＧＰＳ受信装置を説明する。
【００２３】
図１において、１Ａ、１ＢはＧＰＳ衛星から受信したＧＰＳ信号を解析するＧＰＳ受信機、２Ａ、２Ｂは移動体Ａと移動体Ｂの間でＧＰＳデータを送受信する通信部、３は移動体Ａと移動体Ｂが共通して観測したＧＰＳデータを抽出するＧＰＳ衛星番号共通化処理部、４は観測されたＧＰＳデータに時刻の共通化処理をする観測時刻共通化処理部、５は移動体Ａが観測したＧＰＳデータと移動体Ｂが観測したＧＰＳデータの差分量を求める差分量計算部、６はＧＰＳ受信機の時計誤差に起因する観測時刻誤差を補正する観測時刻誤差補正処理部、７は移動体Ａの移動体Ｂに対する相対位置、相対速度などを算出する相対航法処理部である。
【００２４】
移動体ＡはＧＰＳ受信機１Ａと通信部２Ａを搭載し、また移動体ＢはＧＰＳ受信機１Ｂと通信部２Ｂを搭載している。通信部２Ａと通信部２Ｂを備えているため、移動体Ａと移動体Ｂとは通信可能である。図中に表示されているＧＰＳ衛星＃ｉは、移動体Ａと移動体Ｂが観測する複数のＧＰＳ衛星のうち、ＧＰＳ衛星識別番号が共通なものを代表して表示している。
なお、図示されていないが、移動体Ａと移動体Ｂは基準時計である受信機時計Ａと受信機時計Ｂをそれぞれ搭載している。受信機時計Ａまたは受信機時計Ｂで計測する時刻と真の時刻（例えば地上基準局に設置されている基準ＧＰＳ時計で計測する時刻）の差をクロックバイアスと呼ぶ。
【００２５】
次に、動作について説明する。ＧＰＳ受信機１ＡおよびＧＰＳ受信機１Ｂは、解析したＧＰＳ信号を出力する。ＧＰＳ信号を解析すると、エフェメリスデータ（ＧＰＳ衛星の軌道情報）、ＧＰＳ衛星識別番号、シュードレンジ（疑似距離）、レンジレート（シュードレンジの変化率）、クロックバイアスなどのＧＰＳデータが得られる。
ＧＰＳデータには観測時刻（または受信時刻）を識別できるように観測時刻タグが付与されている。ＧＰＳ受信機１Ａが観測したＧＰＳデータ、レンジレート等をＧＰＳデータＡ、レンジレートＡというように、またＧＰＳ受信機１Ｂが観測したＧＰＳデータ、レンジレート等をＧＰＳデータＢ、レンジレートＢというように表記して、両者を区別する。
【００２６】
通信部２Ａは、ＧＰＳデータＢを通信部２Ｂを介して取得する。ＧＰＳ衛星番号共通化処理部３は、ＧＰＳ受信機ＡとＧＰＳ受信機Ｂとの相対距離の測定に必要なＧＰＳデータを選択する手段で、具体的にはＧＰＳデータＡのＧＰＳ衛星識別番号とＧＰＳデータＢのＧＰＳ衛星識別番号を比較し、共通のＧＰＳ衛星識別番号を所有するＧＰＳデータを抽出する。
観測時刻共通化処理部４は、ＧＰＳデータＡに付与された観測時刻タグとＧＰＳデータＢに付与された観測時刻タグを適当な補間処理あるいは補外処理し、観測時刻を揃えることによって、観測時刻の共通化を行う。補間処理あるいは補外処理する場合、線形補間あるいは最小二乗法のどちらを用いてもよい。
【００２７】
観測時刻共通化処理部４が行なう観測時刻の共通化の具体例を、図２、図３、図４を用いて説明する。図２(a)、図３(a)、図４(a)は移動体Ａが観測する疑似距離ρ^Aと受信機時計Ａで計測する観測時刻の関係を、また図２(b)、図３(b)、図４(b)は移動体Ｂが観する疑似距離ρ^Bと受信機時計Ｂで計測する観測時刻の関係をそれぞれ示している。
【００２８】
図２は、移動体Ｂのｎ番目の観測時刻ｔ^B _nを基準に処理する方法を示している。観測時刻ｔ^A _n-2、ｔ^A _n-1、ｔ^A _nにおいて観測された疑似距離ρ^A _n-2、ρ^A _n-1、ρ^A _nは２次補間され、観測時刻ｔ^B _nにおける疑似距離ρ*^A _nが推定される。
【００２９】
図３は、航法計算時刻ｔ^N _nを基準に処理する方法を示している。航法計算時刻は、ＧＰＳ信号の観測を予定している整数時刻のことである。観測は通常１秒毎に行われ、受信機時計Ａまたは受信機時計Ｂで計測する。
観測時刻ｔ^A _n-2、ｔ^A _n-1、ｔ^A _nに観測された疑似距離ρ^A _n-2、ρ^A _n-1、ρ^A _nを２次補外し、航法計算時刻ｔ^N _nにおける疑似距離ρ*^A _nを推定する。また観測時刻ｔ^B _n-2、ｔ^B _n-1、ｔ^B _nに観測された疑似距離ρ^B _n-2、ρ^B _n-1、ρ^B _nを２次補外し、航法計算時刻ｔ^N _nにおける疑似距離ρ*^B _nを推定する。
【００３０】
図４は、航法計算時刻ｔ^N _nを基準にして、レンジレートから補外処理する方法を示している。観測時刻ｔ^A _nに観測された疑似距離ρ^A _nとそのレンジレート^ρ^A _nから航法計算時刻ｔ^N _nにおける疑似距離ρ*^A _nを推定する。また、観測時刻ｔ^B _nに観測された疑似距離ρ^B _nとそのレンジレート^ρ^B _nから航法計算時刻ｔ^N _nにおける疑似距離ρ*^B _nを推定する。レンジレートＡおよびレンジレートＢには、例えばＧＰＳ衛星番号処理部３が出力する値を用いる。
【００３１】
差分量計算部５は、ＧＰＳ衛星番号共通化処理部３で抽出され、さらに観測時刻共通化処理部４で共通化処理された、疑似距離ρ*^Aと疑似距離ρ*^Bの差を計算する。
観測時刻誤差補正処理部６は、真の時刻が一致していないため、観測時刻共通化処理部４で観測時刻タグを一致させても、差分に生じる観測時刻誤差を補正する。観測時刻誤差の定義を、受信機時計Ａで計測する時刻ｔ^Rに疑似距離ρ^Aiを観測する例をあげて説明する。ここで疑似距離ρ^AiはＧＰＳ衛星＃ｉとＧＰＳ受信機１Ａの間の疑似距離を指している。
【００３２】
受信機時計Ａのクロックバイアスをｂ^A（真値に対して進んでいる場合を正）とすると、真の時刻ではｔ^R −ｂ^Aに疑似距離を観測したことになる。ＧＰＳ受信機１Ａは受信機時計Ａを基準ＧＰＳ時計に合わせるように駆動するため、クロックバイアスＡ（＝ｂ^A）は通常小さい。したがって、式(1)が成立する。
ρ^Ai[ｔ^R]＝ρ^Ai[ｔ^R −ｂ^A]＋（dρ^Ai／dｔ^R）b^A＋（ｂ^Aの２次以上の項）‥‥(1)
【００３３】
式(1)において、ρ ^Ai[ｔ^R]とρ ^Ai[ｔ^R −ｂ^A]は、それぞれ真の時刻ｔ^Rと真の時刻ｔ^R −ｂ^Aにおける観測値であることを示す。またdρ^Ai／dｔ^Rは疑似距離ρ^Aiを時刻ｔ^Rで微分した値、すなわち疑似距離の変化率であるレンジレートＡ（＝^ρ^A）を表す。
式(1)は、真の時刻ｔ^Rにおける疑似距離ρ^Aiが、受信機時計Ａで計測する時刻ｔ^Rにおける疑似距離の観測値に、そのレンジレートとクロックバイアスの積を加えたものにほぼ等しいことを表している。
【００３４】
同様に、ＧＰＳ受信機１Ｂは受信機時計Ｂで計測する時刻ｔ^Rに、ＧＰＳ衛星＃ｉからの疑似距離ρ^Bを観測するものとする。受信機時計Ｂのクロックバイアスをｂ^B（真値に対して進んでいる時を正）とすると、真の時刻ではｔ^R −ｂ^Bに疑似距離を観測したことになり、式(2)が成立する。
ρ^Bi[ｔ^R]＝ρ^Bi[ｔ^R −ｂ^B]＋（dρ^Bi／dｔ^R）b^B＋（ｂ^Bの２次以上の項）‥‥(2)
式(2)は、真の時刻ｔ^Rにおける疑似距離ρ^Biが、受信機時計Ｂで計測する時刻ｔ^Rにおける疑似距離の観測値に、そのレンジレートＢとクロックバイアスＢの積を加えたものとほぼ等しいことを表している。
【００３５】
式(1)と式(2)から、真の時刻ｔ^Rにおける疑似距離の差分量△ρⁱ[ｔ^R]は次式(3)で与えられることがわかる。
△ρⁱ[ｔ^R]＝ρ^Ai[ｔ^R]−ρ^Bi[ｔ^R]
≒｛ρ^Ai[ｔ^R −ｂ^A]−ρ^Bi[ｔ^R −ｂ^B]｝＋｛（dρ^Ai／dｔ^R）b^A −（dρ^Bi／dｔ^R）b^B｝‥‥(3)
ここで、式(3)の左辺を補正後の差分量、右辺の前半の｛｝を観測値の差分量、後半の｛｝を観測時刻誤差と定義すると次式(4)が成立する。
（補正後の差分量）＝（観測値の差分量）＋（観測時刻誤差）‥‥(4)
【００３６】
観測時刻誤差を求める際、レンジレートＡ、Ｂに観測時刻共通化処理部４で共通化処理されたレンジレートを使用するのが精度の面からは好ましいが、精度を優先する必要がなければＧＰＳ衛星番号共通化処理部３が出力するレンジレートを使用することもできる。
相対航法処理部７は、移動体Ｂに対する移動体Ａの相対運動方程式を積分して疑似距離などの観測量を予測する。このとき、補正後の差分量（△ρⁱ[ｔ^R]）に応じて移動体Ｂに対する移動体Ａの相対位置や相対速度の予測値を修正する。相対航法処理部７の働きは、例えば、「航空宇宙における誘導と制御（西村他、社団法人計測自動制御学会、1995、pp.273275）」に述べられている。
【００３７】
実施の形態１にかかるＧＰＳ受信装置によれば、観測時刻誤差補正処理部６で観測時刻誤差を補正するように構成しているので、ＧＰＳ受信機がＧＰＳ信号の時刻情報に高精度に同期していなくても、ＧＰＳ信号の観測時刻の同期を等価的にとることができる。その結果、相対位置と相対速度を精度よく推定できる。
補正の効果は、受信機時計の誤差が大きい場合や、移動体が宇宙機のようにレンジレートが大きい場合に顕著である。例えば秒速７ｋｍで移動する宇宙ステーションで、１ミリ秒のクロックバイアスがあるとすると、７メートルに相当する観測時刻誤差を補正できる。
通常、ＧＰＳ絶対航法では１５０〜２００メートルの測位誤差が生じるのに対し、ＧＰＳ相対航法では共通する誤差が相殺されているため、その誤差は２０メートル程度に抑えられている。ＧＰＳ相対航法の測位誤差はＧＰＳ絶対航法に比べると比較的小さいので、観測時刻誤差の補正が有効に現れる。
【００３８】
相対航法処理部７で相対位置の予測値を修正するフローの例を、図５を用いて説明する。図５には差分量計算部５、観測時刻誤差補正処理部６、相対航法処理部７が示されている。
図５において、Δρ(観測値)は観測値の差分量、Δρ(補正値)は観測時刻誤差、Δρ(推定値)は予測値の推定値をそれぞれ表す。差分量に関する予測誤差を△ρ(予測誤差)とすると、式(5)が成立する。相対航法処理部７では△ρ(予測誤差)がゼロに近づくように修正計算が実行される。
△ρ(予測誤差)＝Δρ(観測値)＋Δρ(補正値)−Δρ(推定値)‥‥(5)
【００３９】
図５には差分量計算部５の出力である観測値の差分量Δρ(観測値)に、観測時刻誤差Δρ(補正値)を加える方法を示しているが、相対航法処理部７の中で、差分量の予測値を計算するときに観測時刻誤差Δρ(補正値)を減じてもよい。これは式(5)を次式(5)'のように変形できるからである。この場合の処理フローを図６に示す。観測時刻誤差補正処理部６は相対航法処理部７に内包されている。
△ρ(予測誤差)＝Δρ(観測値)−｛Δρ(推定値)−Δρ(補正値)｝‥‥(5)'
【００４０】
以上では、移動体Ａが移動体ＢからＧＰＳデータＢを取得し、移動体Ｂに対する相対的な位置と速度を算出する場合について説明した。これは宇宙ステーションのように、静止あるいは慣性運動していると見なせる基準局（移動体Ｂ）の周りで作業する移動局（移動体Ａ）の例を想定しているからである。
移動体Ｂが移動体Ａと同じ構成要素を備えていれば、移動体Ａの観測データを通信部２Ａ、２Ｂを介して移動体Ｂが取得し、移動体Ｂで相対位置と速度を算出できることはいうまでもない。
【００４１】
また、移動体ＡがＧＰＳ衛星番号共通化処理部３、観測時刻共通化処理部４、差分量計算部５、観測時刻誤差補正処理部６および相対航法処理部７を備えている場合を説明したが、移動体Ｂがその一部、例えばＧＰＳ衛星番号共通化処理部３を備えていてもよい。
この場合、移動体Ｂが先ずＧＰＳデータＡを入手する。移動体Ｂで抽出された共通のＧＰＳデータは、移動体Ａに受け渡され、観測時刻誤差を補正される。こうすることによって計算機の処理負荷を分散できる。移動体Ｂの計算機の処理能力が移動体Ａの計算機の処理能力よりも高い場合には、有効である。
【００４２】
また、移動体Ｂが相対航法できる移動体の数は１個に限定されるわけではなく、計算機の処理能力が許す範囲で、移動体Ａと同じ構成の複数の移動体の間でＧＰＳ相対航法を行うことができる。
【００４３】
実施の形態２．
実施の形態１では汎用のＧＰＳ受信機１Ａ、１Ｂが出力するＧＰＳデータを用いて観測時刻誤差を求める方法を示した。汎用のＧＰＳ受信機から得られるレンジレートやクロックバイアスが精度の面で不十分な場合、あるいは逆に精度は落としてもデータを早く入手して処理速度を上げたい場合もある。これらの場合も以下に説明するように絶対航法処理部を設けることによって対応できる。
図７は、本発明の実施の形態２にかかるＧＰＳ受信装置の構成を示すブロック図で、図１と同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものを示し、その説明を省略する。
【００４４】
図７において、８Ａ、８Ｂは移動体Ａに搭載された絶対航法処理部、９Ａ、９Ｂは移動体Ａに搭載され、観測モデルに基づいてレンジレートを算出するレンジレート算出部である。
絶対航法処理部８Ａは、ＧＰＳ受信機１Ａの出力データを処理して、移動体Ａの絶対位置、絶対速度、クロックバイアスおよびクロックドリフト（クロックバイアスの時間変化率）を推定する。
【００４５】
レンジレート算出部９Ａは、絶対航法処理部８Ａの出力とＧＰＳ衛星のエフェメリスから、次式(6)で示される観測モデルに基づいて移動体Ａのレンジレートを算出する。式(6)で上付き添字^Tはベクトルの転置を、またｔ^SはＧＰＳ信号の送信時刻を表す。ＧＰＳ衛星のクロックバイアス及びクロックドリフトはエフェメリスから算出する。
（dρ^Ai／dｔ^R）＝(ｕ^Ai)^T（^ｐ^G[ｔ^S]− ^ｐ^A[ｔ^R]）＋ｃ（^b^A[ｔ^R]−^b^G[ｔ^S]）‥‥(6)
ここで、
ｕ^Ai＝｛ｐ^G[ｔ^S]−ｐ^A[ｔ^R]｝／|ｐ^G −ｐ^A|‥‥(7)
【００４６】
式(6)において、^ｐ^Gおよび^ｐ^AはそれぞれＧＰＳ衛星＃ｉの絶対速度および移動体Ａの絶対速度を、また^b^Aおよび^b^Gはそれぞれ受信機時計ＡのクロックドリフトおよびＧＰＳ衛星のクロックドリフトを現す。またｕ^Aiは移動体ＡからみたＧＰＳ衛星＃ｉの視線方向ベクトルを、ｐ^GはＧＰＳ衛星＃ｉの絶対位置を表す。
【００４７】
同様に、絶対航法処理部８Ｂは、通信部２Ａ、２Ｂを介して入手したＧＰＳデータＢを処理して、移動体Ｂの絶対位置、絶対速度、クロックバイアスおよびクロックドリフトを推定する。レンジレート算出部９Ｂは、絶対航法処理部８Ｂの出力とＧＰＳ衛星のエフェメリスから、式(6)'に基づいて移動体Ｂのレンジレートを算出する。式(6)'において、^ｐ^Bは移動体Ｂの絶対速度を表し、^b^Bは受信機時計Ｂのクロックドリフトを表す。またｕ^Biは移動体ＢからみたＧＰＳ衛星＃ｉの視線方向ベクトルを表す。
（dρ^Bi／dｔ^R）＝(ｕ^Bi)^T（^ｐ^G[ｔ^S]− ^ｐ^B[ｔ^R]）＋ｃ（^b^B[ｔ^R]−^b^G[ｔ^S]）‥‥(6)'
ここで、
ｕ^Bi＝｛ｐ^G[ｔ^S]−ｐ^B[ｔ^R]｝／|ｐ^G −ｐ^B|‥‥(7)'
【００４８】
補正後の差分量は、レンジレート算出部９Ａ、９Ｂの出力であるレンジレートＡ、Ｂと、絶対航法処理部８Ａ、８Ｂの出力であるクロックバイアスＡ、Ｂを用いて、式(3)により算出する。
実施の形態２では、観測モデルに基づく補正計算を行うため、計算機負荷は増大するが、絶対航法処理部８Ａ、８Ｂおよびレンジレート算出部９Ａ、９Ｂをカスタマイズできるので、汎用のＧＰＳ受信機を使う場合と異なり、レンジレートとクロックバイアスの精度や計算応答速度を必要なレベルに調整できる。
また汎用のＧＰＳ受信機の中には解析したＧＰＳデータの一部しか出力しないものがある。レンジレートあるいはクロックバイアスを出力しないＧＰＳ受信機を使う場合でも、実施の形態２によれば本発明は適用可能である。
【００４９】
実施の形態３．
この発明の実施の形態３にかかるＧＰＳ受信装置の構成を図８に示す。実施の形態３では式(3)の近似式に基づいて観測時刻誤差を計算する。図８に示されたブロック図において、図１と同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものを示し、その説明を省略する。
【００５０】
実施の形態３にかかる観測時刻誤差補正処理部６は、式(8)に基づいて補正後の差分量を計算し、相対航法処理部７に出力する。式(8)によれば観測時刻誤差は、観測時刻共通化処理部４の出力の一部であるレンジレート^ρ^Aと、差分量計算部５の出力の一部である相対クロックバイアスの積で算出される。相対クロックバイアスは、受信機時計Ａ、Ｂ間の時刻差のことで、クロックバイアスｂ^A、ｂ^Bの差に等しい。
（補正後の差分量）＝（観測値の差分量）＋（レンジレート）×（相対クロックバイアス）‥‥(8)
【００５１】
この操作は、レンジレート^ρ^Aとレンジレート^ρ^Bを等しいと見なして、式(3)を式(9)または式(9)'のように近似できることに基づいている。
△ρⁱ[ｔ^R]
≒△ρⁱ[Ａ−Ｂ]＋（dρ^Ai／dｔ^R）（ｂ^A −ｂ^B）‥‥(9)
≒△ρⁱ[Ａ−Ｂ]＋（dρ^Bi／dｔ^R）（ｂ^A −ｂ^B）‥‥(9)'
ここで△ρⁱ[Ａ−Ｂ]は、式(10)が示すように観測値の差分量をあらわす。
△ρⁱ[Ａ−Ｂ]＝ρ^Ai[ｔ^R −ｂ^A]−ρ^Bi[ｔ^R −ｂ^B]‥‥(10)
【００５２】
相対クロックバイアスには差分量計算部５が出力する相対クロックバイアスのほかに、図９が示すように、相対航法処理部７が出力する相対クロックバイアスを使うこともできる。後者は相対航法処理部７で信号処理されているためランダムノイズが少ない利点はあるが、相対航法処理部７は、観測時刻誤差補正処理部６よりも下流にあるので初期値を規定する必要がある。
レンジレートにＧＰＳ衛星番号共通化処理部３が出力するレンジレートを用いることは可能であるが、観測時刻共通化処理部４が出力するレンジレートを使用しているのは観測時刻共通化処理を施されているので精度が高いからである。
【００５３】
実施の形態３は、実施の形態１と２に比べると観測時刻誤差を求めるのに必要なレンジレートの数が減少しているので、少ない計算機負荷で補正量を算出できる効果がある。
なお以上の説明では、レンジレートＡを用いて補正量を算出する場合について説明したが、レンジレートＢを用いて補正量を算出してもよいことはいうまでもない。
【００５４】
実施の形態４．
図１０は、この発明の実施の形態４にかかるＧＰＳ受信装置の構成を示すブロック図である。図１０において、図１と同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものを示し、その説明を省略する。
実施の形態４にかかる観測時刻誤差補正処理部６は、観測時刻誤差を、観測時刻共通化処理部４の出力の一部である^ρ^Aまたは^ρ^Bと、差分量計算部５の出力の一部である疑似距離の観測値の差分量を光速ｃで除した値の積で算出する。すなわち式(11)が成立する。
（補正後の差分量）＝（観測値の差分量）＋（レンジレート）×（観測値の差分量）／ｃ‥‥(11)
【００５５】
この操作は、相対クロックバイアスは疑似距離の観測値の差分量を光速で割ったものに等しいと見なして、式(9)または(9)’を式(12)または(12)’のように近似できることに基づいている。
△ρⁱ[ｔ^R]
≒△ρⁱ[Ａ−Ｂ]＋（dρ^Ai／dｔ^R）×△ρⁱ[Ａ−Ｂ]／ｃ‥‥(12)
≒△ρⁱ[Ａ−Ｂ]＋（dρ^Bi／dｔ^R）×△ρⁱ[Ａ−Ｂ]／ｃ‥‥(12)’
【００５６】
以上のように、レンジレートに観測時刻共通化処理部４の出力をそのまま用い、さらに相対クロックバイアスの推定値として差分量計算部５の出力（観測値の差分量）を光速で除した値を用いるように構成したので、さらに少ない計算機負荷で補正後の差分量を算出できる。またこの装置では、装置が立ち上がり状態で相対クロックバイアスなどの相対航法値を利用できないときも補正量を算出できる効果がある。
【００５７】
実施の形態５．
実施の形態１から４では式(3)をベースにして、観測値の差分量を補正する方法を示した。実施の形態５と６では式(13)および(13)'に従って観測時刻そのものを補正するので実施の形態１から４とはＧＰＳ受信機の時計誤差を補正する方法が異なる。
図１１は、この発明の実施の形態５にかかるＧＰＳ受信装置の構成を示すブロック図である。観測時刻誤差補正処理部６が観測時刻共通化処理部４よりも上流にある点に特徴がある。同図において、図１と同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものを示し、その説明を省略する。
【００５８】
ＧＰＳ受信機１Ａは、移動体Ａに搭載されたＧＰＳアンテナ（図示せず）で受信したＧＰＳ信号を解析し、ＧＰＳデータＡを出力する。通信部２Ａは、移動体Ｂに搭載されたＧＰＳ受信機１Ｂが出力するＧＰＳデータＢを通信部２Ｂを介して取得する。
ＧＰＳ衛星番号共通化処理部３は、ＧＰＳデータＡのＧＰＳ衛星識別番号とＧＰＳデータＢのＧＰＳ衛星識別番号を比較し、共通の識別番号を抽出する。
【００５９】
観測時刻誤差補正処理部６は、ＧＰＳ受信機１Ａの出力の一部であるクロックバイアスＡを用いてＧＰＳ受信機１Ａの出力データの観測時刻タグを次式に従って補正する。
（補正後の観測時刻タグ）＝（補正前の観測時刻タグ）−ｂ^A‥‥(13)
また、ＧＰＳ受信機１Ｂの出力の一部であるクロックバイアスＢを用いてＧＰＳ受信機１Ｂの出力データの観測時刻タグを次式に従って補正する。
（補正後の観測時刻タグ）＝（補正前の観測時刻タグ）−ｂ^B‥‥(13)'
【００６０】
観測時刻共通化処理部４は、ＧＰＳデータＡに付与された補正後の観測時刻タグとＧＰＳデータＢに付与された補正後の観測時刻タグを、実施の形態１で説明した、適当な補間処理あるいは補外処理により一致させ、共通化する。
差分量計算部５は、観測時刻共通化処理部４で処理されたＧＰＳデータＡとＧＰＳデータＢの差を計算する。
相対航法処理部７は、移動体Ｂに対する移動体Ａの相対運動方程式を積分して疑似距離などの観測値を予測する。このとき観測値の差分量に応じて移動体Ｂに対する移動体Ａの相対位置や相対速度の予測値を修正する。
【００６１】
実施の形態５によれば、クロックバイアスｂ^A、ｂ^Bを用いて観測時刻の絶対誤差をあらかじめ観測時刻共通化処理部４において補正するように構成しているため、ＧＰＳ受信機がＧＰＳ信号の時刻情報に高精度に同期していなくても、ＧＰＳ信号の観測時刻の同期を等価的にとることができる。その結果、相対位置と相対速度を高い精度で推定でき、また補正方法が簡素であるため、計算機負荷が低減する。
【００６２】
実施の形態６．
汎用のＧＰＳ受信機の中には、解析したＧＰＳデータの一部しか出力しないものがある。ＧＰＳ受信機１Ａ、Ｂがクロックバイアスを出力しない場合には、実施の形態２で説明した絶対航法処理部８Ａ、Ｂを移動体Ａに設けることで、対応できる。
図１２は、この発明の実施の形態６にかかるＧＰＳ受信装置の構成を示すブロック図である。実施の形態５と同様、観測時刻誤差補正処理部６は観測時刻共通化処理部４よりも上流にある。同図において、図１１と同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものを示し、その説明を省略する。
【００６３】
絶対航法処理部８Ａは、ＧＰＳ受信機１Ａの出力データを処理して、移動体Ａの絶対位置、絶対速度、クロックバイアスおよびクロックドリフトを推定する。同様に絶対航法処理部８Ｂは、通信部２Ａを介して入手したＧＰＳ受信機１Ｂの出力データを処理して、移動体Ｂの絶対位置、絶対速度、クロックバイアスおよびクロックドリフトを推定する。
観測時刻誤差補正処理部６は、絶対航法処理部８Ａの出力の一部であるクロックバイアスｂ^Aを用いてＧＰＳ受信機１Ａの出力データの観測時刻タグを式(13)に従って補正する。また、絶対航法処理部８Ｂの出力の一部であるクロックバイアスｂ^Bを用いてＧＰＳ受信機１Ｂの出力データの観測時刻タグを式(13)'に従って補正する。
【００６４】
実施の形態６によれば、実施の形態５と同様、クロックバイアスを用いて観測時刻の絶対誤差をあらかじめ観測時刻共通化処理部４において補正するように構成しているため、ＧＰＳ受信機がＧＰＳ信号の時刻情報に高精度に同期していなくても、ＧＰＳ信号の観測時刻の同期を等価的にとることができる。また実施の形態５に比べると構成が複雑になるが、絶対航法処理部８Ａ、８Ｂをカスタマイズできるので、クロックバイアスの精度を必要なレベルに調整できる。
【００６５】
なお実施の形態１〜６では、相対航法装置を例に挙げて、観測時刻に起因する誤差の補正方法を説明してきた。これは観測時刻誤差が絶対航法の誤差に比べるとかなり小さいため、絶対航法よりも相対航法で本発明が特に有効に発揮されることを考慮したものであるが、ＧＰＳ絶対航法装置でも適用できることは言うまでもない。
【００６６】
【発明の効果】
以上のように、本発明にかかるＧＰＳ受信装置は、観測時刻の共通化処理を施された疑似距離に、観測時刻誤差補正処理手段で受信機時計の誤差とＧＰＳ受信機のＧＰＳ衛星に対する移動とに起因する観測時刻誤差を補正してから、相対航法処理を行うので、ＧＰＳ受信機がＧＰＳ信号の時刻情報に高精度に同期していなくても、ソフトウェアでＧＰＳ信号の観測時刻の同期を等価的にとることができる。
【００６７】
また、観測時刻誤差をレンジレートＡ、ＢとクロックバイアスＡ、Ｂから算出することができる。
【００６８】
また、観測時刻誤差を、絶対航法手段８Ａ、８Ｂが推定するクロックバイアスＡ、Ｂと、レンジレート算出手段９Ａ、９Ｂが算出するレンジレートＡ、Ｂから求めてもよいので、レンジレートとクロックバイアスの精度や計算応答速度を必要なレベルに調整できる。
【００６９】
また、観測時刻誤差を、レンジレートＡまたはＢのどちらかと相対クロックバイアスから算出してもよいので、計算機負荷を減らすことができる。
また、相対クロックバイアスには、相対航法処理手段が出力する相対クロックバイアスを用いることができるのでランダムノイズを減らすことができる。
【００７０】
また、観測時刻誤差を、レンジレートＡまたはＢのどちらかと補正前の差分量から算出してもよいので、少ない計算機負荷で補正できる。
【００７１】
また、観測時刻誤差補正処理手段で観測時刻に対してＧＰＳ受信機の時計誤差とＧＰＳ受信機のＧＰＳ受信機に対する移動とに起因する観測時刻誤差を補正してから観測時刻の共通化を行うことができるので、高い精度で相対位置と相対速度を推定できる。
また、クロックバイアスには絶対航法処理手段が出力する値を用いることができるので補正精度をカスタマイズできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１にかかるＧＰＳ受信装置の構成を示すブロック図である。
【図２】観測時刻共通化処理部の処理方法を説明するための図である。
【図３】観測時刻共通化処理部の別の処理方法を説明するための図である。
【図４】観測時刻共通化処理部のさらに別な処理方法を説明するための図である。
【図５】相対航法処理部の処理フローを説明するための図である。
【図６】相対航法処理部の別の処理フローを説明するための図である。
【図７】実施の形態２にかかるＧＰＳ受信装置の構成を示すブロック図である。
【図８】実施の形態３にかかるＧＰＳ受信装置の構成を示すブロック図である。
【図９】実施の形態３にかかるＧＰＳ受信装置の別の構成を示すブロック図である。
【図１０】実施の形態４にかかるＧＰＳ受信装置の構成を示すブロック図である。
【図１１】実施の形態５にかかるＧＰＳ受信装置の構成を示すブロック図である。
【図１２】実施の形態６にかかるＧＰＳ受信装置の構成を示すブロック図である。
【図１３】従来のＧＰＳ受信装置の構成を示すブロック図である。
【図１４】従来のＧＰＳ受信装置を説明するためのタイミング図である。
【符号の説明】
１Ａ、１ＢＧＰＳ受信機、２Ａ、２Ｂ通信部、
３ＧＰＳ衛星番号共通化処理部、４観測時刻共通化処理部、
５差分量計算部、６観測時刻誤差補正処理部、
７相対航法処理部、８Ａ、８Ｂ絶対航法処理部、
９Ａ、９Ｂレンジレート算出部

Claims

第１の移動体が搭載する第１のＧＰＳ受信機と第２の移動体が搭載する第２のＧＰＳ受信機を備えてなり、前記第１のＧＰＳ受信機が出力する第１のＧＰＳデータと前記第２のＧＰＳ受信機が出力する第２のＧＰＳデータから共通のＧＰＳ衛星識別番号を所有するＧＰＳデータを抽出して、両移動体間の相対位置と相対速度を算出するＧＰＳ受信装置であって、
前記第１の移動体または前記第２の移動体の少なくとも一方が、ＧＰＳ衛星と前記第１の移動体との間の第１の疑似距離と前記ＧＰＳ衛星と前記第２の移動体との間の第２の疑似距離に観測時刻の共通化を行う観測時刻共通化処理手段と、前記観測時刻共通化処理手段で共通化された前記第１の疑似距離と前記第２の疑似距離との差分量を求める差分量計算手段と、前記差分量に対し前記第１のＧＰＳ受信機及び前記第２のＧＰＳ受信機の時計誤差と前記第１のＧＰＳ受信機及び前記第２のＧＰＳ受信機の前記ＧＰＳ衛星に対する移動とに起因する観測時刻誤差を補正する観測時刻誤差補正処理手段を備えてなるＧＰＳ受信装置。
観測時刻誤差補正処理手段は、第１の疑似距離の変化率である第１のレンジレートと、第１のＧＰＳ受信機の時計誤差である第１のクロックバイアスと、第２の疑似距離の変化率である第２のレンジレートと、第２のＧＰＳ受信機の時計誤差である第２のクロックバイアスから補正量を算出するよう構成されている請求項１記載のＧＰＳ受信装置。
第１のＧＰＳ受信機の出力から第１のクロックバイアスを推定する第１の絶対航法処理手段と、第１のＧＰＳ受信機の出力から第１のレンジレートを算出する第１のレンジレート算出手段と、第２のＧＰＳ受信機の出力から第２のクロックバイアスを推定する第２の絶対航法処理手段と、第２のＧＰＳ受信機の出力から第２のレンジレートを算出する第２のレンジレート算出手段を備えてなり、観測時刻誤差補正処理手段は、前記第１の絶対航法手段および前記第２の絶対航法手段がそれぞれ推定した前記第１のクロックバイアスおよび前記第２のクロックバイアスと、前記第１のレンジレート算出手段および前記第２のレンジレート算出手段がそれぞれ算出した前記第１のレンジレートおよび前記第２のレンジレートから補正量を計算するよう構成されている請求項１記載のＧＰＳ受信装置。
観測時刻誤差補正処理手段は、第１のクロックバイアスと第２のクロックバイアスの差である相対クロックバイアスと、第１または第２のレンジレートから補正量を算出するよう構成されている請求項１記載のＧＰＳ受信装置。
観測時刻誤差補正処理手段の出力を入力として両移動体間の相対位置と相対速度を算出する相対航法処理手段を備えてなり、前記相対航法処理手段が出力する相対クロックバイアスを用いる請求項４記載のＧＰＳ受信装置。
観測時刻誤差補正処理手段は、差分量と、第１または第２のレンジレートから補正量を算出するよう構成されている請求項１記載のＧＰＳ受信装置。
第１の移動体が搭載する第１のＧＰＳ受信機と第２の移動体が搭載する第２のＧＰＳ受信機を備えてなり、前記第１のＧＰＳ受信機が出力する第１のＧＰＳデータと前記第２のＧＰＳ受信機が出力する第２のＧＰＳデータから共通のＧＰＳ衛星識別番号を所有するＧＰＳデータを抽出し、両移動体間の相対位置と相対速度を算出するＧＰＳ受信装置であって、
前記第１の移動体または前記第２の移動体の少なくとも一方が、抽出された前記ＧＰＳデータの観測時刻に対しクロックバイアスを用いて前記第１のＧＰＳ受信機及び前記第２のＧＰＳ受信機の時計誤差と前記第１のＧＰＳ受信機及び前記第２のＧＰＳ受信機の前記共通のＧＰＳ衛星に対する移動とに起因する観測時刻誤差を補正する観測時刻誤差補正処理手段と、前記観測時刻誤差補正処理手段で補正された前記ＧＰＳデータに観測時刻の共通化を行う観測時刻共通化処理手段と、前記観測時刻共通化処理手段で観測時刻を共通化された第１の疑似距離と第２の疑似距離の差分量を求める差分量計算手段を備えてなるＧＰＳ受信装置。
第１のＧＰＳ受信機の出力から第１のＧＰＳ受信機のクロックバイアスである第１のクロックバイアスを推定する第１の絶対航法処理手段と、第２のＧＰＳ受信機の出力から第２のＧＰＳ受信機のクロックバイアスである第２のクロックバイアスを推定する第２の絶対航法処理手段を備えてなり、観測時刻誤差補正処理手段は、前記第１の絶対航法処理手段が推定した前記第１のクロックバイアスと、前記第２の絶対航法処理手段が推定した前記第２のクロックバイアスを用いる請求項７記載のＧＰＳ受信装置。