JP3801774B2

JP3801774B2 - 測位装置

Info

Publication number: JP3801774B2
Application number: JP08121398A
Authority: JP
Inventors: 茂男河島
Original assignee: Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd
Priority date: 1998-03-27
Filing date: 1998-03-27
Publication date: 2006-07-26
Anticipated expiration: 2018-03-27
Also published as: JPH11281726A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主としてｍｍ〜ｃｍの測位精度を必要とする測量や土木工事等の分野で適用されると共に、全地球的衛星航法システム（ＧｌｏｂａｌＮａｖｉｇａｔｉｏｎＳａｔｅｌｌｉｔｅＳｙｓｔｅｍ／以下、ＧＮＳＳとする）衛星のうちの移動衛星であるＧＬＯＮＡＳＳ衛星を用いた測位装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、既に普及しているＧＰＳ（ＧｌｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍ）衛星を用いた高精度な測位装置が開発されている。このＧＰＳ衛星を用いた測位装置は、正確な位置が得られることにより、主にカーナビゲーションの分野で広く普及しているが、これ以外にもキャリアー周波数の位相（キャリア・フェーズと呼ばれる）を用いた干渉測位と呼ばれる方法を適用した場合にはｍｍ〜ｃｍの高精度が得られるため、こうした仕様の測位装置は測量や土木工事等の分野で必要とされる測位が可能になるため、急速に普及され始めている。
【０００３】
干渉測位は、２つの地点として位置の分かっている点（既知点と呼ばれる）と位置を測定しようとしている点（未知点と呼ばれる）との距離（基線と呼ばれる）を例えばＸ，Ｙ，Ｚの３次元的にｍｍ〜ｃｍの高精度で測定するもので、既知点及び未知点のそれぞれにＧＰＳ受信機を置き、同時に衛星のキャリア・フェーズを測定する。
【０００４】
各衛星について未知点及び既知点におけるキャリア・フェーズの差を取り、更に或る基準衛星を適当に選んでそのキャリア・フェーズ差を基準として他の衛星のキャリア・フェーズ差との差である二重位相差を取る。この二重位相差は、既知点・未知点間及び異なる衛星間の差を取るため、受信機及び衛星に依存する測位誤差の殆どをキャンセルすることができ、しかも基線情報を含むため、これを解くことによって高精度な基線が得られる。因みに、このような二重位相差による測位方法に関する詳細な技術は、例えば日本測地学会編著：新訂版ＧＰＳ−人工衛星による精密測位システム−、日本測量協会、１９８９年、第６章等の公知文献に記載されている。
【０００５】
ところで、ＧＰＳ衛星を用いた測位装置の場合、衛星を利用して測位精度を保証するために直接波を受信する必要があるが、例えば建物や樹木に挟まれた場所では一部の衛星からの信号が遮蔽されて測位に必要な衛星数からの受信を行うことができなくなることがあり、利用範囲に大きな制限を受けている。
【０００６】
そこで、米国の運用するＧＰＳ衛星以外にもこれと類似するシステムとして知られるロシアが運用するＧＬＯＮＡＳＳ衛星が有るが、これらのＧＰＳ衛星及びＧＬＯＮＡＳＳ衛星の両方を用いれば受信可能な衛星数が増えて利用範囲が拡大する上、片方のシステムに障害が発生しても他方のシステムで測位できる可能性が増えることになる。こうした事情により、測量や土木工事等の分野で適用される測位装置では、ＧＬＯＮＡＳＳ衛星及びＧＰＳ衛星の共用利用の検討が極めて盛んになっている。尚、ＧＬＯＮＡＳＳ衛星はＧＰＳ衛星と類似したシステムで、ＧＰＳ衛星と同様の方法で干渉測位を行うことができる。
【０００７】
図２は、ＧＬＯＮＡＳＳ衛星を用いた従来の測位装置の基本構成を示したブロック図である。この測位装置は、既知点でＧＬＯＮＡＳＳ衛星からの衛星信号に含まれるキャリア・フェーズを受信して既知点キャリア・フェーズ信号を出力する既知点キャリア・フェーズ受信部１と、未知点でＧＬＯＮＡＳＳ衛星からの衛星信号に含まれるキャリア・フェーズを受信して未知点キャリア・フェーズ信号を出力する未知点キャリア・フェーズ受信部２と、既知点キャリア・フェーズ信号並びに未知点キャリア・フェーズ信号に基づいて二重位相差を計算するときにＧＬＯＮＡＳＳ衛星のうちの既知点と未知点との両方で受信しているものから特定な対の基準衛星を選択した結果を衛星選択信号として出力する基準衛星選択部５と、既知点キャリア・フェーズ信号並びに未知点キャリア・フェーズ信号に基づいてＬＯＮＡＳＳ衛星のうちの既知点と未知点との両方で受信しているものに関して衛星選択信号に示される基準衛星との間で二重位相差を計算して二重位相差信号を出力する二重位相差計算部３と、二重位相差信号に示される二重位相差を用いて基線を計算して基線信号を出力する測位計算部４とを備えている。
【０００８】
このうち、既知点キャリア・フェーズ受信部１は、既知点キャリア・フェーズ信号を二重位相差計算部３及び基準衛星選択部５へ出力するもので、空中線（アンテナ）を含むＧＬＯＮＡＳＳ衛星用受信機そのもので構成しても良いし、既知点に設置したＧＬＯＮＡＳＳ衛星用受信機からの既知点キャリア・フェーズ信号を通信回線を経由して受信するタイプの通信用受信機で構成しても良い。
【０００９】
同様に、未知点キャリア・フェーズ受信部２は、未知点キャリア・フェーズ信号を二重位相差計算部３及び基準衛星選択部５へ出力するもので、空中線を含むＧＬＯＮＡＳＳ衛星用受信機そのもので構成しても良いし、未知点に設置したＧＬＯＮＡＳＳ衛星用受信機からの未知点キャリア・フェーズ信号を通信回線を経由して受信するタイプの通信用受信機で構成しても良い。
【００１０】
基準衛星選択部５は、ＧＬＯＮＡＳＳ衛星のうちの既知点と未知点との両方で受信しているものから基準となるキャリア・フェーズ差を持つ特定な対の基準衛星を選択した結果を衛星選択信号として二重位相差計算部３へ出力するものであるが、通常基準衛星としては連続的に受信可能であり、しかもＣ／Ｎが比較的良くて安定した受信できるように、変更されることが少なく、且つその結果として変更に伴う計算の煩雑さが少ない高仰角衛星を用いるようにし、衛星選択信号のデータには衛星名を用いる。
【００１１】
このような測位装置では、既知点キャリア・フェーズ受信部１及び未知点キャリア・フェーズ受信部２で受信した既知点及び未知点のキャリア・フェーズに基づいて基準衛星選択部５が基準衛星を選択した衛星選択信号を二重位相差計算部３へ送出し、二重位相差計算部３により既知点及び未知点のキャリア・フェーズに基づいて既知点と未知点との両方で受信しているＧＬＯＮＡＳＳ衛星に関して衛星選択信号に示される基準衛星との間で二重位相差を計算した結果を二重位相差信号として測位計算部４へ出力し、測位計算部４において二重位相差を用いて基線を計算した結果を基線信号として出力する。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上述した測位装置の場合、機能上はＧＬＯＮＡＳＳ衛星を用いてもＧＰＳ衛星を用いた場合と同様に干渉測位を行うことができるが、一般にＧＰＳ衛星がＣＤＭＡ（ＣｏｄｅＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅＡｃｃｅｓｓ）方式であるのに対し、ＧＬＯＮＡＳＳ衛星はＦＤＭＡ（ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅＡｃｃｅｓｓ）方式であるため、受信機内部におけるフィルタ等の時間遅延により生じた時刻誤差が二重位相差を取ってもキャンセルできない程度の誤差となってしまうため、高精度測位を行う際の大きな問題となり、現状では測量や土木工事等の分野での適用が困難になっている。
【００１３】
例えば公知文献として、Ｄ．ＷａｌｓｈａｎｄＰ．Ｄａｌｙ：ＧＰＳａｎｄＧＬＯＮＡＳＳＣａｒｒｉｅｒＰｈａｓｅＡｍｂｉｇｕｉｔｙＲｅｓｏｌｕｔｉｏｎ，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅ９ｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＴｅｃｈｎｉｃａｌＭｅｅｔｉｎｇｏｆｔｈｅＳａｔｅｌｌｉｔｅＤｉｖｉｓｉｏｎｏｆｔｈｅＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＮａｖｉｇａｔｉｏｎ，ＩＯＮＧＰＳ−９６，ｐｐ８９９〜９０７の記載によれば、ＧＬＯＮＡＳＳにおける誤差の要因の一つとして、ｆⁱを衛星名ｉのキャリア周波数［Ｈｚ］，ｆ^jを衛星名ｊのキャリア周波数［Ｈｚ］，ｄｔ_Bを未知点ＧＬＯＮＡＳＳ衛星用受信機の時刻誤差［ｓ］，ｄｔ_Aを既知点ＧＬＯＮＡＳＳ衛星用受信機の時刻誤差［ｓ］とした場合、（ｆⁱ−ｆ^j）（ｄｔ_B−ｄｔ_A）なる関係で示されるものがあり、これが極めて大きな影響を与えるとされている。因みに、ＧＰＳであれば全ての衛星のキャリア周波数は同じなので、衛星間キャリア周波数差ｆⁱ−ｆ^j＝０となり、このような誤差は生じない。
【００１４】
又、他の公知文献として、Ｓ．Ａ．Ｇｏｕｒｅｖｉｔｃｈ，Ｓ．Ｓ．ＮｏｖｉｔｓｋｙａｎｄＦ．Ｖ．Ｄｉｇｇｅｌｅｎ：ＴｈｅＧＧ２４ＣｏｍｂｉｎｅｄＧＰＳ＋ＧＬＯＮＡＳＳＲｅｃｅｉｖｅｒ，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅ９ｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＴｅｃｈｎｉｃａｌＭｅｅｔｉｎｇｏｆｔｈｅＳａｔｅｌｌｉｔｅＤｉｖｉｓｉｏｎｏｆｔｈｅＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＮａｖｉｇａｔｉｏｎ，ＩＯＮＧＰＳ−９６，ｐｐ１４１〜１４５の記載によれば、ｄｔ_B−ｄｔ_Aが１０［ｎｓ］，ｆⁱ−ｆ^j＝２０［ＭＨｚ］のときに３センチメートルの測位誤差を生ずることが開示されているが、これから解るように、ｍｍ〜ｃｍの精度で測位しようとするときには３センチメートルの測位誤差は極めて大きな問題であるといえる。
【００１５】
このような測位誤差を抑える方法の一つとして、フィルタ等の時間遅延の受信機間のばらつきを抑えること（特に温度特性を改善すること）が挙げられるが、実際には価格上の制約や大きさの制限がある上、温度特性の改善が技術的に困難であるため、実現化されていない。一部の特殊な観測用ＧＬＯＮＡＳＳ衛星用受信機の研究開発では、価格を省みずに受信機のみならず空中線までを温度特性の制御を行って性能を改善する提案もなされているが、こうした構成では汎用化が見込まれない。
【００１６】
そこで、別の方法としてＧＰＳ衛星及びＧＬＯＮＡＳＳ衛星の共用受信機において、ＧＰＳ衛星とＧＬＯＮＡＳＳ衛星とを同等に扱わず、ＧＬＯＮＡＳＳ衛星を軽視した処理を行ってＧＬＯＮＡＳＳ衛星による悪影響を軽減しているが、こうした場合にはＧＬＯＮＡＳＳ衛星からの受信を行うにも拘らず有効利用していない点が問題である。
【００１７】
本発明は、このような問題点を解決すべくなされたもので、その技術的課題は、測位誤差を充分に抑制できて高精度な測位が可能なＧＬＯＮＡＳＳ衛星を用いた測位装置を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、位置の分かっている既知点でＧＬＯＮＡＳＳ衛星からの衛星信号に含まれるキャリア・フェーズを受信して既知点キャリア・フェーズ信号を出力する既知点キャリア・フェーズ受信部と、位置を測定しようとしている未知点でＧＬＯＮＡＳＳ衛星からの衛星信号に含まれるキャリア・フェーズを受信して未知点キャリア・フェーズ信号を出力する未知点キャリア・フェーズ受信部と、既知点キャリア・フェーズ信号並びに未知点キャリア・フェーズ信号に基づいてＧＬＯＮＡＳＳ衛星のうちの既知点と未知点との両方で受信しているものから選択された特定な対の基準衛星との間で二重位相差を計算した結果を二重位相差信号として出力する二重位相差計算部と、二重位相差信号に示される二重位相差を用いて基線を計算する測位計算部とを備えた測位装置において、既知点キャリア・フェーズ信号並びに未知点キャリア・フェーズ信号に基づいて二重位相差を計算するときに特定な対の基準衛星を衛星間キャリア周波数差が小さくなるようにＧＬＯＮＡＳＳ衛星のうちの既知点と未知点との両方で受信しているものから該二重位相差毎に可変させて選択した結果を衛星対選択信号として二重位相差計算部へ出力する衛星対選択部を備えた測位装置が得られる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に実施例を挙げ、本発明の測位装置について、図面を参照して詳細に説明する。
【００２０】
図１は、本発明の一実施例に係る測位装置の基本構成を示したブロック図である。この測位装置も、図２に示した従来装置と同様に、既知点でＧＬＯＮＡＳＳ衛星からの衛星信号に含まれるキャリア・フェーズを受信して既知点キャリア・フェーズ信号を出力する既知点キャリア・フェーズ受信部１と、位置を測定しようとしている未知点でＧＬＯＮＡＳＳ衛星からの衛星信号に含まれるキャリア・フェーズを受信して未知点キャリア・フェーズ信号を出力する未知点キャリア・フェーズ受信部２と、既知点キャリア・フェーズ信号並びに未知点キャリア・フェーズ信号に基づいてＧＬＯＮＡＳＳ衛星のうちの既知点と未知点との両方で受信しているものから選択された特定な対の基準衛星との間で二重位相差を計算した結果を二重位相差信号として出力する二重位相差計算部３と、二重位相差信号に示される二重位相差を用いて基線を計算する測位計算部４とを備えているが、ここでは図２に示した基準衛星選択部５に代え、特定な対の基準衛星を衛星間キャリア周波数差（即ち、上述したｆⁱ−ｆ^j）が小さくなるようにＧＬＯＮＡＳＳ衛星のうちの既知点と未知点との両方で受信しているものから二重位相差毎に可変させて選択した結果を衛星対選択信号として二重位相差計算部３へ出力する衛星対選択部６を備えている。
【００２１】
即ち、ここでの衛星対選択部６は、基準衛星を二重位相差毎に変える機能を有している。具体的に云えば、既知点と未知点との両方で受信しているＧＬＯＮＡＳＳ衛星をキャリア周波数の小さい順に並べ、例えば最初の衛星対を１番目及び２番目の衛星，次の衛星対を２番目及び３番目の衛星という具合に順次衛星対を決め、それらの衛星対の衛星名を衛星対選択信号のデータとして二重位相差計算部３へ出力する。
【００２２】
そこで、二重位相差計算部３では、既知点キャリア・フェーズ受信部１からの既知点キャリア・フェーズ信号と未知点キャリア・フェーズ受信部２からの未知点キャリア・フェーズ信号とに基づいて衛星対選択部６からの衛星対選択信号に示される衛星対である特定な対の基準衛星との間で二重位相差を計算し、その結果の二重位相差信号を測位計算部４へ出力する。この二重位相差信号は基線の情報を含むため、測位計算部４でこれを解くことにより高精度な基線の計算結果を示す基線信号が得られる。
【００２３】
ＧＬＯＮＡＳＳ衛星の場合、完成時は２４個の衛星が運用されて平均８衛星の受信が可能である。８衛星が２４衛星中から均等に受信できると仮定すれば、２４衛星で２０［ＭＨｚ］の周波数差でなので、８衛星の隣り同士の周波数差は平均２０／８＝２．５［ＭＨｚ］となる。２０［ＭＨｚ］で３センチメートルの測位誤差を生ずるとすれば、２．５［ＭＨｚ］では３・２．５／２０＝０．４センチメートルとなり、測位誤差を従来の約１／１０に抑えることができる。
【００２４】
従って、この測位装置によりＧＬＯＮＡＳＳ衛星を用いて測位（基線の計算）を行えば、二重位相差計算部３において二重位相差計算時に用いられる特定な対の基準衛星を衛星対選択部６によって衛星間キャリア周波数差が小さくなるように二重位相差毎に変えて選択した上で二重位相差の計算が行われるため、測位計算部４で二重位相差を用いて基線を計算する際にキャリア周波数差により生ずる測位誤差を大幅に小さくできるため、結果としてｍｍ〜ｃｍの要求精度に対して充分に応えられるものとなる。
【００２５】
尚、このような特定な対の基準衛星を二重位相差毎に変える機能は、従来装置における特定な対の基準衛星を選択する機能を二重位相差毎に変えて行うように変更すれば良いため、ソフトウェアの変更のみで簡単に済ませられ、これによる計算の複雑さも現在のパソコンに見られるようにＩＣ技術の発達による高性能ＣＰＵの出現で問題無く対応することができる。
【００２６】
【発明の効果】
以上に述べた通り、本発明のＧＬＯＮＡＳＳ衛星を用いた測位装置によれば、二重位相差計算時に用いられる特定な対の基準衛星を衛星間キャリア周波数差が小さくなるように二重位相差毎に変えて選択した上で測位（基線の計算）を行うようにしているので、キャリア周波数差により生ずる測位誤差を大幅に小さくすることができてｍｍ〜ｃｍの要求精度に対して充分に応えられ、ＧＰＳ衛星を用いた場合と同程度の高測位精度を維持できるようになる。又、この特定な対の基準衛星を二重位相差毎に変える機能は、従来装置における特定な対の基準衛星を選択する機能を二重位相差毎に変えて行うようにソフトウェアによる変更のみで実施できるため、価格や装置の大きさ、或いは利用者への使用方法等に全く悪影響を与えずに具現できるという利点がある。この結果、この測位装置はその高精度な測位の性能から年間百万台に達しようとするカーナビゲーション程ではないといえ、従来に無く測量や土木工事等の分野への適用が有効になる他、こうした分野以外の様々な分野への普及も期待できる。特に受信環境が厳しくＧＰＳ衛星だけでは測位に必要な衛星数を受信できないような条件下でＧＬＯＮＡＳＳ衛星無しでは使用できないような場合に充分に効力を発揮できるため、こうした場合には極めて利用価値が高いものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係る測位装置の基本構成を示したブロック図である。
【図２】従来の測位装置の基本構成を示したブロック図である。
【符号の説明】
１既知点キャリア・フェーズ受信部
２未知点キャリア・フェーズ受信部
３二重位相差計算部
４測位計算部
５基準衛星選択部
６衛星対選択部

Claims

位置の分かっている既知点でＧＬＯＮＡＳＳ衛星からの衛星信号に含まれるキャリア・フェーズを受信して既知点キャリア・フェーズ信号を出力する既知点キャリア・フェーズ受信部と、位置を測定しようとしている未知点で前記ＧＬＯＮＡＳＳ衛星からの衛星信号に含まれるキャリア・フェーズを受信して未知点キャリア・フェーズ信号を出力する未知点キャリア・フェーズ受信部と、前記既知点キャリア・フェーズ信号並びに前記未知点キャリア・フェーズ信号に基づいて前記ＧＬＯＮＡＳＳ衛星のうちの前記既知点と前記未知点との両方で受信しているものから選択された特定な対の基準衛星との間で二重位相差を計算した結果を二重位相差信号として出力する二重位相差計算部と、前記二重位相差信号に示される二重位相差を用いて基線を計算する測位計算部とを備えた測位装置において、前記既知点キャリア・フェーズ信号並びに前記未知点キャリア・フェーズ信号に基づいて前記二重位相差を計算するときに前記特定な対の基準衛星を衛星間キャリア周波数差が小さくなるように前記ＧＬＯＮＡＳＳ衛星のうちの前記既知点と前記未知点との両方で受信しているものから該二重位相差毎に可変させて選択した結果を衛星対選択信号として前記二重位相差計算部へ出力する衛星対選択部を備えたことを特徴とする測位装置。