JP3851376B2 - 測位システム衛星信号受信機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車等の移動体に搭載され、複数個の測位システム衛星が発する電波を受信して移動体の位置及び速度を計測する測位システム衛星信号受信機に関し、特に中断した衛星受信信号が復旧したときの測位精度の向上に関する。
【０００２】
【従来の技術】
人工衛星を利用する測位システムとしてはＮＡＶＳＴＡＲ／ＧＰＳ（Navigation System using Time and Ranging/Global Positioning System、以下ＧＰＳと略す。）やＧＬＯＮＡＳＳ（Global Orbiting Navigation Satellite System ）があり、特にＧＰＳはアメリカ空軍から民間利用に一部解放されて、位置計測手段として近年広く世間に認識され利用されるようになってきている。
【０００３】
これら測位システムはいずれも衛星軌道上に複数の測位システム衛星（ＧＰＳ衛星又はＧＬＯＮＡＳＳ衛星）を配し、これら測位システム衛星はそれぞれ所定周波数の電波で擬似雑音符号を発信している。利用者はこれら測位システム衛星のうち、４個の衛星が発する電波を同時に受信すれば、受信位置の３次元座標を計測できる。この３次元測位は航空機の航法システムに利用される。また自動車など地表面での移動体については、３個の衛星に基づく２次元測位を利用することも可能である。
【０００４】
図３は従来の測位システム衛星信号受信機の概略のブロック構成図である。衛星選択部２は、その内部に記憶された測位システム衛星（以下、単に衛星と呼ぶ）の軌道情報に基づいて現在時刻において受信可能な衛星を選択する。衛星選択部２は、その衛星からの電波のサーチを開始する際の電波の周波数と擬似雑音符号の位相との初期値としてそれぞれ中心周波数ｆ0i及びコード情報Ｃ0iを求める。これら中心周波数ｆ0i、コード情報Ｃ0iはその衛星名Ｓi とともに、各衛星ごとに設けられた衛星信号受信部４に入力される。各衛星からの電波はアンテナ６で受信され、衛星信号受信部４は、このアンテナ６から入力される各衛星の受信信号を、ｆ0i、Ｃ0iに基づいてサーチする。衛星信号受信部４はサーチに成功した場合、その衛星からの信号を追尾し、現在の追尾周波数ｆi 、追尾コード情報Ｃi と現在追尾中であることを示すステータス情報Ｊi を出力し、一方、追尾していた衛星を見失った場合には、ステータス情報Ｊi に非追尾状態を示す情報を設定して出力する。
【０００５】
測位判定部８は各衛星信号受信部４からステータス情報Ｊi を得て、測位計算できるかを判定し、測位計算できる場合には測位計算に用いる衛星の組み合わせ情報Ｌを求めて測位演算部１０に出力する。測位計算可能かどうかの判定は、例えば追尾中の衛星数が４以上の場合には「３次元測位可能」、３の場合には「２次元測位可能」、２以下の場合には「測位演算をしない」といったものである。測位演算部１０は、組み合わせ情報Ｌにより指定される衛星の追尾周波数ｆi と追尾コード情報Ｃi とを用いて測位演算を行い、この受信機が搭載された移動体の位置、速度の測定値である測位結果Ｐを出力する。移動体の位置の演算においては、追尾コード情報Ｃi が含む擬似雑音符号の位相情報から衛星と移動体との時刻差が求められ、これと光速から得られる衛星信号の経路長に基づいて位置が決定される。また速度の演算においては、衛星が発信する信号の周波数と追尾周波数ｆi との差がドップラーシフトとして求められ、これを用いて速度が決定される。
【０００６】
ある衛星からの電波が建物などで遮られて、この測位システム衛星信号受信機での受信が中断した場合、その衛星に対応する衛星信号受信部４はステータス情報Ｊi に非追尾状態を示す情報を設定するとともに、中断前の追尾周波数ｆi 、追尾コード情報Ｃi に基づいて見失った衛星の電波をサーチする。サーチが成功した場合、その衛星信号は追尾され、ステータス情報Ｊi は追尾状態を示す情報を設定され、追尾周波数ｆi 、追尾コード情報Ｃi の出力が再開される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
通常は、この中断後再開された追尾周波数ｆi 、追尾コード情報Ｃi を用いて、正しい測位演算が行われる。しかし、都心部等の高層ビル街では、復旧された衛星信号が反射波による信号（以下、マルチパス信号と呼ぶ）である場合が多く発生する。図４は、マルチパス信号を説明する模式図である。図は衛星２０からの直接波信号２２が建物２４により遮られて、建物２６で反射されたマルチパス信号２８のみが移動体３０に搭載された受信機に届く場合を示している。測位は上述したように衛星２０から移動体までの衛星信号の経路長と、ドップラーシフトに依存する。マルチパス信号２８は直接波信号２２と異なる伝搬経路を経るため、その経路長が異なり、また移動体に対する入射方向が異なることによりドップラーシフトも直接波信号２２と異なる。そのため、このマルチパス信号２８を測位演算に用いると測位結果Ｐの精度が著しく劣化するという問題点がある。しかし、マルチパス信号と真の信号である直接波信号との差は小さいため、受信した衛星信号がマルチパス信号であるかどうかの判定は困難であった。
【０００８】
また従来の装置には、中断前の追尾周波数ｆi 、追尾コード情報Ｃi を外挿したり、これらの各衛星の軌道変化に伴う変動成分を計算することにより、衛星信号の予測値（周波数、コード情報の予測値）を求め、それを中心としてサーチを行うものもある。図５は、この従来の装置における衛星信号中断後の処理のイメージを説明する衛星信号の時間変化の模式的なグラフである。図において横軸は時間を表し、縦軸は衛星信号の周波数やコード情報の値に対応する。時刻ｔｄにおいて、直接波信号４０が中断すると、装置はその時点での直接波信号の外挿を衛星信号の予測値４２とする。
【０００９】
しかし、この予測値４２は、中断後の移動体の移動方向及び速度の変化、受信機内部の発振器の周波数変動などの影響を考慮して定められたものではないので、中断後の時間経過とともに誤差が拡大し、比較的早期にマルチパス信号４４との混同が生じ得る。つまり、この予測値では、サーチで得られた衛星信号がマルチパス信号４４であるかどうかを判定できるだけの精度は得られず、マルチパス信号を測位演算に使用することによる測位精度の劣化を防止できないという問題点があった。
【００１０】
本発明は上記問題点を解決し、マルチパス信号を判別して高精度の測位を安定して実現する測位システム衛星信号受信機を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る測位システム衛星信号受信機は、移動体に搭載され、複数個の測位システム衛星からの受信信号に基づいて前記各測位システム衛星の擬似距離と前記各受信信号のドップラーシフトとを含む測位情報を測定し、前記移動体の位置及び速度を算出する測位演算器を備えた測位システム衛星信号受信機において、前記測位システム衛星のうち前記受信信号が中断した受信中断衛星の前記ドップラーシフトの予測値を、受信継続中の残りの前記測位システム衛星の前記受信信号と、中断前に得られた前記移動体の移動方向、移動速度又は当該測位システム衛星信号受信機の発振器の周波数変動量のいずれかと、から求めるドップラーシフト予測器と、前記受信中断衛星からの再開した受信信号から得られる前記ドップラーシフトの測定値と前記予測値とを比較し、前記予測値の精度に基づいて前記測定値の正誤を判定する比較判定器と、前記再開した受信信号から得られる測位情報測定値と前記ドップラーシフトの予測値に基づく測位情報予測値とから最適推定値を求める推定演算器と、を有し、前記測位演算器は、前記測定値が誤りと判定された場合に、前記受信中断衛星の測位情報として前記最適推定値を用いることを特徴とする。
【００１２】
本発明によれば、ある測位システム衛星からの受信信号が中断したときに、受信継続中の残りの測位システム衛星の受信信号に基づいて、移動体の移動方向、移動速度及び当該測位システム衛星信号受信機の発振器の周波数変動量（これらを受信機情報と呼ぶ）が推定される。つまり、この受信機情報の推定値は、中断後の受信機情報の変動を反映したものであり、高精度である。この受信機情報の高精度の推定値を利用することにより、受信中断衛星のドップラーシフトの予測値を高精度で求めることができ、これと受信中断衛星からの再開した受信信号から得られるドップラーシフトの測定値とを比較することによりその再開した受信信号が上記マルチパス信号であるかどうかを高い確率で判別することができる。マルチパス信号と判定された受信信号は測位演算に使用しないことにより、高精度の測位結果を得ることができる。
【００１４】
本発明によれば、例えば３つの測位システム衛星を追尾して２次元測位を行う場合に、１つの測位システム衛星の受信信号がマルチパス信号であっても、その代わりに最適推定値を用いることにより測位が可能となり、しかも測位結果の精度の劣化が抑制される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００１６】
図１は本発明を実施した測位システム衛星信号受信機の概略のブロック構成図である。図において、図３と同様の機能を有する構成要素には、図３の符号に１００を加えた符号を付して説明を省略し、以下、主に本装置に特有の事項について説明する。
【００１７】
本装置は受信信号予測部１１２を有する。受信信号予測部１１２は、追尾中の衛星の受信信号が中断した場合に、衛星信号受信部１０４から残りの追尾中の衛星に関する追尾周波数ｆi 、追尾コード情報Ｃi を得て、前記受信信号が中断した受信中断衛星の受信信号の周波数の予測値ｆ'iとコード情報の予測値Ｃ'iを求めて出力する。受信信号予測部１１２はドップラーシフト予測器を内蔵しており、ドップラーシフト予測器は、追尾中の衛星の測位情報（ｆi とＣi ）から後述の原理に基づいて受信中断衛星のドップラーシフトの予測値を求める。このドップラーシフトの予測値から受信信号の周波数の予測値ｆ'iが得られる。
【００１８】
またドップラーシフト量は衛星と移動体との相対速度に比例し、この相対速度を積算することにより衛星と移動体との距離の変化を求めることができる。受信信号予測部１１２はこの距離の変化に基づく擬似雑音符号の位相ずれを計算してコード情報の予測値Ｃ'iを求める。
【００１９】
受信中断衛星に対応する衛星信号受信部１０４は、見失った受信信号のサーチを行う。本装置の衛星信号受信部１０４は、受信信号予測部１１２と接続されており、受信中断衛星に対応する衛星信号受信部１０４は、受信信号予測部１１２から予測値（ｆ'iとＣ'i）を得て、これをサーチの中心として用いることにより、サーチの高速化とサーチ結果の信頼性の向上とを図っている。
【００２０】
測位判定部１０８は、測位計算できるか否かの従来同様の判定機能とともに受信中断衛星に関する上記サーチ結果の正当性の判定も行う。この判定は、衛星信号受信部１０４から出力されたサーチ結果である受信中断衛星の測位情報（ｆi とＣi ）と受信信号予測部１１２から出力された予測値（ｆ'iとＣ'i）とを比較することにより行われる。例えば、この測位情報（ｆi とＣi ）が予測値の精度範囲内にある場合は直接波による正常受信信号、範囲外である場合はマルチパス信号と判定する。
【００２１】
図２は、本装置における衛星信号中断後の処理のイメージを説明する衛星信号の時間変化の模式的なグラフである。図において横軸は時間を表し、縦軸は衛星信号の測位情報の値に対応する。時刻ｔｄにおいて直接波信号１４０が中断すると予測値１４２が算出される。後述するように本装置の予測値１４２は追尾中の他の衛星の受信信号１４４の時間変化を取り込んでおり、その点で従来の予測値４２と本質的に異なる。これにより本装置の予測値１４２は受信中断後においても、正常受信信号１４６からの乖離を抑制される。すなわち、予測値１４２の精度が向上するので、高い精度でマルチパス信号１４８を判別することができる。
【００２２】
測位判定部１０８は、受信中断衛星の再開した受信信号がマルチパス信号である場合には、それ以外の追尾中の衛星の組み合わせで測位演算可能かどうかの判定を行う。もし可能であれば、測位計算に用いる衛星の組み合わせ情報Ｌを測位演算部１１０に出力する。例えば、追尾する４つの衛星のうち１つの受信信号がマルチパス信号であっても、そのマルチパス信号を除いた残りの３つの正常受信信号を用いて地上での２次元測位を行うことが可能であり、この場合、自動車など地上での移動体の測位に対しては支障がない。しかし、例えば追尾する３つの衛星のうち１つがマルチパス信号の場合など、この正常受信信号が２つ以下の場合は、２次元測位であっても、正常受信信号だけでは測位不能である。
【００２３】
そこで、測位判定部１０８は、２つの正常受信信号と１つのマルチパス信号とが得られている場合には、受信中断衛星の測位情報測定値（ｆi とＣi ）と測位情報の予測値（ｆ'iとＣ'i）とからカルマンフィルタ等で測位情報の最適推定値（ｆ”i とＣ”i ）を求め、これを受信中断衛星の正常受信信号の代替として測位演算部１１０に供給する。この最適推定値（ｆ”i とＣ”i ）は、予測値（ｆ'iとＣ'i）にマルチパス信号を線形的に混合して定められるものであり、正常受信信号ほどの精度はない。しかしマルチパス信号の経時変化は受信中断衛星の正常受信信号の経時変化と相関があると考えられ、よってこれを取り込んだ最適推定値は予測値（ｆ'iとＣ'i）やマルチパス信号のそのままの値よりはるかに精度が良好であり、これを用いて測位を行うことにより測位頻度も確保され、直接波による正常受信信号が再開されるまで測位精度を良好な範囲に維持することができる。
【００２４】
以下、本装置において重要な役割を担うドップラーシフト予測器の原理を説明する。受信中断衛星から発信される電波の周波数は既知であり、その受信信号における周波数を求めることと、その周波数のドップラーシフト量を求めることとは基本的には同義である。衛星の軌道情報も既知であるので、ドップラーシフト量は移動体の速度情報が分かれば求めることができるはずである。但し、現実には本装置で用いる内部発振器の周波数は他の受信機同様、変動しうる。つまり、ドップラーシフト量（又は周波数の予測値ｆ'i）を求める際の未知数は、移動体の移動方向、移動速度及び受信機内部の発振器の周波数変動の３つである。
【００２５】
さて、既に述べたようにマルチパス信号は都心部等の高層ビル街で発生しやすいが、この時もほとんどの場合、高い仰角に位置する衛星など２つの衛星については正常受信信号を追尾することができる。本装置のドップラーシフト予測器は、この２つの正常受信信号を用いて、上記３つの未知数を求めるものである。但し、正常受信信号により与えられる条件は２個であり、一方、未知数は３個であるので、条件を１個追加する必要がある。
【００２６】
本装置ではこれを次のように解決する。まず、高層ビルによるマルチパス信号は短時間、例えばせいぜい数分である。ドップラーシフト予測器は、まずこの短時間での移動体の移動方向の変化が希であり無視できると仮定し、上記未知数のうち移動体の移動方向を受信中断時に得られていた値に固定して、残り２つの未知数を２つの正常受信信号から算出し、受信中断衛星の周波数のドップラーシフト量（又は予測値ｆ'i）を決定する。
【００２７】
もし、実際に移動方向が変化した場合には、上記仮定の下に求めた２つの未知数は大きく変化する。移動速度はともかく、少なくとも発振器の大きな周波数変動は異常であるので、このことから移動方向固定という仮定が成立しなくなったことが推定される。ドップラーシフト予測器は、この場合には、移動方向に代えて、発振器の周波数変動を受信中断時の値に固定して、他の２つの未知数を２つの正常受信信号から算出し、受信中断衛星の周波数のドップラーシフト量（又は予測値ｆ'i）を決定する。
【００２８】
なお、慣性航法装置など他のナビゲーション装置が併用されている場合、それから得られる移動体の移動速度、移動方向を外部移動速度情報Ｖ、外部移動方向情報Ｄとして受信信号予測部１１２に供給し、これをドップラーシフト予測器で使用すれば、未知数は発振器の周波数変動のみとなる。この場合には１つの正常受信信号から受信中断衛星の測位情報の予測値（ｆ'iとＣ'i）を決定することができる。つまり例えば２つの衛星が受信中断状態となっても、１つの衛星を追尾できていれば、各受信中断衛星の測位情報の予測値を求めることができ、それら予測値を用いてそれぞれ最適推定値（ｆ”i とＣ”i ）を求めて測位演算を行うことができる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明の測位システム衛星信号受信機によれば、受信中断衛星の測位情報の予測値が追尾中の他の衛星の測位情報を利用して高精度で求められるので、マルチパス信号であるかどうかを高い確率で判別することができる。マルチパス信号と判定された受信信号を測位演算から除去することにより、高精度の測位結果が得られるという効果がある。また、受信中断により測位演算に必要な衛星数が不足した場合でも、マルチパス信号を判別できることにより、それを最適推定値という測位精度の劣化を抑制できる形で使用でき、高精度の測位を安定して実現することができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明を実施した測位システム衛星信号受信機の概略のブロック構成図。
【図２】 本装置における衛星信号中断後の処理のイメージを説明する衛星信号の時間変化の模式的なグラフ。
【図３】 従来の測位システム衛星信号受信機の概略のブロック構成図。
【図４】 マルチパス信号を説明する模式図。
【図５】 従来の装置における衛星信号中断後の処理のイメージを説明する衛星信号の時間変化の模式的なグラフ。
【符号の説明】
２０ 衛星、２２ 直接波信号、２８ マルチパス信号、１０２ 衛星選択部、１０４ 衛星信号受信部、１０６ アンテナ、１０８ 測位判定部、１１０ 測位演算部、１１２ 受信信号予測部。

Claims (1)

1. 移動体に搭載され、複数個の測位システム衛星からの受信信号に基づいて前記各測位システム衛星の擬似距離と前記各受信信号のドップラーシフトとを含む測位情報を測定し、前記移動体の位置及び速度を算出する測位演算器を備えた測位システム衛星信号受信機において、
   前記測位システム衛星のうち前記受信信号が中断した受信中断衛星の前記ドップラーシフトの予測値を、受信継続中の残りの前記測位システム衛星の前記受信信号と、中断前に得られた前記移動体の移動方向、移動速度又は当該測位システム衛星信号受信機の発振器の周波数変動量のいずれかと、から求めるドップラーシフト予測器と、
   前記受信中断衛星からの再開した受信信号から得られる前記ドップラーシフトの測定値と前記予測値とを比較し、前記予測値の精度に基づいて前記測定値の正誤を判定する比較判定器と、
   前記再開した受信信号から得られる測位情報測定値と前記ドップラーシフトの予測値に基づく測位情報予測値とから最適推定値を求める推定演算器と、
   を有し、
   前記測位演算器は、前記測定値が誤りと判定された場合に、前記受信中断衛星の測位情報として前記最適推定値を用いることを特徴とする測位システム衛星信号受信機。

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