JP4003292B2 - 航法装置の位置補正方法および航法装置 - Google Patents
航法装置の位置補正方法および航法装置 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＧＰＳ衛星からの衛星電波を受信して方位、位置、速度の情報を得るＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）を備えた航法装置に係り、特に自律航法の基準位置を、ＧＰＳ測位位置で補正するときの、ＧＰＳ衛星配置の情報を用いた補正方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ナビゲーションシステムにおける測位手法には、ＧＰＳによる絶対位置測位と、ジャイロセンサ等を用いた自律航法による相対位置測位がある。相対位置測位から自分のいる絶対位置を特定するには、相対位置の基準となる基準絶対位置が必要であり、自律航法ではＧＰＳによる絶対位置をその基準絶対位置として、自分のいる絶対位置を特定している。
【０００３】
自律航法は、進行距離と方向を表すベクトルを足し合わせていった予測位置であるため、誤差が生じ易いので、常にＧＰＳによる絶対位置と自律航法による相対位置を比較し、自律航法の基準絶対位置を必要であれば修正していかなければならない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来のアルゴリズムでは、ＧＰＳによる絶対位置と自律航法による相対位置との距離が、ＧＤＯＰ（ＧＰＳの幾何学的な精度劣化指数）によって決まる距離よりも大きい場合には、自律航法の基準絶対位置をＧＰＳによる絶対位置へと修正していた。しかし、ＧＰＳ測位による絶対位置は、ＧＤＯＰが同じであったとしても、ＧＰＳ衛星の配置によっては、ある方向に大きな誤差を含んでしまい、自律航法による測位誤差が大きくなってしまうという問題があった。
【０００５】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものでその目的は、信頼性の高いＧＰＳ情報を選択して用いることによって自律航法の基準絶対位置の誤差を小さくし、自律航法の測位精度を向上させた航法装置の位置補正方法および航法装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
（１）本発明の航法装置の位置補正方法は、自律航法およびＧＰＳ衛星からの衛星電波を受信して方位、位置、速度の情報を得るＧＰＳを備えた航法装置の位置補正方法において、
前記ＧＰＳ衛星の配置情報に基づいて、最小二乗法および２衛星間距離最大点法の２通りの方法で求めたＧＰＳ衛星の配置の中心直線のうち、分散が小さいほうの中心直線を用いて演算し、前記ＧＰＳによる測位位置の信頼度を表す評価関数を求め、該評価関数に基づいて、前記ＧＰＳ測位情報が信頼できるか否かを判定し、
信頼できると判定されたときは、当該ＧＰＳ測位情報を、前記自律航法の基準位置を前記ＧＰＳによる測位位置で補正するときの基準として用いることを特徴とし、
前記ＧＰＳはディファレンシャルＧＰＳであることを特徴としている。
【０００７】
（２）また本発明の航法装置は、自律航法およびＧＰＳ衛星からの衛星電波を受信して方位、位置、速度の情報を得るＧＰＳを備えた航法装置において、
前記ＧＰＳ衛星の配置情報を測位する配置情報測位手段と、
前記配置情報測位手段によって測位された前記ＧＰＳ衛星の配置情報に基づいて、最小二乗法および２衛星間距離最大点法の２通りの方法で求めたＧＰＳ衛星の配置の中心直線のうち、分散が小さいほうの中心直線を用いて演算し、前記ＧＰＳによる測位位置の信頼度を表す評価関数を求め、該評価関数に基づいて、前記ＧＰＳ測位情報が信頼できるか否かを判定する判定手段とを備え、
前記判定手段により信頼できると判定されたときは、当該ＧＰＳ測位情報を、前記自律航法の基準位置を前記ＧＰＳによる測位位置で補正するときの基準として用いる
ことを特徴としている。
（３）ＧＰＳ情報自身に大きな誤差が含まれている場合であっても、ＧＰＳ衛星の配置情報に基づいて信頼性の高いＧＰＳ測位情報が選択される。このため自律航法の基準絶対位置の誤差が小さくなり、自律航法の測位精度が向上する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。本発明を実行する航法装置は、例えば図１のようにＧＰＳ測位を行うＧＰＳアンテナ１およびＧＰＳ測位装置２と、自律航法測位を行う方位検出装置３および距離検出装置４と、位置計算を行う現在位置演算装置５と、位置を地図上に表示する位置表示装置６と、地図データが記録されている地図記録装置７とで構成されている。
【０００９】
前記現在位置演算装置５は、演算処理部としてのＣＰＵと、記憶部としてのＲＯＭ、ＲＡＭと、外部装置とのデータの授受を行うＩ／Ｏ回路部とで構成されている。また位置表示装置６は例えば液晶ディスプレイから成り、地図記録装置７は例えばＣＤＲＯＭプレーヤ−から成る。
【００１０】
前記のように構成された航法装置の位置計算アルゴリズムは、図２に示すフローチャートとなる。図２において、まずステップＳ１においてＧＰＳデータ、方位データ、距離データを入力する。そしてステップＳ２、Ｓ３、Ｓ４において方位データと距離データから進行方位と進行距離を計算し、自律航法現在位置を求める。
【００１１】
次にステップＳ５でマップマッチング処理を行って前記現在位置を道路上に補正した後、ステップＳ６でＧＰＳ信用領域評価関数を計算する。次にステップＳ７において、道路上に補正された自律航法現在位置とＧＰＳ現在位置をＧＰＳ信用領域評価関数により比較する。
【００１２】
その結果、自律航法現在位置とＧＰＳ現在位置が離れすぎている場合にはステップＳ８において自律航法現在位置をＧＰＳ現在位置で補正した後ステップＳ９で自律航法位置を表示する。
【００１３】
前記ＧＰＳ信用領域評価関数であるが、従来の手法では図３の説明図のように、自分の位置を中心とした精度劣化指数ＧＤＯＰで決まる半径を持った円を、ＧＰＳ信用領域評価関数とし、この円の外側にＧＰＳ位置がある場合には、信用できるデータとして補正に使用するが、この円の内側にＧＰＳ位置がある場合には、信用できないデータとして補正には使用しない。
【００１４】
すなわち従来の手法では、ＧＰＳによる測位位置に含まれる誤差が、ＧＤＯＰに応じて３６０°全方向に均等に生じると仮定していた。ところが、ＧＰＳ衛星の配置によっては、このＧＰＳ現在位置に含まれる誤差は、３６０°全方向に均等には分布せず、ある方向に偏った分布を示すため、誤差の大きなＧＰＳ現在位置を補正に使用してしまうという問題がある。
【００１５】
そこで本発明では、図４のようにＧＰＳ信用領域評価関数を、ＧＤＯＰで決まる短軸とＧＰＳ衛星の配置で決まる長軸を持った自分の位置を中心とした楕円とし、ＧＰＳ位置がこの楕円の外側にあれば補正に使用し、内側にあれば補正には使用しない。
【００１６】
すなわちＧＰＳ衛星が均等に円に近い形で並んだ場合の誤差は、３６０°全方向に均等に分布するが、ＧＰＳ円が縦に並んだ場合は、並び方向の誤差は小さいが、並び方向に垂直な方向の誤差は非常に大きくなってしまうので、楕円近似をするものである。
【００１７】
次に前記図２のステップＳ６におけるＧＰＳ信用領域評価関数の求め方を図９のフローチャートとともに説明する。ＧＰＳ信用領域評価関数を求めるには、最初にＧＰＳ衛星配置の中心となる直線を求める。まず衛星配置を、中心直線を求める２次元座標系へ変換する（図９のステップＳ１１）方法について述べる。
【００１８】
ＧＰＳ衛星からの電波を受信した位置からｉ番目のＧＰＳ衛星の見える方角は、ＧＰＳ衛星からの電波を受信した位置を原点とし、ＧＰＳ衛星が表面に存在している半球の底面がｘ，ｙ平面と一致する３次元衛星配置座標系（ｘ，ｙ，ｚ）を考えると、図５の衛星の方位角βｉ［ｒａｄ］と、図６の衛星の仰角αｉ［ｒａｄ］で表す。またＧＰＳの位置は、図７のようにＧＰＳ衛星からの電波を受信した位置を中心とした、半径ｒの半球上に存在していると仮定する。
ただし、０≦αｉ≦π／２とする。
【００１９】
したがって、ｉ番目のＧＰＳ衛星の３次元衛星配置座標系における座標（ｘｉ，ｙｉ，ｚｉ）は、次の第（１）式のようになる。
【００２０】
（ｘｉ，ｙｉ，ｚｉ）＝（ｒｃｏｓαｉ・ｃｏｓβｉ、ｒｃｏｓαｉ・ｓｉｎβｉ、ｒｓｉｎαｉ）…（１）
これより、ＧＰＳ衛星からの電波を受信した位置を原点とし、ＧＰＳ衛星が存在している半球の底面と一致する２次元座標系（Ｘ，Ｙ）を仮定すると、ｉ番目の衛星配置の２次元座標（Ｘｉ，Ｙｉ）は、次の第（２）式となる。
【００２１】
（Ｘｉ，Ｙｉ）＝（ｘｉ，ｙｉ）＝（ｒｃｏｓαｉ・ｃｏｓβｉ、ｒｃｏｓαｉ・ｓｉｎβｉ）…（２）
２次元座標系に展開された衛星配置の中心直線を求めるには、最小二乗法による（ステップＳ１２）ものと、２衛星間距離最大点法による（ステップＳ１３）ものの２通りがある。この２通りの方法で求めた中心直線のうち、分散が小さいほうの中心直線をより確からしいものとして採用する。
【００２２】
前記最小二乗法による衛星配置の中心直線を求める方法は次のようにして行う。
【００２３】
まず最小二乗法で求めたｎ組の衛星配置の中心直線を、次の第（３）式のように仮定する。
【００２４】
Ｙ＝ａＸ＋ｂ…（３）
ｉ番目の衛星配置のＸ座標Ｘｉに対応する第（３）式の計算値とＹｉとの差をｒｉとする。
【００２５】
ｒi＝Ｙi−（ａＸi＋ｂ）…（４）
ｎ組のデータのすべてに対して最も良く当てはまる式というのは、第（４）式の偏差の平方値の総和が最小となるような式である。すなわち、
【００２６】
【数１】
【００２７】
この第（５）式の未知変数ａ，ｂについて偏導関数をとると、
【００２８】
【数２】
【００２９】
第（６）式がもとの第（５）式を最小とするのは、それぞれの右辺が０となることであるから、これらを整理すると、第（７）式となる。
【００３０】
【数３】
【００３１】
この第（７）式を行列で表すと、第（８）式となる。
【００３２】
【数４】
【００３３】
第（８）式を解くと、ｎ組の衛星配置の、中心直線式である第（３）式のそれぞれの係数は、第（９）式のようになる。
【００３４】
【数５】
【００３５】
この時の分散Ｖｓは第（１０）式のようになる。
【００３６】
【数６】
【００３７】
また、２衛星間距離最大点法による衛星配置の中心直線を求める方法は次のようにして行う。
【００３８】
まずｎ組の衛星配置のうち、２衛星間距離が最大である２衛星の座標を結んだ直線を中心直線とし、第（１１）式のように仮定する。
【００３９】
Ｙ＝ｃＸ＋ｄ…（１１）
２衛星間距離が最大である衛星の座標を（Ｘ１，Ｙ１）、（Ｘ２，Ｙ２）とすると、ｎ組の衛星配置の中心直線式である第（１１）式の係数は第（１２）式のようになる。
【００４０】
ｃ＝（Ｙ2−Ｙ1）／（Ｘ2−Ｘ1）， ｄ＝Ｙ1−ｃＸ1 …（１２）
この時の分散Ｖｍは、第（１３）式のようになる。
【００４１】
【数７】
【００４２】
以上のようにして２通りの方法による中心直線が求められたが、これらのうち分散が小さいほうの直線を、より確からしい中心直線とする（ステップＳ１４〜Ｓ１６）。すなわち、
分散Ｖｓ≦Ｖｍのとき
衛星配置の中心直線の傾きγ＝ａ
分散Ｖ＝Ｖｓ
分散Ｖｓ＞Ｖｍのとき
衛星配置の中心直線の傾きγ＝ｃ
分散Ｖ＝Ｖｍ
次にＧＤＯＰと前記分散Ｖを使って、ＧＰＳ信用領域評価関数の短軸の長さＳと長軸の長さＬを計算し（ステップＳ１７）、さらに中心直線のかたむきγ、短軸の長さＳ、長軸の長さＳを使ってＧＰＳ信用領域評価関数を計算する（ステップＳ１８）。
【００４３】
前記短軸の長さＳについては、従来の手法と同様にＧＤＯＰによって決まる。また長軸の長さＬについては、短軸の長さＳと長軸の長さＬの比率を、衛星配置の中心直線からの分散Ｖの大きさによって決定し、求める。一般的に比率Ｌ／Ｓは、分散Ｖが大きいほど１に近付き、分散Ｖが小さいほど１より大きくなっていく。分散Ｖに対して比率Ｌ／Ｓをどのくらいの値にするかは、ＧＰＳモジュールの特性に左右されるので、チューニングが必要である。
【００４４】
これで、長軸と短軸のそれぞれの長さＬ，Ｓが決定され、図８のような楕円領域が決まり、楕円は第（１４）式で表される。
【００４５】
（Ｘ2／Ｓ2）＋（Ｙ2／Ｌ2）＝１…（１４）
この楕円の短軸を中心直線と平行にする必要があるので第（１４）式を平面の回転公式により角度θだけ回転させると、第（１５）式のようになる。
【００４６】
【数８】
【００４７】
ただし、回転角度θは、中心直線の傾きγから第（１６）式のように表される。
【００４８】
θ＝ａｔａｎγ…（１６）
前記第（１５）式を整理すると、ＧＰＳ信用領域評価関数Ｆ（Ｘ，Ｙ）は第（１７）式のようになる。
【００４９】
【数９】
【００５０】
したがって、自分の位置に対するＧＰＳ位置にの相対座標（Ｘ，Ｙ）を、ＧＰＳ信用領域評価関数Ｆ（Ｘ，Ｙ）に代入して、図２のステップＳ７の判定において、
Ｆ（Ｘ，Ｙ）≧０ならば、ＧＰＳ位置は信用できる、
Ｆ（Ｘ，Ｙ）＜０ならば、ＧＰＳ位置は信用できない、
とするものである。
【００５１】
次にＤＧＰＳ（ディファレンシャルＧＰＳ）の効果をＧＰＳ信用領域評価関数に反映させる手法を述べる。
ＤＧＰＳ測位はＧＰＳ測位に比べて測位精度が高いので、ＧＰＳ位置を信用することのできない範囲も小さくなる。したがって本発明では、ＤＧＰＳ測位時には、前記ＧＰＳ信用領域評価関数の短軸の長さＳと長軸の長さＬを、一定の割合で短くするものである。
【００５２】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、ＧＰＳ衛星の配置情報に基づいて、最小二乗法および２衛星間距離最大点法の２通りの方法で求めたＧＰＳ衛星の配置の中心直線のうち、分散が小さいほうの中心直線を用いて演算し、前記ＧＰＳによる測位位置の信頼度を表す評価関数を求め、該評価関数に基づいて、前記ＧＰＳ測位情報が信頼できるか否かを判定し、信頼できると判定されたときは、当該ＧＰＳ測位情報を、前記自律航法の基準位置を前記ＧＰＳによる測位位置で補正するときの基準として用いるようにしたので、次のような優れた効果が得られる。
【００５３】
（１）信頼性の高いＧＰＳ位置だけを選択して使用することによって、自律航法の基準絶対位置の誤差が小さくなり、自律航法の測位精度が向上する。
【００５４】
（２）評価関数を求める際の衛星配置の中心直線を、２通りの方法で求め、より確からしい方の中心直線を使うことで、より正確な衛星配置の分布傾向が得られる。
【００５５】
（３）ＤＧＰＳ測位による効果も、ＧＰＳ測位位置の信頼度を表す評価関数に組み込むことで、自律航法の位置ずれ状態からの復帰が速くなり、自律航法の測位精度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を実行するための航方装置のブロック図。
【図２】本発明を実行するための航法装置の位置計算アルゴリズムを示すフローチャート。
【図３】従来のＧＰＳ信用領域評価関数を示す説明図。
【図４】本発明のＧＰＳ衛星配置とＧＰＳ信用領域評価関数の関係を示す説明図。
【図５】本発明の要部である衛星配置の中心直線を求める方法を説明するための説明図。
【図６】本発明の要部である衛星配置の中心直線を求める方法を説明するための説明図。
【図７】本発明の要部である衛星配置の中心直線を求める方法を説明するための説明図。
【図８】本発明のＧＰＳ信用領域評価関数の求め方を説明するための説明図。
【図９】本発明を実行するための、ＧＰＳ信用領域評価関数計算のフローチャート。
【符号の説明】
１…ＧＰＳアンテナ
２…ＧＰＳ測位装置
３…方位検出装置
４…距離検出装置
５…現在位置演算装置
６…位置表示装置
７…地図記録装置
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＧＰＳ衛星からの衛星電波を受信して方位、位置、速度の情報を得るＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）を備えた航法装置に係り、特に自律航法の基準位置を、ＧＰＳ測位位置で補正するときの、ＧＰＳ衛星配置の情報を用いた補正方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ナビゲーションシステムにおける測位手法には、ＧＰＳによる絶対位置測位と、ジャイロセンサ等を用いた自律航法による相対位置測位がある。相対位置測位から自分のいる絶対位置を特定するには、相対位置の基準となる基準絶対位置が必要であり、自律航法ではＧＰＳによる絶対位置をその基準絶対位置として、自分のいる絶対位置を特定している。
【０００３】
自律航法は、進行距離と方向を表すベクトルを足し合わせていった予測位置であるため、誤差が生じ易いので、常にＧＰＳによる絶対位置と自律航法による相対位置を比較し、自律航法の基準絶対位置を必要であれば修正していかなければならない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来のアルゴリズムでは、ＧＰＳによる絶対位置と自律航法による相対位置との距離が、ＧＤＯＰ（ＧＰＳの幾何学的な精度劣化指数）によって決まる距離よりも大きい場合には、自律航法の基準絶対位置をＧＰＳによる絶対位置へと修正していた。しかし、ＧＰＳ測位による絶対位置は、ＧＤＯＰが同じであったとしても、ＧＰＳ衛星の配置によっては、ある方向に大きな誤差を含んでしまい、自律航法による測位誤差が大きくなってしまうという問題があった。
【０００５】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものでその目的は、信頼性の高いＧＰＳ情報を選択して用いることによって自律航法の基準絶対位置の誤差を小さくし、自律航法の測位精度を向上させた航法装置の位置補正方法および航法装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
（１）本発明の航法装置の位置補正方法は、自律航法およびＧＰＳ衛星からの衛星電波を受信して方位、位置、速度の情報を得るＧＰＳを備えた航法装置の位置補正方法において、
前記ＧＰＳ衛星の配置情報に基づいて、最小二乗法および２衛星間距離最大点法の２通りの方法で求めたＧＰＳ衛星の配置の中心直線のうち、分散が小さいほうの中心直線を用いて演算し、前記ＧＰＳによる測位位置の信頼度を表す評価関数を求め、該評価関数に基づいて、前記ＧＰＳ測位情報が信頼できるか否かを判定し、
信頼できると判定されたときは、当該ＧＰＳ測位情報を、前記自律航法の基準位置を前記ＧＰＳによる測位位置で補正するときの基準として用いることを特徴とし、
前記ＧＰＳはディファレンシャルＧＰＳであることを特徴としている。
【０００７】
（２）また本発明の航法装置は、自律航法およびＧＰＳ衛星からの衛星電波を受信して方位、位置、速度の情報を得るＧＰＳを備えた航法装置において、
前記ＧＰＳ衛星の配置情報を測位する配置情報測位手段と、
前記配置情報測位手段によって測位された前記ＧＰＳ衛星の配置情報に基づいて、最小二乗法および２衛星間距離最大点法の２通りの方法で求めたＧＰＳ衛星の配置の中心直線のうち、分散が小さいほうの中心直線を用いて演算し、前記ＧＰＳによる測位位置の信頼度を表す評価関数を求め、該評価関数に基づいて、前記ＧＰＳ測位情報が信頼できるか否かを判定する判定手段とを備え、
前記判定手段により信頼できると判定されたときは、当該ＧＰＳ測位情報を、前記自律航法の基準位置を前記ＧＰＳによる測位位置で補正するときの基準として用いる
ことを特徴としている。
（３）ＧＰＳ情報自身に大きな誤差が含まれている場合であっても、ＧＰＳ衛星の配置情報に基づいて信頼性の高いＧＰＳ測位情報が選択される。このため自律航法の基準絶対位置の誤差が小さくなり、自律航法の測位精度が向上する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。本発明を実行する航法装置は、例えば図１のようにＧＰＳ測位を行うＧＰＳアンテナ１およびＧＰＳ測位装置２と、自律航法測位を行う方位検出装置３および距離検出装置４と、位置計算を行う現在位置演算装置５と、位置を地図上に表示する位置表示装置６と、地図データが記録されている地図記録装置７とで構成されている。
【０００９】
前記現在位置演算装置５は、演算処理部としてのＣＰＵと、記憶部としてのＲＯＭ、ＲＡＭと、外部装置とのデータの授受を行うＩ／Ｏ回路部とで構成されている。また位置表示装置６は例えば液晶ディスプレイから成り、地図記録装置７は例えばＣＤＲＯＭプレーヤ−から成る。
【００１０】
前記のように構成された航法装置の位置計算アルゴリズムは、図２に示すフローチャートとなる。図２において、まずステップＳ１においてＧＰＳデータ、方位データ、距離データを入力する。そしてステップＳ２、Ｓ３、Ｓ４において方位データと距離データから進行方位と進行距離を計算し、自律航法現在位置を求める。
【００１１】
次にステップＳ５でマップマッチング処理を行って前記現在位置を道路上に補正した後、ステップＳ６でＧＰＳ信用領域評価関数を計算する。次にステップＳ７において、道路上に補正された自律航法現在位置とＧＰＳ現在位置をＧＰＳ信用領域評価関数により比較する。
【００１２】
その結果、自律航法現在位置とＧＰＳ現在位置が離れすぎている場合にはステップＳ８において自律航法現在位置をＧＰＳ現在位置で補正した後ステップＳ９で自律航法位置を表示する。
【００１３】
前記ＧＰＳ信用領域評価関数であるが、従来の手法では図３の説明図のように、自分の位置を中心とした精度劣化指数ＧＤＯＰで決まる半径を持った円を、ＧＰＳ信用領域評価関数とし、この円の外側にＧＰＳ位置がある場合には、信用できるデータとして補正に使用するが、この円の内側にＧＰＳ位置がある場合には、信用できないデータとして補正には使用しない。
【００１４】
すなわち従来の手法では、ＧＰＳによる測位位置に含まれる誤差が、ＧＤＯＰに応じて３６０°全方向に均等に生じると仮定していた。ところが、ＧＰＳ衛星の配置によっては、このＧＰＳ現在位置に含まれる誤差は、３６０°全方向に均等には分布せず、ある方向に偏った分布を示すため、誤差の大きなＧＰＳ現在位置を補正に使用してしまうという問題がある。
【００１５】
そこで本発明では、図４のようにＧＰＳ信用領域評価関数を、ＧＤＯＰで決まる短軸とＧＰＳ衛星の配置で決まる長軸を持った自分の位置を中心とした楕円とし、ＧＰＳ位置がこの楕円の外側にあれば補正に使用し、内側にあれば補正には使用しない。
【００１６】
すなわちＧＰＳ衛星が均等に円に近い形で並んだ場合の誤差は、３６０°全方向に均等に分布するが、ＧＰＳ円が縦に並んだ場合は、並び方向の誤差は小さいが、並び方向に垂直な方向の誤差は非常に大きくなってしまうので、楕円近似をするものである。
【００１７】
次に前記図２のステップＳ６におけるＧＰＳ信用領域評価関数の求め方を図９のフローチャートとともに説明する。ＧＰＳ信用領域評価関数を求めるには、最初にＧＰＳ衛星配置の中心となる直線を求める。まず衛星配置を、中心直線を求める２次元座標系へ変換する（図９のステップＳ１１）方法について述べる。
【００１８】
ＧＰＳ衛星からの電波を受信した位置からｉ番目のＧＰＳ衛星の見える方角は、ＧＰＳ衛星からの電波を受信した位置を原点とし、ＧＰＳ衛星が表面に存在している半球の底面がｘ，ｙ平面と一致する３次元衛星配置座標系（ｘ，ｙ，ｚ）を考えると、図５の衛星の方位角βｉ［ｒａｄ］と、図６の衛星の仰角αｉ［ｒａｄ］で表す。またＧＰＳの位置は、図７のようにＧＰＳ衛星からの電波を受信した位置を中心とした、半径ｒの半球上に存在していると仮定する。
ただし、０≦αｉ≦π／２とする。
【００１９】
したがって、ｉ番目のＧＰＳ衛星の３次元衛星配置座標系における座標（ｘｉ，ｙｉ，ｚｉ）は、次の第（１）式のようになる。
【００２０】
（ｘｉ，ｙｉ，ｚｉ）＝（ｒｃｏｓαｉ・ｃｏｓβｉ、ｒｃｏｓαｉ・ｓｉｎβｉ、ｒｓｉｎαｉ）…（１）
これより、ＧＰＳ衛星からの電波を受信した位置を原点とし、ＧＰＳ衛星が存在している半球の底面と一致する２次元座標系（Ｘ，Ｙ）を仮定すると、ｉ番目の衛星配置の２次元座標（Ｘｉ，Ｙｉ）は、次の第（２）式となる。
【００２１】
（Ｘｉ，Ｙｉ）＝（ｘｉ，ｙｉ）＝（ｒｃｏｓαｉ・ｃｏｓβｉ、ｒｃｏｓαｉ・ｓｉｎβｉ）…（２）
２次元座標系に展開された衛星配置の中心直線を求めるには、最小二乗法による（ステップＳ１２）ものと、２衛星間距離最大点法による（ステップＳ１３）ものの２通りがある。この２通りの方法で求めた中心直線のうち、分散が小さいほうの中心直線をより確からしいものとして採用する。
【００２２】
前記最小二乗法による衛星配置の中心直線を求める方法は次のようにして行う。
【００２３】
まず最小二乗法で求めたｎ組の衛星配置の中心直線を、次の第（３）式のように仮定する。
【００２４】
Ｙ＝ａＸ＋ｂ…（３）
ｉ番目の衛星配置のＸ座標Ｘｉに対応する第（３）式の計算値とＹｉとの差をｒｉとする。
【００２５】
ｒi＝Ｙi−（ａＸi＋ｂ）…（４）
ｎ組のデータのすべてに対して最も良く当てはまる式というのは、第（４）式の偏差の平方値の総和が最小となるような式である。すなわち、
【００２６】
【数１】
この第（５）式の未知変数ａ，ｂについて偏導関数をとると、
【００２８】
【数２】
第（６）式がもとの第（５）式を最小とするのは、それぞれの右辺が０となることであるから、これらを整理すると、第（７）式となる。
【００３０】
【数３】
この第（７）式を行列で表すと、第（８）式となる。
【００３２】
【数４】
第（８）式を解くと、ｎ組の衛星配置の、中心直線式である第（３）式のそれぞれの係数は、第（９）式のようになる。
【００３４】
【数５】
この時の分散Ｖｓは第（１０）式のようになる。
【００３６】
【数６】
また、２衛星間距離最大点法による衛星配置の中心直線を求める方法は次のようにして行う。
【００３８】
まずｎ組の衛星配置のうち、２衛星間距離が最大である２衛星の座標を結んだ直線を中心直線とし、第（１１）式のように仮定する。
【００３９】
Ｙ＝ｃＸ＋ｄ…（１１）
２衛星間距離が最大である衛星の座標を（Ｘ１，Ｙ１）、（Ｘ２，Ｙ２）とすると、ｎ組の衛星配置の中心直線式である第（１１）式の係数は第（１２）式のようになる。
【００４０】
ｃ＝（Ｙ2−Ｙ1）／（Ｘ2−Ｘ1）， ｄ＝Ｙ1−ｃＸ1 …（１２）
この時の分散Ｖｍは、第（１３）式のようになる。
【００４１】
【数７】
以上のようにして２通りの方法による中心直線が求められたが、これらのうち分散が小さいほうの直線を、より確からしい中心直線とする（ステップＳ１４〜Ｓ１６）。すなわち、
分散Ｖｓ≦Ｖｍのとき
衛星配置の中心直線の傾きγ＝ａ
分散Ｖ＝Ｖｓ
分散Ｖｓ＞Ｖｍのとき
衛星配置の中心直線の傾きγ＝ｃ
分散Ｖ＝Ｖｍ
次にＧＤＯＰと前記分散Ｖを使って、ＧＰＳ信用領域評価関数の短軸の長さＳと長軸の長さＬを計算し（ステップＳ１７）、さらに中心直線のかたむきγ、短軸の長さＳ、長軸の長さＳを使ってＧＰＳ信用領域評価関数を計算する（ステップＳ１８）。
【００４３】
前記短軸の長さＳについては、従来の手法と同様にＧＤＯＰによって決まる。また長軸の長さＬについては、短軸の長さＳと長軸の長さＬの比率を、衛星配置の中心直線からの分散Ｖの大きさによって決定し、求める。一般的に比率Ｌ／Ｓは、分散Ｖが大きいほど１に近付き、分散Ｖが小さいほど１より大きくなっていく。分散Ｖに対して比率Ｌ／Ｓをどのくらいの値にするかは、ＧＰＳモジュールの特性に左右されるので、チューニングが必要である。
【００４４】
これで、長軸と短軸のそれぞれの長さＬ，Ｓが決定され、図８のような楕円領域が決まり、楕円は第（１４）式で表される。
【００４５】
（Ｘ2／Ｓ2）＋（Ｙ2／Ｌ2）＝１…（１４）
この楕円の短軸を中心直線と平行にする必要があるので第（１４）式を平面の回転公式により角度θだけ回転させると、第（１５）式のようになる。
【００４６】
【数８】
ただし、回転角度θは、中心直線の傾きγから第（１６）式のように表される。
【００４８】
θ＝ａｔａｎγ…（１６）
前記第（１５）式を整理すると、ＧＰＳ信用領域評価関数Ｆ（Ｘ，Ｙ）は第（１７）式のようになる。
【００４９】
【数９】
したがって、自分の位置に対するＧＰＳ位置にの相対座標（Ｘ，Ｙ）を、ＧＰＳ信用領域評価関数Ｆ（Ｘ，Ｙ）に代入して、図２のステップＳ７の判定において、
Ｆ（Ｘ，Ｙ）≧０ならば、ＧＰＳ位置は信用できる、
Ｆ（Ｘ，Ｙ）＜０ならば、ＧＰＳ位置は信用できない、
とするものである。
【００５１】
次にＤＧＰＳ（ディファレンシャルＧＰＳ）の効果をＧＰＳ信用領域評価関数に反映させる手法を述べる。
ＤＧＰＳ測位はＧＰＳ測位に比べて測位精度が高いので、ＧＰＳ位置を信用することのできない範囲も小さくなる。したがって本発明では、ＤＧＰＳ測位時には、前記ＧＰＳ信用領域評価関数の短軸の長さＳと長軸の長さＬを、一定の割合で短くするものである。
【００５２】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、ＧＰＳ衛星の配置情報に基づいて、最小二乗法および２衛星間距離最大点法の２通りの方法で求めたＧＰＳ衛星の配置の中心直線のうち、分散が小さいほうの中心直線を用いて演算し、前記ＧＰＳによる測位位置の信頼度を表す評価関数を求め、該評価関数に基づいて、前記ＧＰＳ測位情報が信頼できるか否かを判定し、信頼できると判定されたときは、当該ＧＰＳ測位情報を、前記自律航法の基準位置を前記ＧＰＳによる測位位置で補正するときの基準として用いるようにしたので、次のような優れた効果が得られる。
【００５３】
（１）信頼性の高いＧＰＳ位置だけを選択して使用することによって、自律航法の基準絶対位置の誤差が小さくなり、自律航法の測位精度が向上する。
【００５４】
（２）評価関数を求める際の衛星配置の中心直線を、２通りの方法で求め、より確からしい方の中心直線を使うことで、より正確な衛星配置の分布傾向が得られる。
【００５５】
（３）ＤＧＰＳ測位による効果も、ＧＰＳ測位位置の信頼度を表す評価関数に組み込むことで、自律航法の位置ずれ状態からの復帰が速くなり、自律航法の測位精度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を実行するための航方装置のブロック図。
【図２】本発明を実行するための航法装置の位置計算アルゴリズムを示すフローチャート。
【図３】従来のＧＰＳ信用領域評価関数を示す説明図。
【図４】本発明のＧＰＳ衛星配置とＧＰＳ信用領域評価関数の関係を示す説明図。
【図５】本発明の要部である衛星配置の中心直線を求める方法を説明するための説明図。
【図６】本発明の要部である衛星配置の中心直線を求める方法を説明するための説明図。
【図７】本発明の要部である衛星配置の中心直線を求める方法を説明するための説明図。
【図８】本発明のＧＰＳ信用領域評価関数の求め方を説明するための説明図。
【図９】本発明を実行するための、ＧＰＳ信用領域評価関数計算のフローチャート。
【符号の説明】
１…ＧＰＳアンテナ
２…ＧＰＳ測位装置
３…方位検出装置
４…距離検出装置
５…現在位置演算装置
６…位置表示装置
７…地図記録装置
Claims (3)
- 自律航法およびＧＰＳ衛星からの衛星電波を受信して方位、位置、速度の情報を得るＧＰＳを備えた航法装置の位置補正方法において、
前記ＧＰＳ衛星の配置情報に基づいて、最小二乗法および２衛星間距離最大点法の２通りの方法で求めたＧＰＳ衛星の配置の中心直線のうち、分散が小さいほうの中心直線を用いて演算し、前記ＧＰＳによる測位位置の信頼度を表す評価関数を求め、該評価関数に基づいて、前記ＧＰＳ測位情報が信頼できるか否かを判定し、
信頼できると判定されたときは、当該ＧＰＳ測位情報を、前記自律航法の基準位置を前記ＧＰＳによる測位位置で補正するときの基準として用いることを特徴とする航法装置の位置補正方法。 - 前記ＧＰＳはディファレンシャルＧＰＳであることを特徴とする請求項１に記載の航法装置の位置補正方法。
- 自律航法およびＧＰＳ衛星からの衛星電波を受信して方位、位置、速度の情報を得るＧＰＳを備えた航法装置において、
前記ＧＰＳ衛星の配置情報を測位する配置情報測位手段と、
前記配置情報測位手段によって測位された前記ＧＰＳ衛星の配置情報に基づいて、最小二乗法および２衛星間距離最大点法の２通りの方法で求めたＧＰＳ衛星の配置の中心直線のうち、分散が小さいほうの中心直線を用いて演算し、前記ＧＰＳによる測位位置の信頼度を表す評価関数を求め、該評価関数に基づいて、前記ＧＰＳ測位情報が信頼できるか否かを判定する判定手段とを備え、
前記判定手段により信頼できると判定されたときは、当該ＧＰＳ測位情報を、前記自律航法の基準位置を前記ＧＰＳによる測位位置で補正するときの基準として用いることを特徴とする航法装置。
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-
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