JP4146457B2 - 測位システム - Google Patents

Description

本発明は、車両、船舶、航空機などの移動体に搭載され、ＧＰＳなどの衛星信号のみを利用して、１秒間に数回（即ち、数Ｈｚ）以上の頻度で高速に位置を求める、高速測位システムに関する。

安価な組込型ＣＰＵを採用している衛星信号受信機では、ＣＰＵの処理能力の関係上、１Ｈｚ程度の低速での測位位置しか得られないし、また、測位位置の演算のための演算処理時間を要するから、測位位置を得るのに時間遅れを持ってしまう問題がある。特に、車、高速船、飛行機においては、１秒間での移動量（移動距離）はかなり大きいから、時間遅れの少なく、且つ数Ｈｚ以上の頻度での高速測位が望まれている。

従来の高速測位システムでは、衛星信号追尾装置の追尾情報、例えば、追尾衛星の信号レベル、疑似距離データ、搬送波位相データなど、を用いて、基準測位タイミングｔｉ（例えば１秒ごと）にしたがって、基準測位位置Ｐｉを演算する。この基準測位位置Ｐｉは、基準測位タイミングｔｉから測位位置の演算のための演算処理時間Ｔａの後に得られる。

その演算処理時間Ｔａの後は、基準測位タイミングｔｉのときの基準速度Ｖｉと経過時間Ｔとの積を、基準測位位置Ｐｉに加算して、任意の時点ｔｉ−ｊでの測位位置Ｐｉ−ｊを求める。これにより、各時刻ｔｉ−における測位位置Ｐｉ−ｊ（＝Ｐｉ＋Ｖｉ×Ｔ）が、時間遅れなく高速に得られる（特許文献１参照）。
特開平５−１４２３２６号公報

従来の特許文献１に示された測位システムでは、各時点ｔｉ−ｊの速度が、基準測位タイミングｔｉの時点での速度Ｖｉから、他の速度に変化したときには、測位位置が速度変化に応じて正しい位置からずれた位置として測定される。したがって、誤った測位位置が、出力されることになる。また、速度変化があった場合には、異常な速度であるとして、各時点ｔｉ−ｊでの測位位置を破棄することになり、測位位置が得られないことになる。

本発明は、車両、船舶、航空機などの移動体に搭載され、ＧＰＳなどの衛星信号のみを利用して、１秒間に数回（即ち、数Ｈｚ）以上の頻度で高速に位置を求める、高速測位システムにおいて、コストアップとなる他の推測航法センサを必要とせず、基準測位タイミングから移動体の速度の変化があった場合でも、正確な測位位置を高速に求めることを目的とする。

請求項１の測位システムは、移動体に搭載され、複数の衛星からの衛星信号を利用して位置を求める測位システムであって、
各衛星信号に追尾して追尾情報を送出する衛星信号追尾装置と、
前記衛星信号追尾装置から得られる搬送波追尾情報から各衛星信号の搬送波の積算位相を求める搬送波積算位相計測装置と、
第１時間毎に発生される基準測位タイミングを決定する基準測位タイミング決定装置と、
前記基準測位タイミングにおける基準測位位置を前記追尾情報に基づいて求める基準測位位置演算装置と、
前記第１時間より短い第２時間毎に測位を行う時刻を決定するために、前記基準測位タイミングからの経過時間を計測する経過時間計測装置と、
前記搬送波積算位相計測装置から得られる各衛星信号の搬送波積算位相の前記経過時間中の変化に基づいて、基準測位タイミングからの前記経過時間内の移動量及び前記第２時間毎の移動量を計算する移動量演算装置と、
前回得られた測位位置に前記第２時間毎の移動量を加算した第１位置と、基準測位位置に前記経過時間内の移動量を加算した位置から前記第１位置を減算し更に所定時定数で除して第２位置を求め、前記第１位置に前記第２位置を加算して得られる搬送波積算時測位位置を出力する測位位置演算・出力装置を備えることを特徴とする。

請求項２の測位システムは、請求項１に記載の測位システムにおいて、前記測位位置演算・出力装置は、前記搬送波積算時測位位置と前記基準測位位置とを一連の測位位置として出力することを特徴とする。

請求項３の測位システムは、請求項１に記載の測位システムにおいて、前記基準測位タイミングから当該時点での基準測位位置が求まる基準測位所要時間までの間は、前回の基準測位タイミングにおける基準測位位置とその前回基準測位タイミングからの移動量を用いて、前記搬送波積算時測位位置を求めることを特徴とする。

請求項４の測位システムは、請求項１に記載の測位システムにおいて、前記移動量は、各衛星信号の搬送波積算位相、経過時間、衛星軌道情報に基づいて得た基準測位タイミングからの平均速度と、基準測位タイミングからの経過時間との積によって得ることを特徴とする。

本発明の測位システムによれば、ＣＰＵの処理能力の関係上、１Ｈｚ程度の低速での基準測位位置しか得られない安価な組込型ＣＰＵを採用している衛星信号受信機においても、コストアップとなる他の推測航法センサを必要とせず、移動体の速度の変化があった場合でも、１秒間に数回（即ち、数Ｈｚ）以上の頻度で高速に正確な測位位置を求めることができる。

また、本発明では、搬送波積算位相計測装置から得られる各衛星信号の搬送波積算位相の経過時間中の変化に基づいて、経過時間内の各時刻の移動量を計算する移動量演算装置を有しているから、従来のものとは異なり、経過時間内の速度変化にも追従して正確な位置測定を行うことができる。

また、低速での基準測位位置に平滑処理などの平均化処理を行っている場合にも、搬送波積算時測位位置を、次回に得られる基準測位位置に徐々に近づけていく。これにより、高加速度状態では、速度変化が即反映された高速測位が行われ、また、低加速度状態では、平均的な位置精度向上が行われている基準測位位置に基づくことになるので、適切な高速測位解が得られる。

図１は、本発明に係る衛星信号を利用した高速測位システムの第１実施例の構成を示す図である。

アンテナ１は、ＧＰＳ等の複数の衛星からの衛星信号を受信し、衛星信号追尾装置１１に供給する。

衛星信号追尾装置１１は、受信した衛星信号を追尾する。追尾に成功した衛星に関して、衛星追尾状況、衛星信号レベル、位置測定に利用される疑似距離データ、速度測定に利用される搬送波位相データなどの追尾情報を出力する。

なお以後、位置や、速度などはスカラー量のように直感的にわかりやすいようにスカラー量で表記するが、実際の処理ではそれらは全て３次元ベクトルとして扱われる。

基準測位タイミング決定装置１２は、制御装置１００内のタイミング発生装置からタイミングパルスが入力され、例えば１秒毎などの基準測位タイミングｔ０，ｔ１，ｔ２，ｔ３・・・を決定する。なお、衛星信号追尾装置１１からの追尾情報は、基準測位タイミング決定装置１２を介して或いは直接に基準測位位置演算装置１３に供給される。

基準測位位置演算装置１３は、基準測位タイミングにおける、疑似距離データ、搬送波位相データ、制御装置１００内の衛星軌道演算装置からの衛星軌道情報などを基に基準測位位置Ｐ０，Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３・・・及びその速度Ｖ０，Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３・・・を求める。これらの基準測位位置Ｐ０，Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３・・・やその速度Ｖ０，Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３・・・は、ＣＰＵの処理能力の関係上、基準測位タイミングｔ０，ｔ１，ｔ２，ｔ３・・・から基準測位に要する基準測位所要時間Ｔａの後に得られる。

搬送波積算位相計測装置１４は、衛星信号追尾装置１１から得られる搬送波追尾情報から各衛星信号の搬送波の積算位相φｔを求める。なお、積算位相φｔは、追尾開始時の初期位相に、追尾中の搬送周波数（Ｈｚ以下を含む）の積分値との加算値からなる。

移動量演算装置１６では、経過時間＝０の基準測位タイミング時ｔ０，ｔ１，ｔ２，ｔ３・・・において積算位相φ０を記憶し、また、基準測位タイミング時から各経過時間までの平均周波数ｆｔを
ｆｔ＝（各経過時間における瞬時積算位相φｔ−φ０）／経過時間 （１）
で求める。

一方、平均周波数ｆｔに含まれてしまう各衛星自体のドップラー周波数ｆｔｓは、
ｆｔｓ＝ｆ０ｓ＋Ａ０ｓ×経過時間 （２）
で充分近似できるので、この式でドップラー周波数ｆｔｓを求める。ここで、ｆ０ｓは基準時刻におけるドップラー周波数、Ａ０ｓは基準時刻におけるドップラー周波数変化率である。

また、この出願の測位システムで行う数秒以内の短時間では、方向余弦行列Ｈの変化もほとんど無視できるので、移動速度Ｖｔは、
Ｖｔ＝｛（ｆｔ−ｆｔｓ）×Ｃ／ｆｓａｔ｝／Ｈ０ （３）
で求まる。なおＨ０は、基準時刻における方向余弦行列であり、その時点での方向余弦行列Ｈｔと近似できるものである。また、ｆｓａｔは衛星からの搬送周波数（ＧＰＳ−Ｌ１信号では１．５７５ＧＨｚ）であり、Ｃは光速である。

経過時間計測装置１５は、基準測位タイミング時ｔ０，ｔ１，ｔ２，ｔ３・・・からの経過時間を計測する。

移動量演算装置１６は、経過時間内（即ち、当該基準測位タイミングからその時点の時刻までの時間内）の移動体の平均移動速度Ｖｔを用いて、移動量ＣｔをＣｔ＝Ｖｔ×経過時間で求めて、出力する。したがって、平均移動速度Ｖｔが各時点において移動体の実際の動きに応じて異なり得るから、より正確に各時点の移動量Ｃｔを求めることができる。

測位位置演算・出力装置１７は、基準測位位置演算装置１３で求めた基準測位位置Ｐ０，Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３・・・に、移動量演算装置１６で求めた移動量Ｃｔを加算した結果を、高速の測位位置Ｐｏｕｔとして出力する。

制御装置１００は、測位位置演算・出力装置１７からの測位位置Ｐｏｕｔを受けたり、基準測位タイミング決定装置１２へのタイミング信号を発生したり、基準測位位置演算装置１３への衛星軌道情報を供給したりする他、本システムの全体の制御を司る。

次に、図１の高速測位システムの動作を、図２の動作説明図をも参照して説明する。

図２において、基準測位タイミングｔ０，ｔ１，ｔ２，ｔ３（例えば１秒毎）に、基準測位位置Ｐ０，Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３が求められる。しかし、安価な組込型ＣＰＵを採用しているＣＰＵの処理能力の関係上、基準測位位置Ｐ０，Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３は、基準測位タイミングｔ０，ｔ１，ｔ２，ｔ３から基準測位に要する基準測位所要時間Ｔａの後に得られる。

基準測位タイミングｔ０，ｔ１，ｔ２，ｔ３の間隔を、基準測位間隔時間Ｔ１（例、１秒）とすると、高速に測位位置を得るために、搬送波積算測位間隔時間Ｔ２毎に搬送波積算時測位位置Ｐ０−１乃至Ｐ３−２を求める。

例えば、基準測位位置Ｐ１、Ｐ２間についてみると、基準測位間隔時間Ｔ１を５等分し、搬送波積算測位タイミングｔ１−１〜ｔ１−４を設けている。この搬送波積算測位タイミングｔ１−１〜ｔ１−４毎に、搬送波積算時測位位置Ｐ１−１〜Ｐ１−４を求める。

搬送波積算時測位位置Ｐ１−１、Ｐ１−２を求める際には、未だ基準測位位置Ｐ１が求められていないので、その前回の基準測位位置Ｐ０を基準として、求める。

基準測位タイミングｔ１から基準測位所要時間Ｔａが経過すると、基準測位位置Ｐ１が求められる。したがって、搬送波積算時測位位置Ｐ１−３、Ｐ１−４は、既に求められた基準測位位置Ｐ１を基準として、求める。

なお、基準測位位置Ｐ１が求められるまで（即ち、基準測位タイミングｔ１から基準測位所要時間Ｔａが経過するまで）は、測位位置Ｐ１，Ｐ１−１、Ｐ１−２は、基準測位位置Ｐ１を基準として、積算位相に基づいて求めた搬送波積算時測位位置Ｐ０−５、Ｐ０−６、Ｐ０−７として求められる。

このようにして、本発明では、基準測位位置Ｐ０〜Ｐ３と搬送波積算時測位位置Ｐ０−１〜Ｐ３−２が順々に求められ、測位位置として高速に得ることができる。なお、本発明での処理は、簡易な処理で行われるので、１０Ｈｚ以上の高速測位が可能である。

また、本発明では、搬送波積算位相計測装置１４から得られる各衛星信号の搬送波積算位相の経過時間中の変化に基づいて、経過時間内の各時刻の移動量を計算する移動量演算装置１６を有しているから、従来のものとは異なり、経過時間内の速度変化にも追従して正確な位置測定を行うことができる。

また、ＲＴＫ測位など更に高精度位置が必要な場合には、近似精度が高い計算式を用いることがよい。例えば、基準時刻と将来の時刻におけるドップラー速度を計算で求めて、ｎ次近似曲線で求める。また、単純ｎ次近似ではなく、スプライン近似などを加えても良い。また、以上の説明では、（３）式により平均移動速度Ｖｔを求めてから、移動量ＣｔをＣｔ＝Ｖｔ×経過時間で求めたが、搬送波の積算位相を用いて直接に移動量Ｃｔを求めてもよい。

図３は、本発明の第２の実施例に係る処理のフローを示す図である。ブロック構成図は図１と同様である。

基準測位位置Ｐ０，Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３・・・は、基準測位位置演算装置１３等において、平均的な位置精度向上のために平滑化処理などの平均化処理を行う場合もある。この平均化処理により、基準測位位置Ｐ０，Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３・・・は、ばらつきなどが吸収されて、その結果として滑らかな位置変化が得られる。

一方、移動量演算装置１６で求められる搬送波の積算位相量で求めた速度のみに依存する移動量（例、時点ｔ１−３からｔ１−４までの移動量など）は、急激な方向変更などの際には、平均化処理がされている基準測位位置Ｐ０，Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３とかなり異なることがある。つまり、基準測位位置Ｐ０，Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３は、平均化処理がなされているのに対して、搬送波積算時測位位置Ｐ０−１〜Ｐ３−２は測定された速度のみによって決まるから、第１実施例のままでは、基準測位位置Ｐ０，Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３を平均化する場合に、位置の不連続性が生じることになる。

図３の第２の実施例は、この位置の不連続性を緩和しようとするものである。この図３は、測位位置演算・出力装置１７の作用を説明するフロー図である。その他の構成は、図１で説明したものと同様である。

この図３では、搬送波積算測位タイミングｔ１−４において、搬送波積算時測位位置を求める際の動作を例にして説明している。他の搬送波積算測位タイミングにおいても同様である。

ステップ１１０で、前回の基準測位時間ｔ１からの、搬送波積算位相変化量から、移動量演算装置１６でそのタイミングｔ１−４までの移動量Ｃｔ１−４を求める。

ステップ１２０で、前回の基準測位位置Ｐ１を上記移動量Ｃｔ１−４だけ更新した位置ＰＡを求める。ＰＡ＝Ｐ１＋Ｃｔ１−４

ステップ１３０で、前回出力位置（搬送波積算時測位位置）Ｐ１−３を、搬送波積算測位間隔時間内に、移動した移動量「(Ｃｔ１−４)−(Ｃｔ１−３)」を更新した位置ＰＢを求める。

ステップ１４０で、基準測位位置に近づけるための補正量ＰＣを、ＰＣ＝(ＰＡ−ＰＢ)／所定時定数、で求める。この所定時定数は、基準測位位置Ｐ０，Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３に平滑化処理などの平均化処理を行う場合の時定数と対応する値に選定することがよい。

ステップ１５０で、搬送波積算時測位位置Ｐ１−４を、Ｐ１−４＝ＰＢ＋ＰＣ、で求め、測位位置Ｐｏｕｔとして出力する。

図３の第２実施例では、低速での基準測位位置Ｐ０〜Ｐ３に平滑処理などの平均化処理を行っている場合にも、搬送波積算時測位位置Ｐｉ−ｊを、次回に得られる基準測位位置Ｐｋに徐々に近づけていく。なお、ｉ，ｊ，ｋは、任意の数でよい。

これにより、急激な方向変更などの際にも、基準測位位置Ｐ０，Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３と、搬送波積算時測位位置Ｐ０−１〜Ｐ３−２との間の位置の不連続性が低減される。また、高加速度状態では、速度変化が即反映された高速測位が行われ、また、低加速度状態では、平均的な位置精度向上が行われている基準測位位置に基づくことになるので、適切な高速測位解が得られる。

なお、経過時間内に、一部の衛星に対する衛星追尾が外れる場合がある。この場合も、速度方程式を解ける４衛星以上あれば、同様に速度は求められるので、本発明の方式は有効である。しかし、衛星数不足により異常な速度解しか得られない場合がある。異常速度か否かは基準速度Ｖ０〜Ｖ３との比較で判定可能であるので、異常速度と判定した場合のみ、基準速度で代用しても良い。また、もし、別の速度推定装置から概略の速度が得られる場合には、その概略の速度を用いて、異常速度の判定及び処理を行っても良い。

また、飛行機以外の基本的には平面移動を行う移動体（例、車や高速船）の場合には、垂直速度＝０とした形に速度方程式を変更し、３衛星以上で解ける形にしても良い。

なお、以上の説明では、単独測位の形で説明したが、ＤＧＰＳ関連などで速度補正情報が得られる場合には、基準測位位置演算装置１３にて速度補正情報も記憶し、移動量演算装置１６において移動量を求める際に、その速度補正情報で単独測位精度を補正しても良い。

本発明に係る衛星信号を利用した高速測位システムの第１実施例の構成図 図１の高速測位システムの動作を説明する図 本発明の第２の実施例に係る処理のフローを示す図

符号の説明

１ アンテナ
１１ 衛星信号追尾装置
１２ 基準測位タイミング決定装置
１３ 基準測位位置演算装置
１４ 搬送波積算位相計測装置
１５ 経過時間計測装置
１６ 移動量演算装置
１７ 測位位置演算・出力装置
１００ 制御装置

Claims (4)

1. 移動体に搭載され、複数の衛星からの衛星信号を利用して位置を求める測位システムであって、
   各衛星信号に追尾して追尾情報を送出する衛星信号追尾装置と、
   前記衛星信号追尾装置から得られる搬送波追尾情報から各衛星信号の搬送波の積算位相を求める搬送波積算位相計測装置と、
   第１時間毎に発生される基準測位タイミングを決定する基準測位タイミング決定装置と、
   前記基準測位タイミングにおける基準測位位置を前記追尾情報に基づいて求める基準測位位置演算装置と、
   前記第１時間より短い第２時間毎に測位を行う時刻を決定するために、前記基準測位タイミングからの経過時間を計測する経過時間計測装置と、
   前記搬送波積算位相計測装置から得られる各衛星信号の搬送波積算位相の前記経過時間中の変化に基づいて、基準測位タイミングからの前記経過時間内の移動量及び前記第２時間毎の移動量を計算する移動量演算装置と、
   前回得られた測位位置に前記第２時間毎の移動量を加算した第１位置と、基準測位位置に前記経過時間内の移動量を加算した位置から前記第１位置を減算し更に所定時定数で除して第２位置を求め、前記第１位置に前記第２位置を加算して得られる搬送波積算時測位位置を出力する測位位置演算・出力装置を備えることを特徴とする、測位システム。
2. 前記測位位置演算・出力装置は、前記搬送波積算時測位位置と前記基準測位位置とを一連の測位位置として出力することを特徴とする、請求項１に記載の測位システム。
3. 前記基準測位タイミングから当該時点での基準測位位置が求まる基準測位所要時間までの間は、前回の基準測位タイミングにおける基準測位位置とその前回基準測位タイミングからの移動量を用いて、前記搬送波積算時測位位置を求めることを特徴とする、請求項１に記載の測位システム。
4. 前記移動量は、各衛星信号の搬送波積算位相、経過時間、衛星軌道情報に基づいて得た基準測位タイミングからの平均速度と、基準測位タイミングからの経過時間との積によって得ることを特徴とする、請求項１に記載の測位システム。

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