JP4215264B2 - 位置及び姿勢推定装置 - Google Patents

Description

本発明はＧＮＳＳ航法測位技術に関し、特に、姿勢推定精度および位置推定精度を向上させる装置に関する。このＧＮＳＳとはGlobal Navigation Satellite Systemの略称であって、ＧＰＳに代表される人工衛星による全世界航法測位システムや、ロシアが運用中のＧＬＯＮＡＳＳ、欧州が開発中のＧＡＬＩＬＥＯ、そして、日本が開発中の準天頂衛星システム等が含まれる。

ＧＮＳＳは航空機、船舶、自動車の航法測位に広く使われているが、複数のアンテナに対するＧＰＳ観測データ(搬送波位相)の位相差を用いることで姿勢決定にも使用でき、船舶ではＧＰＳコンパスとして実用化されている。位置・姿勢推定精度を高めるためにはＧＮＳＳ信号に含まれるマルチパス誤差（多重伝搬誤差）を軽減する必要がある。
このマルチパス誤差は、特別なアンテナ(チョークリング・アンテナ等)を使用すること、受信機内部で高度な相関器(ナローコリレータ,ストロボコリレータ)を使うことで軽減できることが知られているが、複数のアンテナを使って受信し、これらの受信信号を総合処理して軽減することも可能である。

複数のアンテナによって受信するものとして、特許文献１には、電波の一時的な遮蔽あるいはフェージング等がある場合にも、高い測位精度を実現することのできる測位装置を得ることを目的とした、測位装置が提示されている。この測位装置は発信機からの電波を複数の受信機で受信し、その受信信号に基づいて発信機の位置を一定周期ごとに測位するとともに、次回周期測位予測値を推定する機能を備えており、複数の受信機の受信信号による観測値と、推定された次回周期測位予測値による予測値との比較に基づいて測位予測誤差を算出する測位処理部と、測位予測誤差に基づいて発信機の測位値及び次回周期測位予測値の状態推定を行うフィルタ手段とを備えるものである。従来の測位装置は電波の一時的な遮蔽、あるいは室内環境で発生するフェージング等により、一時的に測位が中断されてしまうと、整数値バイアスが失われてしまい、測位の続行が不可能となる。あるいは、誤った整数値バイアスを用いて測位しなければならないため、以後の測位における誤差が大きくなってしまうという問題がある。また、受信機間の位相差によって測位を行うため、位相の基準とする受信機が遮蔽される、あるいはフェージング等により受信状態が悪くなると、全ての方程式における位相差の計測精度が悪くなってしまい、測位精度が劣化してしまうという問題がある。しかし、この発明は前記フィルタ手段により推定される測位予測値を活用することにより、基準となる特定の受信機を定める必要がなく、それぞれの受信機の受信信号に基づいて測位を行うことができ、ある受信機で電波の一時的な遮蔽あるいはフェージング等がある場合にも、高い測位精度を実現することのできる測位装置を得ることができるものである。

また、特許文献２には、ＧＰＳ衛星を用いて移動体の測位を行う測位装置において、マルチパスによる影響を除去して測位の検出精度を向上させると共に、信頼性を向上させることを目的とした「測位装置」が開示されている。この測位装置はＧＰＳ衛星からの信号を受信するｎ個（ｎは１以上の整数）のアンテナと、ｎ個のベースバンド信号を時間軸方向にｍ個分割して得られた（ｍ×ｎ）のベースバンド信号から（ｍ×ｎ）チャンネルの位置情報を算出する（ｍ×ｎ）個のベースバンド信号処理部を備えｎ個のアンテナのそれぞれから受信信号を復調してｎ個のベースバンド信号に変換し、各ｎ個のベースバンド信号毎に、時間の異なるｍ個のデータに分配し、（ｍ×ｎ）個のベースバンド信号を得て、空間ダイバシティと時間ダイバシティとにより、移動体の位置を算出するように構成することで、信頼性が向上され、また、位置検出精度が向上されるものである。

ところで、前記の特許文献１と特許文献２そして非特許文献１も精度の高い測位装置を提供することを課題としたものであり、精度の良い姿勢装置を提供することは想定していない。また、特許文献１は電波の一時的な遮蔽あるいはフェージング等による影響を除去する技術であり、マルチパス誤差を軽減または除去する技術ではない。特許文献２はマルチパスについての言及はあるものの、この装置は（ｍ×ｎ）個のベースバンド信号処理部で算出された（ｍ×ｎ）チャンネルの位置情報の中から、受信状態検出部で検出された受信状態の情報に応じて、受信状態の悪いチャンネルの位置情報をスクリーニングするスクリーニング部と、（ｍ×ｎ）個のベースバンド信号処理部で算出された（ｍ×ｎ）チャンネルの位置情報からスクリーニングされた情報を除いた後、演算部においてダイバシティ処理を行って、移動体の位置情報を検出算出するという手法を採用しており、処理方法が厄介であり装置が複雑化する。
特許文献３の米国特許は複数のアンテナを配置して各アンテナで取得した信号と受信機内部で生成した信号の相関をとる相関器を用いるものであるが、姿勢角については外部情報を用いるものである。
特開２００５−３２６１８４号公報 「測位装置」 平成１７年１１月２４日公開 特開２００５−６９７４３号公報 「測位装置」 平成１７年３月１７日公開 米国特許第６８８２３１２号 M. Y. Vorobiev et a1., “Method and Apparatus for Multipath Mitigation Using Antenna Array” Apr. 19, 2005． Ray, J. K., M. E. Cannon and P. Fenton, Mitigation of Static Carrier Phase Multipath Effects Using Multiple C1osely-Spaced Antennas, NAVIGATION, J. of the Institute of Navigation, 46, No.3, 1999, pp193-202.

本発明の課題は、複数アンテナを使用するＧＮＳＳ位置・姿勢推定装置において、装置を複雑化することなく、マルチパス誤差を軽減することにより、姿勢推定精度および位置推定精度を向上させることにある。

本発明の姿勢推定装置は、移動体上に複数のアンテナを搭載し、各アンテナで取得したＧＮＳＳ衛星信号と装置内部で生成したレプリカ信号の相関をとる相関器において、姿勢角情報を用いて式２で計算した搬送波位相差を拘束条件として課する機能を備えるようにした。

また、本発明の姿勢推定装置は、上記構成に加え、従来のＧＮＳＳ姿勢推定装置の機能により得られた姿勢角を初期値とし、前記の拘束条件を有する相関器を用いることにより搬送波位相のマルチパス誤差を軽減し、各アンテナにおける搬送波位相φ_ｍ＋φ_ｋを推定して姿勢角を再度計算する手段を備えるようにした。なお、φ_ｍは基準となるアンテナにおける位相の推定値である。
また、本発明の姿勢推定装置は、上記構成に加え、再計算した姿勢角が収束したか否かを判定する手段を備え、収束していなければこの時の推定値を初期値として再び処理を繰り返し、収束するまで行い、その結果として姿勢角を高精度に推定する。また、マルチパス誤差が低減された搬送波位相を用い搬送波差分測位や精密単独測位手法における精度を向上させるようにした。

本発明の姿勢推定装置は、移動体上に複数のアンテナを搭載し、各アンテナで取得したＧＮＳＳ衛星信号と装置内部で生成したレプリカ信号の相関をとる相関器において、姿勢角情報を用いて式２で計算した搬送波位相差を拘束条件として課する機能を備えるようにしたものであるから、
そのことにより、本発明の姿勢推定装置は、ジャイロ等の姿勢検出装置を使用せずに、ＧＮＳＳ受信機のみで姿勢推定が出来、マルチパス誤差を軽減することで従来よりも推定精度が向上することができる。この装置を船舶等移動体に搭載すれば、従来よりも高精度に移動体の位置、姿勢を推定することができ、移動体からのリモートセンシング等、地球環境科学・工学におおきな貢献をすることができる。

レプリカ信号との相関をとる方式の本発明の姿勢推定装置における姿勢推定の原理を説明する。複数（ｎ個）のＧＮＳＳアンテナ群（Ant-1〜Ant-ｎ）が船舶や航空機、大型車両といった移動設備に搭載され、三次元空間に配設されているとき、１つのアンテナAnt-1と他のアンテナAnt-ｋとＧＮＳＳ衛星の位置関係を図３に示して考察する。実際の位置関係は三次元であるが、この図は三者の中心位置を含む平面で二次元的に描写してある。アンテナのAnt-1とAnt-ｋからＧＮＳＳ衛星の距離はアンテナのAnt-1とAnt-ｋ間の距離と比較すると十分に大きく無限遠の存在と見なせるので、受ける電波の方向は平行の関係となる。今、アンテナのAnt-1を基準としてアンテナから見たＧＮＳＳ衛星の仰角をＥとし、アンテナのAnt-1とAnt-ｋの位相中心の間隔をｄ_ｋとし、アンテナのAnt-1とAnt-ｋとを結ぶ線の水平線とのなす角を姿勢角θとすると、アンテナのAnt-1とＧＮＳＳ衛星間の距離と、アンテナのAnt-ｋとＧＮＳＳ衛星間の距離との差である遅延距離Ｌは次式(式１)で計算される。

複数あるアンテナの相互位置関係は固定であるから、各ｄ_ｋ値は既知である。また、搬送波位相差φ_ｋは次式 (式２) で与えられる。

上記した式２の関係はＧＮＳＳ衛星からアンテナが直接受信した搬送波について成立するものであって、高層ビル等の構造物に反射して伝搬されたマルチパス誤差信号には成立しないことに着目する。次に、複数ある各アンテナで受信した信号と受信機内部で生成したレプリカ信号との相関処理を行うが、アンテナｋ(ｋ＝２〜ｎ)で受信した信号に対する相関値を計算する際に式２で計算した搬送波位相差を拘束条件として使用する。すなわち、アンテナで取得した信号に対するレプリカ信号の同相成分および直交成分を振幅をＡとしてそれぞれ次式（式３）とすると、

アンテナｋで取得した信号に対するレプリカ信号はそれぞれ、次式(式４)となる。

全アンテナに対する相関値から、受信信号に重畳されているマルチパス誤差信号が排除され、ＧＮＳＳ衛星からの直進搬送波を推定して特定できる。結果としてアンテナ１における位相の推定値φ_ｍが得られ、アンテナｋに対する位相の推定値はφ_ｍ＋φ_ｋとなる。

本発明の姿勢推定装置の全体構成は、図１のように複数のＧＮＳＳアンテナ１〜Ｎの群１、低ノイズアンプ（ＬＮＡ）２、バンドパスフィルタ,アンプ,ミキサ等からなるＲＦ部３、アナログ/デジタル変換器（ＡＤＣ）４、各アンテナからの信号を通常のＧＮＳＳ受信機と同様に処理して疑似距離,搬送波位相,航法メッセージを出力するデータ処理器５、各アンテナ対する疑似距離,搬送波位相,航法メッセージから位置および姿勢角を演算する演算器６、そして位置姿勢を高精度に推定する推定器７からなっている。推定器７は演算器６で計算した姿勢角、または過去の推定器７の出力姿勢角値、または過去の推定器７の出力値に基づく現在の姿勢角予測値を初期値として使用するもので、この推定器７で本発明特有の相関計算を行っている。

推定器７における処理を図２に示すフローチャートに沿って説明する。複数のアンテナが移動設備上に搭載されているため、当初姿勢角θは従来装置と同様に正確には特定されていない。ステップ１でまず不正確な姿勢角θの予測値を初期値としてアンテナ対における搬送波位相差φｋを計算する。ステップ２で位相差を拘束条件とする相関計算を行い、各アンテナにおける搬送波位相φｍ＋φｋを推定する。ステップ３で推定した搬送波位相φｍ＋φｋにより姿勢角θを新たに計算する。続いてステップ４で初期値との差を設定値と比較することにより姿勢角θの推定が収束したかの判定を行い、収束していなければこの時の推定値を初期値としてステップ１から再び処理を繰り返し、収束するまで行う。収束すればステップ５に進み、その時の搬送波推定値を用いてアンテナ位置計算を行い精度の高い位置・姿勢角値を出力する。
本発明の位置・姿勢推定装置は基準局を使わずにＧＰＳ精密衛星軌道、時計推定値と搬送波観測データを使って精密測位を行う精密単独測位(ＰＰＰ：Precise Point Positioning)の装置であってもよい。

マルチパス誤差低減による位置姿勢角精度が向上するので、高精度な位置または姿勢角を必要とするすべてのＧＮＳＳ応用分野で利用できる。例えば船舶等で使用されるＧＰＳコンパスの改良品となる。また移動体からのリモートセンシング等、地球環境科学・工学の分野で貢献することができる。

本発明に係る姿勢推定装置の全体構成を示すブロック図である。 本発明に係る姿勢推定装置の推定器７における処理を説明するフローチャートである。 １つのアンテナAnt-1と他のアンテナAnt-ｋとＧＮＳＳ衛星の位置関係と本発明の姿勢推定装置における拘束条件を説明する図である。

符号の説明

１ アンテナ群 ２ 低ノイズアンプ（ＬＮＡ）
３ ＲＦ部 ４ アナログ/デジタル変換器（ＡＤＣ）
５ データ処理器 ６ 演算器
７ 推定器

Claims (2)

1. 移動体上に複数のアンテナを搭載し、各アンテナで取得したＧＮＳＳ衛星信号と装置内部で生成したレプリカ信号の相関をとる相関器を含む位置及び姿勢推定装置において、姿勢角予測値を初期値に用いて次式で計算した搬送波位相差φｋを拘束条件として相関計算を行う手段と、該相関計算手段を用いることにより搬送波位相のマルチパス誤差を軽減し、各アンテナにおける搬送波位相φｍ＋φｋを推定して姿勢角を新たに計算する手段とを備えた位置及び姿勢推定装置。
   

   

   上記においてφｍは基準となるアンテナにおける位相の推定値、また、式中Ｅはアンテナから見たＧＮＳＳ衛星の仰角、ｄｋは１つのアンテナと他のアンテナｋの位相中心の間隔、θは両アンテナ位置を結ぶ線の水平線とのなす角を姿勢角、λは搬送波の波長である。
2. 初期値との差を設定値と比較することにより計算した姿勢角が収束したか否かを判定する手段を備えたものであって、上記姿勢角予測値の初期値には従来公知のＧＮＳＳ姿勢推定装置より得られた姿勢角を用い、前記判定手段の判定で収束していなければこの時の推定値を初期値として再び計算を行い、収束するまで再計算を繰り返し、その結果として姿勢角を高精度に推定することを特徴とする請求項１に記載の位置及び姿勢推定装置。

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