JP4216419B2

JP4216419B2 - 移動速度測定装置

Info

Publication number: JP4216419B2
Application number: JP28665499A
Authority: JP
Inventors: 健二井澗
Original assignee: Furuno Electric Co Ltd
Current assignee: Furuno Electric Co Ltd
Priority date: 1999-10-07
Filing date: 1999-10-07
Publication date: 2009-01-28
Anticipated expiration: 2019-10-07
Also published as: JP2001108735A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ＧＰＳ衛星等の測位用衛星から送信される電波を受信して、移動体の移動速度を測定する装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のＧＰＳ等の測位用衛星を用いた測位システムの主たる目的は、受信点の測位を行うことであり、要求される測位精度に応じて単独測位または相対測位が行われていた。
【０００３】
また、受信点の移動速度を測定する場合には、単独測位を行うとともに、受信点の移動に伴って、測位用衛星のキャリア周波数と受信機側で発生したキャリア信号の周波数との間に生じるドップラシフト周波数成分を抽出し、これを基に受信点の移動速度を求めるようにしていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、単独測位を行うとともに、ドップラシフト周波数を抽出して受信点の移動速度を測定する従来の方法では、たとえば数ｃｍ／秒の精度の高精度で受信点の移動速度を求めることは不可能であった。また、或る基準とする点に対する移動速度（相対速度）を測定することはできなかった。
【０００５】
そこで、従来実用化されているリアルタイムキネマティックＧＰＳ（ＲＴＫ−ＧＰＳ）装置で相対速度を求めようとすれば、▲１▼或る１つの衛星を基準として２つの衛星を組とし、基準局と移動局とで複数組の衛星について、それぞれ２つのＧＰＳ衛星からの電波を受信して、キャリア位相の二重位相差を求める。▲２▼二重位相差に加算すべき整数値バイアス（整数波長の下駄履き分）を決定する。▲３▼複数の二重位相差から、基準局に対する移動局の相対位置を求める。▲４▼移動局の相対位置の単位時間当たりの移動量から、移動局の基準局に対する相対速度を求める、という手順となる。
【０００６】
上記の方法によれば、数ｃｍ／秒の精度の高精度で受信点の移動速度を求めることが可能である。しかし、この方法では、上記整数値バイアスが決定されなければ、相対速度の測定は全く不可能である。受信機の電源を投入してから整数値バイアスが決定されるまでには、通常１５分を必要とし、それまでは測定できない。また、整数値バイアスの決定に要する数以上の衛星からの電波が受信できないような条件の下では、整数値バイアスが決定されないため、相対速度の測定は不可能である。
【０００７】
この発明の目的は、上記整数値バイアスの決定を不要として、且つ基準局に対する移動局の相対速度を高精度に測定できるようにした移動速度測定装置およびそのシステムを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明は、基準局で、各測位用衛星のキャリア位相を観測し、それらのキャリア位相情報を電波等で送信し、移動局で、上記基準局で求められた各測位用衛星のキャリア位相情報を受信し、また各測位用衛星からの電波を受信して各々のキャリア位相を観測するとともに、これらのキャリア位相と基準局で求められたキャリア位相とを基にキャリア位相の二重位相差の時間経過に伴う変化量を求める。また、移動局の単位相対移動量に対する二重位相差の変化量の係数である速度変換係数を求め、この速度変換係数と上記二重位相差の変化量とから、基準局に対する移動局の相対移動速度を求める。
【０００９】
すなわち、上記速度変換係数をＡ〔位相差変化量／単位相対移動量〕とし、キャリア位相の二重位相差の１秒間の変化量をｒとすれば、相対速度ｘは、
ｘ＝Ａ^-1ｒ
で求める。但し、ｘは３次元ベクトルである。
【００１０】
またこの発明は、基準局で、各測位用衛星のキャリア周波数と受信機側で発生したキャリア信号の周波数との差を観測してその情報を送信し、移動局で、各測位用衛星からの電波を受信して各々のキャリア周波数と受信機側で発生したキャリア信号の周波数との差（以下「キャリア周波数差」という。）を観測するとともに、これらのキャリア周波数差と、基準局から受信した各測位用衛星についてのキャリア周波数差とを基に、キャリア周波数差の二重差を求める。また移動局の相対移動速度に対するキャリア周波数差の二重差の係数である速度変換係数を求め、この速度変換係数とキャリア周波数差の二重差とから、基準局に対する移動局の相対移動速度を求める。
【００１１】
すなわち、上記速度変換係数をＡ〔キャリア周波数差／相対移動速度〕とし、キャリア周波数差の二重差をｒとすれば、相対速度ｘは、
ｘ＝Ａ^-1ｒ
で求める。但し、ｘは３次元ベクトルである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
第１の実施形態に係る移動速度測定装置およびそのシステムの構成を図１〜図５を参照して説明する。
図１は移動速度測定システムの構成を示すブロック図である。図１において基準局はたとえば陸地に固定されていて、移動局は船舶に設けられている。基準局はＧＰＳアンテナ、ＤＧＰＳ（コードディファレンシャルＧＰＳ）補正データを受信するアンテナおよび移動局との間で無線データリンクに用いる送信アンテナを備えている。移動局にはＧＰＳアンテナと上記無線データリンク用の受信アンテナを備えている。この例では２つの移動局を示しているが、移動局同士は独立していて、それぞれ基準局とペアで、基準局に対する移動局の移動速度（相対速度）を測定する。したがって、システムによっては、移動局は単一であってもよいし、３つ以上の多数であってもよい。
【００１３】
図２の（Ａ）は基準局の構成を示すブロック図、（Ｂ）は１つの移動局の構成を示すブロック図である。基準局において、受信回路１１はＧＰＳアンテナからの受信信号を増幅して中間周波信号に変換する。Ａ／Ｄコンバータ１２は、その受信信号をディジタル信号のデータ列としてディジタル信号処理回路１３へ与える。このディジタル信号処理回路１３は、そのディジタルデータ列に対して演算処理を行って、Ｃ／Ａコード位相とキャリア位相を求める。プロセッサ１４は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなり、上記ディジタル信号処理回路１３で求められた各相関値からキャリア位相およびＣ／Ａコードの位相を検出し、キャリア位相とＣ／Ａコード位相の追尾を行う。
【００１４】
ＤＧＰＳ補正データ受信機１５は、ＦＭ放送等に多重化されているＤＧＰＳ補正データを受信し、各衛星についての擬似距離補正データを求める。プロセッサ１４は、インタフェース１６を介してそのデータを読み取る。
【００１５】
データ送信機１７は各衛星のキャリア位相データ、基準局の位置データ、およびＤＧＰＳ補正データを所定のフォーマットで移動局へ無線送信する。プロセッサ１４はインタフェース１８を介してこれらの送信データをデータ送信機１７へ与える。
【００１６】
図２の（Ｂ）において受信回路２１は、ＧＰＳアンテナからの受信信号を増幅して中間周波信号に変換する。Ａ／Ｄコンバータ２２は、その受信信号をディジタル信号のデータ列としてディジタル信号処理回路２３へ与える。このディジタル信号処理回路２３は、そのディジタルデータ列に対して演算処理を行って、Ｃ／Ａコード位相とキャリア位相を求める。プロセッサ２４は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなり、上記ディジタル信号処理回路２３で求められた各相関値からキャリア位相およびＣ／Ａコードの位相を検出し、キャリア位相とＣ／Ａコード位相の追尾を行う。
【００１７】
データ受信機２７は基準局から送信された、各衛星のキャリア位相データ、基準局の位置データ、およびＤＧＰＳ補正データを含む信号を受信し、プロセッサ２４はインタフェース２８を介してそれらのデータを抽出して所定領域に格納する。
【００１８】
図３は、図２に示した基準局および移動局におけるディジタル信号処理回路の主要部の構成を示すブロック図である。図３においてキャリアＮＣＯ４６は、基準クロック信号と、図２に示したプロセッサから与えられる数値制御データに基づいた周波数でキャリア周波数信号の実部成分（Ｉ信号）と虚部成分（Ｑ信号）を発生し、４つの乗算器３４，３５，３６，３７に対して上記Ｉ信号とＱ信号を与える。このコードＮＣＯ４７は、基準クロック信号とプロセッサから与えられる制御データに応じた周波数および位相でコード発生器４８を制御する。コード発生器４８はコードＮＣＯ４７から与えられる信号を基にＣ／Ａコードを発生し、図に示した３つの乗算器に対して０．５チップ進んだＣ／Ａコード“Ｅ”、０．５チップ遅れたＣ／Ａコード“Ｌ”および進み遅れのない０チップのＣ／Ａコード“Ｐ”とをそれぞれ与える。ＰＩ積分器３８は、入力データにＣ／Ａコード“Ｐ”が乗算され、さらにキャリアのＩ信号が乗算された値を所定時間積分して、その値をＩ相関値としてレジスタ３９へ入れる。ＰＱ積分器４０は、入力データにＣ／Ａコード“Ｐ”が乗算され、さらにキャリアのＱ信号が乗算された値を所定時間積分して、その値をＱ相関値としてレジスタ４１へ入れる。ＥＩ積分器４２は、入力データにＣ／Ａコード“Ｅ”が乗算され、さらにキャリアのＩ信号が乗算された値を所定時間積分する。また、ＬＩ積分器４３は、入力データにＣ／Ａコード“Ｌ”が乗算され、さらにキャリアのＩ信号が乗算された値を所定時間積分する。加算器４４はＥＩ積分器４２の積分結果からＬＩ積分器４３の積分結果を減じて、その値をＥ−Ｌ相関値としてレジスタ４５へ入れる。
【００１９】
図２に示したプロセッサ１４および２４は、図３に示したレジスタ３９，４１に求められたＩ相関値とＱ相関値からキャリア位相を検出し、またレジスタ４５に求められたＥ−Ｌ相関値からコード位相を検出する。
【００２０】
図４は基準局におけるプロセッサの処理手順を示すフローチャートである。基準局における測位処理では、（Ａ）に示すように、まずＤＧＰＳ補正データを受信し、また各衛星から基準局の受信点までの擬似距離を観測する。そしてこれらの擬似距離をＤＧＰＳ補正データで補正し、基準局の位置をコードディファレンシャル測位する。
【００２１】
基準局におけるキャリア位相観測処理では、図４の（Ｂ）に示すように、各衛星について上記Ｉ相関値とＱ相関値とに基づいてキャリア位相を観測し、各衛星についてのキャリア位相データを求める。
【００２２】
基準局におけるデータ送信処理では、図４の（Ｃ）に示すように、各衛星のキャリア位相データ、基準局の位置データおよびＤＧＰＳ補正データを所定のデータフォーマットで移動局へ無線送信する。
【００２３】
図５は移動局における処理手順を示すフローチャートである。移動局におけるデータ受信処理では、図５の（Ａ）に示すように、基準局で求められた各衛星のキャリア位相データ、基準局の位置データおよびＤＧＰＳ補正データを基準局から受信する。
【００２４】
移動局における測位処理では、図５の（Ｂ）に示すように、まず、各衛星について、受信点までの擬似距離を観測し、ＤＧＰＳ補正データで補正してコードディファレンシャル測位を行う。そして基準局と移動局の位置関係において、基準局に対する移動局の相対移動量に対するキャリア位相の二重位相差の変化量の係数である速度変換係数を求める。この値は、各組の２つの衛星の位置と基準局および移動局の位置関係から逆算する。
【００２５】
移動局における移動速度測定の処理では、図５の（Ｃ）に示すように、まず各衛星についてキャリア位相を観測し、このキャリア位相と、基準局で求められた各衛星のキャリア位相とから、或る衛星を基準として２つの衛星を組とし、基準局と移動局におけるキャリア位相の二重位相差を求める。すなわち、基準とする衛星について基準局で観測したキャリア位相と、移動局で観測したキャリア位相との差（一重位相差）を求め、また他の１つの衛星について同様に一重位相差を求め、上記一重位相差の差を二重位相差として求める。これを上記基準とする衛星と他の複数の衛星を組としてそれぞれ求める。そして、前回求めたキャリア位相二重位相差に対する、今回求めたキャリア位相二重位相差の変化量を求める。この図５の（Ｃ）に示す処理を毎秒行う場合には、この変化量は１秒当たりのキャリア位相二重位相差の変化量である。その後、上記二重位相差の変化量とすでに求めた速度変換係数とから相対速度を算出する。すなわち、上記速度変換係数をＡ〔位相差変化量／単位相対移動量〕とし、キャリア位相の二重位相差の１秒間の変化量をｒとすれば、相対速度ｘを、
ｘ＝Ａ^-1ｒ
で求める。但し、ｘは３次元ベクトルである。
【００２６】
次に、第２の実施形態に係る移動速度測定装置およびそのシステムの構成を図６および図７を参照して説明する。
【００２７】
第１の実施形態では、キャリア位相の二重位相差を基にして移動速度を求めるようにしたが、この第２の実施形態では受信機側で発生したキャリア周波数に対する各衛星のキャリア周波数の差を基にして移動速度を求めるものである。
【００２８】
図６は基準局における処理手順を示すフローチャートである。基準局における測位処理は図６の（Ａ）に示すとおりであり、第１の実施形態の場合と同様である。基準局におけるキャリア周波数差観測処理では、図６の（Ｂ）に示すように、受信機側でキャリア周波数と仮定して発振させた発振周波数に対する各衛星のキャリア周波数の差すなわちドップラーシフト周波数を観測する。これは、図３に示した信号処理の構成において、キャリア位相の追尾状態でキャリアＮＣＯ４６から出力されるキャリアのＩ信号およびＱ信号の繰り返し周波数と基準クロック信号との周波数差に相当する。結局、プロセッサがキャリア位相追尾のためにキャリアＮＣＯ４６に所定周期で与えられる制御データが上記キャリア周波数の差のデータに対応する。このように、各衛星についてキャリア周波数差を観測してそのデータを求める。
【００２９】
基準局におけるデータ送信処理では、図６の（Ｃ）に示すように、各衛星ついてのキャリア周波数差のデータ、基準局の位置データ、およびＤＧＰＳ補正データを移動局に対して無線送信する。
【００３０】
図７は移動局における処理手順を示すフローチャートである。移動局におけるデータ受信処理では、図７の（Ａ）に示すように、基準局で求められた各衛星のキャリア周波数差のデータ、基準局の位置データ、およびＤＧＰＳ補正データを含む所定フォーマットの信号を基準局から受信して、これらのデータを抽出する。
【００３１】
移動局における測位処理では、図７の（Ｂ）に示すように、まず、各衛星について、受信点までの擬似距離を観測し、ＤＧＰＳ補正データで補正してコードディファレンシャル測位を行う。そして基準局と移動局の位置関係において、基準局に対する移動局の相対移動速度とキャリア周波数差の二重差の係数である速度変換係数を求める。この値は、各組の２つの衛星の位置と基準局および移動局の位置関係から逆算する。
【００３２】
移動局における移動速度測定処理では、図７の（Ｃ）に示すように、まず受信機側で発生したキャリア周波数に対する各衛星のキャリア周波数の差を観測する。そして２つの衛星を組とするキャリア周波数差の二重差を求める。すなわち或る基準とする衛星について基準局で観測したキャリア周波数差と移動局で観測したキャリア周波数差との差（一重差）を求め、他の衛星について同様にキャリア周波数差の一重差を求め、この２つの一重差同士の差をキャリア周波数差の二重差として求める。そして、このキャリア周波数差の二重差と上記速度変換係数とから相対速度を算出する。すなわち、上記速度変換係数をＡ〔キャリア周波数差／相対移動速度〕とし、キャリア周波数差の二重差をｒとすれば、相対速度ｘを、
ｘ＝Ａ^-1ｒ
で求める。但し、ｘは３次元ベクトルである。
【００３３】
以上に示したいずれの実施形態でも、基準局と移動局の位置をたとえば±１０ｍ程度の測位精度で測位すれば、基準局を中心として半径１０ｋｍ程度の範囲で２ｃｍ／秒程度の相対速度の測定精度が得られる。
【００３４】
また、このような相対速度測定システムを用いれば、たとえばタンカー等大型船の接岸速度計として用いることができる。すなわち、基準局を陸地に固定しておき、移動局を船に設けておくことにより、各船は岸壁に対する接近速度を測定することができる。
【００３５】
なお、実施形態では基準局を陸地の固定位置に設け、移動局を船舶に設けたため、実質上船舶の絶対速度を測定するようにしたが、基準局も移動局と同様に移動体に設ければ、両者の相対速度を求めることができる。
【００３６】
また実施形態では、基準局の位置をＤＧＰＳによりコードディファレンシャル測位を行ったが、基準局が常に固定であって、その位置が既知であれば、基準局の測位は不要である。
【００３７】
また、実施形態では基準局と移動局の位置をコードディファレンシャル測位を行って測位するようにしたが、これらを単独測位で求めるようにしてもよい。この場合、２ｃｍ／秒程度の相対速度の測定精度が得られる範囲が基準局を中心として半径１ｋｍ程度に狭くなる。
【００３８】
【発明の効果】
この発明によれば、整数値バイアスの決定が不要であるため、受信を開始した直後から移動速度の測定が可能となる。また、受信可能な衛星数がキャリアの整数値バイアスを決定可能な数に満たない場合でも高精度な移動速度の測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係る移動速度測定システムの構成を示すブロック図
【図２】基準局および移動局の構成を示すブロック図
【図３】基準局および移動局におけるディジタル信号処理回路の構成を示すブロック図
【図４】基準局における処理手順を示すフローチャート
【図５】移動局における処理手順を示すフローチャート
【図６】第２の実施形態に係る移動速度測定システムにおける基準局の処理手順を示すフローチャート
【図７】同システムにおける移動局の処理手順を示すフローチャート
【符号の説明】
３１〜３７−乗算器
４４−加算器

Claims

移動局に設けられる移動速度測定装置であって、
基準局で各測位用衛星からの電波のキャリア位相が観測され、前記基準局から送信される、各測位用衛星のキャリア位相情報を受信する手段と、
各測位用衛星からの電波のキャリア位相を観測するとともに、当該キャリア位相と前記基準局から受信した各測位用衛星のキャリア位相情報とを基に、前記測位用衛星のうち基準とする測位用衛星と対象とする測位用衛星とを組として、移動局での観測によるキャリア位相と前記基準局での観測によるキャリア位相とにより求まる一重位相差の差である二重位相差を求めるとともに、当該二重位相差の時間経過にともなう変化量を求める手段と、
前記基準局に対する移動局の単位相対移動量に対する前記二重位相差の変化量の係数である速度変換係数を求め、該速度変換係数と前記二重位相差の変化量とから、前記基準局に対する移動局の相対移動速度を求める手段と、
を備えてなる移動速度測定装置。
移動局に設けられる移動速度測定装置であって、
基準局で、各測位用衛星からの電波のキャリア周波数と基準局の受信機側で発生されたキャリア信号の周波数との差として観測され、前記基準局から送信される各測位用衛星のキャリア周波数差情報を受信する手段と、
各測位用衛星からの電波のキャリア周波数と移動局の受信機側で発生したキャリア信号の周波数との差を観測するとともに、当該キャリア周波数の差と前記基準局から受信した各測位用衛星のキャリア周波数差情報とを基に、前記測位用衛星のうち基準とする測位用衛星と対象とする測位用衛星とを組として、移動局での観測によるキャリア周波数差と前記基準局での観測によるキャリア周波数差とにより求まる一重差の差であるキャリア周波数差の二重差を求める手段と、
前記基準局に対する移動局の相対移動速度に対するキャリア周波数差の二重差の係数である速度変換係数を求め、該速度変換係数と前記二重差とから、前記基準局に対する前記移動局の相対移動速度を求める手段と、
を備えてなる移動速度測定装置。
基準局に対する移動局の相対移動速度を測定する移動速度測定システムであって、
各測位用衛星からの電波のキャリア位相を観測し、各測位用衛星のキャリア位相情報を送信する手段を前記基準局に設け、
前記基準局から各測位用衛星のキャリア位相情報を受信する手段と、各測位用衛星からの電波のキャリア位相を観測するとともに、当該キャリア位相と前記基準局から受信した各測位用衛星のキャリア位相情報とを基に、前記測位用衛星のうち基準とする測位用衛星と対象とする測位用衛星とを組として、前記移動局での観測によるキャリア位相と前記基準局での観測によるキャリア位相とにより求まる一重位相差の差である二重位相差を求めるとともに、当該二重位相差の時間経過にともなう変化量を求める手段と、前記基準局に対する前記移動局の単位相対移動量に対する前記二重位相差の変化量の係数である速度変換係数を求め、該速度変換係数と前記二重位相差の変化量とから、前記基準局に対する前記移動局の相対移動速度を求める手段とを前記移動局に設けてなる移動速度測定システム。
基準局に対する移動局の相対移動速度を測定する移動速度測定システムであって、
各測位用衛星からの電波のキャリア周波数と前記基準局の受信機側で発生したキャリア信号の周波数との差を観測して各測位用衛星のキャリア周波数差情報として送信する手段を前記基準局に設け、
前記基準局で求められた各測位用衛星についてキャリア周波数差情報を受信する手段と、各測位用衛星からの電波のキャリア周波数と前記移動局の受信機側で発生したキャリア信号の周波数との差を観測するとともに、当該キャリア周波数の差と前記基準局から受信した各測位用衛星についてのキャリア周波数差情報とを基に、前記測位用衛星のうち基準とする測位用衛星と対象とする測位用衛星とを組として、前記移動局での観測によるキャリア周波数差と前記基準局での観測によるキャリア周波数差とにより求まる一重差の差であるキャリア周波数差の二重差を求める手段と、前記基準局に対する前記移動局の相対移動速度に対するキャリア周波数差の二重差の係数である速度変換係数を求め、該速度変換係数と前記二重差とから、前記基準局に対する前記移動局の相対移動速度を求める手段とを前記移動局に設けてなる移動速度測定システム。