JP4364131B2 - サイクルスリップ検出装置及びサイクルスリップ検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、全地球測位システム（ＧＰＳ：Global Positioning System）において発生するサイクルスリップを検出するためのサイクルスリップ検出装置及びサイクルスリップ検出方法に関する。

ＧＰＳは、複数個の人工衛星と、これらの衛星からデータ受信する受信機とからなり、この受信機を車両、船舶、航空機といった移動体に搭載することにより、正確な位置、速度等を測定することができる（例えば、非特許文献１参照）。
日本測地学会「新訂版 ＧＰＳ−人工衛星による精密測位システム」

しかしながら、上記のＧＰＳには、以下の解決すべき課題が存在する。
受信機が人工衛星からデータを受信し、測位を行うためには、人工衛星から発せられた搬送波を受信し、これによりデータの送信元である人工衛星の位置を把握し続ける必要がある。

通常、人工衛星の追尾を行うに際の不確定性は一定であるが、例えば受信機と人工衛星との間に樹木や建築物等の遮蔽物が存在する場合、搬送波の受信が中断され、受信が再開された際には、上記の不確定性の値が変化してしまう。このような減少はサイクルスリップと呼ばれ、正確な測位を行うことの阻害要因となっている。

上記のサイクルスリップの値は、Ｌ１信号（周波数：１５７５．４２Ｍｈｚ、波長：約１９ｃｍ）の場合、約１９ｃｍである。

上記の人工衛星は、高度約２００００ｋｍの軌道上を周回しており、人工衛星と受信機との距離の変化は、上記のサイクルスリップの値より大であり、また、信号ノイズやマルチパス等の影響により、約１９ｃｍの位相変化を受信機により観測されたキャリア位相そのものから検出することは困難である。

なお、上記のサイクルスリップの検出方法としては、２個の人工衛星の位相データを異なる時刻で２回収集し、３重差をとる方法が挙げられる。しかしながら、この方法では、２個の人工衛星のどちらでサイクルスリップが発生しているかを特定できない。

このような事情に鑑み本発明は、効率的且つ確実にサイクルスリップを検出することが可能なサイクルスリップ検出装置及びサイクルスリップ検出方法を提供することを目的とする。

請求項１に記載の本発明は、複数個の人工衛星を含む全地球測位システムにおいて発生するサイクルスリップを検出するためのサイクルスリップ検出装置であって、観測対象である人工衛星の過去におけるキャリア位相をｎ次の方程式により最小二乗近似し、これにより未来時刻におけるキャリア位相を推定し、推定されたキャリア位相と時刻におけるキャリア位相の実測値との差分を求め、差分と所定の閾値とを比較する第１の比較手段と、差分が閾値より大である場合に観測対象である人工衛星とは別の人工衛星の過去におけるキャリア位相をｎ次の方程式により最小二乗近似し、これにより未来時刻におけるキャリア位相を推定し、推定されたキャリア位相と時刻におけるキャリア位相の実測値との差分を求め、差分と所定の閾値とを比較する第２の比較手段と、第２の比較手段により求められた差分が閾値以下である場合にサイクルスリップが発生していると判定する判定手段と
を有することを要旨とする。

請求項２に記載の本発明は、複数個の人工衛星を含む全地球測位システムにおいて発生するサイクルスリップを検出するためのサイクルスリップ検出方法であって、観測対象である人工衛星の過去におけるキャリア位相をｎ次の方程式により最小二乗近似し、これにより未来時刻におけるキャリア位相を推定し、推定されたキャリア位相と時刻におけるキャリア位相の実測値との差分を求め、差分と所定の閾値とを比較する第１の比較工程と、差分が閾値より大である場合に観測対象である人工衛星とは別の人工衛星の過去におけるキャリア位相をｎ次の方程式により最小二乗近似し、これにより未来時刻におけるキャリア位相を推定し、推定されたキャリア位相と時刻におけるキャリア位相の実測値との差分を求め、差分と所定の閾値とを比較する第２の比較工程と、第２の比較工程において求められた差分が閾値以下である場合にサイクルスリップが発生していると判定する判定工程とを有することを要旨とする。

本発明においては、観測対象である人工衛星の過去におけるキャリア位相をｎ次の方程式により最小二乗近似し、これにより未来時刻におけるキャリア位相を推定し、推定されたキャリア位相と前記の時刻におけるキャリア位相の実測値との差分を求め、この差分と所定の閾値とを比較し、差分が閾値より大である場合に別の人工衛星についても同様の処理を行い、これにより求められた差分が閾値以下である場合にサイクルスリップが発生していると判定する。

したがって、サイクルスリップの検出、サイクルスリップが発生している人工衛星の特定を効率的且つ確実に行うことが可能となる。

以下、図面を提示しつつ本発明のサイクルスリップ検出装置及びサイクルスリップ検出方法について説明する。
なお、以下の実施例は、あくまでも本発明の説明のためのものであり、本発明の範囲を制限するものではない。したがって、当業者であれば、これらの各要素又は全要素を含んだ各種の実施例を採用することが可能であるが、これらの実施例も本発明の範囲に含まれる。
また、以下の実施例を説明するための全図において、同一の要素には同一の符号を付与し、これに関する反復説明は省略する。

図１は、本発明の一実施例に係るＧＰＳ（全地球測位システム）１の構成図である。
このＧＰＳ１は、複数個の人工衛星２（本図では、２ａから２ｄの５個を図示）と、人工衛星３から送信されたデータ３（３ａから３ｄ）を受信するサイクルスリップ検出装置４とからなる。

サイクルスリップ検出装置４は、人工衛星２からコードレンジ（擬似距離）情報、キャリア位相情報等を受信し、これらの情報からキャリア位相の変化量を求め、これによりサイクルスリップを検出するものであり、アンテナ部５と、受信部６と、記憶部７と、演算部８と、判定部９と、入出力部１０とからなる。

受信部６は、人工衛星２からアンテナ部５を介して上記の各種情報を受信する。

演算部８は、受信部６により受信された情報に基づいてサイクルスリップが発生しているか否かを判定するための判断材料となる数値を演算する。

演算処理を行う。

記憶部７は、判定部９による判定に必要な閾値等を記憶する。

判定部９は、演算部８の演算結果に基づいてサイクルスリップが発生しているか否かを判定する。

なお、上記の演算部８及び９の処理の詳細については後述する。

入出力部１０は、ユーザによる入力信号（処理開始の指示信号等）の受付、また、ユーザへの演算結果や判定結果等の出力を行う。

次に上記のキャリア位相について説明する。このキャリア位相φ^s _iは、以下の式で表される。

なお、上記の式（１）におけるφ_i ^sは観測地点ｉで観測した人工衛星ｓ（例えば、図１の２ａ）のキャリア位相[cycle]、ρ_i ^sは人工衛星２ａとサイクルスリップ検出装置４との真の距離（幾何学的距離）、dep _i ^sはエフェメリス誤差（人工衛星の位置情報の誤差）、dt_iはサイクルスリップ検出装置４のクロックオフセット、dｔ^ｓは人工衛星２ａのクロックオフセット、dtrp_i ^sは観測地点ｉで観測した人工衛星２ａの対流圏遅延量[m]、dion_i ^sは観測地点ｉで観測した人工衛星２ａの電離層遅延量[m]、ｄM_i ^sは観測地点ｉで観測した人工衛星２ａのマルチパス[cycle]、ε_φはキャリア位相雑音等の誤差[cycle]を指す。

なお、φ_i ^sは受信部６により所定の時間間隔をもって定期的に出力され、観測時刻も同時に記録される。

次に、図２を参照しつつ、上記のサイクルスリップ検出装置４によるサイクルスリップ検出処理の詳細について説明する。
前記のとおり、人工衛星２ａとアンテナ部５との間に遮蔽物等が存在する場合、受信部６が人工衛星２ａから送信されるデータを定期的に受信できなくなる場合がある。

したがって、演算部８は、対象となる人工衛星（例えば、２ａ）のキャリア位相の最新の観測時刻とその前の観測時刻（直近観測時刻）との差、つまり観測間隔が求められ、判定部９は、所定の時間間隔値を記憶部７より読みだし、これと前記の観測間隔とを比較し（Ｓ１）、観測間隔が所定の時間間隔値より大である場合（Ｓ１：ＹＥＳ）、サイクルスリップが発生していると判定する（Ｓ６ａ）。

一方、観測間隔が所定の時間間隔値より大でない場合（Ｓ１：ＮＯ）、演算部８は、受信部６より出力された人工衛星２ａのキャリア位相（過去数回の観測分、本実施例では３回分）をｎ次の方程式（本実施例では２次方程式）により最小二乗近似曲線を計算し、これにより人工衛星２ａの次の観測時刻（未来時刻）におけるキャリア位相を推定する（Ｓ２）。

未来時刻におけるキャリア位相が推定され、当該時刻となると、演算部８は、キャリア位相の実際の値（観測値）と推定された値との差分を算出する（Ｓ３）。

次に、判定部７は、所定の閾値（本実施例では０．７５λ）を記憶部７から読みだし、この閾値と前記の差分とを比較し（Ｓ４）、差分が閾値より大でない場合（Ｓ４：ＮＯ）は、サイクルスリップが発生していないと判定する（Ｓ６ｂ）。

一方、上記の差分が閾値より大である場合、他の衛星（例えば、２ｂ）に関しても上記のＳ２からＳ３と同様の処理を行い、判定部９は、他の衛星におけるキャリア位相の差分と前記の閾値とを比較し（Ｓ６）、差分が閾値以下でない場合（Ｓ６：ＮＯ）は、受信部６の内部クロックの変位によるものと判断し、サイクルスリップが発生していないと判定する（Ｓ６ｂ）。

また、上記の差分が閾値以下である場合（Ｓ６：ＹＥＳ）は、サイクルスリップが発生していると判定する（Ｓ６ａ）。

以上のとおり本発明によれば、三重差などの方法を用いずとも、最小約１９ｃｍのサイクルスリップを効率的且つ確実に検出可能となり、キャリア位相を用いた精密な測量を継続的に行うことが可能となる。

また、サイクルスリップを検出することにより、サイクルスリップにより好ましくない影響を与えられたデータの排除・修正を行うことが可能となり、測位の信頼性と精度を向上させることが可能となる。

なお、上記のようなサイクルスリップ検出装置を用いるサイクルスリップ検出方法も本発明の範囲に含まれる。

本発明の一実施例に係る全地球測位システムの構成を示す図である。 図１のサイクルスリップ検出装置の処理動作を示す図である。

符号の説明

１…全地球測位システム、２…人工衛星、３…データ、４…サイクルスリップ検出装置、５…アンテナ部、６…受信部、７…記憶部、８…演算部、９…判定部、１０…入出力部

Claims (2)

1. 複数個の人工衛星を含む全地球測位システムにおいて発生するサイクルスリップを検出するためのサイクルスリップ検出装置であって、
   観測対象である人工衛星の過去におけるキャリア位相をｎ次の方程式により最小二乗近似し、これにより未来時刻におけるキャリア位相を推定し、前記推定されたキャリア位相と前記時刻におけるキャリア位相の実測値との差分を求め、該差分と所定の閾値とを比較する第１の比較手段と、
   前記差分が前記閾値より大である場合に前記観測対象である人工衛星とは別の人工衛星の過去におけるキャリア位相をｎ次の方程式により最小二乗近似し、これにより未来時刻におけるキャリア位相を推定し、前記推定されたキャリア位相と前記時刻におけるキャリア位相の実測値との差分を求め、該差分と所定の閾値とを比較する第２の比較手段と、
   前記第２の比較手段により求められた差分が前記閾値以下である場合にサイクルスリップが発生していると判定する判定手段と
   を有することを特徴とするサイクルスリップ検出装置。
2. 複数個の人工衛星を含む全地球測位システムにおいて発生するサイクルスリップを検出するためのサイクルスリップ検出方法であって、
   観測対象である人工衛星の過去におけるキャリア位相をｎ次の方程式により最小二乗近似し、これにより未来時刻におけるキャリア位相を推定し、前記推定されたキャリア位相と前記時刻におけるキャリア位相の実測値との差分を求め、該差分と所定の閾値とを比較する第１の比較工程と、
   前記差分が前記閾値より大である場合に前記観測対象である人工衛星とは別の人工衛星の過去におけるキャリア位相をｎ次の方程式により最小二乗近似し、これにより未来時刻におけるキャリア位相を推定し、前記推定されたキャリア位相と前記時刻におけるキャリア位相の実測値との差分を求め、該差分と所定の閾値とを比較する第２の比較工程と、
   前記第２の比較工程において求められた差分が前記閾値以下である場合にサイクルスリップが発生していると判定する判定工程と
   を有することを特徴とするサイクルスリップ検出方法。

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