JP4387508B2 - 鉄道車両搭載ｇｐｓ測位装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄道車両に搭載される高信頼性のＧＰＳ測位装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、自動車や航空機の測位システムとして、人工衛星を利用したＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）が採用されるようになってきている。
【０００３】
一般的には、車両に搭載されたＧＰＳ受信機に、４つのＧＰＳ衛星により送信されるコード化された信号が到達する時間を精密に測定することによって、ＧＰＳ受信機搭載車両の位置が確立される。これらの測定値はそれぞれの衛星からの車両の距離と関係付けられる。
【０００４】
また、距離タイミングコードとともに正確な衛星位置推定データも衛星によって送信されるので、全ての衛星の位置は受信するユーザーに常に知られている。
【０００５】
よって、４つの衛星の位置と関連する距離を知ることによって、車両のＧＰＳ受信機は、推定位置を得ることができる。
【０００６】
以下、その従来手法ＧＰＳの測位（４衛星によるもの）について説明する。
【０００７】
各衛星の座標を（ｘ_i ，ｙ_i ，ｚ_i ）、求める測位点の座標を（ｘ，ｙ，ｚ）、各衛星から測位点までの疑似距離〔衛星から測位地点までの電波伝播遅延時間（時計の誤差を含む）から求めた距離〕をｄｉ、時計の誤差をδｔ、光速をｃとし、
ｄ_i ＝√［（ｘ−ｘ_i ）² ＋（ｙ−ｙ_i ）² ＋（ｚ−ｚ_i ）² ］−ｃδｔ
…（１）
ここで（１）式を測位地点の近傍の推定座標を（ｘ₀ ，ｙ₀ ，ｚ₀ ）とし、以下のように置き換える。
【０００８】
ｄ_i ＝ｄ_i0＋（∂ｄ／∂ｘ）δｘ＋（∂ｄ／∂ｙ）δｙ
＋（∂ｄ／∂ｚ）δｚ−ｃδｔ …（２）
ただし、
ｄ_i0＝√［（ｘ₀ −ｘ_i ）² ＋（ｙ₀ −ｙ_i ）² ＋（ｚ₀ −ｚ_i ）² ］
この時、以下のような近似を用い、
∂ｄ／∂ｙ≒［−（ｙ_i −ｙ₀ ）］／ｄ_i ≡β_i
∂ｄ／∂ｘ≒［−（ｘ_i −ｘ₀ ）］／ｄ_i ≡α_i
∂ｄ／∂ｚ≒［−（ｚ_i −ｚ₀ ）］／ｄ_i ≡γ_i
また、次のように
δｄ_i ＝ｄ_i −ｄ_i0
とおくと、上記（１）式を以下の行列で表現できる。
【０００９】
Ａ・δＸ＝δＤ …（３）
【００１０】
【数１】

上記（３）式よりＡの逆行列をＡ^-1として、
δＸ＝Ａ^-1・δＤ
として測位地点の座標の候補を求め、これをさらに候補地点として繰り返し計算し、候補地点と求めた地点の座標の距離差が一定の値以下になった時点で終了しそれを最終的に求める座標とする。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のＧＰＳ測位装置では、４衛星からの電波を受信する必要があり、都市部、山間部などの通信障害物の多い地上で受信障害の発生率が高くなり高アベイラビリティを実現するには問題があった。
【００１２】
そこで、それを補うために、地上に地点情報を有する設備を配置したり、他測位方式との併用を行うなどの必要があった。
【００１３】
本発明は、より少ない数のＧＰＳ衛星と鉄道車両の路線情報とを組み合わせることにより、上記問題点を除去し、都市部、山間部などの障害物の多い地上でも位置情報の高アベイラビリティを実現することができる鉄道車両搭載ＧＰＳ測位装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕鉄道車両搭載ＧＰＳ測位装置において、２個のＧＰＳ衛星からの信号を受信する鉄道車両に搭載されたＧＰＳ受信機と、前記鉄道車両に搭載された路線の３次元空間での形状データである、概略化した路線図データと詳細な路線図データとを備えた路線情報蓄積装置と、前記ＧＰＳ受信機と前記路線情報蓄積装置からの情報を取り込み処理する情報処理装置と、この情報処理装置に接続される出力装置とを備え、前記路線情報蓄積装置からの路線の３次元空間での形状データの内前記概略化した路線図データを用いて大まかな候補地点を求め、さらにその地点から詳細な路線図データを用いて、路線上での前記鉄道車両の位置を特定するようにしたものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する、
図１は本発明の実施例を示す鉄道車両搭載ＧＰＳ測位システムの構成図である。
【００１６】
この図において、１は鉄道車両、２はその鉄道車両１に搭載され、ＧＰＳ衛星１１，１２からの情報を受けるアンテナ、３はそのアンテナ２に接続されるＧＰＳ受信機、４は鉄道車両の路線情報蓄積装置、５はＧＰＳ受信機３と鉄道車両の路線情報蓄積装置４からの情報を取り込み処理する情報処理装置、６はその情報処理装置５からの情報を出力する出力装置である。
【００１７】
このように構成したので、路線情報を持った移動局としての鉄道車両１において、高アベイラビリティでの車上位置検知を可能とし、運転制御、運転支援、保守、列車運行情報の取得などに利用することができる。ここで、ＧＰＳ受信機３からの情報は一次元情報であり、その鉄道車両１の路線上での位置および時間は、２個のＧＰＳ衛星１１，１２の距離から求めることができる。測位方法としては、鉄道車両１の簡略化した路線図と２個のＧＰＳ衛星１１，１２からの距離によって大凡の位置を求め、さらに詳細な鉄道車両１の路線図と２個のＧＰＳ衛星１１，１２からの距離によって鉄道車両１の位置を特定する。特に、駅構内や都市近郊や山間部で多くの衛星（４個以上）からのデータ受信が困難な地域での測位を可能とする。
【００１８】
ここで、具体的な例について説明する。
【００１９】
第１のＧＰＳ衛星１１の位置（座標）をＰ₁ （ｘ₁ ，ｙ₁ ，ｚ₁ ）、第２のＧＰＳ衛星１２の位置（座標）をＰ₂ （ｘ₂ ，ｙ₂ ，ｚ₂ ）、各衛星からの擬似距離をｄ₁ ，ｄ₂ 、光速をｃとする。
【００２０】
そこで、求める地点の座標をＰ（ｘ，ｙ，ｚ）、時間誤差をΔｔとすると、
√〔（ｘ−ｘ₁ ）² ＋（ｙ−ｙ₁ ）² ＋（ｚ−ｚ₁ ）² 〕＝ｄ₁ ＋ｃ∂ｔ
…（Ａ）
√〔（ｘ−ｘ₂ ）² ＋（ｙ−ｙ₂ ）² ＋（ｚ−ｚ₂ ）² 〕＝ｄ₂ ＋ｃ∂ｔ
…（Ｂ）
となる。
【００２１】
上記式（Ａ）と式（Ｂ）の交点の軌跡は、｜ｄ₁ −ｄ₂ ｜は衛星間の距離より必ず小さいために、回転双曲線となる。
【００２２】
以下、説明に従って線区データベースを連立させて解を求める。
【００２３】
図２は本発明に係るＧＰＳの測位の説明図、図３はそのＧＰＳの測位の詳細部の説明図である。なお、図２及び図３において、Ａは推定地点（既知）、Ｘは求める地点である。
【００２４】
〔１〕直線の路線情報を利用した２衛星１１，１２によるＧＰＳの測位
ｉ番目の衛星の座標を（ｘ_i ，ｙ_i ，ｚ_i ）、求める測位点の座標を（ｘ，ｙ，ｚ）、各衛星から測位点までの疑似距離〔衛星から測位地点までの電波伝播遅延時間（時間の誤差を含む）から求めた距離〕をｄ_i 、時計の誤差をδｔ、光速をｃとする。
【００２５】
ｄ_i ＝√［（ｘ−ｘ_i ）² ＋（ｙ−ｙ_i ）² ＋（ｚ−ｚ_i ）² ］−ｃδｔ …（１）
路線情報蓄積装置から測位地点近傍の路線データを取得する。
【００２６】
（ｘ−ｘ_L ）／ａ＝（ｙ−ｙ_L ）／ｂ＝（ｚ−ｚ_L ）／ｃ …（２）
ここで、測位地点の近傍の上記（２）式上推定座標を（ｘ₀ ，ｙ₀ ，ｚ₀ ）とする。ここで、上記（１）式については以下のように置き換える。
【００２７】
ｄ_i ＝ｄ_i0＋（∂ｄ／∂ｘ）δｘ＋（∂ｄ／∂ｙ）δｙ
＋（∂ｄ／∂ｚ）δｚ−ｃδｔ …（３）
ただし、ｄ_i0＝√［（ｘ₀ −ｘ_i ）² ＋（ｙ₀ −ｙ_i ）² ＋（ｚ₀ −ｚ_i ）² ］
上記（２）式を媒介変数ｓで表すと、
ｘ＝ｘ_L ＋ａｓ
ｙ＝ｙ_L ＋ｂｓ
ｚ＝ｚ_L ＋ｃｓ
δｘ≡ｘ−ｘ₀ ＝ａδｓ
δｙ≡ｙ−ｙ₀ ＝ｂδｓ
δｚ≡ｚ−ｚ₀ ＝ｃδｓ
ここで以下のような近似を用い、
∂ｄ／∂ｘ≒［−（ｘ_i −ｘ₀ ）／ｄ_i ］≡α_i
∂ｄ／∂ｙ≒［−（ｙ_i −ｙ₀ ）／ｄ_i ］≡β_i
∂ｄ／∂ｚ≒［−（ｚ_i −ｚ₀ ）／ｄ_i ］≡γ_i
δｄ_i を次のように置くと
δｄ_i ＝ｄ_i −ｄ_i0
と置くと、上記（３）式を以下の行列で表現できる。
【００２８】
Ａ・δＸ＝δＤ …（４）
【００２９】
【数２】

上記（４）式よりＡの逆行列をＡ^-1として
δＸ＝Ａ^-1・δＤ
として測位地点の座標の候補を求め、これをさらに候補地点として繰り返し計算し、候補地点と求めた地点の座標の距離差が一定の値以下になった時点で終了しそれを最終的に求める座標とする。
【００３０】
〔２〕曲線の路線情報を利用した２衛星によるＧＰＳの測位
（１）まず、既に分かっている候補地点Ｐ₀₀（ｘ₀₀，ｙ₀₀，ｚ₀₀）から求める曲線上の最短地点Ｐ₀₁を求める。
（２）次に、上記Ｐ₀₁を通る曲線の接線を求める。
（３）この接線を直線で表された路線情報として「直線の路線情報を利用した２衛星によるＧＰＳ測位」と同様に解き、求まった地点を次の候補地点Ｐ₀₀′として、繰り返し候補地点と求めた地点の距離の差が一定値以下になった時に求めた地点を最終的に求めた地点とする。
【００３１】
上記のＧＰＳ測位方法を用いる際には、連立させる式は候補地点の近傍を表す数個を個別に連立させ、それぞれ解を求め、その中から定義域を満たすものを最終的な解として地点が求まる。
【００３２】
鉄道車両の走行は、図４に示すように、路線形状２１に従う。そこで、鉄道車両は、走行に伴い路線情報を蓄積することができる。なお、２２は測定地点である。
【００３３】
このように、ＧＰＳ衛星と、鉄道車両の路線情報とを組み合わせることにより、鉄道車両の位置、速度における十分な精度を得ることができる。
【００３４】
次に、〔１〕，〔２〕を実施する際のＧＰＳ装置で初期化後測位時に用いる階層化線区データベースによる地点候補線区区分絞込み手法について説明する。
【００３５】
目的は、初期化後測位時、予め地点候補がない場合、膨大な線区区分をそれぞれ連立させて膨大な数の解を求める必要がある。この際に、大局的に候補となる線区区分を推定するために、線区データベースを粒度別に複数保持する。
【００３６】
すなわち、線区データベースとしては、図５に示すように、「線区概略」３１から「線区詳細」３２までと線区の形状を表現する詳しさの段階別に複数保持する。
【００３７】
ＧＰＳによる測位は、継続して測位する場合と始めから測位する場合に分けることができる。
（１）連続して測位している場合の次の地点の測位（連続測位）。
（２）アルマナック等（衛星の軌道情報など）の情報が保持され、ある程度の現在位置の候補位置が分かっている場合（中断後測位）。
（３）完全に初期化されて始めて測位する場合（初期化後測位）。
線区データベースを粒度別に複数保持する。
【００３８】
上記（１）の場合は、予め近い候補地点が分かっているため「線区詳細」３２を用いて少ない計算量で高速で地点を求めることが可能である。
【００３９】
上記（２）の場合は、「線区詳細」３２を用いて測位が可能である（場合によっては、上記（３）と同様な処理も可能である）。
【００４０】
上記（３）の場合は「線区概略」３１を用いて大まかな候補地点を求め、その地点から「線区詳細」３２の最近傍地点からさらに「線区詳細」３２のデータを用いて地点を求める。
【００４１】
路線情報を全て近似的に直線で構成することによって、「直線の路線情報を用いた２衛星によるＧＰＳ測位」だけで位置を求めることも可能であるが、直線と曲線が混合した路線情報を用い「曲線の路線情報を用いた２衛星によるＧＰＳ測位」を併用も可能である。
【００４２】
なお、本発明の単独での測位（単独測位）の他に、既存の方式であるコード位相ディファレンシャル疑似距離補正方式との組み合わせも可能である。
【００４３】
また、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００４４】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、都市部、山間部などの障害物の多い地上でも高信頼性の位置情報を得ることができ、鉄道などの分野において格段にＧＰＳの有用性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例を示す鉄道車両搭載ＧＰＳ測位システムの構成図である。
【図２】 本発明に係るＧＰＳの測位の説明図である。
【図３】 本発明に係るＧＰＳの測位の詳細部の説明図である。
【図４】 本発明の実施例を示す鉄道車両搭載ＧＰＳ測位方法の一例を示す説明図である。
【図５】 本発明の実施例を示す線区データベースの線区概略と線区詳細の説明図である。
【符号の説明】
１ 鉄道車両
２ アンテナ
３ ＧＰＳ受信機
４ 鉄道車両の路線情報蓄積装置
５ 情報処理装置
６ 出力装置
１１，１２ ＧＰＳ衛星
２１ 路線形状
２２ 測定地点
３１ 線区概略
３２ 線区詳細

Claims (1)

1. （ａ）２個のＧＰＳ衛星からの信号を受信する鉄道車両に搭載されたＧＰＳ受信機と、
   （ｂ）前記鉄道車両に搭載された路線の３次元空間での形状データである、概略化した路線図データと詳細な路線図データとを備えた路線情報蓄積装置と、
   （ｃ）前記ＧＰＳ受信機と前記路線情報蓄積装置からの情報を取り込み処理する情報処理装置と、
   （ｄ）該情報処理装置に接続される出力装置とを備え、
   前記路線情報蓄積装置からの路線の３次元空間での形状データの内前記概略化した路線図データを用いて大まかな候補地点を求め、さらにその地点から詳細な路線図データを用いて、路線上での前記鉄道車両の位置を特定するようにしたことを特徴とする鉄道車両搭載ＧＰＳ測位装置。

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