JP4496891B2

JP4496891B2 - 位置検出方法及び位置検出装置

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Publication number: JP4496891B2
Application number: JP2004251226A
Authority: JP
Inventors: 徳久柳原; 利幸青木; 俊之田中
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2004-08-31
Filing date: 2004-08-31
Publication date: 2010-07-07
Anticipated expiration: 2024-08-31
Also published as: JP2006071286A

Description

本発明は、車，列車，人などの移動体の位置を検出するシステムに関する。

屋外で位置を検出するシステムとして、ＧＰＳ(Global Positioning System：全地球測位システム) が広く用いられている。ＧＰＳは、同時に４個以上のＧＰＳ衛星からの信号を捕捉して、３次元の位置を検出する。

通常のＧＰＳ衛星による位置検出は、ＧＰＳ衛星の軌道情報から衛星の位置を既知（基準）として、３個の衛星からの距離を電波が到達する時間で推定し、３つの衛星からの距離の交点を幾何学的に求めて、３次元位置を決定する。実際には、受信機は衛星に搭載しているような衛星と同期した高精度な原子時計を持っていないため、受信機の時計誤差と、３次元位置（経度，緯度，高さ）の合わせて４つの未知数があるため、４個以上の衛星を捕捉する必要がある。但し測位位置の高さ（高度）を仮定すると、未知数が時計誤差，経度，緯度の３個となり、３つの衛星を捕捉すれば２次元位置を求めることが可能となる。

また、ＧＰＳ衛星からの信号の到達時間に基づいて衛星からの距離を推定する場合には、前記時計誤差だけでなく、電波が地球表面の電離層，対流圏などを伝播するときに真空中よりも伝播速度が低下することによる誤差（伝播遅延誤差）も生ずる。この伝播遅延誤差は衛星毎に電波の伝播経路が異なるために、捕捉衛星数が増えてもこの伝播遅延誤差を補正することはできない。通常４つの衛星からの信号だけで３次元位置を検出する単独測位方式では、伝播遅延誤差を無視して位置を検出することになる。このため、伝搬遅延による誤差はそのまま位置誤差となって現れる。デファレンシャル測位（Ｄ−ＧＰＳ）方式では、この伝播遅延誤差を地球上に設置した基準局（既知点）などで推定し、誤差情報を提供することなどによって精度の向上を図っている。

この様に、ＧＰＳ衛星による位置検出では、一般に、都市部のビル街，山間部等の上空の視界が制限されている場所では、移動体（受信機）が４個以上の衛星を捕捉できず、
ＧＰＳ衛星による位置検出ができないという問題があった。また、伝播遅延誤差による位置検出精度の劣化を防止するためには、デファレンシャル測位（Ｄ−ＧＰＳ）方式の様に基準局を設置する必要がある。

これらを解決するために、ＧＰＳ衛星と等価な信号を発生させる送信機（擬似衛星）を地上に置いて位置を検出する方法が特開平１１−７２５４８号公報に開示されている。この特開平１１−７２５４８号公報には、地球上にＧＰＳ衛星と等価な信号を送信する擬似衛星を設置することによって、都市部のビル街などでもＧＰＳ衛星による位置検出を可能とする技術が開示されている。また、疑似衛星に基地局機能を持たせることによって、伝播遅延誤差を補正する技術も開示されている。

しかしながら、擬似衛星を含めて４個（または３個）以上の衛星を補足する必要があり、ＧＰＳ衛星が１個しか捕捉できない場合には、３個（または２個）以上の擬似衛星を設置しなければならない。また、位置検出精度を向上するためには、基準局の機能を持たせる必要があった。

特開平１１−７２５４８号公報

本発明の目的は、ＧＰＳ衛星を用いた位置検出システムにおいて、測位に用いる擬似衛星を含むＧＰＳ衛星の数が少ない位置検出システムを提供することである。

上記の目的は、移動体の移動経路を用いて移動体の三次元位置を推定することによって、未知数を少なくして位置検出の演算を行うことにより達成される。すなわち、移動体の移動経路が道路，歩道，鉄道の軌道などあらかじめ想定される場合には、移動経路上の３次元位置の関係が既知であることから、例えば緯度のみがわかれば経度，高さは一義的に計算することができる。この場合には、未知数が緯度と時計誤差の二つとなり、２個の衛星を捕捉し、２個の衛星からの距離で緯度，経度，高さの３次元位置を検出することが可能となる。

本発明の位置検出システムによれば、ＧＰＳ衛星２個もしくはＧＰＳ衛星１個と擬似衛星１個が捕捉できれば、位置を検出することが可能となり、４個以上のＧＰＳ衛星捕捉が困難な場所でもＧＰＳ衛星による位置検出が可能となる効果がある。

以下、図面により本発明を用いた位置検出システムの実施例を説明する。

図１に本発明を用いた位置検出システムの一実施例を示す。本実施例では、ＧＰＳ衛星２個により、位置を検出する場合を示している。図１は、移動体（車両）に適用した例であり、２個のＧＰＳ衛星１ａ，１ｂと、移動体に搭載された位置検出装置２，移動体の移動経路３の情報（道路地図など）を示している。

本実施例の動作について、まず衛星２個による位置の検出方法を説明する。ＧＰＳ衛星１ａから送信された測位信号を位置検出装置２で捕捉し、電波が到達するのに要した時間ｔａを基に、ＧＰＳ衛星１ａと位置検出装置２との距離を求める。電波は真空中であれば光速ｃで伝播することから、光速ｃと電波の伝播時間ｔａを乗算すれば、ＧＰＳ衛星１ａと位置検出装置２との距離が求まる。しかし、電波の伝播速度が空気中では光速よりも低下する影響（伝播遅延誤差）Ｅａと伝播時間の測定誤差（時刻誤差）ｂｕによる影響が、ＧＰＳ衛星１ａから位置検出装置２までの真の距離Ｌａに加わり、電波の伝播時間ｔａから測定される距離すなわち擬似距離ＰＬａは、式１で表されることになる。

式１において、伝播遅延誤差ＥａはＧＰＳ衛星１ａから送られた電波が、電離層，対流圏等で遅延することによる影響を示している。電波が遅延することによる影響を距離に換算してＥａで示している。また、ｂｕは伝搬時間の測定誤差を距離に換算して示したものである。各衛星は原子時計を利用して衛星間で同期した正確な時刻を持っているが、位置検出装置側では同期した正確な時刻をもっていないため、時計の誤差（クロックバイアスとも呼ばれる）が生ずる。時計誤差による距離誤差、すなわち時計誤差に電波の伝搬速度を乗じた値をｂｕとして示している。

ＧＰＳ衛星１ｂからの電波で測定される距離，擬似距離ＰＬｂについても式１と同様に、式２で表される。式２において、ｔｂは電波伝搬時間の測定値、Ｅｂは電波遅延誤差、ｂｕは時計誤差、ＬｂはＧＰＳ衛星１ｂから位置検出装置２までの真の距離である。尚、時計誤差ｂｕは、ＧＰＳ衛星１ａからの電波とＧＰＳ衛星１ｂからの電波の受信時刻が近接しているため同じと考えて良いが、電波の伝播遅延Ｅａと伝播遅延Ｅｂは、ＧＰＳ衛星と位置検出装置との伝搬経路がＧＰＳ衛星１ａとＧＰＳ衛星１ｂは同じではないため異なる。

移動体（車両等）は通常道路を走行することを考えると、経度，緯度，高さの３次元位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）はある関係を持つことになる。そこで、例えば緯度Ｘを変数ｘ_u として、移動経路の各点における三次元位置(ｘ_u，ｙ_u，ｚ_u) すなわち道路形状を式３で示すように近似する。このように、移動体が走行する道路は局所的にはｘ_uの多項式で近似でき、経度Ｙはｘ_uの関数ｆ_y、高さＺもｘ_uの関数ｆ_zとして表すことが可能である。

道路のほとんどは直線もしくは緩やかな曲線（カーブ）であることから、ｙ_u，ｚ_uは現在位置を中心として式４，式５で示すような２次式程度で表すことができる。これはカーナビゲーション装置で用いられる地図では、現在位置に近い複数の緯度，経度，高さで表された道路リンクのノードを通るような近似曲線に相当する。

尚、緯度に平行に設置された道路、すなわち南北に走っている道路では、緯度が変化しても経度がほとんど変化しないことになる。このような場合には、経度を変数として緯度や高さを表す方が良いことも考えられるが、いずれにしても変数を一つとして道路形状を表すことが可能であることには変わりない。

位置検出装置の位置座標を式３で表せば、ＧＰＳ衛星１ａ，１ｂから位置検出装置２までの真の距離Ｌａ，Ｌｂを、衛星の３次元位置座標（Ｘ_sa，Ｙ_sa，Ｚ_sa）,（Ｘ_sb，Ｙ_sb,Ｚ_sb）と位置検出装置２の位置座標（ｘ_u,ｆ_y(ｘ_u)，ｆ_z(ｘ_u)）を用いて表すことができ、式１，式２は、それぞれ式６，式７に変形できる。

式６，式７でＧＰＳ衛星１ａ，１ｂの３次元位置座標（Ｘ_sa，Ｙ_sa，Ｚ_sa），（Ｘ_sb，Ｙ_sb，Ｚ_sb）は通常のＧＰＳ衛星による位置検出と同様に衛星の軌道情報(エフェメリス)から、求めることが可能である。従って、式６の未知数はｘ_u ，ｂｕ，Ｅａ、式７の未知数はｘ_u ，ｂｕ，Ｅｂである。ここで、伝播遅延誤差Ｅａ，Ｅｂを無視すれば（０と仮定すれば）、未知数はｘ_u ，ｂｕの２つとなり、２個の衛星が捕捉できれば式６，式７の二つの方程式からｘ_u ，ｂｕを求めることが可能となる。式６，式７の二つの方程式を連立させて解く方法としては、式６，式７を差分方程式として収束演算を行う。求めたｘ_u を式３に代入すれば、位置検出装置２の３次元位置を求めることができる。ここでは、伝播遅延誤差を無視して位置を検出することを示したが、デファレンシャル測位(Ｄ−ＧＰＳ)方式で提供される、基準局で推定した地球上の伝播遅延の誤差情報により伝播遅延誤差を求める等、伝播遅延誤差を別の手段で求めることができる場合には、伝播遅延誤差Ｅａ，Ｅｂを無視せずに位置検出を行うことが出来るため、位置検出の精度を向上することができる。

本実施例の位置検出装置２の構成を図２に示す。図２の位置検出装置では、受信アンテナ２１を通して受信したＧＰＳ衛星からの信号をＲＦ部２２で処理し、コード生成部２３で受信した信号に埋め込まれているコード信号を取り出す。位置演算部２８では、取り出したコード信号を処理し電波の伝播時間を測定し、擬似距離を推定し、位置を演算する。演算に必要な移動経路（道路の形状など）の情報は、地図データ２５をアクセスして得る。もちろん位置演算部２８で通常のＧＰＳ測位演算も行うことも可能である。通常のＧＰＳ測位演算により位置演算部２８で得られた位置が道路上から外れている場合には、マップマッチング２６で地図データ２５を参照して修正することもできる。また、ＧＰＳ衛星からの電波が途切れた場合には、ジャイロ，車速などの移動体に搭載されている慣性航法センサ２７を用いて、位置演算部２８で位置を求めることも可能な構成としている。本発明の特徴は、地図データを位置演算に用いる構成となっていることにある。

図２の位置検出装置に実装されている本実施例の位置検出手順を図３に示す。ステップＦ０の初期捕捉とは、位置検出装置２の電源を入れた時点でＧＰＳ衛星を捕捉し、初期位置を演算する動作を示している。初期捕捉では、すべてのＧＰＳ衛星をスキャンし、捕捉可能なＧＰＳ衛星とこれらの各ＧＰＳ衛星の軌道情報などの測位演算に必要な情報を得て、位置検出装置の現在位置を求める。その後、ステップＦ１で捕捉衛星数が３個以上の場合には、位置演算部２８でステップＦ１１で通常のＧＰＳ受信機で用いられている測位演算を行い、位置を求める。この時、捕捉衛星数が３個の場合には、高さ情報を固定にした二次元測位を行って位置を求める。ステップＦ１２では、移動体が路上に存在しているという仮定の下で、地図データ２５の情報を元にマップマッチング２６におけるマップマッチング（地図参照）処理により、得られた位置が道路上から離れた位置であった場合には、測位演算で求めた位置を近傍の道路上に配置（変更）する。ステップＦ１３では、こうして道路上に配置した位置を現在位置としてデータを書き換える。次にステップＦ１４で、次の測位処理のタイミングで存在している可能性の高い現在位置を中心とした数十ｍ程度の範囲で、式４，式５で表される移動経路となる道路の線形の近似曲線、すなわち式４，式５の二次式の係数を求める。そして再びＧＰＳ衛星からの信号を受信してステップＦ１の判別処理に戻る。ステップＦ１で捕捉可能な衛星が２個以下となった場合には、ステップＦ２に進む。ここで測位可能なＧＰＳ衛星が２個である場合には、ステップＦ２１に進む。ステップＦ２１では直前の位置，時計誤差を初期値とする。ステップＦ２２で捕捉できた２つのＧＰＳ衛星からの信号の到達時間ｔａ，ｔｂから式１，式２の擬似距離ＰＬａ，ＰＬｂを求める。ステップＦ２３では式６，式７を連立させて２つの未知数，緯度ｘｕ，時刻誤差ｂｕを解く。ステップＦ２４で、収束誤差が予め定めた値以下となるまで、ステップＦ２３の演算を繰り返す。収束誤差が予め定めた値以下となれば、ステップＦ１３で位置データを書き換える。またステップＦ２で捕捉衛星数が１以下の場合には、ステップＦ３１で現在の位置を基点として、慣性航法センサ２７からの情報を用いてジャイロ（方位）と移動距離から位置を推定する。ステップＦ３２では、得られた位置をマップマッチング（地図参照）により、近傍の道路上に配置（変更）し、ステップＦ１３でこの配置結果を現在位置として書き換える。

本実施例によれば、従来、都市部等の捕捉可能なＧＰＳ衛星が２個以下となりＧＰＳ衛星による位置検出誤差ができない場所でも、ある程度の誤差で移動体の位置を道路上の位置として検出できるという効果がある。

図４に本発明を用いた位置検出システムの一実施例を示す。ＧＰＳ衛星１個と擬似衛星１個により、位置を検出する場合を示したものである。図４には、ＧＰＳ衛星からの信号に同期したＧＰＳ信号と等価な信号を送信する擬似衛星５と、移動体（車）に搭載された位置検出装置２，道路地図等などの移動経路情報３を示している。図１に示した実施例との相違は、ＧＰＳ衛星１ｂの代わりに、地上に置いた擬似衛星５が用いられていることである。

擬似衛星５の構成を図５に示す。擬似衛星５では、受信アンテナ５１からのＧＰＳ衛星１の信号を受信機５２で受信し、コード信号（送信時刻，衛星番号，軌道情報，衛星の健康情報など）を取り出す。内蔵された処理装置５３では受信した信号の中で、衛星番号のみを擬似衛星固有の番号に変換した等価な信号（擬似ＧＰＳ信号）を生成し、送出アンテナ５４から送出する。この擬似衛星固有の番号は、現在のＧＰＳ衛星の衛星番号が１〜３３となっていることから、これらとは別の衛星番号を割り当てるものとする。尚、擬似ＧＰＳ信号の中に受信したＧＰＳ衛星１の衛星番号を追加して送信している。この擬似ＧＰＳ信号の元になったＧＰＳ衛星を同期ＧＰＳ衛星と呼ぶことにする。これらの処理に係わるタイミングを、時間処理５５で一定にするように時間を管理している。

位置検出装置２はＧＰＳ衛星１からの信号と擬似衛星５からの信号を受信し、移動体が道路上を走行しているものとして移動経路３（地図）をもとに位置を計算する。本実施例においても、位置検出装置２の構成は図２と同じものであるが、擬似衛星の信号を受信したことを擬似衛星判別２４で検出し、位置演算の方式を変えることが可能となるようにしている。

まず、本実施例における位置検出の方式を説明する。各装置での受信，送信タイミングを図６に示す。ＧＰＳ衛星１から測位信号を送信した時刻を０とする。擬似衛星５では図６の擬似衛星５に示すイベントが発生する。先ず、アンテナでＧＰＳ衛星１からの信号を受信し、この信号に含まれる衛星番号を擬似衛星番号に変更するとともに、受信したＧＰＳ衛星１の衛星番号を同期衛星番号データとして加えて、送信する。この処理に要する時間をｔｔとする。このｔｔは、受信してから送信するまでの時間であり、図５の時間処理５５で一定に制御することが可能である。図６において、擬似衛星５がＧＰＳ衛星１からの信号を受信するまでの時間は、ＧＰＳ衛星１から擬似衛星５までの真の距離Ｌ２に、伝播遅延誤差（距離）Ｅ１を加えた伝播距離を伝播速度ｃで割った値となる。

位置検出装置では図６の位置検出装置２に示すイベントが発生する。位置検出装置２でＧＰＳ衛星１からの信号を受信するまでの時間は、ＧＰＳ衛星１から位置検出装置２までの真の距離Ｌ１にその間の伝搬遅延距離Ｅ１を加えた伝搬距離を伝播速度ｃで割った値となる。このとき位置検出装置２で測定した伝播時間ｔ１は、位置検出装置の時刻誤差ｂｕが加わり、式８で表される。

また、ＧＰＳ衛星１から送信された信号が擬似衛星５を経由して位置検出装置２に届くまでの時間は、ＧＰＳ衛星１と擬似衛星５までの真の距離Ｌ２と、擬似衛星５から位置検出装置２までの真の距離Ｌ３と、その間の伝播遅延距離Ｅ１とを加えて伝播速度ｃで割った値に、さらに擬似衛星５での処理時間をｔｔを加えた値となる。このとき位置検出装置２で測定した伝播時間ｔ２は位置検出装置時刻誤差ｂｕが加わり、式９で表される。

ここで、伝搬遅延距離Ｅ１は、同じ衛星から発信され、非常に近い距離の地点に到達することから、式８と式９では同じ値であると考えて良い。また、位置検出装置時刻誤差
ｂｕはほぼ同じ時刻に到達することから、これについても式８と式９では同じ値であると考えて良い。

式８，式９で表された位置検出装置２で測定可能な時間ｔ１，ｔ２から求められる擬似距離は、ＧＰＳ衛星１から位置検出装置２までの擬似距離ＰＬ１が式１０、擬似衛星５から位置検出装置２までの擬似距離ＰＬ３が式１１で表される。

式１０のＧＰＳ衛星１から位置検出装置２までの擬似距離ＰＬ１は、伝播時間ｔ１に伝播速度ｃを乗算したものであり、これはすなわち真の距離Ｌ１とその間の伝播遅延距離
Ｅ１，時計誤差ｂｕを加えたものとなる。擬似衛星５から位置検出装置２までの伝播時間については、測定される伝播時間ｔ２にはＧＰＳ衛星１と擬似衛星５までの真の距離Ｌ２を伝播する時間と擬似衛星５での処理時間ｔｔが含まれているため、測定される伝播時間ｔ２からこれらの時間を差し引く必要がある。式１１の擬似衛星５から位置検出装置２までの擬似距離ＰＬ３は、伝播時間ｔ２に伝播速度ｃを乗算したものからＧＰＳ衛星１と擬似衛星５までの真の距離Ｌ２を引き、さらに擬似衛星５での処理時間ｔｔ間に進む距離を差し引いたものとなる。これはすなわち、真の距離Ｌ３とその間の伝播遅延距離Ｅ１、時計誤差ｂｕを加えたものとなる。ここで注意すべきは、擬似衛星５から位置検出装置２の間の擬似距離ＰＬ３にも、ＧＰＳ衛星１から擬似衛星５の間の伝播遅延誤差Ｅ１が見えてくることである。

式１０，式１１には、ＧＰＳ衛星１の位置座標（Ｘ_s，Ｙ_s，Ｚ_s）、擬似衛星５の位置座標（Ｘ_p，Ｙ_p，Ｚ_p）、第１の実施例と同様に道路上を走行していることを前提に式３で移動体の位置座標（ｘ_u，ｆ_y(ｘ_u)，ｆ_z(ｘ_u)）が表されるとした場合についても合わせて表現している。尚、ＧＰＳ衛星１の位置座標（Ｘ_s，Ｙ_s，Ｚ_s）は、衛星の軌道情報から求めることができるのは実施例１と同様であるが、擬似衛星５の位置座標（Ｘ_p，Ｙ_p，Ｚ_p）は擬似衛星を設置したときに測量などで求めておくことにより固定された値として扱うことが出来るため、既知と考えて良い。そして、各擬似衛星に割り当てられた擬似衛星固有の番号とこの測量などによって得られた位置座標を対応付けた情報を、擬似衛星座標データ２９として位置検出装置２に格納しておくことにより、位置演算部２８における測位演算の際には受信した信号の衛星番号から対応する擬似衛星の位置座標を得ることが可能となる。

式１０と式１１の関係は、第１の実施例の式６と式７の関係と同じであり、伝搬遅延誤差Ｅ１がわかっているか推定できる、もしくは無視すれば、未知数がｘ_u とｂｕであることから、２つの方程式を解いてｘ_u，ｂｕを求めることができる。

本実施例による位置検出の動作を、図７に示す。図７に示す処理では、第１の実施例と異なる部分である捕捉されたＧＰＳ衛星の数が２個以下の場合処理の部分のみが異なり、その他の部分は同様である。図７において、捕捉した衛星数が２個である場合には、ステップＦ７でこの中に擬似衛星が含まれているかどうかを判別する。擬似衛星にはＧＰＳ衛星と異なる衛星番号が与えられていることから、受信した電波から得られるコード信号の衛星番号から容易に判別が可能である。捕捉した衛星の中に擬似衛星が含まれていない場合は、ステップＦ２１に進み、第１の実施例と同様にして、ステップＦ２１からステップＦ２４の処理で、ＧＰＳ衛星２個と移動経路情報から位置を算出する。

ステップＦ７で捕捉した衛星の中に擬似衛星が含まれている場合には、ステップＦ７１に進み、擬似衛星の信号に含まれている同期ＧＰＳ衛星番号を確認し、同じＧＰＳ衛星の信号を受信している場合にはステップＦ７２１に進む。ステップＦ７２１では直前に求められた位置とこの時の時計誤差を初期値とする。ステップＦ７２２で到達時間から式１０，式１１の擬似距離ＰＬ１，ＰＬ２を求める。ステップＦ７２３では式１０，式１１を連立させて差分方程式の収束演算を行い、緯度ｘ_u ，時刻誤差ｂｕを解く。ステップＦ724で、収束誤差があらかじめ定めた値以下となるまで、ステップＦ７２３の演算を繰り返す。これによって、移動経路上の位置を求めることができる。ステップＦ７１で同期ＧＰＳ衛星の信号を受信できていない場合には、ステップＦ３１の処理に移り、慣性航法による位置推定を行うことになる。

尚、擬似衛星５が複数のＧＰＳ衛星を受信している場合には、それぞれのＧＰＳ衛星の信号を元に、複数の擬似衛星信号を送出することもできるので、移動体の位置検出装置２で同期ＧＰＳ衛星を捕捉する確立を増やすことが可能となる。

今回の測位条件では複数の測位位置が存在する場合がある。そこで、測位位置の初期値設定では前回計算した位置を用いることにより、前回計算した位置に近い位置を求めるようにしている。

本実施例によれば、ＧＰＳ衛星が１個しか見えない場所でも、擬似衛星を設置することによって、移動経路の情報を用いて、３次元の位置を検出することが可能となる効果がある。

第３の実施例は、第２の実施例の位置の計算方式を変更したものである。式１０から、伝播遅延距離Ｅ１と時刻誤差ｂｕの和は、伝播時間ｔ１に伝播速度ｃを乗算したものからＧＰＳ衛星１と位置検出装置２との真の距離Ｌ１を引いたものとなる。これを、式１１に代入し、擬似衛星５と位置検出装置２との真の距離Ｌ３を左辺にして整理すると、式１２が得られる。さらに、式１２を変形し、左辺にＬ１，Ｌ２，Ｌ３がくるようにすると、式１３が得られる。

式１３は、ＧＰＳ衛星１から位置検出装置２までの真の距離Ｌ１と、擬似衛星５を経由した時の真の距離Ｌ２＋Ｌ３の差が、位置検出装置２で測定される伝播時間ｔ１，ｔ２と擬似衛星５での処理時間ｔｔ（既知）で表されることを示している。ここで注意すべきは、式１３には時計誤差ｂｕ，伝播遅延距離Ｅ１が含まれないことである。

式１３を、ＧＰＳ衛星１の位置座標（Ｘ_s，Ｙ_s，Ｚ_s）、擬似衛星５の位置座標（Ｘ_p，Ｙ_p，Ｚ_p）を用いて表すと、式１４のように変形できる。尚ＧＰＳ衛星１と擬似衛星５との距離Ｌ２は、実施例２で説明したように既知であるとして扱うことが出来ることからそのまま示している。

式１４において未知数は移動体の緯度ｘ_u のみである。したがって、位置検出装置の位置が式３を満たす経路上で、ＧＰＳ衛星１からの距離Ｌ１と擬似衛星５を経由した時の距離（Ｌ２＋Ｌ３）との差が、式１３の右辺に示すｔ２，ｔ１，ｔｔから求められる演算値、となるｘ_u を求めれば良いことを示している。本方式によれば、伝播遅延誤差Ｅ１の影響が除去できる。

図８に本実施例の手順を示す。第２の実施例との相違は、捕捉された２個の衛星に疑似衛星が含まれていた場合における処理の内、図７のステップＦ７２１〜Ｆ７２４の処理がステップＦ８２１〜Ｆ８２４の処理に変わった点にある。すなわち、ここでの処理は、
ＧＰＳ衛星からの距離Ｌ１と擬似衛星５を経由した時の距離Ｌ２＋Ｌ３との距離差がある値となるｘ_uを収束演算で求めている。ステップＦ８２１では前回の位置を初期値として設定する。Ｆ８２２では、距離差Ｌ２＋Ｌ３−Ｌ１を電波の到達時間ｔ１，ｔ２と処理時間ｔｔから式１３により求める。ステップＦ８２３ではステップＦ８２１で設定した初期値を出発点として移動経路上でステップ８２２で求めた距離差となる緯度ｘ_u を収束演算により求める。ステップＦ８２４で誤差が所定の値より小さくなれば、位置が求まったことになる。

擬似衛星が設置されている場所はもともとＧＰＳ衛星が捕捉困難な環境であり、ＧＰＳ衛星のみによる位置検出が困難な場所であることから、擬似衛星５からの電波が受信できたときには擬似衛星を利用した位置検出を優先するという手順（図９）も考えられる。図９に示す手順は、擬似衛星５の電波が捕捉できた場合には、擬似衛星からの電波による位置検出に切り替えるというものである。図９においては、ステップＦ０の初期捕捉の後は、ステップＦ９で擬似衛星の電波が捕捉できたかどうかで分岐処理が行われる。擬似衛星が捕捉できた場合の処理は、図８に示した処理と同様である。ステップＦ９で擬似衛星が捕捉できない場合には、ステップＦ１に進む。この場合はＧＰＳ衛星の捕捉数によって、捕捉した衛星が３個以上であればステップＦ１１以降の処理によって通常の測位演算を行う。一方、捕捉した衛星が２個以下であれば、捕捉した衛星の数が２個の場合であってもステップＦ３１以降の処理によって慣性航法による位置検出を行う。そして、ステップ
Ｆ９で疑似衛星が捕捉できている場合には、ステップＦ７１で捕捉した擬似衛星の信号に含まれている同期ＧＰＳ衛星番号を確認し、同じＧＰＳ衛星の信号を受信している場合にはステップＦ８２１以降の処理によって、ＧＰＳ衛星からの距離Ｌ１と擬似衛星５を経由した時の距離Ｌ２＋Ｌ３との距離差がある値となるｘ_u を収束演算で求める。また同じ
ＧＰＳ衛星の信号を受信していない場合には、ステップＦ３１以降の処理によって慣性航法による位置検出を行う。

本実施例によれば、伝播遅延誤差Ｅ１にかかわりなくその影響が除去できるので、位置検出の精度が向上するという効果がある。

尚、実施例１，実施例２，実施例３では道路上を移動する車だけでなく、移動する軌道が決まっている列車等の移動体にも適用できることは明らかである。人の場合には必ずしも決められた経路を移動するとは限らないが、屋外では道路の端，歩道等を歩行することが通常であり、人などにも適用することは可能である。特に、都市部のビル街等では片側がビルで遮蔽されており、捕捉衛星数が少ないことから、衛星数が少なくても測位が可能となる本発明は有効であると考えられる。

第４の実施例は擬似衛星２個を用いる方式である。図１０に構成を示す。ＧＰＳ衛星１から直接位置検出装置２に到達する経路（距離Ｌ１）と擬似衛星５ａを経由する経路（距離Ｌ２ａ＋Ｌ３ａ）と擬似衛星５ｂを経由する経路（距離Ｌ２ｂ＋Ｌ３ｂ）の３つの経路が存在する。３つの経路が存在し、３つの衛星からの距離が測定可能であることから、通常の３つのＧＰＳ衛星からの電波によって位置を求める２次元測位と同様に、高さを仮定して緯度，経度を求める２次元測位が可能であることは言うまでもない。本実施例では、電波遅延誤差Ｅ１の影響を除去して、実施例３と同様に距離差から位置を検出する方式について説明する。擬似衛星５ａを経由する時の距離差（Ｌ２ａ＋Ｌ３ａ−Ｌ１）は、位置検出装置２においてＧＰＳ衛星１からの電波の伝播時間として測定される時間差ｔ１、擬似衛星５ａからの電波の伝播時間として測定される時間差をｔ２ａ、擬似衛星５ａによる処理時間をｔｔａとすれば、実施例３における式１３と同様にして、式１５で表される。

同様に、擬似衛星５ｂを経由する時の距離差も、位置検出装置２で測定される時間差
ｔ１，ｔ２ｂ、擬似衛星５ｂによる処理時間ｔｔｂを用いて、式１６で表される。

ここで、擬似衛星設置場所の近傍での道路など移動体が移動する高さＺを仮定できれば、未知数が移動体の緯度，経度の２つとなる。そこで、式１５，式１６を満たすように移動体の緯度と経度、つまり２次元位置を求めることができる。

本実施例においても、位置検出装置２の構成は図２と同様であり、動作は図９に示した擬似衛星が捕捉できた場合の処理に、擬似衛星が２個捕捉できた場合の処理を追加するだけで良い。

本実施例の擬似衛星２個を用いて位置を検出する方式であれば、移動体の高さを仮定するだけで、移動経路の情報がなくても移動体の緯度，経度の２次元測位が可能となる効果がある。

本実施例では、擬似衛星２個を用いた例を説明したが、擬似衛星３個を用いれば移動体の緯度，経度，高さの３次元位置が検出できることは言うまでもない。

実施例１，実施例２，実施例３，実施例４では、衛星の電波が伝播するのに要する時間から距離を求めて位置を検出する方法について記載したが、電波の位相情報から距離を演算する方法を用いて、さらに高精度で位置を検出することも可能である。この電波の位相情報から高精度で位置を検出する衛星測位方式は、ＲＴＫ（Real Time Kinematics）方式と呼ばれるもので、電波の搬送波(ＧＰＳ衛星では１.５ＧＨｚ，１.２ＧＨｚの２周波数)の波の数（整数値）と位相から数ｃｍで衛星からの距離を求め、位置を検出するものである。

本検出装置を人，自動車，列車などの移動体に装着することにより、捕捉できるＧＰＳ衛星または疑似衛星が２個となる環境でも高精度な測位が可能となる。

本発明に係る第１の実施例における位置検出システムの構成を示す図である。本発明を用いた位置検出装置の構成を示す図である。本発明に係る第１の実施例における位置検出装置の動作フローを示す図である。本発明に係る第２及び第３の実施例における位置検出システムの構成を示す図である。本発明を用いた実施例における擬似衛星装置の構成を示す図である。本発明に係る第２及び第３の実施例における位置検出システムの動作タイミングを示す図である。本発明に係る第２の実施例における位置検出装置の動作フローを示す図である。本発明に係る第３の実施例における位置検出装置の動作フローを示す図である。本発明に係る第３の実施例の変形における位置検出装置の別の動作フローを示す図である。本発明に係る第４の実施例における位置検出システムの構成を示す図である。

符号の説明

１，１ａ，１ｂ…ＧＰＳ衛星、２…位置検出装置、３…移動経路、５，５ａ，５ｂ…擬似衛星。

Claims

測位衛星の電波を受信して移動体の位置を求める位置検出方法において、
現在位置が更新される毎に、経路の緯度，経度，高さに関する三次元形状情報を有する地図データから、前記移動体が移動する道路リンクにおける現在位置近くの複数の緯度，経度，高さの座標情報を取得し、前記移動体が移動する道路リンクの三次元の形状について、これら複数の座標情報を用いて、緯度を変数として当該道路リンクにおける経度と高さを多項式近似した近似形状を求め、
受信した２つの測位衛星の電波により各測位衛星からの距離情報を算出し、
前記２つの測位衛星からの距離情報により求めたそれぞれの測位衛星の位置情報と前記近似形状の情報を用いて、前記移動体の緯度の値を求め、
該緯度の値から前記近似形状に基づいて経度と高さを算出して前記移動体の位置を求めること
を特徴とする位置検出方法。
測位衛星の電波を受信して移動体の位置を求める位置検出方法において、
現在位置が更新される毎に、経路の緯度，経度，高さに関する三次元形状情報を有する地図データから、前記移動体が移動する道路リンクにおける現在位置近くの複数の緯度，経度，高さの座標情報を取得し、前記移動体が移動する道路リンクの三次元の形状について、これら複数の座標情報を用いて、緯度を変数として当該道路リンクにおける経度と高さを多項式近似した近似形状を求め、
受信した１個の測位衛星からの電波により該測位衛星からの距離情報を算出し、
地上の既知の座標位置に置かれた測位用の送信機から送られてくる前記測位衛星からの電波に基づいて該送信機が送出する電波により該送信機からの距離情報を算出し、
前記測位衛星からの距離情報により求めた該測位衛星の位置情報と、前記送信機の距離情報及び座標位置と、前記近似形状の情報を用いて、前記移動体の緯度の値を求め、
該緯度の値から前記近似形状に基づいて経度と高さを算出して前記移動体の位置を求めること
を特徴とする位置検出方法。
測位衛星の電波を受信する受信手段を備えた移動体の位置を求める位置検出装置において、
移動体が移動する経路の緯度，経度，高さに関する三次元形状情報の座標情報を有する地図データを記憶する記憶手段と、
現在位置を更新する毎に、前記移動体が移動する道路リンクにおける現在位置近くの複数の緯度，経度，高さの座標情報を前記記憶手段から取得して、前記移動体が移動する道路リンクの三次元の形状について、該複数の座標情報から緯度を変数として当該道路リンクにおける経度と高さを多項式近似した近似形状を求めておき、前記受信手段により捕捉された２つの測位衛星からの電波により各測位衛星からの距離情報を算出し、各測位衛星からの距離情報により求めたそれぞれの測位衛星の位置情報と前記近似形状の情報を用いて、前記移動体の緯度の値を求め、該緯度の値から前記近似形状に基づいて経度と高さを算出して前記移動体の三次元位置を求める位置演算部を備えること
を特徴とする位置検出装置。
測位衛星の電波を受信する受信手段を備えた移動体の位置を求める位置検出装置において、
前記移動体が移動する経路の緯度，経度，高さに関する三次元形状情報の座標情報を有する地図データを記憶する記憶手段と、
前記受信手段が受信した電波が、地上の既知の座標位置に置かれた測位用の送信機が測位衛星からの電波に基づいて送出する電波であるか、測位衛星からの電波であるかを判定する擬似衛星判定手段と、
前記送信機の置かれた座標位置を格納した擬似衛星座標記憶手段と、
現在位置を更新する毎に、前記移動体が移動する道路リンクにおける現在位置近くの複数の緯度，経度，高さの座標情報を前記記憶手段から取得して、前記移動体が移動する道路リンクの三次元の形状について、該複数の座標情報から緯度を変数として当該道路リンクにおける経度と高さを多項式近似した近似形状を求めておき、前記受信手段により捕捉された電波について、前記擬似衛星判定手段により測位衛星からの電波であると判定された電波により該測位衛星からの距離情報を算出し、捕捉された電波が前記送信機からの電波であると判定された電波により前記送信機からの距離情報を算出し、前記測位衛星からの距離情報により求めた該測位衛星の位置情報と、前記擬似衛星座標記憶手段に格納された前記送信機の座標位置と前記送信機の距離情報と、前記近似形状の情報を用いて、移動体の緯度の値を求め、該緯度の値から前記近似形状に基づいて経度と高さを算出して前記移動体の三次元位置を求める位置演算部を備えること
を特徴とする位置検出装置。
測位衛星の電波を受信して移動体の位置を求める位置検出方法において、
現在位置が更新される毎に、経路の緯度，経度，高さに関する三次元形状情報を有する地図データから、前記移動体が移動する道路リンクにおける現在位置近くの複数の緯度，経度，高さの座標情報を取得し、前記移動体が移動する道路リンクの三次元の形状について、これら複数の座標情報を用いて、経度を変数として当該道路リンクにおける緯度と高さを多項式近似した近似形状を求め、
受信した２つの測位衛星の電波により各測位衛星からの距離情報を算出し、
前記２つの測位衛星からの距離情報により求めたそれぞれの測位衛星の位置情報と前記近似形状の情報を用いて、前記移動体の経度の値を求め、
該経度の値から前記近似形状に基づいて緯度と高さを算出して前記移動体の位置を求めること
を特徴とする位置検出方法。
測位衛星の電波を受信して移動体の位置を求める位置検出方法において、
現在位置が更新される毎に、経路の緯度，経度，高さに関する三次元形状情報を有する地図データから、前記移動体が移動する道路リンクにおける現在位置近くの複数の緯度，経度，高さの座標情報を取得し、前記移動体が移動する道路リンクの三次元の形状について、これら複数の座標情報を用いて、経度を変数として当該道路リンクにおける緯度と高さを多項式近似した近似形状を求め、
受信した１個の測位衛星からの電波により該測位衛星からの距離情報を算出し、
地上の既知の座標位置に置かれた測位用の送信機から送られてくる前記測位衛星からの電波に基づいて該送信機が送出する電波により該送信機からの距離情報を算出し、
前記測位衛星からの距離情報により求めた該測位衛星の位置情報と、前記送信機の距離情報及び座標位置と、前記近似形状の情報を用いて、前記移動体の経度の値を求め、
該経度の値から前記近似形状に基づいて緯度と高さを算出して前記移動体の位置を求めること
を特徴とする位置検出方法。
測位衛星の電波を受信する受信手段を備えた移動体の位置を求める位置検出装置において、
移動体が移動する経路の緯度，経度，高さに関する三次元形状情報の座標情報を有する地図データを記憶する記憶手段と、
現在位置を更新する毎に、前記移動体が移動する道路リンクにおける現在位置近くの複数の緯度，経度，高さの座標情報を前記記憶手段から取得して、前記移動体が移動する道路リンクの三次元の形状について、該複数の座標情報から経度を変数として当該道路リンクにおける緯度と高さを多項式近似した近似形状を求めておき、前記受信手段により捕捉された２つの測位衛星からの電波により各測位衛星からの距離情報を算出し、各測位衛星からの距離情報により求めたそれぞれの測位衛星の位置情報と前記近似形状の情報を用いて、前記移動体の経度の値を求め、該経度の値から前記近似形状に基づいて緯度と高さを算出して前記移動体の三次元位置を求める位置演算部を備えること
を特徴とする位置検出装置。
測位衛星の電波を受信する受信手段を備えた移動体の位置を求める位置検出装置において、
前記移動体が移動する経路の緯度，経度，高さに関する三次元形状情報の座標情報を有する地図データを記憶する記憶手段と、
前記受信手段が受信した電波が、地上の既知の座標位置に置かれた測位用の送信機が測位衛星からの電波に基づいて送出する電波であるか、測位衛星からの電波であるかを判定する擬似衛星判定手段と、
前記送信機の置かれた座標位置を格納した擬似衛星座標記憶手段と、
現在位置を更新する毎に、前記移動体が移動する道路リンクにおける現在位置近くの複数の緯度，経度，高さの座標情報を前記記憶手段から取得して、前記移動体が移動する道路リンクの三次元の形状について、該複数の座標情報から経度を変数として当該道路リンクにおける緯度と高さを多項式近似した近似形状を求めておき、前記受信手段により捕捉された電波について、前記擬似衛星判定手段により測位衛星からの電波であると判定された電波により該測位衛星からの距離情報を算出し、捕捉された電波が前記送信機からの電波であると判定された電波により前記送信機からの距離情報を算出し、前記測位衛星からの距離情報により求めた該測位衛星の位置情報と、前記擬似衛星座標記憶手段に格納された前記送信機の座標位置と前記送信機の距離情報と、前記近似形状の情報を用いて、移動体の経度の値を求め、該経度の値から前記近似形状に基づいて緯度と高さを算出して前記移動体の三次元位置を求める位置演算部を備えること
を特徴とする位置検出装置。