JP4499524B2

JP4499524B2 - ナビゲーション装置

Info

Publication number: JP4499524B2
Application number: JP2004299489A
Authority: JP
Inventors: 浩太郎若松; 隆行渡辺
Original assignee: Alpine Electronics Inc
Current assignee: Alpine Electronics Inc
Priority date: 2004-10-14
Filing date: 2004-10-14
Publication date: 2010-07-07
Anticipated expiration: 2024-10-14
Also published as: US20060082495A1; JP2006112878A; US7443338B2

Description

本発明は、ＧＰＳ受信機から出力される測位情報を用いて現在位置を計算するナビゲーション装置に関する。

一般に、ナビゲーション装置にはＧＰＳ受信機が接続されており、ＧＰＳ受信機から出力される測位情報に基づいて、ナビゲーション装置が搭載された車両位置の計算が行われる。このようなＧＰＳ受信機から出力される測位情報は、実際のＧＰＳ衛星の配置に応じた誤差が含まれており、ＰＤＯＰあるいはＨＤＯＰと称される幾何学的精度低下率を用いて誤差範囲を計算する手法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。例えば、ＧＰＳ受信機を用いた測位とジャイロや速度センサからなる自律航法センサによる測位とを組み合わせることにより、車両位置の検出精度をより高めることができる。例えば、自律航法センサによる測位結果がその誤差範囲内に含まれている場合には自律航法センサによる測位結果が採用され、誤差範囲から外れている場合には自律航法センサによる測位結果を使用せずにＧＰＳ受信機を用いた測位結果が採用される。
特開平６−１４８３０７号公報（第３−４頁、図１−４）

ところで、特許文献１に開示された誤差範囲の計算では、ＰＤＯＰあるいはＨＤＯＰを用いて計算されるために精度が低いという問題があった。これらのＰＤＯＰやＨＤＯＰは、測位に使用したＧＰＳ衛星の空間的な広がりに基づいて計算されるため、しかもこれらの値を用いて誤差範囲を計算する際に各ＧＰＳ衛星の仰角や配置の偏りの程度が反映されていないため、誤差範囲のばらつきが多い。例えば、仰角が小さいＧＰＳ衛星が所定の広がりをなして配置された場合と、仰角が大きくて天空の中心近傍に同じ広がりで配置されたＧＰＳ衛星が配置された場合とでは、ＰＤＯＰやＨＤＯＰの値は同じになるが、測位結果に含まれる誤差は大きく異なるはずであり、計算される誤差範囲も異なって当然であると考えられる。

本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、誤差範囲の設定精度を高めることができるナビゲーション装置を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明のナビゲーション装置は、複数のＧＰＳ衛星から送信される電波を受信して測位位置を出力するＧＰＳ受信機と、測位位置の計算に使用された複数のＧＰＳ衛星のそれぞれの仰角値を検出する仰角検出手段と、測位位置の計算に使用された複数のＧＰＳ衛星の重心位置を検出する重心位置検出手段と、仰角検出手段によって検出された仰角値と重心位置検出手段によって検出された重心位置とに基づいて測位位置の誤差範囲を設定する誤差範囲設定手段と、ＧＰＳ受信機から出力された測位位置と誤差範囲設定手段によって設定された誤差範囲とを用いて現在位置の計算を行う現在位置計算手段とを備え、誤差範囲設定手段は、重心位置検出手段によって検出される重心位置の天頂からの偏位量に基づいて誤差範囲を設定している。位置検出に使用されたＧＰＳ衛星の仰角値と空間的な偏りが考慮されて測位位置の誤差範囲が設定されるため、誤差範囲の設定精度を高めることが可能になる。

また、本発明のナビゲーション装置は、複数のＧＰＳ衛星から送信される電波を受信する測位位置を出力するＧＰＳ受信機と、測位位置の計算に使用された複数のＧＰＳ衛星の重心位置を検出する重心位置検出手段と、重心位置検出手段によって検出された重心位置に基づいて測位位置の誤差範囲を設定する誤差範囲設定手段と、ＧＰＳ受信機から出力された測位位置と誤差範囲設定手段によって設定された誤差範囲とを用いて現在位置の計算を行う現在位置計算手段とを備え、誤差範囲設定手段は、重心位置検出手段によって検出される重心位置の天頂からの偏位量に基づいて誤差範囲を設定している。位置検出に使用されたＧＰＳ衛星の空間的な偏りが考慮されて測位位置の誤差範囲が設定されるため、誤差範囲の設定精度を高めることが可能になる。

また、上述したＧＰＳ受信機を用いた測位方法以外の方法で測位して測位位置を出力する測位手段をさらに備え、現在位置計算手段は、測位手段によって得られた第２の測位位置が、ＧＰＳ受信機から出力される第１の測位位置を中心として誤差範囲設定手段によって設定された誤差範囲に含まれている場合には第２の測位位置を用い、誤差範囲に含まれない場合には第１の測位位置を用いて現在位置の計算を行うことが望ましい。特に、上述した測位手段は、方向センサと速度センサとを有する自律航法センサであることが望ましい。これにより、ＧＰＳ衛星を用いた位置検出の誤差範囲を考慮して複数の測位方法を組み合わせることが可能になり、しかも適切な範囲に設定された誤差範囲を用いているため、現在位置の計算精度を高めることが可能になる。

また、重心位置検出手段によって検出される重心位置の天頂からの偏位量に基づいて誤差範囲を設定することにより、天頂からのＧＰＳ衛星配置の偏りの程度を誤差範囲に反映させることができるため、誤差範囲の設定精度をさらに向上させることができる。

また、上述した誤差範囲設定手段は、偏位量に比例した誤差範囲を設定することが望ましい。これにより、天頂を中心に複数のＧＰＳ衛星が均等に配置された場合に誤差範囲を小さくすることができ、実情に合わせた正確な誤差範囲の設定が可能になる。

以下、本発明を適用した一実施形態のナビゲーション装置について、図面を参照しながら説明する。図１は、一実施形態のナビゲーション装置の構成を示す図である。図１に示すナビゲーション装置は、ナビゲーションコントローラ１、ＧＰＳ受信機２、自律航法センサ３、ディスプレイ装置４を含んで構成されている。

ナビゲーションションコントローラ１は、ナビゲーション装置の全体を制御する。このナビゲーションコントローラ１は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を用いて所定の動作プログラムを実行することによりその機能が実現される。

ＧＰＳ受信機２は、複数のＧＰＳ衛星から送信される電波を受信して、３次元測位処理あるいは２次元測位処理を行って車両の絶対位置（測位位置）と、３次元測位と２次元測位のいずれを行ったかを示す測位種別情報と、測位に使用した各ＧＰＳ衛星の位置情報とを出力する。この位置情報には、測位に使用している各ＧＰＳ衛星の仰角と方位が含まれている。自律航法センサ３は、車両回転角度を相対方位として検出するジャイロ等の角度センサと、所定距離毎にパルスを出力する距離センサとを備えており、車両の相対位置および方位を検出する。ディスプレイ装置４は、ナビゲーションコントローラ１から出力される描画データに基づいて、自車位置周辺の地図画像などの各種画像を表示する。

また、図１に示すように、上述したナビゲーションコントローラ１は、ＧＰＳ処理部１０、車両位置計算部２０、地図ＤＢ（データベース）３０、マップマッチング処理部４０、描画部５０、表示処理部６０を含んで構成されている。ＧＰＳ処理部１０は、ＧＰＳ受信機２から出力される測位位置、ＧＰＳ衛星の位置情報、測位種別情報とが入力されており、これらに基づいて測位位置の補正や誤差円の設定を行う。

ＧＰＳ処理部１０は、位置補正部１２と誤差円半径計算部１４とを有している。位置補正部１２は、ＧＰＳ受信機２から出力された測位位置に対して所定のフィルタリング処理を行うことにより、マルチパス等の影響を低減する測位位置の補正を行う。誤差円半径計算部１４は、ＧＰＳ受信機２から出力される測位位置の誤差を考慮して、この測位位置を中心として正しい車両位置が含まれると考えられる誤差円の半径を計算する。この計算では、測位に使用した複数のＧＰＳ衛星のそれぞれの仰角、これら複数のＧＰＳ衛星の重心位置を示すベクトルの長さ、測位種別（３次元測位と２次元測位のいずれを行ったか）に基づいて誤差円半径が決定される。

車両位置計算部２０は、ＧＰＳ処理部１０内の位置補正部１２から出力される補正後の測位位置と、自律航法センサ３から出力される相対位置および方位から得られる車両位置とに基づいて、誤差円半径計算部１４によって計算された誤差円半径を考慮して車両位置を決定する。例えば、測位位置を中心とした誤差円の範囲内に、自律航法センサ３の出力に基づいて計算される車両位置が含まれている場合には自律航法センサ３の出力に基づいて得られる車両位置が採用され、誤差円内に含まれない場合にはＧＰＳ処理部１０から出力された測位位置が車両位置として採用される。

地図ＤＢ３０は、道路を表すリンクやノードの詳細データや地図表示に必要な画像データ、経路探索や走行案内等の各種のナビゲーション動作を行うために必要なデータが地図データとして格納されている。マップマッチング処理部４０は、車両位置計算部２０から出力される車両位置を、その走行軌跡と地図上の道路形状とを比較することにより補正するマップマッチング処理を行う。マップマッチング処理を行うことにより、道路の幅方向の位置が精度よく補正される。描画部５０は、マップマッチング処理部４０から出力される補正後の車両位置の周辺の地図画像を描画する処理を行う。この描画データは表示処理部６０に送られて表示に適した形式の信号に変換され、ディスプレイ装置４に車両位置周辺の地図画像が表示される。

上述した誤差円半径計算部１４が仰角検出手段、重心位置検出手段、誤差範囲設定手段に、車両位置計算部２０が現在位置計算手段に、自律航法センサ３が測位手段にそれぞれ対応する。

本実施形態のナビゲーション装置はこのような構成を有しており、次に、ＧＰＳ処理部１０内の誤差円半径計算部１４を用いて誤差円半径を決定する動作について説明する。

本実施形態においては、誤差円半径を、（１）測位に使用した複数のＧＰＳ衛星のそれぞれの仰角、（２）測位に使用した複数のＧＰＳ衛星の重心位置を示すベクトル（重心ベクトル）の長さ、（３）測位種別の３種類の情報に基づいて決定している。

図２は、重心位置を示す重心ベクトルの説明図である。図２には測位に使用されている複数（例えば４個）のＧＰＳ衛星を水平面に投影した状態が示されており、各ＧＰＳ衛星の方位Ｅは、Ｘ軸を基準として反時計回り方向に設定される。また、図２に示される円は、仰角Ｄが０°のときの投影位置を示しているが、実際には所定値（例えば５°）以上のＧＰＳ衛星が測位に使用されるため、この円よりも内側に投影位置が配置される。また、円心Ｏは、天頂の位置に対応している。

円心Ｏから各ＧＰＳ衛星までのベクトルをＶ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４とすると、これら４個のＧＰＳ衛星の重心ベクトルＶ_Gは、これら４つのベクトルＶ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４を合成したものとなる。

ｋ個のＧＰＳ衛星の仰角をＤ１、Ｄ２、…、Ｄｋ、方位をＥ１、Ｅ２、…、Ｅｋとすると、ｉ番目のＧＰＳ衛星のＸ座標ｌｉ、ｍｉ、ｎｉは、
ｌｉ＝ｃｏｓ（Ｅｉ）×ｃｏｓ（Ｄｉ）
ｍｉ＝ｃｏｓ（Ｅｉ）×ｓｉｎ（Ｄｉ）
ｎｉ＝ｓｉｎ（Ｅｉ）
となるため、重心ベクトルＶ_Gの長さ（円心Ｏから重心までの偏位量）は次式で計算することができる。

重心ベクトルの長さが０に近ければ近いほど、複数のＧＰＳ衛星が天頂を挟んで均等に配置されていることを示しており、測位誤差が小さくなることが期待できる。なお、他の決定要素（仰角と測位種別）も測位誤差と密接な関係があると考えられる。すなわち、仰角が小さいＧＰＳ衛星を用いて測位を行うと測位誤差が大きく、反対に仰角が大きいＧＰＳ衛星を用いて測位を行うと測位誤差が小さくなると考えられる。また、３次元測位の方が２次元測位よりも測位誤差が小さいと考えられる。

ところで、上述した３つの決定要素（仰角、重心ベクトルの長さ、測位種別）が測位誤差と密接な関係があることはわかるが、これらの内容と測位誤差との関係が分からないと誤差円半径の値を具体的に決定することはできない。本実施形態では、これら３種類の決定要素のそれぞれと誤差円半径との関係を実験によって求めることにした。

図３は、３次元測位に使用した複数のＧＰＳ衛星の仰角の最小値と測位誤差との関係を示す図であり、最低仰角（仰角の最小値）が異なるＧＰＳ衛星の組み合わせを換えたときに測位誤差がどのようになるかを実際に測定した結果を示している。図３に示すように、最低仰角が１０°より大きい場合には、ほとんどの測定サンプルにおける測位誤差が１０ｍに収まることがわかる。また、最低仰角が１０°以下の場合には全ての測定サンプルにおける測位誤差が２５ｍに収まることがわかる。

図４は、３次元測位に使用した複数のＧＰＳ衛星の重心ベクトルの長さ（ベクトル長）と測位誤差との関係を示す図であり、重心ベクトルの長さが異なるＧＰＳ衛星の組み合わせを換えたときに測位誤差がどのようになるかを実際に測定した結果を示している。図４に示すように、ベクトル長の長さが０．４５以下の場合には、ほとんどの測定サンプルにおける測位誤差が１０ｍに収まることがわかる。また、ベクトル長の長さが０．４５よりも大きい場合には全ての測定サンプルにおける測位誤差が１５ｍに収まることがわかる。なお、ベクトル長は、図２に示した円上に重心ベクトルの終点がのった場合を１として正規化されている。

図５は、２次元測位に使用した複数のＧＰＳ衛星の仰角の最小値と測位誤差との関係を示す図であり、最低仰角（仰角の最小値）が異なるＧＰＳ衛星の組み合わせを換えたときに測位誤差がどのようになるかを実際に測定した結果を示している。図５に示すように、最低仰角が１０°より大きい場合には、全ての測定サンプルにおける測位誤差が２０ｍに収まることがわかる。また、最低仰角が１０°以下の場合には全ての測定サンプルにおける測位誤差が２５ｍに収まることがわかる。

図６は、誤差円半径計算部１４によって誤差円半径を決定する動作手順を示す流れ図である。誤差円半径計算部１４は、まず、測位種別を判定する（ステップ１００）。測位種別が２次元種別である場合には、次に、誤差円半径計算部１４は、測位に使用した複数のＧＰＳ衛星の最低仰角が１０°よりも大きいか否かを判定する（ステップ１０１）。１０°よりも大きい場合には肯定判断が行われ、誤算円半径Ｒが２０ｍに設定される（ステップ１０２）。一方、最低仰角が１０°以下の場合にはステップ１０１の判定において否定判断が行われ、誤差円半径Ｒが２５ｍに設定される。

また、測位種別が３次元測位である場合には、次に、誤差円半径計算部１４は、測位に使用した複数のＧＰＳ衛星の最低仰角が１０°よりも大きいか否かを判定する（ステップ１０４）。１０°以下の場合には否定判断が行われ、誤差円半径Ｒが２５ｍに設定される。また、最低仰角が１０°よりも大きい場合にはステップ１０６の判定において肯定判断が行われ、次に、誤差円半径計算部１４は、重心ベクトルの長さが０．４５以下か否かを判定する（ステップ１０６）。０．４５以下の場合には肯定判断が行われ、誤算円半径Ｒが１０ｍに設定される（ステップ１０７）。一方、重心ベクトルの長さが０．４５よりも大きい場合にはステップ１０６の判定において否定判断が行われ、誤差円半径Ｒが１５ｍに設定される。

このように、測位に使用されたＧＰＳ衛星の仰角と、空間的な偏りを示す重心ベクトルの長さが考慮されて測位位置の誤差円半径（誤差範囲）が設定されるため、誤差範囲の設定精度を高めることが可能になる。また、適切な範囲に設定された誤差範囲を設定することができるため、自律航法センサ３等の他の測位手段と組み合わせた場合にこの他の測位手段の測位精度の評価を正確に行うことができるようになり、現在位置の計算精度を高めることが可能になる。

また、重心ベクトルの長さ、すなわち、天頂からのＧＰＳ衛星配置の偏りの程度を誤差範囲に反映させることにより、誤差範囲の設定精度をさらに向上させることができる。特に、天頂を中心に複数のＧＰＳ衛星が均等に配置された場合に誤差範囲を小さくすることができ、実情に合わせた正確な誤差範囲の設定が可能になる。

また、複数のＧＰＳ衛星のそれぞれの仰角の中から最小値を抽出することにより、最も誤差要因が大きいＧＰＳ衛星の配置を誤差範囲に反映させることができるため、誤差範囲の設定精度をさらに向上させることができる。特に、仰角の最小値に反比例した誤差範囲、すなわち、仰角の最小値が大きい場合には小さな誤差円半径を、反対に、仰角の最小値が小さい場合には大きな誤差円半径を設定することにより、実情に合わせた正確な誤差範囲の設定が可能になる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。上述した実施形態では、仰角の最小値と重心ベクトルの長さとを組み合わせて誤差円半径を設定したが、仰角の最小値を単独で用いた場合や、重心ベクトルの長さを単独で用いた場合にも誤差円半径との間で密接な関係があると考えられるため、これらを単独で用いて条件分岐を行って誤差円半径を決定するようにしてもよい。

一実施形態のナビゲーション装置の構成を示す図である。重心位置を示す重心ベクトルの説明図である。３次元測位に使用した複数のＧＰＳ衛星の仰角の最小値と測位誤差との関係を示す図である。３次元測位に使用した複数のＧＰＳ衛星の重心ベクトルの長さと測位誤差との関係を示す図である。２次元測位に使用した複数のＧＰＳ衛星の仰角の最小値と測位誤差との関係を示す図である。誤差円半径計算部によって誤差円半径を決定する動作手順を示す流れ図である。

符号の説明

１ナビゲーションコントローラ
２ＧＰＳ受信機
３自律航法センサ
４ディスプレイ装置
１０ＧＰＳ処理部
１２位置補正部
１４誤差円半径計算部
２０車両位置計算部
３０地図ＤＢ（データベース）
４０マップマッチング処理部
５０描画部
６０表示処理部

Claims

複数のＧＰＳ衛星から送信される電波を受信して測位位置を出力するＧＰＳ受信機と、
前記測位位置の計算に使用された前記複数のＧＰＳ衛星のそれぞれの仰角値を検出する仰角検出手段と、
前記測位位置の計算に使用された前記複数のＧＰＳ衛星の重心位置を検出する重心位置検出手段と、
前記仰角検出手段によって検出された仰角値と前記重心位置検出手段によって検出された重心位置とに基づいて前記測位位置の誤差範囲を設定する誤差範囲設定手段と、
前記ＧＰＳ受信機から出力された測位位置と前記誤差範囲設定手段によって設定された誤差範囲とを用いて現在位置の計算を行う現在位置計算手段と、
を備え、前記誤差範囲設定手段は、前記重心位置検出手段によって検出される重心位置の天頂からの偏位量に基づいて前記誤差範囲を設定することを特徴とするナビゲーション装置。
複数のＧＰＳ衛星から送信される電波を受信する測位位置を出力するＧＰＳ受信機と、
前記測位位置の計算に使用された前記複数のＧＰＳ衛星の重心位置を検出する重心位置検出手段と、
前記重心位置検出手段によって検出された重心位置に基づいて前記測位位置の誤差範囲を設定する誤差範囲設定手段と、
前記ＧＰＳ受信機から出力された測位位置と前記誤差範囲設定手段によって設定された誤差範囲とを用いて現在位置の計算を行う現在位置計算手段と、
を備え、前記誤差範囲設定手段は、前記重心位置検出手段によって検出される重心位置の天頂からの偏位量に基づいて前記誤差範囲を設定することを特徴とするナビゲーション装置。
請求項１または２において、
前記ＧＰＳ受信機を用いた測位方法以外の方法で測位して測位位置を出力する測位手段をさらに備え、
前記現在位置計算手段は、前記測位手段によって得られた第２の測位位置が、前記ＧＰＳ受信機から出力される第１の測位位置を中心として前記誤差範囲設定手段によって設定された前記誤差範囲に含まれている場合には前記第２の測位位置を用い、前記誤差範囲に含まれない場合には前記第１の測位位置を用いて現在位置の計算を行うことを特徴とするナビゲーション装置。
請求項３において、
前記測位手段は、方向センサと速度センサとを有する自律航法センサであることを特徴とするナビゲーション装置。
請求項１〜４のいずれかにおいて、
前記誤差範囲設定手段は、前記偏位量に比例した前記誤差範囲を設定することを特徴と
するナビゲーション装置。