JP5094344B2

JP5094344B2 - 異常衛星検知装置および測位装置

Info

Publication number: JP5094344B2
Application number: JP2007300577A
Authority: JP
Inventors: 明子石丸
Original assignee: Furuno Electric Co Ltd
Current assignee: Furuno Electric Co Ltd
Priority date: 2007-11-20
Filing date: 2007-11-20
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2027-11-20
Also published as: JP2009128055A

Description

この発明は測位装置衛星からの信号を受信して異常な衛星を検知する異常衛星検知装置および測位装置に関するものである。

従来、単独の受信機で測位用衛星からの信号を受信して測位等を行う受信機においてインテグリティ確保の技術として受信機自立型完全モニタ（ＲＡＩＭ：Receiver Autonomous Integrity Monitoring）がある。

図１はそのＲＡＩＭ処理を図示したものである。この処理では、ＧＰＳメッセージを編集してエフェメリスを読み取り、測位演算によってＲＡＩＭ用のパラメータを作成し上記エフェメリスとＲＡＩＭ用パラメータとによって衛星の故障検知および故障衛星を排除する処理を行う。またＲＡＩＭの結果を出力する。

測位演算ではＲＡＩＭ処理によって検出された異常衛星を排除した演算を行うことによって測位精度を高める。

衛星の故障検出アルゴリズム（ＦＤ：Fault Detection）は次のとおりである。
まず異常を検出するアルゴリズムとしてＬＳＲ(Least SquaredResidual)法を用いる。すなわち最小二乗測位演算後に算出された残差を用いて異常検出を行う。

５衛星以上で測位演算を行う場合、５式以上の方程式を使用し、３次元位置（ｘ，ｙ，ｚ）と時刻ｔの4つの未知数を求めるため、解に残差が残る。衛星に異常がなければ残差は小さいが、衛星に異常が発生すると大きな残差が生じる。

ＲＡＩＭ処理では、算出された残差を二乗して各衛星分加算して検出統計量とし、この検出統計量が予め定めた閾値を超えた場合に，衛星に異常があるものと見なす。

また故障衛星排除アルゴリズム（ＦＤＥ：Fault Detection andExclusion）は次のとおりである。

このアルゴリズムは、異常衛星が存在することがわかっている場合にその衛星を特定するアルゴリズムである。使用する衛星数は６衛星以上必要である。ＦＤＥでは衛星を１衛星ずつ除いて上記衛星の故障検出アルゴリズムで検出統計量を算出する。除いた衛星が異常衛星ではない場合、残りの衛星に異常衛星が含まれるため、検出統計量が予め定めた閾値を超える。しかし、除いた衛星が異常衛星であり、残りの衛星に異常が無い場合は、検出統計量は閾値を超えない。そのため検出統計量が閾値を超えない場合に、除いた衛星が異常衛星と特定できる。

このＦＤＥでは上記衛星の故障検出アルゴリズムを利用するため、異常衛星の検出数に限度がある。例えば６衛星の場合1衛星のみ異常検出可能であり、７衛星の場合は２衛星のみ異常検出可能である。
Hung-Kyu Lee、Impact of Dynamic Information on GNSS ReceiverIntegrity Monitoring、The 2004 International Symposium on GNSS/GPS、Sydney, Australia、6-8 December 2004、Presented at GNSS 2004

ところがこのような従来のＲＡＩＭでは、衛星の故障検出を行う際に、使用する衛星が５衛星以上必要である。しかし、５衛星ではその内のいずれかの衛星に異常があるか否かは分かるが異常衛星の特定ができない。また、６衛星以上では異常衛星の特定ができるようになるが、それでも特定できる衛星数には限りがある。

そこで、この発明の目的は上述のＲＡＩＭによる問題を解消して異常衛星を的確に検知し、またそのことによって測位精度を高めた異常衛星検知装置および測位装置を提供することにある。

この発明の異常衛星検知装置は、測位用衛星から送信される電波を受信して、前記測位用衛星から受信点までの擬似距離を求める手段と、前記電波の搬送波周波数のドップラシフト成分を求める手段と、単位時間あたりの前記擬似距離の変化量と、前記ドップラシフト成分による相対速度の前記単位時間で積分した速度積分値とを求めるとともに、前記擬似距離の変化量と前記速度積分値との誤差を計算する手段と、前記誤差が閾値を超えたことを検出すると当該衛星を測位に使用しない衛星として判定する判定手段と、を備えたことを特徴としている。

上記誤差計算方法は次の式で表すことができる。

（１）式においてドップラシフト周波数の平均値にその平均した時間τを掛けたものが速度積分値である、また、ＰＲ（ｔ）−ＰＲ（ｔ−τ）が擬似距離の変化量である。

この両者の差が閾値Ｙ以上である場合、その衛星に異常が在るものとし、測位に使用しない。

閾値Ｙは、擬似距離、ドップラシフト周波数の誤差の確率分布から考えて、観測量が誤っていると検出した場合の誤検出確率を所定の確率（例えば０．１％）以下にするように決定される。

この発明の測位装置は、測位用衛星から送信される、測位系時刻に同期した信号で変調された電波を受信して、前記測位用衛星から受信点までの擬似距離を求める手段と、前記電波の搬送波周波数のドップラシフト成分を求める手段と、単位時間あたりの前記擬似距離の変化量と、前記ドップラシフト成分による相対速度の前記単位時間で積分した速度積分値とを求めるとともに、前記擬似距離の変化量と前記速度積分値との誤差の分散を求める手段と、該誤差の分散の逆数で定めた重みで測位用衛星の擬似距離を重み付けして測位演算を行う手段と、を備えたことを特徴としている。

例えば次の式で表される重み係数を用いる。

各変数は上述したとおりである。

この発明の異常衛星検知装置では、各測位用衛星から受信点までの擬似距離が求められ、測位用衛星からの電波の搬送波周波数のドップラシフト成分が求められ、単位時間当たりの擬似距離の変化量とドップラシフト成分による相対速度の単位時間での積分による速度積分値とが求められ、両者の誤差が所定のしきい値を超える時にその衛星を異常衛星として検知するので、個々の衛星からの信号のみによって異常有無を検知できる。そのため、従来のＲＡＩＭだけによる異常衛星検知では不可能であった異常衛星の特定が可能となる。

またこの発明の測位装置では、前記擬似距離の変化量と速度積分値との差（誤差）の分散を求め、その誤差の分散が大きいほど、測位演算に用いる擬似距離の重み付けを大きくすることによって誤差成分が大きい観測量の測位に用いる使用率が低下し、誤差成分が小さい観測量の測位に用いる使用量が増大するため、結果として測位精度が向上する。

図２はこの発明の実施形態に係る異常衛星検知装置および測位装置のブロック図である。図２において、受信回路１１はＧＰＳアンテナ１０からの受信信号を増幅するとともに中間周波信号に変換する。ＡＤ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に変換してディジタル信号処理回路へ与える。このディジタル信号処理回路１３は、複数の衛星からの電波を個別に受信処理するために複数チャンネル分備えていて、各受信チャンネルは、入力したディジタルデータ列に対して演算処理を行い、Ｃ／Ａコード位相とキャリア位相を求める。

具体的には、ディジタル信号処理回路１３内の各受信チャンネルは、Ｃ／Ａコード発生器、そのコード位相を数値制御するコードＮＣＯ、所定のコード位相のずれを有する３つのＣ／Ａコードと入力信号とを乗算し、それらの値をそれぞれ積分することによって相関を求める相関器を備えている。また、上記各受信チャンネルは、位相が０°と９０°のキャリア信号を発生するキャリアＮＣＯ、およびこのキャリア信号と入力信号との乗算を行い、それぞれの結果を積分することによって相関を求める相関器を備えている。また、ディジタル信号処理回路１３は、入力信号のキャリア位相の修正量を積算カウントする位相カウンタを備えている。

プロセッサ１４はディジタル信号処理回路１３で求められたコード位相に関する相関値からコードＮＣＯの位相を制御し、キャリア位相に関する相関値からキャリアＮＣＯの周波数を制御することによって、コード位相およびキャリア位相の追尾を行う。また、上記位相カウンタのカウント値を読み取ることによってキャリア位相を求める。

図３〜図５は、図２に示したプロセッサ１４の処理内容を示すフローチャートである。

全体の流れは図３に示すように、まずＲＡＩＭ処理を行い異常衛星の有無を検出する（Ｓ１）。異常衛星が存在すれば異常衛星検知処理を行う（Ｓ２→Ｓ３）。

図４は上記異常衛星検知処理の内容を示すフローチャートである。この異常衛星検知処理は各衛星についてそれぞれ行う。まず前回求めた擬似距離に対する擬似距離の変化量ΔＰＲを求める（Ｓ１１）。この図４に示す異常衛星検知処理をたとえば毎秒行う場合は、１秒前の擬似距離との差がΔＰＲとなる。

続いてドップラシフトデータから速度積分値ＩＲを求める。例えば前回のタイミングでのドップラシフト周波数に対応する速度がＦｄ０、今回のドップラシフト周波数に対応する速度がＦｄ１であれば、
τ・（Ｆｄ０＋Ｆｄ１）／２の演算によってドップラシフト周波数の平均値と観測周期τとの積を速度積分値ΔＲとして求める（Ｓ１２）。

その後、上記擬似距離の変化量ΔＰＲと速度積分値ΔＲとの差Ｅを求めるとともに誤差分散を求める（Ｓ１３）。この誤差Ｅが予め定めたしきい値Ｙを超えていれば、その衛星を異常衛星として設定する（Ｓ１４→Ｓ１５）。
以上の処理を捕捉している全ての衛星について行う。

図５は測位演算の処理について示すフローチャートである。測位演算を行う際、まず前記誤差Ｅの分散から重み係数Ｗを求める。その後、正常な衛星の擬似距離ΔＰＲ１，ΔＰＲ２，・・・、方向余弦行列Ｈおよび上記誤差分散Ｗから測位誤差行列δＸを求める（Ｓ２１→Ｓ２２）。この演算を式で表すと次のようになる。

ｘ個の衛星からの信号を捕捉している場合、まず、次の関係により受信点の位置（ｘ，ｙ，ｚ）と時刻ｔが求められる。添え字の１，２，・・・ｘは各衛星を区別するものである。

ここでδＸは測位誤差行列、δＲは擬似距離誤差行列、Ｈは方向余弦行列である。

衛星ごとの重み付けは次の関係となる。

ここで（５）式は重み係数の行列である。σ²は誤差分散であり、添え字の１，２，・・・ｘは該当の衛星についての誤差分散であることを表している。このように誤差分散の逆数を重み係数Ｗとしている。

このように重み付けを行うことにより，使用する観測量の比重を決めることができ、精度の良い測位結果を得られるようになる。

そして、上記測位誤差行列δＸが収束するまで受信点の真値（仮定値）を修正し、この演算を繰り返す（Ｓ２３→Ｓ２４→Ｓ２２）。

このようにして各衛星の誤差の分散に応じた重み付けを行って測位演算することによって測位精度を高める。

なお、以上に示した実施形態では、ドップラシフト周波数が求まる周期で前回のドップラシフト周波数と今回のドップラシフト周波数との平均値（Ｆｄ０＋Ｆｄ１）／２にその周期τを掛けることによって速度積分値ΔＲを求めたが、順次求まる２回以上のドップラシフト周波数に対応する値を加算することによって（すなわち積分することによって）、速度積分値ΔＲを求めるようにしてもよい。

従来のＲＡＩＭ処理の例を示す図である。この発明の実施形態に係る異常衛星検知装置および測位装置の構成を示すブロック図である。同装置の全体の異常衛星検知に関する処理手順を示すフローチャートである。異常衛星検知の処理内容を示すフローチャートである。測位演算に関する処理内容を示すフローチャートである。

符号の説明

１０−ＧＰＳアンテナ

Claims

測位用衛星から送信される電波を受信して、前記測位用衛星から受信点までの擬似距離を求める手段と、
前記電波の搬送波周波数のドップラシフト成分を求める手段と、
単位時間あたりの前記擬似距離の変化量と、前記ドップラシフト成分による相対速度の前記単位時間で積分した速度積分値とを求めるとともに、前記擬似距離の変化量と前記速度積分値との誤差を計算する手段と、
前記誤差が閾値を超えたことを検出すると当該衛星を測位に使用しない衛星として判定する判定手段と、を備えたことを特徴とする異常衛星検知装置。
測位用衛星から送信される、測位系時刻に同期した信号で変調された電波を受信して、前記測位用衛星から受信点までの擬似距離を求める手段と、
前記電波の搬送波周波数のドップラシフト成分を求める手段と、
単位時間あたりの前記擬似距離の変化量と、前記ドップラシフト成分による相対速度の前記単位時間で積分した速度積分値とを求めるとともに、前記擬似距離の変化量と前記速度積分値との誤差の分散を求める手段と、
該誤差の分散の逆数で定めた重みで測位用衛星の擬似距離を重み付けして測位演算を行う手段と、を備えたことを特徴とする測位装置。