JP5341459B2

JP5341459B2 - 測位装置

Info

Publication number: JP5341459B2
Application number: JP2008261596A
Authority: JP
Inventors: 勇人鳥居
Original assignee: Furuno Electric Co Ltd
Current assignee: Furuno Electric Co Ltd
Priority date: 2008-10-08
Filing date: 2008-10-08
Publication date: 2013-11-13
Anticipated expiration: 2028-10-08
Also published as: JP2010091407A

Description

この発明は、測位衛星からの信号を受信して自装置の測位を行う測位装置に関するものである。

ＧＰＳを含むＧＮＳＳを用いた測位システムでは、観測値から受信機位置（自装置位置）を算出する方法として、非特許文献１に記載されているように、観測方程式を用いる。この観測方程式を解くには最小自乗法やカルマンフィルタを適用する。最小自乗法やカルマンフィルタを用いる方法では、自装置位置に対して、真の位置に近い初期値を設定しなければならない。この初期値が真の位置に対してあまりにもかけ離れていると、正確な自装置位置を算出することができない。
佐田達典著，「ＧＰＳ測量技術」，オーム社，平成１５年１０月２０日，ｐ．２４−３３

上述の観測方程式では既知数として、測位衛星と受信機との擬似距離が必要となる。

しかしながら、現在の高感度の受信機では、擬似距離の１ｍｓｅｃ．以下の項を取得することはできるが、航法メッセージを取得することができない衛星でも測位に使用する。すなわち、擬似距離そのものに対して１ｍｓｅｃ．の不確定性（ａｍｂｉｇｕｉｔｙ）を有した擬似距離を測位に使用するので、その不確定性（ａｍｂｉｇｕｉｔｙ）の推定を誤ると正確な自装置位置を算出できなくなる可能性を有する。

したがって、本発明の目的は、自装置位置を測位演算する場合に、擬似距離１ｍｓｅｃ．以下の項のみで正確な自装置位置を求められる程度に正確な初期位置を１ｍｓｅｃ．以上の擬似距離を必要とせずに得られる測位装置を実現することにある。

この発明の測位装置は、ドップラー周波数算出手段、測位衛星位置速度取得手段、初期値算出手段、および真位置推定手段を備える。測位衛星位置取得手段は、ドップラー周波数を観測した時刻での３個以上の測位衛星の位置速度情報を取得する。初期値算出手段は、ドップラー周波数と複数時刻での３個以上の測位衛星の位置速度情報に基づいて航法方程式を設定し、該航法方程式を解くことで初期自装置位置を算出する。真位置推定手段は、初期自装置位置を用いて、１ｍｓｅｃ．以下の項の擬似距離に関する航法方程式を解くことで、真の自装置位置を推定演算する。

この構成では、初期位置の計算にドップラー周波数を用いることで、擬似距離１ｍｓｅｃ．のオーダーの不確定性を考える必要がない。

この初期値の精度は、真値に対して±１５０ｋｍであればよい。この初期値が得られた後は、１ｍｓｅｃ．以下の擬似距離に対する航法方程式を解くことで、受信機の位置が求められる。

この発明によれば、測位装置の位置推定に対して、擬似距離の１ｍｓｅｃ．単位の不確定性を排除し、航法メッセージが収集できないような弱い信号しか受信できない場合に、バックアップ値が無い、あるいは間違っていた場合であっても、正確な位置を得ることができる。

本発明の実施形態に係る測位装置について、図を参照して説明する。なお、本実施形態の構成は、ＧＰＳを含む全てのＧＮＳＳへ適用することができる。
図１、図２は本実施形態に係る測位装置の測位に関する概念を示す図である。
図３は本実施形態に係る測位装置の主要構成を示すブロック図である。
測位装置１０は、図１に示すように、地表面３００に設置されており、複数の測位衛星１０１〜１０３からの測位用信号を受信する。なお、本実施形態の説明では、３個の測位衛星の測位用信号を受信した場合を示したが、通常、衛星数は４個以上である。
測位装置１０は、図２に示すように、受信アンテナ１１、受信部１２、情報解析部１３、測位演算部１４を備える。
受信アンテナ１１は、各測位衛星１００からの測位用信号を受信して、受信部１２へ与える。受信部１２は、測位用信号を復調して情報解析部１３へ与える。

情報解析部１３は、復調後の測位用信号を解析し、受信した測位用信号の送信元情報等に基づいて、当該受信時点で観測可能となっている測位衛星１０１〜１０３を抽出するとともに、各測位衛星１０１〜１０３の位置速度情報を計算する。測位に使用するのは、観測可能な全衛星で少なくとも３個、通常は４個以上である。

情報解析部１３は、擬似距離の１ｍｓｅｃ．以下の項とともに、ドップラー周波数も所得する。

測位演算部１４の初期位置算出部１４１は、このドップラー周波数を用いて自装置（受信機）の位置を算出する。この際、ドップラー周波数を用いた航法方程式をたてると式（１）のようになる。なお、衛星インデックスｉ（ｉ＝１〜Ｎ（Ｎ：衛星数））とする。

ここで、δＰｒｉ（ｔ）／δｔは、衛星番号ｉのドップラー周波数に「−１」を乗算したものとする。また、（ｘｉ（ｔ），ｙｉ（ｔ），ｚｉ（ｔ））は、時刻ｔでの衛星番号ｉの衛星位置である。また、（ｘｒ（ｔ），ｙｒ（ｔ），ｚｒ（ｔ））は、時刻ｔでの受信機位置である。

上述の式において、受信機の速度が衛星の速度に比べて十分に小さいときには、

とすることができる。

さらに、衛星のクロックバイアスの変化分δｔｉ（ｔ）／δｔ、受信機のクロックバイアスの変化分δｔｒ（ｔ）／δｔは、ともに小さいものとして、「０」としてよい。

これにより、式（１）は式（２）に置き換えることができる。

ここで、未知数は、（ｘｒ（ｔ），ｙｒ（ｔ），ｚｒ（ｔ））である。

式（２）は、非線形の方程式であるので、一般解を解くのは難しい。そこで、まず、Ｒｉ（ｔ）＝７７ｍｓｅｃ．×Ｃ（光速）として、式（２）に代入する。これにより、各測位衛星に対する式（２）は線形方程式群になるので、容易に解くことができる。

そして、このようにして解いた解の（ｘｒ（ｔ），ｙｒ（ｔ），ｚｒ（ｔ））をＲｉ（ｔ）に代入することで、Ｒｉ（ｔ）を前回よりも精度良く算出することができる。さらに、このＲｉ（ｔ）を再び式（２）の方程式群に代入して、前回よりも精度良く、（ｘｒ（ｔ），ｙｒ（ｔ），ｚｒ（ｔ））を算出することができる。

このように、Ｒｉ（ｔ），（ｘｒ（ｔ），ｙｒ（ｔ），ｚｒ（ｔ））を収束させていくことで、必要な精度で、（ｘｒ（ｔ），ｙｒ（ｔ），ｚｒ（ｔ））を算出することができる。

この式（２）の航法方程式で算出される（ｘｒ（ｔ），ｙｒ（ｔ），ｚｒ（ｔ））は、その後、擬似距離の１ｍｓｅｃ．以下の項を用いた観測方程式の初期値として使用するので、数ｋｍの誤差で算出されればよい。

そして、初期位置算出部１４１は、測位装置位置の算出精度が閾値以下であることを検出すると、その時点での測位結果（ｘｒ（ｔ１），ｙｒ（ｔ１），ｚｒ（ｔ１））として、真位置推定部１４２へ出力する。

真位置推定部１４２は、初期位置算出部１４１から与えられた測位装置位置を初期値として擬似距離の１ｍｓｅｃ．に関する観測方程式を設定し、当該観測方程式を最小二乗法により真の位置を計算する。すなわち、真位置推定部１４２は、初期位置算出部１４１からの初期値に基づいて、測位装置位置をより高精度に推定演算する。

このように、初期位置算出部１４１で擬似距離１ｍｓｅｃ．の不確定性を排除できる精度を持つ初期値を算出しておくことで、高精度に測位装置位置を算出することができる。

本発明に係る測位装置の測位に関する概念を示す図である。本発明に係る測位装置の測位に関する概念を示す図である。本発明に係る測位装置の主要構成を示すブロック図である。

符号の説明

１０−測位装置、１１−受信アンテナ、１２−受信部、１３−情報解析部、１４−測位演算部、１４１−初期位置算出部、１４２−真位置推定部、１０１〜１０４−測位衛星、３００−地表面

Claims

擬似距離の時間変化量であるドップラー周波数を算出するドップラー周波数算出手段と、
前記ドップラー周波数に対応する複数時刻での３個以上の測位衛星の位置速度情報を取得する測位衛星位置速度取得手段と、
前記ドップラー周波数と前記複数時刻での３個以上の測位衛星の位置速度情報に基づいて航法方程式を設定し、該航法方程式を解くことで初期自装置位置を算出する初期値算出手段と、
該初期自装置位置を用いて、位置推定アルゴリズムから真の自装置位置を推定演算する真位置推定手段と、を備えた測位装置。
前記初期位置算出手段は、前記航法方程式で得られた初期自装置位置の誤差が予め設定された閾値内になるまで、先に得られた初期自装置位置を用いて初期自装置位置の算出を繰り返し、前記閾値内となった時点で算出された初期自装置位置を前記真位置推定手段へ出力する、請求項１に記載の測位装置。