JP5554560B2 - 測位信頼度評価装置、測位信頼度評価方法、および、測位信頼度評価プログラム - Google Patents
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Description
本発明にかかる実施形態は、移動体に設置された、衛星測位システムであるGPS(Global Positioning System)用のGPS受信機(以下、誤認のおそれがない限り単に「受信機」と略称する。)の測位の信頼度評価のための装置(以下、単に「評価装置」と略称する。)である。評価装置は、受信機と接続され、受信機から、測位位置に関する情報(GPS測位位置情報)および測位誤差に関する情報(GPS測位誤差情報)を受け取ることができる。また、評価装置は、衛星測位システムから独立して(衛星測位システムに依らないで)移動体の状態(速度等)を計測することができる独立計測手段と接続され、当該独立計測手段が出力する移動体速度等に関する情報(独立計測情報)を、移動体の状態を示す情報として受け取ることができる。そして、評価装置は、GPS測位誤差情報および独立計測情報にもとづいて評価対象データを構成し、評価対象データの、正常標本データ集合に対するマハラノビス距離を算出し、当該マハラノビス距離に基づいて受信機の測位の信頼度を評価する。
第1実施形態においては、評価装置は、移動体としての鉄道車両に設置される。図1は、鉄道車両201に設置された本実施形態による評価装置101および評価装置101に接続される機器の構成を示すブロック図である。
評価装置101は、衛星測位システム用受信機である受信機103と接続される。受信機103は、アンテナ部103aと接続され、GPS衛星が発する電波を受信することが可能になっている。
図3は、CPU1が測位信頼度評価プログラムを実行することにより評価装置101に実現される機能を示したブロック図である。
鉄道車両、自動車といった移動体(陸上移動体)では、トンネル区間や森林地帯、市街地等における高層建築近傍においてGPS衛星の発する信号に対する受信状況が悪くなり、測位精度が劣化する傾向が見られる。つまり、受信状況は受信機の周囲の状況により劣化する傾向がある。そこで、評価装置101は、予め、地上における受信状況の劣化度(もしくは良好度)についての情報を数値化したデータを、該劣化度情報の指す位置を特定するための情報と関連付けて保持する。
σ1’=(1/(1+f(p)))×σ1 ・・・・・ (1)
と表される。つまり、GPS測位誤差標準偏差修正部21は、上記式(1)における(1/(1+f(p)))の値を決定する。
σ3’=k3×R(p)+σ3 (k3:調整パラメータ(後述))・・・(2)
と表される。つまり、GPS測位−実軌道間距離標準偏差修正部31は、上記式(2)におけるk3×R(p)の値を決定する。
σ2’=k2×|a|+σ2 (k2:調整パラメータ(後述)) ・・・(3)
と表される。つまり、速度差標準偏差修正部37は、上記式(3)におけるk2×|a|の値を決定する。
GPS測位誤差推定部11が出力するGPS測位誤差(x1)、
速度差算出部35が出力する速度差(x2)、
GPS測位−実軌道間距離算出部23が出力するGPS測位−実軌道間距離(x3)、
ヨーレート差算出部33が出力するヨーレート差(x4)、
をパラメータとして含むベクトル量である。
正常標本データ集合のGPS測位誤差平均(m1)、
正常標本データ集合の速度差平均(m2)、
正常標本データ集合のGPS測位−実軌道間距離平均(m3)、
正常標本データ集合のヨーレート差平均(m4)、
正常標本データ集合のGPS測位誤差標準偏差(σ1)、
正常標本データ集合の速度差標準偏差(σ2)、
正常標本データ集合のGPS−測位実軌道間距離標準偏差(σ3)、
正常標本データ集合のヨーレート差標準偏差(σ4)、である。
正常標本データ集合のGPS測位誤差平均(m1)、
正常標本データ集合の速度差平均(m2)、
正常標本データ集合のGPS測位−実軌道間距離平均(m3)、
正常標本データ集合のヨーレート差平均(m4)、
修正GPS測位誤差標準偏差(σ1’)、(式(1)参照。)
修正速度差標準偏差(σ2’)、(式(3)参照。)
修正GPS−測位実軌道間距離標準偏差(σ3’)、(式(2)参照。)
正常標本データ集合のヨーレート差標準偏差(σ4)、
を用いる。
これより、評価対象データに基づく測位信頼度評価に先立って予め収集される正常標本データおよびその集合の具体例、ならびに、正常標本データ集合の所定の検査項目パラメータの標準偏差に対する調整パラメータ(k2(式(3))、k3(式(2)))の決定の具体例を示す。
次に、受信機が搭載された移動体(例えば、鉄道車両201)を、視界が開けた直線軌道上において、軌道方向に沿った方向についてその加速度の絶対値が|a0|(a0はゼロ以外の実数。)になるように加減速走行させる。そして、加減速走行中の鉄道車両において検査項目パラメータのうち、少なくとも検査項目「速度差」(上表における「検査項目2」)のデータを収集する。このデータ収集作業は、na回実行される(naは、自然数)。なお、実行回数(na)は、2以上であることが望ましい。
σ2a=k2×|a0|+σ2 ・・・ (5)、
を満足するk2を求め、該k2を調整パラメータk2とする。式(5)より決定された調整パラメータk2は、正常データの一部を構成するデータとして、正常データ保持部55に保持される。
最後に、受信機が搭載された移動体(例えば、鉄道車両201)を、視界が開けた曲線軌道(曲率R0)上において、軌道方向に沿った方向について定速で走行させる。そして、曲率R0の曲線軌道上を定速走行中の鉄道車両において検査項目パラメータのうち、少なくとも検査項目「実軌道との距離」(上表における「検査項目3」)のデータを収集する。このデータ収集作業は、nR回実行される(nRは、自然数)。なお、実行回数(nR)もまた、2以上であることが望ましい。
σ3R=k3×R0+σ3 ・・・ (7)、
を満足するk3を求め、該k3を調整パラメータk3とする。式(7)より決定された調整パラメータk3は、正常データの一部を構成するデータとして、正常データ保持部55に保持される。
次に、図4を参照し、評価装置101によるマハラノビス距離に基づく受信機の測位信頼度評価にかかる処理について説明する。図4は、評価対象データを構成する検査項目パラメータのデータ収集から測位信頼度評価までの処理の流れを示すフローチャートである。
ここでGPS測位誤差について説明する。
ここで、ステップS117においてマハラノビス距離算出部41が算出するマハラノビス距離の算出の方法について説明する。
(正常標本データ集合の統計量について)
k個のデータ項目(検査項目)について、n個の正常標本データが収集されているとする。
マハラノビス距離の算出の対象となるデータをデータx=(x1,x2,・・・,xk)とする。先ず、データxを式(19)のようにして正規化する。
第2実施形態においては、評価装置は、移動体としての自動車に設置される。図6は、自動車301に設置された本実施形態による評価装置101aおよび評価装置101aに接続される機器の構成を示すブロック図である。以下の説明においては、第1実施形態と同様の構成・動作・効果等については適宜説明を省略する。
評価装置101aは、衛星測位システム用受信機である受信機103と接続される。
図7は、評価装置101aが備える機能を示したブロック図である。
σ3’=k3×W(p)+σ3 (k3:調整パラメータ) ・・・・ (2’)
と表される。調整パラメータk3は、正常標本データとは異なる位置特定困難度を有する道路(例えば、車線数が正常標本データ収集に用いた道路よりも多い道路)を用いて収集したデータに基づいて評価されればよい。そして、マップマッチング移動距離標準偏差修正部31aは、上記式(2’)におけるk3×W(p)の値を決定する。位置特定困難度W(p)は、道路の幅もしくは車線数が大きくなるにつれ増大するように設定すればよい。
GPS測位誤差推定部11が出力するGPS測位誤差(x1)、
速度差算出部35が出力する速度差(x2)、
マップマッチング移動離算出部23が出力するマップマッチング移動距離(x3)、
をパラメータとして含むベクトル量である。
正常標本データ集合のGPS測位誤差平均(m1)、
正常標本データ集合の速度差平均(m2)、
正常標本データ集合のマップマッチング移動距離(m3)、
正常標本データ集合のGPS測位誤差標準偏差(σ1)、
正常標本データ集合の速度差標準偏差(σ2)、
正常標本データ集合のマップマッチング移動距離標準偏差(σ3)、である。
正常標本データ集合のGPS測位誤差平均(m1)、
正常標本データ集合の速度差平均(m2)、
正常標本データ集合のGPS測位−実軌道間距離平均(m3)、
修正GPS測位誤差標準偏差(σ1’)、(式(1)参照。)
修正速度差標準偏差(σ2’)、(式(3)参照。)
修正GPS−測位実軌道間距離標準偏差(σ3’)、(式(2’)参照。)
を用いる。
第3実施形態においては、評価装置は、移動体としての航空機に設置される。図8は、航空機401に設置された本実施形態による評価装置101bおよび評価装置101bに接続される機器の構成を示すブロック図である。以下の説明においては、第1および/または第2の実施形態と同様の構成・動作・効果等については適宜説明を省略する。
評価装置101bは、衛星測位システム用受信機である受信機103と接続される。
図9は、慣性航法装置109の動作を示すブロック図である。慣性航法装置109は、センサ部111として、三軸方向について計測可能な加速度計111aおよびジャイロスコープ111bを備える。加速度計111aの出力は、各軸加速度導出部113へ送られ、各軸加速度導出部113が当該三軸方向についての加速度を導出する。導出された三軸方向加速度は、水平・垂直加速度導出部115へ送られる。
図10は、評価装置101bが備える機能を示したブロック図である。
・ 高度にかかる測位誤差を含めたGPS測位誤差平均(m1)、
・ 水平(N,E)および垂直(Az)方向の3成分についての速度差平均(m2N,m2E,m2Az)、
・ 水平(N,E)および垂直(Az)方向の3成分についてのGPS測位と独立計測手段(慣性航法装置109)による測位との位置誤差平均(m3N,m3E,m3Az)、
・ 高度にかかる測位誤差を含めたGPS測位誤差標準偏差(σ1)、
・ 水平(N,E)および垂直(Az)方向の3成分についての速度差標準偏差(σ2N,σ2E,σ2Az)、
・ 水平(N,E)および垂直(Az)方向の3成分についてのGPS測位と独立計測手段(慣性航法装置109)による測位との位置誤差標準偏差(σ3N,σ3E,σ3Az)
GPS測位誤差推定部11が出力する、高度にかかる測位誤差を含めたGPS測位誤差(x1)、
速度差水平・垂直成分算出部35aが出力する、速度差の水平(N,E)および垂直(Az)方向の3成分(x2N,x2E,x2Az)、
位置誤差水平・垂直成分算出部23aが出力する、位置誤差の水平(N,E)および垂直(Az)方向の3成分(x3N,x3E,x3Az)、
をパラメータとして含むベクトル量である。
修正速度差標準偏差(σ’2N,σ’2E,σ’2Az)
=(k2N×TLPS+σ2N,
k2E×TLPS+σ2E,
k2Az×TLPS+σ2Az)を用いてもよく、あるいは、位置誤差標準偏差(σ3N,σ3E,σ3Az)に代えて、
修正位置誤差標準偏差(σ’3N,σ’3E,σ’3Az)
=(k3N×TLPS+σ3N,
k3E×TLPS+σ3E,
k3Az×TLPS+σ3Az)を用いてもよい。
第4実施形態においては、評価装置は、移動体として船舶に設置される。図11は、船舶501に設置された本実施形態による評価装置101cおよび評価装置101cに接続される機器の構成を示すブロック図である。以下の説明においては、第1、第2および/または第3の実施形態と同様の構成・動作・効果等については適宜説明を省略する。
評価装置101cは、衛星測位システム用受信機である受信機103と接続される。
図12は、評価装置101cが備える機能を示したブロック図である。
GPS測位誤差平均(m1)、
水平(N,E)方向の2成分についての速度差平均(m2N,m2E)、
GPS測位誤差標準偏差(σ1)、
水平(N,E)方向の2成分についての速度差標準偏差(σ2N,σ2E)、を保持すればよい。さらに、正常データ保持部55は、速度差標準偏差(σ2N,σ2E,σ2Az)にかかる調整パラメータとして調整パラメータk2=(k2N,k2E)を備えてもよい。正常標本データは、船体が動揺しない状況において計測されればよい。また、調整パラメータk2は、船体が動揺する状況において計測されたデータに基づいて定めればよい。
GPS測位誤差推定部11が出力する、GPS測位誤差(x1)、
速度差水平成分算出部35bが出力する、速度差の水平(N,E)方向の2成分(x2N,x2E)、
をパラメータとして含むベクトル量である。
修正速度差標準偏差(σ’2N,σ’2E)
=(k2×|θROLL|+σ2N,
k2×|θROLL|+σ2E)を用いてもよい。
103 ・・・ 受信機
103a・・・ アンテナ部
107ax・・ 車軸
201 ・・・ 鉄道車両
301 ・・・ 自動車
401 ・・・ 航空機
501 ・・・ 船舶
Claims (14)
- 移動体に設置された衛星測位システムの受信機の測位信頼度を評価する測位信頼度評価装置であって、
前記受信機の出力に基づいて前記受信機の測位誤差を推定して、当該測位誤差を第1評価パラメータとして算出する第1評価パラメータ算出部と、
前記衛星測位システムに依拠しない計測手段の出力に基づいて第2評価パラメータを算出する第2評価パラメータ算出部と、
少なくとも前記第1評価パラメータおよび前記第2評価パラメータを含んだ評価対象データの、所定のデータ集合に対するマハラノビス距離を算出するマハラノビス距離算出部と、
前記マハラノビス距離に基づいて前記受信機の測位信頼度を評価する信頼度評価部と、
前記受信機の出力に基づいて前記受信機の測位位置を算出する衛星測位位置算出部と、
を有し、
前記第2評価パラメータ算出部は、前記計測手段である前記移動体の速度を計測する速度センサの出力に基づいて算出された前記移動体の移動の速さと前記受信機の測位位置に基づいて算出された速さとの差を、前記第2評価パラメータとして算出する、測位信頼度評価装置。 - 前記移動体は、鉄道車両であり、
前記測位信頼度評価装置が、さらに、前記鉄道車両の軌道が敷設された位置が示された軌道データを保持する軌道データ保持部と、
前記受信機の測位位置と、前記軌道データと、に基づいて、前記受信機の測位位置と軌道との乖離の大きさを第3評価パラメータとして算出する第3評価パラメータ算出部と、を有し、
前記マハラノビス距離算出部は、少なくとも前記第1評価パラメータ、前記第2評価パラメータ、および、前記第3評価パラメータを含んだ評価対象データの、所定のデータ集合に対するマハラノビス距離を算出する、請求項1に記載の測位信頼度評価装置。 - さらに、前記計測手段である前記移動体の向きの変化を計測するヨーレートセンサセンサの出力に基づいて算出された前記移動体の移動のヨーレートと前記受信機の測位位置に基づいて算出されたヨーレートとの差を、前記第4評価パラメータとして算出する第4評価パラメータ算出部を有し、
前記マハラノビス距離算出部は、少なくとも前記第1評価パラメータ、前記第2評価パラメータ、および、前記第4評価パラメータを含んだ評価対象データの、所定のデータ集合に対するマハラノビス距離を算出する、請求項1または2に記載の測位信頼度評価装置。 - さらに、前記受信機の受信状況の劣化度についての情報のデータを、対応する位置を特定するための情報と関連付けてなる精度劣化予測情報データを保持する予測情報データ保持部と、
前記所定のデータ集合を構成するデータのうち前記評価対象データの前記第1評価パラメータに対応するパラメータについての標準偏差である第1標準偏差を修正して、当該修正の結果を修正第1標準偏差として前記マハラノビス距離算出部へ通知する第1標準偏差修正部と、を有し、
前記第1標準偏差修正部は、前記第1標準偏差を、前記受信機の測位位置に対応する位置の精度劣化予測情報データが示す前記受信状況の劣化度の増大に応じて減少させるように修正して、修正第1標準偏差として前記マハラノビス距離算出部へ通知し、
前記マハラノビス距離算出部は、前記第1標準偏差に代えて前記修正第1標準偏差を用いてマハラノビス距離を算出する、請求項1に記載の測位信頼度評価装置。 - 前記所定のデータ集合を構成するデータのうち前記評価対象データの前記第2評価パラメータに対応するパラメータについての標準偏差である第2標準偏差を修正して、当該修正の結果を修正第2標準偏差として前記マハラノビス距離算出部へ通知する第2標準偏差修正部、を有し、
前記第2標準偏差修正部は、前記第2標準偏差を、前記計測手段である前記移動体の速度を計測する速度センサの出力に基づいて算出された前記移動体の移動の加速度の絶対値の増大に応じて増加させるように修正して、修正第2標準偏差として前記マハラノビス距離算出部へ通知し、
前記マハラノビス距離算出部は、前記第2標準偏差に代えて前記修正第2標準偏差を用いてマハラノビス距離を算出する、請求項1に記載の測位信頼度評価装置。 - 前記所定のデータ集合を構成するデータのうち前記評価対象データの前記第3評価パラメータに対応するデータの標準偏差である第3標準偏差を修正して、当該修正の結果を修正第3標準偏差として前記マハラノビス距離算出部へ通知する第3標準偏差修正部、を有し、
前記第3標準偏差修正部は、前記第3標準偏差を、前記軌道データにもとづいて得られる前記受信機の測位位置に最近接する軌道の曲率の大きさの増大に応じて増加させるように修正して、修正第3標準偏差として前記マハラノビス距離算出部へ通知し、
前記マハラノビス距離算出部は、前記第3標準偏差に代えて前記修正第3標準偏差を用いてマハラノビス距離を算出する、請求項2に記載の測位信頼度評価装置。 - 前記移動体は、自動車であり、
前記測位信頼度評価装置が、さらに、道路の位置が示された道路地図データを保持する道路地図データ保持部と、
前記受信機の測位位置と、前記道路地図データと、に基づいて、マップマッチングを行い、当該マップマッチングにかかる移動距離を算出して第3評価パラメータとして算出する第3評価パラメータ算出部と、を有し、
前記マハラノビス距離算出部は、少なくとも前記第1評価パラメータ、前記第2評価パラメータ、および、前記第3評価パラメータを含んだ評価対象データの、所定のデータ集合に対するマハラノビス距離を算出する、請求項1に記載の測位信頼度評価装置。 - 前記所定のデータ集合を構成するデータのうち前記評価対象データの前記第3評価パラメータに対応するデータの標準偏差である第3標準偏差を修正して、当該修正の結果を修正第3標準偏差として前記マハラノビス距離算出部へ通知する第3標準偏差修正部、を有し、
前記第3標準偏差修正部は、前記第3標準偏差を、前記マップマッチング距離の増大に応じて増加させるように修正して、修正第3標準偏差として前記マハラノビス距離算出部へ通知し、
前記マハラノビス距離算出部は、前記第3標準偏差に代えて前記修正第3標準偏差を用いてマハラノビス距離を算出する、請求項7に記載の測位信頼度評価装置。 - 前記移動体は、航空機であり、
前記測位信頼度評価装置は、さらに、前記所定のデータ集合を構成するデータのうち前記評価対象データの前記第2評価パラメータに対応するパラメータについての標準偏差である第2標準偏差を修正して、当該修正の結果を修正第2標準偏差として前記マハラノビス距離算出部へ通知する第2標準偏差修正部と、
前記計測手段としての前記速度センサを構成する慣性航法装置による慣性航法が開始されてからの経過時間を計測する経過時間計時部と、を有し、
前記第2標準偏差修正部は、前記第2標準偏差を、前記経過時間の増大に応じて増加させるように修正して、修正第2標準偏差として前記マハラノビス距離算出部へ通知し、
前記マハラノビス距離算出部は、前記第2標準偏差に代えて前記修正第2標準偏差を用いてマハラノビス距離を算出する、請求項1に記載の測位信頼度評価装置。 - さらに、前記慣性航法装置による慣性航法に基づいて前記航空機の位置である慣性航法位置を算出する慣性航法位置算出部と、
前記受信機の測位位置と前記慣性航法位置との間の距離の大きさを第3評価パラメータとして算出する第3評価パラメータ算出部と、を有し、
前記マハラノビス距離算出部は、少なくとも前記第1評価パラメータ、前記第2評価パラメータ、および、前記第3評価パラメータを含んだ評価対象データの、所定のデータ集合に対するマハラノビス距離を算出する、請求項9に記載の測位信頼度評価装置。 - 前記所定のデータ集合を構成するデータのうち前記評価対象データの前記第3評価パラメータに対応するデータの標準偏差である第3標準偏差を修正して、当該修正の結果を修正第3標準偏差として前記マハラノビス距離算出部へ通知する第3標準偏差修正部、を有し、
前記第3標準偏差修正部は、前記第3標準偏差を、前記経過時間の増大に応じて増加させるように修正して、修正第3標準偏差として前記マハラノビス距離算出部へ通知し、
前記マハラノビス距離算出部は、前記第3標準偏差に代えて前記修正第3標準偏差を用いてマハラノビス距離を算出する、請求項10に記載の測位信頼度評価装置。 - 前記移動体は、船舶であり、
前記測位信頼度評価装置は、さらに、前記所定のデータ集合を構成するデータのうち前記評価対象データの前記第2評価パラメータに対応するパラメータについての標準偏差である第2標準偏差を修正して、当該修正の結果を修正第2標準偏差として前記マハラノビス距離算出部へ通知する第2標準偏差修正部と、
前記計測手段である船体傾斜センサの出力に基づいて算出された前記移動体の水平面に対する傾斜角を算出する船体動揺検出部と、を有し、
前記第2標準偏差修正部は、前記第2標準偏差を、前記傾斜角の増大に応じて増加させるように修正して、修正第2標準偏差として前記マハラノビス距離算出部へ通知し、
前記マハラノビス距離算出部は、前記第2標準偏差に代えて前記修正第2標準偏差を用いてマハラノビス距離を算出する、請求項1に記載の測位信頼度評価装置。 - 移動体に設置された衛星測位システムの受信機の測位信頼度を評価する測位信頼度評価装置による測位信頼度評価方法であって、
前記測位信頼度評価装置が、前記受信機の出力に基づいて前記受信機の測位誤差を推定して、当該測位誤差を第1評価パラメータとして算出する第1評価パラメータ算出ステップと、
前記測位信頼度評価装置が、前記受信機の出力に基づいて前記受信機の測位位置を算出する衛星測位位置算出ステップと、
前記測位信頼度評価装置が、前記衛星測位システムに依拠しない計測手段である前記移動体の速度を計測する速度センサの出力に基づいて算出された前記移動体の移動の速さと前記受信機の測位位置に基づいて算出された速さとの差を、前記第2評価パラメータとして算出する第2評価パラメータ算出ステップと、
前記測位信頼度評価装置が、少なくとも第1評価パラメータとしての前記受信機の測位誤差および前記第2評価パラメータを含んだ評価対象データの、所定のデータ集合に対するマハラノビス距離を算出するマハラノビス距離算出ステップと、
前記測位信頼度評価装置が、前記マハラノビス距離に基づいて前記受信機の測位信頼度を評価する信頼度評価ステップと、を有する、測位信頼度評価方法。 - 移動体に設置された衛星測位システムの受信機の測位信頼度を評価する測位信頼度評価装置のコンピュータが実行可能な測位信頼度評価プログラムであって、前記測位信頼度評価プログラムは、前記コンピュータを、
前記受信機の出力に基づいて前記受信機の測位誤差を推定して、当該測位誤差を第1評価パラメータとして算出する第1評価パラメータ算出部と、
前記受信機の出力に基づいて前記受信機の測位位置を算出する衛星測位位置算出部と、
前記衛星測位システムに依拠しない計測手段である前記移動体の速度を計測する速度センサの出力に基づいて算出された前記移動体の移動の速さと前記受信機の測位位置に基づいて算出された速さとの差を、前記第2評価パラメータとして算出する第2評価パラメータ算出部と、
少なくとも第1評価パラメータとしての前記受信機の測位誤差および前記第2評価パラメータを含んだ評価対象データの、所定のデータ集合に対するマハラノビス距離を算出するマハラノビス距離算出部と、
前記マハラノビス距離に基づいて前記受信機の測位信頼度を評価する信頼度評価部として機能させることを特徴とする、測位信頼度評価プログラム。
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