JP6017984B2 - 車両位置計測方法、および車両位置計測システム - Google Patents

Description

本発明は、車両の位置を計測するための車両位置計測方法等に関する。

鉄道の安全な運行には列車の位置の把握が不可欠である。
位置検出方式としては、例えば軌道回路を用いる方式、速度発電機を利用する方式（例えば、特許文献１）、ＧＰＳ（Global Positioning System）による測位情報を利用する方式（例えば、特許文献２、特許文献３）等が知られるところである。

特開２０１２−２０７３４号公報 特開２００６−２４０４７８号公報 特開２００２−３３５６０７号公報

軌道回路等の地上設備を必要としない、或いは、最低限に抑える車両位置の計測は、例えば閑散線区などにおいて要望が高い。軌道回路に代わってＧＰＳによる測位情報を利用する場合には、計測誤差をいかに小さくするかが重要とされる。ＧＰＳの計測誤差の一つとして「マルチパス（多重反射）」が知られる。マルチパスは、地表面や樹木、建物などから反射された信号がＧＰＳ衛星からの直線経路外から届き、直線経路で到達した信号に干渉することで生じる誤差である。なお、ＧＰＳ衛星以外の衛星測位システムを利用する場合にもマルチパスの問題がある。

本発明がなされた目的は、衛星測位システムを利用して車両位置を計測する場合に、マルチパスの影響を低減させることにある。

以上の課題を解決するための第１の発明は、鉄道車両の屋根部に所定の位置関係で設置された複数のアンテナ（例えば、図１の第１ＧＰＳアンテナ１０１、第２ＧＰＳアンテナ１０２）によって受信された衛星信号を利用して前記鉄道車両の位置を計測する車両位置計測方法であって、
各候補衛星について、前記複数のアンテナそれぞれが同一計測タイミングで受信した当該候補衛星の衛星信号に基づいて擬似距離（例えば、図１の第１擬似距離Ｌ１、第２擬似距離Ｌ２）を算出する擬似距離算出ステップ（例えば、図３のステップＳ６）と、
前記擬似距離算出ステップで算出された擬似距離の距離差（例えば、図１の擬似距離差△Ｌ）と、前記位置関係とを用いて、当該候補衛星を測位に使用するか否かの指標値を算出する指標値算出ステップ（例えば、図３のステップＳ１０）と、
前記指標値に基づいて、前記候補衛星のうち、測位に使用する衛星を選択する衛星選択ステップ（例えば、図３のステップＳ１２〜Ｓ１６、ステップＳ４２）と、
前記衛星選択ステップで選択された衛星の衛星信号に基づいて測位する測位ステップと（例えば、図３のステップＳ５０）、を含む車両位置計測方法である。

また別形態として、鉄道車両の屋根部に所定の位置関係で設置された複数のアンテナ（例えば、図１の第１ＧＰＳアンテナ１０１、第２ＧＰＳアンテナ１０２）と、各候補衛星について、前記複数のアンテナそれぞれが同一計測タイミングで受信した当該候補衛星の衛星信号に基づいて擬似距離を算出する擬似距離算出部（例えば、図２の第１ＧＰＳ受信機１０３、第２ＧＰＳ受信機１０４）と、
前記擬似距離算出部で算出された擬似距離の距離差と、前記位置関係とを用いて、当該候補衛星を測位に使用するか否かの指標値を算出する指標値算出部（例えば、図２の演算部１２０、指標値算出部１２４）と、
前記指標値に基づいて、前記候補衛星のうち、測位に使用する衛星を選択する衛星選択部（例えば、図２の演算部１２０、衛星選択部１２６）と、
前記衛星選択部で選択された衛星の衛星信号に基づいて測位する測位部（例えば、図２の演算部１２０、測位部１２８）と、を備えた車両位置計測システムを構成できる。

第１の発明等によれば、複数のアンテナで同時に受信した衛星信号別に擬似距離を算出し、擬似距離の距離差と当該複数のアンテナの設置位置関係とに基づいて指標値を算出することができる。
もし、ある衛星からの衛星信号が、マルチパスの影響を受けていないならば、複数のアンテナそれぞれについて算出した擬似距離の距離差は、アンテナの設置位置関係に基づいて幾何的に求められる値と一致する。つまり、衛星別に求めることができる指標値は、その衛星の衛星信号が受けているマルチパスの影響等の程度を示すと考えられる。
よって、指標値に基づいて測位に使用する衛星を選択することで、衛星測位システムを利用して車両位置を計測する際のマルチパスの影響を低減させることが可能になる。

指標値の扱いに関して具体的には、第２の発明として、前記指標値算出ステップが、前記擬似距離の距離差と当該擬似距離に係るアンテナの設置間隔との差が、所定の閾値条件（例えば、図１のアンテナ設置間隔Ｄ）を満たすか否かを示す前記指標値を算出するステップである、第１の発明の車両位置計測方法を構成することができる。

また、第３の発明として、前記候補衛星の天空位置を算出する天空位置算出ステップ（例えば、図６のステップＳ２２）を更に含み、前記指標値算出ステップは、前記鉄道車両の方位と、前記天空位置と、前記位置関係とに基づいて、前記擬似距離の理想的な距離差である理想擬似距離差を算出する理想擬似距離差算出ステップ（例えば、図６のステップＳ２４）を含み、前記擬似距離の距離差と、当該理想擬似距離差との差に基づいて前記指標値を算出するステップ（例えば、図６のステップＳ３０）である、第１の発明の車両位置計測方法を構成することができる。

また、アンテナに関しては、第４の発明として、前記複数のアンテナには３以上のアンテナ（例えば、図７の前ＧＰＳアンテナ１０７ｆ，右前ＧＰＳアンテナ１０７ｆｒ，…）が含まれ、前記複数のアンテナのうち、アンテナ同士の設置位置を結ぶ延長線方向と、当該候補衛星への視線方向とが最も近い一対のアンテナを選択するアンテナ選択ステップ（例えば、図１０のステップＳ５ａ〜Ｓ５ｂ）を更に含み、前記指標値算出ステップは、前記アンテナ選択ステップで選択された一対のアンテナに係る前記擬似距離の距離差と、当該一対のアンテナの位置関係とを用いて、当該候補衛星の前記指標値を算出するステップである、第１又は第２の発明の車両位置計測方法を構成することができる。

第１実施形態における車両位置計測システムの構成例、およびマルチパスの影響を低減する原理を説明するための図。 第１実施形態における車両位置計測システムの機能構成例を示す機能ブロック図。 第１実施形態における一回の測位を行うための処理の流れを説明するためのフローチャート。 第２実施形態における理想擬似距離差Ｌideとマルチパス影響指標値Ｍの関係について説明するための図。 第２実施形態における車両位置計測システムの機能構成例を示す機能ブロック図。 第２実施形態における一回の測位を行うための処理の流れを説明するためのフローチャート。 ３本以上のＧＰＳアンテナを配置した構成例を示す図。 機能構成の変形例を示す機能ブロック図。 ＧＰＳアンテナの対を選択するための選択設定データの一例を示す図。 一回の測位を行うための処理の流れの変形例を説明するためのフローチャート。

〔第１実施形態〕
本発明を適用した車両位置計測システムの実施形態について説明する。なお、本実施形態では全地球位置測位システム（ＧＮＳＳ：Global Navigation Satellite Systems）としてＧＰＳを利用するものとして説明するが、他の全地球位置測位システムに適宜置き換えることができる。また、車両位置の計測タイミングを以降では「エポック」と呼ぶこととする。

［システム構成および原理の説明］
図１は、本実施形態における車両位置計測システムの構成例、およびマルチパスの影響を低減する原理を説明するための図である。図１（１）は、車両側面から見た図、図１（２）は俯瞰した図に相当する。なお、車両位置計測システムへ電力を供給する回路等についての説明は省略している。

本実施形態の車両位置計測システム１００は、軌道３を走行する車両である列車４の位置を計測するシステムであって列車４に搭載され、列車４の現在位置を計測する。
車両位置計測システム１００は、ＧＰＳ衛星６から送信される衛星信号７を受信する第１ＧＰＳアンテナ１０１と、第２ＧＰＳアンテナ１０２とを備える。なお、図１において、理解を容易にするために、第１ＧＰＳアンテナ１０１と第２ＧＰＳアンテナ１０２の大きさを実物より大きく図示している。これらは、例えば公知のアクティブタイプのＧＰＳアンテナにより実現され、受信した衛星信号７（電波）を電気信号に変換して出力することができる。そして、第１ＧＰＳアンテナ１０１と第２ＧＰＳアンテナ１０２は、列車４の車体上部、例えば屋根部に、所定の位置関係で設置されている。本実施形態では、二つのアンテナは所定のアンテナ設置間隔Ｄだけ離され、且つ、両者を結ぶ直線が列車４の長手方向すなわち車両の前後方向と略平行となるように設置されている。また、図１の列車４は１両編成であるが、複数車両の編成であってもよい。その場合には、第１ＧＰＳアンテナ１０１と第２ＧＰＳアンテナ１０２とは、同一の車両に設置される。アンテナの位置関係を固定とするためである。

車両位置計測システム１００は、複数のＧＰＳ衛星６それぞれの衛星信号７を、第１ＧＰＳアンテナ１０１と第２ＧＰＳアンテナ１０２で受信し捕捉・追尾することができる。そして、捕捉・追尾できた複数のＧＰＳ衛星６を候補衛星とし、候補衛星の中から測位に使用する衛星を選択し、選択した衛星の衛星信号７に基づいて列車４の位置座標を算出する。本実施形態では、衛星別にマルチパスの影響度合を判定し、マルチパスの影響が大きいと考えられる衛星を測位に使用しないようにすることができる。

マルチパスの影響度合の判定は次のように行う。
車両位置計測システム１００は、ＧＰＳ衛星６から送信された衛星信号７を同エポック（同一計測タイミング）で、第１ＧＰＳアンテナ１０１と第２ＧＰＳアンテナ１０２とで受信し、各アンテナが受信したそれぞれの衛星信号７に基づいてＧＰＳ衛星６から各アンテナまでの第１擬似距離Ｌ１、第２擬似距離Ｌ２を算出する。

ここで、ＧＰＳ衛星６と、第１ＧＰＳアンテナ１０１と、第２ＧＰＳアンテナ１０２との幾何的な位置関係に着目すると、第１擬似距離Ｌ１と第２擬似距離Ｌ２との差の絶対値である擬似距離差△Ｌは、アンテナ設置間隔ＤとＧＰＳ衛星６の仰角θalに基づいて算出できる。擬似距離差△Ｌは、ＧＰＳ衛星６が第１ＧＰＳアンテナ１０１と第２ＧＰＳアンテナ１０２を結ぶ直線方向にあり、且つ仰角θalが「０°」の時に最大値となる。この最大値は、衛星とアンテナの幾何的関係からアンテナ設置間隔Ｄと同じになる。

マルチパスの影響を受けた場合の擬似距離は、影響を受けなかった場合よりも「長く」なる。そこで、本実施形態では、擬似距離差△Ｌとアンテナ設置間隔Ｄとの差をマルチパスの影響を受けている指標値（マルチパス影響指標値Ｍ）として算出し、当該指標値が所定の閾値以上の場合には測位に好ましくない程のマルチパスの影響を受けていると判定する。具体的には、マルチパス影響指標値Ｍ（擬似距離差△Ｌとアンテナ設置間隔Ｄとの差）が「０」以上の場合には、好ましくない程のマルチパスの影響を受けていると判定する。そして、当該衛星を測位に使用しないことでマルチパスの影響を低減する。

［機能構成の説明］
図２は、本実施形態における車両位置計測システム１００の機能構成例を示す機能ブロック図である。
車両位置計測システム１００は、
ａ）第１ＧＰＳアンテナ１０１で受信した衛星信号に基づいて第１擬似距離Ｌ１を算出する第１ＧＰＳ受信機１０３と、
ｂ）第２ＧＰＳアンテナ１０２で受信した衛星信号に基づいて第２擬似距離Ｌ２を算出する第２ＧＰＳ受信機１０４と、
ｃ）測位に関する各種演算等を実行する演算部１２０と、
ｄ）プログラムや各種データを記憶する記憶部１５０と、
ｅ）通信Ｉ／Ｆ（Interface）１８０と、
ｆ）エポック（計測タイミング、測位タイミング）を計時する受信機時計１８２と、
を有する。これらは、バス１９０によりデータ送受可能に接続されている。車両位置計測システム１００は、一種のコンピュータシステムとも言える。

第１ＧＰＳ受信機１０３と第２ＧＰＳ受信機１０４は、公知のＧＰＳ受信機の応用により実現できる。従って、これらのＧＰＳ受信機は、それぞれＲＦ受信部１１０と、衛星捕捉追尾部１１２と、擬似距離算出部１１４と、航法メッセージ復調部１１６とを含む。

ＲＦ受信部１１０は、第１ＧＰＳアンテナ１０１や第２ＧＰＳアンテナ１０２から入力した電気信号を中間周波数に変換し、デジタル信号に変換してデジタルＩＦ（Intermediate Frequency）信号として出力する。ＲＦ受信部１１０は、例えば、各種フィルタ回路や低雑音増幅器（ＬＮＡ：Low Noise Amplifier）の他、中間周波数のＩＦ信号へ変換するダウンコンバータ、ダウンコンバートされたＩＦ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器、等を有する。

衛星捕捉追尾部１１２は、ＲＦ受信部１１０から入力されるデジタルＩＦ信号を元にして、各ＧＰＳ衛星の信号の捕捉と追尾を行う。例えば、取得済の航法メッセージ１５４に基づいて各ＧＰＳ衛星の天空位置を計算し、可視範囲内のＧＰＳ衛星のＣ／Ａコード（レプリカコード）を生成し、デジタルＩＦ信号との相関値がピークとなるようにＣ／Ａコードの位相制御をする。

擬似距離算出部１１４は、捕捉・追尾しているＧＰＳ衛星別の擬似距離Ｌを算出する。第１ＧＰＳ受信機１０３であれば、算出した第１擬似距離Ｌ１を衛星ＩＤ（例えば、ＧＰＳ衛星６の衛星番号）と対応づけて第１擬似距離リスト１６０へ格納する。第２ＧＰＳ受信機１０４であれば、算出した第２擬似距離Ｌ２を衛星ＩＤと対応づけて第２擬似距離リスト１６２へ格納する。第１擬似距離リスト１６０及び第２擬似距離リスト１６２は、それぞれ第１ＧＰＳ受信機１０３及び第２ＧＰＳ受信機１０４内のメモリに記憶させることとしてもよい。本実施形態では、第１ＧＰＳ受信機１０３及び第２ＧＰＳ受信機１０４からＧＰＳ衛星別に擬似距離Ｌが出力され、記憶部１５０に記憶されることとする。

航法メッセージ復調部１１６は、受信した衛星信号に基づいて航法メッセージ１５４を復調する。尚、航法メッセージ１５４を別途通信回線を介してサーバから取得する構成の場合には適宜省略できる。航法メッセージ１５４についても同様に、それぞれ第１ＧＰＳ受信機１０３及び第２ＧＰＳ受信機１０４内のメモリに記憶することとしてもよい。

演算部１２０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＤＳＰ（Digital Signal Processor）などの各種マイクロプロセッサ、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）などにより実現され、車両位置計測システム１００の全体制御を司る。本実施形態では、指標値算出部１２４と、衛星選択部１２６と、測位部１２８とを有する。これらは、記憶部１５０に記憶されている測位プログラム１５２の実行またはハードウェア回路により実現される。

指標値算出部１２４は、擬似距離差算出部１２５を有し、擬似距離差△ＬとＧＰＳアンテナの設置位置関係とを用いてその衛星を測位に使用するか否かの指標値であるマルチパス影響指標値Ｍを算出する。
擬似距離差算出部１２５は、衛星別に第１擬似距離Ｌ１と第２擬似距離Ｌ２との擬似距離差△Ｌを算出し、衛星ＩＤ（例えば、ＧＰＳ衛星６の衛星番号）と対応づけて、擬似距離差リスト１６４へ格納する。
そして、指標値算出部１２４は、本実施形態では擬似距離差△Ｌとアンテナ設置間隔Ｄとの差からマルチパス影響指標値値１６５を算出し、当該指標値が所定の閾値以上（本実施形態では「０」以上）である場合には当該衛星の識別情報（衛星ＩＤ、衛星番号）を除外衛星リスト１５６に登録し、閾値未満である場合には当該衛星の識別情報を除外衛星リスト１５６から登録末梢する。換言すると、指標値算出部１２４は、擬似距離差△Ｌとアンテナ設置間隔Ｄとを比較し、擬似距離差△Ｌがアンテナ設置間隔Ｄ未満であれば測位に使用する衛星とするが、アンテナ設置間隔Ｄ以上であればその衛星を除外することができる。

衛星選択部１２６は、衛星別のマルチパス影響指標値Ｍに基づいて、測位に使用する衛星を選択する。本実施形態では、除外衛星リスト１５６に登録されいている衛星を除外して選択する。

測位部１２８は、衛星選択部１２６で選択されたＧＰＳ衛星から受信した衛星信号７に基づいて測位に関する演算を実行し、列車４の位置座標を算出する。算出した位置座標は位置座標履歴１６６に時系列に登録される。また、測位演算は、空間座標系の３軸の座標値と受信機時計１８２の時刻誤差とを未知数として演算するため、受信機時計１８２の時刻誤差も算出する。時刻誤差演算部１２９は、この時刻誤差を算出する機能に相当する。算出された時刻誤差に基づいて、受信機時計１８２は校正される。

記憶部１５０は、測位に必要な諸機能を実現するためのプログラムや各種データ等を記憶する。また、演算部１２０の作業領域として用いられ、演算部１２０が各種プログラムに従って実行した演算結果等を一時的に記憶する。また、第１ＧＰＳ受信機１０３や第２ＧＰＳ受信機１０４で算出されたデータを記憶することができる。こうした機能は、例えばＲＡＭやＲＯＭなどのＩＣメモリ、ハードディスク等の磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭやＤＶＤなどの光学ディスクなどによって実現される。

本実施形態の記憶部１５０は、測位プログラム１５２と、航法メッセージ１５４と、除外衛星リスト１５６と、第１擬似距離リスト１６０と、第２擬似距離リスト１６２と、擬似距離差リスト１６４と、マルチパス影響指標値１６５と、位置座標履歴１６６とを記憶する。その他、測位に必要な各種データを適宜記憶することができる。

測位プログラム１５２は、演算部１２０が読み出して実行することにより、指標値算出部１２４、衛星選択部１２６、測位部１２８として機能させるためのプログラムである。なお、これらの一部をハードウェア回路として実現する構成の場合には、当該プログラム部分は適宜省略される。

航法メッセージ１５４は、受信した衛星信号７をデコードすることで得られるデータであり、各ＧＰＳ衛星の衛星軌道情報を含む。なお、測位を開始する前の当初の航法メッセージ１５４、或いは、それに含まれる衛星軌道情報のみを、通信Ｉ／Ｆ１８０を介して外部から取得する構成としてもよい。

除外衛星リスト１５６は、測位に使用するのに不適と判断された衛星ＩＤ（例えば、ＧＰＳ衛星番号）を登録する。

第１擬似距離リスト１６０は、ＧＰＳ衛星別の衛星ＩＤと対応づけて当該衛星の第１擬似距離Ｌ１を格納する。
第２擬似距離リスト１６２は、ＧＰＳ衛星別の衛星ＩＤと対応づけて当該衛星の第２擬似距離Ｌ２を格納する。
擬似距離差リスト１６４は、ＧＰＳ衛星別の衛星ＩＤと対応づけて当該衛星の擬似距離差△Ｌを格納する。
位置座標履歴１６６は、車両（本実施形態では列車４）の位置座標の履歴である。

通信Ｉ／Ｆ１８０は、車両位置計測システム１００外の装置とのデータ通信を実現する。いわゆるインタフェースＩＣ、通信端子、無線装置等を適宜流用可能である。例えば、車両位置情報（本実施形態では、ＧＰＳ座標値）等を、車両位置計測システム１００外へ出力することができる。

受信機時計１８２は、受信機内の基準時間を計時し、第１ＧＰＳ受信機１０３と第２ＧＰＳ受信機１０４と演算部１２０へ、エポック（計測タイミング）の同期信号を出力することができる。当該同期信号を受けることにより、第１ＧＰＳ受信機１０３と第２ＧＰＳ受信機１０４は、同エポックで第１擬似距離Ｌ１、第２擬似距離Ｌ２をそれぞれ算出することができる。

［動作の説明］
次に、本実施形態における車両位置計測システム１００の動作説明として、測位に関連する処理の流れについて説明する。尚、航法メッセージ１５４のデコード・更新についてはＧＰＳを用いた公知の測位技術と同様に実現できるのでここでの説明は省略する。また、電源投入直後には、航法メッセージ１５４の再取得と、可視可能なＧＰＳ衛星６の天空位置の計算と、当該衛星からの衛星信号を探すサーチを行うが、それらも公知の測位技術と同様に実現できるので説明は省略する。

図３は、本実施形態における一回の測位を行うための処理の流れを説明するためのフローチャートであって、車両位置計測システム１００が起動している間、エポック毎に繰返し実行される。

同処理において、車両位置計測システム１００は先ず、ＧＰＳ衛星６の捕捉追尾処理を実行する（ステップＳ２）。本実施形態の構成では、第１ＧＰＳ受信機１０３及び第２ＧＰＳ受信機１０４の衛星捕捉追尾部１１２が、ＲＦ受信部１１０で受信した信号とレプリカコードとの相関演算を、ＧＰＳ衛星別に定められたレプリカコードを変更しながら行い、相関が取れた場合に該当するＧＰＳ衛星の信号を捕捉したと判定し、捕捉状態を維持する追尾を行う。

次に、車両位置計測システム１００は、捕捉・追尾されているＧＰＳ衛星それぞれについてループＡを実行する（ステップＳ４〜Ｓ１８）。
ループＡでは、先ず処理対象としているＧＰＳ衛星について、受信機時計１８２からの同期信号に従った同一計測タイミングで、第１ＧＰＳ受信機１０３が第１擬似距離Ｌ１を算出し、第２ＧＰＳ受信機１０４が第２擬似距離Ｌ２を算出する（ステップＳ６）。

次いで、車両位置計測システム１００は、算出した第１擬似距離Ｌ１と第２擬似距離Ｌ２の擬似距離差△Ｌを算出し（ステップＳ８）、算出した擬似距離差△Ｌとアンテナ設置間隔Ｄの差を求め、これを当該ＧＰＳ衛星のマルチパス影響指標値Ｍとする（ステップＳ１０）。

そして、算出したマルチパス影響指標値Ｍが、所定閾値以上、本実施形態では「０」以上であれば（ステップＳ１２のＹＥＳ）、ループＡの処理対象としているＧＰＳ衛星を除外衛星リスト１５６に登録し（ステップＳ１４）、ループＡを終了する（ステップＳ１８）。もし、マルチパス影響指標値Ｍが「０」未満であれば（ステップＳ１２のＮＯ）、当該ＧＰＳ衛星を除外衛星リスト１５６から登録抹消して（ステップＳ１６）、ループＡを終了する（ステップＳ１８）。

捕捉・追尾されている全てのＧＰＳ衛星についてループＡを実行したならば、車両位置計測システム１００は、ステップＳ２で捕捉・追尾されているＧＰＳ衛星から除外衛星リスト１５６に登録されている衛星を除外した「候補衛星」の中から測位に使用する衛星を選択する（ステップＳ４２）。
そして、選択された衛星を使用して測位演算を実行して今回のエポックにおける列車４の位置座標を算出して位置座標履歴１６６に登録する（ステップＳ５０）。

以上、本実施形態によれば、衛星測位システムを利用して車両位置を計測する場合に、マルチパスの影響を低減させることができる。
なお、ステップＳ１２でマルチパス影響指数値Ｍと比較した閾値は「０」に限らず、「１」や「−１」等、マルチパスの影響を判別可能な他の値に適宜設定することとしてもよいのは勿論である。

〔第２実施形態〕
次に、本発明を適用した第２実施形態について説明する。本実施形態は、基本的には第１実施形態と同様に実現されるが、マルチパス影響指標値Ｍの算出方法が異なる。具体的には、アンテナ設置間隔Ｄと、ＧＰＳ衛星６の仰角θalと、列車４の進行方向を基準としたＧＰＳ衛星６への視界方向（方位角θaz）とに基づいて理想擬似距離差Ｌideを算出し、この理想擬似距離差Ｌideと擬似距離差△Ｌとの差を本実施形態におけるマルチパス影響指標値Ｍとする。なお、以降では主に第１実施形態との差異について述べることとし、第１実施形態と同様の構成要素については同じ符号を付与して詳細な説明は省略する。

図４は、理想擬似距離差Ｌideとマルチパス影響指標値Ｍの関係について説明するための図である。図４（１）が車両（列車４）の俯瞰図に相当し、ＧＰＳ衛星６の衛星信号７と第１ＧＰＳアンテナ１０１、第２ＧＰＳアンテナ１０２の幾何的関係を示している。また、図４（２）は、車両側面から見たＧＰＳ衛星６の仰角を説明するための図である。

理想擬似距離差Ｌideは、ＧＰＳ衛星６の衛星信号７に全くマルチパス等の誤差要因が含まれず理想的に受信される場合に得られる擬似距離差の理想値である。ＧＰＳ衛星６の仰角θalと、列車４の進行方向（車両の正面方向）を基準としたＧＰＳ衛星６の位置する方位角θazとから幾何的に得られる。すなわち、理想擬似距離差Ｌideは、ＧＰＳ衛星６の天空位置と、アンテナの位置関係とに基づいて算出できる。

ここで、マルチパスの影響を受けると擬似距離差△Ｌは、理想擬似距離差Ｌideから乖離することに着目すれば、実際に算出される擬似距離差△Ｌと理想擬似距離差Ｌideの差の絶対値を、マルチパスの影響を受けている程度と見なすことができる。本実施形態ではこれを「マルチパス影響指標値Ｍ」とする。このマルチパス影響指標値Ｍは、捕捉・追尾されているＧＰＳ衛星毎に算出され、測位に使用する衛星を選択する順番である選択優先順（小さいほど優先順位が高い）に用いられる。
なお、方位角θazが９０°に至れば、第１ＧＰＳアンテナ１０１及び第２ＧＰＳアンテナ１０２から見て当該ＧＰＳ衛星は同距離に位置することになる。つまり、理想擬似距離差Ｌideは理論的には「０」となる。。

図５は、本実施形態における車両位置計測システム１００の機能構成例を示すブロック図である。本実施形態の演算部１２０では、車体正面方位算出部１３０と、衛星天空位置算出部１３１と、衛星仰角算出部１３２と、衛星方位角算出部１３４とを有する。また本実施形態の指標値算出部１２４は、理想擬似距離差算出部１３６を有する。

これに伴い、本実施形態の記憶部１５０は、車体正面方位１７０と、仰角リスト１７２と、方位角リスト１７４と、理想擬似距離差リスト１７６と、マルチパス影響指標値リスト１７８とを記憶する。

車体正面方位算出部１３０は、衛星の方位角θazの基準となる車両（列車４）の正面の方位を示す車体正面方位１７０を算出する。例えば、位置座標履歴１６６に登録されている最近の位置座標の変化から進行方位を算出しても良い。

衛星天空位置算出部１３１は、航法メッセージ１５４と、受信機時計１８２の示す時刻とに基づいてＧＰＳ衛星６の天空位置を算出する。

衛星仰角算出部１３２及び衛星方位角算出部１３４は、測位の対象となる移動体（本実施形態では列車４）から見たＧＰＳ衛星６への視線方向の仰角及び方位をそれぞれ算出する。具体的には、位置座標履歴１６６に登録されている最後の位置座標を基準として、衛星天空位置算出部１３１が算出した天空位置に向かう方向を視線方向とし、その視線方向の仰角θal及び方位角θazを衛星仰角算出部１３２及び衛星方位角算出部１３４がそれぞれ算出する。そして、衛星ＩＤと対応づけて仰角リスト１７２及び方位角リスト１７４へ格納する。なお、方位角θazは、車体正面方位１７０を「０°」とする。

理想擬似距離差算出部１３６は、ＧＰＳ衛星別に、当該ＧＰＳ衛星の仰角θalと方位角θazとに基づく理想擬似距離差Ｌideを算出し、衛星ＩＤと対応づけて理想擬似距離差リスト１７６へ格納する。そして、本実施形態の指標値算出部１２４は、ＧＰＳ衛星別に擬似距離差△Ｌと理想擬似距離差Ｌideとの差からマルチパス影響指標値Ｍを算出し、衛星ＩＤと対応づけてマルチパス影響指標値リスト１７８へ格納する。更に、マルチパス影響指標値Ｍを所定の閾値（本実施形態では「０」）と比較し、閾値以上であればその衛星を除外衛星リスト１５６に登録し、閾値未満であれば除外衛星リスト１５６から登録抹消する。

そして、本実施形態の衛星選択部１２６は、捕捉したＧＰＳ衛星６から除外衛星リスト１５６に登録されている衛星を除いて候補衛星を選び、マルチパス影響指標値Ｍが小さい候補衛星から順に測位に使用する衛星を選択する。なお、除外衛星リスト１５６に登録されている衛星を除かずに、マルチパス影響指標値Ｍが小さい候補衛星から順に、測位に使用する所定数の衛星を選択することとしてもよい。

図６は、本実施形態における一回の測位を行うための処理の流れを説明するためのフローチャートである。車両位置計測システム１００は先ず、ＧＰＳ衛星６の捕捉追尾処理を実行し（ステップＳ２）、衛星の方位角θazの基準となる列車４の車体正面方位１７０を算出する（ステップＳ３）。そして、車両位置計測システム１００は、捕捉・追尾したＧＰＳ衛星それぞれについてループＢを実行する（ステップＳ２０〜Ｓ３８）。

ループＢでは、先ず処理対象としているＧＰＳ衛星について、天空位置を算出して、列車４からの仰角θalと、先に算出した車体正面方位を「０°」とした方位角θazとを算出する（ステップＳ２２）。そして、仰角θal、方位角θaz、アンテナ設置間隔Ｄに基づいて理想擬似距離差Ｌideを算出する（ステップＳ２４）。

次に、受信機時計１８２からの測位タイミングの同期信号に従って同一エポックにおける第１擬似距離Ｌ１と第２擬似距離Ｌ２を算出し（ステップＳ２６；第１実施形態のステップＳ６相当）、算出した第１擬似距離Ｌ１と第２擬似距離Ｌ２の擬似距離差△Ｌを算出する（ステップＳ２８；第１実施形態のステップＳ８相当）。そして、処理対象としているＧＰＳ衛星のマルチパス影響指標値Ｍを算出する（ステップＳ３０）。

次いで、車両位置計測システム１００は、マルチパス影響指標値Ｍが「０」以上である場合、すなわち擬似距離差△Ｌと理想擬似距離差Ｌideの差が閾値以上である場合には（ステップＳ３２のＹＥＳ）、処理対象としているＧＰＳ衛星の衛星ＩＤを除外衛星リスト１５６に登録し（ステップＳ３４）、ループＢを終了する（ステップＳ３８）。ここで言う「閾値」は、所定値を適宜設定するとしても良いし、理想擬似距離差Ｌideの所定割合（例えば、１０％）のようにその都度算出するとしても良い。
一方、マルチパス影響指標値Ｍが閾値未満である場合には（ステップＳ３２のＮＯ）、処理対象としているＧＰＳ衛星の衛星ＩＤを除外衛星リスト１５６から登録末梢し（ステップＳ３６）、ループＢを終了する（ステップＳ３８）。

ステップＳ２で捕捉・追尾されている全てのＧＰＳ衛星６についてループＢを実行したならば、車両位置計測システム１００は、捕捉・追尾されているＧＰＳ衛星６から除外衛星リスト１５６に登録されている衛星を除外して「候補衛星」を選択し（ステップＳ４３）、更に選択した「候補衛星」の中から各候補衛星のマルチパス影響指標値Ｍの小さい順から優先的に測位に使用する衛星を選択する（ステップＳ４５）。
そして、選択された衛星を使用して測位演算を実行して今回のエポックにおける列車４の位置座標を算出して位置座標履歴１６６に登録する（ステップＳ５０）。

尚、本実施形態において、除外衛星リスト１５６の生成と利用を省略した構成も可能である。その場合、ステップＳ３２〜Ｓ３６及びステップＳ４３を省略することができる。そして、その場合のステップＳ４５では、捕捉・追尾されている全てのＧＰＳ衛星６の中からマルチパス影響指標値Ｍに基づく順番で測位する衛星を選択するステップとすると良い。

〔変形例〕
以上、本発明を適用した実施形態について説明したが、本発明の形態はこれらに限定されるものではなく、適宜構成要素の追加・省略・変更を施すことができる。

例えば、上記実施形態ではＧＰＳアンテナとＧＰＳ受信機を２セット設ける構成としているが、３セット以上設ける構成も可能である。例えば、図７に示すように、列車４の屋根部に、上記実施形態の第１ＧＰＳアンテナ１０１、第２ＧＰＳアンテナ１０２に代えて、８本のＧＰＳアンテナ（前ＧＰＳアンテナ１０７ｆ，右前ＧＰＳアンテナ１０７ｆｒ，右ＧＰＳアンテナ１０７ｒ，右後ＧＰＳアンテナ１０７ｂｒ，後ＧＰＳアンテナ１０７ｂ，左後ＧＰＳアンテナｂｌ，左ＧＰＳアンテナ１０７ｌ，左前ＧＳＰアンテナ１０７ｆｌ）を備える。これら８本のＧＰＳアンテナは、直径がアンテナ設置間隔Ｄの円周上に等間隔で設置される。

また当該構成の機能構成は、例えば第１実施形態をベースとすれば図８に示すようになる。すなわち、８本のＧＰＳアンテナ１０７ｆ，１０７ｆｒ，…には、それぞれ第１〜第２実施形態の第１ＧＰＳ受信機１０３や第２ＧＰＳ受信機１０４に相当するＧＰＳ受信機が設けられている。図８の例では、右前ＧＰＳアンテナ１０７ｆｒに接続される右前用ＧＰＳ受信機１０８ｆｒのみ図示しているが、他の７本のＧＰＳアンテナについてもそれぞれＧＰＳ受信機が用意される。当該構成におけるＧＰＳアンテナとＧＰＳ受信機の組み合わせをＧＰＳモジュール１０９と呼ぶ。つまり、当該構成では８セットのＧＰＳモジュール１０９が用意される。

そして、演算部１２０は、第２実施形態と同様の車体正面方位演算部１３０、衛星天空位置算出部１３１、衛星方位角算出部１３４を有し、更にアンテナ選択部１４０を有する。

アンテナ選択部１４０は、８本のＧＰＳアンテナの中から、アンテナ同士の設置位置を結ぶ延長線方向と、ＧＰＳ衛星６への視線方向とが最も近い一対のアンテナを選択する。
具体的には、図７に示すように、列車４の車両正面方向を基準として、正面方向に方位範囲θｎ、右斜め前方に方位範囲θｎｅ、右方向に方位範囲θｅ、右斜め後方に方位範囲θｓｅ、後方に方位範囲θｓ、左斜め後方に方位範囲θｓｗ、左方向に方位範囲θｗ、左斜め前方に方位範囲θｎｗを予め設定しておく。そして、図９に示すような選択設定データ１７９で、こらら８つの方位に、ＧＰＳ衛星６への視線方向が該当した場合に選択するべきＧＰＳアンテナの組み合わせを対応付けておく。アンテナ選択部１４０は、選択設定データ１７９を参照して、ＧＰＳ衛星６への視線方向すなわち方位角θazに応じた一対のアンテナを選択する。そして、当該構成における指標値算出部１２４の擬似距離差算出部１２５は、アンテナ選択部１４０で選択されたＧＰＳアンテナを、上記実施形態の第１擬似距離Ｌ１、第２擬似距離Ｌ２の算出に使用する２本のＧＰＳアンテナと見なして、それら選択されたＧＰＳアンテナに対応するＧＰＳモジュール１０９で算出された擬似距離から擬似距離差△Ｌを算出する。

記憶部１５０には、第２実施形態と同様に、車体正面方位１７０と、方位角リスト１７４とを記憶する。

一回の測位に係る処理の流れとしては、第１実施形態をベースとすれば、図１０に示すようになる。すなわち、ループＡの開始直後に、処理対象としているＧＰＳ衛星の視線方向すなわち方位角θazを算出するステップ（ステップＳ５ａ）と、算出した方位角θazに基づいてアンテナ対を選択するステップ（ステップＳ５ｂ）とを追加する。そして、第１実施形態のステップＳ６に代えて、選択されたＧＰＳアンテナの対に対応するＧＰＳモジュール１０９にて算出された第１擬似距離Ｌ１及び第２擬似距離Ｌ２に基づいて擬似距離差△Ｌを算出する（ステップＳ５ｃ）。以降、第１実施形態と同様である。

なお、当該構成ではＧＰＳアンテナの数は８本に限らず適宜増減できる。例えば、前ＧＰＳアンテナ１０７ｆ、右ＧＰＳアンテナ１０７ｒ、後ＧＰＳアンテナ１０７ｂ、左ＧＰＳアンテナ１０７ｌの４本とし、適宜選択設定データ１７９におけるＧＰＳアンテナの組み合わせを変更することができる。
また、ＧＰＳ衛星の方位角に応じて擬似距離算出に使用するＧＰＳアンテナを選択する構成は第２実施形態にも適用可能である。その場合は、第２実施形態のステップＳ２２とＳ２４の間に（図６参照）、方位角θazに基づいてアンテナ対を選択するステップを追加する。

また、上記実施形態では車両の例として鉄道車両を例示したが、本発明は自動車や船舶などの位置計測においても適用可能である。

３…軌道
４…列車
６…ＧＰＳ衛星
７…衛星信号
１００…車両位置計測システム
１０１…第１ＧＰＳアンテナ
１０２…第２ＧＰＳアンテナ
１０３…第１ＧＰＳ受信機
１０４…第２ＧＰＳ受信機
１０７ｆ…前ＧＰＳアンテナ
１０７ｆｒ…右前ＧＰＳアンテナ
１０７ｒ…左ＧＰＳアンテナ
１０７ｂｒ…右後ＧＰＳアンテナ
１０７ｂ…右ＧＰＳアンテナ
１０７ｂｌ…左後ＧＳＰアンテナ
１０７ｌ…左ＧＰＳアンテナ
１０７ｆｌ…左前ＧＰＳアンテナ
１０８ｆｒ…右前用ＧＰＳ受信機
１０９…ＧＰＳモジュール
１１０…ＲＦ受信部
１１２…衛星捕捉追尾部
１１４…擬似距離算出部
１１６…航法メッセージ復調部
１２０…演算部
１２４…指標値算出部
１２５…擬似距離差算出部
１２６…衛星選択部
１２８…測位部
１２９…時刻誤差演算部
１３０…車体正面方位算出部
１３１…衛星天空位置算出部
１３２…衛星仰角算出部
１３４…衛星方位角算出部
１３６…理想擬似距離差算出部
１４０…アンテナ選択部
１５０…記憶部
１５２…測位プログラム
１５４…航法メッセージ
１５６…除外衛星リスト
１６０…第１擬似距離リスト
１６２…第２擬似距離リスト
１６４…擬似距離差リスト
１６５…マルチパス影響指標値値
１６６…位置座標履歴
１７０…車体正面方位
１７２…仰角リスト
１７４…方位角リスト
１７６…理想擬似距離差リスト
１７８…マルチパス影響指標値リスト
１７９…選択設定データ
１８０…通信Ｉ／Ｆ
１８２…受信機時計
１９０…バス
Ｌ１…第１擬似距離
Ｌ２…第２擬似距離
△Ｌ…擬似距離差
Ｌide…理想擬似距離差
Ｍ…マルチパス影響指標値
θal…仰角
θaz…方位角

Claims (5)

1. 鉄道車両の屋根部に所定間隔で設置された複数のアンテナによって受信された衛星信号を利用して前記鉄道車両の位置を計測する車両位置計測方法であって、
   各候補衛星について、前記複数のアンテナそれぞれが同一計測タイミングで受信した当該候補衛星の衛星信号に基づいて擬似距離を算出する擬似距離算出ステップと、
   前記擬似距離算出ステップで算出された擬似距離の距離差と、前記所定間隔との差を当該候補衛星の指標値として算出する指標値算出ステップと、
   前記指標値が小さい前記候補衛星から順に所定数の前記候補衛星を測位に使用する衛星として選択する衛星選択ステップと、
   前記衛星選択ステップで選択された衛星の衛星信号に基づいて測位する測位ステップと、
   を含む車両位置計測方法。
2. 鉄道車両の屋根部に所定間隔で設置された複数のアンテナによって受信された衛星信号を利用して前記鉄道車両の位置を繰り返し測位する車両位置計測方法であって、
   各候補衛星の天空位置を算出する天空位置算出ステップと、
   過去に測位された位置を位置座標履歴として記憶するステップと、
   前記各候補衛星について、前記複数のアンテナそれぞれが同一計測タイミングで受信した当該候補衛星の衛星信号に基づいて擬似距離を算出する擬似距離算出ステップと、
   前記擬似距離算出ステップで算出された擬似距離の距離差に基づいて当該候補衛星の指標値を算出する指標値算出ステップであって、前記位置座標履歴と、前記鉄道車両の方位と、前記天空位置と、前記所定間隔とに基づいて、前記位置座標履歴に登録された最後の測位位置を基準とした前記擬似距離の理想的な距離差である理想擬似距離差を算出し、前記擬似距離の距離差と、当該理想疑似距離差との差を、当該候補衛星の指標値として算出する指標値算出ステップと、
   前記指標値が小さい前記候補衛星から順に所定数の前記候補衛星を測位に使用する衛星として選択する衛星選択ステップと、
   前記衛星選択ステップで選択された衛星の衛星信号に基づいて測位する測位ステップと、
   を含む車両位置計測方法。
3. 前記指標値は、当該指標値に係る当該候補衛星の衛星信号がマルチパスの影響を大きく受けるほど大きな値となり、
   前記衛星選択ステップは、前記指標値が、マルチパスの影響を一定程度以上受けていることを示す所定の閾値条件を満たす場合には、当該指標値に係る前記候補衛星を測位に使用する衛星から除外するステップを含む、
   請求項１又は２に記載の車両位置計測方法。
4. 鉄道車両の屋根部に所定間隔で設置された複数のアンテナと、
   各候補衛星について、前記複数のアンテナそれぞれが同一計測タイミングで受信した当該候補衛星の衛星信号に基づいて擬似距離を算出する擬似距離算出部と、
   前記擬似距離算出部で算出された擬似距離の距離差と、前記所定間隔との差を当該候補衛星の指標値として算出する指標値算出部と、
   前記指標値が小さい前記候補衛星から順に所定数の前記候補衛星を測位に使用する衛星として選択する衛星選択部と、
   前記衛星選択部で選択された衛星の衛星信号に基づいて測位する測位部と、
   を備えた車両位置計測システム。
5. 鉄道車両の屋根部に所定間隔で設置された複数のアンテナによって受信された衛星信号を利用して前記鉄道車両の位置を繰り返し測位する車両位置計測システムであって、
   各候補衛星の天空位置を算出する天空位置算出部と、
   過去に測位された位置を位置座標履歴として記憶する記憶部と、
   前記各候補衛星について、前記複数のアンテナそれぞれが同一計測タイミングで受信した当該候補衛星の衛星信号に基づいて擬似距離を算出する擬似距離算出部と、
   前記擬似距離算出部で算出された擬似距離の距離差に基づいて当該候補衛星の指標値を算出する指標値算出ステップであって、前記位置座標履歴と、前記鉄道車両の方位と、前記天空位置と、前記所定間隔とに基づいて、前記位置座標履歴に登録された最後の測位位置を基準とした前記擬似距離の理想的な距離差である理想擬似距離差を算出し、前記擬似距離の距離差と、当該理想疑似距離差との差を、当該候補衛星の指標値として算出する指標値算出部と、
   前記指標値が小さい前記候補衛星から順に所定数の前記候補衛星を測位に使用する衛星として選択する衛星選択部と、
   前記衛星選択部で選択された衛星の衛星信号に基づいて測位する測位部と、
   を備えた車両位置計測システム。

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