JP6916491B2 - 測位システム、基地局、および、測位方法 - Google Patents
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Description
日本においては、全国を網羅する1200点余の国土地理院GPS(Global Positioning System)電子基準点の座標が測定されており、その測定された国土地理院GPS電子基準点の座標に基づいて、日本の地図(静的な地図)は作成されており、高精度なデジタルマップが実現されている。
なお、基地局位置算出システムの座標算出部における、所定の時間内に収集された第1測位情報に基づいて、第1基地局の世界測地系座標系における位置を算出する方法としては、例えば、以下の算出方法を用いてもよい。すなわち、第1基地局(対象点)の周囲のIGS点の観測データとITRF座標値とを使って、各測位基準点の座標値を、static GNSS解析ソフトウェアを用いて精密決定する算出方法を用いてもよい。なお、static GNSS解析ソフトウェアとしては、例えば、マサチューセッツ工科大学のGAMIT、ベルン大学の Berneseなどのソフトウェアを用いることができる。
また、「携帯電話網の通信のハンドオーバに併せて」とは、携帯電話網の通信のハンドオーバに伴ってという概念を含むものである。したがって、例えば、管理局は、携帯電話網の通信のハンドオーバが実行されるのを契機として、位置基準局となる第1基地局の切り替えを制御するようにしてもよい。
なお、「所定の距離」は、例えば、10kmである。「所定の距離」は、例えば、10km〜50kmぐらいの範囲の任意の距離としてもよい。
第1実施形態について、図面を参照しながら、以下、説明する。
現在、日本の国土地理院は、国際GNSS事業(International GNSS Service:IGS)に参加し、精密軌道情報(精密暦)の作成に必要な観測データの提供や国際座標系(ITRF)を求めるための解析を行っている。
(1)全世界にGNSSの追跡局のネットワークを構築し、連続観測を行う。
(2)観測データを、データセンターで集中管理して提供する。
(3)解析センターでは、上記の観測データから精密軌道暦・地球回転パラメータ・IGS局の座標・速度等を生成し、提供する。
公知文献 : 特許4846779号公報明細書
このようなstatic GNSS解析ソフトウェアを利用して、測位基準点ネットワーク中の所定数の基地局を、たとえば、日本国内で数千から数万箇所程度で、適時に、特定することが可能である。計算センターでは、たとえば、このようにして、所定数の基地局の世界測地座標系での座標を、毎日、決定する構成とすることができる。
ΦL1=λL1 −1[r−IL1+T]+fL1(δtu―δts)+NL1+εφ,L1
λL1:搬送波L1の波長
r:受信機と衛星間の幾何学的距離
IL1:電離層遅延
T:対流圏遅延
fL1:搬送波L1の周波数
δtu:受信機の時計誤差
δts:衛星の時計誤差
NL1:整数値バイアス
εφ,L1:局依存誤差(マルチパス、受信機雑音等による誤差)
図2に示すように、ある時刻において、n番衛星とm番衛星からの搬送波位相データを2台の受信機a,bで取得する場合、受信機aでの各衛星の搬送波積算値をΦna、Φmaとし、受信機bでの各衛星の搬送波積算値をΦnb、Φmbとすると、二重位相差DDΦnmabは、
DDΦnmab=(Φmb−Φnb)−(Φma−Φna)
=λ−1[DDrnmab−DDInmab+DDTnmab]+DDNnmab+DDεnmab
となり、受信機時計誤差および衛星時計誤差が完全に除去される。なおDDxは、xについての二重位相差を表している。さらに、受信機aと受信機bとの距離(基線)が短い場合、電離層、対流圏の項は相殺される。したがって、基線が短い場合、二重位相差は、下記のように表すことができる。
DDΦnmab=λ−1×DDrnmab+DDNnmab+DDεnmab
受信機aをその位置が既知である基準局とし、受信機bをその位置が未知である移動局とし、各衛星からの送信周波数が等しいとすると、エポックtにおける二重位相差は、
DDΦnmab(t)=λ−1[rmb(t)−rma(t)]−λ−1[rnb(t)−rna(t)]+DDNnmab(t)
DDΦnmab(t)+λ−1[rma(t)−rna(t)]=λ−1[rmb(t)−rnb(t)]+DDNnmab(t)
DDNnmabは、既知である。rma(t)、rna(t)は、受信機aの位置と衛星m、nの位置が既知であるため、ピタゴラスの定理より求めることができる。未知数は、受信機bの位置(xb(t),yb(t),zb(t))と、整数値バイアス項DDNnmab(t)である。
DDΦ12ab(t)+λ−1[r2a(t)−r1a(t)]=[r2b(t)−r1b(t)]+DDN12ab(t)
DDΦ13ab(t)+λ−1[r3a(t)−r1a(t)]=[r3b(t)−r1b(t)]+DDN13ab(t)
DDΦ14ab(t)+λ−1[r4a(t)−r1a(t)]=[r4b(t)−r1b(t)]+DDN14ab(t)
・・・
DDΦ1iab(t)+λ−1[ria(t)−r1a(t)]=[rib(t)−r1b(t)]+DDN1iab(t)
上記i−1個の連立方程式において、(i−1)個のDDN(t)と受信機bの位置(xb(t),yb(t),zb(t))が未知数であり、未知数が合計(i+2)個あるので、上記i−1個の連立方程式だけでは解を求めることはできない。
DDΦ12ab(t+1)+λ−1[r2a(t+1)−r1a(t+1)]=[r2b(t+1)−r1b(t+1)]+DDN12ab(t)
DDΦ13ab(t+1)+λ−1[r3a(t+1)−r1a(t+1)]=[r3b(t+1)−r1b(t+1)]+DDN13ab(t)
DDΦ14ab(t+1)+λ−1[r4a(t+1)−r1a(t+1)]=[r4b(t+1)−r1b(t+1)]+DDN14ab(t)
・・・
DDΦ1iab(t+1)+λ−1[ria(t+1)−r1a(t+1)]=[rib(t+1)−r1b(t+1)]+DDN1iab(t)
上記のエポックtの連立方程式およびエポック(t+1)の連立方程式の両方を用いることで、未知数が(i+2)個であり、連立方程式の数が(2i−2)個であるので、i≧4である場合、全ての未知数を求めることができる。つまり、衛星数が4個以上である場合、全ての未知数を求めることができる。
たとえば、測位基準点ネットワークの基準点の各位置座標を、地図基準位置を基に精密決定したとすると、これらは、上述したような、計算センターにおいて毎日精密決定されている測位基準点ネットワークの基準点の各位置座標との間には誤差が存在する。
したがって、地図基準位置および現在座標値を基に測位基準ネットワークのそれぞれの座標を三角測量法によるベクトルの閉合技術等により各座標を決定する。これにより、地図基準位置と整合性のある座標値を計算することができる。
以下では、一例として、上述したような携帯電話網が、マクロセルとスモールセルから成る通信ネットワークで構成されている場合を一例として、さらに、本実施形態を詳しく説明することとする。
測位無線通信システム1000において、1つのマクロセル内に複数のスモールセルが設定され、スモールセルごとに、スモールセル基地局が設置される。
マクロセル基地局mBS1は、図4に示すように、通信処理部11と、通信インターフェース12と、GNSS用アンテナAnt_GNSSと、GNSS受信部13と、を備える。
スモールセル基地局sBS1は、図6に示すように、通信処理部21と、通信インターフェース22とを備える。
移動局Mb1は、図7に示すように、通信処理部31と、移動体用通信インターフェース32と、GNSS用アンテナAnt_GNSS3と、GNSS受信部33と、を備える。
以上のように構成された測位無線通信システム1000の動作について、以下説明する。
まず、各基地局の測位データの収集および精密測定結果データの配信処理について、図8のフローチャートを参照しながら、説明する。
ステップS01において、各マクロセル基地局は、GNSS受信部13により取得した測位データD_GNSSを通信処理部11により、通信インターフェース12を介して、コアネットワーク管理局に送信する。
ステップS02において、計算センターSYS1は、各マクロセル基地局(位置基準局)の周囲のIGS点とITRF座標を使って各点(各マクロセル基地局)の座標値をstatic GNSS解析ソフトウェアを用いて精密測定する。
ステップS03において、計算センターSYS1は、上記処理により取得した各マクロセル基地局(位置基準局)の精密測定結果データを、携帯電話網管理システムMC1に送信する。
次に、移動局の測位処理について、説明する。
ステップS0において、計算センターSYS1は、携帯電話網管理システムMC1、携帯電話用ネットワークNW_telを介して、コアネットワーク管理局NWC1へ、マクロセル基地局mBS1と移動局とのRTK測位に必要となるデータ(自局の位置、自局で取得した搬送波位相データ等)を、データD3_RTCM(mBS1)として送信する。なお、データD3_RTCM(mBS1)は、計算センターSYS1により生成された、マクロセル基地局mBS1によりRTK測位を実行するときに必要なデータをRTCM形式のデータとしたものである。
コアネットワーク管理局NWC1は、受信したデータD3_RTCM(mBS1)をマクロセル基地局mBS1へ送信する。マクロセル基地局mBS1は、コアネットワーク管理局NWC1から送信されたデータD3_RTCM(mBS1)を受信する。
コアネットワーク管理局NWC1は、受信したデータD3_RTCM(mBS2)をマクロセル基地局mBS2へ送信する。マクロセル基地局mBS2は、コアネットワーク管理局NWC1から送信されたデータD3_RTCM(mBS2)を受信する。
ステップS1では、コアネットワーク管理局が移動局Mb1宛てのユーザデータD1をU−planeデータU−plane(D1)として、マクロセル基地局mBS1に送信する。
(1)搬送波位相観測データ
(2)疑似距離観測データ
(3)基地局座標値(マクロセル基地局mBS1の精密位置の座標値)
を含めたデータであるRTCMデータ(RTCM:Radio Technical Commission For Maritime Services)として取得する。
ステップS2において、移動局Mb1は、測位処理部317により、上記により取得したRTCMデータであるデータRTCM1から、RTK測位に必要なデータを取得し、RTK測位により、自局(移動局Mb1)の位置を測定(特定)する。
ステップS3において、移動局Mb1は、受信品質情報(Measurement Report)をマクロセル基地局mBS1に送信する。
ステップS9において、ハンドオーバ先のマクロセル基地局mBS2とコアネットワーク管理局との間でパス切替処理を実行する。
ステップS10では、コアネットワーク管理局が移動局Mb1宛てのユーザデータD1をU−planeデータU−plane(D1)として、ハンドオーバ先のマクロセル基地局mBS2に送信する。
(1)搬送波位相観測データ
(2)疑似距離観測データ
(3)基地局座標値(マクロセル基地局mBS2の精密位置の座標値)
を含めたデータであるRTCMデータとして取得する。
ステップS11において、移動局Mb1は、測位処理部317により、上記により取得したRTCMデータであるデータRTCM2から、RTK測位に必要なデータを取得し、RTK測位により、自局(移動局Mb1)の位置を測定(特定)する。
また、静的デジタルマップが更新された場合、移動局Mb1は、計算センターSYS1から、携帯電話網管理システムMC1、コアネットワーク管理局、マクロセル基地局、スモールセル基地局を介して、静的デジタルマップが更新されたことを示す情報と、更新前の静的デジタルマップから更新後の静的デジタルマップへと補正するための補正値の情報とを受信するようにしてもよい。これにより、静的デジタルマップが更新された場合にも、移動局Mb1は、上記補正値に基づいて、更新された静的地図上において、適切な位置に移動局Mb1を表示させる処理を行うことができる。
次に、第1実施形態の変形例について説明する。
ステップS0Aにおいて、第1実施形態のステップS0と同様の処理が実行され、計算センターSYS1から、コアネットワーク管理局NWC1を介して、マクロセル基地局mBS1へデータD3_RTCM(mBS1)が送信される。また、計算センターSYS1から、コアネットワーク管理局NWC1を介して、マクロセル基地局mBS2へデータD3_RTCM(mBS2)が送信される。
また、計算センターSYS1は、携帯電話網管理システムMC1、携帯電話用ネットワークNW_telを介して、コアネットワーク管理局NWC1へ、マクロセル基地局mBS3と移動局とのRTK測位に必要となるデータ(自局の位置、自局で取得した搬送波位相データ等)を、データD3_RTCM(mBS3)として送信する。なお、データD3_RTCM(mBS3)は、計算センターSYS1により生成された、マクロセル基地局mBS3によりRTK測位を実行するときに必要なデータをRTCM形式のデータとしたものである。
コアネットワーク管理局NWC1は、受信したデータD3_RTCM(mBS3)をマクロセル基地局mBS3へ送信する。マクロセル基地局mBS3は、コアネットワーク管理局NWC1から送信されたデータD3_RTCM(mBS3)を受信する。
マクロセル基地局mBS3は、受信したデータD3_RTCM(mBS3)を記憶保持する。
(ステップS1〜S10):
ステップS1〜S10の処理は、第1実施形態の測位無線通信システム1000の処理と同様である。なお、図示していないが、ステップS0の処理も第1実施形態と同様である。
ステップS11において、ハンドオーバ先のマクロセル基地局mBS2は、GNSS受信部13により取得したGNSSデータから、電波を良好に受信できているGNSS衛星のID、電波を良好に受信できているGNSS衛星の個数を示すデータをU−planeデータ(データU−plane(D_GNSS))としてスモールセル基地局sBS1に送信する。
ステップS12において、移動局Mb1は、スモールセル基地局sBS1から受信したデータU−plane(D_GNSS)から、マクロセル基地局mBS1でGNSS衛星から良好に受信できている衛星のID、および、衛星の個数を取得し、移動局Mb1において、マクロセル基地局mBS1を位置基準局として、RTK測位の精度を確保できるかを判定する。例えば、移動局Mb1とマクロセル基地局mBS1とで共通に受信できている衛星の数が13個以上である場合、マクロセル基地局mBS1と移動局Mb1との距離が10km以下であるので、移動局Mb1は、RTK測位により、瞬時に未知点(移動局Mb1)の位置を高精度(測位誤差4cm以内)で算出することができると判定する。
一方、図11に示すように、ステップS12において、移動局Mb1が、移動局Mb1において、マクロセル基地局mBS1を位置基準局として、RTK測位の精度を確保できないと判定した場合、移動局Mb1は、コアネットワーク管理局に対して、U−planeデータを用いて、測位用基準局の探索処理を実行する要求を行う。つまり、移動局Mb1は、測位用基準局の探索処理を実行する要求信号をデータU−plane(Req_GNSS_search)として、スモールセル基地局sBS1、マクロセル基地局mBS2を介して、コアネットワーク管理局に送信する(ステップS121)。このとき、移動局Mb1は、移動局Mb1にてGNSS信号を受信できている衛星のID、衛星の数等をデータU−plane(Req_GNSS_search)に含めて、コアネットワーク管理局宛てに送信する。
ステップS122において、コアネットワーク管理局は、移動局Mb1からの要求に応じて、測位用基準局の探索処理を実行する。具体的には、コアネットワーク管理局は、コアネットワークを介して、各マクロセル基地局に、GNSS信号を受信できている衛星のID、および、GNSS信号を受信できている衛星の数等のGNSSデータをコアネットワーク管理局に返信するように要求する。そして、コアネットワーク管理局は、各マクロセル基地局から集めたデータから、移動局Mb1と共通にGNSS信号を受信できている衛星の数が13個以上のマクロセル基地局であって、移動局Mb1との距離が10km以下であるマクロセル基地局を特定する。図14の場合、この特定したマクロセル基地局がマクロセル基地局mBS3であるとする。
上記実施形態(変形例を含む)では、位置基準局となるマクロセル基地局が10kmスパン以下となるように密に配置される場合について説明したが、地形等によっては、上記のように配置することが困難である場合、例えば、スモールセル基地局を位置基準局とするために、スモールセル基地局をGNSS受信部を搭載するようにしてもよい。あるいは、位置基準局が10kmスパン以下となるように、GNSS受信機を設置するようにしてもよい。
また、上記実施形態(変形例を含む)において、「搬送波位相積算値」は、すべて計算センターに集積されるものとして説明したが、「搬送波位相積算値」を基地局に対応付けて集積するのは、「携帯電話網管理システム」でもよいし、あるいは、「コアNW管理局」でもよい。
mBS1、mBS2、mBS3 マクロセル基地局
sBS1 スモールセル基地局
13 GNSS受信部
115 U−plane信号処理部
116 C−plane信号処理部
Dev4 補正処理装置
Claims (7)
- 複数の第1基地局と、
移動局と、
前記第1基地局間のハンドオーバを制御するための管理局と、
基地局位置算出システムと、
を備え、
前記第1基地局は、複数の測位衛星から送信される測位信号を第1測位信号として受信する第1受信装置を有し、位置計測の位置基準局に設定されるとともに、携帯電話網の基地局として機能し、
前記移動局は、複数の測位衛星から送信される測位信号を第2測位信号として受信する第2受信装置を有しており、
前記管理局は、
前記携帯電話網の通信のハンドオーバに併せて、前記位置基準局となる第1基地局の切り替えを制御し、
前記第1基地局は、
前記第1受信装置が、前記第1測位信号から取得した測位情報であって、少なくとも搬送波位相積算値と疑似距離とを含む前記測位情報を、第1測位情報として、前記基地局位置算出システムに送信し、
前記第2測位信号に基づく測位における誤差を補正するための情報を、前記第1基地局の自局位置情報とともに、前記移動局に補正情報として送信する通信インターフェースを含み、
前記移動局は、
前記第2測位信号に基づく搬送波位相積算値と、前記第1基地局から送信される前記第1基地局の前記自局位置情報および前記第1測位信号に基づく搬送波位相積算値とに基づいて、前記移動局の位置である移動局位置をリアルタイムキネマティック法により算出する移動局位置算出処理を実行する位置算出部を含み、
前記基地局位置算出システムは、
前記複数の第1基地局から、それぞれ送信される前記第1測位情報を収集する受信部と、
所定の時間内に収集された前記第1測位情報に基づいて、前記第1基地局の世界測地座標系における位置を算出し、算出した当該位置を精密位置情報として取得する座標算出部と、
前記複数の第1基地局のそれぞれに対して、前記座標算出部により算出された自局の精密位置情報を送信する送信部と、
を含み、
前記基地局位置算出システムは、
電子基準点に基づいて生成された公共座標系であって所定の期間更新されない前記公共座標系と、精密位置測定により取得された位置情報から生成した世界測地座標系との差についての情報である誤差情報を、前記第1基地局に送信する、
測位システム。 - 前記第1基地局であるハンドオーバ元基地局から、前記第1基地局であるハンドオーバ先基地局へと前記携帯電話網の通信のハンドオーバが実行された場合、
前記移動局は、
前記第2測位信号に基づく搬送波位相積算値と、前記ハンドオーバ先基地局から送信される前記第1基地局の前記自局位置情報および前記第1測位信号に基づく搬送波位相積算値とに基づいて、前記移動局位置算出処理を実行する、
請求項1に記載の測位システム。 - 前記第1基地局であるハンドオーバ元基地局から、前記第1基地局であるハンドオーバ先基地局へと前記携帯電話網の通信のハンドオーバが実行された場合、
前記移動局は、
前記第2測位信号に基づく搬送波位相積算値と、前記ハンドオーバ先基地局とは異なる前記第1基地局であって、前記移動局との距離が所定の距離以下である測位用切替先基地局から送信される前記第1基地局の前記自局位置情報および前記第1測位信号に基づく搬送波位相積算値とに基づいて、前記移動局位置算出処理を実行する、
請求項1に記載の測位システム。 - 前記複数の第1基地局は、
第1の大きさの領域であるスモールセルを通信可能領域とするスモールセル基地局と、
前記スモールセルよりも大きな領域であるマクロセルを通信可能領域とし、GNSS衛星から送信される電波を受信し当該電波からGNSS用データを取得するGNSS受信機能を有する第1のマクロセル基地局と、
を含み、
前記第1のマクロセル基地局は、
スモールセルにおいてユーザプレーンによる通信処理で用いられるデータであるユーザプレーンデータにより、GNSS衛星を用いた測位に用いられるデータであって、前記第1のマクロセル基地局が前記GNSS用データより取得したデータである測位用データを、前記移動局宛てのユーザプレーンデータとして、前記移動局が存在するスモールセルの前記スモールセル基地局に送信し、
前記スモールセル基地局は、
前記第1のマクロセル基地局から受信した前記測位用データを含む前記ユーザプレーンデータを前記移動局に送信し、
前記移動局は、
前記スモールセル基地局からの前記ユーザプレーンデータから前記測位用データを取得し、取得した当該測位用データと、前記移動局が前記GNSS衛星から受信した電波から取得したGNSSデータとを用いて、前記移動局の測位を行う、
請求項1から3のいずれかに記載の測位システム。 - 前記スモールセルよりも大きな領域であるマクロセルを通信可能領域とし、GNSS衛星から送信される電波を受信し当該電波からGNSS用データを取得するGNSS受信機能を有する第2のマクロセル基地局をさらに備え、
前記移動局が、前記第1のマクロセル基地局のマクロセルである第1マクロセルから、前記第2のマクロセル基地局のマクロセルである第2マクロセルへ移動する場合であって、
マクロセルによる制御を行うための制御プレーンデータの送信元を前記第1のマクロセル基地局から前記第2のマクロセル基地局へのハンドオーバ処理が実行されるときに、
前記移動局の測位を行うためのマクロセル基地局から前記移動局へ送信される測位データの送信元を、前記第1のマクロセル基地局から前記第2のマクロセル基地局への移行させる処理が実行され、
前記処理が実行された後、
前記第2のマクロセル基地局は、前記第2のマクロセル基地局が取得した測位用データを、前記移動局宛てのユーザプレーンデータとして、前記移動局が存在するスモールセルの前記スモールセル基地局に送信し、
前記スモールセル基地局は、
前記第2のマクロセル基地局から受信した前記測位用データを含む前記ユーザプレーンデータを前記移動局に送信し、
前記移動局は、
前記第2のマクロセル基地局から、スモールセル基地局を介して送信された前記ユーザプレーンデータから前記測位用データを取得し、取得した当該測位用データと、前記移動局が前記GNSS衛星から受信した電波から取得したGNSSデータとを用いて、前記移動局の測位を行う、
請求項4に記載の測位システム。 - 前記スモールセルよりも大きな領域であるマクロセルを通信可能領域とし、GNSS衛星から送信される電波を受信し当該電波からGNSS用データを取得するGNSS受信機能を有する第2から第N(N:自然数)のマクロセル基地局をさらに備え、
前記移動局が、前記第1のマクロセル基地局のマクロセルである第1マクロセルから、前記第2のマクロセル基地局のマクロセルである第2マクロセルへ移動する場合であって、
マクロセルによる制御を行うための制御プレーンデータの送信元を前記第1のマクロセル基地局から前記第2のマクロセル基地局へのハンドオーバ処理が実行されるときに、
前記第2のマクロセル基地局がGNSS衛星からの電波が受信可能なGNSS衛星であって、前記移動局と共通して受信可能なGNSS衛星の数が所定の数よりも少ない場合、
前記移動局の測位を行うためのマクロセル基地局から前記移動局へ送信される測位データの送信元を、前記第1のマクロセル基地局から前記第2のマクロセル基地局以外のマクロセル基地局であって、GNSS衛星からの電波が受信可能なGNSS衛星であって、前記移動局と共通して受信可能なGNSS衛星の数が所定の数よりも多いマクロセル基地局に移行させる処理を実行する、
請求項4に記載の測位システム。 - GNSS衛星から送信される電波を受信し当該電波からGNSS用データを取得するGNSS受信機能を有する複数のマクロセル基地局を含み、
前記複数のマクロセル基地局のうち、少なくとも1組のマクロセル基地局は、互いの距離が所定の距離以下となるように配置されている、
請求項4から6のいずれかに記載の測位システム。
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