JP7014400B2 - 測位装置、測位方法、測位プログラム、測位プログラム記憶媒体、アプリケーション装置、および、測位システム - Google Patents

Description

本発明は、ＧＮＳＳの測位信号を用いて単独測位を行う測位技術に関する。

従来、単独測位を行う測位装置が各種考案されている。例えば、特許文献１に示すように、測位装置は、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）等のＧＮＳＳ（Ｇｒｏｂａｌ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｓｙｓｔｅｍｓ）の測位信号を受信し、擬似距離や搬送波位相積算値を用いて、位置の推定演算を行う。

この際、測位装置は、特許文献１に示すようなカルマンフィルタを用いて、位置の推定演算を行う。

特開２０１１－１３０３９９号公報

現在、測位衛星からの測位信号を用いた測位システムは、米国のＧＰＳのみでなく、ロシアのＧＬＯＮＡＳＳ、欧州連合のＧａｌｉｌｅｏ等、複数の国や機構によって実現されている。そして、各測位システムでは、それぞれに固有の測位衛星を用い、それぞれに固有の測位信号を採用している。

従来、これら複数の測位システムを用いる場合、それぞれの測位信号から個別に位置を推定していた。

しかしながら、各測位システムでは、受信可能な領域が異なり、特定の測位システムのみを採用すると、受信できない領域、すなわち、測位できない領域が存在する。

一方で、複数の測位システムを採用する場合、このような受信できない領域、測位できない領域の発生確率は低下するが、複数の測位システム毎に推定した位置を用いて、出力用の位置を更に算出することになり、測位のための処理が煩雑になってしまう。

したがって、本発明の目的は、複数の測位システムの測位信号を用いて、容易な処理で高精度な測位を行うことにある。

この発明の測位装置は、受信部、および、測位演算部を備える。受信部は、複数の測位システムの測位信号の擬似距離または搬送波位相積算値を検出する。測位演算部は、複数の測位システムの各位置の統計的演算値を統合位置とし、各誤差共分散の統計的演算値を統合誤差共分散として、カルマンフィルタ処理を実行することによって、測位を行う。

この構成では、複数の測位システムの測位信号を用いた統合値によってカルマンフィルタが実行される。これにより、処理が容易になり、且つ、カルマンフィルタに用いる測位信号数が稼げることによって、精度の向上が可能になる。

また、この発明の測位装置は、受信部、および、測位演算部を備える。受信部は、複数の測位システムの測位信号の擬似距離または搬送波位相積算値を検出する。測位演算部は、複数の測位システムの第１の測位システムに対するカルマンフィルタによって推定された位置および誤差共分散を、複数の測位システムの第２の測位システムに対するカルマンフィルタの事前推定値に設定して、第２の測位システムに対するカルマンフィルタ処理を実行することによって、測位を行う。

この構成では、位置および誤差共分散が複数の測位システムで引き継がれるので、処理の容易化とともに精度の向上が可能になる。

また、この発明のアプリケーション装置は、上述のいずれかに記載の測位装置の各構成と、アプリケーション処理部と、を備える。アプリケーション処理部は、測位演算部で算出された位置を用いたアプリケーション情報を生成する。

この構成では、高精度な測位結果が得られることよって、より適切なアプリケーション情報が生成される。

また、この発明の測位システムは、基地局と測位衛星とを備える。基地局は、上述のいずれかに記載の測位装置の各構成、および、測位結果を用いて衛星軌道情報の補正情報を生成する補正情報生成部を備える。測位衛星は、補正情報生成部からの補正情報を測位信号とともに送信する。

この構成では、高精度な補正情報が得られることによって、より高精度な測位が可能になる。

この発明によれば、複数の測位システムの測位信号を用いて、容易な処理で高精度な測位を行うことができる。

本発明の実施形態に係る測位装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る第１の測位方法を示すフローチャートである。 本発明の実施形態に係る第２の測位方法を示すフローチャートである。 本発明の実施形態に係るナビゲーション装置の構成を示すブロック図である。 （Ａ）は、本発明の実施形態に係る補正システムの構成を示す図であり、（Ｂ）は、基地局の構成を示すブロック図である。

本発明の実施形態に係る測位装置および測位方法について、図を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態に係る測位装置の構成を示すブロック図である。

図１に示すように、測位装置１０は、受信部３０、受信部３１、受信部３２、および、測位演算部４０を備える。受信部３０、受信部３１、受信部３２、および、測位演算部４０は、それぞれに、１または複数の半導体素子やＩＣによって実現されている。なお、受信部３０、受信部３１、受信部３２、および、測位演算部４０は、情報処理装置と該情報処理装置によって実行されるプログラムによって実現できる。

受信部３０、受信部３１、受信部３２、は、アンテナ２０に接続されている。なお、アンテナ２０を測位装置１０に含めてもよい。

アンテナ２０は、複数の測位システムの測位衛星ＳＡＴｉ、測位衛星ＳＡＴｊ、測位衛星ＳＡＴｋ（図１では３つの測位衛星のみを図示しており、他の測位衛星の図示は省略している。）からの測位信号ＳＳｉ、ＳＳｊ、ＳＳｋをそれぞれ受信し、受信部３１、受信部３２、受信部３３に出力する。

複数の測位システムは、例えば、米国のＧＰＳ、ロシアのＧＬＯＮＡＳＳ、欧州連合のＧａｌｉｌｅｏ、中国のＢｅｉＤｏｕ、日本の準天頂衛星システム（ＱＺＳＳ）等である。測位信号ＳＳｉは、測位衛星ＳＡＴｉから送信され、測位信号ＳＳｊは、測位衛星ＳＡＴｊから送信され、測位信号ＳＳｋは、測位衛星ＳＡＴｋから送信される。

受信部３１は、測位信号ＳＳｉを捕捉、追尾して、測位信号ＳＳｉの擬似距離ρｉおよび搬送波位相積算値Φｉを検出する。受信部３１は、複数の時刻において、測位信号ＳＳｉの擬似距離ρｉおよび搬送波位相積算値Φｉを検出する。受信部３１は、各時刻での擬似距離ρｉおよび搬送波位相積算値Φｉを、測位演算部４０に出力する。

受信部３２は、測位信号ＳＳｊを捕捉、追尾して、測位信号ＳＳｊの擬似距離ρｊおよび搬送波位相積算値Φｊを検出する。受信部３２は、複数の時刻において、測位信号ＳＳｊの擬似距離ρｊおよび搬送波位相積算値Φｊを検出する。受信部３２は、各時刻での擬似距離ρｊおよび搬送波位相積算値Φｊを、測位演算部４０に出力する。

受信部３３は、測位信号ＳＳｋを捕捉、追尾して、測位信号ＳＳｋの擬似距離ρｋおよび搬送波位相積算値Φｋを検出する。受信部３３は、複数の時刻において、測位信号ＳＳｋの擬似距離ρｋおよび搬送波位相積算値Φｋを検出する。受信部３３は、各時刻での擬似距離ρｋおよび搬送波位相積算値Φｋを、測位演算部４０に出力する。

測位演算部４０は、複数の測位システムの擬似距離ρおよび搬送波位相積算値Φを観測値として、カルマンフィルタ処理を実行する。すなわち、測位演算部４０は、測位信号ＳＳｉの擬似距離ρｉおよび搬送波位相積算値Φｉと、測位信号ＳＳｊの擬似距離ρｊおよび搬送波位相積算値Φｊと、測位信号ＳＳｋの擬似距離ρｋおよび搬送波位相積算値Φｋとを観測値として、カルマンフィルタ処理を実行する。

この際、測位演算部４０は、複数の測位システムの各位置の統計的演算値を統合位置とし、各誤差共分散の統計的演算値を統合誤差共分散として、カルマンフィルタ処理を実行する。統計的演算値とは、例えば、最小二乗値、平均値の平滑化値等を用いる。

すなわち、測位演算部４０は、カルマンフィルタ処理に対して、次の状態方程式を設定する。

時刻ｔの推定位置をｕ（ｔ）とし、システムノイズをＷ（ｔ）とし、状態遷移行列をＦとすると、状態方程式は、次式で表される。

ｕ（ｔ＋１）＝Ｆ・ｕ（ｔ）＋Ｗ（ｔ）
測位演算部４０は、この位置ｕ（ｔ）に統合位置を設定する。また、測位演算部４０は、この状態遷移行列に統合誤差共分散を用いる。

また、測位演算部４０は、カルマンフィルタ処理に対して、次の観測方程式を設定する。

時刻ｔの推定位置をｕ（ｔ）とし、観測値をｙ（ｔ）とし、観測ノイズをＶ（ｔ）とし、観測行列をＨとすると、観測方程式は、次式で表される。

ｙ（ｔ）＝Ｈ・ｕ（ｔ）＋Ｖ（ｔ）
測位演算部４０は、観測値ｙ（ｔ）に上述の擬似距離ρｉ、ρｊ、ρｋ、または、搬送波位相積算値Φｉ、Φｊ、Φｋを用いる。

このような処理を行うことによって、複数の測位システム毎にカルマンフィルタ処理を実行して推定された位置を更に統合するよりも簡素な処理で、測位を行うことができる。

また、このように複数の測位システムの擬似距離や搬送波位相積算値を、カルマンフィルタ処理の観測値に設定できるので、観測値数が多くなり、測位精度は向上する。

上述の説明では、各処理をそれぞれの機能部で分担して実行する態様を示した。しかしながら、上述の各処理をプログラム化して記憶媒体に記憶しておき、ＣＰＵ等の演算処理装置で実行してもよい。この場合、図２に示す処理を実行すればよい。図２は、本発明の実施形態に係る第１の測位方法を示すフローチャートである。

演算処理装置は、複数の測位システムの擬似距離ρｉ、ρｊ、ρｋと、搬送波位相積算値Φｉ、Φｊ、Φｋとを検出する（Ｓ１０１）。

演算処理装置は、複数の測位システムにおける各位置、各誤差共分散の統計的演算値から統合位置、統合誤差共分散を設定する（Ｓ１０２）。

演算処理装置は、カルマンフィルタ処理を用いて統合位置、統合誤差共分散を算出する（Ｓ１０３）。

なお、上述の説明では、測位演算部４０は、複数の測位システムに対して統合された位置および誤差共分散を用いてカルマンフィルタ処理を実行したが、複数の測位システムのそれぞれで個別にカルマンフィルタ処理を実行して、測位システム間で推定値を引き継いでもよい。この場合、測位演算部４０は、次に示す処理を実行する。

概略的には、測位演算部４０は、複数の測位システムに含まれる第１の測位システムの推定位置（事後推定位置）および推定誤差共分散（事後推定誤差共分散）を、引継ぎ対象である第２の測位システムの事前推定位置および事前推定誤差共分散に設定する。

図３は、本発明の実施形態に係る第２の測位方法を示すフローチャートである。なお、図３では、測位衛星ＳＡＴｉを含む測位システムＳｙｓｉと、測位衛星ＳＡＴｊを含む測位システムＳｙｓｊとの間で引継ぎを実行する場合を示している。しかしながら、測位衛星ＳＡＴｉを含む測位システムＳｙｓｉと、測位衛星ＳＡＴｊを含む測位システムＳｙｓｊと、測位衛星ＳＡＴｋを含む測位システムＳｙｓｋとで引継ぎをおこなってもよく、それ以上の複数の測位システムで引継ぎを行ってもよい。

受信部３１、３２または演算処理装置は、測位システムの擬似距離と搬送波位相積算値を検出する（Ｓ２０１）。

測位演算部４０または演算処理装置は、測位システムＳｙｓｉについてカルマンフィルタ処理を用いて位置、誤差共分散を推定算出する（Ｓ２０２）。

測位演算部４０または演算処理装置は、演算対象の測位システムを変更するか否かを検出する。測位システムの変更は、例えば、測位システムＳｙｓｉを用いて測位を実行するのに必要な測位信号の数を満たさない場合、誤差共分散の値が閾値を超える場合等によって検出できる。

測位演算部４０または演算処理装置は、測位システムを変更しなければ（Ｓ２０３：ＮＯ）、ステップＳ２０２に戻り、測位システムＳｙｓｉによるカルマンフィルタ処理を継続する。

測位演算部４０または演算処理装置は、測位システムＳｙｓｉから測位システムＳｙｓｊに変更すると（Ｓ２０３：ＹＥＳ）、測位システムＳｙｓｊによるカルマンフィルタ処理の事前推定値として、システム変更の直前の測位システムＳｙｓｉに対するカルマンフィルタ処理での推定位置および推定誤差共分散を採用する（Ｓ２０４）。

以降は、測位演算部４０または演算処理装置は、測位システムＳｙｓｊによるカルマンフィルタ処理を用いて、位置および誤差共分散を逐次更新しながら推定する。そして、同じように、測位システムの変更を行う場合には、図３の処理を適用して実行すればよい。

このような構成および処理を行うことによって、収束に向かう、精度が向上した位置および誤差共分散を複数の測位システムで引き継いで利用できるので、処理が簡素化され、精度が向上する。

上述の測位装置は、自装置の位置を用いた各種のアプリケーション装置に適用できる。例えば、図４は、本発明の実施形態に係るナビゲーション装置の構成を示すブロック図である。

図４に示すように、ナビゲーション装置１は、測位装置１０、アンテナ２０、および、ナビゲーション処理部６１を備える。ナビゲーション装置１が、本発明の「アプリケーション装置」に対応し、ナビゲーション処理部６１が、本発明の「アプリケーション処理部」に対応する。

測位装置１０およびアンテナ２０は、上述の構成を備える。測位演算部４０は、測位結果を、ナビゲーション処理部６１に出力する。

ナビゲーション処理部６１は、測位結果を適用した既知の方法から、自装置が搭載される移動体の目的位置までのルート照会、ルート案内、または、現在位置の周辺情報等のナビゲーション情報を生成する。ナビゲーション処理部６１は、ナビゲーション情報を、図示しない表示部等に表示する。ここで、本実施形態の測位装置１０を用いることによって、自装置位置を高精度に得られるので、ナビゲーション装置１は、高精度なルート照会、ルート案内や、より適切な周辺情報を提供できる。

上述の説明では、測位装置の位置を算出する態様を示したが、測位装置を基地局に備えて、上記の推定演算を用いて、測位衛星の位置を高精度に算出することも可能である。そして、この算出結果を用いることによって、衛星軌道情報に対する補正情報を算出することもできる。図５（Ａ）は、本発明の実施形態に係る補正システムの構成を示す図であり、図５（Ｂ）は、基地局の構成を示すブロック図である。

図５（Ａ）、図５（Ｂ）に示すように、基地局２は、測位装置１０、アンテナ２０、送信用アンテナ２０Ｔ、補正情報生成部７１、および、送信部７２を備える。アンテナ２０および測位装置１０は、上述の構成を備える。測位演算部４０は、測位結果を、補正情報生成部７１に出力する。

補正情報生成部７１は、基地局２の位置（補正用の基準位置）を予め記憶している。補正情報生成部７１は、補正用の基準位置と測位位置とを比較する。補正情報生成部７１は、補正用の基準位置と測位位置との比較結果から、既知の方法を用いて、衛星位置の誤差を算出する。補正情報生成部７１は、この衛星位置の誤差から衛星軌道情報の補正情報を生成する。補正情報生成部７１は、補正情報を送信部７２に出力する。

送信部７２は、送信用アンテナ２０Ｔを介して、補正情報を測位衛星ＳＡＴに送信する。測位衛星ＳＡＴは、受信した補正情報によって、補正情報の更新を行う。

このようなシステムの構成を用いることによって、補正情報を高精度に更新でき、測位精度が向上する。

１：ナビゲーション装置
２：基地局
１０：測位装置
２０：アンテナ
２０Ｔ：送信用アンテナ
３０、３１、３２、３３：受信部
４０：測位演算部
６１：ナビゲーション処理部
７１：補正情報生成部
７２：送信部
ＳＡＴｉ、ＳＡＴｊ、ＳＡＴｋ：測位衛星
ＳＳｉ、ＳＳｊ、ＳＳｋ：測位信号
Ｓｙｓｉ、Ｓｙｓｊ、Ｓｙｓｋ：測位システム

Claims (7)

1. 複数の測位システムの測位信号の擬似距離または搬送波位相積算値を検出する受信部と、
   前記擬似距離または前記搬送波位相積算値を用いてカルマンフィルタ処理を実行することによって、測位を行う測位演算部と、
   を備え、
   前記測位演算部は、
   前記複数の測位システムの第１の測位システムによる測位から第２の測位システムによる測位に変更するとき、
   前記第１の測位システムに対するカルマンフィルタによって推定された位置および誤差共分散を、前記第２の測位システムに対するカルマンフィルタの事前推定値に設定して、前記第２の測位システムに対するカルマンフィルタ処理を実行する、
   測位装置。
2. 前記測位演算部は、
   前記第１の測位システムによる測位で利用できる測位信号数が測位を事項可能な個数に満たない場合、
   または、前記第１の測位システムでの誤差共分散が変更用の閾値を超える場合に、
   前記第１の測位システムから前記第２の測位システムに変更する、
   請求項１に記載の測位装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の測位装置の各構成と、
   前記測位演算部で算出された位置を用いたアプリケーション情報を生成するアプリケーション処理部と、
   を備える、アプリケーション装置。
4. 請求項１または請求項２に記載の測位装置の各構成、および、前記測位の結果を用いて衛星軌道情報の補正情報を生成する補正情報生成部を備える基地局と、
   前記補正情報生成部からの補正情報を前記測位信号とともに送信する測位衛星と、
   を備える、測位システム。
5. 複数の測位システムの測位信号の擬似距離または搬送波位相積算値を検出する工程と、
   前記擬似距離または前記搬送波位相積算値を用いてカルマンフィルタ処理を実行することによって、測位を行う工程と、
   を備え、
   前記測位を行う工程は、
   前記複数の測位システムの第１の測位システムによる測位から第２の測位システムによる測位に変更するとき、
   前記第１の測位システムに対するカルマンフィルタによって推定された位置および統合誤差共分散を、前記第２の測位システムに対するカルマンフィルタの事前推定値に設定して、前記第２の測位システムに対するカルマンフィルタ処理を実行する、
   測位方法。
6. 複数の測位システムの測位信号の擬似距離または搬送波位相積算値を検出する処理と、
   前記擬似距離または前記搬送波位相積算値を用いてカルマンフィルタ処理を実行することによって、測位を行う処理と、
   を演算処理装置に実行させ、
   前記測位を行う処理は、
   前記複数の測位システムの第１の測位システムによる測位から第２の測位システムによる測位に変更するとき、
   前記第１の測位システムに対するカルマンフィルタによって推定された位置および統合誤差共分散を、前記第２の測位システムに対するカルマンフィルタの事前推定値に設定して、前記第２の測位システムに対するカルマンフィルタ処理を実行する処理を含む、
   測位プログラム。
7. 複数の測位システムの測位信号の擬似距離または搬送波位相積算値を検出する処理と、
   前記擬似距離または前記搬送波位相積算値を用いてカルマンフィルタ処理を実行することによって、測位を行う処理と、
   を演算処理装置に実行させるプログラムが記憶され、
   前記測位を行う処理は、
   前記複数の測位システムの第１の測位システムによる測位から第２の測位システムによる測位に変更するとき、
   前記第１の測位システムに対するカルマンフィルタによって推定された位置および統合誤差共分散を、前記第２の測位システムに対するカルマンフィルタの事前推定値に設定して、前記第２の測位システムに対するカルマンフィルタ処理を実行する処理を含む、
   測位プログラム記憶媒体。

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