JP7464790B2 - 測位装置、測位プログラムおよび測位方法 - Google Patents

測位装置、測位プログラムおよび測位方法 Download PDF

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Description

本開示は、測位装置、測位プログラムおよび測位方法に関する。
衛星測位において、測位補強情報(以下、補強情報と表記する。)を利用して測位衛星の送信する測距信号に含まれる誤差を補正し、搬送波位相積算値の不定性である整数値バイアスを解くことで、高精度な測位解を得る測位技術がある。誤差要因別の状態量として誤差情報である補強情報が提供され、補強情報を用いて高精度測位を行う技術として、PPP-AR(Precise Point Positioning Ambiguity Resolution)およびPPP-RTK(Precise Point Positioning Real-Time Kinematic)が存在する。
PPP-ARの測位方式では、ユーザの測位装置は、衛星軌道誤差δO、衛星時計誤差δT、衛星信号バイアスBに関する情報を取得し、測距信号に含まれる誤差を補正する。誤差情報である衛星信号バイアスBは、L1C/A,L2P,L2Cのような信号種毎に異なる。このため、衛星信号バイアスBはL1C/A,L2P,L2Cのような信号種ごとにユーザの測位装置に提供される。PPP-ARでは、対流圏伝搬遅延誤差Tおよび電離層伝搬遅延誤差I(以下、対流圏遅延誤差Tおよび電離層遅延誤差Iと表記する)に関しては、モデルによる補正または、カルマンフィルタのような推定フィルタで推定および除去される。
PPP-RTKの測位方式では、衛星軌道誤差δO、衛星時計誤差δT、衛星信号バイアスBに加え、対流圏遅延誤差T、電離層遅延誤差Iに関する誤差情報が提供される。ユーザの測位装置は、これらの誤差情報(δO、δT、B、T、I)から測距信号に含まれる誤差を補正できる。
また、対となる複数の測位衛星からの測位信号を受信しなくても、高精度な測位を実現する技術として時間差分測位がある(例えば、特許文献1)。
高精度な測位解が得られるRTK、PPP-AR、PPP-RTKの測位技術を用いる場合、精密測位に使用できる測位衛星は、補強情報が提供されている測位衛星に限定される。つまり、補強情報が提供されない測位衛星に関しては、仮にユーザの測位端末において、補強情報が提供されない測位衛星の測距信号が取得できる場合においても、その測距信号を精密測位に使用できない。そのため、測距信号が建物で遮断されやすい都市部の測位においては、測位に使用できる衛星数が制限され、測位精度が劣化するという課題があった。例えば、準天頂衛星のセンチメータ級測位補強サービスでは、ユーザに提供する補強情報は、米国のGPS衛星、欧州のガリレオ衛星、日本の準天頂衛星に限定されている。このため、ロシアのグロナス衛星、インドのナビック衛星および中国のBeidou衛星については補強情報が提供されていない。よって、グロナス衛星、ナビック衛星およびBeidou衛星の測距信号を精密測位に使用することができなかった。
特許文献1では、時間差分測位を用いて、ユーザ位置の時間変化を精密に決定する技術に関する開示にとどまっており、絶対的な位置を決定する技術の開示はない。
特開2019-45499号公報
本開示は、補強情報を用いて測距信号を補正する精密測位方式において、補強情報の提供されていない測距信号を、補強情報が提供されている測距信号と共に用いて、精度の高い測位を実施する測位方式の提供を目的とする。
本開示に係る測位装置は、
複数時刻において受信した第1の測位衛星の測距信号であって補正のための補強情報が提供されている測距信号である第1の測距信号から、第1の擬似距離および第1の搬送波位相積算値を検出し、複数時刻において受信した第2の測位衛星の測距信号であって補正のための補強情報が提供されていない測距信号である第2の測距信号から、第2の擬似距離および第2の搬送波位相積算値を検出する検出部と、
前記第1の測距信号に提供される前記補強情報から生成された前記第1の測距信号の補正データと、前記検出部によって検出された、前記第1の擬似距離および前記第1の搬送波位相積算値とを取得し、前記補正データを用いて、前記第1の擬似距離および前記第1の搬送波位相積算値を補正する誤差補正部と、
前記誤差補正部によって補正された、前記第1の擬似距離と、前記第1の搬送波位相積算値とを用いて、前記第1の測位衛星についての第1の観測方程式を生成し、前記第2の擬似距離の時間差分値と、前記第2の搬送波位相積算値の時間差分値とを用いて、前記第2の測位衛星についての第2の観測方程式を生成し、前記第1の観測方程式と、前記第2の観測方程式と、を用いたフィルタ演算を実行することによって測位する測位演算部と、
を備える。
本開示によれば、補強情報を用いて測距信号を補正する精密測位方式において、補強情報の提供されていない測距信号を、補強情報が提供されている測距信号と共に用いて、精度の高い測位を実施する測位方式を提供できる。このため、測位計算に使用できる測距信号が増えることとなり、測距信号が建物で遮断されやすい都市部の測位において、測位に使用できる衛星数を増やすことができる。
実施の形態1の図で、測距信号を使用する際の測位誤差要因を説明する図。 実施の形態1の図で、GPS衛星311、準天頂衛星312およびBeidou衛星313の送信する信号を示す図。 実施の形態1の図で、測位装置100のハードウェア構成図。 実施の形態1の図で、測位演算部25の構成を示す図。 実施の形態1の図で、測位演算部25の動作を示すフローチャート。 実施の形態1の図で、測位演算部25の変形例の構成を示す図。 実施の形態1の図で、測位演算部25の変形例の動作を示すフローチャート。
実施の形態の説明および図面において、同じ要素および対応する要素には同じ符号を付している。同じ符号が付された要素の説明は、適宜に省略または簡略化する。以下の実施の形態では、「部」を、「回路」、「工程」、「手順」、「処理」または「サーキットリー」に適宜読み替えてもよい。
実施の形態1.
図1から図7を参照して実施の形態1を説明する。
図1は、GPS衛星311の送信するL1C/A信号のような測距信号を使用する測位における誤差要因を説明する図である。
図2は、GPS衛星311、準天頂衛星312,Beidou衛星313の送信する信号を示す。
GPS衛星311は、送信信号311aを送信する。送信信号311aは測距信号としてL1C/A信号、L2C信号を含む。準天頂衛星312は、送信信号312aを送信する。送信信号312aは測距信号であるL1C/A信号およびL2C信号と、補強情報である[L6]信号とを含む。補強情報である[L6]信号は、補強情報[L6]と表記する。測位装置100は補強情報を受信する。測位装置100の第3デコード部23によってデコードされた補強情報を補正データと呼ぶ。補強情報[L6]は測距信号iに使用される、複数の個別の補強情報[i]を含んでいる。個別の補強情報[i]は第3デコード部23にデコードされ補正データとなる。補強情報[L6]は、GPS衛星311の送信する測距信号であるL1C/A信号とL2C信号との補強情報[L1C/A]と、補強情報[L2C]とを含む。また、補強情報[L6]は、準天頂衛星312の送信する測距信号であるL1C/A信号とL2C信号との補強情報[L1C/A]と、補強情報[L2C]とを含む。
以下では準天頂衛星312が補強情報である[L6]信号を送信する例を想定する。補強情報[L6]は、状態空間表現として、センチメータ級の測位が可能なPPP-RTKに対応するSSRの圧縮形式(CompactSSR)に準拠した情報であっても良い。なお、補強情報を[L6]信号として準天頂衛星312から送信するのは一つの例である。測位装置100は必ずしも、補強情報を準天頂衛星312から受信する必要はなく、インターネット経由あるいは携帯キャリア通信網から補強情報を受信しても良い。
図1を参照する。GPS衛星311、準天頂衛星312およびBeidou衛星313のようなGNSS(Global Navigation Satellite System)の測位衛星の送信する測距信号を用いる測位については、以下のような誤差要因がある。図1に示すように、衛星に起因する測位誤差の要因としては、衛星時計誤差δT、測位衛星に起因する誤差として軌道誤差δO、衛星信号バイアスBがある。また、測距信号の伝搬経路に起因する誤差として、電離層遅延誤差Iおよび対流圏遅延誤差Tがある。また、測位装置100の受信回路に起因する誤差として、受信機時計誤差、受信機雑音)がある。さらに建物に反射した測距信号と測位衛星から直接受信した測距信号が干渉して生じるマルチパスの測位における誤差要因になる。
状態空間表現(SSR:State Space Representation)で提供される補強情報[L6]を用いた測位を行う場合に、補強情報[L6]に含まれる種別の個別の補強情報[i]に一致しない測距信号iは、誤差補正ができない。図2を参照して説明する。GPS衛星311の測距信号であるL1C/A信号と、L2C信号との補強情報[L1C/A]と、補強情報[L2C]は、補強情報[L6]に含まれる。また、準天頂衛星312についても同様である。よって、GPS衛星311および準天頂衛星312の送信する測距信号iは補強情報[L6]に含まれる補強情報[i]で補正できる。しかし、Beidou衛星313の測距信号であるB1C信号およびB2a信号の補強情報[B1C]と、補強情報[B2a]は補強情報[L6]には含まれていない。このため、測位計算に、Beidou衛星313の測距信号B1C,B2aを用いることができない。そこで、測位装置100では、測位装置100が補強情報[i]を受信できない測距信号iについても、測位計算に用いることができる仕組みを提供する。この動作は、図4の動作で述べる。
***構成の説明***
図3は、測位装置100のハードウェア構成を示す。図3を参照して、測位装置100を説明する。測位装置100は、PPP-RTKの測位方式を用いて測位を実施する。なお、PPP-RTKを例とする説明としているが、PPP-ARまたはRTKのような他の精密測位方式の実施も可能である。
測位装置100の特徴は、以下のようである。測位衛星iの送信する測距信号iと、補強情報[L6]に含まれる「擬似距離の信号バイアス」または「搬送波位相積算値の信号バイアス」のような誤差情報である個別の補強情報の測位衛星信号種とが一致しない場合、通常、測距信号iに補強情報[k](k≠i)を適用できない。このようなときに、測位装置100は、後述のように、擬似距離の時間差分値△Pおよび搬送波位相積算値の時間差分値△φを用いることで、補強情報[i]の提供されていない測距信号iを、精密測位に使用できる点にある。
図3に示すように、測位装置100は、ハードウェアとして、GNSS受信部10、プロセッサ20、主記憶装置30および補助記憶装置40を備えている。各ハードウェアは信号線60で接続されている。
GNSS受信部10は、アンテナ11、分配器12、測距信号受信部13および補強情報受信部14を備えている。アンテナ11は、GPS衛星311、準天頂衛星312、Beidou衛星313から、送信信号311a、送信信号312aおよび送信信号313aを受信する。分配器12は、アンテナ11の受信した信号を、測距信号受信部13と補強情報受信部14へ分配する。測距信号受信部13は、分配器12から分配された信号のうち、測距信号を第1デコード部21と第2デコード部22とへ送信する。測距信号受信部13は、第1デコード部21へ、搬送波位相積算値φ、擬似距離P、ドップラーDを送信し、第2デコード部22へ、航法メッセージを送信する。補強情報受信部14は、分配器12から分配された信号のうち、補強情報[L6]を第3デコード部23へ送信する。
プロセッサ20は、第1デコード部21、第2デコード部22、第3デコード部23、衛星計算部24および測位演算部25を備えている。第1デコード部21、第2デコード部22および第3デコード部23は、デコード部70を構成する。これらの機能部は測位プログラム101によって実現される。測位プログラム101は補助記憶装置40に格納されている。測位プログラム101は、第1デコード部21,第2デコード部22、第3デコード部23,衛星計算部24および測位演算部25の「部」を「処理」、「手順」あるいは「工程」に読み替えた各処理、各手順あるいは各工程をコンピュータに実行させるプログラムである。測位方法は、コンピュータである測位装置100が、測位プログラム101を実行することにより行われる方法である。すなわち、コンピュータである測位装置100が測位方法を実行する。測位プログラム101は、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に格納されて提供されてもよいし、プログラムプロダクトとして提供されてもよい。
図4で後述するように、測位演算部25は、測位フィルタ26、誤差補正部27、時間差分計算部28を備えている。図5で後述するように、測位演算部25は、さらに、ドリフト補正部29を備えてもよい。
GNSS受信部10は、測位衛星の送信する送信信号を受信する。GPS衛星311の送信信号311aおよびBeidou衛星313の送信信号313aには、航法メッセージと測距信号とが含まれる。準天頂衛星312の送信信号312aには、航法メッセージおよび測距信号に加え、補強情報[L6]が含まれている。各測位衛星の送信する測距信号には、搬送波位相積算値φ、擬似距離PおよびドップラーDが含まれる。
補強情報[L6]によって補正された時刻tkの測位衛星SATの擬似距離<P(tk)>に関する観測方程式は、次の(式1)で表される。
<P(tk)>=ρ(tk)+c×δt(tk)+εp(tk) (式1)
(式1)において、ρ(tk)は測位装置100と測位衛星SATとの幾何学距離であり、cは光速であり、δt(tk)は測位装置100の時計誤差であり、εp(tk)は観測ノイズ誤差である。
補強信号[L6]によって補正された測位衛星SATaの擬似距離<Pa(tk)>と、補強信号[L6]によって補正された測位衛星SATbの擬似距離<Pb(tk)>との衛星間差分<△Pab(tk)>を計算することで、(式2)で表されるように測位装置100の時計誤差を相殺してもよい。
<△Pab(tk)>=<Pa(tk)>-<Pb(tk)>
=ρa(tk)-ρb(tk)+εpa(tk)-εpb(tk) (式2)
補強情報[L6]によって補正された時刻tkの測位衛星SATの搬送波位相積算値<φ(tk)>に関する観測方程式は、次の(式3)で表される。
<φ(tk)>=ρ(tk)+c×δt(tk)+λ×N(tk)+εφ(tk) (式3)
(式3)において、ρ(tk)は測位装置100と測位衛星SATとの幾何学距離であり、cは光速であり、δt(tk)は測位装置100の時計誤差であり、εφ(tk)は観測ノイズ誤差である。
補強信号[L6]によって補正された測位衛星SATaの搬送波位相積算値<φa(tk)>と、補強信号[L6]によって補正された測位衛星SATbの搬送波位相積算値<φb(tk)>との衛星間差分<△φab(tk)>を計算することで、(式2)で表されるように測位装置100の時計誤差を相殺してもよい。
<△φab(tk)>=<φa(tk)>-<φb(tk)>
=ρa(tk)-ρb(tk)+εpa(tk)-εpb(tk) (式4)
以下に擬似距離Pの時間差分△P、搬送波位相積算値φの時間差分△φに関する観測方程式をしめす。
<A.擬似距離の観測モデル>
時刻tkにおける擬似距離P(tk)の観測方程式は、次の(式5)で表される。この観測方程式は、測位衛星SATの信号ごとに個別に定義される。
P(tk)=ρ(tk)+δO(tk)+c×δt(tk)-c×δT(tk)+I(tk)+T(tk)+Bp(tk)+εp(tk) (式5)
(式5)において、各記号の意味は以下のようである。
ρ(tk)は、測位装置100と測位衛星SATとの幾何学距離である。
δO(tk)は、測位衛星SATの軌道誤差である。
cは、光速であり、
δt(tk)は、測位装置100の時計誤差である。
δT(tk)は、測位衛星SATの時計誤差である。
I(tk)は、電離層遅延誤差である。
T(tk)は、対流圏遅延誤差である。
Bp(tk)は、測位装置100および測位衛星SATのコードバイアス誤差である。
εp(tk)は、観測ノイズ誤差である。
<B.搬送波位相積算値の観測モデル>
また、時刻tkにおける搬送波位相積算値φ(tk)の観測方程式は、次の(式6)で表される。この観測方程式は測位衛星SATの信号ごとに個別に定義される。
φ(tk)=ρ(tk)+δO(tk)+c×δt(tk)-c×δT(tk)-I(tk)+T(tk)+Bφ(tk)+λ×N(tk)+εφ(tk) (式6)
(式6)において、ρ(tk)は測位装置100と測位衛星SATとの幾何学距離である。δO(tk)は、測位衛星SATの軌道誤差であり、cは光速であり、δt(tk)は測位装置100の時計誤差であり、δT(tk)は測位衛星SATの時計誤差であり、I(tk)は電離層遅延誤差であり、T(tk)は対流圏遅延誤差であり、Bφ(tk)は測位装置100および測位衛星SATの搬送波位相積算値バイアス誤差であり、λは搬送波位相の波長であり、N(tk)はアンビギュイティであり、εφ(tk)は観測ノイズ誤差である。
<C.擬似距離の時間差分値△Pの式>
時刻tk-1と時刻tkの差が十分に小さい場合、時刻tk-1の擬似距離と時刻tkの擬似距離の時間差分△P(tk-1、tk)は、次の(式7)のように近似できる。なお、(式5)の測位衛星SATの時計誤差δTは航法メッセージから補正する。
△P(tk-1、tk)=P(tk)-P(tk-1)=
ρ(tk)-ρ(tk-1)+εp(tk)-εp(tk-1) (式7)
測位装置100の周波数安定度が低い場合は、測位装置100の時計誤差の時間差分c×δt(tk)-c×δt(tk-1)を相殺できないため、測位衛星SATaの時間差分△Pa(tk-1、tk)と測位衛星SATbの時間差分△Pb(tk-1、tk)との衛星間差分△▽Pab(tk-1、tk)を計算することで、測位装置100の時計誤差を完全に相殺することができる。△▽Pabは、(式8)から計算できる。
△▽Pab(tk-1、tk)=△Pa-△Pb=ρa(tk)-ρa(tk-1)-ρb(tk)+ρb(tk-1)+εpa(tk)-εpa(tk-1)-εpb(tk)+εpb(tk-1) (式8)
<D.搬送波位相積算値の時間差分値△φの式>
時刻tk-1と時刻tkの差が十分に小さい、かつ時刻tk-1と時刻tkの間でサイクルスリップが発生していない場合、時刻tk-1の搬送波位相積算値と時刻tkの搬送波位相積算値の時間差分△φ(tk-1、tk)は、次の(式9)のように近似できる。なお、(式6)の測位衛星SATの時計誤差δTは航法メッセージを用いて補正する。
△φ(tk-1、tk)=φ(tk)-φ(tk-1)=
ρ(tk)-ρ(tk-1)+εp(tk)-εp(tk-1) (式9)
測位装置100の周波数安定度が低い場合は、測位装置100の時計誤差の時間差分c×δt(tk)-c×δt(tk-1)を相殺できないため、測位衛星SATaの時間差分△φa(tk-1、tk)と測位衛星SATbの時間差分△φab(tk-1、tk)との衛星間差分△▽φab(tk-1、tk)を計算することで、測位装置100の時計誤差を完全に相殺することができる。△▽φab(tk-1、tk)は、(式10)から計算できる。
△▽φab(tk-1、tk)=△φa-△φb=ρa(tk)-ρa(tk-1)-ρb(tk)+ρb(tk-1)+εφa(tk)-εφa(tk-1)-εφb(tk)+εφb(tk-1) (式10)
<F.ユーザ位置の計算>
ρ(tk)は時刻tkにおけるユーザ位置u(tk)の関数、ρ(tk-1)は時刻tk-1におけるユーザ位置u(tk-1)の関数である。u(tk-1)は既知であることを考慮すると、(式2)と、(式4)と、(式7)と、(式9)との連立方程式から、最小二乗法やカルマンフィルタを用いて、時刻tkにおけるユーザ位置u(tk)および時刻tkにおけるアンビギュイティN(tk)を算出する。(式7)および(式9)は、補強情報[L6]に一致していない測距信号についても構築可能なため、より多くの測距信号を用いて、ユーザ位置を計算できる。
(式2)と、(式4)と、(式8)と、(式10)との連立方程式から、最小二乗法やカルマンフィルタを用いることで、測位装置100の時計誤差を完全に相殺し、より高精度なユーザ位置を求めることができる。
<G.擬似距離のドリフト補正>
時刻tk-1と時刻tkの差が大きい場合や、時間差分測位単独で長時間にわたる測位を行う場合は、(式11)に示すように、時間差分値に発生する誤差であり時間経過とともに変動する誤差であるドリフト誤差bp(tk、tk-1)を無視できなくなり、(式7)および(式9)の近似が成り立たない。なお、擬似距離誤差のドリフト誤差bp(tk-1、tk)は、測位衛星SATの信号に対して個別に定義される。
△P(tk-1、tk)=P(tk)-P(tk-1)=ρ(tk)-ρ(tk-1)+c×δt(tk)-c×δt(tk-1)+bp(tk-1、tk)+εp(tk)-εp(tk-1) (式11)
bp(tk-1、tk)は、(式12)のように、係数kpを用いて、時間の一次式で近似してもよい。
bp(tk-1、tk)=kp×(tk-tk-1) (式12)
事前にドリフト誤差の係数kpを推定しておくことで、時間差分測位を行う際に、(式11)のドリフト誤差bp(tk-1、tk)を除去することができる。bp(tk-1、tk)は、時間の一次式に限らず、時間の多項式であってもよい。測位装置100の時計誤差の時間差分値c×δt(tk)-c×δt(tk-1)は、上述の(式8)と同様に、(式11)に関して衛星間一重差をとることで相殺してもよい。
△▽Pab(tk-1、tk)=△Pa-△Pb=ρa(tk)-ρa(tk-1)-ρb(tk)+ρb(tk-1)+kpa×(tk-tk-1)-kpb×(tk-tk-1)+εpa(tk)-εpa(tk-1)-εpb(tk)+εpb(tk-1) (式13)
(式13)において、kpaは測位衛星SATaの擬似距離のドリフト誤差の係数であり、kpbは測位衛星SATbの擬似距離のドリフト誤差の係数である。
<H.搬送波位相積算値のドリフト補正>
擬似距離のドリフト補正と同様に、搬送波位相積算値のドリフト誤差bφ(tk-1、tk)を考慮した搬送波位相積算値の観測方程式を、次の(式14)に示す。
△φ(tk-1、tk)=φ(tk)-φ(tk-1)=ρ(tk)-ρ(tk-1)+c×δt(tk)-c×δt(tk-1)+bφ(tk-1、tk)+εp(tk)-εp(tk-1) (式14)
bφ(tk-1、tk)は、(式12)のように、時間の一次式で近似してよい。
bφ(tk-1、tk)=kφ×(tk-tk-1) (式15)
搬送波位相積算値のドリフト誤差の係数kφを事前に推定しておくことで、(式14)のドリフト誤差bφ(tk-1、tk)を除去することができる。bφ(tk-1、tk)は、時間の一次式に限らず時間の多項式であってもよい。測位装置100の時計誤差の時間差分値c×δt(tk)-c×δt(tk-1)は、上述の(式10)と同様に、(式14)に関して衛星間一重差をとることで相殺してもよい。
△▽φab(tk-1、tk)=△φa-△φb=ρa(tk)-ρa(tk-1)-ρb(tk)+ρb(tk-1)+kφa×(tk-tk-1)-kφb×(tk-tk-1)+εφa(tk)-εφa(tk-1)-εφb(tk)+εφb(tk-1) (式16)
(式16)において、kφaは測位衛星SATaの搬送波位相積算値のドリフト誤差の係数であり、kφbは測位衛星SATbの搬送波位相積算値のドリフト誤差の係数である。
<I.ドリフト補正によるユーザ位置の計算>
擬似距離誤差のドリフト誤差の係数kpおよび搬送波位相積算値のドリフト誤差の係数kφが事前に求まっている場合、(式2)と、(式4)と、(式13)と、(式16)との連立方程式に基づき、最小二乗法やカルマンフィルタを構築することで、時刻tk-1と時刻tkの差が大きい場合でもユーザ位置を高精度に求めることができる。
<J.ドリフト誤差の推定>
擬似距離誤差のドリフト誤差の係数kpおよび搬送波位相積算値のドリフト誤差の係数kφは、オープンスカイ環境等の補強情報[L6]に一致する測距信号が十分に確保できる時間帯で、以下に示す手順で推定する。(式2)および(式4)の連立方程式に基づく最小二乗法やカルマンフィルタによって、時刻k-1のユーザ位置u(tk-1)および時刻kのユーザ位置u(tk)を求める。次に、求めたユーザ位置u(tk-1)およびu(tk)を(式13)および(式16)に代入することで、幾何学距離ρa(tk)、ρa(tk-1)、ρb(tk)、およびρb(tk-1)がもとまる。この時点で、(式13)および(式16)の未知数は、kpa、kpb、kφaおよびkφbである。(式13)および(式16)の連立方程式に基づく最小二乗法やカルマンフィルタを用いることで、kpa、kpb、kφaおよびkφbを推定することができる。
***動作の説明***
なお、以下では、測距信号は、GPS衛星311のL1C/A信号と、Beidou衛星313のB1C信号とを想定し、補強情報は、準天頂衛星312の[L6]信号を想定する。
<GPS衛星311の時刻tk-1、時刻tk>
GPS衛星311は、時刻tk-1において、L1C/A信号を含む送信信号311aを送信している。図3において、送信信号311aは、アンテナ11で受信され、分配器12を経由して、測距信号受信部13で信号処理される。信号処理された送信信号311aから、第1デコード部21により観測データが生成される。観測データは、主記憶装置30の測距信号テーブル31に格納される。また、信号処理された送信信号311aから、第2デコード部22により航法メッセージが生成される。生成された航法メッセージは、衛星計算部24に渡される。衛星計算部24は、衛星位置および衛星時刻を、測位演算部25へ渡す。同様にして、時刻tkにおいて、第1デコード部21により観測データが生成され、主記憶装置30の測距信号テーブル31に観測データが格納される。時刻tkにおける第2デコード部22および第3デコード部23の処理も、時刻tk-1における第2デコード部22および第3デコード部23の処理と同じである。
図2に示すように、準天頂衛星312は、時刻tkに至るまでに、L1C/A信号を含むだけでなく、補強情報[L6]を含む送信信号312aを送信している。補強情報[L6]には、GPS衛星311の補強情報[L1C/A],[L2C]、および準天頂衛星312の補強情報[L1C/A],[L2C]が含まれる。しかし、補強情報[L6]は、Beidou衛星313の測距信号B1C、B2aの補強情報を含まない。準天頂衛星312の送信信号312aに含まれる補強情報[L6]は、アンテナ11で受信され、分配器12を経由して、補強情報受信部14で信号処理される。補強情報受信部14で信号処理された補強情報[L6]は、第3デコード部23により補正データ[L6]として生成され、測位演算部25へ渡される。ここで、この「補正データ」は、GPS衛星311の測距信号L1C/A信号については、測距信号L1C/A信号を補正するための補正データ[L1C/A]である。補正データは、例えば、連続して30秒周期で測位演算部25へ送信されている。
<Beidou衛星313の時刻tk-1、時刻tk>
Beidou衛星313は、時刻tk-1において、B1C信号を含む送信信号313aを送信している。送信信号313aは、アンテナ11で受信され、分配器12を経由して、測距信号受信部13で信号処理される。信号処理された送信信号313aから、第1デコード部21により観測データが生成される。この観測データは主記憶装置30の測距信号テーブル31に格納される。また、信号処理された送信信号313aから、第2デコード部22により航法メッセージが生成され、衛星計算部24に渡される。衛星計算部24は、衛星位置および衛星時刻を測位演算部25へ渡す。同様にして、時刻tkにおいて、第1デコード部21により観測データが生成され、主記憶装置30の測距信号テーブル31に観測データが格納される。時刻tkにおける第2デコード部22および第3デコード部23の動作は、時刻tk-1の動作と同じである。
<ステップS11>
図4は、測位演算部25の構成を示す。測位演算部25は、測位フィルタ26、誤差補正部27および時間差分計算部28を備えている。
デコード部70は、複数時刻において、補強情報をデコードして補強情報がデコードされた補正データを生成し、補強情報が提供されている第1の測距信号をデコードして第1の測距信号の観測データを生成し、および補強情報が提供されていない第2の測距信号をデコードして第2の測距信号の観測データを生成する。
誤差補正部27は、補正データに基づいて、第1の測距信号の観測データの誤差を補正する。測位フィルタ26は、誤差補正部27で誤差が補正された第1の測距信号の観測データと、第1の測距信号の観測データの時間差分データと、第2の測距信号の観測データの時間差分データとを用いて測位演算を行う。後述のように、時間差分データは時間差分計算部28が計算する。以下に具体的に説明する。
図5は、図4の測位演算部25の動作のフローチャートを示す。図4、図5を参照して、測位演算部25の動作を説明する。
<ステップS11>
ステップS11において、測位演算部25は、測距信号テーブル31から、補強対象衛星であるGPS衛星311の時刻tk-1におけるL1C/A(tk-1)信号と、GPS衛星311の時刻tkにおけるL1C/A(tk)信号を受け取る。「補強対象衛星」とは、その測位衛星の測距信号iと、補強情報[i]とを測位装置100が受信可能であり、かつ、測位装置100が補強情報[i]を用いて測距信号iの誤差を補正可能なことを意味する。同様に、測位演算部25は、測距信号テーブル31から、時刻tkにおいて、補強対象外衛星であるBeidou衛星313の時刻tk-1におけるB1C(tk-1)信号と、Beidou衛星313の時刻tkにおけるB1C(tk)信号とを受け取る。
「補強対象外衛星」とは、その測位衛星の測距信号iの補強情報[i]を測位装置100が受信できないため、測位装置100が補強情報[i]を用いて測距信号iの誤差を補正できない測位衛星を意味する。
ここで、測距信号テーブル31から取得される情報は以下のようである。検出部である第1デコード部21は、複数時刻において受信した第1の測位衛星の測距信号であって補正のための補強情報が提供されている測距信号である第1の測距信号から、第1の擬似距離P1および第1の搬送波位相積算値φ1を検出する。ここで、第1の測位衛星は、GPS衛星311である。第1の測距信号は、L1C/A信号である。L1C/A信号の補強情報は、補強情報[L1C/A]である。
また、第1デコード部21は、複数時刻において受信した第2の測位衛星の測距信号であって補正のための補強情報が提供されていない測距信号である第2の測距信号から、第2の擬似距離P2および第2の搬送波位相積算値φ2を検出する。ここで、第2の測位衛星は、Beidou衛星313である。第2の測距信号は、B1C信号である。B1C信号には補強情報は提供されていない。
測距信号テーブル31から、第1の擬似距離P1および第1の搬送波位相積算値φ1と、第2の擬似距離P2および第2の搬送波位相積算値φ2とが、測位演算部25によって取得される。
ステップS11以降の概要は以下のようである。測位演算部25は、補強情報よって補正された第1の擬似距離P1と、補強情報よって補正された第1の搬送波位相積算値φ1を用いて、第1の測位衛星であるGPS衛星311についての第1の観測方程式を生成する。また、測位演算部25は、第2の擬似距離P2の時間差分値△P2と、第2の搬送波位相積算値φ2の時間差分値△φ2とを用いて、第2の測位衛星であるBeidou衛星313についての第2の観測方程式を生成する。測位演算部25は、第1の観測方程式と、第2の観測方程式とを用いたフィルタ演算を測位フィルタ26で実行することによって測位する。測位演算部25は演算結果を位置推定結果25Aとして出力する。
<ステップS12>
誤差補正部27は、第3デコード部23から送信された補正データ[L1C/A]で、GPS衛星311の時刻tkにおけるL1C/A(tk)信号を補正することで、L1C/A信号が補正された<L1C/A>信号を生成する。生成された<L1C/A>信号は、誤差補正部27によって、測位フィルタ26であるカルマンフィルタへ入力される。
具体的には以下のようである。
測位演算部25では、誤差補正部27が、第1の測距信号であるGPS衛星311のL1C/A信号に提供される補強情報[L1C/A]から生成されたL1C/A信号の補正データ[L1C/A]と、検出部である第1デコード部21によって検出された、第1の擬似距離P1および第1の搬送波位相積算値φ1を取得する。第1の擬似距離P1は、L1C/A信号の擬似距離であり、第1の搬送波位相積算値φ1はL1C/A信号の搬送波位相積算値である。誤差補正部27は、補正データ[L1C/A]を用いて、第1の擬似距離P1および第1の搬送波位相積算値φ1を補正する。誤差補正部27は、補正した第1の擬似距離P1および第1の搬送波位相積算値φ1を測位フィルタ26へ入力する。ステップS15で述べるように、測位演算部25は、誤差補正部27によって補正された、第1の擬似距離P1および第1の搬送波位相積算値φ1を用いて、第1の観測方程式を生成して、フィルタ演算を実行する。
<ステップS13>
時間差分計算部28は、時刻tk-1におけるGPS衛星311のL1C/A(tk-1)信号と、時刻tkにおけるGPS衛星311のL1C/A(tk)信号と、時刻tk-1におけるBeidou衛星313のB1C(tk-1)信号と、時刻tkにおけるBeidou衛星313のB1C(tk)信号とを受け取る。
<ステップS14>
時間差分計算部28は、時刻tk,tk-1における測距信号の時間差分値を計算する。
すなわち、時間差分計算部28は、時刻tk,tk-1における擬似距離および搬送波位相積算値の時間差分値△P(tk-1、tk)および時間差分値△φ(tk-1、tkを計算する。時間差分計算部28は、計算した△P(tk-1、tk)および△φ(tk-1、tk)を、測位フィルタ26に入力する。
<ステップS15>
測位フィルタ26は、ステップS12で入力された<L1C/A>およびステップS14で入力された△P(tk-1、tk)および△φ(tk-1、tk)に基づき測位演算を行い、時刻tkにおける測位装置100の位置推定値25aを出力する。
<変形例>
図6は、測位演算部25がドリフト補正部29を有する変形例を示す。
図7は、ドリフト補正部29を有する測位演算部25の動作のフローチャートを示す。図7のフローチャートは、図5のフローチャートと、ステップS14a,S14b,S15aが異なる。異なるステップのみを説明する。なお、ステップS14aは、ステップS14に対応し、ステップS15aはステップS15に対応する。ステップS14bは、図7のフローチャートに特有である。
<ステップS14a>
ステップS14aにおいて、時間差分計算部28は、計算した△P(tk-1、tk)および△φ(tk-1、tk)を、ドリフト補正部29へ出力する。
<ステップ14b>
ステップS14bにおいて、ドリフト補正部29は、測位フィルタ26が求めた測位解と、ステップS14aで計算された△P(tk-1、tk)および△φ(tk-1、tk)とを用いて、ドリフト誤差を推定し、△P(tk-1、tk)および△φ(tk-1、tk)のドリフト誤差を補正する。ドリフト補正部29は、ドリフト誤差が補正された△P(tk-1、tk)およびドリフト誤差が補正された△φ(tk-1、tk)を、測位フィルタ26へ出力する。
具体的には以下のようである。
ドリフト補正部29は、L1C/A信号の擬似距離である第1の擬似距離P1の時間差分値△P1と、L1C/A信号の搬送波位相積算値である第1の搬送波位相積算値φ1の時間差分値△φ1と、B1C信号の擬似距離である第2の擬似距離P2の時間差分値△P2と、B1C信号の搬送波位相積算値である第2の搬送波位相積算値φ2の時間差分値△φ2とのそれぞれの時間差分値に発生する誤差であり、時間経過とともに変動する誤差であるドリフト誤差を、それぞれの時間差分値について補正する。
測位演算部25は、ドリフト補正部29によってドリフト誤差が補正されたそれぞれの時間差分値を用いて、L1C/A信号について、つまりL1C/A信号を送信するGPS衛星311について第3の観測方程式を生成し、B1C信号について、つまりB1C信号を送信するBeidou衛星313について、第2の観測方程式を生成する。
なお、上記のように、ドリフト補正部29は、測位フィルタ26のフィルタ演算の実行結果である測位解を用いて、それぞれの時間差分値に対して、ドリフト誤差を補正する。
<ステップ15a>
ステップS15aにおいて、測位フィルタ26は、ステップS12で入力された<L1C/A>と、ステップS14bで入力されたドリフト誤差の補正が実施された△P(tk-1、tk)および△φ(tk-1、tk)とに基づき測位演算を行い、時刻tkにおける測位装置100の位置推定値25aを出力する。
***実施の形態1の効果の説明***
実施の形態1の測位装置100によれば、「補強対象衛星」について、補正データによって補正された擬似距離および搬送波位相積算値を使用することに加えて、「補強対象外衛星」について、擬似距離の時間差分値および搬送波位相積算値の時間差分値を使用する。これにより、補強情報[i]が受信できない測距信号iを、補強情報[k]が受信できる測距信号kとともに測位に使用して、精密測位を実施することができる。
また、ドリフト補正部29によりドリフト誤差が補正された△P(tk-1、tk)および△φ(tk-1、tk)を使用するので測位精度を向上することができる。
δt 衛星時計誤差、δO 衛星軌道誤差、B 衛星信号バイアス、I 電離層誤差、T 対流圏遅延誤差、P 擬似距離、φ 搬送波位相積算値、10 GNSS受信部、11 アンテナ、12 分配器、13 測距信号受信部、14 補強情報受信部、20 プロセッサ、21 第1デコード部、22 第2デコード部、23 第3デコード部、24 衛星計算部、25 測位演算部、25a 位置推定値、26 測位フィルタ、27 誤差補正部、28 時間差分計算部、29 ドリフト補正部、30 主記憶装置、31 測距信号テーブル、40 補助記憶装置、60 信号線、70 デコード部、100 測位装置、311 GPS衛星、311a 送信信号、312 準天頂衛星、312a 送信信号、313 Beidou衛星、313a 送信信号。

Claims (7)

  1. 複数時刻において受信した第1の測位衛星の測距信号であって、この測距信号に含まれる誤差を補正するための補強情報が提供されている測距信号である第1の測距信号から、第1の擬似距離および第1の搬送波位相積算値を検出し、複数時刻において受信した第2の測位衛星の測距信号であって、この測距信号に含まれる誤差を補正するための補強情報が提供されていない測距信号である第2の測距信号から、第2の擬似距離および第2の搬送波位相積算値を検出する検出部と、
    前記第1の測距信号に提供される前記補強情報を受信する補強情報受信部と、
    前記補強情報受信部が受信した前記補強情報から生成された前記第1の測距信号の補正データと、前記検出部によって検出された、前記第1の擬似距離および前記第1の搬送波位相積算値とを取得し、前記補正データを用いて、前記第1の擬似距離および前記第1の搬送波位相積算値を補正する誤差補正部と、
    前記誤差補正部によって補正された、前記第1の擬似距離と、前記第1の搬送波位相積算値とを用いて、前記第1の測位衛星についての第1の観測方程式を生成し、前記第2の擬似距離の時間差分値と、前記第2の搬送波位相積算値の時間差分値とを用いて、前記第2の測位衛星についての第2の観測方程式を生成し、前記第1の観測方程式と、前記第2の観測方程式とを用いたフィルタ演算を実行することによって測位する測位演算部と、
    を備える測位装置。
  2. 前記測位演算部は、
    前記第1の擬似距離の時間差分値と、前記第1の搬送波位相積算値の時間差分値とを用いて、前記第1の測位衛星についての第3の観測方程式を生成し、前記第1の観測方程式と、前記第2の観測方程式と、生成された前記第3の観測方程式とを用いて、前記フィルタ演算を実行する請求項1に記載の測位装置。
  3. 前記測位演算部は、
    前記第1の擬似距離の時間差分の衛星間差分値と、前記第1の搬送波位相積算値の時間差分の衛星間差分値と、前記第2の擬似距離の時間差分の衛星間差分値と、前記第2の搬送波位相積算値の時間差分の衛星間差分値とを用いて、前記フィルタ演算を実行する請求項1または2に記載の測位装置。
  4. 前記測位演算部は、
    前記第1の擬似距離の前記時間差分値と、前記第1の搬送波位相積算値の前記時間差分値と、前記第2の擬似距離の前記時間差分値と、前記第2の搬送波位相積算値の前記時間差分値とのそれぞれの時間差分値に発生する誤差であり時間経過とともに変動する誤差であるドリフト誤差を、それぞれの前記時間差分値について補正するドリフト補正部を備え、
    前記測位演算部は、
    前記ドリフト補正部によって前記ドリフト誤差が補正されたそれぞれの前記時間差分値を用いて、前記第1の観測方程式と、前記第2の観測方程式と、前記第3の観測方程式とを生成する請求項2に記載の測位装置。
  5. 前記ドリフト補正部は、
    前記フィルタ演算の実行結果である測位解を用いて、それぞれの前記時間差分値に対して、前記ドリフト誤差を補正する請求項4に記載の測位装置。
  6. コンピュータに、
    複数時刻において受信した第1の測位衛星の測距信号であって、この測距信号に含まれる誤差を補正するための補強情報が提供されている測距信号である第1の測距信号から、第1の擬似距離および第1の搬送波位相積算値を検出し、複数時刻において受信した第2の測位衛星の測距信号であって、この測距信号に含まれる誤差を補正するための補強情報が提供されていない測距信号である第2の測距信号から第2の擬似距離および第2の搬送波位相積算値を検出する検出処理と、
    前記第1の測距信号に提供される前記補強情報を受信する補強情報受信処理と、
    前記補強情報受信処理が受信した前記補強情報から生成された前記第1の測距信号の補正データと、前記検出処理によって検出された、前記第1の擬似距離および前記第1の搬送波位相積算値とを取得し、前記補正データを用いて、前記第1の擬似距離および前記第1の搬送波位相積算値を補正する誤差補正処理と
    前記誤差補正処理によって補正された、前記第1の擬似距離と、前記第1の搬送波位相積算値とを用いて、前記第1の測位衛星についての第1の観測方程式を生成し、前記第2の擬似距離の時間差分値と、前記第2の搬送波位相積算値の時間差分値とを用いて、前記第2の測位衛星についての第2の観測方程式を生成し、前記第1の観測方程式と、前記第2の観測方程式とを用いたフィルタ演算を実行することによって測位する測位演算処理と、
    を実行させる測位プログラム。
  7. コンピュータが、
    複数時刻において受信した第1の測位衛星の測距信号であって、この測距信号に含まれる誤差を補正するための補強情報が提供されている測距信号である第1の測距信号から、第1の擬似距離および第1の搬送波位相積算値を検出し、
    複数時刻において受信した第2の測位衛星の測距信号であって、この測距信号に含まれる誤差を補正するための補強情報が提供されていない測距信号である第2の測距信号から第2の擬似距離および第2の搬送波位相積算値を検出し、
    前記第1の測距信号に提供される前記補強情報を受信し、
    受信した前記補強情報から生成された前記第1の測距信号の補正データと、前記第1の擬似距離および前記第1の搬送波位相積算値とを取得し、前記補正データを用いて、前記第1の擬似距離および前記第1の搬送波位相積算値を補正し、
    誤差が補正された、前記第1の擬似距離と、前記第1の搬送波位相積算値を用いて、前記第1の測位衛星についての第1の観測方程式を生成し、
    前記第2の擬似距離の時間差分値と、前記第2の搬送波位相積算値の時間差分値とを用いて、前記第2の測位衛星についての第2の観測方程式を生成し、
    前記第1の観測方程式と、前記第2の観測方程式とを用いたフィルタ演算を実行することによって測位する、
    測位方法。
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