JPH04315076A - Gpsローカル測位システム - Google Patents

Gpsローカル測位システム

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JPH04315076A
JPH04315076A JP8006191A JP8006191A JPH04315076A JP H04315076 A JPH04315076 A JP H04315076A JP 8006191 A JP8006191 A JP 8006191A JP 8006191 A JP8006191 A JP 8006191A JP H04315076 A JPH04315076 A JP H04315076A
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JP
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gps
mobile station
local
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station
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Application number
JP8006191A
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English (en)
Inventor
Naoki Okamoto
直樹 岡本
Takeshi Okamoto
猛 岡本
Masao Miyazaki
正夫 宮崎
Tomozo Ota
智三 太田
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Sharp Corp
Original Assignee
Sharp Corp
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Publication of JPH04315076A publication Critical patent/JPH04315076A/ja
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、GPS(グローバルポ
ジショニングシステム)を用いた測位システムに関し、
特にローカルエリア内での測位精度を向上せしめたGP
Sローカル測位システムに関する。
【0002】
【従来の技術】米軍で開発及び運用されているNVST
AR(ナビゲーションシステムウイズタイムアンドレン
ジ)/GPSは、全世界においていつでもどこでも測位
できるシステムとして注目をあびている。近年では、測
位を行うGPS受信機単体のみならず、これを自動車に
搭載したナビゲーションシステムも商品化されており、
今後も様々な発展が予想される。
【0003】GPSにおいては、高精度に制御されて周
回するGPS衛星から発信される電波を捕捉し、その到
達時間を測定することによってGPS衛星とユーザであ
る受信者との間の距離測定を行う。同様の距離測定を他
の2つのGPS衛星でも行うことにより、その受信者の
位置を算出する。
【0004】この受信者の未知の位置(X,Y,Z)の
算出は、具体的には、以下の連立方程式を解くことによ
って行われる。ただし、軌道情報から得られる3つのG
PS衛星の位置をそれぞれ(x1 ,y1 ,z1 )
、(x2 ,y2 ,z2 )、(x3,y3 ,z3
 )とし、各GPS衛星について測定した距離をそれぞ
れr1 ,r2 ,r3 とする。
【0005】   (x1 −X)2 +(y1 −Y)2 +(z1
 −Z)2 =r1 2   (x2 −X)2 +(
y2 −Y)2 +(z2 −Z)2 =r2 2  
 (x3 −X)2 +(y3 −Y)2 +(z3 
−Z)2 =r3 2    3つのGPS衛星を捕捉して上述の処理を行っても
、測定した時間に不確定性が存在する。このためΔt(
時計ずれ)をも1変数として扱い、4つのGPS衛星を
捕捉することによって初めて完全な測位を行うことがで
きる。
【0006】GPSは、全世界的に測位を行うことがで
きるので広範囲に移動する移動体を測位するには最適の
システムである。しかしながら、その測位誤差が100
m程度と比較的に大きいため、より精度の高い測位が要
求される用途にはこのままでは適用することができない
【0007】GPSのこの測位誤差は、下記の2つの要
因から来るものである。
【0008】(1) GPSにおいて、民間に開放され
ているのは、L1 帯(1575.42 Hz)のC/
A(クリアアンドアクィジション)コードのみであり、
受信できるのは単一周波数だけである(軍用は2つの周
波数帯を用いている)。このため、測定した距離には、
電波伝搬における種々の遅延(主に大気層、電離層によ
る)による補正することの困難な誤差が含まれてしまう
。全世界的なモデルを用いてこのような誤差を補正する
ことは行われているが、場所及び時間に応じた補正は不
可能であり、その結果、数十mの誤差がどうしても含ま
れてしまう。
【0009】(2) GPSには、S/A(選択使用)
が実施されている。このS/Aは、保安上からシステム
の精度を故意に低下させるものであり、GPS衛星から
送出する衛星軌道データの数値を故意に変える等するこ
とによってGPSが本来有する精度(30m程度の精度
)を100m程度まで落している。
【0010】上述の2つの要因はGPSの本質的なもの
であり、GPSのシステム自体を変えない限り除去する
ことができない。このため、GPS受信機単体で測位を
行おうとすると、100m程度の精度しか得られないこ
ととなる。
【0011】GPSのシステム自体を変えることなく測
位精度を向上させるために、ディファレンシャルGPS
と呼ばれるシステムが提案され一部で実施されている。
【0012】図5はディファレンシャルGPSの構成例
を示している。同図において、10は基準局、11は受
信者、即ち測位すべき地点に存在する移動局である。基
準局10はGPS受信機12とこのGPS受信機12か
らの誤差の補正情報を不特定多数の移動局へ放送する送
信機13とを有している。GPS受信機12は、各GP
S衛星14、15、16、及び17からの電波到達時間
(疑似距離に関連している)と、この基準局10の正確
な位置と、なんらかの方法により得られる各GPS衛星
14、15、16、及び17の正確な位置とから各種の
遅延に関する補正量及び各衛星の位置のあいまいさの補
正量を算出する。算出された補正量が誤差の補正情報と
して送信機13へ送られて放送される。
【0013】移動局11は、放送されている補正情報を
受信する受信機18とGPS受信機19とを有している
。GPS受信機19は、各GPS衛星14、15、16
、及び17について測定すると共にこれら測定した疑似
距離を基準局10からの補正情報により補正する。これ
により、補正された位置情報はかなり精度のよいものと
なる。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上述した
ごときディファレンシャルGPSによると、補正情報が
放送という形で伝送されるため、ユーザが使用する可能
性のある有視界領域の全てのGPS衛星についての補正
情報を伝送する必要がある。このため、情報量が非常に
多くなり、伝送内容の更新も数分に1回程度の長間隔と
なる。その結果、その間の衛星の摂動、伝搬路の変化に
基づく誤差が発生してしまう。また、基準局より遠い位
置では電離層、大気層の伝搬路長が異なるため誤差が大
きくなってしまう。
【0015】さらに、放送システムであるため、基準局
の構成、設置場所、設置間隔、電波干渉等の放送につき
まとう種々の問題点を解決する必要がある。
【0016】また、補正情報による位置情報の補正を移
動局側で行うため、移動局のハードウエア、ソフトウエ
アが増大するという問題も生じている。
【0017】このようにディファレンシャルGPSは、
精度を向上できる反面、上述のごとき重大な問題点を有
している。
【0018】従って本発明は、高精度で測位できかつ移
動局側の構成の簡易化を図ることのできるGPSローカ
ル測位システムを提供するものである。
【0019】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、複数の
GPS衛星との疑似距離を測定するGPS受信機を備え
た測位すべき移動局と、これら複数のGPS衛星からの
信号の到達時間を測定するGPS受信機を有しておりか
つ自局の位置が明確なローカル固定局とを備えたGPS
ローカル測位システムであって、移動局は測定した少な
くとも疑似距離に関する情報をローカル固定局へ送信す
る無線送信手段を備えており、ローカル固定局は移動局
からの情報を受信する無線受信手段と自局で求めた疑似
距離の補正量及び受信した情報から移動局の高精度測位
情報を算出する手段とを備えているGPSローカル測位
システムが提供される。
【0020】ローカル固定局は算出した高精度測位情報
を移動局へ送信する無線送信手段を備えており、移動局
は前記ローカル固定局からの情報を受信する無線受信手
段と受信した情報を保持する手段とを備えていることが
望ましい。
【0021】なお本明細書における移動局とは、測位す
べき位置に存在するGPS装置であり、移動中であるか
否か、移動可能であるか否かを問わないものである。
【0022】
【作用】ユーザである移動局側は、GPS受信機で測定
した疑似距離等に関する情報をローカル固定局側へ送信
する。ローカル固定局は、移動局の測定した疑似距離情
報とオンタイムの各衛星の誤差補正情報を有しており、
これによって送られてきた疑似距離情報を補正し移動局
の高精度測位情報を算出する。
【0023】ローカル固定局を移動局の存在するローカ
ルエリア内の例えば中心部に設置することにより、GP
S衛星との伝搬路がローカル固定局と各移動局とでほぼ
同一の経路となるから大気層や電離層の伝搬路長差がほ
とんどなくなる。その結果、不特定多数を対象とするデ
ィファレンシャルGPSより精度の高い補正を行うこと
ができる。
【0024】移動局では、疑似距離から自分の位置を求
めたり補正情報を用いて補正を行う処理を行う必要がな
い。このため移動局は、基本的には、疑似距離を測定す
るGPS受信機と得られた疑似距離情報を送るための送
信機とを有するのみでよく、ハードウエア及びソフトウ
エアの簡略化を図ることができる。
【0025】
【実施例】以下本発明の実施例を詳細に説明する。
【0026】図1は本発明の一実施例の構成を概略的に
示す構成図である。この実施例は、例えば、スキー場、
クロスカントリー競技場、ゴルフ場、パラグライダー場
等のローカルエリア内で移動する各移動局、この場合は
競技者、の位置を運営本部側で把握するためのシステム
である。
【0027】同図において、20は運営本部に設けられ
たローカル固定局、21は競技者が携帯している移動局
、即ち測位すべき地点に存在する移動局である。ローカ
ル固定局20はGPS受信機22と移動局21側から送
られる疑似距離に関する測距情報、受信衛星番号、GP
Sタイム等を受信する無線受信機23(本発明の無線受
信手段に対応している)とを有している。
【0028】GPS受信機22は、移動局21が使用し
ている各GPS衛星24、25、26、及び27のみに
ついての誤差の補正情報をオンタイムで把握する。即ち
、各GPS衛星の測定距離(疑似距離)と、このローカ
ル固定局20の正確な位置と、なんらかの方法により得
られる各GPS衛星24、25、26、及び27の正確
な位置とから各種の遅延に関する補正量及び各衛星の位
置のあいまいさの補正量を算出するように構成されてい
る。
【0029】移動局21は、GPS受信機29とこのG
PS受信機29で測定して得た疑似距離に関する測距情
報、受信衛星番号、GPSタイム等をローカル固定局2
0側へ送信する無線送信機28(本発明の無線送信手段
に対応している)とを有している。
【0030】ローカル固定局20のGPS受信機22は
、無線受信機23で受信した移動局21からの測距情報
をこれとオンタイムで前述のごとく算出した誤差補正情
報で補正し、移動局21の高精度の測位情報を算出する
マイクロコンピュータ(本発明の算出する手段に対応し
ている)を有している。
【0031】図2は本実施例の移動局21及びローカル
固定局20におけるデータ処理の流れを示すフローチャ
ートである。
【0032】まず移動局21側においては、ステップS
1で各GPS衛星24、25、26、及び27からの信
号を受信し、ステップS2で4つのGPS衛星24、2
5、26、及び27からのこれら受信信号から疑似距離
をそれぞれ求める。
【0033】次のステップS3では、4つの疑似距離及
び軌道情報から移動局21の測位演算を行い、正確な時
間(GPSタイム)を求める。このGPSタイムは移動
局21のGPS受信機29の時計ずれΔtを算出するこ
とによって得られる。
【0034】Cを光速、sを受信機時計ずれによる測定
距離への影響量とすると、時計ずれΔtはΔt=s/C
となる。
【0035】この測定距離への影響量sは、移動局21
の位置に関する未知数X,Y,Zと共に、以下の連立方
程式を解くことによって得られる。ただし、軌道情報か
ら得られる4つのGPS衛星24、25、26、及び2
7の位置をそれぞれ(x1 ,y1 ,z1 )、(x
2 ,y2 ,z2 )、(x3 ,y3 ,z3 )
、(x4 ,y4 ,z4 )とし、各GPS衛星24
、25、26、及び27について測定した疑似距離をそ
れぞれr1 ,r2 ,r3 ,r4 とする。
【0036】   (x1 −X)2 +(y1 −Y)2 +(z1
 −Z)2 =(r1 +s)2   (x2 −X)
2 +(y2 −Y)2 +(z2 −Z)2 =(r
2 +s)2   (x3 −X)2 +(y3 −Y
)2 +(z3 −Z)2 =(r3 +s)2   
(x4 −X)2 +(y4 −Y)2 +(z4 −
Z)2 =(r4 +s)2    次いでステップS4において、疑似距離に関する測
距情報、受信衛星番号、GPSタイム等の基礎測距情報
を無線送信機28を介してローカル固定局20側へ送信
する。
【0037】ローカル固定局20側においては、ステッ
プS11 で基礎測距情報を受信し、次のステップS1
2 で各GPS衛星24、25、26、及び27の各種
の遅延に関する補正量及び各衛星の位置のあいまいさの
補正量を算出する。 即ち、ステップS12 では以下の処理を行う。なお、
以下ではGPS衛星24についてのみの補正量算出を説
明する。
【0038】ローカル固定局20は、このローカル固定
局20自体の正確な位置(X0 ,Y0 ,Z0 )と
、なんらかの方法(例えば自己検出又はオンライン)及
び移動局21からのGPSタイムに基づく軌道情報によ
ってこのGPS衛星24の正確な位置(x0 ,y0 
,z0 )とを知っている。
【0039】GPS衛星24からの電波の到達時間をロ
ーカル固定局20の精度で測定した測定値をtf1とす
ると、ローカル固定局20においては以下の式が成り立
つ。ただし、l0 はGPS衛星24及びローカル固定
局20間の真の距離、Cは光速、t0 はl0 の距離
を電波が伝搬するに要する時間、Δt1 は大気層及び
電離層による伝搬の遅延量をそれぞれ表している。
【0040】   (x0 −X0 )2 +(y0 −Y0 )2 
+(z0 −Z0 )2 =l0 2 、  l0 /
C=t0 =tf1−Δt1  従って遅延量Δt1 は Δt1 =tf1−t0 =tf1−l0 /Cとなり
、l0 /Ctが既知であるからf1を測定することに
よってローカル固定局20で受信する際の遅延量、即ち
遅延に関する補正量Δt1 を求めることができる。
【0041】移動局21(一般ユーザ)が衛星からくる
限られたビット数ぼデータで、特にS/A等により精度
を落された不正確な軌道情報を用いる場合に、GPS衛
星24の軌道情報から得られるこの衛星の不正確な位置
を(xf ,yf ,zf )、この不正確な位置を用
いたために生じる測定距離の誤差をΔlとすると、以下
の式が成立する(ただしΔt1 は考慮しない)。
【0042】   {(xf −X0 )2 +(yf −Y0 )2
 +(zf −Z0 )2 }1/2   ={(x0
 −X0 )2 +(y0 −Y0 )2 +(z0 
−Z0 )2 }1/2 +Δl  =l0 +Δl 移動局21と同じ不正確な軌道情報を用いたと見なして
、GPS衛星24からの電波の到達時間を測定した測定
値をtf2(疑似距離はC・tf2となる)とすると、
l0 +Δl=C・tf2となる。ここで、不正確な位
置を用いたために一般に生じる時間誤差をΔt2とする
と、  Δt2 =Δl/C=(C・tf2−l0 )
/C=tf2−l0 /Cとなり、l0 /Ctが既知
であるからtf2を測定することによって衛星の位置の
あいまいさに関する補正量Δt2 を求めることができ
る。
【0043】補正量Δt1 及びt2 は互いに独立し
ているため、これらの和(Δt1 +t2 )がその時
のGPS衛星24に関する補正量となる。他のGPS衛
星25、26、及び27についても同様に補正量を算出
する。
【0044】次のステップS13 では、移動局21か
ら送られた疑似距離に関する測距情報にこの補正量を付
加して補正を行い、各GPS衛星24、25、26、及
び27に関する高精度の測距情報を得る。次いでステッ
プS14 において、これらGPS衛星24、25、2
6、及び27の高精度の測距情報から、移動局21の高
精度測位情報を算出する。そして、ステップS15 に
おいて、得られた高精度測位情報をローカル固定局20
に表示する。
【0045】本実施例では、ローカル固定局20と移動
局21との距離がせいぜい数Km程度であるため、両者
間の伝搬遅延時間は数μsecのオーダである。従って
移動局21で受信して得た測距情報がほぼオンタイムで
ローカル固定局20へ送られて補正されることとなる。 その結果、ディファレンシャルGPSに比してより精度
の高い補正を行うことができる。このように、各移動局
の存在範囲がたかだかローカルエリアを越えることはな
いが、高精度の測位が要求されておりかつ移動局の使用
ユーザが限定されている場合に、本実施例のごとく構成
すればディファレンシャルGPSよりはるかに精度よく
、しかも移動局側のハードウエア及びソフトウエアの軽
減を図ることができる。
【0046】また、ローカル固定局と移動局との間では
一般の汎用無線機を用いることができるため、その場そ
の場に応じたシステムを簡単に設置でき、しかもその構
成を簡略化することができる。
【0047】本実施例のごとく運営本部にローカル固定
局を設け、競技者が移動局を携帯するように構成すると
、運営本部において各競技者の現在の正確な位置を把握
でき、競技の運営及び管理をスムーズに行うことができ
る。
【0048】図3は本発明の他の実施例の構成を概略的
に示す構成図である。この実施例は、例えば、パラグラ
イダー場のローカルエリア内で移動する各移動局(プレ
ーヤ)の位置をローカル固定局及び移動局の両方で把握
するためのシステムである。
【0049】同図において、30は地上に設けられたロ
ーカル固定局、31はプレーヤが携帯している移動局、
即ち測位すべき地点に存在する移動局である。ローカル
固定局30はGPS受信機32と移動局31側から送ら
れる疑似距離に関する測距情報、受信衛星番号、GPS
タイム等を受信するすると共にローカル固定局30で算
出した高精度測位情報を移動局31側へ送信する無線送
受信機33(本発明の無線受信手段及び無線送信手段に
対応している)とを有している。
【0050】GPS受信機32は、移動局31が使用し
ている各GPS衛星34、35、36、及び37のみに
ついての誤差の補正情報をオンタイムで把握する。即ち
、各GPS衛星の測定距離(疑似距離)と、このローカ
ル固定局30の正確な位置と、なんらかの方法により得
られる各GPS衛星34、35、36、及び37の正確
な位置とから各種の遅延に関する補正量及び各衛星の位
置のあいまいさの補正量を算出するように構成されてい
る。
【0051】移動局31は、GPS受信機39とこのG
PS受信機39で測定して得た疑似距離に関する測距情
報、受信衛星番号、GPSタイム等をローカル固定局3
0側へ送信すると共にローカル固定局30側から送られ
た高精度測位情報を受信する無線送受信機38(本発明
の無線送信手段及び無線受信手段に対応している)とを
有している。
【0052】ローカル固定局30のGPS受信機32は
、無線送受信機33で受信した移動局31からの測距情
報をこれとオンタイムで前述のごとく算出した誤差補正
情報で補正し、移動局31の高精度の測位情報を算出す
るマイクロコンピュータを有している。
【0053】移動局31のGPS受信機39は、無線送
受信機38で受信した高精度測位情報を保持すると共に
これを表示する表示装置(本発明の保持する手段に対応
している)を有している。
【0054】図4は本実施例の移動局31及びローカル
固定局30におけるデータ処理の流れを示すフローチャ
ートである。
【0055】同図において、ステップS21 〜S24
 及びステップS31 〜S35 の処理内容は、図2
の実施例におけるステップS1〜S4及びステップS1
1 〜S15 の処理内容とそれぞれほぼ同様である。
【0056】本実施例ではさらに以下の処理が付加的に
行われる。即ち、ステップS36 において、ローカル
固定局30からは算出した移動局31に関する高精度測
位情報がその移動局31側へ送信される。一方、移動局
31側では、ステップS25 でその高精度測位情報を
受信し、次のステップS26 でこれを表示すると共に
保持する。
【0057】移動局31及びローカル固定局30間では
、測距情報や高精度測位情報のみならず音声をも交信で
きるようにしてもよい。パラグライダー場では、指導者
、グループ等が無線を使用して指示することによってプ
レーヤの位置を管理及びコントロールしているため、こ
のように音声をも交信できるようにすると都合が良い。 しかも本実施例のごとく高精度測位情報をプレーヤが得
られるようにすることによってより正確なコントロール
を期待できる。また、ローカル固定局30側で高精度測
位情報を記憶させておけば、プレー終了後の反省及び指
導に役立てることができる。
【0058】以上述べた2つの実施例によれば、補正演
算等を大きさの限定されないローカル固定局側に負担さ
せているため、移動局側を大幅に小型化することができ
、また、携帯型の移動局機器では能力的に不可能であっ
た高精度の測位情報を得ることができる。ローカル固定
局側に大容量のメモリを設けることにより、移動局の1
日の行動を記憶させることができ、これによって移動の
軌跡、速度分析、その他が行え、種々の応用が可能とな
る。
【0059】なお、以上述べた実施例は、スキー場、ク
ロスカントリー競技場、ゴルフ場、パラグライダー場等
のローカルエリア内で移動する各移動局の測位を行うた
めのシステムであるが、本発明はその他のあらゆるロー
カルエリア内の測位に適用することができる。
【0060】
【発明の効果】以上詳細に説明したように本発明によれ
ば、複数のGPS衛星との疑似距離を測定するGPS受
信機を備えた測位すべき移動局と、これら複数のGPS
衛星からの信号の到達時間を測定するGPS受信機を有
しておりかつ自局の位置が明確なローカル固定局とを備
えたGPSローカル測位システムであって、移動局は測
定した少なくとも疑似距離に関する情報をローカル固定
局へ送信する無線送信手段を備えており、ローカル固定
局は移動局からの情報を受信する無線受信手段と自局で
求めた疑似距離の補正量及び受信した情報から移動局の
高精度測位情報を算出する手段とを備えているため、高
精度で測位できかつ移動局側の構成の簡易化を図ること
のできるGPSローカル測位システムを得ることができ
る。
【0061】即ち、ユーザである移動局側は、GPS受
信機で測定した疑似距離等に関する情報をローカル固定
局側へ送信する。ローカル固定局は、移動局の測定した
疑似距離情報とオンタイムの各衛星の誤差補正情報を有
しており、これによって送られてきた疑似距離情報を補
正し移動局の高精度測位情報を算出する。ローカル固定
局を移動局の存在するローカルエリア内の例えば中心部
に設置することにより、GPS衛星との伝搬路がローカ
ル固定局と各移動局とでほぼ同一の経路となるから大気
層や電離層の伝搬路長差がほとんどなくなる。その結果
、不特定多数を対象とするディファレンシャルGPSよ
り精度の高い補正を行うことができる。移動局では、疑
似距離から自分の位置を求めたり補正情報を用いて補正
を行う処理を行う必要がない。このため移動局は、基本
的には、疑似距離を測定するGPS受信機と得られた疑
似距離情報を送るための送信機とを有するのみでよく、
ハードウエア及びソフトウエアの簡略化を図ることがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の構成を概略的に示す構成図
である。
【図2】図1の実施例におけるデータ処理の流れを示す
フローチャートである。
【図3】本発明の他の実施例の構成を概略的に示す構成
図である。
【図4】図3の実施例におけるデータ処理の流れを示す
フローチャートである。
【図5】従来技術の構成を概略的に示す構成図である。
【符号の説明】
20、30  ローカル固定局 21、31  移動局 22、29、32、39  GPS受信機3223  
無線受信機 24、25、26、27、34、35、36、37  
GPS衛星28  無線送信機 33、38  無線送受信機

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】  複数のGPS衛星との疑似距離を測定
    するGPS受信機を備えた測位すべき移動局と、該複数
    のGPS衛星からの信号の到達時間を測定するGPS受
    信機を有しておりかつ自局の位置が明確なローカル固定
    局とを備えたGPSローカル測位システムであって、前
    記移動局は測定した少なくとも疑似距離に関する情報を
    前記ローカル固定局へ送信する無線送信手段を備えてお
    り、前記ローカル固定局は前記移動局からの前記情報を
    受信する無線受信手段と自局で求めた疑似距離の補正量
    及び前記受信した情報から前記移動局の高精度測位情報
    を算出する手段とを備えていることを特徴とするGPS
    ローカル測位システム。
  2. 【請求項2】  前記ローカル固定局は算出した高精度
    測位情報を前記移動局へ送信する無線送信手段を備えて
    おり、前記移動局は前記ローカル固定局からの前記情報
    を受信する無線受信手段と該受信した情報を保持する手
    段とを備えていることを特徴とする請求項1に記載のG
    PSローカル測位システム。
JP8006191A 1991-04-12 1991-04-12 Gpsローカル測位システム Pending JPH04315076A (ja)

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