JPH05333132A

JPH05333132A - Ｇｐｓ測位方法及び装置

Info

Publication number: JPH05333132A
Application number: JP14266392A
Authority: JP
Inventors: Koji Kuroda; 浩司黒田; Yoshinori Endo; 芳則遠藤; Masatoshi Hoshino; 雅俊星野
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-06-03
Filing date: 1992-06-03
Publication date: 1993-12-17

Abstract

(57)【要約】【目的】受信可能なＧＰＳ衛星の数に拘らず測位精度
を向上すること、利用者に測位装置の状態と精度を判り
易くする。【構成】受信したＧＰＳ信号により測位演算を行うに
あたり、受信衛星の個数に応じて一点測位演算法と多種
類のカルマンフィルタによる測位演算法とを使い分け
る。これにより、一個以上のＧＰＳ衛星を受信していれ
ば、常にある程度以上の精度で測位結果を得ることがで
き、出力の途切れを防止できる。この場合の測位演算出
力を平滑処理することにより、演算法切り替えに伴う測
位位置の急激な変化を緩和する。衛星の軌道誤差、受信
状態による誤差を測位演算に反映させることにより、精
度を向上させる。測位演算法の種類、誤差、演算に用い
た衛星の位置をディスプレイに表示して、利用者に判り
やすくする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、Ｎａｖｓｔａｒ／ＧＰ
Ｓ衛星からの信号を受信して受信位置を求めるＧＰＳ測
位方法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】Ｎａｖｓｔａｒ／ＧＰＳ（Global Posit
ioning System：全世界測位システム）は、米国国防省
が構築を進めているＧＰＳ衛星を用いた全世界電波航法
システムである。ＧＰＳのシステム全体は衛星系と地上
系から構成される。衛星系は現在打ち上げが進められて
おり、最終的には合計２４個のＧＰＳ衛星が打ち上げら
れ、全世界で常時４個以上のＧＰＳ衛星が受信可能とな
る予定である。ＧＰＳの利用者は受信可能な複数のＧＰ
Ｓ衛星の中から、数個のＧＰＳ衛星を選択して受信し、
自己の位置を算出する。なお、ＧＰＳに関する文献とし
て、日本測地学会編著「ＧＰＳ：人工衛星による精密測
位システム」が知られている。

【０００３】ＧＰＳ衛星が送信する信号は、電波干渉や
妨害を受けにくい、信号秘匿能力の高い、高精度の距離
測定・時刻同期が可能で、かつ符号分割多重接続が可能
等の、優れた特性を持つスペクトラム拡散変調信号が用
いられる。通常、ＧＰＳ測位装置では、ＧＰＳ受信回路
部でＧＰＳ衛星から送られてくる信号を受信し、スペク
トル拡散変調信号の高精度な距離測定の特性を利用し
て、ＧＰＳ衛星と受信位置（利用者の位置）との間の擬
似距離と擬似距離変化率を求める。これらの求められた
擬似距離と擬似距離変化率とをもとに、所定の測位演算
を行い利用者の位置を算出し、表示装置などに測位結果
を出力するようになっている。この測位演算における測
位誤差を低減する方法として、特願昭６１−２４１３０
８号公報などが、また、受信可能な衛星数が少なくなっ
ても測位を続ける方法として、特願昭６２−１６５９号
公報などが知られている。また、測位演算にカルマンフ
ィルタを利用する方法については特開平２−４９１７７
号公報などが知られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来技術
では、次のような問題について、考慮されていない。

【０００５】（１）自動車などの移動体が市街地を走行
している際に、ビル等の障害物で受信可能なＧＰＳ衛星
の数が時々刻々変化してゆき、測位結果の出力が途切れ
がちになる。

【０００６】（２）上記（１）の場合に、測位結果は出
力されるが、その測位精度が極端に劣化することがあ
る。

【０００７】（３）カルマンフィルタを利用する際に
は、計測データの誤差のモデリングが精度よく行わなけ
れば利用者の位置を精度よく推定できない。

【０００８】（４）受信できる衛星信号の数に応じて測
位演算方法を切り換えることが考えられるが、この場合
切替に伴い測位結果が不連続に変化する可能性がある。

【０００９】（５）利用者にとって現在受信しているＧ
ＰＳ衛星の状況や測位結果の信頼性すなわち精度がどの
程度であるかがわかりにくい。

【００１０】本発明の第１の目的は、ＧＰＳ衛星の受信
個数が変化しても安定に精度よく測位結果をうることが
できるＧＰＳ測位方法及び装置を提供することにある。

【００１１】本発明の第２の目的は、上記目的に加え、
受信信号レベルなどの受信状況が変化しても安定に精度
よく測位結果をうることができるＧＰＳ測位方法及び装
置を提供することにある。

【００１２】本発明の第３の目的は、上記第１と第２の
目的に加え、利用者にとってＧＰＳ衛星の受信状況が分
かりやすい形で表示する機能を具備したＧＰＳ測位装置
を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記第１の目的を達成す
るために、本発明は、複数のＧＰＳ衛星からそれぞれ送
信される各衛星の位置情報と送信時刻情報を含む衛星情
報を受信し、受信した送信時刻情報とその受信時刻とに
基づいて、受信位置と各ＧＰＳ衛星との擬似距離及び擬
似距離の変化率とをそれぞれ求めて前記受信位置の現在
位置を求める測位方法において、受信できるＧＰＳ衛星
の数に応じて、一点測位演算法と多種類のカルマンフイ
ルタによる測位演算方法とを使いわけることを特徴とす
る。

【００１４】これは、受信回路部に同期受信可能なＧＰ
Ｓ衛星の数を求めて同期情報を出力する機能を設け、こ
の同期情報を入力し受信可能なＧＰＳ衛星の数に応じて
前記一点測位演算部と前記一又は複数のカルマンフイル
タ測位演算部を選択動作させる測位演算切替部を設ける
ことにより実現できる。

【００１５】また、上記の場合に、前記測位演算の演算
結果をローパスフィルタにより平滑処理することが好ま
しい。

【００１６】また、カルマンフィルタによる測位演算の
場合は、演算に用いる誤差共分散行列として前記各ＧＰ
Ｓ衛星の固有の誤差、すなわち軌道誤差、擬似距離誤
差、擬似距離変化率の誤差の少なくとも１つを用いるこ
とが好ましい。

【００１７】上記第２の目的を達成するため、上記各手
段に加え、ＧＰＳ信号のＳ／Ｎ比を測定又は理論的に求
める。ここで、理論的にＳ／Ｎ比を求める手段として、
衛星から送られる信号の実効電力、衛星と受信機間の距
離、衛星のみえる仰角、受信機で使用しているアンテナ
の利得及びパターンから計算する手段がある。このよう
にして得られたＳ／Ｎ比と擬似距離の計測制度誤差は１
対１に対応し、このようにして求めた擬似距離の計測精
度誤差の推定値をカルマンフィルタによる測位演算法の
誤差共分散行列として用いる。

【００１８】上記第３の目的を達成するため、測位結果
をディスプレイに表示する際に、測位演算時にどの種類
の測位演算法を利用したか、また予想される測位精度は
どの程度かを算出しておき、測位演算の種類、予想され
る測位精度が一目で分かるように、色、形、大きさの異
なるマークで、受信位置を表示することを特徴とする。
また、ＧＰＳ衛星が現在どの方向に見えるかを、仰
角、方位角等を算出し表示するとともに、現在の測位演
算で利用しているＧＰＳ衛星はどの衛星かが分かるよう
表示する。

【００１９】

【作用】このように構成することにより、本発明によれ
ば、次の作用により上記各目的が達成される。

【００２０】受信できるＧＰＳ衛星の数に応じて、測位
演算法を使いわけるようにしたことから、受信している
ＧＰＳ衛星の個数が一個以上あれば、それに応じた演算
法で測位演算が可能となり、測位結果の出力が途切れる
ことなく常時出力することができる。

【００２１】また、演算結果を平滑処理するようにした
ものによれば、測位演算法を切り替える際に発生する可
能性のある不連続な時間的な変動を抑制することができ
る。

【００２２】また、カルマンフィルタ測位演算法は、得
られる測位精度に計測誤差のモデリングが大きく影響す
る。この点、ＧＰＳ衛星はそれぞれの衛星固有の誤差成
分を持ち、その誤差の大きさも衛星毎に異なるっている
ことに着目し、各ＧＰＳ衛星に対応する計測誤差を推定
し、カルマンフィルタによる測位演算に利用すること
で、測位精度の向上を図ることができる。

【００２３】更に、信号レベルや、Ｓ／Ｎ比に対する擬
似距離と擬似距離変化率の計測誤差の受信回路特性を予
め計測しておき、ＧＰＳ信号を受信する際にその信号レ
ベルや信号対雑音比を計測するか、理論的に求めること
で擬似距離及び擬似距離変化率の計測誤差を推定し、こ
れらの情報をカルマンフィルタによる測位演算に利用し
ているから、より確度の高い測位演算ができる。

【００２４】また、ディスプレイに測位演算法の種類、
予想される測位精度はどの程度かを色、大きさ、形の異
なるマークを用いて、受信位置とともに表示されるか
ら、利用者にとって一目で、測位結果の確度を知覚でき
る。

【００２５】更に、現在可視なＧＰＳ衛星の方位角、仰
角と、測位演算に利用しているＧＰＳ衛星の選択状況が
表示されるから、利用者にとってＧＰＳ測位装置の動作
を一目で知ることができる。

【００２６】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１から図９を用い
て説明する。

【００２７】図１は、本発明のＧＰＳ測位装置の一実施
例の機能ブロック図を示す。本実施例は、図示のよう
に、ＧＰＳ衛星１〜４から送信される電波をアンテナ１
１を介して取り込み、所定の処理を施して衛星の位置等
のデータを求める受信回路部１２と、この受信回路部１
２で受信処理された衛星データに基づいて自己の測位装
置の位置等の測位データを演算する測位演算部１３と、
受信状態に応じて測位演算部１３の演算方法を切り替え
る測位演算切替部１４を含んで構成されている。測位演
算部１３は、一点測位演算部１５と複数のカルマンフィ
ルタ演算部１６-１〜１６-ｎと、それらの演算部の入力
と出力を切替る入力切替部１７と出力切替部１８とを含
んで構成されている。一点測位演算部１５には入力スイ
ッチ１７-０を介して、カルマンフィルタ演算部１７-１
〜１７-ｎにはそれぞれ入力スイッチ１７-１〜１７-ｎ
を介して、受信回路部１２から衛星データが入力され
る。また、一点測位演算部１５の出力は出力スイッチ１
８-０を介して、カルマンフィルタ演算部１６-１〜１６
-ｎの出力はそれぞれ切替スイッチ１８-１〜１８-ｎを
介して出力される。各切替スイッチ１７-０〜１７-ｎ、
１８-０〜１８-ｎは測位演算切替部１４により開閉制御
される。

【００２８】このように構成される実施例の各部の詳細
構成を、動作とともに説明する。ＧＰＳ衛星１〜４は、
自己の衛星の位置（３次元位置）等に関する衛星情報
を、衛星ごとに異なるＰＮ符号(Pseudo Noise Code)
でスペクトラム拡散変調し、さらに1575.42MHzの搬送波
で変調し、ＧＰＳ信号として送信している。衛星情報に
は、それぞれ自己の正確な位置、衛星情報の送信時刻等
の情報が含まれている。

【００２９】受信回路部１２は、ＧＰＳ信号を逆スペク
トラム拡散処理してＧＰＳ信号を受信した時刻を測定
し、また逆スペクトラム拡散された信号からデータを復
調するして、衛星情報の送信時刻と、衛星の正確な３次
元位置（Ｘｏ，Ｙｏ，Ｚｏ）等の情報を求める。

【００３０】ここで、逆スペクトラム拡散とは、受信す
るＧＰＳ信号のＰＮ符号とパターンが同じで、同位相つ
まり同期のとれたＰＮ符号で復調することをいう。受信
回路部１２の逆スペクトラム拡散回路は位相同期ループ
回路で構成されており、その同期状態からＧＰＳ信号の
受信時刻を測定することができるようになっている。な
お、詳細構成は、日本測地学会編著「新訂版ＧＰＳ−Ｇ
ＰＳ衛星による精密測位システム、pp77〜pp119」に記
載されているので省略する。

【００３１】受信回路部１２は、上記のようにして求め
た受信時刻とＧＰＳ信号の送信時刻との差から、ＧＰＳ
衛星１〜４と自己の受信位置（アンテナ１５の位置）と
の間の距離情報として、擬似距離ρと、その変化率であ
る擬似距離変化率ρ’とを求める。そして、距離情報
ρ、ρ’とＧＰＳ衛星の３次元位置情報（Ｘｏ，Ｙｏ，
Ｚｏ）を、衛星情報Ｓ₁として測位演算部１３に出力す
る。この衛星情報Ｓ₁には、その時に受信同期がとれて
いるＧＰＳ衛星に対応した数の距離情報ρ、ρ’とＧＰ
Ｓ衛星の３次元位置情報（Ｘｏ，Ｙｏ，Ｚｏ）が、同一
時に又は時分割により出力される。

【００３２】また、受信回路部１２は、現在同期がとれ
ているＧＰＳ衛星の個数ｎと、その衛星の識別番号を含
んでなる同期情報Ｓ₂を、測位演算切替部１４に出力す
るようになつている。

【００３３】一点測位演算部１５は、４個のＧＰＳ衛星
からの衛星情報を受信できた場合に用いる測位演算部で
あり、この場合は測位演算切替部１４の選択情報Ｓ₃に
より入力スイッチ１７-０と出力スイッチ１８-０がオン
される。一方、カルマンフィルタ演算部１６-１〜１６-
ｎの添字は、衛星情報を受信できたＧＰＳ衛星の数に対
応しており、受信できたＧＰＳ衛星が１個のときはカル
マンフィルタ演算部１６-１を用い、２個のときはカル
マンフィルタ演算部１６-２を用いるようになってい
る。この切替は、測位演算切替部１４の選択情報Ｓ₃に
より、入力スイッチ１７-１〜１７-ｎと出力スイッチ１
８-１〜１８-ｎを切替えることにより行う。

【００３４】測位演算切替部１４は、受信回路部１２か
ら入力される同期情報Ｓ₂に従ってどの測位演算方法を
用いるかを、予め設定されている基準に基づいて決定
し、これに従ってオンする入力スイッチ１７と出力スイ
ッチ１８の選択情報Ｓ₃出力する。

【００３５】ここで、一点測位演算部１５の演算ルーチ
ンの概要を説明する。この演算では、次式１の関係に従
って、衛星情報Ｓ₁の内の擬似距離ρと、衛星の３次元
位置情報（Ｘｏ，Ｙｏ，Ｚｏ）を用いて、受信点の位置
つまり自己のアンテナ１１の位置（Ｘ₁，Ｙ₁，Ｚ₁）を
求める。数２で、Ｓは受信回路部１２の時計誤差による
距離への影響量であり、未知数である。

【００３６】

【数２】

【００３７】数２において、未知数はＸ₁，Ｙ₁，Ｚ₁，
Ｓであり、全部で４個あるから数２の４連立方程式を立
てて解く。そのために、前述のように４個の衛星信号を
同時に受信できた場合に用いる演算法としている。この
具体的な演算方法の詳細は、日本測地学会編著「新訂版
ＧＰＳ−人工衛星による精密測位システム、pp124〜pp1
30」に述べられているので省略する。

【００３８】次に、カルマンフィルタ演算部１６の演算
ルーチンの概要を説明する。この演算では、モデル式に
より、衛星情報Ｓ₁の内の擬似距離ρと、擬似距離変化
率ρ’と、衛星の３次元位置情報（Ｘｏ，Ｙｏ，Ｚｏ）
を用いて、受信点の位置つまり自己のアンテナ１１の位
置（Ｘ₁，Ｙ₁，Ｚ₁）を求める。まず、演算をモデル化
して状態方程式と観測方程式に定式化する。

【００３９】まず、アンテナ１１を設置した移動隊の運
動を運動方程式あるいは軌道方程式等を利用して、次式
数３のようにモデル化する。

【００４０】

【数３】

【００４１】ここで、Ｘは次式数４で表わせる。また、
Ａは適当な６×６行列である。

【００４２】

【数４】

【００４３】また、擬似距離ρは数５により、擬似距離
変化率ρ´は数６により表せる。

【００４４】

【数５】

【００４５】

【数６】

【００４６】上記数３が状態方程式であり、数６が観測
方程式である。このモデルにカルマンフィルタを適用す
る。なお、観測方程式は非線形であるから拡張カルマン
フィルタを用いる。

【００４７】上記モデルは衛星が１個の場合である。複
数この場合は、擬似距離とその変化率はそれぞれの衛星
に対して定義されるので、衛星がｎ個受信可能な場合
は、観測方程式は２ｎ本の方程式からなる。擬似距離と
その変化率には自己のアンテナ１１の位置の情報が含ま
れている。これを複数衛星から測定するので、個々の衛
星固有の誤差が除かれ、精度が向上する。

【００４８】なお、カルマンフィルタの計算には、状態
方程式及び観測方程式の誤差（あるいは、ノイズ）の共
分散行列が必要である。ここでは、数３の運動方程式の
モデル化誤差と、ＧＰＳによって計測した擬似距離誤差
とその変化率の誤差が相当する。つまり、ＧＰＳの計測
誤差はこの場合、観測方程式の誤差である。一般の応用
では、共分散行列は正確にはわからないので、カルマン
フィルタの設計パラメータとして適当に決めて計算す
る。しかし、誤差共分散行列が正確に求められればカル
マンフィルタによる測位精度は向上する。

【００４９】演算ルーチンの繰り返し計算は次のように
行なう。まず、ある時刻における受信位置（Ｘ₁，Ｙ₁，
Ｚ₁）の最適推定値から、状態方程式を用いて次の時刻
における推定値（予測値）を求める。この時刻の観測値
と予測値の内分する点をその時刻における最適推定値と
する処理を、繰返し実行して求める。なお、モデル化及
び計算の詳細は、砂原、福田著「確率システム理論II
I」３章に述べられている次に、測位演算切替部１４の
動作を説明する。入力された同期情報Ｓ₂に従って、同
期受信している衛星が４個のときは、スイッチ１７-０
と１８-０をオンして、一位測位演算部１５を動作させ
る。受信同期しているＧＰＳ衛星が３個以下の場合は、
現在受信同期がとれているＧＰＳ衛星の数ｎに対応する
カルマンフィルタ演算部１６-１〜ｎを選択する。

【００５０】このように、本実施例によれば、同期受信
しているＧＰＳ衛星の数に対応させて、適切な測位演算
方法に切替えて測位演算を実行するように構成したこと
から、電波障害などにより所定の数のＧＰＳ衛星からの
ＧＰＳ信号が受信できなくても、少なくとも１つの衛星
のＧＰＳ信号が受信できれば、自己の位置を測定でき
る。したがって、測位結果の出力が途切れてしまう問題
を解消できる。その上、受信衛星の数に対応した演算方
法を選択していることから、測位精度の低下を抑制でき
る。また、出力する測位結果Ｓ₄に、受信点の正確な位
置（Ｘ₁，Ｙ₁，Ｚ₁）の他に、その位置の変化から求め
る速度ベクトル情報（速度及び方角）を含めることがで
きる。

【００５１】なお、受信した４個のＧＰＳ衛星の幾何学
的配置によって定まる測位誤差指標（ＧＤＯＰ：Geodet
ic Dilution Of Precision）が大きい場合は、測位精度
が劣化する。そこで、上記実施例では、受信衛星の数が
４個の場合に一点測位演算部１５を選択するようにした
が、これに代えて測位演算切替部１４にＧＰＳ衛星の軌
道データを格納しておき、これと入力される衛星の数と
識別番号から測位誤差指標を求め、一定の許容値よりも
大きい場合は、一点測位演算部１５を選択せずに、測位
誤差指標が最低の組合せになるＧＰＳ衛星を選択し、そ
の衛星の数に対応したカルマンフィルタ演算部１６のい
ずれか１つを選択するようにすることが好ましい。

【００５２】また、カルマンフィルタ演算部１６は、受
信衛星が５個以上の場合の測位演算処理を構成できるの
で、５個以上のＧＰＳ衛星を受信する受信回路部１２を
設け、それらの衛星情報から擬似距離、擬似距離変化率
を求めた場合に対応動作させるように構成することがで
きる。

【００５３】また、受信回路部１２から出力される擬似
距離、擬似距離変化率等の衛星情報Ｓ₁を、複数の測位
演算部１５、１６-１〜１６-ｎに常時入力しておき、出
力切替部１８のみ、動作している測位演算部に切替るよ
うにすることもできる。

【００５４】図２に、本発明の他の実施例に係るＧＰＳ
測位装置の機能ブロック図を示す。また、図３に本実施
例による測位結果の出力表示の一例を示す。本実施例が
図１実施例と異なる点は、測位結果Ｓ₄をフィルタ処理
部２０により処理して出力するようにしたことにあり、
図２において図１実施例と同一機能構成のブロックには
同一符号を付して説明を省略する。フィルタ処理部２０
の機能は、測位結果Ｓ₄の大きな変動を排除して、変動
を緩やかなものにしようとするものであり、例えば低域
通過フィルタ（ローパスフィルタ）を適用して、測位結
果の変動を平滑処理する。すなわち、測位演算部１５，
１６-１〜１６-ｎが切替られた場合等、測位結果Ｓ₄が
大きく変動する場合がある。このような場合、その測位
結果Ｓ₄に基づいて表示画面などに現在位置を連続的に
表示すると、現在位置が急激に移動するなど違和感が生
ずる。この場合の測位結果の出力表示の一例を図３に示
す。図３では自動車が道路２１上を走行し、ｔ₁〜ｔ₈の
時刻におけるＧＰＳ測位装置の測位結果出力が表示され
ている画面の状態を示している。時刻ｔ₁〜ｔ₄は、ある
測位演算部による測位結果であり、時刻ｔ₄と時刻ｔ₅の
間で測位演算切替部１４によって測位演算部が切替ら
れ、時刻ｔ₅〜ｔ₈は切替られた測位演算部による測位結
果である。フィルタ処理部２０が設けられていない図１
の実施例の場合は、図３にｔ₅〜ｔ₈の白丸印で示したご
とく、ｔ₄とｔ₅の間で測位結果が大きくバイアスしてし
まう現象が現れる場合がある。このバイアスは、測位演
算部１３で発生するバイアス誤差が、適用した各測位演
算法によってその大きさと方向が異なること、また、測
位演算に使用するＧＰＳ衛星の持つ固定バイアス誤差成
分が各ＧＰＳ衛星により異なることなどの原因により発
生する。この点、測位結果の出力部にフィルタ処理部２
０を設けると、図３にｔ₅〜ｔ₈の黒丸印で示したごと
く、測位結果のバイアスが徐々に現れるため利用者はそ
のバイアス的変動に気づきにくくなる。

【００５５】したがって、図２実施例によれば、図１実
施例の効果に加えて、測位測定部の切替などに伴う測位
結果の急激な変動を抑えることができる。

【００５６】また、図２実施例によれば、受信回路部１
２から出力される擬似距離、擬似距離変化率等の衛星情
報Ｓ１を複数の測位演算部１５，１６-１〜１６-ｎに入
力して、同時並列的に位置演算を実行させ、それらの測
位結果出力を測位演算切替部１４により出力切替部１８
を短時間で順番に切替えるようにすることができる。こ
れによれば、複数の測位演算法による演算結果のバイア
ス変動をフィルタ処理部２０で除去することができ、測
位精度を高めることができる。

【００５７】図４に、本発明の更に他の実施例を示す。
本実施例は、ＧＰＳ衛星から送られる位置情報に、その
位置情報の確からしさ、つまり各衛星の軌道の精度に関
するデータが含まれていることに着目し、そのＧＰＳ衛
星の軌道情報の精度に関するデータを抜き出し、ＧＰＳ
衛星誤差情報Ｓ₅として測位演算部１３に入力して演算
精度を向上しようとするものである。測位演算部１３で
は、特にカルマンフィルタ演算部を利用する場合など
に、計測誤差行列の値を各ＧＰＳ衛星固有の値としてＧ
ＰＳ衛星誤差情報Ｓ５をもとに推定して測位演算を行
う。すなわち、カルマンフィルタ演算部は、入出力に確
率的な信号が加わるシステムの状態量を、推定誤差の２
乗平均値の意味で最適に推定する手法であり、一般にカ
ルマンフィルタ演算処理を用いる場合は、確率的な信号
の統計的性質、すなわち共分散行列及び平均値が既知で
ある必要がある。したがって、ＧＰＳ測位に応用する場
合は、位置情報に含まれる誤差信号の平均値及び分散行
列が必要になるが、個々のＧＰＳ衛星はそれぞれ固有の
精度でＧＰＳ衛星の位置情報を送信してくるから、現在
受信中のＧＰＳ衛星の精度（誤差の統計的性質）をカル
マンフィルタの測位演算に組み込むことにより、精度の
高い測位演算が可能となるのである。

【００５８】図５に、本発明の更に他の実施例のブロッ
ク構成図を示す。本実施例は、受信回路部１２の計測処
理結果である擬似距離ρ等に含まれる受信状態等に応じ
て生ずる誤差を求め、これにより得られた誤差を誤差情
報Ｓ₇として測位演算部１３に出力し、測位演算部１３
の測位演算にその誤差を反映させて、測位精度を向上さ
せようとするものである。

【００５９】すなわち、ＧＰＳ衛星信号はＧＰＳ衛星の
視野方向の違いにより、ＧＰＳ衛星と衛星信号の受信位
置との電波伝搬距離が変化したり、ＧＰＳ衛星信号が通
過する電離層の状態が時刻や場所によって異なったり、
ＧＰＳ衛星の視野方向のによりアンテナ１１の利得が違
うことなどにより、ＧＰＳ衛星信号のレベル及び雑音の
レベルが変化する。ＧＰＳ衛星からの信号はアンテナ１
１で受信され受信回路部１２に送られるが、ＧＰＳ衛星
信号の信号レベルや信号対雑音（Ｓ／Ｎ）比の違いによ
り、受信回路部１１内部の同期回路の安定度が変化し、
擬似距離ρや擬似距離変化率ρ’に含まれる誤差が変化
する。このようなＧＰＳ衛星信号のＳ／Ｎ比から、擬似
距離ρや擬似距離変化率ρ’に含まれる誤差はあらかじ
め求めることが可能である。そこで、まず信号レベルや
Ｓ／Ｎ比に対する受信回路部１２の特性、すなわち信号
レベルやＳ／Ｎ比と擬似距離及び擬似距離変化率の計測
精度との関係を予め計測しておく。そして、受信回路部
１２においてＧＰＳ信号を受信する際に、現在受信中の
ＧＰＳ衛星の信号レベル及びＳ／Ｎ比を計測し又は理論
的に求め、これに基づいて擬似距離ρの誤差量又は測位
結果の誤差量を推定する。その推定した誤差量を受信状
態情報Ｓ₇として測位演算部１３へ出力する。測位演算
部１３では、それらの誤差量を測位演算に反映させて受
信位置を計算する。特に、カルマンフィルタ演算部にお
ける計測誤差行列の推定値として利用することにより、
測位精度の向上が図れる。すなわち、カルマンフィルタ
演算を適用する場合、擬似距離ρおよび擬似距離変化率
ρ’に含まれる誤差量の統計的性質が完全に分かってい
れば位置の最適推定が可能だからである。

【００６０】なお、図５では、受信状態情報Ｓ₇を受信
回路部１２で求める例を示したが、これに代えて測位演
算部１３にて理論的に推定することができる。すなわ
ち、予め信号レベルとＳ／Ｎ比に対応させて擬似距離ρ
及び擬似距離変化率ρ’の関係データを計測して測位演
算部１３に格納しておき、その計測しておいたデータと
現在の信号レベルとＳ／Ｎ比とから、どの程度の精度、
誤差量で擬似距離ρおよび擬似距離変化率ρ’が計測さ
れたかを推定できる。

【００６１】また、図４実施例と図５実施例の擬似距離
ρおよび擬似距離変化率ρ’の２つの計測誤差情報か
ら、総合的な計測誤差量を求め、カルマンフィルタにお
ける計測誤差行列の推定値として利用することにより、
さらに測位精度の向上を図れる。

【００６２】ここで、図６を参照して測位結果のディス
プレイ方法について説明する。図６は、ディスプレイ画
面３０上に地図を表示し、その中にＧＰＳ測位装置の測
位結果、すなわち利用者の位置を斜線の領域３１で描い
た例を示している。このようなディスプレイ画面３０に
利用者の位置を表示するとき、上記したように測位演算
方法が多種類ある場合、どの測位演算方法を現在使用し
ているかを領域３１を表示する色、もしくは濃度などを
変えた形で表示することが好ましい。これにより、利用
者が一目でどの測位演算法を使用しているかが分かる。

【００６３】また、測位演算時に同時に出力される測位
精度に関する情報、一点測位の場合ではＧＤＯＰ(Geode
tic Dilution Of Precision)、カルマンフィルタの場合
には誤差の共分散行列の値などをもとに、現在の測位演
算の精度がどの程度の大きさでありどちらの方向の誤差
が大きいかを算出し、その誤差の大きさと方向に合わせ
た楕円、方形などのマークで測位結果を表示する。これ
により、利用者が一目で測位結果の精度やその性質を知
ることができる。

【００６４】図７に、本発明の更に他の実施例のブロッ
ク構成図を示す。本実施例は、現在受信中のＧＰＳ衛星
の位置をディスプレイに表示する機能を設けたものであ
る。測位演算にかかる基本的な機能構成は前述のどの実
施例を適用してもよい。図７において、受信回路部１２
は現在受信中のＧＰＳ衛星の識別番号とその軌道情報
を、ＧＰＳ衛星視野方向演算部３５に出力する。ＧＰＳ
衛星視野方向演算部３５はＧＰＳ衛星の軌道情報をもと
にＧＰＳ衛星の位置を算出する。この求めたＧＰＳ衛星
の位置と測位演算部１３の測位結果に基づいて、ＧＰＳ
衛星の見える方向すなわち仰角と方位角を算出し、その
算出結果をディスプレイ部３６に出力する。デイスプレ
イ部３６は入力されたＧＰＳ衛星の仰角と方位角とに基
づいて、図８に示す画像をディスプレイ画面３０に表示
する。図８は、利用者から見た天頂を中心とし、水平線
方向を円周とする同心円の形で天空を表示している。同
心円は仰角を示しており、円周部が仰角０゜であり、中
心が天頂すなわち仰角９０゜のポイントである。また、
東西南北の方位も表示している。図８に示すように、現
在可視範囲にあるＧＰＳ衛星を符号４１〜４６を付した
マーク（丸と三角）で、見える方向及び位置を表示して
いる。また、現在受信回路部１２で受信中のＧＰＳ衛星
は丸印で表示し、受信回路部１２で受信していないＧＰ
Ｓ衛星は三角のマークで表示している。また、測位演算
部１３で演算に用いているＧＰＳ衛星について、それら
のマークを点線で結んで表示している。また、自動車等
の移動体の進行方向に合わせ、これらのＧＰＳ衛星の仰
角方位角の表示を回転するようにし、これによって利用
者にとって分かりやすい形でＧＰＳ衛星の見える方向を
表示することが可能となる。

【００６５】図９に、本発明のＧＰＳ衛星測位装置を移
動体ナビゲーション装置に適用した実施例のブロック構
成図を示す。移動体ナビゲーション装置の基本構成は周
知の構成であることから概要を説明する。主演算部２５
は、走行距離検出部５５、走行方向検出部５６、ＧＰＳ
測位装置５９から、図示していない入力装置を介してデ
ータを収集し、これらを基に走行位置を計算する。そし
て、その結果をディスプレイ部５３に出力表示したり、
音声出力部５４などの出力手段から各種の情報を出力す
る機能を有し、装置の中心的な役割を担うものである。
主演算部５１を駆動するプログラム等はＲＯＭ／ＲＡＭ
で構成されるメモリ５２に格納されている。ディスプレ
イ部５３には地図や各種情報を表示するようになってい
る。また、、音声出力部５４からは、経路誘導や各種案
内を音声により出力するようになっている。マンマシン
インターフェイス部５５は使用者が必要な情報を入力す
る装置である。ＣＤ−ＲＯＭ装置５６は、地図及び付随
する属性情報が格納されている。

【００６６】このような移動体ナビゲーション装置に本
発明のＧＰＳ測位装置を適用することにより、従来の走
行距離と走行方向のデータから移動体の位置を測定する
場合に比べて、位置測定精度の向上を図ることができ
る。

【００６７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
受信したＧＰＳ信号に基づいて測位演算を行うにあた
り、ＧＰＳ衛星の受信個数に応じて一点測位演算方法と
多種類のカルマンフィルタとを使い分けるようにしたこ
とから、受信しているＧＰＳ衛星の個数が一個以上あれ
ばそれに応じた演算方法で測位演算が可能になり、測位
結果の出力が途切れることなく常時出力することができ
る。

【００６８】また、測位結果の出力をフィルタにより平
滑処理していることから、多種の測位演算法を切り替え
る際の測位結果のバイアスの発生を抑制することができ
る。また、カルマンフィルタ内部で利用する誤差行列を
各ＧＰＳ衛星固有の値として算出推定し、利用するもの
によれば、測位精度が向上する。

【００６９】更に、受信状態に応じて誤差を推定し、そ
の誤差を測位演算部で利用するものによれば、一層測位
精度の向上を図ることができる。

【００７０】また、測位演算時にどの種類の測位演算方
法を利用したかを、色・形・大きさの異なるマークでデ
ィスプレイに受信位置とともに表示するものによれば、
更にＧＰＳ衛星が現在どの方角に見えるかを表示すると
ともに現在測位演算に使用しているＧＰＳ衛星はどの衛
星かが分かるように表示するものによれば、利用者にと
ってＧＰＳ衛星の受信状況や測位結果の確度を分かりや
すい形で表示することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のＧＰＳ測位装置の基本的な一実施例の
機能ブロック図である。

【図２】図１実施例の出力部にフィルタ処理部を設けた
一実施例の機能ブロック図である。

【図３】図２実施例の効果を説明するための出力表示例
を示す図である。

【図４】図１実施例に加えて、ＧＰＳ衛星の軌道誤差デ
ータを測位演算に反映させてなる実施例の機能ブロック
図である。

【図５】図１実施例に加えて、ＧＰＳ衛星信号の受信状
態に起因する誤差を測位演算に反映させてなる実施例の
機能ブロック図である。

【図６】本発明の測位結果に基づいて移動体の位置をデ
ィスプレイに表示する一例の説明図である。

【図７】図１実施例などの実施例に加えて、ディスプレ
イ装置にＧＰＳ衛星の位置や受信中の衛星を出力表示す
るようにした実施例の機能ブロック図である。

【図８】図７実施例の表示画面の一例を示す図である。

【図９】本発明のＧＰＳ測位装置を移動体のナビゲーシ
ョン装置に適用してなる実施例の概要構成図である。

【符号の説明】

１〜４ＧＰＳ衛星１１アンテナ１２受信回路部１３測位演算部１４測位演算切替部１５一点測位演算部１６-１〜ｎカルマンフィルタ演算部１７入力切替部１８出力切替部２０フィルタ処理部３５ＧＰＳ衛星視野方向演算部３６ディスプレイ部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数のＧＰＳ衛星からそれぞれ送信される
各衛星の位置情報と送信時刻情報を含む衛星情報を受信
し、受信した送信時刻情報とその受信時刻とに基づい
て、受信位置と各ＧＰＳ衛星との擬似距離及び擬似距離
の変化率とをそれぞれ求めて前記受信位置の現在位置を
求める測位方法において、受信できるＧＰＳ衛星の数に
応じて、一点測位演算法と多種類のカルマンフイルタに
よる測位演算方法とを使いわけることを特徴とするＧＰ
Ｓ測位方法。
【請求項２】請求項１において、前記一点測位演算方法
は、前記求めた擬似距離ρと、前記各衛星の３次元位置
情報（Ｘｏ，Ｙｏ，Ｚｏ）と、受信回路部の時計誤差に
よる距離への影響量Ｓとから、下記数１により前記受信
位置の現在位置（Ｘ₁，Ｙ₁，Ｚ₁）を求めることを特徴
とするＧＰＳ測位方法。【数１】
【請求項３】請求項１において、前記カルマンフィルタ
による測位演算法は、前記求めた擬似距離及びその変化
率を入力として位置座標を計算することを特徴とするＧ
ＰＳ測位方法。
【請求項４】請求項１，２，３において、前記測位演算
の演算結果を平滑処理することを特徴とするＧＰＳ測位
方法。
【請求項５】請求項３において、前記カルマンフィルタ
による測位演算法は、演算に用いる誤差共分散行列とし
て、前記各ＧＰＳ衛星の軌道誤差と擬似距離誤差と擬似
距離変化率誤差の少なくとも１つの固有の誤差を用いる
ことを特徴とするＧＰＳ測位方法。
【請求項６】請求項３において、ＧＰＳ信号のＳ／Ｎ比
を測定又は理論的に求め、その値から前記擬似距離の計
測精度の誤差共分散行列を推定し、該推定値を前記カル
マンフィルタによる測位演算法に利用することを特徴と
するＧＰＳ測位方法。
【請求項７】複数のＧＰＳ衛星からそれぞれ送信される
各衛星の位置情報と送信時刻情報を含む衛星情報を受信
し、前記送信時刻情報とその受信時刻とに基づいて受信
点と各ＧＰＳ衛星との擬似距離及び擬似距離変化率とを
それぞれ求める受信回路部と、この受信回路部により求
められた前記擬似距離及び擬似距離変化率と前記各衛星
の位置情報に基づいて受信点の現在位置を求める測位演
算部とを備えたＧＰＳ測位装置において、前記測位演算
部が、一点測位演算部と、受信できるＧＰＳ衛星の個数
に応じた少なくとも一種類のカルマンフイルタ測位演算
部とからなることを特徴とするＧＰＳ測位装置。
【請求項８】請求項７において、前記受信回路部に同期
受信可能なＧＰＳ衛星の数を求めて同期情報を出力する
機能を設け、この同期情報を入力し受信可能なＧＰＳ衛
星の数に応じて前記一点測位演算部と前記一又は複数の
カルマンフイルタ測位演算部を選択動作させる測位演算
切替部を設けたことを特徴とするＧＰＳ測位装置。
【請求項９】請求項７又は８において、前記測位演算部
の出力である演算結果を平滑処理するフィルタ処理部を
設けたことを特徴とするＧＰＳ測位装置。
【請求項１０】請求項７，８，９のいずれかにおいて、
前記受信回路部に、前記ＧＰＳ衛星から送信される位置
情報の精度に係る衛星誤差情報を受信する機能を設け、
前記測位演算部は前記衛星誤差情報を入力して測位演算
に用いることを特徴とするＧＰＳ測位装置。
【請求項１１】請求項７，８，９，１０のいずれかにお
いて、前記受信回路部により受信された前記ＧＰＳ信号
の信号レベルとＳ／Ｎ比に基づいて前記擬似距離の誤差
を求め、この求めた誤差を前記カルマンフィルタ演算部
における測位演算に用いることを特徴とするＧＰＳ測位
装置。
【請求項１２】請求項１１において、測位結果とＧＰＳ
測位演算方式及び推測される測位誤差を表示するディス
プレイ部を設け、このディスプレイ部は測位結果の受信
位置をマークで画面に表示するものとし、かつ測位演算
の種類と推測される測位精度とを予め定めた色、形、大
きさの異なるマークで表示することを特徴とするＧＰＳ
測位装置。
【請求項１３】請求項１２において、前記受信回路部か
ら出力される現在受信中のＧＰＳ衛星の識別番号とその
軌道情報とを入力するとともに、前記測位演算部から出
力される測位結果を入力して、ＧＰＳ衛星の見える仰角
と方位角を算出するＧＰＳ衛星視野方向演算部を設け、
前記ディスプレイ部は前記ＧＰＳ衛星視野方向演算部の
出力に基づいて現在の測位演算で利用しているＧＰＳ衛
星を色、形、大きさの異なるマーク等で表示することを
特徴とするＧＰＳ測位装置。
【請求項１４】請求項７乃至１３に記載のＧＰＳ測位装
置を備え、移動体の位置をディスプレイに表示するよう
にしてなる移動体ナビゲーション装置。