JPH08146112A - 測位システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】相対測位を用いることにより、観測地点の位置
を高精度でリアルタイムに求めることができる測位シス
テムを提供する。 【構成】ＧＰＳ受信機を複数の観測局２および１または
複数の基準局３に設置する。観測局２は例えば、崖崩れ
などの危険性がある場所などに設置される。基準局３は
移動の可能性の少ない場所に設置される。各局は複数の
ＧＰＳ衛星１の信号電波（Ｌ１，Ｌ２両波またはＬ１波
のみ）を受信し、一定時間毎にその信号搬送波の波数を
位相角の積算値として出力する。この積算値データは通
信ケーブル４，中継機５および通信制御装置６を介して
センタ８に集約される。センタ８では、これらのデータ
に基づいて一定時間毎に各観測局２と基準局３との基線
ベクトルを算出する。したがって、この基線ベクトルは
ほぼリアルタイムに算出が可能であり、３以上の地点の
データによる網平均手法を用いた相対測位であるため、
数センチメートルの精度で観測局２の移動を検出するこ
とができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、複数地点間の基線ベ
クトルを高精度でリアルタイムに求めることができる測
位システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来オンラインで遠隔地点の位置をリア
ルタイムで検出するシステムとしては、特開平６−２３
０１０１号公報に示すシステムが提案されている。この
システムは、座標が既知で固定している基準地点および
移動を観測する観測地点にそれぞれ単独測位を行うＧＰ
Ｓ測位装置を設置して互いに無線で接続し、基準地点に
おけるＧＰＳ測位結果とその地点の座標との誤差を補正
ベクトルとし、観測地点から受信した測定結果をこの補
正ベクトルで補正して観測地点の位置を割り出すもので
ある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この方式で
は、単独測位方式が基本となっており、基準地点におけ
る単独測位の誤差を用いて観測局における単独測位の誤
差を補正しようとするものであるため、測位精度が１〜
数メートル程度あり、たとえば、地盤の変動や地滑りな
どにおける初期的な微小な変化を速やかに精度よく察知
することが困難である欠点があった。

【０００４】この発明は、搬送波位相の積算値を用いた
相対測位を用いることにより、観測地点の位置を高精度
でリアルタイムに求めることができる測位システムを提
供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この出願の請求項１の発
明は、複数の地点に設けられた観測装置と、各観測装置
とオンラインで結ばれたセンタとからなる測位システム
であって、前記観測装置は、複数のＧＰＳ衛星が送信す
る信号電波を受信してその信号または搬送波の位相の積
算値をカウントする手段と、カウントした位相の積算値
を一定時間毎に出力する手段とを備え、前記センタは、
各観測装置から受信した位相の積算値に基づいて上記複
数の地点間のベクトルを算出するベクトル算出手段を備
えたことを特徴とする。

【０００６】この出願の請求項２の発明は、前記センタ
に、刻々入力される位相の積算値に基づいて前記ベクト
ル算出手段を繰り返して実行し、算出されたベクトルが
一定以上変動したとき警報を発する手段を備えたことを
特徴とする。

【０００７】

【作用】この発明の測定システムでは、複数地点に設け
られた観測装置が、複数のＧＰＳ衛星が送信する信号電
波を受信してその信号または搬送波の位相の積算値をカ
ウントし、これを一定時間毎に出力する。センタは、複
数の観測装置からそれぞれ複数のＧＰＳ衛星の位相の積
算値を受信する。そしてこれに基づいて前記複数の地点
間の基線ベクトルを算出する。算出の方法は、従来より
周知の２重位相差法を用いればよい。これにより、極め
て高い精度でオンラインでデータを受信してほぼリアル
タイムに複数地点間の基線ベクトルを求めることができ
る。

【０００８】また、この発明では、この基線ベクトルを
継続して繰り返し算出し、このベクトルが一定以上変動
した場合には、警報を発するようにした。基線ベクトル
の変動は、観測地点を山岳部に設定した場合には崖崩れ
や雪崩などに対応するものであり、これにより、精度の
高い速やかな地滑り，崖崩れ，雪崩などの観測が可能に
なる。

【０００９】

【実施例】図１はこの発明の実施例である測位システム
の構成を示す図である。この測位システムは、基準地点
に設置される基準局３と観測地点に設置される観測局２
とを有している。基準地点は、正確な位置（緯度，経
度，高度）が分かっており、移動するおそれのない場所
に設定される。この測位システムは、たとえば、堤防や
ダムの決壊の検知，地滑りの検知，崖崩れの検知，埋め
立て地の不等沈下の計測・監視、滑走路・道路の凹凸の
計測・監視などに適用されるが、この場合、基準地点は
山麓や固い地盤の地点に設定され、その地点に基準局３
が設けられる。また、観測地点は決壊や崖崩れを起こし
そうな地点や、不等沈下，凹凸を起こしそうな地点に設
置され、その地点に観測局２が設けられる。

【００１０】各基準局３，観測局２にはＧＰＳアンテナ
およびＧＰＳ信号の搬送波位相の積算値を出力するＧＰ
Ｓ受信機が設置されている。ＧＰＳ受信機は、複数のＧ
ＰＳ衛星１から送られてくるＧＰＳ信号の２つの搬送波
（Ｌ１波およびＬ２波）の位相積算値を一定時間毎に出
力する装置である。なお、Ｌ１波の搬送波周波数は１５
７５．４２ＭＨｚ、Ｌ２波の搬送波周波数は１２２７．
６ＭＨｚである。観測局２が出力した位相積算値は通信
ケーブル４−中継器５を介して通信制御装置６に送信さ
れる。また、基準局３が出力した位相積算値も通信ケー
ブル４を介して通信制御装置６に入力される。通信制御
装置６は、データ処理装置であるセンタ８に接続されて
おり、通信制御装置６が各観測局２，基準局３から受信
した位相積算値はセンタ８に集約される。センタ８は、
集約した位相積算値に基づいて各観測局２（観測地点）
の位置を割り出す。この位置は基準局３（基準地点）か
らの基線ベクトルとして求められる。基線ベクトルの算
出手法としては、最小２乗法を用いた網平均手法などが
用いられる。センタ８は、一定時間毎に最新の位相積算
値を用いて基線ベクトルの算出を実行しており、新たに
算出された基線ベクトルを過去に求めた基線ベクトルと
比較することにより、観測地点の移動、すなわち、堤防
やダムの決壊，崖崩れ，埋め立て地の不等沈下，滑走路
・道路の凹凸などが判断される。

【００１１】図２に上記観測局２，基準局３に設置され
るＧＰＳ受信機の構成を示す。ＧＰＳ受信機は、複数個
（一般的には４個）のＧＰＳ衛星のＬ１波，Ｌ２波を受
信し、一定時間（例えば、１０秒）毎の度単位の波数を
位相角単位で積算してその積算値を出力する装置であ
る。この装置は、アンテナ１０，周波数変換部１１，ク
ロック抽出部１２，位相カウンタ１３，通信制御部１５
および時計１４を備えているが、少なくとも、周波数変
換部１１，クロック抽出部１２，位相カウンタ１３は、
４個のＧＰＳ衛星のＬ１波，Ｌ２波を同時受信できるよ
うに８個並列に設けられているものとする。

【００１２】ＧＰＳ衛星１から信号電波を受信するＧＰ
Ｓアンテナ１０は、無指向性のアンテナであり、どの方
位にあるＧＰＳ衛星の信号電波をも受信することができ
る。このＧＰＳアンテナ１０には周波数変換部１１が接
続されている。周波数変換部１１は受信したマイクロ波
の信号電波を回路内で処理可能な周波数の高周波信号に
変換する。この信号はクロック抽出部１１に入力され
る。クロック抽出部１１は、中間周波に変換された高周
波信号の搬送波クロックを抽出する回路である。クロッ
ク抽出部１１はＰＬＬ回路で構成されており、入力信号
と位相が同期した発振器信号を抽出搬送波クロック信号
として出力する。

【００１３】図３にクロック抽出部１２の回路構成を示
す。クロック抽出部１１は、２乗回路２０，フィルタ２
１，位相比較回路２２，ループフィルタ２３およびＶＣ
Ｏ２４からなる位相同期ループ回路で構成されている。
この回路は、所定のＧＰＳ衛星の信号搬送波をそのＧＰ
Ｓ衛星の運行によるドップラ変位を手掛かりに抽出する
回路である。まず、搬送波を抽出したいＧＰＳ衛星の運
行データに基づいてその衛星の軌道を割り出し、その軌
道を移動することによる搬送波周波数のドップラ変位分
を算出する。この算出は図示しない制御部が行う。この
算出値が予測ドップラ値としてＶＣＯ２４に入力され
る。ＶＣＯ２４はこの予測ドップラ値によって規定され
る周波数の高周波信号を発振する。この信号は位相比較
回路２２に入力される。一方、中間周波に変換された受
信信号は２乗回路２０で２乗され２倍の周波数の信号に
変換される。この信号はフィルタ２１で搬送波周波数付
近のみを透過するフィルタ２１で他の周波数と分離さ
れ、搬送波周波数のみが位相比較回路２２に入力され
る。位相比較回路２２では、２乗回路２０で２乗された
入力信号とＶＣＯ２４が発振した信号の位相を比較す
る。位相のずれは電圧値として出力されループフィルタ
２３を介してＶＣＯ２４に入力される。ＶＣＯ２４はこ
の位相差電圧によって発振周波数を修正され、入力され
た搬送波周波数と同一周波数の信号を発振するようにな
る。この信号は位相比較回路２４にフィードバックされ
るとともに抽出搬送波クロックとして次段の位相カウン
タ１３に出力される。

【００１４】位相カウンタ１３は１０⁸ 程度のカウンタ
であり、搬送波クロックの位相を度単位でカウントす
る。たとえば、最終の中間周波数を１０ｋＨｚに選んだ
とするとωｔに相当する位相回転は毎秒３．６×１０⁶
度となる。これに種々の変化要素が加味されたとして
も、１０秒間カウントすると１．７〜５．５×１０⁷ 程
度の大きさの数になるため、カウンタがオーバフローし
た場合でもキャリー信号を無視して０からのカウントを
繰り返すようにする。時計１４はこの位相カウンタ１３
に対して一定時間毎にカウント値を出力するようにトリ
ガを入力する。このカウント値は通信制御部１５に対し
て位相積算値として出力される。通信制御部１５は、図
４に示すように、発信元を示す局名，受信したＧＰＳ衛
星の番号およびＬ１波，Ｌ２波の別、観測時刻、および
その時刻におけるカウント数からなる電文を編集してセ
ンタ８の通信制御部６に対して送出する。

【００１５】なお、このＧＰＳ受信機では、Ｌ１，Ｌ２
の２周波を受信することによって電離層の影響による誤
差を除去し、複数の衛星の信号電波を受信することによ
って周波数変換用の局部発振回路の周波数ゆらぎの影響
を除去している。なお、基準局，観測局の設置場所が数
十キロメートルの範囲に納まる場合であれば、全ての局
における電離層の影響は同一であると考えられるため一
方の周波（Ｌ１波）のみを受信しても基線ベクトル算出
時に電離層の影響は相殺される。

【００１６】センタ８では、各局から受信した積算値に
基づいて相対測位を実行する。相対測位の原理を図５を
参照しつつ説明する。同図において、α，βをＧＰＳ衛
星、Ａ，Ｂをアンテナとする。このうち、Ａが基準局の
アンテナ（観測点），Ｂが観測局のアンテナとする。ま
た、観測点Ａ，Ｂ間の位相差をφαとすると、 φα＝ｒ・Ｓα／λ となる。ここでｒはＡ，Ｂ間の基線ベクトル、Ｓαは観
測点から衛星αへの方向余弦ベクトル，λは搬送波の波
長である。

【００１７】衛星α，βの位相差の差を求めると、 φα−φβ＝ｒ・（Ｓα−Ｓβ）／λ となる。φα−φβは観測によって求められ、Ｓα−Ｓ
βは軌道計算によって正確に算出することができること
から、いくつかのＧＰＳ衛星の組に対して観測を行い、
同様の式を多数作成することにより、これらを最小二乗
法的に解くことによって正確なｒを求めることができ
る。

【００１８】さらに、３以上の地点の位相積算値が入力
されるシステムの場合には、網平均の手法を用いて各地
点の位置（基線ベクトル）を同時に高精度で算出するこ
とができる。網平均は、３以上のＧＰＳ受信機のそれぞ
れを網状に組み合わせ、各ＧＰＳ受信機間の基線ベクト
ルの最確値と誤差をネットワーク全体として最も確から
しい値になるように調整する計算方法である。一般的
に、調整は行列を用いた最小二乗法によって全部の観測
値を同時に調整する。このように、複数の衛星を用いて
網平均によって各点の位置を割り出すようにしたことに
より、各観測点の位置決定精度は数ｍｍ〜数ｃｍに高め
ることができる。

【００１９】センタ８では、このようにして求められた
観測局２の位置が過去に求められていた位置から大きく
移動していた場合には、たとえば崖崩れがあったと判断
して警報を発する。

【００２０】ここで、図６を参照して位置確定の手法と
移動検出の手法を説明する。最小二乗法による基線ベク
トルの算出によれば、最確値，信頼域という２つの計算
結果を得ることができる。最確値は得られたデータから
最も確からしいと考えられる点である。信頼域は、ある
一定の確率（例えば９９％）で真の値が存在する範囲を
示している。まず、観測の最初に求めた最確値を初期位
置とし、その後周期的にアンテナの最確値と信頼域を求
める。そして、初期位置がそのときの信頼域の範囲内に
存在するかを判定する。その信頼域の範囲内に初期位置
があれば「移動なし」と判断し、無ければ「移動あり」
と判断する。

【００２１】図７は同センタ８の動作を示すフローチャ
ートである。

【００２２】まず、ｎ１で基線ベクトルを算出する時刻
か否かを判断する。算出時刻であればｎ２以下の動作を
実行する。ｎ２では、観測局２，基準局３から入力され
た同時刻の搬送波位相の積算値を収集して（ｎ２）、２
つの局（ＧＰＳ受信機）の組が作る全ての基線ベクトル
を二重位相差と最小二乗法を用いて求める（ｎ３）。こ
のようにして求められた全ての基線ベクトルを網平均に
よりネットワーク全体として最も確からしい基線ベクト
ルに補正する（ｎ４）。この計算結果を過去の計算結果
を比較して各観測点の移動の有無を判断する（ｎ５）。
複数の観測点２のうちいずれかに移動が検出された場合
には（ｎ６）、警報を発し（ｎ７）、係員に移動を告知
する。移動がない場合には、そのままルーチン動作を継
続する。

【００２３】なお、同図では、基準局３が１局，観測局
２が５局設置されているが、この設置数はこの例に限定
されず任意でよい。また、同図では基準局３，観測局２
と通信制御装置６とを有線通信で接続しているが、これ
らの間の通信を無線で行うようにしてもよい。

【００２４】さらに、この実施例のＧＰＳ受信機はＬ１
波，Ｌ２波の両波を受信してその搬送波位相の積算値を
出力するものであるが、そのいずれか一方（例えばＬ１
波）のみを受信してその搬送波位相の積算値を出力する
ものを適用することもできる。また、同時受信する衛星
数も４個に限定されるものではなく、多ければ多いほど
測位精度を高くすることができる。また、ＧＰＳ受信機
の構成も搬送波位相の積算値を出力することができるも
のであれば、上記実施例のものに限定されない。また、
このＧＰＳ受信機の動作電源はどのようなものでもよい
が、太陽電池，バッテリおよびバッテリ充電回路を備え
ることによりどのような場所に設置した場合でも継続的
な運用が可能になる。

【００２５】なお、基準局３は既知の地点に設置される
ことが最も望ましいが、観測局２の変位のみを観測する
場合には、基準局３のＧＰＳ受信機で単独測位を行い、
その測位結果を基準局３の位置としてもよい。この場合
には、単独測位を複数回行ってその平均値を求めるなど
して測位の高精度化を図ればよい。

【００２６】

【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、複数の
地点で同時に位相積算値を計測し、それをセンタに集約
して相対測位演算を実行することができるため、ほぼリ
アルタイムに高精度の基線ベクトルを算出することが可
能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例である測位システムの構成を
示す図

【図２】同測位システムに用いられるＧＰＳ受信機の構
成を示す図

【図３】同ＧＰＳ受信機の搬送波クロック抽出部の構成
を示す図

【図４】各局がセンタに向けて送信する電文の構成を示
す図

【図５】相対測位の原理を説明する図

【図６】移動検出の手法を説明する図

【図７】センタの動作を示すフローチャート

【符号の説明】

１−ＧＰＳ衛星、２−観測局、３−基準局、８−センタ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の地点に設けられた観測装置と、各
   観測装置とオンラインで結ばれたセンタとからなる測位
   システムであって、 前記観測装置は、複数のＧＰＳ衛星が送信する信号電波
   を受信して、その信号または搬送波の位相の積算値をカ
   ウントする手段と、カウントした位相の積算値を一定時
   間毎に出力する手段とを備え、 前記センタは、各観測装置から受信した位相の積算値に
   基づいて上記複数の地点間の基線ベクトルを算出するベ
   クトル算出手段を備えたことを特徴とする測位システ
   ム。
2. 【請求項２】 前記センタは、刻々入力される位相の積
   算値に基づいて前記ベクトル算出手段を繰り返して実行
   し、算出された基線ベクトルが一定以上変動したとき警
   報を発する手段を備えたことを特徴とする請求項１に記
   載の測位システム。