JPH0843516A

JPH0843516A - Ｇｐｓ受信装置

Info

Publication number: JPH0843516A
Application number: JP17548294A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Okada; 毅岡田; Keiichiro Kogo; 慶一郎向後; Masahiro Sasaki; 雅広佐々木; Toshihiro Ishigaki; 敏弘石垣
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1994-07-27
Filing date: 1994-07-27
Publication date: 1996-02-16

Abstract

(57)【要約】【目的】衛星の空間的配置変化、受信・非受信の変化
による現在位置の位置飛び、誤差増大を吸収する。【構成】疑似距離による受信装置現在位置計算手段を
有するだけでなく、予め記録していた過去の任意の時刻
での疑似距離から現在時刻で受信できている衛星に関す
る疑似距離だけ取り出し、現在時刻での各衛星の疑似距
離と任意の時刻での疑似距離との差分より任意の時刻か
ら現在時刻までの受信装置移動差分を求め、任意の時刻
での受信位置に上記受信装置移動差分を加えることで現
在の受信位置を計算する、疑似距離差分による受信装置
現在位置計算手段１３を備えたことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、複数のＧＰＳ人工衛星
からの信号電波を受信し解読することによって自分の位
置及び速度ベクトルを求めるＧＰＳ受信装置に関するも
ので、例えば自動車や船の現在位置を地球上の絶対位置
として求めたい場合に広く利用されうるものである。

【０００２】

【従来の技術】以下、図面を参照しながら、従来のＧＰ
Ｓ受信装置の一例について説明する。

【０００３】図４は、従来のＧＰＳ受信装置の概略図を
示すものである。図４において、４１は検波処理手段、
４２は疑似距離計算手段、４３は疑似距離による現在位
置推定手段である。

【０００４】以上のように構成された従来のＧＰＳ受信
装置について、以下その動作を説明する。

【０００５】各ＧＰＳ衛星の電波は例えばＬ１（１５７
５．４２ＭＨｚ）の搬送波に載せて送られるが、衛星固
有のＣ／ＡあるいはＰコードと呼ばれる疑似雑音符号
（ＰｓｅｕｄｏＲａｎｄｏｍＮｏｉｓｅ）で位相変
調され、また衛星及び利用者の移動によりドップラーシ
フトされて周波数誤差を含んでいるという特徴がある。
そこで、検波処理手段４１は、各衛星のＰＲＮ符号拡散
された電波について、逆拡散処理と周波数と位相合わせ
処理によって各衛星の信号電波を復調し、航法メッセー
ジを取り出す。

【０００６】疑似距離計算手段４１は、航法メッセージ
の中に含まれる信号送信時刻とその送信時刻が刻まれた
メッセージが受信装置に届いた時刻から伝搬時間を求
め、その伝搬時間に光速を乗じることによって、現在の
衛星位置と受信位置との間の距離と推測される距離、す
なわち疑似距離を計算する。

【０００７】各衛星の疑似距離が計算した後、３個以上
のＧＰＳ衛星及び地球を衛星と見立てて計４個以上の衛
星の疑似距離を用いて（地球の場合は地球中心からの距
離）、各衛星位置と受信装置現在位置との関係方程式を
立てれば、その連立方程式を解くことによって受信装置
の絶対位置を求めることができる。上記連立方程式は２
次式となるが、現在受信装置位置に十分近い位置（通常
は前回の位置計算で求めた受信装置位置）を初期値とし
て、上記２次式を１次式に線形化して、近似計算を行
い、１〜３回、同様の処理を繰り返すことによって、初
期値から現在受信装置位置に収束させることができる。
実際には、疑似距離に含まれる受信装置の時計誤差を考
慮して、現在受信装置位置と受信装置時計誤差の計４個
の未知数を解く問題になる。

【０００８】疑似距離からの受信装置現在位置計算手段
４３は、まず、上記のように連立２次方程式を線形化
（テーラー展開）した式を基本として、（数４）に示す
最小自乗法により計算を行い、初期位置から現在受信装
置位置までの差分ｄｘを求める。（この受信装置現在位
置計算については、例えば、衛星測位方式と測位精度に
ついて、第３５回宇宙科学技術連合講演会前刷集、１９
９１にも述べられている）

【０００９】

【数４】

【００１０】ここで、ｄＺは疑似距離と初期位置を現在
位置と見立てた計算値との差であり、

【００１１】

【数５】

【００１２】また、Ｈnは（数６）で表されるｎ×４の
方向余弦行列である。

【００１３】

【数６】

【００１４】さらに、受信装置現在位置計算手段４３
は、求められた位置差分ｄｘを初期位置Ｘ０に対して
（数７）のように補正することにより、現在受信装置位
置を求める。

【００１５】

【数７】

【００１６】以上の方法によって、複数の衛星から受信
された信号電波を用いて、受信装置現在位置を求めるこ
とができる。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような構成だけでは、連続動作させているときに、衛星
の受信、非受信の切り替わりの影響を受けやすい。例え
ば、４個の衛星が受信できているときを考えると、ＧＤ
ＯＰ（ＧｅｏｍｅｔｒｉｃａｌＤｉｌｕｔｉｏｎｏ
ｆＰｒｅｃｉｓｉｏｎ：幾何学的精度低下率）の影響
を大きく受ける。すなわち、４個の衛星についての疑似
距離に一律の誤差ｅが含まれているとしたときに、受信
装置位置の位置精度Ｐｅは概ね、Ｐｅ＝ＧＤＯＰ＊ｅで表すことができるので、衛星の空間的な配置が変わっ
てＧＤＯＰが変動すると、結果として得られる受信装置
位置の位置精度も変動する。

【００１８】つまり、受信する衛星の空間的な配置が大
きく異なったり、あるいは同じ配置でも突然一つの衛星
が受信できなくなった場合には、計算結果である受信装
置位置が大きく変動する現象が起きてしまう。これは、
受信された衛星が多くても、多かれ少なかれ起こる現象
であり、従来の対応策では、ＧＤＯＰの悪い場合（計算
結果の誤差が大きいと判断される場合）には受信装置結
果を外部に出力しなかったり、フィルタでスムージング
をかけたりしていたが、いずれも頻度を落としたり、精
度を落としたりと、本質的な解決法ではなかった。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに本発明のＧＰＳ受信装置は、さらに、現在受信でき
ている衛星についての疑似距離と該当衛星の過去に受信
したときの疑似距離との差から、過去の受信装置位置と
受信装置現在位置との位置差分を求め、その位置差分を
過去の受信装置位置に加えることによって、現在の受信
装置現在位置を計算する受信装置現在位置計算手段を設
けたことを特徴とする。

【００２０】

【作用】計算に使用されている衛星の受信、非受信の切
り替わりが生じても、計算される受信装置現在位置の切
り替わりによる変動を軽減し、精度良く受信装置位置を
出力することができる。

【００２１】

【実施例】以下本発明請求項１の一実施例のＧＰＳ受信
装置について、図面を参照しながら説明する。

【００２２】図１は、従来のＧＰＳ受信装置の概略図を
示すものである。図１において、１１は検波処理手段、
１２は疑似距離計算手段、１３は疑似距離による現在位
置推定手段、１４は疑似距離差分による受信装置現在位
置計算手段、そして、１５は受信装置現在位置推定手段
である。

【００２３】検波処理手段１１、疑似距離計算手段１
２、疑似距離による現在位置推定手段１３によって受信
装置現在位置を推定する動作については、すでに従来例
で説明したので、省略する。

【００２４】本発明では、疑似距離計算手段１２で得ら
れた各衛星についての疑似距離データが、従来例と同じ
く疑似距離による現在位置推定手段１３に送られると同
時に、疑似距離差分による受信装置現在位置計算手段１
４にも送られる。

【００２５】疑似距離差分による受信装置現在位置計算
手段１４はあらかじめ、過去の任意時刻ｔｏ時点で受信
できている衛星に関して疑似距離を保存しておく。例え
ば、受信装置現在位置を求める離散周期をＴとして、現
在時刻からＴだけ前の時刻を常にｔｏとすれば、単に前
の離散時間で求めていた疑似距離を保存しておけば良
い。

【００２６】次に、現在時刻ｔｎで受信できていて、か
つ、上記時刻ｔｏでも受信できている衛星について、時
刻ｔｎでの疑似距離から時刻ｔｏでの疑似距離を差し引
き、疑似距離の差分を求める。

【００２７】この疑似距離の差分は、時刻ｔｏから現在
時刻ｔｎまでの間に衛星が受信装置方向に移動した成分
と受信装置が該当衛星方向に移動した成分との和であ
る。従って、（数８）のように、時刻ｔｏからｔｎまで
の疑似距離差分ベクトルｄＰｒから衛星受信装置方向に
移動した成分ｄＳを引くことによって、受信装置が時刻
ｔｏからｔｎの間に移動することによって生じた変動ベ
クトルｄＰを求めることができる。

【００２８】

【数８】

【００２９】この（数８）で求めたｄＰより、時刻ｔｏ
から時刻ｔｎまでの受信装置位置差分（移動した距離）
ｄＸｂは、

【００３０】

【数９】

【００３１】となり、この（数９）で与えられたｄＸｂ
は、過去の時刻ｔｏから現在までに衛星各々で変化した
疑似距離の変化量から求めた受信装置位置の変化量であ
る。仮に疑似距離自体に電離層遅延や衛星位置誤差によ
る距離誤差が含まれていたとしても、ｄＸｂにおいて
は、各々の衛星についての疑似距離差分を取っているた
めに、上記距離誤差変化に比べて、ｔｎ−ｔｏの時間が
十分短ければ、距離誤差の影響はキャンセルできる。よ
って、時刻ｔｏでの受信装置位置をＸ０とすると、数７
のように受信装置現在位置を求めることができる。

【００３２】

【数１０】

【００３３】定常時においては、Ｘ０が数４のＸ０と同
位置とするならば、ＸｂはＸａと等しくなるはずであ
る。また、もし、衛星の切り替わり（受信、非受信）が
生じたとすると、疑似距離による現在位置推定手段１３
で推定した受信装置現在位置は、衛星同士の空間的な配
置と数が変化し、計算に使用する衛星の疑似距離に含ま
れる誤差の出力誤差への寄与度も変化して、真の位置か
らはずれて大きく飛んでしまうこともありうる。しかし
ながら、疑似距離差分による受信装置現在位置計算手段
１４で計算すると、既に記したように疑似距離差分に含
まれる定常的な距離誤差はキャンセルできるために、出
力として得られる受信装置現在位置の誤差も少なくな
る。すなわち、ＸａとＸｂを比べると、Ｘｂの方が誤差
が少なくすることができる。

【００３４】ただし、疑似距離による現在位置推定手段
１３で求めた受信装置現在位置Ｘａは繰り返し計算によ
って絶対位置に収束するのに対し、疑似距離差分による
受信装置現在位置計算手段１４で求めた受信装置現在位
置Ｘｂはあくまでも過去の絶対位置Ｘ０からの相対変化
量から求められた値にすぎない（つまりＸ０が誤差を持
っていたらその誤差を継承する）。

【００３５】受信装置現在位置推定手段１５は、疑似距
離による現在位置推定手段１３の出力と疑似距離差分に
よる受信装置現在位置計算手段１４の出力から最も確か
らしい現在位置を推定する手段であり、一つの方法とし
ては、疑似距離による現在位置推定手段１３の出力であ
る受信装置現在位置Ｘａの誤差が少ないと考えられると
き、例えば、多数の衛星を受信できた状態で最小自乗法
で位置が求められる、あるいは衛星受信・非受信の切り
替わりが少ない、あるいは、衛星の空間的な配置が良く
て誤差が小さいと考えられる、等のときは、Ｘａを採用
し、また、それ以外のときは、以前に求めたＸａを元に
して疑似距離差分による受信装置現在位置計算手段１４
で求めた受信装置現在位置Ｘｂを採用する。

【００３６】以上の構成により、衛星の空間的な配置、
受信・非受信状態の変化が生じても、誤差が増大せず、
位置飛びも少ない状態で受信装置現在位置を出力できる
優れたＧＰＳ受信装置を提供できる。

【００３７】次に、本発明請求項２の一実施例の受信装
置現在位置推定手段１５について、図面を参照しながら
説明する。

【００３８】図２は、請求項２に係る発明の実施例にお
ける受信装置現在位置推定手段１５の処理の流れを示す
流れ図である。

【００３９】図２のように、まず、疑似距離による現在
位置推定手段１３による受信装置現在位置出力Ｘａを入
手し（ステップＳ１）、次に疑似距離差分による受信装
置現在位置計算手段１４で求めた受信装置現在位置Ｘｂ
を入手する（ステップＳ２）。

【００４０】ある重みＷａ、Ｗｂを予め設定しておき、
その重みをそれぞれＸａ、Ｘｂに乗じることによって、
（数１１）に示すように最終出力である受信装置現在位
置を推定する（ステップＳ３）。

【００４１】

【数１１】

【００４２】例えば、Ｗａ＝０．５、Ｗｂ＝０．５なら
ば、Ｘａ、Ｘｂの単純平均を意味する。

【００４３】この受信装置現在位置推定手段１５は、単
純な積和だけで構成されるシンプルな構成であり、か
つ、疑似距離による現在位置推定手段１３のみで求めた
受信装置現在位置の位置飛び現象を緩和し、スムージン
グして、さらには位置精度向上の効果も有する。

【００４４】次に、請求項３に係る発明の一実施例の受
信装置現在位置推定手段１５について、図面を参照しな
がら説明する。

【００４５】図３は、請求項３に係る発明の実施例にお
ける受信装置現在位置推定手段１５の処理の流れを示す
流れ図である。

【００４６】図３のように、まず、疑似距離による現在
位置推定手段１３による受信装置現在位置出力Ｘａを入
手し（ステップＳ１１）、次に疑似距離差分による受信
装置現在位置計算手段１４で求めた受信装置現在位置Ｘ
ｂを入手する（ステップＳ１２）。ここまでは、請求項
２に係る発明の一実施例の受信装置現在位置推定手段と
全く同じである。さて、請求項１に係る発明についての
実施例の説明にも記したように、衛星受信・非受信の切
り替わりがあったときは衛星の空間的な配置、数が変わ
って、類似距離差分による受信装置現在位置計算手段１
４で求めた受信装置現在位置の真の位置に対する誤差が
大きくなる可能性がある。そこで、衛星の切り替わり、
受信、非受信の変化が生じたかどうかを判別し（ステッ
プＳ１３）、普段すなわち変化が生じない場合は、類似
距離による現在位置推定手段１３による受信装置現在位
置出力Ｘａを信用して重みＷａを大きくするが（ステッ
プＳ１４）、衛星受信・非受信の切り替わりがあったと
きは疑似距離差分による受信装置現在位置計算手段１４
で求めた受信装置現在位置Ｘｂの重みＷｂを大きくする
（ステップＳ１５）。具体的には、（数１２）のように
計算する。

【００４７】

【数１２】

【００４８】（数１２）において、衛星の数、組合せに
変化が生じたときの重みＷａ２、Ｗｂ２への変化は過渡
的状態の吸収が目的であり、受信機現在位置を求める離
散周期をＴとして、数Ｔ間持続させた後（数Ｔの長さ
は、疑似距離差分による受信装置現在位置計算の累積誤
差が問題ない程度、現状で３０ｓｅｃ内ならば数十ｍの
誤差に納まる）は、元の通常時の重みＷａ１、Ｗｂ１に
戻す。

【００４９】この受信装置現在位置推定手段１５によれ
ば、衛星の切り替わり、非受信・受信の変化による誤差
増大、位置飛びのような過渡現象に吸収し、より正しい
受信装置現在位置を導き出すことができる。

【００５０】

【発明の効果】以上のように請求項１に係る発明によ
り、疑似距離差分による受信装置現在位置計算手段を新
たにつけ加えることにより、衛星の空間的な配置、受信
・非受信状態の変化が生じても、誤差が増大せず、位置
飛びも少ない状態で受信装置現在位置を推定できる優れ
たＧＰＳ受信装置を提供できる。

【００５１】また、請求項２に係る発明の受信装置現在
位置推定手段により、シンプルに、かつ、効果的に疑似
距離による現在位置推定手段の出力と疑似距離差分によ
る受信装置現在位置計算手段による出力を結び付けて、
受信装置現在位置を推定できる。

【００５２】さらに、請求項３に係る発明の受信装置現
在位置推定手段は、積極的に誤差増大のタイミングであ
る衛星の切り替わり、受信・非受信の状態変化で重みを
変えることにより、誤差増大、位置飛びのような過渡現
象に吸収し、より正しい受信装置現在位置を導き出すこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１に係る発明の実施例におけるＧＰＳ受
信装置の概略図

【図２】請求項２に係る発明の受信装置現在位置推定手
段のフロー図

【図３】請求項３に係る発明の受信装置現在位置推定手
段のフロー図

【図４】従来のＧＰＳ受信装置の概略図

【符号の説明】

１１検波処理手段１２疑似距離計算手段１３疑似距離による現在位置推定手段１４疑似距離差分による受信装置現在位置計算手段１５受信装置現在位置推定手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者石垣敏弘神奈川県横浜市港北区綱島東四丁目３番１号松下通信工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数のＧＰＳ人工衛星が送信する信号電
波が現在の受信位置に到達するまでの伝搬時間から現在
の衛星位置と受信位置との間の距離と推測される疑似距
離を求め、その疑似距離から時計誤差を考慮して複数の
球の交点として現在の受信位置を求める、あるいは、最
小自乗法等により誤差が最小となるように現在の受信位
置を求める、疑似距離による受信装置現在位置計算手段
を有するＧＰＳ受信装置であって、あらかじめ記録して
いた過去の任意の時刻での疑似距離から現在時刻で受信
できている衛星に関する疑似距離だけ取り出し、前記現
在時刻での各衛星の疑似距離と前記任意の時刻での疑似
距離との差分より前記任意の時刻から前記現在時刻まで
の受信装置移動差分を求め、前記任意の時刻での受信位
置に上記受信装置移動差分を加えることで現在の受信位
置を計算する、疑似距離差分による受信装置現在位置計
算手段と、上記疑似距離からの受信装置現在位置計算手
段と上記疑似距離差分による受信装置現在位置計算手段
とを相補的に用いて受信装置現在位置を推定する受信装
置現在位置推定手段とを備えたことを特徴とするＧＰＳ
受信装置。
【請求項２】疑似距離からの受信装置現在位置計算手
段から求めた受信装置現在位置Ｘａ（Ｘａは位置ベクト
ル＝（ｘａ，ｙａ，ｚａ））と、上記疑似距離差分によ
る受信装置現在位置計算手段から求めた受信装置現在位
置Ｘｂ（Ｘｂ＝（ｘｂ、ｙｂ，ｚｂ））とにそれぞれ重
みを乗じて、【数１】の式によって受信装置現在位置を推定する受信装置現在
位置推定手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の
ＧＰＳ受信装置。
【請求項３】疑似距離からの受信装置現在位置計算手
段から求めた受信装置現在位置Ｘａ（Ｘａは位置ベクト
ル＝（ｘａ，ｙａ，ｚａ））と、上記疑似距離差分によ
る受信装置現在位置計算手段から求めた受信装置現在位
置Ｘｂ（Ｘｂ＝（ｘｂ，ｙｂ，ｚｂ））とにそれぞれ重
みを乗じて、【数２】の式によって受信装置現在位置を推定するが、受信装置
現在位置を求める離散周期をＴとして、疑似距離誤差が累積しないと推定される時間内、すなわ
ち、現在時刻から見て１Ｔから数Ｔ前の時刻までに、疑
似距離からの受信装置現在位置計算手段で用いる衛星の
数、組合せに変化が生じたときに、疑似距離差分による
受信装置現在位置計算手段から求めた受信装置現在位置
に乗じる重みを重くして、【数３】の式によって受信装置現在位置を推定する受信装置現在
位置推定手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の
ＧＰＳ受信装置。