JPH09119972A - 相対測位装置および相対測位方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】整数値バイアスの初期値が間違っていた場合や
途中でサイクルスリップが生じていた場合でも、それま
での計測データを有効に利用することができる移動体の
測位装置および方法を提供する。 【解決手段】既知点に設置される固定局１と未知点を移
動する移動局２とで連続して相対測位を行い、測位演算
に用いた生データ（時刻データ，衛星位置データ，波数
の積算値など）を保存しておく、測位演算の結果、大き
くなってきたとき、整数値バイアスの再設定を行い、そ
のときの測位演算を再実行するとともに、保存しておい
たデータを読み出して過去にさかのぼって測位演算をや
り直す。 【効果】これにより、整数値バイアスの設定が誤ってい
た場合や、サイクルスリップが生じていた場合であって
も、それまでの計測を無駄にすることなく、正確な位置
データを算出しなおすことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ＧＰＳ信号を用
いた相対測位において、整数値バイアスの決定ミスやサ
イクルスリップが生じた場合でも、過去の測位値を遡っ
て修正することのできる相対測位装置および相対測位方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＧＰＳ測位は、地球を周回しているＧＰ
Ｓ衛星が発信する電波を受信して自己の位置を測位する
測位方法である。原理的には、複数のＧＰＳ衛星と自局
との距離を該ＧＰＳ衛星が発信する電波に基づいて測定
し、正確な時刻に基づいて算出される該複数のＧＰＳ衛
星の位置に基づいて各衛星からの前記距離条件を全て満
足する点を求めて、この点を自局の位置とするものであ
る。しかし、ＧＰＳ受信機に内蔵されている時刻の誤
差，ＧＰＳ受信機の局部発信器の周波数ゆらぎ，ＧＰＳ
衛星の送信周波数の周波数ゆらぎ，電離層の影響など測
位精度を低下させる要因が多くあり、これらを除去して
精度の高い測位を行うため、相対測位が行われる。

【０００３】以下、図６〜図８を参照して相対測位の概
略について説明する。相対測位は、正確な位置が判って
いる既知点と測位（測量）を行う未知点の両方でＧＰＳ
信号を受信し、両地点で受信した信号に基づいて未知点
の正確な位置を測位する方法である。図６において、既
知点（のＧＰＳ受信機）をＡ，測位点（のＧＰＳ受信
機）をＢ，２つのＧＰＳ衛星をＳ１，Ｓ２とする。未知
点のＧＰＳ受信機ＢはＧＰＳ衛星Ｓ１から送信されてく
るＧＰＳ信号（殆どの場合、そのＧＰＳ信号の搬送波を
用いる）の波数（位相値）をカウントする。このカウン
ト値は、衛星Ｓ１と未知点Ｂとの距離に密接に関係して
いるが以下のような誤差要素が含まれている。

【０００４】 カウントスタート時に含まれていた３
６０度の整数倍（または整数波長）の下駄ばき分（以下
これを整数値バイアスという。） 受信機の局部発信器の周波数差による位相のゆらぎ 時計の時刻，歩度の誤差 ＧＰＳ衛星の送信機の位相ゆらぎ このうち、の受信機の局部発振器の位相ゆらぎおよび
時計の誤差は、ともにＧＰＳ受信機の水晶発振器の安
定度に起因するものであり、他の誤差要素に比べて非常
に大きいが、未知点Ｂにおいて２つのＧＰＳ衛星Ｓ１，
Ｓ２の信号を同時に受信すると、これら２つのＧＰＳ信
号のカウント値はＧＰＳ受信機の局部発信周波数や時計
のゆらぎに同期した同相のゆらぎを持つため、これらカ
ウント値の差をとることによってこの誤差をキャンセル
することができる。

【０００５】このように相対測位では、２つのＧＰＳ衛
星Ｓ１，Ｓ２からの信号のカウント値の差を用いて測位
を行う。このため、単独測位ではＧＰＳ衛星を中心とす
る等距離球面の交点により測点の位置を求めたのに対し
て、相対測位では、図７に示すように２つのＧＰＳ衛星
との距離の差が等しい点の軌跡である回転双曲面の交点
により測点の位置を求めることになる。

【０００６】また、のＧＰＳ衛星の送信機の位相ゆら
ぎは、既知点ＡのＧＰＳ受信機で同時に２つのＧＰＳ衛
星Ｓ１，Ｓ２の信号を受信し、既知点Ａの観測結果を未
知点Ｂの観測結果から減算することによってキャンセル
することができる。

【０００７】このように、ＧＰＳ信号の位相カウント値
を２衛星間で差をとり、さらに、未知点と既知点とで差
分をとるやり方を二重位相差という。この二重位相差の
演算式においては、既知点Ａの位置は正確に判っている
ため、 Ｌ２（衛星２と未知点Ｂとの距離）−Ｌ１（衛星１と既
知点Ｂとの距離） のみが未知数として残り、この演算式を解くことにより
Ｌ２−Ｌ１を求めることができる。上述したようにＬ２
−Ｌ１は回転双曲面を描くため、図７に示すように最低
４個のＧＰＳ衛星Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４を同時観測
し、Ｌ４−Ｌ１、Ｌ３−Ｌ１、Ｌ２−Ｌ１の３個の回転
双曲面を描けば、その交点が測点の位置であることが判
明する（ただし、実際には５個以上の衛星を同時観測し
て精度を向上させている。）。

【０００８】しかし、上述の二重位相差では、上述した
誤差要素のうち、の整数値バイアスがキャンセルされ
ていないため、Ｌ４−Ｌ１、Ｌ３−Ｌ１、Ｌ２−Ｌ１の
値を一義的に決定することができず、図８に示すよう
に、整数値バイアスを含む整数部が１ずつ異なる複数の
値のそれぞれに可能性があり、整数部が決定されなけれ
ば、格子状に並んだ複数の交点のどれが未知点Ｂの位置
であるかを決定できない。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、整数値バイア
スは、機械的に算出可能なルールがなく、試行錯誤的に
求める必要がある。このため、複数の回転双曲面のなか
から正しいと思われるものを場当たり的に１つ選択す
る。たとえば、単独測位によって１メートル程度の精度
の測位を行い、この１メートルの精度の範囲内にある回
転双曲面のなかから真値を含むと思われるものを１つず
つ選択する。

【００１０】Ｌ４−Ｌ１、Ｌ３−Ｌ１、Ｌ２−Ｌ１につ
いて上記選択を行い、選択された３つの回転双曲面の交
点を求めて未知点Ｂの位置とする。このとき、整数部の
決定すなわち回転双曲面の選択が誤っていてもこれを検
出することができない。しかし、整数部が誤ったまま波
数を積算し、その後測位を行った場合、各ＧＰＳ衛星が
最初の測位のときの位置から移動しているため、生成さ
れる３つの回転双曲面が一致しなくなり、正確な交点を
求めることができない。

【００１１】この整数部の誤りは、最初の整数値バイア
スが誤っていた場合のほか、いずれかの衛星の搬送波波
数の積算値にサイクルスリップが発生した場合にも生じ
る。サイクルスリップとは、ＧＰＳ電波の中断等によ
り、整数値単位で生じる波数の積算値のカウントエラー
である。

【００１２】なお、波数の積算値は、上述した誤差要素
以外にもノイズ等による誤差があるため、正しい回転双
曲面であってもそれらの交点が完全に一致しないため、
整数部が誤っていた場合でも、即座にこれを検出するこ
とができず、誤差が大きくなってはじめて整数部が誤っ
ていることが判明するものである。

【００１３】このように、整数値バイアスが誤っていた
ことが判明した場合、従来は、それまでの測位値を捨
て、最初から測位をやりなおしていた。しかし、これで
はそれまでの計測が全く無駄になる欠点があった。

【００１４】この発明は、整数値バイアスが間違ってい
た場合や途中でサイクルスリップが生じていた場合で
も、それまでの計測データを有効に利用することができ
る移動体の測位装置および方法を提供することを目的と
する。

【００１５】

【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、既知点に設置される基準局と未知点に設けられる
測位局からなり、前記基準局および測位局の両方に、複
数のＧＰＳ衛星からの繰り返し信号を受信する受信手段
と、受信した繰り返し信号の繰り返し回数を積算する積
算手段とを有するＧＰＳ受信装置を設け、前記基準局ま
たは測位局に、前記繰り返し回数の整数部の初期値を記
憶する初期値記憶手段と、基準局および測位局で積算さ
れた前記繰り返し信号の繰り返し回数および前記初期値
を用いて測位演算を行い未知点の位置データを繰り返し
算出する算出手段と、算出された位置データおよび少な
くとも前記測位演算に使用される測位演算用データを記
憶する手段と、算出された位置データに基づいて求めら
れた未知点・ＧＰＳ衛星間の距離と前記繰り返し回数の
積算値に基づいて求められた未知点・ＧＰＳ衛星間の距
離とを比較する比較手段と、これらの差が一定以上であ
ったとき、前記初期値を再設定するとともに前記記憶し
た位置データおよび測位演算用データを読み出して過去
にさかのぼって測位演算をやりなおす再演算手段とを備
えたことを特徴とする。

【００１６】この出願の請求項２の発明は、既知点およ
び未知点でＧＰＳ衛星からの繰り返し信号の繰り返し回
数の積算値をそれぞれ求め、これら積算値および該積算
値の初期値に基づいて測位演算を行い、未知点の位置デ
ータを繰り返し算出する相対測位方法において、算出さ
れた位置データおよび少なくとも前記測位演算に使用さ
れる測位演算用データを記憶しておき、算出された位置
データに基づいて求められた未知点・ＧＰＳ衛星間の距
離と前記繰り返し信号の積算値に基づいて求められた未
知点・ＧＰＳ衛星間の距離とを比較し、これらの差が一
定以上であったとき、前記初期値を再設定するととも
に、前記記憶した測位演算用データを読み出して過去に
さかのぼって測位演算をやりなおすことを特徴とする。

【００１７】この発明では、基準局のＧＰＳ受信装置お
よび測位局のＧＰＳ受信装置の両方がＧＰＳ衛星から送
られてくる繰り返し信号の繰り返し回数を積算する。く
りかし信号としては、Ｃコード，Ｐコードやこれらのコ
ードの搬送波（Ｌ１波，Ｌ２波）などがある。この繰り
返し回数の積算値と該積算値の初期値に基づいて未知点
の位置データを演算することができる。そして、位置デ
ータが算出されたのちも、この位置データ算出に用いた
測位演算用データは保存しておく。この積算値には種々
の誤差が含まれているため、未知点の位置データに基づ
いて求められた未知点・ＧＰＳ衛星間の距離と積算値
（および整数値バイアス）に基づいて求められた未知点
・ＧＰＳ衛星間の距離とはある程度の差を有するが、こ
れが一定値以上になった場合には、整数値バイアスが誤
っていたとして、前記初期値を再設定するとともに、保
存されている測位演算用データに基づいて位置データを
再演算する。これにより、整数値バイアスの設定が誤っ
ていた場合にも過去の観測を無駄にすることなく、正し
い位置データを再度算出することができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】図１はこの発明の実施形態である
ＧＰＳ測位システムの構成図である。正確な位置が判明
している既知点に固定局（基準局）１が設置されてい
る。また、移動局（測位局）２は、複数の未知点３ａ〜
３ｆを移動して各未知点毎に測位する。移動局２は単純
に移動しながら測位する局であってもよい。固定局１，
移動局２は、ともにＧＰＳ測位装置を備えており、視界
内にあるＧＰＳ衛星から条件のよいものを５個以上選択
し、これらのＧＰＳ衛星からＧＰＳ信号を受信する。固
定局１が受信した内容は移動局２に送信され、移動局２
が測位演算を行って自己の位置を算出する。

【００１９】図２は、固定局１のブロック図である。Ｇ
ＰＳアンテナ１０にはＧＰＳ受信機１１が接続されてい
る。ＧＰＳ受信機１１は、前記５個以上のＧＰＳ衛星か
ら発信される２つの信号電波（Ｌ１波，Ｌ２波）を並行
して受信し、その搬送波を再生出力する。すなわち、こ
の装置では、ＧＰＳ信号の搬送波を繰り返し信号として
用いている。したがって、ＧＰＳ受信機１１は５個以上
の衛星のそれぞれ２種類の搬送波を出力するから、合計
１０種類以上の搬送波を出力することになる。各搬送波
はそれぞれ別のカウンタ１３−１〜１３−ｎに入力され
る。カウンタ１３は、ＧＰＳ受信機１１から入力される
搬送波の波数をカウントする。カウント値はデータ送信
機１４によって所定タイミング毎に読み出される。デー
タ送信機１４は、カウント値とそのときの時刻を移動局
２に向けて送信する。また、観測の最初は移動局２の概
略の位置を測位するためにディファレンシャル測位を行
うが、このときにはＧＰＳ受信機１１が受信したＣ／Ａ
コードをそのままデータ送信機１４に入力して移動局２
に送信する。

【００２０】図３は、前記移動局２のブロック図であ
る。ＧＰＳアンテナ２０にはＧＰＳ受信機２１が接続さ
れている。ＧＰＳ受信機２１は、５個以上のＧＰＳ衛星
から発信される２つの信号電波（Ｌ１波，Ｌ２波）を並
行して受信し、その搬送波を再生する。合計１０種類以
上の搬送波はそれぞれ別のカウンタ２３−１〜２３−ｎ
に入力される。カウンタ２３は、ＧＰＳ受信機２１から
入力される搬送波の波数をカウントする。カウント値は
データ処理部２６によって所定タイミング毎に読み出さ
れる。また、データ処理部２６にはデータ受信機２５か
ら固定局１のカウント値や時刻などのデータが入力され
る。データ処理部２６はこれらのデータに基づいて図４
に示す処理を実行し、この移動局の正確な位置データを
算出する。また、データ処理部２６にはメモリ２７が接
続されている。このメモリ２７には、搬送波の波数のカ
ウントスタート時に含まれていた整数波長の下駄ばき分
である整数値バイアス、各測位タイミングにおける位置
データおよび各測位タイミングにおいて測位演算に用い
られた生データが過去３０分のものだけが記憶されてい
る。測位開始時に記憶される整数値バイアス（図４のｓ
４参照）がこの発明の初期値となる。また、生データ
は、この発明の測位演算用データであり、測位時刻、そ
のときの各ＧＰＳ衛星の位置データ、測位結果に基づい
て算出された各衛星との距離、各衛星のＬ１，Ｌ２波に
ついての波数積算値、誤差などからなる。前記初期値を
求めるために、観測スタート時にデータ処理部２６は、
固定局１から受信したＣ／ＡコードおよびＧＰＳ受信機
２１から出力されたＣ／Ａコードに基づいてディファレ
ンシャル測位を行う。このときは、ＧＰＳ受信機２１か
らデータ処理部２６に直接Ｃ／Ａコードが入力される。

【００２１】図４は移動局の測位装置の動作を示すフロ
ーチャートである。まず、既知点に設置された固定局，
未知点を移動する移動局の双方の単独測位結果に基づく
ディファレンシャル測位を行う（ｓ１）。ここで、ディ
ファレンシャル測位とは、固定局の単独測位結果と固定
局の既知の位置データとを比較して測位誤差を算出し、
この測位誤差を移動局の単独測位結果から減算すること
によって誤差をキャンセルする測位手法である。このデ
ィファレンシャル測位によりほぼ１ｍの精度の測位を行
うことができる。なお、このディファレンシャル測位に
よって求められた位置データを相対測位によって求めら
れた位置データと区別するために測位データという。

【００２２】つぎに５個以上のＧＰＳ衛星からＧＰＳ信
号を受信し、そのＬ１，Ｌ２波の搬送波を再生して搬送
波の波数を積算する（ｓ２）。波数の積算値は、搬送波
の周波数に依存するとともに、衛星の運行によるドップ
ラ効果，測位装置の局部発振周波数のゆらぎ，ＧＰＳ信
号の周波数ゆらぎ，種々のノイズによるゆらぎなどが含
まれている。１つの衛星から２つの周波数の信号を受信
することによって電離層の影響などを除去し、２つの衛
星から信号を受信しこれらの値を減算することによって
測位装置の局部発信周波数のゆらぎによる誤差をキャン
セルし、固定局と移動局の積算値を減算することによっ
て、ＧＰＳ信号の周波数ゆらぎをキャンセルする。この
ようにして求められた積算値の残差データ（二重位相差
データ）に基づいて移動局の位置データを求める。

【００２３】位置データの算出には衛星と移動局との距
離の絶対値に基づいて波数の積算値の整数部を決定する
ことが必要であるが、前記残差データに基づいて形成さ
れる複数の双曲面と前記ディファレンシャル測位によっ
て求められた測位データに基づき、その測位データの精
度である１ｍの範囲で試行錯誤的に整数値バイアスを求
める（ｓ３）。この整数値バイアスの決定は、３つの回
転双曲面がほぼ１点で交わっていれば、その回転双曲面
を決定する整数部の値を整数値バイアスをする、など適
当な選択でよい。そしてこの値を記憶する（ｓ４）。こ
の整数値バイアスが間違っていても後にこれが修正され
るからである。

【００２４】こののち、移動しながら、または、所定の
位置に停止してＧＰＳ衛星の搬送波を受信してその波数
を積算する（ｓ５）。そして、所定の時間毎にその積算
値を読み出して、前記記憶している整数値バイアスを用
いて測位演算を実行する（ｓ６）。整数値バイアスが既
に求められているため、測位演算は容易に行われる。こ
の測位演算によって求められた位置データとそのときの
各衛星の位置データに基づいて各衛星と移動局との距離
を計算し、搬送波の波数の積算値によって求められた各
衛星と移動局との距離とを比較する（ｓ７）。位置デー
タは波数の積算値に基づいて求められるが、各積算値は
計測誤差を含んでおり、全てのデータが１点で交差する
ことはない。したがって、最小二乗法などを用いて最も
誤差の少ない点を求めて、これを測位演算結果とする
が、この演算結果と各衛星毎に積算された波数（距離）
データとを比較するわけである。この比較の結果、両者
の距離の誤差が許容範囲を超えるものがあった場合に
は、全体として整数値バイアスの設定が間違っている可
能性があるため、再設定動作（ｓ２０以下）に進む。ど
の衛星に関しても距離の誤差が所定範囲内であれば、ｓ
６で算出された測位結果を出力するとともに（ｓ９）、
この測位結果とこの測位に用いられた生データを記憶す
る（ｓ１０）。そして、そのとき記憶されている生デー
タのうち３０分以前のものを消去する（ｓ１１）。

【００２５】一方、ｓ２０では全衛星についての距離誤
差が少なくなるように全衛星の整数値バイアスを再設定
する（ｓ２０）。この再設定処理も前記ｓ３の整数値バ
イアスを求める処理と同様試行錯誤的に行う。ただし、
ここでは上記ｓ３の場合と異なり、過去の生データも記
憶されているため、ある一定の時間範囲にわたって精度
を維持できるように整数値バイアスを求めることがで
き、精度を向上することができる。この再設定された整
数値バイアスを用い、記憶されている生データを遡って
読み出し、測位演算をやり直す（ｓ２１）。再度実行さ
れた測位演算の結果データに基づいて距離誤差を求め、
この誤差と前記先に行われた測位演算の距離誤差とを比
較して、今回のほうが少なければ今回の求めた整数値バ
イアスが正しいとして修正した測位結果を出力するとと
もに（ｓ２３）、修正した内容を記憶する（ｓ２４）。
生データを読み出して再計算する動作を順次遡って行
い、元の計算結果のほうが正確な部分が出てくれば今回
の測位演算結果を捨ててｓ５にもどる。すなわち、途中
で元の計算結果のほうが正確な部分が出てきた場合に
は、その部分で波数の積算にサイクルスリップが発生し
ていたことが判明する。もし、最初の計測値まで遡っ
て、再計算のほうが正確であった場合には、最初にｓ３
で求められた整数値バイアスが不正確であったことが判
明する。

【００２６】このように、整数値バイアスがサイクルス
リップや初期設定の誤り等で不正確なことが判明した場
合でも、その時点で整数値バイアスを修正し、遡って測
位演算をやり直すことができるため、整数値バイアスが
不正確であってもそれまでの測位処理が全く無駄になる
ことがない。そして、最初に適当に整数値バイアスを決
定しても、後にこれを修正して精度を向上することがで
きる。

【００２７】また、この測位方式はほぼリアルタイムに
測位結果を算出することができるため、移動体の測位や
キネマティック測量に適用することができる。

【００２８】なお、上記実施形態では、各ＧＰＳ衛星か
らＬ１波，Ｌ２波の２波を受信するようにしているが、
各ＧＰＳ衛星からＬ１波またはＬ２波のいずれか一方の
みを受信して測位することも可能である。この構成のＧ
ＰＳ測位システムの例を図５に示しておく。

【００２９】また、上記実施態様では固定局１のカウン
ト値を移動局２に送信し、移動局２が自己の位置データ
を求める構成になっているが、これとは逆に、移動局２
のカウント値を固定局１に送信し、固定局１が移動局２
の位置データを求める構成にしてもよい。これは、例え
ば、ブイに移動局２を設けておき、陸上の観測点（固定
局１）で前記ブイの移動を観測する場合などに適用する
ことができる。

【００３０】

【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、計測誤
差が大きくなったときは、遡って計測結果を再計算する
ことができるため、計測値を常時正確に保つことができ
るとともに、リアルタイムの測位において、サイクルス
リップが発生したことがその後判った場合でも、それま
での測位観測を無駄にすることが無くなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明が適用されるＧＰＳ測位システムの
構成図

【図２】 同ＧＰＳ測位システムの固定局のブロック図

【図３】 同ＧＰＳ測位システムの移動局のブロック図

【図４】 同ＧＰＳ測位システムの一方の測位装置の動
作を示すフローチャート

【図５】 この発明のＧＰＳ測位システムの他の実施形
態を示す図

【図６】 相対測位の方式を説明する図

【図７】 相対測位の方式を説明する図

【図８】 相対測位における整数値バイアスを説明する
図

【符号の説明】

１−固定局、２−移動局、３ａ〜３ｆ−測位地点、１
１，２１−ＧＰＳ受信機、１３，２３−カウンタ、２６
−データ処理部、２７−メモリ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 既知点に設置される基準局と、未知点に
   設けられる測位局と、からなり、 前記基準局および測位局の両方に、複数のＧＰＳ衛星か
   らの繰り返し信号を受信する受信手段と、受信した繰り
   返し信号の繰り返し回数を積算する積算手段とを有する
   ＧＰＳ受信装置を設け、 前記基準局または測位局に、前記繰り返し回数の整数部
   の初期値を記憶する初期値記憶手段と、基準局および測
   位局で積算された前記繰り返し信号の繰り返し回数およ
   び前記初期値を用いて測位演算を行い未知点の位置デー
   タを繰り返し算出する算出手段と、算出された位置デー
   タおよび少なくとも前記測位演算に使用される測位演算
   用データを記憶する手段と、算出された位置データに基
   づいて求められた未知点・ＧＰＳ衛星間の距離と前記繰
   り返し回数の積算値に基づいて求められた未知点・ＧＰ
   Ｓ衛星間の距離とを比較する比較手段と、これらの差が
   一定以上であったとき、前記初期値を再設定するととも
   に前記記憶した位置データおよび測位演算用データを読
   み出して過去にさかのぼって測位演算をやりなおす再演
   算手段とを備えたことを特徴とする相対測位装置。
2. 【請求項２】 既知点および未知点でＧＰＳ衛星からの
   繰り返し信号の繰り返し回数の積算値をそれぞれ求め、
   これら積算値および該積算値の初期値に基づいて測位演
   算を行い、未知点の位置データを繰り返し算出する相対
   測位方法において、 算出された位置データおよび少なくとも前記測位演算に
   使用される測位演算用データを記憶しておき、算出され
   た位置データに基づいて求められた未知点・ＧＰＳ衛星
   間の距離と前記繰り返し信号の積算値に基づいて求めら
   れた未知点・ＧＰＳ衛星間の距離とを比較し、これらの
   差が一定以上であったとき、前記初期値を再設定すると
   ともに、前記記憶した測位演算用データを読み出して過
   去にさかのぼって測位演算をやりなおすことを特徴とす
   る相対測位方法。