JPH09145816A - 移動体の相対ｇｐｓ測位におけるサイクルスリップ検出方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】搬送波追尾周波数を使って計算した移動体の瞬
時速度と搬送波位相の積算値を使って計算した移動体の
平均速度とを比べることによりサイクルスリップを正確
に検出することができる移動体の相対ＧＰＳ測位におけ
るサイクルスリップ検出方法および装置を提供する。 【解決手段】ＧＰＳ信号の搬送波の位相値を一定時間
（１秒間）積算し、この位相積算値に基づいて移動体の
前記一定時間の平均速度を求める。そして、ＧＰＳ衛星
−移動体の相対速度による送信周波数のずれを表す搬送
波追尾周波数に基づいて前記移動体の瞬時速度を求め
る。そして、上記平均速度と瞬時速度とを比較し、これ
らがほぼ一致していればサイクルスリップは生じていな
いと判断することができ、一方、これらの差が大きけれ
ば、位相積算値にサイクルスリップが生じていると判断
する。

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、固定点に設置さ
れた基準局と移動体に搭載された移動局で同一のＧＰＳ
信号を受信することによって前記移動体の位置を算出す
る移動体の相対測位において、移動しながらＧＰＳ信号
を受信する移動局のサイクルスリップを確実に発見でき
る移動体の相対ＧＰＳ測位におけるサイクルスリップ検
出方法および装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】固定点に設置された基準局と移動体に搭
載された移動局で同一のＧＰＳ信号を受信することによ
って前記移動体の位置を算出する移動体の相対測位にお
いては、同一のＧＰＳ衛星から送信されるＧＰＳ信号の
搬送波位相を基準局と移動局とで同時に積算することが
必要である。ＧＰＳ信号の搬送波位相の積算中にＧＰＳ
信号が途切れた場合、ＧＰＳ信号を追尾している発振器
の発振周波数をカウントすることで前記積算が継続され
るが、この発振器がいわゆるフリーラン状態になるた
め、中断の長さやそのときの状況によっては、前記搬送
波位相の積算値がずれを起こすおそれがある。これをサ
イクルスリップという。測定時にサイクルスリップが生
じると測位結果に誤差が生じる。

【０００３】しかし、ＧＰＳ衛星の位置および移動経路
はＧＰＳ信号に含まれる航法メッセージに基づいて正確
に算出することができることから、固定地点に設置され
たＧＰＳ受信機では、受信点は動いていないという前提
と前記ＧＰＳ衛星の位置および移動経路の情報に基づい
て搬送波の位相積算値の推移をある程度正確に予測する
ことができ、サイクルスリップを検出することは容易で
ある。

【０００４】すなわち、搬送波位相の変化量からＧＰＳ
衛星の運行によるドップラ変位分を除去すればあとは受
信機雑音分のみの変化となり、この受信機雑音の誤差と
サイクルスリップとを区別することは容易だからであ
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、いわゆるキネ
マティック相対ＧＰＳ測位においては、測位すべき点
（移動体）が移動しており、この移動が位相積算値の変
化に寄与するため、位相積算値の変化が前記ＧＰＳ衛星
の位置や移動経路などに基づく予測と異なる場合があ
る。しかし、ＧＰＳ受信機はその移動（特に、不規則な
加速度を伴う移動）に関する情報を全く得ることができ
ないため、そのずれがサイクルスリップよるものか移動
体の移動によるものかを明確に区別することができず、
サイクルスリップが生じた場合でも即座にそれを検出す
ることができなかった。

【０００６】また、ＧＰＳ受信機以外の装置で移動体の
速度を測定し、この測定値がＧＰＳ信号に基づいて算出
された速度と誤差を生じた場合に、サイクルスリップが
生じたとしてこれを修正するものも提案されているが
（特開平７−７７５７０号）、サイクルスリップの検出
・修正のためにＧＰＳ受信機以外の装置が必要になるう
え、その装置の測定精度によりサイクルスリップの検出
精度が左右され、測定精度が低い場合には誤検出が生じ
るおそれもあった。

【０００７】この発明は、搬送波追尾周波数を使って計
算した移動体の速度と搬送波位相の積算値を使って計算
した移動体の速度とを比べることにより、すなわち、と
もにＧＰＳ信号に基づいて算出された２つの速度値を比
較することにより、サイクルスリップを正確に検出する
ことができる移動体の相対ＧＰＳ測位におけるサイクル
スリップ検出方法および装置を提供することを目的とす
る。

【０００８】

【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、固定点に設置された基準局および移動体に搭載さ
れた移動局によって同一のＧＰＳ信号を受信し、両局で
該ＧＰＳ信号の搬送波の周波数変位を追尾して搬送波追
尾周波数を求めるとともに、該追尾した搬送波の位相値
を積算し、両局の位相積算値を比較することによって前
記移動体の位置を算出する移動体の相対測位方法におい
て、前記移動局で、一定時間の位相積算値に基づいて前
記移動体の第１の速度を算出するとともに、該一定時間
内の任意の時刻における搬送波追尾周波数に基づいて前
記測位点の第２の速度を算出し、算出された第１の速度
および第２の速度を比較することによってサイクルスリ
ップを検出することを特徴とする。

【０００９】この出願の請求項２の発明は、前記一定時
間内に前記第２の速度を複数回算出し、これら算出値を
平均化して前記第１の速度と比較することを特徴とす
る。

【００１０】この出願の請求項３の発明は、固定点に設
置された基準局および移動体に搭載された移動局からな
り、両局に、同一のＧＰＳ信号を受信する手段と、該Ｇ
ＰＳ信号の搬送波の周波数変位を追尾して搬送波追尾周
波数を求める手段と、該追尾した搬送波の位相値を積算
する手段を設け、前記移動局に、両局の位相積算値を比
較することによって前記移動体の位置を算出する手段を
設けた移動体の相対測位装置において、前記移動局に、
一定時間の位相積算値に基づいて前記移動体の第１の速
度を算出する第１速度算出手段と、該一定時間内の任意
の時刻における搬送波追尾周波数に基づいて前記測位点
の第２の速度を算出する第２速度算出手段と、算出され
た第１の速度および第２の速度を比較することによって
サイクルスリップを検出するサイクルスリップ検出手段
とを設けたことを特徴とする。

【００１１】この出願の請求項４の発明は、前記第２速
度算出手段を、前記一定時間内に第２の速度を複数回算
出する手段とし、前記サイクルスリップ検出手段を、前
記複数回算出された第２の速度を平均化して前記第１の
速度と比較する手段としたことを特徴とする。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１にこの発明の基本構成図を示
す。同図は、基準局および移動局が同一のＧＰＳ信号を
受信し、それぞれの点で受信されたＧＰＳ信号の搬送波
の位相積算値を比較することによって前記移動体の位置
を算出する移動体の相対ＧＰＳ測位システムにおける移
動局側の基本構成を示している。

【００１３】移動局は、ＧＰＳ衛星の移動および移動体
の移動によるドップラ効果により変位するＧＰＳ信号の
搬送波の位相値を一定時間（１秒間）積算する。受信す
るＧＰＳ信号はＧＰＳ衛星の送信周波数（Ｌ１波であれ
ば１５７５．４２ＭＨｚ）がＧＰＳ衛星および移動体の
移動によるドップラ変位を受けたものである。積算時間
を１秒間とすると、この１秒間の積算値からＧＰＳ信号
の送信周波数を減算すればＧＰＳ衛星と移動体の間の相
対速度の１秒間の平均値が算出される。ただし、実際に
は受信した搬送波を中間周波に落としてから積算するた
め積算値はもっと小さくなるが、上記変位はそのまま保
存される。

【００１４】ＧＰＳ衛星の位置や移動経路は軌道情報な
どを知らせる航法メッセージに基づいて正確に計算する
ことができ、この位置や移動経路に基づいて前記相対速
度のうちＧＰＳ衛星の運行による部分を消去することが
できる。そしてこの残余部が移動体の移動による部分、
すなわち、移動体の平均速度、および、もしあるとすれ
ばサイクルスリップによる誤差である。なお、受信機の
局部発振周波数の変動や衛星の送信周波数のゆらぎは従
来より公知の二重位相差によって除去されるものとす
る。

【００１５】そして、搬送波追尾周波数は、ＧＰＳ衛星
−移動体の相対速度による送信周波数のずれを示してお
り、この搬送波追尾周波数に基づいて容易に移動体の瞬
時速度を求めることができる。そして、上記平均速度と
瞬時速度とを比較し、これらがほぼ一致していればサイ
クルスリップは生じていないと判断することができ、一
方、これらの差が大きければ、位相積算値にサイクルス
リップが生じていると判断することができる。

【００１６】なお、搬送波の位相値を積算する一定時間
（上記例では１秒間）中に複数回搬送波追尾周波数を読
み出して瞬時速度を求め、これら複数の瞬時速度を平均
した平均化瞬時速度を用いることにより、前記一定時間
内で移動体が不規則な加速度を伴う動作をした場合で
も、平均化瞬時速度が平均速度に追従できるため、正常
時の平均化瞬時速度と平均速度との誤差を少なくするこ
とができ、より高精度にサイクルスリップを検出するこ
とができるようになる。

【００１７】図２はこの発明が適用されるＧＰＳ受信機
のブロック図である。図中１は固定地点に設置される基
準局であり、２は移動体に搭載される移動局である。基
準局１は、ＧＰＳアンテナ１１，周波数変換部１２，搬
送波再生部１３，位相カウンタ１４，時計１５，送信部
１６および局間通信用アンテナ１７からなっている。ま
た、移動局２は、ＧＰＳアンテナ２１，周波数変換部２
２，搬送波再生部２３，位相カウンタ２４，時計２５，
演算部２６，受信部２７および送信用アンテナ２８から
なっている。ＧＰＳアンテナ１１，２１はＧＰＳ衛星か
ら発信されるＧＰＳ信号電波を受信する。周波数変換部
１２，２２は受信したＧＰＳ信号（Ｌ１帯（１５７５．
４２ＭＨｚ），Ｌ２帯（１２２７．６０ＭＨｚ))をより
周波数の低い中間周波に変換する。ＧＰＳ信号の受信周
波数は、ＧＰＳ衛星の運行等によるドップラ変位を受け
ており、このドップラ変位は周波数変換された信号にお
いても維持されている。搬送波再生部１３，２３は、各
ＧＰＳ衛星の軌道情報に基づいて各ＧＰＳ信号の受信周
波数を算出し、この周波数の信号を分離することによ
り、ＧＰＳ信号の搬送波を再生する。たとえば、Ｌ１帯
（１５７５．４２ＭＨｚ）の信号電波の周波数変位は、
約±５ｋＨｚ程度であり、ＧＰＳ衛星の視線速度は軌道
情報等に基づいて１０ｍ／ｓ程度の精度で予測できるた
め、５０Ｈｚ程度の範囲をスキャンすることにより、特
定のＧＰＳ衛星の信号を他のＧＰＳ信号と分離して抽出
することができる。

【００１８】同図には移動局２の搬送波再生部２３の内
部構成を示している。周波数変換部２２が変換した中間
周波は搬送波再生部２３の減算部３０に入力される。こ
の減算部３０には数値制御発振器（ＮＣＯ）３１が発生
する再生搬送波も入力される。減算部３０は入力された
中間周波と再生搬送波の差を出力する。この差は同期部
３２に入力する。同期部３２はこの差が０になるように
（または＋（−）９０°になるように）ＮＣＯ３１を制
御する。この制御によりＮＣＯ３１が出力する再生搬送
波は正確にＧＰＳ信号の中間中波に同期する。一方、同
期部３２が出力する同期信号は搬送波追尾周波数として
演算部２６に入力される。

【００１９】なお、一般的なＧＰＳ相対測位は、４つの
ＧＰＳ衛星の２周波を受信するため、この搬送波再生部
１３，２３は、それぞれ８個並列に設けられているもの
とする。また、この搬送波再生部１３，２３は、搬送波
クロックの抽出と同時に航法メッセージなどＧＰＳ信号
に乗せて送られてくる情報を解読する。

【００２０】上記搬送波再生部１３，２３に対応して、
搬送波の位相値を積算する位相カウンタ１４，２４も、
それぞれ８個並列に設けられている。時計１５，２５
は、図示されている受信系統とは別の受信回路から得た
ＧＰＳ衛星の時刻情報に基づいて発振器を制御し、１秒
毎のクロックパルスを位相カウンタ１４，２４に送信す
る。位相カウンタ１４，２４は、入力される搬送波の位
相値（位相角度）をカウントアップするフリーランのカ
ウンタであり、クロックパルスが入力されたとき、その
カウント値（位相積算値）を送信部１６または演算部２
６に出力する。

【００２１】基準局１において、位相カウンタ１６から
位相積算値が入力されたとき、この位相積算値に時刻情
報を付加して移動局２に向けて送信する。また、移動局
２において、受信部２７は、局間通信用アンテナ２８を
介して受信した前記基準局１の位相積算値，時刻情報を
演算部２６に入力する。演算部２６は、位相カウンタ２
４から入力される位相積算値および受信部２７から入力
される基準局１の位相積算値に基づき、二重位相差を算
出することにより、該移動局（移動体）２の位置を算出
する。すなわち、キネマティック相対測位を行う。キネ
マティック相対測位は従来より周知の方式で行えばよ
い。算出された位置は測位データとして外部出力され
る。なお、基準局１，移動局２は事前に受信すべきＧＰ
Ｓ信号を確認しており、ともに同一の４組のＧＰＳ信号
を受信している。

【００２２】さらに、演算部２６は、該移動局２の位相
積算値に基づいて移動体の１秒間の平均速度を算出する
とともに、搬送波再生部２３から入力される搬送波追尾
周波数に基づいてそのときの移動体の瞬時速度を算出す
る。そしてこれらの差をチェックすることにより、サイ
クルスリップの有無を検出する。

【００２３】図３は上記演算部２６の動作を示すフロー
チャートである。同図（Ａ）は位相カウンタ２４から搬
送波位相の積算値が入力される毎に実行される動作を示
している。また、同図（Ｂ）はこれよりも細かい周期
（同図では、１０分の１の周期である１００ｍ秒毎）に
実行される瞬時速度算出動作を示している。まず同図
（Ｂ）において、割り込みが発生すると搬送波再生部２
３から搬送波追尾周波数を読み取り（ｓ１１）、これに
基づいてそのときの移動局２の瞬時速度を算出する（ｓ
１２）。算出された瞬時速度を演算部２６の所定の記憶
エリアに記憶する（ｓ１３）。

【００２４】同図（Ａ）おいて、１秒毎の割り込みが発
生し、位相カウンタから搬送波位相の積算値が入力され
ると、ｓ１でその位相積算値を取り込む。そして前回
（１秒前）の位相積算値を減算することによって、今回
の１秒間の位相積算値を算出する（ｓ２）。次にこの１
秒間の位相積算値に基づいて、この１秒間の移動局２の
平均速度を算出する（ｓ３）。次に、この１秒間に複数
回（１０回）算出された瞬時速度を平均化して平均化瞬
時速度を算出する（ｓ４）。そして、平均速度と平均化
瞬時速度の差を算出し（ｓ５）、この差が一定以上であ
るか否かを判断する（ｓ６）。差が一定値未満であれば
サイクルスリップは起きていないとして正常終了する。
一方、差が一定値以上であればサイクルスリップが発生
していると判断して、このサイクルスリップを修正する
処理を実行したのち（ｓ７）、終了する。

【００２５】なお、この動作では、位相値を積算してい
る間に瞬時速度を複数回算出して平均化しているが、も
し、簡略化するために位相値積算中に１回のみ瞬時速度
を算出する場合には、同図（Ａ）と同図（Ｂ）の割り込
み間隔を同じにすればよく、または、同図（Ａ）の動作
において、ｓ４の処理に代えてｓ１１，ｓ１２の処理を
組み込むようにしてもよい。

【００２６】図４は算出された平均速度および瞬時速度
の例を時系列に示したものである。移動体の移動は一定
ではないため、同図のような不規則な変化曲線となる。
移動体が加速度を伴う移動をしたとき、その加速度によ
り平均速度と瞬時速度とに誤差が生じるが、この装置を
船舶に適用した場合、例えば、最高速度３０ノットのボ
ートに移動局２を搭載した場合、このボートを急発進，
急旋回させた場合でも上記平均速度と瞬時速度の最大誤
差は約１５ｃｍであり、Ｌ１帯の１波長（１９ｃｍ）以
下であるため、平均速度と瞬時速度の誤差のしきい値を
１９ｃｍ以下に設定することによって、１波長のサイク
ルスリップでも即座に検出することができる。

【００２７】

【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、搬送波
の位相積算値に基づいて移動体の第１の速度を算出し、
搬送波追尾周波数に基づいて前記移動体の第２の速度を
算出する。これら第１，第２の速度を比較し、ほぼ一致
していれば、サイクルスリップはないと判断することが
でき、また、これらの差が大きければ、位相カウント値
にサイクルスリップが生じていると判断することができ
る。したがって、移動体が相対測位を行いながらリアル
タイムでサイクルスリップを検出することができる。ま
た、２つの速度を比較する方式でありながら、両方とも
ＧＰＳ信号に基づいて求めることができ、構成が簡略化
されるとともに、ＧＰＳ信号は基本的に高精度な信号で
あるため高いサイクルスリップ検出精度を維持すること
ができる。これにより、キネマティックＤＧＰＳ測位の
精度を向上することができる。

【００２８】さらに、この発明によれば、第２の速度を
複数回算出してこれを平均化した値を第１の速度を比較
することによって、移動体が不連続な加速度で移動した
場合でも、サイクルスリップの誤検出を無くすことがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の構成を示す図

【図２】この発明が適用されるＧＰＳ受信機のブロック
図

【図３】同ＧＰＳ受信機の演算部の動作を示すフローチ
ャート

【図４】同ＧＰＳ受信機が算出した平均速度と瞬時速度
の変化を示す図

【符号の説明】

１−基準局 ２−移動局 １１，２１−ＧＰＳアンテナ １２，２２−周波数変換部 １３，２３−搬送波再生部 １４，２４−位相カウンタ １５，２５−時計 １６−送信部、２７−受信部 １７，２８−局間通信用アンテナ ２６−演算部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固定点に設置された基準局および移動体
   に搭載された移動局によって同一のＧＰＳ信号を受信
   し、両局で該ＧＰＳ信号の搬送波の周波数変位を追尾し
   て搬送波追尾周波数を求めるとともに、該追尾した搬送
   波の位相値を積算し、両局の位相積算値を比較すること
   によって前記移動体の位置を算出する移動体の相対測位
   方法において、 前記移動局で、一定時間の位相積算値に基づいて前記移
   動体の第１の速度を算出するとともに、該一定時間内の
   任意の時刻における搬送波追尾周波数に基づいて前記測
   位点の第２の速度を算出し、算出された第１の速度およ
   び第２の速度を比較することによってサイクルスリップ
   を検出することを特徴とする移動体の相対ＧＰＳ測位に
   おけるサイクルスリップ検出方法。
2. 【請求項２】 前記一定時間内に前記第２の速度を複数
   回算出し、これら算出値を平均化して前記第１の速度と
   比較することを特徴とする請求項１に記載の移動体の相
   対ＧＰＳ測位におけるサイクルスリップ検出方法。
3. 【請求項３】 固定点に設置された基準局および移動体
   に搭載された移動局からなり、両局に、同一のＧＰＳ信
   号を受信する手段と、該ＧＰＳ信号の搬送波の周波数変
   位を追尾して搬送波追尾周波数を求める手段と、該追尾
   した搬送波の位相値を積算する手段を設け、前記移動局
   に、両局の位相積算値を比較することによって前記移動
   体の位置を算出する手段を設けた移動体の相対測位装置
   において、 前記移動局に、一定時間の位相積算値に基づいて前記移
   動体の第１の速度を算出する第１速度算出手段と、該一
   定時間内の任意の時刻における搬送波追尾周波数に基づ
   いて前記測位点の第２の速度を算出する第２速度算出手
   段と、算出された第１の速度および第２の速度を比較す
   ることによってサイクルスリップを検出するサイクルス
   リップ検出手段とを設けたことを特徴とする移動体の相
   対ＧＰＳ測位におけるサイクルスリップ検出装置。
4. 【請求項４】 前記第２速度検出手段は、前記一定時間
   内に第２の速度を複数回算出する手段であり、前記サイ
   クルスリップ検出手段は、前記複数回算出された第２の
   速度を平均化して前記第１の速度と比較する手段である
   ことを特徴とする請求項３に記載の移動体の相対ＧＰＳ
   測位におけるサイクルスリップ検出装置。