JPH10160815A - 測位装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 正常にドップラー周波数が測定できなかった
と判断した測位データを削除することにより、誤差を抑
えた測位結果を獲得することのできる測位装置を提供す
ること。 【解決手段】 ＣＰＵ１は、受信部４により受信したエ
フェメリスと、ドップラー周波数測定部６により測定し
たドップラー周波数との複数組のデータのうち、ドップ
ラー周波数が大きく理論値とズレているものを削除し、
残りのデータで、測位計算を実行する。これにより、測
位計算した結果の精度の向上を図ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、衛星を利用した測
位装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、ＧＰＳ（グローバル・ポジショニ
ング・システム）衛星からの測位情報を受信し、測位を
行うＧＰＳ測位装置が広く利用されている。しかし、Ｇ
ＰＳ測位装置は端末が高価であり、より低価格で測位が
可能な測位装置が求められている。

【０００３】最近では、衛星の打ち上げ費用が比較的安
い、低軌道衛星を利用した測位、通信システムの開発が
進められている。低軌道を利用するオービコム衛星は、
オービコム端末とネットワーク管理センターとを結ぶ中
継点として機能し、双方向データ通信サービスを提供す
るものである。

【０００４】さらに、端末側で衛星から送られてくるエ
フェメリスを受信、衛星送信周波数のドップラー偏移を
測定することにより、自位置の測位を行うことができ
る。これについて、以下に説明を行う。

【０００５】周回通信衛星から送られてくる信号のドッ
プラー効果を利用した測位方法は、ＮＮＳＳ（Navy Nav
igation Satellite System）に代表される、ドップラー
カウント（ドップラーの積算値）による測位方法や、瞬
間のドップラー周波数による測位方法がある。瞬間のド
ップラー周波数による従来の測位方法を開示した文献と
しては、”Schmid and Lynn "Satellite Doppler-Data
Processing Using a Microcomputer"，IEEE Trans.GE-1
6”がある。ここでは、この文献に基づいて、従来の測
位方法を説明する。

【０００６】ある受信点において、周回通信衛星から送
信された信号を受信し、その周波数を測定すると、その
測定値は、既知の送信周波数からズレていることがあ
る。すなわち、ドップラー効果により、衛星が受信点に
近づくときは、既知の送信周波数よりも高い周波数とし
て測定され、衛星が遠ざかるときは、既知の送信周波数
よりも低い周波数として測定される。

【０００７】以後、このように既知の送信周波数からズ
レた受信信号の周波数のズレ量をドップラー周波数とす
る。すなわち、既知の送信周波数をｆｔ、受信信号の周
波数をｆｒとすると、ドップラー周波数ｆは（数１）に
より表される。

【０００８】

【数１】

【０００９】このドップラー周波数を基にして測位を行
うのが、ドップラー効果による測位である。

【００１０】ドップラー効果を利用して受信位置を割り
出すためには、周回通信衛星からの信号を受信し続け、
その信号の周波数を測定してドップラー周波数を求める
と共に、周回通信衛星が送信する刻々と変化する衛星位
置情報や衛星速度情報を記録する。

【００１１】このような、衛星から送信される衛星位置
情報や衛星速度情報はエフェメリスと呼ばれ、必要な時
間だけエフェメリスの収集を行い、収集したエフェメリ
スと、それぞれのエフェメリスとに関連付けて衛星のド
ップラー周波数を蓄積することにより、これらエフェメ
リスと、ドップラー周波数とのデータ群から受信位置を
割り出すことができる。

【００１２】受信点と衛星との間の距離の変化率をレン
ジレートＲ’と呼ぶ。このレンジレートＲ’とドップラ
ー周波数ｆとの関係は（数２）で表される。

【００１３】

【数２】

【００１４】この（数２）において、Ｒ’ｍはレンジレ
ートである。このように、レンジレートは測定されたド
ップラー周波数から得られるので、これをレンジレート
の測定値Ｒ’ｍと呼ぶことにする。ここで、ｃは送信信
号の伝播速度、ｆｔは周回通信衛星における既知の送信
周波数を表す。

【００１５】このように、ドップラー周波数が測定でき
れば、（数２）よりレンジレートを求めることができ
る。（数２）のレンジレートが分かると、受信点の位置
が分かる。

【００１６】次に、図４を参照して、レンジレートより
受信点の位置を求める方法について説明する。

【００１７】今、衛星の位置Ｓ１でのレンジレートを
Ｒ’１、衛星の位置Ｓ２でのレンジレートをＲ’２とす
る。Ｒ一定の面は、衛星の速度ｖを回転軸にした円錐面
であることから、Ｒ’１に関しては一、Ｒ’２に関して
は二のような円錐が描け、受信点はその交線三上のどこ
かにある。ここで、地球の形として基準楕円体を定める
と、交線三と基準楕円体との交点として、Ｐ１、Ｐ２が
得られ、真の受信点は２点の内いずれかである。

【００１８】レンジレートＲ’は、位置の受信位置の関
数であるので、未知数の数だけレンジレートを測定し
て、それらの連立方程式を解けば、受信位置が得られ
る。しかし、レンジレートと受信位置は非線形の関係で
あるので、簡単には解けない。非線形方程式を解く常套
手段は、テーラー展開により線形化を図ることである。

【００１９】今、レンジレートが、受信点の緯度φ、経
度λ、バイアスＢの関数であるとする。ここで、バイア
スＢは発信器内の基準周波数のズレを補正するオフセッ
ト値である。

【００２０】これら３変数の関数であるレンジレート
Ｒ’をテーラー展開すると、次の（数３）が得られる。

【００２１】

【数３】

【００２２】ここで、φ０、λ０、Ｂ０は、それぞれ現
在の推定緯度、推定経度、オフセットバイアスであり、
φ、λ、Ｂは、それぞれ更新された推定緯度、推定経
度、オフセットバイアスである。また（数３）は、（数
４）のように書き直すことができる。

【００２３】

【数４】

【００２４】ここで、ΔＲ’、Δφ、Δλ、ΔＢは、
（数５）のように表される。

【００２５】

【数５】

【００２６】また、Ｒ’ｃは、端末の位置（φ０，λ
０）から得られるレンジレートであり、次の（数６）で
与えられる。

【００２７】

【数６】

【００２８】これは、測定値ではなく、推定受信位置か
ら計算されたレンジレートであるので、レンジレートの
計算値（Ｒ’ｃ）と呼ぶことにする。

【００２９】ドップラー効果による測位では、まず、推
定初期位置を求め、（数３）の関係式と逐次近似法と最
小自乗法を用いることにより、初期位置を真の受信位置
に収束させる。未知数が緯度、経度、バイアスの３つで
あるので、ドップラーの測位点は３点で良いが、実際
は、４点以上の測位データを、最小自乗法を用いて、最
適化して３つの式に変換し、これら３つの式により、緯
度、経度、バイアスを求める。

【００３０】最小自乗法においては、レンジレートの誤
差の自乗和Σ（ΔＲ’×ΔＲ’）が最小となるように、
次の（数７）のように各測位データを加算して連立方程
式を立てる。

【００３１】

【数７】

【００３２】この連立方程式の解と推定初期位置との誤
差分がある一定値以下になるまで、この連立方程式の解
で初期位置を更新しながら、測位計算を繰り返す（逐次
近似法）。誤差分がある一定値以下になった時点で、測
位計算を修了する。この時の推定受信位置を測位結果と
する。

【００３３】ドップラーに基づいた測位方法は、上記説
明したように、４組以上の衛星エフェメリスと、衛星の
送信信号のドップラー周波数の測定値とが必要である。
しかしながら、通常は、測定誤差等を除去するため、も
っと多くのデータの組を測定するのが普通である。

【００３４】一般的に、コスト等の問題から、端末は１
つの受信機しか持たないので、１つの衛星しか補足でき
ない。このような端末におけるドップラー測位装置は、
１つの衛星を補足しながら、一定間隔毎に一定期間エフ
ェメリスとドップラー周波数の測定とを行う。その間隔
は、通常３〜１０秒毎、その期間は４〜８分である。こ
れを説明する図が図５である。

【００３５】Ｔは静止している端末を表し、Ｓ１，Ｓ
２，…，Ｓ５は１つの衛星Ｓにおいて、端末Ｔがエフェ
メリスの受信とドップラー周波数の測定とを行った時の
衛星Ｓの位置を表す。

【００３６】端末Ｔは、衛星のドップラー周波数を常に
測定しており、エフェメリスＥ１，Ｅ２，…，Ｅ５が受
信されたときのドップラー周波数ｆ１，ｆ２，…，ｆ５
を、測位計算のためのドップラー周波数として記憶す
る。図５では、説明のため、５点しか描かれていない
が、前述したように、実際にはもっと多くの収集と測定
を行う。

【００３７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、オービ
コム衛星に見られるような、衛星のドップラー偏移を値
用した測位処理は、ＧＰＳ測位と比べて比較的低価格で
測位が実現できる測位方法ではあるが、端末のドップラ
ー周波数の測定の精度が測位精度に非常に大きく依存す
る。

【００３８】また、ドップラー周波数の測定は、この周
波数近傍で発生している外界からのノイズ等により、正
確に測定できなくなることがある。この種のノイズの発
生時間が極めて短い場合には、測定したドップラー周波
数の平均化処理を行えば良いが、発生時間が極めて長い
場合には、測位精度に影響を及ぼすことがあり、問題で
あった。

【００３９】本発明は、正常にドップラー周波数が測定
できなかったと判断した測位データを削除することによ
り、誤差を抑えた測位結果を獲得することのできる測位
装置を提供することを目的とする。

【００４０】

【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に本発明は、衛星から送信されてくる情報を受信する受
信部と、衛星から受信した電波のドップラー周波数の測
定を行うドップラー周波数測定部と、受信部により受信
されたエフェメリスと、ドップラー周波数測定部により
測定されたドップラー周波数との複数組のデータに基づ
いて、端末の推測位置の計算を実行する位置計算手段
と、測位に必要な衛星からのエフェメリスと端末で測定
されるドップラー周波数との複数組のデータを獲得した
後、位置計算手段に、一度測位計算を実行して仮の測位
解を求めさせ、衛星からのエフェメリスから計算される
ドップラー周波数の理論値と端末で測定されたドップラ
ー周波数の測定値との差を複数組のデータに対してそれ
ぞれ求め、理論値と測定値との差があらかじめ設定され
た値を超える場合に、測定したドップラー周波数とこの
時刻に受信したエフェメリスとを削除し、再度、位置計
算手段に、残ったデータを用いて測位計算を実行させる
制御手段とを有する構成とした。

【００４１】これにより、正常にドップラー周波数が測
定できなかったと判断した測位データを削除することに
より、誤差を抑えた測位結果を獲得することのできる測
位装置が得られる。

【００４２】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１に記載の発明
は、衛星から送信されてくる情報を受信する受信部と、
衛星から受信した電波のドップラー周波数の測定を行う
ドップラー周波数測定部と、受信部により受信されたエ
フェメリスと、ドップラー周波数測定部により測定され
たドップラー周波数との複数組のデータに基づいて、端
末の推測位置の計算を実行する位置計算手段と、測位に
必要な衛星からのエフェメリスと端末で測定されるドッ
プラー周波数との複数組のデータを獲得した後、位置計
算手段に、一度測位計算を実行して仮の測位解を求めさ
せ、衛星からのエフェメリスから計算されるドップラー
周波数の理論値と端末で測定されたドップラー周波数の
測定値との差を複数組のデータに対してそれぞれ求め、
理論値と測定値との差があらかじめ設定された値を超え
る場合に、測定したドップラー周波数とこの時刻に受信
したエフェメリスとを削除し、再度、位置計算手段に、
残ったデータを用いて測位計算を実行させる制御手段と
を有する構成としたことにより、端末の外界からのイン
パルスノイズ等により、ドップラー周波数の測定が正常
に行えなかった場合であっても、正常にドップラー測定
が行われなかったと判断される測定値と、その測定時刻
に対応するエフェメリスを測位計算の対象となるデータ
から取り除くことができる。

【００４３】本発明の請求項２に記載の発明は、データ
を表示する表示手段を有し、制御手段は、測位計算の
際、ドップラー周波数の理論値とドップラー周波数の測
定値との差が、あらかじめ設定された値を超えるデータ
の数を監視し、その数があらかじめ設定されている数を
超える場合に、表示手段にその旨を出力するように制御
する構成としたことにより、削除したデータの数を監視
し、削除したデータの数が多ければ、その旨を端末利用
者に報告することができる。

【００４４】

【実施例】以下、本発明の一実施例について、図面を参
照しながら説明する。

【００４５】図１は本発明の一実施例における測位装置
のブロック図であり、ドップラー偏移測位機能を備え、
且つ双方向通信が可能な測位装置を示している。

【００４６】図１において、１は測位処理全体を制御す
るＣＰＵ（中央処理演算装置）であり、ＲＯＭ（リード
・オンリ・メモリ）２に記憶されているプログラムを実
行する。３は測位処理に必要なさまざまな情報を一時格
納するＲＡＭ（ランダム・アクセス・メモリ）である。
４は受信部、５は送信部、６はドップラー周波数の測定
を行うドップラー周波数測定部、７はデータを表示出力
する表示部である。

【００４７】図２は本発明の一実施例における測位装置
のフローチャートである。このフローチャートは、ＣＰ
Ｕ１が実行するＲＯＭ２に格納されているプログラムを
示したものである。

【００４８】図２に示すように、まず、ＣＰＵ１からの
指示により、受信部４によって、測位に必要なエフェメ
リスの獲得と、ドップラー周波数測定部６によって、ド
ップラー周波数の測定とが行われる（ステップ１）。

【００４９】測位演算に必要な情報を集め終えたら、Ｃ
ＰＵ１は、仮の測位解を獲得するために、測位計算を１
回だけ行う（ステップ２）。このときの測位解は、仮の
解であるので、真解でも偽解でも構わない。

【００５０】仮の測位解を利用し、衛星から送られてき
たエフェメリスを基に、仮の測位解の位置で受信される
べきドップラー周波数の理論値を、受信したそれぞれの
エフェメリスに対して求める（ステップ３）。

【００５１】次に、ステップ３において求めたドップラ
ー周波数の理論値と、ドップラー周波数測定部６で測定
したドップラー周波数の測定値との差を、受信したそれ
ぞれのデータに対して求め、その差があらかじめ設定さ
れている設定値の範囲内に入っているのかどうか調べる
（ステップ４）。例えば、±２Ｈｚと設定されていれ
ば、それを超える範囲、すなわち、ドップラー周波数の
理論値と測定値との差が±２Ｈｚを超えていれば、端末
側で正常にドップラー周波数の測定が行えなかったと判
断して、このときの測位データである、ドップラー測定
値とその時刻に対応するエフェメリスとを削除する（ス
テップ５）。

【００５２】全てのエフェメリスとドップラー周波数の
測定値に対して、ステップ４及びステップ５の処理を終
えたら、削除後のデータを用いて測位演算処理を実行し
（ステップ６）、測位結果を獲得する（ステップ７）。

【００５３】次に、請求項２に記載の発明に関する説明
を行う。図３は本発明の一実施例における測位装置のフ
ローチャートであり、図２のフローチャートの（１）に
挿入されるものである。

【００５４】図２のステップ６における、エフェメリス
から求められたドップラー周波数の理論値と端末により
測定されたドップラー周波数の測定値との差を求め、削
除した測位データの数を、あらかじめ設定されている数
値と比較する（ステップ１１）。

【００５５】この値を超えた場合には、端末が設置され
ている外界環境は、測位を実行するために好ましくない
環境にある、あるいは、端末のドップラー周波数の測定
に何らかの問題がある、ものと判断して、この旨を示す
データを、端末が有している送信機能（送信部５）を使
用して、その情報をネットワーク管理センター（図示せ
ず）に送信する（ステップ１２）。

【００５６】ネットワーク管理センターでは、その端末
を所有している使用者に対して、その旨を報告する。

【００５７】あるいは、上記ステップ１２は、端末が設
置されている外界環境は、測位を実行するために好まし
くない環境にある、あるいは、端末のドップラー周波数
の測定に何らかの問題がある、ものと判断する旨のメッ
セージを表示部７に表示出力させる。

【００５８】これによって、端末の使用者は、当該端末
の測位した結果が、どの程度の信頼に値するものかを把
握することができ、測位結果をより有効に活用すること
ができる。

【００５９】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、衛星から
送信されてくる情報を受信する受信部と、衛星から受信
した電波のドップラー周波数の測定を行うドップラー周
波数測定部と、受信部により受信されたエフェメリス
と、ドップラー周波数測定部により測定されたドップラ
ー周波数との複数組のデータに基づいて、端末の推測位
置の計算を実行する位置計算手段と、測位に必要な衛星
からのエフェメリスと端末で測定されるドップラー周波
数との複数組のデータを獲得した後、位置計算手段に、
一度測位計算を実行して仮の測位解を求めさせ、衛星か
らのエフェメリスから計算されるドップラー周波数の理
論値と端末で測定されたドップラー周波数の測定値との
差を複数組のデータに対してそれぞれ求め、理論値と測
定値との差があらかじめ設定された値を超える場合に、
測定したドップラー周波数とこの時刻に受信したエフェ
メリスとを削除し、再度、位置計算手段に、残ったデー
タを用いて測位計算を実行させる制御手段とを有する構
成としたことにより、端末の外界からのインパルスノイ
ズ等により、ドップラー周波数の測定が正常に行えなか
った場合であっても、正常にドップラー測定が行われな
かったと判断される測定値と、その測定時刻に対応する
エフェメリスを測位計算の対象となるデータから取り除
くことにより、誤差の影響を抑えた精度の良い測位位置
を求めることができる。

【００６０】また、データを表示する表示手段を有し、
制御手段は、測位計算の際、ドップラー周波数の理論値
とドップラー周波数の測定値との差が、あらかじめ設定
された値を超えるデータの数を監視し、その数があらか
じめ設定されている数を超える場合に、表示手段にその
旨を出力するように制御する構成としたことにより、削
除したデータの数を監視し、削除したデータの数が多け
れば、その旨を端末利用者に報告することができ、信頼
性のある測位結果を獲得することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例における測位装置のブロック
図

【図２】本発明の一実施例における測位装置のフローチ
ャート

【図３】本発明の一実施例における測位装置のフローチ
ャート

【図４】従来例における測位方法の幾何学的概念図

【図５】従来例における測位装置の説明図

【符号の説明】

１ ＣＰＵ ２ ＲＯＭ ３ ＲＡＭ ４ 受信部 ５ 送信部 ６ ドップラー周波数測定部 ７ 表示部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】衛星から送信されてくる情報を受信する受
   信部と、 衛星から受信した電波のドップラー周波数の測定を行う
   ドップラー周波数測定部と、 前記受信部により受信されたエフェメリスと、前記ドッ
   プラー周波数測定部により測定されたドップラー周波数
   との複数組のデータに基づいて、端末の推測位置の計算
   を実行する位置計算手段と、 測位に必要な衛星からのエフェメリスと端末で測定され
   るドップラー周波数との複数組のデータを獲得した後、
   前記位置計算手段に、一度測位計算を実行して仮の測位
   解を求めさせ、衛星からのエフェメリスから計算される
   ドップラー周波数の理論値と端末で測定されたドップラ
   ー周波数の測定値との差を前記複数組のデータに対して
   それぞれ求め、理論値と測定値との差があらかじめ設定
   された値を超える場合に、測定したドップラー周波数と
   この時刻に受信したエフェメリスとを削除し、再度、前
   記位置計算手段に、残ったデータを用いて測位計算を実
   行させる制御手段とを有することを特徴とする測位装
   置。
2. 【請求項２】データを表示する表示手段を有し、前記制
   御手段は、測位計算の際、ドップラー周波数の理論値と
   ドップラー周波数の測定値との差が、あらかじめ設定さ
   れた値を超えるデータの数を監視し、その数があらかじ
   め設定されている数を超える場合に、前記表示手段にそ
   の旨を出力するように制御することを特徴とする請求項
   １記載の測位装置。