JPWO2006046298A1

JPWO2006046298A1 - 衛星を用いた相対測位方法および相対測位システム

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Publication number: JPWO2006046298A1
Application number: JP2006542175A
Authority: JP
Inventors: 幸博寺田; 恵二伊藤; 武徳阿部; 藤田　孝; 孝藤田
Original assignee: Hitachi Zosen Corp
Current assignee: Hitachi Zosen Corp
Priority date: 2004-10-29
Filing date: 2004-10-29
Publication date: 2008-05-22
Also published as: US20080284645A1; US7616152B2; WO2006046298A1; CA2585141A1; KR101067416B1; CA2585141C; KR20070065319A

Abstract

ＧＰＳ衛星４からの電波を、絶対位置が既知である基準局１と複数の移動局３とで受信して、所定の局同士間で相対測位を行うことにより各移動局３の位置を測定する測位システムであって、各移動局３のうち少なくとも一つを、基準局１と相対測位可能な基線制限長を超えるように配置するとともに、所定の移動局３同士の間隔が相対測位可能な基線制限長以下となるようになし、上記各局１，３にそれぞれＧＰＳ衛星４からの電波を受信するＧＰＳ受信機１１，２１を設け、上記各局に所定の局とデータの送受信を行う無線通信装置１２，２２を設け、上記所定の局同士間の相対位置を演算する相対位置演算部３２、および相対測位を行う一方の局の絶対位置に基づき他方の局の絶対位置を求める絶対位置演算部３３を具備したものである。

Description

本発明は、複数の衛星からの電波を用いるとともに相対測位により三次元位置を検出する相対測位方法および相対測位システムに関するものである。

複数の衛星からの電波を受信し解析し、その受信機（以下、移動局という）の位置を検出する衛星測位技術としては、計測誤差が大きいが当該移動局だけで測位を行う単独測位方式と、位置が既知である基準局からの補正データを用いて、移動局の位置を精度良く求める相対測位方式とがある。

ところで、相対測位方式においては、その測位精度は受信機間の直線距離、所謂、基線長の制限を受けることになる。

例えば、ＧＰＳ（全地球方位システム）におけるＣ／Ａコードを用いて単独で測位を行うとともに補正データを用いて補正する相対測位方式では、衛星の軌道情報の不確かさ、電離層と大気による誤差等がほぼ同じである場合の基線長の制限は約１００ｋｍ以下であり、この範囲についは誤差等を相殺できるので、相対測位方式での測位精度の向上を期待し得る。

一方、搬送波位相を用いて基線を解析し測位精度の向上を図る方式においては、基線長の制限は約１０ｋｍ以下と短いが、Ｃ／Ａコードよりも十分短い搬送波位相を利用するため、測位精度が格段に向上する［例えば、新訂版ＧＰＳ−人工衛星による精密測位システム（社団法人日本測量協会発行）参照］。

ところで、上述した相対測位方式は、いずれも基準局からの基線長の制限距離内が利用し得る範囲であって、基準局が整備されていない地域では、移動局が陸、海、空のどこにあろうと、相対測位を利用することができず、したがって精度良く位置を計測することができなかった。

そこで、上記課題を解決するため、本発明は、相対測位可能な基線長の範囲外にある移動局についても、相対測位を利用し得る衛星を用いた相対測位方法および相対測位システムを提供することを目的とする。

本発明の衛星を用いた相対測位方法は、衛星からの電波を、基準局と複数の移動局とで受信して、所定の局同士間で相対測位を行う相対ネットワークを構成し、基準局から見た各移動局の相対位置である基準相対位置を測定する測位方法であって、
上記各移動局のうち少なくとも一つを、基準局と相対測位可能な基線制限長を超えるように配置するとともに、所定の移動局同士の間隔が相対測位可能な基線制限長以下となるようになし、
基準局と所定の移動局との間で基準相対位置を演算する基準相対位置演算ステップと、
上記所定の局同士間で相対位置である移動局間相対位置を演算する移動局間相対位置演算ステップと、
基準相対位置を求めた移動局と相対測位を行った移動局の移動局間相対位置を、相手局の基準相対位置を用いて基準相対位置に変換する変換ステップとを具備した方法である。

また、本発明の相対測位システムは、
衛星からの電波を、基準局と複数の移動局とで受信して、所定の局同士間で相対測位を行う相対測位ネットワークを構成し基準局から見た各移動局の相対位置である基準相対位置を測定する測位システムであって、
上記各移動局のうち少なくとも一つを、基準局と相対測位可能な基線制限長を超えるように配置するとともに、所定の移動局同士の間隔が相対測位可能な基線制限長以下となるようになし、
上記各局にそれぞれ衛星からの電波を受信する衛星測位装置を設け、
上記各局に所定の局とデータの送受信を行う無線通信装置を設け、
上記所定の局同士間の相対位置を演算する相対位置演算部、および相対測位を行う一方の局の基準相対位置に基づき他方の移動局の基準相対位置を求める基準相対位置演算部を具備したものである。

また、上記相対測位システムにおける基準相対位置演算部を基準局に配置するとともに、移動局の基準相対位置を順次求めるようにしたものである。

また、上記相対測位システムにおける各移動局に、それぞれの基準相対位置を演算する基準相対位置演算部を配置したものである。

さらに、上記相対測位システムにおける相対測位を搬送波位相を用いて行うようにしたものである。

上記相対測位方法および相対測位システムによると、基準局から所定間隔おきに相対測位可能な基線制限長以下となるように、移動局を順次配置して相対測位を連続的に行うネットワークを形成しておき、これら各局同士間の相対位置を求めるとともに、基準局と相対位置を行った移動局の基準相対位置を用いて基準局に対する各移動局の基準相対位置を順次求めることにより、基準局から、相対測位可能な基線制限長以上離れた移動局の相対位置を、その間に配置された移動局を介して、相対測位により精度良く求めることができる。

例えば、各移動局を陸上の基準局から遠く離れた海域の海面上の浮体に配置しておくことにより、各移動局の位置の時間的変位に基づき、海岸から遠く離れた海域にて津波の到来を知ることができ、したがって津波による被害をできるだけ、少なくすることことができる。

本発明の実施の形態１に係る相対測位システムの概略全体構成を示す斜視図である。同相対測位システムにおける基準局の概略構成を示すブロック図である。同相対測位システムにおける移動局の概略構成を示すブロック図である。同移動局に設けられた測位演算装置の概略構成を示すブロック図である。同相対測位システムでの相対測位方法を説明するフローチャートである。本発明の実施の形態２に係る相対測位システムの移動局に設けられた測位演算装置の概略構成を示すブロック図である。同相対測位システムでの相対測位方法を説明するフローチャートである。各実施の形態の相対測位システムの変形例に係る基準局の概略構成を示すブロック図である。各実施の形態の相対測位システムの変形例に係る基準局に設けられた測位演算装置の概略構成を示すブロック図である。

以下、本発明に係る衛星を用いた相対測位システムおよび相対測位方法について説明する。

なお、本実施の形態においては、衛星を用いた相対測位方式として、所謂、ＧＰＳ（全地球方位システム）衛星を利用したリアルタイムキネマティック方式を用いるもので、その測位対象としては、海面の変位を検出するために海面に係留されて浮遊する浮体の基準局から見た相対位置を求めるに際し、基準局を既知絶対位置に設置して絶対位置を計測する場合について説明する。
［実施の形態１］
以下、実施の形態１に係る衛星を用いた相対測位システムおよび相対測位方法を、図１〜図５に基づき説明する。

この相対測位システムには、図１に示すように、三次元の絶対位置が既知である陸上に固定された基準局１と、この基準局１から見た海面の変位を検出したい海域で且つ上記基準局１の中心から沖に向かって順次所定間隔おきに海面に係留された複数の浮体（ブイ）２にそれぞれ設けられた複数の移動局３とが具備され、またこれら各局１，３には、ＧＰＳ衛星４からの電波を受信しリアルタイムキネマティック方式（搬送波位相を用いるもので、以下、ＲＴＫ方式と称す）を利用して各移動局３の相対位置を求める機能が具備されている。

なお、上記各移動局３については、基準局１に一番近いものを、第１移動局３Ａ、次に近いものを、順次、第２移動局３Ｂ、第３移動局３Ｃ、・・・、最も遠いものを第ｎ移動局３Ｚと呼ぶものとする。

そして、上述したように、各局同士は所定間隔おきに配置され、例えば基準局１と第１移動局３Ａ、第１移動局３Ａと第２移動局３Ｂ、第２移動局３Ｂと第３移動局３Ｃ、・・・、第ｎ−１移動局３Ｙと第ｎ移動局３Ｚ同士の間は、ＲＴＫ方式で測位可能な基線長（以下、基線制限長と称し、例えば１０ｋｍである）以下となるように配置するとともにその局間で相対測位を実施する基準局を上流とした相対測位ネットワークを構成し、しかも、少なくとも、基準局１から最も遠い移動局３については、基準局１から基線制限長を超える位置の浮体２に設けられている。勿論、各局同士の間隔は同じ長さであってもよく、互いに異なる長さであってもよく、要するに、ＲＴＫ方式で測位可能な基線制限長以下であればよい。

上記基準局１には、図２に示すように、ＧＰＳ衛星４からの電波をアンテナ１１ａを介して受信しその測位用衛星データを計測するＧＰＳ受信機（衛星測位装置の一例）１１と、少なくともこのＧＰＳ受信機１１にて計測された測位用衛星データを含めて他の移動局３との間で種々のデータの送受信を行う無線通信装置（送信機および受信機からなる）１２とが具備されている。

また、上記各移動局３には、図３に示すように、ＧＰＳ衛星４からの電波を受信して測位用衛星データを計測するＧＰＳ受信機（衛星測位装置の一例）２１と、他の局１，３との間でデータの送受信を行う無線通信装置（図４に示すように、送信機２２ａおよび受信機２２ｂからなる）２２と、他の局１，３からのデータを受信して自局の同時刻のデータとに基づきＲＴＫ方式により相対測位を行う、すなわち一方の局に対する他方の局の相対変位量を求める測位演算装置２３とが具備されている。

ここで、移動局３に設けられる測位演算装置２３について詳しく説明する。

この測位演算装置２３は、図４に示すように、ＧＰＳ受信機２１にて計測された測位用衛星データ（搬送波位相値、衛星と受信機のアンテナ間距離（擬似距離）、衛星の軌道情報、衛星測位システムで採用した時系データ（ＧＰＳタイム）の他に、例えば受信中の衛星の仰角、方位角なども含まれている）を記憶するデータ記憶部３１と、上記ＧＰＳ受信機２１にて得られた測位用衛星データ、並びに基準局１または一つ手前（上記ネットワークの基準局寄り（上流側））の移動局（以下、前局とも称す）３からの測位用衛星データおよび前局の仮固定位置（以下、仮座標と称す）を受信機２２ｂを介して入力して、前局に対する相対位置をＲＴＫ方式により演算する相対位置演算部３２と、この相対位置演算部３２にて求められた相対位置および前局の絶対位置を入力して当該移動局３の絶対位置を演算する絶対位置演算部３３と、上記データ記憶部３１に記憶された当該移動局３すなわち自局の測位用衛星データおよび自局の仮座標並びに絶対位置演算部３３で求められた絶対位置を入力し次の移動局３に送信するための送信データを作成する送信データ作成部３４とから構成されている。勿論、この送信データ作成部３４で作成された送信データは送信機２２ａを介して、次の移動局３に送信される。なお、上記測位用衛星データの中で、例えば軌道情報、仰角、方位角については、相対測位を行う２つの局でそれぞれ受信することになるため、また上記２局間では仰角、方位角ともほぼ変わらないため、いずれか一方の局のＧＰＳ受信機２１のみで取得する場合は、そのデータを他方に送信して用いることもできる。

また、相対測位に用いるデータは、必要に応じて、データ記憶部から取り出される。

なお、上記構成において、基準局１に絶対位置が与えられない場合には、絶対位置演算部３３が基準相対位置演算部となる。この場合、前局が移動局である場合には、前局から基準相対位置がこの基準相対位置演算部に入力されることになる。

次に、上記相対測位システムにおける各局間の相対位置を求めて各移動局の絶対位置を計測し、海面の変位を求める方法を、図５のフローチャートに基づき説明する。

まず、陸上の基準局１の測位用衛星データ、仮座標およびその絶対位置を、海上の第１移動局３Ａに送信する（ステップ１）。

次に、第１移動局３にて、基準局１と第１移動局３Ａとの間で、ＲＴＫ方式に基づく相対測位にて、仮座標の基準局から見た相対位置（基準相対位置）を求める（ステップ２；基準相対位置演算ステップ）。

次に、基準局１の絶対位置（絶対座標）および相対位置を用いて第１移動局３Ａの絶対位置を求める（ステップ３）。

次に、第１移動局３Ａの絶対位置、仮座標（固定座標）および測位用衛星データを、第２移動局３Ｂに送信する。

次に、第２移動局３Ｂにて、仮座標および測位用衛星データを用いて、第１移動局３Ａと第２移動局３Ｂとの間で、ＲＴＫ方式による相対測位を行い、第１移動局３Ａから見た第２移動局３Ｂの相対位置（移動局間相対位置）を求める（ステップ５；移動局間相対位置演算ステップ）。

次に、第１移動局３Ａの仮座標とその絶対位置（真の座標値）との差を求めて、ステップ５で求めた移動局間相対位置に加算し、当該第２移動局３Ｂの絶対位置を求める（ステップ６；変位ステップ）。

そして、第２移動局３Ｂの絶対位置が求まると、上述したステップ４〜６が繰り返されて、第３移動局３Ｃの絶対位置が求まり、この手順が繰り返されて、最も離れた第ｎ移動局３Ｚの絶対位置まで求める。なお、繰返しの部分（ステップ４〜６）については前局を（ｉ−１）で表し、相対測位に基づき絶対位置を求める移動局を（ｉ）で示している。

したがって、各移動局３の絶対位置が求まると、浮体２の変位すなわち海面の所定周期毎の変位が計測されたことになり、この海面の水位変動から波浪を精度良く計測することができ、また海面の変位から波浪成分および潮汐成分を取り除くことにより、例えば地震などにより津波が発生した場合には、この津波を精度良く計測することができる。

なお、上記方法では、基準局の絶対位置を与えているので、ステップ６で絶対位置に変換されるが、絶対位置を与えない場合は、第１移動局３Ａの仮座標とその基準相対位置との差が求められ、第２基準局３Ｂの基準相対位置を求めることになる。波浪、津波などを検出する場合は、必ずしも、絶対位置を求めなくてもよい。

ここで、本発明の相対測位方法を簡単に説明すると、衛星からの電波を、基準局と複数の移動局とで受信して、所定の局同士間で相対測位を行う相対ネットワークを構成し、基準局から見た各移動局の相対位置である基準相対位置を測定する測位方法であって、上記各移動局のうち少なくとも一つを、基準局と相対測位可能な基線制限長を超えるように配置するとともに、所定の移動局同士の間隔が相対測位可能な基線制限長以下となるようになし、基準局と所定の移動局との間で基準相対位置を演算する基準相対位置演算ステップと、上記所定の局同士間で相対位置である移動局間相対位置を演算する移動局間相対位置演算ステップ（ステップ２に相当）と、基準相対位置を求めた移動局と相対測位を行った移動局の移動局間相対位置を、相手局の基準相対位置を用いて基準相対位置に変換する変換ステップ（ステップ６に相当）とを具備したものである。

このように、絶対位置が既知である基準局１を陸上に配置するとともに、基準局１から所定間隔おきに、すなわちＲＴＫ方式による相対測位可能な基線制限長以下となるように、移動局３を海面に順次配置しておき、これら各局同士間の相対位置をＲＴＫ方式にて求めるとともに、この相対位置を用いて基準局に対する各移動局の絶対位置を求めるようにしたので、基準局１から、相対測位可能な基線制限長以上離れた移動局３の絶対位置を、その間に配置された移動局３を介して、ＲＴＫ方式により精度良く求めることができる。

したがって、各移動局を基準局から遠く離れた海域の海面上の浮体に配置しておくことにより、津波が海岸に到来するかなり前の段階で知ることができるので、津波による被害をできるだけ、少なくすることことができる。
［実施の形態２］
次に、本実施の形態２に係る衛星を用いた相対測位方法および相対測位システムを、図６および図７に基づき説明する。

上記実施の形態１においては、各局同士間で相対測位を行う際に、仮座標を用いるようにしたが、本実施の形態２においては、基準局および前局の絶対位置を用いるようにしたもので、したがって以下の説明においては、その部分にだけ着目して説明するとともに、実施の形態値１と同一の構成部材については、同一番号を付してその説明を省略する。

すなわち、図６に示すように、各移動局３に設けられる測位演算装置２３′においては、絶対位置演算部３２′には前局から測位用衛星データおよび前局の絶対位置が入力され、この絶対位置演算部３２′にて、測位対象の移動局３の絶対位置を直接に求めるようにしたものである。したがって、実施の形態２における絶対位置演算部３２′は、実施の形態１にて示した相対位置演算部３２に絶対位置演算部３３の機能が組み込まれたものである。

この場合の各移動局３の絶対位置を計測する方法を、図７のフローチャートに基づき簡単に説明する。

まず、陸上の基準局１の測位用衛星データおよびその絶対位置を、海上の第１移動局３Ａに送信する（ステップ１）。

次に、第１移動局３にて、基準局１と第１移動局３Ａとの間で、ＲＴＫ方式による相対測位を行い、相対位置を求める（ステップ２）。

次に、第１移動局３Ａの絶対位置および測位用衛星データを、第２移動局３Ｂに送信する（ステップ３）。

次に、第２移動局３Ｂにて、測位用衛星データを用いて、第１移動局３Ａと第２移動局３Ｂとの間で、ＲＴＫ方式による相対測位を行い、絶対位置を求める（ステップ４）。

そして、第２移動局３Ｂの絶対位置が求まると、上述したステップ３〜４が繰り返されて、第３移動局３Ｃの絶対位置が求まり、この手順が繰り返されて、最も離れた第ｎ移動局３Ｚの絶対位置まで求める。なお、繰返し部分（ステップ３〜４）については前局を（ｉ−１）で表し、相対測位に基づき絶対位置を求める移動局を（ｉ）で示している。

本実施の形態２においても、上述した実施の形態１と同様の効果が得られる。

ところで、上述した各実施の形態においては、各移動局に測位演算装置を配置して、それぞれの移動局の絶対位置を求めるように説明したが、それらは、送信機２２ａにて陸上の観測所（基準局と兼ねてもよい）に局番号とともに送信されて集中的に管理される。

一方、例えば基準局に測位演算装置を配置するとともに、各移動局で計測された測位用衛星データを基準局に送信し蓄積しておき、当該基準局の測位演算装置で各移動局の絶対位置を求めるようにしてもよい。

すなわち、移動局間の送信データが基準局に送信され、基準局で各移動局のデータが記憶され、このデータを用いて絶対位置演算部にて、各移動局の絶対位置が求められる。

この場合、図８に示すように、基準局１には、測位演算装置１３が具備され、またこの測位演算装置１３には、図９に示すように、少なくとも、ＧＰＳ受信機１１からの測位用衛星データおよび無線通信装置１２の受信機１２ｂを介して各移動局３で受信した測位用衛星データを記憶しておくデータ記憶部４１と、このデータ記憶部４１に記憶された測位用衛星データを入力して、基準局１に対する各移動局３の絶対位置を演算する絶対位置演算部４２とが具備されている。

また、上記各実施の形態においては、各局同士のデータの送受信については、無線通信装置により行うように説明したが、見通しが悪く地上波による通信を行うことができない場合には、通信衛星を用いてデータの送受信を行えばよい。

また、上記各実施の形態においては、基準局を陸上に配置したが、海面に浮遊する浮体に配置してもよい。

さらに、上記各実施の形態においては、基準局を陸上に配置するとともに移動局を海面に配置して、波浪、津波などを計測するものとして説明したが、例えば基準局および移動局ともに、陸上に配置することにより、例えば地震計として利用することもできる。

また、上記各実施の形態では、ＧＰＳによる衛星測位で例示したが、原理が同様の衛星測位方式があれば、または今後登場するものでも、適用可能となる。

本発明の相対測位方法および相対測位システムによると、基準局から相対測位可能な基線制限長を超える位置に設けられた移動局に対しても、リアルタイムキネマティック方式による相対測位を用いて精度良く測位を行うことができ、例えば移動局を搭載した浮体を陸上からかなり離れた海域に係留しておくことにより、沖合いで津波を計測し津波の到来を予測して、津波による被害の軽減に利用することができる。また、場合によっては、地震計としても用いることができる。

Claims

衛星からの電波を、基準局と複数の移動局とで受信して、所定の局同士間で相対測位を行う相対ネットワークを構成し、基準局から見た各移動局の相対位置である基準相対位置を測定する測位方法であって、
上記各移動局のうち少なくとも一つを、基準局と相対測位可能な基線制限長を超えるように配置するとともに、所定の移動局同士の間隔が相対測位可能な基線制限長以下となるようになし、
基準局と所定の移動局との間で基準相対位置を演算する基準相対位置演算ステップと、
上記所定の局同士間で相対位置である移動局間相対位置を演算する移動局間相対位置演算ステップと、
基準相対位置を求めた移動局と相対測位を行った移動局の移動局間相対位置を、相手局の基準相対位置を用いて基準相対位置に変換する変換ステップと
を具備したことを特徴とする衛星を用いた相対測位方法。
衛星からの電波を、基準局と複数の移動局とで受信して、所定の局同士間で相対測位を行う相対測位ネットワークを構成し基準局から見た各移動局の相対位置である基準相対位置を測定する測位システムであって、
上記各移動局のうち少なくとも一つを、基準局と相対測位可能な基線制限長を超えるように配置するとともに、所定の移動局同士の間隔が相対測位可能な基線制限長以下となるようになし、
上記各局にそれぞれ衛星からの電波を受信する衛星測位装置を設け、
上記各局に所定の局とデータの送受信を行う無線通信装置を設け、
上記所定の局同士間の相対位置を演算する相対位置演算部、および相対測位を行う一方の局の基準相対位置に基づき他方の移動局の基準相対位置を求める基準相対位置演算部を
具備したことを特徴とする衛星を用いた相対測位システム。
基準相対位置演算部を基準局に配置するとともに、移動局の基準相対位置を順次求めるようにしたことを特徴とする請求項２に記載の衛星を用いた相対測位システム。
各移動局に、それぞれの基準相対位置を演算する基準相対位置演算部を配置したことを特徴とする請求項２に記載の衛星を用いた相対測位システム。
相対測位を搬送波位相を用いて行うようにしたことを特徴とする請求項２に記載の衛星を用いた相対測位システム。