JPWO2010050433A1 - 衛星航法装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】キャリアスムージングを組み合わせた擬似距離の補正方法を用いて、擬似距離を高精度に補正する。【解決手段】コード擬似距離補正部19は、L1コード擬似距離PRL1(i)をL1キャリア位相の時間変化量ΔADRL1(i)でキャリアスムージングするとともに、コード電離層遅延IPRL1(i)をキャリア電離層遅延の時間変化量ΔIADRL1(i)でキャリア補正する。コード擬似距離補正部19は、スムージング処理後L1コード擬似距離PRL1sm(i)から補正後電離層遅延I'L1sm(i)を減算することで、電離層遅延補正を行う。この際、L1キャリア位相の時間変化量ΔADRL1(i)に含まれるキャリア電離層遅延の時間変化量ΔIADRL1(i)の遅延方向と、補正後電離層遅延I'L1sm(i)の算出に用いるキャリア電離層遅延の時間変化量ΔIADRL1(i)の遅延方向とを一致させる。【選択図】 図1

Description

この発明は、航法衛星からの衛星信号に基づいて測位および基準信号を行う衛星航法装置に関するものである。
現在、GNSS(Global Navigation Satellite System)を利用して、測位を行ったり、1PPS等の基準信号の発生を行ったりする衛星航法装置が各種存在する。このような衛星航法装置では、複数の航法衛星からの航法信号に基づいて測位や基準信号の発生を行う。ここで、GNSSには運営母体が異なる複数のシステムが存在するので、以下では、GPS(Global Positioning System)の場合を例に説明する。
GPSでは、周波数の異なるL1波とL2波とを搬送波として、それぞれの搬送波に擬似雑音コードおよび航法メッセージを重畳することで、各GPS衛星がGPS信号を生成する。なお、以下では、L1波を用いたGPS信号をL1信号、L2波を用いたGPS信号をL2信号と称する。各GPS衛星は当該L1信号およびL2信号を同期して放送し、衛星航法装置が受信する。
衛星航法装置は、GPS信号を受信すると、擬似雑音コードに基づいてGPS衛星毎に擬似距離Pを算出し、当該擬似距離Pに基づいて測位および受信機時間誤差を推定する。この推定演算では、擬似距離の精度が測位結果等の精度に影響するが、擬似距離は誤差を有するため、高精度な測位等を行うには当該擬似距離の補正処理が必要となる。そして、現在、擬似距離の補正処理は各種考案されており、擬似距離をキャリア位相でスムージングする方法や、擬似距離を電離層遅延で電離層遅延補正する方法等がある。
例えば、特許文献1では、L1信号の擬似距離とL2信号の擬似距離とからL1信号の電離層遅延量を算出し、当該電離層遅延量を平滑化したのち、L1信号の擬似距離から差分して電離層遅延補正を行っている。
また、特許文献2では、L1信号の擬似距離とL2信号の擬似距離とから電離層フリーのコード擬似距離を算出するとともに、L1信号のキャリア位相とL2信号のキャリア位相とから電離層フリーのキャリア位相を算出する。そして、電離層フリーのコード擬似距離から電離層フリーのキャリア位相を差分し、平滑化することで補正を行っている。
また、これらとは別の方法として、一般的なキャリアスムージングを用いた方法もある。この場合、キャリアスムージングした擬似距離から、キャリアスムージングした電離層遅延量を差分することで、擬似距離の電離層遅延補正を行う。
特開2008−51567号公報 特開2007−278708号公報
しかしながら、上述のキャリアスムージングを用いた方法では、以下に示すような潜在的な問題があり、算出される擬似距離を補正しているにも係わらず、後述する図3に示すように、算出値が徐々に真の擬似距離から離れていってしまう。
一般的な一周波による擬似距離のキャリアスムージングは、今回のスムージング擬似距離をPRsm(i)とし、今回の観測擬似距離をPR(i)とし、前回のスムージング擬似距離をPRsm(i−1)とし、前回から今回までの観測キャリア位相の時間変化量をΔADR(i)とし、重み付け用の係数をkとし、式(1)で表される演算を行う。
Figure 2010050433
また、一般的なコード電離層遅延のキャリアスムージング(キャリア補正)は、今回のスムージング電離層遅延をIsm(i)とし、今回の観測擬似距離による電離層遅延をIPR(i)とし、前回のスムージング電離層遅延をIsm(i−1)とし、観測キャリア位相による電離層遅延量の前回から今回までの変化量をΔIADR(i)とし、擬似距離と同様に重み付け用の係数をkとし、式(2)で表される演算を行う。
Figure 2010050433
このようにコードに関する擬似距離と電離層遅延の両方をスムージングした後、スムージング擬似距離PRsm(i)をスムージング電離層遅延Ism(i)で減算することで、擬似距離を電離層遅延補正することになる。すなわち、式(1)−式(2)を実行して式(3)に示すような演算を行うことに相当する。
Figure 2010050433
ここで、キャリア位相に対する電離層の影響は、擬似距離が短く観測される方向に働くため、キャリア位相の時間変化量ΔADR(i)は、航法衛星と受信機(衛星航法装置)間の真の距離の時間変化量Δr(i)と、電離層遅延量の時間変化量ΔIADR(i)から、式(4)で表される。
ΔADR(i)=Δr(i)−ΔIADR(i) −式(4)
式(4)を式(3)に代入すると、式(5)となる。
Figure 2010050433
式(5)に示すように、PR(i)−IPR(i)、PRsm(i−1)−Ism(i−1)は、電離層遅延の影響を含んだ擬似距離から電離層遅延を除去した項となる。また、Δr(i)は電離層遅延を含まない衛星と受信機間の真の距離の時間変化量となる。このため、式(5)の右辺は、電離層遅延補正がされた{PR(i)−IPR(i)}の項と、{PRsm(i−1)−Ism(i−1)}の項に{−2・ΔIADR(i)}が加算されたものとなり、電離層遅延の影響を除去できていない。
したがって、一般的なキャリアスムージングを組み合わせた方法の場合、電離層遅延の補正を行ったにも係わらず、擬似距離のみの項とはならず、常に−2ΔIADR(i)の項が加算されて、真の擬似距離からずれた値となってしまう。そして、このような項が擬似距離の算出毎に加算されるため、補正されたはずの擬似距離がさらに真の擬似距離から離れてしまう。
このような問題に対して、本発明は、キャリアスムージングを組み合わせた擬似距離の補正方法を用いても、擬似距離を高精度に補正できる衛星航法装置を実現することにある。
この発明は、航法衛星からの航法信号に基づいてコード擬似距離を算出する衛星航法装置に関するものである。この衛星航法装置は、キャリア位相に基づいてスムージングしたコード擬似距離を、コード電離層遅延で電離層遅延補正することで、コード擬似距離の補正を行う擬似距離補正手段を備える。そして、この擬似距離補正手段は、キャリア位相に含まれるキャリア電離層遅延と、コード電離層遅延の遅延方向を一致させて、コード擬似距離の補正を行う。
また、この発明の衛星航法装置の擬似距離補正手段は、具体的に、スムージングに用いるキャリア位相に含まれる第1のキャリア電離層遅延によるキャリア位相のズレ方向と、電離層遅延に用いるコード電離層遅延をキャリア補正する第2のキャリア電離層遅延の補正方向とを一致させることで、キャリア位相に含まれるキャリア電離層遅延と、コード電離層遅延の遅延方向を一致させる。
この構成では、コード擬似距離をキャリア位相でスムージングする際に当該キャリア位相に含まれる第1のキャリア電離層遅延によるキャリア位相のズレ方向と、コード電離層遅延をキャリア補正する第2のキャリア電離層遅延の補正方向とが一致することで、数学的にはこれら第1のキャリア電離層遅延と第2のキャリア電離層遅延の演算式中の符号が一致する。したがって、キャリア位相でスムージングしたコード擬似距離から、キャリア電離層遅延でキャリア補正したコード電離層遅延を減算して電離層遅延補正を行う際に、スムージング用のキャリア位相に含まれる第1のキャリア電離層遅延と、コード電離層遅延をキャリア補正する第2のキャリア電離層遅延とが相殺される。これにより、擬似距離補正手段による補正後のコード擬似距離は電離層遅延の影響が除去される。
また、この発明の衛星航法装置は、擬似距離補正手段により補正されたコード擬似距離を用いて測位演算を行う測位演算手段を備える。
この構成では、上述のように高精度に補正されたコード擬似距離を用いることで、高精度な測位結果を得ることができる。
また、この発明の衛星航法装置は、測位演算により得られるクロックオフセットを用いて基準クロック信号を発生する基準信号発生手段を備える。
この構成では、上述のような高精度な測位演算が行われることで、高精度なクロックオフセットを得ることができ、高精度な基準信号を発生することができる。
この発明によれば、電離層遅延の影響を除去した高精度なコード擬似距離を取得することができる。
本実施形態の衛星航法装置について図を参照して説明する。なお、以下の説明では、GPSを例に説明するが、他のGNSSに対しても以下の構成および処理を適用することができる。
図1(A)は本実施形態の衛星航法装置1の主要構成を示すブロック図であり、図1(B)は図1(A)に示すコード擬似距離補正部19の主要構成を示すブロック図である。
図1に示すように、本実施形態の衛星航法装置1は、L1用受信部11、L2用受信部12、L1用擬似距離算出部13、L1用キャリア位相算出部14、L2用擬似距離算出部15、L2用キャリア位相算出部16、コード電離層遅延算出部17、キャリア電離層遅延算出部18、コード擬似距離補正部19、および測位演算部20を備える。
L1用受信部11は、アンテナ100で受信した航法衛星からの航法信号を受信して復調し、航法メッセージ等をL1用擬似距離算出部13へ出力し、キャリア位相情報をL1用キャリア位相算出部14へ出力する。L2用受信部12は、アンテナ100で受信した測位衛星からの航法信号を受信して復調し、航法メッセージ等をL2用擬似距離算出部15へ出力し、キャリア位相情報をL2用キャリア位相算出部16へ出力する。
L1用擬似距離算出部13は、航法メッセージ等に基づいて所定タイミング毎にL1コード擬似距離PRL1(i)を算出する。L1コード擬似距離PRL1(i)は、コード電離層遅延算出部17およびコード擬似距離補正部19へ出力される。
L2用擬似距離算出部15は、航法メッセージ等に基づいて前記L1の各情報と同じタイミングで、L2コード擬似距離PRL2(i)を算出する。L2コード擬似距離PRL2(i)は、コード電離層遅延算出部17へ出力される。
L1用キャリア位相算出部14は、L1信号のキャリア位相情報に基づいて、前記コード擬似距離PRL1(i)と同じタイミングで、L1キャリア位相ADRL1(i)を算出する。L1キャリア位相ADRL1(i)は、キャリア電離層遅延算出部18およびコード擬似距離補正部19へ出力される。
L2用キャリア位相算出部16は、L2信号のキャリア位相情報に基づいて、前記コード擬似距離PRL2(i)と同じタイミングで、L2キャリア位相ADRL2(i)を算出する。L2キャリア位相ADRL2(i)は、キャリア電離層遅延算出部18へ出力される。
コード電離層遅延算出部17は、次の式(6)を用いて、各タイミングでL1コード電離層遅延IPRL1(i)を算出する。
Figure 2010050433
キャリア電離層遅延算出部18は、次の式(7)を用いて、各タイミングでキャリア電離層遅延の時間変化量ΔIADRL1(i)を算出する。
Figure 2010050433
なお、ここで、λL1およびλL2は、それぞれL1信号の波長及びL2信号の波長である。また、ΔADRL1(i)はL1キャリア位相ADRL1(i)の前回から今回までの時間変化量を表し、ΔADRL2(i)はL2キャリア位相ADRL2(i)の前回から今回までの時間変化量を表す。
コード電離層遅延算出部17で算出されたコード電離層遅延IPRL1(i)およびキャリア電離層遅延算出部18で算出されたキャリア電離層遅延の時間変化量ΔIADRL1(i)は、コード擬似距離補正部19へ出力される。
コード擬似距離補正部19は、コード擬似距離キャリアスムージング部191、コード電離層遅延キャリア補正部192、およびコード擬似距離電離層補正部193を備え、L1コード擬似距離PRL1(i)を、次の原理を用いて補正し、測位演算部20へ出力する。
コード擬似距離キャリアスムージング部191は、L1コード擬似距離PRL1(i)を、上述の式(1)により表される重み付け平均を用いることでキャリアスムージングする。すなわち、コード擬似距離キャリアスムージング部191は、次の式(8)を用いて、スムージング処理後L1コード擬似距離PRL1sm(i)を算出する。
Figure 2010050433
ここで、PRL1sm(i)は今回のタイミングでのスムージング処理後L1コード擬似距離であり、PRL1sm(i−1)は前回のタイミングでのスムージング処理後L1コード擬似距離であり、kは重み付けを決定する定数であり、仕様に応じて変更することができる。
コード電離層遅延キャリア補正部192は、コード電離層遅延IPRL1(i)を、次の式(9)を用いてキャリア補正する。すなわち、コード電離層遅延キャリア補正部192は、式(9)を用いて、キャリア補正後コード電離層遅延I'L1sm(i)を算出する。
Figure 2010050433
ここで、式(9)に示すように、本願発明では、上述の式(2)に示した一般的なコード電離層遅延のキャリアスムージングとは、異なる演算でキャリア補正を行う。具体的には、コード電離層遅延の補正の際に、前回のキャリア補正後コード電離層遅延I'L1sm(i−1)に対して、キャリア電離層遅延の時間変化量ΔIADRL1(i)を加算するのではなく(一般的手法)、キャリア電離層遅延の時間変化量ΔIADRL1(i)を減算する演算を行う。
この処理は、コード電離層遅延とキャリア電離層遅延との遅延方向が異なることに基づくものである。すなわち、コード電離層遅延は擬似距離が長くなる方向に作用し、キャリア電離層遅延は擬似距離が短くなる方向に作用することに着目し、これらの方向が一致するように、キャリア補正後コード電離層遅延I'L1sm(i)の算出式におけるキャリア電離層遅延の時間変化量ΔIADRL1(i)の符号を反転させたものである。
コード擬似距離電離層遅延補正部193は、式(8)で算出されたスムージング処理後L1コード擬似距離PRL1sm(i)を、式(9)で算出されたキャリア補正後コード電離層遅延I'L1sm(i)で減算する。
Figure 2010050433
これは、スムージング処理済L1コード擬似距離PRL1sm(i)を、キャリア補正後の電離層遅延I'L1sm(i)で電離層遅延補正したことに相当する。
ここで、キャリア位相に対する電離層遅延の影響は、擬似距離が短く観測される方向に働くため、L1キャリア位相の時間変化量ΔADRL1(i)は、衛星と受信機間の真の距離の時間変化量Δr(i)と、電離層遅延の時間変化量ΔIADRL1(i)を用いて、
ΔADRL1(i)=Δr(i)−ΔIADRL1(i) −式(11)
で表される。
したがって、式(10)に式(11)を代入することで、L1コード擬似距離をコード電離層遅延で電離層遅延補正することを意味する次式(式(12))が得られる。
Figure 2010050433
すなわち、本発明の第1のキャリア電離層遅延に相当するL1キャリア位相の時間変化量ΔADRL1(i)に含まれるキャリア電離層遅延の時間変化量ΔIADRL1(i)が、本発明の第2のキャリア電離層遅延に相当するコード電離層遅延IPRL1(i)のキャリア補正の式に含まれるキャリア電離層遅延の時間変化量ΔIADRL1(i)で相殺される。
ここで、式(12)の右辺の(1/k)・(PRL1(i)−IPRL1(i))の項は、今回のL1コード擬似距離PRL1(i)を今回のコード電離層遅延IPRL1(i)で電離層遅延補正したものに相当する。同様に、((k−1)/k)・(PRL1sm(i−1)−I'L1sm(i−1))の項は、前回のスムージング処理後L1コード擬似距離PRL1sm(i−1)を、前回のキャリア補正後電離層遅延I'L1sm(i−1)で補正したことに相当する。
このように、式(12)に示すような演算を行うことで、L1コード擬似距離をキャリアスムージングした後に、キャリア補正した電離層遅延で電離層遅延補正しても、従来の式(5)に示すようにキャリア電離層遅延の時間変化量ΔIADRL1(i)の影響が残らず、補正後のL1コード擬似距離に対するキャリア電離層遅延の時間変化量ΔIADRL1(i)の影響を除去することができる。
なお、上述の説明では、コード擬似距離補正部19をコード擬似距離キャリアスムージング部191、コード電離層遅延伽裏補正部192、およびコード擬似距離電離層遅延補正部193とし、L1用擬似距離算出部13、L1用キャリア位相算出部14、L2用擬似距離算出部15、L2用キャリア位相算出部16、コード電離層遅延算出部17、キャリア電離層遅延算出部18を個別の機能部とした例を示したが、これらを一つのコード擬似距離生成部として、次に示すフローによりコード擬似距離の補正を行ってもよい。
図2は本実施形態の衛星航法装置1のコード擬似距離の補正処理フローを示すフローチャートである。
まず、コード擬似距離生成部は、航法メッセージ等に基づいて所定タイミング毎にL1コード擬似距離PRL1(i)およびL2コード擬似距離PRL2(i)を算出する(S101)。
コード擬似距離生成部は、L1信号のキャリア位相情報に基づいてL1キャリア位相ADRL1(i)を算出するとともに、L2信号のキャリア位相情報に基づいてL2キャリア位相ADRL2(i)を算出する(S102)。
コード擬似距離生成部は、上述の式(6)を用いて、各タイミングでL1コード電離層遅延IPRL1(i)を算出する(S103)。また、コード擬似距離生成部は、上述の式(7)を用いて、各タイミングでキャリア電離層遅延の時間変化量ΔIADRL1(i)を算出する(S104)。
そして、コード擬似距離生成部は、上述の式(8)、式(9)および式(10)を用いて、キャリア位相の時間変化量ΔADRL1、コード電離層遅延IPRL1、キャリア電離層遅延の時間変化量ΔIADRL1を用いて、キャリアスムージングしたL1コード擬似距離PRL1の電離層遅延補正を行う(S105)。
このような処理であっても、キャリアスムージングしたL1コード擬似距離を、キャリア補正したコード電離層遅延で電離層遅延補正しても、キャリア電離層遅延の時間変化量ΔIADRL1(i)の影響を除去することができる。
図3は、本実施形態の手法を用いた場合、従来の手法を用いた場合、およびキャリアスムージングを行わない場合のL1コード擬似距離の値を示したグラフである。図3において横軸が経過時間を表し、縦軸が真の擬似距離から擬似距離誤差を表す。
図3に示すように、本実施形態の手法を用いることで、キャリアスムージングおよびキャリア補正後の電離層遅延による補正を行ったコード擬似距離は、時間が経過しても、値がバラつくことなく真のコード擬似距離に略一致する。
このように、本実施形態の構成及び手法を用いることで、高精度なコード擬似距離を算出することができる。
このよう算出されたコード擬似距離は、測位演算部20へ与えられる。測位演算部20は、このコード擬似距離を用いて、既知の手法により自装置(受信機)の測位を行う。これにより、高精度な測位を行うことができる。また、測位演算部20に基準信号発生回路を備えることで、1PPS等の基準信号を出力することもできる。この際、高精度なコード擬似距離が得られることで、自装置(受信機)のクロックオフセットを高精度に取得することができるので、高精度な基準信号を発生することができる。
なお、本実施形態の構成および処理では電離層遅延を含んだ状態のコード擬似距離を高精度に補正することができるので、電離層フリー結合を用いる必要もない。これにより、ディファレンシャル測位システムを併用するような衛星航法装置に対して、有効なコード擬似距離の補正を行うことができる。すなわち、ディファレンシャル情報が利用できる範囲では、当該コード擬似距離のキャリアスムージングを行った後に、ディファレンシャル情報により得られる電離層遅延情報で電離層遅延補正を行うことができ、ディファレンシャル情報が利用できない範囲になったとしても、上述の方法を用いてコード擬似距離を高精度に補正することができる。
また、上述の説明では、L1コード擬似距離を補正する場合を示したが、L2コード擬似距離についても同様に補正を行うことができる。
本実施形態の衛星航法装置1の主要構成を示すブロック図、および、コード擬似距離補正部19の主要構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態の衛星航法装置1のコード擬似距離の補正処理フローを示すフローチャートである。 本発明の実施形態の手法を用いた場合、従来の手法を用いた場合、およびキャリアスムージングを行わない場合のL1コード擬似距離の値を示したグラフである。
1−衛星航法装置、11−L1用受信部、12−L2用受信部、13−L1用擬似距離算出部、14−L1用キャリア位相算出部、15−L2用擬似距離算出部、16−L2用キャリア位相算出部、17−コード電離層遅延算出部、13−キャリア電離層遅延算出部、19−コード擬似距離補正部、191−コード擬似距離キャリアスムージング部、192−コード電離層遅延キャリア補正部、193−コード擬似距離電離層遅延補正部、20−測位演算部、100−アンテナ

Claims (4)

  1. 航法衛星からの航法信号に基づいてコード擬似距離を算出する衛星航法装置であって、
    キャリア位相に基づいてスムージングしたコード擬似距離を、コード電離層遅延で電離層遅延補正することで、コード擬似距離の補正を行う擬似距離補正手段を備え、
    該擬似距離補正手段は、前記キャリア位相に含まれるキャリア電離層遅延と、前記コード電離層遅延の遅延方向を一致させて、前記コード擬似距離の補正を行う、衛星航法装置。
  2. 前記擬似距離補正手段は、前記コード擬似距離のスムージングに用いるキャリア位相に含まれる第1のキャリア電離層遅延による前記キャリア位相のズレ方向と、前記電離層遅延に用いるコード電離層遅延をキャリア補正する第2のキャリア電離層遅延の補正方向とを一致させることで、前記キャリア位相に含まれるキャリア電離層遅延と、前記コード電離層遅延の遅延方向を一致させる、請求項1に記載の衛星航法装置。
  3. 前記擬似距離補正手段により補正されたコード擬似距離を用いて測位演算を行う測位演算手段を備えた、請求項1または請求項2に記載の衛星航法装置。
  4. 前記測位演算により得られるクロックオフセットを用いて基準クロック信号を発生する基準信号発生手段を備えた、請求項3に記載の衛星航法装置。
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