JPWO2018124250A1 - 測位装置、測位方法及びプログラム - Google Patents
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Abstract
Description
この問題を解決するため、測位を行う物体の上部に複数のアンテナと受信機を配置し、各アンテナで受信された無線信号により受信機の測位計算を行う測位システムが開発されている。
なお、GPSによる測位機能を備えた飛翔体に関する技術は、例えば、特許文献1に記載されている。
複数のアンテナと、
1または複数の受信回路と、
前記アンテナ及び前記受信回路を含む受信経路を介して複数の衛星からの測位信号を受信する受信部と、
同一の前記衛星からの測位信号について、少なくとも一部が異なる前記受信経路を介して受信された複数の受信信号に基づいて、測位に用いる前記受信信号を判断する判断部と、
前記判断部によって測位に用いると判断された前記受信信号に基づいて、現在位置を算出する位置算出部と、
を備えることを特徴とする。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
図1は、実施形態に係る複数アンテナ測位装置100の構成を示すブロック図である。
本実施形態においては、測位信号としてGPS信号を受信し、2個のアンテナを使用してマルチパス、妨害波の影響を低減する例を示す。
なお、以下の実施形態においては、複数アンテナ測位装置100を飛翔体(ここではドローンとする)として構成した例について説明する。
複数アンテナ測位装置100は、アンテナ(第1アンテナ101−1、第2アンテナ101−2)、フロントエンド(第1RFフロントエンド102−1、・・・、第2RFフロントエンド102−2)、クロック発生器121、受信処理部(チャンネル1受信処理部ch1〜チャンネル16受信処理部ch16)、擬似距離可否判断部118、及び測位演算部119から構成される。
受信処理部は、同時に捕捉可能な測位衛星の数に対応した数のチャンネル(ここではチャンネル1からチャンネル16)の同様の構成を有する回路を含む。図1においては、これらのうち、チャンネル1受信処理部ch1のみ詳細な構成を示す。
図2は、第1の実施形態における飛翔体に設置したアンテナの配置例を示す構成図である。
飛翔体に第1アンテナ101−1、第2アンテナ101−2を中心軸上から180°の角度を空けて設置する。測位信号は、搬送波を擬似ランダム雑音コードの拡散符号によってスペクトラム拡散を行ったものである。擬似ランダム雑音コードとしては、C/A(Coarse/Acquisition)コードを使用する。また、測位信号には、測位演算に必要な航法データが含まれている。
コード追尾部110−1は、そこに入力される相関値演算結果108−1に基づいて、測位信号に含まれるコードと一致させるべきコードレプリカ信号112−1を生成し、相関値演算結果108−1の大きさが極大になるようにコードレプリカ信号112−1の位相を変化させると共に、受信した測位信号に含まれるコードのコード遅延時間115−1を出力する構成である。
測位演算部119−1は、受信機時刻における複数のチャンネルの擬似距離117−1に基づき、測位演算を行う構成である。他のchもch1と同様の動作となる。
複数の測位衛星のそれぞれは、それに対応するチャンネルのコードで搬送波を変調した測位信号を生成して送信している。飛翔体の上部に設置された第1アンテナ101−1及び第2アンテナ101−2は、測位信号を受信する。それぞれのアンテナが受信する測位信号の強度と位相は変動する。第1アンテナ101−1で受信された測位信号は、第1RFフロントエンド102−1に送られ、そこで、増幅された後にデジタル処理に適した周波数までダウンコンバートされ、クロック発生器121で発生させられたすべてのアンテナ系に共通のクロックに基づいてA/D変換されてデジタル化測位信号103−1となる。第2アンテナ101−2で受信された測位信号も、同様に第2RFフロントエンド102−2に送られ、デジタル化測位信号103−2となる。デジタル化測位信号103−1及び103−2は、共通のクロックに基づいてA/D変換されてデジタル化測位信号103−2となる。デジタル化測位信号103−1は、チャンネル1受信処理部ch1、・・・、チャンネル8受信処理部ch8に送られ、デジタル化測位信号103−2はチャンネル9受信処理部ch9、・・・、チャンネル16受信処理部ch16に送られる。それぞれのチャンネルの受信処理部では、それぞれが受信する測位衛星の測位信号に含まれるコードに基づいて、同様の処理が実施される。以下では、チャンネル1受信処理部CH1で行われる処理について説明する。
擬似距離可否判断部118−1において、同一衛星で複数アンテナにより得られた擬似距離でそれぞれの擬似距離117−1(=A)及び擬似距離117−2(=B)の差の絶対値を所定の値Xと比較し(ステップS1)、その差がマルチパス、妨害波の影響を受けていないと考えられる所定の値Xより小さい場合に測位演算部119に入力される(ステップS2)。測位演算部119では、これら擬似距離より測位演算が行われ、測位結果120が出力される。なお、同一衛星で複数アンテナにより得られた擬似距離の差がマルチパス、妨害波の影響を受けていないと考えられる所定値以上である場合には、擬似距離可否判断部118−1は、これらの擬似距離を測位に使用しない(ステップS3)。ステップS2及びステップS3の後、擬似距離判断処理は終了となる。
測位演算の具体的演算方法に関しては、公知の技術を用いることができる。例えば次の文献に記載がある。(「精説GPS 基本概念・測位原理・信号と受信機」,Pratap Misra and Per Enge原著,日本航海学会GPS研究会訳,pp. 159-163,正陽文庫)
第1の実施形態では、2つのアンテナで受信される測位信号を用いているが、3つ以上のアンテナが利用できる場合、これらの3つ以上のアンテナで受信される測位信号を用いることができる。
図4は、アンテナを3つとした場合の第2の実施形態における飛翔体に設置したアンテナの配置例を示す構成図である。第1アンテナ101−1、第2アンテナ101−2、第3アンテナ101−3は、飛翔体においてお互いに120°の角度を空けて配置される。第1の実施形態と同様に第2の実施形態でも図1を使用する。
また、図5は、アンテナを4つとした場合の第2の実施形態における飛翔体に設置したアンテナの配置例を示す構成図である。
さらに、図6は、アンテナをN個(Nは3以上の自然数)とした場合の第2の実施形態における飛翔体に設置したアンテナの配置例を示す構成図である。
第2の実施形態において、アンテナが一般的にN個設置されている場合、複数アンテナ測位装置100のアンテナから相関値演算部までの構成は、N組設置される。
第1アンテナ101−1、第2アンテナ101−2、・・・、第Mアンテナ101−M(Mは3以上の自然数)には、それぞれ、第1フロントエンド102−1、第2フロントエンド102−2、・・・、第Mフロントエンド102−Mが一対に接続される。それらの後段に、第1混合器104−1、第2混合器104−2、・・・、第N混合器104−Nが接続され、それらのさらに後段に、第1相関値演算部107−1、第2相関値演算部107−2、・・・、第N相関値演算部107−Nが接続される。ch1以外についても、ch1の同様の構成である。
図7は、第2の実施形態における3アンテナ時の擬似距離判断処理のフローチャート図である。
3アンテナの場合の各アンテナについて、図7のように同一衛星で各アンテナから受信した擬似距離117−1(=A)、擬似距離117−2(=B)、擬似距離117−3(=C)で測位に使用できる擬似距離を判断する。擬似距離117−1と擬似距離117−2の差の絶対値を所定の値Xと比較し(ステップS11)、擬似距離117−1と擬似距離117−2の差の絶対値が所定の値Xより小さい場合、擬似距離117−1または擬似距離117−2を測位に利用する(ステップS12)。もし擬似距離117−1と擬似距離117−2の差の絶対値が所定の値X以上の場合、擬似距離117−1、擬似距離117−2の片方または両方がマルチパスまたは妨害波の影響を受けていると判断し、次に擬似距離117−2と擬似距離117−3の差の絶対値を所定の値Xと比較する(ステップS13)。擬似距離117−2と擬似距離117−3の差の絶対値が所定の値Xより小さい場合、擬似距離117−2または擬似距離117−3を測位に利用する(ステップS14)。もし擬似距離117−2と擬似距離117−3の差の絶対値が所定の値X以上の場合、擬似距離117−2、擬似距離117−3の片方または両方がマルチパスまたは妨害波の影響を受けていると判断し、次に擬似距離117−3と擬似距離117−1の差の絶対値を所定の値Xと比較する(ステップS15)。擬似距離117−3と擬似距離117−1の差の絶対値が所定の値Xより小さい場合、擬似距離117−3または擬似距離117−1を測位に利用する(ステップS16)が、擬似距離117−3と擬似距離117−1の差の絶対値が所定の値X以上の場合、この衛星の擬似距離を測位計算に利用しない。ステップS12、ステップS14及びステップS16の後、擬似距離判断処理は終了となる。
図8は、第2の実施形態におけるN個のアンテナ搭載時の擬似距離判断処理のフローチャート図である。
図8のフローチャートのように、同一衛星で各アンテナから受信した擬似距離117−1(=A1)、擬似距離117−2(=A2)、・・・、擬似距離117−N(=AN)で測位に使用できる擬似距離を判断する。擬似距離117−1と擬似距離117−2の差の絶対値を所定の値Xと比較し(ステップS21)、擬似距離117−1と擬似距離117−2の差の絶対値が所定の値Xより小さい場合、擬似距離117−1または擬似距離117−2を測位に利用する(ステップS22)。もし擬似距離117−1と擬似距離117−2の差の絶対値が所定の値X以上の場合、擬似距離117−1、擬似距離117−2の片方または両方がマルチパスまたは妨害波の影響を受けていると判断し、次に擬似距離117−2と擬似距離117−3の差の絶対値を所定の値Xと比較する(ステップS23)。擬似距離117−2と擬似距離117−3の差の絶対値が所定の値Xより小さい場合、擬似距離117−2または擬似距離117−3を測位に利用する(ステップS24)。もし擬似距離117−2と擬似距離117−3の差の絶対値が所定の値X以上の場合、擬似距離117−2、擬似距離117−3の片方または両方がマルチパスまたは妨害波の影響を受けていると判断し、次に擬似距離117−3と擬似距離117−4の差の絶対値を所定の値Xと比較し、同様の処理を実行する(ステップS25,S26)。以降、疑似距離Nまで同様の処理を繰り返す(ステップS27,S28)。ただし、隣接する番号のアンテナから受信した擬似距離の差の絶対値が所定値Xより大きい場合が擬似距離Nまで続く場合、117−1と擬似距離117−3の差の絶対値が所定の値Xより小さい場合、擬似距離117−3または擬似距離117−1を測位に利用する。なお、擬似距離117−3と擬似距離117−1の差の絶対値が所定の値X以上の場合、この衛星の擬似距離を測位計算に利用しない。ステップS22、ステップS24、ステップS26及びステップS28の後、擬似距離判断処理は終了となる。
応用例として、ドローン以外の飛翔体、農業建機、または自動車の自動運転の測位センサー等に利用可能である。
複数アンテナ測位装置100をドローン等の飛翔体、その他、姿勢変化を行う移動体として構成する場合、ジャイロセンサを備えることとしてもよい。
そして、複数アンテナ測位装置100が姿勢変化した場合に、ジャイロセンサの検出結果から、より上側(上空側)に位置する受信アンテナを選択し、選択された受信アンテナから得られる受信信号を基に算出された擬似距離を用いて測位を行うことができる。
この場合、複数アンテナ測位装置100において、品質がより良好であると推定される受信アンテナの受信信号を用いて、測位を行うことができる。
したがって、測位衛星を用いた測位をより適切に行うことが可能となる。
複数アンテナ測位装置100において、測位に用いる受信アンテナを選択する場合、受信アンテナ毎の受信状態の良否に基づいて、より受信状態が良好な受信アンテナを選択することとしてもよい。
即ち、各受信アンテナの受信状態から、いずれの受信アンテナの受信信号がより高品質であるかを判断し、より高品質な受信アンテナから得られる受信信号を基に算出された擬似距離を用いて測位を行うことができる。受信信号の品質を判断する場合に用いられる受信状態の指標としては、衛星測位における各種パラメータを用いることが可能であるが、例えば、搬送波位相(搬送波レプリカ信号との一致度合等)、信号強度の変化(所定期間の信号強度の履歴に基づく変動状態)等を用いることができる。
このような構成により、特別な構成を追加することなく、より信頼性の高い受信アンテナの受信信号を用いて、測位衛星を用いた測位を行うことができる。
複数アンテナ測位装置100に備えられた3個以上の受信アンテナから測位に用いる受信アンテナを選択する場合、上述の実施形態のように、2個の受信アンテナを順次比較することができ、この場合に、空間的に離れて配置された受信アンテナ同士の比較を優先することができる。
例えば、複数アンテナ測位装置100に備えられている受信アンテナが4個の場合、隣接する2個の受信アンテナではなく、対角の位置にある2個の受信アンテナを優先して比較する。
これにより、複数アンテナ測位装置100の姿勢が水平から傾斜した場合等に、衛星信号の受信状態が異なると推定される2個の受信アンテナの受信信号を優先して比較することができる。
そのため、衛星信号の受信状態が異なる状況が発生した場合に、より早い段階で、測位に用いることが適切でない受信アンテナが存在することを検出できる。
また、複数アンテナ測位装置100に備えられた3個以上の受信アンテナから測位に用いる受信アンテナを選択する場合、2個ずつの受信アンテナの比較に代えて、3個以上の受信アンテナの比較を同時に行うこととしてもよい。そして、これら3個以上の受信アンテナから得られる受信信号を基に算出された擬似距離の分散状態に基づいて、測位に用いることが適切であると推定される受信アンテナを選択し、その受信アンテナにおける擬似距離を測位に用いることとしてもよい。
例えば、4個の受信アンテナの擬似距離のうち、3個の受信アンテナにおける擬似距離が予め設定された閾値範囲Yに収まっており、残りの1個の受信アンテナにおける擬似距離が閾値範囲Yから外れた値である場合、閾値範囲Yに収まっているいずれかの受信アンテナを選択し、その受信アンテナにおける擬似距離を測位に用いることとしてもよい。
これにより、複数アンテナ測位装置100に備えられた複数の受信アンテナを一括して比較し、より速やかに受信アンテナを選択して、測位を行うことができる。
上述の実施形態における処理は、ハードウェア及びソフトウェアのいずれにより実行させることも可能である。
即ち、上述の処理を実行できる機能が複数アンテナ測位装置100に備えられていればよく、この機能を実現するためにどのような機能構成及びハードウェア構成とするかは上述の例に限定されない。
上述の処理をソフトウェアにより実行させる場合には、そのソフトウェアを構成するプログラムが、コンピュータにネットワークや記憶媒体からインストールされる。
ch2 チャンネル2受信処理部
ch3 チャンネル3受信処理部
ch4 チャンネル4受信処理部
ch5 チャンネル5受信処理部
ch6 チャンネル6受信処理部
ch7 チャンネル7受信処理部
ch8 チャンネル8受信処理部
ch9 チャンネル1受信処理部
ch10 チャンネル2受信処理部
ch11 チャンネル3受信処理部
ch12 チャンネル4受信処理部
ch13 チャンネル5受信処理部
ch14 チャンネル6受信処理部
ch15 チャンネル7受信処理部
ch16 チャンネル8受信処理部
100 複数アンテナ測位装置
101−1〜101−M 第1アンテナ〜第Mアンテナ
102−1〜102−M 第1RFフロントエンド〜第MRFフロントエンド
103−1〜103−N デジタル化測位信号
104−1〜104−N ch1からchNの第1混合器
105−1〜105−N ch1からchNの相関値演算部
106−1〜106−N ch1からchNの相関値
107−1〜107−N ch1からchNの相関値演算部
108−1〜108−N ch1からchNの相関値演算結果
109−1〜109−N ch1からchNの搬送波追尾部
110−1〜110−N ch1からchNのコード追尾部
111−1〜111−N ch1からchNの搬送波レプリカ信号
112−1〜112−N ch1からchNのコードレプリカ信号
113−1〜113−N ch1からchNの第2混合器
114−1〜114−N ch1からchNのレプリカ信号
115−1〜115−N ch1からchNのコード遅延時間
116−1〜116−N ch1からchNの擬似距離演算部
117−1〜117−N ch1からchNの擬似距離
118 擬似距離可否判断部
Claims (11)
- 複数のアンテナと、
1または複数の受信回路と、
前記アンテナ及び前記受信回路を含む受信経路を介して複数の衛星からの測位信号を受信する受信部と、
同一の前記衛星からの測位信号について、少なくとも一部が異なる前記受信経路を介して受信された複数の受信信号に基づいて、測位に用いる前記受信信号を判断する判断部と、
前記判断部によって測位に用いると判断された前記受信信号に基づいて、現在位置を算出する位置算出部と、
を備えることを特徴とする測位装置。 - 前記判断部は、前記受信信号の受信状態に基づいて、測位に用いる前記受信信号を判断することを特徴とする請求項1に記載の測位装置。
- 前記判断部は、前記複数の受信信号から算出される擬似距離の差に基づいて、測位に用いる前記受信信号を判断することを特徴とする請求項1または2に記載の測位装置。
- 前記判断部は、前記複数の受信信号から算出される擬似距離が予め設定された閾値よりも大きい場合、当該複数の受信信号を測位に用いないように判断することを特徴とする請求項3に記載の測位装置。
- 前記複数のアンテナは、互いに離間して配置され、
前記判断部は、前記複数のアンテナのうち、より大きく離間した2つの前記アンテナを介して受信した前記受信信号から算出される前記擬似距離の差に基づいて、測位に用いる前記受信信号を判断することを特徴とする請求項3または4に記載の測位装置。 - 前記判断部は、前記複数のアンテナを介して受信した前記受信信号のうち、受信状態が予め設定された条件に適合する複数の前記受信信号のいずれかを測位に用いるように判断することを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の測位装置。
- 前記判断部は、前記受信信号における搬送波位相に基づいて、測位に用いる前記受信信号を判断することを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の測位装置。
- 前記判断部は、前記受信信号における信号強度の変化に基づいて、測位に用いる前記受信信号を判断することを特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載の測位装置。
- 前記測位装置の姿勢を検出する姿勢検出部を備え、
前記判断部は、前記姿勢検出部によって検出された前記測位装置の姿勢に基づいて、より上側に位置する前記アンテナを含む前記受信経路による前記受信信号を測位に用いると判断することを特徴とする請求項1から8のいずれか1項に記載の測位装置。 - 複数のアンテナと、
1または複数の受信回路と、を備える測位装置で実行される測位方法であって、
前記アンテナ及び前記受信回路を含む受信経路を介して複数の衛星からの測位信号を受信する受信ステップと、
同一の前記衛星からの測位信号について、少なくとも一部が異なる前記受信経路を介して受信された複数の受信信号に基づいて、測位に用いる前記受信信号を判断する判断ステップと、
前記判断ステップにおいて測位に用いると判断された前記受信信号に基づいて、現在位置を算出する位置算出ステップと、
を含むことを特徴とする測位方法。 - 複数のアンテナと、
1または複数の受信回路と、を備える測位装置を制御するコンピュータに、
前記アンテナ及び前記受信回路を含む受信経路を介して複数の衛星からの測位信号を受信する受信機能と、
同一の前記衛星からの測位信号について、少なくとも一部が異なる前記受信経路を介して受信された複数の受信信号に基づいて、測位に用いる前記受信信号を判断する判断機能と、
前記判断機能によって測位に用いると判断された前記受信信号に基づいて、現在位置を算出する位置算出機能と、
を実現させることを特徴とするプログラム。
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