WO2005017552A1

WO2005017552A1 - 情報処理装置およびｇｐｓ測位方法

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Publication number: WO2005017552A1
Application number: PCT/JP2003/010352
Authority: WO
Inventors: Shinichiro Mori; Fumio Nagashima
Original assignee: Fujitsu Limited
Priority date: 2003-08-14
Filing date: 2003-08-14
Publication date: 2005-02-24
Also published as: JPWO2005017552A1; US20060116820A1; US7269512B2; US20070250266A1

Abstract

情報処理装置は、ＧＰＳ（Global Positioning System）衛星からの電波の周波数のドップラーシフトを計測し、衛星からの信号を用いて衛星と測定点の擬似距離を計測する。そして、ドップラーシフトと擬似距離を組み合わせて用いることで、測定点の位置を計算する。

Description

明細書情報処理装置および G P S測位方法技術分野

本発明は、 G P S (Global Positioning System ) 衛星のドップラー効果を利用して測位を行う情報処理装置および G P S測位方法に関する。背景技術

人工衛星（G P S衛星）を利用した G P S測位の技術は、現在、車载装置、携帯情報端末（Personal Digital Assistant, P D A) 、携帯電話機、 P H S (Personal Handyphone System) 、パーソナ /レコンピュータ等のような数多くの情報処理装置で利用されている。

G P S測位は、大きく分けて単独測位と干渉測位に分けることができる。前者は、 4つ以上の G P S衛星を捕捉し、測定点からそれぞれの衛星までの擬似距離を測定して、 4個の未知数を含む連立方程式を解き、測定点の位置を算出する方法である。これに対して、後者は、波の干渉を利用し複数の測定点を使つて測位する方法である。本発明は、前者の単独測位に関するものである。 . G P S測位に用いられる各 G P S衛星の航法データは、主にアルマナックデ一タとェフエメリスデータに分けられる。アルマナックデータは、すべての G P S衛星のおおよその位置が分かるパラメータを記述しており、約 2週間使用することができる。この時間制限は、 G P S衛星の軌道が時間とともにずれていくことによる制限であり、データの有効期間に対応する。

—方、ェフエメリスデータは、それぞれの衛星軌道情報の詳細なパラメータを記述したデータであり、情報処理装置が各衛星の位置を算出する際に用いられる。エフヱメリスデータの制限時間は、約 2時間である。

図 1は、従来の単独測位の動作フローチャートである。情報処理装置は、まず、 GP S衛星からの無線周波数（RF) 帯の電波を受信し、ダウンコンバートして中間周波数（I F) 帯の信号に変換する（ステップ 1 0 1) 。

次に、 GP S衛星からの電波の受信周波数を検索する（ステップ 1 0 2) 。このとき、ドップラー効果を考慮しながら、受信電波の信号にターゲット衛星の CAコード（Coarse Acquisition Code ) を掛け合わせて、ターゲット衛星からの情報を抽出する。

次に、ターゲット衛星からアルマナックデータおよびエフェメリスデータを受信する（ステップ 1 0 3) 。他の衛星からも、同様にして航法データを受信する。最近では、この航法データを他の無線ネットワーク等を介して受信することで、情報を補完するシステムも登場している。

次に、各 GP S衛星の電波投射時刻と電波受信時刻から、各 GP S衛星までの擬似距離を計算する（ステップ 1 04) 。そして、各 GP S衛星の航法データと擬似距離を用いて、測定点の位置を算出する（ステップ 1 0 5) 。

例えば、測定点の位置の座標を（X , y， z ) 、捕捉した i番目の衛星の位置の座標をそれぞれ（X i， y _{i t} z ₅ ) とすると、ステップ 1 0 5の計算で用いられる方程式は次のようになる。 (X一 X ² + (y - Yi)² + (z - ¾)² + C_b = ¾ ( 1) ここで、 C_bは、衛星と情報処理装置の時計誤差に起因する量を表し、 Ri は、 i番目の衛星と測定点の擬似距離を表す。（_{X i}， y _{Z i}) は、各衛星のェフエメリスデータから求めることができる。したがって、未知数は _x、 y 、 z、および C_bの 4つであるから、捕捉衛星数が 4つ以上になれば解が得られる。また、測定点を地球表面上に限定すれば、捕捉衛星数が 3つでも解を得ることができる。

このように、単独測位には、一般に 4つ以上の G P S衛星を捕捉する必要があるが、東京のように高層ビルが乱立する大都市では、同時に G P S衛星を 4 つ捕捉することは困難である。

例えば、図 2に示すように、高層ビル群 2 0 1〜 2 0 6に囲まれた路上で、測定点が Aから Bに移動する場合を考えてみる。この場合、点 Aおよび Bでは四方が見えるため、捕捉できる衛星数も増加すると考えられるが、点 Aから点 Bへの移動中は、高層ビル群 2 0 2および 2 0 5に邪魔されて、点 Aと点 Bを結ぶ方向の衛星しか捕捉することができない。このため、必要な数の衛星を捕捉することができず、測位できないことになる。

この問題を解決するために、カーナビゲーシヨン等では、ジャイロセンサ、傾斜センサ、車速センサ、マップマッチング等の技術を複合的に使用して補完処理を行っている。しかし、携帯電話機や P H Sを代表とする携帯端末での適用を考えると、現状ではまだ現実的ではない。

したがって、高層ビル街等においては、測位に必要な衛星数を削減することが望まれる。捕捉衛星数を削減するための 1つの方法として、衛星移動に伴う • ドップラー効果を利用することが考えられる。

従来では、ドップラー効果を利用することで 2つの G P S衛星からの受信信号から現在位置を概算する方法が知られている（例えば、特許文献 1参照）。しかしながら、この方法では、測定点の位置を正確に求めることはできない。特許文献 1

日本特許出願特開 2 0 0 0— 2 3 5 0 6 7号公報発明の開示

本発明の課題は、少数の G P S衛星からの受信信号を用いて測定点の位置を精度良く求めることができる情報処理装置および G P S測位方法を提供することである。

本発明の情報処理装置は、ドップラーシフト計測部、距離計測部、データ取得部、および演算部を備え、 G P S衛星からの電波を用いて現在位置を測定する。

第 1の測位方法において、ドップラーシフト計測部は、衛星からの電波の周波数のドップラーシフトを求め、距離計測部は、衛星からの信号を用いて、衛星と測定点の擬似距離を求める。データ取得部は、衛星の航法データを取得する。演算部は、航法データから衛星の位置および測定点と衛星の相対速度を求め、得られた衛星の位置および相対速度と、ドップラーシフトと、擬似距離とを用いて、測定点の位置を計算する。

第 1の測位方法によれば、衛星と情報処理装置の時計が正確に同期している場合に、測定点の位置を精度良く求めることができる。

第 2の測位方法において、ドップラーシフト計測部は、第 1の衛星からの電波の周波数のドップラーシフトと、第 2の衛星からの電波の周波数のドッブラ一シフトを求める。距離計測部は、第 1の衛星からの信号を用いて、第 1の衛星と測定点の擬似距離を求め、第 2の衛星からの信号を用いて、第 2の衛星と測定点の擬似距離を求める。データ取得部は、第 1および第 2の衛星の航法データを取得する。

演算部は、第 1の衛星の航法データから第 1の衛星の位置および測定点と第 1の衛星の相対速度を求め、第 2の衛星の航法データから第 2の衛星の位置および測定点と第 2の衛星の相対速度を求める。そして、得られた第 1の衛星の位置および相対速度と、得られた第 2の衛星の位置および相対速度と、第 1の衛星からの電波のドップラーシフトと、第 2の衛星からの電波のドップラーシフトと、第 1の衛星と測定点の擬似距離と、第 2の衛星と測定点の擬似距離とを用いて、測定点の位置を計算する。

第 2の測位方法によれば、衛星と情報処理装置の時計が同期していない場合でも、測定点の位置を精度良く求めることができる。

ドップラーシフト計測部は、例えば、後述する図 6の相関器 6 0 4またはドップラーシフト計測モジュール 6 0 9に対応し、距離計測部、データ取得部、および演算部は、例えば、図 6の距離計測モジュール 6 0 5、航法データ解析モジユーノレ 6 0 6、および演算回路 6 0 7にそれぞれ対応する。

本発明によれば、好条件の下では 1つの G P S衛星のみで、通常状態でも 2 つの G P S衛星のみで、測定点の位置を正確に算出することが可能となる。図面の簡単な説明

図 1は、従来の単独測位の動作フローチャートである。

図 2は、高層ビノレ街における測定点を示している。

図 3は、測定点と同じドップラーシフトが観測される円錐面を示している。図 4は、ローレンツ変換効果を説明する図である。

図 5は、ガリレオ変換効果を説明する図である。

図 6は、情報処理装置の構成図である。

図 7は、演算回路の構成図である。

図 8は、本発明の単独測位の動作フローチヤ一トである。

図 9は、ドップラーシフトの理論最大値および理論最小値にそれぞれ対応する 2つの測位点の位置を示している。

図 1 0は、 2つの衛星のドップラーシフトの誤差にそれぞれ対応する 2つの線分を示している。発明を実施するための最良の形態

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。

従来の単独測位では、前述したように、 G P S衛星と測定点の擬似距離を測定して測定点の位置を算出している。これは、測位瞬時の衛星配置とその距離から測定点の位置を導き出す方法である。

各衛星は、決められた軌道上を決められた速度で移動している。この移動によりドップラー効果が発生し、情報処理装置が衛星の情報を受信するためには、受信周波数をドップラー効果の分だけシフトした周波数に合わせる必要がある。このドップラーシフトを測定するため、情報処理装置は、衛星からの信号と情報処理装置自身が生成した C Aコードの相関値をチェックし、所定の閾値以上の相関値が検出されると受信周波数をロックする方法をとつている。つまり、情報処理装置は、その衛星のドップラーシフトを把握している。このドップラーシフトは、図 3に示すように、地球 3 0 1上の測定点 3 0 2力ら対象の衛星 3 0 3に対する視線方向の見かけのドップラーシフトである。図 3において、衛星 3 0 3は軌道 3 0 4上を速度べクトル 3 0 5に従って移動しており、見かけのドップラーシフトは、測定点 3 0 2における視線方向の見かけの速度べクトル 3 0 6に応じて発生する。同様のドップラーシフトは、速度べクトル 3 0 5を中心軸として速度べクトノレ 3 0 6を回転させてできる円錐面 3 0 7上の任意の点で観測される。このドップラーシフトに加えて衛星と測定点の距離が既知となれば、測定点の位置が算出できることは明白である。次に、本実施形態における測位アルゴリズムを説明する。まず、電波のドッブラー効果による周波数の変化には、以下の 2つの要因がある。

( 1 ) ローレンツ変換効果 (2) ガリレオ変換効果

ただし、一般相対論的効果については無視することにする。

くローレンツ変換効果〉

図 4に示すように、ローレンツ変換の効果による周波数の変動は、観測者 4 01から見て GPS衛星 402が垂直方向に動いているような場合、すなわち、観測者 401と衛星 402の間の距離が変化しない瞬間でも起こる。これは、特殊相対論的効果である。

観測者 40 1の固有時間でのサイクルタイムを T t。_{r en t z}、衛星 402の固有時間での電波のサイクルタイムを T。、衛星 402から見た観測者 401 の速度（相対速度）を V、光速を cとすると、！^^^^と！^の関係は、口一レンツ変換に従って次のように記述される。

Τ 'l，orentz (2)

したがって、観測者 401から見た周波数 iO ^ r e n は、衛星の周波数を ω。とすると次のように記述される。

(Oloren (3)

となる。このような電波の圧縮は、ローレンツ圧縮と呼ばれる。

くガリレオ変換効果〉

図 5に示すように、ガリレオ変換の効果は、観測者 401と G P S衛星 40 2の距離が変化することによって起こり、音のドップラー効果と同じである。衛星 402から見た観測者 40 1の位置ベクトルを（_x， y , z) 、衛星 40 2と観測者 401の距離を L、衛星 402から見た観測者 401の速度べクトルを（u， V, w) とすると、距離の変化率 V は、次のように記述される。

また、ローレンツ変換効果とガリレオ変換効果の両方を考慮した、観測者 40 1の固有時間でのサイクルタイム Tは、位置の変化率に比例して大きくなり、次のように記述される。

rji _ V 1Tlorentz +

lorentz

C 式 (5) に式（2) と式 (4) を代入すると、次式が得られる。

したがって、観測者 401から見た周波数 ωは、次のように記述される

式（7) を変形すると、次式が得られる。

xu + yv + zw = cH

- 1) (8)

式（8) において特殊相対論的効果を無視すると、次式が得られる _t

xu + yv + zw cL (― - 1) = cL (9)

ω ω

ただし、 Δ ωは周波数変動を表し、次式で与えられる。厶 ω = ω(3— ω ( 1 0)

式（9) は 3次元空間内の曲面を表現しており、図 3に示した円錐面 30 7 がこれに相当する。さらに、衛星 40 2と観測者 40 1の距離 Lは、次のように記述される。

χ^Δ + y² + z² = ll (1 1)

(1 1) 式は、 3次元空間内の曲面である球面を表現している。

観測者 40 1が使用する情報処理装置に時計誤差がなければ、衛星 402の電波投射時刻と電波受信時刻の差から Lが正確に求められる。観測者 40 1は、 (9) 式の円錐面と（1 1) 式の球面の交線上にいることになり、さらに地球表面上にいるという条件を加えると、解は通常 2点に絞られる。それらの 2 点の解は、衛星軌道を間に挟む線対称の位置に現れる。測定点が衛星軌道直下に近ければ 2点の解は近くなるが、通常、一方の解はとてつもなく離れたところに存在する。

したがって、例えば、測定点が日本にあるといった大域的な位置情報を用いたソフトウエアフィルタ等で 2点の解をフィルタリングして、解を 1点に絞り込むことが可能である _D もちろん、衛星軌道直下に測定点があるときは、解は 1つとなる。

このように、本実施形態の測位アルゴリズムによれば、一定の条件の下で、 1つの衛星からの受信波のみを用いて測位点の位置を算出することができる。上述した測位アルゴリズムをまとめると、以下のようになる。

(a ) 特殊相対論的効果を考慮した場合

(X - x,)Ui + (y - y,)v】 + (z - z w,

(x — x,)² + (y - y,)² + (z - z,r = L,² (13)

■ (x - x_E)² + (Υ - YE)² + (z — z_E)² = R_E (14)

ただし、（x， y , z) は測定点の位置、い y ₁； _{Z l}) は衛星 4 0 2の位置、（x_E， y_E, z _E) は地球の中心位置、 R_Eは地球の半径、 1^は測定点と衛星 4 0 2の距離、（_{U l}, V い _Wl) は衛星 4 0 2から見た観測者 4 0 1 の速度である。

この場合、方程式 ( 1 2) 〜 ( 1 4) を (x , y, z ) について解くと、 2 次方程式なので 2組の解が得られる。そこで、あらかじめ分かっている測定点の大域的な位置情報を用いて、一方の解を選択する。 (b) 特殊相対論的効果を無視した場合

(X - Xjjuj + (y - (15)

(χ一 ])² + (y - y,)² + (z— z,)² = L,² (16)

(x - χ_Ε)² + (y - y_E)² + (z - z_E)² = R_E (17)

ただし、 Δωは（10) 式で表される。

この場合、方程式（15) 〜（17) を（_X， y, z) について解くと、上記（a) の場合と同様に 2組の解が得られる。そこで、大域的な位置情報を用いて、一方の解を選択する。

以下では、簡単のため、上記（b) の特殊相対論的効果を無視した場合の測位アルゴリズムを用いた情報処理装置について説明する。

図 6は、本実施形態の情報処理装置の構成図である。図 6の情報処理装置は、アンテナ 601、 RFダウンコンバータ（RFDC) 部 602、アナログノデジタル（A/D) 変換器 603、相関器 604、距離計測モジュール 605 、航法データ解析モジュール 606、演算回路 607、および表示部 608からなる。

上述した測位アルゴリズムの計算をソフトウヱァにより実行する場合、演算回路 607はコンピュータを用いて構成され、図 7に示すように、 CPU (中央処理装置） 70 1とメモリ 702を含む。メモリ 702は、 ROM (Read Only Memory) および RAM (Random Access Memory) を含み、処理に必要なプログラムおよびデータを格納する。地球の中心位置（x_E， y_E， z_E) と半径 R_E、 GP S衛星の周波数 ω。、および光速 cの値は、既知のデータとしてあらかじめメモリ 702に格納される。

なお、処理に必要なプログラムおよびデータは、メモリカード、フレキシプノレディスク、 C D— R OM (Compact Disk Read Only Memory ) 、光デイスク、光磁気ディスク等の任意のコンピュータ読み取り可能な記録媒体を介して、情報処理装置にインストールすることができる。

また、情報処理装置は、無線ネットワーク等を介して、外部の装置（サーバ等）からプログラムおよびデータをダウンロードすることもできる。このとき、外部の装置は、プログラムおよびデータを搬送する搬送信号を生成し、無線ネットワーク上の伝送媒体を介して情報処理装置に送信する。

図 8は、図 6の情報処理装置による単独測位の動作フローチヤ一トである。まず、アンテナ 6 0 1は、 G P S衛星からの電波を受信し、 1 ? 0〇部6 0 2 は、受信波を I F帯の信号に変換する（ステップ 8 0 1 ) 。

次に、ノ0変換器6 0 3は、 R F D C部 6 0 2から出力される信号をデジタル信号に変換し、相関器 6 0 4は、得られたデジタル信号を元に受信周波数を検索する（ステップ 8 0 2 ) 。

このとき、相関器 6 0 4は、 A/D変換器 6 0 3から出力されるデジタル信号にターゲット衛星の C Aコードを掛け合わせて、ドップラーシフト量 Δ coとコードシフト量を求め、 Δ ωを演算回路 6 0 7に出力し、コードシフト量を距離計測モジュール 6 0 5に出力する。

次に、情報処理装置は、ターゲット衛星から航法データを受信し、航法データ解析モジュール 6 0 6は、相関器 6 0 4の出力から航法データを抽出して演算回路 6 0 7に出力する（ステップ 8 0 3 ) 。

距離計測モジュール 6 0 5は、コードシフト量から測定点とターゲット衛星の擬似距離を算出し、演算回路 6 0 7に出力する（ステップ 8 0 4 ) 。ターゲット衛星と情報処理装置の時計誤差が十分小さい場合は、この擬似距離を測定点とターゲット衛星の距離 1^として用いることができる。

演算回路 6 0 7は、 Δ ωと航法データを用いて円錐面のパラメータを計算する（ステップ 805) 。このとき、ェフエメリスデータからターゲット衛星の位置（Xい y _{Z l}) とターゲット衛星に対する測定点の相対速度（uい V ₁； _Wl) を求め、 Δ ωと ω。から ωを求めて、式（15) の定数項と未知数 x、 y、および zの係数を計算する。

次に、擬似距離を 1^として用いて、方程式（15) 〜（17) を（x， y , z ) について解き、測定点の位置を算出する（ステップ 806) 。ここで、解が 2組得られた場合は、ソフトウエアフィルタ（大域的な位置情報）を用いて解を 1組に絞り込む。表示部 608は、算出された位置の情報を測位結果として画面に表示する。

図 6の構成では、ターゲット衛星から受信した航法データを用いて測定点の位置を計算しているが、ネットワーク上に設けられたサーバからターゲット衛星の航法データを取得することも可能である。

また、相関器 604を用いてドップラーシフト量 Δωを計測する代わりに、ドップラーシフト計測モジュール 609を別に設けて Δ ωを計測してもよい。この場合、ドップラーシフト計測モジュール 609は、 A/D変換器 603の出力信号から Δ ωを求めて演算回路 607に出力する。

ところで、上述した測位ァルゴリズムでは、衛星と情報処理装置の時計が正確に同期していることが前提条件となっている。このような条件は、通常、何らかの方法で単独測位を一度行った直後に有効となるが、最初の測位時には用いることができない。そこで、衛星と情報処理装置の時計が同期していない場合は、複数の衛星を用いて測位を行う必要がある。この場合の測位ァルゴリズムを、以下に説明する。

2つの GP S衛星を用いた場合、式（15) および（16) が 2組得られ、時計誤差を表す式（1) が 2組得られ、さらに式 (17) が拘束条件として存在する。したがって、解くべき方程式は次の 7つとなる。 (x - ^u, + (y _ y^ , + (z - Zj)w, = cL, ~ ^ (18)

ω,

(x - x₂)u₂ + (y - y₂)v₂ + (z - z₂)w₂ = cL₂ —— - (19)

ω₂

(x 一 Xj)² + (y - y,)² + (z - z,)² = L,² (20)

(x - x₂)² + (y - y₂)² + (z - z₂)² = L₂ ² (21)

(x - Xj)' + (y - y,)' + (z — z,)² + cAT = R, (22)

( 一 x₂)² + (y - y₂y + (z - z₂)² + cAT = R₂ (23)

Tx一 x_E)² + (y - y_E)² + (z - z_E)² = R_E (24)

ただし、各パラメータの定義は以下の通りである。

( Xい yい _{Z l}) ：第 1の衛星の位置

(u ₁； V い _Wl) ：第 1の衛星に対する測定点の相対速度

L！：測定点と第 1の衛星の距離

R α ：測定点と第 1の衛星の擬似距離

厶 ω i：第 1の衛星のドップラーシフト量

ω ：第 1の衛星の見かけの周波数

(χ ₂, y 2, z ₂) ：第 2の衛星の位置 .

(u ₂， V ₂, w₂) ：第 2の衛星に対する測定点の相対速度

L ₂ ：測定点と第 2の衛星の距離

R₂ ：測定点と第 2の衛星の擬似距離

Δ ω₂ ：第 2の衛星のドップラーシフト量

ω ₂ ：第 2の衛星の見かけの周波数

ΔΤ：時計誤差（2つの衛星に共通）

距離 iと擬似距離 R ₅の間には、 L i = R i— c Δ Tの関係が成り立つので、方程式（20) と（22) は互いに従属しており、方程式（21) と（23 ) も互いに従属している。そこで、従属な 2つの方程式を除くと、解くべき方程式の数は 5つとなる。一方、未知数は、測定点の位置（x， y , z ) と時計誤差 ΔΤの 4つであるから、方程式が 1つ余ることになる。この冗長性を利用すると、測位誤差を削減することが可能になる。

ここでは、誤差が混入する変量を Δω に限定する。 Δω _;が変動すると、算出される測定点の位置は、地球表面上で図 9のようにほぼ直線状に変化し、位置同定誤差を表す線分を形成する。実際には、測定点の位置は円弧状に変化するが、地球の半径は非常に大きいのでほぼ直線状に変化するものとみなせる図 9において、衛星 901は、速度べクトル 902に従って衛星軌道上を移動しており、地球表面 907上の線分は、衛星の速度方向に平行となる。線分の始点 906の位置（ X , y , z ) は、 Δ ω；の理論最小値に対応するドップラー効果の円錐面 904から算出され、終点 905の位置（X , y , z) は、 Δ ω iの理論最大値に対応する円錐面 903力、ら算出される。

Δ ω iの理論最大値および理論最小値は、計測結果から推定されるドッブラ一シフト量の上限値および下限値を表す。例えば、 Δ ω の最小計測単位が 1 Hzであり、 1234Hzという計測結果が得られたとすると、理論最大値は 1235Hzとなり、理論最小値は 1233Hzとなる。

ここで、図 10に示すように、 2つの衛星による計測結果から得られた 2つの線分 1001および 1002が交われば、その交点 1003の位置が正確な位置に最も近いと考えられる。したがって、この位置を測位点の位置として採用すれば、測位誤差は極めて小さくなり、理論的には、 Δω_¾に起因する測位誤差はほぼ 0となる。ただし、他の要因による誤差については、考慮していない。

このような測位アルゴリズムを用いた場合の基本的な動作は、図 8と同様である。ただし、この場合、 2つのターゲット衛星のそれぞれについて、ステツプ 801〜804の動作が行われる。そして、ステップ 805および 806において、演算回路 607は、以下のような処理を行う。

(1一 1) Δ ω の理論最大値と方程式（18) 、（22) 、（23) 、および（24) を用いて、（x， y , z) と ΔΤを求める。

(1 -2) Δ ω の理論最小値と方程式（18) 、（22) 、（23) 、および（24) を用いて、（x， y , z) と ΔΤを求める。

(1— 3) Δω₂の理論最大値と方程式（19) 、（22) 、（23) 、および（24) を用いて、（X , y , z ) と ΔΤを求める。

(1— 4) Δω₂の理論最小値と方程式（19) 、（22) 、（23) 、および（24) を用いて、（X , y , z) と ΔΤを求める。

(1 -5) Δ ω iの理論最大値から求めた点と Δ ω の理論最小値から求めた点を結ぶ第 1の直線の方程式を求める。

(1— 6) Δ ω₂の理論最大値から求めた点と Δ ω ₂の理論最小値から求めた点を結ぶ第 2の直線の方程式を求める。

(1 -7) 第 1および第 2の直線の交点を求め、得られた交点が次の 2つの線分上にあることを確認する。

- Δ ω の理論最大値から求めた点と Δ ω の理論最小値から求めた点を結ぶ線分

- Δ ω ₂の理論最大値から求めた点と Δ ω ₂の理論最小値から求めた点を結ぶ線分

交点がいずれかの線分上にない場合は、 Δ ω _;の最小計測単位を所定値だけ増加させて上記（1— 1) 〜（1— 7) の処理を繰り返す。そして、 2つの線分の交点が得られたとき、その交点の位置を測定点の位置として出力する。このような測位アルゴリズムによれば、衛星と情報処理装置の時計が同期していない場合でも、 2つの衛星からの受信波のみを用レ、て測位点の位置を算出することができる。また、同時に得られた ΔΤを用いて情報処理装置の時計を衛星の時計に同期させれば、しばらくの間は、前述した 1つの衛星のみによる単独測位が有効となる。

2つの衛星を捕捉する代わりに、測定点が動かない状態で 1つの衛星を時間差で捕捉した場合も、同様の測位アルゴリズムが使用できる。この場合、情報処理装置は、最初の衛星捕捉から一定時間経過後に再び同じ衛星を捕捉し、最初の捕捉時の衛星を第 1の衛星とみなし、 2回目の捕捉時の衛星を第 2の衛星とみなして、以下の手順で測位を行う。

(2- 1) ターゲット衛星を捕捉し、それを第 1の衛星とみなして上記（1一 1) および（1— 2) の処理を行う。

(2-2) 一定時間経過後に改めて同じ衛星を捕捉し、それを第 2の衛星とみなして上記（1一 3) および（1—4) の処理を行う。

(2- 3) 上記（1— 5) 〜（1一 7) の処理を行う。交点がいずれかの線分上にない場合の処理については、上述した通りである。

以上説明した実施形態では、 1つまたは 2つの G P S衛星を用いた測位方法について説明したが、測位に用いる衛星の数は 1つまたは 2つに限られるわけではなく、測位精度を向上させるためにより多くの衛星を用いても構わない。

Claims

請求の範囲

1 . G P S衛星からの電波を用いて現在位置を測定する情報処理装置であつて、

前記衛星からの電波の周波数のドップラーシフトを求めるドップラーシフト計測部と、

前記衛星からの信号を用いて、該衛星と測定点の擬似距離を求める距離計測部と、

前記衛星の航法データを取得するデータ取得部と、

前記航法データから前記衛星の位置および前記測定点と該衛星の相対速度を求め、得られた衛星の位置および相対速度、前記ドップラーシフト、および前記擬似距離を用いて、該測定点の位置を計算する演算部と

を備えることを特徴とする情報処理装置。

2 . 前記ドップラーシフト計測部は、前記衛星からの信号と所定のコードの相関値を求めてコードシフト量を生成する相関器を含み、該相関器の出力から前記ドップラーシフトを求め、前記距離計測部は、該相関器が生成するコードシフト量から前記擬似距離を求めることを特徴とする請求項 1記載の情報処理装置。

3 . 前記演算部は、前記測定点と同じドップラーシフトが観測される円錐面の方程式と、該衛星と該測定点の距離を半径とする球面の方程式と、地球表面を表す方程式とを用いて、前記測定点の位置を計算することを特徴とする請求項 1記載の情報処理装置。

4 . 前記演算部は、前記円錐面の方程式、球面の方程式、および地球表面を表す方程式を用いて前記測定点の位置を 2つ求め、測定点の大域的な位置情報を用いて 2つの位置のうちの 1つを選択することを特徴とする請求項 3記載の情報処理装置。

5 . 前記演算部は、前記衛星の時計と前記情報処理装置の時計が同期した後に、前記擬似距離を該衛星と前記測定点の実際の距離として用いて、前記測定点の位置を計算することを特徴とする請求項 1記載の情報処理装置。

6 . G P S衛星からの電波を用いて現在位置を測定する情報処理装置であつて、

第 1の衛星からの電波の周波数のドップラーシフトと、第 2の衛星からの電波の周波数のドップラーシフトを求めるドップラーシフト計測部と、

前記第 1の衛星からの信号を用いて、該第 1の衛星と測定点の擬似距離を求め、前記第 2の衛星からの信号を用いて、該第 2の衛星と測定点の擬似距離を求める距離計測部と、

前記第 1および第 2の衛星の航法データを取得するデータ取得部と、前記第 1の衛星の航法データから該第 1の衛星の位置および前記測定点と該第 1の衛皇の相対速度を求め、前記第 2の衛星の航法データから該第 2の衛星の位置および前記測定点と該第 2の衛星の相対速度を求め、得られた第 1の衛星の位置および相対速度、得られた第 2の衛星の位置および相対速度、前記第 1の衛星からの電波のドップラ一シフト、前記第 2の衛星からの電波のドップラーシフト、前記第 1の衛星と測定点の擬似距離、および前記第 2の衛星と測定点の擬似距離を用いて、該測定点の位置を計算する演算部と

を備えることを特徴とする情報処理装置。

7 . 前記演算部は、前記第 1の衛星からの電波のドップラーシフトの理論最大値を用いて計算される測定点の位置と、該第 1の衛星からの電波のドッブラーシフトの理論最小値を用いて計算される測定点の位置とを結ぶ第 1の線分を求め、前記第 2の衛星からの電波のドップラーシフトの理論最大値を用いて計算される測定点の位置と、該第 2の衛星からの電波のドップラーシフトの理論最小値を用いて計算される測定点の位置とを結ぶ第 2の線分を求め、得られた第 1および第 2の線分の交点の位置を計算することを特徴とする請求項 6記载の情報処理装置。

8 . 前記情報処理装置は、最初の衛星捕捉から一定時間経過後に再び同じ衛星を捕捉し、最初の捕捉時の衛星を第 1の衛星とみなし、 2回目の捕捉時の衛星を第 2の衛星とみなして、前記測定点の位置を求めることを特徴とする請求項 6記載の情報処理装置。

9 . G P S衛星からの電波を用いて現在位置を測定する情報処理装置であつて、

前記ドップラーシフトと擬似距離を組み合わせて用いることで、前記測定点の位置を計算する演算部と

を備えることを特徴とする情報処理装置。

1 0 . G P S衛星からの電波を用いて現在位置を測定する情報処理装置のためのプログラムであって、

前記衛星からの電波の周波数のドップラーシフトを取得し、

前記衛星からの信号を用いて計測された該衛星と測定点の擬似距離を取得し前記衛星の航法データを取得し、

前記航法データから前記衛星の位置およぴ前記測定点と該衛星の相対速度を求め、

得られた衛星の位置および相対速度、前記ドップラーシフト、および前記擬似距離を用いて、該測定点の位置を計算する

処理を前記情報処理装置に実行させることを特徴とするプログラム。

1 1 . 前記ドップラーシフトは、前記衛星からの信号と所定のコ一ドの相関値を求めてコードシフト量を生成する相関器の出力から求められ、前記擬似距離は、該相関器が生成するコードシフト量から求められることを特徴とする請求項 1 0記載のプログラム。

1 2 . 前記情報処理装置は、前記測定点と同じドップラーシフトが観測される円錐面の方程式と、該衛星と該測定点の距離を半径とする球面の方程式と、地球表面を表す方程式とを用いて、前記測定点の位置を計算することを特徴とする請求項 1 0記載のプログラム。

1 3 . 前記情報処理装置は、前記円錐面の方程式、球面の方程式、および地球表面を表す方程式を用いて前記測定点の位置を 2つ求め、測定点の大的な位置情報を用いて 2つの位置のうちの 1つを選択することを特徴とする請求項

1 2記載のプログラム。

1 4 . 前記情報処理装置は、前記衛星の時計と前記情報処理装置の時計が同期した後に、前記擬似距離を該衛星と前記測定点の実際の距離として用いて、前記測定点の位置を計算することを特徴とする請求項 1 0記載のプログラム。

1 5 . G P S衛星からの電波を用いて現在位置を測定する情報処理装置のためのプログラムであって、

第 1の衛星からの電波の周波数のドップラーシフトを取得し、

前記第 1の衛星からの信号を用いて計測された該第 1の衛星と測定点の擬似距離を取得し、

前記第 1の衛星の航法データを取得し、

第 2の衛星からの電波の周波数のドップラーシフトを取得し、

前記第 2の衛星からの信号を用レ、て計測された該第 2の衛星と測定点の擬似距離を取得し、

前記第 2の衛星の航法データを取得し、

前記第 1の衛星の航法データから該第 1の衛星の位置および前記測定点と該第 1の衛星の相対速度を求め、

前記第 2の衛星の航法データから該第 2の衛星の位置および前記測定点と該第 2の衛星の相対速度を求め、

得られた第 1の衛星の位置および相対速度、得られた第 2の衛星の位置および相対速度、前記第 1の衛星からの電波のドップラーシフト、前記第 2の衛星からの電波のドップラーシフト、前記第 1の衛星と測定点の擬似距離、および前記第 2の衛星と測定点の擬似距離を用いて、該測定点の位置を計算する処理を前記情報処理装置に実行させることを特徴とするプログラム。

1 6 . 前記情報処理装置は、前記第 1の衛星からの電波のドップラーシフトの理論最大値を用いて計算される測定点の位置と、該第 1の衛星からの電波のドップラーシフトの理論最小値を用いて計算される測定点の位置とを結ぶ第 1 の線分を求め、前記第 2の衛星からの電波のドップラーシフトの理論最大値を用いて計算される測定点の位置と、該第 2の衛星からの電波のドッブラーシフトの理論最小値を用いて計算される測定点の位置とを結ぶ第 2の線分を求め、得られた第 1および第 2の線分の交点の位置を計算することを特徴とする請求項 1 5記載のプログラム。

1 7 . 前記情報処理装置は、最初の衛星捕捉から一定時間経過後に再び同じ衛星を捕捉し、最初の捕捉時の衛星を第 1の衛星とみなし、 2回目の捕捉時の衛星を第 2の衛星とみなして、前記測定点の位置を求めることを特徴とする請求項 1 5記載のプログラム。

1 8 . G P S衛星からの電波を用いて現在位置を測定する情報処理装置のためのプログラムであって、前記衛星からの電波の周波数のドップラーシフトを取得し、前記衛星からの信号を用いて計測された該衛星と測定点の擬似距離を取得し前記ドップラーシフトと擬似距離を組み合わせて用いることで、前記測定点の位置を計算する

1 9 . G P S衛星からの電波を用いて現在位置を測定する情報処理装置のためのプログラムを記録した記録媒体であって、

該プログラムは、

前記航法データから前記衛星の位置および前記測定点と該衛星の相対速度を求め、

処理を前記情報処理装置に実行させることを特徴とする記録媒体。

2 0 . G P S衛星からの電波を用いて現在位置を測定する情報処理装置のためのプログラムを記録した記録媒体であって、

該プログラムは、

前記第 1の衛星の航法データを取得し、第 2の衛星からの電波の周波数のドップラーシフトを取得し、前記第 2の衛星からの信号を用いて計測された該第 2の衛星と測定点の擬似距離を取得し、

前記第 2の衛星の航法データを取得し、

前記第 2の衛星の航法データから該第 2の衛星の位置および前記測定点と該第 2の衛星の相対速度を求め、 '

得られた第 1の衛星の位置および相対速度、得られた第 2の衛星の位置および相対速度、前記第 1の衛星からの電波のドップラーシフト、前記第 2の衛星からの電波のドップラーシフト、前記第 1の衛星と測定点の擬似距離、および前記第 2の衛星と測定点の擬似距離を用いて、該測定点の位置を計算する処理を前記情報処理装置に実行させることを特徴とする記録媒体。

2 1 . G P S衛星からの電波を用いて現在位置を測定する情報処理装置のためのプログラムを記録した記録媒体であって、

該プログラムは、

前記衛星からの信号を用、て計測された該衛星と測定点の擬似距離を取得し前記ドップラーシフトと擬似距離を組み合わせて用いることで、前記測定点の位置を計算する

2 2 . G P S衛星からの電波を用いて現在位置を測定する情報処理装置のためのプログラムを搬送する搬送信号であって、

該プログラムは、前記衛星からの電波の周波数のドップラーシフトを取得し、前記衛星からの信号を用いて計測された該衛星と測定点の擬似距離を取得し前記衛星の航法データを取得し、

処理を前記情報処理装置に実行させることを特徴とする搬送信号。

2 3 . G P S衛星からの電波を用いて現在位置を測定する情報処理装置のためのプログラムを搬送する搬送信号であって、

該プログラムは、

前記第 1の衛星の航法データを取得し、

前記第 2の衛星からの信号を用いて計測された該第 2の衛星と測定点の擬似距離を取得し、

前記第 2の衛星の航法データを取得し、

得られた第 1の衛星の位置および相対速度、得られた第 2の衛星の位置および相対速度、前記第 1の衛星からの電波のドップラーシフト、前記第 2の衛星からの電波のドップラーシフト、前記第 1の衛星と測定点の擬似距離、および前記第 2の衛星と測定点の擬似距離を用いて、該測定点の位置を計算する処理を前記情報処理装置に実行させることを特徴とする搬送信号。

2 4 . G P S衛星からの電波を用いて現在位置を測定する情報処理装置のためのプログラムを搬送する搬送信号であって、

該プログラムは、

前記衛星からの信号を用いて計測された該衛星と測定点の擬似距離を取得し、

前記ドップラーシフトと擬似距離を組み合わせて用いることで、前記測定点の位置を計算する

2 5 . G P S衛星からの電波を用いて現在位置を測定する G P S測位方法であって、

前記衛星からの電波の周波数のドップラーシフトを計測し、

前記衛星からの信号を用いて、該衛星と測定点の擬似距離を計測し、前記衛星の航法データを取得し、

得られた衛星の位置および相対速度、前記ドップラーシフト、および前記擬 ' 似距離を用いて、該測定点の位置を計算する

ことを特徴とする G P S測位方法。

2 6 . G P S衛星からの電波を用いて現在位置を測定する G P S測位方法であって、第 1の衛星からの電波の周波数のドップラーシフトを計測し、前記第 1の衛星からの信号を用いて、該第 1の衛星と測定点の擬似距離を計測し、

前記第 1の衛星の航法データを取得し、

第 2の衛星からの電波の周波数のドップラーシフトを計測し、

前記第 2の衛星からの信号を用いて、該第 2の衛星と測定点の擬似距離を計測し、

前記第 2の衛星の航法データを取得し、

得られた第 1の衛星の位置および相対速度、得られた第 2の衛星の位置およぴ相対速度、前記第 1の衛星からの電波のドップラーシフト、前記第 2の衛星からの電波のドッブラーシフト、前記第 1の衛星と測定点の擬似距離、および前記第 2の衛星と測定点の擬似距離を用いて、該測定点の位置を計算することを特徴とする G P S測位方法。

2 7 . G P S衛星からの電波を用いて現在位置を測定する G P S測位方法であって、

前記衛星からの信号を用いて、該衛星と測定点の擬似距離を計測し、前記ドップラーシフトと擬似距離を組み合わせて用いることで、前記測定点の位置を計算する

ことを特徴とする G P S測位方法。 ·