WO2005024458A1

WO2005024458A1 - 三次元測位システム

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Publication number: WO2005024458A1
Application number: PCT/JP2004/010448
Authority: WO
Inventors: Gorou Yamamoto; Masayuki Kanzaki; Yoshikatsu Iotake; Hideshi Kakimoto
Original assignee: Nippon Gps Solutions Corporation
Priority date: 2003-09-02
Filing date: 2004-07-15
Publication date: 2005-03-17
Also published as: CN1842722A; JP2005077291A

Abstract

移動局である測位装置１によりＧＰＳ衛星Ｓからの電波を受信して三次元位置を測定するとともに地上側に設けられた基準局２からの補正データを用いて、当該測位装置１における三次元位置の測定精度の向上を図るようにした三次元測位システムであって、エリア内の複数箇所に配置された基準局２からの擬似距離および電離層変化率に関する補正データを双一次補間法に基づき修正した修正補正データを、測位装置１における補正用として用いたものである。

Description

明三次元測位システム技術分野

本発明は、 G P S測位方式を用いた三次元測位システムに関するものである。背景技術

最近、土木測量分野での位置測定、および車両、船舶などの移動体の位置測定においては、 G P S衛星からの電波を受信して三次元位置を得るようにした G P S測位方式（全地球測位システム）が利用されている。

この G P S測位については、大きく分けて、単独測位方式と相対測位方式とがあるが、高い精度が要求される場合には、相対測位方式が用いられている。

そして、この相対測位方式には、ディファレンシャル方式、スタティック方式、キネマティック方式、リアルタイムキネマティック方式などがある。このうち、相対測位方式は、基本的には、位置が既知である基準局（固定局）で得られた補正データを用いて、例えば電波が電離層および大気層を通過する際の伝搬路遅延量に基づく誤差を除去するようにしたものである（例えば、特開平 6 — 1 8 6 4 9号公報参照）。

ところで、従来のディファレンシャル方式によると、基準局はかなりの間隔（距離）でもって配置されており、例えば半径 1 0 0 〜 2 0 0 k mの範囲においては、同一の補正データが配信されており、したがって測定位置（地点）が基準局.からかなり離れている場合には、どうしても、測定誤差が発生するという問題がある。

より具体的に説明すれば、伝搬路遅延量については、基準局と自己の測定位置との距離（基線）が長くなるにつれて、それぞれの遅延量の違いが大きくなり、測定精度が低下するという問題がある。

このような問題を解決する方法として、例えば G P S衛星からの L 1 帯および L 2帯の 2つの周波数の信号を用いて伝搬路遅延量を補正する方法があるが、 2 つの周波数を用いて測定を行う G P S受信機については、その価格が高いという課題がある。

そこで、本発明は、安価な構成にて、測定精度を向上させ得る三次元測位システムを提供することを目的とする。発明の開示

本発明の第 1 の三次元測位システムは、移動局である測位装置により G P S衛星からの電波を受信して三次元位置を測定するとともに地上側に設けられた固定局からの補正データを用いて、当該測位装置における三次元位置の測定精度の向上を図るようにしたシステムであって、

複数箇所に配置された固定局からの擬似距離および電離層変化率に関する補正データをそれぞれ双一次補間法に基づきまたは平均をとることによりそれぞれ修正してなる修正補正データを、上記測位装置における補正用として用いるようにしたことを特徴とするものである。

また、本発明の第 2 の三次元測位システムは、上記第 1 の三次元測位システムでの測位し得る範囲を、予め、複数のエリアに分割するとともに、測位装置が位置するエリアに応じて修正補正データを作成するようにしたことを特徵とするものである。

また、本発明の第 3 の三次元測位システムは、上記第 1 または第 2 の三次元測位システムの測位装置において、所定時間おきに、 G P S衛星までの擬似距離および搬送波位相端数分を求めるとともにこれらの差であるアンビギュイティを求め、次にこれら求められた所定時間おきの複数のアンビギュイティの平均値を求め、次にこの平均値に係るアンビギュイティを修正補正データに基づき補正した後、当該補正後のアンピギュイティに上記搬送波位相端数分を加算することにより、 G P S衛星までの距離を算出するようにしたことを特徵とするものである。

また、本発明の第 4の三次元測位システムは、移動局である測位装置により G P S衛星からの電波を受信して三次元位置を測定するとともに地上側に設けられた固定局からの補正データを用いて、当該測位装置における三次元位置の測定精度の向上を図るようにしたシステムでめって、

測位し得る範囲を、予め、複数のエリアに分割しておき、これら各エリアに配置された固定局からの擬似距離および電離層変化率に関する補正データをそれぞれ受け取るとともに、これら補正データを当該測位装置の位置に応じて双一次補間法に基づきまたは平均をとることによりそれぞれ修正してなる修正補正データを作成し且つこの修正補正データを当該測位装置に配信する配信施設を具備したことを特徵とするものである。

さらに、本発明の第 5 の三次元測位システムは、移動局である測位装置により G P S衛星からの電波を受信して三次元位置を測定するとともに地上側に設けられた固定局からの補正データを用いて、当該測位装置における三次元位置の測定精度の向上を図るようにした三次元測位システムであって、

測位し得る範囲を、予め、複数のエリアに分割しておき、これら各エリアに配置された固定局からの擬似距離および電離層変化率に関する補正データをそれぞれ受け取るとともに、これら補正データを当該測位装置の位置に応じて双一次補間法に基づきまたは平均をとることによりそれぞれ修正してなる修正補正データを作成し得る配信施設を具備し、

さらに上記測位装置にて所定時間おきに求められた G P S衛星までの擬似距離および搬送波位相端数分を上記配信施設に入力し、且つ当該配信施設にて、所定時間おきに求められた擬似距離と搬送波位相端数分との差であるアンビギュイティをそれぞれ求めた後、これら求められた所定時間おきの'複数のアンビギュイティの平均値を求め、次にこの求められたアンビギュイティを上記修正補正デ一夕を用いて補正をした後、当該補正後のアンビギュイティに上記搬送波位相端数分を加算することにより、 G P S衛星までの距離を算出し、次にこの距離に基づき上記測位装置の三次元位置を求めた後、この三次元位置を移動局である測位装置に送信するようにしたことを特徴とするものである。

上記の構成によると、 G P S衛星からの電波を受信して、搬送波位相に基づき測位装置の三次元位置を求める際に、その周囲に設置されている複数の固定局にて得られた擬似距離および電離層変化率に関する補正データを双一次補間法に基づきまたは平均をとることにより修正してなる修正補正データを用いて、そのアンビギュイティを補正するようにしたので、例えば 1 つの固定局からの補正デ一夕に基づき補正する場合に比べて、測定精度の向上を図ることができ、しかも、 1 周波数型の G P S受信機を採用した場合でも、測定精度を低下させることがないので、安価で且つ測定精度の良い測位システムが得られる。

また、修正補正データを配信する配信施設を具備することにより、三次元測位システムの効率的な運用を行うことができる。

さらに、配信施設において、測位装置から送信される擬似距離および搬送波位相端数分に基づき、アンビギュイティを求めた後、修正補正データを用いてアンビギュイティを補正して、精度の良い三次元位置を求め、この三次元位置を測位装置に配信することにより、測位装置での演算処理能力の軽減を図ることができるとともに、当該配信施設にて、測位装置が具備された物体の位置管理などを行うこともできる。図面の簡単な説明

図 1 は、本発明の好ましい三次元測位システムの概略全体構成を示す図、

図 2 は、同三次元測位システムにおける三次元測位装置の概略構成を示すブロック図、

図 3 は、同三次元測位システムにおける配信施設の概略構成を示すブロック図、

図 4 は、同三次元測位システムにおける高精度位置演算部の概略構成を示すブロック図、図 5 は、同 Ξ次元測位システムにおける測位動作を説明するための図、

図 6 は、同三次元測位システムにおける修正補正データを説明するための図である。

発明を実施するための最良の形態

本発明を、添付の図面に従って、より詳細に説明する。

まず、本発明の第 1 の形態に係る三次元測位システムを、図 1 〜図 6 に基づき説明する。

この三次元測位システムは、全地球測位システム（ G P S ともいう）を用いており、具体的には、ディファレンシャル測位方式（ D G P S方式ともいう）が用いられており、移動局である三次元測位装置により、 G P S衛星からの電波を受信してその三次元位置を測定するとともに複数箇所に設置された固定局である基準局からの補正デ—夕を用いて、当該三次元測位装置での測定精度の向上を図るようにしたものである。

すなわち、図 1 に示すように、この三次元測位システムには、少なくとも 4個の G P S衛星 Sからの電波を受信して自己の三次元位置を測定する三次元測位装置（ G P S受信機でもあり、以下、測位装置という） 1 と、三次元位置が既知とされた複数箇所にそれぞれ設置された基準局 2 と、これら各基準局 2 にて得られた補正データをネットワーク回線（無線による通信回線または放送型の一方向通信でもよい） 3 を介して受信するとともに、その測位装置 1-の現在位置に基づきこれら補正データに修正を施した修正補正データを当該測位装置 1 に配信するための配信施設 4 とが具備されている。なお、図 1 には、データ通信装置（後述する） 1 2 の無線用アンテナ 1 2 aが、また基準局 2側の G P S用受信アンテナ 2 aが、さらに配信施設 4側の無線用アンテナ 4 aが示されている。

上記測位装置 1 は、図 2 に示すように、 G P S衛星 Sからの電波を受信する電波受信器（具体的には、 G P S用受信アンテナである ) 1 1 と、少なくとも配信施設 4からの修正補正データを受信するデータ通信装置（例えば、無線によるデータ送受信機が用いられる ) 1 2 と、上記電波受信器 1 1 にて受信した電波から測位用コード ( Cノ Aコード）を抽出して G P S衛星までの擬似距離および搬送波位相の観測データを検出する観測データ検出器（例えば、測位用コードに基づき擬似距離を求める回路、搬送波位相のカウント回路などを有するもの） 1 3 と、この観測データ検出器 1 3 にて得られたデータを入力して擬似距離に基づき擬似位置を単独で演算する擬似位置演算部（例えば、演算回路である） 1 4 と、この擬似位置演算部 1 4 にて得られた擬似距離および上記観測データ検出器 1 3 -にて得られた搬送波位相を入力して精度良く位置を演算する高精度位置演算部（例えば、演算回路である） 1 5 と、基準局 2 に対する相対位置を演算する相対位置演算部 1 6 と、上記演算部などを制御する制御装置 1 7 と、この制御装置 1 7 に接続されたキーボードなどの入力機器 1 8 と、演算された三次元位置を表示する液晶表示板などの表示機器 1 9 とから構成されている。勿論、これら各機器の他に、三次元位置を演算する際に必要な記憶部などが具備されている。なお、搬送波位相にはノイズが含まれているため、この搬送波位相を検出するに際し、カルマンフィルタなどのフィル夕が用いられてノイズが除去されている。次に、基準局 2 について説明する。

各基準局 2 においては、 2周波数型（ L 1 帯， L 2帯）の G P S 受信機を用いることで、 G P S衛星からの信号の搬送波位相および信号の到達時間が測定されて、基準局 2 と G P S衛星 S との間の距離が精度良く求められる。

このとき、 G P S衛星 Sから発信される L 1 帯（ 1 5 7 5. 4 2 MH z ) および L 2帯（ 1 2 2 7 . 6 M H z ) の周波数信号を受信することで、基準局 2 において、電波が電離層を通過する際の電離層遅延の変化率（変動率ともいう）が求められるとともに、測位用コードにより求められる擬似距離に関する補正デ一夕（距離データ ) についても求められる。そして、この電離層変化率も、擬似距離に関する補正データとともに、補正用として用いられる。

次に、上記配信施設 4について説明する。

この配信施設 4 には、図 3 に示すように、測位装置 1 から入力される位置データ（擬似位置）に基づき、当該測位装置 1 が含まれるエリア（例えば、日本国土を 1 0 0 〜 2 0 0 1 111ズ 1 0 0〜 2 0 0 k m程度の大きさにて区画した地域）を選択するエリア選択部 2 1 と、このエリア選択部 2 1 により選択されたエリアにおける各基準局 2から送信される擬似距離に関する補正データおよび電離層変化率を入力して、これらに、双一次曲面を用いて補間データを求める双一次補間法を適用して修正補正データを得るための修正補正デー夕演算部 2 2 と、各測位装置 1および各基準局 2 との間でデータの受け渡しを行うためのデータ通信装置 2 3 とが具備されている。勿論、各基準局 2からの補正データおよび測位装置 1 からの位置デー夕は、上記データ通信装置 2 3 を介して入力される。ここで、上記高精度位置演算部 1 5 を、図 4 に基づき、詳しく説明する。

この高精度位置演算部 1 5 は、観測データ検出器 1 3からの擬似距離！ 0および搬送波位相 Φの端数分 Φを入力してその差 ( p _ Φ ) であるアンビギュイティ Nを演算するアンビギュイ'ティ演算部 3 1 と、このアンビギュイティ演算部 3 1 にて得られた複数個のアンビギュイティ Nの平均を求めて仮アンビギュイティ N ' を求める仮ァンビギュイティ演算部 3 2 と、この仮アンビギュイティ N ' に配信施設 4から送られてきた修正補正データ [修正された擬似距離に関する補正データおよび電離層変化率] を用いて補正を行い精度の良い高精度アンビギュイティ N〃を演算する高精度アンビギュイティ演算部 3 3 と、この高精度アンビギュイティ演算部 3 3 にて得られた高精度アンビギュイティ N〃に搬送波位相端数分 φを加算して精度の良い高精度距離！ 0 ' を演算する高精度距離演算部 3 4 とから構成されている。なお、上記高精度アンビギュイティ演算部 3 3 においては、修正補正データである電離層変化率に基づき予測される電離層の影響をなくすようにアンビギュイティが補正される。例えば、電離層変化率から予測される電離層の影響を打ち消すようなパラメ一夕（係数）が用いられてアンビギュイティの補正が行われる。上記三次元測位システムにおいて、ディファレンシャル方式を用いた測位動作について説明する。

測位装置 1 により三次元位置を測定する場合、少なくとも 4個の G P S衛星 Sからの電波が電波受信器 1 1 iこて受信されるとともにこの受信された信号が観測データ検出器 1 3 に入力され、ここで、 L 1帯の周波数に載っている測位コードに基づき擬似距離 |0および 0448

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L 1帯の信号に基づき搬送波位相 Φが求められる。

そして、この擬似距離が擬似位置演算部 1 4 に入力されて擬似的な三次元位置が求められるとともに、この位置データが配信施設 4 に送信されて当該測位装置 1 に係る修正補正データが求められる。すなわち、配信施設 4 においては、図 5 に示すように、その測位装置 1 から送られた位置データに基づき、エリア選択部 2 1 により、当該測位装置 1 が含まれるエリアが選択される。そして、このェリアに属する複数、例えば 4 つの基準局 2から入力された擬似距離に関する補正データおよび電離層変化率が修正補正データ演算部 2 2 に入力される。この修正補正データ演算部 2 2 において、それぞれのデ一夕が双一次補間法に基づき、すなわち図 6 に示すように、エリア内の複数の基準局 2 による補正デ一夕に基づき得られた双一次曲面上の当該測位装置（移動局） 1 の三次元位置に応じて一義的に定まる値（勿論、この値は、擬似距離に関する補正量および電離層変化率である）が修正補正デ一夕として求められる。

上記求められた修正補正データが配信施設 4から測位装置 1 にデ —夕通信装置 2 3 を介して無線により送信され、この修正補正デ一夕に基づき高精度位置演算部 1 5 にて精度の良い G P S衛星までの高精度距離 |0 ' が求められる。なお、修正補正データの電離層変化率が入力されると、上述したように、この変化率に基づきアンビギユイティの補正が行われる。そして、この高精度距離が相対位置演算部 1 6 に入力されて、当該測位装置 1 の三次元位置が高精度でもって求められる。

勿論、上記高精度位置演算部 1 5 においては、まず、観測データ検出器 1 3 からの擬似距離 |0および搬送波位相 Φがアンビギュイティ演算部 3 1 に入力されてその差 ( p - ) であるアンビギュイティ Nが求められ、次にこのアンピギュイティ演算部 3 1 にて得られた複数個のアンビギュイティ Nが仮アンビギュイティ演算部 3 2 に入力されてその平均値である仮アンビギュイティ N ' が求められる。

次に、この仮アンピギュイティ N ' が高精度アンビギュイティ演算部 3 3 に入力されて配信施設 4からの修正補正データに基づき擬似距離に関する補正値および電離層変化率に基づき精度の良い高精度アンビギュイティ N〃が求められ、この高精度アンビギュイティ N〃が高精度距離演算部 3 4に入力されて搬送波位相端数分 φが加算されて精度の良い高精度距離 P ' が求められることになる。

このように、 G P S衛星 Sからの電波を受信して、搬送波位相により測位装置 1 の三次元位置を求める際に、当該測位装置 1 が位置するエリアの複数の基準局 2 にて且つ双一次補間法に基づきそれぞれ得られた擬似距離に関する補疋データおよび電離'層変化率の修正補正データを用いて補正を行うようにしているので、例えば 1 つの基準局にて得られた補正データを用いて補正する場合に比べて、測定精度の向上を図ることができる。

勿論、本第 1 の形態に係る測位装置 1 としては 1 周波数型の G P S受信機が採用されており、このような 1 周波数型のものであっても、測定精度を低下させることがないので、安価で且つ測定精度の良い測位システムが得られる。また、 L 2帯は電波強度が弱いので使用範囲が限定されるが、電波強度の強い L 1 帯だけを使用するため、従来の 2周波数型のものよりも、その使用範囲を広げることができる。さらに、修正補正データを配信する配信施設を具備しているので、三次元測位システムの効率的な運用を行うことができる。次に、本発明の第 2 の形態に係る三次元測システムについて簡単に説明する。

上記第 1 の形態においては、配信施設 4 にて求められた修正補正データを測位装置 1 に送信して当該測位装置 1 の高精度位置演算部 1 5 にて搬送波位相におけるアンビギュイティを補正するように説明したが、例えば測位装置 1 の観測データ検出器 1 3 にて得られた擬似距離および搬送波位相端数分を直接に配信施設 4 に送信し、当該配信施設 4に、高精度位置演算部 1 5 と同等の機能を具備させて、ここで、精度良く測位装置 1 の三次元位置を求め、そしてこの求められた三次元位置を測位装置 1 に送信するようにしてもよい。

このシステムを簡単に説明すると、測位装置により G P S衛星からの電波を受信して三次元位置を測定するとともに地上側に設けられた基準局からの補正データを用いて、当該測位装置における三次元位置の測定精度の向上を図るようにした三次元測位システムにおいて、測位し得る範囲を、予め、複数のエリアに分割しておき、これら各エリアに配置された基準局からの擬似距離および電離層変化率に関する補正データを受け取るとともに、これら補正データを当該測位装置の位置に応じて双一次補間法に基づき修正してなる修正補正デ一夕を作成し得る配信施設を具備し、さらに上記測位装置にて所定時間おきに求められた G P S衛星までの擬似距離および搬送波位相端数分を上記配信施設に送信し、且つ当該配信施設にて、所定時間おきに求められた擬似距離および搬送波位相端数分の差であるアンビギュイティをそれぞれ求めた後、これら求められた所定時間おきの複数のアンビギュイティの平均値を求め、次にこの求められたアンビギュイティを修正補正データに基づき補正した後、当該補正後のアンビギュイティに上記搬送波位相端数分を加算することにより、 G P S衛星までの距離を算出し、この算出された距離を上記測位装置に送信するようにしたものである。

勿論、この第 2 の形態に係る構成においても、上記第 1 の形態と同様の効果を有しており、さらに配信施設側にて、精度良く三次元位置を演算するようにしているので、測位装置での演算処理能力の軽減化を図ることができ、延いては、測位装置の製造コストの低減ィヒを図ることができる。

なお、このような構成に係るシステムを、測位装置が具備された端末装置の位置を、監視施設にて、常時または集中して監視するようなシステムに適用することができ、または配信施設において位置情報に付加価値をつけて端末装置側に送信するようなサービス（ A S P ：アプリケーション · サービス · プロバイダ）を展開することができる。

ところで、上記各形態においては、測位装置から送信される擬似位置に基づきエリアを選択するように説明したが、勿論、このようなサービスを自動で行う場合には、アクセスされた電話番号の局番から一番近いエリアを選択するようにしてもよい。また、エリアごとに無線の周波数を異ならせておき、それぞれのエリアに応じた修正補正データを無線にて送信しておくこともできる。

また、上記各形態においては、修正補正データとして擬似距離および電離層変化率を双一次補間法により求めたが、双一次補間法ではなく各エリアにおける基準局で得られた擬似距離および電離層変化率の平均をとり、これら平均値を用いてもよい。産業上の利用可能性

以上のように、本発明の三次元測位システムは、例えば地上での移動時における物体位置の正確な測定に利用することができ、極めて有用である。

Claims

請求の範囲

1 . 移動局である測位装置により G P S衛星からの電波を受信して三次元位置を測定するとともに地上側に設けられた固定局からの補正データを用いて、当該測位装置における三次元位置の測定精度の向上を図るようにした三次元測位システムであって、

複数箇所に配置された固定局からの擬似距離および電離層変化率に関する補正データをそれぞれ双一次補間法に基づきまたは平均をとることによりそれぞれ修正してなる修正補正データを、上記測位装置における補正用のデータとして用いたことを特徴とする三次元測位システム。

2 . 測位装置において、所定時間おきに、 G P S衛星までの擬似距離および搬送波位相端数分を求めるとともにこれらの差であるアンピギュイティを求め、次にこれら求められた所定時間おきの複のアンビギュイティの平均値を求め、次にこの平均値に係るアンビギユイティを修正補正デ一夕に基づき補正した後、当該補正後のアンビギュイティに上記搬送波位相端数分を加算することにより、 G P S衛星までの距離を算出するようにしたことを特徴とする請求項 1 に記載の三次元測位システム。

3 . 測位し得る範囲を、予め、複数のエリアに分割するとともに、測位装置が位置するエリアに応じて修正補正データを作成するようにしたことを特徴とする請求項 1 または 2 に記載の三次元測位システム。

4 . 移動局である測位装置により G P S衛星からの電波を受信して三次元位置を測定するとともに地上側に設けられた固定局からの補正データを用いて、当該測位装置における三次元位置の測定精度の向上を図るようにした三次元測位システムであって、

測位し得る範囲を、予め、複数のエリアに分割しておき、これら各エリアに配置された固定局からの擬似距離および電離層変化率に関する補正データをそれぞれ受け取るとともに、これら補正データを測位装置の位置に応じて双一次補間法に基づきまたは平均をとることによりそれぞれ修正してなる修正補正デ一夕'を作成し且つこの修正補正デ一夕を当該測位装置に配信する配信施設を具備したことを特徴とする三次元測位システム。

5 . 移動局である測位装置により G P S衛星からの電波を受信して三次元位置を測定するとともに地上側に設けられた固定局からの補正データを用いて、当該測位装置における三次元位置の測定精度の向上を図るようにした三次元測位システムであって、

さらに上記測位装置にて所定時間おきに求められた G P S衛星までの擬似距離および搬送波位相端数分を上記配信施設に入力し、且つ当該配信施設にて、所定時間おきに求められた擬似距離と搬送波位相端数分との差であるアンビギュイティをそれぞれ求めた後、これら求められた所定時間おきの複数のアンビギュイティの平均値を求め、次にこの求められたアンビギュイティを上記修正補正デ —夕を用いて補正をした後、当該補正後のアンビギュイティに上記搬送波位相端数分を加算することにより G P S衛星までの距離を算出し、次にこの距離に基づき上記測位装置の三次元位置を求めた後、この三次元位置を移動局である測位装置に送信するようにしたことを特徴とする三次元測位システム。