WO2014188919A1 - 位置検出装置、位置検出システム及び位置検出方法 - Google Patents

位置検出装置、位置検出システム及び位置検出方法 Download PDF

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WO2014188919A1
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position detection
positioning
detection device
distance
positioning satellite
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PCT/JP2014/062784
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上條　俊介
俊祐 三浦
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一般財団法人生産技術研究奨励会
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    • G01S19/01—Satellite radio beacon positioning systems transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
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    • G01S19/00—Satellite radio beacon positioning systems; Determining position, velocity or attitude using signals transmitted by such systems
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    • G01S19/39—Determining a navigation solution using signals transmitted by a satellite radio beacon positioning system the satellite radio beacon positioning system transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
    • G01S19/42—Determining position
    • G01S19/428—Determining position using multipath or indirect path propagation signals in position determination

Definitions

  • the present invention relates to a position detection device, a position detection system, and a position detection method.
  • portable devices such as a navigation device for a vehicle, a mobile phone, and a smartphone are equipped with a position detection device including a GPS (Global Positioning System) receiver, receive a signal from a GPS satellite orbiting the earth, and present position Is detected and output to a display screen or the like.
  • a position detection device including a GPS (Global Positioning System) receiver, receive a signal from a GPS satellite orbiting the earth, and present position Is detected and output to a display screen or the like.
  • GPS Global Positioning System
  • the radio wave transmitted by a GPS satellite is shielded (reflected) by a structure such as a high-rise building, a tree, terrain, reflection, Under the influence of diffraction and scattering, the GPS receiver is reached via various paths. That is, in urban areas and mountainous areas, the GPS receiver is affected by multipath, so the position detection device cannot output an accurate current position.
  • the current position detected by the signal from the GPS satellite is output as it is, and the detected current position is detected only when the existence of the structure that generates the multipath is found from the map information.
  • the position is corrected and the corrected current position is output. That is, it is assumed that the initial position, which is the current position detected by the signal from the GPS satellite, is generally correct, and correction for eliminating the influence of multipath is performed on the initial position as necessary.
  • the initial position which is the current position detected by the signal from the GPS satellite, is roughly Since the assumption that it is correct does not hold in the first place, even if correction is performed on such an initial position, the correct current position cannot be obtained.
  • the present invention solves the problems of the conventional position detection device, and can be performed in a short time and even in an environment where satellite signals from positioning satellites are complicatedly affected by structures, topography, and the like.
  • An object of the present invention is to provide a position detection device, a position detection system, and a position detection method capable of determining and outputting an accurate current position stably and at low cost.
  • a receiving unit that receives a satellite signal from a positioning satellite and calculates a pseudo distance to the positioning satellite based on the satellite signal, and a pseudo distance calculated by the receiving unit An initial position is calculated based on the three-dimensional map information, and pseudo distances to the positioning satellites at a plurality of positions around the initial position are calculated using three-dimensional map information and a ray-tracing method. Based on the pseudo distance And a positioning unit that selects a candidate position from the plurality of positions and determines a current position based on a candidate position whose distance from the initial position is small enough to satisfy a predetermined condition.
  • the plurality of positions are mesh grid points set around the initial position, and the positioning unit sets the mesh, and the mesh grid points Is set as a search point, and includes pseudo distances from each search point to each positioning satellite, including NLOS (Non-Line-of-Sight) reflection path delay distance estimated by 3D map information and ray tracing method
  • a search point pseudo distance is calculated, an evaluation position is calculated based on the search point pseudo distance, and a search point whose distance between the evaluation position and the initial position is equal to or less than a threshold value is selected as a candidate position.
  • the positioning unit further sets a mesh around the selected candidate position, sets the search point, calculates the search point pseudo distance, and calculates the evaluation position. And the selection of the candidate position is repeated.
  • the positioning unit determines a candidate position having a minimum distance from the initial position as the current position. If the number of selected candidate positions is equal to or greater than the predetermined number, a candidate position whose distance from the initial position is equal to or less than a threshold is selected again, and the reselected candidate position is the reciprocal of the distance from the initial position.
  • the current position is determined by calculating the weighted average value.
  • the plurality of positions are positions randomly set around the initial position, and the positioning unit sets the plurality of positions as search points, A search point pseudo distance from the search point to each positioning satellite and including the NLOS reflection path delay distance estimated by the three-dimensional map information and the ray tracing method is calculated, and candidates are calculated based on the search point pseudo distance.
  • a position is selected, a value based on the distance between the candidate position and the initial position is set as a likelihood, and a weighted average corresponding to the likelihood of the candidate position is determined as the current position.
  • the positioning unit is a pseudo distance from each search point to each positioning satellite, and is an NLOS reflection path delay estimated by three-dimensional map information and a ray tracing method.
  • a search point pseudo distance including a distance is calculated, and a search point having a high similarity between the set of search point pseudo distances and the set of pseudo distances calculated by the receiving unit is selected as a candidate position.
  • the positioning unit further uses a similarity between the set of search point pseudoranges and the set of pseudoranges calculated by the receiving unit as a criterion for selecting the candidate positions. Add more degrees.
  • the positioning unit further includes a position calculation unit that calculates the initial position, a peripheral search unit that searches for the plurality of positions, and a candidate position selection that selects the candidate position. And a current position determining unit that determines the current position.
  • the radio wave propagation from the positioning satellite passes through a certain range based on the edge of the structure included in the three-dimensional map information
  • the radio wave propagation is LOS.
  • the pseudorange to the positioning satellite is calculated in both cases, and the most likely one of LOS or NLOS is selected.
  • the radio wave propagation from the positioning satellite is directly compared with a case where it is assumed that the radio wave propagation is a reflection path reflected on the structure included in the three-dimensional map information.
  • the path is a path
  • the residual of the least squares method when calculating the initial position is smaller, it is determined that the structure does not exist.
  • radio wave propagation from the positioning satellite based on the waveform of the correlation wave output from the correlator provided in the receiving unit. Is LOS or NLOS.
  • a multipath error corresponding to the delay distance is further calculated, and the pseudo distance is corrected by the multipath error.
  • the coordinates of the wall surface are changed in the perpendicular direction. Then, a position where the residual of the least square method becomes small is searched, and the position is estimated to be the position of the wall surface.
  • a position detection device including a reception unit that receives a satellite signal from a positioning satellite and calculates a pseudo distance to the positioning satellite based on the satellite signal, and a communication with the position detection device
  • a position detection system having a server connected to the server, wherein the server calculates an initial position based on the pseudorange calculated by the receiving unit, and uses the three-dimensional map information and a ray tracing method to calculate the initial position.
  • a pseudo-distance to the positioning satellite at a plurality of positions in the vicinity of the position a candidate position is selected from the plurality of positions based on the pseudo-distance, and a candidate whose distance from the initial position is small enough to satisfy a predetermined condition
  • a satellite signal from a positioning satellite is received, a pseudo distance to the positioning satellite is calculated based on the satellite signal, an initial position is calculated based on the pseudo distance, and a three-dimensional A pseudo distance to the positioning satellite at a plurality of positions around the initial position is calculated using map information and a ray tracing method, a candidate position is selected from the plurality of positions based on the pseudo distance, and the initial position The current position is determined based on a candidate position that is small enough to satisfy the predetermined condition.
  • a receiving unit that receives a satellite signal from a positioning satellite and calculates a pseudo distance to the positioning satellite based on the satellite signal, three-dimensional map information, and a ray tracing method Is used to determine whether the radio wave propagation from the positioning satellite is LOS or NLOS. If it is LOS, it is determined whether the multipath includes both the direct path and the reflection path. And a positioning unit that corrects the pseudo distance calculated by the receiving unit in consideration of the delay of the reflection path when it is a path, and determines the current position based on the corrected pseudo distance.
  • the positioning unit further calculates a multipath error according to a delay distance of the reflection path, and corrects the pseudo distance by the multipath error.
  • the multipath error is calculated based on a model set in accordance with a characteristic of a correlator provided in the receiving unit.
  • the positioning unit may further be configured based on a waveform of a correlation wave output from a correlator included in the receiving unit when radio wave propagation from the positioning satellite is LOS. It is determined whether or not there is multipath.
  • the positioning unit further calculates an initial position based on the pseudo distance calculated by the receiving unit, and uses the three-dimensional map information and a ray tracing method to calculate the initial position.
  • a pseudo-distance to the positioning satellite at a plurality of positions in the vicinity of the position a candidate position is selected from the plurality of positions based on the pseudo-distance, and a candidate whose distance from the initial position is small enough to satisfy a predetermined condition
  • the current position is determined based on the position.
  • the plurality of positions are mesh lattice points set around the initial position, and the positioning unit sets the mesh, and the mesh lattice A point is set as a search point, a pseudo distance from each search point to each positioning satellite, and a search point pseudo distance including the NLOS reflection path delay distance estimated by the three-dimensional map information and the ray tracing method is calculated.
  • An evaluation position is calculated based on the search point pseudo distance, and a search point whose distance between the evaluation position and the initial position is equal to or less than a threshold is selected as a candidate position.
  • the positioning unit further sets a mesh around the selected candidate position, sets the search point, calculates the search point pseudo distance, and calculates the evaluation position. And the selection of the candidate position is repeated.
  • the positioning unit determines a candidate position having a minimum distance from the initial position as the current position. If the number of selected candidate positions is equal to or greater than the predetermined number, a candidate position whose distance from the initial position is equal to or less than a threshold is selected again, and the reselected candidate position is the reciprocal of the distance from the initial position.
  • the current position is determined by calculating the weighted average value.
  • the plurality of positions are positions randomly set around the initial position, and the positioning unit sets the plurality of positions as search points, A search point pseudo distance from the search point to each positioning satellite and including the NLOS reflection path delay distance estimated by the three-dimensional map information and the ray tracing method is calculated, and candidates are calculated based on the search point pseudo distance.
  • a position is selected, a value based on the distance between the candidate position and the initial position is used as a likelihood, and a weighted average corresponding to the likelihood of the candidate position is determined as the current position.
  • the positioning unit is a pseudo distance from each search point to each positioning satellite, and is an NLOS reflection path delay estimated by three-dimensional map information and a ray tracing method.
  • a search point pseudo distance including a distance is calculated, and a search point having a high similarity between the set of search point pseudo distances and the set of pseudo distances calculated by the receiving unit is selected as a candidate position.
  • the positioning unit further uses a similarity between the set of search point pseudoranges and the set of pseudoranges calculated by the receiving unit as a criterion for selecting the candidate positions. Add more degrees.
  • the positioning unit further includes a position calculation unit that calculates the initial position, a peripheral search unit that searches for the plurality of positions, and a candidate position selection that selects the candidate position. And a current position determining unit that determines the current position.
  • the coordinates of the wall surface are changed in the perpendicular direction. Then, a position where the residual of the least square method becomes small is searched, and the position is estimated to be the position of the wall surface.
  • the radio wave propagation from the positioning satellite passes through a certain range based on the edge of the structure included in the three-dimensional map information
  • the radio wave propagation is LOS.
  • the pseudo distance to the positioning satellite is calculated in both, and the most likely one of LOS or NLOS is selected.
  • the radio wave propagation from the positioning satellite is directly compared with a case where it is assumed that the radio wave propagation is a reflection path reflected on the structure included in the three-dimensional map information.
  • the path is a path
  • the residual of the least squares method when calculating the initial position is smaller, it is determined that the structure does not exist.
  • a position detection apparatus including a reception unit that receives a satellite signal from a positioning satellite and calculates a pseudo distance to the positioning satellite based on the satellite signal, and the position detection apparatus
  • a position detection system having a server communicably connected to the server, wherein the server uses three-dimensional map information and a ray tracing method to determine whether radio wave propagation from the positioning satellite is LOS or NLOS.
  • LOS it is determined whether or not the multipath includes both the direct path and the reflection path, and in the case of multipath, the pseudo distance calculated by the receiving unit is corrected in consideration of the delay.
  • a positioning unit for determining the current position based on the corrected pseudo distance, and transmitting the determined current position to the position detecting device.
  • a satellite signal from a positioning satellite is received, a pseudo distance to the positioning satellite is calculated based on the satellite signal, and three-dimensional map information and a ray tracing method are used. It is determined whether the radio wave propagation from the positioning satellite is LOS or NLOS. If it is LOS, it is determined whether it is a multipath including both a direct path and a reflection path.
  • the pseudo distance calculated by the receiving unit is corrected in consideration of the delay, and the current position is determined based on the corrected pseudo distance.
  • an accurate current position can be determined stably in a short time and at a low cost even in an environment where satellite signals from positioning satellites are complicatedly affected by structures, topography, and the like. Can be output.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a position detection system according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a diagram showing a three-dimensional map according to the first embodiment of the present invention.
  • (a) is a two-dimensional map
  • (b) is a three-dimensional map corresponding to (a).
  • reference numeral 11 denotes a position detection device of the position detection system in the present embodiment, which is communicably connected to an information providing server 31 as a server of the position detection system.
  • the information providing server 31 is a server disposed in an information center (not shown) that distributes various types of information such as map information, road information, and weather information, for example, an arithmetic device such as a CPU or MPU, a semiconductor memory, a magnetic
  • the computer includes a storage device such as a disk and an optical disk, a communication interface, and the like.
  • the position detection device 11 is a portable device that can be carried by a person or mounted on a vehicle such as an automobile, and receives a signal from a positioning satellite 41 described later. Any type of device may be used as long as it can detect the current position and output it to the display screen of the display device, for example, a mobile phone or a smartphone, but a portable information terminal, PDA ( A personal digital assistant (personal portable information terminal), a small personal computer, a wearable computer, a portable game machine, or a vehicle navigation device may be used.
  • PDA personal digital assistant
  • the position detection device 11 is a kind of computer, such as an arithmetic device such as a CPU or MPU, a storage device such as a semiconductor memory, a liquid crystal display, an LED (Light Emitting Diode) display, a CRT (Cathode Ray Tube), or the like.
  • An input device such as a display device, a keyboard, a joystick, a cross key, a push button, and a touch panel, a display control device that controls the display device, and a transmission / reception device such as a communication interface.
  • the position detection device 11 includes a receiving unit 12, a positioning unit 21, and a communication unit 17, as shown in the figure, from the viewpoint of functions.
  • the receiving unit 12 is similar to, for example, a commercially available GPS receiver, and includes a receiving unit 13 that receives a satellite signal transmitted from a positioning satellite 41, and all positioning satellites received by the receiving unit 13. Based on the satellite signal from 41, the pseudo distance calculation unit 14 that calculates and outputs the pseudo distance between the position of the positioning satellite 41 and the position of the position detection device 11 and the satellite signal transmitted from the positioning satellite 41 are received. And an antenna 15 for performing.
  • the positioning satellite 41 is specifically a GPS satellite orbiting the earth, but may include positioning satellites 41 such as the China COMPASS system, the European GALILEO system, and the Japanese Quasi-Zenith satellite system. Good. Further, the receiving unit 12 outputs information such as the position of the positioning satellite 41 received by the receiving unit 13 and information such as the pseudo distance calculated by the pseudo distance calculating unit 14 at predetermined time intervals (for example, every second). To do.
  • the positioning unit 21 includes a position calculation unit 22 that calculates the position of the position detection device 11, a peripheral search unit 23 that searches for a plurality of positions existing around the position calculated by the position calculation unit 22, and a position detection device
  • the NLOS reflection path estimation unit 24 as a multipath estimation unit for estimating the delay distance of the NLOS reflection path included in the multipath that can occur in radio wave propagation from the position 11 to the positioning satellite 41 and the peripheral search unit 23 searched.
  • a candidate position selection unit 25 that selects a candidate position based on the position, and an output as a current position determination unit that determines and outputs the current position of the position detection device 11 based on the candidate position selected by the candidate position selection unit 25
  • a determination unit 26 and a map database 27 that stores and stores map information including three-dimensional map information are included.
  • the position calculation unit 22 calculates the position of the position detection device 11 using the position of the positioning satellite 41 and the pseudo distance output from the reception unit 12.
  • the position calculation unit 22 also functions as an initial position calculation unit, and outputs the position of the position detection device 11 calculated initially as an initial position.
  • the NLOS reflection path estimation unit 24 estimates the NLOS reflection path delay distance using the three-dimensional map information and the ray tracing method.
  • the candidate position selection unit 25 calculates a pseudo distance at the position searched by the peripheral search unit 23, and sets the position selected based on the pseudo distance as a candidate position.
  • the candidate position selection unit 25 can also select a position whose distance from the position of the position detection device 11 calculated by the position calculation unit 22 is within a predetermined value as a candidate position.
  • the output determination unit 26 determines and outputs the current position of the position detection device 11 based on a candidate position whose distance from the position of the position detection device 11 calculated by the position calculation unit 22 is within a predetermined value.
  • the 3D map information preferably includes the height of a structure such as a high-rise building.
  • Such 3D map information may be commercially available or of any kind, but in this embodiment, the 3D map created by the inventor of the present invention is used.
  • two-dimensional coordinate information including structures and road shapes is acquired from the two-dimensional map information, and the three-dimensional map information is created by combining the information and altitude information.
  • an open street map Open Street Map: OSM
  • a numerical surface model Digital Surface Model
  • good-3D R
  • the digital elevation model Digital Elevation Model
  • the digital elevation model Digital Elevation Model is information for each mesh in the horizontal direction 1 [m], and the accuracy is 50 [cm] in the horizontal direction and 15 [cm] in the vertical direction.
  • FIG. 2 (a) shows a two-dimensional map of a certain place in Tokyo (specifically, near the Hitotsubashi intersection on Hakusan Street that runs along the boundary between 3-chome Kanda Nishiki and 2-chome Hitotsubashi in Chiyoda-ku, Tokyo)
  • FIG. 2B is a three-dimensional map corresponding to the two-dimensional map of FIG. 2A created by the inventor of the present invention.
  • the three-dimensional map includes three-dimensional information of the structure.
  • the communication unit 17 is, for example, the same as a commercially available communication module, and provides information through a communication network such as a wired or wireless public communication network, a dedicated communication network, a mobile phone network, and the Internet. Communication with the server 31 is performed. And the position detection apparatus 11 communicates with the information provision server 31 via the said communication part 17, for example, 2D map information of the area
  • a communication network such as a wired or wireless public communication network, a dedicated communication network, a mobile phone network, and the Internet.
  • Communication with the server 31 is performed.
  • the position detection apparatus 11 communicates with the information provision server 31 via the said communication part 17, for example, 2D map information of the area
  • the map database 27 can be omitted.
  • the current position of the position detection device 11 output from the positioning unit 21 can be transmitted to the information providing server 31.
  • the information providing server 31 can be omitted.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of ray tracing simulation for calculating a multipath in the first embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a diagram for explaining a method for detecting a multipath in the first embodiment of the present invention. It is. 4A is a diagram showing a LOS path
  • FIG. 4B is a diagram showing an NLOS reflection path.
  • the ray-tracing method was originally used in computer graphics to create an image of an object by tracing the path of light, but it is now used to simulate radio wave propagation. It is done. And the technique of confirming whether a structure exists between the position of the position detection apparatus 11 and the positioning satellite 41 using the ray tracing method is already proposed (for example, refer nonpatent literature 1). .) M. Obst, S. Bauer, P. Reisdorf, G. Wanielik, “Multipath detection with 3D digital maps for robust multi-constellation GNSS / INS vehicle localization in urban areas,” in Intelligent Vehicles Symposium (IV), 2012 IEEE, pp 184-190 (2012).
  • the simulation of radio wave propagation from the positioning satellite 41 is performed using the ray tracing method and a three-dimensional map as shown in FIG.
  • FIG. 3 is a three-dimensional map of a part of the area shown in FIG.
  • FIG. 4 is a schematic diagram of a state in which radio wave propagation from the positioning satellite 41 is reflected by the surface 43 of the building 42, and shows how a multipath of radio wave propagation from the positioning satellite 41 is detected. ing.
  • 44 is a plane including the surface 43 of the building 42
  • 41 ′ is a mirror image of the positioning satellite 41 with respect to the plane 44
  • a line 45 is a positioning in the field of view from the current position of the position detection device 11.
  • a satellite 41 that is, a LOS path (direct path) that is a radio wave propagation from the positioning satellite 41 that is a LOS (Line-of-Sight)
  • a line 46 is a positioning satellite that is a LOS reflected by the surface 43 of the building 42.
  • a line 47 is an NLOS reflection path that is a radio wave propagation from a positioning satellite 41 that is not in the field of view from the current position of the position detection device 11, that is, a positioning satellite 41 that is an NLOS. Is shown. Note that there is no direct path for radio wave propagation from the positioning satellite 41 which is NLOS.
  • the ray tracing method used in the present embodiment is a method called an imaging method.
  • the surface 43 of the building 42 is assumed to be a mirror surface, and the reflection path is assumed to follow the law of reflection.
  • the position of the mirror image 41 ′ of the positioning satellite 41 with respect to the surface 43 of the building 42 is calculated, and then the mirror image 41 ′ and the antenna 15 are It is determined whether the connecting line intersects the surface 43 of the building 42. And when it crosses, it is examined whether an obstacle exists between the position of the positioning satellite 41 and the antenna 15 and the reflection point on the surface 43 of the building 42.
  • the radio wave propagation from the positioning satellite 41 is a reflection path.
  • the radio wave propagation from the positioning satellite 41 is an NLOS reflection path. To be judged.
  • the positioning satellite 41 is assumed to be a GPS satellite.
  • FIG. 5 is a diagram showing a locus of the current position detected by the first method according to the first embodiment of the present invention.
  • the pseudo-distance raw data is obtained by multiplying the signal propagation time by the speed of light. Since the signal propagation time includes various errors, the pseudo-range needs to be corrected.
  • the pseudorange R n calculated for the n-th positioning satellite 41 is expressed by the following equation (2).
  • R n ⁇ n + c ( ⁇ t r - ⁇ T n) + I n + T n + ⁇ n ⁇ formula (2)
  • ⁇ n is the geometric distance to the n-th positioning satellite 41
  • ⁇ T n is the delay from the GPS time system of the satellite clock
  • I is the delay distance due to the ionosphere
  • T is the delay distance due to the troposphere
  • ⁇ is an error caused by multipath, noise of the receiving unit 12 and delay of the antenna 15.
  • the delay of the satellite clock from the GPS time system is corrected using the value calculated by the broadcast calendar. Further, the delay distance due to the ionosphere is corrected by the Klobuchar model, and the delay distance due to the troposphere is corrected by the Saastamoinen model. The remaining errors are multipath errors and noise in the receiving unit 12.
  • the multipath error can be eliminated by estimation based on a radio wave propagation simulation using the ray tracing method and a three-dimensional map as shown in FIG.
  • the inventor of the present invention conducted an experiment for detecting the position by such a first method at the place shown in FIG.
  • the receiver used in the experiment is a GPS receiver that outputs data as shown in Table 1.
  • FIG. 5 shows the results of an experiment plotted on a map.
  • the map shown in FIG. 5 is a three-dimensional map obtained by enlarging the vicinity of the street running in the vertical direction with a slight inclination near the center in the width direction of FIG.
  • a thick straight line 51 is an actual route traveled by the inventor on the road with the GPS receiver.
  • a plurality of circles 52 indicate the locus of the position detected by the first method based on the output of the GPS receiver.
  • a plurality of triangle marks 53 indicate the locus of the position output by the GPS receiver.
  • the particle filter was also applied to the position detected by the first method.
  • the trajectory indicated by the circle 52 is not completely coincident with the trajectory indicated by the triangle 53, but has similar characteristics in terms of error magnitude, tendency, and the like. Is shown.
  • FIG. 6 is a diagram showing lattice points of the first-stage mesh according to the second method in the first embodiment of the present invention
  • FIG. 7 is a two-stage according to the second method in the first embodiment of the present invention
  • FIG. 8 is a diagram showing lattice points of the mesh of the eye
  • FIG. 8 is a diagram showing a locus of the current position detected by the second method according to the first embodiment of the present invention.
  • the position detected by obtaining the solution of the equation (1) is set as an initial position, pseudo distances at a plurality of positions around the initial position are calculated, and positions detected based on the pseudo distance are candidates.
  • This is a method for detecting a current position based on a candidate position within a predetermined value as a position and a distance from the initial position.
  • the position detection apparatus 11 in this Embodiment detects a present position with a 2nd method.
  • FIG. 8 shows a result of plotting the output position output by the output determination unit 26, that is, the current position of the position detection device 11 on a map.
  • the map shown in FIG. 8 is a three-dimensional map showing the almost same range as FIG.
  • a thick white line 51 is an actual route that the inventor has moved on the road with the position detecting device 11.
  • the plurality of square marks 54 are trajectories of the current position of the position detection device 11 output by the output determination unit 26.
  • the plurality of circles 52 are locus of positions detected by the first method and are shown for reference.
  • the square mark 54 and the circle mark 52 are obtained by applying a particle filter.
  • the grid point of the first stage mesh set around the initial position is set as the first search point, and the first evaluation position calculated based on the first search point and the initial position are set.
  • a first search point whose spatial distance is equal to or less than a first threshold is obtained as a first candidate position
  • a second mesh point set around the first candidate position is set as a second search point
  • the second search point is set.
  • a second search point at which the spatial distance between the second evaluation position calculated based on the point and the initial position is equal to or less than the second threshold is obtained as the second candidate position, and the output position is determined based on the second candidate position
  • the process of setting a mesh, using the mesh point of the mesh as a search point, and obtaining a candidate position selected from the search points does not necessarily have to be repeated twice, but only once. It may be repeated three or more times if necessary. That is, the step of setting a mesh, using the mesh point of the mesh as a search point, and obtaining a candidate position selected from the search points may be performed once or may be performed a plurality of times. .
  • the application of the particle filter can be omitted as appropriate.
  • a filter other than the particle filter for example, a Kalman filter
  • a filter other than the particle filter for example, a Kalman filter
  • the position detection device 11 receives the satellite signal from the positioning satellite 41, and based on the received satellite signal, calculates the pseudo distance to the positioning satellite 41, and the reception unit 12.
  • the initial position is calculated based on the pseudo distance calculated by the unit 12, the pseudo distance to the positioning satellite 41 at a plurality of positions around the initial position is calculated using the three-dimensional map information and the ray tracing method, and the calculated pseudo distance is calculated.
  • a positioning unit 21 that selects a candidate position from a plurality of positions and determines a current position based on a candidate position that is small enough to satisfy a predetermined condition with respect to a distance from the initial position.
  • the satellite signal from the positioning satellite 41 is received, the pseudo distance to the positioning satellite 41 is calculated based on the received satellite signal, the initial position is calculated based on the calculated pseudo distance, A pseudo distance to the positioning satellite 41 at a plurality of positions around the initial position is calculated using the three-dimensional map information and the ray tracing method, a candidate position is selected from the plurality of positions based on the calculated pseudo distance, and the initial position The current position is determined based on a candidate position that is small enough to satisfy the predetermined condition.
  • the plurality of positions are mesh grid points set around the initial position, and the positioning unit 21 sets a mesh, sets the set mesh grid points as search points, and determines each positioning from each search point.
  • a search point pseudo distance that is a pseudo distance to the satellite 41 and includes the NLOS reflection path delay distance estimated by the three-dimensional map information and the ray tracing method is calculated, and an evaluation position is calculated based on the calculated search point pseudo distance.
  • a search point whose distance between the calculated evaluation position and the initial position is equal to or less than a threshold value is selected as a candidate position.
  • the candidate position is selected from the search points set around the initial position. Since the current position can be determined based on the current position, an accurate current position can be determined and output.
  • the positioning unit 21 sets a mesh around the selected candidate position, and repeats the setting of the search point, the calculation of the search point pseudo distance, the calculation of the evaluation position, and the selection of the candidate position. In this way, the process of setting a mesh, setting a mesh lattice point as a search point, and selecting a candidate position from the search point is repeated a plurality of times, so that a more appropriate candidate position can be selected and more accurate The current position can be determined and output.
  • the positioning unit 21 determines the candidate position having the smallest distance from the initial position as the current position, and the number of selected candidate positions is equal to or larger than the predetermined number.
  • a candidate position whose distance from the initial position is equal to or smaller than the threshold is selected again, and an average value weighted by the reciprocal of the distance from the initial position is calculated with respect to the candidate position selected again to determine the current position. Thereby, the current position can be accurately determined.
  • the positioning unit 21 outputs the result obtained by applying the particle filter to the determined current position. Thereby, a smooth locus of the current position can be obtained.
  • FIG. 9 is a diagram showing search points according to the second method in the second embodiment of the present invention
  • FIG. 10 is a particle when a particle filter is applied by the second method in the second embodiment of the present invention. It is a figure which shows the example of distribution of.
  • (a) to (c) are diagrams showing steps for setting search points and evaluation positions.
  • the second method for detecting the current position in consideration of the influence of multipath is to use the position detected by obtaining the solution of Equation (1) as the initial position, and a plurality of surroundings of the initial position.
  • the method of calculating a pseudo distance at a position, setting a position detected based on the pseudo distance as a candidate position, and detecting a current position based on a candidate position whose distance from the initial position is within a predetermined value As in the first embodiment, the plurality of positions around the initial position are lattice points of the set mesh in the first embodiment, but at randomly set positions. There are some differences.
  • the first method for detecting the current position in consideration of the configuration of the position detection device 11 and the influence of multipath is the same as that in the first embodiment, and a description thereof will be omitted.
  • FIG. 11 is a diagram for explaining the relationship between the NLOS path and the LOS path and the edge of the structure in the third embodiment of the present invention.
  • (a) is a view when the path passes outside the structure
  • (b) is a view when the path is blocked by the structure.
  • the position is estimated in consideration of the error model of the structure. Therefore, for a structure, when a ray or path passes through a certain range with reference to the edge of the structure indicated by a numerical surface model, which is a database that measures the shape of the structure, etc., LOS and The calculation is performed assuming both NLOS, and the most likely one is determined.
  • the NLOS reflection path estimation unit 24 determines whether the positioning satellite 41 in the field of view from the current position of the position detection device 11 is LOS before estimating the multipath error based on the ray tracing method. It is determined whether or not the NLOS. This determination is made based on whether or not an obstacle exists on a line segment connecting the current position of the position detection device 11 and each positioning satellite 41. In this case, since it is necessary to consider the uncertainty (structure error) included in the three-dimensional map information, the edge of the structure around the position detection device 11 and the ray or path as shown in FIG. The shortest distance d min is calculated.
  • of the shortest distance d min is equal to or greater than the threshold value d threshold, it is determined that NLOS is present if there is an obstacle, and LOS if there is no obstacle.
  • is less than the threshold value d threshold , calculation is performed assuming both NLOS and LOS, and the most likely one is selected.
  • the numerical value of the threshold value d threshold is set according to the accuracy of the three-dimensional map information, and is, for example, 1 [m].
  • the likelihood determination is performed by selecting one or a plurality of methods (7) to (9) below.
  • Residual of the least square method The current position of the position detection device 11 is detected by finding a solution of a pseudo-range sequence such as the formula (1) using the weighted least square method. However, the residual is used as an index of likelihood. Specifically, assuming that it is NLOS, the residual when the multipath delay distance is included in the pseudorange and the residual when it is assumed to be LOS are compared, and the one with the smaller residual is selected.
  • Signal reception strength Signal reception strength at a certain point in time of the satellite signal from the positioning satellite 41, that is, if the received power is much larger than the average value of the received power up to that point, If it is smaller than NLOS, NLOS is assumed.
  • FIG. 12 is a diagram showing an example of the probability of NLOS in the fourth embodiment of the present invention.
  • position estimation is performed in consideration of the error model of the structure.
  • an error model is assumed at the position of the edge of the structure, and when the ray passes near the edge of the structure, the edge of the structure, as in the third embodiment,
  • the NLOS and LOS probabilities are defined by an error model. That is, the NLOS and LOS probabilities corresponding to the shortest distance d min are defined. The probability is incorporated into the position estimation model such as the particle filter described in the second embodiment.
  • the probability of NLOS is The integrated value of the complementary error function as shown in FIG.
  • the probability of NLOS is defined by the following equation (16).
  • N (x, 0, ⁇ map ) is a normal distribution according to the random variable x, the expected value 0, and the variance ⁇ map .
  • ⁇ map is determined from the accuracy of the three-dimensional map.
  • FIG. 12 shows an example in which the vertical axis represents the probability P (NLOS
  • d min ) of NLOS, the horizontal axis represents the shortest distance d min , and ⁇ map 0.25.
  • the probability of the candidate position is multiplied by the probability as the likelihood of the determined NLOS or LOS. That is, the likelihood of the candidate position is multiplied by the LOS probability when it is determined to be LOS, and is multiplied by the NLOS probability when it is determined to be NLOS.
  • the likelihood function is represented by the following equation (17).
  • FIG. 13 is a diagram showing a configuration of a position detection system according to the fifth embodiment of the present invention.
  • the position detection device 11 does not include the positioning unit 21 as a functional unit, and instead of the positioning unit 21, the pseudo distance calculation of the reception unit 12 is performed.
  • a positioning calculation unit 28 for calculating an initial position based on the pseudo distance calculated by the unit 14 is provided.
  • the information providing server 31 includes a position calculation unit 22 that calculates the position of the position detection device 11, a peripheral search unit 23 that searches for a plurality of positions existing around the position calculated by the position calculation unit 22, Based on the position searched by the NLOS reflection path estimation unit 24 for estimating the delay distance of the NLOS reflection path included in the multipath that can occur in the radio wave propagation from the position of the detection device 11 to the positioning satellite 41, and the peripheral search unit 23.
  • a candidate position selection unit 25 for selecting a candidate position for selecting a candidate position; an output determination unit 26 as a current position determination unit that determines and outputs the current position of the position detection device 11 based on the candidate position selected by the candidate position selection unit 25;
  • a positioning unit 21 including a map database 27 that stores and stores map information including three-dimensional map information is provided.
  • the position detection device 11 receives the information including the position of the positioning satellite 41 output from the receiving unit 12, the pseudo distance, the signal reception intensity, and the initial position calculated by the positioning calculation unit 28 via the communication unit 17. It transmits to the information providing server 31. Then, the information providing server 31 selects a plurality of candidate positions around the initial position using the three-dimensional map information and the ray tracing method based on the information received from the position detection device 11, and sets the selected candidate positions. Based on this, the current position is determined and output, and the output current position is returned to the position detection device 11.
  • the positioning unit 21 as a functional unit is not provided in the position detection device 11 but is provided in the information providing server 31. Calculation load and memory load can be reduced. Therefore, even if the position detection device 11 is a device having a relatively low calculation capability and storage capability and a relatively small capacity of a power source such as a battery, such as a mobile phone or a smartphone, an accurate current position output is possible. Can be continued for a long time.
  • the positioning unit 21 In the present embodiment, an example in which all the functions of the positioning unit 21 are transferred from the position detection device 11 to the information providing server 31 has been described. However, a part of the functions of the positioning unit 21, such as the map database 27, etc. Can be moved to the information providing server 31 and the rest can be left in the position detecting device 11. Further, both of the information providing server 31 and the position detection device 11 can be provided with all the functions of the positioning unit 21.
  • whether or not to return information such as the current position calculated by the information providing server 31 to the position detection device 11 can be appropriately selected on a case-by-case basis. For example, when the accumulation of probe data is intended, there is no need to return the calculated information to the position detection device 11.
  • the radio wave propagation from the positioning satellite 41 is assumed to be an NLOS path (reflection path) rather than an LOS path (direct path). If it is determined by the methods (7) to (9) described in the third embodiment that the structure is more likely, it is determined that the structure does not exist. . In other words, if the portion where the ray reaches the structure is within the error range of the structure assumed in the error model of the structure described above, it is determined that the measurement error of the structure is the cause, and the error of the structure If it is out of range, it is determined that there is no structure.
  • the three-dimensional map information is queried to determine the position. It is determined whether there is an obstacle on a line segment connecting the current position of the detection device 11 and each positioning satellite 41, and it is determined whether it is LOS or NLOS.
  • the 3D map information is greatly different from the actual due to rebuilding of the structure, it is determined that the structure does not exist. This determination is performed by any one or a plurality of selections of the following methods (10) to (14). (10) If the residual of the least square method is smaller than the assumption of LOS rather than the assumption of NLOS, it is determined that there is no structure.
  • the final determination that the structure does not exist is desirably performed based on the determinations of the plurality of position detection devices 11.
  • the position detection device 11 communicates with the information providing server 31 and determines that there is no structure, the position detection device 11 detects the position of the positioning satellite 41 output by the reception unit 12, the pseudorange, the signal reception intensity, and the like. It is desirable to transmit data such as 11 current positions to the information providing server 31 together with the determination result.
  • the information providing server 31 finally determines that there is no structure based on the determinations of the plurality of position detection devices 11. For example, the information providing server 31 determines that the position of the structure in the three-dimensional map information does not exist.
  • the three-dimensional map information can be corrected by setting a flag to indicate. The setting of the flag may be performed for each cell of a 1 [m] cubic mesh, or may be performed for the entire structure. Such correction of the 3D map information can be reflected in the 3D map information included in the map database 27 of the position detection device 11 when the position detection device 11 receives the information from the information providing server 31.
  • a structure that is not present in 3D map information actually exists such as when a structure such as a high-rise building is newly built in a vacant lot, a positioning satellite that is behind the structure Regarding 41, an inconsistency occurs in multipath estimation or the like, so it becomes an outlier and is not used for positioning. Therefore, the positioning itself can be performed as usual, and further, data about the positioning satellite 41 having a contradiction in the determination of whether it is LOS or NLOS can be collected from the coordinates.
  • the information provision server 31 can estimate the shape of the structure which is not contained in 3D map information by collecting such data from many position detection apparatuses 11. FIG.
  • NLOS is achieved by the methods (7) to (9) described in the third embodiment. It may be suspected. And being suspected of being NLOS means that there may be a structure (not included in the 3D map information) that blocks the path on the path.
  • voting is performed for each legislative mesh of the three-dimensional map information to determine the existence distribution of the structure.
  • a robust design can be achieved by providing a voting distribution probability distribution in the adjacent legislative mesh. In this case, since the shape of the structure is unknown, it cannot be generated as a whole structure.
  • the information providing server 31 collects data from a large number of position detecting devices 11 by communicating with the position detecting device 11, and corrects the three-dimensional map information for the presence or absence of structures.
  • data can be collected by many position detection apparatuses 11 communicating with each other, and 3D map information can also be corrected about the presence or absence of a structure.
  • FIG. 14 is a diagram showing search points according to the second method in the seventh embodiment of the present invention.
  • the first method for detecting the current position in consideration of the configuration of the position detection device 11 and the influence of multipath is the same as that in the first embodiment, and a description thereof will be omitted.
  • the distance to the positioning satellite 41 estimated by the three-dimensional map information and the ray tracing method should be equal to the distance to the positioning satellite 41 measured by the receiving unit 12. is there. Therefore, in the present embodiment, the observed value that is the distance to the positioning satellite 41 measured by the receiving unit 12 and the estimated value that is the distance to the positioning satellite 41 estimated by the three-dimensional map information and the ray tracing method Compare
  • the estimated value is a linear distance when the radio wave propagation from the positioning satellite 41 is a LOS path, and when the radio wave propagation from the positioning satellite 41 is a reflection path, the estimated value is on the path of the reflection path derived by the ray tracing method. Become. Moreover, since the observed value includes errors such as a delay from the GPS time system of the clock provided in the receiving unit 12 and a delay distance due to the ionosphere in the pseudo distance to the positioning satellite 41 measured by the receiving unit 12. It is a value excluding these. Note that since the influence of the reflection path cannot be determined only by the observation signal, the observation value corresponds to the path of the reflection path.
  • FIG. 15 is a diagram illustrating an example of a correlation wave output from the correlator according to the eighth embodiment of the present invention
  • FIG. 16 considers the possibility of reverse-phase multipath according to the eighth embodiment of the present invention. It is a figure which shows the locus
  • (a) shows the result when the pseudorange is not calculated when the received power is below the threshold and LOS
  • (b) shows the reverse-phase multipath when the received power is below the threshold and LOS. It is a figure which shows a result when the possibility of being is considered.
  • the positioning satellite 41 is in LOS when the received power intensity is weak. Based on the assumption that there is no possibility, if a positioning satellite 41 whose received power is equal to or less than a predetermined threshold is recognized as LOS at a certain search point, the pseudo distance from the search point to the positioning satellite 41 Is not calculated.
  • the positioning satellite 41 in the field of view from the search point is LOS, and the pseudorange observed at the search point and the three-dimensional
  • the pseudo distance estimated based on the map information and the ray tracing method is close, the possibility of reverse-phase multipath is considered. That is, even if the received power intensity is weak, it can be determined that the positioning satellite 41 is LOS. If the observed pseudorange is shorter than the estimated pseudorange, the possibility is further increased.
  • the receiving unit 12 is affected by the multipath, and can receive the radio wave propagated through the reflection path in addition to the radio wave propagated directly through the path.
  • the reverse-phase multipath means that the phase of the radio wave directly propagated from the positioning satellite 41 and received by the receiving unit 12 is substantially the same as the phase of the radio wave propagated through the reflection path and received by the receiving unit 12. It means a multipath that is shifted by 180 degrees, that is, almost out of phase.
  • the GPS receiver such as the receiving unit 12 is usually provided with a correlator (correlator) and detects a true peak from the waveform of the correlation wave of the weak radio signal. Therefore, if the phase of the radio wave received through the direct path and the phase of the radio wave received through the reflection path are almost opposite, they cancel each other out, so the peak is lowered and the received power intensity becomes weaker.
  • the positioning satellite 41 when the intensity of the received power is weak, by evaluating the left-right symmetry of the waveform of the correlation wave output from the correlator (not shown) included in the receiving unit 12, the positioning satellite 41 is NLOS or is in reverse-phase multipath. It can be identified. If the symmetry is low, it is considered to be NLOS, and if the symmetry is high, it is considered to be reverse-phase multipath.
  • the positioning unit 21 transmits the radio wave from the positioning satellite 41 based on the waveform of the correlation wave output from the correlator provided in the receiving unit 12. Is LOS or NLOS. Then, the positioning unit 21 determines that the radio wave propagation from the positioning satellite 41 is LOS and is a reverse-phase multipath when the left-right symmetry of the waveform of the correlation wave is high.
  • FIG. 16 shows a result of plotting the output position output by the output determination unit 26, that is, the current position of the position detection device 11 on a map.
  • FIG. 16A shows a case where a search point where a positioning satellite 41 whose received power is equal to or less than a predetermined threshold is recognized as LOS is rejected as in the first and second embodiments. This is the result when the output position is calculated without selecting as.
  • FIG. 16B a search point where a positioning satellite 41 whose received power is equal to or less than a predetermined threshold is recognized as LOS is also selected as a candidate position without being rejected in consideration of the possibility of reverse-phase multipath. This is the result when the output position is calculated.
  • the map shown in FIG. 16 is a three-dimensional map showing an intersection near the center of FIG. 5 and its surroundings.
  • a plurality of square marks 58 are actual movement trajectories that the inventor has moved on the road while holding the position detection device 11 (GPS receiver).
  • a plurality of circles 59 are the locus of the current position of the position detection device 11 output by the output determination unit 26.
  • FIG. 16 (a) shows that some points that could not be calculated as output positions are calculated in FIG. 16 (b). Also, in terms of numbers, the search success rate is about 70% in the result of FIG. 16A, whereas the search success rate is 90% in the result of FIG. 16B. It rose to the above.
  • FIG. 17-1 is a diagram showing the relationship between the reflected wave and the correlation wave output from the correlator in the ninth embodiment of the present invention
  • FIG. 17-2 is the delay distance and multi-path in the ninth embodiment of the present invention
  • FIG. 18 is a diagram showing a relationship with a path error
  • FIG. 18 is a diagram showing a current position detected by correcting a multipath error in the ninth embodiment of the present invention.
  • 17A shows a case where the reflected wave is in phase
  • FIG. 17B shows a case where the reflected wave is in reverse phase.
  • FIG. I a diagram showing a case of a normal correlator
  • (b) is a diagram showing a case where a plurality of types of correlators are compared.
  • the positioning satellite 41 is NLOS when the received power intensity is strong.
  • the pseudorange from the search point to the positioning satellite 41 is calculated without considering the reflection path based on the assumption that it is LOS because it is impossible.
  • the receiving unit 12 is affected by the multipath, and can receive the radio wave propagated through the reflection path in addition to the radio wave propagated directly through the path. Therefore, in the present embodiment, the three-dimensional map information and the ray tracing method are used to determine whether the radio wave propagation from the positioning satellite 41 is LOS or NLOS. It is determined whether the path is a multipath including both of the paths. If the path is a multipath, the pseudo distance calculated by the receiving unit 12 is corrected in consideration of the delay of the reflection path, and the current position is determined based on the corrected pseudo distance. To decide.
  • the positioning unit 21 determines whether the positioning satellite 41 is LOS or NLOS using the three-dimensional map information and the ray tracing method, and the LOS In the case of multipath, the pseudo distance is corrected in consideration of the delay, and the current position is determined based on the corrected pseudo distance.
  • the radio wave from the positioning satellite 41 is not used for the positioning calculation, as in the first and second embodiments.
  • the positioning satellite 41 When the positioning satellite 41 is LOS, it receives only the direct wave (radio wave propagated through the direct path) from the positioning satellite 41, or reflects not only the direct wave but also the wall of the building. It is determined whether the reflected wave (the radio wave propagated through the reflection path) is received, that is, whether it is a multipath.
  • the first method is a method of determining a radio wave propagation path, that is, a path by using the three-dimensional map information and the ray tracing method.
  • a radio wave propagation path that is, a path by using the three-dimensional map information and the ray tracing method.
  • the second method is a method for determining based on the waveform of the correlation wave output from the correlator.
  • the waveform of the correlation wave has a shape as indicated by a solid line in FIG.
  • the waveform of the output correlation wave is distorted (distorted) as shown by a one-dot chain line. Therefore, based on the waveform of the correlation wave, it can be determined whether or not the multipath includes both the direct path and the reflection path.
  • the waveform of the correlation wave changes depending on the phase of the reflected wave with respect to the direct wave. That is, if the phase is the same, the right side swells as shown in FIG. 17-1 (a), and if the phase is opposite, the right side is recessed as shown in FIG. 17-1 (b).
  • the inventor of the present invention conducted an experiment using the first method.
  • the first method when the presence of the reflection path is determined by the three-dimensional map information and the ray tracing method, the delay distance of the reflection path with respect to the direct path can be obtained.
  • the phase of the reflected wave with respect to the direct wave can be determined with reference to the intensity of the received power. That is, it can be determined that the received power is in the same phase if the intensity is high, and the opposite phase if the received power is weak.
  • the reception unit 12 can output a correlation wave
  • the phase of the reflected wave with respect to the direct wave can be determined based on the waveform of the correlation wave.
  • the magnitude of the multipath error included in the pseudo distance according to the delay distance of the reflected path with respect to the direct path is determined by the type of correlator, the intensity of the reflected wave, the phase, and the delay distance. This theoretical value is shown in FIG. 17-2.
  • FIG. 17-2 the relationship between the delay distance theoretically obtained based on the specifications of the correlator and the multipath error has been confirmed (for example, see Non-Patent Document 3).
  • FIG. 17-2 (a) shows the case of a normal correlator, and (b) shows the case where a plurality of types of correlators are compared.
  • FIG. 17-2 is calculated on the assumption that the amplitude of the multipath reflected wave is half of the amplitude of the direct wave (the radio wave propagated through the direct path). Actually, since the amplitude and delay distance of the multipath reflected wave change from moment to moment, the multipath error occurs within the maximum value range shown in FIG. 17-2. M. Braasch, “Performance comparison of multipath mitigating receiver architectures,” in Aerospace Conference, 2001, IEEE Proceedings., Vol. 3, 2001, pp.3 / 1309-3 / 1315 vol.3.
  • the positioning unit 21 calculates the multipath error ⁇ according to the delay distance d, and corrects the pseudo distance by the multipath error ⁇ .
  • FIG. 18 shows the result of the first experiment in which the inventors detected the current position with the position detection device 11 while carrying the position detection device 11 while standing for 20 seconds. .
  • the square mark indicates the true current position of the position detection device 11 located at the northwest corner of the intersection.
  • a triangular mark 61 is a result of the positioning calculation using the observed pseudo distance, that is, the pseudo distance output by the receiving unit 12 as it is.
  • the circle 62 shows the result of calculating the multipath error ⁇ based on the model, and performing the positioning calculation using the pseudo distance corrected by the multipath error ⁇ . Since it is a result for 20 seconds, both the triangle mark 61 and the circle mark 62 have a plurality of positioning calculation results. It can be seen that the circle mark 62 is closer to the true current position than the triangle mark 61.
  • the pseudo-range output from the receiving unit 12 includes a multipath error, and the average error during positioning for 20 seconds was 13.7 [m]. As a result of correcting the multipath error, the average error for 20 seconds could be reduced to 6.8 [m].
  • a position detected by obtaining the solution of the equation (1) is set as an initial position, pseudo distances at a plurality of search points randomly set around the initial position are calculated, and the pseudo distance is calculated.
  • the candidate position is selected based on the current position by performing evaluation using an index of the distance from the initial position and the moving distance from the previous position, determining the likelihood, and taking a weighted average based on the likelihood.
  • the point of estimating the position is the same as in the second embodiment, but in the present embodiment, the multipath error ⁇ as expressed by the equation (19) or (20) is considered. Is different.
  • FIG. 19 is a diagram showing a first example of ray tracing at the true current position in the ninth embodiment of the present invention
  • FIG. 20 is a first example of candidate positions in the ninth embodiment of the present invention
  • FIG. 21 is a diagram showing a second example of ray tracing at the true current position in the ninth embodiment of the present invention
  • FIG. 22 is a second candidate position in the ninth embodiment of the present invention. It is a figure which shows the example of. 20 and 22, (a) is a diagram illustrating a case where the multipath error ⁇ is not considered, and (b) is a diagram illustrating a case where the multipath error ⁇ is considered.
  • FIG. 19 shows radio wave propagation from the positioning satellite 41 at the first current position.
  • the map shown in FIG. 19 is a three-dimensional map showing the same intersection and its surroundings as in FIG. 18, and the square mark indicates the true current position of the position detection device 11 located at the northeast corner of the intersection. Show.
  • a line 45 indicates a direct path that is a radio wave propagation from the positioning satellite 41 within the field of view from the current position of the position detection device 11, and a line 46 indicates a radio wave propagation from the positioning satellite 41 reflected by the surface of the structure.
  • a reflection path is shown. In FIG. 19, since there are four lines 45 indicating the direct path and four lines 46 indicating the reflection path, it can be seen that the radio waves from all four positioning satellites 41 are multipath.
  • the average of the difference between the correct coordinates that is, the pseudorange observed at the true current position and the pseudorange estimated based on the three-dimensional map information and the ray tracing method is 2.
  • the distribution of candidate positions is as shown in FIG. 20A. 20A and 20B, a plurality of small circles 65 are candidate positions with low likelihood, a plurality of slightly large circles 64 are candidate positions with high likelihood, and the largest single circle 63 is all. Is a weighted average of the candidate positions, that is, an estimation result.
  • the error of the estimation result was 3.3 [m].
  • the average difference between the pseudorange observed at the true current position and the pseudorange estimated based on the three-dimensional map information and the ray tracing method is 0.5 [M]
  • the distribution of candidate positions is as shown in FIG.
  • the error of the estimation result was 0.5 [m].
  • the error of the estimation result is greatly reduced.
  • FIG. 21 also shows radio wave propagation from the positioning satellite 41 at the second current position.
  • the map shown in FIG. 21 is a three-dimensional map showing the same intersection and its surroundings as in FIGS. 18 and 19, and the square mark is the true current of the position detection device 11 located at the northwest corner of the intersection. Indicates the position.
  • a line 45 indicates a direct path that is a radio wave propagation from the positioning satellite 41 within the field of view from the current position of the position detection device 11, and a line 46 indicates the positioning reflected by the surface of the structure.
  • a reflection path that is radio wave propagation from the satellite 41 is shown.
  • the radio waves from three of the four positioning satellites 41 are multipath. I understand.
  • the average of the difference between the pseudorange observed at the true current position and the pseudorange estimated based on the 3D map information and the ray tracing method is 1.9 [m].
  • the distribution of candidate positions is as shown in FIG.
  • the error of the estimation result was 12.9 [m].
  • the average difference between the pseudorange observed at the true current position and the pseudorange estimated based on the three-dimensional map information and the ray tracing method is 1.5. [M], and the distribution of candidate positions is as shown in FIG.
  • the error in the estimation result was 2.3 [m]. Compared with the case where the multipath error ⁇ is not taken into account, the error of the estimation result is greatly reduced.
  • the positioning calculation is performed in consideration of the possibility of an error in the three-dimensional map information, specifically, the possibility of a position error in the direction perpendicular to the wall surface of the structure. That is, by changing the coordinates of the outer wall surface of the structure in the perpendicular direction, the least square method residual, that is, the position where the error is reduced is searched, and this position is the original coordinate of the outer wall surface of the structure. Presume that there is.
  • the detection of the current position of the position detection device 11 is performed by obtaining a solution of a pseudo-range sequence such as the formula (1) using a weighted least square method. In the present embodiment, A position where the error is reduced is searched, and the original position is estimated.
  • an error distribution can be created by voting the result estimated in this way to the error space.
  • an estimation result made by a single user using the position detection device 11 may be voted on multiple times, or an estimation result made by a plurality of users using their own position detection device 11 may be voted on. May be.
  • the three-dimensional map information can be corrected for the coordinates of the outer wall surface of the structure.
  • the present invention can be applied to a position detection device, a position detection system, and a position detection method.

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Abstract

構造物、地形等によって測位衛星からの衛星信号が複雑な影響を受ける環境下であっても、短時間で、かつ、低コストで安定的に正確な現在位置を決定して出力することができるようにする。そのため、測位衛星からの衛星信号を受信し、衛星信号に基づき、測位衛星までの擬似距離を算出する受信ユニットと、受信ユニットが算出した擬似距離に基づいて初期位置を算出し、３次元地図情報及びレイトレーシング法を用いて初期位置の周辺の複数位置における測位衛星までの擬似距離を算出し、擬似距離に基づいて複数位置のうちから候補位置を選択し、初期位置との距離が所定条件を満たす程度に小さい候補位置に基づいて現在位置を決定する測位ユニットとを有する。

Description

位置検出装置、位置検出システム及び位置検出方法
　本発明は、位置検出装置、位置検出システム及び位置検出方法に関するものである。
　従来、車両用ナビゲーション装置、携帯電話機、スマートフォン等の可搬装置においては、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ　Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ）受信器を含む位置検出装置を備え、地球を周回するＧＰＳ衛星からの信号を受信し、現在位置を検出して表示画面等に出力するようになっている。
　しかし、可搬装置を有する車両や人物が都市部や山間部を通過する際には、ＧＰＳ衛星が発信する電波は、高層ビル等の構造物や樹木、地形等による遮蔽（へい）、反射、回折、散乱等の影響を受け、様々なパスを経由してＧＰＳ受信器に到達することとなる。つまり、都市部や山間部では、ＧＰＳ受信器がマルチパスの影響を受けることとなるので、位置検出装置は、正確な現在位置を出力することができなくなる。
　そこで、補正によってマルチパスの影響を排除して、現在位置を正確に検出する位置検出装置が提案されている（例えば、特許文献１及び２参照。）。
特開２００５－１９５４９３号公報 特開２０１１－１６３８１７号公報
　しかしながら、前記従来の位置検出装置では、通常は、ＧＰＳ衛星からの信号によって検出した現在位置をそのまま出力し、マルチパスを発生させる構造物の存在が地図情報によって判明した場合にのみ、検出した現在位置を補正し、補正後の現在位置を出力するようになっている。つまり、ＧＰＳ衛星からの信号によって検出した現在位置である初期位置が概ね正しいと想定し、必要に応じて、マルチパスの影響を排除する補正を初期位置に対して行うようになっている。
　そのため、例えば、比較的開けた場所に存在する１棟の高層ビルの脇（わき）を通過するような場合には、マルチパスの影響を排除した正確な現在位置を出力し得るとしても、例えば、大都会における高層ビルの谷間のような場所においては、ＧＰＳ衛星が発信する電波が多数の高層ビルによって複雑な影響を受けるので、ＧＰＳ衛星からの信号によって検出した現在位置である初期位置が概ね正しいとの想定がそもそも成立しないため、このような初期位置に対して補正を行っても、正しい現在位置を得ることができない。
　本発明は、前記従来の位置検出装置の問題点を解決して、構造物、地形等によって測位衛星からの衛星信号が複雑な影響を受ける環境下であっても、短時間で、かつ、低コストで安定的に正確な現在位置を決定して出力することができる位置検出装置、位置検出システム及び位置検出方法を提供することを目的とする。
　そのために、本発明の位置検出装置においては、測位衛星からの衛星信号を受信し、該衛星信号に基づき、前記測位衛星までの擬似距離を算出する受信ユニットと、該受信ユニットが算出した擬似距離に基づいて初期位置を算出し、３次元地図情報及びレイトレーシング（Ｒａｙ－Ｔｒａｃｉｎｇ）法を用いて前記初期位置の周辺の複数位置における前記測位衛星までの擬似距離を算出し、該擬似距離に基づいて前記複数位置のうちから候補位置を選択し、前記初期位置との距離が所定条件を満たす程度に小さい候補位置に基づいて現在位置を決定する測位ユニットとを有する。
　本発明の他の位置検出装置においては、さらに、前記複数位置は、前記初期位置の周囲に設定されたメッシュの格子点であり、前記測位ユニットは、前記メッシュを設定し、該メッシュの格子点を探索点に設定し、各探索点から各測位衛星までの擬似距離であって、３次元地図情報とレイトレーシング法とによって推定したＮＬＯＳ（Ｎｏｎ－Ｌｉｎｅ－ｏｆ－Ｓｉｇｈｔ）反射パス遅延距離を含む探索点擬似距離を算出し、該探索点擬似距離に基づいて評価位置を算出し、該評価位置と前記初期位置との距離が閾（しきい）値以下である探索点を候補位置として選択する。
　本発明の更に他の位置検出装置においては、さらに、前記測位ユニットは、選択した候補位置の周囲にメッシュを設定し、前記探索点の設定、前記探索点擬似距離の算出、前記評価位置の算出、及び、前記候補位置の選択を繰り返す。
　本発明の更に他の位置検出装置においては、さらに、前記測位ユニットは、選択した候補位置の数が所定数未満である場合、前記初期位置との距離が最小の候補位置を現在位置に決定し、選択した候補位置の数が前記所定数以上である場合、前記初期位置との距離が閾値以下の候補位置を再度選択し、再度選択した候補位置に対して前記初期位置との距離の逆数で重みを付けた平均値を算出して現在位置を決定する。
　本発明の更に他の位置検出装置においては、さらに、前記複数位置は、前記初期位置の周囲にランダムに設定された位置であり、前記測位ユニットは、前記複数位置を探索点に設定し、各探索点から各測位衛星までの擬似距離であって、３次元地図情報とレイトレーシング法とによって推定したＮＬＯＳ反射パス遅延距離を含む探索点擬似距離を算出し、該探索点擬似距離に基づいて候補位置を選択し、該候補位置と前記初期位置との距離に基づく値を尤（ゆう）度とし、前記候補位置の尤度に応じた加重平均を現在位置と決定する。
　本発明の更に他の位置検出装置においては、さらに、前記測位ユニットは、各探索点から各測位衛星までの擬似距離であって、３次元地図情報とレイトレーシング法とによって推定したＮＬＯＳ反射パス遅延距離を含む探索点擬似距離を算出し、該探索点擬似距離の集合と、前記受信ユニットが算出した擬似距離の集合との類似度が高い探索点を候補位置として選択する。
　本発明の更に他の位置検出装置においては、さらに、前記測位ユニットは、前記候補位置を選択する基準に、前記探索点擬似距離の集合と、前記受信ユニットが算出した擬似距離の集合との類似度を更に加える。
　本発明の更に他の位置検出装置においては、さらに、前記測位ユニットは、前記初期位置を算出する位置算出部と、前記複数位置を探索する周辺探索部と、前記候補位置を選択する候補位置選択部と、前記現在位置を決定する現在位置決定部とを備える。
　本発明の更に他の位置検出装置においては、さらに、前記測位衛星からの電波伝播が前記３次元地図情報に含まれる構造物のエッジを基準とした一定範囲を通過する場合、前記電波伝播がＬＯＳ（Ｌｉｎｅ－ｏｆ－Ｓｉｇｈｔ）及びＮＬＯＳの２つの場合を仮定して、双方において前記測位衛星までの擬似距離を算出し、ＬＯＳ又はＮＬＯＳのうちの尤（もっと）もらしい方を選択する。
　本発明の更に他の位置検出装置においては、さらに、前記測位衛星からの電波伝播が前記３次元地図情報に含まれる構造物のエッジを基準とした一定範囲を通過する場合、前記エッジの存在位置に誤差モデルを仮定し、前記電波伝播がＬＯＳである確率及びＮＬＯＳである確率を定義する。
　本発明の更に他の位置検出装置においては、さらに、前記測位衛星からの電波伝播が、前記３次元地図情報に含まれる構造物に反射する反射パスであると仮定したときと比較して、直接パスであると仮定したときの方が前記初期位置を算出する際の最小２乗法の残差が小さい場合には、前記構造物が存在しないと判定する。
　本発明の更に他の位置検出装置においては、さらに、前記構造物が存在しないとの判定が複数の位置検出装置によって行われた場合、前記判定を３次元地図情報に反映させる。
　本発明の更に他の位置検出装置においては、さらに、前記測位衛星からの受信電力の強度が弱い場合、前記受信ユニットが備えるコリレータが出力する相関波の波形に基づき、前記測位衛星からの電波伝播がＬＯＳであるかＮＬＯＳであるかを判定する。
　本発明の更に他の位置検出装置においては、さらに、前記相関波の左右対称性が高いときは、前記測位衛星からの電波伝播がＬＯＳであって逆相マルチパスであると判定する。
　本発明の更に他の位置検出装置においては、さらに、前記測位衛星からの受信電力の強度が強い場合、３次元地図情報及びレイトレーシング法を用いて前記測位衛星からの電波伝播がＬＯＳであるかＮＬＯＳであるかを判定し、ＬＯＳであるときは、遅延を考慮して擬似距離を補正する。
　本発明の更に他の位置検出装置においては、さらに、遅延距離に応じたマルチパス誤差を算出し、該マルチパス誤差によって前記擬似距離を補正する。
　本発明の更に他の位置検出装置においては、さらに、前記３次元地図情報に含まれる構造物の壁面に対する垂線方向の位置エラーの可能性を考慮し、前記壁面の座標を前記垂線方向に変化させ、最小２乗法の残差が小さくなる位置を探索し、該位置が前記壁面の位置であると推定する。
　本発明の位置検出システムにおいては、測位衛星からの衛星信号を受信し、該衛星信号に基づき、前記測位衛星までの擬似距離を算出する受信ユニットを備える位置検出装置と、該位置検出装置と通信可能に接続されたサーバとを有する位置検出システムであって、前記サーバは、受信ユニットが算出した擬似距離に基づいて初期位置を算出し、３次元地図情報及びレイトレーシング法を用いて前記初期位置の周辺の複数位置における前記測位衛星までの擬似距離を算出し、該擬似距離に基づいて前記複数位置のうちから候補位置を選択し、前記初期位置との距離が所定条件を満たす程度に小さい候補位置に基づいて現在位置を決定する測位ユニットとを備え、決定した現在位置を前記位置検出装置に送信する。
　本発明の位置検出方法においては、測位衛星からの衛星信号を受信し、該衛星信号に基づき、前記測位衛星までの擬似距離を算出し、該擬似距離に基づいて初期位置を算出し、３次元地図情報及びレイトレーシング法を用いて前記初期位置の周辺の複数位置における前記測位衛星までの擬似距離を算出し、該擬似距離に基づいて前記複数位置のうちから候補位置を選択し、前記初期位置との距離が所定条件を満たす程度に小さい候補位置に基づいて現在位置を決定する。
　本発明の更に他の位置検出装置においては、測位衛星からの衛星信号を受信し、該衛星信号に基づき、前記測位衛星までの擬似距離を算出する受信ユニットと、３次元地図情報及びレイトレーシング法を用い、前記測位衛星からの電波伝播がＬＯＳであるかＮＬＯＳであるかを判定し、ＬＯＳである場合には直接パス及び反射パスの両方を含むマルチパスであるか否かを判定し、マルチパスであるときには前記受信ユニットが算出した擬似距離を前記反射パスの遅延を考慮して補正し、補正した擬似距離に基づいて現在位置を決定する測位ユニットとを有する。
　本発明の更に他の位置検出装置においては、さらに、前記測位ユニットは、前記反射パスの遅延距離に応じたマルチパス誤差を算出し、該マルチパス誤差によって前記擬似距離を補正する。
　本発明の更に他の位置検出装置においては、さらに、前記マルチパス誤差は、前記受信ユニットが備えるコリレータの特性に応じて設定されたモデルに基づいて算出される。
　本発明の更に他の位置検出装置においては、さらに、前記測位ユニットは、前記測位衛星からの電波伝播がＬＯＳである場合には、前記受信ユニットが備えるコリレータが出力する相関波の波形に基づいてマルチパスであるか否かを判定する。
　本発明の更に他の位置検出装置においては、さらに、前記測位ユニットは、前記受信ユニットが算出した擬似距離に基づいて初期位置を算出し、３次元地図情報及びレイトレーシング法を用いて前記初期位置の周辺の複数位置における前記測位衛星までの擬似距離を算出し、該擬似距離に基づいて前記複数位置のうちから候補位置を選択し、前記初期位置との距離が所定条件を満たす程度に小さい候補位置に基づいて現在位置を決定する。
　本発明の更に他の位置検出装置においては、さらに、前記複数位置は、前記初期位置の周囲に設定されたメッシュの格子点であり、前記測位ユニットは、前記メッシュを設定し、該メッシュの格子点を探索点に設定し、各探索点から各測位衛星までの擬似距離であって、３次元地図情報とレイトレーシング法とによって推定したＮＬＯＳ反射パス遅延距離を含む探索点擬似距離を算出し、該探索点擬似距離に基づいて評価位置を算出し、該評価位置と前記初期位置との距離が閾値以下である探索点を候補位置として選択する。
　本発明の更に他の位置検出装置においては、さらに、前記測位ユニットは、選択した候補位置の周囲にメッシュを設定し、前記探索点の設定、前記探索点擬似距離の算出、前記評価位置の算出、及び、前記候補位置の選択を繰り返す。
　本発明の更に他の位置検出装置においては、さらに、前記測位ユニットは、選択した候補位置の数が所定数未満である場合、前記初期位置との距離が最小の候補位置を現在位置に決定し、選択した候補位置の数が前記所定数以上である場合、前記初期位置との距離が閾値以下の候補位置を再度選択し、再度選択した候補位置に対して前記初期位置との距離の逆数で重みを付けた平均値を算出して現在位置を決定する。
　本発明の更に他の位置検出装置においては、さらに、前記複数位置は、前記初期位置の周囲にランダムに設定された位置であり、前記測位ユニットは、前記複数位置を探索点に設定し、各探索点から各測位衛星までの擬似距離であって、３次元地図情報とレイトレーシング法とによって推定したＮＬＯＳ反射パス遅延距離を含む探索点擬似距離を算出し、該探索点擬似距離に基づいて候補位置を選択し、該候補位置と前記初期位置との距離に基づく値を尤度とし、前記候補位置の尤度に応じた加重平均を現在位置と決定する。
　本発明の更に他の位置検出装置においては、さらに、前記測位ユニットは、各探索点から各測位衛星までの擬似距離であって、３次元地図情報とレイトレーシング法とによって推定したＮＬＯＳ反射パス遅延距離を含む探索点擬似距離を算出し、該探索点擬似距離の集合と、前記受信ユニットが算出した擬似距離の集合との類似度が高い探索点を候補位置として選択する。
　本発明の更に他の位置検出装置においては、さらに、前記測位ユニットは、前記候補位置を選択する基準に、前記探索点擬似距離の集合と、前記受信ユニットが算出した擬似距離の集合との類似度を更に加える。
　本発明の更に他の位置検出装置においては、さらに、前記測位ユニットは、前記初期位置を算出する位置算出部と、前記複数位置を探索する周辺探索部と、前記候補位置を選択する候補位置選択部と、前記現在位置を決定する現在位置決定部とを備える。
　本発明の更に他の位置検出装置においては、さらに、前記３次元地図情報に含まれる構造物の壁面に対する垂線方向の位置エラーの可能性を考慮し、前記壁面の座標を前記垂線方向に変化させ、最小２乗法の残差が小さくなる位置を探索し、該位置が前記壁面の位置であると推定する。
　本発明の更に他の位置検出装置においては、さらに、前記測位衛星からの電波伝播が前記３次元地図情報に含まれる構造物のエッジを基準とした一定範囲を通過する場合、前記電波伝播がＬＯＳ及びＮＬＯＳの２つの場合を仮定して、双方において前記測位衛星までの擬似距離を算出し、ＬＯＳ又はＮＬＯＳのうちの尤もらしい方を選択する。
　本発明の更に他の位置検出装置においては、さらに、前記測位衛星からの電波伝播が前記３次元地図情報に含まれる構造物のエッジを基準とした一定範囲を通過する場合、前記エッジの存在位置に誤差モデルを仮定し、前記電波伝播がＬＯＳである確率及びＮＬＯＳである確率を定義する。
　本発明の更に他の位置検出装置においては、さらに、前記測位衛星からの電波伝播が、前記３次元地図情報に含まれる構造物に反射する反射パスであると仮定したときと比較して、直接パスであると仮定したときの方が前記初期位置を算出する際の最小２乗法の残差が小さい場合には、前記構造物が存在しないと判定する。
　本発明の更に他の位置検出装置においては、さらに、前記構造物が存在しないとの判定が複数の位置検出装置によって行われた場合、前記判定を３次元地図情報に反映させる。
　本発明の他の位置検出システムにおいては、測位衛星からの衛星信号を受信し、該衛星信号に基づき、前記測位衛星までの擬似距離を算出する受信ユニットを備える位置検出装置と、該位置検出装置と通信可能に接続されたサーバとを有する位置検出システムであって、前記サーバは、３次元地図情報及びレイトレーシング法を用い、前記測位衛星からの電波伝播がＬＯＳであるかＮＬＯＳであるかを判定し、ＬＯＳである場合には直接パス及び反射パスの両方を含むマルチパスであるか否かを判定し、マルチパスであるときには前記受信ユニットが算出した擬似距離を遅延を考慮して補正し、補正した擬似距離に基づいて現在位置を決定する測位ユニットを備え、決定した現在位置を前記位置検出装置に送信する。
　本発明の他の位置検出方法においては、測位衛星からの衛星信号を受信し、該衛星信号に基づき、前記測位衛星までの擬似距離を算出し、３次元地図情報及びレイトレーシング法を用い、前記測位衛星からの電波伝播がＬＯＳであるかＮＬＯＳであるかを判定し、ＬＯＳである場合には直接パス及び反射パスの両方を含むマルチパスであるか否かを判定し、マルチパスであるときには前記受信ユニットが算出した擬似距離を遅延を考慮して補正し、補正した擬似距離に基づいて現在位置を決定する。
　本発明によれば、構造物、地形等によって測位衛星からの衛星信号が複雑な影響を受ける環境下であっても、短時間で、かつ、低コストで安定的に正確な現在位置を決定して出力することができる。
本発明の第１の実施の形態における位置検出システムの構成を示す図である。 本発明の第１の実施の形態における３次元地図を示す図である。 本発明の第１の実施の形態におけるマルチパスを計算するレイトレーシングシミュレーションの例を示す図である。 本発明の第１の実施の形態におけるマルチパスを検出する方法を説明する図であって、（ａ）はＬＯＳパスを示す図、（ｂ）はＮＬＯＳ反射パスを示す図である。 本発明の第１の実施の形態における第１の方法によって検出された現在位置の軌跡を示す図である。 本発明の第１の実施の形態における第２の方法による１段目のメッシュの格子点を示す図である。 本発明の第１の実施の形態における第２の方法による２段目のメッシュの格子点を示す図である。 本発明の第１の実施の形態における第２の方法によって検出された現在位置の軌跡を示す図である。 本発明の第２の実施の形態における第２の方法による探索点を示す図である。 本発明の第２の実施の形態における第２の方法によってパーティクルフィルタを適用した際のパーティクルの分布の例を示す図である。 本発明の第３の実施の形態におけるＮＬＯＳパス及びＬＯＳパスと構造物のエッジとの関係を説明する図である。 本発明の第４の実施の形態におけるＮＬＯＳである確率の例を示す図である。 本発明の第５の実施の形態における位置検出システムの構成を示す図である。 本発明の第７の実施の形態における第２の方法による探索点を示す図である。 本発明の第８の実施の形態におけるコリレータが出力する相関波の例を示す図である。 本発明の第８の実施の形態における逆相マルチパスである可能性を考慮して検出された現在位置の軌跡を示す図である。 本発明の第９の実施の形態における反射波とコリレータが出力する相関波との関係を示す図である。 本発明の第９の実施の形態における遅延距離とマルチパス誤差との関係を示す図である。 本発明の第９の実施の形態におけるマルチパス誤差を補正して検出された現在位置を示す図である。 本発明の第９の実施の形態における真の現在位置におけるレイトレーシングの第１の例を示す図である。 本発明の第９の実施の形態における候補位置の第１の例を示す図である。 本発明の第９の実施の形態における真の現在位置におけるレイトレーシングの第２の例を示す図である。 本発明の第９の実施の形態における候補位置の第２の例を示す図である。
　以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
　図１は本発明の第１の実施の形態における位置検出システムの構成を示す図、図２は本発明の第１の実施の形態における３次元地図を示す図である。なお、図２において、（ａ）は２次元地図、（ｂ）は（ａ）に対応する３次元地図である。
　図において、１１は本実施の形態における位置検出システムの位置検出装置であり、位置検出システムのサーバとしての情報提供サーバ３１と通信可能に接続されている。該情報提供サーバ３１は、例えば、地図情報、道路情報、天気情報等の各種情報を配信する図示されない情報センタに配設されたサーバであって、ＣＰＵ、ＭＰＵ等の演算装置、半導体メモリ、磁気ディスク、光ディスク等の記憶装置、通信インターフェイス等を備えるコンピュータである。
　そして、前記位置検出装置１１は、人物が携帯したり、自動車等の車両に装着したりして搬送することが可能な可搬装置であって、後述される測位衛星４１からの信号を受信し、現在位置を検出して表示装置の表示画面等に出力することができる装置であれば、いかなる種類の装置であってもよく、例えば、携帯電話機やスマートフォンであるが、携帯情報端末、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ　Ｄｉｇｉｔａｌ　Ａｓｓｉｓｔａｎｔ：個人用携帯情報端末）、小型パーソナルコンピュータ、ウェアラブルコンピュータ、携帯ゲーム機、車両用ナビゲーション装置等いかなるものであってもよい。なお、前記位置検出装置１１は、一種のコンピュータであって、ＣＰＵ、ＭＰＵ等の演算装置、半導体メモリ等の記憶装置、液晶ディスプレイ、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ　Ｅｍｉｔｔｉｎｇ　Ｄｉｏｄｅ）ディスプレイ、ＣＲＴ（Ｃａｔｈｏｄｅ　Ｒａｙ　Ｔｕｂｅ）等の表示装置、キーボード、ジョイスティック、十字キー、押しボタン、タッチパネル等の入力装置、前記表示装置を制御する表示制御装置、及び、通信インターフェイス等の送受信装置を備える。
　また、前記位置検出装置１１は、機能の観点から、図に示されるように、受信ユニット１２、測位ユニット２１及び通信部１７を備える。
　前記受信ユニット１２は、例えば、市販されているＧＰＳ受信器と同様のものであり、測位衛星４１から送信された衛星信号を受信する受信部１３と、該受信部１３が受信したすべての測位衛星４１からの衛星信号に基づき、測位衛星４１の位置と位置検出装置１１の位置との間の擬似距離を算出して出力する擬似距離算出部１４と、測位衛星４１から送信された衛星信号を受信するためのアンテナ１５とを含んでいる。なお、前記測位衛星４１は、具体的には、地球を周回するＧＰＳ衛星であるが、中国のＣＯＭＰＡＳＳシステム、欧州のＧＡＬＩＬＥＯシステム、日本のＱｕａｓｉ－Ｚｅｎｉｔｈ衛星システム等の測位衛星４１を含んでいてもよい。また、前記受信ユニット１２は、受信部１３が受信した測位衛星４１の位置等の情報及び擬似距離算出部１４が算出した擬似距離等の情報を所定の時間間隔（例えば、１秒毎）で出力する。
　前記測位ユニット２１は、位置検出装置１１の位置を算出する位置算出部２２と、該位置算出部２２の算出した位置の周辺に存在する複数の位置を探索する周辺探索部２３と、位置検出装置１１の位置から測位衛星４１までの電波伝播に生じ得るマルチパスに含まれるＮＬＯＳ反射パスの遅延距離を推定するマルチパス推定部としてのＮＬＯＳ反射パス推定部２４と、前記周辺探索部２３が探索した位置に基づいて候補位置を選択する候補位置選択部２５と、該候補位置選択部２５が選択した候補位置に基づいて位置検出装置１１の現在位置を決定して出力する現在位置決定部としての出力決定部２６と、３次元地図情報を含む地図情報を記憶して格納する地図データベース２７とを含んでいる。
　具体的には、前記位置算出部２２は、受信ユニット１２が出力した測位衛星４１の位置と擬似距離とを用いて位置検出装置１１の位置を算出する。なお、前記位置算出部２２は、初期位置算出部としても機能し、当初に算出した位置検出装置１１の位置を初期位置として出力する。そして、前記ＮＬＯＳ反射パス推定部２４は、３次元地図情報及びレイトレーシング法を用いてＮＬＯＳ反射パス遅延距離を推定する。また、前記候補位置選択部２５は、前記周辺探索部２３が探索した位置における擬似距離を算出し、該擬似距離に基づいて選択した位置を候補位置とする。なお、前記候補位置選択部２５は、位置算出部２２が算出した位置検出装置１１の位置との距離が所定値以内の位置を、候補位置として選択することもできる。さらに、前記出力決定部２６は、位置算出部２２が算出した位置検出装置１１の位置との距離が所定値以内の候補位置に基づいて位置検出装置１１の現在位置を決定して出力する。
　なお、３次元地図情報は、例えば、高層ビル等の構造物の高さを含むものであることが望ましい。このような３次元地図情報は、市販されているものであってもよいし、いかなる種類のものであってもよいが、本実施の形態においては、本発明の発明者が作成した３次元地図情報を使用した場合について説明する。具体的には、２次元地図情報から構造物や道路の形状を含む２次元座標の情報を取得し、該情報と高度の情報とを組み合わせることによって、前記３次元地図情報を作成した。なお、前記２次元地図情報としてはオープンストリートマップ（Ｏｐｅｎ　Ｓｔｒｅｅｔ　Ｍａｐ：ＯＳＭ）を使用し、数値表層モデル（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｍｏｄｅｌ）としては朝日航洋株式会社のｇｏｏｄ－３Ｄ（Ｒ）を使用した。また、数値標高モデル（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｅｌｅｖａｔｉｏｎ　Ｍｏｄｅｌ）は、水平方向１〔ｍ〕のメッシュ毎の情報であり、その正確度は水平方向５０〔ｃｍ〕及び鉛直方向１５〔ｃｍ〕である。
　図２（ａ）は、東京都内のある場所（具体的には、東京都千代田区内における神田錦町三丁目と一ツ橋二丁目との境界を走る白山通りにおける一ツ橋交差点近傍）の２次元地図を示し、図２（ｂ）は、本発明の発明者が作成した図２（ａ）の２次元地図に対応する３次元地図である。該３次元地図には、構造物の３次元情報が含まれている。
　前記通信部１７は、例えば、市販されている通信モジュールと同様のものであり、有線又は無線の公衆通信回線網、専用通信回線網、携帯電話回線網、インターネット等の通信回線網を通して、情報提供サーバ３１と通信を行う。そして、位置検出装置１１は、前記通信部１７を介して情報提供サーバ３１と通信を行うことによって、例えば、位置検出装置１１の位置を含む地域乃至所望の地域の２次元地図情報、３次元地図情報等の地図情報や、道路情報、天気情報等の各種情報を取得することができる。したがって、前記地図データベース２７には、多量の地図情報を格納しておく必要はなく、必要な地域の地図情報のみを随時情報提供サーバ３１から取得して格納しておけばよい。なお、情報提供サーバ３１との通信速度が十分に速い場合には、地図データベース２７を省略することもできる。また、測位ユニット２１が出力した位置検出装置１１の現在位置を情報提供サーバ３１に送信することもできる。もっとも、必要がなければ、情報提供サーバ３１を省略することもできる。
　次に、前記構成の位置検出装置１１の動作について説明する。まず、３次元地図情報を使用したレイトレーシング法について説明する。
　図３は本発明の第１の実施の形態におけるマルチパスを計算するレイトレーシングシミュレーションの例を示す図、図４は本発明の第１の実施の形態におけるマルチパスを検出する方法を説明する図である。なお、図４において、（ａ）はＬＯＳパスを示す図、（ｂ）はＮＬＯＳ反射パスを示す図である。
　レイトレーシング法は、元来、コンピュータグラフィックの分野において、光の経路をトレースすることによって物体の像を作り出すために用いられた技法であるが、現在では、電波伝播をシミュレートするためにも用いられる。そして、レイトレーシング法を用いて、位置検出装置１１の位置から測位衛星４１までの間に構造物が存在するか否かを確認する技術は、既に提案されている（例えば、非特許文献１参照。）。
M. Obst, S. Bauer, P. Reisdorf, G. Wanielik,"Multipath detection with 3D digital maps for robust multi-constellation GNSS/INS vehicle localization in urban areas, "in Intelligent Vehicles Symposium (IV), 2012 IEEE, pp. 184-190 (2012) 。
　本実施の形態において、測位衛星４１からの電波伝播のシミュレーションは、レイトレーシング法と図３に示されるような３次元地図とを用いて行われる。図３は、図２に示される地域内の一部の３次元地図である。また、図４は、測位衛星４１からの電波伝播が建物４２の表面４３に反射される状態の模式図であり、測位衛星４１からの電波伝播のマルチパスがどのように検出されるかを示している。
　図において、４４は、建物４２の表面４３を含む平面であり、４１’は、平面４４に対する測位衛星４１の鏡像であり、線４５は、位置検出装置１１の現在位置からの視野内にある測位衛星４１、すなわち、ＬＯＳ（Ｌｉｎｅ－ｏｆ－Ｓｉｇｈｔ）である測位衛星４１からの電波伝播であるＬＯＳパス（直接パス）を示し、線４６は、建物４２の表面４３で反射したＬＯＳである測位衛星４１からの電波伝播である反射パスを示し、線４７は、位置検出装置１１の現在位置からの視野内にない測位衛星４１、すなわち、ＮＬＯＳである測位衛星４１からの電波伝播であるＮＬＯＳ反射パスを示している。なお、ＮＬＯＳである測位衛星４１からの電波伝播に直接パスはあり得ない。
　本実施の形態において用いたレイトレーシング法は、イメージング法と称される方法である。また、建物４２の表面４３は鏡面であるものと仮定し、反射パスは反射の法則に従うものと仮定した。そして、測位衛星４１からの電波伝播のマルチパスを見出すためには、まず、建物４２の表面４３に対する測位衛星４１の鏡像４１’の位置が算出され、続いて、鏡像４１’とアンテナ１５とを結ぶ線分が建物４２の表面４３と交差するか否かが判断される。そして、交差する場合には、測位衛星４１及びアンテナ１５の位置と建物４２の表面４３上の反射点との間に障害物が存在するか否かが検討される。さらに、障害物が存在しない場合には、測位衛星４１からの電波伝播は、反射パスであると判断される。図４（ｂ）に示されるように、測位衛星４１とアンテナ１５の位置との間に建物４２等の障害物が存在する場合には、測位衛星４１からの電波伝播はＮＬＯＳ反射パスであると判断される。
　次に、測位衛星４１の位置と擬似距離とを用いて位置検出装置１１の位置を検出する原理について説明する。なお、測位衛星４１はＧＰＳ衛星であるものとして説明する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002
　次に、マルチパスの影響を考慮して現在位置を検出する第１の方法について説明する。
　図５は本発明の第１の実施の形態における第１の方法によって検出された現在位置の軌跡を示す図である。
　擬似距離の生データは、信号の伝播時間に光の速度を乗じることによって得られるが、信号の伝播時間には各種のエラーが含まれているので、擬似距離は修正される必要がある。ｎ番目の測位衛星４１について算出された擬似距離Ｒn は、次の式（２）で表される。
Ｒn ＝ρn ＋ｃ（δｔr －δＴn ）＋Ｉn ＋Ｔn ＋εn 　・・・式（２）
　ここで、ρn は、ｎ番目の測位衛星４１までの幾何学的距離、δＴn は、衛星時計のＧＰＳ時系からの遅れ、Ｉは、電離層による遅延距離、Ｔは、対流圏による遅延距離、εは、マルチパス、受信ユニット１２のノイズ及びアンテナ１５の遅れに起因するエラーである。
　なお、衛星時計のＧＰＳ時系からの遅れは、放送暦によって計算された値を用いて修正される。また、電離層による遅延距離は、Ｋｌｏｂｕｃｈａｒモデルによって修正され、対流圏による遅延距離は、Ｓａａｓｔａｍｏｉｎｅｎモデルによって修正される。残りのエラーは、マルチパスのエラー及び受信ユニット１２のノイズのエラーである。
　ここで、ノイズが無視し得る程度に小さいとすると、マルチパスのエラーのみを除去すればよいことが分かる。そして、マルチパスのエラーは、レイトレーシング法と図３に示されるような３次元地図とを用いた電波伝播のシミュレーションに基づく推定によって除去することができる。
　そして、本発明の発明者は、このような第１の方法によって位置を検出する実験を図２に示される場所で行った。実験に使用した受信器は、表１に示されるようなデータを出力するＧＰＳ受信器である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000003
　また、図５には、地図上にプロットされた実験の結果が示されている。なお、図５に示される地図は、図２の幅方向中央付近を少し傾斜して上下方向に走る通りの近傍を拡大した３次元地図である。図５において、白抜きの太い直線５１は、道路上を発明者が前記ＧＰＳ受信器を所持して移動した実際の経路である。また、複数の丸印５２は、前記ＧＰＳ受信器の出力に基づき、第１の方法によって検出した位置の軌跡を示している。さらに、複数の三角印５３は、前記ＧＰＳ受信器が出力した位置の軌跡を示している。
　なお、前記ＧＰＳ受信器の出力は、軌跡をスムーズにするために、何らかのフィルタを適用している、と推定される。そのため、本実験においては、第１の方法によって検出した位置に対しても、パーティクルフィルタを適用した。
　図５から明らかなように、丸印５２で示される軌跡は、三角印５３で示される軌跡と比較して、完全に一致してはいないものの、誤差の大きさ、傾向等において、同様の性質を示している。
　次に、マルチパスの影響を考慮して現在位置を検出する第２の方法について説明する。
　図６は本発明の第１の実施の形態における第２の方法による１段目のメッシュの格子点を示す図、図７は本発明の第１の実施の形態における第２の方法による２段目のメッシュの格子点を示す図、図８は本発明の第１の実施の形態における第２の方法によって検出された現在位置の軌跡を示す図である。
　第２の方法は、前記式（１）の解を求めて検出した位置を初期位置とし、該初期位置の周辺の複数位置における擬似距離を算出し、該擬似距離に基づいて検出した位置を候補位置とし、前記初期位置との距離が所定値以内の候補位置に基づいて現在位置を検出する方法である。そして、本実施の形態における位置検出装置１１は、第２の方法によって現在位置を検出する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000006
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000007
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000008
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000009
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000010
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000011
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000012
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000013
　図８には、出力決定部２６が出力した出力位置、すなわち、位置検出装置１１の現在位置を地図上にプロットした結果が示されている。なお、図８に示される地図は、図５とほぼ同一の範囲を示す３次元地図である。図８において、白抜きの太い直線５１は、道路上を発明者が位置検出装置１１を所持して移動した実際の経路である。また、複数の四角印５４は、出力決定部２６が出力した位置検出装置１１の現在位置の軌跡である。なお、複数の丸印５２は、第１の方法によって検出した位置の軌跡であって、参考のために示されている。また、前記四角印５４及び丸印５２は、パーティクルフィルタを適用して得られたものである。
　図８から明らかなように、四角印５４で示される軌跡は、丸印５２で示される軌跡と比較して、実際の経路にかなり接近していることが分かる。
　なお、本実施の形態においては、初期位置の周囲に設定した１段目のメッシュの格子点を第１探索点とし、該第１探索点に基づいて算出した第１評価位置と初期位置との空間距離が第１閾値以下となる第１探索点を第１候補位置として求め、該第１候補位置の周囲に設定した２段目のメッシュの格子点を第２探索点とし、該第２探索点に基づいて算出した第２評価位置と初期位置との空間距離が第２閾値以下となる第２探索点を第２候補位置として求め、該第２候補位置に基づいて出力位置を決定する例について説明したが、第２候補位置を求めることなく、第１候補位置に基づいて出力位置を決定することもできる。換言すると、メッシュを設定し、該メッシュの格子点を探索点とし、該探索点のうちから選択した候補位置を求める工程は、必ずしも、２回繰り返して行われる必要はなく、１回のみであってもよいし、また、必要があれば、３回以上繰り返して行われてもよい。つまり、メッシュを設定し、該メッシュの格子点を探索点とし、該探索点のうちから選択した候補位置を求める工程は、１回であってもよいし、複数回繰り返して行われてもよい。
　また、パーティクルフィルタの適用は、適宜省略することもできる。さらに、パーティクルフィルタ以外のフィルタ（例えば、カルマンフィルタ等）を適用することもできる。
　このように、本実施の形態において、位置検出装置１１は、測位衛星４１からの衛星信号を受信し、受信した衛星信号に基づき、測位衛星４１までの擬似距離を算出する受信ユニット１２と、受信ユニット１２が算出した擬似距離に基づいて初期位置を算出し、３次元地図情報及びレイトレーシング法を用いて初期位置の周辺の複数位置における測位衛星４１までの擬似距離を算出し、算出した擬似距離に基づいて複数位置のうちから候補位置を選択し、初期位置との距離が所定条件を満たす程度に小さい候補位置に基づいて現在位置を決定する測位ユニット２１とを有する。
　また、位置検出方法においては、測位衛星４１からの衛星信号を受信し、受信した衛星信号に基づき、測位衛星４１までの擬似距離を算出し、算出した擬似距離に基づいて初期位置を算出し、３次元地図情報及びレイトレーシング法を用いて初期位置の周辺の複数位置における測位衛星４１までの擬似距離を算出し、算出した擬似距離に基づいて複数位置のうちから候補位置を選択し、初期位置との距離が所定条件を満たす程度に小さい候補位置に基づいて現在位置を決定する。
　これにより、構造物、地形等によって測位衛星４１からの衛星信号が複雑な影響を受ける環境下であっても、ＮＬＯＳ反射パスを含むマルチパスの影響を適切に排除して、短時間で、かつ、低コストで安定的に正確な現在位置を決定して出力することができる。
　さらに、複数位置は、初期位置の周囲に設定されたメッシュの格子点であり、測位ユニット２１は、メッシュを設定し、設定したメッシュの格子点を探索点に設定し、各探索点から各測位衛星４１までの擬似距離であって、３次元地図情報とレイトレーシング法とによって推定したＮＬＯＳ反射パス遅延距離を含む探索点擬似距離を算出し、算出した探索点擬似距離に基づいて評価位置を算出し、算出した評価位置と初期位置との距離が閾値以下である探索点を候補位置として選択する。これにより、受信ユニット１２が算出した擬似距離に基づいて算出した初期位置が概ね正しいとの想定が成立しない場合であっても、初期位置の周囲に設定した探索点のうちから選択し、候補位置に基づいて現在位置を決定することができるので、正確な現在位置を決定して出力することができる。
　さらに、測位ユニット２１は、選択した候補位置の周囲にメッシュを設定し、探索点の設定、探索点擬似距離の算出、評価位置の算出、及び、候補位置の選択を繰り返す。このように、メッシュを設定し、メッシュの格子点を探索点とし、探索点のうちから候補位置を選択する工程を複数回繰り返すので、より適切な候補位置を選択することができ、より正確な現在位置を決定して出力することができる。
　さらに、測位ユニット２１は、選択した候補位置の数が所定数未満である場合、初期位置との距離が最小の候補位置を現在位置に決定し、選択した候補位置の数が所定数以上である場合、初期位置との距離が閾値以下の候補位置を再度選択し、再度選択した候補位置に対して初期位置との距離の逆数で重みを付けた平均値を算出して現在位置を決定する。これにより、正確に現在位置を決定することができる。
　さらに、測位ユニット２１は、決定した現在位置にパーティクルフィルタを適用して得られた結果を出力する。これにより、スムーズな現在位置の軌跡を得ることができる。
　次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。
　図９は本発明の第２の実施の形態における第２の方法による探索点を示す図、図１０は本発明の第２の実施の形態における第２の方法によってパーティクルフィルタを適用した際のパーティクルの分布の例を示す図である。なお、図９において、（ａ）～（ｃ）は、探索点及び評価位置を設定する工程を示す図である。
　本実施の形態において、マルチパスの影響を考慮して現在位置を検出する第２の方法は、前記式（１）の解を求めて検出した位置を初期位置とし、該初期位置の周辺の複数位置における擬似距離を算出し、該擬似距離に基づいて検出した位置を候補位置とし、前記初期位置との距離が所定値以内の候補位置に基づいて現在位置を検出する方法である点において、前記第１の実施の形態と同様であるが、初期位置の周辺の複数位置が、前記第１の実施の形態においては、設定されたメッシュの格子点であるのに対し、ランダムに設定した位置である点で相違する。
　なお、位置検出装置１１の構成及びマルチパスの影響を考慮して現在位置を検出する第１の方法については、前記第１の実施の形態と同様であるので、その説明を省略する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000014
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000015
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000016
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000017
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000018
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000019
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000020
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000021
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000022
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000023
　なお、その他の点の動作については、前記第１の実施の形態と同様であるので、その説明を省略する。
　次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。なお、第１及び第２の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１及び第２の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。
　図１１は本発明の第３の実施の形態におけるＮＬＯＳパス及びＬＯＳパスと構造物のエッジとの関係を説明する図である。なお、図において、（ａ）はパスが構造物の外側を通る場合の図、（ｂ）はパスが構造物によって遮られている場合の図である。
　本実施の形態においては、構造物の誤差モデルを考慮して位置推定を行う。そのため、構造物について、該構造物の形状等を計測したデータベースである数値表層モデル等が示す構造物のエッジ（縁）を基準に一定範囲をレイ（Ｒａｙ）乃至パスが通過する場合、ＬＯＳ及びＮＬＯＳの両方を仮定して計算し、尤もらしい方を判別する。
　具体的には、ＮＬＯＳ反射パス推定部２４は、レイトレーシング法に基づいてマルチパスのエラーを推定する前に、位置検出装置１１の現在位置からの視野内にある測位衛星４１がＬＯＳであるかＮＬＯＳであるかの判定を行う。該判定は、位置検出装置１１の現在位置と各測位衛星４１とを結ぶ線分上に障害物が存在するか否かに基づいて、行われる。この場合、３次元地図情報に含まれる不確かさ（構造物の誤差）を考慮する必要があるので、図１１に示されるような、位置検出装置１１の周囲の構造物のエッジとレイ乃至パスとの最短距離ｄmin を算出する。
　そして、最短距離ｄmin の絶対値｜ｄmin ｜が閾値ｄthreshold 以上である場合には、障害物が存在すればＮＬＯＳであり、障害物が存在しなければＬＯＳであると判別する。また、絶対値｜ｄmin ｜が閾値ｄthreshold 未満である場合には、ＮＬＯＳ及びＬＯＳの両方を仮定して計算し、尤もらしい方を選択する。なお、前記閾値ｄthreshold の数値は、３次元地図情報の精度に応じて設定されるが、例えば、１〔ｍ〕である。
　なお、尤もらしさの判別は、次の（７）～（９）の方法のうちのいずれか１つ、又は、複数個の選択によって行われる。
（７）最小２乗法の残差：位置検出装置１１の現在位置の検出は、加重最小２乗法を用いて、前記式（１）のような擬似距離列の式の解を求めることによって行われるが、その残差をもって尤もらしさの指標とする。具体的には、ＮＬＯＳであるとして、そのマルチパス遅延距離を擬似距離に含めた場合の残差と、ＬＯＳであるとした場合の残差とを比較し、残差の小さい方を選択する。
（８）信号受信強度：測位衛星４１からの衛星信号のある時点における信号受信強度、すなわち、受信電力がその時点までの受信電力の平均値より非常に大きい場合には、ＬＯＳであるとし、非常に小さい場合にはＮＬＯＳであるとする。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000024
　なお、位置検出装置１１の構成及びその他の点の動作については、前記第１及び第２の実施の形態と同様であるので、その説明を省略する。
　次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。なお、第１～第３の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１～第３の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。
　図１２は本発明の第４の実施の形態におけるＮＬＯＳである確率の例を示す図である。
　本実施の形態においても、前記第３の実施の形態と同様に、構造物の誤差モデルを考慮して位置推定を行う。もっとも、本実施の形態においては、構造物のエッジの存在位置に誤差モデルを仮定し、レイが構造物のエッジ近傍を通る場合、前記第３の実施の形態のように、構造物のエッジとレイとの最短距離ｄmin についての閾値ｄthreshold を設定する代わりに、誤差モデルによってＮＬＯＳ及びＬＯＳの確率を定義する。すなわち、最短距離ｄmin に応じたＮＬＯＳ及びＬＯＳの確率を定義する。そして、該確率を前記第２の実施の形態において説明したパーティクルフィルタのような位置推定モデルに組み入れる。
　具体的には、図１１に示されるように、構造物のエッジから外側に向かう方向を正とした場合、構造物のエッジとレイとの最短距離をｄmin とし、ＮＬＯＳである確率は、図１２に示されるような相補誤差関数の積分値に従うものとする。なお、ＮＬＯＳである確率は、次の式（１６）で定義される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000025
　ここで、Ｎ（ｘ、０、σmap ）は確率変数ｘ、期待値０、分散σmap に従う正規分布である。また、σmap は３次元地図の精度から決定される。図１２には、縦軸にＮＬＯＳである確率Ｐ（ＮＬＯＳ｜ｄmin ）を取り、横軸に最短距離ｄmin を取り、σmap ＝０．２５とした例が示されている。
　本実施の形態においては、この確率をもってＮＬＯＳであるかＬＯＳであるかの判定を行い、擬似距離を求め、候補位置の評価を行う。この際、候補位置の尤もらしさの指標に対して、判定されたＮＬＯＳ又はＬＯＳの尤もらしさとして、この確率を乗じる。つまり、候補位置の尤度に対し、ＬＯＳであると判定された場合にはＬＯＳの確率を乗じ、ＮＬＯＳであると判定された場合にはＮＬＯＳの確率を乗じる。
　例えば、前記第２の実施の形態において説明したパーティクルフィルタにおける尤度関数をα(i) （ｔ）＝Ｌmultipath Ｌtransitionとすると、この尤度関数に測位衛星４１の数だけＰ（ＬＯＳ｜ｄmin ）又はＰ（ＮＬＯＳ｜ｄmin ）を乗じる。その結果、尤度関数は、次の式（１７）のようになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000026
　なお、位置検出装置１１の構成及びその他の点の動作については、前記第１及び第２の実施の形態と同様であるので、その説明を省略する。
　次に、本発明の第５の実施の形態について説明する。なお、第１～第４の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１～第４の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。
　図１３は本発明の第５の実施の形態における位置検出システムの構成を示す図である。
　本実施の形態の位置検出システムにおいて、位置検出装置１１は、図に示されるように、機能部として測位ユニット２１を備えておらず、該測位ユニット２１に代えて、受信ユニット１２の擬似距離算出部１４が算出した擬似距離に基づいて初期位置を算出する測位計算部２８を備える。一方、情報提供サーバ３１は、位置検出装置１１の位置を算出する位置算出部２２と、該位置算出部２２の算出した位置の周辺に存在する複数の位置を探索する周辺探索部２３と、位置検出装置１１の位置から測位衛星４１までの電波伝播に生じ得るマルチパスに含まれるＮＬＯＳ反射パスの遅延距離を推定するＮＬＯＳ反射パス推定部２４と、前記周辺探索部２３が探索した位置に基づいて候補位置を選択する候補位置選択部２５と、該候補位置選択部２５が選択した候補位置に基づいて位置検出装置１１の現在位置を決定して出力する現在位置決定部としての出力決定部２６と、３次元地図情報を含む地図情報を記憶して格納する地図データベース２７とを含む測位ユニット２１を備える。
　そして、位置検出装置１１は、受信ユニット１２が出力した測位衛星４１の位置、擬似距離、信号受信強度等、及び、測位計算部２８が算出した初期位置を含む情報を、通信部１７を介して情報提供サーバ３１に送信する。すると、該情報提供サーバ３１は、位置検出装置１１から受信した情報に基づき、３次元地図情報及びレイトレーシング法を用いて初期位置の周囲に複数の候補位置を選択し、選択された候補位置に基づいて現在位置を決定して出力し、出力された現在位置を位置検出装置１１に返信する。
　このように、本実施の形態の位置検出システムにおいては、機能部としての測位ユニット２１が位置検出装置１１に備えられておらず、情報提供サーバ３１に備えられているので、位置検出装置１１の演算負荷及び記憶負荷を低減することができる。したがって、位置検出装置１１が、例えば、携帯電話機やスマートフォンのように、演算能力及び記憶能力が比較的低く、バッテリー等の電源の容量が比較的小さな装置であっても、正確な現在位置の出力を長時間に亘（わた）って継続することができる。
　また、情報提供サーバ３１に多数の位置検出装置１１を通信可能に接続することによって、各位置検出装置１１から受信した情報を、いわゆるプローブデータとして、情報提供サーバ３１に蓄積して利用することができる。
　なお、本実施の形態においては、測位ユニット２１の機能のすべてを位置検出装置１１から情報提供サーバ３１に移した例について説明したが、測位ユニット２１の機能の一部、例えば、地図データベース２７等、のみを情報提供サーバ３１に移し、残りを位置検出装置１１に残すこともできる。また、情報提供サーバ３１及び位置検出装置１１の両方が測位ユニット２１の機能の全部を備えるようにすることもできる。
　さらに、情報提供サーバ３１が算出した現在位置等の情報を位置検出装置１１に返信するか否かは、ケースバイケースで適宜選択することができる。例えば、プローブデータの蓄積が目的である場合には、算出した情報を位置検出装置１１に返信する必要はない。
　なお、位置検出装置１１及び情報提供サーバ３１のその他の点の構成及び動作については、前記第１～第４の実施の形態と同様であるので、その説明を省略する。
　次に、本発明の第６の実施の形態について説明する。なお、第１～第５の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１～第５の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。
　本実施の形態においては、構造物の建て替え等による構造変化を考慮する。具体的には、図１１に示されるように、パスが構造物のエッジ近傍を通る場合、測位衛星４１からの電波伝播がＮＬＯＳパス（反射パス）であると仮定するよりもＬＯＳパス（直接パス）であると仮定する方が尤もらしいことが、前記第３の実施の形態で説明した（７）～（９）の方法で判別された場合には、当該構造物は存在しない、と判定する。つまり、構造物へレイが到達する部分が、前述した構造物の誤差モデルで仮定した構造物の誤差範囲内であれば、構造物の計測誤差が原因であると判定し、前記構造物の誤差範囲外であれば、構造物が存在しないと判定する。
　本実施の形態においても、前記第３の実施の形態と同様に、最短距離ｄmin の絶対値｜ｄmin ｜が閾値ｄthreshold 以上である場合には、３次元地図情報を照会して、位置検出装置１１の現在位置と各測位衛星４１とを結ぶ線分上に障害物が存在するか否かを判別し、ＬＯＳであるかＮＬＯＳであるかの判定を行う。ここで、構造物の建て替え等に起因して、３次元地図情報が実際とは大きく異なる場合、当該構造物が存在しないと判定する。該判定は、次の（１０）～（１４）の方法のうちのいずれか１つ、又は、複数個の選択によって行われる。
（１０）ＮＬＯＳであると仮定するよりも、ＬＯＳであると仮定する方が最小２乗法の残差が小さい場合には、構造物が存在しないと判定する。
（１１）ある方向の単数又は複数の測位衛星４１からのレイについての判定がＮＬＯＳであるにも拘わらず、反射パスが見つからない場合には、構造物が存在しないと判定する。
（１２）ある方向の単数又は複数の測位衛星４１からのレイについての判定がＮＬＯＳであるにも拘わらず、それらの受信強度がそれぞれの測位衛星４１の平均受信強度と比較して十分に強い場合には、構造物が存在しないと判定する。
（１３）前記（１０）～（１２）で説明したケースの１つ又は複数が時間的に連続する場合には、構造物が存在しないと判定する。
（１４）複数の位置検出装置１１によって、前記（１０）～（１３）で説明したケースが観測される場合には、構造物が存在しないと判定する。
　なお、構造物が存在しないとの最終的な判定は、複数の位置検出装置１１の判定に基づいて行われることが望ましい。特に、構造物の異なる部位にレイがクロスするようなケースは、構造物が存在しない可能性が高い。そこで、位置検出装置１１は、情報提供サーバ３１と通信を行い、構造物が存在しないと判定した場合、受信ユニット１２が出力した測位衛星４１の位置、擬似距離、信号受信強度等、位置検出装置１１の現在位置等のデータを判定の結果とともに、情報提供サーバ３１に送信することが望ましい。
　これにより、該情報提供サーバ３１は、複数の位置検出装置１１の判定に基づいて構造物が存在しないと最終的に判定を行い、例えば、３次元地図情報における当該構造物の位置に未存在を示すフラグを立てることによって、３次元地図情報の修正を行うことができる。前記フラグの設定は、例えば、１〔ｍ〕立方のメッシュの各セルに対して行ってもよいし、当該構造物全体で行ってもよい。なお、このような３次元地図情報の修正は、位置検出装置１１が情報提供サーバ３１から受信することによって、位置検出装置１１の地図データベース２７に含まれる３次元地図情報に反映させることもできる。
　また、多数の位置検出装置１１からデータを収集することによって、３次元地図情報に含まれていない構造物の存在を推定することができる。
　例えば、空き地に高層ビル等の構造物が新築された場合のように、３次元地図情報では存在しないことになっている構造物が現実に存在する場合、該構造物の陰に入った測位衛星４１に関しては、マルチパス推定等において矛盾が生じるので外れ値となり、測位に利用されない。したがって、測位自体は通常通りに行うことができ、さらに、その座標からＬＯＳであるかＮＬＯＳであるかの判定に矛盾がある測位衛星４１についてのデータを収集することができる。そして、情報提供サーバ３１は、このようなデータを多数の位置検出装置１１から収集することによって、３次元地図情報に含まれていない構造物の形状を推定することができる。
　また、例えば、レイトレーシング法と３次元地図情報とによってＬＯＳである可能性が高い場合であっても、前記第３の実施の形態で説明した（７）～（９）の方法によってＮＬＯＳであることが疑われる場合がある。そして、ＮＬＯＳであることが疑われるということは、パス上にパスを遮る構造物（３次元地図情報に含まれていない）が存在する可能性があるということである。この場合、３次元地図情報の立法メッシュ毎に投票を行って構造物の存在分布を決定する。立法メッシュに構造物の存在の投票を行う場合には、隣接する立法メッシュにも投票分布確率分布を設けることによって、ロバストな設計が可能となる。この場合には、構造物の形状が不明であるので、構造物全体として生成することはできない。
　なお、本実施の形態においては、情報提供サーバ３１が、位置検出装置１１と通信を行うことによって、多数の位置検出装置１１からのデータを収集し、構造物の有無について３次元地図情報の修正を行う例について説明したが、多数の位置検出装置１１が相互に通信を行うことによってデータを収集し、構造物の有無について３次元地図情報の修正を行うようにすることもできる。
　また、位置検出装置１１及び情報提供サーバ３１のその他の点の構成及び動作については、前記第１～第５の実施の形態と同様であるので、その説明を省略する。
　次に、本発明の第７の実施の形態について説明する。なお、第１～第６の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１～第６の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。
　図１４は本発明の第７の実施の形態における第２の方法による探索点を示す図である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000027
　なお、位置検出装置１１の構成及びマルチパスの影響を考慮して現在位置を検出する第１の方法については、前記第１の実施の形態と同様であるので、その説明を省略する。
　位置検出装置１１の真の位置から観れば、３次元地図情報とレイトレーシング法とによって推定した測位衛星４１までの距離と、受信ユニット１２が測定した測位衛星４１までの距離とは等しくなるはずである。そこで、本実施の形態においては、受信ユニット１２が測定した測位衛星４１までの距離である観測値と、３次元地図情報とレイトレーシング法とによって推定した測位衛星４１までの距離である推定値とを比較する。
　該推定値は、測位衛星４１からの電波伝播がＬＯＳパスである場合、直線距離になり、測位衛星４１からの電波伝播が反射パスである場合、レイトレーシング法によって導出される反射パスの道のりになる。また、前記観測値は、受信ユニット１２が測定した測位衛星４１までの擬似距離には受信ユニット１２が備える時計のＧＰＳ時系からの遅れ、電離層による遅延距離等のエラーが含まれているので、これらを除いた値である。なお、観測信号だけでは反射パスの影響を判定することができないので、前記観測値は反射パスの道のりに相当する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000028
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000029
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000030
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000031
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000032
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000033
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000034
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000035
　次に、本発明の第８の実施の形態について説明する。なお、第１～第７の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１～第７の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。
　図１５は本発明の第８の実施の形態におけるコリレータが出力する相関波の例を示す図、図１６は本発明の第８の実施の形態における逆相マルチパスである可能性を考慮して検出された現在位置の軌跡を示す図である。なお、図１６において、（ａ）は受信電力が閾値以下でＬＯＳの場合に擬似距離を算出しないときの結果を示す図、（ｂ）は受信電力が閾値以下でＬＯＳの場合に逆相マルチパスである可能性を考慮したときの結果を示す図である。
　前記第１及び第２の実施の形態においては、受信電力の強度から推定される測位衛星４１の可視状況との整合性を考慮し、受信電力の強度が弱い場合には測位衛星４１がＬＯＳであり得ないとの前提に基づいて、ある探索点において、受信電力が所定の閾値以下の測位衛星４１がＬＯＳであると認識された場合には、当該探索点から当該測位衛星４１までの擬似距離を算出しないようになっている。
　しかしながら、受信電力の強度が弱い場合、測位衛星４１がＮＬＯＳであることの他に、いわゆる逆相マルチパスである可能性が存在する。そこで、本実施の形態においては、３次元地図情報及びレイトレーシング法を用い、探索点からの視野内にある測位衛星４１がＬＯＳであり、かつ、前記探索点で観測された擬似距離と３次元地図情報及びレイトレーシング法に基づいて推定される擬似距離とが近い場合には、逆相マルチパスである可能性を考慮する。つまり、受信電力の強度が弱くても、測位衛星４１がＬＯＳである、と判定され得る。観測された擬似距離が推定される擬似距離よりも短い場合には、その可能性が更に高くなる。
　なお、測位衛星４１がＬＯＳである場合でも、受信ユニット１２は、マルチパスの影響を受け、直接パスを伝播した電波の他に反射パスを伝播した電波を受信し得る。そして、逆相マルチパスとは、測位衛星４１から直接パスを伝播して受信ユニット１２によって受信された電波の位相と、反射パスを伝播して受信ユニット１２によって受信された電波の位相とがほぼ１８０度ずれてしまう、すなわち、ほぼ逆相になってしまうマルチパスを意味する。前記受信ユニット１２等のＧＰＳ受信器は、通常、コリレータ（相関器）を備え、微弱電波信号の相関波の波形から真のピークを検出するようになっている。そのため、直接パスを伝播して受信された電波の位相と、反射パスを伝播して受信された電波の位相とがほぼ逆相になると、互いに打ち消し合うので、ピークが低くなり、受信電力の強度が弱くなる。
　したがって、受信電力の強度が弱い場合、前記受信ユニット１２が備える図示されないコリレータが出力する相関波の波形の左右対称性を評価することによって、測位衛星４１がＮＬＯＳであるか、逆相マルチパスであるかを識別することができる。対称性が低ければＮＬＯＳであり、対称性が高ければ逆相マルチパスである、と考えられる。
　なお、マルチパスの影響によって、図１５に示されるように、ＧＰＳ受信器のコリレータが出力する相関波の波形のピークが左右どちらかにずれることは、既に確認されている（例えば、非特許文献２参照。）。図１５において、縦軸は相関値（無次元）を表し、横軸は時間（ｃｈｉｐ：チップ）を表している。なお、１〔ｃｈｉｐ〕は、約３００〔ｍ〕の遅延距離に相当する。
久保信明、安田明生、鈴木崇史、「衛星測位におけるマルチパス誤差の削減と高精度化への可能性について」、電子情報通信学会、ＩＴＳ研究会研究報告、２００４年７月「信学技報」、１－６頁。
　また、探索点の移動軌跡、すなわち、トラッキングと受信電力の強度の時系列データとを併せた判定によって、ＮＬＯＳと考えるよりも逆相マルチパスであると考える方が自然である場合には、例えば、現在までの探索点の位置から推定して、急にＮＬＯＳに変わるはずがないと考えられる場合には、逆相マルチパスであると判定する。
　そこで、本実施の形態においては、測位衛星４１からの受信電力の強度が弱い場合、測位ユニット２１は、受信ユニット１２が備えるコリレータが出力する相関波の波形に基づき、測位衛星４１からの電波伝播がＬＯＳであるかＮＬＯＳであるかを判定する。そして、測位ユニット２１は、相関波の波形の左右対称性が高いときは、測位衛星４１からの電波伝播がＬＯＳであって逆相マルチパスであると判定する。
　図１６には、出力決定部２６が出力した出力位置、すなわち、位置検出装置１１の現在位置を地図上にプロットした結果が示されている。図１６（ａ）は、前記第１及び第２の実施の形態のように、受信電力が所定の閾値以下の測位衛星４１がＬＯＳであると認識された探索点を棄却した、すなわち、候補位置として選択せずに、出力位置を算出した場合の結果である。図１６（ｂ）は、受信電力が所定の閾値以下の測位衛星４１がＬＯＳであると認識された探索点も、逆相マルチパスである可能性を考慮し、棄却することなく候補位置として選択し、出力位置を算出した場合の結果である。なお、図１６に示される地図は、図５の中心付近の交差点及びその周辺を示す３次元地図である。
　図１６において、複数の四角印５８は、道路上を発明者が位置検出装置１１（ＧＰＳ受信器）を所持して移動した実際の移動軌跡である。また、複数の丸印５９は、出力決定部２６が出力した位置検出装置１１の現在位置の軌跡である。
　図１６（ａ）では出力位置として算出することができなかったいくつかの地点が、図１６（ｂ）では算出されていることが分かる。また、数字の上でも、図１６（ａ）の結果では、探索の成功率が７０〔％〕程度であるのに対し、図１６（ｂ）の結果では、探索の成功率が９０〔％〕以上にまで上昇した。
　なお、位置検出装置１１の構成及びその他の点の動作については、前記第１及び第２の実施の形態と同様であるので、その説明を省略する。
　次に、本発明の第９の実施の形態について説明する。なお、第１～第８の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１～第８の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。
　図１７－１は本発明の第９の実施の形態における反射波とコリレータが出力する相関波との関係を示す図、図１７－２は本発明の第９の実施の形態における遅延距離とマルチパス誤差との関係を示す図、図１８は本発明の第９の実施の形態におけるマルチパス誤差を補正して検出された現在位置を示す図である。なお、図１７－１において、（ａ）は反射波が同相である場合を示す図、（ｂ）は反射波が逆相である場合を示す図であり、図１７－２において、（ａ）は通常のコリレータの場合を示す図、（ｂ）は複数種類のコリレータを比較した場合を示す図である。
　前記第１及び第２の実施の形態においては、受信電力の強度から推定される測位衛星４１の可視状況との整合性を考慮し、受信電力の強度が強い場合には測位衛星４１がＮＬＯＳであり得ないからＬＯＳであるとの前提に基づいて、反射パスを考慮することなく、当該探索点から当該測位衛星４１までの擬似距離を算出するようになっている。
　しかしながら、測位衛星４１がＬＯＳである場合でも、受信ユニット１２は、マルチパスの影響を受け、直接パスを伝播した電波の他に反射パスを伝播した電波を受信し得る。そこで、本実施の形態においては、３次元地図情報及びレイトレーシング法を用い、測位衛星４１からの電波伝播がＬＯＳであるかＮＬＯＳであるかを判定し、ＬＯＳである場合には直接パス及び反射パスの両方を含むマルチパスであるか否かを判定し、マルチパスであるときには受信ユニット１２が算出した擬似距離を反射パスの遅延を考慮して補正し、補正した擬似距離に基づいて現在位置を決定する。つまり、測位衛星４１からの受信電力の強度が強い場合、測位ユニット２１は、３次元地図情報及びレイトレーシング法を用いて測位衛星４１がＬＯＳであるかＮＬＯＳであるかを判定し、ＬＯＳであってマルチパスであるときは、遅延を考慮して擬似距離を補正し、補正した擬似距離に基づいて現在位置を決定する。
　なお、測位衛星４１がＮＬＯＳである場合には、前記第１及び第２の実施の形態の場合と同様に、当該測位衛星４１からの電波を測位計算に使用しない。
　そして、測位衛星４１がＬＯＳである場合には、当該測位衛星４１からの直接波（直接パスを伝播した電波）のみを受信しているのか、又は、直接波のみならず建物の壁面等で反射された反射波（反射パスを伝播した電波）をも受信しているのか、つまり、マルチパスであるのか、を判定する。
　ここで、マルチパスであるか否かを判定するためには、２つの方法がある。
　第１の方法は、３次元地図情報及びレイトレーシング法によって電波伝播の経路、すなわち、パスを判定する方法である。この方法では、測位衛星４１から位置検出装置１１乃至受信ユニット１２までに、直接パス及び反射パスの両方が存在すればマルチパスであると判定し、直接パスのみであればマルチパスでないと判定する。
　また、第２の方法は、コリレータが出力する相関波の波形に基づいて判定する方法である。直接波のみが受信される環境において、相関波の波形は、図１７－１で実線で示されるような形状となる。しかし、破線で示されるような反射波も同時に受信すると、出力される相関波の波形は、一点鎖線で示されるように歪（ゆが）んだものとなる。したがって、相関波の波形に基づいて、直接パス及び反射パスの両方を含むマルチパスであるか否かを判定することができる。なお、反射波の直接波に対する位相によって相関波の波形が変化する。すなわち、同相であれば、図１７－１（ａ）に示されるように、右側が膨らみ、逆相であれば、図１７－１（ｂ）に示されるように、右側が凹む。
　本発明の発明者は、第１の方法を採用して実験を行った。第１の方法では、３次元地図情報及びレイトレーシング法によって反射パスの存在が判定されると、該反射パスの直接パスに対する遅延距離を求めることができる。なお、反射波の直接波に対する位相の判定は、受信電力の強度を参考にして行うことができる。すなわち、受信電力の強度が強ければ同相であり、弱ければ逆相であると判定することができる。また、受信ユニット１２が相関波を出力可能である場合には、該相関波の波形に基づいて、反射波の直接波に対する位相を判定することができる。
　なお、前記遅延の考慮の方法は、次の（１８）及び（１９）の２通りである。
（１８）平均化された（経験値による）モデルを仮定し、検波（測距）の誤差を見積もる。
（１９）ビル等の構造物の表面の素材（反射率）を考慮した反射波を実際に波形に重ねて、検波（測距）の誤差を見積もる。
　反射パスの直接パスに対する遅延距離に応じた擬似距離に含まれるマルチパス誤差の大きさは、コリレータの種類、反射波の強度、位相、遅延距離によって決まる。この理論値がどのようになるかは、図１７－２に示されている。
　図１７－２に示されるように、コリレータの仕様に基づいて理論的に求めた遅延距離とマルチパス誤差との関係が確認されている（例えば、非特許文献３参照。）。図１７－２において、（ａ）は通常のコリレータの場合を示し、（ｂ）は複数種類のコリレータを比較した場合を示している。なお、図１７－２は、マルチパス反射波の振幅は直接波（直接パスを伝播した電波）の振幅の半分である、と仮定して算出されている。実際には、マルチパス反射波の振幅や遅延距離は、時々刻々に変化するので、マルチパス誤差は、図１７－２に示される最大値の範囲内で生じることになる。
M. Braasch, "Performance comparison of multipath mitigating receiver architectures,"in Aerospace Conference, 2001, IEEE Proceedings., vol. 3, 2001,  pp.3/1309-3/1315 vol.3 。
　これに基づいて、本発明の発明者が実験に使用した位置検出装置１１（ＧＰＳ受信器）におけるマルチパス誤差のモデルを考える。最近のＧＰＳ受信器が備えるコリレータは、いわゆるナローコリレータ（Ｎａｒｒｏｗ　Ｃｏｒｒｅｌａｔｏｒ）である場合が多いので、ここでは、ナローコリレータを想定し、図１７－２（ｂ）に基づき、簡単な見積もりとして、遅延距離ｄに対するマルチパス誤差εは、次の式（１９）又は（２０）で表されるものとする。
ε＝（α／３０）ｄ　　（ｄ＜３０の場合）　・・・式（１９）
ε＝α　　　　　　　　（ｄ≧３０の場合）　・・・式（２０）
　ここで、αは、経験的に、６〔ｍ〕であるものとする。
　そして、測位ユニット２１は、遅延距離ｄに応じたマルチパス誤差εを算出し、該マルチパス誤差εによって擬似距離を補正する。
　図１８には、発明者等が位置検出装置１１を携帯しながら２０秒間静止した状態で測位した結果、すなわち、位置検出装置１１で現在位置を検出した第１の実験の結果が示されている。
　具体的には、前記第１及び第２の実施の形態で説明したような初期位置の周辺に複数位置（探索点）を設定して該複数位置における擬似距離を算出する方法を採用することなく、加重最小２乗法（重み付き最小２乗法）を用いて、前記式（１）の解を求めた結果である。なお、図１８に示される地図は、図１６に示される交差点及びその周辺を拡大して示す３次元地図である。
　図１８において、四角印は、交差点の北西の角に位置する位置検出装置１１の真の現在位置を示している。三角印６１は、観測された擬似距離、すなわち、受信ユニット１２が出力した擬似距離をそのまま使用して測位計算を行った結果である。また、丸印６２は、そこから、前記モデルによるマルチパス誤差εを算出し、該マルチパス誤差εにより補正した擬似距離によって測位計算を行った結果である。２０秒間の結果であるため、三角印６１及び丸印６２ともに、測位計算を行った結果が複数存在する。三角印６１よりも丸印６２の方が真の現在位置に近いことが分かる。
　このように、受信ユニット１２が出力した擬似距離には、マルチパス誤差が含まれており、測位した２０秒間の平均誤差は、１３．７〔ｍ〕であった。ここからマルチパス誤差を補正した結果、２０秒間の平均誤差を６．８〔ｍ〕まで低減することができた。
　次に、本実施の形態における第２の実験の結果について説明する。該第２の実験では、前記式（１）の解を求めて検出した位置を初期位置とし、該初期位置の周辺にランダムに設定した複数の探索点における擬似距離を算出し、該擬似距離に基づいて候補位置を選択し、前記初期位置との距離、及び、前回の位置からの移動距離という指標を用いて評価を行い尤度を定め、該尤度に基づいて加重平均を取ることによって現在位置を推定した点において、前記第２の実施の形態と同様であるが、本実施の形態においては、前記式（１９）又は（２０）で表されるようなマルチパス誤差εを考慮する点で相違する。
　図１９は本発明の第９の実施の形態における真の現在位置におけるレイトレーシングの第１の例を示す図、図２０は本発明の第９の実施の形態における候補位置の第１の例を示す図、図２１は本発明の第９の実施の形態における真の現在位置におけるレイトレーシングの第２の例を示す図、図２２は本発明の第９の実施の形態における候補位置の第２の例を示す図である。なお、図２０及び２２において、（ａ）はマルチパス誤差εを考慮しない場合を示す図、（ｂ）はマルチパス誤差εを考慮する場合を示す図である。
　図１９には、第１の現在位置における測位衛星４１からの電波伝播が示されている。なお、図１９に示される地図は、図１８と同一の交差点及びその周辺を示す３次元地図であって、四角印は、交差点の北東の角に位置する位置検出装置１１の真の現在位置を示している。線４５は、位置検出装置１１の現在位置からの視野内にある測位衛星４１からの電波伝播である直接パスを示し、線４６は、構造物の表面で反射した前記測位衛星４１からの電波伝播である反射パスを示している。図１９では、直接パスを示す線４５が４本であり、反射パスを示す線４６も４本であるから、４つのすべての測位衛星４１からの電波がマルチパスとなっていることが分かる。
　マルチパス誤差εを考慮しない場合、正解座標、すなわち、真の現在位置において観測された擬似距離と３次元地図情報及びレイトレーシング法に基づいて推定される擬似距離との差の平均は、２．１〔ｍ〕となり、候補位置の分布は、図２０（ａ）に示されるようになった。図２０（ａ）及び（ｂ）において、小さな複数の丸印６５は尤度の低い候補位置、やや大きな複数の丸印６４は尤度の高い候補位置、最も大きな単一の丸印６３はすべての候補位置の加重平均、すなわち、推定結果である。該推定結果の誤差は、３．３〔ｍ〕であった。
　これに対し、マルチパス誤差εを考慮する場合、真の現在位置において観測された擬似距離と３次元地図情報及びレイトレーシング法に基づいて推定される擬似距離との差の平均は、０．５〔ｍ〕となり、候補位置の分布は、図２０（ｂ）に示されるようになった。そして、推定結果の誤差は、０．５〔ｍ〕であった。マルチパス誤差εを考慮しない場合と比較して、推定結果の誤差が大きく低減された。
　また、図２１には、第２の現在位置における測位衛星４１からの電波伝播が示されている。なお、図２１に示される地図は、図１８及び１９と同一の交差点及びその周辺を示す３次元地図であって、四角印は、交差点の北西の角に位置する位置検出装置１１の真の現在位置を示している。図１９と同様に、線４５は、位置検出装置１１の現在位置からの視野内にある測位衛星４１からの電波伝播である直接パスを示し、線４６は、構造物の表面で反射した前記測位衛星４１からの電波伝播である反射パスを示している。図２１では、直接パスを示す線４５が４本であり、反射パスを示す線４６が３本であるから、４つのうちの３つの測位衛星４１からの電波がマルチパスとなっていることが分かる。
　マルチパス誤差εを考慮しない場合、真の現在位置において観測された擬似距離と３次元地図情報及びレイトレーシング法に基づいて推定される擬似距離との差の平均は、１．９〔ｍ〕となり、候補位置の分布は、図２２（ａ）に示されるようになった。そして、推定結果の誤差は、１２．９〔ｍ〕であった。
　これに対し、マルチパス誤差εを考慮する場合、真の現在位置において観測された擬似距離と３次元地図情報及びレイトレーシング法に基づいて推定される擬似距離との差の平均は、１．５〔ｍ〕となり、候補位置の分布は、図２２（ｂ）に示されるようになった。そして、推定結果の誤差は、２．３〔ｍ〕であった。マルチパス誤差εを考慮しない場合と比較して、推定結果の誤差が大きく低減された。
　なお、位置検出装置１１の構成及びその他の点の動作については、前記第１及び第２の実施の形態と同様であるので、その説明を省略する。
　次に、本発明の第１０の実施の形態について説明する。なお、第１～第９の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１～第９の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。
　本実施の形態においては、３次元地図情報のエラーの可能性、具体的には、構造物の壁面に対する垂線方向の位置エラーの可能性を考慮してポジショニングの計算を行う。つまり、構造物の外壁面の座標を前記垂線方向に変化させることによって、最小２乗法の残差、すなわち、誤差が小さくなる位置を探索し、この位置を構造物の外壁面の本来の座標であると推定する。位置検出装置１１の現在位置の検出は、加重最小２乗法を用いて、前記式（１）のような擬似距離列の式の解を求めることによって行われるが、本実施の形態においては、その誤差が小さくなる位置を探索し、本来の位置であると推定する。
　また、このようにして推定した結果を、エラー空間に投票することによって、エラー分布を作成することができる。この場合、位置検出装置１１を使用する一人のユーザが複数回行った推定の結果を投票してもよいし、複数のユーザが各自の位置検出装置１１を使用して行った推定の結果を投票してもよい。また、前記エラー分布に基づき、構造物の外壁面の座標について３次元地図情報の修正を行うようにすることもできる。
　なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。
　本発明は、位置検出装置、位置検出システム及び位置検出方法に適用することができる。
１１　　位置検出装置
１２　　受信ユニット
２１　　測位ユニット
２２　　位置算出部
２３　　周辺探索部
２５　　候補位置選択部
２６　　出力決定部
３１　　情報提供サーバ
４１　　測位衛星

Claims (38)

  1. 　測位衛星からの衛星信号を受信し、該衛星信号に基づき、前記測位衛星までの擬似距離を算出する受信ユニットと、
    　該受信ユニットが算出した擬似距離に基づいて初期位置を算出し、３次元地図情報及びレイトレーシング法を用いて前記初期位置の周辺の複数位置における前記測位衛星までの擬似距離を算出し、該擬似距離に基づいて前記複数位置のうちから候補位置を選択し、前記初期位置との距離が所定条件を満たす程度に小さい候補位置に基づいて現在位置を決定する測位ユニットとを有することを特徴とする位置検出装置。
  2. 　前記複数位置は、前記初期位置の周囲に設定されたメッシュの格子点であり、
    　前記測位ユニットは、前記メッシュを設定し、該メッシュの格子点を探索点に設定し、各探索点から各測位衛星までの擬似距離であって、３次元地図情報とレイトレーシング法とによって推定したＮＬＯＳ反射パス遅延距離を含む探索点擬似距離を算出し、該探索点擬似距離に基づいて評価位置を算出し、該評価位置と前記初期位置との距離が閾値以下である探索点を候補位置として選択する請求項１に記載の位置検出装置。
  3. 　前記測位ユニットは、選択した候補位置の周囲にメッシュを設定し、前記探索点の設定、前記探索点擬似距離の算出、前記評価位置の算出、及び、前記候補位置の選択を繰り返す請求項２に記載の位置検出装置。
  4. 　前記測位ユニットは、選択した候補位置の数が所定数未満である場合、前記初期位置との距離が最小の候補位置を現在位置に決定し、選択した候補位置の数が前記所定数以上である場合、前記初期位置との距離が閾値以下の候補位置を再度選択し、再度選択した候補位置に対して前記初期位置との距離の逆数で重みを付けた平均値を算出して現在位置を決定する請求項１～３のいずれか１項に記載の位置検出装置。
  5. 　前記複数位置は、前記初期位置の周囲にランダムに設定された位置であり、
    　前記測位ユニットは、前記複数位置を探索点に設定し、各探索点から各測位衛星までの擬似距離であって、３次元地図情報とレイトレーシング法とによって推定したＮＬＯＳ反射パス遅延距離を含む探索点擬似距離を算出し、該探索点擬似距離に基づいて候補位置を選択し、該候補位置と前記初期位置との距離に基づく値を尤度とし、前記候補位置の尤度に応じた加重平均を現在位置と決定する請求項１に記載の位置検出装置。
  6. 　前記測位ユニットは、各探索点から各測位衛星までの擬似距離であって、３次元地図情報とレイトレーシング法とによって推定したＮＬＯＳ反射パス遅延距離を含む探索点擬似距離を算出し、該探索点擬似距離の集合と、前記受信ユニットが算出した擬似距離の集合との類似度が高い探索点を候補位置として選択する請求項１に記載の位置検出装置。
  7. 　前記測位ユニットは、前記候補位置を選択する基準に、前記探索点擬似距離の集合と、前記受信ユニットが算出した擬似距離の集合との類似度を更に加える請求項２～５のいずれか１項に記載の位置検出装置。
  8. 　前記測位ユニットは、前記初期位置を算出する位置算出部と、前記複数位置を探索する周辺探索部と、前記候補位置を選択する候補位置選択部と、前記現在位置を決定する現在位置決定部とを備える請求項１～７のいずれか１項に記載の位置検出装置。
  9. 　前記測位衛星からの電波伝播が前記３次元地図情報に含まれる構造物のエッジを基準とした一定範囲を通過する場合、前記電波伝播がＬＯＳ及びＮＬＯＳの２つの場合を仮定して、双方において前記測位衛星までの擬似距離を算出し、ＬＯＳ又はＮＬＯＳのうちの尤もらしい方を選択する請求項１～８のいずれか１項に記載の位置検出装置。
  10. 　前記測位衛星からの電波伝播が前記３次元地図情報に含まれる構造物のエッジを基準とした一定範囲を通過する場合、前記エッジの存在位置に誤差モデルを仮定し、前記電波伝播がＬＯＳである確率及びＮＬＯＳである確率を定義する請求項１～８のいずれか１項に記載の位置検出装置。
  11. 　前記測位衛星からの電波伝播が、前記３次元地図情報に含まれる構造物に反射する反射パスであると仮定したときと比較して、直接パスであると仮定したときの方が前記初期位置を算出する際の最小２乗法の残差が小さい場合には、前記構造物が存在しないと判定する請求項１～８のいずれか１項に記載の位置検出装置。
  12. 　前記構造物が存在しないとの判定が複数の位置検出装置によって行われた場合、前記判定を３次元地図情報に反映させる請求項１１に記載の位置検出装置。
  13. 　前記測位衛星からの受信電力の強度が弱い場合、前記受信ユニットが備えるコリレータが出力する相関波の波形に基づき、前記測位衛星からの電波伝播がＬＯＳであるかＮＬＯＳであるかを判定する請求項１～８のいずれか１項に記載の位置検出装置。
  14. 　前記相関波の左右対称性が高いときは、前記測位衛星からの電波伝播がＬＯＳであって逆相マルチパスであると判定する請求項１３に記載の位置検出装置。
  15. 　前記測位衛星からの受信電力の強度が強い場合、３次元地図情報及びレイトレーシング法を用いて前記測位衛星からの電波伝播がＬＯＳであるかＮＬＯＳであるかを判定し、ＬＯＳであるときは、遅延を考慮して擬似距離を補正する請求項１～８のいずれか１項に記載の位置検出装置。
  16. 　遅延距離に応じたマルチパス誤差を算出し、該マルチパス誤差によって前記擬似距離を補正する請求項１５に記載の位置検出装置。
  17. 　前記３次元地図情報に含まれる構造物の壁面に対する垂線方向の位置エラーの可能性を考慮し、前記壁面の座標を前記垂線方向に変化させ、最小２乗法の残差が小さくなる位置を探索し、該位置が前記壁面の位置であると推定する請求項１～８のいずれか１項に記載の位置検出装置。
  18. 　測位衛星からの衛星信号を受信し、該衛星信号に基づき、前記測位衛星までの擬似距離を算出する受信ユニットを備える位置検出装置と、
    　該位置検出装置と通信可能に接続されたサーバとを有する位置検出システムであって、
    　前記サーバは、受信ユニットが算出した擬似距離に基づいて初期位置を算出し、３次元地図情報及びレイトレーシング法を用いて前記初期位置の周辺の複数位置における前記測位衛星までの擬似距離を算出し、該擬似距離に基づいて前記複数位置のうちから候補位置を選択し、前記初期位置との距離が所定条件を満たす程度に小さい候補位置に基づいて現在位置を決定する測位ユニットとを備え、決定した現在位置を前記位置検出装置に送信することを特徴とする位置検出システム。
  19. 　測位衛星からの衛星信号を受信し、
    　該衛星信号に基づき、前記測位衛星までの擬似距離を算出し、
    　該擬似距離に基づいて初期位置を算出し、
    　３次元地図情報及びレイトレーシング法を用いて前記初期位置の周辺の複数位置における前記測位衛星までの擬似距離を算出し、
    　該擬似距離に基づいて前記複数位置のうちから候補位置を選択し、
    　前記初期位置との距離が所定条件を満たす程度に小さい候補位置に基づいて現在位置を決定することを特徴とする位置検出方法。
  20. 　測位衛星からの衛星信号を受信し、該衛星信号に基づき、前記測位衛星までの擬似距離を算出する受信ユニットと、
    　３次元地図情報及びレイトレーシング法を用い、前記測位衛星からの電波伝播がＬＯＳであるかＮＬＯＳであるかを判定し、ＬＯＳである場合には直接パス及び反射パスの両方を含むマルチパスであるか否かを判定し、マルチパスであるときには前記受信ユニットが算出した擬似距離を前記反射パスの遅延を考慮して補正し、補正した擬似距離に基づいて現在位置を決定する測位ユニットとを有することを特徴とする位置検出装置。
  21. 　前記測位ユニットは、前記反射パスの遅延距離に応じたマルチパス誤差を算出し、該マルチパス誤差によって前記擬似距離を補正する請求項２０に記載の位置検出装置。
  22. 　前記マルチパス誤差は、前記受信ユニットが備えるコリレータの特性に応じて設定されたモデルに基づいて算出される請求項２１に記載の位置検出装置。
  23. 　前記測位ユニットは、前記測位衛星からの電波伝播がＬＯＳである場合には、前記受信ユニットが備えるコリレータが出力する相関波の波形に基づいてマルチパスであるか否かを判定する請求項２０～２２のいずれか１項に記載の位置検出装置。
  24. 　前記測位ユニットは、前記受信ユニットが算出した擬似距離に基づいて初期位置を算出し、３次元地図情報及びレイトレーシング法を用いて前記初期位置の周辺の複数位置における前記測位衛星までの擬似距離を算出し、該擬似距離に基づいて前記複数位置のうちから候補位置を選択し、前記初期位置との距離が所定条件を満たす程度に小さい候補位置に基づいて現在位置を決定する請求項２０に記載の位置検出装置。
  25. 　前記複数位置は、前記初期位置の周囲に設定されたメッシュの格子点であり、
    　前記測位ユニットは、前記メッシュを設定し、該メッシュの格子点を探索点に設定し、各探索点から各測位衛星までの擬似距離であって、３次元地図情報とレイトレーシング法とによって推定したＮＬＯＳ反射パス遅延距離を含む探索点擬似距離を算出し、該探索点擬似距離に基づいて評価位置を算出し、該評価位置と前記初期位置との距離が閾値以下である探索点を候補位置として選択する請求項２４に記載の位置検出装置。
  26. 　前記測位ユニットは、選択した候補位置の周囲にメッシュを設定し、前記探索点の設定、前記探索点擬似距離の算出、前記評価位置の算出、及び、前記候補位置の選択を繰り返す請求項２５に記載の位置検出装置。
  27. 　前記測位ユニットは、選択した候補位置の数が所定数未満である場合、前記初期位置との距離が最小の候補位置を現在位置に決定し、選択した候補位置の数が前記所定数以上である場合、前記初期位置との距離が閾値以下の候補位置を再度選択し、再度選択した候補位置に対して前記初期位置との距離の逆数で重みを付けた平均値を算出して現在位置を決定する請求項２４～２６のいずれか１項に記載の位置検出装置。
  28. 　前記複数位置は、前記初期位置の周囲にランダムに設定された位置であり、
    　前記測位ユニットは、前記複数位置を探索点に設定し、各探索点から各測位衛星までの擬似距離であって、３次元地図情報とレイトレーシング法とによって推定したＮＬＯＳ反射パス遅延距離を含む探索点擬似距離を算出し、該探索点擬似距離に基づいて候補位置を選択し、該候補位置と前記初期位置との距離に基づく値を尤度とし、前記候補位置の尤度に応じた加重平均を現在位置と決定する請求項２４に記載の位置検出装置。
  29. 　前記測位ユニットは、各探索点から各測位衛星までの擬似距離であって、３次元地図情報とレイトレーシング法とによって推定したＮＬＯＳ反射パス遅延距離を含む探索点擬似距離を算出し、該探索点擬似距離の集合と、前記受信ユニットが算出した擬似距離の集合との類似度が高い探索点を候補位置として選択する請求項２４に記載の位置検出装置。
  30. 　前記測位ユニットは、前記候補位置を選択する基準に、前記探索点擬似距離の集合と、前記受信ユニットが算出した擬似距離の集合との類似度を更に加える請求項２５～２８のいずれか１項に記載の位置検出装置。
  31. 　前記測位ユニットは、前記初期位置を算出する位置算出部と、前記複数位置を探索する周辺探索部と、前記候補位置を選択する候補位置選択部と、前記現在位置を決定する現在位置決定部とを備える請求項２４～３０のいずれか１項に記載の位置検出装置。
  32. 　前記３次元地図情報に含まれる構造物の壁面に対する垂線方向の位置エラーの可能性を考慮し、前記壁面の座標を前記垂線方向に変化させ、最小２乗法の残差が小さくなる位置を探索し、該位置が前記壁面の位置であると推定する請求項２０～３１のいずれか１項に記載の位置検出装置。
  33. 　前記測位衛星からの電波伝播が前記３次元地図情報に含まれる構造物のエッジを基準とした一定範囲を通過する場合、前記電波伝播がＬＯＳ及びＮＬＯＳの２つの場合を仮定して、双方において前記測位衛星までの擬似距離を算出し、ＬＯＳ又はＮＬＯＳのうちの尤もらしい方を選択する請求項２０～３１のいずれか１項に記載の位置検出装置。
  34. 　前記測位衛星からの電波伝播が前記３次元地図情報に含まれる構造物のエッジを基準とした一定範囲を通過する場合、前記エッジの存在位置に誤差モデルを仮定し、前記電波伝播がＬＯＳである確率及びＮＬＯＳである確率を定義する請求項２０～３１のいずれか１項に記載の位置検出装置。
  35. 　前記測位衛星からの電波伝播が、前記３次元地図情報に含まれる構造物に反射する反射パスであると仮定したときと比較して、直接パスであると仮定したときの方が前記初期位置を算出する際の最小２乗法の残差が小さい場合には、前記構造物が存在しないと判定する請求項２０～３１のいずれか１項に記載の位置検出装置。
  36. 　前記構造物が存在しないとの判定が複数の位置検出装置によって行われた場合、前記判定を３次元地図情報に反映させる請求項３５に記載の位置検出装置。
  37. 　測位衛星からの衛星信号を受信し、該衛星信号に基づき、前記測位衛星までの擬似距離を算出する受信ユニットを備える位置検出装置と、
    　該位置検出装置と通信可能に接続されたサーバとを有する位置検出システムであって、
    　前記サーバは、３次元地図情報及びレイトレーシング法を用い、前記測位衛星からの電波伝播がＬＯＳであるかＮＬＯＳであるかを判定し、ＬＯＳである場合には直接パス及び反射パスの両方を含むマルチパスであるか否かを判定し、マルチパスであるときには前記受信ユニットが算出した擬似距離を遅延を考慮して補正し、補正した擬似距離に基づいて現在位置を決定する測位ユニットを備え、決定した現在位置を前記位置検出装置に送信することを特徴とする位置検出システム。
  38. 　測位衛星からの衛星信号を受信し、
    　該衛星信号に基づき、前記測位衛星までの擬似距離を算出し、
    　３次元地図情報及びレイトレーシング法を用い、
    　前記測位衛星からの電波伝播がＬＯＳであるかＮＬＯＳであるかを判定し、
    　ＬＯＳである場合には直接パス及び反射パスの両方を含むマルチパスであるか否かを判定し、
    　マルチパスであるときには前記受信ユニットが算出した擬似距離を遅延を考慮して補正し、
    　補正した擬似距離に基づいて現在位置を決定することを特徴とする位置検出方法。
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