搬送波位相式測位装置
【課題】測位側が移動している場合であっても高精度な測位を実現できる搬送波位相式測位装置の提供。
【解決手段】移動局及び既知点で衛星信号を受信して取得する衛星データに基づいて移動局の位置を測位する搬送波位相式測位装置３４であって、移動局３０及び既知点２０で受信した衛星信号の搬送波位相の積算値の1重又は２重位相差を観測量とし、移動局の位置と搬送波位相の積算値に含まれる整数値バイアスの1重又は２重位相差とを状態変数とするシステムモデルに、移動局の移動履歴から該移動局の現時刻の状態を予測する移動体モデルを導入して、複数エポックでの衛星データに基づいて前記状態変数を推定して測位を行う。
【解決手段】移動局及び既知点で衛星信号を受信して取得する衛星データに基づいて移動局の位置を測位する搬送波位相式測位装置３４であって、移動局３０及び既知点２０で受信した衛星信号の搬送波位相の積算値の1重又は２重位相差を観測量とし、移動局の位置と搬送波位相の積算値に含まれる整数値バイアスの1重又は２重位相差とを状態変数とするシステムモデルに、移動局の移動履歴から該移動局の現時刻の状態を予測する移動体モデルを導入して、複数エポックでの衛星データに基づいて前記状態変数を推定して測位を行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、衛星信号の搬送波位相の積算値を測定して移動局の測位を行う搬送波位相式測位装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、測量の分野では、搬送波位相によるＧＰＳ測量が広く利用されている。この搬送波位相によるＧＰＳ測量では、基準側の受信機と測位側の受信機とが、複数の衛星から送られる衛星信号を同時に受信し、基準側と測位側とで各衛星信号の搬送波位相の積算値をそれぞれ独立に算出する。この搬送波位相の積算値（以下、単に「位相積算値」という）には、搬送波の波長の整数倍に相当する不確定な要素（以下、「整数値バイアス」という）が含まれているが、この整数値バイアスは、時計誤差等とは異なり、位相積算値の一重位相差や二重位相差を取ることによっても消去することができない。このため、ＧＰＳ測量の分野において、位相積算値の三重位相差を取ることで不確定要素である整数値バイアスを消去することや、整数値バイアスそのものを求める技術が提案されている。
【０００３】
ここで、整数値バイアスを確定する技術として、カルマンフィルタを用いる技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。この技術では、測位側の位置と整数値バイアスを状態変数とし、基準側に対する測位側の位相積算値の一重位相差を観測量として、観測を重ねる毎に前記状態変数を更新する追尾フィルタが構成される。また、整数値バイアスを確定するその他の技術として、整数値バイアスを含んだ搬送波の二重位相差を用いて、最小二乗法により所定の条件で二重位相差の整数値バイアスを求める技術が知られている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００４−７７２２８号公報
【特許文献２】特開２００３−９８２４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上述の各従来技術は、測位側が長時間固定されていることを前提とした測量の分野での技術であるため、測位側が移動し得る技術分野（例えば、移動局の位置を測位する分野）では適用できない（即ち、整数値バイアスを高精度に確定できない）という、問題点がある。
【０００５】
そこで、本発明は、測位側が移動している場合であっても高精度な測位を実現できる搬送波位相式測位装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明の一局面によれば、移動局及び既知点で衛星信号を受信して取得する衛星データに基づいて移動局の測位を行う搬送波位相式測位装置であって、
移動局及び既知点で受信した衛星信号の搬送波位相の積算値の1重又は２重位相差を観測量とし、移動局の位置と搬送波位相の積算値に含まれる整数値バイアスの1重又は２重位相差とを状態変数とするシステムモデルに、移動局の移動履歴から該移動局の現時刻の状態を推定する移動体モデルを導入して、複数エポックでの衛星データに基づいて前記状態変数を推定して測位を行うこと特徴とする、搬送波位相式測位装置が提供される。
【０００７】
本局面において、前記移動局の移動履歴は、移動局の位置、速度、加速度及び加加速度の少なくとも何れかに関わるものであってよい。前記移動体モデルは、移動局の速度及び加速度の少なくとも何れかを１次のマルコフ過程と仮定して構築されるものであってよい。前記状態変数の推定は、カルマンフィルタ又は最小二乗法若しくはその類の最小二乗原理の適用により実行されるものであってよい。
【０００８】
また、本発明の一局面によれば、移動局の位置を状態変数とすると共に、移動局の速度、加速度及び加加速度の少なくとも何れか１つを状態変数とし、移動局と既知点で観測される衛星信号の搬送波位相の積算値を観測データとするシステムモデルを用いて、搬送波位相の積算値に含まれる整数値バイアスを推定し、該推定した整数値バイアスを用いて移動局の位置を測位することを特徴とする、搬送波位相式測位装置が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、測位側が移動している場合であっても高精度な測位を実現できる搬送波位相式測位装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態の説明を行う。
【００１１】
図１は、本発明に係る搬送波位相式測位システムの構成図である。図１に示すように、ＧＰＳ測位システムは、地球周りを周回するＧＰＳ衛星１０と、地球上の所定位置（既知点）に設置される固定型の基準局２０と、地球上に位置し地球上を移動しうる移動局３０とから構成される。
【００１２】
ＧＰＳ衛星１０は、航法メッセージを地球に向けて常時放送する。航法メッセージには、対応するＧＰＳ衛星１０に関する軌道情報、時計の補正値、電離層の補正係数が含まれている。航法メッセージは、Ｃ／Ａコードにより拡散されＬ１搬送波（周波数：1575.42ＭＨz）に乗せられて、地球に向けて常時放送されている。
【００１３】
尚、現在、２４個のＧＰＳ衛星１０が高度約２０，０００ｋｍの上空で地球を一周しており、各４個のＧＰＳ衛星１０が５５度ずつ傾いた６つの地球周回軌道面に均等に配置されている。従って、天空が開けている場所であれば、地球上のどの場所にいても、常時、少なくとも５個以上のＧＰＳ衛星１０が観測可能である。
【００１４】
図２は、図１の搬送波位相式ＧＰＳ測位システムのより詳細な構成図である。移動局３０は、ＧＰＳ受信機３２を備える。ＧＰＳ受信機３２内には、その周波数がＧＰＳ衛星１０の搬送周波数と一致する発振器（図示せず）が内蔵されている。ＧＰＳ受信機３２は、ＧＰＳアンテナ３２ａを介してＧＰＳ衛星１０から受信した電波（衛星信号）を中間周波数に変換後、ＧＰＳ受信機３２内で発生させたＣ／Ａコードを用いてＣ／Ａコード同期を行い、航法メッセージを取り出す。
【００１５】
また、ＧＰＳ受信機３２は、各ＧＰＳ衛星１０iからの搬送波に基づいて、搬送波位相の位相積算値Φiuを計測する。尚、位相積算値Φiuについて、添え字ｉ（＝１，２，・・・）は、各ＧＰＳ衛星１０iに割り当てられた番号を示し、添え字ｕは移動局３０側での積算値であることを示す。位相積算値Φiuは、次式に示すように、搬送波受信時刻ｔでの発振器の位相Θiu（ｔ）と、ＧＰＳ衛星１０iでの衛星信号発生時の搬送波位相Θiu（ｔ−τ）との差として得られる。
Φiu（ｔ）＝Θiu（ｔ）−Θiu（ｔ−τu）＋Ｎiu＋εiu（ｔ） 式（１）
ここで、τuは、ＧＰＳ衛星１０からＧＰＳ受信機３２までのトラベル時間を示し、εiuは、ノイズ（誤差）を表わす。尚、位相差の観測開始時点では、ＧＰＳ受信機３２は、搬送波位相の１波長以内の位相を正確に測定できるが、それが何波長目に相当するかを確定できない。このため、位相積算値Φiu（ｔ）には、上式に示すように、不確定な要素として整数値バイアスＮiuが導入される。
【００１６】
移動局３０は、また、携帯電話等の通信機３３を備える。通信機３３は、後述する如く、基準局２０側の携帯電話基地局等のような通信施設２３と双方向通信を行うように構成されている。
【００１７】
基準局２０は、ＧＰＳアンテナ２２ａを備えるＧＰＳ受信機２２を有する。ＧＰＳ受信機２２は、移動局３０のＧＰＳ受信機３２と同様に、各ＧＰＳ衛星１０iからの搬送波に基づいて、次式に示すように、搬送波受信時刻ｔにおける搬送波位相の積算値Φik（ｔ）を計測する。
Φik（ｔ）＝Θik（ｔ）−Θik（ｔ−τk）＋Ｎik＋εik（ｔ） 式（２）
尚、Ｎikは、整数値バイアスを示し、εikは、ノイズ（誤差）を表わす。尚、位相積算値Φikについて、添え字ｋは基準局２０側での積算値であることを示す。基準局２０は、計測した位相積算値Φikを通信施設２３を介して移動局３０に送信する。尚、基準局２０は、所定領域に複数設置されている。各基準局２０と通信施設２３（複数も可）とは、図２に示すように、インターネット等のネットワークを介して接続されてよく、若しくは、各基準局２０毎に通信施設２３が設けられてもよい。前者の構成では、移動局３０は、通信施設２３との間で通信可能な状態である限り、各基準局２０が受信した情報を得ることができる。
【００１８】
図３は、移動局３０に搭載される本発明による搬送波位相式測位装置３４（以下、「測位装置３４」という）の一実施例を示す機能ブロック図である。本実施例の測位装置３４は、演算器４０を中心に構成され、演算器４０には、上述のＧＰＳ受信機３２及び通信機３３に接続されている。演算器４０には、更に、移動局３０に搭載される各種センサ５０が接続される。尚、演算器４０は、ＧＰＳ受信機３２に内蔵されるものであってもよい。また、移動局３０が車両の場合、ＧＰＳ受信機３２及び演算器４０及び／又は通信機３３は、ナビゲーション装置内に実装されてよい。
【００１９】
演算器４０は、マイクロコンピューターから構成されてよく、図３に示すように、衛星位置算出部４２と、整数値バイアス推定部４８とを含む。
【００２０】
衛星位置算出部４２は、ＧＰＳ受信機３２が受信した航法メッセージの軌道情報に基づいて、観測可能な各ＧＰＳ衛星１０iの、時刻ｔにおけるワールド座標系での位置（Ｘi（ｔ）、Ｙi（ｔ）、Ｚi（ｔ））を計算する。尚、ＧＰＳ衛星１０は、人工衛星の１つであるので、その運動は、地球重心を含む一定面内（軌道面）に限定される。また、ＧＰＳ衛星１０の軌道は地球重心を１つの焦点とする楕円運動であり、ケプラーの方程式を逐次数値計算することで、軌道面上でのＧＰＳ衛星１０の位置が計算できる。また、搬送波受信時刻ｔでの各ＧＰＳ衛星１０iの位置（Ｘi（ｔ）、Ｙi（ｔ）、Ｚi（ｔ））は、ＧＰＳ衛星１０の軌道面とワールド座標系の赤道面が回転関係にあることを考慮して、軌道面上でのＧＰＳ衛星１０の位置を３次元的な回転座標変換することで得られる。尚、ワールド座標系とは、図４に示すように、地球重心を原点として、赤道面内で互いに直交するＸ軸及びY軸、並びに、この両軸に直交するＺ軸により定義される。
【００２１】
整数値バイアス推定部４８では、各ＧＰＳ衛星１０iに係る観測データ（特に、移動局３０が通信機３３を介して受信する基準局２０側の位相積算値Φik、及び、移動局３０側の位相積算値Φiu）に基づいて整数値バイアスが推定される。以下、その手順を説明する。
【００２２】
時刻ｔにおける２つのＧＰＳ衛星１０j、１０h（ｉ＝ｊ、ｈ、但し、ｊ≠ｈ）に関する位相積算値の２重位相差は、次式となる。
Φjhku＝（Φjk（ｔ）−Φju（ｔ））−（Φhk（ｔ）−Φhu（ｔ）） 式（７）
一方、位相積算値の２重位相差Φjhkuは、（ＧＰＳ衛星１０iとＧＰＳ受信機２２若しくは３２との距離）＝（搬送波の波長Ｌ）×（位相積算値）という物理的な意味合いから、次のようになる。
【００２３】
【数１】
ここで、式（８）における［Ｘk（ｔ）、Ｙk（ｔ）、Ｚk（ｔ）］は、時刻ｔにおける基準局２０のワールド座標系における座標値（既知）であり、［Ｘu（ｔ）、Ｙu（ｔ）、Ｚu（ｔ）］は、時刻ｔにおける移動局３０の座標値（未知）であり、［Ｘj（ｔ）、Ｙj（ｔ）、Ｚj（ｔ）］及び［Ｘh（ｔ）、Ｙh（ｔ）、Ｚh（ｔ）］は、時刻ｔにおける各ＧＰＳ衛星１０j、１０hの座標値（衛星位置算出部４２により算出）である。Ｎjhkuは、整数値バイアスの２重位相差である（即ち、Ｎjhku＝（Ｎjk−Ｎju）−（Ｎhk−Ｎhu））。尚、時刻ｔは、例えばGPS時刻で同期が取られているものとする。
【００２４】
整数値バイアス推定部４８では、次の状態方程式が設定される。
η（ｉ＋１）＝Ｆ・η（ｉ）＋ｕ（ｉ） 式（９）
ここで、η（ｉ）は、観測周期ｉ（＝１，２．．．）での状態変数を表わし、移動局３０の位置［Ｘu（ｉ）、Ｙu（ｉ）、Ｚu（ｉ）］、移動局３０の速度［Ｖｘ（ｉ）、Ｖｙ（ｉ）、Ｖｚ（ｉ）］及び、nz個のＧPS衛星１０１〜nzが観測可能な場合の整数値バイアスの２重位相差であり、η＝［Ｘu、Ｙu、Ｚu、Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚ、Ｎ11ku、Ｎ12ku、．．．、Ｎ1nzku］Ｔである（Ｔは転置を表す）。また、ｕは、外乱（システム雑音：正規性白色雑音）である。
【００２５】
この状態方程式には、移動局３０の移動履歴から該移動局３０の現時刻の状態を予測する移動体モデルに基づくものとなっている。ここでは、移動局３０の速度ｖを一次のマルコフ過程と仮定すると、速度に関する状態方程式を、次のように表すことができる。
【００２６】
【数２】
但し、αは時定数の逆数である。この仮定より、移動局３０の状態方程式は、
【００２７】
【数３】
と表現でき、これを離散化すると上記の式（９）を得る。
【００２８】
式（９）において、
【００２９】
【数４】
である。
【００３０】
また、システム雑音ｕ（ｉ）の共分散行列は、
【００３１】
【数５】
となる。但し、
【００３２】
【数６】
であり、σ２ｖは、移動局３０の速度の分散であり、例えばSingerモデルにおける確率分布により導出してもよい。
【００３３】
整数値バイアス推定部４８では、次の観測方程式が採用される。
Ｚ（ｉ）＝Ｈ（ｉ）・η（ｉ）＋Ｖ（ｉ） 式（１０）
を用いて、ここで、Ｚ及びＶは、それぞれ、観測量及び観測ノイズ（正規性白色雑音）を示す。式（１０）の観測量Ｚは、位相積算値の２重位相差（上記式（７）参照）である。上記式（９）の状態方程式は線形であるが、観測量Ｚは、状態変数Ｘu、Ｙu及びＺuに関して非線形であるため、式（８）の各項が状態変数Ｘu、Ｙu及びＺuのそれぞれで偏微分され、式（１０）の観測行列Ｈが求められる。
【００３４】
【数７】
但し、状態変数η＝［Ｘu、Ｙu、Ｚu、Ｎ11ku、Ｎ12ku、．．．、Ｎ1nzku、Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚ］Ｔとし、数８のＨ１は、状態変数η＝［Ｘu、Ｙu、Ｚu、Ｎ11ku、Ｎ12ku、．．．、Ｎ1nzku］Ｔとした場合の観測行列である。従って、数８のＨは、観測行列Ｈ１に、状態変数η＝［Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚ］Ｔに対応するゼロ行列を横長に加えたものとなっている。
【００３５】
上記式（９）の状態方程式及び上記式（１０）の観測方程式にカルマンフィルタを適用すると、以下の式が得られる。
時間更新として、
η（ｉ）（−）＝η（ｉ−１）（＋） 式（１１）
Ｐ（ｉ）（−）＝Ｐ（ｉ−１）（＋）＋Ｑ（ｉ−１） 式（１２）
また、観測更新として、
Ｋ（ｉ）＝Ｐ（ｉ）（−）・ＨＴ（ｉ）・（Ｈ（ｉ）・Ｐ（ｉ）（−）・ＨＴ（ｉ）＋Ｒ（ｉ））−１ 式（１３）
η（ｉ）（＋）＝η（ｉ）（−）＋Ｋ（ｉ）・（Ｚ（ｉ）−Ｈ（ｉ）・η（ｉ）（−）） 式（１４）
Ｐ（ｉ）（＋）＝Ｐ（ｉ）（−）−Ｋ（ｉ）・Ｈ（ｉ）・Ｐ（ｉ）（−） 式（１５）
ここで、Ｑ，Ｒは、外乱ｕの共分散行列及び観測ノイズＶの共分散行列をそれぞれ表わす。尚、上記式（１１）及び式（１４）がフィルタ方程式、上記式（１３）がフィルタゲイン、上記式（１２）及び式（１５）が共分散方程式となる。また、上付き文字で示す（−）及び（＋）は、更新前後を示す。
【００３６】
図５は、本実施例の測位装置３４により実行される主要処理を示すフローチャートである。図５に示す処理ルーチンは、ＧＰＳ受信機２２，３２による位相積算値の演算周期毎（観測周期毎）に実行される。
【００３７】
先ずステップ１００において、衛星情報（各ＧＰＳ衛星１０ｉの位置情報、各ＧＰＳ衛星１０ｉに対する基準局２０側の位相積算値、及び、各ＧＰＳ衛星１０ｉに対する移動局３０側の位相積算値）が観測周期毎に取得される。
【００３８】
初回の観測周期ｉ（＝１）に対しては、ステップ１１０及び１２０の処理が実行される。即ち、ステップ１１０では、コード2重位相差による初期位置算出処理が実行される。具体的には、衛星信号に含まれるＣ／ＡコードやＰコードのようなＰＲＮコード（擬似雑音符号）に基づいて基準局２０側及び移動局３０側の双方で計測される擬似距離ρk、ρuの2重位相差を観測量として、最小二乗法若しくはカルマンフィルタを用いて、移動局３０の位置［Ｘu（ｉ）、Ｙu（ｉ）、Ｚu（ｉ）］を推定する。また、ステップ１２０では、この推定値［Ｘu（ｉ）、Ｙu（ｉ）、Ｚu（ｉ）］に基づいて初期バイアス値（＝整数値バイアスの２重位相差の初期値）が推定される。これら推定値は、比較的大きな誤差を含みうるので、専ら状態変数の初期値η０として、解の収束を早めるために利用されるものであってよい。
【００３９】
初回より後の観測周期ｉ（＞１）に対しては、ステップ１３０の処理が観測周期毎に繰り返し実行され、複数の観測周期で得た衛星情報に基づいて、上述の移動体モデルを導入したカルマンフィルタにより状態変数が導出（推定）されていく。即ち、ステップ１３０では、観測周期毎に上記式（１１）乃至式（１５）により時間・観測更新が行われ、前回周期の各共分散及び状態変数の推定値を引き継ぎながら測位算出が実行される。
【００４０】
ステップ１４０では、測位解を算出・出力する処理が実行される。上記ステップ１３０から得られる整数値バイアスの推定値は、実数解として求められる。しかし、整数値バイアスは、実際には整数値であるので、求めた実数解に対して最も近い整数解（即ち、波数）を求める。この手法としては、整数値バイアスの無相関化をはかり、整数解の探索空間を狭めて解を特定するＬＡ
ＭＢＤＡ法等が使用されてよい。また、ＧＰＳ受信機２２、３２が、GPS衛星１０から発射されるＬ１波及びＬ２波の双方を受信可能な２周波受信機である場合には、Ｌ１波及びＬ２波のそれぞれに対して上述と同様の推定を同時・並列的に実行し、双方の周期の和（ワイドレーン）を作成して整数値バイアスの整数解の候補を絞り込んでもよい。また、衛星信号に乗せられるＣ／ＡコードやＰコード若しくはその類のＰＲＮコード（擬似雑音符号）を用いて導出される擬似距離の1重又は2重位相差を上述の状態変数に組み込んでもよい。
【００４１】
このようにして整数値バイアスの整数解が確定されると、以後、サイクルスリップが生じない限り、移動局３０の位置は、当該整数値バイアスの整数解を用いた測位により高精度に算出できる。
【００４２】
以上のとおり、本実施例によれば、移動局３０が移動しながらでも状態変数（測位、整数値バイアス）の算出が可能であり、また、移動局３０の過去の移動状態から現在時刻の移動状態を予測する移動体モデルをカルマンフィルタに導入することで、移動局３０の移動に起因したモデル推定誤差が減少し（推定誤差のバイアスを取り除くことができ）、状態変数の算出精度が向上する。また、フィードフォワード的にモデル誤差を消去できるので状態変数（測位、整数値バイアス）の算出精度が向上すると共に、測位開始までの時間を短縮できる。
【００４３】
尚、上述の本実施例では、移動局３０の速度ｖを一次のマルコフ過程と仮定して移動体モデルを構成しているが、例えば、移動局３０の加速度を一次のマルコフ過程と仮定して移動体モデルを構成してもよい。即ち、移動体モデルは、位置、速度、加速度、加加速度（加速度の微分値）のような移動局３０の移動状態を表すことができる任意のパラメータを用いて構成されてよい。
【００４４】
図６は、本実施例による測位装置３４により実現される高い測位精度を実証する試験データである。図６（Ａ）は、本実施例のアルゴリズムが適用された構成（移動体モデルをカルマンフィルタに導入する構成）による測位結果を緯度・経度で示している。図６（Ｂ）は、対照として、移動体モデルをカルマンフィルタに導入しない構成による測位結果を示している。
【００４５】
移動体モデルをカルマンフィルタに導入しない場合には、図６（Ｂ）に示すように、移動体３０（車両）がカーブ等を走行する際に、当該移動の大きな変化に追従できず、解の誤差が大きいのに対して、本実施例のアルゴリズムが適用された場合、図６（Ａ）に示すように、良好な精度の解が求めることが可能となっている。
【００４６】
以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。
【００４７】
例えば、上述した実施例では、上記式（９）の状態方程式及び上記式（１０）の観測方程式にカルマンフィルタを適用するものであったが、本発明は、最小二乗法やベイズ法等の他の推定手法を適用する構成に対しても適用可能である。
【００４８】
また、上述した実施例において、上記式（１０）の観測方程式に、移動局３０の速度ｖに関する観測量が導入されてもよい。この場合、例えば、衛星信号（電波）のドップラシフトの計算結果に基づいて、移動局３０の速度ｖが観測されてもよく、また、擬似距離の距離変化（擬似距離変化率）の観測結果に基づいて、移動局３０の速度ｖが観測されてもよい。また、移動局３０が車両の場合、車速センサ、ヨーレートセンサなどの車載センサの検出値が協働的に用いられてもよい。
【００４９】
また、上述した実施例において、上記式（９）の状態方程式に状態変数として移動局３０の速度ｖを入れず、上記式（１１）の状態変数［Ｘu（ｉ）、Ｙu（ｉ）、Ｚu（ｉ）］の時間更新する際に、上述のような移動体モデルに基づく動的状態量が考慮されてもよい。
【００５０】
また、上述した実施例では、上述の如く２重位相差を取ることでＧＰＳ受信機２２，３２内での発振器の初期位相、及び、時計誤差等の影響を消去しているが、ＧＰＳ衛星１０の初期位相及びＧＰＳ時計誤差のみを消去できる一重位相差を取る構成や、位相差を一切取らない構成であってもよい。また、本実施例では、電離層屈折効果、対流圏屈折効果及びマルチパスの影響を無視しているが、これらを考慮するものであってもよい。
【００５１】
また、上述の説明では、便宜上、ＧＰＳ衛星１０１を参照衛星としている場合があるが、移動局３０と基準局２０の位置等に依存して、他のＧＰＳ衛星１０ｉ（＝２，３・・・）が参照衛星となりえる。
【００５２】
また、上述の説明では、移動局３０の例として車両を挙げたが、移動局３０は、受信機３２及び／又は演算器４０が実装されたホークリフト、ロボットや、受信機３２及び／又は演算器４０を内蔵する携帯電話等の情報端末を含む。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明に係る搬送波位相式ＧＰＳ測位システムの構成図である。
【図２】図１の搬送波位相式ＧＰＳ測位システムのより詳細な構成図である。
【図３】移動局３０に搭載される本発明による測位装置３４の一実施例を示す機能ブロック図である。
【図４】ワールド座標系とローカル座標系との関係、及び、ローカル座標系とボディ座標との関係を示す図である。
【図５】本実施例の測位装置３４により実現される処理のフローチャートである。
【図６】本実施例による測位装置３４により実現される高い測位精度を実証する試験データである。
【符号の説明】
【００５４】
１０ ＧＰＳ衛星
２０ 基準局
２２ 基準局側ＧＰＳ受信機
３０ 移動局
３２ 移動局側ＧＰＳ受信機
３４ 搬送波位相式測位装置
４０ 演算器
４２ 衛星位置算出部
４８ 整数値バイアス推定部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、衛星信号の搬送波位相の積算値を測定して移動局の測位を行う搬送波位相式測位装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、測量の分野では、搬送波位相によるＧＰＳ測量が広く利用されている。この搬送波位相によるＧＰＳ測量では、基準側の受信機と測位側の受信機とが、複数の衛星から送られる衛星信号を同時に受信し、基準側と測位側とで各衛星信号の搬送波位相の積算値をそれぞれ独立に算出する。この搬送波位相の積算値（以下、単に「位相積算値」という）には、搬送波の波長の整数倍に相当する不確定な要素（以下、「整数値バイアス」という）が含まれているが、この整数値バイアスは、時計誤差等とは異なり、位相積算値の一重位相差や二重位相差を取ることによっても消去することができない。このため、ＧＰＳ測量の分野において、位相積算値の三重位相差を取ることで不確定要素である整数値バイアスを消去することや、整数値バイアスそのものを求める技術が提案されている。
【０００３】
ここで、整数値バイアスを確定する技術として、カルマンフィルタを用いる技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。この技術では、測位側の位置と整数値バイアスを状態変数とし、基準側に対する測位側の位相積算値の一重位相差を観測量として、観測を重ねる毎に前記状態変数を更新する追尾フィルタが構成される。また、整数値バイアスを確定するその他の技術として、整数値バイアスを含んだ搬送波の二重位相差を用いて、最小二乗法により所定の条件で二重位相差の整数値バイアスを求める技術が知られている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００４−７７２２８号公報
【特許文献２】特開２００３−９８２４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上述の各従来技術は、測位側が長時間固定されていることを前提とした測量の分野での技術であるため、測位側が移動し得る技術分野（例えば、移動局の位置を測位する分野）では適用できない（即ち、整数値バイアスを高精度に確定できない）という、問題点がある。
【０００５】
そこで、本発明は、測位側が移動している場合であっても高精度な測位を実現できる搬送波位相式測位装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明の一局面によれば、移動局及び既知点で衛星信号を受信して取得する衛星データに基づいて移動局の測位を行う搬送波位相式測位装置であって、
移動局及び既知点で受信した衛星信号の搬送波位相の積算値の1重又は２重位相差を観測量とし、移動局の位置と搬送波位相の積算値に含まれる整数値バイアスの1重又は２重位相差とを状態変数とするシステムモデルに、移動局の移動履歴から該移動局の現時刻の状態を推定する移動体モデルを導入して、複数エポックでの衛星データに基づいて前記状態変数を推定して測位を行うこと特徴とする、搬送波位相式測位装置が提供される。
【０００７】
本局面において、前記移動局の移動履歴は、移動局の位置、速度、加速度及び加加速度の少なくとも何れかに関わるものであってよい。前記移動体モデルは、移動局の速度及び加速度の少なくとも何れかを１次のマルコフ過程と仮定して構築されるものであってよい。前記状態変数の推定は、カルマンフィルタ又は最小二乗法若しくはその類の最小二乗原理の適用により実行されるものであってよい。
【０００８】
また、本発明の一局面によれば、移動局の位置を状態変数とすると共に、移動局の速度、加速度及び加加速度の少なくとも何れか１つを状態変数とし、移動局と既知点で観測される衛星信号の搬送波位相の積算値を観測データとするシステムモデルを用いて、搬送波位相の積算値に含まれる整数値バイアスを推定し、該推定した整数値バイアスを用いて移動局の位置を測位することを特徴とする、搬送波位相式測位装置が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、測位側が移動している場合であっても高精度な測位を実現できる搬送波位相式測位装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態の説明を行う。
【００１１】
図１は、本発明に係る搬送波位相式測位システムの構成図である。図１に示すように、ＧＰＳ測位システムは、地球周りを周回するＧＰＳ衛星１０と、地球上の所定位置（既知点）に設置される固定型の基準局２０と、地球上に位置し地球上を移動しうる移動局３０とから構成される。
【００１２】
ＧＰＳ衛星１０は、航法メッセージを地球に向けて常時放送する。航法メッセージには、対応するＧＰＳ衛星１０に関する軌道情報、時計の補正値、電離層の補正係数が含まれている。航法メッセージは、Ｃ／Ａコードにより拡散されＬ１搬送波（周波数：1575.42ＭＨz）に乗せられて、地球に向けて常時放送されている。
【００１３】
尚、現在、２４個のＧＰＳ衛星１０が高度約２０，０００ｋｍの上空で地球を一周しており、各４個のＧＰＳ衛星１０が５５度ずつ傾いた６つの地球周回軌道面に均等に配置されている。従って、天空が開けている場所であれば、地球上のどの場所にいても、常時、少なくとも５個以上のＧＰＳ衛星１０が観測可能である。
【００１４】
図２は、図１の搬送波位相式ＧＰＳ測位システムのより詳細な構成図である。移動局３０は、ＧＰＳ受信機３２を備える。ＧＰＳ受信機３２内には、その周波数がＧＰＳ衛星１０の搬送周波数と一致する発振器（図示せず）が内蔵されている。ＧＰＳ受信機３２は、ＧＰＳアンテナ３２ａを介してＧＰＳ衛星１０から受信した電波（衛星信号）を中間周波数に変換後、ＧＰＳ受信機３２内で発生させたＣ／Ａコードを用いてＣ／Ａコード同期を行い、航法メッセージを取り出す。
【００１５】
また、ＧＰＳ受信機３２は、各ＧＰＳ衛星１０iからの搬送波に基づいて、搬送波位相の位相積算値Φiuを計測する。尚、位相積算値Φiuについて、添え字ｉ（＝１，２，・・・）は、各ＧＰＳ衛星１０iに割り当てられた番号を示し、添え字ｕは移動局３０側での積算値であることを示す。位相積算値Φiuは、次式に示すように、搬送波受信時刻ｔでの発振器の位相Θiu（ｔ）と、ＧＰＳ衛星１０iでの衛星信号発生時の搬送波位相Θiu（ｔ−τ）との差として得られる。
Φiu（ｔ）＝Θiu（ｔ）−Θiu（ｔ−τu）＋Ｎiu＋εiu（ｔ） 式（１）
ここで、τuは、ＧＰＳ衛星１０からＧＰＳ受信機３２までのトラベル時間を示し、εiuは、ノイズ（誤差）を表わす。尚、位相差の観測開始時点では、ＧＰＳ受信機３２は、搬送波位相の１波長以内の位相を正確に測定できるが、それが何波長目に相当するかを確定できない。このため、位相積算値Φiu（ｔ）には、上式に示すように、不確定な要素として整数値バイアスＮiuが導入される。
【００１６】
移動局３０は、また、携帯電話等の通信機３３を備える。通信機３３は、後述する如く、基準局２０側の携帯電話基地局等のような通信施設２３と双方向通信を行うように構成されている。
【００１７】
基準局２０は、ＧＰＳアンテナ２２ａを備えるＧＰＳ受信機２２を有する。ＧＰＳ受信機２２は、移動局３０のＧＰＳ受信機３２と同様に、各ＧＰＳ衛星１０iからの搬送波に基づいて、次式に示すように、搬送波受信時刻ｔにおける搬送波位相の積算値Φik（ｔ）を計測する。
Φik（ｔ）＝Θik（ｔ）−Θik（ｔ−τk）＋Ｎik＋εik（ｔ） 式（２）
尚、Ｎikは、整数値バイアスを示し、εikは、ノイズ（誤差）を表わす。尚、位相積算値Φikについて、添え字ｋは基準局２０側での積算値であることを示す。基準局２０は、計測した位相積算値Φikを通信施設２３を介して移動局３０に送信する。尚、基準局２０は、所定領域に複数設置されている。各基準局２０と通信施設２３（複数も可）とは、図２に示すように、インターネット等のネットワークを介して接続されてよく、若しくは、各基準局２０毎に通信施設２３が設けられてもよい。前者の構成では、移動局３０は、通信施設２３との間で通信可能な状態である限り、各基準局２０が受信した情報を得ることができる。
【００１８】
図３は、移動局３０に搭載される本発明による搬送波位相式測位装置３４（以下、「測位装置３４」という）の一実施例を示す機能ブロック図である。本実施例の測位装置３４は、演算器４０を中心に構成され、演算器４０には、上述のＧＰＳ受信機３２及び通信機３３に接続されている。演算器４０には、更に、移動局３０に搭載される各種センサ５０が接続される。尚、演算器４０は、ＧＰＳ受信機３２に内蔵されるものであってもよい。また、移動局３０が車両の場合、ＧＰＳ受信機３２及び演算器４０及び／又は通信機３３は、ナビゲーション装置内に実装されてよい。
【００１９】
演算器４０は、マイクロコンピューターから構成されてよく、図３に示すように、衛星位置算出部４２と、整数値バイアス推定部４８とを含む。
【００２０】
衛星位置算出部４２は、ＧＰＳ受信機３２が受信した航法メッセージの軌道情報に基づいて、観測可能な各ＧＰＳ衛星１０iの、時刻ｔにおけるワールド座標系での位置（Ｘi（ｔ）、Ｙi（ｔ）、Ｚi（ｔ））を計算する。尚、ＧＰＳ衛星１０は、人工衛星の１つであるので、その運動は、地球重心を含む一定面内（軌道面）に限定される。また、ＧＰＳ衛星１０の軌道は地球重心を１つの焦点とする楕円運動であり、ケプラーの方程式を逐次数値計算することで、軌道面上でのＧＰＳ衛星１０の位置が計算できる。また、搬送波受信時刻ｔでの各ＧＰＳ衛星１０iの位置（Ｘi（ｔ）、Ｙi（ｔ）、Ｚi（ｔ））は、ＧＰＳ衛星１０の軌道面とワールド座標系の赤道面が回転関係にあることを考慮して、軌道面上でのＧＰＳ衛星１０の位置を３次元的な回転座標変換することで得られる。尚、ワールド座標系とは、図４に示すように、地球重心を原点として、赤道面内で互いに直交するＸ軸及びY軸、並びに、この両軸に直交するＺ軸により定義される。
【００２１】
整数値バイアス推定部４８では、各ＧＰＳ衛星１０iに係る観測データ（特に、移動局３０が通信機３３を介して受信する基準局２０側の位相積算値Φik、及び、移動局３０側の位相積算値Φiu）に基づいて整数値バイアスが推定される。以下、その手順を説明する。
【００２２】
時刻ｔにおける２つのＧＰＳ衛星１０j、１０h（ｉ＝ｊ、ｈ、但し、ｊ≠ｈ）に関する位相積算値の２重位相差は、次式となる。
Φjhku＝（Φjk（ｔ）−Φju（ｔ））−（Φhk（ｔ）−Φhu（ｔ）） 式（７）
一方、位相積算値の２重位相差Φjhkuは、（ＧＰＳ衛星１０iとＧＰＳ受信機２２若しくは３２との距離）＝（搬送波の波長Ｌ）×（位相積算値）という物理的な意味合いから、次のようになる。
【００２３】
【数１】
ここで、式（８）における［Ｘk（ｔ）、Ｙk（ｔ）、Ｚk（ｔ）］は、時刻ｔにおける基準局２０のワールド座標系における座標値（既知）であり、［Ｘu（ｔ）、Ｙu（ｔ）、Ｚu（ｔ）］は、時刻ｔにおける移動局３０の座標値（未知）であり、［Ｘj（ｔ）、Ｙj（ｔ）、Ｚj（ｔ）］及び［Ｘh（ｔ）、Ｙh（ｔ）、Ｚh（ｔ）］は、時刻ｔにおける各ＧＰＳ衛星１０j、１０hの座標値（衛星位置算出部４２により算出）である。Ｎjhkuは、整数値バイアスの２重位相差である（即ち、Ｎjhku＝（Ｎjk−Ｎju）−（Ｎhk−Ｎhu））。尚、時刻ｔは、例えばGPS時刻で同期が取られているものとする。
【００２４】
整数値バイアス推定部４８では、次の状態方程式が設定される。
η（ｉ＋１）＝Ｆ・η（ｉ）＋ｕ（ｉ） 式（９）
ここで、η（ｉ）は、観測周期ｉ（＝１，２．．．）での状態変数を表わし、移動局３０の位置［Ｘu（ｉ）、Ｙu（ｉ）、Ｚu（ｉ）］、移動局３０の速度［Ｖｘ（ｉ）、Ｖｙ（ｉ）、Ｖｚ（ｉ）］及び、nz個のＧPS衛星１０１〜nzが観測可能な場合の整数値バイアスの２重位相差であり、η＝［Ｘu、Ｙu、Ｚu、Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚ、Ｎ11ku、Ｎ12ku、．．．、Ｎ1nzku］Ｔである（Ｔは転置を表す）。また、ｕは、外乱（システム雑音：正規性白色雑音）である。
【００２５】
この状態方程式には、移動局３０の移動履歴から該移動局３０の現時刻の状態を予測する移動体モデルに基づくものとなっている。ここでは、移動局３０の速度ｖを一次のマルコフ過程と仮定すると、速度に関する状態方程式を、次のように表すことができる。
【００２６】
【数２】
但し、αは時定数の逆数である。この仮定より、移動局３０の状態方程式は、
【００２７】
【数３】
と表現でき、これを離散化すると上記の式（９）を得る。
【００２８】
式（９）において、
【００２９】
【数４】
である。
【００３０】
また、システム雑音ｕ（ｉ）の共分散行列は、
【００３１】
【数５】
となる。但し、
【００３２】
【数６】
であり、σ２ｖは、移動局３０の速度の分散であり、例えばSingerモデルにおける確率分布により導出してもよい。
【００３３】
整数値バイアス推定部４８では、次の観測方程式が採用される。
Ｚ（ｉ）＝Ｈ（ｉ）・η（ｉ）＋Ｖ（ｉ） 式（１０）
を用いて、ここで、Ｚ及びＶは、それぞれ、観測量及び観測ノイズ（正規性白色雑音）を示す。式（１０）の観測量Ｚは、位相積算値の２重位相差（上記式（７）参照）である。上記式（９）の状態方程式は線形であるが、観測量Ｚは、状態変数Ｘu、Ｙu及びＺuに関して非線形であるため、式（８）の各項が状態変数Ｘu、Ｙu及びＺuのそれぞれで偏微分され、式（１０）の観測行列Ｈが求められる。
【００３４】
【数７】
但し、状態変数η＝［Ｘu、Ｙu、Ｚu、Ｎ11ku、Ｎ12ku、．．．、Ｎ1nzku、Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚ］Ｔとし、数８のＨ１は、状態変数η＝［Ｘu、Ｙu、Ｚu、Ｎ11ku、Ｎ12ku、．．．、Ｎ1nzku］Ｔとした場合の観測行列である。従って、数８のＨは、観測行列Ｈ１に、状態変数η＝［Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚ］Ｔに対応するゼロ行列を横長に加えたものとなっている。
【００３５】
上記式（９）の状態方程式及び上記式（１０）の観測方程式にカルマンフィルタを適用すると、以下の式が得られる。
時間更新として、
η（ｉ）（−）＝η（ｉ−１）（＋） 式（１１）
Ｐ（ｉ）（−）＝Ｐ（ｉ−１）（＋）＋Ｑ（ｉ−１） 式（１２）
また、観測更新として、
Ｋ（ｉ）＝Ｐ（ｉ）（−）・ＨＴ（ｉ）・（Ｈ（ｉ）・Ｐ（ｉ）（−）・ＨＴ（ｉ）＋Ｒ（ｉ））−１ 式（１３）
η（ｉ）（＋）＝η（ｉ）（−）＋Ｋ（ｉ）・（Ｚ（ｉ）−Ｈ（ｉ）・η（ｉ）（−）） 式（１４）
Ｐ（ｉ）（＋）＝Ｐ（ｉ）（−）−Ｋ（ｉ）・Ｈ（ｉ）・Ｐ（ｉ）（−） 式（１５）
ここで、Ｑ，Ｒは、外乱ｕの共分散行列及び観測ノイズＶの共分散行列をそれぞれ表わす。尚、上記式（１１）及び式（１４）がフィルタ方程式、上記式（１３）がフィルタゲイン、上記式（１２）及び式（１５）が共分散方程式となる。また、上付き文字で示す（−）及び（＋）は、更新前後を示す。
【００３６】
図５は、本実施例の測位装置３４により実行される主要処理を示すフローチャートである。図５に示す処理ルーチンは、ＧＰＳ受信機２２，３２による位相積算値の演算周期毎（観測周期毎）に実行される。
【００３７】
先ずステップ１００において、衛星情報（各ＧＰＳ衛星１０ｉの位置情報、各ＧＰＳ衛星１０ｉに対する基準局２０側の位相積算値、及び、各ＧＰＳ衛星１０ｉに対する移動局３０側の位相積算値）が観測周期毎に取得される。
【００３８】
初回の観測周期ｉ（＝１）に対しては、ステップ１１０及び１２０の処理が実行される。即ち、ステップ１１０では、コード2重位相差による初期位置算出処理が実行される。具体的には、衛星信号に含まれるＣ／ＡコードやＰコードのようなＰＲＮコード（擬似雑音符号）に基づいて基準局２０側及び移動局３０側の双方で計測される擬似距離ρk、ρuの2重位相差を観測量として、最小二乗法若しくはカルマンフィルタを用いて、移動局３０の位置［Ｘu（ｉ）、Ｙu（ｉ）、Ｚu（ｉ）］を推定する。また、ステップ１２０では、この推定値［Ｘu（ｉ）、Ｙu（ｉ）、Ｚu（ｉ）］に基づいて初期バイアス値（＝整数値バイアスの２重位相差の初期値）が推定される。これら推定値は、比較的大きな誤差を含みうるので、専ら状態変数の初期値η０として、解の収束を早めるために利用されるものであってよい。
【００３９】
初回より後の観測周期ｉ（＞１）に対しては、ステップ１３０の処理が観測周期毎に繰り返し実行され、複数の観測周期で得た衛星情報に基づいて、上述の移動体モデルを導入したカルマンフィルタにより状態変数が導出（推定）されていく。即ち、ステップ１３０では、観測周期毎に上記式（１１）乃至式（１５）により時間・観測更新が行われ、前回周期の各共分散及び状態変数の推定値を引き継ぎながら測位算出が実行される。
【００４０】
ステップ１４０では、測位解を算出・出力する処理が実行される。上記ステップ１３０から得られる整数値バイアスの推定値は、実数解として求められる。しかし、整数値バイアスは、実際には整数値であるので、求めた実数解に対して最も近い整数解（即ち、波数）を求める。この手法としては、整数値バイアスの無相関化をはかり、整数解の探索空間を狭めて解を特定するＬＡ
ＭＢＤＡ法等が使用されてよい。また、ＧＰＳ受信機２２、３２が、GPS衛星１０から発射されるＬ１波及びＬ２波の双方を受信可能な２周波受信機である場合には、Ｌ１波及びＬ２波のそれぞれに対して上述と同様の推定を同時・並列的に実行し、双方の周期の和（ワイドレーン）を作成して整数値バイアスの整数解の候補を絞り込んでもよい。また、衛星信号に乗せられるＣ／ＡコードやＰコード若しくはその類のＰＲＮコード（擬似雑音符号）を用いて導出される擬似距離の1重又は2重位相差を上述の状態変数に組み込んでもよい。
【００４１】
このようにして整数値バイアスの整数解が確定されると、以後、サイクルスリップが生じない限り、移動局３０の位置は、当該整数値バイアスの整数解を用いた測位により高精度に算出できる。
【００４２】
以上のとおり、本実施例によれば、移動局３０が移動しながらでも状態変数（測位、整数値バイアス）の算出が可能であり、また、移動局３０の過去の移動状態から現在時刻の移動状態を予測する移動体モデルをカルマンフィルタに導入することで、移動局３０の移動に起因したモデル推定誤差が減少し（推定誤差のバイアスを取り除くことができ）、状態変数の算出精度が向上する。また、フィードフォワード的にモデル誤差を消去できるので状態変数（測位、整数値バイアス）の算出精度が向上すると共に、測位開始までの時間を短縮できる。
【００４３】
尚、上述の本実施例では、移動局３０の速度ｖを一次のマルコフ過程と仮定して移動体モデルを構成しているが、例えば、移動局３０の加速度を一次のマルコフ過程と仮定して移動体モデルを構成してもよい。即ち、移動体モデルは、位置、速度、加速度、加加速度（加速度の微分値）のような移動局３０の移動状態を表すことができる任意のパラメータを用いて構成されてよい。
【００４４】
図６は、本実施例による測位装置３４により実現される高い測位精度を実証する試験データである。図６（Ａ）は、本実施例のアルゴリズムが適用された構成（移動体モデルをカルマンフィルタに導入する構成）による測位結果を緯度・経度で示している。図６（Ｂ）は、対照として、移動体モデルをカルマンフィルタに導入しない構成による測位結果を示している。
【００４５】
移動体モデルをカルマンフィルタに導入しない場合には、図６（Ｂ）に示すように、移動体３０（車両）がカーブ等を走行する際に、当該移動の大きな変化に追従できず、解の誤差が大きいのに対して、本実施例のアルゴリズムが適用された場合、図６（Ａ）に示すように、良好な精度の解が求めることが可能となっている。
【００４６】
以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。
【００４７】
例えば、上述した実施例では、上記式（９）の状態方程式及び上記式（１０）の観測方程式にカルマンフィルタを適用するものであったが、本発明は、最小二乗法やベイズ法等の他の推定手法を適用する構成に対しても適用可能である。
【００４８】
また、上述した実施例において、上記式（１０）の観測方程式に、移動局３０の速度ｖに関する観測量が導入されてもよい。この場合、例えば、衛星信号（電波）のドップラシフトの計算結果に基づいて、移動局３０の速度ｖが観測されてもよく、また、擬似距離の距離変化（擬似距離変化率）の観測結果に基づいて、移動局３０の速度ｖが観測されてもよい。また、移動局３０が車両の場合、車速センサ、ヨーレートセンサなどの車載センサの検出値が協働的に用いられてもよい。
【００４９】
また、上述した実施例において、上記式（９）の状態方程式に状態変数として移動局３０の速度ｖを入れず、上記式（１１）の状態変数［Ｘu（ｉ）、Ｙu（ｉ）、Ｚu（ｉ）］の時間更新する際に、上述のような移動体モデルに基づく動的状態量が考慮されてもよい。
【００５０】
また、上述した実施例では、上述の如く２重位相差を取ることでＧＰＳ受信機２２，３２内での発振器の初期位相、及び、時計誤差等の影響を消去しているが、ＧＰＳ衛星１０の初期位相及びＧＰＳ時計誤差のみを消去できる一重位相差を取る構成や、位相差を一切取らない構成であってもよい。また、本実施例では、電離層屈折効果、対流圏屈折効果及びマルチパスの影響を無視しているが、これらを考慮するものであってもよい。
【００５１】
また、上述の説明では、便宜上、ＧＰＳ衛星１０１を参照衛星としている場合があるが、移動局３０と基準局２０の位置等に依存して、他のＧＰＳ衛星１０ｉ（＝２，３・・・）が参照衛星となりえる。
【００５２】
また、上述の説明では、移動局３０の例として車両を挙げたが、移動局３０は、受信機３２及び／又は演算器４０が実装されたホークリフト、ロボットや、受信機３２及び／又は演算器４０を内蔵する携帯電話等の情報端末を含む。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明に係る搬送波位相式ＧＰＳ測位システムの構成図である。
【図２】図１の搬送波位相式ＧＰＳ測位システムのより詳細な構成図である。
【図３】移動局３０に搭載される本発明による測位装置３４の一実施例を示す機能ブロック図である。
【図４】ワールド座標系とローカル座標系との関係、及び、ローカル座標系とボディ座標との関係を示す図である。
【図５】本実施例の測位装置３４により実現される処理のフローチャートである。
【図６】本実施例による測位装置３４により実現される高い測位精度を実証する試験データである。
【符号の説明】
【００５４】
１０ ＧＰＳ衛星
２０ 基準局
２２ 基準局側ＧＰＳ受信機
３０ 移動局
３２ 移動局側ＧＰＳ受信機
３４ 搬送波位相式測位装置
４０ 演算器
４２ 衛星位置算出部
４８ 整数値バイアス推定部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動局及び既知点で衛星信号を受信して取得する衛星データに基づいて移動局の測位を行う搬送波位相式測位装置であって、
移動局及び既知点で受信した衛星信号の搬送波位相の積算値の1重又は２重位相差を観測量とし、移動局の位置と搬送波位相の積算値に含まれる整数値バイアスの1重又は２重位相差とを状態変数とするシステムモデルに、移動局の移動履歴から該移動局の現時刻の状態を予測する移動体モデルを導入して、複数エポックでの衛星データに基づいて前記状態変数を推定して測位を行うこと特徴とする、搬送波位相式測位装置。
【請求項２】
前記移動局の移動履歴は、移動局の位置、速度、加速度及び加加速度の少なくとも何れかに関わる、請求項１に記載の搬送波位相式測位装置。
【請求項３】
前記移動体モデルは、移動局の速度及び加速度の少なくとも何れかを１次のマルコフ過程と仮定して構築される、請求項１に記載の搬送波位相式測位装置。
【請求項４】
前記状態変数の推定は、カルマンフィルタ又は最小二乗法若しくはその類の最小二乗原理の適用により実行される、請求項１に記載の搬送波位相式測位装置。
【請求項５】
移動局の位置を状態変数とすると共に、移動局の速度、加速度及び加加速度の少なくとも何れか１つを状態変数とし、移動局と既知点で観測される衛星信号の搬送波位相の積算値を観測データとするシステムモデルを用いて、搬送波位相の積算値に含まれる整数値バイアスを推定し、該推定した整数値バイアスを用いて移動局の位置を測位することを特徴とする、搬送波位相式測位装置。
【請求項１】
移動局及び既知点で衛星信号を受信して取得する衛星データに基づいて移動局の測位を行う搬送波位相式測位装置であって、
移動局及び既知点で受信した衛星信号の搬送波位相の積算値の1重又は２重位相差を観測量とし、移動局の位置と搬送波位相の積算値に含まれる整数値バイアスの1重又は２重位相差とを状態変数とするシステムモデルに、移動局の移動履歴から該移動局の現時刻の状態を予測する移動体モデルを導入して、複数エポックでの衛星データに基づいて前記状態変数を推定して測位を行うこと特徴とする、搬送波位相式測位装置。
【請求項２】
前記移動局の移動履歴は、移動局の位置、速度、加速度及び加加速度の少なくとも何れかに関わる、請求項１に記載の搬送波位相式測位装置。
【請求項３】
前記移動体モデルは、移動局の速度及び加速度の少なくとも何れかを１次のマルコフ過程と仮定して構築される、請求項１に記載の搬送波位相式測位装置。
【請求項４】
前記状態変数の推定は、カルマンフィルタ又は最小二乗法若しくはその類の最小二乗原理の適用により実行される、請求項１に記載の搬送波位相式測位装置。
【請求項５】
移動局の位置を状態変数とすると共に、移動局の速度、加速度及び加加速度の少なくとも何れか１つを状態変数とし、移動局と既知点で観測される衛星信号の搬送波位相の積算値を観測データとするシステムモデルを用いて、搬送波位相の積算値に含まれる整数値バイアスを推定し、該推定した整数値バイアスを用いて移動局の位置を測位することを特徴とする、搬送波位相式測位装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００８−３９６９０（Ｐ２００８−３９６９０Ａ）
【公開日】平成２０年２月２１日（２００８．２．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２１７３１４（Ｐ２００６−２１７３１４）
【出願日】平成１８年８月９日（２００６．８．９）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（５９３００６６３０）学校法人立命館 (359)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年２月２１日（２００８．２．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年８月９日（２００６．８．９）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（５９３００６６３０）学校法人立命館 (359)
【Ｆターム（参考）】
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