説明

測位システム

【課題】高速測位システムにおいて、コストアップとなる他の推測航法センサを必要とせず、基準測位タイミングから移動体の速度の変化があった場合でも、正確な測位位置を高速に求めること。
【解決手段】基準測位タイミングにおける基準測位位置を追尾情報に基づいて求める基準測位位置演算装置と、搬送波積算位相計測装置から得られる各衛星信号の搬送波積算位相の経過時間中の変化に基づいて、経過時間内の各時刻の移動量を計算する移動量演算装置とを用い、基準測位タイミング内での測位を正確に得る。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、車両、船舶、航空機などの移動体に搭載され、GPSなどの衛星信号のみを利用して、1秒間に数回(即ち、数Hz)以上の頻度で高速に位置を求める、高速測位システムに関する。
【背景技術】
【0002】
安価な組込型CPUを採用している衛星信号受信機では、CPUの処理能力の関係上、1Hz程度の低速での測位位置しか得られないし、また、測位位置の演算のための演算処理時間を要するから、測位位置を得るのに時間遅れを持ってしまう問題がある。特に、車、高速船、飛行機においては、1秒間での移動量(移動距離)はかなり大きいから、時間遅れの少なく、且つ数Hz以上の頻度での高速測位が望まれている。
【0003】
従来の高速測位システムでは、衛星信号追尾装置の追尾情報、例えば、追尾衛星の信号レベル、疑似距離データ、搬送波位相データなど、を用いて、基準測位タイミングti(例えば1秒ごと)にしたがって、基準測位位置Piを演算する。この基準測位位置Piは、基準測位タイミングtiから測位位置の演算のための演算処理時間Taの後に得られる。
【0004】
その演算処理時間Taの後は、基準測位タイミングtiのときの基準速度Viと経過時間Tとの積を、基準測位位置Piに加算して、任意の時点ti−jでの測位位置Pi−jを求める。これにより、各時刻ti−における測位位置Pi−j(=Pi+Vi×T)が、時間遅れなく高速に得られる(特許文献1参照)。
【特許文献1】特開平5−142326号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
従来の特許文献1に示された測位システムでは、各時点ti−jの速度が、基準測位タイミングtiの時点での速度Viから、他の速度に変化したときには、測位位置が速度変化に応じて正しい位置からずれた位置として測定される。したがって、誤った測位位置が、出力されることになる。また、速度変化があった場合には、異常な速度であるとして、各時点ti−jでの測位位置を破棄することになり、測位位置が得られないことになる。
【0006】
本発明は、車両、船舶、航空機などの移動体に搭載され、GPSなどの衛星信号のみを利用して、1秒間に数回(即ち、数Hz)以上の頻度で高速に位置を求める、高速測位システムにおいて、コストアップとなる他の推測航法センサを必要とせず、基準測位タイミングから移動体の速度の変化があった場合でも、正確な測位位置を高速に求めることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
請求項1の測位システムは、移動体に搭載され、複数の衛星からの衛星信号を利用して位置を求める測位システムであって、
各衛星信号に追尾して追尾情報を送出する衛星信号追尾装置と、
前記衛星信号追尾装置から得られる搬送波追尾情報から各衛星信号の搬送波の積算位相を求める搬送波積算位相計測装置と、
第1時間毎に発生される基準測位タイミングを決定する基準測位タイミング決定装置と、
前記基準測位タイミングにおける基準測位位置を前記追尾情報に基づいて求める基準測位位置演算装置と、
前記第1時間より短い第2時間毎に測位を行う時刻を決定するために、前記基準測位タイミングからの経過時間を計測する経過時間計測装置と、
前記搬送波積算位相計測装置から得られる各衛星信号の搬送波積算位相の前記経過時間中の変化に基づいて、前記経過時間内の移動量を計算する移動量演算装置と、
前記基準測位位置演算装置から得られる基準測位位置と前記移動量演算装置から得られる移動量とを用いて前記第2時間毎に搬送波積算時測位位置を求めて出力する測位位置演算・出力装置を備えることを特徴とする。
【0008】
請求項2の測位システムは、請求項1に記載の測位システムにおいて、前記測位位置演算・出力装置は、前記基準測位位置及び前記搬送波積算時測位位置を一連の測位位置として出力することを特徴とする。
【0009】
請求項3の測位システムは、移動体に搭載され、複数の衛星からの衛星信号を利用して位置を求める測位システムであって、
各衛星信号に追尾して追尾情報を送出する衛星信号追尾装置と、
前記衛星信号追尾装置から得られる搬送波追尾情報から各衛星信号の搬送波の積算位相を求める搬送波積算位相計測装置と、
第1時間毎に発生される基準測位タイミングを決定する基準測位タイミング決定装置と、
前記基準測位タイミングにおける基準測位位置を前記追尾情報に基づいて求める基準測位位置演算装置と、
前記第1時間より短い第2時間毎に測位を行う時刻を決定するために、前記基準測位タイミングからの経過時間を計測する経過時間計測装置と、
前記搬送波積算位相計測装置から得られる各衛星信号の搬送波積算位相の前記経過時間中の変化に基づいて、基準測位タイミングからの前記経過時間内の移動量及び前記第2時間毎の移動量を計算する移動量演算装置と、
前回得られた測位位置に前記第2時間毎の移動量を加算した第1位置と、基準測位位置に前記経過時間内の移動量を加算した位置から前記第1位置を減算し更に所定時定数で除して第2位置を求め、前記第1位置に前記第2位置を加算して得られる搬送波積算時測位位置を出力する測位位置演算・出力装置を備えることを特徴とする。
【0010】
請求項4の測位システムは、請求項3に記載の測位システムにおいて、前記測位位置演算・出力装置は、前記搬送波積算時測位位置と前記基準測位位置とを一連の測位位置として出力することを特徴とする。
【0011】
請求項5の測位システムは、請求項1または3に記載の測位システムにおいて、前記基準測位タイミングから当該時点での基準測位位置が求まる基準測位所要時間までの間は、前回の基準測位タイミングにおける基準測位位置とその前回基準測位タイミングからの移動量を用いて、前記搬送波積算時測位位置を求めることを特徴とする。
【0012】
請求項6の測位システムは、請求項1または3に記載の測位システムにおいて、前記移動量は、各衛星信号の搬送波積算位相、経過時間、衛星軌道情報に基づいて得た基準測位タイミングからの平均速度と、基準測位タイミングからの経過時間との積によって得ることを特徴とする。
【発明の効果】
【0013】
本発明の測位システムによれば、CPUの処理能力の関係上、1Hz程度の低速での基準測位位置しか得られない安価な組込型CPUを採用している衛星信号受信機においても、コストアップとなる他の推測航法センサを必要とせず、移動体の速度の変化があった場合でも、1秒間に数回(即ち、数Hz)以上の頻度で高速に正確な測位位置を求めることができる。
【0014】
また、本発明では、搬送波積算位相計測装置から得られる各衛星信号の搬送波積算位相の経過時間中の変化に基づいて、経過時間内の各時刻の移動量を計算する移動量演算装置を有しているから、従来のものとは異なり、経過時間内の速度変化にも追従して正確な位置測定を行うことができる。
【0015】
また、低速での基準測位位置に平滑処理などの平均化処理を行っている場合にも、搬送波積算時測位位置を、次回に得られる基準測位位置に徐々に近づけていく。これにより、高加速度状態では、速度変化が即反映された高速測位が行われ、また、低加速度状態では、平均的な位置精度向上が行われている基準測位位置に基づくことになるので、適切な高速測位解が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0016】
図1は、本発明に係る衛星信号を利用した高速測位システムの第1実施例の構成を示す図である。
【0017】
アンテナ1は、GPS等の複数の衛星からの衛星信号を受信し、衛星信号追尾装置11に供給する。
【0018】
衛星信号追尾装置11は、受信した衛星信号を追尾する。追尾に成功した衛星に関して、衛星追尾状況、衛星信号レベル、位置測定に利用される疑似距離データ、速度測定に利用される搬送波位相データなどの追尾情報を出力する。
【0019】
なお以後、位置や、速度などはスカラー量のように直感的にわかりやすいようにスカラー量で表記するが、実際の処理ではそれらは全て3次元ベクトルとして扱われる。
【0020】
基準測位タイミング決定装置12は、制御装置100内のタイミング発生装置からタイミングパルスが入力され、例えば1秒毎などの基準測位タイミングt0,t1,t2,t3・・・を決定する。なお、衛星信号追尾装置11からの追尾情報は、基準測位タイミング決定装置12を介して或いは直接に基準測位位置演算装置13に供給される。
【0021】
基準測位位置演算装置13は、基準測位タイミングにおける、疑似距離データ、搬送波位相データ、制御装置100内の衛星軌道演算装置からの衛星軌道情報などを基に基準測位位置P0,P1,P2,P3・・・及びその速度V0,V1,V2,V3・・・を求める。これらの基準測位位置P0,P1,P2,P3・・・やその速度V0,V1,V2,V3・・・は、CPUの処理能力の関係上、基準測位タイミングt0,t1,t2,t3・・・から基準測位に要する基準測位所要時間Taの後に得られる。
【0022】
搬送波積算位相計測装置14は、衛星信号追尾装置11から得られる搬送波追尾情報から各衛星信号の搬送波の積算位相φtを求める。なお、積算位相φtは、追尾開始時の初期位相に、追尾中の搬送周波数(Hz以下を含む)の積分値との加算値からなる。
【0023】
移動量演算装置16では、経過時間=0の基準測位タイミング時t0,t1,t2,t3・・・において積算位相φ0を記憶し、また、基準測位タイミング時から各経過時間までの平均周波数ftを
ft=(各経過時間における瞬時積算位相φt−φ0)/経過時間 (1)
で求める。
【0024】
一方、平均周波数ftに含まれてしまう各衛星自体のドップラー周波数ftsは、
fts=f0s+A0s×経過時間 (2)
で充分近似できるので、この式でドップラー周波数ftsを求める。ここで、f0sは基準時刻におけるドップラー周波数、A0sは基準時刻におけるドップラー周波数変化率である。
【0025】
また、この出願の測位システムで行う数秒以内の短時間では、方向余弦行列Hの変化もほとんど無視できるので、移動速度Vtは、
Vt={(ft−fts)×C/fsat}/H0 (3)
で求まる。なおH0は、基準時刻における方向余弦行列であり、その時点での方向余弦行列Htと近似できるものである。また、fsatは衛星からの搬送周波数(GPS−L1信号では1.575GHz)であり、Cは光速である。
【0026】
経過時間計測装置15は、基準測位タイミング時t0,t1,t2,t3・・・からの経過時間を計測する。
【0027】
移動量演算装置16は、経過時間内(即ち、当該基準測位タイミングからその時点の時刻までの時間内)の移動体の平均移動速度Vtを用いて、移動量CtをCt=Vt×経過時間で求めて、出力する。したがって、平均移動速度Vtが各時点において移動体の実際の動きに応じて異なり得るから、より正確に各時点の移動量Ctを求めることができる。
【0028】
測位位置演算・出力装置17は、基準測位位置演算装置13で求めた基準測位位置P0,P1,P2,P3・・・に、移動量演算装置16で求めた移動量Ctを加算した結果を、高速の測位位置Poutとして出力する。
【0029】
制御装置100は、測位位置演算・出力装置17からの測位位置Poutを受けたり、基準測位タイミング決定装置12へのタイミング信号を発生したり、基準測位位置演算装置13への衛星軌道情報を供給したりする他、本システムの全体の制御を司る。
【0030】
次に、図1の高速測位システムの動作を、図2の動作説明図をも参照して説明する。
【0031】
図2において、基準測位タイミングt0,t1,t2,t3(例えば1秒毎)に、基準測位位置P0,P1,P2,P3が求められる。しかし、安価な組込型CPUを採用しているCPUの処理能力の関係上、基準測位位置P0,P1,P2,P3は、基準測位タイミングt0,t1,t2,t3から基準測位に要する基準測位所要時間Taの後に得られる。
【0032】
基準測位タイミングt0,t1,t2,t3の間隔を、基準測位間隔時間T1(例、1秒)とすると、高速に測位位置を得るために、搬送波積算測位間隔時間T2毎に搬送波積算時測位位置P0−1乃至P3−2を求める。
【0033】
例えば、基準測位位置P1、P2間についてみると、基準測位間隔時間T1を5等分し、搬送波積算測位タイミングt1−1〜t1−4を設けている。この搬送波積算測位タイミングt1−1〜t1−4毎に、搬送波積算時測位位置P1−1〜P1−4を求める。
【0034】
搬送波積算時測位位置P1−1、P1−2を求める際には、未だ基準測位位置P1が求められていないので、その前回の基準測位位置P0を基準として、求める。
【0035】
基準測位タイミングt1から基準測位所要時間Taが経過すると、基準測位位置P1が求められる。したがって、搬送波積算時測位位置P1−3、P1−4は、既に求められた基準測位位置P1を基準として、求める。
【0036】
なお、基準測位位置P1が求められるまで(即ち、基準測位タイミングt1から基準測位所要時間Taが経過するまで)は、測位位置P1,P1−1、P1−2は、基準測位位置P1を基準として、積算位相に基づいて求めた搬送波積算時測位位置P0−5、P0−6、P0−7として求められる。
【0037】
このようにして、本発明では、基準測位位置P0〜P3と搬送波積算時測位位置P0−1〜P3−2が順々に求められ、測位位置として高速に得ることができる。なお、本発明での処理は、簡易な処理で行われるので、10Hz以上の高速測位が可能である。
【0038】
また、本発明では、搬送波積算位相計測装置14から得られる各衛星信号の搬送波積算位相の経過時間中の変化に基づいて、経過時間内の各時刻の移動量を計算する移動量演算装置16を有しているから、従来のものとは異なり、経過時間内の速度変化にも追従して正確な位置測定を行うことができる。
【0039】
また、RTK測位など更に高精度位置が必要な場合には、近似精度が高い計算式を用いることがよい。例えば、基準時刻と将来の時刻におけるドップラー速度を計算で求めて、n次近似曲線で求める。また、単純n次近似ではなく、スプライン近似などを加えても良い。また、以上の説明では、(3)式により平均移動速度Vtを求めてから、移動量CtをCt=Vt×経過時間で求めたが、搬送波の積算位相を用いて直接に移動量Ctを求めてもよい。
【0040】
図3は、本発明の第2の実施例に係る処理のフローを示す図である。ブロック構成図は図1と同様である。
【0041】
基準測位位置P0,P1,P2,P3・・・は、基準測位位置演算装置13等において、平均的な位置精度向上のために平滑化処理などの平均化処理を行う場合もある。この平均化処理により、基準測位位置P0,P1,P2,P3・・・は、ばらつきなどが吸収されて、その結果として滑らかな位置変化が得られる。
【0042】
一方、移動量演算装置16で求められる搬送波の積算位相量で求めた速度のみに依存する移動量(例、時点t1−3からt1−4までの移動量など)は、急激な方向変更などの際には、平均化処理がされている基準測位位置P0,P1,P2,P3とかなり異なることがある。つまり、基準測位位置P0,P1,P2,P3は、平均化処理がなされているのに対して、搬送波積算時測位位置P0−1〜P3−2は測定された速度のみによって決まるから、第1実施例のままでは、基準測位位置P0,P1,P2,P3を平均化する場合に、位置の不連続性が生じることになる。
【0043】
図3の第2の実施例は、この位置の不連続性を緩和しようとするものである。この図3は、測位位置演算・出力装置17の作用を説明するフロー図である。その他の構成は、図1で説明したものと同様である。
【0044】
この図3では、搬送波積算測位タイミングt1−4において、搬送波積算時測位位置を求める際の動作を例にして説明している。他の搬送波積算測位タイミングにおいても同様である。
【0045】
ステップ110で、前回の基準測位時間t1からの、搬送波積算位相変化量から、移動量演算装置16でそのタイミングt1−4までの移動量Ct1−4を求める。
【0046】
ステップ120で、前回の基準測位位置P1を上記移動量Ct1−4だけ更新した位置PAを求める。PA=P1+Ct1−4
【0047】
ステップ130で、前回出力位置(搬送波積算時測位位置)P1−3を、搬送波積算測位間隔時間内に、移動した移動量「(Ct1−4)−(Ct1−3)」を更新した位置PBを求める。
【0048】
ステップ140で、基準測位位置に近づけるための補正量PCを、PC=(PA−PB)/所定時定数、で求める。この所定時定数は、基準測位位置P0,P1,P2,P3に平滑化処理などの平均化処理を行う場合の時定数と対応する値に選定することがよい。
【0049】
ステップ150で、搬送波積算時測位位置P1−4を、P1−4=PB+PC、で求め、測位位置Poutとして出力する。
【0050】
図3の第2実施例では、低速での基準測位位置P0〜P3に平滑処理などの平均化処理を行っている場合にも、搬送波積算時測位位置Pi−jを、次回に得られる基準測位位置Pkに徐々に近づけていく。なお、i,j,kは、任意の数でよい。
【0051】
これにより、急激な方向変更などの際にも、基準測位位置P0,P1,P2,P3と、搬送波積算時測位位置P0−1〜P3−2との間の位置の不連続性が低減される。また、高加速度状態では、速度変化が即反映された高速測位が行われ、また、低加速度状態では、平均的な位置精度向上が行われている基準測位位置に基づくことになるので、適切な高速測位解が得られる。
【0052】
なお、経過時間内に、一部の衛星に対する衛星追尾が外れる場合がある。この場合も、速度方程式を解ける4衛星以上あれば、同様に速度は求められるので、本発明の方式は有効である。しかし、衛星数不足により異常な速度解しか得られない場合がある。異常速度か否かは基準速度V0〜V3との比較で判定可能であるので、異常速度と判定した場合のみ、基準速度で代用しても良い。また、もし、別の速度推定装置から概略の速度が得られる場合には、その概略の速度を用いて、異常速度の判定及び処理を行っても良い。
【0053】
また、飛行機以外の基本的には平面移動を行う移動体(例、車や高速船)の場合には、垂直速度=0とした形に速度方程式を変更し、3衛星以上で解ける形にしても良い。
【0054】
なお、以上の説明では、単独測位の形で説明したが、DGPS関連などで速度補正情報が得られる場合には、基準測位位置演算装置13にて速度補正情報も記憶し、移動量演算装置16において移動量を求める際に、その速度補正情報で単独測位精度を補正しても良い。
【図面の簡単な説明】
【0055】
【図1】本発明に係る衛星信号を利用した高速測位システムの第1実施例の構成図
【図2】図1の高速測位システムの動作を説明する図
【図3】本発明の第2の実施例に係る処理のフローを示す図
【符号の説明】
【0056】
1 アンテナ
11 衛星信号追尾装置
12 基準測位タイミング決定装置
13 基準測位位置演算装置
14 搬送波積算位相計測装置
15 経過時間計測装置
16 移動量演算装置
17 測位位置演算・出力装置
100 制御装置

【特許請求の範囲】
【請求項1】
移動体に搭載され、複数の衛星からの衛星信号を利用して位置を求める測位システムであって、
各衛星信号に追尾して追尾情報を送出する衛星信号追尾装置と、
前記衛星信号追尾装置から得られる搬送波追尾情報から各衛星信号の搬送波の積算位相を求める搬送波積算位相計測装置と、
第1時間毎に発生される基準測位タイミングを決定する基準測位タイミング決定装置と、
前記基準測位タイミングにおける基準測位位置を前記追尾情報に基づいて求める基準測位位置演算装置と、
前記第1時間より短い第2時間毎に測位を行う時刻を決定するために、前記基準測位タイミングからの経過時間を計測する経過時間計測装置と、
前記搬送波積算位相計測装置から得られる各衛星信号の搬送波積算位相の前記経過時間中の変化に基づいて、前記経過時間内の移動量を計算する移動量演算装置と、
前記基準測位位置演算装置から得られる基準測位位置と前記移動量演算装置から得られる移動量とを用いて前記第2時間毎に搬送波積算時測位位置を求めて出力する測位位置演算・出力装置を備えることを特徴とする、測位システム。
【請求項2】
前記測位位置演算・出力装置は、前記基準測位位置及び前記搬送波積算時測位位置を一連の測位位置として出力することを特徴とする、請求項1に記載の測位システム。
【請求項3】
移動体に搭載され、複数の衛星からの衛星信号を利用して位置を求める測位システムであって、
各衛星信号に追尾して追尾情報を送出する衛星信号追尾装置と、
前記衛星信号追尾装置から得られる搬送波追尾情報から各衛星信号の搬送波の積算位相を求める搬送波積算位相計測装置と、
第1時間毎に発生される基準測位タイミングを決定する基準測位タイミング決定装置と、
前記基準測位タイミングにおける基準測位位置を前記追尾情報に基づいて求める基準測位位置演算装置と、
前記第1時間より短い第2時間毎に測位を行う時刻を決定するために、前記基準測位タイミングからの経過時間を計測する経過時間計測装置と、
前記搬送波積算位相計測装置から得られる各衛星信号の搬送波積算位相の前記経過時間中の変化に基づいて、基準測位タイミングからの前記経過時間内の移動量及び前記第2時間毎の移動量を計算する移動量演算装置と、
前回得られた測位位置に前記第2時間毎の移動量を加算した第1位置と、基準測位位置に前記経過時間内の移動量を加算した位置から前記第1位置を減算し更に所定時定数で除して第2位置を求め、前記第1位置に前記第2位置を加算して得られる搬送波積算時測位位置を出力する測位位置演算・出力装置を備えることを特徴とする、測位システム。
【請求項4】
前記測位位置演算・出力装置は、前記搬送波積算時測位位置と前記基準測位位置とを一連の測位位置として出力することを特徴とする、請求項3に記載の測位システム。
【請求項5】
前記基準測位タイミングから当該時点での基準測位位置が求まる基準測位所要時間までの間は、前回の基準測位タイミングにおける基準測位位置とその前回基準測位タイミングからの移動量を用いて、前記搬送波積算時測位位置を求めることを特徴とする、請求項1または3に記載の測位システム。
【請求項6】
前記移動量は、各衛星信号の搬送波積算位相、経過時間、衛星軌道情報に基づいて得た基準測位タイミングからの平均速度と、基準測位タイミングからの経過時間との積によって得ることを特徴とする、請求項1または3に記載の測位システム。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【公開番号】特開2007−33211(P2007−33211A)
【公開日】平成19年2月8日(2007.2.8)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2005−216423(P2005−216423)
【出願日】平成17年7月26日(2005.7.26)
【出願人】(000004330)日本無線株式会社 (1,186)
【Fターム(参考)】