移動体用測位装置
【課題】高度が変化する環境下においても精度良く２次元測位を行うことができる移動体用測位装置の提供。
【解決手段】衛星からの衛星電波を移動体で受信して、該移動体の位置を測位する移動体用測位装置において、移動体の姿勢に応じて変化する座標系であって、該移動体を基準とした直交座標系を定義する座標系定義手段と、前記座標系定義手段により定義された直交座標系を用いて、３個の衛星を用いた２次元測位により前記直交座標系における移動体の位置を演算する２次元測位手段とを備えることを特徴とする。
【解決手段】衛星からの衛星電波を移動体で受信して、該移動体の位置を測位する移動体用測位装置において、移動体の姿勢に応じて変化する座標系であって、該移動体を基準とした直交座標系を定義する座標系定義手段と、前記座標系定義手段により定義された直交座標系を用いて、３個の衛星を用いた２次元測位により前記直交座標系における移動体の位置を演算する２次元測位手段とを備えることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、衛星からの衛星電波を移動体で受信して、該移動体の位置を測位する移動体用測位装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ＧＰＳ測位においては、ビル等の建造物等により捕捉できる衛星数が不足することにより３次元測位から２次元測位へ移行する場合に、高度データを補償するために、前回の３次元測位時の高度データを保持し、その前回の高度データを使用して近似的に３次元測位のデータを得るようにすることが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平５−２６６７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上述の特許文献１に記載されるような高度を固定するタイプの２次元測位では、高度を固定したまま測位を継続するので、高度が変化する環境下で長時間二次元測位を継続すると誤差が増大して、測位精度が悪化するという問題があった。
【０００４】
そこで、本発明は、高度が変化する環境下においても精度良く２次元測位を行うことができる移動体用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】
【０００５】
上記目的を達成するため、本発明の一局面によれば、衛星からの衛星電波を移動体で受信して、該移動体の位置を測位する移動体用測位装置において、
移動体の姿勢に応じて変化する座標系であって、該移動体を基準とした直交座標系を定義する座標系定義手段と、
前記座標系定義手段により定義された直交座標系を用いて、３個の衛星を用いた２次元測位により前記直交座標系における移動体の位置を演算する２次元測位手段とを備えることを特徴とする、移動体用測位装置が提供される。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、高度が変化する環境下においても精度良く２次元測位を行うことができる移動体用測位装置が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
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。
【０００８】
図１は、本発明に係る移動体用測位装置が適用されるＧＰＳ（Global Positioning System）の全体的な構成を示すシステム構成図である。図１に示すように、ＧＰＳは、地球周りを周回するＧＰＳ衛星１０と、地球上に位置し地球上を移動しうる車両９０とから構成される。尚、車両９０は、あくまで移動体の一例であり、その他の移動体としては、自動二輪車、鉄道、船舶、航空機、ホークリフト、ロボットや、人の移動に伴い移動する携帯電話等の情報端末等がありうる。
【０００９】
ＧＰＳ衛星１０は、航法メッセージ（衛星信号）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に関する衛星軌道情報（エフェメリスやアルマナク）、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。尚、Ｌ１波は、Ｃ／Ａコードで変調されたＳｉｎ波とＰコード（Precision Code）で変調されたＣｏｓ波の合成波であり、直交変調されている。Ｃ／Ａコード及びＰコードは、擬似雑音（Pseudo Noise）符号であり、−１と１が不規則に周期的に並ぶ符号列である。
【００１０】
尚、現在、約３０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個以上の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。
【００１１】
車両９０には、移動体用測位装置としてのＧＰＳ受信機２０が搭載される。
【００１２】
図２は、ＧＰＳ受信機２０の主要機能の一例を示すブロック図である。
【００１３】
ＧＰＳ衛星１０からの電波は、図２に示すように、アンテナ２１を介して受信され、測位信号受信部２２にて処理される。測位信号受信部２２では、衛星軌道情報から衛星座標が算出されると共に、擬似距離及び車両９０の速度ベクトルＶが算出される。擬似距離は、Ｃ／Ａコードを追尾して計測されるが、例えばＰコードのような他のコードに基づいて計測されてもよい。尚、Ｐコードの場合、Ｗコードで暗号化されているので、Ｐコード同期を行う際に、クロス相関方式を利用したＤＬＬにより、Ｐコードを取り出すこととしてよい。速度ベクトルＶの算出（計測）方法は、ドップラレンジ（ドップラ周波数）を用いた方法であってもよいし、測位結果の前回値と今回値の差分に基づく方法であってもよい。速度ベクトルＶの算出方法の一例は後述する。衛星座標は、地球を基準とした地球固定座標系（本例では、典型的な例として、ＧＰＳ標準のWGS84）で導出される。
【００１４】
座標系変換部２４では、測位信号受信部２２で受信されたＧＰＳ衛星１０のうち、測位に利用できるＧＰＳ衛星１０の数が３個以下である場合に、WGS84座標系の衛星座標が、車両９０を基準とした直交座標系（以下、ローカル座標系という）に変換される。この変換方法については後に詳説する。他方、座標系変換部２４は、測位に利用可能なＧＰＳ衛星１０の数が４個以上の場合は、非動作となり、この場合、通常通りWGS84座標系の衛星座標が後続の処理で利用される。尚、測位に利用可能なＧＰＳ衛星１０であるか否かは、信号強度やマルチパスの影響の有無等を考慮して判断されてもよい。
【００１５】
姿勢算出部２６では、座標系変換部２４及び後述の座標系逆変換部３０における座標変換時に用いられる車両９０の姿勢に関する情報が導出される。この方法についても後に詳説する。
【００１６】
測位演算部２８では、測位に利用可能なＧＰＳ衛星１０の数が３個以下である場合には、ローカル座標系の衛星座標と、擬似距離の算出結果に基づいて、車両９０の位置（Ｘｕ，Ｙｕ，Ｚｕ）が２次元測位により測位演算される。具体的には、２次元測位による測位演算では、以下の関係式が用いられてよい。
ρ＝√｛（Ｘ１−Ｘｕ）２＋（Ｙ１−Ｙｕ）２＋（Ｚ１−Ｚｕ）２｝＋Δτ・ｃ 式１
ここで、Δτ・ｃは、主に受信部２０の時計誤差を表し、（Ｘｕ，Ｙｕ，Ｚｕ）は、ＧＰＳ衛星１０１に関するローカル座標系の衛星座標を表す。尚、この式は、ＧＰＳ衛星１０１に関するものであるが、他の測位に利用可能なＧＰＳ衛星１０に対しても同様の関係式が利用される。車両９０の位置は、３つのＧＰＳ衛星１０に対して上述の如く得られるそれぞれの擬似距離ρ及び衛星位置を用いて、三角測量の原理で導出される。２次元測位の場合、車両９０の位置のＺ成分Ｚｕを固定することで未知数を減らし、擬似距離ρに含まれる時計誤差成分が除去される。
【００１７】
他方、測位演算部２８では、測位に利用可能なＧＰＳ衛星１０の数が４個以上の場合には、WGS84座標系の衛星座標と、擬似距離の算出結果に基づいて、車両９０の位置（ｘｕ，ｙｕ，ｚｕ）が３次元測位により測位演算される。なお、測位結果は、例えば車載ナビゲーションシステムに出力されてもよい。この場合、通常通り、４個以上のＧＰＳ衛星１０に関する上記式（１）に示した関係式（但し、衛星座標及び車両位置はWGS84座標系で表現）が利用され、最小二乗法等を用いて、時計誤差成分を除去しつつ、WGS84座標系の車両９０の位置（ｘｕ，ｙｕ，ｚｕ）が算出されることになる。
【００１８】
座標系逆変換部３０では、測位に利用可能なＧＰＳ衛星１０の数が３個以下である場合には、測位演算部２８からローカル座標系で出力される測位結果を、逆変換してWGS84座標系に戻す。即ち、座標系逆変換部３０では、座標系変換部２４で用いられた変換式の逆変換式を用いて、WGS84座標系の測位結果が導出される。この測位結果は、例えば車載ナビゲーションシステムに出力されてもよい。他方、座標系逆変換部３０は、測位に利用可能なＧＰＳ衛星１０の数が４個以上の場合は、非動作となり、この場合、通常通り、測位演算部２８からWGS84座標系で出力される測位結果がそのまま出力される。同様に、この測位結果は、例えば車載ナビゲーションシステムに出力されてもよい。
【００１９】
図３は、本実施例の基本概念を模式的に示す図である。図３では、測位信号受信部２２で利用可能と判断されたＧＰＳ衛星１０の数、即ち捕捉衛星数が４個以上の状態（ａ）と、捕捉衛星数が３個になった状態（ｂ）とが時系列的に図示されている。図３に示す例では、車両９０は、高度が変化する地形（即ち勾配のある地形）を走行している。
【００２０】
本実施例では、上述の如く状態（ａ）のように４個以上のＧＰＳ衛星１０１，２，３，４が利用できるときは、３次元測位が行われ、自車位置が算出される。ＧＰＳ衛星１０１が捕捉されなくなることで状態（ａ）から状態（ｂ）に移行すると、ローカル座標系を用いて車両９０の位置のＺ成分Ｚｕを固定する２次元測位が実行される。ここで、ローカル座標系は、一例として、図３に示すように、車両９０の前後軸方向をＸ軸とし、車両９０の左右の車軸方向をＹ軸とし、Ｘ軸とＹ軸に直角な方向をＺ軸とした直交座標系である。Ｘ軸の方向は、車両９０の速度ベクトルＶの方向に定義される。
【００２１】
尚、ローカル座標系の定義に用いられる車両９０の速度ベクトルＶは、上述の如く測位信号受信部２２にて導出されたものであってよい。ここで、速度ベクトルＶの算出方法の一例について概説する。
【００２２】
車両９０の速度の測位は、例えば以下のような関係式に基づいて、最小二乗法等を用いて実行されてよい。尚、文字の上についた記号黒丸は、ドット（時間微分）を表し、例えばドップラレンジｄρｋは、ρｋドット（擬似距離ρｋの時間微分）であり、下付き文字ｋは、ＧＰＳ衛星１０ｋに係るものであることを示す。
【００２３】
【数１】
尚、Ｉドット及びＴドットは、電離層誤差の変動量及び対流圏誤差の変動量を表すが、非常に小さいので、ここでは、白色ノイズεとして扱う。また、ｂドットは、時計誤差の微分値である。また、（Ｖｋ−Ｖ）・ｌｋのＶｋ・ｌｋの部分は、単位ベクトルｌｋと衛星移動速度ベクトルＶｋとの内積であり、衛星移動速度ベクトルＶｋは、航法メッセージの衛星軌道情報に基づいて算出され、単位ベクトルｌｋは、測位された車両９０の位置（ｘｕ，ｙｕ，ｚｕ）、及び、衛星座標（ｘｋ，ｙｋ，ｚｋ）を用いて、以下のように、算出されてよい。
【００２４】
【数２】
また、ドップラレンジｄρｋは、搬送波の波長λ（既知）と、ＧＰＳ衛星１０ｋに関するドップラ周波数Δｆｋを用いて、例えばｄρｋ＝λ・Δｆｋにより、算出される。
【００２５】
図３に示すように、本実施例によれば、捕捉衛星数が３個になり、２次元測位を行う場合でも、ローカル座標系を用いて車両９０の位置のＺ成分Ｚｕを固定する２次元測位が実行される。尚、２次元測位にて固定されるＺ成分Ｚｕは、直前の３次元測位で求まった車両９０の位置をローカル座標系に変換したときのＺ成分である。従って、図３に示すような高度が変化する状況下で２次元測位を継続しても、当該高度変化に起因した誤差を低減することができる。即ち、従来の２次元測位法ではWGS84座標系の高さ方向を固定するため、車両９０の移動によって高さが変化する勾配のある地形上では、長時間精度を保つのが困難であったが、本実施例では、斜面に対して鉛直方向の位置変化が固定されるので、車両９０が斜面上を長時間移動する状況下でも長時間高い精度で２次元測位を行うことができる。
【００２６】
図４は、姿勢算出部２６での姿勢算出方法及び座標系変換部２４で用いられる座標変換方法の一例を説明する図である。図４では、WGS84座標系の座標系がｘ−ｙ−ｚ軸で示され、車両９０の速度ベクトルＶ＝（ｖｘ，ｖｙ，ｖｚ）と、それに対応したローカル座標系がＸ−Ｙ−Ｚ軸で示されている。尚、速度ベクトルＶ＝（ｖｘ，ｖｙ，ｖｚ）は、WGS84座標系で表現されている。
【００２７】
速度ベクトルＶのｘｙ平面上への写像をベクトルＮとすると、速度ベクトルＶと写像ベクトルＮのなす角γは、以下の式で求まる。
【００２８】
【数３】
また、ベクトルＮとｘ軸とのなす角αは、以下の式で求まる。
【００２９】
【数４】
図４中のβは、車両９０のロール角であり、ジャイロや重力加速度を利用した方位角センサ等により検出される。このようにして、姿勢算出部２６では、車両９０の姿勢角（ヨー角α、ピッチ角γ、ロール角β）に関する情報が算出・検出される。
【００３０】
そして、座標系変換部２４において、WGS84座標系からローカル座標系の変換は、このようにして得られた車両９０の姿勢に関するパラメータα、β、γを用いて、以下の式によって実現される。
【００３１】
【数５】
尚、上述の例では、車両９０の姿勢角（ヨー角α、ピッチ角γ、ロール角β）のうちロール角βのみを方位角センサにより検出し、ヨー角α及びピッチ角γは車両９０の速度ベクトルＶから算出しているが、３軸ジャイロセンサ等を用いて車両９０の姿勢角（ヨー角α、ピッチ角γ、ロール角β）を直接検出してもよい。
【００３２】
図５は、上述の２次元測位を継続している間に本実施例のＧＰＳ受信機２０により実行される主要処理の一例を示すフローチャートである。図５に示す処理は、特に斜度が変化するような複雑な地形上を車両９０が走行している場合に好適である。従って、図５に示す処理は、例えば地図データベース等により斜度が変化するような複雑な地形上を車両９０が走行していることが検出された場合であって、且つ、捕捉衛星数が３個である場合に、所定周期毎に繰り返し実行されてもよいし、或いは、地形の如何に関らず、捕捉衛星数が３個である場合に、所定周期毎に繰り返し実行されてもよい。
【００３３】
ステップ５００が、車両９０のピッチ角が変化したか否かが判定される。例えば、車両９０のピッチ角の今回値が、前回値に対して所定角度以上変化した場合に、車両９０のピッチ角が変化したと判定してもよい。ピッチ角は、方位角センサにより検出されてもよい。尚、この判定には、ノイズ等に影響を無くすためにピッチ角の検出値がフィルタ処理されてもよいし、連続した所定数以上の周期の判定結果が考慮されてもよい。
【００３４】
本ステップ５００において、車両９０のピッチ角が変化したと判定された場合には、ステップ５０２に進み、車両９０のピッチ角が変化していないと判定された場合には、ステップ５０４に進む。
【００３５】
ステップ５０２では、座標系変換部２４において、変化した斜度に対応するために、姿勢算出部２６にて新たに算出された姿勢情報に基づいて、現時点の速度ベクトルＶの方向を新たなＸ軸とした新たなローカル座標系が定義される。新たなローカル座標系は、現時点の車両９０の姿勢に基づいて定義され、定義方法自体は上述した方法と実質的に同様である。具体的には、前回定義したときから現時点までの姿勢変化量をΔα、Δβ、Δγとすると、新たなローカル座標系（Ｘ’、Ｙ’、Ｚ’）への座標変換は、以下の式によって実現される。
【００３６】
【数６】
ステップ５０４では、座標系変換部２４において、上記ステップ５０２で新たに定義されたローカル座標系を用いて、衛星座標がWGS84座標系から新たなローカル座標系に変換される。
【００３７】
ステップ５０６では、測位演算部２８において、上記ステップ５０４で変換された３個のＧＰＳ衛星１０の衛星座標と、同３個のＧＰＳ衛星１０に係る擬似距離の測定結果とを用いて、新たなローカル座標系のＺ方向を固定した２次元測位により、新たなローカル座標系での車両９０の位置が測位される。尚、このとき、２次元測位にて固定されるＺ成分Ｚｕは、直前の２次元測位で求まった車両９０の位置を新たなローカル座標系に変換したときのＺ成分である。
【００３８】
ステップ５０８では、座標系逆変換部３０において、上記ステップ５０６で得られた新たなローカル座標系での車両９０の位置が、WGS84座標系での車両９０の位置へと逆変換される。尚、この逆変換で用いる変換式は、上記ステップ５０２の変換式に基づく。
【００３９】
このように図５に示す処理によれば、図６に概略的に示すように、斜度が変化するような複雑な地形上を車両９０が走行している状況でも、斜度が変化するのに対応して、随時ローカル座標系が定義され直されるので、長時間高い精度で２次元測位を行うことができる。
【００４０】
図７は、ＧＰＳ受信機２０の主要機能のその他の一例を示すブロック図である。図７に示す構成は、図２に示した構成に対して、姿勢算出部２６が、地図データベース３４の高度情報を利用して、車両９０の姿勢角（地形の勾配）を算出する点が主に異なる。以下では、異なる部分を重点的に説明するが、他の構成は図２に示した構成と同様であってよい。地図データベース３４には、各地点の高度情報が記憶される。
【００４１】
図８は、地図データベース３４の高度情報を利用した姿勢算出方法の説明図である。ヨー角α、ピッチ角γについては、上述と同様の方法で算出されてもよい（数３，４参照）。従って、以下では、地図データベース３４の高度情報を利用したロール角βの算出方法について説明する。ここでは、ある時刻における車両９０の位置をWGS84座標系で（ｘｕ，ｙｕ，ｚｕ）とし、その時刻の速度ベクトルＶをWGS84座標系で（ｖｘ，ｖｙ，ｖｚ）とする。先ず、速度ベクトルＶとWGS84座標系のｘｙ平面上で直交するベクトル（ｘｓ，ｙｓ，０）を算出する。即ち、速度ベクトルＶのｘｙ面上への写像ベクトルＮ（図４参照）を９０度回転させたベクトル（ｘｓ，ｙｓ，０）を算出する。次いで、この平面位置（ｘｓ，ｙｓ）に対応する地点の高度情報ｚｓを、地図データベース３４から求める。そして、（ｘｕ，ｙｕ，ｚｕ）と（ｘｓ，ｙｓ，ｚｓ）の差分ベクトルを導出することで、速度ベクトルＶに直交するベクトルＳが求まる。ここで、ベクトルＶ，Ｓで構成される平面が車両９０を基準とした水平面となる。従って、ベクトルＶ，Ｓに直交するベクトルＴ（車両９０を基準とした鉛直方向）を求め、このベクトルＴとWGS84座標系のｚ軸とのなす角度をロール角βとして求める。このようにして算出される車両９０の姿勢角（ヨー角α、ピッチ角γ、ロール角β）は、座標系変換部２４における上記の数５の式に従った座標変換に利用される。
【００４２】
方位角センサの検出値の変位量を積分して姿勢角を算出する姿勢算出方法では、２次元測位を行う区間が長いときに累積誤差の影響が無視できなくなるが、図７に示す高度情報を利用した姿勢算出方法によれば、方位角センサを用いないことにより累積誤差の影響が無くなり、２次元測位を行う区間が長いときでも高い精度で２次元測位を行うことができる。
【００４３】
尚、図７に示す構成において、図５に示した態様でピッチ角の変化に応じてローカル座標系が再定義されるようにしてもよい。
【００４４】
図９は、ＧＰＳ受信機２０の主要機能のその他の一例を示すブロック図である。図９に示す構成は、図２に示した構成に対して、補足衛星数が２個まで減少した場合でも２次元測位を継続できるように構成されている点が主に異なる。以下では、異なる部分を重点的に説明するが、他の構成は図２に示した構成と同様であってよい。
【００４５】
図９に示す構成は、図２に示した構成に比べて、座標オフセット部３６及びメモリ３８が追加される。
【００４６】
座標オフセット部３６では、３個の衛星のうちの１個の衛星が測位に利用不能となった場合に、該測位に利用不能となった衛星に関して、前回の測位演算で用いた衛星位置をローカル座標系で平行移動させて仮想の衛星位置が算出される。平行移動は、速度ベクトルＶに沿った平行移動であってよい。例えば、平行移動は、図１０に示すように、車両９０の変位ベクトルＶ’を用いて、変位ベクトルＶ’分だけ実行されてもよい。
【００４７】
メモリ３８には、座標オフセット部３６で仮想の衛星位置を算出するために必要な情報が記憶される。この情報は、前回観測周期の衛星座標及びそれに対応した前回周期の車両９０の変位ベクトルＶ’を含む。
【００４８】
図１０は、座標オフセット部３６で用いられる仮想の衛星位置の算出方法の説明図である。
【００４９】
図１０に示す例では、時刻ｔ１での車両位置Ａでは、３個のＧＰＳ衛星１０１，２，３が測位に利用可能であるが、時刻ｔ２での車両位置Ｂでは、車両位置Ａで測位に利用可能であった３個のＧＰＳ衛星１０１，２，３のうちの、１個のＧＰＳ衛星１０１が測位に利用不能となっている。このとき、座標オフセット部３６では、時刻ｔ２でのＧＰＳ衛星１０１の衛星座標（仮想の衛星位置）について、図１０に模式的に示すように、時刻ｔ１でのＧＰＳ衛星１０１の衛星座標を、時刻ｔ１での変位ベクトルＶ’分だけ平行移動して求める。この場合、測位演算部２８では、平行移動して求められたＧＰＳ衛星１０１の衛星座標と、通常通り求められた他の２個のＧＰＳ衛星１０２，３の衛星座標とを用いて、２次元測位が継続される。尚、車両９０の変位ベクトルＶ’は、ドップラ周波数から上述の如く求められる時刻ｔ１での速度ベクトルＶと時刻ｔ１から時刻ｔ２までの時間Δｔ（＝ｔ２−ｔ１）とに基づいて算出されてもよいし、ジャイロセンサや加速度センサを用いて検出（推定）されてもよい。また、図１０に示す例では、時刻ｔ３での車両位置Ｃでは、再び３個のＧＰＳ衛星１０１，２，３が測位に利用可能となるので、時刻ｔ３から再び、座標オフセット部３６でＧＰＳ衛星１０１の衛星座標の平行移動がなされることなく、通常通り求められた各衛星座標を用いた２次元測位が実行される。
【００５０】
このように図９に示す構成によれば、同時に測位に利用可能なＧＰＳ衛星１０が２個に減少した場合でも、２次元測位を継続して行うことができる。また、同時に測位に利用可能なＧＰＳ衛星１０が２個に減少した場合に例えばジャイロセンサや加速度センサを用いて車両９０の移動量を算出して当該移動量を前回の測位結果に積算する慣性測位方法では、これらのセンサの誤差（例えばドリフト等の誤差）が累積し、車両位置Ｃに至るまで測位精度が悪化するという問題が生じるが、図９に示す構成によれば、かかるセンサの誤差の累積が無く、高精度の測位を継続することができる。
【００５１】
尚、図９に示す構成において、姿勢算出部２６による姿勢算出方法は、図２に示した構成に関連して説明した方位角センサ等を用いる方法であってもよいし、或いは、図８に示した地図データベース３４の高度情報を利用した姿勢算出方法が利用されてもよい。また、図９に示す構成において、図５に示した態様でピッチ角の変化に応じてローカル座標系が再定義されるようにしてもよい。また、図９に示す構成では、２次元測位を用いたが、同様に平行移動により４個以上のＧＰＳ衛星１０を用いて３次元測位を行うことも可能である。
【００５２】
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。
【００５３】
例えば、上述の実施例では、測位演算部２８において、ローカル座標系で高さ方向を固定した２次元測位により車両９０の位置が測位されているが、それに加えて、ローカル座標系で高さ方向を固定した２次元測位により車両９０の速度ベクトルが測位されてもよい。この場合、上記の数１及び数２で示した式において、ローカル座標系に変換された各値（例えば衛星座標、車両位置、衛星移動速度ベクトルＶｋ）が用いられ、車両９０のＺ方向の速度成分をゼロに固定した２次元測位が実現されてもよい。
【００５４】
また、上述の実施例では、ＧＰＳに本発明が適用された例を示したが、本発明は、ＧＰＳ以外の衛星システム、例えばガリレオ等の他のGNSS (Global Navigation Satellite System)にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明に係る移動体用測位装置が適用されるＧＰＳの全体的な構成を示すシステム構成図である。
【図２】ＧＰＳ受信機２０の主要機能の一例を示すブロック図である。
【図３】本実施例の基本概念を模式的に示す図である。
【図４】姿勢算出部２６での姿勢算出方法及び座標系変換部２４で用いられる座標変換方法の一例を説明するための説明図である。
【図５】本実施例のＧＰＳ受信機２０により実行される主要処理の一例を示すフローチャートである。
【図６】斜度が変化するような複雑な地形上を車両９０が走行している状況を模式的に示す図である。
【図７】ＧＰＳ受信機２０の主要機能のその他の一例を示すブロック図である。
【図８】地図データベース３４の高度情報を利用した姿勢算出方法の説明図である。
【図９】ＧＰＳ受信機２０の主要機能のその他の一例を示すブロック図である。
【図１０】座標オフセット部３６で用いられる仮想の衛星位置の算出方法の説明図である。
【符号の説明】
【００５６】
１０ ＧＰＳ衛星
２０ ＧＰＳ受信機
２１ アンテナ
２２ 測位信号受信部
２４ 座標系変換部
２６ 姿勢算出部
２８ 測位演算部
３０ 座標系逆変換部
３４ 地図データベース
３６ 座標オフセット部
３８ メモリ
９０ 車両
【技術分野】
【０００１】
本発明は、衛星からの衛星電波を移動体で受信して、該移動体の位置を測位する移動体用測位装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ＧＰＳ測位においては、ビル等の建造物等により捕捉できる衛星数が不足することにより３次元測位から２次元測位へ移行する場合に、高度データを補償するために、前回の３次元測位時の高度データを保持し、その前回の高度データを使用して近似的に３次元測位のデータを得るようにすることが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平５−２６６７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上述の特許文献１に記載されるような高度を固定するタイプの２次元測位では、高度を固定したまま測位を継続するので、高度が変化する環境下で長時間二次元測位を継続すると誤差が増大して、測位精度が悪化するという問題があった。
【０００４】
そこで、本発明は、高度が変化する環境下においても精度良く２次元測位を行うことができる移動体用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】
【０００５】
上記目的を達成するため、本発明の一局面によれば、衛星からの衛星電波を移動体で受信して、該移動体の位置を測位する移動体用測位装置において、
移動体の姿勢に応じて変化する座標系であって、該移動体を基準とした直交座標系を定義する座標系定義手段と、
前記座標系定義手段により定義された直交座標系を用いて、３個の衛星を用いた２次元測位により前記直交座標系における移動体の位置を演算する２次元測位手段とを備えることを特徴とする、移動体用測位装置が提供される。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、高度が変化する環境下においても精度良く２次元測位を行うことができる移動体用測位装置が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
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。
【０００８】
図１は、本発明に係る移動体用測位装置が適用されるＧＰＳ（Global Positioning System）の全体的な構成を示すシステム構成図である。図１に示すように、ＧＰＳは、地球周りを周回するＧＰＳ衛星１０と、地球上に位置し地球上を移動しうる車両９０とから構成される。尚、車両９０は、あくまで移動体の一例であり、その他の移動体としては、自動二輪車、鉄道、船舶、航空機、ホークリフト、ロボットや、人の移動に伴い移動する携帯電話等の情報端末等がありうる。
【０００９】
ＧＰＳ衛星１０は、航法メッセージ（衛星信号）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に関する衛星軌道情報（エフェメリスやアルマナク）、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。尚、Ｌ１波は、Ｃ／Ａコードで変調されたＳｉｎ波とＰコード（Precision Code）で変調されたＣｏｓ波の合成波であり、直交変調されている。Ｃ／Ａコード及びＰコードは、擬似雑音（Pseudo Noise）符号であり、−１と１が不規則に周期的に並ぶ符号列である。
【００１０】
尚、現在、約３０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個以上の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。
【００１１】
車両９０には、移動体用測位装置としてのＧＰＳ受信機２０が搭載される。
【００１２】
図２は、ＧＰＳ受信機２０の主要機能の一例を示すブロック図である。
【００１３】
ＧＰＳ衛星１０からの電波は、図２に示すように、アンテナ２１を介して受信され、測位信号受信部２２にて処理される。測位信号受信部２２では、衛星軌道情報から衛星座標が算出されると共に、擬似距離及び車両９０の速度ベクトルＶが算出される。擬似距離は、Ｃ／Ａコードを追尾して計測されるが、例えばＰコードのような他のコードに基づいて計測されてもよい。尚、Ｐコードの場合、Ｗコードで暗号化されているので、Ｐコード同期を行う際に、クロス相関方式を利用したＤＬＬにより、Ｐコードを取り出すこととしてよい。速度ベクトルＶの算出（計測）方法は、ドップラレンジ（ドップラ周波数）を用いた方法であってもよいし、測位結果の前回値と今回値の差分に基づく方法であってもよい。速度ベクトルＶの算出方法の一例は後述する。衛星座標は、地球を基準とした地球固定座標系（本例では、典型的な例として、ＧＰＳ標準のWGS84）で導出される。
【００１４】
座標系変換部２４では、測位信号受信部２２で受信されたＧＰＳ衛星１０のうち、測位に利用できるＧＰＳ衛星１０の数が３個以下である場合に、WGS84座標系の衛星座標が、車両９０を基準とした直交座標系（以下、ローカル座標系という）に変換される。この変換方法については後に詳説する。他方、座標系変換部２４は、測位に利用可能なＧＰＳ衛星１０の数が４個以上の場合は、非動作となり、この場合、通常通りWGS84座標系の衛星座標が後続の処理で利用される。尚、測位に利用可能なＧＰＳ衛星１０であるか否かは、信号強度やマルチパスの影響の有無等を考慮して判断されてもよい。
【００１５】
姿勢算出部２６では、座標系変換部２４及び後述の座標系逆変換部３０における座標変換時に用いられる車両９０の姿勢に関する情報が導出される。この方法についても後に詳説する。
【００１６】
測位演算部２８では、測位に利用可能なＧＰＳ衛星１０の数が３個以下である場合には、ローカル座標系の衛星座標と、擬似距離の算出結果に基づいて、車両９０の位置（Ｘｕ，Ｙｕ，Ｚｕ）が２次元測位により測位演算される。具体的には、２次元測位による測位演算では、以下の関係式が用いられてよい。
ρ＝√｛（Ｘ１−Ｘｕ）２＋（Ｙ１−Ｙｕ）２＋（Ｚ１−Ｚｕ）２｝＋Δτ・ｃ 式１
ここで、Δτ・ｃは、主に受信部２０の時計誤差を表し、（Ｘｕ，Ｙｕ，Ｚｕ）は、ＧＰＳ衛星１０１に関するローカル座標系の衛星座標を表す。尚、この式は、ＧＰＳ衛星１０１に関するものであるが、他の測位に利用可能なＧＰＳ衛星１０に対しても同様の関係式が利用される。車両９０の位置は、３つのＧＰＳ衛星１０に対して上述の如く得られるそれぞれの擬似距離ρ及び衛星位置を用いて、三角測量の原理で導出される。２次元測位の場合、車両９０の位置のＺ成分Ｚｕを固定することで未知数を減らし、擬似距離ρに含まれる時計誤差成分が除去される。
【００１７】
他方、測位演算部２８では、測位に利用可能なＧＰＳ衛星１０の数が４個以上の場合には、WGS84座標系の衛星座標と、擬似距離の算出結果に基づいて、車両９０の位置（ｘｕ，ｙｕ，ｚｕ）が３次元測位により測位演算される。なお、測位結果は、例えば車載ナビゲーションシステムに出力されてもよい。この場合、通常通り、４個以上のＧＰＳ衛星１０に関する上記式（１）に示した関係式（但し、衛星座標及び車両位置はWGS84座標系で表現）が利用され、最小二乗法等を用いて、時計誤差成分を除去しつつ、WGS84座標系の車両９０の位置（ｘｕ，ｙｕ，ｚｕ）が算出されることになる。
【００１８】
座標系逆変換部３０では、測位に利用可能なＧＰＳ衛星１０の数が３個以下である場合には、測位演算部２８からローカル座標系で出力される測位結果を、逆変換してWGS84座標系に戻す。即ち、座標系逆変換部３０では、座標系変換部２４で用いられた変換式の逆変換式を用いて、WGS84座標系の測位結果が導出される。この測位結果は、例えば車載ナビゲーションシステムに出力されてもよい。他方、座標系逆変換部３０は、測位に利用可能なＧＰＳ衛星１０の数が４個以上の場合は、非動作となり、この場合、通常通り、測位演算部２８からWGS84座標系で出力される測位結果がそのまま出力される。同様に、この測位結果は、例えば車載ナビゲーションシステムに出力されてもよい。
【００１９】
図３は、本実施例の基本概念を模式的に示す図である。図３では、測位信号受信部２２で利用可能と判断されたＧＰＳ衛星１０の数、即ち捕捉衛星数が４個以上の状態（ａ）と、捕捉衛星数が３個になった状態（ｂ）とが時系列的に図示されている。図３に示す例では、車両９０は、高度が変化する地形（即ち勾配のある地形）を走行している。
【００２０】
本実施例では、上述の如く状態（ａ）のように４個以上のＧＰＳ衛星１０１，２，３，４が利用できるときは、３次元測位が行われ、自車位置が算出される。ＧＰＳ衛星１０１が捕捉されなくなることで状態（ａ）から状態（ｂ）に移行すると、ローカル座標系を用いて車両９０の位置のＺ成分Ｚｕを固定する２次元測位が実行される。ここで、ローカル座標系は、一例として、図３に示すように、車両９０の前後軸方向をＸ軸とし、車両９０の左右の車軸方向をＹ軸とし、Ｘ軸とＹ軸に直角な方向をＺ軸とした直交座標系である。Ｘ軸の方向は、車両９０の速度ベクトルＶの方向に定義される。
【００２１】
尚、ローカル座標系の定義に用いられる車両９０の速度ベクトルＶは、上述の如く測位信号受信部２２にて導出されたものであってよい。ここで、速度ベクトルＶの算出方法の一例について概説する。
【００２２】
車両９０の速度の測位は、例えば以下のような関係式に基づいて、最小二乗法等を用いて実行されてよい。尚、文字の上についた記号黒丸は、ドット（時間微分）を表し、例えばドップラレンジｄρｋは、ρｋドット（擬似距離ρｋの時間微分）であり、下付き文字ｋは、ＧＰＳ衛星１０ｋに係るものであることを示す。
【００２３】
【数１】
尚、Ｉドット及びＴドットは、電離層誤差の変動量及び対流圏誤差の変動量を表すが、非常に小さいので、ここでは、白色ノイズεとして扱う。また、ｂドットは、時計誤差の微分値である。また、（Ｖｋ−Ｖ）・ｌｋのＶｋ・ｌｋの部分は、単位ベクトルｌｋと衛星移動速度ベクトルＶｋとの内積であり、衛星移動速度ベクトルＶｋは、航法メッセージの衛星軌道情報に基づいて算出され、単位ベクトルｌｋは、測位された車両９０の位置（ｘｕ，ｙｕ，ｚｕ）、及び、衛星座標（ｘｋ，ｙｋ，ｚｋ）を用いて、以下のように、算出されてよい。
【００２４】
【数２】
また、ドップラレンジｄρｋは、搬送波の波長λ（既知）と、ＧＰＳ衛星１０ｋに関するドップラ周波数Δｆｋを用いて、例えばｄρｋ＝λ・Δｆｋにより、算出される。
【００２５】
図３に示すように、本実施例によれば、捕捉衛星数が３個になり、２次元測位を行う場合でも、ローカル座標系を用いて車両９０の位置のＺ成分Ｚｕを固定する２次元測位が実行される。尚、２次元測位にて固定されるＺ成分Ｚｕは、直前の３次元測位で求まった車両９０の位置をローカル座標系に変換したときのＺ成分である。従って、図３に示すような高度が変化する状況下で２次元測位を継続しても、当該高度変化に起因した誤差を低減することができる。即ち、従来の２次元測位法ではWGS84座標系の高さ方向を固定するため、車両９０の移動によって高さが変化する勾配のある地形上では、長時間精度を保つのが困難であったが、本実施例では、斜面に対して鉛直方向の位置変化が固定されるので、車両９０が斜面上を長時間移動する状況下でも長時間高い精度で２次元測位を行うことができる。
【００２６】
図４は、姿勢算出部２６での姿勢算出方法及び座標系変換部２４で用いられる座標変換方法の一例を説明する図である。図４では、WGS84座標系の座標系がｘ−ｙ−ｚ軸で示され、車両９０の速度ベクトルＶ＝（ｖｘ，ｖｙ，ｖｚ）と、それに対応したローカル座標系がＸ−Ｙ−Ｚ軸で示されている。尚、速度ベクトルＶ＝（ｖｘ，ｖｙ，ｖｚ）は、WGS84座標系で表現されている。
【００２７】
速度ベクトルＶのｘｙ平面上への写像をベクトルＮとすると、速度ベクトルＶと写像ベクトルＮのなす角γは、以下の式で求まる。
【００２８】
【数３】
また、ベクトルＮとｘ軸とのなす角αは、以下の式で求まる。
【００２９】
【数４】
図４中のβは、車両９０のロール角であり、ジャイロや重力加速度を利用した方位角センサ等により検出される。このようにして、姿勢算出部２６では、車両９０の姿勢角（ヨー角α、ピッチ角γ、ロール角β）に関する情報が算出・検出される。
【００３０】
そして、座標系変換部２４において、WGS84座標系からローカル座標系の変換は、このようにして得られた車両９０の姿勢に関するパラメータα、β、γを用いて、以下の式によって実現される。
【００３１】
【数５】
尚、上述の例では、車両９０の姿勢角（ヨー角α、ピッチ角γ、ロール角β）のうちロール角βのみを方位角センサにより検出し、ヨー角α及びピッチ角γは車両９０の速度ベクトルＶから算出しているが、３軸ジャイロセンサ等を用いて車両９０の姿勢角（ヨー角α、ピッチ角γ、ロール角β）を直接検出してもよい。
【００３２】
図５は、上述の２次元測位を継続している間に本実施例のＧＰＳ受信機２０により実行される主要処理の一例を示すフローチャートである。図５に示す処理は、特に斜度が変化するような複雑な地形上を車両９０が走行している場合に好適である。従って、図５に示す処理は、例えば地図データベース等により斜度が変化するような複雑な地形上を車両９０が走行していることが検出された場合であって、且つ、捕捉衛星数が３個である場合に、所定周期毎に繰り返し実行されてもよいし、或いは、地形の如何に関らず、捕捉衛星数が３個である場合に、所定周期毎に繰り返し実行されてもよい。
【００３３】
ステップ５００が、車両９０のピッチ角が変化したか否かが判定される。例えば、車両９０のピッチ角の今回値が、前回値に対して所定角度以上変化した場合に、車両９０のピッチ角が変化したと判定してもよい。ピッチ角は、方位角センサにより検出されてもよい。尚、この判定には、ノイズ等に影響を無くすためにピッチ角の検出値がフィルタ処理されてもよいし、連続した所定数以上の周期の判定結果が考慮されてもよい。
【００３４】
本ステップ５００において、車両９０のピッチ角が変化したと判定された場合には、ステップ５０２に進み、車両９０のピッチ角が変化していないと判定された場合には、ステップ５０４に進む。
【００３５】
ステップ５０２では、座標系変換部２４において、変化した斜度に対応するために、姿勢算出部２６にて新たに算出された姿勢情報に基づいて、現時点の速度ベクトルＶの方向を新たなＸ軸とした新たなローカル座標系が定義される。新たなローカル座標系は、現時点の車両９０の姿勢に基づいて定義され、定義方法自体は上述した方法と実質的に同様である。具体的には、前回定義したときから現時点までの姿勢変化量をΔα、Δβ、Δγとすると、新たなローカル座標系（Ｘ’、Ｙ’、Ｚ’）への座標変換は、以下の式によって実現される。
【００３６】
【数６】
ステップ５０４では、座標系変換部２４において、上記ステップ５０２で新たに定義されたローカル座標系を用いて、衛星座標がWGS84座標系から新たなローカル座標系に変換される。
【００３７】
ステップ５０６では、測位演算部２８において、上記ステップ５０４で変換された３個のＧＰＳ衛星１０の衛星座標と、同３個のＧＰＳ衛星１０に係る擬似距離の測定結果とを用いて、新たなローカル座標系のＺ方向を固定した２次元測位により、新たなローカル座標系での車両９０の位置が測位される。尚、このとき、２次元測位にて固定されるＺ成分Ｚｕは、直前の２次元測位で求まった車両９０の位置を新たなローカル座標系に変換したときのＺ成分である。
【００３８】
ステップ５０８では、座標系逆変換部３０において、上記ステップ５０６で得られた新たなローカル座標系での車両９０の位置が、WGS84座標系での車両９０の位置へと逆変換される。尚、この逆変換で用いる変換式は、上記ステップ５０２の変換式に基づく。
【００３９】
このように図５に示す処理によれば、図６に概略的に示すように、斜度が変化するような複雑な地形上を車両９０が走行している状況でも、斜度が変化するのに対応して、随時ローカル座標系が定義され直されるので、長時間高い精度で２次元測位を行うことができる。
【００４０】
図７は、ＧＰＳ受信機２０の主要機能のその他の一例を示すブロック図である。図７に示す構成は、図２に示した構成に対して、姿勢算出部２６が、地図データベース３４の高度情報を利用して、車両９０の姿勢角（地形の勾配）を算出する点が主に異なる。以下では、異なる部分を重点的に説明するが、他の構成は図２に示した構成と同様であってよい。地図データベース３４には、各地点の高度情報が記憶される。
【００４１】
図８は、地図データベース３４の高度情報を利用した姿勢算出方法の説明図である。ヨー角α、ピッチ角γについては、上述と同様の方法で算出されてもよい（数３，４参照）。従って、以下では、地図データベース３４の高度情報を利用したロール角βの算出方法について説明する。ここでは、ある時刻における車両９０の位置をWGS84座標系で（ｘｕ，ｙｕ，ｚｕ）とし、その時刻の速度ベクトルＶをWGS84座標系で（ｖｘ，ｖｙ，ｖｚ）とする。先ず、速度ベクトルＶとWGS84座標系のｘｙ平面上で直交するベクトル（ｘｓ，ｙｓ，０）を算出する。即ち、速度ベクトルＶのｘｙ面上への写像ベクトルＮ（図４参照）を９０度回転させたベクトル（ｘｓ，ｙｓ，０）を算出する。次いで、この平面位置（ｘｓ，ｙｓ）に対応する地点の高度情報ｚｓを、地図データベース３４から求める。そして、（ｘｕ，ｙｕ，ｚｕ）と（ｘｓ，ｙｓ，ｚｓ）の差分ベクトルを導出することで、速度ベクトルＶに直交するベクトルＳが求まる。ここで、ベクトルＶ，Ｓで構成される平面が車両９０を基準とした水平面となる。従って、ベクトルＶ，Ｓに直交するベクトルＴ（車両９０を基準とした鉛直方向）を求め、このベクトルＴとWGS84座標系のｚ軸とのなす角度をロール角βとして求める。このようにして算出される車両９０の姿勢角（ヨー角α、ピッチ角γ、ロール角β）は、座標系変換部２４における上記の数５の式に従った座標変換に利用される。
【００４２】
方位角センサの検出値の変位量を積分して姿勢角を算出する姿勢算出方法では、２次元測位を行う区間が長いときに累積誤差の影響が無視できなくなるが、図７に示す高度情報を利用した姿勢算出方法によれば、方位角センサを用いないことにより累積誤差の影響が無くなり、２次元測位を行う区間が長いときでも高い精度で２次元測位を行うことができる。
【００４３】
尚、図７に示す構成において、図５に示した態様でピッチ角の変化に応じてローカル座標系が再定義されるようにしてもよい。
【００４４】
図９は、ＧＰＳ受信機２０の主要機能のその他の一例を示すブロック図である。図９に示す構成は、図２に示した構成に対して、補足衛星数が２個まで減少した場合でも２次元測位を継続できるように構成されている点が主に異なる。以下では、異なる部分を重点的に説明するが、他の構成は図２に示した構成と同様であってよい。
【００４５】
図９に示す構成は、図２に示した構成に比べて、座標オフセット部３６及びメモリ３８が追加される。
【００４６】
座標オフセット部３６では、３個の衛星のうちの１個の衛星が測位に利用不能となった場合に、該測位に利用不能となった衛星に関して、前回の測位演算で用いた衛星位置をローカル座標系で平行移動させて仮想の衛星位置が算出される。平行移動は、速度ベクトルＶに沿った平行移動であってよい。例えば、平行移動は、図１０に示すように、車両９０の変位ベクトルＶ’を用いて、変位ベクトルＶ’分だけ実行されてもよい。
【００４７】
メモリ３８には、座標オフセット部３６で仮想の衛星位置を算出するために必要な情報が記憶される。この情報は、前回観測周期の衛星座標及びそれに対応した前回周期の車両９０の変位ベクトルＶ’を含む。
【００４８】
図１０は、座標オフセット部３６で用いられる仮想の衛星位置の算出方法の説明図である。
【００４９】
図１０に示す例では、時刻ｔ１での車両位置Ａでは、３個のＧＰＳ衛星１０１，２，３が測位に利用可能であるが、時刻ｔ２での車両位置Ｂでは、車両位置Ａで測位に利用可能であった３個のＧＰＳ衛星１０１，２，３のうちの、１個のＧＰＳ衛星１０１が測位に利用不能となっている。このとき、座標オフセット部３６では、時刻ｔ２でのＧＰＳ衛星１０１の衛星座標（仮想の衛星位置）について、図１０に模式的に示すように、時刻ｔ１でのＧＰＳ衛星１０１の衛星座標を、時刻ｔ１での変位ベクトルＶ’分だけ平行移動して求める。この場合、測位演算部２８では、平行移動して求められたＧＰＳ衛星１０１の衛星座標と、通常通り求められた他の２個のＧＰＳ衛星１０２，３の衛星座標とを用いて、２次元測位が継続される。尚、車両９０の変位ベクトルＶ’は、ドップラ周波数から上述の如く求められる時刻ｔ１での速度ベクトルＶと時刻ｔ１から時刻ｔ２までの時間Δｔ（＝ｔ２−ｔ１）とに基づいて算出されてもよいし、ジャイロセンサや加速度センサを用いて検出（推定）されてもよい。また、図１０に示す例では、時刻ｔ３での車両位置Ｃでは、再び３個のＧＰＳ衛星１０１，２，３が測位に利用可能となるので、時刻ｔ３から再び、座標オフセット部３６でＧＰＳ衛星１０１の衛星座標の平行移動がなされることなく、通常通り求められた各衛星座標を用いた２次元測位が実行される。
【００５０】
このように図９に示す構成によれば、同時に測位に利用可能なＧＰＳ衛星１０が２個に減少した場合でも、２次元測位を継続して行うことができる。また、同時に測位に利用可能なＧＰＳ衛星１０が２個に減少した場合に例えばジャイロセンサや加速度センサを用いて車両９０の移動量を算出して当該移動量を前回の測位結果に積算する慣性測位方法では、これらのセンサの誤差（例えばドリフト等の誤差）が累積し、車両位置Ｃに至るまで測位精度が悪化するという問題が生じるが、図９に示す構成によれば、かかるセンサの誤差の累積が無く、高精度の測位を継続することができる。
【００５１】
尚、図９に示す構成において、姿勢算出部２６による姿勢算出方法は、図２に示した構成に関連して説明した方位角センサ等を用いる方法であってもよいし、或いは、図８に示した地図データベース３４の高度情報を利用した姿勢算出方法が利用されてもよい。また、図９に示す構成において、図５に示した態様でピッチ角の変化に応じてローカル座標系が再定義されるようにしてもよい。また、図９に示す構成では、２次元測位を用いたが、同様に平行移動により４個以上のＧＰＳ衛星１０を用いて３次元測位を行うことも可能である。
【００５２】
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。
【００５３】
例えば、上述の実施例では、測位演算部２８において、ローカル座標系で高さ方向を固定した２次元測位により車両９０の位置が測位されているが、それに加えて、ローカル座標系で高さ方向を固定した２次元測位により車両９０の速度ベクトルが測位されてもよい。この場合、上記の数１及び数２で示した式において、ローカル座標系に変換された各値（例えば衛星座標、車両位置、衛星移動速度ベクトルＶｋ）が用いられ、車両９０のＺ方向の速度成分をゼロに固定した２次元測位が実現されてもよい。
【００５４】
また、上述の実施例では、ＧＰＳに本発明が適用された例を示したが、本発明は、ＧＰＳ以外の衛星システム、例えばガリレオ等の他のGNSS (Global Navigation Satellite System)にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明に係る移動体用測位装置が適用されるＧＰＳの全体的な構成を示すシステム構成図である。
【図２】ＧＰＳ受信機２０の主要機能の一例を示すブロック図である。
【図３】本実施例の基本概念を模式的に示す図である。
【図４】姿勢算出部２６での姿勢算出方法及び座標系変換部２４で用いられる座標変換方法の一例を説明するための説明図である。
【図５】本実施例のＧＰＳ受信機２０により実行される主要処理の一例を示すフローチャートである。
【図６】斜度が変化するような複雑な地形上を車両９０が走行している状況を模式的に示す図である。
【図７】ＧＰＳ受信機２０の主要機能のその他の一例を示すブロック図である。
【図８】地図データベース３４の高度情報を利用した姿勢算出方法の説明図である。
【図９】ＧＰＳ受信機２０の主要機能のその他の一例を示すブロック図である。
【図１０】座標オフセット部３６で用いられる仮想の衛星位置の算出方法の説明図である。
【符号の説明】
【００５６】
１０ ＧＰＳ衛星
２０ ＧＰＳ受信機
２１ アンテナ
２２ 測位信号受信部
２４ 座標系変換部
２６ 姿勢算出部
２８ 測位演算部
３０ 座標系逆変換部
３４ 地図データベース
３６ 座標オフセット部
３８ メモリ
９０ 車両
【特許請求の範囲】
【請求項１】
衛星からの衛星電波を移動体で受信して、該移動体の位置を測位する移動体用測位装置において、
移動体の姿勢に応じて変化する座標系であって、該移動体を基準とした直交座標系を定義する座標系定義手段と、
前記座標系定義手段により定義された直交座標系を用いて、３個の衛星を用いた２次元測位により前記直交座標系における移動体の位置を演算する２次元測位手段とを備えることを特徴とする、移動体用測位装置。
【請求項２】
前記座標系定義手段は、前記直交座標系を定義した後に前記移動体のピッチ角度が所定角度以上変化した場合に、前記直交座標系を定義し直す、請求項１に記載の移動体用測位装置。
【請求項３】
前記２次元測位手段は、前記３個の衛星のうちの１個の衛星が測位に利用不能となった場合に、該測位に利用不能となった衛星に関する衛星位置が、前回の測位演算で用いた衛星位置から前記移動体の移動方向に沿って平行移動させた衛星位置にあると仮定して、前記３個の衛星を用いた２次元測位を継続する、請求項１又は２に記載の移動体用測位装置。
【請求項４】
前記座標系定義手段は、前記移動体の速度ベクトルを用いて、前記直交座標系を定義する、請求項１〜３のうちのいずれか１項に記載の移動体用測位装置。
【請求項５】
前記座標系定義手段は、前記移動体のピッチ方向の姿勢に関する情報に基づいて、前記直交座標系を定義する、請求項１〜４のうちのいずれか１項に記載の移動体用測位装置。
【請求項６】
前記座標系定義手段は、前記移動体のヨー、ピッチ及びロール方向の姿勢に関する情報に基づいて、前記直交座標系を定義する、請求項１〜４のうちのいずれか１項に記載の移動体用測位装置。
【請求項７】
前記座標系定義手段は、前記移動体の姿勢に関する情報を、前記移動体に搭載された方位角センサから取得する、請求項５又は６に記載の移動体用測位装置。
【請求項８】
前記座標系定義手段は、前記移動体のロール方向の姿勢に関する情報を、地図データの高度情報に基づいて算出して取得する、請求項１，２、３、４又は６に記載の移動体用測位装置。
【請求項９】
前記座標系定義手段は、前記移動体の前後軸方向をＸ軸とし、前記移動体の左右の車軸方向をＹ軸とし、前記Ｘ軸とＹ軸に直角な方向をＺ軸とした前記直交座標系を定義し、
前記２次元測位手段は、前記座標系定義手段により定義された直交座標系における前記Ｚ軸方向の成分を固定することで、前記３個の衛星を用いた２次元測位を実現する、請求項１〜８のうちのいずれか１項に記載の移動体用測位装置。
【請求項１０】
前記２次元測位手段により演算された前記直交座標系における移動体の位置を、地球を基準とした直交座標系に変換する座標系変換手段を更に備える、請求項１〜９のうちのいずれか１項に記載の移動体用測位装置。
【請求項１１】
前記２次元測位手段は、更に、前記座標系定義手段により定義された直交座標系を用いて、３個の衛星を用いた２次元測位により前記直交座標系における移動体の速度ベクトルをドップラ周波数の観測値に基づき演算する、請求項１〜１０のうちのいずれか１項に記載の移動体用測位装置。
【請求項１】
衛星からの衛星電波を移動体で受信して、該移動体の位置を測位する移動体用測位装置において、
移動体の姿勢に応じて変化する座標系であって、該移動体を基準とした直交座標系を定義する座標系定義手段と、
前記座標系定義手段により定義された直交座標系を用いて、３個の衛星を用いた２次元測位により前記直交座標系における移動体の位置を演算する２次元測位手段とを備えることを特徴とする、移動体用測位装置。
【請求項２】
前記座標系定義手段は、前記直交座標系を定義した後に前記移動体のピッチ角度が所定角度以上変化した場合に、前記直交座標系を定義し直す、請求項１に記載の移動体用測位装置。
【請求項３】
前記２次元測位手段は、前記３個の衛星のうちの１個の衛星が測位に利用不能となった場合に、該測位に利用不能となった衛星に関する衛星位置が、前回の測位演算で用いた衛星位置から前記移動体の移動方向に沿って平行移動させた衛星位置にあると仮定して、前記３個の衛星を用いた２次元測位を継続する、請求項１又は２に記載の移動体用測位装置。
【請求項４】
前記座標系定義手段は、前記移動体の速度ベクトルを用いて、前記直交座標系を定義する、請求項１〜３のうちのいずれか１項に記載の移動体用測位装置。
【請求項５】
前記座標系定義手段は、前記移動体のピッチ方向の姿勢に関する情報に基づいて、前記直交座標系を定義する、請求項１〜４のうちのいずれか１項に記載の移動体用測位装置。
【請求項６】
前記座標系定義手段は、前記移動体のヨー、ピッチ及びロール方向の姿勢に関する情報に基づいて、前記直交座標系を定義する、請求項１〜４のうちのいずれか１項に記載の移動体用測位装置。
【請求項７】
前記座標系定義手段は、前記移動体の姿勢に関する情報を、前記移動体に搭載された方位角センサから取得する、請求項５又は６に記載の移動体用測位装置。
【請求項８】
前記座標系定義手段は、前記移動体のロール方向の姿勢に関する情報を、地図データの高度情報に基づいて算出して取得する、請求項１，２、３、４又は６に記載の移動体用測位装置。
【請求項９】
前記座標系定義手段は、前記移動体の前後軸方向をＸ軸とし、前記移動体の左右の車軸方向をＹ軸とし、前記Ｘ軸とＹ軸に直角な方向をＺ軸とした前記直交座標系を定義し、
前記２次元測位手段は、前記座標系定義手段により定義された直交座標系における前記Ｚ軸方向の成分を固定することで、前記３個の衛星を用いた２次元測位を実現する、請求項１〜８のうちのいずれか１項に記載の移動体用測位装置。
【請求項１０】
前記２次元測位手段により演算された前記直交座標系における移動体の位置を、地球を基準とした直交座標系に変換する座標系変換手段を更に備える、請求項１〜９のうちのいずれか１項に記載の移動体用測位装置。
【請求項１１】
前記２次元測位手段は、更に、前記座標系定義手段により定義された直交座標系を用いて、３個の衛星を用いた２次元測位により前記直交座標系における移動体の速度ベクトルをドップラ周波数の観測値に基づき演算する、請求項１〜１０のうちのいずれか１項に記載の移動体用測位装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１０−１０７２７６（Ｐ２０１０−１０７２７６Ａ）
【公開日】平成２２年５月１３日（２０１０．５．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２７７７７６（Ｐ２００８−２７７７７６）
【出願日】平成２０年１０月２９日（２００８．１０．２９）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年５月１３日（２０１０．５．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１０月２９日（２００８．１０．２９）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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