説明

GPSを利用した測位方法

【課題】異常な測位方位を検出し、該測位方位を無効とすることで、最終的な測位結果の精度を向上させることが可能な測位方法を提供することを目的とする。
【解決手段】複数の衛星から送信されるGPS(Global Positioning System)信号を用いて測位を行う測位方法であって、受信したGPS信号から、受信機の速度および方位を測位する速度測位ステップと、速度測位ステップによる測位方位が、測位に使用されなくなった衛星の方位に対して直交している場合に、該測位方位を無効とする無効ステップと、を含む方法。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
この発明は、GPS(Global Positioning System)を利用して測位を行う測位方法に関する。
【背景技術】
【0002】
GPSは、地球を周回するGPS衛星から発信されるGPS信号を用いて位置情報等を取得するための測位システムである。例えば乗用車等の移動体や携帯電話等のモバイル端末にはGPSを利用して位置測位等を行うGPS受信機が備えられ、日常生活において広く利用されている。
【0003】
GPSでは、GPS衛星から送信されるGPS信号に含まれる時刻情報と、GPS受信機自身が有する時刻情報とを比較して、信号の到来時間を求め、そこからGPS衛星との距離が求められる。そして、この作業を複数の衛星に対して行い、各衛星からの距離の交点を求めることで、GPS受信機の位置が測位される(以下、「位置測位」という)。また、GPS受信機が移動体に備えられている場合、受信した衛星からのGPS信号には、衛星とGPS受信機の相対速度に応じてドップラー効果による周波数変化(ドップラーシフト)が発生する。そして、複数の衛星についてのこの変化量(以下、「ドップラーシフト量」という)に基づいて、GPS受信機の移動速度や方位が求められる(以下、「速度測位」という)。
【0004】
このようなGPS受信機の例として、特許文献1には、複数のGPS衛星からの信号を継続的に受信し、上記のような位置測位および速度測位を行う構成を備えたGPS受信機が開示されている。また、GPSを用いて位置測位および速度測位を行うためには、所定数以上の衛星からのGPS信号が必要となる。そのため、特許文献1に記載のGPS受信機では、受信環境が悪化して少なくとも3つのGPS衛星から発せられた信号を受信できなくなった場合には、測位結果を無効なものとして処理する構成を備えている。このように、従来のGPS受信機では、建造物などによりGPS衛星からの信号が遮蔽され、所定数以上の衛星からの信号を受信できない場合には、測位結果を無効とすることで、GPS受信機を利用したナビゲーションシステム等に影響を及ぼさないようにしている。
【特許文献1】特開2003−344066号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
ここで、GPSにおける位置測位は、その瞬間の衛星との距離に基づいて行われるため、上記のように所定数以上のGPS衛星から信号が受信できていれば、測位を行うことが可能である。しかしながら、速度測位は、位置測位と位置測位の間の単位時間(例えば1秒間)におけるドップラーシフト量を基に行われる。そのため、前回測位時に測位に用いられていた衛星からの信号が受信できなくなった場合など、速度測位に使用される衛星の組み合わせが変化した場合に、ドップラーシフト量のバランスが崩れ、正しい速度測位が行えなくなってしまうことがある。しかしながら、上述のように、従来のGPS受信機においては、測位結果の有効性の判断基準として、所定数以上の衛星からの信号を受信できているか否かについては考慮しているものの、上述のように信号を受信している衛星の組み合わせの変化については考慮されていない。そのため、所定数以上のGPS衛星からの信号を受信できているにもかかわらず、誤った速度測位結果となってしまうような場合には、この測位結果を無効と判断することができなかった。
【0006】
また、GPS受信機を車両に搭載したカーナビゲーションシステムなどにおいては、上記のようなGPSによる測位だけでなく、車速パルスやジャイロセンサを用いたDR(dead reckoning)測位も用いられる。これにより、GPSにおける測位結果が無効である場合や、あまりにも不自然な場合には、DR測位の結果に基づいて最終的な測位結果が計算される構成となっている。しかしながら、GPS受信機を備えた移動体の絶対位置を測定する場合や、カーナビゲーションシステムの起動時において、ジャイロセンサが有効に機能していない場合には、GPS測位における方位が必ず必要となる。そのため、上述のようにGPS受信機から有効な測位結果として、誤差を多く含む測位結果が出力されてしまうと、それに基づいて誤った絶対方位が測定されてしまうことがある。また、GPSにおける測位は、ジャイロセンサの方位判断の学習や補正に用いられることもあるため、誤った測位結果によってジャイロセンサの機能にも影響を与えてしまうこともあった。
【0007】
さらに、カルマンフィルタを備えるGPS受信機においては、位置測位の際に、速度測位の情報も取り込んで測位結果が算出される。そのため、上述のようにGPS受信機から有効な測位結果として誤った速度測位情報が出力されてしまうと、位置の測位結果にも影響を与え、測位精度全体を低下させてしまうといった問題もあった。
【0008】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、異常な測位方位を検出し、該測位方位を無効とすることで、最終的な測位結果の精度を向上させることが可能な測位方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上記の課題を解決するため、本発明により複数の衛星から送信されるGPS(Global Positioning System)信号を用いて測位を行う測位方法であって、受信したGPS信号から、受信機の速度の大きさおよび方位を測位する速度測位ステップと、速度測位ステップによって得られた測位方位が所定の条件を満たす場合に、該測位方位を無効とする無効ステップと、を含む方法が提供される。
【0010】
上記のように構成することにより、測位方位に異常があった場合には、当該測位方位を無効とすることで、最終的な測位結果の精度を向上させることができる。これにより、上記測位方法を採用するナビゲーションシステムなどにおいて、本当に有効な測位結果のみに基づいて処理を行うことが可能となる。
【0011】
また、上記測位方法は、速度測位ステップにおける測位に使用されなくなった衛星があるか否かを検出する検出ステップを更に含む構成としても良い。そして、上記無効ステップにおける所定の条件は、検出ステップによって使用されなくなった衛星が検出され、該衛星の方位に対して、測位方位が直交している場合に満たされるものであっても良い。
【0012】
上記のように構成することにより、速度測位に使用されなくなった衛星があった場合には、速度測位による測位方位に異常があると予想して、該測位方位を無効とすることができる。また、測位方位が使用されなくなった衛星の方位に対して直交している場合に、測位方位に異常があると判断することで、実際に移動したことによって方位が変化したのか、または測位に使用された衛星の組み合わせが変化したことにより方位が変化したのかを判断することができる。
【0013】
また、上記測位方法は、受信したGPS信号および測位方位に基づいて位置を測定する位置測位ステップを更に含み、位置測位ステップは、無効ステップにおいて、測位方位が無効であるとされた場合は、測位方位を位置の測定に使用しないよう構成しても良い。
【0014】
上記のように構成することにより、カルマンフィルタを用いて、速度測位結果を採用して位置測位が行われるような場合には、上記測位方位の有効/無効の判断結果に基づいて、速度測位の結果を位置測位の算出に採用するか否かを判断することで、より高精度の位置測位を行うことが可能となる。
【0015】
上記無効ステップは、速度測位ステップにおける測位結果が有効である場合にのみ実行される、または測位方位が単位時間前に測位された方位に比べて変化した場合のみ実行されるよう構成しても良い。このように構成することにより、測位方位が無効か否かを判断する必要がある場合のみ、無効ステップを実施することができ、処理の負荷を軽減することができる。
【0016】
さらに、本発明により、上記いずれか測位方法を実施する測位装置、ならびに上記測位装置と、複数の衛星からGPS信号を受信してダウンコンバートを行うダウンコンバータ部と、ダウンコンバータ部にてダウンコンバートされた信号に対して、測位装置と連携して信号処理を行う信号処理部と、を備えるGPS受信機が提供される。
【発明の効果】
【0017】
本発明によれば、異常な測位方位を検出し、該測位方位を無効とすることで、最終的な測位結果の精度を向上させることが可能な測位方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0018】
以下、図面を参照して、本発明の測位方法および該測位方法を実施する測位装置を備えるGPS受信機の構成および作用について説明する。
【0019】
図1は、本発明の実施の形態のGPS受信機100の構成を示すブロック図である。GPS受信機100は、例えば車両に搭載された所謂カーナビや、簡易ナビゲーション装置であるPND(Personal Navigation Device)、携帯電話等のモバイル端末等の種々の機器に採用可能である。
【0020】
GPS受信機100は大別して、ダウンコンバータ部1、受信信号処理部2、および測位演算制御部3で構成される。ダウンコンバータ部1は、GPS信号を受信してダウンコンバートし、受信信号処理部2に渡す。受信信号処理部2は、ダウンコンバータ部1から信号を受け取ると、測位演算制御部3と連携して動作してGPS信号の捕捉、追尾、および測位の各処理を実行する。測位演算制御部3は、受信信号処理部2と連携して動作した結果得られたGPS測位結果を機器の制御チップに出力する測位装置である。なお、ここでいう「機器の制御チップ」とはGPS受信機100を実装した機器に備えられるチップであり、GPS受信機100から受け取ったGPS測位結果を用いて所定の処理を実行する。例えば機器がカーナビである場合、この制御チップはカーナビ内部の各構成要素を統括的に制御するものであり、GPS測位結果と自律航法結果に基づく最終的な測位結果の決定やマップマッチング等を実行してユーザにナビゲーション情報を提供する機能を実現する。
【0021】
先ず、ダウンコンバータ部1について説明する。ダウンコンバータ部1は、GPSアンテナ10、RF(radio frequency)入力部11、BPF(Band Pass Filter)12および14、LNA(Low Noise Amplifier)13、ダウンコンバータ15、AGC(Auto Gain Control)16、TCXO(Temperature Compensated Crystal Oscillator)17、周波数シンセサイザー18、およびA/D変換部19を有する。
【0022】
GPSアンテナ10がGPS衛星から発信されるGPS信号を受信すると、その受信信号は、RF入力部11を介してBPF12に入力する。そして、この受信信号は、BPF12を通過して所定帯域に制限されて、低雑音増幅器であるLNA13、BPF14を経てGPS帯域外のノイズが減衰され、ダウンコンバータ15に入力する。
【0023】
TCXO17は、ダウンコンバータ15に入力された受信信号の周波数よりも低い周波数を発振する局部発振器である。周波数シンセサイザー18は、TCXO17からの出力に基づいて局部発振器信号を生成し、ダウンコンバータ15に出力する。ダウンコンバータ15は、周波数シンセサイザー18からの局部発振器信号を用いて、AGC16のコントロール下で、上記受信信号を安定動作や選択特性が改善される中間周波数、すなわちIF(Intermediate Frequency)信号に変換する。
【0024】
A/D変換部19は、IF信号をサンプリングして直交復調してI(In-phase)信号とQ(Quadra-phase)信号に変換する。なお、I信号は直交復調の際の同相成分である。また、Q信号はI信号と直交関係にある成分である。以下、説明の便宜上、I信号とQ信号とをまとめて「IQ信号」と略記する。A/D変換部19は、上記変換処理で得られたIQ信号を受信信号処理部2に出力する。
【0025】
受信信号処理部2は、複数のチャンネル21およびNCO(Number Controlled Oscillator)22を有する。A/D変換部19からのIQ信号は、複数のチャンネル21に入力する。チャンネル21の各々は1基のGPS衛星を補足・追尾するための構成を有する。各GPS信号に対応するIQ信号はそれぞれ別個のチャンネル21に入力し処理される。各チャンネル21で並列に処理が実行されることにより、GPS受信機100は複数のGPS衛星を同時に補足・追尾することが可能となっている。
【0026】
NCO22は、数値制御された周波数を発振する発振器である。NCO22には、周波数シンセサイザー18から基準クロックが入力する。NCO22は、当該の基準クロックに基づいて、キャリアに関するNCO制御、PRN(Pseudo Random Noise)コードのリファレンスコード生成、コードに関するNCO制御を実行する。各チャンネル21は、NCO22の出力に基づいて、入力したIQ信号に対して、ドップラー除去、少なくとも1つのコリレータによるコード相関検出、および積算処理を実行する。次いで、これらの処理が施された信号を測位演算制御部3に出力する。
【0027】
測位演算制御部3は、CPU31、RTC(Real-Time Clock)32、ROM33、RAM34、およびインターフェース35を有する。CPU31は、周波数シンセサイザー18から出力されるクロックに基づいて動作し、測位演算制御部3全体の制御を統括して実行する。RTC32は、水晶発振器(不図示)によって動作する時計IC(Integrated Circuit)であり、例えば計時手段として機能する。ROM33には、例えば測位演算を行うためのプログラムやデータが格納されている。CPU31は、ROM33のプログラムをRAM34に展開して測位演算処理を行う。CPU31は、例えば各チャンネル21から信号を受け取ると、当該信号に関する測定値を算出する。
【0028】
ここで、各チャンネル21に入力される信号に基づいて所望の測定値を得る処理について説明する。GPS信号を捕捉するために必要なサーチ周波数のレンジは、主として、ドップラー効果による受信周波数の偏位と、TCXO17のばらつき(個体差や経年変化)および変動(温度特性や電源変動)等の偏差によって決定される。先ず、CPU31が、衛星の軌道情報である航法メッセージ、前回測位位置および、現在時刻に基づいて当該信号のドップラー周波数とコード位相のサーチレンジを推定してそれらの設定値を生成し、NCO22に出力する。そして、各チャンネル21において実行されるサーチ処理の制御を行う。
【0029】
また、CPU31は、各チャンネル21でサーチされるPRNコードをチャンネル21毎に指定する。これにより、各チャンネル21では、設定されたドップラー周波数に基づいたドップラー除去が行われ、設定された位相サーチレンジ内において指定されたPRNコードのリファレンスコードと入力信号との相関ピークが検出される。次いで、積算処理が実行され、入力信号のレベルが所定の閾値を越えた場合に当該入力信号がGPS信号として捕捉される。なお、このときの積算時間を長く設定すればするほど捕捉感度が上昇する。この積算時間もCPU31によって設定される。
【0030】
各チャンネル21では、更に、CPU31に含まれるトラッキングループフィルタ、およびNCO22を介して捕捉されたGPS信号のキャリア、コードへのトラッキングエラーを補正し、GPS信号の追尾を続行する。なお、GPS信号の捕捉に失敗した場合には、通常、CPU31が、より広いサーチ周波数のレンジ、コード位相のレンジ、および、より高い感度を再設定してNCO22に出力する。そして、NCO22の制御下でチャンネル21において上述の処理が再試行される。
【0031】
CPU31は、測位に必要な複数のGPS信号に含まれる航法メッセージを取得し、コード位相(疑似距離)、キャリア周波数(疑似距離レート)、キャリア位相(デルタスードレンジ)、SN比、GPS受信機100におけるGPSタイムラグを算出する。そして、これらのGPS信号からの測定値およびデータに基づいて、位置測位および速度測位が行われ、位置、速度、および方位などが算出される。そして、算出された測位結果は、測位データとして、インターフェース35を介して機器の制御チップに出力される。また、CPU31では、上記測位結果以外にも、衛星から送信されるGPS信号に含まれる衛星の軌道情報、および測位によって得られた位置情報に基づいて、GPS受信機100から見た、各GPS衛星の仰角及び方位角が算出される。
【0032】
次に、図2のフローチャートを参照して、GPS受信機100のCPU31にて実行される方位無効処理について説明する。なお、以下の方位無効処理の説明では、GPS受信機100を搭載する移動体が、ある程度移動して位置測位結果および速度測位結果を複数回取得した状態であることを前提とする。
【0033】
図2の方位無効処理は、GPS受信機100が起動中に、所定のタイミングで単位時間毎(例えば1秒毎)に行われる速度測位に続いて実行される。図2に示されるように、先ず、算出された速度測位の結果が有効であるか否かが判断される(S1)。この処理では、例えば、速度測位において用いられるGPS信号を補足できた衛星の数が所定数(例えば3つ)以下であった場合などに、該速度測位結果は無効であると判断される。そして、速度測位結果が有効であると判断された場合は(S1:Yes)、S2の処理へ進む。一方、速度測位結果が無効であると判断された場合は(S1:No)、得られた速度測位結果を無効な測位データとして、インターフェース35を介して機器の制御チップに出力する(S6)。
【0034】
S2の処理では、今回の速度測位によって求められた方位が、単位時間前の速度測位によって求められた方位に対して変化したか否かが判断される。このとき、CPU31では、今回の速度測位によって求められた方位が、単位時間前の速度測位によって得られた方位に比べて、例えば30度以上変化した場合に、「変化した」と判断する。このように、変化の判断基準に幅を持たせて、単位時間前の方位に比べて不自然に方位が変化した場合、すなわち方位が異常であると予想される場合のみを処理の対象とすることで、負荷の軽減を図ることができる。
【0035】
そして、今回の速度測位によって求められた方位が、単位時間前の速度測位によって求められた方位から変化していると判断された場合は、S3の処理へ進む。一方、今回の速度測位によって求められた方位が、単位時間前の速度測位によって求められた方位から変化していないと判断された場合は(S2:No)、速度測位の結果を有効な測位データとして出力する(S7)。
【0036】
次いで、S3の処理では、単位時間前の速度測位で使用していた衛星の中で、今回の速度測位には使用されなくなった衛星があるか否かが判断される。この処理は、建物などによって遮蔽されたことにより、GPS信号の追尾に失敗した衛星があるか否かを検出することによって行われる。そして、使用されなくなった衛星がある場合は(S3:Yes)、S4の処理へ進む。一方、使用されなくなった衛星がない場合は(S3:No)、速度測位の結果を有効な測位データとして出力する(S7)。
【0037】
次に、S4の処理では、速度測位によって求められた方位が、該速度測位には使用されなくなった衛星の方位と直交しているか否かが判断される。ここで、上述したように、GPSにおける速度測位は、各衛星からの信号におけるドップラーシフト量に基づいて行われる。そのため、ある衛星からの信号がGPS受信機100にて受信不能になり、その衛星のドップラー情報が利用できなくなると、算出されるドップラーシフト量における当該衛星の方向成分に関する情報が欠けてしまう。そして、このような場合には、その結果として、速度測位で求められた方位が、使用されなくなった衛星の方位に対して直交を向くことになる。
【0038】
そのため、この現象を利用して、S4の判断処理を行うことで、速度測位によって求められた方位が有効なものであるか否かを判断することができる。また、この場合の衛星の方位とは、前回の速度測位時に、使用されなくなった衛星から送信されたGPS信号に含まれる衛星の軌道情報と、位置測位によって得られた位置情報に基づいて、CPU31において算出されるGPS受信機100から見た衛星の方位角である。さらに、この場合の直交であるか否かの判断においても、20度〜30度程度の幅を持たせるよう構成することが望ましい。
【0039】
そして、S4の処理において、速度測位によって得られた方位が、該速度測位には使用されなくなった衛星の方位と直交していると判断された場合は(S4:Yes)、速度測位における方位を無効な測位データとして出力する(S5)。一方、速度測位によって得られた方位が、該速度測位には使用されなくなった衛星の方位と直交していない場合は(S4:No)、得られた速度測位結果を有効な測位データとして出力する(S7)。
【0040】
上述のように、本実施形態のGPS受信機によれば、GPS受信機100、またはGPS受信機100が備えられた移動体が実際に移動したことによって方位が変化したのか、または測位に使用された衛星の組み合わせが変化したことにより方位が変化したのかを判断し、異常である可能性が高い測位方位を無効として出力することができる。これにより、GPS受信機100を実装したカーナビ等の機器においては、有効な測位結果のみを用いて、絶対方位の測定や、ジャイロセンサの学習や補正などの処理を適切に行うことが可能となる。
【0041】
以上が本発明の実施形態であるが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではなく様々な範囲で変形が可能である。例えば、上記実施形態においては、測位された方位の有効/無効の判断結果は、カーナビ等の機器の制御チップにのみ出力される構成となっているが、カルマンフィルタを用いて測位が行われる場合には、上記測位された方位の有効/無効の判断結果を用いて、速度測位の結果を位置測位の算出に採用するか否かを判断するよう構成しても良い。このように構成することで、位置測位についても精度をより向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0042】
【図1】本発明の実施の形態のGPS受信機の構成を示すブロック図である。
【図2】本発明の実施の形態で実行される方位無効処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【0043】
1 ダウンコンバータ部
2 受信信号処理部
3 測位演算制御部
100 GPS受信機

【特許請求の範囲】
【請求項1】
複数の衛星から送信されるGPS(Global Positioning System)信号を用いて測位を行う測位方法であって、
受信したGPS信号から、受信機の速度の大きさおよび方位を測位する速度測位ステップと、
前記速度測位ステップによって得られた測位方位が所定の条件を満たす場合に、前記測位方位を無効とする無効ステップと、を含む方法。
【請求項2】
前記測位方法は、
前記速度測位ステップにおける測位に使用されなくなった衛星があるか否かを検出する検出ステップを更に含み、
前記検出ステップによって使用されなくなった衛星が検出され、該使用されなくなった衛星の方位に対して、前記測位方位が直交している場合に、前記所定の条件が満たされることを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項3】
前記測位方法は、
受信したGPS信号、および前記測位方位に基づいて位置を測位する位置測位ステップを更に含み、
前記位置測位ステップは、前記無効ステップにおいて、前記測位方位が無効であるとされた場合は、前記測位方位を位置の測定に使用しないことを特徴とする請求項1または2に記載の方法。
【請求項4】
前記無効ステップは、前記速度測位ステップにおける測位結果が有効である場合にのみ実行されることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の方法。
【請求項5】
前記無効ステップは、更に、前記測位方位が前記速度測位ステップによって単位時間前に測位された方位に比べて変化した場合のみ実行されることを特徴とする請求項4に記載の方法。
【請求項6】
請求項1から5のいずれかに記載の測位方法を実施する測位装置。
【請求項7】
請求項6に記載の測位装置と、
複数の衛星からGPS信号を受信してダウンコンバートを行うダウンコンバータ部と、
前記ダウンコンバータ部にてダウンコンバートされた信号に対して、前記測位装置と連携して信号処理を行う信号処理部と、
を備えるGPS受信機。

【図1】
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【図2】
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【公開番号】特開2010−139355(P2010−139355A)
【公開日】平成22年6月24日(2010.6.24)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−315385(P2008−315385)
【出願日】平成20年12月11日(2008.12.11)
【出願人】(000001487)クラリオン株式会社 (1,722)
【Fターム(参考)】