JP2008082819A

JP2008082819A - 測位装置および測位方法

Info

Publication number: JP2008082819A
Application number: JP2006262074A
Authority: JP
Inventors: Sueo Sugimoto; 末雄杉本; Yukihiro Kubo; 幸弘久保
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-09-27
Filing date: 2006-09-27
Publication date: 2008-04-10

Abstract

【課題】受信機時計誤差による影響を抑圧して受信機位置を推定する単独測位装置および単独測位方法を提供する。
【解決手段】入力された各観測値、すなわち、選定された各ＧＰＳ衛星に対するＬ１波のキャリア位相、Ｌ２波のキャリア位相、Ｃ／Ａコードのコード擬似距離、ＰＹコードのコード擬似距離、時計誤差情報、電離層遅延情報、対流圏遅延情報を目的変数とし、整数値バイアス、および受信機位置を説明変数に含む線形回帰方程式を構成する。この際、従来時計誤差に含まれていた搬送波信号毎、コード毎の受信機バイアスを時計誤差から分離して線形回帰方程式に加える。そして、この線形回帰方程式に最小二乗法を適用させて、整数値バイアスと受信機位置とを推定演算する。
【選択図】図２

Description

この発明は、測位用信号を用いて受信機の測位を行う測位装置および測位方法に関するものである。

従来、測位衛星から送信される測位用信号を用いて測位を行う装置が各種開示されており、その基本測位演算は、コード擬似距離や搬送波によるキャリア位相差を用いて、受信機の３次元の位置（誤差）と受信機の時計誤差とを未知数とした非線形連立方程式にニュートン法や拡張カルマンフィルタを適用することで求めるものであった。この際、電離層遅延による誤差や対流圏遅延による誤差の影響を除去するため、これらの遅延による影響を初期状態から「０」に設定したり、１重位相差等の演算処理を行って、これらの遅延量を推定していた。

これを解決する方法として、特許文献１には、算出したい受信機位置を含む所定のパラメータを未知数とし、測位用信号から観測できるデータを用いて回帰方程式を形成し、当該回帰方程式を演算することにより、受信機位置を算出する方法が開示されている。
国際公開第ＷＯ２００６／０２２３１８Ａ１

ところが、特許文献１に示された方法では、受信機時計誤差および測位衛星時計誤差をそれぞれ受信機，衛星固有の１個のパラメータとして扱っているが、現実には、搬送波信号の種類やコードの種類別により誤差が異なる。したがって、特許文献１の方法を用いた場合、受信機位置としては、或程度、例えば数十ｃｍスケールの誤差が発生してしまい、これ以上収束させることが難しい。

したがって、本発明の目的は、従来よりも高精度の受信機位置を測位することができる測位装置および測位方法を提供することにある。

この発明は、複数の測位衛星から複数周波数の搬送波信号に重畳させて送信される測位用信号に含まれる航法メッセージまたはオフライン処理により予め推定された値から測位衛星の時計誤差を観測する衛星時計誤差検出手段と、電離層遅延情報を取得する電離層遅延情報取得手段と、対流圏遅延情報を取得する対流圏遅延情報取得手段と、複数周波数の搬送波の整数値バイアス、受信機時計誤差、および受信機位置を未知数として含み、該受信機位置を過去の推定演算値で１次テイラー級数展開することで線形近似し、整数値バイアス、受信機時計誤差、受信機位置、測位衛星の時計誤差、電離層遅延情報、対流圏遅延情報を説明変数とし、観測値であるキャリア位相およびコード擬似距離を目的変数とする回帰方程式を構成し、該回帰方程式に最小二乗法を適用することで整数値バイアスと、受信機時計誤差と、受信機の位置とを推定演算する測位演算手段と、を備えた測位装置に関するものである。そして、この測位装置の測位演算手段は、少なくとも受信機時計誤差を、搬送波信号の種類別およびコードの種類別に分割して設定し、回帰方程式に代入して利用することを特徴としている。

また、この発明は、複数の測位衛星から複数周波数の搬送波信号に重畳させて送信される測位用信号に含まれる航法メッセージまたはオフライン処理により予め推定された値から測位衛星の時計誤差を観測し、電離層遅延情報および対流圏遅延情報を取得し、複数周波数の搬送波の整数値バイアス、受信機時計誤差、および受信機位置を未知数として含み、該受信機位置を過去の推定演算値で１次テイラー級数展開することで線形近似し、整数値バイアス、受信機時計誤差、受信機位置、測位衛星の時計誤差、電離層遅延情報、対流圏遅延情報を説明変数とし、観測値であるキャリア位相およびコード擬似距離を目的変数とする回帰方程式を構成し、該回帰方程式に最小二乗法を適用することで整数値バイアスと、受信機時計誤差と、受信機の位置とを推定演算する測位演算方法に関するものである。そして、この測位演算方法では、少なくとも受信機時計誤差を、搬送波信号の種類別およびコードの種類別に分割して設定し、回帰方程式に代入して利用することを特徴としている。

これらの構成および方法では、回帰方程式を設定する際に、受信機時計誤差を、搬送波信号の種類（例えば、ＧＰＳであればＬ１波とＬ２波）別、および、コードの種類（例えば、ＧＰＳであればＣ／ＡコードとＰ（Ｙ）コード）別に分割して設定する。これにより、現実的に異なるこれらの誤差を１個の受信機時計誤差として丸め込んで演算する場合よりも、より高精度に未知数の演算値（収束値）が得られる。そして、この未知数に受信機位置が含まれていることから、受信機位置が高精度に得られることとなる。

また、この発明の測位装置の測位演算手段は、測位衛星の時計誤差を、搬送波信号の種類別およびコードの種類別に分割して設定し、回帰方程式に代入して利用することを特徴としている。

また、この発明の測位演算方法では、さらに、測位衛星の時計誤差を、搬送波信号の種類別およびコードの種類別に分割して設定し、回帰方程式に代入して利用することを特徴としている。

これらの構成および方法では、衛星時計誤差に対して、受信機時計誤差と同様に搬送波信号の種類（例えば、ＧＰＳであればＬ１波とＬ２波）別、および、コードの種類（例えば、ＧＰＳであればＣ／ＡコードとＰ（Ｙ）コード）別に分割して設定する。これにより、さらに高精度に回帰方程式の未知数に対する演算値（収束値）が得られる。そして、この未知数に受信機位置および衛星位置が含まれていることから、受信機位置および衛星位置が高精度に得られることとなる。

この発明によれば、受信機時計誤差を搬送波信号の種類別およびコード別に詳細に分類して回帰方程式に用いることで、より高精度に回帰方程式を構成する未知数を算出することができる。これにより、さらに高精度に受信機位置を測位することができる。

本発明の実施形態に係る測位装置および測位演算方法について図を参照して説明する。なお、以下の説明では、ＧＰＳについて説明するが、他の全てのＧＮＳＳ（全地球的航法衛星システム）に適用することができる。また、以下の説明では、単独測位を行う場合について説明するが、相対測位にも適用することができる。
図１は本実施形態の単独測位装置の概略構成を示すブロック図である。
また、図２は本実施形態の単独測位装置とＧＰＳ受信機とからなる単独測位システムの処理フローを示すフローチャートである。

図１に示すように、単独測位装置１０は、ＧＰＳ受信機３０に接続し、航法メッセージ解析部１１、衛星情報処理部１２、および測位演算部１３を備える。

ＧＰＳ受信機３０はアンテナ２０に接続し、アンテナ２０で受信したＧＰＳ衛星（測位衛星）からのＧＰＳ信号（測位用信号）より、既知の方法でＬ１波およびＬ２波のキャリア位相、Ｃ／ＡコードおよびＰ（Ｙ）コードのコード擬似距離（擬似距離）を取得するともに、Ｌ１波に重畳された航法メッセージを取得する（Ｓ１→Ｓ２）。そして、ＧＰＳ受信機３０は、航法メッセージを単独測位装置１０の航法メッセージ解析部１１に出力し、キャリア位相およびコード擬似距離を単独測位装置１０の測位演算部１３に出力する。

航法メッセージ解析部１１は、入力された航法メッセージを解析して、電離層遅延情報、各ＧＰＳ衛星の時計誤差、軌道情報を取得し、かつ数式モデルを用いて対流圏遅延情報を取得して（Ｓ３）、衛星情報処理部１２に出力する。

衛星情報処理部１２は、ＧＰＳ衛星のエフェメリス情報を用いて測位に用いるＧＰＳ衛星を選定して、選定したＧＰＳ衛星に関する時計遅延情報や電離層遅延情報、および対流圏遅延情報を測位演算部１３に出力する。

測位演算部１３は、入力された各観測値、すなわち、選定された各ＧＰＳ衛星に対するＬ１波のキャリア位相、Ｌ２波のキャリア位相、Ｃ／Ａコードによるコード擬似距離、Ｐ（Ｙ）コードのコード擬似距離、受信機時計誤差情報、受信機バイアス、衛星時計誤差、電離層遅延情報、対流圏遅延情報を用いて、後述する線形回帰方程式に最小二乗法を適用させて、Ｌ１、Ｌ２波に対する整数値バイアスＮ_L1，Ｎ_L2、受信機時計誤差δｔ_u、従来受信機時計誤差δｔ_uに含まれていた受信機バイアスδｂ_CA,u，δｂ_PY,u，δｂ_L1,u，δｂ_L2,u、受信機の位置ｕとを推定演算する（Ｓ４）。この演算は推定値の変化が予め設定された所定の閾値以下になるまで繰り返し行われ、推定値の変化が所定の閾値に達した時点での受信機の位置の推定演算結果が測位結果として出力される。

ここで、航法メッセージ解析部１１、衛星情報処理部１２、測位演算部１３は、それぞれ、以下に示すアルゴリズムを実現するマイクロプロセッサ等の数値演算処理器からなる。そして、これらの部分は複数の数値演算処理器により形成してもよく、１つの数値演算処理器により形成してもよい。

次に、前述の整数値バイアスＮ_Ｌ１，Ｎ_Ｌ２および受信機位置ｕの推定演算アルゴリズムについて詳述する。

一般に、受信機ｕ、ＧＰＳ衛星ｐに対するコード擬似距離（擬似距離）ρ^p _c,uの観測方程式は式（１），（２）で表すことができ、キャリア位相Φ^p _L,uの観測方程式は式（３），（４）で表される。ここで、マルチパス誤差は微少として無視する。

ここで、λ_ＬはＬ波（Ｌ１波、Ｌ２波）の波長を示し、ｒ^ｐ _ｕ（ｔ，ｔ−τ^ｐ _ｕ）は時刻ｔでの受信機ｕと時刻（ｔ−τ^ｐ _ｕ）でのＧＰＳ衛星ｐとの距離を示し、δＩ^ｐ _ｕ（ｔ）はＬ１波の電離層遅延を示し、δＴ^ｐ _ｕ（ｔ）はＬ１波、Ｌ２波の対流圏遅延を示し、δｔ_ｕ（ｔ）は真の時刻ｔでの受信機ｕの時計誤差を示し、δｔ^ｐ（ｔ−τ^ｐ _ｕ）は時刻（ｔ−τ^ｐ _ｕ）でのＧＰＳ衛星ｐの時計誤差を示し、δｂ_L,uは受信機ｕのＬ波に対するバイアスを示し、δｂ_CA,uは受信機ｕのＣ／Ａコードに対するバイアスを示し、δｂ_PY,uは受信機ｕのＰ（Ｙ）コードに対するバイアスを示し、δｂ^p _LはＧＰＳ衛星ｐのＬ波に対するバイアスを示し、δｂ^p _CAはＧＰＳ衛星ｐのＣ／Ａコードに対するバイアスを示し、δｂ^p _PYはＧＰＳ衛星ｐのＰ（Ｙ）コードに対するバイアスを示し、Ｎ^ｐ _Ｌ，ｕはＬ波における受信機ｕと衛星ｐとの間の整数値バイアスを示し、ε^ｐ _Ｌ，ｕ（ｔ），ｅ^ｐ _ｃ，ｕ（ｔ）はそれぞれ観測雑音を示す。

ところで、受信機とＧＰＳ衛星との距離ｒ^ｐ _ｕ（ｔ，ｔ−τ^ｐ _ｕ）は、式（５）で表すことができる。

次に、未知数である受信機位置ｕ（ｔ）≡［ｘ_ｕ（ｔ），ｙ_ｕ（ｔ），ｚ_ｕ（ｔ）］^Ｔの先験的な推定受信機位置ｕ^（ｊ）（ｔ）≡［ｘ_ｕ ^（ｊ）（ｔ），ｙ_ｕ ^（ｊ）（ｔ），ｚ_ｕ ^（ｊ）（ｔ）］^Ｔの周りで１次のテイラー級数展開を行う。さらに、ｐ番目の測位衛星位置ｓ^pの先験的な推定測位衛星位置ｓｅ^pの周りで１次のティラー級数展開を行う。これにより、ｒ^ｐ _ｕ（ｔ）を線形近似すると次式を得られる。

ここで、

（ｎ_ｓは測位衛星数）と定義すると、式（１）〜式（４）は、次式（８）〜（１１）で表される。

これは、すなわち、キャリア位相、コード擬似距離を目的変数とし、受信機の位置、電離層遅延、対流圏遅延、受信機バイアス、ＧＰＳ衛星バイアス、整数値バイアス、誤差要因を説明変数とする近似的な線形回帰方程式に相当する。

ここで、ＧＰＳ衛星バイアスは受信機バイアスに比較して２桁程度低い要素であるので、以下の演算では無視する。

そして、

と定義すると、式（８）〜式（１１）はベクトル行列からなる次式で表される。

である。

この線形回帰方程式を、最小二乗法を用いて繰り返し推定演算を行うことで、未知数を収束させて各値を取得する。この際、未知数の収束条件として、未知数の推定値の繰り返し演算での変化が予め設定した閾値以下に達した時点で、未知数の値を確定させる。

このような演算を行うことで、各搬送波信号Ｌ１，Ｌ２やコードＣＡ，ＰＹにより変化する受信機バイアスδｂ_uとともに、整数値バイアスＮ_Ｌ１，Ｎ_Ｌ２や受信機位置ｕを推定することができる。

この結果、従来のように受信機バイアスδｂ_uを受信機時計誤差δｔ_uに包括して丸め込むのではなく、受信機バイアスδｂ_uを正確に算出することで、同時に、整数値バイアスＮ_Ｌ１，Ｎ_Ｌ２や受信機位置ｕをより高精度に算出することができる。例えば、本願の方法を用いることにより、数ｃｍオーダーで受信機位置を算出することができる。

なお、上述の説明では、受信機バイアスδｂ_uを回帰方程式に用い、ＧＰＳ衛星バイアスδｂ^pは用いなかったが、上述の式（８）〜式（１１）をそのまま行列表現して、回帰方程式に用いるようにしてもよい。この場合、演算処理数が増加するので、受信機位置の算出までに係る時間は長くなるが、より高精度に受信機位置を算出することができる。

また、上述の説明では、受信機で全ての未知数を推定したが、電離層遅延量や対流圏遅延量等の受信機位置に大きく依存しない演算要素を基地局により推定し、受信機に与えるようにしてもよい。これにより、さらに高精度に受信機バイアスバイアスδｂ_uや受信機位置を算出することができる。

また、前述の説明では、回帰方程式に最小二乗法を適用した例を示したが、他のパラメータ推定アルゴリズムを用いても良い。

また、上述の説明では単独測位を例に示したが、上述の方法および構成は相対測位にも適用することができる。

また、単独測位を行う二つの受信機を近傍に設置し、これらの距離を予め測定して拘束条件として用い、前述の回帰方程式に適用することもできる。この場合、さらに高精度に受信機位置を測位することができる。

本発明の実施形態の単独測位装置の概略構成を示すブロック図本発明の実施形態の単独測位装置とＧＰＳ受信機とからなる単独測位システムの処理フローを示すフローチャート

符号の説明

１０−単独測位装置
１１−航法メッセージ解析部
１２−衛星情報処理部
１３−測位演算部
２０−ＧＰＳアンテナ
３０−ＧＰＳ受信機

Claims

複数の測位衛星から複数周波数の搬送波信号に重畳させて送信される測位用信号に含まれる航法メッセージまたはオフライン処理により予め推定された値から前記測位衛星の時計誤差を観測する衛星時計誤差検出手段と、電離層遅延情報を取得する電離層遅延情報取得手段と、対流圏遅延情報を取得する対流圏遅延情報取得手段と、前記複数周波数の搬送波の整数値バイアス、受信機時計誤差、および受信機位置を未知数として含み、該受信機位置を過去の推定演算値で１次テイラー級数展開することで線形近似し、前記整数値バイアス、前記受信機時計誤差、前記受信機位置、前記測位衛星の時計誤差、前記電離層遅延情報、前記対流圏遅延情報を説明変数とし、観測値であるキャリア位相およびコード擬似距離を目的変数とする回帰方程式を構成し、該回帰方程式に最小二乗法を適用することで前記整数値バイアスと、前記受信機時計誤差と、前記受信機の位置とを推定演算する測位演算手段と、を備えた測位装置であって、
前記測位演算手段は、少なくとも前記受信機時計誤差を、搬送波信号の種類別およびコードの種類別に分割して設定し、前記回帰方程式に代入して利用する測位装置。
前記測位演算手段は、前記測位衛星の時計誤差を、搬送波信号の種類別およびコードの種類別に分割して設定し、前記回帰方程式に代入して利用する請求項１に記載の測位装置。
複数の測位衛星から複数周波数の搬送波信号に重畳させて送信される測位用信号に含まれる航法メッセージまたはオフライン処理により予め推定された値から前記測位衛星の時計誤差を観測し、電離層遅延情報および対流圏遅延情報を取得し、前記複数周波数の搬送波の整数値バイアス、受信機時計誤差、および受信機位置を未知数として含み、該受信機位置を過去の推定演算値で１次テイラー級数展開することで線形近似し、前記整数値バイアス、前記受信機時計誤差、前記受信機位置、前記測位衛星の時計誤差、前記電離層遅延情報、前記対流圏遅延情報を説明変数とし、観測値であるキャリア位相およびコード擬似距離を目的変数とする回帰方程式を構成し、該回帰方程式に最小二乗法を適用することで前記整数値バイアスと、前記受信機時計誤差と、前記受信機の位置とを推定演算する測位演算方法であって、
少なくとも前記受信機時計誤差を、搬送波信号の種類別およびコードの種類別に分割して設定し、前記回帰方程式に代入して利用する測位演算方法。
さらに、前記測位衛星の時計誤差を、搬送波信号の種類別およびコードの種類別に分割して設定し、前記回帰方程式に代入して利用する請求項３に記載の測位演算方法。