(57)【要約】【課題】  キャリアスムージングによる測位精度の向上効果を高められるようにして、高精度な測位を行えるようにしたキャリアスムージング測位装置を提供する。【解決手段】  電離層での電波の位相速度の変位によるキャリア位相の電離層伝搬誤差補正値、または電離層での電波の群速度の変位によるコード位相の電離層伝搬誤差補正値を求め、また測位用衛星からの電波を受信して、コード位相観測値とキャリア位相観測値を求め、電離層伝搬誤差を含む誤差分だけコード位相観測値およびキャリア位相観測値を補正し、誤差補正済みコード位相観測値を誤差補正済みキャリア位相観測値の変化量で平滑化する。【選択図】  図４
2006010573.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電離層での電波の伝搬遅延量である電離層伝搬誤差を求める手段と、
測位用衛星からの電波を受信して、当該電波に重畳されているコードのコード位相観測値と、前記電波のキャリア位相観測値を求める手段と、
前記コード位相観測値を、前記電離層伝搬誤差を含むコード位相誤差分だけ補正する手段と、
前記キャリア位相観測値を、前記電離層伝搬誤差を含むキャリア位相誤差分だけ補正する手段と、
前記コード位相誤差分の補正を行ったコード位相観測値を、前記キャリア位相誤差分の補正を行ったキャリア位相観測値の変化量で平滑化する平滑化手段と、を備えたキャリアスムージング測位装置。
【請求項２】
請求項１に記載のキャリアスムージング測位装置において、
基準局から放送されるＧＰＳ測位用補正データに含まれる擬似距離補正値ＰＲＣを求める手段を備え、
前記キャリア位相誤差分の補正を行ったキャリア位相観測値の変化量は、対流圏伝搬遅延の数学的モデルを基にして対流圏での電波の伝搬遅延量である対流圏伝搬誤差を求めて、当該対流圏伝搬誤差を前記擬似距離補正値ＰＲＣから減じた値の変化から求めるようにした請求項１に記載のキャリアスムージング測位装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ＧＰＳ衛星等の測位用衛星からの電波を受信して受信点の測位を行う測位装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＧＰＳにおいて測位精度の低下要因の１つは、ＧＰＳ衛星からの受信信号に含まれるノイズによって擬似距離観測値が時間経過に伴い変動することであった。
【０００３】
たとえばＣ／Ａコードは時間経過に伴って数［ｍ］の変動誤差を伴って変化する。
【０００４】
このような擬似距離観測値のノイズによる変動誤差を小さくして測位精度を向上させるものとして、擬似距離観測値を、キャリア位相観測値を用いて平滑処理する所謂キャリアスムージング法を特許文献１で出願している。
【０００５】
これはコード位相観測値がノイズの影響により数［ｍ］の変動誤差を有するのに対し、キャリア位相観測値はノイズの影響によっても数［ｃｍ］の変動誤差しかない、という特性を利用するものである。このキャリアスムージング法は、コード位相観測値にキャリア位相観測値の変化量を足しこんでいくことによって、誤差分が周期的に変動するマルチパス等による影響を打ち消すものである。具体的には、一定周期でＣ／Ａコード位相とキャリア位相を観測するとともに、前回に求めた平滑化されたＣ／Ａコード位相を、前回と今回に観測したキャリア位相の変化量で補正（外挿）し、この補正したＣ／Ａコード位相と今回の観測によるＣ／Ａコード位相との加重平均をとる、という指数平滑法によりＣ／Ａコード位相（擬似距離）をキャリア位相でスムージングする。
【特許文献１】特開平８‐２２０２１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前記キャリアスムージングによる方法では、その平滑化の時定数をあまり長くできないという問題があった。
これはＧＰＳ衛星からの電波が電離層を通過して地上の測位点に到達することに起因している。すなわち、電離層では真空中の電磁波伝搬速度よりも位相速度は進み、群速度は遅れる。Ｃ／Ａコードの位相は群速度によってずれ、キャリア位相は位相速度でずれる。そのため、このような所謂ディスパーションの影響により、キャリアスムージングの平滑化の時定数は１００秒程度が限度とされている。それ以上に大きな時定数で平滑化すると、平滑化による擬似距離誤差の精度向上分より、コード位相の遅れとキャリア位相の進みとの差による誤差分が大きくなってしまうからである。
【０００７】
しかしマルチパスによる擬似距離観測値の位相のずれの変化周期には１００秒を超える長いものも有り、時定数１００秒程度のキャリアスムージングでは、そのような長周期のマルチパスによる影響を打ち消すことができない。
【０００８】
そこで、この発明の目的は、キャリアスムージングによる測位精度の向上効果を高められるようにして、高精度な測位を行えるようにしたキャリアスムージング測位装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（１）この発明のキャリアスムージング測位装置は、電離層での電波の伝搬遅延量である電離層伝搬誤差を求める手段と、
測位用衛星からの電波を受信して、当該電波に重畳されているコードのコード位相観測値と、前記電波のキャリア位相観測値を求める手段と、
前記コード位相観測値を、前記電離層伝搬誤差を含むコード位相誤差分だけ補正する手段と、
前記キャリア位相観測値を、前記電離層伝搬誤差を含むキャリア位相誤差分だけ補正する手段と、
前記コード位相誤差分の補正を行ったコード位相観測値を、前記キャリア位相誤差分の補正を行ったキャリア位相観測値の変化量で平滑化する平滑化手段と、を備えたことを特徴としている。
【００１０】
（２）この発明は、（１）において、基準局から放送されるＧＰＳ測位用補正データに含まれる擬似距離補正値（ＰＲＣ）を求める手段を備え、
前記キャリア位相誤差分の補正を行ったキャリア位相観測値の変化量は、対流圏伝搬遅延の数学的モデルを基にして対流圏での電波の伝搬遅延量である対流圏伝搬誤差を求めて、当該対流圏伝搬誤差を前記擬似距離補正値ＰＲＣから減じた値の変化から求めるようにしたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１１】
（１）電離層での電波の位相速度の変位によるキャリア位相の誤差と群速度の変位によるコード位相の誤差のそれぞれの補正ができ、キャリア位相の誤差と群速度の変位によるコード位相の誤差とのずれ方向の違いによる問題が解消できる。そのため、キャリアスムージングの平滑化の時定数を充分に長くして、スムージングによる測位精度を向上させることができる。
【００１２】
（２）基準局から放送されているＧＰＳ測位用補正データに含まれる擬似距離補正値（ＰＲＣ）を求め、対流圏伝搬遅延の数学的モデルを基にして求めた対流圏伝搬誤差分だけ上記擬似距離補正値（ＰＲＣ）から減じることによって電離層伝搬誤差分を含む誤差を求めるので、比較的高精度な電離層伝搬誤差補正値を容易に求めることができ、受信機の規模を大きくすること無く、キャリアスムージングの平滑化の時定数を充分に長くして、スムージングによる測位精度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
この発明の第１の実施形態に係るキャリアスムージング測位装置の構成を図１〜図５を参照して説明する。
図１はキャリアスムージング測位装置の基本構成部分のブロック図である。図１において、受信回路１１はＧＰＳアンテナ１０からの受信信号を増幅して中間周波信号に変換する。Ａ／Ｄコンバータ１２は、その受信信号をディジタル信号のデータ列としてディジタル信号処理回路１３へ与える。このディジタル信号処理回路１３は、そのディジタルデータ列に対して演算処理を行って、Ｃ／Ａコード位相とキャリア位相を求める。
データ通信機１７は基準局から放送されたＧＰＳ測位用補正データに含まれている擬似距離補正値ＰＲＣのデータを、アンテナ１６を介して受信する。この擬似距離補正値ＰＲＣは、海上保安庁の基準局（ビーコン局）から放送されているRTCM-SC104のメッセージタイプ１または９に含まれているデータから抽出する。
【００１４】
プロセッサ１４は、上記ディジタル信号処理回路１３で求められた各相関値からキャリア位相およびＣ／Ａコード位相を検出し、キャリア位相とＣ／Ａコード位相の追尾を行う。またインターフェース１８を介して上記擬似距離補正値ＰＲＣのデータを読み取り、後述する処理によってキャリアスムージングを行った補正後の擬似距離によって測位演算を行う。さらに、その結果を、インターフェース１５を介して外部へ出力する。
【００１５】
ところで、擬似距離補正値ＰＲＣは、電離層伝搬誤差、対流圏伝搬誤差、および衛星の予測位置誤差（オフセット）といった主たる３つの誤差要因の結果生じる誤差分の補正値であるので、この擬似距離補正値ＰＲＣから対流圏伝搬誤差および衛星の予測位置誤差を減じることによって電離層伝搬誤差補正値を求めることができる。
【００１６】
上記衛星予測位置誤差については、エフェメリスが２時間毎にしか更新されないことからもわかるように、短時間での大きな変動は無く、短時間ではそれを定数と見なせる。一方、キャリアスムージングに必要なのはキャリア位相の変化量であるので、結局、擬似距離補正値ＰＲＣから対流圏伝搬誤差分を減じた値の変化量は、キャリア位相の電離層伝搬誤差分を補正したキャリア位相観測値の変化量と見なせる。
【００１７】
ここで、対流圏伝搬誤差は、例えば次のようにして求めることができる。
ΔＬatm＝0.2277secζ［P＋(1255／To＋0.05)ｅ−Ｂtan2ζ］−δR      …（１）
ここで、
ΔＬatm：対流圏による遅延［ｃｍ］
ζ：衛星の天頂角［deg］
Ｐ：地表での気圧［hPa］
To：地表での気温［Ｋ］（＝℃＋２３７．１６）
ｅ：地表での水蒸気分圧［hPa］
Ｂ：観測点の海抜高度に関係する補正係数（海抜1000[m]以内では、ほぼ１）
δR：天頂角と海抜高度に関係する補正項であり、天頂角が７０°以内では＋２[cm]を超えない。
【００１８】
電離層伝搬誤差は次のように表すことができる。
まず、電離層中での電波の位相速度ｖｐは、
ｖｐ＝ｃ／｛１−40.3（Ｎｅ／ｆ2）｝
＝ｃ｛１＋40.3（Ｎｅ／ｆ2）｝＋高次項
≒ｃ｛１＋40.3（Ｎｅ／ｆ2）｝              …（２）
で与えられる。
【００１９】
但し、
ｖｐ：電離層中での電波の位相速度（光の速度ｃと同じ単位）
Ｎｅ：電離層中での電子密度（１ｍ3あたりの自由電子の数）
ｆ：電波の周波数［Ｈｚ］
である。ＧＰＳ衛星からのＬ１帯の電波の場合、上記高次項であるｆ-3やｆ-4に比例する項は無視して差し支え無い。
【００２０】
次に、電離層中での群速度ｖｇは、
ｖｇ≒ｖｐ−（ｃ／ｆ）（−ｆ2／ｃ）（δｖｐ／δｆ）
≒ｃ｛１−40.3（Ｎｅ／ｆ2）｝                …（３）
で与えられる。
【００２１】
このように、（２）式と（３）式とでは、それらの式中の40.3（Ｎｅ／ｆ2）の符号が逆であり、この40.3（Ｎｅ／ｆ2）の値が電離層伝搬誤差である。
【００２２】
前述のとおり、擬似距離補正値ＰＲＣから（１）式の対流圏伝搬誤差ΔＬatm分を減じた値の変化量を、電離層伝搬誤差補正済キャリア位相観測値の変化量と見なす。
【００２３】
図２は、前記プロセッサ１４が実行する、キャリアスムージングに必要な電離層伝搬誤差補正値を求める手順を示すフローチャートである。まず、図１に示したデータ受信機１７が受信した基準局からの擬似距離補正値ＰＲＣのデータを読み取る（Ｓ１１）。また、測位に用いる衛星の方向毎に対流圏での電波の伝搬遅延量（以下、「対流圏伝搬誤差」という。）を求める（Ｓ１２）。そして、前述したとおり、擬似距離補正値ＰＲＣから対流圏伝搬誤差分を減じることによって電離層伝搬誤差を含む誤差分を求める（Ｓ１３）。
【００２４】
図３はキャリアスムージングの処理手順を示すフローチャートである。まずＣ／Ａコード位相の観測とキャリア位相の観測を行う（Ｓ２１→Ｓ２２）。その後、観測コード位相を擬似距離補正値ＰＲＣで補正する（Ｓ２３）。前述したとおり、擬似距離補正値ＰＲＣは電離層伝搬誤差、対流圏伝搬誤差、および衛星の予測位置誤差を合わせた補正値と見なせるので、観測コード位相を擬似距離補正値ＰＲＣで補正することによって、電離層伝搬誤差、対流圏伝搬誤差、および衛星の予測位置誤差分の補正が行われた擬似距離を求める。また、観測コード位相を擬似距離補正値ＰＲＣで補正したことに合わせて、キャリア位相の変化量についても、電離層伝搬誤差、対流圏伝搬誤差、および衛星の予測位置誤差分の補正を行う（Ｓ２４）。
【００２５】
具体的には、キャリア位相変化量について、「−δ電離層伝搬誤差」、「＋δ対流圏伝搬誤差」、および「＋δ衛星予測位置誤差」分の補正を行う。ここで“δ”は前回と今回との差分を表している。「＋δ対流圏伝搬誤差」は、前述の対流圏伝搬遅延の数学モデルで求めた対流圏伝搬誤差の、前回と今回との差分値である。また、「−δ電離層伝搬誤差」は、擬似距離補正値ＰＲＣから上記対流圏伝搬誤差分を引いた値の、前回と今回との差分値を逆符号にしたものである。このように擬似距離補正値ＰＲＣから対流圏伝搬誤差分を引いただけでは衛星予測位置誤差が残ってしまうが、前回と今回との差分値を求めることによって、この衛星予測位置誤差は無くなる。すなわち、このキャリアスムージングの時定数の時間程度の短時間では、衛星予測位置誤差は一定と見なせるので、前回と今回との差分をとることによって、この衛星予測位置誤差は消えてしまう。そのため、結局このようにして、「−δ電離層伝搬誤差」、「＋δ対流圏伝搬誤差」、および「＋δ衛星予測位置誤差」分の補正を行うことができる。
【００２６】
そして、Ｃ／Ａコード位相を擬似距離補正値ＰＲＣで補正した擬似距離を誤差補正済みのキャリア位相の変化量で平滑化し、その平滑化した擬似距離によって測位演算を行う（Ｓ２５→Ｓ２６）。
【００２７】
図４はキャリアスムージングの演算内容をブロック図として表したものである。
ここで、「誤差補正済みキャリア位相変化量」は、上記「−δ電離層伝搬誤差」、「＋δ対流圏伝搬誤差」、および「＋δ衛星予測位置誤差」分の補正を行ったキャリア位相変化量である。加算器４２は、前回に求めたキャリアスムージング後の擬似距離に、誤差補正済みキャリア位相変化量を加算することによって、擬似距離にキャリア位相変化量を反映させる。バッファ４１は、前回のキャリアスムージング後の擬似距離を記憶する。加算器４３は、キャリア位相変化量だけ補正（外挿）した値と擬似距離補正値ＰＲＣで補正した擬似距離との差を求める。積算器４４は、この差分に対して所定の重み係数を乗じ、加算器４５は、その値を、上記キャリア位相変化量を反映させた値に加算する。
【００２８】
このようにして、前回に求めたキャリアスムージングされた擬似距離を、誤差補正済のキャリア位相変化量で補正（外挿）し、この補正した擬似距離と今回の観測による擬似距離との加重平均をとる、という指数平滑法により、擬似距離をキャリア位相変化量でスムージングする。上記重み係数の逆数が指数平滑の時定数に相当するが、時定数を例えば２０〜３０分程度の長時間に定めて、マルチパス等による長周期的に変動する誤差を取り除く。
例えば、毎秒更新する状態で、時定数を３０分とする場合（３０分平均する場合）、３０分間のデータ数は６０×３０＝１８００であるので、重み係数を１／１８００にする。但し、観測を開始してから最初の３０分に達するまでは、初回のデータに対する重みを１、２回目のデータに対する重みを１／２、３回目のデータに対する重みを１／３、というように、既に入力されたデータ数に応じて重み係数を順次小さくしていき、３０分（１８００秒）が経過した以降は最終的に重みを１／１８００に固定すればよい。このことによって、それぞれの観測擬似距離の重みを最終的に１／１８００にする。
【００２９】
次に、第２の実施形態に係るキャリアスムージング測位装置について説明する。
第１の実施形態では海上保安庁のビーコン局から放送されているRTCM-SC104のメッセージタイプ１または９に含まれている擬似距離補正値ＰＲＣと対流圏伝搬遅延の数学モデルとに基づいて電離層伝搬誤差を求めたが、この第２の実施形態では、
（１）２周波を用いる、
（２）電離層遅延モデルを用いる、
（３）電離層伝搬誤差マップ（テーブル）の放送データを利用する、
ことによって電離層伝搬誤差を求める方法について示す。
【００３０】
（１）Ｌ１帯とＬ２帯の２周波のキャリア位相を観測することによって電離層伝搬誤差を求める場合
ここで、電離層伝搬誤差の補正を行った位相φは、
φ＝φL1＋(ｆ22−ｆ12）/ｆ22｛φL1−(ｆ1/ｆ2)φL２−N(L1)＋(ｆ1/ｆ2)N(L２)｝…（４）
と表せる。但し、
φ：電離層伝搬誤差分の補正を行ったキャリア位相観測値
φL1，φL２：Ｌ１帯，Ｌ２帯でのキャリア位相観測値
ｆ1：Ｌ１帯の周波数
ｆ2：Ｌ２帯の周波数
N(L1)，N(L２)：Ｌ１帯，Ｌ２帯での波数
である。
【００３１】
また、電離層伝搬誤差分の補正を行った擬似距離Ｒは、
Ｒ＝RL1＋［１／｛(ｆ1/ｆ2)2−１｝］×(RL1−RL2)        …（５）
で求められる。但し、
ＲＬ１，ＲＬ２：電離層伝搬誤差を補正する前のＬ１帯，Ｌ２帯での擬似距離観測値
Ｒ：電離層伝搬誤差補正後の擬似距離観測値
である。
【００３２】
このようにして、Ｌ１帯とＬ２帯の２周波のキャリア位相を観測することによって電離層伝搬誤差を求めれば、第１の実施形態の場合と同様にして、コード位相観測値を電離層伝搬誤差分だけ位相を進め、キャリア位相観測値を電離層伝搬誤差分だけ位相を遅らせることによって電離層伝搬誤差の補正を行い、キャリアスムージングを行えばよい。
【００３３】
（２）電離層遅延モデルを用いて電離層伝搬誤差を求める場合
電離層遅延モデルは、例えば電離層伝搬誤差の日変化を、５ｎｓの一定値と地方時の１４時に極大を持つ余弦関数の上半分とを組み合わせた曲線でモデル化できる。すなわち電離層の群速度の遅延量τｄは、
τｄ＝Aｏ[ns]        （｜ｔ−50400｜≧T/4）                        …（6-1）
τｄ＝Aｏ＋A・cos｛（ｔ−14ｈ）／Ｔ｝[ns]    （｜ｔ−50400｜＜T/4）  …（6-2）
このようにして電離層伝搬誤差を求め、コード位相観測値を電離層伝搬誤差分だけ位相を進め、キャリア位相観測値を電離層伝搬誤差分だけ位相を遅らせることによって電離層伝搬誤差の補正を行い、キャリアスムージングを行えばよい。
【００３４】
（３）電離層伝搬誤差マップ（テーブル）の放送データを利用する場合
ＷＡＡＳ（Wide Area Augmentation System）の一部である静止衛星から放送される電離層マップ（ＳＢＡＳ（satellite based augmentation system）の場合、緯度経度５°毎の格子点における鉛直電離層遅延量を放送しているので、これを利用して受信機の位置における電離層伝搬誤差の補正量を内挿により求める。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】キャリアスムージング測位装置の構成を示すブロック図
【図２】同装置の電離層補正値を求める手順を示すフローチャート
【図３】同装置のキャリアスムージングを行うための処理手順を示すフローチャート
【図４】キャリアスムージングの処理内容を示すブロック図
【符号の説明】
【００３６】
１０−ＧＰＳアンテナ
１６−データ通信アンテナ
【図１】
2006010573.tif 000003
【図２】
2006010573.tif 000004
【図３】
2006010573.tif 000005
【図４】
2006010573.tif 000006