(57)【要約】【課題】整数バイアスの決定に要する時間を大幅に短縮化して、早期に相対測位の結果を出力できるようにした測位装置およびその整数バイアス決定方法を提供する。【解決手段】基準点と測位点で、複数の衛星のうち１つを基準の衛星とし、その基準の衛星と他の衛星を組としてキャリア位相差を求め、複数組の衛星による複数のキャリア位相の等位相差面が交差する点を整数バイアスの候補点として求めて受信点の測位を行う際、複数の等位相差面の間隔が相対的に広くなって候補点の数が単一または少数となるような衛星の組みを選択して候補点を決定し、その後、等位相差面の間隔を次第に狭くして、常に候補点の数を少なくしたまま候補点の位置精度すなわち整数バイアスの精度を高めていく。【選択図】  図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基準点と測位点で、複数の測位用送信機のうち一つを基準の測位用送信機とし、該基準の測位用送信機と他の測位用送信機を組として一重のまたは二重のキャリア位相差を観測し、該キャリア位相差の整数バイアスを決定して測位点の測位を行う測位装置において、
測位点に関する事前の位置精度に応じた等位相差面の間隔が得られる、複数組の測位用送信機を選択するとともに、該複数組の測位用送信機による複数のキャリア位相の等位相差面の交点である候補点のうち、正解の整数バイアスに相当する真の候補点を求める候補点決定手段を備えた測位装置。
【請求項２】
前記候補点決定手段により決定された候補点の位置精度に応じて、前記等位相差面の間隔が順次狭くなるように、前記候補点決定手段による候補点の決定を繰り返す制御手段を備えた請求項１に記載の測位装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記候補点の位置精度に応じて、該候補点が１つだけ生じるように前記測位用送信機の組を選択する請求項２に記載の測位装置。
【請求項４】
基準点と測位点で、複数の測位用送信機のうち一つを基準の測位用送信機とし、該基準の測位用送信機と他の測位用送信機を組として一重のまたは二重のキャリア位相差を観測し、該キャリア位相差の整数バイアスを決定する方法であって、
測位点に関する事前の位置精度に応じた等位相差面の間隔が得られる、複数組の測位用送信機を選択するとともに、該複数組の測位用送信機による複数のキャリア位相の等位相差面の交点である候補点のうち、正解の整数バイアスに相当する真の候補点を求める候補点決定ステップを含み、
該候補点決定ステップで決定した候補点の位置精度に応じて、前記等位相差面の間隔が順次狭くなるように測位用送信機の組を選択するとともに、前記候補点決定ステップによる候補点の決定を繰り返すことを特徴とする整数バイアス決定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、測位用衛星などの測位用信号を送信する送信機からの信号を受信して、受信点の測位を行う測位装置およびその測位の為のキャリア位相差の整数バイアス決定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＧＰＳを用いた高精度測位が必要な場合、ＧＰＳ衛星から送信される信号のキャリア位相を用いた相対測位が行われている。すなわち、基準点と測位点で複数のＧＰＳ衛星のうち、１つを基準の衛星とし、その基準の衛星と他の衛星の組で一重または二重のキャリア位相差を観測し、その観測キャリア位相差に整数バイアスを加えたキャリア位相差を基にして相対測位が行われている。このような測位装置は、例えば３つのＧＰＳアンテナを移動体に配置しておき、それらの相対位置関係を測位することによって、移動体の方位や姿勢を測定するコンパスとして用いられている。
【０００３】
但し、キャリア位相差の整数バイアスは直接的には求めることができず、検定処理によって求められる。従来の検定方法は次のとおりである。まず、測位点の概略絶対位置と基準点に対する測位点の相対位置に基づき、例えば単独測位により求められた測位点の概略位置で、基準とするアンテナの位置（基準点）に対する他のアンテナの位置（測位点）となるべき、複数組の衛星による複数のキャリア位相の等位相差面が交差する点をキャリア位相差の整数バイアスの候補点として求め、全ての候補点について、対象とする候補点がまず真の候補点（正解の整数バイアス）と仮定し、その整数値の前後１〜５サイクル程度離れた範囲内で各候補点のそれぞれについて残差を求める。次に、時間経過にともなって残差が所定の閾値を超える候補点を捨てる操作を行い、最終的に１つの候補点を選び出し、それを真の整数バイアスとして決定する（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００４】
図６は６つの候補点と各キャリア位相差の位置線との関係を示している。図６において（Ｐ１−Ｂ）、（Ｐ２−Ｂ）、（Ｓ１−Ｂ）は、２つのＧＰＳ衛星の組によって生じるキャリア位相の等位相差面と水平面との交差により生じる線（以下、「位置線」という。）であり、位置線（Ｐ１−Ｂ）、（Ｐ２−Ｂ）による候補点から、他の位置線（Ｓ１−Ｂ）に下ろした垂線が残差である。
【０００５】
一般に残差は０〜０．５の値を採り、正解でない候補点の残差は、ＧＰＳ衛星の移動による位置線の回転にともなって０〜０．５の範囲で増減する。したがって正解の候補点でない残差は、いずれ所定サイクル（たとえば１／５サイクル）を超えることになる。これに対して、正解の候補点の残差は０．５サイクル未満の或る値（たとえば１／５サイクル）におさまり、時間が経過しても、その値を超えることはない。そして真の位置から遠い候補点ほど残差の変化が速いため、早期に所定サイクルを超える。従って残差が所定サイクルを超えた候補点を捨てる処理（以下この処理を「ふるい落とし」という。）を一定時間行うことにより、真の位置から遠い候補点ほど早く捨てられる確率が高く、真の位置に近い候補点ほど残っている確率が高くなる。
【０００６】
【非特許文献１】
編著・日本測地学会「新訂版ＧＰＳ−人口衛星による精密測位システム−」社団法人  日本測量協会１９９１年１１月  １日第２刷  ｐ．１５６−１５７
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このような整数バイアスの決定を行う際、ノイズの影響などによって残差が偶然に最小となる候補点が生じる場合があるので、一定時間をかけて観測を継続し、平均化などの統計的手法でノイズによる影響を受けないようにする必要がある。そのため真の整数バイアスの決定のために長時間を要していた。通常、前記検定には早くてもＧＰＳ衛星からの信号のＬ１帯のキャリア信号を用いる一周波ＧＰＳ受信機で１０分程度必要であり、Ｌ１，Ｌ２の両方のキャリア信号を利用する二周波ＧＰＳ受信機で１分程度必要であった。
【０００８】
従って、ＧＰＳ受信機の電源投入後、上記整数バイアスの決定に要する時間を待たなければ測位結果が得られなかった。
【０００９】
この発明の目的は、整数バイアスの決定に要する時間を大幅に短縮化して、早期に相対測位の結果を出力できるようにした測位装置およびその整数バイアス決定方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明は、基準点と測位点で、複数の測位用送信機のうち一つを基準の測位用送信機とし、該基準の測位用送信機と他の測位用送信機を組として一重のまたは二重のキャリア位相差を観測し、該キャリア位相差の整数バイアスを決定して測位点の測位を行う測位装置において、測位点に関する事前の位置精度に応じた等位相差面の間隔が得られる、複数組の測位用送信機を選択するとともに、該複数組の測位用送信機による複数のキャリア位相の等位相差面の交点である候補点のうち、正解の整数バイアスに相当する真の候補点を求める候補点決定手段を備えたことを特徴としている。
【００１１】
これにより、検定すべき候補点の数を初めから大幅に少なくでき、そのことによって極めて短時間で精度の高い測位結果を得ることができる。
【００１２】
また、この発明は、前記候補点決定手段により決定された候補点の位置精度に応じて、等位相差面の間隔が順次狭くなるように、候補点決定手段による候補点の決定を繰り返す制御手段を備えたことを特徴としている。
【００１３】
これにより、検定すべき候補点の数を常に少なくしながら等位相差面の間隔を順次狭くしていくことによって、極めて短時間のうちに最終的に高精度な測位結果を得ることができる。
【００１４】
また、この発明は、前記制御手段が、測位点の位置精度に応じて候補点が１つだけ生じるように測位用送信機の組を選択するものとする。これにより、複数の候補点から１つを決定するための検定処理が不要となり、整数バイアスの決定に要する時間がより一層短縮化できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
この発明の実施形態では、３つのＧＰＳアンテナを用い、その３つのＧＰＳアンテナの相対位置を測位して、その３つのＧＰＳアンテナを搭載した移動体の方位や姿勢を求めるサテライトコンパスを例とする。
【００１６】
図１はその全体の構成を示すブロック図である。ここで１１，２１，３１はそれぞれＧＰＳアンテナであり、これらを移動体の定常時の水平面内で正三角形を成すように配置している。１０，２０，３０はそれぞれＧＰＳ受信機である。１２，２２，３２は、ＧＰＳアンテナ１１，２１，３１の受信信号を中間周波信号に周波数変換し、所定周期でサンプリングし、順次デジタルデータ列に変換してＧＰＳ受信機１０，２０，３０に与えるダウンコンバータである。
【００１７】
４０は、３つのＧＰＳ受信機１０，２０，３０が求めた各ＧＰＳ衛星からの受信信号の観測キャリア位相のデータを入力し、後述するように各キャリア位相差の整数バイアスを決定し、３つのＧＰＳアンテナ１１，２１，３１の相対測位を行い、方位および姿勢データを出力する測位演算部である。
【００１８】
ＧＰＳ受信機１０において、１３は受信信号処理部であり、Ｃ／Ａコードの相関器およびキャリア信号の相関器を、それぞれ複数チャンネル分備えている。ＣＰＵ１４は各ＧＰＳ衛星からの受信信号のキャリア位相を観測し、通信インターフェース１７を介して測位演算部４０へ出力する。ＲＯＭ１５にはＣＰＵ１４の実行すべきプログラムを予め書き込んでいて、ＲＡＭ１６は演算処理の際ワーキングエリアとして用いる。他のＧＰＳ受信機２０，３０についても、１０と同様の構成である。
【００１９】
測位演算部４０においてＣＰＵ４２は、各ＧＰＳ受信機が求めた各ＧＰＳ衛星からの受信信号のキャリア位相のデータを通信インターフェース４１から読み取り、後述する方法によってＧＰＳアンテナ１１，２１，３１の相対位置を測位する。また、これら３つのアンテナを搭載した移動体の方位および姿勢のデータを通信インターフェース４５を介してホスト装置へ出力する。ＲＯＭ４３にはＣＰＵ４２の実行すべきプログラムを予め書き込んでいる。ＲＡＭ４４はその実行に際してのワーキングエリアとして用いる。
【００２０】
図２は各ＧＰＳ受信機１０，２０，３０の処理内容を示すフローチャートである。処理の流れを大きく分けると、まず各ＧＰＳ衛星からの受信信号のサーチを行い、受信信号のＣ／Ａコードおよびキャリア位相の捕捉追尾を行う（ｓ１）。そして、各ＧＰＳ衛星からの受信信号の観測キャリア位相を求める（ｓ２）。この観測キャリア位相のデータを時刻データおよび衛星番号と共に１組のデータとして測位演算部４０へ送信する（ｓ３）。以上の処理を各ＧＰＳ受信機が繰り返すことによって、測位演算部は３つのＧＰＳアンテナ１１，２１，３１の位置における観測キャリア位相のデータを収集する。
【００２１】
図３は測位演算部４０の行う整数バイアス決定の為の処理手順を示すフローチャートである。まず、２つのＧＰＳ衛星を組としてキャリア位相の二重差（以下、「二重位相差」という。）を求めるための対を成す２つのＧＰＳ衛星の組を３組求める（ｓ１１）。ここで、キャリア位相の等位相差面の間隔が、位置精度に応じた位置曖昧さの２倍以上になるような関係となる２つのＧＰＳ衛星を３組求める。この「位置曖昧さ」とは、この時点で既に求まっている測位点位置の位置精度が半径ｒの球で表されるとき、その半径ｒのことである。例えば３つのアンテナのうち、ある１つのアンテナの位置を基準点とし、他の２つのアンテナの位置を測位点とするが、２つのアンテナ間の距離が４５ｃｍ以内である場合、それぞれの等位相差面の間隔がその２倍の９０ｃｍ以上となるように３組のＧＰＳ衛星の組を選択する。
なお、この整数バイアス決定処理を行う時点で、ＧＰＳアンテナ１１，２１，３１のいずれかにおける位置を既に単独測位している。
【００２２】
ここで、図４を参照して衛星の配置とキャリア位相の等位相差面の間隔との関係を示す。ここで、Ｏは基準アンテナの位置であり、Ｏを中心として半径４５ｃｍの球内に測位点が存在することになる。但し、ここでは、２次元平面上で説明するために、２つのＧＰＳ衛星の組によって生じる等位相差面と水平面との交差により生じる線（位置線）の例を示している。したがって、図４においては、Ｃで示す半径４５ｃｍの円内に測位点が存在することになる。この円内に引いた複数の位置線のうち太線はＧＰＳ衛星ＳｂとＳｃの組によるもの、細線はＧＰＳ衛星ＳａとＳｄの組によるものである。このように、等位相差面の間隔は、２つの衛星を見込む角度の半分の正弦に反比例する。従って、測位点から２つのＧＰＳ衛星を見込む角度が１８０度の時、等位相差面の間隔が最も狭くなり、この時の間隔はキャリア波長の半分（約９ｃｍ）である。
【００２３】
従来はこのようなキャリア位相を用いた相対測位の精度を最も高めるために、等位相差面の間隔が最も狭くなるようなＧＰＳ衛星の組み合わせを選んで候補点を求めるようにしていた。ここでは寧ろ、等位相差面の間隔が広くなって、キャリア位相の等位相差面の間隔が、位置精度に応じた位置曖昧さの２倍以上になるようにＧＰＳ衛星の組を選択する。
【００２４】
図５は等位相差面（位置線）の間隔と候補点の生じる例を示す図である。ここでは、図４の場合と同様に、２次元平面上で説明するために、３つのＧＰＳ衛星による２つの組によって生じる２組の位置線の例を示している。
【００２５】
図５の（Ａ）において、円Ｃ０は基準アンテナの位置を中心Ｏとする半径４５ｃｍの円である。Ｐ１は２組の衛星による２組の位置線によって生じる交点である。このように測位点の位置曖昧さを示す円内に生じる位置線の交点Ｐ１が単一であれば、その候補点Ｐ１が直ちに真の候補点として求まる。これにより、各組の二重位相差の整数バイアスを決定する。例えば、ＧＰＳアンテナの間隔が４５ｃｍであれば、等位相差面の間隔が９０ｃｍ以上になるような衛星の組み合わせを選択する。この時の組み合わせた衛星の見込む角度が１１．５度以内であれば等位相差面の最短間隔９ｃｍの１０倍以上となる。等位相差面の間隔が最も狭い時のその等位相差面の誤差はおおよそ最大２ｃｍであることが知られているから、その時の測位誤差も１０倍の２０ｃｍ程度となる。このことは見方を変えれば、既にこの段階で２０ｃｍの精度で測位点の測位ができたことになる。
【００２６】
図３に戻って、このように候補点が１点であれば、次に等位相差面の間隔が次の段階に狭くなるような衛星の組み合わせを３組求める（ｓ１２→ｓ１４→ｓ１１）。この等位相差面の間隔は、既に求められている位置の曖昧さの２倍以上となるように定める。そのことによって、上記曖昧さの範囲内に存在する候補点は１つに限られる。ここでは、２０ｃｍの精度で測位点の位置が既に求められているので、等位相面の間隔がその２倍の４０ｃｍとなるような衛星の組み合わせを選択する。この時の候補点も１点だけとなり、１０ｃｍの精度で測位点の位置が求まったことになる。
【００２７】
例えば、図５の（Ｂ）に示すように、等位相差面（この例では二次元で表しているので位置線）の間隔を、図５の（Ａ）に示した場合より狭くして、上記位置曖昧さの範囲内に候補点Ｐ２が１つだけ存在するような間隔となるように衛星の組を選択する。ここでＰ１は図５の（Ａ）に示したＰ１の位置であり、前回決定した候補点である。Ｃ１はこのＰ１を中心として、その位置の曖昧さを表す円である。この円Ｃ１の半径は２０ｃｍである。
【００２８】
図３のステップｓ１１の処理を、等位相差面の間隔が最も狭くなるまで繰り返す。図５の（Ｃ）は図５の（Ｂ）からさらに次の段階での例を示している。ここで、点Ｐ２と円Ｃ１は図５の（Ｂ）に示したＰ２，Ｃ１にそれぞれ対応している。位置線の間隔を狭くして、上述した場合と同様にして単一の候補点Ｐ３を求め、それに相当する整数バイアスを検定することなく直接決定する。
【００２９】
このような処理を繰り返して、最終的に等位相差面の間隔を最も狭くして、２ｃｍ精度の位置精度で測位点の相対位置を求める。
【００３０】
上述の例では、候補点が常に１点だけ求まるようにＧＰＳ衛星の組を選択できた場合について述べたが、受信可能な衛星の配置によっては、等位相差面の間隔を十分に広くとることができず、上記曖昧さの範囲内に生じる候補点が複数生じる場合もある。その場合には従来と同様の方法により複数の候補点から真の候補点（正解の整数バイアス）を検定し、ふるい落としの処理を行う（ｓ１３）。但し、検定すべき候補点の数は従来とは異なり、極めて限られた点数となっているので、この検定および振るい落としに要する時間は十分に短くすることができる。
【００３１】
その後、決定した３組のキャリア二重位相差の整数バイアスと、それらの観測位相差（小数部）とから整数バイアスを含めた真の二重位相差を求める（ｓ１５）。そして、その時刻での衛星位置とキャリア位相差とから測位点の位置を求める（ｓ１５→ｓ１６）。すなわち３つのＧＰＳアンテナ１１，２１，３１のうちいずれか１つを基準アンテナとし、他の２つのアンテナの相対位置を求め、この２つのアンテナの相対位置から、３つのＧＰＳアンテナ１１，２１，３１が成す平面の方位と姿勢を求め、これを出力する（ｓ１７）。
【００３２】
なお、この発明によれば、キャリア位相の等位相差面の間隔を順次狭めていく段階で、視野内の多数のＧＰＳ衛星の組み合わせによるキャリア位相差の整数バイアスを求めていくことになるが、２つのＧＰＳ衛星の組とするいくつかの組のすべての組についてキャリア位相差の整数バイアスを決定する必要はない。例えば、３つのＧＰＳ衛星Ａ，Ｂ，Ｃがあって、Ａ−Ｂの組とＡ−Ｃの組についてキャリア位相差の整数バイアスを決定すれば、Ｂ−Ｃの組についての整数バイアスは、単にＡ−Ｂの整数バイアスからＡ−Ｂの整数バイアスを引くことによって直ちに求めることができる。このような方法によりＧＰＳ衛星の所望の組についてキャリア位相差の整数バイアスを求めることによって、全体の処理時間をさらに短縮化できる。
【００３３】
以上に示した実施形態では、基準点に対する測位点の位置が、予め定まった範囲内に存在するものを例にしたが、基準点に対する測位点の位置範囲が不定である場合には、初めに単独測位で測位点の位置を測位し、その位置精度に応じた等位相差面の間隔が得られるように、ＧＰＳ衛星の組を選択する。例えば、静止衛星を用いて誤差補正を行った場合、数十ｃｍの位置精度で単独測位可能であるので、最初の等位相差面の間隔が１ｍ程度と広くなるように、ＧＰＳ衛星の組を選択すればよい。
【００３４】
また、基準点のＧＰＳアンテナ、測位点のＧＰＳアンテナ、および２つのＧＰＳ衛星を組としてキャリア位相の二重差（二重位相差）を求め、その等位相差面に基づいて整数バイアスを求めるようにしたが、基準点のＧＰＳアンテナの位置と測位点のＧＰＳアンテナの位置で、それぞれ２つのＧＰＳ衛星を組としてキャリア位相の一重差（一重位相差）を求め、その等位相差面に基づいて整数バイアスを求めるようにしてもよい。
【００３５】
また、ＧＰＳ衛星を測位用送信機の例として挙げたが、ＧＰＳ衛星から送信される電波と同じフォーマットの測位用信号を送信する測位用送信機を用いてもよい。例えば、その測位用送信機を、ＧＰＳ衛星からの電波が届かない場所に設置しておき、測位装置が、ＧＰＳ衛星からの電波および設置された測位用送信機からの電波を適宜受信するように構成してもよい。これによれば、例えば地下街などにおいても、測位が可能となる。
【００３６】
また、測位用送信機が送信する電波は、ＧＰＳに則ったフォーマットである必要はなく、任意である。また、電波である必要はなく、光や音波であってもよい。すなわち、複数の測位用送信機から基準局および受信局の受信点までのキャリア位相の差を求め、このキャリア位相の差を基に、基準点に対する測位点の位置を測位する場合に同様に適用できる。
【００３７】
【発明の効果】
この発明によれば、従来のような多数の候補点に対する検定およびふるい落としの処理を行う必要が無いので、極めて短時間のうちにキャリア位相差の整数バイアスを決定することができる。そのため、受信機の電源投入後、極短時間のうちに測位結果を出力することが可能となる。
【００３８】
特に、検定すべき候補点の数を常に少なくしながら等位相差面の間隔を順次狭くしていくことによって、極めて短時間のうちに最終的に高精度な測位結果を得ることができる。
【００３９】
さらに、測位点の位置精度に応じて候補点が可能な限り１つだけ生じるように測位用送信機の組を選択すれば、複数の候補点から１つを決定するための検定処理が全く不要となり、整数バイアスの決定に要する時間がより一層短縮化できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態に係るサテライトコンパスの構成を示すブロック図
【図２】同サテライトコンパスにおける各ＧＰＳ受信機での処理内容を示すフローチャート
【図３】同サテライトコンパスにおける測位演算部での整数バイアス決定の処理手順を示すフローチャート
【図４】衛星の位置と等位相差面（位置線）の間隔との対応関係の例を示す図
【図５】等位相差面（位置線）の間隔と候補点の生じる例を示す図
【図６】候補点の検定時に用いる残差の例を示す図
【符号の説明】
１０，２０，３０−ＧＰＳ受信機
１１，２１，３１−ＧＰＳアンテナ
１２，２２，３２−ダウンコンバータ
４０−測位演算部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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