(57)【要約】【課題】マルチパス誤差を効果的に抑制して、短時間の平均処理で高精度な変位検出を行えるようにする。【解決手段】２つの衛星Ｓ１，Ｓ２と２つの測位点Ｒ１，Ｒ２を組とする観測２重差ｍｗｄと計算２重差ｃｗｄをそれぞれ求める。受信点Ｒ１，Ｒ２に対する衛星Ｓ１，Ｓ２の位置がほぼ等しくなる１恒星日前の観測２重差ｍｗｄ（ｑ）と今回の観測２重差ｍｗｄ（ｎ）との差を観測３重差ｍｗｔとして求める。同様に計算３重差ｃｗｔを求め、その両者の差を測位点Ｒ１，Ｒ２の相対変位によるキャリア位相差ｔｄとして求める。これによりマルチパス誤差を相殺して、短時間の平均化処理によって高精度な変位検出を行う。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の測位点で、それぞれの周回周期が１恒星日との間で公約数または公倍数の関係にある複数の測位用衛星から送信された信号を受信して該測位点の変位を検出する変位検出装置において、
複数の測位用衛星から送信された信号のキャリア位相を複数の測位点でそれぞれ観測する手段と、
前記測位用衛星が前記複数の測位点から見て略同一位置になる時間だけ隔てた時刻における、前回以前の過去の観測データと今回の観測データとの差を求め、該差から前記２つの測位点間の相対位置ずれ量を求める手段とを備えた変位検出装置。
【請求項２】
前記観測データは２つの測位用衛星と２つの測位点を組とする観測２重差であり、前記過去の観測データと今回の観測データとの差を観測３重差として求め、該観測３重差から前記２つの測位点間の相対位置ずれ量を求めるようにした請求項１に記載の変位検出装置。
【請求項３】
前記前回以前の観測２重差に対応する時刻における、前記２つの測位用衛星の位置と前記２つの測位点の位置とに基づく計算２重差から求めた過去の計算２重差と、今回の観測を行った時刻における計算２重差との差分を前記観測３重差から減じる手段を備えた請求項２に記載の変位検出装置。
【請求項４】
複数の測位点で、それぞれの周回周期が１恒星日との間で公約数または公倍数の関係にある複数の測位用衛星から送信された信号を受信し、複数の測位用衛星から送信された信号のキャリア位相を複数の測位点でそれぞれ観測し、前記測位用衛星が前記複数の測位点から見て略同一位置になる時間だけ隔てた時刻における、前回以前の２つの測位用衛星と２つの測位点を組とする観測２重差から求めた過去の観測２重差と、今回の観測２重差との差を観測３重差として求め、
前記前回以前の観測２重差に対応する時刻における、前記２つの測位用衛星の位置と前記２つの測位点の位置とに基づく計算２重差から過去の計算２重差を求め、該過去の計算２重差と、今回の観測を行った時刻における計算２重差との差分を前記観測３重差から減じた値に基づいて、前記２つの測位点間の相対位置ずれ量を求めることを特徴とする変位検出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ＧＰＳ衛星等から発せられる測位用信号を受信して、測位点の変位を検出する変位検出装置および変位検出方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＧＰＳを利用して地滑りやダム等の形状変化を監視する装置が例えば特許文献１に開示されている。これは、監視対象とする領域に複数の測位装置を設置しておき、各測位装置の位置ずれを監視するようにしたものである。
【０００３】
このような精密測位を行う場合に行われる相対測位によれば、ＧＰＳ衛星の時計誤差、電離層・対流圏遅延誤差が相殺されて高精度な測位が可能である。例えば、ＲＴＫ（リアルタイムキネマティック）ＧＰＳ測位では標準偏差２０［ｍｍ］程度の測位精度が得られる。
【０００４】
【特許文献１】
特開平０６−１６０５０９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この相対測位によっても、ＧＰＳ衛星から測位点まで伝搬する電波の直接波と反射波の多重経路による誤差（以下、「マルチパス誤差」と言う。）を相殺することはできない。そこで、マルチパス誤差の影響を抑制するために、アンテナへの反射波の入射を抑制するようにアンテナを工夫したり、測位結果を平均処理する必要があった。
【０００６】
マルチパス誤差の影響を抑制して、例えばｍｍオーダーの精度で変位を検出するためには、長時間の平均化処理が必要であった。上記ＲＴＫ測位の場合、標準偏差２［ｍｍ］を得るためには通常約１時間の平均処理が必要である。そのため、このような高精度の変位検出はリアルタイムに行うことができなかった。
【０００７】
そこで、この発明の目的は、マルチパス誤差を効果的に抑制して、短時間の平均処理で高精度な変位検出を行えるようにすることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明の変位検出装置は、複数の測位点で、それぞれの周回周期が１恒星日との間で公約数または公倍数の関係にある複数の測位用衛星から送信された信号を受信して該測位点の変位を検出する変位検出装置において、複数の測位用衛星から送信された信号のキャリア位相を複数の測位点でそれぞれ観測する手段と、前記測位用衛星が前記複数の測位点から見て略同一位置になる時間だけ隔てた時刻における、前回以前の過去の観測データと今回の観測データとの差を求め、該差から前記２つの測位点間の相対位置ずれ量を求める手段とを備えたことを特徴としている。
【０００９】
このように周回周期が１恒星日との間で公約数または公倍数の関係にある測位用衛星は、それぞれの測位用衛星が測位点から見て相対的にほぼ同一位置に到来する状態が周期的に存在する。したがって、各測位用衛星、受信点およびマルチパスの原因となる電波反射体が動いていなければ、同じ大きさのマルチパス誤差が上記周期毎に発生することになる。そのため、各測位用衛星がほぼ同一位置に到来する時刻において過去に求めた観測データと今回求めた観測データとの差を求めることによって、マルチパスの影響を相殺することができる。
【００１０】
また、この発明の変位検出装置は、前記観測データは２つの測位用衛星と２つの測位点を組とする観測２重差であり、前記過去の観測データと今回の観測データとの差を観測３重差として求め、該観測３重差から前記２つの測位点間の相対位置ずれ量を求めるようにしたことを特徴としている。
【００１１】
このようにして、時間的に隔たった２つの観測２重差の差を観測３重差として求めることによって、マルチパスの影響を相殺することができる。
【００１２】
また、この発明の変位検出装置は、前記前回以前の観測２重差に対応する時刻における前記２つの測位用衛星の位置と前記２つの測位点の位置とに基づく計算２重差から求めた過去の計算２重差と、今回の観測を行った時刻における計算２重差との差分を前記観測３重差から減じる手段を備えたことを特徴としている。
【００１３】
仮に各測位用衛星が前回または前回以前と今回の観測タイミングとで多少位置ずれが生じても、このように観測３重差から計算３重差を減じることによって、その位置ずれによる誤差は相殺できる。したがってより高精度な変位検出が可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
この発明の実施形態である変位検出装置の構成を各図を参照して説明する。
図１は、例えば傾斜地の土砂崩れの監視を行うシステム全体の構成を示すブロック図である。図１において２ａはＧＰＳアンテナ、１ａはＧＰＳ受信機である。ＧＰＳ受信機１ａはＧＰＳアンテナ２ａの位置で複数のＧＰＳ衛星からの信号を受信する。３ａは観測装置側の無線機、４ａはその送受信アンテナである。これら１ａ，２ａ，３ａ，４ａによって１組の観測装置を構成している。１ｂ〜４ｂは同様に他の観測装置を構成している。１ｍ〜４ｍについても同様である。このような複数の観測装置を監視対象エリア内の所定位置に設置している。
【００１５】
また、図１において６はセンタ側の無線機、５はその送受信アンテナである。このセンタ側の無線機６は複数の観測装置側の無線機３ａ，３ｂ，・・・３ｍとの間でデータ通信を行う。８はＧＰＳ受信機、７はＧＰＳアンテナである。９はデータ回収処理装置であり、複数の観測装置で観測された、各測位用衛星毎および各時刻毎のキャリア位相等の観測データを回収し、各観測装置の測位点の変位を検出する。また、必要に応じてその検出結果を外部へ送信する。
これらの複数の観測装置とセンタとによって、この発明に係る変位検出装置を構成している。
【００１６】
図２は、図１に示した複数の各観測装置のうち、一つのＧＰＳ受信機の構成を示している。
ここで、１２はＧＰＳアンテナ１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するダウンコンバータである。受信信号処理部１３は、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を介して無線機へ出力する。ＲＯＭ１５にはＣＰＵ１４の実行すべきプログラムを予め書き込んでいる。ＲＡＭ１６は演算処理の際ワーキングエリアとして用いる。
【００１７】
次に、図３を基に各１重差、２重差および３重差の関係について説明する。
（Ａ）に示すように、２つの衛星Ｓ１，Ｓ２が存在し、２つの測位点Ｒ１，Ｒ２で測位を行う場合について考える。ここで、測位点Ｒ１で観測した衛星Ｓ１のキャリア位相ｍ１１を求め、測位点Ｒ１で観測した衛星Ｓ２のキャリア位相ｍ１２を求める。また、測位点Ｒ２で観測した衛星Ｓ１のキャリア位相ｍ２１を求め、測位点Ｒ２で観測した衛星Ｓ２のキャリア位相ｍ２２を求める。
【００１８】
図３の（Ｂ）に示すように、上記ｍ１１とｍ１２との差（衛星間観測１重差）ｍｓ１を求める。同様にｍ２１とｍ２２との差ｍｓ２を求める。また、上記衛星間観測１重差ｍｓ１とｍｓ２との差（観測２重差）ｍｗｄを求める。
【００１９】
図３の（Ｂ）において、括弧付の添字（ｎ）を付したものは今回の観測時における値を示している。また（ｑ）を付したものは衛星配置がほぼ同一となる前回の観測時における値を示している。例えばＧＰＳ衛星の場合、その周回周期は０．５恒星日（約１１時間５８分）であるので、１恒星日（約２３時間５６分）毎に各ＧＰＳ衛星は測位点Ｒ１，Ｒ２に対して相対的に同一位置に到来する。この場合、（ｎ）を付した値と（ｑ）を付した値とは上記約２３時間５６分の時間だけ隔てたタイミングでの観測結果である。
この１恒星日隔てた観測２重差ｍｗｄ（ｄ）とｍｗｄ（ｑ）の差を観測３重差ｍｗｔとして求める。
【００２０】
上記説明は、観測により求まる値についてであったが、同様にして計算上の１重差、２重差、３重差をそれぞれ求める。すなわち図３の（Ｂ）において、測位点Ｒ１と衛星Ｓ１の位置関係で定まる計算上のキャリア位相ｃ１１、測位点Ｒ１と衛星Ｓ２の位置関係で定まる計算上のキャリア位相ｃ１２を求める。また、測位点Ｒ２と衛星Ｓ１の位置関係で定まる計算上のキャリア位相ｃ２１、測位点Ｒ２と衛星Ｓ２の位置関係で定まる計算上のキャリア位相ｃ２２を求める。
【００２１】
また、ｃ１１とｃ１２の差（衛星間計算１重差）ｃｓ１を求め、同様に、ｃ２１とｃ２２の差ｃｓ２を求める。さらに衛星間計算１重差ｃｓ１とｃｓ２との差（計算２重差）ｃｗｄを求める。
同様に、今回の観測時における計算２重差ｃｗｄ（ｎ）と前回の観測時における計算２重差ｃｗｄ（ｑ）との差を計算３重差ｃｗｔとして求める。
【００２２】
このように、前回の観測時と今回の観測時との間での観測３重差ｍｗｔは、１恒星日隔てた観測２重差同士の差であるので、マルチパス誤差成分が打ち消されてマルチパス誤差を含まない。仮に前回の観測時と今回の観測時とで衛星が同一位置になって、測位点および電波反射体も動いていない場合、観測３重差ｍｗｔは０となる。そして、測位点Ｒ１，Ｒ２が相対的に変位すると、その変位量に応じて観測３重差ｍｗｔに値が生じることになる。
【００２３】
但し、実際には衛星の位置はわずかに変動する。ＧＰＳ衛星の場合、１恒星日（約２３時間５６分）隔てた２つの時刻においても、衛星の位置は同じではない。そのため、この衛星の前回と今回とでの位置ずれの影響が観測３重差ｍｗｔに入る。この衛星の位置ずれによる誤差分も打ち消す為に、計算３重差ｃｗｔを観測３重差ｍｗｔから差し引く。このことによって測位点の変位によるキャリア位相差ｔｄを求める。
【００２４】
測位点Ｒ１，Ｒ２の相対変位がキャリア位相の±０．５サイクル相当分以内であれば、キャリア位相の整数バイアスを求めることなく、その変位量をｔｄから求めることができる。
【００２５】
次に、図２に示したＧＰＳ受信機の処理内容を各フローチャートを基に説明する。
図４は観測装置側のＧＰＳ受信機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組のデータとして無線機へ送信する（ｓ３）。無線機は、これらのデータをセンタ側の無線機へ送信する。以上の処理を各ＧＰＳ受信機が繰り返すことによって、センタ側のデータ回収処理装置９は、各観測装置の各時刻・各衛星についての観測キャリア位相のデータを収集する。
【００２６】
図５はセンタ側のデータ回収処理装置９での処理内容を示すフローチャートである。まず、処理対象とする観測装置から上記観測データを収集する（ｓ１１）。そして、２つの測位点間での位置ずれを検出する（ｓ１２）。この処理をすべての観測装置について行う。その後、検出結果を外部へ出力する（ｓ１３）。
【００２７】
図６および図７は図５に示したステップｓ１２の処理内容を示すフローチャートである。まず、２つの衛星と２つの測位点を組として観測３重差ｍｗｔを求める（ｓ２１）。ここで２つの測位点のうち一方はセンタ、他方は監視対象とする観測装置のそれぞれの測位点とするか、２つの測位点のうち両方を観測装置の所定の２つの測位点とする。
【００２８】
次に、上記２つの衛星と２つの測位点の組について計算３重差ｃｗｔを求める（ｓ２２）。そして、この計算３重差ｃｗｔと観測３重差ｍｗｔとの小数部の差分ｔｄを求める。但し、計算３重差ｃｗｔは整数部を含めてその値に意味を持つが、観測３重差ｍｗｔについては整数バイアスの決定を行っていないので小数部のみ意味を持つ。そこで、小数部から整数部への繰り上がりを考慮して、観測３重差ｍｗｔの±０．５サイクル以内での計算３重差ｃｗｔとの差分をｔｄとして求める。
【００２９】
例えば計算３重差ｃｗｔが３．８、観測３重差ｍｗｔが９．２であった時、計算３重差ｃｗｔの値３．８の±０．５以内で小数部が０．２になるためには、その観測３重差の整数部は“４”となる筈である。したがってこの観測３重差４．２と計算３重差３．８との差分０．４をｔｄとする。また、例えば計算３重差ｃｗｔが３．８で、観測３重差ｍｗｔが９．５であれば、計算３重差ｃｗｔの値３．８の±０．５以内で小数部が０．５になるためには、その観測３重差の整数部は“３”となる筈である。したがってこの観測３重差３．５と計算３重差３．８との差分０．３をｔｄとする。
【００３０】
図７は３次元方向のずれ量を求めて、ずれの有無を出力する手順を示している。まず、２つの衛星を組とする３組について、それぞれ求めた測位点の変位による３つのキャリア位相差ｔｄ１，ｔｄ２，ｔｄ３を基に、東西方向のずれ量ΔＥ、南北方向のずれ量ΔＮおよび高さ方向のずれ量ΔＶをそれぞれ求める（ｓ３１）。このｔｄ１，ｔｄ２，ｔｄ３はΔＥ，ΔＮ，ΔＶにそれぞれ所定の係数を掛け合わせて加算したものであるので、次のように表される。
【００３１】
ｔｄ１＝ｋＥ１ΔＥ＋ｋＮ１ΔＮ＋ｋＶ１ΔＶ
ｔｄ２＝ｋＥ２ΔＥ＋ｋＮ２ΔＮ＋ｋＶ２ΔＶ
ｔｄ３＝ｋＥ３ΔＥ＋ｋＮ３ΔＮ＋ｋＶ３ΔＶ
したがって少なくとも３組の衛星についてのキャリア位相差ｔｄ１，ｔｄ２，ｔｄ３を基にしてΔＥ，ΔＮ，ΔＶを求める。ここで各係数ｋＥ１，ｋＮ１，ｋＶ１，ｋＥ２，ｋＮ２，ｋＶ２，ｋＥ３，ｋＮ３，ｋＶ３は受信点と衛星の位置関係で定まる係数である。
【００３２】
このようにして求めた東西方向のずれ量ΔＥ、南北方向のずれ量ΔＮ、高さ方向のずれ量ΔＶの何れかが所定の閾値ε以上となれば測位点が変位したものとみなして、変位有りの情報およびΔＥ，ΔＮ，ΔＶを出力する（ｓ３２，ｓ３３，ｓ３４→ｓ３５）。もしΔＥ，ΔＮ，ΔＶの何れもがε未満であれば変位無しの出力を行う（ｓ３６）。
【００３３】
ここで求めた変位量は標準偏差５［ｍｍ］程度である。この変位量を毎秒求めて、それに３０秒の移動平均処理を施すことによって、変位量の標準偏差は２［ｍｍ］程度にまで高めることができる。因みにＲＴＫ測位で標準偏差２０［ｍｍ］程度の測位結果を標準偏差２［ｍｍ］程度にするためには約１時間の平均処理が必要であるので、それに比べて平均時間を大幅に短縮化できる。そのため、本願発明によればリアルタイムで高精度な変位検出が可能となる。
【００３４】
以上に示した例では、１重差→２重差→３重差の順に観測３重差と計算３重差を求めたが、図３の（Ｂ）から明らかなように、観測３重差ｍｗｔは、観測した各キャリア位相の値ｍ１１（ｎ），ｍ１２（ｎ），ｍ２１（ｎ），ｍ２２（ｎ），ｍ１１（ｑ），ｍ１２（ｑ），ｍ２１（ｑ），ｍ２２（ｑ）に基づいている。同様に、計算３重差ｃｗｔは、計算上の各キャリア位相の値ｃ１１（ｎ），ｃ１２（ｎ），ｃ２１（ｎ），ｃ２２（ｎ），ｃ１１（ｑ），ｃ１２（ｑ），ｃ２１（ｑ），ｃ２２（ｑ）に基づいている。したがって、途中の差し引きの順番自体に特別な意味はなく、途中の１重差や２重差を必ずしもそれらの値として一旦求める必要はない。すなわち結果的に観測３重差ｍｗｔと計算３重差ｃｗｔを求めればよい。
【００３５】
以上に述べた例では、１恒星日隔てた前回の観測２重差をそのまま「過去の観測２重差」として扱うようにしたが、１恒星日の整数倍分過去の複数の観測２重差を基にして過去の観測２重差を求めるようにしてもよい。例えば、１恒星日前の観測２重差をｍｗｄ（ｑ）、２恒星日前の観測２重差をｍｗｄ（ｑ−１）、３恒星日前の観測２重差をｍｗｄ（ｑ−２）とし、３つ観測２重差について平均値を求めるとすると、｛ｍｗｄ（ｑ）＋ｍｗｄ（ｑ−１）＋ｍｗｄ（ｑ−２）｝／３の計算によって求めた値を「過去の観測２重差」とすればよい。また、このとき１恒星日前の計算２重差をｃｗｄ（ｑ）、２恒星日前の計算２重差をｃｗｄ（ｑ−１）、３恒星日前の計算２重差をｃｗｄ（ｑ−２）とし、｛ｃｗｄ（ｑ）＋ｃｗｄ（ｑ−１）＋ｃｗｄ（ｑ−２）｝／３の計算によって求めた値を「過去の計算２重差」とする。なお、上記平均化は移動平均（算術平均）に限らず指数平滑によってもよい。
【００３６】
また、観測１重差について前回以前の複数回の観測１重差を平均処理して、その値から「過去の観測２重差」を求めてもよい。その場合には、計算２重差についても、観測１重差に対応する計算１重差を平均処理して、その値から「過去の計算２重差」を求めればよい。
【００３７】
このように、衛星配置がほぼ同一となる過去複数回分の観測値から過去の観測２重差を求めることによって、ランダム誤差成分が低減されて、さらに変位検出精度が向上する。
【００３８】
また、上述の例では検出しようとする測位点の変位は数［ｃｍ］であって、この変位がキャリア位相の±０．５サイクル以内に収まるので、整数バイアスを決定しないまま観測３重差の小数部のみを利用するようにしたが、ＲＴＫ測位により各測位点の測位を行うために整数バイアスを決定するようにしてもよい。そのことによって、キャリア位相の１サイクル以上に相当する大きな変位の変位量も求めることができる。
【００３９】
【発明の効果】
この発明によれば、各測位用衛星がほぼ同一位置に到来する時刻において過去に求めた観測データと今回求めた観測データとの差を求めるようにしたので、マルチパスの影響を相殺することができる。
【００４０】
また、この発明によれば、２つの測位用衛星と２つの測位点を組とする観測２重差を求め、過去の観測データと今回の観測データとの差を観測３重差として求め、測位用衛星が略同一位置になる時間だけ隔てた過去における計算２重差と今回の計算２重差との差分を観測３重差から減じるようにしたので、各測位用衛星が過去と今回の観測タイミングとで多少位置ずれが生じても、その位置ずれによる誤差が計算２重差を減じることによって相殺され、より高精度な変位検出が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】変位検出装置の構成を示すブロック図
【図２】ＧＰＳ受信機の構成を示すブロック図
【図３】各キャリア位相とその１重差、２重差および３重差等との関係を示す図
【図４】ＧＰＳ受信機の処理内容を示すフローチャート
【図５】センタ側のデータ回収処理装置の行う処理内容を示すフローチャート
【図６】測位点の変位によるキャリア位相差ｔｄを求める手順を示すフローチャート
【図７】測位点の３次元方向の変位量の算出およびその有無の出力に関する処理内容を示すフローチャート
【符号の説明】
２−ＧＰＳアンテナ
４−送受信アンテナ
【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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【図７】
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