(57)【要約】【課題】ＧＰＳより必要な衛星の数が少ない（２アンテナの場合、３衛星）条件で、姿勢と位置が同時に推定できるＧＰＳによる移動体の位置・姿勢推定システムを提供する。【解決手段】ＧＰＳ衛星からの電波を受信するために、移動体に固定された少なくとも一対のアンテナ１，２を固定する。移動体位置・方位演算手段により、航法メッセージ、疑似距離または疑似距離と搬送位相、および前記アンテナの幾何学条件により前記各アンテナの位置および前記アンテナ間の線分の傾きを演算する。なお、補正情報受信手段により、基地局からの補正情報を受信し、移動体位置・方位演算手段により、前記受信アンテナ間の位相差、前記各受信アンテナと基地局アンテナ間の位相差により前記各受信アンテナ間の線分の傾きを演算することもできる。【選択図】　　　　図１
2004012286.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧＰＳ衛星からの電波を受信するために、予め定めた幾何学条件によって移動体に固定された少なくとも一対のアンテナと、
前記アンテナにより同時に受信された電波を同一クロックを用いて周波変換を行う受信手段と、
前記受信信号から同一クロックで、疑似距離または、疑似距離と搬送波を検出し、航法メッセージを解読し復調する検出復調手段と、
前記航法メッセージ、疑似距離または疑似距離と搬送位相、および前記アンテナの幾何学条件により前記各アンテナの位置または前記アンテナ間の線分の傾きを演算する移動体位置・方位演算手段を備えて構成したＧＰＳによる移動体の位置・姿勢推定システム。
【請求項２】
ＧＰＳ衛星からの電波を受信するために、予め定めた幾何学条件によって移動体に固定された少なくとも一対のアンテナと、
前記アンテナにより同時に受信された電波を同一クロックを用いて周波変換を行う受信手段と、
前記受信信号から同一クロックで、疑似距離または、疑似距離と搬送波を検出し、航法メッセージを解読し復調する検出復調手段と、
基地局からの補正情報を受信する補正情報受信手段と、
前記航法メッセージ、疑似距離または疑似距離と搬送位相、前記基地局からの補正情報、および前記アンテナの幾何学条件により前記各アンテナの位置または前記アンテナ間の線分の傾きを演算する移動体位置・方位演算手段を備えて構成したＧＰＳによる移動体の位置・姿勢推定システム。
【請求項３】
ＧＰＳ衛星からの電波を受信するために、移動体に固定された少なくとも一対のアンテナと、
前記アンテナにより同時に受信された電波を周波変換する受信手段と、
前記受信信号から、疑似距離または、疑似距離と搬送波を検出し、航法メッセージを解読し復調する検出復調手段と、
基地局からの補正情報を受信する補正情報受信手段と、
前記航法メッセージ、疑似距離または疑似距離と搬送位相、および前記受信アンテナ間の位相差、前記各受信アンテナと基地局アンテナ間の位相差により前記各アンテナの位置または前記各受信アンテナ間の線分の傾きを演算する移動体位置・方位演算手段を備えて構成したＧＰＳによる移動体の位置・姿勢推定システム。
【請求項４】
ＧＰＳ衛星からの電波を受信するために、移動体に固定された少なくとも一対のアンテナと、
前記アンテナにより同時に受信された電波を周波変換する受信手段と、
前記受信信号から、搬送位相を検出し、航法メッセージを解読し復調する検出復調手段と、
基地局からの補正情報を受信する補正情報受信手段と、
前記航法メッセージ、疑似距離または疑似距離と搬送位相、および前記受信アンテナ間の位相差、前記各受信アンテナと基地局アンテナ間の位相差により前記各アンテナの位置または前記各受信アンテナ間の線分の傾きを演算する移動体位置・方位演算手段を備えて構成したＧＰＳによる移動体の位置・姿勢推定システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＧＰＳによる移動体の位置・姿勢推定システム、さらに詳しく言えばＧＰＳシステムを利用して、移動体（車両、航空機、船舶、人等）の位置および姿勢の同時推定を可能にするＧＰＳによる移動体の位置・姿勢推定システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から移動体の位置を推定するシステムが、数多く提案され、実用に供されている。しかしこれ等の従来の技術では、最低必要な衛星の数の低減ができないから実用上適用する範囲が狭くなり、ＧＰＳシステムの問題とされていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
そのような位置推定システムで、可視衛星の数を十分に確保できない市街地などでは、位置の推定が困難な場合が多く、移動体の姿勢を位置とともに同時に推定することは不可能であった。
従来技術では、位置の推定に必要の最小の衛星の数の低減ができないので、画期的な方式の変更が必要である。
本発明では複数アンテナの幾何学条件を導入したり、同一クロックを用いることにより、あるいは、受信アンテナ間の位相差と各受信アンテナと基地局アンテナ間の位相差に着目した。
本発明の目的は、通常のＧＰＳより高精度で、通常のＧＰＳより必要な衛星の数が少ない（２アンテナの場合、３衛星）条件で、姿勢と位置が同時に推定できＧＰＳによる移動体の位置・姿勢推定システムを提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明による請求項１記載のＧＰＳによる移動体の位置・姿勢推定システムは、
ＧＰＳ衛星からの電波を受信するために、予め定めた幾何学条件によって移動体に固定された少なくとも一対のアンテナと、
前記アンテナにより同時に受信された電波を同一クロックを用いて周波変換を行う受信手段と、
前記受信信号から同一クロックで、疑似距離または、疑似距離と搬送波を検出し、航法メッセージを解読し復調する検出復調手段と、
前記航法メッセージ、疑似距離または疑似距離と搬送位相、および前記アンテナの幾何学条件により前記各アンテナの位置または前記アンテナ間の線分の傾きを演算する移動体位置・方位演算手段を備えて構成されている。
【０００５】
本発明による、請求項２記載のＧＰＳによる移動体の位置・姿勢推定システムは、
ＧＰＳ衛星からの電波を受信するために、予め定めた幾何学条件によって移動体に固定された少なくとも一対のアンテナと、
前記アンテナにより同時に受信された電波を同一クロックを用いて周波変換を行う受信手段と、
前記受信信号から同一クロックで、疑似距離または、疑似距離と搬送波を検出し、航法メッセージを解読し復調する検出復調手段と、
基地局からの補正情報を受信する補正情報受信手段と、
前記航法メッセージ、疑似距離または疑似距離と搬送位相、前記基地局からの補正情報、および前記アンテナの幾何学条件により前記各アンテナの位置または前記アンテナ間の線分の傾きを演算する移動体位置・方位演算手段を備えて構成されている。
【０００６】
本発明による、請求項３記載のＧＰＳによる移動体の位置・姿勢推定システムは、
ＧＰＳ衛星からの電波を受信するために、移動体に固定された少なくとも一対のアンテナと、
前記アンテナにより同時に受信された電波を周波変換する受信手段と、
前記受信信号から、疑似距離または、疑似距離と搬送波を検出し、航法メッセージを解読し復調する検出復調手段と、
基地局からの補正情報を受信する補正情報受信手段と、
前記航法メッセージ、疑似距離または疑似距離と搬送位相、および前記受信アンテナ間の位相差、前記各受信アンテナと基地局アンテナ間の位相差により前記各アンテナの位置または前記各受信アンテナ間の線分の傾きを演算する移動体位置・方位演算手段を備えて構成されている。
【０００７】
本発明による、請求項４記載のＧＰＳによる移動体の位置・姿勢推定システムは、
ＧＰＳ衛星からの電波を受信するために、移動体に固定された少なくとも一対のアンテナと、
前記アンテナにより同時に受信された電波を周波変換する受信手段と、
前記受信信号から、搬送位相を検出し、航法メッセージを解読し復調する検出復調手段と、
基地局からの補正情報を受信する補正情報受信手段と、
前記航法メッセージ、疑似距離または疑似距離と搬送位相、および前記受信アンテナ間の位相差、前記各受信アンテナと基地局アンテナ間の位相差により前記各アンテナの位置または前記各受信アンテナ間の線分の傾きを演算する移動体位置・方位演算手段を備えて構成されている。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下図面等を参照して本発明によるＧＰＳによる移動体の位置・姿勢推定システムの実施の形態を説明する。
図１は、本発明によるＧＰＳによる位置・姿勢推定システムを実行する第１の装置のブロック図である。Ａアンテナ１とＢアンテナ２は移動体に一定の幾何学的条件を保って固定されている。この実施形態ではＡアンテナ１とＢアンテナ２は同一姿勢で距離ｌだけ離れて固定されている。Ａアンテナ１とＢアンテナ２により受信された衛星からの信号は受信手段４に接続される。各アンテナ対応で設けられている受信回路には同一クロック３からの信号が接続されている。つまり、各アンテナからの信号は同一クロック基準で処理される。受信手段４の出力は、信号検出復調回路５に接続されており、この回路５で、航法メッセージと両アンテナの疑似距離が同一クロックで検出される。
【０００９】
信号検出復調回路５からの航法メッセージと疑似距離信号６は、位置方位演算手段７に接続されている。
位置方位演算手段７には航法メッセージ解読アルゴリズムが格納されており、これにより前記航法メッセージから、アルマナックデータ、エフメリスデータ、ＧＰＳ時刻情報、電離層補正パラメータを解読し取得する。
位置方位演算手段７は、位置・方位演算アルゴリズムを用いて、前記取得データと、予め与えられている前述のアンテナ間距離ｌおよび疑似距離から移動体の位置と方位を推定（演算）して出力する。
【００１０】
（移動体の位置と方位の推定システムの第１の実施例）
次に移動体の位置と方位を推定するシステムの実施態様を図５に示す流れ図（ステップ１００〜１１０）を参照して説明する。このシステムは図１に示す装置を用いて実施される。
幾何学条件を示す方程式、ｎ個衛星の測定による測定方程式を近似値ｘ　Ａ　，ｙ　Ａ，ｚＡ　，ｘ　Ｂ　，ｙ　Ｂ　，ｚ　Ｂのまわりでテイラー展開し１次までの項をとって得たＧＰＳ３次元測位方程式は以下の通りである。
2004012286.tif 000003
2004012286.tif 000004
【００１１】
ここで
ｌはＡアンテナ　とＢアンテナ　間の既知距離
ｘ　ｉ　ｙ　ｉ　ｚ　ｉはｉ番目の衛星の座標（衛星軌道情報により既知）
ｘ　Ａ　，ｙ　Ａ　，ｚ　ＡはＡアンテナの座標
ｘ　Ｂ　，ｙ　Ｂ　，ｚ　ＢはＢアンテナの座標
Ｐ　Ａ　ｉ　，　Ｐ　Ｂ　ｉはｉ番目の衛星のＡアンテナとＢアンテナでの観測疑似距離（受信電波計測により既知）
ｈ　Ａ　ｘｉ，ｈ　Ａ　ｙｉ　，ｈ　Ａ　ｚｉはｉ番目の衛星とＡアンテナ間の方向余弦（衛星軌道情報により既知）
ｈ　Ｂ　ｘｉ，ｈ　Ｂ　ｙｉ　，ｈ　Ｂ　ｚｉはｉ番目の衛星とＢアンテナ間の方向余弦（衛星軌道情報により既知）
△ｘ　Ａ　，△ｙ　Ａ　，△ｚ　ＡはＡアンテナの位置座標補正値
△ｘ　Ｂ　，△ｙ　Ｂ　，△ｚ　ＢはＢアンテナの位置座標補正値
δｔは受信時刻誤差
【００１２】
以上の式１の一般解は、最小２乗法によってえられる。通常（幾何学条件を考慮しない）の手段で導かれる方程式は衛星数が４個以下の場合では解が存在しない。以上の方式では３衛星（６個の測定値・ｎ　＝３）の場合未知変数７つ（△ｘ　Ａ　，△ｙ　Ａ　，△ｚ　Ａ　，△ｘ　Ｂ　，△ｙ　Ｂ　，△ｚ　Ｂ　，　ｔ　）に対して７つの独立方程式が得られる。以上の方式を用いることで、受信している衛星が３衛星の場合でもＧＰＳのみを使用して３次元絶対位置算出ができるようになる。
【００１３】
Ａアンテナ１とＢアンテナ２の座標の値からアンテナ間線分のピッチとヨーの演算を行う。ピッチとヨーは原点が現在位置・ｘ軸が東方向向き・ｙ軸が北方向向きの座標に対する車両座標系の回転角度として演算可能である。
以上のシステムはＧＰＳ　適用範囲を大きく広げることができ、同時にピッチ、ヨーの推定、精度の向上もできる。
【００１４】
図５は、図１に示した第１の装置を用いて実現したＧＰＳによる移動体の位置・姿勢推定システムの第１の実施例を説明するための流れ図である。
ステップ１００〜ステップ１１０で構成されている。
この実施例は、移動体の位置方位演算アルゴリズムで疑似距離とアンテナの幾何学的条件を使用する。アンテナの幾何学的条件を示す方程式はステップ１０５に示すように最小２乗法を用いて解く。
【００１５】
（移動体の位置と方位の推定システムの第２の実施例）
移動体の位置と方位を推定するシステムの第２の実施例は、前述の実施例同様に図１に示す装置を用いて実施される。
【００１６】
幾何学条件を考慮した両アンテナからｎ個衛星の測定による出力方程式は以下のようになる。
式７
2004012286.tif 000005
【００１７】
ここで、
ｌはＡアンテナ　とＢアンテナ　間の既知距離
ｘ　ｉ　（ｔ），　ｙ　ｉ　（ｔ），　ｚ　ｉ　（ｔ）はｔ時刻でｉ番目の衛星の座標（衛星軌道情報により既知）
ｘ　（ｔ），ｙ　（ｔ），ｚ　（ｔ）はＡアンテナ（またはＢ）の座標
ρｉ　Ａ　（ｔ）　，ρｉ　Ｂ　（ｔ）はｔ時刻でｉ番目の衛星のＡアンテナとＢアンテナでの観測疑似距離（受信電波計測により既知）
α　（ｔ），β　（ｔ）はｔ時刻でＡＢアンテナ間線分の方向オイラー角度（未知変数）δｔ　（ｔ）は受信時刻誤差
【００１８】
以上の方程式とｘ　（ｔ），ｙ　（ｔ），ｚ　（ｔ），α　（ｔ），β　（ｔ），　Ａｔ　（ｔ）を状態変数として含める状態方程式ｆ　（ｘ　（ｔ），ｙ　（ｔ），ｚ　（ｔ），α　（ｔ），β　（ｔ），　Ａｔ　（ｔ），．．．）によってシステム方程式が記述される。このシステム方程式をカルマンフィルタ手法に用いるとｘ　（ｔ），ｙ　（ｔ），ｚ　（ｔ），α　（ｔ），β　（ｔ），δｔ（ｔ）が推定可能になる。
以上の方式を用いることで、受信している衛星が３衛星の場合でもＧＰＳのみを使用して長時間３次元絶対位置算出ができるようになる。
また方位角度が３衛星以上存在すれば短期間初期化（静止状態を含む）で出力可能となる。ピッチとヨーは原点が現在位置・ｘ軸が東方向向き・ｙ軸が北方向向きの座標に対する車両座標系の回転角度として演算可能である。
以上のシステムはＧＰＳ　適用範囲を大きく広げることができ、同時にピッチ、ヨーの推定、精度の向上もできる。
【００１９】
図６は実施例２の位置・方位演算処理手段のフローチャートを示している。
ステップ２００〜ステップ２０９で構成されている。この実施例は前述のようにシステム方程式をカルマンフィルタ手法により演算する。
【００２０】
（移動体の位置と方位の推定システムの第３の実施例）
この第３の実施例は、第２図に示す装置により実行される。図７Ａ（ステップ３００〜３１９）と図７Ｂ（ステップ３０７０〜３０７８）は実施例３の位置・方位演算処理アルゴリズムのフローチャートを示している。図７Ｂは図７Ａのステップ３０７の詳細を示す流れ図である。
この装置の基本的な構成は図１と殆どかわらない。アンテナＡ・ＢはＧＰＳ衛星からの電波を受信するために、移動体に既知距離ｌに設置され、受信手段４で同時に受信された電波を同一クロックで周波変換をで行う。
信号検出復調手段５で信号の検出と解読を行い航法メッセージ（このメッセージからアルマナックデータ、エフェメリデータ、ＧＰＳ時刻情報、電離層補正パラメータ導出が可能である）、擬似距離、搬送波の位相を同一クロックで導出する。この第３の実施例を実行するためには搬送波の位相が必要になる点は先の構成と異なる。
位置方位演算手段７は、これらの情報と既知アンテナ幾何学情報（相対姿勢・距離等）をもとに移動体位置・方位計演算アルゴリズムにより算出する。
【００２１】
図２は、本発明によるＧＰＳによる移動体の位置・姿勢推定システムを実行するさらに第２の装置のブロック図である。ＧＰＳ受信手段４においてＡアンテナ１とＢアンテナ２から電波を受信する。
受信手段４では発振器３からの同一クロックで擬似距離、搬送波の位相の導出６を行う。
位置方位演算手段は７は、航法メッセージからアルマナックデータ、エフェメリデータ、ＧＰＳ時刻情報、電離層補正パラメータを導出し、これらの情報と擬似距離、搬送波の位相と既知アンテナ間距離情報がＧＰＳによる移動体の位置・方位演算アルゴリズムにより処理される。
【００２２】
同一クロックを用いているためアンテナ間一重位相差　ＤφｉＡＢ　（ｔ）を演算することで受信機の内部時計誤差による位相データの誤差、衛星の時計誤差による位相データの誤差が消去される。
さらにアンテナ間一重位相差　ＤφｉＡＢ　（ｔ）を以下の方程式で近似して演算できる。
2004012286.tif 000006
【００２３】
以上の式を用いて搬送波位相測定の幾何学、２アンテナ幾何学条件を含めたｎ個衛星測定方程式は以下のようになる。
2004012286.tif 000007
更に、
2004012286.tif 000008
2004012286.tif 000009
2004012286.tif 000010
【００２４】
ここで、
ｌはＡアンテナ　とアンテナＢ間の既知距離
ｘ　Ａ　（ｔ）　，ｙ　Ａ（ｔ）　，ｚ　Ａ（ｔ）はｔ時刻でＡアンテナの座標
ｘ　Ｂ　（ｔ）　，ｙ　Ｂ（ｔ）　，ｚ　Ｂ（ｔ）はｔ時刻でＢアンテナの座標
ＤφｉＢＡ　（ｔ）はｔ時刻でｉ番目、受信機Ｂ、受信機Ａによる一重位相（受信電波計測により既知）
ｈ　Ａ　ｘｉ（ｔ），ｈ　Ａ　ｙｉ（ｔ）　，ｈ　Ａ　ｚｉ　（ｔ）はｔ時刻でｉ番目の衛星とＡアンテナ間の方向余弦（衛星軌道情報により既知）
Ｎ　ｉＢＡはｉ番目衛星、受信機Ａ、受信機Ｂによる一重位相の整数値アンビギュティ
ｃは光速
ｆは搬送波周波数
さらに、幾何学条件を示す方程式、ｎ個衛星の測定による測定方程式を近似値
ｘ　Ａ　，ｙ　Ａ　，ｚ　Ａのまわりでテイラー展開し１次までの項をとって得たＧＰＳ　３次元測位方程式は以下の用になる。
【００２５】
2004012286.tif 000011
【００２６】
ここで、
ｘ　ｉ　（ｔ），　ｙ　ｉ　（ｔ），　ｚ　ｉ　（ｔ）はｉ番目の衛星の座標（衛星軌道情報により既知）
Ｐ　Ａ　ｉ　（ｔ）　，　Ｐ　Ｂ　ｉ　（ｔ）はｉ番目の衛星のＡアンテナ１とＢアンテ２での観測疑似距離（受信電波計測により既知）
△ｘ　Ａ　，△ｙ　Ａ　，△ｚ　ＡはＡアンテナの位置座標補正値
δｔ　（ｔ）は受信時刻誤差
式９の未知数はアンテナ間ベクタＢＡの３次元成分と各一重位相毎式整数アンビギュイティ（Ｎ　ｉＢＡ）ということになる。この式はｍ　＝０では未知数を求めることができない。この問題は複数エポックに対応した（ｍ≧１）式９を用いて化観測性を確保した方程式を用いることで解決できる。
各整数アンビギュイティＮ　ｉＢＡの値が収束するまで複数の時刻ｔにおける式９の解を最小２乗法で得ることでシステム初期化を行いながらアンテナ間ベクタＢＡの３次元成分推定が可能になる。この初期化アルゴリズムで得られた解はＦｌｏａｔ解と呼ばれる。
一旦収束したＮ　ｉＢＡの値が得られると式９は式１９のように書き表すことが出来る（ここでｃ／ｆ　Ｎ　１ＢＡ　，　ｃ／ｆ　Ｎ　２ＢＡ　，　ｃ／ｆ　Ｎ　ｎＢＡのあたいは既知である）。
ｃ／ｆ　Ｎ　１ＢＡ　，　ｃ／ｆ　Ｎ　２ＢＡ　，　ｃ／ｆ　Ｎ　ｎＢＡが既知であるのでこの式の解は最小２乗法で得られる。この式で得られた解はＦｉｘ解と呼ばれる。
2004012286.tif 000012
【００２７】
以上の式９または式１９で得られたアンテナ間ベクタＢＡの３次元成分を式１８に用いてアンテナ位置推定値が得られる。式１８，式９，式１９の解は最小２乗法のような一般的なアルゴリズムで得られる。
以上の式１９では２衛星（２個の一重位相測定・ｎ　＝２）の場合未知変数３つ（ｄｘＢＡ（ｔ），ｄｙ　ＢＡ　（ｔ），ｄｚＢＡ　（ｔ））に対して３つの独立方程式が得られる。
また式１８では同様に２衛星（４個の測定・ｎ　＝２）の場合未知変数４つ（△ｘ　Ａ　（ｔ）　，△ｙ　Ａ　（ｔ）　，△ｚ　Ａ　（ｔ），　ｃδｔ　（ｔ））に対して５つの独立方程式が得られる。この場合衛星２個があるとシステムの可観測性が存在し姿勢が推定可能となる。
【００２８】
以上の方式を用いることで、受信している衛星が２衛星の場合でもＧＰＳのみを使用して３次元絶対位置算出ができるようになる。
アンテナ間ベクタＢＡ　３次元成分の値からピッチとヨーの演算を行う。ピッチとヨーは原点が現在位置・ｘ軸が東方向向き・ｙ軸が北方向向きの座標に対する車両座標系の回転角度として演算可能である。
以上のシステムはＧＰＳ　適用範囲を大きく広げることができ、同時にピッチ、ヨーの推定、精度の向上もできる。
【００２９】
図７Ａ（ステップ３００〜３１９）と図７Ｂ（ステップ３０７０〜３０７８）は実施例３の位置・方位演算処理アルゴリズムのフローチャートを示している。図７Ｂは図７Ａのステップ３０７の詳細を示す流れ図である。式１９を最小２乗る法を用いて解き、式Ｘ（ｔ）を求めている。
【００３０】
（移動体の位置と方位の推定システムの第４の実施例）
図３は、本発明によるシステムの第４の実施例を実施するために利用される装置のブロック図である。移動体でＧＰＳ衛星からの電波を受信するために、Ａアンテナ１とＢアンテナ２が既知距離ｌだけ離れて移動体に設けられている。
受信手段４ａおよび受信手段４ｂは、各アンテナが受信した各電波周波変換を行う。各受信手段の出力はそれぞれ信号検出復調手段５ａ，５ｂにに接続されている。受信手段４ａおよび信号検出復調手段５ａは発振器４ａの発生するクロックで動作させられ、受信手段４ｂおよび信号検出復調手段５ｂは発振器４ｂの発生するクロックで動作させられる。
図１、図２に示した装置は、同一のクロックで動作さけられているがこの装置は個別の発振器を使用している。以上の構成により各アンテナ信号の検出が行われる。この信号は位置方位演算手段７に接続される。Ｃアンテナ９は基地局（図示せず）から送信された補正情報を受信し、補正情報受信機１０に接続する。位置方位演算手段７にはさらに、前記補正情報受信機１０からの補正情報が接続されている。位置方位演算手段７は航法メッセージ（このメッセージからアルマナックデータ、エフェメリデータ、ＧＰＳ時刻情報、電離層補正パラメータ導出が可能である）、を導出する各手段を備えている。
【００３１】
動作について説明する。移動体に搭載された２つのアンテナ１，２から電波の受信を行い、ＧＰＳ受信手段４ａ，４ｂで各信号の周波数変換を行う。
信号検出復調手段により各信号の検出と解読を行い航法メッセージ、擬似距離、搬送波の位相の導出を行う。
基地局から送信された補正情報はＣアンテナ９で受信され、補正情報受信機１０で処理さる。航法メッセージからアルマナックデータ、エフェメリデータ、ＧＰＳ時刻情報、電離層補正パラメータを導出し、これらの情報と擬似距離、搬送波の位相、補正情報と既知アンテナ間距離情報がＧＰＳ位置・方位演算アルゴリズムにあたえられる。
【００３２】
エポックｔにおいて受信機Ａアンテナと受信機Ｂアンテナ間二重位相差Ｄ　ＤφｉｊＡＢ（ｔ）、受信機Ｘアンテナと基地局Ｒアンテナ間二重位相差Ｄ　ＤφｉｊＸＲ（ｔ）は以下の方程式のようになる。
2004012286.tif 000013
ここで、
ｒＫＸ（ｔ）はＧＰＳ信機アンテナＸと衛星ｋ間の距離
φＫＸ（ｔ）はＧＰＳ受信機アンテナＸで測定された衛星ｋからの搬送位相データ
以上の式を用いて、衛星１を基準とし搬送波位相測定の幾何学条件を表すｎ個衛星測定方程式は以下のようになる。
2004012286.tif 000014
さらに、
2004012286.tif 000015
2004012286.tif 000016
【００３３】
ここで、
ｌはアンテナＡとアンテナＢ間の既知距離
ｘ　ｉ　（ｔ）　，ｙ　ｉ（ｔ）　，ｚ　ｉ（ｔ）はｔ時刻でｉ番目の衛星の座標（衛星軌道情報により既知）
ｘ　Ａ　（ｔ）　，ｙ　Ａ（ｔ）　，ｚ　Ａ（ｔ）はｔ時刻でアンテナＡの座標
ｘ　Ｂ　（ｔ）　，ｙ　Ｂ（ｔ）　，ｚ　Ｂ（ｔ）はｔ時刻でアンテナＢの座標
ｒＫＸ（ｔ）はＧＰＳ受信機アンテナＸと衛星ｋ間の距離
ｒＫＲ（ｔ）は基地局受信機アンテナＲと衛星ｋ間の距離
△ｘ　Ａ　，△ｙ　Ａ　，△ｚ　Ａはｔ時刻でＡアンテナの位置座標補正値
△ｘ　Ｂ　，△ｙ　Ｂ　，△ｚ　Ｂはｔ時刻でＢアンテナの位置座標補正値
Ｄ　ＤφｉｊＸＲ（ｔ）はｔ時刻でｉ番目、ｊ番目衛星受信機Ｘ、基地局Ｒによる二重位相　（受信電波計測、補正データにより既知）
Ｄ　ＤφｉｊＡＢ（ｔ）はｔ時刻でｉ番目、ｊ番目衛星受信機Ａ、受信機Ｂによる二重位相　（受信電波計測により既知）
ＮｉｊＸＲはｉ番目、ｊ番目衛星受信機Ｘ、基地局Ｒによる二重位相の整数値アンビギュティ
ＮｉｊＡＢはｉ番目、ｊ番目衛星受信機Ａ、受信機Ｂによる二重位相の整数値アンビギュティ
ｃは光速
ｆは搬送波周波数
【００３４】
各整数アンビギュイティＮ　ｉｊＲＡ，　Ｎ　ｉｊＲＢ　，　Ｎ　ｉｊＡＢの値が収束するまで複数の時刻における式２３のかいを最小２乗法で得ることで各アンテナの３次元座標推定が可能になる。この初期化アルゴリズムで得られた解はＦｌｏａｔ解と呼ばれる。
一旦収束したＮ　ｉｊＲＡ，　Ｎ　ｉｊＲＢ　，　Ｎ　ｉｊＡＢの値が得られると式２３は式３５のように書き表すことができる（ここで各　ｃ／ｆ　ＮｉｊＲＡ　，　ｃ／ｆ　ＮｉｊＲＢ　，　ｃ／ｆ　ＮｉｊＡＢのあたいは既知である）。各ｃ／ｆ　Ｎ　ｉｊＲＡ　，　ｃ／ｆ　ＮｉｊＲＢ　，　ｃ／ｆ　ＮｉｊＡＢが既知であるのでこの式の解は最小２乗法で得られる。この式で得られた解はＦｉｘ解と呼ばれる。
2004012286.tif 000017
【００３５】
通常（単独アンテナを用いた）の補正データを用いた手段で導かれる方程式は衛星数が４個以下の場合では解が存在しない。以上の方式では３衛星（二重位相６個・ｎ＝３）の場合未知変数６つ（△ｘ　Ａ　，△ｙ　Ａ　，△ｚ　Ａ　，△ｘ　Ｂ　，△ｙ　Ｂ　，△ｚ　Ｂ）に対して６つの独立方程式が得られる。以上の方式を用いることで、受信している衛星が３衛星の場合でもＧＰＳのみを使用して３次元絶対位置算出ができるようになる。
アンテナＡとＢの座標の値からアンテナ間線分のピッチとヨーの演算を行う。ピッチとヨーは原点が現在位置・ｘ軸が東方向向き・ｙ軸が北方向向きの座標に対する車両座標系の回転角度として演算可能である。
以上のシステムはＧＰＳ適用範囲を大きく広げることができ、同時にピッチ、ヨーの推定、精度の向上もできる。
【００３６】
図８は、実施例４の位置・方位演算処理アルゴリズムのフローチャート（ステップ４００〜４１５）を示している。
（移動体の位置と方位の推定システムの第５の実施例）
図４は、本発明によるシステムの第５の実施例を実施するために利用される装置（第４の装置）のブロック図である。
移動体でＧＰＳ衛星からの電波を受信するために、Ａアンテナ１とＢアンテナ２が既知距離ｌだけ離れて移動体に設けられている。
受信手段４の出力は信号検出復調手段５に接続されている。受信手段４および信号検出復調手段５発振器４の発生する同一クロックで動作させられる。
以上の構成により各アンテナ信号の検出が行われる。この信号は位置方位演算手段７に接続される。Ｃアンテナ９は基地局（図示せず）から送信された補正情報を受信し、補正情報受信機１０に接続する。位置方位演算手段７にはさらに、前記補正情報受信機１０からの補正情報が接続されている。位置方位演算手段７は航法メッセージ（このメッセージからアルマナックデータ、エフェメリデータ、ＧＰＳ時刻情報、電離層補正パラメータ導出が可能である）、搬送波の位相を導出する各手段を備えている。
【００３７】
動作について説明する。
ＧＰＳ受信手段４において２つのアンテナ１，２かからの電波の受信を行う。
前記受信手段４で同一クロックを用いて同時に受信された信号の周波数変換を行う。そして信号の検出と解読を行い航法メッセージ、搬送波の位相の導出を同一クロックで行う。
一方基準局（図示せず）から送信された補正情報受信を行う。航法メッセージからアルマナックデータ、エフェメリデータ、ＧＰＳ時刻情報、電離層補正パラメータを導出し、これらの情報と擬似距離、搬送波の位相、補正情報と既知アンテナ間距離情報が位置方位演算手段７のＧＰＳ位置・方位演算アルゴリズムで処理される。
【００３８】
エポックｔにおいて受信機Ａアンテナと受信機Ｂアンテナ間一重位相差ＤφｉＡＢ　（ｔ）受信機Ｘアンテナと基地局Ｒアンテナ間二重位相差Ｄ　ＤφｉｊＸＲ（ｔ）は下の方程式のようになる。
2004012286.tif 000018
2004012286.tif 000019
ここで、
ｒＫＸ（ｔ）はＧＰＳ信機アンテナＸと衛星ｋ間の距離
φＫＸ（ｔ）はＧＰＳ受信機アンテナＸで測定された衛星ｋからの搬送位相データ
【００３９】
同一クロックを用いているためアンテナ間一重位相差ＤφｉＡＢ　（ｔ）を演算することで受信機の内部時計誤差による位相データの誤差、衛星の時計誤差による位相データの誤差消去が可能であり、この（受信機アンテナ間）場合二重位相差の演算が必要で無い。
【００４０】
以上の式を用いて、衛星１を基準とし搬送波位相測定の幾何学、２アンテナ幾何学条件を含めたｎ個衛星測定方程式は以下の用になる。
2004012286.tif 000020
さらに、
2004012286.tif 000021
2004012286.tif 000022
2004012286.tif 000023
ここで、
ｌはアンテナＡとアンテナＢ間の既知距離
ｘ　ｉ　（ｔ）　，ｙ　ｉ（ｔ）　，ｚ　ｉ（ｔ）はｔ時刻でｉ番目の衛星の座標（衛星軌道情報により既知）
ｘ　Ａ　（ｔ）　，ｙ　Ａ（ｔ）　，ｚ　Ａ（ｔ）はｔ時刻でアンテナＡの座標
ｘ　Ｂ　（ｔ）　，ｙ　Ｂ（ｔ）　，ｚ　Ｂ（ｔ）はｔ時刻でアンテナＢの座標
ｒＫＸ（ｔ）はＧＰＳ受信機アンテナＸと衛星ｋ間の距離
ｒＫＲ（ｔ）は基地局受信機アンテナＲと衛星ｋ間の距離
△ｘ　Ａ　（ｔ）　，△ｙ　Ａ　（ｔ）　，△ｚ　Ａ　（ｔ）はｔ時刻でＡアンテナの位置座標補正値
△ｘ　Ｂ　（ｔ）　，△ｙ　Ｂ　（ｔ）　，△ｚ　Ｂ　（ｔ）はｔ時刻でＢアンテナの位置座標補正値
Ｄ　ＤφｉｊＸＲ（ｔ）はｔ時刻でｉ番目、ｊ番目衛星受信機Ｘ、基地局Ｒによる二重位相　（受信電波計測、補正データにより既知）
ＤφＡＢ（ｔ）はｔ時刻でｉ番目衛星受信機Ａ受信機Ｂによる一重位相　（受信電波計測より既知）
ＮｉｊＸＲはｉ番目、ｊ番目衛星受信機Ｘ、基地局Ｒによる二重位相の整数値アンビギュティ
ＮｉＡＢ　はｉ番目衛星、受信機Ａ、受信機Ｂによる一重位相の整数値アンビギュティ
ｃは光速
ｆは搬送波周波数
【００４１】
各整数アンビギュイティＮ　ｉｊＲＡ，　Ｎ　ｉｊＸＲＢ　，　Ｎ　ｉＡＢ値が収束するまで複数の時刻における式３９の解を最小２乗法で得ることで各アンテナの３次元座標推定が可能になる。この初期化アルゴリズムで得られた解はＦｌｏａｔ解と呼ばれる。
一旦収束したＮ　ｉｊＲＡ，　Ｎ　ｉｊＲＢ　，　Ｎ　ｉＡＢの値が得られると式３９は式６２のように書き表すことが出来る（ここで各　ｃ／ｆ　ＮｉｊＲＡ　，　ｃ／ｆ　ＮｉｊＲＢ　，　ｃ／ｆ　ＮｉＡＢのあたいは既知である）。
各ｃ／ｆ　Ｎ　ｉｊＲＡ　，　ｃ／ｆ　ＮｉｊＲＢ　，　ｃ／ｆ　ＮｉＡＢが既知であるのでこの式の解は最小２乗法で得られる。この式で得られた解はＦｉｘ解と呼ばれる。
2004012286.tif 000024
【００４２】
通常（単独アンテナを用いた）の補正データを用いた手段で導かれる方程式は衛星数が４個以下の場合では解が存在しない。以上の式６２では３衛星（一重位相３個・二重位相４個・ｎ＝３）の場合未知変数６つ（△ｘ　Ａ　，△ｙ　Ａ　，△ｚ　Ａ　，△ｘ　Ｂ　，△ｙ　Ｂ　，△ｚ　Ｂ）に対して８つの独立方程式が得られる。以上の方式を用いることで、受信している衛星が３衛星の場合でもＧＰＳのみを使用して３次元絶対位置算出ができるようになる。
アンテナＡとＢの座標の値からアンテナ間線分のピッチとヨーの演算を行う。ピッチとヨーは原点が現在位置・ｘ軸が東方向向き・ｙ軸が北方向向きの座標に対する車両座標系の回転角度として演算可能である。
以上のシステムはＧＰＳ適用範囲を大きく広げることができ、同時にピッチ、ヨーの推定、精度の向上もできる。
【００４３】
図９は実施例５の位置・方位演算処理アルゴリズムのフローチャート（ステップ５００〜５１７）を示している。この実施例は、基地局の情報を利用して演算される各受信アンテナと基地局の位相差を用いる点に特徴がある。
【００４４】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明よるシステムによれば、同時に受信された信号を同一クロックで処理することでレシーバクロックを表す未知変数が一つのみになる。幾何学条件を用いて未知変数を含めた測定方程式から独立した方程式が記述可能となる。この新たな方程式を用いることで従来の方式と比較すると（未知変数−未知数を含めた独立方程式）が低減される。
この結果同数の測定（衛星）でも演算可能となった。
【００４５】
本発明では複数アンテナの幾何学条件を用いることにより、測定に必要な衛星の数の低減が可能となり、測定可能な範囲を大きく広げることができ、同時に精度の向上もできる。
【００４６】
また、本発明では、前述のように、複数アンテナの幾何学条件や、同一クロックを用いない場合でも、前記第４，第５の実施例に示すように、移動体に複数のアンテナを搭載し、受信アンテナ間の二重位相差または一重位相差、と各受信アンテナと基地局アンテナ間二重位相差または一重位相差を用いて（未知変数−未知変数を含めた独立方程式）を低減し位置・姿勢を正確に推定できる。
【００４７】
以上詳しく説明した実施例について本発明の範囲内で種々の変形を施すことができる。そのようなものも本発明の範囲に含まれるべきものと理解されるべきである。本発明の実施例は何れも移動体の位置と姿勢を推定することができるように構成されているが、位置と姿勢のいずれかのみを推定する場合も本発明の範囲に含まれと理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるＧＰＳによる位置・姿勢推定システムを実行する第１の装置のブロック図である。
【図２】本発明によるＧＰＳによる位置・姿勢推定システムを実行する第２の装置のブロック図である。
【図３】本発明によるＧＰＳによる位置・姿勢推定システムを実行する第３の装置のブロック図である。
【図４】本発明によるＧＰＳによる位置・姿勢推定システムを実行する第４の装置のブロック図である。
【図５】本発明によるＧＰＳによる位置・姿勢推定シスの第１の実施例のフローチャートである。
【図６】本発明によるＧＰＳによる位置・姿勢推定シスの第２の実施例のフローチャートである。
【図７Ａ】本発明によるＧＰＳによる位置・姿勢推定シスの第３の実施例のフローチャートの主要部分を示す図である。
【図７Ｂ】図７Ａに示すフローチャートの一部を補充するためのフローチャートである。
【図８】本発明によるＧＰＳによる位置・姿勢推定シスの第４の実施例のフローチャートである。
【図９】本発明によるＧＰＳによる位置・姿勢推定シスの第５の実施例のフローチャートである。
【符号の説明】
１　Ａアンテナ
２　Ｂアンテナ
３　発振器
４　受信手段
５　信号検出復調手段
６　航法メッセージ疑似距離信号
７　位置方位演算手段
８　アンテナ間距離情報信号
９　Ｃアンテナ
１０　補正情報受信手段
【図１】
2004012286.tif 000025
【図２】
2004012286.tif 000026
【図３】
2004012286.tif 000027
【図４】
2004012286.tif 000028
【図５】
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【図６】
2004012286.tif 000030
【図７Ａ】
2004012286.tif 000031
【図７Ｂ】
2004012286.tif 000032
【図８】
2004012286.tif 000033
【図９】
2004012286.tif 000034