(57)【要約】情報処理装置は、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ  Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ）衛星からの電波の周波数のドップラーシフトを計測し、衛星からの信号を用いて衛星と測定点の擬似距離を計測する。そして、ドップラーシフトと擬似距離を組み合わせて用いることで、測定点の位置を計算する。
2005017552.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧＰＳ衛星からの電波を用いて現在位置を測定する情報処理装置であって、
前記衛星からの電波の周波数のドップラーシフトを求めるドップラーシフト計測部と、
前記衛星からの信号を用いて、該衛星と測定点の擬似距離を求める距離計測部と、
前記衛星の航法データを取得するデータ取得部と、
前記航法データから前記衛星の位置および前記測定点と該衛星の相対速度を求め、得られた衛星の位置および相対速度、前記ドップラーシフト、および前記擬似距離を用いて、該測定点の位置を計算する演算部と
を備えることを特徴とする情報処理装置。
【請求項２】
前記ドップラーシフト計測部は、前記衛星からの信号と所定のコードの相関値を求めてコードシフト量を生成する相関器を含み、該相関器の出力から前記ドップラーシフトを求め、前記距離計測部は、該相関器が生成するコードシフト量から前記擬似距離を求めることを特徴とする請求項１記載の情報処理装置。
【請求項３】
前記演算部は、前記測定点と同じドップラーシフトが観測される円錐面の方程式と、該衛星と該測定点の距離を半径とする球面の方程式と、地球表面を表す方程式とを用いて、前記測定点の位置を計算することを特徴とする請求項１記載の情報処理装置。
【請求項４】
前記演算部は、前記円錐面の方程式、球面の方程式、および地球表面を表す方程式を用いて前記測定点の位置を２つ求め、測定点の大域的な位置情報を用いて２つの位置のうちの１つを選択することを特徴とする請求項３記載の情報処理装置。
【請求項５】
前記演算部は、前記衛星の時計と前記情報処理装置の時計が同期した後に、前記擬似距離を該衛星と前記測定点の実際の距離として用いて、前記測定点の位置を計算することを特徴とする請求項１記載の情報処理装置。
【請求項６】
ＧＰＳ衛星からの電波を用いて現在位置を測定する情報処理装置であって、
第１の衛星からの電波の周波数のドップラーシフトと、第２の衛星からの電波の周波数のドップラーシフトを求めるドップラーシフト計測部と、
前記第１の衛星からの信号を用いて、該第１の衛星と測定点の擬似距離を求め、前記第２の衛星からの信号を用いて、該第２の衛星と測定点の擬似距離を求める距離計測部と、
前記第１および第２の衛星の航法データを取得するデータ取得部と、
前記第１の衛星の航法データから該第１の衛星の位置および前記測定点と該第１の衛星の相対速度を求め、前記第２の衛星の航法データから該第２の衛星の位置および前記測定点と該第２の衛星の相対速度を求め、得られた第１の衛星の位置および相対速度、得られた第２の衛星の位置および相対速度、前記第１の衛星からの電波のドップラーシフト、前記第２の衛星からの電波のドップラーシフト、前記第１の衛星と測定点の擬似距離、および前記第２の衛星と測定点の擬似距離を用いて、該測定点の位置を計算する演算部と
を備えることを特徴とする情報処理装置。
【請求項７】
前記演算部は、前記第１の衛星からの電波のドップラーシフトの理論最大値を用いて計算される測定点の位置と、該第１の衛星からの電波のドップラーシフトの理論最小値を用いて計算される測定点の位置とを結ぶ第１の線分を求め、前記第２の衛星からの電波のドップラーシフトの理論最大値を用いて計算される測定点の位置と、該第２の衛星からの電波のドップラーシフトの理論最小値を用いて計算される測定点の位置とを結ぶ第２の線分を求め、得られた第１および第２の線分の交点の位置を計算することを特徴とする請求項６記載の情報処理装置。
【請求項８】
前記情報処理装置は、最初の衛星捕捉から一定時間経過後に再び同じ衛星を捕捉し、最初の捕捉時の衛星を第１の衛星とみなし、２回目の捕捉時の衛星を第２の衛星とみなして、前記測定点の位置を求めることを特徴とする請求項６記載の情報処理装置。
【請求項９】
ＧＰＳ衛星からの電波を用いて現在位置を測定する情報処理装置であって、
前記衛星からの電波の周波数のドップラーシフトを求めるドップラーシフト計測部と、
前記衛星からの信号を用いて、該衛星と測定点の擬似距離を求める距離計測部と、
前記ドップラーシフトと擬似距離を組み合わせて用いることで、前記測定点の位置を計算する演算部と
を備えることを特徴とする情報処理装置。
【請求項１０】
ＧＰＳ衛星からの電波を用いて現在位置を測定する情報処理装置のためのプログラムであって、
前記衛星からの電波の周波数のドップラーシフトを取得し、
前記衛星からの信号を用いて計測された該衛星と測定点の擬似距離を取得し、
前記衛星の航法データを取得し、
前記航法データから前記衛星の位置および前記測定点と該衛星の相対速度を求め、
得られた衛星の位置および相対速度、前記ドップラーシフト、および前記擬似距離を用いて、該測定点の位置を計算する
処理を前記情報処理装置に実行させることを特徴とするプログラム。
【請求項１１】
前記ドップラーシフトは、前記衛星からの信号と所定のコードの相関値を求めてコードシフト量を生成する相関器の出力から求められ、前記擬似距離は、該相関器が生成するコードシフト量から求められることを特徴とする請求項１０記載のプログラム。
【請求項１２】
前記情報処理装置は、前記測定点と同じドップラーシフトが観測される円錐面の方程式と、該衛星と該測定点の距離を半径とする球面の方程式と、地球表面を表す方程式とを用いて、前記測定点の位置を計算することを特徴とする請求項１０記載のプログラム。
【請求項１３】
前記情報処理装置は、前記円錐面の方程式、球面の方程式、および地球表面を表す方程式を用いて前記測定点の位置を２つ求め、測定点の大域的な位置情報を用いて２つの位置のうちの１つを選択することを特徴とする請求項１２記載のプログラム。
【請求項１４】
前記情報処理装置は、前記衛星の時計と前記情報処理装置の時計が同期した後に、前記擬似距離を該衛星と前記測定点の実際の距離として用いて、前記測定点の位置を計算することを特徴とする請求項１０記載のプログラム。
【請求項１５】
ＧＰＳ衛星からの電波を用いて現在位置を測定する情報処理装置のためのプログラムであって、
第１の衛星からの電波の周波数のドップラーシフトを取得し、
前記第１の衛星からの信号を用いて計測された該第１の衛星と測定点の擬似距離を取得し、
前記第１の衛星の航法データを取得し、
第２の衛星からの電波の周波数のドップラーシフトを取得し、
前記第２の衛星からの信号を用いて計測された該第２の衛星と測定点の擬似距離を取得し、
前記第２の衛星の航法データを取得し、
前記第１の衛星の航法データから該第１の衛星の位置および前記測定点と該第１の衛星の相対速度を求め、
前記第２の衛星の航法データから該第２の衛星の位置および前記測定点と該第２の衛星の相対速度を求め、
得られた第１の衛星の位置および相対速度、得られた第２の衛星の位置および相対速度、前記第１の衛星からの電波のドップラーシフト、前記第２の衛星からの電波のドップラーシフト、前記第１の衛星と測定点の擬似距離、および前記第２の衛星と測定点の擬似距離を用いて、該測定点の位置を計算する
処理を前記情報処理装置に実行させることを特徴とするプログラム。
【請求項１６】
前記情報処理装置は、前記第１の衛星からの電波のドップラーシフトの理論最大値を用いて計算される測定点の位置と、該第１の衛星からの電波のドップラーシフトの理論最小値を用いて計算される測定点の位置とを結ぶ第１の線分を求め、前記第２の衛星からの電波のドップラーシフトの理論最大値を用いて計算される測定点の位置と、該第２の衛星からの電波のドップラーシフトの理論最小値を用いて計算される測定点の位置とを結ぶ第２の線分を求め、得られた第１および第２の線分の交点の位置を計算することを特徴とする請求項１５記載のプログラム。
【請求項１７】
前記情報処理装置は、最初の衛星捕捉から一定時間経過後に再び同じ衛星を捕捉し、最初の捕捉時の衛星を第１の衛星とみなし、２回目の捕捉時の衛星を第２の衛星とみなして、前記測定点の位置を求めることを特徴とする請求項１５記載のプログラム。
【請求項１８】
ＧＰＳ衛星からの電波を用いて現在位置を測定する情報処理装置のためのプログラムであって、
前記衛星からの電波の周波数のドップラーシフトを取得し、
前記衛星からの信号を用いて計測された該衛星と測定点の擬似距離を取得し、
前記ドップラーシフトと擬似距離を組み合わせて用いることで、前記測定点の位置を計算する
処理を前記情報処理装置に実行させることを特徴とするプログラム。
【請求項１９】
ＧＰＳ衛星からの電波を用いて現在位置を測定する情報処理装置のためのプログラムを記録した記録媒体であって、
該プログラムは、
前記衛星からの電波の周波数のドップラーシフトを取得し、
前記衛星からの信号を用いて計測された該衛星と測定点の擬似距離を取得し、
前記衛星の航法データを取得し、
前記航法データから前記衛星の位置および前記測定点と該衛星の相対速度を求め、
得られた衛星の位置および相対速度、前記ドップラーシフト、および前記擬似距離を用いて、該測定点の位置を計算する
処理を前記情報処理装置に実行させることを特徴とする記録媒体。
【請求項２０】
ＧＰＳ衛星からの電波を用いて現在位置を測定する情報処理装置のためのプログラムを記録した記録媒体であって、
該プログラムは、
第１の衛星からの電波の周波数のドップラーシフトを取得し、
前記第１の衛星からの信号を用いて計測された該第１の衛星と測定点の擬似距離を取得し、
前記第１の衛星の航法データを取得し、
第２の衛星からの電波の周波数のドップラーシフトを取得し、
前記第２の衛星からの信号を用いて計測された該第２の衛星と測定点の擬似距離を取得し、
前記第２の衛星の航法データを取得し、
前記第１の衛星の航法データから該第１の衛星の位置および前記測定点と該第１の衛星の相対速度を求め、
前記第２の衛星の航法データから該第２の衛星の位置および前記測定点と該第２の衛星の相対速度を求め、
得られた第１の衛星の位置および相対速度、得られた第２の衛星の位置および相対速度、前記第１の衛星からの電波のドップラーシフト、前記第２の衛星からの電波のドップラーシフト、前記第１の衛星と測定点の擬似距離、および前記第２の衛星と測定点の擬似距離を用いて、該測定点の位置を計算する
処理を前記情報処理装置に実行させることを特徴とする記録媒体。
【請求項２１】
ＧＰＳ衛星からの電波を用いて現在位置を測定する情報処理装置のためのプログラムを記録した記録媒体であって、
該プログラムは、
前記衛星からの電波の周波数のドップラーシフトを取得し、
前記衛星からの信号を用いて計測された該衛星と測定点の擬似距離を取得し、
前記ドップラーシフトと擬似距離を組み合わせて用いることで、前記測定点の位置を計算する
処理を前記情報処理装置に実行させることを特徴とする記録媒体。
【請求項２２】
ＧＰＳ衛星からの電波を用いて現在位置を測定する情報処理装置のためのプログラムを搬送する搬送信号であって、
該プログラムは、
前記衛星からの電波の周波数のドップラーシフトを取得し、
前記衛星からの信号を用いて計測された該衛星と測定点の擬似距離を取得し、
前記衛星の航法データを取得し、
前記航法データから前記衛星の位置および前記測定点と該衛星の相対速度を求め、
得られた衛星の位置および相対速度、前記ドップラーシフト、および前記擬似距離を用いて、該測定点の位置を計算する
処理を前記情報処理装置に実行させることを特徴とする搬送信号。
【請求項２３】
ＧＰＳ衛星からの電波を用いて現在位置を測定する情報処理装置のためのプログラムを搬送する搬送信号であって、
該プログラムは、
第１の衛星からの電波の周波数のドップラーシフトを取得し、
前記第１の衛星からの信号を用いて計測された該第１の衛星と測定点の擬似距離を取得し、
前記第１の衛星の航法データを取得し、
第２の衛星からの電波の周波数のドップラーシフトを取得し、
前記第２の衛星からの信号を用いて計測された該第２の衛星と測定点の擬似距離を取得し、
前記第２の衛星の航法データを取得し、
前記第１の衛星の航法データから該第１の衛星の位置および前記測定点と該第１の衛星の相対速度を求め、
前記第２の衛星の航法データから該第２の衛星の位置および前記測定点と該第２の衛星の相対速度を求め、
得られた第１の衛星の位置および相対速度、得られた第２の衛星の位置および相対速度、前記第１の衛星からの電波のドップラーシフト、前記第２の衛星からの電波のドップラーシフト、前記第１の衛星と測定点の擬似距離、および前記第２の衛星と測定点の擬似距離を用いて、該測定点の位置を計算する
処理を前記情報処理装置に実行させることを特徴とする搬送信号。
【請求項２４】
ＧＰＳ衛星からの電波を用いて現在位置を測定する情報処理装置のためのプログラムを搬送する搬送信号であって、
該プログラムは、
前記衛星からの電波の周波数のドップラーシフトを取得し、
前記衛星からの信号を用いて計測された該衛星と測定点の擬似距離を取得し、
前記ドップラーシフトと擬似距離を組み合わせて用いることで、前記測定点の位置を計算する
処理を前記情報処理装置に実行させることを特徴とする搬送信号。
【請求項２５】
ＧＰＳ衛星からの電波を用いて現在位置を測定するＧＰＳ測位方法であって、
前記衛星からの電波の周波数のドップラーシフトを計測し、
前記衛星からの信号を用いて、該衛星と測定点の擬似距離を計測し、
前記衛星の航法データを取得し、
前記航法データから前記衛星の位置および前記測定点と該衛星の相対速度を求め、
得られた衛星の位置および相対速度、前記ドップラーシフト、および前記擬似距離を用いて、該測定点の位置を計算する
ことを特徴とするＧＰＳ測位方法。
【請求項２６】
ＧＰＳ衛星からの電波を用いて現在位置を測定するＧＰＳ測位方法であって、
第１の衛星からの電波の周波数のドップラーシフトを計測し、
前記第１の衛星からの信号を用いて、該第１の衛星と測定点の擬似距離を計測し、
前記第１の衛星の航法データを取得し、
第２の衛星からの電波の周波数のドップラーシフトを計測し、
前記第２の衛星からの信号を用いて、該第２の衛星と測定点の擬似距離を計測し、
前記第２の衛星の航法データを取得し、
前記第１の衛星の航法データから該第１の衛星の位置および前記測定点と該第１の衛星の相対速度を求め、
前記第２の衛星の航法データから該第２の衛星の位置および前記測定点と該第２の衛星の相対速度を求め、
得られた第１の衛星の位置および相対速度、得られた第２の衛星の位置および相対速度、前記第１の衛星からの電波のドップラーシフト、前記第２の衛星からの電波のドップラーシフト、前記第１の衛星と測定点の擬似距離、および前記第２の衛星と測定点の擬似距離を用いて、該測定点の位置を計算する
ことを特徴とするＧＰＳ測位方法。
【請求項２７】
ＧＰＳ衛星からの電波を用いて現在位置を測定するＧＰＳ測位方法であって、
前記衛星からの電波の周波数のドップラーシフトを計測し、
前記衛星からの信号を用いて、該衛星と測定点の擬似距離を計測し、
前記ドップラーシフトと擬似距離を組み合わせて用いることで、前記測定点の位置を計算する
ことを特徴とするＧＰＳ測位方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ  Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ）衛星のドップラー効果を利用して測位を行う情報処理装置およびＧＰＳ測位方法に関する。
【背景技術】  人工衛星（ＧＰＳ衛星）を利用したＧＰＳ測位の技術は、現在、車載装置、携帯情報端末（Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ａｓｓｉｓｔａｎｔ，ＰＤＡ）、携帯電話機、ＰＨＳ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ｈａｎｄｙｐｈｏｎｅ  Ｓｙｓｔｅｍ）、パーソナルコンピュータ等のような数多くの情報処理装置で利用されている。
ＧＰＳ測位は、大きく分けて単独測位と干渉測位に分けることができる。前者は、４つ以上のＧＰＳ衛星を捕捉し、測定点からそれぞれの衛星までの擬似距離を測定して、４個の未知数を含む連立方程式を解き、測定点の位置を算出する方法である。これに対して、後者は、波の干渉を利用し複数の測定点を使って測位する方法である。本発明は、前者の単独測位に関するものである。
ＧＰＳ測位に用いられる各ＧＰＳ衛星の航法データは、主にアルマナックデータとエフェメリスデータに分けられる。アルマナックデータは、すべてのＧＰＳ衛星のおおよその位置が分かるパラメータを記述しており、約２週間使用することができる。この時間制限は、ＧＰＳ衛星の軌道が時間とともにずれていくことによる制限であり、データの有効期間に対応する。
一方、エフェメリスデータは、それぞれの衛星軌道情報の詳細なパラメータを記述したデータであり、情報処理装置が各衛星の位置を算出する際に用いられる。エフェメリスデータの制限時間は、約２時間である。
図１は、従来の単独測位の動作フローチャートである。情報処理装置は、まず、ＧＰＳ衛星からの無線周波数（ＲＦ）帯の電波を受信し、ダウンコンバートして中間周波数（ＩＦ）帯の信号に変換する（ステップ１０１）。
次に、ＧＰＳ衛星からの電波の受信周波数を検索する（ステップ１０２）。このとき、ドップラー効果を考慮しながら、受信電波の信号にターゲット衛星のＣＡコード（Ｃｏａｒｓｅ  Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ  Ｃｏｄｅ）を掛け合わせて、ターゲット衛星からの情報を抽出する。
次に、ターゲット衛星からアルマナックデータおよびエフェメリスデータを受信する（ステップ１０３）。他の衛星からも、同様にして航法データを受信する。最近では、この航法データを他の無線ネットワーク等を介して受信することで、情報を補完するシステムも登場している。
次に、各ＧＰＳ衛星の電波投射時刻と電波受信時刻から、各ＧＰＳ衛星までの擬似距離を計算する（ステップ１０４）。そして、各ＧＰＳ衛星の航法データと擬似距離を用いて、測定点の位置を算出する（ステップ１０５）。
例えば、測定点の位置の座標を（ｘ，ｙ，ｚ）、捕捉したｉ番目の衛星の位置の座標をそれぞれ（ｘｉ，ｙｉ，ｚｉ）とすると、ステップ１０５の計算で用いられる方程式は次のようになる。
2005017552.tif 000003
ここで、Ｃｂは、衛星と情報処理装置の時計誤差に起因する量を表し、Ｒｉは、ｉ番目の衛星と測定点の擬似距離を表す。（ｘｉ，ｙｉ，ｚｉ）は、各衛星のエフェメリスデータから求めることができる。したがって、未知数はｘ、ｙ、ｚ、およびＣｂの４つであるから、捕捉衛星数が４つ以上になれば解が得られる。また、測定点を地球表面上に限定すれば、捕捉衛星数が３つでも解を得ることができる。
このように、単独測位には、一般に４つ以上のＧＰＳ衛星を捕捉する必要があるが、東京のように高層ビルが乱立する大都市では、同時にＧＰＳ衛星を４つ捕捉することは困難である。
例えば、図２に示すように、高層ビル群２０１〜２０６に囲まれた路上で、測定点がＡからＢに移動する場合を考えてみる。この場合、点ＡおよびＢでは四方が見えるため、捕捉できる衛星数も増加すると考えられるが、点Ａから点Ｂへの移動中は、高層ビル群２０２および２０５に邪魔されて、点Ａと点Ｂを結ぶ方向の衛星しか捕捉することができない。このため、必要な数の衛星を捕捉することができず、測位できないことになる。
この問題を解決するために、カーナビゲーション等では、ジャイロセンサ、傾斜センサ、車速センサ、マップマッチング等の技術を複合的に使用して補完処理を行っている。しかし、携帯電話機やＰＨＳを代表とする携帯端末での適用を考えると、現状ではまだ現実的ではない。
したがって、高層ビル街等においては、測位に必要な衛星数を削減することが望まれる。捕捉衛星数を削減するための１つの方法として、衛星移動に伴うドップラー効果を利用することが考えられる。
従来では、ドップラー効果を利用することで２つのＧＰＳ衛星からの受信信号から現在位置を概算する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、この方法では、測定点の位置を正確に求めることはできない。
【特許文献１】  日本特許出願  特開２０００−２３５０６７号公報
【発明の開示】
本発明の課題は、少数のＧＰＳ衛星からの受信信号を用いて測定点の位置を精度良く求めることができる情報処理装置およびＧＰＳ測位方法を提供することである。
本発明の情報処理装置は、ドップラーシフト計測部、距離計測部、データ取得部、および演算部を備え、ＧＰＳ衛星からの電波を用いて現在位置を測定する。
第１の測位方法において、ドップラーシフト計測部は、衛星からの電波の周波数のドップラーシフトを求め、距離計測部は、衛星からの信号を用いて、衛星と測定点の擬似距離を求める。データ取得部は、衛星の航法データを取得する。演算部は、航法データから衛星の位置および測定点と衛星の相対速度を求め、得られた衛星の位置および相対速度と、ドップラーシフトと、擬似距離とを用いて、測定点の位置を計算する。
第１の測位方法によれば、衛星と情報処理装置の時計が正確に同期している場合に、測定点の位置を精度良く求めることができる。
第２の測位方法において、ドップラーシフト計測部は、第１の衛星からの電波の周波数のドップラーシフトと、第２の衛星からの電波の周波数のドップラーシフトを求める。距離計測部は、第１の衛星からの信号を用いて、第１の衛星と測定点の擬似距離を求め、第２の衛星からの信号を用いて、第２の衛星と測定点の擬似距離を求める。データ取得部は、第１および第２の衛星の航法データを取得する。
演算部は、第１の衛星の航法データから第１の衛星の位置および測定点と第１の衛星の相対速度を求め、第２の衛星の航法データから第２の衛星の位置および測定点と第２の衛星の相対速度を求める。そして、得られた第１の衛星の位置および相対速度と、得られた第２の衛星の位置および相対速度と、第１の衛星からの電波のドップラーシフトと、第２の衛星からの電波のドップラーシフトと、第１の衛星と測定点の擬似距離と、第２の衛星と測定点の擬似距離とを用いて、測定点の位置を計算する。
第２の測位方法によれば、衛星と情報処理装置の時計が同期していない場合でも、測定点の位置を精度良く求めることができる。
ドップラーシフト計測部は、例えば、後述する図６の相関器６０４またはドップラーシフト計測モジュール６０９に対応し、距離計測部、データ取得部、および演算部は、例えば、図６の距離計測モジュール６０５、航法データ解析モジュール６０６、および演算回路６０７にそれぞれ対応する。
本発明によれば、好条件の下では１つのＧＰＳ衛星のみで、通常状態でも２つのＧＰＳ衛星のみで、測定点の位置を正確に算出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】  図１は、従来の単独測位の動作フローチャートである。
図２は、高層ビル街における測定点を示している。
図３は、測定点と同じドップラーシフトが観測される円錐面を示している。
図４は、ローレンツ変換効果を説明する図である。
図５は、ガリレオ変換効果を説明する図である。
図６は、情報処理装置の構成図である。
図７は、演算回路の構成図である。
図８は、本発明の単独測位の動作フローチャートである。
図９は、ドップラーシフトの理論最大値および理論最小値にそれぞれ対応する２つの測位点の位置を示している。
図１０は、２つの衛星のドップラーシフトの誤差にそれぞれ対応する２つの線分を示している。
【発明を実施するための最良の形態】  以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。
従来の単独測位では、前述したように、ＧＰＳ衛星と測定点の擬似距離を測定して測定点の位置を算出している。これは、測位瞬時の衛星配置とその距離から測定点の位置を導き出す方法である。
各衛星は、決められた軌道上を決められた速度で移動している。この移動によりドップラー効果が発生し、情報処理装置が衛星の情報を受信するためには、受信周波数をドップラー効果の分だけシフトした周波数に合わせる必要がある。このドップラーシフトを測定するため、情報処理装置は、衛星からの信号と情報処理装置自身が生成したＣＡコードの相関値をチェックし、所定の閾値以上の相関値が検出されると受信周波数をロックする方法をとっている。
つまり、情報処理装置は、その衛星のドップラーシフトを把握している。このドップラーシフトは、図３に示すように、地球３０１上の測定点３０２から対象の衛星３０３に対する視線方向の見かけのドップラーシフトである。
図３において、衛星３０３は軌道３０４上を速度ベクトル３０５に従って移動しており、見かけのドップラーシフトは、測定点３０２における視線方向の見かけの速度ベクトル３０６に応じて発生する。同様のドップラーシフトは、速度ベクトル３０５を中心軸として速度ベクトル３０６を回転させてできる円錐面３０７上の任意の点で観測される。このドップラーシフトに加えて衛星と測定点の距離が既知となれば、測定点の位置が算出できることは明白である。
次に、本実施形態における測位アルゴリズムを説明する。まず、電波のドップラー効果による周波数の変化には、以下の２つの要因がある。
（１）ローレンツ変換効果
（２）ガリレオ変換効果
ただし、一般相対論的効果については無視することにする。
＜ローレンツ変換効果＞
図４に示すように、ローレンツ変換の効果による周波数の変動は、観測者４０１から見てＧＰＳ衛星４０２が垂直方向に動いているような場合、すなわち、観測者４０１と衛星４０２の間の距離が変化しない瞬間でも起こる。これは、特殊相対論的効果である。
観測者４０１の固有時間でのサイクルタイムをＴｌｏｒｅｎｔｚ、衛星４０２の固有時間での電波のサイクルタイムをＴ０、衛星４０２から見た観測者４０１の速度（相対速度）をＶ、光速をｃとすると、ＴｌｏｒｅｎｔｚとＴ０の関係は、ローレンツ変換に従って次のように記述される。
2005017552.tif 000004
したがって、観測者４０１から見た周波数ωｌｏｒｅｎｔｚは、衛星の周波数をω０とすると次のように記述される。
2005017552.tif 000005
となる。このような電波の圧縮は、ローレンツ圧縮と呼ばれる。
＜ガリレオ変換効果＞
図５に示すように、ガリレオ変換の効果は、観測者４０１とＧＰＳ衛星４０２の距離が変化することによって起こり、音のドップラー効果と同じである。衛星４０２から見た観測者４０１の位置ベクトルを（ｘ，ｙ，ｚ）、衛星４０２と観測者４０１の距離をＬ、衛星４０２から見た観測者４０１の速度ベクトルを（ｕ，ｖ，ｗ）とすると、距離の変化率Ｖ１は、次のように記述される。
2005017552.tif 000006
また、ローレンツ変換効果とガリレオ変換効果の両方を考慮した、観測者４０１の固有時間でのサイクルタイムＴは、位置の変化率に比例して大きくなり、次のように記述される。
2005017552.tif 000007
式（５）に式（２）と式（４）を代入すると、次式が得られる。
2005017552.tif 000008
したがって、観測者４０１から見た周波数ωは、次のように記述される。
2005017552.tif 000009
式（７）を変形すると、次式が得られる。
2005017552.tif 000010
式（８）において特殊相対論的効果を無視すると、次式が得られる。
2005017552.tif 000011
ただし、Δωは周波数変動を表し、次式で与えられる。
2005017552.tif 000012
式（９）は３次元空間内の曲面を表現しており、図３に示した円錐面３０７がこれに相当する。さらに、衛星４０２と観測者４０１の距離Ｌは、次のように記述される。
2005017552.tif 000013
（１１）式は、３次元空間内の曲面である球面を表現している。
観測者４０１が使用する情報処理装置に時計誤差がなければ、衛星４０２の電波投射時刻と電波受信時刻の差からＬが正確に求められる。観測者４０１は、（９）式の円錐面と（１１）式の球面の交線上にいることになり、さらに地球表面上にいるという条件を加えると、解は通常２点に絞られる。それらの２点の解は、衛星軌道を間に挟む線対称の位置に現れる。測定点が衛星軌道直下に近ければ２点の解は近くなるが、通常、一方の解はとてつもなく離れたところに存在する。
したがって、例えば、測定点が日本にあるといった大域的な位置情報を用いたソフトウェアフィルタ等で２点の解をフィルタリングして、解を１点に絞り込むことが可能である。もちろん、衛星軌道直下に測定点があるときは、解は１つとなる。
このように、本実施形態の測位アルゴリズムによれば、一定の条件の下で、１つの衛星からの受信波のみを用いて測位点の位置を算出することができる。上述した測位アルゴリズムをまとめると、以下のようになる。
（ａ）特殊相対論的効果を考慮した場合
2005017552.tif 000014
ただし、（ｘ，ｙ，ｚ）は測定点の位置、（ｘ１，ｙ１，ｚ１）は衛星４０２の位置、（ｘＥ，ｙＥ，ｚＥ）は地球の中心位置、ＲＥは地球の半径、Ｌ１は測定点と衛星４０２の距離、（ｕ１，ｖ１，ｗ１）は衛星４０２から見た観測者４０１の速度である。
この場合、方程式（１２）〜（１４）を（ｘ，ｙ，ｚ）について解くと、２次方程式なので２組の解が得られる。そこで、あらかじめ分かっている測定点の大域的な位置情報を用いて、一方の解を選択する。
（ｂ）特殊相対論的効果を無視した場合
2005017552.tif 000015
ただし、Δωは（１０）式で表される。
この場合、方程式（１５）〜（１７）を（ｘ，ｙ，ｚ）について解くと、上記（ａ）の場合と同様に２組の解が得られる。そこで、大域的な位置情報を用いて、一方の解を選択する。
以下では、簡単のため、上記（ｂ）の特殊相対論的効果を無視した場合の測位アルゴリズムを用いた情報処理装置について説明する。
図６は、本実施形態の情報処理装置の構成図である。図６の情報処理装置は、アンテナ６０１、ＲＦダウンコンバータ（ＲＦＤＣ）部６０２、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器６０３、相関器６０４、距離計測モジュール６０５、航法データ解析モジュール６０６、演算回路６０７、および表示部６０８からなる。
上述した測位アルゴリズムの計算をソフトウェアにより実行する場合、演算回路６０７はコンピュータを用いて構成され、図７に示すように、ＣＰＵ（中央処理装置）７０１とメモリ７０２を含む。メモリ７０２は、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）およびＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）を含み、処理に必要なプログラムおよびデータを格納する。地球の中心位置（ｘＥ，ｙＥ，ｚＥ）と半径ＲＥ、ＧＰＳ衛星の周波数ω０、および光速ｃの値は、既知のデータとしてあらかじめメモリ７０２に格納される。
なお、処理に必要なプログラムおよびデータは、メモリカード、フレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ（Ｃｏｍｐａｃｔ  Ｄｉｓｋ  Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）、光ディスク、光磁気ディスク等の任意のコンピュータ読み取り可能な記録媒体を介して、情報処理装置にインストールすることができる。
また、情報処理装置は、無線ネットワーク等を介して、外部の装置（サーバ等）からプログラムおよびデータをダウンロードすることもできる。このとき、外部の装置は、プログラムおよびデータを搬送する搬送信号を生成し、無線ネットワーク上の伝送媒体を介して情報処理装置に送信する。
図８は、図６の情報処理装置による単独測位の動作フローチャートである。まず、アンテナ６０１は、ＧＰＳ衛星からの電波を受信し、ＲＦＤＣ部６０２は、受信波をＩＦ帯の信号に変換する（ステップ８０１）。
次に、Ａ／Ｄ変換器６０３は、ＲＦＤＣ部６０２から出力される信号をデジタル信号に変換し、相関器６０４は、得られたデジタル信号を元に受信周波数を検索する（ステップ８０２）。
このとき、相関器６０４は、Ａ／Ｄ変換器６０３から出力されるデジタル信号にターゲット衛星のＣＡコードを掛け合わせて、ドップラーシフト量Δωとコードシフト量を求め、Δωを演算回路６０７に出力し、コードシフト量を距離計測モジュール６０５に出力する。
次に、情報処理装置は、ターゲット衛星から航法データを受信し、航法データ解析モジュール６０６は、相関器６０４の出力から航法データを抽出して演算回路６０７に出力する（ステップ８０３）。
距離計測モジュール６０５は、コードシフト量から測定点とターゲット衛星の擬似距離を算出し、演算回路６０７に出力する（ステップ８０４）。ターゲット衛星と情報処理装置の時計誤差が十分小さい場合は、この擬似距離を測定点とターゲット衛星の距離Ｌ１として用いることができる。
演算回路６０７は、Δωと航法データを用いて円錐面のパラメータを計算する（ステップ８０５）。このとき、エフェメリスデータからターゲット衛星の位置（ｘ１，ｙ１，ｚ１）とターゲット衛星に対する測定点の相対速度（ｕ１，ｖ１，ｗ１）を求め、Δωとω０からωを求めて、式（１５）の定数項と未知数ｘ、ｙ、およびｚの係数を計算する。
次に、擬似距離をＬ１として用いて、方程式（１５）〜（１７）を（ｘ，ｙ，ｚ）について解き、測定点の位置を算出する（ステップ８０６）。ここで、解が２組得られた場合は、ソフトウェアフィルタ（大域的な位置情報）を用いて解を１組に絞り込む。表示部６０８は、算出された位置の情報を測位結果として画面に表示する。
図６の構成では、ターゲット衛星から受信した航法データを用いて測定点の位置を計算しているが、ネットワーク上に設けられたサーバからターゲット衛星の航法データを取得することも可能である。
また、相関器６０４を用いてドップラーシフト量Δωを計測する代わりに、ドップラーシフト計測モジュール６０９を別に設けてΔωを計測してもよい。この場合、ドップラーシフト計測モジュール６０９は、Ａ／Ｄ変換器６０３の出力信号からΔωを求めて演算回路６０７に出力する。
ところで、上述した測位アルゴリズムでは、衛星と情報処理装置の時計が正確に同期していることが前提条件となっている。このような条件は、通常、何らかの方法で単独測位を一度行った直後に有効となるが、最初の測位時には用いることができない。そこで、衛星と情報処理装置の時計が同期していない場合は、複数の衛星を用いて測位を行う必要がある。この場合の測位アルゴリズムを、以下に説明する。
２つのＧＰＳ衛星を用いた場合、式（１５）および（１６）が２組得られ、時計誤差を表す式（１）が２組得られ、さらに式（１７）が拘束条件として存在する。したがって、解くべき方程式は次の７つとなる。
2005017552.tif 000016
ただし、各パラメータの定義は以下の通りである。
（ｘ１，ｙ１，ｚ１）：第１の衛星の位置
（ｕ１，ｖ１，ｗ１）：第１の衛星に対する測定点の相対速度
Ｌ１：測定点と第１の衛星の距離
Ｒ１：測定点と第１の衛星の擬似距離
Δω１：第１の衛星のドップラーシフト量
ω１：第１の衛星の見かけの周波数
（ｘ２，ｙ２，ｚ２）：第２の衛星の位置
（ｕ２，ｖ２，ｗ２）：第２の衛星に対する測定点の相対速度
Ｌ２：測定点と第２の衛星の距離
Ｒ２：測定点と第２の衛星の擬似距離
Δω２：第２の衛星のドップラーシフト量
ω２：第２の衛星の見かけの周波数
ΔＴ：時計誤差（２つの衛星に共通）
距離Ｌｉと擬似距離Ｒｉの間には、Ｌｉ＝Ｒｉ−ｃΔＴの関係が成り立つので、方程式（２０）と（２２）は互いに従属しており、方程式（２１）と（２３）も互いに従属している。そこで、従属な２つの方程式を除くと、解くべき方程式の数は５つとなる。一方、未知数は、測定点の位置（ｘ，ｙ，ｚ）と時計誤差ΔＴの４つであるから、方程式が１つ余ることになる。この冗長性を利用すると、測位誤差を削減することが可能になる。
ここでは、誤差が混入する変量をΔωｉに限定する。Δωｉが変動すると、算出される測定点の位置は、地球表面上で図９のようにほぼ直線状に変化し、位置同定誤差を表す線分を形成する。実際には、測定点の位置は円弧状に変化するが、地球の半径は非常に大きいのでほぼ直線状に変化するものとみなせる。
図９において、衛星９０１は、速度ベクトル９０２に従って衛星軌道上を移動しており、地球表面９０７上の線分は、衛星の速度方向に平行となる。線分の始点９０６の位置（ｘ，ｙ，ｚ）は、Δωｉの理論最小値に対応するドップラー効果の円錐面９０４から算出され、終点９０５の位置（ｘ，ｙ，ｚ）は、Δωｉの理論最大値に対応する円錐面９０３から算出される。
Δωｉの理論最大値および理論最小値は、計測結果から推定されるドップラーシフト量の上限値および下限値を表す。例えば、Δωｉの最小計測単位が１Ｈｚであり、１２３４Ｈｚという計測結果が得られたとすると、理論最大値は１２３５Ｈｚとなり、理論最小値は１２３３Ｈｚとなる。
ここで、図１０に示すように、２つの衛星による計測結果から得られた２つの線分１００１および１００２が交われば、その交点１００３の位置が正確な位置に最も近いと考えられる。したがって、この位置を測位点の位置として採用すれば、測位誤差は極めて小さくなり、理論的には、Δωｉに起因する測位誤差はほぼ０となる。ただし、他の要因による誤差については、考慮していない。
このような測位アルゴリズムを用いた場合の基本的な動作は、図８と同様である。ただし、この場合、２つのターゲット衛星のそれぞれについて、ステップ８０１〜８０４の動作が行われる。そして、ステップ８０５および８０６において、演算回路６０７は、以下のような処理を行う。
（１−１）Δω１の理論最大値と方程式（１８）、（２２）、（２３）、および（２４）を用いて、（ｘ，ｙ，ｚ）とΔＴを求める。
（１−２）Δω１の理論最小値と方程式（１８）、（２２）、（２３）、および（２４）を用いて、（ｘ，ｙ，ｚ）とΔＴを求める。
（１−３）Δω２の理論最大値と方程式（１９）、（２２）、（２３）、および（２４）を用いて、（ｘ，ｙ，ｚ）とΔＴを求める。
（１−４）Δω２の理論最小値と方程式（１９）、（２２）、（２３）、および（２４）を用いて、（ｘ，ｙ，ｚ）とΔＴを求める。
（１−５）Δω１の理論最大値から求めた点とΔω１の理論最小値から求めた点を結ぶ第１の直線の方程式を求める。
（１−６）Δω２の理論最大値から求めた点とΔω２の理論最小値から求めた点を結ぶ第２の直線の方程式を求める。
（１−７）第１および第２の直線の交点を求め、得られた交点が次の２つの線分上にあることを確認する。
・Δω１の理論最大値から求めた点とΔω１の理論最小値から求めた点を結ぶ線分
・Δω２の理論最大値から求めた点とΔω２の理論最小値から求めた点を結ぶ線分
交点がいずれかの線分上にない場合は、Δωｉの最小計測単位を所定値だけ増加させて上記（１−１）〜（１−７）の処理を繰り返す。そして、２つの線分の交点が得られたとき、その交点の位置を測定点の位置として出力する。
このような測位アルゴリズムによれば、衛星と情報処理装置の時計が同期していない場合でも、２つの衛星からの受信波のみを用いて測位点の位置を算出することができる。また、同時に得られたΔＴを用いて情報処理装置の時計を衛星の時計に同期させれば、しばらくの間は、前述した１つの衛星のみによる単独測位が有効となる。
２つの衛星を捕捉する代わりに、測定点が動かない状態で１つの衛星を時間差で捕捉した場合も、同様の測位アルゴリズムが使用できる。この場合、情報処理装置は、最初の衛星捕捉から一定時間経過後に再び同じ衛星を捕捉し、最初の捕捉時の衛星を第１の衛星とみなし、２回目の捕捉時の衛星を第２の衛星とみなして、以下の手順で測位を行う。
（２−１）ターゲット衛星を捕捉し、それを第１の衛星とみなして上記（１−１）および（１−２）の処理を行う。
（２−２）一定時間経過後に改めて同じ衛星を捕捉し、それを第２の衛星とみなして上記（１−３）および（１−４）の処理を行う。
（２−３）上記（１−５）〜（１−７）の処理を行う。交点がいずれかの線分上にない場合の処理については、上述した通りである。
以上説明した実施形態では、１つまたは２つのＧＰＳ衛星を用いた測位方法について説明したが、測位に用いる衛星の数は１つまたは２つに限られるわけではなく、測位精度を向上させるためにより多くの衛星を用いても構わない。
【図１】
2005017552.tif 000017
【図２】
2005017552.tif 000018
【図３】
2005017552.tif 000019
【図４】
2005017552.tif 000020
【図５】
2005017552.tif 000021
【図６】
2005017552.tif 000022
【図７】
2005017552.tif 000023
【図８】
2005017552.tif 000024
【図９】
2005017552.tif 000025
【図１０】
2005017552.tif 000026
【手続補正書】
【提出日】平成17年12月9日(2005.12.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧＰＳ衛星からの電波を用いて現在位置を測定する情報処理装置であって、
前記衛星からの電波の周波数のドップラーシフトを求めるドップラーシフト計測部と、
前記衛星からの信号を用いて、該衛星と測定点の擬似距離を求める距離計測部と、
前記衛星の航法データを取得するデータ取得部と、
前記航法データから前記衛星の位置および前記測定点と該衛星の相対速度を求め、得られた衛星の位置および相対速度、前記ドップラーシフト、および前記擬似距離を用いて、該測定点の位置を計算する演算部と
を備えることを特徴とする情報処理装置。
【請求項２】
前記ドップラーシフト計測部は、前記衛星からの信号と所定のコードの相関値を求めてコードシフト量を生成する相関器を含み、該相関器の出力から前記ドップラーシフトを求め、前記距離計測部は、該相関器が生成するコードシフト量から前記擬似距離を求めることを特徴とする請求項１記載の情報処理装置。
【請求項３】
前記演算部は、前記測定点と同じドップラーシフトが観測される円錐面の方程式と、該衛星と該測定点の距離を半径とする球面の方程式と、地球表面を表す方程式とを用いて、前記測定点の位置を計算することを特徴とする請求項１記載の情報処理装置。
【請求項４】
前記演算部は、前記円錐面の方程式、球面の方程式、および地球表面を表す方程式を用いて前記測定点の位置を２つ求め、測定点の大域的な位置情報を用いて２つの位置のうちの１つを選択することを特徴とする請求項３記載の情報処理装置。
【請求項５】
前記演算部は、前記衛星の時計と前記情報処理装置の時計が同期した後に、前記擬似距離を該衛星と前記測定点の実際の距離として用いて、前記測定点の位置を計算することを特徴とする請求項１記載の情報処理装置。
【請求項６】
ＧＰＳ衛星からの電波を用いて現在位置を測定する情報処理装置であって、
前記衛星からの電波の周波数のドップラーシフトを求めるドップラーシフト計測部と、
前記衛星からの信号を用いて、該衛星と測定点の擬似距離を求める距離計測部と、
前記ドップラーシフトと擬似距離を組み合わせて用いることで、前記測定点の位置を計算する演算部と
を備えることを特徴とする情報処理装置。
【請求項７】
ＧＰＳ衛星からの電波を用いて現在位置を測定する情報処理装置のためのプログラムを記録した記録媒体であって、
該プログラムは、
前記衛星からの電波の周波数のドップラーシフトを取得し、
前記衛星からの信号を用いて計測された該衛星と測定点の擬似距離を取得し、
前記衛星の航法データを取得し、
前記航法データから前記衛星の位置および前記測定点と該衛星の相対速度を求め、
得られた衛星の位置および相対速度、前記ドップラーシフト、および前記擬似距離を用いて、該測定点の位置を計算する
処理を前記情報処理装置に実行させることを特徴とする記録媒体。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＧＰＳ（Global Positioning System ）衛星のドップラー効果を利用して測位を行う情報処理装置およびＧＰＳ測位方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
人工衛星（ＧＰＳ衛星）を利用したＧＰＳ測位の技術は、現在、車載装置、携帯情報端末（Personal Digital Assistant，ＰＤＡ）、携帯電話機、ＰＨＳ（Personal Handyphone System）、パーソナルコンピュータ等のような数多くの情報処理装置で利用されている。
【０００３】
ＧＰＳ測位は、大きく分けて単独測位と干渉測位に分けることができる。前者は、４つ以上のＧＰＳ衛星を捕捉し、測定点からそれぞれの衛星までの擬似距離を測定して、４個の未知数を含む連立方程式を解き、測定点の位置を算出する方法である。これに対して、後者は、波の干渉を利用し複数の測定点を使って測位する方法である。本発明は、前者の単独測位に関するものである。
【０００４】
ＧＰＳ測位に用いられる各ＧＰＳ衛星の航法データは、主にアルマナックデータとエフェメリスデータに分けられる。アルマナックデータは、すべてのＧＰＳ衛星のおおよその位置が分かるパラメータを記述しており、約２週間使用することができる。この時間制限は、ＧＰＳ衛星の軌道が時間とともにずれていくことによる制限であり、データの有効期間に対応する。
【０００５】
一方、エフェメリスデータは、それぞれの衛星軌道情報の詳細なパラメータを記述したデータであり、情報処理装置が各衛星の位置を算出する際に用いられる。エフェメリスデータの制限時間は、約２時間である。
【０００６】
図１は、従来の単独測位の動作フローチャートである。情報処理装置は、まず、ＧＰＳ衛星からの無線周波数（ＲＦ）帯の電波を受信し、ダウンコンバートして中間周波数（ＩＦ）帯の信号に変換する（ステップ１０１）。
【０００７】
次に、ＧＰＳ衛星からの電波の受信周波数を検索する（ステップ１０２）。このとき、ドップラー効果を考慮しながら、受信電波の信号にターゲット衛星のＣＡコード（Coarse
Acquisition Code ）を掛け合わせて、ターゲット衛星からの情報を抽出する。
【０００８】
次に、ターゲット衛星からアルマナックデータおよびエフェメリスデータを受信する（ステップ１０３）。他の衛星からも、同様にして航法データを受信する。最近では、この航法データを他の無線ネットワーク等を介して受信することで、情報を補完するシステムも登場している。
【０００９】
次に、各ＧＰＳ衛星の電波投射時刻と電波受信時刻から、各ＧＰＳ衛星までの擬似距離を計算する（ステップ１０４）。そして、各ＧＰＳ衛星の航法データと擬似距離を用いて、測定点の位置を算出する（ステップ１０５）。
【００１０】
例えば、測定点の位置の座標を（ｘ，ｙ，ｚ）、捕捉したｉ番目の衛星の位置の座標をそれぞれ（ｘi，ｙi，ｚi）とすると、ステップ１０５の計算で用いられる方程式は次のようになる。
【００１１】
【数１】
2005017552.tif 000027
【００１２】
ここで、Ｃｂは、衛星と情報処理装置の時計誤差に起因する量を表し、Ｒｉは、ｉ番目の衛星と測定点の擬似距離を表す。（ｘi，ｙi，ｚi）は、各衛星のエフェメリスデータから求めることができる。したがって、未知数はｘ、ｙ、ｚ、およびＣｂの４つであるから、捕捉衛星数が４つ以上になれば解が得られる。また、測定点を地球表面上に限定すれば、捕捉衛星数が３つでも解を得ることができる。
【００１３】
このように、単独測位には、一般に４つ以上のＧＰＳ衛星を捕捉する必要があるが、東京のように高層ビルが乱立する大都市では、同時にＧＰＳ衛星を４つ捕捉することは困難である。
【００１４】
例えば、図２に示すように、高層ビル群２０１〜２０６に囲まれた路上で、測定点がＡからＢに移動する場合を考えてみる。この場合、点ＡおよびＢでは四方が見えるため、捕捉できる衛星数も増加すると考えられるが、点Ａから点Ｂへの移動中は、高層ビル群２０２および２０５に邪魔されて、点Ａと点Ｂを結ぶ方向の衛星しか捕捉することができない。このため、必要な数の衛星を捕捉することができず、測位できないことになる。
【００１５】
この問題を解決するために、カーナビゲーション等では、ジャイロセンサ、傾斜センサ、車速センサ、マップマッチング等の技術を複合的に使用して補完処理を行っている。しかし、携帯電話機やＰＨＳを代表とする携帯端末での適用を考えると、現状ではまだ現実的ではない。
【００１６】
したがって、高層ビル街等においては、測位に必要な衛星数を削減することが望まれる。捕捉衛星数を削減するための１つの方法として、衛星移動に伴うドップラー効果を利用することが考えられる。
【００１７】
従来では、ドップラー効果を利用することで２つのＧＰＳ衛星からの受信信号から現在位置を概算する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、この方法では、測定点の位置を正確に求めることはできない。
【特許文献１】日本特許出願  特開２０００−２３５０６７号公報
【発明の開示】
【００１８】
本発明の課題は、少数のＧＰＳ衛星からの受信信号を用いて測定点の位置を精度良く求めることができる情報処理装置およびＧＰＳ測位方法を提供することである。
【００１９】
本発明の情報処理装置は、ドップラーシフト計測部、距離計測部、データ取得部、および演算部を備え、ＧＰＳ衛星からの電波を用いて現在位置を測定する。
【００２０】
第１の測位方法において、ドップラーシフト計測部は、衛星からの電波の周波数のドップラーシフトを求め、距離計測部は、衛星からの信号を用いて、衛星と測定点の擬似距離を求める。データ取得部は、衛星の航法データを取得する。演算部は、航法データから衛星の位置および測定点と衛星の相対速度を求め、得られた衛星の位置および相対速度と、ドップラーシフトと、擬似距離とを用いて、測定点の位置を計算する。
【００２１】
第１の測位方法によれば、衛星と情報処理装置の時計が正確に同期している場合に、測定点の位置を精度良く求めることができる。
【００２２】
第２の測位方法において、ドップラーシフト計測部は、第１の衛星からの電波の周波数のドップラーシフトと、第２の衛星からの電波の周波数のドップラーシフトを求める。距離計測部は、第１の衛星からの信号を用いて、第１の衛星と測定点の擬似距離を求め、第２の衛星からの信号を用いて、第２の衛星と測定点の擬似距離を求める。データ取得部は、第１および第２の衛星の航法データを取得する。
【００２３】
演算部は、第１の衛星の航法データから第１の衛星の位置および測定点と第１の衛星の相対速度を求め、第２の衛星の航法データから第２の衛星の位置および測定点と第２の衛星の相対速度を求める。そして、得られた第１の衛星の位置および相対速度と、得られた第２の衛星の位置および相対速度と、第１の衛星からの電波のドップラーシフトと、第２の衛星からの電波のドップラーシフトと、第１の衛星と測定点の擬似距離と、第２の衛星と測定点の擬似距離とを用いて、測定点の位置を計算する。
【００２４】
第２の測位方法によれば、衛星と情報処理装置の時計が同期していない場合でも、測定点の位置を精度良く求めることができる。
【００２５】
ドップラーシフト計測部は、例えば、後述する図６の相関器６０４またはドップラーシフト計測モジュール６０９に対応し、距離計測部、データ取得部、および演算部は、例えば、図６の距離計測モジュール６０５、航法データ解析モジュール６０６、および演算回路６０７にそれぞれ対応する。
【００２６】
本発明によれば、好条件の下では１つのＧＰＳ衛星のみで、通常状態でも２つのＧＰＳ衛星のみで、測定点の位置を正確に算出することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。
【００２８】
従来の単独測位では、前述したように、ＧＰＳ衛星と測定点の擬似距離を測定して測定点の位置を算出している。これは、測位瞬時の衛星配置とその距離から測定点の位置を導き出す方法である。
【００２９】
各衛星は、決められた軌道上を決められた速度で移動している。この移動によりドップラー効果が発生し、情報処理装置が衛星の情報を受信するためには、受信周波数をドップラー効果の分だけシフトした周波数に合わせる必要がある。このドップラーシフトを測定するため、情報処理装置は、衛星からの信号と情報処理装置自身が生成したＣＡコードの相関値をチェックし、所定の閾値以上の相関値が検出されると受信周波数をロックする方法をとっている。
【００３０】
つまり、情報処理装置は、その衛星のドップラーシフトを把握している。このドップラーシフトは、図３に示すように、地球３０１上の測定点３０２から対象の衛星３０３に対する視線方向の見かけのドップラーシフトである。
【００３１】
図３において、衛星３０３は軌道３０４上を速度ベクトル３０５に従って移動しており、見かけのドップラーシフトは、測定点３０２における視線方向の見かけの速度ベクトル３０６に応じて発生する。同様のドップラーシフトは、速度ベクトル３０５を中心軸として速度ベクトル３０６を回転させてできる円錐面３０７上の任意の点で観測される。このドップラーシフトに加えて衛星と測定点の距離が既知となれば、測定点の位置が算出できることは明白である。
【００３２】
次に、本実施形態における測位アルゴリズムを説明する。まず、電波のドップラー効果による周波数の変化には、以下の２つの要因がある。
（１）ローレンツ変換効果
（２）ガリレオ変換効果
ただし、一般相対論的効果については無視することにする。
＜ローレンツ変換効果＞
図４に示すように、ローレンツ変換の効果による周波数の変動は、観測者４０１から見てＧＰＳ衛星４０２が垂直方向に動いているような場合、すなわち、観測者４０１と衛星４０２の間の距離が変化しない瞬間でも起こる。これは、特殊相対論的効果である。
【００３３】
観測者４０１の固有時間でのサイクルタイムをＴlorentz、衛星４０２の固有時間での電波のサイクルタイムをＴ0、衛星４０２から見た観測者４０１の速度（相対速度）をＶ、光速をｃとすると、ＴlorentzとＴ0の関係は、ローレンツ変換に従って次のように記述される。
【００３４】
【数２】
2005017552.tif 000028
【００３５】
したがって、観測者４０１から見た周波数ωlorentzは、衛星の周波数をω0とすると次のように記述される。
【００３６】
【数３】
2005017552.tif 000029
【００３７】
となる。このような電波の圧縮は、ローレンツ圧縮と呼ばれる。
＜ガリレオ変換効果＞
図５に示すように、ガリレオ変換の効果は、観測者４０１とＧＰＳ衛星４０２の距離が変化することによって起こり、音のドップラー効果と同じである。衛星４０２から見た観測者４０１の位置ベクトルを（ｘ，ｙ，ｚ）、衛星４０２と観測者４０１の距離をＬ、衛星４０２から見た観測者４０１の速度ベクトルを（ｕ，ｖ，ｗ）とすると、距離の変化率Ｖ1は、次のように記述される。
【００３８】
【数４】
2005017552.tif 000030
【００３９】
また、ローレンツ変換効果とガリレオ変換効果の両方を考慮した、観測者４０１の固有時間でのサイクルタイムＴは、位置の変化率に比例して大きくなり、次のように記述される。
【００４０】
【数５】
2005017552.tif 000031
【００４１】
式（５）に式（２）と式（４）を代入すると、次式が得られる。
【００４２】
【数６】
2005017552.tif 000032
【００４３】
したがって、観測者４０１から見た周波数ωは、次のように記述される。
【００４４】
【数７】
2005017552.tif 000033
【００４５】
式（７）を変形すると、次式が得られる。
【００４６】
【数８】
2005017552.tif 000034
【００４７】
式（８）において特殊相対論的効果を無視すると、次式が得られる。
【００４８】
【数９】
2005017552.tif 000035
【００４９】
ただし、Δωは周波数変動を表し、次式で与えられる。
【００５０】
【数１０】
2005017552.tif 000036
【００５１】
式（９）は３次元空間内の曲面を表現しており、図３に示した円錐面３０７がこれに相当する。さらに、衛星４０２と観測者４０１の距離Ｌは、次のように記述される。
【００５２】
【数１１】
2005017552.tif 000037
【００５３】
（１１）式は、３次元空間内の曲面である球面を表現している。
【００５４】
観測者４０１が使用する情報処理装置に時計誤差がなければ、衛星４０２の電波投射時刻と電波受信時刻の差からＬが正確に求められる。観測者４０１は、（９）式の円錐面と（１１）式の球面の交線上にいることになり、さらに地球表面上にいるという条件を加えると、解は通常２点に絞られる。それらの２点の解は、衛星軌道を間に挟む線対称の位置に現れる。測定点が衛星軌道直下に近ければ２点の解は近くなるが、通常、一方の解はとてつもなく離れたところに存在する。
【００５５】
したがって、例えば、測定点が日本にあるといった大域的な位置情報を用いたソフトウェアフィルタ等で２点の解をフィルタリングして、解を１点に絞り込むことが可能である。もちろん、衛星軌道直下に測定点があるときは、解は１つとなる。
【００５６】
このように、本実施形態の測位アルゴリズムによれば、一定の条件の下で、１つの衛星からの受信波のみを用いて測位点の位置を算出することができる。上述した測位アルゴリズムをまとめると、以下のようになる。
（ａ）特殊相対論的効果を考慮した場合
【００５７】
【数１２】
2005017552.tif 000038
【００５８】
ただし、（ｘ，ｙ，ｚ）は測定点の位置、（ｘ1，ｙ1，ｚ1）は衛星４０２の位置、（ｘE，ｙE，ｚE）は地球の中心位置、ＲEは地球の半径、Ｌ1は測定点と衛星４０２の距離、（ｕ1，ｖ1，ｗ1）は衛星４０２から見た観測者４０１の速度である。
【００５９】
この場合、方程式（１２）〜（１４）を（ｘ，ｙ，ｚ）について解くと、２次方程式なので２組の解が得られる。そこで、あらかじめ分かっている測定点の大域的な位置情報を用いて、一方の解を選択する。
（ｂ）特殊相対論的効果を無視した場合
【００６０】
【数１３】
2005017552.tif 000039
【００６１】
ただし、Δωは（１０）式で表される。
【００６２】
この場合、方程式（１５）〜（１７）を（ｘ，ｙ，ｚ）について解くと、上記（ａ）の場合と同様に２組の解が得られる。そこで、大域的な位置情報を用いて、一方の解を選択する。
【００６３】
以下では、簡単のため、上記（ｂ）の特殊相対論的効果を無視した場合の測位アルゴリズムを用いた情報処理装置について説明する。
【００６４】
図６は、本実施形態の情報処理装置の構成図である。図６の情報処理装置は、アンテナ６０１、ＲＦダウンコンバータ（ＲＦＤＣ）部６０２、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器６０３、相関器６０４、距離計測モジュール６０５、航法データ解析モジュール６０６、演算回路６０７、および表示部６０８からなる。
【００６５】
上述した測位アルゴリズムの計算をソフトウェアにより実行する場合、演算回路６０７はコンピュータを用いて構成され、図７に示すように、ＣＰＵ（中央処理装置）７０１とメモリ７０２を含む。メモリ７０２は、ＲＯＭ（Read Only Memory）およびＲＡＭ（Random Access Memory）を含み、処理に必要なプログラムおよびデータを格納する。地球の中心位置（ｘE，ｙE，ｚE）と半径ＲE、ＧＰＳ衛星の周波数ω0、および光速ｃの値は、既知のデータとしてあらかじめメモリ７０２に格納される。
【００６６】
なお、処理に必要なプログラムおよびデータは、メモリカード、フレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ（Compact Disk Read Only Memory ）、光ディスク、光磁気ディスク等の任意のコンピュータ読み取り可能な記録媒体を介して、情報処理装置にインストールすることができる。
【００６７】
また、情報処理装置は、無線ネットワーク等を介して、外部の装置（サーバ等）からプログラムおよびデータをダウンロードすることもできる。このとき、外部の装置は、プログラムおよびデータを搬送する搬送信号を生成し、無線ネットワーク上の伝送媒体を介して情報処理装置に送信する。
【００６８】
図８は、図６の情報処理装置による単独測位の動作フローチャートである。まず、アンテナ６０１は、ＧＰＳ衛星からの電波を受信し、ＲＦＤＣ部６０２は、受信波をＩＦ帯の信号に変換する（ステップ８０１）。
【００６９】
次に、Ａ／Ｄ変換器６０３は、ＲＦＤＣ部６０２から出力される信号をデジタル信号に変換し、相関器６０４は、得られたデジタル信号を元に受信周波数を検索する（ステップ８０２）。
【００７０】
このとき、相関器６０４は、Ａ／Ｄ変換器６０３から出力されるデジタル信号にターゲット衛星のＣＡコードを掛け合わせて、ドップラーシフト量Δωとコードシフト量を求め、Δωを演算回路６０７に出力し、コードシフト量を距離計測モジュール６０５に出力する。
【００７１】
次に、情報処理装置は、ターゲット衛星から航法データを受信し、航法データ解析モジュール６０６は、相関器６０４の出力から航法データを抽出して演算回路６０７に出力する（ステップ８０３）。
【００７２】
距離計測モジュール６０５は、コードシフト量から測定点とターゲット衛星の擬似距離を算出し、演算回路６０７に出力する（ステップ８０４）。ターゲット衛星と情報処理装置の時計誤差が十分小さい場合は、この擬似距離を測定点とターゲット衛星の距離Ｌ１として用いることができる。
【００７３】
演算回路６０７は、Δωと航法データを用いて円錐面のパラメータを計算する（ステップ８０５）。このとき、エフェメリスデータからターゲット衛星の位置（ｘ1，ｙ1，ｚ1）とターゲット衛星に対する測定点の相対速度（ｕ1，ｖ1，ｗ1）を求め、Δωとω0からωを求めて、式（１５）の定数項と未知数ｘ、ｙ、およびｚの係数を計算する。
【００７４】
次に、擬似距離をＬ1として用いて、方程式（１５）〜（１７）を（ｘ，ｙ，ｚ）について解き、測定点の位置を算出する（ステップ８０６）。ここで、解が２組得られた場合は、ソフトウェアフィルタ（大域的な位置情報）を用いて解を１組に絞り込む。表示部６０８は、算出された位置の情報を測位結果として画面に表示する。
【００７５】
図６の構成では、ターゲット衛星から受信した航法データを用いて測定点の位置を計算しているが、ネットワーク上に設けられたサーバからターゲット衛星の航法データを取得することも可能である。
【００７６】
また、相関器６０４を用いてドップラーシフト量Δωを計測する代わりに、ドップラーシフト計測モジュール６０９を別に設けてΔωを計測してもよい。この場合、ドップラーシフト計測モジュール６０９は、Ａ／Ｄ変換器６０３の出力信号からΔωを求めて演算回路６０７に出力する。
【００７７】
ところで、上述した測位アルゴリズムでは、衛星と情報処理装置の時計が正確に同期していることが前提条件となっている。このような条件は、通常、何らかの方法で単独測位を一度行った直後に有効となるが、最初の測位時には用いることができない。そこで、衛星と情報処理装置の時計が同期していない場合は、複数の衛星を用いて測位を行う必要がある。この場合の測位アルゴリズムを、以下に説明する。
【００７８】
２つのＧＰＳ衛星を用いた場合、式（１５）および（１６）が２組得られ、時計誤差を表す式（１）が２組得られ、さらに式（１７）が拘束条件として存在する。したがって、解くべき方程式は次の７つとなる。
【００７９】
【数１４】
2005017552.tif 000040
【００８０】
ただし、各パラメータの定義は以下の通りである。
（ｘ1，ｙ1，ｚ1）：第１の衛星の位置
（ｕ1，ｖ1，ｗ1）：第１の衛星に対する測定点の相対速度
Ｌ1：測定点と第１の衛星の距離
Ｒ1：測定点と第１の衛星の擬似距離
Δω1：第１の衛星のドップラーシフト量
ω1：第１の衛星の見かけの周波数
（ｘ2，ｙ2，ｚ2）：第２の衛星の位置
（ｕ2，ｖ2，ｗ2）：第２の衛星に対する測定点の相対速度
Ｌ2：測定点と第２の衛星の距離
Ｒ2：測定点と第２の衛星の擬似距離
Δω2：第２の衛星のドップラーシフト量
ω2：第２の衛星の見かけの周波数
ΔＴ：時計誤差（２つの衛星に共通）
距離Ｌiと擬似距離Ｒiの間には、Ｌi＝Ｒi−ｃΔＴの関係が成り立つので、方程式（２０）と（２２）は互いに従属しており、方程式（２１）と（２３）も互いに従属している。そこで、従属な２つの方程式を除くと、解くべき方程式の数は５つとなる。一方、未知数は、測定点の位置（ｘ，ｙ，ｚ）と時計誤差ΔＴの４つであるから、方程式が１つ余ることになる。この冗長性を利用すると、測位誤差を削減することが可能になる。
【００８１】
ここでは、誤差が混入する変量をΔωiに限定する。Δωiが変動すると、算出される測定点の位置は、地球表面上で図９のようにほぼ直線状に変化し、位置同定誤差を表す線分を形成する。実際には、測定点の位置は円弧状に変化するが、地球の半径は非常に大きいのでほぼ直線状に変化するものとみなせる。
【００８２】
図９において、衛星９０１は、速度ベクトル９０２に従って衛星軌道上を移動しており、地球表面９０７上の線分は、衛星の速度方向に平行となる。線分の始点９０６の位置（ｘ，ｙ，ｚ）は、Δωiの理論最小値に対応するドップラー効果の円錐面９０４から算出され、終点９０５の位置（ｘ，ｙ，ｚ）は、Δωiの理論最大値に対応する円錐面９０３から算出される。
【００８３】
Δωiの理論最大値および理論最小値は、計測結果から推定されるドップラーシフト量の上限値および下限値を表す。例えば、Δωiの最小計測単位が１Ｈｚであり、１２３４Ｈｚという計測結果が得られたとすると、理論最大値は１２３５Ｈｚとなり、理論最小値は１２３３Ｈｚとなる。
【００８４】
ここで、図１０に示すように、２つの衛星による計測結果から得られた２つの線分１００１および１００２が交われば、その交点１００３の位置が正確な位置に最も近いと考えられる。したがって、この位置を測位点の位置として採用すれば、測位誤差は極めて小さくなり、理論的には、Δωiに起因する測位誤差はほぼ０となる。ただし、他の要因による誤差については、考慮していない。
【００８５】
このような測位アルゴリズムを用いた場合の基本的な動作は、図８と同様である。ただし、この場合、２つのターゲット衛星のそれぞれについて、ステップ８０１〜８０４の動作が行われる。そして、ステップ８０５および８０６において、演算回路６０７は、以下のような処理を行う。
（１−１）Δω1の理論最大値と方程式（１８）、（２２）、（２３）、および（２４）を用いて、（ｘ，ｙ，ｚ）とΔＴを求める。
（１−２）Δω1の理論最小値と方程式（１８）、（２２）、（２３）、および（２４）を用いて、（ｘ，ｙ，ｚ）とΔＴを求める。
（１−３）Δω2の理論最大値と方程式（１９）、（２２）、（２３）、および（２４）を用いて、（ｘ，ｙ，ｚ）とΔＴを求める。
（１−４）Δω2の理論最小値と方程式（１９）、（２２）、（２３）、および（２４）を用いて、（ｘ，ｙ，ｚ）とΔＴを求める。
（１−５）Δω1の理論最大値から求めた点とΔω1の理論最小値から求めた点を結ぶ第１の直線の方程式を求める。
（１−６）Δω2の理論最大値から求めた点とΔω2の理論最小値から求めた点を結ぶ第２の直線の方程式を求める。
（１−７）第１および第２の直線の交点を求め、得られた交点が次の２つの線分上にあることを確認する。
・Δω1の理論最大値から求めた点とΔω1の理論最小値から求めた点を結ぶ線分
・Δω2の理論最大値から求めた点とΔω2の理論最小値から求めた点を結ぶ線分
交点がいずれかの線分上にない場合は、Δωiの最小計測単位を所定値だけ増加させて上記（１−１）〜（１−７）の処理を繰り返す。そして、２つの線分の交点が得られたとき、その交点の位置を測定点の位置として出力する。
【００８６】
このような測位アルゴリズムによれば、衛星と情報処理装置の時計が同期していない場合でも、２つの衛星からの受信波のみを用いて測位点の位置を算出することができる。また、同時に得られたΔＴを用いて情報処理装置の時計を衛星の時計に同期させれば、しばらくの間は、前述した１つの衛星のみによる単独測位が有効となる。
【００８７】
２つの衛星を捕捉する代わりに、測定点が動かない状態で１つの衛星を時間差で捕捉した場合も、同様の測位アルゴリズムが使用できる。この場合、情報処理装置は、最初の衛星捕捉から一定時間経過後に再び同じ衛星を捕捉し、最初の捕捉時の衛星を第１の衛星とみなし、２回目の捕捉時の衛星を第２の衛星とみなして、以下の手順で測位を行う。
（２−１）ターゲット衛星を捕捉し、それを第１の衛星とみなして上記（１−１）および（１−２）の処理を行う。
（２−２）一定時間経過後に改めて同じ衛星を捕捉し、それを第２の衛星とみなして上記（１−３）および（１−４）の処理を行う。
（２−３）上記（１−５）〜（１−７）の処理を行う。交点がいずれかの線分上にない場合の処理については、上述した通りである。
【００８８】
以上説明した実施形態では、１つまたは２つのＧＰＳ衛星を用いた測位方法について説明したが、測位に用いる衛星の数は１つまたは２つに限られるわけではなく、測位精度を向上させるためにより多くの衛星を用いても構わない。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】従来の単独測位の動作フローチャートである。
【図２】高層ビル街における測定点を示している。
【図３】測定点と同じドップラーシフトが観測される円錐面を示している。
【図４】ローレンツ変換効果を説明する図である。
【図５】ガリレオ変換効果を説明する図である。
【図６】情報処理装置の構成図である。
【図７】演算回路の構成図である。
【図８】本発明の単独測位の動作フローチャートである。
【図９】ドップラーシフトの理論最大値および理論最小値にそれぞれ対応する２つの測位点の位置を示している。
【図１０】２つの衛星のドップラーシフトの誤差にそれぞれ対応する２つの線分を示している。
【国際調査報告】
2005017552.tif 000041
2005017552.tif 000042
2005017552.tif 000043
2005017552.tif 000044