(57)【要約】【課題】本発明は、衛星航法が適用された測位系の受信装置において、測位に適用される航行衛星の速度または位置の速やかな識別を可能とする測位支援装置に関し、ハードウェアやソフトウェアの構成が大幅に変更されることなく、高い精度による測位の開始を安価に実現できることを目的とする。【解決手段】新たに測位に適用される航行衛星にかかわる物理量をフィードバック制御の下で求める測位支援装置であって、前記航行衛星から時系列の順に到来した航法データに応じて求められた前記物理量の列が前記フィードバック制御の過渡的な応答を示す式に代入された連立方程式の根として、前記物理量の収束値を推定する推定手段と、前記収束値を前記測位に適用する測位促進手段とを備える。【選択図】図１
2012021808.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
新たに測位に適用される航行衛星にかかわる物理量をフィードバック制御の下で求める測位支援装置であって、
前記航行衛星から時系列の順に到来した航法データに応じて求められた前記物理量の列が前記フィードバック制御の過渡的な応答を示す式に代入された連立方程式の根として、前記物理量の収束値を推定する推定手段と、
前記収束値を前記測位に適用する測位促進手段と
を備えたことを特徴とする測位支援装置。
【請求項２】
新たに測位に適用される航行衛星にかかわる物理量をフィードバック制御の下で求める測位支援装置であって、
前記航行衛星から時系列の順に到来した航法データに応じて求められた前記物理量の列が前記フィードバック制御の過渡的な応答を示す式に代入された複数Ｎ組の連立方程式の根として、前記速度の収束値のＮ個の候補を求め、前記Ｎ個の候補の内、誤差が最小であり、または所定の閾値を下回る特定の候補を前記収束値として推定する推定手段と、
前記特定の候補を前記測位に適用する測位促進手段と
を備えたことを特徴とする測位支援装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の測位支援装置において、
前記物理量は、
前記航行衛星の速度である
ことを特徴とする測位支援装置。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載の測位支援装置において、
前記物理量は、
前記航行衛星の距離である
ことを特徴とする測位支援装置。
【請求項５】
請求項１ないし請求項５の何れか１項に記載の測位支援装置において、
前記式は、
前記過渡的な応答を近似する近似式である
ことを特徴とする測位支援装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、衛星航法が適用された測位系の受信装置において、測位に適用される航行衛星の速度または位置の速やかな識別を可能とする測位支援装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧＰＳ(Global
Positioning System)を含むＧＮＳＳ(Global Navigation Satellite Systems)の受信装置の多くには、擬似距離の取得、受信波の搬送波周波数や位相の追尾をそれぞれ実現するＤＬＬ(Delay Lock Loop)、ＡＦＣ(Automatic Frequency Control)、ＰＬＬ(Phase Locked Loop)のようなフィードバック制御系が組み込まれている。
【０００３】
このような受信装置では、所望の測位の精度の確保を目的として、例えば、始動後、あるいは定常状態において測位に新たに適用されるべき何れのＧＰＳ衛星に関しても、フィードバック制御系に固有の時定数に応じた過渡応答が所望の精度で収束する時点まで待機した時点における値（≒理想的な収束値）として、距離や速度が識別されていた。
【０００４】
なお、本発明に関連する先行技術としては、後述する特許文献１に記載されるように、「バックアップ航法データを用いて、当該ＧＰＳ受信器の位置を判定する初期位置算出時間（ＴＴＦＦ）を低減するＧＰＳ受信器であって、前記バックアップ航法データを格納するための不揮発性記憶ユニットと、前記不揮発性記憶ユニットと情報のやり取りが可能なように連通し、前記不揮発性記憶ユニットから前記バックアップ航法データを読み出し、当該ＧＰＳ受信器の電源が投入されたときにＲＴＣ回路を用いることなくローカル時間基準を計算する機能を有し、更に、前記バックアップ航法データと前記ローカル時間基準とを用いて当該ＧＰＳ受信器についての位置の判定期間中の前記ＴＴＦＦを低減する機能を有する測位ユニットとを備える」ことにより、「ＲＴＣ回路を用いることなく、ローカル時間基準を計算することができ、かつ不揮発性記憶ユニットを用いてバックアップ航法データ格納するＧＰＳ受信器を提供し、前記ローカル時間基準およびバックアップ航法データは、ＧＰＳ受信器のＴＴＦＦを低減できる」点に特徴がある受信器がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１９７０８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上述した従来例では、上記過渡応答の収束に要する時間は、数秒と長いために、始動時から測位の開始に要する時間ＴＴＦＦ(Time to First Fix)の大半を占めていた。
しかし、近年、ＧＰＳ等を用いた測位系の用途やニーズが多様となり、特に、ＧＰＳ受信機を内蔵した携帯電話端末に組み込まれるアプリケーションシステムには、上記ＴＴＦＦの大幅な短縮が強く要望されつつある。
【０００７】
なお、図４(b) に示すように、上記過渡応答が十分に収束する前に開始された測位の結果には、一般に、数十メートルないし数百メートル以上の誤差を伴う。したがって、測位の精度が低下することなく、ＴＴＦＦの短縮が可能な技術が強く要望されていた。
【０００８】
本発明は、ハードウェアやソフトウェアの構成が大幅に変更されることなく、高い精度による測位の開始を安価に実現できる測位支援装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１に記載の発明では、新たに測位に適用される航行衛星にかかわる物理量をフィードバック制御の下で求める測位支援装置において、推定手段は、前記航行衛星から時系列の順に到来した航行データに応じて求められた前記物理量の列が前記フィードバック制御の過渡的な応答を示す式に代入された連立方程式の根として、前記物理量の収束値を推定する。測位促進手段は、前記収束値を前記測位に適用する。
すなわち、測位に適用される収束値は、上記フィードバック制御の過渡的な応答が収束する前に行われる算術演算により速やかに推定される。
【００１０】
請求項２に記載の発明では、新たに測位に適用される航行衛星にかかわる物理量をフィードバック制御の下で求める測位支援装置において、推定手段は、前記航行衛星から時系列の順に到来した航行データに応じて求められた前記物理量の列が前記フィードバック制御の過渡的な応答を示す式に代入された複数Ｎ組の連立方程式の根として、前記速度の収束値のＮ個の候補を求め、前記Ｎ個の候補の内、誤差が最小であり、または所定の閾値を下回る特定の候補を前記収束値として推定する。測位促進手段は、前記特定の候補を前記測位に適用する。
すなわち、測位に適用される収束値は、上記フィードバック制御の過渡的な応答が収束する前に行われる算術演算により、速やかに、かつ精度よく推定される。
【００１１】
請求項３に記載の発明では、請求項１または請求項２に記載の測位支援装置において、前記物理量は、前記航行衛星の速度である。
すなわち、測位に適用される物理量が航行衛星の速度である場合であっても、その速度の収束値は、既述の算術演算により、速やかに、かつ精度よく推定される。
【００１２】
請求項４に記載の発明では、請求項１または請求項２に記載の測位支援装置において、前記物理量は、前記航行衛星の距離である。
すなわち、測位に適用される物理量が航行衛星の距離である場合であっても、その距離の収束値は、既述の算術演算により、速やかに、かつ精度よく推定される。
【００１３】
請求項５に記載の発明では、請求項１ないし請求項５の何れか１項に記載の測位支援装置において、前記式は、前記過渡的な応答を近似する近似式である。
すなわち、収束値を算出するために行われる算術演算は、上記近似式の精度の範囲で処理量が無用に増加することなく高速に実現される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明が適用された測位系は、始動時だけではなく、測位に適用されるべき航行衛星が増加したときにも、測位の精度が低下することなく応答性が高められる。
また、本発明が適用された測位系は、始動時と、測位に適用されるべき航行衛星が増加したときにも、測位の精度が高く維持されつつ応答性が向上する。
【００１５】
さらに、本発明が適用された測位系は、測位の応答性が高められる。
また、本発明が適用された測位系によれば、所望の精度と応答性との何れもが得られる。
【００１６】
したがって、本発明によれば、航行衛星から到来する無線信号の伝搬路が頻繁に遮られる状態であっても、精度よく安定に測位が行われ、その測位の結果の多様な分野への適用が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態を示す図である。
【図２】本実施形態における信号処理部の動作フローチャートである。
【図３】本実施形態の動作を説明する図である。
【図４】従来例の課題を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態を示す図である。
図において、ＧＰＳ衛星（図示されない。）から無線信号が到来するアンテナ１１の給電点には、無線部１２のアンテナ端子が接続され、その無線部１２の出力は信号処理部１３の入力に接続される。信号処理部１３の出力には、上記ＧＰＳ衛星の位置（以下、「衛星位置」という。）、距離（以下、「衛星距離」という。）速度（以下、「衛星速度」という。），加速度（以下、「衛星加速度」という。）の全てまたは一部が出力される。
【００１９】
図２は、本実施形態における信号処理部の動作フローチャートである。
図３は、本実施形態の動作を説明する図である。
以下、図１〜図３を参照して本実施形態の動作を説明する。
【００２０】
本実施形態の各部の基本的な動作は、以下の通りである。
無線部１２は、ＧＰＳ衛星からアンテナ１１に到来した受信波を検波することにより中間周波信号を生成し、その中間周波信号をＡ／Ｄ変換することにより、ディジタル信号を生成する。
【００２１】
信号処理部１３は、以下の処理を行う。
(1) 所定のアルゴリズムに基づいてＧＰＳ衛星を順次選択し、選択された個々のＧＰＳ衛星について、受信波のドプラシフトを推定し、そのドップラシフトの中心値を含む所定の周波数帯域における受信波との相関をとる。
(2) 並行してＧＰＳ衛星から受信され得るＣ／Ａコードの内、該当するＧＰＳ衛星から受信されたＣ／Ａコードとの相関が最大となる周波数と、Ｃ／Ａコードの位相とを検出してＧＰＳ衛星を捕捉する。
【００２２】
(3) 何れのＧＰＳ衛星についても、捕捉を完了した後には、搬送波とＣ／Ａコードの位相との追尾を継続して行う。
(4) ＧＰＳ衛星から受信されるＣ／Ａコードの位相を測定することにより、受信波が送信された時刻（以下、「送信時刻」という。）を求める。
【００２３】
(5) 「本実施形態に係るＧＰＳ受信機（以下、単に「受信機」という。）に内蔵された時計（以下、「内蔵時計」という。）が与える時刻」の上記「送信時刻」に対する偏差を該当するＧＰＳ衛星から到来する受信波の伝搬所要時間Ｔとして求める。
(6) この伝搬所要時間Ｔと上記受信波の伝搬速度の公称値Ｃとの積として、ＧＰＳ衛星の擬似距離を求める。
【００２４】
(7) 受信波を復調することにより、アルマナック（軌道上の全てのＧＰＳ衛星の大まかな軌道情報を含む。）と、エフェメリス（受信波の送信元であるＧＰＳ衛星のクロック補正係数および軌道情報を含む。）とを取得する。
(8) 地球の中心を原点とする３次元座標系における個々のＧＰＳ衛星の衛星位置を上記エフェメリスに基づいて求める。
【００２５】
(9) これらのＧＰＳ衛星の内、４個以上のＧＰＳ衛星について、上記「送信時刻」における「衛星位置」および「擬似距離」に対して成立する連立方程式の解として、地球上における受信機の位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と、その受信機の「内蔵時計」が与える時刻の偏差とを求め、これらの位置および偏差を出力する。
【００２６】
本実施形態の特徴は、既述の処理(1)〜(9)（以下、「測位処理」という。）の過程において、アルマナックやエフェメリスに基づいて算出された「衛星距離」、「衛星速度」等の物理量の内、後続する測位処理に適用されるべき物理量が後述する手順に基づいて確定される点にある。
【００２７】
なお、ＧＰＳ衛星から到来した無線信号から上記物理量を単に算出する処理については、本発明の特徴ではなく、多様な公知技術を用いて実現可能であるのでは、ここでは、その説明を省略する。
【００２８】
信号処理部１３は、始動後における測位処理に適用されるべきＧＰＳ衛星、あるいは測位処理に新たに適用されるべきＧＰＳ衛星を識別すると、該当するGＰＳ衛星の「衛星距離」、「衛星速度」等の物理量を時系列の順に適宜算出する。
【００２９】
上記物理量は、無線部１２と信号処理部１３とに組み込まれ、かつ所定の機能分散や負荷分散の下で連係するフィードバック制御系（図示されない。）が介在することにより算出される。なお、このようなフィードバック系には、例えば、既述のＤＬＬ、ＡＦＣ、ＰＬＬ等が該当する。
【００３０】
したがって、フィードバック制御系との連係の下で時系列ｔの順に算出される物理量Ｖは、例えば、図３に太線で示すように、該当するフィードバック制御系の総合的な時定数τで変化する過渡的応答（以下、「観測値Ｖ」と表記する。）として与えられる。
【００３１】
このような観測値Ｖは、例えば、該当するＧＰＳ衛星に関して初めて算出されべき物理量（以下、「初期観測値Ｖ１」という。）、上記過渡応答の収束値Ｖ０、既述の時系列ｔおよび時定数τとに対して、下式で示される指数関数Ｖ(t) で近似する（あるいは表す）ことができる。
Ｖ(t)＝Ｖ１・exp(−ｔ／τ)＋Ｖ０  ・・・(a)
【００３２】
信号処理部１３は、図３に示すように、時系列ｔの順に異なる３つの時点（＝t1，t2，t3）における観測値（＝Ｖ(t1)，Ｖ(t2)，Ｖ(t3)）を求める（図２ステップＳ１，図３(1),(2),(3))と、以下の処理を行う。
【００３３】
(1) 上記３つの時点（＝t1，t2，t3）に後続する時点（＝t4〜tn）おける観測値（＝Ｖ(t4)〜Ｖ(tn)(≒Ｖ０)）を求める処理（以下、「収束値取得処理」という。）を省略する（図２ステップＳ２）。
【００３４】
(2) 上式(a) に、これらの時点（＝t1、t2、t3）および観測値（＝Ｖ(t1)，Ｖ(t2)，Ｖ(t3)）が代入されることによって構成される下記の連立方程式の解として、収束値Ｖ０を求める（図２ステップＳ３，図３(4)）。
Ｖ(t1)＝Ｖ１・exp(−ｔ1／τ)＋Ｖ０
Ｖ(t2)＝Ｖ１・exp(−ｔ2／τ)＋Ｖ０
Ｖ(t3)＝Ｖ１・exp(−ｔ3／τ)＋Ｖ０
【００３５】
(3) 図３に太線の直線で示すように、既述の「収束値取得処理」によって得られる観測値Ｖ(tn)に代えて上記収束値Ｖ０を適用することにより、「測位処理」を行う（図２ステップＳ４）。
【００３６】
すなわち、収束値Ｖ０は、既述の「収束値取得処理」に要する時間や処理量が削減されるにもかかわらず、精度よく高速に得られる。
【００３７】
このように本実施形態によれば、始動時だけではなく、測位に適用されるべきＧＰＳ衛星が増加するときにも、測位処理の応答性および精度が高く維持される。
したがって、本実施形態に係るＧＰＳ受信機は、地物（高層建築物等）や地形によってＧＰＳ衛星との間における無線信号の伝搬路が（頻繁に）阻害されあるいは途切れる地点と、建造物の内部や地下道から外部に移動した直後との何れにおける測位も、従来例に比べて大幅に高速に、かつ精度よく実現される。
【００３８】
また、既述の通りに行われる処理（図２ステップＳ１〜Ｓ４）は、「収束値取得処理」に比べて所要する処理量が大幅に少ないため、信号処理部１３の余剰の処理量の活用による確実な実現が可能である。
したがって、本実施形態によれば、ＧＰＳ等の既存の航行衛星を活用した多様な分野やニーズに対する柔軟な適応が可能となる。
【００３９】
なお、本実施形態では、既述の連立方程式は、未知数Ｖ１，τ，Ｖ０の総数「３」に等しい時点（＝t1、t2、t3）および観測値（＝Ｖ(t1)，Ｖ(t2)，Ｖ(t3)）が上式(a) に代入されることによって得られている。
【００４０】
しかし、このような収束値ｖ０を求める演算は、例えば、以下の演算で代替されてもよい。
(1) 上記連立方程式が「４つ以上の時点に関して得られた観測値が上式(a) に代入されることによって得られた複数組の連立方程式」で代替される。
(2) これらの複数組の連立方程式の個別の解が求められた後、これらの解の内、所望の基準に基づいて最も確からしい解に含まれる収束ｖ０が「測位処理」に適用されるべき収束値として採用される。なお、このような「最も確からしい解」の特定は、例えば、最小二乗法等に基づいて行われてもよい。
【００４１】
さらに、本実施形態では、既述の式(a) は、観測値Ｖが指数関数Ｖ(t) で近似（表わ）されることを前提として与えられ、連立方程式に反映されている。
【００４２】
しかし、このような式(a) は、信号処理部１３の余剰の処理量の限度内において、連立方程式の解が所望の応答性や精度で得られるならば、例えば、以下に列記する多様な式または関数で代替されてもよい。
(1) 式(a) が多項式等に展開（変換）されることによって得られる近似式
(2) 所望の精度の確保が可能な単調減少関数あるいは単調非増加関数
【００４３】
また、本実施形態では、フィードバック系は、既述のＤＬＬ、ＡＦＣ、ＰＬＬに限定されず、アナログ領域とディジタル領域との双方または何れか一方においてフィードバック制御が行われるハードウェアと、「測位演算の過程で算出され（求められ）た所望の物理量を後続する処理の過程で参照することによって、その物理量の更新を実現する多様なソフトウェア」との何れであってもよい。
【００４４】
さらに、本実施形態では、ＧＰＳ衛星に限定されず、例えば、構築や開発が進められているグロナス、ガリレオ、コンパスその他の多様な航行衛星にも同様に適用可能である。
【００４５】
また、本実施形態では、ＧＰＳ衛星およびこれに代わる航行衛星の位置は、如何なる座標系で与えられてもよい。
【００４６】
さらに、本実施形態では、本発明は、ＧＰＳ受信機の測位の精度を維持しつつ応答性を高めるために適用されている。
【００４７】
しかし、本発明は、このような用途や目的だけではなく、例えば、以下に列記するように、ＧＰＳ受信機の始動や起動に要する時間の短縮のためにも、同様に適用可能である。
【００４８】
(1) ＧＰＳ受信機内に有効なアルマナックが蓄積されているが、エフェメリスが記憶されてなく、あるいは先に記憶されているエフェメリスの有効期限が過ぎた後におけるウォームスタート
(2) ＧＰＳ受信機内に有効なアルマナックおよびエフェメリスが蓄積されている状態におけるホットスタート
【００４９】
また、本実施形態の演算対象や演算手順は、既述の形態に限らず、所望の精度や応答性が達成されるならば、如何なるものであってもよい。
さらに、本実施形態では、既述の処理は、信号処理部１３によって単独で行われている。
しかし、このような処理は、情報処理や信号処理を行う複数のプロセッサに如何なる形態で機能分散や負荷分散が図られてもよい。
【００５０】
また、本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の範囲において多様な実施形態の構成が可能であり、構成要素の全てまたは一部に如何なる改良が施されてもよい。
【符号の説明】
【００５１】
１１  アンテナ
１２  無線部
１３  信号処理部
【図１】
2012021808.tif 000003
【図２】
2012021808.tif 000004
【図３】
2012021808.tif 000005
【図４】
2012021808.tif 000006