(57)【要約】【課題】従来よりも少ない計算量で、クロックバイアスおよび受信機位置を取得できるクロックバイアス推定方法および測位方法を実現する。【解決手段】４個以上のＧＰＳ信号を追尾したことを確認すると（Ｓ１０１，Ｓ１０２：Ｙｅｓ）、各ＧＰＳ信号の相関結果から得られた擬似距離と、バックアップの受信機位置を既知数とし、クロックバイアスの秒オーダークロックバイアスおよびミリ秒オーダークロックバイアスを未知数として、航法フィルタを設定し、未知数を算出する（Ｓ１０３）。この処理を、それぞれにＧＰＳ衛星の組合せが異なる３組で実施する。それぞれに算出されたクロックバイアスが所定閾値以内であれば（Ｓ１０４：Ｙｅｓ）、算出したクロックバイアスを、算出タイミングでのクロックバイアスに採用し、バックアップの受信機位置を、算出タイミングでの受信機位置に設定する（Ｓ１０５）。【選択図】  図１
2013186013.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
４個以上の測位衛星を追尾して、それぞれに擬似距離を算出する工程と、
バックアップされている受信機位置を正しいと仮定し、ＧＰＳ時刻と受信機の時刻との差であるクロックバイアスを秒オーダークロックバイアスとミリ秒オーダークロックバイアスに分けて未知数とし、当該クロックバイアスに関する未知数を算出する第１演算処理を、測位可能な測位衛星のうち２衛星を選択してその組合せ毎に実行する工程と、
前記第１演算処理によってそれぞれの衛星の組合せ毎に算出されたクロックバイアスの差が所定閾値以内であれば、当該算出したクロックバイアスを採用する工程と、
を有するクロックバイアス推定方法。
【請求項２】
請求項１に記載のクロックバイアス推定方法であって、
前記第１演算処理で算出されたクロックバイアスの差が所定閾値よりも大きい場合には、
５個以上の測位衛星を追尾して、それぞれに擬似距離を算出する工程と、
前記受信機位置を前記クロックバイアスとともに未知数として第２演算処理を行う工程と、
該第２演算処理で算出されたクロックバイアスを採用する工程と、
を有するクロックバイアス推定方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のクロックバイアス推定方法の各工程を有し、
前記第１演算処理で算出したクロックバイアスを採用した場合には、
前記バックアップされている受信機位置を採用する、測位方法。
【請求項４】
請求項２に記載のクロックバイアス推定方法の各工程を有し、
前記第２演算処理で算出した受信機位置を採用する、測位方法。
【請求項５】
演算処理装置に、４個以上の測位衛星を追尾させ、追尾結果からそれぞれに擬似距離を算出させる処理と、
前記演算処理装置に、バックアップされている受信機位置を正しいと仮定して、ＧＰＳ時刻と受信機の時刻との差であるクロックバイアスを秒オーダークロックバイアスとミリ秒オーダークロックバイアスに分けて未知数とし、当該クロックバイアスに関する未知数を算出する第１演算処理を、測位可能な測位衛星のうち２衛星を選択してその組合せ毎に実行させる機能と、
前記演算処理装置に、前記第１演算処理によってそれぞれの衛星の組合せ毎に算出されたクロックバイアスの差が所定閾値以内であれば、当該算出したクロックバイアスを採用させる機能と、
を含むクロックバイアス推定プログラム。
【請求項６】
請求項５に記載のクロックバイアス推定プログラムの各処理を含み、
前記第１演算処理で算出したクロックバイアスが採用された場合には、
前記バックアップされている受信機位置を前記演算処理装置に採用させる処理、を含む測位プログラム。
【請求項７】
４個以上の測位衛星を追尾して、それぞれに擬似距離を算出する測位信号受信部と、
バックアップされている受信機位置を正しいと仮定して、ＧＰＳ時刻と受信機の時刻との差であるクロックバイアスを秒オーダークロックバイアスとミリ秒オーダークロックバイアスに分けて未知数とし、当該クロックバイアスに関する未知数を算出する第１演算処理を、測位可能な測位衛星のうち２衛星を選択してその組合せ毎に実行する測位演算部とを備え、
該測位演算部は、
前記第１演算処理によってそれぞれの衛星の組合せ毎に算出されたクロックバイアスの差が所定閾値以内であれば、当該算出したクロックバイアスを採用するクロックバイアス推定装置。
【請求項８】
請求項７に記載のクロックバイアス推定装置の各部を備え、
前記測位演算部は、
前記第１演算処理で算出したクロックバイアスを採用した場合には、
前記バックアップされている受信機位置を採用する、測位装置。
【請求項９】
請求項８に記載の測位装置を備え、
前記測位演算部の測位演算結果を用いて所定のアプリケーションを実行するアプリケーション処理部を、備える移動端末。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＧＮＳＳにおける衛星時刻と受信機時刻との差であるクロックバイアスが未知の状態から測位に至るまでのクロックバイアス推定方法、およびこのようなタイミングで実行する測位方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ  Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ  Ｓｙｔｅｍ）信号等のＧＮＳＳ（Ｇｌｏｂａｌ  Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ  Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ  Ｓｙｓｔｅｍ）信号を用いて測位する測位装置が各種考案されている。以下、ＧＰＳを例に説明する。
【０００３】
このような測位装置では、擬似距離等を観測値（既知数）とし、受信機位置および受信機時刻を推定値（未知数）とする航法方程式を用いて、受信機位置を推定する。
【０００４】
このような測位装置では、ＧＰＳ時刻に大きな誤差（例えば１００ｍｓｅｃ．以上の誤差）を有する場合には、推定精度が低下してしまう。
【０００５】
このため、特許文献１では、ＧＰＳ衛星を５個以上追尾した状態で、ＧＰＳ時刻の誤差を含む航法方程式を用い、当該航法方程式の要素を線形化近似して解く方法を用いている。特許文献２では、ＧＰＳ衛星を５個以上追尾した状態で、測位結果に対する残差の自乗和を最小にするように、復元したＧＰＳ時刻を調整している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】ＵＳ６，１９１，７３１
【特許文献２】ＷＯ  ９９／５３３３８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述の各特許文献に記載の方法では、追尾可能なＧＰＳ衛星数が常時５個以上必要となる。また、特許文献１に記載の方法では、線形近似を用いているため、少なからず誤差が生じ、特に受信機位置が真値から大きくずれていた時には収束させることが容易ではない場合もある。また、特許文献２に記載の方法では、推定演算処理からＧＰＳ時刻を直接算出できるわけではなく、特に受信機が復元したＧＰＳ時刻が秒オーダーの誤差を有する場合には、ＧＰＳ時刻の計算のアルゴリズムが複雑になり計算量も増加してしまう。
【０００８】
本発明の目的は、従来よりも精度よく、且つ少ない計算量で、ＧＰＳ時刻と受信機時刻との差であるクロックバイアスを推定できるクロックバイアス推定方法および測位方法を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明は、ＧＰＳ衛星時刻と受信機時刻との差であるクロックバイアスの推定方法に関する。このクロックバイアス推定方法では、次の各工程を有することを特徴としている。
【００１０】
（Ａ）４個の測位衛星を追尾して、それぞれに擬似距離を算出する工程、
（Ｂ）バックアップされている受信機位置を正しいと仮定して、ＧＰＳ時刻と受信機の時刻との差であるクロックバイアスを秒オーダークロックバイアスとミリ秒オーダークロックバイアスに分けて未知数とし、当該クロックバイアスに関する未知数を算出する第１演算処理を、測位可能な衛星のうちの２衛星を選択して、その組合せ毎に実行する工程、
（Ｃ）第１演算処理によってそれぞれの衛星の組合せ毎に算出されたクロックバイアスの差が所定閾値以内であれば、当該算出したクロックバイアスを現時点でのクロックバイアスとして採用する工程。
【００１１】
この方法では、未知数が秒オーダークロックバイアスとミリ秒オーダークロックバイアスであるので、追尾中の測位衛星が２個有れば、それらのクロックバイアスを算出できる。
【００１２】
測位衛星が４個以上有れば、それらから２個の測位衛星の組合せを複数とり、その組合せ毎にクロックバイアスを計算することで、測位衛星が２個のみで計算するよりも精度が向上するとともに、推定したクロックバイアスが正しいかどうかの判断をすることができる。未知数が２個であるので、非常に容易且つ簡素な推定をすることが可能である。
【００１３】
第1演算処理で計算した２個の測位衛星の組でのクロックバイアスの差が閾値以下の場合、算出したクロックバイアスを現時点でのクロックバイアスに採用し、受信機位置は、バックアップされている受信機位置と同じであると想定できるので、当該バックアップされている受信機位置を現時点の受信機位置に設定する。
【００１４】
また、この発明のクロックバイアス推定方法では、さらに次の工程を有することを特徴としている。
【００１５】
（Ｄ）第１演算処理で算出された複数のクロックバイアスの差が所定閾値よりも大きい場合には、５個以上の測位衛星を追尾して、それぞれに擬似距離を算出する工程、
（Ｅ）受信機位置をクロックバイアスとともに未知数として第２演算処理を行う工程、
（Ｆ）第２演算処理で算出されたクロックバイアスを、現時点のクロックバイアスとして採用する工程。
【００１６】
この方法では、上述の４個以上の測位衛星の擬似距離から算出されたクロックバイアスが大きな誤差を有する場合の処理を示している。この誤差の原因は、現時点での受信機位置がバックアップされている受信機位置とは大きく異なるからである。この場合、受信機位置も未知数として、２個のクロックバイアスとともに推定算出する。この場合、未知数が秒オーダークロックバイアス、ミリ秒オーダークロックバイアス、３次元の受信機位置であるので、５個以上の測位衛星が有ればよい。
【００１７】
また、この発明の測位方法では、上述のクロックバイアス推定方法の各工程を有し、第２推定演算で算出した受信機位置を、現時点での受信機位置に設定する。
【００１８】
この方法では、５個の測位衛星からの擬似距離を用いてクロックバイアスと受信機位置を推定した場合を示している。
【発明の効果】
【００１９】
この発明によれば、従来より少ない計算量で受信機位置およびクロックバイアスを推定算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態に係るクロックバイアス推定方法および測位方法のフローチャートである。
【図２】本発明の実施形態に係る測位装置１０を含む移動端末１のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明の実施形態に係るクロックバイアス推定方法および測位方法について、図を３照して説明する。なお、本実施形態では、ＧＮＳＳの１種であるＧＰＳにおいて、ＧＰＳ衛星からのＧＰＳ信号を受信して、ＧＰＳ時刻と受信機時刻との差であるクロックバイアスを推定算出し、受信機位置を推定算出する方法について説明する。図１は本発明の実施形態に係るクロックバイアス推定方法および測位方法のフローチャートである。
【００２２】
まず、ＧＰＳ衛星からのＧＰＳ信号を受信して、ＧＰＳ信号の捕捉、追尾を行う（Ｓ１０１）。各ＧＰＳ衛星から放送されるＧＰＳ信号は、ＧＰＳ衛星毎に固有の拡散コード（Ｃ／Ａコード）でコード変調されているので、各ＧＰＳ衛星のＧＰＳ信号同士を識別することが可能である。
【００２３】
次に、追尾可能なＧＰＳ衛星数（ＧＰＳ信号数）を確認し、ＧＰＳ衛星数が４個に満たない場合には（Ｓ１０２：Ｎｏ）、上述の捕捉、追尾処理を繰り返す。
【００２４】
追尾可能なＧＰＳ衛星数が４個以上である場合（Ｓ１０２：Ｙｅｓ）、次の航法方程式を解き、クロックバイアスを推定演算する（Ｓ１０３）。ここで、クロックバイアスとは、ＧＰＳ時刻と受信機時刻との差である。さらに、本願では、クロックバイアスを、秒単位で示す秒オーダークロックバイアスと、ミリ秒単位で示すミリ秒オーダークロックバイアスと、に分離して推定する。ここで、ミリ単位とは、実数であり、ミリ秒以下の値も含んでいるものとする。
【００２５】
まず、ＧＮＳＳの航法方程式、および、これに用いる各変数記号について説明する。
【００２６】
ｉ：衛星番号、ｔＲ：受信機時刻、ｔＧ：ＧＰＳ時刻、
ｔｆ，ｉ：衛星から受信機までの距離を時間の単位にしたもの、
ＰＲｉ（ｔＲ）：衛星番号ｉのＧＰＳ衛星（ＧＰＳ衛星ｉ）の受信機時刻ｔＲでの擬似距離（ただし、１ｍｓｅｃ．以下のコード位相分のみ）、
ｘｕｆ：ＥＣＥＦ（Ｅａｒｔｈ  ｃｅｎｔｅｒｅｄ，  ｅａｒｔｈ  ｆｉｘｅｄ）座標系での受信機初期位置（バックアップされている受信機位置（３次元ベクトル））、
Δｘｕ：受信機初期位置ｘｕｆから真の受信機位置までのＥＣＥＦ座標３次元ベクトル、
ｘｓ，ｉ（ｔＧ）：ＥＣＥＦ座標系でのＧＰＳ時刻ｔＧにおけるＧＰＳ衛星ｉの位置（３次元ベクトル）、
Ｂｕｆ：受信機の秒オーダークロックバイアスの初期値、
ΔＢｕ：秒オーダークロックバイアスの真値との差、
ｂｕ：ミリ秒オーダークロックバイアス
衛星番号ｉのＧＰＳ衛星（ＧＰＳ衛星ｉ）の受信機時刻ｔＲにおける擬似距離ＰＲｉ（ｔＲ）は、式１で表すことができる。
【００２７】
【数１】
2013186013.tif 000003
【００２８】
ここで、ベクトル量の自乗項である
【００２９】
【数２】
2013186013.tif 000004
【００３０】
はベクトルの内積を示し、式１が航法方程式である。また、受信機時刻ｔＲとＧＰＳ時刻ｔＧの関係は、式２で表すことができる。
【００３１】
【数３】
2013186013.tif 000005
【００３２】
ここで、ｔＧ（ｔＲ）の意味は、ＧＰＳ時刻ｔＧが受信機時刻ｔＲの関数として表されていることを明示したものである。式１においてＧＰＳ衛星ｉの位置の関数をテイラー展開等により近似し、式２を代入することで、式３が得られる。
【００３３】
【数４】
2013186013.tif 000006
【００３４】
ここで、ｘｓ，ｉ’は、ｉ番目のＧＰＳ衛星の速度（ＥＣＥＦ座標の３次元ベクトル）である。式３は第１演算処理、第２演算処理に共通な基本となる航法方程式である。第１演算処理の場合は、受信機位置をバックアップされている値と仮定して、式３で、受信機初期位置ｘｕｆから真の受信機位置までのＥＣＥＦ座標３次元ベクトルΔｘｕ＝０として、未知数である秒オーダークロックバイアスの真値との差ΔＢｕ、および、ミリ秒オーダークロックバイアスｂｕについて解けばよい。
【００３５】
第１演算処理では、未知数は秒オーダークロックバイアスの真値との差ΔＢｕ、および、ミリ秒オーダークロックバイアスｂｕの２個であるので、測位可能な衛星数が２個であれば解ける。４衛星であれば、２衛星の組合せは６通りあるが、独立な３通りの組合せで上記２個の未知数の解を算出する。
【００３６】
次に、３通りの組合せで得られた秒オーダークロックバイアスの真値との差ΔＢｕ、および、ミリ秒オーダークロックバイアスｂｕの差を算出し、この差が予め設定した所定閾値以下であるかを判定する（Ｓ１０４）。ここで、閾値は、受信機の位置算出精度の仕様に応じて設定すればよく、例えば、ＧＰＳ信号を用いて受信機位置精度を１０ｍ〜２０ｍ程度とすれば、閾値は２０ｍｓｅｃ．程度にすればよい。
【００３７】
誤差が所定閾値以下の場合（Ｓ１０４：Ｙｅｓ）、３通りの組合せで得られた秒オーダークロックバイアスの真値との差ΔＢｕ、および、ミリ秒オーダークロックバイアスｂｕの平均をとり、それを算出したタイミング（現時点）でのクロックバイアスに設定する。なお、秒オーダークロックバイアスの真値との差ΔＢｕ、および、ミリ秒オーダークロックバイアスｂｕは平均値に限るものでなく、最小値、中間値、最大値等を用いることも可能である。そして、同時に、バックアップとして記憶していた受信機位置を、算出したタイミング（現時点）での受信機位置に設定する（Ｓ１０５）。
【００３８】
このような処理を行えば、クロックバイアスを高速且つ簡素な演算で復元することができる。車載用受信機のように、電源断の間に移動していない受信機にとって、この方法によるクロックバイアスの復元は非常に有効である。
【００３９】
誤差が所定閾値よりも大きな場合（Ｓ１０４：Ｎｏ）、算出したクロックバイアスが現時点のクロックバイアスと異なると判断し、測位可能なＧＰＳ衛星数が５個以上あるかを確認する（Ｓ１０５）。この際、測位可能なＧＰＳ衛星数が５個未満であれば、ＧＰＳ衛星の捕捉、追尾処理を続け、測位可能なＧＰＳ衛星数が５個以上になるのを待つ（Ｓ１０６：Ｎｏ→Ｓ１０１）。
【００４０】
測位可能なＧＰＳ衛星数が５個以上であれば、第２演算処理で以下のような計算を行い、受信機位置に関する値Δｘｕ１，Δｘｕ２，Δｘｕ３およびクロックバイアスに関する秒オーダークロックバイアスの真値との差ΔＢｕ、ミリ秒オーダークロックバイアスｂｕを、推定算出する（Ｓ１０６：Ｙｅｓ→Ｓ１０７）。
【００４１】
ここで、秒オーダークロックバイアスの真値との差ΔＢｕが数秒であっても、
【００４２】
【数５】
2013186013.tif 000007
【００４３】
が成り立つので、式３の右辺のｂｕを左辺に移項し、両辺を自乗してまとめると、式５に変形できる。
【００４４】
【数６】
2013186013.tif 000008
【００４５】
この式５において、特定のＧＰＳ衛星ｉを基準衛星とする。ここでは便宜上ｉ＝０とし、他のＧＰＳ衛星ｉ（ｉは１以上（追尾中の衛星数−１）以下の整数）との擬似距離差を算出したものが、式６となる。
【００４６】
【数７】
2013186013.tif 000009
【００４７】
この式６をマトリックスで書き直すと式７になる。式７において、
【数８】
2013186013.tif 000010
【００４８】
である。Δｘｕ１，Δｘｕ２，Δｘｕ３は、受信機初期位置ｘｕｆから真の受信機位置までの３次元ベクトルΔｘｕのＥＣＥＦ座標系での要素であり、Ｈｉｊは式６のΔｘｕ１，Δｘｕ２，Δｘｕ３，ｂｕ，ΔＢｕの係数である。
【００４９】
【数９】
2013186013.tif 000011
【００５０】
式７と式５のｉ＝０の式を用いることで、未知数である受信機位置に関する値Δｘｕ１，Δｘｕ２，Δｘｕ３およびクロックバイアスに関する秒オーダークロックバイアスの真値との差ΔＢｕ、ミリ秒オーダークロックバイアスｂｕを推定算出することができる。
【００５１】
ここで、当該式７の未知数は５個であるので、擬似距離は少なくとも５個のＧＰＳ衛星分だけ必要となる。したがって、上述の処理説明のように、測位可能なＧＰＳ衛星数が５個以上となるまで待てばよい。
【００５２】
そして、第２演算処理では、バックアップしていた受信機の位置が大きくずれていた場合でも、収束計算させる必要がないこと、４行４列の行列の逆行列の計算で解が算出されることにより、従来方法よりも高速に受信機位置、およびクロックバイアスを算出することができる。
【００５３】
上述の処理を実行するため、図２に示すような構成を用いればよい。図２は、本実施形態の測位装置１０を含む移動端末１のブロック図である。移動端末１は、測位装置１０、アンテナ２０、アプリケーション処理部３０を備える。
【００５４】
アンテナ２０は、ＧＰＳ衛星から放送されるＧＰＳ信号を受信し、測位装置１０へ出力する。
【００５５】
測位装置１０は、測位信号受信部１１、測位演算部１２、および記憶部１３を備える。
測位信号受信部１１は、アンテナ２０から入力されたＧＰＳ信号をコード相関処理およびキャリア相関処理によって捕捉、追尾し、追尾中のＧＰＳ信号のコード相関結果を測位演算部１２へ出力する。
【００５６】
測位演算部１２は、コード相関結果からＧＰＳ信号（ＧＰＳ衛星）毎の擬似距離を算出し、最初の位置決定方法として、上述の第１演算処理および第２演算処理を用いて、受信機のクロックバイス、受信機位置の位置を算出し、その後は従来の航法フィルタ（例えばカルマンフィルタ）を用いて測位演算を行う。この測位結果は、アプリケーション処理部３０へ出力されるとともに、記憶部１３へもバックアップ用として記憶される。測位演算部１２が、本発明のクロックバイアス推定装置に対応する。
【００５７】
アプリケーション処理部３０は、の測位演算部１２で得られた測位結果に基づいて、自装置位置を表示したり、ナビゲーション等に利用するための処理を実行する。
【００５８】
このような構成において、測位演算部１２は、クロックバイアス復元時には、上述の処理を実行し、第１演算処理として、４個のＧＰＳ衛星の擬似距離とバックアップした受信機位置を正しいと仮定し、クロックバイアスに関する秒オーダークロックバイアスの真値との差ΔＢｕ、ミリ秒オーダークロックバイアスｂｕを未知数として、これらの未知数を算出する。
【００５９】
測位演算部１２は、算出したクロックバイアスが閾値による条件を満たせば、当該算出したクロックバイアスで、クロックバイアスを復元し、バックアップした受信機位置を現時点での受信機位置とするとともに、測位演算を継続する。
【００６０】
測位演算部１２は、算出したクロックバイアスが閾値による条件を満たさなければ、５個のＧＰＳ衛星が追尾されるまで待機する。測位演算部１２は、５個のＧＰＳ衛星が追尾できた時点から、受信機位置も未知数として上述の第２演算処理を用いて、クロックバイアスおよび受信機位置を推定算出する。
【００６１】
このような構成とすることで、上述の高速、簡素な処理でのクロックバイアスの復元（推定）が可能になる。
【００６２】
また、上述の実施形態では、ＧＰＳ信号を受信する測位装置を例に説明したが、ＧＮＳＳの他のシステムの測位信号を受信する測位装置にも、上述の構成および方法を適用することができる。
【００６３】
また、上述の説明では、測位装置１０を個別の機能部に分割して処理を行う例を示したが、測位装置１０をＣＰＵおよびメモリからなる演算処理装置で実現し、上述の各処理を実行させるプログラムを当該メモリ等に記憶しておき、ＣＰＵに実行させてもよい。
【符号の説明】
【００６４】
１：移動端末、１０：測位装置、１１：測位信号受信部、１２：測位演算部、１３：記憶部、２０：ＧＰＳアンテナ、３０：アプリケーション処理部
【図１】
2013186013.tif 000012
【図２】
2013186013.tif 000013