(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数フェーズ距離差とこの距離差の速度成分に基づく変形カルマンフィルタの共分散行列と衛星のサンプル時間差とを用いてサイクルスリップの有無を判定することにより継続したデータ収集期間を特定するとともに前記サイクルスリップが発生した場合に前記変形カルマンフィルタの共分散行列を更新するフィルタ処理部と、
前記フィルタ処理部によって特定されたデータ収集期間について、キャリア位相に関連した不確定値を除去した後の複数キャリア位相擬似距離差を電離層電子数に変換する電離層総電子数推定部と、
前記電離層総電子数推定部で得られた電離層電子数を用いて電離層の電子密度分布を推定する電子密度推定処理部と、
を備えたことを特徴とする電離層電子密度分布推定システム。
【請求項２】
前記フィルタ処理部は、
前記変形カルマンフィルタにより推定した値と観測した値との差と、変形カルマンフィルタで動的に推定している分散値とデータ収集時間差とをもとにサイクルスリップの有無を判定し、サイクルスリップが発生した場合に、そのスリップ量を入力として、前記変形カルマンフィルタを動作させて継続したデータ収集期間を特定することを特徴とする請求項１記載の電離層電子密度分布推定システム。
【請求項３】
請求項１又は請求項２記載の前記電離層総電子数推定部で得られた電離層電子数に対応する電離層伝搬遅延量を、測位により得られた擬似距離から差し引く処理を行う擬似距離補正部と、
前記擬似距離補正部から送られてくる補正された擬似距離と衛星航法暦から求めた衛星位置を利用し、測位を実施する測位処理部と、
を備えたことを特徴とする測位システム。
【請求項４】
前記擬似距離補正部は、さらに、対流圏により生じた遅延量を補正することを特徴とする請求項３記載の測位システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電離層電子密度分布推定システム及び測位システムに関し、特に、複数周波数キャリア位相による総電子数推定および測位用擬似距離補正の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧＰＳ（Global Positioning System）、Ｇａｌｉｌｅｏまたは準天頂衛星システム（ＱＺＳＳ：Quasi Zenith Satellites System；準天頂衛星システム）などの衛星から放送される複数周波数信号の擬似距離差は、電波の伝搬経路上の電子数に関係していることが知られている。電波の伝搬経路上の総電子数（電離層通過に伴う伝搬遅延量）を推定する場合、複数周波数信号の送信・受信時刻による擬似距離（コード距離）差を使用する方法、および、複数周波数のキャリア位相擬似距離（フェーズ距離）の差を利用する方法が知られている。
【０００３】
送信・受信時刻による擬似距離差を使用する方法は、誤差が大きく、一方、キャリア位相擬似距離を使用するキャリア位相に内在する位相の不確定値によりバイアスが生じてしまうという問題がある。また、キャリア位相は、サイクルスリップと言われるデータの飛びを生ずることがある。単純なカルマンフィルタを使用すると、サイクルスリップの発生後に大きく推定値が振動する過渡現象が生じてしまい、収束するまでのデータを使用できなくなるという問題がある。
【非特許文献１】A.Komjathy:'Global Ionospheric Total Electron Content Mapping Using the Global Positioning System', UNB, Technical Report No.188, Sep.1997.
【非特許文献２】Pratap Misra, PerEnge,"GLOBAL POSITIONIG SYSTEM Signals, Measurements, and Performance.” Ganga-Jamuna Press, 2001
【非特許文献３】新訂版  ＧＰＳ  −人工衛星による精密測位システム−”，日本測地学会，９月，１９８９．
【非特許文献４】西山清：”パソコンで解くカルマンフィルタ”，丸善株式会社，１９９９．
【非特許文献５】Mohinder S.Grewal, et.al.”Kalman Filtering Theory and Practice Using MATLAB Second Edition”, John Wiley & Sons.Inc, 2001.
【非特許文献６】“Navstar ＧＰＳ Space Segment/Navigation User Interfaces',ICD-ＧＰＳ-200,Rev.C,12.Apr.2000
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、衛星から放送される信号のキャリア位相による擬似距離は、誤差が非常に小さい。しかしながら、位相のサイクルによる不確定性があり、単純にキャリア位相による擬似距離を利用することはできない。一方、送信・受信時刻から生成される擬似距離には位相サイクルによる不確定性はないが、測定誤差が非常に大きい。
【０００５】
そこで、位相サイクルによる不確定性を、擬似距離を用いて除去する方法が提案されている（非特許文献１参照）。キャリア位相による擬似距離には、衛星追尾が途絶した際に不確定値が変化する性質があり、「サイクルスリップ」といわれている。このサイクルスリップのため、単純に非特許文献１に開示されている方法だけでは、位相サイクルによる不確定性を除去することはできない。
【０００６】
本発明は、上述した問題を解消するためになされたものであり、その課題は、複数キャリア位相擬似距離差に含まれる不確定性を除去してサイクルスリップによりフィルターに生じる過渡現象期間を抑えることにより、伝搬経路電離層総電子数を精度よく推定して電離層電子密度分布推定に使用する電離層電子密度分布推定システムを提供することにある。さらに、この推定された電子度を利用して測位に使用し、擬似距離の電離層伝搬遅延量誤差を除去できる測位システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、第１の発明の電離層電子密度分布推定システムは、複数フェーズ距離差とこの距離差の速度成分に基づく変形カルマンフィルタの共分散行列と衛星のサンプル時間差とを用いてサイクルスリップの有無を判定することにより継続したデータ収集期間を特定するとともに前記サイクルスリップが発生した場合に前記変形カルマンフィルタの共分散行列を更新するフィルタ処理部と、フィルタ処理部によって特定されたデータ収集期間について、キャリア位相に関連した不確定値を除去した後の複数キャリア位相擬似距離差を電離層電子数に変換する電離層総電子数推定部と、電離層総電子数推定部で得られた電離層電子数を用いて電離層の電子密度分布を推定する電子密度推定処理部とを備えたことを特徴とする。
【０００８】
第２の発明は、第１の発明の電離層電子密度分布推定システムにおいて、フィルタ処理部は、変形カルマンフィルタにより推定した値と観測した値との差と、変形カルマンフィルタで動的に推定している分散値とデータ収集時間差とをもとにサイクルスリップの有無を判定し、サイクルスリップが発生した場合に、そのスリップ量を入力として、変形カルマンフィルタを動作させて継続したデータ収集期間を特定することを特徴とする。
【０００９】
第３の発明の測位システムは、第１又は第２の発明の電離層総電子数推定部で得られた電離層電子数に対応する電離層伝搬遅延量を、測位により得られた擬似距離から差し引く処理を行う擬似距離補正部と、擬似距離補正部から送られてくる補正された擬似距離と衛星航法暦から求めた衛星位置を利用し、測位を実施する測位処理部とを備えたことを特徴とする。
【００１０】
第４の発明は、第３の発明の測位システムにおいて、擬似距離補正部は、さらに、対流圏により生じた遅延量を補正することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、複数キャリア位相擬似距離差に含まれる不確定性を除去してサイクルスリップにより生じる過渡現象期間を抑えることができるので、伝搬経路電離層総電子数を精度よく推定して電離層電子密度分布を推定することができる。
【００１２】
また、推定された電子度を利用して測位に使用し、擬似距離の電離層伝搬遅延量誤差を除去できる。
【００１３】
また、キャリア位相による擬似距離を使用することにより、送信・受信時刻から生成される擬似距離より測定精度が１０倍以上改善される。その結果、複数キャリ位相擬似距離差を計算することにより、電波通過経路の総電子数の測定精度を１０倍程度改善することができる。これにより、電離層電子密度観測精度を向上させることができ、電離層による反射を利用したＨＦ帯の通信を、より有効に行うことができる。
【００１４】
さらに、この電子の存在する領域を通過することによって生じる電波の伝搬遅延量は、航法衛星電波を使用した測位誤差の要因となるが、電波通過経路の総電子数を精密に測定し、伝搬遅延量を精密に推定できるので、この推定値の補正を測位に使用する観測擬似距離に適用することで、測位精度を改善することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の電離層電子密度分布推定システム及び測位システムの実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
【実施例１】
【００１６】
図１は、本発明の実施例１に係る電離層電子密度分布推定システムを含む測位システムの構成を示す図である。この測位システムは、衛星信号観測系１、衛星信号処理系２、インターネットデータ処理系３およびデータサーバ系４から構成されている。これらの他に、図示は省略されているが、衛星および外部衛星データ観測系、例えば、国土地理院のＧＥＯＮＥＴ（GPS Earth Observation Network System）等が外部に接続される。
【００１７】
衛星信号観測系１は、アンテナ１１および受信器１２を備えている。アンテナ１１は、ＧＰＳ、Ｇａｌｉｌｅｏ、準天頂衛星システム（ＱＺＳＳ）等の衛星から放送される複数周波数の電波を受信して電気信号に変換し、受信器１２に送る。受信器１２は、アンテナ１１から送られてくる信号に所定の処理を施し、衛星信号処理系２に送る。
【００１８】
衛星信号処理系２は、受信器１２から送られてくる信号に含まれる衛星航法暦（エフェメリス・アルマナック）データ、送信・受信時刻およびキャリア位相の擬似距離を処理するための信号処理装置２０から構成されている。この信号処理装置２０は、図２に示すように、フィルタ処理部２１、電離層総電子数推定部２２、電子密度推定処理部２２ａ、擬似距離補正部２３および測位処理部２４から構成されている。
【００１９】
なお、フィルタ処理部２１、電離層総電子数推定部２２、電子密度推定処理部２２ａは、電離層電子密度分布推定システムを構成する。
【００２０】
フィルタ処理部２１では、変形カルマンフィルタを使用してサイクルスリップの有無を判定することにより継続したデータ収集期間を特定する（詳細は後述する）。このフィルタ処理部２１における処理結果は、電離層総電子数推定部２２に送られる。
【００２１】
電離層総電子数推定部２２では、フィルタ処理部２１において継続してデータ収集された期間について、非特許文献１に開示された方法でキャリア位相に関連した不確定値を除去し、複数キャリア位相擬似距離差を電離層電子数に変換する。この電離層総電子数推定部２２における処理結果は、電子密度推定処理部２２ａ及び擬似距離補正部２３に送られる。
【００２２】
電子密度推定処理部２２ａは、電離層総電子数推定部２２で推定された電離層電子数を用いて、電離層の電子密度分布を推定する。
【００２３】
擬似距離補正部２３は、不確定値を除去した後の複数キャリア位相擬似距離差、つまり、電離層総電子数推定部２２から送られてくる電離層電子数に対応する電離層伝搬遅延量を測位により得られた擬似距離から差し引く処理を行う（詳細は後述する）。この擬似距離補正部２３において補正された擬似距離は、測位処理部２４に送られる。
【００２４】
測位処理部２４では、擬似距離補正部２３から送られてくる補正された擬似距離と衛星航法暦から求めた衛星位置を利用し、測位を実施する。
【００２５】
インターネットデータ処理系３は、公開されている電離層関連の情報や国土地理院が公開しているＧＰＳ観測データ（ＧＥＯＮＥＴデータ）や国際的に観測結果を公開しているＩＧＳ（International GPS Service for Geodynamics）データなどをインターネット経由で収集する。このインターネットデータ処理系３によって収集されたデータは、ＬＡＮ経由で、データサーバ系４へ伝送され、データ収集サーバ４１に保存される。また、データ収集サーバ４１には、衛星から受信されたデータおよび衛星信号処理系２における処理結果も保存される。
【００２６】
このインターネットデータ処理系３には、セキュリティを考慮して、スイッチングハブまたはルータを用いたファイアオールを備えるように構成できる。なお、このスイッチングハブまたはルータは、インターネットデータ処理系３に必須ではなく、オプションである。
【００２７】
次に、上記のように構成される本発明の実施例１に係る電離層電子密度分布推定システムを含む測位システムの動作を説明する。
【００２８】
（１）基礎
衛星から放送される２周波の信号Ｌ１およびＬ２の送信・受信時刻による擬似距離（コード距離、シュードレンジ）とキャリア位相による擬似距離（フェーズ距離）は、下記（１．１）式および（１．２）式でそれぞれ表すことができる。
【数１】
0004977053.tif 000002
【００２９】
２つの周波数の観測値を引いた結果と総電子数（ＴＥＣ：Total Electron Content）との関係は、下記（１．３）式および（１．４）式によって示される。
【数２】
0004977053.tif 000003
【００３０】
ここで、
ρ：コード距離
λφ：フェーズ距離
Ｃ：光速
λ：波長
Ｉ：電離層伝搬遅延量
Ｔ：対流圏伝搬遅延量
ε：観測誤差
Φ：位相
ｒ：真の距離
ｆ：周波数
δｔu：受信器時刻誤差
δｔs：衛星時刻誤差
Ｎａｍｂ：整数不確定値
Δｂｉａｓ：衛星・受信器内の周波数間バイアス
（２）変形カルマンフィルタによるサイクルスリップ判定
サイクルスリップの判定は、フィルタ処理部２１によって実行される。非特許文献４および非特許文献５に開示されているように、サイクルスリップ判定等を行うカルマンフィルタの基本システムは、状態方程式と観測方程式とから構成されている。
【００３１】
下記（２．１）式に示す状態ベクトルを、複数フェーズ距離差（ΔＩｋ）と、その時間変化とする。
【数３】
0004977053.tif 000004
【００３２】
状態方程式を（２．２）式に、観測方程式を（２．３）式にそれぞれ示す。ここで、ｘ_は予測値、Φは状態遷移行列、ΔFｋは観測値、Δｔはサンプリング間隔、Ｒｋは観測誤差共分散行列、Ｈは観測行列、Ｐｋは真値の共分散行列、Ｋｋはカルマンゲイン、νｋは雑音をそれぞれ表している。
【数４】
0004977053.tif 000005
【００３３】
なお、（２．７）式中のＩは、単位行列を表しており、（２．４）、（２．８）式中の添え字ｔは転置行列を表し、（２．８）式中のＥ[・]は平均値を表している。
【００３４】
次に、フィルタ処理部２１で実行される変形カルマンフィルタによるサイクルスリップ判定処理を、図３に示すフローチャートを参照しながら説明する。
【００３５】
まず、初期化が行われる（ステップＳ１１）。すなわち、状態ベクトルを定義し、ＨおよびΦ行列の１つ前のデータ（初期値）としてＨｂおよびΦｂ行列が設定される。次いで、（２．２）式の状態方程式を用いて、次の予測値が求められる（ステップＳ１２）。次いで、データの抜け（飛び）があるかどうかが調べられる（ステップＳ１３）。具体的には、前回のデータとの間の時間差Ｄが２Δｔより大きいかどうか、つまり、前回のデータと現在のデータとの間の収集時間差Ｄがサンプル時間間隔Δｔの２倍より大きいかどうかが調べられる。
【００３６】
このステップＳ１３において、データの抜けがあることが判断されると、前回のデータ（更新する前の過去のデータ）を使用するように、つまり、ＨおよびΦ行列として、前回に保存したＨｂおよびΦｂ行列がそれぞれ設定されるとともに、サイクルスリップが発生した旨を表すフラグｆｌａｇが「１」にセットされる（ステップＳ１４）。一方、ステップＳ１３において、データの抜けがないことが判断されると、ステップＳ１４の処理はスキップされる。
【００３７】
次いで、カルマンフィルタの共分散行列の更新が行われる（ステップＳ１５）。このステップＳ１５において、観測値ΔＦｋと推定値との差分ｄＥが求められる。次いで、ステップＳ１５で求められた差分ｄＥが誤差の分散値の６倍より大きいか、または、フラグｆｌａｇが「１」であるかどうかが調べられる（ステップＳ１６）。ここで、分散値σは、「√（Ｐ（１，１））」である。
【００３８】
このステップＳ１６において、差分ｄＥが分散値の６倍より大きい、または、フラグｆｌａｇが「１」であることが判断されると、サイクルスリップがあった旨またはデータの抜けがあった旨が認識され、フラグｆｌａｇが「０」にクリアされるとともに、予測値ｘ_に差分ｄＥが加えられて新たな予測値とされる（ステップＳ１７）。このステップＳ１７における差分ｄＥを加える処理により、過渡現象を最小に抑えることができる。
【００３９】
一方、ステップＳ１６において、差分ｄＥが分散値の６倍より大きくなく、かつ、フラグｆｌａｇが「１」でないことが判断されると、ステップＳ１７の処理はスキップされる。
【００４０】
次いで、カルマンフィルタの次の推定値が算出される（ステップＳ１８）。このステップＳ１８において、現在のデータと次のデータとの間の収集時間差Ｄが算出される。次いで、データの抜けがあるかどうかが調べられる（ステップＳ１９）。すなわち、収集時間差Ｄがサンプル時間間隔Δｔの２倍より大きいかどうかが調べられる。
【００４１】
このステップＳ１９において、データの抜けがあることが判断されると、その時点のＨおよびΦ行列が、１つ前のＨおよびΦ行列を表すＨｂおよびΦｂ行列として、それぞれ保存される（ステップＳ２０）。すなわち、一方、ステップＳ１９において、データの抜けがないことが判断されると、ステップＳ２０の処理はスキップされる。
【００４２】
次いで、ＨおよびΦ行列が更新される（ステップＳ２１）。次いで、サンプル番号がサンプル総数より小さいかどうかが調べられる（ステップＳ２２）。このステップＳ２２において、サンプル番号がサンプル総数より小さいことが判断されると、全てのサンプルに対する処理が終了していないと認識され、ステップＳ１２に戻って上述した処理が繰り返される。
【００４３】
一方、ステップＳ２２において、サンプル番号がサンプル総数より小さくないことが判断されると、全てのサンプルに対する処理が終了したことが認識され、サイクルスリップ判定処理は終了する。
【００４４】
上述した処理により、サイクルスリップの発生時に、一旦、ＨおよびΦ行列を保存し、更新を行った後に、保存したＨ、Φ行列を戻すように構成されているので、サイクルスリップ後の過渡現象を少なくすることができる。
【００４５】
また、データ更新用のΦ行列には、前のデータと現在データとの収集時間差Ｄが毎回代入されているので、収集時間差Ｄが非常に大きくなる場合、例えば、衛星が見えなくなり再び見えてくる場合などに、更新データｘ_が非常に大きい値となり、サイクルスリップ判定で認識できるようになっている。
【００４６】
（３）電離層総電子数推定
電離層電子数の推定は、電離層総電子数推定部２２で実行される。（１．４）式中の（λＬ１ΔＮＬ１，ａｍｂ−λＬ２ΔＮＬ２，ａｍｂ），Δｂｉａｓは、サイクルスリップが生じなければ変化がなく固定である。これを利用し、非特許文献１では、次式により、この固定値を削除している。
【数５】
0004977053.tif 000006
【００４７】
ここで、Ｍはサイクルスリップが無く、連続的に収集できたサンプル数を示している。ＴＥＣｋは衛星ｓのｋ番目のデータの総電子数を示している。
【００４８】
したがって、（３．１）よりＴＥＣは、次のように求められる。
【数６】
0004977053.tif 000007
【００４９】
ここで、バイアス項は、受信器１２により発生するバイアスと衛星により発生するバイアスとに分けられる。受信器１２によるバイアスは、１つの観測場所で全衛星に共通なバイアスであり、衛星で発生するバイアスは、衛星毎に異なるバイアスである。衛星で発生するバイアスは、非特許文献５に示されている群遅延Ｔｇｄとして、衛星航法暦の中に含まれて放送されている。
【数７】
0004977053.tif 000008
【００５０】
（３．３）式中の（ｔＬ１−ｔＬ２）は、地上で測定されたＬ１とＬ２の時間差である。実際の衛星バイアスは、時間とともに経年変化が進んでいる可能性がある。（３．３）式を（３．２）式に適用することにより、より衛星のバイアス成分誤差を小さくすることができる。
【数８】
0004977053.tif 000009
【００５１】
（３．４）式中に記載されている周波数間バイアスに関連した誤差成分は、別の方法で推定して削除する。
【００５２】
（４）測位用擬似距離補正
測位に使用される擬似距離補正は、擬似距離補正部２３によって実行される。キャリア位相Ｌ１に含まれる電離層伝搬遅延量は、非特許文献２に開示された内容と（３．４）式とから次のように求めることができる。
【数９】
0004977053.tif 000010
【００５３】
この（４．１）式を用いて、（１．１）式および（１．２）式の擬似距離から電離層伝搬遅延量を差し引く補正を行うと、次のようになる。
【数１０】
0004977053.tif 000011
【００５４】
添え字のｋは衛星ｓのデータの番号を示し、ｕは受信器１２を識別する番号を示している。
【００５５】
測位に使用する擬似距離も、キャリア位相に基づく（４．３）式を使用した方が観測誤差を小さくでき、測位精度を向上させることができる。（４．３）式にも整数不確定値Ｎａｍｂ項が残されている。この場合の整数不確定値を削除する方法は、非特許文献１に開示されていないが、非特許文献１に開示され方法と同様の方法により整数不確定値を削除する。
【数１１】
0004977053.tif 000012
【００５６】
ここで、バイアス項は、受信器１２により発生するバイアスが主要であるが、衛星の経年劣化により生じた衛星によるバイアス補正誤差も残っている。受信器１２によるバイアスは、１つの観測場所で全衛星に共通なバイアスとなり、受信器クロック誤差と区別できない。衛星より発生するバイアスは、衛星時刻誤差と区別できない。衛星時刻誤差は衛星から放送される衛星航法暦で補正を行うことができる。この補正項は、非特許文献６にΔtsvと記載されている項である。そのため、衛星の周波数間バイアス補正後のバイアス誤差により衛星毎に異なる誤差量となる。非特許文献２および非特許文献３に記載されている単純な測位計算方法では、衛星に共通に含まれる誤差を受信器１２の時刻誤差成分とみなす。そのため、受信器１２に含まれるバイアス誤差および時刻誤差は、測位計算の位置誤差に影響を与えない。
【数１２】
0004977053.tif 000013
【００５７】
なお、衛星の対流圏により生じた遅延量Ｔについては、非特許文献２に開示されているSasstamoinenによる方法などを使用し補正する。さらに、衛星時刻誤差δtsは、衛星から放送される衛星航法暦中に存在する時刻補正係数を使用して補正する。衛星バイアスについては、他の方法で推定して補正することにより測位精度を向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明は、衛星を利用して正確な測位を行うことが要求される電離層電子密度分布推定システムを含む測位システムに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の実施例１に係る電離層電子密度分布推定システムを含む測位システムの構成を示す図である。
【図２】本発明の実施例１に係る電離層電子密度分布推定システムを含む測位システムの衛星信号処理系を構成する信号処理装置の詳細な構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施例１に係る電離層電子密度分布推定システムを含む測位システムの衛星信号処理系を構成する信号処理装置のフィルタ処理部の動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００６０】
１  衛星信号観測系
２  衛星信号処理系
３  インターネットデータ処理系
４  データサーバ系
１１  アンテナ
１２  受信器
２０  信号処理装置
２１  フィルタ処理部
２２  電離層総電子数推定部
２２ａ  電子密度推定処理部
２３  擬似距離補正部
２４  測位処理部
４１  データ収集サーバ
【図１】
0004977053.tif 000014
【図２】
0004977053.tif 000015
【図３】
0004977053.tif 000016