(57)【要約】衛星からの電波を基準局と観測局とで受信して各局同士間で相対測位を行うことにより、基準局から見た観測局の変位を測定する測位システムであって、上記各局における短周期変位成分を単独測位にて計測する短周期変位計測部と、上記各局同士間で相対測位を行う相対位置演算部と、上記短周期変位計測部で計測された短周期変位成分および上記相対位置演算部で求められた相対位置を並びに基準局からの絶対位置を入力するとともに、各局にて計測された短周期変位成分を取り除くことにより、長周期変位成分を含む絶対位置を求める長周期位置演算部と、上記各局に設けられて他局との間でデータの送受信を行う無線通信装置とを具備したものである。【特許請求の範囲】
【請求項１】
衛星からの電波を基準局と観測局とで受信して各局同士間で相対測位を行うことにより、基準局から見た観測局の変位を測定する測位システムであって、
上記各局における短周期変位成分を単独測位にて計測する短周期変位計測部と、
上記各局同士間で相対測位を行う相対位置演算部と、
上記短周期変位計測部で計測された短周期変位成分および上記相対位置演算部で求められた相対位置を入力するとともに、相対位置から短周期変位成分を取り除くことにより長周期変位成分を含む相対位置を求める長周期位置演算部と、
上記各局に設けられて他局との間でデータの送受信を行う無線通信装置と、
を具備したことを特徴とする衛星を用いた相対測位システム。
【請求項２】
基準局および観測局を海面に浮遊する浮体に設置したことを特徴とする請求項１に記載の衛星を用いた相対測位システム。
【請求項３】
基準局および観測局を海面に浮遊された浮体に設置するとともに、変位計測部で計測された短周期変位成分が波浪による変位成分であることを特徴とする請求項１に記載の衛星を用いた相対測位システム。
【請求項４】
観測局を複数具備するとともに、各観測局と基準局とを結ぶ基線同士が所定角度でもって交差するように各観測局を配置したことを特徴とする請求項３に記載の衛星を用いた相対測位システム。
【請求項５】
基準局を地盤と一体に設置するとともに、当該基準局に具備される変位計測部にて計測される短周期変位成分が地震による変位成分であることを特徴とする請求項１に記載の衛星を用いた相対測位システム。
【請求項６】
各局にて受信された測位用衛星データおよび各局で計測された短周期変位成分を集中管理する監視施設を具備するとともに、
当該監視施設にて、各局同士の相対測位を行うとともに、各局にて計測された短周期変位成分を取り除いて、基準局に対する観測局の相対位置を求めるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の衛星を用いた相対測位システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、複数の衛星からの電波を用いて相対測位により変位を検出する相対測位システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】  複数の衛星からの電波を受信し解析し、その受信機（以下、移動局または観測局という）の位置を検出する衛星測位技術としては、計測誤差が大きいが当該移動局だけで測位を行う単独測位方式と、位置が既知である基準局からの補正データを用いて、移動局の位置を精度良く求める相対測位方式とがある。【０００３】  ところで、相対測位方式においては、その測位精度は受信機間の直線距離、所謂、基線長の制限を受けることになる。【０００４】  例えば、ＧＰＳ（全地球測位システム）におけるＣ／Ａコードを用いて単独で測位を行うとともに補正データを用いて補正する相対測位方式では、電離層と大気による誤差等がほぼ同じである場合の基線長の制限は約１００ｋｍ以下であり、この範囲についは誤差等を相殺できるので、相対測位方式での測位精度の向上を期待し得る。【０００５】  一方、搬送波位相を用いて基線を解析し測位精度の向上を図る方式においては、基線長の制限は約１０ｋｍ以下と短いが、Ｃ／Ａコードよりも十分短い搬送波位相を利用するため、測位精度が格段に向上する［例えば、新訂版ＧＰＳ−人工衛星による精密測位システム−（社団法人日本測量協会発行）参照］。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】  ところで、上述した相対測位方式によると、基準局に対する移動局の相対位置については、精度良く計測することはできるが、例えば基準局が変位した場合には、精度良く相対位置を計測することができないという問題があった。【０００７】  例えば、地震などにより基準局が揺れている場合には、基準局自身が変位しているため、相対測位を行う相手の移動局には、その変位成分が含まれることになり、地震などの災害発生時における変位の計測には、十分に対処することができなかった。【０００８】  そこで、上記課題を解決するため、本発明は、相対測位を行う際に、一方の局が変位している場合でも、精度良く相対測位を行い得る衛星を用いた相対測位システム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】  本発明の衛星を用いた相対測位システムは、衛星からの電波を基準局と観測局とで受信して各局同士間で相対測位を行うことにより、基準局から見た観測局の変位を測定するシステムであって、
上記各局における短周期変位成分を単独測位にて計測する短周期変位計測部と、
上記各局同士間で相対測位を行う相対位置演算部と、
上記短周期変位計測部で計測された短周期変位成分および上記相対位置演算部で求められた相対位置を入力するとともに、相対位置から短周期変位成分を取り除くことにより長周期変位成分を含む相対位置を求める長周期位置演算部と、
上記各局に設けられて他局との間でデータの送受信を行う無線通信装置とを具備したものである。【００１０】  また、上記相対測位システムにおける基準局および観測局を海面に浮遊する浮体に設置したものである。【００１１】  また、上記相対測位システムにおける基準局および観測局を海面に浮遊する浮体に設置するとともに、短周期変位計測部で計測された短周期変位成分が波浪による変位成分とするものである。【００１２】  また、上記相対測位システムにおける観測局を複数具備するとともに、各観測局と基準局とを結ぶ基線同士が所定角度でもって交差するように各観測局を配置したものである。【００１３】  また、上記相対測位システムにおける基準局を地盤に一体に設置するとともに、当該基準局に具備される短周期変位計測部にて計測される短周期変位成分が地震による変位成分とするものである。【００１４】  さらに、上記相対測位システムにおいて、各局にて受信された測位用衛星データおよび各局で計測された短周期変位成分を集中管理する監視施設を具備するとともに、
当該監視施設にて、各局同士の相対測位を行うとともに、各局にて計測された短周期変位成分を取り除いて、基準局に対する観測局の相対位置を求めるようにしたものである。
【発明の効果】
【００１５】  上記相対測位システムによると、基準局に対する移動局の相対測位を行うとともに、各局に短周期変位計測部を配置して単独測位でもって短周期変位成分を精度良く求めるようにしたので、例えば基準局が短周期でもって変位した場合でも、その短周期変位成分を取り除くことにより、移動局の相対測位を精度良く求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態に係る相対測位システムの概略全体構成を示す斜視図である。
【図２】同相対測位システムにおける基準局の概略構成を示すブロック図である。
【図３】同相対測位システムにおける移動局の概略構成を示すブロック図である。
【図４】同移動局に設けられた測位演算装置の概略構成を示すブロック図である。
【図５】同相対測位システムでの相対測位方法を説明するフローチャートである。
【図６】同相対測位システムの各局に設けられる短周期変位計測部の概略構成を示すブロック図である。
【図７】同相対測位システムの変形例に係る概略全体構成を示す斜視図である。
【図８】同相対測位システムの他の変形例に係る概略全体構成を示す斜視図である。
【図９】同相対測位システムのさらに他の変形例に係る基準局の概略構成を示すブロック図である。
【図１０】同変形例に係る基準局に設けられる測位演算装置の概略構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】  以下、本発明に係る衛星を用いた相対測位システムについて説明する。【００１８】  なお、本実施の形態においては、衛星を用いた相対測位方式として、所謂、ＧＰＳ（全地球測位システム）衛星を利用したリアルタイムキネマティック方式を用いるもので、その測位対象としては、海面（勿論、湖などの水面であってもよい）の変位を検出するために海面に係留されて浮遊する浮体の位置を計測する場合について説明する。
［実施の形態］
以下、本実施の形態に係る衛星を用いた相対測位システムを、図１〜図６に基づき説明する。【００１９】  この相対測位システムには、図１に示すように、三次元の絶対位置が既知である陸上に固定された基準局１と、この基準局１から見た海面の変位、特に長周期変位成分として、例えば津波を検出したい海域の海面に係留された複数、例えば３個の浮体（ブイ）２にそれぞれ設けられた３個の移動局（観測局の一例）３（３Ａ〜３Ｃ）とが具備され、またこれら基準局１および移動局３との間において、ＧＰＳ衛星４からの電波を受信しリアルタイムキネマティック方式（搬送波位相を用いるもので、以下、ＲＴＫ方式という）を利用して基準局１に対する各移動局３の位置（相対位置または相対変位ともいう）を求める機能が具備されている。なお、各移動局３は、任意の方向からの津波に対処し得るように、基準局１を中心にした所定半径Ｒの円周上に適当間隔を置いて、例えば３個配置されている。言い換えれば、基準局１と各移動局３とを結ぶ基線同士が所定角度でもって交差するように、各移動局３が配置されている。【００２０】  上記基準局１には、図２に示すように、ＧＰＳ衛星４からの電波をアンテナ１１ａを介して受信しその測位用衛星データ（後述する）を計測するＧＰＳ受信機（衛星測位装置ともいう）１１と、測位用衛星データを用いて周期が短い短周期変位成分（例えば、波浪などによる変位成分）を単独測位でしかも高精度でもって計測し得る短周期変位計測部１２と、上記ＧＰＳ受信機１１で得られた測位用衛星データに短周期変位計測部１２で求められた短周期変位成分（以下、基準局短周期変位成分ともいう）を含んだ送信データを作成するための送信データ作成部１３と、この送信データ作成部１３からの送信データを各移動局３に送信するとともにその他のデータの送受信を行う無線通信装置（送信機および受信機からなる）１４とが具備されている。【００２１】  また、上記各移動局３には、図３に示すように、ＧＰＳ衛星４からの電波を受信して測位用衛星データを計測するＧＰＳ受信機（衛星測位装置ともいう）２１と、基準局１との間でデータの送受信を行う無線通信装置（図４に示すように、送信機２２ａおよび受信機２２ｂからなる）２２と、基準局１からのデータを受信して自局の同時刻のデータに基づきＲＴＫ方式を用いて相対測位を行う、すなわち基準局１に対する自局３の相対位置を求める測位演算装置２３とが具備されている。【００２２】  ここで、移動局３に設けられる測位演算装置２３について詳しく説明する。【００２３】  この測位演算装置２３は、図４に示すように、ＧＰＳ受信機２１にて計測された測位用衛星データ（例えば、搬送波位相値、衛星と受信機のアンテナ間距離（擬似距離）、衛星の軌道情報、衛星測位システムで採用した時系データ（ＧＰＳタイム）の他に、例えば受信中の衛星の仰角、方位角なども含まれている）を記憶するデータ記憶部３１と、上記ＧＰＳ受信機２１にて得られた測位用衛星データ、並びに基準局１からの測位用衛星データおよび基準局１の仮固定位置（以下、仮座標という）を受信機２２ｂを介して入力して、基準局１に対する相対位置をＲＴＫ方式により演算する相対位置演算部３２と、上記ＧＰＳ受��機２１にて得られた測位用衛星データを用いて短周期変位成分（以下、移動局短周期変位成分ともいう）を単独測位で且つ高精度でもって計測する短周期変位計測部３３と、上記相対位置演算部３２で求められた相対位置、基準局１からの絶対位置および基準局短周期変位成分並びに移動局短周期変位成分を入力して、当該移動局３における長周期変位成分を含んだ長周期絶対位置を演算する長周期位置演算部３４と、この長周期位置演算部３４で求められた長周期絶対位置を入力し送信するための送信データを作成する送信データ作成部３５とから構成されている。【００２４】  勿論、この送信データ作成部３５で作成された送信データは送信機２２ａを介して、基準局１に送信される。なお、上記測位用衛星データの中で、例えば軌道情報、仰角、方位角については、相対測位を行う２つの局でそれぞれ受信することになるため、また上記２局間では仰角、方位角ともほぼ変わらないため、いずれか一方の局のＧＰＳ受信機１１，２１のみで取得する場合は、そのデータを他方に送信して用いることもできる。また、相対測位に用いるデータは、必要に応じて、データ記憶部３１から取り出される。【００２５】  次に、上記相対測位システムにおける長周期変位成分を含んだ長周期絶対位置を求める方法を、図５のフローチャートに基づき説明する。【００２６】  まず、陸上の基準局１および各移動局３の短周期変位計測部１２，３３で、測位用衛星データに基づきそれぞれ短周期変位成分を高精度で求める（ステップ１）。【００２７】  次に、基準局１の測位用衛星データ、仮座標およびその絶対位置、並びに基準局短周期変位成分を、海面上の各移動局３に送信する（ステップ２）。【００２８】  次に、各移動局３の相対位置演算部３２において、基準局１との間でＲＴＫ方式に基づく相対測位にて、基準局１の仮座標に対する相対位置を求める（ステップ３）。【００２９】  次に、各移動局３の長周期位置演算部３４において、基準局１の絶対位置（絶対座標）、基準局短周期変位成分および移動局短周期変位成分を用いて、すなわち両局間の相対位置（相対変位）から基準局短周期変位成分および移動局短周期変位成分を取り除いて、各移動局３の長周期変位成分を含んだ絶対位置を求める（ステップ４）。【００３０】  次に、各移動局３での長周期変位成分を含んだ絶対位置を無線にて基準局１に送信する（ステップ５）。【００３１】  すなわち、各移動局３での短周期変位成分が取り除かれた絶対位置が求まると、海面の波浪による変位成分を取り除いた長周期の変位の位置を、また前回の計測位置と今回の計測位置との差をとることで、長周期の変位成分を計測することができる。【００３２】  例えば、各移動局３の位置が急に変化したとき（前回の計測値から見て変位量が通常より大きくなったとき）は、地震などにより津波が発生した場合などであり、この場合には、基準局１自身も変動するため、この変動を短周期変位成分として計測するとともにこの短周期変位成分を取り除くことにより、津波を長周期変位成分として精度良く計測することができる。【００３３】  なお、単に津波などのように、長周期の変位の位置または長周期変位成分だけを検出したい場合は、相対位置を用いればよく、必ずしも絶対位置を求めなくてもよい。【００３４】  ここで、上記短周期変位計測部１２，３３で実行される単独測位で且つ高精度でもって変位を計測し得る方法（高精度変動検出法ともいい、以下ＰＶＤ法という）について、簡単に説明しておく。【００３５】  このＰＶＤ法は、日本国の公開特許公報（特開２００１−１４７２６３）に開示されたもので、ＧＰＳ衛星を用いた単独測位方式で且つ高精度でもって変位を計測し得る方法である。【００３６】  このＰＶＤ法は、Ｃ／Ａコードよりも波長がはるかに短い搬送波の位相を用いることで、相対測位法の一つで搬送波位相を用いて計測するリアルタイムキネマティック方式による測位結果の変位とほぼ同等の精度でもって短周期の変位成分（変位量）を計測できるもので、単独測位にも拘わらず、非常に精度の高い計測結果が得られるものである。【００３７】  以下、上記短周期変位計測部１２，３３の概略構成について説明する。【００３８】  この短周期変位計測部１２，３２は、図６に示すように、ＧＰＳ受信機に設けられてＧＰＳ衛星との距離を測定する距離測定部５１と、この距離測定部５１で測定された距離データから衛星軌道までの軌道距離を減算しまたは軌道距離に相当する距離データを除去してＧＰＳ受信機の変位量を求める変位量検出部５２と、この変位量検出部５２で求められた変位量のデータを入力して風波による影響などを除去する外乱影響除去部５３と、この外乱影響除去部５３で得られた変位量［ＧＰＳ受信機の衛星に対する変動ベクトル（なお、このベクトルは、ＧＰＳ受信機が実際に動いた真変動ベクトルの衛星に対する方向ベクトルへの射影ベクトルである）の大きさ］を入力してＧＰＳ受信機の三次元座標軸方向、すなわちｘ軸，ｙ軸およびｚ軸に対する変位成分、すなわちＧＰＳ受信機の変位を求める変位演算部５４とから構成されている。【００３９】  上記距離測定部５１は、ＧＰＳ受信機で受信した所定の衛星からの電波の搬送波の波をカウントして、所定の衛星とＧＰＳ受信機（正確にはアンテナまでの距離であるが、ＧＰＳ受信機までの距離として説明する）との間の距離（搬送波位相）を測定するものである（なお、搬送波位相を求める際の整数値バイアスは、４個の衛星を使用して求められる）。【００４０】  また、上記変位量検出部５２は、距離測定部５１で得られた測定距離データを入力してサンプリング数が数十点の移動平均をとり衛星の軌道距離に相当する距離データを求める移動平均処理部６１と、元の測定距離データからこの移動平均処理部６１で得られた平均化距離データを、すなわち衛星の軌道距離を減算して衛星に対するＧＰＳ受信機の変位量を求める変位量演算部６２とから構成されている。【００４１】  また、上記外乱影響除去部５３では、風波の周波数帯域分をカットするバンドパス・フィルタを通過させることにより、風波の影響による変動分が除去される。【００４２】  さらに、上記変位演算部５４では、３個の衛星からの測定距離データに基づき得られた外乱除去済みの各変位量並びに各衛星の方位角および仰角に基づきＧＰＳ受信機の三次元座標を未知数とする３個の１次方程式を作成し、そしてこの三元１次連立方程式を解くことにより、ＧＰＳ受信機の三次元座標での変位成分（Ｘ，Ｙ，Ｚ）が求められる。【００４３】  すなわち、短周期変位成分としては、移動局であるＧＰＳ受信機を備えた浮体が受ける波浪等によるもので、その計測方法は、ＧＰＳ受信機とＧＰＳ衛星との間の距離を距離測定部５１にて測定し、次に変位量検出部５２にて、距離測定部５１で得られた測定距離データから、この測定距離データに移動平均処理を行い衛星軌道までの距離に相当する距離データを除去してＧＰＳ受信機の変位量を求めた後、外乱影響除去部５３にて風波によるノイズを除去し、次に変位演算部５４にて、３個のＧＰＳ衛星に対する変位量並びに各ＧＰＳ衛星の方位角および仰角に基づきＧＰＳ受信機の三次元座標を未知数とする少なくとも３個の１次方程式を求め、次にこの３個の連立方程式を解くことによりＧＰＳ受信機の三次元座標軸上での変位成分を求める方法である。【００４４】  このように、ＲＴＫ方式により基準局に対する移動局の相対測位を行うとともに、各局に短周期変位計測部を配置して単独測位でもって短周期変位成分を精度良く求めるようにしたので、例えば基準局が短周期でもって変動（変位）した場合でも、その短周期変位成分を取り除くことができ、したがって移動局の相対位置（または絶対位置）を精度良く求めることができる。【００４５】  ところで、上記実施の形態においては、基準局を陸上に設置したが、図７および図８に示すように、基準局１を海面上の浮体２に設置して、基準局１と移動局３同士間で長周期変位成分を計測することもできる（図７は、基準局を中心にして所定半径Ｒでもって３つの移動局を配置した場合を示し、図８は、基準局に対して２つの移動局を所定半径Ｒでもって配置した場合（言い換えれば、二等辺三角形の底辺の両端位置に配置した場合）を示す）。この場合、基準局には、移動局と同様の構成が具備されるとともに、例えば基準局から、陸上の監視施設に、計測データすなわち長周期変位成分などのデータが送信される。【００４６】  この場合、図２で示される基準局が浮体上に設置される点および絶対位置が与えられない点で異なり、したがって基準局に絶対位置が与えられないため、長周期位置演算部では、上記相対位置、基準局短周期変位成分および移動局短周期変位成分が入力されて、長周期変位成分を含んだ相対位置が求められる。【００４７】  このように、陸上から遠く（例えばキネマティック方式の基線制限長を超えた位置）離れた海域に、基準局と移動局（観測局）とを互いにキネマティック方式の基線制限長以下の距離でもって配置しておくことにより、陸上から基線制限長を超える遠く離れた沖合いにて、津波などを精度良く計測することができる（勿論、各局で得られた計測データは、遠く離れた陸上の監視施設に無線にて送信される）。言い換えれば、海岸から遠く離れた海域にて津波の到来を知ることができるので、津波による被害をできるだけ、少なくすることことができる。【００４８】  また、上記実施の形態においては、各移動局に測位演算装置を配置して、それぞれの移動局の絶対位置（または相対位置）を求めるように説明したが、各データを、送信機にて陸上の監視施設（基準局と兼ねてもよい）に局の識別番号とともに送信して集中的に管理するようにしてもよい。【００４９】  一方、基準局に測位演算装置を配置するとともに、各移動局で計測された測位用衛星データを基準局に送信し蓄積しておき、当該基準局の測位演算装置で各移動局の長周期変位成分による絶対位置（または相対位置）を求めるようにしてもよい。【００５０】  ここで、基準局の概略構成について簡単に説明しておく。【００５１】  図９に示すように、基準局１には、測位演算装置１３が具備され、またこの測位演算装置１３には、図１０に示すように、少なくとも、ＧＰＳ受信機１１からの測位用衛星データを記憶しておくデータ記憶部７１と、このデータ記憶部７１に記憶された測位用衛星データを入力して、当該基準局１の仮座標に対する相対位置を演算する相対位置演算部（単に、位置演算部ということもできる）７２と、上記ＧＰＳ受信機１１にて得られた測位用衛星データを用いて短周期変位成分を単独測位で且つ高精度でもって計測する短周期変位計測部７３と、上記相対位置演算部７２で求められた相対位置および短周期変位計測部７３にて計測された短周期変位成分を入力して、当該基準局１における長周期変位成分を含んだ相対位置を演算する長周期位置演算部７４と、この長周期位置演算部７４で求められた長周期位置を入力し送信するための送信データを作成する送信データ作成部７５とが具備されている。【００５２】  このように、各移動局から測位用衛星データが基準局に送信されるとともに当該基準局にてこれらのデータが記憶され、このデータを用いて相対位置演算部にて各移動局における長周期変位成分を含んだ相対位置（または絶対位置）が求められる。【００５３】  なお、相対測位を基準局で行う場合には、移動局の構成が図２で示すようなものとなる。また、相対測位を演算しない局については図２に示す構成でよく、相対測位を演算する局については図４に示す構成となる。また、監視施設で相対測位を行う場合の監視施設の構成としては、図４に示した移動局におけるＧＰＳ受信機２１、短周期変位計測部３３、送信データ作成部３５および送信機２２ａを除いたものとなる。【００５４】  上記の説明では、測位用衛星データを基準局に蓄積するようにしたが、各局のデータの送信タイミングをずらすように設定しておけば、必ずしも、蓄積する必要はなく、次々と、演算をすればよい。【００５５】  また、上記実施の形態においては、各局同士のデータの送受信については、無線通信装置により行うように説明したが、見通しが悪く地上波による通信を行うことができない場合には、通信衛星を用いてデータの送受信を行えばよい。【００５６】  さらに、上記実施の形態においては、移動局を海面に配置して津波などを計測するものとして説明したが、例えば基準局および移動局ともに、陸上に配置することにより、地震計として利用することもできる。【００５７】  また、上記実施の形態では、ＧＰＳによる衛星測位で例示したが、原理が同様の衛星測位方式があれば、または今後登場するものでも、適用可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００５８】  本発明の相対測位システムによると、基準局と移動局との間でリアルタイムキネマティック方式にて相対測位を行うとともに、各局には、単独測位にて且つ高精度でもって短周期変位成分を計測し得る短周期変位計測部を設けたので、例えば移動局を海面上の浮体に設置することにより、短周期変位成分である波浪の変位成分を、移動局の変位量から取り除くことにより、移動局での長周期変位成分、例えば地震が発生した場合の津波を計測することができ、したがって津波による災害の被害を少なくすることができる。また、場合によっては、地震計としても用いることができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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