JP2006133142A

JP2006133142A - 測位用受信装置

Info

Publication number: JP2006133142A
Application number: JP2004324363A
Authority: JP
Inventors: Kenji Itani; 健二井澗; Hiroshi Hamada; 弘濱田
Original assignee: Furuno Electric Co Ltd
Current assignee: Furuno Electric Co Ltd
Priority date: 2004-11-08
Filing date: 2004-11-08
Publication date: 2006-05-25

Abstract

【課題】受信信号が反射波であるのか直接波であるのか、あるいはその混合によるものであるのかの判定を高精度に行えるようにして、位置や速度の測定を高精度に行えるようにする。
【解決手段】判定対象衛星を除く複数の衛星に基づいて受信点の測位を行うとともにその位置変化速度Ｒｖを求め、判定対象衛星の軌道情報と受信点の位置と判定時間とに基づいてその判定時間での判定対象衛星の位置変化速度Ｓｖａを求める。また、受信点位置の変化速度Ｒｖと判定対象衛星の位置変化速度Ｓｖａを用い、判定対象衛星から直接波を受信している場合に相当するキャリア位相変化速度Ｃｖａ´を推定する。そして、判定対象衛星からの電波の観測によるキャリア位相変化速度Ｃｖａと判定対象衛星の推定キャリア位相変化速度Ｃｖａ´とのずれ量εを求め、このεの大きさに応じて判定対象衛星の観測結果の採用の要否や信頼度を求める。
【選択図】図１

Description

この発明はＧＰＳ衛星などの測位用衛星からの電波を受信して受信点の測位などを行う測位用受信装置に関するものである。

従来、ＧＰＳ受信機など、測位用衛星からの電波を受信する測位用受信装置においては、測位用衛星から受信機（受信点）までの距離を計測して受信点の位置を測位するが、そのためには、測位用衛星から受信点まで直接伝搬してきた電波だけを用いることが重要である。

ところが、受信機の周囲には通常、地面、海面、建造物など電波の反射体が存在するため、これらの反射体と受信機、衛星の位置関係によっては、反射体で反射した電波（反射波）と直接波とのマルチパス波が受信点に入射されるか、または反射波だけが受信点に入射されるといった状況が生じる。

このようなマルチパス波や反射波として受信される測位用衛星が存在すると、その測位用衛星から受信点までの観測上の距離が長くなって、受信点の位置や速度などの精度が劣化するという問題があった。

そこで、このような反射波による悪影響を受けないようにするために、従来は低仰角からの電波や水平面より下方からの電波を受信しないように、アンテナにチョークリングを設けたり、ナローコリレータなどによる信号追尾回路に工夫を施したりしていた。このナローコリレータとは、位相をあらかじめ早めた擬似雑音符号と位相をあらかじめ遅らせた擬似雑音符号とをそれぞれ受信機内部で生成し、その間の位相差（スペーシング）を狭めて擬似雑音符号の位相に対する相関値のピーク位置を高精度に求められるようにしたものである。

ところが、チョークリングを設ける等してアンテナを工夫したり、ナローコリレータなどを用いて信号追尾回路を工夫したりしても、直接波を含まない反射波のみがアンテナに入射するような条件では、次に述べるように、その反射波があたかも直接波のように処理されてしまう。

図１は、測位用衛星Ｓからの電波が建造物Ｂ１の壁面で反射しその反射波ＲＷが受信装置Ｒのアンテナに入射し、同じ測位用衛星Ｓからの直接波ＤＷが建造物Ｂ２によって遮られて受信装置Ｒのアンテナに入射しない条件の例を示している。

このような条件では、比較的高仰角から反射波ＲＷが受信装置Ｒのアンテナに入射するため前記チョークリングなどのアンテナの工夫ではその受信を抑制できない。また、反射波ＲＷと直接波ＤＷが混合して受信装置Ｒのアンテナに入射するのであれば、前記ナローコリレータなどの信号追尾回路の工夫で、反射波ＲＷの存在による影響を回避できるが、このように直接波ＤＷが入射せず、反射波ＲＷだけが受信装置Ｒのアンテナに入射する場合には、その反射波があたかも直接波のように処理されてしまう。すなわち、直接波に対する反射波の干渉（混合）による擬似雑音符号の位相変化がなく、擬似雑音符号の相関値のピーク位置は反射波ＲＷの持つ擬似雑音符号の位相にそのまま一致することになる。

一方、ナローコリレータなどの信号追尾回路の工夫による方法以外に、測位用衛星からの電波のドップラーシフト周波数を測定し、そのドップラーシフト周波数を利用して、判定対象とする測位用衛星からの電波が測位演算に悪影響を与えるものであるか否かの判定を行うようにしたものが特許文献１，２に開示されている。

特許文献１，２の測位用受信装置は、衛星と受信装置間の相対速度による電波のドップラーシフト周波数の予測値と信号受信手段で測定したドップラーシフト周波数との差が所定値以上になる衛星を異常衛星として検知するものである。
特開平１１−１１８９０３号公報特開平９−３０４５１５号公報

ところが、特許文献１，２に示されている、受信信号のドップラーシフト周波数を測定する方法では、ドップラー周波数が、一定時間内の任意の時刻における瞬時測定（瞬時速度に相当するもの）の結果であり、受信装置側で生成したキャリア位相追尾のための周波数信号のサイクルをカウントしたものに過ぎない。具体的には、受信装置側で発生したキャリア周波数と受信信号のキャリア周波数とが同期するように、受信装置側で発生するキャリア信号の周波数をＮＣＯ（数値制御発振器）へ与える数値を変えることによって調整し、その調整した結果の周波数をドップラー周波数として扱う。

ところが、受信装置側で発生する基準周波数信号の周波数ずれは無視しているので、正確なドップラー周波数を計測できている訳ではない。また、受信信号のキャリア周波数を追尾するために、上記ＮＣＯへ与える数値はたとえば５ｍｓ毎に変更するが、これだと実質的に１Ｈｚ程度の周波数精度しか保てない。そのため、受信信号が反射波であるのか直接波であるのかの判定精度は高くないという問題があった。

そこで、この発明の目的は、上述の問題を解消して受信信号が反射波であるのか直接波であるのか、あるいはその混合によるものであるのかの判定を高精度に行えるようにして、位置や速度の測定を高精度に行えるようにした測位用受信装置を提供することにある。

（１）この発明の測位用受信装置は、複数の測位用衛星からの電波を受信点で受信するとともに観測し、該観測結果により前記受信点の位置を測位演算する測位演算手段と、
所定時間での前記受信点の位置変化速度Ｒｖを求める手段と、
判定対象衛星の軌道情報と前記受信点の位置と前記所定判定時間とに基づき、該所定判定時間での前記判定対象衛星の位置変化速度Ｓｖａを求め、前記受信点の位置変化速度Ｒｖと前記判定対象衛星の位置変化速度Ｓｖａを用い、前記判定対象衛星からの電波を直接受信している場合に相当する当該電波の推定キャリア位相変化速度Ｃｖａ′を求める手段と、
前記判定対象衛星からの電波の観測による所定時間でのキャリア位相の変化量を当該所定時間で除した値に相当するキャリア位相変化速度Ｃｖと、前記判定対象衛星に対する前記推定キャリア位相変化速度Ｃｖａ′とのずれεを求めるとともに、当該ずれεの大きさに応じて前記測位演算に対する前記判定対象衛星の観測結果の適用を決定する測位用衛星選択手段とを備えたことを特徴としている。

（２）また、この発明の測位用受信装置は、複数の測位用衛星からの電波を受信点で受信するとともに観測し、該観測結果により前記受信点の位置を測位演算する測位演算手段と、
所定時間での前記受信点の位置変化速度Ｒｖを求める手段と、
判定対象衛星の軌道情報と前記受信点の位置と前記所定判定時間とに基づき、該所定判定時間での前記判定対象衛星の位置変化速度Ｓｖａを求め、前記受信点の位置変化速度Ｒｖと前記判定対象衛星の位置変化速度Ｓｖａを用い、前記判定対象衛星からの電波を直接受信している場合に相当する当該電波の推定キャリア位相変化速度Ｃｖａ′を求める手段と、
前記判定対象衛星からの電波の観測による所定時間でのキャリア位相の変化量を当該所定時間で除した値に相当するキャリア位相変化速度Ｃｖと、前記判定対象衛星に対する前記推定キャリア位相変化速度Ｃｖａ′とのずれεを求めるとともに、当該ずれεの大きさに応じて前記測位演算手段が測位演算に用いる測位用衛星の選択に対する重みを変化させる手段とを備えたことを特徴としている。

（３）前記受信点の位置変化速度Ｒｖを求める手段は、例えば前記判定対象衛星を除く複数の測位用衛星についての観測結果を基に前記測位演算手段が求めた、前記所定判定時間での前記受信点の位置変化を基に受信点の位置変化速度を求めるものとする。

（４）また前記受信点の位置変化速度Ｒｖを求める手段は、例えば前記所定判定時間での前記受信点の加速度を検出し、該加速度を基に受信点の位置変化速度を求めるものとする。

（１）この発明によれば、判定対象衛星の軌道情報と上記所定判定時間とに基づいて判定対象衛星の変化速度Ｓｖａを求め、受信点位置の変化速度Ｒｖと判定対象衛星の位置変化速度Ｓｖａとを用いて判定対象衛星から直接受信している場合のキャリア位相変化速度Ｃｖａ′を推定し、観測によるキャリア位相変化量を前記所定時間で除した値であるキャリア位相変化速度Ｃｖａと前記推定キャリア位相変化速度Ｃｖａ′とのずれ量εを求めるようにし、このずれ量εに応じて測位演算の際に判定対象衛星の観測結果を用いるか否かを決定するようにしたので、すなわち特許文献１，２のようなドップラー周波数を用いるのではなく、判定対象衛星の位置変化を利用するものであるので、判定対象衛星からの電波の信頼度を高精度に判定できるようになる。

（２）また、この発明によれば、上述の方法によって判定対象衛星のキャリア位相変化速度Ｃｖａと推定キャリア位相変化速度Ｃｖａ′とのずれ量εに応じて測位演算に用いる測位用衛星の選択に対する重みを変化させるようにしたので、信頼度の高い測位用衛星からの信号を用いて測位演算でき、受信点の位置または速度を高精度に求めることができる。

（３）また、受信点の位置変化速度Ｒｖを、判定対象衛星を除く複数の衛星についての観測結果を基に測位演算して求めることによって、受信点の位置変化を測定するための特別な装置が不要となる。

（４）また、受信点の位置変化速度Ｒｖを、受信点の加速度を検出して前記所定判定時間での加速度を基にして求めることによって、複数の測位用衛星の受信環境に関わらず、受信点の位置変化を一定の精度で測定でき、判定対象衛星からの電波の信頼度を安定して判定できるようになる。

第１の実施形態に係る測位用受信装置について図２・図３を参照して説明する。
図２は測位用受信装置の構成を示すブロック図である。図２において、受信回路１１はＧＰＳアンテナ１０からの受信信号を増幅するとともに、それを中間周波信号に変換する。ＡＤコンバータ１２は、その受信信号をディジタル信号のデータ列に変換してディジタル信号処理回路へ与える。このディジタル信号処理回路１３は、複数の衛星からの電波を個別に受信処理するために複数チャンネル分備えていて、各受信チャンネルは、入力したディジタルデータ列に対して演算処理を行い、Ｃ／Ａコード位相とキャリア位相を求める。

具体的には、ディジタル信号処理回路１３内の各受信チャンネルは、Ｃ／Ａコード発生器、そのコード位相を数値制御するコードＮＣＯと、所定のコード位相のずれを有する３つのＣ／Ａコードと入力信号とを乗算し、それらの値をそれぞれ積分することによって相関値を求める相関器を備えている。また、上記各受信チャンネルは、位相が０°と９０°のキャリア信号を発生するキャリアＮＣＯと、このキャリア信号と入力信号との乗算を行い、それぞれの結果を積分することによってキャリア位相に関する相関値を求める相関器を備えている。また、ディジタル信号処理回路１３は、入力信号のキャリア位相の修正量（追尾量）を積算カウントする位相カウンタを備えている。

プロセッサ１４はディジタル信号処理回路１３で求められたコード位相に関する相関値からコードＮＣＯの位相を制御し、キャリア位相に関する相関値からキャリアＮＣＯの周波数を制御することによって、コード位相およびキャリア位相の追尾を行う。また、上記位相カウンタのカウント値を読み取ることによってキャリア位相を求める。さらに、このプロセッサ１４は、後述する処理によって受信点の測位を行う。

図３は図２に示したプロセッサ１４の毎秒行う処理内容を示すフローチャートである。
先ず、受信している各衛星のキャリア位相を観測する（ｓ１１）。そして、前回（１秒前）に求めた判定対象衛星のキャリア位相と今回求めたキャリア位相との変化速度Ｃｖａを求める（ｓ１２）。

また、判定対象衛星以外の衛星を用いて、受信点の位置を測位演算により求める（ｓ１３）。そして、前回（１秒前）の受信点の位置と今回の受信点の位置の変化速度Ｒｖを求める（ｓ１４）。また、判定対象衛星の位置変化速度Ｓｖａを、その判定対象衛星の軌道情報と前回の処理から今回の処理までの１秒間での位置変化から求める（ｓ１５）。

その後、上記受信点の位置変化速度Ｒｖと上記判定対象衛星の位置変化速度Ｓｖａとに基づいて、判定対象衛星からの直接波のキャリア位相変化速度Ｃｖａ´を推定する（ｓ１６）。すなわち、受信点の位置変化速度Ｒｖと判定対象衛星の位置変化速度Ｓｖａが分かれば、その両者間の相対速度が分かるので、その相対速度に基づいて判定対象衛星から直接受信点に到来する電波のキャリア位相変化速度Ｃｖａ´を算出する。

そして、この判定対象衛星からの直接波の推定キャリア位相変化速度Ｃｖａ´と判定対象衛星の観測によるキャリア位相変化速度Ｃｖａとの差の絶対値が、あらかじめ定めたずれ量の上限値Ｅを下回るか否かを判定する（ｓ１７）。下回れば、判定対象衛星を測位演算に用いることのできる衛星とみなして以降の処理を行う。すなわち判定対象衛星の観測結果を測位演算に用いる（ｓ１８）。もし上記ずれ量が上限値Ｅ以上であれば、この判定対象衛星の観測結果は測位演算に用いない。この事によって反射波やマルチパスの影響を受けた信号の観測結果を用いることなく高い測位精度を維持できる。

次に、第２の実施形態に係る測位用受信装置について図４・図５を参照して説明する。
第１の実施形態では、信号強度が大きく変化した衛星や、新たに捕捉し追尾を始めた衛星について、その衛星からの電波が直接波でないものとみなした場合に、または反射波の成分が所定量以上含まれているものとみなした場合に、その衛星の観測結果を測位演算に用いないようにしたが、この第２の実施形態では受信信号に対する反射波の含まれている割合に応じて判定対象の衛星の信頼度を求め、それに応じて測位演算に用いる衛星の選出を行うようにしたものである。

受信点の位置変化速度Ｒｖと判定対象衛星の位置変化速度Ｓｖａを求める処理は第１の実施形態と同様である。すなわち、受信している各衛星のキャリア位相を観測し（ｓ２１）、前回（１秒前）に求めた判定対象衛星のキャリア位相と今回求めたキャリア位相との変化速度Ｃｖａを求める（ｓ２２）。また、判定対象衛星以外の衛星を用いて、受信点の位置を測位演算により求め（ｓ２３）、前回（１秒前）の受信点の位置と今回の受信点の位置の変化速度Ｒｖを求める（ｓ２４）。さらに、判定対象衛星の位置変化速度Ｓｖａを、その判定対象衛星の軌道情報と前回の処理から今回の処理までの１秒間での位置変化から求める（ｓ２５）。その後、上記受信点の位置変化速度Ｒｖと上記判定対象衛星の位置変化速度Ｓｖａとに基づいて、判定対象衛星からの直接波のキャリア位相変化速度Ｃｖａ´を推定する（ｓ２６）。

これに続いて、判定対象衛星からの直接波の推定キャリア位相変化速度Ｃｖａ´と判定対象衛星の観測によるキャリア位相変化速度Ｃｖａとの差の絶対値（ずれ量）εを求める（ｓ２７）。そして、このずれ量εから、その判定対象衛星についての受信信号の信頼度を求める（ｓ２８）。ここで、ずれ量εが大きいほど「信頼度」が低く、ずれ量εが小さいほど「信頼度」が高い関係となるように、ずれ量εと「信頼度」の関係をあらかじめ定めておく。

この図４に示した処理を、追尾中である複数の衛星について、順次判定対象衛星として同様の処理を行うことにより、各衛星の信頼度を求める。

図５は追尾可能な複数の測位用衛星から測位演算に用いる衛星を選出して測位演算する手順を示すフローチャートである。
まず追尾中の各衛星について仰角、信号強度、前述の信頼度、に基づいてその各衛星の受信信号の高精度な測位を行うための有用性を評価値として算出する（ｓ３１）。ここで、仰角が高いほど一般に衛星から受信点までの伝搬経路中での誤差要因が小さいので、評価値が高くなるように定める。また信号強度については一般に信号強度が高いほど測位精度を高めるために有用であるので、信号強度が高いほど評価値を高める傾向にする。さらに前記ずれ量εから求めた信頼度が高いほど当然に評価値を高めるように、それらの関係を定めておく。

このようにして、評価値の高いものから順に４つの衛星を選出し（ｓ３２）、この４つの測位用衛星の観測結果を基に測位演算して、受信点の位置および速度を求める（ｓ３３）。

従来のドップラー周波数を基にして、その観測値と推定値のずれ量を求めるようにした場合、前述したように１Ｈｚ程度しか周波数精度が得られないが、本発明に係るキャリア位相変化速度は、たとえば秒速でみると１秒間の変化であるので、キャリア信号を発生するＮＣＯへ５ｍｓ周期で制御値を与える場合、周波数を１秒間で２００回制御することになるので、結果として０．０５Ｈｚ相当の精度でキャリア信号の観測値と推定値のずれを求めることができる。この０．０５Ｈｚの変化は１秒間で約１ｃｍの変化に相当するので、直接波に含まれる反射波の割合についても推定可能となる。したがって、単に反射波であるのか直接波であるのかの判定だけでなく、この第２の実施形態で示したように、反射波の割合に応じて変化する上記ずれ量εを基にして、測位に用いる衛星の選択に対する重みを定めることによって、反射波の割合が大きくて高い測位精度が保てなくなるような衛星が測位に用いられることが回避でき、常に高い測位精度を維持できるようになる。

次に、第３の実施形態に係る測位用受信装置について図６・図７を参照して説明する。
第１・第２の実施形態では、判定対象衛星を除く複数の衛星についての観測結果を基に測位演算手段が求めた所定判定時間での受信点の位置変化を基に受信点の位置変化速度を求めたが、この第３の実施形態では測位演算によらずに受信点の位置変化速度を求める。

図６はこの第３の実施形態に係る測位用受信装置の構成を示すブロック図である。図６において、ＩＮＳセンサ１６は慣性航法用の加速度センサである。このＩＮＳセンサ１６は、この測位用受信装置の３次元方向の加速度を検出する。その他の構成は図２に示したものと同様である。

図７は上記ＩＮＳセンサ１６を用いた受信点の位置変化速度を検出するための処理手順を示すフローチャートである。まず、ＩＮＳセンサ１６が検出した３次元方向の加速度情報を読み取る（Ｓ４１）。そして、直近の１秒間での３次元方向の加速度を各次元について積分することによって、その１秒間での受信点の位置変化速度Ｒｖを求める（Ｓ４２）。この図７の処理を毎秒繰り返し行う。

このようにして、測位用衛星からの電波を用いないで受信点の位置変化を求めるので、第１の実施形態で図３に示したステップＳ１３，Ｓ１４または第２の実施形態で図４に示したステップＳ２３，Ｓ２４の処理が不要となる。その他の処理は第１・第２の実施形態に示した処理と同様である。

測位用衛星からの電波の直接波と反射波の伝搬経路の例を示す図である。第１の実施形態に係る測位用受信装置の構成を示すブロック図である。第１の実施形態に係る測位用受信装置の処理手順を示すフローチャートである。第２の実施形態に係る測位用受信装置の判定対象衛星の信頼度を求める処理手順を示すフローチャートである。第２の実施形態に係る測位用受信装置の測位用衛星の選定および測位演算に関する処理手順を示すフローチャートである。第３の実施形態に係る測位用受信装置の構成を示すブロック図である。第３の実施形態に係る測位用受信装置の処理手順を示すフローチャートである。

Claims

複数の測位用衛星からの電波を受信点で受信するとともに観測し、該観測結果により前記受信点の位置を測位演算する測位演算手段と、
所定時間での前記受信点の位置変化速度Ｒｖを求める手段と、
判定対象衛星の軌道情報と前記受信点の位置と前記所定判定時間とに基づき、該所定判定時間での前記判定対象衛星の位置変化速度Ｓｖａを求め、前記受信点の位置変化速度Ｒｖと前記判定対象衛星の位置変化速度Ｓｖａを用い、前記判定対象衛星からの電波を直接受信している場合に相当する当該電波の推定キャリア位相変化速度Ｃｖａ′を求める手段と、
前記判定対象衛星からの電波の観測による所定時間でのキャリア位相の変化量を当該所定時間で除した値に相当するキャリア位相変化速度Ｃｖと、前記判定対象衛星に対する前記推定キャリア位相変化速度Ｃｖａ′とのずれεを求めるとともに、当該ずれεの大きさに応じて前記測位演算に対する前記判定対象衛星の観測結果の適用を決定する測位用衛星選択手段と、
を備えた測位用受信装置。
複数の測位用衛星からの電波を受信点で受信するとともに観測し、該観測結果により前記受信点の位置を測位演算する測位演算手段と、
所定時間での前記受信点の位置変化速度Ｒｖを求める手段と、
判定対象衛星の軌道情報と前記受信点の位置と前記所定判定時間とに基づき、該所定判定時間での前記判定対象衛星の位置変化速度Ｓｖａを求め、前記受信点の位置変化速度Ｒｖと前記判定対象衛星の位置変化速度Ｓｖａを用い、前記判定対象衛星からの電波を直接受信している場合に相当する当該電波の推定キャリア位相変化速度Ｃｖａ′を求める手段と、
前記判定対象衛星からの電波の観測による所定時間でのキャリア位相の変化量を当該所定時間で除した値に相当するキャリア位相変化速度Ｃｖと、前記判定対象衛星に対する前記推定キャリア位相変化速度Ｃｖａ′とのずれεを求めるとともに、当該ずれεの大きさに応じて前記測位演算手段が測位演算に用いる測位用衛星の選択に対する重みを変化させる手段とを設けた測位用受信装置。
前記受信点の位置変化速度Ｒｖを求める手段は、前記判定対象衛星を除く複数の測位用衛星についての観測結果を基に前記測位演算手段が求めた、前記所定判定時間での前記受信点の位置変化を基に前記受信点の位置変化速度を求めるものである、請求項１または２に記載の測位用受信装置。
前記受信点の位置変化速度Ｒｖを求める手段は、前記所定判定時間での前記受信点の加速度を検出し、該加速度を基に前記受信点の位置変化速度を求めるものである、請求項１または２に記載の測位用受信装置。