JP2006258735A

JP2006258735A - 測位装置

Info

Publication number: JP2006258735A
Application number: JP2005079722A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Sasaki; 雅広佐々木
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-03-18
Filing date: 2005-03-18
Publication date: 2006-09-28

Abstract

【課題】利用者に大きな負担をかけず、測位できる地域を狭くすることなく、反射波による影響を低減することができる測位装置を提供する。
【解決手段】車両から出力される車速パルス等に基づいて移動速度を算出する速度算出部５と、複数の衛星によって送信された衛星信号の信号レベルと閾値とを比較することによって衛星信号を選択する衛星信号選択部６と、選択された衛星信号に基づいて測位装置の位置を算出する位置算出部７とを備え、衛星信号選択部６は、速度算出部５によって算出された移動速度に応じて閾値を変更する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＧＰＳ（Global Positioning System）を代表とする衛星測位システム（Global Navigation Satellite System、以下単に「ＧＮＳＳ」という。）に適用される測位装置に関するものである。

従来の測位装置は、図６に示すように、衛星から送出された電波を受信するアンテナ部１１と、受信した受信信号を復調処理する信号処理部１２と、復調処理して得られた衛星信号に基づいて測位する測位部１３とを備え、測位された位置を基準として、地図データ格納部１７から対応する地図データを読み出して表示装置に表示させている。

測位部１３は、衛星信号を選択する衛星信号選択部１５と、選択された衛星信号に基づいて測位装置の位置を算出する位置算出部１６とを備えている。位置算出部１６は、衛星信号選択部１５によって選択された衛星信号を送信した各衛星の位置を中心とし、各衛星から測位装置までの伝搬距離を半径とする各球の交点を導くことによって測位装置の位置を算出するようになっている。

ビル街等のように衛星から送出された電波が反射しやすい環境では、反射波の影響により位置算出部１６が伝搬距離を正しく測定することができなくなることがあり、位置算出部１６による算出結果に数十ｍの位置ずれが発生してしまうことがある。

この反射波は、周囲の建物の影響を強く受けるものであり、見晴らしの良い場所と、ビル街等とで大きく異なるため、衛星信号選択部１５は、衛星によって送信された衛星信号の信号レベルと閾値とを比較することによって、伝搬距離の測定誤差が大きくなると考えられる衛星信号を選択しないようになっている。

しかしながら、測位装置の周囲の環境によっては、信号レベルが閾値を超える衛星信号でも、反射波の影響を強く受けている場合があり、この場合には、大きな測位誤差が発生してしまう。

この反射波の影響を低減するため、従来の測位装置は、あらかじめ地図データに反射波の発生しやすさの目安となる情報を記憶させておき、衛星信号選択部１５で信号レベルと比較する閾値を反射波が発生しやすい地域では大きくして相対的に受信感度を下げることにより、信号レベルが高く安定した衛星信号だけを用いて測位していた（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−２６４０７６号公報（第３−４頁、第１図）

しかしながら、従来の測位装置においては、格子状に区分された地域毎の地図データで反射波が発生しやすいか否かを管理するため、反射波が発生しやすいとされた区分の全域で受信感度を下げてしまい、測位できる地域が狭くなるという問題があった。

また、従来の測位装置においては、地図データを常に最新のものにしておかなければならないため、全国を調査して地図データを更新するための莫大な費用がかかり、利用者に大きな負担をかけるという問題があった。

本発明は、従来の問題を解決するためになされたもので、利用者に大きな負担をかけず、測位できる地域を狭くすることなく、反射波による影響を低減することができる測位装置を提供することを目的とする。

本発明の測位装置は、複数の衛星によって送信された衛星信号の信号レベルと閾値とを比較することによって前記衛星信号を選択し、選択した衛星信号に基づいて測位する測位装置において、前記測位装置の移動速度に応じて前記閾値を変更する閾値変更手段を備えた構成を有している。

例えば、前記閾値変更手段は、前記移動速度が高くなるにつれて前記閾値を低くし、前記移動速度が低くなるにつれて前記閾値を高くする。

この構成により、本発明の測位装置は、反射波の影響を受けやすい低速移動時には閾値を高くし、反射波の影響を受けにくい高速移動時には、閾値を低くすることで、走行速度に応じた最適な閾値を決定することができ、利用者に大きな負担をかけず、測位できる地域を狭くすることなく、反射波による影響を低減することができる。

なお、前記閾値変更手段は、前記測位装置が設けられた車両によって出力される車速パルスに基づいて前記移動速度を算出するようにしてもよく、前記測位装置の測位結果に基づいて前記移動速度を算出するようにしてもよい。

本発明は、利用者に大きな負担をかけず、測位できる地域を狭くすることなく、反射波による影響を低減することができるといった効果を有する測位装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

なお、ＧＰＳを代表とするＧＮＳＳは、衛星を用いた全地球上で利用できる衛星測位システムであり、米国が管理するＧＰＳの他にも、ロシアのＧＬＯＮＡＳＳ（Global Orbiting Navigation Satellite System）が知られており、欧州のＧａｌｉｌｅｏも実用化が予定されている。これらの衛星測位システムに対して、単独または統合した測位装置が開発されており、陸海空のさまざまな場所で利用されることが想定される。

今日では、ＧＰＳを用いた車両用ナビゲーション装置が広く普及しており、本実施形態は、本発明の測位装置をＧＰＳに適用して車両に搭載した例について説明するが、本発明は、その他のＧＮＳＳについても適用可能であり、ＧＰＳに限定されるものではない。

本発明の一実施の形態の測位装置を図１に示す。

測位装置１は、衛星から送出された電波を受信するアンテナ部２と、アンテナ部２に受信された受信信号を復調処理する信号処理部３と、復調処理によって得られた衛星信号に基づいて測位する測位部４と、車両から出力される車速パルス等に基づいて測位装置１の移動速度を算出する速度算出部５とを備えている。

信号処理部３は、測位部４および速度算出部５と共に、ＬＳＩ（Large Scale Integration）やプログラムを実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）によって一体に構成されている。

信号処理部３は、同時に受信可能なチャンネル（一般的には８〜１６チャンネル）を有し、異なる衛星から送信された信号を各チャンネルで復調処理するようになっている。

測位部４は、衛星信号を選択する衛星信号選択部６と、選択された衛星信号に基づいて測位装置１の位置を算出する位置算出部７とを有している。なお、速度算出部５および衛星信号選択部６は、本発明における閾値変更手段を構成する。

以上のように構成された測位装置１について、その動作を説明する。

ＧＰＳでは、Ｌ１帯（１．５７５４２ＧＨｚ）の搬送波周波数が民生用として開放されており、将来的にはＬ２帯（１．２２７６ＧＨｚ）およびＬ５帯（１．１７６４５ＧＨｚ）の搬送波周波数についても民生用に開放される予定である。

これらの搬送波周波数で衛星から送信された信号は、アンテナ部２に受信される。

衛星から送信される信号には、Ｃ／Ａ（Clear and AcquisitionまたはCoarse and Access）コードと呼ばれる衛星固有の符号でスペクトラム拡散されてノイズ以下のレベルに拡散された衛星信号が含まれている。

Ｃ／Ａコードは、同一のＣ／Ａコードでスペクトル拡散した信号と相関（以下単に「自己相関」という。）を取った場合、同位相のときの相関値が最大で、位相が１ｂｉｔ以上ずれたときの相関値がほぼ０となる特徴がある。また、Ｃ／Ａコードは、異なるＣ／Ａコードでスペクトル拡散した信号と相関（「相互相関」ともいう。）を取った場合には、相関値がほぼ０となる特徴がある。さらに、Ｃ／Ａコードは、自己相関の位相差が０〜１ｂｉｔの範囲では、相関値がその位相差に比例する特徴がある。

したがって、アンテナ部２に受信された受信信号に各Ｃ／Ａコードの位相を合わせて逆拡散することによって各チャンネルの衛星信号が取得できる。

Ｃ／Ａコードの位相を合わせるものとして、ＤＬＬ（Delay Lock Loop）という方式が一般的に用いられており、ＤＬＬは、図２に示すように、同期が取れているＣ／Ａコードの位相から±０．５ｂｉｔずらした自己相関値を同時に求め、それぞれの相関値が同じになるように制御することによってＣ／Ａコードの位相を合わせる。

一方、衛星は、約１２時間で地球を周回する速度で移動しているため、この移動に伴って最大で±５０００Ｈｚのドップラーシフト周波数が発生する。

信号処理部３は、アンテナ部２に受信された受信信号にＤＬＬを用いてＣ／Ａコードの位相を合わせて逆拡散処理すると共にドップラーシフト周波数を検出して除去することによって衛星信号を取得する。

ここで、衛星信号は、衛星の軌道情報等を含む航法データを含み、航法データは、５０ｂｐｓの速度で衛星から放送されている。これらの航法データは、信号処理部３によって衛星信号から取得される。

航法データは、３００ｂｉｔ毎にサブフレームと呼ばれる単位で構成されており、１〜５までの５種類のサブフレームが順番に衛星から放送される。

サブフレームには、先頭を示すプリアンブルパターンと呼ばれるｂｉｔ列が格納されており、サブフレームのデータを取得するためには、まず、プリアンブルパターンを検出する。

サブフレーム１〜５は、まとめてメインフレームと呼ばれ、２５種類のメインフレームが順番に放送される。つまり、メインフレーム１を構成するサブフレーム１、メインフレーム１を構成するサブフレーム２、・・・・、メインフレーム１を構成するサブフレーム５、メインフレーム２を構成するサブフレーム１、・・・・、メインフレーム２５を構成するサブフレーム５という順番で放送され、再びメインフレーム１を構成するサブフレーム１が放送される。

サブフレーム１〜３は、放送している衛星の詳細な軌道情報や衛星管理時刻の補正値等が主に格納されており、測位するためには必要不可欠なものである。サブフレーム１〜３は、基本的には４時間の有効期限があり、２時間は同一のものが放送されている。一方、サブフレーム４〜５は、他の衛星の軌道情報や健康状態情報等が主に格納されている。

位置算出部７は、衛星信号選択部６によって選択された衛星信号毎に、衛星信号を送信した衛星の位置を中心として、当該衛星から送信された信号の伝播距離を半径とする式１に示した球の方程式を立てて、これらの方程式よりなる連立方程式を解くことによって測位装置１の位置を算出する。

衛星ｉの位置（Ｘ_ｉ，Ｙ_ｉ，Ｚ_ｉ）は、信号処理部３によって取得された航法データに含まれる各衛星の詳細な軌道情報により正確に算出することができる。また、伝搬距離Ｌ_ｉは、「（測位装置１の信号受信時刻−衛星ｉの信号送信時刻）×光速」で算出することができるが、測位装置１の信号受信時刻には、測位装置１の内部時計による時刻誤差が含まれるため正確な距離は算出できない。しかし、この時刻誤差は、全ての衛星に対して同じ量になるため、１つの未知数として扱える。

したがって、連立方程式の未知数は、測位装置１の位置（Ｘ_ｒ，Ｙ_ｒ，Ｚ_ｒ）と測位装置１の時刻誤差との４つとなり、位置算出部７は、４衛星以上の衛星に対して立てた球の方程式よりなる連立方程式を解くことにより、測位装置１の位置と正確な時刻を算出する。

具体的には、伝搬距離Ｌ_ｉを算出する際に基づく衛星ｉの信号送信時刻は、衛星信号から算出することができる。

例えば、サブフレームの先頭には６秒単位の時刻情報が格納されており、この時刻はサブフレームの先頭が送信された時刻を表している。すなわち、サブフレームの先頭に格納されているプリアンブルパターンを検出し、６秒単位の時刻データを取得すれば６秒単位で正確な時刻を算出することができる。

また、前述したとおり、サブフレームの先頭から５０ｂｐｓで航法データが送信されているため、サブフレームの先頭からのデータ数をカウントすることで、２０ｍｓｅｃ単位の時刻を算出することができる。

さらに、航法データの先頭とＣ／Ａコードの先頭は完全に同期しており、Ｃ／Ａコードの周期は１ｍｓｅｃであるため、航法データのｂｉｔエッジからのＣ／Ａコードの発生数をカウントすることで、１ｍｓｅｃ単位の時刻を算出することができる。また、Ｃ／Ａコードの先頭からの位相によって、１ｍｓｅｃ以下の時刻が算出できる。

このように、信号処理部３が正確にＣ／Ａコードの位相を合わせることによって、測位部４が衛星の信号送信時刻を正確に決定することができ、測位装置１の測位精度を向上させることができる。

衛星信号選択部６は、衛星信号の信号レベルと閾値とを比較することによって衛星信号を選択する。

信号処理部３は、ＤＬＬを用いて位相を±０．５ｂｉｔずらしたＣ／Ａコードと受信信号との相関値が同一となるように制御するため、図３に示すように、ビル等に反射した反射波２１が直接波２２に合成された合成波２３がアンテナ部２に受信されたときには、Ｃ／Ａコードの位相が合っているときに、位相を±０．５ｂｉｔずらしたＣ／Ａコードの相関値が同一とならず、Ｃ／Ａコードの位相を合わせることができなくなる。

図３からも分かるように、Ｃ／Ａコードは、１．５ｂｉｔ以上遅れた反射波については、その影響をほとんど受けない。したがって、Ｃ／Ａコードは、１．０２３Ｍｂｐｓのビットレートで光速で伝搬されるため、約４５０ｍ以上遅れた反射波の影響をほとんど受けない。つまり、Ｃ／Ａコードは、遠くの建物で反射した反射波よりも近くの建物で反射した反射波に強い影響を受ける。

このため、測位装置１が高速で移動している場合には、周囲の建物との位置関係が常に変化するため、反射波の影響があったとしても、その影響が短時間で解消し、測位装置１の位置の算出精度に与える影響が極めて小さくなる。

一方、測位装置１が低速で移動している場合や停止している場合には、周囲の建物との位置関係がほとんど変わらないため、反射波の影響を長く受けてしまい、測位装置１の位置の算出精度が悪くなってしまう。

このため、衛星信号選択部６は、速度算出部５によって算出された速度に応じて閾値を変更する。例えば、衛星信号選択部６は、反射波の影響を受けにくい高速移動時では、閾値を低くし、反射波の影響を受けやすい低速移動時または停車時では、閾値を高くする。

一般的な車両からは、総走行距離の積算や、速度メータの表示等の目的で、タイヤの回転数に比例する形でパルス情報が出力される。速度算出部５は、このパルス情報を読み出して、一定の係数を乗算することで測位装置１の移動速度を算出する。

図４は、測位装置１から見た衛星の仰角と反射波との関係を説明するための概念図である。

図４に示すように、測位装置１から見た仰角が高い位置にある衛星から送出された電波よりも仰角が低い位置にある衛星から送出された電波の方が影響範囲が広い反射波を発生する。例えば、天頂にある衛星ＳＶ１から送出された電波の反射波３１は、影響を与える範囲が狭いが、測位装置１から見た仰角が低い位置にある衛星ＳＶ２から送出された電波の反射波３２は、影響を与える範囲が広くなる。

図５は、測位装置１から見た仰角と衛星までの距離との関係を説明するための概念図である。なお、図５においては、説明を簡単にするため、地球４１を半径約６３７０ｋｍの球とし、衛星４２の軌道を高度約２００００ｋｍの円軌道とする。

図５から分かるように、測位装置１が位置する観測点４３に対して仰角４４が大きい位置にある衛星４２ほど観測点４３までの距離が長くなる。アンテナ部２の指向性を考慮しない場合には、信号レベルは距離の２乗に反比例するため、観測点４３に対して仰角４４が小さい位置にある衛星４２から送信された衛星信号ほど信号レベルが低くなる。

このように、反射波の影響を与えやすいのは仰角が小さい位置にある衛星であり、仰角が小さい位置にある衛星ほど信号レベルが小さくなるため、衛星信号選択部６が、反射波の影響を受けやすい低速移動時または停車時で閾値を高くすることによって、仰角が小さい位置にある衛星から送信された衛星信号に基づいて位置算出部７が測位装置１の位置を算出することを防止できる。

このような本発明の一実施の形態の測位装置１は、反射波の影響を受けやすい低速移動時には閾値を高くし、反射波の影響を受けにくい高速移動時には、閾値を低くすることで、走行速度に応じた最適な閾値を決定することができ、利用者に大きな負担をかけず、測位できる地域を狭くすることなく、反射波による影響を低減することができる。

なお、前述したように、衛星信号を受信しているときは、ドップラーシフト周波数を検出している状態であり、ドップラーシフト周波数は、衛星と測位装置１との間の相対速度に等しく、衛星の移動速度は、衛星の軌道情報に基づいて算出できる。

したがって、速度算出部５は、検出したドップラーシフト周波数から、軌道情報に基づいて算出した衛星の移動速度を引くことにより、測位装置１の移動速度を算出するようにしてもよい。この移動速度は、衛星方向の速度ベクトルであり、複数の衛星について速度ベクトルを求めることにより、測位装置１の移動速度に加えて移動方位を算出することもできる。

例えば、ポータブルナビゲーションのように、車速パルスが入力されない測位装置１においては、閾値を決定するための移動速度が取得できない。本発明の測位装置は、車両用のものを想定しており、車両の移動速度は、時間的に見ると大きな変化が発生しない。したがって、速度算出部５は、車速パルスが入力されていない場合には、例えば１秒前に得られた軌道情報に基づいて算出した移動速度を用いて、閾値を決定するようにしてもよい。

以上のように、本発明にかかる測位装置は、利用者に大きな負担をかけず、測位できる地域を狭くすることなく、反射波による影響を低減することができるという効果を有し、例えば、ＧＰＳを代表とするＧＮＳＳに適用される測位装置等として有用である。

本発明の一実施の形態における測位装置のブロック図Ｃ／Ａコードの特性を説明するための概念図Ｃ／Ａコードに対する反射波の影響を説明するための概念図測位装置から見た衛星の仰角と反射波との関係を説明するための概念図測位装置から見た衛星の仰角と衛星までの距離との関係を説明するための概念図従来の測位装置のブロック図

符号の説明

１測位装置
２、１１アンテナ部
３、１２信号処理部
４、１３測位部
５速度算出部
６、１５衛星信号選択部
７、１６位置算出部
１７地図データ格納部

Claims

複数の衛星によって送信された衛星信号の信号レベルと閾値とを比較することによって前記衛星信号を選択し、選択した衛星信号に基づいて測位する測位装置において、
前記測位装置の移動速度に応じて前記閾値を変更する閾値変更手段を備えたことを特徴とする測位装置。
前記閾値変更手段は、前記移動速度が高くなるにつれて前記閾値を低くすることを特徴とする請求項１に記載の測位装置。
前記閾値変更手段は、前記移動速度が低くなるにつれて前記閾値を高くすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の測位装置。
前記閾値変更手段は、前記測位装置が設けられた車両によって出力される車速パルスに基づいて前記移動速度を算出することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の測位装置。
前記閾値変更手段は、前記測位装置の測位結果に基づいて前記移動速度を算出することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の測位装置。