JP2007101484A - キャリア位相相対測位装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 整数バイアスフロート解推定部11による整数バイアスのフロート解の推定演算及び基線ベクトル算出部14による基線ベクトルの算出演算を、GPSアンテナ間の相対的な位置関係より得られる既知情報の制約条件の下で行う。この既知情報制約付きの条件下での具体的な演算技法としては、ラグランジェ乗数(Lagrange multiplier)や拡張カルマンフィルタによる方法がある。
【選択図】 図2
Description
Hwang ,Patrick Y.C,"Kinematic GPS For Differential Positioning Resolving Integer Ambiguities On The Fly",Navigation,Vol-31,No.1 P.J.G. Teunissen,"A New Method for carrier Phase Ambiguity Estimation ", proc. IEEE "Position Location and Navigation Symposium PLANS 94", Las Vegas,11-15 April, 1994, pp 562-573. Shawn D. Weisenburger, "Effect of Constraints and Multiple Receivers for On-The-Fly Ambiguity Resolution",UCGE Reports Number 20109,Department of Geomatics Engineering,University of Calgary,1997(http://www.geomatics.ucalgary.ca/Papers/Thesis/MEC/97.20109.SWeisenburger.pdf(2005.10.7時点)) Lu G."Development of a GPS Multi-Antenna System for Attitude Determination",UCGE Reports No. 20073, Department of Geomatics Engineering ,University of Calgary,1995 Kornfeld. R.P. Hansman, R.J. and Deyst, J.J. "Single Antenna GPS Based Aircraft Attitude Determination," Proceedings of the Institute of Navigation National Technical Meeting, Jan. 21- 23, 1998, Long Beach, CA, pp. 345-354.
以下、本発明の実施の形態1によるキャリア位相相対測位装置について図面を参照しながら説明する。
図1(a)は、航法座標系と移動体座標系について示す図である。図1に示すように、基準となる航法座標系は北、東方向をそれぞれX軸、Y軸とする右手系の直交座標系(Geodetic座標系)である。また、移動体座標系は移動体の進行方向、右手方向をそれぞれX軸、Y軸とする右手系の直交座標系であり、移動体が船舶の場合には船首方向をX軸、右舷方向をY軸として設定する。なお、両座標系の原点は必ずしも一致させる必要はないが、ここでは理解を助けるために一致させている。また、本発明の説明中、右肩添え字nは航法座標系を示し、右肩添え字bは、移動体座標系(Body座標系)を示す。
例えば、1重位相差観測モデル(single difference observation model )における航法座標系のキャリア位相差観測量ΔΦijは、次式〔数1〕で表わせる。ここで、右下添え字で示したi、jはそれぞれ、i番目のスレーブアンテナ、j番目の衛星を示す。
(2)拡張フィルタを用いた技法
公知の拡張カルマンフィルタ(extended Kalman filter)を用いて既知情報制約付きで整数バイアスのフロート解及び基線ベクトルを推定することもできる。なお、拡張カルマンフィルタとは、推定したい状態量の初期値を与えておき、それと観測量の時間履歴を元に状態量の推定値を逐次計算していく手法である。この拡張カルマンフィルタは観測エポック毎の観測量に基づいて、順次、誤差共分散(error covariance)を更新しながらステートを推定できる利点があるので実用に便利である。
基線ベクトル算出部14は、整数バイアス検定部12で決定された整数バイアス解を既知量として観測方程式〔数2〕から基線ベクトルを求めるものである。具体的には、次の処理を行う。
前述のように、ラグランジェ乗数や拡張カルマンフィルタを用いて整数バイアスのフロート解や基線ベクトルを正確且つ高速に求めるためには、正確な基線ベクトルの初期値を与えることが望ましい。
図3は、移動体速度から算出した擬似姿勢角を用いて基線ベクトルを推定する技法を説明するための図である。
スレーブアンテナを移動体座標系Xb軸上に設置している場合には、当該基線ベクトルを求めるためのロール、ピッチを慣性センサの観測量から求めることができる。また、yawは方位検出部出力より求めることもできる。
以下、表1、表2に本発明のラグランジェ乗数による基線長制約付き整数バイアスフロート解と基線ベクトル推定特性のシミュレーション実験結果の一例を示す。
外部姿勢角支援データが得られると仮定したとき、スレーブアンテナを移動体座標系Xb軸上に設置した場合の基線ベクトルの初期値は、ピッチθP、方位θyから前述の〔数12〕より求めることができる。そこで、それぞれ3°、5°、10°のピッチ/方位誤差を持つ姿勢角から算定した基線ベクトルの初期値に基づいて実験を行った。なお、使用衛星数は5個、アンテナ間距離(基線長)は0.5mとした。
ラグランジェ乗数による基線長制約付技法を用いて基線ベクトルを求めた時の姿勢角換算誤差を表2に示す。なお、使用衛星数は5個、アンテナ間距離(基線長)は0.5mとした。
2 GPS受信機
3a、3b、3c 演算処理部
4 IMU
11 整数バイアスフロート解推定部
12 整数バイアス決定部
13 整数バイアス検定部
14 基線ベクトル算出部
15 GPS姿勢演算部
16 整数バイアス解算出部
21、31 速度検出部
22、32 基線ベクトル初期値演算部
33 INS航法演算部
34 INS航法誤差推定部
101 整数バイアスのフロート解推定処理
102 整数バイアス解の決定処理
103 整数バイアス解の検定処理
Claims (12)
- 移動体上に固定された複数のアンテナを備えるキャリア位相相対測位装置において、
前記複数のアンテナで受信した測位用信号から位相差観測量を得る受信機と、
前記複数のアンテナの相対的な位置関係より得られる既知情報を制約条件として、前記位相差観測量から整数バイアスのフロート解を推定する整数バイアスフロート解推定部を備えることを特徴とするキャリア位相相対測位装置。 - 請求項1に記載のキャリア位相相対測位装置において、
前記整数バイアスフロート解推定部は、ラグランジェ乗数を用いて整数バイアスのフロート解推定処理を行うことを特徴とするキャリア位相相対測位装置。 - 請求項1に記載のキャリア位相相対測位装置において、
前記整数バイアスフロート解推定部は、拡張カルマンフィルタを用いて整数バイアスのフロート解推定処理を行うことを特徴とするキャリア位相相対測位装置。 - 請求項1から3の何れかに記載のキャリア位相相対測位装置において、
移動体速度を検出する速度検出部と、
前記移動体速度から算出した擬似姿勢角を用いて基線ベクトルを推定し、該基線ベクトルを前記整数バイアスのフロート解推定処理時の基線ベクトルの初期値として与える基線ベクトル初期値演算部をさらに備えることを特徴とするキャリア位相相対測位装置。 - 請求項1から3の何れかに記載のキャリア位相相対測位装置において、
移動体の加速度及び角速度を計測する慣性センサと、
移動体速度を検出する速度検出部と、
前記慣性センサの観測量と前記移動体速度から基線ベクトルを推定し、該基線ベクトルを前記整数バイアスのフロート解推定処理時の基線ベクトルの初期値として与える基線ベクトル初期値演算部をさらに備えることを特徴とするキャリア位相相対測位装置。 - 移動体上に固定された複数のアンテナを備えるキャリア位相相対測位装置において、
前記複数のアンテナで受信した測位用信号から位相差観測量を得る受信機と、
前記位相差観測量から整数バイアス解を算出する整数バイアス解算出部と、
前記複数のアンテナの相対的な位置関係より得られる既知情報を制約条件として、前記位相差観測量及び前記整数バイアス解から基線ベクトルを算出する基線ベクトル算出部を備えることを特徴とするキャリア位相相対測位装置。 - 請求項6に記載のキャリア位相相対測位装置において、
前記整数バイアスフロート解推定部は、ラグランジェ乗数を用いて基線ベクトル算出処理を行うことを特徴とするキャリア位相相対測位装置。 - 請求項6に記載のキャリア位相相対測位装置において、
前記整数バイアスフロート解推定部は、拡張カルマンフィルタを用いて基線ベクトル算出処理を行うことを特徴とするキャリア位相相対測位装置。 - 請求項6から8の何れかに記載のキャリア位相相対測位装置において、
移動体速度を検出する速度検出部と、
前記移動体速度から算出した擬似姿勢角を用いて基線ベクトルを推定し、該基線ベクトルを前記基線ベクトル算出処理時の基線ベクトルの初期値として与える基線ベクトル初期値演算部をさらに備えることを特徴とするキャリア位相相対測位装置。 - 請求項6から8の何れかに記載のキャリア位相相対測位装置において、
移動体の加速度及び角速度を計測する慣性センサと、
移動体速度を検出する速度検出部と、
前記慣性センサの観測量と前記移動体速度から基線ベクトルを推定し、該基線ベクトルを前記基線ベクトル算出処理時の基線ベクトルの初期値として与える基線ベクトル初期値演算部をさらに備えることを特徴とするキャリア位相相対測位装置。 - 請求項5又は請求項10の何れかに記載のキャリア位相相対測位装置において、
前記基線ベクトル初期値演算部は、前記慣性センサの観測量から移動体のピッチを算出するとともに前記速度検出部からの速度情報より方位を算出し、該ピッチ及び方位情報から基線ベクトルを推定することを特徴とするキャリア位相相対測位装置。 - 請求項5又は請求項10の何れかに記載のキャリア位相相対測位装置において、
整数バイアス解の決定後に得られる情報を用いて、前記慣性センサの観測量誤差を補正する慣性センサ誤差補正部をさらに備え、
前記基線ベクトル初期値演算部は、整数バイアス解の再決定時に、前記慣性センサ誤差補正部で誤差補正された前記慣性センサの観測量を用いて初期値として与える基線ベクトルを推定することを特徴とするキャリア位相相対測位装置。
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