JP2009294067A - 測位装置、測位方法及び測位プログラム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】搬送波位相距離の波数の決定が容易な擬似距離などの観測量だけでなく、既に決定している搬送波位相距離の波数である整数波数を入力として、未決定の搬送波位相距離の波数の推定量である実数波数推定量を計算する。また、実数波数推定量の計算とともに、位置推定量の計算を行う。計算した実数波数推定量に基づき、搬送波位相距離の波数を決定する。
【選択図】図2
Description
しかし、搬送波位相を用いる方式では、搬送波位相で計測した距離(搬送波位相距離)の整数部分が直接得られないため、搬送波位相距離の整数部分を決定する方式が必要である。搬送波位相距離の整数部分を波数(又はアンビギュイティ、又は整数バイアス)と呼ぶ。
波数を決定する方法は幾つか知られている。波数を決定する方法においては、搬送波位相やこれ以外の情報を用いて波数の実数波数推定量を計算し、この周囲に存在する整数値の波数候補を探索して信頼性が高い値を見つけることが基本である。
以下、前記実数表現された波数を実数波数と呼び、探索の結果得られた波数の決定値を整数波数と呼ぶ。
探索範囲が拡大すると整数波数を見つけるのが困難になるので、探索範囲を狭める必要がある。このためには精度が良い波数の実数推定値を得る事が重要となる。
以下、移動局と基準局との2つの観測量間の差分観測量を一重差観測量と呼ぶ。さらに、各受信機間の時計誤差を消去する為に基準観測量となる測位衛星を選択して、一重差観測量の差分で得られる4観測量間差分の観測量を用いる場合がある。この観測量を二重差観測量と呼ぶ。
本発明は、例えば、搬送波位相を用いた衛星測位方式において、波数を得る処理の処理時間および収束時間を短縮するとともに、精度の高い実数波数を得ることを目的とする。
複数の受信機の各受信機が受信した上記信号から得られる上記各受信機についての観測量を取得して記憶装置に記憶する観測量取得部と、
上記観測量取得部が取得した観測量と、上記複数の受信機が受信した信号の搬送波位相距離の整数部分である波数のうち既に決定している波数である整数波数とに基づき、上記複数の受信機が受信した信号の波数の推定量を処理装置により計算する推定部と、
所定の方法により、上記推定部が計算した推定量に対応する波数を処理装置により決定する整数波数決定部と
を備えることを特徴とする。
この実施の形態では、観測量だけでなく、整数波数を入力として、実数波数推定量を計算することにより、受信機の位置を計算する測位装置100について説明する。
測位装置101は、観測量取得部5、二重差処理部206、推定計算部201、整数波数探索部2、変換部7を備える。また、推定計算部201は、実数波数推定部202、検定部204、位置推定部205を備える。
観測量取得部5は、複数の受信機の各受信機が受信した信号から得られる上記各受信機についての観測量を取得して記憶装置に記憶する。観測量取得部5は、各受信機の観測量を出力する。
二重差処理部206は、観測量取得部5が出力した観測量に対して、推定計算部201の計算が容易になるような前処理を適用して前処理後観測量を処理装置により計算する。二重差処理部206は、生成した前処理後観測量を出力する。
推定計算部201は、前処理後観測量を入力として、対象の位置、速度、加速度等を推定した位置推定量を処理装置により計算して出力する。
実数波数推定部202は、前処理後観測量を用いて概略位置推定量と実数波数推定量とを処理装置により計算して出力する。
整数波数探索部2は、実数波数推定部202の出力を用いて実数波数推定量に対応する整数波数候補を処理装置により決定する。整数波数探索部2は、常に全衛星の実数波数に対して探索を行い整数波数候補を決定する。
検定部204は、整数波数探索部2が決定した整数波数候補を処理装置により検定する。検定部204は、検定の結果が妥当であれば整数波数を他の推定量(位置推定量、波数検定結果)と併せて出力する。
位置推定部205は、前処理後観測量と、検定部204が出力した位置推定量、整数波数及び波数検定結果を用いて対象の位置を処理装置により推定して、位置推定量を出力する。また、位置推定部205は、推定した位置推定量に基づき初期化判定を行う。つまり、位置推定部205は、位置推定量を異常と判定した場合は、再初期化指示信号を実数波数推定部202へ出力して、初期化させる。
変換部7は、推定計算部201が出力した位置推定量を入力として、適切な座標系や時系列に受信機の位置推定量を処理装置により変換して、推定位置を出力する。
ところが、実際の衛星測位計算においては、一部の観測量で整数波数が得られているケースも多い。このような場合に、残りの衛星の実数波数を収束計算する際に整数波数の情報を使用することにより、収束時間を短縮でき、十分な収束精度が得られ、かつ、位置計算精度を改善できる可能性がある。
測位装置100は、観測量取得部5、前処理部6、推定計算部1、整数波数探索部2、変換部7を備える。また、推定計算部1は、推定部3、検定・更新部4を備える。
観測量取得部5は、上記測位装置101が備える観測量取得部5と同様である。
前処理部6は、観測量取得部5が出力した観測量に対して、推定計算部1の計算が容易になるような前処理を適用して前処理後観測量を処理装置により計算する。前処理部6は、生成した前処理後観測量を出力する。
推定計算部1は、前処理部6が出力した前処理後観測量を入力として、対象の位置、速度、加速度等を推定した更新位置推定量、更新整数波数を処理装置により計算して、出力する。
推定部3は、前処理部6が出力した前処理後観測量と、後述する検定・更新部4が出力した更新位置推定量と更新整数波数と、推定部3自身が出力した位置推定量、実数波数推定量とを入力として、位置推定量と実数波数推定量とを処理装置により計算する。特に、推定部3は、更新整数波数により実数波数を変換することにより、後述する整数波数探索部2が探索すべき実数波数を減少させる。また、推定部3は、更新位置推定量を用いて高精度な実数波数の推定を行うとともに、整数波数と実数波数とを用いて高精度の位置推定を行う。つまり、推定部3は、上記測位装置101の実数波数推定部202と位置推定部205とを統合した機能を有する。
整数波数探索部2は、推定部3が出力した実数波数推定量を入力として、実数波数推定量に対応する整数波数の候補を処理装置により決定する。特に、整数波数探索部2は、推定部3が更新整数波数により変換した後の実数波数についてのみ探索を行えばよい。
検定・更新部4は、整数波数探索部2が出力した整数波数の候補と、既に決定している整数波数とを検定して、所定の基準を満たすものを整数波数として採用するとともに、上記基準を満たさないものは整数波数として採用せず棄却した更新整数波数を処理装置により計算する。また、検定・更新部4は、採用した整数波数を用いて位置推定量を計算する。検定・更新部4は、計算した位置推定量と推定部3が出力した位置推定量とを複合して、より正確な値に更新された更新位置推定量を処理装置により計算する。そして、検定・更新部4は、計算した更新整数波数と更新位置推定量とを出力する。なお、検定・更新部4は、計算した位置推定量と推定部3が出力した位置推定量とを複合して更新位置推定量を計算してもよいし、計算した位置推定量を更新位置推定量としてもよい。計算した位置推定量と推定部3が出力した位置推定量とを複合して検定・更新部4が更新位置推定量を計算した場合には、推定部3は、更新位置推定量のみを用いて高精度な実数波数の推定を行えばよい。一方、計算した位置推定量を検定・更新部4が更新位置推定量とした場合には、推定部3は、更新位置推定量と推定部3自身が出力した位置推定量とを複合して高精度な実数波数の推定を行えばよい(つまり、複合を次のエポックに持ち越して行えばよい)。
変換部7は、検定・更新部4が出力した更新位置推定量を入力として、適切な座標系や時系列に受信機の推定位置を処理装置により変換して、出力する。
受信機が受信する周波数を1種類として、移動局を基準局近傍に静止していると近似する。すると、エポックkにおける推定量の1つである状態変数x(k)は、相対位置p(k)と衛星数i(k)の一重差観測量に対応する実数波数N(k)とから構成できる。そして、距離換算の一重差観測量y(k)は以下の方程式になる。
ATは行列Aの転置を示す。
v(k)は観測雑音を示す。
観測行列H(k)は、i(k)行3列の、各衛星位置を受信機位置から見た方向余弦行列A(k)と、搬送波の波長λを乗じたI(i(k))に等しいL(k)とから構成される。
N(k)の要素であるn(1、k)からn(i(k)、k)は、i(k)種類の各観測衛星に対応した一重差実数波数を示す。
より明確に記述する為に要素数i(k)となる衛星番号リストS(k)を対応づけると、n([1、2、...、i(k)]、k)は、n(S(k)、k)と言い換えられる。ここでS(k)の要素をs(1、k)の様に記す。
以下にエポック(k−1)からエポックkに移行する予測計算式を示す。
P(k)は、エポックkの推定量の1つである共分散行列を示す。
Q(k−1、k)は、エポック(k−1)からエポックkへの状態遷移時のシステム雑音行列を示す。
N0(k)とP0(k)とは、観測衛星が変化した際のNとPの初期値を示す。
観測衛星が変化しない場合のPh(k−1、k)は、I(3+i(k))となる。また観測衛星が変化しない場合と減少する場合とのN0は、O(i(k)、1)となり、P0はO(i(k))となる。
ここで、O(i、j)はi×jの零行列を示す。また、O(i)はi×iの零行列を示す。
観測衛星が増加する場合のN0はO(i(k)、1)の追加される衛星の初期値に相当する要素が設定された行列である。
P0は、対角要素が対応する衛星の初期値で他の要素が0の正方行列となる。
観測衛星が変化する場合のPh(k−1、k)が、相対位置推定量p(x)の変換行列I(3)と、Nの要素の変更に対応した一重差実数波数N(k)の変換行列T(S(k−1)、S(k))とから構成されるのは自明である。
Ph(k−1、k)を以下に示す。
推定部3は、遅延処理部11、予測計算部12、変換処理部13、残差計算部14、更新計算部15を備える。変換処理部13は、観測量管理部20、衛星管理部21、各種行列管理部22、推定量管理部23、整数波数管理部24を備える。残差計算部14は、残差候補計算部25、閾値計算部27、異常量棄却部28を備える。更新計算部15は、カルマンゲイン計算部29、状態変数更新処理部30、共分散行列更新処理部31を備える。
衛星管理部21は、前処理後観測量を用いて現時刻に観測されて使用可能な衛星を認識し、記憶装置に記憶する。衛星管理部21は、使用可能な衛星の情報に基づき、整数波数及び予測推定量から使用可能な衛星に対応する情報だけを処理装置により抽出する。衛星管理部21は、前時刻に使用していない衛星が使用可能な場合は、実数波数予測推定量に適切な初期値を設定して出力する。
各種行列管理部22は、推定部3の各部が共用する行列を記憶装置に記憶する。
観測量管理部20は、前処理後観測量に整数波数を用いた処理を処理装置により行い、整数波数処理後観測量を生成する。そして、観測量管理部20は、後続する残差計算部14と更新計算部15とに対して、前処理観測量の代わりとなる整数波数処理後観測量を出力する。観測量管理部20について詳しくは後述する。
各種行列管理部22と推定量管理部23と整数波数管理部24とは、基準衛星を変更する場合に、処理装置により適切な変換処理を行う。この場合の位置推定量は、二重差変数に対応した二点間距離(基線)及びその時間変化率等となる。
残差候補計算部25は、処理後予測推定量に含まれる処理後予測状態変数と整数波数処理後観測量とを入力として、観測量残差候補を処理装置により計算して、出力する。観測量残差候補は、各種行列管理部22で管理する観測行列Hであって、推定量から出力に変換する観測行列Hを、処理後予測状態変数に乗じて予測観測量を計算し、計算した予測観測量を整数波数処理後観測量から減算することで計算される。
閾値計算部27は、残差候補計算部25の処理と並行して、処理後予測状態変数と整数波数処理後観測量と各種行列管理部22で管理している行列とを用いて、観測量残差の期待値を処理装置により計算し、この値を用いて異常値を判定するための判定閾値を計算して、出力する。
異常量棄却部28は、残差候補計算部25が出力した観測量残差候補と、閾値計算部27が出力した判定閾値とを処理装置により比較して、観測量残差の異常を検出し異常値を棄却して出力する。
カルマンゲイン計算部29は、推定量の計算に用いるカルマンゲイン(状態推定変数)を処理装置により計算して、出力する。
状態変数更新処理部30は、カルマンゲイン計算部29が出力したカルマンゲインと処理後予測状態変数とに基づき、状態変数を処理装置により更新する。
共分散行列更新処理部31は、カルマンゲイン計算部29が出力したカルマンゲインと処理後予測推定量に含まれる処理後予測共分散行列と観測量残差とに基づき、共分散行列を処理装置により更新する。
式9は全ての観測衛星で整数波数が確定した場合である。しかし、実際は右部にも整数波数が確定していない衛星の実数波数が含まれるし、左部の整数波数も確定した衛星の要素以外は0となる。
整数波数が確定した衛星は、推定量計算対象の衛星リストから除外できるが、観測衛星リストからは除外しない。つまり観測方程式からは除外しない。したがってこの観測方程式を実現する為には2種類の衛星リストが必要になる。ここで、観測衛星リストS(k)と衛星数i(k)を、実数波数衛星リスト及び実数波数衛星数と再定義し、これに加えて、観測衛星リストS2(k)と観測衛星数i2(k)を定義する。この結果として、観測行列H、及び観測量の構成が変更される。状態遷移行列Phは、S(k)及びi(k)を新しい定義に読み替える事で同じ式となる。
予測計算部12において、前時刻推定量と、整数波数を用いて検定・更新部4が計算した高精度な更新位置推定量とを複合する事で、予測推定量の一部である位置推定量を高精度化することが可能となる。
推定量複合部32は、前時刻位置推定量と更新位置推定量とを複合して複合位置推定量を処理装置により計算して、出力する。
推定量予測部33は、推定量複合部32が出力した複合位置推定量と、前時刻実数波数推定量とに対して状態遷移行列を用いた予測計算を処理装置により行い、予測推定量を出力する。
複合位置推定量は、推定部3で推定した前時刻位置推定量よりも高精度化しているので、結果として実数波数の推定結果が高精度化される。
この実施の形態では、実施の形態1とは異なる方法により推定量規模を縮小する方法について説明する。
推定量管理部23に整数波数管理部24の出力が入力されている事と、観測量管理部20が無く、前処理観測量を直接に残差計算部14と更新計算部15とへ入力する事が、実施の形態1に係る推定部3と異なる。
併せて、各種行列管理部22は、推定量に含まれる固定された整数波数を更新計算の対象から外すように、対応する各種行列を処理装置により変更する。
この結果、整数波数が確定している観測量も対応する実数波数予測推定量を確定した整数値として持つ事になる。このような処理を行う事で実施の形態1にあるような、残差計算部14及び更新計算部15での処理に先立って、前処理後観測量から整数波数に対応する量を除去しておく必要がなくなる。この結果として、前処理手順を簡略化することが可能になる。
この実施の形態では、補強センサ50で計測した位置推定量を推定部3の入力とすることで、推定精度を改善する測位装置100について説明する。
この実施の形態に係る測位装置100は、実施の形態1に係る測位装置100とは、推定部3の入力に補強センサ50が出力した位置推定量を推定部3へ入力する事が異なる。この実施の形態に係る測位装置100では、衛星測位方式以外の方法で対象の位置推定量が得られる場合に、これを併用する事で推定精度を改善する事が可能となる。
補強センサ50が出力した位置推定量は、推定量複合部51に入力される。推定量複合部51は、補強センサ50が出力した位置推定量により、予測計算部12が出力した予測推定量の精度を処理装置により向上し高精度予測推定量を計算して、出力する。推定量複合部51が出力した高精度予測推定量は、他の実施例における予測計算部12が出力した予測推定量に置換わり変換処理部13に入力される。
測位装置100は、搬送波位相のアンビギュイティおよび受信機位置や速度等を推定する衛星測位方式において、既に確定しているアンビギュイティやこれを用いて計算した推定位置等を用いて未確定のアンビギュイティおよび受信機位置の推定性能(推定値の収束時間、位置精度など)を改善する。
図8は、測位装置100のハードウェア構成の一例を示す図である。
図8に示すように、測位装置100は、プログラムを実行するCPU911(Central・Processing・Unit、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサともいう)を備えている。CPU911は、バス912を介してROM913、RAM914、LCD901(Liquid Crystal Display)、キーボード902、通信ボード915、磁気ディスク装置920と接続され、これらのハードウェアデバイスを制御する。磁気ディスク装置920の代わりに、光ディスク装置、メモリカード読み書き装置などの記憶装置でもよい。
ファイル群924には、上記の説明において「観測量」、「前処理後観測量」、「位置推定量」、「実数波数推定量」、「整数波数候補」、「整数波数」、「波数検定結果」、「更新位置推定量」、「更新整数波数」、「予測推定量」、「処理後予測推定量」、「予測間測量」、「判定閾値」、「観測量残差」、「推定量補償量」、「推定量出力」等として説明した情報やデータや信号値や変数値やパラメータが、「ファイル」や「データベース」の各項目として記憶される。「ファイル」や「データベース」は、ディスクやメモリなどの記録媒体に記憶される。ディスクやメモリなどの記憶媒体に記憶された情報やデータや信号値や変数値やパラメータは、読み書き回路を介してCPU911によりメインメモリやキャッシュメモリに読み出され、抽出・検索・参照・比較・演算・計算・処理・出力・印刷・表示などのCPU911の動作に用いられる。抽出・検索・参照・比較・演算・計算・処理・出力・印刷・表示のCPU911の動作の間、情報やデータや信号値や変数値やパラメータは、メインメモリやキャッシュメモリやバッファメモリに一時的に記憶される。
また、上記の説明におけるフローチャートの矢印の部分は主としてデータや信号の入出力を示し、データや信号値は、RAM914のメモリ、その他光ディスク等の記録媒体に記録される。また、データや信号は、バス912や信号線やケーブルその他の伝送媒体によりオンライン伝送される。
Claims (8)
- 測位衛星が送信する信号の搬送波位相を利用して複数の受信機間の相対位置を計測する測位装置であり、
複数の受信機の各受信機が受信した上記信号から得られる上記各受信機についての観測量を取得して記憶装置に記憶する観測量取得部と、
上記観測量取得部が取得した観測量と、上記複数の受信機が受信した信号の搬送波位相距離の整数部分である波数のうち既に決定している波数である整数波数とに基づき、上記複数の受信機が受信した信号の波数の推定量と受信機の位置と受信機の運動に関する推定量との少なくともいずれかを処理装置により計算する推定部と、
所定の方法により、上記推定部が計算した推定量に対応する波数を処理装置により決定する整数波数決定部と
を備えることを特徴とする測位装置。 - 上記推定部は、上記整数波数決定部が決定した波数を整数波数として推定量を計算する
ことを特徴とする請求項1に記載の測位装置。 - 上記推定部は、前回計算した推定量と、上記整数波数決定部が決定した波数に基づき計算された推定量とを複合した推定量に基づき、推定量を計算する
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の測位装置。 - 上記推定部は、上記複数の受信機が受信した信号の波数から上記整数波数に対応する波数を除いた波数の推定量を計算する
ことを特徴とする請求項1から3までのいずれかに記載の測位装置。 - 上記推定部は、上記複数の受信機が受信した信号の波数のうち上記整数波数に対応する波数の値を上記整数波数の値に固定して、推定量を計算する
ことを特徴とする請求項1から4までのいずれかに記載の測位装置。 - 上記推定部は、上記観測量と上記整数波数とに加え、さらに衛星測位方式以外の方式により得た位置情報又は速度情報に基づき推定量を処理装置により計算する
ことを特徴とする請求項1から5までのいずれかに記載の測位装置。 - 測位衛星が送信する信号の搬送波位相を利用して複数の受信機間の相対位置を計測する測位方法であり、
複数の受信機の各受信機が受信した上記信号から得られる上記各受信機についての観測量を取得する観測量取得ステップと、
上記観測量取得ステップで取得した観測量と、上記複数の受信機が受信した信号の搬送波位相距離の整数部分である波数のうち既に決定している波数である整数波数とに基づき、上記複数の受信機が受信した信号の波数の推定量を計算する推定ステップと、
所定の方法により、上記推定ステップで計算した推定量に対応する波数を決定する整数波数決定ステップと
を備えることを特徴とする測位方法。 - 測位衛星が送信する信号の搬送波位相を利用し て複数の受信機間の相対位置を計測する測位プログラムであり、
複数の受信機の各受信機が受信した上記信号から得られる上記各受信機についての観測量を取得する観測量取得処理と、
上記観測量取得処理で取得した観測量と、上記複数の受信機が受信した信号の搬送波位相距離の整数部分である波数のうち既に決定している波数である整数波数とに基づき、上記複数の受信機が受信した信号の波数の推定量を計算する推定処理と、
所定の方法により、上記推定処理で計算した推定量に対応する波数を決定する整数波数決定処理と
をコンピュータに実行させることを特徴とする測位プログラム。
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