JP2017122581A - 測位位置検定処理システム - Google Patents

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Abstract

【課題】マルチパスを回避した測位を行うことを支援する。
【解決手段】測位位置検定処理装置は、測位装置から送信される測位結果の測位情報を受信する手段と;外部の設計・施工情報管理システムの保有情報を受信する手段と;それぞれ受信された、地図情報とともに地表及び建造物についての位置情報及び高さ情報を更新情報として格納する手段と;受信された測位装置からの測位情報に含まれている測位に使用された複数の測位衛星の位置を検出するとともに、測位情報に含まれている測位装置の測位位置を検出する手段と;検出された測位に使用された複数の測位衛星の位置と検出された測位装置の測位位置とを結ぶ直線上に地表及び建造物が存在しない測位衛星を抽出し、測位に使用された複数の測位衛星が抽出した測位衛星に含まれているか否かに応じてマルチパスの有無を判定する手段と;マルチパスの有無を示す検定結果を表示するために送信する手段とを備える。
【選択図】図1

Description

本発明は、測位位置検定処理システムに関し、更には測位位置検定処理装置及び測位位置検定処理方法に関する。
乗用車等の車両のナビゲーションおいて、GNSS(全地球航法衛星システム:Global
Navigation Satellite System)は既に広く活用されている。また、測量、土木施工、鉱山採掘の各分野においては、RTK(リアルタイムキネマティック:Realtime Kinematic)測位を始めとしたGNSSの精度向上に伴って、GNSSの活用が拡張傾向にある。
しかし、測量、土木施工、鉱山採掘の各分野においては、車両のナビゲーションとは異なる難点があるために、普及が迅速に進んでいないのが現状である。その難点の一つに測位精度の問題がある。つまり、車両のナビゲーションに比べて格段に高い測位精度が必要とされるが、衛星(測位衛星)から送信される電波が建造物等による反射による精度劣化問題(特に、マルチパス)は直接測量精度に大きく影響し、施工品質の低下を招くために大きな障害となっている。
従来、幾つものマルチパス回避技術が提案されている。例えば、特許文献1は、衛星からの電波が建物等にぶつかりにくいように、受信機から衛星までの仰角が所定の角度以下のときは、無効にする技術を開示している。
特許文献2は、衛星から地図上の測位点までの距離を計算し、計算した距離と実際に測定した距離との差が予め定められた値以内であるかに基づいて、マルチパスか否かを判断する技術を開示している。
特許文献3は、GPS(全地球測位システム:Global Positioning System)受信装置
が同じ衛星から二つ以上の信号を受信したときに、これらの信号に基づいて衛星までの距離を計算し、その差が所定値以上の場合には、マルチパスであることを判断する技術を開示している。
特許文献4は、周辺の主要な建物の高さを地図上に保有し、GPS受信装置が受信した信号に基づいて計算した測位点と衛星の位置とを結ぶ直線状に建物が存在するか否かを判断し、存在する場合には、反射したと思われる建物を中心に反対側に測位点の位置を補正する技術を開示している。
特許文献5は、周辺の主要な建物の高さをナビゲーション装置内の地図上に記憶し、GPS受信装置が受信した信号を基に計算した測位点と衛星の位置とを結ぶ直線状に建物が存在するか否かを判断し、有効な衛星を選択する技術を開示している。
特開2002−277527号公報 特開2000−180191号公報 特許5244490号公報 特許4249039号公報 特開平10−253371号公報
しかし、上述した従来のマルチパス回避技術では、次のような課題がある。つまり、特許文献1の技術では、仰角が所定値以上であってもそこに建物や山があった場合には、誤った位置を測位することになるだけでなく、迎角が小さくとも有効な衛星を除去してしまうことを免れない。
特許文献2の技術では、ナビゲーション装置内に記憶した道路等の地図上で予め高度が分かっている地点においては、それを使って衛星との理論的な距離が計算できるが、施工現場等予めその場所の高度が分かっていない場所の位置を測定しようとする場合は、理論的な衛星と測位点との間の距離を知ることができないために、この方法を使うことができない。また、特許文献3の技術では、建物等による反射波のみの場合には、その判断ができなくなる。
特許文献4の技術では、実際の測位点は反射された衛星を中心に受信した信号を基に計算した衛星までの距離を半径とした曲面と、他の衛星を中心として同じく受信した信号を基に計算した他の衛星との距離を半径とした曲面との交点で求まるので、単純に反対側に補正しただけでは、正確な測位点の位置を導出することができない。
特許文献5の技術では、車載用のナビゲーション装置に建物の高さ情報を記載した地図を記憶(格納)しておかなくてはならないため、車載装置側に、つまり車載装置毎に大規模な記憶装置を必要とするだけでなく、施工現場等で日々変化する地形や新たに建造された建造物の情報を反映することができない。
補足すると、測量分野においては、測量機器は、携帯型でバッテリー駆動であるにも係わらず、長時間の使用に耐える必要がある。一方、土木施工及び鉱山採掘の分野においては、使用温度環境及び振動環境の悪さ故に、大容量で高性能なコンピュータを備えることが困難である。そのため、マルチパスを回避するために、測位装置としてのGNSS受信装置に大規模な地図データ等を格納して利用するような技術を採用することが難しい。
課題は、測位装置毎に大規模な記憶装置及び高性能の演算装置を設けなくても、日々変化する地形及び建造物に対応して、マルチパスを回避した測位を行うことを支援できる技術を提供することにある。
上記課題を解決するために、一態様の測位位置検定処理装置は、複数の測位衛星との連携に応じて測位装置から送信される測位結果の測位情報を通信ネットワークを通して受信する第1の受信手段と;外部の設計・施工情報管理システムの保有情報を通信ネットワークを通して受信する第2の受信手段と;前記第2の受信手段によりそれぞれ受信された、地図情報とともに地表及び建造物についての位置情報及び高さ情報を更新情報として格納する記憶手段と;前記第1の受信手段により受信された前記測位装置からの前記測位情報に含まれている測位に使用された複数の測位衛星の位置を検出するとともに、前記測位情報に含まれている前記測位装置の測位位置を検出する検出手段と;検出された前記測位に使用された複数の測位衛星の位置と検出された前記測位装置の測位位置とを結ぶ直線上に前記地表及び前記建造物が存在しない測位衛星を抽出し、前記測位に使用された複数の測位衛星が抽出した測位衛星に含まれているか否かに応じてマルチパスの有無を判定する判定手段と;前記判定手段による前記マルチパスの有無を示す検定結果を表示するために通信ネットワークを通して送信する送信手段とを備える。
他の態様の測位位置検定処理装置は、複数の測位衛星との連携に応じて測位装置から送
信される測位結果の測位情報を通信ネットワークを通して受信する第1の受信手段と;外部の設計・施工情報管理システムの保有情報を通信ネットワークを通して受信する第2の受信手段と;前記第2の受信手段によりそれぞれ受信された、地図情報とともに地表及び建造物についての位置情報及び高さ情報を更新情報として格納する第1の記憶手段と;外部の衛星軌道情報管理システムの保有情報を通信ネットワークを通して受信する第3の受信手段と;前記第3の受信手段により受信された複数の測位衛星の軌道情報を更新情報として格納する第2の記憶手段と;前記第1の受信手段により受信された前記測位装置からの前記測位情報に含まれている測位に使用された複数の測位衛星の番号を検出するとともに、前記測位情報に含まれている前記測位装置の測位位置を検出する検出手段と;前記複数の測位衛星の番号に対応する前記複数の測位衛星の軌道情報を前記第2の記憶手段から取得し、前記複数の測位衛星の位置を計算する計算手段と;計算された前記複数の測位衛星の位置と検出された前記測位装置の測位位置とを結ぶ直線上に前記地表及び前記建造物が存在しない測位衛星を抽出し、前記測位に使用された複数の測位衛星が抽出した測位衛星に含まれているか否かに応じてマルチパスの有無を判定する判定手段と;前記判定手段による前記マルチパスの有無を示す検定結果を表示するために通信ネットワークを通して送信する送信手段とを備える。
開示した技術によれば、測位装置毎に大規模な記憶装置及び高性能の演算装置を設けなくても、日々変化する地形及び建造物に対応して、マルチパスを回避した測位を行うことを支援することができる。
他の課題、特徴及び利点は、図面及び特許請求の範囲とともに取り上げられる際に、以下に記載される発明を実施するための形態を読むことにより明らかになるであろう。
一実施の形態のシステムの構成を示すブロック図。 一実施の形態のサーバのハードウェア構成を示すブロック図。 一実施の形態の測位位置検定処理を示すフローチャート。 一実施の形態のGNSS受信装置における測位結果の測位情報を示す。 一実施の形態の衛星軌道データベースにおけるアルマナックデータを示す。 一実施の形態のアルマナックデータに基づいて衛星位置を求める方法を説明するための図。 一実施の形態の地形・建物地図データベースと地表及び建造物とを説明するための図。 一実施の形態の3次元の情報をDXFを使って読込む方法を説明するための図。 一実施の形態のマルチパスの判定について説明するための図。 一実施の形態のマルチパスの判定について説明するためのフローチャート。 一実施の形態のマルチパスの判定について説明するためのフローチャート。 一実施の形態のマルチパスの判定について説明するための図。 一実施の形態のマルチパスの判定について説明するための図。 第1変形例のシステムの構成を示すブロック図。 第1変形例の測位位置検定処理を示すフローチャート。 第2変形例のシステムの構成を示すブロック図。
以下、添付図面を参照して、さらに詳細に説明する。図面には好ましい実施形態が示さ
れている。しかし、多くの異なる形態で実施されることが可能であり、本明細書に記載される実施形態に限定されない。
[一実施の形態]
[測位位置検定処理システム]
一実施の形態におけるシステム構成を示す図1を参照すると、GNSS(全地球航法衛星システム:Global Navigation Satellite System)測位位置検定処理システム10は、測位位置検定処理装置としてのサーバ20と、測位装置としてのGNSS受信装置30とを備える。
サーバ20は、衛星検定部21、地形・建物地図データベース(DB)22、衛星軌道データベース(DB)23、検定結果送信部24、測位情報受信部25、設計・施工情報受信部26、衛星軌道受信部27、測位結果データベース(DB)28、及び測位結果送信部29を含む。また、GNSS受信装置30は、通信部(無線通信部)31、測位位置計算部32、表示部33、更に図示省略のアンテナ及び受信機を含む。
この測位位置検定処理システム10におけるサーバ20は、例えば、サービスプロバイダによって所有及び運用され、図示省略の無線通信ネットワークを通して、ユーザ(観測者)利用の少なくとも1つのGNSS受信装置30と通信可能である。また、サーバ20は、図示省略のインターネット等の有線通信ネットワークを通して、外部の設計・施工情報管理システム40及び外部の衛星軌道情報管理システム50と通信可能である。なお、以下の説明では、不明確にならない限りこれらの通信ネットワークの介在を省略する。
サーバ20における測位情報受信部25はGNSS受信装置30から送信される測位結果の測位情報を受信する。衛星軌道データベース23はGPS(全地球測位システム:Global Positioning System)及びQZSS(準天頂衛星システム:Quasi Zenith Satellite System)等を含むGNSSにおける測位衛星の衛星軌道を記憶する。衛星軌道受信部27は衛星軌道情報管理システム50の保有情報を受信する。
地形・建物地図データベース22は地表及び建造物についての位置情報及び高さ情報を最新の更新情報として記憶する。設計・施工情報受信部26は設計・施工情報管理システム40の保有情報を受信する。
衛星検定部21は、第1の形態として、測位情報受信部25により受信されたGNSS受信装置30からの測位情報に含まれている測位に使用された複数の測位衛星の位置を検出するとともに、測位情報に含まれているGNSS受信装置30の測位位置を検出する検出機能と、測位に使用された複数の測位衛星の位置とGNSS受信装置30の測位位置とを結ぶ直線上に地表及び建造物が存在しない測位衛星を抽出し、測位に使用された複数の測位衛星が抽出した測位衛星に含まれているか否かに応じてマルチパスの有無を判定する判定機能とを有する。
また、衛星検定部21は、第2の形態として、測位情報受信部25により受信されたGNSS受信装置30からの測位情報に含まれている測位に使用された複数の測位衛星の番号を検出するとともに、測位情報に含まれているGNSS受信装置30の測位位置を検出する検出機能と、複数の測位衛星の番号に対応する複数の測位衛星の軌道情報を衛星軌道データベース23から取得し、複数の測位衛星の位置を計算する計算機能と、計算された複数の測位衛星の位置と検出されたGNSS受信装置30の測位位置とを結ぶ直線上に地表及び建造物が存在しない測位衛星を抽出し、測位に使用された複数の測位衛星が抽出した測位衛星に含まれているか否かに応じてマルチパスの有無を判定する判定機能とを有する。
衛星検定部21が第1の形態及び第2の形態のいずれで動作するかは、運用者により予め指定される。
検定結果送信部24は衛星検定部21により得られたマルチパスの有無を示す検定結果をGNSS受信装置30に送信する。測位結果データベース28は衛星検定部21により得られた検定結果を含んだ測位位置情報を記憶する。測位結果送信部29は測位結果データベース28の保有情報を設計・施工情報管理システム40に送信する。
この測位位置検定処理システム10においては、サーバ20は、複数の機能部を含む測位位置検定処理装置として一体の配置構成を採っているが、測位位置検定処理の負荷・機能分散を図ること等を重要視して複数の機能部を複数の測位位置検定処理装置に個別配置する構成を採ってもよい。この場合、複数のサーバ20が連携動作することになる。
上述した測位位置検定処理装置としてのサーバ20は、サーバコンピュータであり、ハードウェア構成として、次の要素を含んでいる。
つまり、図2に示すように、プロセッサとしてのCPU(Central Processing Unit)
201と、作業用メモリとしてのRAM(Random Access Memory)202と、立ち上げのためのブートプログラムを格納したROM(Read Only Memory)203とを備える。また、OS(Operating System)、アプリケーションプログラム、及び各種情報(データを含む)を書換え可能に格納する不揮発性のフラッシュメモリ204を備える。さらに、通信制御部205と、図示省略の通信インタフェース等とを備える。
後に詳述する測位位置検定処理機能を論理的に実現するには、フラッシュメモリ204に測位位置検定処理プログラムをアプリケーションプログラムとしてインストールしておく。そして、サーバ20においては、電源投入を契機に、CPU201がこの測位位置検定処理プログラムをRAM202に展開して実行する。
地形・建物地図データベース22、衛星軌道データベース23、及び測位結果データベース28はフラッシュメモリ204に構成可能である。なお、CPU201は、例えばGNSSから受信した基準時刻情報に基づいて、内部時刻を計時する。
また、GNSS受信装置30は、アンテナ及び受信機の他にハードウェアとして、CPU、RAM、ROM、不揮発性のフラッシュメモリ、通信制御部、表示制御部、及び通信インタフェース等を備えるが、ここでは図示を省略している。
このGNSS受信装置30においては、測位を実施した測位結果を測位情報としてサーバ20に自主的に送信する処理機能及びサーバ20から受信した検定結果を表示する処理機能を論理的に実現するには、フラッシュメモリに処理プログラムをアプリケーションプログラムとしてインストールしておく。そして、GNSS受信装置30においては、ユーザによる電源投入を契機に、CPUが処理プログラムをRAMに展開して実行する。なお、CPUは、例えばGNSSから受信した基準時刻情報に基づいて、内部時刻を計時する。
このGNSS受信装置30は、サーバ20と協働(連携動作)することにより、大規模な記憶装置及び高性能の演算装置等を保有する必要がない。
[測位位置検定処理]
次に、図1に示すGNSS測位位置検定処理システム10における測位位置検定処理に
ついて、図1〜図13を併せ参照して詳述する。
[処理S101(図3参照)]ユーザ(観測者)利用のGNSS受信装置30は、図示省略の複数(4機以上)のGNSS衛星(特に限定を要しないときは、単に衛星または測位衛星と記載することもある)からそれぞれ送信される衛星位置情報及び時刻情報(発信時刻)を含む測位信号(航法メッセージ)をアンテナを介して受信機で同時に受信した後、測位位置計算部32により測位位置計算を行う。
この測位位置計算により、GNSS受信装置30の位置する地理的位置情報(経度、緯度、海抜)、測位に使用した複数の測位衛星の位置(衛星迎角、衛星方位)、及び使用衛星番号等を含む測位結果が得られる。
ここで、測位結果は、図4(A)に示すUTC(協定世界時:Coordinated Universal Time)日付、UTC時刻、緯度[度]、経度[度]、海抜[m]、及び使用衛星数を含むとともに、図4(B)に示す使用衛星番号、衛星迎角[度]、及び衛星方位(方位角)[度]を有する配列を含む。UTC日付及びUTC時刻はGNSS受信装置30における測位時刻(受信時刻)情報である。
なお、GNSS衛星から測位信号により受信する衛星迎角及び衛星方位については、精度が良好ではないので、より精密な検定を行うために衛星軌道データベース23の格納データを使用する場合は、GNSS衛星から受信した衛星迎角及び衛星方位を測位結果に含めなくてもよい。
[処理S102]GNSS受信装置30の通信部(無線通信部)31は、測位位置計算部32からの測位結果を測位情報としてサーバ20に送信する。通信部31はサーバ20に送信する測位結果の測位情報にGNSS受信装置30を特定するための特定情報を付加する。
[処理S103]サービスプロバイダによって所有及び運用されるサーバ20における測位情報受信部25は、GNSS受信装置30から自主的に送信される測位結果の測位情報を受信し、衛星検定部21に送出する。
[処理S104]サーバ20の衛星検定部21は、第2の形態で動作するとき、全ての測位衛星についての軌道情報及び概略の位置情報を衛星軌道データベース23に格納されているアルマナック(天体暦(almanac))データに基づいて、計算することができる。
アルマナックデータは、GPS及びQZSS等を含むGNSSの衛星軌道情報管理システム50から衛星軌道受信部27により取得され、1週間程度有効である。
衛星検定部21は、より正確な衛星位置情報を必要とするときは、アルマナックデータの代わりにエフェメリス(放送暦(ephemeris))データを用いてもよい。エフェメリスデ
ータは、同様に衛星軌道情報管理システム50から衛星軌道受信部27により取得され、衛星軌道データベース23に格納される。エフェメリスデータは2時間毎に更新される。
なお、衛星位置精度がアルマナックデータに基づいて得た衛星の位置よりも低下してもよい場合は、衛星検定部21は、GNSS受信装置30から送信された測位情報に含まれる衛星迎角及び衛星方位を使用して簡易に計算することもできる(第1の形態)。
ここで、アルマナックデータに基づいて測位衛星の位置を求める方法について、図5及び図6を参照して説明する。
アルマナックデータには、衛星の識別番号に相当する衛星のPRN(Pseudo Random Number)番号に対応して、全ての衛星に関する軌道情報及び衛星位置情報が含まれている。
図5に示すように、衛星軌道データベース23に格納されるアルマナックデータは、一つの衛星に関しては、その衛星を特定するPRN番号及びGPS週の値(0000〜1023week:1023weekを超えたときにリセットされる)を含む。図5には、PRN番号01の衛星のためのGPS週(1999年8月22日起点)739weekにおけるアルマナックデータが例示されている。
また、アルマナックデータは、軌道を計算するためにそれぞれ用いる、離心率(軌道離心率)e、衛星軌道面と赤道面のなす角(軌道傾斜角)Ωi[rad]、昇交点赤経の時間変化率Ωd[rad/sec]、楕円軌道の長半径の平方根(ルート)ar[m1/2]、週始めにおける昇交点経度Ωo[rad]、近地点離角(近地点引数)ω[rad]、及び基準時刻における平均近点角M0[rad]を含む。
アルマナックデータは、衛星位置を計算するためにそれぞれ用いる、衛星の健康状態(000=利用可能)、アルマナックが生成されたタイミングにおける軌道内の経過秒数Toe[sec]、衛星の時計のバイアス値Af0[sec]、及び衛星の時計のバイアス値の時間変化率Af1[sec/sec]を更に含んでいる。
衛星位置を計算するときは、これ以外に、GPSエポック(1980年1月6日0時0分0秒)からの経過秒Tgps[sec]、定数GM=3.986005E+14、及び地球の自転速度Ωe[rad/sec]=7.2921151467E−05が用いられる。
衛星検定部21が、これらのデータを使って衛星位置を計算する方法について、図6を参照して説明する。この計算手順の概略は次のとおりである。
(1)衛星が、現在時刻に、楕円軌道のどの位置に存在するかを地球を原点とする楕円軌道平面の2次元座標系で求める。
(2)求めた楕円軌道平面上の2次元座標を地球の中心(重心)を原点とする3次元座標系、つまり地球中心地球固定(ECEF:Earth-Centered, Earth-Fixed)座標系に変
換する。
詳述すると、まず、衛星の楕円軌道上の地球重心を原点とし、長軸方向をX’軸、短軸方向をY’軸とした衛星の2次元座標[x’,y’]は、図6中の地球重心と衛星間の長さRk及び真近点角Vkを用いると、
x’=Rk*cos(Vk)
y’=Rk*sin(Vk)
となる。
更に、楕円軌道の長軸方向の地球の赤道面から角度は近地点離角ωで与えられるので、地球重心を原点とした地球基準座標での衛星の2次元座標[x’’,y’’]は、
x’’=Rk*cos(Vk+ω)
y’’=Rk*sin(Vk+ω)
となる。
ここで、地球の長軸半径(長半径)をaとすると、離心近点角Ek、楕円軌道の長半径
の平方根(√(root))ar及び離心率eは、
a=ar*ar
Rk=a*(1−e*cos(Ek))
sin(Vk)=root(1−e*e)*sin(Ek)
cos(Vk)=cos(Ek)−e
の関係が成り立つので、離心近点角Ekが求まれば、地球基準座標での衛星の2次元座標[x’’,y’’]が求まる。
離心近点角Ekは次のように求める。現在時刻をTkとすると、Tkはアルマナックデータの基準時刻Toeからの経過秒でなければならないので、
Tk=Tgps−(7*24*60*60*(1024+week)+Toe)
となる。
離心近点角Ek及び平均近点角Mkは、ケプラーの方程式から、
Mk=Ek−e*sin(Ek)
となるが、これは基準時刻における平均近点角M0、現在時刻Tk、定数GM及び地球の長軸半径aを使って、
Mk=M0+Tk*root(GM/(a*a*a)
で計算できるので結局、
M0+Tk*root(GM/(a*a*a))=Ek−e*sin(Ek)
が成り立つ。この方程式をニュートン法等を使って解くと、離心近点角Ekが求められる。
次に、求めた楕円軌道上の2次元座標を地球重心を原点とした地球基準座標系(ECEF座標系)に変換するが、この座標変換は、まず軌道傾斜角ΩiだけX軸まわりに回転させ、さらにΩkだけZ軸まわりに回転させればよい。Z軸まわりの回転角Ωkは、週始めにおける昇交点経度Ωo、昇交点赤経の時間変化率Ωd、地球の自転速度Ωe、現在時刻Tk、アルマナックデータの基準時刻Toeを用いて、
Ωk=Ωo+(Ωd−Ωe)*Tk−Ωe*Toe
となる。
上記で求めた衛星の2次元座標[x’’,y’’]、Z軸まわりの回転角Ωk、及び軌道傾斜角Ωiを使って、地球重心を原点とした地球基準座標系での衛星の3次元座標[x,y,z]に変換すると、
x=x’’cos(Ωk)−y’’cos(Ωi)*sin(Ωk)
y=x’’sin(Ωk)−y’’cos(Ωi)*cos(Ωk)
z=y’’sin(Ωi)
となる。ここで求めた衛星の3次元座標[x,y,z]は3次元空間における衛星の位置を示す。
[処理S105]衛星検定部21は、上述した処理S104に関連して求めた衛星の位置と測位位置とを結ぶ直線上に、最新の情報に更新済の地形・建物地図データベース22に記録されている地表及び建造物が存在するか否か判定する。衛星検定部21は、存在すると判定した場合は、その衛星からの電波が地表及び建造物に反射すると見做し、その衛星を受信可能衛星から除外し、使用可能衛星を抽出する。
このときに用いる地形・建物地図データベース22には、設計・施工情報受信部26により、標高を含んだ地図情報と高さ及び位置を含んだ建造物の情報とが記録されている。これらの記録情報は、設計・施工情報受信部26が土木施工もしくは建築施工の設計・施工結果の情報を設計・施工情報管理システム40から受信したときに、最新のものに逐次
更新される。
衛星の位置と測位位置とを結ぶ直線上に、地形・建物地図データベース22に記録されている地表及び建造物が存在するか否か判定する方法について、図7を参照して説明する。
まず、地形・建物地図データベース22の構成について、図7(A)を参照して説明する。地形・建物地図データベース22は、経度及び緯度を予め決めておいた最小分割角度dで分割した2次元配列の形態を有し、各々の要素は経度に対する0から始まるインデックスと緯度に対する0から始まるインデックスとで決められる。経度に対するインデックスは東経が正の値、西経が負の値を有し、緯度に対するインデックスは北緯が正の値、南緯が負の値を有する。
例えば、最小分割角度dが0.0001度のときは、東経139°以上139.0001°未満で、かつ北緯35°以上35.0001°未満の場所は、経度インデックス1390000及び緯度インデックス350000のインデックスを持つ。なお、必要に応じて、経度及び緯度の最小分割角度dを別々の値にしてもよい。
設計・施工情報受信部26は、標高を含んだ地図情報からは最小分割角度d以下の間隔で地図上の標高を読取り、各々の経度及び緯度から経度インデックス及び緯度インデックスを求め、それらに対応する2次元配列の場所に標高を書込む。そして、既に同じ場所に標高が書き込まれているときは、より高い値に書き換える。
建築施工の設計・施工結果は、DXF(Drawing Exchange Format)等の種々のデータ形
式で3次元の情報を読込むことが可能である。DXFは、図面の情報交換のためのファイルフォーマットであり、2次元及び3次元の図形をベクトルデータとして格納する。
ここでは、3次元の情報をDXFを使って読込む方法について、図8を参照して説明する。DXFデータは、テキスト形式のデータであり、グループコード及びグループデータと呼ばれる二行一組で構成されるデータグループと呼ばれるデータの集合体である。そして、行番号1,2に記載されているように、グループコードが0及びグループデータがSECTIONのときにデータが始まり、行番号35,36に記載されているように、グループコードが0及びグループデータがENDSECのときにデータが終わる。また、行番号37,38に記載されているように、グループコードが0及びグループデータがEOFのときにファイルが終了する。さらに、行番号3,4に記載されているように、グループコードが2及びグループデータがENTITIESのときに、セクションの種類がドローイングエンティティであると定義される。
3次元(3D)モデル表現に関係のあるセクションは、ENTITIESセクションであるので、これ以外のセクションのときは、行番号35,36に記載されているように、グループコードが0及びグループデータがENDSECの場所まで読み飛ばす。ENTITIESセクションの場合は、エンティティのタイプを表すグループデータが続く。行番号5,6に記載されているように、グループコードが0及びグループデータが3DFACEの場合は、1枚の面データを表すエンティティであり、行番号7,8でレイヤーを定義した後で、行番号9から行番号32に記載されているように、x座標、y座標、z座標で定義する4点の頂点座標が記載される。
設計・施工情報受信部26は、上記3DFACEを含みエンティティのタイプが3次元座標を表現するタイプに対して、それらが記載しているデータの持つ座標を全て経度、緯度及び標高に変換し、それらを地図情報と同様に、更に経度インデックス及び緯度インデ
ックスに変換し、それに対応する2次元配列の場所に標高を書込む。既に同じ場所に標高が書き込まれているときは、高い方の値に書き換える。
以上の処理で、地形・建物地図データベース22の内容は、設計・施工情報受信部26により、最新のものに更新される。図7(B)に示すように、実際の地表については、平坦な地表面は標高を高さとした同じ高さを有する四角柱で表現され、法面は階段状の四角柱で表現される。また、実際の建造物については、建造物の屋根部分までの標高を高さとし、水平方向の大きさは最小分割角度dで丸められた大きさを持つ四角柱の集合体で表されることになる。
次に、マルチパスの判定について説明する。図9に示すように、測位装置T(GNSS受信装置30)が山Mと建造物Bとに挟まれた位置にある場合、GNSS衛星S1からの直接波W1は山Mに遮断されて測位装置Tには到達しない。その代わり、建造物Bの壁面によって反射された間接波W2が測位装置Tで受信される。こうした間接波W2はマルチパスの影響を受けているため、間接波W2を用いて測量した衛星S1から測位装置Tまでの距離は実際の距離よりも大きくなってしまう。
測位装置Tは、他の受信可能な複数の衛星S2等からの直接波W3を受信し、衛星S2から測位装置Tまでの距離を算出し、全ての距離にできるだけ等しい位置を測位位置として計算する。このため、間接波W2のように実際の距離よりも大きい値があると、測位装置Tの実際の位置はP1であるにも関わらず、位置P2のように誤った測位位置を算出してしまう。
マルチパスがある場合は、上述したように誤った測位位置P2になり、マルチパスが無い場合は、正しい測位位置P1となるが、衛星検定部21におけるこの具体的な判定方法について、図10に示すフローチャートを参照して説明する。
まず、測位点(測位位置)座標と衛星座標とを結ぶ地球の重心を原点とした地球基準座標での直線の方程式Fを求める(処理S201)。ここで、測位点座標を[x1,y1,z1]とし、衛星座標を[x2,y2,z2]とすると、直線の方程式Fは(x−x1)/(x2−x1)=(y−y1)/(y2−y1)=(z−z1)/(z2−z1)となる。
次に、測位点を中心に予め決めておいた経度及び緯度の角度幅の範囲だけプラス及びマイナスした探索エリアを決める。この探索エリアは測位点を中心にした円の範囲でもよい(処理S202)。そして、探索エリア内の要素を全て未検査にする(処理S203)。
次に、探索エリア内に未検査要素があるか否かをチェックし、無い場合は交差無し、即ちマルチパスが無いと判断して終了する。未検査の配列要素がある場合は配列要素の検査に進む(処理S204)。
衛星検定部21は、未検査の配列要素がある場合は未検査要素を選び、直線Fと交差するか判定する。この判定方法の詳細を図11のフローチャートを参照して説明する。
まず、未検査要素から選択した要素から地球基準座標での四角柱を作成し、上下面及び全ての側面を未検査にする(処理S301)。
ここで、図12を参照すると、地球基準座標で四角柱を作成するとき、まず最小分割角度dを使って選択した要素の経度インデックス及び緯度インデックスに対応する経度及び緯度を算出し、更に2次元配列の高さを読み出す。
次に、底辺の海抜高さ(標高)を0として、読み出した高さを持つ四角柱の頂点を図12(C)に示すようにV1〜V8とし、図12(A)に示すようにV1〜V8までの頂点を地球の重心を原点とした地球基準座標に変換し、上面、下面、側面1、側面2、側面3及び側面4を図12(B)のテーブルに示すように定義する(処理S301)。
図11及び図13を参照すると、選択した要素に未検査の面が無いときは、交差無しとして終了し、選択した要素に未検査の面があるときは、未検査の面の検査に進む(処理S302)。
未検査の面の検査に進んだときは、未検査面を選ぶ(処理S303)。そして、選択した面の頂点P1,P2,P3,P4が張る平面と直線Fとの交点を求める(処理S304)。
次に、交点から頂点P1までのベクトルを求めてVC1とし、同様に交点から頂点P2,P3,P4までのベクトルVC2,VC3,VC4を求める(処理S305)。
反時計方向を正として、求めたベクトルVC1からベクトルVC2までの角度を求めてA1とし、同様にベクトルVC2からベクトルVC3、ベクトルVC3からベクトルVC4、及びベクトルVC4からベクトルVC1までの角度をそれぞれ求めて角度A2,A3,A4とする。このとき求めた角度が180度を超えるときは、360度を減算する(処理S306)。
角度A1から角度A4までの総和を求めて総角度Asumとする(処理S307)。そして、検査した面を検査済にする(処理S308)。
理論上は面内に交点があるときは、総角度Asumは360度になり、交点が面外にあるときは、総角度Asumは0度になる。しかし、角度計算誤差があるので、総角度Asumが180度以上のときは、交点が面内にあると判断し、交差有りとして終了し、総角度Asumが180度未満のときは、交差無しと見做して処理S302に戻る(処理S309)。
再び、図10を参照すると、上記処理S301から処理S309の処理により、直線Fと交差するかが判定される(処理S205)。
次に、選んだ要素を検査済にする(処理S206)。最後に、検査結果が交差有りの場合は、マルチパス有りと判定する。検査結果が交差無しの場合は、処理S204に戻る(処理S207)。
[処理S106]衛星検定部21は、測位情報受信部25を介してGNSS受信装置30から受信した測位情報の中に含まれる実際の測位計算に使用した衛星が抽出した使用可能衛星に含まれているかを検定する。
そして、衛星検定部21は、使用可能衛星リストを作成し、同時に使用した衛星が全て抽出した衛星に含まれている場合は、検定結果をOK(良好)、つまりマルチパスの影響無しとする。一方、衛星検定部21は、使用可能衛星リストを作成し、同時に使用した衛星が全て抽出した衛星に含まれていない場合は、検定結果をNG(不良)、つまりマルチパスの影響ありとする。
[処理S107]衛星検定部21は、マルチパスの有無を示す検定結果を含む測位位置
情報を測位結果として測位結果データベース28に記録(格納)する。測位結果データベース28に記録されたこの測位結果は、測位結果送信部29により予め定められた時間間隔で読み出され、設計・施工情報管理システム40に送信されて反映される。
なお、この測位結果を記録する必要がないときは、処理S107は省略してもよく、測位結果データベース28及び測位結果送信部29は不要である。
[処理S108]衛星検定部21は、処理S106における検定結果を検定結果送信部24を介してGNSS受信装置30に送信する。
[処理S109]GNSS受信装置30の通信部31は、検定結果送信部24から送信された検定結果を受信する。
[処理S110]GNSS受信装置30の表示部33は、通信部31からの検定結果を可視及び可聴の少なくとも一方で表示する。ここでは、例えば、検定結果がOK(良好)であるときは、グリーンランプを点灯し、検定結果がNG(不良)であるときは、レッドランプを点灯する。
これにより、GNSS受信装置30のユーザは、測量や施工のときに測位した情報が信頼できるものか否かを即座に判別することが可能となり、必要に応じてマルチパスの無い場所に移動して再度測位することが容易となる。
[一実施の形態における効果]
上述した一実施の形態のGNSS測位位置検定処理システム10においては、サーバ20が、GNSS受信装置30、設計・施工情報管理システム40及び衛星軌道情報管理システム50と協働(連携動作)することにより、GNSS受信装置30は、大規模な記憶装置及び高性能の演算装置を保有しなくても、つまりGNSS受信装置30が身軽であっても、複数(4機以上)のGNSS衛星から受信した信号に基づいて計算した測位位置(測位情報)をサーバ20に送信するだけで、サーバ20は、日々変化する地形及び建造物に対応して、GNSS受信装置30がマルチパスを回避した測位を行うことを検定結果の通知により、支援することができる。
また、上述した一実施の形態のGNSS測位位置検定処理システム10においては、GNSS衛星と測位位置とを結ぶ直線上に地表もしくは構造物が存在するとき、測位位置はマルチパスによる影響を受けていると推測される。このため、サーバ20がGNSS受信装置30から通信により測位情報を受信し、それに基づき衛星検定部21によりその影響を受けていない衛星を特定し、それをGNSS受信装置30に通信により送信する。GNSS受信装置30においては、その情報に基づきマルチパスの影響を受けているか否かが測量、施工現場等で即座に分かることにより、誤測定を無くすことができるだけでなく、常に誤測定の無い場所を容易に特定することが可能となる。また、マルチパスの影響を受けていない衛星だけで測位位置の計算ができるようになることで、施工の品質を飛躍的に向上させることができる。
[一実施の形態の第1変形例]
図14及び図15を参照すると、一実施の形態の第1変形例におけるGNSS測位位置検定処理システム10Aは、上述した一実施の形態におけるGNSS測位位置検定処理システム10と同様に、処理S101から処理S110を実施する。
つまり、処理S106においては、衛星検定部21は、測位情報受信部25を介してGNSS受信装置30から受信した測位情報の中に含まれる実際の測位計算に使用した衛星
が抽出した使用可能衛星に含まれているかを検定する。
そして、衛星検定部21は、使用可能衛星リストを作成し、同時に使用した衛星が全て抽出した衛星に含まれている場合は、検定結果をOK(良好)、つまりマルチパスの影響無しとする。一方、衛星検定部21は、使用可能衛星リストを作成し、同時に使用した衛星が全て抽出した衛星に含まれていない場合は、検定結果をNG(不良)、つまりマルチパスの影響ありとする。
また、処理S110においては、GNSS受信装置30の表示部33は、通信部31からの検定結果を可視及び可聴の少なくとも一方で表示する。ここでは、例えば、検定結果がOK(良好)であるときは、グリーンランプを点灯し、検定結果がNG(不良)であるときは、レッドランプを点灯する。
この処理S110に続く処理S111においては、GNSS受信装置30の測位位置計算部32は、通信部31からマルチパスの有無を示す検定結果及び使用可能衛星リストを受信し、検定結果がOK(良好)か否かを判定する。そして、測位位置計算部32は、肯定判定(Yes)したときは、処理を終了するが、否定判定(No)したときは、処理S112に進む。
処理S112においては、測位位置計算部32は、使用可能衛星リストに基づいて、使用可能衛星数が4未満であるか否かを判定する。そして、測位位置計算部32は、肯定判定(Yes)したときは、処理を終了するが、否定判定(No)したときは、処理S113に進む。
処理S113においては、測位位置計算部32は、使用可能衛星リスト中の使用可能衛星を使用して測位位置を再計算する。再計算の後、処理は処理S102に戻る。
[一実施の形態の第2変形例]
図16を参照すると、一実施の形態の第2変形例におけるGNSS測位位置検定処理システム10Bは、上述した一実施の形態におけるGNSS測位位置検定処理システム10と同様に、処理S101から処理S110を実施する。
ただし、処理S108(図3参照)においては、衛星検定部21は、処理S106における検定結果を検定結果送信部24を介して表示装置60に送信する。
処理S109においては、表示装置60の通信部61は、検定結果送信部24から送信された検定結果を受信する。
処理S110においては、表示装置60の表示部62は、通信部61からの検定結果を可視及び可聴の少なくとも一方で表示する。ここでは、例えば、検定結果がOK(良好)であるときは、グリーンランプを点灯し、検定結果がNG(不良)であるときは、レッドランプを点灯する。
このGNSS測位位置検定処理システム10Bにおいては、通信部61及び表示部62を有するユーザ利用の表示装置60がGNSS受信装置30とは個別に設けられる。この表示装置60は携帯電話端末及び携帯情報端末等により実現可能である。
[第1変形例及び第2変形例における効果]
上述した第1変形例及び第2変形例のGNSS測位位置検定処理システム10A,10Bにおいても一実施の形態のGNSS測位位置検定処理システム10と同様の効果を含む
[他の変形例]
上述した一実施の形態、第1変形例及び第2変形例のGNSS測位位置検定処理システム10,10A,10Bにおいては、GNSS受信装置30及び表示装置60は、高精度な測位がそれぞれ必要となる、測量分野における測量装置、土木施工分野における測量装置及び建設機械、及び鉱山採掘分野における掘削機械及び運搬機械に適用可能である。また、GNSS受信装置30及び表示装置60は、ラップトップ型パーソナルコンピータ及び携帯電話端末等に実装するものであってもよい。
上述した一実施の形態等における処理はコンピュータで実行可能なプログラムとして提供され、CD−ROMやフレキシブルディスク等の非一時的コンピュータ可読記録媒体、さらには通信回線を経て提供可能である。
また、上述した一実施の形態等における各処理はその任意の複数または全てを選択し組合せて実施することもできる。
10 GNSS測位位置検定処理システム
20 サーバ(測位位置検定処理装置)
21 衛星検定部
22 地形・建物地図データベース
23 衛星軌道データベース
24 検定結果送信部
25 測位情報受信部
26 設計・施工情報受信部
27 衛星軌道受信部
28 測位結果データベース
29 測位結果送信部
30 GNSS受信装置
31 通信部
32 測位位置計算部
33 表示部
40 設計・施工情報管理システム
50 衛星軌道情報管理システム

Claims (11)

  1. 複数の測位衛星との連携に応じて測位装置から送信される測位結果の測位情報を通信ネットワークを通して受信する第1の受信手段と;
    外部の設計・施工情報管理システムの保有情報を通信ネットワークを通して受信する第2の受信手段と;
    前記第2の受信手段によりそれぞれ受信された、地図情報とともに地表及び建造物についての位置情報及び高さ情報を更新情報として格納する記憶手段と;
    前記第1の受信手段により受信された前記測位装置からの前記測位情報に含まれている測位に使用された複数の測位衛星の位置を検出するとともに、前記測位情報に含まれている前記測位装置の測位位置を検出する検出手段と;
    検出された前記測位に使用された複数の測位衛星の位置と検出された前記測位装置の測位位置とを結ぶ直線上に前記地表及び前記建造物が存在しない測位衛星を抽出し、前記測位に使用された複数の測位衛星が抽出した測位衛星に含まれているか否かに応じてマルチパスの有無を判定する判定手段と;
    前記判定手段による前記マルチパスの有無を示す検定結果を表示するために通信ネットワークを通して送信する送信手段と;
    を備える測位位置検定処理装置。
  2. 複数の測位衛星との連携に応じて測位装置から送信される測位結果の測位情報を通信ネットワークを通して受信する第1の受信手段と;
    外部の設計・施工情報管理システムの保有情報を通信ネットワークを通して受信する第2の受信手段と;
    前記第2の受信手段によりそれぞれ受信された、地図情報とともに地表及び建造物についての位置情報及び高さ情報を更新情報として格納する第1の記憶手段と;
    外部の衛星軌道情報管理システムの保有情報を通信ネットワークを通して受信する第3の受信手段と;
    前記第3の受信手段により受信された複数の測位衛星の軌道情報を更新情報として格納する第2の記憶手段と;
    前記第1の受信手段により受信された前記測位装置からの前記測位情報に含まれている測位に使用された複数の測位衛星の番号を検出するとともに、前記測位情報に含まれている前記測位装置の測位位置を検出する検出手段と;
    前記複数の測位衛星の番号に対応する前記複数の測位衛星の軌道情報を前記第2の記憶手段から取得し、前記複数の測位衛星の位置を計算する計算手段と;
    計算された前記複数の測位衛星の位置と検出された前記測位装置の測位位置とを結ぶ直線上に前記地表及び前記建造物が存在しない測位衛星を抽出し、前記測位に使用された複数の測位衛星が抽出した測位衛星に含まれているか否かに応じてマルチパスの有無を判定する判定手段と;
    前記判定手段による前記マルチパスの有無を示す検定結果を表示するために通信ネットワークを通して送信する送信手段と;
    を備える測位位置検定処理装置。
  3. 前記送信手段は、前記判定手段による前記マルチパスの有無を示す検定結果を前記測位装置に表示するために送信する、
    請求項1または2記載の測位位置検定処理装置。
  4. 前記送信手段は、前記判定手段による前記マルチパスの有無を示す検定結果を表示装置に表示するために送信する、
    請求項1または2記載の測位位置検定処理装置。
  5. 前記判定手段による前記マルチパスの有無を示す検定結果を含む測位位置情報を測位結果として格納する記憶手段と;
    この記憶手段における前記測位結果を前記設計・施工情報管理システムに通信ネットワークを通して送信する送信手段と;
    を更に備える請求項1または2記載の測位位置検定処理装置。
  6. 前記第1の受信手段、前記第2の受信手段、前記記憶手段、前記検出手段、前記判定手段、及び前記送信手段を少なくとも1つの処理装置に備える、
    請求項1記載の測位位置検定処理装置。
  7. 前記第1の受信手段、前記第2の受信手段、前記第3の受信手段、前記第1の記憶手段、前記第2の記憶手段、前記検出手段、前記計算手段、前記判定手段、及び前記送信手段を少なくとも1つの処理装置に備える、
    請求項2記載の測位位置検定処理装置。
  8. 前記衛星軌道情報管理システムの保有情報は、アルマナックデータ及びエフェメリスデータの少なくとも一方を含む、
    請求項2記載の測位位置検定処理装置。
  9. 前記送信手段は、前記マルチパスの有りを示す検定結果を表示するために通信ネットワークを通して送信するとき、前記測位装置の測位位置を再計算させるために前記判定手段から取得した使用可能衛星リストを送信する、
    請求項1または2記載の測位位置検定処理装置。
  10. 複数の測位衛星との連携に応じて測位装置から送信される測位結果の測位情報を通信ネットワークを通して受信する処理と;
    外部の設計・施工情報管理システムの保有情報を通信ネットワークを通して受信する処理と;
    それぞれ受信された、地図情報とともに地表及び建造物についての位置情報及び高さ情報を更新情報として記憶手段に格納する処理と;
    受信された前記測位装置からの前記測位情報に含まれている測位に使用された複数の測位衛星の位置を検出するとともに、前記測位情報に含まれている前記測位装置の測位位置を検出する処理と;
    検出された前記測位に使用された複数の測位衛星の位置と検出された前記測位装置の測位位置とを結ぶ直線上に前記地表及び前記建造物が存在しない測位衛星を抽出し、前記測位に使用された複数の測位衛星が抽出した測位衛星に含まれているか否かに応じてマルチパスの有無を判定する処理と;
    前記マルチパスの有無を示す検定結果を表示するために通信ネットワークを通して送信する処理と;
    を測位位置検定処理装置が実行する測位位置検定処理方法。
  11. 複数の測位衛星との連携に応じて測位装置から送信される測位結果の測位情報を通信ネットワークを通して受信する処理と;
    外部の設計・施工情報管理システムの保有情報を通信ネットワークを通して受信する処理と;
    それぞれ受信された、地図情報とともに地表及び建造物についての位置情報及び高さ情報を更新情報として第1の記憶手段に格納する処理と;
    外部の衛星軌道情報管理システムの保有情報を通信ネットワークを通して受信する処理と;
    受信された複数の測位衛星の軌道情報を更新情報として第2の記憶手段に格納する処理
    と;
    受信された前記測位装置からの前記測位情報に含まれている測位に使用された複数の測位衛星の番号を検出するとともに、前記測位情報に含まれている前記測位装置の測位位置を検出する処理と;
    前記複数の測位衛星の番号に対応する前記複数の測位衛星の軌道情報を前記第2の記憶手段から取得し、前記複数の測位衛星の位置を計算する処理と;
    計算された前記複数の測位衛星の位置と検出された前記測位装置の測位位置とを結ぶ直線上に前記地表及び前記建造物が存在しない測位衛星を抽出し、前記測位に使用された複数の測位衛星が抽出した測位衛星に含まれているか否かに応じてマルチパスの有無を判定する処理と;
    前記マルチパスの有無を示す検定結果を表示するために通信ネットワークを通して送信する処理と;
    を測位位置検定処理装置が実行する測位位置検定処理方法。
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