JP3598372B2 - 測位用衛星受信機バイアスの測定方法及び装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、測位用衛星からの２周波搬送波位相を用いて、電離層の全電子数を推定する際に、測位用衛星受信機のバイアスを測定する方法、及び、その方法を実施する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電離層や超高層大気の擾乱が、通信・放送システムや航空機の管制業務に与える影響等を予測するために、リアルタイムで日本全国の鉛直方向の電離層全電子数をコンタマップに表示することが必要とされている。
視線方向の電離層全電子数（ＳＴＥＣ）は、測位用衛星からの２つの異なる周波数の搬送波位相と、測位用衛星と測位用衛星受信機との疑似距離から計算することができる。ただし、このＳＴＥＣには衛星コードバイアス分および受信機バイアス分が含まれるため、真の鉛直方向の電離層全電子数（ＶＴＥＣ）を得るためには、ＳＴＥＣ値から衛星コードバイアス分および受信機バイアス分を補正したのち、電離層の平面平板モデルや球殻モデル等によって定まる仰角に応じた補正係数を乗じる必要がある。
なお、特に断らない限り本明細書では、ＳＴＥＣは、測位用衛星受信機によって測定される、衛星コードバイアス分および受信機バイアス分を含んだ見かけの視線方向の電離層全電子数とし、ＶＴＥＣは、衛星コードバイアス分および受信機バイアス分による影響のない真の鉛直方向の電離層全電子数とする。
一般には、衛星コードバイアスと受信機バイアスは分離して求めることができない。そのため、鉛直方向の電離層全電子数は、衛星コードバイアスと受信機バイアスの和を未知数とした連立一次方程式から最小２乗法で求めることとなる。
【０００３】
しかし、この方法では、搬送波位相の観測時間間隔が短くなるほど、前記未知数の数が増加し、演算量が急激に膨大となるという問題点がある。
また、コンタマップを作成するためには、全国各地でのＶＴＥＣ値が必要となるので、多数の測位用衛星受信機を設置する必要がある。そのため、受信機バイアスを受信データから受信機ごとに短時間に効率よく測定することが求められるが、従来の最小２乗法による方法では実現が困難である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は、上記従来技術が有していた問題を鑑みて、簡易な手段で、測位用衛星受信機ごとに受信機バイアスを少ない演算量で短時間に精度よく求める方法及び装置を提供することを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するために、本発明の測位用衛星受信機バイアスの測定方法及び装置は、既知の衛星コードバイアスを活用することで、測位用衛星受信機の受信データのみを用いて、測位用衛星受信機バイアスを簡易に効率よく得ることを図る。
すなわち、測位用衛星からの周波数の異なる２つの搬送波を測位用衛星受信機によって受信し、その両搬送波位相と、測位用衛星と測位用衛星受信機との疑似距離から電離層全電子数を推定する方法において、ＳＴＥＣからＶＴＥＣを計算する際に必要な補正量として、予め測定しておいた測位用衛星の衛星コードバイアスを用いると共に、ＳＴＥＣと、測位用衛星受信機から測位用衛星を仰ぐ仰角とから、所定の関係式を用いて測位用衛星受信機バイアスを求める。
【０００６】
ここで、前記の所定関係式として、
Ｖｉｊ（ｔ）＋Ｒｉ・ｓｉｎθｉｊ（ｔ）＝（Ｓｉｊ（ｔ）−Ｂｊ）・ｓｉｎθｉｊ（ｔ）
（ただし、受信点がｉ、衛星がｊ、時刻がｔ、ＶＴＥＣ値がＶｉｊ（ｔ）、受信機バイアスがＲｉ、受信点ｉから衛星ｊに対する仰角がθｉｊ（ｔ）、ＳＴＥＣ値がＳｉｊ（ｔ）、衛星コードバイアスがＢｊ）
を用いてもよい。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明による受信機バイアスの測定手段を、図面を参照して説明する。ここでは、航法用衛星としてＧＰＳ衛星を挙げるが、ＧＬＯＮＡＳＳ衛星など、地球側位システムに用いられる任意の衛星に利用できる。
図１に、ＧＰＳ衛星とＧＰＳ受信機との関係を示す。簡単のため電離層を平面平板モデルで表している。
ＧＰＳ受信機（２）は、外部通信機器を備え、予め測定、または入手したＧＰＳ衛星（１）の衛星コードバイアスを入力する入力手段を有する。また、ＧＰＳ受信機（２）によって測定される、衛星コードバイアス分および受信機バイアス分を含んだ見かけの視線方向の電離層全電子数（ＳＴＥＣ）と、ＧＰＳ受信機（２）からＧＰＳ衛星（１）を仰ぐ仰角（θ）とから、所定の関係式を用いてＧＰＳ受信機バイアスを求める計算手段も備えている。
【０００８】
ＧＰＳ受信機（２）の受信点ｉ（３）における受信機バイアスをＲｉ（８）（受信点（３）を一端とした実線部分）、ＧＰＳ衛星ｊ（１）の衛星コードバイアスをＢｊ（９）（衛星側を一端とした実線部分）とする。時刻ｔにおける真の鉛直方向の電離層全電子数（ＶＴＥＣ）Ｖｉｊ（ｔ）（６）は、平面平板モデルで考えると、受信機（２）によって測定される、衛星コードバイアス分および受信機バイアス分を含んだ見かけの視線方向の電離層全電子数（ＳＴＥＣ）Ｓｉｊ（ｔ）（（７）＋（８）＋（９））と受信点ｉ（３）から衛星ｊ（１）を仰ぎ見たときの仰角θｉｊ（ｔ）とから、次のように求められる。

衛星コードバイアスＢｊを既知とすれば、受信機バイアスによる影響を受けた見かけの鉛直方向の電離層全電子数（以下、見かけのＶＴＥＣと呼ぶ）である（ａ）式の右辺の値が計算される。そのため、真のＶＴＥＣであるＶｉｊ（ｔ）と見かけのＶＴＥＣとの差はＲｉ・ｓｉｎθｉｊ（ｔ）となり、これは、受信機バイアスＲｉを係数とした仰角特性いわゆるθ依存性をもつと言える。
【０００９】
ここで、衛星コードバイアスＢｊは、ドイツＤＬＲ研究所によって公開されており、インターネット等を介して容易に入手することができる。
仮に衛星コードバイアスＢｊが入手できない場合であっても、日本国内外に設置されているＧＰＳ受信機のうちのいくつかを用いて、最小２乗法によって解くことで、衛星コードバイアスＢｊを得ることができる。
衛星コードバイアスＢｊは、各衛星ごとに地球上のどの受信点においても共通であるので、この値を他のＧＰＳ受信機に利用することができる。また、受信機バイアスに比べ、衛星コードバイアスＢｊの値は１年を通じてそれほど大きく変動することなくほぼ一定である。
【００１０】
以上のようなことから、衛星コードバイアスＢｊを既知として、（ａ）式において、Ｓｉｊ（ｔ）にＢｊを含ませてしまい、
Ｘｉｊ（ｔ）＝Ｓｉｊ（ｔ）−Ｂｊ
とすると、（ａ）式は、
Ｖｉｊ（ｔ）＝（Ｘｉｊ（ｔ）−Ｒｉ）・ｓｉｎθｉｊ（ｔ）……（ｂ）
と変形される。少しだけ時間のずれた時刻ｔ＝ｔ’においては、
Ｖｉｊ（ｔ′）＝（Ｘｉｊ（ｔ′）−Ｒｉ）・ｓｉｎθｉｊ（ｔ′）……（ｃ）
となり、を計算すると、

となる。
【００１１】
通常ＧＰＳ衛星などの測位用衛星は静止衛星でなく地球周回衛星であるから、同じ衛星は地上からわずか２〜３時間程度しか見えない。すなわち、仰角θｉｊ（ｔ）は、数分程度で大きく変化する。これに対して、電離層における全電子数は、太陽の上昇や下降などの活動に伴って増減する自然現象であるから、真の鉛直方向の電離層全電子数Ｖｉｊ（ｔ）の変動はかなりゆっくりしたものになり、同一衛星が見えている数時間程度では、ほぼ一定とみなすことができる。
このような場合には、（ｄ）式の左辺の値はほぼ０とみなすことができ、右辺第１項と第２項は計算することができるので、受信機バイアスＲｉを求めることができる。
【００１２】
ただし、実際には、一日における真のＶＴＥＣは、観測するＧＰＳ衛星の方位や時刻等によって様々に変化するため、ｔとｔ’がある程度離れてくると必ずしも（ｄ）式の左辺の値を０とみなすことができるとは限らなくなる。しかし、ある一定の仰角θ_０（基準仰角）のときに求めた見かけのＶＴＥＣと、任意の仰角θのときに求めた見かけのＶＴＥＣとの差は、全ＧＰＳ衛星について測定し平均すれば、方位や日変化による寄与は平均化のために小さくなる。従って、仰角の違いによる差のみが生じることとなり、受信点ｉ（３）における受信機バイアスＲｉ（８）が精度良く求められることになる。
【００１３】
すなわち、各ＧＰＳ衛星に対して、その衛星が仰角（θ）が高くなるような方向に飛行する場合と、仰角（θ）が低くなるような方向に飛行する場合とを区別することなく、仰角（θ）の値ごとに上記のような平均化処理を行って、仰角特性を計算する。
【００１４】
仰角（θ）に関する補正係数は、電離層を平面平板モデルで考えた場合はｓｉｎθとなるが、球殻モデルで考えた場合は、

（ただし、地球の半径がＥ、地上から受信機までの高さがｈ、地上から電離層まで の高さがＨ）
となり、平面平板モデルに比べて、やや複雑にはなるが、特に低仰角における電離層モデルとしてより実際に近くなる。
【００１５】
このように、（ａ）式を用いると、既知である衛星コードバイアスとＧＰＳ受信機（２）の受信データのみを用いて、受信機ごとに受信機バイアスを測定することができる。
ほとんど平均値計算しか行われないため演算量が少なく、容易に短時間で受信機バイアスを求めることができるので、短時間でリアルタイムでのコンタマップの作成が可能である。また、受信機バイアスは、受信機のメーカや機種によって大きく異なる場合があるが、それでもほぼ正確に求めることが可能である。
【００１６】
受信機バイアスの測定誤差を少なくするためには、なるべく多くの衛星について均等に観測データを収集することが好ましく、実際の測定においては、基準仰角（θ_０）は３５°位に設定するのが好適である。
また、実際に仰角特性から受信機バイアスを算出するにあたっては、仰角（θ）の観測範囲は、約３５°位から約６５°位までが良いとされる。
あまり仰角（θ）が低すぎると、ＧＰＳ衛星からの搬送波が地表や海面やビル等によって反射されたりして、マルチパスが生じること等により、正確なデータが得られにくい。
また、仰角（θ）が高くなるほど、観測できるＧＰＳ衛星の数が減ってくるため、得られる仰角特性は、その特定の衛星のみから強く影響を受けてしまい、各衛星を均等に観測して平均化することが困難になり、測定誤差が大きくなってしまう恐れがある。
【００１７】
図２に、受信機バイアス測定装置における演算部の概要を示す。
図２で示されるように、演算部１では、ＧＰＳ受信機から出力されるデータのうち、疑似距離Ｃ_１、Ｐ_２および搬送波位相Ｌ_１、Ｌ_２を用いて（受信機の機種によっては疑似距離Ｃ_１の他にＰ_１を出力するものもあり、その場合はＣ_１の代わりにＰ_１を用いてもよい）、見かけの視線方向の全電子数（ＳＴＥＣ）Ｓ（ｊ，ｔ）を計算する。ここで、ｊは衛星の番号を表し、ｔは時刻を表す（Ｓ（ｊ，ｔ）には衛星コードバイアス分および受信機バイアス分が含まれる）。次にソーティング部１では、時刻ｔに関わらず、ｊの値に応じて以降の処理を行うよう切替部１の制御を行う。
演算部２では、ＧＰＳ受信機から出力されるデータのうち、航法メッセージからその衛星の仰角θ（ｊ，ｔ）を計算し、ソーティング部２では、この値に応じて以降の処理を行うよう切替部２の制御を行う。
演算部３では、θ（ｊ，ｔ）に対してｆ（θ（ｊ，ｔ））なる計算を行う。
各加算部では、初期値を０とし、加算部にデータが入力されるたびにその値を累積加算していく。
【００１８】
各インクリメント部１では、初期値を０とし、データが入力されるたびに１ずつインクリメントしていく。
各インクリメント部２では、初期値を０とし、複数の入力のうちいずれかにデータが入力されるたびに１ずつインクリメントしていく。
各除算部では、２入力の除算を行う。
【００１９】
図２において、Ｐ−Ｐ’より右側の処理は、主に平均値計算を行う部分であり、ＧＰＳ受信機からのデータ出力が終了してから行えばよい。
最後に、カーブフィッティング計算部では、Ｇ（θ_ｎ）−Ｒ・（ｆ（θ_ｎ）−ｆ（θ_０））の値の２乗和が最小となるようなＲを計算し、この値を受信機バイアスとして出力する。
【００２０】
【発明の効果】
本発明の測位用衛星受信機バイアスの測定方法及び装置は、上述の構成を備えることで、次の効果を奏する。
請求項１に記載の方法または請求項３に記載の装置によると、予め測定しておいた測位用衛星の衛星コードバイアスを活用して、測位用衛星受信機によって測定される視線方向の電離層全電子数と、測位用衛星受信機から測位用衛星を仰ぐ仰角とから、所定の関係式を用いて計算するので、簡易な手段で、測位用衛星受信機ごとに受信機バイアスを少ない演算量で短時間に精度よく求めることができる。
航法用衛星システムの本来の用途である、２周波を用いた高精度測位のための利用においても、受信機バイアスを補正した場合、測定精度を向上させることができる。
また、測位用衛星受信機だけでなく、他の同様のシステム、例えばロシアによるＧＬＯＮＡＳＳ衛星を用いた全地域測位システム等でも同様に適用することができる。
【００２１】
請求項２に記載の方法または請求項４に記載の装置によると、関係式

（ただし、受信点がｉ、衛星がｊ、時刻がｔ、ＶＴＥＣ値がＶｉｊ（ｔ）、受信機バイアスがＲｉ、受信点ｉから衛星ｊに対する仰角がθｉｊ（ｔ）、ＳＴＥＣ値がＳｉｊ（ｔ）、衛星コードバイアスがＢｊ）
を用いて、受信機バイアスを求めるので、平均値計算が主なので、計算量が圧倒的に低減され、計算のために保持しておかなければならないデータ量自体も少なくすることができるので、装置内の内部メモリの量も大幅に低減できる。
また、異なるメーカや異なる機種であっても、ほぼ正確な受信機バイアスを求めることが容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】測位用衛星と測位用衛星受信機との関係を示す説明図
【図２】受信機バイアス測定装置における演算の概要を示す説明図
【符号の説明】
１ 測位用衛星
２ 測位用衛星受信機
３ 受信点
４ 電離層
５ 地表
６ 鉛直方向の電離層全電子数
７ 視線方向の電離層全電子数
８ 受信機バイアス
９ 衛星コードバイアス
θ 仰角

Claims (4)

1. 測位用衛星からの周波数の異なる２つの搬送波を測位用衛星受信機によって受信し、その両搬送波位相と、測位用衛星と測位用衛星受信機との疑似距離から電離層全電子数を推定する方法において、
   測位用衛星受信機によって測定された見かけの視線方向の電離層全電子数（ＳＴＥＣ）から真の鉛直方向の電離層全電子数（ＶＴＥＣ）を計算する際に必要な補正量として、
   予め測定または入手した測位用衛星の衛星コードバイアスを用いると共に、
   測位用衛星受信機によって測定される見かけの視線方向の電離層全電子数（ＳＴＥＣ）と、測位用衛星受信機から測位用衛星を仰ぐ仰角とから、所定の関係式を用いて測位用衛星受信機バイアスを求める
   ことを特徴とする測位用衛星受信機バイアスの測定方法。
2. 前記の所定関係式が、
   Ｖｉｊ（ｔ）＋Ｒｉ・ｓｉｎθｉｊ（ｔ）＝（Ｓｉｊ（ｔ）−Ｂｊ）・ｓｉｎθｉｊ（ｔ）
   （ただし、受信点がｉ、衛星がｊ、時刻がｔ、ＶＴＥＣ値がＶｉｊ（ｔ）、受信機バイアスがＲｉ、受信点ｉから衛星ｊに対する仰角がθｉｊ（ｔ）、ＳＴＥＣ値がＳｉｊ（ｔ）、衛星コードバイアスがＢｊ）
   である請求項１に記載の測位用衛星受信機バイアスの測定方法。
3. 測位用衛星からの周波数の異なる２つの搬送波を測位用衛星受信機によって受信し、その両搬送波位相と、測位用衛星と測位用衛星受信機との疑似距離から電離層全電子数を推定する装置において、
   測位用衛星受信機によって測定された見かけの視線方向の電離層全電子数（ＳＴＥＣ）から真の鉛直方向の電離層全電子数（ＶＴＥＣ）を計算する際に必要な補正量として、
   予め測定または入手した測位用衛星の衛星コードバイアスを入力する入力手段と、測位用衛星受信機によって測定される見かけの視線方向の電離層全電子数（ＳＴＥＣ）と、測位用衛星受信機から測位用衛星を仰ぐ仰角とから、所定の関係式を用いて測位用衛星受信機バイアスを求める計算手段を備えた
   ことを特徴とする測位用衛星受信機バイアスの測定装置。
4. 前記の所定関係式が、
   Ｖｉｊ（ｔ）＋Ｒｉ・ｓｉｎθｉｊ（ｔ）＝（Ｓｉｊ（ｔ）−Ｂｊ）・ｓｉｎθｉｊ（ｔ）
   （ただし、受信点がｉ、衛星がｊ、時刻がｔ、ＶＴＥＣ値がＶｉｊ（ｔ）、受信機バイアスがＲｉ、受信点ｉから衛星ｊに対する仰角がθｉｊ（ｔ）、ＳＴＥＣ値がＳｉｊ（ｔ）、衛星コードバイアスがＢｊ）
   である請求項３に記載の測位用衛星受信機バイアスの測定装置。

Images