JP3975549B2 - 航法装置の自律航法の車速パルス係数キャリブレーション方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、GPS衛星からの衛星電波を受信して方位、位置、速度の情報を得るGPS(グローバルポジショニングシステム)を備えた航法装置に係り、特に進行距離計算における車速パルス係数のキャリブレーション処理の方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、GPS衛星からの衛星電波を受信して方位、位置、速度の情報を得るGPSを備えた航法装置において、進行距離計算を行う際に、タイヤの回転数に対する進んだ距離を表す車速パルス係数のキャリブレーションを行う場合、リファレンス(基準値)としてGPSで得られた速度情報を利用してきた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら前記のようにGPS速度を利用する方法は、条件によってはリファレンスであるGPS速度自身に大きな誤差を含む場合があり、たまたま大きな誤差を含むGPS速度をリファレンスとして車速パルス係数のキャリブレーション計算をしてしまうと、真値からずれた車速パルス係数となってしまうという問題点があった。
【0004】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものでその目的は、信頼性の高いGPS速度情報を選択して用いることによって車速パルス係数のキャリブレーション精度を向上させ、自律航法の測位精度を向上させた航法装置の自律航法の車速パルス係数キャリブレーション方法を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
(1)本発明は、GPS衛星からの衛星電波を受信して方位、位置、速度の情報を得るGPS受信機を備えた航法装置の自律航法の車速パルス係数キャリブレーション方法において、所定の方法で複数の衛星の配置の中心となる直線を求め、該求められた前記複数の衛星配置の中心直線の傾きと前記複数の衛星配置の分散を、GPS衛星の配置情報として求める配置情報計測ステップと、前記配置情報計測ステップで求められた配置情報に基づいてGPS速度情報の所定の判定を行うGPS速度情報判定ステップとを備え、前記GPS速度情報判定ステップの判定結果によって前記車速パルス係数のキャリブレーションを行うことを特徴としている。
【0006】
(2)また本発明は、GPS衛星からの衛星電波を受信して方位、位置、速度の情報を得るGPS受信機を備えた航法装置の自律航法の車速パルス係数キャリブレーション方法において、所定の方法で複数の衛星の配置の中心となる直線を求め、該求められた前記複数の衛星配置の中心直線の傾きと前記複数の衛星配置の分散を、GPS衛星の配置情報として求める配置情報計測ステップと、前記配置情報計測ステップで求められたGPS衛星の前記配置情報とGDOPとによりGPS速度誤差分布を計測するGPS速度誤差分布計測ステップとを備え、前記GPS速度誤差分布に基づいて、前記車速パルス係数のキャリブレーションを行うことを特徴としている。
【0007】
(3)また本発明は、GPS衛星からの衛星電波を受信して方位、位置、速度の情報を得るGPS受信機を備えた航法装置の自律航法の車速パルス係数キャリブレーション方法において、所定の方法で複数の衛星の配置の中心となる直線を求め、該求められた前記複数の衛星配置の中心直線の傾きと前記複数の衛星配置の分散を、GPS衛星の配置情報として求める配置情報計測ステップを備え、前記配置情報計測ステップで求められたGPS衛星の配置情報に基づいて、位置計算に使用中のGPS衛星を監視し、使用中のGPS衛星が変更された場合には前記車速パルス係数のキャリブレーションを行わないことを特徴としている。
【0009】
(4)GPS速度情報自身に大きな誤差が含まれている場合であっても、GPS衛星の配置情報に基づいて信頼性の高いGPS速度情報が選択される。このため車速パルス係数のキャリブレーション精度が向上し、自律航法の測位精度が向上する。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。
車速パルス係数のキャリブレーションを正しく行うためには、どれだけ正確なリファレンスとなるGPS速度が得られるかが、重要になってくる。GPS速度は、速度が小さい時や、GPSの幾何学的な精度劣化指数(以下GDOPと称する)が悪い値の時は、信頼性が低い。
【0011】
したがってより正確なリファレンス速度を得るには、これらの条件を厳しくしていけば良いのだが、条件を厳しくすればするほど、リファレンス速度が得られる回数が減るので、車速パルス係数のキャリブレーションの進みが遅れるという相反する条件を持っている。
【0012】
そこで本発明では、GPS衛星配置をリファレンス速度選択の条件に入れることによって、リファレンス速度が得られる回数をあまり減らすことなく、リファレンス速度の精度を向上させるようにした。
【0013】
GPS速度の精度は、GDOPが同じ条件であっても、GPS衛星配置によって変わってくる。例えば図1(a)のように均等なGPS衛星配置の場合、GPS速度誤差の絶対値は図1(b)の実線で示すように360°全方向均等に分布するが、図2(a)のように偏った縦型のGPS衛星配置の場合、衛星が並んだ縦方向の速度誤差は小さくなるが、逆に横方向の速度誤差は大きくなる。このためGPS速度の誤差は、図2(b)の実線に示すようにGPS衛星の配置方向によって決まる楕円形の誤差分布を示す。
【0014】
これはGDOPが多少悪くても、GPS衛星が縦型に並んだ場合は、GPS衛星が並んだ縦方向に進んでいる時のGPS速度は、リファレンス速度として使用できることを意味する。都会での道路事情を考えると、視界が開けたところに比べてGDOPは多少悪くなるが、道路の両側にビルが建ち並んでいるため、受信できるGPS衛星並びが進行方向と平行になり、GDOPが多少悪くてもGPS速度がリファレンスとして使えるケースが多い。
【0015】
本発明を実行する航法装置は、例えば図3のようにGPS測位を行うGPSアンテナ1およびGPS測位装置2と、自律航法測位を行う方位検出装置3および距離検出装置4と、位置計算を行う現在位置演算装置5と、位置を地図上に表示する位置表示装置6と、地図データが記録されている地図記録装置7とで構成されている。
【0016】
前記現在位置演算装置5は、演算処理部としてのCPUと、記憶部としてのROM、RAMと、外部装置とのデータの授受を行うI/O回路部とで構成されている。また位置表示装置6は例えば液晶ディスプレイから成り、地図記録装置7は例えばCDROMプレーヤ−から成る。
【0017】
前記のように構成された航法装置の位置計算アルゴリズムは、図4に示すフローチャートとなる。図4において、まずステップS1においてGPSデータ、方位データ、距離データを入力する。そしてステップS2、S3、S4において方位データと距離データから進行方位と進行距離を計算し、自律航法現在位置を求める。
【0018】
次にステップS5でマップマッチング処理を行って前記現在位置を道路上に補正した後、ステップS6でGPS信用領域評価関数を計算する。次にステップS7において、道路上に補正された自律航法現在位置とGPS現在位置をGPS信用領域評価関数により比較する。
【0019】
その結果、自律航法現在位置とGPS現在位置が離れすぎている場合にはステップS8において自律航法現在位置をGPS現在位置で補正した後ステップS9で自律航法位置を表示する。
【0020】
本発明を適用した車速パルス係数キャリブレーション処理は、進行距離計算で行われる。この進行距離計算アルゴリズムは図5に示すフローチャートとなる。図5において、まずステップS1において、GPS速度データ、車速パルス数、GPS衛星配置データ、GPSのGDOP(GPSの幾何学的な精度劣化指数)を入力する。
【0021】
そしてステップS2においてGPS衛星配置とGDOPに基づいてGPS速度誤差分布を計算し、このGPS速度誤差分布によって進行方位でのGPS速度が信頼できるかどうかをステップS3において判定する。
【0022】
その結果GPS速度が信頼できる時のみ、ステップS4においてGPS速度をリファレンスにして車速パルス係数のキャリブレーションを行う。そしてステップS5において車速パルス数と車速パルス係数から進行距離を求める。
【0023】
次に前記図5のステップS2におけるGPS速度誤差分布の求め方を説明する。GPS速度誤差分布を求めるには、最初にGPS衛星配置の中心となる直線を求める。まず衛星配置を、中心直線を求める2次元座標系へ変換する方法について述べる。
【0024】
GPS衛星からの電波を受信した位置からi番目のGPS衛星の見える方角は、GPS衛星からの電波を受信した位置を原点とし、GPS衛星が表面に存在している半球の底面がx,y平面と一致する3次元衛星配置座標系(x,y,z)を考えると、図6の衛星の方位角βi[rad]と、図7の衛星の仰角αi[rad]で表す。またGPSの位置は、図8のようにGPS衛星からの電波を受信した位置を中心とした、半径rの半球上に存在していると仮定する。
ただし、0≦αi≦2π/2とする。
【0025】
したがって、i番目のGPS衛星の3次元衛星配置座標系における座標(xi,yi,zi)は、次の第(1)式のようになる。
【0026】
(xi,yi,zi)=(rcosαi・cosβi、rcosαi・cosβi、rsinαi)…(1)
これより、GPS衛星からの電波を受信した位置を原点とし、GPS衛星が存在している半球の底面と一致する2次元座標系(X,Y)を仮定すると、i番目の衛星配置の2次元座標(Xi,Yi)は、次の第(2)式となる。
【0027】
(Xi,Yi)=(xi,yi)=(rcosαi・cosβi、rcosαi・cosβi)…(2)
2次元座標系に展開された衛星配置の中心直線を求めるには、最小二乗法によるものと、2衛星間距離最大点法によるものの2通りがある。この2通りの方法で求めた中心直線のうち、分散が小さいほうの中心直線をより確からしいものとして採用する。
【0028】
前記最小二乗法による衛星配置の中心直線を求める方法は次のようにして行う。
【0029】
まず最小二乗法で求めたn組の衛星配置の中心直線を、次の第(3)式のように仮定する。
【0030】
Y=aX+b…(3)
i番目の衛星配置のX座標Xiに対応する第(3)式の計算値とYiとの差をriとする。
【0031】
ri=Yi−(aXi+b)…(4)
n組のデータのすべてに対して最も良く当てはまる式というのは、第(4)式の偏差の平方値の総和が最小となるような式である。すなわち、
【0032】
【数1】
【0033】
この第(5)式の未知変数a,bについて偏導関数をとると、
【0034】
【数2】
【0035】
第(6)式がもとの第(5)式を最初とするのは、それぞれの右辺が0となることであるから、これらを整理すると、第(7)式となる。
【0036】
【数3】
【0037】
この第(7)式を行列で表すと、第(8)式となる。
【0038】
【数4】
【0039】
第(8)式を解くと、n組の衛星配置の、中心直線式である第(3)式のそれぞれの係数は、第(9)式のようになる。
【0040】
【数5】
【0041】
この時の分散Vsは第(10)式のようになる。
【0042】
【数6】
【0043】
また、2衛星間距離最大点法による衛星配置の中心直線を求める方法は次のようにして行う。
【0044】
まずn組の衛星配置のうち、2衛星間距離が最大である2衛星の座標を結んだ直線を中心直線とし、第(11)式のように仮定する。
【0045】
Y=cX+d…(11)
2衛星間距離が最大である衛星の座標を(X1,Y1)、(X2,Y2)とすると、n組の衛星配置の中心直線式である第(11)式の係数は第(12)式のようになる。
【0046】
c=(Y2−Y1)/(X2−X1), d=Y1−cX1 …(12)
この時の分散Vmは、第(13)式のようになる。
【0047】
【数7】
【0048】
以上のようにして2通りの方法による中心直線が求められたが、これらのうち分散が小さいほうの直線を、より確からしい中心直線とする。すなわち、
分散Vs≦Vmのとき
衛星配置の中心直線の傾きγ=a
分散V=Vs
分散Vs>Vmのとき
衛星配置の中心直線の傾きγ=c
分散V=Vm
前記のように求められた衛星配置の中心直線の傾きγは、図2のようなGPS速度誤差分布を表す楕円の短軸方向を表し、分散VはGPS速度誤差分布を表す楕円のつぶれ具合を表す。分散VとGPS速度誤差分布の関係は、使用するGPS測位装置やGPSアンテナの特性によって決まるので、正確に関係を求めるには、実験によって確かめる必要がある。傾向としては、分散Vが小さくなるほどGPS速度誤差分布の楕円はつぶれ、分散Vが大きくなるほどGPS速度誤差分布の楕円は円に近ずく。
【0049】
したがって、分散Vが小さい時は、前記図5のステップS3で進行方向と衛星配置の中心直線方向が一致するか否かを判定し、一致する時のみ、GPS速度を使用するような簡易的な処理を行う。
【0050】
また、位置計算に使用中のGPS衛星に変更が生じた時は、GPS速度に誤差が生じやすい。したがって本発明では、GPS衛星の配置情報を用いて、位置計算に使用中のGPS衛星を監視し、計算使用衛星の変更時はGPS速度を信用しないというアルゴリズムを入れる。これによってより確からしいGPS速度を抽出することができる。
【0051】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、GPS衛星の配置情報に基づいて、GPS速度情報が信頼できるかどうかを判定し、該判定結果に応じて、自律航法で使用する車速パルス係数のキャリブレーション時のリファレンスとして用いるGPS速度情報を決定するようにしたので、次のような優れた効果が得られる。
【0052】
(1)信頼性の高いGPS速度だけを選択して使用することによって、車速パルス係数のキャリブレーション精度が向上し、自律航法の測位精度が向上する。
【0053】
(2)道路の両側に高い建物が立ち並んでいるような悪条件下でも、信頼性の高いGPS速度を抽出できるため、車速パルス係数のキャリブレーションがより速く進む。
【0054】
(3)位置計算に使用中のGPS衛星を監視し、GPS速度誤差が生じやすい、計算使用衛星の変更時は、GPS速度を使用しないアルゴリズムにより、信頼性の高いGPS速度が抽出でき、車速パルス係数のキャリブレーション精度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】GPS衛星配置とGPS速度誤差の関係を表し、(a)はGPS衛星配置の説明図、(b)は進行方向とGPS速度誤差の関係を示す説明図。
【図2】GPS衛星配置とGPS速度誤差の関係を示す説明図。
【図3】本発明を実行するための航法装置のブロック図。
【図4】本発明を実行するための航法装置の位置計算アルゴリズムを示すフローチャート。
【図5】本発明が適用される進行距離計算アルゴリズムを示すフローチャート。
【図6】本発明の要部である衛星配置の中心直線を求める方法を説明するための説明図。
【図7】本発明の要部である衛星配置の中心直線を求める方法を説明するための説明図。
【図8】本発明の要部である衛星配置の中心直線を求める方法を説明するための説明図。
【符号の説明】
1…GPSアンテナ
2…GPS測位装置
3…方位検出装置
4…距離検出装置
5…現在位置演算装置
6…位置表示装置
7…地図記録装置
Claims (3)
- GPS衛星からの衛星電波を受信して方位、位置、速度の情報を得るGPS受信機を備えた航法装置の自律航法の車速パルス係数キャリブレーション方法において、
所定の方法で複数の衛星の配置の中心となる直線を求め、該求められた前記複数の衛星配置の中心直線の傾きと前記複数の衛星配置の分散を、GPS衛星の配置情報として求める配置情報計測ステップと、
前記配置情報計測ステップで求められた配置情報に基づいてGPS速度情報の所定の判定を行うGPS速度情報判定ステップとを備え、
前記GPS速度情報判定ステップの判定結果によって前記車速パルス係数のキャリブレーションを行う
ことを特徴とする航法装置の自律航法の車速パルス係数キャリブレーション方法。 - GPS衛星からの衛星電波を受信して方位、位置、速度の情報を得るGPS受信機を備えた航法装置の自律航法の車速パルス係数キャリブレーション方法において、
所定の方法で複数の衛星の配置の中心となる直線を求め、該求められた前記複数の衛星配置の中心直線の傾きと前記複数の衛星配置の分散を、GPS衛星の配置情報として求める配置情報計測ステップと、
前記配置情報計測ステップで求められたGPS衛星の前記配置情報とGDOPとによりGPS速度誤差分布を計測するGPS速度誤差分布計測ステップとを備え、
前記GPS速度誤差分布に基づいて、前記車速パルス係数のキャリブレーションを行う
ことを特徴とする航法装置の自律航法の車速パルス係数キャリブレーション方法。 - GPS衛星からの衛星電波を受信して方位、位置、速度の情報を得るGPS受信機を備えた航法装置の自律航法の車速パルス係数キャリブレーション方法において、
所定の方法で複数の衛星の配置の中心となる直線を求め、該求められた前記複数の衛星配置の中心直線の傾きと前記複数の衛星配置の分散を、GPS衛星の配置情報として求める配置情報計測ステップを備え、
前記配置情報計測ステップで求められたGPS衛星の配置情報に基づいて、位置計算に使用中のGPS衛星を監視し、使用中のGPS衛星が変更された場合には前記車速パルス係数のキャリブレーションを行わない
ことを特徴とする航法装置の自律航法の車速パルス係数キャリブレーション方法。
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