JP4334104B2 - カーナビゲーション装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＧＰＳレシーバ及びＧＰＳを測位の手段として使用するカーナビゲーション装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
カーナビゲーション装置は、ＧＰＳレシーバとＧＰＳ測位解その他のセンサ入力等をもとに自車位置を決定する自車位置決定部とによって構成される。ここで、ＧＰＳレシーバは、ＧＰＳ衛星から送信されるＧＰＳ信号をトラッキング（ｔｒａｃｋｉｎｇ）してＧＰＳデータを取得することにより、ＧＰＳ衛星とＧＰＳレシーバ自身との距離（擬似距離）を計測し、同時に計測した複数のＧＰＳ衛星に関する疑似距離をもとに幾何学的に測位演算を実行する。更に、ＧＰＳレシーバは、各ＧＰＳ衛星信号の搬送波周波数の変化率を測定（ドップラ測定）することで自車の移動速度や進行方位も算出し、これらの算出結果をＧＰＳ出力メッセージとして出力する。
【０００３】
このとき、トラッキングしている衛星の数が３つの場合、緯度及び軽度を位置として算出する２次元測位となり、衛星の数が４つ以上で緯度、経度及び高度を位置として算出する３次元測位が行なわれる。ここで、ＧＰＳレシーバが同時に捕捉可能なＧＰＳ信号の数（すなわち、ＧＰＳ衛星の数）は、ＧＰＳレシーバのチャネル数で決定される。
【０００４】
一方、自車位置決定部は、デッドレコニング、マップマッチング及びＧＰＳレシーバの測位解に基づいて合理的に自車位置を決定するアルゴリズムを実行する。
【０００５】
ＧＰＳ信号は、民間に開放されているＬ１周波数（約１．５７５ＧＨｚ）のＣ／Ａコードである。また、Ｃ／Ａコードを利用したＧＰＳ測位では、複数の誤差要因により、その測位解は１００ｍ程度の誤差を持つと見積もられている。この誤差要因としてもっとも大きなものはＳＡ（Selective Availability）であり、それ以外に、電離層遅延誤差、対流圏遅延誤差、衛星軌道情報誤差、衛星時計誤差、マルチパスに起因する誤差、ＧＰＳレシーバの熱雑音に起因する誤差等がある。
【０００６】
このようなＧＰＳ測位における誤差を除去してＧＰＳ測位の精度を向上するために、ＤＧＰＳ（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ＧＰＳ）と呼ばれるシステムが利用されている。ＤＧＰＳでは、ＳＡによる誤差、電離層遅延誤差、対流圏遅延誤差、衛星軌道情報誤差、衛星時計誤差に起因する疑似距離誤差を除去或いは低減することができる。ＤＧＰＳは、地上の基準局から擬似距離補正値等の情報を放送し、カーナビゲーション装置等でこの放送を受信することによってＧＰＳ測位解の精度を向上させるものであり、現在、この放送はカーナビゲーション向けにはＦＭ多重によって放送されている。
【０００７】
上記のＤＧＰＳに対応したカーナビゲーション装置は、ＧＰＳレシーバ、自車位置決定部とは別にＤＡＲＣ方式ＦＭ多重ＤＧＰＳ受信機を内部ユニット或いは外部ユニットとして備えて構成されている。カーナビゲーション装置内部の自車位置決定部は、ＤＡＲＣ方式ＦＭ多重ＤＧＰＳ受信機が受信した擬似距離補正値を受け取ってその擬似距離補正値をＧＰＳレシーバに送り、ＧＰＳレシーバ内の演算部は、擬似距離に対してこの補正値を適用し測位演算を実行している。すなわち、カーナビゲーション装置としてＤＧＰＳに対応する為には、ＤＡＲＣ方式ＦＭ多重ＤＧＰＳ受信機等のＧＰＳレシーバとは別の受信機を装置内に搭載する必要があり、そのための物理的負担及び費用的負担を伴うことが問題となっている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、擬似距離補正値等の情報を自ら取得してその補正値を反映した高精度の測位解を出力するＧＰＳレシーバを提供し、また、ＤＧＰＳ受信機を備えることなく高精度のＧＰＳ測位解を得ることのできるカーナビゲーション装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する為に請求項１に記載のカーナビゲーション装置は、ＧＰＳ（Global Positioning System）信号及びＳＢＡＳ（Satellite Based Augmentation System）信号に基づいて、ＧＰＳ測位解及び該ＧＰＳ測位解に含まれる誤差情報を生成するＧＰＳレシーバと、自車の速度を出力する速度センサと、自車の角速度を出力する角速度センサと、速度センサ及び角速度センサからの出力に基づいてデッドレコニングを行い、位置情報及び該位置情報に含まれる誤差情報を生成するデッドレコニング手段と、ＧＰＳ測位解に含まれる誤差情報とデッドレコニング手段から得られる位置情報に含まれる誤差情報とを比較して、ＧＰＳ測位解と位置情報のうち誤差の小さい方を自車位置として決定するナビゲーション演算手段とを備えて構成される。
【００１０】
ＲＦ処理手段で処理された信号のうち、ＧＰＳのデータはＧＰＳ相関処理手段及び演算手段によって取り出され、ＳＢＡＳのメッセージはＳＢＡＳ相関処理手段及び演算手段によって取り出される。
【００１１】
さらに、ＧＰＳ測位解とデッドレコニングによる位置情報のうち誤差が小さい方の位置情報を自車位置として採用することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明によるＧＰＳレシーバのブロック図を示す。ＳＢＡＳ対応ＧＰＳレシーバ１０は、高精度の測位解を得るために、ＳＢＡＳ信号を受信するように構成されている。ＳＢＡＳは、静止衛星を利用したＧＰＳの補強システムである。ＳＢＡＳの内容について、次に説明する。
【００１３】
上述したＤＧＰＳは、利用者（ＧＰＳレシーバ）が基準局から一定の距離範囲にあるときに有効なシステムであり、一般的にはその距離は２００ｋｍ程度とされている。これに対して、航空機向けに整備が予定されているＳＢＡＳは、数千ｋｍの範囲をカバーするシステムである。ＳＢＡＳとは、ＧＰＳ及びＧＬＯＮＡＳＳによる航空機の航法システムであるＧＮＳＳにおいて、静止衛星を利用した広域補強システムであり、米国のＷＡＡＳ、ＥＵ（欧州連合）のＥＧＮＯＳ、日本のＭＳＡＳとして運用が予定されている。ＳＢＡＳでは、広範囲に設置された基準局のデータをもとにして、ＳＡによる誤差を含む衛星時計誤差、衛星軌道情報誤差、電離層遅延誤差の各々を独立した情報として推定する為、地域相関性の少ない誤差データとして広範囲に適用することが可能となっている。
ここで使用した略称の定義について以下に示す。
GLONASS: Global Orbiting Navigation Satellite
GNSS: Global Navigation Satellite System
WAAS: Wide Area Augmentation System
EGNOS: European Geostationary Navigation Overlay Service
MSAS: MTSAT Satellite-based Augmentation System
【００１４】
ＳＢＡＳの信号には、ＧＰＳと同じＬ１周波数のＣ／Ａコードが用いられており、ＧＰＳ衛星からのデータ伝送レートが５０ｂｐｓであるのに対して、情報伝送レート２５０ｂｐｓ（データ伝送レート５００ｂｐｓ）である点が異なっている。なお、ＳＢＡＳの信号フォーマットは、米国航空無線技術委員会（ＲＴＣＡ）の特別委員会（ＳＣ−１５９）が定めた最小運用基準（MOPS: Minimum Operational Performance Standard）DO-229のAPPENDIX A:Wide Area Augmentation System Signal Specificationに準拠している。
【００１５】
以下、図１を参照してＳＢＡＳ対応ＧＰＳレシーバ１０の動作について詳細に説明する。図１に示されるように、ＳＢＡＳ対応ＧＰＳレシーバ１０は、アンテナ５で捕らえられた信号をダウンコンバートするＲＦ部２１、ＲＦ部２１の出力信号からＧＰＳ信号に対しての相関演算を行うＧＰＳデジタル相関処理部２２、ＲＦ処理部２１の出力信号からＳＢＡＳ信号に対しての相関演算を行うＳＢＡＳデジタル相関処理部５１、ＧＰＳデジタル相関処理部２２及びＳＢＡＳデジタル相関処理部５１を制御すると共にこれら相関処理部からの出力をもとに測位演算を行う測位演算部２３によって構成される。なお、図１には、４つのＧＰＳデジタル相関処理部２２が示されているが、このＧＰＳデジタル相関処理部２２の数は、同時捕捉可能なＧＰＳ衛星の数に対応するものであり、任意に変更が可能である。
【００１６】
図１に於いて、ＧＰＳアンテナ５、ＲＦ部２１、ＧＰＳデジタル相関処理部２２、測位演算部２３で構成されるＧＰＳ信号の処理に関する部分は、従来に於けるＳＢＡＳ信号の処理を伴わないＧＰＳレシーバの構成と同様なものである。すなわち、ＳＢＡＳ対応ＧＰＳレシーバ１０は、ＧＰＳデジタル相関処理部２２に入力される信号と同じ信号を入力とするＳＢＡＳデジタル相関処理部５２と、ＧＰＳデジタル相関処理部２２及びＳＢＡＳデジタル相関処理部５１からの相関処理出力が入力される測位演算部２３とを備える点において特徴を有する構成となっている。
【００１７】
図１に於いてＧＰＳ信号は次のように処理される。ＧＰＳアンテナ５で捕らえられた搬送波周波数１５７５．４２ＭＨｚのＧＰＳ信号は、ＲＦ部２１に送られる。ＲＦ部２１において、シンセサイザ３３は、基準クロック３４の発信周波数をもとに局部発振周波数を発生する。ダウンコンバータ３１は、アンテナ５から入力されるＧＰＳ信号の周波数と局部発振周波数を混合して、ＧＰＳ信号を中間周波数の信号へとダウンコンバートする（周波数を落とす）。中間周波数に変換されたＧＰＳ信号はＡ／Ｄコンバータ３２によってデジタル信号に変換され、ＧＰＳデジタル相関処理部２２に出力される。
【００１８】
ＧＰＳデジタル相関部２２のキャリア相関部３５では、Ａ／Ｄコンバータ３２からの入力信号と、キャリアＮＣＯ３７で発生される搬送波周波数の信号とが乗積及び積分され、相関値の計算が行なわれる。更に、キャリア相関部３５の出力信号は、ＰＲＮコード（疑似ランダムコード）相関部３６へ送られ、コードＮＣＯ３９及びＰＲＮコード発生部３８で生成されるＰＲＮコードの信号と乗積及び積分され、それによって、キャリア相関部３５の出力信号とＰＲＮコードの信号との相関値が計算される。なお、ここで発生されるＰＲＮコードは、捕捉の対象となるＧＰＳ衛星固有のＰＲＮコードである。
【００１９】
また、キャリアＮＣＯ３７、コードＮＣＯ３９は、それぞれキャリア追尾ループ４３、コード追尾ループ４２によって測位演算部２３と接続されている。測位演算部２３は、ＧＰＳ相関処理出力４１の振幅値が最大となるように、キャリアＮＣＯ３７で発生される搬送波周波数信号の周波数及び位相をフィードバック制御すると共に、コードＮＣＯ３９及びＰＲＮコード発生部３８で生成されるＰＲＮコード信号の周波数及び位相をフィードバック制御する。これらの、フィードバック制御により、ＧＰＳ信号はトラッキングされ、更に、もとの狭帯域の変調信号に逆スペクトラム拡散される。
【００２０】
測位演算部２３は、ＧＰＳ相関処理出力４１からの信号を復調してＧＰＳデータを取り出すと共に、後に述べるように、ＳＢＡＳ信号から得られる補正値によって擬似距離を補正して測位演算を実行する。なお、ＧＰＳデジタル相関処理部２２は同時捕捉を行うＧＰＳ衛星の数の分設けられ（図の場合は４チャンネル）、それぞれの相関処理出力が測位演算部２３に送られる。
【００２１】
図１に於いて、ＳＢＡＳ信号は次のように処理される。前述したように、ＳＢＡＳ信号は、ＧＰＳ信号と同じＬ１周波数のＣ／Ａコードである為、図１に示すように、ＧＰＳデジタル相関処理部２２用のＧＰＳアンテナ５とＲＦ部２１が共用されている。ＳＢＡＳ信号は、ＲＦ部２１でＧＰＳ信号と区別されることなく前述したように処理され、中間周波数の信号に変換される。
【００２２】
ＳＢＡＳチャネル・デジタル相関処理部５１は、ＧＰＳデジタル相関処理部２２と同様な機能を達成するように構成されている。ＳＢＡＳキャリア相関部３５’では、ＲＦ部２１からの出力信号とＳＢＡＳキャリアＮＣＯ３７’で発生される搬送波周波数の信号が乗積及び積分されることにより、相関値の計算が実行される。更に、ＳＢＡＳキャリア相関部３５’の出力信号は、ＳＢＡＳＰＲＮコード相関部３６’へ送られ、ＳＢＡＳコードＮＣＯ３９’及びＳＢＡＳＰＲＮコード発生部３８’で生成されるＰＲＮコードの信号と乗積及び積分され、それによって、ＳＢＡＳキャリア相関部３５’の出力信号とＳＢＡＳＰＲＮコード発生部３８’から出力されるＰＲＮコードの信号との相関値が計算される。なお、ここで生成されるＰＲＮコードは、捕捉の対象となるＳＢＡＳ用静止衛星固有のＰＲＮコードである。
【００２３】
ＳＢＡＳは、通常、１機の静止衛星を使用したものでありＳＢＡＳデジタル相関処理部５１は１つ備えていれば良い。もしも複数の、例えば２つの静止衛星からのＳＢＡＳ信号を同時に捕捉する場合には、ＳＢＡＳチャネル・デジタル相関処理部５１を２つ設けてレシーバを構成すれば良い。
【００２４】
ＳＢＡＳチャネル相関処理出力５２は、測位演算部２３に出力される。また、ＳＢＡＳキャリアＮＣＯ３７’、ＳＢＡＳコードＮＣＯ３９’は、それぞれキャリア追尾ループ４３’、コード追尾ループ４２’によって測位演算部２３と接続されている。測位演算部２３は、ＳＢＡＳチャネル相関処理出力５２の振幅値が最大となるように、ＳＢＡＳキャリアＮＣＯ３７’で発生される搬送波周波数信号の周波数及び位相をフィードバック制御すると共に、ＳＢＡＳコードＮＣＯ３９’及びＳＢＡＳＰＲＮコード発生部３８’で生成されるＰＲＮコード信号の周波数及び位相をフィードバック制御する。これらの、フィードバック制御により、ＳＢＡＳ信号はトラッキングされ、更に、もとの狭帯域の変調信号に逆スペクトラム拡散される。
【００２５】
更に、測位演算部２３は、ＳＢＡＳチャネル相関処理出力５２の信号からＳＢＡＳのデータ伝送速度（５００ｂｐｓ）に従って信号を復調してＳＢＡＳメッセージを取得する。測位演算部２３では、取得したＳＢＡＳメッセージに含まれる擬似距離に対する補正値を反映して測位演算を行うことで、ＧＰＳ出力メッセージ３として、ＳＢＡＳによる補正データを反映した高精度の測位解を送ることが可能となる。
【００２６】
測位演算部２３は、ＳＢＡＳメッセージを取得して、そのメッセージに含まれる情報から、下記の１）から７）のうちの１又は２以上の情報（ＳＢＡＳから得られる情報）をＧＰＳメッセージ３として出力する。
１）ＳＢＡＳによる補正が適用されているか否かの情報
２）ＵＤＲＥ（User Differential Range Error）に関する情報
３）ＵＤＲＥ劣化係数（変化率）に関する情報
４）最後の補正適用からの経過時間
５）電離層遅延の補正情報
６）ＳＢＡＳ適用時の水平面内誤差（２ｄｒｍｓ又は３σで規定）
７）ＳＢＡＳ適用時の３次元誤差（２σ又は３σで規定）
【００２７】
なお、上記６）または７）の誤差情報は、ＳＢＡＳメッセージには直接含まれておらず、測位演算部２３が、上記２）乃至５）の情報を利用し、これらの情報を変換して得る。例えば、ＵＤＲＥは、擬似距離についてＳＢＡＳの適用によっても取り除くことのできない誤差値（完全性情報としての誤差値）を示しており、この誤差値を幾何学的原理によって水平面内（２次元）または３次元空間上の値に変換することによって６）または７）の情報が得られる。この場合、上記６）の水平面内誤差は、上記完全性情報としての誤差値の３σ（σ：標準偏差）で規定するか、または、誤差の水平方向半径を意味する２ｄｒｍｓで規定してもよい。上記７）の３次元誤差も上記完全性情報としての誤差値の２σで規定するかまたは３σで規定してもよい。これらのＳＢＡＳから得られる情報は、ＧＰＳ出力メッセージ３に含まれるＧＰＳ測位解にＳＢＡＳによる補正が適用されているか否かを知ることを可能とすると共に、ＳＢＡＳの適用における高精度のＧＰＳ測位解に含まれる誤差の程度を正確に見積もることを可能とするものである。
【００２８】
カーナビゲーション装置は、以上で説明したＳＢＡＳ対応ＧＰＳレシーバ１０を搭載することで、自車位置の決定する際にＧＰＳによる測位解の結果のみでなく上記のＳＢＡＳから得られる情報を利用することが可能となる。図２は、ＳＢＡＳ対応ＧＰＳレシーバ１０を搭載したカーナビゲーション装置の構成を表わしている。
【００２９】
図２において、ＮＡＶＩ＿ＣＰＵ１は、デッドレコニング、マップマッチング及びＧＰＳ測位解に基づいて自車位置の決定をし、また、現在位置から目的地までの経路計算等のカーナビゲーション装置として必要な全ての処理を行う為のＣＰＵである。スピードパルス１３は、自動車の走行速度に比例して周波数が変化するパルス信号であり、ほとんどの自動車から取り出すことのできるものである。ジャイロ１２は、自動車の旋回方向の角速度に応じた直流電圧を出力する。デジタル地図１１は、道路を主体とした地図をデジタルデータ化したもので、通常ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ等の媒体としてパッケージングされている。
【００３０】
ＮＡＶＩ＿ＣＰＵ１は、ＳＢＡＳ対応ＧＰＳレシーバ１０と接続されており、ＧＰＳ測位解と共に上述のＳＢＡＳから得られる情報を取得する。また、ＮＡＶＩ＿ＣＰＵ１に入力される、ジャイロ１２及びスピードパルス１３の各センサ入力は、デッドレコニング（推測航法）を行う為に使用される。なお、デッドレコニングの為のセンサとして、地磁気センサその他のセンサを利用する技術も知られており、カーナビゲーション装置２０をそのようなセンサを使用する構成としても良い。デジタル地図１１に含まれるの情報は、図示しない表示デバイスに地図を表示する為に用いられると共にマップマッチングを行う為にも用いられる。
【００３１】
ＮＡＶＩ＿ＣＰＵ１は、デッドレコニング用のセンサから得られた位置と、ＧＰＳ測位解のどちらの位置情報が信頼性が高いのかを判断する場面に於いて、ＧＰＳ測位解の推定誤差値として上述したＳＢＡＳから得られる情報のうち例えば上記６）の水平面内誤差を使用し、デッドレコニング用のセンサ出力が含む誤差の推定値については各センサ固有に方法で求め、それぞれの誤差推定値を比較値として使用し、誤差推定値の小さい方の位置情報を自車位置として採用することが可能である。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載のＳＢＡＳ対応ＧＰＳレシーバによればＳＢＡＳによる擬似距離補正値を取得して、高精度のＧＰＳ測位解を出力すると共にＳＢＡＳから得られる情報を出力することが可能となる。また、請求項２に記載のカーナビゲーション装置によれば、ＤＡＲＣ方式ＦＭ多重受信機備えることなく、高精度のＧＰＳ測位解を取得し、その測位解に基づいて自車位置を決定することが可能である。更に、請求項３に記載のカーナビゲーション装置によれば、ＳＢＡＳから得られる情報を有効に利用したナビゲーション・アルゴリズムを構築して実行することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるＳＢＡＳ対応ＧＰＳレシーバの内部ブロック図である。
【図２】ＳＢＡＳ対応ＧＰＳレシーバを搭載したカーナビゲーション装置のブロック図である。
【符号の説明】
１ ＮＡＶＩ＿ＣＰＵ
５ ＧＰＳアンテナ
１０ ＳＢＡＳ対応ＧＰＳレシーバ
１１ デジタル地図
１２ ジャイロ
１３ スピードパルス
２０ カーナビゲーション装置
２１ ＲＦ部
２２ デジタル相関処理部
２３ 測位演算部
５１ ＳＢＡＳチャネル・デジタル相関処理部

Claims (1)

1. ＧＰＳ（Global Positioning System）信号及びＳＢＡＳ（Satellite Based Augmentation System）信号に基づいて、ＧＰＳ測位解及び該ＧＰＳ測位解に含まれる誤差情報を生成するＧＰＳレシーバと、
   自車の速度を出力する速度センサと、
   前記自車の角速度を出力する角速度センサと、
   前記速度センサ及び前記角速度センサからの出力に基づいてデッドレコニングを行い、位置情報及び該位置情報に含まれる誤差情報を生成するデッドレコニング手段と、
   前記ＧＰＳ測位解に含まれる誤差情報と前記デッドレコニング手段から得られる前記位置情報に含まれる誤差情報とを比較して、前記ＧＰＳ測位解と前記位置情報のうち誤差の小さい方を自車位置として決定するナビゲーション演算手段と、
   を備えることを特徴とするカーナビゲーション装置。

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