JP4397732B2

JP4397732B2 - 測位装置

Info

Publication number: JP4397732B2
Application number: JP2004142687A
Authority: JP
Inventors: 信弘鈴木; 敦岡村; 互吉崎; 篤志茂木
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-05-12
Filing date: 2004-05-12
Publication date: 2010-01-13
Anticipated expiration: 2024-05-12
Also published as: JP2005326184A

Description

本発明は、発信機からの電波を複数の受信機で受信し、受信機の電波位相あるいは到来時間から発信機の位置を測位する測位装置に関する。

従来の測位装置としては、電波発信機からの電波を複数の受信機で受信し、その受信信号間の位相差から、次式（１）の方程式を解くことにより電波発信機位置の測位を行うものがある（例えば、特許文献１参照）。

ここで、（ｘ、ｙ、ｚ）は発信機の位置、（Ｘ_ｎ、Ｙ_ｎ、Ｚ_ｎ）は第ｎ受信アンテナの位置、λは電波の波長、Ｎは受信アンテナの総数を表わし、φ_ｎ−１は第ｎ受信機と第１受信機との受信信号位相差、ｋ_ｎ−１は位相整数値バイアスである。ここで、位相整数値バイアスは、発信機の初期位置から求めるとしている。測位演算における未知変数はｘ、ｙ、ｚの３個であるから、受信機総数が４以上であれば、３個の方程式を立てることができ、式（１）の方程式を解いて測位を行うことができる。

また、位相差ではなく時間差を用いて測位をおこなう方式もあり、これは、次式（２）のような方程式を解くことにより測位を行う（例えば、非特許文献１参照）。

ここで、ｃは光速であり、τ_ｎ−１は第ｎ受信機と第１受信機との受信信号の到来時間差である。

特開２００１-２７２４４８号公報（第１頁、図１）森谷、長谷川、"逆ＧＰＳ方式位置特定システムの一検討"電子情報通信学会技術報告ｖｏｌ．１０２, ｎｏ７４６、ｐｐ１３５-１４０、２００３

しかしながら、従来技術には次のような課題がある。特許文献１の測位装置は、整数値バイアスを初期位置から求めるとしていることから、連続して測位する場合には前回の測位値などから算出すると解釈できる。しかし、電波の一時的な遮蔽、あるいは室内環境で発生するフェージング等により、一時的に測位が中断されてしまうと、整数値バイアスが失われてしまい、測位の続行が不可能となる。あるいは、誤った整数値バイアスを用いて測位しなければならないため、以後の測位における誤差が大きくなってしまうという問題がある。

また、受信機間の位相差によって測位を行うため、位相の基準とする受信機が遮蔽される、あるいはフェージング等により受信状態が悪くなると、全ての方程式における位相差の計測精度が悪くなってしまい、測位精度が劣化してしまうという問題がある。

また、電波が遮蔽される、あるいは、フェージング等により受信状態が悪くなることにより測位精度が劣化する問題は、非特許文献１のような時間差を用いる測位方式にも当てはまり、特に、時間差計測の基準とする受信機の電波が遮蔽されると、測位精度が著しく劣化するという問題がある。

本発明は上述のような課題を解決するためになされたもので、電波の一時的な遮蔽あるいはフェージング等がある場合にも、高い測位精度を実現することのできる測位装置を得ることを目的とする。

本発明に係る測位装置は、発信機からの電波を複数の受信機で受信し、その受信信号に基づいて発信機の位置を一定周期ごとに測位するとともに、次回周期測位予測値を推定する機能を備えた測位装置であって、複数の受信機の受信信号による観測値と、推定された次回周期測位予測値による予測値との比較に基づいて測位予測誤差を算出する測位処理部と、測位予測誤差に応じて発信機の測位値及び次回周期測位予測値を推定するフィルタ手段とを備え、測位処理部は、複数の受信機の受信信号に基づいてそれぞれの受信信号の受信位相観測値を算出する位相値算出手段と、推定された次回周期測位予測値を１周期分遅延させた測位予測値を算出する遅延手段と、受信位相観測値と測位予測値とに基づいて受信位相予測値を算出する受信位相予測値算出手段と、受信位相観測値から受信位相予測値を減算し、受信位相予測誤差を算出する減算手段と、測位予測値に基づいて方向余弦行列を算出する方向余弦行列算出手段と、受信位相予測誤差と方向余弦行列とに基づいて測位予測誤差を算出する測位予測誤差算出手段とを備えるものである。
また、本発明に係る測位装置は、発信機からの電波を複数の受信機で受信し、その受信信号に基づいて発信機の位置を一定周期ごとに測位するとともに、次回周期測位予測値を推定する機能を備えた測位装置であって、複数の受信機の受信信号による観測値と、推定された次回周期測位予測値による予測値との比較に基づいて測位予測誤差を算出する測位処理部と、測位予測誤差に応じて発信機の測位値及び次回周期測位予測値を推定するフィルタ手段とを備え、測位処理部は、複数の受信機の受信信号に基づいてそれぞれの受信信号の受信時刻観測値を算出する受信時刻算出手段と、推定された次回周期測位予測値を１周期分遅延させた測位予測値を算出する遅延手段と、受信時刻観測値と測位予測値とに基づいて受信時刻予測値を算出する受信時刻予測値算出手段と、受信時刻観測値から受信時刻予測値を減算し、受信時刻予測誤差を算出する減算手段と、測位予測値に基づいて方向余弦行列を算出する方向余弦行列算出手段と、受信時刻予測誤差と方向余弦行列とに基づいて測位予測誤差を算出する測位予測誤差算出手段とを備えるものである。
また、本発明に係る測位装置は、発信機からの電波を複数の受信機で受信し、その受信信号に基づいて発信機の位置を一定周期ごとに測位するとともに、次回周期測位予測値を推定する機能を備えた測位装置であって、複数の受信機の受信信号による観測値と、推定された次回周期測位予測値による予測値との比較に基づいて測位予測誤差を算出する測位処理部と、測位予測誤差に応じて発信機の測位値及び次回周期測位予測値を推定するフィルタ手段とを備え、測位処理部は、複数の受信機の受信信号に基づいて受信信号間の複素共役乗算値を算出する複素共役乗算手段と、複素共役乗算値に基づいてそれぞれの受信信号間の受信位相差観測値を算出する位相差算出手段と、推定された次回周期測位予測値を１周期分遅延させた測位予測値を算出する遅延手段と、受信位相差観測値と測位予測値とに基づいて受信信号間の受信位相差予測値を算出する受信位相差予測値算出手段と、受信位相差観測値から受信位相差予測値を減算し、受信位相差予測誤差を算出する減算手段と、測位予測値に基づいて方向余弦差分行列を算出する方向余弦差分行列算出手段と、受信位相差予測誤差と方向余弦差分行列とに基づいて測位予測誤差を算出する測位予測誤差算出手段とを備えるものである。
さらに、本発明に係る測位装置は、発信機からの電波を複数の受信機で受信し、その受信信号に基づいて発信機の位置を一定周期ごとに測位するとともに、次回周期測位予測値を推定する機能を備えた測位装置であって、複数の受信機の受信信号による観測値と、推定された次回周期測位予測値による予測値との比較に基づいて測位予測誤差を算出する測位処理部と、測位予測誤差に応じて発信機の測位値及び次回周期測位予測値を推定するフィルタ手段とを備え、測位処理部は、複数の受信機の受信信号に基づいてそれぞれの受信信号の受信時刻観測値を算出する受信時刻算出手段と、受信時刻観測値に基づいて受信信号間の到来時間差観測値を算出する到来時間差算出手段と、推定された次回周期測位予測値を１周期分遅延させた測位予測値を算出する遅延手段と、到来時間差観測値と測位予測値とに基づいて受信信号間の到来時間差予測値を算出する受信位相差予測値算出手段と、到来時間差観測値から到来時間差予測値を減算し、受信信号間の到来時間差予測誤差を算出する減算手段と、測位予測値に基づいて方向余弦差分行列を算出する方向余弦差分行列算出手段と、到来時間差予測誤差と方向余弦差分行列とに基づいて測位予測誤差を算出する測位予測誤差算出手段とを備えるものである。

本発明によれば、フィルタ手段により推定される測位予測値を活用することにより、基準となる特定の受信機を定める必要がなく、それぞれの受信機の受信信号に基づいて測位を行うことができ、ある受信機で電波の一時的な遮蔽あるいはフェージング等がある場合にも、高い測位精度を実現することのできる測位装置を得ることができる。

以下、本発明の測位装置の好適な実施の形態につき、図面を用いて説明する。なお、以下の数式において、文字の上に付されている記号「＾」は、予測値あるいは推定値を表す記号であり、以下の明細書の説明では符号の後ろに「ハット」と記載してこの記号を表現している。また、以下の数式において、文字の上に付されている記号「￣」は、平滑値を表す記号であり、以下の明細書の説明では符号の後ろに「バー」と記載してこの記号を表現している。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における測位装置の構成図である。実施の形態１における測位装置は、測位する目標である発信機１に対して、受信アンテナ２、受信機３、Ａ／Ｄ変換器４、位相値算出手段５、減算手段６、測位予測誤差算出手段７、受信電力算出手段８、荷重行列算出手段９、追尾フィルタ１０、遅延手段１１、発信位相推定手段１２、受信位相予測値算出手段１３、及び方向余弦行列算出手段１４で構成される。

実施の形態１において、位相値算出手段５、減算手段６、測位予測誤差算出手段７、受信電力算出手段８、荷重行列算出手段９、遅延手段１１、発信位相推定手段１２、受信位相予測値算出手段１３、及び方向余弦行列算出手段１４が、測位処理部に相当する。

次に、本実施の形態１の動作を説明する。発信機１は、測位用電波１０１を発信し、その電波は、複数の受信アンテナ２により受信される。受信信号１０２は、受信機３の働きにより増幅、周波数変換され、ＩＦ（ＩｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅＦｒｅｑｕｅｎｃｙ）信号１０３となってＡ／Ｄ変換器４に入力される。このＡ／Ｄ変換器４に入力される信号は、ＩＦ信号のほか、直交検波したベースバンド信号でもよい。しかし、その場合には、各受信機につきＩチャネル用、Ｑチャネル用の２個のＡ／Ｄ変換器が必要となる。

Ａ／Ｄ変換されたそれぞれのディジタル受信信号１０４に基づいて測位が行われる。それぞれのディジタル受信信号１０４は、位相値算出手段５に入力され、受信位相観測値１０５となる。さらに、この受信位相観測値１０５は、減算手段６に入力され、受信位相予測値１１３が減算されて受信位相予測誤差１０６となる。ここで、以降の記述のため、この受信位相予測誤差１０６を次式（３）のように表わす。

ただし、Ｔは行列あるいはベクトルの転置を表わし、ｋは時刻を表わすインデックス、Ｎは受信機数、Δφ_ｎ（ｋ）は時刻ｋにおける第ｎ受信機の受信位相予測誤差１０６、φ_ｎ（ｋ）は位相値算出手段５によって算出された時刻ｋにおける第ｎ受信機の受信位相観測値１０５、φ_ｎハット（ｋ）は時刻ｋにおける第ｎ受信機の受信位相予測値１１３、Δψ（ｋ）はΔφ_ｎ（ｋ）を各要素とする受信位相予測誤差ベクトルである。

一方、ディジタル受信信号１０４は、受信電力算出手段８にも入力され、受信電力１０７が算出される。各受信機の受信電力１０７は、荷重行列算出手段９に入力され、荷重行列１０８が算出される。この荷重は、それぞれの受信信号に対する重み付けに相当し、基本的には、受信電力の小さい受信機ほど小さくし、受信電力の大きい受信機ほど大きくするのがよい。

しかし、受信電力は、発信機から受信機までの距離にも依存するため、受信電力の値を直接荷重として用いることは、距離の遠い受信機の荷重が常に小さくなってしまうため、あまり適切とは言えない。電波の一時的な遮蔽、あるいはフェージングによる電力低下を荷重に反映させるためには、次式（４）のように、各受信機ごとの平均電力で規格化した瞬時電力を荷重として用いる。

ここで、Ｐ_ｎ（ｋ）は第ｎ受信機の時刻ｋにおける瞬時電力、Ｐ_ｎバーは第ｎ受信機の平均電力、γは受信電力と荷重の関係を決める定数である。

次に、測位予測誤差算出手段７は、この荷重行列Ｗ（ｋ）１０８と、各受信機の位相予測誤差ベクトルΔψ（ｋ）１０６とに基づいて、次式（５）を用いて測位予測誤差ベクトル１０９を算出する。

ここで、^＋は擬似逆行列を表わし、（Ｗ（ｋ）Ａ（ｋ））^＋は、下式（６）となる。

また、Δｐ（ｋ）は、算出すべき測位予測誤差ベクトル１０９であり、次式（７）のように３個の要素を持つベクトルである。

また、Δｓ（ｋ）は、副次的に求められる発信位相推定誤差、λは電波の波長である。また、Ａ（ｋ）は、方向余弦行列算出手段１４によって次式（８）により算出される方向余弦行列１１４である。

ここで、［ｘハット（ｋ）、ｙハット（ｋ）、ｚハット（ｋ）］は、時刻ｋにおける発信機の予測位置であり、遅延手段１１の出力である測位予測値１１１に相当する。また、［Ｘ_ｎ、Ｙ_ｎ、Ｚ_ｎ］は、第ｎ受信機の受信アンテナの位置であり、既知の値である。また、ｒ_ｎハット（ｋ）は、次式（９）で表わされる発信機の予測位置と第ｎ受信機の受信アンテナの位置との距離である。

このようにして測位予測誤差算出手段７によって算出された測位予測誤差ベクトルΔｐ（ｋ）１０９は、フィルタ手段に相当する追尾フィルタ１０に入力される。追尾フィルタ１０は、本発明における測位結果出力である測位平滑値ベクトルｐバー（ｋ）＝［ｘバー（ｋ）、ｙバー（ｋ）、ｚバー（ｋ）］^Ｔ１１０、及び次の時刻ｋ＋１における測位予測値ベクトルｐハット（ｋ＋１）＝［ｘハット（ｋ＋１）、ｙハット（ｋ＋１）、ｚハット（ｋ＋１）］^Ｔを推定する。この次の時刻ｋ＋１における測位予測値ベクトルｐハット（ｋ＋１）が、次回周期測位予測値に相当する。

この追尾フィルタ１０は、α−βフィルタ、カルマンフィルタ等、一般的に知られている追尾フィルタを用いることができる。例えば、α−βフィルタを用いた場合には、測位予測誤差ベクトルΔｐ（ｋ）１０９、測位平滑値ベクトルｐバー（ｋ）１１０、及び次の時刻ｋ＋１における測位予測値ベクトルｐハット（ｋ＋１）の関係は、次式（１０）で表される。

ここで、ｖハット（ｋ）＝［ｖ_ｘ（ｋ）、ｖ_ｙ（ｋ）、ｖ_ｚ（ｋ）］^Ｔは、速度推定値ベクトル、Ｔは測位時間周期、α及びβはゲインパラメータであり、αとβは、通常、０以上１未満の値を設定する。

式（１０）により追尾フィルタ１０で推定された次の時刻の測位予測値ベクトルｐハット（ｋ＋１）は、遅延手段１１により１観測周期遅延された測位予測値１１１となり、発信位相推定手段１２、受信位相予測値算出手段１３、方向余弦行列算出手段１４に入力され、それぞれ、次回の測位演算における発信位相推定値φ_ｔハット（ｋ）１１２、受信位相予測値φ_ｎハット（ｋ）（ｎ＝１、２、・・・Ｎ）１１３、及び方向余弦行列Ａ（ｋ）１１４の算出に用いられる。

発信位相推定値φ_ｔハット（ｋ）１１２は、測位予測値［ｘハット（ｋ）、ｙハット（ｋ）、ｚハット（ｋ）］^Ｔ１１１を式（９）に代入して算出される発信機の予測位置と第ｎ受信機のアンテナ位置との距離ｒ_ｎハット（ｋ）と、受信位相観測値φ_ｎ（ｋ）（ｎ＝１、２、・・・Ｎ）１０５を用いて、発信位相推定手段１２によって、次式（１１）のように算出される。

ただし、｛ｘｍｏｄｙ｝はｘをｙで割った剰余を表わし、〈ｘ_ｎ〉^Ｎ _ｎ＝１はｎ＝１〜Ｎにおけるｘ_ｎの平均値を表す。

また、受信位相予測値φ_ｎハット（ｋ）１１３は、式（１１）により算出された発信位相推定値φ_ｔハット（ｋ）１１２と、測位予測値［ｘハット（ｋ）、ｙハット（ｋ）、ｚハット（ｋ）］^Ｔ１１１から、受信位相予測値算出手段１３によって、次式（１２）のように算出される。

このように、測位予測値を１観測周期分遅延させてフィードバックすることにより、それぞれの受信信号ごとに、受信位相観測値と受信位相予測値との比較に基づく受信位相予測誤差を算出できる。このようにして算出される受信位相予測誤差は、いずれかの受信信号を基準として算出されるものではなく、自らの受信信号の観測値と測位予測値に基づくものである。

したがって、ある受信信号が一時的な電波の遮蔽あるいはフェージング等の影響を受けたとしても、その影響を受けた受信信号に対応する受信位相予測誤差以外は影響を受けず、影響を受けていない受信位相予測誤差を用いて高い測位精度を保つことが可能となる。

実施の形態１によれば、追尾フィルタの出力する測位予測値からそれぞれの受信機の受信位相を予測し、その予測誤差に基づき測位演算を行っているので、基準となる受信機を定める必要がなく、それぞれの受信機は、位相整数値バイアスを保持する必要が無い。これにより、一時的な電波の遮蔽あるいはフェージング等により整数値バイアスを誤るといった問題が発生せず、室内等の環境下においても高い測位精度を実現できる測位装置を得ることができる。

さらに、受信機間の位相差によるのではなく、各受信機ごとの観測値及び測位予測値を用いて測位演算を行うので、従来方式のように、位相差を算出する受信機の組み合わせについて検討する必要がなく、受信機の組み合わせとは無関係に高い測位精度を実現できる。

さらに、各受信機ごとの位相観測値に対する予測誤差に荷重して測位演算を行うことにより、各受信機への電波遮蔽あるいはフェージング等の影響を個別に抑制することができる。さらに、追尾フィルタの働きそのものにより測位誤差が平滑化され、測位精度を向上させることができる。

なお、上述の実施の形態１においては、α−β追尾フィルタを用いたが、本発明の形態はこれに限定されるものではない。いうまでもなく、α−β追尾フィルタの代わりに、α−β−γフィルタ、あるいはカルマンフィルタなどを用いることも可能である。

また、実施の形態１においては、発信位相推定手段１２と受信位相予測値算出手段１３を別々の機能として記載したが、発信位相推定手段１２の機能を受信位相予測値算出手段１３に持たせることも可能である。

実施の形態２．
実施の形態２では、実施の形態１で説明した測位装置を簡略化したものについて説明する。図１に示した測位装置において、受信電力算出手段８、及び荷重行列算出手段９を省略することが可能である。この場合には、測位予測誤差算出手段７は、荷重行列１０８を用いず、式（５）の代わりに次式（１３）を用いて測位予測誤差を算出する。

荷重を加味した測位演算を行わないため、実施の形態１で説明したような、各受信機への電波遮蔽あるいはフェージング等の影響を個別に抑制する効果はなくなる。しかしながら、装置構成を簡略化でき、かつ、高い測位精度を実現できる測位装置を得ることができる。

実施の形態２によれば、簡略化した装置構成により、整数値バイアスを保持する必要のない測位装置を実現できる。これにより、整数値バイアスを失うといった問題が無く、電波の遮蔽あるいはフェージング等があった場合にも測位精度を保つことができる。

実施の形態３．
実施の形態１及び実施の形態２では、受信信号の位相値を用いて測位する方式について説明した。実施の形態３では、位相値の代わりに受信信号の到来時刻を用いて測位する方式について説明する。

図２は、本発明の実施の形態３における測位装置の構成図である。実施の形態３における測位装置は、測位する目標である発信機２１に対して、受信アンテナ２２、受信機２３、Ａ／Ｄ変換器２４、受信時刻算出手段２５、減算手段２６、測位予測誤差算出手段２７、受信電力算出手段２８、荷重行列算出手段２９、追尾フィルタ３０、遅延手段３１、発信時刻推定手段３２、受信時刻予測値算出手段３３、方向余弦行列算出手段３４、及び受信機内蔵時計３５で構成される。

実施の形態３において、受信時刻算出手段２５、減算手段２６、測位予測誤差算出手段２７、受信電力算出手段２８、荷重行列算出手段２９、遅延手段３１、発信時刻推定手段３２、受信時刻予測値算出手段３３、方向余弦行列算出手段３４、及び受信機内蔵時計３５が、測位処理部に相当する。

次に、本発明による測位装置の動作を説明する。発信機２１は、測位用電波２０１を発信し、その電波は、複数の受信アンテナ２２により受信される。受信信号２０２は、受信機２３の働きにより増幅、周波数変換され、ＩＦ信号２０３となってＡ／Ｄ変換器２４に入力される。このＡ／Ｄ変換器２４に入力される信号は、ＩＦ信号のほか、直交検波したベースバンド信号でもよい。Ａ／Ｄ変換されたそれぞれのディジタル受信信号２０４に基づいて測位が行われる。Ａ／Ｄ変換されたディジタル受信信号２０４は、受信時刻算出手段２５に入力され、受信時刻観測値２０５となる。

受信時刻の計測は、例えば、発信機２１にパルス信号を発信させ、そのパルスの立ち上がりあるいは立下りを検出し、その時刻を受信機内蔵時計３５で計測する方法がある。また、発信機２１に変調をかけ、その変調波と同じレプリカ信号を受信機内部で発生させ、受信信号とレプリカ信号との相互相関関数の最大値を求めることにより受信時刻を算出することもできる。

このようにして算出された受信時刻観測値２０５は、減算手段２６に入力され、受信時刻予測値２１３が減算されて受信時刻予測誤差２０６となる。ここで、以降の記述のため、この受信時刻予測誤差２０６を次式（１４）のように表わす。

ただし、^Ｔは行列あるいはベクトルの転置を表わし、ｋは時刻を表わすインデックス、Ｎは受信機数、Δｔ_ｎ（ｋ）は時刻ｋにおける第ｎ受信機の受信時刻予測誤差２０６、ｔ_ｎ（ｋ）は受信時刻算出手段２５によって算出された時刻ｋにおける第ｎ受信機の受信時刻観測値２０５、ｔ_ｎハット（ｋ）は時刻ｋにおける第ｎ受信機の受信時刻予測値２１３、Δｔ（ｋ）はΔｔ_ｎ（ｋ）を各要素とする受信時刻予測誤差ベクトルである。

一方、ディジタル受信信号２０４は、受信電力算出手段２８にも入力され、受信電力２０７が算出される。各受信機の受信電力２０７は、荷重行列算出手段２９に入力され、荷重行列２０８が算出される。この荷重は、それぞれの受信信号に対する重み付けに相当し、荷重行列の算出法は、実施の形態１で用いた式（４）と同様である。

次に、測位予測誤差算出手段２７は、この荷重行列Ｗ（ｋ）２０８と、各受信機の受信時刻予測誤差ベクトルΔｔ（ｋ）２０６とに基づいて、次式（１５）を用いて測位予測誤差ベクトル２０９を算出する。

ここで、ｃは光速であり、Ａ（ｋ）は実施の形態１と同様に、式（８）で表わされる方向余弦行列２１４である。

このようにして算出された測位予測誤差ベクトルΔｐ（ｋ）２０９を用い、実施の形態１と同様の追尾フィルタ３０を用いて測位平滑値ベクトルｐバー（ｋ）＝［ｘバー（ｋ）、ｙバー（ｋ）、ｚバー（ｋ）］^Ｔ２１０、及び次の時刻ｋ＋１における測位予測値ベクトルｐハット（ｋ＋１）＝［ｘハット（ｋ＋１）、ｙハット（ｋ＋１）、ｚハット（ｋ＋１）］^Ｔを推定する。この次の時刻ｋ＋１における測位予測値ベクトルｐハット（ｋ＋１）が、次回周期測位予測値に相当する。

このようにして推定された次の時刻の測位予測値ベクトルｐハット（ｋ＋１）は、遅延手段３１により１観測周期時間遅延された測位予測値２１１となり、発信時刻推定手段３２、受信時刻予測値算出手段３３、方向余弦行列算出手段３４に入力され、それぞれ、次回の測位演算における発信時刻推定値２１２、受信時刻予測値ｔ_ｎハット（ｋ）（ｎ＝１、２、・・・Ｎ）２１３、及び方向余弦行列Ａ（ｋ）２１４の算出に用いられる。

発信時刻推定値ｔ_ｔハット（ｋ）２１２は、測位予測値［ｘハット（ｋ）、ｙハット（ｋ）、ｚハット（ｋ）］^Ｔ２１１を式（９）に代入して算出される発信機の予測位置と第ｎ受信機のアンテナ位置との距離ｒ_ｎハット（ｋ）と、受信時刻観測値ｔ_ｎ（ｋ）（ｎ＝１、２、・・・Ｎ）２０５を用いて次式（１６）のように算出される。

ただし、ｒ_ｎハット（ｋ）は、実施の形態１と同様に、式（９）で算出される発信機の予測位置と第ｎ受信機のアンテナ位置との距離であり、〈ｘ_ｎ〉^Ｎ _ｎ＝１はｎ＝１〜Ｎにおけるｘ_ｎの平均値を表す。

また、受信時刻予測値ｔ_ｎハット（ｋ）２１３は、式（１６）により算出された発信時刻推定値ｔ_ｔハット（ｋ）２１２と、測位予測値［ｘハット（ｋ）、ｙハット（ｋ）、ｚハット（ｋ）］^Ｔ２１１から、受信時刻予測値算出手段３３によって、次式（１７）のように算出される。

このように、本実施の形態３における測位装置は、受信信号の到来時刻を用いて受信機の測位を行うことができる。測位予測値を１観測周期分遅延させてフィードバックすることにより、それぞれの受信信号ごとに、受信時刻観測値と受信時刻予測値との比較に基づく受信時刻予測誤差を算出できる。このようにして算出される受信時刻予測誤差は、いずれかの受信信号を基準として算出されるものではなく、自らの受信信号の観測値と測位予測値に基づくものである。

したがって、ある受信信号が一時的な電波の遮蔽あるいはフェージング等の影響を受けたとしても、その影響を受けた受信信号に対応する受信時刻予測誤差以外は影響を受けず、影響を受けていない受信時刻予測誤差を用いて高い測位精度を保つことが可能となる。

実施の形態３によれば、受信機間の到来時間差によるのではなく、各受信機ごとの受信時刻を用いて測位演算を行っているので、従来方式のように、到来時間差を算出する受信機の組み合わせについて検討する必要がない。これにより、受信機の組み合わせとは無関係に高い測位精度を実現できる。さらに、各受信機ごとの観測値に対する予測誤差に荷重して測位演算を行うことにより、各受信機への電波遮蔽あるいはフェージング等の影響を個別に抑制することができる。

この結果、一時的な電波の遮蔽あるいはフェージング等の発生する室内等の環境下においても高い測位精度を実現できる測位装置を得ることができる。

なお、このような受信時刻を用いる測位方式においても、受信電力による荷重を行わず、より簡単な構成で測位を行うことができ、この場合においても一定の効果を得ることができる。すなわち、図２に示した測位装置において、受信電力算出手段２８、及び荷重行列算出手段２９を省略することが可能である。

この場合には、荷重を加味した測位演算を行わないため、各受信機への電波遮蔽あるいはフェージング等の影響を個別に抑制する効果はなくなる。しかしながら、装置構成を簡略化でき、かつ、高い測位精度を実現できる測位装置を得ることができる。

実施の形態４．
実施の形態１では、各受信機の受信位相を直接用いて測位を行う場合を想定した。しかし、高速な測位演算が必要な場合などにおいて、ハードウェア・ディジタル演算器やアナログ演算器を用いる場合に、受信位相を測位演算に直接用いることが適さない場合がある。本実施の形態４では、そのような場合に適用する測位装置について説明する。

図３は、本発明の実施の形態４における測位装置の構成図である。実施の形態４における測位装置は、測位する目標である発信機４１に対して、受信アンテナ４２、受信機４３、Ａ／Ｄ変換器４４、複素共役乗算手段４５、位相差算出手段４６、減算手段４７、測位予測誤差算出手段４８、電力積算出手段４９、荷重行列算出手段５０、追尾フィルタ５１、遅延手段５２、受信位相差予測値算出手段５３、及び方向余弦差分行列算出手段５４で構成される。

実施の形態４において、複素共役乗算手段４５、位相差算出手段４６、減算手段４７、測位予測誤差算出手段４８、電力積算出手段４９、荷重行列算出手段５０、遅延手段５２、受信位相差予測値算出手段５３、及び方向余弦差分行列算出手段５４が、測位処理部に相当する。

次に、本実施の形態４の動作を説明する。発信機４１は、測位用電波３０１を発信し、その電波は複数の受信アンテナ４２により受信される。受信信号３０２は、受信機４３の働きにより増幅、周波数変換され、ＩＦ信号３０３となってＡ／Ｄ変換器４４に入力される。Ａ／Ｄ変換されたそれぞれのディジタル受信信号３０４に基づいて測位が行われる。

Ａ／Ｄ変換されたディジタル受信信号３０４は、複素共役乗算手段４５に入力され、受信信号間の複素共役乗算値３０５となる。受信信号の帯域幅が狭く信号が正弦波とみなせる場合、受信信号間の複素共役乗算値は次式（１８）のようになる。

ここで、Ａ_ｍ（ｋ）、Ａ_ｎ（ｋ）は、時刻ｋにおける、それぞれ第ｍ受信機、第ｎ受信機の受信信号の振幅、φ_ｍ（ｋ）、φ_ｎ（ｋ）は、それぞれ第ｍ受信機、第ｎ受信機の受信信号の位相である。

なお、この複素共役乗算手段４５は、ミキサ等のアナログ回路で実現することもでき、その場合には、ＩＦ信号３０３に対してミキサ等による複素共役乗算処理を施した後にＡ／Ｄ変換が行われる。このようにして算出された受信信号間の複素共役乗算値３０５は、位相差算出手段４６に入力され、次式（１９）のような受信信号間の位相差観測値３０６となる。

この受信信号間の位相差観測値３０６は、減算手段４７により、受信信号間の受信位相差予測値３１３が減算されて、下式（２０）で示される位相差予測誤差３０７となる。

ただし、^Ｔは行列やベクトルの転置を表わし、φ_ｍ−ｎハット（ｋ）は時刻ｋにおける第ｍ受信機と第ｎ受信機の受信位相差予測値３１３である。

ここで、受信機の位相差を計算する組み合わせを、特定の受信機を基準とするのではなく、第１受信機と第２受信機、第２受信機と第３受信機・・・第（Ｎ−１）受信機と第Ｎ受信機とすることにより、特定の基準受信機を設けないようにする。

受信信号間の複素共役乗算値３０５は、電力積算出手段４９にも入力され、乗算した一対の受信信号の電力の積が算出される。さらに、受信信号電力積３０８は、荷重行列算出手段５０に入力され、荷重行列３０９が算出される。荷重行列は、例えば次式（２１）のように、各受信信号の組み合わせごとの平均電力積で規格化した瞬時電力積を用いる。

ここで、Ｐ_ｎ（ｋ）は第ｎ受信機の時刻における瞬時電力、Ｐｎバーは第ｎ受信機の平均電力、γは受信信号電力積と荷重の関係を決める定数である。

次に、測位予測誤差算出手段４８は、この荷重行列Ｗ（ｋ）３０９と、位相差予測誤差ベクトルΔψ（ｋ）とに基づいて、次式（２２）を用いて測位予測誤差ベクトル３１０を算出する。

ここで、^＋は式（６）で表わされる擬似逆行列である。また、Δｐ（ｋ）は算出すべき測位予測誤差ベクトル３１０であり、次式（２３）のように３個の要素を持つベクトルである。

また、λは電波の波長であり、Ｂ（ｋ）は次式（２４）により算出される方向余弦差分行列３１４である。

ここで、［ｘハット（ｋ）、ｙハット（ｋ）、ｚハット（ｋ）］は、時刻ｋにおける発信機の予測位置であり、遅延手段５２の出力である測位予測値３１２に相当する。また、［Ｘ_ｎ、Ｙ_ｎ、Ｚ_ｎ］は、第ｎ受信機の受信アンテナの位置であり、既知の値である。また、ｒ_ｎハット（ｋ）は、次式（２５）で表わされる発信機の予測位置と第ｎ受信機の受信アンテナの位置との距離である。

このようにして測位予測誤差算出手段４８によって算出された測位予測誤差ベクトルΔｐ（ｋ）３１０は、フィルタ手段に相当する追尾フィルタ５１に入力される。追尾フィルタ５１は、実施の形態１と同様に、次の時刻ｋ＋１における測位予測値ベクトルｐハット（ｋ＋１）＝［ｘハット（ｋ＋１）、ｙハット（ｋ＋１）、ｚハット（ｋ＋１）］^Ｔを推定する。

ここで推定された次の時刻の測位予測値ベクトルｐハット（ｋ＋１）は、遅延手段５２により１観測周期時間遅延された測位予測値３１２となり、受信位相差予測値算出手段５３、及び方向余弦差分行列算出手段５４に入力され、受信信号間の受信位相差予測値φ_ｍ−ｎハット（ｋ）（ｎ＝１、２、・・・Ｎ）３１３、及び式（２４）の方向余弦差分行列Ｂ（ｋ）３１４の算出に用いられる。受信信号間の受信位相差予測値φ_ｍ−ｎハット（ｋ）３１３は、次式（２６）のように算出される。

このように、受信位相を測位演算に直接用いることが適さない場合にも、複素共役乗算手段４５及び位相差算出手段４６を用いることにより、受信信号間の位相差に基づく測位が可能となる。さらに、特定の基準受信機を設けないように受信信号の組合せを決めることができ、特定の受信機の一時的な電波の遮蔽あるいはフェージング等の影響が、測位精度に及ぼす影響を抑制することができる。

実施の形態４によれば、受信位相を測位演算に直接用いずに、受信信号間の位相差に基づく測位が可能となる。測位予測値に基づいた受信信号間の受信位相差予測値と観測値との差分により測位演算を行うので、それぞれの受信機は、位相整数値バイアスを保持する必要が無い。これにより、一時的な電波の遮蔽あるいはフェージング等により整数値バイアスを誤るといった問題が発生しない。したがって、一時的な電波の遮蔽あるいはフェージング等が発生した場合にも、高い測位精度が実現できる。

さらに、受信信号間の位相差予測誤差に、位相差を算出した組み合わせの受信信号の電力の積による荷重をおこなって測位演算を行うので、電波遮蔽あるいはフェージング等の影響を抑制することができる。さらに、追尾フィルタの働きそのものにより測位誤差が平滑化され、測位精度を向上させることができる。

なお、実施の形態４において、受信電力積による荷重を行わず、より簡単な構成で測位を行うことができ、この場合においても一定の効果を得ることができる。すなわち、図３に示した測位装置において、電力積算出手段４９、及び荷重行列算出手段５０を省略することが可能である。

また、実施の形態４では、受信信号間の位相差を用いて測位演算を行う場合を説明したが、本発明の測位装置は、受信信号間の到来時刻差を用いる場合においても同様に適用することができる。

本発明の実施の形態１における測位装置の構成図である。本発明の実施の形態３における測位装置の構成図である。本発明の実施の形態４における測位装置の構成図である。

符号の説明

１発信機、２受信アンテナ、３受信機、４Ａ／Ｄ変換器、５位相値算出手段、６減算手段、７測位予測誤差算出手段、８受信電力算出手段、９荷重行列算出手段、１０追尾フィルタ、１１遅延手段、１２発信位相推定手段、１３受信位相予測値算出手段、１４方向余弦行列算出手段、２１発信機、２２受信アンテナ、２３受信機、２４Ａ／Ｄ変換器、２５受信時刻算出手段、２６減算手段、２７測位予測誤差算出手段、２８受信電力算出手段、２９荷重行列算出手段、３０追尾フィルタ、３１遅延手段、３２発信時刻推定手段、３３受信時刻予測値算出手段、３４方向余弦行列算出手段、３５受信機内蔵時計、４１発信機、４２受信アンテナ、４３受信機、４４Ａ／Ｄ変換器、４５複素共役乗算手段、４６位相差算出手段、４７減算手段、４８測位予測誤差算出手段、４９電力積算出手段、５０荷重行列算出手段、５１追尾フィルタ、５２遅延手段、５３受信位相差予測値算出手段、５４方向余弦差分行列算出手段。

Claims

発信機からの電波を複数の受信機で受信し、その受信信号に基づいて発信機の位置を一定周期ごとに測位するとともに、次回周期測位予測値を推定する機能を備えた測位装置であって、
前記複数の受信機の受信信号による観測値と、推定された前記次回周期測位予測値による予測値との比較に基づいて測位予測誤差を算出する測位処理部と、
前記測位予測誤差に応じて発信機の測位値及び次回周期測位予測値を推定するフィルタ手段と
を備え、
前記測位処理部は、
前記複数の受信機の受信信号に基づいてそれぞれの受信信号の受信位相観測値を算出する位相値算出手段と、
推定された前記次回周期測位予測値を１周期分遅延させた測位予測値を算出する遅延手段と、
前記受信位相観測値と前記測位予測値とに基づいて受信位相予測値を算出する受信位相予測値算出手段と、
前記受信位相観測値から前記受信位相予測値を減算し、受信位相予測誤差を算出する減算手段と、
前記測位予測値に基づいて方向余弦行列を算出する方向余弦行列算出手段と、
前記受信位相予測誤差と前記方向余弦行列とに基づいて測位予測誤差を算出する測位予測誤差算出手段と
を備えたことを特徴とする測位装置。
請求項１に記載の測位装置において、
前記測位処理部は、
前記複数の受信機の受信信号に基づいてそれぞれの受信信号の受信信号電力値を算出する受信電力算出手段と、
前記受信信号電力値に基づいて荷重行列を算出する荷重行列算出手段と
をさらに備え、
前記測位予測誤差算出手段は、前記受信位相予測誤差、前記方向余弦行列及び前記荷重行列に基づいて測位予測誤差を算出する
ことを特徴とする測位装置。
発信機からの電波を複数の受信機で受信し、その受信信号に基づいて発信機の位置を一定周期ごとに測位するとともに、次回周期測位予測値を推定する機能を備えた測位装置であって、
前記複数の受信機の受信信号による観測値と、推定された前記次回周期測位予測値による予測値との比較に基づいて測位予測誤差を算出する測位処理部と、
前記測位予測誤差に応じて発信機の測位値及び次回周期測位予測値を推定するフィルタ手段と
を備え、
前記測位処理部は、
前記複数の受信機の受信信号に基づいてそれぞれの受信信号の受信時刻観測値を算出する受信時刻算出手段と、
推定された前記次回周期測位予測値を１周期分遅延させた測位予測値を算出する遅延手段と、
前記受信時刻観測値と前記測位予測値とに基づいて受信時刻予測値を算出する受信時刻予測値算出手段と、
前記受信時刻観測値から前記受信時刻予測値を減算し、受信時刻予測誤差を算出する減算手段と、
前記測位予測値に基づいて方向余弦行列を算出する方向余弦行列算出手段と、
前記受信時刻予測誤差と前記方向余弦行列とに基づいて測位予測誤差を算出する測位予測誤差算出手段と
を備えたことを特徴とする測位装置。
請求項３に記載の測位装置において、
前記測位処理部は、
前記複数の受信機の受信信号に基づいてそれぞれの受信信号の受信信号電力値を算出する受信電力算出手段と、
前記受信信号電力値に基づいて荷重行列を算出する荷重行列算出手段と
をさらに備え、
前記測位予測誤差算出手段は、前記受信時刻予測誤差、前記方向余弦行列及び前記荷重行列に基づいて測位予測誤差を算出する
ことを特徴とする測位装置。
発信機からの電波を複数の受信機で受信し、その受信信号に基づいて発信機の位置を一定周期ごとに測位するとともに、次回周期測位予測値を推定する機能を備えた測位装置であって、
前記複数の受信機の受信信号による観測値と、推定された前記次回周期測位予測値による予測値との比較に基づいて測位予測誤差を算出する測位処理部と、
前記測位予測誤差に応じて発信機の測位値及び次回周期測位予測値を推定するフィルタ手段と
を備え、
前記測位処理部は、
前記複数の受信機の受信信号に基づいて受信信号間の複素共役乗算値を算出する複素共役乗算手段と、
前記複素共役乗算値に基づいてそれぞれの受信信号間の受信位相差観測値を算出する位相差算出手段と、
推定された前記次回周期測位予測値を１周期分遅延させた測位予測値を算出する遅延手段と、
前記受信位相差観測値と前記測位予測値とに基づいて受信信号間の受信位相差予測値を算出する受信位相差予測値算出手段と、
前記受信位相差観測値から前記受信位相差予測値を減算し、受信位相差予測誤差を算出する減算手段と、
前記測位予測値に基づいて方向余弦差分行列を算出する方向余弦差分行列算出手段と、
前記受信位相差予測誤差と前記方向余弦差分行列とに基づいて測位予測誤差を算出する測位予測誤差算出手段と
を備えたことを特徴とする測位装置。
請求項５に記載の測位装置において、
前記測位処理部は、
前記複素共役乗算手段により算出された前記複素共役乗算値に基づいてそれぞれの受信信号間の受信信号電力積を算出する受信電力積算出手段と、
前記受信信号電力積に基づいて荷重行列を算出する荷重行列算出手段と
をさらに備え、
前記測位予測誤差算出手段は、前記受信位相差予測誤差、前記方向余弦差分行列及び前記荷重行列に基づいて測位予測誤差を算出する
ことを特徴とする測位装置。
発信機からの電波を複数の受信機で受信し、その受信信号に基づいて発信機の位置を一定周期ごとに測位するとともに、次回周期測位予測値を推定する機能を備えた測位装置であって、
前記複数の受信機の受信信号による観測値と、推定された前記次回周期測位予測値による予測値との比較に基づいて測位予測誤差を算出する測位処理部と、
前記測位予測誤差に応じて発信機の測位値及び次回周期測位予測値を推定するフィルタ手段と
を備え、
前記測位処理部は、
前記複数の受信機の受信信号に基づいてそれぞれの受信信号の受信時刻観測値を算出する受信時刻算出手段と、
前記受信時刻観測値に基づいて受信信号間の到来時間差観測値を算出する到来時間差算出手段と、
推定された前記次回周期測位予測値を１周期分遅延させた測位予測値を算出する遅延手段と、
前記到来時間差観測値と前記測位予測値とに基づいて受信信号間の到来時間差予測値を算出する受信位相差予測値算出手段と、
前記到来時間差観測値から前記到来時間差予測値を減算し、受信信号間の到来時間差予測誤差を算出する減算手段と、
前記測位予測値に基づいて方向余弦差分行列を算出する方向余弦差分行列算出手段と、
前記到来時間差予測誤差と前記方向余弦差分行列とに基づいて測位予測誤差を算出する測位予測誤差算出手段と
を備えたことを特徴とする測位装置。
請求項７に記載の測位装置において、
前記測位処理部は、
前記複数の受信機の受信信号に基づいてそれぞれの受信信号間の受信信号電力積を算出する受信電力積算出手段と、
前記受信信号電力積に基づいて荷重行列を算出する荷重行列算出手段と
をさらに備え、
前記測位予測誤差算出手段は、前記到来時間差予測誤差、前記方向余弦差分行列及び前記荷重行列に基づいて測位予測誤差を算出する
ことを特徴とする測位装置。