JP4797574B2 - 測位装置、測位演算器及び測位演算方法 - Google Patents
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Description
まず、XOはクロック誤差が大きく、また安定性も悪いため、正確な時刻情報が必要な測位計算においては測位の大きな誤差要因となる、という課題があった。
また、XOは積算されたクロック誤差が一定値以上になると強制的にクロックリセットを行うことでクロック誤差の増大を防ぐが、クロックリセット発生に伴い測位結果に不連続が生じるという課題があった。
また、XOが行なうクロックリセット時においても、測位結果に不連続が発生することを防止することを目的とする。
また、XOが同期を取るために行なうクロックリセット時においても、測位結果に不連続が生じることを防止できる。
実施の形態1.
図1は、実施の形態1における測位装置100の構成図である。
図1において、測位装置100は測位信号受信部200と測位演算部300とを備える。
測位信号受信部(以下、信号受信部という)200は、複数のGPS衛星から測位用電波信号(以下、測位信号という)10を受信する。
GPS衛星1は、1,575.42MHz(L1帯)の搬送波にC/A(Clear and Acquisition)コードと航法メッセージとを乗せて送信する。航法メッセージは、測位計算等に必要な衛星の軌道関係の情報の他に電離層の補正のためのパラメータ、衛星搭載の時計の補正値などが入っている。
ここで、データ受信時刻とは後で述べるように、信号受信部200が備える時計が出力する時刻であり、信号受信部200がGPS衛星から測位信号10を受信した時刻のことをいう。
図2において、信号受信部200は測位信号受信アンテナ205、RF(Radio Frequency)フロントエンド処理部220、A/D(Analog/Digital)変換部230、ベースバンドチップ処理部260を備える。
RFフロントエンド処理部220は、測位装置100に搭載された時計であるXO221を備える。
測位信号受信アンテナ205は、少なくとも4機以上のGPS衛星1から測位信号10を受信する。
XO221は、例えば20MHz程度の基準信号を生成する。
RFフロントエンド処理部220は、受信した測位信号10に対する高周波のアナログ処理を行う。具体的には、周波数1,575.42MHzの測位信号10を直接デジタル信号処理することは困難であるため、XO221が生成した基準信号を使ってミキシング処理を複数回行うことで、測位信号10の周波数を2MHz〜10MHz程度まで落とす処理を行う。
A/D変換部230は、RFフロントエンド処理部220が処理した測位信号10をアナログ信号からデジタル信号に変換する。
ベースバンドチップ処理部260は、デジタル変換された測位信号10にスペクトル逆拡散を行う。スペクトル逆拡散を行うことにより、GPS衛星がスペクトラム拡散して発信した測位信号10からスペクトル拡散前の搬送波を抽出する。そして、スペクトル逆拡散を行って抽出した搬送波とXO221で生成した基準信号との位相差を検出する。
図29は、信号受信部200が出力したデータ受信時刻tの一例である。GPSではGPS時(GPS Time)と呼ばれる時刻系を採用しており、これは、GPS衛星の原子時計の刻む時刻であって週始めからの通し秒数となっている。
図30に示したクロック誤差δの例では、クロック誤差δは時間の経過と共に増加し、ある時点でプラス側からマイナス側に不連続に、大きく値が変化する鋸状の特性を示している。このようにクロック誤差δに不連続性が生じているのは、測位装置100の内部クロックであるXO221はクロック誤差が大きく、測位開始後積算されるクロック誤差が一定値以上となりGPS衛星内の原子時計との同期がとれなくなった時点で、信号受信部200が強制的にクロックをリセットして再度GPS衛星内の原子時計との同期を取ろうとしている結果である。
図32の例では、最大で-8(m)程度の誤差を示している(図32のaで示したエリア)。また、誤差量はクロックリセットが生じた時点で不連続に大きく値が変化している。
測位演算部300は、時刻補正部340と衛星位置計算部370と擬似距離補正部380と測位計算部390と判定部392と測位演算部全体の動作を制御する制御部301とを備える。また、擬似距離補正部380に接続する擬似距離補正値受信部382を設け、擬似距離補正部380が外部から通信回線により補正情報を取得し、この補正情報により擬似距離を補正するようにしてもよい。
図4は、測位演算部300の動作フローを示した図である。
toe:軌道要素の基準時刻
M0:toeにおける平均近点離角
e:離心率
A:軌道長半径
Ω0:昇交点赤経
i0 :軌道傾斜角
ω:近地点引数
eとAが楕円の形を定義し、M0がその上でのある瞬間の衛星の位置を定義する。Ω0、i0、ωは、この軌道面の宇宙空間における向きを定義するものである。
時刻tにおけるGPS衛星iの位置(Xsi(t) 、Ysi(t)、Zsi(t))は、t、toe、M0、e、A、Ω0、i0、ωをパラメータとして、以下のように算出することができる。
ここでfは所定の関数である。衛星位置の計算については、例えば、Navstar GPS Space Segment / Navigation User Interfaces,Interface Control Document,ICD-GPS-200,rev.C,Oct.1993 に記載されている。
一方、航法メッセージからはそれぞれのGPS衛星の軌道情報が取得できる。
このように、衛星位置計算部370は算出したGPS衛星が電波を送信した時刻とそのGPS衛星の軌道情報を利用することでGPS衛星の衛星位置を計算する。
(4)次に、測位計算部390は測位計算を行い、測位装置100の位置(Xgps、Ygps、Zgps)を算出する(S104)。具体的には、次の式(1a)〜(4a)の連立方程式を解くことにより測位装置の位置(Xgps、Ygps、Zgps)を算出する。測位装置の位置とは、より具体的には、信号受信部200の位置である。
PR2(t)=√{(Xs2(t)−Xgps)2+(Ys2(t)−Ygps)2+(Zs2(t)−Zgps)2} +ΔS(t) 式(2a)
PR3(t)=√{(Xs3(t)−Xgps)2+(Ys3(t)−Ygps)2+(Zs3(t)−Zgps)2} +ΔS(t) 式(3a)
PR4(t)=√{(Xs4(t)−Xgps)2+(Ys4(t)−Ygps)2+(Zs4(t)−Zgps)2} +ΔS(t) 式(4a)
すなわち、以下の連立方程式(1b)〜(4b)を解くことにより、測位装置の位置(Xgps、Ygps、Zgps)を算出する。
PR2(t)=√{(Xs2(tcal)−Xgps)2+(Ys2(tcal)−Ygps)2+(Zs2(tcal)−Zgps)2}+ΔS(t) 式(2b)
PR3(t)=√{(Xs3(tcal)−Xgps)2+(Ys3(tcal)−Ygps)2+(Zs3(tcal)−Zgps)2}+ΔS(t) 式(3b)
PR4(t)=√{(Xs4(tcal)−Xgps)2+(Ys4(tcal)−Ygps)2+(Zs4(tcal)−Zgps)2}+ΔS(t) 式(4b)
次に、補正後のデータ受信時刻tcalに基づいて各GPS衛星の衛星位置(Xsi(tcal)、Ysi(tcal)、Zsi(tcal))を算出するようにした。
そして、算出した衛星位置(Xsi(tcal)、Ysi(tcal)、Zsi(tcal))を用いた連立方程式(式(1b)〜(4b))を解くことにより、測位装置の位置(Xgps、Ygps、Zgps)を得るようにした。
また、信号受信部200の外部に、信号受信部200が出力する測位情報295を処理して測位演算を行なう測位演算部300を設けることで、演算処理方法の変更、改善が容易で、かつ、簡易に、精度の高い測位結果を得ることができるという効果を奏する。
実施の形態1では、XOのような廉価な時計を内部クロックに適用した測位装置において、精度改善を目的として測位計算部390は常に2回目の測位計算を行い、測位演算結果395を出力していた。実施の形態2では1回目の測位計算において得られたクロック誤差δ(t)(=ΔS(t)/c)の大きさを判定し、クロック誤差δ(t)が小さい場合には2回目の測位計算は行わず、1回目の計算結果を測位演算結果395として出力する。
(1)まず、クロック誤差δ(t)の大小を判定するための基準値として、クロック誤差閾値δclockを判定部392内に設定する(S200)。クロック誤差閾値δclockは例えば図7に示すように2(ミリ秒)に設定するが、要求する測位精度に応じて設定値を変更してよい。
(4)クロック誤差δ(t)がクロック誤差閾値δclockより大の場合は、測位結果に含まれる誤差が大きいと判断して、実施の形態1の時と同様に、時刻補正を行ない、補正後受信時刻tcalを得る(S106)。
(5)衛星位置計算部370は、入力された補正後受信時刻tcalでの衛星位置(Xsi(tcal)、Ysi(tcal)、Zsi(tcal))(i=1〜4)を計算する(S207)。
(6)測位計算部390は、S207で計算された衛星位置を用いて式(1b)〜式(4b)の連立方程式をたてて再度測位計算を行い(S208)、測位結果(Xgps、Ygps、Zgps)を出力する(S107)。
また、信号受信部200の外部に、信号受信部200が出力する測位情報295を処理して測位演算を行なう測位演算部300を設けることで、演算処理方法の変更、改善が容易で、かつ、簡易に、精度の高い測位結果を得ることができるという効果を奏する。
実施の形態2では、測位計算部390において算出されたクロック誤差δ(t)が小さいときには2回目の測位計算は省略することで測位時間の短縮を図った。
ここで、測位装置100がGPS衛星1から測位信号10を受信して測位を行なう測位間隔のことをエポック(epock)とする。1エポックは例えば1(秒)である。実施の形態3では、現在のエポック(epock)におけるクロック誤差δ(t)を、1つ前のエポックにおけるクロック誤差δ(t-1)や2つ前のエポックにおけるクロック誤差δ(t-2)等を用いて時間外挿により推定し、推定した現エポックのクロック誤差δ(t)を用いてデータ受信時刻tを補正する。補正したデータ受信時刻tcalを用いて衛星位置の計算を行ない、計算した衛星位置を用いて測位計算を行うことで、1回の測位演算のみでリアルタイムに、精度の高い測位結果を得る。
測位演算部700は、時刻補正部340とクロック誤差時間外挿部350とクロックドリフト計算部360と衛星位置計算部370と擬似距離補正部380と測位計算部390と測位演算部700の全体の動作を制御する制御部301とを備える。擬似距離補正部380に接続する擬似距離補正値受信部382を設け、擬似距離補正部380が外部から補正情報を取得し、この補正情報により擬似距離を補正するようにしてもよい。実施の形態3において、実施の形態1、2と同一又は相当の部分には同一の符号を付してその説明を省略する。
(1)まず、制御部301は測位回数をカウントするエポックカウンタの初期化を行う(S301)。測位開始時点では、エポックカウンタIを「0」として初期化する。
tcal=tgps−ΔS'/c 式(7)
時刻補正部340は、補正後受信時刻tcal396を衛星位置計算部370に対して出力する。
ここで、式(1b)〜(4b)の連立方程式を解くことにより、測位装置の位置(Xgps、Ygps、Zgps)と共に、距離換算クロック誤差ΔSが得られる。測位計算部390は距離換算クロック誤差ΔSをクロックドリフト計算部360に対して出力する。
また、信号受信部200の外部に、信号受信部200が出力する測位情報295を処理して測位演算を行なう測位演算部700を設けることで、演算処理方法の変更、改善が容易で、かつ、簡易に、精度の高い測位結果を得ることができるという効果を奏する。
実施の形態3では過去のクロック誤差の値を用いて現エポックにおけるクロック誤差を推定し、推定したクロック誤差を用いて時刻補正をし、現エポックにおける測位計算を行なうようにした。XOのような廉価なクロックを内部クロックに適用した測位装置で、このように過去のクロック誤差の値から現エポックにおけるクロック誤差を推定する場合、クロック精度に起因したクロックリセットが発生するため、クロックリセットの時点では推定したクロック誤差と実際のクロック誤差の値とで大きな差異が生じる。実施の形態4では、測位演算部はクロックリセットを検出する機能を備え、クロックリセット時において測位結果に不連続が発生することを防止する。
(1)S401〜S404の動作については、実施の形態3におけるS301〜S304の動作と同じである。
このようにデータ受信時刻ずれ量計算部310は、データ受信時刻tgpsを整数化する処理を行う。切り捨て、あるいは切り上げの判断は、例えば小数点以下が0.5未満であれば切り捨て、0.5以上であれば切り上げることに依る。
クロックリセット検出用のしきい値Clock_resetは例えば9(ミリ秒)に設定するが、信号受信部200の仕様に応じて値を設定するようにしてよい。
すなわち、時刻補正部340は推定した距離換算クロック誤差ΔS’に基づきデータ受信時刻tgpsの時刻補正を行う(S417)。
そして、擬似距離補正部380で補正した擬似距離と、衛星位置計算部370で補正後のデータ受信時刻tcalに基づいて算出したGPS衛星位置とを用いて式(1b)〜(4b)により測位計算を行なう(S420)。
次に、クロックドリフト計算部360は、1エポック前の距離換算クロック誤差ΔS-1を2エポック前の距離換算クロック誤差ΔS-2に保存する(S421)。
クロックドリフト計算部360は、測位計算と同時に得られた距離換算クロック誤差ΔSを、1エポック前のクロック誤差ΔS-1に保存する(S422)。
S302に戻り、測位を継続する。
また、信号受信部200の外部に、信号受信部200が出力する測位情報295を処理して測位演算を行なう測位演算部800を設けることで、演算処理方法の変更、改善が容易で、かつ、簡易に、精度の高い測位結果を得ることができるという効果を奏する。
実施の形態3と4では、測位開始後の3エポック目以降については、1エポック目と2エポック目の測位計算で得られたクロック誤差のデータを用いることで現エポックのクロック誤差を推定することができ、推定したクロック誤差を用いて現エポックでの測位計算を行なうようにした。このため、1エポック目や2エポック目のような測位開始直後や、トンネル通過後のような未測位直後の測位計算においては、以前のクロック誤差のデータが無いためクロック誤差を推定することができず、測位開始直後は測位結果に精度劣化が生じる。実施の形態5では、測位開始直後の測位精度を改善する。
測位演算部900は、エポック判定部601と第1測位演算部605と第2測位演算部606と測位演算部900全体の動作を制御する制御部301とを備える。
(1)制御部301は、測位装置の電源がONとなった時点でエポックカウンタIを0にリセットする(S600)。
また、信号受信部200の外部に、信号受信部200が出力する測位情報295を処理して測位演算を行なう測位演算部900を設けることで、演算処理方法の変更、改善が容易で、かつ、簡易に、精度の高い測位結果を得ることができるという効果を得ることができる。
実施の形態3から実施の形態5では、以前のエポックにおけるクロック誤差のデータを用いて現エポックのクロック誤差を推定していた。実施の形態6では、測位装置100内に温度センサ500とクロックドリフト記憶部352を設け、クロックドリフト記憶部352内に格納された温度に対するクロックドリフトΔSdriftの値を用いることで、現エポックにおける距離換算クロック誤差ΔS’を推定する。
実施の形態6における測位装置100は温度センサ500を備え、測位演算部300はクロックドリフト記憶部352を備える。実施の形態6において、実施の形態1〜5と同一又は相当の部分には同一の符号を付してその説明を省略する。
また、信号受信部200の外部に、信号受信部200が出力する測位情報295を処理して測位演算を行なう測位演算部1000を設けることで、演算処理方法の変更、改善が容易で、かつ、簡易に、精度の高い測位結果が得られるという効果を奏する。
クロック誤差時間外挿部350は、クロックドリフト記憶部352から取得したクロックドリフト(以後、ΔCd_aという)と、クロックドリフト計算部360から取得したクロックドリフト(以後、ΔCd_bという)とを比較し、比較により算出したクロックドリフトΔSdを時刻補正部340に出力するようにしてもよい。
実施の形態1〜6では、疑似距離補正情報受信部382が外部から補正情報を取得し、疑似距離補正部380が擬似距離を補正するようにしてもよい。
Claims (6)
- 測位衛星から測位信号を受信し、前記測位信号に基づき擬似距離を算出する信号受信部と、前記擬似距離を用いて測位演算する測位演算部とからなる測位装置であって、
前記信号受信部は、内部クロックにXO(Xtal Oscillator)を有し、測位衛星が使用する基準クロックに対し前記XOのクロック誤差が一定値以上になるとクロックリセットを実行し前記クロック誤差の増大を防止するクロックリセット機能を備え、
前記測位演算部は、前記クロックリセットが実行されたことを検出すると、前記クロックリセットの検出前後における前記擬似距離の差分を前記クロックリセット検出前の距離換算クロック誤差にオフセット補正して前記クロックリセット検出後の距離換算クロック誤差とし、当該オフセット補正後の距離換算クロック誤差を用いて測位演算することを特徴とする測位装置。 - 前記測位演算部は、前記信号受信部が繰返し出力する前記測位信号のデータ受信時刻の差分が所定のしきい値以上となると、前記クロックリセットが実行されたと判断することを特徴とする請求項1記載の測位装置。
- 測位衛星に搭載された基準時計に略同期した内部時計を備えた信号受信器が複数の測位衛星から各々受信した測位信号により取得した各々の前記測位衛星の擬似距離と航法メッセージと、前記信号受信器が前記測位信号を受信した時刻であり前記信号受信器が備える内部時計が出力するデータ受信時刻と、を含む測位情報を用いて前記信号受信器の位置を演算する測位演算器であって、
前記測位情報から得られる測位衛星に係る衛星位置と、擬似距離と、前記信号受信器の位置と、前記内部時計のクロック誤差に起因する前記擬似距離の誤差量を表す距離換算クロック誤差を変数とする連立方程式により、前記内部時計のクロック誤差を算出し前記データ受信時刻を補正する時刻補正部と、
前記時刻補正部が補正した補正後の前記データ受信時刻を用いて、前記衛星位置を再計算する衛星位置計算部と、
前記衛星位置計算部が再計算した衛星位置と、前記疑似距離と、前記信号受信器の位置と、前記距離換算クロック誤差を変数とする連立方程式により、前記信号受信器の位置を算出する測位計算部と、
前記クロック誤差が所定の値以上になると前記内部時計と前記基準時計との同期をとるために実行されるクロックリセットを検出するクロックリセット検出部と、
前記クロックリセット検出部が前記クロックリセットを検出すると、前記クロックリセットの検出前後における擬似距離の差分からクロック誤差を算出し、前記クロック誤差を前記時刻補正部に出力するクロックリセット補償部と、
を備えることを特徴とする測位演算器。 - 測位衛星に搭載された基準時計に略同期した内部時計を備え、前記測位衛星から測位信号を受信して、前記測位衛星との距離を示す擬似距離と、航法メッセージと、前記測位信号を受信した時刻であって前記内部時計が出力するデータ受信時刻と、を含む測位情報を出力する信号受信部と、
前記測位情報を用いて前記信号受信部の位置を演算する測位演算部と、
からなる測位装置であって、
前記測位演算部は、
前記測位情報から得られる測位衛星に係る衛星位置と、擬似距離と、前記信号受信部の位置と、前記内部時計のクロック誤差に起因する前記擬似距離の誤差量を表す距離換算クロック誤差を変数とする連立方程式により、前記内部時計のクロック誤差を算出し前記データ受信時刻を補正する時刻補正部と、
前記時刻補正部が補正した補正後の前記データ受信時刻を用いて、前記衛星位置を再計算する衛星位置計算部と、
前記衛星位置計算部が再計算した衛星位置と、前記疑似距離と、前記信号受信部の位置と、前記距離換算クロック誤差を変数とする連立方程式により、前記信号受信部の位置を算出する測位計算部と、
前記クロック誤差が所定の値以上になると前記内部時計と前記基準時計との同期をとるために実行されるクロックリセットを検出するクロックリセット検出部と、
前記クロックリセット検出部が前記クロックリセットを検出すると、前記クロックリセットの検出前後における擬似距離の差分からクロック誤差を算出し、前記クロック誤差を前記時刻補正部に出力するクロックリセット補償部とを備える、
ことを特徴とする測位装置。 - 前記内部時計は、XO(Xtal Oscillator)であることを特徴とする請求項4記載の測位装置。
- 内部クロックにXO(Xtal Oscillator)を有し測位衛星から測位信号を受信して前記測位信号に基づき擬似距離を算出する信号受信器が出力する前記擬似距離を用いて測位演算する測位演算方法であって、
前記信号受信器が前記XOのクロック誤差が一定値以上となり前記クロック誤差の増大を防止するために行うクロックリセットを実行したことを検出すると、前記クロックリセットの検出前後における前記擬似距離の差分を前記クロックリセット実行前の距離換算クロック誤差にオフセット補正して前記クロックリセット検出後の距離換算クロック誤差とし、当該オフセット補正後の距離換算クロック誤差を用いて測位演算することを特徴とする測位演算方法。
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