以下、この発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。図1は、この発明の実施の形態に係る測位装置8を含むGNSS受信機1の概略構成を示す機能ブロック図である。図2は、実施の形態に係るGNSS受信機1における処理手順を示すフロー図である。図2のフロー図に示す処理手順は、主に測位装置8が例えばプログラムに従って実行する処理内容であり、所定の時間間隔で繰り返し実行される。
GNSS受信機1は、全球測位衛星システム(GNSS:Global Navigation Satellite System の略)によって位置情報を取得するための仕組みである。GNSS受信機1は、GNSSアンテナ2と、GNSS受信部3と、データ通信用アンテナ4と、データ受信部5と、衛星情報取得部6と、基準局情報取得部7と、測位装置8と、を有する。GNSS受信機1は、他のGNSS受信機に対する自身の相対位置を計算して出力する。
上記における他のGNSS受信機は、相対位置の計算(即ち、相対測位)において「基準局」と位置づけられる基準局は、固定的に設置されて設置位置が予め定まっている(即ち、設置位置が既知である)。
GNSSアンテナ2は、複数の衛星(例えば、GPS衛星)のそれぞれから送信される電波(測距信号;具体的には、所定の周波数の搬送波(即ち、キャリア)にPRN(擬似ランダムノイズ)コードおよび航法メッセージが重畳された信号)を受信してGNSS受信部3へと転送する。
ここで、全球測位衛星システムを構成する衛星であってGNSS受信機1や基準局において受信される電波(測距信号)を送信する複数の衛星を「複数の衛星Sx」と表記する。そして、複数の衛星Sxの各々を相互に区別するときは(言い換えると、相互に異なる衛星であることを意味する場合には)添字xを変えて表記する。具体的には例えば、「衛星Sj」と「衛星Sk」とは相互に異なる衛星であることを表す。
GNSS受信部3は、GNSSアンテナ2から転送される測距信号に対して所定の処理を施して衛星情報取得部6において利用可能な形式の信号を出力する。GNSS受信部3は、例えば、GNSSアンテナ2から転送される測距信号の周波数を中間周波数に変換するとともにアナログ-デジタル変換処理を行ってデジタル信号を生成し、前記デジタル信号に対して復調処理を施して復調した測距信号を出力する(ステップS1)。
データ通信用アンテナ4は、基準局から送信されるデータを受信してデータ受信部5へと転送する。GNSS受信機1と基準局との間では、予め定められた所定のフォーマットに従って信号の送受信が行われる。
基準局から送信されるデータには、複数の衛星Sxのそれぞれから送信されて基準局がGNSSアンテナを介して受信した電波(測距信号;具体的には、所定の周波数の搬送波(即ち、キャリア)にPRN(擬似ランダムノイズ)コードおよび航法メッセージが重畳された信号)が含まれる。基準局が受信した複数の衛星Sxごとの測距信号を含む、基準局から送信されてGNSS受信機1のデータ通信用アンテナ4によって受信されるデータのことを「基準局衛星情報」と呼ぶ。基準局衛星情報が、所定の周期ごとに基準局から送信されてGNSS受信機1へと供給される(ステップS2)。
データ受信部5は、データ通信用アンテナ4から転送されるデータ(即ち、基準局衛星情報)に対して所定の処理を施して基準局情報取得部7において利用可能な形式の信号を出力する。
衛星情報取得部6、基準局情報取得部7、および測位装置8は、例えばCPU(Central Processing Unitの略)、メモリ、および入力・出力ポートなどを含む演算ユニット内に構成され、メモリに記憶された制御プログラムや各種データをCPUが参照することによって必要な処理を実行する。
衛星情報取得部6は、所定の周期ごとに、GNSS受信部3から出力される測距信号を用いて、必要に応じて前記測距信号に対して従来周知の演算処理を施して、複数の衛星Sxごとに、前記測距信号および前記測距信号を送信した衛星に関する情報(「観測局観測データ」と呼ぶ)を取得する(ステップS3)。
衛星情報取得部6は、複数の衛星Sxの各々について、観測局観測データとして、例えば、GNSSアンテナ2を介して受信した測距信号の信号強度(dB/Hz;具体的には、搬送波電力対雑音比であり、帯域1Hz当たりの雑音電力である)、前記測距信号の位相(別言すると、搬送波位相)、前記測距信号を送信した衛星の仰角、および、前記測距信号を送信した衛星の3次元位置(x,y,z)を取得する。
基準局情報取得部7は、所定の周期ごとに、データ受信部5から出力される基準局衛星情報に含まれる、基準局が受信した測距信号に係る情報を用いて、必要に応じて前記測距信号に対して従来周知の演算処理を施して、複数の衛星Sxごとに、基準局が受信した測距信号および前記測距信号を送信した衛星に関する情報(「基準局観測データ」と呼ぶ)を取得する(ステップS4)。
基準局情報取得部7は、基準局が電波(測距信号)を受信した複数の衛星Sxの各々について、基準局観測データとして、例えば、基準局が受信した測距信号の信号強度(dB/Hz)、前記測距信号の位相(別言すると、搬送波位相)、前記測距信号を送信した衛星の仰角、および、前記測距信号を送信した衛星の3次元位置(x,y,z)を取得する。
上記の観測局観測データと基準局観測データとは、必要に応じて、必要な項目については、GPS時刻などが利用されて同期がとられる。
なお、上記の基準局観測データのうちの一部もしくは全部は、基準局において計算されたうえで、基準局衛星情報に含められて基準局からGNSS受信機1へと送信されるようにしてもよい。
測位装置8は、複数の衛星Sxから送信される測距信号に基づいて、当該測位装置8を含むGNSS受信機1(別言すると、観測局)と基準局との相対位置(即ち、基準局に対する観測局の相対位置)を計算するための仕組みであり、基準局衛星判断部81、基準衛星選定部82、信号強度検証部83、実数解計算部84、および整数解計算部85を備える。
基準局衛星判断部81は、基準局が電波(測距信号)を受信した複数の衛星Sxの各々について、複数の衛星Sxそれぞれの基準局観測データを相対測位の処理に利用するか否かを判断する(ステップS5)。図3は、基準局衛星判断部81における処理手順を示すフロー図であり、図2のフロー図におけるステップS5の処理の詳細を示すフロー図である。
この実施の形態では、基準局衛星判断部81により、GNSS受信機1が受信した電波(測距信号)の信号強度と基準局が受信した電波(測距信号)の信号強度との差が信号強度差閾値以上であり、且つ、基準局が受信した電波(測距信号)の信号強度が衛星の仰角に対応して定められる仰角対応信号強度閾値未満である測距信号は、相対位置の計算に利用しない、ようにしている。
基準局衛星判断部81は、まず、複数の衛星Sxのうちの衛星Sjから送信されるL1波(即ち、周波数が1575.42MHzの搬送波)について、以下の数式1に従って、観測局観測データのうちの測距信号の信号強度(dB/Hz)Ir_j1と基準局観測データのうちの測距信号の信号強度(dB/Hz)Ib_j1との差ΔI_j1を算出する(ステップS5-1)。
(数1) ΔI_j1 = Ir_j1-Ib_j1
ここに、
ΔI_j1:衛星SjのL1波についての衛星信号強度の差
Ir_j1 :GNSS受信機1が受信した衛星SjのL1波の信号強度[dB/Hz]
Ib_j1 :基準局が受信した衛星SjのL1波の信号強度[dB/Hz]
添字j1 :衛星SjのL1波を表す。
添字r :GNSS受信機1(観測局)を表す。
添字b :基準局を表す。
基準局衛星判断部81は、続いて、算出されたL1波についての衛星信号強度の差ΔI_j1が信号強度差閾値Tid以上であるか否かを判断する(ステップS5-2)。
信号強度差閾値Tidは、基準局が受信した衛星Sjの電波(測距信号)の信号強度が、GNSS受信機1が受信した衛星Sjの電波(測距信号)の信号強度と比べて、相対測位の位置精度を相当に低下させ得る程度に著しく低いか否かを判断するための閾値である。信号強度差閾値Tidは、特定の値に限定されるものではなく、前記の判断が適切に行われ得ることが考慮されるなどしたうえで、適当な値に適宜設定される。信号強度差閾値Tidは、例えば、5~15[dB]程度の範囲のうちのいずれかの値に設定されることが考えられ、特に10[dB]程度の値に設定されることが考えられる。
そして、L1波についての衛星信号強度の差ΔI_j1が信号強度差閾値Tid以上である場合には(ステップS5-2:Yes)、基準局衛星判断部81は、基準局観測データのうちのL1波の測距信号の信号強度(dB/Hz)Ib_j1が仰角対応信号強度閾値Tie以上であるか否かを判断する(ステップS5-3)。
仰角対応信号強度閾値Tieは、電波環境が良好である場合に衛星の仰角に対応して想定される(言い換えると、期待される)信号強度が確保されているか否かを判断するための閾値である。仰角対応信号強度閾値Tieは、衛星の仰角が高いほど信号強度が強くなるように定められる。仰角対応信号強度閾値Tieと信号強度との間の関係は、特定の関係づけに限定されるものではなく、前記の判断が適切に行われ得ることが考慮されるなどしたうえで、適当な関係づけが適宜設定される。
そして、基準局観測データのうちのL1波の測距信号の信号強度(dB/Hz)Ib_j1が仰角対応信号強度閾値Tie以上である場合(ステップS5-3:Yes)、また、L1波についての衛星信号強度の差ΔI_j1が信号強度差閾値Tid未満である場合には(ステップS5-2:No)、基準局衛星判断部81は、衛星SjのL1波を相対測位の処理に利用する衛星信号波に分類する(具体的には例えば、衛星SjのL1波の利用フラグの値を1にする)(ステップS5-4)。そして、基準局衛星判断部81は、相対測位の処理手順をステップS5-5の処理へとすすめる。
一方、基準局観測データのうちのL1波の測距信号の信号強度(dB/Hz)Ib_j1が仰角対応信号強度閾値Tie未満である場合には(ステップS5-3:No)、基準局衛星判断部81は、衛星SjのL1波を相対測位の処理に利用する衛星信号波に分類することなく(具体的には例えば、衛星SjのL1波の利用フラグの値を0にして)、相対測位の処理手順をステップS5-5の処理へとすすめる。
なお、基準局観測データのうちのL1波の測距信号の信号強度(dB/Hz)Ib_j1が仰角対応信号強度閾値Tie未満である場合には(ステップS5-3:No)、衛星SjのL1波に関して相対的に十分に大きな観測ノイズとなるように、後述のカルマンフィルタの観測ノイズ共分散行列Rε(n)の対角値である観測ノイズ分散値Rj1(n)に対して例えば1002程度の十分に大きな値を乗じたうえで、衛星SjのL1波を相対測位の処理に利用するようにしてもよい。すなわち、前記の測距信号が測位計算へと与える影響を小さくしたうえで、相対測位の処理に利用するようにしてもよい。
基準局衛星判断部81は、次に、衛星Sjから送信される、L2波(即ち、周波数が1227.60MHzの搬送波)について、以下の数式2に従って、観測局観測データのうちの測距信号の信号強度(dB/Hz)Ir_j2と基準局観測データのうちの測距信号の信号強度(dB/Hz)Ib_j2との差ΔI_j2を算出する(ステップS5-5)。
(数2) ΔI_j2 = Ir_j2-Ib_j2
ここに、
ΔI_j2:衛星SjのL2波についての衛星信号強度の差
Ir_j2 :GNSS受信機1が受信した衛星SjのL2波の信号強度[dB/Hz]
Ib_j2 :基準局が受信した衛星SjのL2波の信号強度[dB/Hz]
添字j2 :衛星SjのL2波を表す。
添字r :GNSS受信機1(観測局)を表す。
添字b :基準局を表す。
基準局衛星判断部81は、続いて、算出されたL2波についての衛星信号強度の差ΔI_j2が信号強度差閾値Tid以上であるか否かを判断する(ステップS5-6)。
そして、L2波についての衛星信号強度の差ΔI_j2が信号強度差閾値Tid以上である場合には(ステップS5-6:Yes)、基準局衛星判断部81は、基準局観測データのうちのL2波の測距信号の信号強度(dB/Hz)Ib_j2が仰角対応信号強度閾値Tie以上であるか否かを判断する(ステップS5-7)。
そして、基準局観測データのうちのL2波の測距信号の信号強度(dB/Hz)Ib_j2が仰角対応信号強度閾値Tie以上である場合(ステップS5-7:Yes)、また、L2波についての衛星信号強度の差ΔI_j2が信号強度差閾値Tid未満である場合には(ステップS5-6:No)、基準局衛星判断部81は、衛星SjのL2波を相対測位の処理に利用する衛星信号波に分類する(具体的には例えば、衛星SjのL2波の利用フラグの値を1にする)(ステップS5-8)。そして、基準局衛星判断部81は、相対測位の処理手順をステップS5-9の処理へとすすめる。
一方、基準局観測データのうちのL2波の測距信号の信号強度(dB/Hz)Ib_j2が仰角対応信号強度閾値Tie未満である場合には(ステップS5-7:No)、基準局衛星判断部81は、衛星SjのL2波を相対測位の処理に利用する衛星信号波に分類することなく(具体的には例えば、衛星SjのL2波の利用フラグの値を0にして)、相対測位の処理手順をステップS5-9の処理へとすすめる。
なお、基準局観測データのうちのL2波の測距信号の信号強度(dB/Hz)Ib_j2が仰角対応信号強度閾値Tie未満である場合には(ステップS5-7:No)、衛星SjのL2波に関して相対的に十分に大きな観測ノイズとなるように、後述のカルマンフィルタの観測ノイズ共分散行列Rε(n)の対角値である観測ノイズ分散値Rj2(n)に対して例えば1002程度の十分に大きな値を乗じたうえで、衛星SjのL2波を相対測位の処理に利用するようにしてもよい。すなわち、前記の測距信号が測位計算へと与える影響を小さくしたうえで、相対測位の処理に利用するようにしてもよい。
基準局衛星判断部81は、次に、基準局が電波(測距信号)を受信した複数の衛星Sxのすべてについて処理が終了したか否かを判断する(ステップS5-9)。
そして、複数の衛星Sxのうち未だ処理されていない衛星がある場合には(ステップS5-9:No)、基準局衛星判断部81は、未だ処理されていない衛星SkについてステップS5-1からステップS5-9までの処理を繰り返す。
一方、複数の衛星Sxのすべてについて処理が終了している場合には(ステップS5-9:Yes)、基準局衛星判断部81は、相対測位の処理手順をステップS6の処理へとすすめる。
なお、上記では、衛星Sjから送信される、L1波とL2波とのそれぞれについて処理が行われるようにしているが、どちらか一方のみについて処理が行われるようにしてもよく、さらに、他の周波数帯の電波(測距信号)について処理が行われるようにしてもよい。また、衛星Sjから送信される、L1波とL2波とのうちの少なくとも一方が相対測位の処理に利用する衛星信号波に分類されない場合に、当該のL1波やL2波を送信した衛星Sjについて、相対測位の処理に利用しない衛星に分類するようにしてもよい。
上記のステップS5の処理により、基準局が受信した衛星Sjの電波(測距信号)の信号強度が、GNSS受信機1が受信した衛星Sjの電波(測距信号)の信号強度と比べて著しく低く(ステップS5-2:Yes,ステップS5-6:Yes)、且つ、電波環境が良好である場合に衛星Sjの仰角に対応して想定される(言い換えると、期待される)信号強度が確保されていない(ステップS5-3:No,ステップS5-7:No)場合には、当該の衛星Sjの電波(上記の場合には具体的には、L1波の測距信号、L2波の測距信号)は相対測位の処理に利用されないこととなる。
基準衛星選定部82は、基準局が電波(測距信号)を受信した複数の衛星Sxの中から、相対測位の処理(具体的には、二重差の計算)において基準衛星と位置づける衛星を選定する(ステップS6)。
この実施の形態では、基準衛星選定部82により、基準局が受信した電波(測距信号)の信号強度と電波(測距信号)を送信した衛星についてのGNSS受信機1(観測局)における仰角との組み合わせとして評価されて決定される衛星評価値に基づいて、相対位置の計算において二重差を計算する際の基準衛星を複数の衛星の中から選定する、ようにしている。
基準衛星選定部82は、基準局が電波(測距信号)を受信した複数の衛星Sxの各々について、電波の信号強度と、GNSS受信機1(観測局)での衛星の仰角との組み合わせを総合評価して衛星評価値を決定し、決定された衛星評価値に基づいて基準衛星を選定する。
衛星評価値は、基準局での電波(測距信号)の信号強度が強いほど評価が高くなるように、また、GNSS受信機1(観測局)での衛星の仰角が高いほど評価が高くなるように、決定される。衛星評価値と信号強度および仰角との間の関係は、特定の関係づけに限定されるものではなく、最適な基準衛星が選定され得ることが考慮されるなどしたうえで、適当な関係づけが適宜設定される。
衛星評価値は、例えば以下の数式3に従って算定されるようにしてもよい。
(数3) E = C×Ib_j+Ar_j
ここに、
E :衛星評価値
Ib_j :基準局が受信した衛星Sjの電波の信号強度[dB/Hz]
Ar_j :GNSS受信機1(観測局)が電波を受信した衛星Sjの仰角[rad]
C :係数
添字b:基準局を表す。
添字r:GNSS受信機1(観測局)を表す。
添字j:衛星Sjを表す。
数式3における係数Cは、電波の信号強度Ib_j「dB/Hz」の値の大きさと衛星の仰角Ar_j[rad]の値の大きさとの違いを調整するとともに、衛星評価値Eを決定する際の電波の信号強度と衛星の仰角との総合評価における仰角に対する信号強度の重みづけを設定するための係数である。係数Cは、特定の値に限定されるものではなく、信号強度と仰角との組み合わせを適切に総合評価して最適な基準衛星を選定し得ることが考慮されるなどしたうえで、適当な値に適宜設定される。係数Cは、例えば、5~15程度の範囲のうちのいずれかの値に設定されることが考えられ、特に10程度の値に設定されることが考えられる。ここで、数式3における電波の信号強度Ib_j[dB/Hz]には、数秒から数十秒程度の時定数のローパスフィルタをかけて短期変動する観測ノイズを抑圧した信号強度を用いるようにしてもよい。電波の信号強度Ib_j[dB/Hz]にローパスフィルタをかけることで衛星評価値Eが安定し、衛星評価値Eに基づいて選定される基準衛星が観測ノイズによって数秒毎に切り替わることを防ぐことができる。
また、衛星評価値は、例えば以下の数式4に従って算定されるようにしてもよい。
(数4) E = C×Ib_j+Ar_j+G×Qr_j
ここに、
E :衛星評価値
Ib_j :基準局が受信した衛星Sjの電波の信号強度[dB/Hz]
Ar_j :GNSS受信機1(観測局)が電波を受信した衛星Sjの仰角[rad]
Qr_j :GNSS受信機1(観測局)が電波を受信した衛星Sjの状態フラグ
C :係数
G :係数
添字b:基準局を表す。
添字r:GNSS受信機1(観測局)を表す。
添字j:衛星Sjを表す。
数式4における係数Cは数式3における係数Cと同様である。数式4における係数Gは、衛星Sjの状態フラグQr_jの重みづけ係数であり、衛星評価値Eを決定する際の電波の信号強度および衛星の仰角に対するハーフサイクル確定状態の重要度を調整するための係数であり、例えば、1000程度の値に設定されることが考えられる。
数式4における、GNSS受信機1(観測局)が電波を受信した衛星Sjの状態フラグQr_jは、GNSS受信機1が電波を受信した衛星Sjの測距信号の位相の半波長(別言すると、ハーフサイクル、即ち0.5サイクル)の確定状態を表す状態変数であり、ハーフサイクルの確定状態に対応する値もしくは未確定状態に対応する値のいずれかの値をとる。衛星Sjの状態フラグQr_jは、具体的には、GNSS受信機1のGNSS受信部3におけるPLL(即ち、位相ロックループ)処理での位相ロック状態であり、衛星Sjの測距信号の位相ロックが安定していれば確定状態に対応する値として1になり、外的要因(例えば、障害物による瞬断など)の影響で衛星Sjの測距信号の位相ロックが安定していなければ未確定状態に対応する値として0になる。
すなわち、衛星Sjの状態フラグQr_jは受信した衛星の測距信号の安定度を示す指標であり、衛星Sjの状態フラグQr_jを係数Gを乗じたうえで加えることで、衛星評価値Eは測距信号の位相ロックが安定している衛星を評価できるようになり、より品質が良い衛星を基準衛星として選定することができるようになる。
なお、衛星評価値は、基準局およびGNSS受信機1(観測局)が電波(測距信号)を受信した複数の衛星Sxの各々について、ステップS5の処理によって相対測位の処理に利用する衛星信号波に分類されている(具体的には例えば、利用フラグの値が1である)L1波やL2波(また、他の周波数帯の電波/測距信号/衛星システム)ごとに決定される。
基準衛星選定部82は、基準局およびGNSS受信機1(観測局)が電波(測距信号)を受信した複数の衛星Sxの中から、衛星評価値が最も高い衛星を基準衛星に選定する。
基準局およびGNSS受信機1(観測局)が電波(測距信号)を受信した複数の衛星Sxの各々について、基準局での電波の信号強度と観測局での衛星の仰角との組み合わせを総合評価して決定される衛星評価値に基づいて基準衛星を選定することにより、基準局周辺で木々や電波塔などの障害物で一部衛星の信号強度が劣化するような場合でも、質の高い衛星を基準衛星として選定することができる。衛星評価値に基づいて選定された基準衛星は基準局での信号強度が良好なため基準局の設置場所や設置方法による障害物の影響を受けておらず、加えて観測局で仰角が高い衛星は観測局上の対流圏や電離層を通過することで生じる電波伝搬誤差が小さいため、基準局と観測局の双方の電波環境にとって品質が良い基準衛星を選定することができる。また、例えば数式3や数式4のように衛星評価値Eを決定する際の電波の信号強度と衛星の仰角との総合評価における仰角に対する信号強度の重みづけを設定する係数Cの大きさを調節することにより、基準局の信号強度よりも観測局の仰角を重視して(言い換えると、優先して)基準衛星を選定するようにすることもできる。
信号強度検証部83は、基準局が電波(測距信号)を受信した複数の衛星Sxの各々について、衛星の仰角について十分な高さが確保されているときに、基準局が受信した衛星の電波(測距信号)の信号強度が、GNSS受信機1が受信した衛星の電波(測距信号)の信号強度と比べて著しく低いか否かを検証する(ステップS7)。図4は、信号強度検証部83における処理手順を示すフロー図であり、図2のフロー図におけるステップS7の処理の詳細を示すフロー図である。
この実施の形態では、信号強度検証部83により、GNSS受信機1が受信した電波(測距信号)の信号強度と基準局が受信した電波(測距信号)の信号強度との差が信号強度差閾値以上であり、且つ、電波(測距信号)を送信した衛星についての基準局における仰角が仰角閾値以上である場合に、相対位置の計算におけるカルマンフィルタの観測ノイズに前記差または前記差に基づく値を乗じる、ようにしている。
信号強度検証部83は、基準局が電波(測距信号)を受信した複数の衛星Sxのうち、ステップS5の処理によってL1波とL2波と(また、他の周波数帯の電波/測距信号)のうちの少なくとも一方について相対測位の処理に利用する衛星信号波に分類されている(具体的には例えば、利用フラグの値が1である)衛星Sjの前記L1波やL2波(また、他の周波数帯の電波/測距信号)について下記のステップS7の処理を行う。すなわち、相対測位の処理に利用する衛星信号波に分類されていない(具体的には例えば、利用フラグの値が0である)衛星やL1波,L2波(また、他の周波数帯の電波/測距信号)については処理を行わずにスキップする。
信号強度検証部83は、まず、複数の衛星Sxのうちの衛星Sjから送信される、L1波(即ち、周波数が1575.42MHzの搬送波)について、上記の数式1に従って、観測局観測データのうちの測距信号の信号強度(dB/Hz)Ir_j1と基準局観測データのうちの測距信号の信号強度(dB/Hz)Ib_j1との差ΔI_j1を算出する(ステップS7-1)。なお、上述のステップS5-1の処理において算出された、L1波についての衛星信号強度の差ΔI_j1がそのまま用いられてもよい。
信号強度検証部83は、続いて、算出されたL1波についての衛星信号強度の差ΔI_j1が信号強度差閾値Ti以上であるか否かを判断する(ステップS7-2)。
なお、このステップS7-2の処理では、上述のステップS5-1の処理における信号強度差閾値Tidと異なる値が信号強度差閾値として用いられるようにしてもよい。
そして、L1波についての衛星信号強度の差ΔI_j1が信号強度差閾値Tid以上である場合には(ステップS7-2:Yes)、信号強度検証部83は、基準局観測データのうちの衛星Sjの仰角Ab_jが仰角閾値Tae以上であるか否かを判断する(ステップS7-3)。
仰角閾値Taeは、衛星の仰角について十分な高さが確保されているにもかかわらず、基準局が受信した衛星の電波(測距信号)の信号強度が、GNSS受信機1が受信した衛星の電波(測距信号)の信号強度と比べて著しく低く、つまり基準局側において著しく大きい観測ノイズが重畳している可能性が高いことを検出するための閾値である。仰角閾値Taeは、特定の値に限定されるものではなく、前記の検出が適切に行われ得ることや信号強度差閾値Tidの値が考慮されるなどしたうえで、適当な値に適宜設定される。仰角閾値Taeは、例えば、信号強度差閾値Tidが5~15[dB]程度であるときに、50°~70°程度の範囲のうちのいずれかの値に設定されることが考えられ、特に信号強度差閾値Tidが10[dB]程度であるときに、60°程度の値に設定されることが考えられる。
そして、基準局観測データのうちの衛星Sjの仰角Ab_jが仰角閾値Tae以上である場合には(ステップS7-3:Yes)、信号強度検証部83は、実数解計算部84に対してL1波についての衛星信号強度の差ΔI_j1を出力する(ステップS7-4)。
一方、L1波についての衛星信号強度の差ΔI_j1が信号強度差閾値Tid未満である場合(ステップS7-2:No)、また、基準局観測データのうちの衛星Sjの仰角Ab_jが仰角閾値Tae未満である場合には(ステップS7-3:No)、信号強度検証部83は、衛星Sjから送信される、L2波(即ち、周波数が1227.60MHzの搬送波)について、上記の数式2に従って、観測局観測データのうちの測距信号の信号強度(dB/Hz)Ir_j2と基準局観測データのうちの測距信号の信号強度(dB/Hz)Ib_j2との差ΔI_j2を算出する(ステップS7-5)。なお、上述のステップS5-5の処理において算出された、L2波についての衛星信号強度の差ΔI_j2がそのまま用いられてもよい。
信号強度検証部83は、続いて、算出されたL2波についての衛星信号強度の差ΔI_j2が信号強度差閾値Tid以上であるか否かを判断する(ステップS7-6)。
そして、L2波についての衛星信号強度の差ΔI_j2が信号強度差閾値Tid以上である場合には(ステップS7-6:Yes)、基準局観測データのうちの衛星Sjの仰角Ab_jが仰角閾値Tae以上であるか否かを判断する(ステップS7-7)。
そして、基準局観測データのうちの衛星Sjの仰角Ab_jが仰角閾値Tae以上である場合には(ステップS7-7:Yes)、信号強度検証部83は、実数解計算部84に対してL2波についての衛星信号強度の差ΔI_j2を出力する(ステップS7-8)。
一方、L2波についての衛星信号強度の差ΔI_j2が信号強度差閾値Tid未満である場合(ステップS7-6:No)、また、基準局観測データのうちの衛星Sjの仰角Ab_jが仰角閾値Tae未満である場合には(ステップS7-7:No)、信号強度検証部83は、基準局が電波(測距信号)を受信した複数の衛星Sxのすべてについて処理が終了したか否かを判断する(ステップS7-9)。
そして、複数の衛星Sxのうち未だ処理されていない衛星がある場合には(ステップS7-9:No)、信号強度検証部83は、未だ処理されていない衛星SkについてステップS7-1からステップS7-9までの処理を繰り返す。
一方、複数の衛星Sxのすべてについて処理が終了している場合には(ステップS7-9:Yes)、信号強度検証部83は、相対測位の処理手順をステップS8の処理へとすすめる。
上記のステップS7の処理により、衛星Sjの仰角Ab_jについて十分な高さが確保されている(ステップS7-3:Yes,ステップS7-7:Yes)にもかかわらず、基準局が受信した衛星Sjの電波(測距信号)の信号強度が、GNSS受信機1が受信した衛星Sjの電波(測距信号)の信号強度と比べて著しく低い(ステップS7-2:Yes,ステップS7-6:Yes)状況が検出され、基準局側において著しく大きい観測ノイズが重畳している可能性が高いという情報が後の処理に反映されることとなる。
実数解計算部84は、観測局観測データや基準局観測データに基づく測位方程式を解くことにより、実数値バイアス(言い換えると、整数値バイアスの実数解)を計算する(ステップS8)。
以降の処理では、ステップS5の処理によって相対測位の処理に利用する衛星信号波に分類されている(具体的には例えば、利用フラグの値が1である)L1波やL2波(また、他の周波数帯の電波/測距信号)についての観測データが用いられるとともに、ステップS6の処理によって選定された衛星が基準衛星に位置付けられる。なお、L1波を用いる場合の処理とL2波を用いる場合の処理とは同じであるので、以降の説明では、L1波とL2波との両方に共通する処理であるとしてL1波とL2波との区別には言及しない。
まず、衛星Ssの電波を基準局で受信した際の測距信号の位相(別言すると、搬送波位相:キャリア観測量)φb_s[cycle]は以下の数式5のように表される。
(数5) λsφb_s =ρb_s+λsNb_s+c(dtb-dT_s)-Db_s+Tb_s
ここに、
λs :衛星Ssの搬送波の波長[m]
ρb_s :基準局と衛星Ssとの間の幾何学距離[m]
Nb_s :実数値バイアス[cycle]
dtb :基準局の時計誤差[秒]
dT_s :衛星の時計誤差[秒]
Db_s :基準局と衛星Ssとの間における電離層遅延量[m]
Tb_s :基準局と衛星Ssとの間における対流圏遅延量[m]
c :搬送波の速度[m/秒]
添字b:基準局を表す。
添字s:衛星Ssを表す。
数式5に倣って表される測距信号の位相について、観測局観測データおよび基準局観測データを利用した相対測位を実施する際のGNSS受信機1(観測局)と基準局とにおける、衛星Su(基準衛星とする)と衛星Skとに関する測距信号の位相の二重差(二重位相差)φrb_ukを計算すると以下の数式6のようになる。
(数6) λsφrb_uk= ρrb_uk+λsNrb_uk
ここに、
λs :衛星Ssの搬送波の波長
ρrb_uk:幾何学距離の二重差
Nrb_uk:実数値バイアスの二重差
添字r :GNSS受信機1(観測局)を表す。
添字b :基準局を表す。
添字u :衛星Su(基準衛星)を表す。
添字k :衛星Skを表す。
数式6から分かるように、観測量の二重差を計算することにより、観測データに重畳しているGNSS受信機1(観測局)と基準局の時計誤差、衛星の時計誤差、電離層遅延量、および対流圏遅延量が相殺される。
また、相対測位を実施する際のGNSS受信機1(観測局)と基準局とにおける、衛星Su(基準衛星とする)と衛星Skとに関する測距信号の位相(別言すると、搬送波位相)の二重差φrb_ukは以下の数式7のように求められる。
(数7) φrb_uk = {φr_u-φb_u}-{φr_k-φb_k}
ここに、
φr_u :GNSS受信機1で受信した衛星Su(基準衛星)の測距信号の位相
φb_u :基準局で受信した衛星Su(基準衛星)の測距信号の位相
φr_k :GNSS受信機1で受信した衛星Skの測距信号の位相
φb_k :基準局で受信した衛星Skの測距信号の位相
添字r:GNSS受信機1(観測局)を表す。
添字b:基準局を表す。
添字u:衛星Su(基準衛星)を表す。
添字k:衛星Skを表す。
なお、数式6における幾何学距離の二重差ρrb_ukは ρrb_uk = {ρr_u-ρb_u}-{ρr_k-ρb_k} のように表され、基準局から衛星Su(基準衛星)までの幾何学距離ρb_uおよび基準局から衛星Skまでの幾何学距離ρb_kは衛星軌道情報(別言すると、エフェメリス)を基に算出する衛星Su,Skの3次元位置と、既知の基準局の3次元位置とから求める。また、GNSS受信機1から衛星Su(基準衛星)までの幾何学距離ρr_uおよびGNSS受信機1から衛星Skまでの幾何学距離ρr_kは衛星軌道情報を基に算出する衛星Su,Skの3次元位置と、GNSS受信機1の概略3次位置とから求める。GNSS受信機1の概略3次位置を基点にした、GNSS受信機1の正確な3次元位置までの位置の差分量は未知であるため、測位方程式で未知数として求めることになり、未知数が求まることでGNSS受信機1の正確な3次元位置が求められる。
また、数式5における実数値バイアスの二重差Nrb_ukは、GNSS受信機1と衛星Suとの間における実数値バイアスNr_u,基準局と衛星Suとの間における実数値バイアスNb_u,GNSS受信機1と衛星Skとの間における実数値バイアスNr_k,および基準局と衛星Skとの間における実数値バイアスNb_kを用いて、Nrb_uk = {Nr_u-Nb_u}-{Nr_k-Nb_k} のように表される。
ここで、測距信号の質の悪い衛星が基準衛星として選定されると、その誤差が二重差計算したすべての観測量に重畳してしまう。これに対して、上記のステップS6の処理により、基準局が電波(測距信号)を受信した複数の衛星Sxの中から電波の信号強度と衛星の仰角との組み合わせを総合評価して決定される衛星評価値に基づいて基準衛星(数式5における衛星Su)が選定されるようにしているため、測距信号の質の高い衛星が基準衛星として選定されるので、二重差計算の結果として良好な観測量が得られる。
数式7に従って求められる二重差φrb_ukを観測量とする測位方程式を以下の数式8のように表す。
(数8) y = H・x+ε
数式8における、yは数式7に従って求められる二重差φrb_ukを要素に持つ観測ベクトルであり、Hは計画行列であり、さらに、xはGNSS受信機1の3次元位置(未知)および数式6における実数値バイアスの二重差Nrb_uk(未知)を要素に持つ未知数ベクトルである。また、εは観測雑音項である。
実数解計算部84は、数式8の未知数ベクトルx(具体的には、GNSS受信機1の3次元位置および実数値バイアスの二重差Nrb_ukを要素に持つ)をカルマンフィルタ(以下の数式9参照)を適用して求める。
数式9における各変数は以下の通りである(尚、下記における「x^」はxの直上に^が付いていることを表す)。
n:時刻
x^(n|n-1):(n-1)時刻までの情報を用いて推定した、n時刻における
事前推定状態量
x^(n|n) :n時刻までの情報を用いて推定した、n時刻における
事後推定状態量
y(n):観測値
F(n):状態推移行列
M(n):観測行列
K(n):カルマンゲイン
P(n|n-1):事前誤差共分散行列
P(n|n) :事後誤差共分散行列
Rε(n):観測ノイズ共分散行列
Rδ(n):システムノイズ共分散行列
I:単位行列
T:転置を表す。
数式8と数式9との関係について、数式9における、観測値y(n)は数式8における観測ベクトルyに対応し、観測行列M(n)は数式8における計画行列Hに対応する。
数式9により、事後推定状態量x^(n|n)は、観測予測誤差にカルマンゲインK(n)を乗じたものを事前推定状態量x^(n|n-1)に加えることによって計算される。具体的には、実数値バイアス(言い換えると、整数値バイアスの実数解)が計算される。実数値バイアス(言い換えると、整数値バイアスの実数解)が用いられて計算されるGNSS受信機1の3次元位置を「float解」と呼ぶ。
ここで、ステップS7の処理においてL1波についての衛星信号強度の差ΔI_j1またはL2波についての衛星信号強度の差ΔI_j2が出力されている場合には、実数解計算部84は、以下の数式10に示すように、観測ノイズ分散値Rj1(n),Rj2(n)に対して衛星信号強度の差ΔI_j1,ΔI_j2を乗じて算出される観測ノイズ共分散行列Rε(n)を用いてカルマンフィルタを適用した計算を行う。なお、ステップS7の処理においてL1波についての衛星信号強度の差ΔI_j1が出力されていない場合はΔI_j1=1とし、また、L2波についての衛星信号強度の差ΔI_j2が出力されていない場合はΔI_j2=1とする。
数式10における各変数(尚、スカラー値)は以下の通りである。
Ru1(n):衛星Su(基準衛星)のL1波の測距信号の観測ノイズ分散値
Ru2(n):衛星Su(基準衛星)のL2波の測距信号の観測ノイズ分散値
Rj1(n):衛星Sj(基準衛星以外)のL1波の測距信号の観測ノイズ分散値
Rj2(n):衛星Sj(基準衛星以外)のL2波の測距信号の観測ノイズ分散値
ΔI_j1:衛星Sj(基準衛星以外)のL1波の測距信号に関する衛星信号強度の差
ΔI_j2:衛星Sj(基準衛星以外)のL2波の測距信号に関する衛星信号強度の差
但し、j=1,2,3,・・・,m
ここで、上記の数式10では基準衛星以外の衛星Sjの観測ノイズ分散値Rj1(n),Rj2(n)に対して衛星信号強度の差ΔI_j1,ΔI_j2を乗じるようにしているが、衛星信号強度の差ΔI_j1,ΔI_j2を乗じる処理は、基準衛星以外の衛星への処理に限定されるものではなく、例えば、基準衛星SuのL1波の測距信号の観測ノイズ分散値Ru1(n)に対して衛星信号強度の差ΔI_j1(但し、j=1,2,3,・・・,m)に基づく値(具体的には例えば、衛星信号強度の差ΔI_j1の平均値)を乗じたり、基準衛星SuのL2波の測距信号の観測ノイズ分散値Ru2(n)に対して衛星信号強度の差ΔI_j2(但し、j=1,2,3,・・・,m)に基づく値(具体的には例えば、衛星信号強度の差ΔI_j2の平均値)を乗じたりするようにしてもよい。
また、上記の数式10では観測ノイズ共分散行列Rε(n)の対角要素のみに対して衛星信号強度の差ΔI_j1,ΔI_j2を乗じるようにしているが、衛星信号強度の差ΔI_j1,ΔI_j2を乗じる対象は、対角要素に限定されるものではなく、対角要素以外の要素に対しても衛星信号強度の差ΔI_j1,ΔI_j2を乗じるようにしてよい。
さらに、上記の数式10では観測ノイズ共分散行列Rε(n)に対して衛星信号強度の差ΔI_j1,ΔI_j2をそのまま乗じるようにしているが、観測ノイズ共分散行列Rε(n)に対して乗じる値は、衛星信号強度の差ΔI_j1,ΔI_j2そのものに限定されるものではなく、例えば、衛星信号強度の差ΔI_j1,ΔI_j2の大きさに応じて変化する値(言い換えると、衛星信号強度の差ΔI_j1,ΔI_j2に基づく値)であってもよく、具体的には例えば、衛星信号強度の差ΔI_j1,ΔI_j2を変数とする関数によって計算される値や、衛星信号強度の差ΔI_j1,ΔI_j2の範囲ごとに予め定められる値であってもよい。
整数解計算部85は、ステップS8の処理によって計算される実数値バイアスを整数化する(言い換えると、整数値バイアスの実数解に基づいて整数値バイアスの整数解を求める)(ステップS9)。
整数解計算部85は、例えば、ステップS8の処理によって計算される実数値バイアス(実数解)に対して誤差が最も小さい整数値バイアス(整数解;即ち、波数)を第1候補として求め、誤差が次に小さい整数値バイアス(整数解;即ち、波数)を第2候補として求める。誤差が小さい整数解を特定する手法は、特定の手法には限定されないものの、例えば整数最小二乗法が用いられ、特に、整数値バイアスの無相関化をはかって整数解の探索空間を狭めて解を特定するLAMBDA法が用いられ得る。
整数解計算部85は、続いて、上記で特定された整数解をfixするか否かを判定する。具体的には、上記で特定された整数解の信頼性を判断し、信頼性の高い整数解が得られたと判断した場合には、前記実数解計算部84で求めた位置を第1候補の整数値バイアスを使用して修正計算する。整数値バイアス(言い換えると、整数値バイアスの整数解、即ち波数)が用いられて計算されるGNSS受信機1の3次元位置を「fix解」と呼ぶ。
整数解の信頼性を判定する手法は、特定の手法には限定されないものの、例えばレシオテストが用いられ得る。レシオテストで使用される指標であるレシオは、実数値バイアス(言い換えると、整数値バイアスの実数解)と整数値バイアス(言い換えると、整数値バイアスの整数解)の第1候補との間の距離(「ノルム」と呼ばれる)に対する、実数値バイアスと整数値バイアスの第2候補との間の距離の比である。レシオは、一般的に、高い値であるほど整数値バイアスの第1候補の信頼度が高いことを表す。そこで、閾値を適当に設定して、レシオが閾値よりも大きい場合に、整数値バイアスの信頼性が高いと判定して、整数値バイアスの第1候補を採用するようにすることが考えられる。
上記のような測位装置8によれば、基準局が受信した電波(測距信号)の信号強度が、GNSS受信機1が受信した電波(測距信号)の信号強度と比べて著しく低く、且つ、電波環境が良好である場合に衛星の仰角に対応して想定される(言い換えると、期待される)信号強度が確保されていない場合には、当該の衛星の電波(測距信号)は相対測位の処理に利用されないようにしている(ステップS5)ので、基準局から送信される観測情報が低品質となった場合でも、GNSS受信機1側で相対測位の位置精度が低下しにくい相対測位を実施することが可能となる。
上記のような測位装置8によれば、また、基準局が電波(測距信号)を受信した複数の衛星の中から、電波(測距信号)の信号強度と、GNSS受信機1(別言すると、観測局)での衛星の仰角との組み合わせを総合評価して決定される衛星評価値に基づいて基準衛星が選定されるようにしているため、基準局とGNSS受信機1(観測局)とでの測距信号の双方での電波環境を勘案した質の高い衛星が基準衛星として選定される(ステップS6)ので、基準衛星をベースにした二重差計算の結果として良好な観測量を得ることができ、基準局が受信する衛星の信号強度が低下して基準局から送信される観測情報が低品質となった場合でも、GNSS受信機1側で相対測位の位置精度が低下しにくい相対測位を実施することが可能となる。
上記のような測位装置8によれば、さらに、衛星の仰角について十分な高さが確保されているにもかかわらず、基準局が受信した電波(測距信号)の信号強度が、受信機が受信した電波(測距信号)の信号強度と比べて著しく低く、つまり基準局側において著しく大きい観測ノイズが重畳している場合に、カルマンフィルタの観測ノイズに信号強度の差または信号強度の差に基づく値を乗じるようにしている(ステップS7,ステップS8)ため、相対測位の処理において観測ノイズを適切に織り込むことができ、基準局から送信される観測情報が低品質となった場合でも、GNSS受信機1側で相対測位の位置精度が低下しにくい相対測位を実施することが可能となる。
以上、この発明の実施の形態について説明したが、具体的な構成は、上記の実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。
例えば、上記の実施の形態ではステップS6の処理において衛星評価値が最も高い衛星が基準衛星に選定されるようにしているが、ステップS6の処理はこの発明において必須の構成ではなく、例えば衛星の仰角が最も高い衛星が基準衛星に選定されるようにしてもよい。
また、上記の実施の形態では、ステップS5の処理において衛星信号強度の差が信号強度差閾値以上であるか否かが判断されるとともに基準局の測距信号の信号強度が仰角対応信号強度閾値以上であるか否かが判断されて複数の衛星それぞれの測距信号を相対測位の処理に利用するか否かが判断され、さらに、ステップS7の処理において衛星信号強度の差が信号強度差閾値以上であるか否かが判断されるとともに衛星の仰角が仰角閾値以上であるか否かが判断されて基準局側において著しく大きい観測ノイズが重畳しているか否かが判断されるようにしているが、ステップS5の処理とステップS7の処理との両方が行われることはこの発明において必須の構成ではなく、ステップS5の処理とステップS7の処理との少なくとも一方が行われるようにしてもよい。
さらに言えば、この発明の要点は、衛星信号強度の差が信号強度差閾値以上であるか否かが判断されるとともに基準局の測距信号の信号強度が仰角対応信号強度閾値以上であるか否かが判断されることによって複数の衛星それぞれの測距信号を相対測位の処理に利用するか否かが判断される(ステップS5)ことと、衛星信号強度の差が信号強度差閾値以上であるか否かが判断されるとともに衛星の仰角が仰角閾値以上であるか否かが判断されることによって基準局側において著しく大きい観測ノイズが重畳しているか否かが判断される(ステップS7)(そして、前記判断の結果に基づいてカルマンフィルタの観測ノイズ共分散行列が調整される:ステップS8)こととのうちの少なくとも一方が行われることであり、GNSS受信機1や測位装置8の具体的な構成は図1に示す例に限定されるものではなく、また、前記要点以外の処理内容は上記の実施の形態における処理内容には限定されない。