JPS61155879A - 位置計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明はグローバルポジションニングシステム（以下
ＧＰＳと略称する）において、衛星から送信される航法
データに基づいて受信位置を計測する位置計測装置に関
する。

［従来の技術］ 従来のＧＰＳを利用した位置計測装置の例としては第４
図に示したようなものがある。

位置計測装置１は受信部３と測位ｗＩｉ算部５を有し、
衛Ｐｓｉ（ｉ−１〜４）からの電波をアンテナ７で受け
、この電波に乗せられた各衛星からの航法データを解析
し演算して受信位置を求めている。

ここに、各衛星からの航法データとは、各衛星の３次元
位置情報を意味し、広義にはこの位８情報の発信タイミ
ングの情報を含めている。そして、一般には、前記受信
部３の内部に設けられている時計を用いて受信タイミン
グを知ることにより求まる伝搬遅延時間Ｔｉに光の速度
（Ｃ弁３０万に＋ａ）を乗じ各衛星と受信位置との距離
を求めることができる。よって、受信位置を３次元座標
で知るためには少なくとも３つの衛星からの航法データ
が必要となるが、実際には前記時計にオフセットタイム
（絶対時間とのずれ）δＴが存在するので未知数が１つ
追加される故に受信位置を３次元座標で知るためには、
４つの衛星からの航法データが必要となる。

第４図においては、受信部３は航法データをＰＮ符号に
よりスペクトラム拡散された高周波信号として受け、こ
の高周波信号を復調することにより衛星の位置情報及び
その送信タイミングの情報を知る。測位演算部５はこれ
ら情報を使って以下に示す測位演算を行い受信位置を演
算、して求める。

今、第５図に示すように、地球９の中心Ｏを中点とする
直交座標を考え、位置計測装置１が地球９上の位ＩＰ　
（ＸＹＺ）に在るとし、衛星５１（ｉ−１〜４）は位置
Ｐｉ　　（Ｘｉ　、　Ｙｉ　、　Ｚｉ　）に在るとする
。そして、位置計測装置１の受信部３が、各衛星Ｓ１か
らの航法データを捉え、各画ＭＳｉの位置Ｐｉと各航法
データの伝搬遅延時間Ｔｉを捉えたとする。

各衛星３ｉと位置計測装置１との真の距離Ｒｉ（１＝１
〜４）は次式で表わされる。

Ｒｉ　−０・Ｔｉ ・・・（１） ここにＣは光速、Ｔｉは各航法データの真の伝搬遅延時
間である。

しかし、実測される伝搬遅延時間Ｔｉ　−は前記受信部
３に内蔵される時計のずれ（オフセットタイム）６丁を
有し、 Ｔｉ　′＝Ｔｉ＋δＴ　　　　　　　　　・・・（２）
なる関係があるので、各衛星３ｉと位置計測装置１との
実測距離Ｒｉ　−は、 Ｒｉ　′ りＣ・Ｔｉ　′＝ｃ　・（Ｔｔ＋δＴ）±Ｒｉ＋ｃ　Φ
δＴ ＋Ｃ・δＴ　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・
・　（３）となる。ここに、ＸＹＺ、及び、δＴは未知
数である。

そこで、（３）式についてｉ　−１〜４とし４元連立方
程式を立て位置Ｐ　（ＸＹＺ）を求めることができる。

ところが、マイクロコンピュータを用いて演算を行う関
係上、上記２次式の４元連立方程式を解くことは行われ
ておらず、実際には、以下の様な位置の推定値を真の位
置に収束させる方法がより一般的に行われている。

即ち、まず、位置の推定値をＰｅ　（ｘｅＹｅＺｅ）と
し、前記オフセットタイムδＴの推定値をδＴｅとして
これら推定値を測位演算部５に手動入力する。

ここに、各推定値と真の値との誤差をΔＸ、ΔＹ、△Ｚ
１並びにΔδＴとすれば、真の値とその誤差との関係式
は、 Ｘ雰ｘｅ＋ΔＸ Ｙ−Ｙｅ　　＋ΔＹ ｚ＝ｚｅ　　＋Δ２ δ　Ｔ−δ　Ｔｅ　　＋Δ６　　Ｔ　　　　　　　　　
　　　　　　　　　・　　（４’）と表わされる。

これら位置の推定値Ｘｅ　Ｙｅ　７−ｅ　、並びにＡフ
セットタイムδＴの推定値δＴｅを用いて各衛星と位置
計測装置との間の推定距離Ｒｉｅ（ｉ＝１〜４）を第（
３）式を用いて逆算すると次式のようになる。Ｒｉｅ− ＋Ｃ・δＴｅ　　　　　　　　　　　・・・（５）この
ようにして求めた推定距離と伝搬遅延時間で求めた実測
距離Ｒｉ　′（Ｒｉ　　′＝ｃ　−Ｔｉ　　−）との差
をΔＲ１とすれば、 Ｒｉ−−Ｒｉｅ＋ΔＲｉ　　　　　　　　　　・＝　（
６）となる。ここに△Ｒｉは〈５）式により求めた推定
距離Ｒｉｅと実測距離との差であるのでこの値を求める
ことができる。

一方（４）式を（３）式の右辺に代入すれば、Ｒｉ　′
＝ｌ　（（Ｘｅ＋△ｘ−ｘｒｙ＋（Ｙｅ十ΔＹ−Ｙｉ）
”＋ （Ｚｅ　　＋△Ｚ−Ｚｉ）’）’ｌ＋ Ｃ−δＴｅ＋ｃ−△δＴ　　　　−（７）となるので、
これをテーラ−展開して２次以降の微小項を省略すると
、 Ｒｉ　−＝　ｌ　（（Ｘｅ　−Ｘｉ　）’＋　（Ｙｅ　
−Ｙｉ　）’＋　＜Ｚｅ　−Ｚｉ　）’）’　ＩＸ ＋Ｃ−δＴｅ＋Ｏ−ΔδＴ　　　−（８）を得る（導出
方式については省略する）。

そこで（８）式に前記（５）及び（６）式を代入して整
理することにより、 △Ｒｉ ＝　（Ｘｅ　−Ｘｉ　）／　（Ｒｉｅ−ｃ　−δＴｅ　
）　−ΔＸ＋　（Ｙｅ　−Ｙｉ　）／　（Ｒｉｅ−ｃ　
・δＴｅ　）　−ΔＹ＋　（Ｚ１３−Ｚｉ　）　／　（
Ｒｉｅ−ｃ　−δＴｅ　）　−Δ２＋Ｃ・６６丁　　　
　　　　　　　　　　・・・（９）を得る。

（９）式は推定値の誤差ΔＸ、ΔＹ、Δ２に、推定位置
から衛星方向を向いた単位ベクトルの各方向余弦をそれ
ぞれ乗じて成分毎の値を求め、この合成値に、オフセッ
トタイムの推定値の誤差ΔδＴに光速を乗じた値を加え
合わせれば、（５）式により求めた推定距離Ｒｉｅと実
測距離Ｒｉ　−の差ΔＲ１に等しくなることを示してい
る。　　（９）式に基づいてｉ−１〜４とし１次の４元
連立方程式を立てることにより推定位置の誤差ΔＸ、Δ
Ｙ。

△２並びにオフセットタイムの推定値の誤差△δＴを求
めることができる。

そのあと、求められた各誤差を推定値に加え、これを新
たな推定値とし、誤差が所定の微小値に収束するまで繰
返しの演算を行い真の位置と時計のオフセットタイムを
求める。これが従来よりの収束演算方式である。、・ ［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、このような従来の位置計１１１１装置に
あっては、ユーザの推定位置データの初期値の与え方に
よっては位置計算結果が収束せず、システムが発振状態
におちいるという問題点があった。

［問題点を解決する為の手段１ この発明はこのような従来の問題点に着目してなされた
もので、第１図に示すように、ＩＩ星から送られてくる
航法データを受ける航法データ受信手段１１と、受信位
置の初期推定値を指定する初期推定値指定手段１３と、
前記受信手段１１で受けた航法データで定められる位置
と前記初期推定値指定手段１３で指定される推定値との
ずれを演算する誤差演算手段１５と、該誤差演算手段１
５で演算した誤差が所定値内にあるか否かを判別する収
束判別手段１７と、該収束判別手段１７で前記誤差が所
定値内にあると判別したとき前記誤差演算手段１５に入
力されている推定値を現在位置として出力する現在位置
出力手段１９と、前記収束判別手段１７で前記誤差が前
記所定値外であると判別されたとき新たな推定値を演算
しこの演算された推定値を前記誤差演算手段に入力され
ている推定値と交換する推定値更新手段２１と、前記誤
差演算手段）５で求められた誤差を順次入力し現在誤差
が先の誤差と等しいか又はこれより大なるときこの状態
を非収束状態と判別する非収束状態判別手段２３と、を
具備して成る位置計測装置とすることにより前記問題点
を解決したものである。

［実施例］ 以下この発明の実施例を詳細に説明する。

第２図はこの発明の一実施例を示す位置計測装置のブロ
ック図である。

第１図に示した各手段１１〜２３を具体化した各部材に
は各参照符号にサフィックスａを付し両者を対応させて
示している。参照符号２５は位置計測装置の全体を、２
７は警報装置を、２９は経路誘導装置を示している。

航法データ受信部１１ａは第４図従来例で示した受信部
３に相当し、この航法データ受信部１１ａを除いた位置
計測装［２５の他の部材は第４図従来例で示した測位演
算部５に代わるものである。

航法データ受信部１１ａは、衛星３ｉ　　（Ｓ＋　、３
２．３３．８４　）　　（第５図参照）から送られてく
る航法データを受信し、この航法データに乗せられてい
る各衛星の位置及びその送信タイミング（伝搬遅延時間
Ｔｉ　）を知る。

初期推定値指定部１３ａは車両の運転開始時において車
両の現在位置の推定値をキー人力するための部材である
。これは、一般には手動入力装置としてのキーボード等
より成るが、この手動入力装置に代えマイクロコンピュ
ータの演算で自動的に入力させるようにすることも可能
である。この場合、例えば第５図に示した各衛星からの
航法データを受け、地球の半径が一定であると仮定し、
演算を容易に行えるようにして車両位置の概算を求める
ようにすること、或いは、車両停止時の現在位置を一時
記憶しておき、この記憶値を初期推定値とすること等に
より可能となる。

誤差演算部１５ａは推定値の真値からのずれを演算する
もので、その演算方式は従来例において（９）式以下で
説明した方式により誤差ΔＸ、ΔＺ並びにオフセットタ
イムδＴを求めるものである。

収束判別部１７ａは前記誤差演算部１５ａで演算された
誤差ΔＸ、ΔＹ１ΔＺの評価を行なうもので、次式によ
る評価関数ｅｊ　　（ｊは処理回数を示す）、 ｅｊ＝△Ｘｊ　２　＋ΔＹｊ　２　＋△Ｚｊ　２−・・
・−・−（Ｋｌ）を定義し、この評価値ｅｊを所定値ｅ
ａと比較したり、その値ｅｊを出力したりする。即ち、
各処理ごとの評価値ｅｊが ｅｊ≦ｅａ　　　　　　　　　　　・・・・・・・・・
・・・（１１）であれば推定値Ｐｅは真値に近く演算は
収束したものと判別する。又、上記（１１）式が満足さ
れず、かつ、 ｅｊ　　＜ｅ　　（ｊ　　−＋　　）　　　　　　　　
　　・・・・・・・・・・・・・・・Ｏが満足されてい
れば、これは、まだ十分に収束はされていないものの誤
差は次第に縮まっていると判別する。なお、各処理ごと
の評価値ｅｊは後述する非収束状態判別手段２３ａに出
力される。

現在位置出力部１９ａは前記収束判別部１７ａが（１１
）式でｅｊ≦ｅａを判別したとき、即ち、現在の評価値
ｅｊが所定値ｅａ以下となっており推定値Ｐｅが真値に
十分に近づいていることを知ったとき、この推定値Ｐｅ
を車両の現在位ＩＰｏとして出力する。

推定値更新部２１ａは、収束判別部１７ａで（ＩＩ）式
が満足されず、かつ、０式が満足されている、即ち、ま
だ十分に収束されてはいないが、演算を繰り返すことに
より次第に収束させることが可能であると判別したとき
、誤差演算部１５ａの推定値をより真値に近い値に更新
するものである。新たな推定値ｐｅ″の演算方式は、従
来例でも示したように、求められた誤差に前の推定値を
加えて行なわれる。

非収束状態判別手段２３ａは前記評価値ｅｊを収束判別
部１７ａから受け、０１）式が満足されず、即ち、誤差
が所定値より大きく、かつ、ｅｊ≧ｅ　（ｊ　−＋　）
　　　　　　　　・・・・・・・・・０（であるとき、
つまり、まだ十分に収束されておらず、かつ現在の評価
値ｅｊが前の評価値ｅ（ｊ−１）より大きくなってしま
っているとき、解が発散される恐れがあることを判別す
る。この場合、推定値更新部２１ａで新たな推定値を作
り、繰り変えしの演算を行なったとしても解は発散する
ので、この状態をシステム自体及び警報８Ｍ２７に出力
するようにしている。

警報装置ｉ２７はＣＲＴやチャイム等で構成され非収束
状態判別２３ａからの非収束状態の判別信号（ＮＧ）を
受けてこの状態を表示したり音声で知らせたりする。本
例では誤差演算部１５ａにも出力して以後の演算を中断
するようにしているが、これは推定値更新手段２１ａに
送るようにし、このような場合の特別の演算方式で新規
の推定値を演算させるようにしても良い。特別の演算方
式とは、例えば、全く新規の初期推定値の演算を行なう
が如くである。

経路誘導装＠２９は、液晶表示器やＣＲＴ等で構成され
ており、車両の走行経路を表示したり、例えば進行方向
を矢印で等誘導表示をしたりする。

そして、図示していないジャイロ及び中速センサ等から
得られる情報を併せて前記現在位置出力部１９ａからの
位置情報を得て、前記表示や誘導処理の基準値としてい
る。

第３図は位置計測装＠２５の行なう処理のフロ−チャー
トである。

ステップ−３０３は初期推定値指定部１３ａの行う初期
推定値の入力処理を示している。初期推定値Ｐｅ　　（
Ｘｅ　、　Ｙｅ　、　Ｚｅ　）及びδＴｅの入力は手動
入力する例を示しているが自動入力することが可能であ
ることは前述した。なお、自動入力の場合オフセットタ
イムの推定値δＴｅはゼロであると仮定するようにして
も良い。

ステップ３０５は航法データ受信部１１ａの処理を示し
、４衛星３ｉ　　（ｉ　−１〜４）の航法データを受信
して、これら衛星の位置Ｐｉ（Ｘｉ、Ｙｉ　、　ｚｉ　
）及び送出時刻を知ることができる。

ステップ３０７は誤差演算部１５ａ及び収束判別部１７
ａの処理を示している。即ち、誤差演算部１５ａは、従
来例で（４）〜（９）式で示した演算を行なって、誤差
ΔＸ１．ΔＹｉ、ΔＺｉ、ΔδＴｉを知る。そして、収
束判別部１７ａはこれら誤差を用いて（動式で示した評
価値ｅｊを求める。評価値を前掲すると、 ｅｊ＝ΔＸｊ２＋ΔＹｊ２＋ΔＺ　ｊ　２−・−・−・
−・（ｃ）である。

ステップ３０９及びステップ３１１は収束判別部１７ａ
の判別処理を示す。

ステップ３０９はｅｊ≦ｅａ即ち、現在誤差評価値ｅｊ
が所定値ｅａ以内であるか否かを判別し、現在誤差評価
ｆｆ１ｅｊが所定値ｅａ以内であれば誤差演算部１５ａ
で処理している推定値Ｐｅ　（又はＰｅ）が真値に収束
していると判断し、この値を現在位ＩＰｏとして現在位
置出力部１９ａに、出力する。現在位置出力部１９ａは
、この値ＰＯを経路誘導装置２７に出力し、終路誘導装
Ｗ！１２７はこの値ＰＯを用いてこれをそのまま表示装
置に表示したり、或いは図示しないジャイロや車速セン
サからの情報を併せて、カルマンフィルタを用いてより
最適の位置を推定したりする。そして、その後ステップ
３０５へ返り、次の演算を行う。

ステップ３０９で収束判別部がｅｊ　＞ｅａ　、即ち、
現在誤差評価値ｅｊが所定値ｅａより上であると判別し
たときは、推定値はまだ収束していないとしてステップ
３１１へ移る。

ステップ３１１は、ｅｊ　＜ｅ　（ｊ　−ｓ　＞、即ち
、現在誤差評価値ｅｊが前の誤差評価値ｅ　（ｊ　−＋
　）より小さいか否かを判別する。そして現在誤差評価
値ｅｊが前の誤差評価値ｅ　（ｊ　−＋　）より小さけ
れば、これは推定値が真値に近づいているとしてステッ
プ３１３へ移り、ここで現在誤差を現在推定値に加えて
新規の推定値Ｐｅ　′を演算し、ステップ３０７へ返し
、誤差演算部１５ａで再度の誤差演算が行なわれる。推
定値ｐｅ　＝の演算は推定値更新部２１ａで行なわれる
。

ステップ３１１でｅｊ≧ｅ（ｊ−＋）、即ち、現在誤差
評価値ｅｊが前の誤差評価値Ｐ（ｊ−＋）杯上であると
判別したときは、これは推定値が真値に収束せず、逆に
発散する方向にあることを示しているので、この場合に
はステップ３１５へ移り、例えば、警報装置１２７へ警
報信号（ＮＧ）を送るのである。警報後の処理は別途に
行なわれ、この処理が終ればステップ３０３へ移り次の
位置計測が開始される。警報後の別途の処理については
前述した通りである。

尚、警報は初期値の再設定を行なったのちに解除させる
か、もしくは、警報確認スイッチを設け、この確認スイ
ッチを操作することにより警報を解除するようにすれば
よい。

［発明の効果］ 以上説明してきたようにこの発明によれば、位置の演算
結果が収束しないときシステムが発振状態におちいるの
を未然に防止することができ、システムに無理を生じさ
せることのない円滑な計測を可能とする位置計測装置を
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明のクレーム対応図、 第２図はこの発明の実施例の構成を示すブロック図、 第３図は第２図に示した位置計測装置の処理を示すフロ
ーチャート、 第４図は従来の位置計測装置の構成を示すブロック図、 第５図は従来例と本発明に共用される衛星配置の説明図
である。 １１・・・航法データ受信手段 １３・・・初期推定値指定手段 １５・・・誤差演算手段 １７・・・収束判別手段 １９・・・現在位置出力手段 ２１・・・推定値更新手段 ２３・・・非収束状態判別手段 特許出願人　　日産自動車株式会社 ｉｇ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　衛星から送られてくる航法データを受ける航法データ
   受信手段と、受信位置の初期推定値を指定する初期推定
   値指定手段と、前記受信手段で受けた航法データで定め
   られる位置と前記初期推定値指定手段で指定される推定
   値とのずれを演算する誤差演算手段と、該誤差演算手段
   で演算した誤差が所定値内にあるか否かを判別する収束
   判別手段と、該収束判別手段で前記誤差が所定値内にあ
   ると判別したとき前記誤差演算手段に入力されている推
   定値を現在位置として出力する現在位置出力手段と、前
   記収束判別手段で前記誤差が前記所定値外であると判別
   されたとき新たな推定値を演算しこの演算された推定値
   を前記誤差演算手段に入力されている推定値と交換する
   推定値更新手段と、前記誤差演算手段で求められた誤差
   を順次入力し現在誤差が先の誤差と等しいか又はこれよ
   り大なるときこの状態を非収束状態と判別する非収束状
   態判別手段と、を具備して成る位置計測装置。