JPWO2011105446A1 - 測位方法、測位プログラム、ｇｎｓｓ受信装置、および移動端末 - Google Patents

Abstract

【課題】マルチパスの有無に関わらず、高精度な測位演算を実現する。
【解決手段】測位信号の受信信号に基づいて観測擬似距離ρ_ｍ（ｋ）を取得する（Ｓ１０１）。前回の推定結果に基づいて今回の判定用の推定擬似距離ρ_ｍｐ（ｋ）を算出する（Ｓ１０２）。観測擬似距離ρ_ｍ（ｋ）と推定擬似距離ρ_ｍｐ（ｋ）とから判定用差分値Ｄｅｌｔａ_ρｍ（ｋ）を算出する（Ｓ１０３）。受信信号のＣ／ＮｏとＰＤＯＰとから判定用の閾値σ_{Ｄｅｌｔａρ}を算出する（Ｓ１０４）。判定用差分値Ｄｅｌｔａ_ρｍ（ｋ）が閾値σ_{Ｄｅｌｔａρ}未満であれば、Ｃ／Ｎｏの近似式により誤差分散σ_ρｍ（ｋ）を算出する（Ｓ１０５（Ｎｏ）→Ｓ１０６）、判定用差分値Ｄｅｌｔａ_ρｍ（ｋ）が閾値σ_{Ｄｅｌｔａρ}以上であれば、閾値σ_{Ｄｅｌｔａρ}に基づいて誤差分散σ_ρｍ（ｋ）を算出する（Ｓ１０５（Ｙｅｓ）→Ｓ１０７）。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ＧＮＳＳ衛星からの測位信号を用いて自装置の測位を行う測位方法および測位プログラム、特に誤差共分散行列を備える航跡フィルタを用いて測位演算を行う測位方法および測位プログラムに関するものである。

従来、ＧＮＳＳ衛星からの測位信号を受信して測位を行う測位装置が、多く実用化されれており、各種の移動端末に利用されている。

このような測位装置では、測位信号を用いて観測される擬似距離およびキャリア位相（デルタレンジ）を、航跡フィルタに代入して、自装置位置や相対速度の推定演算を行っている。そして、航跡フィルタとしては、従来、非特許文献１に示すようなカルマンフィルタが多く用いられている。

このような従来のカルマンフィルタでは、当該フィルタの推定精度に影響を与えるパラメータとして共分散行列が与えられる。具体的に、擬似距離と相対速度とを同時に推定演算する航跡フィルタであれば、擬似距離の誤差分散と相対測位の誤差分散を有する誤差共分散行列が与えられる。

従来では、このような擬似距離の誤差分散と相対測位の誤差分散は単に一定値が与えられていたり、Ｃ／Ｎｏのみによって決定されていた。

また、特許文献１には観測擬似距離と推定擬似距離との差分値からマルチパスを検出し、誤差の大きな受信信号（測位信号）を利用しないようにする測位方法が記載されている。

また、特許文献２には、信号強度から受信環境を判定し、受信環境に応じてカルマンフィルタの誤差共分散を補正する測位方法が記載されている。この方法では、受信環境を段階的に判断して、段階毎に補正値を設定し、初期の誤差共分散を当該補正値で補正している。

特開２００３−５７３２７号公報 特開２００９−９２５４１号公報

Greg Welch, andGary Bishop, 「An Introduction to the Kalman Filter」Department ofComputer Science, University of North Carolina at Chapel Hill, Chapel Hill,NC27599-3175, July 24, 2006

しかしながら、上述の非特許文献１の技術を基礎とした従来の方法では、測位結果の推定精度が低い場合がある。具体的には、例えば、測位装置および測位用アンテナを搭載した自動車が市街地を走行する場合、測位衛星からの直接な測位信号のみを受信する場合と、さらに周囲の高層建築物に反射した測位信号（マルチパス）を受信する場合とがある。このような周囲からの反射による測位信号を受信して、当該測位信号を用いて測位演算を行うと、測位誤差が大きくなってしまう。

特に、上述のように、誤差共分散行列の各誤差分散を一定値もしくはＣ／Ｎｏのみにより決定した場合、マルチパスの影響を受けて測位誤差が大きくなることがあった。

また、特許文献１に示す方法では、マルチパスの影響を受けない測位信号が所定数（４個）以上なければ、測位演算することができない。

また、特許文献２に示す方法では、信号強度から受信環境を判定するとともに、受信環境の段階分け数の種類でしか誤差分散を補正できず、マルチパスに応じた高精度な測位演算ができるとは限らない。

したがって、本発明の目的は、マルチパスに影響されることなく、測位演算を高精度に行うことができる測位方法および測位装置を実現することにある。

この発明は、ＧＮＳＳ測位信号の受信信号から航跡フィルタを用いて、位置または速度を推定する測位方法に関する。この測位方法では、マルチパスを検出するマルチパス検出工程と、航跡フィルタの設計パラメータである観測誤差の誤差共分散行列をマルチパスの検出有無に基づいて設定する観測誤差設定工程と、該観測誤差設定工程で設定された航跡フィルタを用いて、位置または速度を推定する推定演算工程と、を有する。

この方法では、マルチパスに応じて観測誤差の誤差共分散行列が設定されるので、マルチパスの状況に応じた最適な航跡フィルタを設定することができる。

また、この発明の測位方法では、第１時刻に受信した受信信号のコード位相差に基づいて観測擬似距離を算出する観測擬似距離算出工程と、第１時刻よりも過去の第２時刻の位置および該第２時刻の速度に基づき算出した第１時刻におけるＧＮＳＳ受信装置の算出位置と第１時刻における衛星の位置とに基づいて推定擬似距離を算出する推定擬似距離算出工程と、をさらに有する。マルチパス検出工程は、観測擬似距離と推定擬似距離とに基づいてマルチパスを検出する。

この方法では、マルチパスの検出方法を示している。この方法を用いることで、マルチパスを正確に検出することができる。これにより、マルチパスに応じた観測誤差の誤差共分散行列も正確に設定できる。

また、この発明の測位方法では、ＧＮＳＳ衛星の配置に基づく測位精度の指標である位置精度劣化度とＣ／Ｎｏとに基づいて閾値を設定する閾値設定工程をさらに有する。マルチパス検出工程は、観測擬似距離と推定擬似距離との差分値と閾値との比較結果に基づいてマルチパスを検出する。

この方法では、具体的なマルチパスの検出方法を示している。

また、この発明の測位方法の観測誤差設定工程では、マルチパス検出工程でマルチパスを検出した場合に、閾値に基づいて前記誤差共分散行列の誤差分散を設定する。一方、観測誤差設定工程では、マルチパス検出工程でマルチパスを検出しない場合に、Ｃ／Ｎｏに基づいて誤差分散を設定する。

この方法では、マルチパスに応じた具体的な観測誤差の設定方法を示している。

また、この発明の測位方法では、マルチパスを検出した場合の誤差分散は閾値であり、マルチパスを検出しない場合の誤差分散は、予め実験的に得られたＣ／Ｎｏを用いた指数関数の近似式から算出された値である。

この方法では、マルチパスを検出した場合としない場合とでの具体的な誤差分散の設定方法を示している。

また、この発明の測位方法では、マルチパスを検出した場合の誤差分散に設定される閾値は、所定の補正係数を乗算することで補正されている。

この方法では、具体的な閾値の設定方法を示しており、閾値を補正することで、よりマルチパスに応じた適する誤差分散を設定できる。

また、この発明の測位方法では、擬似距離に対する補正係数と、相対速度に対する前記補正係数とが異なっている。

この方法では、補正係数の具体的な設定方法を示している。これにより、擬似距離と相対測位とでそれぞれの状況に応じた閾値を設定できる。

また、この発明の測位方法では、閾値は、観測擬似距離を観測値とし、推定擬似距離を期待値とするχ^２検定結果に基づいて設定される。

この構成では、閾値のより具体的な設定方法を示している。

この発明によれば、マルチパスの有無に影響されることなく、それぞれの状況に応じて適する誤差共分散行列を設定することができる。これにより、航跡フィルタを用いた推定演算結果が高精度になり、自装置位置や相対速度を高精度に算出することができる。

特定の１個のＧＰＳ衛星からのＧＰＳ信号を経時的に受信した際のＣ／Ｎｏと擬似距離誤差との時間遷移を示す実験結果の図である。 本発明の実施形態に係る測位演算のフローチャートである。 マルチパスの判断概念を示す図である。 本実施形態の処理と、従来の誤差共分散行列の各誤差分散を一定に設定する処理とでの、擬似距離の推定結果を示したグラフである。 本実施形態の測位装置１の主要構成を示すブロック図である。 本実施形態の測位装置１を備えた移動端末１００の主要構成を示すブロック図である。

本発明の実施形態に係る測位方法およびこれを実現するための測位プログラムおよび測位装置について、図を参照して説明する。なお、本実施形態の測位方法、測位プログラムおよび測位装置は、ＧＮＳＳのどの測位システムに対しても適用することができる。

また、以下の説明では、航跡フィルタとしてカルマンフィルタを用いる例を示すが、誤差共分散行列によりフィルタのパラメータ設定を行える推定演算であれば、本願の方法を適用することができる。

本実施形態の測位方法では、次式（式１）に示す航跡フィルタを用いる。

この（式１）に示す航跡フィルタにおいて、ρρ（ｋ）は演算タイミングｋでの観測ベクトルであり、ｘｘ（ｋ）は演算タイミングｋでの状態ベクトルである。また、ＨＨは方向余弦行列であり、ν（ｋ）はタイミングｋでの観測誤差である。観測誤差ν（ｋ）は、誤差共分散行列ＲＲ（ｋ）且つ零平均の多変数正規（ガウス）分布に従っている。したがって、観測誤差ν（ｋ）は、ν（ｋ）〜Ｎ（０，ＲＲ）で定義される。

観測ベクトルρρ（ｋ）は次式で表される。

（式２）において、ρ１（ｋ）〜ρｎ（ｋ）は、それぞれ測位衛星ＳＶ（１）〜ＳＶ（ｎ）と自装置間との観測擬似距離であり、Δρ１（ｋ）〜Δρｎ（ｋ）は、それぞれ観測デルタレンジ（ドップラシフト）である。

状態ベクトルｘｘ（ｋ）は次式で表される。

（式３）において、［ｘ（ｋ），ｙ（ｋ），ｚ（ｋ）］は自装置の直交座標系での推定位置であり、［ｔ（ｋ）］は自装置の受信機時計誤差であり、［Δｘ（ｋ），Δｙ（ｋ），Δｚ（ｋ）］は自装置の直交座標系での相対速度であり、［Δｔ（ｋ）］は自装置の受信機時計誤差の変分量である。

ＨＨは方向余弦行列は、次式で表される。

（式４）において、Ｈｍｘは、擬似距離および相対速度に関する方向余弦行列である。ここで、方向余弦行列Ｈｍｘは（衛星数）×４の要素を有する行列であり、方向余弦行列ＨＨにおける、方向余弦行列Ｈｍｘ以外の行列要素は「０」であり、式では０ｍｘの行列として表している。

また、観測誤差ν（ｋ）を決定する誤差共分散行列ＲＲ（ｋ）は次式で表される。

（式５）において、σ^２ _ρ１（ｋ）〜σ^２ _ρｎ（ｋ）は、測位衛星ＳＶ（１）〜ＳＶ（ｎ）毎の擬似距離に関する誤差分散であり、σ^２ _Δρ１（ｋ）〜σ^２ _Δρｎ（ｋ）は、測位衛星ＳＶ（１）〜ＳＶ（ｎ）毎の相対速度に関する誤差分散である。誤差共分散行列ＲＲ（ｋ）における誤差分散σ^２ _ρ１（ｋ）〜σ^２ _ρｎ（ｋ），σ^２ _Δρ１（ｋ）〜σ^２ _Δρｎ（ｋ）以外の行列要素は「０」であり、式では０ｍｘの行列として表している。

そして、この式（５）から観測誤差ν（ｋ）を設定し、当該観測誤差ν（ｋ）と（式２）〜（式４）を（式１）に代入することで、次式に示す航跡フィルタが得られる。

このような航跡フィルタでは、状態ベクトルｘｘ（ｋ）が推定演算により算出される値であり、観測ベクトルρρ（ｋ）は受信信号に基づいて取得できる観測値である。また、方向余弦行列ＨＨは、推定する位置と観測される擬似距離、推定する相対速度と観測されるデルタレンジとの線形写像を行う行列であり、予め既知の方法で設定されている。

観測誤差ν（ｋ）の誤差共分散行列ＲＲ（ｋ）の構成要素である誤差分散σ^２ _ρ１（ｋ）〜σ^２ _ρｎ（ｋ），σ^２ _Δρ１（ｋ）〜σ^２ _Δρｎ（ｋ）は、次に示す方法によりマルチパスの状況に応じて適宜設定される。

図１は、Ｃ／Ｎｏと擬似距離誤差とのマルチパス依存性を示す、特定の１個のＧＰＳ衛星からのＧＰＳ信号を経時的に受信した際のＣ／Ｎｏと擬似距離誤差との時間遷移を示す実験結果の図である。なお、本実験は、自装置位置すなわち真の擬似距離が既知の状態である前提で行われている。

図１における擬似距離誤差は、それぞれのエポック（ｅｐｏｃｈ）での擬似距離と真の擬似距離との差分値である。擬似距離は、各カウントタイミングに準じて受信信号のコード相関結果を過去側の所定時間長（例えば１秒間）積算した結果から算出される。また、図１におけるＣ／Ｎｏは、各エポックに準じて受信信号の２次元の相関スペクトルによる相関結果を過去側の所定時間長（例えば１秒間）積算した結果から算出される。

図１に示すように、ハッチング部である８０エポック〜１２０エポック程度の時間領域、および２５０エポック〜３６０エポック程度の時間領域は、擬似距離誤差は、略「０」となっており、当該時間領域ではマルチパスが発生しておらず、他の時間領域ではマルチパスが発生している可能性が高いと考えられる。

図１に示すように、マルチパスが発生していない時間領域（ハッチングの時間領域）ではＣ／Ｎｏが安定しているが、マルチパスが発生している時間領域（ハッチングの時間領域以外の時間領域）では、擬似距離誤差もＣ／Ｎｏもばらついている。

したがって、マルチパスが発生している時間領域（マルチパスが大きいと判断される時間領域）とマルチパスが発生していない（マルチパスが少ないもしくは殆ど無いと判断される時間領域）とで、個別に誤差共分散行列を設定することで、単にＣ／Ｎｏによって誤差共分散行列を設定するよりも、状況に応じた誤差共分散行列を設定することが可能になる。

なお、測位衛星ＳＶ１〜ＳＶｎ（ｎは整数で、観測可能な測位衛星数に相当する）のそれぞれで誤差分散の設定方法は同じであるので、ある測位衛星ＳＶｍ（ｍは説明の便宜上用いるｎ以下の任意の整数）を仮定して、誤差分散の設定方法を説明する。

図２は、本実施形態の測位演算のフローチャートであり、当該フローチャートに沿って誤差分散の設定方法、航跡フィルタの誤差共分散行列の設定方法、および測位演算のフローを説明する。推定値として自装置位置を用いた場合を例に示す。

演算タイミングｋにおいて、測位衛星ＳＶｍからの測位信号に基づく受信信号のコード位相差から観測擬似距離ρ_ｍ（ｋ）を算出する（図２：Ｓ１０１）。この際、演算タイミングｋは所定間隔（例えば１秒間隔）からなり、観測擬似距離ρ_ｍ（ｋ）は、直前のタイミングｋ−１から今回のタイミングまでに含まれるエポックでのコード位相誤差の積算値から算出される。

このような観測擬似距離ρ_ｍ（ｋ）の算出とともに、判定用の推定擬似距離ρ_ｍｐ（ｋ）を算出する（図２：Ｓ１０２）。ここで、前回（ｋ−１）の推定結果である算出位置Ｐｏｓ（ｋ−１）と算出相対速度Ｖｅｌ（ｋ−１）とを用いるとともに、航法メッセージに含まれる衛星軌道情報から得られた今回（ｋ）での測位衛星ＳＶ_ｍ（ｋ）の位置Ｐｓｓ（ｋ）とを用いると、判定用の推定擬似距離ρ_ｍｐ（ｋ）は、次式で与えられる。なお、次式におけるＴｉｎｔは、演算タイミング（ｋ−１）と演算タイミング（ｋ）との時間間隔であり、次式における二重縦線で囲む記号は、三次元距離を算出することを意味する演算記号である。

続いて、次式に示すように、観測擬似距離ρ_ｍ（ｋ）と判定用の推定擬似距離ρ_ｍｐ（ｋ）との差分値から、判定用差分値Ｄｅｌｔａ_ρｍ（ｋ）を算出する（図２：Ｓ１０３）。

このように算出された判定用差分値Ｄｅｌｔａ_ρｍ（ｋ）が、次に設定方法を示す閾値σ_{Ｄｅｌｔａρ}以上であればマルチパスが大きいものと判定し、閾値σ_{Ｄｅｌｔａρ}未満であればマルチパスが小さいもしくは殆ど無いものと判定できる値である。

この閾値σ_{Ｄｅｌｔａρ}は次式から算出される（図２：Ｓ１０４）。

（式９）において、をσ^２ _ＰＯＳは前回算出した位置の確からしさであり、σ^２ _Ｖｅｌは前回算出した相対速度の確からしさである。

位置の確からしさσ^２ _ＰＯＳは次式で算出される。

（式１０）において、σ^２ _ρＣＮは受信信号のＣ／Ｎｏを特定値（例えば４５［ｄＢ−Ｈｚ］）に設定した状況における擬似距離の誤差分散であり、ＰＤＯＰは衛星配置に基づく測位精度の指標値である。ＰＯＤＰは本発明の位置精度劣化度に相当する。

また、相対速度の確からしさσ^２ _Ｖｅｌは次式で算出される。

（式１１）において、σ^２ _ΔρＣＮは受信信号のＣ／Ｎｏを特定値（例えば４５［ｄＢ−Ｈｚ］）に設定した状況におけるデルタレンジの誤差分散である。

なお、擬似距離の誤差分散σ^２ _ρＣＮは、次式から近似できる。

（式１２）においてａ_０，ａ_１，ａ_２は、適宜設定された係数であり、Ｃ／Ｎｏは上述のような特定値である。

同様に、デルタレンジの誤差分散σ^２ _ΔρＣＮは、次式から算出される。

（式１３）においてａ_３，ａ_４，ａ_５は、適宜設定された係数であり、Ｃ／Ｎｏは上述のような特定値である。

さらに、閾値σ_{Ｄｅｌｔａρ}は、式（Ａ）から得られるχ^２検定結果に基づいて設定される係数Ｋによって補正される。

ここで行われるχ^２検定は、前回の観測擬似距離と推定擬似距離とに基づいている。推定擬似距離は、直前に推定されているＧＮＳＳ受信装置の位置および相対速度と、前記直前の推定のタイミングからχ^２検定のタイミングまでの時間間隔と、χ^２検定のタイミングでの測位衛星位置と、から算出される。そして、次に示す（式Ａ）からχ^２値を算出する。

このχ^２値が予め設定した判定用基準値「１」（有意水準１％）以下であれば当該χ^２検定結果は採択であり、χ^２値が予め設定した判定用基準値よりも大きければ当該χ^２検定結果は棄却となる。

実際の演算上は、閾値σ_{Ｄｅｌｔａρ}に対して係数Ｋを乗算することで補正が行われる。

χ^２検定に採択された場合は、棄却された場合よりも、係数Ｋの値を小さく設定する。言い換えれば、観測値に対して推定値が精度良く推定されている場合には、観測値に対して推定値が精度良く推定されていない場合よりも、係数Ｋの値を小さく設定する。これにより、観測値が安定な状況での閾値の方が、観測値が不安定な状況での閾値よりも小さく設定される。これにより、安定な状況の方が不安定な状況よりもマルチパスの判断基準を厳しくすることができる。

なお、このような閾値σ_{Ｄｅｌｔａρ}の補正は、行わなくても構わないが、行うことで、より適する閾値が得られる。

次に、判定用差分値Ｄｅｌｔａ_ρｍ（ｋ）とＫ倍された閾値Ｋσ_{Ｄｅｌｔａρ}（説明の便宜上「補正閾値」と称する。）とを比較する。ここで、判定用差分値Ｄｅｌｔａ_ρｍ（ｋ）が補正閾値Ｋσ_{Ｄｅｌｔａρ}未満であれば（ＡＢＳ（Ｄｅｌｔａ_ρｍ（ｋ））＜Ｋσ_{Ｄｅｌｔａρ}）、マルチパスが少ないもしくはマルチパスが殆ど無いものと判断し、誤差分散σ^２ _ρＬ（Ｌは１〜ｎのいずれか）を、上述の（式１２）で示すＣ／Ｎｏによる近似式から算出する方法を用いる（図２：Ｓ１０５（Ｎｏ）→Ｓ１０６）。

一方、判定用差分値Ｄｅｌｔａ_ρｍ（ｋ）が補正閾値Ｋσ_{Ｄｅｌｔａρ}以上であれば（ＡＢＳ（Ｄｅｌｔａ_ρｍ（ｋ））≧Ｋσ_{Ｄｅｌｔａρ}）、マルチパスが大きいものと判断し、誤差分散σ^２ _ρＬ（Ｌは１〜ｎのいずれか）を補正閾値に基づいて算出する方法を用いる（図２：Ｓ１０５（Ｙｅｓ）→Ｓ１０７）。

ここで、このようなマルチパスの判断処理を、概念的な図で表すと、図３に示すようになる。図３は、マルチパスの判断概念を示す図である。図３（Ａ）は三次元的に見た概念図であり、図３（Ｂ）は判定用差分値Ｄｅｌｔａ_ρｍ（ｋ）を説明するための二次元に投影した図である。なお、図３（Ｂ）では測位衛星ＳＶｍ_２の場合を図示している。図３に示すように、測位衛星ＳＶｍ_１に対しては、観測擬似距離ρ_ｍ１（ｋ）に基づく観測により得られるであろう位置が、判定用の推定擬似距離ρ_ｍｐｍ１（ｋ）に基づく推定位置に近くなっている。この場合、観測擬似距離ρ_ｍ１（ｋ）と判定用の推定擬似距離ρ_ｍｐｍ１（ｋ）との判定用差分値Ｄｅｌｔａ_ρｍ１（ｋ）は小さくなり、補正閾値Ｋσ_{Ｄｅｌｔａρ}により決まる仮説検定採択領域の内部領域に収まる。このような場合は、観測結果と推定結果とが近くなる可能性が高く、受信状態が安定し、マルチパスが少ないもしくはマルチパスが殆ど無いと判断できる。

一方、測位衛星ＳＶｍ_２に対しては、観測擬似距離ρ_ｍ２（ｋ）に基づく観測により得られるであろう位置が、判定用の推定擬似距離ρ_ｍｐｍ２（ｋ）に基づく推定位置から遠くなっている。この場合、観測擬似距離ρ_ｍ２（ｋ）と判定用の推定擬似距離ρ_ｍｐｍ２（ｋ）との判定用差分値Ｄｅｌｔａ_ρｍ２（ｋ）は大きくなり、補正閾値Ｋσ_{Ｄｅｌｔａρ}により決まる仮説検定採択領域から外れる。このような場合は、観測結果と推定結果とが遠くなる可能性が高く、受信状態が不安定で、マルチパスが大きいと判断できる。

このように、マルチパスが小さい（殆ど無い）場合と大きい場合とで、状況が異なるので、それぞれの状況に応じて、航跡フィルタの設計パラメータである誤差共分散行列ＲＲ（ｋ）を構成する誤差分散の設定を異ならせる。

処理に説明を戻し、つぎに、判定用差分値Ｄｅｌｔａ_ρｍ（ｋ）が補正閾値Ｋσ_{Ｄｅｌｔａρ}以上の場合、すなわちマルチパスが大きいと判断できる場合の誤差分散σ^２ _ρの設定方法を説明する。

このような場合、上述のように擬似距離の誤差が誤差の殆どを占めると考えることができる。したがって、誤差は観測値と推定値との差分値に等しいとして、次式のように誤差の標準偏差に係数Ｋを乗算したものと判定用差分値とが等しいと設定する。

この（式１４）を変形すると、（式１５）が得られる。

ここで、係数Ｋ＝１とおく。なお、この係数Ｋは、上述の閾値の補正すなわち図３に示すような仮説検定採択領域の設定の場合には、χ^２検定結果に基づいて棄却された場合の方が採択された場合よりも大きな値（例えば採択ならＫ＝１、棄却ならＫ＝２）になるように設定しており、当該異なる設定条件で用いても良い。しかしながら、棄却される場合の方が、観測値も推定値も誤差要因が多く、擬似距離の誤差は大きくなる可能性が高い。したがって、ここでは棄却された場合もＫを小さく設定する。これにより、誤差分散の値は大きくなるので、χ^２検定が棄却された測位衛星に対する誤差分散を、より適するもの設定できる。

次に、（式１５）に対して、上述の（式９）、（式１０）、（式１１）を用いて変形すると、擬似距離の誤差分散σ^２ _ρ（ｋ）は、次式で表すことができる。

本式（式１６）において、判定用差分値Ｄｅｌｔａ_ρｍ（ｋ）は、上述の（式８）に示すように観測擬似距離ρ_ｍ（ｋ）と判定用の推定擬似距離ρ_ｍｐ（ｋ）とから得られる。また、ＰＤＯＰは方向余弦行列の対角要素から既知の算出方法により算出することができる。また、相対速度の分散σ^２ _Ｖｅｌ（ｋ−１）は、前回推定した相対速度から得られる。しがって、これらの値を（式１６）に代入することで、擬似距離の誤差分散σ^２ _ρ（ｋ）を算出することができる。

デルタレンジΔρ_ｍ（ｋ）の誤差分散σ^２ _Δρ（ｋ）も、上述の擬似距離の誤差分散σ^２ _ρ（ｋ）と同様に判定用差分値を算出して設定することができる。

デルタレンジΔρ_ｍ（ｋ）の場合の判定用差分値Ｄｅｌｔａ_Δρｍは、擬似距離ρ_ｍ（ｋ）に対する（式８）に対応して、次式からなる。

（式１７）において、Δρ_ｍｐ（ｋ）は判定用推定デルタレンジである。

判定用推定デルタレンジは次式から算出できる。

（式１８）において、ＳｖＶｅｌ（ｋ）は、航法メッセージの衛星軌道情報から得られる今回の測位衛星ＳＶ（ｍ）の速度であり、Ｖｅｌ（ｋ−１）は、前回の推定結果から得られる自装置の推定相対速度である。

このように設定される判定用差分値Ｄｅｌｔａ_Δρｍを用いて、上述の擬似距離と同様に、閾値σ_{Ｄｅｌｔａρ}未満であるか以上であるかを判断する。そして、判定用差分値Ｄｅｌｔａ_Δρｍが閾値σ_{Ｄｅｌｔａρ}未満であれば、擬似距離の場合と同様に、Ｃ／Ｎｏの近似式（式１３）を用いて誤差分散σ^２ _Δρｍ（ｋ）を算出する。

一方、判定用差分値Ｄｅｌｔａ_Δρｍが閾値σ_{Ｄｅｌｔａρ}以上であれば、次に示す考え方により誤差分散σ^２ _Δρｍ（ｋ）を算出する。
まず、（式１７）の両辺の分散を取る。

ここで、上述の擬似距離の（式１４）と同様に判定用差分値と誤差とが一致すると考え、次式を設定する。

また、（式１９）における判定用推定デルタレンジの誤差分散σ^２ _Δρｍ（ｋ）は、前回の誤差分散σ^２ _Δρｍ（ｋ−１）とＰＤＯＰとの積から算出でき、次式で表される。

そして、デルタレンジは擬似距離と比較して観測誤差が小さく、前回の観測誤差と今回の観測誤差とを同じと仮定することができる。したがって、（式１９）に（式２０）、（式２１）を代入し、σ_Δρｍ（ｋ−１）＝σ_Δρｍ（ｋ）として、変形すると次式が得られる。

この（式２２）において、左辺はデルタレンジの誤差分散であり、右辺の各要素は、観測値、前回の推定値、および方向余弦行列から算出可能な値であるので、当該式を用いることで、デルタレンジの誤差分散σ^２ _Δρｍ（ｋ）も算出することができる。

このような各誤差分散σ^２ _ρｍ（ｋ）,σ^２ _Δρｍ（ｋ）の算出は、測位衛星Ｓｖ１〜ＳＶｎのそれぞれに対して実行される。そして、算出された各誤差分散σ^２ _ρｍ（ｋ）,σ^２ _Δρｍ（ｋ）を用いて、誤差共分散行列ＲＲ（ｋ）を設定する（図２：Ｓ１０８）。

そして、上述のように擬似距離およびデルタレンジの誤差分散により設定された誤差共分散行列ＲＲ（ｋ）により観測誤差ν（ｋ）を設定する。さらに、この観測誤差ν（ｋ）、観測ベクトルρρ（ｋ）を構成する観測擬似距離および観測デルタレンジを、（式６）に示す航跡フィルタへ代入することで、測位演算を実行し、推定位置および推定相対速度を算出する（図２：Ｓ１０９）。

以上のような処理を行うことで、マルチパスの状況に応じて適する誤差分散が設定される。これにより、マルチパスの状況に影響されることなく、高精度な測位結果を得ることができる。

図４は、本実施形態の処理と、従来の誤差共分散行列の各誤差分散を一定に設定する処理とでの、水平方向の測位誤差の推定結果を示したグラフであり、横軸が時刻に相当するエポックを示し、縦軸が測位誤差を示す。図４に示すように、本実施形態の処理を用いることで、マルチパスの状況に関係なく、従来のよりも測位誤差を小さくすることができる。

なお、上述の説明では、擬似距離に対する係数Ｋの設定と、デルタレンジに対する係数Ｋの設定の違いについて、特に示していないが、これらの設定は同じであっても良く、異ならせても良い。例えば、推定相対速度が推定位置よりも確からしいような状況であれば、デルタレンジに設定する係数Ｋ_Δを、擬似距離に設定する係数Ｋ_ρよりも小さくすればよい。例えば、擬似距離用の係数Ｋ_ρを一桁の値とした場合に、デルタレンジ用の係数Ｋ_Δを１０^−１や１０^−３程度に設定するとよい。これにより、相対速度の推定結果が重視される航跡フィルタを設定できる。

次に、このような測位演算処理を実現する装置構成を、図を参照して説明する。図５は、本実施形態の測位装置１の主要構成を示すブロック図である。

図５に示すように、本実施形態の測位装置１は、キャリア相関部１３、コード相関部１４、デルタレンジ測定部１５、Ｃ／Ｎｏ測定部１６、擬似距離算出部１７、および測位演算部１８を備える。キャリア相関部１３およびコード相関部１４は、本実施形態では個別のループで構成する例を示しているが、所謂コード相関結果をキャリア相関処理に利用し、キャリア相関結果をコード相関処理に利用する、所謂コード−キャリア統合追尾ループを用いてもよい。

これらキャリア相関部１３およびコード相関部１４には、ベースバンド変換部１２に接続している。ベースバンド変換部１２は、アンテナ１０で受信したＧＰＳ信号がＲＦ処理部１１によって中間周波数にダウンコンバートされたＩＦ信号が入力される。ベースバンド変換部１２は、キャリア相関部１３のキャリヤＮＣＯ３３からのキャリア周波数信号を用いてＩＦ信号をベースバンドのコード信号に変換してコード相関部１４へ出力する。

キャリア相関部１３は、キャリア相関器３１、ループフィルタ３２、キャリアＮＣＯ３３を備える。キャリア相関器３１は、キャリアＮＣＯ３３からキャリア周波数信号と、ＲＦ処理部１１のＩＦ信号とを乗算して、キャリア位相差を出力する。出力されたキャリア位相差は、ループフィルタ３２を介してキャリアＮＣＯ３３へフィードバックされる。また、キャリア位相差は、デルタレンジ測定部１５へも出力される。

コード相関部１４は、Ｐ相関器４１Ｐ、Ｅ相関器４１Ｅ、Ｌ相関器４１Ｌ、加算器４２、ループフィルタ４３、コードＮＣＯ４４、シフトレジスタ４５を備える。

このコード相関部１４は、所謂Ｅａｒｌｙ−Ｌａｔｅ相関を行うことで、コード追尾を行う相関部である。

Ｐ相関器４１Ｐは、Ｐｕｎｃｔｕａｌレプリカコードとベースバンド変換部１２からのコード信号とを乗算してＰｕｎｃｔｕａｌの位相差データを出力する。Ｅ相関器４１Ｅは、Ｐｕｎｃｔｕａｌレプリカコードに対してコード位相が１／２ｃｈｉｐ分進むＥａｒｌｙレプリカコードとベースバンド変換部１２からのコード信号とを乗算してＥａｒｌｙの位相差データを出力する。Ｌ相関器４１Ｌは、Ｐｕｎｃｔｕａｌレプリカコードに対してコード位相が１／２ｃｈｉｐ分遅れるＬａｔｅレプリカコードとベースバンド変換部１２からのコード信号とを乗算してＬａｔｅの位相差データを出力する。なお、本実施形態では、Ｅａｒｌｙ，Ｐｕｎｃｔｕａｌ，Ｌａｔｅの各位相差を１／２ｃｈｉｐとしているが、状況に応じて適宜設定すればよい。

加算器４２は、Ｅａｒｌｙの位相差データとＬａｔｅの位相差データとを差分して、Ｅ−Ｌ相関データを生成する。Ｅ−Ｌ相関データは、ループフィルタ４３を介してコードＮＣＯ４４へフィードバックされるとともに擬似距離算出部１７へも出力される。

コードＮＣＯ４４は、Ｅ−Ｌ相関データに基づいてレプリカコードを生成し、シフトレジスタ４５へ出力する。シフトレジスタ４５は、コードＮＣＯ４４からのレプリカコードに基づいて、互いにコード位相が１／２ｃｈｉｐ分ずつ異なるＥａｒｌｙレプリカコード、Ｐｕｎｃｔｕａｌレプリカコード、およびＬａｔｅレプリカコードを生成する。ＰｕｎｃｔｕａｌレプリカコードはＰ相関器４１Ｐへ、ＥａｒｌｙレプリカコードはＥ相関器４１Ｅへ、ＬａｔｅレプリカコードはＬ相関器４１Ｌへ同期して出力される。

デルタレンジ測定部１５は、キャリア位相差からドップラ周波数を算出し、当該ドップラ周波数の所定時間長（例えば１秒）分を積分することで、観測デルタレンジΔρ_ｍ（ｋ）を算出する。

Ｃ／Ｎｏ測定部１６は、コード相関部１４からのＰｕｎｃｔｕａｌの位相差データを所定時間長（例えば１秒間）記憶し、これら記憶した時間軸上に列ぶ複数のＰｕｎｃｔｕａｌの位相差データをＦＦＴ処理等の周波数変換処理し、時間軸上のスペクトルと周波数軸上のスペクトルとからなる二次元の相関スペクトルの相関結果からＣ／Ｎｏを測定する。なお、ここでは、二次元の相関スペクトルを用いたが、他の方法であってもよい。

擬似距離算出部１７は、コード相関部１４からのＥ−Ｌ相関データに基づいて、既知の方法から観測擬似距離ρ_ｍ（ｋ）を算出する。

測位演算部１８は、デルタレンジ測定部１５から入力される観測デルタレンジΔρ_ｍ（ｋ）と、擬似距離算出部１７から順次入力される観測擬似距離ρ_ｍ（ｋ）を用いるとともに、復調された航法メッセージを用いて、上述のようなマルチパスの状況に応じた誤差分散σ^２ _ρｍ（ｋ）、σ^２ _δρｍ（ｋ）を設定する。

次に、測位演算部１８は、設定した誤差分散σ^２ _ρｍ（ｋ）、σ^２ _δρｍ（ｋ）を用いて上述の（式６）の航跡フィルタの誤差共分散行列ＲＲ（ｋ）を設定し、観測擬似距離ρ_ｍ（ｋ）と観測デルタレンジΔρ_ｍ（ｋ）とを（式６）の航跡フィルタに代入することで、自装置位置および相対速度等を推定算出し、出力する。

なお、上述の説明では、機能ブロックによる構成で、上述の測位方法を実現する例を示したが、上述の測位方法をプログラム化して、メモリに記憶しておき、ＣＰＵで当該プログラムを処理演算して、測位演算処理を実行するようにしてもよい。

そして、このような測位装置１や測位演算機能は、図６に示すような移動端末１００に利用される。図６は、本実施形態の測位装置１を備えた移動端末１００の主要構成を示すブロック図である。

図６に示すような移動端末１００は、例えば携帯電話機、カーナビゲーション装置、ＰＮＤ、カメラ、時計等であり、アンテナ１０、受信部１１０、測位装置１、アプリケーション処理部１３０を備える。受信部１１０と測位装置１とでＧＮＳＳ受信装置２００が構成されている。

アンテナ１０は図５に示したアンテナと同じであり、受信部１１０は、図５のＲＦ処理部１１およびベースバンド変換部１２に相当する機能部である。

図６に示す測位装置１は、上述の図５の測位装置１や測位演算機能部であり、自装置の位置や相対速度等を推定算出して、アプリケーション処理部１３０へ出力する。

アプリケーション処理部１３０は、得られた測位結果に基づいて、自装置位置や自装置速度を表示したり、ナビゲーション等に利用するための処理を実行する。

このような構成において、上述の高精度な測位結果を得られることで、高精度な位置表示やナビゲーション等を実現することができる。

１−測位装置、１０−アンテナ、１１−ＲＦ処理部、１２−ベースバンド変換部、１３−キャリア相関部、３１−キャリア相関器、３２−ループフィルタ、３３−キャリアＮＣＯ、１４−コード相関部、４１Ｐ−Ｐ相関器、４１Ｅ−Ｅ相関器、４１Ｌ−Ｌ相関器、４２−加算器、４３−ループフィルタ、４４−コードＮＣＯ、４５−シフトレジスタ、１５−デルタレンジ測定部、１６−Ｃ／Ｎｏ測定部、１７−擬似距離算出部、１８−測位演算部、１００−移動端末、１１０−受信部、１２０−アプリケーション処理部、２００−ＧＮＳＳ受信装置

Claims (17)

1. ＧＮＳＳ測位信号の受信信号から航跡フィルタを用いて、位置または速度を算出する測位方法であって、
   マルチパスを検出するマルチパス検出工程と、
   前記航跡フィルタの設計パラメータである観測誤差の誤差共分散行列を前記マルチパスの検出有無に基づいて設定する観測誤差設定工程と、
   該観測誤差設定工程で設定された航跡フィルタを用いて、位置または速度を算出する測位演算工程と、を有することを特徴とする測位方法。
2. 請求項１に記載の測位方法であって、
   第１時刻に受信した受信信号のコード位相差に基づいて観測擬似距離を算出する観測擬似距離算出工程と、
   前記第１時刻よりも過去の第２時刻の位置および該第２時刻の速度に基づき算出した前記第１時刻におけるＧＮＳＳ受信装置の算出位置と前記第１時刻における衛星の位置とに基づいて推定擬似距離を算出する推定擬似距離算出工程と、をさらに有し、
   前記マルチパス検出工程は、前記観測擬似距離と前記推定擬似距離とに基づいてマルチパスを検出する、測位方法。
3. 請求項２に記載の測位方法であって、
   ＧＮＳＳ衛星の配置に基づく測位精度の指標である位置精度劣化度とＣ／Ｎｏとに基づいて閾値を設定する閾値設定工程をさらに有し、
   前記マルチパス検出工程は、前記観測擬似距離と前記推定擬似距離との差分値と前記閾値との比較結果に基づいてマルチパスを検出する、測位方法。
4. 請求項３に記載の測位方法であって、
   前記観測誤差設定工程は、
   前記マルチパス検出工程でマルチパスを検出した場合に、前記閾値に基づいて前記誤差共分散行列の誤差分散を設定し、
   前記マルチパス検出工程でマルチパスを検出しない場合に、前記Ｃ／Ｎｏに基づいて前記誤差分散を設定する、測位方法。
5. 請求項４に記載の測位方法であって、
   前記マルチパスを検出した場合の前記誤差分散は前記閾値であり、
   前記マルチパスを検出しない場合の前記誤差分散は、予め実験的に得られた前記Ｃ／Ｎｏを用いた指数関数の近似式から算出された値である、測位方法。
6. 請求項３乃至請求項５のいずれかに記載の測位方法であって、
   前記閾値設定工程は、前記閾値に所定の補正係数を乗算する、測位方法。
7. 請求項６に記載の測位方法であって、
   擬似距離に対する前記補正係数と、相対速度に対する前記補正係数とが異なっている、測位方法。
8. 請求項６または請求項７に記載の測位方法であって、
   前記補正係数は、前記観測擬似距離を観測値とし、前記推定擬似距離を期待値とするχ^２検定の採否によって異なる、測位方法。
9. ＧＮＳＳ測位信号の受信信号から航跡フィルタを用いて、位置または速度を算出するための測位プログラムであって、
   マルチパスを検出するマルチパス検出処理と、
   前記航跡フィルタの設計パラメータである観測誤差の誤差共分散行列を前記マルチパスの検出有無に基づいて設定する観測誤差設定処理と、
   該観測誤差設定工程で設定された航跡フィルタを用いて、位置または速度を算出する測位演算処理と、を有することを特徴とする測位プログラム。
10. 請求項９に記載の測位プログラムであって、
    第１時刻に受信した受信信号のコード位相差に基づいて観測擬似距離を算出する観測擬似距離算出処理と、
    前記第１時刻よりも過去の第２時刻の位置および該第２時刻の速度に基づき算出した前記第１時刻におけるＧＮＳＳ受信装置の算出位置と前記第１時刻における衛星の位置とに基づいて推定擬似距離を算出する推定擬似距離算出処理と、をさらに有し、
    前記マルチパス検出処理は、前記観測擬似距離と前記推定擬似距離とに基づいてマルチパスを検出する、測位プログラム。
11. 請求項１０に記載の測位プログラムであって、
    ＧＮＳＳ衛星の配置に基づく測位精度の指標である位置精度劣化度とＣ／Ｎｏとに基づいて閾値を設定する閾値設定処理をさらに有し、
    前記マルチパス検出処理は、前記観測擬似距離と前記推定擬似距離との差分値と前記閾値との比較結果に基づいてマルチパスを検出する、測位プログラム。
12. 請求項１１に記載の測位プログラムであって、
    前記観測誤差設定処理は、
    前記マルチパス検出処理でマルチパスを検出した場合に、前記閾値に基づいて前記誤差共分散行列の誤差分散を設定し、
    前記マルチパス検出処理でマルチパスを検出しない場合に、前記Ｃ／Ｎｏに基づいて前記誤差分散を設定する、測位プログラム。
13. ＧＮＳＳ測位信号の受信信号に基づいて測位を行うＧＮＳＳ受信装置であって、
    マルチパスを検出するマルチパス検出部と、
    前記航跡フィルタの設計パラメータである観測誤差の誤差共分散行列を前記マルチパスの検出有無に基づいて設定する観測誤差設定部と、
    該観測誤差設定工程で設定された航跡フィルタを用いて、位置または速度を算出する測位演算部と、を備えることを特徴とするＧＮＳＳ受信装置。
14. 請求項１３に記載のＧＮＳＳ受信装置であって、
    第１時刻に受信した受信信号のコード位相差に基づいて観測擬似距離を算出する観測擬似距離算出部と、
    前記第１時刻よりも過去の第２時刻の位置および該第２時刻の速度に基づき算出した前記第１時刻におけるＧＮＳＳ受信装置の算出位置と前記第１時刻における衛星の位置とに基づいて推定擬似距離を算出する推定擬似距離算出部と、をさらに備え、
    前記マルチパス検出部は、前記観測擬似距離と前記推定擬似距離とに基づいてマルチパスを検出する、ＧＮＳＳ受信装置。
15. 請求項１４に記載の測位演算装置であって、
    ＧＮＳＳ衛星の配置に基づく測位精度の指標である位置精度劣化度とＣ／Ｎｏとに基づいて閾値を設定する閾値設定部をさらに備え、
    前記マルチパス検出部は、前記観測擬似距離と前記推定擬似距離との差分値と前記閾値との比較結果に基づいてマルチパスを検出する、ＧＮＳＳ受信装置。
16. 請求項１５に記載の測位演算装置であって、
    前記観測誤差設定部は、
    前記マルチパス検出部でマルチパスを検出した場合に、前記閾値に基づいて前記誤差共分散行列の誤差分散を設定し、
    前記マルチパス検出部でマルチパスを検出しない場合に、前記Ｃ／Ｎｏに基づいて前記誤差分散を設定する、ＧＮＳＳ受信装置。
17. 請求項１３乃至請求項１６のいずれかに記載のＧＮＳＳ受信装置を備えるとともに、
    前記推定演算部の測位演算結果を用いて所定のアプリケーションを実行するアプリケーション処理部を、備える移動端末。

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