JP2006337262A - 測位装置及び測位方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 建物などからのマルチパス波による測位精度劣化を防ぐ。
【解決手段】 複数の測位衛星から測位信号を受信して各測位衛星との疑似距離と測位衛星の位置情報を含む測位関連情報を測位演算部及びデータ抽出部に出力する受信機と、この受信機と測位演算部と地理情報データベースとに接続し、測位演算部が測位関連情報を用いて推定した自己位置と地理情報に基づき自己位置を算出する測位演算に利用する測位衛星を選択するデータ抽出部と、選択された測位衛星の測位関連情報により自己位置を算出する測位演算部とを備えた測位装置であって、前記地理情報は分割された測位エリアと前記測位エリアごとに対応して予め設定された仰角値との対応テーブルを備え、前記データ抽出部は、前記推定した自己位置と前記対応テーブルとから求まる仰角値以上の範囲にある測位衛星を選択する判定部を備えた。
【選択図】 図１

Description

この発明は、衛星測位システムにおける測位装置及び測位方法に関するものである。例えば、空港などの限られたエリアを走行する移動体に備えられた測位装置及び測位方法に関するものである。

ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）は、高度約２００００ｋｍの円軌道を飛行する２４個のＧＰＳ衛星（以下、測位衛星という）を利用した測位システムであり、未地点にあるＧＰＳ測位装置により少なくとも４個の測位衛星を観測し、４つの観測結果に基づいて、未地点の３次元座標（緯度、経度、高さ）とＧＰＳ測位装置内の時計誤差という合計４つの未知数（緯度、経度、高さ、時計誤差）を算出する。具体的にはＧＰＳ測位装置は、それぞれの測位衛星に割り当てられたＣ／Ａコードとの相関をとることで伝搬遅延時間をそれぞれ求め、ＧＰＳ測位装置はそれぞれの伝搬遅延時間に光速を乗じることで、各測位衛星までの疑似距離を４つの測位衛星について求める。ここで、疑似距離とは、ＧＰＳ測位装置から衛星までの真の距離と誤差距離との和である。また、ＧＰＳ測位装置は、それぞれの測位衛星からの航法メッセージに含まれるエフェメリス（衛星軌道情報）より衛星の位置情報を得て、この位置情報と上述した疑似距離に基づいて４元連立方程式（測位方程式）を解くことにより、未知数の座標および時計誤差を求める。
ＧＰＳ受信機に関する技術として特許文献１がある。

特開２０００−３０４８４３号公報

ＧＰＳ測位は理想的な環境下ではスペックどおりの精度で測位が可能であるが、マルチパスの影響により疑似距離データは実際の疑似距離に対して数百ｍ以上の誤差を持つ場合がある。良く知られているように、マルチパスによる影響は測位衛星からの直接波の他に、地面や建物からの反射波を同時に受信することによって発生する。このため、マルチパスが多く発生する環境下や、建物による測位信号の遮蔽がおきる場合は測位精度が大きく劣化する。
空港施設内では貨物車両などの各種車両が走行しているが、滑走路に着陸した航空機を搭乗橋などの空港設備に先導するサービサー（車両）にＧＰＳ測位装置を設置し、ＧＰＳ測位装置が出力する測位結果を利用することで、航空機を正確な経路に従って空港設備まで誘導するようなＧＰＳの利用例が考えられる。しかしながら、サービサーが建物の近くに来た際にはマルチパスの影響により大きな精度劣化を生ずる場合があり、誤まった位置に航空機を先導してしまう恐れがある。視界のよい時であればサービサーの運転車の視認によって位置経路を補正することができるが、霧などにより視界が極めて悪い場合には他の航空機や空港設備に接触するなどの恐れがあった。また、空港設備内を移動する他の航空機等により一時的にマルチパスが生じることがあり、この場合にも測位精度が劣化してしまうという問題があった。

このためＧＰＳ受信機の中にはマルチパス低減技術を実装し、擬似距離の測位精度劣化を一定範囲に抑えるように工夫しているものもある。
マルチパスによる影響を減らす手法として、従来、キャリアスムージング処理やフィルタリング処理が行われているが、ハードウェアの追加により受信機のサイズに制約が生じることやコストがよりかかるという問題が生じていた。また、瞬間的に発生するマルチパスには対処できても、長期間継続するマルチパスに対しては対処できず、測位精度が劣化するという問題があった。

この発明は、係る課題を解決するためになされたものであり、周囲の建物などの情報から、マルチパスの影響を受けていないと思われる衛星を選択して測位計算をすることにより、測位精度を確保する事を目的とする。

この発明に係る衛星測位システムにおける測位装置は、複数の測位衛星から測位信号を受信してそれぞれの測位衛星との疑似距離および測位衛星の位置情報を含む測位関連情報を測位演算部及びデータ抽出部に出力するＧＰＳ受信機と、前記ＧＰＳ受信機と前記測位演算部と地理情報を記憶する地理情報データベースとに接続し、前記測位演算部が前記測位関連情報を用いて推定した自己位置と前記地理情報に基づき、自己位置を算出する測位演算に利用する測位衛星を選択するデータ抽出部と、前記選択された測位衛星の測位関連情報に基づいて自己位置を算出する測位演算部とを備えた測位装置であって、前記地理情報は分割された測位エリアと前記測位エリアごとに対応して予め設定された仰角値（仰角マスク角）との対応テーブルを備え、前記データ抽出部は、前記推定した自己位置と前記対応テーブルとから求まる前記推定した自己位置での仰角値（仰角マスク角）以上の範囲にある測位衛星を選択する判定部を備えるようにした。

この発明によれば、周辺建物の地理情報を利用することで、周囲の建物などの情報からマルチパスの影響を受けていないと思われる衛星を選択して測位計算をすることにより、
精度劣化を防いで測位の精度を確保することができる。

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。
実施の形態１における測位装置１００の構成について、図１に基づいて以下に説明する。但し、測位装置１００の構成は複数種類考えられ、図１は、測位装置１００の代表的な構成を示す。実施の形態１では、一例として空港内を走行する移動体車両に設置する測位装置を想定しているが、工場敷地内や港湾エリアなどの限られた所定エリア内を走行する車両等に適用してもよい。

図１において、測位装置１００は、測位衛星が発信したＧＰＳ測位を行うための測位信号を受信するアンテナ２１０と、ＧＰＳ受信機２００と、測位信号に基づき測位演算を行う測位演算部３００と、測位演算に用いるデータを抽出するデータ抽出部３２０と、建物等の３次元地理情報を記憶する地理情報データベース４００と、地理情報データベースにデータを入力する入力手段４２０と、空港の設備情報を管理する空港管理センター７００から送信される空港情報５０５を受信する空港情報受信機５００と、アンテナ５１０を備える。

ＧＰＳ受信機２００は、アンテナ２１０を介して複数の測位衛星から航法メッセージを含む測位信号を受信する。そして、受信した測位信号の伝搬時間に基づいて、測位信号を受信した測位衛星からの疑似距離、疑似距離変化率、測位結果、衛星軌道データ（航法メッセージ中のエフェメリスデータあるいはアルマナックデータ）、衛星軌道データに
基づく各測位衛星の位置などの測位関連情報を測位演算部３００とデータ抽出部３２０に出力するものである。

測位演算部３００は、ＧＰＳ受信機２００から測位関連情報を入力するとともに、入力した測位関連情報に基づいて自己位置を推定し、自己位置推定結果をデータ抽出部３２０に出力する。また、データ抽出部３２０において選択された測位関連情報を入力し、この入力した選択測位関連情報に基づいて測位演算を行い、測位結果を出力するものである。

地理情報データベース４００は、空港内にある管制塔などの建物の３次元地理情報４０５を記憶する。また、地理情報データベース４００には、３次元地理情報に基づいて予め作成した、空港内のそれぞれのエリアと抽出すべき測位衛星の角度範囲とを対応付けたエリア−仰角マスク角対応テーブル４１０が格納されている。エリア−仰角マスク角対応テーブル４１０へのデータ入力は、例えばキーボードなどの入力手段４２０により行う。エリア−仰角マスク角対応テーブル４１０については後述する。

空港情報受信機５００は、アンテナ５１０を介して空港情報５０５を定期的に受信しデータ抽出部３２０に出力する。空港情報５０５については後述する。

データ抽出部３２０は地理情報判定部３２１と空港情報判定部（他の判定部）３２２を備える。データ抽出部３２０は、ＧＰＳ受信機２００から測位関連情報を受取る。また、また、データ抽出部３２０は、空港情報受信機５００から空港情報５０５を受取る。また、データ抽出部３２０は測位演算部３００から推定された自己位置の情報を受取る。データ抽出部３２０は、地理情報データベース４００にアクセスし、測位演算部３００から受取った自己位置における仰角マスク角を抽出する。仰角マスク角については後述する。
地理情報判定部３２１は、ＧＰＳ受信機２００から受取った複数の測位衛星からの測位関連情報の中から仰角マスク角以上の範囲に存在する測位衛星およびその測位衛星からの測位関連情報を抽出する。自己位置からみた測位衛星が存在する角度は、推定した自己位置と測位衛星衛星からの測位関連情報に含まれる衛星位置の情報とから算出することができる。このように算出したの角度と、仰角マスク角とを比較することにより、測位衛星が仰角マスク角で規定される範囲内に存在するか否かを判定することができる。
空港情報判定部３２２は、地理情報判定部３２１で抽出した衛星の中から、空港情報５０５に基づき、空港５０内を移動する航空機などの移動体により測位衛星からの電波が遮断される可能性のある衛星を抽出し、抽出した衛星を表す固有番号やその疑似距離を測位演算部３００に送信する。

実施の形態１における測位装置の動作について図２〜図５を用いて説明する。
図２は、実施の形態１において測位装置が搭載された車両が走行する空港５０の概略図である。図２において、空港５０内には旅客ターミナルビルや整備ビル等の建物３１及び３２があり、建物３１、３２以外のエリアを車両や航空機が移動する。建物３１の周囲で、マルチパスの影響を受け易いエリアとしてエリアB、エリアCが設けられ、また、建物３２の周囲にはエリアD、エリアＥが設けられている。空港５０内でマルチパスの影響をほとんど受けないエリアとして、エリアＡが設定されている。図３は、測位装置１００の動作を説明するフローチャートである。図４は、衛星を抽出する角度範囲を説明する図である。図５は、測位演算に利用する衛星を抽出する際に使用するエリア−仰角マスク角対応テーブル４１０を説明する図である。

図３のフローチャートに従い、測位装置１００の動作を説明する。
まず、ＧＰＳ受信機２００は複数の測位衛星（例えば、図４で示した測位衛星１１〜１５）からＧＰＳ関連情報を受信する（Ｓ１０１）。

次に、ＧＰＳ受信機２００は受信したＧＰＳ関連情報を測位演算部３００及びデータ抽出部３２０に送出する（Ｓ１０２）。

測位演算部３００は、ＧＰＳ関連情報に基づき自己位置を単独測位により推定する（Ｓ１０３）。なお、ここではＧＰＳ関連データを用いた単独測位により自己位置を推定しているが、この方法とは別に、過去に算出した時系列の自己位置のデータを用いて現在の自己位置を推定するようにしてもよい。
あるいは、単独測位により推定した自己位置と過去の時系列の自己位置のデータから推定した自己位置との両方を用いて、現在の自己位置を推定するようにしてもよい。例えば、単独測位により得られた位置が１つ前の時刻における測位位置と大きく離れているような場合には、この単独測位の結果は採用せず、過去の時系列のデータから推定される自己位置を採用するようにしてもよい。

次に、測位演算部３００は、単独測位による自己位置推定結果をデータ抽出部３２０に出力する（Ｓ１０４）。

次に、データ抽出部３２０は地理情報データベース４００にアクセスし、地理情報データベース４００に格納されるエリア−仰角マスク角対応テーブル４１０において、自己の位置がどのエリアに属しているかを検索する。

ここで、図５にエリア−仰角マスク角対応テーブル４１０の一例を示す。
図５において、空港全域をマルチパスの影響の受け易さの観点からエリアＡ〜エリアＥの５個のエリアに分類し、エリア毎に仰角マスク角θを設定している。図５のエリアＡ〜エリアＥは、図２で示した空港概略図に記載したエリアＡ〜エリアＥに対応している。旅客ターミナルビルや整備ビル等の建物３１の周囲で建物３１に近接している順にエリアＢ、エリアＣが設定され、また、建物３２においても、建物３２の周囲で建物３２に近接している順にエリアＤ、エリアＥが設定される。建物３１及び建物３２から離れているエリアはエリアAと設定される。
ここで、仰角マスク角θは図４のように水平面からの角度を表し、仰角マスク角以上の角度に位置する測位衛星は測位衛星から直接、測位信号を受信できることを意味する。仰角マスク角θ内にある測位衛星からの測位関連情報は、マルチパスの影響を受け易い情報であるとして以後の測位演算に使用しない。

このように、空港内を複数のエリアに分割し、車輌がどのエリアにいるかにより測位に用いる測位衛星の仰角マスク角θを選択するようにする。例えば、滑走路付近で建物がないところでは、マルチパスの影響が小さいことから仰角マスク角θを小さく設定し、建物近郊ではマルチパスの影響を受け易いことから仰角マスク角θを大きく設定することで、測位に用いる測位衛星をエリアごとに選択するようにする。仰角マスク角θは１つの角度であってもよいし、測位演算に利用する衛星の抽出範囲を広げるために、例えば東西南北の各方位ごとに４つの仰角マスク角θを設定するように、方角に関してより細かく仰角マスク角θを設定するようにしてもよい。
自己位置からみた測位衛星がいる方角は、推定した自己位置の情報と測位関連情報に含まれる衛星位置の情報とから算出することができる。
空港内の各エリアは図２の黒丸で示されるノード位置１０００により規定される。
データ抽出部３２０は、自己位置が属するエリアに基づき、エリアに対応する仰角マスク角θをエリア−仰角マスク角対応テーブル４１０から抽出する（Ｓ１０５）。

地理情報判定部は、仰角マスク角θ内にある測位衛星を測位に利用する衛星から削除する（Ｓ１０６）。

次に、空港情報受信機５００は空港内にある空港管理センター７００から空港情報５０５を受信し、データ抽出部３２０に出力する（Ｓ１０７）。
空港情報５０５は、空港５０内を移動する航空機や、貨物車、乗客輸送バス、消防車、設備管理車などの車両等の位置情報とその大きさ（機体寸法、車輌寸法）などの付帯情報である。空港情報５０５を受信することにより、航空機や車両等が現在どの位置にいるかをリアルタイムに把握することができる。

次に、空港情報判定部３２２は、Ｓ１０３で推定した自己位置の情報と、空港情報受信機５００から定期的に受信する空港情報５０５により、自己位置の近辺にマルチパスを生ずる可能性が高い航空機やバス等の車体の大きい車両が存在するかをリアルタイムに判定する。近辺に航空機や車体の大きい車両が存在する場合、自己位置と航空機等の位置とその大きさのデータから、これらの航空機や車両により測位衛星からの信号が遮断される遮断角度αを算出する。そして、算出した遮断角度αの角度範囲にある測位衛星を測位に利用する衛星から削除する（Ｓ１０８）。
このことを図４に記載した例を用いて説明する。図４において、車両１の片側の方角（西側）には電波の遮断物である建物３１があり、他の方角（東側）には遮断するものはない。このため車両１のエリアでは、図４の例では建物３１を避けるように、仰角マスク角（西方）、仰角マスク角（東方）が設定されている。この時、地理情報判定部３２１では、測位衛星１１、１２、１３、１４，１５の５機の測位衛星を選択する。ここで、車両１近辺に航空機２が移動してきた場合、空港情報判定部３２２は空港情報５０５により、自己位置の近辺にマルチパスを生ずる可能性が高い航空機がいることを認識し、空港情報に含まれる航空機の位置情報とその大きさの情報から、自己位置において、測位衛星からの信号が遮断される遮断角度αを算出する。そして、算出した遮断角度αの角度範囲にある測位衛星を測位に利用する衛星から削除する。この場合では、測位衛星１１を測位に利用する衛星から削除する。

次に、データ抽出部３２０は、地理情報判定部３２１、空港情報判定部３２２により抽出された測位に利用する測位衛星の番号やその測位衛星との疑似距離の情報を、測位演算部３１０に出力する（Ｓ１０９）。

測位演算部３００は、抽出された測位衛星の擬似距離に基づいて測位演算を行い、測位結果を出力すると共に、空港管理センター７００に無線によりこの測位結果を送信する（Ｓ１１０）。

以上のようにこの発明によれば、空港内を複数のエリアに分割し、予め設定したエリア−仰角マスク角対応テーブル４１０を利用することによって、車両がどのブロックにいるかにより仰角マスク角θを抽出し測位に用いる測位衛星を選択するようにしたことにより、簡易にかつ測位処理の速度を落とすことなく、精度の高い疑似距離を選択して測位計算することができる。
また、空港情報５０５により、自己位置の近辺にマルチパスを生ずる可能性が高い航空機やバス等の車体の大きい車両が存在するかをリアルタイムに把握することができることにより、マルチパスの影響のない精度の高い疑似距離を時々選択して測位計算することができる。

実施の形態２．
実施の形態２では、地理情報データベース４００に格納される３次元地理情報４０５を利用することにより、可視、不可視衛星を判別し、測位に用いる衛星を選択するようにした。なお、同一番号で記したものは、実施の形態１と同一あるいは同様のものであるとする。

図６は、この発明の実施の形態２に係る測位装置１００の動作を説明するフローチャートである。ここでは、図３で示した実施の形態１に係る測位装置１００の動作を説明するフローチャートと異なるステップのみを説明する。

図６のステップＳ２０５において、データ抽出部３２０は、衛星位置情報、単独測位による自己位置推定結果、地理情報データベース４００に格納される３次元地理情報４０５により、衛星毎に遮断の有無を判定する。
３次元地理情報４０５には、図７に示すように、建物の外形をあらわすノード情報（図７の例では、Ｂ１〜Ｂ８の位置情報）が格納されている。これらのノード情報と衛星位置情報と自己位置推定結果により、測位衛星が自己位置から直接視ることが可能か否かを判定することができる。

ステップＳ２０６では、地理情報判定部３２１は遮断有りの測位衛星を測位に利用する衛星から削除する。以降、実施の形態１と同様のステップを実行することにより、測位演算を行う。

以上のように、この発明によれば、空港内の建物の３次元地理情報を利用することにより可視測位衛星、不可視測位衛星を判別するようにしたので、精度の高い疑似距離を選択して測位計算することができる。
また、空港情報５０５により、自己位置の近辺にマルチパスを生ずる可能性が高い航空機やバス等の車体の大きい車両が存在するかをリアルタイムに把握することができることにより、マルチパスの影響のない精度の高い疑似距離を時々選択して測位計算することができる。

なお、上記の実施例では単独測位方式により位置を算出しているが、ＤＧＰＳ（Differential GPS）などの相対測位方式により測位を行ってもよいことは、言うまでもない。

この発明の実施の形態１に係る測位装置の構成図である。 この発明の実施の形態１に係る測位装置が搭載された車両が走行する空港の概略図である。 この発明の実施の形態１に係る測位装置１００の動作を説明するフローチャートである。 この発明の実施の形態１に係る仰角マスク角θを説明する図である。 この発明の実施の形態１に係るエリア−仰角マスク角対応テーブル４１０を説明する図である。 この発明の実施の形態２に係る測位装置１００の動作を説明するフローチャートである。 この発明の実施の形態２に係る遮断の判定を説明する図である。

符号の説明

１ 車両、３１、３２ 建物、５０ 空港、１００ 測位装置、２００ ＧＰＳ受信機、２１０ アンテナ、３００ 測位演算部、３２０ データ抽出部、３２１ 地理情報判定部、３２２ 空港情報判定部、４００ 地理情報データベース、４０５ ３次元地理情報、４１０ エリア−仰角マスク角対応テーブル、４２０ 入力手段、５００ 空港情報受信機、５０５ 空港情報、５１０ アンテナ、７００ 空港管制センター。

Claims (5)

1. 複数の測位衛星から測位信号を受信してそれぞれの測位衛星との疑似距離および測位衛星の位置情報を含む測位関連情報を測位演算部及びデータ抽出部に出力するＧＰＳ受信機と、
   前記ＧＰＳ受信機と前記測位演算部と地理情報を記憶する地理情報データベースとに接続し、前記測位演算部が前記測位関連情報を用いて推定した自己位置と前記地理情報に基づき、自己位置を算出する測位演算に利用する測位衛星を選択するデータ抽出部と、
   前記選択された測位衛星の測位関連情報に基づいて自己位置を算出する測位演算部とを備えた測位装置であって、
   前記地理情報は分割された測位エリアと前記測位エリアごとに対応して予め設定された仰角値との対応テーブルを備え、前記データ抽出部は、前記推定した自己位置と前記対応テーブルとから求まる前記推定した自己位置における上記仰角値以上の範囲にある測位衛星を選択する判定部を備えることを特徴とする測位装置。
2. 前記データ抽出部は、前記推定した自己位置と前記測位衛星の位置情報とから前記推定した自己位置における前記測位衛星の仰角の測定値を算出し、
   前記対応テーブルに予め設定された前記仰角値は、建物から遠い測位エリアにおける仰角値より建物に近い測位エリアにおける仰角値が大きな値であることを特徴とする請求項１記載の測位装置。
3. 複数の測位衛星から測位信号を受信して各測位衛星との疑似距離および測位衛星の位置情報を含む測位関連情報を測位演算部及びデータ抽出部に出力するＧＰＳ受信機と、
   前記ＧＰＳ受信機と前記測位演算部と地理情報を記憶する地理情報データベースとに接続し、前記測位演算部が前記測位関連情報を用いて推定した自己位置と前記地理情報に基づき、自己位置を算出する測位演算に利用する測位衛星を選択するデータ抽出部と、
   前記選択された測位衛星の測位関連情報に基づいて自己位置を算出する測位演算部とを備えた測位装置であって、
   前記地理情報は建物の３次元情報を備え、前記データ抽出部は、前記推定した自己位置と前記建物の３次元情報とから前記測位衛星から受信した測位関連情報が直接波に基づいて得られた情報であるか否かを判定する判定部を備え、当該判定部において直接波により得られた情報であると判定された前記測位関連情報における前記測位衛星との疑似距離を選択することを特徴とする測位装置。
4. 他の移動体の位置情報と前記他の移動体の寸法情報とを受信する受信機を備え、
   前記データ抽出部は他の判定部を備え、上記他の判定部は、前記他の移動体の位置情報と前記他の移動体の寸法情報と前記推定した自己位置とから、前記測位衛星から受信した測位関連情報が直接波に基づいて得られた情報であるか否かを判定し、上記判定部において選択された前記測位関連情報における前記測位衛星との疑似距離の中から、上記他の判定部において直接波により得られた情報であると判定された前記測位関連情報における前記測位衛星との疑似距離を選択することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の測位装置。
5. 複数の測位衛星からの測位信号を受信して測位を行う測位装置の測位方法において、
   前記複数の測位衛星からの測位信号を受信してそれぞれの測位衛星との疑似距離および測位衛星の位置情報を含む測位関連情報を入力して自己位置を算出するステップと、
   地理情報を入力し、前記地理情報と前記推定した自己位置とから測位衛星を選択すべき仰角範囲の値を抽出するステップと、
   前記測位衛星の位置情報と前記自己位置とから、前記仰角範囲にある測位衛星を選択するステップと、
   選択した前記測位衛星との疑似距離に基づいて測位計算するステップとを備えることを特徴とする測位方法。

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