JP2012032331A - Gps positioning operation method and device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複数のGPS(Global Positioning System)衛星から発せられる信号を受信して地上の測定点の位置検出を行う、GPS測位演算方法及び測位演算装置に関する。 The present invention relates to a GPS positioning calculation method and a positioning calculation apparatus that receive signals emitted from a plurality of GPS (Global Positioning System) satellites and detect the positions of measurement points on the ground.
GPS受信機が現在地の位置検出を行うためには、GPS衛星までの距離と、GPS衛星の位置とを知る必要がある。GPS衛星から送られてくる信号には、航法メッセージと呼ばれるデータ(以下、航法データという)が変調されており、この航法データの中に軌道情報が含まれている。 In order for the GPS receiver to detect the position of the current location, it is necessary to know the distance to the GPS satellite and the position of the GPS satellite. In the signal sent from the GPS satellite, data called a navigation message (hereinafter referred to as navigation data) is modulated, and orbit information is included in the navigation data.
GPS受信機は、複数のGPS衛星から航法データを受信し、GPS衛星の位置や、GPS衛星から測定点までの距離を測定することにより、例えば、自動車、船舶、航空機、作業用車両、携帯端末等、測定点となる移動体の位置を検出する。 A GPS receiver receives navigation data from a plurality of GPS satellites and measures the position of the GPS satellites and the distance from the GPS satellites to a measurement point, for example, an automobile, a ship, an aircraft, a work vehicle, a portable terminal For example, the position of the moving body as the measurement point is detected.
ところで、GPS受信機では、GPS衛星から信号が発せられる発信時点と、この信号を受信した受信時点とで時間差が発生する。この場合、GPS受信機が備えている時計と、GPS衛星が備えている原子時計との間で時刻が完全に一致していれば、電波の伝播時間だけ遅れて航法データを受信することになる。従って、GPS受信機では、この電波の伝播時間に光速(電磁場の伝搬速度)を乗算すれば、GPS衛星との間の距離を算出することができる。 By the way, in the GPS receiver, a time difference is generated between a transmission time point when a signal is transmitted from a GPS satellite and a reception time point when the signal is received. In this case, if the time completely matches between the clock provided to the GPS receiver and the atomic clock provided to the GPS satellite, the navigation data is received with a delay of the radio wave propagation time. . Therefore, the GPS receiver can calculate the distance to the GPS satellite by multiplying the propagation time of the radio wave by the speed of light (the propagation speed of the electromagnetic field).
しかしながら、双方の時計の間で時刻が完全には一致していない場合が多い。このため、GPS受信機では、GPS衛星との間の距離を、時間誤差を含む「疑似距離(Pseudo-range)」として求めている。ここで、「疑似距離」とは、GPS衛星からGPS受信機迄の距離のことをいい、正確な距離にGPS受信機の時計の進みによる誤差が加わって測定されるものである。つまり、GPS受信機は、信号を受信した時刻からGPS衛星が信号を発信した時刻を減算して得られる伝播時間に光速を乗算することによって疑似距離を求めている。そして、航法データのエフェメリスを受信することにより求められる、GPS衛星の発信時点における位置と、算出された疑似距離とから3次元でGPS測定点の位置を算出することになる(例えば、特許文献1(図8)参照。)。 However, in many cases, the time is not exactly the same between both watches. For this reason, the GPS receiver obtains the distance from the GPS satellite as a “pseudo-range” including a time error. Here, the “pseudo distance” means a distance from the GPS satellite to the GPS receiver, and is measured by adding an error due to the advance of the clock of the GPS receiver to an accurate distance. That is, the GPS receiver obtains the pseudo distance by multiplying the propagation time obtained by subtracting the time when the GPS satellite transmits the signal from the time when the signal is received, by the speed of light. Then, the position of the GPS measurement point is calculated three-dimensionally from the position at the time of transmission of the GPS satellite and the calculated pseudo distance obtained by receiving the ephemeris of the navigation data (for example, Patent Document 1). (See FIG. 8).)
ところでGPS受信機は、上記した時間誤差が少なければ、GPS衛星からの信号によるxyzの3変数で測定点の位置を算出できるはずである。しかしながら、その時間誤差Δtが非常に大きいため、時間誤差Δtの1変数を加えた4変数を用いて測定点の現在地の検出を行う技術が知られている。
例えば、図6に示すように、GPS受信機105は、最低でも4基のGPS衛星101〜104からの航法データの受信を必要とする。
By the way, if the above-mentioned time error is small, the GPS receiver should be able to calculate the position of the measurement point with the three variables xyz based on the signal from the GPS satellite. However, since the time error Δt is very large, a technique for detecting the current location of the measurement point using four variables including one variable of the time error Δt is known.
For example, as shown in FIG. 6, the
また、4基以上のGPS衛星からの航法データを用いる方法がある(例えば、特許文献2の図1参照。)。これらの技術によれば、いずれも算出した疑似距離に大きな誤差を生じる。結果的に測位精度の向上に限界があった。そこで、図7に示すように、参照する地上の基地局(固定局受信機106)での測位結果であるディファレンシャルデータから疑似距離の誤差を推定する方法等、精度を高めるために様々な方法が提案されている。これらの方法はシステムの複雑化を招き、計算時間やコストが増大する等の欠点があった。 In addition, there is a method using navigation data from four or more GPS satellites (see, for example, FIG. 1 of Patent Document 2). According to these techniques, a large error occurs in the calculated pseudo distance. As a result, there was a limit to the improvement of positioning accuracy. Therefore, as shown in FIG. 7, there are various methods for improving accuracy, such as a method of estimating an error in pseudorange from differential data that is a positioning result in a reference ground base station (fixed station receiver 106). Proposed. These methods have disadvantages such as increasing the complexity of the system and increasing the calculation time and cost.
誤差の要因として、GPS衛星では時計の誤差や軌道の誤差、信号伝播では電離層屈折や対流圏屈折、そして、GPS受信機ではアンテナ位相中心の変化、時計の誤差、マルチパス等が考えられる。又、時計の誤差には、時計自身の誤差によるものと、相対論効果と呼ばれる特殊相対論や一般相対論による時間遅れ等が含まれる。更に、ランダムノイズの影響も考えられる。 Possible causes of errors include clock errors and orbit errors in GPS satellites, ionospheric refraction and tropospheric refraction in signal propagation, and changes in antenna phase center, clock errors, and multipaths in GPS receivers. In addition, the clock error includes a time error due to the error of the clock itself, a special relativity called a relativistic effect, and a general relativity. Furthermore, the influence of random noise can be considered.
これらの誤差による影響を抑制するため、従来多くの試みがなされている。しかしながら、現状は、決め手となる対策が存在せず、未だに試行錯誤がなされている状況にある。そのため、上述したように、4基以上のGPS衛星からデータを取得し、あるいは、参照する地上の基地局での測位結果から疑似距離を推定する方法が取られてきた。
又、例えば、図8に、仰角と測位誤差との関係がグラフで示されているように、誤差の要因として、仰角(あるいは天頂角)に対する依存特性が明らかになっている。このため、比較的、測距離誤差の少ない仰角が大きいGPS衛星のデータを優先的に使用するのが一般的であり、これら誤差のために疑似距離の計算方法やシステムが複雑化している。
Many attempts have been made to suppress the influence of these errors. However, at present, there are no decisive measures, and there is still trial and error. Therefore, as described above, a method has been used in which data is acquired from four or more GPS satellites, or a pseudo-range is estimated from a positioning result at a reference ground base station.
Further, for example, as shown in FIG. 8, the relationship between the elevation angle and the positioning error is shown by a graph, and the dependence characteristic on the elevation angle (or zenith angle) is clarified as a factor of the error. For this reason, it is common to preferentially use GPS satellite data with a relatively small elevation error and a large elevation angle, and these errors complicate the pseudorange calculation method and system.
本発明は、疑似距離の計算方法を簡素化しつつ計算精度の向上を図り、結果的に測定点における現在地の検出精度の改善が可能な技術を提供することを課題とする。 It is an object of the present invention to provide a technique capable of improving the calculation accuracy while simplifying the pseudo distance calculation method and consequently improving the detection accuracy of the current location at the measurement point.
請求項1に係る発明では、少なくとも3基のGPS衛星が発信した信号を受信機で受信し、前記信号に基づき演算器が地平線上の測定点の位置を測位するGPS測位演算方法であって、前記受信機が受信した前記信号に含まれる航法データから、前記GPS衛星が前記信号を発信した時点における前記GPS衛星の位置Aと、時刻tbと、軌道速度vと、高度hとを含む軌道情報を前記演算器が取得する第1のステップと、前記演算器が、前記取得した軌道速度vと時刻tbとから、前記測定点が前記信号を受信した時刻trでの前記GPS衛星の位置Bを時刻差t=tr−tbから算出し、このGPS衛星の位置Bと前記測定点の位置Oとを結ぶ第1の線分に対する前記地平線の第1の角度αを、前記第1の線分の距離ctと高度hから算出する第2のステップと、前記第1の線分の距離ctと、前記第2のステップで算出した第1の角度αと、前記軌道速度vとに基づき、前記GPS衛星の位置Aと前記測定点の位置Oとを結ぶ第2の線分の距離csを算出する第3のステップと、前記第3のステップで算出した前記少なくとも3基のGPS衛星の位置Aと、前記測定点の位置Oとの間のそれぞれの距離csから前記測定点の位置Oを算出する第4のステップと、を有することを特徴とする。
The invention according to
請求項2に係る発明では、請求項1記載のGPS測位演算方法において、前記第2のステップは、前記算出した第1の角度αと、前記第1のステップで取得した前記GPS衛星の軌道速度vとから、前記信号を発した時点での前記GPS衛星の位置Aと前記測定点の現在地Oとを結ぶ第2の線分に対する前記地平線の第2の角度βを算出することを特徴とする。
In the invention according to
請求項3に係る発明では、請求項1又は2記載のGPS測位演算方法において、前記第2のステップは、前記第1の角度α又は前記第2の角度βを算出するにあたり、次の角度関係式(1)を演算することを特徴とする。
請求項4に係る発明では、請求項1記載のGPS測位演算方法において、前記第3のステップは、前記第2の線分の距離csを算出するにあたり、次の関係式(2)を演算することを特徴とする。
請求項5に係る発明では、請求項1記載のGPS測位演算方法において、前記第3のステップは、前記第2の線分の距離csを算出するにあたり、次の関係式(3)及び(4)を演算して回転運動における速度を算出することを特徴とする。
請求項6に係る発明では、請求項1記載のGPS測位演算方法において、前記第4のステップは、前記測定点の位置Oを算出するにあたり、次の関係式(5)を演算することを特徴とする。
請求項7に係る発明は、少なくとも3基のGPS衛星から発せられる信号を受信機が受信し、演算器が地平線上における測定点の位置Oを算出するGPS測位演算装置であって、前記受信した前記信号に含まれる航法データから、前記信号を発した時点における前記GPS衛星の、位置Aと、時刻tbと、軌道速度vと、高度hとを含む軌道情報を取得する航法データ取得部と、前記取得した軌道速度vと時刻tbとから、前記測定点が前記信号を受信した時刻trでの前記GPS衛星の位置Bを時刻差t=tr−tbから算出し、このGPS衛星の位置Bと前記測定点の位置Oとを結ぶ第1の線分に対する前記地平線の第1の角度αを、前記第1の線分の距離ctと高度hから算出する仰角演算部と、
前記第1の線分の距離ctと、前記仰角演算部が算出した第1の角度αと、前記軌道速度vとに基づき、前記GPS衛星の位置Aと前記測定点の位置Oとを結ぶ第2の線分の距離csを算出する疑似距離演算部と、この疑似距離演算部で算出した前記それぞれのGPS衛星の各位置Aと前記測定点の位置Oとの間のそれぞれの第2の線分の距離csから、前記測定点の位置Oを算出する測位演算部と、を備えたことを特徴とする。
The invention according to claim 7 is a GPS positioning arithmetic unit in which a receiver receives signals emitted from at least three GPS satellites, and an arithmetic unit calculates a position O of a measurement point on the horizon. A navigation data acquisition unit for acquiring orbit information including a position A, a time tb, an orbital velocity v, and an altitude h of the GPS satellite at the time of emitting the signal from the navigation data included in the signal; From the acquired orbital velocity v and time tb, the position B of the GPS satellite at the time tr when the measurement point receives the signal is calculated from the time difference t = tr−tb. An elevation angle calculation unit that calculates a first angle α of the horizon with respect to a first line segment connecting the position O of the measurement point from a distance ct and an altitude h of the first line segment;
Based on the distance ct of the first line segment, the first angle α calculated by the elevation angle calculation unit, and the orbital velocity v, the position A of the GPS satellite and the position O of the measurement point are connected. And a second distance between each position A of the respective GPS satellites calculated by the pseudo distance calculation unit and the position O of the measurement point. And a positioning calculation unit that calculates a position O of the measurement point from a distance cs of minutes.
請求項1に係る発明によれば、演算器が、第2のステップで、受信機で受信した信号から取得される軌道速度vと時刻tbとから、測定点が信号を受信した時刻trでのGPS衛星の位置Bを算出し、このGPS衛星の位置Bと前記測定点の位置Oとを結ぶ第1の線分に対する地平線の第1の角度αを、第1の線分の距離ctと高度hから算出する。そして、第3のステップで、第1の線分の距離ctと、第2のステップで算出した第1の角度αと、軌道速度vとに基づき、GPS衛星の位置Aと測定点の位置Oとを結ぶ第2の線分の距離csを疑似距離として算出することとした。 According to the first aspect of the present invention, the computing unit at the time tr when the measurement point receives the signal from the orbital velocity v acquired from the signal received by the receiver and the time tb in the second step. The position B of the GPS satellite is calculated, the first angle α of the horizon with respect to the first line segment connecting the position B of the GPS satellite and the position O of the measurement point, the distance ct of the first line segment and the altitude Calculate from h. Then, based on the distance ct of the first line segment in the third step, the first angle α calculated in the second step, and the orbital velocity v, the position A of the GPS satellite and the position O of the measurement point The distance cs of the second line segment connecting the two is calculated as a pseudo distance.
従って、疑似距離算出のために、新たに軌道速度vと角度αの情報が必要になるが、従来、疑似距離として用いていた信号受信時のGPS衛星と測定点間の距離ctを、本来の疑似距離である、信号発信時点のGPS衛星と測定点間の距離csに置き換えて算出することができる。従って、簡単に精度の高い疑似距離の計算が可能になる。 Therefore, in order to calculate the pseudorange, information on the orbital velocity v and the angle α is newly required. However, the distance ct between the GPS satellite and the measurement point at the time of signal reception, which is conventionally used as the pseudorange, The pseudo distance can be calculated by replacing the distance cs between the GPS satellite and the measurement point at the time of signal transmission. Therefore, the pseudo distance can be easily calculated with high accuracy.
そして、第4のステップで、少なくとも3基のGPS衛星の信号発信時における位置情報と算出されたそれぞれの疑似距離とに基づき、測定点Oの位置を算出することにより、測定点Oでの位置検出精度の改善を可能にする。このため、測位演算に必要なGPS衛星の数の削減が可能である。又、地上の基地局からの参照測位データを不要とするため、疑似距離の計算方法が簡素化される。 In the fourth step, the position at the measurement point O is calculated by calculating the position of the measurement point O based on the position information at the time of signal transmission of at least three GPS satellites and the calculated pseudoranges. Enables improved detection accuracy. For this reason, it is possible to reduce the number of GPS satellites necessary for the positioning calculation. Further, since the reference positioning data from the ground base station is not required, the pseudo distance calculation method is simplified.
請求項2に係る発明によれば、算出した角度αと、第1のステップで取得したGPS衛星の軌道速度vとから、信号を発した時点でのGPS衛星の位置Aと測定点の現在地Oとを結ぶ線分に対する地平線の角度βを算出する。このため、角度αの他に角度βのデータが必要になるが、従来の疑似距離ctを本来の疑似距離csに置換して計算するだけで、簡単に、且つ、精度の高い疑似距離の計算が可能になる。 According to the second aspect of the invention, from the calculated angle α and the orbital velocity v of the GPS satellite acquired in the first step, the position A of the GPS satellite and the current location O of the measurement point when the signal is generated. The angle β of the horizon with respect to the line connecting the two is calculated. For this reason, in addition to the angle α, data on the angle β is required. However, the calculation of the pseudo distance can be easily performed with high accuracy simply by replacing the conventional pseudo distance ct with the original pseudo distance cs. Is possible.
請求項3に係る発明によれば、角度αと角度βとの関係を角度関係式(1)で定義することにより、天頂角(仰角)の大きさに依存することなく疑似距離の計算が可能になるため、疑似距離の計算精度が向上する。 According to the invention of claim 3, by defining the relationship between the angle α and the angle β by the angle relational expression (1), the pseudo distance can be calculated without depending on the magnitude of the zenith angle (elevation angle). Therefore, the calculation accuracy of the pseudo distance is improved.
請求項4に係る発明によれば、疑似距離csを算出するにあたり、軌道速度vと角度αの情報が必要になる。しかしながら、従来、疑似距離として用いていた信号受信時のGPS衛星と測定点間の距離ctを、本来の疑似距離である信号発信時点のGPS衛星と測定点間の距離csに置き換えて算出することができるため、精度の高い疑似距離の計算が可能になる。 According to the fourth aspect of the present invention, information on the orbital velocity v and the angle α is required to calculate the pseudo distance cs. However, the distance ct between the GPS satellite and the measurement point at the time of signal reception, which was conventionally used as the pseudo distance, is calculated by replacing the distance cs between the GPS satellite and the measurement point at the time of signal transmission, which is the original pseudo distance. Therefore, the pseudo distance can be calculated with high accuracy.
請求項5に係る発明によれば、GPS衛星が、楕円や、その他複雑な軌道をとる場合にも、誤差を生じない精度の高い疑似距離csを算出することができる。 According to the invention of claim 5, even when the GPS satellite takes an ellipse or other complicated orbits, it is possible to calculate the pseudo distance cs with high accuracy without causing an error.
請求項6に係る発明によれば、少なくとも3基のGPS衛星の信号発信時における各位置情報Bと算出されたそれぞれの疑似距離csとに基づき、測定点Oの位置を算出することにより、測定点Oでの位置検出精度の改善を可能にする。又、GPS衛星を多数使用することなく、且つ、地上の基地局からの参照測位データを不要とするため、疑似距離の計算方法が簡素化される。 According to the invention of claim 6, measurement is performed by calculating the position of the measurement point O based on each position information B and the calculated pseudoranges cs at the time of signal transmission of at least three GPS satellites. The position detection accuracy at the point O can be improved. In addition, since a large number of GPS satellites are not used and reference positioning data from a base station on the ground is not required, the pseudo distance calculation method is simplified.
請求項7に係る発明によれば、仰角演算部が、航法データ取得部が取得した軌道速度vと時刻tbとから、測定点が信号を受信した時刻trでのGPS衛星の位置Bを時刻差t=tr−tbから算出し、このGPS衛星の位置Bと測定点の位置Oとを結ぶ第1の線分に対する地平線の第1の角度αを、第1の線分の距離ctと高度hから算出する。そして、疑似距離演算部が、第1の線分の距離ctと、仰角演算部が算出した第1の角度αと、軌道速度vとに基づき、GPS衛星の位置Aと測定点の位置Oとを結ぶ第2の線分の距離csを算出する構成とした。 According to the seventh aspect of the present invention, the elevation angle calculation unit calculates the time difference between the GPS satellite position B at the time tr when the measurement point receives the signal from the orbital velocity v acquired by the navigation data acquisition unit and the time tb. The first angle α of the horizon with respect to the first line segment connecting the position B of the GPS satellite and the position O of the measurement point is calculated from t = tr−tb, the distance ct of the first line segment and the altitude h Calculate from Then, based on the distance ct of the first line segment, the first angle α calculated by the elevation angle calculator, and the orbital velocity v, the pseudorange calculator calculates the position A of the GPS satellite and the position O of the measurement point. The distance cs of the second line segment connecting the two is calculated.
このため、測位演算に必要なGPS衛星の数を削減でき、且つ、地上の基地局からの参照測位データを不要とした疑似距離の計算が可能に成るため、計算方法が簡素化される。又、疑似距離csを算出するにあたり、角度αと角度βの情報が必要になるが、従来の疑似距離ctを単にcsに置換するだけで、簡単、且つ、精度の高い疑似距離の計算が可能になる。 For this reason, the number of GPS satellites necessary for the positioning calculation can be reduced, and the pseudo distance can be calculated without using the reference positioning data from the base station on the ground, so that the calculation method is simplified. In addition, when calculating the pseudo distance cs, the information of the angle α and the angle β is required. However, simply replacing the conventional pseudo distance ct with cs enables simple and highly accurate calculation of the pseudo distance. become.
そして、測位演算部が、信号発信時におけるGPS衛星の位置情報Aと、算出された疑似距離csとに基づき、測定点の測位演算を行うことにより、測定点での位置の検出精度の改善を可能とするGPS測位演算装置を提供することができる。 Then, the positioning calculation unit performs the positioning calculation of the measurement point based on the position information A of the GPS satellite at the time of signal transmission and the calculated pseudo distance cs, thereby improving the detection accuracy of the position at the measurement point. It is possible to provide a GPS positioning calculation device that can be used.
本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
先ず、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
図1に示すように、本発明の実施例に係るGPS測位演算装置10は、受信機11と、アナログ・デジタル変換器12(A/D(analog/digital)変換器12)と、相関器13と、演算器14と、制御部15と、記憶部16と、により構成される。尚、受信機11は、アンテナ11aと、高周波回路11b(以降ではRF(Radio Frequency Circuit)回路11bという)とによって構成される。
First, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
As shown in FIG. 1, a GPS
RF回路11bは、少なくとも3基のGPS衛星21〜23から発せられる信号(電波)をアンテナ11aを介して受信し、中間周波数帯(IF:Intermediate Frequency)の信号にダウンコンバートしてA/D変換器12へ出力する。
The
A/D変換器12は、RF回路11bから出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換して相関器13及び制御部15に出力する。
The A /
相関器13は、入力したデジタル信号に基づき受信周波数を検出する。具体的に、相関器13は、A/D変換器12が出力するデジタル信号をGPS衛星のC/A(Coarse and Access)コードから復調し電波伝播遅れを算出する。
The
制御部15は、A/D変換器12から出力されたデジタル信号から航法データを取得して演算器14に出力すると共に、演算器14に対し、疑似距離の演算を含む測位指令を発して、演算器14に、疑似距離の演算、及び測位演算を行わせる機能を有する。
The
ところで、GPS測位に用いられる航法データには、「アルマナックデータ」と「エフェメリスデータ」とが含まれている。 By the way, the navigation data used for GPS positioning includes “almanac data” and “ephemeris data”.
「アルマナックデータ」には、全てのGPS衛星の概略位置がわかるパラメータが記述されており、約2週間使用することができる。この時間制限は、GPS衛星の軌道が時間と共にずれていくことによる制限であり、データの有効期間に相当する。「エフェメリスデータ」は、各衛星軌道情報の詳細なパラメータを記述したデータであり、制御部15が各GPS衛星の位置を算出する際に用いられる。エフェメリスデータの制限時間は約2時間である。
“Almanac data” describes parameters that indicate the approximate positions of all GPS satellites, and can be used for about two weeks. This time limit is a limit due to the GPS satellite orbit shifting with time, and corresponds to the valid period of data. “Ephemeris data” is data describing detailed parameters of each satellite orbit information, and is used when the
演算器14は、制御部15によるプログラム制御の下で、以下の第1のステップから第4のステップの処理を実行する。
The
具体的に、第1のステップでは、RF回路11bが受信した信号に含まれる航法データから、信号を発信した時点でのGPS衛星21〜23の各位置A1、A2、A3(つまり、位置A)と、各時刻tbと、軌道速度vと、高度hとを含む軌道情報を取得する。
続く第2のステップでは、第1のステップで各々取得した軌道速度vと時刻tbとから、測定点(GPS測位演算装置10)が信号を受信した時刻trでのGPS衛星21〜23の各位置B1、B2、B3(つまり、位置B)を、時刻差t=tr−tbから算出し、このGPS衛星の位置Bと測定点の位置Oとを結ぶ第1の線分に対する地平線の第1の角度αを、第1の線分の距離ctと高度hから算出する。
Specifically, in the first step, from the navigation data included in the signal received by the
In the subsequent second step, each position of the
次に、第3のステップでは、第2のステップで算出した各GPS衛星21〜23の位置Bと測定点の位置Oとを結ぶ第1の線分の距離ctと、第2のステップで算出した第1の角度αと、第1のステップで取得した軌道速度vとに基づき、GPS衛星の位置Aと測定点の位置Oとを結ぶ第2の線分の距離cs1、cs2、cs3(つまり、cs)を算出する。
Next, in the third step, the distance ct of the first line segment connecting the position B of each
そして、第4のステップでは、第3のステップで算出した少なくとも3基のGPS衛星21〜23の位置A(A1〜A3)と、測定点の位置Oとの間のそれぞれの距離cs(cs1〜cs3)から測定点の位置Oを算出する。
In the fourth step, the distance cs (cs1 to cs1) between the position A (A1 to A3) of at least three
上記した第1のステップ〜第4のステップは、予めプログラミングされ、記憶部16に格納されているものとする。制御部15は、例えば、マイクロプロセッサにより構成されており、記憶部16に格納されたプログラムを逐次読み出し実行することにより、演算器14に、上記した角度αの算出、及び疑似距離csを算出させ、最終的に、測定点の位置Oの測位演算を行なわせる。
The first to fourth steps described above are programmed in advance and stored in the
記憶部16には、他に、制御部15により参照される、地球の中心位置と半径r、GPS信号の受信対象となるGPS衛星21〜23の周波数、及び光速c等の情報も格納されている。
In addition, the
尚、上記した角度αの算出、及び疑似距離cs、測定点の位置Oの測位演算は、いずれも制御部15による制御の下で演算器14が実行するものとして説明するが、演算器14に代わって制御部15が実行しても良い。
The calculation of the angle α and the positioning calculation of the pseudo distance cs and the measurement point position O are all described as being performed by the
以下、本発明の実施例に係るGPS測位演算装置10についての動作説明を行うが、その前に、実施例を説明する上で基本となるGPS測位演算の考え方について、図2、図3を用いて簡単に説明する。
Hereinafter, the operation of the GPS
ここでは、図2(a)に示すように、時刻0(Time=0)の時点で、位置AにいるGPS衛星から発せられる信号を、測定点O(P)のGPS測位演算装置10で受信する場合を想定する。測定点のGPS測位演算装置10がその信号を受信する時点において、GPS衛星は、既に位置Aにはなく、位置Bに移動している。以降の説明では、便宜上、位置AをGPS衛星の基準位置、位置BをGPS衛星の現在位置という。尚、図2(a)において、GPS衛星は記号Sで示されている。
Here, as shown in FIG. 2 (a), a signal emitted from a GPS satellite at position A at time 0 (Time = 0) is received by the GPS
この様子を、図2(b)に四角形(平行四辺形)の点線で示すK座標、即ちGPS衛星の座標と、図2(c)に四角形の点線で示すQ座標、即ち地上の座標で説明する。 This state will be described with reference to the K coordinate indicated by a square (parallelogram) dotted line in FIG. 2B, that is, the coordinates of a GPS satellite, and the Q coordinate indicated by a square dotted line in FIG. To do.
図2(b)によれば、K座標の対角にO点とB点がある。また、図2(c)によれば、Q座標の上辺の右側にA点がある。K座標はQ座標に対して速度vで右方向に運動している。ここで、GPS衛星Sは、常にK座標のB点にある。この2つの慣性系(慣性の法則が成立する座標系)が、Time=0で重なっている様子を図2(d)に示す。 According to FIG. 2B, there are an O point and a B point on the diagonal of the K coordinate. Further, according to FIG. 2C, there is a point A on the right side of the upper side of the Q coordinate. The K coordinate moves in the right direction at a velocity v with respect to the Q coordinate. Here, the GPS satellite S is always at the B point of the K coordinate. FIG. 2D shows a state in which these two inertia systems (a coordinate system in which the law of inertia is established) are overlapped at Time = 0.
図2(d)において、基準位置Aと現在位置Bとは重なっている。この状態で、Time=0の時点で、K慣性系のA点からO点に向け、GPS衛星が電波伝播速度(光速c)で信号を発したとすれば、時刻t経過後のTime=tでその信号がO点に到達する。このように、B点とO点の距離はctになるように設定してある。また、O点とP点の間の距離は、vtになるように設定してある。 In FIG. 2D, the reference position A and the current position B overlap. In this state, if the GPS satellite emits a signal at a radio wave propagation speed (light velocity c) from the point A to the point O of the K inertial system at the time of Time = 0, Time = t after the elapse of time t. The signal reaches point O. Thus, the distance between point B and point O is set to be ct. The distance between the O point and the P point is set to be vt.
時刻t経過後の、Time=tで、O点とP点が重なったときの様子を図2(e)に示す。図2(e)によれば、GPS衛星によりB点から発信される信号はO点に到達する。別のQ慣性系に位置するGPS測位演算装置10は、A点から発せられる信号がP点に到達したように見える。このとき、Q慣性系でも信号は光速で伝播するため、A点からP点までの距離をcsとする。
FIG. 2E shows a state when Time = t and point O and point P overlap after time t has elapsed. According to FIG.2 (e), the signal transmitted from the B point by the GPS satellite reaches the O point. The GPS
図2(e)の慣性系で示す信号と運動の関係に角度を反映させたものが図3に示されている。ここでは、GPS衛星の信号発信時の仰角(地平線eに対する、GPS衛星Sの基準位置Aと測定点の位置Oとを結ぶ線分の角度)がβ、その信号をGPS測位演算装置10が受信する時点での仰角(地平線eに対する、GPS衛星の現在位置Bと測定点の位置Oとを結ぶ線分の角度)がαである。尚、GPS衛星Sの高度はhであり、この高度h他、軌道速度v、時刻tに関する情報は、いずれもGPS衛星Sから発信される航法データから算出される。
FIG. 3 shows an angle reflected in the relationship between the signal and the motion shown by the inertial system in FIG. Here, the elevation angle at the time of signal transmission of the GPS satellite (the angle of the line segment connecting the reference position A of the GPS satellite S and the position O of the measurement point with respect to the horizon e) is β, and the GPS
図3から、距離csは、直角三角形△AOCに基づく3平方の定理から以下の演算式(6)で表現することができる。 From FIG. 3, the distance cs can be expressed by the following arithmetic expression (6) from the three-square theorem based on the right triangle ΔAOC.
ここで、ct・sinαは、高度hに等しい。そして、2つの直角三角形(△OAC、△OBD)の長さの関係式であるct・sinα=cs・sinβに、上記の演算式(6)を代入すると、次の関係式(7)が導出される。これを更に変形すると、次の角度関係式(8)が導出される。続いてこの角度関係式(8)に対して上記の長さの関係式を考慮すると、次の時間変化式(9)が導出される。 Here, ct · sin α is equal to the height h. Substituting the above equation (6) into ct · sin α = cs · sin β, which is the relationship between the lengths of two right triangles (ΔOAC, ΔOBD), leads to the following relationship (7). Is done. When this is further modified, the following angular relational expression (8) is derived. Subsequently, when the above length relational expression is considered with respect to this angular relational expression (8), the following time change expression (9) is derived.
上記の角度関係式(8)に従い、測定点は、GPS衛星Sの現在位置Bと測定点の位置Oとを結ぶ線分の地平線eに対する角度αと、GPS衛星の基準位置Aと測定点の位置Oとを結ぶ線分の地平線eに対する角度βとを算出することができる。そして、この角度関係式(8)で算出された角度αから、GPS衛星Sからの信号受信時における測定点とGPS衛星Sとの間の疑似距離csが次の関係式(10)により求まる。 According to the angular relational expression (8), the measurement points are the angle α with respect to the horizon e of the line segment connecting the current position B of the GPS satellite S and the position O of the measurement point, the reference position A of the GPS satellite, and the measurement point. The angle β with respect to the horizon e of the line segment connecting the position O can be calculated. Then, from the angle α calculated by the angle relational expression (8), the pseudo distance cs between the measurement point and the GPS satellite S at the time of signal reception from the GPS satellite S is obtained by the following relational expression (10).
ところで、上記した角度関係式(8)で、β=π/2の場合α=cos−1(v/c)となり、このときの時間変化式(9)は、次の演算式(11)に変形される。 By the way, in the above angle relational expression (8), when β = π / 2, α = cos −1 (v / c), and the time variation expression (9) at this time is expressed by the following calculation expression (11). Deformed.
上記の演算式(11)は特殊相対論による時間遅れと一致する。つまり、特殊相対論では角度αと角度βとの関係が考慮できないことを示している。このため、従来は、図8のグラフに示したように、仰角が大きい衛星からの信号に基づいて疑似距離を算出しないと誤差が大きくなる傾向があった。この傾向は、従来誤差として報告されている天頂角遅延量に類似している。即ち、天頂角が大きくなるにつれてその遅延量も概ね1/cosの割合で大きくなるため誤差も大きくなっている。 The above arithmetic expression (11) coincides with the time delay due to the special relativity. That is, the special relativity indicates that the relationship between the angle α and the angle β cannot be considered. For this reason, conventionally, as shown in the graph of FIG. 8, the error tends to increase unless the pseudorange is calculated based on a signal from a satellite having a large elevation angle. This tendency is similar to the amount of zenith angle delay that has been reported as a conventional error. That is, as the zenith angle increases, the amount of delay increases at a rate of approximately 1 / cos, so the error increases.
これに対し、本実施例では、角度αと角度βの関係を疑似距離の算出に反映させることで、天頂角に依存しない精度の高い疑似距離の算出を可能にするものである。又、特殊相対論を考慮してGPS衛星の時計を受信局の時計に対して遅らせる必要も無い。すなわち、GPS衛星の時計と受信局の時計は同期させればよい。以上が相対運動を行う2つの慣性系の疑似距離計算のベースとなる考え方である。 On the other hand, in the present embodiment, the relationship between the angle α and the angle β is reflected in the calculation of the pseudo distance, thereby making it possible to calculate the pseudo distance with high accuracy independent of the zenith angle. Further, it is not necessary to delay the GPS satellite clock with respect to the clock of the receiving station in consideration of special relativity. That is, the GPS satellite clock and the receiving station clock may be synchronized. The above is the idea that is the basis for the pseudorange calculation of two inertial systems that perform relative motion.
次に、図1に示す本発明の実施例1に係るGPS測位演算装置10の動作について、図4に示す制御部15の処理フローチャートを参照しながら詳細に説明する。
Next, the operation of the GPS
制御部15は、まず、ステップS101において、プログラムに割り当てられたカウンタの値iに”0”をセットする。カウンタは、信号受信の対象となるGPS衛星の数をカウントするものであり、ここでは、n基(例えば、3基)のGPS衛星21〜23を使用して測定点の位置を検出するものとして説明する。
First, in step S101, the
次に制御部15は、ステップS102において、信号受信の対象となる第1のGPS衛星21が発信している高周波アナログ信号をRF回路11bが受信したか否かを判定し、ステップS103でIF信号にダウンコンバートしてA/D変換器12に出力する。
Next, in step S102, the
次に、制御部15は、A/D変換器12に信号変換指令を発する。これを受けてA/D変換器12は、ステップS104において、IF信号をデジタル信号に変換して相関器13及び制御部15に出力すると、制御部15は、ステップS105において、A/D変換されたデジタル信号から航法データ(軌道速度v、時刻t、高度h)を取得して演算器14に出力する。このとき同時に、演算器14に対して疑似距離の算出指令を発する。
Next, the
演算器14は、制御部15から疑似距離の算出指令を受けると、ステップS105で取得した軌道速度vと時刻tbとから、測定点が信号を受信した時刻trでのGPS衛星の現在位置Bを、時刻差t=tr−tbから算出する。そして、このGPS衛星の位置Bと測定点の位置Oとを結ぶ第1の線分に対する地平線の第1の角度αを、第1の線分の距離ctと高度hから算出する。即ち、h=ct・sinαから第1の角度αを算出する。
Upon receiving the pseudo distance calculation command from the
続いて、ここで算出した第1の角度αと、取得したGPS衛星の軌道速度vとから、地平線eに対し、信号を発した時点でのGPS衛星の基準位置Aと測定点の位置Oとを結ぶ第2の線分の第2の角度βを角度関係式(8)に基づき算出する。 Subsequently, from the first angle α calculated here and the acquired orbital velocity v of the GPS satellite, the reference position A of the GPS satellite and the position O of the measurement point when the signal is transmitted to the horizon e Is calculated based on the angular relational expression (8).
次に、演算器14は、ステップS107において、ステップS106で算出した第1の角度αと、第1の線分の距離ctと、軌道速度vとに基づき、前記GPS衛星の位置Aと前記測定点の位置Oとを結ぶ第2の線分の距離csを疑似距離として算出する。疑似距離csの算出は上記した関係式(10)を算出することにより得られる。続いて演算器14は、その演算結果を制御部15に引き渡す。
Next, in step S107, the
制御部15は、演算器14から疑似距離csを受け取ると、ステップS108において、記憶部16の所定の領域に保存し、ステップS109において、カウンタの値iを”1”だけ増加させる。
When receiving the pseudo distance cs from the
続いて制御部15は、ステップS110において、カウンタの値iと、受信対象とするGPS衛星の数”n”とを比較する。ここで、信号を受信したGPS衛星の数が”n”に満たない場合は、ステップS102のGPS信号受信判定処理に戻り、以降、GPS衛星22〜23に関し、上述したGPS衛星21の信号受信と同様の処理(ステップS102〜S109)を繰り返し実行する。
Subsequently, in step S110, the
制御部15は、ステップS110で、カウンタの値iが、受信対象とするGPS衛星の数”n”に達したことを確認すると、演算器14に測位演算の指令を発する。
When the
演算器14は、制御部15から測位演算の指令を受けると、ステップS111で、先に取得したGPS衛星21〜23の3次元位置S(x、y、z)と、算出されたそれぞれのGPS衛星21〜23との疑似距離cs1〜cs3とに基づき、測定点の測位演算を行ない、その結果を制御部15に引き渡す。
Upon receiving a positioning calculation command from the
尚、演算器14は、GPS衛星21〜23の位置S1〜S3と、算出された疑似距離cs1〜cs3とに基づく測定点の3次元位置O(x、y、z)の測位演算を行うにあたり、次の関係式(12)を演算により算出する。
Note that the
上述した関係式(12)(連立方程式による測位関係式)を解くことにより、測定点の3次元位置O(x、y、z)を算出することができる。 By solving the above-described relational expression (12) (positioning relational expression based on simultaneous equations), the three-dimensional position O (x, y, z) of the measurement point can be calculated.
最後に、制御部15は、ステップS112で、測定点の位置と時刻とを、例えば、経路案内等、カーナビゲーション用のアプリケーションソフトウエアに引き渡し、上述した測定点の測位演算のための一連の処理を終了する。
Finally, in step S112, the
上記した本発明の実施例に係るGPS測位演算装置10では、3基以上のGPS衛星(ここでは21〜23)から発せられる信号に含まれる航法データから取得した軌道速度vと時刻tbに関する情報とから、測定点が信号を受信した時刻trでのGPS衛星の位置Bを時刻差t=tr−tbから算出し、このGPS衛星の位置Bと測定点の位置Oとを結ぶ第1の線分に対する地平線の第1の角度αを、第1の線分の距離ctと高度hから算出し、第1の線分の距離ctと、第1の角度αと、軌道速度vとに基づき、GPS衛星の位置Aと測定点の位置Oとを結ぶ第2の線分の距離csを算出することとした。
In the above-described GPS
このため、GPS衛星を多数使用することなく、且つ、地上の基地局からの参照測位データを不要とするため、計算方法が簡素化される。又、疑似距離csを算出するにあたり、GPS衛星の速度vと角度αに関するデータが必要になるが、GPS衛星の信号受信時の疑似距離ctを、信号発信時の疑似距離csに置き換えるだけで、簡単に精度の高い計算が可能になる。 For this reason, the calculation method is simplified because a large number of GPS satellites are not used and the reference positioning data from the ground base station is unnecessary. Further, in calculating the pseudo distance cs, data on the speed v and the angle α of the GPS satellite is required. However, by simply replacing the pseudo distance ct at the time of GPS satellite signal reception with the pseudo distance cs at the time of signal transmission, Easy and accurate calculation is possible.
そして、信号発信時におけるGPS衛星の位置A(x、y、z)と、算出された疑似距離csとに基づき、測定点O(x、y、z)の測位演算を行うことにより、測定点での位置検出精度の改善を可能にする。 A measurement point is obtained by performing a positioning calculation of the measurement point O (x, y, z) based on the position A (x, y, z) of the GPS satellite at the time of signal transmission and the calculated pseudo distance cs. It is possible to improve the position detection accuracy at.
尚、図4のフローチャートにおいて、ステップS105は、GPS測位演算装置10を構成する「受信機が受信した信号に含まれる航法データから、信号を発した時点でのGPS衛星の位置Aと、時刻tbと、軌道速度vと、高度hとを含む軌道情報を取得する航法データ取得部」に相当する。 In the flowchart of FIG. 4, step S105 constitutes “position A of the GPS satellite at the time when the signal is generated from the navigation data included in the signal received by the receiver, and time tb. And a navigation data acquisition unit that acquires orbit information including the orbital velocity v and the altitude h.
又、ステップS106は、「取得した軌道速度vと時刻tbとから、測定点が信号を受信した時刻trでのGPS衛星の位置Bを時刻差t=tr−tbから算出し、このGPS衛星の位置Bと測定点の位置Oとを結ぶ第1の線分に対する地平線の第1の角度αを、第1の線分の距離ctと高度hから算出する仰角演算部」に相当する。 Further, the step S106 calculates "the GPS satellite position B at the time tr when the measurement point receives the signal from the acquired orbital velocity v and the time tb from the time difference t = tr-tb. It corresponds to an “elevation angle calculation unit that calculates the first angle α of the horizon with respect to the first line segment connecting the position B and the position O of the measurement point from the distance ct and the altitude h”.
又、ステップS107は、「第1の線分の距離ctと、仰角演算部が算出した第1の角度αと、軌道速度vとに基づき、GPS衛星の位置Aと測定点の位置Oとを結ぶ第2の線分の距離csを算出する疑似距離演算部」に相当する。 Further, the step S107 determines that “the position A of the GPS satellite and the position O of the measurement point are based on the distance ct of the first line segment, the first angle α calculated by the elevation angle calculation unit, and the orbital velocity v. This corresponds to a “pseudo distance calculation unit that calculates the distance cs of the second line segment to be connected”.
又、ステップS111は、「算出したそれぞれのGPS衛星の各位置A(A1〜A3)と測定点の位置Oとの間のそれぞれの距離cs(cs1〜cs3)から、測定点の位置Oを算出する測位演算部」に相当する。 Step S111 calculates "the position O of the measurement point from each distance cs (cs1 to cs3) between each position A (A1 to A3) of each calculated GPS satellite and the position O of the measurement point. Corresponds to the “positioning calculation unit”.
尚、上述した実施例では、2つの慣性系を用いて疑似距離の計算を試みた。ところが、実際上、GPS衛星21〜23と地上の測定点との間の関係は相対的な円軌道であることから回転慣性系になる。以降では、回転慣性系の回転運動と信号伝達の関係について、図5を参照しながら説明する。
In the above-described embodiment, the pseudo distance is calculated using two inertia systems. However, in practice, the relationship between the
図5において、K座標から見た回転運動と信号伝達の関係を図5(a)に、Q座標から見た回転運動と信号伝達の関係を図5(b)に示す。
図5(a)では、K座標から見た場合、地上の測定点にあるGPS測位演算装置10が、時刻tでPの位置からOの位置に角度ωtだけ移動することになる。また、図5(b)では、Q座標からみた場合、GPS衛星が、時刻tでAの位置からBの位置に角度ωtだけ移動することになる。
In FIG. 5, the relationship between rotational motion and signal transmission as viewed from the K coordinate is shown in FIG. 5 (a), and the relationship between rotational motion and signal transmission as viewed from the Q coordinate is shown in FIG. 5 (b).
In FIG. 5A, when viewed from the K coordinate, the GPS
このことから、K座標で次の関係式(13)を算出することにより、回転運動における運動と時間の関係を計算することができ、又、Q座標において、次の関係式(14)を算出することにより、回転運動における運動と時間の関係を計算することができる。ここで、ωは、地上の測位点にあるGPS測位演算装置10とGPS衛星21〜23の相対角速度であり、rは、地球の半径、RはGPS衛星の軌道の半径である。
From this, by calculating the following relational expression (13) with the K coordinate, it is possible to calculate the relation between the movement and time in the rotational movement, and also calculating the following relational expression (14) with the Q coordinate. By doing so, it is possible to calculate the relationship between the motion and time in the rotational motion. Here, ω is the relative angular velocity of the GPS
尚、楕円や、更に複雑な軌道の衛星に対しても、ct,cs,vrtの関係は変化しないため、同様のct,cs,vrtからなる三角形のベクトルを描くことにより、疑似距離csを算出することが可能である。従って、GPS測位演算装置10において、疑似距離csを算出するにあたり、演算器14が、回転運動における運動と時間の関係を上述した関係式(13)及び(14)により算出することを除いては、上述した実施例と同様の動作を行う。
Note that since the relationship between ct, cs, and vrt does not change for ellipses and satellites with more complicated orbits, the pseudo distance cs is calculated by drawing the same triangular vector consisting of ct, cs, and vrt. Is possible. Therefore, in calculating the pseudo distance cs in the GPS
このように、円軌道を行うGPS衛星21〜23と地上の測定点との関係は回転慣性系で表現でき、このときの回転運動と時間の関係について上述した関係式(13)及び(14)を算出することにより、楕円他、より複雑な軌道をとる場合にも上述した実施例と同様、誤差を生じない精度の高い疑似距離csを算出することができる。
As described above, the relationship between the
尚、本発明のGPS測位演算方法は、例えば、図1に示すように、少なくとも3基のGPS衛星21〜23から発信される信号を受信して地平線e上の測定点(GPS測位演算装置10)の位置検出を行うGPS測位方法である。
Note that the GPS positioning calculation method of the present invention, for example, as shown in FIG. 1, receives signals transmitted from at least three
そのGPS測位方法は、例えば、図4に示すように、第1のステップから第4のステップを有する。ここで、第1のステップは、S105のように、受信機が受信した信号に含まれる航法データから、GPS衛星が信号を発信した時点におけるGPS衛星の位置Aと、時刻tbと、軌道速度vと、高度hとを含む軌道情報を取得する。そして、第2のステップは、S106のように、取得した軌道速度vと時刻tbとから、測定点が信号を受信した時刻trでのGPS衛星の位置Bを時刻差t=tr−tbから算出し、このGPS衛星の位置Bと測定点の位置Oとを結ぶ第1の線分に対する地平線の第1の角度αを、第1の線分の距離ctと高度hから算出する。 The GPS positioning method includes, for example, a first step to a fourth step as shown in FIG. Here, as in S105, the first step is based on the navigation data included in the signal received by the receiver, and the position A of the GPS satellite, the time tb, and the orbital velocity v at the time when the GPS satellite transmits the signal. And trajectory information including altitude h. Then, the second step calculates the position B of the GPS satellite at the time tr at which the measurement point receives the signal from the time difference t = tr−tb from the acquired orbital velocity v and the time tb as in S106. Then, the first angle α of the horizon with respect to the first line segment connecting the position B of the GPS satellite and the position O of the measurement point is calculated from the distance ct and the altitude h of the first line segment.
第3のステップは、S107のように、第1の線分の距離ctと、S106で算出した第1の角度αと、S105で取得した軌道速度vとに基づき、GPS衛星の位置Aと測定点の位置Oとを結ぶ第2の線分の距離csを算出する。そして、第4のステップは、S111のように、第3のステップで算出した少なくとも3基のGPS衛星の位置A(A1〜A3)と、測定点の位置Oとの間のそれぞれの距離cs(cs1〜cs3)から測定点の位置Oを算出する。 As in S107, the third step measures the position A of the GPS satellite based on the distance ct of the first line segment, the first angle α calculated in S106, and the orbital velocity v acquired in S105. The distance cs of the second line segment connecting the point position O is calculated. In the fourth step, as in S111, the distances cs () between the positions A (A1 to A3) of at least three GPS satellites calculated in the third step and the position O of the measurement point are calculated. The position O of the measurement point is calculated from cs1 to cs3).
本発明のGPS測位方法によれば、極めて高い精度での測定点の位置検出を行うことができる。本発明のGPS測位方法によれば、疑似距離csを算出するために、GPS衛星の速度vと角度αに関する情報が必要であるが、従来、疑似距離として使用していたctを単にcsに置き換えるだけで精度の高い計算が可能である。又、円軌道の場合にも同様、誤差を生じない精度の高い疑似距離の計算が可能である。 According to the GPS positioning method of the present invention, the position of a measurement point can be detected with extremely high accuracy. According to the GPS positioning method of the present invention, in order to calculate the pseudo distance cs, information on the speed v and the angle α of the GPS satellite is necessary. Conventionally, ct used as the pseudo distance is simply replaced with cs. A simple calculation with high accuracy is possible. Similarly, in the case of a circular orbit, it is possible to calculate a pseudo distance with high accuracy without causing an error.
更に、本発明のGPS測位方法は、仰角依存特性を考慮することができる計算方法であり、これによって疑似距離の算出精度を大幅に改善することができる。疑似距離の算出精度が向上すれば、結果的に測定点の位置検出の精度の大幅な向上につながる。又、計算方法の簡素化、使用するGPS衛星の数の削減等、産業上得られる効果は極めて大きい。 Furthermore, the GPS positioning method of the present invention is a calculation method that can take elevation angle-dependent characteristics into consideration, and this can greatly improve the calculation accuracy of the pseudorange. If the calculation accuracy of the pseudo distance is improved, the accuracy of the position detection of the measurement point is consequently greatly improved. In addition, industrial effects such as simplification of the calculation method and reduction of the number of GPS satellites used are extremely large.
本発明のGPS測位演算装置は、カーナビゲーションシステムに限らず、船舶、航空機、作業用車両、携帯端末等、測定点となる移動体の位置検出に用いることが可能である。また、ディファレンシャルデータから疑似距離の誤差を推定する等の方法を採れば、更に精度を向上することが可能となる。又、位置検出以外にも、大気遅延量、電離圏遅延量等を高精度に算出することができるため、気象観測における飛躍的な精度向上が望める。 The GPS positioning calculation apparatus of the present invention is not limited to a car navigation system, but can be used for detecting the position of a moving body that is a measurement point, such as a ship, an aircraft, a work vehicle, or a portable terminal. Further, if a method such as estimating a pseudo-range error from the differential data is adopted, the accuracy can be further improved. In addition to position detection, atmospheric delay, ionospheric delay, and the like can be calculated with high accuracy, so a dramatic improvement in weather observation can be expected.
10…GPS測位演算装置、11…受信機、11a…アンテナ、11b…RF回路、12…A/D変換器、13…相関器、14…演算器、15…制御部、16…記憶部、21〜23…GPS衛星。
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記受信機が受信した前記信号に含まれる航法データから、前記GPS衛星が前記信号を発信した時点における前記GPS衛星の位置Aと、時刻tbと、軌道速度vと、高度hとを含む軌道情報を前記演算器が取得する第1のステップと、
前記演算器が、
前記取得した軌道速度vと時刻tbとから、前記測定点が前記信号を受信した時刻trでの前記GPS衛星の位置Bを時刻差t=tr−tbから算出し、このGPS衛星の位置Bと前記測定点の位置Oとを結ぶ第1の線分に対する前記地平線の第1の角度αを、前記第1の線分の距離ctと高度hから算出する第2のステップと、
前記第1の線分の距離ctと、前記第2のステップで算出した第1の角度αと、前記軌道速度vとに基づき、前記GPS衛星の位置Aと前記測定点の位置Oとを結ぶ第2の線分の距離csを算出する第3のステップと、
前記第3のステップで算出した前記少なくとも3基のGPS衛星の位置Aと、前記測定点の位置Oとの間のそれぞれの距離csから前記測定点の位置Oを算出する第4のステップと、
を有することを特徴とするGPS測位演算方法。 A GPS positioning calculation method in which a signal transmitted from at least three GPS satellites is received by a receiver, and a calculator calculates the position of a measurement point on the horizon based on the signal,
Orbit information including the position A of the GPS satellite, the time tb, the orbital velocity v, and the altitude h from the navigation data included in the signal received by the receiver. A first step by which the computing unit obtains:
The computing unit is
From the acquired orbital velocity v and time tb, the position B of the GPS satellite at the time tr when the measurement point receives the signal is calculated from the time difference t = tr−tb. A second step of calculating a first angle α of the horizon with respect to a first line connecting the position O of the measurement point from a distance ct and an altitude h of the first line;
Based on the distance ct of the first line segment, the first angle α calculated in the second step, and the orbital velocity v, the position A of the GPS satellite and the position O of the measurement point are connected. A third step of calculating a distance cs of the second line segment;
A fourth step of calculating the position O of the measurement point from the respective distances cs between the position A of the at least three GPS satellites calculated in the third step and the position O of the measurement point;
A GPS positioning calculation method characterized by comprising:
前記算出した第1の角度αと、前記第1のステップで取得した前記GPS衛星の軌道速度vとから、前記信号を発した時点での前記GPS衛星の位置Aと前記測定点の現在地Oとを結ぶ第2の線分に対する前記地平線の第2の角度βを算出することを特徴とする請求項1記載のGPS測位演算方法。 The second step includes
From the calculated first angle α and the orbital velocity v of the GPS satellite acquired in the first step, the position A of the GPS satellite and the current location O of the measurement point when the signal is generated The GPS positioning calculation method according to claim 1, wherein the second angle β of the horizon with respect to a second line segment connecting the two is calculated.
前記第1の角度α又は前記第2の角度βを算出するにあたり、次の角度関係式(101)を演算することを特徴とする請求項1又は2記載のGPS測位演算方法。
3. The GPS positioning calculation method according to claim 1, wherein the following angular relational expression (101) is calculated when calculating the first angle α or the second angle β.
前記第2の線分の距離csを算出するにあたり、次の関係式(102)を演算することを特徴とする請求項1記載のGPS測位演算方法。
The GPS positioning calculation method according to claim 1, wherein the following relational expression (102) is calculated in calculating the distance cs of the second line segment.
前記第2の線分の距離csを算出するにあたり、次の関係式(103)及び(104)を演算して回転運動における速度を算出することを特徴とする請求項1記載のGPS測位演算方法。
2. The GPS positioning calculation method according to claim 1, wherein, in calculating the distance cs of the second line segment, the following relational expressions (103) and (104) are calculated to calculate the speed in the rotational motion. .
前記測定点の位置Oを算出するにあたり、次の関係式(105)を演算することを特徴とする請求項1記載のGPS測位演算方法。
The GPS positioning calculation method according to claim 1, wherein the following relational expression (105) is calculated in calculating the position O of the measurement point.
前記受信した前記信号に含まれる航法データから、前記信号を発した時点における前記GPS衛星の、位置Aと、時刻tbと、軌道速度vと、高度hとを含む軌道情報を取得する航法データ取得部と、
前記取得した軌道速度vと時刻tbとから、前記測定点が前記信号を受信した時刻trでの前記GPS衛星の位置Bを時刻差t=tr−tbから算出し、このGPS衛星の位置Bと前記測定点の位置Oとを結ぶ第1の線分に対する前記地平線の第1の角度αを、前記第1の線分の距離ctと高度hから算出する仰角演算部と、
前記第1の線分の距離ctと、前記仰角演算部が算出した第1の角度αと、前記軌道速度vとに基づき、前記GPS衛星の位置Aと前記測定点の位置Oとを結ぶ第2の線分の距離csを算出する疑似距離演算部と、
この疑似距離演算部で算出した前記それぞれのGPS衛星の各位置Aと前記測定点の位置Oとの間のそれぞれの第2の線分の距離csから、前記測定点の位置Oを算出する測位演算部と、
を備えたことを特徴とするGPS測位演算装置。 A receiver for receiving signals emitted from at least three GPS satellites, and a computing unit for calculating a position O of a measurement point on the horizon,
Navigation data acquisition for acquiring orbit information including a position A, a time tb, an orbital velocity v, and an altitude h of the GPS satellite at the time of emitting the signal from the navigation data included in the received signal. And
From the acquired orbital velocity v and time tb, the position B of the GPS satellite at the time tr when the measurement point receives the signal is calculated from the time difference t = tr−tb. An elevation angle calculation unit that calculates a first angle α of the horizon with respect to a first line segment connecting the position O of the measurement point from a distance ct and an altitude h of the first line segment;
Based on the distance ct of the first line segment, the first angle α calculated by the elevation angle calculation unit, and the orbital velocity v, the position A of the GPS satellite and the position O of the measurement point are connected. A pseudo distance calculation unit for calculating a distance cs of the two line segments;
Positioning for calculating the position O of the measurement point from the distance cs of each second line segment between the position A of each of the GPS satellites and the position O of the measurement point calculated by the pseudo distance calculation unit. An arithmetic unit;
A GPS positioning calculation device comprising:
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