JP4655139B2

JP4655139B2 - 移動体位置測位装置

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Publication number: JP4655139B2
Application number: JP2008296029A
Authority: JP
Inventors: 直人長谷川
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-11-19
Filing date: 2008-11-19
Publication date: 2011-03-23
Anticipated expiration: 2028-11-19
Also published as: US20110230207A1; US8521179B2; WO2010058266A2; EP2356482A2; WO2010058266A3; CN102216802A; EP2356482B1; CN102216802B; JP2010122069A

Description

本発明は、衛星からの信号に基づいて移動体の位置を測位する移動体位置測位装置に関する。

従来、衛星からの信号に基づいて移動体の位置を測位する装置が広く用いられている。こうした装置における問題の一つに、マルチパスと称されるものがある。これは、建物等によって反射された信号を受信することによって衛星と受信機との距離（疑似距離）が現実の距離からズレを生じ、結果として装置の現在位置を誤認識するというものである。

これに関連し、観測されたドップラーシフト量と、ジャイロセンサや車速センサーの出力によっていわゆるＩＮＳ（Inertial Navigation System）により算出される推定ドップラーシフト量との差分が閾値よりも小さい衛星からの信号のみを用いて測位演算を行なう方法についての発明が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−２６４４０９号公報

しかしながら、上記従来の方法では、ジャイロセンサや車速センサーの出力によって算出される移動体の位置や速度に比較的大きい誤差が生じた場合に、全ての衛星が選択されないといった事態が生じうる。従って、移動体の測位を継続的且つ正確に行なうことができない場合がある。

本発明はこのような課題を解決するためのものであり、移動体の測位をより継続的且つ正確に行なうことが可能な移動体位置測位装置を提供することを、主たる目的とする。

上記目的を達成するための本発明の第１の態様は、
複数の衛星からの信号を受信する受信手段と、
該受信手段により受信された信号を観測して得られる複数の観測データの一部又は全部を選択する観測データ選択手段と、
該観測データ選択手段により選択された観測データに基づいて測位演算を行なう測位演算手段と、
を備える移動体位置測位装置であって、
前記観測データ選択手段は、
前記受信手段により受信された信号を観測して得られる複数の観測データのそれぞれに対応する複数の誤差推定値を算出し、
該算出した複数の誤差推定値から、最大値と最小値の差が所定値未満であり個数が所定個数以上の誤差推定値群を抽出し、
該抽出した誤差推定値群のうち最も標準偏差の小さい誤差推定値群に含まれる誤差推定値に対応する衛星からの信号による観測データを選択することを特徴とする、
移動体位置測位装置である。

この本発明の第１の態様によれば、移動体の測位をより継続的且つ正確に行なうことができる。

なお、誤差推定値を算出する際には、例えば、ＩＮＳ（Inertial Navigation System）等によって算出される移動体の位置や速度との比較を行なう。

本発明の第２の態様は、
複数の衛星から送信される信号を観測して得られる複数の観測データに基づいて測位演算を行なう移動体位置測位装置において、観測データを選択する観測データ選択方法であって、
前記複数の観測データのそれぞれに対応する複数の誤差推定値を算出するステップと、
該算出した複数の誤差推定値から、最大値と最小値の差が所定値未満であり個数が所定個数以上の誤差推定値群を抽出するステップと、
該抽出した誤差推定値群のうち最も標準偏差の小さい誤差推定値群に含まれる誤差推定値に対応する衛星からの信号による観測データを選択するステップと、
を備える観測データ選択方法である。

この本発明の第２の態様によれば、移動体の測位をより継続的且つ正確に行なうことができる。

本発明によれば、移動体の測位をより継続的且つ正確に行なうことが可能な移動体位置測位装置を提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付図面を参照しながら実施例を挙げて説明する。

＜第１実施例＞
以下、本発明の第１実施例に係る移動体位置測位装置１について説明する。移動体位置測位装置１は、いわゆるＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）に適用される。ＧＮＳＳは、衛星からの信号を用いて移動体に搭載された測位装置が移動体の位置を測位する測位システムであり、ＧＰＳ（Global Positioning System）、Galileo、Glonass等の衛星を用いた測位システムを含む。以下の説明ではＧＰＳを基本構成として説明するが、本発明は、ＧＰＳに限らずあらゆるＧＮＳＳに広く適用可能である。

ＧＰＳは、地球周りを周回するＧＰＳ衛星と、本実施例の移動体位置測位装置１の如き測位装置により構成される。移動体位置測位装置１は、例えば車両や自動二輪車、鉄道、船舶、航空機、ホークリフト、ロボットや、人の移動に伴い移動する携帯電話等に搭載される。以下の説明では移動体位置測位装置１が車両に搭載されるものとして説明する。

ＧＰＳ衛星は、航法メッセージ（衛星信号）を地球に向けて常時放送している。航法メッセージには、対応するＧＰＳ衛星に関する衛星軌道情報（エフェメリスやアルマナク）、時計の補正値、電離層の補正係数が含まれている。航法メッセージは、Ｃ／Ａコードにより拡散されＬ１波（周波数：1575.42ＭＨz）に乗せられて、地球に向けて常時放送されている。なお、Ｌ１波は、Ｃ／Ａコードで変調されたＳｉｎ波とＰコード（Precision Code）で変調されたＣｏｓ波の合成波であり、直交変調されている。Ｃ／Ａコード及びＰコードは、擬似雑音（Pseudo Noise）符号であり、−１と１が不規則に周期的に並ぶ符号列である。

なお、現在、２４個のＧＰＳ衛星が高度約２０，０００kmの上空で地球を一周しており、各４個のＧＰＳ衛星が５５度ずつ傾いた６つの地球周回軌道面に均等に配置されている。従って、天空が開けている場所であれば、地球上のどの場所にいても、常時少なくとも５個以上のＧＰＳ衛星が観測可能である。

図１は、移動体位置測位装置１のシステム構成例である。移動体位置測位装置１は、主要な構成として、ＧＰＳアンテナ１０と、位置・速度推定用装置２０と、情報処理装置３０と、を備える。

位置・速度推定用装置２０は、ＩＮＳ（Inertial Navigation System）やマップマッチング等の手法により移動体の位置及び速度を推定するための装置であり、例えばＧセンサー、角速度センサー、車速センサー、地磁気センサー、地図データベース、及びこれらを用いて移動体の位置及び速度を推定するマイクロコンピュータ等を含む。こうした機器により位置及び速度の推定に関しては既に種々の手法が公知となっているため、詳細な説明を省略する。

情報処理装置３０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を中心としてＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）等がバスを介して相互に接続されたマイクロコンピュータであり、その他、ＨＤＤ（Hard Disc Drive）やＤＶＤ（Digital Versatile Disk）ドライブ、ＣＤ−Ｒ（Compact Disc-Recordable）ドライブ、ＥＥＰＲＯＭ（Electronically Erasable and Programmable Read Only Memory）等の記憶装置やＩ／Ｏポート、タイマー、カウンター等を備える。ＲＯＭには、ＣＰＵが実行するプログラムやデータが格納されている。

また、情報処理装置３０は、ＲＯＭに記憶されたプログラムをＣＰＵが実行することにより機能する主要な機能ブロックとして、疑似距離算出部３２と、ドップラー周波数算出部３４と、ＡＤＲ（Accumulated Doppler Range）算出部３６と、観測データ選択部３８と、測位演算部４０と、を備える。

疑似距離算出部３２は、ＧＰＳアンテナ１０が受信した信号について、内部で発生させたレプリカＣ／Ａコードを用いてＣ／Ａコード同期を行い、航法メッセージを取り出すと共に、各ＧＰＳ衛星と移動体位置測位装置１との間の擬似距離ρｉ（ｉ＝１、２、…ｎ；以下単にρと表記する）を算出する。擬似距離ρは、ＧＰＳ衛星と移動体位置測位装置１との間の真の距離とは異なり、時計誤差（クロックバイアス）や電波伝搬速度変化による誤差を含む。Ｃ／Ａコード同期の方法は、多種多様であり、任意の適切な方法が採用されてよい。例えば、ＤＤＬ（Delay―Locked Loop）を用いて、受信したＣ／Ａコードに対するレプリカＣ／Ａコードの相関値がピークとなるコード位相を追尾する方法であってよい。擬似距離ρは、例えば次式（１）により算出される。

ρ＝Ｎ×３００ …（１）

ここで、Ｎは、ＧＰＳ衛星と移動体位置測位装置１との間のＣ／Ａコードのビット数に相当し、レプリカＣ／Ａコードの位相及び移動体位置測位装置１内部の受信機時計に基づいて算出される。なお、数値３００は、Ｃ／Ａコードが、１ビットの長さが１μｓであり、１ビットに相当する長さが約３００ｍ（１μｓ×光速）であることに由来する。このようにして算出された擬似距離ρを表す信号は、観測データ選択部３８に入力される。なお、算出された擬似距離ρは、例えば後述のドップラー周波数変化量Δｆを用いてフィルタ（図示せず）によりキャリアスムージングを受けてから測位演算部４０に入力されてもよい。

ドップラー周波数算出部３４は、各衛星からの信号の搬送波位相を測定する機能を備え、内部で発生させたレプリカキャリアを用いて、ドップラーシフトした受信搬送波のドップラー周波数変化量Δｆｉ（ｉ＝１、２、…ｎ；以下単にΔｆと表記する）を測定する。ドップラー周波数変化量Δｆは、レプリカキャリアの周波数ｆｒと既知の搬送波周波数ｆｃ（1575.42ＭＨz）の差分（＝ｆｒ−ｆｃ）として測定される。係る機能は、レプリカキャリアを用いてキャリア相関値を演算して受信キャリアを追尾するＰＬＬ（Phase-Locked Loop）により実現されてよい。ドップラー周波数算出部３４により算出されたドップラー周波数変化量Δｆは、ＡＤＲ算出部３６、及び観測データ選択部３８に出力される。

ＡＤＲ算出部３６は、ドップラー周波数変化量Δｆを積分することにより、ＡＤＲｉ（ｉ＝１、２、…ｎ；以下単にＡＤＲと表記する）を算出する。ＡＤＲ算出部３６により算出されたＡＤＲは、観測データ選択部３８に出力される。

観測データ選択部３８は、本発明における観測データ（疑似距離ρ、ドップラー周波数変化量Δｆ、及びＡＤＲ）の一部又は全部を用いて各衛星からの信号による観測データに関する信頼性判定を行ない、その結果に応じて観測データを選択する。以下の説明では、疑似距離ρを用いて観測データ選択処理を行なうものとする。

図２は、第１実施例に係る観測データ選択部３８による観測データ選択処理の流れを示すフローチャートである。

まず、観測データ選択部３８は、疑似距離算出部３２により算出された疑似距離ρと位置・速度推定用装置２０により推定された位置を用いて、各衛星について観測データの誤差推定値ε１，ε２，…εＮを算出する（Ｓ１００）。誤差推定値は、例えば、繰り返し処理を行なう際に前回算出された移動体の位置から今回算出された移動体の位置への変位ベクトルと、衛星と移動体と結ぶ視線ベクトルとを用いて疑似距離ρの変化量を推定し、推定した疑似距離ρの変化量と、疑似距離算出部３２により算出された疑似距離ρの変化量との差分により求めることができる。

なお、観測データとしてドップラー周波数変化量Δｆを用いる場合は、ドップラー周波数算出部３４により算出されたドップラー周波数変化量Δｆと位置・速度推定用装置２０により推定された速度を用いて誤差推定値ε１，ε２，…εＮを算出する。また、観測データとしてＡＤＲを用いる場合は、ＡＤＲ算出部により算出されたＡＤＲと位置・速度推定用装置２０により推定された位置を用いて誤差推定値ε１，ε２，…εＮを算出する。

誤差推定値ε１，ε２，…εＮを算出すると、これらを含む所定個数以上の群を生成する（Ｓ１０２）。ここで、所定個数は、測位演算に必要な衛星数に準じた値であり、一般的には４個〜５個程度の値となる。従って、例えばＮ＝９であり所定個数が４個であれば、_４Ｃ_９＋_５Ｃ_９＋_６Ｃ_９＋_７Ｃ_９＋_８Ｃ_９＋_９Ｃ_９個の群が生成される。

次に、生成した群から、最大値と最小値の差が所定値未満である群を抽出する（Ｓ１０４）。

そして、抽出した群の中で、最も標準偏差の小さい群を選択し、その群に含まれる誤差推定値に対応する衛星を選択し、選択された衛星からの信号による各観測データを選択して、測位演算部４０に出力する（Ｓ１０６）。

係る処理によって、位置・速度推定用装置２０により推定された位置等との誤差が最も似通った観測データの群が選択される。従って、マルチパス等の衛星信号側の問題によって誤差が大きくなった観測データは除外されることとなる。この結果、マルチパス等が生じていない衛星信号による観測データが選択され、移動体の測位を正確に行なうことができる。

また、位置・速度推定用装置２０により推定された位置等自体に誤差が生じている場合には、衛星信号側の問題によって誤差が大きくなっていない観測データの誤差推定値は一律に大きくなるため、この場合であっても衛星信号側の問題によって誤差が大きくなっていない観測データが選択されることとなる。従って、ジャイロセンサや車速センサーの出力によって算出される移動体の位置や速度に比較的大きい誤差が生じた場合でも移動体の測位を継続的に行なうことができる。

更に、上記説明した選択手法は簡易で処理負担の小さい手法であるため、情報処理装置３０の処理時間や電力消費を軽減することができる。係る利点は、継続的な処理の必要な車載用測位装置として用いた場合に大きいものとなる。

測位演算部４０は、観測データ選択部３８により選択された観測データを用いて移動体の位置や速度を算出する。具体的には、例えば、疑似距離ρにＡＤＲによるキャリアスムージング処理を行なって移動体の位置を算出し、ドップラー周波数変化量Δｆを用いて移動体の速度（速度ベクトル）を算出する。係る測位演算については既に種々の手法が公知となっているため、詳細な説明を省略する。

以上説明した本実施例の移動体位置測位装置１によれば、移動体の測位をより継続的且つ正確に行なうことができる。

＜第２実施例＞
以下、本発明の第２実施例に係る移動体位置測位装置２について説明する。移動体位置測位装置２は、観測データ選択部３８による観測データ選択処理の内容のみが第１実施例と異なるため、係る相違点についてのみ説明する。

本実施例に係る観測データ選択部３８は、本発明における観測データのうちドップラー周波数変化量Δｆを用いて各衛星からの信号による観測データに関する信頼性判定を行ない、その結果に応じて観測データを選択する。

図３は、第２実施例に係る観測データ選択部３８による観測データ選択処理の流れを示すフローチャートである。

まず、観測データ選択部３８は、ドップラー周波数算出部３４により算出されたドップラー周波数変化量Δｆと位置・速度推定用装置２０により推定された速度を用いて、各衛星について観測データの誤差推定値ε１，ε２，…εＮを算出する（Ｓ２００）。

誤差推定値ε１，ε２，…εＮを算出すると、これらを含む所定個数以上の群を生成する（Ｓ２０２）。ここで、所定個数は、測位演算に必要な衛星数に準じた値であり、一般的には４個〜５個程度の値となる。従って、例えばＮ＝９であり所定個数が４個であれば、_４Ｃ_９＋_５Ｃ_９＋_６Ｃ_９＋_７Ｃ_９＋_８Ｃ_９＋_９Ｃ_９個の群が生成される。

次に、生成した群から、最大値と最小値の差が所定値未満である群を抽出する（Ｓ２０４）。

そして、抽出した各群について速度の誤差を推定する（Ｓ２０６）。速度の誤差は、例えば最小二乗法の観測方程式を用いて推定する。以下の式は、最小二乗法の観測方程式を用いた速度誤差推定の一例を示すものである。

各群について速度の誤差を推定すると、速度の誤差が最も小さい群を選択し、その群に含まれる誤差推定値に対応する衛星を選択し、選択された衛星からの信号による各観測データを選択して、測位演算部４０に出力する（Ｓ２０８）。

係る処理によって、第１実施例と同様、位置・速度推定用装置２０により推定された速度との誤差が最も似通った観測データの群が選択される。従って、マルチパス等の衛星信号側の問題によって誤差が大きくなった観測データは除外されることとなる。この結果、マルチパス等が生じていない衛星信号による観測データが選択され、移動体の測位を正確に行なうことができる。

以上説明した本実施例の移動体位置測位装置２によれば、移動体の測位をより継続的且つ正確に行なうことができる。

＜第３実施例＞
以下、本発明の第３実施例に係る移動体位置測位装置３について説明する。移動体位置測位装置３は、観測データ選択部３８による観測データ選択処理の内容のみが第１実施例及び第２実施例と異なるため、係る相違点についてのみ説明する。

本実施例に係る観測データ選択部３８は、誤差推定値ε１，ε２，…εＮについて平均値の差の検定を行なって、その結果に応じて観測データを選択する。以下の説明では、疑似距離ρを用いて観測データ選択処理を行なうものとする。

図４は、第３実施例に係る観測データ選択部３８による観測データ選択処理の流れを示すフローチャートである。

まず、観測データ選択部３８は、疑似距離算出部３２により算出された疑似距離ρと位置・速度推定用装置２０により推定された位置を用いて、各衛星について観測データの誤差推定値ε１，ε２，…εＮを算出する（Ｓ３００）。

誤差推定値ε１，ε２，…εＮを算出すると、各衛星について、以下の処理を実行する。

誤差推定値εｉと、εｉ以外の誤差推定値で平均値の差の検定を行なう（Ｓ３０２）。

そして、誤差推定値εｉと、εｉ以外の誤差推定値の平均が所定範囲以内であるか否かを判定し（Ｓ３０４）、所定範囲以内でなければ誤差推定値εｉを異常値として除外する（Ｓ３０６）。

以上説明した本実施例の移動体位置測位装置３によれば、移動体の測位をより継続的且つ正確に行なうことができる。

なお、本実施例における平均値の差の検定に代えて、スミルノフ・グラブス検定やＱテスト等を行なってもよい。いずれの場合も、異常値がなくなるまで検定を繰り返し、残ったデータを正常値とする。

以上、本発明を実施するための最良の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変形及び置換を加えることができる。

本発明は、自動車製造業や自動車部品製造業等に利用可能である。

移動体位置測位装置１のシステム構成例である。第１実施例に係る観測データ選択部３８による観測データ選択処理の流れを示すフローチャートである。第２実施例に係る観測データ選択部３８による観測データ選択処理の流れを示すフローチャートである。第３実施例に係る観測データ選択部３８による観測データ選択処理の流れを示すフローチャートである。

符号の説明

１移動体位置測位装置
１０ＧＰＳアンテナ
２０位置・速度推定用装置
３０情報処理装置
３２疑似距離算出部
３４ドップラー周波数算出部
３６ＡＤＲ算出部
３８観測データ選択部
４０測位演算部

Claims

複数の衛星からの信号を受信する受信手段と、
該受信手段により受信された信号を観測して得られる複数の観測データの一部又は全部を選択する観測データ選択手段と、
該観測データ選択手段により選択された観測データに基づいて測位演算を行なう測位演算手段と、
を備える移動体位置測位装置であって、
前記観測データ選択手段は、
前記受信手段により受信された信号を観測して得られる複数の観測データのそれぞれに対応する複数の誤差推定値を算出し、
該算出した複数の誤差推定値から、最大値と最小値の差が所定値未満であり個数が所定個数以上の誤差推定値群を抽出し、
該抽出した誤差推定値群のうち最も標準偏差の小さい誤差推定値群に含まれる誤差推定値に対応する衛星からの信号による観測データを選択することを特徴とする、
移動体位置測位装置。
複数の衛星から送信される信号を観測して得られる複数の観測データに基づいて測位演算を行なう移動体位置測位装置において、観測データを選択する観測データ選択方法であって、
前記複数の観測データのそれぞれに対応する複数の誤差推定値を算出するステップと、
該算出した複数の誤差推定値から、最大値と最小値の差が所定値未満であり個数が所定個数以上の誤差推定値群を抽出するステップと、
該抽出した誤差推定値群のうち最も標準偏差の小さい誤差推定値群に含まれる誤差推定値に対応する衛星からの信号による観測データを選択するステップと、
を備える観測データ選択方法。