特許第6191074号(P6191074)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

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特許6191074衛星時計精度判定装置、その方法及び測位装置
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6191074
(24)【登録日】2017年8月18日
(45)【発行日】2017年9月6日
(54)【発明の名称】衛星時計精度判定装置、その方法及び測位装置
(51)【国際特許分類】
   G01S 19/20 20100101AFI20170828BHJP
   G01S 19/27 20100101ALI20170828BHJP
   G01S 19/28 20100101ALI20170828BHJP
【FI】
   G01S19/20
   G01S19/27
   G01S19/28
【請求項の数】4
【全頁数】13
(21)【出願番号】特願2013-151944(P2013-151944)
(22)【出願日】2013年7月22日
(65)【公開番号】特開2015-21899(P2015-21899A)
(43)【公開日】2015年2月2日
【審査請求日】2016年7月7日
(73)【特許権者】
【識別番号】000004330
【氏名又は名称】日本無線株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100064908
【弁理士】
【氏名又は名称】志賀 正武
(74)【代理人】
【識別番号】100108578
【弁理士】
【氏名又は名称】高橋 詔男
(74)【代理人】
【識別番号】100160093
【弁理士】
【氏名又は名称】小室 敏雄
(72)【発明者】
【氏名】伊田 裕一
【審査官】 ▲高▼場 正光
(56)【参考文献】
【文献】 特開平08−297158(JP,A)
【文献】 特開2010−156631(JP,A)
【文献】 特表2012−502298(JP,A)
【文献】 米国特許出願公開第2010/0079340(US,A1)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
G01S 19/00 − G01S 19/55
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
GNSSにおける測位装置に設けられ、GNSS衛星から衛星時計補正パラメータが正常に受信できなかった場合に、測位に用いる前記GNSS衛星と前記測位装置との観測距離を求める際に使用する前記GNSS衛星の衛星時計の安定性を判定する衛星時計精度判定装置であり、
過去の衛星時計補正パラメータが書き込まれて記憶されている衛星時計補正パラメータ記憶部と、
直前の第1衛星時計補正パラメータから、この第1衛星時計補正パラメータより前の第2衛星時計補正パラメータのエポック時刻における推定誤差時間を求め、また前記第2衛星時計補正パラメータを用いて誤差時間を求め、当該誤差時間と前記推定誤差時間との差分により、前記GNSS衛星の衛星時計の安定性を判定する衛星時計精度判定部と
を備えることを特徴とする衛星時計精度判定装置。
【請求項2】
衛星時計精度判定部が、前記誤差時間と前記推定誤差時間との差分である差分誤差を求め、当該差分誤差が予め設定されている所定の閾値を超えた場合、前記衛星時計に測位に用いる安定性を有していないとし、当該衛星時計を搭載したGNSS衛星を測位の測定に用いないと判定することを特徴とする請求項1に記載の衛星時計精度判定装置。
【請求項3】
請求項1または請求項2に記載の衛星時計精度判定装置を備える測位装置であり、
前記衛星時計精度判定装置が測定に用いないと判定したGNSS衛星を測位に用いない
ことを特徴とする測位装置。
【請求項4】
GNSSにおける測位装置に設けられ、GNSS衛星から衛星時計補正パラメータが正常に受信できなかった場合に、測位に用いる前記GNSS衛星と前記測位装置との観測距離を求める際に使用する前記GNSS衛星の衛星時計の安定性を判定する衛星時計精度判定方法であり、
衛星時計精度判定部が、直前の第1衛星時計補正パラメータから、この第1衛星時計補正パラメータより前の第2衛星時計補正パラメータのエポック時刻における推定誤差時間を求め、また前記第2衛星時計補正パラメータを用いて誤差時間を求め、当該誤差時間と前記推定誤差時間との差分により、前記GNSS衛星の衛星時計の安定性を判定する衛星時計精度判定程過程
を有することを特徴とする衛星時計精度判定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、衛星時計精度判定装置、その方法及び測位装置に関する。
【背景技術】
【0002】
GNSS(Global Navigation Satellite System:グローバル・ナビゲーション・サテライト・システム)は、地球上空を高速で飛行する人工衛星を利用して、このGNSS衛星から送出される電波を、GNSS受信機にて受信することにより、自己の位置(GNSS受信機の位置)を高精度で測位することができる位置検出システムである。このGNSS測位に用いられるシステムとしては、GPS(Global Positioning System)、GLONASS(Global Navigation Satellite System)及びGALILEO(ガリレオ、EU(European Union)の全地球航法衛星システム)などがある。
【0003】
例えば、GPSシステムの場合、合計32個のGPS衛星が、地球上空約2万kmの6つの円軌道上に、5機及び6機ずつ配置され、地球上の如何なる場所においても、常に数個のGPS衛星からの電波を受信することができ、これら数個のGPS衛星から同時にGPS電波を受信することにより、位置検出装置側では自己の正確な位置を確認できるようになっている。
【0004】
GNSSは、上述したGPS等を含んでおり、全地球的な位置測定、測量などに用いられている。地球上空の軌道を周回するGNSS衛星の各々は、アルマナック(Almanac)データとエフェメリス(Ephemeris)・データの二種類の軌道情報を含む航法メッセージを送信している。ここで、GNSS衛星とは、GPS衛星、GLONASS衛星(GLONASSで用いられる衛星)及びGALILEO衛星(GALILEOで用いられる衛星)などを含む、GNSS測位において用いられる衛星である。
【0005】
カーナビゲーション装置などのGNSS受信機(測位装置)は、この航法メッセージを用いてGNSS衛星からGNSS受信機までの信号到達時間を測定する。そしてGNSS受信機は、信号到達時間に光速を掛けることでGNSS衛星とGNSS受信機間の距離(擬似距離)を求めている。
この作業を4機以上の衛星に対して行うことで、受信機の位置を三次元上で算出している。アルマナック・データは、軌道上における全ての衛星に関する軌道情報であり、少なくとも6日に1回、データが更新される。エフェメリス・データは、各衛星の正確な位置情報であり、2時間毎にデータが更新される。信号を発射した時刻情報は、6秒毎にデータ更新される。この時刻情報は、衛星に搭載されている高精度の原子時計(以下、衛星時計とする)により得られた時刻を示している。また、エフェメリス・データには、上記衛星時計の時間を補正する補正パラメータも含まれている。
【0006】
GNSS受信機は、受信した各情報を自機の記憶部に、例えば電源を切る前に受信したアルマナック・データとエフェメリス・データを保存している。これらの情報には、各々有効期限がある。エフェメリス・データは、有効期限が受信してから2時間から4時間程度とされている。しかし、エフェメリス・データは、30秒の長さのデータで構成されており、周囲の建物などの環境によって、電波の受信が阻害されて受信に時間を要する。GNSS受信機の電源がオフ状態で、GNSS衛星からの送信情報をエフェメリス・データの有効時間(例えば4時間)以上で送信毎に受信できていない場合など、GNSS受信機は、再度、送信情報を受信する必要がある。エフェメリス・データの有効期限が切れたことにより再受信している期間、GNSS受信機は、位置測定を行えない。このため、エフェメリス・データの有効期限の大幅な延長が重要な課題となっている。
【0007】
エフェメリス・データが受信できず、エフェメリス・データの有効期限切れにより再受信している期間、GNSS受信機は、位置測定を行えない。このため、エフェメリス・データの有効期限が切れた場合、GNSS受信機は、衛星位置については、以前受信したエフェメリス・データを用いて、軌道予測を行うことで算出し、衛星時計については、以前受信したエフェメリス・データを用いて、現在のGNSS衛星の衛星時計の時間を補正し、GNSS衛星とGNSS受信機との距離を求め、GNSS受信機の位置測定を行う方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【特許文献1】米国特許第7839330号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
しかしながら、特許文献1などの従来の手法において、衛星時計については、最後に取得した古い補正パラメータ(過去に取得した衛星時計補正パラメータ)を使用しており、現時点の補正パラメータと異なる数値のため、上述したGNSS衛星とGNSS受信機との距離の計算精度が低下してしまう。
このため、従来の手法においては、有効期限が切れた後に新たなエフェメリス・データが得られない場合、古い補正パラメータを使用することにより、GNSS衛星とGNSS受信機との距離が正確に求められず、GNSS受信機の測位の精度が大幅に低下してしまう。
【0010】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、エフェメリス・データが正常に取得できず、前回受信したエフェメリス・データの有効期限が切れた場合においても、従来に比較してより精度の高い位置測定を行うことができる衛星時計精度判定装置、その方法及び測位装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明の衛星時計精度判定装置は、GNSSにおける測位装置に設けられ、GNSS衛星から衛星時計補正パラメータが正常に受信できなかった場合に、測位に用いる前記GNSS衛星と前記測位装置との観測距離を求める際に使用する前記GNSS衛星の衛星時計の安定性を判定する衛星時計精度判定装置であり、 過去の衛星時計補正パラメータが書き込まれて記憶されている衛星時計補正パラメータ記憶部と、直前の第1衛星時計補正パラメータから、この第1衛星時計補正パラメータより前の第2衛星時計補正パラメータのエポック時刻における推定誤差時間を求め、また前記第2衛星時計補正パラメータを用いて誤差時間を求め、当該誤差時間と前記推定誤差時間との差分により、前記GNSS衛星の衛星時計の安定性を判定する衛星時計精度判定部とを備えることを特徴とする。
【0012】
本発明の衛星時計精度判定装置は、前記誤差時間と前記推定誤差時間との差分である差分誤差を求め、当該差分誤差が予め設定されている所定の閾値を超えた場合、前記衛星時計に測位に用いる安定性を有していないとし、当該衛星時計を搭載したGNSS衛星を測位の測定に用いないと判定することを特徴とする。
【0013】
本発明の測位装置は、上記に記載の衛星時計精度判定装置を備える測位装置であり、前記衛星時計精度判定装置が測定に用いないと判定したGNSS衛星を測位に用いないことを特徴とする。
【0014】
本発明の衛星時計精度判定方法は、GNSSにおける測位装置に設けられ、GNSS衛星から衛星時計補正パラメータが正常に受信できなかった場合に、測位に用いる前記GNSS衛星と前記測位装置との観測距離を求める際に使用する前記GNSS衛星の衛星時計の安定性を判定する衛星時計精度判定方法であり、衛星時計精度判定部が、直前の第1衛星時計補正パラメータから、この第1衛星時計補正パラメータより前の第2衛星時計補正パラメータのエポック時刻における推定誤差時間を求め、また前記第2衛星時計補正パラメータを用いて誤差時間を求め、当該誤差時間と前記推定誤差時間との差分により、前記GNSS衛星の衛星時計の安定性を判定する衛星時計精度判定程過程を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【0015】
この発明によれば、過去に正常に受信された少なくとも1つ以上の衛星時計補正パラメータを用いて、過去の衛星時計補正パラメータのエポック時刻における推定誤差時間を算出し、推定した衛星時計補正値と予測したエポック時刻の衛星時計補正パラメータを用いた誤差時間との差分により、衛星時計の安定度を推定する。衛星時計が不安定な衛星が存在する際、前記時計の安定度を推定しない場合と比較し、衛星時計が不安定な衛星を排除でき、GNSS衛星の観測距離の精度が悪い衛星を測位の測定に用いずに測位の測定を行うことができる。
これにより、本発明によれば、GNSS衛星の観測距離の精度が悪い衛星を測位の測定に用いないため、従来に比較して、測位装置の測位の結果を高い精度で得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0016】
図1】本実施形態に係る衛星時計精度判定装置を用いた測位装置によるGNSSの概略ブロック図である。
図2】推定誤差δ(t)’が線形的に変化するのではなく、短期間で非線形に変動する場合を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0017】
以下、図面を用いて、本発明の実施形態について説明する。
まず、一般的なGNSS衛星の軌道予測の概略原理について、GPS(Global Positioning System)衛星の例にとり説明する。
地球上空の6つの軌道を24機以上のGPS衛星(以下、衛星という)が周回し、各衛星は、航法メッセージを送信している。航法メッセージは、フレームを単位に送信している。1フレームの送信には、30秒を要する。1フレームは、5組のサブフレームで構成され、サブフレーム1から5が順番に送信される。また、サブフレーム1から3は、各衛星に固有の情報を含み、毎回同じ内容で構成される。サブフレーム4と5は、全衛星が同じ内容の情報で構成され、サブフレーム毎にページ1から25で構成されている。このため、サブフレーム4と5の全ての情報を送信するには、25フレームが必要である。このため、GPS受信機(測位装置)が航法メッセージの全情報を得るには、12分30秒の時間がかかる。サブフレーム1は、各衛星の状態(正常に動作しているか否か)、衛星が送信する衛星のクロック誤差を補正するための係数であるクロック補正係数などにより構成されている。サブフレーム2は、各衛星の軌道情報(エフェメリス(Ephemeris)・データ)1/2で構成されている。
サブフレーム3は、各衛星の軌道情報(エフェメリス・データ)2/2で構成されている。サブフレーム4は、GPS受信機が受信する信号が、電離層により遅延する量を補正するための係数である電離層遅延補正係数、大気により遅延する量を補正するための係数である大気遅延補正係数、GPS時刻(GNSS時刻)とUTC(協定世界時間;Universal Time, Coordinated))との関係を表す情報であるUTC関係情報、全衛星の軌道情報(アルマナック(Almanac)・データ)1/2などで構成されている。サブフレーム5は、全衛星の軌道情報(アルマナック・データ)2/2で構成されている。また、各サブフレームの先頭には、GPS時刻を示す情報が含まれている。なお、GPS時刻とは、1週間を単位としてGPS衛星で管理されている時間(衛星時計のカウントしている時間)であり、毎週、日曜日の0時からの経過時間で表される情報である。
【0018】
また、エフェメリス・データは、衛星の位置を計算するために必要な軌道の6要素(昇交点赤経、軌道傾斜角、近地点引数、軌道長半径、離心率、真近点角)のデータ、各補正値、及び軌道のエポック時刻toe(軌道の元期(ephemeris reference time))などにより構成されている。エフェメリス・データは、2時間毎に更新される。また、エフェメリス・データの有効期間は、受信後の2時間から4時間である。
アルマナック・データは、各衛星の軌道情報である。また、アルマナック・データは、少なくとも6日に1度の頻度で更新されている。また、アルマナック・データの有効期間は、6日である。
【0019】
GPS受信機は、受信したこれらのデータを記憶部に記憶する。記憶されているアルマナック・データ及びエフェメリス・データ共に有効な状態から、GPS受信機が測位を開始することをホット・スタートという。また、エフェメリス・データが無効でありアルマナック・データのみ有効な状態から、GPS受信機が測位を開始することをウォーム・スタートという。アルマナック・データ及びエフェメリス・データ共に無効な状態から、GPS受信機が測位を開始することをコールド・スタートという。
そして、ホット・スタートの場合、GPS受信機(測位装置)は、電源投入後に最初の位置情報が出力されるまでの時間は、記憶されているエフェメリス・データを用いて測位できるので数秒程度である。一方、ウォーム・スタートの場合、GPS受信機は、エフェメリス・データを再取得する必要があるので、取得に30秒以上の時間がかかり、さらに取得したエフェメリス・データの検査にも時間がかかる。このため、ウォーム・スタート場合、電源投入後に最初の位置情報が出力されるまでの時間は、30秒以上である。さらに、コールド・スタートの場合、アルマナック・データが無効なため,現時刻における可視衛星を知ることができず,受信可能である衛星をランダムに探す必要が有る.この衛星を探す時間に加え,エフェメリス・データを受信するための時間を要するため,電源投入後に最初の位置情報が出力されるまでの時間は、ウォーム・スタートよりも長くなる。
【0020】
軌道予測とは、以前収集されたエフェメリス・データを利用し、未来の衛星位置を予測する技術である。軌道予測装置は、この予測した衛星位置を測位に用いることで、ウォーム・スタート時にエフェメリス・データの受信完了を待たずに測位開始することができるため、GPS初期位置算出時間(TTFF)を短縮することができる。GPS受信機が衛星からの情報取得後、電源オフ状態の期間が短ければ、以前取得したデータを用いて、衛星の位置を把握できるため、データの再取得までの時間が短くなる。
そして、軌道予測装置は、エフェメリス・データから計算される衛星位置・速度をバックアップ・メモリに保存する。次に、軌道予測装置は、軌道予測計算に必要なデータが揃い次第、軌道予測パラメータを推定し、推定した軌道予測パラメータを使用して軌道を予測する。次に、軌道予測装置は、予測した軌道をバックアップ・メモリへ保存する。そして、軌道予測装置は、エフェメリス・データが無効の時、バックアップ・メモリに保存された予測した軌道を使用して衛星位置を計算する。
【0021】
衛星の位置は、衛星の初期位置と初期速度が与えられ、衛星にかかる加速度が計算され、積分が行われることで、計算される。衛星にかかる加速度ベクトルasatは、地球重力定数をGM、地球中心から衛星までの位置ベクトルをrとし、地球重力の地球非球面による加速度ベクトルをa、太陽重力による加速度ベクトルをa、月重力による加速度ベクトルをa、太陽輻射圧による加速度ベクトルをaとすると、次式(1)のように表される。なお、太陽輻射圧とは、太陽から飛んでくる光子(Photon)がGPS衛星の表面に衝突して発生する力である。
【0022】
【数1】
【0023】
一般的な軌道予測プログラムでは、式(1)の加速度asatを数値積分により時間積分することで、GPS衛星の位置と速度を算出する。用いる数値積分法は、例えば、RKF45(ルンゲクッタフェールベルグ法;Runge-Kutta-Fehlberg method)及びCowellである。
【0024】
次に、本実施形態に係る衛星時計精度判定装置を用いた測位装置によるGNSSの構成について、図1を用いて説明する。図1は、本実施形態に係る衛星時計補正パラメータ生成装置を用いた測位装置によるGNSSの概略ブロック図である。
図1に示すように、GNSSは、測位装置1、GNSS衛星2から構成されている。測位装置(GNSS受信機)1は、軌道予測装置10、測位算出部20、衛星時計精度判定装置30を備えている。なお、GNSS衛星2は、1機ではなく、GPS衛星だけでも24機以上の衛星から構成される。
軌道予測装置10は、情報取得部110、記憶部115、アルマナック取得部120、衛星型抽出部125、エフェメリス取得部130、衛星位置速度算出部135、衛星位置・速度記憶部140、演算開始判定部145、パラメータ推定部150、軌道予測演算部155、予測結果記憶部160を備えている。
【0025】
情報取得部110は、GNSS衛星2が送信する航法メッセージから、UTC関係情報、GNSS時刻、電離層遅延補正係数を取得し、取得したGNSS時刻、UTC関係情報と電離層遅延補正係数を記憶部115に記憶させる。
記憶部115には、GNSS時刻、UTC関係情報と電離層遅延補正係数、大気遅延補正係数が記憶されている。
【0026】
アルマナック取得部120(情報取得部)は、GNSS衛星2が送信したアルマナック・データを取得し、取得したアルマナック・データを衛星型抽出部125に出力する。
衛星型抽出部125は、アルマナック取得部120が出力するアルマナック・データから衛星型番号を抽出し、抽出した衛星型番号を衛星位置・速度記憶部140に記憶させる。なお、衛星型番号とは、Block IIA,Block IIR,Block IIR−M,Block IIFなどのGNSS衛星2の型を示す番号である。
【0027】
エフェメリス取得部130(情報取得部)は、GNSS衛星2が送信するエフェメリス・データを取得し、取得したエフェメリス・データを衛星位置速度算出部135に出力する。
衛星位置速度算出部135は、エフェメリス取得部130が出力したエフェメリス・データから衛星の状態(Health)を抽出する。衛星位置速度算出部135は、抽出した衛星の状態が正常であるか否かを判別する。衛星の状態とは、衛星の状態を表すコードで、0以外は何らかの異常が衛星にあることを示している。
このコードが正常を示す0であり、衛星の状態が正常であると判別した場合、衛星位置速度算出部135は、取得したエフェメリス・データをエポック時刻toeに近い偶数正時(例えば、0時、2時、4時、6時などの2で除算して割り切れる時間)TOE2に変換する。衛星位置速度算出部135は、衛星位置・速度記憶部140に記憶されているGNSS衛星2の位置と速度情報(以下、位置速度情報という)の内、算出した時刻TOE2の示す日から3日を減算した、時刻TOE2より3日以前(時刻TOE2の示す日時より3日前)の情報を保存領域から削除する。時刻TOE2より3日以前の情報を保存領域から削除する理由は、エフェメリス・データを均等に3日分記憶させるためである。後述するように、このように均等に3日分、記憶させたエフェメリス・データを用いて軌道予測装置10が軌道予測を行った場合、予測誤差が少なくなるためである。
【0028】
衛星位置速度算出部135は、衛星位置・速度記憶部140に時刻TOE2の位置速度情報が記憶されているか否かを判別する。衛星位置・速度記憶部140に時刻TOE2の位置速度情報が記憶されていると判別した場合、後述するように、衛星位置速度算出部135は、TOE2の位置速度情報を削除後、衛星位置・速度記憶部140の保存領域の空きが、2個分の位置速度情報を記憶できる領域になるまで情報を削除する。衛星位置速度算出部135は、時刻TOE2と時刻TOE2+2時間(時刻TOE2に対して2時間加算した結果)の各時刻の各GPS衛星2の各位置と各速度を算出し、算出した2つの時刻の位置と速度を位置速度情報として衛星位置・速度記憶部140に記憶させる。
衛星位置・速度記憶部140に時刻TOE2の位置速度情報が記憶されていないと判別した場合、後述するように、衛星位置速度算出部135は、衛星位置・速度記憶部140の保存領域の空きが、3個分の位置速度情報を記憶できる領域になるまで情報を削除する。衛星位置速度算出部135は、時刻TOE2、時刻TOE−2時間(時刻TOE2から2時間減算した結果)、及び時刻TOE2+2時間の各時刻のGPS衛星2の各位置と各速度を算出し、算出した2つの時刻の位置と速度を位置速度情報として衛星位置・速度記憶部140に記憶させる。
【0029】
衛星位置・速度記憶部140には、衛星型番号、各GPS衛星2における各時刻の位置速度情報が記憶されている。
演算開始判定部145は、衛星位置・速度記憶部140から過去の位置速度情報、衛星型番号を読み出し、記憶部115からGNSS時刻、UTC関係情報及び電離層遅延補正係数を読み出す。演算開始判定部145は、読み出した情報に基づき、予め設定されている演算開始条件を満たしているか否かを判定する。演算開始条件を満たしていると判別した場合、演算開始判定部145は、パラメータ推定部150に読み出した情報と判定結果を出力する。
【0030】
パラメータ推定部150は、演算開始判定部145が出力する読み出された情報と判定結果を用いて、推定パラメータsを推定する。パラメータ推定部150は、推定した推定パラメータを軌道予測演算部155に出力する。なお、推定パラメータsは、例えば11個の成分を有するベクトルである。
軌道予測演算部155は、パラメータ推定部150が出力する推定パラメータsを使用し、後述するように、例えば将来の3日間までの2時間ごとの時刻te(k)(k=0,・・・,36)におけるGNSS衛星2_i(i=0,・・・,110)の衛星位置pe(i)(i=0,・・・,110)を軌道計算する。軌道予測演算部155は、算出した予測軌道値を予測結果記憶部160に記憶させる。
予測結果記憶部160には、GNSS衛星2_iの各々の予測軌道値である衛星位置pe(i)が記憶されている。
【0031】
測位算出部20は、予測結果記憶部160に記憶されている予測軌道値である衛星位置をpe(i)読み出し、読み出した予測軌道値を外挿して衛星位置を算出して測位を行う。すなわち、測位算出部20は、算出された位置速度情報、及び実測により取得された位置速度情報、UTC関係情報、GNSS時刻、衛星時計補正パラメータ、電離層遅延補正係数を用いて、公知の手法で位置測定を行う。ここで、測位算出部20は、航法メッセージを用いてGNSS衛星から測位装置1までの信号到達時間を測定する。測位算出部20は、信号到達時間に光速を掛けることでGNSS衛星と測位装置1間の距離(擬似距離)を求め、複数のGNSS衛星から距離に基づいて測位装置1の位置を三次元上で算出している。ここで、測位算出部20は、以下の(2)式を用いて、GNSS衛星と測位装置1との間の距離を求めている。
ρ(t)=r(t,t)+c{δ(t)−δ(t)}
+I(t)+T(t)+ep(t) …(2)
ρ(t):時刻tで求めた観測距離
r(t,t):tでの測位装置1の位置とtでの衛星位置との幾何距離
c:光の速度
δ(t):測位装置1の時計の誤差(誤差時間)
δ(t):衛星時計の誤差(誤差時間)
I(t):電離層遅延による誤差距離
T(t):大気遅延による誤差距離
ep(t):マルチパス誤差
:測位装置1が航法メッセージを受信した時間
:GNSS衛星2が航法メッセージを送信した時間(GNSS時刻)
ここで、測位算出部20は、記憶部115から電離層遅延補正係数及び大気遅延補正係数を読み出す。測位算出部20は、電離層遅延による誤差距離I(t)を電離層遅延補正係数により、また大気遅延による誤差距離T(t)を大気遅延補正係数により、それぞれ予め設定された関係式により算出し、(2)式に用いる。
【0032】
なお、軌道予測装置10は、航法メッセージを受信し、受信した航法メッセージを復調して、復調した航法メッセージから各データを抽出する。情報取得部110とアルマナック取得部120及びエフェメリス取得部130は、この抽出された各データを取得している。例えば、情報取得部110が航法メッセージを復調し、復調した航法メッセージから各データを抽出し、抽出した各情報を衛星型抽出部125及び衛星位置速度算出部135に出力し、記憶部115に書き込むようにしてもよい。また、記憶部115、衛星位置・速度記憶部140、及び予測結果記憶部160に分ける例を説明したが、これらの記憶部をまとめて1つの記憶部に記憶させるようにしてもよい。
【0033】
軌道予測装置10が行う処理について説明する。まず、軌道予測装置10は、航法データの取得を開始する。次に、アルマナック取得部120は、GNSS衛星2が送信するアルマナック・データを取得し、取得したアルマナック・データを衛星型抽出部125に出力する。次に、衛星型抽出部125は、アルマナック取得部120が出力するアルマナック・データから衛星型番号を抽出し、抽出した衛星型番号を衛星位置・速度記憶部140に記憶させる。次に、情報取得部110は、GNSS衛星2が送信する航法メッセージのサブフレーム4のデータから、電離層遅延補正係数、大気遅延補正係数、大気遅延補正係数、GNSS時刻(t)、及びUTC関係情報を取得し、取得した電離層遅延補正係数、GNSS時刻、及びUTC関係情報を記憶部115に記憶させる。
【0034】
衛星時計精度判定装置30は、衛星時計補正パラメータ記憶部310と衛星時計精度判定部320から構成されている。
衛星時計補正パラメータ記憶部310には、衛星時計補正パラメータ(バイアス値Af及び変化率Af)が時系列に、所定の期間の複数のデータが衛星時計補正パラメータのエポック時刻とともに書き込まれて記憶されている。例えば、本実施形態の場合、現在から3つ前までの衛星時計補正パラメータが記憶されている。ここで、衛星時計補正パラメータにおけるバイアス値Afは、エポック時刻における衛星時計の誤差である。変化率Afは、単位時間あたりの衛星時計の誤差の変化率である。
【0035】
また、上述したエフェメリス取得部130は、エフェメリス・データを受信した際、衛星時計補正パラメータ記憶部310に記憶されている衛星時計補正パラメータの最も古い時刻のもの消去し、新たに受信したエフェメリス・データにおける衛星時計補正パラメータを、衛星時計補正パラメータ記憶部310に書き込んで記憶させる。すなわち、エフェメリス取得部130は、過去のエフェメリス・データにおける衛星時計補正パラメータ(バイアス値Af及び変化率Af)を時系列に所定の範囲で衛星時計補正パラメータ記憶部310に対して書き込んで記憶させる。
【0036】
また、測位算出部20は、エフェメリス・データが受信された場合、(2)式で用いる衛星時計の誤差(誤差時間)δ(t)を以下の(3)式から求める。
δ(t)=Af(t)+Af(t)・(t−t) …(3)
この(3)式において、tは、衛星時計補正パラメータの元期であり、航法メッセージに含まれている。
しかしながら、測位算出部20は、エフェメリス・データが受信されずに、有効期限が切れた場合、最後に受信されたエフェメリス・データの衛星時計補正パラメータを、衛星時計補正パラメータ記憶部310から読み出して用い、以下の(4)式により、推定誤差δ(t)’を算出する。
δ(t)’=Af(ts−1)+Af(ts−1)・(t−t) …(4)
【0037】
ここで、変化率Afは、衛星時計が不安定なGNSS衛星の場合、短期間で変化する。このため、最後に得られた衛星時計補正パラメータを用いた場合、推定誤差δ(t)’が、実際の誤差δ(t)に対して大きく異なる数値となる。
図2は、推定誤差δ(t)’が線形的に変化するのではなく、短期間で非線形に変動する場合を示す図である。この図2において、縦軸が誤差δを示し、横軸が時間を示している。線分L1は、線形的に変化率Afが変化する安定した衛星時計の誤差δの線形的な変化を示している。線分L2は、短期間に変化率Afが変化する不安定な衛星時計の誤差δの線形的な変化を示している。
時刻tにおいて、測位を行う迄にエフェメリス・データが受信できず、有効期限が切れた場合、最後に受信されたエフェメリス・データの衛星時計補正パラメータを用いて、推定誤差δ(t)’を、すでに述べたように、(4)式により算出する。
【0038】
しかしながら、図2における線分L1および線分L2を見て分かるように、線分L1の場合は、誤差δ(t)が時間に対して線形的に変化、すなわち誤差δ(t)の変化率Afが線形的である。このため、時刻tの誤差を推定誤差δ(t)’として得るために、最後に受信されたエフェメリス・データの衛星時計補正パラメータ{Af(ts−1),Af(ts−1)}を用いても、高い精度で推定できることが分かる。
一方、線分L2の場合は、誤差δ(t)が時間に対して非線形的に変化、すなわち誤差δ(t)の変化率Afが短期間で変化する。このため、時刻tの誤差を推定誤差δ(t)’として得るために、最後に受信されたエフェメリス・データの衛星時計補正パラメータ{Af(ts−1),Af(ts−1)}を用いても、悪い精度でしか推定できないことが分かる。
【0039】
各GNSS衛星を測位に用いる際、測位を高い精度で行うためには、エフェリメス・データの寿命が切れたGNSS衛星の衛星時計の安定性を確認する必要がある。すなわち、エフェメリス・データの寿命が切れたGNSS衛星における誤差δ(t)の変化が、線分L1のように線形的か、あるいは線分L2のように短期間で変化する非線形的なものであるかを確認する必要がある。
このため、本実施形態において、衛星時計精度判定部320は、エポック時刻ts−1における衛星時計補正パラメータ{Af(ts−1),Af(ts−1)}を用い、エポック時刻ts−1より以前のエポック時刻ts−2における誤差δ(ts−2)を、以下の(5)式により求めることで推定する。
δ(ts−2)’=Af(ts−1)−Af (ts−1)・(ts−1−t) …(5)
【0040】
すなわち、衛星時計精度判定部320は、最後に得られた衛星時計補正パラメータ(1回前の衛星時計補正パラメータ)であるバイアス値Af(ts−1)および変化率Af (ts−1)を、衛星時計補正パラメータ記憶部310から読み出す。
そして、衛星時計精度判定部320は、上記(5)式により、最後に得られた衛星時計補正パラメータを用いて、2回前の衛星時計の誤差δ(ts−2)の推定値である推定誤差δ(ts−2)’の推定を行う。
また、衛星時計精度判定部320は、2回前の衛星時計補正パラメータを用いて、(2)式により、2回前の衛星時計の誤差δ(ts−2)を算出する。
【0041】
衛星時計精度判定部320は、2回前の衛星時計補正パラメータを用いて算出した誤差δ(ts−2)から、1回前の衛星時計補正パラメータを用いて算出した推定誤差δ(ts−2)’を減算して、誤差差分を求める。
衛星時計精度判定部320は、算出した誤差差分の絶対値と、自身内部の記憶部に予め書き込まれて記憶されている閾値との比較を行い、誤差差分の絶対値が閾値を超えているか否かの判定を行う。このとき、衛星時計精度判定部320は、誤差差分の絶対値が閾値以下の場合、このGNSS衛星を使用可と判定し、一方、誤差差分の絶対値が閾値を超えている場合、このGNSS衛星を使用不可と判定する。
そして、衛星時計精度判定部320は、このエフェメリス・データの有効期限が切れたGNSS衛星の使用の可否を測位算出部20に対して出力する。
【0042】
すなわち、誤差δ(ts−2)と推定誤差δ(ts−2)’との誤差差分は、小さい値となった場合、誤差δ(t)が線形的に変化しており、衛星時計が安定していることが予想される。これにより、エフェメリス・データの衛星時計補正パラメータ{Af(ts−1),Af(ts−1)}を用いて算出する推定誤差δ(t)’も、衛星時計が安定しているため、所定の精度を有していることが推定できる。
したがって、上述したように、誤差差分の絶対値が閾値以下の場合、エフェメリス・データの寿命が切れているGNSS衛星2であっても、測位に使用可能な精度で、(2)式により測位装置1とGNSS衛星2との距離を求めることができる。
【0043】
上述したように本実施形態によれば、最後(1回前)に正常に受信された衛星時計補正パラメータのバイアス値Af及び変化率Afにより、2回前の推定誤差δ(ts−2)’を求め、2回前に実際に受信したバイアス値Af及び変化率Afにより算出した誤差δ(ts−2)との差分の絶対値である差分誤差を求め、この差分誤差が閾値未満であるか否かにより、GNSS衛星のエフェメリス・データの寿命が切れた際、そのGNSS衛星の衛星時計の安定性の判定が容易に行えるため、衛星時計が不安定なGNSS衛星を排除し、衛星時計が安定したGNSS衛星のみを用いて、観測距離ρ(t)をより高い精度で求めることが可能となる。
また、本実施形態によれば、GNSS衛星2の観測距離ρ(t)を、従来に比較してより高い精度で求められるため、従来に比較して、測位装置1の測位の結果も高い精度で得ることが可能となる。
【0044】
また、本実施形態においては、1回前に取得した衛星時計補正パラメータを用いて、2回前に衛星時計補正パラメータを取得した時点の推定誤差δ(ts−2)’を求めて、2回前に取得した衛星時計補正パラメータから求めた誤差δ(ts−2)との差分誤差を求めているが、2回前に取得した衛星時計補正パラメータを用いて、3回前に衛星時計補正パラメータを取得した時点の推定誤差δ(ts−3)’を求めて、3回前に取得した衛星時計補正パラメータから求めた誤差δ(ts−3)との差分誤差を求めるように構成しても良い。
さらに、1回前に取得した衛星時計補正パラメータを用いて、2回前に衛星時計補正パラメータを取得した時点の推定誤差δ(ts−2)’を求めるだけではなく、3回前、4回前の複数回の推定誤差δも求め、この複数回のすべて、あるいは任意の数の差分誤差が閾値以下の場合に、所定の精度が得られる安定性を衛星時計が有しているか否かの判定を行うように構成しても良い。
【0045】
また、図1における測位装置1の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより、エフェメリス・データが得られない際における衛星時計の安定性を判定し、測位装置1の位置を測位する測位処理を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、OSや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。
【0046】
また、「コンピュータシステム」は、WWWシステムを利用している場合であれば、ホームページ提供環境(あるいは表示環境)も含むものとする。
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM、CD−ROM等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良く、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであっても良い。
【0047】
以上、この発明の実施形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。
【符号の説明】
【0048】
1…測位装置 2…GNSS衛星 10…軌道予測装置 20…測位算出部 30…衛星時計精度判定装置 110…情報取得部 115…記憶部 120…アルマナック取得部 125…衛星型抽出部 130…エフェメリス取得部 135…衛星位置速度算出部 140…衛星位置・速度記憶部 145…演算開始判定部 150…パラメータ推定部 155…軌道予測演算部 160…予測結果記憶部 310…衛星時計補正パラメータ記憶部 320…衛星時計精度判定部
図1
図2