特開 2025-32907 測位システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2025032907

(43)【公開日】2025-03-12

(54)【発明の名称】測位システム

(51)【国際特許分類】

   G01S 19/52 20100101AFI20250305BHJP

   G01S 19/49 20100101ALI20250305BHJP

   G01C 21/28 20060101ALI20250305BHJP

   G01S 19/47 20100101ALI20250305BHJP

【ＦＩ】

G01S19/52

G01S19/49

G01C21/28

G01S19/47

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023138421

(22)【出願日】2023-08-28

(71)【出願人】

【識別番号】503027931

【氏名又は名称】学校法人同志社

(74)【代理人】

【識別番号】100111349

【弁理士】

【氏名又は名称】久留 徹

(72)【発明者】

【氏名】竹田 正樹

(72)【発明者】

【氏名】宮本 直人

(72)【発明者】

【氏名】廣瀬 圭

(72)【発明者】

【氏名】近藤 亜希子

【テーマコード（参考）】

2F129

5J062

【Ｆターム（参考）】

2F129BB03

2F129BB22

2F129BB26

2F129BB33

2F129BB46

2F129BB48

5J062CC07

5J062EE04

5J062FF04

(57)【要約】

【課題】より精度の高い位置や速度、加速度などの運動情報を取得できるようにした衛星測位システムを提供する。
【解決手段】複数の衛星２ａおよび固定局２ｂと移動局３との距離に基づいて移動局３の位置情報を取得する位置情報取得部２１と、当該位置情報を第一サンプリング時間で微分することによって第一速度を算出する第一速度算出部２２と、前記移動局３に設けられたジャイロセンサ４１および加速度センサ４２と、当該ジャイロセンサ４１を用いて、前記加速度センサ４２によって検出された加速度の座標系を絶対座標系による加速度に変換する変換部５と、当該変換部５によって変換された加速度を第二サンプリング時間で積分することによって、前記移動局の第二速度を算出する第二速度算出部６と、これらの第一速度と第二速度から補正された補正速度を算出する速度補正部７とを設ける。
【選択図】図７

【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の衛星、もしくは、当該複数の衛星および固定局と移動局との距離に基づいて移動局の位置情報を取得する位置情報取得部と、
当該位置情報取得部から得られた位置を第一サンプリング時間で微分することによって第一速度を算出する第一速度算出部と、
前記移動局に設けられたジャイロセンサおよび加速度センサと、
当該ジャイロセンサを用いて、前記加速度センサによって検出された加速度の座標系を絶対座標系による加速度に変換する変換部と、
当該変換部によって変換された加速度を第二サンプリング時間で積分することによって前記移動局の第二速度を算出する第二速度算出部と、
前記第一速度算出部によって得られた第一速度と、前記第二速度算出部で得られた第二速度とを用いて、補正された移動局の補正速度を算出する速度補正部と、
を備えた移動局の測位システム。

【請求項2】

請求項１の移動局の測位システムにおいて、さらに、
前記第二速度算出部によって得られた第二速度を前記第二サンプリング時間で積分して、前記移動局の第二位置を算出する第二位置算出部を備え、
前記位置情報取得部で取得された位置と、前記第二位置算出部で得られた第二位置とを用いて、補正された移動局の補正位置を算出する位置補正部と、
を備えた移動局の測位システム。

【請求項3】

請求項１の移動局の測位システムにおいて、さらに、
前記位置情報出力部から得られた位置を前記第一サンプリング時間で二回微分することによって第一加速度を算出する第一加速度算出部を備え、
前記第一加速度算出部で得られた第一加速度と、変換部によって変換された加速度とから、補正された移動局の補正加速度を算出する加速度補正部と、
を備えた移動局の測位システム。

【請求項4】

複数の衛星、もしくは、当該複数の衛星および固定局と移動局との距離に基づいて移動局の位置情報を取得するステップと、
当該取得された位置情報を第一サンプリング時間で微分することによって第一速度を算出するステップと、
前記移動局に設けられたジャイロセンサを用いて、当該移動局に設けられた加速度センサによって検出された加速度の座標系を絶対座標系による加速度に変換するステップと、
当該変換された加速度を第二サンプリング時間で積分することによって、前記移動局の第二速度を算出するステップと、
前記第一速度と第二速度を用いて、補正された移動局の補正速度を算出するステップと、
を備えた移動局の測位方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ＲＴＫ方式などの衛星測位システム（以下、「ＧＮＳＳ」と称する）を用いて、移動局の速度などの運動状態を正確に計測できるようにした測位システムに関するものである。

【背景技術】

【0002】

現在、自動車などの移動局の位置を測定する場合、ＧＰＳなどのＧＮＳＳが一般的に使用されている。このＧＰＳは、複数の衛星との距離を電波によって計測し、それぞれの電波との距離に基づいて計測対象物の位置を計測できるようにしたものである（特許文献１参照）。

【0003】

しかしながら、このＧＰＳでは、測位のためのサンプリング周波数が１０Ｈｚから１００Ｈｚ程度と粗く、細かな運動には対応することができないばかりでなく、また、位置計測も数メートルの範囲内でずれてしまう。

【0004】

これに対して、ＲＴＫ方式を用いた衛星測位システムは、複数の衛星局に対して、地上側に固定局を設け、移動局の位置を複数の衛星局からの距離によって測位するとともに、固定局からの補正情報に基づいて、数センチのずれで移動局の位置情報を計測できるようにしたものである。このため、小さな位置の変化を有する移動局の運動を正確に計測できるようなシステムとして活用され始めている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１２－１７３１９０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、このようなＲＴＫ方式においても、数センチレベルの誤差を有するため、移動局のさらに細かな位置を検出することができず、例えば、人間の手足などのような、運動の解析には適用することが難しい。さらに、その計測された位置に基づいて、速度や加速度などを検出する場合、誤差を有する位置情報を測位のためのサンプリング周期で微分して速度を計算し、さらに、その速度をさらに微分して加速度を検出しなければならないため、誤差が大きくなってしまう。

【0007】

そこで、本発明は上記課題を解決するために、より精度の高い速度などの運動状態を計測できるようにした衛星測位システム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】

【0008】

すなわち、本発明は上記課題を解決するために、複数の衛星、もしくは、当該複数の衛星および固定局と移動局との距離に基づいて移動局の位置情報を取得する位置情報取得部と、当該位置情報取得部から得られた位置を第一サンプリング時間で微分することによって第一速度を算出する第一速度算出部と、前記移動局に設けられたジャイロセンサおよび加速度センサと、当該ジャイロセンサを用いて、前記加速度センサによって検出された加速度の座標系を絶対座標系による加速度に変換する変換部と、当該変換部によって変換された加速度を第二サンプリング時間で積分することによって前記移動局の第二速度を算出する第二速度算出部と、を備え、前記第一速度算出部によって得られた第一速度と、前記第二速度算出部で得られた第二速度とを用いて、補正された移動局の補正速度を算出する速度補正部と、を備えるようにしたものである。

【0009】

このように構成すれば、加速度センサの座標系と、衛星からの位置情報に基づく絶対座標系とを一致させた状態で、衛星からの位置情報を微分して得られた第一速度と、加速度センサで検出された加速度をサンプリング時間で積分して得られた第二速度とを用いて、最終的な補正速度を算出するようにしているため、より正確な速度を計測することができるようになる。

【0010】

また、このような発明において、さらに、前記第二速度算出部によって得られた第二速度を前記第二サンプリング時間で積分して、前記移動局の第二位置を算出する第二位置算出部を備え、前記位置情報取得部で取得された位置と、前記第二位置算出部で得られた第二位置とを用いて、補正された移動局の補正位置を算出する位置補正部と、を備えて構成することもできる。

【0011】

このように構成すれば、加速度センサによって検出された加速度を第二サンプリング時間で二回積分した第二位置と、衛星から得られた位置情報を用いて、最終的に補正された補正位置を算出するようにしているため、より正確な位置を計測することができるようになる。

【0012】

さらに、前記位置情報出力部から得られた位置を前記第一サンプリング時間で二回微分することによって第一加速度を算出する第一加速度算出部を備え、前記第一加速度算出部で得られた第一加速度と、変換部によって変換された加速度とから、補正された移動局の補正加速度を算出する加速度補正部と、を備えるようにすることもできる。

【0013】

このように構成すれば、加速度センサからの加速度と、衛星からの位置情報の変位に基づく第二加速度を用いて、最終的に補正された補正加速度を算出するようにしているため、より正確な加速度を計測することができるようになる。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、加速度センサの座標系と、衛星からの位置情報に基づく絶対座標系とを一致させた状態で、衛星からの位置情報を微分して得られた第一速度と、加速度センサで検出された加速度を第二サンプリング時間で積分して得られた第二速度と、を用いて、最終的な補正速度を算出するようにしているため、より正確な速度を計測することができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明の一実施の形態における測位システムの外観図

【図2】同形態における機能ブロック図

【図3】同形態における補正速度を算出する例

【図4】同形態における補正速度を算出する例

【図5】同形態における補正速度を算出する例

【図6】同形態における補正速度を算出する例

【図7】同形態における処理のフローチャートを示す図

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、本発明の一実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

【0017】

この実施の形態の測位システム１は、衛星２ａや固定局２ｂを用いて移動局３の位置を測位し、その位置から移動局３の速度などの運動状態を検出できるようにしたものであって、ハードウェアとして、複数の衛星２ａや、固定局２ｂ、移動局３に取り付けられた慣性センサ４などを備えて構成される。そして、特徴的に、複数の衛星２ａや固定局２ｂを用いて、移動局３の位置を検出し、その検出された位置に基づいて第一速度を算出するとともに、一方、その移動局３に取り付けられた慣性センサ４を用いて、移動局３の加速度を検出し、その検出された加速度を用いて、第二速度を算出できるようにしたものである。そして、これらの算出された第一速度と第二速度とを用いて、補正された補正速度を推定できるようにしたものである。以下、本実施の形態における測位システム１について、詳細に説明する。

【0018】

まず、位置情報取得部２１は、４つ以上の衛星２ａからの電波を用いて、移動局３の位置を測定できるように構成される。このとき、使用されるＧＮＳＳシステムとしては、ＧＰＳ方式を用いてもよいが、このＧＰＳ方式では検出精度に数メートルの誤差が含まれてしまうため、ここでは、地上側に固定局２ｂを設け、この固定局２ｂと移動局３との距離によって、移動局３の位置を補正するＲＴＫ方式を用いるものとする。このようなＲＴＫ方式によれば、位置情報を数センチレベルの誤差で検出することが可能となる。なお、この位置情報の取得は、１０Ｈｚから１００Ｈｚ程度のサンプリング周期（第一サンプリング時間ごと）で取得される。このとき、位置情報取得部２１で取得された移動局３の位置情報は、絶対座標系を基準とする位置情報として取得される。

【0019】

第一速度算出部２２は、この位置情報取得部２１によって取得された位置情報の変位に基づいて、絶対座標系を基準とする移動局３の第一速度を算出するものであって、第一サンプリング時間ごとに取得された位置情報の変位から、その移動局３の絶対座標系における第一速度を次式で算出する。

【0020】

【数1】

【0021】

なお、この位置情報取得部２１で取得された位置情報は、数センチレベルで誤差を有するものであり、また、第一サンプリング時間も比較的長いものであるため、算出された第一速度は、人間の手足の動きなどのような細かい運動解析を行う場合、精度が悪くなる。そこで、ここでは、移動局３に設けられた慣性センサ４を用いて、最終的な補正速度を算出できるようにしている。

【0022】

この慣性センサ４は、移動局３に取り付けられるジャイロセンサ４１や加速度センサ４２によって構成されるものであって、その慣性センサ４を基準とする座標系の三軸周りの角速度や三軸方向に沿った加速度を、その慣性センサ４の第二サンプリング周期（第二サンプリング時間ごと）で検出する。なお、この慣性センサ４の第二サンプリング周期は、ＧＮＳＳの第一サンプリング周期よりも大きく、１０００Ｈｚ程度の周期で検出される。

【0023】

ところで、このように加速度センサ４２で検出された加速度は、ＧＮＳＳの絶対座標系を基準とする値とは異なるものであるため、加速度の方向を絶対座標系に一致させる必要がある。そこで、変換部５を用いて、加速度センサ４２の座標系の加速度を絶対座標系の加速度に変換させる。

【0024】

変換部５で、慣性センサ４の座標系を絶対座標系の値に変換させる場合、ジャイロセンサ４１から得られた角速度を用いて、慣性センサ４における座標系である三軸周りの角速度を検出する。一般に、絶対座標系におけるロール角の微分値、ピッチ角の微分値、ヨー角の微分値と、ジャイロセンサ４１の角速度との間には、数２の関係が成立する。

【0025】

【数2】

【0026】

一方、ヨー角の角速度からヨー角を得る場合、その角速度を積分することにより、次式に示すようにヨー角が得られる。

【0027】

【数3】

【0028】

すなわち、この数３をサンプリング時間Tsを用いて計算すると、次式で表されるヨー角が得られる。

【0029】

【数4】

【0030】

この関係式を考慮して、数２のヨー角をサンプリング時間Tsを用いて計算すると、ヨー角は数５で示される。

【0031】

【数5】

【0032】

このとき、初期値としては、慣性センサ４を取り付けた状態の移動局３を、あらかじめ水平状態で北に向いてもらい、絶対座標系に近づけた状態の値を初期値として入力させるようにしておく。

【0033】

以下、同様にして、数２からロール角、ピッチ角を計算し、慣性センサ４の座標系を基準とするX軸周りの回転であるロール角や、Y軸周りの回転であるピッチ角、方位であるZ軸周りの回転であるヨー角を算出する。

【0034】

そして、あらかじめ入力された初期値から順次算出されたロール角、ピッチ角、ヨー角を用いて、加速度センサ４２の座標系を基準とする加速度(Ax,Ay,Az)を、北方位を基準とする絶対座標系の加速度(ax,ay,az)に変換する。

【0035】

ところで、このように絶対座標系によるz軸方向の加速度には、重力加速度が含まれることになるため、変換された絶対座標系のz軸方向の加速度から重力加速度を引いておくようにする。

【0036】

次に、第二速度算出部６を用いて、このように変換された絶対座標系を基準とするxyz軸方向の加速度Ａを第二サンプリング時間で積分して、xyz軸方向に沿った第一速度Ｖを算出する。なお、次式において、ＶやＡは、ベクトルを示すものである。

【0037】

【数6】

【0038】

この関係式を第二サンプリング時間Tsを用いて計算すると、加速度センサ４２からの情報を絶対座標系に変換した第一速度が得られる。

【0039】

そして、前記位置情報取得部２１によって検出された位置の変位に基づく第一速度と、前記変換部５によって絶対座標系に変換された加速度から計算された第二速度と、を用いて、速度補正部７を用いて移動局３の補正速度を算出する。

【0040】

この補正速度の算出方法については、種々の方法を用いることができる。

【0041】

＜第一の補正方法＞

【0042】

第一の補正方法として、ＧＮＳＳから得られた情報に基づく第一速度と、加速度センサ４２から得られた情報に基づく第二速度とが存在している場合、図３に示すように、第一速度と第二速度の平均値を補正速度として算出することができる。このような方法によれば、片側だけから算出された速度に比べて、誤差を小さくすることができるようになる。

【0043】

＜第二の補正方法＞

【0044】

第二の補正方法として、ＧＮＳＳによる第一サンプリング時間と、加速度センサ４２による第二サンプリング時間とが、略一致している場合、図４に示すように、ＧＮＳＳから得られた情報に基づく第一速度と、加速度センサ４２から得られた情報に基づく第二速度の間の値（例えば、平均値など）を補正速度として算出し、一方、第一サンプリング時間と一致していない第二サンプリング時間においては、加速度センサ４２から得られた情報に基づく第二速度を補正速度として算出することもできる。

【0045】

＜第三の補正方法＞

【0046】

第三の補正方法として、加速度センサ４２によって大きな加速度が検出された場合、急激な細かな速度変化が生じているとみなし、図５に示すように、加速度センサ４２の加速度の大きさに応じて、加速度センサ４２から得られた情報に基づく第二速度の影響の割合を大きくし、逆に、ＧＮＳＳから得られた情報に基づく第一速度の影響の割合を小さくして、補正速度を算出することもできる。このようにすれば、加速度センサ４２によって、急激な動きを検知した場合に、その加速度センサ４２から得られた加速度に基づく第二速度の影響を大きくして、実際の速度に近づけることができるようになる。

【0047】

＜第四の補正方法＞

【0048】

第四の補正方法として、加速度センサ４２から得られた情報に基づく第一速度と、ＧＮＳＳから得られた情報に基づく第二速度とが存在している場合、図６に示すように、拡張カルマンフィルタを用いて補正された速度を算出することもできる。このような方法によれば、計算を高速に行うことができ、また、精度高く補正速度を推定することが可能となる。

【0049】

次に、このように構成された測位システム１における速度の推定方法について、図７のフローチャートを用いて説明する。

【0050】

まず、位置情報取得部２１を用いて、ＧＮＳＳから得られた位置情報を取得する（ステップＳ１）。そして、第一サンプリング時間ごとに、この位置情報の差分をとり、ＧＮＳＳから得られた情報に基づく第一速度を算出する（ステップＳ２）。なお、このとき算出された第一速度は、北方位を基準とする絶対座標系の速度となる。

【0051】

一方、移動局３に設けられた加速度センサ４２から、移動局３の座標系を基準とする加速度を計測する（ステップＳ３）。

【0052】

そして、この計測された加速度を、絶対座標系を基準とする加速度に変換すべく、ジャイロセンサ４１を用いてヨー角やピッチ角、ロール角を算出し、この算出された角度に基づいて、加速度センサ４２で得られた加速度を絶対座標系に基づく加速度に変換する（ステップＳ４）。

【0053】

そして、このように変換された加速度センサ４２の加速度を、第二サンプリング時間で積分し、加速度センサ４２に基づく情報から第二速度を算出する（ステップＳ５）。

【0054】

次に、このように算出されたＧＮＳＳからの情報に基づく第一速度と、加速度センサ４２に基づく第二速度から、補正された補正速度を算出する（ステップＳ６）。

【0055】

このとき、第一の補正方法で補正速度を算出する場合、第一速度と第二速度の平均値を算出し、また、第二の補正方法で補正速度を算出する場合、それぞれのサンプリング時間が一致している時間でのみ、中間値を補正速度とし、また、一致していない場合は、第二速度を補正速度とする。また、第三の補正方法で補正速度を算出する場合、加速度センサ４２の加速度の大きさに応じて、加速度センサ４２からの情報に基づく速度の割合を大きくして、補正速度を算出する。さらに、第四の補正方法で補正速度を算出する場合、拡張カルマンフィルタを用いて補正速度を算出する。

【0056】

このように上記実施の形態によれば、複数の衛星２ａ、もしくは、当該複数の衛星２ａおよび固定局２ｂと移動局３との距離に基づいて移動局３の位置情報を取得する位置情報取得部２１と、当該位置情報取得部２１から得られた位置を第一サンプリング時間で微分することによって第一速度を算出する第一速度算出部２２と、前記移動局３に設けられたジャイロセンサ４１および加速度センサ４２と、当該ジャイロセンサ４１を用いて、前記加速度センサ４２によって検出された加速度の座標系を絶対座標系による加速度に変換する変換部５と、当該変換部５によって変換された加速度を第二サンプリング時間で積分することによって、前記移動局３の第二速度を算出する第二速度算出部６と、を備え、前記第一速度算出部２２で得られた第一速度と、前記第二速度算出部６で得られた第二速度とを用いて、補正された補正速度を算出する速度補正部７と、を備えるようにしたので、より正確に移動局３の速度を計測することができるようになる。

【0057】

なお、本発明は上記実施の形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。

【0058】

例えば、上記実施の形態では、ＧＮＳＳからの情報に基づく位置情報を微分して第一速度を算出するとともに、加速度センサ４２の情報に基づく加速度を積分して第二速度を算出するようにしたが、加速度センサ４２の情報に基づく加速度を二回積分して位置情報（第二位置）を算出し、この第二位置と、前記位置情報取得部２１からの位置情報を用いて、位置補正部で位置情報を補正するようにしてもよい。あるいは、逆に、ＧＮＳＳからの位置情報の変位を第一サンプリング時間で二回微分して加速度（第一加速度）を算出し、この第一加速度と、前記変換部５で絶対座標件に変換して得られた加速度を用いて、加速度補正部で補正加速度を算出するようにしてもよい。このとき、加速度センサ４２の値を絶対座標系の加速度に変換させた後では、重力加速度による影響がある程度残るため、ＧＮＳＳの位置情報から得られた加速度を用いて補正すると、より正確な加速度を算出することができる。

【0059】

また、上記実施の形態では、移動局３の速度を算出するようにしたが、角速度などを出力するようにしてもよい。このとき、角速度として、絶対座標系によるxyz軸周りの角速度を出力するようにしておく。

【0060】

さらに、上記実施の形態では、平均値や、中間値、カルマンフィルタを用いた値を用いて補正速度を算出するようにしたが、これ以外の方法として、相補フィルタなどを用いて補正速度を算出するようにしてもよい。

【0061】

また、上記実施の形態では、ジャイロセンサ４１を用いて角度を算出するようにしたが、これ以外に、地磁気センサを用いて角度を算出するようにしてもよい。

【符号の説明】

【0062】

１・・・測位システム
２ａ・・・衛星
２ｂ・・・固定局
２１・・・位置情報取得部
２２・・・第一速度算出部
３・・・移動局
４・・・慣性センサ
４１・・・ジャイロセンサ
４２・・・加速度センサ
５・・・変換部
６・・・第二速度算出部
７・・・速度補正部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】