特許 7518704 測定対象座標算出装置、測定対象座標算出方法、及びプログラム

(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】

(24)【登録日】2024-07-09

(45)【発行日】2024-07-18

(54)【発明の名称】測定対象座標算出装置、測定対象座標算出方法、及びプログラム

(51)【国際特許分類】

   G01S 19/50 20100101AFI20240710BHJP

   G01C 21/28 20060101ALI20240710BHJP

【ＦＩ】

G01S19/50

G01C21/28

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2020150731

(22)【出願日】2020-09-08

(65)【公開番号】P2022045181

(43)【公開日】2022-03-18

【審査請求日】2023-07-26

(73)【特許権者】

【識別番号】592145268

【氏名又は名称】ＪＲ東日本コンサルタンツ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100121083

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 宏義

(74)【代理人】

【識別番号】100138391

【弁理士】

【氏名又は名称】天田 昌行

(72)【発明者】

【氏名】長谷部 国彦

(72)【発明者】

【氏名】浦本 洋市

(72)【発明者】

【氏名】渋谷 研一

【審査官】山下 雅人

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１１－１５３９７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－０６４５０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－０４４８４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－２００１３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－０５４００２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１８８７９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－０５２９３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－１７９７３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０７－３１１０４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６３－０６６４１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１６／０１４６６１６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許第０８５１００７７（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】中国特許出願公開第１０６０１９３４９（ＣＮ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１０２３４６２５７（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｓ ５／００－ ５／１４

Ｇ０１Ｓ １９／００－１９／５５

Ｇ０１Ｃ ２１／００－２１／３６

Ｂ６１Ｌ １／００－９９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

測位衛星システムから走行中の鉄道車両の計測位置情報からなる走行軌跡を取得する鉄道車両位置情報取得部と、
前記鉄道車両位置情報取得部が取得する前記走行軌跡と、前記鉄道車両位置情報取得部が前記走行軌跡を取得できない取得不可区間における線路線形情報とに基づいて、前記鉄道車両の推定走行軌跡を算出する走行軌跡推定部と、
前記鉄道車両に配置された測定器が測定する前記鉄道車両の周囲における測定対象の測定位置情報を取得する測定対象位置情報取得部と、
前記走行軌跡推定部が算出する前記推定走行軌跡又は前記鉄道車両位置情報取得部が取得する前記走行軌跡と、前記測定対象位置情報取得部が取得する前記測定位置情報とに基づいて前記測定対象の座標を算出する測定対象座標算出部と
を備えることを特徴とする測定対象座標算出装置。

【請求項2】

前記走行軌跡推定部は、前記取得不可区間の前後に前記鉄道車両位置情報取得部が取得する２点の計測位置を通るように、前記推定走行軌跡を算出する
ことを特徴とする請求項１記載の測定対象座標算出装置。

【請求項3】

前記鉄道車両の互いに直交する３軸方向の加速度情報を取得する加速度情報取得部を更に備え、
前記走行軌跡推定部は、前記加速度情報から前記取得不可区間における補正前走行軌跡を算出し、当該補正前走行軌跡と前記線路線形情報との較差が最小となるように前記補正前走行軌跡を補正することで、前記推定走行軌跡を算出する
ことを特徴とする請求項１記載の測定対象座標算出装置。

【請求項4】

前記鉄道車両の互いに直交する３軸方向の加速度情報を取得する加速度情報取得部と、
前記走行軌跡推定部は、前記加速度情報から前記取得不可区間における複数点の補正前走行軌跡座標を算出し、当該補正前走行軌跡座標を、前記推定走行軌跡における延べ距離に対応する位置の走行軌跡座標に置換する
ことを特徴とする請求項１記載の測定対象座標算出装置。

【請求項5】

前記走行軌跡推定部は、前記加速度情報から前記取得不可区間における補正前走行軌跡を算出し、当該補正前走行軌跡と前記線路線形情報との較差が閾値以下の領域では、前記補正前走行軌跡座標を前記推定走行軌跡における最近点の前記走行軌跡座標に置換し、前記較差が閾値を超える領域では、前記補正前走行軌跡座標を、前記推定走行軌跡における延べ距離に対応する位置の前記走行軌跡座標に置換する
ことを特徴とする請求項４記載の測定対象座標算出装置。

【請求項6】

コンピュータが行う測定対象座標算出方法であって、
測位衛星システムから走行中の鉄道車両の計測位置情報からなる走行軌跡を取得する工程と、
前走行軌跡と、前記走行軌跡を取得できない取得不可区間における線路線形情報とに基づいて、前記鉄道車両の推定走行軌跡を算出する工程と、
前記鉄道車両に配置された測定器が測定する前記鉄道車両の周囲における測定対象の測定位置情報を取得する工程と、
前記推定走行軌跡又は前記走行軌跡と、前記測定位置情報とに基づいて前記測定対象の座標を算出する工程と
を含むことを特徴とする測定対象座標算出方法。

【請求項7】

測位衛星システムから走行中の鉄道車両の計測位置情報からなる走行軌跡を取得する機能と、
前記走行軌跡と、前記走行軌跡を取得できない取得不可区間における線路線形情報とに基づいて、前記鉄道車両の推定走行軌跡を算出する機能と、
前記鉄道車両に配置された測定器が測定する前記鉄道車両の周囲における測定対象の測定位置情報を取得する機能と、
前記推定走行軌跡又は前記走行軌跡と、前記測定位置情報とに基づいて前記測定対象の座標を算出する機能と
をコンピュータに実現させるプログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、鉄道車両の周囲における測定対象の座標を算出する測定対象座標算出装置、測定対象座標算出方法、及びプログラムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、車両等の移動体の周囲にあるランダムな測定対象の３次元座標群であるレーザ点群を測定するＭＭＳ（Mobile Mapping System）が知られている。このＭＭＳにおいては、車両等の移動体に、ＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）、ＩＭＵ（Inertial Measurement Unit）、回転式レーザ距離計、及びデータ収録装置が搭載される。

【0003】

なお、ＧＮＳＳにより得られる移動体の位置を補正する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】

【0004】

【文献】特表２０１０－５０９５８５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上述のＭＭＳによる計測は、ＧＮＳＳにより得られる位置(gxt,gyt,gzt)、ＩＭＵにより得られる姿勢角(ωt,φt,κt)及び加速度(axt,ayt,azt)、回転式レーザ距離計により得られる回転角度rt及び周囲のランダムな測定対象までの測定距離Ｄｔ等を、時刻ｔで同期してデータ収録装置に保存することで行うことができる。

【0006】

ところで、鉄道でのＭＭＳの利用時には、長大トンネルなどによるＧＮＳＳの未計測時間が長いことや、線路によるＧＮＳＳの位置的な受信環境の制限や、鉄道の運用時間の制限によるＧＮＳＳの最適な衛星配置が得られないなどの問題点が挙げられる。

【0007】

一般的に、ＧＮＳＳの未計測時間が短時間であれば、ＩＭＵが測定する３軸方向別の加速度で、ＧＮＳＳによる計測位置を基に、未計測時間において位置推定を行うことができる。

【0008】

しかしながら、ＧＮＳＳの未計測時間が長くなると、ＩＭＵが測定する加速度や姿勢角の水平成分には、ＩＭＵに含まれるジャイロセンサーにおいてドリフトによる誤差が蓄積するため、精度の高い位置推定を行うことが難しくなる。

【0009】

したがって、ＧＮＳＳの未計測時間において、各時刻での計測位置からなる走行軌跡を正しく求めることで、鉄道におけるＭＭＳの精度向上を図ることができる。

【0010】

本発明の目的は、ＧＮＳＳの計測位置情報を取得できない取得不可区間を含む鉄道車両の周囲における測定対象の座標を高精度に算出することができる測定対象座標算出装置、測定対象座標算出方法、及びプログラムを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0011】

１つの態様では、測定対象座標算出装置は、ＧＮＳＳ等による測位衛星システムから線路を走行中の鉄道車両の計測位置情報からなる走行軌跡を取得する鉄道車両位置情報取得部と、前記鉄道車両位置情報取得部が取得する前記走行軌跡と、前記鉄道車両位置情報取得部が前記走行軌跡を取得できない取得不可区間における線路線形情報とに基づいて、前記鉄道車両の推定走行軌跡を算出する走行軌跡推定部と、前記鉄道車両に配置された測定器が測定する前記鉄道車両の周囲における測定対象の測定位置情報を取得する測定対象位置情報取得部と、前記走行軌跡推定部が算出する前記推定走行軌跡又は前記鉄道車両位置情報取得部が取得する前記走行軌跡と、前記測定対象位置情報取得部が取得する前記測定位置情報とに基づいて前記測定対象の座標を算出する測定対象座標算出部とを備える。

【0012】

他の１つの態様では、測定対象座標算出方法は、コンピュータが行う測定対象座標算出方法であって、ＧＮＳＳ等による測位衛星システムから線路を走行中の鉄道車両の計測位置からなる走行軌跡を取得する工程と、前記走行軌跡と、前記走行軌跡を取得できない取得不可区間における線路線形情報とに基づいて、前記鉄道車両の推定走行軌跡を算出する工程と、前記鉄道車両に配置された測定器が測定する前記鉄道車両の周囲における測定対象の測定位置情報を取得する工程と、前記推定走行軌跡又は前記走行軌跡と、前記測定位置情報とに基づいて前記測定対象の座標を算出する工程とを含む。

【0013】

他の１つの態様では、プログラムは、ＧＮＳＳ等による測位衛星システムから線路を走行中の鉄道車両の計測位置からなる走行軌跡を取得する機能と、前記走行軌跡と、前記走行軌跡を取得できない取得不可区間における線路線形情報とに基づいて、前記鉄道車両の推定走行軌跡を算出する機能と、前記鉄道車両に配置された測定器が測定する前記鉄道車両の周囲における測定対象の測定位置情報を取得する機能と、前記推定走行軌跡又は前記走行軌跡と、前記測定位置情報とに基づいて前記測定対象の座標を算出する機能とをコンピュータに実現させる。

【発明の効果】

【0014】

前記態様によれば、走行軌跡情報を取得できない取得不可区間を含む鉄道車両の周囲における測定対象の座標を高精度に算出することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】ＭＭＳによる測定を説明するための説明図である。

【図2】一実施の形態に係る測定対象座標算出装置を説明するための機能ブロック図である。

【図3】一実施の形態に係る測定対象座標算出装置のハードウェア構成例を示す図である。

【図4】一実施の形態に係る測定対象座標算出方法を説明するためのフローチャートである。

【図5】一実施の形態における走行軌跡の位置合わせ（その１）を説明するための説明図である。

【図6】一実施の形態における走行軌跡の位置合わせ（その１）の較差の算出を説明するための説明図である。

【図7】一実施の形態における走行軌跡の位置合わせ（その２）を説明するための説明図である。

【図8】一実施の形態における走行軌跡の位置合わせ（その２）の較差の算出を説明するための説明図である。

【図9】一実施の形態におけるカルマンフィルタによる再計算を説明するためのフローチャートである。

【図10】一実施の形態における座標置換を説明するための説明図である。

【図11】一実施の形態における最近点での座標置換を説明するための説明図である。

【図12】一実施の形態における案分での座標置換を説明するための説明図である。

【図13】一実施の形態における方向角の計算を説明するための説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、本発明の実施の形態に係る測定対象座標算出装置、測定対象座標算出方法、及びプログラムについて、図面を参照しながら説明する。

【0017】

まず、ＭＭＳの概要について、図１を参照しながら説明し、その後、測定対象座標算出装置等について説明する。

【0018】

［ＭＭＳの概要］
図１は、ＭＭＳによる測定を説明するための説明図である。

【0019】

ＭＭＳによるレーザ点群の座標Ｐ(xn,yn,zn,Tn)の算出は、計測位置Ｓ(xt,yt,zt,t)の算出と、計測座標Ｐ(xt,yt,zt,t)の算出との２工程で行う。なお、本実施の形態では、アルファベットの大文字と小文字とを使い分ける場合と使い分けない場合とがある。

【0020】

計測位置Ｓ(xt,yt,zt,t)の算出のために、ＭＭＳの処理では、計測時刻ｔ０～ｔｎまでの間の計測位置を、連続性のあるデータ群である走行軌跡Ｓ(xn,yn,zn,tn)として、まとめて計算を行う。

【0021】

具体の処理では、最初にＧＮＳＳによる測定位置(gxt,gyt,gzt)に、ＧＮＳＳ基準局データ（Gxt,Gyt,Gzt）を用いたキネマティック方式でＧＮＳＳによる走行軌跡ｓ(gxn,gyn,gzn)の算出を行い、次にＧＮＳＳの未計測時間はＧＮＳＳによる軌跡座標ｓ(gxn,gyn,gzn)とＩＭＵデータの加速度データ(axt,ayt,azt)とを基に、カルマンフィルタ等を用いてＧＮＳＳ未計測時間の走行軌跡の推定を行い、ＧＮＳＳによる走行軌跡s(gxn,gyn,gzn)と合成して、計測時刻ｔが、ｔ０～ｔｎまでの間の走行軌跡S(xt,yt,zt,t)を算出する。なお、本実施の形態では、後述するように線路線形情報を更に用いて走行軌跡を推定する。

【0022】

時刻ｔに計測した対象点の測定座標Ｐ(xt,yt,zt,t)は、時刻ｔの測定位置Ｓ(xt,yt,zt,t)を基点に、計測時tのレーザ測定距離Ｄｔを、ＩＭＵで計測した姿勢角(ωt,φt,κt)とレーザスキャナの回転角度ｒｔとで回転計算を行い算出する。レーザ点群Ｐ(xn,yn,zn,Tn)は、計測時刻ｔが、ｔ０～ｔｎまでの間の計測点Ｐ(xt,yt,zt,T)の集合である。

【0023】

［測定対象座標算出装置］
図２は、一実施の形態に係る測定対象座標算出装置１を説明するための機能ブロック図である。

【0024】

図２に示すように、測定対象座標算出装置１は、鉄道車両位置情報取得部２と、走行軌跡推定部３と、測定対象位置情報取得部４と、測定対象座標算出部５と、加速度情報取得部６とを備える。

【0025】

鉄道車両位置情報取得部２は、測位衛星システムであるＧＮＳＳ１１から走行中の鉄道車両の計測位置情報からなる走行軌跡、例えば、上述のＧＮＳＳ基準局データ（Gxt,Gyt,Gzt）を用いたキネマティック方式で算出される走行軌跡s(gxn,gyn,gzn)を取得する。例えば、鉄道車両位置情報取得部２は、鉄道車両のデータ収録装置から計測位置情報を取得する。

【0026】

走行軌跡推定部３は、鉄道車両位置情報取得部２が取得する軌跡座標ｓ(gxn,gyn,gzn)と、鉄道車両位置情報取得部２が軌跡座標ｓ(gxn,gyn,gzn)を取得できないトンネル内等の取得不可区間における線路線形情報に基づいて、鉄道車両の推定走行軌跡を算出する。

【0027】

ここで、線路の線形は、鉄道に関する技術上の基準を定める省令に基づき、延べ距離（キロ程）、直線、緩和曲線、円曲線などからなる線形で設計・施工されている。したがって、後述する図５に示す線路線形ＳＳ(xm,ym,zm,m)は、ｍが延べ距離（キロ程）ｄ０～ｄｍを示す場合、延べ距離（キロ程）ｄに対する位置座標ＳＳ(xd,yd,zd,d)の連続した集合である。なお、線路線形情報は、予め測定対象座標算出装置１が取得して記憶していてもよいし、走行軌跡の推定に必要なタイミングで、他の装置から測定対象座標算出装置１が取得してもよい。

【0028】

ところで、線路を走行する鉄道車両に搭載されたＭＭＳ（鉄道用ＭＭＳ）は、走行位置に自由度がある道路上を走行する自動車に搭載されている道路用ＭＭＳと異なり、走行位置の自由度の少ない線路上を走行する。鉄道ＭＭＳの走行軌跡Ｓ(xn,yn,zn,tn)は、線路線形計算を基に設計された自由度の少ない線路上を走行していることから、線路線形ＳＳ(xm,ym,zm,m)と近似値である。同一ではなく近似である理由は、走行軌跡Ｓ(xn,yn,zn,tn)には測定時の誤差ｅ(xn,yn,zn,tn)が、線路線形ＳＳ(xm,ym,zm,m)には施工時の誤差ｅｅ(xm,ym,zm,m)が含まれているためである。

【0029】

したがって、ＧＮＳＳ１１の未計測時間の走行位置Ｓ(xt,yt,zt,t)を、線路線形計算による位置座標ＳＳ(xd,yd,zd,d)に、位置誤差や時間誤差を少なく置き換えることができれば、ＧＮＳＳ１１の未計測時間の精度向上につながる。

【0030】

測定対象位置情報取得部４は、鉄道車両に配置された測定器の一例である回転式レーザ距離計１２が測定する鉄道車両の周囲における測定対象の計測位置Ｓ(xt,yt,zt,t)（測定位置情報の一例）を取得する。例えば、測定対象位置情報取得部４は、鉄道車両のデータ収録装置から測定位置情報を取得する。

【0031】

測定対象座標算出部５は、走行軌跡推定部３が推定する走行軌跡又はＧＮＳＳ１１から得られる軌跡座標s(gxn,gyn,gzn)と、測定対象位置情報取得部４が取得する計測位置Ｓ(xt,yt,zt,t)の集合とに基づいて測定対象の座標である計測点Ｐ(xt,yt,zt,T)の集合であるレーザ点群Ｐ(xn,yn,zn,Tn)を算出する。

【0032】

加速度情報取得部６は、鉄道車両の互いに直交する３軸（ＸＹＺ）方向の加速度情報を、鉄道車両に配置されたＩＭＵ１３又はデータ収録装置から取得する。

【0033】

図３は、測定対象座標算出装置１のハードウェア構成例を示す図である。

【0034】

図３に示すコンピュータ２０は、プロセッサ２１と、メモリ２２と、補助記憶装置２３と、入力装置２４と、出力装置２５と、可搬記録媒体２８を駆動する可搬記録媒体駆動装置２６と、バス２７と、通信装置２９とを備える。補助記憶装置２３及び可搬記録媒体２８は、それぞれプログラムを記録した非一過性のコンピュータ読取可能記録媒体の一例である。

【0035】

プロセッサ２１は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を含む１つ以上の任意の処理回路である。プロセッサ２１は、補助記憶装置２３又は可搬記録媒体２８に格納されているプログラムをメモリ２２に展開して実行することで、図２に示す測定対象座標算出装置１の機能的構成要素（例えば、走行軌跡推定部３、測定対象座標算出部５など）の一部又は全部として機能してもよい。

【0036】

メモリ２２は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）などの任意の半導体メモリである。メモリ２２は、プログラムの実行の際に、補助記憶装置２３又は可搬記録媒体２８に格納されているプログラムまたはデータを記憶するワークメモリとして機能する。補助記憶装置２３は、例えば、ハードディスク、フラッシュメモリ等の不揮発性のメモリである。補助記憶装置２３は、主に各種データ及びプログラムの格納に用いられる。

【0037】

可搬記録媒体駆動装置２６は、可搬記録媒体２８を収容する。可搬記録媒体駆動装置２６は、メモリ２２又は補助記憶装置２３に記憶されているデータを可搬記録媒体２８に出力することができ、また、可搬記録媒体２８からプログラム及びデータ等を読み出すことができる。可搬記録媒体２８は、持ち運びが可能な任意の記録媒体である。可搬記録媒体２８には、例えば、ＳＤカード、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）フラッシュメモリ、ＣＤ（Compact Disc）、ＤＶＤ(Digital Versatile Disc)などが含まれる。

【0038】

入力装置２４は、キーボード、マウスなどである。出力装置２５は、表示装置、プリンタなどである。

【0039】

通信装置２９は、図２に示すＧＮＳＳ１１、回転式レーザ距離計１２、ＩＭＵ１３等の一部又は全部と通信する無線又は有線の通信モジュールである。なお、通信装置２９又はプロセッサ２１は、図２に示す測定対象座標算出装置１の機能的構成要素（例えば、鉄道車両位置情報取得部２、測定対象位置情報取得部４、加速度情報取得部６など）の一部又は全部として機能してもよい。

【0040】

バス２７は、プロセッサ２１、メモリ２２、補助記憶装置２３等を、相互にデータの授受可能に接続する。

【0041】

なお、図３に示すコンピュータ２０の構成は、図２に示す測定対象座標算出装置１のハードウェア構成の一例である。測定対象座標算出装置１は、この構成に限定されるものではない。測定対象座標算出装置１は、汎用装置であっても専用装置であってもよい。測定対象座標算出装置１は、例えば、専用設計の電気回路、例えば、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）などを備えてもよい。また、測定対象座標算出装置１は、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）を用いて構成されてもよい。

【0042】

図４は、本実施の形態に係る測定対象座標算出方法を説明するためのフローチャートである。

【0043】

まず、図２に示す鉄道車両位置情報取得部２は、上述のように、鉄道車両のＧＮＳＳ１１による測定位置(gxt,gyt,gzt,T)に、ＧＮＳＳ基準局データ（Gxt,Gyt,Gzt,T）を用いたキネマティック方式で算出されたＧＮＳＳ１１による鉄道車両の計測位置 (gxn,gyn,gzn)を取得する（ステップＳ１）。なお、鉄道車両位置情報取得部２は、ＧＮＳＳ基準局データ（Gxt,Gyt,Gzt,T）を用いずに直接的に鉄道車両の計測位置を取得してもよい。

【0044】

次に、走行軌跡推定部３は、ＧＮＳＳ１１による計測位置情報を取得できない例えばトンネル等の取得不可区間について、取得可能区間の計測位置(gxn,gyn,gzn)と、ＩＭＵ１３の加速度等の測定結果とから、補正前の走行軌跡Ｓ（xn,yn,zn,tn）を算出する（ステップＳ２）。

【0045】

また、走行軌跡推定部３は、上述の線路線形ＳＳ(xm,ym,zm,m)を計算し（ステップＳ３）、この線路線形ＳＳ(xm,ym,zm,m)と、上述の補正前の走行軌跡Ｓ（xn,yn,zn,tn）との位置合わせを行う（ステップＳ４）。

【0046】

ここで、図５～図８を参照しながら位置合わせについて説明する。

【0047】

最初に、図５及び図６を参照しながら、ＧＮＳＳ１１により位置計測情報を取得できない取得不可区間における走行軌跡Ｓ(xn,yn,zn,tn)と線路線形ＳＳ(xm,ym,zm,m)の較差を最小とする手法について説明する。次に、図７及び図８を参照しながらＧＮＳＳ未受信区間の前後での測量による基準点やＧＮＳＳ受信区間の計測位置Ｓ(xt1,yt1,zt1,t1),Ｓ(xt2,yt2,zt2,t2)を基準点として、較差を最小とする手法について説明する。また、図９を参照しながら、図４に示すように較差平均が閾値を超える場合（ステップＳ５：ＹＥＳ）にカルマンフィルタによるＩＭＵ計算時に較差を加えて再計算を行う手法について説明する。

【0048】

図５は、走行軌跡の位置合わせ（その１）を説明するための説明図である。

【0049】

図６は、走行軌跡の位置合わせ（その１）の較差の算出を説明するための説明図である。

【0050】

まず、走行軌跡Ｓ(xn,yn,zn,tn)と線路線形ＳＳ(xm,ym,zm,m)との較差を最小とする手法では、設計値を基に計算した線形ＳＳ(xm,ym,zm,m)は位置誤差を含まないこととし、走行軌跡ｓ(xt、yt、zt)は位置誤差ｒ(x,y,z)を含むと仮定する。この条件での、線路線形ＳＳ(xm,ym,zm,m）と走行軌跡ｓ(xt、yt、zt)との位置合わせ手法は、図５に示すように、時刻ｔ０～ｔｍにおいて、下記の数１に示す較差Ｒ(xt,yt,zt)の合計が最小値になるような位置誤差r(x,y,z)を算出する手法である。なお、数１におけるｒ（x,y,z）は、数２が最小となる値とする。

【0051】

【数1】

【0052】

【数2】

【0053】

この手法での較差平均ＡＲは、時刻ｔ０～ｔｍにおける較差Ｒ(xt,yt,zt)の平均値となる。

【0054】

なお、線路線形ＳＳ(xm,ym,zm,m）と走行軌跡ｓ(xt、yt、zt,t)との較差の算出は、図６に示すように、例えば、時刻ｔにおける走行軌跡ｓ(xt、yt、zt)から線路線形上のＳＳ(xm,ym,zm,m）とＳＳ(x(m-1),y(m-1),z(m-1),(m-1)）とを結ぶ直線を含む平面aX+bY+cZ+d=0に垂線を下ろし、その垂線の長さである下記の数３を時刻tにおける較差Ｒ(xt、yt、zt,t)等とする。

【0055】

【数3】

【0056】

図７は、走行軌跡の位置合わせ（その２）を説明するための説明図である。

【0057】

図８は、走行軌跡の位置合わせ（その２）の較差の算出を説明するための説明図である。

【0058】

ＧＮＳＳ１１の未受信区間の前後での測量による基準点やＧＮＳＳ１１の受信区間の計測位置Ｓ(xt1,yt1,zt1,t1)，Ｓ(xt2,yt2,zt2,t2)を基準点として較差を最小とする手法では、設計値を基に計算した線路線形ＳＳ(xm,ym,zm,m)は、施工等に関する誤差ｒ(x,y,z)を含むこととし、図７に示すように、走行軌跡ｓ(xt,yt,zt)及び線路線形ＳＳ(xm,ym,zm,m)は、基準となる位置Ｓ(xt1,yt1,zt1,t1),Ｓ(xt2,yt2,zt2,t2)を必ず通ると仮定する。

【0059】

この条件での、線路線形ＳＳ(xm,ym,zm,m）と走行軌跡ｓ(xt、yt、zt)の位置合わせは、線路線形ＳＳ(xm,ym,zm,m）が、基準点Ｓ(xt1,yt1,zt1,t1)，ｓ(xt2,yt2,zt2,t2)を通過するようにｒ(x,y,z)を算出する。ただし、ｒ(x,y,z)が一定値とならない場合には、誤差ｒはr(xm,ym,zm)のような延べ距離に基づく連続値とする。

【0060】

この手法での較差平均ＡＲは、線路線形ＳＳ（xm,ym,zm,m）＋ｒ(x,y,z)と走行軌跡ｓ(xt、yt、zt)との較差Ｒ(xt,yt,zt,t)の時刻ｔ０～ｔｍにおける平均値となる。

【0061】

なお、線路線形ＳＳ(xm,ym,zm,m）＋ｒ(x,y,z)と走行軌跡ｓ(xt、yt、zt,t)との較差の算出は、図８に示すように、例えば、時刻ｔにおける走行軌跡ｓ(xt、yt、zt)から線路線形上のＳＳ(xm,ym,zm,m）＋ｒ(x,y,z)とＳＳ(x(m-1),y(m-1),z(m-1),(m-1)）+r(x,y,z)を結ぶ直線を含む平面aX+bY+cZ+d=0に垂線を下ろし、その垂線の長さである上記の数３を時刻ｔにおける較差Ｒ(xt、yt、zt,t)等とする。

【0062】

図９は、カルマンフィルタによる再計算を説明するためのフローチャートである。

【0063】

ＧＮＳＳ／ＩＭＵによる位置算出（ステップＳ２－１，Ｓ２－２）では、ＧＮＳＳデータによる測位位置（位置、速度、高さ）を、カルマンフィルタリング処理の入力値として、ＩＭＵ１３の加速度等の誤差推定・補正計算に用いる。よって、ＧＮＳＳデータの未受信区間では、ＧＮＳＳデータの受信区間での推定補正値をもとに、ＩＭＵ１３での位置推定を行っているため、推定誤差が大きくなる。

【0064】

このＩＭＵ１３での位置推定誤差を小さくするために、ＧＮＳＳデータの未受信区間で線路線形を基にした補正量（線路線形位置）を、ＧＮＳＳ測位情報の推定値を計算するためのカルマンフィルタリング処理の入力値として再計算を行うとよい。

【0065】

次に、図４に示す較差平均が閾値以下となった場合（ステップＳ５：ＮＯ）の座標置換（ステップＳ６）については、図１０～図１２を参照しながら説明する。

【0066】

まず、「座標置換」については、図１０を参照しながら、測定位置Ｓ(xt,yt,zt,t)と線路線形ＳＳ(xm,ym,zm,m)との較差を算出し、較差に対し閾値を設ける手法について説明する。次に、図１１を参照しながら、較差が閾値より小さい範囲で、測定位置Ｓ(xt,yt,zt,t)の座標xt,yt,ztを線路線形ＳＳ(xm,ym,zm,m)の最近点の座標xd,yd,zdに置き換える手法について説明する。その後、図１２を参照しながら、較差が閾値より大きい範囲では、その範囲での走行軌跡Ｓ(xn,yn,zn,tn)から求めた時間毎の走行距離の割合で、線路線形ＳＳ(xm,ym,zm,m)を案分することで、測定位置座標ｓ（xt,yt,zt）を、線路線形の座標の座標Ｓ(xt,yt,zt)に置き換える手法について説明する。

【0067】

図１０は、座標置換を説明するための説明図である。

【0068】

図１０に示すように、座標置換は、測定位置Ｓ(xt,yt,zt,t)と線路線形ＳＳ(xm,ym,zm,m)との較差Ｒ(xt,yt,zt)に閾値を設定し、閾値１（第１の閾値）未満であれば座標置換は最近点で、閾値１以上で且つ閾値２（第２の閾値）未満であれば、座標置換は案分で行う。なお、較差Ｒが閾値２以上であれば、上述のカルマンフィルタの再計算（図４のステップＳ５：ＮＯ、及び図９）などにより較差Ｒが閾値２未満となるようにしてもよいし、或いは、閾値１以上で一律に座標置換を案分で行ってもよい。

【0069】

図１１は、最近点での座標置換を説明するための説明図である。

【0070】

図１１に示すように、最近点での置き換えでは、測定位置ｓ(xt,yt,zt,t)の座標xt,yt,ztを線路線形ＳＳ(xm,ym,zm,m)の再近点の座標xd,yd,zdに置き換える。最近点の計算は、例えば、時刻ｔにおける走行軌跡ｓ(xt、yt、zt)から線路線形上のＳＳ(xm,ym,zm,m)とＳＳ(x(m-1),y(m-1),z(m-1),(m-1))とを結ぶ直線を含む平面aX+bY+cZ+d=0に垂線を下ろし、線路線形上のＳＳ(xm,ym,zm,m)とＳＳ(x(m-1),y(m-1),z(m-1),(m-1))を結ぶ直線上の交点xd,yd,zdを算出する。算出した交点xd,yd,zdを測定位置xt,yt,ztと置き換え、時刻ｔでの測定位置ｓ(xd,yd,zd,t)を得る。

【0071】

図１２は、案分での座標置換を説明するための説明図である。

【0072】

図１２に示すように、案分での置き換えでは、最初に走行軌跡の延べ距離の算出として、置換を行いたい時刻ｔａ～ｔｂで、測定位置Ｓ(xt,yt,zt,t)の座標を基に延べ距離ｔｄａを算出する。次に、置換対象となる範囲(キロ程)ｍａ～ｍｂで、走行軌跡の延べ距離ｍｄａを算出する。最後に、下記の数４のとおり置換を行いたい時刻ｔａ～ｔまでの延べ距離ｔｄに対応する、置換位置ｍを算出し、その場所での線路線形ＳＳ(xm,ym,zm,m)から、座標xm,ym,zmを算出し、測定位置Ｓ(xt,yt,zt,t)の座標xt,yt,ztを座標xd,yd,zdに置き換える。

【0073】

【数4】

【0074】

以上のように座標置換（図４のステップＳ６）を行うことによって走行軌跡（置換後走行軌跡Ｓ’(xn,yn,zn,tn)）の推定が完了する。

【0075】

次に、測定対象座標算出部５による方向角κ’ｔの計算（図４のステップＳ７）について、図１３を参照しながら説明する。

【0076】

図１３は、方向角の計算を説明するための説明図である。
方向角計算については、上述の置換後の走行軌跡を基に、時間ｔと時間ｔ＋１での置換後の計測位置ｓ(xt,yt,zt,t)とｓ(xt+1,yt+1,zt+1,t+1)から下記の数５で算出する。

【0077】

【数5】

【0078】

次に、図４に示すように、測定対象座標算出部５は、ＧＮＳＳ１１から得られる姿勢角(ωt,φt,κt)、回転式レーザ距離計１２から得られる回転角ｒｔ及びレーザ測定距離Ｄｔに基づき、計測時刻ｔ０～ｔｎまでの測定座標を算出する（ステップＳ８）。これにより、レーザ点群Ｐ(xn,yn,zn,Tn)が得られる。

【0079】

以上説明した本実施の形態では、測定対象座標算出装置１は、鉄道車両位置情報取得部２と、走行軌跡推定部３と、測定対象位置情報取得部４と、測定対象座標算出部５とを備える。鉄道車両位置情報取得部２は、測位衛星システムの一例であるＧＮＳＳ１１から走行中の鉄道車両の計測位置情報からなる走行軌跡を取得する。走行軌跡推定部３は、鉄道車両位置情報取得部２が取得する走行軌跡と、鉄道車両位置情報取得部２が走行軌跡を取得できない取得不可区間における線路線形情報とに基づいて、鉄道車両の推定走行軌跡を算出する。測定対象位置情報取得部４は、鉄道車両に配置された測定器の一例である回転式レーザ距離計１２が測定する鉄道車両の周囲における測定対象の測定位置情報を取得する。測定対象座標算出部５は、走行軌跡推定部３が算出する走行軌跡又は鉄道車両位置情報取得部２が取得する走行軌跡と、測定対象位置情報取得部４が取得する測定位置情報とに基づいて測定対象の座標を算出する。

【0080】

また、他の観点では、測定対象座標算出方法は、コンピュータ２０が行う測定対象座標算出方法であって、ＧＮＳＳ１１から走行中の鉄道車両の計測位置情報からなる走行軌跡を取得する工程と、走行軌跡と、走行軌跡を取得できない取得不可区間における線路線形情報とに基づいて、鉄道車両の推定走行軌跡を算出する工程と、鉄道車両に配置された回転式レーザ距離計１２が測定する鉄道車両の周囲における測定対象の測定位置情報を取得する工程と、推定走行軌跡又は走行軌跡と、測定位置情報とに基づいて測定対象の座標を算出する工程とを含む。

【0081】

また、他の観点では、プログラムは、ＧＮＳＳ１１から走行中の鉄道車両の計測位置情報からなる走行軌跡を取得する機能と、走行軌跡と、走行軌跡を取得できない取得不可区間における線路線形情報とに基づいて、鉄道車両の推定走行軌跡を算出する機能と、鉄道車両に配置された回転式レーザ距離計１２が測定する鉄道車両の周囲における測定対象の測定位置情報を取得する機能と、推定走行軌跡又は走行軌跡と、測定位置情報とに基づいて測定対象の座標を算出する機能とをコンピュータ２０に実現させる。

【0082】

上述の測定対象座標算出装置１、測定対象座標算出方法、及びプログラムによれば、鉄道車両位置情報取得部２がＧＮＳＳ１１から計測位置情報を取得できないトンネル等の取得不可区間における走行軌跡を、ＩＭＵ１３により計測される加速度等を用いる場合と比較して誤差の少ない線路線形を用いて正確に推定することができる。よって、本実施の形態によれば、取得不可区間を含む鉄道車両の周囲における測定対象の座標を高精度に算出することができる。

【0083】

また、本実施の形態では、走行軌跡推定部３は、取得不可空間の前後に鉄道車両位置情報取得部２が取得する２点の計測位置を通るように、推定走行軌跡を算出する。これにより、鉄道車両位置情報取得部２及びＧＮＳＳ１１による正確な計測位置情報を用いて、取得不可区間における推定走行軌跡を正確に算出することができる。したがって、測定対象の座標をより高精度に算出することができる。

【0084】

また、本実施の形態では、測定対象座標算出装置１は、鉄道車両の互いに直交する３軸方向の加速度情報を例えばＩＭＵ１３から取得する加速度情報取得部６を更に備え、走行軌跡推定部３は、加速度情報から取得不可区間における補正前走行軌跡を算出し、この補正前走行軌跡と線路線形情報との較差が最小となるように補正前走行軌跡を補正することで、推定走行軌跡を算出する。そのため、線路線形情報のみを用いる場合と比較して、更に鉄道車両の加速度情報を用いることで、より正確に取得不可区間における推定走行軌跡を算出することができる。したがって、測定対象の座標をより高精度に算出することができる。

【0085】

また、本実施の形態では、走行軌跡推定部３は、加速度情報から取得不可区間における複数点の補正前走行軌跡座標を算出し、これらの補正前走行軌跡座標を、推定走行軌跡における延べ距離に対応する位置の走行軌跡座標に置換する。これにより、補正前走行軌跡座標を一律に最近点の線路線形座標に置換する場合と比較して、延べ距離が異なる線路線形座標に置換されるのを防止することができる。したがって、測定対象の座標をより高精度に算出することができる。

【0086】

また、本実施の形態では、走行軌跡推定部３は、加速度情報から取得不可区間における補正前走行軌跡を算出し、この補正前走行軌跡と線路線形情報との較差が閾値以下の領域では、補正前走行軌跡座標を推定走行軌跡における最近点の走行軌跡座標に置換し、較差が閾値を超える領域では、補正前走行軌跡座標を、推定走行軌跡における延べ距離に対応する位置の走行軌跡座標に置換する。そのため、較差が閾値以下の領域では、延べ距離が異なる線路線形座標に置換されることが少ないことから、最近点の走行軌跡座標に置換することで、取得不可区間における走行軌跡を、簡単な処理で線路線形座標に近づけることができる。したがって、測定対象の座標をより高精度に算出することができる。

【符号の説明】

【0087】

１ 測定対象座標算出装置
２ 鉄道車両位置情報取得部
３ 走行軌跡推定部
４ 測定対象位置情報取得部
５ 測定対象座標算出部
６ 加速度情報取得部
１１ ＧＮＳＳ
１２ 回転式レーザ距離計
１３ ＩＭＵ
２０ コンピュータ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】