JP5413118B2

JP5413118B2 - 測位システム

Info

Publication number: JP5413118B2
Application number: JP2009234930A
Authority: JP
Inventors: 直人長谷川; 秀明反保
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-10-09
Filing date: 2009-10-09
Publication date: 2014-02-12
Anticipated expiration: 2029-10-09
Also published as: JP2011080928A

Description

本発明は、ＧＮＳＳによる移動体の測位システムに関し、特に、測位に用いる衛星を取捨できる測位システムに関する。

ＧＰＳ（米国）、Ｇａｌｉｌｅｏ（欧州）、Ｇｌｏｎａｓｓ（ロシア）と呼ばれるＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）を用いた測位方法が知られている。この測位方法では、衛星からの電波の受信装置が所定数以上の人工衛星の電波を補足できれば、実用的には十分な精度が得られる。しかし、受信装置（例えば車両）の実際の位置に対し、ＧＮＳＳにより測位した受信装置の位置に含まれる誤差をゼロにすることはできない。例えば、受信装置は、10機程度の衛星を補足することができるが、多くの衛星から受信した電波を測位に用いると却って誤差が増大する場合がある。特に、市街地では電波が衛星から受信装置に到着するまでに、建物に電波が反射するマルチパスが生じやすい。マルチパスが生じると、比較的大きな誤差が含まれることが多い（例えば、〜１００ｍ）。

そこで、マルチパスの影響を低減する技術が考えられている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１には、マルチパスのある環境下でも測位位置の誤差を低減する目的で、右旋偏波用アンテナで受信した電波と左旋偏波用アンテナで受信した電波の電界強度を比較して、測位に用いる電波を選択するＧＮＳＳ受信装置が開示されている。

特開２００９−１８６４１５号公報

しかしながら、特許文献１に開示された技術では、受信した電波の信頼性を推定して測位に用いる電波を選択することはできないという問題がある。このため、特許文献1に記載のＧＮＳＳ受信装置は、実際には誤差が少ない測位位置が得られる場合も電波を捨ててしまうおそれがある。

本発明は、上記課題に鑑み、受信した電波の信頼性を考慮して、測位された位置の精度を向上させる測位システムを提供することを目的とする。

上記課題に鑑み、本発明は、衛星から受信した電波の到達時間から車両と衛星間の観測距離を計算する観測距離計算手段と、衛星から受信した位置情報に基づき所定時間の衛星の移動量ベクトルを推定する衛星移動ベクトル推定手段と、車両が走行しているリンクの勾配を推定する勾配推定手段と、車両の移動方向と前記勾配から、所定時間の車両の移動量ベクトルを推定する車両移動ベクトル推定手段と、前記衛星の移動量ベクトルと前記車両の移動量ベクトルとの差分ベクトルの大きさを算出して、衛星と車両間の推定距離の変化量を推定する距離変化量推定手段と、所定時間の観測距離の変化量を求め、推定距離の変化量と比較して衛星から受信する電波の信頼度を推定する信頼度推定手段と、信頼度に応じて衛星から受信した電波を処理し、車両の位置を推定する測位手段と、を有することを特徴とする測位システムを提供する。

受信した電波の信頼性を考慮して、測位された位置の精度を向上させる測位システムを提供することができる。

測位システムの概略を説明するための図の一例である。測位システムの機能ブロック図の一例である。方法１の勾配算出方法を模式的に説明する図の一例である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態の測位システム１００の概略を説明するための図の一例である。本実施形態の測位システム１００の特徴は以下のとおりである。
（１）衛星１２の移動量ベクトルと車両１１の移動量ベクトルから、測位システム１００が衛星１２と車両１１間の疑似距離の変化量を推定する。
（２）測位システム１００が衛星１２と車両１１間の観測距離を観測する。
（３）疑似距離の変化量と観測距離の変化量を比較して、衛星１２から受信する電波の信頼度を見積もる。

見積もった結果、疑似距離の変化量と観測距離の変化量の差が大きければ、その衛星１２から受信する電波はマルチパスの影響受けている可能性が高いとして、測位システム１００は測位に用いない。測位システム１００がマルチパスの電波を受信すると、衛星１２の配置にもよるが、おおむねマルチパス誤差（電波がマルチパスを経由した時間遅れ）と同等の位置誤差が発生してしまう。他の衛星１２から受信した電波がマルチパスを経ていなくても、マルチパス経由で測位システム１００が電波を受信した衛星１２が一機でもあると、車両１１の位置は真値に対し大きくずれる。したがって、マルチパスを測位演算から除外することで、車両１１の位置を精度よく決定することができる。

図１について詳細に説明する。車両１１はノードＮ２とＮ１の間のリンクをノードＮ１からノードＮ２に向けて走行している。時刻ｔにおける車両１１の位置はＶ_ｔ、時刻ｔ＋１における車両１１の位置はＶ_ｔ＋１である。

ＧＰＳの場合、衛星１２は、高度約20200kmの上空をおよそ12時間で地球を一周するように周回している。周回軌道は６個あり、それぞれの周回軌道を４個以上の衛星１２が周回することで、地球上のどの場所でも常に測位システム１００が４個以上の衛星１２を補足可能になっている。同じある衛星１２の、時刻ｔにおける位置はＳ_ｔ、時刻ｔ＋１における位置はＳ_ｔ＋１である。

時刻ｔから時刻ｔ＋１までの時間間隔は特に制約はないが、後述するように車両１１の３次元の移動量ベクトルを求めるため、車両１１が同一リンクを走行している程度の時間であることが好ましい。時刻ｔから時刻ｔ＋１までの衛星１２の移動量ベクトルをｍ_ｓ、車両１１の移動量ベクトルをｍ_ｖとする。

ベクトルｅは、衛星１２から車両１１を見た単位ベクトルである（以下、視線ベクトルという）。車両１１と衛星１２までの距離が長いので、視線ベクトルｅは短時間では変わらないとしてよい。なお、視線ベクトルｅの大きさは「１」である。

図２は、測位システム１００の機能ブロック図の一例を示す。本実施形態の測位システム１００は、例えばナビゲーション装置に搭載される。図２の各機能ブロックは、ナビゲーション装置のコンピュータのＣＰＵがプログラムを実行することやＩＣ回路により実現されている。

ＧＮＳＳ信号受信部２１は、衛星１２が発信する電波を受信する。ＧＰＳを例に説明する。ＧＮＳＳ信号受信部２１は、受信した電波をデジタルデータに変換し、各衛星毎に固有のＣ／Ａコードと比較してＣ／Ａコードを復調する。したがって、この時点で測位システム１００は衛星１２を特定することができる。Ｃ／Ａコードには航法メッセージ・データが含まれる。ＧＰＳの場合、航法メッセージ・データには、衛星時計の補正データ，エフェメリス・データ，電離層補正パラメータ，ＵＴＣ補正パラメータ，衛星１２の健康情報やアルマナック・データなどが含まれる。アルマナックデータは周回軌道上における全ての衛星１２に関する軌道情報であり、エフェメリスデータは各衛星１２の正確な位置情報と信号を発射した時刻情報を含む。

観測距離計算部２２は、車両１１と衛星１２との間の観測距離ρを算出する。観測距離計算部２２は、衛星１２毎に保持している時計の時刻を合わせ、衛星１２が電波を発射した時刻情報と現在の時刻との時間間隔に、大気中を電波が到達する速度をかけて、車両１１と衛星１２との間の観測距離ρを算出する。時刻ｔの観測距離をρ_ｔ、時刻ｔ＋１の観測距離をρ_ｔ＋１、とする。

時刻ｔと時刻ｔ＋１の間隔は、予め定められている（例えば、１〜数秒）。観測距離計算部２２は、例えば定期的、又は、ＧＮＳＳ信号受信部２１が新しい衛星１２を補足した場合に、車両１１と衛星１２との間の観測距離ρ_ｔ、ρ_ｔ＋１を算出する。ここで、時刻ｔと時刻ｔ＋１は、衛星１２の移動量ベクトルｍ_ｓと車両１１の移動量ベクトルｍ_ｖを算出するタイミングに利用されるので、観測距離計算部２２は、観測距離ρ_ｔを算出したタイミングと、観測距離ρ_ｔ＋１を算出したタイミングを、衛星位置計算部２３や衛星移動ベクトル推定部２４、及び、勾配推定部２６や車両移動ベクトル推定部２７に通知する。

衛星位置計算部２３は、衛星１２の位置を算出する。衛星１２の位置情報は、エフェメリス・データに含まれているので、その位置情報をそのまま利用することができる。なお、衛星位置計算部２３は、エフェメリス・データの座標系（WGS-84）を日本測地系に変換するなど、測位システム１００に適用可能な値に位置情報を変換する。時刻ｔの衛星１２の位置はＳ_ｔ、時刻ｔ＋１の衛星１２の位置はＳ_ｔ＋１、である。

衛星移動ベクトル推定部２４は、衛星１２の位置Ｓ_ｔ、Ｓ_ｔ＋１から衛星１２の移動量ベクトルｍ_ｓを推定する。所定の（例えば日本測地系の）座標系の原点と衛星１２の位置Ｓ_ｔ＋１を結ぶベクトルから、原点と衛星１２の位置Ｓ_ｔを結ぶベクトルを引いたベクトルが衛星１２の移動量ベクトルｍ_ｓである。

測位システム１００は、地図ＤＢ（ＤａｔａＢａｓｅ）２５を有する。地図ＤＢ２５には、道路網や交差点などの道路地図情報が、緯度・経度に対応づけて格納されている。地図ＤＢ２５は、実際の道路網に対応したノード(道路と道路が交差する点、例えば交差点)と、リンク(ノードとノードを接続する道路)とを対応づけたテーブル状のデータベースである。なお、測位システム１００は、地図ＤＢ２５の一部又は全体を車両１１の位置や進行方向に応じて、サーバからダウンロードしてもよい。

勾配推定部２６は、車両１１が走行しているリンクの勾配を推定する。本実施形態では２つの方法で勾配を算出することができる。
方法１：車輪の回転から取得した加速度と、加速度センサの観測値から算出する方法。
図３は、方法１の勾配算出方法を模式的に説明する図の一例である。車両１１は勾配θのリンクを走行している。勾配推定部２６は車速センサが検出した車速の時間的な変化から加速度ａ_ｗを算出する。リンクに勾配がない場合、この加速度ａ_ｗと加速度センサが検出した加速度ａは等しい。

しかし、勾配θが正であると、加速度ａは勾配θに応じて小さくなる（勾配θが負であると、加速度ａは勾配θに応じて大きくなる）。この勾配θに応じた加速度をｇ_ｘとする。したがって、次式が成り立つ。
ａ＝ａ_ｗ−ｇ_ｘ
図示するように、加速度ｇ_ｘは重力加速度ｇと勾配θから次のように現すことができる。
ｇ_ｘ＝ｇ・ｓｉｎθ
したがって、加速度ａは、次のように現すことができる。
ａ＝ａ_ｗ−ｇ・ｓｉｎθ
したがって、勾配θは次式で現すことができる。
θ＝ａｒｃｓｉｎ｛（ａ_ｗ−ａ）／ｇ｝
方法２：各ノードの高度情報を地図ＤＢ２５に蓄積し、リンクの端部の高度情報を用いてリンクの勾配を算出する方法。

勾配推定部２６は、ノードにおいて車両１１の位置情報（三次元）を取得した場合に位置情報の標高（すなわち、高度情報ｈ）を地図ＤＢ２５に登録する。この位置情報は、測位演算部３２が算出した位置である。高度情報ｈは精度が低いので、ノードにおける高度情報ｈを複数個Ｎ蓄積し、勾配推定部２６はその平均＜ｈ＞をそのノードの高度とする。

なお、Ｎの数が少ない内は、平均＜ｈ＞の精度が低いおそれがあるので、Ｎは所定の閾値をこえてから勾配を求めてもよい。

リンクの長さは地図ＤＢ２５に登録されているので、勾配推定部２６は、リンクを挟む２つのノードの高度の差をリンクの長さで割ることで、勾配θを算出する。方法２によれば、加速度センサがなくても勾配θを求めることができ、衛星１２の信頼度を判定することができる。なお、勾配の算出に地図ＤＢ２５に登録された高度情報を利用する場合、車両１１の位置がリンク上に特定されている必要がある。

車両移動ベクトル推定部２７は、車両１１の移動量ベクトルｍ_ｖを算出する。移動量ベクトルｍ_ｖのうち方向は、地図ＤＢ２５に登録されているリンクの方向と勾配推定部２６が推定した勾配θから求めることができる。移動量は、車速センサが検出した車速や移動距離から求めることができる。したがって、時刻ｔにおける車両１１の位置Ｖ_ｔ、時刻ｔ＋１における車両１１の位置Ｖ_ｔ＋１を特定しなくても、移動量ベクトルｍ_ｖを求めることができる。

なお、地図ＤＢ２５に登録されているリンクの方向を、移動量ベクトルｍ_ｖの推定に用いる場合、車両１１の位置がリンク上に特定されている必要がある。地図ＤＢ２５に登録されているリンクの方向を用いないで、ヨーレートセンサが検出するヨー角を利用してもよい。

視線ベクトル推定部２９は、衛星１２の位置と車両１１の概略位置から視線ベクトルｅを推定する。上記のように、視線ベクトルｅは短時間では変化しないので、車両１１の位置は概略でよい（例えば、最後に測位演算部３２が測位した位置）。視線ベクトル推定部２９は、座標系の原点と車両１１の概略位置を結ぶベクトルから、原点と衛星１２の位置を結ぶベクトルを引いて、単位長さにすることで視線ベクトルｅを算出する。

疑似距離変化量推定部２８は、衛星１２の移動量ベクトルｍ_ｓ、車両１１の移動量ベクトルｍ_ｖ及び視線ベクトルｅから、疑似距離の変化量Δρ＊を推定する。

Δρ＊＝−（ｍ_ｓ−ｍ_ｖ）・ｅ …（１）
（ｍ_ｓ−ｍ_ｖ）と視線ベクトルｅは向きがほぼ１８０度異なるので、両者の内積を負にすると、（ｍ_ｓ−ｍ_ｖ）の長さが得られる。（ｍ_ｓ−ｍ_ｖ）の長さは、時刻ｔにおける衛星１２と車両１１の距離を基準にした場合の、時刻ｔ＋１における衛星１２と車両１１の距離である。

衛星信頼度算出部３１は、観測距離ρ_ｔ、ρ_ｔ＋１から求めた観測距離の変化量Δρ（＝ρ_ｔ＋１−ρ_ｔ）と、疑似距離の変化量Δρ＊から、衛星１２の信頼度を算出する。観測距離ρ_ｔ、ρ_ｔ＋１にはマルチパスの影響が含まれ得るのに対し、疑似距離の変化量Δρ＊にはマルチパスの影響が含まれない（衛星１２の移動量ベクトルｍ_ｓはデジタルデータから算出されている）。したがって、ΔρとΔρ＊が大きく異なる場合、観測距離にマルチパスを代表とする誤差が含まれていると推定することができる。

衛星信頼度算出部３１は、例えば次式から信頼度ｒを算出する。
ｒ＝Δρ−Δρ＊ …（２）
なお、信頼度ｒの算出方法は一例であり、「ｒ＝（Δρ−Δρ＊）／Δρ＊」や「ｒ＝Δρ／Δρ＊」「ｒ＝１／（Δρ−Δρ＊）」等としてもよい。

測位演算部３２は、信頼度ｒに基づき衛星１２の信頼度を判断し、車両１１の位置を測位する。式（２）によれば値が大きいほど信頼性が低いことになるので、測位演算部３２は、例えば、信頼度ｒが閾値より大きい場合、その衛星１２から受信した電波を測位に用いない。この場合、マルチパスが車両１１の位置に与える影響をゼロにすることができる。または、測位演算部３２は、信頼度ｒに応じて、その衛星１２から受信した電波により算出される観測距離ρに重み付けを与えて、車両１１の位置を算出してもよい。この場合、マルチパスの程度に応じてマルチパスが車両１１の位置に与える影響を低減することができる。

また、測位演算部３２は、信頼度ｒが閾値より大きい場合、その衛星１２から受信した電波を測位に用いず、閾値以下の場合、信頼度ｒに応じて観測距離ρに重み付けを与えて、車両１１の位置を算出してもよい。

測位演算部３２は、除外すべき衛星１２があればそれを除外して、最終的に４つ以上の衛星１２を補足して各衛星１２までの距離を算出する。そして、少なくとも３つの衛星１２を中心とする３つの球の表面の交点を求めることで、電波から測位される車両１１の位置（緯度・経度・標高）を決定する。測位演算部３２は、衛星１２を３つしか補足できない場合は、緯度・経度のみを算出する。

本実施形態の測位システム１００によれば、マルチパスにより受信した電波を測位演算に使用いないか又は影響を低減できるので、車両１１の位置の精度を向上させることができる。

２１ＧＮＳＳ信号受信部
２２観測距離計算部
２３衛星位置計算部
２４衛星移動ベクトル推定部
２５地図ＤＢ
２６勾配推定部
２７車両移動ベクトル推定部
２８疑似距離変化量推定部
２９視線ベクトル推定部
３１衛星信頼度算出部
３２測位演算部
１００測位システム

Claims

衛星から受信した電波の到達時間から車両と衛星間の観測距離を計算する観測距離計算手段と、
衛星から受信した位置情報に基づき所定時間の衛星の移動量ベクトルを推定する衛星移動ベクトル推定手段と、
車両が走行しているリンクの勾配を推定する勾配推定手段と、
車両の移動方向と前記勾配から、前記所定時間の車両の移動量ベクトルを推定する車両移動ベクトル推定手段と、
前記衛星の移動量ベクトルと前記車両の移動量ベクトルとの差分ベクトルの大きさを算出して、衛星と車両間の推定距離の変化量を推定する距離変化量推定手段と、
前記所定時間の前記観測距離の変化量を求め、前記推定距離の変化量と比較して衛星から受信する電波の信頼度を推定する信頼度推定手段と、
前記信頼度に応じて衛星から受信した電波を処理し、車両の位置を推定する測位手段と、を有することを特徴とする測位システム。