JP7833295B2 - Relative position detection system, relative position detection method, and position information transmission device - Google Patents
Relative position detection system, relative position detection method, and position information transmission deviceInfo
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Description
本発明は、相対位置検出システム、相対位置検出方法及び位置情報送信装置に関する。 This invention relates to a relative position detection system, a relative position detection method, and a position information transmission device.
地滑り等の災害が発生しそうな危険地帯においては、地盤や構造物のわずかな変位を監視するためにGPS(Global Positioning System)、またはGNSS(Global Navigation Satellite System)を用いた地盤監視システムが提案されている。ここでGPSは米国が運営する衛星を、GNSSは米国を含めて日本、ヨーロッパ、中国などの国々が打ち上げた人工衛星システムを表す用語である。本発明ではGNSSという用語に統一して説明するが、本発明がGPSに適用できることは言うまでもない。 In areas prone to landslides and other disasters, ground monitoring systems using GPS (Global Positioning System) or GNSS (Global Navigation Satellite System) have been proposed to monitor even slight displacements of the ground and structures. Here, GPS refers to satellites operated by the United States, while GNSS refers to satellite systems launched by countries including the United States, Japan, Europe, and China. While this invention will use the term GNSS consistently, it goes without saying that this invention can also be applied to GPS.
GNSSの位置検出方法は、コード位相を検出する方法と、搬送波位相を検出する方法の2通りに大別できる。カーナビゲーションなど、広く一般的に用いられているのはコード位相を検出する方法である。GNSS衛星から送られるコード信号は約1MHzで変化するので、数メートル~数十メートルの誤差で地球上の位置を確定できる。これに対して搬送波位相を検出する方法は、搬送波周波数(1.5GHz)を検出することにより格段に高い精度(数センチメートル以下)が得られる。 GNSS position detection methods can be broadly classified into two types: methods that detect code phase and methods that detect carrier phase. The method widely used in applications such as car navigation systems is the method that detects code phase. Since the code signal transmitted from GNSS satellites changes at approximately 1 MHz, the Earth's position can be determined with an error of a few meters to tens of meters. In contrast, the method that detects carrier phase achieves significantly higher accuracy (less than a few centimeters) by detecting the carrier frequency (1.5 GHz).
本発明は、GNSS衛星から送出される電波の搬送波位相を検出して、地盤や構造物のわずかな変位を検出することにより、地滑りや土砂崩れなどの検出を可能とする相対位置検出システム及び相対位置検出方法並びにGNSS衛星から送出される電波の搬送波位相を送信する位置情報送信装置に関する。 This invention relates to a relative position detection system and method that detects the carrier phase of radio waves transmitted from a GNSS satellite, thereby enabling the detection of slight displacements in the ground and structures, and to a position information transmission device that transmits the carrier phase of radio waves transmitted from a GNSS satellite.
搬送波位相を検出するGNSSの受信方式として、スタティック方式とキネマティック方式が知られている。スタティック方式は、測量などに使われる超高精度(誤差数mm)を実現する方式であり、搬送波位相を連続観測しなければならない。このため消費電力が大きくなり、商用電源が供給されない場所での地滑りや土砂崩れの検出には使うことができない。 Two receiving methods are known for GNSS (Guided Navigation System) for detecting carrier phase: static and kinematic. The static method achieves ultra-high precision (error of a few millimeters) and is used in surveying, but requires continuous observation of the carrier phase. Therefore, it consumes a large amount of power and cannot be used for detecting landslides or mudslides in locations without commercial power.
キネマティック方式は、搬送波位相の積算値を毎秒転送することで、高精度(誤差数cm)の相対位置検出を可能とする。例えば特許文献1には、GNSS衛星が送信する電波を受信して、その搬送波位相の積算値をカウントし、一定時間毎にセンタに伝送し、センタでは受信した位相の積算値に基づいて受信点位置(基線ベクトル)を求める方法が示されている。 The kinematic method enables highly accurate relative position detection (error of a few centimeters) by transmitting the integrated value of the carrier wave phase every second. For example, Patent Document 1 describes a method in which radio waves transmitted by a GNSS satellite are received, the integrated value of the carrier wave phase is counted, and transmitted to a center at regular intervals. The center then determines the reception point position (baseline vector) based on the received integrated phase value.
このキネマティック方式を使って地滑りや土砂崩れを検出するためには、複数の衛星からの搬送波位相積算値を途切れなく連続伝送することが必要となる。このため少なくとも1kbps以上の伝送レートが必要になるが、地滑りや土砂崩れの危険地点ではネットワークが整っていない場合が多く、そのような場合は適用できないという問題点があった。 To detect landslides and mudslides using this kinematic method, it is necessary to continuously transmit carrier phase integration values from multiple satellites without interruption. Therefore, a transmission rate of at least 1 kbps is required. However, in many areas prone to landslides and mudslides, the network is not well-established, posing a problem in such cases where the method cannot be applied.
そこで本発明では、崖地などに設置して電池で長期間動作し、なおかつ、数cm程度の位置精度を実現することの可能な、相対位置検出システム、相対位置検出方法及び位置情報送信装置を提供することを目的とする。 Therefore, the objective of this invention is to provide a relative position detection system, a relative position detection method, and a position information transmission device that can be installed on cliffs or similar terrain, operate for extended periods using batteries, and achieve positional accuracy of several centimeters.
[1]本発明の相対位置検出システム1は、演算手段6、通信回線により前記演算手段6に接続された受信基地局5と、それぞれが複数のGNSS(Global Navigation Satellite System)衛星から送出される電波の搬送波位相の瞬時値をGNSS時刻に同期した所定のサンプリングタイミングで取得し、取得した前記搬送波位相の瞬時値を前記受信基地局に無線送信することにより、前記搬送波位相の瞬時値を前記演算手段6に送信する複数の位置情報送信装置2A,2Bと、通信回線により前記演算手段に接続され、GNSS衛星の衛星軌道情報を取得して、取得した前記衛星軌道情報を前記演算手段6に送信する衛星情報取得手段4とを含み、前記演算手段6は、前記搬送波位相の瞬時値と前記衛星軌道情報とを用いて前記複数の位置情報送信装置の相対位置を検出する相対位置検出システム1である。 [1] The relative position detection system 1 of the present invention includes a calculation means 6, a receiving base station 5 connected to the calculation means 6 by a communication line, a plurality of position information transmitting devices 2A, 2B each acquiring instantaneous values of carrier phase of radio waves transmitted from a plurality of GNSS (Global Navigation Satellite System) satellites at a predetermined sampling timing synchronized with GNSS time, and transmitting the acquired instantaneous values of carrier phase to the receiving base station wirelessly, thereby transmitting the instantaneous values of carrier phase to the calculation means 6, and a satellite information acquisition means 4 connected to the calculation means by a communication line, which acquires satellite orbit information of GNSS satellites and transmits the acquired satellite orbit information to the calculation means 6. The calculation means 6 is a relative position detection system 1 that detects the relative positions of the plurality of position information transmitting devices using the instantaneous values of carrier phase and the satellite orbit information.
[2]本発明の相対位置検出システム1において、前記演算手段6は、前記搬送波位相の2重位相差演算を用いて前記複数の位置情報送信装置2A,2Bの相対位置を検出することが好ましい。 [2] In the relative position detection system 1 of the present invention, it is preferable that the calculation means 6 detects the relative positions of the plurality of position information transmitting devices 2A and 2B using the double phase difference calculation of the carrier wave phase.
[3]本発明の相対位置検出システム1において、前記複数の位置情報送信装置2A,2Bから前記受信基地局5への送信レートは、前記衛星情報取得手段4から前記演算手段6への送信レートよりも低速であることが好ましい。 [3] In the relative position detection system 1 of the present invention, it is preferable that the transmission rate from the plurality of position information transmitting devices 2A and 2B to the receiving base station 5 is lower than the transmission rate from the satellite information acquisition means 4 to the calculation means 6.
[4]本発明の相対位置検出システム1において、前記複数の位置情報送信装置2A,2Bから前記受信基地局5への無線送信は、長距離通信可能かつ低消費電力のLPWA(Low Power Wide Area)無線通信手段により行われることが好ましい。 [4] In the relative position detection system 1 of the present invention, it is preferable that the wireless transmission from the plurality of position information transmitting devices 2A and 2B to the receiving base station 5 is performed by LPWA (Low Power Wide Area) wireless communication means that is capable of long-distance communication and has low power consumption.
[5]本発明の相対位置検出システム1において、前記所定のサンプリングタイミング(SEC00)の間隔が1分間以上に設定されていることが好ましい。 [5] In the relative position detection system 1 of the present invention, it is preferable that the interval of the predetermined sampling timing (SEC00) is set to one minute or more.
[6]本発明の相対位置検出方法は、複数の計測地点において、複数のGNSS衛星から送出される電波の搬送波位相の瞬時値をGNSS時刻に同期した所定のサンプリングタイミングで取得して、取得した前記搬送波位相の瞬時値を少なくとも無線送信を含む通信手段により演算手段に伝送し、複数のGNSS衛星の衛星軌道情報を取得して、取得した前記衛星軌道情報を前記演算手段に伝送し、前記演算手段においては、前記搬送波位相の瞬時値と前記衛星軌道情報とを用いて前記複数の計測地点間の相対位置を検出する相対位置検出方法である。 [6] The relative position detection method of the present invention involves acquiring instantaneous values of carrier phases of radio waves transmitted from multiple GNSS satellites at multiple measurement points at a predetermined sampling timing synchronized with GNSS time, transmitting the acquired instantaneous values of carrier phases to a calculation means by communication means including at least wireless transmission, acquiring satellite orbit information of the multiple GNSS satellites, transmitting the acquired satellite orbit information to the calculation means, and the calculation means detecting the relative position between the multiple measurement points using the instantaneous values of carrier phases and the satellite orbit information.
[7]本発明の相対位置検出方法において、前記搬送波位相の2重位相差演算を用いて前記複数の位置情報送信装置2A,2Bの相対位置を検出することが好ましい。 [7] In the relative position detection method of the present invention, it is preferable to detect the relative positions of the plurality of position information transmitting devices 2A and 2B using the double phase difference calculation of the carrier wave phase.
[8]本発明の相対位置検出方法において、前記無線送信の送信レートは、前記衛星情報の伝送レートよりも低速であることが好ましい。 [8] In the relative position detection method of the present invention, it is preferable that the transmission rate of the wireless transmission is lower than the transmission rate of the satellite information.
[9]本発明の相対位置検出方法において、前記無線送信に長距離通信可能かつ低消費電力のLPWA(Low Power Wide Area)無線通信手段を用いることが好ましい。 [9] In the relative position detection method of the present invention, it is preferable to use LPWA (Low Power Wide Area) wireless communication means capable of long-distance communication and low power consumption for the wireless transmission.
[10]本発明の相対位置検出方法において、前記所定のサンプリングタイミング(SEC00)の間隔が1分間以上であることが好ましい。 [10] In the relative position detection method of the present invention, it is preferable that the interval of the predetermined sampling timing (SEC00) is 1 minute or more.
[11]本発明の相対位置検出方法において、前記複数の計測地点の相対位置は、前記複数の計測地点における2つの計測地点のうちの基準となる計測地点のGNSSアンテナを出発点とし、前記2つの計測地点のうちの他の計測地点のGNNSアンテナを終着点として算出される3次元の相対距離ベクトルPで表され、当該相対距離ベクトルPは、当該相対距離ベクトルの推定値として3次元の推定相対距離ベクトルReを推定し、前記推定された推定相対距離ベクトルReに対して、位置誤差評価の指標となる誤差評価値Eを演算して算出し、前記誤差評価値Eを最も小さくする推定相対距離ベクトルを定め、定められた推定相対距離ベクトルを前記相対距離ベクトルPとして出力することが好ましい。 [11] In the relative position detection method of the present invention, the relative positions of the plurality of measurement points are represented by a three-dimensional relative distance vector P calculated using the GNSS antenna of a reference measurement point among the two measurement points as the starting point and the GNSS antenna of the other measurement point among the two measurement points as the ending point. Preferably, a three-dimensional estimated relative distance vector Re is estimated as an estimated value of the relative distance vector P, an error evaluation value E, which serves as an index for evaluating position error, is calculated from the estimated estimated relative distance vector Re, an estimated relative distance vector that minimizes the error evaluation value E is determined, and the determined estimated relative distance vector is output as the relative distance vector P.
[12]本発明の相対位置検出方法において、前記搬送波位相の瞬時値から2重位相差φ(n)を求め、前記推定相対距離ベクトルReに基づいて推定2重位相差φ“(n)を求めて、前記2重位相差φ(n)と前記推定2重位相差φ“(n)との差異に応じた前記誤差評価値Eを演算することが好ましい。 [12] In the relative position detection method of the present invention, it is preferable to obtain a double phase difference φ(n) from the instantaneous value of the carrier wave phase, obtain an estimated double phase difference φ''(n) based on the estimated relative distance vector Re, and calculate the error evaluation value E according to the difference between the double phase difference φ(n) and the estimated double phase difference φ''(n).
[13]本発明の相対位置検出方法において、前記推定2重位相差φ“(n)は、前記複数のGNSS衛星の衛星軌道情報を用いて前記所定サンプリングタイミングにおける前記複数のGNSS衛星の位置情報を算出し、前記複数のGNSS衛星のうちの1つを基準衛星としたとき、前記複数のGNSS衛星の位置情報から前記基準衛星の基準衛星位置座標(X(0),Y(0),Z(0))を抽出するとともに、前記GNSS衛星の位置情報から前記基準衛星以外の各衛星の位置座標(X(n),Y(n),Z(n))を抽出し、前記基準となる計測地点の位置座標(Xr, Yr, Zr)を求め、前記基準衛星位置座標(X(0),Y(0),Z(0))と、前記各衛星nの位置座標(X(n),Y(n),Z(n))と、前記基準となる計測地点の位置座標(Xr, Yr, Zr)とにより波数ベクトルk(n)を算出し、前記波数ベクトルk(n)と前記推定相対距離ベクトルReとの内積演算により、推定2重位相差φ’(n)を求め、当該推定2重位相差φ’(n)に対して、2πを法とする剰余演算を適用することにより求めることが好ましい。 [13] In the relative position detection method of the present invention, the estimated double phase difference φ''(n) is calculated by using the satellite orbit information of the plurality of GNSS satellites to calculate the position information of the plurality of GNSS satellites at the predetermined sampling timing, and when one of the plurality of GNSS satellites is designated as the reference satellite, the reference satellite position coordinates (X(0), Y(0), Z(0)) of the reference satellite are extracted from the position information of the plurality of GNSS satellites, and the position coordinates (X(n), Y(n), Z(n)) of each satellite other than the reference satellite are extracted from the position information of the GNSS satellites, and the position coordinates (Xr, Yr, Zr) of the reference measurement point are determined, and the reference satellite position coordinates (X(0), Y(0), Z(0)), the position coordinates (X(n), Y(n), Z(n)) of each satellite n are obtained, and the position coordinates (Xr, Yr, It is preferable to calculate the wave vector k(n) using Zr, obtain the estimated double phase difference φ'(n) by performing an inner product operation between the wave vector k(n) and the estimated relative distance vector Re, and then apply a modulo operation modulo 2π to the estimated double phase difference φ'(n).
[14]本発明の位置情報送信装置2は、複数のGNSS衛星から送出される電波を受信するとともに、前記電波に含まれる搬送波位相と衛星軌道情報とを出力する衛星信号受信部221と、前記衛星軌道情報からGNSS時刻情報を検出する演算部23と、前記衛星信号受信部221から出力された前記搬送波位相を所定のサンプリングタイミングでサンプリングして、搬送波位相の瞬時値を取得するサンプリング手段25と、前記サンプリング手段25により取得された前記搬送波位相の瞬時値を無線送信する無線通信部26とを含み、前記所定のサンプリングタイミングが、前記GNSS時刻情報に同期している位置情報送信装置2である。 [14] The position information transmission device 2 of the present invention includes a satellite signal receiving unit 221 that receives radio waves transmitted from a plurality of GNSS satellites and outputs carrier wave phase and satellite orbit information contained in the radio waves; a calculation unit 23 that detects GNSS time information from the satellite orbit information; a sampling means 25 that samples the carrier wave phase output from the satellite signal receiving unit 221 at a predetermined sampling timing to acquire an instantaneous value of the carrier wave phase; and a wireless communication unit 26 that wirelessly transmits the instantaneous value of the carrier wave phase acquired by the sampling means 25, wherein the predetermined sampling timing is synchronized with the GNSS time information.
[15]本発明の位置情報送信装置2において、前記所定のサンプリングタイミングが前記GNSS時刻情報で定まる所定時刻であることが好ましい。 [15] In the position information transmission device 2 of the present invention, it is preferable that the predetermined sampling timing is a predetermined time determined by the GNSS time information.
[16]本発明の位置情報送信装置2において、前記無線通信部26は、長距離通信可能かつ低消費電力のLPWA(Low Power Wide Area)無線通信手段により前記搬送波位相の瞬時値を無線送信することが好ましい。 [16] In the position information transmission device 2 of the present invention, it is preferable that the wireless communication unit 26 wirelessly transmits the instantaneous value of the carrier phase using a long-distance communication-capable and low-power LPWA (Low Power Wide Area) wireless communication means.
[17]本発明の位置情報送信装置2において、前記所定のサンプリングタイミング(SEC00)の間隔が1分間以上であることが好ましい。 [17] In the position information transmission device 2 of the present invention, it is preferable that the interval of the predetermined sampling timing (SEC00) is 1 minute or more.
本発明の相対位置検出システム、相対位置検出方法及び位置情報送信装置によれば、GNSS時刻に同期したサンプリングタイミングで取得した搬送波位相の瞬時値を位置情報送信装置から取得するとともに、別途設けたGNSS受信機(衛星情報取得手段)から衛星情報を取得し、これら搬送波位相の瞬時値と衛星情報とを用いて複数の位置情報送信装置の相対位置を検出することができる。このため、位置情報送信装置においては、極めて低いサンプリングレート(例えば1分に1回)で搬送波位相の瞬時値を取得して送信すればよくなるので、搬送波位相を用いた高精度位置検出を極めて低消費電力で行うことが可能となり、例えば電池で動作させることも可能となる。また、無線伝送される情報量を極めて小さくすることが可能となるため、例えばLPWAのような低消費電力かつ長距離の無線伝送システムを用いることにより、従来の携帯電話が圏外となるような山中に設置して、山中での崖崩れを検出することも可能となる。その結果、本発明によれば、崖地などに設置して電池で長期間動作し、なおかつ、数cm程度の位置精度を実現することが可能な、相対位置検出システム、相対位置検出方法及び位置情報送信装置を提供することが可能となる。 According to the relative position detection system, relative position detection method, and position information transmission device of the present invention, instantaneous values of carrier phase acquired at a sampling timing synchronized with GNSS time are obtained from the position information transmission device, and satellite information is obtained from a separately provided GNSS receiver (satellite information acquisition means). The relative positions of multiple position information transmission devices can be detected using these instantaneous values of carrier phase and satellite information. Therefore, the position information transmission device only needs to acquire and transmit instantaneous values of carrier phase at an extremely low sampling rate (for example, once per minute), making it possible to perform high-precision position detection using carrier phase with extremely low power consumption, and even operate on batteries, for example. Furthermore, since the amount of information transmitted wirelessly can be made extremely small, by using a low-power, long-range wireless transmission system such as LPWA, it becomes possible to install the system in mountainous areas where conventional mobile phones have no signal and detect landslides in the mountains. As a result, the present invention makes it possible to provide a relative position detection system, a relative position detection method, and a position information transmission device that can be installed on cliffs and other similar terrain, operate for extended periods using batteries, and achieve positional accuracy of several centimeters.
以下、図に示す実施形態を用いて本発明を従来法と対比しながら説明する。まずは、従来法について説明する。 The present invention will be explained below in comparison to conventional methods using the embodiments shown in the figures. First, the conventional methods will be described.
[従来法1]
図1は、従来法1によるGNSS位置情報送信装置40の構成図である。GNSS位置情報送信装置40は、コード信号(コード位相情報)を検出するGNSS位置情報送信装置であって、カーナビゲーションなどに搭載されている一般的なGNSS位置情報送信装置である。公知技術であるので簡略化して説明する。アンテナ20により各GNSS衛星からの電波が受信され、衛星信号受信部221により各衛星のコード位相情報と衛星軌道情報(エフェメリス)が受信され、演算部23に提供される。フロントエンド21は微弱な受信信号をフィルタで抽出し、増幅してから低周波数信号(IQ信号)に変換し、複数の衛星受信部221に供給する。衛星受信部221は図示しない同期部、乱数発生部、逆拡散部や復号部等で構成され、各衛星のコード位相情報と衛星軌道情報を出力する。
[Conventional Method 1]
Figure 1 is a diagram of the configuration of a GNSS position information transmission device 40 according to Conventional Method 1. The GNSS position information transmission device 40 is a GNSS position information transmission device that detects code signals (code phase information), and is a typical GNSS position information transmission device installed in car navigation systems and the like. Since it is publicly known technology, it will be explained in a simplified manner. The antenna 20 receives radio waves from each GNSS satellite, and the satellite signal receiving unit 221 receives the code phase information and satellite orbit information (ephemeris) of each satellite, which are then provided to the calculation unit 23. The front end 21 filters out the weak received signals, amplifies them, converts them into low-frequency signals (IQ signals), and supplies them to multiple satellite receiving units 221. The satellite receiving unit 221 consists of a synchronization unit, a random number generation unit, a despreader unit, a decoding unit, etc. (not shown), and outputs the code phase information and satellite orbit information of each satellite.
演算部23は、衛星軌道情報から各衛星の衛星位置(X(n), Y(n), Z(n))を求め、コード位相情報から各衛星と受信点の距離(疑似距離)を求める。演算部23は、4つ以上の衛星位置と疑似距離から形成される連立方程式を解くことにより、受信点の位置(Xr,Yr,Zr)と、正確なGNSS時刻とを出力する。GNSS時刻に正確に一致したパルスとして、例えば1秒に1回の「1PPS」信号を出力する。 The calculation unit 23 determines the satellite position (X(n), Y(n), Z(n)) of each satellite from the satellite orbit information, and determines the distance (pseudo-distance) between each satellite and the receiving point from the code phase information. The calculation unit 23 solves a system of equations formed from the positions of four or more satellites and the pseudo-distances to output the receiving point position (Xr, Yr, Zr) and the precise GNSS time. It outputs a "1PPS" signal, for example, once per second, as a pulse precisely matching the GNSS time.
ところでコード信号の変調周波数は約1MHzなので、図1に示す装置で検出される位置(Xr,Yr,Zr)は、数メートル~数十メートルの計測誤差を含んでいる。本発明で目標としている、地盤や構造物のわずかな変位を検出する目的には、精度が足りず使うことができない。 Incidentally, since the modulation frequency of the code signal is approximately 1 MHz, the position (Xr, Yr, Zr) detected by the device shown in Figure 1 contains a measurement error of several meters to tens of meters. This lacks the accuracy necessary to detect slight displacements of the ground or structures, which is the objective of this invention.
[従来法2]
図2は、従来法2によるGNSS位置情報送信装置41の構成図である。GNSS位置情報送信装置41は、搬送波位相を検出する位置情報送信装置である。搬送波周波数(1.5GHz)は変調周波数(約1MHz)よりも格段に周波数が高いので、誤差数センチメートルの高精度を実現できる。図2において衛星信号受信部221は、コード位相情報、衛星軌道情報に加えて各衛星の搬送波位相(φ1,φ2,・・・,φM)を出力する。搬送波位相は、-πからπまでの範囲で変化する信号であり、位相境界を跨ぐ度に「位相飛び」が発生する。そこで位相積算部222は、搬送波位相を積算していくことにより、積算位相(φs(1),φs(2),・・・,φs(M))として出力する。積算位相とすることにより、「位相飛び」の影響を減らすことができる。
[Conventional Method 2]
Figure 2 is a diagram of the configuration of the GNSS position information transmission device 41 according to the conventional method 2. The GNSS position information transmission device 41 is a position information transmission device that detects the carrier wave phase. Since the carrier wave frequency (1.5 GHz) is significantly higher than the modulation frequency (approximately 1 MHz), high accuracy with an error of several centimeters can be achieved. In Figure 2, the satellite signal receiving unit 221 outputs the carrier wave phase (φ1, φ2, ..., φM) of each satellite in addition to the code phase information and satellite orbit information. The carrier wave phase is a signal that changes in the range from -π to π, and a "phase jump" occurs each time a phase boundary is crossed. Therefore, the phase integration unit 222 integrates the carrier wave phases and outputs them as integrated phases (φs(1), φs(2), ..., φs(M)). By using integrated phases, the effect of "phase jumps" can be reduced.
図3は、搬送波位相の瞬時値と積算位相との差異を説明する模式図である。この図3に示す例では、時刻t=0に搬送波位相の計測が開始されるものとして、時刻t=Tにおけるn番目の衛星の搬送波位相の瞬時値φ(n)と積算位相φs(n)とを模式的に表示している。この図3において、搬送波位相の瞬時値φ(n)は+πから-πまでの間に折りたたまれるので、時刻t=Tの時点においてはφ(n)=0となり、観測開始からどれだけ位相が回転したかを伺い知ることはできない。これに対して、時刻t=Tの時点における積算位相φs(n)は7πとなり、観測開始から位相が3回転し、さらにπだけの位相偏移があったことが解る。 Figure 3 is a schematic diagram illustrating the difference between the instantaneous and integrated carrier phases. In the example shown in Figure 3, assuming that carrier phase measurement begins at time t=0, the instantaneous value φ(n) and integrated phase φs(n) of the nth satellite's carrier phase at time t=T are schematically displayed. In Figure 3, the instantaneous value φ(n) of the carrier phase folds between +π and -π, so at time t=T, φ(n) = 0, making it impossible to determine how much the phase has rotated since the start of observation. In contrast, the integrated phase φs(n) at time t=T is 7π, indicating that the phase has rotated 3 times since the start of observation, and there has been a phase shift of π.
積算位相(φs(1),φs(2),・・・,φs(M))は、ラッチ25により1秒毎にその値が保持される。1秒間の積算値なので、各積算位相は30ビット以上の情報量である。これら積算位相は、無線通信部26によってアンテナ27から送信される。公知技術であるので詳細は省くが、搬送波位相を使った高精度相対位置検出では、図示しない受信装置によって積算位相(φs(1),φs(2),・・・,φs(M))が受信され、異なる受信装置間で位相差が計算され、さらに異なる衛星間の位相差が演算される。2回の位相差を求めることから、2重差位相演算と呼ばれる演算であり、電離層の影響や受信装置の周波数ずれ等が除去される。最後に2πの整数倍の位相不確定性が除去されて高精度位置情報が出力される。2πの整数倍となる位相不確定性のことを、「整数値バイアスN」と一般に呼ばれる。従来法2においては、この整数値バイアスNの値を、受信した衛星毎に正しく定めることが難しいという課題がある。 The integrated phases (φs(1), φs(2), ..., φs(M)) are held by a latch 25 every second. Since each integrated phase is an integrated value over one second, it contains more than 30 bits of information. These integrated phases are transmitted from the antenna 27 by the wireless communication unit 26. As this is a known technique, details are omitted, but in high-precision relative position detection using carrier phase, the integrated phases (φs(1), φs(2), ..., φs(M)) are received by a receiving device (not shown), the phase difference is calculated between different receiving devices, and then the phase difference between different satellites is calculated. This calculation, which involves calculating the phase difference twice, is called double-difference phase calculation, and it removes the effects of the ionosphere and frequency shifts of the receiving devices. Finally, the phase uncertainty that is an integer multiple of 2π is removed, and high-precision position information is output. The phase uncertainty that is an integer multiple of 2π is generally called the "integer value bias N". In the conventional method 2, there is a problem in that it is difficult to correctly determine the value of this integer bias N for each received satellite.
図4は、積算位相検出方式の実験構成図である。図5は、積算位相検出方式の実験結果である。図4において、GNSS位置情報送信装置41Bは、初期状態において場所Aに設置した。ここで場所Aは、GNSS位置情報送信装置41Aが置かれた場所(基準位置)から1m離れた地点である。この実験では20秒毎に、41Bの設置場所を10cmずつシフトして、A→B→C→D→E→F→Gと移動させた。 Figure 4 shows the experimental configuration diagram of the integrated phase detection method. Figure 5 shows the experimental results of the integrated phase detection method. In Figure 4, the GNSS position information transmitter 41B was initially installed at location A. Here, location A is 1 m away from the location where the GNSS position information transmitter 41A was placed (reference position). In this experiment, the installation location of 41B was shifted by 10 cm every 20 seconds, moving from A→B→C→D→E→F→G.
GNSS位置情報送信装置41Aを基準位置、GNSS衛星3Bを基準衛星として、GNSS位置情報送信装置41Bから出力される積算位相を求め、2重差位相演算を施した結果を図5に示す。図5からわかるように20秒間隔で、10cmの移動が精度良く検出されていることが解る。また、このように積算位相を用いることにより、位相差が±πの範囲を超えても、連続した波形として検出されることが解る。 Using the GNSS position information transmitter 41A as the reference position and the GNSS satellite 3B as the reference satellite, the integrated phase output from the GNSS position information transmitter 41B was calculated, and the result of performing a double-difference phase calculation is shown in Figure 5. As can be seen from Figure 5, a movement of 10 cm at 20-second intervals is detected with high accuracy. Furthermore, it can be seen that by using this integrated phase, even if the phase difference exceeds the range of ±π, it can be detected as a continuous waveform.
このような搬送波位相による高精度位置検出を実現するためには、しかし、無線送信部26が1秒おきに積算位相(φs(1),φs(2),・・・,φs(M))を伝送しなければならない。各積算位相が30ビット、衛星数Mが6であると仮定すると、無線通信部26の伝送レートは180bpsが必要となる。実際にはヘッダーや誤り訂正などの冗長度があり、数倍の伝送レート(例えば1kbps)が必要になる。携帯電話回線などを用いることができれば容易に実現できる伝送レートであるが、携帯電話回線を使う無線機器は消費電力が大きい問題があり、さらに山間部などでは携帯電話回線が使えない場所も多く存在する。 To achieve high-precision position detection using carrier phase, however, the wireless transmission unit 26 must transmit integrated phases (φs(1), φs(2), ..., φs(M)) every second. Assuming each integrated phase is 30 bits and the number of satellites M is 6, the wireless communication unit 26 requires a transmission rate of 180 bps. In reality, redundancy such as headers and error correction necessitates several times that transmission rate (e.g., 1 kbps). While this transmission rate could be easily achieved using cellular networks, wireless devices using cellular networks have the problem of high power consumption, and furthermore, there are many places, such as mountainous areas, where cellular networks are unavailable.
ところで、LPWA(Low Power Wide Area)の無線通信であれば、通信距離が長いので山間部でも使うことができ、なおかつ消費電力が少ないというメリットがある。しかし、LPWAで伝送できるデータ量は少なく、例えば、1分間に128ビット程度である。伝送レートに換算すると2bpsとなり、積算位相の伝送に必要となる180bpsと比較すると2桁も低い値である。この2桁の差異を埋めて、搬送波位相を検出するGNSS位置情報送信装置が望まれる。 Incidentally, LPWA (Low Power Wide Area) wireless communication has the advantage of long communication range, making it usable even in mountainous areas, and also low power consumption. However, the amount of data that can be transmitted with LPWA is small, for example, about 128 bits per minute. Converted to a transmission rate, this is 2 bps, which is two orders of magnitude lower than the 180 bps required for the transmission of integrated phase. A GNSS position information transmission device that can detect carrier phase and bridge this two-order-of-magnitude difference is desired.
続いて、本発明の実施形態について説明する。
[実施形態1]
図6は、実施形態1に係る位置情報送信装置2の構成図である。複数の計測地点に設置されている位置情報送信装置2は、図6に示すように、受信アンテナ20によりGNSS衛星からの電波を受信し、衛星信号処理部22によりGNSSの受信処理を行なう。フロントエンド21は微弱な受信信号をフィルタで抽出し、増幅してから低周波数信号に変換し、複数の衛星信号受信部221に供給する。衛星信号受信部221は、コード位相情報、衛星軌道情報、搬送波位相(φ1, φ2, , ,φM)を出力する。演算部23は受信アンテナ20が置かれた位置(Xr,Yr,Zr)と、正確なGNSS時刻を算出する。なお、本発明の実施においては、GNSS衛星から送られる搬送波周波数が約1.5GHzであるとする。
Next, embodiments of the present invention will be described.
[Embodiment 1]
Figure 6 is a configuration diagram of the position information transmission device 2 according to Embodiment 1. The position information transmission device 2, which is installed at multiple measurement points, receives radio waves from GNSS satellites using the receiving antenna 20 as shown in Figure 6, and the satellite signal processing unit 22 performs GNSS reception processing. The front end 21 extracts the weak received signal with a filter, amplifies it, converts it into a low-frequency signal, and supplies it to multiple satellite signal receiving units 221. The satellite signal receiving units 221 output code phase information, satellite orbit information, and carrier phase (φ1, φ2, , φM). The calculation unit 23 calculates the position (Xr, Yr, Zr) where the receiving antenna 20 is placed and the accurate GNSS time. In the implementation of the present invention, it is assumed that the carrier frequency transmitted from the GNSS satellite is approximately 1.5 GHz.
ラッチ(サンプリング手段)25は、GNSS時刻の毎分00秒のタイミング(サンプリングタイミングSEC00)で搬送波位相(φ1,φ2,・・・,φM)をサンプリング(取得)する。 なお、サンプリングタイミングSEC00は、例えば、1秒1回のパルス(1PPSパルス)を、GNSS時刻に同期して60分周すれば作成できる。ここで、ラッチ25でサンプリングされるのは搬送波位相の積算値ではなく瞬時値である。 The latch (sampling means) 25 samples (acquires) the carrier phase (φ1, φ2, ..., φM) at the timing of 00 seconds every minute of the GNSS time (sampling timing SEC00). The sampling timing SEC00 can be created, for example, by generating one pulse per second (1 PPS pulse) and dividing it by 60 in synchronization with the GNSS time. Here, the value sampled by the latch 25 is the instantaneous value of the carrier phase, not the integrated value.
すなわち、ラッチ25は、衛星信号受信部221から出力された搬送波位相(φ1,φ2,・・・,φM)を所定のサンプリングタイミング(サンプリングタイミングSEC00)でサンプリングすることにより、ラッチ25においては、搬送波位相の瞬時値が取得される。なお、搬送波位相(φ1,φ2,・・・,φM)をサンプリングすることによって取得された「搬送波位相の瞬時値」は、搬送波位相(φ1,φ2,・・・,φM)と区別するために、「φ(1),φ(2),・・・,φ(M)」というように、φの添え字1,2,・・・,Mに()を付して表すものとする。 In other words, the latch 25 obtains the instantaneous value of the carrier phase by sampling the carrier phase (φ1, φ2, ..., φM) output from the satellite signal receiving unit 221 at a predetermined sampling timing (sampling timing SEC00). Note that the "instantaneous value of the carrier phase" obtained by sampling the carrier phase (φ1, φ2, ..., φM) is represented as "φ(1), φ(2), ..., φ(M)" with parentheses around the subscripts 1, 2, ..., M, to distinguish it from the actual carrier phase (φ1, φ2, ..., φM).
そして、ラッチ25でサンプリングされた搬送波位相の瞬時値(φ(1),φ(2),・・・,φ(M))は、無線通信部26により無線伝送される。搬送波位相の瞬時値をラッチしたタイミングが正確にGNSS時刻で定められるので、後述する演算サーバ(演算手段)6は、高精度の相対位置検出を実現できる。 The instantaneous values of the carrier phase (φ(1), φ(2), ..., φ(M)) sampled by latch 25 are then wirelessly transmitted by the wireless communication unit 26. Since the timing of latching the instantaneous values of the carrier phase is precisely determined by GNSS time, the calculation server (calculation means) 6, described later, can achieve high-precision relative position detection.
図7は、実施形態1に係る位置情報送信装置2が送出するLPWA無線信号のペイロード構成を示す図である。先頭2バイトはヘッダー(Head)であり、位置情報送信装置2のID番号や電池電圧などの情報をセットする。残りの14バイトは、最大で7つの衛星から得られた各2バイトの情報(衛星番号(6ビット)、CNR(2ビット)、搬送波位相(8ビット))をセットする。このCNRは搬送波強度を表す指標で、英語のCarrier to Noise Ratioに相当する。ここでは、情報量を圧縮して伝送するためにCNRを簡略化して2ビットだけを伝送する。すなわち、CNRが良好な場合は「11」、中程度の場合は「10」または「01」を伝送する。衛星が受信できていない場合にCNRは「00」とされる。 Figure 7 shows the payload configuration of the LPWA wireless signal transmitted by the location information transmission device 2 according to Embodiment 1. The first two bytes are the header, which contains information such as the ID number of the location information transmission device 2 and the battery voltage. The remaining 14 bytes contain two bytes of information obtained from up to seven satellites (satellite number (6 bits), CNR (2 bits), carrier phase (8 bits)). This CNR is an index representing carrier strength and corresponds to the Carrier to Noise Ratio in English. Here, in order to compress the amount of information during transmission, the CNR is simplified and only two bits are transmitted. That is, "11" is transmitted when the CNR is good, and "10" or "01" is transmitted when it is moderate. If no satellite is received, the CNR is set to "00".
図8は、実施形態1に係る相対位置検出システム1の構成図である。相対位置検出システム1は、図8に示すように、上記の位置情報送信装置2を2台使って構成されている。なお、2台の位置情報送信装置2を別々に説明する場合には、位置情報送信装置2A及び位置情報送信装置2Bとして説明する場合もある。これら、位置情報送信装2A,2Bは、2箇所の計測地点に設置されている。すなわち、位置情報送信装置2Aは、崖崩れが発生する恐れのない岩盤などがある場所に設置する。一方、位置情報送信装置2Bは、崖崩れの予兆現象で位置ずれが発生する恐れのある場所に設置する。位置情報送信装置2Aから位置情報送信装置2Bまでの相対距離を正確に測定すれば、崖崩れなどの予兆現象を捉えることができる。 Figure 8 is a configuration diagram of the relative position detection system 1 according to Embodiment 1. As shown in Figure 8, the relative position detection system 1 is configured using two of the above-mentioned position information transmitting devices 2. Note that when describing the two position information transmitting devices 2 separately, they may be referred to as position information transmitting device 2A and position information transmitting device 2B. These position information transmitting devices 2A and 2B are installed at two measurement points. Specifically, position information transmitting device 2A is installed in a location with bedrock where there is no risk of landslides. On the other hand, position information transmitting device 2B is installed in a location where positional displacement may occur due to precursory phenomena of landslides. By accurately measuring the relative distance from position information transmitting device 2A to position information transmitting device 2B, precursory phenomena such as landslides can be detected.
位置情報送信装置2A及び位置情報送信装置2Bは、上述したようにGNSS衛星3からの電波を受信して、各衛星の搬送波位相の瞬時値をペイロードとしてセットし、LPWA無線として山麓に設置された受信基地局5に向けて送信する。受信基地局5は、位置情報送信装置2から送られたペイロードをクラウドに置かれた演算サーバ(演算手段)6に伝送する。衛星軌道情報取得手段(GNSS受信機とする。)4は、市販のGNSS受信機などで構成され、GNSS衛星の電波から衛星軌道情報(エフェメリス)を受信して、演算サーバ6に伝送する。GNSS受信機4により提供される衛星軌道情報により、演算サーバ6は全衛星位置を正確に知ることができる。 As described above, position information transmission devices 2A and 2B receive radio waves from GNSS satellites 3, set the instantaneous carrier phase values of each satellite as payloads, and transmit them as LPWA radio to the receiving base station 5 installed at the foot of the mountain. The receiving base station 5 transmits the payload sent from position information transmission device 2 to the computing server (computation means) 6 located in the cloud. The satellite orbit information acquisition means (GNSS receiver) 4 is composed of a commercially available GNSS receiver, etc., and receives satellite orbit information (ephemeris) from the radio waves of the GNSS satellites and transmits it to the computing server 6. The computing server 6 can accurately determine the positions of all satellites using the satellite orbit information provided by the GNSS receiver 4.
演算サーバ6は、後述する演算により相対距離Rを算出して求める。崖崩れが発生する場合には、相対距離がゆっくりと変化し、やがてある値を超えたところでがけ崩れとなることが知られている。従って、演算サーバ6は相対距離があらかじめ設定された所定値を超えたときに、崖崩れの危険が高まっていると判断する。演算サーバ6は、危険が高まっている場合にスマートフォン7に警告を表示することにより、住民の避難を促す。 The calculation server 6 calculates the relative distance R using a calculation described later. It is known that when a landslide occurs, the relative distance changes slowly, and eventually, when it exceeds a certain value, the landslide occurs. Therefore, the calculation server 6 determines that the risk of a landslide is increasing when the relative distance exceeds a predetermined value. When the risk is high, the calculation server 6 prompts residents to evacuate by displaying a warning on the smartphone 7.
図9は、実施形態1に係る相対位置検出システム1を用いた相対位置検出方法を示す図である。図9を用いて、相対距離の演算方法を説明する。この演算では、受信されたGNSS衛星のうちの1つを基準衛星として衛星番号を「0」にしている。基準衛星と番号nの衛星から得られた搬送波位相の瞬時値に関して、下記の[式1]と[式2]に示す差分演算を行う。なお、「搬送波位相の瞬時値」を「瞬時位相」と表記する場合もある。
[式1] φAr(n)=φA(n) - φA(0)
[式2] φBr(n)=φB(n) - φB(0)
[式1]及び[式2]において、φA(n)は、番号nの衛星からの電波を位置情報送信装置2Aで受信して、当該位置情報送信装置2Aのラッチ25で取得された瞬時位相であり、また、φB(n)は、同様に位置情報送信装置2Bが受信して、当該位置情報送信装置2Bのラッチ25で取得された瞬時位相である。
Figure 9 is a diagram illustrating a relative position detection method using the relative position detection system 1 according to Embodiment 1. The method for calculating relative distance will be explained using Figure 9. In this calculation, one of the received GNSS satellites is designated as the reference satellite and its satellite number is set to "0". The difference calculation shown in [Equation 1] and [Equation 2] below is performed on the instantaneous values of the carrier phase obtained from the reference satellite and the satellite number n. Note that "instantaneous value of carrier phase" may also be written as "instantaneous phase".
[Formula 1] φAr(n)=φA(n) - φA(0)
[Formula 2] φBr(n)=φB(n) - φB(0)
In [Equation 1] and [Equation 2], φA(n) is the instantaneous phase obtained by the latch 25 of the position information transmitting device 2A after receiving radio waves from satellite number n, and φB(n) is the instantaneous phase obtained by the latch 25 of the position information transmitting device 2B after receiving radio waves in the same manner.
次に、位置情報送信装置2Aを基準位置として、搬送波位相の2重位相差φd(n)を下記[式3]により求める。
[式3] φd(n)=φBr(n) - φAr(n)
上記[式3]で求められた2重位相差φd(n)と、相対距離との関係は下記の[式4]に示すようになる。相対距離の変化範囲が解っていることから、複数の衛星nに関して[式4]に最小二乗法を適用して解くことができる。
[式4] 2πN(n)+φd(n)=R×(2π/λ)×{cosθ(n)-cosθ(0))}
[式4]において、N(n)は整数であり、衛星番号nに関する位相の不確定性である。λは搬送波の波長であり、θ(0)は移動方向ベクトルRと位置情報送信装置2Aから基準衛星(0)への方向ベクトルがなす角度であり、θ(n)は移動方向ベクトルRと位置情報送信装置2Bから衛星nへの方向ベクトルがなす角度である。
Next, using the position information transmitting device 2A as the reference position, the double phase difference φd(n) of the carrier wave phase is determined by the following [Equation 3].
[Formula 3] φd(n)=φBr(n) - φAr(n)
The relationship between the double phase difference φd(n) obtained in [Equation 3] above and the relative distance is shown in [Equation 4] below. Since the range of change of the relative distance is known, [Equation 4] can be solved by applying the least squares method to multiple satellites n.
[Formula 4] 2πN(n)+φd(n)=R×(2π/λ)×{cosθ(n)−cosθ(0))}
In [Equation 4], N(n) is an integer and represents the phase uncertainty with respect to satellite number n. λ is the wavelength of the carrier wave, θ(0) is the angle between the movement direction vector R and the direction vector from the position information transmitter 2A to the reference satellite (0), and θ(n) is the angle between the movement direction vector R and the direction vector from the position information transmitter 2B to satellite n.
ここで、移動方向ベクトルRは、位置情報送信装置2Aの座標(Xr,Yr,Zr)から位置情報送信装置2Bの想定移動方向に設けた仮想点(Xt,Yt,Zt)へのベクトルである。また、衛星nへの方向ベクトルは、位置情報送信装置2Aの座標(Xr,Yr,Zr)から衛星nの位置(X(n), Y(n), Z(n))へのベクトルである。各GNSS衛星の位置は、衛星軌道情報(エフェメリス)にケプラー方程式を適用することで求めることができる。 Here, the direction vector R is the vector from the coordinates (Xr, Yr, Zr) of the position information transmitter 2A to a virtual point (Xt, Yt, Zt) set in the assumed direction of movement of the position information transmitter 2B. The direction vector to satellite n is the vector from the coordinates (Xr, Yr, Zr) of the position information transmitter 2A to the position of satellite n (X(n), Y(n), Z(n)). The position of each GNSS satellite can be determined by applying Kepler's equations to the satellite orbit information (ephemeris).
なお、以上の説明では煩雑になるのを防ぐために、崖崩れによる移動方向が予め解っているものとして、移動方向ベクトルRの長さRだけを求めることとして説明したが、後述する実施形態2に示すように、3次元の移動方向ベクトルPを考え、同様の処理を適用して3次元の移動方向に対応することでさらに適用範囲を広げることが可能となる。また、上記[式4]では、位相の不確定性をあらわす整数N(n)が衛星毎に異なり、衛星毎に整数N(n)を求めなければならないため、演算量が多くなる。整数N(n)の推定を間違えた場合は誤差が生じる場合もある。 To avoid complexity, the above explanation assumes that the direction of movement due to the landslide is known beforehand, and only the length R of the movement direction vector R is calculated. However, as shown in Embodiment 2 described later, by considering a three-dimensional movement direction vector P and applying the same process to correspond to the three-dimensional movement direction, the scope of application can be further expanded. Furthermore, in [Equation 4] above, the integer N(n) representing the phase uncertainty differs for each satellite, and since the integer N(n) must be calculated for each satellite, the computational complexity increases. Errors may occur if the estimation of integer N(n) is incorrect.
[実施形態2]
図10は、実施形態1に係る相対位置検出システム1を用いて実施形態2に係る相対位置検出方法を説明する図である。実施形態2においては、後述する演算により、3次元の相対距離ベクトルPを求める。図10に示すように、相対距離ベクトルPは、位置情報送信装置2AのGNSSアンテナを出発点とし、位置情報送信装置2BのGNNSアンテナを終着点とする3次元ベクトルであり、2つの位置情報送信装置2A,2Bの相対位置を表すベクトルである。
[Embodiment 2]
Figure 10 is a diagram illustrating a relative position detection method according to Embodiment 2 using the relative position detection system 1 according to Embodiment 1. In Embodiment 2, a three-dimensional relative distance vector P is obtained by a calculation described later. As shown in Figure 10, the relative distance vector P is a three-dimensional vector that starts from the GNSS antenna of the position information transmission device 2A and ends at the GNNS antenna of the position information transmission device 2B, and represents the relative positions of the two position information transmission devices 2A and 2B.
図10では相対距離ベクトルPを3つの成分に分解することを示している。相対距離ベクトルPは、A-B間の相対距離Rと、水平面上において南と北とを結ぶ南北線L1に対する水平面上の角度α(南北線L1に対する水平方位角αとする。)と、水平面L2に対する上下方向の角度βとで構成される極座標(R,α、β)で表すことができる。なお、相対距離ベクトルPは、極座標ではなく直交座標系を用いて表すこともできるが、以降では極座標(R,α、β)に統一して説明する。 Figure 10 shows that the relative distance vector P can be decomposed into three components. The relative distance vector P can be expressed in polar coordinates (R, α, β), which consist of the relative distance R between A and B, the angle α on the horizontal plane with respect to the north-south line L1 (the horizontal azimuth angle with respect to the north-south line L1), and the vertical angle β with respect to the horizontal plane L2. While the relative distance vector P can also be expressed using Cartesian coordinates, the explanation will consistently use polar coordinates (R, α, β) from here on.
崖崩れが発生する場合には、相対距離Rがゆっくりと大きくなるだけでなく、上下方向の角度βも変化する。また、崖の構造によっては、水平方向にも移動する(水平方位角αも変化する)ことも考えられる。そこで、演算サーバ6は相対距離ベクトルPを所定時間毎に求め、相対距離R、水平方位角α及び上下方向の角度βの変化が所定値を超えたときに、崖崩れの危険が高まったと判断する。演算サーバ6は、前述した実施形態1と同様に、スマートフォン7に警告を表示することにより、住民の避難を促すことができる。 When a landslide occurs, not only does the relative distance R slowly increase, but the vertical angle β also changes. Furthermore, depending on the cliff structure, horizontal movement is also possible (the horizontal azimuth angle α also changes). Therefore, the calculation server 6 calculates the relative distance vector P at predetermined time intervals, and determines that the risk of a landslide has increased when the changes in the relative distance R, horizontal azimuth angle α, and vertical angle β exceed predetermined values. Similar to the previously described embodiment 1, the calculation server 6 can prompt residents to evacuate by displaying a warning on the smartphone 7.
演算サーバ6は以下の演算(ステップS1~ステップS12)を行って、相対距離ベクトルPを求める。
図11は、実施形態2に係る相対位置検出システムにおける演算サーバ6の演算方法を説明する解説図である。ステップS1以降の説明する際には必要に応じて図11を参照する。なお、実施形態2に係る相対位置検出システムは、システム構成としては、実施形態1に係る相対位置検出システム1と同様である。
The calculation server 6 performs the following calculations (steps S1 to S12) to obtain the relative distance vector P.
Figure 11 is an explanatory diagram illustrating the calculation method of the calculation server 6 in the relative position detection system according to Embodiment 2. When explaining steps S1 and beyond, refer to Figure 11 as needed. Note that the relative position detection system according to Embodiment 2 has the same system configuration as the relative position detection system 1 according to Embodiment 1.
[ステップS1]
まず、ステップS1では、LPWAにより伝送された各衛星(n)の搬送波位相の瞬時値すなわち瞬時位相φ(n)に対して、[式3]で説明した2段階の差分演算を施して2重位相差φd(n)を求める。
[Step S1]
First, in step S1, the instantaneous value of the carrier phase of each satellite (n) transmitted by LPWA, i.e., the instantaneous phase φ(n), is subjected to a two-stage difference calculation as described in [Equation 3] to obtain the double phase difference φd(n).
[ステップS2]
ステップS2として、GNSS受信機4から提供される衛星軌道情報(エフェメリス)を用いて、瞬時位相φ(n)が取得された時刻における基準衛星(0)の基準衛星位置座標(X(0),Y(0),Z(0))及び基準衛星(0)以外の各衛星(n)の位置座標(X(n),Y(n),Z(n))を求める。なお、以下では、「基準衛星(0)の基準衛星位置座標(X(0),Y(0),Z(0))」を「基準衛星位置座標(X(0),Y(0),Z(0))」と表記する場合もあり、また、「各衛星(n)の位置座標(X(n),Y(n),Z(n))」を「各衛星位置座標(X(n),Y(n),Z(n))」と表記する場合もある。
[Step S2]
In step S2, using the satellite orbit information (ephemeris) provided by the GNSS receiver 4, the reference satellite position coordinates (X(0),Y(0),Z(0)) of the reference satellite (0) and the position coordinates (X(n),Y(n),Z(n)) of each satellite other than the reference satellite (n) at the time the instantaneous phase φ(n) was acquired are determined. In the following, "reference satellite position coordinates (X(0),Y(0),Z(0)) of the reference satellite (0)" may be written as "reference satellite position coordinates (X(0),Y(0),Z(0))", and "position coordinates (X(n),Y(n),Z(n)) of each satellite (n)" may be written as "each satellite position coordinates (X(n),Y(n),Z(n))".
[ステップS3]
ステップS3においては、基準となる位置情報送信装置2Aが設置された位置(基準となる計測地点)を受信点位置座標(Xr,Yr,Zr)として求める。
[Step S3]
In step S3, the location where the reference position information transmitting device 2A is installed (reference measurement point) is determined as the receiving point position coordinates (Xr, Yr, Zr).
[ステップS4]
ステップS4においては、受信点位置座標(Xr,Yr,Zr)から各衛星位置座標(X(n),Y(n),Z(n))へ向かう方向ベクトルe(n)を求める。受信点位置座標(Xr,Yr,Zr)から基準衛星位置座標(X(0),Y(0),Z(0))へ向かう方向ベクトルも同様にe(0)として求める。ここで方向ベクトルは、方向成分のみを指し示すベクトルであり、その大きさは「1」に正規化されている。
[Step S4]
In step S4, the direction vector e(n) is calculated from the receiving point coordinates (Xr, Yr, Zr) to each satellite position coordinate (X(n), Y(n), Z(n)). Similarly, the direction vector e(0) is calculated from the receiving point coordinates (Xr, Yr, Zr) to the reference satellite position coordinates (X(0), Y(0), Z(0)). Here, the direction vector is a vector that points only to the direction component, and its magnitude is normalized to "1".
[ステップS5]
ステップS5においては、演算サーバ6は、方向ベクトルe(n)から基準衛星(0)に向かう方向ベクトルe(0)を差し引くことにより、波数ベクトルk(n)=e(n)-e(0)を求める。ここで、二重位相差φd(n)の等位相面は、波数ベクトルk(n)に直交する方向に形成されている。また、二重位相差φd(n)の間隔は、波数ベクトルk(n)の大きさに逆比例している。
[Step S5]
In step S5, the calculation server 6 obtains the wave vector k(n) = e(n) - e(0) by subtracting the direction vector e(0) toward the reference satellite (0) from the direction vector e(n). Here, the equiphase surfaces of the double phase difference φd(n) are formed in a direction perpendicular to the wave vector k(n). Also, the spacing of the double phase difference φd(n) is inversely proportional to the magnitude of the wave vector k(n).
[ステップS6]
ステップS6においては、演算サーバ6は、相対距離ベクトルPの推定値として3次元の推定相対距離ベクトルReを下記[式5]のように定める。
[式5] Re=(R’+ΔR,α’+Δα、β’+Δβ)
上記[式5]において、(R’,α’、β’)は演算の出発点とする初期ベクトルである。崖崩れによる位置ずれはゆっくりとした動きであることから、相対距離ベクトルPは、初期ベクトル(R’,α’、β’)と大きな差異が無いことが予想される。そこで、受信点Bの位置を予め計測しておくことで初期ベクトル(R’,α’、β’)を求めることができる。あるいは数分前に計測した相対距離ベクトルPを初期ベクトル(R’,α’、β’)として使うこともできる。
[Step S6]
In step S6, the computing server 6 determines a three-dimensional estimated relative distance vector Re as an estimated value of the relative distance vector P, as shown in [Equation 5] below.
[Formula 5] Re=(R'+ΔR, α'+Δα, β'+Δβ)
In the above [Equation 5], (R', α', β') is the initial vector used as the starting point for the calculation. Since the displacement due to the landslide is a slow movement, the relative distance vector P is expected to be not significantly different from the initial vector (R', α', β'). Therefore, the initial vector (R', α', β') can be determined by pre-measuring the position of the receiving point B. Alternatively, the relative distance vector P measured a few minutes earlier can be used as the initial vector (R', α', β').
以降の演算で求めたい値は、推定相対距離ベクトルReと相対距離ベクトルPとの距離が最も小さくなる(ΔR,Δα、Δβ)の組み合わせである。崖崩れによる位置変化はゆっくりとして始まるので、崖崩れの前兆現象が発生したとき、この (ΔR,Δα、Δβ)は小さな値であることが期待される。 The values we want to find in the following calculations are the combinations of (ΔR, Δα, Δβ) that minimize the distance between the estimated relative distance vector Re and the relative distance vector P. Since the positional change due to a landslide begins slowly, it is expected that these (ΔR, Δα, Δβ) values will be small when precursory phenomena for a landslide occur.
[ステップS7]
ステップS7においては、演算サーバ6は、 (ΔR,Δα、Δβ)の各値をスキャンする。例えば、ΔRとしては、ΔR=-0.5mからΔR=+0.5mまでを1mm刻み(1000通り)にスキャンし、Δαとしては、Δα=-30度から+30度までを0.5度刻み(120通り)にスキャンし、Δβとしては、Δβ=-15度から+15度までを0.5度刻み(60通り)にスキャンする。スキャンの総組み合わせは、1000×120×60=720万通りとなる。
[Step S7]
In step S7, the calculation server 6 scans the values of (ΔR, Δα, Δβ). For example, for ΔR, it scans from ΔR = -0.5m to ΔR = +0.5m in 1mm increments (1000 combinations), for Δα, it scans from Δα = -30 degrees to +30 degrees in 0.5 degree increments (120 combinations), and for Δβ, it scans from Δβ = -15 degrees to +15 degrees in 0.5 degree increments (60 combinations). The total number of scan combinations is 1000 × 120 × 60 = 7,200,000.
最適値探索の様々な手法を適用することにより、スキャンの総組み合わせ数を減らして、演算時間を短縮することができる。実施形態2においては、演算の簡略化については記載せずに、全ての組み合わせに関してスキャンするものとして以降を説明する。 By applying various optimal value search techniques, the total number of scan combinations can be reduced, thereby shortening the computation time. In Embodiment 2, the simplification of the calculation is not described, and the following explanation assumes that all combinations are scanned.
[ステップS8]
ステップS8においては、演算サーバ6は、スキャンによって推定されている推定相対距離ベクトルReと波数ベクトルk(n)との内積を求めることにより、下記[式6]に示す推定2重位相差φ’d(n)を求める。
[式6] φ’d(n)=(2π/λ)×{Re・k(n)}
なお、[式6]において、{}におけるRe・k(n)の「・」は、2つのベクトルRe,k(n)の内積を表している。
[Step S8]
In step S8, the computing server 6 calculates the estimated double phase difference φ'd(n) shown in [Equation 6] below by calculating the dot product of the estimated relative distance vector Re and the wave vector k(n) that have been estimated by the scan.
[Formula 6] φ'd(n)=(2π/λ)×{Re・k(n)}
In [Equation 6], the "•" in Re・k(n) within {} represents the dot product of the two vectors Re and k(n).
以上に説明した演算サーバ6の演算を図11によりベクトルとして模式的に説明する。すなわち、受信点Aにおいて、基準衛星(0)と衛星(n)の方向ベクトルe(0)とe(n)が計算され、2つの方向ベクトルの引き算として波数ベクトルk(n)が求まる。波数ベクトルk(n)に直交する方向に2重位相差φd(n)の等位相面が形成されている。相対距離ベクトルPは、受信点Aから未知の場所にある受信点Bへ延びる3次元ベクトルである。受信点Bの近傍には、推定相対距離ベクトルReが推定受信点B’に延びている。 The calculations performed by the computation server 6 described above are schematically illustrated in Figure 11 using vectors. Specifically, at receiving point A, the direction vectors e(0) and e(n) of the reference satellite (0) and satellite (n) are calculated, and the wave vector k(n) is obtained by subtracting these two direction vectors. An equiphase surface with a double phase difference φd(n) is formed in a direction orthogonal to the wave vector k(n). The relative distance vector P is a three-dimensional vector extending from receiving point A to receiving point B, which is located at an unknown location. Near receiving point B, the estimated relative distance vector Re extends to the estimated receiving point B'.
仮に、受信点Bが推定受信点B’の位置にあった場合を考えると、その時に観測される推定2重位相差は上記[式6]で定まるφ’d(n)である。 If we consider the case where receiving point B is at the position of estimated receiving point B', the estimated double phase difference observed at that time is φ'd(n) determined by [Equation 6] above.
従って、LPWAで伝送された瞬時位相から観測される2重位相差φd(n)と、推定2重位相差φ’d(n)との差異が最も小さくなるような推定受信点B’を探せば、それが求める受信点Bの座標に最も近くなっている。 Therefore, by searching for the estimated receiving point B' where the difference between the double phase difference φd(n) observed from the instantaneous phase transmitted via LPWA and the estimated double phase difference φ’d(n) is minimized, we can determine that this point is closest to the coordinates of the desired receiving point B.
但し、先に述べたようにLPWAで伝送される瞬時位相は+πから-πまでの範囲に折りたたまれているので、2重位相差φd(n)の値も同様に折りたたまれている。これに対して、推定2重位相差φ’d(n)は、推定相対距離ベクトルReに対して[式6]の演算を施して求めた値であるから、折りたたまれるようなことは無く、例えば、πを大きく超えるような値となる可能性がある。そこで、下記のステップS9を行う。 However, as mentioned earlier, the instantaneous phase transmitted in LPWA is folded into the range from +π to -π, so the value of the double phase difference φd(n) is similarly folded. In contrast, the estimated double phase difference φ'd(n) is obtained by performing the operation [Equation 6] on the estimated relative distance vector Re, so it is not folded and may, for example, be a value significantly exceeding π. Therefore, step S9 below is performed.
[ステップS9]
ステップS9においては、演算サーバ6は、下記[式7]に示す演算を行い、推定2重位相差φ’d(n)に対して、2πを法とする剰余演算(mod)を適用して、+πから-πまでの範囲に折りたたむ。
[式7] φ“d(n)=mod{φ’d(n),2π}
[Step S9]
In step S9, the calculation server 6 performs the calculation shown in [Equation 7] below, and applies a modulo operation (mod) modulo 2π to the estimated double phase difference φ'd(n) to fold it into a range from +π to -π.
[Formula 7] φ“d(n)=mod{φ'd(n), 2π}
推定受信点B’と受信点Bとの距離が最も近いときに、[式]7によって求めた2重位相差φ“d(n)は、2重位相差φd(n)に近い値になる。 When the distance between the estimated receiving point B' and receiving point B is closest, the double phase difference φ“d(n)” calculated by [Equation] 7 will be close to the value of the double phase difference φd(n).
ここで、上記[式7]に示す2重位相差φ“d(n)と[式3]に示す2重位相差φd(n)とを比較するときに、2πの位相飛びを考慮する必要がある。例えば、φ“d(n)=0.9π、φd(n)=-0.9πとして、単純に差異を減算で求めると、φ“d(n)-φd(n)=1.8πとなる。しかし、この例の場合、正しい位相差は、0.2πである。このように、単純に減算(引き算)することができないので、位相差を求めるのに何等かの工夫が必要になる。そこで、下記のステップS10を行う。 Here, when comparing the double phase difference φ“d(n) shown in [Equation 7] and the double phase difference φd(n) shown in [Equation 3], it is necessary to consider a phase jump of 2π. For example, if we simply subtract φ“d(n) = 0.9π and φd(n) = -0.9π, we get φ“d(n) - φd(n) = 1.8π. However, in this example, the correct phase difference is 0.2π. Since simple subtraction is not possible, some kind of ingenuity is required to determine the phase difference. Therefore, we perform step S10 below.
[ステップS10]
ステップS10として、例えば、次の[式8]の演算を施すことで、φ“d(n)とφd(n)の位相がどの程度違っているかを評価する。
[式8]
F(n)={cosφ“d(n)-cosφd(n)}2+{sinφ“d(n)-sinφd(n)}2
[Step S10]
As step S10, for example, the degree to which the phases of φ“d(n) and φd(n) differ is evaluated by performing the following calculation [Equation 8].
[Formula 8]
F(n)={cosφ“d(n)−cosφd(n)} 2 +{sinφ”d(n)−sinφd(n)} 2
[ステップS11]
最後にステップS11として、下記[式9]の演算を行い、衛星番号1~衛星番号Mまで全ての評価結果を合算して、位置誤差評価の指標となる誤差評価値Eを求める。
Finally, in step S11, the calculation shown in [Equation 9] below is performed to sum up all evaluation results from satellite number 1 to satellite number M, and an error evaluation value E, which serves as an index for position error evaluation, is obtained.
以上説明したように、搬送波位相の瞬時値(φ(1),φ(2),・・・,φ(M))を使って、相対距離ベクトルPの最適推測値を得ることができる。搬送波位相の瞬時値は情報量が少ないので、LPWA等の低レート・低消費電力の無線通信技術を使って崖崩れの予兆現象を捉えることができる。 As explained above, the optimal estimated value of the relative distance vector P can be obtained using the instantaneous values of the carrier phase (φ(1), φ(2), ..., φ(M)). Since the instantaneous values of the carrier phase contain little information, it is possible to detect precursory landslide phenomena using low-rate, low-power wireless communication technologies such as LPWA.
続いて、発明者が行った実験について説明する。
図12は、実験を行うために2本のGNSSアンテナA1,B1を2階建ての建物の屋上に所定間隔で設置した例を示す図である。図12に示すように、2本のGNSSアンテナA1,B1を2階建ての建物の屋上に1.6mの間隔で設置し、当該アンテナA1,B1(図12参照。)を、自作した2台のGNSS受信機(図示せず。)にそれぞれ接続した。
Next, I will explain the experiments conducted by the inventor.
Figure 12 shows an example of two GNSS antennas A1 and B1 being installed at a predetermined distance on the roof of a two-story building for the purpose of conducting an experiment. As shown in Figure 12, two GNSS antennas A1 and B1 were installed on the roof of a two-story building at a distance of 1.6 m, and these antennas A1 and B1 (see Figure 12) were connected to two self-made GNSS receivers (not shown).
そして、6個のGNSS衛星からの信号を5分ごとに受信し、GNSS時刻の5分ごとのタイミングで、6個のGNSS衛星からの搬送波位相をサンプリングして搬送位相の瞬時値(瞬時位相)を取得してパーソナルコンピュータ(PC)に伝送した。そして、PC上において、各GNSS衛星ごとの瞬時位相に関して2重位相差、差分方向ベクトルを求め、求められた二重位相差に最もよく合致する相対位置(R,α,β)を探索して求めた。ここで、RはアンテナA1とアンテナB1との相対距離、αは南北線L1に対する水平方位角(図12(b)参照。)であり、βは水平面L2に対する上下方向の角度β(図12(a)参照。)である。ここでは、R=1.6m(巻き尺による実測値)、α=19度(地図上から求められた角度)、βは0度とした(図12参照。)。なお、各GNSS衛星ごとに求められた2重位相差についての図示は省略する。 The system then received signals from six GNSS satellites every five minutes. At five-minute intervals according to GNSS time, the carrier phase from each satellite was sampled to obtain the instantaneous value of the carrier phase (instantaneous phase), which was then transmitted to a personal computer (PC). On the PC, the double phase difference and difference direction vector were calculated for the instantaneous phase of each GNSS satellite. The relative position (R, α, β) that best matched the calculated double phase difference was then searched for and determined. Here, R is the relative distance between antenna A1 and antenna B1, α is the horizontal azimuth angle with respect to the north-south line L1 (see Figure 12(b)), and β is the vertical angle β with respect to the horizontal plane L2 (see Figure 12(a)). Here, R = 1.6 m (measured value using a tape measure), α = 19 degrees (angle determined from the map), and β = 0 degrees (see Figure 12). The diagrams illustrating the double phase difference for each GNSS satellite are omitted.
図13は、実験により得られた相対距離Rの計測結果を示す図である。ここでは、実験時刻として、2021年10月1日の18時00分(18:00)から5分ごとに18時40分(18:40)まで9回の計測を行った結果が示されている。なお、この計測を行うに当たっては、相対距離Rは1m~2mの範囲であるとし、水平方位角αは±30度の範囲にあるとし、上下方向の角度βは±15度の範囲にあるとして当該範囲内において探索を行った。 Figure 13 shows the measurement results of the relative distance R obtained from the experiment. Here, the results are shown from nine measurements taken at 5-minute intervals from 18:00 (18:00) to 18:40 (18:40) on October 1, 2021. For these measurements, the relative distance R was assumed to be in the range of 1m to 2m, the horizontal azimuth angle α was assumed to be in the range of ±30 degrees, and the vertical angle β was assumed to be in the range of ±15 degrees. The search was conducted within these ranges.
図13に示す相対距離Rの計測結果によれば、18:00から5分ごとに18:40までの平均値は1.591mであり、当該平均値に対する最大誤差は18:05の1.02cmであった。この結果、実測値1.6mに対して高い精度で一致する結果が得られた。 According to the measurement results of the relative distance R shown in Figure 13, the average value from 18:00 to 18:40, measured every 5 minutes, was 1.591 m, and the maximum error from this average value was 1.02 cm at 18:05. This result shows a high degree of agreement with the measured value of 1.6 m.
図14は、実験により得られた南北線L1に対する水平方位角α及び水平面L2に対する上下方向の角度βの測定結果を示す図である。図13に示すように、南北線L1に対する水平方位角αは、18:00から5分ごとに18:40までの平均値は20度であった。この結果、南北線L1に対する水平方位角αの実測値19度に対して高い精度で一致する結果が得られた。一方、水平面Lに対する上下方向の角度βも、多少の誤差はあるものの、18:00から5分ごとに18:40までの平均値は2.5度であった。この結果、水平面L2に対する上下方向の角度βの実測値0度に対して比較的高い精度で一致する結果が得られた。 Figure 14 shows the measurement results of the horizontal azimuth angle α with respect to the north-south line L1 and the vertical angle β with respect to the horizontal plane L2, obtained through the experiment. As shown in Figure 13, the average horizontal azimuth angle α with respect to the north-south line L1 was 20 degrees, measured every 5 minutes from 18:00 to 18:40. This result shows a high degree of agreement with the measured value of 19 degrees for the horizontal azimuth angle α with respect to the north-south line L1. On the other hand, the average vertical angle β with respect to the horizontal plane L, although with some error, was 2.5 degrees, measured every 5 minutes from 18:00 to 18:40. This result shows a relatively high degree of agreement with the measured value of 0 degrees for the vertical angle β with respect to the horizontal plane L2.
以上の実験結果から搬送波位相の瞬時値を用いた相対位置検出は実現可能であることが確かめられた。このように、搬送波位相の瞬時値を用いた相対位置検出を行うことにより、LPWAのような無線伝送システムを用いて搬送波位相の瞬時値を伝送することが可能となる。このため、搬送波位相を用いた高精度位置検出を極めて低消費電力で行うことが可能となり、例えば、電池で動作させることも可能となる。従って、位置情報送信装置を、従来の携帯電話が圏外となるような山中に設置して、山中での崖崩れを検出することが可能となり、しかも、電池で長期間の動作が可能で、かつ、数cm程度の位置精度を実現することができる。 The experimental results above confirm that relative position detection using instantaneous carrier phase values is feasible. By performing relative position detection using instantaneous carrier phase values, it becomes possible to transmit these values using wireless transmission systems such as LPWA. Therefore, high-precision position detection using carrier phase becomes possible with extremely low power consumption, and it may even be possible to operate it using batteries. Consequently, it becomes possible to install a position information transmission device in mountainous areas where conventional mobile phones have no signal, to detect landslides in those areas, while also enabling long-term operation on batteries and achieving positional accuracy of several centimeters.
なお、本発明は上述の実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能となるものである。例えば、下記に示すような変形実施も可能である。 Furthermore, the present invention is not limited to the embodiments described above, and various modifications can be implemented without departing from the spirit of the invention. For example, the following modifications are also possible.
(1)上述の実施形態においては、GNSS衛星から送られる搬送波周波数が約1.5GHzであるとして説明したが、1.5GHzだけでなく、1.2GHzなどの搬送波を使うGNSS衛星も存在するので、1.5GHzと1.2GHzの2種類の搬送波を用いて本発明を適用することにより、さらに高精度の計測が可能になる。 (1) In the above-described embodiment, it was explained that the carrier frequency transmitted from the GNSS satellite is approximately 1.5 GHz. However, since there are GNSS satellites that use carrier frequencies other than 1.5 GHz, such as 1.2 GHz, applying the present invention using two types of carrier frequencies, 1.5 GHz and 1.2 GHz, will enable even higher-precision measurements.
(2)上述の各実施形態においては、衛星軌道情報(エフェメリス)を取得するための衛星情報取得手段4として、GNSS受信機4を設置した場合を例示したが、衛星軌道情報(エフェメリス)は、例えば、インターネット上のWebサーバから取得することもできる。従って、衛星軌道情報(エフェメリス)を取得するには、GNSS受信機4だけではなく、インターネット回線に接続されたWebサーバを含めた衛星情報取得手段を用いることができる。このため、「衛星情報取得手段4」にはGNSS受信機及びインターネット回線に接続されたWebサーバが含まれるものである。 (2) In the embodiments described above, the example of installing a GNSS receiver 4 was given as the satellite information acquisition means 4 for acquiring satellite orbit information (ephemeris). However, satellite orbit information (ephemeris) can also be acquired, for example, from a web server on the internet. Therefore, to acquire satellite orbit information (ephemeris), not only a GNSS receiver 4 but also satellite information acquisition means including a web server connected to the internet can be used. For this reason, "satellite information acquisition means 4" includes a GNSS receiver and a web server connected to the internet.
1・・・相対位置検出システム、2(2A,2B)・・・位置情報送信装置(計測地点)、3(3A,3B,3C)・・・GNSS衛星、4・・・GNSS受信機(衛星情報取得手段)、5・・・受信基地局、6・・・演算サーバ(演算手段)、7・・・ スマートフォン、20・・・受信アンテナ、21・・・フロントエンド、22・・・衛星信号処理部、23・・・演算部、25・・ラッチ(サンプリング手段)、26・・・無線送信部、27・・LPWA送信アンテナ、221・・・衛星信号受信部、φ1,φ2,・・・,φM・・・搬送波位相、φ(1),φ(2),・・・,φ(M)・・・搬送波位相の瞬時値(瞬時位相) 1...Relative position detection system, 2 (2A, 2B)...Position information transmission device (measurement point), 3 (3A, 3B, 3C)...GNSS satellite, 4...GNSS receiver (satellite information acquisition means), 5...Receiving base station, 6...Computation server (computation means), 7...Smartphone, 20...Receiving antenna, 21...Front end, 22...Satellite signal processing unit, 23...Computation unit, 25...Latch (sampling means), 26...Wireless transmission unit, 27...LPWA transmitting antenna, 221...Satellite signal receiving unit, φ1, φ2, ..., φM...Carrier phase, φ(1), φ(2), ..., φ(M)...Instantaneous value of carrier phase (instantaneous phase)
Claims (9)
通信回線により前記演算手段に接続された受信基地局と、
それぞれが複数のGNSS(Global Navigation Satellite System)衛星から送出される電波の搬送波位相の瞬時値をGNSS時刻に同期した所定のサンプリングタイミングで取得し、取得した前記搬送波位相の瞬時値を前記受信基地局に無線送信することにより、前記搬送波位相の瞬時値を前記演算手段に送信する複数の位置情報送信装置と、
通信回線により前記演算手段に接続され、GNSS衛星の衛星軌道情報を取得して、取得した前記衛星軌道情報を前記演算手段に送信する衛星情報取得手段とを含み、
前記演算手段は、前記搬送波位相の瞬時値と前記衛星軌道情報とを用いて前記複数の位置情報送信装置の相対位置を検出することを特徴とする相対位置検出システムであって、
複数の計測地点の相対位置は、
前記複数の計測地点における2つの計測地点のうちの基準となる計測地点のGNSSアンテナを出発点とし、前記2つの計測地点のうちの他の計測地点のGNNSアンテナを終着点として算出される3次元の相対距離ベクトルPで表され、
前記演算手段は、
当該相対距離ベクトルの推定値として3次元の推定相対距離ベクトルReを推定し、
複数のGNSS衛星のうち基準とする基準衛星の基準衛星位置情報(X(0),Y(0),Z(0))と、前記複数のGNSS衛星のうち前記基準衛星以外の各衛星の位置情報(X(n),Y(n),Z(n))と、前記基準となる計測地点の位置座標(Xr, Yr, Zr)とにより波数ベクトルk(n)を算出し、
前記波数ベクトルk(n)と前記推定相対距離ベクトルReとの内積演算に基づいて推定2重位相差φ"(n)を求め、
前記搬送波位相の瞬時値から2重位相差φ(n)を求め、
前記2重位相差φ(n)と前記推定2重位相差φ"(n)との差異に応じた誤差評価値Eを演算し、
前記誤差評価値Eを最も小さくする推定相対距離ベクトルを定め、定められた推定相対距離ベクトルを前記相対距離ベクトルPとして出力する
相対位置検出システム。 Calculation means and
A receiving base station connected to the calculation means via a communication line,
Multiple position information transmitting devices each acquire instantaneous values of carrier phases of radio waves transmitted from multiple GNSS (Global Navigation Satellite System) satellites at a predetermined sampling timing synchronized with GNSS time, and transmit the acquired instantaneous values of carrier phases to the receiving base station wirelessly, thereby transmitting the instantaneous values of carrier phases to the calculation means.
The system includes a satellite information acquisition means connected to the calculation means via a communication line, which acquires satellite orbit information of a GNSS satellite and transmits the acquired satellite orbit information to the calculation means,
The calculation means is a relative position detection system characterized by detecting the relative positions of the plurality of position information transmitting devices using the instantaneous value of the carrier phase and the satellite orbit information,
The relative positions of multiple measurement points are,
It is represented by a three-dimensional relative distance vector P calculated using the GNSS antenna of the reference measurement point among the two measurement points in the aforementioned plurality of measurement points as the starting point and the GNSS antenna of the other measurement point among the two measurement points as the ending point.
The aforementioned calculation means
As an estimated value of the relative distance vector, a three-dimensional estimated relative distance vector Re is estimated,
The wave vector k(n) is calculated using the reference satellite position information (X(0), Y(0), Z(0)) of a reference satellite among multiple GNSS satellites, the position information (X(n), Y(n), Z(n)) of each satellite among the multiple GNSS satellites other than the reference satellite, and the position coordinates (Xr, Yr, Zr) of the reference measurement point.
Based on the dot product calculation between the wave vector k(n) and the estimated relative distance vector Re, the estimated double phase difference φ''(n) is obtained.
The double phase difference φ(n) is obtained from the instantaneous value of the carrier phase.
An error evaluation value E is calculated based on the difference between the aforementioned double phase difference φ(n) and the estimated double phase difference φ''(n).
The estimated relative distance vector that minimizes the error evaluation value E is determined, and the determined estimated relative distance vector is output as the relative distance vector P.
Relative position detection system.
複数のGNSS衛星の衛星軌道情報を取得して、取得した前記衛星軌道情報を前記演算手段に伝送し、
前記演算手段においては、前記搬送波位相の瞬時値と前記衛星軌道情報とを用いて前記複数の計測地点間の相対位置を検出することを特徴とする相対位置検出方法であって、
前記複数の計測地点の相対位置は、
前記複数の計測地点における2つの計測地点のうちの基準となる計測地点のGNSSアンテナを出発点とし、前記2つの計測地点のうちの他の計測地点のGNNSアンテナを終着点として算出される3次元の相対距離ベクトルPで表され、
前記演算手段は、
当該相対距離ベクトルの推定値として3次元の推定相対距離ベクトルReを推定し、
前記複数のGNSS衛星のうち基準とする基準衛星の基準衛星位置情報(X(0),Y(0),Z(0))と、前記複数のGNSS衛星のうち前記基準衛星以外の各衛星の位置情報(X(n),Y(n),Z(n))と、前記基準となる計測地点の位置座標(Xr, Yr, Zr)とにより波数ベクトルk(n)を算出し、
前記波数ベクトルk(n)と前記推定相対距離ベクトルReとの内積演算に基づいて推定2重位相差φ"(n)を求め、
前記搬送波位相の瞬時値から2重位相差φ(n)を求め、
前記2重位相差φ(n)と前記推定2重位相差φ"(n)との差異に応じた誤差評価値Eを演算し、
前記誤差評価値Eを最も小さくする推定相対距離ベクトルReを定め、定められた推定相対距離ベクトルを前記相対距離ベクトルPとして出力する
相対位置検出方法。 At multiple measurement points, instantaneous values of the carrier phase of radio waves transmitted from multiple GNSS satellites are acquired at a predetermined sampling timing synchronized with GNSS time, and the acquired instantaneous values of the carrier phase are transmitted to a calculation means by communication means including at least wireless transmission.
The system acquires satellite orbit information of multiple GNSS satellites and transmits the acquired satellite orbit information to the calculation means.
The calculation means is characterized by detecting the relative positions between the plurality of measurement points using the instantaneous value of the carrier phase and the satellite orbit information,
The relative positions of the aforementioned multiple measurement points are,
It is represented by a three-dimensional relative distance vector P calculated using the GNSS antenna of the reference measurement point among the two measurement points in the aforementioned plurality of measurement points as the starting point and the GNSS antenna of the other measurement point among the two measurement points as the ending point.
The aforementioned calculation means is
As an estimated value of the relative distance vector, a three-dimensional estimated relative distance vector Re is estimated,
The wave vector k(n) is calculated using the reference satellite position information (X(0), Y(0), Z(0)) of the reference satellite among the multiple GNSS satellites, the position information (X(n), Y(n), Z(n)) of each satellite among the multiple GNSS satellites other than the reference satellite, and the position coordinates (Xr, Yr, Zr) of the reference measurement point.
Based on the dot product calculation between the wave vector k(n) and the estimated relative distance vector Re, the estimated double phase difference φ''(n) is obtained.
The double phase difference φ(n) is obtained from the instantaneous value of the carrier phase.
An error evaluation value E is calculated based on the difference between the aforementioned double phase difference φ(n) and the estimated double phase difference φ''(n).
The estimated relative distance vector Re that minimizes the error evaluation value E is determined, and the determined estimated relative distance vector is output as the relative distance vector P.
A method for detecting relative position.
前記複数のGNSS衛星の衛星軌道情報を用いて前記所定サンプリングタイミングにおける前記複数のGNSS衛星の位置情報を算出し、
前記複数のGNSS衛星のうちの1つを基準衛星としたとき、前記複数のGNSS衛星の位置情報から前記基準衛星の基準衛星位置座標(X(0),Y(0),Z(0))を抽出するとともに、前記GNSS衛星の位置情報から前記基準衛星以外の各衛星の位置座標(X(n),Y(n),Z(n))を抽出し、
前記基準となる計測地点の位置座標(Xr, Yr, Zr)を求め、
前記基準衛星位置座標(X(0),Y(0),Z(0))と、前記各衛星nの位置座標(X(n),Y(n),Z(n))と、前記基準となる計測地点の位置座標(Xr, Yr, Zr)とにより波数ベクトルk(n)を算出し、
前記波数ベクトルk(n)と前記推定相対距離ベクトルReとの内積演算により、推定2重位相差φ'(n)を求め、当該推定2重位相差φ'(n)に対して、2πを法とする剰余演算を適用することにより求めることを特徴とする請求項5に記載の相対位置検出方法。 The estimated double phase difference φ''(n) is,
Using the satellite orbit information of the plurality of GNSS satellites, the position information of the plurality of GNSS satellites at the predetermined sampling timing is calculated.
When one of the aforementioned multiple GNSS satellites is designated as the reference satellite, the reference satellite position coordinates (X(0), Y(0), Z(0)) are extracted from the position information of the multiple GNSS satellites, and the position coordinates (X(n), Y(n), Z(n)) of each satellite other than the reference satellite are extracted from the position information of the GNSS satellites.
Determine the position coordinates (Xr, Yr, Zr) of the aforementioned reference measurement point.
The wave vector k(n) is calculated using the reference satellite position coordinates (X(0), Y(0), Z(0)), the position coordinates of each satellite n (X(n), Y(n), Z(n)), and the position coordinates of the reference measurement point (Xr, Yr, Zr).
The relative position detection method according to claim 5, characterized in that an estimated double phase difference φ'(n) is obtained by performing an inner product operation between the wave vector k(n) and the estimated relative distance vector Re , and the relative position is determined by applying a modulo operation modulo 2π to the estimated double phase difference φ'(n).
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