JP2007284013A - 車両位置測位装置及び車両位置測位方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 軌道上を走る車両において通常の衛星測位を実施すると、軌道位置の考慮がされないため、軌道を外れた位置に測位結果が算出されることがある。
【解決手段】 ＧＰＳ衛星から観測データを受信するＧＰＳ受信機と、前記車両の車両速度を検出する車速検出器と、前記軌道上に所定の間隔で設けられた複数のポイントにおける位置座標と前記位置座標における前記軌道の方角とを対応させて記憶する線路データベースと、前記観測データと、前記車両速度と、前記線路データベースの中から抽出した自らの位置に最も近い前記位置座標に対応した前記軌道方向とを入力し、前記車両速度と前記軌道方向とを用いた慣性航法による航法演算を行って、前記観測データを用いたＧＰＳ航法による位置演算を補完して前記車両の位置を演算する演算部とを備えたようにした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、軌道上を走行する鉄道車両などの車両位置を測位する装置及びその測位方法に関するものである。

従来、軌道上を走行する鉄道車両（列車あるいは単に車両ともいう）の位置認識については、鉄道車両が走行中の状態に対応して保安信号を次々に更新して行く情報を、同時にに中央制御室に送って運行パネルに表示される方式が一般的である。つまり、レール２本の間を走る鉄道車両の車軸によりレール間が短絡される、軌道回路の短絡を検知する方法である。この場合は、レールの継ぎ目の間隔が車両の位置検出の最小分解能を決め、平均で３００メートル、ロングレール等による長い部分で１キロメートルの分解能しか得られない。そのため鉄道車両の位置で警報鳴動の開始を行う踏切では、十分に安全な開閉を行うために、かなり長時間に渡って踏切を閉鎖している。
また運行管理センタにおける鉄道車両運行管理では、模式図的なデフォルメ地図を用いているので、それとは別の国土地理院による精密日本地図上に描かれた踏切やポイント等の施設との位置関係が正確には判らない。
特に分岐を含む複数の線路が平行する部分において、車両が正確にどの線路（レール）を走行しているかを知りたい場合には、遥かに精度のよい車両位置の把握が要求される。また更に、現行の中央運行管理システムは上記の精密日本地図上に描かれていず、独自の線路表示を用いているので、日本地図と対応させた表示が出来ない。
従来、走行中の車両の位置検出精度を上げる改良方式として、線路近傍に複数の地上マーカを設置してこれらを緯度、経度と関連付けて記憶させ、またＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）衛星からのＧＰＳ信号を受信して測位演算を行うＧＰＳ航法により、車両の位置を確定する方式が知られている（例えば、特許文献１参照）。

一方、道路を走行する車などの移動体の移動体位置測位においては、移動体の加速度変化を計測する加速度計と角速度変化を計測するジャイロを備えて、これらの加速度と角速度の情報を基に移動体の移動を積算して移動体の位置を慣性航法計算で求めるＩＮＳ（Ｉｎｅｒｔｉａｌ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ）航法と呼ばれる航法が知られている。
また、これらの複合航法として、ＩＮＳ航法とＧＰＳから得られるそれぞれの位置情報を入力し、入力の時間的な差分をもとに補正用の誤差推定値や状態推定値を演算して出力するカルマンフィルタを用いて、この出力をＩＮＳ航法に入力する構成も知られている。

特開２００３−２６７２２０号公報（第１３頁、第１図）

従来の改良方式の位置検出方法によれば、走行する線路の近傍に多数の地上マーカを常に設置しておく必要があり、システム規模が大きくなるという課題があった。地上マーカとして既存の設備を利用することも述べられているが、そうするとそれらの設備で位置分解能が制限されるという課題があった。

また、ＧＰＳによる測位では、建造物や山岳斜面による電波の回折や反射の影響により伝播時間に遅延が発生し、測位結果に誤差が生ずるという課題があった。また、トンネル等ＧＰＳ信号が受信できない場所では、測位結果が得られないという課題があった。

また、従来のＩＮＳ航法やＩＮＳ航法を利用した複合航法では、ジャイロなどの方向検出機器が必要であり、測位装置が高価となるとう課題があった。

この発明は係る課題を解決するためになされたものであり、軌道上を走行する鉄道車両などの車両位置を、ジャイロなどの方向検出機器を用いる必要なく、安価に精度よく測位可能な測位装置を得ることを目的とする。これにより、例えば線路が複数ある複雑な区間においても、車両の走行する線路を識別することができる。

この発明に係る車両位置測位装置は、 ＧＰＳ衛星から観測データを受信するＧＰＳ受信機と、前記車両の車両速度を検出する車速検出器と、前記軌道上に所定の間隔で設けられた複数のポイントにおける位置座標と前記位置座標における前記軌道の方角とを対応させて記憶する線路データベースと、前記観測データと、前記車両速度と、前記線路データベースの中から抽出した自らの位置に最も近い前記位置座標に対応した前記軌道方向とを入力し、前記車両速度と前記軌道方向とを用いた慣性航法による航法演算を行って、前記観測データを用いたＧＰＳ航法による位置演算を補完して前記車両の位置を演算する演算部とを備えるようにした。

この発明によれば、高価なジャイロ等の角速度センサを用いる必要なく、軌道上を走行する鉄道車両などの車両位置を、安価に精度よく測位することができる。

実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、この実施の形態における車両位置測位装置の構成を示す図である。図において、線路（軌道ともいう）上を走行する鉄道車両１０に搭載される位置測位装置は、ＧＰＳアンテナ２１と、ＧＰＳアンテナからのＧＰＳ観測情報を受けるＧＰＳ受信機２２と、設置されている線路上で所定の間隔で設けられたポイントにおける緯度や経度等の位置座標と、その位置座標における線路の方角とを対応させて記憶する線路データベース２５と、鉄道車両１０の速度を計算する車速パルス検出器２６と、車速パルス検出器２６とＧＰＳ受信機２２からの情報を入力し線路データベース２５を参照して鉄道車両位置を演算する演算部２４と、鉄道車両の運行状況を管理する中央センターとの間で鉄道車両位置などの情報を送受する通信部２３とを備える。

線路データベース２５に記憶されている線路の方角とは、その位置座標における線路の設置方向であり、すなわち線路上を走行する鉄道車両が進行する方向のことを意味する。
また、演算部２４は、慣性航法（ＩＮＳ航法）による位置演算とＧＰＳ航法による位置演算とを併用して複合処理して位置演算結果１０５を出力する処理を行う演算処理部である。
通信部２３は位置演算結果１０５を、鉄道車両の運行状況を管理する中央センター（図示せず）に出力する。

ＧＰＳ受信機２２は、ＧＰＳアンテナ２１を経由してＬ１搬送波（１５７５.４２ＭＨｚ）の搬送波位相データ、衛星測位時間データ、エフェメリスデータ、アルマナックデータ、及び擬似距離データなどの観測データ１０１を取得し、観測データ１０１を出力する機器である。

車速パルス検出器２６は、単位時間に車輪が回る回数を検出し、車輪の周囲長を掛けることで車両の速度を検出して、車速データ１０２を周期的に出力する機器である。

次に、線路データベース２５に登録されている線路データ１０３を説明する。図２（ａ）は、線路データ１０３の一例を示したものである。図２（ｂ）は線路データベース２５に登録された線路４上のポイントとそのポイントにおける線路の方角を説明するため図である。

図２（ｂ）で、線路４上には所定の間隔でポイントＰ（図２（ｂ）の例では、ポイントＰ１〜Ｐ５）が設定されている。
線路データベース２５には、そのポイントごとに、ポイントの例えば緯度、経度の位置データと、ポイントＰにおける線路の方角のデータが格納されている。線路の方角のデータとは、所定の基準方向に対して線路上の鉄道車両が進行する方角であり、例えば方位角で示されるデータである。この位置データおよび線路の方角は、例えば線路の地図データから求めたものであり、または、実際に線路上を走行して測定により得たデータである。

次に、動作について説明する。図３は、実施の形態１の車両位置測位装置の動作を説明するための説明図である。

ＧＰＳ受信機２２は、ＧＰＳ衛星からＧＰＳ信号を受信して擬似距離データなどの観測データ１０１を周期的に取得する。
演算部２４は、ＧＰＳ受信機２２から観測データ１０１を定期的に入力する。

車速パルス検出器２６は、単位時間に車輪が回る回数を検出し、車輪の周囲長を掛けることで鉄道車両の速度を検出する。
演算部２４は、車速パルス検出器２６から鉄道車両の車速データ１０２を定期的に入力する。

演算部２４は、線路データベース２５から線路データ１０３を定期的に入力する。

演算部２４は、入力した観測データ１０１と車速データ１０２と線路データ１０３とを利用して、所謂ＧＰＳ／ＩＮＳ複合航法演算により鉄道車両の現在位置を演算し、その位置演算結果１０５を通信部２３と線路データベース２５に出力する。

次に、線路データベース２５が演算部２４に対して線路データ１０３を出力するまでの動作について説明する。図４は、線路データベース２５が鉄道車両の進行方向を示す線路データ１０３を演算部２４に出力するまでのフローチャートを示した図である。
図４のフローチャートで、Ｓ１０１において線路データベース２５は、演算部２４が直前に行った演算処理により得た位置演算結果１０５（位置座標（Ｘｔ、Ｙｔ））を入力する。
Ｓ１０２において、演算部２４は線路データベース２５に格納された線路データ１０３のポイント位置（Ｘｎ、Ｙｎ）と位置演算結果１０５（（Ｘｔ、Ｙｔ））とを比較し、線路データ１０３の中から位置演算結果１０５（（Ｘｔ、Ｙｔ））に最も近い位置にあるポイントＰｓ（（Ｘｓ、Ｙｓ））を抽出する。
Ｓ１０３において、演算部２４は線路データベース２５に基づきポイントＰｓに対応する、ポイントＰｓでの線路の方角θｓを抽出する。
Ｓ１０４において、抽出した線路の方角θｓを線路データ１０３として演算部２４に出力する。

このようにして、演算部２４は線路データベース２５から鉄道車両の進行方向を示す線路データ１０３を入手する。演算部２４は、このようにして入力した線路データ１０３と観測データ１０１と車速データ１０２とを利用して、所謂ＧＰＳ／ＩＮＳ複合航法演算により鉄道車両の現在位置を演算する。

ＧＰＳ／ＩＮＳ複合航法のアルゴリズムとしては、例えば、各ＧＰＳ衛星から送信される擬似距離情報と慣性航法の車速度情報を利用してカルマンフィルタに基づくアルゴリズムで慣性航法とＧＰＳ測位航法の両システムの誤差を推定する、密結合（タイトカップリング）と呼ばれるアルゴリズムがある（詳細な情報については、特開２００５−１９５３９５号を参照）。また、慣性航法の出力である速度と位置、ＧＰＳ航法からの速度と位置との両者を入力とし、カルマンフィルタの出力を慣性航法に帰還する疎結合と呼ばれるアルゴリズムがある。
演算部２４は、例えば、これらのＧＰＳ／ＩＮＳ複合航法のアルゴリズムにより、現在位置を演算する。

従来、慣性航法による位置演算とＧＰＳ航法による位置演算とを併用した所謂ＧＰＳ／ＩＮＳ複合航法においては、角速度変化を計測するジャイロ等の角度（方向）検出装置を搭載して、車両の進行方向に関する情報を取得し位置演算を行っていた。
本発明では線路データベース２５を設け、この線路データベース２５から角度（方向）に関する情報を取得するようにした。鉄道車両は道路を走行する車とは異なり必ず線路（軌道）上を走行することから、線路情報を利用することで現在の鉄道車両位置から鉄道車両の方向の情報を入手することができる。このように、線路上を走行する鉄道車両においては、鉄道車両が進行している角度（方向）に関する情報をジャイロ等の角度（方向）検出装置を用いる必要なく線路の情報から取得することが可能となる。

なお、実施の形態１では、演算部２４は線路データベース２５に格納された線路データ１０３から、位置演算結果１０５（（Ｘｔ、Ｙｔ））に最も近い位置にあるポイントＰｓ（（Ｘｓ、Ｙｓ））を抽出するようにしたが、位置演算結果１０５（（Ｘｔ、Ｙｔ））から線路４の軌跡上に垂線をおろし、垂線と線路４の軌跡との交点に最も近いポイントＰｓ（（Ｘｓ、Ｙｓ））を抽出するようにしてもよい。

このように、実施の形態１では、設置されている線路の位置座標とその位置座標において線路の方角との対応を記憶する線路データベース２５を備え、演算部２４は、ＧＰＳ受信機２２からの観測データ１０１と、車速パルス検出器２６からの車速データ１０２と、線路データベース２５からの鉄道車両の進行方向の情報を含む線路データ１０３とを入力し、慣性航法とＧＰＳ航法との複合処理により鉄道車両の位置演算結果１０５を出力するようにした。
これにより、線路上を走行する鉄道車両などの鉄道車両の位置を、ジャイロなどの角度検出装置を用いる必要なく、安価に精度よく測位することができる。

実施の形態２.
実施の形態２では、慣性航法とＧＰＳ航法とを併用して位置演算結果１０５を出力する別の実施例について説明する。実施の形態１で示した構成と同一あるいは相当する構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。

図５は実施の形態２の車両位置測位装置の構成を示す図である。

図５において、演算部２４は、測位結果データと鉄道車両の速度と進行する方角から次の時刻の位置（時間外挿位置データ２０１）を計算する時間外挿部９１１と、時間外挿部９１１から出力された時間外挿位置データ２０１とＧＰＳ受信機２２から出力された擬似距離データ２０２とから両者の差（擬似距離残差データ２０３）を計算する擬似距離残差計算部９３１と、擬似距離残差計算部９３１から出力される擬似距離残差データ２０３とＧＰＳ受信機２２から出力される衛星信号品質データ２０４とから時間外挿位置データ２０１に反映することが必要な修正量を算出し測位結果１０５を出力する衛星測位修正部９４１とを備える。

次に、実施の形態２の車両位置測位装置の動作を説明する。

測位計算を開始するとき、時間外挿部９１１において前時刻の測位結果データと現時刻での速度データと方位データから時間外挿位置データの算出を行う。

図６は、前の時刻の測位結果データＸoから時間外挿位置Ｘ1を算出する方法を示す図である。

前時刻の測位結果データを線路データベース２５に入力し、その時点での線路方向データを抽出することにより、線路（軌道）が向いている移動の方角θを求められる。

その方角θに速度データｖと時間差Δｔを掛けることにより移動ベクトルΔＸが求まる。

前時刻の測位結果データＸoに移動ベクトルΔＸを加え、時間外挿位置Ｘ1の算出を行う。

移動後の測位点が、必ず線路方向に移動することになるので線路上からの差が最小の測位結果が算出される。

このため、実施の形態２では反射や回折の影響を受けた衛星信号は擬似距離残差が大きくなり、残差棄却されやすくなるため、影響を受けない衛星信号のみを残すことができ、正確な測位結果を算出できるようになる。

実施の形態３．
以下、この発明の一実施の形態を図によって説明する。

図７は、この発明の実施の形態３に係る車両位置測位装置の構成を示す図である。実施の形態１、２で示した構成と同一あるいは相当する構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。

実施の形態３では、実施の形態２と同様に時間外挿部９１１において時間外挿位置データを算出し、その後擬似距離残差計算部９３１において擬似距離残差データを求め、衛星測位修正部９４１において修正を行い測位結果データを算出する。

衛星測位修正を行うとき、線路データベース２５に時間外挿位置データを入力し、その時間外挿位置での線路の方位データを抽出する。

図８は、この状態における擬似距離残差と線路の方位、残差修正ベクトルの関係を示し、衛星測位修正後の位置である測位結果データを算出する方法を示したものである。

図８のように擬似距離残差ベクトルから線路方向の成分ベクトルを抽出し、そのベクトルに係数を乗じて修正ベクトルを求める。

このように実施の形態３では、修正による移動が必ず線路の方向に移動することになるので、修正後の測位結果も線路上での結果が得られる。

実施の形態４．
以下、この発明の一実施の形態を図によって説明する。

図９はこの発明にかかる測位方法の一例を示す図である。実施の形態１〜３で示した構成と同一あるいは相当する構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。

図９のように擬似距離残差計算部９３１に対し、線路データベース２５から線路の方位データを入力する。

擬似距離残差データを算出するとき、各衛星の方向と線路方向を比較し、線路の左右方向にある衛星の擬似距離残差データを算出せず、線路の前後方向に在位する衛星の擬似距離残差データのみを衛星測位修正部９４１に出力する。

衛星測位修正部９４１で擬似距離残差から衛星測位修正量を算出するとき、従来の装置は擬似距離残差の大きさで判断し、残差量の大きい衛星信号を棄却しているのみであったのを、衛星が在位する方角からも棄却を行う。

棄却基準となる角度を設定し、衛星が在位する方角が線路の方角と基準角度以上離れている場合、残差量に関わらず棄却を行う。

このように実施の形態４では、線路の方向付近の残差データが入力されることになるので、進行方向の信頼度が高いデータだけで残差修正ができることになる。

実施の形態５．
以下、この発明の一実施の形態を説明する。実施の形態１〜４で示した構成と同一あるいは相当する構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。

実施の形態５の車両位置測位装置は、実施の形態４と同様に図のように擬似距離残差データを算出し、衛星測位修正部９４１に出力する。

衛星測位修正部９４１で擬似距離残差から衛星測位修正量を算出するとき、従来の装置は衛星信号の信号雑音比や衛星の俯仰角から修正時の重み付けを算出し修正量を算出していたのを、衛星が在位する方角からも重み付けを行う。

衛星が在位する方角が線路の方角との差による角度に応じ、角度の大きい衛星信号の重み付けを小さくし、衛星測位修正量を算出する。

このように実施の形態５では、線路の方向付近の残差データによる修正効果が大きく反映されることになるので、進行方向の信頼度が高い残差修正が可能になる。

この発明の実施の形態１に係る車両位置測位装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る線路データベース２５を説明する図である。 この発明の実施の形態１に係る演算部２４の動作を説明する図である。 この発明の実施の形態１に係る演算部２４の動作のフローチャートを説明する図である。 この発明の実施の形態２に係る車両位置測位装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態２に係る時間外挿部９１１が測位結果データＸoから時間外挿位置Ｘ1を算出する方法を示す図である。 この発明の実施の形態３に係る車両位置測位装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態３に係る時間外挿部９１１が衛星測位修正後の位置である測位結果データを算出する方法を示したものである。 この発明の実施の形態４に係る車両位置測位装置の構成を示す図である。

符号の説明

１０ 鉄道車両、２１ ＧＰＳアンテナ、２２ ＧＰＳ受信機、２３ 通信部、２４ 演算部、２５ 線路データベース、２６ 車速パルス検出器、４２ 線路、１０１ 観測データ、１０２ 車速データ、１０３ 線路データ、１０５ 位置演算結果、２０１ 時間外挿位置データ、２０２ 擬似距離データ、２０３ 擬似距離残差データ、２０４ 衛星信号品質データ、９１１ 時間外挿部、９３１ 擬似距離残差計算部、９４１ 衛星測位修正部

Claims (3)

1. 軌道上を走行する車両に搭載され前記車両の位置を測位する車両位置測位装置であって、
   ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）衛星から観測データを受信するＧＰＳ受信機と、
   前記車両の車両速度を検出する車速検出器と、
   前記軌道上に所定の間隔で設けられた複数のポイントにおける位置座標と前記位置座標における前記軌道の方角とを対応させて記憶する線路データベースと、
   前記観測データと、前記車両速度と、前記線路データベースの中から抽出した自らの位置に最も近い前記位置座標に対応した前記軌道の方角とを入力し、前記車両速度と前記軌道方向とを用いた慣性航法による航法演算を行って、前記観測データを用いたＧＰＳ航法による位置演算を補正して前記車両の位置を演算する演算部とを備えた車両位置測位装置。
2. 前記演算部は、前記ＧＰＳ衛星から送信される擬似距離情報と前記車速検出器から出力される車速度情報を利用して、ＧＰＳ航法と慣性航法の両航法の演算誤差を推定するカルマンフィルタを備えたことを特徴とする請求項１記載の車両位置測位装置。
3. 軌道上を走行する車両の位置を測位する車両位置測位方法であって、
   ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）衛星から観測データを受信するステップと、
   前記車両の車両速度を検出するステップと、
   前記軌道上に所定の間隔で設けられた複数のポイントにおける位置座標と前記位置座標における前記軌道の方角とを対応させて記憶する線路データベースから自らの位置に最も近い前記位置座標に対応した前記軌道方向を抽出するステップと、
   前記車両速度と前記軌道方向とを用いて慣性航法による航法演算を行って、前記観測データを用いたＧＰＳ航法による位置演算を補完して前記車両の位置を演算するステップとを備えた車両位置測位方法。

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