JP4090852B2 - Ｇｐｓ測位による列車走行情報検出装置及びその列車走行情報検出方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＧＰＳ測位による列車走行情報検出装置およびその列車走行情報検出方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、衛星測位システムに関する話題として、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）（米国）の近代化、ＧＬＯＮＡＳＳ（ロシア）の再生、Ｇａｌｉｌｅｏ（欧州）の構築などの計画が相次いで発表されている。我が国においても、２００８年頃の運用開始に向けて、準天頂衛星システムの構築が検討されている。
【０００３】
この準天頂衛星システムでは、最低１機の衛星をその名の如く天頂付近に配置するため、常時仰角７０°以上で捕捉できるようになり、建物等による影響を受けにくいという特長がある。また、国土地理院の電子基準点を活用することなどによって、静止体で１ｃｍ、移動体で２５ｃｍ程度の測位精度の確保を目標とした開発が進められている。
【０００４】
このような情勢から、衛星測位の利用アプリケーション側の開発も進展することが予想される。航空分野では既に航法装置としてＧＰＳ測位を主体的に用いるため、飛行フェーズ毎に定められた測位精度、信頼性、連続性（コンテュイニティ）、完全性（インテグリティ）の要求仕様を満たすＧＰＳ補強システムが構築されつつある。
【０００５】
鉄道においても、同様の手法によれば、列車制御などの安全性が重要なアプリケーションの位置検知手段にまで適用範囲を拡げることができると考えられる。しかし、建物等による遮蔽などＧＰＳ信号の受信環境が航空機に比べ著しく不利な鉄道では、この問題を改善する何らかの対策が求められる。
【０００６】
ところで、情報技術を適用するいわゆる列車の知能化には、位置検知機能と共に路線情報が欠かせない。例えば車体傾斜制御システムでは、線形データベースを記憶した車両上コンピュータが、位置検知をしながら曲線で予見的に目標角度を生成し制御を行う。
【０００７】
また、山手線・京浜東北線に導入予定のデジタルＡＴＣや移動閉塞を実現する列車制御システムＣＡＲＡＴ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｎｄ Ｒａｄｉｏ Ａｉｄｅｄ Ｔｒａｉｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ）〔非特許文献１〕も、路線情報を拠り所として位置検知しながら保安速度制御を行う。鉄道においてこのようなシステムが成立する理由は、線路上の移動が本質的に１次元であり、道路などよりも路線情報を作り易いためである。
【０００８】
このような特性を備えた鉄道の列車位置検知にＧＰＳ測位を利用する場合には、カーナビゲーションシステムで行われているようなマップマッチングよりも精密な３次元線路マップを用意して、１本の線路上のどこかに列車が在線していることを前提とすれば、衛星２機からのＧＰＳ信号のみで測位計算ができると考えられる。測位に必要な衛星数が、従来の衛星４機からのＧＰＳ信号による測位方式に比べて半減できるということは、航空機と比較してＧＰＳ信号の受信環境が劣る鉄道において、信頼性等の性能の向上を図ることができる。
【０００９】
本願発明者らは、既に、鉄道車両にＧＰＳ受信機を搭載して、鉄道車両のＧＰＳ測位を行うことを〔特許文献１〕として提案した。なお、ここでは鉄道車両に１台のＧＰＳ受信機を搭載してＧＰＳ測位を行うようにしている。
【００１０】
【特許文献１】
特開２００１−５６２３４ 第３−５頁 図１
【００１１】
【非特許文献１】
山本春生、西堀典幸：ＣＡＲＡＴ、ＲＲＲ、Ｖｏｌ．５６、Ｎｏ．９、ｐｐ．８〜９、１９９９．９
【００１２】
【非特許文献２】
松本雅行、細川明良、河田智太郎：デジタルＡＴＣ車上装置のデータベース構成、鉄道におけるサイバネティクス利用国内シンポジウム論文集、ｐｐ．２２６〜２２９、２０００．１１
【００１３】
【非特許文献３】
奥谷正：国土マネジメントのための情報基盤、国総研アニュアルレポート、Ｎｏ．１、ｐｐ．２４〜２８、２００２．３
【００１４】
【非特許文献４】
安田明生：ＧＰＳとその応用、ＧＰＳシンポジウム２００１、ｐｐ．１９３〜２１６、２００１．１１
【００１５】
【非特許文献５】
池田昌俊：列車位置検知手法の動向、鉄道総研報告、Ｖｏｌ．１３、Ｎｏ．８、ｐｐ．１〜６、１９９９．８
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
列車の在線位置は、線区名（上下線の識別含む）、キロ程、番線により特定できる。このような簡便な位置識別方法は、前述したように、列車の移動が本質的に１次元であることから可能である。しかし、この方法には、駅構内で列車が本線以外を経由した場合に、本線経由よりも走行距離が長くなりキロ程とのずれが生ずることや、工事に伴って線路を迂回、短絡した場合にキロ程に断重複の発生が避けられないという欠点がある。
【００１７】
路線情報を拠り所として位置検知を行う車体傾斜制御システム、デジタルＡＴＣ、ＣＡＲＡＴなどの制御システムは、正確な距離を必要とするため、キロ程を直接には用いない。例えば、車体傾斜制御システムでは、制御対象の曲線の位置を、基準とするＡＴＳ地上子からの距離で特定している。デジタルＡＴＣでは、すべてのＡＴＣ進路に固有の進路ＩＤを割り付け、進路内残距離との組み合わせで絶対位置を認識する〔非特許文献２〕。
【００１８】
また、ＣＡＲＡＴもこれに類似し、線路を節点で分割した枝を単位とする論理的なブロックのデータリンクで表現し、ブロック番号とブロック内距離により絶対位置を認識する。
【００１９】
以上のように、各システムではそれぞれ利用しやすい方法により、システムの要求レベルを満たす程度の在線位置識別を行い、制御に用いている。なお、これらのシステムでは、路線情報を拠り所としているため、工事等により変更の可能性のある地上設備と車両上の対応するデータとの整合性を維持しなければならない。
【００２０】
ＩＴＳ（高度道路交通システム）の中心に位置付けられている走行支援システム（ＡＨＳ）や歩行者ＩＴＳなどの様々なアプリケーションは、自動車や歩行者が道路上の位置を数１０ｃｍ程度の精度で把握することを前提とする。そのため、国土交通省国土技術政策総合研究所（以後、国総研と略す）高度情報化研究センターでは、国土マネジメントのための情報基盤の整備に向けた研究開発の一環として、道路線形や片勾配、歩道の段差などの道路構造物に関する１／５００程度の精度の高い道路地図データ（道路基盤データ）の構築方法について検討を進めている〔非特許文献３〕。
【００２１】
本発明は、上記状況に鑑み、連続性、完全性および信頼性の向上を図ることができるＧＰＳ測位による列車走行情報検出装置およびその列車走行情報検出方法を提供することを目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕ＧＰＳ測位による列車走行情報検出装置において、複数の鉄道車両からなる一編成の列車に分散配置された複数のＧＰＳアンテナと、このＧＰＳアンテナに接続されるＧＰＳ受信機と、このＧＰＳ受信機に接続される列車位置検知装置と、この列車位置検知装置に配置されるレール頭頂面の高さで３次元の線形を忠実に表現する軌道中心線と空間座標の中心（地球の中心）から前記軌道中心線上の位置に延ばした直線に対する偏角であるカント角を含む３次元線路マップと、レール頭頂面からのＧＰＳアンテナ高さを含むＧＰＳアンテナ設置位置情報とを格納する記憶装置と、前記ＧＰＳ受信機、列車位置検知装置を含む列車位置検知システム間を接続する車内ＬＡＮとを備え、前記列車上の複数のＧＰＳ受信機がそれぞれ少なくとも２機の衛星からのＧＰＳ信号を受信して、前記ＧＰＳアンテナ設置位置情報に基づき、前記列車位置検知装置が空間曲線である前記軌道中心線を前記レール頭頂面からのＧＰＳアンテナ高さと前記カント角により補正しながら測位計算を行うことにより、前記列車全体の在線位置と向きを把握することを特徴とする。
【００２３】
〔２〕上記〔１〕記載のＧＰＳ測位による列車走行情報検出装置において、前記列車上の異なるＧＰＳ受信機間の距離、高低角を不変、及び時計誤差を予測可能とすることにより、前記列車上の複数のＧＰＳ受信機が少なくとも１機の衛星からのＧＰＳ信号を受信してから全体として少なくとも異なる２機の衛星からのＧＰＳ信号を受信して、前記列車位置検知装置が測位計算を行うことを特徴とする。
【００２４】
〔３〕上記〔１〕記載のＧＰＳ測位による列車走行情報検出装置において、前記列車位置検知システムは慣性センサを有することを特徴とする。
【００２５】
〔４〕上記〔３〕記載のＧＰＳ測位による列車走行情報検出装置において、前記慣性センサは、角速度センサであることを特徴とする。
【００２６】
〔５〕上記〔３〕記載のＧＰＳ測位による列車走行情報検出装置において、前記慣性センサは、角速度センサおよび加速度センサであることを特徴とする。
【００２７】
〔６〕上記〔１〕記載のＧＰＳ測位による列車走行情報検出装置において、走行距離計を搭載させることを特徴とする。
【００２８】
〔７〕ＧＰＳ測位による列車走行情報検出方法において、複数の鉄道車両からなる一編成の列車に分散配置されたＧＰＳアンテナとＧＰＳ受信機と、列車位置検知装置と、レール頭頂面の高さで３次元の線形を忠実に表現する軌道中心線と空間座標の中心（地球の中心）から前記軌道中心線上の位置に延ばした直線に対する偏角であるカント角を含む３次元線路マップとを備え、前記列車上の複数のＧＰＳ受信機がそれぞれ少なくとも２機の衛星からのＧＰＳ信号を受信して、レール頭頂面からのＧＰＳアンテナ高さを含むＧＰＳアンテナ設置位置情報に基づき、前記列車位置検知装置が空間曲線である前記軌道中心線を前記レール頭頂面からのＧＰＳアンテナ高さと前記カント角により補正しながら測位計算を行うことにより、前記列車全体の在線位置と向きを把握することを特徴とする。
【００２９】
〔８〕上記〔７〕記載のＧＰＳ測位による列車走行情報検出方法において、前記列車上の異なるＧＰＳ受信機間の距離、高低角を不変、及び時計誤差を予測可能とすることにより、前記列車上の複数のＧＰＳ受信機が少なくとも１機の衛星からのＧＰＳ信号を受信してから全体として少なくとも異なる２機の衛星からのＧＰＳ信号を受信して、前記列車位置検知装置が測位計算を行うことを特徴とする。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００３１】
図１は本発明にかかる３次元線路マップの構造の模式図である。
【００３２】
この図において、ｘ，ｙ，ｚ軸を有する３次元空間内に線路１があり、この線路１は軌道中心線（点線）２で描くことができ、勾配３を有し、縦曲線４、直線５、緩和曲線６、円曲線７などを有する。また、空間座標の中心（地球の中心）から軌道中心線上の位置に延ばした直線に対する偏角であるカント角θを用いる。
【００３３】
〔１〕３次元線路マップを用いる列車のＧＰＳ測位の原理
まず、ここでは、３次元線路マップの利用を前提としてＧＰＳ測位を主体的に用いる列車位置検知方法について説明する。
【００３４】
通常のＧＰＳ測位では、観測点位置を３つの未知数ｘ，ｙ，ｚとし、ｉ番目の衛星の位置をｘsi，ｙsi，ｚsi、その衛星と観測点間の擬似距離をｒi 、およびＧＰＳ受信機の時計誤差による距離への影響をｓとすると、次式（１）が成立する〔非特許文献３〕。
【００３５】
ｒi ＝√〔（ｘ−ｘsi）2 ＋（ｙ−ｙsi）2 ＋（ｚ−ｚsi）2 〕＋ｓ…（１）
この場合、観測点の３次元の座標と受信機時計誤差の４つの未知数を求めるには４つの式が必要となり、そのため少なくとも４機の衛星を観測する必要がある。
【００３６】
一方、鉄道では、列車の移動が本質的に１次元であることからして、列車位置は（初期位置からの）移動距離ｄT により一意に定まり、その軌跡である線路は、空間曲線として次式（２）のように移動距離ｄT により助変数表示することができる。
【００３７】
γ（ｄT ）＝〔ｘ（ｄT ），ｙ（ｄT ），ｚ（ｄT ）〕 …（２）
線路に分岐箇所がないか、あったとしても分岐器の開通方向が分かっていれば、列車の移動は脱線しない限り式（２）をトレースするので、式（１）は列車上のＧＰＳ測位においては次式（３）のようになる。
【００３８】
ｒi ＝√｛〔ｘ（ｄT ）−Ｘsi〕2 ＋〔ｙ（ｄT ）−Ｙsi〕2 ＋〔ｚ（ｄT ）−Ｚsi〕2 ｝＋ｓ …（３）
ここで、ｘ（ｄT ）、ｙ（ｄT ）、ｚ（ｄT ）は、３次元の線路マップを用いれば、移動距離によって一意に定まる。従って、列車が３次元線路マップのうちの１本の線路上のどこかに在線していることが明らかである場合には、未知数はｄT とｓの２つのみとなる。つまり、未知数を求めるのに必要な式は２つであり、最低でも２機の衛星さえ観測できれば測位計算が可能となる。
【００３９】
図２は本発明にかかる３次元線路マップを用いる列車のＧＰＳ測位の原理の説明図である。
【００４０】
この図において、１１は列車、１２は線路、１３は軌道中心線（点線）、１４は第１の衛星、１５は第２の衛星である。
【００４１】
列車１１上のＧＰＳアンテナの移動軌跡を定めるには、線路１２側の情報として軌道中心線１３とカント角が最低限必要である。ここでは、軌道中心線１３はレール頭頂面の高さで、直線５、円曲線７、緩和曲線６、勾配３、縦曲線４といった３次元の線形（図１参照）を忠実に表現したものとする。カント角は、空間座標の中心（＝地球の中心）から軌道中心線上の位置に延ばした直線に対する偏角として与える。
【００４２】
図３は本発明にかかる列車位置検知装置の最小構成図である。
【００４３】
この図において、２１は列車に分散配置されたＧＰＳアンテナ、２２はＧＰＳ受信機、２３は列車位置検知装置、２４はその列車位置検知装置２３内の測位計算部、２５は線路の特定・トレース部、２６はレール面からのアンテナ高さ記憶装置、２７は３次元線路マップ記憶装置、２８は分岐方向の判断のための角速度センサである。
【００４４】
本列車位置検知装置２３の実装においては、図３に示すように、ＧＰＳ受信機２２は通常のものを用いるが、擬似距離を出力するように設定する。列車位置検知装置２３本体は、３次元線路マップ記憶装置２７に３次元線路マップを格納しており、空間曲線である軌道中心線をレール面からのアンテナ高さとカント角により補正しながら測位計算を行う。なお、分岐器の開通方向に関する情報が与えられないとすれば、分岐方向の判断のために角速度センサ２８が必要となる。
【００４５】
以上の構成により、ＧＰＳ測位に必要となる衛星が２個となり、従来のように４個の衛星を必要としていたのに比べると半減するため、信頼性が向上する。また、ＧＰＳ信号の異常などにより線路上に解が求められないような状況を認識できるため、完全性（インテグリティ）の向上にも寄与する。
【００４６】
建物等によるＧＰＳ信号の遮蔽が避けられない鉄道において、位置検知の連続性を維持するには、速度発電機や加速度センサなどのセンサを併用する方法が一般的である。なかでも、３次元線路マップとの相性がよいセンサは、加速度センサである。
【００４７】
図４は本発明にかかる列車位置検知装置の構成図である。
【００４８】
この実施例においては、第１実施例の装置に加速度センサ３１と線路のトレース部３２を追加したもので、線路のトレース部３２は、この加速度センサ３１からの情報と、角速度センサ２８からの情報を取り込み、列車の走行距離を積算して実際の走行距離を求めるほか、列車走行に伴い線形によって車両に加わる加速度・角速度を検出し、３次元線路マップを活用して線路上の位置をトレースするとともに、線路の特定・トレース部２５は、アンテナ高さ記憶装置２６と３次元線路マップ記憶装置２７からの情報に基づいて、線路の特定・トレースを行い、ＧＰＳ測位による線路の特定・トレース部２５と、慣性センサ（加速度センサ，角速度センサ）による線路のトレース部３２との比較照合・相互補完を行うように構成することができる。
【００４９】
すなわち、走行中、列車位置検知装置３０本体では、３次元線路マップ記憶装置２７からの３次元線路マップに基づくＧＰＳ測位とは独立して、加速度センサ３１、角速度センサ２８からなる慣性センサに基づく３次元線路マップのトレースを行う。これらの比較照合や相互補完により、第１実施例の構成にも増して完全性および信頼性を向上させることができる。
【００５０】
なお、上記列車位置検知装置は１個示されているが、１台の車両の場合は、その組を車両の前後に配置して、それぞれ少なくとも２個の衛星からのＧＰＳ信号を受信して情報の授受を行うことにより、鉄道車両の在線位置と向きを把握することができる。
【００５１】
図５は本発明の第１実施例を示す列車位置検知装置の構成図であり、図５（ａ）はその列車位置検知装置の全体構成図、図５（ｂ）はその位置検知装置の構成図である。
【００５２】
この実施例において、１０１は複数の車両１０１−１，１０１−２，…，１０１−ｎからなる列車、１１０は第１の列車位置検知システム、１１１はＧＰＳアンテナ、１１２はＧＰＳ受信機、１１３は列車位置検知装置、１１４は角速度センサ、１１５は加速度センサ、１２１は複数の車両１０１−１，１０１−２，…，１０１−ｎ内に配置される車内ＬＡＮ、１３０は第ｎの列車位置検知システム、１３１はＧＰＳアンテナ、１３２はＧＰＳ受信機、１３３は列車位置検知装置、１３４は角速度センサ、１３５は加速度センサである。
【００５３】
上記した列車位置検知装置１１３，１３３は、図５（ｂ）に示すように、受信機ＩＤ・疑似距離を入力して測位計算及びチェックを行う測位計算及びチェック部２０１、線路の特定・トレースを行う線路の特定・トレース部２０２、各センサの編成上の位置情報記憶装置２０３、３次元線路マップ記憶装置２０４、センサＩＤ・加速度とセンサＩＤ・角速度を取り込んで、線路のトレースを行う線路のトレース部２０５とを備えている。
【００５４】
１編成上に分散配置されたＧＰＳ受信機および各種センサの全てを活用し、編成全体の在線位置と向きを把握する。そのため、各機器を車内ＬＡＮ１２１に接続する。この構成では、各受信機、センサの編成上の設置位置が重要となることから、列車位置検知装置本体では、これらの位置把握と出力メッセージの識別を行う。従って、センサ、受信機側にも識別情報送出などの機能付加が必要となる。各運転台屋根上にＧＰＳアンテナ１１１，１３１が設置されるとすれば、単純に冗長構成になるということで信頼性が向上するだけでなく、編成長が長いほど同一要因（ビルとか駅の庇など）による遮蔽等の影響を受け難くなるという利点がある。
【００５５】
また、受信機時計が同期していれば、離れた運転台上の受信機が別々の衛星を１機ずつ捕捉できるような状況でも測位できる。
【００５６】
このような場合について、詳細に説明する。
【００５７】
列車の前後にＧＰＳ受信機を配置すると、ビルとか駅構内の庇などの軽微な遮蔽物があっても列車の前後では見晴らしが異なることにより、異なった衛星を捕捉可能である。ここでは、このように別のＧＰＳ受信機で受信した疑似距離を用いることで軽微な遮蔽によるＧＰＳ測位不能を避ける受信方式をとることができる。
【００５８】
図６はかかる列車において、３次元線路マップを測位計算に用いずＧＰＳ測位率を高める方法の説明図である。
【００５９】
この図に示すように、２台のＧＰＳ受信機による測位は８つの未知数を持つ。この未知数を既知のものとして追加することで必要な衛星数を減らしていくことができる。図６は４衛星まで減らしていけることを示している。
【００６０】
つまり、第１のＧＰＳ受信機と第２のＧＰＳ受信機との距離ｒ、高低角φを不変、時計誤差ｄt1，ｄt2を予測可能と仮定すると、３次元線路マップを測位計算に用いず４衛星でＧＰＳ測位が可能であり、慣性センサからの情報なしで、測位が可能である。換言すれば、これに加えて３次元線路マップを測位計算に用いれば、列車上の複数のＧＰＳ受信機が少なくとも１機の衛星からのＧＰＳ信号を受信してから全体として少なくとも異なる２機の衛星からのＧＰＳ信号を受信することにより、慣性センサからの情報なしで、測位が可能である。
【００６１】
そこで、以下に上記で不変及び予測可能とした未知数の予測方法について説明する。
【００６２】
（１）ＧＰＳ受信機の時計誤差の予測
真の時刻（この場合はＧＰＳ時刻）からＧＰＳ受信機の時刻はずれていく。しかし、単独測位を行うことで、そのＧＰＳ受信機の時計誤差を知ることができる。
【００６３】
ｒi ＝√〔（ｘi −ｘ0 ）2 ＋（ｙi −ｙ0 ）2 ＋（ｚi −ｚ0 ）2 〕−ｓ
…（４）
ここで、ｒi は疑似距離、（ｘ0 ，ｙ0 ，ｚ0 ）はＧＰＳ受信機の座標、
（ｘi ，ｙi ，ｚi ）はｉ番目の衛星の座標を示す。
【００６４】
４機の衛星を受信すると４個の方程式ができるので、（ｘ0 ，ｙ0 ，ｚ0 ）とＧＰＳ受信機の時計誤差ｓが求まる。
【００６５】
いま仮にＧＰＳ受信機が受信不能となって時計誤差を予測しようとすると、計算できた（予測できた）期間のｓの変化曲線から予測することになる。
【００６６】
一般のＧＰＳ受信機の時計精度は、１０-6程度であり、安定性もあまり良くない。
【００６７】
図７及び図８は実際のＧＰＳ受信機の時計誤差の変化を示す図であり、それぞれ上段に時計誤差、下段に時計誤差の変化率を示しており、図７はその長時間の変化を、図８はその短時間の変化を示して示している。
【００６８】
図８で１５分間のデータで予測した変化率を３０分のところまで延長すると、毎秒６ｍにも相当する予測はずれとなる。ＧＰＳ受信機の時計の精度を１０-8程度（十分実現可能な値）に高くすると、毎秒０．０６ｍ以内に予測は入ることになり、実用的な範囲での予測が可能である。
【００６９】
（２）ＧＰＳ受信機間の高低差の不変性
列車が高低差のある線路を登り降りすることでＧＰＳ受信機の高低差（高低角φ）が変化するが、これが期待する計測位置の誤差に比べ少なければこの条件は成り立つ。つまり、高低角φを受信できなくなった時の値に固定する。
【００７０】
（３）ＧＰＳ受信機間の距離の不変性
列車がカーブを曲がるとＧＰＳ受信機間の距離ｒが変化するが、これが期待する計測位置の誤差に比べて少なければ、この条件は成り立つ。つまり、距離ｒを受信できなくなった時の値に固定する。
【００７１】
このように、これらの値を仮定することで測位計算を行う。
【００７２】
図９は本発明の第２実施例の慣性センサなしでＧＰＳ測位率を高める列車位置検知方法を示す模式図である。
【００７３】
前述の方法で、第１のＧＰＳ受信機３０１と第２のＧＰＳ受信機３０２の時計誤差及び２点間のベクトルが予測できたとして、第２のＧＰＳ受信機３０２で受信した疑似距離を予測時計誤差で時計誤差を補正後、第１のＧＰＳ受信機３０１の場所で受信した疑似距離に変換する。
【００７４】
合計４個の衛星のデータがあれば、上記式（４）に値を代入して測位計算機３０３により演算を行い測位計算して測位することができる。換言すれば、これに加えて３次元線路マップを用いれば合計２個の衛星のデータがあれば、測位計算して測位することができる。この測位計算機３０３は高度な処理能力を必要としない。
【００７５】
このように、本発明では、列車編成が長いという特徴を利用して、ある測位地点では受信不能な衛星情報を他のＧＰＳ受信機で補い、より信頼性の高いＧＰＳ測位を行うことができる。
【００７６】
完全性の向上については、複数アンテナの位置関係に基づいて各受信機出力を相互にチェックすることが可能となる。また、複数のＧＰＳ受信機を異機種とすることで、バグ等による誤りを排除できる可能性がある。
【００７７】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００７８】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００７９】
（１）３次元線路マップを用いる列車のＧＰＳ測位においては、列車の前方、後方（方位）の中低仰角の２衛星を捕捉できる状況で最も測位精度が良くなる。鉄道では、トンネル前後を除くと通常は線路の前後方向の上空は開けているため、本発明を用いることにより、市街地や山間部などにおける測位精度、信頼性の飛躍的向上が期待できる。すなわち、本発明は、市街地が拡がり、山間部の多い日本の鉄道に適した方式であると言える。
【００８０】
（２）３機以上の衛星が捕捉できる場合は、航法システムのＲＡＩＭ（ｒｅｃｅｉｖｅｒ ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ）と同様にチェックに使えるため、完全性の向上につながる。また、３次元線路マップ上に測位解が求められない場合は、ＧＰＳ信号の異常とみなすことができるため、同様に完全性の向上につながる。
【００８１】
（３）トンネル内などＧＰＳ衛星を捕捉できない場合でも、３次元線路マップとの相性が良い慣性センサ（加速度センサ、角速度センサ）を用い、３次元線路マップとのマッチング処理を行うことによって、位置検知精度を向上させることができる。
【００８２】
（４）準天頂衛星が運用されれば、常時天頂付近に配置される衛星がＶＤＯＰ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｄｉｌｕｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ）改善に貢献するため、高度を含む３次元線路マップの有用性が高まる。
【００８３】
以上のように、本発明の列車位置検知装置は、既に提案した列車位置検知装置を更に改良して線路マップの３次元化により、ＧＰＳ測位の性能を向上させ、かつ慣性センサ（加速度センサ、角速度センサ）との親和性を高めることによって列車位置検知装置としての大幅な性能向上が見込めるものである。
【００８４】
また、精密な３次元線路マップは、準天頂衛星の運用により測位精度が向上し受信機が使いやすいものになれば、線路、周辺設備、構造物の絶対位置管理など多用途に利用できる可能性がある。但し、３次元線路マップを利用したアプリケーションが成立するには、国総研高度情報化研究センターにおいて取り組まれているようなデータ更新の枠組みの構築が極めて重要である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明にかかる３次元線路マップの構造の模式図である。
【図２】 本発明にかかる３次元線路マップを用いる列車のＧＰＳ測位の原理の説明図である。
【図３】 本発明にかかる列車位置検知装置の最小構成図である。
【図４】 本発明にかかる列車位置検知装置の構成図である。
【図５】 本発明の第１実施例を示す列車位置検知装置の構成図である。
【図６】 本発明の第２実施例の慣性センサなしでＧＰＳ測位率を高める方法の説明図である。
【図７】 実際のＧＰＳ受信機の時計誤差の変化（長時間の変化）を示す図である。
【図８】 実際のＧＰＳ受信機の時計誤差の変化（短時間の変化）を示す図である。
【図９】 本発明の第２実施例の慣性センサなしでＧＰＳ測位率を高める列車位置検知方法を示す模式図である。
【符号の説明】
１，１２ 線路
２，１３ 軌道中心線（点線）
３ 勾配
４ 縦曲線
５ 直線
６ 緩和曲線
７ 円曲線
１１，１０１ 列車
１４ 第１の衛星
１５ 第２の衛星
２１，１１１，１３１ 列車に分散配置されたＧＰＳアンテナ
２２，１１２，１３２ ＧＰＳ受信機
２３，３０，１１３，１３３ 列車位置検知装置
２４ 測位計算部
２５，２０２ 線路の特定・トレース部
２６ レール面からのアンテナ高さ記憶装置
２７，２０４ ３次元線路マップ記憶装置
２８，１１４，１３４ 角速度センサ
３１，１１５，１３５ 加速度センサ
３２，２０５ 線路のトレース部
１０１−１，１０１−２，…，１０１−ｎ 複数の車両
１１０ 第１の列車位置検知システム
１２１ 車内ＬＡＮ
１３０ 第ｎの列車位置検知システム
２０１ 測位計算及びチェック部
２０３ 各センサの編成上の位置情報記憶装置
３０１ 第１のＧＰＳ受信機
３０２ 第２のＧＰＳ受信機
３０３ 測位計算機
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＧＰＳ測位による列車走行情報検出装置およびその列車走行情報検出方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、衛星測位システムに関する話題として、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）（米国）の近代化、ＧＬＯＮＡＳＳ（ロシア）の再生、Ｇａｌｉｌｅｏ（欧州）の構築などの計画が相次いで発表されている。我が国においても、２００８年頃の運用開始に向けて、準天頂衛星システムの構築が検討されている。
【０００３】
この準天頂衛星システムでは、最低１機の衛星をその名の如く天頂付近に配置するため、常時仰角７０°以上で捕捉できるようになり、建物等による影響を受けにくいという特長がある。また、国土地理院の電子基準点を活用することなどによって、静止体で１ｃｍ、移動体で２５ｃｍ程度の測位精度の確保を目標とした開発が進められている。
【０００４】
このような情勢から、衛星測位の利用アプリケーション側の開発も進展することが予想される。航空分野では既に航法装置としてＧＰＳ測位を主体的に用いるため、飛行フェーズ毎に定められた測位精度、信頼性、連続性（コンテュイニティ）、完全性（インテグリティ）の要求仕様を満たすＧＰＳ補強システムが構築されつつある。
【０００５】
鉄道においても、同様の手法によれば、列車制御などの安全性が重要なアプリケーションの位置検知手段にまで適用範囲を拡げることができると考えられる。しかし、建物等による遮蔽などＧＰＳ信号の受信環境が航空機に比べ著しく不利な鉄道では、この問題を改善する何らかの対策が求められる。
【０００６】
ところで、情報技術を適用するいわゆる列車の知能化には、位置検知機能と共に路線情報が欠かせない。例えば車体傾斜制御システムでは、線形データベースを記憶した車両上コンピュータが、位置検知をしながら曲線で予見的に目標角度を生成し制御を行う。
【０００７】
また、山手線・京浜東北線に導入予定のデジタルＡＴＣや移動閉塞を実現する列車制御システムＣＡＲＡＴ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｎｄ Ｒａｄｉｏ Ａｉｄｅｄ Ｔｒａｉｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ）〔非特許文献１〕も、路線情報を拠り所として位置検知しながら保安速度制御を行う。鉄道においてこのようなシステムが成立する理由は、線路上の移動が本質的に１次元であり、道路などよりも路線情報を作り易いためである。
【０００８】
このような特性を備えた鉄道の列車位置検知にＧＰＳ測位を利用する場合には、カーナビゲーションシステムで行われているようなマップマッチングよりも精密な３次元線路マップを用意して、１本の線路上のどこかに列車が在線していることを前提とすれば、衛星２機からのＧＰＳ信号のみで測位計算ができると考えられる。測位に必要な衛星数が、従来の衛星４機からのＧＰＳ信号による測位方式に比べて半減できるということは、航空機と比較してＧＰＳ信号の受信環境が劣る鉄道において、信頼性等の性能の向上を図ることができる。
【０００９】
本願発明者らは、既に、鉄道車両にＧＰＳ受信機を搭載して、鉄道車両のＧＰＳ測位を行うことを〔特許文献１〕として提案した。なお、ここでは鉄道車両に１台のＧＰＳ受信機を搭載してＧＰＳ測位を行うようにしている。
【００１０】
【特許文献１】
特開２００１−５６２３４ 第３−５頁 図１
【００１１】
【非特許文献１】
山本春生、西堀典幸：ＣＡＲＡＴ、ＲＲＲ、Ｖｏｌ．５６、Ｎｏ．９、ｐｐ．８〜９、１９９９．９
【００１２】
【非特許文献２】
松本雅行、細川明良、河田智太郎：デジタルＡＴＣ車上装置のデータベース構成、鉄道におけるサイバネティクス利用国内シンポジウム論文集、ｐｐ．２２６〜２２９、２０００．１１
【００１３】
【非特許文献３】
奥谷正：国土マネジメントのための情報基盤、国総研アニュアルレポート、Ｎｏ．１、ｐｐ．２４〜２８、２００２．３
【００１４】
【非特許文献４】
安田明生：ＧＰＳとその応用、ＧＰＳシンポジウム２００１、ｐｐ．１９３〜２１６、２００１．１１
【００１５】
【非特許文献５】
池田昌俊：列車位置検知手法の動向、鉄道総研報告、Ｖｏｌ．１３、Ｎｏ．８、ｐｐ．１〜６、１９９９．８
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
列車の在線位置は、線区名（上下線の識別含む）、キロ程、番線により特定できる。このような簡便な位置識別方法は、前述したように、列車の移動が本質的に１次元であることから可能である。しかし、この方法には、駅構内で列車が本線以外を経由した場合に、本線経由よりも走行距離が長くなりキロ程とのずれが生ずることや、工事に伴って線路を迂回、短絡した場合にキロ程に断重複の発生が避けられないという欠点がある。
【００１７】
路線情報を拠り所として位置検知を行う車体傾斜制御システム、デジタルＡＴＣ、ＣＡＲＡＴなどの制御システムは、正確な距離を必要とするため、キロ程を直接には用いない。例えば、車体傾斜制御システムでは、制御対象の曲線の位置を、基準とするＡＴＳ地上子からの距離で特定している。デジタルＡＴＣでは、すべてのＡＴＣ進路に固有の進路ＩＤを割り付け、進路内残距離との組み合わせで絶対位置を認識する〔非特許文献２〕。
【００１８】
また、ＣＡＲＡＴもこれに類似し、線路を節点で分割した枝を単位とする論理的なブロックのデータリンクで表現し、ブロック番号とブロック内距離により絶対位置を認識する。
【００１９】
以上のように、各システムではそれぞれ利用しやすい方法により、システムの要求レベルを満たす程度の在線位置識別を行い、制御に用いている。なお、これらのシステムでは、路線情報を拠り所としているため、工事等により変更の可能性のある地上設備と車両上の対応するデータとの整合性を維持しなければならない。
【００２０】
ＩＴＳ（高度道路交通システム）の中心に位置付けられている走行支援システム（ＡＨＳ）や歩行者ＩＴＳなどの様々なアプリケーションは、自動車や歩行者が道路上の位置を数１０ｃｍ程度の精度で把握することを前提とする。そのため、国土交通省国土技術政策総合研究所（以後、国総研と略す）高度情報化研究センターでは、国土マネジメントのための情報基盤の整備に向けた研究開発の一環として、道路線形や片勾配、歩道の段差などの道路構造物に関する１／５００程度の精度の高い道路地図データ（道路基盤データ）の構築方法について検討を進めている〔非特許文献３〕。
【００２１】
本発明は、上記状況に鑑み、連続性、完全性および信頼性の向上を図ることができるＧＰＳ測位による列車走行情報検出装置およびその列車走行情報検出方法を提供することを目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕ＧＰＳ測位による列車走行情報検出装置において、複数の鉄道車両からなる一編成の列車に分散配置された複数のＧＰＳアンテナと、このＧＰＳアンテナに接続されるＧＰＳ受信機と、このＧＰＳ受信機に接続される列車位置検知装置と、この列車位置検知装置に配置されるレール頭頂面の高さで３次元の線形を忠実に表現する軌道中心線と空間座標の中心（地球の中心）から前記軌道中心線上の位置に延ばした直線に対する偏角であるカント角を含む３次元線路マップと、レール頭頂面からのＧＰＳアンテナ高さを含むＧＰＳアンテナ設置位置情報とを格納する記憶装置と、前記ＧＰＳ受信機、列車位置検知装置を含む列車位置検知システム間を接続する車内ＬＡＮとを備え、前記列車上の複数のＧＰＳ受信機がそれぞれ少なくとも２機の衛星からのＧＰＳ信号を受信して、前記ＧＰＳアンテナ設置位置情報に基づき、前記列車位置検知装置が空間曲線である前記軌道中心線を前記レール頭頂面からのＧＰＳアンテナ高さと前記カント角により補正しながら測位計算を行うことにより、前記列車全体の在線位置と向きを把握することを特徴とする。
【００２３】
〔２〕上記〔１〕記載のＧＰＳ測位による列車走行情報検出装置において、前記列車上の異なるＧＰＳ受信機間の距離、高低角を不変、及び時計誤差を予測可能とすることにより、前記列車上の複数のＧＰＳ受信機が少なくとも１機の衛星からのＧＰＳ信号を受信してから全体として少なくとも異なる２機の衛星からのＧＰＳ信号を受信して、前記列車位置検知装置が測位計算を行うことを特徴とする。
【００２４】
〔３〕上記〔１〕記載のＧＰＳ測位による列車走行情報検出装置において、前記列車位置検知システムは慣性センサを有することを特徴とする。
【００２５】
〔４〕上記〔３〕記載のＧＰＳ測位による列車走行情報検出装置において、前記慣性センサは、角速度センサであることを特徴とする。
【００２６】
〔５〕上記〔３〕記載のＧＰＳ測位による列車走行情報検出装置において、前記慣性センサは、角速度センサおよび加速度センサであることを特徴とする。
【００２７】
〔６〕上記〔１〕記載のＧＰＳ測位による列車走行情報検出装置において、走行距離計を搭載させることを特徴とする。
【００２８】
〔７〕ＧＰＳ測位による列車走行情報検出方法において、複数の鉄道車両からなる一編成の列車に分散配置されたＧＰＳアンテナとＧＰＳ受信機と、列車位置検知装置と、レール頭頂面の高さで３次元の線形を忠実に表現する軌道中心線と空間座標の中心（地球の中心）から前記軌道中心線上の位置に延ばした直線に対する偏角であるカント角を含む３次元線路マップとを備え、前記列車上の複数のＧＰＳ受信機がそれぞれ少なくとも２機の衛星からのＧＰＳ信号を受信して、レール頭頂面からのＧＰＳアンテナ高さを含むＧＰＳアンテナ設置位置情報に基づき、前記列車位置検知装置が空間曲線である前記軌道中心線を前記レール頭頂面からのＧＰＳアンテナ高さと前記カント角により補正しながら測位計算を行うことにより、前記列車全体の在線位置と向きを把握することを特徴とする。
【００２９】
〔８〕上記〔７〕記載のＧＰＳ測位による列車走行情報検出方法において、前記列車上の異なるＧＰＳ受信機間の距離、高低角を不変、及び時計誤差を予測可能とすることにより、前記列車上の複数のＧＰＳ受信機が少なくとも１機の衛星からのＧＰＳ信号を受信してから全体として少なくとも異なる２機の衛星からのＧＰＳ信号を受信して、前記列車位置検知装置が測位計算を行うことを特徴とする。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００３１】
図１は本発明にかかる３次元線路マップの構造の模式図である。
【００３２】
この図において、ｘ，ｙ，ｚ軸を有する３次元空間内に線路１があり、この線路１は軌道中心線（点線）２で描くことができ、勾配３を有し、縦曲線４、直線５、緩和曲線６、円曲線７などを有する。また、空間座標の中心（地球の中心）から軌道中心線上の位置に延ばした直線に対する偏角であるカント角θを用いる。
【００３３】
〔１〕３次元線路マップを用いる列車のＧＰＳ測位の原理
まず、ここでは、３次元線路マップの利用を前提としてＧＰＳ測位を主体的に用いる列車位置検知方法について説明する。
【００３４】
通常のＧＰＳ測位では、観測点位置を３つの未知数ｘ，ｙ，ｚとし、ｉ番目の衛星の位置をｘsi，ｙsi，ｚsi、その衛星と観測点間の擬似距離をｒi 、およびＧＰＳ受信機の時計誤差による距離への影響をｓとすると、次式（１）が成立する〔非特許文献３〕。
【００３５】
ｒi ＝√〔（ｘ−ｘsi）2 ＋（ｙ−ｙsi）2 ＋（ｚ−ｚsi）2 〕＋ｓ…（１）
この場合、観測点の３次元の座標と受信機時計誤差の４つの未知数を求めるには４つの式が必要となり、そのため少なくとも４機の衛星を観測する必要がある。
【００３６】
一方、鉄道では、列車の移動が本質的に１次元であることからして、列車位置は（初期位置からの）移動距離ｄT により一意に定まり、その軌跡である線路は、空間曲線として次式（２）のように移動距離ｄT により助変数表示することができる。
【００３７】
γ（ｄT ）＝〔ｘ（ｄT ），ｙ（ｄT ），ｚ（ｄT ）〕 …（２）
線路に分岐箇所がないか、あったとしても分岐器の開通方向が分かっていれば、列車の移動は脱線しない限り式（２）をトレースするので、式（１）は列車上のＧＰＳ測位においては次式（３）のようになる。
【００３８】
ｒi ＝√｛〔ｘ（ｄT ）−Ｘsi〕2 ＋〔ｙ（ｄT ）−Ｙsi〕2 ＋〔ｚ（ｄT ）−Ｚsi〕2 ｝＋ｓ …（３）
ここで、ｘ（ｄT ）、ｙ（ｄT ）、ｚ（ｄT ）は、３次元の線路マップを用いれば、移動距離によって一意に定まる。従って、列車が３次元線路マップのうちの１本の線路上のどこかに在線していることが明らかである場合には、未知数はｄT とｓの２つのみとなる。つまり、未知数を求めるのに必要な式は２つであり、最低でも２機の衛星さえ観測できれば測位計算が可能となる。
【００３９】
図２は本発明にかかる３次元線路マップを用いる列車のＧＰＳ測位の原理の説明図である。
【００４０】
この図において、１１は列車、１２は線路、１３は軌道中心線（点線）、１４は第１の衛星、１５は第２の衛星である。
【００４１】
列車１１上のＧＰＳアンテナの移動軌跡を定めるには、線路１２側の情報として軌道中心線１３とカント角が最低限必要である。ここでは、軌道中心線１３はレール頭頂面の高さで、直線５、円曲線７、緩和曲線６、勾配３、縦曲線４といった３次元の線形（図１参照）を忠実に表現したものとする。カント角は、空間座標の中心（＝地球の中心）から軌道中心線上の位置に延ばした直線に対する偏角として与える。
【００４２】
図３は本発明にかかる列車位置検知装置の最小構成図である。
【００４３】
この図において、２１は列車に分散配置されたＧＰＳアンテナ、２２はＧＰＳ受信機、２３は列車位置検知装置、２４はその列車位置検知装置２３内の測位計算部、２５は線路の特定・トレース部、２６はレール面からのアンテナ高さ記憶装置、２７は３次元線路マップ記憶装置、２８は分岐方向の判断のための角速度センサである。
【００４４】
本列車位置検知装置２３の実装においては、図３に示すように、ＧＰＳ受信機２２は通常のものを用いるが、擬似距離を出力するように設定する。列車位置検知装置２３本体は、３次元線路マップ記憶装置２７に３次元線路マップを格納しており、空間曲線である軌道中心線をレール面からのアンテナ高さとカント角により補正しながら測位計算を行う。なお、分岐器の開通方向に関する情報が与えられないとすれば、分岐方向の判断のために角速度センサ２８が必要となる。
【００４５】
以上の構成により、ＧＰＳ測位に必要となる衛星が２個となり、従来のように４個の衛星を必要としていたのに比べると半減するため、信頼性が向上する。また、ＧＰＳ信号の異常などにより線路上に解が求められないような状況を認識できるため、完全性（インテグリティ）の向上にも寄与する。
【００４６】
建物等によるＧＰＳ信号の遮蔽が避けられない鉄道において、位置検知の連続性を維持するには、速度発電機や加速度センサなどのセンサを併用する方法が一般的である。なかでも、３次元線路マップとの相性がよいセンサは、加速度センサである。
【００４７】
図４は本発明にかかる列車位置検知装置の構成図である。
【００４８】
この実施例においては、第１実施例の装置に加速度センサ３１と線路のトレース部３２を追加したもので、線路のトレース部３２は、この加速度センサ３１からの情報と、角速度センサ２８からの情報を取り込み、列車の走行距離を積算して実際の走行距離を求めるほか、列車走行に伴い線形によって車両に加わる加速度・角速度を検出し、３次元線路マップを活用して線路上の位置をトレースするとともに、線路の特定・トレース部２５は、アンテナ高さ記憶装置２６と３次元線路マップ記憶装置２７からの情報に基づいて、線路の特定・トレースを行い、ＧＰＳ測位による線路の特定・トレース部２５と、慣性センサ（加速度センサ，角速度センサ）による線路のトレース部３２との比較照合・相互補完を行うように構成することができる。
【００４９】
すなわち、走行中、列車位置検知装置３０本体では、３次元線路マップ記憶装置２７からの３次元線路マップに基づくＧＰＳ測位とは独立して、加速度センサ３１、角速度センサ２８からなる慣性センサに基づく３次元線路マップのトレースを行う。これらの比較照合や相互補完により、第１実施例の構成にも増して完全性および信頼性を向上させることができる。
【００５０】
なお、上記列車位置検知装置は１個示されているが、１台の車両の場合は、その組を車両の前後に配置して、それぞれ少なくとも２個の衛星からのＧＰＳ信号を受信して情報の授受を行うことにより、鉄道車両の在線位置と向きを把握することができる。
【００５１】
図５は本発明の第１実施例を示す列車位置検知装置の構成図であり、図５（ａ）はその列車位置検知装置の全体構成図、図５（ｂ）はその位置検知装置の構成図である。
【００５２】
この実施例において、１０１は複数の車両１０１−１，１０１−２，…，１０１−ｎからなる列車、１１０は第１の列車位置検知システム、１１１はＧＰＳアンテナ、１１２はＧＰＳ受信機、１１３は列車位置検知装置、１１４は角速度センサ、１１５は加速度センサ、１２１は複数の車両１０１−１，１０１−２，…，１０１−ｎ内に配置される車内ＬＡＮ、１３０は第ｎの列車位置検知システム、１３１はＧＰＳアンテナ、１３２はＧＰＳ受信機、１３３は列車位置検知装置、１３４は角速度センサ、１３５は加速度センサである。
【００５３】
上記した列車位置検知装置１１３，１３３は、図５（ｂ）に示すように、受信機ＩＤ・疑似距離を入力して測位計算及びチェックを行う測位計算及びチェック部２０１、線路の特定・トレースを行う線路の特定・トレース部２０２、各センサの編成上の位置情報記憶装置２０３、３次元線路マップ記憶装置２０４、センサＩＤ・加速度とセンサＩＤ・角速度を取り込んで、線路のトレースを行う線路のトレース部２０５とを備えている。
【００５４】
１編成上に分散配置されたＧＰＳ受信機および各種センサの全てを活用し、編成全体の在線位置と向きを把握する。そのため、各機器を車内ＬＡＮ１２１に接続する。この構成では、各受信機、センサの編成上の設置位置が重要となることから、列車位置検知装置本体では、これらの位置把握と出力メッセージの識別を行う。従って、センサ、受信機側にも識別情報送出などの機能付加が必要となる。各運転台屋根上にＧＰＳアンテナ１１１，１３１が設置されるとすれば、単純に冗長構成になるということで信頼性が向上するだけでなく、編成長が長いほど同一要因（ビルとか駅の庇など）による遮蔽等の影響を受け難くなるという利点がある。
【００５５】
また、受信機時計が同期していれば、離れた運転台上の受信機が別々の衛星を１機ずつ捕捉できるような状況でも測位できる。
【００５６】
このような場合について、詳細に説明する。
【００５７】
列車の前後にＧＰＳ受信機を配置すると、ビルとか駅構内の庇などの軽微な遮蔽物があっても列車の前後では見晴らしが異なることにより、異なった衛星を捕捉可能である。ここでは、このように別のＧＰＳ受信機で受信した疑似距離を用いることで軽微な遮蔽によるＧＰＳ測位不能を避ける受信方式をとることができる。
【００５８】
図６はかかる列車において、３次元線路マップを測位計算に用いずＧＰＳ測位率を高める方法の説明図である。
【００５９】
この図に示すように、２台のＧＰＳ受信機による測位は８つの未知数を持つ。この未知数を既知のものとして追加することで必要な衛星数を減らしていくことができる。図６は４衛星まで減らしていけることを示している。
【００６０】
つまり、第１のＧＰＳ受信機と第２のＧＰＳ受信機との距離ｒ、高低角φを不変、時計誤差ｄt1，ｄt2を予測可能と仮定すると、３次元線路マップを測位計算に用いず４衛星でＧＰＳ測位が可能であり、慣性センサからの情報なしで、測位が可能である。換言すれば、これに加えて３次元線路マップを測位計算に用いれば、列車上の複数のＧＰＳ受信機が少なくとも１機の衛星からのＧＰＳ信号を受信してから全体として少なくとも異なる２機の衛星からのＧＰＳ信号を受信することにより、慣性センサからの情報なしで、測位が可能である。
【００６１】
そこで、以下に上記で不変及び予測可能とした未知数の予測方法について説明する。
【００６２】
（１）ＧＰＳ受信機の時計誤差の予測
真の時刻（この場合はＧＰＳ時刻）からＧＰＳ受信機の時刻はずれていく。しかし、単独測位を行うことで、そのＧＰＳ受信機の時計誤差を知ることができる。
【００６３】
ｒi ＝√〔（ｘi −ｘ0 ）2 ＋（ｙi −ｙ0 ）2 ＋（ｚi −ｚ0 ）2 〕−ｓ
…（４）
ここで、ｒi は疑似距離、（ｘ0 ，ｙ0 ，ｚ0 ）はＧＰＳ受信機の座標、
（ｘi ，ｙi ，ｚi ）はｉ番目の衛星の座標を示す。
【００６４】
４機の衛星を受信すると４個の方程式ができるので、（ｘ0 ，ｙ0 ，ｚ0 ）とＧＰＳ受信機の時計誤差ｓが求まる。
【００６５】
いま仮にＧＰＳ受信機が受信不能となって時計誤差を予測しようとすると、計算できた（予測できた）期間のｓの変化曲線から予測することになる。
【００６６】
一般のＧＰＳ受信機の時計精度は、１０-6程度であり、安定性もあまり良くない。
【００６７】
図７及び図８は実際のＧＰＳ受信機の時計誤差の変化を示す図であり、それぞれ上段に時計誤差、下段に時計誤差の変化率を示しており、図７はその長時間の変化を、図８はその短時間の変化を示して示している。
【００６８】
図８で１５分間のデータで予測した変化率を３０分のところまで延長すると、毎秒６ｍにも相当する予測はずれとなる。ＧＰＳ受信機の時計の精度を１０-8程度（十分実現可能な値）に高くすると、毎秒０．０６ｍ以内に予測は入ることになり、実用的な範囲での予測が可能である。
【００６９】
（２）ＧＰＳ受信機間の高低差の不変性
列車が高低差のある線路を登り降りすることでＧＰＳ受信機の高低差（高低角φ）が変化するが、これが期待する計測位置の誤差に比べ少なければこの条件は成り立つ。つまり、高低角φを受信できなくなった時の値に固定する。
【００７０】
（３）ＧＰＳ受信機間の距離の不変性
列車がカーブを曲がるとＧＰＳ受信機間の距離ｒが変化するが、これが期待する計測位置の誤差に比べて少なければ、この条件は成り立つ。つまり、距離ｒを受信できなくなった時の値に固定する。
【００７１】
このように、これらの値を仮定することで測位計算を行う。
【００７２】
図９は本発明の第２実施例の慣性センサなしでＧＰＳ測位率を高める列車位置検知方法を示す模式図である。
【００７３】
前述の方法で、第１のＧＰＳ受信機３０１と第２のＧＰＳ受信機３０２の時計誤差及び２点間のベクトルが予測できたとして、第２のＧＰＳ受信機３０２で受信した疑似距離を予測時計誤差で時計誤差を補正後、第１のＧＰＳ受信機３０１の場所で受信した疑似距離に変換する。
【００７４】
合計４個の衛星のデータがあれば、上記式（４）に値を代入して測位計算機３０３により演算を行い測位計算して測位することができる。換言すれば、これに加えて３次元線路マップを用いれば合計２個の衛星のデータがあれば、測位計算して測位することができる。この測位計算機３０３は高度な処理能力を必要としない。
【００７５】
このように、本発明では、列車編成が長いという特徴を利用して、ある測位地点では受信不能な衛星情報を他のＧＰＳ受信機で補い、より信頼性の高いＧＰＳ測位を行うことができる。
【００７６】
完全性の向上については、複数アンテナの位置関係に基づいて各受信機出力を相互にチェックすることが可能となる。また、複数のＧＰＳ受信機を異機種とすることで、バグ等による誤りを排除できる可能性がある。
【００７７】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００７８】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００７９】
（１）３次元線路マップを用いる列車のＧＰＳ測位においては、列車の前方、後方（方位）の中低仰角の２衛星を捕捉できる状況で最も測位精度が良くなる。鉄道では、トンネル前後を除くと通常は線路の前後方向の上空は開けているため、本発明を用いることにより、市街地や山間部などにおける測位精度、信頼性の飛躍的向上が期待できる。すなわち、本発明は、市街地が拡がり、山間部の多い日本の鉄道に適した方式であると言える。
【００８０】
（２）３機以上の衛星が捕捉できる場合は、航法システムのＲＡＩＭ（ｒｅｃｅｉｖｅｒ ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ）と同様にチェックに使えるため、完全性の向上につながる。また、３次元線路マップ上に測位解が求められない場合は、ＧＰＳ信号の異常とみなすことができるため、同様に完全性の向上につながる。
【００８１】
（３）トンネル内などＧＰＳ衛星を捕捉できない場合でも、３次元線路マップとの相性が良い慣性センサ（加速度センサ、角速度センサ）を用い、３次元線路マップとのマッチング処理を行うことによって、位置検知精度を向上させることができる。
【００８２】
（４）準天頂衛星が運用されれば、常時天頂付近に配置される衛星がＶＤＯＰ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｄｉｌｕｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ）改善に貢献するため、高度を含む３次元線路マップの有用性が高まる。
【００８３】
以上のように、本発明の列車位置検知装置は、既に提案した列車位置検知装置を更に改良して線路マップの３次元化により、ＧＰＳ測位の性能を向上させ、かつ慣性センサ（加速度センサ、角速度センサ）との親和性を高めることによって列車位置検知装置としての大幅な性能向上が見込めるものである。
【００８４】
また、精密な３次元線路マップは、準天頂衛星の運用により測位精度が向上し受信機が使いやすいものになれば、線路、周辺設備、構造物の絶対位置管理など多用途に利用できる可能性がある。但し、３次元線路マップを利用したアプリケーションが成立するには、国総研高度情報化研究センターにおいて取り組まれているようなデータ更新の枠組みの構築が極めて重要である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明にかかる３次元線路マップの構造の模式図である。
【図２】 本発明にかかる３次元線路マップを用いる列車のＧＰＳ測位の原理の説明図である。
【図３】 本発明にかかる列車位置検知装置の最小構成図である。
【図４】 本発明にかかる列車位置検知装置の構成図である。
【図５】 本発明の第１実施例を示す列車位置検知装置の構成図である。
【図６】 本発明の第２実施例の慣性センサなしでＧＰＳ測位率を高める方法の説明図である。
【図７】 実際のＧＰＳ受信機の時計誤差の変化（長時間の変化）を示す図である。
【図８】 実際のＧＰＳ受信機の時計誤差の変化（短時間の変化）を示す図である。
【図９】 本発明の第２実施例の慣性センサなしでＧＰＳ測位率を高める列車位置検知方法を示す模式図である。
【符号の説明】
１，１２ 線路
２，１３ 軌道中心線（点線）
３ 勾配
４ 縦曲線
５ 直線
６ 緩和曲線
７ 円曲線
１１，１０１ 列車
１４ 第１の衛星
１５ 第２の衛星
２１，１１１，１３１ 列車に分散配置されたＧＰＳアンテナ
２２，１１２，１３２ ＧＰＳ受信機
２３，３０，１１３，１３３ 列車位置検知装置
２４ 測位計算部
２５，２０２ 線路の特定・トレース部
２６ レール面からのアンテナ高さ記憶装置
２７，２０４ ３次元線路マップ記憶装置
２８，１１４，１３４ 角速度センサ
３１，１１５，１３５ 加速度センサ
３２，２０５ 線路のトレース部
１０１−１，１０１−２，…，１０１−ｎ 複数の車両
１１０ 第１の列車位置検知システム
１２１ 車内ＬＡＮ
１３０ 第ｎの列車位置検知システム
２０１ 測位計算及びチェック部
２０３ 各センサの編成上の位置情報記憶装置
３０１ 第１のＧＰＳ受信機
３０２ 第２のＧＰＳ受信機
３０３ 測位計算機
Claims (8)
- （ａ）複数の鉄道車両からなる一編成の列車に分散配置された複数のＧＰＳアンテナと、
（ｂ）該ＧＰＳアンテナに接続されるＧＰＳ受信機と、
（ｃ）該ＧＰＳ受信機に接続される列車位置検知装置と、
（ｄ）該列車位置検知装置に配置されるレール頭頂面の高さで３次元の線形を忠実に表現する軌道中心線と空間座標の中心（地球の中心）から前記軌道中心線上の位置に延ばした直線に対する偏角であるカント角を含む３次元線路マップと、レール頭頂面からのＧＰＳアンテナ高さを含むＧＰＳアンテナ設置位置情報とを格納する記憶装置と、
（ｅ）前記ＧＰＳ受信機、列車位置検知装置を含む列車位置検知システム間を接続する車内ＬＡＮとを備え、
（ｆ）前記列車上の複数のＧＰＳ受信機がそれぞれ少なくとも２機の衛星からのＧＰＳ信号を受信して、前記ＧＰＳアンテナ設置位置情報に基づき、前記列車位置検知装置が空間曲線である前記軌道中心線を前記レール頭頂面からのＧＰＳアンテナ高さと前記カント角により補正しながら測位計算を行うことにより、前記列車全体の在線位置と向きを把握することを特徴とするＧＰＳ測位による列車走行情報検出装置。 - 請求項１記載のＧＰＳ測位による列車走行情報検出装置において、前記列車上の異なるＧＰＳ受信機間の距離、高低角を不変、及び時計誤差を予測可能とすることにより、前記列車上の複数のＧＰＳ受信機が少なくとも１機の衛星からのＧＰＳ信号を受信してから全体として少なくとも異なる２機の衛星からのＧＰＳ信号を受信して、前記列車位置検知装置が測位計算を行うことを特徴とするＧＰＳ測位による列車走行情報検出装置。
- 請求項１記載のＧＰＳ測位による列車走行情報検出装置において、前記列車位置検知システムは慣性センサを有することを特徴とするＧＰＳ測位による列車走行情報検出装置。
- 請求項３記載のＧＰＳ測位による列車走行情報検出装置において、前記慣性センサは、角速度センサであることを特徴とするＧＰＳ測位による列車走行情報検出装置。
- 請求項３記載のＧＰＳ測位による列車走行情報検出装置において、前記慣性センサは、角速度センサおよび加速度センサであることを特徴とするＧＰＳ測位による列車走行情報検出装置。
- 請求項１記載のＧＰＳ測位による列車走行情報検出装置において、走行距離計を搭載させることを特徴とするＧＰＳ測位による列車走行情報検出装置。
- 複数の鉄道車両からなる一編成の列車に分散配置されたＧＰＳアンテナとＧＰＳ受信機と、列車位置検知装置と、レール頭頂面の高さで３次元の線形を忠実に表現する軌道中心線と空間座標の中心（地球の中心）から前記軌道中心線上の位置に延ばした直線に対する偏角であるカント角を含む３次元線路マップとを備え、前記列車上の複数のＧＰＳ受信機がそれぞれ少なくとも２機の衛星からのＧＰＳ信号を受信して、レール頭頂面からのＧＰＳアンテナ高さを含むＧＰＳアンテナ設置位置情報に基づき、前記列車位置検知装置が空間曲線である前記軌道中心線を前記レール頭頂面からのＧＰＳアンテナ高さと前記カント角により補正しながら測位計算を行うことにより、前記列車全体の在線位置と向きを把握することを特徴とするＧＰＳ測位による列車走行情報検出方法。
- 請求項７記載のＧＰＳ測位による列車走行情報検出方法において、前記列車上の異なるＧＰＳ受信機間の距離、高低角を不変、及び時計誤差を予測可能とすることにより、前記列車上の複数のＧＰＳ受信機が少なくとも１機の衛星からのＧＰＳ信号を受信してから全体として少なくとも異なる２機の衛星からのＧＰＳ信号を受信して、前記列車位置検知装置が測位計算を行うことを特徴とするＧＰＳ測位による列車走行情報検出方法。
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