JPH08201504A

JPH08201504A - Ｇｐｓ受信装置

Info

Publication number: JPH08201504A
Application number: JP937095A
Authority: JP
Inventors: Hisashi Kurokawa; 久黒河
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1995-01-25
Filing date: 1995-01-25
Publication date: 1996-08-09

Abstract

(57)【要約】【目的】測位誤差の推定値計算の処理時間が短縮でき
精度が向上できるＧＰＳ受信装置を提供することを目的
とする。【構成】疑似距離誤差分散推定手段４が疑似距離誤差
の分散を平均０の正規分布と仮定して推定し、測位計算
手段３がＧＰＳ衛星の配置の情報を検出する。これら疑
似距離誤差の分散推定値とＧＰＳ衛星の配置情報とに基
づいて、第１の測位誤差推定手段５が測位誤差の推定値
を出力するようにして、測位誤差の抽出に必要な計算回
数を減らす。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、地球を周回するＧＰＳ
衛星を利用して自己の位置および移動速度を求めるＧＰ
Ｓ受信装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ＧＰＳ（Global Positioning System ）
は、複数のＧＰＳ衛星の衛星信号（電波）を同時に受信
して、ＧＰＳ衛星からの航法メッセージ（軌道情報や時
刻情報など）を取得することによって、ＧＰＳ受信装置
の位置および移動速度を算出するシステムである。

【０００３】ＧＰＳ衛星とＧＰＳ受信装置との時計が正
確に合っていたとすると、ＧＰＳ衛星が電波を送信した
時刻とＧＰＳ受信装置がその電波を受信した時刻との差
に光速を掛けることによって、ＧＰＳ衛星とＧＰＳ受信
装置との相対的な距離を求めることができる。このよう
にして求められる距離を疑似距離という。

【０００４】また、航法メッセージのうちの軌道情報に
よって、ＧＰＳ衛星の絶対的な位置がわかる。よって、
原理的には、ＧＰＳ受信装置の位置を３次元で計算する
ためには、３つ以上のＧＰＳ衛星について、ＧＰＳ衛星
の位置と疑似距離とがわかればよい。

【０００５】実際には、ＧＰＳ衛星の時計とＧＰＳ受信
装置の時計との間には誤差があるので、その時計の誤差
を未知数とする。よって、４つ以上のＧＰＳ衛星に関す
る連立方程式を立てなければならない。このとき、ＧＰ
Ｓ受信装置の高度情報が得られる。また、２次元の位置
を計算するときには、３つ以上のＧＰＳ衛星の電波を受
信すればよい。

【０００６】しかし、計算された疑似距離には、大気層
遅延および電離層遅延による誤差や人為的に加えられる
誤差が含まれる。大気層遅延および電離層遅延による誤
差は、補正値による補正計算によってある程度除くこと
ができる。また、送信時にＧＰＳ衛星側で予測され得る
誤差は、アキュラシという形で航法メッセージの中に与
えられている。

【０００７】疑似距離の誤差のために、測位結果に誤差
が生じる（これを以下、測位誤差と称する）。そのた
め、ＧＰＳ受信装置と各ＧＰＳ衛星との疑似距離の誤差
をアキュラシや各補正値から推定し、この推定値とＧＰ
Ｓ衛星の配置の情報とから測位誤差を推定する。そし
て、測位誤差として考えられ得る測位誤差の最大値を出
力する。

【０００８】以下、上述した従来のＧＰＳ受信装置の一
例について、図面を参照しながら説明する。図４は従来
のＧＰＳ受信装置の構成を示すブロック図である。図４
において、１はＧＰＳアンテナ、２は衛星信号受信手
段、３は測位計算手段、６は疑似距離誤差推定手段、７
は第２の測位誤差推定手段である。

【０００９】図５は従来の測位誤差の推定値抽出方法を
示すフローチャートである。ステップ＃５１では、疑似
距離誤差推定手段６によって、疑似距離誤差を、アキュ
ラシ、大気層遅延による誤差、電離層遅延による誤差か
ら推定する。大気層遅延および電離層遅延による誤差は
それぞれの補正値と等しい値だけ見込む。アキュラシ、
大気層補正値、電離層補正値をそれぞれｕ_acu ＞０、ｕ
_tro ＞０、ｕ _ion ＞０とおいて、疑似距離誤差ｒが（式
１）のように表されると仮定する。

【００１０】

【数１】

【００１１】これは、図６に示すように、疑似距離の推
定値が疑似距離誤差ｒだけ過大に見積もられる場合を正
（ｒ＞０）と考え、過大に見積もられる場合（ｒ＞０）
と過小に見積もる場合（ｒ＜０）の二通りを考えるため
である。

【００１２】ステップ＃５２では、測位計算手段３によ
り、ＧＰＳアンテナ１を通じて、衛星信号受信手段２に
よって受信したＧＰＳ衛星からの衛星信号に基づいて、
ＧＰＳ衛星の配置を表す行列Ｈを求める。ここでは、原
点をＧＰＳ受信装置の位置とし、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の正
方向をそれぞれ北、東、天頂方向にとる。

【００１３】北（ｘ軸）を基準に東（ｙ軸）方向への回
転を正方向とする方位角をθ_azm とする。ＧＰＳ衛星ｉ
の方位角をθ_azmi、ＧＰＳ衛星ｉの仰角をθ_elvi、ＧＰ
Ｓ受信装置の測位計算に用いるＧＰＳ衛星の数をｎとす
ると、行列Ｈは、（式２）および（式３）のように表さ
れる。Ｈ＝（ｈ₁ 、ｈ₂ 、…、ｈ_n ）^T ・・・（式２）ただし、

【００１４】

【数２】

【００１５】ステップ＃５３では、第２の測位誤差推定
手段７により測位誤差を計算して推定する。ＧＰＳ衛星
ｉの疑似距離誤差をｒ_i とし、ｒ＝（ｒ₁ 、ｒ₂ 、…、
ｒ_n）^T とする。

【００１６】測位誤差をｅとして、そのｘ軸、ｙ軸、ｚ
軸成分をｅ_x 、ｅ_y 、ｅ_z とし、ＧＰＳ衛星の時計を基
準としたときのＧＰＳ受信装置の時計の誤差をｅ_t とし
て、ｅ＝（ｅ_x 、ｅ_y 、ｅ_z 、ｅ_t ）^T とおくと、ｅ＝（Ｈ^T Ｈ）^-1Ｈ^T ｒ・・・（式４）Ｇ＝（Ｈ^T Ｈ）^-1Ｈ^T とおくと、（式４）より（式５）
が求められる。ｅ＝Ｇｒ・・・（式５）Ｇの１行ｉ列目の元をα₁ とおき、２行ｉ列目の元をβ
₁ 、Ｐ＝（ｅ_x 、ｅ_r）^T とおくと、

【００１７】

【数３】

【００１８】（式１）より求めたＧＰＳ衛星ｉの疑似距
離誤差の推定値ｒ_Siを用いて、（式４）、（式５）およ
び（式６）に基づいて、（式７）に示す測位誤差の推定
値ｕ _S を出力する。

【００１９】

【数４】

【００２０】ステップ＃５４では、第２の測位誤差推定
手段７により測位誤差ｅの値が最大値であるかどうか判
断する。一つのＧＰＳ衛星について、疑似距離誤差の推
定値ｒ_Siが正の場合（ｒ_Si＞０）と負の場合（ｒ_Si＜
０）の二通りについて計算を行わなければならないた
め、ｎ個のＧＰＳ衛星を測位計算に用いたときの測位誤
差の最大値を計算するには、２ⁿ ／２通りの計算が必要
である。

【００２１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記のよ
うな従来のＧＰＳ受信装置では、測位誤差の最大値の計
算を行う場合、測位計算に用いるＧＰＳ衛星の数が多く
必要となり、そのため、処理回数が多くなり処理時間が
かかってしまうという問題点を有していた。

【００２２】また、測位誤差の最大値を求めて測位誤差
の推定値を計算しているため、過大評価されることが多
く、測位誤差の推定値計算の精度が悪くなるという問題
点をも有していた。

【００２３】本発明は、上記課題に鑑み、測位誤差の推
定値を計算する場合に、その処理時間を短縮することが
できるとともに、精度を向上することができるＧＰＳ受
信装置を提供することを目的とする。

【００２４】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明のＧＰＳ受信装置は、ＧＰＳアンテナを通じ
て受信したＧＰＳ衛星からの衛星信号に基づいて、測位
計算手段により自己を測位するＧＰＳ受信装置におい
て、前記測位計算手段を、前記衛星信号の自己への伝搬
時間とデータとに基づいて、ＧＰＳ衛星の配置情報を検
出するよう構成し、前記衛星信号の航法メッセージ中の
精度情報と大気層補正値と電離層補正値とに基づいて、
自己とＧＰＳ衛星間の疑似距離に対する誤差の分散を推
定する疑似距離誤差分散推定手段と、前記疑似距離に対
する誤差の分散の推定値とＧＰＳ衛星の配置情報とに基
づいて、前記測位計算手段の前記測位の結果に対する測
位誤差を推定する測位誤差推定手段とを備えた構成とす
る。

【００２５】

【作用】上記の構成によると、疑似距離誤差分散推定手
段が疑似距離誤差の分散を平均０の正規分布と仮定して
推定し、測位計算手段がＧＰＳ衛星の配置の情報を検出
する。

【００２６】これら疑似距離誤差の分散推定値とＧＰＳ
衛星の配置情報とに基づいて、測位誤差推定手段が測位
誤差の推定値を出力する。このようにして、測位誤差の
抽出に必要な計算回数を減らす。

【００２７】

【実施例】以下、本発明の実施例のＧＰＳ受信装置につ
いて、図面を参照しながら説明する。

【００２８】図１は本実施例におけるＧＰＳ受信装置の
構成を示すブロック図である。図１において、１はＧＰ
Ｓアンテナ、２は衛星信号受信手段、３は測位計算手
段、４は疑似距離誤差分散推定手段、５は測位誤差推定
手段としての第１の測位誤差推定手段である。

【００２９】図２は測位誤差の推定値抽出方法を示すフ
ローチャートである。ステップ＃２１では、図３に示す
ように、ＧＰＳ衛星ｉの疑似距離誤差ｒ_i が（式８）に
示すような平均０、分散σ_i ²の正規分布をすると仮定し
て、疑似距離誤差分散推定手段４により分散σ_i ²を推定
する。ｒ_i 〜Ｎ（０、σ_i ²）・・・（式８）また、ＧＰＳ衛星ｉとＧＰＳ衛星ｊ（ｉ≠ｊ）の疑似距
離誤差の間には相関がないと仮定する。

【００３０】まず、アキュラシによって表される誤差、
大気層補正誤差、電離層補正誤差をそれぞれｅ_acu 、ｅ
_tro 、ｅ_ion とし、アキュラシ、大気層補正値、電離層
補正値の値をそれぞれｕ_acu 、ｕ_tro 、ｕ_ion とおい
て、（式９）が成り立つと仮定する。

【００３１】

【数５】

【００３２】ただし、ｋ₁ 、ｋ₂ 、ｋ₃ は定数である。
ここで、ｅ_acu 、ｅ_tro 、ｅ_ion は互いに無相関であ
り、疑似距離誤差の分散σ_i ²が（式１０）のように表さ
れると仮定する。

【００３３】

【数６】

【００３４】ただし、ｋ₄ は定数であり、ｒ_i がｅ
_acu 、ｅ_tro 、ｅ_ion によって表しきれなかった部分の
誤差の分散に相当する。（式１０）の定数ｋ₁ 、ｋ₂ 、
ｋ₃ 、ｋ₄ は、あらかじめ疑似距離誤差が測定できるよ
うな条件で、疑似距離誤差と（式１０）の右辺の各変数
の値のデータを十分に採取することによって、重回帰分
析などを用いて推定する。

【００３５】ステップ＃２２では、測位計算手段３によ
り、ＧＰＳ衛星の配置を表す行列Ｈを求める。求め方
は、従来例に示した方法と同様であるので、ここでは説
明を省略する。

【００３６】ステップ＃２３では、第１の測位誤差推定
手段５により、測位誤差をｅとして推定する。ＧＰＳ衛
星ｉの疑似距離誤差をｒ_i とし、ｒ＝（ｒ₁ 、ｒ₂ 、
…、ｒ _n ）^T とすると（ｎはＧＰＳ衛星数）、ｒと測位
誤差ｅ＝（ｅ_x 、ｅ_r 、ｅ_z 、ｅ_t ）^T の関係は（式１
１）で表される。ｅ＝（Ｈ^T Ｈ）^-1Ｈ^T ｒ・・・（式１１）Ｇ＝（Ｈ^T Ｈ）^-1Ｈ^T とおくと、（式１１）より（式１
２）が求められる。ｅ＝Ｇｒ・・・（式１２）Ｇの１行ｉ列目の元をα_i とし、２行ｉ列目の元をβ_i
とし、Ｐ＝（ｅ_x 、ｅ _y ）^T 、ａ_n ＝（α_n 、β_n ）^T
ｒ_n とすると、（式１３）が求められる。Ｐ＝ａ₁ ＋ａ₂ ＋…＋ａ_n ・・・（式１３）ここで、Ｅ［ｘ］を確率変数ｘの期待値とすると（式１
４）が成り立つ。

【００３７】

【数７】

【００３８】ただし、ａ_i とａ_j が互いに無相関であ
り、（式１５）が成り立つという仮定を用いている。Ｅ［ａ_i ・ａ_j ］＝０・・・（式１５）ただし、（式１５）において（ｉ≠ｊ）とする。

【００３９】（式１０）より求めたＧＰＳ衛星ｉの疑似
距離誤差の分散の推定値σ_Si ² を用いて、（式１６）に
示す測位誤差の推定値ｕ_S を出力する。

【００４０】

【数８】

【００４１】このように、疑似距離誤差が平均０の正規
分布をすると仮定し、その分散をアキュラシ、大気層補
正値、電離層補正値を用いて推定し、推定されたこの分
散をもとに、測位誤差の期待値をとることによって、仮
定が正しいときには測位誤差の推定値の精度を向上させ
ることができる。また、本手段を用いることによって、
従来の繰り返し計算の必要はなくなり、計算回数が減る
ため計算時間を短縮することができる。

【００４２】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、疑似距離
誤差分散推定手段は疑似距離誤差の分散を平均０の正規
分布と仮定して推定し、測位計算手段はＧＰＳ衛星の配
置の情報を検出し、これら疑似距離誤差の分散推定値と
ＧＰＳ衛星の配置情報とに基づいて、測位誤差推定手段
は測位誤差の推定値を出力することができる。

【００４３】そのため、測位誤差の抽出に必要な計算回
数を減らすことができる。その結果、測位誤差の推定値
を計算する場合に、その処理時間を短縮することができ
るとともに、精度を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例のＧＰＳ受信装置のブロック図

【図２】同実施例の動作を説明するためのフローチャー
ト

【図３】同実施例の疑似距離誤差分散推定手段の動作説
明図

【図４】従来のＧＰＳ受信装置のブロック図

【図５】同従来例の動作を説明するためのフローチャー
ト

【図６】同従来例の疑似距離誤差推定手段の動作説明図

【符号の説明】

３測位計算手段４疑似距離誤差分散推定手段５第１の測位誤差推定手段

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ＧＰＳアンテナを通じて受信したＧＰＳ
衛星からの衛星信号に基づいて、測位計算手段により自
己を測位するＧＰＳ受信装置において、前記測位計算手
段を、前記衛星信号の自己への伝搬時間とデータとに基
づいて、ＧＰＳ衛星の配置情報を検出するよう構成し、
前記衛星信号の航法メッセージ中の精度情報と大気層補
正値と電離層補正値とに基づいて、自己とＧＰＳ衛星間
の疑似距離に対する誤差の分散を推定する疑似距離誤差
分散推定手段と、前記疑似距離に対する誤差の分散の推
定値とＧＰＳ衛星の配置情報とに基づいて、前記測位計
算手段の前記測位の結果に対する測位誤差を推定する測
位誤差推定手段とを備えたＧＰＳ受信装置。