專利名稱：移動體定位裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及恰當地估計電離層延遲誤差來定位移動體位置的移動體定位裝置。

背景技術：
以往公開有以下技術在具有GPS接收機和GPS服務器的衛(wèi)星定位系統(tǒng)中，在GPS服務器側接收如日出、正午、以及日落這樣的與電離層的變化同時產生的斷續(xù)的電離層信息，生成電離層模型來估計電離層誤差，并將關于所估計出的電離層誤差的信息提供給GPS接收機(例如，參照專利文獻1)。
專利文獻1日本專利文獻特表2005-517931號公報。


發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的問題 目前，能夠獲得各種用于估計電離層誤差的、關于電離層狀態(tài)的信息(例如，從修正系數到電離層模型或電離層電子數等信息)，但是以往未提出關于將這些信息在考慮了其特性的情況下恰當地加以利用的方法。
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種能夠恰當地利用與電離層狀態(tài)有關的各種信息而高精度地估計出電離層延遲誤差并進行修正的移動體定位裝置。
用于解決問題的手段 為了達到上述目的，第一發(fā)明的移動體定位裝置的特征在于，包括 第一電離層狀態(tài)信息接收單元，接收與預測出的、直到當前時點之后的時點的電離層狀態(tài)相關的信息； 第二電離層狀態(tài)信息接收單元，接收與當前時點的電離層狀態(tài)相關的信息； 電離層延遲誤差估計單元，估計電離層延遲誤差；以及 定位單元，基于來自衛(wèi)星的無線電波的接收結果和所述估計出的電離層延遲誤差來定位移動體位置； 其中，所述電離層延遲誤差估計單元基于根據所述第二電離層狀態(tài)信息導出的第二電離層延遲誤差來修正根據所述第一電離層狀態(tài)信息導出的第一電離層延遲誤差，由此估計出所述電離層延遲誤差。
第二發(fā)明在第一發(fā)明的移動體定位裝置的基礎上具有以下特征 所述電離層延遲誤差估計單元對根據所述第一電離層狀態(tài)信息導出的第一電離層延遲誤差和根據所述第二電離層狀態(tài)信息導出的第二電離層延遲誤差分別賦予加權系數來進行加權平均，由此估計出所述電離層延遲誤差。
第三發(fā)明在第二發(fā)明的移動體定位裝置的基礎上具有以下特征 賦予所述第一電離層延遲誤差的加權系數根據從所述第一電離層狀態(tài)信息的接收時刻開始經過的時間而被改變，所述經過的時間長時的所述加權系數被設定為比所述經過的時間短時的所述加權系數大的值。
第四發(fā)明在第一至三發(fā)明中的任一發(fā)明的移動體定位裝置的基礎上具有以下特征所述第一電離層狀態(tài)信息為GIM(Global Ionosphere Map)數據， 所述第二電離層狀態(tài)信息為導航信息所包含的電離層修正系數。
第五發(fā)明在第四發(fā)明的移動體定位裝置的基礎上具有以下特征 所述第一電離層狀態(tài)信息接收單元從外部中心站接收所述GIM數據。
第六發(fā)明在第四發(fā)明的移動體定位裝置的基礎上具有以下特征 將所述電離層修正系數應用于Klobuchar模型而導出所述第二電離層延遲誤差。
發(fā)明的效果 根據本發(fā)明，可以提供一種能夠恰當地利用與電離層狀態(tài)有關的各種信息而高精度地估計出電離層延遲誤差并進行修正的移動體定位裝置。



圖1是表示應用本發(fā)明的移動體位置定位裝置的GPS的整體構成的系統(tǒng)構成圖； 圖2是簡要地表示裝載在圖1的車輛90上的GPS接收機1的一個實施例的系統(tǒng)構成圖； 圖3是表示世界(world)坐標系與局部(local)坐標系的關系的圖； 圖4是概念性地表示第一電離層延遲誤差ΔI1、第二電離層延遲誤差ΔI2、以及電離層延遲誤差ΔI的關系的圖； 圖5中的(A)是概念性地表示以往的定位方法下的GPS衛(wèi)星10的可用性(availability)的圖，(B)是概念性地表示本實施例的定位方法下的GPS衛(wèi)星10的可用性的圖； 圖6中的(A)是表示以往的定位方法下的定位精度的圖，(B)是表示本實施例的定位方法下的定位精度的圖。
標號說明 1 GPS接收機 10 GPS衛(wèi)星 20 接收部 30 濾波器 40 定位計算部 50 電離層延遲誤差估計部 60 衛(wèi)星位置計算部 70 通信部 80 外部中心站(center) 90 車輛
具體實施例方式 以下，參照附圖來說明用于實施本發(fā)明的最佳方式。
圖1是表示應用本發(fā)明的移動體位置定位裝置的GPS(GlobalPositioning System，全球定位系統(tǒng))的整體構成的系統(tǒng)構成圖。如圖1所示，GPS包括圍繞地球旋轉的GPS衛(wèi)星10和位于地球上并能夠在地球上移動的車輛90。另外，車輛90只是移動體的一個例子，作為其它的移動體，可以是摩托車、軌道車、船舶、航空器、叉車、機器人、以及隨著人的移動而一起移動的便攜式電話等信息終端等。
GPS衛(wèi)星10向地球持續(xù)地廣播導航信息(衛(wèi)星信號)。在導航信息中包含時鐘的修正值、電離層的修正系數、以及與對應的GPS衛(wèi)星10有關的衛(wèi)星軌道信息(星歷表和歷書)。導航信息通過C/A碼被擴展并被承載在L1波(頻率1575.42MHz)上而被向地球持續(xù)地廣播。另外，L1波是以C/A碼調制后的Sin波和以P碼(Precision Code，精測距碼)調制后的Cos波的合成波，該L1波被進行了正交調制。C/A碼和P碼是偽噪聲(Pseudo Noise)碼，是—1和1不規(guī)則地周期性排列的碼串。
另外，目前24個GPS衛(wèi)星10在高度約為20,000Km的上空圍繞著地球一周，各4個的GPS衛(wèi)星10均等地配置在各自相差55度而傾斜的6個環(huán)地軌道平面上。因此，只要是天空敞開的處所，不管處于地球上的任何位置都始終能夠觀測到至少5個以上的GPS衛(wèi)星10。
在車輛90上裝載有作為移動體位置定位裝置的GPS接收機1。如以下詳細說明的那樣，GPS接收機1根據來自GPS衛(wèi)星10的衛(wèi)星信號來定位車輛90的位置。
圖2是簡要地表示裝載在圖1的車輛90上的GPS接收機1的一個實施例的系統(tǒng)構成圖。在圖2中，為了避免復雜的說明，只表示了一個GPS衛(wèi)星101(下標為衛(wèi)星序號)。這里，代表性地說明與來自GPS衛(wèi)星101的衛(wèi)星信號有關的信號處理。關于來自GPS衛(wèi)星101的衛(wèi)星信號的信號處理與關于來自GPS衛(wèi)星102、103等的衛(wèi)星信號的信號處理實質上相同。實際上，對來自能夠觀測到的各GPS衛(wèi)星101、102、103等的衛(wèi)星信號并行(同步)地執(zhí)行以下說明的關于衛(wèi)星信號的信號處理。
如圖2所示，本實施例的GPS接收機1作為主要的功能部而包括接收部20、濾波器30、定位計算部40、電離層延遲誤差估計部50、衛(wèi)星位置計算部60、以及通信部70。
接收部20經由GPS天線22接收從GPS衛(wèi)星101發(fā)送的衛(wèi)星信號，使用在內部生成的復制(replica)C/A碼來進行C/A碼同步，提取出導航信息。C/A碼同步的方法有多種，可以采用任意的恰當的方法。例如，可以采用以下方法使用DDL(Delay-Locked Loop，延遲鎖定環(huán))來跟蹤復制C/A碼與所接收的C/A碼的相關值變?yōu)榉逯档拇a相位。只要導航信息被更新，接收部20就將包含在導航信息中的電離層修正系數提供給電離層延遲誤差估計部50。
另外，接收部20根據對來自GPS衛(wèi)星101的衛(wèi)星信號的接收結果計算出GPS衛(wèi)星101與車輛90(準確地說是GPS接收機1)之間的虛擬距離ρ’。虛擬距離ρ’不同于GPS衛(wèi)星101與車輛90之間的真實距離，其中含有時鐘誤差(clock bias)和如電離層延遲誤差這樣的由于無線電波傳播速度的變化而導致的誤差。另外，關于符號，對虛擬距離ρ標注的“’”表示未執(zhí)行后述的濾波處理。
這里，例如可以如下計算出相對于GPS衛(wèi)星101的虛擬距離ρ’。
ρ’＝N×300 這里，N相當于GPS衛(wèi)星101與車輛90之間的C/A碼的比特數，根據復制C/A碼的相位和GPS接收機1內部的接收機時鐘來計算該N。另外，數值300的由來是C/A碼的1比特的長度為1μs，與1比特相當的長度約為300m(1μs×光速)。表示這樣計算出的虛擬距離ρ’的信號被輸入給濾波器30。
另外，接收部20具有測定衛(wèi)星信號的載波相位的功能，并具有使用在內部生成的復制載波來測定所接收的發(fā)生了多普勒頻移的載波的多普勒頻率變化量Δf的功能。多普勒頻率變化量Δf作為復制載波的頻率fr與已知的載波頻率fc(1575.42MHz)的差(＝fr—fc)而被測定。該功能通過PLL(Phase-Locked Loop)來實現，其中所述PLL使用復制載波來計算載波相關值并跟蹤接收載波。表示多普勒頻率變化量Δf的信號被輸入給濾波器30。
濾波器30使用多普勒頻率變化量ΔfL1對虛擬距離ρ’執(zhí)行濾波處理。在濾波器30中，例如按照以下的計算式子來導出濾波處理后的虛擬距離ρ。
[式1] 這里，(i)表示這次的值，(i—1)表示上次的值，M為加權系數。M的值是在考慮了精度和響應性的情況下被適當地決定的。ΔV是GPS衛(wèi)星101與車輛90之間的相對速度Δ，使用計測出的多普勒頻率變化量Δf并例如通過以下的關系式來計算該ΔV。
Δf＝ΔV·fc/(c—ΔV) 這里，c為光速。另外，濾波器30中的濾波(smoothing)也可以使用上述式1所示的Hatch濾波器以外的濾波器、例如卡爾曼濾波器來實現。表示濾波處理后的虛擬距離ρ的信號被輸入給定位計算部40。
衛(wèi)星位置計算部60根據導航信息的衛(wèi)星軌道信息和當前的時間計算出GPS衛(wèi)星101在世界坐標系中的當前位置(X1、Y1、Z1)。另外，GPS衛(wèi)星101是人造衛(wèi)星之中的一個，因此其運動被限定在包括地球重心的確定的面內(軌道平面)。另外，GPS衛(wèi)星101的軌道是將地球重心作為一個焦點的橢圓運動，可以通過逐次數值計算開普勒方程式來計算軌道平面上的GPS衛(wèi)星101的位置。另外，考慮到GPS衛(wèi)星101的軌道平面與世界坐標系的赤道面具有旋轉關系，可以通過對軌道平面上的GPS衛(wèi)星101的位置進行三維的旋轉坐標變換來獲得GPS衛(wèi)星101的位置(X1、Y1、Z1)。另外，如圖3所示，通過將地球重心作為原點并在赤道面內相互正交的X和Y軸、以及與該兩軸正交的Z軸來定義世界坐標系。表示衛(wèi)星位置(X1、Y1、Z1)的信號被輸入給定位計算部40。
通信部70經由天線72從外部中心站80獲得全球性的電離層分布數據、即GIM(Global Ionosphere Map，全球電離層地圖)。伯爾尼大學(CODECenter for Orbit Determination in Europe)通過因特網公開了GIM。GIM數據包含根據過去的電離層分布數據、過去的實測電離層分布數據預測出的一定時間之后(一日之后)的預測電離層分布數據，這里利用一定時間之后的預測電離層分布數據。在該情況下，通信部70例如在GPS接收機1啟動時獲取最新的GIM數據，此后只要GPS接收機1繼續(xù)工作，則每當最新的GIM數據被更新了(每經過上述的一定時間)時獲取最新的GIM數據即可。通過通信部70獲取的GIM數據被提供給電離層延遲誤差估計部50。
電離層延遲誤差估計部50根據從通信部70提供的GIM數據和從接收部20提供的電離層修正系數來估計電離層延遲誤差ΔI。電離層延遲誤差ΔI是無線電波從GPS衛(wèi)星101通過電離層時由于受到折射率的影響而產生的傳播速度的變化所導致的誤差。公知該電離層延遲誤差ΔI一般來說正比于傳播路徑上的總電子數(TEC)并反比于載波頻率的平方。
具體的電離層延遲誤差估計方法可以如下來實現。
首先，電離層延遲誤差估計部50根據GIM數據來估計電離層延遲誤差。以下，將這樣根據GIM數據估計出的電離層延遲誤差稱為“第一電離層延遲誤差ΔI1”。第一電離層延遲誤差ΔI1具有以下特性精度高，但是由于GIM數據的更新周期長(例如一日)，因此可靠性隨著時間的經過而降低。
另一方面，電離層延遲誤差估計部50將電離層修正系數應用于預先準備的電離層模型(典型的是Klobuchar模型)來估計定位點(車輛90的位置)的垂直延遲量。接著，電離層延遲誤差估計部50通過使垂直延遲量反映GPS衛(wèi)星101的仰角(衛(wèi)星仰角)來導出斜距方向(slant rangedirection)的延遲量(相當于電離層延遲誤差)。以下，將這樣根據來自接收部20的電離層修正系數估計出的電離層延遲誤差稱為“第二電離層延遲誤差ΔI2”。第二電離層延遲誤差ΔI2具有以下特性精度低于第一電離層延遲誤差ΔI1，但是由于基于當前的電離層狀態(tài)生成的電離層修正系數包含在導航信息中，因此實時性優(yōu)越。另外，關于Klobuchar模型，例如在J.Klobuchar“Design and characteristics of the GPS ionospheric timedelay algorithm for single frequency users”，Proc.Position Location andNavigation Symposium，1986”中有記載，也可以使用在此基礎上進行了各種改進的模型。
電離層延遲誤差估計部50結合如上述那樣通過相互獨立的模型導出的第一電離層延遲誤差ΔI1和第二電離層延遲誤差ΔI2來估計電離層延遲誤差ΔI。該結合例如可以如下來實現。
ΔI＝α·ΔI1+(1—α)·ΔI2 這里，α為加權系數，|α|<1。α可以為固定值，但優(yōu)選的是α為隨時間變化的可變值。具體地說，可以通過下式來決定。
α＝1—t/ΔT 式(1) 這里，ΔT為GIM數據的更新周期(在本例子中為1日)，t表示從最接近的GIM數據的更新時點到當前時點所經過的時間。因此，如圖4概念性地表示的那樣，隨著從最接近的GIM數據的更新時點到當前時點的經過時間的延長，對第一電離層延遲誤差ΔI1的加權變小，并且對第二電離層延遲誤差ΔI2的加權變大。這是出于以下考慮GIM數據的更新周期長，可靠性隨著更新后的時間的經過而降低，另一方面第二電離層延遲誤差ΔI2由于基于實時信息而不容易受到時間經過的影響。另外，上述式(1)是α隨著從最接近的GIM數據的更新時點到當前時點的時間的經過而連續(xù)地減小的式子，但是也可以采用α隨著從最接近的GIM數據的更新時點到當前時點的時間的經過而不連續(xù)地減小的式子。表示這樣導出的電離層延遲誤差ΔI的信號被輸入給定位計算部40。
定位計算部40根據衛(wèi)星位置的計算結果、電離層延遲誤差ΔI、以及從接收部20提供的虛擬距離ρ的計算結果來定位車輛90的位置(Xu，Yu，Zu)。具體地說，可以使用以下的關系式。


式(2) 這里，w表示電離層延遲誤差ΔI以外的誤差(主要為時鐘誤差)。另外，該式是關于GPS衛(wèi)星101的關系式，但是對其它的能夠觀測到的GPS衛(wèi)星10也可以使用相同的關系式?？梢詫⑨槍?個GPS衛(wèi)星10如上述那樣估計出的各電離層延遲誤差ΔI代入到3個GPS衛(wèi)星10的式(2)的ΔI中，使用針對該3個GPS衛(wèi)星10得出的各虛擬距離ρ和衛(wèi)星位置，通過三角測量原理來導出車輛90的位置。在該情況下，虛擬距離ρ如上述那樣包含時鐘誤差，因此使用針對第四個GPS衛(wèi)星10得出的虛擬距離ρ、電離層延遲誤差ΔI、以及衛(wèi)星位置來除去時鐘誤差。
定位計算部40的定位周期例如可以為觀測周期(例如1ms)或預定的觀測周期(例如50ms或100ms)。定位結果例如被提供給未圖示的導航系統(tǒng)。
下面，使用概念圖來說明以上說明的本實施例的電離層延遲誤差估計方法的有用性。
圖5的(A)是表示以往的定位方法下的GPS衛(wèi)星10的可用性的圖，圖5的(B)是表示本實施例的定位方法下的GPS星10的可用性的圖。在圖5的(A)和(B)中，劃線區(qū)域表示該GPS衛(wèi)星10可用于定位計算。
在以往的定位方法下(在不使用GIM數據的情況下)，如圖5的(A)所示，在區(qū)間A(7至10之間的3個小時)中，很多GPS衛(wèi)星10為低仰角，由于低仰角遮蔽(mask)而無法利用。
相反，在本實施例中，如圖5的(B)所示，在區(qū)間A中，雖然很多GPS衛(wèi)星10為低仰角，但是能夠使用來自這些低仰角GPS衛(wèi)星10的衛(wèi)星信號來進行定位。這意味著如上所述，在本實施例中能夠通過GIM數據來估計電離層延遲誤差并進行修正，因此即使在電離層延遲誤差大的低仰角下也能夠維持高精度的定位。
圖6的(A)是表示以往的定位方法下的定位精度的圖，圖6的(B)是表示本實施例的定位方法下的定位精度的圖。在圖6的(B)中，作為參考，表示僅使用GIM數據時的定位精度的曲線由實線表示，表示如本實施例那樣根據第一電離層延遲誤差ΔI1和第二電離層延遲誤差ΔI2來估計電離層延遲誤差ΔI時(即，并用了GIM數據和Klobuchar模型時)的定位精度的曲線由單點劃線表示。
在以往的定位方法下(在不使用GIM數據的情況下)，如圖6的(A)所示，在圖5的(A)所示的區(qū)域A中，由于無法使用低仰角的GPS衛(wèi)星10，因此定位精度大幅地降低。
另一方面，當通過GIM數據來估計電離層延遲誤差時，如圖6的(B)中的實線曲線所示，由于在區(qū)間A中也能夠利用低仰角的GPS衛(wèi)星10，因此能夠維持高精度的定位。但是，在該情況下，如圖6的(B)中的實線曲線所示，當從最接近的GIM數據的更新時點(與橫軸的刻度0相對應的位置)經過了時間時(例如，參照經過了10小時以上的區(qū)間)，由于GIM數據的可靠性下降，因此定位精度多少會下降。
相反，在本實施例中，由于通過GIM數據來估計電離層延遲誤差，因此如圖6的(B)中的單點劃線曲線所示，即使在區(qū)間A中也能夠利用低仰角的GPS衛(wèi)星10，因此能夠維持高精度的定位。并且，在從最接近的GIM數據的更新時點(與橫軸的刻度0相對應的位置)經過了時間時(例如，參照經過了10小時以上的區(qū)間)，通過并用第一電離層延遲誤差ΔI1和第二電離層延遲誤差ΔI2(在特別優(yōu)選的實施例中通過使對第二電離層延遲誤差ΔI2的加權變大)，也防止了由于GIM數據的可靠性隨著時間經過而下降所導致的定位精度的降低。
如上所述，根據本實施例，尤其能夠取得以下的優(yōu)良效果。
通過如上述那樣有效地利用GIM數據和Klobuchar模型的各自特性的優(yōu)點來并用兩者，能夠實現使用了低仰角GPS衛(wèi)星10的高精度的定位并防止從GIM數據被更新后經過了長時間之后可能出現的定位精度的降低。
以上詳細地說明了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但是本發(fā)明不限于上述實施例，可以在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下對上述實施例進行各種變形和替換。
例如，在上述實施例中，當GPS接收機1為能夠接收L1波和L2波這兩者的雙頻接收機時，可以根據雙頻數據來估計電離層模型并估計電離層延遲誤差。
另外，在上述實施例中使用了在目前的GPS環(huán)境下適用的兩個電離層模型(GIM和Klobuchar模型)，但是如果將來能夠利用具有相同特性的電離層模型，則可以替代性地同樣地使用這些電離層模型。另外，還可以應用對GIM或Klobuchar模型進行了各種改進或變形而得到的電離層模型。
另外，在上述實施例中，由外部中心站80經由因特網獲取的GIM數據被傳送給車輛90，但是也可以采用其它方式。例如，也可以將由路邊的設施經由因特網獲取的GIM數據通過道路車輛間通信傳送給車輛90側，還可以由車輛90的通信部70自身通過無線通信來訪問因特網并直接獲取GIM數據。
本國際申請要求基于2006年12月11日提交的日本專利申請2006—333675號的優(yōu)先權，該申請的全部內容通過在此處被參照而被本國際申請所引用。
權利要求
1.一種移動體定位裝置，其特征在于，包括
第一電離層狀態(tài)信息接收單元，接收與預測出的、直到當前時點之后的時點的電離層狀態(tài)相關的信息；
第二電離層狀態(tài)信息接收單元，接收與當前時點的電離層狀態(tài)相關的信息；
電離層延遲誤差估計單元，估計電離層延遲誤差；以及
定位單元，基于來自衛(wèi)星的無線電波的接收結果和所述估計出的電離層延遲誤差來定位移動體位置；
其中，所述電離層延遲誤差估計單元基于根據所述第二電離層狀態(tài)信息導出的第二電離層延遲誤差來修正根據所述第一電離層狀態(tài)信息導出的第一電離層延遲誤差，由此估計出所述電離層延遲誤差。
2.如權利要求1所述的移動體定位裝置，其中，
所述電離層延遲誤差估計單元對根據所述第一電離層狀態(tài)信息導出的第一電離層延遲誤差和根據所述第二電離層狀態(tài)信息導出的第二電離層延遲誤差分別賦予加權系數來進行加權平均，由此估計出所述電離層延遲誤差。
3.如權利要求2所述的移動體定位裝置，其中，
賦予所述第一電離層延遲誤差的加權系數根據從所述第一電離層狀態(tài)信息的接收時刻開始經過的時間而被改變，所述經過的時間長時的所述加權系數被設定為比所述經過的時間短時的所述加權系數大的值。
4.如權利要求1至3中任一項所述的移動體定位裝置，其中，
所述第一電離層狀態(tài)信息為GIM數據，
所述第二電離層狀態(tài)信息為導航信息所包含的電離層修正系數。
5.如權利要求4所述的移動體定位裝置，其中，
所述第一電離層狀態(tài)信息接收單元從外部中心站接收所述GIM數據。
6.如權利要求4所述的移動體定位裝置，其中，
將所述電離層修正系數應用于Klobuchar模型而導出所述第二電離層延遲誤差。
全文摘要
本發(fā)明的移動體定位裝置的特征在于，包括第一電離層狀態(tài)信息接收單元(70)，接收與預測出的、直到當前時點之后的時點的電離層狀態(tài)相關的信息；第二電離層狀態(tài)信息接收單元(20)，接收與當前時點的電離層狀態(tài)相關的信息；電離層延遲誤差估計單元(50)，估計電離層延遲誤差；以及定位單元(40)，基于來自衛(wèi)星的無線電波的接收結果和所述估計出的電離層延遲誤差來定位移動體位置；其中，所述電離層延遲誤差估計單元基于根據所述第二電離層狀態(tài)信息導出的第二電離層延遲誤差來修正根據所述第一電離層狀態(tài)信息導出的第一電離層延遲誤差，由此估計出所述電離層延遲誤差。
文檔編號G01S5/14GK101535833SQ20078004289
公開日2009年9月16日 申請日期2007年11月26日 優(yōu)先權日2006年12月11日
發(fā)明者小堀訓成, 長谷川直人 申請人:豐田自動車株式會社