WO2002084322A1 - Satellite position measurement system - Google Patents

Description

明 糸田 » 衛星測位システム 発明の技術分野

本発明は衛星からの電波を受信することで位置座標を求めることが出来る G P S測位システム （衛星測位システム） と G P S測位用データサーバに関するもの ある。

従来技術

G P Sにおけるキネマティック測位とは、 1組のアンテナと受信機を位置座標 が既知な参照地点に固定的に配置し、 別の移動可能なアンテナ及び受信機により 多数の測点を順次移動しながら短時間で測定していく測量方式である。

このキネマティック測位の発展型として、 実時間キネマティック測位 （以後、 R T Kという） がある。 この RT Kは、 測定結果である位置が実時間で得られる 測位方法のものである

図 6に示すように、 まず、座標が既知の参照地点に、 アンテナ及び受信機から なる固定局 2を配置し、 アンテナ及び受信機からなる移動局 1を順次移動しなが ら測定していく。

R T Kは、 固定局 2及び移動局 1で同時に複数の衛星 8からの電波を受信し、 固定局 2で得られた測位デ一夕を参照して移動局 1での測位デ一夕の解析を行う ことで、 直ちに固定局 2の既知点から移動局 1の測定地点までの相対座標を求め ることが出来るものである。

また、 固定局 2から移動局 1への測位データの送信には、 一般的に固定局 2か ら特定周波数の無線により送信する方法が用いられている。 具体的には、 固定局 2に無線送信機 （例えば周波数 4 0 0 MH z、 出力 1 O mW程度のもの） を備え ることで測位データを常時送信し、 移動局 1側には送信電波を受信可能な無線受 信機を装備することで、 この送信された測位データを随時参照可能としていた。 一方、 G P Sにおける測量結果には、 測地系や環境の応じた様々な補正が必要 となる。

以下に、 具体的な捕正項目をあげる。

( 1 ) ジオイド補正 （測地系の補正）

ジオイドとは 「地球重力の等ポテンシャル面のうち平均海水面に一致するもの」 である。 日本における公的な測量、即ち日本測地系に使われる高さは、 東京湾の 平均海水面 （ジオイド面） を基準とする標高となっている。

一方、 G P Sが基準としているのは地球楕円体 （WG S— 8 4) であり、 求め られる高さ （¹\^0 3— 8 4系） も楕円体表面からの高さとなっている。

日本測地系と WG S— 8 4系との間には、 その定義の違いによる相違が地域に よって高さ約 5 0 mも異なってしまっている。 従って、 G P S測量により得た位 置座標を日本測地系での測量結果として用いるには座標系を変換する必要がある。 ジオイドは細かい凹凸を有しているため、 一般的には近似する回転楕円体を地 球の表面に当てはめ、 これを準拠楕円体とし、 この楕円体への垂線の距離を楕円 体高 (h) とするのが一般的である。 なお日本においてはベッセル楕円体を準拠 楕円体としている。

そこで、 hを楕円体高、 Hを標高とするとき 「h = H + N」 （図 4を参照） と なるときの Nをジオイド高と呼ぶ。

従って、 G P S測位により得られた高さ楕円体高 (h) から、 ジオイド高 （N) を減算することで、 標高 Hを得ることが出来る。

このジオイド高ゃ座標系変換用のパラメータは地域毎に求められており、 その 地域に応じたジオイド高ゃ座標変換パラメータを得ることで、 G P Sによる測位 結果から、 日本測地系に準拠した位置座標の値を得ることが出来る。

(2 ) 衛星に関する情報

G P Sに用いる衛星は地球全体をカバ一するように打ち上げられているが、 そ の存在密度等にはばらつきがある。 アンテナからみた全天の一部に衛星が集中す る場合、 すなわち受信可能な衛星の全天における位置が著しく偏っていると、 測 定位置を解析における測定精度が悪化してしまう。

また、 アンテナの周囲に障害物等が存在する場合、 時間帯によっては受信でき な 衛星が存在することがある。

これまでは、 測定作業に出かける前に、 観測点の障害物を予想した上で、 パソ コン等で G P S衛星の配置情報を処理することで、 測定作業に適さない時間帯を 設定する必要があった。

( 3 ) 電離層および気象に関する情報

また、 R T Kは固定局と移動局の双方で受信する衛星からの電波に基づいて解 析を行うため、 それぞれの電波が地上に到達するまでに通過する電離層や大気の 状態が大きく異なってしまうと、 解析により求められる座標値の精度への影響が 無視できなくなってしまう。

このため、 衛星から見た地上の状態を考慮し、 衛星からの電波が通過する電離 層や大気がほぼ同じであると見なせる範囲として、 一般的に固定局を中心として 半径約 1 0 k m程の範囲を設定している。 この範囲が、 R T Kとして測定精度を 保つ上で移動局により所定の固定局を参照可能な範囲 （以後、 固定局参照範囲） である。

そこで、 電波が到達するまでに通過する経路での電離層や大気の状態による影 響に対する補正値を各移動局に送信することで、 固定局参照範囲の外においても RT K測位を可能とすることができる。

この電離層や大気の状態に関する補正事項を 「大気モデル」 と称する。 具体的には、 衛 と観測点 （固定局、 移動局の双方） の間に存在する大気の状 態、 例えば密度等に起因する電波の進行方向、 スピードの違いを補正するための ものである。 衛星と移動局、 及び固定局の間において適切な 「大気モデル」 をそ れぞれ適用することで、 電波の伝播速度を厳密に知ることができ、 移動局の位置 解析の精度を向上できる。

これに類似したものとして、 気象情報に関する補正も、 測位精度を高める上で 重要である。

G P Sにおける各補正作業は基本的に測位作業中に行わず、 作業の前に計画に 基づ 、て準備するか、 測位作業後のデータに対して補正することが一般的であつ ナ

しかしながら、 アンテナを固定して行うスタティック (静的） 測位と異なり、 測位作業を移動しながら行うことを前提とするキネマティック （動的） 測位では、 例えば当初測位を予定した地点が測位作業困難であったり、 作業現場における環 境、 状況が予測困難であるため、 その変ィ匕に対してその場で柔軟に対応できない ことが多かった。

また、 ジオイド等の補正を行った結果、 測位結果の何らかの問題が発見された 場合、 誤測位の原因が現場の状況に基づく場合、 その検証は不可能なので、再度 測位作業を行ったとしても同じ原因による問題が再び生じてしまう可能性が高く、 また、 それを認知する術もない。

また、 測位データの送信に無線を使用する場合、 受信機の受信周波数を測位作 業前に予め参照すべき固定局の送信周波数に合わせておく必要があつた。

一方、 R T Kにて測位作業を行う場合、 測位計画地点が固定局参照範囲を外れ ている場合は、 新たに固定局を設置するか、 または精度を落として測位作業を行 わなければならなかつた。

また、 各固定局の参照可能範囲外においても高精度な R T Kを可能とする方法 に、 「仮想参照局」方式というものがある。 しかし、 これは複数の固定局により 設定される所定の範囲内において、仮想の固定局である "仮想参照局" を予め設 定しなければならず、 この 「仮想参照局」 の扱いはこれまでの固定局と実質的に 同じとなっている。

発明のサマリー

本発明の目的は、 測位作業に際して作業現場を変更するとき、 その現場の変更 に対してその場で柔軟に対応できる G P S測位システム （衛星測位システム） と G P S測位用データサーバを提供することである。

本発明の解決手段を例示すると、前掲の請求項に記載のとおりである。

図面の簡単な説明

図 1は、 本発明の 1つの実施例による G P S測位システムの全体図。

図 2は、 本発明の基本概念を示す図。

図 3は、 本発明の 1つの実施例による G P S測位システムを現地で使用する 1 つの状況を示す。

図 4は、 ジォイド補正を説明するための図。

図 5は、 本発明のデータサーバの処理フローチャートを示す。

図 6は、 従来の G P S測位システムを示す。

実施例の説明

以下、 図面に基づき、 本発明の好適な実施の形態を説明する。

図 1は本発明に係る衛星測位システムの一実施の形態を示した全体構成図であ 。

本発明に係る衛星測位システムは、 少なくとも 1つの移動局 1と、複数の固定 局 2と、 移動局 1及び固定局 2に対し通信手段を介して接続された演算処理装置 (好ましくはデータサーバ 3 ) により構成される

データサーバ 3は中央演算処理部 4、 記憶手段 5、 インタ一フェース 6、 7部 等により構成されている。

移動局 1は、 受信用のアンテナ 2 0、 受信機 2 1、 データサーバ 3に対しと双 方向通信可能な通信手段 2 2 (または通信手段を接続可能なインタ一フェース） 、 操作者に対して様々な情報を表示可能な表示手段 （図示せず） を有する。

移動局 1の受信機 2 1は測位デ一タや解析結果等のデータを記憶する記憶手段 (図示せず） を有する他、表示手段が内蔵されている。 これらの装備は操作者が 運搬可能なように可搬性を有しており、 バッテリを電源として単独で動作可能と している。 バッテリとしては化学二次電池が一般的であるが、 安定した出力と寿 命から電気二重層キャパシタによる物理電池 (Energy Capacitor System) が性 能劣化も少なく望ましい。

また、 気象状況を検知するセンサ一や、 測位作業の現場を撮影して画像情報と して得られる光学系を伴う C C Dセンサも装備できる。

これらセンサにより得られたデータは測位デ一夕とともに通信手段を介してデ —タサーバ 3に送信する事が出来る。

また、 測位作業用の装備として、 アンテナ 2 0は、 棒状部材 2 3に取り付けら れる。 棒状部材 2 3は、 測位点の鉛直線上に正確に設置できるように、 垂直が検 知可能な気泡管を有し、 上端にアンテナ 2 0を装着可能とし、 下端を測位点に正 確且つ容易に設置できるように尖らせている。

この棒状部材 2 3の下端を測位点に置き、 気泡管等により垂直状態に保つこと で、 アンテナ 2 0を測位点の上方に正確に配置することが出来る。

固定局 2は、 受信用のアンテナ 1 7、 受信機 1 9、 測位により得た補正測位デ —タをデータサーバ 3に送信する通信手段 1 0を有する。

固定局 2は位置座標が既知である地点に固定的に配置され、 常時または定時的 に衛星からの電波を受信し、 設置位置に関する補正測位データを得ている。

得られた補正測位データは、 通信手段 1 0により、 常時、 または定時的にデー タサーバへ送信される。

この通信手段 1 0は、 固定局 2が既知の位置に固定配置されていることと、 補 正測位データを高速で通信する事が可能なことから、 WA Nや専用線等の常時接 続された回線が速度、 安定性の点で望ましい。

また、 データサーバ 3に送信される固定局 2の補正測位データは、 一般的には 衛星 8からの受信デ一夕と既知の座標とを組み合わせた、 C M Rというデータ形 式で送信される。

この C RMデータの場合、 R T K測位では移動局 1の位置を高精度に解析する 際に参照される。

データサーバ 3は中央演算処理部 4、 記憶部 5、 通信手段 1 0、 1 5を接続す るインターフェース部等により構成されている。

このインターフェース部は、複数の固定局 2の各々からの測位データを受信す るために常時接続されている外部回線ィンターフェース （第 1インタ一フェース 6) と、少なくとも 1つの移動局 1との間でデータを送受信するための双方向通 信可能な通信インタ一フェース （第 2インターフェース 7) とを備えている。 外部回線用の第 1インタ一フヱース 6は、 固定局 2から送られる補正測位デ一 タを受信するために、 固定局 2との間の通信手段 1 0に対して接続されている。 また、 外部回線用の第 1インタ一フェース 6は固定局 2の他にインターネット 等のネットワークにも接続可能であり、 この回線を通じて遠隔地の P C等と通信 が可能となっている。

通信用の第 2インタ一フェース 7は、 移動局 1からの測位データや、 そこに装 備されたセンサ一からの出力データの受信と、 データサーバ 3からの補正測位デ 一タ及び参照データの送信のために用いられる。

受信機能としては、 例えば、 図 1に示すように、 移動局 1側の通信手段 2 2 (図 3 ) と、 データサーバ 3に回線 1 2で接続された携帯端末や無線 L A Nなど の通信手段 1 1との間と、 図 3に示すように、 移動局 1に備えられた通信手段 2 2と、 サーバ 3に回線 3 1が接続された通信手段 3 2との間で、送受信が行なわ れる。 移動局 1は、 衛星 8からの電波を受信して測位データを得る。 または、 そ の測位データに基づく簡易的に計算された位置情報デ一タを移動局 1は、 受信す 。

送信機能としては、解析に用 、る適切な固定局 2からの測位デー夕に基づく捕 正測位デ一タを移動局へ送信する。

また通信インタ一フェース 7における通信手段 1 1は、 移動局が測量範囲内を 移動しながら測位するため、 携帯電話、 P H Sや無線 L A N等のワイヤレスで通 信可能な （双方向通信） 手段が望ましい。

ちなみに、 通信手段 1 1として高速な通信手段を使用することで、移動局 1で の解析時のタイムラグをより少なくすることが出来る。

中央演算処理部 4は、 通信ィンタ一フェース 7を介して得られた移動局 1の測 位データから移動局 1の位置情報を得て、 この位置情報に基づいて移動局 1に対 してもっとも適した 1つの固定局 2を選択し、 その選択した固定局から受信した 補正測位デー夕、 または位置情報に応じた参照デ一夕を移動局 2へ送信する。 記憶部 5は、 中央演算処理部 4の処理に必要なデータの他、 移動局 1から受信 した諸デ一タ、 測位作業者や利用者に関する情報等の様々な情報を柔軟に記憶可 能となっている。 具体的には、 固定局 2の位置情報、 受信する測位データ、 移動 局 1からの測位データ、 もしくは位置情報の他、 測量作業範囲、 移動局における 環境情報等も記憶し後に活用可能とすることができる。

なお、 ここでの測位データとは、衛星測量において定義されているフォーマツ 卜のデータ、 例えば、 受信データ、 もしくは解析後の位置情報等、 扱われる可能 性のあるデータ等を総称したものである。 形式としては、 バイナリーデータ、 及 びテキストデータ等が含まれる。

好適な 1つの例に基いて、 具体的な測量作業に関して述べる。

( 1 ) 移動局の初期化と設定を行う。

一般的なキネマティック測量の作業手順により、 移動局を基準地点に配置して、 初期化作業を行う。

この際、 移動局 1に装備された通信手段 2 2と、 サーバ 3用の通信インタ一フ ヱ一ス 7との通信の設定や、 通信状態の確認等を行う。

(2 ) 測位計画を基にして、移動局 1を移動しながら、 衛星 8からの電波を受 信しつつ単独測位を行う。 この単独測位で得た位置情報は、 基本的に 2 0〜1 0 0 mの誤差を有している。

移動局 1はこの単独測位にて得られた測位デ一タを通信手段 2 2によりデータ サーバ 3へ送信する。 この際、移動局 1から送られる測位データは G P Sにおい て標準化された NM E Aというフォーマツトで送信される。

また、 移動局 1に装備したセンサにて得られた情報があれば、 必要に応じて、 測位データとともにデータサーバ 3へ送信する。 例えば、 測位とともに得られた 光学系と C C Dセンサにより構成される撮影手段の撮影画像データの場合、 測位 データを関連付けた上で送信することで、 位置座標における撮影画像として扱う ことが出来る。 このとき、 撮像手段の光軸の方向を検知して、 ともに送信すれば、 測位位置からの景観として扱うことが出来る。

( 3 ) 移動局 1から送信された単独測位データは通信ィンターフェース 7を介 してデータサーバ 3に受信される。

データサーバ 3は、 外部回線用第 1インターフェース 6を介して、衛星 8から 電波を受信することにより得た補正測位データを複数の固定局 2から受信してい る。

この補正測位データは、 一般的に受信データと固定局 2の位置座標とを合わせ た 「C MR」形式となっている。

データサーバ 3は、 中央演算処理部 4において、 この移動局 1からの測位デー 夕における位置情報に基づき、 移動局 1の現在位置に対して適切な位置に配置さ れている固定局 2を選択する。

演算処理部 4は固定局 2を選択した後、選択した固定局 2から第 1インタ一フ エース 6を介して受信した参照データを、 位置解析時の補正情報として第 2イン タ一フヱ一ス 7を介して移動局へ送信する。

( 4) 一方、 演算処理部 4は移動局 1の位置情報に関連した参照データを記憶 部 5から読み出す。

読み出された参照データは、 固定局 2からの補正測位データとともに、 移動局 1へ送信される。

読み出される参照データの種類は、 その測位作業に応じて選択される。 これは 測位作業の前に設定されていてもよいし、 移動局 1からの要請や、 移動局 1のセ ンサ出力から想定される環境等の条件の応じて判断されてもよい。

( 5) 移動 1局は、 データサーバ 3から送信された適切な固定局 2からの補正 測位データと参照デ一夕を受信し、単独測位により得た測位デ一夕とともに補正 測位データを解析することで、 1 0 mm前後のより高精度な位置情報を得ること ができる。

さらに、 参照データをこのように得られた位置情報に適用することで、 ジオイ ドに関する補正により日本測地系にそくした位置情報等の更に優れた結果を得る ことが出来る。 ここで得られた結果は、 7準点等を基準とし測量機による測量結 果と同じ測地系であるため、 互いに結果を容易に比較することが出来る。

得られた結果は移動局 1に装備された記憶手段に記録し、 作業終了後に他の場 所でマップの作成等の処理を行ってもよい。 また、 移動局 1の通信手段 2 2によ りデータサーバ 3、 または他の測位結果を処理可能な場所に送信しても良い。 参照データが衛星 8に関するデータである場合、 測位作業の現場で障害物 （た とえば電離層 2 9 ) を実際に確認した上で、 衛星 8の配置状況による測定不可能 な時間帯を設定する。

また、衛星 8に関するデータを持っているため、 衛星 8を見失う事態を予想で きるので、 事前に作業者へ注意を促す。

また、 サーバ 3では常に自身の動作状況をシステム上で監視され、ハードゥエ ァあるいはソフトウエア上で何らかのトラプルが発生した場合、 システムにより 検知され、 その情報は通信手段を介して移動局 1の作業者に伝えられる。

例えば、 サーバ 3でのデータ処理量の増加による反応遅延や、 回線環境の悪化 による補正測位データの不足等のトラプルが生じても、 それを情報として移動局 1が受信し、 表示部に表示したり、 インジケータの点滅、警告音等にて作業者に 伝えられる。

作業者はそれらの情報をいち早く得ることで、 状況に対する対策を容易に講じ ることが出来る。

またデータサーバ 3は、 気象庁から得られる気象情報や、 G I S等により得ら れる地理情報を外部回線を通じて取得し、移動局 1の位置に対応するこれらの情 報は通信手段 1 1を介して移動局 1へ送信される。

一方、移動局 1に撮影手段を装備することもできる。 この撮影手段は、 C C D 撮像素子と、 この C C D撮像素子の受光面に入射光を結像する光学系、 および、 C C Dの受光面上に結像された画像を画像データとして処理する演算制御部によ り構成される。

画像データは、 送信時の回線の負担を考慮し、 圧縮処理され、 通信手段 1 5を 介してデータサーバ 3へ測位データとともに送信される。

また、 このときの撮影条件をデー夕化して画像デ一タ送信時に付加しても良い また、移動局 1からの送信された測位データの位置座標が、 データサーバ 3に 接続されている固定局 2のいずれに対しても 1 0 k m以上離れていて、 補正測位 データを送信することが出来ない場合、 データサーバ 3は最寄りの固定局 2から の補正測位データを選択した上で、 移動局 1の位置に応じた、 電離層 2 9および 気象に関する情報を最寄りの固定局 2からの補正測位デー夕とともに送信する。 これにより、電離層 2 9からの影響が無くなるので、 R T K測量を行うことがで さる。

図 5は、 本発明のデータサーバ 3における処理フローチャートを示す。

送信するデータ （情報） の一例をあげると、 次のとおりである。

，大気モデルデータ

•ジオイド補正データ

•衛星位置情報データ

また、 測位に関する情報だけでなく、 サーバ一側の動作情報や、 移動局の現在 地に関する様々な情報、 例えば天候に関する注意情報、 近隣の施設に関する情報 等も測位作業を補助する情報として送付される。

本願発明によれば、 、 移動局の単独測位に基づく位置や、 環境に応じた諸デ一 夕を、 移動局に対してデータサーバから提供することができ、 高精度な測定が容 易に行なえる。

R T Kの測量の際に、 リアルタイムで観測点に応じて適切な参照データが得ら れることができる。 そのため、 より高精度で失敗のない測位作業を容易に行うこ とができる。

ジオイド補正に関するデータを測位作業の現場で得られると、 従来は測位作業 終了後に処理していたジオイドに関する補正を測位作業現場で行える。 それゆえ、 日本測地系に関する測位結果を現場で確認することが出来る。 また、他の測量手 段があれば検証も容易となる。 測位結果に不具合が生じた場合でも、 その場でその不具合を認識できるので、 再測位等の対処が容易であり、 不具合の原因も容易に特定することができる。 一方、 衛星に関する情報も現場で得ることができると、 従来のように、 予想し た障害物という不確定な要素に基づく設定でなく、 測位作業現場にて実際に確認 した障害物に基づいて測位作業に適さない時間帯の設定が可能となり、 測位作業 上のミスゃ不具合を防止することが出来る。

また、 サーバ一側の動作情報や、移動局の現在地に関する様々な情報、 例えば 天候に関する注意情報、 近隣の施設に関する情報等も測位作業を補助する情報を 測位作業現場にて確認できると、 測位作業を確実に行うことができ、 かつ作業者 の負担を軽減できる。

また、電離層および気象に関する情報としての大気モデルデータを移動局の位 置に応じて送信することが可能になると、従来は R T K測位が可能な範囲とされ ていた、 固定局からの補正測位データが、有効な固定局を中心とした半径 1 0 K m以内の参照可能範囲に制限されなくなり、 高精度な R T K測位を行うことが出 来る。

Claims

請 求 の 範 囲

1. 衛星からの電波を受信することで位置座標を測定するための少なくとも 一つの移動局と、

所定の位置座標を有し、衛星からの電波を受信する複数の固定局と、 少なくとも一つの移動局と複数の固定に対し通信による接続がなされ、 移動局 から送信される測位デ一夕に基き、 移動局に適した補正デー夕を移動局へ送信す る演算処理手段と

を有する G P S測位システム。

2. 補正データとともに、 演算処理手段が、 移動局から送信される測位デ一 夕に基き、 複数の参照固定測位手段の中から選択した適切な固定局からの参照測 位デ一タを送信することを特徴とする請求項 1に記載の G P S測位システム。

3. 補正データは、 ジォイド補正データである請求項 1または 2に記載の G P S測位システム。

4. 補正データは、 衛星情報データである請求項 1または 2に記載の G P S 測位システム。

5. 補正デ一夕は、 大気モデル補正データである請求項 1または 2に記載の G P S測位システム。

6. 移動局は、 アンテナと受信機が移動可能なキネマティック測位用のもの である請求項 1〜 5のいずれか 1項に記載の G P S測位システム。

7. 衛星からの電波を受信することで位置座標を測定可能な移動局からの測 位デ一タを受信する通信ィンタ一フヱースと、

位置座標が既知な地点に固定されていて、 衛星からの電波を受信する複数の固 定局からの測位デ一タを受信する回線インタ一フェースと、

補正に関するデ一タを記憶する記憶手段と、 通信ィンタ一フェースから受信された測位デ一夕に基づき、 適した補正データ を記憶手段から読み出し、移動局へ送信する演算処理手段と

により構成された G P S測位用デ一タサーバ。

8. 移動局は、 アンテナと受信機が移動可能なキネマティック測位用のもの である請求項 7に記載の G P S測位用データサーバ。