JP2009025046A - 移動体用測位装置 - Google Patents

Abstract

【課題】測位に用いる衛星の組み合わせが変化した場合にその後の測位結果を精度良く補正すること。
【解決手段】本発明による移動体用測位装置は、測位に用いる衛星の組み合わせが変化したか否かを判定する判定手段と、ドップラシフトの観測値を用いて前記移動体の速度ベクトルを算出する速度ベクトル算出手段と、衛星信号に基づいて前記移動体の位置を測位する測位手段と、前記測位手段により測位された前記移動体の位置の測位結果の変化に基づいて所定時間内における前記移動体の移動ベクトルを算出する移動ベクトル算出手段と、前記判定手段により前記衛星の組み合わせが変化したと判定された場合に、前記速度ベクトル算出手段により算出された速度ベクトルと、前記移動ベクトル算出手段により算出された移動ベクトルの双方のベクトルを用いて、前記測位手段により測位された前記移動体の位置を補正する補正手段とを含むことを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、移動体の位置等を測位する移動体測位装置に関する。

従来から、測位に用いるＧＰＳ衛星を所定の論理で所定個数選択し、選択したＧＰＳ衛星の組み合わせを示す選択衛星情報を出力する衛星選択演算部と、選択衛星情報に係るＧＰＳ衛星から信号を受信し、これに基づき各ＧＰＳ衛星との擬似距離を求め擬似距離データとして出力する受信部と、選択衛星情報及び擬似距離データに基づき、自位置を求め位置データとして出力する測位演算部と、を備えるＧＰＳ受信装置において、選択衛星情報に基づき測位に用いるＧＰＳ衛星の組み合わせが変化したか否かを判定し、変化した場合には新たに選択されたＧＰＳ衛星について変化前の自位置を基準とした擬似距離補正量を求め、これを擬似距離補正データとして出力する距離補正値演算部を備え、測位演算部が、新たに選択されたＧＰＳ衛星に係る擬似距離データを擬似距離補正データにより補正し、自位置を演算することを特徴とするＧＰＳ受信装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許第３１８２１９８号公報

上述の特許文献１に記載の発明では、ＧＰＳ衛星の組み合わせが変化した場合に、ＧＰＳ衛星の組み合わせの変化前の自位置を基準として、新たに選択されたＧＰＳ衛星と自位置の間の距離(以下、便宜上、「衛星車両間距離」という)を求め、当該求めた衛星車両間距離から、新たに選択されたＧＰＳ衛星に対する擬似距離の計測値を差し引くことで、擬似距離補正量を求めている。この構成では、衛星車両間距離が、ＧＰＳ衛星の組み合わせの変化前の自位置を基準として求められている一方で、新たに選択されたＧＰＳ衛星に対する擬似距離は、当然ながら、ＧＰＳ衛星の組み合わせの変化後の観測値から算出されることになる。従って、ＧＰＳ衛星の組み合わせの変化前後に車両が移動していると（一般的に移動している場合が多い）、時間的にずれた幾何的位置関係に基づいて擬似距離補正量が導出されることになるので、擬似距離補正量が適切な補正量とならない虞がある。

そこで、本発明は、測位に用いる衛星の組み合わせが変化した場合にその後の測位結果を精度良く補正することができる移動体用測位装置の提供を目的とする。

上記目的を達成するため、第１の発明は、移動体に搭載され、３つ以上の衛星から放送される衛星信号に基づいて前記移動体の位置及び／又は速度を測位する移動体用測位装置において、
測位に用いる衛星の組み合わせが変化したか否かを判定する判定手段と、
前記衛星信号の搬送波のドップラシフトの観測値を用いて前記移動体の速度ベクトルを算出する速度ベクトル算出手段と、
前記衛星信号に基づいて前記移動体の位置を測位する測位手段と、
前記測位手段により測位された前記移動体の位置の測位結果の変化に基づいて所定時間内における前記移動体の移動ベクトルを算出する移動ベクトル算出手段と、
前記判定手段により前記衛星の組み合わせが変化したと判定された場合に、前記速度ベクトル算出手段により算出された速度ベクトルと、前記移動ベクトル算出手段により算出された移動ベクトルの双方のベクトルを用いて、前記測位手段により測位された前記移動体の位置を補正する補正手段とを含むことを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明に係る移動体用測位装置において、
前記速度ベクトル算出手段により算出された前記速度ベクトルに基づいて、前記所定時間内における前記移動体の移動ベクトル(以下、第２移動体ベクトルという)を算出する第２移動体ベクトル算出手段を更に含み、
前記補正手段は、前記判定手段により前記衛星の組み合わせが変化したと判定された場合に、前記第２移動体ベクトル算出手段により算出された第２移動ベクトルと、該衛星の組み合わせの変化前後の前記測位手段による測位結果の変化に基づいて前記移動ベクトル算出手段により算出された前記移動ベクトルとの差分を取ることで補正ベクトルを算出し、該算出した補正ベクトルと、前記衛星の組み合わせの変化前の前記衛星信号に基づいて前記測位手段により測位された前記移動体の位置とに基づいて、前記衛星の組み合わせの変化後の前記衛星信号に基づいて前記測位手段により測位された前記移動体の位置を補正することを特徴とする。この場合、前記補正ベクトルの算出に用いる第２移動ベクトルは、好ましくは、該衛星の組み合わせの変化前若しくは変化後の前記ドップラシフトの観測値に基づいて前記速度ベクトル算出手段により算出された前記速度ベクトルを用いて導出され、より好ましくは、該衛星の組み合わせの変化前（好ましくは直前周期）の前記ドップラシフトの観測値に基づいて前記速度ベクトル算出手段により算出された前記速度ベクトルを用いて導出される。

第３の発明は、第２の発明に係る移動体用測位装置において、
前記補正手段は、前記判定手段により前記衛星の組み合わせが変化したと判定された場合に、その後に前記判定手段により前記衛星の組み合わせが変化したと判定されるまでの間、前記算出した補正ベクトルを継続的に用いて前記測位手段により継続的に測位される前記移動体の位置を補正することを特徴とする。

第４の発明は、第３の発明に係る移動体用測位装置において、
前記補正手段は、前記判定手段により前記衛星の組み合わせが変化したと判定された後の経過時間若しくは前記移動体の移動距離に応じて、前記算出した補正ベクトルを変化させることを特徴とする。

第５の発明は、第６の発明に係る移動体用測位装置において、
前記補正手段は、前記判定手段により前記衛星の組み合わせが変化したと判定された後の経過時間若しくは前記移動体の移動距離に応じて、前記算出した補正ベクトルの大きさを徐々に小さくすることを特徴とする。

第６の発明は、第２〜５のうちのいずれかの発明に係る移動体用測位装置において、
前記補正手段は、前記判定手段により前記衛星の組み合わせが変化したと判定された場合であって、その後に前記判定手段により前記衛星の組み合わせが変化したと再び判定された場合に、最初の前記衛星の組み合わせの変化時に算出した前記補正ベクトルと、その後の前記衛星の組み合わせの変化時に算出した前記補正ベクトルとを用いて、前記補正ベクトルを更新することを特徴とする。

第７の発明は、第１の発明に係る移動体用測位装置において、
前記補正手段は、前記判定手段により前記衛星の組み合わせが変化したと判定された場合に、前記速度ベクトル算出手段により算出される速度ベクトルの誤差の統計値と、前記測位手段により測位される前記移動体の位置の誤差の統計値とに基づいて、補正ベクトルを算出し、該算出した補正ベクトルと、前記衛星の組み合わせの変化前の前記衛星信号に基づいて前記測位手段により測位された前記移動体の位置とに基づいて、前記衛星の組み合わせの変化後の前記衛星信号に基づいて前記測位手段により測位された前記移動体の位置を補正することを特徴とする。

本発明によれば、測位に用いる衛星の組み合わせが変化した場合にその後の測位結果を精度良く補正することができる移動体用測位装置が得られる。

以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態の説明を行う。

図１は、本発明に係る移動体位置測位装置が適用されるＧＰＳ（Global Positioning System）の全体的な構成を示すシステム構成図である。図１に示すように、ＧＰＳは、地球周りを周回するＧＰＳ衛星１０と、地球上に位置し地球上を移動しうる車両９０とから構成される。尚、車両９０は、あくまで移動体の一例であり、その他の移動体としては、自動二輪車、鉄道、船舶、航空機、ホークリフト、ロボットや、人の移動に伴い移動する携帯電話等の情報端末等がありうる。

ＧＰＳ衛星１０は、航法メッセージ（衛星信号）を地球に向けて常時放送する。航法メッセージには、対応するＧＰＳ衛星１０に関する衛星軌道情報（エフェメリスやアルマナク）、時計の補正値、電離層の補正係数が含まれている。航法メッセージは、Ｃ／Ａコードにより拡散されＬ１波（周波数：1575.42ＭＨz）に乗せられて、地球に向けて常時放送されている。尚、Ｌ１波は、Ｃ／Ａコードで変調されたＳｉｎ波とＰコード（Precision Code）で変調されたＣｏｓ波の合成波であり、直交変調されている。Ｃ／Ａコード及びＰコードは、擬似雑音（Pseudo Noise）符号であり、−１と１が不規則に周期的に並ぶ符号列である。

尚、現在、３１個のＧＰＳ衛星１０が高度約２０，０００ｋｍの上空で地球を一周しており、各４個のＧＰＳ衛星１０が５５度ずつ傾いた６つの地球周回軌道面に均等に配置されている。従って、天空が開けている場所であれば、地球上のどの場所にいても、常時、少なくとも５個以上のＧＰＳ衛星１０が観測可能である。

車両９０には、移動体位置測位装置としてのＧＰＳ受信機２０が搭載される。

図２は、ＧＰＳ受信機２０の内部構成の一例を示す。以下では、説明の複雑化を避けるため、ある１つのＧＰＳ衛星１０_１からの衛星信号に関する信号処理（１チャンネルの信号処理）を代表して説明する。以下で説明する信号処理は、観測周期毎(例えば１ｍｓ)に、観測可能な各ＧＰＳ衛星１０_１，１０_２，１０_３等からの衛星信号に対して並列的（同時）に実行される。

ＧＰＳ受信機２０は、ＧＰＳアンテナ２１、高周波回路２２、Ａ／Ｄ(analog-to-digital)変換回路２４、ＤＬＬ（Delay-Locked Loop）１１０、ＰＬＬ（Phase-Locked Loop）１２０、衛星位置算出部１２４、フィルタ１３０、及び、測位部５０を含む。ＤＬＬ１１０は、相互相関演算部１１１，１１２、位相進め部１１３、位相遅れ部１１４、位相ずれ計算部１１５、位相補正量計算部１１６、レプリカＣ／Ａコード生成部１１７、及び、擬似距離算出部１１８を含む。

ＧＰＳアンテナ２１は、ＧＰＳ衛星１０_１から発信されている衛生信号を受信し、受信した衛星信号を電圧信号（本例では、周波数１．５ＧＨｚ）に変換する。１．５ＧＨｚの電圧信号をＲＦ(radio frequency)信号と称する。

高周波回路２２は、ＧＰＳアンテナ２１を介して供給される微弱なＲＦ信号を後段でＡ／Ｄ変換できるレベルまで増幅すると共に、ＲＦ信号の周波数を信号処理できる中間周波数（典型的には、１ＭＨｚ〜２０ＭＨｚ）に変換する。尚、このようにＲＦ信号をダウンコンバートして得られる信号を、ＩＦ（Intermediate frequency）信号と称する。

Ａ／Ｄ変換回路２４は、高周波回路２２から供給されるＩＦ信号（アナログ信号）を、デジタル信号処理ができるようにデジタルＩＦ信号に変換する。デジタルＩＦ信号は、ＤＬＬ１１０及びＰＬＬ１２０等に供給される。

ＤＬＬ１１０のレプリカＣ／Ａコード生成部１１７では、レプリカＣ／Ａコードが生成される。レプリカＣ／Ａコードとは、ＧＰＳ衛星１０_１からの衛星信号に乗せられるＣ／Ａコードに対して、＋１、−１の並びが同一のコードである。

相互相関演算部１１１には、レプリカＣ／Ａコード生成部１１７で生成されるレプリカＣ／Ａコードが、位相進め部１１３を介して入力される。即ち、相互相関演算部１１１には、Ｅａｒｌｙレプリカ符号が入力される。位相進め部１１３では、レプリカＣ／Ａコードが所定の位相だけ進められる。位相進め部１１３で進められる位相進み量をθ_１とする。

相互相関演算部１１１には、また、デジタルＩＦ信号が、図示しないミキサにより、ＰＬＬ１２０で生成されるレプリカキャリアが乗算されてから入力される。

相互相関演算部１１１では、入力されるデジタルＩＦ信号と、位相進み量θ_１のＥａｒｌｙレプリカ符号を用いて、相関値（Ｅａｒｌｙ相関値Ｅ_ＣＡ）が演算される。Ｅａｒｌｙ相関値Ｅ_ＣＡは、例えば以下の式で演算される。
Ｅａｒｌｙ相関値Ｅ_ＣＡ＝Σ｛（デジタルＩＦ）×（Ｅａｒｌｙレプリカ符号）｝
相互相関演算部１１２には、レプリカＣ／Ａコード生成部１１７で生成されるレプリカＣ／Ａコードが、位相遅れ部１１４を介して入力される。即ち、相互相関演算部１１２には、Ｌａｔｅレプリカ符号が入力される。位相遅れ部１１４では、レプリカＣ／Ａコードが所定の位相だけ遅らされる。位相遅れ部１１４で遅らされる位相遅れ量は、位相進み量θ_１と大きさ同一で符号が異なる。

相互相関演算部１１２には、また、デジタルＩＦ信号が、図示しないミキサにより、ＰＬＬ１２０で生成されるレプリカキャリアが乗算されてから入力される。

相互相関演算部１１２では、入力されるデジタルＩＦ信号と、位相遅れ量−θ_１のＬａｔｅレプリカ符号を用いて、相関値（Ｌａｔｅ相関値Ｌ_ＣＡ）が演算される。Ｌａｔｅ相関値Ｌ_ＣＡは、例えば以下の式で演算される。
Ｌａｔｅ相関値Ｌ_ＣＡ１＝Σ｛（デジタルＩＦ）×（Ｌａｔｅレプリカ符号）｝
このようにして、相互相関演算部１１１、１１２では、コリレータ間隔ｄ_１（“スペーシング”とも称される）を２θ_１とした相関値演算が実行される。相互相関演算部１１１、１１２にてそれぞれ演算されたＥａｒｌｙ相関値Ｅ_ＣＡ及びＬａｔｅ相関値Ｌ_ＣＡは、位相ずれ計算部１１５に入力される。

位相ずれ計算部１１５では、デジタルＩＦ信号と、レプリカＣ／Ａコード生成部１１７で生成されるレプリカＣ／Ａコードとの間に、どの程度位相のずれがあるかが算出される。即ち、位相ずれ計算部１１５では、受信したＣ／Ａコードに対するレプリカＣ／Ａコードの位相ずれ量Δφが算出（推定）される。レプリカＣ／Ａコードの位相ずれ量Δφは、例えば以下の式で演算される。
（位相ずれ量Δφ）＝（Ｅ_ＣＡ−Ｌ_ＣＡ）／２（Ｅ_ＣＡ＋Ｌ_ＣＡ）
このようにして算出された位相ずれ量Δφは、位相補正量計算部１１６に入力される。

位相補正量計算部１１６では、位相ずれ量Δφを無くすべく、適切な位相補正量が算出される。適切な位相補正量が、例えば以下の演算式に従って、算出される。
（位相補正量）＝（Ｐゲイン）×（位相ずれ量Δφ）＋（Ｉゲイン）×Σ（位相ずれ量Δφ）
この式は、ＰＩ制御を利用したフィードバック制御を表す式であり、Ｐゲイン及びＩゲインは、それぞれバラツキと応答性の兼ね合いから実験的に決定される。このようにして算出された位相補正量は、レプリカＣ／Ａコード生成部１１７に入力される。

レプリカＣ／Ａコード生成部１１７では、生成されるレプリカＣ／Ａコードの位相が、位相補正量計算部１１６により算出された位相補正量だけ補正される。即ち、レプリカＣ／Ａコードの追尾点が補正される。かくして生成されたレプリカＣ／Ａコードは、上述の如く位相進め部１１３及び位相遅れ部１１４を介して相互相関演算部１１１、１１２に入力されると共に、擬似距離算出部１１８に入力される。尚、相互相関演算部１１１、１１２では、このようにして生成されたレプリカＣ／Ａコードは、次回の観測周期で入力されるＩＦデジタル信号に対する相関値演算に用いられることになる。

擬似距離算出部１１８では、レプリカＣ／Ａコード生成部１１７で生成されるレプリカＣ／Ａコードの位相情報に基づいて、擬似距離ρ’_１が、例えば以下の式により演算される。尚、符号の意味として、擬似距離ρに付された「’」は、後述のフィルタ処理が実行されていないことを示し、下付き文字「_１」は、ＧＰＳ衛星１０_１に係るＣ／Ａコードに基づいて算出された擬似距離ρであることを示す。
ρ’_１＝Ｎ_１×３００
ここで、Ｎ_１は、ＧＰＳ衛星１０_１と車両９０との間のＣ／Ａコードのビット数に相当し、レプリカＣ／Ａコード生成部１１７で生成されるレプリカＣ／Ａコードの位相及び受信機１内部の受信機時計に基づいて算出される。尚、数値３００は、Ｃ／Ａコードが、１ビットの長さが１μｓであり、１ビットに相当する長さが約３００ｍ（１μｓ×光速）であることに由来する。このようにして算出された擬似距離ρ’_１を表す信号は、ＤＬＬ１１０からフィルタ１３０に入力される。

ＰＬＬ１２０では、内部で発生させたキャリアレプリカ信号を用いて、ドップラシフトした受信搬送波（受信キャリア）のドップラ周波数Δｆ_１が測定される。即ち、ＰＬＬ１２０では、レプリカキャリアの周波数ｆｒと既知の搬送波周波数ｆ_Ｌ１（1575.42ＭＨz）に基づいて、ドップラ周波数Δｆ_１（＝ｆｒ−ｆ_Ｌ１）が測定される。尚、ＰＬＬ１２０に入力されるデジタルＩＦ信号は、図示しないミキサにより、ＤＬＬ１１０から供給されるレプリカＣ／Ａコードが乗算されたものである。ＰＬＬ１２０からのドップラ周波数Δｆ_１を表す信号は、フィルタ１３０及び測位部５０に入力される。

フィルタ１３０では、ドップラ周波数Δｆ_１を用いて、擬似距離ρ’_１のフィルタ処理が実行される。フィルタ１３０では、例えば以下の演算式に従って、フィルタ処理後の擬似距離ρ_１が計算される。

ここで、（ｉ）は今回値を表し、（ｉ−１）は前回値を表し、Ｍは、重み係数である。Ｍの値は、精度と応答性を考慮しつつ適切に決定される。また、ΔＶは、ＧＰＳ衛星１０_１と車両９０との間の相対速度（ドップラ速度）であり、例えば以下の関係式を用いて、算出される。
Δｆ_Ｌ１＝ΔＶ・ｆ_Ｌ１／（ｃ−ΔＶ）
尚、ｃは光速である。数１で示すフィルタ処理は、本分野で知られているキャリアスムージングと呼ばれる処理であってよく、上記のハッチフィルタの他、カルマンフィルタを用いても実現可能である。フィルタ１３０からの擬似距離ρ_１を表す信号は、測位部５０に入力される。

衛星位置算出部１２４は、航法メッセージの衛星軌道情報に基づいて、ＧＰＳ衛星１０_１の、ワールド座標系での現在位置Ｓ_１＝（Ｘ_１、Ｙ_１、Ｚ_１）及び移動速度Ｖ_１＝（Ｖ_ｘ１、Ｖ_ｙ１、Ｖ_ｚ１）を計算する。衛星移動速度ベクトルＶ_１＝（Ｖ_ｘ１、Ｖ_ｙ１、Ｖ_ｚ１）は、算出した衛星位置Ｓ_１の今回値と前回値の差分を、演算周期の時間幅で除算することにより演算されてよい。このようにして衛星位置算出部１２４にて導出される衛星位置Ｓ_１及び衛星移動速度ベクトルＶ_１は、測位部５０に入力される。

次に、図３以降の図面を参照して、本実施例の測位部５０の詳細について説明する。

図３は、本実施例の測位部５０により実行される主要処理の一例を示すフローチャートである。本処理ルーチンは、例えば車両９０のイグニッションスイッチがオンとなってからオフとなるまでの１トリップにおいて所定周期(測位周期)毎に繰り返し実行されてよい。測位周期は、擬似距離ρの演算周期（観測周期）に一致してもよく、或いは、擬似距離ρの演算周期の所定の整数倍に対応してもよい。

ステップ２００では、補正ベクトルｃがゼロベクトルに初期化される。補正ベクトルｃの役割については後述する。尚、ステップ２００の初期化処理は、１トリップにおける本処理ルーチンの初回の周期のみ実行される。

ステップ２０２では、今回周期（ｉ）に対応する周期で取得されたＣ／Ａコードの観測データに基づいて、今回周期（ｉ）の車両９０の位置（Ｘ’_ｕ（ｉ），Ｙ’_ｕ（ｉ），Ｚ’_ｕ（ｉ））の測位計算が実行される。測位計算は、例えば、以下の関係式に基づいて実行されてもよい。

ここで、下付き文字「ｋ」は、ＧＰＳ衛星１０_ｋに係る値を示す(以下も同様)。ここでは、ρ_ｋは、ＧＰＳ衛星１０_ｋに係る擬似距離を表し、ＤＬＬ１１０のフィルタ１３０から出力される値が用いられる。（Ｘ_ｋ（ｉ），Ｙ_ｋ（ｉ），Ｚ_ｋ（ｉ））は、同ＧＰＳ衛星１０_ｋに係る衛星位置を表し、衛星位置算出部１２４から出力される値が用いられる。また、（Ｘ’_ｕ（ｉ），Ｙ’_ｕ（ｉ），Ｚ’_ｕ（ｉ））は、今回周期（ｉ）の車両９０の位置（例えばＷＧＳ８４に基づくワールド座標系）を表し、未知数である。また、ｃ・ΔＴは、ＧＰＳ受信機２０における時計誤差を表し、未知数である。この場合、例えば現在観測可能なＧＰＳ衛星１０_ｋの数が４つである場合には、数２の式が４つ立つので、最小二乗法等を用いて時計誤差ｃ・ΔＴを除去した測位が実現される。

ステップ２０４では、ドップラ周波数Δｆ_ｋを用いて、前回周期（ｉ−１）における車両９０の速度ベクトルｖ＝（ｖ_ｘ（ｉ−１），ｖ_ｙ（ｉ−１），ｖ_ｚ（ｉ−１））が測位される。車両９０の速度の測位は、例えば以下のような関係式に基づいて、最小二乗法等を用いて実行されてよい。尚、文字の上についた記号黒丸は、ドット（時間微分）を表し、例えばドップラレンジｄρ_ｋは、ρ_ｋドット（擬似距離ρ_ｋの時間微分）である。

尚、Ｉドット及びＴドットは、電離層誤差の変動量及び対流圏誤差の変動量を表すが、非常に小さいので、ここでは、白色ノイズεとして扱う。また、ｂドットは、時計誤差の微分値である。また、（Ｖ_ｋ−ｖ）・ｌ_ｋのＶ_ｋ・ｌ_ｋの部分は、前回周期（ｉ−１）における単位ベクトルｌ_ｋ（ｉ−１）と衛星移動速度ベクトルＶ_ｋ（ｉ−１）との内積であり、衛星移動速度ベクトルＶ_ｋ（ｉ−１）は、上述の如く衛星位置算出部１２４にて航法メッセージの衛星軌道情報に基づいて算出され、単位ベクトルｌ_ｋ（ｉ−１）は、前回周期（ｉ−１）において測位部５０により測位された車両９０の位置（Ｘ_ｕ（ｉ−１），Ｙ_ｕ（ｉ−１），Ｚ_ｕ（ｉ−１））、及び、前回周期（ｉ−１）において衛星位置算出部１２４により算出される衛星位置（Ｘ_ｋ（ｉ−１），Ｙ_ｋ（ｉ−１），Ｚ_ｋ（ｉ−１））を用いて、以下のように、算出されてよい。

また、ドップラレンジｄρ_ｋ（ｉ−１）は、搬送波の波長λ（既知）と、前回周期（ｉ−１）で得られるＧＰＳ衛星１０_ｋに関するドップラ周波数Δｆ_ｋ（ｉ−１）を用いて、例えばｄρ_ｋ（ｉ−１）＝λ・Δｆ_ｋ（ｉ−１）により、算出される。

ステップ２０６では、今回周期（ｉ）で上記のステップ２０２（及びステップ２０４）の測位に用いたＧＰＳ衛星１０_ｋの組み合わせが、前回周期（ｉ−１）の同組み合わせから変化したか否かが判定される。例えば４つのＧＰＳ衛星１０_ｋを用いる測位の場合、前回周期（ｉ−１）でｋ＝１，２，４，６のＧＰＳ衛星１０_ｋの組み合わせを用いていた場合に、今回周期（ｉ）でｋ＝１，２，４，７のＧＰＳ衛星１０_ｋの組み合わせが用いられた場合には、ＧＰＳ衛星１０_ｋの組み合わせが変化したと判定されることになる。また、観測可能なＧＰＳ衛星１０_ｋを可能な限り多く（上限があってもよいが）用いる測位の場合、前回周期（ｉ−１）でｋ＝１，２，４，６のＧＰＳ衛星１０_ｋの組み合わせを用いていた場合に、今回周期（ｉ）でｋ＝１，２，４，６，７のＧＰＳ衛星１０_ｋの組み合わせが用いられた場合には、ＧＰＳ衛星１０_ｋの組み合わせが変化したと判定されることとしてもよい。また、逆に、今回周期（ｉ）でｋ＝１，２，４，６，７のＧＰＳ衛星１０_ｋの組み合わせを用いていた場合に、今回周期（ｉ）でｋ＝１，２，４，６のＧＰＳ衛星１０_ｋの組み合わせが用いられた場合には、ＧＰＳ衛星１０_ｋの組み合わせが変化したと判定されることとしてもよい。

尚、測位に用いるＧＰＳ衛星１０_ｋの組み合わせは、任意の適切な方法で決定されてよい。例えば、ＧＰＳ衛星１０_ｋの組み合わせは、各ＧＰＳ衛星１０_ｋの仰角、受信電波強度、各種ＤＯＰ（Dilution Of Precision）等を考慮して決定されてもよい。尚、測位に用いるＧＰＳ衛星１０_ｋの組み合わせは、典型的には、車両９０の移動や時間の経過と共に変化する車両９０と各ＧＰＳ衛星１０_ｋの位置関係に伴って変化することになるだろう。測位に用いるＧＰＳ衛星１０_ｋの組み合わせは、測位部５０において決定されてもよいし（この場合、ステップ２０２の前に決定する）、或いは、測位部５０の前段側で決定されていてもよい。後者の場合、測位部５０には、測位に用いるＧＰＳ衛星１０_ｋの組み合わせを特定する情報と共に、同組み合わせに係るＧＰＳ衛星１０_ｋのデータ（衛星位置や、擬似距離ρ等）が入力されればよい。

本ステップ２０６において、今回周期（ｉ）で測位に用いたＧＰＳ衛星１０_ｋの組み合わせが、前回周期（ｉ−１）の同組み合わせから変化したと判定された場合には、ステップ２０８に進む。尚、この場合、上記のステップ２０２及び２０４では、新たな組み合わせのＧＰＳ衛星１０_ｋに係るデータに基づいて、車両９０の位置及び速度ベクトルが算出されたことになる。ＧＰＳ衛星１０_ｋの組み合わせが変化していないと判定された場合には、ステップ２２０に進む。

ステップ２０８では、上記のステップ２０２及び２０４で算出された車両９０の位置及び速度ベクトルに基づいて、補正ベクトルｃが更新される。具体的には、先ず、上記ステップ２０２で前回周期に得られる車両９０の位置（Ｘ’_ｕ（ｉ−１），Ｙ’_ｕ（ｉ−１），Ｚ’_ｕ（ｉ−１））と、上記ステップ２０２で今回周期に得られる車両９０の位置（Ｘ’_ｕ（ｉ），Ｙ’_ｕ（ｉ），Ｚ’_ｕ（ｉ））との差分ベクトルＰ（ｉ）が算出される。即ち、Ｐ（ｉ）＝（Ｘ’_ｕ（ｉ）−Ｘ’_ｕ（ｉ−１），Ｙ’_ｕ（ｉ）−Ｙ’_ｕ（ｉ−１），Ｚ’_ｕ（ｉ）−Ｚ’_ｕ（ｉ−１））が算出される。この差分ベクトルＰ（ｉ）は、今回周期と前回周期の間の車両９０の移動ベクトルを表す。次いで、上記のステップ２０４で算出された車両９０の速度ベクトルｖに基づいて、今回周期と前回周期の間の車両９０の移動ベクトルＱ（ｉ）が算出される。即ち、Δｔを測位演算周期（即ち、今回周期と前回周期の間の時間）とすると、移動ベクトルＱ（ｉ）は、Ｑ（ｉ）＝Δｔ・（ｖ_ｘ（ｉ−１），ｖ_ｙ（ｉ−１），ｖ_ｚ（ｉ−１））として算出される。そして、これらの２つの移動ベクトルＱ及び差分ベクトルＰを用いて、以下のようにして補正ベクトルが更新される。
ｃ（ｉ）＝Ｑ（ｉ）−Ｐ（ｉ）＋ｃ（ｉ−１）
尚、上の式は、ベクトル演算として理解されたい。ここで、ｃ（ｉ−１）は、前回周期（ｉ−１）での補正ベクトル、即ち更新前の補正ベクトルを表す。従って、今回周期で初めて測位に用いるＧＰＳ衛星１０_ｋの組み合わせが変化した場合には、ｃ（ｉ−１）はゼロベクトルである。

ステップ２２０では、上記のステップ２０２で算出された車両９０の位置（Ｘ’_ｕ（ｉ），Ｙ’_ｕ（ｉ），Ｚ’_ｕ（ｉ））が、上記ステップ２０８で導出された補正ベクトルｃ（ｉ）を用いて補正され、今回周期（ｉ）での最終的な車両９０の位置の測位結果（Ｘ_ｕ（ｉ），Ｙ_ｕ（ｉ），Ｚ_ｕ（ｉ））が導出される。具体的には、今回周期（ｉ）での車両９０の位置の測位結果（Ｘ_ｕ（ｉ），Ｙ_ｕ（ｉ），Ｚ_ｕ（ｉ））は、次のように算出されてもよい。
（Ｘ_ｕ（ｉ），Ｙ_ｕ（ｉ），Ｚ_ｕ（ｉ））＝（Ｘ’_ｕ（ｉ），Ｙ’_ｕ（ｉ），Ｚ’_ｕ（ｉ））＋ｃ（ｉ）
尚、測位に用いるＧＰＳ衛星１０_ｋの組み合わせが変化したと判定された周期の速度ベクトルｖがゼロベクトルである場合であって、その前の周期までの補正ベクトルｃがゼロベクトルである場合には、当然ながら、補正は行われないことになる。即ち、（Ｘ_ｕ（ｉ），Ｙ_ｕ（ｉ），Ｚ_ｕ（ｉ））＝（Ｘ’_ｕ（ｉ−１），Ｙ’_ｕ（ｉ−１），Ｚ’_ｕ（ｉ−１））、又は、（Ｘ_ｕ（ｉ），Ｙ_ｕ（ｉ），Ｚ_ｕ（ｉ））＝（Ｘ_ｕ（ｉ−１），Ｙ_ｕ（ｉ−１），Ｚ_ｕ（ｉ−１））である。

尚、このようにして得られる今回周期の車両９０の位置（Ｘ_ｕ（ｉ），Ｙ_ｕ（ｉ），Ｚ_ｕ（ｉ））は、今回周期の車両９０の位置の最終的な測位結果として、例えば図示しないナビゲーション装置に供給されてもよい。また、このようにして得られる今回周期の車両９０の位置（Ｘ_ｕ（ｉ），Ｙ_ｕ（ｉ），Ｚ_ｕ（ｉ））は、次回周期で前回周期の値として選択的にステップ２０４で用いられることになる。また、本ステップ２２０において、今回周期の車両９０の速度（ｖ_ｘ（ｉ），ｖ_ｙ（ｉ），ｖ_ｚ（ｉ））が、上述の如く得られた今回周期の車両９０の位置（Ｘ_ｕ（ｉ），Ｙ_ｕ（ｉ），Ｚ_ｕ（ｉ））と、今回周期の衛星位置（Ｘ_ｋ（ｉ），Ｙ_ｋ（ｉ），Ｚ_ｋ（ｉ））及びドップラレンジｄρ_ｋ（ｉ）を用いて、上記の数３の式から最小二乗法等を用いて測位されてもよい。

ステップ２２２では、所定の測位終了条件が判断され、例えば今回のトリップが終了したか否かが判定される。今回のトリップが終了した場合、即ち車両９０が停車してエンジンが停止された場合には、今回のトリップに対する処理が終了する。今回のトリップが終了していない場合には、ステップ２０２からの処理が繰り返し実行されることになる。従って、この場合、補正ベクトルｃは、測位に用いるＧＰＳ衛星１０_ｋの組み合わせが変化する毎に、上記のステップ２０８の更新処理を受け、測位に用いるＧＰＳ衛星１０_ｋの組み合わせが一定の間は、一定に維持される。

図４は、上述の図３の補正処理による車両９０の位置の測位結果の補正方法の説明図である。図４において、白丸で示した各ポイントは、各周期で上記のステップ２０２で算出される車両９０の位置を示し、＋マークで示した各ポイントは、上記のステップ２２０での補正後の車両９０の位置を示す。また、各ポイントに付した数字は、測位周期の番号であり、丸で囲んだ測位周期番号が、補正後の各ポイントに付与されている。

図４では、測位周期４から５にかけて測位に用いるＧＰＳ衛星１０_ｋの組み合わせが変化し、また、測位周期８から９にかけて測位に用いるＧＰＳ衛星１０_ｋの組み合わせが変化している。これに伴い、測位周期５で上記のステップ２０２で算出される車両９０の位置は、測位周期４で上記のステップ２０２で算出される車両９０の位置から不連続に変化している。即ち、測位結果の精度悪化が、測位に用いるＧＰＳ衛星１０_ｋの組み合わせの変化に起因して生じている。同様に、測位周期９で上記のステップ２０２で算出される車両９０の位置は、測位周期８で上記のステップ２０２で算出される車両９０の位置から不連続に変化している。この不連続の発生は、主には、測位に用いるＧＰＳ衛星１０_ｋの組み合わせの変化自体が原因であるが、その他の要因として、新たな追加されたＧＰＳ衛星１０_ｋに係るＣ／Ａコード追尾が一回又は数回の観測では困難であること(即ち、新たな追加されたＧＰＳ衛星１０_ｋに係る擬似距離ρ’の初期の精度が悪いこと)や、過去のデータが存在しないが故に新たな追加されたＧＰＳ衛星１０_ｋに係る擬似距離ρ’のフィルタ１３０でのスムージングが実質的に機能していないことなどがありえる。

本実施例によれば、測位周期４から５にかけて測位に用いるＧＰＳ衛星１０_ｋの組み合わせが変化すると、上述の如く、補正ベクトルｃにより、測位周期５で上記のステップ２０２で算出される車両９０の位置が、＋マークで示した丸内の５の位置に補正される。同様に、測位周期８から９にかけて測位に用いるＧＰＳ衛星１０_ｋの組み合わせが変化すると、上述の如く、補正ベクトルｃにより、測位周期９で上記のステップ２０２で算出される車両９０の位置が、＋マークで示した丸内の９の位置に補正される。ここで、補正ベクトルｃは、上述の如く、Ｃ／Ａコードではなくドップラ周波数Δｆに基づいて導出される速度ベクトル(及び移動ベクトルＱ)に基づいて導出されているため、上述の新たな追加されたＧＰＳ衛星１０_ｋに係る擬似距離ρ’と異なり、ＧＰＳ衛星１０_ｋの組み合わせの変化に大きな影響を受け難い。また、補正ベクトルｃは、前回周期の車両９０の速度ベクトル(即ち測位に用いるＧＰＳ衛星１０_ｋの組み合わせの変化前の速度ベクトル)を用いて導出されているので、新たな追加されたＧＰＳ衛星１０_ｋに係る擬似距離ρ’からの影響は無い。また、前回周期の車両９０の速度ベクトルは、今回周期の車両９０の位置を決定する主要因子であるので、遅れ等の問題も生じない。従って、本実施例によれば、測位周期８から９にかけて測位に用いるＧＰＳ衛星１０_ｋの組み合わせが変化したことに起因して生じうる測位結果の不連続、即ち測位結果の精度悪化を防止することができる。

図５は、本実施例の測位部５０により実行される主要処理のその他の一例を示すフローチャートである。図５において、上述の図３と同一であってよい処理については、図３と同一のステップ番号を付して説明を省略する。

ステップ２１０は、前回周期（ｉ−１）で用いた補正ベクトルｃ（ｉ−１）が補正される。この際、上記のステップ２０８で導出される補正ベクトルは、測位に用いるＧＰＳ衛星１０_ｋの組み合わせが変化した後の経過時間が長くなるにつれて、大きさが小さくなるように補正される。この反比例的な関係は、線形であっても非線形であってもよいし、不連続関数であってもよい。例えば、補正ベクトルｃ（ｉ−１）の補正は、以下のように実現されてもよい。
ｃ（ｉ）＝Ａ・ｃ（ｉ−１）
ここで、Ａは、補正係数であり、例えば０．９のような、１より小さい値が選択される。従って、例えば、測位に用いるＧＰＳ衛星１０_ｋの組み合わせが変化した後、連続してｍ周期、測位に用いるＧＰＳ衛星１０_ｋの組み合わせが変化しない場合には、補正ベクトルｃの大きさは、０．９のｍ乗倍小さくなる（指数関数的に減少する）。

ステップ２２０では、上記のステップ２０２で算出された車両９０の位置（Ｘ’_ｕ（ｉ），Ｙ’_ｕ（ｉ），Ｚ’_ｕ（ｉ））が、上記ステップ２０８で導出された補正ベクトルｃ（ｉ）若しくは上記ステップ２１０で補正された補正ベクトルｃ（ｉ）を用いて補正され、今回周期（ｉ）での最終的な車両９０の位置の測位結果（Ｘ_ｕ（ｉ），Ｙ_ｕ（ｉ），Ｚ_ｕ（ｉ））が導出される。

図６は、上述の図５の補正処理による車両９０の位置の測位結果の補正方法の説明図である。図６において、白丸で示した各ポイントは、各周期で上記のステップ２０２で算出される車両９０の位置を示し、＋マークで示した各ポイントは、上記のステップ２２０での補正後の車両９０の位置を示す。また、各ポイントに付した数字は、測位周期の番号であり、丸で囲んだ測位周期番号が、補正後の各ポイントに付与されている。

図６では、上述の図４と同様、測位周期４から５にかけて測位に用いるＧＰＳ衛星１０_ｋの組み合わせが変化し、また、測位周期８から９にかけて測位に用いるＧＰＳ衛星１０_ｋの組み合わせが変化している。図６から分かるように、測位周期５で導出された補正ベクトルｃの大きさは、次にＧＰＳ衛星１０_ｋの組み合わせが変化する測位周期９まで、徐々に小さく補正されている。このように補正ベクトルｃを時間の経過と共に小さくしていく理由は、測位に用いるＧＰＳ衛星１０_ｋの組み合わせが変化した直後では、測位結果の不連続が発生するものの、測位に用いるＧＰＳ衛星１０_ｋの組み合わせが変化した後、時間の経過と共に、観測データが安定して測位結果が真値に近くなるからである。

尚、図５に示す例では、測位に用いるＧＰＳ衛星１０_ｋの組み合わせが変化した後の経過時間に応じて補正ベクトルを変化させているが、測位に用いるＧＰＳ衛星１０_ｋの組み合わせが変化した後の車両９０の移動量（移動距離）に応じて補正ベクトルを変化させることも可能である。例えば、測位に用いるＧＰＳ衛星１０_ｋの組み合わせが変化した後の車両９０の移動距離が長くなるにつれて、補正ベクトルｃの大きさが小さくなるように補正ベクトルｃを補正することとしてもよい。

次に、図７を参照して、補正ベクトルｃの決定方法の代替実施例を説明する。

図７は、補正ベクトルｃの決定方法の代替実施例の説明図である。図７において、白丸で示したポイントは、測位周期４でＣ／Ａコードに基づいて算出される車両９０の位置（図３のステップ２０２参照）を示し、＋マークで示したポイントは、移動ベクトルＱの終点位置を示し、△マークで示したポイントは、補正ベクトルｃによる補正後の車両９０の位置を示す。また、各ポイントに付した数字は、測位周期の番号であり、丸で囲んだ測位周期番号が、補正後のポイントに付与されている。図７では、上述の図４と同様、測位周期４から５にかけて測位に用いるＧＰＳ衛星１０_ｋの組み合わせが変化している。

また、図７には、ドップラ周波数Δｆに基づいて導出される速度（図３のステップ２０４参照）の誤差分散（測位結果のばらつき度合い）が模式的に範囲Ａ１で示され、Ｃ／Ａコードに基づいて算出される車両９０の位置（図３のステップ２０２参照）の誤差分散（測位結果のばらつき度合い）が模式的に範囲Ａ２で示され、これらの２つの誤差分散を重ね合わせた誤差分散が、模式的に範囲Ａ３で示されている。

図８は、図７のラインＴに沿って、ドップラ周波数Δｆに基づいて導出される速度の誤差分散に基づく確率密度関数（分布）と、Ｃ／Ａコードに基づいて算出される車両９０の位置の誤差分散に基づく確率密度関数とが、それぞれ符号Ａ１，Ａ２が付された曲線で示されている。尚、これら分布は、それぞれ、ドップラ周波数Δｆに基づいて導出される移動ベクトルＱの終点、及び、Ｃ／Ａコードに基づいて算出される車両９０の位置を中心として設定されている。図８には、これらの２つの分布を重ね合わせた分布が、符号Ａ３が付された曲線で概略的に示されている。

尚、ドップラ周波数Δｆに基づいて導出される速度の誤差分散、及びＣ／Ａコードに基づいて算出される車両９０の位置の誤差分散は、実稼動中に測位演算の過程で算出されたものが用いられてもよいし（例えば残差やＤＯＰ等を用いて算出されてもよいし）、実験的に導出された固定値が用いられてもよい。

本代替実施例では、補正ベクトルｃは、図７に示すように、Ｃ／Ａコードに基づいて算出される車両９０の位置から、範囲Ａ３（この場合、円形範囲）の中心に向かうベクトルとして決定される。尚、範囲Ａ３の中心は、図８に示すように、２つの分布を重ね合わせた分布のピーク位置に相当する。

このようにして決定された補正ベクトルｃは、上述の実施例と同様に用いることができる。また、このようにして決定された補正ベクトルｃは、測位に用いるＧＰＳ衛星１０_ｋの組み合わせが変化していない場合にも、用いることができる。この場合、同様に、補正ベクトルｃを、Ｃ／Ａコードに基づいて算出される車両９０の位置に加算することで、Ｃ／Ａコードに基づいて算出される車両９０の位置を補正すればよい。

以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、上述の実施例では、好ましい実施例として、前回周期に係る速度ベクトル及びひいては移動ベクトルが算出されているが、それに代えて、今回周期に係る速度ベクトル及びひいては移動ベクトルが算出されてもよい。

また、上述の実施例では、Ｃ／Ａコードを用いて擬似距離ρを導出しているが、擬似距離ρは、Ｌ２波のＰコードのような他の擬似雑音コードに基づいて計測されてもよい。尚、Ｐコードの場合、Ｗコードで暗号化されているので、Ｐコード同期を行う際に、クロス相関方式を利用したＤＬＬにより、Ｐコードを取り出すこととしてよい。Ｐコードに基づく擬似距離ρは、ＧＰＳ衛星１０_１でＰコードが０ビット目であるとしてＰコードのＭ_Ｐビット目が車両９０にて受信されているかを計測することで、ρ’_Ｐ＝Ｍ_Ｐ×３０として求めることができる。

また、上述の実施例では、ＧＰＳに本発明が適用された例を示したが、本発明は、ＧＰＳ以下の衛星システム、例えばガリレオ等の他のGNSS(Global Navigation Satellite System)にも適用可能である。

本発明に係る移動体用測位装置が適用されるＧＰＳの全体的な構成を示すシステム構成図である。 ＧＰＳ受信機２０の内部構成の一例を示す図である。 本実施例の測位部５０により実行される主要処理の一例を示すフローチャートである。 図３の補正処理による車両９０の位置の測位結果の補正方法の説明図である。 本実施例の測位部５０により実行される主要処理のその他の一例を示すフローチャートである。 図５の補正処理による車両９０の位置の測位結果の補正方法の説明図である。 補正ベクトルｃの決定方法の代替実施例の説明図である。 補正ベクトルｃの決定方法の代替実施例の説明図である。

符号の説明

１０ ＧＰＳ衛星
２０ ＧＰＳ受信機
５０ 測位部
９０ 車両

Claims (7)

1. 移動体に搭載され、３つ以上の衛星から放送される衛星信号に基づいて前記移動体の位置及び／又は速度を測位する移動体用測位装置において、
   測位に用いる衛星の組み合わせが変化したか否かを判定する判定手段と、
   前記衛星信号の搬送波のドップラシフトの観測値を用いて前記移動体の速度ベクトルを算出する速度ベクトル算出手段と、
   前記衛星信号に基づいて前記移動体の位置を測位する測位手段と、
   前記測位手段により測位された前記移動体の位置の測位結果の変化に基づいて所定時間内における前記移動体の移動ベクトルを算出する移動ベクトル算出手段と、
   前記判定手段により前記衛星の組み合わせが変化したと判定された場合に、前記速度ベクトル算出手段により算出された速度ベクトルと、前記移動ベクトル算出手段により算出された移動ベクトルの双方のベクトルを用いて、前記測位手段により測位された前記移動体の位置を補正する補正手段とを含むことを特徴とする、移動体用測位装置。
2. 前記速度ベクトル算出手段により算出された前記速度ベクトルに基づいて、前記所定時間内における前記移動体の移動ベクトル(以下、第２移動体ベクトルという)を算出する第２移動体ベクトル算出手段を更に含み、
   前記補正手段は、前記判定手段により前記衛星の組み合わせが変化したと判定された場合に、前記第２移動体ベクトル算出手段により算出された第２移動ベクトルと、該衛星の組み合わせの変化前後の前記測位手段による測位結果の変化に基づいて前記移動ベクトル算出手段により算出された前記移動ベクトルとの差分を取ることで補正ベクトルを算出し、該算出した補正ベクトルと、前記衛星の組み合わせの変化前の前記衛星信号に基づいて前記測位手段により測位された前記移動体の位置とに基づいて、前記衛星の組み合わせの変化後の前記衛星信号に基づいて前記測位手段により測位された前記移動体の位置を補正する、請求項１に記載の移動体用測位装置。
3. 前記補正手段は、前記判定手段により前記衛星の組み合わせが変化したと判定された場合に、その後に前記判定手段により前記衛星の組み合わせが変化したと判定されるまでの間、前記算出した補正ベクトルを継続的に用いて前記測位手段により継続的に測位される前記移動体の位置を補正する、請求項２に記載の移動体用測位装置。
4. 前記補正手段は、前記判定手段により前記衛星の組み合わせが変化したと判定された後の経過時間若しくは前記移動体の移動距離に応じて、前記算出した補正ベクトルを変化させる、請求項３に記載の移動体用測位装置。
5. 前記補正手段は、前記判定手段により前記衛星の組み合わせが変化したと判定された後の経過時間若しくは前記移動体の移動距離に応じて、前記算出した補正ベクトルの大きさを徐々に小さくする、請求項４に記載の移動体用測位装置。
6. 前記補正手段は、前記判定手段により前記衛星の組み合わせが変化したと判定された場合であって、その後に前記判定手段により前記衛星の組み合わせが変化したと再び判定された場合に、最初の前記衛星の組み合わせの変化時に算出した前記補正ベクトルと、その後の前記衛星の組み合わせの変化時に算出した前記補正ベクトルとを用いて、前記移動体の位置の補正に用いる前記補正ベクトルを更新する、請求項２〜５のうちのいずれか１項に記載の移動体用測位装置。
7. 前記補正手段は、前記判定手段により前記衛星の組み合わせが変化したと判定された場合に、前記速度ベクトル算出手段により算出される速度ベクトルの誤差の統計値と、前記測位手段により測位される前記移動体の位置の誤差の統計値とに基づいて、補正ベクトルを算出し、該算出した補正ベクトルと、前記衛星の組み合わせの変化前の前記衛星信号に基づいて前記測位手段により測位された前記移動体の位置とに基づいて、前記衛星の組み合わせの変化後の前記衛星信号に基づいて前記測位手段により測位された前記移動体の位置を補正する、請求項１に記載の移動体用測位装置。

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