JP2007536510A - キャリア−位相測定値の連続差を用いたgpsナビゲーション - Google Patents
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Abstract
Description
z=hv・xv+n (1)
ここで、xvは、離散時間制御プロセスの状態に対する補正値を表す状態補正ベクトルであり、この場合、受信機の位置及び受信機のクロック時間を含むことができ、zは測定インノベーション(measurement innovation)の値を表し、インノベーションとは、衛星に対する測定値と本来の指定状態から計算される測定値に対する期待値との間の差によって定義され、hvは測定感度ベクトルであり、状態変化に対する測定値の感度の特性である。hvベクトルは、疑似標的間距離測定値をGPS受信機の位置と関係付ける方程式をテーラー級数に展開することによって形成する。hvの要素は、補正ベクトルに対する測定インノベーションの一次導関数を含む。状態補正ベクトルxvは、少なくともGPS受信機の位置に対する補正値を含む。また、これはGPS受信機のクロックに対する補正値も含むことができる。キャリア−位相測定値の場合、状態補正ベクトルは、未知の曖昧係数を含むことができ、これは、従来のキャリア−位相曖昧解明技法を用いて解くことができる。以下の論述を容易にするために、状態ベクトルは4要素ベクトルである、即ち、状態は受信機の位置及び受信機のクロック時間のみを含むことを想定している。
zv=Hm・xv+nv (2)
この式において、zvは、多数の衛星に対するインノベーションから成るベクトルであり、Hmは多数の衛星に対する測定感度から成る行列であり、xvは状態ベクトルのままであり、nvはzvにおけるインノベーションに伴う1組の測定ノイズ値を含む測定ノイズ・ベクトルである。測定感度行列Hmは、衛星の幾何学的形状に依存し、受信機と衛星との間の幾何学的関係の総合を示す。ベクトルzvにおける測定インノベーションは、プレフィックス残差(prefix residual)と呼ばれることが多い。式(2)に対する最小二乗解は次のようになる。
xv=(HmT・H・Hm)−1HmT・zv (3)
ここで、上付き文字Tは転置動作を表し、上付き文字「−1」は行列反転動作を表す。
xv=(HmT・Wm−1・Hm)−1HmT・Hm−1・zv (4)
ここで、Wmは、ノイズ・ベクトルnにおける測定ノイズの標準偏差を表す対角要素と、測定値間の共分散を表す非対角要素とを有する測定共分散行列である。測定値間の共分散は、一般に0と仮定するので、Wmの非対角要素は一般には0である。
説明を容易にするために、以下の論述では、単純な最小二乗式、式(3)を用いる。式(3)を更に簡略化して、次の式を得ることができる。
xv=Am・HmT・zv (5a)
又は
xv=Bm・zv (5b)
ここで、Am=(HmT・Hm)−1、及びBm=Am・HmTである。
Δm=Sm・zv (6)
ここで、
Sm=(Im−Hm(HmT・Hm)−1・HmT)
=Im−Hm・Bm (7)
ここで、Imは、階数が測定値の数又はzvにおける要素の数に等しい、正方単位行列である。
Xvp=Xvp+vv・Δt (8)
ここで、vvは、速度を表し、Δtは2回の短期エポック間の経過時間即ち短期エポック間隔であり、XvpはGPS受信機110の計算した位置を表す。ステップ320は、プロセス215に含まれ、インノベーション(プレフィックス残差)を小さく抑えることによって、最良の位置推定値が高頻度補正計算において用いられることを確保する。このステップは、実際には必要とされない。何故なら、以下で説明するようにキャリア−位相の変化を用いる位置伝搬は、自動的に、ステップ320において計算した初期補正値の欠如に合わせて調節するはずであるからである。また、プレフィックス残差に対する最も大きな寄与は、通常、受信クロック誤差であり、ステップ320における計算に含まれても含まれなくてもよい。
zi=(φi−ρi)−(φi−1−ρi−1) (9)
ここで、φは、対応する波長によってメートルに換算した(scale)キャリア−位相測定値を表すために用いられ、ρは、衛星と受信機間の理論的標的間距離を表すために用いられる。下付き文字iは、現エポックを表すために用いられ、下付き文字i−1は、直前のエポックを表すために用いられる。理論的標的間距離ρiは、短期エポックi−1において計算した受信機位置を用いて計算することができる。これは、式(8)を用いて更新してもしなくてもよい。理論的標的間距離ρi−1は、単に、短期エポックi−1において計算した受信機位置を用いて計算すればよい。これは、式(8)を用いて更新されるのではない。
Δvv=xvp/Δt (10)
短期エポック間隔が1秒の1/10程度に短い場合、状態補正値xv及び速度補正値Δvにノイズがあると、速度ノイズが増幅される結果となる場合もある。このため、xvの位置変化又は速度補正値のいずれか、又は双方を平滑化してから、これらを用いて位置及び速度を更新することが望ましい場合もある。状態ベクトルに対してトラッキング・フィルタを用いると、スムージング・プロセスにおいて誤差が蓄積されないことを確実とすることができる。
Xvp=Xvp+xvp (11a)
ここで、xvpは受信機位置Xvpに対する補正値を表す。実施形態の中には、受信機位置Xvpがxyzデカルト座標であり、地球を中心とした、地球固定座標系に関する場合がある。xvpが、北、東、増大座標系(north, east, up coordinate system)である場合、位置変化xvpは、最初にしかるべき回転行列Rmと乗算しなければならない。回転行列は、低頻度プロセスにおいて計算され、Am及びHm(又はBm及びSm)行列と共に高頻度プロセスに転送される。この場合、
Xvp=Xvp+Rm・xvp (11b)
ここで、xvpは、北、東、増大座標における位置変化を表し、Xvpはデカルト座標における受信機位置を表す。
zi=(φi−ρi)−(φi−1−ρi−1) (12)
となる。ここで、φは、対応する波長によってメートルに換算したキャリア−位相測定値を表すために用いられ、ρは、衛星と受信機間の理論的標的間距離を表すために用いられる。下付き文字iは、現エポックを表すために用いられ、下付き文字i−1は、直前のエポックを表すために用いられる。理論的標的間距離ρiは、短期エポックi−1において計算した相対受信機位置Xvprを用いて計算することができる。これは、式(8)を用いて更新してもしなくてもよい。理論的標的間距離ρi−1は、短期エポックi−1において計算した相対受信機位置Xvprを用いて計算すればよい。これは、式(8)を用いて更新されるのではない。しかしながら、理論的な標的間距離を計算するときは、それぞれの相対位置に対応する絶対受信機位置を用いることが好ましい。絶対受信機位置の近似値は、最後に計算した位置オフセットと、それぞれの受信機位置とに基づいて計算することができる。
プロセス215は、更に、ステップ540を含み、ここでは、位置変化xvprを用いて、相対受信機位置Xvprを更新する。その際、以下の式を用いる。
Xvpr=Xvpr+xvpr (14)
ここで、xvprは、Xvprと同じ座標系にある。xvprがXvprとは異なる座標系にある場合、回転行列を用いれば、xvprをXvprと同じ座標系に変換することができる。回転行列は、低頻度プロセスにおいて計算し、Am及びHm(又はBm及びSm)行列と共に高頻度プロセスに転送すればよい。
「最大精度」動作モードでは、低頻度プロセス220によって計算した位置オフセットは、相対位置Xvprを更に補正するためには適用しない。何故なら、こうすることにより、ナビゲートした位置Xvprがドリフトして真の測地位置即ち「絶対」位置に戻ってしまうからである。
rvi=Σavij・hvk j (Σはjについて加算) (15)
ここで、avijは、行列Amのi行及びj列における要素を表し、hvk jはHm行列において除去(又は追加)された衛星kと関連付けられた行におけるj番目の要素を表す。スカラーsも計算され、rvとHmの同じ行の内積を含む。即ち、
s=1−Σrvi・hvk i (Σはiについて加算) (16)
Amの要素に対する調節は次の式で示される。
avij=avij+(rvi・rvj)/s (17)
加重最小二乗計算では、式(15)〜式(17)は、各H要素に、測定共分散行列Wにおける測定ノイズの対応する標準偏差(重み)を乗算し、式(16)における「1」を二乗した重みの逆数と置き換えることによって修正することができる。
0=Σsij・zi (Σはi=1〜nについて加算) (18)
新たなSm行列を形成するのではなく、新たな測定値(即ち、追加の衛星に対する)を追加する必要がある場合、最も簡単な手順は、新たな測定値を考慮した、低頻度プロセス220における次の位置補正プロセス225の完了まで待つことである。
Claims (21)
- 衛星からの信号に応じて物体をナビゲートする方法であって、
前記衛星の幾何学的形状に関連する測定感度行列に基づいて、前記物体の位置を解明するために少なくとも1つの行列を決定するステップと、
前記衛星からの信号に応じて前記物体において得られるキャリア−位相測定値の連続変化に基づいて、前記物体の位置の後続の変化を決定するために、前記少なくとも1つの行列を繰り返し用いるステップと
を備えていることを特徴とする方法。 - 請求項1記載の方法において、該方法は更に、
前記物体の位置変化を判定するためにある時間期間繰り返し用いた後、これを更新するステップ
を備えていることを特徴とする方法。 - 請求項2記載の方法において、該方法は更に、
前記少なくとも1つの行列の新たな更新を計算するまで、前記キャリア−位相測定値の連続変化に基づいて、前記物体の位置の後続の変化を決定するために、前記更新した少なくとも1つの行列を繰り返し用いるステップ
を備えていることを特徴とする方法。 - 物体をナビゲートするプロセスであって、
前記物体の初期位置を決定する初期化プロセスと、
前記初期化プロセスの後に一連の短期エポックの各々で1回ずつ前記物体の位置更新を決定する第1プロセスであって、隣接する短期エポックの間に得られるキャリア−位相測定値の差に基づいて前記位置更新を決定する、第1プロセスと、
前記初期化プロセスの後に一連の長期エポックの各々で1回ずつ前記物体の位置補正を決定する第2プロセスであって、それぞれの長期エポックにおける所定期間に対応する短期エポックにおいて得られる前記位置更新及びキャリア−位相測定値に基づいて前記位置補正を決定する、第2プロセスと
を備えていることを特徴とするプロセス。 - 請求項4記載のプロセスにおいて、該プロセスは更に、前記位置補正の決定後に得られる位置更新に対して、前記位置補正を適用することを含むことを特徴とするプロセス。
- 請求項4記載のプロセスにおいて、前記第2プロセスは更に、長期エポック毎に前記位置補正について解明するために少なくとも1つの行列を決定することを特徴とするプロセス。
- 請求項6記載のプロセスにおいて、前記少なくとも1つの行列は、前記第2プロセスが次の長期エポックにおいて前記位置補正について解明するために少なくとも1つの他の行列を生成するまで、多数の後続の短期エポックの各々において、前記位置更新を生成するために、前記第1プロセスによって用いられることを特徴とするプロセス。
- 請求項6記載のプロセスにおいて、信頼性のある測定値を得ることに関して、衛星数の変化を考慮するために、前記少なくとも1つの行列を前記第1プロセスによって補正することを特徴とするプロセス。
- 請求項4記載のプロセスにおいて、前記高頻度プロセスは更に、2回の連続する短期エポックにおいて得られるキャリア−位相測定値の差に基づいて、前記位置更新を決定する前に、近似位置更新を計算するために、前記物体の速度を用いることを含むことを特徴とするプロセス。
- 請求項4記載のプロセスにおいて、前記第2プロセスにおける位置補正を、最小二乗法を用いて決定することを特徴とするプロセス。
- 請求項4記載のプロセスにおいて、前記第1プロセス及び前記第2プロセスは、リアル・タイム・エクゼキュティブを用いて同時に実行することを特徴とするプロセス。
- 請求項4記載のプロセスにおいて、前記衛星に関連する電離層、又は対流圏屈折効果に対する補正を含まずに、前記第1プロセスにおいて前記位置補正を決定することを特徴とするプロセス。
- 請求項4記載のプロセスにおいて、各位置更新は、前記物体の相対位置の更新であり、前記位置補正は、前記物体の相対位置と絶対位置との間のオフセットを表すことを特徴とするプロセス。
- 請求項13記載のプロセスにおいて、前記位置補正は、当該位置補正の決定の後に得られるいずれの位置更新を補正するために用いられないことを特徴とするプロセス。
- 請求項13記載のプロセスにおいて、前記位置補正は、前記位置更新を決定するために必要な、前記物体と前記衛星との間の理論的標的距離を掲載するために、前記第1プロセスにより用いられることを特徴とするプロセス。
- 請求項13記載のプロセスにおいて、電離層及び対流圏屈折効果に対する補正は、前記位置更新を決定する際に含まれることを特徴とするプロセス。
- 請求項16記載のプロセスにおいて、電離層屈折効果を除去するために、二重周波数キャリア−位相測定値を用いて、前記位置更新を決定するために用いられる前記キャリア−位相測定値を調節することを特徴とするプロセス。
- 請求項13記載のプロセスにおいて、ワイド・エリア又は汎地球測地システムからの補正値を、前記位置更新を決定する際に用いることを特徴とするプロセス。
- プロセッサによって実行されると、該プロセッサに、衛星からの信号に応じて物体をナビゲートするプロセスを実行させるコンピュータ読み取り可能命令を内部に格納してあるコンピュータ読み取り可能記憶媒体であって、前記コンピュータ命令が、
前記衛星の幾何学的形状に関連する測定感度行列に基づいて、前記物体の位置を解明するために少なくとも1つの行列を決定する命令と、
キャリア−位相測定値の連続変化に基づいて、前記物体の位置の後続の変化を決定するために、前記少なくとも1つの行列を繰り返し用いる命令と、
を備えていることを特徴とするコンピュータ読み取り可能記憶媒体。 - 請求項19記載のコンピュータ読み取り可能記憶媒体において、前記命令は更に、
前記物体の位置変化を判定するためにある時間期間繰り返し用いた後、これを更新する命令
を備えていることを特徴とするコンピュータ読み取り可能記憶媒体。 - 請求項20記載のコンピュータ読み取り可能記憶媒体において、前記命令は更に、
前記少なくとも1つの行列の新たな更新を計算するまで、前記キャリア−位相測定値の連続変化に基づいて、前記物体の位置の後続の変化を決定するために、前記更新した少なくとも1つの行列を繰り返し用いる命令
を備えていることを特徴とするコンピュータ読み取り可能記憶媒体。
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