JP2007529010A - ２周波数の一方で測定データが利用できない場合に短期間バックアップ２周波数ナビゲーションを行なう方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、２周波数ナビゲーションが依存する２周波数の一方が利用できない場合に、短期間バックアップ２周波数ナビゲーションを実行する方法を含んでいる。本方法は、維持されている周波数上の搬送波位相測定値および電離層屈折効果のモデルを用いて、利用できない周波数上の符号および搬送波位相測定値を合成して、両方の周波数上の測定値が利用できる場合に更新するステップを含んでいる。

Description

本発明は一般に衛星群を利用する測位及びナビゲーションに関連する技術に関し、より詳細には、全地球測位システム（ＧＰＳ）を利用する２周波数ナビゲーションに関する。

全地球測位システム（ＧＰＳ）は、宇宙空間にある衛星群を用いて地球上の対象物の位置を特定する。ＧＰＳでは、衛星群からの信号がＧＰＳ受信器に到達し、これを用いてＧＰＳ受信器の位置を特定する。現在、固定ＧＰＳ衛星信号を有する各々の相関器チャネルに対応する２種類のＧＰＳ測定値が民間ＧＰＳ受信器で利用できる。これら２種類のＧＰＳ測定値とは、擬似距離、及び各々周波数が１．５７５４ＧＨｚ、１．２２７６ＧＨｚ、即ち、波長が０．１９０３ｍ、０．２４４２ｍである２つの搬送波信号Ｌ１、Ｌ２の積分搬送波位相である。擬似距離測定値（又は符号測定値）とは、全ての種類のＧＰＳ受信器が生成可能な基本的なＧＰＳ可観測値である。これは、搬送波信号上へ変調されたＣ／Ａ又はＰ符号を利用する。この測定値は、関連する符号が衛星から受信器まで移動するのに要した真太陽時、即ち、受信器時計に基づき信号が受信器へ到達した時刻から、衛星時計に基づき信号が人工衛星から発信された時刻を差し引いた値を記録している。

搬送波位相測定値は、信号が受信器に到達した際に、再構築された搬送波を積分することにより得られる。このように、搬送波位相測定値はまた、衛星時計に基づき信号が人工衛星から離脱した時刻から、受信器時計に基づき信号が受信器へ到達した時刻を減ずることにより定まる通過時差である。しかし、信号の搬送波位相を受信器が追跡し始めたときの、衛星と受信器の間を移行中の初期の整数周期の数は通常未知であるため、複数の搬送波周期により通過時差に誤差があり得る。即ち搬送波位相測定値において整数周期アンビギュイティが存在する。

利用可能なＧＰＳ測定値を用いて、ＧＰＳ受信器と複数の衛星の各々とのレンジ、即ち距離が、信号の移動時間に光速度を乗算することにより計算される。これらの距離は、受信器時計は一般に測定された距離に共通のバイアスを引き起こす重大な時間誤差を有するため、通常は擬似距離（偽距離）と呼ばれる。また、計算された距離における誤差又はノイズを引き起こすいくつかの誤差要因、例えば、天体暦誤差、衛星時計タイミング誤差、大気の影響、受信器ノイズ、及びマルチパス誤差が存在する。受信器時計誤差から生じる共通のバイアスは、通常のナビゲーション計算の一部として、受信器の位置座標と共に解決される。

ＧＰＳ受信器を有するユーザーが、どの基準局も参照することなく、視界内の複数の衛星群に関する符号及び／又は搬送波位相距離を得るスタンドアロン型ＧＰＳナビゲーションにおいて、ユーザーにとって距離の誤差又はノイズを減らす方法は極めて制約される。これらの誤差を除去又は減少させるべく、ＧＰＳアプリケーションでは、通常、差分動作が用いられる。差分ＧＰＳ（ＤＧＰＳ）動作には、通常、固定位置に置かれた１個以上の基準ＧＰＳ受信器、ユーザー（又はナビゲーション）ＧＰＳ受信器、及びユーザーと基準受信器の間の通信リンクが関与する。基準受信器を用いて、上述の誤差要因のいくつか又は全てに関連付けられた補正値を生成する。補正値は、ユーザー受信器へ送られ、次いでユーザー受信器がこの補正値を用いて、計算された位置を適宜補正する。

ＧＰＳ搬送波位相測定値を用いて高精度差分ナビゲーションを得るために多くの異なる技術が開発されてきた。最も精度が高い技術は一般に「実時間キネマティック」（ＲＴＫ）技術と呼ばれ、通常、１センチメートルの精度を有する。しかし、この精度を得るためには、差分搬送波位相測定値における整数周期アンビギュイティを決定しなければならない。基準受信器がナビゲーション受信器から相当の距離（数十キロメートル超）にある場合、整数周期アンビギュイティを決定することは不可能になって、通常のＲＴＫ精度が得られない恐れがある。これらの悪条件下で可能な最善の策は、（非整数の）実数値変数として整数周期アンビギュイティを推定することである。この行為は、しばしば「浮動アンビギュイティ」値の決定と呼ばれる。

「浮動アンビギュイティ」値を決定する一つの方法は、符号及び搬送波位相測定値を屈折補正して、屈折補正済み搬送波位相測定値を屈折補正済み符号測定値と同一単位にスケーリングして、屈折補正済み符号測定値から屈折補正済み搬送波位相測定値を減算することによりオフセットを得ることである。このオフセット値をある時間にわたり再帰的に平均化することにより「浮動アンビギュイティ」の漸近的に正確な推定値とすることができる。符号測定値の電離層屈折効果に合致すべく形成された、対応するＬ１及びＬ２搬送波位相測定値の線型結合を用いて符号測定値を平滑化することにより、全く同じ最終結果が得られる。

ナビゲーション受信器の測定値、又は測定値の補正値を与える数種類の差分ＧＰＳシステムが現在利用できる。これらのうち、複数の米国政府機関が協同で設立した国立高精度差分ＧＰＳシステム（ＨＡ−ＮＤ ＧＰＳ）では、地上の基準サイトを用いる。このシステムは、数百キロメートルの距離にあるユーザーに到達できる沿岸警備隊ビーコンを用いてユーザーへ補正値を送信する。ジョン・ディア（Ｊｏｈｎ Ｄｅｅｒｅ）が開発したスターファイア（ＳｔａｒＦｉｒｅ（登録商標））システムは、通信衛星を介して地方広域補正データストリーム及びグローバルＤＧＰＳ補正データストリームの両方により補正値を送信する。これらのシステムにおいて、充分な精度で搬送波位相浮動アンビギュイティが決定された後、即ち、ナビゲーション受信器が衛星信号の追跡を開始してから充分な時間が経過した後で、１０センチメートルの距離のナビゲーション結果が得られる。

これらのナビゲーション・システムの基本的な問題の一つは、干渉信号、遮蔽、又は信号妨害等、何れかの衛星群からの信号の一つを一時的に途絶させる要因により、搬送波位相測定値に「サイクルスリップ」が生じて浮動アンビギュイティ値が正確でなくなる点である。現在の商用環境において、Ｌ２信号はＬ１測定値よりはるかに途絶しやすい。この理由はいくつかある。第一に、同報通信Ｌ１信号は、同報通信Ｌ２信号より強力である。また、Ｌ２信号への商用アクセスは、軍によりＬ２信号に課される選択的利用可能性を避けるために「符号無し」又は「半符号無し」技術の採用を必要とする。その結果、僅かな干渉又は信号妨害だけでもＬ２測定値の途絶を引き起こす恐れがある。浮動アンビギュイティ値を再初期化する何らかの手段なしには、Ｌ２信号が復活した後で、新たに正しい浮動アンビギュイティ値を決定するために長時間を要する。従って、長い初期化プロセスを回避できるように、短時間Ｌ２信号が停止した後で浮動アンビギュイティ値を再初期化する技術が必要である。

本発明はバックアップ２周波数ナビゲーションを行なう方法を含み、これにより、保持されたＬ１搬送波位相測定値と電離層屈折効果のモデルを組み合せて用いてＬ２符号及び搬送波位相測定値が合成され、Ｌ１及びＬ２周波数の両方での測定値が利用できた場合に更新される。オプションの処理として、保持された符号測定値と搬送波位相測定値との間の相違を用いて、電離層屈折モデルからの緩慢に変化する偏差を検出することができる。これにより、合成測定値を首尾よく生成できる期間を延長することができる。

本発明の一実施形態において、ユーザー側ＧＰＳ受信器で各衛星からのＬ２測定値の受信が一定時間途絶した当該衛星に対して、バックアップ２周波数ナビゲーションが実行され、当該バックアップ２周波数ナビゲーションを実行する方法は、当該衛星からのＬ１及びＬ２周波数の両方における測定値が利用可能な場合の定常状態処理を含んでいる。定常状態処理の間、平滑化符号測定値、及び符号測定値と搬送波位相測定値間の平滑化オフセットが計算される。また、電離層モデルに対する補正も生成される。その後で、衛星からのＬ２周波数上で測定値が直接利用できない場合に、ユーザー側ＧＰＳ受信器で再びＬ２信号が検出されるまで、各測定値基幹についてバックアップ動作が実行される。バックアップ動作の間、電離層モデルの補正値を用いてＬ２搬送波位相測定値の推定値を生成し、これを用いてＬ１及びＬ２周波数の両方における推定符号測定値を生成する。Ｌ１周波数上の符号測定値の推定値及び実測値をオプションのステップで用いて、電離層モデルの補正が更新される。Ｌ２信号が復旧したならば、衛星からのＬ１及びＬ２信号の両方を用いて２周波数ナビゲーションへの移行が実行される。

このように、本発明の一実施形態における方法により、１個以上の衛星群からの周波数の一方の信号が一定期間利用できなくなった状況で、ＧＰＳ受信器における２周波数動作を継続することが可能になる。

図１に、衛星群のうちの１個からのＬ２信号のロック喪失が偶発的に生じた場合にバックアップ２周波数ナビゲーションを実行する、本発明の一実施形態によるシステム１００を示す。図１に示すように、システム１００は、システム１００へ未処理ＧＰＳ可観測値を処理用に提供するＧＰＳ受信器１１０に結合された、マイクロプロセッサ利用のコンピュータ・システム１００であってよい。これらの可観測値はＧＰＳ符号、搬送波位相測定値、天体暦及び複数の衛星群１０１から受信した信号に応じて取得した他の情報を含んでいる。

差分演算を容易にするため、システム１００はまた、無線リンク１２４を介して基準局１２０に結合されていてよい。基準局１２０は、当該局で実測されたＧＰＳ可観測値及び／又は当該局で計算されたＧＰＳ補正値を提供する。広域又は全地球アプリケーションにおいて、無線及び／又は衛星リンク１３４を介して一群の基準局（図示せず）と通信可能なシステム１００は、１個以上の中央ハブ１３０に結合されていてよい。ハブ１３０は基準局の群からＧＰＳ可観測値を受信し、システム１００へ伝達される補正値を計算する。

本発明の一実施形態において、システム１００は、１個以上の通信バス１５２により相互接続された中央処理ユニット（ＣＰＵ）１４０、メモリ装置１４８、複数の入力ポート１５３、１５４及び１５５、１個以上の出力ポート１５６、オプションのユーザー・インターフェース１５８を含んでいる。メモリ１４８は、高速ランダム・アクセス・メモリを含んでいてもよく、また１個以上の磁気ディスク記憶装置等の不揮発性大容量記憶装置を含んでいてよい。メモリ１４８はまた、中央演算処理装置１４０から遠隔配置された大容量記憶装置を含んでいてよい。メモリ１４８は好適には、オペレーティング・システム１６２と、データベース１７０と、本発明の一実施形態によるバックアップ２周波数ナビゲーション１６６用のプロシージャを含む、ＧＰＳアプリケーション・プログラム又はプロシージャ１６４とを格納する。メモリ１４８に格納されているオペレーティング・システム１６２、及びアプリケーション・プログラムとプロシージャ１６４は、コンピュータ・システム１００のＣＰＵ１４０により実行されるためにある。メモリ１４８は、また好適には、本明細書で議論する他のデータ構造と同様に、ＧＰＳ測定及び補正等のＧＰＳアプリケーション・プロシージャ１６６の実行中に使用するデータ構造も格納する。

入力ポート１５４は、ＧＰＳ受信器１１０、基準局１２０、及び／又はハブ１３０から各々データを受信するためにあり、出力ポート１５６を用いて計算結果を出力することができる。或いは、計算結果は、ユーザー・インターフェース１５８のディスプレイ装置に表示することができる。

オペレーティング・システム１６２は、埋め込みオペレーティング・システム、ＵＮＩＸ（登録商標）、Ｓｏｌａｒｉｓ、或いはＷｉｎｄｏｗｓ（登録商標）９５、９８、ＮＴ４．０、２０００又はＸＰであってよいが、これに限定されない。より一般的には、オペレーティング・システム１６２は、データの通信、処理、アクセス、格納、検索用のプロシージャ及び命令を備えている。

図１の破線１０５に示すように、いくつかの実施形態では、ＧＰＳ受信器１１０及びコンピュータ・システム１００の一部又は全部を単一筐体内の単一装置、例えば、可搬、携帯、更には着用可能な位置トラッキング装置、或いは車両搭載又はその他の移動式測位及び／又はナビゲーション・システムに一体化されている。他の実施形態では、ＧＰＳ受信器１１０及びコンピュータ・システム１００は、単一装置には一体化されていない。

図２は、本発明の一実施形態による、バックアップ２周波数ナビゲーションを実行するプロセス２００を示すフロー図である。ＧＰＳ受信器１１０で一定時間Ｌ２測定値が途絶した各衛星１０１に対してプロセス２００が実行される。図２に示すように、プロセス２００はステップ２１０、２２０を含んでいて、これらは衛星からのＬ１及びＬ２の両周波数上の測定値が利用できる場合における定常状態処理の間に実行される。ステップ２１０において、平滑化符号測定値、及び符号測定値と搬送波位相測定値の間の平滑化オフセットが計算される。ステップ２２０において、電離層モデルの補正値が生成される。その後、衛星からのＬ２周波数上での直接測定値が利用できなくなった場合に、ＧＰＳ受信器１１０でＬ２信号が復旧する前に、ステップ２３０、２４０、及びオプションのステップ２５０が各測定時点において実行される。ステップ２３０において、電離層モデルの補正値を用いてＬ２搬送波位相測定値の推定値を生成し、これを次のステップ２４０で用いてＬ１及びＬ２の両周波数上で符号測定値の推定値を生成する。後続するオプションのステップ２５０においてＬ１周波数上の符号測定値の推定値及び実測値を用いて電離層モデルの補正値を更新する。プロセス２００は、次いでステップ２６０へ進み、衛星からのＬ２信号が復旧したか否かを判定する。Ｌ２信号が復旧していない場合、次の測定時点において、更新された電離層モデルの補正値を用いてステップ２３０〜２５０を繰り返す。一方、Ｌ２信号が復旧したならば、衛星からのＬ１及びＬ２信号の両方を用いて２周波数ナビゲーションへの移行がステップ２７０で実行される。

Ｌ１及びＬ２の両周波数からの測定値が利用できる場合における定常状態処理の間、各々の符号測定値におけるマルチパス誤差は、符号測定値における電離層屈折効果に合致するＬ１及びＬ２搬送波位相測定値の組合せを形成することにより、また、搬送波位相測定値の組合せを以って符号測定値を平滑化することにより最小限に抑えることができる。多くの受信器は、Ｌ１周波数上でＣ／Ａ符号測定及びＰ符号測定の両方を行なう。Ｃ／Ａ又はＰ符号測定値のどちらもＬ１符号測定値として用いることができる。しかし、二つのうち何れを選択しても、２個の測定値間に小さいバイアスが存在するため、ユーザーと基準局とが同じものを用いる必要がある。以下の議論において、Ｌ１周波数（約１．５７５４２ＧＨｚに等しい）をｆ_１で表わし、Ｌ２周波数（通常約１．２２７６ＧＨｚに等しい）をｆ_２で表わす。Ｌ１周波数上の擬似距離符号測定値（Ｃ／Ａ又はＰの何れも）をＰ_１で表わし、Ｌ２周波数上の擬似距離符号測定値をＰ_２で表わす。メートル単位のＬ１搬送波位相測定値を単にＬ_１で表わし、メートル単位のＬ２搬送波位相測定値をＬ_２で表わす。搬送波位相測定値は波長によりスケーリングされ、各々に近似的な整数周期アンビギュイティ値を加えることにより位相測定値を対応する符号測定値とほぼ同じ値に近づける。このように、ｆ_１周波数における周期での未処理位相測定値を表わすφ_１と、ｆ_２周波数における周期での未処理位相測定値を表わすφ_２を用いて以下の関係を導く。

Ｌ１周波数の場合の波長λ_１は、約０．１９０３メートルに等しく、Ｌ２周波数の場合の波長λ_２は約０．２４４２メートルである。搬送波位相追跡の開始時に

の近似的整数周期値を加算して、単にその後形成される差を小さく保つべく、対応する符号測定値の１波長の範囲内の値を生じる。

図３はプロセス２００内のステップ２１０をより詳細に示すフロー図であり、Ｌ１及びＬ２の両周波数上の信号が衛星から利用可能である定常状態処理の間に平滑化符号測定値、及び符号測定値と対応する搬送波位相測定値との間の平滑化オフセットが計算される。Ｌ２信号が利用できない場合、平滑化Ｐ１オフセット（Ｏ_１）、平滑化Ｐ２オフセット（Ｏ_２）、及び定常状態処理の最後の期間から推定されたΔＮ_１λ_１−ΔＮ_２λ_２（Ｏ_２−Ｏ_１）について先に計算された値が格納されて、バックアップ２周波数動作の間に用いられる。

図３に示すように、ステップ２１０は、符号測定値Ｐ_１に対する電離層屈折に起因する遅延に合致すべくＬ_１及びＬ_２の第１の線型結合Ｍ_１を形成するサブステップ３１０、及び符号測定値Ｐ_２に対する電離層屈折に起因する遅延に合致すべくＬ_１及びＬ_２の第２の線型結合Ｍ_２を形成するサブステップ３２０を含んでいる。サブステップ３１０、及び３２０は、次式により実行される。
Ｍ_１＝（Ｋ_１＋Ｋ_２）Ｌ_１−２Ｋ_２Ｌ_２ （３）
Ｍ_２＝２Ｋ_１Ｌ_１−（Ｋ_１＋Ｋ_２）Ｌ_２ （４）
ここで、Ｋ_１及びＫ_２は、次式で定義される係数である。

符号測定値Ｐ_１及びＰ_２に対する電離層効果に対し、搬送波位相測定値の各々の線型結合Ｍ_１及びＭ_２が合致したため、且つ、衛星送信器又はユーザー側受信器の何れかに対する全てのクロック変動及び動作が符号及び搬送波位相測定値に対して同じ効果を及ぼすため、Ｍ_１とＰ_１、又はＭ_２とＰ_２は各々、搬送波位相の組合せＭ_１又はＭ_２、及び符号測定値Ｐ_１又はＰ_２における高マルチパス・ノイズにおいて生じ得る整数周期アンビギュイティ誤差を除いて同じ筈である。これにより、搬送波位相測定値の小さい測定値ノイズに近づきながら、付随する整数周期アンビギュイティが無い、平滑化符号測定値の形成が可能になる。

このように、ステップ２１０は、更に、Ｐ_１とＭ_１との間のオフセットを計算するサブステップ３３０と、当該オフセットを低域通過フィルタで処理してＰ_１とＭ_１との間の平滑化オフセットＯ_１（図３及び以下において「平滑化オフセットＰ_１」と称する）を形成するサブステップ３５０を含んでいる。これと並行して、ステップ２１０もまた、Ｐ_２とＭ_２との間のオフセットを計算するサブステップ３４０と、当該オフセットを低域通過フィルタで処理してＰ_２とＭ_２との間の平滑化オフセットＯ_２（図３及び以下において「平滑化オフセットＰ_２」と称する）を形成するサブステップ３６０を含んでいる。特定の測定時点での測定値を示すべく、下付き添え字「ｉ」を用いて、サブステップ３５０又は３６０における低域通過フィルタは、次式によりオフセットを逐次平均化して、平滑化オフセットＰ_１又はＰ_２を形成する。
Ｏ_λ，ｉ＝ Ｏ_{λ，ｉー１}＋（Ｐ_λ，ｉ−Ｍ_λ，ｉ−Ｏ_{λ，ｉー１}）／ｎ （７）
ここで、λ＝１又は２は、Ｌ１又はＬ２周波数を表わし、Ｏ_λ，ｉは第ｉ測定時点での平滑化オフセットＰ_１又はＰ_２を表わす。サブステップ３５０又は３７０における低域通過フィルタは、最大平均化間隔に到達するまで逐次的に平均を求め、次いで指数平滑化フィルタに変換する。従って、最大平均間隔に到達するまでｎはｉに等しく、その後は最大値に維持される。他の形式の低域通過フィルタリングを用いてもよい点に留意されたい。一つの代替方式は、符号測定値におけるマルチパス誤差を相関ノイズとしてモデル化して、カルマンフィルタにおけるマルチパス誤差の確率論的モデルを用いて符号測定値と搬送波位相測定値との間の推定オフセットを得ることである。

プロセス２００のステップ２１０は更に、平滑化Ｐ_１及びＰ_２を、次式のように対応するオフセットを対応する搬送波位相測定値と合算することにより各々形成するサブステップ３７０及び３８０を含んでいる。
Ｓ_λ＝Ｏ_λ＋Ｍ_λ （８）
ここで、Ｓ_λ、λ＝１又は２は、平滑化Ｐ_１又はＰ_２符号測定値を表わす。

平滑化Ｐ_１及びＰ_２オフセットの値が、平滑化処理で用いる測定時点の数（本明細書では「平均化間隔」又は「平滑化カウント」とも称する）が増えるにつれて、特定の値に近づく点に注意されたい。具体的には、十分な平均化が行なわれたならば、次式が成り立つ筈である。
Ｏ_１＝（Ｋ_１＋Ｋ_２）ΔＮ_１λ_１−２Ｋ_２ΔＮ_２λ_２ （９）
Ｏ_２＝２Ｋ_１ΔＮ_１λ_１−（Ｋ_１＋Ｋ_２）ΔＮ_２λ_２ （１０）
ここで、ΔＮ_１及びΔＮ_２の値は、各々未処理搬送波位相測定値φ_１及びφ_２における整数アンビギュイティの初期割当て

における誤差を表わす。次に利用すべく、ステップ２１０は更に、２個の平滑化オフセット間の差を計算して推定値ΔＮ_１λ_１−ΔＮ_２λ_２を得るサブステップ３９０を含んでいる。
Ｏ_２−Ｏ_１＝ΔＮ_１λ_１−ΔＮ_２λ_２ （１１）

図４は、プロセス２００のステップ２２０において、電離層屈折補正値を生成する処理を更に詳細に示すフロー図である。ステップ２２０において生成された電離層屈折補正値は、Ｌ２測定値が直接利用できない場合に、Ｌ２測定値を合成すべく用いられる。図４に示すように、ステップ２２０は、電離層モデルを用いてモデル化された電離層バイアス項Ｉ_ｍ、及びオプションとしてモデル化電離層速度項デルタＩ_ｍを計算するサブステップ４１０を含んでいる。電離層速度項は、モデルから得た電離層バイアス項の連続する差分から計算される。サブステップ４１０において複数の電離層モデルのどれを用いてもよい。これには、広域補強システム（ＷＡＡＳ）通信衛星から補正値が同報通信されるＷＡＡＳ電離層モデル、国際ＧＰＳサービス（ＩＧＳ）が使用するリアルタイム電離層モデル、及び補正値がＧＰＳ衛星群から同報通信される電離層モデルが含まれる。大多数の電離層モデルが、電離層屈折バイアス項及び速度項をｆ_１周波数でのＰ_１符号測定値において生成するため、モデル化されたバイアス項及び速度項を、Ｐ_１とＰ_２符号測定値間の電離層遅延の期待差分を得るためにＫ_２係数により除算する必要がある。このように、ステップ２００は更に、Ｉ_ｍ及びデルタＩ_ｍを次に利用するためにＫ_２により除算するサブステップ４２０を更に含んでいる。

プロセス２００のステップ２２０は更に、ステップ２１０において式（１）〜（８）に従って計算された平滑化符号測定値の差分を求めて実測電離層バイアス項を得るサブステップ４３０と、実測電離層バイアス項からＩ_ｍ／Ｋ_２を減算して、モデル化電離層バイアス項に対する補正値ΔＩを得るサブステップ４４０を含んでいる。サブステップ４３０、４４０は、次式により実行される。
ΔＩ＝Ｓ_２−Ｓ_１−Ｉ_ｍ／Ｋ_２ （１２）

モデル化電離層速度項に対してオプションの補正値を生成すべく、プロセス２００のステップ２２０は更に、２個の連続する測定時点（デルタＬ_１）で取得したＬ１搬送波位相測定値間の差から、２個の連続する測定時点（デルタＬ_２）で取得したＬ２搬送波位相測定値間の差を減算して実測電離層速度項を得るサブステップ４５０を含んでいる。サブステップ４５０の後に、実測電離層速度項から（デルタＩ_ｍ）／Ｋ_２を減算して電離層速度項に対する補正値

を得るサブステップ４６０が続く。この電離層速度は、過度の遅延無しにある程度の平滑化を行なうために僅かにフィルタリングする必要がある。このように、プロセス２００のステップ２２０は更に、サブステップ４６０の結果が低域通過フィルタで処理されて僅かにフィルタリングされた電離層速度補正値を得るサブステップ４７０を含んでいてよい。電離層速度補正値のこの僅かにフィルタリングされた値（フィルタリング式は示さず）は続いて以下の式（１５）で用いられる。電離層の動力学の大部分が当該モデルで扱われるため、モデル化された値から実測電離値の差分を求めることにより、より長い時間間隔について電離層の影響の正しい推定値を生成することが可能な筈である。数式表現としてステップ４５０〜４６０は、以下のように表わすことができる。

ここで、下付き添え字ｉは現在の測定時点を表わし、下付き添え字ｉ−１は現在の測定時点より前の測定時点を表わす。

平滑化符号測定値、電離層バイアス項、及びオプションの速度項等の値に対する補正値を生成する、プロセス２００のステップ２１０、２２０は、両方の周波数からの測定値が利用できる場合に実行される。初期処理において平滑化に充分な時間が生じたことで、ステップ２１０、２２０で生成された値の符号マルチパス・ノイズが平均化により殆ど平滑化されていれば、これらの値を用いて、ｆ_２周波数上の測定値が利用できない場合に、ステップ２３０〜２５０において合成ｆ_２測定値を生成することができる。

図５に、ｆ_２周波数上の測定値が直接利用できない場合に、Ｌ２搬送波位相測定値を合成するステップ２３０の処理フローを示す。図５に示すように、プロセス２００のステップ２３０は、先の測定時点において生成された電離層バイアス項の補正値と、現在の測定時点において生成されたモデル化電離層バイアス項とを合算して推定された電離層バイアス項

を生成する、オプションのサブステップ５１０を含んでいる。ステップ２３０は更に、Ｌ２測定値が利用できる間に生成された電離層速度項に対する補正値に、Ｌ２測定値が利用できなくなってからの期間Δｔを乗算し、乗算の積を推定電離層バイアス項に加算して電離層バイアス項の更新された推定値

を生成する、オプションのサブステップ５２０を含んでいる。ステップ２３０は更に、現在の測定時点でのＬ１搬送波位相測定値と推定されたΔＮ_１λ_１−ΔＮ_２λ_２の和から電離層バイアス項の更新された推定値を減算して、合成されたＬ２搬送波位相測定値

を生成する、サブステップ５３０を含んでいる。数式表現として、サブステップ５１０、５２０及び５３０を次式（１４）、（１５）及び（１６）により表わすことができる。

ここで、

は合成されたＬ_２を表わす。

図６は、平滑化符号測定値が、Ｌ１搬送波位相測定値及び合成Ｌ２搬送波位相測定値から合成される、ステップ２４０の処理をより詳細に示すフロー図である。平滑化符号測定値を合成する際に何れの周波数でも未処理符号測定値Ｐ_１を用いないことは奇妙に思えるかもしれない。合成Ｌ２搬送波位相測定値の支援を得て未処理符号測定値を平滑化しようと試みる場合、モデル化された電離層屈折において何らかの誤差があったならば、式（９）、（１０）及び（１１）で表わすオフセット値に中へフィルタリングされるバイアスを生じる恐れがある。オフセット値に電離層屈折バイアスが生じるのを避けるべく、符号測定値の入力とオフセットの出力ではなく、オフセットが入力されて合成された符号測定値が出力される点以外は図１に示すものと同様の処理を用いる。

従って図５に示すように、ステップ２４０は、実測Ｌ１測定値Ｌ_１及び合成Ｌ２測定値

を組み合わせて、Ｌ１符号測定値Ｐ_１における電離層遅延に合致する電離層遅延を有する搬送波位相の組み合わせ

を作るサブステップ６１０と、実測Ｌ１測定値Ｌ_１と合成Ｌ２測定値

を組み合わせて、未検知Ｌ２符号測定値における電離層遅延に合致する電離層遅延を有する搬送波位相の組み合わせ

を作るサブステップ６２０とを含んでいる。数式表現では、サブステップ６１０、６２０は以下のように表わされる。

プロセス２００のステップ２４０は更に、ステップ２１０で計算された平滑化Ｐ１オフセットＯ_１を

に加算して、推定平滑化Ｌ１符号測定値

を得るサブステップ６３０と、平滑化Ｐ２オフセットＯ_２を

に加算して、推定平滑化Ｌ２符号測定値

を得るサブステップ６４０とを含んでいる。これらは次式で表わされる。

平滑化符号測定値を合成するために未処理Ｐ_１符号測定値を用いていないが、プロセス２００のオプションのステップ２５０において、放置すれば累積される小さい電離層屈折誤差を補正すべく用いることができる。図７は、プロセス２００のオプションのステップ２５０で実行される処理をより詳細に示すフロー図である。未処理Ｐ_１符号測定値には雑音が多いため、電離層屈折効果から除去するよりも多くの誤差をマルチパスの影響から混入させることを避けるべく、低域通過フィルタで厳重にフィルタリングしなければならない。また、合成Ｐ_１符号測定値がＬ１搬送波位相測定値から生成されるため、電離層モデルに何らかの誤差があれば、合成Ｐ_１符号測定値に対し当該誤差が未処理Ｐ_１符号測定値に影響を及ぼす仕方とは逆方向の影響を及ぼす恐れがある。

このように、ステップ２５０は、実測及び合成符号測定値の差を２Ｋ_２で除算して、電離層バイアス項及びオプションの速度項にスケールが合わされた電離層調整値を得るサブステップ７１０と、当該電離層調整値を低域通過フィルタで平滑化してマルチパス誤差を除去するサブステップ７２０とを含んでいる。ステップ２５０は更に、平滑化電離層調整値を電離層速度項の補正値に加算してオプションの電離層速度項の補正値を更新するオプションのサブステップ７３０と、平滑化電離層調整値をオプションの電離層バイアス項の補正値に加算して電離層バイアス項の補正値を更新するサブステップ７４０とを含んでいる。

また、２状態推定器、例えば、アルファ・ベータ又はカルマンフィルタを用いて、電離層速度項の補正値を更新することも可能である。本明細書に引用している、ヤン（Ｙａｎｇ）ら、「２周波数 ＧＰＳ受信器用のＬ１バックアップ・ナビゲーション」、米国航法学会（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ）衛星部門ＧＰＳ／ＧＮＳＳ第１６回国際技術会議予稿集、２００３年９月９日〜１２日、オレゴン州ポートランド、を参照されたい。図７に示す処理のある方式を用いて、プロセス２００における合成プロシージャが対応可能な期間を延長することが可能である。

図８は、プロセス２００のステップ２７０における処理をより詳細に示すフロー図であり、ステップ２６０でＬ２信号が復旧したと判定されたならば、２周波数ナビゲーションへの移行が実行される。ステップ２１０で計算された「浮動整数」オフセットが安全に調整されていて、未調整ならば必要となる長時間の平滑化処理の再初期化を回避できているか否かを判定するために２種の試験は必要である。図８に示すように、第１の試験がサブステップ８２０で実行され、Ｌ２信号が途絶した期間Δｔが所定の閾値を超えるか否かが判定される。閾値を超えた場合、調整は試みられず、平滑化処理はサブステップ８３０で再初期化される。一方、第２の試験がサブステップ８４０及び８５０で実行され、Ｌ２搬送波位相測定値の実測値と、合成又は推定値との差をＬ２波長で除算して、以下のように結果が整数に近いか否かを調べる。

結果が整数値の何らかの所定の近接内に存在しない場合、続いてサブステップ８３０が実行され、平滑化プロセスが再初期化される。一方、結果を用いてＬ２搬送波位相測定値の浮動アンビギュイティ又はＰ２符号オフセット値の何れかを調整することにより、この簡単な調整の後でステップ２１０の符号平滑化処理が再開できるようになる。

実用に際して、同時にＬ２信号が途絶しない限りＬ１信号は実質的には決して途絶しないため、本明細書に記載した技術は、Ｌ２測定値だけが途絶している間にＬ１測定値からＬ２測定値を合成すべく利用されたならば、意図する主な目的が達成される。しかし、本発明は、両方の周波数が利用できる間に利用した測定値により補正された電離層屈折のモデルの支援の下で、途絶していない他の周波数からの測定値を用いて、Ｌ１、Ｌ２測定値のいずれでも、あるいはＬ５周波数（約１．１７６４５ＧＨｚに等しい）等他の周波数における測定値を合成すべく適用することができる。

本発明の一実施形態によるバックアップ２周波数ナビゲーション方法を実行すべく利用可能なコンピュータ・システムのブロック図である。 本発明の一実施形態によるバックアップ２周波数ナビゲーション方法を示すフロー図である。 バックアップ２周波数ナビゲーション方法における定常状態処理の間、平滑化符号測定値、及び符号測定値と搬送波位相測定値の間の平滑化オフセットを生成するステップを示すフロー図である。 バックアップ２周波数ナビゲーション方法における定常状態処理の間、電離層モデルの補正値を生成するステップを示すフロー図である。 バックアップ２周波数ナビゲーション方法において、Ｌ２測定値が直接利用できない場合に、合成（又は推定）Ｌ２搬送波位相測定値を生成するステップを示すフロー図である。 バックアップ２周波数ナビゲーション方法において、Ｌ２測定値が利用できない場合に、合成符号測定値を生成するステップを示すフロー図である。 バックアップ２周波数ナビゲーション方法において、Ｌ２測定値が利用できない場合に、電離層モデルの補正値を更新するオプションのステップを示すフロー図である。 Ｌ２信号が復活した後の、定常状態２周波数ナビゲーションへの移行を示すフロー図である。

Claims (20)

1. 複数の衛星群からの第１周波数上の信号及び第２周波数上の信号を用いて取得した符号及び搬送波位相測定値に基づいて対象物をナビゲートするシステムにおいて、各衛星からの第１周波数上の信号が一定期間途絶した状況で２周波数ナビゲーションを継続する方法であって、
   各衛星からの第１及び第２周波数両方の信号を用いて取得した符号及び搬送波位相測定値に基づいて、平滑化符号測定値及び電離層モデルに対する補正値を計算することを含めて、前記期間の前に２周波数ナビゲーションを実行するステップと、
   第２周波数上の搬送波位相測定値から、及び前記期間の前に計算された電離層モデルに対する補正値から、第１周波数上の搬送波位相測定値を合成することにより、前記期間にわたりバックアップ・ナビゲーションを実行するステップと、
   各衛星からの第１周波数上の信号受信が再開されたことに応答して、各衛星からの第１及び第２周波数両方の信号を用いて２周波数ナビゲーションに移行するステップと、
   を備える方法。
2. 平滑化符号測定値の計算は、搬送波位相測定値の組合せを用いて符号測定値を平滑化するステップを備え、前記組合せは、前記符号測定値における電離層遅延に合致する電離層遅延を有する請求項１に記載の方法。
3. 前記２周波数ナビゲーションを実行するステップは、
   前記電離層モデルを用いて計算されたモデル化電離層バイアス項を取得するステップと、
   前記平滑化符号測定値を用いて実測電離層バイアス項を計算するステップと、
   前記実測電離層とモデル化電離層のバイアス項の差を求めることにより、前記モデル化電離層バイアス項に対する補正値を計算するステップと、
   を更に備える請求項１に記載の方法。
4. 前記２周波数ナビゲーションを実行するステップは、
   前記電離層モデルを用いて計算されたモデル化電離層速度項を取得するステップと、
   ２個の測定時点間での搬送波位相測定値の差を用いて実測電離層速度項を計算するステップと、
   前記実測電離層とモデル化電離層の速度項の差を求めることにより、前記モデル化電離層速度項に対する補正値を計算するステップと、
   を更に備える請求項３に記載の方法。
5. 前記バックアップ・ナビゲーションを実行するステップは、
   前記電離層モデルを用いて計算されたモデル化電離層バイアス項を取得するステップと、
   前記モデル化電離層バイアス項及び前記期間の前に計算した前記電離層モデルに対する補正値を用いて、推定された電離層バイアス項を計算するステップと、
   前記推定電離層バイアス項及び前記第２周波数上の搬送波位相測定値を用いて、前記第１周波数上の合成搬送波位相測定値を計算するステップと、
   を更に備える請求項１に記載の方法。
6. 前記バックアップ・ナビゲーションを実行するステップは、第１周波数上の前記合成搬送波位相測定値、第２周波数上の前記搬送波位相測定値、及び前記期間の前に前記対象物で受信された各衛星からの第１及び第２周波数の両方の信号に基づいて得られた計算結果を用いて、第１及び第２周波数の両方における推定平滑化符号測定値を計算するステップを更に備える請求項１に記載の方法。
7. 前記バックアップ・ナビゲーションを実行するステップは、前記電離層モデルに対する補正値、第２周波数上の推定平滑化符号測定値、及び第２周波数上の信号を用いて取得した符号測定値に基づいて前記電離層モデルに対する更新された補正値を計算するステップを更に備える請求項６に記載の方法。
8. 前記２周波数ナビゲーションへ移行するステップは、
   前記期間が所定の閾値を超えるか否かを判定するステップと、
   前記期間が所定の閾値を超えないとの判定に応答して、実測搬送波位相範囲と、第１周波数に対応する合成搬送波位相範囲の差が、第１周波数に対応する波長の整数に十分に近いか否かを判定するステップと、
   前記実測搬送波位相範囲と前記合成搬送波位相範囲の差が前記波長の整数に十分に近いとの判定に応答して、前記実測搬送波位相測定値と関連付けられた推定アンビギュイティ値を調整するステップ、或いは第１周波数上の符号測定値と、前記符号測定値における電離層遅延に合致する電離層遅延を有する搬送波位相の組合せとの間の推定オフセットを調整するステップと、
   を備える請求項１に記載の方法。
9. 複数の衛星群からの信号を用いて取得した符号及び搬送波位相測定値に基づいて対象物をナビゲートするシステムにおいて、１つ以上の衛星からの２周波数の一方における信号が利用できない時にバックアップ２周波数ナビゲーションを実行する方法であって、
   ２周波数の一方における信号を利用できない各衛星に対して、各衛星からの前記２周波数のもう一方の信号を用いて取得した実測搬送波位相測定値から、及び各衛星からの前記２周波数の両方の信号が利用可能な場合の定常状態処理の間に各衛星に関して取得した第１の計算結果の組から、前記２周波数の前記一方の上で合成搬送波位相測定値を生成するステップと、
   前記実測搬送波位相測定値、前記合成搬送波位相測定値、及び各衛星からの前記２周波数の両方の信号が利用可能な場合の定常状態処理の間に得られた第２の計算結果の組から、前記２周波数上の平滑化符号測定値を生成するステップと、
   を備える方法。
10. 前記第１の計算結果の組は電離層モデルに対する補正値を含む請求項９に記載の方法。
11. 前記電離層モデルに対する補正値を更新するステップを更に備える請求項９に記載の方法。
12. 前記電離層モデルに対する補正値は電離層バイアス項及び電離層速度項を含む請求項１０に記載の方法。
13. 前記第１の計算結果の組は平滑化符号測定値から計算されたものを含む請求項１０に記載の方法。
14. 前記平滑化符号測定値は、対応する符号測定値における電離層遅延に合致する電離層遅延を各々有する搬送波位相測定値の組合せを形成することにより、及び搬送波位相測定値の対応する組合せを用いて前記符号測定値を平滑化して前記符号測定値におけるマルチパス誤差を除去することにより計算される請求項１３に記載の方法。
15. 前記第１の計算結果の組は、各々が平滑化符号測定値と、前記符号測定値に対応する搬送波位相の組合せの間にある、平滑化オフセットから計算されたものを含む請求項１４に記載の方法。
16. 前記第２の計算結果の組は平滑化オフセット含む請求項１５に記載の方法。
17. 複数の衛星群からの第１周波数上の信号及び第２周波数上の信号を用いて取得した符号及び搬送波位相測定値に基づいて対象物をナビゲートするシステムにおいて、コンピュータにより実行された際に、各衛星からの第１周波数上の信号が一定期間途絶した状況で２周波数ナビゲーションを継続する方法を実行するためのコンピュータ可読命令が格納されたコンピュータ可読媒体であって、
    前記コンピュータ可読命令は、
    前記期間の前に各衛星からの第１及び第２周波数両方の信号を用いて取得した符号及び搬送波位相測定値に基づいて、平滑化符号測定値及び電離層モデルに対する補正値を計算することにより、前記期間の前に２周波数ナビゲーションを実行するための命令と、
    第２周波数上の搬送波位相測定値から、及び前記期間の前に計算された電離層モデルに対する補正値から、第１周波数上の搬送波位相測定値を合成することにより、前記期間にわたりバックアップ・ナビゲーションを実行するための命令と、
    各衛星からの第１周波数上の信号受信が再開されたことに応答して、各衛星からの第１及び第２周波数両方の信号を用いて２周波数ナビゲーションに移行するための命令と、
    を備えるコンピュータ可読媒体。
18. 前記２周波数ナビゲーションを実行するための命令は、
    搬送波位相測定値の組合せ、即ち前記符号測定値における電離層遅延に合致する電離層遅延を有する組合せを用いて符号測定値を平滑化して、平滑化符号測定値を形成するための命令と、
    モデル化電離層バイアス項に対する補正値を計算するための命令と、
    を更に備える請求項１７に記載のコンピュータ可読媒体。
19. 前記バックアップ・ナビゲーションを実行するための命令は、
    モデル化電離層バイアス項を取得するための命令と、
    前記期間の前に計算されたモデル化電離層バイアス項及び電離層モデルに対する補正値を用いて、推定電離層バイアス項を計算するための命令と、
    第２周波数上の信号を用いて取得した前記推定電離層バイアス項及び搬送波位相測定値を用いて、第１周波数上の合成搬送波位相測定値を計算するための命令と、
    を更に備える請求項１７に記載のコンピュータ可読媒体。
20. 前記２周波数ナビゲーションへ移行するための命令は、
    前記期間が所定の閾値を超えるか否かを判定するための命令と、
    前記期間が所定の閾値を超えないとの判定に応答して、実測搬送波位相範囲と、第１周波数に対応する合成搬送波位相範囲の差が、第１周波数に対応する波長の整数に十分に近いか否かを判定するための命令と、
    前記実測搬送波位相範囲と前記合成搬送波位相範囲の差が前記波長の整数に十分に近いとの判定に応答して、前記実測搬送波位相測定値と関連付けられた推定アンビギュイティ値を調整するための命令、或いは第１周波数上の符号測定値と、前記符号測定値における電離層遅延に合致する電離層遅延を有する搬送波位相の組合せとの間の推定オフセットを調整するための命令と、
    を備える請求項１７に記載のコンピュータ可読媒体。

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