JP2012524273A - 受信機の位置決定 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2009年4月20日に出願された米国仮特許出願第61/171009号、及び2009年5月12日に出願された米国仮特許出願第61/177579号の優先権の利益を請求するものであり、これらの両方の米国仮特許出願の開示内容の全てが、本明細書において参照されることにより、本明細書に組み込まれる。
ユーザ装置の正確な位置を低軌道地球周回(LEO)衛星からの信号に基づいて推定する先行技術による方法の1つの重要な例について、以下に詳細に説明する。この方法は、Whelanらに特許された米国特許第7489926号に開示されている。図1〜5から、Whelanらによる特許に示唆されるこの先行技術による方法の種々の実施形態に関する完全な理解が可能になる。
をプロセッサ126において導出することができる。プロセッサ126の出力は、複素数のリアルタイム位相補正値である。位相補正では、短時間のユーザ運動を全て減算し、LEO信号に関する積分時間を、このようなLEO信号が利用可能な場合に長くすることができる。
以下の記述では、多くの詳細を示して、システムに関する更に完全な説明を行なう。しかしながら、この技術分野の当業者であれば、開示するシステムを、これらの特定の詳細を知ることなく実施することができることが理解できるであろう。他の例では、公知の特徴を詳細に記述してシステムが不必要に不明瞭になってしまうことがないようにしている。
に向かうことができる。既知の伝送時間t中、SVは、ベクトルXt,SVで表わすことができる位置に位置することができる。SVは、信号をユーザ装置
に送信して、ユーザ装置がSVを一意的に特定することができるようにする。既知の伝送時間t中のユーザ装置とSVとの間の距離は、距離rt,SVと表記することができる。距離rt,SVは、ベクトルXUとベクトルXt,SVとの差ベクトルの長さであると見なすことができる。既知の伝送時間中、SVは、速度
で飛行することができるので、距離変化率
は、
として定義することができる。
の精度は、多くの影響により低下し得る。幾つかの実施形態では、ユーザ装置の位置を計算する方法において、時間バイアスbt,u、周波数バイアス
、及びランダム測定誤差εt、ηtを利用することができる。時間バイアスbt,uは、時間ドリフトであると見なすことができ、周波数バイアス
は、周波数オフセットであると見なすことができる。擬似距離ρt,SV及び擬似距離変化率
は、各SVに対応して次のように定義することができる:
上式では、ランダム測定誤差εt、ηtは、ユーザ装置及びSVに固有の誤差とすることができる。
により定義される多項式によって時間近似することができる。多項式の次数Nは、いずれの整数とすることもできる。幾つかの実施形態では、多項式の次数は、ユーザ装置の利用可能な計算能力によって決定される。多項式の係数qnは、時間から独立であるとすることができる。幾つかの実施形態では、多項式の係数qnは一定とすることができる。周波数バイアス
は、時間バイアスbt,uを時間に関して微分することにより、
が得られる。
を、コスト関数Jcostを最小にすることにより推定することができ、コスト関数Jcostは次の通りに定義することができる。
上式では、次のような関係がある。即ち、
qu=[q0 q1 ・・・ qN]T、かつRt,SVは測定誤差共分散行列又は他の重み行列である。
を推定することができる。時間バイアスの推定値は、
と記号で表わすことができ、周波数バイアスの推定値は、
と記号で表わすことができる。これらの推定値を計算するために、コスト関数Jcostの次元を2次元に、すなわち緯度及び経度に低減することができるが、その理由は、係数qnが、擬似距離ρt,SV及び擬似距離変化率
に線形依存するからである。
上式では、次のような関係がある。
及び
測定値
、モデル残差
及び
の分散を関連付ける誤差共分散行列
の項の次元を低減したコスト関数
が得られる。次に、バイアス推定値及びバイアス変化率推定値を、
として取り出し、この場合、
及び
の関係がある。幾つかの実施形態では、コスト関数Jcostの次元を低減することにより、計算時間を大幅に短くすることができる。
上式では、
であり、WGS−84地球モデル(図12)に基づいて、aは、地球楕円体の長軸であり、bは、地球楕円体の短軸である。
を解くことにより見積もることができ、上式では、yは、y1及びy2を成分として有するベクトルであり、kは反復ステップであり、Dkは勾配偏差行列であり、
は、次元を低減したコスト関数
の勾配である。
の表面プロットを示しており、これらの表面プロットは、3つの異なるSV、及び4つの異なるSVのそれぞれからの信号を用いて計算される。これらの表面は関数の変化を正確に表現しているので、幾つかの実施形態の勾配偏差行列は、yに関する1次微分しか含まない
によって近似することができる。その結果、スナップショット計算の計算時間を大幅に短くすることができる。
として定義することができ、上式では、Xt,uは、時点tの位置Xuであり、
は、時点tでのユーザ装置の速度であり、bt,u及び
は、上述のように、スナップショット計算に対応して定義される。幾つかの実施形態では、EKF状態推定器は、複数のユーザ装置を同時に追尾することができる。
上式では、Γ=[u1 u2 u3]Λ[u1 u2 u3]T、
であり、uiは単位ベクトルであり、τmは運動時定数であり、σdは、バイアス加速度の不確定性であり、σxyは平面運動の不確定性であり、σzは、垂直運動の不確定性である。
として定義することができ、上式では、Iは恒等行列であり、(t−τ)は外挿時間区間である。幾つかの実施形態では、状態遷移行列Φt,τは、状態ベクトルxtに対応する線形予測としてモデル化することができる。
として定義することができ、上式では、
は、予測測定値を現在の状態推定値にのみ基づいて推定する関数である。前の表現式では、rt,u,SV、
は、ユーザとSVとの間の推定距離及び推定距離変化率であり、ηtは、測定ノイズの共分散行列Rtである。
は、
を用いて計算することができる。状態ベクトルxtの共分散行列Ptの予測値は、
によって見積もることができる。上の方程式では、添え字「−」は、xt及びPtの推定値が、直近の測定値によって更新されていないことを示している。共分散を更新するステップ(添え字「+」で示す)では、このデータを使用して、状態ベクトルxtに対応する新規の推定値
を計算することができる。新規の推定値
は、
を用いて計算することができる。共分散行列Ptは、
を用いて更新することができ、上式では、H(xt)は、h(xt)のヤコビ行列である。ヤコビ行列H(xt)は、
を用いて計算することができ、上式では、
は、SVからユーザ装置に向かう単位ベクトルであり、
は、ユーザ装置とSVとの間の相対速度であり、
は、SVからユーザ装置までの距離変化率である。
Claims (27)
- ユーザ装置の追尾維持を行なう方法であって、
信号を少なくとも1つの宇宙船から受信することと、
ユーザ装置の位置を受信信号に基づいて取得することと、
拡張カルマンフィルタ状態推定器を用いて、ユーザ装置の位置、及びユーザ装置の速度を推定することと、
追尾維持のためにユーザ装置の状態の推定値を取得することと
を含む方法。 - ユーザ装置の位置を取得することが、スナップショットを計算することを含む、請求項1に記載の方法。
- スナップショットを計算すること、及び拡張カルマンフィルタ状態推定器を用いることのうちの少なくとも一方では、擬似距離測定モデル及び擬似距離変化率測定モデルを計算する、請求項2に記載の方法。
- 擬似距離測定モデル及び擬似距離変化率測定モデルの計算では非線形最小二乗法を用いる、請求項3に記載の方法。
- スナップショットを計算すること、及び拡張カルマンフィルタ状態推定器を用いることのうちの少なくとも一方の実行では、時間バイアス及び周波数バイアスを計算する、請求項2に記載の方法。
- 時間バイアス及び周波数バイアスの計算では線形最小二乗法を用いる、請求項5に記載の方法。
- 時間バイアスの計算では時間バイアスを多項式で近似する、請求項5に記載の方法。
- 周波数バイアスの計算では時間バイアスを時間に関して微分する、請求項5に記載の方法。
- 時間バイアス及び周波数バイアスが、ユーザ装置の位置の明示的関数として表現される、請求項5に記載の方法。
- 時間バイアス及び周波数バイアスの表現では、独立状態としてバイアス項を取り除くことにより非線形最小二乗コスト関数を変形して、独立変数の数をユーザ装置の位置の変数のみに減らす、請求項5に記載の方法。
- 信号が低軌道地球周回(LEO)衛星から受信される、請求項1に記載の方法。
- LEO衛星がイリジウムシステムの一部である、請求項11に記載の方法。
- ユーザ装置の状態が、ユーザ装置の位置、ユーザ装置の速度、時間バイアス、及び周波数バイアスを含む、請求項1に記載の方法。
- ユーザ装置の状態の推定値の取得では、ユーザ装置の位置の緯度及び経度を見積もる、請求項1に記載の方法。
- 閉塞環境における測位計算方法であって、
信号を少なくとも1つの宇宙船から受信することと、
信号の時間バイアス及び周波数バイアスを含む擬似距離及び擬似距離変化率を計算することと、
擬似距離及び擬似距離変化率を含むコスト関数を最小化して位置を取得することと
を含む方法。 - コスト関数が擬似距離と擬似距離変化率との積を含む、請求項15に記載の方法。
- 擬似距離及び擬似距離変化率の計算では非線形最小二乗法を用いる、請求項15に記載の方法。
- 時間バイアス及び周波数バイアスの計算では線形最小二乗法を用いる、請求項15に記載の方法。
- 時間バイアス及び周波数バイアスが、ユーザ装置の位置の明示的関数として表現される、請求項15に記載の方法。
- 時間バイアス及び周波数バイアスの表現では、独立状態としてバイアス項を取り除くことによりコスト関数を変形して、ユーザ装置の位置の変数のみに独立変数の数を減らす、請求項15に記載の方法。
- 信号がLEO衛星から受信される、請求項15に記載の方法。
- LEO衛星がイリジウムシステムの一部である、請求項21に記載の方法。
- 閉塞環境が、屋内環境、ジャミング環境、及び信号が偶発的又は意図的な高周波干渉によって劣化する他の環境のうちの少なくとも1つの環境を含む、請求項15記載の方法。
- ユーザ装置の位置の取得が、緯度及び経度情報に基づいて行なわれる、請求項15に記載の方法。
- 少なくとも1つの宇宙船から信号を受信することができるアンテナと、
受信信号を処理して、時間バイアス及び周波数バイアスを計算することができるコンピュータシステムであって、時間バイアス及び周波数バイアスを使用してユーザ装置の位置を決定するコンピュータシステムと
を備えるユーザ装置。 - コンピュータシステムが、アンテナが少なくとも1つの宇宙船の信号を受信しない場合に、拡張カルマンフィルタによる状態推定を行なってユーザ装置の速度を推定することにより、ユーザ装置の位置を推定する、請求項25に記載のユーザ装置。
- コンピュータシステムが出力デバイスを更に備える、請求項25に記載のユーザ装置。
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