JP2015527574A - 改良されたナビゲーションメッセージを有するgnss無線信号 - Google Patents

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Abstract

【課題】GNSSナビゲーションシステムにおいて、受信機のデータ捕捉時間を短縮すること【解決手段】GNSS無線信号は、複数のフレームの1つのシーケンスとして送信されるナビゲーションメッセージを含み、各フレームは、複数のサブフレームから構成され、サブフレームの各々は、衛星位置および衛星クロック誤差を計算するのに充分な軌道暦とクロック補正データの第1の組を含む。各サブフレームは軌道暦およびクロック補正データの第1の組よりもよりコンパクトであるが、衛星位置および衛星クロック誤差をより低い精度で計算するのに充分である軌道暦とクロック補正データの第2の組を更に含み、2つの連続するコピーの間のタイミング差がサブフレームの時間長さの70%を超えないように各サブフレーム内には第2の軌道暦およびクロック補正データの少なくとも2つのコピーが存在する。【選択図】図1

Description

本発明は、衛星無線ナビゲーションの技術分野に関する。本発明は、衛星から送信される無線ナビゲーション信号(以下、「GNSS無線信号」または「GNSS信号」と称す)に関し、特にユーザーの受信機による地球測位を可能にまたは容易にするよう上記信号によりユーザーの受信機へ伝送されるナビゲーションメッセージに関する。
GNSS信号(「宇宙内信号」セグメント)は、GNSS(「全地球衛星航法システム」)の宇宙インフラストラクチュアとその種々のユーザーセグメントとの間の主要インターフェースとなっている。この点に関し、この信号は、与えられた環境および使用コンテキストにおいてユーザーが利用できる性能の主要な役割を果している。その理由は、その性能が使用されている受信アルゴリズム(使用コンテキストの機能)と(伝搬状態によって影響を受ける)ユーザーに到達する信号の質の結果となっているからである。
信号のスペクトルおよび時間的特性、例えば、搬送周波数、電力または変調(PRN,BPSK,BOCレート)パラメータは、相互運用性、トラッキング、および干渉ならびにマルチパスへのロバスト性等に関する性能を実質的に決定する。
ナビゲーションメッセージ自体も性能における決定的要素であり、このメッセージは、コンテントの点だけでなく、その構造による利用可能性(ロバスト性)および遅延性(すなわち、応答可能性)の点でもサービスを決定する。ナビゲーションメッセージは、とりわけ衛星からの軌道暦(ephemeris)とクロック補正データの組(「DECH」)を含む。このDECHの組は、受信機が衛星の位置および衛星のクロック誤差を計算できるよう充分なデータの1つの組を平均化するものと見なされる。このナビゲーションメッセージは、捕捉性能、特に捕捉時間(「初期位置算出時間」としても知られる)に大幅に寄与する。
しかしながら、GNSS信号およびそのナビゲーションメッセージの設計構造は、意図する種々のサービス要件とコンテント(例えば、ガリレオでは、オープンサービス(OS),セイフティオブライフ(SoL),捜索救助返信リンクメッセージ(SAR RLM)等との間の妥協でもあり、この妥協では、性能目的(応答可能性およびロバスト性)と運用上または技術的制約(衛星の相互運用性、質量/利用量/ボリューム等)とが相反することが多い。
従って、ガリレオE1
OSおよびGPS L1C信号は、GPS C/A信号と比較して多数の変更、例えば新しいナビゲーションメッセージ構造、PRN符号、最適変調方式等を含む。双方の信号は、とりわけ基本的には、民生用受信機のオープンサービス向けのものであり、異なる環境(例えば、都会のビルの谷間)で運用されることが多い。しかしながら、これら2つの信号は、それらの設計が大幅に異なる。すなわち、GPS L1C信号は、オープンサービス用のものでしかないが、他方ガリレオOS信号は、オープンサービスの取り扱いとリアルタイム完全データ(SoL)およびSARリターンリンクチャンネル(SAR RLM)の供給の双方を行うように設計されている。この結果、ガリレオのメッセージは、軌道暦および時間(クロック補正)データのアイテムだけでなく、別のデータアイテムも含む。
従って、本発明の目的は、例えば全くアシストされていないかまたは部分的にしかアシストされていないために、利用できる軌道暦およびクロックデータの事前のアイテムがない受信機において捕捉時間の短縮を可能にするという点でナビゲーションメッセージを改善することにある。
本発明によれば、GNSS無線信号は、複数のフレームの1つのシーケンスとして送信されるナビゲーションメッセージを含み、各フレームは、複数のサブフレームから構成され、前記サブフレームの各々は、衛星位置および衛星クロック誤差を計算するのに充分な軌道暦(エフェメリシス)とクロック補正データ(DECH)の第1の組を含む。各サブフレームは、DECHの第1の組よりもよりコンパクトである(すなわち、サイズがより小さい)が、(DECHの第1の組により可能となる計算による比較により)衛星位置および衛星クロック誤差をより低い精度で計算するのに充分であるDECHの第2の組を更に含み、2つの連続するコピーの間のタイミング差がサブフレームの時間長さの70%を超えないように各サブフレーム内には第2の軌道暦およびクロック補正データの少なくとも2つのコピーが存在する。
現行の、または計画されているナビゲーションメッセージは、1つのサブフレームにつきDECHの一組しか含まないが、本発明は、各サブフレームがDECHのよりコンパクトな第2の組の少なくとも2つのコピーを含むようなナビゲーションメッセージを提案するものである。DECHの第2の組の連続する2つのコピーの間のタイミング差がサブフレーム時間長さの70%を超えないと仮定した場合、DECHの完全な組を捕捉するため(最悪のケースでもナビゲーションメッセージの復号化に成功すると仮定する場合)の最長待ち時間は、サブフレームの時間長さよりも実質的に短くなる。この結果、非アシストモードで運用される受信機は、モニター中の衛星をより高速で捜し出すことができ、従って位置をより短時間で決定できる。より低い精度で(例えば数メートルの精度ではなく約100メートルの精度で)衛星を捜し出すことしかできないと理解できよう。従って、かかる衛星の捜し出しに基づく地球測位方法は、より高いレベルで不確実度に影響される。しかしながら、受信条件および信号対ノイズ比条件によって可能となる場合のサブフレーム時間長さにほぼ等しい時間が一旦経過すれば、(ナビゲーションメッセージの復号化に成功できると仮定する)最悪のケースでもDECHの第1の組を入手できるとした場合、このように不確実度が高くなることは、一次的なことでしかない。ユーザーは(受信機の始動後の)平均待ち時間が大幅に短縮されたと認識できよう。
同一送信チャンネル(ナビゲーションメッセージ)を介してDECHの第1の組に加えてDECHの第2の組が送信されると理解できよう。従って受信機は別のチャンネル(A−GNSS)を介してアシストデータを受信することなく、停止時からの捕捉時間を短縮できる。
連続する2つのコピーの間のタイミング差は、サブフレームの時間長さの60%を超えないことが好ましい。
本発明の好ましい実施例によれば、各サブフレームは、複数のページに再分割されており、各ページは、1つのデータを含み、各サブフレーム内では複数のワードにわたってDECHの第1の組が拡散しており、各サブフレーム内では単一のワードにわたってDECHの第2の組の各コピーが拡散している。好ましくは、サブクレーム内には軌道暦およびクロック補正データの第2の組の少なくとも2つのコピーを含むページが実質的に等しい間隔で拡散している。
軌道暦の第2の組のフォーマットは、固定的(static)であってもよい。すなわち経時的に変化できない。これとは異なり、ナビゲーションメッセージが送られている間に、フォーマットをダイナミックに変更してもよい。この場合、一部の伝送チャンネルを介してそのときのフォーマットを受信機に通知しなければならない。例えば、予め定められた複数のフォーマットからDECHの第2の組のフォーマットを選択でき、ナビゲーションメッセージは、選択されたフォーマットのインジケータを含む。ナビゲーションメッセージは、(フォーマットがそのときのシステム条件に従ってフォーマットが自由に選択される場合に特に有効な)DECHの第2の組のフォーマットを指定してもよい。
DECHのこの第2の組は、少なくとも6つの軌道パラメータ、基準時間、衛星クロックバイアスおよび衛星クロック変化を表示することが好ましい。この場合、DECHの第2の組は、任意の別の量子化により、DECHの第1の組の最も基本的なパラメータに対応する。これとは異なり、DECHの第2の組のフォーマットは、軌道暦および衛星補正データの第1の組が基づく数学的モデルとは異なる軌道暦およびクロック誤差を記述する数学的モデルのパラメータの組の形態を取ることができる。
本発明の様相は、GNSS測位方法に関し、この方法は、(a)疑似距離を少なくとも決定することおよびGNSS信号のナビゲーションメッセージをモニターすることを含む、上記のような複数のGNSS信号を受信するステップと、(b)モニターされた各メッセージのうちのDECHの第2の組に基づき、衛星位置および衛星クロック誤差を計算するステップと、(c)決定された疑似距離および計算された衛星位置および衛星クロック誤差に基づきユーザーの位置を決定するステップとを含む。好ましくは、この方法は、DECHの第1の組を記録するステップと、このDECHの第1の組が利用できるとすぐに、このDECHの第1の組に基づき衛星位置および衛星クロックの誤差を再計算するステップも含む。次にこのより正確な軌道暦およびクロックデータに基づきユーザー位置を再決定できる。
本発明の別の様相は、コンピュータプログラムがGNSS受信機によって実行される時に上記方法をGNSS受信機に実行させる命令を有するコンピュータプログラムを含むメモリ手段を備えるGNSS受信機に関する。
最後に本発明の様相は、コンピュータプログラムが前記GNSS受信機によって実行される時に上記方法をGNSS受信機に実行させる命令を有するコンピュータプログラムに関する。
添付図面を参照し、以下示すいくつかの好ましい実施例の詳細な説明を読めば、本発明の上記以外の顕著な特徴および特性が明らかとなろう。
E1−B信号成分で提供されるガリレオI/NAV無線ナビゲーション信号の構造の図である。 説明する実施例におけるDECHの第1の組に対するDECHの第2の組の読み出し時間の短縮を示すグラフである。 コンパクトなDECHのフォーマットを決定する方法を示す図である。
以下説明する本発明の実施例は、ガリレオナビゲーションシステムのE1−B成分(E1 OS信号のデータチャンネル)で送信されるI/NAVナビゲーションメッセージに基づくものであり、この実施例では、変更例が提案されている。しかしながら、この選択案は、単に本発明を説明するために記載したものにすぎず、この選択案は、(ガリレオ、GPS,グロナス,コムパスなど、又は地域システムからの)その他のGNSS信号でも実施できることに留意されたい。更なる情報は、ウェブサイト:http://ec.europa.eu/enterprise/policies/satnav/galileo/open−service/index en_htm.にて欧州委員会から2010年9月に発行された「宇宙インターフェース管理文書における欧州GNSS(ガリレオ)オープンサービス信号」第1.1版(以下、ガリレオOS SIS ICD)を参照することによって入手できる。
ガリレオI/NAVメッセージは、720秒の1つのフレームからなり、このフレームは、各々が30秒の24個のサブフレームに分割されている。各サブフレームは、2秒の15ページからなり、各ページは、1秒の長さの、偶数部分と奇数部分とからなる。図1にはI/NAVメッセージの構造が略図で示されている。
1ページのうちの偶数部分および奇数部分の各々は、有効データの120ビットから成り、従って、完全な1ページは、240ビットの有効情報を含む。これらビットは、畳み込み符号(7、1/2)で符号化されており、符号化の後で、120ビットの有効データが240個のシンボルに変換され、これらシンボルには、ヘッダーとして10個の同期化パターンが追加されている。従って、半ページは、250個のシンボルを含む。
各ページは、「ワード」として知られており、ページの2つの部分(これら部分は、それぞれ16ビットと112ビットに分割されている)にわたって拡散された128ビットデータフィールドを含む。
ワードは、ナビゲーション受信機の位置を計算するためにナビゲーション受信機が使用する情報のアイテム(軌道暦、ガリレオシステム時間、クロック補正値、電離層補正値、衛星暦(almanacs)等)を含む。
最初の位置を確定するには、これら情報アイテムのうちの3つアイテム(すなわち、軌道暦、クロック補正、およびシステム時間情報)だけでよい。その他のパラメータは、補助精度を提供するために供給される。
ガリレオOS SIS ICDでは、コンテント(番号1から10)に応じ、10のタイプのワードが定義されている。「スペア」(フリー)のワード、すなわち、有効情報を含まないワードに対し11番目のタイプ(番号0)が保留されている。1つのワードを構成する128個のビットのうちで、ワードのタイプを定義するために最初の6つのビットが保留されており、従って、有効情報のために122ビットが残っている。
4ワード(ワードタイプ1から4、ガリレオSIS ICDセクション4.3.5を参照されたい)にわたって標準軌道暦およびクロック補正データ(DECH)が符号化されており、標準的DECHは、20個のパラメータ(軌道暦に対して16個のパラメータ更にクロック補正に対して4個のパラメータ)から構成されている。次の表にこれらパラメータを記載する。
Figure 2015527574

Figure 2015527574
30秒の周期(すなわち、サブフレームと同じレート)で標準的DECHが送信され、全体として、428ビットにわたって情報が符号化される。
ガリレオシステムの時間(GST)は、2つのパラメータ、すなわち週の番号(WN)と週の時間(TOW)とから構成されており、WNは、30秒おきに1回(ワードのタイプ5)送信されるが、TOWは、サブフレームごとに2回(ワードタイプNo.5および6)送信される。E1−Bでは30秒のサブフレーム内のワードの分布は、次のとおりである(時間0は、サブフレームの開始に対応する)
Figure 2015527574
1つのフレームの時間長さ(720秒)にわたって(36機の衛星に対する)衛星暦(アルマナック)の組が送信される。
(Tから10〜20秒に位置する)サブフレーム内に存在する15個のワードの内の5つが保留されており、ガリレオICDでは(Tから28〜30秒に位置する)2つのワードは、定義されていない。
SoLサービスを将来導入する見地から、この文書で保留されているように定義されたかなりの割合のビットが保留されている。
〇前の表で表示されている保留された5つのワード
〇奇数の各半ページの保留されたフィールド(ガリレオOS SIS ICDの表41と比較)
更に1組のビットが、ガリレオOS SIS ICDにおける「スペア」のように定義されている。
〇2つの「スペア」のワード(前の表と比較)
〇奇数の各半ページのスペアフィールド(ガリレオOS SIS ICDの表41と比較)
全体として、これら部分は、30秒ごとに一斉送信される3600ビットのうちの計1646ビットに相当する。
本発明に係る例は、ガリレオオープンサービスの性能(ロバスト性およびTTFF)を改善するために現在SoLのために保留されているビットのいくつかを活用できるようにするコンテキストに関する。
上記標準的DECHは、受信機が当該衛星の位置を確認し、衛星のクロックを訂正できるようにするのにDECHの充分な第1の組に対応することに注目されたい。
本発明の好ましい実施形態に従ってGNSS信号を得るために、例えば、DECHの標準的組よりもよりコンパクトであるが、衛星位置およびクロック誤差をより低い精度で計算するのにDECHの充分な第2の組を各サブフレームに組み込むことによってガリレオI/NAVメッセージを変更することが提案される。特に第2の組は、3つの場合において各サブフレームに組み込まれる。
図示した例を示すために、時間T=10秒およびT=26秒でのワードは、DECHの第2組のコピーを各々が含む新しいタイプのワードに置き換えられている。
この結果得られるフレームは、次の表に示されるフォームとなっている。
Figure 2015527574
新タイプのワードは、サイズが他のワードに等しく、有効データの多数のビット(例えば122ビット)を受信できる。95%の時間の間で100mの値の大きさのコンパクトDECHの精度が必要とされる場合、次の9つのパラメータだけを維持することが好ましい。
〇6つのケプラーパラメータ
〇基準時間
〇クロックバイアスおよびクロック変化
I/NAVメッセージにおけるコンパクトDECHの分布を構成する方法(時間T=10秒およびT=26秒におけるダブル送信)によって10秒未満の平均読み出し時間を達成することが可能となる。コンパクトDECHの読み出し時間は、メッセージを受信する最初の時間(T)に応じて決まる。このことは図2にプロットされている(1回の通過で誤差を生じることなく情報が復号化されると仮定する)。曲線10は、標準的DECHの(全)組の読み出し時間を示し、他方、曲線12はサブフレーム内の読み出し時間を関数とするコンパクトDECHの組の読み出し時間を示す。標準的DECHの平均読み出し時間は25.4秒であるのに対し、コンパクトDECHの読み出し時間はちょうど9.5秒に達することに留意されたい。(復号化に成功すると仮定した場合の)標準的DECHの最大読み出し時間は32秒である。コンパクトなDECHに対する対応する値は18秒に達する。平均読み出し時間と最大読み出し時間の短縮の結果、第1捕捉時間(初期位置算出時間)が著しく短縮される。しかしながら、コンパクトなDECHで達成できる精度は、標準的DECHで得られる位置決め精度よりも低くなることに留意されたい。しかしながら、全サブフレームが一旦受信された場合(従って、最後の32秒後にサブフレームの復号化に成功したと見なす場合)、受信機では標準的DECHの組が利用できるので、精度の欠如は一次的なものであり、大きな欠点となることはない。
コンパクトDECHの生成および一斉送信に関し、これらは所望する測位精度、ナビゲーションシステム内でこれらを一斉送信するのに利用できるビット量および標準的DECHのダイナミックスを関数とし、標準的DECH(例えば「公称」DECH)に基づき、これらを計算できる。
図3のフローチャートには生成方法が略式に示されている。前に定義された基準の組み合わせのリストから選択され、基本的には条件(ステージS1)を満たす軌道およびクロック補正計算値を供給する(パラメータのタイプおよびそれらの量子化ステップを特徴とする)基準パラメータの組み合わせを検討する。
次に標準的DECH内のパラメータのばらつき範囲を評価し、量子化ステップ(ステージS2)の関数に応じて、必要な量子化ビットの数を減算する。
必要なビット数が、利用できるビット数よりも少ない場合(ステージS3の結果がNO)であれば、利用できるビット数に関する制約を満たしながら(ステージS4)量子化ステップを減少させ、および/またはパラメータ数を増加させることにより構成されたパラメータの組み合わせの一組を決定する。これら組み合わせの性能をテストし、最適な組み合わせを決定する。
パラメータ(タイプ、ビット数、量子化)のこの組み合せで得られる精度が条件を満たす場合(ステージS5),コンパクトDECHのフォーマットを確定する。次にこのファーマットを適用することによってコンパクトDECHを計算する。
必要なビット数が利用できるビット数よりも大であるか(ステージS3の結果がYESの場合)、または意図する性能が得られない場合(ステージS5の結果がNOの場合)、基準パラメータの新しい組み合わせを選択する(ステージ1へリターンする)。
コンパクトなDECHの組(パラメータのタイプ、量子化ステップ)のフォーマットを固定的にしてもよい。このような固定的なフォーマットの場合、製造時の一度限りにおいてGNSS受信機を設定することができる。
例:
Figure 2015527574
上記とは異なり、複数のコンパクトなDECHフォーマットを予め定めてもよい。この場合、GNSS制御セグメントは予め定められたフォーマットの組から最適なフォーマットを選択できる。次に、(製造時の設定により、プロトコルをダウンロードすることにより、または他の手段により)予め定められた種々のフォーマットがGNSS受信機に提供される。受信機がコンパクトなDECHを使用できるようにするためには、受信機にフォーマット識別子を伝えなければならない。このことは、ナビゲーションメッセージ内に識別子が含まれるようにするか、または他の任意の通信チャンネルを介して識別子を送信することにより達成できる。
この選択方法の複数の変形例を思いつくことができる。第1の変形例によれば、パラメータの異なる組み合わせは、パラメータのタイプおよびビットのそれぞれの数が同一である場合に、量子化ステップに関してのみ異なる。
例:2つの組み合わせの組(制御セグメントは、予め定められた2つのフォーマットから選択できる)
Figure 2015527574
第2の変形例によれば、パラメータの組み合わせには制限は適用されない(タイプ、ビット数および量子化ステップは異なっていてもよい)。
例:2つの組み合わせ、N個のパラメータと第1変形例の組み合わせ、K個のパラメータと第2変形例の組み合わせ
Figure 2015527574
パラメータのフォーマットを制限することなく、(パラメータのタイプ、ビット数および量子化ステップによって定められる)DECHパラメータの最適な組み合わせを制御セグメントが選択し、送信するように想到することもできる。この場合、他の手段(例えばナビゲーションメッセージ内または外部システムを介し)によって受信機には最適な組み合わせが表示される。

Claims (12)

  1. 複数のフレームの1つのシーケンスとして送信されるナビゲーションメッセージを含み、
    各フレームは複数のサブフレームから構成され、前記サブフレームの各々は、衛星位置および衛星クロック誤差を計算するのに充分な軌道暦とクロック補正データの第1の組を含むGNSS無線信号であって、各サブフレームは軌道暦およびクロック補正データの第1の組よりもよりコンパクトであるが、前記衛星位置および前記衛星クロック誤差をより低い精度で計算するのに充分である軌道暦とクロック補正データの第2の組を更に含み、2つの連続するコピーの間のタイミング差がサブフレームの時間長さの70%を超えないように各サブフレーム内には第2の軌道暦およびクロック補正データの少なくとも2つのコピーが存在することを特徴とするGNSS無線信号。
  2. 連続する2つのコピーの間のタイミング差は、前記サブフレームの時間長さの60%を超えない、請求項1に記載のGNSS無線信号。
  3. 各サブフレームは、複数のページに再分割されており、各ページは、1つのワードデータを含み、各サブフレーム内では複数のワードにわたって前記軌道暦およびクロック補正データの前記第1の組が分散しており、各サブフレーム内では単一のワードにわたって前記軌道暦およびクロック補正データの前記第2の組のコピーが分散している、請求項1または請求項2に記載のGNSS無線信号。
  4. 前記サブクレーム内には前記軌道暦およびクロック補正データの前記第2の組の少なくとも2つのコピーを含むページが実質的に等しい間隔で拡散している、請求項3に記載のGNSS無線信号。
  5. 前記軌道暦およびクロック補正データの前記第2の組のフォーマットは、時間に対して不変である、請求項1〜4のうちのいずれか1項に記載のGNSS無線信号。
  6. 前記軌道暦およびクロック補正データの前記第2の組のフォーマットは、予め定められた複数のフォーマットから選択されたものであり、前記ナビゲーションメッセージは、前記選択されたフォーマットのインジケータを含む、請求項1〜4のうちのいずれか1項に記載の、GNSS無線信号。
  7. 前記ナビゲーションメッセージは、前記軌道暦およびクロック補正データの前記第2の組のフォーマットを指定する、請求項1〜4のうちのいずれか1項に記載のGNSS無線信号。
  8. 前記軌道暦およびクロック補正データの前記第2の組のフォーマットは、少なくとも6つのケプラーパラメータ、基準時間、衛星クロックバイアスおよび衛星クロック変化を表示する、請求項1〜7のうちのいずれか1項に記載のGNSS無線信号。
  9. 前記軌道暦およびクロック補正データの前記第2の組は、前記軌道暦およびクロック補正データの前記第1の組が基づく数学的モデルとは異なる衛星軌道およびクロック誤差を記述する数学的モデルのパラメータの組の形態を取る、請求項1〜7のいずれか1項に記載のGNSS無線信号
  10. 疑似距離を決定することおよび前記GNSS信号のナビゲーションメッセージをモニターすることを含む、請求項1〜9のいずれか1項に記載の複数のGNSS無線信号を受信するステップと、
    モニターされた各メッセージのうちの軌道暦およびクロック補正データの前記第2の組に基づき、衛星位置および衛星クロック誤差を計算するステップと、
    前記決定された疑似距離および前記計算された衛星位置および衛星クロック誤差に基づきユーザーの位置を決定するステップとを含む、GNSS測位方法。
  11. コンピュータプログラムが前記GNSS受信機によって実行される時に請求項10に記載の方法を前記GNSS受信機に実行させる命令を有するコンピュータプログラムを含むメモリ手段を備えたGNSS受信機。
  12. 前記コンピュータプログラムが前記GNSS受信機によって実行される時に請求項10に記載の方法を前記GNSS受信機に実行させる命令を有するコンピュータプログラム。
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