JP2017161502A - 全地球的航法衛星システムにおいてキャリア位相差のための基準受信機を決定するための方法およびシステム - Google Patents

全地球的航法衛星システムにおいてキャリア位相差のための基準受信機を決定するための方法およびシステム Download PDF

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Abstract

【課題】空間的完全性を伴うキャリア位相二重差受信機のための整数不定性解消を監視するためのシステム及び方法を提供する。【解決手段】１組の受信機の１組のアンテナにおいて５つ以上の衛星から最初に測定値を受信することによって全地球的航法衛星システムにおけるキャリア位相差の為の基準受信機を決定する。第１のサブセットの受信機の第１のサブセットのアンテナにおいて右旋円偏波が適用され、第２のサブセットの受信機の第２のサブセットのアンテナにおいて左旋円偏波が適用されて、第１の位相同期ループ(ＰＬＬ)出力及び第２の位相同期ループ(ＰＬＬ)出力が生成される。第１のＰＬＬ出力及び第２のＰＬＬ出力に見通し線及び非見通し線検出が適用され、マルチパスの存在が示される。第１のサブセットの受信機がマルチパス及び偏波変化の劣化によって影響を及ぼされるか否かが出力され、キャリア位相測定値を用いてキャリア位相二重差が実行される。【選択図】図２

Description

この発明は包括的には、空間的に分離された受信機を含む全地球的航法衛星システム(ＧＮＳＳ：global navigation satellite system)に関し、より詳細には、空間的完全性の監視を伴うキャリア位相二重差ＧＮＳＳ受信システムに関する。
キャリア位相二重差に基づく全地球測位システム(ＧＰＳ：global position system)は、センチメートルレベルの精度で位置解を提供することができる。ＧＮＳＳ受信機設計における最近の成果のおかげで、キャリア位相二重差は、正確な位置解を必要とするＧＮＳＳアプリケーションの場合に高い関心を集めてきた。しかしながら、キャリア位相測定は本質的に、測定値が使用される前に解消される必要がある整数不定性を含む。信頼性のある解消法がない場合、位置解の精度は、保証することはできない。
従来の解消法として、相対的に長い初期化を用いて、整数不定性を推定することができる。すなわち、衛星信号の損失が生じるときはいつでも、初期化が必要とされる。正確な位置解を得ることはできるが、整数不定性を解消するために頻繁に初期化することは、連続的な衛星同期を維持するのが難しいという問題に対するキャリア位相二重差の主な限界である。
整数不定性解消アルゴリズム(integer ambiguity resolution algorithm)は位置解の精度の品質をシグナリングする必要があることも要求される。ＧＮＳＳアプリケーションは、システムが安全仕様内にあることをシステムが保証できないときに、完全性警告を与える必要がある。従来の手法では、推定位置解の残差から検定統計値が形成され、その後、統計値の大きさが閾値と比較される。この大きさが閾値未満である場合には、位置誤差が生じていないと判断される可能性が高い。そうでない場合には、位置誤差が生じている可能性が高い。従来の方法では、残差がガウス分布に従うものと一般に仮定される。しかしながら、実際には、残差はガウス分布には従わず、モデル化されないバイアスによって影響を及ぼされる。また、残差は時間的、空間的に変化する。
特許文献１では、固定不定性セットを用いて、位置推定値及び位置共分散推定値を求める。推定共分散に基づいて、位置品質の指標が求められる。特許文献２では、品質評価器を適用して、整数不定性セットが正しく解消されるか否かを判断する。
従来のキャリア位相二重差手法では、固定基地局が、この基準基地局と他の受信機との間の相対距離を計算する際に使用される。場所が固定されているので、基準として、事前にわかっている位置情報が使用される。特許文献３を参照されたい。
米国特許第９，１１６，２３１号 米国特許第８，４２７，３６５号 米国特許第６，２２９，４７９号
しかしながら、基準として移動している受信機が使用されるとき、どの受信機が、キャリア位相二重差のための基準受信機として使用されるかについて不確実である。また、この基準受信機が、スプーフィング及びマルチパスからの信頼性がなければならないことを検証する必要がある。
この発明の実施の形態は、空間的完全性を伴うキャリア位相二重差受信機のための整数不定性解消を監視するためのシステム及び方法を提供する。
整数不定性解消の品質、そして最終的には、推定相対距離の品質を評価する際に最も難しいのは、全ての取り得る異常状態を反映する被検出相対距離のために適した分布が存在しないことである。
従来の比検定は、使用に制約があるので、制限することなく一般的な場合を取り扱う方法及びシステムを提供する必要がある。
実施の形態による方法は、２サンプルコルモゴロフ−スミルノフ(ＫＳ：Kolmogorov-Smirnov)検定を使用する。正常状態の場合に利用可能なデータベースによれば、整数不定性解消は厳密であり、その結果、得られた位置解は１メートル未満の精度である。
その方法は、キャリア位相二重差によって得られた２つの受信機間の１組の推定相対距離を比較し、その後、データベースを介してこれらの相対距離の最大差異を求める。その後、その差異を閾値と比較し、その閾値は信頼水準によって決定される。
その方法が、速度センサからの情報を使用する場合には、その方法は仰角速度(elevation angle rate)を速度(speed)で割った値を求めることができる。この比の定数は、スプーフィング又はマルチパスに関連付けられる。
受信機ごとに別々にこれらの処理を適用するとき、キャリア位相二重差に基づく位置推定のための基準受信機を確定することができる。
この発明の実施の形態による、キャリア位相二重差のためのシステム及び方法のブロック図である。 この発明の実施の形態による、キャリア位相二重差受信機のための移動している基準受信機を確定するための方法のブロック図である。 この発明の実施の形態による、完全性監視を伴うキャリア位相二重差のためのブロック図である。 この発明の実施の形態によって使用される２サンプルＫＳ検定の一例の場合の結果のグラフである。
この発明の実施の形態は、空間的に分離された受信機を含む、全地球的航法衛星システム(ＧＮＳＳ)を提供する。図１−図３は、キャリア位相二重差のためのシステム及び方法のブロック図を示す。一例のアプリケーションでは、そのシステムは移動している物体１６１、例えば、列車又は車両を制御する。そのシステムは、列車上の異なる固定位置に設置された１組のＧＮＳＳ受信機１３０及び１３１を含む。これらの受信機は、受信機間の厳密な時間同期１４０によって結合される。キャリア位相二重差の場合、視野内にある少なくとも５つの衛星１０１−１０２が使用される。
本明細書において使用されるとき、１組の受信機は２つ以上の受信機と定義され、受信機のサブセットは１つ又は複数の受信機と定義される。受信された測定値１１０、１１１、１２０及び１２１は、異なる整数不定性を本質的に含む１組のキャリア位相測定値を表す。２つのＧＮＳＳ受信機１３０及び１３１からの位相同期ループ(ＰＬＬ)出力２０２及び２０３は、搭載ユニット１５１によって収集される。
図２は、整数不定性解消監視及びキャリア位相二重差動作をブロック２５０に組み込むキャリア位相二重差を示す。キャリア位相二重差のための移動している基準受信機を確定するために、受信機１３０及び１３１において、右旋円偏波(ＲＨＣＰ：right-hand circular polarization)アンテナ及び左旋円偏波(ＬＨＣＰ：left-hand circular polarization)アンテナを適用する。２つのアンテナ出力を受信したとき、マルチパスの存在を示すために、見通し線(ＬＯＳ：line-of-sight)及び非見通し線(ｎＬＯＳ)検出ブロック２１０及び２１１がそれぞれ２２０及び２２１を出力する。ブロック２３０において、両方の受信機がマルチパス及び偏波変化による劣化によって影響を及ぼされるか否かによって、出力２４０及び２４１が生成され、すなわち、２４０は０になるか、そうでない場合には、１になり、受信機Ａ１３０がそれらの劣化によって影響を及ぼされないか、受信機Ｂ１３１がそれらの劣化によって影響を及ぼされないか、又は両方の受信機が劣化によって影響を及ぼされないかを示すために、２４１は００、０１又は１０のいずれかになる。ブロック２５０において、２つのキャリア位相測定値２０２及び２０３と、２４０及び２４１とを用いて、キャリア位相二重差が実行され、二重差のための基準受信機としてどの受信機が使用されるかが示される。
マルチパス検出の場合、以下の概念が実現された。受信されたキャリア位相測定値２０２及び２０３がマルチパスによって劣化しない場合には、全ての衛星がＲＨＣＰ信号を送信するので、ＲＨＣＰアンテナからの出力がＬＨＣＰアンテナからの出力より大きい。そうでない場合には、反射されたマルチパスＧＰＳ信号がその偏波を変更するので、ＬＨＣＰアンテナがＲＨＣＰアンテナより大きい出力を生成する。
図３に示されるように、測定値２４０に基づいて、最初に、キャリア位相二重差を適用するか否かを判断する。測定値２４０が０であるとき、両方の受信機がマルチパスによって同時に影響を及ぼされ、両方の受信機が基準受信機としての役割を果たすことはできない。したがって、キャリア位相二重差は使用されない。測定値２４０が１になり、測定値２４１が００、０１及び１０のいずれかである場合には、受信機１３０及び１３１から１つの基準受信機を選択する。その後、キャリア位相測定値２０２及び２０３を用いて、キャリア位相二重差２８０を適用する。キャリア位相二重差ブロック２８０は、整数不定性解消後に相対距離２６０を出力する。この距離２６０は、完全性監視ブロック２７０に入力され、ブロック２７０は、標準状態の場合のデータベース２７１と比較して位置推定値の品質を評価するために、２つサンプルＫＳ検定２７２を構成する。データベース２７１に対する２６０の最大差異に応じて、２サンプルＫＳ検定は、帰無仮説を受け入れるか、又はその仮説を拒否する。
図４は、２サンプルＫＳ検定の一例のための結果のグラフである。
(チルダ)Ｆ１(ｘ)と(チルダ)Ｆ２(ｘ)との間の最大差異Ｄ1,2 1,2及び(チルダ)Ｆ２(ｘ)と(チルダ)Ｆ３(ｘ)との間の最大差異Ｄ1,2 2,3は、２サンプルＫＳ検定によって求めることができる。Ｄ1,2 2,3＜Ｄ1,2 1,2であるので、分布(チルダ)Ｆ２(ｘ)は(チルダ)Ｆ１(ｘ)より(チルダ)Ｆ３(ｘ)に統計的に類似である。
その方法は、受信機のそれぞれにおける特定の時間窓間隔にわたって一群のサンプルを使用する。受信されたキャリア位相測定値がマルチパス及びスプーフィングによって劣化していない場合には、方向ベクトルが経時的に変化するので、衛星が移動することに起因して仰角が変化する。そうでない場合には、方向ベクトルが一定であることに起因して、仰角は変化しない。このようにして、スプーフィング及びマルチパスを両方の受信機において検出することができる。
未知の経験的分布Ｆｍを有する、相対距離サンプル
Figure 2017161502
の場合、このシステムは、Ｆｍが、サンプル
Figure 2017161502
を伴う特定の分布Ｆｎに等しいという帰無仮説を形成する。帰無仮説は以下によって定義される。
Ｈｏ：Ｆｍ＝Ｆｎ． (１)
付随するＫＳ統計値は以下によって与えられる。
Figure 2017161502
決定規則は
Figure 2017161502
である。ただし、ｔｈは
α＝Ｐｒ(√(Ｎｅ)Ｄｍｎ≧ｔｈ|Ｈｏ)
によって与えられる有意水準αによって決まり、漸近表現は以下によって与えられる。
Figure 2017161502
したがって、所与の有意水準α(０＜α＜１)において、閾値ｔｈを決定することができる。この展開に基づいて、
√(Ｎｅ)ｍａｘ|Ｆｍ(ｘ)−Ｆｎ(ｘ)|≧ｔｈ
である場合には、有意水準αにおいて帰無仮説が棄却され、そうでない場合には、正常状態の場合に１組の相対距離サンプルが存在するという帰無仮説を受け入れる。すなわち、データベースのための異なるサンプルサイズ及び１組の測定値(相対距離推定値)の場合に、最適な閾値ｔｈは、所望の誤警報確率において決定される。
その後、この閾値に基づいて、１組の測定値が正常状態を表すか否かを判断する。１組の測定値が正常状態に由来する場合には、収集された１組の相対距離サンプルは、正確な１メートル未満の精度を与えることができる。この検定に基づいて、信号２６１が１になり、相対距離推定信号２６０に信頼性があることを示すのに対して、信号２６１が０になるとき、相対距離推定信号２６０に信頼性がないことを示す。

Claims (5)

  1. 全地球的航法衛星システム(ＧＮＳＳ)においてキャリア位相差のための基準受信機を決定するための方法であって、
    １組の受信機の１組のアンテナにおいて少なくとも５つの衛星からの測定値を受信することであって、前記１組のアンテナは移動している物体上の固定された場所に配置されるものと、
    第１のサブセットの受信機の第１のサブセットのアンテナにおいて右旋円偏波(ＲＨＣＰ)を適用し、第２のサブセットの受信機の第２のサブセットのアンテナにおいて左旋円偏波(ＬＨＣＰ)を適用して、第１の位相同期ループ(ＰＬＬ)出力及び第２の位相同期ループ(ＰＬＬ)出力を生成することと、
    前記第１のＰＬＬ出力及び前記第２のＰＬＬ出力に見通し線(ＬＯＳ)及び非見通し線(ｎＬＯＳ)検出を適用して、マルチパスの存在を示すことと、
    前記第１のサブセットの受信機がマルチパス及び偏波変化の劣化によって影響を及ぼされるか否かを出力することと、
    キャリア位相測定値を用いてキャリア位相二重差を実行して、キャリア位相二重差のための基準受信機として、どの受信機が使用されるかを示すことと、
    を含む、方法。
  2. ２サンプルコルモゴロフ−スミルノフ(ＫＳ)検定を実行して、正常又は異常整数不定性解消を検出することと、
    正常状態のためのデータベースを構成することと、
    前記ＫＳ検定の統計値に基づいて目標誤警報確率における最適な閾値を決定して、前記整数不定性解消の品質を監視することと、
    を更に含む、請求項１に記載の方法。
  3. 前記移動している物体は列車である、請求項１に記載の方法。
  4. 前記１組の受信機は厳密な時間同期によって結合される、請求項１に記載の方法。
  5. 全地球的航法衛星システム(ＧＮＳＳ)においてキャリア位相差のための基準受信機を決定するためのシステムであって、
    少なくとも５つの衛星からの測定値を受信するように構成される１組の受信機の１組のアンテナであって、該１組のアンテナは移動している物体上の固定された場所に配置されているものと、
    第１のサブセットの受信機の第１のサブセットのアンテナにおいて右旋円偏波(ＲＨＣＰ)を適用し、第２のサブセットの受信機の第２のサブセットのアンテナにおいて左旋円偏波(ＬＨＣＰ)を適用して、第１の位相同期ループ(ＰＬＬ)出力及び第２の位相同期ループ(ＰＬＬ)出力を生成することと、前記第１のＰＬＬ出力及び前記第２のＰＬＬ出力に見通し線(ＬＯＳ)及び非見通し線(ｎＬＯＳ)検出を適用して、マルチパスの存在を示すことと、前記第１のサブセットの受信機がマルチパス及び偏波変化の劣化によって影響を及ぼされるか否かを出力することと、キャリア位相測定値を用いてキャリア位相二重差を実行して、キャリア位相二重差のための基準受信機として、どの受信機が使用されるかを示すことと、を行うように構成されるプロセッサと、
    を備える、システム。
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