JP2017527791A - 車両をナビゲートするためのナビゲーションシステムおよび方法 - Google Patents

車両をナビゲートするためのナビゲーションシステムおよび方法 Download PDF

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Abstract

ナビゲーションシステムが、第１の位置を特定するための第１のナビゲーションモジュールと、第２の位置を特定するための第２のナビゲーションモジュールとを含む。第１のナビゲーションモジュールおよび第２のナビゲーションモジュールは、第１の位置が第２の位置に依存するように、機械的に接続される。また、第１のナビゲーションモジュールおよび第２のナビゲーションモジュールは、第１の位置および第２の位置のうちの少なくとも１つを含む情報を交換するために通信可能に接続される。ナビゲーションシステムの動作中のある時点において、第１のナビゲーションモジュールは、第２のナビゲーションモジュールから第２の位置を受信し、第２の位置に基づいて第１の位置を特定する。

Description

本発明は、包括的には全地球航法衛星システム（ＧＮＳＳ）に関し、より詳細には、環境要因または人工構造物によって遮断される衛星信号を捕捉および／または追跡するためのナビゲーションシステムに関する。
全地球航法衛星システム（ＧＮＳＳ）のようなナビゲーションシステムは、４つ以上の航法衛星に対する見通し線（ＬＯＳ）を用いて、場所情報および時間情報を与える。通常の動作の場合には、４つの衛星が必要とされるが、１つの変数、例えば、仰角が既知であるか、または関係しない場合には、それより少ない衛星でも可能である。ナビゲーションシステムは、車両の移動中に衛星信号を追跡することによって、移動中の車両に測位サービスを提供する。しかしながら、車両のナビゲーションシステムは、衛星信号を送信している衛星とのＬＯＳが、木、建物または橋等の環境的特徴物によって遮断されるときに、１つまたは複数の衛星信号を失う可能性がある。衛星信号の追跡が失われた後、衛星とのＬＯＳが回復したときに、衛星信号は、再捕捉されなければならない。追跡されるべき衛星信号の周波数および位相は、移動中の車両と送信側の衛星との間の相対位置および／または相対速度の変化に応じて変化しており、一般に未知であるので、衛星信号の再捕捉は、時間を要するプロセスである。
いくつかのナビゲーションシステムは、ＬＯＳ遮断に伴う問題を最小化するために、時間および空間ダイバーシティを使用する。例えば、特許文献１に記述されるシステムおよび方法は、少なくとも１つのアンテナが「良好な」信号を受信することを見込んで、２つのアンテナを用いて衛星信号を受信する。別のシステムは、特許文献２におけるような、局所的なコンスタレーションを設定し、既知の場所にある専用送受信機が「不良の」信号を伴うエリア内に衛星信号を再ブロードキャストする。しかしながら、そのようなシステムは、設置およびメンテナンスに費用がかかり、専用の保護された不動産の運用を必要とする。
車両が、衛星信号を遮断する可能性がある特徴物が散乱した環境を通って高速で移動している場合には、信号が、必要とされる捕捉時間より短い時間しか受信できない可能性がある。
したがって、移動中の車両のナビゲーションシステムによる衛星信号の捕捉時間を加速する方法が必要とされている。
米国特許第７，６４２，９５７号 米国特許第５，８８６，６６５号
全地球航法衛星システム（ＧＮＳＳ）アプリケーションにおいて、位置推定値を与えるために、ナビゲーションシステムによって受信される衛星信号が経時的に追跡される。通常、ナビゲーションシステムは、車両、船舶、列車および飛行機のような移動している物体によって使用される。衛星との見通し線（ＬＯＳ）に沿った信号のうちの１つまたは複数が遮断されることに起因して、４つ未満の信号が受信される場合には、信号を再捕捉するために、潜在的に非常に長い捕捉プロセスが実行されなければならない。捕捉プロセスは、衛星信号の位相および周波数のような追跡プロセスを初期化するために必要とされる情報を特定する。
本発明のいくつかの実施の形態は、ナビゲーションシステムの位置および速度が、衛星信号の追跡と互いに依存するという認識に基づく。これは、衛星信号の追跡を用いて、ナビゲーション信号の位置および速度を特定できるだけでなく、位置および速度を用いて、追跡を開始できるためである。例えば、衛星信号の位相は、ナビゲーションシステムと衛星との間の距離の指標であり、それゆえ、ナビゲーションシステムの位置と、時間の関数として一意的に規定される他のパラメーターとに依存する。また、受信された衛星信号の周波数は、ドップラー効果に起因して、ナビゲーションシステムの速度に依存し、そして、時間の関数として一意的に規定される他のパラメーターにも依存する。
したがって、ナビゲーションシステムの位置および速度を知ることは、信号を再捕捉したときに、捕捉プロセスを簡単にするのに必要とされる十分な情報を与える。しかしながら、衛星信号が失われるとき、信号を再捕捉する未来の時点におけるナビゲーションシステムの位置および／または速度は、未知である。
本発明のいくつかの実施の形態は、例えば、地理情報システム（ＧＩＳ）の形で地理情報を入手できるシステムにおいて、以前の位置および速度推定値を用いて、現時点の位置および速度の推定値をもたらすことができるか、さらには未来の位置および速度を予測することができるという理解に基づく。例えば、地理的物体により遮断されて、信号を失うと、その物体の特性についての地理情報（ＧＩ）を用いて、ＬＯＳが回復した場合の次の場所の位置および／または速度を予測することができる。例えば、車両が、衛星信号を遮断するトンネルに入るとき、トンネルの長さを用いて、トンネルから再び現れる位置を予測することができ、その位置の知識を用いて、衛星信号の追跡を開始することができる。
それに加えて、またはその代わりに、ナビゲーションシステムは、複数の位置を特定するための複数のナビゲーションモジュールを含むことができる。これは、列車の前部と後部との間の距離が２０００メートルを超える可能性がある長い列車を特に対象とする。したがって、１つのナビゲーションモジュールの位置および速度がわかる場合には、各ナビゲーションモジュールの位置および速度を推定することができる。例えば、複数のナビゲーションモジュールが十分に離間し、かつ、機械的に接続される、例えば、１つの列車上の異なる場所に設置される場合には、第２のナビゲーションモジュールが衛星とのＬＯＳを依然として有するとき、第１のナビゲーションモジュールのための次のＬＯＳ場所における位置および／または速度は、第２のナビゲーションモジュールの現在の位置および／または速度に基づいて特定することができる。そのようなナビゲーションシステムによって、第２のナビゲーションモジュールによって位置を特定することができるとき、第１のナビゲーションモジュールの位置を絶えず追跡できるようになる。
したがって、本発明の１つの実施の形態は、第１の位置を特定するための第１のナビゲーションモジュールと、第２の位置を特定するための第２のナビゲーションモジュールとを含むナビゲーションシステムを開示し、第１のナビゲーションモジュールおよび第２のナビゲーションモジュールは、第１の位置が第２の位置に依存するように機械的に接続され、第１のナビゲーションモジュールおよび第２のナビゲーションモジュールは第１の位置および第２の位置のうちの少なくとも１つを含む情報を交換するために通信可能に接続され、ナビゲーションシステムの動作中のある時点において、第１のナビゲーションモジュールは、第２のナビゲーションモジュールから第２の位置を受信し、第２の位置に基づいて第１の位置を特定する。
本発明の別の実施の形態は、車両をナビゲートするための方法を開示する。その方法は、車両上に設置された第１のナビゲーションモジュールによって、第１の位置を特定するために１組の衛星信号を追跡することと、少なくとも１つの衛星信号を失ったとき、車両上に設置される第２のナビゲーションモジュールによって特定された第２の位置を受信することであって、第２のナビゲーションモジュールは、車両の本体を通して第１のナビゲーションモジュールと機械的に接続されることと、第１のナビゲーションモジュールと第２のナビゲーションモジュールとの間の相対距離と、車両の速度とに基づいて、第１の位置を特定することと、を含む。
本発明のさらに別の実施の形態は、列車線路上を移動する列車のナビゲーションシステムを開示する。そのナビゲーションシステムは、列車上に設置され、列車の第１の位置を特定するための第１のナビゲーションモジュールと、列車上に設置され、列車の第２の位置を特定するための第２のナビゲーションモジュールであって、第１のナビゲーションモジュールおよび第２のナビゲーションモジュールは、列車の本体を通して機械的に接続され、運用情報を交換するために通信可能に接続される、第２のナビゲーションモジュールと、列車線路に関する情報を含む、地理情報を有するデータベースを記憶する非一時的メモリとを含み、第１のナビゲーションモジュールおよび第２のナビゲーションモジュールは、地理情報と、運行情報とを用いて、第１の位置および第２の位置のうちの少なくとも１つを特定するように構成される。
本発明のいくつかの実施の形態による、複数のナビゲーションモジュールを含むナビゲーションシステムを備える列車車両の概略図である。 本発明のいくつかの実施の形態による、複数のナビゲーションモジュールを備える、都市環境における列車の側面図である。 本発明のいくつかの実施の形態による、複数のナビゲーションモジュールを利用する、都市環境において移動している列車の上面図である。 本発明のいくつかの実施の形態による、車両をナビゲートするための方法のブロック図である。 本発明の一実施の形態による、地理情報データベースを用いて位置を特定するための方法のブロック図である。 本発明の種々の実施の形態による、ナビゲーションモジュール間の相対距離に基づいて、位置を特定する概略図である。 本発明の種々の実施の形態による、ナビゲーションモジュール間の相対距離に基づいて、位置を特定する概略図である。 本発明の種々の実施の形態による、ナビゲーションモジュール間の相対距離に基づいて、位置を特定する概略図である。 本発明の種々の実施の形態による、ナビゲーションモジュール間の相対距離に基づいて、位置を特定する概略図である。 本発明のいくつかの実施の形態による、ナビゲーションモジュールの異なる構成要素の図である。 既知の出口点で、ナビゲーションカバレッジから外れたエリアから出る列車の図である。 本発明の１つの実施の形態による、衛星信号を追跡するためのナビゲーションシステムのブロック図である。 本発明のいくつかの実施の形態による、衛星信号を遮断する物体を識別するための方法のブロック図である。
図１は、本発明のいくつかの実施の形態による、ナビゲーションシステム１００を利用する列車車両１１０を示す。ナビゲーションシステム１００は、少なくとも２つのナビゲーションモジュール１３５および１３７と、通信リンク１３０とを含む。
第１のナビゲーションモジュール１３５は、第１の位置、例えば、第１のナビゲーションモジュールの位置、および／または第１のナビゲーションモジュールが配置される列車の位置を特定するためのモジュールである。また、ナビゲーションシステム１００は、第２のナビゲーションモジュールの位置のような、第２の位置を特定するための第２のナビゲーションモジュール１３７も含む。第１のナビゲーションモジュール１３５および第２のナビゲーションモジュール１３７は、衛星１２１、１２２、１２３および１２４のような少なくとも４つの航法衛星から、衛星信号、例えば、信号１２５を受信する。第１のナビゲーションモジュールおよび第２のナビゲーションモジュールは、互いに独立して、衛星信号を追跡し、解釈することによって、それぞれの位置を特定することができる。
第１のナビゲーションモジュールおよび第２のナビゲーションモジュールは、第１の位置が第２の位置に依存するように、互いに機械的に接続される（１３３）。この実施の形態では、第１のナビゲーションモジュールおよび第２のナビゲーションモジュールは、列車車両１１０上に配置され、それゆえ、列車車両の本体を通して互いに剛体接続される。そのようにして、第１のナビゲーションモジュールおよび第２のナビゲーションモジュールは、同一速度、すなわち、列車車両の速度１１１を有することができる。代替の実施の形態では、機械的接続は、剛体接続ではない。例えば、モジュールは、曲線路に沿って移動しているときに列車が曲げられるように、連結器によって連結される列車の個別の車両に配置される。この場合、ＮＭ間の距離は、異なる可能性がある。このシナリオは、川の流域に沿った線路、または山岳地帯によって必然的に多数の曲線および多数の遮蔽物を伴う場所のトンネルを通る線路の場合に、一般的である。
第１のナビゲーションモジュールおよび第２のナビゲーションモジュールは、第１の位置および第２の位置のうちの少なくとも１つを含む情報を交換するために、通信可能に接続される（１３０）。機械的に、かつ、通信可能に接続することによって、ナビゲーションモジュールは、第１の位置または第２の位置を特定するのを容易にすることができる情報を交換できるようになる。例えば、いくつかの実施の形態では、ナビゲーションシステム１００の動作中のある時点において、第１のナビゲーションモジュールは、第２のナビゲーションモジュールから第２の位置を受信し、第２の位置に基づいて第１の位置を特定する。第２の位置を受信することによって、第１のナビゲーションモジュールは、１つまたは全ての衛星信号が遮断された場合であっても、その位置を絶えず追跡できるようになる。
本発明のいくつかの実施の形態は、ナビゲーションシステムの位置および速度が衛星信号の追跡と互いに依存するという認識に基づく。これは、衛星信号の追跡を用いて、ナビゲーション信号の位置および速度を特定できるだけでなく、位置および速度を用いて、追跡を開始できるためである。例えば、衛星信号の位相は、ナビゲーションモジュールと衛星との間の距離に依存し、それゆえ、ナビゲーションモジュールの位置と、時間の関数として一意的に規定される他のパラメーターとに依存する。また、衛星信号の周波数は、ナビゲーションモジュールの速度と、時間の関数として一意的に規定される他のパラメーターとに依存する。
そのため、ある時点において、衛星との見通し線（ＬＯＳ）に沿って信号を再捕捉するときに、ナビゲーションモジュールの位置および速度を知っていることは、捕捉プロセスを簡単にするのに十分な情報を与える。したがって、本発明のいくつかの実施の形態、例えば、第１のナビゲーションモジュール１３５のための信号のいずれかが遮断される場合、第２のナビゲーションモジュール１３７から受信された情報は、遮断された衛星信号の周波数および位相に関する最新の推定値、および／または第２のナビゲーションモジュール１３７の位置および速度のうちの１つまたは組み合わせを含むことができ、それにより、第１のナビゲーションモジュール１３５の位置および速度についての推定値がもたらされる。それに加えて、またはその代わりに、ナビゲーションシステム１００において、１つのナビゲーションモジュールにおける追跡の制御変数を、別のナビゲーションモジュールにおいて遮断された信号の再出現を検出したときに、直接渡すことができる。
図２は、矢印２０７の方向に移動しており、２つのナビゲーションモジュール２０４および２０５を備える列車２０１の一例を示す。この例では、衛星２０２からの信号は、障害物２０３によって遮断され、ナビゲーションモジュール２０４は、位置推定値を特定できない。ナビゲーションモジュール２０５が、位置および速度推定値２１０を計算できる場合には、この推定値をモジュール２０４に伝達し、モジュール２０４が、現在の位置、および／または信号追跡を再開するために必要とされる周波数および位相のための初期値２１１を特定できるようにする。
この実施の形態では、ナビゲーションモジュール２０４および２０５は、機械的に結合されるが、剛体接続されない。２０４と２０５との間の直線線路２０６の特定の事例では、ナビゲーションモジュールの速度は、実質的に同一であり、第１の位置と第２の位置との間の距離は、列車に沿って一定の距離である。ナビゲーションモジュールのクロック間の同期は、無線方式を用いて達成することができ、そのために、ルビジウムクロックが提供できるような良好な短期安定性を有するクロックを必要とする。
本発明の１つの実施の形態では、第１のナビゲーションモジュール、例えば、モジュール２０４は、その第１の速度を特定し、第１の速度および第２の位置に基づいて第１の位置を特定する。例えば、第１のナビゲーションモジュールは、第１のナビゲーションモジュールまたは第２のナビゲーションモジュールの速度によって規定される方向に延在する第１のナビゲーションモジュールと第２のナビゲーションモジュールとの間の相対距離を用いて、第１の位置を特定することができる。本発明の１つの実施の形態では、第１のナビゲーションモジュールは、第２のナビゲーションモジュールから第２の速度を受信し、第２の速度を用いて第１の速度を求める。代替の実施の形態では、第１のナビゲーションモジュールは、第１の速度を求めることができる任意の他の速度測定システムから第１の速度を受信する。例えば、第１のナビゲーションモジュールは、第１のナビゲーションモジュールに剛体接続される速度測定システムから第１の速度を受信することができる。
図３は、複数のナビゲーションモジュールを備える列車３０１と、航法衛星３０２とを伴う別の実施の形態を示す。建物３０３および３０４によって、それぞれ、陰になったエリア３０７および３０８から衛星が見えなくなる。したがって、モジュール３１０のための信号は、遮断され、それらのモジュールは、位置を特定できないままになる可能性がある。建物間の隙間によって、少なくとも１つのモジュール３０５が衛星３０２との見通し線を有することができるようになり、信号を十分迅速に捕捉できる場合には、モジュール３０５が位置を特定できる可能性がある。モジュール３１１は、陰になったエリアから現れ、衛星３０２からの信号を追跡できるようになりつつある。
この実施の形態では、モジュール３１１の位置および速度を推定するために、モジュール３０５によって供給される位置および速度情報が、デジタルマップまたは地理情報システム（ＧＩＳ）３１２を用いて処理される。この推定によって、ナビゲーションモジュール３１１は、信号が入手可能になると、直ちに信号を捕捉できるようになり、非常に長い従来の捕捉プロセスを経る必要はない。ＧＩＳ３１２は、レール３１５の曲率についての地理情報を含むことができ、それにより、地理情報を用いてモジュール間の相対距離を調整できるようになる。
この実施の形態では、異なるナビゲーションモジュールによる衛星信号の追跡を協調的に使用することができる。列車に沿った種々の異なる点において異なる衛星までの異なる測距測定値を追跡するとき、位置を特定することができる。これは、単一のナビゲーションモジュールが、位置を自律的に特定するだけの十分な衛星を追跡しない場合であっても当てはまる。
さらに、地理情報によって、後続のモジュールに関連する情報から先頭のモジュールにおいて予想されるナビゲーション測定値を計算し、その情報を実際に受信された信号と比較することによって、異なる列車車両上に配置されるナビゲーションモジュールがマルチパス誤差の出現を検出できるようになる。また、実施の形態は、全てのナビゲーションモジュールに関するナビゲーション信号の完全な供給停止中に、ナビゲーションモジュール、ＧＩＳおよび慣性センサーまたは速度センサーからの情報を利用して、信号追跡を提供する。
本発明のさらなる実施の形態は、無線周波数干渉（ＲＦＩ）を受ける信号を捕捉する能力を提供する。従来の方法を用いて、ＲＦＩを受けるナビゲーション信号を捕捉することの難点は、雑音が増加すること、または信号対雑音比（ＳＮＲ）が減少することにある。雑音が増加すると、信号の周波数および位相を誤認することにつながる可能性がある。信号周波数および符号位相を推定するために代替の方法が利用可能であるとき、信号追跡は、正しい周波数および位相を追跡する可能性が高くなる。
図４は、本発明のいくつかの実施の形態による、車両をナビゲートするための方法のブロック図を示す。車両上に設置される第１のナビゲーションモジュールが、第１の位置４１５を特定するために、１組の衛星信号を絶えず、または定期的に追跡している（４１０）。その方法の動作中のある時点において、例えば、少なくとも１つの衛星信号を失うとき、第１のナビゲーションモジュールは、車両上に設置される第２のナビゲーションモジュールによって特定された第２の位置４２５を受信する（４２０）。この実施の形態では、第２のナビゲーションモジュールは、図１〜図３におけるような列車等の車両の本体を通して第１のナビゲーションモジュールと機械的に接続される。次に、第１のナビゲーションモジュールは、第１のナビゲーションモジュールと第２のナビゲーションモジュールとの間の相対距離と、車両の速度とに基づいて、第１の位置４１５を特定する（４３０）。その方法のステップは、第１のナビゲーションモジュールの少なくとも１つのプロセッサを用いて実行することができる。
いくつかの実施の形態では、その方法は、第１の位置を用いて、追跡されるべき衛星信号の位相および／または周波数４４５を求め（４４０）、衛星信号の周波数および位相に従って衛星信号の追跡を初期化する。いくつかの実施の形態では、その方法は、第１の位置の特定を支援するために、列車線路に関連する地理情報を含む地理情報を有するデータベース４５０を使用する。
図５Ａは、本発明の１つの実施の形態による、データベース４５０を用いて第１の位置を特定するための方法のブロック図を示す。その実施の形態は、地理情報４５０を有するデータベースから第２の位置４２５を含む列車線路の一部を選択し（５１０）、第２の位置４２５から開始する列車線路の一部に沿った第１のナビゲーションモジュールと第２のナビゲーションモジュールとの間の相対距離５３０を列車の速度５３５の方向に投影する（５２０）ことによって、第１の位置を特定する。列車の速度は、独立して特定することができるか、または第２のナビゲーションモジュールから受信することができる。いくつかの実施の形態では、相対距離は、列車の車両間の連結器についての情報を用いて調整される。例えば、１つの実施の形態は、列車の車両間の角度を測定し、受信機間の距離に、２つのＧＮＳＳモジュール間に存在する車両間の全ての角度の余弦を乗算する。
図５Ｂは、第２の位置４２５と、第２の位置の周りに円５３１を形成する第１のナビゲーションモジュールと第２のナビゲーションモジュールとの間の相対距離５３０とに基づいて第１の位置４１５を特定する概略図を示しており、すなわち、第１の位置は、円５３１の任意の点上に存在することができる。この例では、第１の位置４１５は、速度５３５の方向に従って円５３１上で選択される。
図５Ｃは、列車線路５１５の最大の潜在的な曲率に基づいて特定される位置４１４と位置４１６との間の第１の位置を考慮する実施の形態の概略図を示す。この実施の形態では、異なる場所ごとに衛星信号の位相を特定することができる。
図５Ｄは、地理情報を考慮する実施の形態の概略図を示す。この実施の形態では、第１の位置４１５は、円５３０と列車線路５１５の一部との交差点上で選択される。
図５Ｄは、列車の車両間の機械的接続を考慮する実施の形態の概略図を示す。この実施の形態では、円５３０は、ナビゲーションモジュール間の接続が剛体接続でないことを反映するように、拡縮させることができる（５４０）。
その実施の形態によれば、１つのナビゲーションモジュールが、同じ列車上の他のナビゲーションモジュールによって与えられる情報を用いて、ナビゲーション信号を再捕捉できるようになる。例えば、位置ｘＡに位置する再捕捉中のナビゲーションモジュールにおける衛星信号の位相
Figure 2017527791
 は、以下の式に従って既知の位置ｘＢにおいて特定された衛星信号の位相ΦＢから求めることができる。
Figure 2017527791
ただし、下付き文字を有する括弧［ ］Λは、モジュロ演算を示し、Λは、再捕捉される特定の衛星ｋを識別する擬似ランダム符号の空間長である。さらに、ｘＡから衛星ｋの位置までを指している単位ベクトルは、１ｋと表される。
再捕捉中のナビゲーションモジュールにおいて求められた周波数
Figure 2017527791
 は、再捕捉中のナビゲーションモジュールと遮断された衛星ｋとの相対速度によって与えられる。支援中のナビゲーションモジュールの位置ｘＢおよび速度ｖＢと、再捕捉中のナビゲーションモジュールの位置
Figure 2017527791
 および速度
Figure 2017527791
 と、支援中のモジュールにおけるナビゲーション信号の周波数ｆＢとを与えられると、捕捉周波数は、
Figure 2017527791
 を含む。
ここで、θは、支援中のモジュールと衛星ｋとの間の角度であり、θ＋δθは、再捕捉中のナビゲーションモジュールの速度と衛星速度との間の角度である。この実施の形態では、少なくとも１つの受信機が、位置および速度を計算するために任意の所与の時点において十分な信号を追跡することができる限り、地理的支援によって、雑然とした環境において複数の遮断された衛星信号を円滑に追跡できるようになる可能性がある。
図６は、本発明のいくつかの実施の形態による、１つまたは複数のアンテナ６０１および６０２を備えるナビゲーションモジュール６００を示す。ナビゲーションモジュール６００は、信号追跡モジュール６２２において処理されるべきナビゲーション信号の初期捕捉のために信号捕捉モジュール６２０を用いてナビゲーション信号を処理することができる。ナビゲーション信号の供給停止および位置推定値の喪失の場合に、再捕捉モジュール６２１が、地理情報モジュール６１０からの情報を用いて、ナビゲーションモジュール６００の現在の位置および速度を推定する。
地理情報モジュール６１０は、列車線路の幾何学的形状に関する情報と、建物、トンネル、照明用ポールおよび鉄道駅のような他の地理的特徴物の特性、例えば、場所および／または寸法とを含む。通信モジュール６３０は、他のナビゲーションモジュールに情報を送信し、他のナビゲーションモジュール、および／または速度センサーのような他のタイプのセンサーから情報を受信する。信号再捕捉モジュール６２１は、通信モジュール６３０を通して他のナビゲーションモジュールから受信された情報と、通信モジュール６３０を通して同じく与えられる速度測定値、または位置推定モジュール６４０から入手可能であるときの位置推定値のような任意の他の入手可能な情報とを組み合わせる。再捕捉モジュールにおいて組み合わせられた情報を処理して、そうでなければ面倒な計算後に捕捉モジュール６２０によって求められることになっていた、衛星信号の周波数および位相を求める。
本発明のいくつかの実施の形態は、地理情報が入手可能なナビゲーションシステムにおいて、例えば、ＧＩＳデータベースの形で、以前の位置および速度推定値を用いて、リアルタイムの位置および速度の推定値をもたらすことができるか、さらには未来の位置および速度を予測することができるという理解に基づく。例えば、遮断している地理的物体に起因して信号を失った後に、その物体の特性についての地理情報（ＧＩ）を用いて、次のＬＯＳ場所における位置および／または速度を予測することができる。例えば、車両が、衛星信号を遮断するトンネルに入るとき、トンネルの幾何学的形状を用いて、そのようなトンネルから再び現れる位置を予測することができ、その位置の知識を用いて、衛星信号の追跡を開始することができる。
図７は、列車７０１が、信号７０３が遮断されるトンネルから出つつある本発明の実施の形態を示す。トンネルに入ると、そのシステムは、ＧＩＳデータベース７１０を用いて出口場所７０４を推定することができ、その場所７０４における衛星信号の位相を求めることができる。速度センサー７１２からの速度測定値を用いて、速度７０８を計算することができ、ナビゲーションアンテナおよびモジュール７０５において衛星７０２ごとにドップラー効果７１１によって引き起こされる予想信号周波数をもたらすことができる。
例えば、トンネル出口場所
Figure 2017527791
 において、速度
Figure 2017527791
 において移動している列車は、周波数
Figure 2017527791
 において衛星ｋからの衛星信号を検出する。
Figure 2017527791
ｘＡからｘ（ｋ）によって表される衛星ｋの位置まで指している単位ベクトルは、１ｋとして表され、ｖ（ｋ）は、衛星ｋの速度であり、｜｜・｜｜は、ベクトルノルムを表し、ｆ０は、衛星信号の周波数である。
衛星信号の予想位相
Figure 2017527791
 は、
Figure 2017527791
 である。ただし、ｃは、光の速さであり、
Figure 2017527791
 は、ナビゲーションモジュールＡにおけるクロックバイアスであり、ｂ（ｋ）は、衛星ｋのクロックにおけるバイアスであり、ドップラー周波数ｆＤｏｐｐは、公称信号周波数と、受信信号の実際の周波数との間の差であり、φは、信号搬送波の位相であり、Ａ０およびＡ１は、受信機依存定数である。下付き文字を有する括弧［ ］Λは、モジュロ演算を示し、Λは、再捕捉される特定の衛星ｋを識別する擬似ランダム符号の空間長である。
本発明の別の実施の形態では、単独のナビゲーション位置または速度推定を用いることなく、信号を再捕捉することができる。車両が、トンネルまたはビルの谷間のような、ナビゲーション信号受信が不良である地理的特徴物に入ったことがわかるとき、この特徴物からの再出現の点を計算することができる。そのような場合に、線路からの地理情報を用いて、位相探索を初期化することができ、他の搭載センサーから速度測定値が入手可能であるとき、周波数を推定して、再捕捉プロセスを完了することができる。
図８は、本発明の１つの実施の形態による、衛星信号を追跡するためのナビゲーションシステムのブロック図を示す。ナビゲーションシステムは、車両上に設置することができ、速度センサーのような車両のセンサーに通信可能に接続することができる。ナビゲーションシステムのモジュールは、車両内に配置される他のプロセッサによってオプションで支援される、ナビゲーションシステムの少なくとも１つのプロセッサ、例えば、プロセッサ８０１を用いて実現することができる。プロセッサ８０１は、地理情報のデータベース４５０を記憶する非一時的メモリに動作的に接続される。
ナビゲーションシステムは、少なくとも１つの衛星信号を追跡することによって、車両の現在位置８１５を特定する（８１０）ための位置モジュール８１１を含む。また、ナビゲーションシステムは、衛星信号の追跡が中断されたときに、衛星信号を遮断している地理的物体８２５を識別する（８２０）ための推定モジュール８１２も含む。また、推定モジュール８１２は、ナビゲーションシステムが衛星信号を再捕捉する、現在位置からある距離にある車両の次の位置８３５を特定する（８３０）ように構成される。例えば、推定モジュールは、建物のような物体の高さおよび／または幅、またはトンネルの長さのような物体の他の寸法のような、地理的物体の特性を用いて次の位置を特定することができる。
また、ナビゲーションシステムは、次の位置において衛星信号の位相８４５を求め、例えば、衛星信号を再捕捉したときに、その位相を用いて衛星信号の追跡を初期化する（８５０）ための捕捉モジュール８１３も含む。いくつかの実施の形態では、捕捉モジュールは、また、車両の測定システムによって求められた車両の速度を用いて衛星信号の周波数８４５を求め（８４０）、衛星信号の位相および周波数を用いて衛星信号の追跡を初期化する（８５０）。
図９は、本発明のいくつかの実施の形態による、衛星とのＬＯＳを遮断する物体を識別し、次のＬＯＳ位置を特定するための方法のブロック図を示す。その方法は、地理情報４５０を用いて、衛星信号を遮断する可能性がある１組の物体を選択する。例えば、その方法は、ナビゲーションシステムの現在位置に近接し、衛星とナビゲーションシステムとを結ぶラインの地面投影９０５上に位置する１組の地理的物体９１５を選択する（９１０）。その方法は、衛星信号を遮断している物体を識別するために、ナビゲーションシステムの現在位置に対して、対応する距離によって調整された１組の地理的物体内の各地理的物体の寸法を試験し（９２０）、物体に対して衛星との見通し線を有する第１の位置として、次の位置を特定する。
いくつかの実施の形態は、その方法の場合に特定された次の位置における信号も、組９１５内の選択されない別の物体によって遮断される可能性があるという理解に基づく。したがって、いくつかの実施の形態は、次の位置において衛星信号を遮断する別の地理的物体９４５を探索し（９４０）、次の位置が衛星との見通し線を有するまで、次の位置の場所を繰返し更新する。
本発明の上記の実施の形態は、数多くの方法のいずれかにおいて実現することができる。例えば、それらの実施の形態は、ハードウェア、ソフトウェアまたはその組み合わせを用いて実現することができる。ソフトウェアにおいて実現されるとき、ソフトウェアコードは、単一のコンピュータ内に設けられるにしても、複数のコンピュータ間に分散されるにしても、任意の適切にプログラムされたプロセッサまたは一群のプロセッサにおいて実行することができる。そのようなプロセッサは、集積回路構成要素内に１つまたは複数のプロセッサを備える、集積回路として実現することができる。しかしながら、プロセッサは、任意の適切な形態の回路を用いて実現することができる。
また、本発明の実施の形態は、方法として具現することができ、その例が提供されてきた。その方法の一部として実行される動作は、任意の適切な方法において順序付けることができる。したがって、例示的な実施の形態において順次の動作として示される場合であっても、いくつかの動作を同時に実行することを含むことができる、例示されるのとは異なる順序において動作が実行される実施の形態も構成することができる。
クレーム要素を修飾するために特許請求の範囲において「第１の」、「第２の」等の序数用語を使用することは、それだけで、１つのクレーム要素の別のクレーム要素に対する任意の優先順位、優位性または序列を、または方法の動作が実行される時間的な順序を暗示するものではなく、クレーム要素を区別するために、ある名称を有する１つのクレーム要素を（序数用語は、別として）同じ名称を有する別の要素から区別するラベルとして単に使用される。

Claims (20)

  1. ナビゲーションシステムであって、
    第１の位置を特定するための第１のナビゲーションモジュールと、
    第２の位置を特定するための第２のナビゲーションモジュールと
    を備え、前記第１のナビゲーションモジュールおよび前記第２のナビゲーションモジュールは、前記第１の位置が前記第２の位置に依存するように機械的に接続され、前記第１のナビゲーションモジュールおよび前記第２のナビゲーションモジュールは、前記第１の位置および前記第２の位置のうちの少なくとも１つを含む情報を交換するように通信可能に接続され、前記ナビゲーションシステムの動作中のある時点において、前記第１のナビゲーションモジュールは、前記第２のナビゲーションモジュールから前記第２の位置を受信し、前記第２の位置に基づいて、前記第１の位置を特定する
    ナビゲーションシステム。
  2. 前記第１のナビゲーションモジュールは、第１の速度を求め、前記第１の速度および前記第２の位置に基づいて、前記第１の位置を特定する
    請求項１に記載のナビゲーションシステム。
  3. 前記第１のナビゲーションモジュールは、前記第２のナビゲーションモジュールから第２の速度を受信し、前記第２の速度を用いて前記第１の速度を求める
    請求項２に記載のナビゲーションシステム。
  4. 前記第１のナビゲーションモジュールは、前記第１のナビゲーションモジュールと前記第２のナビゲーションモジュールとの間の相対速度を用いて前記第１の位置を特定する
    請求項２に記載のナビゲーションシステム。
  5. 前記第１のナビゲーションモジュールは、前記第１のナビゲーションモジュールと剛体接続される速度測定システムから前記第１の速度を受信する
    請求項２に記載のナビゲーションシステム。
  6. 前記第１のナビゲーションモジュールは、前記第１のナビゲーションモジュールと前記第２のナビゲーションモジュールとの間の相対距離を用いて前記第１の位置を特定する
    請求項１に記載のナビゲーションシステム。
  7. 前記第１のナビゲーションモジュールおよび前記第２のナビゲーションモジュールは、剛体接続される
    請求項６に記載のナビゲーションシステム。
  8. 前記第１のナビゲーションモジュールは、地理情報を用いて前記相対距離を調整する
    請求項６に記載のナビゲーションシステム。
  9. 前記第１のナビゲーションモジュールおよび前記第２のナビゲーションモジュールは、列車の異なる車両に配置され、前記列車の前記車両によって接続され、前記第１のナビゲーションモジュールは、前記車両間の前記接続についての情報と、地理情報とを用いて前記相対距離を調整する
    請求項６に記載のナビゲーションシステム。
  10. 前記第１のナビゲーションモジュールは、前記第２の位置を受信したときに特定された前記第１の位置を用いて衛星信号の位相を求め、前記第１の速度を用いて前記衛星信号の周波数を求め、前記衛星信号の前記周波数および前記位相に従って前記衛星信号の追跡を初期化する
    請求項２に記載のナビゲーションシステム。
  11. 前記第１のナビゲーションモジュールは、
    Figure 2017527791
     に従って、前記衛星信号の前記位相
    Figure 2017527791
     を求め、ただし、
    Figure 2017527791
     は、第１のナビゲーションモジュールＡの第１の位置であり、ｘ（ｋ）は、前記衛星信号を送信する衛星ｋの位置であり、ｃは、光の速さであり、
    Figure 2017527791
     は、前記第１のナビゲーションモジュールＡ上のクロックバイアスであり、φは、前記衛星信号の前記位相であり、Ａ０およびＡ１は、受信機依存定数であり、ｂ（ｋ）は、前記衛星ｋのクロック上のバイアスであり、下付き文字を有する括弧［ ］Λは、モジュロ演算であり、Λは、再捕捉される前記衛星ｋを識別する擬似ランダム符号の空間長であり、
    前記第１のナビゲーションモジュールは、
    Figure 2017527791
     に従って、前記衛星信号の前記周波数
    Figure 2017527791
     を求め、ただし、
    Figure 2017527791
     は、前記第１のナビゲーションモジュールの前記第１の速度であり、ｖ（ｋ）は、前記衛星ｋの速度であり、｜｜・｜｜は、ベクトルノルムを表し、１ｋは、前記第１の位置ｘＡから衛星ｋの位置ｘ（ｋ）まで指している単位ベクトルであり、ｆ０は、前記衛星信号の周波数である
    請求項１０に記載のナビゲーションシステム。
  12. 前記第１のナビゲーションモジュールは、
    前記第１のナビゲーションモジュールと前記第２のナビゲーションモジュールとの間で前記情報を交換するための少なくとも１つの通信モジュールと、
    前記第１のナビゲーションモジュールと前記第２のナビゲーションモジュールとの間の相対距離を示す情報を記憶するためのメモリと、
    少なくとも１つの衛星信号を追跡することによって前記第１の位置を特定するための位置推定モジュールと、
    前記衛星信号の前記周波数による前記位置推定モジュールの追跡のための信号捕捉モジュールと
    を備える、請求項１０に記載のナビゲーションシステム。
  13. 前記情報の一部は、前記第２のナビゲーションモジュールの前記第２の位置および第２の速度のうちの１つまたは組み合わせを含み、前記信号捕捉モジュールは、前記第２の速度と、前記第２の位置と、前記第１のナビゲーションモジュールと前記第２のナビゲーションモジュールとの間の相対距離と、を用いて、前記第１の速度および前記第１の位置を特定する
    請求項１２に記載のナビゲーションシステム。
  14. 前記メモリは、地理情報を記憶し、前記相対距離を示す前記情報は、最大相対距離を含み、前記信号捕捉モジュールは、前記地理情報および前記最大相対距離を用いて、前記第１のナビゲーションモジュールと前記第２のナビゲーションモジュールとの間の前記相対距離を求める
    請求項１３に記載のナビゲーションシステム。
  15. 車両をナビゲートするための方法であって、
    前記車両上に設置される第１のナビゲーションモジュールによって、第１の位置を特定するために１組の衛星信号を追跡することと、
    少なくとも１つの衛星信号を失ったとき、前記車両上に設置される第２のナビゲーションモジュールによって特定された第２の位置を受信することであって、それによって、前記第２のナビゲーションモジュールは、前記車両の本体を通して前記第１のナビゲーションモジュールと機械的に接続されることと、
    前記第１のナビゲーションモジュールと前記第２のナビゲーションモジュールとの間の相対距離と、前記車両の速度とに基づいて、前記第１の位置を特定することと
    を含む、方法。
  16. 前記車両は、列車線路上を移動する列車であり、
    地理情報データベースから前記第２の位置を含む前記列車線路の一部を選択することと、
    前記第２の位置から開始する前記列車線路の前記一部に沿った前記相対距離を前記速度の方向に投影することによって、前記第１の位置を特定することと、
    をさらに含む、請求項１５に記載の方法。
  17. 前記第２の位置を受信したときに特定された前記第１の位置を用いて前記衛星信号の位相を求めることと、
    前記速度を用いて前記衛星信号の周波数を求めることと、
    前記衛星信号の前記周波数および前記位相に従って前記衛星信号の前記追跡を初期化することと
    をさらに含む、請求項１５に記載の方法。
  18. 列車線路上を移動する列車のナビゲーションシステムであって、
    前記列車上に設置され、該列車の第１の位置を特定するための第１のナビゲーションモジュールと、
    前記列車上に設置され、該列車の第２の位置を特定するための第２のナビゲーションモジュールであって、前記第１のナビゲーションモジュールおよび前記第２のナビゲーションモジュールは、前記列車の本体を通して機械的に接続され、運用情報を交換するために通信可能に接続される、第２のナビゲーションモジュールと、
    前記列車線路に関する情報を含む、地理情報を有するデータベースを記憶する非一時的メモリと
    を備え、前記第１のナビゲーションモジュールおよび前記第２のナビゲーションモジュールは、前記地理情報および前記運用情報を用いて、前記第１の位置および前記第２の位置のうちの少なくとも１つを特定するように構成される
    列車線路上を移動する列車のナビゲーションシステム。
  19. 前記ナビゲーションシステムの動作中のある時点において、前記第１のナビゲーションモジュールは、前記第２のナビゲーションモジュールから前記第２の位置を受信し、前記第２の位置と、前記第２の位置を含む列車線路の一部と、前記列車の速度と、に基づいて、前記第２の位置から開始する前記列車線路の前記一部に沿った前記第１のナビゲーションモジュールと前記第２のナビゲーションモジュールとの間の相対距離を前記速度の方向に投影することによって、前記第１の位置を特定する
    請求項１８に記載のナビゲーションシステム。
  20. 前記運用情報は、前記第２のナビゲーションモジュールの位置、衛星信号の位相、前記衛星信号の周波数のうちの１つまたは組み合わせを含み、前記第１のナビゲーションモジュールは、前記運用情報を用いて前記衛星信号の前記位相および前記周波数を求め、前記衛星信号の前記周波数および前記位相に従って前記衛星信号の追跡を初期化する
    請求項１８に記載のナビゲーションシステム。
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