JP2021519434A

JP2021519434A - ナビゲーション装置及び方法

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Publication number: JP2021519434A
Application number: JP2020552836A
Authority: JP
Inventors: サンドフォード、スティーブンパーカー; フェルナンドピエロテット、ディエゴ
Original assignee: サイオニクエルエルシー
Priority date: 2018-03-28
Filing date: 2019-03-28
Publication date: 2021-08-10
Also published as: EP3775992C0; CA3094969A1; ES2951990T3; US20190302276A1; US10935670B2; WO2019186172A1; CA3094969C; EP3775992B1; EP3775992A1

Abstract

外部から提供される情報なしに、地面上若しくは地面の近く、空中又は宇宙における環境を移動する車両のための自己完結型ガイダンス、ナビゲーション、及び制御（ＧＮ＆Ｃ）機能を提供するための方法及び装置が、開示される。本発明は、ユニバーサル基準枠２２及び１つ又は複数の目標２０に関する高度ナビゲーション情報を提供する。

Description

本発明は、グローバル・ポジショニング・システム（ＧＰＳ：ＧｒｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍ）が利用不可能な環境における使用に特に適用可能なナビゲーション方法及び装置に関する。

ナビゲーションは、理想的には人が場所についての絶対的な知識を有することから開始するプロセスである。ゴールは、他のどこかに位置する目的地に到達することである。移動が開始した後は、多数のナビゲーション・システムは、その人がどのくらい速く（ｖ＝速度）、どの方向（進行方向）に移動しているか、並びにどのくらいの時間（ｔ＝経過時間）その人がその方向にその速度で移動するかを知ることを必要とする。これらが誤差なしに知られた場合、次いで、方程式ｖｔ＝ｘが、時間ｔにおける、現在の場所ｘを与える。速度、タイミング又は方向の誤差は、新しい場所の不確実性をもたらすことになる。

航空機については、向き（ピッチ、ロール、及びヨー）の３つの角度と、時間とともに変化し得る３つの位置座標（ｘ、ｙ、及び地面からの高さ）とが存在する。これらの６つの自由度（６−ＤＯＦ：ｓｉｘｄｅｇｒｅｅｓｏｆｆｒｅｅｄｏｍ）は、任意の特定の時間にその航空機がどこにいるかを知るために測定される必要がある６つの変数が存在することを意味する。表面の平面を移動する地上車両については、任意の特定の時間にその車両がどこにいるかを知るために測定される必要がある２つの位置座標（ｘ及びｙ）及び１つの角度（ヨー）のみが存在する。これは、３自由度（３−ＤＯＦ）の問題である。ナビゲーションの同じ一般的な原理が適用され、地面に対する速度の低誤差の測定は、強力な新しいナビゲーション能力を提供する。

グローバル・ポジショニング・システム（ＧＰＳ）は、地球の表面に向けて信号を送信する軌道上の１組の衛星を備える。地上の人は、通常は、それぞれの衛星の相対測位の複数の受信信号及び知識を使用する三角測量によって、ＧＰＳ無線によって受信された信号を使用して、彼又は彼女の場所又は高度を判定することができる。

いくつかの状況及び状態において、ＧＰＳは利用不可能である。ＧＰＳを介する位置特定サービスを提供しない場所、エリア又は領域は、「ＧＰＳ拒否環境」と呼ばれる。この環境又は状態は、地理的若しくは位相的制約によって、又はＧＰＳサービスを不能にしようとする人の意図的行動によって、生じ若しくは引き起こされ得る。たとえば、戦場で敵は、ＧＰＳサービスを妨害又は干渉して、その使用を阻む或いは相手に誤った指示を与えようとすることがある。

この状況において、人、車両又は何らかの他のユーザは、ＧＰＳの恩恵を受けずに場所及び／又は高度を正確に判定するために、何らかの他の装置及び／又はハードウェアを必要とする。

位置、向き、場所、高度、ベロシティ、加速度などの情報或いは他の測地、較正又は測定情報をユーザ又は自動コントローラが判定することを可能にするシステムの開発は、大きな技術的進歩となり、衛星及び電気通信産業における長年にわたる要求を満たすことになる。

本発明の一態様によれば、車両のためのナビゲーション・データを提供するための装置であって、
狭線幅エミッタと、
動的ビーム・ディレクタであり、前記狭線幅エミッタは、変調された連続波信号を前記動的ビーム・ディレクタを介して目標に向けて放射するように構成される、動的ビーム・ディレクタと、
放射された信号の反射を受信するように構成されるエリア範囲及びベロシティ・センサと、を備え、
エリア範囲及びベロシティ・センサは、目標から戻る反射の周波数を測定し、前記目標に対する前記車両の範囲及びベロシティを判定するように構成される、装置が提供される。

本装置は、
さらなる狭線幅エミッタと、
静的ビーム・ディレクタであり、前記さらなる狭線幅エミッタは、第２の連続波信号を前記静的ビーム・ディレクタを介してユニバーサル基準面に向けて放射するように構成される、静的ビーム・ディレクタと、
第２の放射された信号の反射を受信し、前記ユニバーサル基準面に対する前記車両のベロシティを判定するように構成されるナビゲーション基準センサと、をさらに備え得る。

第２の連続波信号は、変調されていなくてもよい。本装置は、複数のさらなる狭ビーム線幅エミッタをさらに備え得、さらなる狭ビーム線幅エミッタの数は、車両の動きの自由度に依存する。さらなる狭ビーム・エミッタのうちの少なくとも１つは、変調された連続波信号を静的ビーム・ディレクタを介してユニバーサル基準面に向けて放射するように構成することができ、ナビゲーション基準センサは、変調された信号の反射を受信し、前記ユニバーサル基準面に対する前記車両の距離を判定するように構成される。

前記又は各センサは、好ましくは、反射された信号におけるドップラ効果からの周波数偏移を測定するように構成される。好ましくは、エリア範囲ベロシティ・センサは、コヒーレント受信器を備える。エリア範囲ベロシティ・センサは、１０：１以上の信号対雑音比を有し得る。前記又は各センサは、好ましくは、それぞれのエミッタと照準を合わせられる。好ましくは、前記又は各エミッタは、１００ｋＨｚ以下の線幅を有する。好ましくは、前記又は各エミッタは、レーザーである。好ましくは、前記又は各エミッタは、コヒーレント・ライダ・システムである。

本装置は、ナビゲーション基準センサからのベロシティ・データ、エリア範囲及びベロシティ・センサからの目標の範囲及びベロシティ・データ、時計からのタイミング・データ並びに車両の最初の場所のデータを受信するように構成される場所プロセッサをさらに備えることができ、場所プロセッサは、受信データに応じて目的地へのナビゲーション・データを計算するように構成される。

本発明の別の態様によれば、車両のためのナビゲーション・データを提供するための方法であって、車両は車両基準面を有している方法において、
前記車両において狭線幅エミッタ、動的ビーム・ディレクタ及び受信器を設けることと、
変調された連続波信号を、前記狭線幅エミッタによって、前記動的ビーム・ディレクタを介して目標に向けて放射することと、
放射された信号の反射を受信器によって受信することであり、受信器が、車両基準面に対する知られている関係を有するセンサ基準面を有している、受信することと、
受信器で受信された目標から戻る反射の周波数を測定し、センサ基準面と車両基準面に応じて前記目標に対する前記車両の範囲及びベロシティを判定することと、を含む、方法が提供される。

本方法は、好ましくは、
前記車両において、さらなる狭線幅エミッタ、静的ビーム・ディレクタ及びさらなる受信器を設けることと、
変調されていない連続波信号を、前記さらなる狭線幅エミッタによって、前記静的ビーム・ディレクタを介してユニバーサル基準面に向けて放射することと、
さらなる受信器において、第２の放射された信号の反射を受信することと、
前記ユニバーサル基準面に対する前記車両のベロシティを判定することと、をさらに含む。

本方法は、
前記車両において、複数のさらなる狭ビーム線幅エミッタを設けることをさらに含み得、さらなる狭ビーム線幅エミッタの数は、車両の動きの自由度に依存する。

本方法は、
さらなるエミッタのうちの少なくとも１つのエミッタの連続波信号を変調すること、及び変調された信号を静的ビーム・ディレクタを介してユニバーサル基準面へと向けることと、
変調された信号の反射を前記又はさらなる受信器において受信すること及び前記ユニバーサル基準面に対する前記車両の距離を判定することと、をさらに含み得る。

本発明の１つの実施例では、ＧＰＳ拒否環境において車両にナビゲーション情報を提供するための装置であって、車両は、車両基準面を有し、ユニバーサル基準面に対して測定された場所を有する装置において、
狭線幅エミッタと、
静的ビーム・ディレクタであり、前記第１の狭線幅エミッタは、前記ユニバーサル基準枠において前記静的ビーム・ディレクタを介して信号を放射するためのソースとして使用される、静的ビーム・ディレクタと、
第２の狭線幅エミッタと、
動的ビーム・ディレクタであり、前記第２の狭線幅エミッタは、目標の近くで移動することを回避するために、前記動的ビーム・ディレクタを介して前記目標に向けて信号を放射するように構成され、目標は、目標基準面を有する、動的ビーム・ディレクタと、
前記ユニバーサル基準枠に対する前記車両の方向を判定するように構成される進行方向センサと、
ガイダンス及びナビゲーション計算を確実にするための車両の最初の場所の航行位置を提供するように構成される絶対的場所センサと、
２つの時間間隔の間の経過時間の測定を提供するように構成されるタイマと、
前記ユニバーサル基準枠に対する前記車両の範囲及びベロシティを測定するように構成される基準範囲及びベロシティ・センサであり、センサ基準枠を有する、基準範囲及びベロシティ・センサと、
前記目標に対する前記車両の範囲及びベロシティを測定するように構成されるエリア範囲及びベロシティ・センサであり、センサ基準枠を有する、エリア範囲及びベロシティ・センサと、
前記基準範囲及びベロシティ・センサと、前記エリア範囲及びベロシティ・センサとによって提供される測定結果から範囲及びベロシティを判定するように構成される範囲ドップラ・プロセッサであり、前記ベロシティ・センサと前記エリア範囲及びベロシティ・センサとに接続される、範囲ドップラ・プロセッサと、
場所プロセッサであり、前記進行方向センサ、前記絶対的場所センサ、前記タイマ、前記範囲ドップラ・プロセッサが、それぞれ前記車両に搭載されて運ばれ、それぞれが前記場所プロセッサに接続され、前記場所プロセッサにデータを提供するように構成される、場所プロセッサと、を備え得、
前記場所プロセッサは、
前記ユニバーサル基準枠に対する前記車両の範囲及びベロシティと、
前記目標基準枠に対する前記車両の範囲及びベロシティと、
前記ユニバーサル基準枠に対する前記目標基準枠の範囲及びベロシティと、
進行方向、範囲、ベロシティ及びタイミングの結合された表現並びに前の場所データと、
前記車両及び前記目標の現在の場所と、のうちの１つ又は複数を生成するように構成される。

基準範囲及びベロシティ・センサは、ドップラ・ライダ・システムでもよい。

本発明の一態様による別の実施例において、車両のためのナビゲーション情報を提供するための装置であって、車両は、車両基準面を有し、ユニバーサル基準面に対して測定された場所を有する装置において、
第１の狭線幅エミッタと、
第２の狭線幅エミッタと、
動的ビーム・ディレクタであり、前記第２の狭線幅エミッタは、目標の近くで移動することを回避するために、前記動的ビーム・ディレクタを介して前記目標に向けて信号を放射する、動的ビーム・ディレクタと、
前記ユニバーサル基準枠に対する前記車両の方向を判定するための進行方向センサと、
ガイダンス及びナビゲーション計算を確実にするための最初の場所の航行位置を提供する絶対的場所センサと、
２つの時間間隔の間の経過時間を測定するためのタイマと、
前記ユニバーサル基準枠に対する前記車両の範囲及びベロシティを測定するための基準範囲及びベロシティ・センサであり、センサ基準枠を有する、基準範囲及びベロシティ・センサと、
前記目標に対する前記車両の範囲及びベロシティを測定するためのエリア範囲及びベロシティ・センサであり、センサ基準枠を有する、エリア範囲及びベロシティ・センサと、
前記基準範囲及びベロシティ・センサと前記エリア範囲及びベロシティ・センサとによって提供される測定結果から範囲及びベロシティを判定するための範囲ドップラ・プロセッサであり、前記ベロシティ・センサと前記エリア範囲及びベロシティ・センサとに接続される、範囲ドップラ・プロセッサと、
場所プロセッサであり、前記進行方向センサ、前記絶対的場所センサ、前記タイマ、前記範囲ドップラ・プロセッサが、それぞれ前記車両に搭載されて運ばれ、それぞれが前記場所プロセッサに接続される、場所プロセッサと、を備え得、
前記場所プロセッサは、そこにデータを提供するように構成され、
前記場所プロセッサは、
前記ユニバーサル基準枠に対する前記車両の範囲及びベロシティと、
前記目標基準枠に対する前記車両の範囲及びベロシティと、
前記ユニバーサル基準枠に対する前記目標基準枠の範囲及びベロシティと、
進行方向、範囲、ベロシティ及びタイミングの結合された表現並びに前の場所データと、
前記車両及び前記目標の現在の場所と、のうちの１つ又は複数を生成するように構成される。

本装置は、静的ビーム・ディレクタをさらに備えることができ、そして、
前記第１の狭線幅エミッタは、前記ユニバーサル基準枠において前記静的ビーム・ディレクタを介して信号を放射するためのソースとして使用される。

誤差なしに長距離をナビゲートするのに十分な速度、信頼性及び精度を有して対地速度を測定することができる既知のシステムは現在は存在しない。さらに、他の車両の周りを安全にナビゲートするのに十分な速度、信頼性及び精度を有して他の車両の軌道をそれらの環境内で推定するために必要とされる情報を提供することができる既知のシステムは存在しない。本発明の実施例は、これらの問題及び他の問題に対処するためのシステム及び方法を提供しようとする。本発明の１つの実施例は、ＧＰＳ拒否環境において位置、向き、場所、高度、ベロシティ、加速度若しくは他の測地、較正若しくは測定情報を取得するための方法及び装置に関する。さらに具体的には、本発明の１つの実施例は、ライダ放射を用いた１つ又は複数の目標又は他のオブジェクトの照明と、カスタマイズされたセンサを使用する目標又は他のオブジェクトから１つ又は複数の反射を受信することと、次いで、ユーザのための画面ディスプレイに提示される又は自律コントローラによって使用される情報を生み出すための意図的に設計されたソフトウェアでその反射を処理することとに関する。

本発明の１つの実施例は、外部から提供される情報なしに地上の、空中の又は宇宙の環境を通って移動する車両のための自己完結型ガイダンス、ナビゲーション、及び制御（ＧＮ＆Ｃ：ｇｕｉｄａｎｃｅ，ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ，ａｎｄｃｏｎｔｒｏｌ）機能を提供するための方法及び装置を含む。本システムは、人工知能意思決定に適した状況認識情報と、静止又は可動危険の回避及び危険に関するナビゲーションとを提供する。本発明の１つの実施例は、ＧＰＳ拒否環境においてナビゲーション情報を提供するように具体的に設計される。代替実施例は、発明を実施するための形態に記載されるハードウェア及びソフトウェアを使用して高度ナビゲーション情報を多種多様な車両に提供する。本発明の実施例は、旅客及び貨物輸送機を含む商用又は民間航空機、ＵＡＶ及びドローン、並びに従来の道路及び幹線道路上の乗用車及びトラックに搭載した制御システムと結合されるとき、ナビゲーション情報を提供するように構成され得る。

本発明の実施例は、ガイダンス及び制御機能のためのナビゲーション及び状況認識のために必要とされる車両状態データを提供するために、基準点、基準面又は基準オブジェクトに対する車両ベロシティ・ベクトル及び範囲と、その環境内の他の車両及び／又はオブジェクトへの並びにそれらの比車両ベロシティ及び範囲とを検出しようとする。これらの２つのベロシティ・センサ及び範囲センサ及び他の搭載されたセンサからのセンサ情報を結合することで、現在の搭載されたシステムでは不可能な能力を提供する。ＧＰＳ信号なしの及び重大な系統誤差のないナビゲーションは、ＧＰＳ拒否車両に新しい能力を与える。

本発明の実施例は、ナビゲーションのために使用される直線加速度計による系統誤差を大きく取り除こうとする。優れた時計、コンパスのような進行方向センサ、ジャイロスコープ、及び／又はドップラ・ライダ（光検出及び測距）を有する地形照合システムを組み合わせることによって、本発明の好ましい実施例は、現在の技術では経済的に不可能な長距離にわたる密かな、自立的な、正確なナビゲーションを提供しようとする。

最初の場所、並びに進行方向及び経過時間の知識は、いくつかの方法によって取得され得る。本発明の実施例は、累積誤差により時間とともに劣化しない高度に正確な速度測定を提供する。本発明の好ましい実施例では、以前のシステムとは異なり、速度は、位置測定結果（ベロシティを取得するために統合された差別化された又は加速度測定結果）に依存するのではなくて、直接測定されるので、このことが生じる。

本発明の実施例は、正確な、長期のナビゲーションを可能にし、搭載されたセンサから取得された情報のみを使用する決定を検知及び回避しようとする。異なるモードで動作するセンサを組み合わせることによって、クリティカルなナビゲーション状態パラメータが、重大な系統誤差なしに連続的に測定されて、最初の状態が知られている車両がガイダンス、ナビゲーション、及び制御（ＧＮ＆Ｃ）機能を実行してその所望の目的地に安全に到達することを可能にする。

実施例は、ＧＰＳ、ＧＬＯＮＡＳＳ及びガリレオのようなグローバル・ナビゲーション・システム信号を使用せずに正確なナビゲーションを可能にするシステム及び方法を提供しようとする。実施例はさらに、環境内の無生物の及び移動するオブジェクトに対して自律車両の安全なナビゲーションを可能にしようとする。

好ましい実施例において、ナビゲーション基準センサ（ＮＲＳ：ｎａｖｉｇａｔｉｏｎｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓｅｎｓｏｒ）並びにエリア範囲及びベロシティ・センサ（ＡＲＶＳ：ａｒｅａｒａｎｇｅａｎｄｖｅｌｏｃｉｔｙｓｅｎｓｏｒ）が、組み合わせて使用される。ＮＲＳは、統合された誤差なしに、絶対的位置、すなわち、ＡＲＶＳからの環境内の移動又は静止オブジェクト対する位置及びベロシティと組み合わせて、ナビゲーション・データ及びガイダンスが生み出される及び適用されることを可能にする何らかの基準点に対する絶対的位置、の正確な知識を用いて、対地速度の直接測定をおこなう。選択された実施例は、地球のマップの基本方位に対して絶対的にナビゲートするための並びにセンサの直近の環境内の他のオブジェクト及び車両を回避するための能力を提供する単一のシステムにこれらのセンサの両方を結合させる。

本装置は、乗用車、バス、列車、ドローン、飛行機、ヘリコプタ、ロケットなどの航空機を含む多数の車両タイプ内にあり得る。車両は、静止オブジェクトでもよい。

取得されたデータは、危険、障害物、別の車両、人を回避するために使用され得る。取得されたデータは、選択された目的地まで移動するルートを決定するために、移動の最適経路を選択するために使用され得、それは、制御不能から回復するために、トラフィック制御に基づいて行動をとるために、車両ベロシティを制御又は制限するために、ブレーキをかけるために、及び／又は、航空機が別の航空機との衝突を回避する、又は滑走路上若しくは船上に着陸することを可能にするために、安全な航路変更を達成するために使用され得る。

エミッタは、光信号、赤外線信号、音波信号又は超音波信号などの電磁信号を放射し得る。

ユニバーサル基準枠は、地球の表面と関連付けられ得る。

実施例は、ナビゲーション・データの生成を助けるために、進行方向センサを使用し得る。進行方向センサは、コンパス、スター・トラッカ、慣性基準測定システム、カメラ、熱探知カメラ又は３次元ライダ・システム及び搭載マップでもよく、或いはこれらを含み得る。

実施例は、ナビゲーション・データの生成を助けるために、絶対的場所センサを使用し得る。絶対的場所センサは、ＧＰＳシステム、スター・トラッカ、慣性基準測定システム、カメラ、熱探知カメラ、３次元ライダ・システム及び搭載マップ、ＬＯＲＡＮシステムでもよく、又はこれらを含み得る。

基準範囲及びベロシティ・センサ（４４）は、前記ユニバーサル基準枠に物理的に接触せずにベロシティを測定する任意のデバイスでもよい。

本発明の実施例は、以下のような添付の図面を参照して、単に例として、ここで説明される。

ＧＰＳ拒否環境におけるナビゲーションのためのシステムの１つの実施例の概略図である。ユニバーサル基準枠、車両基準枠、及び目標基準枠を含む、一般化されたセンサ・システム基準枠の概略図である。ユニバーサル基準枠、車両基準枠、及び目標基準枠を含む、一般化されたセンサ・システム基準枠の概略図である。本発明の１つの実施例の要素の概略図である。ナビゲーション基準センサの１つの実施例の概略的ブロック図である。エリア範囲及びベロシティ・センサの１つの実施例の概略的ブロック図である。範囲ドップラ・プロセッサの１つの実施例の概略的ブロック図である。場所プロセッサの１つの実施例において実施される本方法のステップを明らかにする流れ図である。ナビゲーション情報を提供するヘリコプタにおける器具を表す図である。本発明の１つの実施例において使用されるナビゲーション属性を示す図である。本発明の１つの実施例において実施されるコヒーレント・ライダ・オペレーションに関する方法のステップの流れ図である。本発明の１つの実施例において実施される車両の場所を判定するためのアルゴリズムに関する方法のステップの流れ図である。事故を回避する最適経路を見つけるために本発明の代替実施例を用いる地上車両の概略図である。制御不能の後に回復するために本発明の代替実施例を用いる地上車両の概略図である。本発明の代替実施例で使用され得る地上車両のための車内インターフェース・ディスプレイを示す図である。本発明の代替実施例で使用され得る地上車両のための車内インターフェース・ディスプレイのもう１つの表示を示す図である。エリア状況認識を含む高度道路交通システムの概略図である。エリア状況認識を含む高度道路交通システムの概略図である。状況認識及び危険回避を説明するさらにもう１つの概略図である。状況認識及び危険回避を用いる地上車両のもう１つの概略図である。航空母艦の甲板に着陸する航空機を示す、本発明のさらにもう１つの代替実施例の概略図である。時間の関数として、送信される及び関連して受信される波形の周波数成分を示す図である。１つの実施例で使用されるＤライダ・システムのベクトル表示である。ピッチ、ロール及びヨーの計算に関わる角度を示す図である。

Ｉ．本発明の好ましい及び代替実施例の概要
本発明の実施例は、基準となるセンサ枠において、並びにそれの環境内のオブジェクト及び他の車両に対して、速度を提供するように構成されるレーザー光及びコヒーレント受信器を使用することによって、密かな、自立的な、正確な、長距離のナビゲーションを可能にしようとする。レーザー光の使用は、敵対者による検出が極めて困難であることを意味し、そしてまた、高精密の測定を提供する。コヒーレント受信器は、他の近隣のレーザーに基づく信号からの干渉の非常低い可能性を有するレーザー・ビーム照準線に沿った速度の非常に高い信号対雑音比（ＳＮＲ：ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−ｎｏｉｓｅｒａｔｉｏ）測定を可能にする。地上及び空中のシステムについて、距離及びベロシティ測定結果は、地面によって形成される平面に対する。複数のビームを使用して、本発明の実施例は、２次元若しくは３次元のいずれかの位置判定を可能にする複数の方向にある地面又は他のオブジェクト／車両並びに、それの環境（センサ基準枠）内の他のオブジェクト／車両の速度及び方向を含む、他の有用な車両状態パラメータに対して速度を測定する。コンパス、ジャイロスコープ、スター・トラッカ及び／又は地形照合システムを使用する時計及び進行方向情報更新は、好ましい実施例の完全に自己完結型のナビゲーション・システムを完成させるが、実施例は、システム全体の個々の構成要素を対象とし得、これらは、既存の車両又はナビゲーション・システムへの改造又は追加として提供され得ることが理解されよう。

人による制御を提供することが望ましくない状況又は実現不可能である状況において、或いは人による能力が安全なオペレーションには不適当であるとき、車両がそれらの軌道を自律的に計画する、それらの目的地にナビゲートする並びにそれらの位置及び姿勢を制御することが必要である。この目的を安全に及び確実に達成するために、車両は、適切な決定をおこなう及び実行するのに十分な精度及び精密性を有してそれらの環境を検知することができなければならない。クラッタのない、高い信号対雑音比のベロシティ及び範囲測定は、特に的確な解決法をもたらす。

本システムを求める特定の問題は、人による補助なしに天体に航行又は着陸すること、宇宙でのランデブ及び近接オペレーション（調査、停泊、ドッキング）、自動運転の乗用車、トラック及び軍用車両、ＧＰＳ拒否環境における航空機を含む。

現在のナビゲーション・システムは、比較的短期間の後に車両の位置における大きな不確実性を比較的すぐに引き起こすベロシティ誤差を蓄積する慣性測定システムを使用する。ＧＰＳ又は長距離ナビゲーション（ＬＯＲＡＮ：ＬｏｎｇＲａｎｇｅＮａｖｉｇａｔｉｏｎ）のような宇宙ベースの又は地上ベースのビーコンは、三角測量技法を介して位置情報を提供することができるが、これらの信号を妨害する、或いはさらに悪いことには、これらの信号が検出不可能な形で誤った位置示度数を提供するように、それらの信号を役に立たなくさせることができる敵軍の関係者の影響を受けやすい。以前のシステムは、加速度計、オシレータ、ジャイロスコープ、オドメータ及び様々なタイプの速度計のようなセンサ、ＧＰＳ信号、他の三角測量ビーコン・システム、カメラ、レーダ（ＲＡＤＡＲ：ＲａｄｉｏＤｅｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＲａｎｇｉｎｇ：無線検出及び測距）、ソナー（ＳＯＮＡＲ：ＳｏｕｎｄＮａｖｉｇａｔｉｏｎａｎｄＲａｎｇｉｎｇ：サウンド・ナビゲーション及び測距）、及びライダ（ＬＩＤＡＲ：ＬｉｇｈｔＤｅｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＲａｎｇｉｎｇ：光検出及び測距）を使用する。

これらは、２つのグループに分類される：搭載されたセンサ及び外部で配信される情報信号。搭載されたセンサの限界は、時間とともに蓄積する及び正確なナビゲーションには不適当な知識を与えるそれらの系統誤差と、信号解釈を混同する、高度の複数目標クラッタとである。外部で配信される信号の限界は、それらの利用可能性である。外部で配信される信号は、地下又は宇宙では利用不可能であり、地球上では妨害される又はなりすまされる可能性がある。

現在のナビゲーション・システムは、比較的短期間の後に車両の位置における大きな不確実性を比較的すぐに引き起こすベロシティ誤差を蓄積する慣性測定システムを使用する。ＧＰＳ又はＬＯＲＡＮのような宇宙ベースの又は地上ベースのビーコンは、三角測量技法を介して位置情報を提供することができるが、これらの信号を妨害する、或いはさらに悪いことには、これらの信号が検出不可能な形で誤った位置示度数を提供するように、それらの信号を役に立たなくさせることができる敵軍の関係者の影響を受けやすい。本発明の実施例は、車両がナビゲーション情報について自立的になることを可能にする搭載された器具のみを使用する長期間にわたり概してわずかな誤差を有する正確なナビゲーションを可能にしようとする。

以前の搭載されたナビゲーション・システムは、レーダを使用して、ジャイロ又は加速度計を使用する慣性測定システムよりも優れたナビゲーション情報を提供することができるが、これらはまた、車両の軌道の知識を敵軍の関係者にも提供する。本発明の実施例は、正確なナビゲーションと、他のエンティティによる検出の非常に低い可能性と、より高速の環境状況認識とを可能にしようとする。

以前のシステムに対する本発明の実施例の主要な利点は、少ない系統誤差、及びナビゲーション・パラメータを判定するために使用される光の特質による検出の機会の少なさである。本発明の検出方式の独自性は、本システムが高目標トラフィック環境で動作することを可能にするクラッタのない、閉じたチャネル信号獲得を提供する。

既存のシステムは、地上ベロシティを正確に測定しない。既存のシステムは、加速度計を使用する加速度の測定をおこなう。ベロシティは、加速の時間上の積分であるが、積分は常に、それと関連付けられた任意の定数を有する。これは、時間とともに増加する位置における系統誤差として現れる。それぞれ１米ドルから数千米ドルの費用の範囲で入手可能な様々な加速度計が存在するが、最良のユニットでも系統誤差を示す。旅が長くなるほど、この系統誤差はより多く蓄積する。

本発明の実施例は、積分を介して系統誤差をもたらす測定結果及びセンサに依存しない。好ましい実施例において、ベロシティは、さらに詳しく後述されるように、周波数変調ドップラ・ライダを使用して、直接測定される。これは、環境内の目標までの及び／又は基準目標までの範囲ベースの測定結果と組み合わせて、環境内の車両の正確な測位及びナビゲーションを可能にする。

好ましい実施例において、基準センサは、今まで利用不可能であった精度及び速度でナビゲーション・データを提供する単一のシステムに検知及び回避センサとともに結合される。

本発明の実施例において、基準センサは、検知及び回避センサがそれの環境内のオブジェクトの参照されたベロシティを配信することを可能にする。次に、状況センサは、特にガイダンス、ナビゲーション及び制御を目的として、基準センサ測定を改善することができる追加データを提供する。

本発明の実施例は、車両ガイダンス、ナビゲーション及び制御システムへの主要な情報を、具体的には、ベロシティ・ベクトル及び範囲を、比表面姿勢、横滑り角度、アプローチの角度、及び高度に関する導出可能な情報とともに提供しようとすることが理解されよう。これらのパラメータは、高い精度で測定されるので、それらのパラメータは、安全で高信頼の、人による運転の並びに自律の乗用車及びトラックを可能にし、航空機（パイロットを有する及び有さない）がＧＰＳ又は他の外部信号なしにナビゲートすることを可能にすることになる。現在の乗用車において、本発明の１つの実施例は、自動車が現在制御不可能なスピン、並びに車両が横に滑っている若しくはスピンしている及び自動車の位置若しくは方向を判定することができない状況から回復することを可能にする。

本発明の実施例は、ＡＤＡＳ３−５（ＡｄｖａｎｃｅｄＤｒｉｖｅｒＡｓｓｉｓｔａｎｃｅ：先進運転支援）車両、民間及び軍用並びに有人及び無人航空機の両方、特に垂直離着陸（ＶＴＯＬ：ＶｅｒｔｉｃａｌＴａｋｅＯｆｆａｎｄＬａｎｄｉｎｇ）と、ＧＰＳナビゲーション信号なしに飛ぶ能力とを必要とする航空機、において実装され得る。本発明の別の実施例は、営利宇宙企業による、月、火星又は小惑星などの惑星体への乗組員及び貨物の配送のためのナビゲーション・センサとして使用され得る。

図１は、ＧＰＳ拒否環境で利用される、本発明１０の１つの実施例の概略図である。ＧＰＳ衛星Ｓは、図１に示された風景の上方に示されているが、エリア内の敵軍又は非友好的部隊の取り組みにより、ナビゲーション・サービスを提供するために利用不可能である。これらの敵軍又は非友好的部隊は、特殊化された無線でＧＰＳ信号を妨害している又は役に立たなくしている可能性がある。

航空機１２、たとえば、ヘリコプタは、山岳地帯ＭＲに隣接する敵軍のゾーンＨＺの上を飛んでいるように示されている。敵軍のゾーンＨＺには、ヘリコプタ１２に発砲する能力を有する敵部隊ＥＴがいる。

ヘリコプタ１２は、山岳地帯ＭＲ、並びに敵部隊ＥＴを避けようとしており、味方の軍事基地ＭＢの近くの着陸地点ＬＳに着陸しようとしている。

ヘリコプタ１２は、本発明の様々な実施例を実施する及び詳しく後述される搭載されたナビゲーション・システムを有する。搭載されたナビゲーション・システムは、地面の一部分１４を照らし、ヘリコプタ１２が着陸地点ＬＳに安全に着陸することを可能にすることになる最適アプローチ経路１６を計算する。

図２は、本発明によって使用される３次元の一般化されたセンサ・システム基準枠の概略図１８である。図２は、航空機１２と目標２０との両方を示す。図２は、ユニバーサル基準枠２２、３次元の車両基準枠２４、センサ基準枠２５、及び３次元の基準枠２６を示す。ユニバーサル基準枠２２は、概して、車両１２及び目標２０の下の地形と関連付けられた平面によって定義される。宇宙では、ユニバーサル基準枠は、別の宇宙船の特徴によって定義され得る。

車両基準枠２４と目標基準枠２６との両方が、３つの軸のデカルト座標セットによって特徴を示されている。軸によって定義された方向は、ｘ、ｙ及びｚのラベルを付けられている。これらの方向及び各軸の周りの回転は、６つの自由度を定義する。

本発明の１つの実施例において実装される搭載されたナビゲーション・システムは、ユニバーサル基準枠２２の一部分、１つ又は複数の目標２０及び／又は他のオブジェクトを照らす。この搭載されたナビゲーション・システムは、本明細書において詳しく説明される、様々なセンサを使用する。好ましくは、これらのセンサは、センサ基準枠２５と車両基準枠２４との間に差がないように、車両１２の質量中心又は慣性中心に正確に配置される。

図３は、一般化されたセンサ・システム基準枠１８の類似の概略図２７であるが、本発明によって使用される地上車両のために利用可能な２次元の自由のみを示す。図３は、車両１２、及び目標２０を示す。図３は、ユニバーサル基準枠２２、平面の車両基準枠２８、及び平面の目標基準枠３０を示す。ユニバーサル基準枠２０は、概して、車両１２及び目標２０が位置する地形と関連付けられた平面によって定義される。

車両基準枠２８及び目標基準枠３０の両方は、２つの軸のデカルト座標セットによって特徴を示されている。軸によって定義された方向は、ｘ及びｙのラベルを付けられている。これらの方向及び垂直線又はヨーの周りの回転は、３つの自由度を定義する。

本発明の実施例は、エリア範囲及びベロシティ・センサ・システムを含む。好ましい実施例において、これは、ナビゲーション基準センサ及びナビゲーション・システムを形成するための他の構成要素と結合され得る。様々な可能な構成要素並びにナビゲーション・システム全体についてはさらに詳しく後述する。

図４は、一般化された車両１２の概略図３２を提供する。車両１２の場所は、３つのデカルト座標によって特徴を示されており、この実施例では車両の質量中心に位置する車両基準枠２４の３つの軸に沿って測定される。一般化された車両１２は、本発明の様々な実施例を実装する搭載されたナビゲーション・システムを保持する。場所プロセッサ３４は、進行方向センサ３６、絶対的場所センサ３８、及びタイマ４０に接続されている。範囲ドップラ・プロセッサ４２は、ナビゲーション基準センサ（ＮＲＳ）４４並びにエリア範囲及びベロシティ・センサ（ＡＲＶＳ）４６に接続されている。

図５は、ナビゲーション基準センサ（ＮＲＳ）４４の詳細を示す概略的ブロック図を提供する。狭線幅エミッタ４８は、波形発生器５０に接続され、波形発生器５０は次に、送信器５２及びローカル・オシレータ５４の両方に結合されている。送信器５２は、送信／受信ボアサイト５６及び受信器５８に接続されている。ローカル・オシレータ５４はまた、受信器５８に接続されている。静的ビーム・ディレクタ６０は、送信／受信ボアサイト５６に接続されている。静的ビーム・ディレクタ６０は、ライダ・ビーム６２を放射及び収集する。

図６は、エリア範囲及びベロシティ・センサ（ＡＲＶＳ）４６の詳細を示すもう１つの概略的ブロック図を提供する。狭線幅エミッタ６４は、波形発生器６６に接続され、波形発生器６６は次に、送信器６８及びローカル・オシレータ７０の両方に結合されている。送信器６８は、送信／受信ボアサイト７２及び受信器７４に接続されている。ローカル・オシレータ７０はまた、受信器７４に接続されている。動的ビーム・ディレクタ７６は、送信／受信ボアサイトに接続されている。動的ビーム・ディレクタ７６は、可変方向ライダ・ビーム７８を放射及び収集する。

図７は、本発明の１つの実施例において範囲ドップラ・プロセッサ４２によって実施される方法のステップを描く流れ図７９である。
８２受信器出力を復調する。
８４スペクトル成分を判定する。
８６雑音から信号周波数を区別する。これらの信号周波数は、ドップラ偏移周波数及びドップラ偏移周波数の側波帯である。
８８信号周波数ドップラ偏移からベロシティを取得する。ドップラ周波数自体を判定することによって、移動のビーム方向に沿った速度が計算される。
９０信号周波数側波帯からの距離を取得する。側波帯周波数を判定することによって、目標又はオブジェクトまでの範囲が計算される。
９２範囲及びベロシティ周波数を工学単位（又はＳＩ単位）に変換する。
９４データを場所プロセッサに送る。

ＮＲＳ及びＡＲＶＳは、ほぼ逆の形で動作する。

ナビゲーションのためにそれら２つを組み合わせることは、新しいライダ・センサ能力を有する測定標準科学からの方法をナビゲーション・システム設計に組み込むので、それは、思うに、以前には誰も考えなかったステップである。

ＮＲＳは、外部基準点（それは、通常は、基準としての地球であるが、それは、ランデブ操作では衛星であることがある）に対して測定をおこなう。基準は、センサの外部であり、センサは、問題の自由度の数に応じて、１つ又は複数のビームを使用する。列車は、１次元の問題であるので、１つのビームを必要とすることになろう。乗用車は、２次元の表面に含まれるので、２つのビームを必要とする。航空機は、３つを必要とする。必要とされるナビゲーション情報を見つけるために、複数のビームからの測定結果を結合させることを必要とする。

ＡＲＶＳは、基準としていくらかの部分自体を使用する、内部基準点に対してその測定をおこなう。ＡＲＶＳは、独自のセンサ構成に対して他の目標の範囲及びベロシティを測定する。ここでも、１つ又は複数のビームが、問題の自由度の数に応じて、使用される。やはり、ナビゲーション情報は、これらのビームからの測定結果を結合させることから生じる。

範囲ドップラ・プロセッサは、それの基準点に対するＮＲＳ及びＡＲＶＳのそれぞれからのデータを処理する。

ＮＲＳ測定からのデータが取得された後は、それは、ＡＲＳ測定を介する車両の環境内のオブジェクトに関するデータに適用され得る。人は、車両が、たとえば地球の中心に対して、どこにあるかだけではなく、車両の周りのあらゆるものが地球の中心（或いは、ＮＲＳ測定のために選択された外部基準が何であっても）に対してどこにあるかを知ることができる。

図８は、本発明の１つの実施例において場所プロセッサ３４によって実施される方法のステップを説明する流れ図９６を提供する。図８に示されるステップは：
９８センサ基準枠におけるユニバーサル基準枠の範囲及びベロシティを取得する。
１００センサ枠に対するユニバーサル基準枠の姿勢及び進行方向を取得する。
１０２車両枠（重心）にセンサ・ケース枠の並進／回転変換を適用する。
１０４ユニバーサル基準枠に対する車両枠の並進／回転変換を適用する。
１０６センサ基準枠における目標の範囲及びベロシティを取得する。
１０８センサ枠に対する目標の姿勢及び進行方向を取得する。
１１０車両枠（重心）にセンサ・ケース枠の並進／回転変換を適用する。
１１２ユニバーサル基準枠に対する目標の並進／回転変換を適用する。

９８、１００、１０２、及び１０４のラベルを付けられたステップは、ユニバーサル基準枠に対する車両１２基準枠の範囲及びベロシティを工学単位（又はＳＩ単位）に変換する。

ステップ１０６、１０８、及び１１０は、複数の目標基準枠に対する車両１２基準枠の範囲及びベロシティを工学単位（又はＳＩ単位）に変換し、複数の目標基準枠に対する車両１２基準枠の範囲及びベロシティの座標を変換する。

ステップ１１２は、目標基準枠からの座標をユニバーサル基準枠に変換する。

図９は、車両１２のパイロットにナビゲーション情報を伝えるディスプレイの１つの実施例のイラストレーション１１４である。比表面ベロシティが、Ｖｘ１１６、Ｖｙ１１８及びＶｚ１１９を示す器具に提示される。図９はまた、比表面高度１２０、飛行経路角度１２２、ベロシティ・ベクトル１２４、攻撃の角度１２６及び比表面ピッチ角度１２８を含む、車両１２の他のナビゲーション情報を示す。

図１０は、横滑り角度１３２及び比表面ロール角度１３４を含む、車両１２に関するナビゲーション属性を描くイラストレーション１３０である。

図１は、ＧＰＳ又は任意の他の外部で提供されるグローバル・ナビゲーション・システム信号の恩恵を受けずに敵軍のゾーンに着陸しようとする航空機を示す。着陸ゾーンまで安全に飛行する並びに障害物及び脅威となるものを回避するために、ヘリコプタは、図４に概要を示された本発明の実施例を使用する。図２及び３は、これが３次元の、空中の、及び２次元の、表面、アプリケーションで使用され得ることを示す。図示されていないが、それは、列車のような１次元のケースにおいて有用になり得る。着陸ゾーンに安全に着陸する及び脅威となるものを回避するために、本発明の実施例は、地球（ユニバーサル基準）に対するヘリコプタの位置並びに山、電線、木、敵車両などのような直近の環境内のオブジェクトに対するヘリコプタの位置に関するナビゲーション情報を提供するように構成される２つのドップラ・ライダを使用する。これらの２つのライダはともに、ＧＮＳＳがないときの安全で高信頼の有人又は自律ナビゲーションを可能にする。図４に及びさらに詳しく図５に示されたナビゲーション基準センサ（ＮＲＳ）は、ヘリコプタの対地速度、地面からの高さ、及びいくつかの姿勢パラメータ（図９を参照）を測定するために使用される。これは、車両が、最初の知られている位置に対して、ひいては着陸ゾーンに対して、その車両がどこにあるかを知ることと、その着陸ゾーンまでナビゲートすることとを可能にする。加えて、図４に及びさらに詳しく図６に示されたエリア範囲及びベロシティ・センサ（ＡＲＶＳ）は、他のオブジェクトまでの距離並びにヘリコプタの環境内の他のオブジェクトの移動の速度及び方向を測定するために使用される。したがって、実施例は、脅威となるものを介する及び特定の着陸場所までの安全な高信頼のナビゲーションを可能にする。

ヘリコプタが移動するとき、ＮＲＳ及びＡＲＶＳは、狭線幅光を放射する。この実例では、ＮＲＳは、地面に向けられた３つ以上のビームを使用する。ＡＲＶＳは、対象の様々なオブジェクト及び／又は車両に向けられた１つ又は複数のビームを使用する。光が、地面又は目標に当たるとき、光は、それらとヘリコプタとの間の相対速度及び距離に関する情報を獲得する。それの新しい情報を有する、この光のうちのいくらかは、それぞれ、ＮＲＳ又はＡＲＶＳに向けて跳ね返される。ドップラ効果は、戻る光において周波数偏移の形で必要とされる主要な情報を提供する。戻る光は、ビーム・ディレクタ及び送信／受信ボアサイトの組合せによって収集され、光ファイバを介して受信器に移動する。受信器は、光エネルギを電気信号に変換する光検出器を含む。情報は、ここで、電気信号に含まれる。ＮＲＳとＡＲＶＳとの両方は、光検出器を使用して光エネルギをアナログ電気信号に変換する。アナログ電気信号は、次いで、地面又は目標までの相対ベロシティ及び範囲に関する主要な情報を保存するための適切なサンプリングを有してデジタル信号に変換される。このデジタル信号は、ここで、それぞれのビームに沿った相対速度及び範囲を提供するドップラ効果による周波数偏移を判定するための周波数推定技法を使用して処理される。ＮＲＳビーム・ディレクタがヘリコプタの慣性中心に対してどのように搭載される（位置付けられる及び向けられる）かを知ることによって、範囲ドップラ・プロセッサ（図４及び７）は、車両の対地速度（比表面ベロシティ）、地面からの高さ（比表面高度）、比表面ピッチ角度、攻撃の角度、比表面ロール角度、及び横滑り角度（図９及び１０を参照）を判定するために、ビームからの情報を結合させることができる。ＡＲＶＳは、動的指向システムを使用して、それの環境内の対象となる各目標に１つ又は複数のビームを向ける。これらのＡＲＶＳビームがどこに及びいつ向けられるかを知ることによって、範囲ドップラ・プロセッサは、その環境内の各目標の範囲及びベロシティ（図２８）を判定する。ＮＲＳ及びＡＲＶＳからの前述のこれらのナビゲーション・パラメータは、場所プロセッサに送られ、場所プロセッサは、障害物及び脅威となるものを回避する並びに着陸ゾーンで終了するコースをプロットするために、それらのナビゲーション・パラメータをタイマ（経過時間）、進行方向センサ（コンパス方向）並びに絶対的場所センサ（図４、８及び１２を参照）データからの最初の場所及び定期的航行位置と結合させる。

現在のナビゲーション・システムは、複数のセンサを使用して車両の場所を判定する及びそれの目的地までのコースをプロットする。大多数は、場所の知識の１次ソースとしてＧＮＳＳ信号を必要とする。ＧＮＳＳ信号が利用不可能な場合には、正確な、長距離ナビゲーションのためのオプションは、時間とともに大きな誤差を蓄積し、ホスト車両の環境内の障害物を回避することができない。本発明の実施例は、ドップラ効果から入手可能な高分解能の、正確な、遠隔検知される、リアルタイムの、直接のベロシティ測定結果を使用して、車両の場所のオンボード判定及びそれの環境内のオブジェクトに対する車両の相対位置の判定を可能にするクリティカルなナビゲーション情報を提供する。他の従来のセンサからのデータと結合されるとき、この新しい情報は、有人及び自律車両のための安全で高信頼のナビゲーション、現在は利用不可能なもの、を可能にする。このクリティカルなナビゲーション情報（対地速度、表面からの高さ、比表面ピッチ及びロール、攻撃の角度、横滑り角度、他のオブジェクトに対する範囲、及び他のオブジェクトのベロシティ）は、現在は、安全で高信頼のナビゲーションのために必要とされる精度及び分解能を有する遠隔検知される、リアルタイムの、直接の測定から入手不可能である。

ＩＩＩ．ＧＰＳ拒否環境のために使用され得る本発明の実施例
１つの実施例において、ＮＲＳ４４は、静的ビーム・ディレクタ６２を有するコヒーレント・ライダ・システムを使用して、１つ又は複数の方向においてユニバーサル基準枠２２に対する車両基準枠２４速の度及び距離を測定し、前記速度及び距離測定結果は、プランニング、ガイダンス、ナビゲーション及び制御パラメータを決定するために、範囲ドップラ・プロセッサ４２及び場所プロセッサ３４によって使用され得る。ＮＲＳ４４は、波形発生器５０によって変調される狭線幅エミッタ４８を使用して、ユニバーサル基準枠２２及び受信器５８に進むローカル・オシレータ５４への送信信号を提供する。送信器信号は、ボアサイト５６によって受信器５８に整列させられ、静的ビーム・ディレクタ６０によってユニバーサル基準枠２２に向けられる。

本発明の１つの実施例において、エリア範囲及びベロシティ・センサ（ＡＲＶＳ）４６が、１つ又は複数の目標２０の場所及びベロシティを判定するために使用される。目標２０は、別の航空機、建物、職員或いは１つ又は複数の他のオブジェクトでもよい。

本発明の１つの実施例において、ナビゲーション基準センサ（ＮＲＳ）４４は、ＧＰＳ受信器、又は地形に対するナビゲーション・カメラ及びマップ、又はスター・トラッカを使用して、それの最初の場所を取得し得る。

ＡＲＶＳ４６は、動的ビーム・ディレクタ７６を有するコヒーレント・ライダ・システムを使用して、１つ又は複数の方向において目標基準枠２６に対する車両基準枠２４の速度及び距離を測定し、速度及び距離測定結果は、プランニング、ガイダンス、ナビゲーション及び制御パラメータを決定するために、範囲ドップラ・プロセッサ４２及び場所プロセッサ３４によって使用され得る。ＡＲＶＳ４６は、波形発生器５０によって変調される狭線幅エミッタ４８を使用して、目標２０及び、受信器５８に進むローカル・オシレータ５４への送信信号を提供する。送信器信号は、ボアサイト７２によって受信器７４に整列させられ、動的ビーム・ディレクタ７６によって目標２０に向けられる。

１つの実施例において、絶対的場所センサ（ＡＬＳ：ＡｂｓｏｌｕｔｅＬｏｃａｔｉｏｎＳｅｎｓｏｒ）３８が、ある特定の間隔で車両又はプラットフォーム１２のユニバーサル基準枠内の絶対的場所を判定するために使用される。ＡＬＳ３８は、場所プロセッサのために開始航行位置を提供する。開始場所を取得するための代替方法は、ＧＰＳ受信器、地形照合カメラ、ライダ・システム、及び／又はスター・トラッカを使用することを含む。

１つの実施例において、１つ又は複数の進行方向センサ３６が、車両１２のユニバーサル基準枠２２に対する絶対的向きを提供する。進行方向センサ３６は、ユニバーサル基準枠２２に対する移動の方向を指示する。いくつかの基準枠に対する移動の方向を判定するための代替方法は、コンパス、スター・トラッカ、又は地形照合システムを使用することを含む。

本発明の１つの実施例は、タイマを使用して、一定速度及び進行方向の期間にわたる移動の持続時間を測定する。時計の精度は、判定されている場所の精度の必要性によって推進される。タイミングにおける誤差は、場所における誤差に直接翻訳する。各ユーザは、場所精度に関する、ひいては、タイマ精度に関する独自の要件を有する。時計は、ナビゲーション誤差要件を満たすのに十分な精密性及び精度のレベルを有する。

ユーザのナビゲーション誤差要件は、時計又はタイマ精度及び精密性を決定する。場所は、ベロシティ及び時間の積によって与えられるので、場所の誤差は、与えられるベロシティの時計誤差と線形的に関連する。

範囲ドップラ・プロセッサ４２は、ＮＲＳ４４及びＡＲＶＳ４６においてドップラ偏移受信器からのドップラ偏移情報を結合させる。

１つ又は複数のプロセッサは、収集された時間領域信号を周波数に復調、フィルタリング、及び変換し、その周波数からスペクトル成分情報が取得される。この情報は、目標ベロシティに比例するドップラ周波数偏移と、目標までの距離と比例する側波帯周波数とを含む。範囲ドップラ・プロセッサは、１つ又は複数のコンピュータ・プロセッサ・ユニット（ＣＰＵ）を含む。これらのＣＰＵのうちの１つは、フィルタリング・タスクを遂行することができ、もう１つは、信号を復調する。

場所プロセッサ３４及びそれのアルゴリズム９６は、様々なセンサ（ガイダンス、ナビゲーション及び制御コンピュータ）からの進行方向、範囲、ベロシティ及びタイミング並びに前の場所のデータを結合させる。

ＮＲＳ及びＡＲＶＳ４６はそれぞれ、回析格子又はフィルタなどの線幅コントローラを有するコヒーレント電磁放射ソースである、狭線幅エミッタを含む。ソースの線幅は、範囲及びベロシティ測定の精度の限界をもたらす。エミッタの線幅は、１次周波数の中心にあるが、いずれかの側により小さい振幅を含み、それによりエミッタのコヒーレンスを低減する、瞬時周波数のスペクトル分布を指す。エミッタの１つの実施例は、ゲイン制限された空洞内スペクトル・フィルタを有する半導体レーザーである。

１つの実施例において、線幅は、１００ｋＨｚ以下である：
１．５×１０−６ｍ＝２００ＴＨｚで割ったｆ＝ｃ／＝３×１０８ｍ／ｓｅｃ、
或いは１０−１２における１部分。この線幅は、エミッタの周波数でスケーラブルである。

波形発生器は、エミッタの周波数、フェーズ、又は振幅を操作して、キャリア波への問合せ又は通信方法の機能を果たす。周波数、フェーズ、又は振幅の変調は、エミッタのパスに沿って、時間又は空間における摂動を適用し、それにより、波形を調整することによって、実行される。変調器の１つの実施例は、電気光学結晶である。変調器の第２の実施例は、音響光学結晶である。変調器の別の実施例は、エミッタの電流又は温度の変動である。

変調器は、時間の関数として同じように（１０３における１部分）線形の周波数増加を有するスペクトル的に純粋な変調されたキャリア周波数を生み出し、そこから距離測定が完全に周波数領域においておこなわれる。

本発明の１つの実施例は、非常に高い信号対雑音のドップラ偏移受信器を使用する。移動する目標、面、又は基準から反射された放射のドップラ周波数偏移が、ドップラ偏移受信器を使用して、周波数領域において取得される。これらの受信器では、検出されることになる信号電磁フィールドは、ローカル・オシレータ７０と称される第２の電磁フィールドと結合される。ローカル・オシレータ・フィールドは、受信されるフィールドと比べて非常に大きく、それのショット雑音は、すべての他の雑音源を支配する。ローカル・オシレータのスペクトル的コヒーレントショット雑音は、より一般的な直接検出受信器の信号対雑音を超える非常に高い信号対雑音をもたらし、信号への狭帯域幅増幅器の機能を果たす。狭線幅エミッタ６４及びローカル・オシレータ７０によって取得される高度のコヒーレンスは、迷光又は外部エミッタ電磁放射が受信器７４によって検出されるのを防ぐ。この固有の能力は、非常に高いトラフィック電磁環境内でも高い信号対雑音検出を可能にする。各受信器５８及び７４は、それが指す照準線に沿って距離及びベロシティの一意の測定結果を取得する。この実施例において、高い信号対雑音比は、概して、１０：１より大きい。

本発明の１つの実施例において、センサ受信器は、エミッタと照準を合わせられる。

送信器６８と受信器７４との間の電磁放射方向のボアサイトは、目標で反射された送信放射が受信器７４によってキャプチャされることを可能にする。あらゆる車両は、それの要求に基づいて異なる範囲の角度間隔を有することになる。複数の並進的自由度が存在するとき、複数のエミッタを使用することが必須である。列車は、１つの並進的自由度を有する。乗用車は２つの度合いを有し、飛行機又は宇宙船は３つを有する。

本発明の１つの実施例において、ビーム・ディレクタは、通常は、ＮＲＳ４４では固定されているが、ＡＲＶＳ４６では移動可能である。ビーム・ディレクタは、送信放射がどこに向けられるかを判定し、それにより、選択された目標２０までの範囲を判定する。ビーム・ディレクタは、戻りの放射を送信及び収集する。ＮＲＳ及びＡＲＶＳには少なくとも１つのビーム・ディレクタが存在する。各ビームについて１つのビーム・ディレクタが存在する。航空機については、少なくとも３つの個別の静的ビーム・ディレクタが存在する。乗用車については、少なくとも２つが存在する。状況認識のために必要とされるだけの数の動的ビーム・ディレクタが存在する。

本発明の１つの実施例において、車両１２は、本発明を実装するために使用されるハードウェア及び／又はソフトウェアの組合せを保持する。１つの実施例において、車両１２は、ヘリコプタ、又は何らかの他の航空機である。別の実施例において、車両１２は、自動車又はトラックのように地上ベースでもよい。さらにもう１つの実施例において、車両１２は、軌道上の衛星でもよい。本発明のさらにもう１つの代替実装形態において、本発明を動作させるために使用されるハードウェア及び／又はソフトウェアの組合せは、静止プラットフォーム、たとえば建物又は電柱、にインストールされ得る。

本発明の１つの実施例において、エリア範囲及びベロシティ・センサ（ＡＲＶＳ４６）は、フライト・ライダ・システムのスキャン時間、又はフライト・ライダ・システムのフラッシュ時間、又は写真測量法を用いるいくつかのカメラを使用し得る。

１つの実施例において、絶対的場所センサ３８は、ＧＰＳ受信器を含み得る。別の実施例において、絶対的場所センサ３８は、地形に関するナビゲーション・カメラ及びマップを含み得る。

進行方向センサ３６は、コンパス、スター・トラッカ、地形照合システム又は慣性測定ユニットを使用して、本発明を実装することができる。

タイマは、ナビゲーション要件を満たすのに十分な精度を有する任意のオシレータと、カウンタとを備え得る。

範囲ドップラ・プロセッサ（ＲＤＰ：ＲａｎｇｅＤｏｐｐｌｅｒＰｒｏｃｅｓｓｏｒ）４２は、ＮＲＳ４４及びＡＲＶＳ４６内のドップラ偏移受信器からのドップラ偏移情報を結合させることができる任意のマイクロプロセッサを含み得る。これらの機能は、収集された時間領域信号を周波数に復調、フィルタリング、及び変換し、その周波数からスペクトル成分情報が取得されることを含む。この情報は、目標ベロシティに比例するドップラ周波数偏移、及び目標までの距離を含む。

ドップラ偏移受信器（５８及び７４）の出力は、復調される。ドップラ−偏移受信器又は光検出器は、目標２０から戻る光波形を、ローカル・オシレータ５４（また、同じ（ホモダインと呼ばれる）又はほとんど同じ（ヘテロダインと呼ばれる）周波数を有する光波形）と混合することによって、復調する。ドップラ偏移受信器の出力が復調されたとき、次いで、制限された範囲にわたる受信器出力のスペクトル成分が判定される。復調ステップは、不必要なスペクトルにおける周波数を移動する又は取り除き、信号が処理されることを可能にする。このステップは、次のステップが信号周波数を探す及び具体的に判定する、周波数の範囲を狭める。

本発明の様々な実施例において、場所プロセッサ３４は、様々なセンサ（ガイダンス、ナビゲーション及び制御コンピュータ）からの進行方向、範囲、ベロシティ、タイミング及び前の場所のデータを結合させることができる任意のマイクロプロセッサでもよい。

本発明の１つの実施例において、狭線幅エミッタ（ＮＬＥ：Ｎａｒｒｏｗ−ＬｉｎｅｗｉｄｔｈＥｍｉｔｔｅｒ）は、空洞内フィルタと結合された半導体レーザーである。別の実施例において、組み込まれた回析格子を有するファイバ・レーザーが、使用され得る。他の実施例において、ＮＬＥは、アクティブ空洞長制御を有するソリッド・ステート・レーザー、ＲＡＤＡＲシステム、又はマイクロ波源を含み得る。

本発明の様々な実施例において、波形発生器又は波形発生器は、電気光学結晶、音響光学結晶、又は温度を用いた直接レーザー制御を使用し得る。波形発生器は、送信されるビームの周波数成分を制御する。レーザーの周波数は、レーザーの温度を変更することによって、変更され得る。レーザーの周波数はまた、レーザーを介して電流を変更することによって、変更され得る。

本発明の１つの実施例において、非常に高い信号対雑音比をもたらすように選択されるドップラ偏移受信器は、干渉計、フィルタ・エッジ検出器、ホモダイン検出器又はヘテロダイン検出器を含む。

本発明を実装するために使用されるボアサイト回路は、固定又はアクティブ制御をおこなうことができる。送信器によって放射された及び受信器によって収集されたビームを整列させる能力を有する任意の回路が、使用され得る。

本発明の様々な実施例の実装に際して、ビーム・ディレクタは、テレスコープ、スキャン・ミラー、ミラーのマイクロ電気機械配列、位相配列、回析格子又はプリズムを含むように、設計され得る。

ドップラ・ライダは、適用された線形周波数変調された（ＬＦＭ：ｌｉｎｅａｒｆｒｅｑｕｅｎｃｙｍｏｄｕｌａｔｅｄ）波形を有する定振幅マスタ・オシレータ・レーザーを使用する。従来のレーダにおけるように、連続波（ＣＷ：ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｗａｖｅ）ライダは、ドップラ測定をおこなうのに非常に有効であるが、何らかの方式で波形が変調されないかぎり、範囲を測定する能力を基本的に有さない。ＣＷオペレーションを保つために、Ｄライダは、これを目的として周波数変調を使用する。したがって、ＬＦＭ波形の主目的は、ドップラ測定結果に加えて範囲測定結果を取得することである。

図２２は、時間の関数として、送信される及び関連して受信される波形の周波数成分を示す。他のエミッタ及び波形が使用され得るが、この実例は、精密範囲、姿勢及びベロシティ測定結果のＦＭＣＷ波形を使用するＤライダを示す。送信される波形（青いトレース）は、Ｂ／Ｔの勾配を有する線形に増加する周波数から成り、Ｂは全波形帯域幅であり、Ｔは傾斜の持続時間である。送信される波形は、次いで、同じ持続時間Ｔにわたり一定に保たれ、最後に、それは、−Ｂ／Ｔの勾配で同じ持続時間Ｔにわたり再び周波数において線形に減少させられる。受信信号（緑）は、目標までの及び目標からの光のフライトの往復時間により時間的に遅らせられ、ドップラ効果によって目標ベロシティに比例して周波数において上に又は下に偏移させられる。送信される光のほんの一部が、基準ローカル・オシレータ（ＬＯ：ｌｏｃａｌｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）の機能を果たし、この光は、受信器検出器において目標からの着信光と混合される。検出器の出力における結果として生じた光電流は、送信光周波数と受信光周波数との間の差において振動する。時間の関数として図２２に赤で示された、これらの中間周波数（ＩＦ：ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）は、所望の距離及びベロシティ測定結果を取得するためにデジタル化及び処理される。

範囲はドップラ偏移とは無関係であることには留意されたい。波形の変調されていない部分は、センサ及び目標の相対運動から直接生成されるドップラ周波数の第２の独立した測定結果を提供する役割を果たす。送信器レーザー波長λのライダに対する目標の相対（又は視線）ベロシティｖ_ｒは、以下の関係に従う。

ここで、角度θは、ライダ照準線とベロシティ・ベクトルとの間の全角度である。測定されたドップラ周波数は、測定精度を最終的に判定する及び以下の式によって表すことができる有限スペクトル幅を有する。

ここで、Δｆ_ｄは、半分のパワー・スペクトル幅であり、Δγは、γ方向におけるビームの幅である。この方程式から、Ｄライダなどのレーザー・レーダによって提供される精度の改善を容易に計算することができる。

要約すると、Ｄライダと目標との間の相対範囲Ｒ及び視線ベロシティｖ_ｒ（１）は、時間において分離可能な３つの信号周波数：ｆ_ｄ、

、

を識別することによって取得される。Ｄライダは、それのテレスコープのそれぞれのＬＯＳに沿ってこれらの３つの周波数を測定する。

少なくとも３つの独立したＬＯＳ速度測定結果が同時に入手可能である特別な場合には、相対ベロシティ・ベクトルが判定される。このベロシティ・ベクトルは、センサと目標との間の運動の相対速度及び方向の完全な知識を提供する。

センサ基準枠からは、目標（地面又は滑走路）は、大きさ

及び方向

を有するベロシティで移動しており、そのとき、その目標の測定されたＬＯＳ（視線）ベロシティは、それぞれチャネルＡ、Ｂ、及びＣについてＭ_Ａ、Ｍ_Ｂ、及びＭ_Ｃであり、Ｄライダ・ビーム・ポイント単位ベクトル（先験的に知られている）とベロシティ・ベクトルとのドット積：

から得られる。

方程式（０．３）は、測定されたＬＯＳベロシティ、並びに対象のベロシティ・ベクトルを表す３つの知られていないベロシティ構成要素ｖ_ｘ、ｖ_ｙ、及びｖ_ｚを含み、したがって、高い精度で同時に解くことができる、３つの方程式を提供する。

同様に、少なくとも３つの独立したＬＯＳ距離測定結果が同時に入手可能である特別な場合には、ジオメトリは、測定された高度が姿勢の関数ではないような形で減少し（したがって、姿勢の不確実性）、及び比表面姿勢が、推定され得る。

高度測定計算
地面からの（ＡＧＬ：ａｂｏｖｅｔｈｅｇｒｏｕｎｄｌｅｖｅｌ）車両の高さの計算は、ベクトル分析におけるわかりやすい演習である。図２３は、Ｄライダのベクトル表示である。この図では、地面基準枠に対するセンサ基準枠の姿勢は、任意である。ベクトルＯＡ、ＯＢ、及びＯＣは、それぞれ、各ビームによる測定範囲と同等の大きさ及びセンサ設計によって定義される方向のチャネルＡ、Ｂ、及びＣとして指定された３つのＤライダ・レーザー・ビームに対応する知られているベクトルである。Ｏは、Ｄライダ基準枠の原点に対応するポイントであり、ベクトルＡＢ、ＢＣ及びＣＡは、グラウンド・プレーンＰを形成する。これらのベクトルの大きさ及び方向は、知られているベクトルＯＡ、ＯＢ、及びＯＣ：
ＡＢ＝ＯＢ−ＯＡ
ＢＣ＝ＯＣ−ＯＢ
ＣＡ＝ＯＡ−ＯＣ（０．４）
から取得される。

Ｎは、Ｐにおける任意の２つのベクトルのクロス積によって与えられるプレーンＰの単位法線ベクトルとして定義される：

Ｍは、Ｏで始まる及びＤライダ基準枠ｚ軸と平行の中央ベクトルとして定義される。Ｍの大きさは、Ｒ_Ｍである。ベクトルＭは、以下のように定義される。

中央ベクトル振幅Ｒ_Ｍは、ベクトル差（Ｍ−ＯＡ）がグラウンド・プレーンＰ上にあるベクトルであることに留意することによって、見つかり、したがって、以下から解くことができる：

Ｒ_Ｍが知られた後は、高度ＨがＮと平行であることを認識して、プレーンＰ上の車両の高さは、以下から計算される。

高さのこの計算は他のセンサ（ＩＭＵを含む）からの追加情報を必要としないことに留意されたい。すべての３つのビームが、グラウンド・プレーンと交差する場合、高度測定結果は、グラウンド・プレーンまでの最短距離である。対照的に、レーザー範囲ファインダを使用して高さを測定するとき、高度は、範囲測定結果とＩＭＵによって測定されるものとしての車両の姿勢とによって取得される。

比グラウンド・プレーン姿勢
図２３に示すようなセンサの基準枠内のテレスコープ・ポインティングのジオメトリを所与として、地面基準面は、それの単位法線ベクトルＮに従って知られ、地面基準面に対するセンサの基準枠の姿勢が、取得され得る。車両姿勢は、ｘ軸に沿った車両の回転であるロール（α）、ピッチ（β）、ｙ軸に沿った回転及びヨー（γ）、図２４に示すようなｚ軸に沿った回転を指す。センサ基準枠の記述は、このシステムのロール、ピッチ、及びヨーの解を最もよく単純化する２４の角度設定規定のうちの１つを使用して、おこなわれ得る。

運動の方向に対する進行方向の計算は、ロール及びピッチ回転をベロシティ・ベクトルに適用した後に、取得され得る。ロール及びピッチの訂正後、横滑り角度（ＳＳＡ：ｓｉｄｅｓｌｉｐａｎｇｌｅ））は、以下によって与えられる。

ここで、Ｖ_ｘ及びＶ_ｙは、ベロシティ・ベクトルの回転させられた構成要素に対応する。プラットフォーム及びセンサｘ軸が同一であるという想定について、類似のパラメータが、プラットフォームのｘ軸及び移動の方向によって作られる角度として定義されるアプローチの角度（ＡｏＡ：ａｎｇｌｅｏｆａｐｐｒｏａｃｈ）のために与えられ得る。

従来の及び／又は自律車両と組み合わせて使用され得る本発明の詳細な説明代替実施例
Ａ．図１３〜２１
図１３は、ＧＰＳ信号が利用不可能な大都市をナビゲートする乗用車を示す。基準センサは、このナビゲーションを強化する。図１３はまた、地面に対して基本的に水平移動するビームを用いて他の車両又はオブジェクトを探査することによって危険に関するローカル・ナビゲーション情報を提供するエリア・センサを示す。

図１４は、旋回で制御を失い、次に回復する、乗用車を示す。ＩＭＵ、カメラなどのように既に利用可能な他のセンサとともに、基準及びエリア・センサの我々のシステムは、乗用車が、乗用車がどこで回転及び並進しているかを常に把握し、したがって、乗用車の制御機構を使用して安全に回復することを可能にするので、この制御回復が可能となる。

図１５は、図１３に示された車両で使用され得るディスプレイを示す。

図１６は、図１４に示された車両で使用され得るもう１つのディスプレイを示す。

図１７は、交差点の近くにある車両の場所、速度及び方向の測定を表す。自律乗用車は、より優れた交通の流れの管理を可能にするために、外部ソースからこのようなデータを受信する能力を有する。

図１８は、フロント及びリヤ・ウインドウ・ガラスの最上部に搭載されたエリア・センサの視野を側面図によって示す。

図１９は、フロント及びリヤ・ウインドウ・ガラスの最上部に搭載されたエリア・センサの視野を上面図によって示す。

図２０は、状況認識及び危険回避と結合された車両の図である。

図２１は、船の甲板のような移動するプラットフォームに着陸するために使用される基準センサを示す。それは、ヘリコプタに対する甲板の距離及び速度を追跡することによって制御システムが軟着陸を達成することを可能にする。

Ｂ．代替実施例の概説
図１３〜２１は、本発明の代替実施例の適用例の概略的なイラストレーションを提供する。図１３〜２０は、地面の上、近く又は下を一般的に進む、並進する又は他の方法で移動する車両１２に関し、一方、図２１は、水上輸送及び航空機１２の相互作用に関する。図１３〜２１に示された及び発明を実施するための形態のセクションＩＩに記載されたすべての車両１２、たとえば、乗用車、バス、トラック、列車、地下鉄又は他の地表近くの輸送機関、は、図１〜１２に示された及び発明を実施するための形態のセクションＩ、ＩＩ、ＩＩＩ及びＩＶに記載された本発明の要素の何らかの組合せを使用し得る。

図１３〜２１に示された及び発明を実施するための形態のセクションＶに記載されたすべての車両１２は、図１〜１２に示された及び発明を実施するための形態のセクションＩ、ＩＩ、ＩＩＩ及びＩＶに記載された本発明の要素の実装形態及びそのような要素との組合せを介してのみ得られる従来の及び／又は自動運転の車両のユーザへの特定の高度ナビゲーションの利益を提供する。

自動車及びトラックなどの地上車両の場合に、図１〜１２に示されたナビゲーション・システム・ハードウェアの様々な実装形態及び／又は変更形態が、エンジンの近く、客車内、貨物保管場所内、又は何らか他の適切な空間内にインストールされ得る。このナビゲーション・システム・ハードウェアは、伝導ケーブル、ファイバ、ワイヤレス・リンク、又は他の適切なデータ経路によってセンサ、エミッタ、アンテナ或いは他の送信及び／又は受信要素に接続される。これらのセンサ、エミッタ、アンテナ或いは他の送信及び／又は受信要素のうちのいくつか又はすべては、車両の適切な表面又は構造物に、或いは近隣の表面及び／又は構造物、たとえば、道路、橋、幹線道路、高速道路、堤防、路肩、傾斜路、料金所、歩道、排水暗渠、フェンス、壁、線路、トンネル、駅、プラットフォーム、標識、交通信号、バイク、自転車、歩行者、ペット、動物、駐車場、消火栓、配水塔、建物又は他の施設、備品、器具、機器、ケーブル、ハザード、又はオブジェクトなど、に、搭載する、組み込む、或いは他の方法で添える、連結する、又は取り付けることができる。

他の車両システム（自律、運転補助又は他の方法）は、前方衝突警報、自動ブレーキ、車線逸脱警報、車線逸脱防止、死角検出、適応型ヘッド・ライト、及び車両の動的限界に至るまでのすべての運転状況に対処するために先進制御技術を使用する自動運転システムを含む、本発明の実施例と組み合わせて使用され得ることが、理解されよう。

場所及びナビゲーション判定のためのＡＲＶＳ及びＮＲＳからの組み合された信号の使用に加えて、２つのそれぞれのシステムはまた、他方に利益をもたらすことが理解されよう。１）ＡＲＶＳは、絶対的場所に関するより優れた情報を提供する知られているオブジェクトを識別することができ、２）ＡＲＶＳはまた、知られていないオブジェクトを識別し、それを回避するのを助け、その結果として、最適経路の判定を助けることができるので、ＮＲＳ単独でのナビゲーションを改善するため、ＡＲＶＳは、ＮＲＳの性能を向上させる。

ＮＲＳとともに、１）ＡＲＶＳは、オブジェクト及び危険の絶対的位置を判定し、それによって、後で、たとえば帰路に、又は別の車両によって使用することができるマッピングに貢献することができ、２）ＮＲＳはまた、ＡＲＶＳにコンテキストを提供して、よりスマートな環境のスキャンを可能にするので、ＮＲＳは、ＡＲＶＳを改良する。よりスマートな環境のスキャンは、より高速で、より安価で、より小さく、より優れ、より低電力で、より正確で、設計者によって必要とされるやり方でセンサ・システムのゴールを達成するという意味で、よりスマートになり得る。自律車両の今日の主要課題のうちの１つは、処理される必要がある大量の情報（金銭、電力、重量を要する）である。よりスマートなスキャンは、安全で高信頼のオペレーションのためにおこなわれる必要がある処理の量を減らすことができる。

特許請求の範囲
本発明は、１つ又は複数の好ましい実施例を参照して詳細に説明されているが、様々な修正及び強化が、以下の特許請求の趣旨及び範囲を逸脱することなしに、おこなわれ得ることが、本発明に関連する当業者には理解されよう。ＧＰＳ拒否環境のためのナビゲーション・システムを提供するための様々な代替手段が、前述で開示されており、本発明の好ましい実施例に関して読者に伝えることを意図されており、本発明又は特許請求の範囲の制限を強いることは意図されていない。

本出願は、米国特許出願第１５／９３２６３９号の優先権を主張し、その内容、及びともに提出される要約書の内容は、その全部が本明細書に組み込まれる。

ＧＰＳ拒否環境のためのナビゲーション・システムは、ＧＰＳ拒否環境において位置、向き、場所、高度、ベロシティ、加速度又は他の測地、較正若しくは測定情報を取得するための装置及び方法を提供することになる。本発明は、軍事ユーザのための、並びに航空及び地上輸送産業の人々への固有の利益をもたらすことになる。

ＥＴ敵部隊
ＨＺ敵軍のゾーン
ＬＳ着陸地点
ＭＢ軍事基地
ＭＲ山岳地帯
Ｓ衛星
１０ＧＰＳ拒否環境におけるナビゲーション・システム
１２車両
１４地面の部分
１６飛行経路
１８一般化されたセンサ・システム基準枠：３次元
２０目標
２２ユニバーサル基準枠
２４３次元における車両基準枠
２６３次元における目標基準枠
２７一般化されたセンサ・システム基準枠：２次元
２８２次元における車両基準枠
３０２次元における目標基準枠
３２一般化車両の概略図
３４場所プロセッサ
３６進行方向センサ
３８絶対的場所センサ
４０タイマ
４２範囲ドップラ・プロセッサ
４４ナビゲーション基準センサ
４６エリア範囲及びベロシティ・センサ
４８狭線幅エミッタ
５０波形発生器
５２送信器
５４ローカル・オシレータ
５６送信／受信ボアサイト
５８受信器
６０静的ビーム・ディレクタ
６２静的ビーム・ディレクタからのビーム
６４狭線幅エミッタ
６６波形発生器
６８送信器
７０ローカル・オシレータ
７２送信／受信ボアサイト
７４受信器
７６動的ビーム・ディレクタ
７８動的ビーム・ディレクタからのビーム
７９範囲ドップラ・プロセッサの流れ図
８２受信器出力を復調する
８４スペクトル成分を判定する
８６雑音から信号周波数を区別する
８８信号周波数からベロシティを取得する
９０信号周波数から距離を取得する
９２範囲及びベロシティ周波数を工学単位に変換する
９４データを場所プロセッサに送る
９６場所プロセッサの流れ図
９８ユニバーサル基準枠の範囲及びベロシティを取得する
１００センサ枠に対するユニバーサル基準枠の姿勢及び進行方向を取得する
１０２車両枠（重心）にセンサ・ケース枠の並進／回転変換を適用する
１０４ユニバーサル基準枠に対する車両枠の並進／回転変換を適用する
１０６車両基準枠における目標の範囲及びベロシティを取得する
１０８車両基準枠に対する目標の姿勢及び進行方向を取得する
１１０車両枠（重心）にセンサ・ケース枠の並進／回転変換を適用する
１１２ユニバーサル基準枠に対する目標の並進／回転変換を適用する
１１４パイロット／ナビゲータ・ディスプレイ
１１６比表面ベロシティ：Ｖｘ
１１８比表面ベロシティ：Ｖｙ
１１９比表面ベロシティ：Ｖｚ
１２０比表面高度
１２２飛行経路角度
１２４ベロシティ
１２６攻撃の角度
１２８比表面ピッチ角度
１３０ナビゲーション属性
１３２横滑り角度
１３４比表面ロール角度
１３６コヒーレント・ライダ方法
１３８狭線幅エミッタ
１４０波形発生器が、変調エミッタ出力を生み出す
１４２２つのパスに分けられた変調エミッタ出力
１４４送信器波形が増幅される
１４６ローカル・オシレータ波形が、受信器に中継される
１４８波形が目標に送信され、戻りのビームがビーム・ディレクタによって受信される
１５０受信信号が、ローカル・オシレータで混合される
１５２信号が、距離及びベロシティを取得するために、処理される
１５４データが場所プロセッサに提供される
１５６現在の場所を判定するためのアルゴリズム
１５８内部又は外部ソースから現在の位置を取得する
１６０車両の時計及び移動を開始する
１６２進行方向を判定する
１６４ＮＲＳが車両ベロシティを測定する
１６６ＡＲＶＳがオブジェクトの範囲及び相対速度を測定する
１６８車両の新しい位置を計算する
１７０他のオブジェクトの新しい位置を計算する
１７２ＧＮ＆Ｃコンピュータにデータを送る

Claims

車両のためのナビゲーション・データを提供するための装置であって、
狭線幅エミッタと、
動的ビーム・ディレクタであり、前記狭線幅エミッタは、変調された連続波信号を前記動的ビーム・ディレクタを介して目標に向けて放射するように構成される、動的ビーム・ディレクタと、
前記放射された信号の反射を受信するように構成されるエリア範囲及びベロシティ・センサと
を備え、前記エリア範囲及びベロシティ・センサが、前記目標から戻る前記反射の周波数を測定し、前記目標に対する前記車両の範囲及びベロシティを判定するように構成される、装置。
さらなる狭線幅エミッタと、
静的ビーム・ディレクタであり、前記さらなる狭線幅エミッタは、第２の連続波信号を前記静的ビーム・ディレクタを介してユニバーサル基準面に向けて放射するように構成される、静的ビーム・ディレクタと、
前記第２の放射された信号の反射を受信し、前記ユニバーサル基準面に対する前記車両のベロシティを判定するように構成されるナビゲーション基準センサと
をさらに備える、請求項１に記載の装置。
前記第２の連続波信号が、変調されていない、請求項２に記載の装置。
複数のさらなる狭ビーム線幅エミッタを備え、前記さらなる狭ビーム線幅エミッタの数は、前記車両の動きの自由度に依存する、請求項２又は３に記載の装置。
前記さらなる狭ビーム・エミッタのうちの少なくとも１つが、変調された連続波信号を静的ビーム・ディレクタを介して前記ユニバーサル基準面に向けて放射するように構成され、前記ナビゲーション基準センサが、前記変調された信号の反射を受信し、前記ユニバーサル基準面に対する前記車両の距離を判定するように構成される、請求項４に記載の装置。
前記又は各センサが、前記反射された信号におけるドップラ効果からの周波数偏移を測定するように構成される、請求項１から５までのいずれか一項に記載の装置。
前記エリア範囲ベロシティ・センサが、コヒーレント受信器を備える、請求項１から６までのいずれか一項に記載の装置。
前記エリア範囲ベロシティ・センサが、１０：１以上の信号対雑音比を有する、請求項１から７までのいずれか一項に記載の装置。
前記又は各センサが、前記エミッタと照準を合わせられる、請求項１から８までのいずれか一項に記載の装置。
前記又は各エミッタが、１００ｋＨｚ以下の線幅を有する、請求項１から９までのいずれか一項に記載の装置。
前記又は各エミッタが、レーザーである、請求項１から１０までのいずれか一項に記載の装置。
前記又は各エミッタが、コヒーレント・ライダ・システムである、請求項１から１１までのいずれか一項に記載の装置。
前記ナビゲーション基準センサからのベロシティ・データ、前記エリア範囲及びベロシティ・センサからの前記目標の範囲及びベロシティ・データ、時計からのタイミング・データ並びに前記車両の最初の場所のデータを受信するように構成される場所プロセッサをさらに備え、前記場所プロセッサが、前記受信データに応じて目的地へのナビゲーション・データを計算するように構成される、請求項２に依存する場合の、請求項１から１２までのいずれか一項に記載の装置。
車両のためのナビゲーション・データを提供するための方法であって、前記車両が車両基準面を有している方法において、
前記車両において狭線幅エミッタ、動的ビーム・ディレクタ及び受信器を設けることと、
変調された連続波信号を、前記狭線幅エミッタによって、前記動的ビーム・ディレクタを介して目標に向けて放射することと、
前記放射された信号の反射を前記受信器によって受信することであり、前記受信器が、前記車両基準面に対する知られている関係を有するセンサ基準面を有している、受信することと、
前記受信器で受信された前記目標から戻る前記反射の周波数を測定し、前記センサ基準面と前記車両基準面に応じて前記目標に対する前記車両の範囲及びベロシティを判定することと
を含む、方法。
前記車両において、さらなる狭線幅エミッタ、静的ビーム・ディレクタ及びさらなる受信器を設けることと、
変調されていない連続波信号を、前記さらなる狭線幅エミッタによって、前記静的ビーム・ディレクタを介してユニバーサル基準面に向けて放射することと、
前記さらなる受信器において、前記第２の放射された信号の反射を受信することと、
前記ユニバーサル基準面に対する前記車両のベロシティを判定することと
をさらに含む、請求項１４に記載の方法。
前記車両において、複数のさらなる狭ビーム線幅エミッタを設けることをさらに含み、前記さらなる狭ビーム線幅エミッタの数は、前記車両の動きの自由度に依存する、請求項１５に記載の方法。
前記さらなるエミッタのうちの少なくとも１つのエミッタの前記連続波信号を変調すること及び前記変調された信号を静的ビーム・ディレクタを介して前記ユニバーサル基準面へと向けることと、
前記変調された信号の反射を前記又はさらなる受信器において受信すること、及び前記ユニバーサル基準面に対する前記車両の距離を判定することと
をさらに含む、請求項１６に記載の方法。
ＧＰＳ拒否環境において車両にナビゲーション情報を提供するための装置であって、前記車両が、車両基準面を有し、ユニバーサル基準面に対して測定された場所を有する装置において、
狭線幅エミッタと、
静的ビーム・ディレクタであり、前記第１の狭線幅エミッタは、前記ユニバーサル基準枠において前記静的ビーム・ディレクタを介して信号を放射するためのソースとして使用される、静的ビーム・ディレクタと、
第２の狭線幅エミッタと、
動的ビーム・ディレクタであり、前記第２の狭線幅エミッタは、目標の近くで移動することを回避するために、前記動的ビーム・ディレクタを介して前記目標に向けて信号を放射するように構成され、前記目標は、目標基準面を有する、動的ビーム・ディレクタと、
前記ユニバーサル基準枠に対する前記車両の方向を判定するように構成される進行方向センサと、
ガイダンス及びナビゲーション計算を確実にするための前記車両の最初の場所の航行位置を提供するように構成される絶対的場所センサと、
２つの時間間隔の間の経過時間の測定を提供するように構成されるタイマと、
前記ユニバーサル基準枠に対する前記車両の範囲及びベロシティを測定するように構成される基準範囲及びベロシティ・センサであり、センサ基準枠を有する、基準範囲及びベロシティ・センサと、
前記目標に対する前記車両の範囲及びベロシティを測定するように構成されるエリア範囲及びベロシティ・センサであり、センサ基準枠を有する、エリア範囲及びベロシティ・センサと、
前記基準範囲及びベロシティ・センサと前記エリア範囲及びベロシティ・センサとによって提供される測定結果から範囲及びベロシティを判定するように構成される範囲ドップラ・プロセッサであり、前記ベロシティ・センサと前記エリア範囲及びベロシティ・センサとに接続される、範囲ドップラ・プロセッサと、
場所プロセッサであり、前記進行方向センサ、前記絶対的場所センサ、前記タイマ、前記範囲ドップラ・プロセッサが、それぞれ前記車両に搭載されて運ばれ、それぞれが前記場所プロセッサに接続され、前記場所プロセッサにデータを提供するように構成される、場所プロセッサと、
を備え、前記場所プロセッサが、
前記ユニバーサル基準枠に対する前記車両の前記範囲及びベロシティと、
前記目標基準枠に対する前記車両の前記範囲及びベロシティと、
前記ユニバーサル基準枠に対する前記目標基準枠の範囲及びベロシティと、
進行方向、範囲、ベロシティ及びタイミングの結合された表現並びに前の場所データと、
前記車両及び前記目標の現在の場所と
のうちの１つ又は複数を生成するように構成される、装置。
前記基準範囲及びベロシティ・センサが、ドップラ・ライダ・システムである、請求項１８に記載の装置。
車両のためのナビゲーション情報を提供するための装置であって、前記車両が、車両基準面を有し、ユニバーサル基準面に対して測定された場所を有する装置において、
第１の狭線幅エミッタと、
第２の狭線幅エミッタと、
動的ビーム・ディレクタであり、前記第２の狭線幅エミッタは、目標の近くで移動することを回避するために、前記動的ビーム・ディレクタを介して前記目標に向けて信号を放射する、動的ビーム・ディレクタと、
前記ユニバーサル基準枠に対する前記車両の方向を判定するための進行方向センサと、
ガイダンス及びナビゲーション計算を確実にするための最初の場所の航行位置を提供する絶対的場所センサと、
２つの時間間隔の間の経過時間を測定するためのタイマと、
前記ユニバーサル基準枠に対する前記車両の範囲及びベロシティを測定するための基準範囲及びベロシティ・センサであり、センサ基準枠を有する、基準範囲及びベロシティ・センサと、
前記目標に対する前記車両の範囲及びベロシティを測定するためのエリア範囲及びベロシティ・センサであり、センサ基準枠を有する、エリア範囲及びベロシティ・センサと、
前記基準範囲及びベロシティ・センサと前記エリア範囲及びベロシティ・センサとによって提供される測定結果から範囲及びベロシティを判定するための範囲ドップラ・プロセッサであり、前記ベロシティ・センサと前記エリア範囲及びベロシティ・センサとに接続される、範囲ドップラ・プロセッサと、
場所プロセッサであり、前記進行方向センサ、前記絶対的場所センサ、前記タイマ、前記範囲ドップラ・プロセッサが、それぞれ前記車両に搭載されて運ばれ、それぞれが前記場所プロセッサに接続される、場所プロセッサと、
を備え得、
前記場所プロセッサが、そこにデータを提供するように構成され、
前記場所プロセッサが、
前記ユニバーサル基準枠に対する前記車両の前記範囲及びベロシティと、
前記目標基準枠に対する前記車両の前記範囲及びベロシティと、
前記ユニバーサル基準枠に対する前記目標基準枠の範囲及びベロシティと、
進行方向、範囲、ベロシティ及びタイミングの結合された表現並びに前の場所データと、
前記車両及び前記目標の現在の場所と
のうちの１つ又は複数を生成するように構成される、装置。
静的ビーム・ディレクタをさらに備え、前記第１の狭線幅エミッタが、前記ユニバーサル基準枠において前記静的ビーム・ディレクタを介して信号を放射するためのソースとして使用される、請求項２０に記載の装置。