JP2022533675A - リアルタイムキネマティックとグローバル衛星測位を備えた地下ライン測位システム - Google Patents

Abstract

正確なライン位置を提供する正確なライン測位器が提示される。測位器は以下を備える：ハウジング；前記ハウジングに取り付けられたワンドであって、前記ワンドに沿って配置された低周波アンテナのアレイを含み、前記低周波アンテナのアレイは前記ライン測位器システムの電磁ロケート軸線を規定する、ワンド；前記ハウジングに取り付けられたリアルタイムキネマティック（ＲＴＫ）全地球航法衛星（ＧＮＳＳ）アンテナ；前記ハウジング内に配置されたユーザインターフェース；前記低周波アンテナのアレイ、前記ＲＴＫ ＧＮＳＳアンテナ、および前記ユーザインターフェースに結合された処理回路。前記地下ライン測位器は前記低周波アンテナのアレイからの信号に基づいて、前記地下ラインの測位データを決定し、前記ＲＴＫ ＧＮＳＳアンテナから地下ライン測位器の正確な位置を決定する。【選択図】図１

Description

＜関連出願＞
本出願は、２０１９年５月２２日に出願された米国仮特許出願第６２／８５１，４９８号、および２０２０年５月２１日に出願された米国非仮特許出願第１６／８８０，５９５号の優先権を主張し、それらの全体が参照により本明細書に組み込まれる。

本発明の実施形態は地下ライン位置に関し、特に、リアルタイムキネマティック的およびグローバル衛星測位を備えた地下測位システムに関する。

＜関連技術の説明＞
低周波信号を用いて埋設設備（パイプおよびケーブル）を測位するプロセスはよく知られており、実際の作業として広く採用されている。ライン測位器は、通常、地下設備自身によって生成された時変磁場信号を受信する、離間したアンテナのアレイを含む。このような信号は、別の送信機によって地下設備に対して結合された電流の結果であるか、または例えば、電力線からの地下設備固有のものである場合がある。離間したアンテナのアレイは、例えば特定周波数の磁場を受信する。ライン測位装置内の処理電子部品は、ライン測位システムからの相対的な設備位置を決定する。これは、深度、信号電流、および他の情報を含む。次いで、例えば、地下設備の水平位置および深さをユーザに表示し、いくつかのシステムにおいて、ライン測位器の位置に対する相対位置を記録することができる。

マッピング設備においては、ライン測位システム用のアプリケーションがますます使用されている。地下設備のこれらのマッピングは、可能な限り地理的に正確であることが望ましい。したがって、高精度の位置決め機能を有するライン測位システムを開発する必要がある。

いくつかの実施態様によれば、地下ラインの正確な位置を特定するための正確なライン測位器が提示される。いくつかの実施形態による精密ライン測位器は以下を備える：ハウジング；前記ハウジングに取り付けられたワンドであって、前記ワンドは前記ワンドに沿って配置された低周波アンテナのアレイを有し、前記低周波アンテナのアレイは前記ライン測位システムの電磁測位軸を規定する、前記ワンド；前記ハウジングに取り付けられたリアルタイムキネマティック（ＲＴＫ）全地球航法衛星（ＧＮＳＳ）アンテナ；前記ハウジング内に配置されたユーザインターフェース；
前記低周波アンテナのアレイ、前記ＲＴＫ ＧＮＳＳアンテナ、および前記ユーザインターフェースに結合された処理回路。前記地下ライン測位器は、前記低周波アンテナのアレイからの信号に基づいて、前記地下ラインの位置データを決定し、前記ＲＴＫ ＧＮＳＳアンテナからの前記地下ライン測位器の正確な位置を決定する。

地下ラインの位置を正確に決定する方法は以下を有する：正確なライン測位器によって地下ラインの位置を測位するステップであって、前記正確なライン測位器はワンドに沿って配置された低周波アンテナのアレイを有し、前記低周波アンテナのアレイは電磁測位軸を規定する、ステップ；前記正確なライン測位器を第１の向きに配置するステップ；ライン位置データを決定およびログ保存するステップ；リアルタイムキネマティック（ＲＴＫ）全地球航法衛星（ＧＮＳＳ）アンテナが正確な位置を提供するように配置される第２の向きに、前記正確なライン測位器を配置するステップ；前記ライン位置データを用いて、前記正確な位置を決定およびログ保存するステップ。

これらおよび他の実施形態は、以下の図面に関して以下に説明される。

実施形態に基づく正確な地下ライン測位器を示す図である。

図１に示す正確なライン測位器を用いた正確な地下ライン測位システムの動作を示す

図１に示されるようなライン測位器のいくつかの実施形態の回路を示すブロック図を示す。

図１に示す精密ライン測位器の動作のための正確なロケート位置の補正を例示する幾何学的形状を図示する。

世界磁気モデル磁気偏角線を図示している。

本発明のいくつかの実施形態による精密ライン測位器システムの動作のフローチャートを示す。

図１に示す正確なライン測位器の動作方向を示す。 図１に示す正確なライン測位器の動作方向を示す。

図１に示すライン測位器のいくつかの実施形態に含まれる慣性測定ユニットの動作を図示する。

慣性測定ユニットを含む、図１に示す精密ライン測位器のいくつかの実施形態において測定されたロール、傾斜、およびヨーの測定結果を示す、ユーザインターフェースを図示する。

これらの図は他の実施形態とともに、以下でさらに説明される。

以下の説明では、本発明のいくつかの実施形態を説明する具体的な詳細内容が記載される。しかし、当業者にとって、いくつかの実施形態は、これらの特定の詳細部分のいくつかまたはすべてがなくとも実施できることは明らかであろう。本明細書に開示される特定の実施形態は例示的であることを意図しており、限定的なものではない。当業者は、本明細書においては具体的に説明されていないが、本開示および趣旨の範囲内にある他の要素を理解することができるであろう。

この実施形態は発明の態様を例示し、実施形態は、限定的なものとして解釈されるべきではない。特許請求範囲が保護される発明を定義する。本明細書および特許請求範囲の趣旨および範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。いくつかの例においては、本発明を曖昧にしないために、周知の構造および技法は詳細に示しておらず、または説明していない。

衛星測位システムまたは全地球航法衛星システム（ＧＮＳＳ）における最近の発展は、わずか数ｃｍの位置精度で真のグリッド基準に正確なピンポインティングをすることを可能にする。さらに、リアルタイムキネマティック（ＲＴＫ）は地理空間情報と併用でき、１０ｃｍ ＲＭＳまたはそれ以下の水平精度でリアルタイム－真の「オンザフライ」測位における位置精度を高めることができる（実際の精度は地球の表面にわたって変化し、１０ｃｍは典型的な精度である）。

ケーブル測位システムをＧＮＳＳと組み合わせて測量地図を作成することは、広く採用されている。しかしながら、これらのシステムは、不正確になる傾向がある。本開示による実施形態は、ケーブル測位機器上へＧＮＳＳアンテナを配置することから生じる特定の問題を解決する。特に、ＲＴＫを追加することによって、ＧＮＳＳ対応測位器を使用して位置特定された地下ラインの位置を特定することにともなう不正確さを軽減することができる。

図１は、いくつかの実施形態による、精密ライン測位器１００、またはケーブル測位器具を示す。図１に示す実施形態は、ライン測位アンテナを収容するワンド構造１０２を含むことができる。ライン測位アンテナは、ワンド構造１０２の長さに沿って配置される。ワンド構造１０２は、任意数のライン測位アンテナを収容することができる。ライン測位アンテナは、複数の直交次元において地中から発せられる磁界を測定するように方向付けられ、地下ラインの深さを測定するためにワンド構造１０２に沿って方向付けることができる。いくつかの実施形態において、ワンド構造１０２は６つのアンテナを収容することができる。３つの直交する方向の磁場を測定するために、３つのアンテナの第１セットが、ワンド構造１０２に沿った第１位置に設定される。３つのアンテナの第２セットは、３つの直交方向の磁場を測定するように配置され、ワンド構造１０２に沿った第２位置に設定される。したがって、ワンド構造１０２は、ワンド構造１０２内に収容されるアンテナの第１および第２セットの中心軸に沿って延在する測位軸１１４を画定する。このように構成されたアンテナセットにより、時変磁場を３次元で特徴付けることができ、ワンド構造１０２の測位軸１１４に沿った２つの別個の位置における磁場の差異は、検出された地下ラインの深さおよび向きを決定するための情報を提供する。典型的には、ワンド構造１０２内に収容されるアンテナは、周知の技術である低周波ケーブル検出のために設計される。

精密ライン測位器１００はさらに、衛星復号用のＲＴＫ ＧＮＳＳ高周波アンテナ１０８を有する。ＲＴＫ ＧＮＳＳアンテナ１０８は、高忠実度アンテナである。ＲＴＫシステムと併せて使用するための位相感度測定を実行して、アンテナ１０８の正確な地理的精度測定を決定する要求があるからである。

図１によれば、精密ライン測位器１００は、ユーザが精密ライン測位器１００を測位すべき地下ラインの上で通過させるときユーザがシステム１００を保持するために使用することができるハンドグリップ１１０を有する。さらに、精度ライン測位器は、使用中にユーザから入力を受け取り、ユーザに対してデータを提供するユーザインターフェース１０４を有する。ユーザインターフェース１０４は、ユーザが使用しやすいように、精密ライン測位器１００内に配置される。さらに、ライン測位器１００の動作を実行するために、回路１０６を精密ライン測位器１００内に配置することができる。

図１に示す特定の例に示されるように、ハウジング１１２は、便宜性および機能性のために提供され、成形される。回路１０６およびユーザインタフェース１０４は、ハウジング１１２内に取り付けることができる。ハンドグリップ１１０は、ハウジング１１２の形状に形成してもよい。ＲＴＫ ＧＮＳＳアンテナ１０８およびワンド構造１０２は、ハウジング１１２に対して取り付けられる。ハウジング１１２は、ユーザが精密測位器１００を取り扱いながら、測位器１００を地下ライン上で通過させることができるように成形されている。ハウジング１１２は、測位器軸１１４とＲＴＫ ＧＮＳＳアンテナ１０８との間のハウジング１１２に沿った測位器前方軸１１６を画定する。

図２は、実施形態に基く精密ライン測位器１００を含む精密ライン測位システム２００の機能的動作を示している。図２に示されるように、精密ライン測位器１００は、地表２０８からある距離だけ下に埋設された埋設ライン２０６の上に配置される。埋設ライン２０６は、通常、ライン２０６に対してＡＣ信号を伝達する送信機２０４と結合される。いくつかの用途、例えば、電力線においては、ライン２０６は別のソースからの信号を搬送することができる。多くの場合、送信機２０４によってライン２０６に対して伝達されたＡＣ信号は、精密ライン測位器１００によって検出される特定の周波数のものである。ワンド構造１０２内に収容される受信機アンテナ２０２は、地下ライン２０６上のＡＣ信号によって生成される磁界を検出する。精密ライン測位器１００は、ライン２０６によって生成された磁界から生じるアンテナ２０２からの信号を使用して、測位器１００に対するライン２０６の位置を決定することができる。

いくつかの実施形態によれば、精密ライン測位器１００に接続されるＲＴＫ ＧＮＳＳアンテナ１０８の正確な位置は、ＲＴＫ ＧＮＳＳアンテナ１０８によって決定される。その結果、地下ライン２０６の位置が精密ライン測位器１００によって測位されると、精密ライン測位器１００の正確な位置は、ＲＴＫ ＧＮＳＳアンテナ１０８によって決定される。その結果、ライン２０６の正確な地理的位置を決定し、記録することができる。ライン２０６のマッピングは、ライン２０６上の多数の位置にわたるライン２０６の正確な地理的位置を決定することによって実行することができる。

リアルタイムキネマティック（ＲＴＫ）測位は、ＲＴＫ ＧＮＳＳアンテナ１０８における精密測位データを強化するために提唱された衛星航法技術のことである。ＲＴＫ測位は、ＲＴＫ ＧＮＳＳアンテナ１０８と組み合わせた固定受信機２１２を採用する。固定受信機２１２およびＲＴＫ ＧＮＳＳ受信機１０８の各々は複数の全地球測位衛星２１０と通信しており、そのうちの衛星２１０－１～２１０－Ｎが図示されている。

周知のように、固定受信機２１２または受信機１０８などの受信機間の距離は、信号が衛星から受信機に到達するのにかかる時間を計算することによって決定することができる。この遅延は、衛星信号において送信される情報に基づいて計算できる。受信機と多数の衛星との間の距離の計算、および衛星の既知の位置により、受信機の正確な位置を決定することができる。しかしながら、達成され得る精度は例えば、大気条件または信号との他の干渉に基づく移動時間などを含む条件に応じて、１メートル以上に制限される。

ＲＴＫ測位は同じ一般概念に従うが、１ｃｍ以下の位置精度を提供するために、固定受信機２１２とともに衛星２１０－１～２１０－Ｎの各々からの搬送波信号を使用する。特に、ＲＴＫは、衛星２１０－１から２１０－Ｎの各々からの衛星信号の搬送波を使用して、基地局２１２の位置を精緻化する。基地局２１２は従来方法の測位によって、および搬送波の位相シフトに基づく決定によって、位置に対する補正を決定し、ＲＴＫ ＧＮＳＳ受信機１０８に対してその位置補正を送信する。特に、ＲＴＫ ＧＮＳＳ １０８および基地局２１２の各々は位相差を測定し、ＲＴＫ ＧＮＳＳ １０８は基地局２１２によって測定された位相差を受信して、その測定によって決定された位相差と比較して補正を決定する。

その結果、ＲＴＫ ＧＮＳＳアンテナ１０８は、標準的な全地球測位のコードベースの測位ではなく、リアルタイムキネマティック的手法を使用するシステムとともに使用される。ＲＴＫはキャリアベースの測距を使用し、コードベースの測位によって利用可能なものよりも桁違いに正確な距離（したがって位置）を提供する技法である。

実際には、ＲＴＫシステムは、移動局とともに既知の位置に配置された単一基地局受信機２１２を使用する。このアプリケーションにおいては精密測位システム１００のＲＴＫアンテナ１０８である。基地局２１２は自身が観測する搬送波の位相を再ブロードキャストし、ＲＴＫアンテナ１０８は自身の位相測定値を基地局から受信したものと比較する。これにより、精密測位システム１００のＲＴＫアンテナ１０８は場合によってはミリメートル以内の高精度で、基地局２１２に対するその相対位置を計算することができる。この場合、実際の位置は、基地局２１２の位置の精度内であり、水平方向に１センチメートル±１ｐｐｍ以内、垂直方向に２センチメートル±１ｐｐｍ以内まで正確である。これは、１キロメートルに対して±１ｃｍの精度に換算される。いくつかの実施形態において、基地局２１２は、公衆ＲＴＫ ＮＴＲＩＰ（Ｎｅｔｗｏｒｋｅｄ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｏｆ Ｒａｄｉｏ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ ｆｏｒ Ｍａｒｉｔｉｍｅ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ（ＲＴＣＭ）ｖｉａ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）基地局のうちの１つとすることができる。このような精度は、地下設備の位置をマッピングするために精密ライン位置特定システム１００に組み込まれる場合において、非常に価値が高い。

測位器システム１００上のＲＴＫ ＧＮＳＳアンテナ１０８の位置は、精密ライン測位器システム１００の動作にとって非常に重要である。ＲＴＫ ＧＮＳＳアンテナ１０８は精密ライン測位器システム１００のハウジング１１２上の任意の場所に取り付けることができるが、良好な動作のために、ＲＴＫ ＧＮＳＳアンテナ１０８は上空を障害物なしで見ることができるように配置することができる。ＲＴＫ ＧＮＳＳアンテナ１０８ が妨害されていると、正確な位置固定ができない場合がある。したがって、多くの実施形態において、ＲＴＫ ＧＮＳＳアンテナ１０８は測位軸１１４から距離Ｒだけ離れて取り付けられる。

ＧＮＳＳ受信機のいくつかの既存の用途は、オペレータの頭部の上方に受信機を配置するように高延長マスト上に受信機を取り付けることを含む。しかしながら、このような配置は、取り扱いが非常に不便であるので、ライン測位システムにおいてはうまく機能しない。以前はライン測位システムに組み込まれていなかったが、ＲＴＫ ＧＮＳＳ受信機は測量装置のようなシステムにおいて使用されてきた。これらのシステムは、高延長マストを使用して、ＲＴＫ ＧＮＳＳアンテナが任意のユーザの頭部の高さを確実に超えるようにする。このようなシステムは良好に機能するが、ケーブル測位器システムにおいて使用するには不便であり、実用的ではない。

ワンド１０２の測位軸１１４（図１に示された位置Ｂ）と直接整合するハウジング１１２上の位置にＲＴＫ ＧＮＳＳアンテナ１０８を配置するが、これはアンテナ２０２と整列しており、その位置は理想的ではない場合がある。図１「Ｂ」とマークされた位置にＲＴＫ ＧＮＳＳアンテナ１０８を配置すると、ユーザの相対的な位置のために上空が著しく不明瞭になる可能性があり、これは、共通の用語で「人間のシャドウイング」と呼ばれる効果である。実用的ではないが、位置ＢはＲＴＫ ＧＮＳＳアンテナ１０８が測位軸１１４として示された測位器の固有電磁軸（低周波アンテナ２０２のアレイによって定義される）と同じ垂直軸上に位置合わせされることを確実にし、この位置はＲＴＫ ＧＮＳＳアンテナ１０８を不明瞭にする結果となり、測位器１００の正確な測位機能に対してマイナスの影響を与えるか、またはライン測位器１００が正確なライン測位器として動作することを不能にする可能性もある。

その結果、本開示による実施形態において、オペレータがグリップ１１０によってライン測位器１００を取り扱っている間に上空を明瞭に見ることができ、ライン測位器１００のオペレータによって陰になる可能性が低いハウジング１１２上の位置に、ＲＴＫ ＧＮＳＳアンテナ１０８が配置される。図１に示すように、ＲＴＫ ＧＮＳＳアンテナ１０８の位置を特定すると、例えば、精密ライン測位器１００上のハウジング１１２の位置Ａに接続することができる。上記の点を考慮すると、位置「Ａ」は実行可能な選択肢であり、精密ライン測位器１００を操作するための人間工学的デザイン全体に対してわずかな影響しか及ぼさないという結論につながる。ただし、ＲＴＫ ＧＮＳＳアンテナ１０８を位置「Ａ」に配置すると、別の固有エラーが発生する。これについては後述する。すなわち、ＲＴＫ ＧＮＳＳアンテナ１０８は、ワンド１０２内に取り付けられたアンテナ２０２によって定義される精密ライン測位器１００の電磁測位器軸１１４から外れている。

図３は、図１に示す精密ライン測位システム１００の回路１０６を示す例示的なブロック図３００を示す。図２に示されるように、回路１０６は、処理回路３０２を含む。処理回路３０２は、電子機器、メモリ、プロセッサ、マイクロコンピュータ、マイクロコントローラ、または後述するようにデータを受信し、処理する他のデバイスの任意の組み合わせとすることができる。具体的には、処理回路３０２は、メモリに記憶された命令を実行する少なくとも１つのプロセッサを含むことができる。メモリは以下でさらに説明するように、１つまたは複数の地下ライン２０６の位置を正確に測位しマッピングするために実行される命令およびデータを記憶する、揮発性メモリと不揮発性メモリとの組み合わせを含む。マッピングの間に指示されると、処理回路３０２は、地下ライン２０６に沿った１つまたは複数の位置にわたって、測位器からの位置情報（深度、電流、磁場強度、横方向オフセットなど）をログ保存し、ＲＴＫ ＧＮＳＳアンテナ１０８からの正確な位置情報をログ保存し、これにより、地下ライン２０６の位置の正確なマッピングを格納する。このマッピングは、地理的エリアにわたって設備を完全にマッピングするために、２つ以上の地下ラインにわたって実行されてもよい。

図３に示すように、処理回路３０２は、ユーザインタフェース１０４からデータを受信する。ユーザインターフェース１０４は、ハウジング１１２内に取り付けられた任意のユーザインターフェースとすることができる。ユーザインターフェース１０４は例えば、ディスプレイスクリーンを含むことができる。ディスプレイスクリーンは例えば、タッチスクリーン、配置された物理的ボタン、スピーカ、マイクロフォン、および／または、処理回路３０２が精密ライン測位器１００のオペレータに対して情報を提供することを可能にし、オペレータがパラメータを入力することを可能にするその他のデバイスとすることができる。このようなパラメータは例えば、精密ライン測位器１００の動作パラメータを構成するために、またはディスプレイ構成動作を制御するために使用することができる。さらに、ユーザインターフェース１０４は、ユーザがＲＴＫ ＧＮＳＳアンテナ１０８によって測定される地下ラインのマーキングおよび精密位置の記録を指示することを可能にすることができる。さらに、ユーザインターフェース１０４は、記憶されたデータの送信、処理回路３０２のメモリに記憶された命令の更新、または他の機能の実行のための別のデバイスへのインターフェースを含むことができる。実施形態において、ユーザインターフェース１０４は、精密ライン測位器１００のアップロードおよびダウンロード機能を実行するために、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈまたはその他の通信規格などの無線通信インターフェースを含んでもよい。いくつかの実施形態において、例えば、ＵＳＢインターフェースなどの物理インターフェースを利用して、精密ライン測位器１００からデータをダウンロードするか、または精度ライン測位器１００に対してデータをアップロードすることができる。いくつかの実施形態において、ユーザインターフェース１０４はローカルエリアネットワークへの無線接続のためのインターフェースを含むことができ、および／または、例えば地下設備をマッピングするための、クラウドベースのサービスとの通信のためのセルサービスを含むことができる。

処理回路３０２はまた、受信機アンテナ２０２を含む低周波アンテナ回路３０８に対して結合される。低周波アンテナ回路３０８は、受信機アンテナ２０２としてコイルアンテナを含むことができる。コイルアンテナは、送信機２０４による地下ライン２０６上への信号送信の結果として、または地下ライン２０６内でもとより搬送される信号（例えば電力線信号）によって、地下ライン２０６内で生成される時間変動磁界を測定することができる。処理回路３０２は、場合によっては、アンテナ３０８の構成を制御するためにデジタル信号を提供してもよい。低周波アンテナ回路３０８は、受信機アンテナ２０２から信号を受信し、デジタル化された受信機信号を処理回路３０２に供給するための、回路を含む。例えば、アンテナ回路３０８は、アナログフィルタリングおよびデジタル信号を供給するように構成されたアナログ－デジタル変換器を含む。次に、アンテナ回路３０８は、受信機アンテナ２０２の各々からの磁界強度を示すデジタル化された信号を処理回路３０２に対して供給する。

サポート回路３０４は、測位器１００とともにさらに使用される任意の回路、例えば、電力制御回路または任意のアナログ－デジタルまたはデジタル－アナログ回路、アナログ信号のフィルタリング、その他の動作を含んでもよい。

いくつかの実施形態において、処理回路３０２は慣性測定ユニット３０６に対して結合される。ＩＭＵ３０６は、精密ライン測位器１００の加速度および向きの測定を可能にする加速度計、ジャイロスコープ、および／または磁力計の組み合わせを含むことができる。一般にＩＭＵ３０６は、精密ライン測位器１００における軸セットに関する加速度を測定するために、任意の数の加速度計、ジャイロスコープ、および／または磁力計を含むことができる。例えば、ＩＭＵ３０６は、３つの直交軸に沿った加速度を測定するように配置された３つの加速度計と、３つの直交軸のそれぞれの周りの角加速度を測定するように配置された３つのジャイロスコープとを含むことができる。いくつかの実施形態において、ＩＭＵ３０６は、３つの直交軸に沿った磁界を測定する磁力計を含んでもよい。ＩＭＵ３０６からの加速度データは、精密位置センサ１００の現在の向きを決定することができる処理回路３０２に対してデジタル的に提供される。いくつかの実施形態において、向きは測位軸１１４および測位軸１１６に対して決定されてもよい。

処理回路３０２はまた、ＲＴＫ ＧＮＳＳアンテナ１０８に対して結合される。ＲＴＫ ＧＮＳＳアンテナ１０８は、衛星２１０から衛星信号を受信するためのアンテナおよび受信回路、ならびに、基地局２１２から位相データを受信するためのアンテナおよび受信回路を含む。いくつかの実施形態において、基地局２１２およびＲＴＫ ＧＮＳＳアンテナ１０８は、ＵＨＦ信号通信を使用して通信することができる。しかしながら、基地局２１２からＲＴＫ ＧＮＳＳアンテナ１０８に対してデータを提供するために、任意の通信技術を使用することができる。

ＲＴＫ技術は、衛星２１０からの受信信号および基地局２１２からの位相データに基づいて複雑な計算を要する場合がある。いくつかの実施形態において、上述したように、ＲＴＫ ＧＮＳＳアンテナ１０８は衛星信号にしたがってＲＴＫ ＧＮＳＳアンテナ１０８の正確な位置を決定する検出および処理回路を含む。その場合、ＲＴＫ ＧＮＳＳアンテナ１０８は、正確な位置データを処理回路３０２に対して提供する。いくつかの実施形態において、ＲＴＫ ＧＮＳＳアンテナは、衛星２１０からの受信信号および基地局２１２からの位相データを処理回路３０２に対して提供することができ、処理回路３０２はＲＴＫ ＧＮＳＳアンテナ１０８の正確な位置を計算する。

図４は、図１に示す精密ライン測位器システム１００の具体例を用いて、精密位置測定の幾何学的形状を図示している。図４は真北Ｎに対する精密ライン測位器１００の方向を図示し、磁気軸を規定するワンド１０２が垂直に配置されている。図４に図示される例において、精密ライン測位器１００は、測位器軸１１４が垂直に保持されるように保持され、通常、そのラインの正確な位置がＲＴＫ ＧＮＳＳアンテナ１０８を用いて得られるように配置された地下ライン上にある。

図１および図４に示すように、値Ｒは、測位器軸１１４（磁気軸とも呼ばれる）とＲＴＫ ＧＮＳＳアンテナ１０８の位置との間隔を表す。角度θは、測位器前方軸１１６と真北との間の角度である。この例において、θは３６０°－ベアリング（例えば、測位器前方軸１１６に沿った前方方向）である。上述のように、測位軸１１４は、低周波数アンテナ形状によって規定される。

図４に図示されるように、ＲＴＫ ＧＮＳＳアンテナ軸と測位軸１１４との間の距離Ｒは、真のグリッド基準に対する誤差を生成し、これは、精密ライン測位器１００の向きに関して任意の角度であり得る。図４に示すように、緯度の誤差および経度の誤差は、真北Ｎの方向およびＲＴＫ ＧＮＳＳ １０８の位置に対して定義される。正確な位置が決定されるスポット上に垂直に測位軸１１４が配置されると、測位器前方軸１１６に沿ったＲＴＫ ＧＮＳＳ １０８から測位軸１１４までの距離Ｒ、および真北Ｎと測位器軸との間の角度θ（真の緯度および経度における誤差）は、以下のように計算することができる：
緯度誤差＝Ｒｃｏｓｉｎｅ（３６０－θ）；
経度誤差＝Ｒｓｉｎｅ（３６０ － θ）。

上記の誤差を補正するための１つの解決策は、角度θを測定し、処理回路３０２で実行されるソフトウェアを使用して補正を適用することである。このような解決策は、真の格子角度基準を確立する正確かつ信頼できる方法を想定している。いくつかの実施形態において、ＩＭＵ３０６は、一般に真北（角度基準）の数度以内である地球の磁場を測定するために使用可能なフラックスゲート磁力計を含むことができる。この方法は良好に機能することができるが、信頼性があると見なすことはできない。

１つの問題は、磁気偏角の変化である。磁気偏角は真の北Ｎと磁北との間の角度のことであり、これは、地球の磁場の局所的な方向である。図５に示すように、磁気偏角は地球の表面にわたって著しく変化する。図５は、Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌ Ｄａｔａ Ｃｅｎｔｅｒ（ＮＧＤＣ）およびＣｏｏｐｅｒａｔｉｖｅ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｆｏｒ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｉｎ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ（ＣＩＲＥＳ）とともに、Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｏｃｅａｎｉｃ ａｎｄ Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ（ＮＯＡＡ）によって開発された、磁気偏角等方線を示すメルカトル地図を示す。輪郭線間隔は２度であり、「Ｒｅｄ」とマークされた線は正の偏角（東方向）を表し、「Ｂｌｕｅ」は負の偏角（西方向）を表し、「Ｇｒｅｅｎ」はゼロ偏角線である。

さらに、駐車車両や他の鉄構造物によって生じる局所的変動は、最大１８０°の角度測定誤差を引き起こす可能性がある。本発明の実施形態は、ライン測位器システム１００がＲＴＫとＲＴＫ ＧＮＳＳアンテナ１０８を用いて、正確な設備位置をｃｍ精度の地理空間データと組み合わせることを可能にする、上記の問題を解決するためのシンプルな方法を提供する。

図６は、精密ライン測位器１００の実施形態を動作させて、地理的エリア上の地下ライン２０６の位置に関するデータをログ記録して地図を形成する方法６００を示す。本明細書に記載のいくつかの実施形態は、上述の固有誤差を補正する単純であるが正確な方法を提示する。上述のように、測位位置は、精密ライン測位器１００のワンド１０２内のアンテナ２０２によって規定される、電磁測位軸１１４に対して規定される。図７Ａおよび図７Ｂは、精密ライン測位器１００に対する地下ライン２０６に関する位置データをまず測位および記録し、次いで精密ライン測位器１００を再配向してＲＴＫ ＧＮＳＳアンテナ１０８とともにライン測位器１００の正確な位置を取得し記録するために、精密ライン測位器１００が方法６００の種々のステップの間にどのように動作されるかを示す。

図６に示すように、ステップ６０２において、精密ライン測位器１００をライン測位器として動作させ、アンテナ２０２を使用して地下ライン２０６の位置を特定する。ライン測位器１００は、精密ライン測位器１００に対して地下ライン２０６の位置を正確に測位することができる。地下ライン２０６が精密ライン測位器１００によって測位されると、ライン測位器１００は、ステップ６０４において地下ライン２０６にわたって第１方向７０４に配置される。

図７Ａはステップ６０４の配向７０４を示す。ここで、底部７０２は地表面２０８上に配置され、測位軸１１４は垂直となるように測位される。方向７０４は、ワンド１０２内のアンテナ２０２を使用して、精密ライン測位器１００によって地下ライン２０６の正確な位置を提供するために使用される。動作中、ユーザはワンド１０２の底部７０２を地面レベル２０８に配置し、測位器軸１１４を垂直に整列させて、精密ライン測位器１００に関する地下ライン２０６の位置決定におけるオフセット誤差を排除する。

測位位置が方向７０４において定義されると、ステップ６０６において、測位情報が記録される。典型的には、この段階でのロギングは、処理回路３０２のメモリに電磁測定値のアレイを記録させる。これらの測定値は例えば、ライン２０６の深さ、測位器１００によって測定されるライン２０６を通る電流、測位軸１１４が地下ライン２０６の真上にないことを示す横方向のオフセット、およびライン測位システム１００に対する設備の故障測定値を含んでもよい。ステップ６０６におけるロギングは、精密ライン測位器１００自身方向７０４にあると判断したとき、またはユーザによってユーザインターフェース１０４上でプロンプトされたときに実施できる。

ステップ６０６において測位情報が記録されると、ステップ６０８において、精密ライン測位器１００は、正確な位置データの記録のために測位器１００を配置するようにユーザに対して促す。図７Ｂは、ＲＴＫ ＧＮＳＳアンテナ１０８を使用して地下ライン２０６の位置の正確な測定を可能にする向き７０６を図示する。方向７０６において、ユーザは、図７Ｂに示すようにＲＴＫ ＧＮＳＳアンテナ１０８が垂直軸７０８と位置合わせされるまで精密ライン測位器１００を後方に傾斜させるように促される。垂直軸７０８は、底部７０２を通って垂直に延びる。ＲＴＫ ＧＮＳＳアンテナ１０８が測位位置の真上にある点において、ＲＴＫ地理空間位置を測定し、ステップ６１０において先に議論した測位測定データとともに測定ログに付加することができる。

向き７０６において、ＲＴＫ ＧＮＳＳアンテナ１０８および定義された測位位置は、この時点で同じ垂直線内にあり、オフセット変位Ｒによって生じる誤差は排除される。したがって、上述の補正式における値Ｒは、上述の補正式において０にセットすることができる。言い換えれば、ＲＴＫ ＧＮＳＳ１０８は測位器軸１１４が測位動作中であった場所と整列され、その結果、Ｒの値は補正計算において０に低減される。

ステップ６１２において、方法６００は、データがそれ以上の位置についてログされるべきか否かを決定する。ログ取得しないのであれば、精密ライン測位器６００はステップ６１４において停止される。ログ取得する場合、ステップ６１６において、精密ライン測位器６００が次の位置に移動され、方法６００はステップ６０２に戻る。このようにして、いくつかの（１つ以上の）位置に対する位置データおよび正確な位置データのマッピングが、処理回路３０２のメモリに記憶される。精密ライン測位器１００自体の幾何学的形状が明確に定義されているので、各記録されたデータを使用して、これらの位置の各々における地下ライン２０６の正確な位置を決定することができる。各位置における地下ライン２０６の正確な位置の計算は後にログデータから行実施することができ、あるいは実施形態によっては、処理回路３０２によって実施できる。

いくつかの実施形態において、慣性測定ユニット（ＩＭＵ）３０６を含めることができる。ＩＭＵ３０６は、図７Ａの位置７０４または図７Ｂの７０６において精密ライン測位器１００を配置する際におけるガイダンスを提供するための有用な機能となり得る。いくつかの例において、ＩＭＵ３０６は、ＭＥＭジャイロおよび加速度計の組み合わせを有する。ＩＭＵ３０６は処理回路３０２の制御下において、図８に示すように、ロール、ピッチ、ヨーのリアルタイム測定値を生成する。いくつかの実施形態において、更新レートは典型的には２６Ｈｚ（最大１００Ｈｚ）であり、測定精度は典型的には±１°以内である。

図８に示すように、ＩＭＵ３０６は、測位軸１１４（Ｚ方向）、前方測位軸１１６（Ｘ方向）、およびＺ方向とＸ方向に対して垂直なＹ方向に沿った加速度を慣性的に測定する。ＩＭＵ３０６はＸ、Ｙ、およびＺの各軸の周りの角度回転加速度をさらに測定する。ＩＭＵ３０６は、Ｘ軸の周り（ロールΦ）の回転加速度、Ｙ軸の周り（ピッチθ）の回転加速度、およびＺ軸の周り（ヨーψ）の回転加速度を測定するジャイロをさらに含む。処理回路３０２はＩＭＵ３０６から加速度データを受け取り、正確なライン測位器１００の方向を計算することができる。

いくつかの実施形態において、測定された角度は、図１に示されるように測位器の上部のハンドルに取り付けられた測位器ユーザインターフェース１０４ディスプレイから参照することができる。したがって、測位位置およびＲＴＫ－ＧＮＳＳアンテナが垂直に同一直線上にある正確な点を感知することが可能である。実際のオフセット（主にピッチ角）は、精密測位器１００の物理的形状サイズによって定義され、固定かつ既知である。

いくつかの実施形態において、整列プロセスにおけるガイダンスは、図９に示すように、ユーザインターフェース１０４上に提供することができる。図９に示すように、ユーザインターフェース１０４は、ユーザ設定（オフ、動的、固定）にしたがって角度補償を示すことができるディスプレイ９０２を含む。ディスプレイ９０２は、現在、動的ユーザ設定を示している。角度補正が「Ｄｙｎａｍｉｃ」ロールの場合、ＩＭＵ３０６からの動的測定にしたがってピッチが更新される。図９は、インジケータ９０４において、３Ｄ加速度計（ＸＬ）から計算されるピッチおよびロールを示し、インジケータ９０６において、３Ｄジャイロスコープ（Ｇ）を示し、インジケータ９０８において、ＸＬ＆Ｇピッチおよびロールの組み合わせの値を示している。さらに、水準器９１０は、重力に対する測位器軸１１４の位置合わせを示す。さらに、ユーザインタフェース１０４は、正確な測位器１００の動作を制御するためのユーザ入力ボタン９１２を含むことができる。いくつかの実施形態において、水準器９１０はコンピュータ生成または機械的水準器であってもよい。水準器９１０は、図７Ａの向き７０４における測位、および図７Ｂに図示される向き７０６における測位を示すように配置されてもよい。

ユーザインターフェース１０４は図９に示されるように配置または配分することができるが、いくつかの実施形態において、正確なＲＴＫ位置のアラインメントに到達したことをユーザに警告するために、「水準器」ウィジェット９１０を含んでもよい。この警報は、正確な位置が測定されるようにし、このデータが上述のように標準的な調査地図データに添付されることを可能にする。いくつかの実施形態において、水準器ウィジェット９１０は図７Ａに図示されるように、向き７０４における整列のための第１レベルを表示し、図７Ｂに図示されるように、向き７０６における整列のための第２レベルを表示してもよい。

いくつかの実施形態において、測位器を正確な共線点に移動させる必要がないことがわかる。ロール、ピッチ、ヨーの３つの慣性測定値が連続的に更新されており、測位器の電磁軸とＲＴＫアンテナの間には既知の三角関係があることを考えると、より小さな変位で十分であると推測することができる。理想的な測位からの変位は、ＩＭＵ３０６からのデータに基づいて、処理回路３０２内の計算によって補正することができる。

上記の詳細な説明は本発明の特定の実施形態を例示するために提供されるものであり、限定することを意図するものではない。本発明の範囲内で多数の変形および修正が可能である。本発明は、以下の特許請求の範囲に記載されている。

Claims (19)

1. 精密ライン測位器であって、
   ハウジング；
   前記ハウジングに対して取り付けられたワンドであって、前記ワンドに沿って配置された低周波アンテナのアレイを有し、前記低周波アンテナのアレイは前記ライン測位器システムの電磁測位軸を画定する、ワンド；
   前記ハウジングに対して取り付けられたリアルタイムキネマティック（ＲＴＫ）全地球航法衛星（ＧＮＳＳ）アンテナ；
   前記ハウジング内に配置されたユーザインターフェース；
   前記低周波アンテナのアレイ、前記ＲＴＫ ＧＮＳＳアンテナ、および前記ユーザインターフェースと結合された処理回路；
   を備え、
   前記地下ライン測位器は、前記低周波アンテナのアレイからの信号に基づいて前記地下ラインの測位データを決定し、前記ＲＴＫ ＧＮＳＳアンテナから前記地下ライン測位器の正確な位置を決定する、
   精密ライン測定器。
2. 前記処理回路は、前記測位データと、前記地下ラインの１つ以上の位置ポイントとを記録する、
   請求項１記載の精密ライン測位器。
3. 前記ハウジングは前方測位軸を規定し、
   前記前方測位軸は、前記電磁的測位軸に対して垂直であり、前記電磁的測位軸に沿ってユーザハンドグリップが形成され、前記ユーザインターフェースおよび前記ＲＴＫ ＧＮＳＳアンテナが取り付けられており、
   前記ＲＴＫ ＧＮＳＳアンテナは、前記電磁的測位軸から離れている、
   請求項１記載の精密ライン測位器。
4. 前記測位データは、前記精密ライン測位器を用いて第１向きにおいて決定され、
   前記正確な位置は、前記精密ライン測位器を用いて第２向きにおいて決定される、
   請求項３記載の精密ライン測位器。
5. 前記第１向きは、垂直線に対して整列するとともに前記地下ライン上方の地表面上に位置する前記ワンドの底部と整列した、前記電磁測位軸によって規定される、
   請求項４記載の精密ライン測位器。
6. 前記第２向きは、前記地下ラインの上方の地表面上に位置する前記ワンドの底部および前記垂直線に沿って位置する前記ＲＴＫ ＧＮＳＳアンテナによって規定される、
   請求項５記載の精密ライン測位器。
7. 前記処理回路は、メモリに記憶された命令を実行して、
   前記低周波アンテナのアレイを用いて前記地下ラインを測位するステップ；
   前記ライン測位器が前記第１向きにあるとき測位データを決定および記録するステップ；
   前記測位データを用いて前記正確な位置を決定および記録するステップ；
   を実施する、
   請求項４記載の精密ライン測位器。
8. 前記精密ライン測位器はさらに、慣性測定ユニットを有する、請求項４記載の精密ライン測位器。
9. 前記慣性測定ユニットからのデータは、前記第１向きおよび前記第２向きにおいて前記ライン測位器を配置することを支援するために、前記ユーザインターフェース上に表示される、
   請求項８記載の精密ライン測位器。
10. 前記精密ライン測位器はさらに、前記第１向きおよび／または前記第２向きにおいて前記ライン測位器を配置することを補助する、１つ以上の水準器ディスプレイを備える、
    請求項９記載の精密ライン測位器。
11. 地下ラインの位置を正確に決定する方法であって、
    精密ライン測位器を用いて地下ラインを測位するステップであって、前記精密ライン測位器は、ワンドに沿って配置された低周波アンテナのアレイを備え、前記低周波アンテナのアレイは電磁測位軸を規定する、ステップ；
    前記精密ライン測位器を第１向きに配置するステップ；
    ライン測位データを決定および記録するステップ；
    リアルタイムキネマティック（ＲＴＫ）全地球航法衛星（ＧＮＳＳ）アンテナが正確な位置を提供するように配置される第２向きにおいて前記精密ライン測位器を配置するステップ；
    前記ライン測位データを用いて前記正確な位置を決定および記録するステップ；
    を有する方法。
12. 前記方法はさらに、複数の位置において前記ラインの正確な位置を記録することによって、前記地下ラインのマップを生成するステップを有する、
    請求項１１記載の方法。
13. 前記ワンドは、前方測位軸を規定するハウジングに対して取り付けられており、
    前記前方測位軸は、前記電磁的測位軸に対して垂直であり、前記電磁的測位軸に沿ってユーザハンドグリップが形成され、ユーザインターフェースおよび前記ＲＴＫ ＧＮＳＳアンテナが取り付けられ、
    前記ＲＴＫ ＧＮＳＳアンテナは、前記電磁的測位軸から離れている、
    請求項１１記載の方法。
14. 前記第１向きは、垂直線に対して整列するとともに前記地下ライン上方の地表面上に位置する前記ワンドの底部と整列した、前記電磁的測位軸によって規定される、
    請求項１３に記載の方法。
15. 前記第２向きは、前記地下ラインの上方の地表面上に位置する前記ワンドの底部および前記垂直線に沿って位置する前記ＲＴＫ ＧＮＳＳアンテナによって規定される、
    請求項１４記載の方法。
16. 前記精密ライン測位器を前記第１向きに配置するステップは、慣性測定ユニットから受信したデータに基づいて前記ユーザインターフェース上に前記第１向きを示すステップを有する、
    請求項１３記載の方法。
17. 前記精密ライン測位器を前記第２向きに配置するステップは、慣性測定ユニットから受信したデータに基づいて前記ユーザインターフェース上に前記第２向きを示すステップを有する、
    請求項１３記載の方法。
18. 前記精密ライン測位器を前記第１向きに配置するステップは、水準器から受信したデータに基づいて前記ユーザインターフェース上で前記第１向きを示すステップを有する、
    請求項１３記載の方法。
19. 前記精密ライン測位器を前記第２向きに配置するステップは、水準器から受信されたデータに基づいて前記ユーザインターフェース上で前記第２向きを示すステップを有する、
    請求項１３記載の方法。

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