JP3574929B2 - 無線測位送信機信号のベクトル遅延ロックループ処理 - Google Patents
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Description
背景
現在公衆用および軍用に使用されている無線測位信号は変調信号を発生する、地理学的に分散している、複数の送信機を採用している。これら送信機はロランのような旧型のシステムでは地上施設である。合衆国国防省が開発したグローバル・ポジショニング・システム（GPS）のような最新システムは既知の制御された軌道にある複数の地球衛星を採用している。時々これらGPS衛星でさえ「シュードーライト」と言われる地上送信機により補足される。無線測位の基本原理は簡単である。（１）各送信機からの信号が到達するのに必要な時間を測定し、（２）衛星からの距離の組合せに幾何学を適用して、受信機の位置を決定する。受信機および衛星がすべてゼロ誤差時間基準を備えていれば、信号遅延を測定すると瞬間的に受信機の位置を確定するのにわずか三つの（非共面）衛星からの信号があればよい。受信機での時間的不確実のため第４の次元が問題に加わるが、これは四つの遠隔信号を用いて計算することにより解決することができる。
GPSシステムでは、衛星信号は衛星にある高精度の（原子）クロックにより制御され、更に定期的に地上制御ステーションから送信されるデータにより調節される。各衛星は、のろいデータ速度で、その計画軌道からの地上計算離脱値、および衛星のクロックで地上観察した偏りを送信する。システムの元来の構成は少なくとも四つの衛星が、地球の表面の大部分で、受信機の水平線の上または直上に連続して見えるという要求事項に基づいていたから、しばしば５個以上の衛星が無線接触している（すなわち、地球によって食されない）。事実、ロシアの航行衛星、GLONASS、も受信機の視界内にあることがあり、GPSに加えて位置計算に使用されている。24個のGLONASS衛星が軌道にあると推定されている。
宇宙にある受信機はそれ自身の位置を確定するのに四つの衛星信号を必要とするが、地上、海上、または空中にあるビークルは、４個より少ない衛星が視界内にあるとき位置決めの解法を得る際の補助となる地球の表面上の高度についての別の情報を持っている。たとえば、海面上にある受信機は平均海面上の高度の良好な推定値を所持している。
本発明は複数の遠隔送信機から得られる信号から位置を推定するのに使用する受信機の設計に関する。本発明は好適にはGPSに関連して使用されるが、本発明の原理は一層広く役立つことを理解すべきである。
本書に使用する用語の解説
遅延ロックループ（DLL）：遅延ロックループは二つの信号を同じ既知の時間順序に、同期して、維持するように動作する電子回路である。典型的に、ディジタル疑似雑音が信号無線通信により受信され、同じ２進系列の基準信号が局部的に発生される。遠隔の源と局部の源との間の時間の不確実、遠隔信号源および局部信号源の相対運動、送信遅延、および時間（クロック）周波数のわずかな差のため、基準信号を移行させなければならない時間差を正確に予測することができない。遅延ロックループ１は相関器（弁別器ということもある）を備えており、この電子回路の出力は二つの入力信号が同期しているとき最小である。相関器の出力は二つの信号の間の時間移動の一つの方向に対して正になり、他方に対して負になる。それは二つの信号が正確な同期から約半チップ間隔未満でなければ普通は小さい。相関器の出力は、通常は高周波成分が濾過し去られているが、それを使用して数制御発振器を制御することにより基準信号発生器の時間遅延を制御するのに使用することができる。遅延ロックループでは、回路は閉じていて同期を維持している。局部基準発生器でのシフトの量で示されるように、二つの信号の間の時間遅延は、光速度を乗じて遠隔信号源と局部システム間の擬似距離を表すことができる。
１（発明人が創作した名称）
参考文献−J.J.Spilker,Jr.,Digital Communications by Satellite,Prentice Hall,Englewood Cliffs,NJ 1977.
疑似雑音（PN）信号または系列：基準発生器により発生される信号は、普通２進数字（ビット:0または１）の時系列の形をしている。系列の長さはそれが繰り返す前の系列内のビット（チップ）の数である。
チップ：疑似雑音信号の一ビット周期。
数制御発振器：そのクロック位相および速度を２進数を入力することにより適時に変えることができる周波数合成器。正のディジタル値が対応するステップの数だけ系列を前進させれば、負の値はしたがって系列を後退させる。
PN発生器：普通、フィードバックタップおよび２進数の正しい疑似ランダム系列を与えるように構成された他の論理を備えているフィードバック・シフトレジスタから構成される疑似雑音シーケンス発生器。PN発生器のクロック速度および位相は数制御発振器（NCO）により制御することができる。
コヒーレントおよび非コヒーレント信号：無線測位の用語では、遠隔送信機からの信号はPN信号のタイミングおよび搬送周波数のタイミングが共通のタイマー（クロック）から得られていれば、コヒーレントである。信号がコヒーレントでなければ、普通、受信機に別々のDLLを保持して搬送周波数および搬送波のPN変調を追跡する必要がある。
搬送波追跡ループ：コヒーレントまたは非コヒーレント信号の場合、受信機で中間周波数搬送波にロックして、搬送波周波数を追跡するのに別々のループを使用することができる。搬送周波数シフト信号は別々に位置推定器に送り込むことができる相対速度出力である。
コヒーレントおよび非コヒーレント検出および追跡：コヒーレント追跡の場合、受信した搬送波の位相は検出／追跡動作の一部として推定され且つ使用される。非コヒーレント検出では、搬送波位相を知っている必要はなく、エンベロープまたは二乗検波器が使用される。非コヒーレント検出器の性質はしばしばコヒーレント検出器よりわずかに劣っている。しかし、或る場合にはコヒーレント検出器は実現不可能である。
従来技術
GPSシステムが開発される前の従来技術の無線測位受信機は普通アナログ濾過、信号処理、および推定に基づいていた。初期の信号はディジタル的に変調されていなかった。これらシステムの受信機は異なる搬送周波数にある一定数のチャンネルの同時受信に限られていた。
GPS衛星送信機はすべて、同じ二つの周波数帯域で、同時に動作する。受信機は各々が送る独特の疑似雑音符号系列を追跡することにより一つの衛星を他から区別する。同じ増幅された（および周波数シフトされた）信号から動作する複数の遅延ロックループを使用して、GPS受信機は現在見えているどんな数の衛生からの疑似距離をも同時に追跡し、測定することができる。
図1aは従来技術の典型的な構成を示す。ユーザ位置ベクトルは、ユーザクロックバイアスを含んでいるが、普通10で示すようにモデル化することができる。ユーザ位置および衛星位置はブロック11で非線形変換４により変換してそのとき一組の変調器12を駆動している各衛星について距離関数を発生する。変調器12の出力に受信機雑音を加えたものを使用して受信した雑音のある信号ｒ（ｔ）をモデル化することができる。Ｎ個の衛星から受信した雑音のある信号ｒ（ｔ）を独立した遅延ロックループの並列バンク14およびデータ復調器15に加える。図1bはコヒーレントおよび非コヒーレント追跡を採用している遅延ロックの二つの典型的機種を示している。疑似距離測定値の並列組合せ（に搬送波に関するドップラーまたは蓄積デルタ距離（ADR）測定値を加えたもの）をカルマンフィルタ推定器15に送る。別のセンサ16、たとえば、高度計、慣性測定ユニット（IMU）、推測航法計器があってもよいし、なくてもよい。もしそれらがあれば、それらの測定値を同様にカルマンフィルタ15に送る。搬送波追跡用およびこれら追加センサの幾つかを使用して遅延ロックループ追跡動作を援助することもできる。しかし、この構成で示すように、各遅延ロックループは効果的にＮ個の衛星に対するＮ個の疑似距離の各々について独立の測定値を発生している。各独立の遅延ロックループはそれが追跡している衛星の疑似距離の動力学を追跡するのに十分な大きさの閉ループ帯域幅で動作しなければならない。５個以上の測定値が作られており、且つ４個以下の未知数があれば、システムは過剰決定されており、それらがそれだけで処理されるとしても明らかに必ずしもそれらの測定値のすべてが真に独立ではない。衛星ユーザ経路の幾何学は一般に真に独立であるものについての測定値を提示する。
受信機は二つの明確な部分を備えている。すなわち、（１）独立遅延ロックループおよび信号復調器要素の配列であり、その各々が混合受信信号を処理して疑似距離値を発生する部分、および（２）疑似距離値の集まりを既知のデータおよび衛星軌道データと混合し、濾過して受信機の位置の一連の推定値を発生するカルマンフィルタ推定器、である。各独立遅延ロックループにはほぼ同じ帯域幅が必要であるから、各々は、そのループでの有効信号対雑音比が十分低くなったとき「ロック」の損失を生ずる可能性のある不必要な非線形しきい効果を受ける。
疑似雑音符号追跡DLLの各々に組み込まれている復調器は時間および天文位置推算表のデータ、特に受信機に格納されている 衛星軌道データと実際の軌道との差、および衛星クロックバイアスを示す低速ディジタル変調を回復する。
カルマンフィルタは、疑似距離データに加えて、搬送波追跡ループからの速度入力、および無線高度計またはアネロイド高度計のデータを受信する。その濾過機能は疑似距離入力から受信機が設置されているプラットホームまたは移動部材の運動を表さない成分を除去すべきである。
本発明の観点から従来技術の受信機の最も重要な局面はその複数の遅延ロックループおよびそれに続くカルマンフィルタが独立に動作するということである。
従来技術の衛星無線測位システム受信機は典型的に位置および時間の推定値を４個以下の衛星からの信号から得ていた。５個以上の衛星が（受信機に格納されているデータおよび受信機位置の最初の手操作推定値から）見えていると決定されれば、典型的に受信機は最大の位置決め精度を与えるべき４個からの信号を探してロックする。（「理想的」構成は、この文脈では、直接頭上にある１個の衛星を備え、他の３個は水平線の傍に均等に離れている。）所定の４個以外の衛星からの信号は衛星信号の損失が生ずるかまたは地球の食のため差し迫った状態になるまで無視することができる。
このようなGPS受信機には見えているすべての衛星から利用し得る情報を最大限に使用していないという欠点がある。従来技術の受信機の他の欠点は使用するカルマンフィルタが適合しないということである。それは疑似距離対時間を特徴付けるプロセスについて仮定した既知モデルに起因している。
他の欠点は、独立の疑似距離および相対速度推定値がそれらを混合してユーザの四つの未知の値、ユーザの受信アンテナのｘ、ｙ、ｚ位置、およびユーザクロックの誤差、を得る前に各衛星に対して得られる分割法から由来する。
たとえば、遅延ロックループの一つはロックを失うことがある−−すなわち、もはや約1/2チップ以内の同期で追跡されず、したがって同期を回復するのは不可能である。これはそれが追跡している信号が瞬時に使用可能な極小（しきい）値以下に落ちるために生ずる。その衛星または他がループによって再び得られるまで、３個の衛星信号だけに基づく位置推定値は真の位置から離れ始める。
従来技術のGPS受信器では、ユーザのクロック誤差の動力学がユーザ位置のものとは極めて異なるという事実を個々の遅延ロックループ雑音帯域幅の選択時に考慮していない。
地上または海上のビークルに使用している受信機では、垂直位置成分の動力学は他の二つの成分のものとは実質上異なる。これは従来技術の受信機のカルマンフィルタには通常考慮されていない。
これら欠点のすべてはディジタル回路技術を利用する本発明を使用することにより克服することができる。
本発明の目的
三次元位置決めおよび時間推定に必要な信号の最少数は四つであるが、実際上ユーザは普通視界内に更に多数の衛星を所持している。衛星基準の無線航行が更に発展するにつれて、ほとんどの時間および地球のほとんどの地域で別の送信機衛星が見えているように思われる。たとえば、GPS衛星をGLONASS衛星でおよび地上送信機またはシュードーライトで、および地球静止軌道に乗っている通信衛星で補足することができる。この一つの理由は衛星が故障したとき冗長性を確保することにある。他は地球の一定部分、たとえば極地域で、サービスを改善することである。そこでは、最初のGPS衛星について選択された軌道が赤道に対して60度傾いていたので、GPS衛星は直接頭上にない。他の長所は意図的または非意図的干渉、障害または遮蔽（たとえば、樹木）による衛星の妨害、の場合に受信機に対する全有効信号パワーを増大させることである。
以前のソビエト連邦により組立てられたもの（GLONASS）のような他の無線測位システムで衛星からの信号を処理するのが実際的であることを証明することもできる。衛星に基づく無線測位がその利用をより広い用途範囲に拡大するにつれて、無線測位送信機を主として通信サービスに使用されている衛星に設置し得ることが可能である。高帯域通信またはテレビジョン信号を放送する地上設置送信機でさえ局部地域で衛星通信を増やすのに利用することができる。
したがって、本発明の主な目的はそこから信号を受信し且つ処理することができる送信機の全配列から無線測位受信機により得られる情報をより良く利用することである。
他の目的は位置および時間の推定値を計算するのに必要な最少数を超える別の送信機からの情報を利用して、位置および時間の推定値の精度を更に改善することである。
更に他の目的はその信号を従来技術の受信機により位置推定の基礎として役立つのに十分明らかであるとは考えられない衛星から有用な情報を得ることである。たとえば、妨害する意図的または非意図的妨害信号を受信すれば、独立に動作するとき閾値を超えて動作する各個別遅延ロックループについて十分な信号対雑音比を得ることができないが、このベクトル遅延ロックループについては十分な信号対雑音比を得ることができる。
なお他の目的は受信機の一時的に衛星を受信機アンテナで視界から遮る地帯および固定および移動目標に対する運動につれて衛星信号の時間を費やす再獲得の必要性を減らすことである。
更に他の目的はGPSと共に使用する第１世代の受信機の開発以来利用できるようになった高性能ディジタルプロセッサを活用することである。
E.M.Copps他による“Optical Processing of GPS Signals"、Navigation、Journal of the Institute of Navigation、Fall 1980、page 171−182、の論文を参照する。本発明のベクトル遅延ロックループの、Copps他の論文に記された「最適プロセッサ」より優れている長所には以下の事項がある。
１）Copps他の論文の最適プロセッサは慣性航法システムの他にGPS信号と共に動作する。ベクトル遅延ロックループは独立に動作する。
２）Copps他の論文の最適プロセッサは利用可能な更に多数の衛星を活用していない。本発明のベクトル遅延ロックループの長所は未知変数よりかなり多い衛星が存在するときに限り生ずる。
３）本発明のベクトル遅延ロックループは、このシステムに独特でCopps他のプロセッサには採用されていない微分基準信号または同等のものを採用している。
４）本発明のベクトル遅延ロックループはCopps他のプロセッサが採用しているカルマンフィルタを全く採用する必要がない。本書に開示しているように、はるかに簡単なプロセッサを採用することができる。
５）Copps他のプロセッサは慣習的方法に比較して雑音または妨害に関して実質的改善を示していない。
他方、10乃至20の並列信号で動作する本発明のベクトル遅延ロックループは性能のかなりな改善を行なっている。
【図面の簡単な説明】
本発明の上のおよび他の目的、長所および特徴は下記使用および付図と共に考察するとき一層明らかになるであろう。
図1aはカルマンフィルタ推定器に送られる疑似距離速度測定値の別々の並列組合せを示す慣習的GPS無線測位受信機のブロック図である。
図1bはコヒーレントおよび非コヒーレント追跡を採用している遅延ロックループの二つの典型的機種を示す。
図２は本発明のベクトル遅延ロックループを組み込んだGPS無線測位受信機のブロツク図である。
図３は本発明の好適実施例の更に詳細なブロック図であり、疑似最適ベクトル遅延ロックを非コヒーレント形態で示している。
図４は本発明を地上設置無線システムに適用した概略図である。
本発明を疑似雑音シーケンス変調信号を受信するシステムとして説明してきたが、微分基準を備えた遅延ロックループは多様な他の信号でも同様に良く動作することを指摘すべきである。たとえば、送信信号は
Σaisin（ωit＋φ）
の形にすることができ、衛星から受信したTjだけ遅延している信号は
Σaisin［ωｉ（ｔ−Tj）＋φ］
である。このような信号は側音距離信号と言われている。ベクトル遅延ロックループの各相関器に対する微分基準信号は
Σωiaicos［ωｉ（ｔ−Tj）＋φ］
である。ただしTjは遅延Tjの推定値である。ベクトル遅延ロックシステムは有限帯域幅距離信号に一般化し、コヒーレントまたは非コヒーレントの形で使用することができる。
本発明の詳細な説明
本発明の主要特徴は、正常動作で、各衛星チャンネルDLLの遅延ロッキングに対する制御信号が、ループそれ自身の相関器出力からではなく、現在の推定位置ベクトル（ｘ、ｙ、ｚ、および時間）から得られることである。
図２は本発明を組み入れた無線測位受信機の、図１のものと同様の表現の、ブロック図である。位置推定信号ベクトルは、送信機の方向および速度を考慮に入れるように適切に（各衛星送信機に対して別々に）変換されているが、その送信機に対する追跡ループの数制御発振器NCOにフィードバックされる。
したがって、すべての衛星および他の入力の組合せから得られるベクトル位置推定値は本発明に採用されて各衛星に対する追跡および復調を増強する。その遅延推定値の不確実は、受信機を４個以上の衛星信号にロックするとき、未知数の数が衛星の数より少ないので、従来技術の受信機の独立DLLによって処理されなければならない不確実より小さい。したがって各DLLのロックの精度は改善される。重要な点はシステムのしきい性能がＮ個の独立遅延ロックループを採用しているシステムのものより改善されているということである。ベクトル遅延ロックループは、用途に応じて１、２、３、または４個の未知変数だけを推定しなければならないが、Ｎ個の受信信号すべての全能力を活用している。
従来技術の受信機でのように、本発明ではカルマンフィルタ推定器が検出および濾過に使用されている。図２は一連の推定値から得られる、統合ループのゲインを制御する信号をも示している。
ユーザプラットホームの動力学を、破線の長方形で示したように、ユーザプラットホームの運動を表すユーザ運動動的モデル（図２の左にある）を調和させる主フィルタ／追跡ループに便利に組み込むことができる。たとえば、プラットホームにパワーを加えると、その推進システムの効果をモデルに組み込むことができ、遅延追跡回路のNCOに到達する追跡信号を改善する。
並列遅延ロックループDLL1……DLLNは位置フィルタ20からの出力ベクトルＸ（ｘ、ｙ、ｚ、時間）を通して閉じる。NCO21からの疑似雑音基準信号は（J.J.SpilkerおよびD.T.Magillが“The Delay Lock Discriminator−An Optimum Tracking Device",Proceedings of the IEEE,Sept.1961,pp.1403−1416に記しているように）微分器22で時間微分されて追跡を最適化する。代わりの早期−晩期ゲートおよび他の形態はJ.J.Spilker,Jr.の“Digital Communications by Satellite",Prentice Hall,1977に記されている。出力ベクトルｘはＨ（ｘ）TRANSFORMATION AND NCOsと記された回路23を通して各衛星の位置を表す一組の遅延信号（１、２、３、…Ｎ）に変換される。次に各々を使用してそのNCO21の遅延を設定する。その出力は微分されて特定の衛星DLLに対する基準信号を形成する。回路23での変換については、衛星位置を軌道およびクロックバイアスに関する送信データと共に格納されているデータから決定することができる。技術の更に古い世代では、フィルタに対する計算または輸送の遅延はDLL NCOに適時にフィードバックするには長すぎた。利用可能な拘束マイクロプロセッサおよびアプリケーション特有集積回路の出現は現在この構成を実現可能に且つ費用を効果的にしている。
従来技術の受信機では、独立信号相関器は各相関器の出力によりロック状態に維持されていた。DLLの動的挙動は普通プラットホーム動力学に関連している。トラックのほとんどの短時間の損失は一組の搬送周波数および疑似距離値にわたり再獲得捜索を必要とした。本発明を使用すれば、遅延ロック信号は、真のシステム動力学を表すように濾過されたシステムデータから得られる。短時間の信号中断は、ループ信号が冗長情報に基づいており、非常にゆっくりドリフトすべきであるから、相関器ループにロックを破壊させるべきではない。
図２は本発明で位置推定の精度および信頼性を改善するのに取ることができる工程を示す。
（ａ） NCOへの入力に、信号伝播の速度の大気減少を表す信号を含んでいる。
（ｂ） カルマンフィルタ20のゲイン［KK］を更新する。これは、位置推定の更新割合よりかなり長い時間間隔にわたり計算を誤差データに関して行なって、適応的に行なうことができる。
（ｃ） プラットホーム動的モデルパラメータ［FK］を時間とともに適応的に変化させ、実際のユーザ動的特性を表す。たとえば、航空機または船舶の燃料負荷が消費されるにつれて、プラットホーム動力学は変化を反映するようになる。
（ｄ） Ｈ（ｘ）変換のパラメータを調節する。
多数の立証済み手法が、共分散行列因数分解効果、カルマンフィルタのシュミット−カルマン・バリアント、および新機軸シーケンス（新試料のシーケンス）に関する試験を利用する適応カルマンフィルタゲインを含む、カルマンフィルタゲインおよび位置推定パラメータを反復するのに使用できる。
図１または図２に示してないのは衛星信号を得るのに必要な受信機構成要素、または受信信号の周波数移動を簡単化するのに使用されるマイクロ波または超高周波および中間周波アナログ回路である。
信号相関器およびその出力にあるフィルタを除き、図２に示す回路要素はディジタル回路を使用して最も便利に実施される。これは従来技術のGPS受信機でも典型的である。しかし、最初のGPS受信機が設計されて以来大きさの順序により、速さおよびクロック速度を計算するディジタル集積回路の増強により実現可能な費用効果的受信機が毎秒何倍も多くの信号ｘの更新を処理できるようになる。
図３は、幾らか更に詳細に、本発明の好適実施例を描いている。この構成はカルマンフィルタの実施例を使用する必要がないが、より簡単ではあるが現在技術の独立遅延ロックループに採用されているフィルタに幾分似ている、おそらくは時間変化するまたは切り替え帯域幅ループフィルタを採用することができるが現在これらのフィルタは未知の位置ベクトル成分ｘ、ｙ、ｚ、ｔの濾過に適用されている。この場合の統合ループは左から右折り返されない。左（１、２、…Ｎ）には一組の位相ロックループ信号追跡器があり、別々の相関器30を組み込んで（ａ）データ32を復調すると共にしきい値33の指示を行い、（ｂ）RF34から（非コヒーレントに）追跡し、（ｃ）IF/DET35からコヒーレントに追跡する。各追跡器には関連する疑似雑音入力回路36（PN1、PN2、…PNN）、および微分器Ｄがある。各チャンネルに対する低域フィルタLPFの出力は推定値AmΣｍ（ｍ＝１、２、…Ｎ）である。線形重み行列37は幾何学から得られたパラメータを備えており、信号レベルプロセッサ38は距離推定値を受信機観点推定値Σｘ、Σｙ、Σｚ、ΣＢに変換する。ここでＢは受信機 クロックバイアスを表す。４個のプロセス動的フィルタFx（ｐ）などを通して濾過してから、ユーザ位置推定値をこれら出力から得ることができる。方向余弦行列Ｈは濾過された受信機位置推定値をNCO40のバンクをその右に配列するに適する信号に変換する。大気伝播遅延または他の遅延動揺を補正してから、出力は疑似雑音回路36を経て相関器30に戻り、ループを閉じる。
すべての送信機が同様の信号パターンを生じ、同様な動的特性を備えているシステムを説明してきたが、本発明はこの形式のシステムに限定されない。本発明は幾つかの等級の送信機または形式の変調が関係するシステムに同様に適用される。その場合には、幾つかの復調器バリアントを使用することができる。
本発明はまた或る受信信号が異なる動力学に支配されるシステム（および、したがって、異なるプロセスモデル）にも適用することができる。この場合には、各形式の信号に対する相関器出力は別々の出力フィルタを通して混合され、フィルタ出力は混合されて出力推定値およびフィードバック信号を発生する。たとえば、ユーザクロックはユーザ運動の動力学と比較して一般に帯域幅の狭いプロセスである。
本発明は従来技術の独立並列遅延ロックループより多量の意図的干渉または非意図的妨害を寛容することができる位置、時間確定システムを提供する。たとえば、比較的小さい情報速度の独立の未知のｘ、ｙ、ｚパラメータおよび未知の時間を有する受信機システムは遅延ロックループがロックを失うまでに限られた量の妨害しか寛容しない。たとえば、すべての衛星信号がほぼ等しい強さのものであれば、独立遅延ロックループはすべてほぼ同じ干渉または妨害レベルで閾値に到達する。同じ組の、たとえば12個の等しい信号レベルのGPSまたは他の信号、で動作するベクトル遅延ロックループは干渉または妨害レベルのほぼ４倍を寛容することができる。これは、船舶または航空施設の受信機は妨害を受けることがあり、航行の精度および安全は主要目的であるから、軍用については重大な長所であり得る。同様に未知の座標が二つだけの並列を成す20の受信GPSおよびGLONASS衛星で動作するベクトル遅延ロックループは妨害寛容を慣習的実行より約10から１に改善することができる。
地上施設位置決めへの応用
本発明のベクトル遅延ロックループはGPS衛星または信号源として他の衛星と共に使用できるばかりでなく、地上設置の送信機またはビーコンと共にも使用することができる。位置がわかっている一組のビーコンA1、A2、A3、…ANを未知の且つ時間変動する位置（ｘ、ｙ）（すべての要素は海面上にあると仮定する）にある移動ビークルユーザｘと共に図４に示す。
送信機A1、A2、A3、…ANの各々は精密に時間調節されている信号Si（ｔ）を送信する。ビーコン信号Si（ｔ）は拡散スペクトル疑似雑音信号とすることができる。ユーザ側での受信信号はＮ個のビーコン信号の和に受信雑音を加えたものである。すなわち、
Ｒ（ｔ）＝ΣaiSi（ｔ−τｉ）＋ｎ（ｔ）
ここでTiは距離または疑似距離に対応する遅延であり、ri（ｔ）はビーコンｉに対応する遅延である。ビークルの受信機はクロックが十分正確でない場合そのクロック時間誤差についての他に、受信機が時間と共に変わる海面上にある場合そのｘ、ｙ座標についても解かなければならないことがある。その場合には三つの未知の座標が存在する。（同じ問題はｘ、ｙ、ｚ座標で解くことができる。）
したがってこの地上施設送信機に対する受信信号はGPS衛星信号に対するものと極めて類似した形をしている。これらの信号はデータを運んでいることがあり、または運んでいないことがある。データは送信機が不変の既知の位置にあるから必要でないことがある。
今度もベクトル遅延ロックループの長所はｘ、ｙ座標に加えてそのクロックバイアス−−多数Ｎ≫３の送信機および関連信号が存在する場合３個の座標が未知である−−を推定するだけで良いということである。したがってベクトル遅延ロックループの性能を、Ｎ≫３の場合、独立の位置推定器を伴うＮ個の別々の独立した遅延ロックループのものより非常に改善することができる。
位置がわかっているユーザへの時間移動用途では、未知の座標が一つしかないことに注目のこと。
本発明の好適実施例を図示し、説明してきたが、他の実施例および改造案が当業者に明らかであることが認められよう。
現在公衆用および軍用に使用されている無線測位信号は変調信号を発生する、地理学的に分散している、複数の送信機を採用している。これら送信機はロランのような旧型のシステムでは地上施設である。合衆国国防省が開発したグローバル・ポジショニング・システム（GPS）のような最新システムは既知の制御された軌道にある複数の地球衛星を採用している。時々これらGPS衛星でさえ「シュードーライト」と言われる地上送信機により補足される。無線測位の基本原理は簡単である。（１）各送信機からの信号が到達するのに必要な時間を測定し、（２）衛星からの距離の組合せに幾何学を適用して、受信機の位置を決定する。受信機および衛星がすべてゼロ誤差時間基準を備えていれば、信号遅延を測定すると瞬間的に受信機の位置を確定するのにわずか三つの（非共面）衛星からの信号があればよい。受信機での時間的不確実のため第４の次元が問題に加わるが、これは四つの遠隔信号を用いて計算することにより解決することができる。
GPSシステムでは、衛星信号は衛星にある高精度の（原子）クロックにより制御され、更に定期的に地上制御ステーションから送信されるデータにより調節される。各衛星は、のろいデータ速度で、その計画軌道からの地上計算離脱値、および衛星のクロックで地上観察した偏りを送信する。システムの元来の構成は少なくとも四つの衛星が、地球の表面の大部分で、受信機の水平線の上または直上に連続して見えるという要求事項に基づいていたから、しばしば５個以上の衛星が無線接触している（すなわち、地球によって食されない）。事実、ロシアの航行衛星、GLONASS、も受信機の視界内にあることがあり、GPSに加えて位置計算に使用されている。24個のGLONASS衛星が軌道にあると推定されている。
宇宙にある受信機はそれ自身の位置を確定するのに四つの衛星信号を必要とするが、地上、海上、または空中にあるビークルは、４個より少ない衛星が視界内にあるとき位置決めの解法を得る際の補助となる地球の表面上の高度についての別の情報を持っている。たとえば、海面上にある受信機は平均海面上の高度の良好な推定値を所持している。
本発明は複数の遠隔送信機から得られる信号から位置を推定するのに使用する受信機の設計に関する。本発明は好適にはGPSに関連して使用されるが、本発明の原理は一層広く役立つことを理解すべきである。
本書に使用する用語の解説
遅延ロックループ（DLL）：遅延ロックループは二つの信号を同じ既知の時間順序に、同期して、維持するように動作する電子回路である。典型的に、ディジタル疑似雑音が信号無線通信により受信され、同じ２進系列の基準信号が局部的に発生される。遠隔の源と局部の源との間の時間の不確実、遠隔信号源および局部信号源の相対運動、送信遅延、および時間（クロック）周波数のわずかな差のため、基準信号を移行させなければならない時間差を正確に予測することができない。遅延ロックループ１は相関器（弁別器ということもある）を備えており、この電子回路の出力は二つの入力信号が同期しているとき最小である。相関器の出力は二つの信号の間の時間移動の一つの方向に対して正になり、他方に対して負になる。それは二つの信号が正確な同期から約半チップ間隔未満でなければ普通は小さい。相関器の出力は、通常は高周波成分が濾過し去られているが、それを使用して数制御発振器を制御することにより基準信号発生器の時間遅延を制御するのに使用することができる。遅延ロックループでは、回路は閉じていて同期を維持している。局部基準発生器でのシフトの量で示されるように、二つの信号の間の時間遅延は、光速度を乗じて遠隔信号源と局部システム間の擬似距離を表すことができる。
１（発明人が創作した名称）
参考文献−J.J.Spilker,Jr.,Digital Communications by Satellite,Prentice Hall,Englewood Cliffs,NJ 1977.
疑似雑音（PN）信号または系列：基準発生器により発生される信号は、普通２進数字（ビット:0または１）の時系列の形をしている。系列の長さはそれが繰り返す前の系列内のビット（チップ）の数である。
チップ：疑似雑音信号の一ビット周期。
数制御発振器：そのクロック位相および速度を２進数を入力することにより適時に変えることができる周波数合成器。正のディジタル値が対応するステップの数だけ系列を前進させれば、負の値はしたがって系列を後退させる。
PN発生器：普通、フィードバックタップおよび２進数の正しい疑似ランダム系列を与えるように構成された他の論理を備えているフィードバック・シフトレジスタから構成される疑似雑音シーケンス発生器。PN発生器のクロック速度および位相は数制御発振器（NCO）により制御することができる。
コヒーレントおよび非コヒーレント信号：無線測位の用語では、遠隔送信機からの信号はPN信号のタイミングおよび搬送周波数のタイミングが共通のタイマー（クロック）から得られていれば、コヒーレントである。信号がコヒーレントでなければ、普通、受信機に別々のDLLを保持して搬送周波数および搬送波のPN変調を追跡する必要がある。
搬送波追跡ループ：コヒーレントまたは非コヒーレント信号の場合、受信機で中間周波数搬送波にロックして、搬送波周波数を追跡するのに別々のループを使用することができる。搬送周波数シフト信号は別々に位置推定器に送り込むことができる相対速度出力である。
コヒーレントおよび非コヒーレント検出および追跡：コヒーレント追跡の場合、受信した搬送波の位相は検出／追跡動作の一部として推定され且つ使用される。非コヒーレント検出では、搬送波位相を知っている必要はなく、エンベロープまたは二乗検波器が使用される。非コヒーレント検出器の性質はしばしばコヒーレント検出器よりわずかに劣っている。しかし、或る場合にはコヒーレント検出器は実現不可能である。
従来技術
GPSシステムが開発される前の従来技術の無線測位受信機は普通アナログ濾過、信号処理、および推定に基づいていた。初期の信号はディジタル的に変調されていなかった。これらシステムの受信機は異なる搬送周波数にある一定数のチャンネルの同時受信に限られていた。
GPS衛星送信機はすべて、同じ二つの周波数帯域で、同時に動作する。受信機は各々が送る独特の疑似雑音符号系列を追跡することにより一つの衛星を他から区別する。同じ増幅された（および周波数シフトされた）信号から動作する複数の遅延ロックループを使用して、GPS受信機は現在見えているどんな数の衛生からの疑似距離をも同時に追跡し、測定することができる。
図1aは従来技術の典型的な構成を示す。ユーザ位置ベクトルは、ユーザクロックバイアスを含んでいるが、普通10で示すようにモデル化することができる。ユーザ位置および衛星位置はブロック11で非線形変換４により変換してそのとき一組の変調器12を駆動している各衛星について距離関数を発生する。変調器12の出力に受信機雑音を加えたものを使用して受信した雑音のある信号ｒ（ｔ）をモデル化することができる。Ｎ個の衛星から受信した雑音のある信号ｒ（ｔ）を独立した遅延ロックループの並列バンク14およびデータ復調器15に加える。図1bはコヒーレントおよび非コヒーレント追跡を採用している遅延ロックの二つの典型的機種を示している。疑似距離測定値の並列組合せ（に搬送波に関するドップラーまたは蓄積デルタ距離（ADR）測定値を加えたもの）をカルマンフィルタ推定器15に送る。別のセンサ16、たとえば、高度計、慣性測定ユニット（IMU）、推測航法計器があってもよいし、なくてもよい。もしそれらがあれば、それらの測定値を同様にカルマンフィルタ15に送る。搬送波追跡用およびこれら追加センサの幾つかを使用して遅延ロックループ追跡動作を援助することもできる。しかし、この構成で示すように、各遅延ロックループは効果的にＮ個の衛星に対するＮ個の疑似距離の各々について独立の測定値を発生している。各独立の遅延ロックループはそれが追跡している衛星の疑似距離の動力学を追跡するのに十分な大きさの閉ループ帯域幅で動作しなければならない。５個以上の測定値が作られており、且つ４個以下の未知数があれば、システムは過剰決定されており、それらがそれだけで処理されるとしても明らかに必ずしもそれらの測定値のすべてが真に独立ではない。衛星ユーザ経路の幾何学は一般に真に独立であるものについての測定値を提示する。
受信機は二つの明確な部分を備えている。すなわち、（１）独立遅延ロックループおよび信号復調器要素の配列であり、その各々が混合受信信号を処理して疑似距離値を発生する部分、および（２）疑似距離値の集まりを既知のデータおよび衛星軌道データと混合し、濾過して受信機の位置の一連の推定値を発生するカルマンフィルタ推定器、である。各独立遅延ロックループにはほぼ同じ帯域幅が必要であるから、各々は、そのループでの有効信号対雑音比が十分低くなったとき「ロック」の損失を生ずる可能性のある不必要な非線形しきい効果を受ける。
疑似雑音符号追跡DLLの各々に組み込まれている復調器は時間および天文位置推算表のデータ、特に受信機に格納されている 衛星軌道データと実際の軌道との差、および衛星クロックバイアスを示す低速ディジタル変調を回復する。
カルマンフィルタは、疑似距離データに加えて、搬送波追跡ループからの速度入力、および無線高度計またはアネロイド高度計のデータを受信する。その濾過機能は疑似距離入力から受信機が設置されているプラットホームまたは移動部材の運動を表さない成分を除去すべきである。
本発明の観点から従来技術の受信機の最も重要な局面はその複数の遅延ロックループおよびそれに続くカルマンフィルタが独立に動作するということである。
従来技術の衛星無線測位システム受信機は典型的に位置および時間の推定値を４個以下の衛星からの信号から得ていた。５個以上の衛星が（受信機に格納されているデータおよび受信機位置の最初の手操作推定値から）見えていると決定されれば、典型的に受信機は最大の位置決め精度を与えるべき４個からの信号を探してロックする。（「理想的」構成は、この文脈では、直接頭上にある１個の衛星を備え、他の３個は水平線の傍に均等に離れている。）所定の４個以外の衛星からの信号は衛星信号の損失が生ずるかまたは地球の食のため差し迫った状態になるまで無視することができる。
このようなGPS受信機には見えているすべての衛星から利用し得る情報を最大限に使用していないという欠点がある。従来技術の受信機の他の欠点は使用するカルマンフィルタが適合しないということである。それは疑似距離対時間を特徴付けるプロセスについて仮定した既知モデルに起因している。
他の欠点は、独立の疑似距離および相対速度推定値がそれらを混合してユーザの四つの未知の値、ユーザの受信アンテナのｘ、ｙ、ｚ位置、およびユーザクロックの誤差、を得る前に各衛星に対して得られる分割法から由来する。
たとえば、遅延ロックループの一つはロックを失うことがある−−すなわち、もはや約1/2チップ以内の同期で追跡されず、したがって同期を回復するのは不可能である。これはそれが追跡している信号が瞬時に使用可能な極小（しきい）値以下に落ちるために生ずる。その衛星または他がループによって再び得られるまで、３個の衛星信号だけに基づく位置推定値は真の位置から離れ始める。
従来技術のGPS受信器では、ユーザのクロック誤差の動力学がユーザ位置のものとは極めて異なるという事実を個々の遅延ロックループ雑音帯域幅の選択時に考慮していない。
地上または海上のビークルに使用している受信機では、垂直位置成分の動力学は他の二つの成分のものとは実質上異なる。これは従来技術の受信機のカルマンフィルタには通常考慮されていない。
これら欠点のすべてはディジタル回路技術を利用する本発明を使用することにより克服することができる。
本発明の目的
三次元位置決めおよび時間推定に必要な信号の最少数は四つであるが、実際上ユーザは普通視界内に更に多数の衛星を所持している。衛星基準の無線航行が更に発展するにつれて、ほとんどの時間および地球のほとんどの地域で別の送信機衛星が見えているように思われる。たとえば、GPS衛星をGLONASS衛星でおよび地上送信機またはシュードーライトで、および地球静止軌道に乗っている通信衛星で補足することができる。この一つの理由は衛星が故障したとき冗長性を確保することにある。他は地球の一定部分、たとえば極地域で、サービスを改善することである。そこでは、最初のGPS衛星について選択された軌道が赤道に対して60度傾いていたので、GPS衛星は直接頭上にない。他の長所は意図的または非意図的干渉、障害または遮蔽（たとえば、樹木）による衛星の妨害、の場合に受信機に対する全有効信号パワーを増大させることである。
以前のソビエト連邦により組立てられたもの（GLONASS）のような他の無線測位システムで衛星からの信号を処理するのが実際的であることを証明することもできる。衛星に基づく無線測位がその利用をより広い用途範囲に拡大するにつれて、無線測位送信機を主として通信サービスに使用されている衛星に設置し得ることが可能である。高帯域通信またはテレビジョン信号を放送する地上設置送信機でさえ局部地域で衛星通信を増やすのに利用することができる。
したがって、本発明の主な目的はそこから信号を受信し且つ処理することができる送信機の全配列から無線測位受信機により得られる情報をより良く利用することである。
他の目的は位置および時間の推定値を計算するのに必要な最少数を超える別の送信機からの情報を利用して、位置および時間の推定値の精度を更に改善することである。
更に他の目的はその信号を従来技術の受信機により位置推定の基礎として役立つのに十分明らかであるとは考えられない衛星から有用な情報を得ることである。たとえば、妨害する意図的または非意図的妨害信号を受信すれば、独立に動作するとき閾値を超えて動作する各個別遅延ロックループについて十分な信号対雑音比を得ることができないが、このベクトル遅延ロックループについては十分な信号対雑音比を得ることができる。
なお他の目的は受信機の一時的に衛星を受信機アンテナで視界から遮る地帯および固定および移動目標に対する運動につれて衛星信号の時間を費やす再獲得の必要性を減らすことである。
更に他の目的はGPSと共に使用する第１世代の受信機の開発以来利用できるようになった高性能ディジタルプロセッサを活用することである。
E.M.Copps他による“Optical Processing of GPS Signals"、Navigation、Journal of the Institute of Navigation、Fall 1980、page 171−182、の論文を参照する。本発明のベクトル遅延ロックループの、Copps他の論文に記された「最適プロセッサ」より優れている長所には以下の事項がある。
１）Copps他の論文の最適プロセッサは慣性航法システムの他にGPS信号と共に動作する。ベクトル遅延ロックループは独立に動作する。
２）Copps他の論文の最適プロセッサは利用可能な更に多数の衛星を活用していない。本発明のベクトル遅延ロックループの長所は未知変数よりかなり多い衛星が存在するときに限り生ずる。
３）本発明のベクトル遅延ロックループは、このシステムに独特でCopps他のプロセッサには採用されていない微分基準信号または同等のものを採用している。
４）本発明のベクトル遅延ロックループはCopps他のプロセッサが採用しているカルマンフィルタを全く採用する必要がない。本書に開示しているように、はるかに簡単なプロセッサを採用することができる。
５）Copps他のプロセッサは慣習的方法に比較して雑音または妨害に関して実質的改善を示していない。
他方、10乃至20の並列信号で動作する本発明のベクトル遅延ロックループは性能のかなりな改善を行なっている。
【図面の簡単な説明】
本発明の上のおよび他の目的、長所および特徴は下記使用および付図と共に考察するとき一層明らかになるであろう。
図1aはカルマンフィルタ推定器に送られる疑似距離速度測定値の別々の並列組合せを示す慣習的GPS無線測位受信機のブロック図である。
図1bはコヒーレントおよび非コヒーレント追跡を採用している遅延ロックループの二つの典型的機種を示す。
図２は本発明のベクトル遅延ロックループを組み込んだGPS無線測位受信機のブロツク図である。
図３は本発明の好適実施例の更に詳細なブロック図であり、疑似最適ベクトル遅延ロックを非コヒーレント形態で示している。
図４は本発明を地上設置無線システムに適用した概略図である。
本発明を疑似雑音シーケンス変調信号を受信するシステムとして説明してきたが、微分基準を備えた遅延ロックループは多様な他の信号でも同様に良く動作することを指摘すべきである。たとえば、送信信号は
Σaisin（ωit＋φ）
の形にすることができ、衛星から受信したTjだけ遅延している信号は
Σaisin［ωｉ（ｔ−Tj）＋φ］
である。このような信号は側音距離信号と言われている。ベクトル遅延ロックループの各相関器に対する微分基準信号は
Σωiaicos［ωｉ（ｔ−Tj）＋φ］
である。ただしTjは遅延Tjの推定値である。ベクトル遅延ロックシステムは有限帯域幅距離信号に一般化し、コヒーレントまたは非コヒーレントの形で使用することができる。
本発明の詳細な説明
本発明の主要特徴は、正常動作で、各衛星チャンネルDLLの遅延ロッキングに対する制御信号が、ループそれ自身の相関器出力からではなく、現在の推定位置ベクトル（ｘ、ｙ、ｚ、および時間）から得られることである。
図２は本発明を組み入れた無線測位受信機の、図１のものと同様の表現の、ブロック図である。位置推定信号ベクトルは、送信機の方向および速度を考慮に入れるように適切に（各衛星送信機に対して別々に）変換されているが、その送信機に対する追跡ループの数制御発振器NCOにフィードバックされる。
したがって、すべての衛星および他の入力の組合せから得られるベクトル位置推定値は本発明に採用されて各衛星に対する追跡および復調を増強する。その遅延推定値の不確実は、受信機を４個以上の衛星信号にロックするとき、未知数の数が衛星の数より少ないので、従来技術の受信機の独立DLLによって処理されなければならない不確実より小さい。したがって各DLLのロックの精度は改善される。重要な点はシステムのしきい性能がＮ個の独立遅延ロックループを採用しているシステムのものより改善されているということである。ベクトル遅延ロックループは、用途に応じて１、２、３、または４個の未知変数だけを推定しなければならないが、Ｎ個の受信信号すべての全能力を活用している。
従来技術の受信機でのように、本発明ではカルマンフィルタ推定器が検出および濾過に使用されている。図２は一連の推定値から得られる、統合ループのゲインを制御する信号をも示している。
ユーザプラットホームの動力学を、破線の長方形で示したように、ユーザプラットホームの運動を表すユーザ運動動的モデル（図２の左にある）を調和させる主フィルタ／追跡ループに便利に組み込むことができる。たとえば、プラットホームにパワーを加えると、その推進システムの効果をモデルに組み込むことができ、遅延追跡回路のNCOに到達する追跡信号を改善する。
並列遅延ロックループDLL1……DLLNは位置フィルタ20からの出力ベクトルＸ（ｘ、ｙ、ｚ、時間）を通して閉じる。NCO21からの疑似雑音基準信号は（J.J.SpilkerおよびD.T.Magillが“The Delay Lock Discriminator−An Optimum Tracking Device",Proceedings of the IEEE,Sept.1961,pp.1403−1416に記しているように）微分器22で時間微分されて追跡を最適化する。代わりの早期−晩期ゲートおよび他の形態はJ.J.Spilker,Jr.の“Digital Communications by Satellite",Prentice Hall,1977に記されている。出力ベクトルｘはＨ（ｘ）TRANSFORMATION AND NCOsと記された回路23を通して各衛星の位置を表す一組の遅延信号（１、２、３、…Ｎ）に変換される。次に各々を使用してそのNCO21の遅延を設定する。その出力は微分されて特定の衛星DLLに対する基準信号を形成する。回路23での変換については、衛星位置を軌道およびクロックバイアスに関する送信データと共に格納されているデータから決定することができる。技術の更に古い世代では、フィルタに対する計算または輸送の遅延はDLL NCOに適時にフィードバックするには長すぎた。利用可能な拘束マイクロプロセッサおよびアプリケーション特有集積回路の出現は現在この構成を実現可能に且つ費用を効果的にしている。
従来技術の受信機では、独立信号相関器は各相関器の出力によりロック状態に維持されていた。DLLの動的挙動は普通プラットホーム動力学に関連している。トラックのほとんどの短時間の損失は一組の搬送周波数および疑似距離値にわたり再獲得捜索を必要とした。本発明を使用すれば、遅延ロック信号は、真のシステム動力学を表すように濾過されたシステムデータから得られる。短時間の信号中断は、ループ信号が冗長情報に基づいており、非常にゆっくりドリフトすべきであるから、相関器ループにロックを破壊させるべきではない。
図２は本発明で位置推定の精度および信頼性を改善するのに取ることができる工程を示す。
（ａ） NCOへの入力に、信号伝播の速度の大気減少を表す信号を含んでいる。
（ｂ） カルマンフィルタ20のゲイン［KK］を更新する。これは、位置推定の更新割合よりかなり長い時間間隔にわたり計算を誤差データに関して行なって、適応的に行なうことができる。
（ｃ） プラットホーム動的モデルパラメータ［FK］を時間とともに適応的に変化させ、実際のユーザ動的特性を表す。たとえば、航空機または船舶の燃料負荷が消費されるにつれて、プラットホーム動力学は変化を反映するようになる。
（ｄ） Ｈ（ｘ）変換のパラメータを調節する。
多数の立証済み手法が、共分散行列因数分解効果、カルマンフィルタのシュミット−カルマン・バリアント、および新機軸シーケンス（新試料のシーケンス）に関する試験を利用する適応カルマンフィルタゲインを含む、カルマンフィルタゲインおよび位置推定パラメータを反復するのに使用できる。
図１または図２に示してないのは衛星信号を得るのに必要な受信機構成要素、または受信信号の周波数移動を簡単化するのに使用されるマイクロ波または超高周波および中間周波アナログ回路である。
信号相関器およびその出力にあるフィルタを除き、図２に示す回路要素はディジタル回路を使用して最も便利に実施される。これは従来技術のGPS受信機でも典型的である。しかし、最初のGPS受信機が設計されて以来大きさの順序により、速さおよびクロック速度を計算するディジタル集積回路の増強により実現可能な費用効果的受信機が毎秒何倍も多くの信号ｘの更新を処理できるようになる。
図３は、幾らか更に詳細に、本発明の好適実施例を描いている。この構成はカルマンフィルタの実施例を使用する必要がないが、より簡単ではあるが現在技術の独立遅延ロックループに採用されているフィルタに幾分似ている、おそらくは時間変化するまたは切り替え帯域幅ループフィルタを採用することができるが現在これらのフィルタは未知の位置ベクトル成分ｘ、ｙ、ｚ、ｔの濾過に適用されている。この場合の統合ループは左から右折り返されない。左（１、２、…Ｎ）には一組の位相ロックループ信号追跡器があり、別々の相関器30を組み込んで（ａ）データ32を復調すると共にしきい値33の指示を行い、（ｂ）RF34から（非コヒーレントに）追跡し、（ｃ）IF/DET35からコヒーレントに追跡する。各追跡器には関連する疑似雑音入力回路36（PN1、PN2、…PNN）、および微分器Ｄがある。各チャンネルに対する低域フィルタLPFの出力は推定値AmΣｍ（ｍ＝１、２、…Ｎ）である。線形重み行列37は幾何学から得られたパラメータを備えており、信号レベルプロセッサ38は距離推定値を受信機観点推定値Σｘ、Σｙ、Σｚ、ΣＢに変換する。ここでＢは受信機 クロックバイアスを表す。４個のプロセス動的フィルタFx（ｐ）などを通して濾過してから、ユーザ位置推定値をこれら出力から得ることができる。方向余弦行列Ｈは濾過された受信機位置推定値をNCO40のバンクをその右に配列するに適する信号に変換する。大気伝播遅延または他の遅延動揺を補正してから、出力は疑似雑音回路36を経て相関器30に戻り、ループを閉じる。
すべての送信機が同様の信号パターンを生じ、同様な動的特性を備えているシステムを説明してきたが、本発明はこの形式のシステムに限定されない。本発明は幾つかの等級の送信機または形式の変調が関係するシステムに同様に適用される。その場合には、幾つかの復調器バリアントを使用することができる。
本発明はまた或る受信信号が異なる動力学に支配されるシステム（および、したがって、異なるプロセスモデル）にも適用することができる。この場合には、各形式の信号に対する相関器出力は別々の出力フィルタを通して混合され、フィルタ出力は混合されて出力推定値およびフィードバック信号を発生する。たとえば、ユーザクロックはユーザ運動の動力学と比較して一般に帯域幅の狭いプロセスである。
本発明は従来技術の独立並列遅延ロックループより多量の意図的干渉または非意図的妨害を寛容することができる位置、時間確定システムを提供する。たとえば、比較的小さい情報速度の独立の未知のｘ、ｙ、ｚパラメータおよび未知の時間を有する受信機システムは遅延ロックループがロックを失うまでに限られた量の妨害しか寛容しない。たとえば、すべての衛星信号がほぼ等しい強さのものであれば、独立遅延ロックループはすべてほぼ同じ干渉または妨害レベルで閾値に到達する。同じ組の、たとえば12個の等しい信号レベルのGPSまたは他の信号、で動作するベクトル遅延ロックループは干渉または妨害レベルのほぼ４倍を寛容することができる。これは、船舶または航空施設の受信機は妨害を受けることがあり、航行の精度および安全は主要目的であるから、軍用については重大な長所であり得る。同様に未知の座標が二つだけの並列を成す20の受信GPSおよびGLONASS衛星で動作するベクトル遅延ロックループは妨害寛容を慣習的実行より約10から１に改善することができる。
地上施設位置決めへの応用
本発明のベクトル遅延ロックループはGPS衛星または信号源として他の衛星と共に使用できるばかりでなく、地上設置の送信機またはビーコンと共にも使用することができる。位置がわかっている一組のビーコンA1、A2、A3、…ANを未知の且つ時間変動する位置（ｘ、ｙ）（すべての要素は海面上にあると仮定する）にある移動ビークルユーザｘと共に図４に示す。
送信機A1、A2、A3、…ANの各々は精密に時間調節されている信号Si（ｔ）を送信する。ビーコン信号Si（ｔ）は拡散スペクトル疑似雑音信号とすることができる。ユーザ側での受信信号はＮ個のビーコン信号の和に受信雑音を加えたものである。すなわち、
Ｒ（ｔ）＝ΣaiSi（ｔ−τｉ）＋ｎ（ｔ）
ここでTiは距離または疑似距離に対応する遅延であり、ri（ｔ）はビーコンｉに対応する遅延である。ビークルの受信機はクロックが十分正確でない場合そのクロック時間誤差についての他に、受信機が時間と共に変わる海面上にある場合そのｘ、ｙ座標についても解かなければならないことがある。その場合には三つの未知の座標が存在する。（同じ問題はｘ、ｙ、ｚ座標で解くことができる。）
したがってこの地上施設送信機に対する受信信号はGPS衛星信号に対するものと極めて類似した形をしている。これらの信号はデータを運んでいることがあり、または運んでいないことがある。データは送信機が不変の既知の位置にあるから必要でないことがある。
今度もベクトル遅延ロックループの長所はｘ、ｙ座標に加えてそのクロックバイアス−−多数Ｎ≫３の送信機および関連信号が存在する場合３個の座標が未知である−−を推定するだけで良いということである。したがってベクトル遅延ロックループの性能を、Ｎ≫３の場合、独立の位置推定器を伴うＮ個の別々の独立した遅延ロックループのものより非常に改善することができる。
位置がわかっているユーザへの時間移動用途では、未知の座標が一つしかないことに注目のこと。
本発明の好適実施例を図示し、説明してきたが、他の実施例および改造案が当業者に明らかであることが認められよう。
Claims (9)
- それ自身の位置を、その瞬時位置を決定することができる複数の符号変調遠隔送信機から同時に受信した信号から推定する位置および時間推定受信機において、
アンテナおよび周波数変換回路を備えている信号受信および調節手段、
遅延制御可能疑似距離発振器、
各々が入力を前記信号受信および調節手段から、および第２の入力を前記遅延制御可能疑似距離発振器から受信する複数の信号相関器、
各々がその入力を前記信号相関器の一つから得、各々が一つの送信機から受信機までの距離および速度の測定値を表す出力を発生する複数の信号フィルタおよび復調器、
距離および速度の測定値を、送信機位置に関する情報と共に、幾何学的手法を用いて受信機の瞬時位置の単独推定値に変換して推定値を得、平均して冗長入力から単独推定値を発生する計算回路、
その応答が受信機および送信機の相対運動を拘束するプロセスを表す出力フィルタ、および
受信機位置の変化の時間的割合を第１のベクトルとして決定し、該第１のベクトルを各前記符号変調還隔送信機の既知の方向および速度を表す更に他のベクトルと混合し、結果を前記遅延制御可能疑似距離発振器に送る複数のスカラー遅延制御信号として送信して、冗長受信信号データ、データ、付加受信機雑音、および妨害および非意図的干渉の存在のもとに受信機により出力される位置推定値の精度、閾値性能および安定性を改善するフィードバック計算回路、
から構成されている位置および時間推定受信機。 - 信号相関器はそれぞれ各遠隔送信機と前記受信機との間の距離および相対速度を表す別々の出力を発生する請求項１に記載の位置および時間推定受信機。
- ５個づつ以上の相関器、フィルタ、復調器、および前記フィードバック計算回路が存在する請求項１に記載の位置および時間推定受信機。
- 前記計算回路はループゲインを備えており、前記フィードバック計算回路のループゲインを前記一連の位置推定値から得られた信号を用いて連続的に変える請求項１に記載の位置および時間推定受信機。
- 位置および運動を決定し得る複数の送信機から信号を同時に受け取り、反復する符号系列を送信するようになっている疑似雑音符号多重位置推定受信機において、
信号受信および調節回路、
複数の遅延制御可能基準疑似雑音信号発振器、および
それぞれ前記複数の遅延制御可能基準疑似雑音信号発振器により駆動される、各々が特定の送信機に採用されている反復符号列を発生する類似した複数の信号相関器、
前記信号相関器信号を混合して、時間推定値と共に、三次元で表した受信機の推定位置を計算する手段、および
前記位置出力推定値の信号が処理されている送信の方向、距離、および相対速度に適するように、基準発振器ごとに前記位置出力推定値を位相遅延信号に計算変換するフィードバック回路、
から構成されている疑似雑音符号多重位置推定受信機。 - 一連の位置推定値は、一連の推定位置が前記受信機の物理的移動と同じ方法で拘束されるように、前記フィードバック回路の計算パラメータを変えるために適応的に使用される請求項５に記載の疑似雑音符号多重位置推定受信機。
- 位置および運動を決定し得る複数の送信機からの信号を同時に受け取り、各送信機は独特に反復する符号列を送信するようになっている側音距離測定多重位置推定受信機において、
信号受信および調節回路、
複数の遅延制御可能基準疑似雑音信号発振器、および
それぞれ前記複数の遅延制御可能基準疑似雑音信号発振器により駆動される、各々が特定の送信機に採用されている反復符号列を発生する類似した複数の信号相関器、
前記信号相関器信号を混合して、三次元および時間で表した受信機の推定位置を計算する手段、
前記位置出力推定値の信号が処理されている送信の方向、距離、および相対速度に適するように、基準発振器ごとに前記位置出力推定値を位相遅延信号に計算変換するフィードバック回路、
を備えて構成され、
前記一連の位置推定値は、一連の推定位置が前記受信機の物理的移動と同じ方法で拘束されるように、前記フィードバック回路の計算パラメータを変えるために適応的に使用される、
側音距離測定多重位置推定受信機。 - その出力推定値を決定可能な空間位置にある四つ以上のパルス符号多重送信機から成る遠隔分布配列からの受信入力から得る位置推定受信機において、各々が受信機と各送信機との間の距離データをそれぞれ測定し、指示する四つ以上の遅延ロックループ追跡器、前記距離データをすべて混合して前記四つ以上の距離測定値に基づき推定受信機位置を決定する計算回路、推定受信機位置および最初の情報および送信されたデータから決定された送信機位置から、対応した遅延ロックループ 追跡器を通して各送信機を最適に追跡するのにふさわしい一組の追跡遅延を推定する別の計算回路、および一組の推定追跡遅延を遅延ロックループ追跡器に送る回路手段、から構成され、これら要素は単一統合閉ループ位置推定器として包括的に動作する位置推定受信機。
- その出力位置推定値を決定可能な空間位置にある少なくとも四つの疑似雑音送信機チャンネルから成る遠隔の分布配列から受信した入力信号から、その出 力位置推定値を得る位置・時間位置受信システムであって、前記受信システムは各送信機に一つずつ複数の遅延ロックループを備えており、前記受信システムが大量の意図的妨害または非意図的干渉から耐えるようにする方法が、各送信機チャンネルの前記遅延ロックループに対する制御信号を現在の推定位置ベクトル（ｘ、ｙ、ｚ）および時間信号から得ること、前記推定位置ベクトル（ｘ、ｙ、ｚ）および時間信号を制御信号として前記遅延ロックループに加えることから構成される位置・時間 位置受信システム。
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