JP4744445B2 - 3個のgps周波数を用いて搬送波位相の整数値バイアスを解決する方法 - Google Patents
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Description
全地球測位システム(GPS)等の広域測位システムは、地上の物体を測位または誘導するために人工衛星群を用いる。現在、衛星群は、(154×10.23MHz)すなわち1572.45MHzであるL1周波数と(120*10.23MHz)すなわち1227.6MHzであるL2周波数、あるいは0.1903mのL1波長と0.2442mのL2波長、の2種の搬送周波数を用いて信号をブロードキャストする。各々の搬送周波数について、通常はGPS受信器により2種類のGPS測定が測位対象の物体についてなされる。この2種類のGPS測定は、擬似距離測定(pseudorange measurement)、および積算搬送波位相測定(integrated carrier phase measurement)である。擬似距離測定(またはコード測定)は、あらゆる種類のGPS受信器が行なうことができる基本的なGPS可観測値である。これは搬送波信号に合わせて変調されたC/AまたはPコードを用いる。搬送波位相測定は、信号の再構成された搬送波を、受信器に到達するにつれて積算することにより得られる。受信器が信号の搬送波位相の追跡を開始した際に、衛星と受信器との間の遷移における整数値サイクル(whole cycle)の数が未知であるため、搬送波位相測定値において整数値サイクルのアンビギュイティ(whole-cycle ambiguity)が存在する。高精度の搬送波位相測定値を実現するには、この整数値サイクルのアンビギュイティを解消しなければならない。
本発明は、アンビギュイティが解消され、屈折が補正され、且つノイズが最小化された搬送波位相測定値を生成する方法を含む。一実施形態において、アンビギュイティが解消され、屈折が補正され、且つノイズが最小化された搬送波位相測定値を形成すべく、L1、L2およびL5周波数におけるGPS搬送波位相測定値を用いて第1の合成測定値(composite measurement)が形成される。第1の合成測定値は、3種のGPS搬送周波数におけるGPS搬送波位相測定値の一次結合である。これはアンビギュイティが解消され屈折も補正されているが、比較的大きいマルチパス・ノイズが存在する恐れがある。第1の合成測定値におけるノイズを減らすべく、3種のGPS搬送周波数のうち少なくとも2種でのGPS搬送波位相測定値を用いて第2の合成測定値が形成される。第2の合成測定値は、第1の合成測定値の平滑化に利用できるよう、内在するマルチパス・ノイズが小さくなるように形成される。
図1に、本発明の一実施形態による、アンビギュイティが解消され、屈折が補正され、且つノイズが最小化された合成搬送波位相測定値を生成する方法の実行に利用可能なコンピュータシステム100を示す。コンピュータシステム100は、複数の衛星群110−1、110−2...110−nからの信号に基づくGPSコードおよび搬送波位相測定値をコンピュータシステム100に供給するユーザー側GPS受信器122に接続されている。ここで、nはユーザー側GPS受信器122から見た衛星の数である。ユーザー側GPS受信器100は、同じく複数の衛星群から信号に基づいて測定を行なっている基準GPS受信器140と通信可能な状態にあり、基準GPS受信器140による測定値はユーザー側GPS受信器でなされたGPS測定値に対して補正値を生成するために用いられる。前記複数の衛星群、またはその1個あるいは任意の数の衛星は、本明細書において以下に衛星(群)110と呼ぶ場合がある。いくつかの実施形態においてユーザー側GPS受信器122とコンピュータシステム100は、可搬型、携帯型または着用可能な測位装置、あるいは車両搭載またはその他移動測位および/またはナビゲーションシステムなど、単一の筐体内の単一の装置に一体化されていてもよい。他の実施形態では、ユーザー側GPS受信器122とコンピュータシステム100は単一の装置に一体化されていない。
ここで、i、j=1、2または5であって、i、jは各々2種の異なる搬送周波数Li、Ljを表わし、fiとfjは各々周波数Li、Ljの大きさを表わし、PiとPjは各々周波数Li、Ljにおけるコード測定値を表わし、φiとφjは各々周波数Li、Ljにおける搬送波位相測定値を表わし、cは光速、また、Nijは(Li−Lj)搬送波位相測定差異の搬送波位相整数値サイクルアンビギュイティを表わし、最も近い整数値に丸められる。式(1)のコードおよび搬送波位相測定値は、基準受信器で測定された測定値を用いて補正済みであると仮定する。
φr=(φ1−φ2+N12)−5.077923(φ2−φ5+N25) (2)
ここで、φrは合成測定値を表わし、φ1、φ2およびφ5は各々L1、L2およびL5周波数での搬送波位相測定値を表わし、これら全てが基準GPS受信器140で取得された測定値を用いて補正済みであると仮定されており、N12は(L1−L2)搬送波位相測定差異におけるアンビギュイティ、またN25は(L2−L5)搬送波位相測定差異におけるアンビギュイティである。
(L1−6L2+5L5)=(L1−L5)−6(L2−L5)
φm=4.219178φ1−1.609589(φ2+φ5) (3)
ここで、φmは合成測定値を表わす。
合成測定値φmは約10.8センチメートルの波長を有し、上述で仮定したように各々の周波数で等しい位相ノイズを仮定すれば、約2.7センチメートルのノイズレベルを有する。式(3)または(4)は、L2とL1測定値の間のトレードオフにさほど影響されず、また解消中のアンビギュイティがないため(no ambiguities are being resolved)、この式の倍数はどれでも後述する目的に同様に機能する筈である。そこで、(3)の係数を半分に削減して、波長を2回用いて合成測定値をメートル単位に拡大すれば、測定値のものと正確に同じノイズを有する丁度同じ合成測定値が得られる。φmは3種の周波数からの搬送波位相測定値を用いて形成されているが、L1およびL2搬送波位相測定値だけ、あるいはL1およびL5搬送波位相測定値だけを用いて、φmより僅かに高いノイズ増幅を有する、屈折補正された合成測定値を形成することができる。
ここで、kは測定時点、k−1はkの前の測定時点を表わし、Oは平滑化されたオフセットを表わし、nはkが平均計算の所定最大回数に達する前はkに等しく、その後では当該最大回数に固定される。
Mk=Ok+Sk (5)
φr=(φ1−φe+N1e)−2.165584416(φe−φ5+Ne5) (6)
ここで、下付き添え字φeはE6周波数における搬送波位相測定値、N1eおよびNe5は各々(φ1−φe)および(φe−φ5)測定差異に関連する整数値サイクルアンビギュイティを表わし、2.165584416という値は以下の計算から得られる。
ここで、feはE6.の周波数を表わす。式(6)が、式(2)における値5.077923と比較して、はるかに小さい2.165584416という値を用いるため、式(6)における高次結合のノイズ増幅は式(2)における高次結合のノイズ増幅よりはるかに小さい筈である。従って、結果的に得られる、アンビギュイティが解消され、屈折が補正された合成測定値は、より少ない平滑化で同じ精度を得ることができる。
Claims (19)
- アンビギュイティが解消され、屈折が補正されたGPS搬送波位相測定値を取得する方法であって、
3種の搬送周波数における搬送波位相測定値を取得するステップと、
前記3種の搬送周波数における搬送波位相測定値に基づいて少なくとも2種のワイドレーン搬送波位相測定値を形成するステップと、
前記ワイドレーン搬送波位相測定値における整数値サイクルのアンビギュイティを解消するステップと、
搬送波位相測定値に関するノイズを最小化するために、搬送波位相アンビギュイティの解消されていない屈折補正された合成測定値により、前記2種のワイドレーン搬送波位相測定値を平滑化するステップを含む、前記整数値サイクルのアンビギュイティが解消されたワイドレーン測定値を用いて、整数値サイクルのアンビギュイティが解消され、屈折が補正されたGPS搬送波位相測定値を形成するステップと、
を含む方法。 - 前記3種のGPS周波数が、第1の周波数と、第2の周波数と、第3の周波数とを含み、前記ワイドレーン搬送波位相測定値が、第1および第2の周波数における搬送波位相測定値を用いて形成された第1のワイドレーン搬送波位相測定値と、第2および第3の周波数における搬送波位相測定値を用いて形成された第2のワイドレーン搬送波位相測定値とを含み、前記整数値サイクルのアンビギュイティが解消され、屈折が補正されたGPS搬送波位相測定値が、前記第1のワイドレーン測定値と、前記第2のワイドレーン測定値の倍数との差異を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記第1のワイドレーン測定値における電離層の屈折誤差が、前記第2のワイドレーン測定値の倍数における電離層の屈折誤差にほぼ等しい、請求項1に記載の方法。
- 各々のワイドレーン搬送波位相測定値の整数値サイクルのアンビギュイティが、対応するGPSコード測定値の周波数加重平均に基づいて解消され、周波数加重平均における電離層の屈折により生じた誤差が、前記ワイドレーン搬送波位相測定値における電離層の屈折により生じた誤差に合致する、請求項1に記載の方法。
- 整数値サイクルのアンビギュイティが解決され、屈折が補正され、且つノイズが最小化された搬送波位相測定値を生成する方法であって、
3種のGPS周波数におけるGPS搬送波位相測定値の結合値を含む第1の合成測定値を形成するステップであって、前記第1の合成測定値を形成するステップが、
前記3種の周波数における搬送波位相測定値を取得するステップと、
前記3種の周波数における搬送波位相測定値に基づいて少なくとも2種のワイドレーン搬送波位相測定値を形成するステップと、
前記ワイドレーン搬送波位相測定値における整数値サイクルのアンビギュイティを解消するステップと、
前記整数値サイクルのアンビギュイティが解消されたワイドレーン測定値を用いて第1の合成測定値を形成するステップとを含む、ステップと、
少なくとも2種のGPS搬送周波数におけるGPS搬送波位相測定値の結合値を含む第2の合成測定値を形成するステップと、
前記第2の合成測定値により前記第1の合成測定値を平滑化するステップと
を含む方法。 - 前記第1の合成測定値が、前記3種のGPS搬送周波数におけるGPS搬送波位相測定値の一次結合である、請求項5に記載の方法。
- 各々のワイドレーン搬送波位相測定値の整数値サイクルのアンビギュイティが、対応するGPSコード測定値の周波数加重平均に基づいて解消され、周波数加重平均における電離層の屈折により生じる誤差が、ワイドレーン搬送波位相測定値における電離層の屈折により生じる誤差に合致する、請求項5に記載の方法。
- 前記第2の合成測定値を、内在するマルチパス・ノイズが小さくなるように形成する、請求項5に記載の方法。
- 前記第2の合成測定値を、前記3種の周波数の全てにおける搬送波位相測定値を用いて形成する、請求項5に記載の方法。
- 前記第2の合成測定値が、未解消の整数値サイクルのアンビギュイティを含む、請求項5に記載の方法。
- 前記第2の合成測定値が、約10.8センチメートルの波長を有する、請求項5に記載の方法。
- 前記第2の合成測定値が、前記3種の周波数における各々の搬送波位相測定値の位相ノイズが等しいと仮定して、約2.7センチメートルのノイズレベルを有する、請求項11に記載の方法。
- 前記第1および第2の合成測定値が、各自の波長によりスケーリングされ、前記第2の合成測定値により前記第1の合成測定値を平滑化するステップが、
複数の測定時点の各々における前記第1の合成測定値と前記第2の合成測定値とのオフセットを計算するステップと、
前記オフセットを、前記複数の測定時点にわたる拡大平均値で平滑化するステップと、
前記第2の合成測定値に前記平滑化されたオフセットを加算して、整数値サイクルのアンビギュイティが解消され、屈折が補正され、且つノイズが最小化されたGPS搬送波位相測定値を取得するステップと
を含む、請求項5に記載の方法。 - 測位またはナビゲーション・システムであって、
GPS受信器から見た複数の衛星群からの信号、すなわち3種の異なる搬送周波数で送信されている信号に基づいてGPSコードおよび搬送波位相測定値を取得すべく構成されたGPS受信器と、
前記GPS受信器に接続されていて、プロセッサおよびプロセスに接続されたメモリを含むコンピュータシステムであって、前記メモリが内部にプログラム命令を記憶しており、前記プログラム命令が前記プロセッサにより実行された場合、整数値サイクルのアンビギュイティが解消され、屈折が補正され、且つノイズが最小化された合成搬送波位相測定値を生成する方法を実行するコンピュータシステムとを含み、前記プログラム命令が、
前記3種の搬送波GPS周波数におけるGPS搬送波位相測定値を用いて第1の合成測定値を形成する命令であって、
前記3種の周波数における搬送波位相測定値を取得することと、
前記3種の周波数における搬送波位相測定値に基づいて少なくとも2個のワイドレーン搬送波位相測定値を形成することと、
前記ワイドレーン搬送波位相測定値における整数値サイクルのアンビギュイティを解消することと、
前記整数値サイクルのアンビギュイティが解消されたワイドレーン測定値を用いて前記第1の合成測定値を形成することとを含む、第1の合成測定値を形成する命令と、
少なくとも2種のGPS搬送周波数におけるGPS搬送波位相測定値を用いて第2の合成測定値を形成する命令と、
前記第2の合成測定値により前記第1の合成測定値を平滑化する命令とを含むシステム。 - 前記第1の合成測定値を形成する命令が、
前記3種の搬送周波数における搬送波位相測定値に基づいて少なくとも2種のワイドレーン搬送波位相測定値を形成する命令と、
前記ワイドレーン搬送波位相測定値における整数値サイクルのアンビギュイティを解消する命令と、
前記整数値サイクルのアンビギュイティが解消されたワイドレーン測定値を用いて前記第1の合成測定値を形成する命令とを含む、請求項14に記載の測位システム。 - 前記第2の合成測定値を、内在するマルチパス・ノイズが小さくなるように形成する、請求項14に記載の測位システム。
- 前記第2の合成測定値を、前記3種の周波数の全てにおける搬送波位相測定値を用いて形成する、請求項14に記載の測位システム。
- 前記第2の合成測定値が、未解消の整数値サイクルのアンビギュイティを含む、請求項14に記載の測位システム。
- 前記第2合成測定値により前記第1の合成測定値を平滑化する命令が
複数の測定時点の各々における前記第1の合成測定値と前記第2の合成測定値とのオフセットを計算する命令と、
前記オフセットを、前記複数の測定時点にわたる拡大平均値で平滑化する命令と、
前記第2の合成測定値に前記平滑化されたオフセットを加算して、整数値サイクルのアンビギュイティが解消され、屈折が補正され、且つノイズが最小化されたGPS搬送波位相測定値を取得する命令とを含む、請求項14に記載の測位システム。
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