JP5357760B2 - 3つのGPS周波数を用いて整数値サイクル(whole−cycle)搬送波位相アンビギュイティを解消する方法 - Google Patents
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Description
Pb=ρ+I/fb 2 (2)
Pc=ρ+I/fc 2 (3)
ここで、ρは幾何学的距離(対流圏屈折誤差を含む)であり、Iは電離層屈折誤差である。
Φb=(φb+Nb)c/fb=ρ−I/fb 2 (5)
Φc=(φc+Nc)c/fc=ρ−I/fc 2 (6)
ここで、φa、φb及びφcは、3つの周波数におけるそれぞれの生の搬送波位相測定値を表し、Na、Nb及びNcは、生の搬送波位相測定値に関連付けられる未知の初期(primary)整数値サイクルアンビギュイティを表し、cは、光の速度である。
ここで、λa−bは、以下のように、L1信号とL2信号との間の周波数の差異(fa−fb)の差分波長(difference wavelength)である。
式(7)からの式(8)の差を計算しその結果を差分波長λa−bで除算することによって、以下のようにワイドレーンアンビギュイティの直接測定値が取得される。
ここで、nは、たとえば測定エポックの数に関して平滑化の量を表す。正確なワイドレーンアンビギュイティを達成するために必要な平滑化の量は、周波数差異の波長λa−bの関数である。平滑化されたワイドレーンアンビギュイティ値を式(8)に挿入することによって、以下のようにアンビギュイティが解消されたワイドレーン搬送波位相測定値を生成することができる。
上記式(13)の最後の項は、ワイドレーン測定値の電離層屈折誤差に対応する。そして、この誤差は、以下でより詳細に説明するように、方法200の動作220において、3つの周波数すべてにおいて取得される搬送波位相測定値を用いて、アンビギュイティが解消され、屈折が補正された合成搬送波位相測定値を形成することによって、除去される。
式(13)及び式(14)の一次結合によって、電離層屈折誤差が除去され、アンビギュイティが解消され、屈折が補正された合成搬送波位相測定値ΦRCが取得される。
不都合なことに、アンビギュイティが解消されたワイドレーン測定値を形成した後、電磁層屈折誤差を除去する上述した処理によって、初期搬送波位相測定値においてノイズが実質的に増幅される。たとえば、L2周波数及びL5周波数は互いに非常に近接している(2つの周波数の間に51.15MHz差しかない)ため、式(14)において2つの周波数における搬送波位相測定値の差異を求めることによって、結果としての測定差異Φbcに大量のマルチパス・ノイズがもたらされる。式(15)における電離層屈折補正の後、マルチパス・ノイズはさらに増幅される。
=fa 2/(fa−fb)(fa−fc)Φa
+fb 2/(fb−fa)(fb−fc)Φb
+fc 2/(fc−fb)(fc−fb)Φc=ρ (16)
式(16)は、合成搬送波位相測定値と、3つの周波数における初期搬送波位相測定値との間の一般的な関係を定義する。この関係は、アメリカ合衆国のGPSシステムと、欧州のガリレオ・システムのような他の全地球的航法衛星システム(GNSS)とに当てはまる。実際には、GPSシステム及びガリレオ・システムは、L1信号及びL5信号に対しては同じ周波数を共有するが、L2信号に対しては異なる周波数を用いる。ガリレオ・システムE6の中心周波数は、1278.75MHzであり、L2周波数より51.15MHz高い。
ここで、a、b及びcは、3つの周波数におけるスケーリングされた初期搬送波位相測定値を乗算するための係数である。式(4)〜式(6)における3つのスケーリングされた初期搬送波位相測定値の定義を式(17)に代入することによって、式(17)が以下のような新たな形式に変換される。
例示の目的で、3つのスケーリングされた初期搬送波位相測定値の各々が1センチメートルのノイズを有するものと仮定する。合成測定値ΦMが最小値に達するためには、係数a、b及びcは以下の3つの制約を満たさなければならない。
a/fa 2+b/fb 2+c/fc 2=0 (20)
a2+b2+c2=最小値 (21)
式(19)は、距離測定値が係数の選択によってスケールアップ及びスケールダウンされないことを確実にする。式(20)は、電離層屈折誤差が合成測定値から除去されることを確実にする。式(21)は、係数の選択によってノイズ増幅が最小化されたことを確実にする。なお、ノイズが等しいという仮定が無効である場合、すなわち、3つの搬送波位相測定値に等しくないノイズが存在する場合、式(21)はそれに従って変更する必要があることに留意されたい。
式(22)を式(20)にはめ込み、bに対して解くと、以下のようになる。
(23)
この表現を、以下のようにさらに簡略化することができる。
式(21)のc及びbをそれぞれ式(22)及び式(24)で置き換えることによって、以下のようになる。
aに関して導関数をとり、その導関数をゼロに設定した後、aに対して解くと、以下のようになる。
b及びcの値は、式(26)をそれぞれ式(24)及び(22)に再び代入することによって取得することができる。3つの異なる中心周波数下で上記のように取得された係数a、b及びcの数値を表2に示す。
拡大平均フィルタによって平滑化した後(動作320)、オフセット値は、式(17)における一定バイアス誤差の負の値に近づく。いくつかの実施形態では、平滑化されたオフセットは以下の式によって取得される。
ここで、nの値は、各測定エポックにおいて1ずつ増加する。
処理300においてアンビギュイティが解消された搬送波位相測定値を平滑化するために動作320及び330を用いる1つの利点は、平滑化処理の間、合理性の観点からオフセット値を監視することができる点である。
整数値サイクルアンビギュイティ誤差ΔNを3つの初期整数値サイクルアンビギュイティNa、Nb及びNcに加算することによって、3つの初期整数値サイクルアンビギュイティのより正確な値がもたらされる。
N’b=Nb+ΔN (32)
N’c=Nc+ΔN (33)
これらの正確なアンビギュイティ値を再び式(17)に代入することによって、ノイズが最小であり、屈折が補正され、且つアンビギュイティが解消された合成搬送波位相測定値ΦARを以下のように表すことができる。
=ΦM+λRC・ΔN (34)
式(34)における合成測定値ΦARは、式(29)における合成測定値ΦSに類似している。しかしながら、初期アンビギュイティ誤差は1整数値サイクルの倍数であるため、式(30)において最も近い整数に丸めることによって、合成測定値ΦARは合成測定値ΦSより正確になる。
明らかに、距離成分ρは、初期測定値の各対において取り消されている。電離層屈折効果成分Iは、3つの測定値差異項間で取り消されている。その結果、残留オフセット値OSは、完全に、ノイズに初期測定値における任意の整数値サイクルアンビギュイティ誤差を足したものによる。
=fa(fb 2−fc 2)/fbfc・Φa+fb(fc 2−fa 2)/fafc・Φb+fc(fa 2−fb 2)/fafb・Φc (36)
表4は、異なる中心周波数下での式(36)の係数を示す。後に用いるために、表4の最後の列は、3つの初期アンビギュイティにおける正の1整数値サイクル誤差によってもたらされる、メートルでの距離バイアスを含む。
ここで、係数Ka、Kb及びKcはそれぞれ以下のように定義される。
Kb=c(fc 2−fa 2)/fafc
Kc=c(fa 2−fb 2)/fafb
上述したように、ワイドレーンアンビギュイティのうちの2つのみが独立している。これは、3つの周波数のうちの1つにおいて初期アンビギュイティ値のいずれか1つが取得されると、他の2つを確定することができることを意味する。したがって、式(9)及び式(11)におけるワイドレーンアンビギュイティに対する定義を式(37)に組み込むことによって、式(37)が以下のように変換される。
ここで、以下の通りである。
Tb−a=−Kc
Ta=Ka+Kb+Kc
表5は、異なる中心周波数下での式(38)における係数の数値を列挙している。
Va−b=−bλb−cλc
Vb−c=−cλc
したがって、ΦMを、初期測定値とワイドレーンアンビギュイティ値及び初期アンビギュイティ値の現セット
これを、以下のように丸める。
Claims (16)
- アンビギュイティが解消(ambiguity-resolved)され、屈折(refraction)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(minimum-noise carrier-phase measurement)を生成する方法であって、当該方法が、
3つの搬送波周波数における初期搬送波位相測定値(primary carrier-phase measurements)を用いて、第1の、合成搬送波位相測定値を形成することであって、当該第1の、合成搬送波位相測定値が、ワイドレーンアンビギュイティが解消され(wide-lane ambiguity-resolved)、屈折が補正された合成搬送波位相測定値であるものと、
前記3つの搬送波周波数における前記初期搬送波位相測定値を用いて、第2の、合成搬送波位相測定値を形成することであって、当該第2の、合成搬送波位相測定値が、ノイズが最小であり、屈折が補正された合成搬送波位相測定値であり、当該第2の、合成搬送波位相測定値が、解消されていない整数値サイクルアンビギュイティを含むもの、
及び、
前記第1の合成搬送波位相測定値を前記第2の合成搬送波位相測定値によって平滑化すること、
を含み、
前記解消されていない整数値サイクルアンビギュイティが、
前記第2の合成搬送波位相測定値に対する、屈折が補正された波長を予測し、
前記第1の、及び、第2の、合成搬送波位相測定値の間の、平滑化されたオフセット値を決定し、
前記平滑化されたオフセット値を、前記屈折が補正された波長で分割し、
前記除算された結果を最も近い整数に丸め(rounding)て、前記第2の合成搬送波位相測定値の前記整数値サイクルアンビギュイティの解消された値を生成すること、
によって解消される、
搬送波位相測定値を生成する方法。 - 前記第1の合成測定値は、前記3つの搬送波周波数における前記初期搬送波位相測定値の一次結合(a linear combination)である、請求項1に記載の方法。
- 前記第1の合成測定値は、アンビギュイティが解消された2つの別個のワイドレーン搬送波位相測定値の一次結合であり、各該ワイドレーン搬送波位相測定値は、前記3つの初期搬送波位相測定値のうちの2つの差異を求める(differencing)ことによって形成される、請求項1に記載の方法。
- 各前記ワイドレーン搬送波位相測定値は、対応するコード測定値の周波数加重平均(frequency-weighted average)と、前記2つのそれぞれの初期搬送波位相測定値間の生の測定値の差異とに基づく、整数値サイクルアンビギュイティ(whole-cycle ambiguity)を有する、請求項3に記載の方法。
- 前記第2の合成搬送波位相測定値は、各々がそれぞれの係数によって重み付けされた前記3つの初期搬送波位相測定値の一次結合であり、前記3つの係数は、前記第2の合成搬送波位相測定値におけるノイズを最小化するように1つ又は複数の事前定義された条件を満たす、請求項1に記載の方法。
- 前記事前定義された条件は、前記3つの係数の和が定数に等しいことを含む、請求項5に記載の方法。
- 前記事前定義された条件は、各々が関連付けられる搬送波周波数の二乗によって除算された前記3つの係数の和がゼロに等しいことを含む、請求項5に記載の方法。
- 前記事前定義された条件は、前記3つの係数が、前記3つの初期搬送波位相測定値の各々における位相ノイズが等しいと仮定すると、前記3つの値の各々の二乗の和が最小化されるような値を有することを含む、請求項5に記載の方法。
- 前記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測定値は、前記第2の合成搬送波位相測定値と、前記屈折が補正された波長及び前記第2の合成搬送波位相測定値の前記整数値サイクルアンビギュイティの前記解消された値を乗算した結果と、を合計することによって達成される、請求項1に記載の方法。
- 前記平滑化動作は、
複数の測定エポックの各々において前記第1の合成搬送波位相測定値と前記第2の合成搬送波位相測定値との差異を求めることによってオフセットを生成すること、
前記オフセットを、前記複数の測定エポックにわたる拡大平均フィルタを用いて平滑化すること、及び
前記平滑化されたオフセットを前記第2の合成搬送波位相測定値に加算することであって、前記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が取得される、加算すること、
をさらに含む、請求項1に記載の方法。 - 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取得する方法であって、当該方法が、
特定の測定エポックにおいて3つの搬送波周波数における初期搬送波位相測定値を取得すること、
前記3つの搬送波周波数における前記初期搬送波位相測定値の一次結合から合成搬送波位相測定値を形成することであって、該合成搬送波位相測定値は2つのワイドレーンアンビギュイティ及び1つの初期アンビギュイティを含む、形成すること、
前記初期搬送波位相測定値を用いて前記2つのワイドレーンアンビギュイティ及び前記1つの初期アンビギュイティを更新すること、
前記ワイドレーンアンビギュイティ及び前記初期アンビギュイティが解消されるまで、複数の測定エポックにわたり前記取得する動作、前記形成する動作及び前記更新する動作を繰り返すこと、及び
前記解消されたワイドレーンアンビギュイティ及び初期アンビギュイティを用いて、前記アンビギュイティが解消され、屈折が補正され、ノイズが最小化された合成搬送波位相測定値を計算すること、
を含む、搬送波位相測定値を取得する方法。 - 前記ワイドレーンアンビギュイティ及び前記初期アンビギュイティは、最も近い整数に丸められた後に2つの測定エポック間で変化しない場合に解消される、請求項11に記載の方法。
- 測位(positioning)又はナビゲーション・システムであって、
該受信器から見た複数の衛星群からの信号、すなわち3つの異なる搬送波周波数で送信されている信号に基づいてコード及び搬送波位相測定値を取得するように構成される受信器と、
前記受信器に接合される(coupled)コンピュータシステムであって、該コンピュータシステムは、プロセッサ及び該プロセッサに結合されるメモリを含み、該メモリは内部にプログラム命令を記憶しており、該プログラム命令が前記プロセッサによって実行されると、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、
を備え、前記プログラム命令は、
前記3つの搬送波周波数における初期搬送波位相測定値を用いて、第1の、合成搬送波位相測定値を形成するための命令であって、当該第1の、合成搬送波位相測定値が、ワイドレーンアンビギュイティが解消され(wide-lane ambiguity-resolved)、屈折が補正された合成搬送波位相測定値であるものと、
前記3つの搬送波周波数における前記初期搬送波位相測定値を用いて、第2の、合成搬送波位相測定値を形成するための命令であって、当該第2の、合成搬送波位相測定値が、ノイズが最小であり、屈折が補正された合成搬送波位相測定値であるものと、
前記第2の合成搬送波位相測定値によって前記第1の合成搬送波位相測定値を平滑化するための命令とを含み、
前記第2の合成搬送波位相測定値を形成するための前記命令が、前記第2の合成搬送波位相測定値の、整数値サイクルアンビギュイティを解消するための命令と、
前記第2の合成搬送波位相測定値に対する、屈折が補正された波長を予測するための命令と、
前記第1の、及び、第2の、合成搬送波位相測定値の間の、平滑化されたオフセット値を決定するための命令と、
前記平滑化されたオフセット値を、前記屈折が補正された波長で分割するための命令と、
前記除算された結果を最も近い整数に丸め(rounding)て、前記第2の合成搬送波位相測定値の前記整数値サイクルアンビギュイティの解消された値を生成するするための命令と、
を含む、測位又はナビゲーション・システム。 - 前記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測定値は、前記第2の合成搬送波位相測定値と、前記屈折が補正された波長と前記第2の合成搬送波位相測定値の前記整数値サイクルアンビギュイティの前記解消された値とを乗算した結果と、を合計することによって達成される、請求項13に記載の測位システム。
- 前記第2の合成搬送波位相測定値は、各々がそれぞれの係数で重み付けされる前記3つの初期搬送波位相測定値の一次結合であり、前記3つの係数は、前記第2の合成搬送波位相測定値におけるノイズを最小限にするように1つ又は複数の事前定義された条件を満たす、請求項13に記載の測位システム。
- 前記平滑化するための命令は、
複数の測定エポックの各々において前記第1の合成搬送波位相測定値と前記第2の合成搬送波位相測定値との差異を求めることによってオフセットを生成するための命令と、
前記オフセットを、前記複数の測定エポックにわたる拡大平均フィルタを用いて平滑化するための命令と、
前記第2の合成搬送波位相測定値に前記平滑化されたオフセットを加算して、前記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取得するための命令と、
をさらに含む、請求項13に記載の測位システム。
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