JP5627853B2 - 干渉および電波妨害に対する感受性を低減したナビゲーションシステムのための方法および装置 - Google Patents
干渉および電波妨害に対する感受性を低減したナビゲーションシステムのための方法および装置 Download PDFInfo
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Description
この発明は一般に、ナビゲーションシステムに関し、より特定的には、電波妨害および干渉が起こりがちな環境で動作する衛星ナビゲーションシステムに関する。近年、全地球測位システム(Global Positioning System:GPS)のユーザらは、リアルタイムの3次元ナビゲーション能力を、以前には利用できなかった性能レベルで享受してきた。そのようなGPSシステムは、干渉および電波妨害に対するそれらの感受性を除けば、正確な全世界的衛星ナビゲーションの約束を大いに果たしてきた。にもかかわらず、ユーザらは引続き、特に正確度および完全性−すなわち、ナビゲーションシステムがナビゲーション情報の誤りを検出する能力−について、ますます高いナビゲーション性能を要求している。
特殊な衛星設計と(ii)受信機設計とに焦点を当てている。衛星では、たとえば、地上への生の出力のブロードキャストを単純に増加させることは常時可能である。しかしながら、生の出力についての代償があり、追加出力の各ワットに比例して衛星ペイロードおよび打上げコストがそれに応じて増えるため、ブロードキャスト出力の著しい増加は急速に高価になる。別のアプローチは、付加的な処理ゲインを可能にし得るより幅広い帯域幅のブロードキャストを使用することである。ここでも支払うべき代償があり、有限のスペクトルを多数の目的のために効率的に使用することは著しく全世界的調整を必要とする。GPSはそれに割当てられた特定のブロードキャストスペクトルを有しており、近い将来におけるいかなるときも、何らかの新しいスペクトルが割当てられることは起こりそうもない。
任意の数の要因によって狂う場合がある。どのような非一貫性もフェイルソフトに寄与しない。データストリッピングアプローチの主要な改良点は、地球低軌道(Law Earth Orbiting:LEO)衛星がどのようにして、動作の隙間をなくすようにGPSデータビットの全地球フィードフォワードを提供できるか、を教示している。たとえば、2004年6月22日出願の「GPS性能向上のためのリアルタイムデータ支援」(Real Time Data Aiding for Enhanced GPS Performance)と題された米国特許出願連続番号第10/873,581号を参照されたい。
た他のより安定した一般的でないクロックが候補に挙がっているが、これらの非常に安定したクロックでさえ、それらを実用的にしない実用上の問題を有する。30dBの追加のGPS電波妨害の保護のために、ユーザは近傍の20秒にわたって積分する必要がある。このレベルでは、多くの原子時計でさえ、必要とされる安定性を提供できない。振動、大きさおよびコストが法外になり得る。前途有望な新しいチップスケール原子時計(Chip Scale Atomic Clock:CSOC)アプローチは、今から数年後にコスト、サイズ、重量および出力を減少させる可能性を提供するが、最も楽観的な性能予測でさえ、必要な位相安定性を必要な間隔にわたって産出する十分な周波数安定性を達成しない。恒温槽付水晶発振器(Oven-Controlled Crystal Oscillator:OCXO)の中には、必要な位相安定性を必要な間隔にわたって有するものがある。しかしながら、OCXOは通常嵩高く、高価で、かつ電力を消費する。そのような高度に安定したクロックに依存するソリューションは、コスト、サイズ、重量および消費電力を精密な温度制御と関連付けなければ容易には手が届かないものである。構成要素性能感度を重視するそのようなソリューションは、著しい技術的課題である。出力、振動およびコストは主な障害となる。必要とされるのは、標準の低コストTCXOを用いて著しく向上した性能を提供することができるソリューションである。
も動作しているので、WAASといった衛星ソリューションが付加価値を航空機ユーザに提供しないため、航空会社が衛星ナビゲーションに移行する動機はほとんどない。
この発明に従ったシステムおよび方法は一般に、1つ以上のGPS衛星と組合せた地上基準局および地球低軌道(LEO)衛星のネットワークを採用する。GPS衛星への第1の共通視野測距ジオメトリが、基準局とユーザとをリンクするために設定される。同じ基準局とユーザとの間のLEO衛星への第2の共通視野ジオメトリも設定される。地上局は、GPSおよびLEO衛星の信号の搬送波位相測定を行なうことにより、リアルタイムの支援信号を合成する。この支援情報はLEO衛星を介して、周囲の電波妨害を貫通するように高出力でユーザ受信機に送信される。ユーザ受信機は、LEO衛星の搬送波位相を追尾し、支援情報を復調して、次に、GPS信号の拡張されたコヒーレントな測定を可能にするように搬送波位相測定値および支援情報を適用する。このシステムはそれにより、電波妨害で失われたであろうGPS信号を復元させる。このように、この発明は、電波妨害耐性における著しい改良を、通常のGPS受信機のものに匹敵するコスト、サイズ、重量および出力で提供する。
以下の詳細な説明は本質的に単なる例示であり、この発明、またはこの発明の用途および使用を限定するよう意図されてはいない。さらに、前述の技術分野、背景、簡単な概要、または以下の詳細な説明に提示される明示または暗示された理論によって束縛される意図はない。
4、増幅器406、およびA/D変換器408に結合されている。合成器413は、温度制御型水晶発振器(TCXO)410から信号を受信し、図示されているようにコンピュータ414、慣性412、およびA/D変換器408に結合されている。コンピュータ414は、慣性412から生の測定値を受信し、また、合成器413およびA/D変換器408から入力を受信して、位置、高度および時刻の出力(420)を生成する。A/D変換器408のサンプリングレートは好ましくは、以下の刊行物、すなわちマーク L.サイアキ(Mark L. Psiaki)、スティーブン P.パウエル(Steven P. Powell)、ヒー ジュン(Hee Jung)、およびポール M.キントナー、ジュニア(Paul M. Kintner, Jr.)、「直接RFサンプリングを用いた多周波数RFフロントエンドの設計および実用的実現」(Design and Practical Implementation of Multi-Frequency RF Front Ends Using
Direct RF Sampling)、ION−GNSS、ロングビーチ(Long Beach)、2004年9月に記載された方法を用いて選択される。このように、このシステムは当該帯域すべてをベースバンド化するようダウンコンバートする。
直接ダウンコンバージョンの使用を妨げる場合、安定したバイアスを達成するために慎重な検討が適用される限り、従来のダウンコンバージョンを用いた他のアプローチが明らかであろう。
好ましい一実施例では、電波妨害防止性能は、(i)データストリッピング、(ii)時間同期、および(iii)コヒーレントな平均化という3つの基本ステップで達成される。図8は、処理シーケンスの第1のステップを示す。重度の干渉の区域204でたまたま運行中のユーザ202のために、搬送波上で変調されたGPSデータを除去することが望ましい。電波妨害または干渉をたまたま受けていない、GPS衛星206の共通視野にある基準局210は、その衛星のために50bpsのGPSデータストリームの明らかな推定値を得ることができる。LEOデータリンク220、224は、データリンクを通してデータをユーザ202にリアルタイム、高出力でテレメータ送信するために使用される。ユーザ202は次に、それ自体が受信したGPS信号208を、GPSを介して基準局210から受信したデータストリーム224と時系列に整列する。これらを混ぜ合わせることにより、50bpsの変調は信号から完全に取り除かれる。
までかなり緩和され得ることが、後に示されるであろう。
一実施例によれば、測定値を組合せる「強力な」2つの違いの方法が使用される。このアプローチは例示的であるが、それが実際には、以下に説明する実施例と比べて或る欠点を有することが示される。この例では、相関の前に、各GPSチャネルから直接、LEO位相測定値が減算される。各GPSチャネルは残留位相測定値を出力して、ユーザによって受信されたようなGPS衛星信号の実際の位相と予測された位相との間の2つの差(GPSマイナスLEO、ユーザマイナス基準)の残留を提供する。
好ましい実施例では、ソフトウェア受信機実現化例において大量の信号処理が実行され、以下の説明はそのようなものとして仮定している。しかしながら、この発明は、特定の状況に鑑みて適切となるようなハードウェアおよびソフトウェアの任意の組合せを用いて実現されてもよい。
同相(I)および直交(Q)搬送波位相誤差トラッキング成分に統合するよう設計されている(1014)。これらの生のIおよびQは、搬送波位相トラッキング誤差角度への変換、および拡張カルマンフィルタ(図1の項目108)への組み込みのために、ナビゲーションプリプロセッサ(図1の項目110)にルーティングされる。LEOの生の出力の速度は、高い電波妨害下でも、高いLEOブロードキャスト出力のために通常10Hzであるか、またはそれよりも速い。
確度および適時性の双方について表現されたこの許容範囲は、天体暦、基準位相測定値、および慣性出力にとって特に重要である。完全なシステムモデル(入れ子になった項目410、412および1414)は拡張カルマンフィルタ108の内部にあり、それはしたがって、図示されているような受信機におけるすべての相関器への搬送波位相フィードフォワード信号1402を生成する。
.ヤンク(Yunck)、G.ピーシンガー(Piesinger)、およびM.L.ホワイトヘッド(Whitehead)、「プロトタイプリアルタイム広域差動GPSシステム」(A Prototype Real-Time Wide Area Differential GPS System)、ナビゲーション:ナビゲーション学会会報(Journal of the Institute of Navigation)、第44巻、第4号、1998年、433−447頁を参照されたい。次にユーザ測定値が積み重ねられて、以下のような線形の1組の観測値を形成する。
実際には、INSは輸送体上のGPSアンテナとは連結されない。慣性からGPSアンテナへのレバーアームdは、INS誤差rとGPSアンテナオフセットδxとのベクトルずれを、(3×3)姿勢行列Aの関数として、以下のように規定する。
慣性システムの特性は、INSベクトル誤差運動方程式の線形化された表現を分析することによって評価可能である(たとえば、I.Y.バー・アイツハック(Bar-Itzhack)およびN.バーマン(Berman)、「慣性ナビゲーションシステムへの制御理論アプローチ
」(Control Theoretic Approach to Inertial Navigation Systems)、AIAA ペーパー 87−2591、1987年を参照されたい)。
GPSプリ検出間隔にわたって発生するLEO衛星からの迅速なクロック更新に鑑み、また、拡張された期間にわたって慣性ノイズの効果を正確にモデル化するためには、受信機相関器のモデルを保持することも好ましい。この統合モデルは、受信機NCOを内蔵状態変数として命令するためにも使用される。我々の目的は、以下のような標準測定値更新方程式に準拠することである。
において、極めて密なセンチメートルレベルの許容範囲で相互接続される。相関器は、状態フィードバックのための主要メカニズムを提供する。各サブシステムは異なる更新速度で動作し得るため、各入力は好ましくは、相関器モデルにおいて、正確な状態フィードを十分に利用するよう勘案される。
ここで、考慮したすべての相関器、慣性、トラッキングバイアス、およびクロック状態方程式を以下のような単一の統合システムに組合せることが可能である。
GPS受信機にとってユーザプラットフォームダイナミクスが過酷すぎてトラッキングできない通常の信号条件の下でも拡張する。トラッキング状態バイアスには約1分または2分の時定数が与えられるべきである。
ナビゲーション出力の完全性はしばしば、決定的に重要である。ここに説明するナビゲーションシステムおよび方法は、完全性の最高可能しきい値を提供することと十分に両立し得る。電波妨害状況下ですら、拡張カルマンフィルタ108の定常状態への集束時には、異常な状況を検出するために測定値残余において利用可能な著しい量の冗長な情報がある。完全性アプローチは、周知の受信機自律完全性モニタリング(Receiver Autonomous Integrity Monitoring:RAIM)の変形を使用する。大抵の状態変数がセンチメートルレベルの正確度へと集束してきたこと、および慣性バイアス状態−特に位置誤差−に対する更新がセンチメートルレベルの正確度で起こっていることが仮定される。したがって、RAIM残余を以下のように構築することが可能である。
また、本発明は以下に記載する態様を含む。
(態様1)
ナビゲーションシステム(200)であって、
基準受信機(210)と、
ユーザ受信機(202)と、
前記基準受信機(210)および前記ユーザ受信機(202)の共通視野にある全地球測位システム(GPS)衛星(206)とを含み、前記基準受信機(210)および前記ユーザ受信機(202)は前記GPS衛星(206)から搬送波測距信号(208、209)を受信し、前記ナビゲーションシステムはさらに、
前記基準受信機(210)および前記ユーザ受信機(202)の共通視野にある第1の地球低軌道(LEO)衛星(222)を含み、前記基準受信機(210)および前記ユーザ受信機(202)は、前記第1のLEO衛星(222)から受信されたLEO搬送波測距信号のそれぞれの第1および第2の測定値を計算するよう構成されており、
前記ユーザ受信機(202)は、前記LEO衛星(222)を介して前記基準受信機(210)から前記第1の測定値を受信し、前記第1および第2の測定値を適用して、前記ユーザ受信機(202)によって受信された前記GPS搬送波測距信号(208)の信号位相の演繹的推定値を構築するよう構成されており、前記演繹的推定値は、前記ユーザ受信機(202)での前記搬送波測距信号(208)の拡張積分の基盤として使用される、ナビゲーションシステム。
(態様2)
複数のLEO衛星(222)をさらに含み、前記複数のLEO衛星(222)の1つ以上は前記演繹的推定値に寄与する、態様1に記載のナビゲーションシステム(200)。
(態様3)
前記ユーザ受信機(202)は、前記演繹的推定値を求めるために天体暦情報を採用しており、前記演繹的推定値は、拡張された積分間隔にわたる波長のごく一部分である、態様1に記載のナビゲーションシステム(200)。
(態様4)
複数のGPS衛星(206)をさらに含み、前記GPS衛星(206)からの複数のそれぞれの搬送波測距信号(208、209)は、前記受信機(202)によって組合されてナビゲーションソリューションを形成する、態様1に記載のナビゲーションシステム(200)。
(態様5)
複数のGPS衛星(206)をさらに含み、前記GPS衛星(206)からの複数のそれぞれの搬送波測距信号(208、209)は、前記受信機(202)によって組合されてナビゲーションソリューションを形成する、態様2に記載のナビゲーションシステム(200)。
(態様6)
前記拡張積分は、前記GPS衛星(206)からの前記搬送波測距信号(208、209)に埋込まれたコード位相測距情報を復元させるために使用される、態様1に記載のナビゲーションシステム(200)。
(態様7)
前記複数のGPS衛星(206)からの前記コード位相測距情報は、前記ユーザ受信機(202)の位置およびクロックオフセットを計算するために使用される、態様6に記載のナビゲーションシステム(200)。
(態様8)
前記第1および第2の測定値は、前記ユーザ受信機(202)に、前記基準受信機(210)と前記ユーザ受信機(202)との間の精密な相対時間推定値を提供する、態様1に記載のナビゲーションシステム(200)。
(態様9)
前記コード位相測距情報は、前記ユーザ受信機(202)に、前記基準受信機の時刻に対して精密であり、かつGPS時刻に対して正確である時間推定値を提供する、態様7に記載のナビゲーションシステム(200)。
(態様10)
システムバイアスを推定するために、前記複数のLEO衛星(222)およびGPS衛星(206)のジオメトリの変化が、前記ユーザ受信機(202)によって採用される、態様5に記載のナビゲーションシステム(200)。
(態様11)
複数のLEO衛星(222)をさらに含み、前記複数のGPS衛星(206)と、前記複数のLEO衛星(222)と、前記ユーザ受信機(202)に関連付けられたクロックとに関連付けられたトラッキングバイアス状態変数を区分するために、直交化が前記ユーザ受信機(202)によって採用される、態様5に記載のナビゲーションシステム(200)。
(態様12)
前記ユーザ受信機(202)は静止している、態様5に記載のナビゲーションシステム(200)。
(態様13)
前記ユーザ受信機(202)は低ダイナミクス下で動作する、態様7に記載のナビゲーションシステム(200)。
(態様14)
前記ユーザ受信機(202)内の慣性ナビゲーションシステムは、前記ユーザ受信機(202)の運動を減算するために採用される、態様5に記載のナビゲーションシステム(200)。
(態様15)
前記慣性ナビゲーションシステムによって生成された1組のバイアス補正値は、前記拡張積分の期間にわたって波長のほんの一部分よりも小さい正確性を提供するのに十分である、態様14に記載のナビゲーションシステム(200)。
(態様16)
前記基準局(210)は移動式である、態様5に記載のナビゲーションシステム(200)。
Claims (8)
- ナビゲーションシステム(200)であって、
基準受信機(210)と、
ユーザ受信機(202)と、
前記基準受信機(210)および前記ユーザ受信機(202)の共通視野にある全地球測位システム(GPS)衛星(206)とを含み、前記基準受信機(210)および前記ユーザ受信機(202)は前記GPS衛星(206)から搬送波測距信号(208、209)を受信し、前記ナビゲーションシステムはさらに、
前記基準受信機(210)および前記ユーザ受信機(202)の共通視野にある第1の地球低軌道(LEO)衛星(222)を含み、前記基準受信機(210)および前記ユーザ受信機(202)は、前記第1のLEO衛星(222)から受信されたLEO搬送波測距信号のそれぞれの第1および第2の測定値を計算するよう構成されており、
前記ユーザ受信機(202)は、前記LEO衛星(222)を介して前記基準受信機(210)から前記第1の測定値を受信し、前記第1および第2の測定値を適用して、前記ユーザ受信機(202)によって受信された前記搬送波測距信号(208)の信号位相の演繹的推定値を推定するよう構成されており、前記演繹的推定値をトラッキング可能な積分間隔にわたって、前記搬送波測距信号(208)が平均化される、ナビゲーションシステム。 - 複数のLEO衛星(222)をさらに含み、前記複数のLEO衛星(222)の1つ以上は前記演繹的推定値に寄与する、請求項1に記載のナビゲーションシステム(200)。
- 前記ユーザ受信機(202)は、前記演繹的推定値を求めるために天体暦情報を採用しており、前記積分間隔の一部の間隔にわたって、前記搬送波測距信号(208)が平均化される、請求項1に記載のナビゲーションシステム(200)。
- 複数のGPS衛星(206)をさらに含み、前記GPS衛星(206)からの複数のそれぞれの搬送波測距信号(208、209)は、前記受信機(202)によって組合されてナビゲーションソリューションを形成する、請求項1に記載のナビゲーションシステム(200)。
- 複数のGPS衛星(206)をさらに含み、前記GPS衛星(206)からの複数のそれぞれの搬送波測距信号(208、209)は、前記受信機(202)によって組合されてナビゲーションソリューションを形成する、請求項2に記載のナビゲーションシステム(200)。
- 前記平均化は、前記GPS衛星(206)からの前記搬送波測距信号(208、209)に埋込まれたコード位相測距情報を復元させるために使用される、請求項1に記載のナビゲーションシステム(200)。
- 前記第1および第2の測定値は、前記ユーザ受信機(202)に、前記基準受信機(210)と前記ユーザ受信機(202)との間の精密な相対時間推定値を提供する、請求項1に記載のナビゲーションシステム(200)。
- 前記演繹的推定値を推定するために、前記複数のLEO衛星(222)およびGPS衛星(206)のジオメトリの変化が、前記ユーザ受信機(202)によって採用される、請求項5に記載のナビゲーションシステム(200)。
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