JP5677077B2 - 過剰遅延勾配を監視する地上システムおよび方法 - Google Patents

Description

政府実施許諾権
[0001]合衆国政府は、ＦＡＡにより与えられた政府契約書番号ＤＴＦＡＷＡ−０３−Ｄ−０３００９の条項により与えられた本発明の一定の権利を有することができる。

[0002]電離層の電子密度は、地理的位置および時間に応じて変化する。国際民間航空機関（ＩＣＡＯ）は、電離層異常、すなわち電離層の電子密度の極端な変化に由来する、航空機の航法および誘導システムに対する脅威に対処するための基準を開発している。基準の開発により、電離層異常による信号の遅延勾配に関する地上監視が、絶対的なものであり、過去の衛星測定値に対する相対的なものではないことが重要であることが示された。衛星が地上型ＧＰＳ補強システムの視界内まで動くとき、衛星からの測定値の極めて初期の組から極端な勾配を検出することが重要である。

[0003]本出願は、衛星信号の水平遅延勾配を監視する処理機能部に関する。

処理機能部は、衛星差分モジュール、二重差分モジュール、および勾配推定器モジュールを含む。衛星差分モジュールは、少なくとも２つの基準受信機から少なくとも２つの衛星の搬送波位相測定値を受け取るように構成される。少なくとも２つの衛星は、被監視衛星および少なくとも１つの他の衛星を含む。少なくとも２つの基準受信機は、互いに既知の幾何学的関係を有する。衛星差分モジュールは、被監視衛星からの信号と少なくとも１つの他の衛星のうちの少なくとも１つからの信号との搬送波位相測定値の差分を決定する。二重差分モジュールは、搬送波位相測定値の差分に基づいて少なくとも２つの基準受信機の１つまたは複数の対の間の二重差分を形成し、対の間の二重差分を対における基準受信機の既知の位置の差で補償し、補償二重差分をマイナス１／２波長からプラス１／２波長の範囲に制限するためにモジュロ演算を実行し、少なくとも２つの衛星間で被監視衛星に関して他の衛星にわたって二重差分を平均化するように構成される。勾配推定器モジュールは、被監視衛星に関する平均化された補償二重差分に基づいて水平遅延勾配の大きさを推定するように構成される。

本発明による、衛星信号の過剰遅延勾配を監視する地上局の実施形態を示す図である。 本発明による処理機能部の実施形態を示す図である。 本発明による、過剰遅延勾配を監視する方法の１つの実施形態を表すフローチャートである。 本発明による、過剰遅延勾配を監視する方法の１つの実施形態を表すフローチャートである。 本発明の実施形態における、遅延勾配自由ノイズ誤差分布を示す図である。 本発明の実施形態における、３つの基準受信機の勾配ノイズ誤差分布を示す図である。 本発明による、４つの基準受信機の実施形態の勾配ノイズ誤差分布を示す図である。

[0010]一般的な慣例に従って、示される様々な特徴部は、原寸に比例して示されておらず、本発明に関連する特徴部を強調するように描かれている。図および文章を通して、同様の参照文字は、同様の要素を示す。

[0011]過剰遅延勾配モニタは、地上局内の最も要求の厳しいモニタのうちの１つである。過剰遅延勾配モニタは、搬送波精度をミリメートルレベルに保持することを必要とする。本明細書に述べる水平遅延勾配モニタは、水平面内に配置される３つの非同一直線上基準受信機における搬送波位相測定値を比較することによって、地上局で受信する信号に影響を及ぼす遅延勾配の水平成分を検出する。遅延勾配の水平成分は、３つの非同一直線上基準受信機が配置される平面内にある。水平遅延勾配モニタは、遅延勾配が過剰か否かも決定する。遅延勾配が過剰であるとき、被監視衛星から送信される信号の基準受信機の対における遅延量差は、他の衛星から送信され、同時に基準受信機の同じ対において受信する信号の平均遅延量差よりも（被選択閾値よりも大きい値だけ）大きい。

[0012]一方向の勾配を測定するために、最低２つの基準受信機が必要とされる。この構成は、線に沿った遅延勾配の検出のみを必要とする地上局設備に有効である。たとえば、水平勾配モニタは、滑走路の方向に平行な線に沿って配置される２つの基準受信機を含むことができる。そのような水平勾配モニタは、「線勾配モニタ」である。最低３つの非同一直線上基準受信機は、３つの非同一直線上基準受信機の水平面内のいずれかの線に沿った勾配を測定するために、水平勾配モニタ内に必要とされる。

[0013]４つ以上の基準受信機が利用できるとき、水平遅延勾配に対する感度を改善するために、重複情報が使用される。「異常遅延勾配」、「遅延勾配」、「電離層遅延勾配」、および「水平遅延勾配」という用語は、本明細書では同じ意味で使用される。

[0014]図１は、本発明による、衛星信号における過剰遅延勾配を監視する地上局９０の実施形態を示す。図１に示されるように、地上局９０は、水平遅延勾配モニタ９５および地上局ブロードキャスト部９２を含む。地上局ブロードキャスト部９２は、地上局９０の近くの航空機に信号を送信する地上局９０の一部分である。水平遅延勾配モニタ９５は、被監視衛星２００−１から送信される信号４００−１に関して水平面内に存在する過剰遅延勾配を監視する。

[0015]水平遅延勾配モニタ９５は、互いに既知の幾何学的関係で配置される少なくとも２つの基準受信機、および処理機能部１００を含む。図１に示される実施形態は、４つの基準受信機２５１〜２５４を含む。水平遅延勾配は、４つの基準受信機２５１〜２５４を含む平面内にある水平成分を有する。処理機能部１００は、基準受信機２５１〜２５４の各々に伝達可能に結合される。水平遅延勾配モニタ９５は、動作中、少なくとも２つの衛星２００（１〜Ｎ）からの信号を受信する。基準受信機２５１〜２５４は、本明細書で「ＲＲ」とも示される地上基準受信機２５１〜２５４である。

[0016]位相面として全体的に示される無線周波数信号４００（１〜Ｎ）は、衛星２００（１〜Ｎ）から、それぞれ（Ｎは、正の整数である）放たれる。無線周波数信号４００（１〜Ｎ）は、２０によって全体的に示される電離層を通って地上局９０に伝播する。４つの基準受信機２５１〜２５４は、被監視衛星２００−１および他の衛星２００（２〜Ｎ）からの無線周波数信号４００（１〜Ｎ）を受信する。理解されるように、各基準受信機２５１〜２５４は、基準受信機２５２上のアンテナ２６２などのアンテナを備える無線周波数受信機である。明確に示すために、１つのアンテナ２６２（第２の基準受信機２５２上に見られる）だけが示される。

[0017]無線周波数信号の位相に影響を及ぼす、電離層２０内の異常遅延勾配２２が存在する可能性があり、それらの信号は、異常遅延勾配２２を通って伝播する。異常遅延勾配２２は、電離層２０内の平行線模様の密度の増大によって示される。たとえば、図１に示されるように、被監視衛星２００−１からの無線周波数信号４００−１は、４つの基準受信機２５１〜２５４の方へ伝播するとき、異常遅延勾配２２を通過する。遅延勾配２２は、信号が地表面上で受信されるとき、水平勾配になる。これは、受信機が地表面上で動くとき、受信する信号の電離層遅延が変化することを意味する。

[0018]それぞれの衛星２００（１〜Ｎ）から送信される無線周波数信号４００（１〜Ｎ）は、基準受信機２５１〜２５４においてほぼ同時刻にサンプリングされる。基準受信機２５１〜２５４内のレジスタ（図示せず）は、受信するｎ番目の衛星無線周波数信号４００−ｎの瞬時搬送波位相角度を示す数を記憶するが、ここでｎは正の整数である。レジスタは、基準受信機２５１〜２５４の各々の中で、ｎ番目の衛星２００−ｎから受信する無線周波数信号に関して連続的に更新される。ｎ番目の衛星無線周波数信号４００−ｎは、少なくとも２つの衛星のうちの１つからのものである。レジスタからの瞬時読込値は、本明細書では「搬送波位相測定値」または「瞬時搬送波位相測定値」と呼ばれる。基準受信機２５１〜２５４内の搬送波追跡ループ（図示せず）は、得られる位相およびドップラー誤差を推定し、基準受信機２５１〜２５４の視界内のＮ機の衛星２００（１〜Ｎ）の各々に関するそのようなレジスタを更新する。各基準受信機に関するダウンコンバートは、Ｎ機の衛星２００（１〜Ｎ）すべてに共通であり、したがって、レジスタに示される瞬時搬送波位相は、０°から３６０°の範囲内で、受信する衛星信号間の相対的な位相を決定するために使用することができる。相対的な位相とは、少なくとも２つの衛星から送信され、同時に基準受信機２５１〜２５４において受信する信号間の位相関係である。したがって、相対的な位相は、少なくとも２つの衛星から送信され、同時に基準受信機２５１〜２５４において受信する信号間の搬送波位相測定値の差である。

[0019]少なくとも２つの基準受信機２５１〜２５４間の既知の幾何学的関係は、第１の基準受信機２５１から第２の基準受信機２５２へのベクトルａ、第１の基準受信機２５１から第３の基準受信機２５３へのベクトルｂ、および第１の基準受信機２５１から第４の基準受信機２５４へのベクトルｃによって示される。したがって、対における基準受信機は、すべての対２７０〜２７２に共通の基準受信機２５１に対する既知の位置の差を有する。たとえば、ベクトルａは、対２７０を形成する基準受信機２５１および２５２の既知の位置の差であり、ベクトルｂは、対２７１を形成する基準受信機２５１および２５３の既知の位置の差であり、ベクトルｃは、対２７２を形成する基準受信機２５１および２５４の既知の位置の差である。

[0020]被監視衛星とは、水平電離層遅延勾配の大きさが被選択閾値に対して監視される衛星である。第１の衛星２００−１は、本明細書では被監視衛星２００−１と呼ばれているが、地上局９０は、Ｎ機の衛星２００（１〜Ｎ）のうちの２つ以上に対する電離層遅延勾配を監視することができることを理解されたい。したがって、処理機能部１００内のソフトウェアモジュールは、Ｎ機の衛星２００（１〜Ｎ）のうちの２つ以上を監視するために実行でき、衛星２００（１〜Ｎ）のうちの２つ以上は、被監視衛星となる。複数の実施形態において、すべての衛星２００（１〜Ｎ）は、被監視衛星１００（１〜Ｎ）となる。

[0021]本明細書に述べる実施形態において、ベクトルａ、ｂ、およびｃの長さは、同じ位相関係の周期的繰返しによって生じる搬送波位相不定性を回避するのに十分に小さい。基準受信機間の許容可能な幾何学的関係は、受信する信号の波長および許容可能な遅延勾配の範囲に関係する。例示的な場合において、衛星２００（１〜Ｎ）によって送信される無線周波数信号の波長λは、１９ｃｍである。検出される遅延勾配は、−４００ｍｍ／ｋｍから＋４００ｍｍ／ｋｍの範囲（すなわち８００ｍｍ／ｋｍの合計範囲）内にある。ベクトルａ、ｂ、およびｃの長さは、５０ｍから２００ｍの範囲内にある。この例示的な場合において、最大搬送波位相誤差δ_Ｘｃ＝８００ｍｍ／ｋｍｘ０．２ｋｍ＝１６ｃｍであり、それは、１９ｃｍの波長未満である。したがって、基準受信機２５１〜２５４のこの例示的な構成において、（δ_Ｘｃ＋１９ｃｍの同じ位相関係の繰返しによって生じる）搬送波位相不定性は、回避される。

[0022]基準受信機２５１〜２５４は、同じクロックによって駆動されず、その結果、受信機内で生成される基準位相は、同期しない。基準受信機２５１〜２５４が単一のクロックに同期するものとした場合、基準位相は同一となり、異常勾配は、第１の基準受信機における第１の衛星用のレジスタと、第２の基準受信機における第１の衛星用のレジスタとを比較することによって検出することができるであろう。本明細書に述べる方法およびシステムの実施形態は、少なくとも２つの非同期基準受信機が、同じ衛星の少なくとも２つからの信号を受信するとき、異常勾配を検出する。非同期基準受信機内の信号を同時にサンプリングするのに、外部基準が必要とされる。ＧＰＳなどの全地球的航法衛星システムにおいて、（ＧＰＳ時間などの）衛星システム時間は、外部基準として使用することができる。本明細書での定義によれば、非同期基準受信機において同時に（または、ほぼ同時に）サンプリングされる信号は、非同期基準受信機において「同時に受信される」または「ほぼ同時に受信される」。

[0023]１つの実施形態において、地上局９０は、ＧＢＡＳ地上局９０である。本明細書に述べる地上局９０は航空機着陸システム用であるが、本発明は、全地球的測位システム衛星からの正確な入力値を要求するシステムにおいて実施することができ、航空機および／または航空機用の地上局と共に使用することに限定されない。

[0024]図２は、本発明による処理機能部１００の実施形態を示す。処理機能部１００は、衛星差分モジュール１１０、二重差分モジュール１２０、勾配推定器モジュール１３０、メモリ１５０、および少なくとも１つのプロセッサ１６０を含む。衛星差分モジュール１１０、二重差分モジュール１２０、および勾配推定器モジュール１３０は、記憶媒体１７０内に記憶されるソフトウェアモジュールである。衛星差分モジュール１１０、二重差分モジュール１２０、および勾配推定器モジュール１３０は、本明細書に述べる機能を実行するためのコンピュータ命令でエンコードされるコンピュータ読取可能媒体を含む。この実施形態の１つの実装形態において、衛星差分モジュール１１０、二重差分モジュール１２０、および勾配推定器モジュール１３０のうちの１つまたは複数は、同じモジュールである。

[0025]衛星差分モジュール１１０は、二重差分モジュール１２０に入力値を提供するために伝達可能に結合される。二重差分モジュール１２０は、勾配推定器モジュール１３０に入力値を提供するために伝達可能に結合される。プロセッサ１６０は、衛星差分モジュール１１０、二重差分モジュール１２０、および勾配推定器モジュール１３０内のソフトウェアを実行するために伝達可能に結合される。メモリ１５０は、本明細書に述べる機能を実行するのに要求されるように、衛星差分モジュール１１０、二重差分モジュール１２０、および勾配推定器モジュール１３０を互いに仲介するために伝達可能に結合される。

[0026]メモリ１５０は、たとえば、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、不揮発性メモリ、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）、および／またはプロセッサ１６０内のレジスタなどの現在既知の、または後に開発されるいずれかの適切なメモリを含む。記憶媒体１７０は、たとえば、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、不揮発性記憶装置、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）などの現在既知の、または後に開発されるいずれかの記憶装置を含む。１つの実装形態において、プロセッサ１６０は、マイクロプロセッサまたはマイクロコントローラを含む。さらに、プロセッサ１６０およびメモリ１５０は、図１では別個の要素として示されるが、１つの実装形態においては、プロセッサ１６０およびメモリ１５０は、単一のデバイス（たとえば単一の集積回路デバイス）内に実装される。１つの実装形態において、プロセッサ１６０は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）などのプロセッササポートチップおよび／またはシステムサポートチップを含む。

[0027]処理機能部１００の実装形態を、ここで図３Ａおよび３Ｂを参照して詳細に述べる。被監視衛星２００−１と比較するための衛星２００（２〜Ｋ）（ＫはＮ以下の整数）の部分集合を使用する４つの基準受信機２５１〜２５４に関する方法３００を述べる。衛星２００（１〜Ｎ）は、基準受信機２５１〜２５４の視界内にある。本明細書での定義によれば、衛星から送信される無線周波数信号が、基準受信機内で追跡されるのに十分な出力でアンテナに受信されるとき、衛星は、基準受信機の視界内にあるとする。

[0028]図３Ａおよび３Ｂは、本発明による、異常電離層遅延勾配によって生じる水平遅延勾配を地上基準受信機から衛星までの見通し線に沿って監視する、方法３００の１つの実施形態を表すフローチャートを示す。本発明３００は、図１に示される電離層遅延勾配を監視する地上局９０、および図２に示される処理機能部１００を参照して述べるが、方法３００は、本明細書を読む当業者に理解可能なシステムの他の実施形態を使用して実装することができることを理解されたい。

[0029]ブロック３０２において、少なくとも２つの基準受信機２５１〜２５４が、互いに既知の幾何学的関係で配置される。この実施形態の１つの実装形態において、４つの基準受信機２５１〜２５４が、互いに既知の幾何学的関係で配置される。この実施形態の別の実装形態において、４つの基準受信機２５１〜２５４が、処理機能部１００に近接して配置される。ブロック３０４において、無線周波数信号４００−１および４００−２は、少なくとも２つの基準受信機２５１〜２５３において、被監視衛星２００−１および少なくとも１つの他の衛星２００−２から同時に受信する。この実施形態の１つの実装形態では、無線周波数信号４００（１〜Ｋ）は、４つの基準受信機２５１〜２５４において、それぞれ被監視衛星２００−１およびＫ−１機の他の衛星２００（２〜Ｋ）から同時に受信するが、ここでＫは、Ｎ以下の整数である。基準受信機は、各衛星に特有の疑似乱数コード、または衛星を特定するために使用される衛星から受信する他のデータによって、どの信号がどの衛星から来たのかを決定することができる。

[0030]ブロック３０６において、基準受信機２５１〜２５３は、被監視衛星２００−１から受信する無線周波数信号４００−１および別の衛星２００−２から同時に受信する無線周波数信号に関する搬送波位相測定値を生成する。４つの基準受信機２５１〜２５４が存在し、Ｋ−１機の他の衛星２００（２〜Ｋ）が被監視衛星２００−１に加えて使用されているとき、基準受信機２５１〜２５４は、被監視衛星２００−１から受信する無線周波数信号４００−１およびＫ−１機の他の衛星２００（２〜Ｋ）から同時に受信する無線周波数信号４００（２〜Ｋ）に関する搬送波位相測定値を生成する。１つの実施形態において、他の衛星２００（２〜Ｎ）のすべては、被監視衛星２００−１を監視するのに使用される。基準受信機２５１〜２５４は、無線または有線のリンク１０５（図１）を介して、生成された搬送波位相測定値を示す情報を処理機能部１００に送る。

[0031]ブロック３０８において、処理機能部１００の衛星差分モジュール１１０は、少なくとも２つの基準受信機２５１〜２５４から生成された搬送波位相測定値を受け取る。
[0032]ブロック３１０において、衛星差分モジュール１１０は、被監視衛星からの信号と少なくとも１つの他の衛星からの信号との搬送波位相測定値の差分を決定する。少なくとも２つの基準受信機からの搬送波位相測定値は、衛星差分モジュール１１０において受け取られる。衛星差分モジュール１１０は、基準受信機２５１〜２５４において被監視衛星２００−１から受信する無線周波数信号４００−１と、基準受信機２５１〜２５４において他の衛星の少なくとも部分集合２００（２〜Ｋ）から受信する無線周波数信号４００（２〜Ｋ）との搬送波位相測定値の差分を決定する。

[0033]たとえば、衛星差分モジュール１１０は、第１の基準受信機２５１における第１の衛星２００−１の瞬時搬送波位相測定値と、第１の基準受信機２５１における第２の衛星２００−２の瞬時搬送波位相測定値との差を取得する。衛星差分モジュール１１０は、第２の基準受信機２５２における第１の衛星２００−１の瞬時搬送波位相測定値と、第２の基準受信機２５２における第２の衛星２００−２の瞬時搬送波位相測定値との差を取得する。衛星差分モジュール１１０は、第３の基準受信機２５３における第１の衛星２００−１の瞬時搬送波位相測定値と、第３の基準受信機２５３における第２の衛星２００−２の瞬時搬送波位相測定値との差を取得する。

[0034]他の衛星の部分集合内に３つの衛星２００（２〜３）が存在するとき、衛星差分モジュール１１０は、第１の基準受信機２５１における第１の衛星２００−１の瞬時搬送波位相測定値と、第１の基準受信機２５１における第３の衛星２００−３の瞬時搬送波位相測定値との差を取得する。衛星差分モジュール１１０は、第２の基準受信機２５２における第１の衛星２００−１の瞬時搬送波位相測定値と、第２の基準受信機２５２における第３の衛星２００−３の瞬時搬送波位相測定値との差を取得する。衛星差分モジュール１１０は、第３の基準受信機２５３における第１の衛星２００−１の瞬時搬送波位相測定値と、第３の基準受信機２５３における第３の衛星２００−３の瞬時搬送波位相測定値との差を取得する。

[0035]このように、衛星差分モジュール１１０は、各基準受信機に関する（Ｋ−１）個の差分δΦ^ｍ _ｎ，ｋを確立するが、ここで、「ｍ」はｍ番目の基準受信機に関する正の整数であり、「ｎ」はｎ番目の共通に評価される衛星（被監視衛星）に関する正の整数であり、「ｋ」はｋ番目の他の衛星に関する正の整数である。

[0036]衛星差分モジュール１１０は、行列形式で示すことができる差分を決定する。（被監視衛星を含む）４つの衛星が存在するとき、第１の基準受信機２５１に関する差分行列は、以下の形式を有する。

[0037]同様に、衛星差分モジュール１１０は、第２の基準受信機２５２に関する差分行列を生成し、その行列は、以下の形式を有する。

[0038]同様に、衛星差分モジュール１１０は、第３の基準受信機２５３に関する差分行列を生成し、その行列は、以下の形式を有する。

[0039]同様に、衛星差分モジュール１１０は、第４の基準受信機２５４に関する差分行列を生成し、その行列は、以下の形式を有する。

[0040]したがって、衛星差分モジュールは、入力値を衛星差分モジュール１１０に提供する各基準受信機に関する（Ｋ−１）個の差分δΦを計算するが、ここでＫは部分集合内の衛星の数である。これらの差分は、第１の衛星２００−１および部分集合２００（２〜Ｋ）内の他の衛星から送信される無線周波数信号４００（１〜Ｋ）の間で、０°から３６０°内の相対的な位相を反映する。これらの差分の変化率は、ドップラー変動に関係し、その変化率は、−４０００ｍ／ｓから＋４０００ｍ／ｓの範囲内にある。この変化率によって生じる差分δΦの誤差は、異なる基準受信機２５１〜２５４間のタイミング精度に関する制限を設ける。衛星差分モジュール１１０は、二重差分モジュール１２０に差分δΦ^ｍ _ｎ，ｋを送る。二重差分モジュール１２０は、衛星差分モジュール１１０から差分δΦ^ｍ _ｎ，ｋを受け取る。

[0041]ブロック３１２において、二重差分モジュール１２０は、基準受信機の対２７０、２７１、および２７２間の二重差分（ｄ_ｎ，ｋ）を形成する。第１の対２７０に関する二重差分は、第１の基準受信機２５１と第２の基準受信機２５２とのδΦ^ｍ _ｎ，ｋの差分であり、その値は、
ｄ_ｎ，ｋ［ＲＲ１，ＲＲ２］＝δΦ^２ _ｎ，ｋ−δΦ^１ _ｎ，ｋ （５）
と数学的に表される。

[0042]４つの基準受信機および被監視衛星に対する他の３つの衛星が存在するとき、第１の対２７０の間の二重差分は、式（２）から式（１）を差し引くことによって得られ、ｄ_ｎ，ｋ［ＲＲ１，ＲＲ２］＝δΦ^２ _ｎ，ｋ−δΦ^１ _ｎ，ｋを得て、第２の対２７１の間の二重差分は、式（３）から式（１）を差し引くことによって得られ、ｄ_ｎ，ｋ［ＲＲ１，ＲＲ３］＝δΦ^３ _ｎ，ｋ−δΦ^１ _ｎ，ｋを得て、第３の対２７２の間の二重差分は、式（４）から式（１）を差し引くことによって得られ、ｄ_ｎ，ｋ［ＲＲ１，ＲＲ４］＝δΦ^４ _ｎ，ｋ−δΦ^１ _ｎ，ｋを得る。

[0043]方法３００のフローは、図３Ａのブロック３１２から図３Ｂのブロック３１４に進む。ブロック３１４において、二重差分モジュール１２０は、二重差分を対における基準受信機の既知の位置の差で補償する。この補償は、位置の差が衛星までの見通し線上に射影される幾何学的補償プロセスである。共通の基準受信機２５１と他の基準受信機２５２〜２５４との（対２７０〜２７２における）既知の幾何学的関係および見通し線を規定する単位ベクトルは、プロセスのこのステップにおいて使用される。上述のように、既知の幾何学的関係は、第１の基準受信機２５１から第２の基準受信機２５２へのベクトルａ、第１の基準受信機２５１から第３の基準受信機２５３へのベクトルｂ、および第１の基準受信機２５１から第４の基準受信機２５４へのベクトルｃによって示される。

[0044]ブロック３１６において、二重差分モジュール１２０は、少なくとも２つのそれぞれの基準受信機２５１〜２５４に関連するアンテナの仰角および方位角に依存するアンテナ変動を補償する。この実施形態の１つの実装形態において、二重差分モジュール１２０は、アンテナの仰角および方位角に依存するアンテナ変動を補償するために、（球面調和関数などの）関数級数を使用する。この実施形態の別の実装形態において、二重差分モジュール１２０は、アンテナの仰角および方位角に依存するアンテナ変動を補償するために、表中の数および補間を使用する。ブロック３１６は任意選択であり、いくつかの実施形態では、それぞれの基準受信機に関連するアンテナの仰角および方位角に依存するアンテナ変動を補償しない。

[0045]ブロック３１８において、二重差分モジュール１２０は、補償二重差分に関してモジュロ演算を実行する。モジュロ演算は、整数波長を差し引くことによってマイナス１／２波長からプラス１／２波長の範囲（±λ／２）に位相を制限する。

[0046]ブロック３２０において、二重差分モジュール１２０は、対２７０、２７１、および２７２の形成された二重差分に関して、他の衛星にわたって二重差分を平均化する。基準受信機２５１および２５２の第１の対２７０における第１の（被監視）衛星２００−１の平均化された二重差分は、
［ｄ_１［ＲＲ１，ＲＲ２］＝１／（Ｋ−１）｛ｄ_１，２［ＲＲ１，ＲＲ２］＋．．．＋ｄ_１，Ｋ［ＲＲ１，ＲＲ２］｝ （６）
となる。

[0047]基準受信機２５１および２５３の第２の対２７１における第１の（被監視）衛星２００−１の平均化された二重差分は、
［ｄ_１［ＲＲ１，ＲＲ３］＝１／（Ｋ−１）｛ｄ_１，２［ＲＲ１，ＲＲ３］＋．．．＋ｄ_１，Ｋ［ＲＲ１，ＲＲ３］｝ （７）
となる。

[0048]同様に、基準受信機２５１および２５４の第３の対２７２における第１の（被監視）衛星２００−１の平均化された二重差分は、
［ｄ_１［ＲＲ１，ＲＲ４］＝１／（Ｋ−１）｛ｄ_１，２［ＲＲ１，ＲＲ４］＋．．．＋ｄ_１，Ｋ［ＲＲ１，ＲＲ４］｝ （８）
となる。

[0049]１つよりも多い衛星２００（１〜Ｎ）が監視されているとき、基準受信機２５１および２５２の第１の対２７０における（衛星２００−２などの）第２の被監視衛星の平均化された二重差分は、
［ｄ_２［ＲＲ１，ＲＲ２］＝１／（Ｋ−１）｛ｄ_２，１［ＲＲ１，ＲＲ２］＋ｄ_２，３［ＲＲ１，ＲＲ２］＋．．．＋ｄ_２，Ｋ［ＲＲ１，ＲＲ２］｝（９）
などとなり、本明細書を読んで理解すれば当業者にはわかる。他のＮ−１機すべての衛星にわたって平均化が行われると、項（１−Ｎ）が式（６）〜（９）の分母の（１−Ｋ）に置き換わり、Ｎが合計のＫに置き換わる。

[0050]この実施形態の１つの実装形態において、式（６）〜（９）内の合計の成分は、位相ノイズ１σによって重み付けされ、すべてのノイズ成分が、式（６）〜（９）に示される同じ重みを有するわけではない。無線周波数信号４００（１〜Ｎ）の大部分のノイズ誤差は、マルチパスおよび熱ノイズの標準的モデルに基づいて予測することができる。

[0051]１つの実施形態において、さらに、二重差分モジュール１２０は、ノイズ成分を低減するのに二重差分をフィルタリングする。別の実施形態において、さらに、二重差分モジュールは、補償二重差分を経時的に平均化するように構成される。さらに別の実施形態において、二重差分モジュールは、補償二重差分を経時的に平均化し、ノイズ成分を低減するのに二重差分をフィルタリングするように構成される。

[0052]二重差分モジュール１２０は、勾配推定器モジュール１３０に入力値を提供するために伝達可能に結合される。勾配推定器モジュール１３０に提供される入力値は、平均化された（モジュロ演算を含む）補償二重差分である。平均化された補償二重差分は、勾配推定器モジュール１３０において受け取られる。ブロック３２２において、勾配推定器モジュール１３０は、被監視衛星２００−１と基準受信機２５１〜２５４の対１７０〜１７２との間の電離層２０内の勾配２２から生じる水平遅延勾配の大きさを推定する。水平遅延勾配は、他の異常信号条件から生じる可能性もある。

[0053]基準受信機２５１〜２５４における（すなわち３つの基準受信機のみにおける）水平遅延勾配を推定するために使用される、地上局９０の処理機能部１００内の少なくとも１つのプロセッサ１６０によって実行されるアルゴリズムの実施形態をここで述べる。３つの基準受信機２５１〜２５３の部分集合は、本明細書では数学的に｛ＲＲ１，ＲＲ２，ＲＲ３｝と表される。座標系（ｘ，ｙ）は、地上システムが配置され、本明細書で水平面とも呼ばれる、地上局の表面の接平面内にある。第１の基準受信機ＲＲ１は、（ｘ，ｙ）座標系の原点にある。第１の基準受信機ＲＲ１に対して、第２の基準受信機ＲＲ２は、

に配置され、第３の基準受信機ＲＲ３は、

に配置される。位置勾配測定値行列Ｈ（サイズ２ｘ２）は、

と記述される。
[0054]各受信機からのノイズは、｛ＲＲ１，ＲＲ２，ＲＲ３｝に対して｛ｗ_１，ｗ_２，ｗ_３｝と定められる。測定値ノイズベクトルｗ_（ｗ_の_はｗの下に_を付した記号を表す：以下同様）（サイズ２ｘ１）は、

となる。
[0055]測定値ベクトルは、ｚ_（ｚ_の_はｚの下に_を付した記号を表す：以下同様）（サイズ２ｘ１）であり、

となるようにし、ここで、Ｇ_（Ｇ_の_はＧの下に_を付した記号を表す：以下同様）サイズ２ｘ１）は、（勾配推定器モジュール１３０によって測定される）真の過剰勾配ベクトルであり、ｚの平均化された補償二重差分は、メートル単位で以下のようになる。

ノイズプロセス｛ｗ_１，ｗ_２，ｗ_３｝は、熱および広帯域ノイズ、マルチパスノイズ、（補償後の）残留アンテナ変動、ならびに通常の勾配を含む。接平面（ｘ，ｙ）における遅延勾配は、ｚ_の平均化された補償二重差分に基づいて推定される。ノイズベクトルｗ_は、相関成分を有する。しかし、各受信機に特有のノイズは、他の基準受信機に対して相関がない。ノイズの共分散Ｒは、その場合、

となり、ここでσ_ｍ ^２は、ｍ番目の基準受信機ＲＲ_ｍにおける１σのノイズ分散である。
[0056]４つの基準受信機を有する実施形態における過剰遅延勾配を監視する水平遅延勾配モニタ９５に関する数学をここで述べる。４つの基準受信機２５１〜２５４の組は、上述の３つの基準受信機システムに加えられる付加的な第４の基準受信機２５４を含む。第４の基準受信機は、ｃ^Ｔ＝（ｃ_ｘ，ｃ_ｙ）に配置される。位置勾配測定値行列Ｈ（サイズ３ｘ２）は、その場合、

となる。２つの基準受信機を有する実施形態の場合に、数学は、スカラ量まで単純化する。

[0057]Ｇ_を得るための標準最小二乗近似は、ノイズ成分に相関がないことを要求する。この条件は、この場合には満たされない。したがって、

で示されるＧ_の推定値を得るために、ノイズ成分に相関があると仮定する一般化最小二乗法が使用され、ここで、

である。
[0058]この式は、一般にそうであるが、Ｒが可逆的であることを要求する。ノイズ成分に相関がなく、それらが等しい（Ｒ＝Ｉ）とき、この式は、よく知られた最小二乗解まで簡単になる。

[0059]ｍ番目の基準受信機ＲＲ_ｍからの搬送波測定値において、受信機クロック誤差が、衛星差分モジュール内で除去されるものと仮定される。１，．．．，Ｎの衛星の各々に対して、少なくとも１つの他の衛星からの搬送波測定値にわたる平均が差し引かれる。衛星指数がｉｎｄｘ（ｋ）に等しく、ｉｎｄｘ（ｋ）≠ｎのＫ−１機の衛星を有する部分集合にわたって平均化する計算が示される。

[0060]第１および第２の基準受信機２５１と２５２との間の衛星ｎの測定勾配は、その場合、

となる。他の衛星２００（２〜Ｋ）に影響を及ぼす勾配が存在するとき、第１および第２の基準受信機２５１と２５２との間の（ノイズを無視した）測定勾配は、

となる。
[0061]他の衛星２００（２〜Ｋ）に勾配が存在するとき、処理機能部１００は、Ｋ−１の減少係数と共に、これら他の衛星２００（２〜Ｋ）を見る。たとえば、衛星ｎおよびｎ’に影響を及ぼす勾配が存在するとき、

となり、これは、影響を受けた衛星の除外を助けるのに使用することができる関係である。
[0062]測定勾配のノイズは、

となる。
[0063]ここで、

[0064]式（２６）は、搬送波ノイズであり、対応する搬送波ノイズシグマσ_ｍは、

によって与えられる。
[0065]この式において、

は、ｍ番目の基準受信機ＲＲ_ｍにおける衛星ｎの測定ノイズである。
[0066]このようにして、勾配推定器モジュール１３０は、遅延勾配

を推定する。次に、この原理は、水平面（ｘ，ｙ）内の勾配に一般化される。

のノイズに関する共分散行列Ｐは、その特性、

を規定する。
[0067]ノイズ部分は、

である。
[0068]図４は、本発明の実施形態における異常遅延勾配自由誤差分布を示す。行列Ｐの固有値λ_ｍａｘおよびλ_ｍｉｎは、２次元勾配空間（Ｇ_ｘ’，Ｇ_ｙ’）内に最大および最小の分散をもたらす。基準受信機の可能な各構成に関して、座標系（ｘ’，ｙ’）は、長軸および短軸と一致するために変換される。この変換された座標系において、

となる。
[0069]図５は、本発明の実施形態における、３つの基準受信機の勾配ノイズ誤差分布を示す。図６は、本発明による、４つの基準受信機の実施形態の勾配ノイズ誤差分布を示す。

[0070]大きさ識別子Ｄを形成するために、勾配推定値は、σに基づいて縮尺され、σが分散１を有するようにする。

[0071]この識別子は、２自由度のχ^２分布をし、誤検出の固有の確率ｐ_ｆｄに基づいて閾値Ｔを設定することができる。大きさ識別子Ｄが被選択閾値Ｔよりも大きい（すなわちＤ＞Ｔ）とき、検出が始まる。

[0072]ブロック３２４において、勾配推定器モジュール１３０は、勾配推定値

の少なくとも１つが、被選択閾値Ｔを上回るか否かを決定する。被選択閾値は、メモリ１５０または記憶媒体１７０内に記憶される。被選択閾値は、ノイズのみがその閾値を上回らないように、十分高く設定される。ノイズは、様々な方向で異なる可能性があり、このことは、閾値を設定するときに考慮される。勾配異常が存在するとき、検出失敗の確率ｐ_ｍｄは、非心χ^２分布を使用することによって計算することができる。

[0073]ブロック３２６において、水平遅延勾配の推定大きさが、被選択閾値を上回るとき、勾配推定器モジュール１３０は、警報を発する。警報は、警報信号および／または除外命令とすることができる。１つの実施形態において、除外命令が、水平遅延勾配モニタ９５から地上局ブロードキャスト部９２に送られる。別の実施形態において、警報信号が、水平遅延勾配モニタ９５から地上局ブロードキャスト部９２に送られる。別の実施形態において、警報信号が、さらに水平遅延勾配モニタ９５から地上局９０に送られ、地上局９０は、警報の発出によって航空交通量管制官に警報を出すために、ディスプレイに伝達可能に結合される。

[0074]ブロック３２８において、地上局９０は、被監視衛星の少なくとも１つが閾値を上回る勾配推定値を有するとき、ブロードキャストを中止する、または、影響を受けた被監視衛星を、航法システムデータを航空機（図示せず）に提供しないように除外するステップを実行する。たとえば、地上局ブロードキャスト部９２は、勾配推定器モジュール１３０から除外命令出力を受け取り、領域内の航空機へのブロードキャストメッセージを変更し、航空機が勾配異常を受けている被監視衛星からの情報を使用することを中止する。必要があれば、被監視衛星の少なくとも１つが閾値を上回る勾配推定値を有するとき、地上局９０は、地上局ブロードキャスト部９２からのブロードキャストを中止するステップを実行する。

[0075]先に示した数学の単純化が存在し、そのうちのいくつかは、以下のようにして得られる。
[0076]１）最大固有値に基づいて固定閾値を設定する。

[0077]２）２つの固有値の大きさが異なるとき、分布のガウス近似を使用する。
[0078]３）２つの固有値の大きさが等しいとき、χ^２分布に基づいて固定閾値を設定する。

[0079]識別子Ｄは、

として均等に定式化される。
[0080]この実施形態の１つの実装形態において、すべての二重差分は、基準受信機２５１〜２５４の視界内のすべての有効な衛星２００（１〜Ｎ）に関して、第１の基準受信機２５１と他のすべての有効な基準受信機２５２〜２５４との間で形成される。この実施形態の別の実装形態において、二重差分は、有効な衛星２００（１〜Ｎ）の部分集合２００（１〜Ｋ）（ここでＫ＜Ｎ）に関して、第１の基準受信機２５１と他のすべての有効な基準受信機２５２〜２５４との間で形成される。別の実施形態において、基準受信機２５１〜２５４に送信しているすべての衛星２００（１〜Ｎ）は、被監視衛星であり、他の衛星の部分集合は、被監視衛星の各々からの衛星信号の水平遅延勾配を決定するために、本明細書に述べるように使用される。さらに別の実施形態において、基準受信機２５１〜２５４に送信しているすべての衛星２００（１〜Ｎ）は、被監視衛星であり、他の衛星のすべては、被監視衛星の各々からの衛星信号の水平遅延勾配を決定するために、本明細書に述べるように使用される。

[0081]１つの実施形態において、ｘの２乗成分とｙの２乗成分との重み付きの組合せが、形成され、第２の閾値と比較される。１つの衛星において閾値を上回る（たとえば、ｎ番目の衛星は第２の閾値を上回るが、他の衛星はそれらの第２の閾値を上回らない）とき、異常はｎ番目の衛星で検出されており、ｎ番目の衛星は、航法データを航空機に提供しないように除外される。

[0082]本明細書に述べたシステムおよび方法の実施形態は、電離層の電子密度の異常勾配による航空機内の航法システムへの脅威を低減するために使用することができる。
[0083]本明細書において特定の実施形態を例示し、かつ述べてきたが、同じ目的を達成するために計算されるいずれの構成も、示された特定の実施形態と置き換えることができることを当業者は理解されたい。本出願は、本発明のあらゆる適合形態または変更形態を包含するものとする。したがって、明らかに、本発明は、特許請求の範囲およびその均等物によってのみ限定されるものとする。

２０ 電離層
２２ 異常遅延勾配
９０ 地上局
９２ 地上局ブロードキャスト部
９５ 水平遅延勾配モニタ
１００ 処理機能部
１０５ リンク
１１０ 衛星差分モジュール
１２０ 二重差分モジュール
１３０ 勾配推定器モジュール
１５０ メモリ
１６０ プロセッサ
１７０ 記憶媒体
２００−１ 被監視衛星
２００−２ 衛星
２００−３ 衛星
２００−Ｎ 衛星
２５１ 基準受信機
２５２ 基準受信機
２５３ 基準受信機
２５４ 基準受信機
２６２ アンテナ
２７０ 基準受信機の対
２７１ 基準受信機の対
２７２ 基準受信機の対
４００−１ 無線周波数信号
４００−２ 無線周波数信号
４００−３ 無線周波数信号
４００−Ｎ 無線周波数信号

Claims (3)

1. 衛星信号（４００（１〜Ｎ））の水平遅延勾配を監視する処理機能部（１００）において、
   少なくとも２つの基準受信機（２５１）から少なくとも２つの衛星（２００（１〜２））の搬送波位相測定値を受け取るように構成された衛星差分モジュール（１１０）であって、前記少なくとも２つの衛星は、被監視衛星（２００−１）および少なくとも１つの他の衛星（２００−１）を含み、前記少なくとも２つの基準受信機は、互いに既知の幾何学的関係を有し、前記衛星差分モジュールは、前記被監視衛星からの信号と前記少なくとも１つの他の衛星のうちの少なくとも１つからの信号との間の搬送波位相測定値の差分を決定する、前記衛星差分モジュール（１１０）と、
   前記搬送波位相測定値の前記差分に基づいて前記少なくとも２つの基準受信機の１または複数の対（２７０）の間で二重差分を形成し、
   前記対の間の前記二重差分を前記対における前記基準受信機の既知の位置の差で補償し、
   前記補償二重差分をマイナス１／２波長からプラス１／２波長の範囲に制限するためにモジュロ演算を実行し、
   前記少なくとも２つの衛星間で前記被監視衛星に関して前記他の衛星にわたって前記二重差分を平均化するように構成された、二重差分モジュール（１２０）と、
   前記被監視衛星に関する前記平均化された補償二重差分に基づいて前記水平遅延勾配の大きさを推定し、前記水平遅延勾配の前記推定大きさを被選択閾値と比較するように構成された、勾配推定器モジュール（１３０）とを含む、処理機能部（１００）。
2. 前記二重差分モジュール（１２０）が、前記少なくとも２つの基準受信機（２５２）にそれぞれが関連するアンテナ（２６２）の仰角および方位角に依存するアンテナ変動を補償するようにさらに構成されている、請求項１に記載の処理機能部（１００）。
3. 被監視衛星（２００−１）に対する水平遅延勾配を監視する方法において、
   少なくとも２つの基準受信機（２５２）から搬送波位相測定値を受け取るステップであって、前記少なくとも２つの基準受信機は、前記被監視衛星および少なくとも１つの他の衛星（２００−２）から無線周波数信号（４００（１〜Ｋ））をほぼ同時に受け取る、ステップと、
   前記少なくとも２つの基準受信機について前記被監視衛星からの信号と少なくとも１つの他の衛星からの信号との前記搬送波位相測定値の差分を決定するステップと、
   前記少なくとも２つの基準受信機の対（２７０）の間で二重差分を形成するステップと、
   前記二重差分を前記対における前記基準受信機の既知の位置の差で補償するステップと、
   前記補償二重差分をマイナス１／２波長からプラス１／２波長の範囲に制限するために、前記補償二重差分に関してモジュロ演算を実行するステップと、
   前記少なくとも１つの他の衛星にわたって前記補償二重差分を平均化するステップと、
   前記平均化された補償二重差分に基づいて水平遅延勾配の大きさを推定するステップと、
   前記水平遅延勾配の前記推定大きさが被選択閾値を上回るか否かを決定するステップとを含む、方法。

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