JP6262248B2 - 衛星地理位置情報測定における誤差レベルを推定すると共に前記推定の信頼性を監視する方法および関連装置 - Google Patents

衛星地理位置情報測定における誤差レベルを推定すると共に前記推定の信頼性を監視する方法および関連装置 Download PDF

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Description

本発明は、衛星全地球航法の分野に関する。本発明はより具体的には、全地球航法衛星測定における誤差レベルを推定すると共に当該推定の信頼性を保証する方法、および当該方法を実装する全地球航法装置に関する。
全地球航法衛星装置は、全地球航法衛星システム(GNSS)とも称され、航法衛星群により衛星群と受信器端末の間で発信された信号の伝搬時間を測定することにより受信器端末の位置を計算する。端末は計算結果から各種衛星群と当該端末の距離を推定する。
信号は大気圏の各層を通過するため、端末により推定される位置は必ずしも正確でない。この干渉に対応すべく計算システムに補正を加えることが知られているが、使用するモデルを定義するのは困難である。これらのモデルはまた、例えばマルチパス効果等、受信器端末の環境を考慮しない。
本発明の目的は、特に環境に起因して生じる測定誤差レベルを定量化すると共に、当該推定値の信頼性を監視可能にする方法を提供することにより従来技術の短所を少なくともある程度緩和することである。
このために、本発明の主題の一つは、全地球航法衛星測定における誤差レベルを推定および制御すると共に当該推定の信頼性を保証する、全地球航法装置により実装された方法であって、局所誤差が前記全地球航法装置により検知され、衛星群に付随する誤差が地上拠点により検知される。
一変形実施形態によれば、本方法は、
− 局所誤差σloc,iを推定するステップEtp1と、
− 誤差見積もりを設定するステップEtp2と、
− 推定された前記誤差を監視するステップEtp3と、
− 完全性パラメータを計算するステップとを含んでいる。
一変形実施形態によれば、本方法のステップEtp1は、
− 熱雑音に起因する誤差分散を判定するステップEtp11と、
− マルチパス効果に起因する雑音を判定するステップEtp12と、
− 局所誤差を計算するステップEtp13とを含んでいる。
一変形実施形態によれば、本方法のステップEtp2は、
− 電離層誤差を考慮するステップEtp21と、
− 対流圏誤差を考慮するステップEtp22と、
− 軌道/時計誤差を考慮するステップEtp23と、
− 誤差見積もりを計算するステップEtp24とを含んでいる。
一変形実施形態によれば、本方法のステップEtp3は、
− 全地球航法装置の位置を推定するステップEtp31と、
− 疑似距離残差を推定するステップEtp32と、
− 推定された誤差見積もりと矛盾する測定値を拒絶するステップEpt33とを含んでいる。
一変形実施形態によれば、完全性パラメータは、予め設定された閾値より必然的に小さい保護半径を画定することにより計算される。
一変形実施形態によれば、完全性パラメータは、警報値を超えるリスクを直接計算することにより決定される。
一変形実施形態によれば、局所誤差の推定値は堅牢なアルゴリズムにより検証される。
本発明の第2の目的は、衛星航法装置を提供することである。この目的のため、本発明の別の主題は、上述の航法方法を実装可能な全地球航法装置である。
本発明の他の特殊性および利点は、非限定的な例示としての以下の記述を精査し、且つ添付の図面を参照することで明らかになろう。
本発明の方法を示す例示的なブロックフロー図を示す。
本発明は、全地球航法衛星測定用の完全性パラメータを推定および制御し、且つ当該推定の信頼性を保証する方法に関する。本発明による方法は、特定の非限定的な一航空関連用途として以下に述べる。
本発明の原理は、全地球航法装置を用いて局所誤差を検知すること、および地上拠点を用いて衛星群に付随する誤差を検知することである。
図1を参照するに、本発による方法は主に、局所誤差を推定する第1のステップEtp1と、誤差見積もりを設定するステップEtp2と、推定された誤差を監視するステップEtp3と、完全性パラメータを計算するステップとを含んでいる。
第1のステップは、時点tにおける全地球航法衛星装置の受信器端末の環境に固有な局所測定値の誤差を推定するものである。
受信器は、電磁干渉に晒される場合がある。例えば、受信器がレーダーの近傍にある場合、当該レーダーの電波放射に関する雑音が受信信号に加わるため、測定値は雑音により無秩序に乱される。測定はまた、受信器に関連付けられた熱雑音により乱される場合がある。以下、「熱雑音」という表現は、受信器の環境における任意の電磁干渉および受信器に固有の熱雑音の両方を含んでいる。熱雑音に起因する誤差は恐らく、全地球航法装置の受信器端末に実装された技術に応じて判定される。これは、信号対雑音比C/Nに依存する。
時刻tにおける受信器端末の熱雑音σnoiseに起因する誤差分散は、ステップEtp11において、例えば以下の標準公式を用いて推定することができる。
Figure 0006262248
ここでTは期間およびBは雑音帯域幅を表す。
別の実装方法によれば、熱雑音に起因する誤差は、測定値の変動の無相関部分の関数として推定することができる。この目的のため、2個の連続的な測定における測定値の差の2乗の平均を√2で除算することにより無相関雑音を分離することができる。
全地球航法衛星により発信された信号は、受信器のアンテナに到達する前に、例えば建物等、地上の障害物に反射されたものであり得る。受信器は従って、受信器アンテナで、恐らく環境内で1回以上反射された重複信号を受信するであろう。これらの信号は、直接経路より長い経路を辿り、測定を乱すであろう。マルチパス効果に起因する誤差は、例えば符号/搬送波の差の関数として推定することができる。
GNSS測定を行う際に、2種類の測定を行うことができる。第1の測定は、パラメータが暗号化されている符号が伝搬するのに要する時間を測定することにより行われる伝搬速度は電磁信号の群速度であり得る。別の測定は、搬送波が伝搬するのに要する時間を計算するものであり得る。これを行うため、ドップラー偏移を測定する。搬送波は電磁信号の位相速度で伝搬するため、それから受信器端末と衛星の距離を推定することが可能である。これらの測定を行うために、2個の異なる技術が用いることにより異なる測定品質が得られ得る。符号は長期間にわたり反復されるため、符号の位相に曖昧さは無いものの雑音により乱されている。対照的に、搬送波の位相の長さは短く、従って曖昧であるが、雑音により乱されることが殆どない。符号を乱す雑音がマルチパス効果に起因することが知られているため、あるフィルタリング時間にわたりマルチパス雑音を推定する方法の一つは、符号測定と搬送波測定の範囲の偏差の標準偏差を計算するものであり得る。マルチパス効果に起因する誤差は従ってステップEtp12において例えば次式を用いて推定することができる。
Figure 0006262248
ここでLはフィルタリング時間、典型的に数10秒を表し、φ(またはρ)は時刻tにおける搬送波の(また符号の)位相を表し、Lは典型的には、符号を用いる位相曖昧さの推定に収束するのに受信器が要する時間の長さのオーダーである。
局所誤差の推定は、ステップEtp13において次式を用いて行うことができる。
Figure 0006262248
複数の受信周波数を用いる受信器端末の場合、推定は別に各周波数iについて計算される。先の公式は以下のようになる。
Figure 0006262248
局所誤差が推定されると、本方法の第2ステップEtp2は、誤差見積もりを設定すべく他の要因を考慮することにより、当該推定を補足するものである。これらの誤差は、本質的に2個のオーダー、すなわち大気誤差(対流圏/電離層誤差)および時計/軌道誤差からなる。
サブステップEtp21は、電離層誤差σionoを考慮するものである。第1の方策は、GNSS補強システムまたはSBAS(Satellite Based Augmentation Systemの略)により送信された補正値を用いるものである。補強システムは電離層を観測して、大気の当該層に起因する信号の遅延を考慮することが求められる補正値を計算し、次いでそれらを、その各々の値の信頼区間の指標(GIVE:Grid Ionospheric Vertical Errorの略語)と共に格子形式(GIVD:Grid Ionospheric Vertical Delayの略語)で送信する。ユーザーは、立場に応じて、考慮するべき補正値σGIVEを使用する。従ってσiono=σGIVEとなる。この方策は単一周波数航法装置で用いられる。
問題は、電離層が極めて不均一であることであり、当該層は従ってモデル化が困難であり、格子の値を計算することが困難であろう。第2の方策は、大気内の当該層における電磁信号の遅延量が自身の周波数に依存するという事実を用いるものである。その趣旨は、受信器端末が多周波数の組合せによる自身の電離層補正を計算できるよう少なくとも2個の異なる周波数で信号を受信するものである。この場合、誤差見積もりへの寄与は2倍である。第1の寄与σHOIは、より高次の電離層誤差に対応する。第2の寄与は、局所誤差を増幅する倍数因子に対応する。二周波数受信器端末の場合、電離層遅延を考慮に入れた疑似距離測定値は、次式を用いて得られる。
Figure 0006262248
ここでρ、ρは角周波数ω、ωに対する疑似距離測定値を表す。
電離層誤差の推定は、これらの2個の寄与を組み合わせるものである。従って、二周波数受信器端末の完全に非限定的なケースにおいて、当該誤差は、次式を用いて推定することができる。
Figure 0006262248
ここでσloc,1、σloc,2は、角周波数ω、ωの局所誤差を表し、σHOIはより高次の誤差を示す。
対流圏誤差の推定値は、ステップEtp22において評価される。大気の当該層を通る電磁信号の伝搬に起因する遅延の測定は極めて複雑である。また、受信器端末は一般に、ユーザーがこの遅延を推定するのに充分なデータアクセスできない。従って対流圏に起因する誤差σTropoをモデル化する必要がある。この誤差の推定は、例えば従来技術で利用可能なモデルを用いて得ることができる。
対流圏の影響を推定できる場合、すなわち充分な個数のGNSS(GPS、ガリレオ、Glonass、Compass、...)衛星が利用できる場合、当該誤差σTropoは、例えば対流圏の推定プロセスの共分散から抽出することができる。
次いで時計および軌道誤差ΔXsat,nがステップEtp23において考慮される。これらの誤差は、補強システムSBASにより各種の形式で送信される。MOPS−D標準に従う補強システムの場合、送信されたUDRE量(UDREはUser Differential Range Errorの略)を介して利用できる。
最後に、ステップEtp24は、誤差見積もりを確定するものである。疑似距離における全誤差の分散が、各種の誤差の分散を合計することにより得られる。
例えば、MOPS−D標準に準拠する補強システムのパラメータを用いる単一周波数受信器端末の場合、全誤差の分散は次式を用いて得られる。
Figure 0006262248
二周波数受信器端末の場合、完全な誤差の分散は次式を用いて得られる。
Figure 0006262248
無論、上式は、多周波数受信器端末のケースに一般化することができる。
当該誤差見積もりは、一特定の疑似距離測定(視線)についての、全誤差を与える。これは、受信器端末から見た所与の衛星について収集した情報に基づいて計算した全誤差を問題としている。この分散は、受信器端末の位置の判定を可能にする各疑似距離測定値nについて推定することができ、以下ではσ sat,nと表記する。
誤差見積もりが計算されると、本方法の以下のステップEtp3は、推定された誤差を監視するものである。
第1のサブステップEtp31において、全地球航法装置の受信器端末の位置が計算される。当該位置は、先のステップで計算された誤差の共分散を用いて端末の疑似距離測定値重み付けすることにより推定される。有利には、当該推定値は、推定された誤差に対する大幅な偏差を検知可能なヒューバーアルゴリズム等の、但しこれに限定されない堅牢なアルゴリズムにより得られる。
従来、受信器の位置は、最小二乗法を用いてその座標(経度、緯度および高度)を計算することにより推定されている。問題は、当該方法が干渉に極めて影響され易いアルゴリズムを用いる点である。測定値がガウス分布に従い分布していると仮定すれば、アルゴリズムは正しく機能して計算された位置は正しい。実行された測定における特定の誤差がガウス分布から逸脱する場合、計算された位置は測定誤差に比例して実際の位置から逸脱する。従って、1個の異常な測定値が極めて大きい位置誤差につながる恐れがある。
この種の誤差を防止すべく、本発明による方法は最小二乗法に基づくアルゴリズムではなく、堅牢なアルゴリズムを用いる。そのようなアルゴリズムの利点は、異常な測定値を検知して計算から除外するか、または殆ど重み付けしない点である。有利には、重み付けは、測定誤差が増大するにつれて小さくなる。
誤差見積もりは以下のように監視される。各々の疑似距離測定値ρについて、ステップEtp32で疑似距離残差Δρを推定する。これらの疑似距離残差は、測定値の差および測定位置Xsat,nと推定位置Xestの差として定義される。
Figure 0006262248
次いで分散σ sat,nの適合度を評価する。これを行うため、閾値定数Kを考える。当該閾値は、誤差σsat,nにおける信頼度、すなわち潜在的に誤った位置推定に至るσsat,nの過小推定確率を設定するパラメータを表す。
Δρ<Kσsat,nならば測定値は正しいと考えられて保持される。
Δρ>Kσsat,nならば推定σsat,nは楽観的過ぎると考えられる。次いで観測対象衛星nの方向で測定誤差の検知が不良であると考えられ、従って測定値は拒絶される。位置は、当該測定値無し且つ当該視線無しで再計算される。分散が閾値を下回るまで分散σ sat,nの適合度が再び推定される。このテストの目的は、矛盾する、すなわち設定された閾値を超える視線があれば拒絶することである。推定された誤差見積もりと整合しない測定値を拒絶する当該ステップEtp33により、誤差見積もりに急激な変化があっても位置推定を損なわないことを保証することができる。
従って、有利には、本発明による方法によれば、受信器端末の位置を推定すると共にこれらの誤差見積もりが観測された残余誤差に対応する仕方を解析する堅牢なアルゴリズムにより、誤差見積もりσ sat,nのほぼ実時間の推定を、現実との適合度の監視と組み合せることができる。
次いで、先のステップで推定および検証された誤差を用いて完全性パラメータを計算する。完全性パラメータは、従来の方法、例えば標準最小二乗法を用いて計算される。
水平および垂直位置における誤差の分散を、推定された誤差の分散を局所垂直軸および水平面上に射影することにより計算する。
V個の有効な可視衛星群について測定されたV個の疑似距離の位置方程式は、Y=A+B・Xの形式をなすと考えられる。
ここでXは受信器/時計オフセットの北、東、垂直座標系位置を表す1×4ベクトルであり、
YはV個の疑似距離測定値のベクトルを表し、
Aは各衛星に対する方向余弦の観測行列V×4、
BはV個の疑似距離測定値誤差のベクトルである。
位置方程式の最小二乗法解は、X=MYの形式をなすと考えられ、測定誤差相関行列C=<BB>、すなわちCi,j=(σsat,i−2のδi,jを用いて(4×V)行列M=(ACA)−1−1が計算される。
航空電子工学に関する一特定の非限定的な利用について以下に考察する。当該分野において、特に関心があるのは垂直誤差および水平誤差である。民間航空の標準において、各アプリケーションにはユーザーのコミュニティにより指定された水平誤差および垂直誤差の最大許容値がある。これらの値は一般に、略語HAL(Horizontal Alert Limit)およびVAL(Vertica Alert Limit)により指定される。これらの標準によれば、これらの垂直誤差(または水平誤差)、すなわち実際と推定された位置の差が、アプリケーション要件により指定された値P以上の確率でVAL制限(またはHAL制限)を超えてはならない。例えば、飛行中におけるPの値は1−2×10−7に等しい場合が多い。
垂直誤差の分布は、次式を用いて各視線における誤差を組み合せることにより計算される。
Figure 0006262248
同様に、水平誤差の分散は、次式を用いて得られる。
Figure 0006262248
これらの誤差分散が計算されたならば、ガウス偏差が扱われていると仮定され、次に進む前に非ガウス誤差要因が除去される。各種の位置の計算に用いた各々の検証済み衛星の各視線の誤差見積もりに基づいて、内部にユーザーが確実に存在する円筒状空間のサイズが民間航空当局の要求よりも高い確率で計算される。
ユーザーが位置する半径がHALまたはVAL警報半径よりも大きい場合、受信器端末は当該位置の信頼性が充分ではないと考えて誤差メッセージをブロードキャストする。そうでない場合、計算された位置は信頼性があると考えられる。
完全性パラメータは、二通りの方法を用いて決定することができる。その第1の方法は、設定された警報値より必然的に小さい保護半径を画定することによりSBASMOPS標準に記述されている方法を用いるものである。これらの警報値は例えば、航空アプリケーションの場合には例えば国際民間航空機関(ICAO)により設定されたものでよい。水平位置保護レベル(HPL)および垂直保護レベル(VPL)は、確率Pで推定位置と実際の位置との間の最大水平距離(または最大垂直距離)であるものとして計算される。これらの保護レベルは次式を用いて得られる。
VPL=KP,VΣ
HPL=KP,HΣ
計算位置は、HPLおよびVPL保護レベルがHALおよびVAL警報値よりも厳密に低い場合は確実であると考えられる。
第2の可能な方法は、警報値を超えるリスクを直接計算するものである。本方法は、GALILEO標準に対応している。
完全性リスクは、位置推定誤差が値Xよりも高い確率として定義できる。
垂直誤差に対して、完全性リスクは次式を用いて得られてもよく、
Figure 0006262248
水平誤差に対して次式を用いて得られる。
Figure 0006262248
ここでg0,Σ(x)は標準偏差Σの中心ガウス分布を表し、χ,Σ(x)は2個の自由度およびパラメータΣを有するχ分布を表す。
計算位置は、次式が成立すれば確実であると考えられる。
(VAL)+R(HAL)<1−P
本発明の方法について航空への応用を通じて記述してきた。本例は完全に非限定的であって、本方法は任意の輸送手段、例えば海洋航行または鉄道にも適用できる。本方法はまた、例えば救急隊員等、徒歩移動者が自身の正確な位置を知るために用いてもよい。
本発明はまた、上述の方法を実装可能な全地球航法衛星装置にも関する。当該端末は、SBAS補強システムの全地球航法衛星およびステーションから発信された少なくとも1個の電磁信号を受信可能な少なくとも1個の受信装置および少なくとも1個の処理モジュールを有している。
有利には、本発明の方法により3個の要素、すなわち、
− ユーザーの受信器端末の動作パラメータを用いた局所誤差の略実時間推定、
− 局所誤差の推定の過小推定を検知可能にすべく位置を決定する堅牢なアルゴリズム、および
− 例えばEGNOS等の補強ステーション(SBA)からのデータの利用した、当該誤差に対する衛星の寄与の正確な重み付け(ARAIMアスペクト)を相互に結合することができる。
本発明の利点の一つは、機能の一部をGNSS受信器に負担させることにより地上拠点のコストを低減できる点である。急激な効果と緩慢に変化する効果との間で割当を共有する現在の傾向とは対照的に、本発明の背景にある原理は、局所的効果(マルチパス効果、熱雑音、電磁干渉、対流圏誤差)と大域的効果(電離層誤差、衛星時計/軌道誤差)の間で割当を共有するものである。局所的効果は受信器端末により監視され、大域的効果は本システムにより監視される。

Claims (11)

  1. 全地球航法装置に実装された、全地球航法衛星測定用の完全性パラメータを推定する方法において、
    前記方法は、
    前記全地球航法装置によって局所誤差を検知することと、
    地上拠点によって、衛星群に付随する誤差を検知することとを含み、
    前記局所誤差σ loc,i を検知するステップは、
    熱雑音に起因する誤差を計算するステップEtp11と、
    マルチパス効果に起因する雑音を計算するステップEtp12とを含み、
    局所誤差は、熱雑音に起因する誤差とマルチパス効果に起因する雑音とを使用して計算され、
    前記方法はさらに、
    局所誤差と、衛星群に付随する誤差とを使用して、完全性パラメータを計算するステップを含む、方法。
  2. − 局所誤差σloc,iを計算するステップEtp1と、
    − 前記局所誤差および前記衛星群に付随する誤差から誤差見積もりを設定するステップEtp2と、
    − 前記誤差見積もりを監視して、前記局所誤差および前記衛星群に付随する誤差を選択するステップEtp3と、
    選択された誤差用いて完全性パラメータを計算するステップと
    さらに含む、請求項1に記載の方法。
  3. マルチパス効果に起因する前記雑音が次式を用いて判定され、
    Figure 0006262248
    ここでLはフィルタリング時間を表し、φは時刻tにおいて前記全地球航法衛星から発信された信号の搬送波の位相を表し、ρは、前記全地球航法衛星から発信された信号のパラメータが時刻tにおいて暗号化される符号の位相を表す、請求項に記載の方法。
  4. 前記誤差見積もりが、前記局所誤差および前記衛星群に付随する誤差の二乗和により得られる、請求項2に記載の方法。
  5. ステップEtp2が、
    − 電離層誤差を考慮するステップEtp21と、
    − 対流圏誤差を考慮するステップEtp22と、
    − 軌道/時計誤差を考慮するステップEtp23と、
    − 前記誤差見積もりを計算するステップEtp24と
    を含む、請求項2に記載の方法。
  6. 前記全地球航法装置が二周波数装置であり、前記電離層誤差が次式を用いて計算され、
    Figure 0006262248
    ここでσionofreeは前記電離層誤差を表し、σloc,1およびσloc,2は各々角周波数ωおよびωに対する局所誤差を表し、σHOIはより高次の誤差を表す、請求項に記載の方法。
  7. ステップEtp3が、
    − 前記全地球航法装置の位置を推定するステップEtp31と、
    − 疑似距離残差を推定するステップEtp32と、
    − 前記推定された誤差見積もりと矛盾する測定値を拒絶するステップEpt33と
    を含む、請求項2に記載の方法。
  8. 前記完全性パラメータが、予め設定された閾値より必然的に小さい保護半径を画定することにより計算される、請求項に記載の方法。
  9. 前記完全性パラメータが、警報値を超えるリスクを直接計算することにより決定される、請求項に記載の方法。
  10. 前記完全性パラメータの計算が、先に検証された推定に基づいて実行される、請求項1〜のいずれか1項に記載の方法。
  11. 請求項1〜10のいずれか1項に記載の方法を実装するように構成された全地球航法装置。
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