JP6725280B2 - 電離層遅延によって生じる空間非相関誤差を軽減するために多周波衛星測定値を使用するシステム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、電離層遅延によって生じる空間非相関誤差を軽減するために多周波衛星測定値を使用するシステム及び方法に関する。

[0001]全地球的航法衛星システム（ＧＮＳＳ）は、進入及び着陸操作での航法支援を航空機に提供する。しかし、これらの操作においては正確さや精度の要件が高いため、航空機が地上型補強システム（ＧＢＡＳ）の地上サブシステム付近にあるとき、ＧＢＡＳはＧＮＳＳを増強させる。ＧＢＡＳ地上サブシステムは、ここではＧＢＡＳ局又は地上局とも呼ばれ、航空機に対して擬似距離補正値及び完全性情報をブロードキャストすることによりＧＮＳＳ受信機を増強し、これは、航空機のＧＮＳＳ受信機によって処理される衛星測定値に影響を与えるＧＮＳＳ誤差を除去するのに役立つ。その結果、航空機は、正確な進入、出発手順及びターミナルエリアでの操作のために、連続性、可用性及び完全性の性能を向上させることができる。

[0002]全地球的航法衛星システム（ＧＮＳＳ）は、本明細書中で使用される場合、ナビゲーション及び／又は位置解を計算するために軌道上の衛星のコンステレーションを利用するシステムをいう。例示的なＧＮＳＳは、米国の全地球測位システム（ＧＰＳ）、ロシアのＧｌｏｂａｌ’ｎａｙａ Ｎａｖｉｇａｔｓｉｏｎｎａｙａ Ｓｐｕｔｎｉｋｏｖａｙａ Ｓｉｓｔｅｒｎａ（ＧＬＯＮＡＳＳ）、中国のコンパス、欧州連合のガリレオ、インドのインド地域航法衛星システム（ＩＲＮＳＳ）、日本の準天頂衛星システム（ＱＺＳＳ）を含むが、これらに限定されない。

[0003]電離層を通過する際にＧＮＳＳ信号が遅延を経験するとき、ＧＮＳＳ受信機における誤差の１つの主要な原因が生じ得る。航空機のＧＮＳＳ受信機とＧＢＡＳ局との間で電離層が均一であるとき、この誤差はＧＢＡＳ局によってほぼ完全に軽減することができる。というのは、ＧＢＡＳ局及び航空機のＧＮＳＳ受信機は、電離層の均一性により、同様の信号遅延を経験することになるからである。しかし、電離層の擾乱が不均一な電離層を生じ、航空機のＧＮＳＳ受信機によって観測される遅延に対してＧＢＡＳ局によって観測される遅延の差異をもたらす場合、ＧＢＡＳ地上局によってブロードキャストされて飛行中のユーザにより適用される擬似距離補正値は、航空機のナビゲーション位置解において許容できないほど大きな位置誤差を生じ得る。さらに、従来のＧＢＡＳシステムは、最悪のケースの電離層勾配が常に存在すると仮定し、大きな電離層勾配から生じる誤差を、幾何学的スクリーニングの手法を用いて軽減することができる。しかしながら、これは、連続性に影響を与え、システムの可用性の喪失につながる可能性がある。

[0004]上述の理由及び以下に述べる他の理由により、明細書を読み、理解することにより、電離層遅延によって引き起こされる空間非相関誤差を軽減するための改良されたシステム及び方法が当技術分野において必要であることが当業者にとって明らかとなろう。

[0005]本開示の実施形態は、電離層遅延により生じる空間非相関誤差を軽減するために多周波衛星測定値を使用するためのシステム及び方法を提供し、以下の明細書を読み、検討することによって理解されよう。

[0006]一実施形態では、地上型補強システム（Ｇｒｏｕｎｄ Ｂａｓｅｄ Ａｕｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ、ＧＢＡＳ）は、単一周波及び多周波ＧＮＳＳ衛星から信号を受信するように構成された複数の全地球的航法衛星システム（ＧＮＳＳ）基準受信機と、複数の基準受信機に結合された少なくとも１つの処理モジュールと、少なくとも１つの処理モジュールに結合された少なくとも１つの航空機通信デバイスとを備える。少なくとも１つの処理モジュールは、電離層の現在の品質メトリック（品質測定基準、ｑｕａｌｉｔｙ ｍｅｔｒｉｃ）を決定するために、複数の観測可能な多周波ＧＮＳＳ衛星のうちの第１のＧＮＳＳ衛星の見通し線（ｌｉｎｅ ｏｆ ｓｉｇｈｔ）に沿って真の電子計数（ｔｒｕｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｃｏｕｎｔ、ＴＥＣ）を決定するように構成される。少なくとも１つの処理モジュールは、さらに、電離層の現在の品質メトリックが閾値を満たすときに、少なくとも１つのオーバーバウンド（ｏｖｅｒｂｏｕｎｄｅｄ）垂直電離層勾配標準偏差シグマ−ｖｉｇ（σ_ｖｉｇ）を決定するように構成される。少なくとも１つの処理モジュールは、さらに、少なくとも１つのオーバーバウンド垂直電離層勾配標準偏差シグマ−ｖｉｇ（σ_ｖｉｇ）が適用できる、所与の有限期間（ｆｉｎｉｔｅ ｐｅｒｉｏｄ ｉｎ ｔｉｍｅ）における１つ又は複数の有効電離層領域（ｖａｌｉｄ ｉｏｎｏ ｒｅｇｉｏｎｓ）を定義するように構成される。少なくとも１つの処理モジュールは、さらに、少なくとも１つの航空機通信デバイスに、少なくとも１つのオーバーバウンド垂直電離層勾配標準偏差シグマ−ｖｉｇ（σ_ｖｉｇ）並びに有効電離層領域中にピアースポイントを有するＧＮＳＳ単一周波衛星及び多周波衛星のリストを、航空機のＧＮＳＳ受信機に伝えるように構成される。

[0007]図面は例示的な実施形態のみを描いたものであり、したがって範囲を限定するものと考えるべきではないものであるとの理解のもとで、例示的な実施形態が添付の図面を用いてさらに具体的且つ詳細に説明される。

[0008]正常な（ｈｅａｌｔｈｙ）電離層を有する空の領域を定義することによって電離層緩和メカニズムを選択するために多周波衛星を使用する地上型補強システム（ＧＢＡＳ）の例示的な実施形態である。 [0009]図１Ａで説明したようなＧＢＡＳ地上局におけるＧＢＡＳ処理モジュールの例示的な実施形態である。 [0010]図１で説明したＧＢＡＳ地上局などのＧＢＡＳ地上局の視点から見た多周波衛星追跡を使用して定義される例示的な有効電離層領域を示す空の図である。 [0011]多周波衛星を使用してＧＢＡＳ電離層の脅威を軽減する技術を選択する方法の例示的な一実施形態を示すフロー図である。

[0012]一般的な方法に従って、様々な説明される特徴は一定の縮尺で描かれず、例示的な実施形態に関連する特定の特徴を強調するように描かれる。

[0013]以下の詳細な説明においては、本明細書の一部を形成する添付の図面が参照され、特定の例示的な実施形態が例として示される。これらの実施形態は当業者が本発明を実施することを可能にするために十分に詳細に説明されており、他の実施形態が利用され得ること、論理的、機械的及び電気的変更がなされ得ることが理解されるべきである。したがって、以下の詳細な説明は限定的な意味で解釈されるべきではない。

[0014]本明細書に開示された実施形態は、電離層遅延により引き起こされる空間的な非相関誤差の軽減のために使用される技術を決定するために、全地球的航法衛星システム（ＧＮＳＳ）多周波衛星からの情報を利用して地上型補強システム（ＧＢＡＳ）を実施することで、異常な電離層嵐に関連する問題に対処する。多周波衛星からＧＢＡＳ地上局によって得られた測定情報は、電離層が正常である空の領域を定義するために使用される。これらの領域は、所与の有限期間の間、有効電離層領域として定義される。所与の有限期間中に有効電離層領域内に含まれるＧＢＡＳ地上局によって観測される任意の衛星から受信した測定情報は、航空機によって適用することができる。

[0015]本明細書に記載される本発明の実施形態は、電離層遅延によって引き起こされるＧＮＳＳ衛星測定値の誤差を軽減するために使用されるべき技術を決定するために、多周波衛星を利用することによって得られたデータを使用する。地上局に配置されたＧＢＡＳ基準受信機は、多周波数衛星から少なくとも２つの信号を受信する。この用語が本明細書中で使用されるとき、多周波衛星は、複数の周波数でナビゲーション信号を同時に送信する。単一の衛星からの周波数の異なる２つのナビゲーション信号を同時に処理することにより、ＧＢＡＳ地上局は、任意の所与の有限期間における衛星の周りの領域での電離層の品質を決定することができる。

[0016]ＧＮＳＳ衛星によって送信される信号は、信号の伝送時間及び送信時におけるＧＮＳＳ衛星の位置を含むがこれらに限定されない情報を含む。この情報は、本明細書においてＧＮＳＳデータとも呼ばれる。ＧＢＡＳ基準受信機は、これらの信号を処理し、多周波衛星とそれぞれのＧＢＡＳ基準受信機との間の伝送時間を測定する。ＧＢＡＳ基準受信機は、伝送時間に基づいて、信号が移動した距離を決定する。ＧＢＡＳ処理モジュールは、これらの測定値を受信し、当該移動距離を、衛星からそれぞれのＧＢＡＳ基準受信機までの実際の距離と比較することにより、測定値の誤差を決定する。これらの測定値に基づいて、ＧＢＡＳ処理モジュールは、航空機が適用する補正項を計算する。

[0017]いくつかの場合には、微分補正項の適用後に残留誤差が残る。このような場合、ＧＢＡＳ地上局は、航空機の位置誤差の統計的限界の決定を可能にする完全性に関連する（ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ−ｒｅｌａｔｅｄ）パラメータを含む。例示的な実施形態では、位置は、垂直方向成分と横方向成分を有する、航空機の周りの、保護限界と呼ばれる円筒状の境界によって固定される（ｂｏｕｎｄ）。他の実施形態では、他の形状を持つ境界が使用される。例示的な実施形態では、垂直成分は、航空機が確率が高い（１−１０^−７など）と考える場所の１０メートル以内に航空機が実際に存在するように、１０メートル未満に固定される。

[0018]ＧＢＡＳは、ＧＮＳＳ衛星信号上の電離層により誘起される遅延における空間非相関により引き起こされる微分（差動）距離誤差に敏感である（この現象は電離層勾配と呼ばれる）。公称条件の下では、遅延のこの変化は、飛行中のユーザによって利用されるＧＢＡＳによりブロードキャストされる標準偏差（シグマ）を介して説明することができる。垂直電離層勾配標準偏差シグマ−ｖｉｇ（σ_ｖｉｇ）の単純なオーバーバウンド（ｏｖｅｒｂｏｕｎｄ）が使用される。オーバーバウンドは、視野内の多周波衛星からの情報に基づく、ＧＮＳＳ衛星上に存在する可能性がある最悪の誤差に基づいて地上局によって使用される誤差分布の保守的な表現である。σ_ｖｉｇのオーバーバウンディング（ｏｖｅｒｂｏｕｎｄｉｎｇ）は、Ｋファクター及び／又はシグマ乗算器を追加することによって、航空機からの誤差境界距離を増加させることにより、達成することができる。例えば、６７％の時間、航空機が１メートル以内にありガウス分布することを示す１メーター・１シグマタイプの誤差は、２を乗じて、この測距源にオーバーバウンドされた２メートルのσ_ｖｉｇが存在することをユーザへブロードキャストすることによって、統計的に９５％へとオーバーバウンドすることができる。これは、９５％の時間、障害のない状態の間に距離誤差が２メートルを超えないことを保証する。

[0019]公称条件下では、ＧＢＡＳ地上局と航空機のＧＮＳＳ受信機によって経験される電離層遅延の差は閾値未満である。このような場合には、電離層は正常であると判断され、σ_ｖｉｇをオーバーバウンドする単純な技術を用いることができる。差が閾値を上回る場合、電離層は正常ではなく、σ_ｖｉｇはオーバーバウンドを必要とし、衛星測定値は補正値のブロードキャストリストから除外する必要があり得る。

[0020]異常な電離層嵐、高まった電離層活動、電離層により誘起される遅延、電離層勾配の下では、σ_ｖｉｇの膨張（ｉｎｆｌａｔｉｏｎ）や衛星測定値の除去などのより複雑な軽減方法が必要とされる。これらの電離層擾乱は、上層大気中で発生し、太陽フレアや他の太陽の活動によって誘発される電子的活性に基づく。異常な電離層活動中、地上分局（ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ）及び飛行中のユーザが経験する遅延の空間的変化が形成される可能性があり、飛行中のユーザは許容できないほど大きな位置誤差を経験することがあり、これは安全で正確な進入操作にとって法外なものとなり得る。地球の大気中の電離層勾配及び枯渇の泡（ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ ｂｕｂｂｌｅｓ）などの電離層擾乱の存在はまた、ナビゲーションシステムの可用性の喪失につながり、ナビゲーションシステムの連続性に影響を及ぼし得る。連続性とは、システムが使用から中断される頻度を指し、可用性とは、例えば一日間などの長期間の間、システムが使用可能である頻度を指す。

[0021]図１Ａは、本開示の一実施形態のための多周波ＧＢＡＳ地上局１００を説明する。ＧＢＡＳ地上局１００は、正しい電離層緩和機構を決定するために多周波ＧＮＳＳ衛星を利用する、電離層正常性（ｈｅａｌｔｈ）モニタ１０５を含む。本明細書中で使用されるとき、多周波衛星は、複数の周波数でナビゲーション信号を同時に送信する。これらのナビゲーション信号は、それらの周波数の作用に応じて異なる速度遅延を経験する。電離層によって引き起こされるこれらの信号の遅延は、ＧＢＡＳ地上局１００によって同時に受信されるときにこれらの信号を処理することにより推定し、解決することができる。したがって、単一の衛星からの異なる周波数の２つのナビゲーション信号を同時に処理することにより、地上局１００は、任意の所与の有限期間における衛星の周りの領域の電離層の品質を決定することができる。

[0022]図１Ａに示す実施形態では、ＧＢＡＳ地上局１００は、電離層正常性モニタ１０５を実装する地上型補強システム（ＧＢＡＳ）処理モジュール１０２を含む。ＧＢＡＳ処理モジュール１０２は、地上局１００に配置される（図１に受信機１０４−１、受信機１０４−２、受信機１０４−３及び受信機１０４−４として示される）１つ又は複数のＧＢＡＳ基準受信機１０４に結合され、航空機通信デバイス１０８は、１つ又は複数の航空機１１４に補正値を通信する。図１に示される例では、ＧＢＡＳ処理モジュール１０２は、４つの基準受信機に対して設定される。他の実施形態では、より多くの又はより少ない数の基準受信機１０４が含まれていてもよい。ＧＢＡＳ地上局１００の基準受信機１０４は、（多周波ＧＮＳＳ衛星１１２から受信される）多周波衛星信号と（多周波ＧＮＳＳ衛星１１０から受信される）単一周波衛星信号の両方を処理するように構成される。本明細書においてＧＢＡＳシステムで使用される基準受信機のうちの少なくとも１つは、多周波衛星信号を処理するように構成される。例えば、基準受信機１０４−１、１０４−２、１０４−３及び１０４−４のうちの１つ又は全部が、多周波衛星信号を処理するように構成されてもよい。そのような例では、残りの基準受信機は、単一周波数の衛星信号を処理する。他の実施形態では、基準受信機１０４−１、１０４−２、１０４−３及び１０４−４は、単一周波数の衛星信号を受信するように構成されてもよく、１つ又は複数の追加の基準受信機が多周波衛星信号を受信するように実装される。ＧＢＡＳ基準受信機１０４及び航空機通信デバイス１０８は、ＧＢＡＳ処理モジュール１０２と接続される。

[0023]ＧＢＡＳ基準受信機１０４は、視野内の（ｉｎ−ｖｉｅｗ）多周波ＧＮＳＳ衛星１１２及び単一周波衛星１１０からＧＮＳＳ信号を受信するように構成される。本実施形態の実施において、ＧＢＡＳ基準受信機１０４の位置は予め知られている。ＧＢＡＳ基準受信機１０４は、これらの信号を処理し、多周波衛星からの送信時間とそれぞれのＧＢＡＳ基準受信機１０４による受信時間との間の時間を測定する。ＧＢＡＳ基準受信機は、伝送時間に基づいて信号が移動した距離を決定する。この情報は、その後、ＧＢＡＳ処理モジュール１０２及び電離層正常性モニタ１０５によって利用される。

[0024]図１Ｂに示すように、一実施形態において、ＧＢＡＳ処理モジュール１０２は、電離層正常性モニタ１０５を実装するように構成されたプロセッサ１５２を含むことができる。電離層正常性モニタ１０５は、本明細書に記載される機能において使用される様々な方法、処理タスク、計算及び制御機能を含む、電離層正常性モニタ１０５を実行するためのソフトウェアプログラム又は他のコンピュータ読み取り可能な命令を含むメモリ１５４に結合される。これらの命令は、コンピュータ読み取り可能な命令又はデータ構造の記憶のために使用される任意の適切な有形のコンピュータ読み取り可能な媒体上に格納することができる。コンピュータ読み取り可能な媒体は、汎用プロセッサ（ＧＰＰ）又は（フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）又は他の集積回路などの）特殊目的のコンピュータもしくはプロセッサ、又は任意のプログラム可能な論理デバイスによってアクセスすることができる、任意のハードウェアデバイスとして実現することができる。適切なプロセッサ読み取り可能な媒体は、磁気媒体又は光媒体などの記憶媒体又はメモリ媒体を含むことができる。例えば、記憶媒体又はメモリ媒体は、従来のハードディスク、コンパクトディスク−読み出し専用メモリ（ＣＤ−ＲＯＭ）、（同期ダイナミックランダムアクセスメモリ（ＳＤＲＡＭ）、ダブルデータレート（ＤＤＲ）ＲＡＭ、ＲＡＭＢＵＳダイナミックＲＡＭ（ＲＤＲＡＭ）、スタティックＲＡＭ（ＳＲＡＭ）などを含むがこれらに限定されない）ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）などの揮発性又は不揮発性媒体、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、電気的消去可能プログラマブルＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭ）、フラッシュメモリなどを含んでもよい。

[0025]各周波数の衛星信号は、電離層の品質を決定するために、電離層正常性モニタ１０５によって処理される。電離層正常性モニタ１０５は、衛星の見通し線（ｌｉｎｅ ｏｆ ｓｉｇｈｔ）に沿って電離層の全電子計数（ｔｏｔａｌ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｃｏｕｎｔ、ＴＥＣ）を決定する。それぞれのＧＢＡＳ基準受信機からの衛星の見通し線が電離層と交わる点は、特定の衛星のピアースポイントである。ＴＥＣは、電離層内の混乱（ｄｉｓｒｕｐｔｉｏｎｓ）に起因して信号が経験する遅延に比例する。公称条件下で、衛星信号上のＴＥＣによる伝送時間の遅延は、数メートルから１０メートルの範囲である。しかし、深刻な電離層嵐中、この遅延は１００メートル以上に達することがある。いくつかの実施形態では、このＴＥＣは、２つの搬送波周波数においてＧＢＡＳ基準受信機１０４によって記録（登録、ｒｅｇｉｓｔｅｒｅｄ）される、測定された擬似距離及び位相観測値の線形結合によって、測定値から電離層正常性モニタ１０５によって定量することができる。ＴＥＣを使用して、電離層正常性モニタ１０５は、静寂な状態から嵐に至るまで電離層の品質を決定する。ＴＥＣは、ピアースポイントにおける電離層品質メトリック、及びそれが二重周波数衛星１１２によって満たされているかどうかを決定する。電離層の現在の品質メトリックが閾値を満たす場合、ピアースポイントにおける電離層は正常であると判定される。

[0026]電離層の品質メトリックが満たされている場合、二重周波数衛星測定値は、ＧＢＡＳ地上局１００の微分補正値の計算のために使用することができ、オーバーバウンドの単純な技術を、空間電離層非相関誤差の軽減のために使用することができる。これらの微分補正値はＧＢＡＳ基準受信機１０４の位置を使用して生成される。実施形態のいくつかの例において、ＧＢＡＳ基準受信機１０４の位置は予め知られている。ＧＢＡＳ基準受信機１０４は、伝送時間に基づいて、衛星信号が移動した距離を決定する。ＧＢＡＳ処理モジュール１０２は、これらの測定値を受信し、信号の移動距離を、衛星からそれぞれのＧＢＡＳ基準受信機までの実際の距離と比較することにより、誤差を決定する。すべての使用可能な基準受信機によって測定された平均誤差は、航空機の見通し線に沿って信号の遅延を補償するために航空機のＧＮＳＳ受信機によって処理することができる補正項である。ＧＢＡＳ地上局１００は、視野内のすべての多周波衛星１１２からの信号を処理して、航空機によって利用されるべきブロードキャスト補正値のリストを蓄積（編集）する。

[0027]衛星測定値がブロードキャスト補正値の一部として使用することができると判定した後、空間電離層非相関誤差についての対応するオーバーバウンド垂直電離層勾配標準偏差シグマ−ｖｉｇが設定される。次いで、地上局１００は、ＧＢＡＳ地上局１００によって観測することができる１つ又は複数の他の多周波衛星からＧＮＳＳ基準受信機１０４によって受信された情報を処理して、多周波衛星１１２のピアースポイントにおける電離層の正常性を判定し、同じシグマオーバーバウンド値が適用され得る空の有効電離層領域（ＶＩＲ）を定義する。いくつかの例では、ＶＩＲの境界は、品質メトリックに基づいて定義される。したがって、電離層が正常でない場合における２５海里の境界とは対照的に、電離層が正常である場合には、ＶＩＲは５０海里によって定義されてもよい。電離層の正常性がより深刻である場合には、有効電離層領域の境界はさらに小さくすることができる。さらに、一実施形態では、（図２に示すように）ＶＩＲは長方形とすることができる。他の実施形態では、ＶＩＲは、円形又は任意の他の幾何学的形状とすることができる。

[0028]図２は、図１で説明したＧＢＡＳ地上局１００などのＧＢＡＳ地上局の視点から見た多周波衛星１１２軌道を使用して定義された例示的な有効電離層領域（ＶＩＲ）を示す空の図である。図２に示す例では、多周波衛星は軌道２２０に沿って移動する。ＧＢＡＳ地上局１００はこの多周波衛星を観測し、電離層正常性モニタ１０５は、所与の有限期間において軌道２２０を取り巻く電離層が正常であるか否かを判定する。例えば、時刻Ｔ１における多周波衛星が領域２０１内にピアースポイントを有し、その時に電離層が正常である場合、電離層領域２０１は有効電離層領域として定義される。軌道経路に沿って移動する多周波衛星は、その後、軌道２２０に沿って移動し、時刻Ｔ２において電離層領域２０２に入り、時刻Ｔ３において電離層領域２０３に入るなどする。ＧＢＡＳ処理モジュール１００は、多周波衛星から受信したナビゲーション信号を処理し、軌道２２０に沿ったそれぞれの領域において、それぞれの電離層領域中の電離層が正常であるか否かをチェックする。電離層領域が有効電離層領域として定義される場合、それは、多周波衛星がその電離層領域内に含まれるピアースポイントを有する有限期間の間有効であるとみなされるに過ぎない。

[0029]図２は、軌道２１０に沿ってＧＢＡＳ地上局１００から見た単一周波衛星１１０をさらに示す。ＧＢＡＳ処理モジュール１０２は、多周波衛星を使用して定義されるように、単一周波衛星のピアースポイントが有効電離層領域に含まれる所与の有限期間中、単一周波数のための微分補正値をブロードキャストしてもよい。すなわち、単一周波衛星１１０についてのピアースポイントが多周波衛星１１２によって現在共同で占有される電離層領域内に存在し、電離層正常性モニタ１０５がその電離層領域を有効電離層領域であると判定した場合、ＧＢＡＳ処理モジュール１０２は、単一周波衛星１１０と関連付けられる微分補正値をブロードキャストするときにその判定を利用することができる。例えば、単一周波衛星１１０が多周波衛星１１２の軌道２１０のピアースポイントに最も近いピアースポイントを有するとき、図２に示す衛星についての単一周波衛星測定値は、時刻Ｔ１及びＴ２において（すなわち、有効電離層領域２０１及び２０２内で）最も信頼できるものとなる。時刻Ｔ６までに、単一周波衛星１１０のピアースポイントの軌道２１０は、多周波衛星の軌道２２０から大きく離れて移動し、その結果、有効電離層領域２０６はもはや単一周波衛星を含まなくなる。

[0030]所与の期間中にＶＩＲにおいてピアースポイントを有する任意の単一周波及び多周波の衛星が、過度の空間的な非相関性を有していないと推定することができるように、ＶＩＲはその所与の有限期間において正常な電離層を有する。ＶＩＲにおいてピアースポイントを有するＧＮＳＳ衛星は、公称の遅延を有すると考えられ、補正値を計算するために、簡易な誤差オーバーバウンド緩和機構を使用することができる。ＧＢＡＳ処理モジュール１０２は、視野内のすべてのＧＮＳＳ衛星１１０及び１１２からの信号を処理して、衛星がＶＩＲ中にあるかどうかを判断する。

[0031]様々な実施形態では、異なるＧＮＳＳコンステレーションのうちの多周波衛星が、ＶＩＲを定義するために利用することができる。すなわち、第１のＧＮＳＳコンステレーション（例えば、Ｇａｌｉｌｅｏ）のうちの多周波衛星からのナビゲーション信号に基づいて電離層正常性モニタ１０５によってなされるＶＩＲの判断は、第２の異なるＧＮＳＳコンステレーション（例えば、ＧＰＳ）の衛星に関連付けられる微分補正値を決定するために利用することができる。さらなる実施形態では、ＧＢＡＳ処理モジュール１０２は、単一のコンステレーションの衛星のための微分補正値をブロードキャストするように構成される。例えば、ＧＢＡＳ処理モジュール１０２がＶＩＲを定義するためにＧＰＳ衛星及びガリレオ衛星の両方を利用することができる一方、ＧＢＡＳ地上局１００は、単一周波及び多周波のＧＰＳ衛星に対してのみ微分補正値をブロードキャストする。

[0032]有効電離層領域を定義した後、ＧＢＡＳ処理モジュール１０２は、ＧＢＡＳ地上局１００によって観測することができる単一周波ＧＮＳＳ衛星１１０によって送信される信号を処理する。有効電離層領域に含まれる衛星１１０からの測定値は、航空機１１４の見通し線に沿って信号の遅延を補償するために、航空機のＧＮＳＳ受信機によって使用することができる。例示的な実施形態では、全ての観測可能な衛星１１２及び１１０に対する補正値は、通信デバイス１０８を介して、オーバーバウンド垂直電離層勾配標準偏差シグマ−ｖｉｇ（σ_ｖｉｇ）とともに航空機１１４にブロードキャストされる。

[0033]例示的な実施形態では、設定されたオーバーバウンドσ_ｖｉｇは、正確な進入のために要求される垂直警告限界（ＶＡＬ）を満たす必要がある、垂直保護レベル（ＶＰＬ）に影響を与える。いくつかの実施形態では、設定されたオーバーバウンドσ_ｖｉｇは、１−σ（１シグマ）の電離層誤差オーバーバウンド値となるように選択され、ここでσ（シグマ）は標準偏差である。十分なＧＮＳＳ衛星が有効電離層領域に含まれるとＧＢＡＳ地上局１００が判断し、これらの衛星の測定値が、正確な進入のために要求される垂直警告限界（ＶＡＬ）を満たすことができる垂直保護限界（ＶＰＬ）を生成することができるとき、この１−σ（１シグマ）の電離層誤差オーバーバウンド値が使用される。例示的な実施形態では、ＶＡＬは１０メートルである。計算されるＶＰＬがＶＡＬよりも小さい場合、航空機１１４には、航空機の見通し線に沿って信号の遅延を補償するために航空機のＧＮＳＳ受信機が使用するべきＧＮＳＳ衛星測定値が通知される。航空機１１４には、有効電離層領域内に含まれ且つ使用すべき測定値を有するＧＮＳＳ衛星１１２及び１１０のリストをブロードキャストすることにより、又は有効電離層領域に含まれず、したがってその測定値を使用すべきでないＧＮＳＳ衛星１１２及び１１０のリストをブロードキャストすることにより、通知がなされる。

[0034]衛星測定値が最小の電離層品質メトリックを満たしていない（すなわち、衛星のピアースポイントが正常な領域に含まれない）と電離層正常性モニタ１０５が判断する場合には、航空機１１４により観測される遅延を補償するために、より複雑な緩和機構を利用する必要がある。いくつかの実施形態では、幾何学的スクリーニング及びインフレーション法などの緩和が、航空機が遅延を補償するのを支援するために、ＧＢＡＳ地上局によって使用される。他の実施形態では、電離層正常性モニタ１０５によって検出される電離層嵐は、測定値をブロードキャスト補正値のリストから完全に除外しなければならないほど深刻である。

[0035]図３は、本開示の一実施形態の例示的な方法３００を示すフローチャートである。一実施形態では、方法３００の１つ又は複数の要素は、図１Ａ、１Ｂ又は２のいずれかに関して上述したＧＢＡＳ地上局１００などのＧＢＡＳ地上局内で実施される。方法３００は、電離層遅延によって引き起こされる空間非相関誤差を軽減するために、多周波衛星測定値を使用して実施される。いくつかの実施形態では、図３の方法は、上述のＧＢＡＳサブシステム又は要素の任意の実施形態を使用して実施することができる。

[0036]この方法は、ブロック３０２において開始し、１つ又は複数の多周波ＧＮＳＳ衛星のうちの第１の衛星の見通し線に沿って電離層の現在の品質メトリック（ｑｕａｌｉｔｙ ｍｅｔｒｉｃ）を決定する。この方法のいくつかの実施形態では、電離層の現在の品質メトリックは、第１の衛星の見通し線に沿って全電子計数（ｔｏｔａｌ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｃｏｕｎｔ、ＴＥＣ）を計算することによって決定される。例えば、一実施形態では、品質メトリックは、複数のＧＢＡＳ基準受信機を利用するＧＢＡＳ地上局によって計算される。一実施形態では、ＴＥＣを計算することは、少なくとも２つの異なる周波数で第１の衛星によって送信された信号を処理すること、及びそれぞれのＧＢＡＳ基準受信機への第１の衛星の見通し線に沿ってＴＥＣを決定することをさらに含む。いくつかの実施形態では、ＴＥＣは、２つの搬送波周波数においてＧＢＡＳ基準受信機１０４により記録された測定された擬似距離と位相観測値との線形結合を使用して、ＧＢＡＳ地上局によって定量化することができる。

[0037]方法はブロック３０３に進み、閾値の現在の品質メトリックが満たされているかどうかをチェックする。電離層の現在の品質メトリックが閾値を満たさない場合、方法はブロック３０５に進み、複雑な緩和手法を利用する。これは、いくつかの実施形態では、航空機が遅延を補償するのを支援するためにＧＢＡＳ地上局によって使用することができる幾何学的スクリーニング及びインフレーション法を含み得る。他の実施形態では、検出された電離層は、第１の衛星の測定値をブロードキャストから除外しなければならないほど十分に深刻であり得る。

[0038]電離層の現在の品質メトリックが閾値を満たす場合、方法はブロック３０４に進み、電離層の現在の品質メトリックが閾値を満たすときに、複数の多周波ＧＮＳＳ衛星のうちの第１の衛星から受信した測定値に基づいて、垂直電離層勾配（ＶＩＧ）標準偏差シグマ−ｖｉｇ（σ_ｖｉｇ）の少なくとも１つのオーバーバウンドを設定する。このオーバーバウンドは、Ｋファクター及び／又はシグマ乗算器を追加することによって、航空機からの誤差境界距離を増加させることにより設定することができる。

[0039]方法はブロック３０６に進み、少なくとも１つのオーバーバウンド垂直電離層勾配標準偏差シグマ−ｖｉｇ（σ_ｖｉｇ）が適用できる、所与の有限期間における有効電離層領域を定義する。この方法のいくつかの実施形態では、有効電離層領域は、複数のコンステレーションのうちの多周波衛星を利用して定義することができる。この方法のさらなる実施形態では、いずれか又はすべてのコンステレーションの衛星が有効電離層領域を定義するために使用される一方、航空機のＧＮＳＳ受信機にブロードキャストするためのＧＢＡＳ地上局によって計算された微分補正値は、１つの多重コンステレーション（ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｃｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎ）の衛星の補正値を含むにすぎない。

[0040]方法はブロック３０８に進み、有効電離層領域中にピアースポイントを有する衛星を決定する。いくつかの実施形態では、方法３００は、有効電離層領域のうちの１つにおいてピアースポイントを有する衛星の衛星測定値を使用して微分補正値を計算することをさらに含む。有効電離層領域のうちの１つにおいてピアースポイントを有する単一周波衛星は、微分補正値の計算に含まれてもよい。

[0041]方法はブロック３１０に進み、オーバーバウンド垂直電離層勾配標準偏差シグマ−ｖｉｇ（σ_ｖｉｇ）並びに有効電離層領域中にピアースポイントを有するＧＮＳＳ単一周波衛星及び多周波衛星のリストを、航空機のＧＮＳＳ受信機に伝える。この方法の実施形態では、有効電離層領域に含まれるＧＮＳＳ衛星のリストを航空機に伝えることは、正確な進入のために要求される垂直警告限界（ＶＡＬ）を満たす垂直保護限界（ＶＰＬ）を生成する測定値を有するＧＮＳＳ衛星のリストを伝えることを含む。

例示的な実施形態
[0042]例１は、地上型補強システム（ＧＢＡＳ）であって、単一周波及び多周波の全地球的航法衛星システム（ＧＮＳＳ）衛星から信号を受信するように構成された複数のＧＮＳＳ基準受信機と、複数の基準受信機に結合された少なくとも１つの処理モジュールと、少なくとも１つの処理モジュールに結合された少なくとも１つの航空機通信デバイスとを備え、少なくとも１つの処理モジュールは、電離層の現在の品質メトリックを決定するために、複数の観測可能な多周波ＧＮＳＳ衛星のうちの第１のＧＮＳＳ衛星の見通し線に沿って真の電子計数（ＴＥＣ）を決定するように構成され、少なくとも１つの処理モジュールは、さらに、電離層の現在の品質メトリックが閾値を満たすときに少なくとも１つオーバーバウンド垂直電離層勾配標準偏差シグマ−ｖｉｇ（σ_ｖｉｇ）を決定するように構成され、少なくとも１つの処理モジュールは、さらに、少なくとも１つのオーバーバウンド垂直電離層勾配標準偏差シグマ−ｖｉｇ（σ_ｖｉｇ）を適用できる、所与の有限期間における１つ又は複数の有効電離層領域を定義するように構成され、少なくとも１つの処理モジュールは、さらに、少なくとも１つの航空機通信デバイスに、少なくとも１つのオーバーバウンド垂直電離層勾配標準偏差シグマ−ｖｉｇ（σ_ｖｉｇ）並びに有効電離層領域中にピアースポイントを有するＧＮＳＳ単一周波衛星及び多周波衛星のリストを航空機のＧＮＳＳ受信機に対して通信させるように構成される。

[0043]例２は、例１のＧＢＡＳシステムを含み、少なくとも１つの処理モジュールは、さらに、有効電離層領域中にピアースポイントを有する衛星について微分補正値を計算するように構成され、当該微分補正値は、少なくとも１つのオーバーバウンド垂直電離層勾配標準偏差シグマ−ｖｉｇ（σ_ｖｉｇ）並びに有効電離層領域中にピアースポイントを有するＧＮＳＳ単一周波衛星及び多周波衛星のリストとともに、航空機のＧＮＳＳ受信機に伝えられる。

[0044]例３は、例１−２のいずれかのＧＢＡＳシステムを含み、複数の基準受信機は４つの基準受信機を含む。

[0045]例４は、例１−３のいずれかのＧＢＡＳシステムを含み、複数の観測可能な多周波衛星のうちの１つ又は複数の多周波衛星は、二重周波数衛星である。

[0046]例５は、例１−４のいずれかのＧＢＡＳシステムを含み、ＴＥＣは、少なくとも２つの搬送波周波数において複数の基準受信機により記録された衛星の擬似距離及び位相観測値の線形結合からの測定値を使用して決定される。

[0047]例６は、例１−５のいずれかのＧＢＡＳシステムを含み、少なくとも１つのオーバーバウンド垂直電離層勾配標準偏差シグマ−ｖｉｇ（σ_ｖｉｇ）は、単一のオーバーバウンド垂直電離層勾配標準偏差シグマ−ｖｉｇ（σ_ｖｉｇ）を含む。

[0048]例７は、例１−６のいずれかのＧＢＡＳシステムを含み、複数の観測可能な多周波衛星は、有効電離層領域を定義するために、複数のコンステレーションからの多周波衛星を含む。

[0049]例８は、例７のＧＢＡＳシステムを含み、少なくとも１つの処理モジュールは、さらに、少なくとも１つの航空機通信デバイスに、１つのみのコンステレーションの衛星についての補正値を航空機にブロードキャストさせるように構成される。

[0050]例９は、例１−８のいずれかのＧＢＡＳシステムを含み、複数の基準受信機は、多周波衛星信号を処理するただ１つの基準受信機をさらに含む。

[0051]例１０は、電離層遅延によって引き起こされる地上型補強システムにおける空間非相関誤差を軽減する方法を含み、当該方法は、複数のＧＮＳＳ多周波衛星のうちの第１の多周波衛星の見通し線に沿って電離層の現在の品質メトリックを決定するステップと、電離層の現在の品質メトリックが閾値を満たすときに、複数の多周波ＧＮＳＳ衛星のうちの第１の多周波衛星から受信された測定値に基づいて、少なくとも１つのオーバーバウンド垂直電離層勾配標準偏差シグマ−ｖｉｇ（σ_ｖｉｇ）を設定するステップと、少なくとも１つのオーバーバウンド垂直電離層勾配標準偏差シグマ−ｖｉｇ（σ_ｖｉｇ）が適用できる、所与の有限期間における１つ又は複数の有効電離層領域を定義するステップと、どのＧＮＳＳ単一周波衛星及び多周波衛星が有効電離層領域中にピアースポイントを有するかを決定するステップと、オーバーバウンド垂直電離層勾配標準偏差シグマ−ｖｉｇ（σ_ｖｉｇ）並びに有効電離層領域中にピアースポイントを有するＧＮＳＳ単一周波衛星及び多周波衛星のリストを航空機のＧＮＳＳ受信機に伝えるステップとを含む。

[0052]例１１は、例１０の方法を含み、さらに、有効電離層領域のうちの１つにおいてピアースポイントを有するすべての衛星について微分補正値を計算するステップと、当該微分補正値を、少なくとも１つのオーバーバウンド垂直電離層勾配標準偏差シグマ−ｖｉｇ（σ_ｖｉｇ）並びに有効電離層領域中にピアースポイントを有するＧＮＳＳ単一周波衛星及び多周波衛星のリストとともに、航空機のＧＮＳＳ受信機に伝えるステップとを含む。

[0053]例１２は、例１０−１１のいずれかの方法を含み、さらに、電離層遅延によって引き起こされる空間非相関誤差を軽減するために、二重周波数衛星からの信号を処理するステップを含む。

[0054]例１３は、例１０−１２のいずれかの方法を含み、品質メトリックを決定するステップは、１つ又は複数の多周波衛星のうちの第１の多周波衛星の見通し線に沿って真の電子計数（ＴＥＣ）を計算するステップをさらに含む。

[0055]例１４は、例１０−１３のいずれかの方法を含み、少なくとも１つのオーバーバウンド垂直電離層勾配標準偏差シグマ−ｖｉｇ（σ_ｖｉｇ）を設定するステップは、単一のオーバーバウンド垂直電離層勾配標準偏差シグマ−ｖｉｇ（σ_ｖｉｇ）を選択するステップを含む。

[0056]例１５は、例１０−１４のいずれかの方法を含み、所与の有限期間における１つ又は複数の有効電離層領域を定義するステップは、複数のコンステレーションからの多周波衛星をチェックするステップをさらに含み、少なくとも１つのオーバーバウンド垂直電離層勾配標準偏差シグマ−ｖｉｇ（σ_ｖｉｇ）が当該多周波衛星のピアースポイントに沿って適用できる。

[0057]例１６は、例１５の方法を含み、微分補正値を計算するステップは、複数のコンステレーションのうちのただ１つのコンステレーションの衛星について補正値を計算するステップを含む。

[0058]例１７は、地上型補強システム（ＧＢＡＳ）地上局であって、単一周波及び二重周波の全地球的航法衛星システム（ＧＮＳＳ）衛星から信号を受信するように構成された複数のＧＮＳＳ基準受信機と、複数の基準受信機に結合された少なくとも１つの電離層正常性モニタとを備え、少なくとも１つの電離層正常性モニタは、電離層の現在の品質メトリックを決定するために、複数の観測可能な二重周波数ＧＮＳＳ衛星のうちの第１のＧＮＳＳ衛星の見通し線に沿って真の電子計数（ＴＥＣ）を決定するように構成され、少なくとも１つの電離層正常性モニタは、さらに、電離層の現在の品質メトリックが閾値を満たすときに、少なくとも１つのオーバーバウンド垂直電離層勾配標準偏差シグマ−ｖｉｇ（σ_ｖｉｇ）を決定するように構成され、少なくとも１つの電離層正常性モニタは、さらに、電離層の現在の品質メトリックが閾値を満たす場合に所与の有限期間における１つ又は複数の有効電離層領域を定義するために、複数の観測可能な多周波ＧＮＳＳ衛星のうちの少なくとも１つの他の衛星からの情報を処理するように構成され、少なくとも１つの処理モジュールは、さらに、少なくとも１つの航空機通信デバイスに、少なくとも１つのオーバーバウンド垂直電離層勾配標準偏差シグマ−ｖｉｇ（σ_ｖｉｇ）並びに有効電離層領域中にピアースポイントを有する単一周波ＧＮＳＳ衛星及び二重周波ＧＮＳＳ衛星のリストを航空機のＧＮＳＳ受信機に対して通信させるように構成される。

[0059]例１８は、例１７のＧＢＡＳ地上局を含み、電離層正常性モニタはＧＢＡＳ処理モジュール内に実装される。

[0060]例１９は、例１７又は１８のいずれかのＧＢＡＳ地上局を含み、電離層正常性モニタは、電離層正常性モニタを実現するためのコンピュータ読み取り可能な命令を含むメモリに結合される。

[0061]例２０は、例１７−１９のいずれかのＧＢＡＳ地上局を含み、複数のＧＮＳＳ基準受信機は、さらに、多周波衛星信号を処理するただ１つの基準受信機を含む。

[0062]本明細書において具体的な実施形態を示して説明したが、当業者であれば、同じ目的を達成するためになされる任意の構成を、示された特定の実施形態の代わりに使用することができることが理解されよう。したがって、本発明は、特許請求の範囲及びその均等物によってのみ限定されることが明白に意図される。

Claims (3)

1. 地上型補強システム（ＧＢＡＳ）であって、
   単一周波及び多周波の全地球的航法衛星システム（ＧＮＳＳ）衛星から信号を受信するように構成された複数のＧＮＳＳ基準受信機と、
   前記複数の基準受信機に結合された少なくとも１つの処理モジュールと、
   前記少なくとも１つの処理モジュールに結合された少なくとも１つの航空機通信デバイスと
   を備え、
   前記少なくとも１つの処理モジュールは、電離層の現在の品質メトリックを決定するために、複数の観測可能な多周波ＧＮＳＳ衛星のうちの第１のＧＮＳＳ衛星の見通し線に沿って真の電子計数（ＴＥＣ）を決定するように構成され、
   前記少なくとも１つの処理モジュールは、前記電離層の前記現在の品質メトリックが閾値を満たすとき、少なくとも１つのオーバーバウンド垂直電離層勾配標準偏差シグマ−ｖｉｇ（σ_ｖｉｇ）を決定するようにさらに構成され、
   前記少なくとも１つの処理モジュールは、少なくとも１つのオーバーバウンド垂直電離層勾配標準偏差シグマ−ｖｉｇ（σ_ｖｉｇ）を適用できる、所与の有限期間における１つ又は複数の有効電離層領域を定義するようにさらに構成され、
   前記少なくとも１つの処理モジュールは、前記少なくとも１つの航空機通信デバイスに、前記少なくとも１つのオーバーバウンド垂直電離層勾配標準偏差シグマ−ｖｉｇ（σ_ｖｉｇ）並びに前記有効電離層領域中にピアースポイントを有するＧＮＳＳ単一周波衛星及び多周波衛星のリストを航空機のＧＮＳＳ受信機に対して通信させるように構成される、ＧＢＡＳシステム。
2. 前記複数の観測可能な多周波衛星は、有効電離層領域を定義するために、複数のコンステレーションからの多周波衛星を含み、前記少なくとも１つの処理モジュールは、前記少なくとも１つの航空機通信デバイスに、ただ１つのコンステレーションの衛星についての補正値を前記航空機に対してブロードキャストさせるように構成される、請求項１に記載のＧＢＡＳシステム。
3. 電離層遅延によって引き起こされる地上型補強システムにおける空間非相関誤差を軽減する方法であって、
   複数のＧＮＳＳ多周波衛星のうちの第１のＧＮＳＳ多周波衛星の見通し線に沿って電離層の現在の品質メトリックを決定するステップと、
   前記電離層の現在の品質メトリックが閾値を満たすとき、複数の多周波ＧＮＳＳ衛星のうちの前記第１のＧＮＳＳ多周波衛星から受信された測定値に基づいて、少なくとも１つのオーバーバウンド垂直電離層勾配標準偏差シグマ−ｖｉｇ（σ_ｖｉｇ）を設定するステップと、
   少なくとも１つのオーバーバウンド垂直電離層勾配標準偏差シグマ−ｖｉｇ（σ_ｖｉｇ）が適用できる、所与の有限期間における１つ又は複数の有効電離層領域を定義するステップと、
   どのＧＮＳＳ単一周波衛星及び多周波衛星が前記有効電離層領域中にピアースポイントを有するかを決定するステップと、
   前記オーバーバウンド垂直電離層勾配標準偏差シグマ−ｖｉｇ（σ_ｖｉｇ）並びに前記有効電離層領域中にピアースポイントを有するＧＮＳＳ単一周波衛星及び多周波衛星のリストを航空機のＧＮＳＳ受信機に伝えるステップと
   を含む、方法。

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