JPH06213992A - 衛星をベースとするナビゲーションシステムにおいて位置推定の精度を改善する方法及び装置 - Google Patents

衛星をベースとするナビゲーションシステムにおいて位置推定の精度を改善する方法及び装置

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JPH06213992A
JPH06213992A JP5300735A JP30073593A JPH06213992A JP H06213992 A JPH06213992 A JP H06213992A JP 5300735 A JP5300735 A JP 5300735A JP 30073593 A JP30073593 A JP 30073593A JP H06213992 A JPH06213992 A JP H06213992A
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    • G01S19/00—Satellite radio beacon positioning systems; Determining position, velocity or attitude using signals transmitted by such systems
    • G01S19/38—Determining a navigation solution using signals transmitted by a satellite radio beacon positioning system
    • G01S19/39—Determining a navigation solution using signals transmitted by a satellite radio beacon positioning system the satellite radio beacon positioning system transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明の目的は、衛星をベースとするナビゲ
ーションシステムからのナビゲーション信号を使用して
地表の、またはその付近のビークルの位置を決定する装
置及び方法を提供することである。 【構成】 精密な位置推定は、実効受信機雑音を低下さ
せることによって達成される。複数の受信機手段は、各
衛星毎に擬似距離を計算する。信号最適化装置は、各受
信機手段からの擬似距離を使用して各衛星毎に最適擬似
距離を計算する。プロセッサ手段は、これらの最適擬似
距離からビークル位置を計算する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、一般的には地球周回衛
星の星座を使用して地表の、またはその付近の受信機の
位置を決定するナビゲーションシステムの分野に関す
る。より具体的には、本発明は実効受信機雑音を減少さ
せることによって位置推定の精度を改善する方法及び装
置に関する。
【０００２】
【従来の技術】現在、アメリカ合衆国を含む数ケ国の政
府が、一般にグローバルポジショニングシステム（ＧＰ
Ｓ）と呼ばれている地表位置確定システムを開発中であ
る。ＧＰＳは地表の、またはその付近の受信者に高度に
正確な三次元位置情報を与えるように計画された衛星を
ベースとする無線ナビゲーションシステムである。合衆
国政府はそのＧＰＳを“ NAVSTAR”と名付けている。合
衆国政府は 1993年には NAVSTAR GPSの完全動作を宣言
する予定である。旧ソビエト社会主義共和国連邦政府
は、“GLONASS ”として知られるＧＰＳの開発に携わっ
ている。更に“NAVSAT”及び“GRANAS”として知られる
２つの欧州システムも開発中である。説明の都合上、以
下に特定的に NAVSTAR GPSに関して開示する。しかしな
がら、本発明は他のＧＰＳにも等しく適用可能である。
NAVSTAR GPS では、６つの分離した各円形軌道内に４個
のＧＰＳ軌道衛星が存在し、合計 24 個のＧＰＳ衛星が
周回するように計画されている。これらの中の21個が動
作し、３個は予備である。衛星軌道は極軌道または赤道
軌道ではなく、相互に直交する傾斜した面内にある。
【０００３】各ＧＰＳ衛星は、ほぼ 12 時間で１回地球
を周回する。地球は地軸を中心として 24 時間で１回転
するから、これは地球が１回転する間に各衛星が正確に
完全に２周回することを意味する。任意の時刻における
各衛星の位置は精密に知られており、絶えず地球に送信
されている。時刻（ＧＰＳ時）に対する宇宙空間の衛星
の位置を表すこの位置情報は天体暦データとして知られ
ている。各衛星が送信するナビゲーション信号には、天
体暦データの他に、その信号が送信される精密な時刻が
含まれている。受信機から各衛星までの距離は各ナビゲ
ーション信号内に含まれるこの送信時刻から決定するこ
とができる。受信機が信号を受信した時刻に注目するこ
とによって、伝播時間の遅延を計算することができる。
この時間遅延に信号の伝播速度を乗ずると、送信中の衛
星から受信機までの“擬似距離”が求められる。受信機
時計はＧＰＳ時に精密に同期されていないかも知れず、
また大気圏を通る伝播がナビゲーション信号伝播時間に
遅延をもたらすので、距離を“擬似距離”と呼ぶのであ
る。これらの要因は、それぞれ、時計バイアス（誤差）
及び大気圏バイアス（誤差）の因となる。時計バイアス
は数ミリ秒程度の大きさになり得る。
【０００４】少なくとも３個の衛星からのこれら２つの
情報（天体暦データ及び擬似距離）を使用して受動的な
三角測量技術を適用すれば、地球の中心に対する受信機
の位置を決定することができる。この三角測量技術は３
つの段階を含む。第１は、受信機から“見える”少なく
とも３個の衛星の位置を決定しなければならないことで
ある。第２は、受信機から各衛星までの距離を決定しな
ければならないことである。そして最後は、最初の２つ
の段階からの情報を使用して、地球の中心に対する受信
機の位置を幾何学的に決定することである。少なくとも
３個の周回ＧＰＳ衛星を使用して三角測量技術を適用す
れば、簡単な幾何学的理論によって、任意の地球受信機
の絶対地表位置（地球の中心に対する経度、緯度、及び
高度）を計算することができる。位置推定の精度は、サ
ンプルされる周回ＧＰＳ衛星の数に部分的に依存する。
より多くのＧＰＳ衛星を計算に使用すれば、地表位置推
定の精度を上げることができる。伝統的に、各地表位置
推定を決定するために４個のＧＰＳ衛星をサンプルして
いる。３個の衛星が三角測量のために使用され、４番目
の衛星は上述した時計バイアスを修正するために付加さ
れる。もし受信機の時計がＧＰＳ衛星の時計に精密に同
期していれば、この４番目の衛星は必要ではない。しか
しながら、精密な時計（例えば原子時計）は高価であ
り、従って全ての応用に対して適当であるとはいえな
い。
【０００５】NAVSTAR GPS の詳細に関しては、 1983 年
10月の Proceedings of the IEEE,Vol. 71, No. 10 に
所載の Parkinson, Bradford W. 及び Gilbert, Stephe
n W.の論文“ NAVSTAR : Global Positioning System -
-- Ten Years Later”、及び1989年にカリフォルニア州
サニーベイルの Trimble Navigation Ltd.から刊行され
た“ A Guide to the Next Utility ”の 1-47 頁を参
照されたい。 NAVSTARGPSを使用する車両位置確定／ナ
ビゲーションシステムの詳細に関しては 1990年12月 3
日付、合衆国特許出願 07/628,560 号“車両位置決定装
置及び方法”を参照されたい。NAVSTAR GPS において
は、単一の搬送波周波数を使用する電磁信号が各衛星か
ら連続的に送信されている。しかし、各衛星は異なる変
調ゴールドコードを使用しているので信号を区別するこ
とができる。搬送波周波数は、各ＧＰＳ衛星に独自の擬
似乱数信号を使用して変調されている。従ってナビゲー
ション信号を復調すれば周回ＧＰＳ衛星を識別すること
ができる。更に NAVSTAR GPSは、擬似乱数信号を使用し
て行う搬送波の変調に２つのモードを有している。第１
のモードでは、搬送波は“Ｃ／Ａ信号”によって変調さ
れ“粗／取得モード”と呼ばれる。粗／取得またはＣ／
Ａモードは“標準位置確定サービス”としても知られて
いる。Ｃ／Ａ信号は 1.023 MHzのチップ周波数を有する
ゴールドコードシーケンスである。ゴールドコードシー
ケンスは当分野においては公知である。
【０００６】チップは、擬似乱数コードの１つの個々の
パルスである。擬似乱数コードシーケンスのチップ周波
数は、シーケンス内においてチップが生成される周波数
である。従ってチップ周波数は、コード繰り返し周波数
をコード内のメンバーの数で除したものに等しい。NAVS
TAR GPS のＣ／Ａモードでは、各ゴールドコードシーケ
ンス内に 1,023チップが存在し、シーケンスは１ミリ秒
毎に繰り返される。４個の周回ＧＰＳ衛星からの 1.023
MHzゴールドコードシーケンスを使用すれば概ね 60 乃
至 100メートルの精度( 95％の確信度）で地球受信機の
対地位置を決定することができる。NAVSTAR GPS の第２
の変調モードは、一般に“精密”または“保護”（Ｐ）
モードと呼ばれている。Ｐモードでは、擬似乱数コード
は 10.23 MHzのチップ周波数を有している。更にＰモー
ドシーケンスは極めて長く、１回の繰り返しが 267日以
下になることはない。その結果、如何なる地球受信機の
地表位置も概ね 16メートルの精度（球形誤差範囲）以
内で決定することができる。Ｐモードは“精密位置確定
サービス”としても知られている。Ｐモードシーケンス
は合衆国政府によって機密を保たれており、公共の利用
には供されない。Ｐモードは合衆国政府が特別に認可し
た地球受信機のみが使用するように計画されている。こ
のように、Ｐモード変調されたデータは一般には使用で
きないので多くのＧＰＳユーザはＣ／Ａ変調モードによ
って与えられるＧＰＳデータのみに頼らなければならな
い。これは、殆どのユーザを精度の落ちるポジショニン
グシステムに追いやることになる。
【０００７】上記時計及び大気圏誤差はポジショニング
システムに不正確さを追加する。ＧＰＳ位置計算に影響
を与える他の誤差には、受信機雑音、信号反射、隠蔽、
及び衛星経路移動（例えば衛星の揺らぎ）が含まれる。
これらの誤差は不正確な擬似距離及び不正確な衛星位置
の計算をもたらす。不正確な擬似距離及び不正確な衛星
位置は、ビークル位置確定システムによって計算される
位置推定の精度を低下せしめる。差動システムはこれら
の誤差の多くを補償するが、それでも不正確さは残留す
る。ビークル位置を１メートル以内の精度で計算するこ
とが望ましい。しかしながら、この精度はＣ／Ａコード
を使用する従来のシステムでは、（部分的に）使用可能
な受信機の雑音しきい値のために実現不可能であった。
本発明はこの限界を打破し、位置確定をより一層高精度
ならしめるナビゲーションシステムを目指している。
【０００８】
【発明の概要】本発明は、衛星をベースとするビークル
ナビゲーションシステムにおける位置推定の精度を改善
する方法及び装置に関する。第１の実施例では、各衛星
からナビゲーション信号を受信するための複数の受信機
が設けられている。ナビゲーション信号に基づいて、各
受信機は各衛星までの擬似距離を計算する。複数の受信
機からの擬似距離を使用して最適擬似距離が各衛星毎に
求められる。好ましい実施例では、最適擬似距離は複数
の受信機からの擬似距離の平均である。最適擬似距離は
ビークルの位置推定を計算するために使用される。この
ようにして最適擬似距離を計算することにより、ビーク
ルの位置計算を劣化させる受信機雑音が低下するように
なる。最適擬似距離を計算するために使用される受信機
の数が多い程、受信機雑音の低下は大きくなる。衛星を
ベースとするナビゲーションシステムを使用してビーク
ル位置推定を計算する本発明の方法は、（１）複数の受
信機において複数の衛星から衛星ナビゲーション信号を
受信する段階と、（２）ナビゲーション信号から、受信
機と各衛星との間の擬似距離を各受信機毎に計算する段
階と、（３）複数の受信機からの擬似距離を平均するこ
とによって各衛星毎の最適擬似距離を計算する段階と、
（４）各衛星毎の衛星位置を計算する段階と、（５）各
衛星毎の衛星位置及び最適擬似距離を使用してビークル
の位置を計算する段階とを包含する。
【０００９】本発明の長所は、アンテナ雑音、受信機雑
音、及び他の０平均値を有するランダムひずみ（これら
はナビゲーションシステムのフロントエンドに誘起され
る）によってもたらされる位置誤差が減少することであ
る。本発明の付加的な長所は、局部的な反射によっても
たらされる位置誤差を減少させ得ることである。本発明
の代替実施例では、単一の受信機を複数のアンテナと共
に使用する。各アンテナは衛星からナビゲーション信号
を受信する。受信機は各アンテナ毎の擬似距離計算を時
分割方式で遂行する。平均化回路が各衛星毎の平均擬似
距離を計算する。この実施例はアンテナ及び他の雑音を
低下させるが、受信機雑音は低下しない。
【００１０】
【実施例】以下に添付図面に基づいて本発明を説明す
る。添付図面においては同一要素／段階には同一の参照
番号を付してある。本発明は、衛星をベースとするナビ
ゲーションシステムにおいてビークル位置推定の精度を
改善する方法及び装置を提供する。好ましい実施例で
は、NAVSTARGPS が使用される。前述したように、そし
て図１に示すように NAVSTAR GPSは６つの軌道１０４で
地球を周回する 21 個の動作衛星１０２を含んでいる。
以下の説明では本発明は、図２に示すような自律車両装
置２００の環境内で使用されるものとする。代表的なＧ
ＰＳ星座２０２は、ＧＰＳデータを送信中の４個のＧＰ
Ｓ衛星１０２（ａ）−１０２（ｄ）を含む。ビークル
（例えば自律採鉱用トラック、以下の説明では車両と称
する）２１０及び基地局２２０は、それぞれのＧＰＳア
ンテナ２１２及び２２２を使用して星座内の各ＧＰＳ衛
星１０２からＧＰＳデータ／ナビゲーション信号を受信
するようになっている。ＧＰＳ受信機は、受信機から
“見える”衛星から（即ち、視線通信によって）ＧＰＳ
ナビゲーション信号を受信することができる。“見え
る”とは、例えば水平線から少なくとも 10 °より大き
い角度にある衛星と定義することができる。この 10 °
なる角度は、見える有用な衛星と、今将に水平線より下
に沈んで視界から去ろうとしている衛星との間に緩衝ゾ
ーンを提供する。
【００１１】“星座”とは、ＧＰＳ受信機から“見え
る”衛星の中から選択された衛星の群である。例えば、
ＧＰＳ受信機から見える１群６個の中から４個の衛星を
選択することができる。三角測量法にとって好ましいジ
オメトリであることから（後述）４個の衛星が選択され
るのである。基地局２２０は、既知の固定位置に配置さ
れているＧＰＳ受信機を含む。基地局２２０は通信チャ
ネル２２５を通して車両２１０と通信する。通信チャネ
ル２２５は、基地局２２０と車両２１０との間の通信リ
ンクを表している。好ましい実施例では、通信チャネル
２２５は無線送受信機からなる。通信チャネル２２５は
基地局２２０と車両２１０との間でデータを転送するた
めに使用される。システム２００は、任意選択的に１ま
たはそれ以上の擬似衛星２３０を含む。“擬似衛星”と
は、ＧＰＳ衛星を模擬する地表もしくはその付近に配置
されている送信システムである。擬似衛星が固定された
既知の位置を有しているので、ＧＰＳから導出される位
置推定を大いに向上させることができる。説明を容易に
するために、４個のＧＰＳ衛星１０２だけを参照する。
しかしながら衛星からの位置データが必要な場合に、擬
似衛星データで代用することもできることに注目された
い。
【００１２】図３は、ＧＰＳ衛星１０２、車両２１０、
基地局２２０、及び擬似衛星２３０を含む本発明の装置
２００の高レベルブロック線図である。車両２１０は車
両位置確定装置（ＶＰＳ）３１０及びナビゲーション装
置３２０を含んでいる。車両位置確定装置（ＶＰＳ）３１０ 車両２１０を規定された経路に沿って案内するために
は、特に、ある参照点に対する車両の現在位置を正確に
推定する必要がある。現在位置を掌握すれば、車両３１
０に対して次の行先へ進むように命令することができ
る。ＶＰＳ３１０は車両２１０の位置推定を極めて精密
に決定することができる。ＶＰＳ３１０は、ＧＰＳ処理
装置３１２及び運動位置確定装置（ＭＰＳ）３１４を含
む。ＧＰＳ処理装置３１２は、ＧＰＳ衛星１０２からＧ
ＰＳデータ、即ちナビゲーション信号を受信し、そのデ
ータから車両２１０の第１位置推定（ＦＰＥ）を計算す
る。ＭＰＳ３１４は、車両走行距離計３１６と、慣性参
照ユニット（ＩＲＵ）３１８とを含み、これらは初期既
知位置からの変化に基づいて車両の位置を追跡する。Ｍ
ＰＳ３１４は、車両２１０の第２位置推定を発生する
（実際の計算はＶＰＳ処理装置３２４内において行われ
る）。第１位置推定及び第２位置推定は独立的に導出さ
れる。
【００１３】ＧＰＳからの第１位置推定は、車両２１０
の位置の独立指示として使用することができる。同様
に、ＭＰＳからの第２位置推定も、車両２１０の位置の
独立指示として使用することができる。しかしながら好
ましい実施例では、後述するように第１位置推定と第２
位置推定とをＶＰＳ処理装置３２４によって組合わせ、
より正確な第３位置推定、もしくは最良位置推定を求め
る。ナビゲーション装置３２０ ナビゲーション装置３２０は、ＶＰＳ３１０から第３位
置推定を受信する。ナビゲーション装置３２０はこの精
密な第３位置推定を使用して車両２１０を正確に航行さ
せる。ＧＰＳ処理装置３１２ ＧＰＳ処理装置３１２は装置２００の心臓部である。図
４に示すようにＧＰＳ処理装置３１２は、受信機装置４
００と、ＧＰＳプロセッサ４０８とを含む。受信機装置
４００は衛星からナビゲーション信号を受信して復号す
る。ＧＰＳプロセッサ４０８は受信機からのこの情報を
使用して第１位置推定を計算する。受信機装置４００
は、ＧＰＳアンテナ４０２、前置増幅器４０４、及びＧ
ＰＳ受信機４０６を含む。アンテナ４０２は、スペクト
ルの無線部分の電磁放射を受信するようになっている。
前置増幅器４０４は、選択されたＧＰＳ衛星からＧＰＳ
アンテナ４０２が受信したＧＰＳナビゲーション信号を
増幅する。ＧＰＳ受信機４０６は多チャネル受信機であ
って、ＧＰＳナビゲーション信号を復号して選択された
各衛星毎に擬似距離及び衛星位置を発生する。ＧＰＳプ
ロセッサ４０８は、複数の衛星の擬似距離及び衛星位置
を使用して車両２１０の第１位置推定を計算する。
【００１４】好ましい実施例では、アンテナ４０２及び
前置増幅器４０４は単一のユニット内に統合されてい
る。アンテナ／前置増幅器４０２／４０４の組合せ及び
受信機４０６は共にカリフォルニア州トーレンスの Mag
navox Advanced Products andSystems Co. から部品番
号 MX4200 として入手可能である。またＧＰＳプロセッ
サ４０８はイリノイ州シャウンバーグの Motorola Inc.
から市販されている MC68020 マイクロプロセッサを含
む。受信機４０６は、以下のようにして各衛星毎の擬似
距離を計算する。上述したようにＧＰＳ衛星が送信する
各信号は、その信号が送信される正確な時刻で連続的に
符号化されている。受信機４０６がその信号を受信した
時刻に注目することによって、伝播時間遅延を計算する
ことができる。この時間遅延に信号の伝播速度（ 2.997
9245998 × 108 m/s）を乗ずることによって、送信中の
衛星から受信機までの擬似距離が求められる。上述した
ように、受信機の時計が精密にＧＰＳ時刻に同期してい
ない（時計誤差をもたらす）ことと、大気の異なる層を
通るために伝播する信号の速度が変化する（大気圏誤差
をもたらす）ことから、この距離を“擬似距離”と呼ぶ
のである。
【００１５】ＧＰＳ受信機４０６は、（例えば収集の目
的で）衛星の位置を粗に決定するために年鑑を使用する
ことができる。衛星の位置をより精密に決定するため
に、受信機はＧＰＳナビゲーション信号を復号し、該信
号から天体暦を抽出する。天体暦データは送信中の衛星
の精密な位置を指示する。ＧＰＳプロセッサ４０８は、
ＧＰＳ受信機４０６からの擬似距離及び衛星位置を使用
して第１位置推定を計算する。これに関して図５を参照
して以下に説明する。図５は、車両２１０から見えるＧ
ＰＳ衛星１０２（ａ）−１０２（ｄ）を有するサンプル
衛星星座を示す。地球の中心を原点とする直交座標にお
いて、衛星１０２（ａ）は (ｘ1,ｙ1,ｚ1 ) に位置し、
衛星１０２（ｂ）は (ｘ2,ｙ2,ｚ2 )に位置し、衛星１
０２（ｃ）は (ｘ3,ｙ3,ｚ3 ) に位置し、衛星１０２
（ｄ）は(ｘ4,ｙ4,ｚ4 ) に位置し、そして 車両２１
０は位置（Ｕx , Ｕy , Ｕz ）に配置されているものと
する。各衛星１０２の直交座標（ｘ，ｙ，ｚ）は、１個
の衛星の天体暦データを使用してＧＰＳ受信機４０６に
よって決定される。車両２１０と各衛星との間の擬似距
離（ＰＳＲ1 ，ＰＳＲ2 ，ＰＳＲ3 ，及びＰＳＲ4 ）は
伝播時間遅延を使用してＧＰＳ受信機４０６によって決
定される。少なくとも４個の衛星に関するこの情報が与
えられれば、以下の４つの距離方程式に従って車両２１
０（即ち受信機４０６）の位置を決定することができ
る。
【００１６】 ( x1− Ux )2＋( y1− Uy )2＋( z1− Uz )2＝（ PSR1 − Bclock )2 式１ ( x2− Ux )2＋( y2− Uy )2＋( z2− Uz )2＝（ PSR2 − Bclock )2 式２ ( x3− Ux )2＋( y3− Uy )2＋( z3− Uz )2＝（ PSR3 − Bclock )2 式３ ( x4− Ux )2＋( y4− Uy )2＋( z4− Uz )2＝（ PSR4 − Bclock )2 式４ 但し、Ｂclock ＝時計バイアスである。“時計バイア
ス”は、上述した時計誤差を補償するように計画されて
いる０次の補正係数である。これらの式には４つの未知
数、即ちＵx , Ｕy , Ｕz 及びＢclock が存在すること
に注目されたい。また各衛星が１つの式を発生すること
にも注目されたい。従って４個の衛星及び４つの未知数
から、車両２１０の時計バイアス（Ｂclock）及び位置
（Ｕx , Ｕy , Ｕz ）についてこれらの式を解くことが
できるのである。もし時計バイアス（Ｂclock ）を排除
すれば式内には３つの変数だけが残されることになり、
車両２１０の位置について解くには３個の衛星を必要と
するだけになる。もし受信機装置４００内に高度に精密
な時計（例えば原子時計）が使用されていれば、時計バ
イアスは排除することができる。
【００１７】もし車両の緯度（Ｌ）及び経度（λ）を必
要とするのであれば、これらは以下の式を使用して計算
することができる。 緯度≒ cos-1｛ ( Ux 2 ＋ Uy 2 )/ ( Ux 2 ＋ Uy 2 ＋ Uz 2)｝1/2 式５ 経度＝ tan-1 ( Uy /Ux ) 式６ この緯度方程式が近似緯度を与えていることに注意され
たい。より正確な緯度を決定するためには、複雑な繰り
返しプロセスを使用する必要がある。ＧＰＳ処理装置３１２及びカルマン濾波技術 ユーザの視点からすれば、ＧＰＳ処理装置３１２は自律
車両装置２００の最も重要な部分である。ＧＰＳ処理装
置３１２は各ＧＰＳ衛星からの信号を受信し、処理のた
めに最適衛星を選択し、選択された各衛星の精密な位置
を決定し、各衛星までの擬似距離を決定し、そして最終
的に衛星位置及び擬似距離に基づいて受信機の位置を推
定する責を負う。これら全ては、雑音（大気、前置増幅
器、及び受信機によって生ずる雑音を含む）によって重
度に劣化していることが多い（振幅が大きく減衰され
た）受信データを使用して行わなければならない。ＧＰ
Ｓ処理装置３１２は、ＧＰＳナビゲーション信号から雑
音を排除するためにカルマン濾波技術に大きく頼ってい
る。カルマン濾波はＧＰＳプロセッサ４０８内において
遂行される。
【００１８】カルマンフィルタは、通常はソフトウエア
またはファームウエアによってディジタルコンピュータ
（プロセッサ４０８）上に実現されている再帰的最小自
乗アルゴリズムである。好ましい実施例のカルマンフィ
ルタは、雑音が多い信号の性質が連続的ではなく離散的
であるとしている。データ及び雑音の両者はベクトル形
状にモデル化され、データは再帰的に処理される。カル
マンフィルタは２つの機能を遂行する。第１に、カルマ
ンフィルタは先行データからデータ推定を補外する。第
２に、カルマンフィルタは補外されたデータ推定を現デ
ータに基づいて更新し、高精度化する。例えば、時刻ｔ
1 における車両位置ｐ1 及び速度ｖ1 が既知であるもの
とすれば、フィルタは（補外段階を遂行して）ｐ1 及び
ｖ1 を使用して時刻ｔ2 における車両位置ｐ2 を推定す
る。次いで（更新段階を遂行して）時刻ｔ2 において新
たに取得したデータを使用して位置推定ｐ2 を高精度化
する。補外段階または更新／高精度化段階の何れかを援
助するために供給されるデータは、フィルタを“束縛す
る”と称される。カルマン濾波技術は当分野においては
公知である。カルマン濾波技術の詳細に関しては、アイ
オワ州立大学刊 Brown, R. G. “Kalman Filtering : A
GuidedTour”、及び 1983 年 3月の IEEE Transaction
on Automatic Control, Vol. AC-28, No. 3 に所載の
Kao, Min H.及び Eller, Donald H. の論文“Multiconf
iguration Kalman Filter Design for High-Performanc
e GPS Navigation ”を参照されたい。
【００１９】好都合なことにはカルマンフィルタは線形
フィルタであり、上述した距離方程式を直接解くもので
はないが、距離方程式は最初に線形化されている。即
ち、最後の既知位置からの変化を計算するために、上式
が微分され、各式の導関数が解かれる。例えば、時刻ｔ
i における第１位置推定は、ナビゲーション式を微分し
て時刻ｔi-1 における最終既知車両位置（Ｕx ，Ｕy ，
Ｕz ）からの位置の変化（ΔＵx ，ΔＵy ，ΔＵz ）を
解くことにより、ＧＰＳプロセッサ４１０によって迅速
に計算することができる。これは距離方程式の解を極め
て簡易化する。カルマン濾波技術の代替として、最小自
乗推定または最良適合多項式整合を使用することもでき
る。基地局２２０ ＧＰＳ衛星１０２の星座２０２からのＧＰＳデータは、
基地局２２０も受信する。基地局２２０はホスト処理装
置３２８を具備する。ホスト処理装置３２８は地球の中
心に対する基地局の位置を決定するためのＧＰＳ受信機
（例えば Magnavox モデル MX4818 ）を含んでいる点が
車両２１０のＧＰＳ処理装置３１２に類似している。基
地局は“差動ＧＰＳ方式”を得るために使用される。
【００２０】差動ＧＰＳ方式においては、バイアスを計
算するためにＧＰＳ計算された基地局の位置を、基地局
の既知位置と共に使用する。各擬似距離毎にバイアス、
即ち修正係数を求めることによって、基地局は第１位置
推定内に存在する誤差を定量化し、修正することができ
る。基地局は種々の方法でバイアスを計算することがで
きる。好ましい実施例においては、ＧＰＳ計算された各
衛星からの擬似距離と、衛星と基地局２２０の既知位置
との間の計算された距離（ｄ）とを比較する。この差
が、上述した大気及び他の誤差によってもたらされる
“差動バイアス”である。基地局は位置計算に使用され
る各衛星毎にバイアスを計算する。通信チャネル２２５
を通して車両に通信されるこれらのバイアスは、第１位
置推定の精度を改善するために使用することができる。
位置（ｘ，ｙ，ｚ）にある衛星と、位置（Ｂx ，Ｂy ，
Ｂz ）にある基地局との間の距離（ｄ）は次の標準距離
方程式を使用して計算される。 ( x − Bx )2＋( y − By )2＋( z − Bz )2＝ｄ2 式７ 衛星の位置（ｘ，ｙ，ｚ）は衛星の天体暦データから計
算される。
【００２１】差動ＧＰＳ方式は、車両が基地局２２０に
比較的接近（例えば 40 ｋｍ）して位置しており、基地
局２２０において観測される大気圏誤差が車両２１０に
おいて観測される大気圏誤差とほぼ同一であるものとし
ている。このため、車両は基地局において生成された情
報に基づいて車両の第１位置推定を修正、即ち精度を改
善することができるのである。運動位置確定装置（ＭＰＳ）３１４ 前述したように、ＭＰＳ３１４は車両走行距離計３１６
と、慣性参照ユニット（ＩＲＵ）３１８とを含み、初期
既知位置からの変化に基づいて車両の位置を追跡する。
車両走行距離計３１６は車両２１０が走行した距離のデ
ータを発生する。ＩＲＵ３１８は、位置、速度、横揺れ
（ロール）、縦揺れ（ピッチ）、及び偏揺れ（ヨー）デ
ータを発生するために使用することができる（１または
複数の）レーザジャイロスコープ３２１及び（１または
複数の）加速度計を含む。ＭＰＳ３１４はＩＲＵデータ
及び走行距離計データをＶＰＳ処理装置３２４へ供給す
る。ＭＰＳ内部通信プロセッサ３２６は、ＶＰＳ処理装
置３２４へ供給するＭＰＳデータのフォーマットを制御
する。このデータから、ＶＰＳ処理装置３２４は車両２
１０の第２位置推定を発生する。ＶＰＳ処理装置３２４ 前述したように、ＧＰＳからの第１位置推定（ＦＰＥ）
は車両２１０の位置の独立指示として使用することがで
きる。同様に、ＭＰＳデータから計算された第２位置推
定（ＳＰＥ）も車両２１０の位置の独立指示として使用
することができる。しかしながら、好ましい実施例では
ＶＰＳ処理装置３２４によって第１及び第２位置推定を
組合わせ、より正確な第３位置推定、もしくは最良位置
推定（ＢＰＥ）を発生する。これを達成するために、Ｖ
ＰＳ処理装置３２４は、カルマン濾波技術と、ＧＰＳ処
理装置３１２からのデータ及びＭＰＳ３１４からのデー
タを最適に組合わせるための加重平均とに頼っている。
【００２２】最良位置推定は車両の位置のかなり正確な
推定ではあるが完璧ではない。上述したように、第１位
置推定（車両の位置を決定する際に含まれるキーデータ
である）は、差動方式では補正されない非線形誤差を含
む。これらの非線形誤差の主因は受信機雑音である。
“受信機雑音”は、受信機装置４００、即ちアンテナ４
０２、前置増幅器４０４、及び受信機４０６によってＦ
ＰＥ内に導入される雑音（ひずみ）である。この雑音は
０平均値を有するランダムな電気雑音である。雑音は、
擬似距離計算を劣化させることによってシステムの精度
を低下させる。受信機雑音の殆どはアンテナ４０２から
もたらされる。アンテナ雑音は、反射のような局部効果
を含む。低雑音前置増幅器及び低雑音受信機を使用して
それらの成分からの雑音を低下させることはできるが、
アンテナ雑音を低減させることは困難である。しかしな
がら、本発明はこれらの源の全てからの雑音の効果を実
質的に低下させる。受信機雑音がランダムであり０平均
値を有していることから、発明者らは複数の受信機装置
からのＧＰＳナビゲーション信号を平均することによっ
てその振幅を低下させることができることを発見した。
使用する受信機装置の数が多い程、雑音の低下が大きく
なる。例えば、理論的には無限数の受信機装置を使用す
れば受信機雑音は完全に除去される。本発明の基礎とな
る理論の詳細に関しては 1986 年の MIT Pressの 5-6頁
に所載の Arthur Gelbら(Technical Staff of the Anal
ytic Sciences Corporation, Reading, Massachusetts)
の論文 Applied Optimal Estimation を参照されたい。
【００２３】“平均する”とは、通常の平均をとること
の他に、平均するデータ信号に異なる重みを与えること
ができる“加重平均”をとることも意味する。１台の受
信機からのデータに対して別の受信機からのデータより
も大きい重みをつけることが有利であるような状況例
は、第１の受信機の方が第２の受信機よりも雑音が少な
い（例えば、第１の受信機がより精密な時計を有してい
る）ような場合である。別の例は、１台のアンテナが別
のアンテナよりも干渉（例えば、隠蔽及び反射）を受け
る度合が少ない位置に配置されている場合である。本発
明は、複数の受信機装置４００を含むＧＰＳ処理装置６
００を提供する。これを図６に示す。ＧＰＳ処理装置６
００はＧＰＳ処理装置３１２に代わるものである。ＧＰ
Ｓ処理装置６００は第１の受信機装置４００Ａと、第２
の受信機装置４００Ｂと、信号平均装置６０２と、ＧＰ
Ｓプロセッサ４０８とを含む。各受信機装置４００及び
ＧＰＳプロセッサ４０８はＧＰＳ処理装置３１２と同一
である。信号平均装置６０２は各受信機装置４００から
擬似距離を受信して、各衛星毎の最適擬似距離を計算す
る。複数の衛星からの最適擬似距離及び衛星位置はＧＰ
Ｓプロセッサ４０８へ供給され、車両２１０のＦＰＥが
計算される。信号平均装置６０２はＧＰＳプロセッサ４
０８の一体化部分であって差し支えない。即ち、受信機
装置４００からの擬似距離の最適値を計算する機能は、
ＧＰＳプロセッサ４０８によって遂行させることができ
る。
【００２４】ＧＰＳ処理装置６００の動作を図７に示
す。段階６１０では、星座内の各衛星からのナビゲーシ
ョン信号が第１の受信機装置４００Ａによって受信され
る。段階６１２では、これらのナビゲーション信号を使
用して各衛星毎に擬似距離と衛星位置とが計算される。
段階６１０、６１２が第１の受信機装置４００Ａにおい
て遂行されるのと同時に、同一の段階が第２の受信機装
置４００Ｂにおいても遂行される。即ち、断回６１４で
は、星座内の各衛星からのナビゲーション信号が第２の
受信機装置４００Ｂにおいて受信される。段階６１６で
は、これらのナビゲーション信号を使用して各衛星毎に
擬似距離と衛星位置とが計算される。段階６１８におい
ては、受信機装置４００Ａ、４００Ｂからの対応する擬
似距離を平均することによって各衛星毎の最適擬似距離
が計算される。各衛星毎の位置は段階６２０において計
算される。最後に、段階６２２において、段階６１８、
６２０からの最適擬似距離及び衛星位置を使用して精密
な車両位置が計算される。ＧＰＳ処理装置６００は、簡
易化のために２台の受信機装置４００を有しているよう
に示してある。しかしながら、如何なる数の受信機装置
４００を使用しても差し支えない。上述したように、受
信機装置の数を増す程、雑音の低下が大きくなる。勿
論、雑音を低下させ、より正確なＦＰＥを得たいという
要望と、車両に付加的な受信機装置を設置するための費
用との間で妥協を見出さなければならない。
【００２５】図６に示すような２台の受信機装置におい
ては、同一の単一受信機装置に比して概ね 50 ％の受信
機雑音の低下が予測される（各受信機の雑音振幅がほぼ
等しいものとする）。本発明の別の長所は、時計バイア
ス誤差も低下することである。平均化によって受信機雑
音が低下するのと全く同じように、時計バイアス誤差も
低下する。本発明のＧＰＳ処理装置の代替実施例７００
を図８に示す。この実施例では、複数の（図には簡略化
のために３台を示す）アンテナ４０２を、単一のＧＰＳ
受信機７０２と共に使用している。前置増幅器４０４は
アンテナ４０２が受信したナビゲーション信号を増幅す
る。ＧＰＳ受信機７０２は衛星位置を各衛星毎に、また
擬似距離を各アンテナ毎に計算する。各アンテナからの
擬似距離は、信号平均装置７０４によって平均され、最
適擬似距離が計算される。ＧＰＳ受信機７０２が複数の
アンテナ４０２に関する擬似距離を計算するためには、
ＧＰＳ受信機７０２は、各アンテナ毎に１つのチャネル
を有していなければならず、また極めて高速な処理がで
きなければならない。更に、信号平均装置７０４は、擬
似距離が受信機から出力されるにつれてそれらを連続的
に記憶することができなければならない。最適擬似距離
は、各アンテナからの擬似距離を平均装置７０４が受信
するまでは計算することができないからである。
【００２６】本発明のこの代替実施例は、アンテナ雑音
だけを低下せしめるのに効果的である。前置増幅器４０
４及び受信機７０２からの雑音を低下させるためには、
低雑音成分を使用することができる。本発明は、局部反
射によって生ずる擬似距離の誤差を減少させる効果をも
有している。反射信号は、送信中の衛星と受信機装置と
の間の未知の経路をとるから擬似距離の計算に誤りをも
たらす。しかしながら、もし反射が局部化されていれば
（即ち、全受信機装置に影響を与えなければ）、その効
果はｘ分の１まで低下させることができる（ここにｘは
反射によって影響を受けるアンテナの数を、最適擬似距
離を計算するために平均装置６０２または７０４が使用
するアンテナの合計数で除した値に比例する）。上述し
た何れかの実施例のアンテナ４０２は、１台の車両上に
戦略的に配置することができる。これによって最適車両
位置を計算することができる。例えば、図９に示す車両
８００は、中心８１０を中心として４つの角８０２、８
０４、８０６、及び８０８に戦略的に配置された４台の
アンテナ４０２、または４台の受信機装置４００を有し
ている。これら４台の受信機の最適擬似距離を見出すこ
とによって、車両の中心８１０のＦＰＥを正確に計算す
ることができる。
【００２７】もし複数の受信機からの擬似距離を組合わ
せるために（単純平均ではなく）加重平均を使用するの
であれば、重み付け係数を決定するための種々の方法を
使用することができる。例えば、重み付け係数は受信機
の推定平均雑音の比から計算することができる。別の例
として、重み付け係数は以下のようにして計算すること
ができる。複数の（例えば４台の）受信機が与えられれ
ば、各受信機からの擬似距離の単純平均から平均擬似距
離を計算することができる。次いで、個々の擬似距離を
平均擬似距離と比較し、個々の値が平均に近い程、それ
に割当てる重み付け係数を大きくする。この方法を最適
化するために、アンテナを車両上に戦略的に位置決め
し、全てのアンテナの誤差を同時に最小にする（即ち、
局部雑音源、反射、または隠蔽による雑音の多いアンテ
ナの数を同時に減少させる）べきである。本発明の別の
応用は、車両の正確な方向（ヘッディング）を決定する
ことに関する。車両の方向を決定する公知の方法では、
時刻ｔ1 、及び時刻ｔ2 における受信機の位置を計算し
ていた。これら２つの点が、車両が走行している方向を
表す線を限定する。車両上に取付けられている２台のア
ンテナ４０２または受信機装置４００の位置を計算する
ことによって、車両の方向は単一の時間サンプルを使用
いて決定することができる。この方向決定方法は、受信
機が比較的雑音がない状態であることを想定している。
【００２８】本発明を特にその好ましい実施例に関して
図示し、説明したが、当業者ならば特許請求の範囲に記
載された本発明の思想及び範囲から逸脱することなく形
状及び細部に種々の変更を施し得ることは明白であろ
う。
【図面の簡単な説明】
【図１】地球を巡るそれぞれの軌道内にある NAVSTAR G
PS衛星を示す図である。
【図２】４個のＧＰＳ衛星の星座、擬似衛星、基地局、
及び自律車両を含む自律車両システムの概要図である。
【図３】自律車両の車両位置確定装置における自律車両
装置のブロック線図である。
【図４】ＧＰＳ処理装置のブロック線図である。
【図５】地球の中心、地表付近の車両、及びＧＰＳ衛星
の星座の間の幾何学的関係を示す図である。
【図６】本発明の車両処理装置のブロック線図である。
【図７】本発明の動作を示す流れ図である。
【図８】本発明のＧＰＳ処理装置の代替実施例のブロッ
ク線図である。
【図９】車両上の複数のアンテナの戦略的配置を示す図
である。
【符号の説明】
１０２ 動作衛星 １０４ 軌道 ２００ 自律車両装置 ２０２ ＧＰＳ星座 ２１０ 車両（ビークル） ２１２ 車両のアンテナ ２２０ 基地局 ２２２ 基地局のアンテナ ２２５ 通信チャネル ２３０ 擬似衛星 ３１０ 車両位置確定装置（ＶＰＳ） ３１２ ＧＰＳ処理装置 ３１４ 運動乳確定装置（ＭＰＳ） ３１６ 車両走行距離計 ３１８ 慣性参照ユニット（ＩＲＵ） ３２０ ナビゲーション装置 ３２１ ジャイロスコープ ３２２ 加速度計 ３２４ ＶＰＳ処理装置 ３２６ ＭＰＳ内部通信プロセッサ ３２８ ホスト処理装置 ４００ 受信機装置 ４０２ ＧＰＳアンテナ ４０４ 前置増幅器 ４０６ ＧＰＳ受信機 ４０８ ＧＰＳプロセッサ ６００ ＧＰＳ処理装置 ６０２ 信号平均装置 ７００ ＧＰＳ処理装置 ７０２ ＧＰＳ受信機 ７０４ 信号平均装置 ８００ 車両 ８０２、８０４、８０６、８０８車両の角（アンテナま
たは受信機） ８１０ 車両の中心
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アダム ジェイ グダット アメリカ合衆国 イリノイ州 61526 エ ーデルスタイン アールアール １ ボッ クス 66エイ

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 複数のナビゲーション衛星を有する衛星
    をベースとするナビゲーションシステムからのナビゲー
    ション信号を使用して地表の、またはその付近のビーク
    ルの位置を決定する装置であって、 ビークル上に取付けられ、複数の衛星からナビゲーショ
    ン信号を受信し、ナビゲーション信号から複数の各衛星
    毎に、それぞれが第１の手段と複数の衛星の中の対応す
    る１つの衛星との間の距離を表す第１の擬似距離を計算
    する第１の手段と、 ビークル上に取付けられ、複数の衛星からナビゲーショ
    ン信号を受信し、ナビゲーション信号から複数の各衛星
    毎に、それぞれが第２の手段と複数の衛星の中の対応す
    る１つの衛星との間の距離を表す第２の擬似距離を計算
    する第２の手段と、 上記第１及び第２の手段に結合され、上記第１及び第２
    の擬似距離を受信し、複数の各衛星毎に最適擬似距離を
    計算する第３の手段と、 上記第１の手段に結合され、上記第１の手段が受信した
    ナビゲーション信号から複数の各衛星毎に衛星位置を計
    算する第４の手段と、 上記第３及び第４の手段に結合され、上記衛星位置及び
    上記最適擬似距離からビークルの位置を計算する第５の
    手段とを具備することを特徴とする装置。
  2. 【請求項２】 地球を周回する複数の衛星を含むグロー
    バルポシショニングシステムからのナビゲーション信号
    を使用して地表の、またはその付近のビークルの位置を
    決定する装置であって、 ビークル上に取付けられ、複数の衛星からナビゲーショ
    ン信号を受信する第１の手段と、 ビークル上に取付けられ、複数の衛星からナビゲーショ
    ン信号を受信する第２の手段と、 第１及び第２の手段に電気的に接続され、上記第１及び
    第２の手段が受信したナビゲーション信号と、上記第１
    の手段が受信したナビゲーション信号からの第１の擬似
    距離と、上記第２の手段が受信したナビゲーション信号
    に基づく第２の擬似距離とに基づいて各衛星毎に衛星位
    置を計算する第３の手段と、 上記第３の手段に電気的に接続され、上記第１及び第２
    の擬似距離を受信し、各衛星毎に最適擬似距離を計算す
    る第４の手段と、 上記第４の手段に電気的に接続され、上記衛星位置及び
    上記最適擬似距離からビークルの位置を計算する手段と
    を具備することを特徴とする装置。
  3. 【請求項３】 複数の衛星を有する衛星をベースとする
    ナビゲーションシステムからのナビゲーション信号を使
    用して地表の、またはその付近のビークルの位置を決定
    する方法であって、 （ａ）ビークルに組合わされた複数のアンテナにおいて
    複数の各衛星からナビゲーション信号を受信する段階
    と、 （ｂ）ナビゲーション信号から各衛星までの擬似距離を
    各アンテナ毎に計算する段階と、 （ｃ）上記複数のアンテナからの上記擬似距離を平均す
    ることによって各衛星毎の最適擬似距離を計算する段階
    と、 （ｄ）ナビゲーション信号から複数の各衛星毎の衛星位
    置を計算する段階と、 （ｅ）上記衛星位置及び上記最適擬似距離からビークル
    の位置を計算する段階とを具備することを特徴とする方
    法。
  4. 【請求項４】 計算段階（ｂ）は、それぞれが上記複数
    のアンテナの中の対応する１つのアンテナに接続されて
    いる複数の受信機を使用して遂行される請求項３に記載
    の方法。
  5. 【請求項５】 計算段階（ｂ）は、上記複数の各アンテ
    ナに接続されている単一の受信機を使用して遂行される
    請求項３に記載の方法。
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