JPH06213993A - 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の位置を決定する方法及び装置 - Google Patents

衛星をベースとするナビゲーションシステムを使用してビークルの位置を決定する方法及び装置

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JPH06213993A JP5300736A JP30073693A JPH06213993A JP H06213993 A JPH06213993 A JP H06213993A JP 5300736 A JP5300736 A JP 5300736A JP 30073693 A JP30073693 A JP 30073693A JP H06213993 A JPH06213993 A JP H06213993A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明の目的は、地球を周回する複数の衛星
を含む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球の中心に対するビ
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】 一実施例では、複数のアンテナがビークル上
に取付けられている。アンテナ間の距離は精密に知られ
ている。この距離はビークル位置推定の解を束縛し、位
置推定の精度を改善するために使用される。別の実施例
では、複数の受信機装置が複数のアンテナの代わりに使
用される。更に別の実施例では、位置が既知である複数
の基地局を使用してビークル位置推定の解を束縛する。

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、本発明は衛星をベースとするナビ
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。
【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 を使用するビークル位置確定
／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
を使用する従来の差動システム、及びシングルエンデッ
ド、またはオープンエンデッド（即ち、非差動）ＧＰＳ
システムでは実現不可能であった。本発明はこの限界を
打破し、位置確定がより高精度な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( NAVSTAR GPS ) からのビーク
ル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、複数のアンテナがビークル上に取付け
られている。アンテナ間の距離は精密に知られている。
各アンテナはＧＰＳ衛星からナビゲーション信号を受信
する。これらのナビゲーション信号に基づいて受信機
は、各アンテナまでの擬似距離と、各衛星の位置とを計
算する。擬似距離及び衛星位置はビークルの位置推定を
計算するために使用される。アンテナ間の距離は、位置
推定の解を束縛して精度を改善するために使用される。
別の実施例では、ビークルに取付けられている複数の受
信機装置が衛星ナビゲーション信号を受信する。各受信
機システムは、各衛星毎の擬似距離及び衛星位置を計算
する。次いで擬似距離、衛星位置、及び受信機装置間距
離を使用してビークルの位置推定を計算する。ビークル
の位置推定を計算する本発明の方法は、（１）ビークル
に結合された第１のアンテナ（または受信機装置）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、（２）第１のアンテナから距離δだけ離間してビ
ークルに結合された第２のアンテナ（または受信機装
置）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、（３）各アンテナ毎に、ナビゲーション
信号を使用して各衛星毎の衛星位置及び対応する擬似距
離を計算する段階と、（４）衛星位置と、擬似距離と、
第１及び第２のアンテナ（または受信機装置）間距離δ
とから、地球の中心に対するビークルの位置を計算する
段階とを含む。位置計算のために使用される２台のアン
テナ／受信機からのデータを時間同期させる必要がない
ことに注目すべきである。即ち、一方のアンテナ／受信
機からのデータは他方のアンテナ／受信機からのデータ
より古くても差し支えないのである。
【０００９】本発明の別の実施例においては、位置が既
知である複数の基地局を使用し、ＧＰＳナビゲーション
信号及び基地局とビークルとの間で三角測量技術を使用
し、ビークルの位置を精密に決定する。例えば、本発明
のこの実施例を実現する一方法は、（１）ビークルに結
合された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、（２）ビークルにおいて受
信された上記ナビゲーション信号からビークルの推定位
置を計算する段階と、（３）既知の位置を有する基地局
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、（４）この基地局において受信されたナビゲ
ーション信号を使用して各衛星毎に衛星位置及び擬似距
離を計算する段階と、（５）衛星位置及び擬似距離を基
地局からビークルへ送信する（代替として、天体暦デー
タをビークルへ送信し、衛星位置はビークルにおいて計
算することができる）段階と、（６）ビークルにおいて
衛星位置及び擬似距離を受信する段階と、（７）ビーク
ルの推定位置と、基地局から受信した衛星位置及び擬似
距離とを使用して基地局とビークルとの間の推定距離を
計算する段階と、（８）第２の基地局について段階
（３）−（７）を繰り返し、第２の基地局とビークルの
間の第２の推定距離を求める段階と、（９）第３の基地
局について段階（３）−（７）を繰り返し、上記第３の
基地局とビークルの間の第３の推定距離を求める段階
と、（１０）第１の距離と第１の基地局の既知位置、第
２の距離と第２の基地局の既知位置、及び第３の距離と
第３の基地局の既知位置を使用し、三角測量技術によっ
てビークルの精密な位置推定を計算する段階を含む。
【００１０】本発明は、より精密なビークル位置推定を
発生する。
【００１１】
【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を使用してビークルの位置を決定す
る方法及び装置を提供する。好ましい実施例では、NAVS
TAR GPS 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に示すようなビークル（自律車両
装置で示されており、以下の説明では車両と称する）２
００の環境内で使用されるものとする。代表的なＧＰＳ
星座２０２は、ＧＰＳデータを送信中の４個のＧＰＳ衛
星１０２（ａ）−１０２（ｄ）を含む。車両（例えば自
律採鉱用トラック）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。
【００１２】“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。
【００１３】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２１
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。
【００１４】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
（後述）、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。
【００１５】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。
【００１６】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。
【００１７】 ( 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。
【００１８】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。
【００１９】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、もし時
刻ｔ1 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
助するためにカルマンフィルタ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. “Ka
lman 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“Multiconfiguration Kalman Filter Design
for High-Performance GPS Navigation ”を参照され
たい。
【００２０】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。
【００２１】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。
【００２２】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。
【００２３】最良位置推定（ＢＰＥ）は車両位置のかな
り正確な推定ではあるが、完璧なものではない。第１位
置推定（ＦＰＥ）（これは車両の位置を決定する際に包
含されるキーデータである）は、差動方式によって完全
に補償／補正されない誤差、及び他の局部（車両におけ
る局部）誤差を含む。例えば、大気圏誤差は非線形であ
る（これらは基地局２２０からの線形バイアスを使用し
て補正される）。同様に、時計バイアスは非線形誤差に
対する線形近似である。精度を改善するためには、位置
推定をこれらの非線形誤差に対して適切に補償すること
が重要である。必要なものは、車両において局部的に使
用可能で、非線形誤差を適切に補償できるように車両位
置推定計算をさらに束縛する付加的な情報である。本発
明が提唱する付加的なデータ片は、車両２１０上に取付
けられている２台の受信機装置間の距離δである。図６
のＧＰＳ処理装置６００内にこれを示す。ＧＰＳ処理装
置６００はＧＰＳ処理装置３１２に代わるものである。
ＧＰＳ処理装置６００は、第１受信機装置４００Ａ、第
２受信機装置４００Ｂ、及びＧＰＳプロセッサ４０８を
含む。ＧＰＳプロセッサ４０８及び各受信機装置４００
はＧＰＳ処理装置３１２におけるものと同一である。受
信機装置４００Ａは車両上の第１の位置（Ｕx ，Ｕy ，
Ｕz ）に取付けられている。受信機装置４００Ｂは車両
上の第２の位置（Ｕx ＋α，Ｕy ＋β，Ｕz＋γ）に取
付けられている。受信機装置４００Ａ、４００Ｂは固定
された、既知の距離δだけ離間している。ここに、 δ＝（α2 ＋β2 ＋γ2 ）1/2 式８ である。従って、αは受信機装置４００Ａ、４００Ｂ間
のΔｘを表し、βは受信機装置４００Ａ、４００Ｂ間の
Δｙを表し、そしてγは受信機装置４００Ａ、４００Ｂ
間のΔｚを表す。
【００２４】式８によって表されているこのデータを、
式１−４と共に使用すれば、車両位置を解くための新し
い組の方程式を得ることができる。しかしながら、２つ
の受信機が使用されているから、各衛星は、１つの方程
式ではなく２つの方程式を発生することになる。例え
ば、衛星ＳＶi が与えられれば、次の２つの距離方程式
が得られる。 （受信機装置４００Ａに関して）； (xi − Ux )2 ＋(yi − Uy )2 ＋(zi − Uz )2 ＝( PSR iA− B clock A )2 式９ （受信機装置４００Ｂに関して）； (xi − Ux −α)2 ＋(yi − Uy −β)2 ＋(zi − Uz −γ)2 ＝( PSR iB− Bclock B )2 式１０ Ｂclock A は受信機装置４００Ａの時計バイアスであ
り、Ｂclock B は受信機装置４００Ｂの時計バイアスで
あることに注意されたい。これら２つの距離方程式は８
つの未知数、即ち受信機装置４００Ａの位置座標
（Ｕx ，Ｕy ，Ｕz ）、受信機装置４００Ｂの位置座標
（Ｕx ＋α，Ｕy ＋β，Ｕz ＋γ）、及び２つの時計バ
イアス（Ｂclock A 及びＢclock B ）を含んでいる。衛
星の位置 (ｘi ，ｙi ，ｚi ) 、衛星までの擬似距離
（ＰＳＲi ）、及び受信機装置４００Ａ、４００Ｂ間の
距離（δ）は既知である。
【００２５】各衛星から２つの距離方程式が得られるか
ら、合計４個の衛星（ＳＶ1 、ＳＶ 2 、ＳＶ3 、及びＳ
Ｖ4 ）から次の８つの方程式が得られることになる。 (x1 − Ux )2 ＋(y1 − Uy )2 ＋(z1 − Uz )2 ＝( PSR1A − Bclock A )2 式１１ (x1 − Ux −α)2 ＋(y1 − Uy −β)2 ＋(z1 − Uz −γ)2 ＝( PSR1B − Bclock B )2 式１２ (x2 − Ux )2 ＋(y2 − Uy )2 ＋(z2 − Uz )2 ＝( PSR2A − Bclock A )2 式１３ (x2 − Ux −α)2 ＋(y2 − Uy −β)2 ＋(z2 − Uz −γ)2 ＝( PSR2B − Bclock B )2 式１４ (x3 − Ux )2 ＋(y3 − Uy )2 ＋(z3 − Uz )2 ＝( PSR3A − Bclock A )2 式１５ (x3 − Ux −α)2 ＋(y3 − Uy −β)2 ＋(z3 − Uz −γ)2 ＝( PSR3B − Bclock B )2 式１６ (x4 − Ux )2 ＋(y4 − Uy )2 ＋(z4 − Uz )2 ＝( PSR4A − Bclock A )2 式１７ (x4 − Ux −α)2 ＋(y4 − Uy −β)2 ＋(z4 − Uz −γ)2 ＝( PSR4B − Bclock B )2 式１８ これら８つの方程式を式８と共に解けば、より精密な車
両位置推定に到達することができる。付加的な束縛、即
ちδは、位置計算がより精密な解に収斂するのを援助す
る。
【００２６】代替実施例では、受信機装置４００Ａ、４
００Ｂ間の配向（α、β、γ）を正確に知ることができ
る。例えば、距離δの成分（α、β、γ）はＩＲＵ３１
８を使用して決定することができる。もしそうであれ
ば、式９及び１０内の未知数は５つに減少する。２個の
衛星を２台の受信機及び式８と共に使用すれば、正確な
車両位置を計算するために必要な５つの方程式を得るこ
とができる。もし２個より多い衛星を使用すれば、時計
バイアスをより正確に考慮に入れた付加的な方程式を使
用することが可能になる。本発明の別の実施例を図７に
示す。この実施例では、ＧＰＳ処理装置７００は２台の
アンテナ４０２、前置増幅器４０４、及び単一の受信機
７０２を含む。ＧＰＳ受信機７０２は、各衛星毎に衛星
位置と、各アンテナ毎に擬似距離とを計算する。もしデ
ータを集め、複数のアンテナ４０２のための擬似距離を
同時に計算することを望むのであれば、ＧＰＳ受信機７
０２は極めて高速に処理することができなければなら
ず、また複数のアンテナ４０２からの信号を時分割しな
ければならない。しかしながら、複数のアンテナ４０２
からのデータを同時に集める必要はない。実際に、衛星
からのデータは各アンテナにおいて異なる時刻に集める
ことができる。
【００２７】ＧＰＳ処理装置７００は１台のＧＰＳ受信
機しか有していないから、１つの時計バイアスだけが存
在している。即ちＢclock B は排除されている。従っ
て、衛星ＳＶi が与えられれば、以下の２つの距離方程
式が得られる。 （アンテナ４０２Ａに関して）； (xi − Ux )2 ＋(yi − Uy )2 ＋(zi − Uz )2 ＝( PSR iA− B clock A )2 式１９ （アンテナ４０２Ｂに関して）； (xi − Ux −α)2 ＋(yi − Uy −β)2 ＋(zi − Uz −γ)2 ＝( PSR iB− Bclock B )2 式２０ これら２つの距離方程式は７つの未知数を含んでいる。
即ち、受信機装置４００Ａの位置座標（Ｕx ，Ｕy 、Ｕ
z ）、受信機装置４００Ｂの位置座標（Ｕx ＋α、Ｕy
＋β、Ｕz ＋γ）、及び時計バイアス（Ｂclock ）であ
る。衛星の位置（ｘi ，ｙi ，ｚi ）、衛星までの擬似
距離（ＰＳＲi ）、及びアンテナ４０２Ａ、４０２Ｂ間
の距離（δ）は既知である。各衛星が２つの距離方程式
を発生するから、合計３個の衛星（ＳＶ1 、ＳＶ2、及
びＳＶ3 ）を使用すると次の６つの方程式を得ることが
できる。
【００２８】 (x1 − Ux )2 ＋(y1 − Uy )2 ＋(z1 − Uz )2 ＝( PSR 1A− B clock A )2 式２１ (x1 − Ux −α)2 ＋(y1 − Uy −β)2 ＋(z1 − Uz −γ)2 ＝( PSR 1B− Bclock B )2 式２２ (x2 − Ux )2 ＋(y2 − Uy )2 ＋(z2 − Uz )2 ＝( PSR 2A− B clock A )2 式２３ (x2 − Ux −α)2 ＋(y2 − Uy −β)2 ＋(z2 − Uz −γ)2 ＝( PSR 2B− Bclock B )2 式２４ (x3 − Ux )2 ＋(y3 − Uy )2 ＋(z3 − Uz )2 ＝( PSR 3A− B clock A )2 式２５ (x3 − Ux −α)2 ＋(y3 − Uy −β)2 ＋(z3 − Uz −γ)2 ＝( PSR 3B− Bclock B )2 式２６ これら６つの方程式を式８と共に解くと、精密な車両位
置推定が求まる。代替として、もし距離δの成分（α、
β、γ）を上述のようにＩＲＵ３１８を使用して決定す
れば、正確な車両位置解を得るためには２個の衛星を必
要とするだけである。
【００２９】上述した何れの実施例においても、高精度
の時計（例えば原子時計）を（１または複数の）受信機
内に使用することができる。このようにすると、（１ま
たは複数の）時計バイアスを上式から排除しても位置推
定の精度を改善することができる。位置推定のための方
程式を解くのに不可欠ではない如何なる衛星も、冗長で
ある。冗長衛星は、精度が改善されるように車両位置計
算を更に束縛することができるデータを供給する。冗長
衛星を使用して精度を改善できる１つの方法は、位置計
算に使用される衛星の組合わせを交換し、各交換の結果
を平均することである。これにより位置計算に付加的な
精度が付加される。本発明は、複数のアンテナまたは複
数の受信機装置の何れかを使用するが、以下の説明は、
便宜上複数の受信機の使用に限定することとする。本発
明は“逆”三角測量技術を使用する。即ち、伝統的には
既知のジオメトリを有する衛星を使用し、三角測量のジ
オメトリック原理を使用して遠隔車両の位置を計算して
いるが、本発明は既知のジオメトリを有する複数の受信
機を使用して１またはそれ以上の衛星を三角測量するの
である。各受信機の絶対位置は知られていない。しかし
ながら、衛星の位置及び受信機のジオメトリは知られて
いるのである。
【００３０】理論的には、本発明を使用し、単一のＧＰ
Ｓ衛星を使用すれば車両の位置を決定することができ
る。これは３台の受信機（時計バイアスを計算から排除
できるような精密な時計を有する）を使用して行われ
る。しかし実際には、上述の擬似距離計算技術を使用し
たのでは好結果は得られない。受信機間の距離は（１ま
たは複数の）衛星までの距離に比して遥かに小さい（
1,000乃至 10,000 分の１程度）から、極めて精密な計
算が要求される。しかしながら、擬似距離計算の精度を
制限する多くの雑音源のために、この精密さを達成する
のは困難である。その結果、雑音が位置推定計算を完全
に劣化させるようになる。累積デルタ距離（ＡＤＲ）ま
たは搬送波位相技術（ＧＰＳ干渉法としても知られてい
る）は、単一の衛星を使用して車両位置推定を計算でき
るように精密さの問題を軽減することができる。これら
の技術は、搬送波波長の位相を測定して精密な衛星距離
測定を決定するために使用される。ＡＤＲ計算技術は、
当分野においては公知である。ＡＤＲは擬似距離よりは
遥かに精密であるが、ＡＤＲは送信された信号の追尾を
失うことなく連続サイクルカウントを維持することが困
難であるために、一般に使用されないことに注目された
い。
【００３１】以上説明したように、本発明は車両位置推
定を計算するのに必要とされる衛星の数を減少させるこ
とが可能でありながら、３個またはそれ以上の衛星を使
用して計算される車両位置推定の収斂と精密さとを改善
することをも企図している。衛星の数を増加させれば位
置推定の精密さが維持される。同様に、本発明に従って
使用される受信機の数を増加させる程、車両位置推定の
精度が向上する。推察できるように、衛星及び受信機
（またはアンテナ）の種々の組合わせを使用することが
できる。即ち、以下の説明ではＧＰＳ処理装置６００及
び７００がそれぞれ２台の受信機装置４００と２台のア
ンテナ４０２を有しているものとしているが、如何なる
受信機装置４００及びアンテナ４０２の数を使用しても
差し支えない。選択される数は特定のナビゲーションシ
ステムの要求に依存しよう。本発明の代替実施例では、
単一の受信機を複数の基地局と共に使用する。これを図
８に例示する。この例においては、３基の基地局（基地
局＃１、基地局＃２、基地局＃３）が露天掘鉱山のよう
な自律車両作業現場８００の周囲に配置されている。車
両２１０は作業現場８００内で動作するように示されて
いる。車両２１０は１台の受信機を有する車両位置確定
装置３１０を含む。
【００３２】単一の基地局、例えば基地局＃１を車両２
１０と共に使用し、“二重求差”として知られる技術を
使用すると、車両位置推定の精度を改善することができ
る。種々の二重求差技術が知られている。二重求差は本
質的に、精密さを改善するために基地局の既知の位置を
使用して車両位置推定を束縛する方法である。図９に、
二重求差法９００の例を示す。段階９０２では、時刻ｔ
1 に位置Ｐ1にある車両２１０がナビゲーション信号を
受信する。段階９０４では、時刻ｔ0における先行位置
Ｐ0 （Ｕx ，Ｕy ，Ｕz ）0 から時刻ｔ1 における位置
Ｐ1 （Ｕx ，Ｕy ，Ｕz ）1 までの車両位置の変化（Δ
ｘ、Δｙ、Δｚ）P0->P1が計算される。前述したよう
に、通常の距離方程式よりも微分距離方程式の方が解く
のに遥かに容易であるので、絶対位置ではなく車両位置
変化を計算するのである。段階９０６では、車両位置の
変化（Δｘ、Δｙ、Δｚ）P0->P1が時刻ｔ0 における位
置Ｐ0 に加算され、位置Ｐ1 の車両位置推定が求められ
る。時刻ｔ1 における車両の車両位置の変化の計算と同
時に、段階９０８において基地局＃１がＧＰＳ衛星から
ナビゲーション信号を受信し、それ自体の擬似距離及び
衛星位置を計算する。段階９１０では、基地局＃１は通
信チャネル２２５を介して位置データ（擬似距離及び天
体暦データ）を車両２１０へ送信する。
【００３３】段階９１２では、車両２１０は基地局＃１
からの擬似距離及び天体暦データを使用し、基地局＃１
から車両２１０へ送信された擬似距離及び天体暦データ
によって表された時刻ｔ1 における位置Ｐ1 から基地局
＃１までの車両位置の変化（Δｘ、Δｙ、Δｚ）
P0->BASEを計算する。次いで、段階９１４において位置
変化（Δｘ、Δｙ、Δｚ）P0->BASEが車両の計算された
位置推定Ｐ1 に加えられ、基地局＃１の計算された位置
推定ＰBASEが求められる。段階９１６では、ＰBASEが基
地局＃１の既知位置と比較され、位置誤差（δｘ、δ
ｙ、δｚ）が求められる。段階９１８はこの位置誤差
（δｘ、δｙ、δｚ）を使用して車両２１０の計算され
た位置推定Ｐ1 を高精度化する。最終的に得られるの
は、高精度化された車両位置推定Ｐ1 ’（Ｕx ＋δｘ，
Ｕy ＋δｙ，Ｕz＋δｚ）である。本発明は、より精密
な車両位置推定を達成するように、二重求差法の概念を
拡張するためにも使用できる。これは、車両２１０の位
置を三角測量するために複数の基地局を使用することに
よって実現される。これに関して図８の３基地局を例と
し、図１０に基づいて説明する。
【００３４】段階１００２において、基地局＃１を使用
し、車両２１０の高精度化された車両位置推定Ｐ1 ’
BASE#1を方法９００に従って計算する。段階１００４で
は、基地局＃１の既知位置（ｘBASE#1、ｙBASE#1、ｚ
BASE#1）及び車両２１０の高精度化車両位置推定Ｐ1 ’
BASE#1（Ｕx1’、Ｕy1’、Ｕz1’）を使用し、次式に従
って基地局から車両迄の距離（距離1 ）（擬似距離に類
似）を決定する。 （ｘBASE#1−Ｕx1’）2 ＋（ｙBASE#1−Ｕy1’）2 ＋（ｚBASE#1−Ｕz1’）2 ＝（距離1 ）2 式２７ 段階１００６及び１００８はそれぞれ、段階１００２及
び１００４と実質的に同一であるが、基地局＃２の既知
位置（ｘBASE#2、ｙBASE#2、ｚBASE#2）と高精度化車両
位置推定Ｐ1 ’BASE#2（Ｕx2’、Ｕy2’、Ｕz2’）との
間の距離（距離2）を決定する。同様に、段階１０１０
及び１０１２は基地局＃３の既知位置（ｘ BASE#3、ｙ
BASE#3、ｚBASE#3）と高精度化車両位置推定Ｐ1 ’
BASE#3（Ｕx3’、Ｕy3’、Ｕz3’）との間の距離（距離
3 ）を決定する。段階１０１４においては、距離1 、距
離2 、及び距離3 、及び３基地局の既知位置を使用し、
次の３方程式に従って三角測量法によって、より精密な
車両位置推定Ｐ1 ”（Ｕx ”、Ｕy ”、Ｕz ”）を決定
する。
【００３５】 （ｘBASE#1−Ｕx ”）2 ＋（ｙBASE#1−Ｕy ”）2 ＋（ｚBASE#1−Ｕz ”）2 ＝（距離1 ）2 式２８ （ｘBASE#2−Ｕx ”）2 ＋（ｙBASE#2−Ｕy ”）2 ＋（ｚBASE#2−Ｕz ”）2 ＝（距離2 ）2 式２９ （ｘBASE#3−Ｕx ”）2 ＋（ｙBASE#3−Ｕy ”）2 ＋（ｚBASE#3−Ｕz ”）2 ＝（距離3 ）2 式３０ 複数の基地局を使用して車両位置を決定するこの方法
は、オープンエンデッド方式に比してかなりな量の付加
計算を必要としよう。（オープンエンデッド方式は非微
分方式、即ちＧＰＳ生成位置推定の精度を改善するため
に基地局を使用しない方式である。）しかしながら、精
密さが要求されるような応用においては、この時間の増
加を十分に使い果たして計算することができよう。本発
明のこの実施例によって、実質的に１メートルまたはそ
れ以下の誤差の車両位置推定が得られることは明白であ
る。現在、多重基地局環境は多くの応用にとって経済的
に実現されていない。しかし発明者らは、３またはそれ
以上の基地局へのアクセスを提供する動作環境が近い将
来容易に利用可能になるであろうと確信する。
【００３６】複数の基地局を使用して車両位置を三角測
量する上記図９及び１０の方法は、簡易化できることに
注目されたい。基地局の既知位置（ｘBASE，ｙBASE，ｚ
BASE）と、高精度化された車両位置推定Ｐ’（Ｕx ’、
Ｕy ’、Ｕz ’）との間の距離は、車両位置推定Ｐと推
定された基地位置ＰBASEとの間の距離と同一である。こ
の事実を使用して、逆三角測量を簡易化することができ
る。この方法を図１１に示す。段階１１０２において、
車両２１０の車両位置推定が前記段階１００２−１００
６のようにして計算される。この車両位置推定の計算
（段階１１０２）と同時に、段階１１０４において基地
局＃１はＧＰＳ衛星からナビゲーション信号を受信し、
それ自体の擬似距離と衛星の位置とを計算し、そして通
信チャネル２２５を介して擬似距離及び衛星位置データ
を車両２１０へ送信する。段階１１０６では、車両２１
０は基地局＃１からのこれらの擬似距離及び天体暦デー
タを使用し、車両が基地局の位置まで移動するのに必要
な（基地局＃１から車両２１０へ送信された擬似距離デ
ータ及び天体暦データによって指示された）車両位置の
変化（Δｘ、Δｙ、Δｚ）を計算する。段階１１０８で
は、推定車両位置と推定基地局位置との間の距離（ビー
クル−＞基地局距離）を次式に従って計算する。
【００３７】 （ビークル−＞基地局距離）＝｛( Δx)2 ＋( Δy)2 ＋( Δz)2 ｝1/2 式３１ 段階１１１０では第２の基地局について段階１１０４−
１１０８を繰り返す。段階１１１２では第３の基地局に
ついて段階１１０４−１１０８を繰り返す。段階１１０
２−１１１２の結果、第１基地局の推定位置から車両２
１０の推定位置までの第１距離（距離1 ）と、第２基地
局の推定位置から車両２１０の推定位置までの第２距離
（距離2 ）と、第３基地局の推定位置から車両２１０の
推定位置までの第３距離（距離3 ）とが求まる。最後
に、段階１１１４において、距離1 、距離2 、及び距離
3 を３基地局の既知位置とを使用し、上記岸２８−３０
を使用する三角測量によって、より精密な車両位置推定
（Ｕx ” ，Ｕy ”，Ｕz ”）が決定される。本発明の
別の実施例では、車両位置推定を高精度化するために２
基地局だけを使用する。この方法は実質的に上述したよ
うに進行する。しかしながら、２基地局実施例は車両位
置推定の分解能を二次元においてのみ改善できる。例え
ば、もし車両位置の高度が知られていれば、２基地局は
車両位置推定の緯度及び経度を高精度化するために使用
することができる。
【００３８】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ＧＰＳ処理装置のブロック線図であ
る。
【図７】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８】複数の基地局を含む作業現場で動作する自律車
両を示す図である。
【図９】車両位置推定の精度を改善するための本発明の
方法を示す流れ図である。
【図１０】複数の基地局を使用する逆三角測量法によっ
て車両位置推定の精度を改善する本発明の代替方法を示
す流れ図である。
【図１１】複数の基地局を使用する逆三角測量法によっ
て車両位置推定の精度を改善する本発明の代替方法を示
す流れ図である。
【符号の説明】
１０２ 動作衛星 １０４ 軌道 ２００ 自律車両装置 ２１０ 車両（ビークル） ２１２ 車両アンテナ ２２０ 基地局 ２２２ 基地局アンテナ ２２５ 通信チャネル ２３０ 擬似衛星 ３１０ 量位置確定装置（ＶＰＳ） ３１２ ＧＰＳ処理装置 ３１４ 運動位置確定装置（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 ７００ ＧＰＳ処理装置 ７０２ ＧＰＳ受信機 ８００ 作業現場 ９００ 二重求差方法
───────────────────────────────────────────────────── 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 (72)発明者 ダグラス ダブリュー フリードリック アメリカ合衆国 イリノイ州 61554 ペ キンエディソン コート 1007

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 地球を周回する複数の衛星を含む衛星を
    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、 ビークル上の第１の位置に取付けられ、複数の衛星から
    ナビゲーション信号を受信し、それぞれのナビゲーショ
    ン信号から各衛星の位置を決定し、上記それぞれのナビ
    ゲーション信号から各衛星毎に第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、 上記第１の位置から固定距離δ変位したビークル上の第
    ２の位置に取付けられ、複数の衛星からナビゲーション
    信号を受信し、それぞれのナビゲーション信号から各衛
    星の位置を決定し、上記それぞれのナビゲーション信号
    から各衛星毎に第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、 上記衛星の位置、上記第１及び第２の擬似距離、及び上
    記固定距離δに基づいてビークルの位置を計算する第３
    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、 ビークル上の第１の位置に取付けられ、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、 上記第１の位置から固定距離δ変位したビークル上の第
    ２の位置に取付けられ、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、 上記第１及び第２の手段に電気的に接続され、上記第１
    の手段が受信したナビゲーション信号に基づいて各衛星
    毎の第１の擬似距離及び第１の衛星位置を計算し、上記
    第２の手段が受信したナビゲーション信号に基づいて各
    衛星毎の第２の擬似距離及び第２の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
    の衛星位置と、上記第１及び第２の擬似距離と、上記距
    離δとに基づいてビークルの位置を計算する第４の手段
    とを具備することを特徴とする装置。
  3. 【請求項３】 複数の地球周回衛星を含む衛星をベース
    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）ビークルに結合された第１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）上記ビークルに結合され上記第１のアンテナから
    距離δだけ離間した第２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、 （ｃ）各アンテナ毎に、ナビゲーション信号を使用して
    各衛星毎の衛星位置及び対応する擬似距離を計算する段
    階と、 （ｄ）上記衛星位置と、上記擬似距離と、上記第１のア
    ンテナと第２のアンテナとの間の上記距離δとから、地
    球の中心に対する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（ｃ）は、上記第１のアンテナ
    に接続されている第１の受信機と、上記第２のアンテナ
    に接続されている第２の受信機とを使用して遂行される
    請求項４に記載の方法。
  5. 【請求項５】 計算段階（ｃ）は、上記第１及び第２の
    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４に記載の方法。
  6. 【請求項６】 複数の地球周回衛星を含む衛星をベース
    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）ビークルに結合された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）ビークルにおいて受信された上記ナビゲーション
    信号からビークルの推定位置を計算する段階と、 （ｃ）既知の位置を有する第１の基地局において複数の
    各衛星からナビゲーション信号を受信する段階と、 （ｄ）第１の基地局において受信された上記ナビゲーシ
    ョン信号を使用して各衛星毎の衛星位置及び擬似距離を
    計算する段階と、 （ｅ）上記衛星位置及び擬似距離を第１の基地局からビ
    ークルへ送信する段階と、 （ｆ）ビークルの上記推定位置と、上記第１の基地局か
    ら受信した上記衛星位置及び擬似距離とを使用して上記
    第１の基地局とビークルの間の推定距離を計算する段階
    と、 （ｇ）第２の基地局について上記段階（ｃ）−（ｆ）を
    繰り返し、上記第２の基地局とビークルの間の第２の推
    定距離を求める段階と、 （ｈ）第３の基地局について上記段階（ｃ）−（ｆ）を
    繰り返し、上記第３の基地局とビークルの間の第３の推
    定距離を求める段階と、 （ｉ）上記第１の距離と第１の基地局の既知位置、上記
    第２の距離と第２の基地局の既知位置、及び上記第３の
    距離と第３の基地局の既知位置を使用し、三角測量技術
    によってビークルの精密な位置推定を計算する段階とを
    具備することを特徴とする方法。
  7. 【請求項７】 複数の地球周回衛星を含む衛星をベース
    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）ビークルに結合された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）ビークルが受信した上記ナビゲーション信号を使
    用してビークルの位置推定を計算する段階と、 （ｃ）第１の基地局及び二重求差技術を使用してビーク
    ル位置を高精度化し、第１の高精度化位置推定を求める
    段階と、 （ｄ）上記第１の基地局の既知位置と上記第１の高精度
    化位置推定との間の第１の距離を計算する段階と、 （ｅ）第２の基地局について上記段階（ｃ）及び（ｄ）
    を繰り返し、第２の高精度化位置推定及び第２の距離を
    求める段階と、 （ｆ）第３の基地局について上記段階（ｃ）及び（ｄ）
    を繰り返し、第３の高精度化位置推定及び第３の距離を
    求める段階と、 （ｇ）上記第１、第２、及び第３の基地局の上記既知位
    置と、上記第１、第２、及び第３の距離とから精密なビ
    ークル位置推定を計算する段階とを具備することを特徴
    とする方法。
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