JPH075240A - Gps位置推定の精度を改善する方法及び装置 - Google Patents
Gps位置推定の精度を改善する方法及び装置Info
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- JPH075240A JPH075240A JP6062858A JP6285894A JPH075240A JP H075240 A JPH075240 A JP H075240A JP 6062858 A JP6062858 A JP 6062858A JP 6285894 A JP6285894 A JP 6285894A JP H075240 A JPH075240 A JP H075240A
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- gps
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C21/00—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00
- G01C21/10—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration
- G01C21/12—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning
- G01C21/16—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning by integrating acceleration or speed, i.e. inertial navigation
- G01C21/165—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning by integrating acceleration or speed, i.e. inertial navigation combined with non-inertial navigation instruments
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- 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
- G01S19/42—Determining position
- G01S19/45—Determining position by combining measurements of signals from the satellite radio beacon positioning system with a supplementary measurement
- G01S19/47—Determining position by combining measurements of signals from the satellite radio beacon positioning system with a supplementary measurement the supplementary measurement being an inertial measurement, e.g. tightly coupled inertial
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- Position Fixing By Use Of Radio Waves (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 慣性参照ユニットからの速度データを使用し
て衛星をベースとするナビゲーションシステムの位置推
定の精度を改善する方法及び装置を提供する。 【構成】 (a)車両に結合され、ナビゲーション衛星
の星座からナビゲーション信号を受信し、第1の時刻に
おける第1の車両位置の第1の位置推定と、第2の時刻
における第2の車両位置の第2の位置推定と、第3の時
刻における第3の車両位置の第3の位置推定とを計算す
る受信機手段と、(b)車両に結合され、第1の時刻か
ら第2の時刻までの時間中の車両の第1の速度ベクトル
を計算し、第2の時刻から第2の時刻までの時間中の車
両の第2の速度ベクトルを計算する慣性手段と、(c)
第1、第2及び第3の位置推定と、第1及び第2の速度
ベクトルと、第1、第2及び第3の時刻とに基づいて第
3の位置推定を高精度化する処理手段とを具備する。
て衛星をベースとするナビゲーションシステムの位置推
定の精度を改善する方法及び装置を提供する。 【構成】 (a)車両に結合され、ナビゲーション衛星
の星座からナビゲーション信号を受信し、第1の時刻に
おける第1の車両位置の第1の位置推定と、第2の時刻
における第2の車両位置の第2の位置推定と、第3の時
刻における第3の車両位置の第3の位置推定とを計算す
る受信機手段と、(b)車両に結合され、第1の時刻か
ら第2の時刻までの時間中の車両の第1の速度ベクトル
を計算し、第2の時刻から第2の時刻までの時間中の車
両の第2の速度ベクトルを計算する慣性手段と、(c)
第1、第2及び第3の位置推定と、第1及び第2の速度
ベクトルと、第1、第2及び第3の時刻とに基づいて第
3の位置推定を高精度化する処理手段とを具備する。
Description
【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、本発明は慣性参照ニニットからの
データを使用して上記衛星をベースとするナビゲーショ
ンシステムの位置推定の精度を改善する方法及び装置に
関する。
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、本発明は慣性参照ニニットからの
データを使用して上記衛星をベースとするナビゲーショ
ンシステムの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 ( U.S. ) 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(GPS)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
機の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、 1993 年には NAVSTARGPS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 ( U.S.S.R.
) 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GP
S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
でも、または赤道軌道でもない相互に直交する傾斜した
面内にある。
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(GPS)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
機の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、 1993 年には NAVSTARGPS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 ( U.S.S.R.
) 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GP
S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
でも、または赤道軌道でもない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、伝播時間を計算することができる。この時
間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GP
S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、この距離を“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。
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、伝播時間を計算することができる。この時
間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GP
S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、この距離を“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。計
算に使用するGPS衛星の数が多い程、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補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言い難い。
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。計
算に使用するGPS衛星の数が多い程、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補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言い難い。
【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 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。 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。従
って、Pモードシーケンスは機密が保たれ、一般の用に
は供されない。このため、殆どのGPSユーザはC/A
変調モードによって与えられるデータのみに頼らなけれ
ばならない(これは、精度の落ちるポジショニングシス
テムの使用を余儀なくする)。
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 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。 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。従
って、Pモードシーケンスは機密が保たれ、一般の用に
は供されない。このため、殆どのGPSユーザはC/A
変調モードによって与えられるデータのみに頼らなけれ
ばならない(これは、精度の落ちるポジショニングシス
テムの使用を余儀なくする)。
【0006】更に、合衆国政府( NAVSTAR GPSの運用
者)は時折、時計及び天体暦の両パラメタもしくは何れ
か一方のパラメタを変化させることによってGPS衛星
から送信されるC/AモードGPSデータ内に誤差を導
入することができる。つまり、合衆国政府はGPSデー
タを選択的に劣化もしくは改悪することができるのであ
る。1もしくはそれ以上の衛星の天体暦及び時計の両方
もしくは何れか一方のパラメタは若干もしくはかなり変
更され得る。これは“選択的可用性”もしくは単にSA
として知られている。SAは、例えば国家の安全保障の
ような種々の理由から発動することができる。合衆国政
府はPモード変調コードにアクセスできるので、SAが
発動されていても NAVSTAR GPSを使用することができ
る。しかしながら、C/Aモードデータの精度はかなり
低下せしめられる。時計誤差の他に、大気圏誤差及び選
択的可用性からの誤差、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)を含む他の誤
差はGPS位置計算に影響を与える。これらの誤差は擬
似距離及び衛星位置の計算に不正確さをもたらす。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。
者)は時折、時計及び天体暦の両パラメタもしくは何れ
か一方のパラメタを変化させることによってGPS衛星
から送信されるC/AモードGPSデータ内に誤差を導
入することができる。つまり、合衆国政府はGPSデー
タを選択的に劣化もしくは改悪することができるのであ
る。1もしくはそれ以上の衛星の天体暦及び時計の両方
もしくは何れか一方のパラメタは若干もしくはかなり変
更され得る。これは“選択的可用性”もしくは単にSA
として知られている。SAは、例えば国家の安全保障の
ような種々の理由から発動することができる。合衆国政
府はPモード変調コードにアクセスできるので、SAが
発動されていても NAVSTAR GPSを使用することができ
る。しかしながら、C/Aモードデータの精度はかなり
低下せしめられる。時計誤差の他に、大気圏誤差及び選
択的可用性からの誤差、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)を含む他の誤
差はGPS位置計算に影響を与える。これらの誤差は擬
似距離及び衛星位置の計算に不正確さをもたらす。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。
【0007】
【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及び慣性参照ユニット(IR
U)を使用して車両(ビークル)の位置推定を正確に計
算する方法及び装置に関する。不可欠的に、GPS(に
よって)計算された位置推定間の位置の差が、IRU3
04によって計算された変位(速度×時間)ベクトルと
比較される。IRU(によって)計算されたベクトル
は、GPS計算された位置と実際の車両位置との差を最
小にするために使用される。好ましい実施例では、少な
くとも3つのGPS計算された位置と、2つのIRU計
算された変位ベクトルとが使用される。好ましい実施例
では、本発明の方法は以下の諸段階を含む。 (a)第1の時刻に、第1の位置に所在する受信機にお
いてナビゲーション衛星の星座からナビゲーション信号
を受信する段階と、(b)複数のナビゲーション信号か
ら、第1の時刻における受信機の第1の位置推定を計算
する段階と、(c)受信機を第2の時刻に第2の位置ま
で移動させる段階と、(d)第2の時刻に、第2の位置
に所在する受信機においてナビゲーション衛星の星座か
らナビゲーション信号を受信する段階と、(e)ナビゲ
ーション信号から、第2の時刻における受信機の第2の
位置推定を計算する段階と、(f)第1の時刻から第2
の時刻までの経過時間中の第1の速度ベクトルを慣性参
照ユニットから受信する段階と、(g)受信機を第3の
時刻に第3の位置まで移動させる段階と、(h)第3の
時刻に第3の位置に所在する受信機において、ナビゲー
ション衛星の星座からナビゲーション信号を受信する段
階と、(i)複数のナビゲーション信号から、第3の時
刻における受信機の第3の位置推定を計算する段階と、
(j)第2の時刻から第3の時刻までの経過時間中の第
2の速度ベクトルを慣性参照ユニットから受信する段階
と、(k)第1、第2及び第3の位置推定と、第1及び
第2の速度ベクトルと、経過時間とに基づいて第3の位
置推定の高精度化された値を計算する段階とを含む。
ナビゲーションシステム及び慣性参照ユニット(IR
U)を使用して車両(ビークル)の位置推定を正確に計
算する方法及び装置に関する。不可欠的に、GPS(に
よって)計算された位置推定間の位置の差が、IRU3
04によって計算された変位(速度×時間)ベクトルと
比較される。IRU(によって)計算されたベクトル
は、GPS計算された位置と実際の車両位置との差を最
小にするために使用される。好ましい実施例では、少な
くとも3つのGPS計算された位置と、2つのIRU計
算された変位ベクトルとが使用される。好ましい実施例
では、本発明の方法は以下の諸段階を含む。 (a)第1の時刻に、第1の位置に所在する受信機にお
いてナビゲーション衛星の星座からナビゲーション信号
を受信する段階と、(b)複数のナビゲーション信号か
ら、第1の時刻における受信機の第1の位置推定を計算
する段階と、(c)受信機を第2の時刻に第2の位置ま
で移動させる段階と、(d)第2の時刻に、第2の位置
に所在する受信機においてナビゲーション衛星の星座か
らナビゲーション信号を受信する段階と、(e)ナビゲ
ーション信号から、第2の時刻における受信機の第2の
位置推定を計算する段階と、(f)第1の時刻から第2
の時刻までの経過時間中の第1の速度ベクトルを慣性参
照ユニットから受信する段階と、(g)受信機を第3の
時刻に第3の位置まで移動させる段階と、(h)第3の
時刻に第3の位置に所在する受信機において、ナビゲー
ション衛星の星座からナビゲーション信号を受信する段
階と、(i)複数のナビゲーション信号から、第3の時
刻における受信機の第3の位置推定を計算する段階と、
(j)第2の時刻から第3の時刻までの経過時間中の第
2の速度ベクトルを慣性参照ユニットから受信する段階
と、(k)第1、第2及び第3の位置推定と、第1及び
第2の速度ベクトルと、経過時間とに基づいて第3の位
置推定の高精度化された値を計算する段階とを含む。
【0008】本発明の装置は、(a)車両に結合され、
ナビゲーション衛星の星座からナビゲーション信号を受
信し、第1の時刻における第1の車両位置の第1の位置
推定と、第2の時刻における第2の車両位置の第2の位
置推定と、第3の時刻における第3の車両位置の第3の
位置推定とを計算する受信機手段と、(b)車両に結合
され、第1の時刻から第2の時刻までの時間中の車両の
第1の速度ベクトルを計算し、第2の時刻から第2の時
刻までの時間中の車両の第2の速度ベクトルを計算する
慣性手段と、(c)第1、第2及び第3の位置推定と、
第1及び第2の速度ベクトルと、第1、第2及び第3の
時刻とに基づいて第3の位置推定の高精度化された値を
計算する処理手段とを含む。
ナビゲーション衛星の星座からナビゲーション信号を受
信し、第1の時刻における第1の車両位置の第1の位置
推定と、第2の時刻における第2の車両位置の第2の位
置推定と、第3の時刻における第3の車両位置の第3の
位置推定とを計算する受信機手段と、(b)車両に結合
され、第1の時刻から第2の時刻までの時間中の車両の
第1の速度ベクトルを計算し、第2の時刻から第2の時
刻までの時間中の車両の第2の速度ベクトルを計算する
慣性手段と、(c)第1、第2及び第3の位置推定と、
第1及び第2の速度ベクトルと、第1、第2及び第3の
時刻とに基づいて第3の位置推定の高精度化された値を
計算する処理手段とを含む。
【0009】
【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、慣性参照ユニットからの
データを使用して、衛星をベースとするナビゲーション
システムから取得する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、NAVS
TAR グローバルポジショニングシステム(GPS)を使
用する。前述したように、そして図1に示すように NAV
STARGPSは6つの軌道104で地球を周回する 21 個の
動作衛星102を含む。以下の説明では本発明は、図2
に示すような自律車両システム200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SV1 −SV4 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。
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、慣性参照ユニットからの
データを使用して、衛星をベースとするナビゲーション
システムから取得する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、NAVS
TAR グローバルポジショニングシステム(GPS)を使
用する。前述したように、そして図1に示すように NAV
STARGPSは6つの軌道104で地球を周回する 21 個の
動作衛星102を含む。以下の説明では本発明は、図2
に示すような自律車両システム200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SV1 −SV4 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。
【0010】“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。これは、例えば差動GPS方式を使用
していれば達成することができる。システム200は、
1またはそれ以上の擬似衛星230を任意選択的に含む
ことができる。“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装置であ
る。擬似衛星は固定された既知の位置に配置されている
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GP
S衛星102(SVi もしくはスペースビークルとも称
する)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。
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。これは、例えば差動GPS方式を使用
していれば達成することができる。システム200は、
1またはそれ以上の擬似衛星230を任意選択的に含む
ことができる。“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装置であ
る。擬似衛星は固定された既知の位置に配置されている
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GP
S衛星102(SVi もしくはスペースビークルとも称
する)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。
【0011】車両210を規定された経路に沿って案内
するためには、就中、ある基準点に対する車両の現在の
位置の正確な推定を必要とする。現在の位置が分かれ
ば、次の行き先へ進むように車両210に命令すること
ができる。これを車両の自動化運転によって遂行させる
ために、車両210は車両位置確定装置(VPS)30
0及びナビゲーションシステム306を含んでいる。こ
れを図3に示す。VPS300は、車両210の位置推
定(PE)を極めて精密に決定することができる。ナビ
ゲーションシステム306はVPS300から位置推定
を受信する。ナビゲーションシステム306は、これら
の精密な位置推定を使用して車両210を正確に操縦す
る。VPS300は、GPS処理装置302及び慣性参
照ユニット(IRU)304を含む。GPS処理装置3
02は、GPSデータ(即ちナビゲーション信号)をG
PS衛星102から受信し、また速度データをIRU3
04から受信してそれらから車両210の位置推定を計
算する。IRU304は、加速度計及びレーザジャイロ
スコープの両者または何れか一方を使用して車両位置の
変化を追跡している。
するためには、就中、ある基準点に対する車両の現在の
位置の正確な推定を必要とする。現在の位置が分かれ
ば、次の行き先へ進むように車両210に命令すること
ができる。これを車両の自動化運転によって遂行させる
ために、車両210は車両位置確定装置(VPS)30
0及びナビゲーションシステム306を含んでいる。こ
れを図3に示す。VPS300は、車両210の位置推
定(PE)を極めて精密に決定することができる。ナビ
ゲーションシステム306はVPS300から位置推定
を受信する。ナビゲーションシステム306は、これら
の精密な位置推定を使用して車両210を正確に操縦す
る。VPS300は、GPS処理装置302及び慣性参
照ユニット(IRU)304を含む。GPS処理装置3
02は、GPSデータ(即ちナビゲーション信号)をG
PS衛星102から受信し、また速度データをIRU3
04から受信してそれらから車両210の位置推定を計
算する。IRU304は、加速度計及びレーザジャイロ
スコープの両者または何れか一方を使用して車両位置の
変化を追跡している。
【0012】GPS処理装置302はシステム200の
心臓部である。図4に示すようにGPS処理装置302
は、受信機装置400と、GPSプロセッサ402とを
含んでいる。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402は
受信機からのこの情報を使用して車両の位置推定を計算
する。受信機装置400は、GPSアンテナ212、前
置増幅器404、及びGPS受信機406を含む。アン
テナ212は、電磁放射スペクトルの無線部分を受信す
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212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402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の位置推定
を計算する。好ましい実施例では、アンテナ212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212/404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402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。
心臓部である。図4に示すようにGPS処理装置302
は、受信機装置400と、GPSプロセッサ402とを
含んでいる。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402は
受信機からのこの情報を使用して車両の位置推定を計算
する。受信機装置400は、GPSアンテナ212、前
置増幅器404、及びGPS受信機406を含む。アン
テナ212は、電磁放射スペクトルの無線部分を受信す
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212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402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の位置推定
を計算する。好ましい実施例では、アンテナ212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212/404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402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。
【0013】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を
連続的に符号化している。受信機406がその信号を受
信した時刻から伝播時間を計算することができる。この
時間に信号の伝播速度( 2.9979245998 × 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時に同期していない(時計誤差をもたらす)
ことと、異なる層の大気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。GPS受信機40
6は、(例えばデータ収集の目的で)年鑑を使用して衛
星の位置を粗に決定することができる。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している。G
PS受信機406は伝播時間を計算する他に、累積デル
タ距離(ADR)もしくは搬送波技術を使用して擬似距
離を計算することができる。ADRはGPSナビゲーシ
ョン信号の搬送波の位相を追跡することによって計算さ
れる。衛星及びGPS受信機が互いに離れるように運動
する時、距離の増加をGPS搬送波の位相変化として求
めることができる。GPS搬送波は連続正弦波であるか
ら、ADRは絶対距離ではなく衛星と受信機との間の距
離の相対的な変化である。従って、この技術は“デル
タ”(Δ)距離を生ずるのである。
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を
連続的に符号化している。受信機406がその信号を受
信した時刻から伝播時間を計算することができる。この
時間に信号の伝播速度( 2.9979245998 × 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時に同期していない(時計誤差をもたらす)
ことと、異なる層の大気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。GPS受信機40
6は、(例えばデータ収集の目的で)年鑑を使用して衛
星の位置を粗に決定することができる。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している。G
PS受信機406は伝播時間を計算する他に、累積デル
タ距離(ADR)もしくは搬送波技術を使用して擬似距
離を計算することができる。ADRはGPSナビゲーシ
ョン信号の搬送波の位相を追跡することによって計算さ
れる。衛星及びGPS受信機が互いに離れるように運動
する時、距離の増加をGPS搬送波の位相変化として求
めることができる。GPS搬送波は連続正弦波であるか
ら、ADRは絶対距離ではなく衛星と受信機との間の距
離の相対的な変化である。従って、この技術は“デル
タ”(Δ)距離を生ずるのである。
【0014】ADR技術は極めて正確な擬似距離を計算
するために使用することができる。本明細書でしている
“擬似距離”とは、ADRもしくは伝播時間技術を使用
して計算された擬似距離のことである。ユーザの視点か
らすれば、GPS処理装置302は自律車両システム2
00の最も重要な部分である。GPS処理装置302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役割
を果たしている。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(振幅が大きく減衰した)
受信データを使用して行わなければならない。GPS処
理装置302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( Kalman )濾波技術に大きく
頼っている。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402)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、雑音を多く含む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。
するために使用することができる。本明細書でしている
“擬似距離”とは、ADRもしくは伝播時間技術を使用
して計算された擬似距離のことである。ユーザの視点か
らすれば、GPS処理装置302は自律車両システム2
00の最も重要な部分である。GPS処理装置302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役割
を果たしている。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(振幅が大きく減衰した)
受信データを使用して行わなければならない。GPS処
理装置302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( Kalman )濾波技術に大きく
頼っている。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402)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、雑音を多く含む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。
【0015】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(もしくは外挿)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)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“条件付ける”と称する。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, Donal
d H. の論文“Multiconfiguration Kalman Filter Desi
gn for High-Performance GPS Navigation ”を参照さ
れたい。伝統的に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から距
離方程式は最初に線形化される。即ち、最後の既知位置
からの変化を計算するために、式は微分され、各式の導
関数が解かれる。例えば時刻ti における第1の位置推
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(xv , yV , zV )i-1 からの位置の
変化(ΔxV ,ΔyV ,ΔzV )を解くことにより、G
PS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。
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(もしくは外挿)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)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“条件付ける”と称する。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, Donal
d H. の論文“Multiconfiguration Kalman Filter Desi
gn for High-Performance GPS Navigation ”を参照さ
れたい。伝統的に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から距
離方程式は最初に線形化される。即ち、最後の既知位置
からの変化を計算するために、式は微分され、各式の導
関数が解かれる。例えば時刻ti における第1の位置推
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(xv , yV , zV )i-1 からの位置の
変化(ΔxV ,ΔyV ,ΔzV )を解くことにより、G
PS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。
【0016】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。GPSプロセッサ402が、擬似距離及び衛星位置
から車両の位置推定を計算する際に使用する基本的な方
法を図5を参照して以下に説明する。図5は、車両21
0から見えるGPS衛星SV1 −SV4 を有する衛星星
座例を示す。地球の中心を原点とする直交座標におい
て、衛星SV1 は (x1,y1,z1 ) に位置し、衛星SV
2 は (x2,y2,z2 ) に位置し、衛星SV3 は (x3,y
3,z3 ) に位置し、衛星SV4 は (x4,y4,z4 ) に位
置し、そして車両210は位置(xV ,yV , zV )に
位置しているものとする。各衛星102の直交座標(x
, y,z)は、1つの衛星の天体暦データを使用してG
PS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 ,PS
R3 ,及びPSR4 )は伝播時間を使用して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
ついての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210(即ち受信機406)の位置を
決定することができる。
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。GPSプロセッサ402が、擬似距離及び衛星位置
から車両の位置推定を計算する際に使用する基本的な方
法を図5を参照して以下に説明する。図5は、車両21
0から見えるGPS衛星SV1 −SV4 を有する衛星星
座例を示す。地球の中心を原点とする直交座標におい
て、衛星SV1 は (x1,y1,z1 ) に位置し、衛星SV
2 は (x2,y2,z2 ) に位置し、衛星SV3 は (x3,y
3,z3 ) に位置し、衛星SV4 は (x4,y4,z4 ) に位
置し、そして車両210は位置(xV ,yV , zV )に
位置しているものとする。各衛星102の直交座標(x
, y,z)は、1つの衛星の天体暦データを使用してG
PS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 ,PS
R3 ,及びPSR4 )は伝播時間を使用して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
ついての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210(即ち受信機406)の位置を
決定することができる。
【0017】( x1 −xV )2+( y1 −yV )2+( z1
−zV )2=( PSR1 − Bclock )2 ( x2 −xV )2+( y2 −yV )2+( z2 −zV )2=
( PSR2 − Bclock )2 ( x3 −xV )2+( y3 −yV )2+( z3 −zV )2=
( PSR3 − Bclock )2 ( x4 −xV )2+( y4 −yV )2+( z4 −zV )2=
( PSR4 − Bclock )2 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粗に補償する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xV ,y
V ,zV 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(xV ,yV ,z
V )についてこれらの式を解くことができる。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。GPS位置推定の精度が、受信機406によって
計算された擬似距離に大きく依存することに注目された
い。前述したようにこれらの擬似距離は、大気圏効果、
選択的可用性、多重経路誤差(反射)及び時計誤差によ
って重度に劣化する恐れがある。本発明は、IRU30
4からのデータを使用して初期GPS位置推定の精度を
大幅に改善し、高精度化された車両位置推定を発生す
る。本発明は、IRUが短時間中の車両位置(速度)の
変化を正確に追跡できることを前提としている。
−zV )2=( PSR1 − Bclock )2 ( x2 −xV )2+( y2 −yV )2+( z2 −zV )2=
( PSR2 − Bclock )2 ( x3 −xV )2+( y3 −yV )2+( z3 −zV )2=
( PSR3 − Bclock )2 ( x4 −xV )2+( y4 −yV )2+( z4 −zV )2=
( PSR4 − Bclock )2 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粗に補償する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xV ,y
V ,zV 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(xV ,yV ,z
V )についてこれらの式を解くことができる。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。GPS位置推定の精度が、受信機406によって
計算された擬似距離に大きく依存することに注目された
い。前述したようにこれらの擬似距離は、大気圏効果、
選択的可用性、多重経路誤差(反射)及び時計誤差によ
って重度に劣化する恐れがある。本発明は、IRU30
4からのデータを使用して初期GPS位置推定の精度を
大幅に改善し、高精度化された車両位置推定を発生す
る。本発明は、IRUが短時間中の車両位置(速度)の
変化を正確に追跡できることを前提としている。
【0018】本発明の方法は、GPSによって計算され
た2つの位置推定間の位置の差を計算し、この差とIR
U304によって計算されたベクトルとを比較し、次い
でIRUデータを使用して推定車両位置を高精度化する
ことを含む。図6は、本発明の方法の動作の特定例を示
す。以下に説明する例では3つのデータ点(GPS位置
推定)を使用しているが、2より大きい如何なる数を使
用しても差し支えないことを理解されたい。段階602
では、時刻t1 に受信したGPSデータから車両の第1
の位置推定(PE1 )を計算する。この位置推定が誤差
を含んでいることに注意されたい。実際の位置はP
E1 ’によって表される。段階604においては、車両
は時刻t2 に第2の位置(PE2 ’)まで移動する。段
階606において、時刻t2 に受信したGPSデータか
ら車両の第2の位置推定(PE2 )を計算する。また時
刻t2 に段階608において、(IRU304によって
計算された)時刻t1 からt2 までの経過時間Δt2 中
の平均速度v2 をIRU304から受信する。段階61
0では、車両は時刻t3 に第3の位置(PE3 ’)まで
移動する。段階612において、時刻t3 に受信したG
PSデータから車両の第3の位置推定(PE3 )を計算
する。また時刻t3 に段階614において、(IRU3
04によって計算された)時刻t2 からt3 までの経過
時間Δt3 中の平均速度v3 をIRU304から受信す
る。IRUは短時間ならば精密な速度ベクトルvを発生
することができるから、 PE2'= PE1' +v2 ・Δt2 また PE3'= PE1' +v2 ・Δt2 +v3 ・Δt3 が得られることに注目されたい。
た2つの位置推定間の位置の差を計算し、この差とIR
U304によって計算されたベクトルとを比較し、次い
でIRUデータを使用して推定車両位置を高精度化する
ことを含む。図6は、本発明の方法の動作の特定例を示
す。以下に説明する例では3つのデータ点(GPS位置
推定)を使用しているが、2より大きい如何なる数を使
用しても差し支えないことを理解されたい。段階602
では、時刻t1 に受信したGPSデータから車両の第1
の位置推定(PE1 )を計算する。この位置推定が誤差
を含んでいることに注意されたい。実際の位置はP
E1 ’によって表される。段階604においては、車両
は時刻t2 に第2の位置(PE2 ’)まで移動する。段
階606において、時刻t2 に受信したGPSデータか
ら車両の第2の位置推定(PE2 )を計算する。また時
刻t2 に段階608において、(IRU304によって
計算された)時刻t1 からt2 までの経過時間Δt2 中
の平均速度v2 をIRU304から受信する。段階61
0では、車両は時刻t3 に第3の位置(PE3 ’)まで
移動する。段階612において、時刻t3 に受信したG
PSデータから車両の第3の位置推定(PE3 )を計算
する。また時刻t3 に段階614において、(IRU3
04によって計算された)時刻t2 からt3 までの経過
時間Δt3 中の平均速度v3 をIRU304から受信す
る。IRUは短時間ならば精密な速度ベクトルvを発生
することができるから、 PE2'= PE1' +v2 ・Δt2 また PE3'= PE1' +v2 ・Δt2 +v3 ・Δt3 が得られることに注目されたい。
【0019】段階616においては、以下の式を最小に
する値PE1 ’が計算される。 ( PE1 − PE1')2 + ( PE2− PE2')2 + ( PE3− PE3')
2 この式は以下のように書き直すことができる。 ( PE1 − PE1')2 +〔 PE2−( PE1'+v2 ・Δt2)〕2 +〔 PE3−( PE1'+v2 ・Δt2 +v3 ・Δt3)〕2 この式の値を最小にするPE1 ’の値は、多くの公知の
技術によって計算することができる。例えば、上式の一
次導関数を0に等しくしてPE1 ’について解けばよ
い。各位置推定PEi は、実際にはその位置の直交座標
(xi , yi , zi )を表していることに注意された
い。従って、最小にすべき実際の式はベクトルPEでは
なくx,y,z座標を含んでいる。例えば、式 ( PE1 − PE1')2 + ( PE2− PE2')2 + ( PE3− PE3')
2 は、 ( x1 −x1')2+( x2 −x2')2+( x3 −x3')2 +( y1 −y1')2+( y2 −y2')2+( y3 −y3')2 +( z1 −z1')2+( z2 −z2')2+( z3 −z3')2 に展開される。ここに x2'=x1'+vx2・Δt2 y2'=y1'+vy2・Δt2 z2'=z1'+vz2・Δt2 であり、また、 x3'=x1'+vx2・Δt2 +vx3・Δt3 y3'=y1'+vy2・Δt2 +vy3・Δt3 z3'=z1'+vz2・Δt2 +vz3・Δt3 である。
する値PE1 ’が計算される。 ( PE1 − PE1')2 + ( PE2− PE2')2 + ( PE3− PE3')
2 この式は以下のように書き直すことができる。 ( PE1 − PE1')2 +〔 PE2−( PE1'+v2 ・Δt2)〕2 +〔 PE3−( PE1'+v2 ・Δt2 +v3 ・Δt3)〕2 この式の値を最小にするPE1 ’の値は、多くの公知の
技術によって計算することができる。例えば、上式の一
次導関数を0に等しくしてPE1 ’について解けばよ
い。各位置推定PEi は、実際にはその位置の直交座標
(xi , yi , zi )を表していることに注意された
い。従って、最小にすべき実際の式はベクトルPEでは
なくx,y,z座標を含んでいる。例えば、式 ( PE1 − PE1')2 + ( PE2− PE2')2 + ( PE3− PE3')
2 は、 ( x1 −x1')2+( x2 −x2')2+( x3 −x3')2 +( y1 −y1')2+( y2 −y2')2+( y3 −y3')2 +( z1 −z1')2+( z2 −z2')2+( z3 −z3')2 に展開される。ここに x2'=x1'+vx2・Δt2 y2'=y1'+vy2・Δt2 z2'=z1'+vz2・Δt2 であり、また、 x3'=x1'+vx2・Δt2 +vx3・Δt3 y3'=y1'+vy2・Δt2 +vy3・Δt3 z3'=z1'+vz2・Δt2 +vz3・Δt3 である。
【0020】段階616からのPE1 ’(x1',y1',
z1' )が、時刻t1 における車両の精密な位置であるこ
とに注目されたい。以上のようにしてPE1 ’が計算さ
れると、上述したIRUからのベクトルの関係(段階6
18−620)を使用して精密な位置PE2 ’及びPE
3 ’を計算することができる。上述したように、計算に
使用したIRUデータは時間及び速度を含んでいる。時
間(Δt)は最後の位置推定を取得してからの経過時間
である。Δt中の車両の平均速度(即ち、vx , vy ,
vz )はIRUから与えられる。本発明を使用して求め
られた精密な位置推定は絶えず更新することができる。
これを図7に示す。段階702において、精密な位置推
定PEn ’(例えば、上例ではPE3 ’)を使用し、位
置推定PEn+1 の精度を改善するようにGPSカマンフ
ィルタ内の状態ベクトルを更新する。段階704では、
車両は時刻tn+1に位置PEn+1 まで移動する。段階7
06においては、位置推定PEn+1 をGPSデータから
計算する。段階708においては、経過時間Δt及びこ
の時間中の平均速度vを使用して、時刻tn+1 における
車両の位置推定PEn+1 ’を位置PEn からの位置の変
化として計算する。最後に段階710において、GPS
位置推定PEn+1 及び時刻tn 、tn-1 、tn-2 等から
の過去のデータを使用してPEn+1 ’の値を更新して解
を条件付ける。
z1' )が、時刻t1 における車両の精密な位置であるこ
とに注目されたい。以上のようにしてPE1 ’が計算さ
れると、上述したIRUからのベクトルの関係(段階6
18−620)を使用して精密な位置PE2 ’及びPE
3 ’を計算することができる。上述したように、計算に
使用したIRUデータは時間及び速度を含んでいる。時
間(Δt)は最後の位置推定を取得してからの経過時間
である。Δt中の車両の平均速度(即ち、vx , vy ,
vz )はIRUから与えられる。本発明を使用して求め
られた精密な位置推定は絶えず更新することができる。
これを図7に示す。段階702において、精密な位置推
定PEn ’(例えば、上例ではPE3 ’)を使用し、位
置推定PEn+1 の精度を改善するようにGPSカマンフ
ィルタ内の状態ベクトルを更新する。段階704では、
車両は時刻tn+1に位置PEn+1 まで移動する。段階7
06においては、位置推定PEn+1 をGPSデータから
計算する。段階708においては、経過時間Δt及びこ
の時間中の平均速度vを使用して、時刻tn+1 における
車両の位置推定PEn+1 ’を位置PEn からの位置の変
化として計算する。最後に段階710において、GPS
位置推定PEn+1 及び時刻tn 、tn-1 、tn-2 等から
の過去のデータを使用してPEn+1 ’の値を更新して解
を条件付ける。
【0021】本発明は、IRUデータが短時間の間なら
ば極めて正確な相対位置の尺度であるという事実に基づ
いている。この方法によって得られる補正された車両経
路は高度に正確である。平均車両経路を発生する爾後の
IRUデータ点の数が、この方法の精密さに影響を与え
る。使用する爾後のデータ点が多い程、初期位置推定が
高精度化される。しかしながら、より多くのデータ点を
入手するためにはより大きい計算力を必要とするので、
妥協が必要である。実時間で車両の位置を確定するため
に本発明を動作させる場合には、これは特に重要であ
る。 本発明を特にその好ましい若干の実施例に関して図
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。
ば極めて正確な相対位置の尺度であるという事実に基づ
いている。この方法によって得られる補正された車両経
路は高度に正確である。平均車両経路を発生する爾後の
IRUデータ点の数が、この方法の精密さに影響を与え
る。使用する爾後のデータ点が多い程、初期位置推定が
高精度化される。しかしながら、より多くのデータ点を
入手するためにはより大きい計算力を必要とするので、
妥協が必要である。実時間で車両の位置を確定するため
に本発明を動作させる場合には、これは特に重要であ
る。 本発明を特にその好ましい若干の実施例に関して図
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。
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。
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】自律車両の自律車両システムのブロック線図で
ある。
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。
の星座の間の幾何学的関係を示す図である。
【図6】慣性参照ユニット(IRU)からのデータを使
用してGPS位置推定を改善する本発明の方法の好まし
い実施例を示す流れ図である。
用してGPS位置推定を改善する本発明の方法の好まし
い実施例を示す流れ図である。
【図7】IRUデータに基づいてGPS位置推定を連続
的に更新するプロセスの流れ図である。
的に更新するプロセスの流れ図である。
102 動作衛星 104 軌道 200 自律車両システム 202 GPS星座 210 車両(ビークル) 212 GPSアンテナ 220 基地局 225 通信チャネル 230 擬似衛星 300 車両位置確定装置(VPS) 302 GPS処理装置 304 慣性参照ユニット(IRU) 306 ナビゲーション装置 400 受信機装置 402 GPSプロセッサ 404 前置増幅器 406 GPS受信機
Claims (3)
- 【請求項1】 受信機に組合わされた慣性参照ユニット
と、複数のナビゲーション衛星の星座を含む衛星をベー
スとするナビゲーションシステムとを使用して地表の、
またはその付近の受信機の精密な位置推定を計算する方
法であって、 (a)第1の時刻に、第1の位置に所在する受信機にお
いてナビゲーション衛星の星座からナビゲーション信号
を受信する段階と、 (b)上記複数のナビゲーション信号から、上記第1の
時刻における受信機の第1の位置推定を計算する段階
と、 (c)受信機を第2の時刻に第2の位置まで移動させる
段階と、 (d)上記第2の時刻に、上記第2の位置に所在する受
信機においてナビゲーション衛星の星座からナビゲーシ
ョン信号を受信する段階と、 (e)上記ナビゲーション信号から、上記第2の時刻に
おける受信機の第2の位置推定を計算する段階と、 (f)上記第1の時刻から上記第2の時刻までの経過時
間中の第1の速度ベクトルを慣性参照ユニットから受信
する段階と、 (g)上記第1の位置推定及び上記第2の位置推定と、
上記速度ベクトルと、上記経過時間とに基づいて上記第
2の位置推定の高精度化された値を計算する段階とを具
備することを特徴とする方法。 - 【請求項2】 ナビゲーション衛星の星座を含む衛星を
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精密な位置推定を計算
する装置であって、 (a)車両に結合され、ナビゲーション衛星の星座から
ナビゲーション信号を受信し、第1の時刻における第1
の車両位置の第1の位置推定と、第2の時刻における第
2の車両位置の第2の位置推定と、第3の時刻における
第3の車両位置の第3の位置推定とを計算する受信機手
段と、 (b)車両に結合され、第1の時刻から第2の時刻まで
の時間中の車両の第1の速度ベクトルを計算し、第2の
時刻から第2の時刻までの時間中の車両の第2の速度ベ
クトルを計算する慣性手段と、 (c)上記第1、第2及び第3の位置推定と、上記第1
及び第2の速度ベクトルと、上記第1、第2及び第3の
時刻とに基づいて上記第3の位置推定を高精度化する処
理手段とを具備することを特徴とする装置。 - 【請求項3】 受信機に結合された慣性参照ユニット
と、複数のナビゲーション衛星の星座を含む衛星をベー
スとするナビゲーションシステムとを使用して地表の、
またはその付近の受信機の位置を決定する方法であっ
て、 (a)上記第1の時刻に、第1の位置に所在する受信機
においてナビゲーション衛星の星座からナビゲーション
信号を受信する段階と、 (b)上記複数のナビゲーション信号から、第1の時刻
における受信機の第1の位置推定を計算する段階と、 (c)受信機を第2の時刻に第2の位置まで移動させる
段階と、 (d)第2の時刻に、上記第2の位置に所在する受信機
においてナビゲーション衛星の星座からナビゲーション
信号を受信する段階と、 (e)上記ナビゲーション信号から、上記第2の時刻に
おける受信機の第2の位置推定を計算する段階と、 (f)上記第1の時刻から上記第2の時刻までの経過時
間中の第1の速度ベクトルを慣性参照ユニットから受信
する段階と、 (g)受信機を第3の時刻に第3の位置まで移動させる
段階と、 (h)第3の時刻に第3の位置に所在する受信機におい
て、ナビゲーション衛星の星座からナビゲーション信号
を受信する段階と、 (i)上記複数のナビゲーション信号から、上記第3の
時刻における受信機の第3の位置推定を計算する段階
と、 (j)上記第2の時刻から上記第3の時刻までの経過時
間中の第2の速度ベクトルを慣性参照ユニットから受信
する段階と、 (k)上記第1、第2及び第3の位置推定と、上記第1
及び第2の速度ベクトルと、上記経過時間とに基づいて
第3の位置推定の高精度化された値を計算する段階とを
具備することを特徴とする方法。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US08/042738 | 1993-04-05 | ||
US08/042,738 US5606506A (en) | 1993-04-05 | 1993-04-05 | Method and apparatus for improving the accuracy of position estimates in a satellite based navigation system using velocity data from an inertial reference unit |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH075240A true JPH075240A (ja) | 1995-01-10 |
Family
ID=21923495
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP6062858A Withdrawn JPH075240A (ja) | 1993-04-05 | 1994-03-31 | Gps位置推定の精度を改善する方法及び装置 |
Country Status (4)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US5606506A (ja) |
JP (1) | JPH075240A (ja) |
DE (1) | DE4411725A1 (ja) |
GB (1) | GB2276995A (ja) |
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