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

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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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receiver
gps
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satellite
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JP6062858A
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Christos T Kyrtsos
ティー キルツォス クリストス
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Caterpillar Inc
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    • G01S19/45—Determining position by combining measurements of signals from the satellite radio beacon positioning system with a supplementary measurement
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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。

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。
【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。
【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。
【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）。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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】自律車両の自律車両システムのブロック線図で
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】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。
【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。
【符号の説明】
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)

    【特許請求の範囲】
  1. 【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。
  2. 【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。
  3. 【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。
JP6062858A 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 Withdrawn JPH075240A (ja)

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