JPH0777570A

JPH0777570A - 衛星基地局航法システムにおけるサイクルスリップ検出方法及び装置

Info

Publication number: JPH0777570A
Application number: JP6163776A
Authority: JP
Inventors: Perry J Thuente; ジェイスーエントペリー
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1993-07-16
Filing date: 1994-07-15
Publication date: 1995-03-20
Also published as: GB9414495D0; GB2280077A; GB2280077B; US6175806B1; GB9411260D0; DE4425369A1

Abstract

(57)【要約】【目的】ＮＡＶＳＴＡＲＧＰＳのような衛星を基地
局とした航法システム内の受信機でおきる搬送信号サイ
クルスリップを検出する方法と装置を開示する。【構成】この装置は受信機と衛星との間のベクトルに
沿って受信機の第一速度を計算する搬送手段と、受信機
の動きに基づいた受信器の第二速度を計算する慣性手段
と、第一速度と第二速度成分とを比較する比較手段と、
第一速度とベクトルに沿った第二速度の成分との差が所
定値を越えるときにサイクルスリップ誤差フラグを発生
するフラグ手段とを含んでいる。方法は、衛星から信号
を受信し、時間Δｔ内の航法信号の搬送波のサイクルを
数え、受信器の第一速度を計算し、慣性標準単位から受
信機の第二速度を受信し、第二速度の成分を計算し、第
一と第二の速度差を比較し、この差を所定値と計算し、
この差が所定値よりも大きいときにサイクルスリップ誤
差を表す段階とからなる。

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、地球軌道
衛星の星座を用いて地球表面で、或いは地球表面の近く
で受信機の位置を決定する航法システムの分野に関す
る。より詳細には、本発明は、大きなサイクルスリップ
を検知して短時間で補正して、位置推定の正確さを向上
させる方法と装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】アメリカ合衆国のようないくつかの国の
政府は、現在、一般的に地球投影位置決定システム（Ｇ
ＰＳ）といわれる陸上位置決定システムを開発してい
る。ＧＰＳは衛星を基地局としたラジオ航法システムで
あり、かなり正確な３次元の位置情報を地球の表面で、
或いは地球の表面の近くで受信機に与えるようになって
いる。合衆国政府はＧＰＳをＮＡＶＳＴＡＲ（作動周期
調整と測距を用いた航法システム）と決定した。ＮＡＶ
ＳＴＡＲＧＰＳは１９９３年中にアメリカ政府により
完全に作動可能であると表明される予定である。元ソ連
政府はＧＬＯＮＡＳＳとして知られているＧＰＳの開発
を行っている。更に、ＮＡＶＳＡＴとＧＲＡＮＡＳＳと
して知られている二つのヨーロッパ式システムを開発中
である。わかりやすく説明するために、下記の説明で
は、詳細にＮＡＶＳＴＡＲＧＰＳに焦点をあててい
る。しかしながら、本発明は他の地球投影位置決定シス
テムに対しても同様に適用できる。ＮＡＶＳＴＡＲＧ
ＰＳにおいては、４つの軌道ＧＰＳ衛星を６個の別個の
円周軌道の各々の中に配置し、全部で２４個のＧＰＳ衛
星を配置する計画である。これらのうち２１個の軌道Ｇ
ＰＳ衛星が作動可能であり三個は予備とする。

【０００３】各ＧＰＳ衛星は１２時間かけて地球のまわ
りを略ひとまわりする。地球が２４時間かけてその軸上
で一回りするということを考え合わせてみると、各衛星
は、地球が一回転する間に２回の軌道周囲を行うことに
なる。与えられた時間で各衛星の位置を正確に知ること
ができ、その位置は連続して地球に伝達される。この位
置情報は、時間（ＧＰＳ時間）に対して宇宙空間内の衛
星の位置を表しており、天体位置換算データとして知ら
れている。この天体位置換算データの他に、各衛星によ
って伝達された航法信号は、信号が伝達される正確な時
間を含んでいる。受信機から各衛星への距離は各航法信
号内に含まれる伝達時間を用いて決定してもよい。レシ
ーバで信号が受け取られた時間を記録することによっ
て、伝搬時間の遅れが計算される。この時間の遅れに信
号の伝搬速度を掛けたものが信号を発している衛星から
受信機までの疑似距離となる。この方法で計算された疑
似距離は“コード”疑似距離と言われる。受信側の時計
がＧＰＳ時間に正確に合わせられず、かつ大気を介して
の伝播が航法信号伝搬時間の遅れを生じさせるために、
この距離は“疑似距離”といわれる。この結果、時計の
偏り（誤差）と大気の偏り（誤差）とをそれぞれおこす
ことになる。時計の偏りは、数ミリ秒に及ぶ。

【０００４】少なくとも三つの衛星からのこれらの二つ
の情報（天体位置換算データと疑似距離）を使用した場
合には、地球の中心に対する受信機の位置を受動三角測
量の技術を用いて求めることができる。三角測量は、三
つの段階を備えている。第一に、受信機の測から見て少
なくとも三つの衛星の位置が決定されなければならな
い。第二に、受信機から各衛星までの距離が決定されな
ければならない。最後に、第一と第二の段階からの情報
によって、地球の中心に対する受信機の位置が幾何学的
に求められる。少なくとも三つの軌道ＧＰＳ衛星を使用
する三角測量によって、絶対陸上位置（地球上の中心に
対しての経度、緯度、高度）が単純な幾何学的な理論に
より計算される。位置推定値の正確さは、部分的には、
サンプルとなっている軌道ＧＰＳ衛星の数による。計算
の際に、より多くのＧＰＳ衛星を使用することによっ
て、陸上位置推定値の正確さを増すことができる。普通
は、４個のＧＰＳ衛星がサンプルとされ、各々について
陸上位置推定値が得られる。この衛星のうち３つの衛星
には三角測量が適用され、４つ目の衛星は上述のような
時計の偏りを訂正するために付け加えられる。

【０００５】ＮＡＶＳＴＡＲＧＰＳのより詳細な記載
は、ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅＩＥＥＥの
第７１巻第１０号の“ＮＡＶＳＴＡＲ地球投影位置決
定システム─１０年後（ＮＡＶＳＴＡＲ：Ｇｌｏｂａｌ
ＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍ −ＴｅｎＹ
ｅａｒｓＬａｔｅｒ”と、トリンブルナビゲーション
社により出版された“ＧＰＳ：次にくる実用化へのガイ
ド（ＡＧｕｉｄｅｔｏｔｈｅＮｅｘｔＵｔｉｌ
ｉｔｙ）”の１ページから４７ページに開示されてい
る。本明細書はこれらの先行技術を引用し、これらの文
献の記述を本明細書の記述の一部とする。ＮＡＶＳＴＡ
ＲＧＰＳを使用する車両位置／航法システムの詳細な
記載は、米国特許出願第０７／６２８、５６０号に述べ
られている。本明細書はこの先行技術を引用し、この特
許出願明細書の記述を本明細書の記述の一部とする。Ｎ
ＡＶＳＴＡＲＧＰＳは、疑似乱数信号を用いて、搬送
波の変調の二つのモードを想定する。第一のモードにお
いて、搬送波は“Ｃ／Ａ信号”により変調され、“粗／
獲得モードとして呼ばれている。この“粗／獲得モー
ド”、即ちＣ／Ａモードは“標準位置サービス”として
も知られている。ＮＡＶＳＴＡＲＧＰＳ内の変調の第
二モードは、精密モード、即ち保護モード、（Ｐ）モー
ドと一般的に呼ばれている。

【０００６】Ｐモードの手順は合衆国政府により秘密に
されており、一般的には入手できない。Ｐモードは、米
国政府により特別に許可された受信機によってのみ使用
されるものである。このため、Ｐモードの変調されたデ
ータは一般的に入手不可能であり多くのＧＰＳの使用者
は、変調のＣ／Ａモードを介して形成されたＧＰＳデー
タのみに頼るしかない。このことにより、殆どの使用者
は不正確な位置システムに委ねることにる。上述したよ
うな時計と大気の誤差は位置決定システムを不正確なも
のにする。ＧＰＳ位置の計算に影響を与える他の誤差
は、選定した部分しか利用可能でないこと（合衆国政府
が国家の安全のために意図的に導入した正確さの制
限）、受信ノイズ、信号反射、影、衛星軌道のずれ（即
ち、衛星の傾き）を含んでいる。これらの誤差によって
疑似距離の計算が不正確になり、不正確な衛星位置が計
算される。不正確な疑似距離と不正確な衛星位置のため
に車両位置決定システムにより計算される位置推定値の
正確さを欠くことになる。これら誤差の多くを補償又は
訂正する方法がある。例えば、一つの方法では、差動シ
ステム（以下で説明される）を用いて、各疑似距離毎に
一個の線形バイアス（即ち、バイアスは各衛星毎に計算
される）を作り出している。固定された既知の位置を有
する基地局は、各衛星に対して疑似距離を計算する。基
地局は、更に既知の位置と各衛星の位置（天体位置推定
値データから計算された）との距離を計算する。疑似距
離と各計算された距離とを比較することによって、疑似
距離バイアスが各衛星毎に計算される。次いで、各衛星
毎の疑似距離バイアスは、位置推定値の計算に使用する
ために車両に伝達される。

【０００７】差動型ＧＰＳシステムは正確な位置推定を
行う。しかしながら、正確な推定位置の計算を要求する
受信機にとって、常に基地局が利用可能であるとはかぎ
らない。累積デルタ距離（ＡＤＲ）、即ち一体化された
ドップラー技術を使用して推定位置の正確さを向上させ
ることができる。ＡＤＲ技術は、受信機で受信されたＧ
ＰＳ航法信号の搬送波の位相変化を検知する。位相変化
は信号を発している衛星と受信機との視線距離（デルタ
距離）変化に関連させることができる。ＡＤＲはＧＰＳ
航法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。例えば、衛星とＧＰＳ受信機が互いに離れる方向
に移動するにつれて、距離の増加（即ちデルタ距離）が
ＧＰＳ搬送波の位相変化として認識される。ＧＰＳ搬送
波が連続した正弦波の形であるために、デルタ距離（Ｄ
Ｒ）は絶対的距離ではない。むしろ、デルタ距離は衛星
と受信機との間の距離の変化である。最初のオフセット
（サイクル数）が分かっている場合には、デルタ距離は
累積デルタ距離を計算するのに使用することができる。
累積デルタ距離は実際の距離の推定値である。このた
め、累積デルタ距離はコード疑似距離の代わりに使用し
てもよい。他には、デルタ距離、或いは累積デルタ距離
のいずれかをコード疑似距離に対して用いて、正確にな
った疑似距離を計算してもよい。累積デルタ距離は、
“搬送“疑似距離とも呼ばれる。

【０００８】ＧＰＳ搬送位相技術は、米国輸送システム
センタのセノット他による" 一体化されたドプラーＤＧ
ＰＳ航法アロゴリズムのマルチパスセンシビティと搬送
スリップトレランス”と、ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓＩ
ＯＮＧＰＳ−８８のページ１８５〜１９０の“ＧＰＳ
航法、疑似距離とカルマンフィルタを用いた連続した搬
送位相との組み合わせ" に開示されている。本明細書は
これらの先行技術を使用し、これらの特許明細書の記述
を本明細書の記述の一部とする。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】公知のＡＤＲ技術の問
題点は、サイクルスリップが起きるということである。
サイクルスリップは受信機が搬送波の位相の星座を見失
ったときに生じる。このことが生じるのは、例えば衛星
からの直接的な受信視野から受信機が隠れることによる
か、或いはノイズによるためであり、これらのいずれか
によりＧＰＳ搬送信号に対する受信機のロックが瞬時に
失われる。サイクルスリップが生じると、累積デルタ距
離が失われて（最初のオフセットはもはや正確にはわか
っていないので）累積しなおなさなければならなくな
る。従来の多くの航法システムはサイクルスリップを検
知できない。サイクルスリップを検知できないと、サイ
クル数が不正確になり、誤差を位置計算にもたらしてし
まう。従来の航法システム、即ち航法システムのカルマ
ンフィルターは誤差を訂正できるであろうが、誤差の始
まりから補正には数１０秒かかり、誤差が位置推定値か
ら略取り除かれるのには数分間かかる。これでは数多く
の用途における実際の時間位置を決定するのには時間が
かかりすぎる。短時間でサイクルスリップを検知する方
法が必要とされる。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、衛星を基地局
とした航法システムで使用されるシステムと方法に関す
る。車両位置推定値の正確さは累積デルタ距離（ＡＤ
Ｒ）、例えば搬送技術、即ちコード疑似距離の正確さを
向上させる一体化されたドップラー技術を使用すること
で向上する。搬送データとコード疑似距離の両方が使用
されて正確になった疑似距離を計算する。この搬送デー
タはモニターされて大きなサイクルスリップを検知す
る。大きなサイクルスリップが検知される場合には、特
定の衛星の搬送データが疑似距離を計算するのに使用さ
れる。本発明は、実時間で大きなサイクルスリップを検
知して、サイクルスリップによって生じた誤差を補償す
る。車両に対する慣性標準装置（ＩＲＵ）から得られる
速度データがサイクルスリップをモニターするのに使用
される。本発明の装置は、ＧＰＳ受信機を備えており、
衛星からのＧＰＳ航法信号と出力ＡＤＲデータと、生Ｇ
ＰＳデータとを受信する。各疑似距離は、搬送データを
用いて、疑似距離フィルタ、例えばカルマンフィルタに
よって純化される。次いで、純化された疑似距離は、Ｇ
ＰＳカルマンフィルタで使用されて正確な車両位置の推
定値を出す。

【００１１】本発明の方法は以下の通りに進行する。航
法信号は受信機で衛星から受信される。航法信号の搬送
波のサイクルは時間Δｔ内で数えられる。次いで、サイ
クル数は、時間Δｔ内の受信機と衛星との間のベクトル
に沿って受信機の第一の速度を計算するのに使用され
る。受信機の第二の速度が受信機に組合わされた慣性標
準装置から受信される。衛星と受信機との間のベクトル
に沿った第二速度の成分が計算される。次いで、第一の
速度と、衛星と受信機との間のベクトルに沿った第二速
度の成分との差が所定値、即ちしきい値と比較される。
その差が所定値を越える場合には、サイクルスリップ誤
差が表示される。本発明の他の目的、特徴及び利点は、
図面を参照して本発明の好ましい実施例の以下のより詳
細な記載から明らかになるであろう。

【００１２】

【実施例】図面を参照して本発明を述べていく。図面で
は、同じ構成及び段階には同じ番号が付される。本発明
は、衛星を基地局とした航法システムにおいて、大きな
サイクルスリップを検知し、これによりシステムが短時
間でサイクルスリップから回復するための方法と装置に
関する。好ましい実施例において、ＮＡＶＳＴＡＲ地
球投影位置決定システム（ＧＰＳ）が使用される。上述
したように、図１において、ＮＡＶＳＴＡＲＧＰＳは２
１個の作動的な衛星１０２を備えており、この衛星１０
２は６個の軌道１０４内で地球の周りを回る。本発明
は、図２で示されているように独立した車両システム２
００について述べられる。代表的なＧＰＳの星座２０２
は、ＧＰＳデータを伝達する４個のＧＰＳ衛星ＳＶ₁−
ＳＶ₄を備えている。車両、例えば自走式鉱山トラック
２１０と基地局２２０は、各ＧＰＳアンテナ２１２と２
２２を用いて星座内の各ＧＰＳ衛星からのＧＰＳデータ
及び航法信号を受信するようになっている。ＧＰＳ受信
機はＧＰＳ航法信号を、受信機からの“視野内”（即
ち、交信視野内）にある衛星から受信することができ
る。例えば、“視野内の”衛星とは、水平線から少なく
とも１０度高い衛星として定義してもよい。１０度の角
度は、視野内の有用な衛星と、水平線以下となり視界か
ら見えなくなる衛星との緩衝域を形成する。

【００１３】星座は、ＧＰＳ受信機の視野内にある衛星
の中から選択された一群の衛星である。例えば、ＧＰＳ
受信機から見える６個の衛星からなる群から４個の衛星
を選択する。三角測量（以下で述べる）の幾何学を使用
することが好ましいので、４個の衛星が、通常選択され
る。基地局２２０は、既知の固定位置にあるＧＰＳ受信
機、即ち基準受信機を備えている。基地局２２０は、通
信チャネル２２５上で車両２１０と交信する。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。好ましい実施例において、通信チ
ャネル２２５はラジオトランシーバからなる。通信チャ
ネル２２５は、基地局２２０と車両２１０との間のデー
タを伝達するのに使用される。例えば、作動ＧＰＳシス
テムを実施する場合に、この伝達が行うことができる。
システム２００は、任意的に、一つ、又はそれ以上の疑
似ライト２３０を備えることができる。“疑似ライト”
は、ＧＰＳ衛星を犠牲するように地球の表面、或いは地
球の表面の近くに配置された伝達システムである。疑似
ライトは、固定された、既知の位置を有しているので、
ＧＰＳから出た位置推定値をさらに正確なものにするこ
とができる。本発明で述べられた記載をわかりやすくす
るために、ＧＰＳ衛星１０２（ＳＶ₁又はスペースビー
クルとも呼ばれる）のみを参照する。しかしながら、衛
星からの位置データが要求される場合に、疑似ライトデ
ータを代わりに使用してもよい。

【００１４】規定の通路に沿って車両２１０をガイドす
る仕事は、とりわけ或る地点に対する車両の現在位置の
正確な推定を必要とする。現在位置がわかると、車両２
１０は命令を受けることができ、次の目的地に進む。こ
の自動化された車両の作動を達成するために、車両２１
０は車両位置決定システム（ＶＰＳ）３００と航法シス
テム３０６とを備えている。これは図３に図示されてい
る。ＶＰＳ３００によって車両２１０の位置推定値（Ｐ
Ｅ）がかなり正確に決定される。航法システム３０６
は、ＶＰＳ３００から位置推定値を受ける。次いで、航
法システム３２０はこれらの正確な位置推定値を正確に
航法車両２１０に使用する。ＶＰＳ３００はＧＰＳ処理
システム３０２と慣性標準装置（ＩＲＵ）３０４とを備
えている。ＧＰＳ処理システム３０２は衛星１０２から
ＧＰＳデータ、即ち航法信号とＩＲＵ３０４から速度デ
ータを受信し、衛星１０２からの車両２１０の位置推定
値を計算する。ＩＲＵ３０４は、加速度計及びレーザジ
ャイロを用いて車両位置変化を追尾する。ＧＰＳ処理シ
ステム３０２はシステム２００の中央部である。図４を
参照すると、ＧＰＳ処理システム３０２は受信システム
４００とＧＰＳ処理機４０２とを備えている。受信シス
テム４００は、衛星からの航法信号を受信して解読す
る。次いで、ＧＰＳ処理機４０２は受信システム４００
からの情報を用いて、車両位置推定値を計算する。

【００１５】受信システム４００はＧＰＳアンテナ２１
２と、前置増幅器４０４及びＧＰＳ受信機４０６とを備
えている。アンテナ２１２は、スペクトル波長における
ラジオ周波数部分内での電磁放射線を受けるようになっ
ている。前置増幅器４０４は、選択されたＧＰＳ衛星か
ら送られ、ＧＰＳアンテナ２１２によって受信されたＧ
ＰＳ航法信号を増幅する。ＧＰＳ受信機４０６はＧＰＳ
航法信号を解読するマルチチャネル受信機であり、各選
択された衛星毎のコード疑似距離と天体位置概算データ
とを作りだしている。ＧＰＳ受信機４０６は各航法信号
の搬送波を追跡して各衛星毎のデルタ範囲を作り出して
いる。ＧＰＳプロセッサ４０２は、複数の衛星のコード
疑似距離、衛星位置及びデルタ範囲を用いて車両２１０
の位置推定値を計算する。好ましい実施例においては、
アンテナ２１２と前置増幅器４０４は一体化されて一つ
のユニットとして構成される。マグナヴォックス・アド
バンスド・プロダクト・アンド・とシステム社の部品番
号ＭＸ４２００を使用することで、アンテナ２０２／前
置増幅器４０４と受信機４０６とが組み合わされて利用
可能である。ＧＰＳプロせッサ４０２はモトローラ社か
ら入手可能なＭＣ６８０２０マイクロプロセッサを含ん
でいる。

【００１６】受信機４０６は、以下のように各衛星毎に
コード疑似距離を計算する。上述したように、ＧＰＳ衛
星によって伝達された各信号は連続的して、信号が伝達
された正確な時間で符号化される。信号が受信機４０６
で受信された時間を記録することによって、疑似距離時
間遅れが計算できる。この時間遅れに、信号の伝搬速度
（２．９９７９２４５９９８×１０⁸ｍ／ｓ）をかけた
時に信号を発している衛星から受信機までの疑似距離が
得られる。ＧＰＳ受信機４０６は、例えば捕捉を目的と
するために、暦を利用して大まかに、衛星の位置を決定
してもよい。衛星の位置をより正確に決定するために、
受信機はＧＰＳ航法信号を解読して、それから天体位置
概算データを引き出す。天体位置概算データは信号を発
している衛星の正確な位置を表す。使用者にとって、Ｇ
ＰＳ処理システム３０２は自動車両システム３０２の最
も重要な部分である。ＧＰＳ処理システム３０２は各Ｇ
ＰＳ衛星からの信号を受信し、処理の際に最も好ましい
衛星を選択し、各選択された衛星の正確な位置を決定
し、各衛星に対して疑似距離を決定して、この衛星位置
と疑似距離に基づいて最終的に受信機の位置を推定す
る。これらのことは全て、例えば大気、前置増幅器及び
受信機によって作り出されたノイズの非常に不正確とな
った受信データ（非常に減退した振幅の）を用いてなさ
れなければならない。ＧＰＳ処理システム３０２はカル
マンフィルタリングのみによってＧＰＳ航法信号からの
ノイズを取り除いている。

【００１７】カルマンフィルタは、ディジタルコンピュ
ータ（処理機４０２）上のソフトウェア又はファームウ
ェアを介して通常に行われる帰能的最小自乗アルゴリズ
ムである。好ましい実施例においては、カルマンフィル
タは、ノイズ信号が自然に連続していず、むしろ不連続
であるとの推定に基づいている。データとノイズの双方
はベクトル形式で作られており、このデータは帰能的に
処理される。カルマンフィルタは二つの機能を行う。第
一に、最初のデータからデータ推定値を外挿する。第二
に、現在のデータに基づいて外挿されたデータ推定値を
更新し純化する。例えば、車両速度Ｐ₁と速度Ｖ₁が時
間Ｔ₁においてわかっている場合には、フィルタ（外挿
の段階をおこなう）はＰ₁とＶ₁を用いて時間Ｔ₂にお
ける位置Ｐ₂を推定する。この後に（更新段階をおこな
う）、時間Ｔ₂において新しく得られたデータが使用さ
れて位置推定Ｐ₂を正確にする。外挿段階、或いは更新
及び純化段階のいずれかのためにカルマンフィルタに送
り出されるデータは、フィルタを“制約”するといわれ
ている。カルマンフィルタは当業者には公知である。カ
ルマンフィルタのより詳細な記載がアイオワ州立大学の
“カルマンフィルタ”と、自動制御上のＩＥＥＥトラン
ザクション第ＡＣ−２８巻第３番の“高性能ＧＰＳ航法
用の多種のカルマンフィルタ設計”で開示されている。
本明細書はこれら文献を先行技術とし、これら文献の記
載を本明細書の記述の一部とする。

【００１８】従来、カルマンフィルタは線形フィルタで
あるので、上述したような距離の方程式は直接解くこと
はできないが、第一に線形化される。即ち、最後にわか
った位置からの変化を計算するために式は微分され、各
式の微分係数が解かれる。例えば、時間Ｔ₁における第
一位置は、航法式を微分し、時間ｔ_i-1における最後に
わかった車両位置（ｘ_v，ｙ_v，ｚ_v）_i-1から位置
（Δｘ_v，Δｙ_v，Δｚ _v）変化を解くことによってＧ
ＰＳプロセッサ４０２により短時間で計算される。これ
により、距離の式の解法を非常に簡単なものにしてい
る。カルマンフィルタの他のものとして、自乗法天体位
置概算或いは最も適した多項式整合が使用されてもよ
い。疑似距離及び衛星位置から車両位置の推定値を計算
するための、ＧＰＳプロセッサ４０２によって使用され
た基本的な方法が、図５を参照して述べる。図５では、
車両２１０からみると、ＧＰＳ衛星ＳＶ₁−ＳＶ₄を備
えるサンプルの衛星星座２０２を示しており、。デカル
ト座標において、地球の中心に対して、衛星ＳＶ₁は位
置（ｘ₁，ｙ₁，ｚ₁）であり、衛星ＳＶ₂は位置（ｘ
₂，ｙ₂，ｚ ₂）であり、衛星ＳＶ₃は位置（ｘ₃，ｙ
₃，ｚ₃）であり、衛星ＳＶ₄は位置（ｘ₄，ｙ₄，ｚ
₄）であり、車両２１０は位置（ｘ_v，ｙ_v，ｚ_v）で
ある。

【００１９】各衛星のデカルト座標（ｘ，ｙ，ｚ）は、
衛星天体位置概算データを用いてＧＰＳ受信機４０６に
よって決定される。車両２１０各衛星との間のコード疑
似距離（ＰＳＲ₁，ＰＳＲ₂，ＰＳＲ₃及びＰＳＲ₄）
は、伝達時間の遅れを用いてＧＰＳ受信機４０６によっ
て決定される。少なくとも４個の衛星のこの情報が与え
られると、車両２１０の位置（即ち、受信機４０６）は
以下の４つの距離の式を用いて求められる。（ｘ₁−ｘ_v）²＋（ｙ₁−ｙ_v）²＋（ｚ₁−ｚ_v）
²＝（ＰＳＲ₁−Ｂ_cl _ock）² （ｘ₂−ｘ_v）²＋（ｙ₂−ｙ_v）²＋（ｚ₂−ｚ_v）
²＝（ＰＳＲ₂−Ｂ_cl _ock）² （ｘ₃−ｘ_v）²＋（ｙ₃−ｙ_v）²＋（ｚ₃−ｚ_v）
²＝（ＰＳＲ₃−Ｂ_cl _ock）² （ｘ₄−ｘ_v）²＋（ｙ₄−ｙ_v）²＋（ｚ₄−ｚ_v）
²＝（ＰＳＲ₄−Ｂ_cl _ock）² ここで、Ｂ_clockは時計の偏りである。

【００２０】“時計の偏り”は上述したような時計の誤
差を大まかに補正する零時振動修正要素である。これら
の式の中には４つの未知数が含まれる。即ち、ｘ_v、ｙ
_v、ｚ_v及びＢ _clockである。各衛星につき一個の式が
出る。このようにして、４個の衛星と、４つの未知数を
有しているので、これらの式で時計の偏り（Ｂ_clock）
と車両２１０の位置（ｘ_v、ｙ_v、ｚ_v）が解かれる。
ＧＰＳ位置推定の正確さは受信機４０６によって計算さ
れた疑似距離に大いに関係がある。上述したように、こ
れらの疑似距離は、大気要素、制限された利用可能性、
複数の星座誤差（反射）、時計の偏り、その他の種々雑
多なノイズ源によって大幅に精度が失われる。ＧＰＳプ
ロセッサ４０２によって疑似距離の正確さが増大し、搬
送位相技術を用いて位置推定の正確さが向上する。大き
なサイクルスリップ誤差が検出されて短時間で修正され
る。本発明は、ＩＲＵ３０４からの速度データを用いて
大きなサイクルスリップ誤差を検出する。視線ベクトル
に沿って衛星までのＩＲＵで計算された速度は搬送波に
基づいて計算した速度と比較される。この二つの速度の
差が所定値を越える場合に、サイクルスリップが生じた
と考えられる。サイクルスリップが検出されると、ＧＰ
Ｓ処理システム３０２は誤差を補正するように調整され
る。

【００２１】車両位置決定システム３００の好ましい実
施例が図６に示されている。ＶＰＳ３００はＧＰＳ信号
４０６、ＩＲＵ３０４及びＧＰＳプロセッサ４０２を備
えている。ＧＰＳ受信機４０６とＧＰＳプロセッサ４０
２はわかりやすく説明するために４個のチャネルを有す
るものとして示されている。しかしながら、好ましい実
施例においては、ＧＰＳ信号４０６とＧＰＳプロセッサ
４０２は４個以上（例えば６個）のチャネルを有してい
る。この付加チャネルによって、衛星が受信機を通過し
て受信機の視界に入ったり視界から消えたりするにつれ
て、よりスムーズに移行するようになる。更に、この付
加的な衛星はＧＰＳフィルタ６０６に余分の衛星データ
を提供することができる。ＧＰＳプロセッサ４０２の各
チャネルは、サイクルスリップ検出器６０２と疑似距離
フィルタ（ＣＦＩＬＴ）６０４とを備えている。ＧＰＳ
プロセッサ４０２はまたＧＰＳフィルタ６０６を含んで
いる。サイクルスリップ検出器６０２は、ＧＰＳ受信機
４０６から搬送波（デルタ距離）データ内の大きなサイ
クルスリップ誤差を検出する。各サイクルスリップ検出
器６０２は、ＧＰＳ受信機４０６から搬送データと、Ｉ
ＲＵ３０４から車両速度データと、ＧＰＳフィルタ６０
６からの衛星位置、時計の偏りと車両位置データとを受
信する。各サイクルスリップ検出器６０２は、サイクル
スリップ誤差を検出するときにサイクルスリップ誤差フ
ラッグを出力する。

【００２２】各疑似距離フィルタ（ＣＦＩＬＴ）６０４
は、入力として、ＧＰＳ受信機４０６から生ＧＰＳデー
タ（例えば、コード疑似距離、衛星位置、及びデルタ距
離）を受信し、大きなサイクルスリップが生じた場合に
は、対応するサイクルスリップ検出器６０２からサイク
ルスリップ誤差フラグを受信する。各疑似距離フィルタ
６０４はＧＰＳフィルタ６０６に正確になった疑似距離
を出力する。サイクルスリップ誤差フラグは、大きなサ
イクルスリップが生じたために搬送データが不正確とな
ることをフィルタ６０４に示す。疑似距離６０４の作動
とサイクルスリップ誤差フラグの処理は以下の通りであ
る。ＧＰＳフィルタ６０６は、ＧＰＳ受信機４０６から
生ＧＰＳデータと、疑似距離フィルタ６０４から正確に
なった疑似距離とを受信する。このデータに基づいて、
ＧＰＳフィルタ６０６は航法システム３０６に形成され
る正確な車両位置を出している。好ましい実施例におい
ては、ＧＰＳフィルタ６０６はカルマンフィルタであ
る。サイクルスリップ誤差を検出するための本発明の方
法が、図７に記載されている。段階７０２において、Ｇ
ＰＳ受信機４０６からのデルタ距離はサイクルスリップ
検出器６０２に受信される。現在のデルタ距離が得られ
ない場合には、段階７１４で終了する。現在のデルタ距
離が得られる場合には、段階７０４に進む。段階７０４
において、サイクルスリップ検出器６０２はデルタ距離
から車両速度（ＤＲＡＮＧＥＶＥＬ_i）を計算する。
デルタ距離から計算された速度が、衛星までの視線に沿
った衛星ＳＶ_iに対する車両速度である。段階７０４は
図８を参照して以下に詳細に述べる。

【００２３】段階７０６において、サイクルスリップ６
０２は、ＩＲＵ３０４から車両速度を受信し、衛星への
視線に沿って衛星ＳＶ_iに対する車両速度（ＩＲＵＶ
ＥＬ _i）を計算する。段階７０６は図９について以下の
通りに詳細に記載する。ＩＲＵが計測した速度とデルタ
距離が計算した速度との差（ＶＥＬＤＩＦＦ_i＝ＩＲ
ＵＶＥＬ_i−ＤＲＡＮＧＥＶＥＬ_i）が段階７０８
で求められる。段階７１０において、速度差（ＶＥＬ
ＤＩＦＦ_i）は所定のしきい値（ＭＡＸＥＲＲＯＲ）
と比較される。その差がしきい値を越える場合には、サ
イクルスリップが起きると考えられ、段階７１２内でフ
ラグがＡＤＲデータが不正確であると示すＣＦＩＬＴ６
０４に送られている。その差がしきい値を越えない場合
には、方法は段階７１４で終了する。図８は、デルタ距
離を用いて、衛星ＳＶ_iへの視線に沿って車両速度を計
算する段階７０４の方法を表している。このフローチャ
ートに使用された変数は表１に定義されている。

【００２４】

【表１】変数定義ＤＲＡＮＧＥＳＡＴ_i 時間Δｔ内の衛星と地球の相対的動きによる車両から衛星ＳＶ_iまでのデルタ距離ＤＲＡＮＧＥＣＬＫＢＩＡＳ Δｔ内の時計の偏りのためのデルタ距離ＤＲＡＮＧＥＭＥＡＳ_i 衛星ＳＶ_iの計測されたデルタ距離ＤＲＡＮＧＥＶＥＨ_i 地球に対する車両の動きによる衛星ＳＶ_iからのデルタ距離ＤＲＡＮＧＥＶＥＬ_i 衛星ＳＶ_iの方向（視線）の車両速度のベクトル成分の大きさ段階８０２で、値はＤＲＡＮＧＥＳＡＴ_i、ＤＲＡＮ
ＧＥＣＬＫＢＩＡＳ及びＤＲＡＮＧＥＭＥＡＳ_iで
計算される。ＤＲＡＮＧＥＳＡＴ_iは天体位置概算デ
ータとＧＰＳフィルタ６０６からの車両位置データを用
いて計算される。ＤＲＡＮＧＥＣＬＫＢＩＡＳはＧＰ
Ｓフィルタ６０６からのフイルタされた時計の偏りを用
いて計算される。ＤＲＡＮＧＥＭＥＡＳ_iは衛星ＳＶ
_iからの搬送波のサイクル数から計算されている。

【００２５】段階８０４において、ＤＲＡＮＧＥＶＥ
Ｈ_iの値はＤＲＡＮＧＥＳＡＴ_iの値とＤＲＡＮＧＥ
ＣＬＫＢＩＡＳの値をＤＲＡＮＧＥＭＥＡＳ_iから
引くことにより計算される。次いで、ＤＲＡＮＧＥＶ
ＥＬ_iの値は段階８０６で、ＤＲＡＮＧＥＶＥＨ_iを
搬送データが収集された時間間隔（Δｔ）で割ることで
計算される。図９は、ＩＲＵデータを用いて、衛星ＳＶ
_iへの視線に沿った車両速度を計算する段階７０６の方
法を示している。段階９０２において、時間間隔Δｔ内
の車両平均速度はＩＲＵ３０４から受信される。段階９
０４において、平均視線ユニットベクトル（ＬＯＳＶ
ＥＣ_i）が時間間隔Δｔの間に車両から衛星ＳＶ_iまで
計算される。視線ユニットベクトルは衛星位置（天体位
置換算データとＧＰＳ時間から）と、ＧＰＳフィルタ６
０６からの車両位置とを用いて計算される。最後に、段
階９０６では、衛星ＳＶ_iへの視線に沿った平均車両速
度ＩＲＵＶＥＬＳＡＴ_iは、平均車両速度（ＩＲＵ
ＶＥＬ_i）に視線ユニットＬＯＳＶＥＣをかけるこ
とによって計算される。サイクルスリップが検出され
て、サイクルスリップの誤差フラグが疑似距離フィルタ
６０４に送られると、フィルタ６０４は誤差フラグに応
答しなければならない。好ましい応答は、疑似距離フィ
ルタがＡＤＲデータに対して加重を減少させ（例えば、
確実性）、純化された疑似距離を計算する際にコード疑
似距離により加重を与えることである。しかしながら、
誤差フラグに対するフィルタの正確な反応はフィルタ６
０４の具現による。

【００２６】フィルタ６０４が、純化された疑似距離を
作り出すようにコード疑似距離と搬送データとを使用す
る方法は、本発明にとって重要なことではない。多くの
公知の方法のいずれかであればどれでも使用できる。例
えば、“一体化されたドップラーＤＧＰＳ航法アルゴリ
ズム”において、セノット他は搬送前置フィルタ（ＣＦ
ＩＬＴ）を用いて疑似距離とＡＤＲ観測との間のオフセ
ットを計算することを教えている。本質的には、各ＣＦ
ＩＬＴは、慎重な線形カルマンフィルタである。受信機
からの受信コード疑似距離Ｚ_psrは次の式によってモデ
リングされている。Ｚ_psr＝ｐ_free（ｔ）＋Ｔ（ｔ）＋Ｂ_SV＋Ｂ_tropo＋Ｂ
_iono ＋ｍ_code（ｔ）＋Ｗ_code（ｔ）受信機からのＡＤＲは次の式によってモデリングされ
る。Ｚ_psr＝ｐ_free（ｔ）＋Ｔc （ｔ）＋Ｂ_SV＋Ｂ_tropo−
Ｂ_iono ＋ａ（ｔ）＋Ｗ_carrie（ｔ）ここで、Ｐ_freeは、イデアルなＧＰＳ自由空間通路の遅
れ；Ｔ_userは受信機ＧＰＳシステム時計オフセット；ｍ
_codeはコードエンベロープマルチパス歪みによるパス遅
れ誤差Ｗ_codeはコード追尾ループ発色ノイズａ（ｔ）は受信機搬送サイクル数バイアス（アンビギュ
イティ）；Ｂ_tropoは対流圏疑似距離誤差Ｂ_ionoは電解層疑似距離誤差Ｂ_SVはＳＶ天体位置概算とＳＶ時計偏りと誤差との合計これらのコード疑似距離とＡＤＲとの間の差（Ｚ_K）は
次の式で表される。

【００２７】Ｚ_K＝Ｚ_psr−Ｚ_car ＝２Ｂ_iono−ａ（ｔ）＋ｍ_code（ｔ）＋Ｗ_code（ｔ）−Ｗ_carrie（ｔ）カルマンフィルタは次のように定義される。Ｘ₁ ^pre＝２Ｂ_iono（２倍のｉｏｎｏバイアス）Ｘ₂ ^pre＝Ｘ₁ ^pre（２倍のｉｏｎｏバイアスレート）Ｘ₃ ^pre＝ｍ_code（コードマルチパス誤差）Ｘ₄ ^pre＝−ａ_car（受信機搬送カウンタオフセット）これらの定義によりＺ_kは次のようになる。Ｚ_K＝Ｚ_psr−Ｚ_car＝Ｘ₁ ^pre＋Ｘ₃ ^pre＋Ｘ₄ ^pre
＋Ｗ_code−Ｗ_car ＣＦＩＬＴの出力時に、第一と第四の式が純化された疑
似距離を出すために使用されてもよい。Ｚ_fine＝Ｚ_car＋Ｘ₁ ^pre＋Ｘ₄ ^pre 次いで、正確な疑似距離を出す。Ｚ_fine＝ｐ_free＋Ｔ_user＋Ｗ_fine＋Ｂ_SV＋Ｂ_tropo＋Ｂ
_iono 前置フィルタ（ＣＦＩＬＴ）の疑似距離のサンプル作動
のより詳細な説明はスノット他を参照すればよい。

【００２８】ＣＦＩＬＴのカルマンフィルタにおいて、
観測モデルはＺ_K＝Ｈ_KＸ_K＋Ｖ_Kと状態モデルはＸ_K
＝Φ_k-1Ｘ_k-1＋Ｗ_k-1である。ここで、Ｚ_Kは可測パラメータ（コード疑似距離或いはＡＤＲ）Ｈ_KはノイズでＺ_KとＸ_Kを結合するマトリックスＸ_Kは時間（Ｋ）の間の疑似距離状態ベクトルＶ_Kはノイズモデル Φ_k-1は時間Ｋ−１の間のプロジェクションマトリック
スＸ_k-1は時間Ｋ−１の間の疑似距離状態ベクトルＷ_k-1は時間サンプルＫ−１の間のノイズモデルであ
る。サイクルスリップが検出器６０２によって検出される
と、誤差フラグがＣＦＩＬＴ６０４に送られる。いかに
ＣＦＩＬＴ６０４が具現されたかによって、様々の方法
で反応できる。例えば、ＣＦＩＬＴがセノット他の教え
に従ってなされる場合には、Φマトリックスはカルマン
フィルタを“開く”ように調整されることができる。開
くことによって、フィルタが変化するオブザーバブルに
対してより短時間で反応できることを意味している。こ
のことにより、フィルタがサイクルスリップをより短時
間で訂正できることになる。

【００２９】フィルタを開くことは、低減フィルタ効果
を減少させることになり、このために疑似距離の解は付
加的なノイズを含むことになる。しかしながら、このこ
とは受け入れ可能なことである。付加的なノイズにより
生じた疑似距離誤差はサイクルスリップにより生じた誤
差よりも小さいものである。本発明は幾つかの好ましい
実施例によって詳細に示されて述べられてきたが、形状
と説明における様々な変形例が請求の範囲に定義された
ように発明の精神と範囲から逸脱することなくなされる
ことは当業者にとって明らかなことである。

【図面の簡単な説明】

【図１】地球の回りの各軌道内のＮＡＶＳＴＡＲＧＰ
Ｓ衛星を表す線図である。

【図２】４個のＧ０Ｓ衛星と、疑似ライトと、基地局及
び独立した車両を含む自走式車両システムを表す線図で
ある。

【図３】本発明の自走式車両システムのブロック線図で
ある。

【図４】ＧＰＳ処理システムのブロック線図である。

【図５】地球の中心と、地球の表面に近い車両及びＧＰ
Ｓ衛星の星座との幾何的な関係を示す線図である。

【図６】本発明の車両位置決定システムのブロック線図
である。

【図７】本発明のサイクルスリップ検出器の作動を表す
フローチャートである。

【図８】デルタ距離を用いて衛星までの視線に沿った車
両速度を計算する方法を表すフローチャートである。

【図９】慣性標準装置からのデータを用いて衛星までの
視線に沿った車両速度を計算する方法を表すフローチャ
ートである。

【符号】

１０２衛星１０４軌道２００自走式車両システム２１０自走式高山トラック２１２、２２２アンテナ２２０基地局２２５通信チャネル２３０疑似ライト３００車両位置決定システム（ＶＰＳ）３０２ＧＰＳ処理システム３０４慣性標準装置（ＩＲＵ）３０６航法システム４００受信システム４０２ＧＰＳプロセッサ４０４前置増幅器４０６受信機６０２サイクルスリップ検出器６０４疑似距離フィルタ（ＣＦＩＬＴ）６０６ＧＰＳフィルタ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の衛星から受信機で航法信号を受信
する位置決定システムにおける搬送信号サイクルスリッ
プ誤差を検出する方法であって、（ａ）衛星から前記受信機で連続した搬送波を含む航
法信号を受信し、（ｂ）時間Δｔ内の前記搬送波のサイクルを計数し、（ｃ）前記時間Δｔと前記サイクル数から、前記受信
機と前記衛星との間のベクトルに沿って前記受信機の第
一の速度を計算し、（ｄ）前記受信機に結合された慣性基準装置から前記
受信機の第二速度を受信し、（ｅ）前記ベクトルに沿って前記第二速度の成分を計
算し、（ｆ）前記第一と第二の速度との差を計算し（ｇ）前記差と所定値とを比較し、（ｈ）前記差が前記所定値を越える場合には、サイク
ルスリップ誤差を表す段階からなる方法。
【請求項２】複数の衛星を有する、衛星が基地局とな
った航法システムを用いて地球の表面で、或いは地球の
表面の近くで受信機の位置を計算する方法であって、（ａ）時間ｔ₁と時間ｔ₂との間の時間長さΔｔの間
に、前記複数の衛星の各々から連続した搬送波を有する
連続した航法信号を車両で受信し、（ｂ）各航法信号毎に前記時間Δｔ内の前記連続した
各搬送波のサイクルを計数し、（ｃ）サイクルスリップ誤差の各サイクル数をモニタ
ーし、（ｄ）各航法信号によって形成された天体位置換算デ
ータに基づき時間ｔ₂における前記複数の衛星の各々毎
の衛星位置を計算し、（ｅ）前記航法信号の各々に基づいて時間ｔ₂におけ
る前記複数の衛星の各々毎にコード疑似距離を計算し、（ｆ）サイクルスリップが段階（ｃ）で検出されなか
った各衛星に対して、前記コード疑似距離と前記サイク
ル数から疑似距離を計算し、（ｇ）段階（ｃ）でサイクルスリップが検出された各
衛星に対して、前記コード疑似距離から疑似距離を計算
し、（ｈ）前記衛星位置と前記疑似距離から前記受信機の
位置を計算する段階とからなる方法。
【請求項３】前記各衛星毎にモニターする段階（Ｃ）
は、前記受信機と前記衛星との間のベクトルに沿って前記受
信機の第一速度を前記時間Δｔと前記サイクル数から計
算し、前記受信機と連結した慣性標準装置からのデータに基づ
いて前記ベクトルに沿って前記受信機の第二速度を計算
し、前記第一と第二の速度の差を計算し、前記差が所定値を越えるかどうかを決定し、越えている
場合には、サイクルスリップが前記衛星に生じたことを
示す段階とからなることを特徴とする請求項２に記載の
方法。
【請求項４】複数の航法衛星から受信機で航法信号を
受信し、各航法信号毎に搬送波のサイクルを計数する位
置決定システム内の搬送波サイクルスリップ誤差を決定
する装置であって、前記受信機の第一速度を、前記受信機と前記衛星との間
のベクトルに沿ってサイクル数のデータに基づいて各衛
星毎に計算する搬送手段と、前記受信機の動きに基づいて前記受信機の第二速度を測
定する慣性手段と、前記第一速度と前記ベクトルに沿った前記第二速度の成
分とを比較する比較手段と、前記第一速度と前記ベクトルに沿った前記第二速度の成
分との差が所定値を越える場合には、サイクルスリップ
フラグを発生するフラグ手段とからなる装置。
【請求項５】複数の衛星の各々から航法信号を受信
し、各衛星毎にコード疑似距離を計算し、各衛星毎に位
置を計算して各航法信号の搬送波のサイクルを計数する
ようになった受信機と、前記受信機から前記搬送波の前記サイクルを受信し、各
衛星毎に、前記受信機と前記衛星との間のベクトルに沿
って前記受信機の第一速度を計算する搬送手段と、前記受信機の動きに基づいて前記受信機の第二速度を計
測する慣性手段と、前記第一速度と前記ベクトルに沿った前記第二速度の成
分とを比較し、前記第一速度と前記ベクトルに沿った前
記第二速度の成分との差が所定値を越えたときにサイク
ルスリップ誤差フラグを発生させるフラグ手段と、前記コード疑似距離と、前記サイクル数と、前記サイク
ルスリップ誤差フラグとを受信し、各衛星毎に疑似距離
を計算する疑似距離フィルタ手段と、前記衛星位置と前記疑似距離とを受信し、それから前記
受信機の位置を計算するフィルタ手段とを備える、衛星
を基地局とした航法システムから受信した航法信号に基
づいて地球の表面に対して推定位置を計算する装置。