JPS62500323A - 大域的位置決めシステムにおけるデルタ航続距離処理方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 大域的位置決めシステムにおけるデルタ航続距離処理方法および装置 ｌ旦汝豆及 本発明は、それぞれが、２つ以北の航行信号を出す複数の衛工から成る大域的位 置決めシステムの精度を高める方法および装置に関する。

発明の背景 ＮＡＶＳＴＡＲ大域的位置決めシステム（ＧＰＳ）とは、連続する大域ベースで 、高精度の空間的位置と、正確な時間とを知らせることを目的とする衛星ベース の電波航法システムである。

１９８０年後期に５本システムが、全面作動するようになると。

６軌道面を周回する１８機の衛星、および３機の起動中の予備衛星で構成される ようになる。

各衛星は、２つの搬送周波数］、１　＝　１５７５．４２ＭＨｚと、Ｌ２＝１２ ２７．６ＭＨｚとで、ｐコード航続距離信号（１０，２３ＭＢＰＳ疑似ノイズコ ード）、ＣＩＡコード航続距離信号（１，０２３ＭＢＰＳ疑似ノイズコード）、 および衛星の位置推算暦とクロックバイアス情報とを与える５０８ＰＳデータか ら成る航行信号を連続伝送する。

不平衡直角移相キーイング（ＵＱＰＳＫ）変調を行って、航続距離コードにデー タビットを加え、Ｃ／Ａコード信号を、Ｐコード信号により９０°だけ遅相させ るとともに、Ｃ／Ａコード信号の定格電力を、ｐコード信号より３ｄＢだけ大き くする。

ＧＰＳによる航行は、受動三角ｉ！ＩＩＩ址法により達成される。

ＧＰＳユーザ装置は、４機の衛星への疑似航続距離（Ｐｓｅｕｄｏ−Ｒａｎｇｅ ）を測定し、受信した位置推算暦データを用いて、該衛星の位置を計算するとと もに、疑似航続距離測定結果と、衛星の位置とを処理することにより、ユーザの 空間的位置と。

正確な時間とを割り出す。

ＧＰＳ受信器信号処理作業を、３分割、すなわち、　ＲＦ信号処理、同相（Ｉ） ・直角位相（Ｑ）信号の算定、および前記Ｉ、　Ｑ信号の後処理に分けて、コー ド・搬送波追跡機能、データ復調機能、ＳＮＲ算定機能、順次検出機能、および ロック検出機能を実行できるが、通常は、アナログ信号処理法により実行する。

Ｉ１０発生機能を実行する３通りのデジタル信号処理（ＤＳＬ’）技法、および 後処理機能を実行するＤＳＰアルゴリズムを説明したマーク・エイ・スターザ（ Ｍａｒｋ＾、　５ｔｕｒｚａ）によるｒＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌ　Ｐｒｏｃ ｅｓｓｉｎｇ　Ｔｅｃｂｎｉｑｕｅｓ　Ｆｏｒ　ＧＰＳ　ＲｅｃｅｉｖｅｒｓＪ 　と称するアナログＲＦ信号処理に関する小論文は、　ＮＴＣ’８３■且１９８ ３　Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｔｅｌｅｓｙｓｔｅｍｓ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　Ｐａ 　ｅｒｓ（１９８３年１１月）に記載されている。

一定の時間幅にわたる搬送波の位相差から、デルタ航続距離（Ｄｅｌｌ：ａ−Ｒ ａｎｇｅ、　ＯＲ）を測定する。観測中の衛星の位置変化から、デルタ航続距離 コードにより１位置を割り出せるが、先行技術では、デルタ航続距離測定結果を 処理し、大域的位置決めシステムを用いて、受信器の位置を妥当な精度でめるま でに、約２４時間を要する。

本発明の目的は、大域的位置決めシステムを用いて、受信器の正確な位置をめる 所要時間を短縮することにある。

見旦匹ＩＬ 本発明では、複数の所定時間幅にわたるデルタ航続距離測定を、改良構成で代行 している。

この改良構成によると、通常１秒間に測定された第１砂目の航続距離側定値を累 算し１次に、第１砂目と第２砂目との測定値を累算し、続いて、第１砂目、第２ 砂目および第３砂目の測定値を累算するという具合に、以下、同一要領で累算す る。

すなわち、本発明の真意は、各新時間幅および全周時間幅の全デルタ航続距離測 定値を累算することにより、各時間幅における測定時に発生する多くの誤りを除 去することにある。

前のデルタ航続距離測定情報を最新測定値に加算することにより、大域的位置決 めシステムで、受信器の位置を、はるかに短時間で決定できる。

例えば、大域的位置決めシステム、および本発明を用いると、８時間以内に正確 な位置をめられる。これは、従来の３分の１以下に短縮できたことになる。

阿画の説明 以下の詳細な説明、および図面から１本発明の利点がより良く理解できよう。

第１図は１本発明による改良型大域的位置決めシステムのデルタ航続距離処理装 置のブロック線図である。

丸諺実施例の逸匪 ＧＰＳ受信器は、ＧＰＳ搬送波で変調さ九た疑似ランダムノイズ（ＰＲＮ）コー ドをトラッキングして、疑似航続距離（ＰＲ）、すなわちＧＰＳ（ｉ号の送受信 時間差を測定する。フェーズロックループ（ＰＬＬ）で測定した、通常１秒間で ある一定時間幅にわたる搬送波の位相差から、デルタ航続距離（ＤＲ）を測定す る。

ＰＲおよびＤＲと、ユーザ位置誤差Ｒｕ、速度誤差Ｖｕ、およびユーザクロック 周波数オフセラ１−１即ちＢｕ、Ｊ’：＞よびΔＢｕとの関係を、次式１．１乃 至１．５に示す。

ＤＲ２＝ＤＲ２−ＤＲ；＝（１埜−１７−１）・Ｒ＋ｕ＋　功、■：＋ΔＢ：　 １．５より　時間し、におけるユーザ・第ｉ衛星間ＬＯ３゜ＲｆＪＳｊ衛星の位 置。

ＰＲ，時間ｔ、における第ｉ衛星までの疑似航続距離。

ＤＲ，時間ｔ、における第ｉ衛星までのデルタ航続距離。

Ｂｕ　ＧＰＳ時からのユーザクロックオフセッ１〜。

ΔＢ　１秒間におけるユーザクロックオフセット変化。

１、Ｏ８は、衛星の仰角と第位角とを組み入れた視線ベクトル（Ｌｉｎｅ　ｏｆ 　ＳｉｇｈＬ　Ｖｅｃｔｏｒ）の略である。

静点を定めると、ユーザ速度は、ゼロになるため、式１．５は次式になる。

ＧＰＳ衛星へのＬＯＳベクトルは、１秒では激変しないため、航行解式の形状を 改善するには、長時間にわたるデルタ航続距離を累算することにより、新たな測 定変数、累算デルタ航続距離（ＡＤＲ）を形成すると良い。

デルタ航続距離は、搬送波追跡フェーズロックループから得られる２相測定値の 差から形成されるため、デルタ航続距離を累算して新たな測定値を形成しても、 測定誤差は増加しない。

火中、ｎｋは、サイクル整数、φ１は、移相の各部分サイクルのラジアン数１． に−１は、１秒前のサイクル整数、φに−１は１秒前のサンプルの部分サイクル のラジアン数である。

これらのデルタ航続距離の差が加算されるため、最後の累算デルタ航続距離には 、開始からｎ’時の最後の測定に至る全情報が含まれる。

位相謂定誤差を、 ２　２　Ｅ［φ５φｊ］＝Ｏｊ≠ｋ Ｅ　［φ　コ　＝σφ Ｅ　［φコ　＝０ とすると、 隣接するデルタ航続距離の測定には、共通の位相測定が含まれるため、これらに 付随する位相誤りは、累算デルタ航続距離測定値には含まれない。

デルタ航続距離の平均誤りはゼロであるが、隣接する時間幅間で相関している。

一方、累算デルタ航続距離は、共通のバイアス誤り、初期搬送波位相誤りを共有 しているが、これ以外では、サンプルは相関していない。

累算デルタ航続距離の測定式は１次のようになる。

Ａ石Ｒｋ＝ＡＤＲｋ−Ａ８Ｒｋ＝（１に−１９）・ｉｋ＋静−π０１．１１位置 誤りを算定する衛星の形状寸法は１時間の経過とともに改善される６各泪り定は 、別々に行われるため、各追跡衛星から得られる累算デルタ航続距離を、１秒単 位で処理でき。

先行例のような疑似航続距距隨測定値を処理する場合に比して、位置を、はるか に正確に決定できる。

式１．１０に示すように、１秒毎に出される累算デルタ航続距離側定値は、互い に独立しており、１秒デルタ航続距離測定値と同一の測定ノイズを有している。

４機の衛星から得ら九る４つの累算デルタ航続距離データを、秒単位で発生させ 、カルマン（Ｋａｉｍａｎ）フィルタを用いて最適処理することにより、ユーザ 機位置および衛星誤りを算定できる。

公知のとうり、カルマン・フィルタは、２つ以上の変数入力を受信し、これら変 数を処理して、その関数を出力する装首である。例えば、圧力と温度とが既知入 力である場合は、この情報をカルマン・フィルタに送り、高度を表わす出力を出 せる。

これと同様に、４機の衛星から得られる累算デルタ航続距離測定値をカルマン・ フィルタに送り、受信局の位置を表わす出力を出す。

；（ｉ　＋）重大な誤り源は、衛星の位置推算暦誤り、および刻時誤りである。

表１に示すように、４つのユーザ位置１および刻時周波数オフセット状態の他に 、各衛星イノ）に、追加の４状態を加えることにより、前記誤りをモデル化でき る。観測式は、次のようになる。

ＡＤＲｋ＝　（１２−上り・（虱−１５）＋πｉ−πニーπｈ＋ｉ旧　１．１２ 刻時誤りを、衛星Ｑｔ位の一つの刻時オフセラ１−項にまとめ、累算期間中のユ ーザと衛星の相対的刻時誤りの変化を算定する。

表　１　カルマン・フィルタ状態 さらに、前記項にノイズ項を入れて、大気の影響がもたらす航続距離誤りをモデ ル化できる。

相対的クロックオフセットＢは、ユーザ刻時周波数オフセラ１〜を毎秒概算して 、伝播される。

状態伝播　へＢＩ５＋１＝Δρ＋ΔＢｋ１．１４副定式を、ベクトルで表わすこ とができる。

次式は、追跡した第２衛星のベクトルである。

Ｔ　ＴＩＴ　Ｔ’　Ｔ　−ｔ、ｔ５ ＡＤＲ＝［Δ１　ｏＨΩ：１−ｕｏｉΩ：Ωコ２　−Ｎ 式中、ＵＮは、ローカルレベル座標に示した’ｔｊｍ・ユーザ間のデルタＬＯＳ ベクトル（ｉｋ−１°）である、己。は、軌道フレーム座標に示した同様のバク １−ルであるが１選択された第２６ＰＳ衛星を対象とするものであり、Ｘｏで軌 持周回方向を、Ｙで径方向を、Ｚｏで軌持直交を示す。

曲記カルマン・フィルタを用いて、累算デルタ航続距離を処理すると、■）−コ ードユーザについても、　ＧＰＳで通常得られるより、はるかに高精度に位１１ １決めできる。

２時間低空追跡すると、２乗和平方根（Ｒ３Ｓ）位置誤差は。

１．０ｍＲ３５台に下がり、引き続き徐々に改善されて、約７時間後には、約０ ．３１１ＩＲ５Ｓに達する。高度が高いと、衛星の形状寸法の違いにより、位置 精度は若干低下するが、約５時間で、約ｌ　ｍＲ３５を達成できる。

第１図に、アンテナ（１２）を介して、大域的位置決めシステムを構成する衛星 から伝送された航行信号を受信する受信器（１０）を示す。

伝送４８号は、大域的位置決めシステムの受信器（１６）で追跡するへき最も望 ましい衛星を選択する衛星選択回路（１４）に送られる。

所望衛星を選択する度に、その記憶装置（１８）は、ゼロにセラ１−され、記憶 情報をクリアする。次に、大域的位置決め受信器は、選択した特定衛星を追跡し 、各衛星から搬送周波数信号を受信する。

前記各信号の位相を測定してから、記憶装置（１８）に、その変呈を記憶するが 、好適実施例では、１秒間隔で記憶する。

最初の１秒間でめた第１デルタ航続距な情報を、第２の時間幅で得られたデルタ 航続距離情＋ｄと累算するという具合に、以下同じ要領で、記憶装置（１８）で ４１す定値を累算する。

記憶装置（１８）の出力を、カルマン・フィルタ（２０）に印加すると同時に、 記憶装置（１８）の入力端に戻すことにより、累算デルタ航続距離情報を形成す る。

各時間中に、記憶装置Ｈ（１８）の出力を、その入力端に再印加する工程を繰り 返して、デルタ航続距離情報を累算する。

カルマン・フィルタの出力端（２２）の位置情報が所望精度を示すまで、上記工 程を所望回数繰り返す。

上記の説明から、ソフトウェアまたは第１図のブロック線図に示すようなハード ウェアを利用することにより、本発明を実施できることが理解されよう。

ｄ 国際調査報告

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）それぞれが、少くとも２つの搬送周波数信号を発する複数の衛星から成る 大域的位置決めシステムから受信した情報を強める方法であって、 （ａ）選択された複数の衛星を識別する過程、（ｂ）各選択された衛星の累算デ ルタ航続距離情報を記憶する情報記憶装置を、ゼロにセットする過程、（ｃ）選 択衛星を追跡する過程、 （ｄ）前記衛星から、前記搬送周波数信号を受信する過程、（ｅ）前紀信号の位 相を測定する過程、（ｆ）所定時間幅の前記信号の位相の変量を、前記記憶装置 に記憶することにより、各衛星に対するデルタ航続距離測定値を形成する過程、 （ｇ）各衛星の前記累算デルタ航続距離情報を、工程（ｆ）で得られたデルタ航 続距離測定値に加算することにより、デルタ航続距離測定値を累算する過程、（ ｈ）前記入力情報を受信して、前記情報を出すフィルタにかけて、前記累算デル タ航続距離情報を処理することにより、位置情報である出力情報を出す過程、お よび（ｉ）前記位置情報が純化されて所望精度になるまで、前記過程（ｆ），（ ｇ）および（ｈ）を繰り返す過程から成ることを特徴とする方法。
2. （２）過程（ａ）で、４機の衛星を選択することを特徴とする請求の範囲第（１ ）項に記載の方法。
3. （３）過程（ｆ）の所定時間幅が、１秒であることを特徴とする請求の範囲第（ １）項に記載の方法。
4. （４）過程（ｈ）のフィルタが、カルマン・フィルタであることを特徴とする請 求の範囲第（１）項に記載の方法。
5. （５）それぞれが、少なくとも２つの搬送周波数信号を発する複数の衛星から成 る大域的位置決めシステムから受信した情報を強化する装置であって、 （ａ）発出信号を受信するべき複数の衛星を選択する手段、（ｂ）記憶手段、 （ｃ）前記各記憶手段をゼロにセットする手段、（ｄ）前記選択された衛星から 、前記搬送周波数信号を受信する手段、 （ｅ）前記衛星から受信した前記搬送周波数信号の位相を測定する手段、 （ｆ）所定時間幅にわたる前記位相の変化を測定する手段、（ｇ）前記位相変化 を前記時間幅にわたって、前記記憶手段に入力することにより、各衛星のデルタ 航続距離測定値を求る手段、 （ｈ）各衛星の累算デルタ航続距離情報を前記デルタ航続距離測定値に加算する ことにより、前記デルタ航続距離測定値を累算する手段、および （ｉ）前記各選択衛星から得られる前記累算情報を処理して、位置情報を表わす 出力を出すフィルタから成ることを特徴とする装置。
6. （６）複数の衛星が、４機の衛星を含むことを特徴とする請求の範囲第（５）項 に記載の装置。
7. （７）時間幅が、１秒間であることを特徴とする請求の範囲第（５）項に記載の 装置。
8. （８）フィルタが、カルマン・フィルタであることを特徴とする請求の範囲第（ ５）項に記載の装置。