JPWO2020253922A5 - - Google Patents
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Description
本発明は、位置特定における誤差及びインテグリティを評価する方法並びに該方法を実行する制御手段及びコンピュータープログラム・プロダクトに関する。
車両の絶対的地理的位置は、今日、グローバル・サテライト・ナビゲーション・システム(GNSS)の受信手段を用いて特定され、これを以下、GNSS測定と記述する。更に、車両の相対的な動きは、車両に搭載されている慣性(IMU)センサやオドメトリ(ODO)センサを用いて特定される。
第一に、該GNSSシステムは、コードレンジングとも呼ばれる伝搬時間測定により受信手段の位置の測定を可能にする。第二に、ドップラーシフトにより、受信手段の速度の測定を可能にする。
センサフュージョンの一環として、より精度が高く、より多くの利用可能な位置特定を得るために、GNSS、IMU及びODO測定を融合することが可能である。センサフュージョンは、通常、カルマンフィルタや粒子フィルタによって実現される。
GNSS測定の誤差検知のために、「Receiver Autonomous Integrity Monitoring(RAIM)」や「Fault Detection and Exclusion(FDE)」と言った既知の方法が存在している。これらの方法は、GNSS測定中、通常、最低限必要な四つ以上の利用可能な衛星信号が提供されていると言う事実を、応用している。障害を検出し排除する(Fault Detection and Exclusion)には、少なくとも六機の衛星を使用できる必要がある。他には、「Code Minus Carrier」や「Double-Delta Correlator」と言った、GNSSマルチパスを検出するための方法が存在している。
車両内でのGNSS測定においては、従来の技術によって認識できない突発的な誤差が必然的に発生する。これが、信頼性のレベルを制限するとともに、その結果として、GNSSを用いて割出された位置決定のインテグリティを制限する。
位置特定(以下、場所の決定の意味としてのみならず速度や加速の特定の意味としても解される)では、緩慢に変化する誤差と急速に変化する誤差が現れる。急速に変化する測定誤差の原因としては、第一に、特に受信手段が動いている場合、Non-Line-of-Sight(NLOS)と呼ばれる無線信号の伝播パスが挙げられ、第二には、異常に急速なクロックドリフトなど、偶発的なハードウェアやソフトウェアの誤差といったGNSS衛星における誤差も、挙げられる。
上記のNLOS信号は、受信手段の直ぐ近くにおける、例えば、建物などでの無線信号の反射と拡散によって発生する。望まれないNLOS信号と望まれる直接的な「Line-of-Sight(LOS)」信号とのオーバーラップ形態は、多種あり、分類することができる。この様なオーバーラップ形態の多くは、多重波伝播(マルチパス)と言う用語で説明される。
フィルタリング・メソッドを組み合わせる場合、それぞれ関与しているセンサの誤差が、誤った位置特定の要因となりうる。この場合、GNSSのNLOS信号に加え、慣性センサ手段のドリフトやオフセット、並びに、オドメトリのオフセットなども、誤差の要因として挙げることができる。特に、カルマンフィルタを対策として用いる場合、望まれない経時的な誤差の伝播が見られる。
上述のGNSS誤差検出手段であるRAIMとFDEは、原則的に、GNSS信号の分離された観察に限定されているが、これが、共通モード故障(Common Mode Failure)の検出を制限している。また、RAIMとFDEは、複数の衛星に同時に不具合がある場合、検出に弱点を有している。
よって本発明は、位置特定において、誤差及びインテグリティの改善された評価を達成すると言う課題に端を発している。この際好ましくは、GNSS測定における急速に変化する誤差、特に、マルチパス伝播、及び/又は、慣性センサ手段、乃至、オドメトリの測定における誤差に起因するものを検知し、これにより、割出された車両ポジションのインテグリティを高めることが達成される必要がある。
本発明によれば、上記目的は、独立請求項に記載されている特徴によって達成される。尚、好ましい発展形態は、従属請求項の対象である。請求項も、明確な参照により、その部分に関して、明細の内容の一部とする。本発明のある観点によれば、位置特定における誤差及びインテグリティを評価するための方法は、衛星ナビゲーションシステムを用いた時間離散時間的伝搬時間測定によって、ポジション値を測量し且つ受信手段の時計誤差を算出することを包含している。該ポジション値は、好ましくは、個々の測定のそれぞれについて、GNSS信号の伝搬時間の測定および光速との乗算により割出される三次元の座標系における位置情報を包含している。ポジション値の履歴は、後のプロセスステップにおいて用いる事ができる様に、好ましくは、保存される。
コードレンジングや擬似距離などとも呼ばれることが多い伝搬時間測定は、衛星アンテナの位相中心からのGNSS信号の発信から、受信アンテナの位相中心における該信号の受信までにかかる時間の差が測定されることと解釈されることが好ましい。光速と乗算することにより、双方の間の間隔が得られるが、その間隔は、衛星の時計と受信手段の時計が同期されていないため、かなりの不正確さを内包している。GNSS信号は、搬送信号と該衛星のエフェメリスデータに加えて、受信手段側も有しているコードであって、衛星から受信した該コードと同期するまでシフトさせるコードも包含している。このシフトが、測定される伝搬時間に相当する。
一般的に、擬似距離とは、決定的な不正確さファクタが含まれている場合に測定によって得られる衛星と受信手段との間の距離である。光速が、大きな値を有しているため、伝搬時間測定では、小さな時計誤差でも、大きな違いにつながり、これは、離散時間的伝搬時間測定によって測量されるポジション値においても同様である。数学的には、時点iにおける擬似距離PRは、PR_i=r_i+e_RecClock_i+e_other_i+e_MP_iと記述できるが、式中、r_iは、衛星と受信手段の実際の距離、e_RecClock_iは、受信手段時計誤差、e_other_iは、電離層、ノイズ、衛星時計誤差など他の誤差、そして、e_MP_iは、マルチパス乃至NLOS誤差など、急速に変化する誤差をそれぞれ示しているが、これらは、時点iにおける値である。「e_RecClock」誤差は、毎擬似距離測定後に受信手段において数学的に算出、乃至、推定される。誤差項は、正の値も、負の値も取り得る。
本発明に係る方法の更なるステップは、衛星ナビゲーションシステムを用いた離散時間的伝搬時間測定によって後の時点における、好ましくは、最新の時点における第一擬似距離の測量を包含している。時計誤差は、四機のGNSS衛星を用いる事が出来る限り、例えば、既知の方法によって割出されることができる。時計誤差は、好ましくは、時計誤差に相当する時間差と光速との乗算によって得られる距離に換算される。第一擬似距離により、測定によって得られた比較値が準備された状態になる。
比較を可能にするため、予測値としての第二擬似距離が、用意される。そのために、後の時点に対応付けられる受信手段のポジション値が、軌道に基づいて補外される、即ち、該軌道が1タイムステップ分、理論的に前に進められる。該軌道は、連続的に、又は、離散的な時点についての、受信手段の経過してきた移動パスを再現する。更に、後の時点の時計誤差も、時計誤差のそれまでの推移から補外される。これは、後の時点以前に算出された若干数の時計誤差に基づいて実行されるが、その数は、可変乃至一度だけ決められたものにすることができる。
加えて、本方法は、受信手段の補外されたポジション値と衛星ナビゲーションシステムの衛星の位置との間の距離の割出しも包含している。補外されたポジション値の基礎になるものを、上述の如く、離散時間的伝搬時間測定によって測量されたポジション値が形成する。従って、補外されたポジション値、即ち、後の時点に対応付けられた推定のポジション値は、衛生が他端を形成している実際の距離の一端を形成し、その衛生の位置は、例えば、伝達されたエフェメリスデータから分かっている。該衛星とは、好ましくは、直接的信号伝達に用いることができる衛星から任意に選択された衛星のことである。
受信手段の補外されたポジション値と衛星の位置との間の距離から第一擬似距離用の比較値を得るため、補外された時計誤差、即ち、後の時点に対応付けられた推定の時計誤差が、割出された距離に加算される。この際、上述の如く、補外された時計誤差は、距離として表現されることが、理に適っている。この様にして得られた第二擬似距離は、第一擬似距離と比較される。
言い換えれば、本発明に係る方法では、受信手段の位置と受信手段の時計誤差の推定値乃至それらの予測が、形成され、それに対応する擬似距離が算出される。予測された擬似距離は、測定された擬似距離と比較されることで、簡潔、リーズナブル、且つ、効率の良い方法で、特定の衛星の伝搬時間測定の誤差とインテグリティに関する、より優れた品質の度合が得られ、且つ、特に好ましくは、急速に変化する誤差が認識されるようになる。該方法は、好ましくは、衛星ナビゲーションシステムの他の衛星に対しても反復される。
従来のFDE法の場合とは異なり、本発明に係る方法における誤差評価及びインテグリティ評価は、複数の衛星のデータを用いて受信手段の位置が算出される位置連立方程式を解く前に実行されるので、計算労力が低減されることになる。
「Code-Minus-Carrier」のメソッドとは対照的に、この誤差評価及びインテグリティ評価は、例えば、他を交えずに発生する多重波伝搬、又は、直接的な信号パスに加わるようにして発生する多重波伝播などと言ったNLOS伝播パスの誤差タイプとは無関係である。
尚、ここで言う「受信手段」は、車両であるか、或いは、「受信手段」が車両内に配置されている、乃至、固定的に組み込まれていることが好ましい。
軌道は、衛星ナビゲーションシステムを用いた離散時間的伝搬時間測定によって後の時点より以前に測量された若干数のポジション値から形成される、及び/又は、周辺把握センサ、特に好ましくは、カメラ、レーダ、及び/又は、ライダのデータから抽出される。周辺把握センサの使用も可能である。というのも、これにより、既知の絶対ポジションを始点とし、動きを捕捉することにより、軌道を先に進めることができるからである。
尚、該「後の時点」は、現時点に相当していることが好ましい。これに対して、ポジション値の測量と受信手段の時計誤差の算出は、前の時点、即ち、後の時点よりも前の過去に実行される。これらの時点は、好ましくは等間隔に刻まれている、即ち、離散時間的伝搬時間測定および好ましくは後の時点も、それぞれ、それ以前の時点から、時間的に同じ間隔だけ離れている。要するに後の時点は、一連の測定時点の後の、特定のタクトに続く次のステップであることが好ましい。尚、該タクトは、受信手段の走査速度に相当していることが好ましい。
ある好ましい実行形態によれば、後の時点における受信手段のポジション値を補外するために、一つのポジション値差が、以前に測量されたポジション値のポジション値差から導出される。要するに、あるポジション値から他のポジション値への変化を観察することで、そこから後の時点におけるポジション値を推定する。
受信手段のポジション値の補外が、さらに、慣性モデル、慣性センサ手段(IMU)の測定、オドメトリセンサ類の測定、及び/又は、衛星ナビゲーションのドップラー測定に基づいているということは、好ましい実施形態である。慣性センサ手段は、通常、加速とヨーレートを測定するセンサ類を包含し、一方、オドメトリは、駆動システムのデータ、例えば、車輪回転数、及び/又は、操舵の動きを測定することにより、独自の位置特定を可能にしている。
受信手段の時計誤差の補外は、ある好ましい実行形態によれば、温度測定、クロックドリフトに関して保存されている情報及び/又は時計用水晶に関して保存されている情報に基づいていることで、時計誤差を、より正確に特定することができる。
尚、受信手段の時計誤差の補外は、既に上述した如く、時計誤差と等価である距離値として実行されることが好ましい。
ある好ましい該方法の実行形態によれば、受信手段の補外されたポジション値(P‘ 0 )と衛星(S 0 )の位置との間の距離(r‘ 0 )の割出しにおいて、衛星の位置(S 0 )が、衛星信号によって伝達される衛星のエフェメリスデータから割り出される。
好ましくは、第一擬似距離の、第二擬似距離との比較には、差を取ることが含まれる。差の大きさ(量)は、変数として保存される、乃至、送信されることができる、又は、好ましくは、そのまま更なる対策の出発点として使用されることができ、それらの対策により、衛星の伝搬時間測定の、実際に割出されたインテグリティ若しくは不正確さへの対応がなされる。差の量が大きい場合は、例えば、差し当たってその衛星を受信手段の位置の特定から除外することが理に適っている。
好ましくは、基準値に対して相対的に小さな差の量には、高い品質の度合が、そして、大きな差の量には、低い品質の度合が対応付けられ、相応しい品質の度合が定められる。これにより、品質に対する統一的な尺度を提供する事が出来る。
ある好ましい実行形態によれば、例えばマルチパス伝播に起因する間接的に受信される信号がチェックされ、基準値に対する品質の度合の急速な変化は、間接的な信号受信に関する間接証拠として評価される。
本発明の更なる観点によれば、上述の方法を実行するために構成された制御装置が提供される。
該制御手段は、好ましくは、メモリとプロセッサーを有し、上記方法がコンピュータープログラムとして該メモリ内に実装され、該コンピュータープログラムが、該メモリから、該プロセッサーにロードされた際に、該プロセッサーが、該方法を実行することができる様に構成されている。
該制御装置のコンピュータープログラムは、好ましくは、あるコンピューター上、又は、上記の手段のうちの一つにおいて該コンピュータープログラムが実行された場合に、上記方法の全てのステップを実行するために、プログラムコード手段を包含している。
本発明の更なる観点によれば、あるコンピュータープログラム・プロダクトは、コンピューターによって読み取り自在なデータメディア上に保存され、あるデータ処理装置上において実行される場合、上記方法のうちの一つを実行するプログラムコードを包含している。
本発明の上記の特性、特徴、長所、並びに、それをどのようにして達成するのかと言った形態と方法は、図面によってさらに詳しく説明される実施例の以下の記述によってさらに明確かつ的確に理解できるであろう。
図1は、空間軸X,Y平面上の二次元的で例示的な図であって、受信手段と衛星の動き及び特定の時点におけるそれらの間隔の図を概略図で示すものであるが、その受信手段は、車両に内蔵されており、車両の動きが受信手段の動きと同一視されている。符号は、それぞれ、時間インデックスiを包含しているが、iは、スキャン時点を示している。また、-N,-2及び-1は、測定が実行される過去の対応する時点を表している。それらに対して後の時点は、現時点に対応し、i=0と表される。示されている衛星は、任意の衛星の象徴であり、異なる時点「i」において、それぞれポジションS -N ,S -2 ,S -1 ,S 0 を取る。
ポジション値は、受信手段の位置に対応しているが、Pは、P -N ,P -2 ,P -1 によって記述される。これらは、例えば、NAVSTAR GPS,Galileo,GLONASS又はBeidouと言った衛星ナビゲーションシステムを用いた離散時間的伝搬時間測定によって得られる。相応にu -(N-1) まであるベクトルu -1 ,u -2 は、それぞれ二つのポジション値の差を示す位置変位を表している。位置変位の度に、本実行形態では、受信手段と衛星の間の距離r -N ,r -2 ,r -1 も変化する。i=0となる後の時点に対しても、ポジション値P 0 と衛星までの距離r 0 が特定され、その距離から、実際に測定された時計誤差Δt 0 の加算により、第一擬似距離が、測定された距離として割出される。
それまでの位置変位に基づき、論理的な継続によって、次の、即ち、最新の、乃至、現在の走査時点の位置変位についての推定値u‘ 0 が、推定される。こうして、移動履歴を用いて、受信手段の最新のポジション値P‘
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の推定(ここではそれらに共通してアポストロフィをつけて示している)が得られる。その際、付加的情報として車両の慣性モデル、慣性センサ手段の測定、オドメトリセンサ類の測定、及び、衛星ナビゲーションのドップラー測定も使用される。
受信手段の時計誤差、言い換えれば、該時計と衛星時計との時間差に対しても、推定が実行される。この際、対応する時間差Δt‘ 0 を補外するために、最近測定された時計誤差の履歴が、参照される、但し、これは、後の計算を容易にするために、距離に等価なものとして表される。付加的に、補外においては、クロックドリフトや時計用水晶、温度測定に関する保存されている情報も考慮される。
続いて、これらの推定された情報から、衛星と受信手段間の実際の距離r‘ 0 が、算出されるが、「実際の距離」と言う用語は、該距離が、時計誤差や電離層誤差、衛星測位の際によくあるその他の誤差を含んでおらず、これは、この距離が、二点間の隔たりとして算出されることによるものと解釈されるべきである。同様に推定された時計誤差Δt‘ 0 の加算により、第二擬似距離が、提供される。推定された、即ち、第二擬似距離を生成するためには、時計誤差Δt‘ 0 に加えて、他の誤差の値も加算されることができるが、これは、場合によっては他の誤差値、例えば、電離層誤差も含んでいる第一擬似距離と適合させるためである。第一と第二擬似距離の差の大きさは、時計誤差Δt‘ 0 のみが加算される場合、即ち|(r‘ 0 +Δt‘ 0 )-(r 0 +Δt 0 )|の場合には、例えば、衛星信号のマルチパス伝播を原因として急速に変化する誤差に関する情報を含んでいるが、これは、マルチパス伝播により、測定された距離が、補外や推定によって得られた距離から急激に逸脱するためである。一般的にこの差の大きさは、逆に、測定のインテグリティを示すが、これは、より多数のタイムステップにわたればわたるほど、それだけ一層良好に機能する。
要するに、差の量の大きさは、特定の衛星の伝搬時間測定の誤差とインテグリティに関する品質の度合である。本方法を複数回反復することによって、又は、推定のために使用されるタイムステップ乃至測定の数を増やすことによって、その説得力を高めることができるが、ただし、基本的には、必要とされる計算能力と照らし合わせて妥協点を見つけることが理に適っている。
該方法、乃至、これに対応する制御装置は、車両、ドローン、航空機、船舶など、任意のシステムにおいて使用可能である。
Claims (15)
- 位置特定における誤差及びインテグリティを評価するための方法であって、以下の:
-衛星ナビゲーションシステムを用いた離散時間的伝搬時間測定によって、ポジション値(P -N ,P -2 ,P -1 )を測量し且つ受信手段の時計誤差を算出するステップと、
-衛星ナビゲーションシステムを用いた離散時間的伝搬時間測定によって後の時点における第一擬似距離を測量するステップと、
-受信手段の経過してきた移動パスを再現する軌道に基づいて受信手段の後の時点におけるポジション値(P‘ 0 )を補外し、後の時点以前に算出された若干数の時計誤差に基づいて受信手段の後の時点における時計誤差を補外するステップと、
-後の時点における、受信手段の補外されたポジション値(P‘ 0 )と衛星ナビゲーションシステムの衛星の位置(S 0 )との間の距離(r‘ 0 )を割出すステップとを有し、
該衛星を用いた位置特定の利用可能性に関する品質の度合は、以下のように:
-割出された距離(r‘ 0 )と補外された時計誤差との合計に基づいて後の時点における第二擬似距離を生成するステップと、
-第二擬似距離を第一擬似距離と比較するステップとによって得られる当該方法。 - 前記軌道を、後の時点より以前に測量された若干数のポジション値(P -N ,P -2 ,P -1 )から形成する、及び/又は、特に好ましくは、カメラ、レーダ及び/又はライダなどの周辺把握センサ類のデータから抽出することを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 該後の時点が、現時点に相当し、ポジション値(P -N ,P -2 ,P -1 )の測量と、受信手段の時計誤差の算出とが、過去の、特に等間隔に刻まれた時点で実行されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の方法。
- 後の時点における受信手段のポジション値(P‘ 0 )を補外するために、ポジション値差(u‘ 0 )が、以前に測量されたポジション値(P -N ,P -2 ,P -1 )のポジション値差(u -1 ,u -2 )から導出されることを特徴とする請求項1~3のいずれか1項に記載の方法。
- 受信手段のポジション値(P‘ 0 )の補外は、さらに、慣性モデル、慣性センサ手段(IMU)の測定、オドメトリセンサ類の測定、及び/又は、衛星ナビゲーションのドップラー測定に基づいていることを特徴とする請求項1~4のいずれか1項に記載の方法。
- 該受信手段の時計誤差の補外が、さらに、温度測定、クロックドリフトに関して保存されている情報及び/又は時計用水晶に関して保存されている情報に基づいていることを特徴とする請求項1~5のいずれか1項に記載の方法。
- 該受信手段の時計誤差の補外が、時計誤差と等価である距離値として実行されることを特徴とする請求項1~6のいずれか1項に記載の方法。
- 受信手段の補外されたポジション値(P‘ 0 )と衛星(S 0 )の位置との間の距離(r‘ 0 )の割出しにおいて、衛星の位置(S 0 )が、衛星信号によって伝達される衛星のエフェメリスデータから割り出されることを特徴とする請求項1~7のいずれか1項に記載の方法。
- 第一擬似距離の、第二擬似距離との比較には、差を取ることが含まれることを特徴とする請求項1~8のいずれか1項に記載の方法。
- 基準値に対して相対的に小さな差の量には、高い品質の度合が、そして、大きな差の量には、低い品質の度合が対応付けられ、相応しい品質の度合が定められることを特徴とする請求項9に記載の方法。
- 間接的に受信される信号に関するチェックが実行され、基準値に対する品質の度合の急速な変化は、間接的な信号受信に関する間接証拠として評価されることを特徴とする請求項9又は10に記載の方法。
- 請求項1~11のいずれか1項に記載の方法を実行するための制御装置。
- メモリとプロセッサーを有し、上記方法がコンピュータープログラムとして該メモリ内に実装され、該コンピュータープログラムが、該メモリから、該プロセッサーにロードされた際に、該プロセッサーが、該方法を実行することができる様に構成されていることを特徴とする請求項12に記載の制御装置。
- 該コンピュータープログラムが、あるコンピューター上、又は、上記の装置のうちの一つにおいて該コンピュータープログラムが実行された場合に、上記方法の全てのステップを実行するために、プログラムコード手段を包含していることを特徴とする請求項13に記載の制御装置。
- コンピューターによって読み取り自在なデータメディア上に保存され、あるデータ処理装置上において実行される場合、請求項1~11のいずれか1項に記載の方法を実行するプログラムコードを包含していることを特徴とするコンピュータープログラム・プロダクト。
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