JP2004518135A - Gps信号をタイムフリーに処理する方法と装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】衛星から、もしくは、GPSレシーバが利用可能な別のタイミングソースから送られる絶対時間情報を利用せずに、GPSレシーバ(108)の位置を計算する方法とその装置。GPSレシーバは、集積レシーバに含まれる。この集積レシーバは、無線通信トランシーバ(112)も備えるが、正確な絶対時間情報ソースへのアクセス権がない。無線トランシーバは、無線ネットワーク(150)を介して、サーバ(121)と通信するものである。GPSレシーバは衛星の擬似距離を測定し、無線トランシーバを利用して、その擬似距離値をサーバに送る。サーバは、GPSレシーバの位置と絶対時間を未知のパラメータとする数学モデルと、その擬似距離値のフィッティングを行う。次に、サーバは、そのモデルに最も合う位置と絶対時間を計算する。これによって、正しいGPSレシーバの位置と、擬似距離の測定が行われた絶対時間が得られる。
【選択図】図1
Description
【発明の属する技術分野】
(発明の背景)
(1.発明の分野)
本発明は、衛星に基づく位置探索に関する。特に、本発明は、全地球測位システム(GPS)信号をタイムフリーに処理する方法と装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
(2.背景技術の説明)
一般的に、全地球測位システム(GPS)レシーバは、衛星から送られ、地球の表面もしくは表面付近にあるレシーバによって受けとられる信号の送受信の遅延時間を計算することによって、その位置を判定するものである。遅延時間と光速の乗算によって、レシーバと、レシーバから見える各衛星間の距離が得られる。GPS衛星は、衛星測位データ、所謂、「エフェメリス」データをレシーバに送る。衛星は、エフェメリスデータの他に、衛星信号に関する絶対時間情報をレシーバに送る。即ち、絶対時間信号が1秒の週信号として送られる。この絶対時間信号によって、レシーバは、受けとった信号が各衛星から送られた時のタイムタグを求めることができる。各信号の正しい送信時間を知ることによって、レシーバは、エフェメリスデータを利用して、信号送信時の各衛星の位置を計算することができる。最終的に、レシーバは、衛星の位置の知識と、計算で求めた衛星までの距離を組合せることによって、レシーバの位置を計算する。
【0003】
多くの衛星にとって、GPS信号を探索し、獲得し、絶対時間等のエフェメリスデータとそれに関連するデータを読み出す処理は時間がかかるものであって、レシーバの位置を計算する際に許容不可能な遅延が引き起こされる。また、多くの場合、衛星信号に対する妨害が存在する。このような場合は、受けとった信号レベルが低すぎるため、復調して、誤差のない衛星データを得ることは不可能である。しかしながら、このように信号レベルが低い状態であっても、エフェメリスや絶対時間等の外部ソースが利用可能であれば、レシーバは、衛星信号を追跡して、遅延時間(即ち、距離)を測定することができる。
【0004】
エフェメリス(もしくは等価の)データと絶対時間情報等の外部ソースからなる「GPS支援系」を提供するための様々な技術革新が起こった。支援情報は、別の通信形態(通常は、携帯電話用データチャネル等の無線)を介してGPSレシーバに送られる。GPS支援装置を利用することによって、GPSレシーバは、信号レベルが低すぎるために従来のGPSが正常に機能できなかった領域でも、動作可能である。
従って、これまでに発明された全てのGPS支援装置は、外部の正しい絶対時間を知ることによって、衛星の位置を正確に判定することができるものである。1ミリ秒から10ミリ秒の精度の絶対時間が必要である。所望のGPS支援装置が実施されているが、残念ながら、GPSレシーバは、この精度の絶対時間を容易に得ることができない。例えば、AMPS携帯電話システムや、(現状での)北米THEA携帯電話システムは、時間情報をサポートしていない。GSM携帯電話システムは、時間情報をサポートしているが、地理的位置が異なれば時間基準も異なる。このような状況では、絶対時間を知ることなくGPSレシーバの位置を計算する方法が求められる。
【0005】
具体的には、全地球測位システム(GPS)レシーバは、GPS周回衛星から送られるユニークな擬似ランダム雑音(PN)コードを含むGPS信号を受けとる。GPSレシーバは、受けとったPNコードの信号シーケンスと内部で生成されたPN信号シーケンス間のタイムシフトを比較することによって、信号の送受信間の遅延時間を求める。
【0006】
送られた各GPS信号は、シーケンススペクトラム拡散信号である。利用可能な信号は、標準測位サービス(Standard Positioning Service)から市販されている。これらの信号では、1575.42MHz(L1周波数)の搬送波で1.023MHzの拡散率のシーケンス拡散信号を利用している。各衛星は、特定の衛星を識別する(C/Aコードとして周知の)ユニークなPNコードを送る。これにより、レシーバは、他の信号からほとんど干渉をうけずに、複数の衛星から同時に送られた信号を同時に受けとることができる。PNコードシーケンス長は、1023個のチップ分であって、これは1ミリ秒の期間に相当する。1023個のチップの1サイクルは、PNフレームと呼ばれる。受けとられた各GPS信号は、1023個のチップの1.023MHzの反復PNパターンから構成される。信号レベルが非常に低い場合でも、PNパターンをさらに観測し、多くのPNフレームを処理し、基本的な平均値を算出することによって、遅延時間を明確に測定することができる。これらの測定された遅延時間は、1ミリ秒のPNフレーム境界のモジュロとして周知のものであるため、「サブミリ秒の擬似距離値」と呼ばれる。各衛星までの遅延に関連するミリ秒の整数値を求めることによって遅延時間を計算することができると、真の明確な擬似距離値が得られる。明確な擬似距離値を求める処理は、「ミリ秒整数曖昧分解能処理」として周知のものである。
【0007】
GPS信号の絶対送信時間の知識と、その絶対時間時の衛星の位置と共に一連の4つの擬似距離値から、GPSレシーバの位置を十分に求めることができる。絶対送信時間は、より低い50Hzのデータレートで、1.023MHzのPNコードに重畳されるナビゲーションメッセージの中で衛星から同報通信される。この50Hzの信号は、PNフレームの先頭と位置合わせされたビット境界を有する2進位相変調(BPSK)データストリームである。1データビット期間(20ミリ秒)毎に、ちょうど20個のPNフレームが存在する。50Hzの信号には、GPS衛星の軌道情報と、衛星クロックの訂正情報と、週時間情報と、その他のシステムパラメータを示すデータビットが含まれる。
【0008】
従来のGPSレシーバは、GPS信号のナビゲーションメッセージ内の週時間(TOW)データを読み出すことによって、衛星からの送信に関する絶対時間を求める。標準的な時間判定方法では、従来のGPSレシーバは復調して、50ボーのデータストリームと同期をとる。50ボーの信号は、複数の30ビットワードに編成される、即ち、10ワードのサブフレームにグループ化されるが、その長さは300ビットであり、その期間は6秒である。5つのサブフレームは、1500ビットのフレームを備え、その期間は30秒である。また、25個のフレームは、スーパーフレームを備え、その期間は12.5分である。スーパーフレームには、完全なナビゲーションメッセージが含まれる。6秒毎に発生するデータビットサブフレームには、TOWに6秒の分解能を与えるビットが含まれる。50ボーのデータストリームは、C/Aコードの遷移部と位置合わせされるので、データビットエッジの到着時間(20msのインターバル)から、最寄りの20ミリ秒に対する絶対送信時間を決定することができる。ビット境界と正確に同期をとることによって、1ミリ秒以下の絶対送信時間を決定することができる。
【0009】
衛星からの信号に関する絶対時間は、GPS時間に合わせて較正された外部のタイミングソースをもつことによって、無線支援GPSレシーバで求められる。次に、この時間を用いることによって、衛星からの信号の受信時間に正しいタイムタグを与えることができる。受信時間から擬似距離値を減じることによって、衛星毎の絶対送信時間情報(と送受信遅延時間を反映した、時間単位で表される擬似距離値)を得ることができる。
【0010】
絶対送信時間情報は、送信時の衛星の位置を求める、即ち、GPSレシーバの位置を求めるために必要である。GPS衛星は、約3.9km/sの速度で移動するため、地球から観測される衛星の距離は、最大+800m/sの速度で変化する。絶対タイミング誤差によって、1ミリ秒のタイミング誤差毎に最大0.8mの距離誤差が発生する。これらの距離誤差によって、GPSレシーバの位置に同様な大きさの誤差が生じる。従って、10msの絶対時間精度は、約10mの位置精度を満足するものである。絶対タイミング誤差が10msよりはるかに長い場合には、大きな位置誤差が起こされるため、通常のGPSレシーバでは、約10ミリ秒以上の精度の絶対時間情報が必要であった。
【0011】
また、絶対タイミング誤差は、GPS衛星のクロックドリフトによる誤差も引き起こされることに注意されたい。しかし、これらの誤差は衛星の位置誤差よりも非常に小さいので、本説明では無視してよい(一般的に、GPSのクロックドリフトは、1秒につき0.1ナノ秒未満であって、観測される衛星までの距離は、光速を乗じたGPSのクロックドリフトの影響を受ける。この誤差は、0.03m/s未満であって、これは、衛星の位置の変化によって発生する誤差の約25000分の1である)。
GPS測位に密接に関連する別の時間パラメータが存在する。これは、サブミリ秒の擬似距離値を測定するために用いられる時間基準のサブミリ秒オフセット値である。このオフセット値は、全ての測定値に影響を同様に及ぼすものであって、「コモンモード誤差」として周知のものである。
【0012】
コモンモード誤差と絶対時間誤差を混同してはならない。上で議論したように、1ミリ秒の絶対時間誤差によって、最大0.8メートルの距離誤差が引き起こされる。一方、1マイクロ秒の絶対時間誤差によって、1ミリメートル未満のほとんど観測不可能な距離誤差が引き起こされる。しかしながら、1マイクロ秒のコモンモード誤差によって、光速を乗じた1マイクロ秒、即ち、300メートルの擬似距離誤差が引き起こされる。
【0013】
コモンモード誤差は、擬似距離に大きな影響を及ぼすため、また、実際にコモンモード誤差を較正することは非常に困難であるため、十分な数の擬似距離が特定のレシーバで測定されると、従来のGPSレシーバは、位置に沿って求めなければならない未知値としてコモンモード誤差を扱う。しかしながら、従来のGPSレシーバでは、絶対時間誤差を求めることはできないが、(10ミリ秒以上の)必要な精度の絶対時間が既知であるという事実を基にしている。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本分野では、絶対時間情報を利用せずにGPS信号を処理する方法と装置が求められる。
【0015】
【課題を解決するための手段】
(発明の概要)
本発明は、衛星から、もしくは、GPSレシーバが利用可能な別のタイミングソースから送られる絶対時間情報を利用せずに、GPSレシーバの位置を計算する方法とその装置である。本発明の一実施形態のGPSレシーバは集積レシーバに含まれ、この集積レシーバは、無線通信トランシーバも備えているが、正しい絶対時間情報ソースへのアクセス権がない。無線トランシーバは、無線ネットワークを介してサーバと通信する。GPSレシーバは、衛星の擬似距離を測定し、無線トランシーバを利用して、その擬似距離値をサーバに送る。サーバは、GPSレシーバの位置と絶対時間を未知のパラメータとする数学モデルと、その擬似距離値とのフィッティングを行う。次に、サーバは、そのモデルに最も合う位置と絶対時間を計算する。これにより、正しいGPSレシーバの位置と、擬似距離の測定が行われた絶対時間が求められる。
本発明の教示は、添付図面と共に以下の詳細な説明を検討すれば容易に理解できるものである。
理解を容易にするために、図面に共通する同一の要素には同一の番号を用いている。
【0016】
【発明の実施の形態】
本発明は、GPSレシーバから絶対時間情報をアクセスせずに、全地球測位システム(GPS)の位置と時間を判定する方法とその装置である。以下の説明では、本発明を完全に理解できるように、多くの特定の詳細事項について開示している。しかしながら、これらの特定の詳細事項がなくても本発明を実施できることは、当業者にとって明らかなことである。
【0017】
図1は、無線リンク150を介してサーバ121に接続される集積モバイルレシーバ102を備える、本発明の一実施形態を示す。GPSレシーバ108は、無線通信トランシーバ112と共に、集積レシーバ102に含まれる。GPSレシーバ108は、レシーバ108から見えるGPS衛星に関するサブミリ秒の擬似距離だけを測定し、次に、無線通信リンク150を利用して、そのサブミリ秒の擬似距離値をサーバ20に送る。サーバ121は、無線通信を受けるために用いられる無線塔118の周知の位置から、GPSレシーバの位置の近似値、即ち、先験的推定値を生成する。また、サーバ121は、サーバ自身のリアルタイムクロックからのタイムタグを割り当てることによって、GPSレシーバ108が衛星からGPS信号を受信したときの絶対時間の先験的推定値を生成することができる。先験的位置が真の位置から100km以内であって、先験的絶対受信時間が真の(未知の)受信時間の1分以内である場合は、サーバ121は、ミリ秒の整数値を求めて、サブミリ秒の擬似距離値を真の擬似距離値に変換することができる。
【0018】
次に、サーバ121は、その擬似距離値を用いて、未知のレシーバの位置と絶対時間を求めることができる。サーバは、中央演算処理装置(CPU)122とサーバクロック124と塔位置データベース128とCPU支援回路152とメモリ154を備える。支援回路は、CPUの動作を容易にする、クロック回路やキャッシュや電源や入出力インタフェース回路等の周知の回路を備える。メモリ154は、ランダムアクセスメモリや読み出し専用メモリや着脱可能記憶装置やハードディスク記憶装置やこれらのメモリ装置の組み合わせであってもよい。
本発明の一実施形態では、サーバ121は、コモンモード誤差をまったくの未知値であると仮定する。本発明の一実施形態のサーバ121は、先験的コモンモード誤差値をゼロと仮定するが、その他の先験的コモンモード誤差値を利用しても結果は変わらないことを理解されたい。未知のパラメータの5つの先験的推定値、即ち、3つの位置座標と1つの絶対時間と1つのコモンモード誤差によって、サーバ121は、測定された擬似距離値と先験的情報をそれらの未知のパラメータに関連付ける数学モデルを求める。この数学モデルは、一次方程式で表すことができ、これを求めることによって、正しい位置と絶対時間が得られる。
【0019】
具体的には、複数の衛星(不図示)から送られるGPS信号104は、GPSアンテナ106で受けとられる。受けとられた信号は、GPSレシーバ108に送られる。GPSレシーバ108は、GPS信号を処理して、パス110上でのサブミリ秒擬似距離値を生成する。尚、その擬似距離値は、通信トランシーバ112に与えられるものであって、携帯電話ネットワーク等の無線ネットワークを介して通信アンテナ116から送られる。集積レシーバ102からの送信情報は、近くの無線塔118、例えば、携帯電話塔によって受けとられる。サブミリ秒擬似距離値と無線塔のIDは、該無線塔118からサーバ121に送られる。サーバ121のサーバクロック124を用いることによって、サーバがサブミリ秒擬似距離値を受けとった時に、タイムタグが与えられる。サーバ121は、パス126に沿って無線塔のIDを塔位置データベース128に送り、そのデータベース128からその塔の位置を抽出する。塔の位置は、パス130に沿ってCPU122に送られる。
【0020】
サブミリ秒擬似距離データによって表される全衛星のための衛星エフェメリスデータが、(空の視界がよいサーバ付近にある別のGPSレシーバや、GPSレシーバネットワーク等のその他のソースなどの)外部ソース125からサーバに与えられる。簡単にするために、「エフェメリス」という言葉は、衛星の軌道パラメータと、衛星のクロックパラメータを表すために用いられていることに注意されたい。サーバ121のCPU122は、サブミリ秒擬似距離値と、無線塔の位置と、サーバの時間情報と、エフェメリスを組み合わせて、正しいGPSレシーバの位置と、GPSレシーバ108での信号の正しい受信時間を生成する。
【0021】
上述の装置では、GPSレシーバ108は、絶対時間情報とエフェメリスデータを確実に受けとることができない、即ち、GPSレシーバは室内で利用されていると仮定しているので、エフェメリスデータの処理はサーバ121で行われる。しかしながら、擬似距離データがサーバに与えられない場合は、サーバ(もしくはその他のソース)から、エフェメリスデータとクロック信号をモバイル機器102に与えることによって、モバイル機器は位置を計算することができる。本発明のそのような一実施形態では、(122と124と同様の)CPUとクロックをモバイル機器に配置することによって、サーバ121に関して説明された方法と同じ方法で信号処理を容易にすることができる。
【0022】
図2は、図1のサーバCPU122が行う処理200を示すフローチャートである。工程202では、サーバのクロック信号を用いることによって、GPSレシーバがGPS信号を受けとる絶対時間の先験的推定値が与えられる。サーバクロックの利用は、本発明を例示するために用いられる一実施形態であって、一般的に、時間の先験的推定値は、サーバクロック以外の時間ソースからも得られるものであることを理解されたい。本発明は、絶対時間の先験的推定値のソースや質に関係なく適用可能である。説明を簡単にするために、この特定の実施形態は、GPSレシーバでGPS信号を受信する実際の絶対受信時間の1分以内にタイムタグを与えるためのサーバクロックを備えていると仮定している。この簡単化するための仮定は実際に真である場合もあるが、本発明の必要な一部分ではなく、本発明の説明を簡単化するためだけに本願で使われていることを理解されたい。本仕様書の後半では、この簡単化のための仮定は除かれる。
【0023】
工程206では、GPSレシーバの位置の先験的推定値として、塔の位置情報をCPUに与える。塔の位置情報の利用は、(例えば、以前計算によって求められた同じGPSレシーバ108の位置を先験的位置情報として利用したり、最近利用された複数の塔の位置の組み合わせや、先験的位置を単に推測するなど)利用可能な多数の先験的位置情報のうちの単なる一実施形態に過ぎないことを理解されたい。本発明は、その先験的位置情報のソースや質に関係なく適用可能である。説明を簡単にするために、本特定の実施形態では、GPSレシーバ108の真の位置から100km以内に先験的位置があると仮定している。この簡単化のための仮定は、実際に真である場合もあるが、本発明の必要な一部分ではなく、本発明の説明を簡単にするためだけに本願で用いられていることを理解されたい。本仕様書の後半では、この簡単化のための仮定は削除される。
【0024】
工程204と208では、入力情報として、GPSレシーバの視野にある適切な衛星のためのサブミリ秒擬似距離値とエフェメリスが処理200に与えられる。
工程210では、図3に関して以下で説明する処理によって、サブミリ秒擬似距離の整数値を求める。サブミリ秒擬似距離の整数値を求めることによって、本処理では、全ての擬似距離値を求めることができる。
工程212では、期待擬似距離値を求める。これらの期待擬似距離値は、全ての先験的パラメータ(先験的位置情報と先験的絶対測定時間情報と先験的コモンモード誤差値)が、実際に、それらのパラメータの実値であった場合に測定される擬似距離値である。期待擬似距離値は、riで示され、指数iは適切な衛星を示す。
【0025】
工程214では、先験的擬似距離値の残差を求める。これらの残差は、測定によって求められた擬似距離値(ρiで示される)と期待擬似距離値(ri)間の差として定義される。先験的擬似距離値の残差は、uiで示される。
工程216では、uをxに関連付ける数学モデルを求める。ここで、uはuiのベクトルであって、xは位置とコモンモード誤差と絶対受信時間の先験値の更新値のベクトルである。
【0026】
【数3】
ここで、nは擬似距離値の数である。擬似距離値は、長さ単位(例えばメートル)で表される。
【0027】
【数4】
【0028】
位置の更新値x、y、zは、長さの単位(例えば、メートル)で表され、時間の更新値tc、tsは、時間単位(例えば秒)で表される。
これらの二つのベクトルに関する数学モデルの一実施形態は、テイラー級数である。ここで、本級数の第一項はxに関するuの第一の導関数であって、第二項には第二の導関数が含まれる。本処理の一実施形態では、本発明は、テイラー級数の第一の導関数だけをもつ線形モデルを利用する。これは、uをxに関連付ける以下の式によって与えられる。
【0029】
【数5】
【0030】
特定値∂ρi/∂x、∂ρi/∂y、∂ρi/∂zは、先験的位置を説明するために利用される座標系に依存する。行列Hの最初の3列にあるこれらの項は本分野では周知のものであるため、さらに説明する必要はない。本行列の第4列はc、即ち、光速であって、本モデルのこの部分も本分野では標準的なものである。本発明の新しい態様では、本行列に第5列を含ませる必要がある。この第5列は、絶対時間の先験的推定値の未知の誤差と、測定された擬似距離値の関係を正確にモデル化するものである。また、本列の項は、時間に関する擬似距離値の変化率であって、エフェメリスデータから正確に計算することができる。行列Hの各項は周知のものであり、また、GPSレシーバが利用可能な5つ以上の擬似距離値が提供されるので、線形代数を用いて、xの値を計算することができる。
【0031】
工程220では、更新値x、y、zを先験的位置に加えることによって、GPSレシーバの位置を計算し、また、更新値tsを先験的受信時間に加えることによって、絶対受信時間を求める。先験的位置と先験的絶対時間が、真の位置と真の絶対時間に十分近い場合は、処理200の1パスによって必要な精度が得られる。しかしながら、処理200の1パスですぐに必要な精度に収束しない場合は、結果222を用いることによって、工程202の先験的受信時間の推定値と、工程206の先験的位置の推定値を新たに生成することができる。そして、結果が正しい結果に収束するまで処理200を繰り返す(一般的には、繰り返し回数は少ない。何故ならば、先験的位置の誤差よりも、地球から衛星までの距離値ははるかに大きいので、一次のテイラー級数を利用して線形化すると、完全非線形システムを数学的にうまく表現することができるためである)。
【0032】
テイラー級数は、未知の位置情報と絶対時間情報を測定された擬似距離値に関連付ける数学モデルの単なる一例に過ぎないことを理解されたい。本発明は、許容可能な解が得られるまで、未知のパラメータを繰り返しフィッティングさせる等の技法によって決定することができる非線形化モデル等のその他のモデルにも同様に有効である。
【0033】
上で仮定したように、先験的位置と先験的絶対時間がそれぞれ100km以内と1分以内である場合は、結果222は正しいものである。しかしながら、先験的位置と時間がこれらの限界内で不明の場合は、工程210で誤った整数値が生成され、誤った結果222が得られる。このような場合は、図4に関して以下で説明されるように、工程224で生成される事後残差値を用いることによって、この誤った条件を検出して、別の先験値を用いることができる。
【0034】
図3は、サブミリ秒擬似距離の整数値を求める(図2の工程210)処理300を示すフローチャートである。説明を簡単にするために、この特定の実施形態では、GPSレシーバの真の位置から100km以内に先験的位置があり、また、GPSレシーバの真の絶対受信時間から1分以内に先験的絶対時間推定値があると仮定している。この簡単化のための仮定は、実際に真である場合もあるが、本発明の必要な一部分ではなく、本発明の説明を簡単にするためだけに本願で用いられていることを理解されたい。図4、図5、図6に関する説明では、これらの簡単化のための仮定は除かれる。
【0035】
工程308では、処理300は、(工程208で与えられた)衛星のエフェメリスデータと、(工程202で与えられた)先験的絶対受信時間と、(工程206で与えられた)先験的位置を利用して、期待擬似距離値を計算する。本明細書全体を通して、「エフェメリス」という言葉は、衛星の軌道パラメータと、衛星のクロックパラメータを表すために用いられていることに注意されたい。
【0036】
工程310では、基準衛星として1つの衛星を選択する。好適な一実施形態では、(先験的位置からの)仰角が最も大きい衛星を基準として選択するが、どの衛星を基準として利用するかは重要ではないことを理解されたい。基準衛星の期待擬似距離値は、r0(パス312)で示される。その他の衛星の期待擬似距離値は、ri(パス314)で示される。
工程318では、基準衛星に整数値を割り当てる。整数値は、以下の式を満足するものでなければならない。
【0037】
【数6】
【0038】
ここで、cは、m/sで表される光速、tcは、コモンモード誤差、e0は、先験的位置と先験的絶対時間の複合誤差によって引き起こされる期待擬似距離値の誤差である。
当業者は、任意の整数値が割り当て可能であることを知っている。何故ならば、以下の議論で、全く同じ誤差がその他の全整数値でも生じる限り、コモンモード誤差は、この整数値で生じる誤差を含むことが明らかであるからである。整数値N0は、以下の式によって割り当てられる。
【0039】
【数7】
【0040】
工程322では、N0と全ての衛星のサブミリ秒擬似距離値320を利用して、残りの衛星のミリ秒の整数値を計算する。上でどのような値のN0を選択しても、関連するコモンモード誤差tcが含まれる。Niと、測定されたサブミリ秒の擬似距離値(si)と、期待擬似距離値(ri)と、コモンモード誤差(tc)に関する以下の式を満足するようなNiの値を選択する。
【0041】
【数8】
【0042】
ここで、eiは、先験的位置と先験的絶対時間の複合誤差によって引き起こされた期待擬似距離値の誤差である。好適なアプローチでは、上の式からN0に対応する式を削除することによって、項tcを確実にキャンセルする。何故ならば、この項は、(定義から)全ての衛星に共通である。これにより、以下のNiの式が得られる。
【0043】
【数9】
【0044】
上の式は、整数値を計算する処理の一実施形態を表す。tcとの関係が全ての整数値に対して一貫して保持されるのであれば、これらの整数値を計算するためにどのような式を用いてもよいことを理解されたい。
上の説明では、先験的位置が真の位置の100km以内であって、先験的絶対時間が真の時間の1分以内であると仮定している。全てのGPS衛星の最大擬似距離率は、+800m/sである。従って、誤差項eiの最大値は、100km+60s*0.8km/s=148kmである。これは、1C/Aコードミリ秒・エポックの半分より少ない(即ち、1ミリ秒の整数値の半分より少ない)ものであるため、上で用いられる丸め演算によって、常に正しい整数値が得られる。図4、図5、図6に関する開示では、先験的位置精度と先験的時間精度の2つの拘束条件が除かれる。
【0045】
先験的位置が100km以内では不明な場合でも、それは、有限の精度限界では認められる。同様に、先験的絶対時間が1分以内では不明な場合であっても、それは、有限の精度限界では認められる。処理200と300で説明したように、先験的位置と推定時間をそれぞれ100km以内と1分以内に制限する拘束条件によって、正しい整数値と、正しいGPSレシーバの位置と、正しい絶対時間が得られる。本発明の一実施形態では、可能性のある全ての先験的位置の空間を、地形高度のルックアップテーブルから割り当てられた高度値で100km×100kmの緯度−経度の格子に分割する。同様に、全ての先験的時間の空間を1分のセグメントに分ける。これにより、一連の先験的位置と時間が全て得られる。一連の先験的位置と時間値の各々の値を使って処理200を繰り返す。先験的位置と時間がそれぞれ、真から100km以内と1分以内にある場合は、事後残差は小さいため、上述したように、正しいGPSレシーバの位置と絶対時間を計算することができる。
【0046】
本処理400の一実施形態が図4に示されている。工程402では、全ての先験的位置情報と残差値を1つの集合とする。一実施形態の集合は、地形高度のルックアップテーブルから割り当てられた高度値と、1分のセグメントに分けられた時間を有する、100km×100km格子として構成される。これは便利な表記法である。何故ならば、上で議論したように、100km格子と、最大擬似距離率x1分の値を組み合わせることによって、最大推定誤差が、整数分解能処理300で正しい整数値を選択するために必要な1ミリ秒の範囲の半分未満となるからである。しかしながら、複数のさまざまな方法を用いることによって、可能性のある全ての先験的値の集合を編成することができることを理解されたい。尚、これには、以前利用した値から得られた結果に基づいて集合の新たな要素を動的に生成する処理が含まれる。
【0047】
工程404では、処理400は、先験的位置と時間の1つの組み合わせを選択する。これらの値は処理200で用いられる。工程406では、処理400は、図2の工程224で求めた事後残差を調べる。正しいGPSレシーバの位置と絶対時間が計算によって求められた場合は、最大残差は小さい(即ち、擬似距離測定誤差である数十メートルと同じオーダ)。先験的位置と時間が真値から離れすぎていて、整数曖昧度が正確に求められない場合は、残差は大きい(即ち、1ミリ秒エポックである数キロメートルと同じオーダ)。残差が大きい場合は、先験的位置と時間の候補値が不正確であるため、それらを候補値集合から削除する。正しい位置と絶対時間が計算によって求められるまで、処理400を繰り返す。
【0048】
GPSレシーバで絶対時間が利用可能であっても、従来、初期推定値によってユニークに定義される整数値の整数曖昧分解能処理では、真の位置に十分近い初期位置の推定値が必要であることは、当業者であれば理解できる。本発明は、正しい初期位置の推定値を必要とせずに、正しい整数値を計算する新たな手段を提供する。
【0049】
図5Aと5Bはそれぞれ、本発明の一実施形態のレシーバの位置と、位置計算処理200で計算された最大残差506を求めるために用いられる格子502を示す。本例では、任意の推測値として、先験的位置を北米中央部に割り当てる。次に、先験的位置(格子点504)毎に処理200を実行して、最大事後残差を調べる。誤った候補値が拒否されると、1度×1度格子502の外側を検索することによって、別の候補値(別の格子点504)を生成する。(この1度×1度の格子は、前述した100km×100kmの格子とは少し異なる実施形態であるが、どちらの実施形態も少なくとも1つの先験的位置を提供し、正しい整数値が得られる、即ち、正しい位置と絶対時間が得られることが保証されていることに注意されたい。)地形高度のルックアップテーブルから先験的高度値を割り当てることによって、先験的位置が完成する。図5Aは、格子504の1,663個の誤った候補値を示す。また、図5Bは、対応する最大残差506を示し、その各々は、誤ったミリ秒の整数値(即ち、数キロメートル)のオーダである。一旦、真の位置(カリフォルニア州、サンノゼ)付近の先験的位置まで検索すると、数学モデルによって正しい結果が適所で「得られ」、正しい位置と時間が計算できる。先験的位置の候補番号1,664(最大残差508、格子点510)は、真の位置から約175km東にあって、本例では、これは位置と時間の解に十分近いため、適所で「得る」ことができる。正しい解を得ることによって、約30mの残差が得られる。これは、誤った残差の1000分の1から10000分の1である。
【0050】
本実施形態は、(数十メートルの)「小さい」残差と(数十から数百キロメートルの)「大きい」残差の大きな差のおかげで、実際に、非常に良好に機能する。しかしながら、その他の方法を用いることによって、結果の質を調べることができることを理解されたい。尚、これには、計算で求められた位置と絶対時間と、無線支援システムで用いられる無線塔の位置等のその他の手段によって得られた位置と時間を比較する方法が含まれる。また、非ゼロの残差を得るために、未知数よりも多くの観測を個別に行う必要があることも理解されたい。上述した実施形態では、5つの未知のパラメータ、即ち、3つの位置座標とコモンモード誤差と絶対時間が存在した。従って、非ゼロの残差を得るには、少なくとも6回の測定を個別に行う必要がある。6つのGPS衛星を観測できる場合は、それらから6つの測定値を得ることができる。6つの衛星を観測できない場合は、複数の工程を実行するが、それらの多くは本分野では標準的なものである。(無線システムからの到着時間に基づく距離測定値や、無線システムで測定された到着角度の測定値や、取得可能なその他の個別の測定値等の)その他のソースからの測定値を含ませることによって、測定回数を増やすことができる。
【0051】
また、位置の周知の拘束条件を「擬似測定値」として含ませることによって、観測可能回数も増やすことができる。例えば、周知の、もしくは、概ね周知の高度値を擬似測定値として数学モデルに取り入れることができる。上述した実施形態では、式u=Hxによって数学モデルが表され、緯度と経度と高度の座標でまず先験的位置を指定し、次に、先験的高度値を周知の高度値に設定し、そして、以下の行列式に新たなラインを加えることによって、周知の高度値の擬似測定値が求められる。
【0052】
【数10】
【0053】
本アプローチは、数学モデルに別の測定値、もしくは、観測可能値を効果的に加えるものである。本アプローチは、本分野では標準的なものであるため、未知のパラメータを求める際に役立つ拘束条件に適用可能であることを理解されたい。
別のアプローチは、未知のパラメータ数を減らすことである。これは、周知の、もしくは、概ね周知のパラメータを削除することによって実行できる。一般的に最も周知のパラメータは高度値であるため、数学モデルからその高度値を削除することができる。同様に、(例えば、本発明が、安定発振器を使うシステムで実施される場合は)コモンモード誤差を較正して、数学モデルから除くことができる。
【0054】
未知の絶対時間等の未知の値を計算するために、開示された技術を組み合わせて適用できることを理解されたい。
例えば、本発明の複数の技術を用いることによって、位置を計算せずに、時間パラメータだけを計算することができる。好適な一実施形態では、これは、数学モデルの位置情報を先験的位置情報と合わせて、残り2つの未知のパラメータ、即ち、コモンモード誤差と絶対時間を計算することによって実行される。
【0055】
図6は、本発明の模範的な一実施形態で試みられた様々な先験的時間(軸604)に関する最大残差(軸602)を示すグラフ600である。この特定の例では、図5に示される格子点毎に、1分間隔で様々な時間を試している。真の絶対受信時間から約2時間半後の時間を推測することによって、第1の先験的絶対時間を選択する。処理400が、真の位置から約175km離れている先験的位置と、真の絶対時間の1分以内の先験的時間を適用する場合は、図5に示されるように、数学モデルによって、正しい位置と時間を計算することができる。一般的に、先験的位置と時間が十分近くて、処理300が正しい整数値を計算することができるようになると、数学モデルから、正しい位置と時間を計算することができる。上で議論したように、好適な一実施形態は、妥当な格子と、適切に間隔をあけた時間インターバルを求めることによって、少なくとも1つの先験的位置と時間を求められることが保証される。
【0056】
GPS衛星に関して本発明の方法と装置について説明してきたが、擬似衛星や衛星と擬似衛星の組み合わせを利用する測位システムにも同様に本教示を適用できることを理解されたい。擬似衛星は、地上のトランスミッタであって、一般的に、L帯搬送波信号に変調され、GPS時と同期をとる(GPS信号と同様に)PNコードを同報通信するものである。本願で用いられる「衛星」という言葉は、擬似衛星、もしくは、擬似衛星と等価なものを包含することを意図しており、また、本願で用いられる「GPS信号」という言葉は、擬似衛星、もしくは、擬似衛星と等価なものから送られるGPSのような信号を包含することを意図している。
【0057】
上の議論では、米国の全地球測位システム(GPS)への適用に関して本発明を説明してきた。しかしながら、これらの方法を同様の衛星システム、特に、ロシアのGlonassシステムや、欧州のガリレオシステムに同様に適用可能であることは明らかである。本願で用いている「GPS」という言葉は、別の衛星測位システムを包含するものであって、ロシアのGlonassシステムや欧州のガリレオシステムが含まれる。
本願では、本発明の教示を含む様々な実施形態を示し詳述したが、当業者であれば、これらの教示を含む、変更を加えたその他の実施形態をすぐに考案することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】
図1は、絶対時間を知らずに、GPSレシーバの位置を計算する装置のブロック図を示す。
【図2】
図2は、図1の装置の動作を表すフロー図である。
【図3】
図3は、本発明にかかる擬似距離値を計算する方法を表すフロー図である。
【図4】
図4は、本発明の別の一実施形態のレシーバの位置と絶対時間を計算する方法を表すフロー図である。
【図5】
図5Aと5Bは、位置誤差の最大残差(5B)を求めるために用いられる格子(5A)を示すグラフである。
【図6】
図6は、絶対時間を計算する際に利用される時間誤差残差を示すグラフである。
Claims (35)
- GPSレシーバの位置と時間を計算する方法であって、
複数のGPS衛星に対してGPSレシーバの距離を推定する擬似距離値を提供する工程と、
複数の衛星からの信号の絶対受信時間の推定値を提供する工程と、
前記GPSレシーバの位置の推定値を提供する工程と、
衛星のエフェメリスデータを提供する工程と、
前記絶対時間の推定値と前記GPSレシーバの位置の推定値を更新することによって、前記擬似距離値を用いて絶対位置と絶対時間を計算する工程を含む方法。 - 前記擬似距離値は、サブミリ秒擬似距離値である、請求項1の方法。
- 前記絶対時間の推定値の第1のインスタンスは、10ミリ秒以上の誤差がある、請求項1の方法。
- 前記絶対時間の推定値は、GPS基準時間にリンクしていないクロックによって提供される、請求項1の方法。
- 前記位置と絶対時間の推定値は、任意の推測値でよい、請求項1の方法。
- 先験的擬似距離値の残差を生成する工程と、
前記擬似距離値の残差を前記位置と絶対時間の推定値の更新値に関連付ける数学モデルを構成する工程と、
前記数学モデルにフィットする前記位置と絶対時間の更新値を計算する工程をさらに備える、請求項1の方法。 - 前記先験的距離の残差は、前記衛星から前記先験的位置の推定値までの期待距離値と前記擬似距離値の差である、請求項6の方法。
- 前記期待距離値は、前記先験的時間の推定値によって与えられる時間で計算される、請求項6の方法。
- 前記数学モデルは、非線形数学モデルのテイラー級数を線形化したものである、請求項6の方法。
- 前記更新値のうち、1つ以上を周知のものであると仮定することによって、残りの更新値を計算する、請求項4の方法。
- 前記更新値x、y、z、tcのうちの1つ以上を周知のものと仮定し、前記数学モデルの仮定値と等しく設定することによって、前記残りの更新値を計算することができる、請求項10の方法。
- 前記更新値x、y、z、tcのうちの1つ以上を周知のものと仮定して、擬似測定値として前記モデルに加えることによって、前記残りの更新値を計算することができる、請求項10の方法。
- その他の測定値、もしくは、拘束条件が前記数学モデルで用いられる、請求項6の工程。
- 前記先験的位置は、前記GPSレシーバを備えるモバイル機器と通信するために用いられる無線塔の位置から得られる、請求項6の工程。
- 前記絶対時間の推定値は、サーバのリアルタイムクロックから得られ、前記サーバは、前記GPSレシーバから遠隔に配置される、請求項6の工程。
- GPSレシーバの絶対時間を計算する方法であって、
複数のGPS衛星に対してGPSレシーバの距離を推定する擬似距離値を提供する工程と、
前記GPSレシーバの位置の推定値を提供する工程と、
前記擬似距離値と前記位置の推定値を用いて絶対時間を計算する工程を含む方法。 - 前記擬似距離値は、サブミリ秒擬似距離値である、請求項1の方法。
- 先験的擬似距離値の残差を生成する工程と、
前記擬似距離値の残差を前記位置と絶対時間の推定値の更新値に関連付ける数学モデルを構成する工程と、
前記数学モデルにフィットする前記位置と絶対時間の更新値を計算する工程をさらに含む、請求項17の方法。 - 前記先験的距離の残差は、前記衛星から前記先験的位置の推定値までの期待距離値と前記擬似距離値の差である、請求項19の方法。
- 前記期待距離値は、前記先験的時間の推定値によって与えられる時間で計算される、請求項19の方法。
- 前記数学モデルは、非線形数学モデルのテイラー級数を線形化したものである、請求項19の方法。
- 前記更新値x、y、z、tcのうちの1つ以上を周知のものと仮定し、前記数学モデルの仮定値と等しく設定することによって、前記残りの更新値を計算する、請求項23の方法。
- 前記更新値x、y、z、tcのうちの1つ以上を周知のものと仮定し、擬似測定値として前記モデルに加えることによって、前記残りの更新値を計算する、請求項24の方法。
- その他の測定値、もしくは、拘束条件が前記数学モデルで用いられる、請求項24の工程。
- 前記先験的位置は、前記GPSレシーバを備えるモバイル機器と通信するために用いられる無線塔の位置から得られる、請求項24の工程。
- 多数のミリ秒整数値に曖昧さがある擬似距離値の一部からGPSレシーバのGPS位置を計算する方法であって、
a)前記GPSレシーバの位置の推定値を選択する工程と、
b)前記先験的位置に一致する整数値を計算する工程と、
c)ナビゲーションの解を計算する工程と、
d)事後残差を計算する工程と、
e)前記事後残差の相対的な大きさを利用して、計算された整数値が正しいかどうかを判定する工程と、
f)所定の閾値よりも小さい最大値を有する残差が計算で求められるまで、別の先験的位置情報を用いて、工程c)、d)、e)を繰り返す工程を含む方法。 - 前記先験的位置は、実際のレシーバの位置の既定の距離内にはない、請求項28の方法。
- 前記先験的位置は、実際のレシーバの位置から100km以上離れている、請求項28の方法。
- 前記先験的位置は、実際のレシーバの位置から1ミリ秒整数値以上離れている、請求項28の方法。
- 前記先験的位置は、任意の推測値である、請求項28の方法。
- GPSレシーバの位置と時間を計算するシステムであって、
GPSレシーバと無線トランシーバを備えるモバイル機器と、
前記モバイル機器と無線通信するサーバを含み、
前記GPSレシーバは、複数のGPS衛星までの前記GPSレシーバの距離を推定する擬似距離値を計算し、前記無線トランシーバは、前記擬似距離値を前記サーバに送り、
前記サーバは、前記擬似距離値と、位置と時間の推定値を用いて、前記GPSレシーバの絶対位置と絶対時間を計算するシステム。 - 前記擬似距離値は、サブミリ秒擬似距離値である、請求項33のシステム。
- 前記位置の推定値は、前記無線トランシーバから信号を受けとる前記サーバに接続される無線塔の位置である、請求項33のシステム。
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