JP2008506126A5 - - Google Patents

Description

以下で説明するように、我々は、カバレッジに制限のある環境にあるＧＰＳレシーバから提供された距離情報を処理し、ＧＰＳレシーバの位置を必要とされる誤差範囲内で判定する方法を考え出した。

本発明は、ＧＰＳレシーバから得られる距離情報をバッチ処理することによって小さな誤差範囲内でＧＰＳ位置を判定するシステムである。このシステムは、空の眺めが障害物によって遮られていないベースＧＰＳレシーバを含む。測定範囲内にあるベースＧＰＳレシーバ、及び他のＧＰＳレシーバは、所与の時刻においてＧＰＳレシーバが追跡する衛星信号に基づいて距離情報を生成し、その距離情報をデータ記録処理センターに送る。この距離情報は、コードと、ＧＰＳレシーバがトラッキングしている各信号に対応する搬送波測定値との両方を含む。データ記録処理センターは、長期間、例えば、数時間、数日、又は数週間にわたって距離情報を収集した後、収集した情報をバッチ処理することによって、ＧＰＳレシーバの正確な緯度、経度、及び高度を計算する。また、後で詳しく説明するように、データ記録処理センターは、バッチ位置計算に使用される情報が十分に信頼出来るものであることを確認するために、収集された距離情報の品質の計算も行う。

長期間の間に、所与のＧＰＳレシーバが、３つ又は４つの比較的短いインターバルの間に異なる空の位置において少なくとも２つの衛星を同時に捕捉していれば、距離情報のバッチ処理は、測量システムや測定システムのような用途に必要とされる比較的小さな許容誤差の範囲内で、ＧＳＰレシーバの位置を生成することができる。バッチ処理により本システムは、ＧＰＳレシーバが複数の衛星からのＧＰＳ衛星信号を常に追跡していなくても、また、ＧＰＳレシーバが同じＧＰＳ衛星の組からの信号を常に追跡していなくても、ＧＰＳレシーバの正確な位置を計算することが出来る。

データ処理センターは、長時間にわたって所与のＧＰＳレシーバから収集された距離データをバッチ処理することにより、単一の位置（すなわち、緯度、経度、高度）、及び関連する位置共分散を計算する。バッチ処理は、収集された距離データを処理する複数のパスを含む。第１のパスは、収集されたデータを全て使用して、すなわち、全ての疑似距離情報、及び搬送波位相情報を使用して、３０メートルから６０メートルの期待精度で、推定地上位置を生成する。上で述べたように、この精度は、距離データの全体的品質の影響を受ける。

データを処理する次のパスにおいて、データ記録制御センターは、マルチパスの影響をあまり受けない搬送波位相測定だけを使用して、計算上の位置、及び位置共分散を絞り込む。ＧＰＳレシーバは、第１のパスから得られた推定位置、及び位置共分散を使用して開始され（集束的態様の計算である）、搬送波サイクル不明瞭度を推定し、最新の推定位置、及び関連する位置共分散を判定する。推定位置、及び関連位置共分散は、２以上の衛星がＧＰＳレシーバの視野内に存在する毎コードエポックにおいて、すなわち、搬送波サイクル不明瞭度を計算するための二重差を計算できるときに、更新される。第２のパスの終了時における位置推定精度は、３メートルから６メートルであることが期待され、大半の誤差は、高度成分に起因する。

データを処理する第３のパスは、第２のパスから得られた最良推定位置に位置を固定し、搬送波位相測定値を使用して計算される残差、及びベースＧＰＳレシーバからの測定値を使用して二重差に基づいて計算される推定不明瞭度の増大を探す。次にプロセスは、残差の増大が少ない、又は残差の増大に全く関与しないデータの更なる処理を選択し、残差の増大が比較的大きいデータに無効フラグを付ける。さらに、プロセスは、後の処理に使用される種々のデータに選択的に重みを付ける。

次に処理システムは、位置、及び位置共分散を新たな推定値に固定し、第３のパスを繰り返す。すなわち、関連する残差に基づいて測定値の有効性、及び重みを判定する処理ステップを繰り返す。このステップにおいてシステムは、前回の推定位置、及び位置共分散に対して移動した思われるが、新たな推定値に対しては動いていないことが判明した特定の測定値を有効なものとして受け入れる場合がある。次にシステムは、最新の重み、及び有効性判定を使用して、次の推定位置、及び関連する位置共分散を判定し、この処理、すなわち、新たな重みと次の推定位置の判定を繰り返し続ける。この処理は、繰り返し行われる処理間で、推定位置の変化が所定の閾値未満になるまで継続される。その結果、所望の測定を行うために必要とされる許容範囲内の精度で位置が得られる。

［例示的実施形態に関する詳細な説明］
ここで図１を参照すると、位置判定システム１００は、特定地域内の選択された場所にある信号レシーバ７を通して距離情報、すなわち距離測定値、及び搬送波測定値をデータ記録制御センター１２に供給する複数のＧＰＳレシーバ６を含む。信号レシーバ７は、ケーブル１４によってセンター１２に接続される。センター１２は、距離情報を保持、及び処理するための１以上のワークステーション２、及びデータ記憶装置１を有する。種々のケーブル１４（図面には１つしか描かれていない）からの信号は、従来の態様で動作するマルチプレクサ４を通して１以上のワークステーション２に供給される。本明細書において、ＧＰＳレシーバ６は、「リモートレシーバ」と呼ばれることもある。

ベースＧＰＳレシーバ３は、視野内のＧＰＳ衛星９のそれぞれからの信号１０を捕捉し、それらの信号を追跡する。ＧＰＳレシーバ６は、所与の時刻において追跡可能な衛星信号に基づいて距離情報を生成し、その距離情報を信号レシーバ７を介してデータ記録制御センター１２に送る。後で図２を参照して詳しく説明するように、センター１２は、長時間（例えば、数時間、数日、又は数週間）にわたって距離情報を収集した後、収集した情報をバッチ処理することにより、ＧＰＳレシーバの正確な緯度、経度、及び高度を計算する。また、センター１２は、バッチ処理に使用される情報が十分に信頼できるものであることを確認するために、収集された距離情報の品質の計算も行う。

長時間の間に、所与のＧＰＳレシーバ６が、３つ又は４つの比較的短いインターバルの間に上空の異なる位置にある少なくとも２つの衛星を同時に捕捉していて、且つ、データ収集期間中にＧＰＳレシーバが動かなかった場合に限り、距離情報のバッチ処理は、地震の測定や計測のような用途に必要とされる比較的小さな許容誤差の範囲内で、ＧＰＳレシーバの位置を計算することができる。したがって、バッチ処理によって本システムは、ＧＰＳレシーバがＧＰＳ衛星信号を常に追跡していなくても、また、ＧＰＳ衛星の同じ組からの信号を追跡していなくても、ＧＰＳレシーバの正確な位置を計算することが出来る。

データ記録制御センター１２は、浮動不明瞭度フィルタ８を使用してデータを処理する複数のパスを作成し、距離情報をバッチ処理する。後で詳しく説明するように、このフィルタは、搬送波不明瞭度がリセットされたときに、リセットされていない位置、及び位置共分散行列を使用して、前記複数のパスのうちの特定のパスで動作する。その結果、フィルタは、観測情報（ここでは、搬送波情報）の全履歴を使用して、所与のレシーバの静止位置を推定することが出来る。したがって、このフィルタは、連続した搬送波位相測定値の個々のブロックに関連する観測情報の使用に限定されない。

図２を更に参照すると、バッチ処理は、収集された距離情報を利用する次のようなパスを含む。

パス１： 所与のＧＰＳレシーバ６から得られるデータ（疑似距離、及び搬送波位相を含む）を浮動不明瞭度フィルタ８を使用して処理し、第１の推定位置を生成する（ステップ２００）。このパスの出力は、３０メートルから６０メートルの期待精度を持つ位置である。このデータは、長期間（すなわち、数時間、数日など）のうちの種々の時点においてＧＰＳレシーバの視野内にあるＧＰＳ衛星からの信号に基づいて生成される。通常、距離データは、８時間から２４時間の間の時間にわたって収集される。樹木、又は他の不完全な視野が原因で、リモートＧＰＳレシーバの空の眺めには制限があり、ＧＰＳレシーバは、長期間のうちの一部においてしか、視野内に同じ組の衛星を捕捉できないことがあり、また、時刻によっては、視野内に１つしか衛星を捕捉できない場合もある。また、一部の衛星信号は、ＧＰＳレシーバの空の眺めを遮る障害物や、近くの建造物などによる妨害によって反射された信号の影響を受けた多数のマルチパス成分によって、歪められる場合がある。したがって、データによっては信頼できないものもある。

パス２： 浮動不明瞭度フィルタ８は、パス１で計算された推定位置を使用して初期化される。パス２では、疑似距離測定値は使用せず、搬送波位相測定値だけを使用して、正確な位置を計算する（ステップ２０２）。位置、及び位置共分散は、２以上の衛星がレシーバにとって、すなわちレシーバの視野内において利用可能となる毎コードエポックにおいて更新される。サイクルスリップの後、又は少なくとも１つのコードエポックについて１以下の衛星しか利用できないときは常に、このフィルタはリセットされる。フィルタがリセットされるたびに、システムは、最後の推定位置、及び位置共分散を初期値として使用する（ステップ２０４）。このような形で、位置情報は保持され、不明瞭度情報は実質的に破棄される。最終的なパス２位置の精度は３メートルから６メートルであり、大半の誤差は高度成分に関連する。

パス３： このパスでは、全ての観測搬送波データを使用できるように、位置、及び位置共分散は一定に固定される（ステップ２０６）。この固定位置は、パス２で計算された最後の位置である。位置共分散は、非常に小さな要素（すなわち、０．０００００００１ｍ２）しか持たない対角行列として保持される。位置を固定した状態で、システムは、ベースレシーバからの観測値を使用して、二重差搬送波不明瞭度を推定し、関連する二重差搬送波残差を判定する（ステップ２０８）。残差、及びその増大率の分析に基づいて、データは、無効であるもとして扱われるか、又はそれに従って重み付けされる（ステップ２１０）。

このパスでは、浮動不明瞭度フィルタに変更を加え、搬送波サイクルのスリップ、すなわち、ロック外れが検出された場合にのみ、搬送波不明瞭度をリセットするように浮動不明瞭度フィルタを変更する。搬送波測定値が連続していれば、残差は無制限に増大することが許される。このパスで生成された残差は、次のパスで使用される一連の信号品質インジケータの生成に使用される。信号品質インジケータによれば、各コードエポックにおいて、各衛星からの搬送波測定値に適切な重みを割り当てることが可能となる。下記の条件が満たされたとき、最大の重みが搬送波測定値に割り当てられる。
（ａ）最後のサイクルスリップからの時間が、第１の所定の閾値を超えていて、
（ｂ）連続して取得される測定値の１つのインターバルにわたって、搬送波測定値の残差の二乗の和が、正規化された閾値未満に下回っていて、
（ｃ）連続して取得される測定値の１つのインターバルにわたって、前記残差の二乗の和の増加率が、第２の所定の閾値を超えていないこと。

これらの条件が全て満たされると、サイクルスリップ間、又はロック破壊間のインターバル全体にわたる一連の搬送波観測値に、無効というフラグが付けられる。サイクルスリップ間のあるインターバルにおける一連の搬送波測定値が有効であると思われる場合、すなわち、それらの条件が満たされている場合、そのインターバル内の測定値の一部（インターバルの最後のポイントにおける測定値は含まない）の重みは除去される場合がある。この重みの除去は、連続した測定値における相関のあるマルチパス誤差、すなわち、ホワイトノイズを防止し、推定位置に不適切な影響が加わることを防止するために使用される。この重みの除去は、例えば、特定のコードエポックにわたって測定値の一部だけを使用する形をとる。すなわち、測定値４つにつき１つの測定値を使用するか、又は、関連計算において比較的大きな標準偏差を使用する形をとる。

したがって、システムは、各コードエポックにおいて、各ＰＲＮコードについてフラグを有する重み付けテーブル（図示せず）を作成する。これらのフラグは、データを処理する次のパスにおいて、測定値をどのように使用するかを知らせるためのものである。これらのフラグは、単なる「有効」又は「無効」といったものでもよいし、どの程度の量の測定値から重み付けを除去すべきかを指定するものであってもよい。

パス５及びそれ以降： パス５はパス３と同じで、最後の推定位置を固定位置として使用する（ステップ２１８）。したがって、二重差搬送波残差は、パス３と同様に計算され、テストされる。そして、対応する観測値の有効、又は無効が再度決定される。次に、新たな重み付けテーブルを作成し、新たな推定位置、及び位置共分散が、パス４と同じ仕方で計算される。次にシステムは、その新たに計算された位置が、最後に計算された位置に対して、所定の閾値を超えて異なるか否かを判定する（ステップ２１６）。異なっている場合、システムはパス５を繰り返す（ステップ２１８）。そうでない場合、システムは、新たな推定値を計算上の位置として使用する（ステップ２２０）。例えば、繰り返される処理間において、高度（大抵の誤差はここで発生する）の変化が０．０５メートル未満である場合、解は集束したものとみなされ、処理は終了する。