JP2008506126A5 - - Google Patents
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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。
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。
(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。
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