JPH075241A - Gpsナビゲーションシステム用差動装置及び方法 - Google Patents
Gpsナビゲーションシステム用差動装置及び方法Info
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Abstract
ビゲーション衛星の星座を含む衛星をベースとするナビ
ゲーションシステムとを使用して移動局受信機の位置を
計算する差動装置及び方法を提供する。 【構成】 第1の衛星からの擬似距離と他の2つの衛星
からの距離とを使用して基地局受信機の基地局位置推定
を計算し、基地局位置推定と基地局受信機の既知位置と
の間の第1のベクトル差を計算し、移動局受信機の初期
位置推定を計算し、第1の衛星からの擬似距離と他の2
つの衛星からの距離とを使用して移動局受信機の高精度
位置推定を計算し、移動局受信機の初期位置推定と高精
度位置推定との間の第2のベクトル差を計算し、第1の
ベクトル差と第2のベクトル差との間の第3のベクトル
差を計算する。第3のベクトル差を移動局受信機の初期
位置推定に加算することによって移動局受信機の位置推
定を精密に計算する。
Description
星の星座を使用して地表の、またはその付近の受信機の
位置を決定するナビゲーションシステムの分野に関す
る。より具体的には、本発明は上記衛星をベースとする
ナビゲーションシステムの位置推定の精度を改善する方
法及び装置に関する。
数ケ国の政府が、一般にグローバルポジショニングシス
テム(GPS)と呼ばれている地表位置確定システムを
開発中である。GPSは地表の、またはその付近の受信
機の高度に正確な三次元位置情報を与えるように計画さ
れた衛星をベースとする無線ナビゲーションシステムで
ある。合衆国政府はそのGPSを“ NAVSTAR”と名付
け、 1993 年には NAVSTAR GPSの完全動作を宣言する予
定である。旧ソビエト社会主義共和国連邦 ( U.S.S.R.)
政府は、“GLONASS ”として知られるGPSの開発に
携わっている。更に“NAVSAT”及び“GRANAS”として知
られる2つの欧州システムも開発中である。説明の都合
上、以下に特定的に NAVSTAR GPSに関して開示する。し
かしながら、本発明は他のGPSにも等しく適用可能で
ある。NAVSTAR GPS では、6つの分離した各円形軌道内
に4個のGPS軌道衛星が存在し、合計 24 個のGPS
衛星が周回するように計画されている。これらの中の21
個が動作し、3個は予備である。衛星軌道は極軌道で
も、または赤道軌道でもない相互に直交する傾斜した面
内にある。
を周回する。地球は地軸を中心として 24 時間で1回転
するから、これは地球が1回転する間に各衛星が正確に
完全に2周回することを意味する。任意の時刻における
各衛星の位置は精密に知られており、絶えず地球に送信
されている。時刻(GPS時)に対する宇宙空間の衛星
の位置を表すこの位置情報は天体暦データとして知られ
ている。各衛星が送信するナビゲーション信号には、天
体暦データの他に、その信号が送信される精密な時刻が
含まれている。受信機から各衛星までの距離は各ナビゲ
ーション信号内に含まれるこの送信時刻から決定するこ
とができる。受信機が信号を受信した時刻から伝播時間
を計算することができる。この時間に信号の伝播速度を
乗ずることによって送信中の衛星から受信機までの“擬
似距離”が求められる。受信機時計はGPS時に精密に
同期されていないかも知れず、また大気圏を通る伝播が
ナビゲーション信号伝播時間に遅延をもたらすので、こ
の距離を“擬似距離”と呼ぶのである。これらの要因
は、それぞれ、時計バイアス(誤差)及び大気圏バイア
ス(誤差)をもたらす。時計バイアスは数ミリ秒程度の
大きさになり得る。
情報(天体暦データ及び擬似距離)を使用して受動的な
三角測量技術を適用すれば、地球の中心に対する受信機
の位置を決定することができる。この三角測量技術は3
つの段階を含む。第1は、受信機から“見える”少なく
とも3個の衛星の位置を決定しなければならないことで
ある。第2は、受信機から各衛星までの距離を決定しな
ければならないことである。そして最後は、最初の2つ
の段階からの情報を使用して、地球の中心に対する受信
機の位置を幾何学的に決定することである。少なくとも
3個の周回GPS衛星を使用して三角測量技術を適用す
れば、簡単な幾何学的理論によって任意の地球受信機の
絶対地表位置(地球の中心に対する経度、緯度、及び高
度)を計算することができる。位置推定の精度は、サン
プルされる周回GPS衛星の数に部分的に依存する。計
算に使用するGPS衛星の数が多い程、地表位置推定の
精度を上げることができる。伝統的に、各地表位置推定
を決定するために4個のGPS衛星をサンプルしてい
る。3個の衛星が三角測量のために使用され、4番目の
衛星は上述した時計バイアスを補正するために付加され
る。もし受信機の時計がGPS衛星の時計に精密に同期
していれば、この4番目の衛星は必要ではない。しかし
ながら、精密な時計(例えば原子時計)は高価であり、
従って全ての応用に対して適当であるとは言い難い。
10月の Proceedings of the IEEE,Vol. 71, No. 10 に
所載の Parkinson, Bradford W. 及び Gilbert, Stephe
n W.の論文“ NAVSTAR : Global Positioning System -
-- Ten Years Later”、及び1989年にカリフォルニア州
サニーベイルの Trimble Navigation Ltd.から刊行され
た“ A Guide to the Next Utility ”の1-47 頁を参
照されたい。 NAVSTARGPSを使用する車両位置確定/ナ
ビゲーションシステムの詳細に関しては 1990年12月 3
日付、合衆国特許出願 07/628,560 号“車両位置決定装
置及び方法”を参照されたい。NAVSTAR GPS は、擬似乱
数信号を使用して行う搬送波の変調に2つのモードを有
している。第1のモードでは、搬送波は“C/A信号”
によって変調され“粗/取得モード”と呼ばれる。粗/
取得またはC/Aモードは“標準位置確定サービス”と
しても知られている。 NAVSTAR GPSの第2の変調モード
は、一般に“精密”または“保護”(P)モードと呼ば
れている。Pモードは“精密位置確定サービス”として
も知られている。Pモードは合衆国政府が特別に認可し
た地球受信機のみが使用するように計画されている。従
って、Pモードシーケンスは機密が保たれ、一般の用に
は供されない。このため、殆どのGPSユーザはC/A
変調モードによって与えられるデータのみに頼らなけれ
ばならない(これは、精度の落ちるポジショニングシス
テムの使用を余儀なくする)。
者)は時折、時計及び天体暦の両パラメタもしくは何れ
か一方のパラメタを変化させることによってGPS衛星
から送信されるC/AモードGPSデータ内に誤差を導
入することができる。つまり、合衆国政府はGPSデー
タを選択的に劣化もしくは改悪することができるのであ
る。1もしくはそれ以上の衛星の天体暦及び時計の両パ
ラメタもしくは何れか一方のパラメタは若干もしくはか
なり変更され得る。これは“選択的可用性”もしくは単
にSAとして知られている。SAは、例えば国家の安全
保障のような種々の理由から発動することができる。合
衆国政府はPモード変調コードにアクセスできるので、
SAが発動中であっても NAVSTAR GPSを使用することが
できる。しかしながら、C/Aモードデータの精度はか
なり低下せしめられる。時計誤差の他に、大気圏誤差及
び選択的可用性からの誤差、及び受信機雑音、信号反
射、隠蔽、及び衛星経路移動(例えば衛星の揺らぎ)を
含む他の誤差はGPS位置計算に影響を与える。これら
の誤差は擬似距離及び衛星位置の計算に不正確さをもた
らす。不正確な擬似距離及び不正確な衛星位置は、ビー
クル位置確定装置によって計算される位置推定の精度を
低下せしめる。
の誤差の効果を補償もしくは補正する。差動装置におい
ては、基地局において受信したGPSナビゲーション信
号を基地局の既知位置と共に使用して1またはそれ以上
のバイアスを計算する。これらのバイアスは車両に送信
されてGPS位置推定の精度を改善するために使用され
る。公知の差動GPSシステムは、GPS位置確定精度
を低下させるような多くの誤差を補償もしくは補正す
る。しかしながら、時計誤差及びSAからの誤差は非線
形である。公知の差動技術は、0次の近似を使用してこ
れらの非線形誤差を補正することを試みている。これは
理想的な誤差補正には程遠いものである。従来の差動G
PS技術に伴う別の問題は、同一の4個の衛星を基地局
及び車両の両方において使用できなければならないこと
である。しかしながら、このようなことが常に可能であ
るとは限らない。例えば、山、露天堀り鉱山の壁、樹
木、建物等に隠されて、基地局及び車両が同一の4個の
衛星と直接的な視線通信を確立することが妨げられる可
能性がある。従来の差動GPS技術に伴う更に別の問題
は、基地局におけるバイアスの計算と、車両におけるこ
れらのバイアスの使用との間の時間差(時間の遅れ)が
位置計算に誤差を導入し得ることである。この時間差は
数秒程度にもなり得る。
し、同一の衛星を基地局及び車両の両方において使用で
きなくてもよい差動GPS装置/方法が要望されてい
る。
改善する差動装置及び方法に関する。本発明によれば、
単一の衛星の擬似距離誤差及び天体暦誤差によってもた
らされる基地局(基地局受信機を有する)の位置オフセ
ットが計算される。次いで、同一の衛星の擬似距離誤差
及び天体暦誤差によってもたらされる(移動局受信機を
有する)車両の位置オフセットが計算される。基地局に
おいて発生するオフセットを車両において発生するオフ
セットから減算することによって、精密な車両位置オフ
セットを計算することができる。車両の精密な位置は、
このオフセットを初期車両位置推定に加算することによ
って計算される。本方法は以下の諸段階を含む。第1の
衛星からの擬似距離と他の2つの衛星からの距離とを使
用して基地局受信機の基地局位置推定を計算する。本明
細書において使用している“距離”とは、任意の2つの
端点(例えば、x, y, zにある衛星とxB , yB , z
B にある基地局との間)の計算された距離のことであ
る。基地局位置推定と基地局受信機の既知位置との間の
第1のベクトル差が計算される。
ド)もしくは差動GPS技術を使用して、移動局受信機
の初期位置推定が計算される。第1の衛星からの擬似距
離と他の2つの衛星からの距離とを使用して移動局受信
機の高精度位置推定が計算される。移動局受信機の初期
位置推定と高精度位置推定との間の第2のベクトル差が
計算される。最後に、第1のベクトル差と第2のベクト
ル差との間の第3のベクトル差が計算される。第3のベ
クトル差を移動局受信機の初期位置推定に加算すること
によって移動局受信機の位置推定が精密に計算される。
本発明の装置は、(a)基地局受信機に結合され、第1
の衛星からの擬似距離と他の2つの衛星からの距離とを
使用して基地局位置推定を計算し、基地局位置推定と基
地局受信機の既知位置との間の第1のベクトル差を計算
する手段と、(b)移動局受信機の初期位置推定を計算
する手段と、(c)移動局受信機に結合され、第1の衛
星からの擬似距離と他の2つの衛星からの距離とを使用
して移動局受信機の高精度位置推定を計算し、移動局受
信機の初期位置推定と高精度位置推定との間の第2のベ
クトル差を計算する手段と、(d)第1のベクトル差と
第2のベクトル差との間の第3のベクトル差を計算し、
第3のベクトル差を移動局受信機の初期位置推定に加算
して移動局受信機の最終位置推定を求める手段とを含
む。
る。添付図面においては同一要素/段階には同一の参照
番号を付してある。本発明は、ビークル位置推定の精度
を改善する差動装置及び方法を提供する。好ましい実施
例では、NAVSTAR グローバルポジショニングシステム
(GPS)を使用する。前述したように、そして図1に
示すように NAVSTAR GPSは6つの軌道104で地球を周
回する 21 個の動作衛星102を含む。以下の説明では
本発明は、図2に示すような自律車両システム200の
環境内で使用されるものとする。代表的なGPS星座2
02は、GPSデータを送信中の4個のGPS衛星SV
1 −SV4 を含む。ビークル(例えば自律採鉱用トラッ
ク、以下の説明では車両と称する)210及び基地局2
20は、それぞれのGPSアンテナ212及び222を
使用して星座内の各GPS衛星からGPSデータ/ナビ
ゲーション信号を受信するようになっている。GPS受
信機は、受信機から“見える”衛星から(即ち、視線通
信によって)GPSナビゲーション信号を受信すること
ができる。“見える”とは、例えば水平線から少なくと
も 10 °より大きい角度にある衛星と定義することがで
きる。この 10 °なる角度は、見える有用な衛星と、今
将に水平線より下に沈んで視界から去ろうとしている衛
星との間に緩衝ゾーンを提供する。
る”衛星の中から選択された衛星の群である。例えば、
GPS受信機から見える1群6個の中から4個の衛星を
選択することができる。三角測量法にとって好ましいジ
オメトリであることから(後述)4個の衛星が選択され
るのである。基地局220は、既知の固定位置に配置さ
れているGPS受信機(即ち基準もしくは参照受信機)
を含む。基地局220は通信チャネル225を通して車
両210と通信する。通信チャネル225は、基地局2
20と車両210との間の通信リンクを表している。好
ましい実施例では、通信チャネル225は無線送受信機
からなる。通信チャネル225は基地局220と車両2
10との間でデータを転送するために使用される。シス
テム200は、1またはそれ以上の擬似衛星230を任
意選択的に含むことができる。“擬似衛星”とは、GP
S衛星を模擬するために地表もしくはその付近に配置さ
れている送信装置である。擬似衛星は固定された既知の
位置に配置されているので、GPSから導出される位置
推定を大いに向上させることができる。説明を容易にす
るために、4個のGPS衛星102(SVi もしくはス
ペースビークルとも称する)だけを参照する。しかしな
がら衛星からの位置データが必要な場合に、擬似衛星デ
ータで代用することもできることに注目されたい。
ルブロック線図であって、GPS衛星102、車両21
0、基地局220、及び擬似衛星230を含んでいる。
車両210は、車両位置確定装置(VPS)310、及
びナビゲーション装置320を含む。車両位置確定装置(VPS)310 車両210を規定された経路に沿って案内するために
は、就中、ある基準点に対する車両の現在位置を正確に
推定する必要がある。現在位置を掌握すれば、次の行先
へ進むように車両210に命令することができる。VP
S310は車両210の位置推定を極めて精密に決定す
ることができる。VPS310は、GPS処理装置31
2、運動位置確定装置(MPS)314及びVPS処理
装置324を含む。GPS処理装置312は、GPS衛
星102からGPSデータ、即ちナビゲーション信号を
受信し、そのデータから車両210の第1位置推定(F
PE)を計算する。MPS314は、車両走行距離計3
16と、慣性参照ユニット(IRU)318とを含み、
これらは初期既知位置からの変化に基づいて車両の位置
を追跡する。MPS314は、車両210の第2の位置
推定(SPE)を発生する(実際の計算はVPS処理装
置324内において行われる)。
導出されるが、本発明はMPS314からのデータを使
用して第1の位置推定の精度を改善する。これに関して
は後述する。GPSからの第1位置推定は、車両210
の位置の独立指示として使用することができる。同様
に、MPSからの第2位置推定も、車両210の位置の
独立指示として使用することができる。しかしながら好
ましい実施例では、後述するように第1位置推定と第2
位置推定とをVPS処理装置324によって組合わせ、
より正確な第3位置推定、もしくは最良位置推定(BP
E)を求める。ナビゲーション装置320 ナビゲーション装置320は、VPS310から最良位
置推定を受信する。ナビゲーション装置320はこの精
密な最良位置推定を使用して車両210を正確に操縦す
る。GPS処理装置312 GPS処理装置312はシステム200の心臓部であ
る。図4に示すようにGPS処理装置312は、受信機
装置400と、GPSプロセッサ408とを含んでい
る。受信機装置400は衛星からナビゲーション信号を
受信して復号する。GPSプロセッサ408は受信機か
らのこの情報を使用して第1の位置推定を計算する。
2、前置増幅器404、及びGPS受信機406を含
む。アンテナ402は、電磁放射スペクトルの無線部分
を受信するようになっている。前置増幅器404は、選
択されたGPS衛星からGPSアンテナ402が受信し
たGPSナビゲーション信号を増幅する。GPS受信機
406は多チャネル受信機であって、GPSナビゲーシ
ョン信号を復号して選択された各衛星毎に擬似距離及び
衛星位置を発生する。GPSプロセッサ408は、複数
の衛星の擬似距離及び衛星位置を使用して車両210の
位置推定を計算する。好ましい実施例では、アンテナ4
02及び前置増幅器404は単一のユニット内に統合さ
れている。アンテナ/前置増幅器402/404の組合
せ及び受信機406は共にカリフォルニア州トーレンス
の Magnavox Advanced Products andSystems Co. から
部品番号 MX4200 として入手可能である。またGPSプ
ロセッサ408はイリノイ州シャウンバーグの Motorol
a Inc.から市販されている MC68020 マイクロプロセッ
サを含む。受信機406は、以下のようにして各衛星毎
の擬似距離を計算する。上述したようにGPS衛星が送
信する各信号は、その信号が送信される正確な時刻を連
続的に符号化している。受信機406がその信号を受信
した時刻に注目することによって伝播時間を計算するこ
とができる。この時間に信号の伝播速度( 2.997924599
8 × 108 m/s)を乗ずることによって、送信中の衛星か
ら受信機までの擬似距離が求められる。上述したよう
に、受信機の時計が精密にGPS時に同期していない
(時計誤差をもたらす)ことと、異なる層の大気を通る
ために伝播する信号の速度が変化する(大気圏誤差をも
たらす)ことから、この距離を“擬似距離”と呼ぶので
ある。
的で)年鑑を使用して衛星の位置を粗に決定することが
できる。衛星の位置をより精密に決定するために、受信
機はGPSナビゲーション信号を復号し、該信号から天
体暦を抽出する。天体暦データは送信中の衛星の精密な
位置を指示している。GPS受信機406は伝播時間を
計算する他に、累積デルタ距離(ADR)もしくは搬送
波技術を使用して擬似距離を計算することができる。A
DRはGPSナビゲーション信号の搬送波の位相を追跡
することによって計算される。衛星及びGPS受信機が
互いに離れるように運動する時、距離の増加をGPS搬
送波の位相変化として求めることができる。GPS搬送
波は連続正弦波であるから、ADRは絶対距離ではなく
衛星と受信機との間の距離の相対的な変化である。従っ
て、この技術は“デルタ”(Δ)距離を生ずるのであ
る。ADR技術は極めて正確な擬似距離を計算するため
に使用することができる。本明細書で使用する“擬似距
離”とは、ADRもしくは伝播時間技術を使用して計算
された擬似距離のことである。カルマン濾波技術 ユーザの視点からすれば、GPS処理装置312は自律
車両システム200の最も重要な部分である。GPS処
理装置312は各GPS衛星からの信号を受信し、処理
のために最適衛星を選択し、選択された各衛星の精密な
位置を決定し、各衛星までの擬似距離を決定し、そして
最終的に衛星位置及び擬似距離に基づいて受信機の位置
を推定する役割を果たす。これら全ては、雑音(大気、
前置増幅器、及び受信機によって生ずる雑音を含む)に
よって重度に劣化していることが多い(振幅が大きく減
衰した)受信データを使用して行わなければならない。
GPS処理装置312は、GPSナビゲーション信号か
ら雑音を排除するためにカルマン( Kalman )濾波技術
に大きく頼っている。
またはファームウエアによってディジタルコンピュータ
(プロセッサ408)上に実現されている再帰的最小自
乗アルゴリズムである。好ましい実施例のカルマンフィ
ルタは、雑音が多く含む信号の性質が連続的ではなく離
散的であるとしている。データ及び雑音の両者はベクト
ル形状にモデル化され、データは再帰的に処理される。
カルマンフィルタは2つの機能を遂行する。第1に、カ
ルマンフィルタは先行データからデータ推定を補外(も
しくは外挿)する。第2に、カルマンフィルタは補外さ
れたデータ推定を現データに基づいて更新し、高精度化
する。例えば、時刻t1 における車両位置p1 及び速度
v1 が既知であるものとすれば、フィルタは(補外段階
を遂行して)p1 及びv1 を使用して時刻t2 における
位置p2を推定する。次いで(更新段階を遂行して)時
刻t2 に新たに取得したデータを使用して位置推定p2
を高精度化する。補外段階または更新/高精度化段階の
何れかを援助するために供給されるデータは、フィルタ
を“条件付ける”という。カルマン濾波技術は当分野に
おいては公知である。カルマン濾波技術の詳細に関して
は、アイオワ州立大学刊 Brown, R. G. “Kalman Filte
ring : A GuidedTour”、及び 1983 年 3月の IEEE Tra
nsaction on Automatic Control, Vol. AC-28, No. 3
に所載の Kao, Min H.及び Eller, Donald H. の論文
“Multiconfiguration Kalman Filter Design for High
-Performance GPS Navigation ”を参照されたい。
であって上述した距離方程式を直接解くものではないか
ら、距離方程式は最初に線形化される。即ち、最後の既
知位置からの変化を計算するために、式は微分され、各
式の導関数が解かれる。例えば、時刻ti における第1
の位置推定はナビゲーション式を微分して時刻ti-1に
おける最終既知車両位置 (xV , yV , zV ) i-1 から
の位置の変化 (ΔxV, Δyv , ΔzV ) を解くことに
より、GPSプロセッサ410によって迅速に計算する
ことができる。これは距離方程式の解を極めて簡易化す
る。カルマン濾波技術の代替として、最小自乗推定また
は最良適合多項式整合を使用することもできる。運動位置確定装置(MPS)314 前述したように、MPS314は、初期既知位置からの
変化に基づいて車両の位置を追跡する車両走行距離計3
16と、慣性参照ユニット(IRU)318とを含む。
車両走行距離計316は車両210が走行した距離のデ
ータを発生する。IRU318は、位置、速度、横揺れ
(ロール)、縦揺れ(ピッチ)、及び偏揺れ(ヨー)デ
ータを発生するために使用することができる(1または
複数の)レーザジャイロスコープ321及び(1または
複数の)加速度計322の両者または何れか一方を含
む。MPS314はIRUデータ及び走行距離計データ
をVPS処理装置324へ供給する。MPS内部通信プ
ロセッサ326は、VPS処理装置324へ供給するM
PSデータのフォーマットを制御する。このデータか
ら、VPS処理装置324は車両210の第2位置推定
を発生する。VPS処理装置324 前述したように、GPSからの第1位置推定(FPE)
は車両210の位置の独立指示として使用することがで
きる。同様に、MPSデータからの計算された第2位置
推定(SPE)も車両210の位置の独立指示として使
用することができる。しかしながら、好ましい実施例で
はVPS処理装置324によって第1及び第2位置推定
を組合わせ、より正確な第3位置推定、もしくは最良位
置推定(BPE)を発生する。これを達成するために、
VPS処理装置324は、GPS処理装置312からの
データ及びMPS314からのデータを最適に組合わせ
るのにカルマン濾波技術と、加重平均とに頼っている。
て以下に説明するようにGPS受信機406からの擬似
距離及び衛星位置を使用して第1の位置推定を計算す
る。図5は、車両210から見えるGPS衛星SV1 −
SV4 を有する衛星星座202の例を示す。地球の中心
を原点とする直交座標内で衛星SV1 は (x1 ,y 1 ,
z1 ) に位置し、衛星SV2 は (x2 ,y2 ,z2 ) に
位置し、衛星SV3は (x3 ,y3 ,z3 ) に位置し、
衛星SV4 は (x4 ,y4 ,z4 ) に位置し、そして車
両210は位置(xV ,yV ,zV )に位置しているも
のとする。各衛星102の直交座標(x,y,z)は、
1つの衛星の天体暦データを使用してGPS受信機40
6によって決定される。車両210と各衛星との間の擬
似距離(PSR1 ,PSR2 ,PSR3 ,及びPS
R4 )は伝播時間を使用してGPS受信機406によっ
て決定される。少なくとも4個の衛星についての情報が
与えられれば、以下の4つの距離方程式に従って車両2
10(即ち受信機406)の位置を決定することができ
る。 ( x1 −xV )2+( y1 −yV )2+( z1 −zV )2=
( PSR1 − Bclock )2 ( x2 −xV )2+( y2 −yV )2+( z2 −zV )2=
( PSR2 − Bclock )2 ( x3 −xV )2+( y3 −yV )2+( z3 −zV )2=
( PSR3 − Bclock )2 ( x4 −xV )2+( y4 −yV )2+( z4 −zV )2=
( PSR4 − Bclock )2 但し、Bclock =時計バイアスである。“時計バイア
ス”は、上述した時計誤差を粗に補償する0次の補正係
数である。
yV 、zV 及びBclock が存在することに注目された
い。また各衛星が1つの式を発生することにも注目され
たい。従って4個の衛星及び4つの未知数から車両21
0の時計バイアス(Bclock )及び位置(xV ,yV ,
zV )についてこれらの式を解くことができる。もし時
計バイアス(Bclock )を排除すれば式内には3つの変
数だけが残されることになり、車両210の位置につい
て解くには3個の衛星を必要とするだけになる。もし受
信機装置400内に高度に精密な時計(例えば原子時
計)が使用されていれば、時計バイアスは排除すること
ができる。GPS位置推定の精度が、受信機406によ
って計算された擬似距離に大きく依存することに注目さ
れたい。前述したようにこれらの擬似距離は、大気圏効
果、選択的可用性、多重経路誤差(反射)及び時計誤差
によって重度に劣化する恐れがある。基地局220を使
用する差補正はこれらの誤差を低下させる。基地局220 GPS衛星102の星座202からのGPSデータは、
基地局220も受信する。基地局220はホスト処理装
置328を具備する。ホスト処理装置328は地球の中
心に対する基地局の位置を決定するためのGPS受信機
(例えば Magnavox モデル MX4818 )を含んでいる点が
車両210のGPS処理装置312に類似している。基
地局は“差動GPS方式”となるように使用される。
されたGPSナビゲーション信号を基地局の既知位置と
共に使用してバイアスを計算する。基地局は種々の方法
でバイアスを計算することができる。公知の1つの方法
においては、図9及び10に基づいて後述)各衛星から
のGPS(によって)計算された擬似距離と、衛星と基
地局220の既知位置との間の計算された距離(R)と
を比較する。本明細書に使用している“距離”とは、2
つの端点間の計算された距離であることに注意された
い。例えば、位置(x ,y ,z)にある衛星と、位置
(xB ,yB ,zB)にある基地局との間の距離(R)
は、標準3D(三次元)距離方程式を使用して計算され
る。即ち、 ( x−xB )2+( y−yB )2+( z−zB )2=R2 衛星の位置(x,y,z)は衛星の天体暦データから計
算される。GPS計算された擬似距離と計算された距離
との間の差は、大気誤差、時計誤差、選択的可用性(S
A)誤差、衛星経路移動、受信機雑音等によってもたら
される“差動バイアス”である。基地局は位置計算に使
用される各衛星毎のバイアスを計算する。これらのバイ
アスは、第1の位置推定の精度を改善するために通信チ
ャネル225を通して車両に送信される。
局220に比較的接近して(例えば40 km以内)位置
しており、基地局220において観測される大気誤差が
車両210において観測される大気誤差とほぼ同一であ
ると見做している。このため車両は基地局において生成
された情報に基づいて車両の第1位置推定を補正、即ち
精度を改善することができるのである。上述したような
公知の差動技術は、比較的正確な(例えば 10 m以内
の)位置推定を発生するのに有効である。しかしなが
ら、発生する差動バイアスが残留誤差を含むために、公
知システムからより一層の正確さが確実に得られること
はない。残留誤差の原因の一部は基地局における時計バ
イアスが線形に変化する(換言すれば、時計バイアス率
が一定である)と仮定していることである。このように
仮定することによって、基地局時計バイアスは滑らかに
なる。同様に、車両における時計バイアスも線形に変化
するものと仮定している。従って車両における時計バイ
アスも位置計算に誤差を導入する。公知の差動技術は、
差動バイアスの計算と、車両によるこれらのバイアスの
受信及び使用との間に時間差(時間的な遅れ)があるた
めに付加的な誤差を伴う。この時間差が増すと、差動バ
イアスの不正確さも増加する。更に、公知の差動システ
ムは反射を補正することはできない。反射(即ち、多重
経路信号)は擬似距離の計算を不正確にする。
基地局の両方が同一の衛星を使用することを要求してい
る。しかしながら、上述したような隠し効果のためにこ
の条件が常に満足されるとは限らない。本発明は、極め
て精密な車両位置推定を計算することができる差動GP
S装置及び方法を提供する。唯一の仮定、即ち基地局に
おいて反射(多重経路誤差)は存在しないという仮定を
除けば、他の全ての誤差は実質的に排除される。車両及
び基地局の両者における時計バイアスは精密に補正され
る。また、車両において発生する反射、及び公知の差動
システムに伴う基地局/車両間の時間差の問題も排除さ
れる。更に、基地局及び車両の両者に共通する衛星は1
個だけ存在すればよい。本発明は、推定車両位置PV ’
と高精度推定車両位置PV ”との間のベクトル位置誤差
が、推定基地局位置PB ’と基地局の既知位置PB との
間のベクトル位置誤差に等しいような1つの車両位置P
V が存在するという前提に基づく。(P V ”がPV に収
束することを予測していることに注目されたい。)これ
は数学的に 〔PV ”−PV ’〕≡〔PB ’−PB 〕であるような
∃PV で表される。ここに、PV は、実際の車両位置(xV ,
yV , zV )であり、PV ’は、以下のようにして計算
された推定車両位置(xV ' , y V ' ,zV ' )であ
り、PV ”は、以下のようにして計算された高精度推定
車両位置 (xV " , yV" , zV " ) であり、PV に収
束することが予測され、PB は、基地局の実際の既知位
置(xB , yB , zB )であり、PB ’は、以下に説明
するようにして計算された基地局の推定位置(xB ',
yB ' , zB ' )である。
両者において単一の衛星からの擬似距離及び天体暦誤差
によって生ずる位置オフセットを計算する。次に、基地
局において発生するオフセットを車両において発生する
オフセットから減算し、精密な車両位置オフセットを計
算する。車両の精密な位置は、このオフセットを初期車
両位置推定に加算することによって計算される。この方
法を図12の高レベル流れ図に示す。図12は本発明の
方法900を示す。段階902では、第1衛星(S
V1 )からの擬似距離及び他の2つの衛星からの距離を
使用して基地局902の位置推定(PB ’)が計算され
る。段階904では、基地局の既知の位置(PB )が基
地局の位置推定PB ’から減算されて基地局誤差ベクト
ルEB が求められる。段階906においては、公知の技
術を使用して(例えば、公知の解放端もしくは差動GP
S技術を使用して)車両の初期位置推定(PV ’)が計
算または推定される。段階908では、衛星SV1 から
の擬似距離及び他の2つの衛星からの距離を使用して車
両の高精度位置推定(PV ”)を計算する。詳細を後述
するように、基地局と車両とに共通の衛星として、衛星
SV1 だけが使用されることに注目されたい。1つの擬
似距離だけを計算することによって、本発明の方法は誤
差の源を実質的に単一の衛星源に限定している。これら
の単一の源に基づく誤差は、本発明の方法によって実質
的に排除される。“他の2個の衛星”は基地局及び車両
の両者に共通した衛星を使用する必要はない。しかしな
がら、後述する精密な位置確定を達成するためには3個
の共通衛星を使用することが好ましい。
PV ’が新位置推定PV ”から減算されて車両誤差ベク
トルEV が求められる。最後に段階912では、車両誤
差ベクトルEV と基地局誤差ベクトルEB との差を初期
車両位置推定(PV ’)に加算することによって、最終
車両位置(推定)PV が求められる。これは以下の式で
表される。 PV =PV ’+EV −EB 初期位置推定PV ’が、1個の衛星だけからの擬似距離
を使用して高精度位置推定PV ”を計算するために使用
されていることに注目されたい。次いでベクトルEV は
PV ”−PV ’に等しいことからPV ’が式から消去さ
れ、次式が得られる。 PV =PV ”−EB 以下に、本発明の差動方法の例示実施例の動作を図6乃
至図10を参照して説明する。段階602では、推定車
両位置(PV ’=xV ' , yV ' , zV ' )が計算され
る。好ましい実施例では、PV ’は図9及び10を参照
して後述する差動方法700に従って計算される。しか
しながら、必ずしもこのようにしなければならないもの
ではない。事実、PV ’は随意に決定して差し支えな
い。しかしながらこのような随意の推定は、角αが極め
て0に近いとする後述する仮定(図11参照)の精度を
低くするので、精度を低下させることになる。
星SV1 、SV2 、SV3 からナビゲーション信号を受
信する。段階606では、天体暦データ及びGPS時を
使用して各衛星毎の衛星位置が(xi , yi , zi )が
計算され、段階608では、上述のようにして基地局と
衛星SV1 との間の擬似距離(PSR1B)が計算され
る。段階610では、3D距離方程式を使用して基地局
の既知位置(xB , yB, zB )とSV2 の位置(x2 ,
y2 , z2 )との間の距離(R2B)が計算される。段
階612では、3D距離方程式を使用して基地局の既知
位置(xB , yB, zB )とSV3 の位置(x3 ,
y3 ,z3 )との間の距離(R3B)が計算される。擬似
距離PSR1B、及び2つの距離R2B、R3Bは、段階61
4における基地局の推定位置(xB ' , yB ' , zB '
)を計算するために使用される。これは以下の式を解
くことによって行われる。 ( x1 −xB ’)2+( y1 −yB ’)2+( z1 −
zB ’)2=PSR1B 2 ( x2 −xB ’)2+( y2 −yB ’)2+( z2 −
zB ’)2=R2B 2 ( x3 −xB ’)2+( y3 −yB ’)2+( z3 −
zB ’)2=R3B 2 段階616では、推定基地局位置(PB ’)と実際の基
地局位置(PB )とを比較して、2つの位置の間のベク
トル差を表す基地局誤差ベクトルE1Bを求める。即ち、 E1B=(xB ’−xB ),(yB ’−yB ),(zB ’
−zB )=(xE , yE , zE )1B 次いで方法は段階617へ進む。車両において遂行され
る段階617−626は、基地局において遂行される対
応段階604−616に類似していることに注目された
い。段階617では、車両において3個の衛星SV1 、
SV2 、SV3からナビゲーション信号を受信する。段
階618では、天体暦データ及びGPS時を使用して各
衛星毎の衛星位置が(xi , yi , zi )が計算され
る。段階619で、上述したようにして車両とSV1 と
の間の擬似距離(PSR1V)が計算され、段階620で
は、3D距離方程式を使用して車両の推定位置(xV '
, y V ' , zV ' )とSV2 の位置(x2 , y2 ,
z2 )との間の距離(R2V)が計算される。段階622
では、3D距離方程式を使用して車両の推定位置
(xB ' , yB ' , zB ' )とSV3 の位置(x3 , y
3 , z3 )との間の距離(R3V)が計算される。
R3Vは、段階624における車両の新しい、もしくは高
精度推定位置(xV " , yV " , zV " )を計算するた
めに使用される。これは以下の式を解くことによって行
われる。 ( x1 −xV " )2+( y1 −yV " )2+( z1 −zV "
)2=PSR1V 2 ( x2 −xV " )2+( y2 −yV " )2+( z2 −zV "
)2=R2V 2 ( x3 −xV " )2+( y3 −yV " )2+( z3 −zV "
)2=R3V 2 段階626では、高精度推定車両位置(PV " )と初期
推定車両位置(PV ')とを比較して、2つの位置の間
のベクトル差を表す車両誤差ベクトル E1V=(xV " −xV ' ),(yV " −yV ' ),(z
V " −zV ' )=(xE , yE , zE )1V が求められる。次に段階628において基地局誤差ベク
トルE1Bと車両誤差ベクトルE1Vとが比較され、車両位
置誤差ベクトルPERROR が以下のように求められる。 PERROR =E1V−E1B=(xV " −xV ' −xB ’+x
B ),(yV " −yV ' −yB ’+yB ),(zV " −
zV ' −zB ’+zB ) 最後に、段階630において、PERROR を初期推定車両
位置(xV ' , yV ' , zV ' )に加算して実際の車両
位置(xV , yV , zV )が求められる。これにより精
密に計算された車両位置が得られ、この車両位置は車両
位置確定装置310における第1の位置推定として使用
することができる。代替として、そして重要なことに
は、この方法で計算された第1の位置推定の精度は高度
に正確であるから、運動位置確定装置314から入力す
ることなく、車両210を操縦するための最良位置推定
として使用することもできる。
発明の好ましい実施例である図9及び10に示した差動
方法700に従って計算される。方法700は一般的な
差動GPS処理技術の例である。差動方法700の動作
を以下に説明する。段階702では、基地局において衛
星SV1 、SV2 、SV3 及びSV4 からナビゲーショ
ン信号を受信する。段階704において、各衛星毎の擬
似距離(PSRi )が計算される。段階706では、天
体暦データ及びGPS時を使用して各衛星毎の位置が計
算される。段階708では、各衛星毎の位置及び擬似距
離と、基地局の既知位置とを使用して基地局受信機の時
計バイアスが計算される。段階709では、この時計バ
イアスを使用し、基地局の時計バイアスによって導入さ
れた誤差に関して各擬似距離を補正する。段階710に
おいては、衛星の位置と基地局の既知位置とを使用して
基地局と各衛星との間の距離(RiB)を計算する。段階
712は、各距離(RiB)を各補正された擬似距離(P
SRiB)から減算して各衛星毎の擬似距離バイアスを求
める。段階714はこれらのバイアスを車両へ送信し、
車両位置推定の精度を改善するために使用させる。
V1 、SV2 、SV3 及びSV4 からナビゲーション信
号を受信する。段階718おいて、各衛星毎の擬似距離
(PSR iV)が計算される。段階720においては、段
階714において基地局から受信した擬似距離バイアス
を使用して車両擬似距離が補正される。次の段階722
では、天体暦データ及びGPS時を使用して各衛星毎の
位置が計算される。最後の段階724においては、衛星
位置及び衛星SV1 、SV2 、SV3 及びSV4 の補正
された擬似距離を使用して時計バイアス及び推定車両位
置(xV ' , yV ' , zV ' )が計算される。本発明の
好ましい実施例では、車両誤差ベクトルE1Vは、 (1)衛星SV1 、SV2 及びSV3 の天体暦誤差(6
20−624において説明済)、 (2)車両時計バイアス(主として段階619において
説明済) (3)基地局時計バイアス(主として段階720におい
て説明済)、 (4)衛星SV1 に起因する車両における多重経路誤差
(反射)(主として段階619において説明済)、及び (5)衛星SV1 の擬似距離内の天体暦誤差(主として
段階619において説明済)を含み、基地局誤差ベクト
ルE1Bは、 (1)衛星SV1 、SV2 及びSV3 の天体暦誤差(6
10−614において説明済)、 (2)基地局時計バイアス(主として段階608におい
て説明済) (3)衛星SV1 の擬似距離内の天体暦誤差(主として
段階608において説明済)を含むことに注目された
い。
ルE1Vから基地局誤差ベクトルE1Bの減算(この差が位
置誤差ベクトルPERROR である)によって、衛星SV1
及び車両時計バイアスに起因する全ての誤差(車両にお
ける多重経路誤差(反射)を除く)が実質的に除去され
る。基地局時計バイアスの非線形性を原因とする誤差が
排除されるので、これは従来の差動技術に対する重要な
改良である。しかしながら本発明はさらなる誤差補正が
可能である。段階602において、もし図9及び10に
示すような差動技術を使用して初期推定車両位置を計算
すれば、衛星SV1 及び車両時計バイアスに起因する車
両における多重経路誤差(反射)も排除することができ
る。段階630を遂行するものであり、推定車両位置
(PV ' =xV ' , yV ' , zV ' )が位置誤差ベクト
ルPERROR に加算される。段階630においては、本質
的に以下のことが行われているのである。即ち、方法7
00もしくは類似の方法に従って初期位置推定を計算す
る時、車両受信機(GPS受信機406)の時計バイア
スによって、及び車両において発生する何等かの反射に
よってPV ' は負に影響される。従って、推定車両位置
(PV ' )を位置誤差ベクトルPERROR に加算すると、
時計バイアス誤差及び如何なる多重経路誤差も実質的に
排除される。
によって、約 10 m以内のような正確な車両位置推定を
求めることが可能である。本願発明者は本発明の方法9
00がcm精度で車両位置推定を求めることができるも
のと確信している。本発明の方法は、基地局及び車両の
両者が同一の衛星を使用することを要求しない点に注目
されたい。唯一必要なのは、少なくとも1個の衛星(例
えば、衛星SV1 )を基地局及び車両の両者が共通使用
することだけである。しかしながらもし使用する共通衛
星が1個だけであれば、非共通衛星からの天体暦誤差は
位置計算から排除されないので、システムの精度は低下
する。それにも拘わらず、殆どの天体暦誤差は、図9及
び10の方法を使用して段階602において排除されよ
う。従って、たとえ1個の共通衛星だけしか使用可能で
なくても、本発明の装置及び方法は、従来のように少な
くとも4個の共通衛星を必要とすることなく、少なくと
も従来のシステムと同程度に良好な精度を達成するもの
と確信する。本発明は以下の仮定に基づいている。公知
差動GPS技術は比較的正確な(例えば、 10 m以内の
精度で)車両位置推定を計算することができる。もし推
定車両位置PV ' が実際の車両位置PV に比較的接近し
ていれば、衛星SV1 から受信した擬似距離の誤差の大
きさは実際の車両位置PV と推定車両位置PV ' との間
の距離dに等しいと見做すことができる。これを図11
に示す。
れた擬似距離PSR’と、実際の車両位置PV までの実
際の擬似距離PSRとを有する衛星SV1 を示す。角α
は2つの擬似距離の間に形成される角度である。余弦の
法則によれば、 d2 =PSR'2+PSR2 −2(PSR’)(PSR)
cos α 上式を検討すると、もし擬似距離がdより遥かに大きけ
れば(即ち、PSR>>dであれば)、角αは0に接近
すると見做すことができる。擬似距離は 20,000km程
度であり、距離dは1乃至 10 m程度であるから、この
仮定は正しい。この場合、式を d=|PSR’−PSR| に簡略化することができる。本発明の差動技術は多くの
応用を有している。例えば、本方法を第1の衛星からの
擬似距離を使用して遂行し、次いで第2の衛星からの擬
似距離を使用して再度遂行する。2つの位置推定を平均
して精度を更に高める。別の例として、本方法を幾つか
の衛星について繰り返し、それらの衛星の位置誤差ベク
トル PERROR (i)、PERROR (i+1)、・・・ を比較することができる。次いで最小の位置誤差ベクト
ルを有する衛星を車両位置計算に使用して、精密な位置
推定を算出する。
関して図示し、説明したが、当業者ならば特許請求の範
囲に記載された本発明の思想及び範囲から逸脱すること
なく形状及び細部に種々の変更を施し得ることは明白で
あろう。
PS衛星を示す図である。
及び自律車両を含む自律車両システムの概要図である。
自律車両システムのブロック線図である。
の星座の間の幾何学的関係を示す図である。
算する本発明による方法を示す流れ図の前半部分であ
る。
する方法例を示す詳細な流れ図の前半部分である。
す図である。
計算する本発明による方法の詳細を示す流れ図である。
Claims (7)
- 【請求項1】 既知位置を有する基地局受信機と複数の
ナビゲーション衛星の星座を含む衛星をベースとするナ
ビゲーションシステムとを使用して地表の、またはその
付近の移動局受信機の位置を計算する方法であって、 (a)第1の衛星からの擬似距離と他の2つの衛星から
の距離とを使用して基地局受信機の基地局位置推定を計
算する段階と、 (b)基地局位置推定と基地局受信機の既知位置との間
の第1のベクトル差を計算する段階と、 (c)移動局受信機の初期位置推定を計算する段階と、 (d)上記第1の衛星からの擬似距離と他の2つの衛星
からの距離とを使用して移動局受信機の高精度位置推定
を計算する段階と、 (e)移動局受信機の初期位置推定と高精度位置推定と
の間の第2のベクトル差を計算する段階と、 (f)上記第1のベクトル差と上記第2のベクトル差と
の間の第3のベクトル差を計算する段階と、 (g)上記第3のベクトル差を移動局受信機の上記初期
位置推定に加算して移動局受信機の最終位置推定を求め
る段階とを具備することを特徴とする方法。 - 【請求項2】 上記初期位置推定は、三角測量技術と少
なくとも4個の衛星からの擬似距離及び衛星位置とを使
用して計算される請求項1に記載の方法。 - 【請求項3】 上記初期位置推定は、差動技術を使用し
て計算される請求項1に記載の方法。 - 【請求項4】 上記段階(a)の他の2つの衛星は、段
階(d)の他の2つの衛星と同一である請求項3に記載
の方法。 - 【請求項5】 既知の位置を有する第2の受信機と複数
のナビゲーション衛星の星座を含む衛星をベースとする
ナビゲーションシステムとを使用して地表の、またはそ
の付近の第1の受信機の位置を計算する方法であって、 (a)第1の受信機において、第1の複数のナビゲーシ
ョン衛星から第1の複数のナビゲーション信号を受信す
る段階と、 (b)上記第1の複数のナビゲーション信号から、第1
の受信機の位置推定を計算する段階と、 (c)第2の受信機において、上記第1の複数のナビゲ
ーション衛星と共通の第1の衛星を含む第2の複数のナ
ビゲーション衛星から、第2の複数のナビゲーション信
号を受信する段階と、 (d)各ナビゲーション信号から、第1の衛星の位置を
計算する段階と、 (e)上記第1の衛星からのナビゲーション信号から、
上記第2の受信機と上記第1の衛星との間の第1の擬似
距離を計算する段階と、 (f)第2の衛星の位置と第2の受信機の既知位置とか
ら、上記第2の衛星と第2の受信機との間の第1の距離
を計算する段階と、 (g)第3の衛星の位置と第2の受信機の既知位置とか
ら、上記第3の衛星と第2の受信機との間の第2の距離
を計算する段階と、 (h)上記第1の擬似距離と、上記第1の距離と、上記
第2の距離と、上記第1、第2及び第3の衛星の上記位
置とから、上記第2の受信機の推定位置を計算する段階
と、 (i)上記第2の受信機の上記推定位置と上記既知位置
との間の差を計算して第1の誤差ベクトルを決定する段
階と、 (j)上記第1の複数のナビゲーション信号から、上記
第1の受信機の位置推定を計算する段階と、 (k)上記第1の衛星からのナビゲーション信号から、
上記第1の受信機と上記第1の衛星との間の第2の擬似
距離を計算する段階と、 (l)第2の衛星の位置と上記第1の受信機の上記推定
位置とから、上記第2の衛星と上記第1の受信機との間
の第3の距離を計算する段階と、 (m)第3の衛星の位置と上記第1の受信機の上記推定
位置とから、上記第3の衛星と上記第1の受信機との間
の第4の距離を計算する段階と、 (n)上記第2の擬似距離と、上記第3の距離と、上記
第4の距離と、上記第1、第2及び第3の衛星の位置と
から、上記第1の受信機の高精度推定位置を計算する段
階と、 (o)上記第1の受信機の上記高精度推定位置と上記推
定位置との間の差を計算して第2の誤差ベクトルを決定
する段階と、 (p)上記第1の誤差ベクトルと第2の誤差ベクトルと
の間の差を計算して上記第1の受信機に関する第3の誤
差ベクトルを決定する段階と、 (q)上記第3の誤差ベクトルを使用して上記第1の受
信機の推定位置を補正する段階とを具備することを特徴
とする方法。 - 【請求項6】 上記段階(j)の位置推定は、差動技術
を使用して計算される請求項5に記載の方法。 - 【請求項7】 既知位置を有する基地局受信機と、複数
のナビゲーション衛星の星座を含む衛星をベースとする
ナビゲーションシステムとを使用して地表の、またはそ
の付近の移動局受信機の位置を計算する装置であって、 (a)上記基地局受信機に結合され、第1の衛星からの
擬似距離と他の2つの衛星からの距離とを使用して基地
局位置推定を計算し、基地局位置推定と基地局受信機の
既知位置との間の第1のベクトル差を計算する手段と、 (b)上記移動局受信機の初期位置推定を計算する手段
と、 (c)上記移動局受信機に結合され、上記第1の衛星か
らの擬似距離と他の2つの衛星からの距離とを使用して
移動局受信機の高精度位置推定を計算し、移動局受信機
の初期位置推定と高精度位置推定との間の第2のベクト
ル差を計算する手段と、 (d)上記第1のベクトル差と上記第2のベクトル差と
の間の第3のベクトル差を計算し、上記第3のベクトル
差を移動局受信機の上記初期位置推定に加算して移動局
受信機の最終位置推定を求める手段とを具備することを
特徴とする装置。
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