JPH10132590A - 一体型gps/推測位置ナビゲーション・システムにおけるgpsアンテナ・レバー・アーム補償の認識ならびにその方法および装置 - Google Patents
一体型gps/推測位置ナビゲーション・システムにおけるgpsアンテナ・レバー・アーム補償の認識ならびにその方法および装置Info
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Abstract
心との間のレバー・アームもしくはオフセットを補償す
ることによって、機首方位レート・センサ(15)を利
用する車両DRシステムに伴う誤差増加を低減する。 【解決手段】 適度な速度でターンする際に、このレバ
ー・アームによってGPS機首方位に生じる誤差は支配
的な誤差影響となりうる。従って、本発明はこの誤差源
を認識し、さらにこのレバー・アームの誤差影響を推定
し、補償する方法および装置について説明する。
Description
システムにおいて全地球測位衛星(GPS:global pos
itioning satellite)受信機の利用が普及する。しか
し、GPSにのみ基づくシステムは、無線周波数干渉の
他に、高い建物による信号遮断や反射が発生しやすい高
密度都市環境ではうまく機能しない。この問題に対する
コスト効率的な解決方法は、GPSをある種の推測位置
(DR:dead reckoning)で補強し、GPSカバレッジ
におけるギャップを埋めて、GPS軌跡(trajectory)の
精度を改善する方法がある。一般に、DRシステムは、
低コストの機首方位レート・センサ(heading rate sens
or) (これは低コストのジャイロもしくは車両に搭載さ
れた個別の左右ホイール・センサへのインタフェースで
もよい)と、車両のオドメータへのインタフェースの形
態をとる。
判定する精度に著しく依存し、この時、GPSがない場
合の1度の機首方位誤差は、移動距離の約1.7%とし
て増加するクロス・トラック位置誤差を生じさせる。で
きるだけ正確な機首方位を達成するため、GPS機首方
位情報は機首方位レート・センサによって維持される機
首方位と調和される。
mes F. McLelland, M.S. Thesis, Department of Surve
ying, University of Calgary, Calgary, CA, January
1992による"Design and Analysis of a Low Cost GPS A
ided Navigation System" を参照して、GPSおよびD
Rシステム機首方位における誤差源として統計的表現を
用いるカルマン・フィルタ(Kalman filter) を利用し
て、DRおよびGPS情報を合成するシステムが開示さ
れる。しかし、GPS受信機は実際には機首方位を検出
せず、アンテナの判定された東および北速度成分から機
首方位を導出する。さらに、ターンする際に、GPSア
ンテナと車両の回転中心との間のレバー・アームのた
め、速度成分は車両の真の機首方位と対応せず、それに
よりかなりの誤差源となる。本発明は、導出された機首
方位情報における誤差に大きく寄与しうるGPS機首方
位におけるこの誤差源を認識する。
との間のレバー・アームによるこの誤差を認識し、この
レバー・アームによって生じる誤差を実質的に除去する
装置および方法が必要とされる。
能を大幅に向上できるソフトウェアに搭載されたアルゴ
リズムを含む。このアルゴリズムは、GPSアンテナと
車両の回転中心との間のオフセットをリアルタイムで推
定し、この誤差影響について以降のGPS導出された機
首方位を補正することによって、このオフセットまたは
レバー・アームを自動的に補償する。ホスト車両が適度
な速度でターンすると、GPS機首方位に対するレバー
・アームの影響は支配的な誤差影響となり、そのため、
補償しないと、車両がターンする毎に一体型システムに
かなりの機首方位誤差(最大20度)を生じさせる。こ
の機首方位誤差は、車両が前進する際にクロス・トラッ
ク測位誤差に直接結びつき、それにより機首方位誤差の
1度が移動距離の約1.7%のクロス・トラック位置誤
差を生じさせる。従って、20度の誤差は、わずか10
0メートルの移動距離で、30メートル以上のクロス・
トラック位置誤差を生じる。しかし、このレバー・アー
ムによる誤差を補償する本発明を利用することにより、
このような誤差影響は除去され、一体型GPS/DRシ
ステムの精度は実質的に向上される。
搭載されたGPS/DRシステムを示す。図1は、GP
Sアンテナ11を含め、GPS信号を受信するGPS受
信装置10と、視界内のGPS衛星(20,21,2
2,23)を追跡し、適切なGPS受信機信号処理によ
り距離測定および距離レート測定値を導出するGPSプ
ロセッサ13とを含む。これらの測定値は、プロセッサ
13において車両17の位置および速度を算出するため
に用いられる。
タ14からの移動距離の入力と、外部の機首方位源15
からの機首方位レート情報の入力とを受ける。外部機首
方位源15は、例えば、機首方位レートを直接検出する
レート・ジャイロもしくは速度差を利用して機首方位レ
ートを判定するために車両の左右のホイールに取り付け
られた個別のホイール速度センサの形式でもよい機首方
位レート・センサである。出力装置16は、マップ上に
車両位置を表示するために車両ナビゲーション・システ
ムにあってもよい。アンテナ・オフセット・キャリブレ
ーションを行うソフトウェアは、GPSプロセッサ13
に常駐する。このソフトウェア(以下で詳しく説明す
る)は、レバー・アームについてカルマン推定器(Kalma
n estimator)を利用し、これは典型的な車両寸法(例え
ば、1メートル)を反映する不確定レベルを有する未知
(すなわち、ランダム)バイアス誤差としてモデリング
される。カルマン測定は、GPS導出された機首方位
と、DRシステム検出された機首方位変化を利用する開
ループ伝播との間の残差(residual)から作成される。こ
の開ループ伝播は、車両がターンするごとに開始され
る。
こにでも配置できるが、典型的な車両搭載は一般に、
(i)フロントまたはリア・ウィンドウ内部,(ii)
搭乗者コンパートメントの上のルーフ,(iii)車両
トランクの上もしくは(iv)フロント・フード上に配
置される。この選択は一般に車両メーカに任されるが、
いくつかの搭載は遠慮される。例えば、車両内部の搭載
では、GPS信号の大幅な減衰および損が生じる。残念
ながら、GPS信号追跡にとってもっとも好ましい搭載
では、それに伴うレバー・アームが最大となる場合が多
い。例えば、RESCU(Ford Remote Emergency Servi
ce Control Unit)システムの場合にように、車両の後部
付近(トランクの上)の搭載はレバー・アームが最大と
なる。車両の後部は、車両の回転中心(すなわち、ター
ンしたときに横移動を受けない車両の点)から1.5メ
ートル離れることがある。
アーム25と、車両の回転中心26と、GPS機首方位
誤差(以下の数1によって与えられる)との間の関係を
示す。図2は、車両がターンするとき、GPSアンテナ
に伴う速度成分(ωd)は、GPSアンテナが車両の回
転中心上にないときに存在することを示す。この速度成
分は、車両上のアンテナ位置に対する車両の回転中心か
ら生成されるレバー・アーム方向ベクトル27に直交す
る。レバー・アーム25を推定し、これを補償する際
に、ターン中に一体型システムに伴う誤差蓄積は低減で
き、異なる車両種類におけるオフセットのばらつきを除
去できる。図2に示すように、GPS機首方位は、車両
の角レートで乗じたレバー・アーム25に比例する誤差
項を発生する。1メートルのレバー・アーム25および
約5mphの速度で角をターン(ω=25度/秒)する
車両では、数1によって与えられるように、14度の誤
差(ΔHGPS )がGPS判定機首方位に生じる。
ム距離を表し、vは、ホスト車両の速度を表し、積ωd
は、レバー・アーム方向ベクトルに直交するGPSアン
テナの瞬時速度成分を表す。 この速度で、妥当な衛星ジオメトリを想定すると、選択
的アベイラビリティ(Selective Availability)の影響
(一般に、GPS判定機首方位の最大誤差成分)は2.
5度である。従って、GPS機首方位およびDR機首方
位を融合する機首方位フィルタは、このような誤差大き
さを期待せず、カルマン・フィルタ構成においてGPS
機首方位の統計的排除(statistical rejection) が生じ
ることがある。このような統計的排除は、機首方位推定
値をレバー・アームの影響から保護するが、GPS機首
方位情報が無視されるので、DRシステムの機首方位が
ドリフトすることを許す。しかし、本発明は、GPS機
首方位に対するレバー・アームの影響を除去するので、
(補償された)GPS機首方位の処理を継続することを
可能にする。統計的排除が行われない場合、レバー・ア
ームによって生じた誤差の成分は機首方位推定値に入り
込み、大幅なクロス・トラック位置誤差を生じさせる。
を認識し、この誤差を推定・除去し、それによりシステ
ムの機首方位推定値の精度を向上させる。
一体型システム伝播機首方位残差(Hres )の間の差に
対する影響を測定することによって推定され、低域通過
フィルタもしくはカルマン・フィルタを利用して各被測
定値(Δdmeas)を濾波することによって、被推定レバ
ー・アーム(d)に対する以降の改善が算出される。
ーム(d)に対する補正(Δdmeas)を測定するための
式を示し、Δdmeasは、以下の数5に示すように、レバ
ー・アームdの推定値を改善するためにその後用いられ
る。
であり、HDRは、開ループDRシステム判定機首方位で
あり、HGPS は、GPS判定機首方位であり、ΔH
DRは、DRシステム判定機首方位変化であり、vは、D
Rシステム判定速度である。 なお、機首方位残差項Hres は、レバー・アームの影響
からの機首方位残差を補償するため、GPS判定機首方
位(HGPS )から減算された項[ΔHDR(d/v)]を
含み、レバー・アームが正確に推定もしくは測定される
と、レバー・アームに起因する機首方位に対する誤差影
響は最小限に抑えられることに留意されたい。さらに、
Δdmeasは、機首方位残差(Hres )から除去される現
在被推定レバー・アーム(d)に対する調整の測定値を
表すことに留意されたい。従って、被推定レバー・アー
ムが真のレバー・アーム距離に近づくにつれて、Δd
measは0に近づく。
SおよびDR判定機首方位の誤差の影響を低減するた
め、十分な機首方位変化が蓄積した場合にレバー・アー
ムを測定するのにもっとも有用である。しかし、一般に
GPSプロセッサ13内に位置するカルマン・フィルタ
を利用して、被推定値(Δdmeas)の時間履歴からΔd
を推定する場合、より小さい機首方位変化に対応する測
定は逆重み付け(de-weight) できる。さらに、より単純
な低域通過フィルタを利用する場合、最小機首方位変化
に対応する測定のみが用いられる。従って、カルマン・
フィルタは、測定データを適切に重み付けでき(より単
純な低域通過フィルタはすべての測定値を等しく重み付
けする)、かつ正確な解により速く達することができる
ので、カルマン・フィルタは優れた性能を発揮する。な
お、数2で用いられるDR機首方位は、レバー・アーム
誤差による悪影響を防ぐため、ターンの開始からのDR
判定機首方位レートの「開ループ」伝播である。
されたソフトウェアで実施できる、レバー・アーム推定
および補償プロセスを示す詳細なフローチャートを示
す。カルマン・フィルタ方式が好適なので、図3に図示
するフローチャートはカルマン・フィルタ方法を表す。
ように、DR判定機首方位変化の大きさの試験を利用し
て、レバー・アーム・カルマン・フィルタを起動する。
この試験が不合格の場合、ボックス60によって表され
るように、GPS/DR機首方位伝播と、ボックス65
によって表されるように、被推定レバー・アームを利用
して残差を補償するGPS/DR機首方位フィルタとに
よって、通常の処理が再開される。
によって表されるように、レバー・アーム推定の第1段
階として開始される。この開ループ伝播は、一般に、G
PS機首方位情報を利用せずに、DRシステムの出力、
すなわち、DR検出機首方位変化にのみ基づく。これ
は、アンテナ・レバー・アーム影響からDR軌跡の独立
性を保持し、それによりGPS機首方位と比較した場合
にDRの可観測性(observability) を向上させる。ま
た、ボックス45によって表されるように、開ループ機
首方位誤差分散(open loop heading error variance)
(σ2 HOL)も判定される。この誤差分散は、一般に
DRシステム機首方位フィルタによって算出され、DR
検出機首方位変化の誤差の影響を含み、それにはジャイ
ロ方式のDRシステムの場合、ジャイロ倍率およびバイ
アス・ドリフトの影響や、差動走行距離(differential
odometry) に基づくDRシステムにおけるパルス量子化
誤差および差動倍率誤差が含まれる。
差(Hres )は、ボックス50によって表されるよう
に、カルマン・フィルタの基本測定を形成する。残差時
間履歴からレバー・アームの推定値を導出するために
は、フィルタは伝播された機首方位の精度と、レバー・
アームに伴う初期不確定性と、GPS判定機首方位(レ
バー・アームの影響を除く)の精度との統計的モデルを
必要とする。カルマン・フィルタ方式を利用して、DR
およびGPS機首方位を統合することを想定すると、伝
播された(すなわち、開ループ)機首方位の精度は、σ
2 HOLによって示されるように、カルマン・フィルタ
の誤差分散から予測できる。同様に、カルマン機首方位
フィルタは、誤差分散をGPS機首方位σ2 HGPSと
関連付ける。これらの誤差分散は、σ2 Δdmeasによっ
て示されるように、レバー・アーム測定に伴う誤差分散
を構成し、数3に基づいて算出される。
+σ2 HGPS) ボックス50から判定されるGPS機首方位残差は、妥
当性試験(reasonableness test) を受けてから、レバー
・アームを更新するために用いられ、GPS機首方位の
過剰な誤差(例えば、反射信号を追跡することによって
生じうる)から保護する。数3によって与えられる測定
誤差分散は、数4において算出されるように、カルマン
利得(kgain)を判定するために用いられ、現測定に適
用する。
分散である。 カルマン利得dgainが与えられると、レバー・アーム推
定値dは数5に従って更新される。
も数6に従って同様に更新される。
され、その誤差分散は車両寸法(例えば1平方メート
ル)を表す値に初期化される。レバー・アームはランダ
ム・バイアスとしてモデリングされる(すなわち、レバ
ー・アームに伴う力学はない)ので、数字上の問題の可
能性を防ぐため、σ2 dに対して下限が設けられる。
ー・アーム推定器の有効性を実証するため、2つの試験
を行った。第1の試験では、車両の回転中心と信じられ
るところよりも前方(すなわち、試験車両のサンルーフ
の直前)にGPSアンテナを配置し、第2の試験では、
車両の中心と信じられるところの近く(すなわち、試験
車両のサンルーフの直後)にGPSアンテナを配置し
た。各試験について、試験車両は約10マイル/時の平
均速度および約30度/秒の機首方位レートで、反時計
方向に3回転し、スパイク70,71(図5)およびス
パイク72,73(図7)は、機首方位の0度から36
0度の変化を表し、ここで機首方位は0度〜360度の
間に制限される。各試験について、レバー・アームは機
首方位残差に対してかなりの影響を及ぼすと予想され
た。
を図4ないし図7に示し、ここで横軸は秒単位の時間を
表し、縦軸はメートル/秒単位の速度(V)もしくは度
/秒単位のDRターン・レート(HDR)を表す。図4お
よび図5にそれぞれ示す車両速度およびターン・レート
分布を有するほぼ円形軌跡に対応する第1試験では、G
PSアンテナは車両の回転中心と信じられるところより
も前方(すなわち、試験車両のサンルーフの直前)に配
置した。図6および図7にそれぞれ示す車両速度および
ターン・レート分布を有するほぼ円形の軌跡に対応する
第2試験では、GPSアンテナは回転中心と信じられる
ところの近く(すなわち、試験車両のサンルーフの直
後)に配置した。
ついて観察された残差を表し、ここで横軸は秒単位の時
間を表し、縦軸はGPS機首方位を処理する機首方位フ
ィルタの被測定残差(Hres )を表す。第1試験に対応
する図8において、比較的大きな残差が観察され(レバ
ー・アーム距離dが試験2よりも比較的大きいので)、
機首方位フィルタによるいくつかの統計的排除が生じ
た。一方、図9に示す残差履歴は、一般に小さい大きさ
で(レバー・アーム距離dが試験1よりも比較的小さい
ため)、統計的排除は観察されなかった。各残差プロッ
トから、数2を利用して、レバー・アームの大まかな推
定値を残差平均から算出した。レバー・アームの大まか
な残差推定値dを表1に示す。
心に近いことが予想されるという点で、結果は洞察と一
致した。結果をさらに確認するため、車両のサンルーフ
の長さを22.5インチと測定した。なお、この被測定
差は、レバー・アーム推定値間の差と極めてよく一致
し、ここで上記の表1からのレバー・アーム差は18.
90インチ(28.74−9.84)であることに留意
されたい。これは、レバー・アームが4インチより優れ
た精度で推定されたことを示す。(試験1および2に対
して行った大まかな推定とは反対に)図3のフローチャ
ートで説明したカルマン・フィルタ構成では、所定の精
度下限(例えば、0.5インチ)に達するまで、精度は
改善しつづける。推定値がカルマン・フィルタの誤差分
散(数6のσ2 d)から判定されるこの精度レベルに達
すると、一体型システムにおける誤差源としてのレバー
・アームの影響は実質的に除去される。
タイム推定およびキャリブレーションを好適な実施例と
して説明したが、少なくとも2つの追加の代替例が存在
する。これらの代替例は、(i)レバー・アームの期待
大きさによってGPS機首方位を逆重み付けすることお
よび(ii)その大きさについて所定の値を利用して、
レバー・アーム影響を補償することを含む。
値より大きいか等しい)レバー・アーム大きさの値を利
用し、数1を利用して各GPS機首方位に対する影響を
算出する。それによって得られるGPS機首方位誤差大
きさは、機首方位フィルタ(これがGPS情報とDR情
報を融合する)によって利用され、GPS機首方位測定
誤差分散を増加する(すなわち、レバー・アーム発生誤
差の影響をGPS機首方位における追加白雑音誤差源と
して表す)。このように、GPS機首方位は、レバー・
アーム影響が支配的な場合に、一体型システムによって
実質的に無視される。
アーム補償を行うが、レバー・アームをリアルタイムで
推定しない。むしろ、第2代替例は、車両の(既知の)
回転中心からの距離を測定することにより、GPSアン
テナが車両に搭載される際に判定した所定のもしくは測
定済み値を利用する。このように、本発明は、レバー・
アーム距離dが数2ないし数6を利用して最初に測定さ
れるかどうか、あるいはレバー・アーム距離dが手作業
もしくはその他の方法で判定されるかどうかに関係な
く、GPSアンテナ・レバー・アームの影響を補償する
ことを網羅する。以上、ターンする際に、GPSアンテ
ナ・レバー・アームがGPS機首方位推定値に及ぼしう
る影響を最初に認識する新規な方法が提供されたことが
明白である。さらに、本発明は、車両の回転中心が未知
のときに、あるいは車両の回転中心が既知の場合にレバ
ー・アームが手作業で測定されるときに特に有用な、レ
バー・アームをリアルタイムで推定する、GPS/DR
一体型システムに基づいた手法を提供する。さらに、本
発明は、レバー・アームに起因する機首方位レート成分
(ΔHDRx(d/v))をDR機首方位残差(Hres )
から減算あるいは除去することにより、このようなレバ
ー・アームの誤差影響を補償する。
してきたが、多くの代替,修正および変形は上記の説明
に鑑み当業者に明白である。従って、本発明は、特許請
求の範囲の精神および広い範囲内に入るかかる一切の代
替,修正および変形を網羅するものとする。
テムを塔載した車両を示す詳細なブロック図である。
ムがGPS判定機首方位に及ぼす影響を示す模式図であ
る。
ルゴリズムを示す詳細なフローチャートである。
ナに対してアンテナ・レバー・アーム推定法式の有効性
を調べるために用いられる軌跡について、車両の速度を
示すグラフである。
ナに対してアンテナ・レバー・アーム推定方式の有効性
を調べるために用いられる軌跡について、車両の機首方
位を示すグラフである。
に対してアンテナ・レバー・アーム推定方式の有効性を
調べるために用いられる軌跡について、車両の速度を示
すグラフである。
に対してアンテナ・レバー・アーム推定方式の有効性を
調べるために用いられる軌跡について、車両の機首方位
を示すグラフである。
いられる機首方位フィルタ残差を示すグラフである。
いられる機首方位フィルタ残差を示すグラフである。
Claims (5)
- 【請求項1】 移動車両に搭載された全地球測位衛星
(GPS)受信機であって、GPS信号を受信するGP
Sアンテナを含むGPS受信機の機首方位を改善する方
法であって:前記移動車両がターンするとき、前記GP
Sアンテナが車両の回転中心に対してオフセットする場
合に、前記GPSアンテナが前記移動車両の速度と整合
しない速度成分を有することを認識する段階;およびG
PSアンテナの前記速度成分が前記GPS受信機の機首
方位に誤差を生じさせることを認識する段階;によって
構成されることを特徴とする方法。 - 【請求項2】 機首方位の外部源を利用して、GPSア
ンテナの前記速度成分の認識に基づいて、GPS受信機
の機首方位を補償する段階をさらに含んで構成されるこ
とを特徴とする請求項1記載の方法。 - 【請求項3】 移動車両の前記回転中心に対するGPS
アンテナのレバー・アーム距離を判定する段階をさらに
含んで構成されることを特徴とする請求項1記載の方
法。 - 【請求項4】 移動車両に搭載される全地球測位衛星
(GPS)受信機において、前記移動車両の回転中心に
対してオフセットされたGPSアンテナによって生じる
機首方位誤差影響を補償する装置であって:前記移動車
両の機首方位変化を検出する機首方位の外部源;前記G
PS受信機から導出されるGPS機首方位と、前記機首
方位の外部源に基づいた機首方位との間の機首方位残差
を判定する手段;前記機首方位残差を利用して、前記G
PSアンテナが前記移動車両の回転中心に対してオフセ
ットされるレバー・アーム距離を判定する手段;および
前記判定されたレバー・アーム距離を利用して、前記移
動車両の回転中心に対してオフセットされた前記GPS
アンテナによって生じる誤差から、前記GPS機首方位
を補償する手段;によって構成されることを特徴とする
装置。 - 【請求項5】 前記補償する手段は、前記機首方位の外
部源が機首方位の大きな変化を検出した際に、GPS機
首方位情報を逆重み付けする手段を含むことを特徴とす
る請求項4記載の装置。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US08/739,010 US5784029A (en) | 1996-10-28 | 1996-10-28 | Recognition of and method and apparatus for GPS antenna lever arm compensation in integrated GPS/dead reckoning navigation systems |
US739010 | 1996-10-28 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH10132590A true JPH10132590A (ja) | 1998-05-22 |
JP3927300B2 JP3927300B2 (ja) | 2007-06-06 |
Family
ID=24970437
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP31143897A Expired - Lifetime JP3927300B2 (ja) | 1996-10-28 | 1997-10-27 | 移動車両の回転中心に対してオフセットされたgpsアンテナによって生じる機首方位誤差を補償する装置 |
Country Status (4)
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