JP3408593B2 - 衛星をベースとするナビゲーションシステムにおいて衛星の位置を予測する方法及び装置 - Google Patents
衛星をベースとするナビゲーションシステムにおいて衛星の位置を予測する方法及び装置Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、一般的には地球を周回
する衛星の星座を使用して地表、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、本発明は星座内の各衛星の位置
を予測する方法及び装置に関する。
する衛星の星座を使用して地表、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、本発明は星座内の各衛星の位置
を予測する方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】現在、アメリカ合衆国を含む数ケ国の政
府が、一般にグローバルポジショニングシステム（ＧＰ
Ｓ）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、またはその付近の受信者に高度に正
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”と名付けている。合衆
国政府は 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。NA
VSTAR 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。衛星軌道は極軌道または赤道軌
道ではなく、相互に直交する傾斜した面内にある。
府が、一般にグローバルポジショニングシステム（ＧＰ
Ｓ）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、またはその付近の受信者に高度に正
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”と名付けている。合衆
国政府は 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。NA
VSTAR 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。衛星軌道は極軌道または赤道軌
道ではなく、相互に直交する傾斜した面内にある。
【０００３】各ＧＰＳ衛星は、ほぼ 12 時間で１回地球
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に注目するこ
とによって、伝播時間の遅延を計算することができる。
この時間遅延に信号の伝播速度を乗ずると、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、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）の因となる。時計バイアス
は数ミリ秒程度の大きさになり得る。
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に注目するこ
とによって、伝播時間の遅延を計算することができる。
この時間遅延に信号の伝播速度を乗ずると、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、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）の因となる。時計バイアス
は数ミリ秒程度の大きさになり得る。
【０００４】少なくとも３個の衛星からのこれら２つの
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。
より多くのＧＰＳ衛星を計算に使用すれば、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修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いえな
い。
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。
より多くのＧＰＳ衛星を計算に使用すれば、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修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いえな
い。
【０００５】NAVSTAR GPS の詳細に関しては、 1983 年
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において
は、単一の搬送波周波数を使用する電磁信号が各衛星か
ら連続的に送信されている。しかし、各衛星は異なる変
調ゴールドコードを使用しているので信号を区別するこ
とができる。搬送波周波数は、各ＧＰＳ衛星に独自の擬
似乱数信号を使用して変調されている。従ってナビゲー
ション信号を復調すれば周回ＧＰＳ衛星を識別すること
ができる。更に 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。Ｃ／Ａ信号は 1.023 MHzのチップ周波数を有する
ゴールドコードシーケンスである。ゴールドコードシー
ケンスは当分野においては公知である。
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において
は、単一の搬送波周波数を使用する電磁信号が各衛星か
ら連続的に送信されている。しかし、各衛星は異なる変
調ゴールドコードを使用しているので信号を区別するこ
とができる。搬送波周波数は、各ＧＰＳ衛星に独自の擬
似乱数信号を使用して変調されている。従ってナビゲー
ション信号を復調すれば周回ＧＰＳ衛星を識別すること
ができる。更に 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。Ｃ／Ａ信号は 1.023 MHzのチップ周波数を有する
ゴールドコードシーケンスである。ゴールドコードシー
ケンスは当分野においては公知である。
【０００６】チップは、擬似乱数コードの１つの個々の
パルスである。擬似乱数コードシーケンスのチップ周波
数は、シーケンス内においてチップが生成される周波数
である。従ってチップ周波数は、コード繰り返し周波数
をコード内のメンバーの数で除したものに等しい。NAVS
TAR GPS のＣ／Ａモードでは、各ゴールドコードシーケ
ンス内に 1,023チップが存在し、シーケンスは１ミリ秒
毎に繰り返される。４個の周回ＧＰＳ衛星からの 1.023
MHzゴールドコードシーケンスを使用すれば概ね 60 乃
至 100メートルの精度( 95％の確信度）で地球受信機の
対地位置を決定することができる。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モードでは、擬似乱数コード
は 10.23 MHzのチップ周波数を有している。更にＰモー
ドシーケンスは極めて長く、１回の繰り返しが 267日以
下になることはない。その結果、如何なる地球受信機の
地表位置も概ね 16メートルの精度（球形誤差範囲）以
内で決定することができる。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モードシーケンス
は合衆国政府によって機密を保たれており、公共の利用
には供されない。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。
パルスである。擬似乱数コードシーケンスのチップ周波
数は、シーケンス内においてチップが生成される周波数
である。従ってチップ周波数は、コード繰り返し周波数
をコード内のメンバーの数で除したものに等しい。NAVS
TAR GPS のＣ／Ａモードでは、各ゴールドコードシーケ
ンス内に 1,023チップが存在し、シーケンスは１ミリ秒
毎に繰り返される。４個の周回ＧＰＳ衛星からの 1.023
MHzゴールドコードシーケンスを使用すれば概ね 60 乃
至 100メートルの精度( 95％の確信度）で地球受信機の
対地位置を決定することができる。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モードでは、擬似乱数コード
は 10.23 MHzのチップ周波数を有している。更にＰモー
ドシーケンスは極めて長く、１回の繰り返しが 267日以
下になることはない。その結果、如何なる地球受信機の
地表位置も概ね 16メートルの精度（球形誤差範囲）以
内で決定することができる。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モードシーケンス
は合衆国政府によって機密を保たれており、公共の利用
には供されない。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。
【０００７】以上説明したように、Ｐモード変調された
データは一般には使用できないので多くのＧＰＳユーザ
はＣ／Ａ変調モードによって与えられるＧＰＳデータの
みに頼らなければならない。合衆国政府（ NAVSTAR GPS
の運用者）は、時折、時計パラメタ及び天体暦パラメタ
の両者または何れか一方を変化させて、ＧＰＳ衛星から
送信されるＣ／ＡモードＧＰＳデータに誤差を導入する
ことがある。即ち合衆国政府はＧＰＳデータを選択的に
劣化させることができるのである。これは“選択的可用
性”または単にＳＡとして知られている。ＳＡは、国家
安全保障のような種々の理由のために発動されるのであ
る。ＳＡが発動されても、Ｐモード変調コードへのアク
セスを有している合衆国政府は NAVSTAR GPSを使用する
ことができるのである。しかしながらＣ／Ａモードデー
タはかなり精度が落ちてしまう。ＳＡが発動された場合
にはＧＰＳのＣ／Ａモードに頼っているナビゲーション
システムは、データが劣化していることを認識できるこ
とが重要である。更に、合衆国政府は選択的可用性の程
度を種々に変えることができる。１またはそれ以上の衛
星の天体暦パラメタ及び時計パラメタの両者または何れ
か一方を僅かに、またはかなり変更することができるの
である。
データは一般には使用できないので多くのＧＰＳユーザ
はＣ／Ａ変調モードによって与えられるＧＰＳデータの
みに頼らなければならない。合衆国政府（ NAVSTAR GPS
の運用者）は、時折、時計パラメタ及び天体暦パラメタ
の両者または何れか一方を変化させて、ＧＰＳ衛星から
送信されるＣ／ＡモードＧＰＳデータに誤差を導入する
ことがある。即ち合衆国政府はＧＰＳデータを選択的に
劣化させることができるのである。これは“選択的可用
性”または単にＳＡとして知られている。ＳＡは、国家
安全保障のような種々の理由のために発動されるのであ
る。ＳＡが発動されても、Ｐモード変調コードへのアク
セスを有している合衆国政府は NAVSTAR GPSを使用する
ことができるのである。しかしながらＣ／Ａモードデー
タはかなり精度が落ちてしまう。ＳＡが発動された場合
にはＧＰＳのＣ／Ａモードに頼っているナビゲーション
システムは、データが劣化していることを認識できるこ
とが重要である。更に、合衆国政府は選択的可用性の程
度を種々に変えることができる。１またはそれ以上の衛
星の天体暦パラメタ及び時計パラメタの両者または何れ
か一方を僅かに、またはかなり変更することができるの
である。
【０００８】選択的可用性に加えて、ＧＰＳ衛星の何れ
かが動作不良になり、誤ったデータを送信するかも知れ
ない。その他にも大気圏効果、受信機雑音、反射、隠
蔽、衛星経路移動等によってＧＰＳ信号内に誤差が導入
され得る。これらに起因する不正確なデータのために、
受信機は不正確な擬似距離及び不正確な衛星位置を計算
してしまうことになる。このような環境の下では、衛星
データが不良であることを認識し、またもし可能であれ
ば、誤った位置推定を防止するためにそれを補償するす
ることが望ましい。以下に説明するように、ＧＰＳ受信
機装置はオープンエンデッド装置または差動装置の何れ
かである。差動ＧＰＳ装置は、上述した多くの誤差の効
果をかなり減少させる。しかしながら、これらの誤差の
効果を更に減少させるためには、及び非差動ＧＰＳ装置
の場合には、衛星データが不良であることを認識し、ま
たもし可能であれば、誤った位置推定を防止するために
それを補償するすることが望ましい。
かが動作不良になり、誤ったデータを送信するかも知れ
ない。その他にも大気圏効果、受信機雑音、反射、隠
蔽、衛星経路移動等によってＧＰＳ信号内に誤差が導入
され得る。これらに起因する不正確なデータのために、
受信機は不正確な擬似距離及び不正確な衛星位置を計算
してしまうことになる。このような環境の下では、衛星
データが不良であることを認識し、またもし可能であれ
ば、誤った位置推定を防止するためにそれを補償するす
ることが望ましい。以下に説明するように、ＧＰＳ受信
機装置はオープンエンデッド装置または差動装置の何れ
かである。差動ＧＰＳ装置は、上述した多くの誤差の効
果をかなり減少させる。しかしながら、これらの誤差の
効果を更に減少させるためには、及び非差動ＧＰＳ装置
の場合には、衛星データが不良であることを認識し、ま
たもし可能であれば、誤った位置推定を防止するために
それを補償するすることが望ましい。
【０００９】
【発明の概要】本発明は、衛星をベースとするナビゲー
ションシステムと共に使用する装置及び方法に関する。
本発明によれば、衛星天体暦データに頼ることなく衛星
の位置を決定することができる。代替として、本発明は
衛星から受信した天体暦データの完全性を絶えず監視す
るために使用することができる。本発明では各衛星毎に
軌道パラメタが計算される。次いでこれらの軌道パラメ
タを使用して各衛星の任意の時刻における位置を予測す
る。第１の実施例では、選択された衛星の複数の時刻に
おける擬似距離及び速度を計算し、これらの擬似距離及
び速度を使用してその衛星の少なくとも３つの推定位置
を計算し、そしてこれら３つの推定位置を使用してその
衛星の軌道パラメタを計算して軌道パラメタを決定す
る。別の実施例では、複数の衛星の星座を使用して少な
くとも３回にわたって受信機の位置を決定し、これら３
つの受信機位置を使用してその星座内の選択された衛星
の平均位置を三角測量し、少なくとも３つの平均衛星位
置が計算されるまで上記諸段階を繰り返し、選択された
衛星の３つの平均位置から軌道パラメタを計算すること
によって軌道パラメタを決定する。
ションシステムと共に使用する装置及び方法に関する。
本発明によれば、衛星天体暦データに頼ることなく衛星
の位置を決定することができる。代替として、本発明は
衛星から受信した天体暦データの完全性を絶えず監視す
るために使用することができる。本発明では各衛星毎に
軌道パラメタが計算される。次いでこれらの軌道パラメ
タを使用して各衛星の任意の時刻における位置を予測す
る。第１の実施例では、選択された衛星の複数の時刻に
おける擬似距離及び速度を計算し、これらの擬似距離及
び速度を使用してその衛星の少なくとも３つの推定位置
を計算し、そしてこれら３つの推定位置を使用してその
衛星の軌道パラメタを計算して軌道パラメタを決定す
る。別の実施例では、複数の衛星の星座を使用して少な
くとも３回にわたって受信機の位置を決定し、これら３
つの受信機位置を使用してその星座内の選択された衛星
の平均位置を三角測量し、少なくとも３つの平均衛星位
置が計算されるまで上記諸段階を繰り返し、選択された
衛星の３つの平均位置から軌道パラメタを計算すること
によって軌道パラメタを決定する。
【００１０】
【実施例】以下に添付図面に基づいて本発明を説明す
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、衛星をベースとするナビ
ゲーションシステムから受信した位置データの完全性を
監視する方法及び装置を提供する。好ましい実施例で
は、NAVSTARGPS が使用される。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を含んでいる。
以下の説明では本発明は、図２に示すような自律車両装
置２００の環境内で使用されるものとする。代表的なＧ
ＰＳ星座２０２は、ＧＰＳデータを送信中の４個のＧＰ
Ｓ衛星１０２（ａ）−１０２（ｄ）を含む。車両（例え
ば自律採鉱用トラック）２１０及び基地局２２０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１０２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 1
0 °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。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、衛星をベースとするナビ
ゲーションシステムから受信した位置データの完全性を
監視する方法及び装置を提供する。好ましい実施例で
は、NAVSTARGPS が使用される。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を含んでいる。
以下の説明では本発明は、図２に示すような自律車両装
置２００の環境内で使用されるものとする。代表的なＧ
ＰＳ星座２０２は、ＧＰＳデータを送信中の４個のＧＰ
Ｓ衛星１０２（ａ）−１０２（ｄ）を含む。車両（例え
ば自律採鉱用トラック）２１０及び基地局２２０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１０２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 1
0 °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。
【００１１】“星座”とは、ＧＰＳ受信機から“見え
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２２０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２１０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、任意選択的に１ま
たはそれ以上の擬似衛星２３０を含む。“擬似衛星”と
は、ＧＰＳ衛星を模擬する地表もしくはその付近に配置
されている送信システムである。擬似衛星が固定された
既知の位置を有しているので、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。
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２２０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２１０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、任意選択的に１ま
たはそれ以上の擬似衛星２３０を含む。“擬似衛星”と
は、ＧＰＳ衛星を模擬する地表もしくはその付近に配置
されている送信システムである。擬似衛星が固定された
既知の位置を有しているので、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。
【００１２】図３は、ＧＰＳ衛星１０２、車両２１０、
基地局２２０、及び擬似衛星２３０を含む本発明の装置
２００の高レベルブロック線図である。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を含んでいる。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、特に、ある参照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、車両３１
０に対して次の行先へ進むように命令することができ
る。ＶＰＳ３１０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３１２及び運動位置確定装置（ＭＰＳ）３１４を含
む。ＧＰＳ処理装置３１２は、ＧＰＳ衛星１０２からＧ
ＰＳ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（ＦＰＥ）を計算す
る。ＭＰＳ３１４は、車両走行距離計３１６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。Ｍ
ＰＳ３１４は、車両２１０の第２位置推定を発生する
（実際の計算はＶＰＳ処理装置３２４内において行われ
る）。第１位置推定及び第２位置推定は独立的に導出さ
れる。
基地局２２０、及び擬似衛星２３０を含む本発明の装置
２００の高レベルブロック線図である。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を含んでいる。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、特に、ある参照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、車両３１
０に対して次の行先へ進むように命令することができ
る。ＶＰＳ３１０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３１２及び運動位置確定装置（ＭＰＳ）３１４を含
む。ＧＰＳ処理装置３１２は、ＧＰＳ衛星１０２からＧ
ＰＳ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（ＦＰＥ）を計算す
る。ＭＰＳ３１４は、車両走行距離計３１６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。Ｍ
ＰＳ３１４は、車両２１０の第２位置推定を発生する
（実際の計算はＶＰＳ処理装置３２４内において行われ
る）。第１位置推定及び第２位置推定は独立的に導出さ
れる。
【００１３】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から第３位
置推定を受信する。ナビゲーション装置３２０はこの精
密な第３位置推定を使用して車両２１０を正確に運動さ
せる。ＧＰＳ処理装置３１２ ＧＰＳ処理装置３１２は装置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４
００と、ＧＰＳプロセッサ４０８とを含む。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位置推定を計算する。受信機装置４００
は、ＧＰＳアンテナ４０２、前置増幅器４０４、及びＧ
ＰＳ受信機４０６を含む。アンテナ４０２は、スペクト
ルの無線部分の電磁放射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の第１位置推定を計算する。
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から第３位
置推定を受信する。ナビゲーション装置３２０はこの精
密な第３位置推定を使用して車両２１０を正確に運動さ
せる。ＧＰＳ処理装置３１２ ＧＰＳ処理装置３１２は装置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４
００と、ＧＰＳプロセッサ４０８とを含む。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位置推定を計算する。受信機装置４００
は、ＧＰＳアンテナ４０２、前置増幅器４０４、及びＧ
ＰＳ受信機４０６を含む。アンテナ４０２は、スペクト
ルの無線部分の電磁放射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の第１位置推定を計算する。
【００１４】好ましい実施例では、アンテナ４０２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 Mag
navox 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 Motorola 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で連続的に
符号化されている。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、伝播時間遅延を計算する
ことができる。この時間遅延に信号の伝播速度（ 2.997
9245998 × 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時刻に同期してい
ない（時計誤差をもたらす）ことと、大気の異なる層を
通るために伝播する信号の速度が変化する（大気誤差を
もたらす）ことから、この距離を“擬似距離”と呼ぶの
である。
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 Mag
navox 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 Motorola 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で連続的に
符号化されている。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、伝播時間遅延を計算する
ことができる。この時間遅延に信号の伝播速度（ 2.997
9245998 × 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時刻に同期してい
ない（時計誤差をもたらす）ことと、大気の異なる層を
通るために伝播する信号の速度が変化する（大気誤差を
もたらす）ことから、この距離を“擬似距離”と呼ぶの
である。
【００１５】ＧＰＳ受信機４０６は、（例えば収集の目
的で）衛星の位置を粗に決定するために年鑑を使用する
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する。ＧＰＳプロセッサ４０８は、
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位置推定を計算する。これに関して図５を参照
して以下に説明する。図５は、車両２１０から見えるＧ
ＰＳ衛星１０２（ａ）−１０２（ｄ）を有するサンプル
衛星星座を示す。地球の中心を原点とする直交座標にお
いて、衛星１０２（ａ）は (ｘ1,ｙ1,ｚ1 ) に位置し、
衛星１０２（ｂ）は (ｘ2,ｙ2,ｚ2 )に位置し、衛星１
０２（ｃ）は (ｘ3,ｙ3,ｚ3 ) に位置し、衛星１０２
（ｄ）は(ｘ4,ｙ4,ｚ4 ) に位置し、そして 車両２１
０は位置（Ｕx , Ｕy , Ｕz ）に配置されているものと
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４０６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ＰＳＲ4 ）は
伝播時間遅延を使用してＧＰＳ受信機４０６によって決
定される。少なくとも４個の衛星に関するこの情報が与
えられれば、以下の４つの距離方程式に従って車両２１
０（即ち受信機４０６）の位置を決定することができ
る。
的で）衛星の位置を粗に決定するために年鑑を使用する
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する。ＧＰＳプロセッサ４０８は、
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位置推定を計算する。これに関して図５を参照
して以下に説明する。図５は、車両２１０から見えるＧ
ＰＳ衛星１０２（ａ）−１０２（ｄ）を有するサンプル
衛星星座を示す。地球の中心を原点とする直交座標にお
いて、衛星１０２（ａ）は (ｘ1,ｙ1,ｚ1 ) に位置し、
衛星１０２（ｂ）は (ｘ2,ｙ2,ｚ2 )に位置し、衛星１
０２（ｃ）は (ｘ3,ｙ3,ｚ3 ) に位置し、衛星１０２
（ｄ）は(ｘ4,ｙ4,ｚ4 ) に位置し、そして 車両２１
０は位置（Ｕx , Ｕy , Ｕz ）に配置されているものと
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４０６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ＰＳＲ4 ）は
伝播時間遅延を使用してＧＰＳ受信機４０６によって決
定される。少なくとも４個の衛星に関するこの情報が与
えられれば、以下の４つの距離方程式に従って車両２１
０（即ち受信機４０６）の位置を決定することができ
る。
【００１６】
( x1− Ux )2＋( y1− Uy )2＋( z1− Uz )2＝（ PSR1 − Bclock )2 式１
( x2− Ux )2＋( y2− Uy )2＋( z2− Uz )2＝（ PSR2 − Bclock )2 式２
( x3− Ux )2＋( y3− Uy )2＋( z3− Uz )2＝（ PSR3 − Bclock )2 式３
( x4− Ux )2＋( y4− Uy )2＋( z4− Uz )2＝（ PSR4 − Bclock )2 式４
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補償するように計画されて
いる０次の補正係数である。これらの式には４つの未知
数、即ちＵx , Ｕy , Ｕz 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２１０の時計バイアス（Ｂclock）及び位置
（Ｕx , Ｕy , Ｕz ）についてこれらの式を解くことが
できるのである。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。
ス”は、上述した時計誤差を補償するように計画されて
いる０次の補正係数である。これらの式には４つの未知
数、即ちＵx , Ｕy , Ｕz 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２１０の時計バイアス（Ｂclock）及び位置
（Ｕx , Ｕy , Ｕz ）についてこれらの式を解くことが
できるのである。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。
【００１７】もし車両の緯度（Ｌ）及び経度（λ）を必
要とするのであれば、これらは以下の式を使用して計算
することができる。 緯度≒ cos-1｛ ( Ux 2 ＋ Uy 2 )/ ( Ux 2 ＋ Uy 2 ＋ Uz 2)｝1/2 式５ 経度＝ tan-1 ( Uy /Ux ) 式６ この緯度方程式が近似緯度を与えていることに注意され
たい。より正確な緯度を決定するためには、複雑な繰り
返しプロセスを使用する必要がある。ＧＰＳ処理装置３１２及びカルマン濾波技術 ユーザの視点からすれば、ＧＰＳ処理装置３１２は自律
車両装置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、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責を負う。これら全ては、雑音に
よって（大気、前置増幅器、及び受信機によって生ずる
雑音を含む）重度に劣化していることが多い（振幅が大
きく減衰された）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濾波技術に大
きく頼っている。カルマン濾波はＧＰＳプロセッサ４０
８内において遂行される。
要とするのであれば、これらは以下の式を使用して計算
することができる。 緯度≒ cos-1｛ ( Ux 2 ＋ Uy 2 )/ ( Ux 2 ＋ Uy 2 ＋ Uz 2)｝1/2 式５ 経度＝ tan-1 ( Uy /Ux ) 式６ この緯度方程式が近似緯度を与えていることに注意され
たい。より正確な緯度を決定するためには、複雑な繰り
返しプロセスを使用する必要がある。ＧＰＳ処理装置３１２及びカルマン濾波技術 ユーザの視点からすれば、ＧＰＳ処理装置３１２は自律
車両装置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、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責を負う。これら全ては、雑音に
よって（大気、前置増幅器、及び受信機によって生ずる
雑音を含む）重度に劣化していることが多い（振幅が大
きく減衰された）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濾波技術に大
きく頼っている。カルマン濾波はＧＰＳプロセッサ４０
８内において遂行される。
【００１８】カルマンフィルタは、通常はソフトウエア
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、もし時刻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ｖ
1 を使用して時刻ｔ2 における車両位置ｐ2 及び速度ｖ
2 を推定する。次いで（更新段階を遂行して）時刻ｔ2
において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“束縛する”と称される。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 Fil
tering : A GuidedTour”、及び 1983 年 3月の IEEE T
ransaction 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。
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、もし時刻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ｖ
1 を使用して時刻ｔ2 における車両位置ｐ2 及び速度ｖ
2 を推定する。次いで（更新段階を遂行して）時刻ｔ2
において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“束縛する”と称される。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 Fil
tering : A GuidedTour”、及び 1983 年 3月の IEEE T
ransaction 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。
【００１９】好都合なことにはカルマンフィルタは線形
フィルタであり、上述した距離方程式を直接解くもので
はないが、距離方程式は最初に線形化されている。即
ち、最後の既知位置からの変化を計算するために、上式
が微分され、各式の導関数が解かれる。例えば、時刻ｔ
i における第１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（Ｕx ，Ｕy ，
Ｕz ）からの位置の変化（ΔＵx ，ΔＵy ，ΔＵz ）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。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”を得るために使用される。
フィルタであり、上述した距離方程式を直接解くもので
はないが、距離方程式は最初に線形化されている。即
ち、最後の既知位置からの変化を計算するために、上式
が微分され、各式の導関数が解かれる。例えば、時刻ｔ
i における第１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（Ｕx ，Ｕy ，
Ｕz ）からの位置の変化（ΔＵx ，ΔＵy ，ΔＵz ）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。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”を得るために使用される。
【００２０】差動ＧＰＳ方式においては、バイアスを計
算するためにＧＰＳ計算された基地局の位置を、基地局
の既知位置と共に使用する。各擬似距離毎にバイアス、
即ち修正係数を求めることによって、基地局は第１位置
推定内に存在する誤差を定量化し、修正することができ
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。好ましい実施例においては、ＧＰＳ計算された各
衛星からの擬似距離と、衛星と基地局２２０の既知位置
との間の計算された距離（ｄ）とを比較する。この差
が、上述した大気及び他の誤差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
る各衛星毎にバイアスを計算する。通信チャネル２２５
を通して車両に通信されるこれらのバイアスは、第１位
置推定の精度を改善するために使用することができる。
位置（ｘ，ｙ，ｚ）にある衛星と、位置（Ｂx ，Ｂy ，
Ｂz ）にある基地局との間の距離（ｄ）は次の標準距離
方程式を使用して計算される。 ( x − Bx )2＋( y − By )2＋( z − Bz )2＝ｄ2 式７ 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。
算するためにＧＰＳ計算された基地局の位置を、基地局
の既知位置と共に使用する。各擬似距離毎にバイアス、
即ち修正係数を求めることによって、基地局は第１位置
推定内に存在する誤差を定量化し、修正することができ
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。好ましい実施例においては、ＧＰＳ計算された各
衛星からの擬似距離と、衛星と基地局２２０の既知位置
との間の計算された距離（ｄ）とを比較する。この差
が、上述した大気及び他の誤差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
る各衛星毎にバイアスを計算する。通信チャネル２２５
を通して車両に通信されるこれらのバイアスは、第１位
置推定の精度を改善するために使用することができる。
位置（ｘ，ｙ，ｚ）にある衛星と、位置（Ｂx ，Ｂy ，
Ｂz ）にある基地局との間の距離（ｄ）は次の標準距離
方程式を使用して計算される。 ( x − Bx )2＋( y − By )2＋( z − Bz )2＝ｄ2 式７ 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。
【００２１】差動ＧＰＳ方式は、車両が基地局２２０に
比較的接近（例えば 40 ｋｍ）して位置しており、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ものとしてい
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位置推定を修正、即ち精度を改善す
ることができるのである。運動位置確定装置（ＭＰＳ）３１４ 前述したように、ＭＰＳ３１４は車両走行距離計３１６
と、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ＭＰＳ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２
１０の第２位置推定を発生する。ＶＰＳ処理装置 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、Ｖ
ＰＳ処理装置３２４は、カルマン濾波技術と、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ための重み付き平均化とに頼って
いる。ＢＰＥを発生するこの方法を図６の流れ図に示
す。
比較的接近（例えば 40 ｋｍ）して位置しており、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ものとしてい
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位置推定を修正、即ち精度を改善す
ることができるのである。運動位置確定装置（ＭＰＳ）３１４ 前述したように、ＭＰＳ３１４は車両走行距離計３１６
と、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ＭＰＳ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２
１０の第２位置推定を発生する。ＶＰＳ処理装置 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、Ｖ
ＰＳ処理装置３２４は、カルマン濾波技術と、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ための重み付き平均化とに頼って
いる。ＢＰＥを発生するこの方法を図６の流れ図に示
す。
【００２２】段階６０２において、衛星（“スペースビ
ークル”という意味で“ＳＶ”と名付けている）ＳＶ1
−ＳＶ4 の最適星座が選択される。少なくとも４個の衛
星が必要であるが、第１位置推定の精度を改善するため
により多くの衛星を使用しても差し支えない。段階６０
３−６０７は、前述したように各衛星毎の差動バイアス
の発生に関する。段階６０８−６１２は、正確な第１位
置推定（ＦＰＥ）を計算するためにＧＰＳデータ及び差
動バイアスを使用することと、第３位置推定即ち最良位
置推定（ＢＰＥ）を発生するためにＦＰＥとＭＰＳ３１
４からの第２位置推定（ＳＰＥ）とを組合せることとに
関する。基地局における差動バイアスの計算は以下のよ
うに進められる。段階６０３において、天体暦データ及
び距離データを各衛星から受信する。段階６０４におい
て、各衛星までの擬似距離（ＰＳＲ）を決定する。次い
で段階６０５において、ＧＰＳ時及び天体暦データを使
用して各衛星の位置を計算する。段階６０６において
は、前述したように基地局の既知位置と、各衛星の天体
暦が指示する位置とを使用して各衛星と基地局との間の
距離を計算する。段階６０７では、各衛星毎の計算され
た擬似距離が、基地局と対応衛星との間の計算された距
離と比較される。この比較によって各衛星毎の“差動バ
イアス”が求められる。差動バイアスは車両へ送信さ
れ、正確な第１位置推定を計算するために使用される。
ークル”という意味で“ＳＶ”と名付けている）ＳＶ1
−ＳＶ4 の最適星座が選択される。少なくとも４個の衛
星が必要であるが、第１位置推定の精度を改善するため
により多くの衛星を使用しても差し支えない。段階６０
３−６０７は、前述したように各衛星毎の差動バイアス
の発生に関する。段階６０８−６１２は、正確な第１位
置推定（ＦＰＥ）を計算するためにＧＰＳデータ及び差
動バイアスを使用することと、第３位置推定即ち最良位
置推定（ＢＰＥ）を発生するためにＦＰＥとＭＰＳ３１
４からの第２位置推定（ＳＰＥ）とを組合せることとに
関する。基地局における差動バイアスの計算は以下のよ
うに進められる。段階６０３において、天体暦データ及
び距離データを各衛星から受信する。段階６０４におい
て、各衛星までの擬似距離（ＰＳＲ）を決定する。次い
で段階６０５において、ＧＰＳ時及び天体暦データを使
用して各衛星の位置を計算する。段階６０６において
は、前述したように基地局の既知位置と、各衛星の天体
暦が指示する位置とを使用して各衛星と基地局との間の
距離を計算する。段階６０７では、各衛星毎の計算され
た擬似距離が、基地局と対応衛星との間の計算された距
離と比較される。この比較によって各衛星毎の“差動バ
イアス”が求められる。差動バイアスは車両へ送信さ
れ、正確な第１位置推定を計算するために使用される。
【００２３】車両における最良位置推定の計算は以下の
ように進められる。段階６０８において、天体暦データ
及び距離データを各衛星から受信する。段階６０９にお
いて各衛星までの擬似距離（ＰＳＲ）を決定する。段階
６１０において、天体暦データ及びＧＰＳ時を使用して
各衛星の位置を計算する。段階６１１においては、段階
６０９からの擬似距離、段階６１０からの衛星位置、及
び基地局（段階６０７）からの差動バイアスを使用して
車両２１０のＦＰＥを計算する。最後に段階６１２にお
いて、ＭＰＳ３１４からの第２位置推定と、段階６１１
からの第１位置推定とを組合わせて車両２１０の第３位
置推定、即ち最良位置推定（ＢＰＥ）を求める。好まし
い実施例では、重み付きコンバイナを使用してＦＰＥ及
びＳＰＥを組合わせる。ＦＰＥは本質的により正確であ
るから、通常はＳＰＥより大きい重みを与える。しかし
ながら、ＦＰＥ及びＳＰＥは共に独立的に導出されるか
ら、もし一方が劣化すれば他方に全ての重みを与えるこ
とができる。重み付け係数は、推定されるそれぞれの精
度に基づいて割当てられる。段階６０３−６０７が基地
局２２０において遂行され、同時に段階６０８−６１２
が車両２１０において遂行されることに注目されたい。
もし望むならば、生のＧＰＳデータ（擬似距離及び衛星
位置）を基地局２２０から車両２１０へ送信してもよ
い。この場合、車両２１０において全ての計算を遂行す
る。
ように進められる。段階６０８において、天体暦データ
及び距離データを各衛星から受信する。段階６０９にお
いて各衛星までの擬似距離（ＰＳＲ）を決定する。段階
６１０において、天体暦データ及びＧＰＳ時を使用して
各衛星の位置を計算する。段階６１１においては、段階
６０９からの擬似距離、段階６１０からの衛星位置、及
び基地局（段階６０７）からの差動バイアスを使用して
車両２１０のＦＰＥを計算する。最後に段階６１２にお
いて、ＭＰＳ３１４からの第２位置推定と、段階６１１
からの第１位置推定とを組合わせて車両２１０の第３位
置推定、即ち最良位置推定（ＢＰＥ）を求める。好まし
い実施例では、重み付きコンバイナを使用してＦＰＥ及
びＳＰＥを組合わせる。ＦＰＥは本質的により正確であ
るから、通常はＳＰＥより大きい重みを与える。しかし
ながら、ＦＰＥ及びＳＰＥは共に独立的に導出されるか
ら、もし一方が劣化すれば他方に全ての重みを与えるこ
とができる。重み付け係数は、推定されるそれぞれの精
度に基づいて割当てられる。段階６０３−６０７が基地
局２２０において遂行され、同時に段階６０８−６１２
が車両２１０において遂行されることに注目されたい。
もし望むならば、生のＧＰＳデータ（擬似距離及び衛星
位置）を基地局２２０から車両２１０へ送信してもよ
い。この場合、車両２１０において全ての計算を遂行す
る。
【００２４】上述した方法により最良位置推定が求めら
れるが、その精度はＧＰＳ衛星１０２からのＧＰＳデー
タの完全性に依存する。前述したようにＧＰＳデータ
は、政府が選択的可用性を発動して故意に劣化させた
り、または衛星の誤動作によって誤ったＧＰＳデータが
発生するかも知れない。差動方式はこれらの誤差の効果
を実質的に減少させるものであるが、この方式が誤差を
完全に排除できるものではない。更に、差動方式が常に
使用できるものでもない。本発明は、衛星の位置を正確
に決定する装置及び方法を提供する。要約すればこれ
は、過去のデータに基づいて各衛星毎の平均軌道経路を
予測することによって達成される。一旦軌道経路が予測
されると、衛星の位置を迅速に決定することができる。
これを図７に示す。図７に、本発明の諸段階の流れ図７
００を示す。段階７０２において、ナビゲーション信号
がＧＰＳ衛星の星座から受信される。段階７０４におい
てこのデータが使用され、星座内の各衛星毎の軌道経路
を予測する。衛星の軌道パラメタが予測されると、各衛
星の位置は、衛星の天体暦データに頼ることなく、ＧＰ
Ｓ時の関数として決定することができる。これを段階７
０６に示してある。
れるが、その精度はＧＰＳ衛星１０２からのＧＰＳデー
タの完全性に依存する。前述したようにＧＰＳデータ
は、政府が選択的可用性を発動して故意に劣化させた
り、または衛星の誤動作によって誤ったＧＰＳデータが
発生するかも知れない。差動方式はこれらの誤差の効果
を実質的に減少させるものであるが、この方式が誤差を
完全に排除できるものではない。更に、差動方式が常に
使用できるものでもない。本発明は、衛星の位置を正確
に決定する装置及び方法を提供する。要約すればこれ
は、過去のデータに基づいて各衛星毎の平均軌道経路を
予測することによって達成される。一旦軌道経路が予測
されると、衛星の位置を迅速に決定することができる。
これを図７に示す。図７に、本発明の諸段階の流れ図７
００を示す。段階７０２において、ナビゲーション信号
がＧＰＳ衛星の星座から受信される。段階７０４におい
てこのデータが使用され、星座内の各衛星毎の軌道経路
を予測する。衛星の軌道パラメタが予測されると、各衛
星の位置は、衛星の天体暦データに頼ることなく、ＧＰ
Ｓ時の関数として決定することができる。これを段階７
０６に示してある。
【００２５】第１の実施例では、衛星の星座からの天体
暦データに間接的に頼って衛星の位置を決定する。第２
の実施例では、天体暦データから与えられるどの衛星に
も頼ることなく、衛星の位置を決定する。本発明の第１
の実施例では各衛星の軌道経路は図８に示す方法を使用
して予測される。段階８０２では、時刻ｔ1 （ｔはＧＰ
Ｓ時）における車両のＢＰＥが計算される。段階８０４
では車両のＢＰＥを使用して、選択された衛星（Ｓ
Ｖk ）までの擬似距離を高精度化する。即ち、時刻ｔ1
における車両位置（Ｕx ，Ｕy，Ｕz ）1 及び衛星位置
（ｘ，ｙ，ｚ）k,1 は正確に知れているから、正確な擬
似距離（ＰＳＲk,1 ）は次式から決定することができ
る。 ( x1− Ux,1 )2＋( y1− Uy,1 )2＋( z1− Uz,1 )2＝( PSR k,1)2 式８ 段階８０６においては、時刻ｔ2 、ｔ3 、ｔ4 、及びｔ
5 について段階８０２及び８０４を繰り返す。この期間
中、車両は運動していても、または停止していてもよ
い。段階８０８では、時刻ｔ1 、ｔ2 、及びｔ3 からの
データを使用し、次式に従って衛星ＳＶk の第１の平均
位置Ｐ1 ＝( ｘ k ，ｙ k ，ｚ k )1 を計算する。
暦データに間接的に頼って衛星の位置を決定する。第２
の実施例では、天体暦データから与えられるどの衛星に
も頼ることなく、衛星の位置を決定する。本発明の第１
の実施例では各衛星の軌道経路は図８に示す方法を使用
して予測される。段階８０２では、時刻ｔ1 （ｔはＧＰ
Ｓ時）における車両のＢＰＥが計算される。段階８０４
では車両のＢＰＥを使用して、選択された衛星（Ｓ
Ｖk ）までの擬似距離を高精度化する。即ち、時刻ｔ1
における車両位置（Ｕx ，Ｕy，Ｕz ）1 及び衛星位置
（ｘ，ｙ，ｚ）k,1 は正確に知れているから、正確な擬
似距離（ＰＳＲk,1 ）は次式から決定することができ
る。 ( x1− Ux,1 )2＋( y1− Uy,1 )2＋( z1− Uz,1 )2＝( PSR k,1)2 式８ 段階８０６においては、時刻ｔ2 、ｔ3 、ｔ4 、及びｔ
5 について段階８０２及び８０４を繰り返す。この期間
中、車両は運動していても、または停止していてもよ
い。段階８０８では、時刻ｔ1 、ｔ2 、及びｔ3 からの
データを使用し、次式に従って衛星ＳＶk の第１の平均
位置Ｐ1 ＝( ｘ k ，ｙ k ，ｚ k )1 を計算する。
【００２６】
( ｘ k − Ux,t )2＋( ｙ k − Uy,t )2＋( ｚ k − Uz,t )2＝( PSR K,t )2
式９
但し、ｔ＝ｔ1 、ｔ2 、ｔ3 である。これを基にしてに
次の３つの式が得られ、これらは衛星ＳＶk の平均位置
を構成している未知数( ｘ k ，ｙ k ，ｚ k ) を解くため
に使用することができる。 ( ｘ k − Ux,1 )2＋( ｙ k − Uy,1 )2＋( ｚ k − Uz,1 )2＝( PSR K,1 )2 ( ｘ k − Ux,2 )2＋( ｙ k − Uy,2 )2＋( ｚ k − Uz,2 )2＝( PSR K,2 )2 ( ｘ k − Ux,3 )2＋( ｙ k − Uy,3 )2＋( ｚ k − Uz,3 )2＝( PSR K,3 )2 式１０ 段階８１０において、時刻ｔ2 、ｔ3 、及びｔ4 を使用
して衛星ＳＶk の第２の平均位置Ｐ2 ＝( ｘ k ，ｙ k ，
ｚ k )2 を計算する。段階８１２では時刻ｔ3、ｔ4 、
及びｔ5 を使用して衛星ＳＶk の第３の平均位置Ｐ3 ＝
( ｘ k ，ｙ k ，ｚ k )3 を計算する。次に段階８１４に
おいてこれら３つの平均衛星位置Ｐ1 、Ｐ2 、及びＰ3
を使用して衛星ＳＶk の軌道経路を予測する。例えば衛
星ＳＶkの軌道パラメタ（天体暦データ）は最良適合曲
線法を使用して予測することができる（即ち、３つのデ
ータ点を含む最良適合楕円軌道を見出す）。
次の３つの式が得られ、これらは衛星ＳＶk の平均位置
を構成している未知数( ｘ k ，ｙ k ，ｚ k ) を解くため
に使用することができる。 ( ｘ k − Ux,1 )2＋( ｙ k − Uy,1 )2＋( ｚ k − Uz,1 )2＝( PSR K,1 )2 ( ｘ k − Ux,2 )2＋( ｙ k − Uy,2 )2＋( ｚ k − Uz,2 )2＝( PSR K,2 )2 ( ｘ k − Ux,3 )2＋( ｙ k − Uy,3 )2＋( ｚ k − Uz,3 )2＝( PSR K,3 )2 式１０ 段階８１０において、時刻ｔ2 、ｔ3 、及びｔ4 を使用
して衛星ＳＶk の第２の平均位置Ｐ2 ＝( ｘ k ，ｙ k ，
ｚ k )2 を計算する。段階８１２では時刻ｔ3、ｔ4 、
及びｔ5 を使用して衛星ＳＶk の第３の平均位置Ｐ3 ＝
( ｘ k ，ｙ k ，ｚ k )3 を計算する。次に段階８１４に
おいてこれら３つの平均衛星位置Ｐ1 、Ｐ2 、及びＰ3
を使用して衛星ＳＶk の軌道経路を予測する。例えば衛
星ＳＶkの軌道パラメタ（天体暦データ）は最良適合曲
線法を使用して予測することができる（即ち、３つのデ
ータ点を含む最良適合楕円軌道を見出す）。
【００２７】最良適合曲線法を使用して衛星の軌道を決
定するのに必要な最小のデータ点は３である。予測の精
度を改善するために、付加的なデータ点を使用してもよ
い。例えば、カルマン濾波技術を使用して複数のデータ
点から衛星の軌道を予測することができる。軌道パラメ
タを予測する他の方法も当業者には明白であろう。衛星
の軌道が予測できれば、ＧＰＳ時を使用して次の時刻ｔ
n における衛星の位置を計算することができる。これを
段階８１６に示してある。計算されたＧＰＳ位置は真の
衛星位置として使用することができる。流れ図８００の
段階８０２−８１４は、本発明の初期化を示している。
衛星の軌道パラメタを予測するために５つの時点（ｔ1
−ｔ5 ）が使用される。衛星の軌道が予測されてしまえ
ば、もし望むならば、爾後の各データ点においてその衛
星からの天体暦の完全性を検査することができる。更
に、もし天体暦データを監視していれば、衛星の軌道パ
ラメタを絶えず高精度化するためにそれを使用すること
が可能である。これを図９の流れ図９００に示してあ
る。段階９０２において、時刻ｔn における天体暦デー
タ及び擬似距離データが衛星ＳＶから受信される。段階
９０４では、ＧＰＳ時及び天体暦データを使用してＳＶ
の位置を計算する。段階９０６においては、ＧＰＳ時及
び予測された軌道パラメタを使用して時刻ｔn における
ＳＶの位置を予測する。
定するのに必要な最小のデータ点は３である。予測の精
度を改善するために、付加的なデータ点を使用してもよ
い。例えば、カルマン濾波技術を使用して複数のデータ
点から衛星の軌道を予測することができる。軌道パラメ
タを予測する他の方法も当業者には明白であろう。衛星
の軌道が予測できれば、ＧＰＳ時を使用して次の時刻ｔ
n における衛星の位置を計算することができる。これを
段階８１６に示してある。計算されたＧＰＳ位置は真の
衛星位置として使用することができる。流れ図８００の
段階８０２−８１４は、本発明の初期化を示している。
衛星の軌道パラメタを予測するために５つの時点（ｔ1
−ｔ5 ）が使用される。衛星の軌道が予測されてしまえ
ば、もし望むならば、爾後の各データ点においてその衛
星からの天体暦の完全性を検査することができる。更
に、もし天体暦データを監視していれば、衛星の軌道パ
ラメタを絶えず高精度化するためにそれを使用すること
が可能である。これを図９の流れ図９００に示してあ
る。段階９０２において、時刻ｔn における天体暦デー
タ及び擬似距離データが衛星ＳＶから受信される。段階
９０４では、ＧＰＳ時及び天体暦データを使用してＳＶ
の位置を計算する。段階９０６においては、ＧＰＳ時及
び予測された軌道パラメタを使用して時刻ｔn における
ＳＶの位置を予測する。
【００２８】段階９０８では、段階９０４からの計算さ
れたＳＶの位置と、段階９０６からの予測されたＳＶの
位置とを比較する。もし衛星の予測された位置がＧＰＳ
計算された位置におよそ等しければ、そのＧＰＳデータ
は「有効」または「良好」であると見做され、そのＧＰ
Ｓ天体暦データは段階９１０において車両のＢＰＥを計
算するために使用される。もし望むならば、段階９１４
−９１８においてこの位置データを使用して衛星の予測
軌道パラメタを高精度化することができる。段階９１４
では、ＢＰＥを使用してその衛星の擬似距離を高精度化
する。段階９１６では、時刻ｔn-2 、ｔn-1 、及びｔn
におけるデータを使用してその衛星の平均位置を計算す
る。段階９１８では、衛星の平均位置を使用してその衛
星の予測された軌道パラメタを高精度化する。このよう
にして、ある衛星のためにより多くのデータをコンパイ
ルする程、軌道予測の精度が向上する。段階９０８にお
いて、ＧＰＳ計算された衛星位置がその衛星の予測され
た位置におよそ等しくなければそのＧＰＳデータは多分
「無効」または「不良」であり段階９２０は予測された
天体暦データを使用して次の車両位置を計算する。以上
に、単一のＧＰＳ衛星に適用するものとして本発明の方
法を説明した。しかし望むならば、本方法は付加的な衛
星に対して繰り返される。例えば、自律車両のナビゲー
ションのためにもし５個の衛星の星座を使用していれ
ば、その星座内の５個の全衛星からのＧＰＳデータの完
全性を監視するために本方法を使用することができる。
れたＳＶの位置と、段階９０６からの予測されたＳＶの
位置とを比較する。もし衛星の予測された位置がＧＰＳ
計算された位置におよそ等しければ、そのＧＰＳデータ
は「有効」または「良好」であると見做され、そのＧＰ
Ｓ天体暦データは段階９１０において車両のＢＰＥを計
算するために使用される。もし望むならば、段階９１４
−９１８においてこの位置データを使用して衛星の予測
軌道パラメタを高精度化することができる。段階９１４
では、ＢＰＥを使用してその衛星の擬似距離を高精度化
する。段階９１６では、時刻ｔn-2 、ｔn-1 、及びｔn
におけるデータを使用してその衛星の平均位置を計算す
る。段階９１８では、衛星の平均位置を使用してその衛
星の予測された軌道パラメタを高精度化する。このよう
にして、ある衛星のためにより多くのデータをコンパイ
ルする程、軌道予測の精度が向上する。段階９０８にお
いて、ＧＰＳ計算された衛星位置がその衛星の予測され
た位置におよそ等しくなければそのＧＰＳデータは多分
「無効」または「不良」であり段階９２０は予測された
天体暦データを使用して次の車両位置を計算する。以上
に、単一のＧＰＳ衛星に適用するものとして本発明の方
法を説明した。しかし望むならば、本方法は付加的な衛
星に対して繰り返される。例えば、自律車両のナビゲー
ションのためにもし５個の衛星の星座を使用していれ
ば、その星座内の５個の全衛星からのＧＰＳデータの完
全性を監視するために本方法を使用することができる。
【００２９】以上に説明した本発明の実施例は、衛星天
体暦データが指示する衛星位置の誤差を除去する。即
ち、天体暦データがある衛星からダウンロードされ、次
いでＧＰＳ時を使用してその衛星の位置を決定する。こ
のアプローチの欠陥は正確な衛星位置を計算するために
は精密なＧＰＳ時を必要とすることである。更に、本発
明のこれらの実施例は、衛星の軌道を計算するのに車両
の最良位置推定に頼っている。最良位置推定はＧＰＳ衛
星の星座からの天体暦データに頼っている。従ってこれ
らの実施例は、選択的可用性による劣化がなく段階８０
２−８０６の初期衛星追尾が遂行されたとの仮定に、ま
たは代替として、初期劣化の性質が知られているとの仮
定に基づいているのである。本発明の第２の実施例にお
いては、ある衛星からの天体暦データを使用することな
くその衛星の平均軌道経路を予測する。天体暦データを
使用せずに、その衛星のための“ローカル天体暦デー
タ”を生成するのである。この実施例を図１０に流れ図
１０００で示してある。段階１００２においては、時刻
ｔ1 にＧＰＳナビゲーション信号を衛星（ＳＶ）から受
信する。段階１００４では、衛星までの擬似距離（ＰＳ
Ｒ）及び衛星速度を決定する。衛星速度は、公知の種々
の方法の何れによって決定してもよい。例えばナビゲー
ション信号の搬送波内の位相シフトから（デルタ距離累
積（ＡＤＲ）技術を使用して）計算することができる。
体暦データが指示する衛星位置の誤差を除去する。即
ち、天体暦データがある衛星からダウンロードされ、次
いでＧＰＳ時を使用してその衛星の位置を決定する。こ
のアプローチの欠陥は正確な衛星位置を計算するために
は精密なＧＰＳ時を必要とすることである。更に、本発
明のこれらの実施例は、衛星の軌道を計算するのに車両
の最良位置推定に頼っている。最良位置推定はＧＰＳ衛
星の星座からの天体暦データに頼っている。従ってこれ
らの実施例は、選択的可用性による劣化がなく段階８０
２−８０６の初期衛星追尾が遂行されたとの仮定に、ま
たは代替として、初期劣化の性質が知られているとの仮
定に基づいているのである。本発明の第２の実施例にお
いては、ある衛星からの天体暦データを使用することな
くその衛星の平均軌道経路を予測する。天体暦データを
使用せずに、その衛星のための“ローカル天体暦デー
タ”を生成するのである。この実施例を図１０に流れ図
１０００で示してある。段階１００２においては、時刻
ｔ1 にＧＰＳナビゲーション信号を衛星（ＳＶ）から受
信する。段階１００４では、衛星までの擬似距離（ＰＳ
Ｒ）及び衛星速度を決定する。衛星速度は、公知の種々
の方法の何れによって決定してもよい。例えばナビゲー
ション信号の搬送波内の位相シフトから（デルタ距離累
積（ＡＤＲ）技術を使用して）計算することができる。
【００３０】段階１００６では、時刻ｔ2 、ｔ3 、
ｔ4 、及びｔ5 に関して段階１００２及び１００４を繰
り返す。段階１００８は、時刻ｔ1 、ｔ2 、及びｔ3 に
おける衛星の速度（ｖ）及び擬似距離（ＰＳＲ）、並び
に基地局の既知位置（Ｂx ，Ｂy，Ｂz ）を使用し、以
下の方程式に従って時刻ｔ3 における衛星の第１の推定
位置（ｘ，ｙ，ｚ）を計算する。 (x− Bx )2＋(y− By )2＋(z− Bz )2＝( PSR3 )2 式１１ (x− Bx − vx2・Δｔ2,3)2 ＋(y− By − vy2・Δｔ2,3)2 ＋(z− Bz − vz2・Δｔ2,3)2 ＝( PSR2 )2 式１２ (x− Bx − vx2・Δｔ2,3 − vx1・Δｔ1,2)2 ＋(y− By − vy2・Δｔ2,3 − vy1・Δｔ1,2)2 ＋(z− Bz − vz2・Δｔ2,3 − vz1・Δｔ1,2)2 ＝( PSR1 )2 式１３ ここに、ｖx2、ｖy2、ｖz2は、それぞれ時刻ｔ2 におけ
る衛星の速度のｘ、ｙ、ｚ成分であり、ｖx1、ｖy1、ｖ
z1は、それぞれ時刻ｔ1 における衛星の速度のｘ、ｙ、
ｚ成分であり、 Δｔ2,3 ＝ｔ3 −ｔ2 であり、 Δｔ1,2 ＝ｔ2 −ｔ1 である。
ｔ4 、及びｔ5 に関して段階１００２及び１００４を繰
り返す。段階１００８は、時刻ｔ1 、ｔ2 、及びｔ3 に
おける衛星の速度（ｖ）及び擬似距離（ＰＳＲ）、並び
に基地局の既知位置（Ｂx ，Ｂy，Ｂz ）を使用し、以
下の方程式に従って時刻ｔ3 における衛星の第１の推定
位置（ｘ，ｙ，ｚ）を計算する。 (x− Bx )2＋(y− By )2＋(z− Bz )2＝( PSR3 )2 式１１ (x− Bx − vx2・Δｔ2,3)2 ＋(y− By − vy2・Δｔ2,3)2 ＋(z− Bz − vz2・Δｔ2,3)2 ＝( PSR2 )2 式１２ (x− Bx − vx2・Δｔ2,3 − vx1・Δｔ1,2)2 ＋(y− By − vy2・Δｔ2,3 − vy1・Δｔ1,2)2 ＋(z− Bz − vz2・Δｔ2,3 − vz1・Δｔ1,2)2 ＝( PSR1 )2 式１３ ここに、ｖx2、ｖy2、ｖz2は、それぞれ時刻ｔ2 におけ
る衛星の速度のｘ、ｙ、ｚ成分であり、ｖx1、ｖy1、ｖ
z1は、それぞれ時刻ｔ1 における衛星の速度のｘ、ｙ、
ｚ成分であり、 Δｔ2,3 ＝ｔ3 −ｔ2 であり、 Δｔ1,2 ＝ｔ2 −ｔ1 である。
【００３１】段階１０１０では、時刻ｔ2 、ｔ3 、及び
ｔ4 における擬似距離及び速度データを使用して、時刻
ｔ4 における衛星の第２推定位置 (ｘ，ｙ，ｚ)4 を計
算する。段階１０１２においては、時刻ｔ3 、ｔ4 、及
びｔ5 における擬似距離及び速度データを使用して、時
刻ｔ5 における衛星の第３推定位置 (ｘ，ｙ，ｚ)5を計
算する。段階１０１０及び１０１２は、段階１００８と
同じように遂行される。時刻ｔ3 、ｔ4 、及びｔ5 にお
ける推定衛星位置は、段階１０１４において軌道経路を
予測するために使用される。衛星の軌道経路が予測され
ると、衛星の位置を正確に決定するためにそのデータは
衛星天体暦データの代わりに使用される。これは段階１
０１６に示されており、段階１０１６では、予測された
軌道パラメタを使用して次の時刻ｔn における衛星の位
置を予測する。この方法は衛星の天体暦データに頼らず
に衛星位置を計算するから、車両位置推定が選択的可用
性の負の効果を受けないようにすることができる。図９
の流れ図９００に示すように、衛星の予測軌道経路を絶
えず高精度化するために、段階１００２−１０１４は繰
り返すことができる。
ｔ4 における擬似距離及び速度データを使用して、時刻
ｔ4 における衛星の第２推定位置 (ｘ，ｙ，ｚ)4 を計
算する。段階１０１２においては、時刻ｔ3 、ｔ4 、及
びｔ5 における擬似距離及び速度データを使用して、時
刻ｔ5 における衛星の第３推定位置 (ｘ，ｙ，ｚ)5を計
算する。段階１０１０及び１０１２は、段階１００８と
同じように遂行される。時刻ｔ3 、ｔ4 、及びｔ5 にお
ける推定衛星位置は、段階１０１４において軌道経路を
予測するために使用される。衛星の軌道経路が予測され
ると、衛星の位置を正確に決定するためにそのデータは
衛星天体暦データの代わりに使用される。これは段階１
０１６に示されており、段階１０１６では、予測された
軌道パラメタを使用して次の時刻ｔn における衛星の位
置を予測する。この方法は衛星の天体暦データに頼らず
に衛星位置を計算するから、車両位置推定が選択的可用
性の負の効果を受けないようにすることができる。図９
の流れ図９００に示すように、衛星の予測軌道経路を絶
えず高精度化するために、段階１００２−１０１４は繰
り返すことができる。
【００３２】本発明の方法は（１）各衛星が固定軌道に
展開し、（２）全てのバイアス、即ち時計及び大気バイ
アスが初期に修正できるという仮定に頼っている。大気
バイアスは、差動ＧＰＳ方式を使用して修正される。も
し差動方式を使用しないのであれば、車両２１０の初期
位置を正確に知らなければならない。更に、このような
オープンエンデッド方式では、車両は長時間にわたって
走行することはできない。即ち、周期的な初期化が必要
である。説明を簡略化する目的から、上述した式には時
計バイアスが省かれていたことに注目されたい。もし存
在すれば（即ち、精密な時計が使用されていなければ）
上述した式の中に時計バイアスを含ませることができ
る。その結果として、時計バイアスを解くために付加的
な式を必要とすることになろう。また本発明を使用して
導出される予測軌道パラメタは、天空を横切る衛星の多
くとも１回の通過に関して有効であることにも注目され
たい。衛星が次に見える時には、全てのパラメタを再計
算しなければならない。前述したように、衛星の計算さ
れた位置は、その衛星の天体暦データの完全性を検査す
るために使用することもできる。即ち、衛星からの天体
暦データと、予測されたデータとを比較して一貫性を調
べることができる。もし予測位置と天体暦が指示する位
置とがおよそ等しければ、衛星ＳＶk のためのＧＰＳデ
ータは「有効」または「良好」であるとされる。しかし
ながら、もし天体暦が指示する位置と衛星ＳＶk の予測
位置とがおよそ等しくなければ、そのＧＰＳデータは
「無効」または「不良」であるとされる。“およそ等し
い”とは、所定の許容範囲内にあることを意味する。
展開し、（２）全てのバイアス、即ち時計及び大気バイ
アスが初期に修正できるという仮定に頼っている。大気
バイアスは、差動ＧＰＳ方式を使用して修正される。も
し差動方式を使用しないのであれば、車両２１０の初期
位置を正確に知らなければならない。更に、このような
オープンエンデッド方式では、車両は長時間にわたって
走行することはできない。即ち、周期的な初期化が必要
である。説明を簡略化する目的から、上述した式には時
計バイアスが省かれていたことに注目されたい。もし存
在すれば（即ち、精密な時計が使用されていなければ）
上述した式の中に時計バイアスを含ませることができ
る。その結果として、時計バイアスを解くために付加的
な式を必要とすることになろう。また本発明を使用して
導出される予測軌道パラメタは、天空を横切る衛星の多
くとも１回の通過に関して有効であることにも注目され
たい。衛星が次に見える時には、全てのパラメタを再計
算しなければならない。前述したように、衛星の計算さ
れた位置は、その衛星の天体暦データの完全性を検査す
るために使用することもできる。即ち、衛星からの天体
暦データと、予測されたデータとを比較して一貫性を調
べることができる。もし予測位置と天体暦が指示する位
置とがおよそ等しければ、衛星ＳＶk のためのＧＰＳデ
ータは「有効」または「良好」であるとされる。しかし
ながら、もし天体暦が指示する位置と衛星ＳＶk の予測
位置とがおよそ等しくなければ、そのＧＰＳデータは
「無効」または「不良」であるとされる。“およそ等し
い”とは、所定の許容範囲内にあることを意味する。
【００３３】以上に本発明の好ましい実施例を説明し
た。しかしながら当業者ならば、本発明を実施する種々
の付加的な方法を認識することができよう。例えば、図
７の段階７０２及び７０４に示した衛星の位置の正確な
決定は、種々の方法を使用することができる。これらに
は、衛星から同報もしくは放送される天体暦データに頼
ることなく、単一の時刻におけるデータを使用して衛星
の位置を精密に三角測量するために４基地局（または既
知の位置を有する車両）を使用する方法も含まれる。こ
のようにして計算された軌道パラメタを数日にわたって
正確に使用できるようにすることが可能である。上述し
た本発明の実施例は、主として天体暦データの完全性を
監視するか、またはその天体暦データを予測軌道パラメ
タで置換することに関している。しかしながら、擬似距
離データ、即ち衛星から送信される符号化された信号送
信時刻は劣化しているかも知れない。不良擬似距離デー
タは、最良位置推定が差動方式（図６の流れ図６００参
照）を使用して計算された時に監視され、修正または排
除される。擬似距離データの完全性検査は基地局におい
て（段階６０９）、または車両において（段階６１０）
遂行することができ、カルマン濾波技術が距離データ
（即ち、位置の急激な階段的変化）を排除する。以上の
如く、本発明はＧＰＳ衛星から同報される天体暦データ
及び擬似距離データの両者の完全性を監視する手段を提
供しているのである。
た。しかしながら当業者ならば、本発明を実施する種々
の付加的な方法を認識することができよう。例えば、図
７の段階７０２及び７０４に示した衛星の位置の正確な
決定は、種々の方法を使用することができる。これらに
は、衛星から同報もしくは放送される天体暦データに頼
ることなく、単一の時刻におけるデータを使用して衛星
の位置を精密に三角測量するために４基地局（または既
知の位置を有する車両）を使用する方法も含まれる。こ
のようにして計算された軌道パラメタを数日にわたって
正確に使用できるようにすることが可能である。上述し
た本発明の実施例は、主として天体暦データの完全性を
監視するか、またはその天体暦データを予測軌道パラメ
タで置換することに関している。しかしながら、擬似距
離データ、即ち衛星から送信される符号化された信号送
信時刻は劣化しているかも知れない。不良擬似距離デー
タは、最良位置推定が差動方式（図６の流れ図６００参
照）を使用して計算された時に監視され、修正または排
除される。擬似距離データの完全性検査は基地局におい
て（段階６０９）、または車両において（段階６１０）
遂行することができ、カルマン濾波技術が距離データ
（即ち、位置の急激な階段的変化）を排除する。以上の
如く、本発明はＧＰＳ衛星から同報される天体暦データ
及び擬似距離データの両者の完全性を監視する手段を提
供しているのである。
【００３４】本発明を特にその好ましい実施例に関して
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。
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。
【図１】地球を巡るそれぞれの軌道内にある NAVSTAR G
PS衛星を示す図である。
PS衛星を示す図である。
【図２】４個のＧＰＳ衛星の星座、擬似衛星、基地局、
及び自律車両を含む自律車両システムの概要図である。
及び自律車両を含む自律車両システムの概要図である。
【図３】自律車両の車両位置確定装置における自律車両
装置のブロック線図である。
装置のブロック線図である。
【図４】ＧＰＳ処理装置のブロック線図である。
【図５】地球の中心、地表付近の車両、及びＧＰＳ衛星
の星座の間の幾何学的関係を示す図である。
の星座の間の幾何学的関係を示す図である。
【図６】車両の最良位置推定を計算する諸段階を示す流
れ図である。
れ図である。
【図７】本発明の方法を示す流れ図である。
【図８】衛星の軌道パラメタを予測するための本発明に
よる第１の実施例の諸段階を示す流れ図である。
よる第１の実施例の諸段階を示す流れ図である。
【図９】衛星のＧＰＳ天体暦データの完全性を監視し、
予測された軌道パラメタを高精度化する諸段階を示す流
れ図である。
予測された軌道パラメタを高精度化する諸段階を示す流
れ図である。
【図１０】衛星の軌道パラメタを予測するための本発明
による第２の実施例の諸段階を示す流れ図である。
による第２の実施例の諸段階を示す流れ図である。
１０２ 動作衛星
１０４ 軌道
２００ 自律車両装置
２０２ ＧＰＳ星座
２１０ 車両
２１２ 車両のアンテナ
２２０ 基地局
２２２ 基地局のアンテナ
２２５ 通信チャネル
２３０ 擬似衛星
３１０ 車両位置確定装置（ＶＰＳ）
３１２ ＧＰＳ処理装置
３１４ 運動乳確定装置（ＭＰＳ）
３１６ 車両走行距離計
３１８ 慣性参照ユニット（ＩＲＵ）
３２０ ナビゲーション装置
３２１ ジャイロスコープ
３２２ 加速度計
３２４ ＶＰＳ処理装置
３２６ ＭＰＳ内部通信プロセッサ
３２８ ホスト処理装置
４００ 受信機装置
４０２ ＧＰＳアンテナ
４０４ 前置増幅器
４０６ ＧＰＳ受信機
４０８ ＧＰＳプロセッサ
フロントページの続き
(56)参考文献 特開 平３−291584（ＪＰ，Ａ)
特開 昭63−26530（ＪＰ，Ａ)
Ｓ．Ｓ．ＲＵＳＳＥＬ；Ｊ．Ｈ．ＳＣ
ＨＡＩＢＬＹ，Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｅｇ
ｍｅｎｔ ａｎｄ Ｕｓｅｒ Ｐｅｒｆ
ｏｒｍａｎｃｅ，Ｎａｖｉｇａｔｉｏ
ｎ，米国，Ｔｈｅ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ
ｏｆ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ，Ｖｏ
ｌ．25，Ｎｏ．２，ｐｐ．166−172,
1978
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G01S 5/00 - 5/14
G01C 21/00 - 21/24
G01C 23/00 - 25/00
ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (4)
- 【請求項１】 衛星をベースとするナビゲーションシス
テムの衛星の星座内の衛星の位置を決定する方法であっ
て、 （ａ）前記衛星の星座を使用し、時刻ｔ1 における受信
機の第１位置を決定する段階と、 （ｂ）前記衛星の星座を使用し、時刻ｔ2 における受信
機の第２位置を決定する段階と、 （ｃ）前記衛星の星座を使用し、時刻ｔ3 における受信
機の第３位置を決定する段階と、 （ｄ）前記衛星の星座を使用し、時刻ｔ4 における受信
機の第４位置を決定する段階と、 （ｅ）前記衛星の星座を使用し、時刻ｔ5 における受信
機の第５位置を決定する段階と、 （ｆ）前記星座から前記衛星のうち１つの衛星を選択す
る段階と、 （ｇ）時刻ｔ1 、ｔ2 、及びｔ3 におけるデータを使用
し、前記選択された衛星の第１平均衛星位置を計算する
段階と、 （ｈ）時刻ｔ2 、ｔ3 、及びｔ4 におけるデータを使用
し、前記選択された衛星の第２平均衛星位置を計算する
段階と、 （ｉ）時刻ｔ3 、ｔ4 、及びｔ5 におけるデータを使用
し、前記選択された衛星の第３平均衛星位置を計算する
段階と、 （ｊ）前記第１、第２、及び第３平均衛星位置を使用
し、前記選択された衛星の１組の軌道パラメタを計算す
る段階と、 （ｋ）これらの軌道パラメタを使用し、時刻ｔn におけ
る前記選択された衛星の位置を予測する段階とを具備す
ることを特徴とする方法。 - 【請求項２】 （ｌ）前記選択された衛星の時刻ｔn に
おける前記予測位置と、前記選択された衛星の時刻ｔn
における前記天体暦データが指示する位置とを比較し、
衛星天体暦データの完全性を監視する段階をも具備する
請求項１に記載の方法。 - 【請求項３】 受信機位置を決定する各段階が、 （１）第１の衛星から第１ナビゲーション信号を受信す
る段階と、 （２）前記第１ナビゲーション信号に基づいて第１擬似
距離及び第１衛星位置を計算する段階と、 （３）第２の衛星から第２ナビゲーション信号を受信す
る段階と、 （４）前記第２ナビゲーション信号に基づいて第２擬似
距離及び第２衛星位置を計算する段階と、 （５）第３の衛星から第３ナビゲーション信号を受信す
る段階と、 （６）前記第３ナビゲーション信号に基づいて第３擬似
距離及び第３衛星位置を計算する段階と、 （７）これらの擬似距離及び衛星位置に基づいて三角測
量技術を適用して推定受信機位置を計算する段階と、 （８）基地局からのバイアスデータに基づいて前記推定
受信機位置を高精度化し、第１高精度化受信機位置を生
成する段階と、 （９）前記受信機に組合わされている慣性ナビゲーショ
ン装置からのデータを使用し、前記第１高精度化受信機
位置を高精度化して第２高精度化受信機位置を生成する
段階とを具備する請求項１に記載の方法。 - 【請求項４】 平均衛星位置を計算する各段階が、 （１）前記第２高精度化受信機位置及び前記選択された
衛星の天体暦データが指示する位置を使用し、前記選択
された衛星の第１の時刻における高精度化された擬似距
離を計算する段階と、 （２）第２の時刻に関して計算段階（１）を繰り返す段
階と、 （３）第３の時刻に関して計算段階（１）を繰り返す段
階と、 （４）前記高精度化擬似距離及び第２高精度化受信機位
置から、前記選択された衛星の第１、第２、及び第３の
時刻における平均衛星位置を計算する段階とを具備する
請求項３に記載の方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US07/963,677 US5430657A (en) | 1992-10-20 | 1992-10-20 | Method and apparatus for predicting the position of a satellite in a satellite based navigation system |
| US07/963677 | 1992-10-20 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06201812A JPH06201812A (ja) | 1994-07-22 |
| JP3408593B2 true JP3408593B2 (ja) | 2003-05-19 |
Family
ID=25507559
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP26251193A Expired - Fee Related JP3408593B2 (ja) | 1992-10-20 | 1993-10-20 | 衛星をベースとするナビゲーションシステムにおいて衛星の位置を予測する方法及び装置 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5430657A (ja) |
| JP (1) | JP3408593B2 (ja) |
| DE (1) | DE4335818A1 (ja) |
| GB (1) | GB2271902B (ja) |
Families Citing this family (86)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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