(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の予定時間に目標の２方向位置標定ナビゲーション測量値を取得し、
前記第１の予定時間に前記目標の第１グローバルポジショニングシステム測量値を取得し、
前記２方向位置標定ナビゲーション測量値および前記グローバルポジショニングシステム測量値の関数として訂正係数を決定し、
前記訂正係数をグローバルポジショニングシステム訂正係数内に移し、
第２の予定時間に前記目標の第２グローバルポジショニングシステム測量値を取得し、前記訂正係数により前記第２グローバルポジショニングシステム測量値を調節することにより、訂正されたグローバルポジショニングシステム測量値を得る、
ステップを備えた２方向位置標定ナビゲーションシステムを使用してグローバルポジショニングシステムを較正する方法。
【請求項２】
前記訂正係数を決定するステップが、前記第１の予定時間にかつ知られたサテライト位置で、前記２方向位置標定ナビゲーション測量値および前記グローバルポジショニングシステム測量値の関数として前記訂正係数を決定することをさらに備えた請求項１の方法。
【請求項３】
前記訂正係数を決定するステップが、前記２方向位置標定ナビゲーション測量値および前記グローバルポジショニングシステム測量値の関数として前記訂正係数を決定することをさらに備えた請求項１の方法。
【請求項４】
前記訂正係数を決定するステップが、前記２方向位置標定ナビゲーション測量値、前記第１の予定時間における前記グローバルポジショニングシステム測量値、および拡張されたカルマンフィルタリングの結果の関数として前記訂正係数を決定することをさらに備えた請求項１の方法。
【請求項５】
前記グローバルポジショニングシステム位置を訂正するステップが、２方向通信結合の方法によりデータおよび測量値を中継することをさらに備えた請求項１の方法。
【請求項６】
２方向位置標定ナビゲーション測量値の回数を増加することにより、前記較正方法の精度を向上するステップをさらに備えている請求項１の方法。
【請求項７】
前記訂正係数を地上局に送り、
前記訂正係数を予定の地域にわたって放送する、
ステップをさらに備えている請求項１の方法。
【請求項８】
２方向位置標定ナビゲーションシステムと、
グローバルポジショニングシステムと、
前記２方向位置標定ナビゲーションシステムおよび前記グローバルポジショニングシステムにより取得された測量値の関数として訂正係数を決定する手段と、
前記訂正係数をグローバルポジショニングシステム訂正係数内に移す手段と、
前記訂正係数により前記グローバルポジショニングシステムの位置を調節する手段と、
を備えているグローバルポジショニングシステムを較正する装置。
【請求項９】
前記訂正係数を決定する手段が、第１の予定時間にかつ知られたサテライト位置で、前記２方向位置標定ナビゲーション測量値および前記グローバルポジショニングシステム測量値の関数として前記訂正係数を決定することをさらに備えた請求項８の装置。
【請求項１０】
前記訂正係数を決定する手段が、前記２方向位置標定ナビゲーション測量値および前記グローバルポジショニングシステム測量値の関数として前記訂正係数を決定することをさらに備えた請求項８の装置。
【請求項１１】
前記訂正係数を決定する手段が、前記２方向位置標定ナビゲーション測量値、前記第１の予定時間における前記グローバルポジショニングシステム測量値、および拡張されたカルマンフィルタリングの結果の関数として前記訂正係数を決定することをさらに備えた請求項８の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は目標乗物の位置を決定する方法および装置に関する。なお特に、この発明は２方向位置標定ナビゲーション装置を使用する全地球位置発見システム（グローバルポジショニングシステム）を較正する方法および装置に関する。
【０００２】
この出願は、1997年2月21日申請の“多空電サテライト形態における２方向位置標定を利用するトランシーバユニットの位置を決定する方法および装置”と題する出願番号N0.08/803,937、U.S.特許番号6,337,208と同様に、1997年2月21日申請の“２方向位置標定を利用する目標乗物の位置を決定する方法および装置”と題する出願番号N0.08/803,936、U.S.特許番号5,969,674に関係する。さらに10月16日出願された“２方向位置標定を利用する通信サテライトの位置を決定する方法および装置”と題する出願番号NO.09/174,182、U.S.特許番号6,229,477にも関係する。各出願番号N0.08/803,936およびN0.08/803,937、およびNO.09/174,182の開示はここに引用文献として組込まれる。
【０００３】
【従来の技術】
グローバルポジショニングシステム（ＧＰＳ）の形の最近の自動追従監視（ＡＤＳ）技術はサテライト通信を利用して情報を提供する。米国防総省により開発されたＧＰＳは、12,000マイル（12,000×1.609km）の高度で一日に２回地球を回る２４個のサテライトからなる。加えて、ＧＰＳはサテライトを監視しかつ管理する５個の地上局からなる。原子時計と位置データを使用して、ＧＰＳサテライトは一日２４時間、連続した時間と位置情報をＧＰＳ受信機に伝送し、受信機は地上のユーザ位置を決定するため、３つあるいはそれ以上のサテライトから同時にデータを入力する。サテライト信号の送信および受信間の時間間隔を測定することにより、ＧＰＳ受信機はユーザおよび各サテライト間の距離を計算する。それからＧＰＳ受信機は、最終ユーザ位置即ちロケーションに到達するため少なくとも３つのサテライトからの距離測定値を使用する。
【０００４】
一般人のＧＰＳ測量は略100メータの精度を与える。航空機のような目標のために必要とされる付加的な精度は地上基準点からなる微分ＧＰＳを使用することにより得られる。しかし、地上基準局は配備するのに費用がかかり、それらの効果が地球の表面の基準位置から有限の半径に限定される。
【０００５】
一般人ＧＰＳシステムは、正確な同期された時計が各局に要求される1方向位置標定を利用する。どんな同期誤差、またはサテライトの一つの位置を標定するいかなる誤差も目標の決定された位置に誤差をもたらす。航空機または他の目標は、正確な位置および速度情報を持たねばならず、飛行を通して献身的な正確な位置、または高度な完全性と信頼性を有する正確な位置および速度情報を提供する使命を要求する。
【０００６】
この問題を克服するため、２方向位置標定ナビゲーションがここに引用文献として組込まれた米国出願番号NO.08/803,936により提案された。そこに開示された２方向位置標定ナビゲーションシステムは、位置と速度を含んでいる乗物の状態ベクトルの個々の算定を引き出すため、複数のサテライトを通して２方向位置標定技術を利用し、航空機または地表乗物のような乗物の位置を決定する。
【０００７】
２方向位置標定ナビゲーションシステムは複数のサテライトを通して軌道制御局から乗物に伝送している第１の信号を含む。この信号から、乗物は独特な位置標定コードを取得および探し出し、独特なコードを含んでいる伝言信号が乗物から伝送される。乗物の状態の出来るだけ正確な算定を有する２方向位置標定を提供するため、多元サテライトを通した結合が連続的にまたは同時に処理される。２方向位置標定ナビゲーションシステムは、軌道制御器、好ましくはα−β/ＥＫＦ（拡張されたカルマン係数）を採用している地表基本軌道制御器において、第１信号および伝言信号に応答して乗物の状態ベクトルの算定を引き出すため位置標定測量値を処理する。
【０００８】
２方向位置標定ナビゲーションは、ＧＰＳシステムよりも高精度な目標のための孤立位置決めシステムとして使用され得る。正常な通信結合中、２方向位置標定ナビゲーションでの位置決めは少ない宇宙セグメントリソースを消費する。しかし、“休止期間”として知られるユーザおよびサテライト間の通信がないとき、２方向位置標定ナビゲーション位置決めは付加的な宇宙セグメント帯域幅リソースを必要とする。他方１方向放送位置決めシステムであるＧＰＳは、一度それが配備されるなら付加的な宇宙セグメントリソースを必要としない。
【０００９】
それ故、２方向位置標定ナビゲーション位置決めのコスト無しに、可能なときはいつでも自由一般人ＧＰＳ信号を利用することができるより高度な位置決め精度を得ることが必要である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、望まれないコストおよび複雑さを付加すること無しにＧＰＳの精度を改善することにある。本発明の他の目的はＧＰＳのための較正基準として２方向位置標定ナビゲーションを利用することである。本発明のもう一つの目的は較正情報を予定の地域内の全てのユーザに放送することである。
【００１１】
さらに本発明の目的は、ナビゲーションの異なった応用に基づいた精度の異なったレベルを許容するように、較正方法に柔軟性を維持することである。本発明のさらに他の目的は、ＧＰＳ機能停止の場合にＧＰＳのナビゲーションシステムをバックアップすることを提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、サテライトを経て巡回移動通信中に時間遅れを測定することにより、源から目的地への経路に沿って位置標定を正確に決定する２方向位置標定ナビゲーションを使用する方法および装置を提供する。２方向位置標定ナビゲーション測量値が較正基準として使用され、それにより微分ＧＰＳを実行するコスト無しに、かつ微分ＧＰＳと組合された物理的制限無しにＧＰＳの位置決め精度を改善する。
【００１３】
２方向位置標定ナビゲーションを使用しているＧＰＳを較正するシステムは、ＧＰＳと目標の位置測量値を決定する２方向位置標定ナビゲーションシステムとを含む。訂正係数が、２方向位置標定ナビゲーションシステムとＧＰＳとにより取得された測量値の関数として決定され、目標のＧＰＳ位置が訂正係数により調節される。
【００１４】
２方向位置標定ナビゲーションを使用しているＧＰＳを較正する方法は、第１の予定の時間に、航空機のような目標の２方向位置標定ナビゲーション測量値を取得することを含む。目標の第１ＧＰＳ測量値は、また第１の予定時間に取得される。訂正係数が２方向位置標定測量値とＧＰＳ測量値との関数として決定される。ＧＰＳ位置は、第２の予定時間に目標の第２ＧＰＳ測量値を取得し、訂正されたＧＰＳ位置を得るために訂正係数により測量値を調節することにより訂正される。
【００１５】
この方法は、しばしば２方向位置標定ナビゲーション測量を実行しなくても、より高い位置決め精度が飛行の全ての段階に拡張され得る航空機のために特に利点がある。より高精度は、望まれるとき、２方向位置標定ナビゲーション測量を実行することによりその都度、および必要なときは何時でも得ることが出来る。航空機への応用において、中間コースおよび着陸におけるより高い位置決め精度は、航空機間の安全緩衝帯域の大きさの減少を助長でき、それにより容量および航空交通効率を増加する。
【００１６】
本発明の上記目的および他の目的、特徴および利点は、添付図および請求項と一緒に理解されるとき、参照された実施例の以下の詳細な説明から直ちに明らかになる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１を参照すると、本発明の装置および方法に使用された２方向サテライト通信結合を経て、１つまたはそれ以上の地上局から人々、乗物および航空機のような目標の位置配置および軌跡のための知られた２方向位置標定ナビゲーションシステムの装備が示される。２方向位置標定ナビゲーションの概観は以下に記述される。２方向位置標定ナビゲーションの作動の詳細な議論のため、米国出願番号NO.08/803,936が引用文献としてここに組込まれる。
【００１８】
２方向位置標定ナビゲーションは三角測量、三辺測量、およびドプラ-技術を通して目標を追跡し、それは低位地球軌道（ＬＥＯ）、中間地球軌道（ＭＥＯ）、および静止地球軌道（ＧＥＯ）配置の多元軌道面における多元サテライトを含む。図１は複数のサテライトを使用している２方向位置標定ナビゲーションシステム１０を示し、特に２つのＭＥＯサテライト１２とＧＥＯサテライト１４とを示す。複数のＬＥＯ、ＭＥＯおよびＧＥＯサテライトのいかなる組合せも、図１に示されたこれらのシステムと同様な結果を達成するために使用され得ることが注目されるべきである。
【００１９】
作動において、サテライトアクセスノード（ＳＡＮ）、好ましくは交通制御監視、処理および発信のような地上局１６が、ＭＥＯまたはＧＥＯサテライト１２、１４のいずれか一つを経て、航空機のような目標１８に位置標定信号を伝送する。目標１８はサテライトからの独特な位置標定コードを取得および追跡し、それからコードを受信された目標１８から同じサテライトにデータ伝言に沿って再伝送され、そして地上局１６に戻される。
【００２０】
例えば、大部分の時間複数の異なったサテライトを通して、しかし少なくとも２つのサテライトが常に目標１８の視界内にある多元結合が有用である。視界内の一組のサテライトが、同時に２つのサテライトを通して、あるいは本発明の範囲および精神から逸脱することなく単一のサテライトを通して連続的に採用されてもよい。
【００２１】
位置標定信号の前方および戻り経路は、ここにまた引用文献として組込まれた米国出願番号NO.08/803,937に記載されたように、多静止三辺測量体系を創造している異なったサテライトを通して送られ得る。多静止形態は互いに協働する別々に配置された幾つかのトランシーバからなる。トランシーバは静止していても移動していてもよい。前方および戻り位置標定信号が異なったサテライトを通して伝播する多静止技術を利用することにより、測量値の等しい位置標定配置が楕円体表面に制限される。目標１８とサテライト１２および１４との間の距離の合計が一定であるように２つの焦点がサテライト位置に配置される。２方向位置標定ナビゲーション測量値は、地上局１６における目標１８の状態ベクトルを算定するため、α−β拡張カルマン係数を引き出すように使用される。多静止形態はより正確でより柔軟性のある通信方式を提供する。
【００２２】
図２および３を参照すると、上述された２方向位置標定ナビゲーションシステム１０と共にＧＰＳシステムが示される。図２において、付加的なサテライト１５がサテライト１２および１４と共にシステム内に示される。本発明は、ＧＰＳ測量値に存在する誤差を相殺するため較正基準として、２方向位置標定ナビゲーションシステム１０の高精度測量値を利用する。
【００２３】
特に、本発明の方法は、時間の第１予定周期、即ちｔ＝０で、２方向位置標定ナビゲーションシステム１０からの２方向位置標定ナビゲーション測量値、Ｒ２Ｎ１０’および目標１８のＧＰＳシステム２０からのＧＰＳ測量値２０’を取ることを必要とする。図３を参照すると、ｔ＝０で測量値は：
ＧＰＳ(t)|ｔ＝０：ＧＰＳ(0)＝ｘ(0),ｙ(0)，z(0)           (1)
Ｒ２Ｎ(t)|ｔ＝０：Ｒ２Ｎ(0)＝ｘ’(0),ｙ’(0)，z’(0)     (2)
図３に図式的に示された概念は図４にブロック形式で示される。訂正係数３２、ΔはＧＰＳ(0)およびＲ２Ｎ(0)の関数として計算される：
Δ(t)|ｔ＝０：Δ(0)＝ｆ[Ｒ２Ｎ(0),ＧＰＳ(0)]≒Ｒ２Ｎ(0)−ＧＰＳ(0)  (3)
訂正係数３２、Δ(t)は、いかなる時でもΔ(0)、およびサテライト位置、予定の位置から目標１８により移動された距離を監視する通常の機械的ジャイロシステムのような機上慣性ナビゲーションシステムからのデータ、およびＥＫＦの結果のような他の利用可能な情報から引き出され得る。エキセトラ デグリー オブ フリーダム（extra degree of freedom）３４（即ち、上記のような付加的な利用可能な情報）は２方向位置標定およびナビゲーションが過度なデータを操作することにより知られないパラメタを較正することを許容する。エキセトラ デグリー オブ フリーダム３４の概念は付加的な知られないパラメタを解くことを可能にし、それにより、より少ないパラメタで式と比較してより正確な位置算定を作る。
【００２４】
Ｒ２Ｎスイッチ３６は必要かつ要求された時のみ通信を許し、必要ない時は通信を阻止する。通信線は、通信を許すため閉じられ、通信を阻止するため開かれるスイッチとして可視化され得る。
【００２５】
訂正係数３２は第２予定時間ｔ、および訂正されたＧＰＳ位置２４、ＧＰＳ＊でＧＰＳ位置に適用され、以下の形式をもつ：
ＧＰＳ＊(t)＝ＧＰＳ(t)＋Δ(t)
ここに、Δ(t)＝ｆ(t, Δ(t), ＧＰＳ(t),…)            (4)
図４に示されるように、ＧＰＳ信号２０’はＧＰＳ追跡器３８により受信され、比較器４０に転送される。２方向位置標定ナビゲーション信号１０’は２方向位置標定ナビゲーションシステム１０により受信され、およびまた比較器４０に送られ、そこで信号２０’および１０’が訂正係数３２を決定するために使用される。訂正係数３２はＧＰＳ信号を出力する訂正されたＧＰＳ２４の訂正係数内に移される。訂正係数３２は、第２の予定時点で取得されるＧＰＳ信号に適用され、訂正されたＧＰＳ信号２４をもたらし、それは航空機目標の場合は航空交通制御局である地上局１６において、目標１８の位置４２を更新するために使用される。
【００２６】
図５は、局地的訂正信号３２’として地域内で全てのユーザに放送している訂正係数３２を示す。図４に示されかつ上述されたように、訂正係数３２が算定された後、ユーザは、いかなる方法でも、例えば２方向サテライト通信結合により、訂正係数３２を地上局１６に伝送する。地上局１６は予定の地域内にいる全てのユーザに訂正係数３２を放送することができ、誰でも訂正されたＧＰＳ位置２４を得るため、および目標１８の位置４２を最新に更新するために局地的訂正係数３２’を利用することができる。
【００２７】
本発明の装置および方法が、通常のＧＰＳ測量値の分解能と精度を劇的に改善し、一方同時にユーザが度々２方向位置標定ナビゲーション較正を行う必要を減少することが、技術に熟練した者に明らかである。地域毎に一組の較正が必要なだけで、それによりＧＰＳの精度が向上し、同時にまれな２方向位置標定測量の結果として通信コストを低く維持する。
【００２８】
分解能と精度の向上はさておき、本発明は測量値およびデータの処理に柔軟性の利点を有することがまた直ちに明らかである。測量値と他のデータは２方向通信結合を経てユーザおよび地上局１６間に中継され得る。データ処理は目標１８の機上または地上局１６の何れかで行われ得る。
【００２９】
加えて、かつ同様に本発明の装置および方法は、訂正係数３２、Δを微分ＧＰＳに許容し、それは好ましくはより精度を上げるため地上局１６で計算され、しかし機上で計算されることもでき、ＧＰＳ位置標定訂正に移され、（Δr1, Δr2,…）はそれから地域内の全てのＧＰＳユーザに放送され得る。この実施例において、訂正プロセスは以下になる：
未処理のＧＰＳ位置：  ＧＰＳ(t)＝ｆ(r1, r2,…)                  (5)
訂正されたＧＰＳ位置：  ＧＰＳ＊(t)＝ｆ(r1＋Δr1, r2,＋Δr2,…)    (6)
ここに、r1, r2,…は通信サテライト１２、１４および１５、および地上局１６の空間位置間の位置標定に対応している位置標定である。
【００３０】
２方向位置標定ナビゲーション測量値は高精度である。そのためよく知られ、かつ２方向位置標定ナビゲーション測量値の形における正確な基準点を有するＧＰＳを訂正することにより、選択的な利用可能性、電離層および大気からの誤差は劇的に減少できる。しかし、大気遅れが天候動向により変化できるので、２方向位置標定ナビゲーション較正測量は天候状態に重大な変化がある度に行われるべきである。
【００３１】
微分ＧＰＳのように、本発明は誤差を訂正するため非常に正確な基準点を利用する増進された位置測量値を提供する。しかし、微分ＧＰＳのようでなく、本発明は前もって基準点を確立する必要がない。本発明は２方向位置標定ナビゲーション基準点をその度に、および適当な即ち必要なときはいつでも発生することができる。また、本発明の装置および方法の精度は、柔軟性があり制御され得るものであり、それらの特別な目的のためにユーザが必要とされる精度のレベルを選択することを許容し、高度な精度を必要としない応用のための過剰（overkill）を除去し、結果としてより低い運転コストをもたらす。
【００３２】
例えばナビゲーションにおいてゼロ視度中のようなより高い精度を必要とするとき、２方向位置標定ナビゲーション測量の回数が増加される。これはより頻度を上げた訂正係数計算と調節を通してＧＰＳの精度を向上する。この柔軟性は本発明が制限されないが、経済的飛行、船舶、船積みコンテナ、地上の乗物およびモバイル送受器を含んでいる応用の多様性において使用されることを可能にする。
【００３３】
２方向位置標定ナビゲーションを有する組込みＧＰＳにより、ＧＰＳのバックアップナビゲーション方法が確立される。それ故、ＧＰＳ信号妨害の場合に、２方向位置標定ナビゲーションがＧＰＳ無しに完全なナビゲーションを提供することが出来る。２方向位置標定ナビゲーションサテライト１２および１４はその都度２方向位置標定ナビゲーション較正基準を確立することが出来、ユーザが選択するときは何時でも、ある持続即ち時間内に適当なＲ２Ｎ較正があることを提供され、それによりＧＰＳの援助無しに高い位置決め精度を達成する。これはここに引用文献として組込まれた米国特許出願NO.08/803,936に詳細に記述される。
【００３４】
【発明の効果】
本発明は多くの多元サテライト形態または多元形態の組合せに応用を有する。本発明は通常のＧＰＳの精度を増進し、目標の追跡においてより柔軟性のある精度の簡単な方法を提供する。たとえＧＰＳが機能不全であっても、本発明は追跡応用の多様性のため正確なナビゲーション測量値を提供する。
【００３５】
本発明の特定な実施例が添付図面に示され、前記詳細な説明に記述されたが、本発明は記述された実施例に限定されるものではなく、請求項の範囲から逸脱することなく多くの再配列、変形および置換が可能であることが理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  ２つの中間地球軌道（ＭＥＯ）サテライトおよび１つの静止地球軌道（ＧＥＯ）サテライトの配置として２方向位置標定ナビゲーションを採用している知られた通信方式を示す図式表現。
【図２】  ２方向位置標定ナビゲーション形態と同時にＧＰＳを示す図式表現。
【図３】  ２方向位置標定ナビゲーション較正基準を有するＧＰＳの図式表現。
【図４】  本発明の較正方法の実施例のブロック図。
【図５】  訂正係数がユーザへ放送される本発明の較正方法の実施例のブロック図。
【図６】  ＧＰＳへのバックアップナビゲーションシステムとしての２方向位置標定ナビゲーションの図式表現。
【符号の説明】
１０……２方向位置標定ナビゲーションシステム
１２……ＭＥＯサテライト
１４……ＧＥＯサテライト
１５……付加的なサテライト
１６……地上局
１８……目標
２０……グローバルポジショニングシステム
３２……訂正係数
３６……Ｒ２Ｎスイッチ
３８……ＧＰＳ追跡器
４０……比較器
【図１】
0003650297.tif 000002
【図２】
0003650297.tif 000003
【図３】
0003650297.tif 000004
【図４】
0003650297.tif 000005
【図５】
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【図６】
0003650297.tif 000007