(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
自己の位置が既知で、ＧＰＳ衛星から送られてくるＧＰＳ衛星信号からＧＰＳ衛星の疑似距離データおよび搬送波位相データを計測する地上局と、この地上局で計測された前記疑似距離データおよび前記搬送波位相データの観測データ、および観測された衛星航法メッセージによるＧＰＳ衛星位置情報によって構成されるラグランジアン（Lagrangian）の総和とアプリオリ推定のラグランジアンの和を、変分原理に基づくフィルタ推定手法を利用して、前記ＧＰＳ衛星の位置と速度、クロック誤差、衛星−地上局間アンビギュイティ、および前記地上局のクロック誤差をそれぞれ推定するマスター局とを具備したＧＰＳ衛星標定装置。
【請求項２】
マスター局における推定は、ラグランジアンと呼ばれる状態変数と観測量からなるスカラー関数を最小化する形に定式化して行い、Ｌ１を受信したＧＰＳ衛星信号の衛星発進時のＧＰＳ衛星の位置、速度、クロック誤差、および、ＧＰＳ衛星信号受信時の地上局のクロック誤差に関するアプリオリ推定のラグランジアン、Ｌ２をＧＰＳ衛星の航法暦に基づくＧＰＳ衛星信号発進時のＧＰＳ衛星位置推定のラグランジアン、ａを衛星航法暦による位置情報の取り込み、あるいは非取り込みを表すフラグ、Ｌ３を観測データが取得された時点で形成される観測のラグランジアン、jを観測量の種類を表示するインデックスとした場合、推定のラグランジアン
【数１】
0003595093.tif 000009
に基づき、状態推定更新の方程式
【数２】
0003595093.tif 000010
および、共分散行列更新の方程式
【数３】
0003595093.tif 000011
を用いてＧＰＳ衛星の位置、速度、クロック誤差、衛星−地上局組み合わせに対応するアンビギュイティと呼ばれる未知定数、地上局クロック誤差に関する推定が実施されることを特徴とする請求項１記載のＧＰＳ衛星標定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低軌道衛星の精密軌道決定システムや広域補強航法システムなどに利用されるＧＰＳ衛星標定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
地球周囲の軌道を回る複数のＧＰＳ衛星から送られてくるＧＰＳ衛星信号を受信して、例えば、疑似距離データや搬送波位相データを計測し、ＧＰＳ衛星から放送されている航法メッセージ航法暦データと組み合わせて、自己の位置を測位するＧＰＳ受信装置が、自動車用のナビゲーション装置などに実用化されている。しかし、ＧＰＳ衛星から送られてくる航法メッセージ航法暦データには誤差が含まれるためＧＰＳ受信装置による航法の精度には限界がある。
【０００３】
このため、低軌道衛星の精密軌道決定システムや広域補強航法システムなど精度の高いシステムにＧＰＳ受信装置を利用する場合、航法精度のより一層の向上が要求される。このような要求から、航法精度の向上を図るために、ＧＰＳ衛星の位置と速度、クロック誤差、そして、各地上局のクロック誤差などを、位置が既知の地上局におけるＧＰＳ衛星に対する観測量（疑似距離および搬送波位相データ）に基づいて推定するＧＰＳ衛星標定装置の実用化が検討されている。そして、これまでに、いくつかのＧＰＳ衛星標定装置が提案されている。
【０００４】
例えば、４つの地上局と１つのＧＰＳ衛星を利用する４局１衛星方式、および、５つの地上局と４つのＧＰＳ衛星を利用する５局４衛星方式などのように１組の観測量から確定論的幾何学的に衛星の位置とクロック誤差を推定する方法、複数の地上局で観測された観測データ間の２重差を用いてＧＰＳ衛星に固有の誤差を消去する手法、あるいは、カルマンフィルタを用いた推定手法を利用する方法である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
確定論的な観測を利用する方法は、衛星状態推定の定式化の時点で仮定した観測配位を前提としている。このため、いずれかの地上局で観測データが得られなかった場合などによるデータの欠落、あるいは、観測データの異常などが発生するとＧＰＳ衛星標定の処方の前提が満たされないためにＧＰＳ衛星標定ができなくなる。また、衛星運動の連続性に配慮しない手法であることから精度の高い推定値を得ることが難しい。
【０００６】
精度面からは上記の欠点を補償するために地上局における観測データ間の差を取ることで衛星に固有の誤差を消去する重差法と呼ばれる方法がある。しかし、この方法もＧＰＳ衛星の状態推定の定式化が仮定した観測配位、および、観測対象時刻の同時刻性をそれぞれ前提としている。したがって、データの欠落やデータの異常が発生するとＧＰＳ衛星の標定ができなくなる。
【０００７】
本発明は、上記した欠点を解決するもので、データの欠落やデータの異常が発生しても、ＧＰＳ衛星の標定が行えるＧＰＳ衛星標定装置を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明のＧＰＳ衛星標定装置は、自己の位置が既知で、ＧＰＳ衛星から送られてくるＧＰＳ衛星信号からＧＰＳ衛星の疑似距離データおよび搬送波位相データを計測する地上局と、この地上局で計測された前記疑似距離データおよび前記搬送波位相データの観測データ、および観測された衛星航法メッセージによるＧＰＳ衛星位置情報によって構成されるラグランジアン（Lagrangian）の総和とアプリオリ推定のラグランジアンの和を、変分原理に基づくフィルタ推定手法を利用して、前記ＧＰＳ衛星の位置と速度、クロック誤差、衛星−地上局間アンビギュイティ、および前記地上局のクロック誤差をそれぞれ推定するマスター局とを具備している。
【０００９】
また、マスター局における推定は、ラグランジアンと呼ばれる状態変数と観測量からなるスカラー関数を最小化する形に定式化して行い、Ｌ１を状態更新前のＧＰＳ衛星の位置、速度、クロック誤差、および、地上局のクロック誤差に関する観測量取得前のアプリオリ推定のラグランジアン、Ｌ２をＧＰＳ衛星の航法暦に基づくＧＰＳ衛星位置推定のラグランジアン、ａを衛星航法暦による位置情報の取り込み、あるいは非取り込みを表すフラグ、Ｌ３jを観測データが取得された時点で形成される観測のラグランジアン、jを観測データの種別を表記するインデックスとした場合、
推定のラグランジアン
【数４】
0003595093.tif 000002
に基づき、状態推定更新の方程式
【数５】
0003595093.tif 000003
および、行分散行列更新の方程式
【数６】
0003595093.tif 000004
を用いて実施されることを特徴としている。
【００１０】
また、観測データの取得に伴う状態推定の更新から次の観測データ取得に於ける次のデータ更新までの間の状態の時間的推移は運動方程式を用いて伝搬される。
【００１１】
上記した構成によれば、状態推定計算には状態伝搬と状態更新からなるフィルタ手法が適用され、伝搬過程に於いて衛星運動が力学法則に従う連続的なものであることに配慮した定式化となっている。
【００１２】
状態更新は、各観測データによって構成されるラグランジアン（Ｌａｇｒａｎｇｉａｎ）の総和とアプリオリ推定のラグランジアンの和を変分原理に立脚して最小化している。したがって、地上局の故障などによって、データの欠落やデータの異常など観測形式が変化しても、観測のラグランジアンの取り込み、あるいは非取り込みで対処でき、計算の手法、形式を変更せずに衛星状態を推定することができる。データの欠落に対しては観測ラグランジアンの取り込みが自動的に排除され、また、フィルタの状態伝搬機能によって精度の低下を防止できる。
【００１３】
また、ＧＰＳ衛星航法暦データを援用する構成となっている。このため、フィルタ推定が不安定と判断された場合、観測誤差に極端に大きな値を与えるデータはカットしている。このとき、航法暦データを取り込むことによって極端な推定精度の劣化を防止できる。したがって、観測配位のあり方に依存せず、また利用可能な観測データを全て活用でき精度の低下を防止できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態について図１を参照して説明する。符号Ｇ１〜Ｇ４はＧＰＳ衛星で、ＧＰＳ衛星Ｇ１〜Ｇ４は、疑似距離データや搬送波位相データなどを計測できる航法メッセージを送信している。
【００１５】
また、符号Ｓ１〜Ｓ４は自己の位置が既知の地上局である。地上局Ｓ１〜Ｓ４は、各ＧＰＳ衛星Ｇ１〜Ｇ４から送られる航法メッセージを受信し、各ＧＰＳ衛星Ｇ１〜Ｇ４それぞれの疑似距離データや搬送波位相データなどを計測している。そして、疑似距離データや搬送波位相データなどを計測すると、各地上局Ｓ１〜Ｓ４は、これら計測データを各地上局のＧＰＳ受信機のクロックで計測した、データ取得時刻の値を付加してマスター局Ｍに送信する。ここで各地上局に配置されているＧＰＳ受信機は高精度の原子時計を受信機クロックとして有している。
【００１６】
従ってマスター局Ｍには、図２で示すように、いずれかの地上局Ｓ１〜Ｓ４で取得された疑似距離データおよび搬送波位相データなどの計測データ、各地上局Ｓｊでの気象データ、データ取得状況（ＧＰＳ受信機の受信状態）、データ取得時刻などの各データＤ１〜Ｄ４が所定の時間間隔で送られてくる。これらの観測データＤ１〜Ｄ４には、航法メッセージの送信元であるＧＰＳ衛星や受信元である地上局を識別する識別データが付されている。
【００１７】
そして、マスター局Ｍでは、地上局Ｓ１〜Ｓ４から観測データＤ１〜Ｄ４が送られる都度、該当するＧＰＳ衛星の運動、即ち、位置と速度、クロック誤差（時刻オフセット、ドリフトレート）、該当する衛星−地上局間アンビギュイティ、そして、該当する地上局の状態、例えばクロック誤差（時刻オフセット、ドリフトレート）の推定値を更新する。この場合、ＧＰＳ衛星や地上局の状態を推定するフィルタ推定手法として、推定確率最大化を指導原理とする変分原理が導入され、ラグランジアンＬに基づいて得られる次の（２）、（３）の方程式を解くことにより、状態推定更新が成される。即ち、
ラグランジアンＬの定義式：
【数７】
0003595093.tif 000005
状態推定の方程式：
【数８】
0003595093.tif 000006
行分散行列更新の方程式：
【数９】
0003595093.tif 000007
である。
【００１８】
なお、（２）式で最小値を求める計算は、状態分布の最大確率状態を意味する次の（４）式と等価になっている。
【００１９】
【数１０】
0003595093.tif 000008
なお、（１）式におけるＬ１やＬ２、Ｌ３は、それぞれ以下のような内容になっている。
【００２０】
Ｌ１：地上局で受信した信号がＧＰＳ衛星から発信された時点での該当ＧＰＳ衛星の位置と速度、クロック誤差（クロックオフセット、クロックドリフトレート）、衛星−地上局の組み合わせに対応するアンビギュイティと呼ばれる未知定数、および、ＧＰＳ衛星信号受信時点での地上局のクロック誤差（クロックオフセット、ドリフトレート）に関する推定のラグランジアンで、アプリオリ推定のラグランジアンと呼ばれる。Ｌｌは上記した状態変数ξとアプリオリ状態推定値ξ、状態推定の共分散行列Ｓからなり、
Ｌ１＝（ξ−ξ）Ｔ  Ｓ−１（ξ−ξ）で示される。
【００２１】
Ｌ２：ＧＰＳ衛星の放送する航法暦エフェメリスデータに基づくＧＰＳ衛星位置      推定のラグランジアンで、ａは衛星航法暦による位置情報の取り込み、非      取り込みを表すフラグである。したがって、ａ＝１の場合は衛星航法暦に      よる位置情報が取り込まれ、ａ＝０の場合は衛星航法暦による位置情報は      取り込まれない。例えば、ＧＰＳ衛星の航法暦エフェメリス・データの中      に含まれている精度情報と計算による推定結果が比較され、推定結果が放      送精度の規定する範囲から著しく逸脱している場合は、衛星航法暦による      位置情報が取り込まれる。なお、推定結果が誤差情報の範囲に収まってい      る場合は状態推定は安定と判断され、ａ＝０とする。
【００２２】
Ｌ３ｊ：観測データが取得された時点で形成される観測のラグランジアンである。ここで、ｊは観測データの種類を表示するインデックスを表すが、観測データの種類は受信信号の周波数、信号に付与されているコード、擬似距離データか搬送波位相データかの区分による。なお、観測データＹｊ  に異常が検知された場合、ｂｊ  ＝０としてデータを棄却する。また、Ｌ３ｊ    は観測方程式ＹｊＧ＝Ｆｊ  （ＸＧ  ）＋ノイズ、の形式およびノイズレベルに基づいて構成される。そして、上記した方法で、ＧＰＳ衛星の状態や衛星−地上間アンビギュイティ、地上局の状態が推定されると、応用的事例として、推定されたＧＰＳ衛星航法メッセージに含まれる誤差量が衛星ＭＳを介してユーザＵ１、Ｕ２に放送される。したがって、ユーザＵ１、Ｕ２では、ＧＰＳ衛星Ｇ１〜Ｇ４から航法メッセージを受信した際、マスター局Ｍで推定され、衛星ＭＳを経て送信されてきたＧＰＳ衛星航法メッセージに含まれる誤差の値を用いて、ＧＰＳ衛星の航法メッセージを補正して航法を行い、自己の位置を計算する。
【００２３】
ここで、マスター局Ｍにおける計算手順について図３のフロー図を参照して説明する。まず、所定の時間区間内で観測データＤ１、Ｄ２、Ｄ３、…取得され（ステップ３１）、取得された観測データＤ１、Ｄ２、Ｄ３、…に基づき、これらのデータの示すＧＰＳ衛星信号の発信時刻までの各ＧＰＳ衛星の状態伝搬Ａが行われる（ステップ３２）。次に、観測データが正常かどうかを判定し（ステップ３３）、正常の場合、（１）式のｂｊ  の項を「１」にする（ステップ３４）。その後、フィルタ推定が安定かどうかを判定し（ステップ３５）、安定である場合、（１）式のａの項を「０」にする（ステップ３６）。そして、ラグランジアンＬに基づいて得られる方程式（２）、（３）を解くことにより状態更新を行い（ステップ３７）、ステップ３１に戻る。
【００２４】
なお、ステップ３１において、観測データＤ１、Ｄ２、Ｄ３、…が取得されていない場合、所定時間だけ状態の時刻を進めるための状態伝搬Ｂが行われ（ステップ３８）、ステップ３１に戻る。
【００２５】
また、ステップ３３において、観測データが正常でない場合、（１）式のｂｊ  の項は「０」にする（ステップ３９）。
【００２６】
また、ステップ３５において、フィルタ推定が安定でない場合、（１）式のａの項は「１」にする（ステップ４０）。
【００２７】
上記したように、推定ラグランジアンを用いた推定計算において、データが欠落した場合、あるいはデータが異常の場合、ｂｊ  ＝０が代入されるのみで、したがって、状態推定の方程式、すなわち（２）式の構造を変更せずに推定を実施できる。したがって、状態推定の定式化は観測配位のあり方に依存しない。また、利用可能な観測データは全て取り込める形式になっている。
【００２８】
また、推定が不安定と判定された場合、ＧＰＳ衛星航法暦データを援用する構成になっている。したがって、推定精度の極端な劣化を防止できる。
【００２９】
なお、上記した実施の形態では、ＧＰＳ衛星が４個、地上局が４個の例で説明している。しかし、この発明は、ＧＰＳ衛星や地上局が任意の数に対して適用することができる。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば、データの欠落やデー夕の異常に対して対応できるＧＰＳ衛星標定装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の全体の構成を説明する図である。
【図２】本発明の実施形態の動作を説明する図である。
【図３】
本発明の実施形態の動作を説明するフロー図である。
【符号の説明】
Ｇ１〜Ｇ４…ＧＰＳ衛星
Ｓ１〜Ｓ４…地上局
Ｍ…マスター局
ＭＳ…衛星
Ｕ１、Ｕ２…ユーザ
【図１】
0003595093.tif 000012
【図２】
0003595093.tif 000013
【図３】
0003595093.tif 000014