(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
グローバルポジショニングシステム（GPS）で用いるための飛行中リアルタイム運動学的（OTF−RTK）システムであって、
GPS衛星航法受信機と、固定した位置からの単一搬送波周波数コードおよび位相測定値を出力する（19,128）よう接続された測定手段（70,72,74,76）とを含む基準ステーション（12,126）と、
GPS衛星航法受信機と、移動可能な移動体からの単一搬送波周波数コードおよび位相測定値を出力する（132）よう接続された測定手段（90,92,94,96）とを含み、かつ位置判断のための出力を含む、遊動体ユニット（14,130）と、
基準ステーションおよび遊動体ユニットから送信される位相およびコード測定情報を受信し、前記測定情報の差を計算して、衛星に共通のクロック誤差および受信機に共通のクロック誤差を差引くよう接続された二重区別化手段（98）とを含み、実質的にバイアスされない位相およびコード測定情報が出力され、さらに、
二重区別化手段に接続され、搬送波周波数位相およびコード測定値を探索するための整数探索手段を含む整数アンビギュイティ解決手段（106）を含み、全サイクル搬送波位相アンビギュイティに対する唯一の解は、センチメートルレベルの正確さと飛行中の初期化とで位置決め判断するためのコンピュータナビゲーション手段への出力で与えられ、さらに、
前記バイアスされない位相およびコード測定情報を受信しかつ遊動体ユニットのほぼ連続する（near−continuous）位置推定値の出力を与えるよう接続されたナビゲーションコンピュータ（108）と、
遊動体ユニットのナビゲーションコンピュータからの前記ほぼ連続する位置推定値を受信するよう接続され、前記ほぼ連続する位置推定値と、遠隔制御される移動体のための理想位置の予め定められた建設モデルとの間でなされる複数の比較に従って前記遠隔制御される移動体をサーボ制御するためのロボット制御手段（134）とを含む、システム。
【請求項２】
飛行中リアルタイム運動学的（OTF−RTK）システムであって、
衛星航法受信機と、固定した位置からの搬送波周波数コードおよび位相測定値を出力するよう接続された測定手段とを含む基準ステーション（12,126）と、
衛星航法受信機と、移動可能な移動体からの搬送波周波数コードおよび位相測定値を出力するよう接続された測定手段とを含む遊動体ユニット（14,130）と、
基準ステーションおよび遊動体ユニットから送信される位相およびコード測定情報を受信し、前記測定情報の差を計算して、衛星に共通のクロック誤差および受信機に共通のクロック誤差を差引くよう接続された二重区別化手段（98）とを含み、実質的にバイアスされない位相およびコード測定情報が出力され、さらに、
二重区別化手段に接続され、前記搬送波周波数位相測定値の位相を同時に探索するための整数探索手段を含む整数アンビギュイティ解決手段（106）を含み、全サイクル搬送波位相アンビギュイティに対する唯一の解は、センチメートルレベルの正確さと飛行中の初期化とで位置決め判断するためのナビゲーションコンピュータ手段への出力で与えられ、さらに、
前記バイアスされない位相およびコード測定情報を受信しかつ遊動体ユニットのほぼ連続する位置推定値の出力を与えるよう接続されたナビゲーションコンピュータ（108）を含む、システム。
【請求項３】
整数アンビギュイティ解決手段に接続され、高さ、分離距離および方位の制約のうち少なくとも１つをもたらすことによって曖昧な搬送波位相整数の探索空間を減じるための高さ制約手段（107）をさらに含む、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
二重区別化手段と基準ステーションとの前記接続を行なうための、かつ、前記第１および第２の搬送波周波数コードおよび位相測定値を基準ステーションから遊動体ユニットに通信するための、基準ステーションに接続された無線送信機（82）および遊動体ユニットに接続された無線受信機と、
無線送信機および無線受信機に直列に接続され、無線チャネルにわたって前記第１および第２の搬送波周波数コードおよび位相測定値を通信するのに必要なデータトラフィック量を低下させるためのデータ圧縮および伸張手段（80,102）と、
基準ステーションの前記衛星航法受信機および測定手段に接続され、前記第１および第２の搬送波周波数コードおよび位相測定値に時間標識をつけるための時間標識および初角手段（78）と、
二重区別化手段（98）に含まれ、初角同期化された二重区別化のために、かつ、各初角につき主測定更新値を与えるために、同一初角の対において前記第１および第２の搬送波周波数コードおよび位相測定値を一致させるための初角同期化手段とをさらに含む、請求項２に記載のシステム。
【請求項５】
前記主測定更新値間で、前記バイアスされない位相およびコード測定情報から、複数の部分的初角位置更新値を伝搬するための、二重区別化手段に接続された伝搬手段（104）および部分的初角タイミング手段をさらに含む、請求項２に記載のシステム。
【請求項６】
遊動体ユニットのナビゲーションコンピュータに接続され、誘導体ユニットの前記ほぼ連続する位置推定値から、局所座標フォーマットにおいてセンチメートルレベルの正確な位置定点を出力するためのデータトランスフォーム手段（110）と、
データトランスフォーム手段に接続され、誘導体ユニットの前記ほぼ連続する位置推定値から、局所的に補正された高さ情報を出力するための長円体−ジオイド変換手段（112）とをさらに含む、請求項２に記載のシステム。
【請求項７】
遊動体ユニットに関連づけられ、誘導体ユニットの前記ほぼ連続する位置推定値に応じて制御装置によって案内される、遠隔制御される移動体（122）をさらに含む、請求項２に記載のシステム。
【請求項８】
遊動体ユニットに近い、サーボ制御される機構（140）と、
案内用平面位置情報を提供するための案内用平面位置情報のコンピュータベースのデジタルモデル（136）と、
コンピュータベースのデジタルモデルからの入力と、誘導体ユニットの前記ほぼ連続する位置推定値のための入力（132）と、サーボ制御される機構に接続されるサーボ制御信号のための出力（138）とを含み、前記案内用平面位置情報と誘導体ユニットの前記ほぼ連続する位置推定値との比較に従って、誘導体ユニットをサーボ制御される機構で案内するための制御装置手段（134）と、
前記サーボ制御信号のための、サーボ制御される機構と制御装置手段との間に接続される通信手段（138）とをさらに含む、請求項２に記載のシステム。
【請求項９】
サーボ制御される機構に近いビデオカメラ（142）と、
ビデオカメラから遠くかつビデオカメラと通信し、遊動体ユニットに近い区域のビジュアルディスプレイをユーザに与えるためのビデオモニタ（146）とをさらに含む、請求項８に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
1.発明の分野
この発明は一般に航法システムおよび工業制御システムに関し、具体的に、動作機械およびロボットの位置決めおよび移動にセンチメートル単位の正確さを与える、航法および工業制御の組合せに関する。
2.先行技術の説明
初めに考え出されたとき、米国政府によって動作させられるようになったグローバルポジショニングシステム（GPS）はセンチメートルレベルの位置の正確さを与えることができるとは予測されなかった。このような正確さは今や当たり前である。
極めて正確なGPS受信機は、軌道に乗っているさまざまなGPS衛星から受信される無線搬送波の位相測定値に頼る。あまり正確ではないGPS受信機は、送られる時間コードに基づいて各可視衛星への擬似レンジを発展させるだけである。単一の時間コードの粒度内で、搬送波位相は基本搬送波波長の倍数としてレンジ距離を計算するために測定され、かつ用いられ得る。GPS信号は、それぞれ19センチメートルおよび24センチメートルの波長を有する、２つの同期であるが別個の搬送波周波数「L1」および「L2」で送信される。このように、19センチメートルまたは24センチメートル内で、GPS搬送波信号の位相が360度変化する。
しかしながら、特定のGPS衛星とGPS受信機との間の全サイクル（360度）搬送波移相の数が解決されなければならない。受信機では、各サイクルが同じであるように見える。したがって、「整数のアンビギュイティ」がある。伝統的に、整数のアンビギュイティを計算によって解決するのは、GPS受信機を実現するために用いられるコンピュータに対して計算が集中する問題であった。このような整数のアンビギュイティ解決に対する伝統的なアプローチは、センチメートル単位の正確な出力でGPS受信機を移動させるための飛行中の解測定値の更新を妨げてきた。非常に頻繁に、このような精度の高いGPS受信機は、最初およびその後の位置定点を生じるために長い静止の期間を必要としている。
整数のアンビギュイティを解決するための先行技術の方法は数多くある。これらには整数探索、多数アンテナ、多数GPS観測物、移動に基づくアプローチ、および外部支援とが含まれる。探索技術はしばしば、数個の衛星だけが可視である場合にかなりの計算時間を必要とし、かつ誤った解を取りやすい。アンテナがより多ければ信頼性がかなり向上できる。極端に走ると、これによって整数が完全に曖昧ではなく、かつ探索が不必要となる、アンテナの位相整合されたアレイにたどり着く。しかしながら経済性のために、ノイズが存在するときであっても、素早くかつはっきりと整数を解決するために必要とされる最小数のアンテナが好ましい。
整数解決のある方法は、GPSタイマを変調させる他の観測物を用いることによる。擬似ランダムコードは差分レンジの粗いインジケータとして用いられ得る。ただし、これはマルチパス問題を非常に受けやすい。L1搬送波とL2搬送波とを区別すると、より長い有効波長が与えられ、探索空間が減少される。しかしながら、２周波数受信機はより複雑なために高価である。移動に基づく整数解決方法はプラットホームまたは衛星の移動によって与えられる付加的な情報を用いる。しかしながら、このような移動は必要なときに常に存在するとは限らない。
正確な姿勢判断および運動学的位置決めのための、別の先行技術の方法および装置がハッチ（Hatch）によって米国特許第4,963,889号で説明され、これは、基準アンテナに対して自由に移動可能な２次アンテナのおおよその初期の相対位置を判断するステップと、衛星の「Ｎ」の数の受信に基づいて搬送波位相測定値を求めるステップとを含み、ここでＮは２次アンテナの相対的な位置を計算するために必要な衛星の最小の数であり、さらに、相対的位置に対する潜在的解の初期の組を搬送波位相測定値から引出すステップを含み、潜在的解の初期の組はみな、２つのアンテナの間の最大距離と等しい半径を有する球によって規定される不確実領域内に入り、多数の潜在的な解は搬送波信号の全サイクルアンビギュイティのために生じ、この方法および装置はさらに、さらなる衛星（Ｎ＋１）からの搬送波信号の受信に基づいて冗長の搬送波位相測定値を求めるステップと、冗長の搬送波位相測定値と潜在的な解の初期の組との比較に基づいて潜在的な解の初期の組から間違った解を除去して、潜在的な解の数を１の近くに減少するステップとを含み、これによって、潜在的な解の数は冗長の搬送波位相測定値を用いることによって増加されない。
「潜在的な解の初期の組を搬送波位相測定値から引出す」とは、初期の組が２つの衛星だけから引出されることを意味する。ハッチの明細書の残りは姿勢判断の場合になぜＮがちょうど２であるかを説明する。波頭の平面交差は２つの衛星から形成され、こうして平行線の集まりを得る。これらの線の交差点と基線範囲とが判断され、潜在的な解の初期の組を生じる。例えば、ハッチの第12段第35行で説明されるように、初期の組には188個の点または潜在的な解がある。ハッチ方法において、「潜在的な解の初期の組から間違った解を除去する」とはこれら188個の点から187個を除去することを意味する。潜在的な解という考えは188個の点の初期の組を指す。
ハッチは２つの衛星だけを用いて約188個の潜在的な解の初期の集まりを形成し、次に残りの衛星の位相測定値を用いてその小さい初期の集まりを削り、位相測定値が十分に正確であるならば解の候補を１つだけ残す。ハッチは多数の整数の組合せを扱わなければならないことを回避する。
ドナルド・ナイト（Donald Knight）は、1992年11月13日に出願され、引用により援用される、「差動搬送波位相姿勢判断システムにおける最大有望評価直接整数探索のための方法および装置」（“METHOD AND APPARATUS FOR MAXIMUM LIKELIHOOD ESTIMATION DIRECT INTEGER SEARCH IN DIFFERENTIAL CALLIER PHASE ATTITUDE DETERMINATION SYSTEMS"）と題された米国特許出願連続番号第07/976,174号において、整数アンビギュイティ解決の数学的強度を減少させる方法を説明している。
搬送波位相測定値を求め、不確実領域を判断することはさておき、ハッチの方法は本質的に２段階の方法であり、数が多くあるという問題を避ける方法である。ナイトの特許の本質はその反対のことを行ない、何兆もあったとしても多数の起こり得る解に突入し、可能性のある全体の積空間から単一の最良の解を求める。
10個の異なった全サイクル値が４つの衛星の各々からの第１の差位相測定値に加えられ得るならば、ナイトは104または10,000個の起こり得る容認可能な解を規定する。次に、ナイトは他のあらゆる9,999個の組合せよりも測定された位相データに一致する唯一無二の解を10,000個から求める。８個の衛星が利用可能である（これは起こり得る）ならば、ナイトは108または１億個の可能性から単一の最良の解を求める。２つのアンテナの対が存在するならば、その数は（108）２＝1016となる。このように、ハッチは多数の数を避ける２段階方法を用いるが、ナイトは何千または何百万もの可能性のある解空間において単一かつ最良の解を求めるための実用的な方法を与える。ハッチはナイトのアプローチが不正確であると提案しさえする。たとえば、第８段第63行でハッチが述べるには、「10個の異なった全サイクル値が４つの衛星の各々からの第１の差に加えられ得るならば、不確実領域内に103または10,000個の起こり得る解が予期され得る・・・・確かに、幾人かの著者は起こり得る容認可能な解の数をちょうどこのように規定している」。
ナイトはハッチのものよりも計算が集中する方法を説明し、商業上実行可能なアプリケーションにおいて信頼でき、かつ実行可能であることを証明している。ハッチの方法は多数問題を避け、多数問題が存在しない条件下、たとえば、無数の起こり得る解が一握りに崩れる条件下において最良に行なわれる。現実では、条件は通常最適なものではなく、この発明と同じ結果を達成するために、より複雑であるべきハッチの方法を用いる、対応する設備を必要とするであろう。
ハッチの２段階方法は、搬送波位相測定値を求め、次に、（Ｎ＋１）番目の測定値に先行する搬送波位相測定値に１からＮの番号を付けることを含む予備的なステップを含む。類似した装置のどのようなものも搬送波位相測定値を求め、搬送波位相測定値がいかに番号を付けられるかにかかわらず干渉計使用法の基本的な考えが従来的なものであることが予期できる。このような予備的なステップは、潜在的な解の初期の組を発生させるのにどの搬送波位相測定値がかかわっているか、潜在的な解を除去するためにどの搬送波位相測定値が冗長な測定値であると規定されるかを規定する。姿勢判断に適用されるように、２次アンテナのだいたいの相対的な位置を判断するステップは、アンテナ間の距離を測定することと、主要アンテナを中心とする球に２次アンテナが存在しなければならないことに着目することとに等しい。
「複数のＮ個の衛星」を含むハッチの方法は「複数個の衛星」とは等しくない。姿勢判断に適用されるように、Ｎはちょうど２である。運動学的調査に適用されるように、Ｎはちょうど４である。ハッチはこのことを図７、ブロック58および62において明らかにし、第12段第３行において、「姿勢判断アプリケーションにおいて行なわれるべき第１の計算は、２つの衛星からの搬送波位相測定値に基づいて潜在的解の全体の組を計算することである」と述べる。説明される方法の重要な特徴の１つは、２つ以上の衛星ではなく２つだけの衛星を用いて潜在的な解の組を判断することである。ハッチが説明するには、複数個のＮ＝２個の衛星だけが必要とされるのは「・・・姿勢判断アプリケーションにおいてであり、・・・面に対応する２次元的不確実領域が１つだけ［あり］・・・・したがって、２次元的な不確実領域に存在し得るあらゆる潜在的な解を規定するために２つの衛星だけが必要であり・・・・姿勢判断アプリケーションは２次元的な不確実問題であり、潜在的な解のすべてを規定するために２つの衛星を必要とし・・・・この発明の方法における最終的な広いステップは、さらなる衛星、すなわち・・・潜在的な解のすべてを規定するために必要とされる最小の２つの衛星に追加する衛星からの冗長の情報に基づいて間違った潜在的な解を除去することである」。
「初期の組」、「潜在的な解の初期の組」および「起こり得る解」という句はハッチの２段階方法の第１のステップを適用することによって得ることのできる結果を特に指す。この「潜在的な解の初期の組」は２つおよび２つだけの衛星の受信された搬送波信号から発生すべきである。なぜなら、「２つの衛星だけが潜在的な解のすべてを規定するために必要とされる」と教示されるからである。
「潜在的な解」の概念はこのように188個の点、または同様の例におけるいくつかのこのような数に制限されるが、確かに10,000個の解ではない。「潜在的な解の初期の組から間違った解を除去する」とは188個の点から187個の点を除去することも非常に明らかである。
ハッチは10,000個の起こり得る解を検討することが必要ではないと主張する。なぜなら、「不確実領域は２次元であり」、どのような２つの衛星からの測定値も不確実領域に及ぶからである。２つの衛星を用いると188個の可能性だけの集まりとなる。ハッチは、正確な解はこれらの188個の点の１つであり、これらの188個の点は単なる可能性であり、こういった他の無数の可能性は存在しないと主張する。
ハッチの「潜在的な解の初期の組」は10,000個の解の全体の積空間に及ぶように広げられ得ない。なぜなら、２段階方法の本質は多数問題を避けることだからである。ハッチは解空間の次元を可能な最小に減少させることを提案し、正しい答えは減少された解空間内に存在しなければならなく、かつ、数において可能な最小の次元に対応する第１の測定値だけが起こり得る解のすべてを判断するために必要とされると言明する。
ナイトは初期の組を含まない。ナイトの方法はおおよそ10,000個の可能性の中で正しい答えを探索し、このような可能性から単一の最も一致するものを求めることである。10,000個の可能性の残りが探索されなければならないときに立ち止まって188個の可能性を見る理由はない。さらに、ハッチによって規定されるこれら188個の可能性はナイトにおけるどのようなものにも似ていない。ナイトは、相対的な位置のために搬送波位相測定値から潜在的な解の初期の組を引出すことを含まない。さらに、ハッチは、ナイトが行なわないような、２つの衛星の搬送波位相測定値に非線形動作を用いてこれら188個の点を発生することを行なう。
ハッチは潜在的な解の初期の組から間違った解を除去し、これによって、潜在的な解の数は冗長の搬送波位相測定値を用いることによって増加されない。ナイトは、それを生じるにせよそこから除去するにせよ、ハッチの「初期の組」を扱わない。商業上実行可能な装置において、正しい解はほとんどこのような初期の組において求められない。
無線反射と受信ノイズと非通常アンテナ位相中止運動、温度感応性ドリフトと測定された位相データの他の悪影響となしに搬送波位相が完全に測定できるならば、姿勢判断問題は実際に２次元的であろう。２次アンテナの位置に対する正しい解はしたがって、ハッチの、188個の潜在的な解の初期の組内で求められ得る。正しい解を判断するのは、第３の搬送波位相測定値と比較することによって187個の間違った解を除去する簡単なことであろう。位相測定誤差が十分に小さいかぎり、ほぼ完全な測定値に基づく２段階方法は満足のいくものである。計算される結果にいくらかのちょっとした不安の原因があるが、正しい答えが最終的に現われる。約２度のRMSの位相測定誤差は通常は許容可能である。
１つの全サイクル値だけが、他のどのような全サイクル値よりも、特定的な潜在的解の近くを通る表面にたどり着く。問題は、位相測定値が誤差を含んでおり、測定値が計算装置において処理されるときに幾何学的な検討がこの誤差を増幅させるということである。他のどんなものよりも特定的な潜在的解の近くを通る面は１つしかないが、残念ながら、最も近くを通る面はしばしば誤った面である。ずっと離れたところにある別の面が正しいものであり得る。測定誤差のために面が誤った場所にあり得るだけではなく、ハッチの潜在的な解は、面よりも潜在的解に対してひどい誤差効果のためにこれもまた誤った場所にあり得る。
提案される潜在的解は実際には、幾何学的な正確さの低下と組合された位相測定誤差によってしばしばひどく混乱させられる計算結果である。はさみ効果は平面を歪める測定誤差を増幅させ得る。その後、線と球との交差の形成が、誤差のいくらかを大いに増幅させる、ノイズのあるデータに非線形動作をもたらす。ハッチは実際に、最も接近した２つの衛星を選択して188個の点よりも少ない初期の組を形成するが、誤差感度を検討するとその反対のことが指図されるであろう。
ハッチは、全サイクル値のうちの１つだけが他のどのようなものよりも特定的な潜在的解の近くを通ると教示する。２段階ハッチ方法は、（付加的な衛星データからの）最も接近した全サイクル値だけが潜在的な解の各々に対して選択され、これによって潜在的な解の数が増加させられないと規定する。ある点で、あまり好ましくない動作条件に対応して位相測定誤差が増加するときに、規定は誤った全サイクル値に時間のかなりの部分を選び始める。ハッチの方法を用いて、最も近いもの以外に選択肢を追求する方法はなく、位相測定値をそれに加えられた誤った全サイクル値で処理することが計算される結果の劣化を加速する。
比較すると、全サイクル値のすべてがナイトの方法では可能性として試される。最初は非常にまずく見えた整数の組合せが解が進行するにつれてより魅力的なものとなり、最終的に、10,000個以上からの最良の起こり得る解として終わる。全体として、完全に終えられ、かつ、含まれるあらゆる衛星データで重みをつけられている別の組合せよりも発達中の組合せが見込みがないことが決定され得るまで、起こり得る整数の組合せのあらゆるものが追求される。ナイト方法は解空間の次元を起こり得る最小へと最小にせず、その最小の次元に対応する第１の測定値のデータだけで得られる「解の最初の組」に注目することを制限する。現実の条件下では、正しい答えはたいてい求められないだけである。正しい解を求める課題は多数問題を避けることによっては達成できない。
ベンジャミン・Ｗ・ルモンディ（Benjamin W.Remondi）は「全波長２周波数搬送波レンジを用いる飛行中運動学的GPS結果」（“On−The−Fly Kinematic GPS Results Using Full−Wavelength Dual−Frequency Carrier Ranges"）と題される論文において差動GPS（DGPS）の正確さと飛行中（OTF）の運動学的GPS（KGPS）との状態を報告した。
飛行中リアルタイム運動学的（OTF−RTK）位置決めシステムは土を移動する機械の制御および誘導と、ロボットアプリケーションと、橋の部品のような構造の配置とに有益である。たとえば、日本において、東京湾の特定的な建設プロジェクトが、海で横揺れし、かつ流される船のデッキから湾へと橋の杭および部分を非常に正確に配置することを必要とする。精度の高いOTF−RTK制御システムはまた、火山の溶岩流の道において、熱く不利な環境で溶岩の流れを向け直すために無人のブルドーザーを導くのに役立つ。
フィリップ・Ｍ・クレッグ（Philip M.Clegg）は米国特許第4,807,131号において自動化された地ならしシステムを説明する。動力を与えられた地ならしマシンはレーザレベルと組合されて地ならし機のブレードを制御する。説明される制御システムは、高さ制御装置、位置決め装置、地ならし機ブレードのチルト検出機、デジタル地勢モデル、地勢比較のためのデジタルコンピュータ、ブレードサーボ制御装置、およびビジュアルディスプレイ装置を含む。広範な工業技術アプリケーションのために土を自動的に移動させることが説明される。このシステムは地ならし機ブレードの位置および高さを計算し、次に、これを、計算されたデジタル地勢モデルにおいて特定される、対応の設計高さ／ブレードと比較する。設計の高さがブレードの現在の高さよりも低いならば、引下げることが必要とされ、ブレードは操作者によって自動的にまたは人為的に下げられる。
特に興味深いのは、グローバルポジショニングシステム（GPS）のような、衛星に基づく位置決めシステムを用いることである。クレッグは地ならし機の位置のために空にある衛星位置決めシステムを用いることを述べる。多くの工業技術アプリケーションは正確な水平的かつ垂直的位置決めを必要とする。センチメートルレベルのGPSは典型的に、搬送波位相を用い、かつ整数レーンのアンビギュイティ問題を解決することによって達成される。クレッグはGPSの細部とそれが彼の装置でどのように用いられるかとについて教示していない。
搬送波位相アンビギュイティ解決問題は、研究者からの多くの注目の焦点であった。本質において、信号が獲得されたときにGPS受信機と衛星との間に存在した搬送波サイクルの整数の数が判断されなければならない。衛星ジオメトリと組合された、直接的なレンジ測定値は、２つ以上の場所で追跡された複数個の衛星について、正確な整数搬送波位相アンビギュイティを判断させる。GPS測定値だけを用いるアンビギュイティ解決技術は計算の上で効率的になっている。レーザレベル、電気距離メータ、コンパス、テープなどのようなさらなるセンサを用いると、正確な組を探索する際に検討される必要がある、起こり得る整数アンビギュイティの数を制限する価値のある制約が与えられる。たとえば、1993年７月１日に出願された米国特許出願連続番号第08/086,665号の「統合された地球調査および衛星位置決めシステム」（“INTEGRATED TERRESTRIAL SURVEY AND SATELLITE POSITIONING SYSTEM"）を参照されたい。
この発明の概要
したがって、この発明の目的は、飛行中リアルタイム運動学的システムを提供することである。
この発明のさらなる目的は、工業的アプリケーションのためにセンチメートル単位の正確さを有する遠隔制御サーボシステムを提供することである。
この発明の別の目的は、飛行中リアルタイム運動学的更新値を高い頻度で与える装置を提供することである。
簡単に、この発明のシステム実施例は、固定した対の４可観測GPS受信機と、遊動する対の４可観測GPS受信機と、それらの間の、二重区別化コードおよび搬送波測定値のための通信リンクとを含む。搬送波位相整数アンビギュイティは、追跡されるGPS衛星によって伝播されるL1波頭およびL2波頭の両方の同時に起こる狭レーン交差を探索することによって効率的に解決される。高さのような外部の制約情報は、整数アンビギュイティ解決を加速するために用いられる。基準ステーションと遊動体との間のデータは圧縮された形で規則的な間隔、たとえば各初角の１秒で１回通信され、搬送波位相の部分的測定値はより頻繁な割合、たとえば１秒に10回得られ、初角間に解を伝播するために用いられる。
この発明の利点は、基準点の初期化を必要とせず、飛行中にそれ自体初期化できるシステムが提供されることである。
この発明の別の利点は、センチメートルレベルの位置の正確さを有するシステムが提供されることである。
この発明のさらなる利点は、局所座標フォーマットでリアルタイム運動学的位置解を出力するシステムが提供されることである。
この発明のこれらおよび他の目的と利点とは、添付の図面に示される好ましい実施例の以下の詳細な説明を読んだ後に、当業者には疑いもなく明らかになるであろう。
図面の説明
図１は、この発明のGPSに基づく飛行中リアルタイム運動学的システム実施例の概略図である。
図２は、３つのGPS衛星によって伝播された信号の全サイクル搬送波位相波頭と、それらの結果として生じる干渉パターンおよび交差とを表わす図である。
図３は、図１の基準ステーションおよび遊動体のブロック図である。
図４は、この発明の移動体遠隔制御システム実施例のブロック図である。
好ましい実施例の詳細な説明
図１は、一般参照番号10によって参照される、この発明の飛行中（OTF）リアルタイム運動学的（RTK）システム実施例を示す。システム10は基準ステーション12および遊動体14を含む。飛行中アンビギュイティ解決技術は、遊動体14が移動する間に整数位相アンビギュイティの捕捉を可能にするために用いられる。このようなOTFアンビギュイティ解決は先行技術の運動学的位置決めシステムの位相連続性の要件を避ける。
第１から第３の衛星移動体（SV1−SV3）16−18は、波長がおおよそ19センチメートルおよび24センチメートルである２つの搬送波周波数L1およびL2（1575.42MHzおよび1227.60MHz）で擬似ランダム数（PRN）コードを送信する。衛星移動体16−18は基準ステーション12および遊動体14にアクセス可能であり得る衛星移動体を表わし、たとえば、米国政府によって動作されるグローバルポジショニングシステム（GPS）衛星である。
基準ステーション12および遊動体14は３可観測型または４可観測型のGPS受信機である。３可観測GPS受信機はL1コード、L1搬送波位相およびL2搬送波位相を追跡できる。４可観測GPS受信機はL1周波数およびL2周波数の両方の搬送波位相およびコードを測定できる。基準ステーション12はその観測結果をデータリンク19を経て遊動体14に通信する。４可観測測定値は３可観測受信機よりも好ましい。４可観測測定値はデータ縮小の間に活用できる豊富な情報を与える。この発明は４可観測測定に限定されず、３可観測測定をも含む。「広レーン」（86センチメートルの波長）と電離層から逃れた可観測物とのような２周波数位相の組合せが２つのこのような従来的な位相の組合せである。L2搬送波で運ばれる精度コード（Ｐコード）は周期的に秘密の「Ｙコード」に符号化され得る。符号化が活性化するとき、基準ステーション12および遊動体14は、４つの可観測物が全サイクルL1およびL2位相測定値と、正確なL1粗補促（C/A）コードと、相互相関されるＹコードデータとによって維持されるモードに切換わる。相互相関技術は、Ｙコード自体が必ずしも既知ではないが、L1YコードおよびL2Yコードの両方が同一であるという事実に頼る。L1信号とL2信号との間の群遅延における差は相互相関技術によって正確に判断される。相互相関観測はL1C/Aコード可観測物に加えられて、データ収縮の間にさまざまな方法で用いられるL2レンジ測定値を引出す。
２周波数GPS受信機が単一周波数受信機よりも複雑であり、かつ典型的に高価であり、３可観測測定値または４可観測測定値が厳密にはあらゆる例において必要とされるわけではないので、この発明の代替的な実施例が単一周波数、たとえばL1コードおよび位相の測定の代わりになり得る。このような単一周波数受信機は基準ステーション12および遊動体14において用いられ得る。
図１では、複数個の送信された信号20−25の各々がL1搬送波およびL2搬送波の組合せを含む。信号20および21の送信には、レンジング距離の誤差26となる衛星クロック誤差が含まれる。信号22および23の送信には、レンジング距離の誤差28となる衛星クロック誤差が含まれる。同様に、信号24および25の送信には、レンジング距離の誤差30となる衛星クロック誤差が含まれる。基準ステーション12は、衛星移動体16−18に共通のレンジング距離の誤差32となる受信機クロック誤差をもたらす。遊動体14もまた、衛星移動体16−18に共通のレンジング距離の誤差34となる受信機クロック誤差をもたらす。従来の二重区別化技術が誤差26、28、30、32および34を引くために遊動体14において用いられて、PRNと衛星共通誤差および受信機共通誤差を大いに減少した位相測定値とを生じる。
各信号20−25は各衛星移動体16−18、基準ステーション12および遊動体14の間に未知の数の全サイクル搬送波相転移を有する。３つの信号20−25の間のさまざまな観測点で結果として生じる干渉パターンは他の方法では曖昧な信号交差を識別するために用いられる。
図２は、簡略化された２次元形態で、３つの衛星SV1−SV3によって発生した搬送波波頭を示す。搬送波周波数L1で、各波頭は次のものから19センチメートルだけ離れている。PRNコード測定値はあまりにも粗いので、どの波頭が波頭の１つの所与の近傍のどの範囲内にあるのかより分けることができない。このように、波頭が曖昧であり、周知の搬送波位相整数アンビギュイティ問題を表わす。２つの衛星移動体、たとえばSV1およびSV2からの波頭が、点50−58によって表わされる多くの点で交差する。さらに、各点50−58は他のものから区別がつかない。第３の衛星移動体、たとえばSV3からの波頭を用いて、点50、55および57によって表わされる交差だけが３つの波頭のすべてと一致する。第４の衛星移動体の波頭がこれら各々の交差間を解決するために用いられることができて、整数アンビギュイティ問題に最良の解を独自に識別する。
システム10はL1波頭とL2波頭との両方を同時に用いて、最良の解が２番目に良い解から大きく離れている場合に、整数アンビギュイティ問題を解決し、かつ高品質の結果を生じるために必要な可視衛星移動体の数を減少する。ナイト方法によって説明される解の木の探索がこのように短縮かつ簡略化され、OTF動作を実行可能にする。図２では、示される波頭の格子が、隣接する波頭間に異なった分離距離を有する、第２の重ね合わせられる格子によって補われるであろう。L1およびL2では、このような格子の１つほぼ19センチメートルだけ離れた波頭を有し、他の格子の波頭は24センチメートルだけ離れている。このために、波頭交差の数が多くなるが、あらゆる可視衛星移動体に対して一致する交差点の数が減少する。このように、潜在的な候補の数が減少されるために唯一の解の探索が簡略化される。
システム10はまた、外部的に与えられる制約、たとえば高度に基づいて整数アンビギュイティの解を与える。たとえば、図２が地球に対して垂直な平面に描かれるならば、制約として用いられる高度60は、整数アンビギュイティ問題への唯一の解として、点50、55および57のフィールドから点50を選択するために用いられ得る。このような制約は数学的な探索問題を減少させる際に役立ち、より少ない衛星移動体が可視であるときに効果的である。
リアルタイム運動学的位置決めは、静止した、または移動する遊動体の位置を基準の場所に対して正確に評価する。基準の場所は、その位置が衛星座標データに対して既知である点で確立される。基準衛星受信機は搬送波位相とコード測定値と衛星へのデータとを規則的な間隔、たとえば毎秒または初角に１回集める。時間で標識をつけられた測定値とさらなる情報とはモデム／無線または電話などを経て１つ以上の遊動するユニットに送信される。遊動体ユニットでは、基準ステーションデータが最低の共通測定更新率（たとえば毎秒）で、局所的に集められた衛星測定値と併合される。生の基準および遊動体ステーションから計算される位置の解には有限の遅延がある。解の遅延は無線／モデムバンド幅と、基準ステーション測定システム、遊動体ステーション測定システム、および位置更新システムにおけるあらゆる遅延との関数である。
解の潜伏は、基準および遊動体が静止している静的状態に対して影響が最小である。しかしながら、遊動体が移動中に操縦しようと試みるとき、解の潜伏のために、表示される位置がユーザの実際の位置を遅延させる。
解の潜伏に加えて、システムにおいて用いられる測定更新率が、どのくらい頻繁にユーザの位置が更新されるかを支配する。精度の高い／動的アプリケーションでは、10ヘルから15ヘルツの急速な更新率が望ましい。基準の場所と遊動体の場所との間のデータリンクのバンド幅がシステムの測定更新率に制限を与える。データ圧縮アルゴリズムでさえあっても、最大の更新率が達される。
図３は基準ステーション12と遊動体14との構成を示す。基準ステーション12は信号20、22および24（L1およびL2の両方）をダウンコンバータ70に入力する。相関器72はダウンコンバータ70によって生成される中間周波数信号からの情報を抽出し、このような搬送波およびコード情報をPRNコード測定ユニット74と搬送波位相測定ユニット76とに与える。１秒の間隔で生じる初角は、信号20、22および24によって表わされる信号に関連した４可観測測定値をトリガし、かつ時間標識ユニット78においてこのような測定値に時間標識をつけるために用いられる。次に、時間標識をつけられたデータは送信機82によって無線を送信するためにデータ圧縮ユニット80に与えられる。１秒初角の各々におけるデータの圧縮と測定値の獲得とのために、データリンク19によって遊動体14に運ばれるのに必要とされるデータの量が手頃なレベルに維持される。たとえば、2400ボーのチャネルが基準ステーション12によって得られた情報を運ぶために用いられ得る。
遊動体14は信号21、23および25によって表わされる信号を受信し、それらから中心周波数コンポジットをダウンコンバータ90において生成する。相関器92は、PRNコード測定ユニット94および搬送波位相測定96に与えられる中間周波数から情報を抽出する。各信号21、23および25に対する４つの可観測物は１秒初角の率で二重区別化ユニット98に与えられる。無線受信機（またはデータリンクサブシステム）100はデータリンク19によって基準ステーション12からデータを受信し、データ減圧ユニット102は元の時間標識をつけられたデータを抽出する。二重区別化ユニット98は基準ステーション12および遊動体14の両方でとられた測定値を組合せてクロック誤差26、28、30、32および34（図１）を除去する。次に、バイアスのない測定値が１秒あたり10の部分的測定率で伝播ユニット104に対して利用可能にされる。
そのそれぞれの時間標識によって識別されるような、１対の主要測定初角が一旦得られると、部分的測定伝播プロセスが始まり得る。遊動体14におけるあらゆる部分的初角は、初角で得られる最後の主要測定更新値を前方に伝播させるために用いられる。部分的測定更新値は主要測定更新値よりも頻繁であり、したがって現在の初角時間に早く追いつくことができる。このように、部分的測定伝播は解の潜伏を減少し、また、ユーザにより連続的な位置評価を与える。
部分的測定伝播はいくらかの小さい誤差をユーザの位置にもたらす。GPSは意図的なディザを民間の信号に有する。ディザは典型的には２乗された１秒あたり１センチメートルのオーダである。主要初角更新値が毎秒得られ、かつ主要初角の解の潜伏が１秒未満であるかぎり、部分的測定伝播誤差は0.5×1.0cm/s2に現在の正確さの低下（DOP）をかけたもの未満であるはずである。通常条件下で、２センチメートル以下の誤差は経験されるものであろう。
図３は、L1およびL2コードの４つの可観測物と可視衛星移動体16−18からの位相とを用いて整数アンビギュイティ問題に対する唯一の解を素早く判断する整数解決ユニット106をさらに示す。航法コンピュータ108は、数センチメートル内での遊動体14の位置を飛行中に１秒あたり10回解決するために用いられる。データトランスフォーマ110は、得られる正確な測定値がたとえば局所地形マップに用いられるデータに従うように、WGS−84のような他のフォーマットから局所座標フォーマット、たとえば北東高さ（NEE）フォーマットに変換するために用いられる。長円体−ジオイド変換器112は、用いられる地理的区域に存在し得るジオイド−スフェロイド分離における変化を補正する。
図４は、遠隔制御される移動体122、遠隔制御ユニット124および基準ステーション126を含む遠隔移動体制御システム120を示す。無線リンク128がGPS信号測定データを遊動体130に与える。基準ステーション126、無線リンク128および遊動体130は、図１および図３に示される基準ステーション12、データリンク19および遊動体14と構成および機能において類似している。OTF−RTK局所座標データは無線リンク132によって制御装置134へとほぼ連続的に通信される。数学的モデル136は移動体122に誘導プラン情報を与える。たとえば、このような情報は移動体122が飛行機であるときに飛行機の航路であってもよく、または、この情報は移動体122が露天掘りの石炭掘削機であるときに地球における炭層の地形調査から抽出されるモデルであってもよい。制御装置134は数学モデル情報と位置情報とを比較し、サーボ制御信号138をサーボユニット140に発する。このような制御は自動的であり、比例プラス積分プラス微分（BID）制御を含んでもよい。カメラ142は移動体122を取り囲む区域のビデオ描写を無線リンク144によってモニタ（CRT）146に与える。
遠隔移動体制御システム120は、たとえば米国特許第4,807,131号においてクレッグによって説明されるような土を移動させ、かつ地ならしするシステムに組み入れられてもよく、引用により本明細書に援用され得る。本質的に、クレッグによって開示されるレーザ設備は、本明細書の図１に示されるシステム10の素子と取替得られる。このような構成のために、GPS位置測定値と予め定められる建設モデルとの間の比較に従って機構を調節できる遊動体ユニットにおいてロボット制御が認められる。このような建設モデルには、橋の杭の配置と露天掘り炭鉱における炭層掘削と無人移動体とが含まれる。
この発明は目下好ましい実施例について説明されたが、この開示は限定的なものであるとは解釈されるべきでないことを理解されたい。さまざまな変化および変更が上の開示を読んだ後に当業者には疑いもなく明らかになるであろう。したがって、添付の請求の範囲はこの発明の真の趣旨および範疇内に含まれるあらゆる変化および変更に及ぶものと解釈されることが意図される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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