(57)【要約】  複数の送信衛星により使用するための衛星航法システムが開示され、総合決定位置解が衛生送信信号の数Ｎから得られ、各々が異なる数（Ｎ−１）の衛星送信信号に基づく複数のサブ解が得られて、衛星に障害があるかどうかが判断される。次いで、複数のサブサブ解が、Ｎ−２個の衛星の異なる組合せに基づいて得られ、各組合せは、異なるサブ解の衛星を含み、１つの他の衛星をさらに排除する。サブサブ解の検査により、衛星のうちどれが障害のある衛星であるかの指示が得られる。
2005514597.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両の位置を、そのうちの１つに障害がある可能性のある複数の送信器の送信から決定するためのシステムにおいて、前記車両についての全位置解は、Ｎ個の送信の組合せから決定され、複数の位置サブ解が前記Ｎ個の送信の組合せから決定され、各位置サブ解は障害のある送信があるか否かを決定するために、前記Ｎ個の送信の異なる組合せに基づいており、かつ各組合せは前記送信のうち異なる１つの送信が排除されている、システムにおける改良において、
各位置サブサブ解は、送信のうちさらに別の１つの送信が排除された状態でサブ解で使用された送信の異なる組合せに基づいている、複数の位置サブサブ解を前記サブ解から生じるためのサブサブ解手段と、
前記位置サブサブ解を分析し、障害がある場合に送信のうちどれに障害があるかを決定するための障害検出手段と、
を含むシステム。
【請求項２】
前記サブサブ解手段は、サブサブ解とそれらの各サブ解の間の数学的分離に基づく弁別子を計算する、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
各位置サブサブ解のエラー統計に基づいてサブサブ解エラーパラメータを決定するためのエラー手段を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記エラー手段は、
各エラー共分散行列は前記各サブサブ解のエラー統計に基づいて複数のエラー共分散行列を決定する手段と、
前記エラー共分散行列の各々の各最大固有値を決定する手段とを含み、
前記エラー手段は各エラーパラメータを、前記各最大固有値、および欠落検出の事前設定された確率ＰＭＤから決定する、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記複数の送信器は複数の衛星を含み、プロセッサは送信を受信し、送信の過去および現在の値を格納する、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記プロセッサは、前記全位置解、前記サブ解および前記サブサブ解についての計算を提供する、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
車両運動データを前記プロセッサに提供するための運動検知手段をさらに含み、前記プロセッサは、前記全位置解、前記サブ解および前記サブサブ解を、運動情報ならびに送信の過去および現在の値から決定する、請求項５に記載のシステム。
【請求項８】
前記運動検知手段は、加速度および姿勢情報を前記プロセッサに提供するための複数の加速度計および複数のジャイロスコープを含む、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
高度情報を前記プロセッサに提供するための高度検知手段をさらに含む、請求項７に記載のシステム。
【請求項１０】
前記障害検出手段に接続され、前記全位置解、前記位置サブ解および前記位置サブサブ解を決定する次の繰り返しのために、障害のある送信についての任意の情報を前記プロセッサにフィードバックするための出力手段をさらに含む、請求項５に記載のシステム。
【請求項１１】
車両のための位置決定システムにおいて、そのうちの１つに障害がある可能性のある複数の送信器から信号を受信するための受信手段を有し、前記車両についての全位置解を前記複数の信号に基づいて決定するため、かつ、前記車両についての複数の位置サブ解を、各位置サブ解が前記複数の信号の各サブセットに基づいて決定するためのプロセッサを有するシステムにおける改良において、
各位置サブサブ解が前記位置サブ解の各サブセットに基づいて前記車両についての複数の位置サブサブ解を生じる手段と、
障害がある場合は前記送信器のうちどれに障害があるかを、前記複数の位置サブサブ解から決定するための障害検出手段と、
を含むシステム。
【請求項１２】
各位置サブ解は、Ｎの送信器から前記送信器のうち異なる１つを除いた送信器に基づき、各位置サブサブ解は、各位置サブ解の計算において使用されたＮ−１の送信器から、前記各位置サブ解から排除された前記送信器とは異なるさらに別の送信器を差し引いた送信器に基づく、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
位置決定システムを操作する方法であって、前記システムは、そのうちの１つに障害がある可能性のある複数の送信器からの送信信号を受信するプロセッサを含み、
Ａ．全位置解を複数の送信信号から決定するステップと、
Ｂ．各位置サブ解は前記複数の送信信号のサブセットに基づき、複数の位置サブ解を決定するステップと、
Ｃ．各位置サブサブ解は前記位置サブ解のうち１つのサブセットに基づき、複数の位置サブサブ解を決定するステップと、
Ｄ．前記複数のサブサブ解から、障害がある場合に前記送信器のうちどれに障害があるかを決定するステップと、
を含む方法。
【請求項１４】
Ｅ．各弁別子は位置サブサブ解とその各サブ解の間の距離に基づいた数学的量である、前記各サブサブ解のための複数の弁別子を計算するステップをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
Ｆ．前記各サブサブ解から前記サブ解の分離統計に基づいたサブサブ解分離パラメータのセットを計算するステップをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
ステップＦは、
Ｆ１．各サブ解とそのサブサブ解の間の各分離の統計を表す共分散行列を計算するステップと、
Ｆ２．共分散行列の位置ドメイン固有値を決定するステップと、
Ｆ３．最大固有値を使用して、前記解分離パラメータを決定するステップと、をさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
Ｇ．複数のサブサブ解エラーパラメータを決定するステップをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
ステップＧは、
Ｇ１．対応するサブサブ解についてのエラーの統計を表すエラー共分散行列を計算するステップと、
Ｇ２．前記エラー共分散行列の固有値を決定するステップと、
Ｇ３．前記エラーパラメータを、ステップＧ２の固有値から計算するステップとを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
Ｈ．実際の分離を各解分離パラメータと比較し、障害がある場合は前記送信器のうちどれに障害があるかを決定するステップをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
ステップＨは、
Ｈ１．各サブサブ解とその各サブ解の間の分離を検出しきい値と比較するステップと、
Ｈ２．特定のサブ解およびそのサブサブ解のいずれかについての分離が前記検出しきい値を超えるかを決定するステップと、
Ｈ３．サブ解ΔＸｒとそのサブサブ解ΔＸｒｍのすべての間の分離ｄｒｍが前記検出しきい値Ｄｒｍより小さい、ただ１つのサブ解ΔＸｒが見つかるとき、そのサブ解によって表された前記送信器が、障害のある送信器であるという信号を生じるステップを含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
Ｉ．前記方法の次の繰り返しのために、障害のある送信器を示す前記信号を前記プロセッサに戻すステップをさらに含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
分離パラメータＤｎｍを計算する方法であって、
Ａ．ｎ番目のサブ解とそのｍ番目のサブサブ解の間の統計上の分離を表す分離共分散行列を、以下の式に従って計算するステップと、
【数１】
2005514597.tif 000017
ただし、
Ｐｎは、サブ解ΔＸｎ（ｋ）についてのエラー共分散行列であり、Ｐｎｍ（ｋ）は、ｎ番目のサブ解のｍ番目のサブサブ解ΔＸｎｍ（ｋ）についてのエラー共分散行列であり、Ｐｎｍｃｒｏｓｓ（ｋ）は、ｎ番目のサブ解ΔＸｎ（ｋ）とそのｍ番目のサブサブ解ΔＸｎｍ（ｋ）の間の相互共分散を表す行列である、
Ｂ．エラー共分散行列の固有値を決定するステップと、
Ｃ．前記分離パラメータＤｎｍを、以下に従って決定するステップと、
【数２】
2005514597.tif 000018
ただし、Ｑ−１は、
【数３】
2005514597.tif 000019
の逆元を示す、
を含む方法。
【請求項２３】
Ｄ．以下に従って、サブ解およびサブサブ解の測定更新を説明するために相互共分散行列を更新するステップをさらに含む、
【数４】
2005514597.tif 000020
ただし、Ｉは単位行列である、
請求項２２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、衛星航法システム、ＧＰＳに関し、より詳細には、より高い精度および保全性を保証するために、送信衛星からの誤った情報を検出および排除するための改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明の出願人に譲渡された、１９９８年６月３日発行のＭａｔｓ  Ｂｒｅｎｎｅｒの「Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ  ｗｉｔｈ  Ｓｏｌｕｔｉｏｎ  Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ｆｏｒ  Ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ  Ａｃｃｕｒａｃｙ  Ｆａｉｌｕｒｅｓ（精密故障を検出するための解分離装置を備えたナビゲーションシステム）」という名称の米国特許第５，７６０，７３７号（本明細書では「’７３７特許」）は、複数の送信衛星のうち１つでエラーが発生する時期を決定するため、かつ、精度または「エラー境界」を確立するためのＧＰＳシステムを開示している。これは、少なくとも５つの送信衛星から得られた位置解を使用して、この位置解を、各々が少なくとも５つの送信衛星の異なるサブセットから導出される複数の位置サブ解と比較して、達成される。具体的には、送信衛星のうち異なる１つを排除するフィルタが、サブ解を得るために使用される。これにより、各々が位置解と各サブ解の間の分離の統計に基づいた複数の解分離パラメータが生じる。各々が位置解と各サブ解の間の距離に基づく複数の弁別子が得られ、インジケータは、弁別子の１つが解分離パラメータの１つより大きいときに、障害を示す。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
残念ながら、障害が存在するという判断は、送信衛星のどれにエラーがあるのかについての情報を提供しない。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、サブ解の各々につき複数のサブサブ解を使用する。各サブサブ解は、親のサブ解によって排除された衛星に加えて、別の衛星を排除する。親解の場合のように、各サブサブ解とその親のサブ解の間の分離が検出しきい値と比較される。特定のサブ解およびそのサブサブ解のいずれかについての分離が検出しきい値を超える場合、特定のサブ解によって表された衛星を、障害のある衛星とすることはできない。サブ解とそのサブサブ解のすべての間の分離が検出しきい値より小さい、ただ１つのサブ解が発見される場合、そのサブ解によって表された衛星が、障害のある衛星である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
参照として本明細書に組み込まれている上記の’７３７特許では、システムは送信衛星の数Ｎを利用して、受信する航空機の位置についての全解を決定し、次いで、各グループは送信衛星のうち異なる１つを除外する、衛星のＮ個のグループを取ることによって、複数のサブ解を決定し、このサブ解から、衛星の１つが、計算された「保護限界」または「エラー境界」より大きい誤った信号を送信信号していたか否かを発見することができ、パイロットまたはフライト管理システムに、位置システムの保全性が受け入れ不可能であったという警報を出す。より詳細には、６個の送信衛星が視野内にあると仮定される場合、全解は、それらの衛星の信号を分析することによって生成される。第１のサブグループは衛星２、３、４、５および６（１を除外）を含むことができ、第２のサブグループは衛星１、３、４、５および６（２を除外）を含むことができ、第３のサブグループは衛星１、２、４、５および６（３を除外）を含むことができる等となり、衛星１、２、３、４および５（６を除外）を含むようになる第６のサブグループまでとなる。各サブグループから、異なるサブ解が得られ、サブ解から、障害があると考えられる衛星があるかを決定することができる。しかし、６個の衛星のうちどれが、障害のあるものであるかを決定することは、’７３７特許のシステムから決定可能ではない。
【０００６】
本発明はこの手順をさらに発展させる。本発明では、各サブグループはＮ−１個のサブサブグループに分割され、各サブサブグループは、第１のサブグループ内で除外された衛星に加えて、そのグループ内の衛星のうち異なる１つを排除する。より詳細には、上記の例を使用すると、衛星２、３、４、５および６（１を除外）からなる第１のサブグループにより、５個のサブサブグループが形成されるようになる。第１のサブサブグループは衛星３、４、５および６（１および２を除外）からなることができ、第２のサブサブグループは衛星２、４、５および６（１および３を除外）からなることができ、第３のサブサブグループは衛星２、３、５および６（１および４を除外）からなることができるなどとなり、２、３、４および５（１および６を除外）からなる第５のサブサブグループまでとなる。同様に、衛星１、３、４、５および６（２を省略）からなる第２のサブグループを、別の５個のサブサブグループに分割することができ、第１は衛星３、４、５および６（２および１を除外）からなり、第２は衛星１、４、５および６（２および３を除外）などとなり、衛星１、３、４および５（２および６を除外）からなる第５のサブサブグループまでとなる。このサブサブグループ化は、サブグループの各々について継続しており、合計３０個のサブサブグループが存在するようになり、各サブサブグループは、衛星のうち２個が除外されて４個の衛星からなる。
【０００７】
サブサブグループが処理されてサブサブ解が生成され、この生成は、’７３７特許でサブ解がサブグループから得られた方法と実質的に同じ方法で行われる。さらにサブサブ解は、’７３７特許でサブ解が処理された方法と実質的に同じ方法で処理され、以下に示すように、保全性限界（検出されない障害および希な正規の実行によるエラーに境界を付ける）を決定するだけでなく、実行限界（まだ分離および排除されていない障害によるエラーに境界を付ける）をも決定する結果が得られる。
【０００８】
図１は、上記で参照した’７３７特許の図１と同じであり、’７３７特許に記載されたものと同じ機能を実行する。これについては本明細書でさらに説明しない。
【０００９】
図２で、二重線の矢印によって結合される部分は、’７３７特許の図２と同じであり、単線の矢印によって結合された部分は本発明の追加を表す。二重線の矢印で示す部分は、’７３７特許と同じ方法で動作し、これについては本明細書でさらに説明しない。元の参照番号は’７３７特許のこれらの要素として残されており、したがって、ステップ３０、５０、６０、７０、８０、９０、１００、１１０および１２０は、’７３７特許の図２と同じように動作し、少数の例外を以下で論じる。
【００１０】
ボックス２６０、２７０、２８０、２９０、３００および３１０によって示すステップは本発明のステップであり、大抵の場合、これらのステップは６０、７０、８０、９０、１００および１１０にそれぞれ類似している。したがって、以下の本発明の説明を容易にするため、新しい参照番号は’７３７特許のものと同じになるように選択されており、ただし、これらの参照番号を２００だけ増す。したがって、ステップ２６０はステップ６０に類似するなどとなる。
【００１１】
’７３７特許のように、標準のオペレーションは、ステップ３０でプロセッサが擬似距離測定値を受信器１４から得ることにより開始する。このステップで、プロセッサはまた衛星送信器Ｎの数も決定する。次いで、プロセッサはＮ要素のベクトルρｍｅａｓを形成し、これは擬似距離測定値を含む。次いで、プロセスは、位置解の初期推定値および初期受信器クロックオフセット推定値の周囲の位置解を管理する、非線形方程式を「線形化」する。これには、以下に従って、擬似距離残差のＮ要素ベクトルΔρｍｅａｓを定義することが必要である。
【００１２】
Δρｍｅａｓ＝ρｍｅａｓ−ρｅｓｔ  （１）
ただし、ρｍｅａｓは、測定された擬似距離のＮ要素の列ベクトルであり、ρｅｓｔは、初期位置推定値および初期クロックオフセット推定値から導出された推定擬似距離についてのＮ要素ベクトルである。
【００１３】
ステップ５０で、プロセッサは全位置解Δｒ０を、Ｎ個の信号から導出された擬似距離残差を使用して決定し、Δｒ０は以下のように定義される。
【００１４】
Δｒ０＝Ｓ０Δρｍｅａｓ        （２）
ただし、Ｓ０は、４ＸＮの最小２乗解行列である。
【００１５】
ステップ６０で、’７３７特許はいくつかのサブ解Δｒ１、Δｒ２．．．ΔｒＮを計算し、各サブ解はＮ個の擬似距離測定値の各サブセットに基づく。’７３７特許のｎ番目のサブ解は、以下のように定義される。
【００１６】
Δｒｎ＝ＳｎΔρｍｅａｓ        （３）
本発明のステップ２６０はステップ６０と同様であるが、ただし、複数のサブサブ解Δｒｎｍ（ｎ＝１、２．．．Ｎ、ｍ＝１、２．．．Ｎ、ｎ≠ｍ）が計算され、各サブサブ解はＮ個のサブ解の各サブサブセットに基づく。上で説明したように、各サブサブグループは、各サブグループ（Ｎ−１）と同じ衛星を含み、ただし、各サブグループはまたさらに別の１つの衛星をも排除する。サブ解ｎのｍ番目のサブサブ解は以下のように定義される。
【００１７】
Δｒｎｍ＝ＳｎｍΔρｍｅａｓ      （３Ｓ）
ただし、Ｓｎｍは、４ＸＮの最小２乗サブサブ解行列であり、ゼロのｎ番目の列およびゼロのｍ番目の列を有する。本発明に適用可能な式が’７３７特許に適用可能な式に類似している場合、この式には同じ番号が付番されるが、「ｓ」が追加される。
【００１８】
好ましい実施形態では、サブサブ解Δｒｎｍは、’７３７特許のように、４要素ベクトル量であり、３つの要素はそれぞれ北、東および下の座標を表し、第４の要素はｃΔｔであり、ただしｃは光速であり、Δｔは受信器クロックオフセットである。
【００１９】
ステップ２７０で、’７３７特許のステップ７０のように、プロセッサは弁別子ｄｎｍ（ｎ＝１、２．．．Ｎ、ｍ＝１、２．．．Ｎ、ｎ≠ｍ）を、各サブサブ解Δｒｎｍ（ｎ＝１，２．．．Ｎ、ｍ＝１、２．．．Ｎ、ｎ≠ｍ）について計算する。弁別子ｄｎｍを、ｍ番目のサブサブ解Δｒｎｍとその親のサブ解Δｒｎの間の数学的距離または分離に基づいたいずれかの数学的量にすることができる。好ましい実施形態は弁別子ｄｎｍを、各サブ解Δｒｎと各サブサブ解Δｒｎｍの間の実際の水平距離として定義する。水平、または北東座標面では、サブサブ解Δｒｎｍとサブ解Δｒｎの間の距離ｄｎｍは、以下の通りである。
【００２０】
【数１】
2005514597.tif 000003
【００２１】
ただし、（Ｎ）および（Ｅ）は、ｎ番目のサブ解およびそのｍ番目のサブサブ解の北および東の成分を示す。
【００２２】
ステップ２８０で、’７３７特許のステップ８０のように、プロセッサ１６は、サブ解の、各サブサブ解からの分離統計に基づいた１組の解分離パラメータＤｎｍ（ｎ＝１、２．．．Ｎ、ｍ＝１、２．．．Ｎ、ｎ≠ｍ）を計算する。解分離パラメータの計算は、図２Ａのステップ２８０Ａ、２８０Ｂおよび２８０Ｃを伴う。
【００２３】
ステップ２８０Ａは、各サブ解Δｒｎと各サブサブ解Δｒｎｍの間の各分離の統計を表す、共分散行列ｄＰｎｍ（ｎ＝１、２．．．Ｎ、ｍ＝１、２．．．Ｎ、ｎ≠ｍ）を計算することを必要とする。共分散行列ｄＰｎｍは以下のように定義される。
【００２４】
ｄＰｎｍ＝Ｅ［（Δｒｎ−Δｒｎｍ）（Δｒｎ−Δｒｎｍ）Ｔ］  （５ｓ）
ただし、Ｅは期待値を示し、上付き文字Ｔは互換を示す。好ましい実施態様では、プロセッサ１６は共分散行列を、等価関係を使用して計算する。
【００２５】
【数２】
2005514597.tif 000004
【００２６】
ただし、σ２ｐｒは、擬似距離測定値の分散である。
【００２７】
ステップ２８０Ｂで、プロセッサは、共分散行列ｄＰｎｍの位置ドメイン固有値を、’７３７特許と同じ方法で、同じ目的のために決定し、再度、各共分散行列の最大固有値（λｄＰｎｍ）ｍａｘは、最大分離分散を決定する。
【００２８】
したがって、ステップ２８０Ｃで、プロセッサ１６は最大固有値（λｄＰｎｍ）ｍａｘを使用して、最大分離、または解分離パラメータＤｎｍを、以下に従って決定する。
【００２９】
【数３】
2005514597.tif 000005
【００３０】
ただし、ＰＦＤは、誤り検出の確率であり、Ｑ−１は、以下の逆元である。
【００３１】
【数４】
2005514597.tif 000006
【００３２】
これは、周知の正規化累積分布関数である。
【００３３】
解分離パラメータを決定した後、プロセッサ１６は’７３７特許のステップ９０を実行し、障害が発生しているかどうかを判断する。障害が発生する場合、この情報がステップ２９０に転送され、これを矢印２９２によって示す。ステップ２９０は、衛星のどれが障害のあるものであるかの決定を含む。実行のためのロジックは以下の通りである。いかなる送信器ｒも、以下の場合にのみ、障害のある送信器として排除されるようになる。
【００３４】
すべてのｍ≠ｒについて、ｄｎｍ＜Ｄｎｍかつ
すべてのｎ≠ｒについて、少なくとも１つのｍ≠ｎについて、ｄｎｍ≧Ｄｎｍ
ただし、ｄｎｍは、サブサブ解ΔＸｎｍとサブ解ΔＸｒの間の水平距離である。
【００３５】
サブ解ｎがそのサブサブ解の少なくとも１つから、排除しきい値よりも大きく分離されている場合、送信器ｎが障害のある送信器であることはなく、これは、障害のある送信器がなおサブ解ｎに含まれているからである。それに対して、サブ解ｒの、その各サブサブ解からの分離が、排除しきい値より小さい場合、送信器ｒは障害のある送信器である（他のサブ解の各々が、そのサブサブ解の少なくとも１つから、排除しきい値よりも大きく分離されていることを条件とする）。
【００３６】
障害のある送信器を決定した後、障害のある送信器を示す信号がステップ３０へ、線２９４を介して戻され、衛星の数Ｎの次の決定で、ステップ３０は障害のある衛星を排除するようになる。
【００３７】
ステップ３００はステップ１００と同様であり、ステップ１００では、エラーパラメータＡｎｍ（ｎ＝１、２．．．Ｎ、ｍ＝１，２．．．Ｎ、ｍ≠ｎ）が、各サブサブ解Δｒｎｍ内の雑音誘起エラーに基づいて決定される。ステップ３００は、３つのサブステップ３００Ａ、３００Ｂおよび３００Ｃを含み、これらを図２Ｂに示す。
【００３８】
ステップ３００Ａで、プロセッサ１６は、対応するサブサブ解のΔｒｎｍについての雑音誘起エラーの統計を表すエラー共分散行列Ｐｎｍを計算する。エラー共分散行列Ｐｎｍは以下の通りである。
【００３９】
【数５】
2005514597.tif 000007
【００４０】
ただし、δｒｎｍは、サブ解ｎのｍ番目のサブサブ解上の雑音の影響を表す。
【００４１】
δｒｎｍ＝Ｓｎｍｗ                            （１０ｓ）
ただし、ｗはＮ次元測定雑音ベクトルであり、Ｅ（ｗｗτ）はσ２ｐｒである。好ましい実施形態では、プロセッサは行列Ｐｎｍを以下から計算する。
【００４２】
【数６】
2005514597.tif 000008
【００４３】
ステップ３００Ｂで、プロセッサはエラー共分散行列Ｐｎｍの固有値を決定する。固有値は分散、すなわち、平均エラーの周囲のエラーの広がりを定義し、したがって、サブサブ解Δｒｎｍ内の最大エラーの大きさの制御は、対応するエラー共分散行列の最大固有値（λＰｎｍ）ｍａｘの平方根によって決まる。
【００４４】
ステップ３００Ｃで、プロセッサはエラーパラメータＡｎｍを、以下を使用して計算する。
【００４５】
【数７】
2005514597.tif 000009
【００４６】
ただし、ＰＭＤは、欠落検出の確率である。
【００４７】
図２の次のステップは、ステップ３１０である。このステップでは、’７３７特許のステップ１１０で保護限界を決定するように、プロセッサは排除限界を、解分離パラメータＤｎｍおよびサブ解エラーパラメータＡｎｍを使用して決定する。これは好ましくは、ＤｎｍおよびＡｎｍの最大の和を、ｎ＝１、２．．．Ｎ、ｍ＝１、２．．．Ｎ、ｎ≠ｍに渡って決定することを伴う。図２Ｃはこれを２つのステップとして示す。すなわち、ステップ３１０Ａは、Ｍ個のパラメータの和（Ｄｎｍ＋Ａｎｍ）を、ｎ＝１、２．．．Ｎ、ｍ＝１、２．．．Ｎ、ｍ≠ｎに渡って決定し、ステップ３１０Ｂはこれらのパラメータの和の最大値を、排除限界として選択する。関数的に、これは以下のように表される。
【００４８】
排除限界＝ｍａｘ（Ｄｎｍ＋Ａｎｍ）
ｎ＝１、２．．．Ｎ、ｍ＝１，２．．．Ｎ、ｍ≠ｎ  （１３ｓ）
ステップ１１０で保全性限界を計算し、ステップ３１０で排除限界を計算した後、プロセッサ１６はステップ１２０を実行し、これを、全位置解、保護限界および排除限界、ならびに、障害が検出されているがまだ分離されていないかを示す検出フラグをフライト管理システム２０に出力することによって行う。出力ステップ１２０を実行した後、プロセッサはステップ３０に戻り、新しいデータを受信器から得て、Ｎを決定し、障害が発生したいかなる衛星をも排除して、新しい位置解、保護限界、新しい検出フラグを計算し、適用可能な場合はどの衛星に障害が発生したかを識別する。
【００４９】
第１の実施形態は、’７３７特許が達成したすべてのことを達成し、加えて、障害が発生するときだけでなく、どの衛星に障害が発生したかの情報も提供することがわかる。第１の実施形態は明示的に現在の測定データのみに、いわゆる「スナップショット」方法で作用するが、その利点はカルマンフィルタ実装に関して特に好適である。カルマンフィルタの使用を通じて、プロセッサは現在の測定データのみを組み込むのではなく、過去の測定データも保全性監視プロセスに組み込む。さらに、カルマンフィルタにより、プロセッサは慣性センサデータを、衛星送信器の障害の決定に組み込むことができ、これを第２の実施形態で明示する。
【００５０】
図３のように、第２の実施形態では、図１の無線航法システムが、慣性データをプロセッサ１６に提供するための慣性基準ユニット２２、および、高度データをプロセッサ１６に提供するための気圧高度センサ２７の追加によって拡張される。図３は、’７３７特許の図３と形態およびオペレーションが同じであり、同じ参照番号を使用する。したがって、これについては本明細書でさらに説明しない。
【００５１】
図２に関する場合のように、図４のうち二重線の矢印によって結合される部分は、’７３７特許の図４と同じであり、単線の矢印によって結合された部分は、本発明の追加を表す。二重線の矢印で示す部分は、’７３７特許と同じ方法で動作し、これについては本明細書でさらに説明しない。元の参照番号は’７３７特許のこれらの要素として残され、したがって、ステップ３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、１００、１１０、１２０および１３０は、’７３７特許の図４と同じように動作し、少数の例外を以下で論じる。説明する１つの著しい例外は、本発明が分離共分散パラメータを計算するための新しい方法を提供することにおいて生じる（以下の本発明のステップ３８０を参照）。これは、エラー共分散パラメータ（以下のステップ３７５で、’７３７特許のステップ１００に類似の方法で得られる）を使用することによって実施される。さらに、’７３７特許のステップ８０をまた、望む場合は、本発明のステップ３８０と同じ方法で計算することもできる。いずれにしても、本発明の目的のために、’７３７特許のステップ１００に対応するステップ（本発明のステップ４００となっていたであろう）が除去され、本発明のステップ３７０の後に、便宜上、参照番号３７５にて挿入される。
【００５２】
’７３７特許の場合のように、慣性プロセッサ２５は、慣性位置解ｒｉを決定し、これは好ましくは、地上に固定された基準座標系の３要素ベクトルである。慣性プロセスまたは２６はまた、加速度データを生の加速度ベクトルａｒａｗに変換し、姿勢データを生の角速度ベクトルωｒａｗに変換する。慣性プロセッサ２６はまた、ボディフレームの座標をローカルの垂直フレームＬに変換するための変換行列Ｃ、Ｌフレームに変換された慣性系Ｉに対する地上ベースのフレームＥの回転を表す３要素の回転ベクトルωＩＥ、および、Ｌフレームに変換された地上固定フレームＥに対するＬフレームの回転を表す回転ベクトルωＩＥを決定する。
【００５３】
カルマンフィルタ実装の焦点は、ハイブリッド状態ベクトルΔＸ０−ΔＸＮであり、各々は１８個のエラー状態を有し、ｎ番目の衛星送信器の排除から生じる。すなわち、ΔＸ０は衛星送信器を排除せず、ΔＸＮは、ｎ番目の衛星送信器を排除する。ｎ番目の状態ベクトルは以下のように定義される。
【００５４】
【数８】
2005514597.tif 000010
【００５５】
ただし、以下の通りである。
【００５６】
Ψは、３要素の姿勢エラーベクトルであり、
Δｖは、３要素の速度ベクトルであり、
Δｒは、ｎ番目の擬似距離測定値を排除する３要素のハイブリッド位置解であり、
Δｒｔｃは、距離として表された１要素の受信器クロック位相エラー（第１の実施形態のｃΔｔに類似）であり、
Δｖｆｃは、速度として表された１要素の受信器クロック周波数エラーであり、
Δω０は、１００時間の時定数を有する１次マルコフ過程としてモデリングされた、ジャイロバイアスの３要素ベクトルであり、
Δａ０は、１００時間の時定数を有する１次マルコフ過程としてモデリングされた、加速度計バイアスの３要素ベクトルであり、
Δａｌｔは、１要素の気圧高度バイアスである。
【００５７】
（明確にするため、「ｎ」の添え字をΔＸｎの各状態変数には示さない。）
ボックス３６０、３７０、３７５、３８０、３９０および４１０によって示すステップは本発明のステップであり、大抵の場合、これらのステップは６０、７０、８０、９０、１００および１１０にそれぞれ類似しているが、ただし、上述のように、本発明のステップ３７５は、’７３７特許のステップ１００に類似しているが、ステップ３８０の新しい計算のための基礎を提供するためのものであり、ステップ３８０より前の位置に移動されて、３７５と付番し直されている。この１点の置換を除いて、以下の本発明の説明では、新しい参照番号は’７３７特許の参照番号と同じであるが、ただし、これらの参照番号を３００だけ増す。
【００５８】
再度、この方法はステップ３０で、プロセッサが以下の慣性データを慣性基準装置２２から検索するとき、開始する。
【００５９】
慣性位置解ｒｉ、
生の加速度ベクトルａｒａｗ、
生の角速度ベクトルωｒａｗ、
変換行列Ｃ、
回転ベクトルωＩＥ、および
回転ベクトルωＥＬである。
【００６０】
この慣性データを検索した後、プロセッサは、慣性エラー力学を航空機の運動に基づいてモデリングする。これは、ローカルの垂直座標系Ｌを基準とする、線形化された慣性エラーモデルのコンテキスト内で発生する。この慣性エラーモデルは、高度エラーベクトルΨ、速度エラーベクトルΔｖ、および、ハイブリッド位置解Δｒを定義し、各々は以下の３つの微分方程式の解から生じる。
【００６１】
Ψ＝ＣΔωＩＥ＋Ψｘ（ωＩＥ＋ωＥＬ）                                    （１５）
Δｖ＝ΨｘＣａｒａｗ＋ＣΔａＩＥ＋（２ωＩＥ＋ωＥＬ）ｘΔｖ＋ＧΔｒ＋Δｇ  （１６）
Δｒ＝Δｖ＋ωＥＬｘΔｒ                                              （１７）
ただし、以下の通りである。
【００６２】
Δω０は、１００時間の時定数を有する１次マルコフ方法としてモデリングされたジャイロバイアスであり、
ΔωＩＢは、Δω０＋倍率および照準ミスのエラーであり、
Δａ０は、１００時間の時定数を有する１次マルコフ方法としてモデリングされた、加速度計バイアスであり、
ΔａＩＢは、Δα０＋倍率および照準ミスのエラーであり、
Δｇは、重力偏向および異常（ｖｘｇ、ｖｙｇ、Δｇｃ）である。
【００６３】
Ｇは、以下のように定義された３Ｘ３の行列である。
【００６４】
【数９】
2005514597.tif 000011
【００６５】
ただし、Ｒは、地球の半径を示し、ｇ（０）は、ゼロの高さの重力を示す。（１）および（２）は、’７３７特許で論じられているような保全性に影響を及ぼす特定の項を識別する。
【００６６】
ステップ３０はさらに、プロセッサが擬似距離測定値を受信器１４から検索することを必要とし、擬似距離測定値Ｎの数を決定する。擬似距離を検索した後、プロセッサはＮ要素の擬似距離残差ベクトルΔρ０（ｋ）−ΔρＮ（ｋ）を決定し、ｎ番目の擬似距離残差ΔρＮ（ｋ）は以下のように定義される。
【００６７】
Δρｎ（ｋ）＝Δρｎ，ｍｅａｓ（ｋ）−Δρｎ，ｅｓｔ（ｋ）                （１９）
この式では、ρｎ，ｍｅａｓは、実際の擬似距離測定値であり、ρｎ，ｅｓｔは、以前のｎ番目の絶対ハイブリッドサブ解ｒｎ（ｋ）および受信器クロックオフセットΔｒｔｃｎに基づいた推定擬似距離であり、添え字のｎは、ベクトルからのｎ番目の擬似距離の排除を示す。ｎ番目の絶対ハイブリッドサブ解ｒｎ（ｋ）は以下を指す。
【００６８】
【数１０】
2005514597.tif 000012
【００６９】
ただし、添え字Ｅは、慣性位置解ｒｉに追加するために、相対ハイブリッド位置解ΔｒｎがＬフレームから地上固定フレームに変換されていることを示す。
【００７０】
この実施形態では、カルマンフィルタは高度バイアスについてのエラー状態を含む。したがって、このステップでは、プロセッサはまた気圧高度測定残差を、センサ２７からの入力気圧高度、ならびに、予測高度および予測気圧高度バイアスに基づいた気圧高度推定値に基づいて決定する。予測高度は、すでに定義されているｒｎ（ｋ）から生じる。高度残差は、すべての状態ベクトルについて同じように定義される。
【００７１】
ステップ４０で、プロセッサは、位置解ｒ０（ｋ）およびサブ解Δｒ１（ｋ）−ΔｒＮ（ｋ）、分離共分散行列ｄＰ１（ｋ）−ｄＰＮ（ｋ）、ならびにエラー共分散行列Ｐ１（ｋ）−ＰＮ（ｋ）についての初期値を確立し、ｋは、ｋ回目の繰り返しへのそれらの時間的対応を示す。
【００７２】
好ましい実施形態では、ステップ４０はまた、プロセッサが、位置解を決定する衛星送信器の数および構成の変化を監視することも必要とする。衛星の数が増す場合、プロセッサは状態ベクトル（サブフィルタ）および関連変数をその衛星に、既存のものと共に処理するために割り当てる。また、衛星送信器が視野の外に出るか、そうでない場合は使用不可能となる場合、プロセッサは、いつこの衛星送信器が安全にその対応する状態ベクトルΔＸｎを解放することができるか、すなわち、特定のサブ解ΔＸｎおよびその関連付けられた弁別子ｄｎ、分離パラメータＤｎならびにエラーパラメータＡｎの計算を停止することができるかを決定する。ｎ番目の衛星送信器が故障するか、視野の外に出るか、あるいはそうでない場合は総合決定位置解に無関係となるとき、サブ解ΔＸｎは不要となり、したがって解放することが可能になる。残りのサブ解がこの障害によって影響を受けないまま残ることを保証するために、プロセッサはこの解放を、残りのサブ解がそれらの各ＨＤＯＰ（水平精度劣化）を５分などの特定の期間に渡ってしきい値より低く維持するまで、遅らせる。
【００７３】
ステップ５０および６０に示すように、次のステップは、全解ｒ０（ｋ）およびサブ解Δｒ１（ｋ）−ΔｒＮ（ｋ）の計算を伴う。同様に、ステップ５０および３６０はサブサブ解Δｒｎｍ（ｎ＝１，２．．．Ｎ、ｍ＝１，２．．．Ｎ、ｎ≠ｍ）を決定し、各サブサブ解Δｒｎｍは、上記で説明したようにＮ個のサブ解の各サブサブセットに基づく。’７３７特許で説明されているように、カルマン実装では、これらの解は、’７３７特許で詳述されており本明細書では繰り返さない数学を使用したカルマンゲインベクトルに依存する。
【００７４】
同様に、ステップ７０、８０、９０、１００、１１０および１２０は’７３７特許と同じ方法で実行されるので、これらのステップをさらに本明細書で論じることはないが、ただし、ステップ８０が本発明のステップ３８０と同じ方法で実行された場合、ステップ１００はステップ８０の前に来ること、および、ステップ９０で、障害についてのチェックが行われるとき、後述のように障害のいかなる指示もが線２９２を介して本発明のステップ３９０に提示されることに留意されたい。
【００７５】
本発明では、ステップ３６０および３７０は第１の実施形態と同じ方法で動作する。ステップ３６０は複数のサブサブ解Δｒｎｍ（ｎ＝１、２．．．Ｎ、ｍ＝１、２．．．Ｎ、ｎ≠ｍ）を計算し、各サブサブ解ΔｒｎｍはＮ個のサブ解の各サブサブセットに基づく。上記で説明したように、各サブサブグループは、各サブグループ（Ｎ−１）と同じ衛星を含み、さらに別の１つの衛星をまた排除する。サブ解ｎのｍ番目のサブサブ解は、式（３ｓ）のように定義される。
【００７６】
好ましい実施形態では、サブサブ解Δｒｎｍは、’７３７特許のように、４要素ベクトル量であり、３つの要素はそれぞれ北、東および下の座標を表し、第４の要素はｃΔｔであり、ただしｃは光の速度であり、Δｔは受信器クロックオフセットである。
【００７７】
ステップ３７０で、第１の実施形態のように、プロセッサはサブサブ解の弁別子ｄｎｍ（ｎ＝１，２．．．Ｎ、ｍ＝１、２．．．Ｎ、ｎ≠ｍ）を、各サブサブ解Δｒｎｍ（ｎ＝１、２．．．Ｎ、ｍ＝１，２．．．Ｎ、ｎ≠ｍ）について計算する。
【００７８】
このとき、ステップ３７５は、第１の実施形態のステップ３００と同じ方法で動作し、これにおいて、エラーパラメータＡｎｍ（ｎ＝１、２．．．Ｎ、ｍ＝１、２．．．Ｎ、ｍ≠ｎ）が、各サブサブ解Δｒｎｍ内の雑音誘起エラーに基づいて決定される。ステップ３７５は、第１の実施形態の同じ３つのサブステップ３００Ａ、３００Ｂおよび３００Ｃを含み、これらを図２Ｂに示す。ステップ３７５で、プロセッサはエラーパラメータＡｎｍを計算する。
【００７９】
ステップ３８０で、プロセッサは解分離パラメータＤｎｍをｎ＝１、２．．．Ｎ、ｍ＝１、２．．．Ｎ、ｎ≠ｍに渡って決定するが、この決定を、異なるプロセスを使用して行う。’７３７特許は分離共分散行列を二重（３６Ｘ３６）分離可能共分散行列の一部として計算したのに対して、本発明の好ましい方法は、ｎ番目のサブ解とそのｍ番目のサブサブ解の間の統計分離を表す分離共分散行列を、以下のように計算することである。
【００８０】
【数１１】
2005514597.tif 000013
【００８１】
ただし、Ｐｎは、サブ解ΔＸｎ（ｋ）についての１８Ｘ１８のエラー共分散行列であり、Ｐｎｍ（ｋ）は、ｎ番目のサブ解のｍ番目のサブサブ解ΔＸｎｍ（ｋ）についての１８Ｘ１８のエラー共分散行列であり、Ｐｎｍｃｒｏｓｓ（ｋ）は、サブ解ΔＸｎ（ｋ）とそのｍ番目のサブサブ解ΔＸｎｍ（ｋ）の間の相互共分散を表す１８Ｘ１８行列である。すなわち、以下の通りである。
【００８２】
【数１２】
2005514597.tif 000014
【００８３】
このプロセスは、以下に従って、ｉ番目の衛星についてのサブ解およびサブ解の測定更新を説明するために相互共分散行列を更新する。
【００８４】
【数１３】
2005514597.tif 000015
【００８５】
ただし、Ｉは１８Ｘ１８単位行列である。ｋ回目の繰り返しの表記は、カルマンゲインｇｎおよびｇｎｍから除外されていることに留意されたい。相互共分散が更新された後、分離共分散が式（２１ｓ）によって計算される。
【００８６】
ステップ９０で、プロセッサは送信器の障害をチェックし、これを、実際の分離ｄ１−ｄＮを各解分離パラメータＤ１−ＤＮと比較することによって行う。解分離パラメータＤ１−ＤＮは、個々のサブ解についての障害検出しきい値としての機能を果たす。このように、サブ解Δｒｎと全解Δｒ０の間の実際の分離ｄｎが、その各分離パラメータＤｎを超える場合、プロセッサは、送信器の障害の検知を示す障害フラグを設定し、線３９２を介して信号を本発明のステップ３９０に送信する。
【００８７】
’７３７特許のステップ１００、１１０および１２０、ならびに、本発明のステップ３９０および４１０は、第１の実施形態と同じであるが、ただし、分離パラメータを計算するための新しい手順が使用される場合、’７３７特許のステップ１００がステップ８０より前に来る。
【００８８】
ステップ１１０で保全性限界を計算し、ステップ４１０で排除限界を計算した後、プロセッサ１６はステップ１２０を実行し、これを、総合決定位置解、保護限界および排除限界、ならびに、障害フラグをステップ１３０へ、次の繰り返しに先んじて投影するために出力することによって行う。
【００８９】
ステップ１３０は、全解とＮ個のサブ解の各々の間の統計分離を定義する、（ｋ＋１）番目の分離共分散行列ｄＰ１（ｋ＋１）からｄＰＮ（ｋ＋１）を決定することを含むだけでなく、（ｋ＋１）番目の分離共分散行列ｄＰｎｍをｎ＝１、２．．．Ｎ、ｍ＝１、２．．．Ｎ、ｍ≠ｎに渡って決定することも伴い、（ｋ＋１）番目の分離共分散行列ｄＰｎｍは、ｎ番目のサブ解とそのｍ番目のサブサブ解の間の統計分離を、最初に相互共分散行列Ｐｎｍｃｒｏｓｓを以下のように伝搬することによって、定義する。
【００９０】
【数１４】
2005514597.tif 000016
【００９１】
再度、相互共分散が更新された後、分離共分散が式（２１ｓ）によって計算される。
【００９２】
ステップ１３０を完了した後、このプロセスはステップ３０に戻り、図４に示すプロセスのループ全体を繰り返す。
【００９３】
このように、第２の実施形態は、第１の実施形態の単純なカルマンフィルタ拡張を提供し、慣性データだけでなく現在および過去の測定データをも、位置解、保護限界計算、および排除限界計算、ならびに、送信器障害検出および排除に組み込む。
【００９４】
本発明を、好ましい実施形態を参照して説明したが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、形態および詳細において変更を行うことができることは、当業者には理解されよう。詳細には、単一のプロセッサが、本発明を実施するためのすべてのオペレーションを実行することができること、または、多数のプロセッサがこれらのオペレーションを共有することができることは、当業者には理解されよう。また、方法自体を、本明細書で例示のために使用したもの以外の別個の機能単位に渡って分割することができる。言うまでもなく、形態および詳細における他の変更もまた、本発明の精神および範囲内のものである。したがって、我々は、好ましい実施形態を説明するために使用した特定の詳細に限定されることを意図しない。以下の特許請求の範囲は、本発明の範囲を定義する。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】’７３７特許および本発明の第１の航法システムを示す図である。
【図２】本発明を加えた’７３７特許の第１の航法システムを操作する第１の方法を示す図である。
【図２Ａ】ステップ２８０の詳細を示す図である。
【図２Ｂ】ステップ３００の詳細を示す図である。
【図２Ｃ】ステップ３１０の詳細を示す図である。
【図３】’７３７特許および本発明の第２の航法システムを示す図である。
【図４】本発明を加えた’７３７特許の第２の航法システムを操作する第２の方法を示す図である。
【図１】
2005514597.tif 000021
【図２】
2005514597.tif 000022
【図２Ａ】
2005514597.tif 000023
【図２Ｂ】
2005514597.tif 000024
【図２Ｃ】
2005514597.tif 000025
【図３】
2005514597.tif 000026
【図４】
2005514597.tif 000027
【国際調査報告】
2005514597.tif 000028
2005514597.tif 000029
2005514597.tif 000030