(57)【要約】  １つ以上の位相差誤差マップ、テーブル、及び／又は数学モデルから成るルックアップメカニズムを生成し、利用するシステムは、それぞれのマップ、テーブル、及び／又はモデルを、短基線または超短基線アンテナアレイを既知の位置に、かつ既知の姿勢に配置し、アンテナアレイに対する到来ＧＮＳＳ衛星信号の入射角を求め、各アンテナペアの間の予測搬送波位相差を算出し、各アンテナペアの間の測定搬送波位相差を算出し、搬送波位相差誤差を、予測搬送波位相差及び測定搬送波位相差を使用して求めることにより算出する。次に、これらの搬送波位相差誤差を、マップを含み、必要に応じてルックアップテーブルを含むルックアップメカニズムに記録して、それぞれのアンテナペアに、入射角でインデックス付けする。その後、システムはルックアップメカニズムを、アンテナ構造の未知の姿勢を求める場合に利用する。各アンテナペアに関してシステムはルックアップメカニズムへの入力を、算出姿勢から求めた入射角に応じて行ない、取り出した値を補正姿勢の算出に使用して位相歪みを補正する。
2013507620.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧＮＳＳ衛星システム用の位相差誤差マップまたはルックアップテーブルを生成する方法において、
（Ａ）既知の位置及び姿勢に、既知の短い距離だけ離間して配置される少なくとも第１アンテナ及び第２アンテナを有するアンテナ構造を設けるステップと、
（Ｂ）１つ以上のアンテナペアの各位相中心の間を延びるベクトルに対するＧＮＳＳ衛星搬送波信号の到来角を算出するステップと、
（Ｃ）予測位相差を前記算出された到来角に基づいて算出するステップと、
（Ｅ）測定搬送波位相差を前記各アンテナにおける搬送波位相測定値から求めるステップと、
（Ｆ）搬送波位相差の誤差値を生成するために、前記予測搬送波位相差と前記測定位相差との差を取るステップと、
（Ｇ）前記位相差の誤差値、及び該誤差値に対応する到来角を記録するステップと、
を含むことを特徴とする、
ＧＮＳＳ衛星システム用の位相差誤差マップまたはルックアップテーブルを生成する方法。
【請求項２】
（Ａ）〜（Ｇ）を、異なる到来角について繰り返すステップと、
ルックアップメカニズムを、前記記録位相差の誤差値及び前記到来角に基づいて生成するステップと、
を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
所定のアンテナペアに対応する前記ルックアップメカニズムは、前記位相差誤差データをテーブルグリッドセル要素に、前記到来角に応じて分類することにより生成される、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記ルックアップメカニズムは、１つ以上の数学モデルである、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記ルックアップメカニズムは更に、共通入射角での位相差の誤差値の分散に応じた１つ以上のルックアップ性能指数を含む、請求項２に記載の方法。
【請求項６】
前記ＧＮＳＳ衛星が空中の異なる位置に移動することができるようにするために、（Ａ）〜（Ｇ）を１日の異なる時刻に繰り返すステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
（Ａ）〜（Ｇ）を、前記アンテナ構造を種々の姿勢に移しながら繰り返すステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記性能指数は、典型値及び平均値のうちの一方である、請求項５に記載の方法。
【請求項９】
前記性能指数によって、より大きい分散に関連する前記値に対する重みを減らす、請求項５に記載の方法。
【請求項１０】
アンテナの姿勢を求める方法において、
２つ以上のＧＮＳＳ信号アンテナを、隣接アンテナから既知の間隔で設けるステップと、
共通ＧＮＳＳ搬送波信号を、前記アンテナで同時に追跡するステップと、
ＧＮＳＳ衛星信号の搬送波位相測定を前記アンテナで行ない、生の搬送波位相差を生成するために、全ての、または選択されたアンテナペアによる前記搬送波位相測定値の差を取るステップと、
前記アンテナの近似姿勢を算出するために、前記生の搬送波位相差を使用するステップと、
前記アンテナの前記算出姿勢に対する到来ＧＮＳＳ衛星信号の入射角を求めるステップと、
前記入射角を使用してインデックス分類し、それぞれのアンテナペアに対する位相誤差補正値を、１つ以上の関連する位相誤差補正マップ、ルックアップテーブル、及びモデルから成る関連するルックアップメカニズムから取得するステップと、
前記生の搬送波位相差を、前記ルックアップメカニズムから取得される前記位相誤差補正値を使用して調整するステップと、
前記アンテナの補正姿勢を、前記調整位相差を使用して算出するステップと、
前記アンテナの前記算出姿勢と前記アンテナの前記補正姿勢との差が、所定の閾値よりも大きいか否かを判断し、前記差がより大きい場合に、前記補正姿勢を前記算出姿勢として使用し、ステップ（Ｅ）〜（Ｉ）を、前記差が、より大きくなることがなくなるまで繰り返すステップと、
を含むことを特徴とする、
アンテナの姿勢を求める方法。
【請求項１１】
生の搬送波位相差データを１周期に亘って収集するステップと、
前記データをバッチ処理するステップと、
前記アンテナの前記姿勢の解を求めるステップと、
を含む、請求項１０に記載のアンテナの姿勢を求める方法。
【請求項１２】
生の搬送波位相差データセットを１周期に一度の割合で収集するステップと、
移動輸送手段の方向を求めるために、各生の搬送波位相差データセットを用いて姿勢を算出するステップと、
を含む、請求項１０に記載のアンテナの姿勢を求める方法。
【請求項１３】
アンテナの姿勢を求めるシステムにおいて、
（Ａ）剛性フレームに既知の短い距離だけ離して取り付けられた２つ以上のＧＮＳＳ信号アンテナと、
（Ｂ）位相差誤差値を、前記アンテナへの前記ＧＮＳＳ衛星信号の入射角に応じて与えるための、インデックス付けされたルックアップメカニズムと、
（Ｃ）前記アンテナに接続され、かつ前記アンテナの各アンテナからの共通ＧＮＳＳ搬送波信号を追跡し、前記アンテナで受信される前記ＧＮＳＳ信号の搬送波位相角を測定するように適合させた受信機と、を備え、
該受信機を更に、アンテナの姿勢を、前記アンテナにおける搬送波位相差に基づいて算出し、ＧＮＳＳ衛星信号の入射角を前記算出姿勢に基づいて算出するように適合させ、
前記受信機が更に、前記ルックアップメカニズムへの入力を行なって、位相差誤差値を取り出し、取り出した前記値を利用して前記算出姿勢を補正することにより位相歪みを補正する、
ことを特徴とする、
アンテナの姿勢を求めるシステム。
【請求項１４】
前記ルックアップメカニズムは、１つ以上のルックアップテーブルとして構成される、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記ルックアップメカニズムは、１つ以上の数学モデルとして構成される、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１６】
前記ルックアップメカニズムは、１つ以上の位相マップとして構成される、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１７】
前記受信機は更に、搬送波位相整数アンビギュイティを、前記搬送波位相差を算出する前に決定する、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１８】
前記受信機は、前記搬送波位相差を、前記測定搬送波位相角の減算を行なうことにより算出する、請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
前記アンテナは、隣接アンテナから前記搬送波信号の１波長内に配置され、
前記受信機は、前記搬送波位相差を、前記関連搬送波位相角の減算を行なうことにより算出する前に、サイクルのロールオーバーを、選択された信号到来角について補償し、
前記信号が他の到来角で到来する場合に、前記搬送波位相差を、前記測定搬送波位相角の減算を行なうことにより算出する、
請求項１３に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概して、全地球航法衛星システム（global navigation satellite systems:GNSS）に関するものであり、特に短基線受信機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
短基線リアルタイムキネマティック（ＲＴＫ）システムは通常、基地局ＧＮＳＳ受信機及び移動局ＧＮＳＳ受信機と連動し、これらの受信機は、ほんの数キロメートルしか、例えば１０キロメートル未満の距離しか離れていない。位置が既知である基地局受信機は、搬送波位相測定を、視野内のＧＮＳＳ衛星から送信されるＧＮＳＳ信号を使用して行ない、そしてそれぞれの衛星からの擬似距離を算出する。次に、基地局受信機は、これらの衛星信号を使用して算出される擬似距離と、基地局受信機の既知の位置及びこれらの衛星の既知の位置に基づく距離との差を求めて、距離補正情報を求める。既知の方法で動作する基地局受信機は、ＲＴＫ情報を、すなわち距離補正情報、擬似距離、搬送波位相測定値、及び種々の他の情報をブロードキャストする。
【０００３】
移動局受信機は、ブロードキャストされた擬似距離、搬送波位相測定値、及び他の情報を利用して、搬送波位相整数アンビギュイティ（不確定性）を、処理負荷の重い公知の演算を用いて解く。移動局受信機は、距離補正情報を利用して、衛星軌道、大気状態などの変化に関連し、かつ基地局受信機及び移動局受信機の両方に、これらの受信機の間の基線が短いことに起因して同じように影響する擬似距離誤差を全て、公知の方法で補正する。
【０００４】
特定の短基線システムは、固定された基線長を利用し、例えば移動局受信機に配置される２つのアンテナを用いて、移動局受信機の姿勢または方位を求めることができる。これらのアンテナは、自動車または船舶のような輸送手段に固定することができ、そして例えば、１〜１／２メートルという極めて短い距離だけ離間させることができる。複数のアンテナは、公知の短基線ＲＴＫ処理演算において利用される情報を供給して、それぞれのアンテナに対応する搬送波位相整数アンビギュイティを決定する。一旦、搬送波位相整数アンビギュイティが決定されると、当該システムは次に、当該輸送手段の方位または姿勢を、２つのアンテナにおける搬送波位相の差に基づいて求めることができる。
【０００５】
固定基線システムは、受信機動作に起因するマルチパス及びバイアスの悪影響を受ける。各アンテナで受信される信号は、マルチパス信号によって、同じ態様で、または異なる態様で影響を受ける可能性がある。更に、これらのマルチパス信号はまた、それぞれのＧＮＳＳ衛星の位置によって異なるが、ＧＮＳＳ衛星によって、かつ異なる時点で異なる可能性がある。ラインバイアスは、周囲環境などによっても異なる可能性がある。
【０００６】
"Ultra-Short Baseline GNSS Receiver"（超短基線ＧＮＳＳ受信機）と題し、本出願と同じ日に出願され、本出願の譲受人と同じ出願人に譲渡され、かつ本明細書において参照されることにより内容全体が本明細書に組み込まれることになる本出願と同時係属中の米国特許出願第１２／５７９，４６０号（特許文献１）には、注目するＧＮＳＳ衛星搬送波信号の１波長よりも短い距離だけ離間させた２つのアンテナを利用するシステムが記載されている。これらのアンテナは、その明細書においては、「超短」固定基線長を隔てて配置されていると表記される。このようなシステムは、搬送波位相整数アンビギュイティが、２つのアンテナでの測定値の間で問題になることがなく、かつ姿勢または方位は、処理負荷の重い短基線ＲＴＫ演算を用いることなく求めることができる。しかしながら、これらのアンテナが極めて近接すると、例えばこれらのアンテナ間のクロストークに起因して受信信号に悪影響が及ぶ虞がある。
【０００７】
発明の概要
短基線または超短基線システムは、搬送波位相差誤差を、移動局受信機アンテナへの到来ＧＮＳＳ衛星信号の入射角または到来角に関連付ける、対応する位相マップまたは位相テーブルを生成する。短基線ルックアップメカニズムは、方位判定に使用される搬送波位相差補正量の補正を可能にして、それぞれのアンテナにおけるマルチパス信号に関連する位相歪み、及び受信機動作に関連するラインバイアスを補正する。超短基線位相マップは、搬送波位相差補正量の補正を可能にし、これらの補正量で、超短基線上に近接離間して配置される２つのアンテナの間の局所高周波（ＲＦ）の影響を細かく補正する。
【０００８】
当該システムは、位相マップ及び／又は関連する位相差誤差ルックアップテーブルを、各入射角におけるＧＮＳＳ衛星信号に対応する、移動局受信機アンテナにおける予測位相差及び測定位相差の両方に基づいて、生成する。当該システムは、マップグリッド（方眼）サイズを、これらの位相差の誤差の勾配（変化）に基づいて、より小さいグリッドサイズが、より大きい勾配に使用されるように決定する。当該グリッドサイズはまた、ユーザアプリケーションの要求精度によって異なり、より小さいグリッドサイズが、より高い要求精度に利用される。別の構成として、または更に、ルックアップテーブルではなく、球形モデルのようなマルチパラメータ数学モデルを使用して、これらの位相差誤差を表わすことができる。位相マップ、ルックアップテーブル、及び／又は数学モデルは、本明細書においては、まとめて「ルックアップメカニズム（look-up mechanism）」とも表記される。
【０００９】
本発明は、添付の図面を参照しながら一層深く理解される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に従って構成されるデュアルアンテナ受信機の概略図
【図２Ａ】図１の位相マップ／ルックアップテーブルを生成する手順のフローチャートを示す図
【図２Ｂ】図１の位相マップ／ルックアップテーブルを生成する手順のフローチャートを示す図
【図３】位相マップを極座標形式で示す図
【図４Ａ】位相マップ／ルックアップテーブルを利用する短基線受信機の姿勢を求める方法のフローチャートを示す図
【図４Ｂ】位相マップ／ルックアップテーブルを利用する短基線受信機の姿勢を求める方法のフローチャートを示す図
【図５】位相マップ／ルックアップテーブルを使用する場合及び使用しない場合の方位誤差を角度で表わすプロットを示す図
【００１１】
発明を実施するための形態
図１は、本発明の例示的な実施形態によるＧＮＳＳ衛星１１０から送信されるＧＮＳＳ衛星信号を受信する超短基線受信機１２０の概略図である。更に詳細には、図１のシステム１００はデュアルアンテナ１０２及び１０４を含み、これらのアンテナは、剛性フレーム１０６に取り付けられるものとして示されている。これらのアンテナは、寸法「ｄ」で示されるように、比較的短い距離だけ離間して設けられる。システムの動作は、寸法「ｄ」がＧＮＳＳ信号の１波長よりも長い場合について、そして更に、寸法「ｄ」がＧＮＳＳ信号の１波長よりも短い場合について説明される。更に、２つよりも多くのアンテナから成るアレイは、各アンテナが当該アンテナの隣接アンテナから距離ｄだけ離れた状態で利用することができる。説明を容易にするために、当該システムは、デュアルアンテナを利用するものとして説明される。
【００１２】
ＧＮＳＳ衛星信号は、アンテナ１０２が受信するときの信号経路１１２、及びアンテナ１０４が受信するときの信号経路１１４として図示されている。これらの２つの経路の長さは、それぞれのアンテナの位置が異なることから異なっている。デュアルアンテナ１０２及び１０４が受信するこれらの信号は、プロセッサ１２６を含む補助受信装置１２０に供給され、これらのプロセッサ１２６を、ここで更に詳細に説明される本発明の方法に従ってプログラムすることにより、関連する位相マップ及び／又はルックアップテーブル１２８を生成し、そして利用する。
【００１３】
一旦、当該マップ及び／又はルックアップテーブル１２８が生成されると、受信機１２０は、当該マップ及び／又はルックアップテーブル１２８から取り出される補償位相差補正量を方位計算に利用して、更に正確な方位情報または姿勢情報を提供する。更に正確な方位情報によって当該システムは、関連するジャイロスコープ及び／又は他の慣性センサ（図示せず）を、特に超短基線アンテナを以下に更に詳細に説明するように利用する場合に、更に迅速に初期化することができる。更に、超短基線システムは、ゼロ平均の誤差を有する方向情報を常に提供するので、より安価なジャイロスコープを、ユーザに提供される方向精度または方位情報に悪影響を及ぼすことなく利用することができる。
【００１４】
この技術分野の当業者であれば理解できることであるが、受信機１２０はＧＮＳＳ衛星信号搬送波を２つのアンテナ１０２及び１０４で追跡し、そしてこれらのアンテナの姿勢を算出するために使用される位相差を求める。当該受信機は更に、これらのアンテナの姿勢に対する、すなわち２つのアンテナの位相中心の間を延びるベクトルＶAに対するＧＮＳＳ衛星信号の入射角θを算出する。１つの例では、図面でＡZと表示され、かつ真北からの角度で定義される方位、及び図面でＥｌと表示され、かつ水平線に対して定義される仰角は、到来衛星信号及びベクトルＶAの両方に関して、衛星位置座標及びこれらのアンテナの推定姿勢または既知の姿勢に基づいて求めることができる。
【００１５】
ＧＮＳＳ衛星信号の他に、アンテナ１０２及び１０４は更に、マルチパス信号１２２及び１２４を受信し、これらのマルチパス信号は、例えばフレーム１０６によって反射される衛星信号１１６である。更に、受信機動作によって、搬送波位相測定に悪影響を及ぼすラインバイアスなどが生じる可能性がある。従って、これらの偽信号及びバイアスの影響を、アンテナの姿勢を本発明に従って求めるときに調整すると有利である。
【００１６】
更に詳細には、剛性フレーム１０６に特定の入射角で接近する衛星信号は、衛星信号が同じ入射角で到来するたびに殆ど同じ位相歪みを受けることになる。このような状況では、例えば到来信号に、同じ、または殆ど同じマルチパス信号がそれぞれのアンテナで重畳される。しかしながら、これらのラインバイアスは、これらのＧＮＳＳ衛星に関しては同じであるが、その代わり、大気温度または他の要素に応じて変化し得る。これらのアンテナで複数の入射角で受信されるこれらの衛星信号に関連する搬送波位相差誤差を適切に求めることにより、当該システムは、位相歪みを補正するために使用される位相マップ、テーブル１２８、及び／又は数学モデル（図示せず）を生成する。従って、当該システムは、更に正確な姿勢情報を取得するためにこれらのアンテナの各アンテナにおける搬送波位相測定誤差を解く必要がない。
【００１７】
既知の固定オフセットだけ離れた２つのアンテナ間の測定位相差は、次式から推定される：
【数１】
2013507620.tif 000003
上式では、ｄσは、予測位相角差であり、λはＧＮＳＳ搬送波信号の波長であり、Ｌは、アンテナ位相中心間の距離であり、φは、ベクトルＶAと到来衛星信号とがなす角度であり、そしてＢLは、それぞれのアンテナに接続される回路の間に生じ、かつＲＦ（高周波）電源に起因するラインバイアスである。
【００１８】
近接離間して配置されるこれらのアンテナの近似位置を求めることができると仮定すると、到来ＧＮＳＳ衛星信号の方向は、衛星信号で伝送されるブロードキャストデータから確認することができる。次に、式１のｃｏｓφ項は、内積の余弦を用いて計算することができる：
ｃｏｓφ＝ａｘ＋ｂｙ＋ｃｚ
上式では、（ａｉ＋ｂｊ＋ｃｋ）は、ＧＮＳＳ衛星信号からの到来信号の単位ベクトルであり、そして（ｘｉ＋ｙｊ＋ｚｋ）は、これらのアンテナの位相中心を結ぶベクトルＶAの単位ベクトルである。
【００１９】
この計算では、以下の関係がある。
【００２０】
ａ＝ｃｏｓ（Ａｚs）ｃｏｓ（Ｅｌs）
ｂ＝ｓｉｎ（Ａｚs）ｃｏｓ（Ｅｌs）
ｃ＝ｓｉｎ（Ｅｌs）
上式では、添え字「ｓ」は、これらの角度が衛星信号を基準としていることを意味し、そしてＡｚ及びＥｌは、真北に対する方位、及び水平線に対する仰角をそれぞれ表わす。更に、以下の関係がある：
ｘ＝ｃｏｓ（ＡｚA）ｃｏｓ（ＥｌA）
ｙ＝ｓｉｎ（ＡｚA）ｃｏｓ（ＥｌA）
ｚ＝ｓｉｎ（ＥｌA）
上式では、添え字「Ａ」は、これらの角度がベクトルＶAを基準としていることを意味している。以下の説明から分かることであるが、他の公知計算式を用いて、到来衛星信号とベクトルＶAとがなす入射角を、ＧＮＳＳ衛星の既知の位置、及びアンテナ基線の既知の姿勢または推定姿勢に基づいて求めることができる。
【００２１】
ラインバイアスＢLは、２つのアンテナが受信する全てのＧＮＳＳ信号に共通している。従って、ラインバイアスは、例えばラインバイアス項を各計算を通じて同じになるようにこれらの搬送波位相差を調整して、種々の到来衛星信号のジオメトリ（geometry）を除去する、または殆ど等しくすることにより求めることができる。別の構成として、ラインバイアスは、所定の衛星がベクトルＶAと９０度の角度をなす方向に位置するときに得られる測定値から求めることができる。それは、搬送波位相差がそうではないときに、ゼロになるはずのときである。
【００２２】
バイアスが安定であると仮定すると、ラインバイアスをルックアップメカニズムに取り入れることができる。しかしながら、温度変化及び経年変化に伴う部品公差はずれによって、ラインバイアスが不安定になる可能性があることにより、項ＢLを周期的に再計算する必要がある。従って、当該項を、周期的に再計算するのではなく、適切な複数の時点で計算し、そして方位計算または姿勢計算に個別に取り入れることができる。別の構成として、位相差測定値ペアの差分を算出することができ、これらのラインバイアス項は、二重位相差観測値を取ると相殺される。ＲＴＫ基線に対応する二重位相差観測値を処理して、それぞれの受信機の異なるクロックに関連するバイアスを除去する手法は、この技術分野では公知である。しかしながら、このシステムでは、二重差分法によって、同じ受信機のそれぞれのアンテナに関連するラインバイアスを除去できる。一方、計算を簡易化することができるかわりに、いくばくかのガウス雑音がこれらの計算に取り込まれる。
【００２３】
図２Ａ及び２Ｂは、本発明の例示的な実施形態による位相マップ及び／又はルックアップテーブル１２８を生成する手順のフローチャートである。当該手順は、開始ステップ２０２から始まり、そしてステップ２０４に進み、このステップ２０４では、図１に示すように、受信機に、既知の短い距離ｄだけ離間して配置される第１アンテナ１０２及び第２アンテナ１０４を含むアンテナ構造を設ける。ステップ２０６に従って、受信機、更に精確には、アンテナ構造は、綺麗に見渡せる空に対して既知の姿勢で、既知の位置に配置される。次に、受信機は、視野内のＧＮＳＳ衛星からの信号を追跡し、そしてブロードキャストデータ及び／又は他の情報を利用して、それぞれの衛星の位置を求める。当該システムは次に、ステップ２０８で、これらのアンテナの位相中心の間を延びるベクトルＶAに対するＧＮＳＳ衛星信号の入射角または到来角を求める。当該システムは次に、ステップ２１０で、予測位相差を、これらの到来角、及びこれらのアンテナの既知の間隔に基づいて算出する。
【００２４】
更に詳細には、ＧＮＳＳ衛星のこれらの位置座標は、衛星信号ブロードキャストデータ、関連する暦データなどから判明する。当該システムは、入射角θを、これらの衛星及びこれらのアンテナの幾何学的配置から求める。例えば、当該システムは、式１のｃｏｓφ項を、式２を使用して、これらのアンテナの既知の位置、及び姿勢、及び衛星の位置座標に基づいて求める。算出入射角、これらのＧＮＳＳ衛星搬送波信号の既知の波長、これらのアンテナ位相中心の間の既知の距離、及び上述のように、例えば複数の衛星からの信号に基づいて導出されるバイアス項を使用して、当該システムは、予測搬送波位相差を算出する。この例では、当該システムは式１を利用する。
【００２５】
次に、ステップ２１２では、受信機は、これらのＧＮＳＳ衛星信号の搬送波位相をそれぞれのアンテナで測定する。これらのアンテナがＧＮＳＳ衛星搬送波信号の１波長よりも長い距離だけ離間している場合、当該システムは、搬送波位相整数アンビギュイティを、測定搬送波位相差の計算の一部として決定する必要がある。従って、当該システムは、既知の短基線ＲＴＫ演算を利用して、位相整数アンビギュイティを決定し、そして次に、測定位相差を、これらの測定値の減算を行なうことにより算出することができる。別の構成として、当該システムは、搬送波位相整数アンビギュイティを、他の公知の方法で決定することができる。
【００２６】
これらのアンテナが搬送波信号の１波長よりも短い距離だけ離間している場合、すなわち超短基線長だけ離間している場合、サイクル整数アンビギュイティの決定は、これらのアンビギュイティが、サイクルのロールオーバー（cycle rollover）に関連付けられる意味で殆ど自明である。サイクル整数アンビギュイティはこのように、これらのアンテナを極めて近接させることにより解決される。その理由は、ロールオーバーは、超短基線範囲内にあるときは唯一の解、及び超短基線範囲より外にあるときには容易に排除することができる種々の他の解を提供するからである。サイクルロールオーバーは、これらの衛星信号が特定の入射角のときに起こり得るので、当該システムは、サイクルのロールオーバーの補償を、特定の入射角に対応する当該システムの搬送波位相差演算にて実現することができ、そしてそれ以外の場合には、これらの測定搬送波位相角を直接用いて、姿勢を求めることができる。従って、搬送波位相整数アンビギュイティを決定するために通常、必要とされるＲＴＫ演算または他の演算は、超短基線構成に関しては行なう必要がないので、当該システムにおける演算は簡略化される。
【００２７】
ステップ２１４に従って、当該システムは、各搬送波位相差誤差を、これらの算出予測搬送波位相差を、これらの測定搬送波位相差から減算することにより算出する。
【００２８】
このようにして求めたこれらの搬送波位相差誤差をステップ２１６で記録する。ステップ２１８に示すように、当該プロセスを繰り返して、付加的なデータを収集する。付加的なデータは、受信機が１つの位置に、長時間に亘って、例えば２４時間に亘って留まることができるようにして、これらのＧＮＳＳ衛星が、空中におけるこれらの衛星のそれぞれの位置を通って移動するようにすることにより収集することができる。選択時刻または選択位置において、搬送波位相測定値を取得し、そして測定搬送波位相差を求め、到来角及び予測搬送波位相差を算出し、そして位相差誤差を記録して、テーブルに入力する。
【００２９】
別の構成として、データを、より短い周期で取得しようとする場合、当該データは、アンテナ構造を特定の角度間隔で物理的に回転させ、そしてこれらの測定搬送波位相差を取得するステップ、それぞれのアンテナの姿勢での到来角及び予測搬送波位相差を算出するステップ、及び関連する位相誤差を求めるステップなどを行なうことにより収集することができる。
【００３０】
ステップ２２０に示すように、位相誤差データを更に、テーブルグリッド要素に分類する。ステップ２２２では、典型値（average）を、各テーブルグリッド要素に対応する各データセットについて求める。ステップ２２４に従って、当該典型値を各グリッドセル要素に格納することにより、当該テーブルを性能指数（figures of merit）で埋める。いずれの空のセルも、ステップ２２６に示すように、データを隣接セルとの間で補間することにより埋めることができる。当該手順は、ステップ２２８で終了し、そして位相マップ／テーブル１２８がこのようにして形成される。この技術分野の当業者であれば理解することができることであるが、他の性能指数、例えば算出誤差値の平均値（mean）、または共通入射角での位相差誤差値の分散に関連する他の値の平均値を、上記典型値の代わりに、または上記典型値に追加して用いることができる。別の構成として、または更に、これらの性能指数は、これらの値に対応する重みを含むことができる。例えば、分散が比較的大きい場合の入射角に関連する値に対する重みを減らすことにより、そして／または重みの比例修正を、関連する値がどの程度広く分散しているかに応じて実行することにより、確実に、より広い分散に関連する値が計算に及ぼす影響を、より狭い分散に関連する値よりも小さくすることができる。図３は、搬送波位相差誤差が極座標形式で表わされる位相マップ１２８を示している。
【００３１】
上に述べたように、これらの予測位相差は、移動局アンテナの既知の位置、及び姿勢、及びＧＮＳＳ衛星の既知の位置座標を用いて算出される到来角を用いて算出される。次に、搬送波位相差誤差は、予測搬送波位相差を、測定搬送波位相差から減算することにより取得される。これらの搬送波位相差誤差は、種々の到来角に対応して記録され、そしてこれらのステップは、図３に示すように、測定値がテーブルインデックスセルの殆どに関して収集されるまで繰り返される。例えば、種々のセットのデータが平均化されるか、またはそれ以外には、種々のセットのデータを操作して性能指標を、それぞれのグリッドセル要素に対応する位相差誤差値に関して取得する。ルックアップテーブルを更に、これらの性能指標から作成する。データの無いグリッドセルが存在する場合、その値は、有効データを含む隣接セルの間で補間を行なう、または有効データを含む隣接セルを用いて補間を行なうことにより算出することができる。
【００３２】
本発明の別の実施形態によれば、位相マップ／テーブル１２８は、ＲＦ信号発生装置（図示せず）からの到来信号を使用して生成することができる。アンテナ構造は従って、ＲＦ信号源に対して既知の距離、及び姿勢で配置され、そして受信ＲＦ信号に対するこれらのアンテナでの位相差が測定される。これらの予測位相差は、ベクトルＶAに対するこれらのＲＦ信号の入射角に基づいて算出される。次に、アンテナの姿勢を所定量だけ回転させる、またはＲＦ信号発生装置を所定の角度だけ移動させ、そして測定位相差及び予測位相差を求めるなどである。
【００３３】
いずれの位相マップ／テーブル生成方法においても、すなわちＧＮＳＳ衛星信号またはＲＦ信号発生装置からの信号を使用するいずれの位相マップ／テーブル生成方法においても、マップ／テーブルのグリッドサイズは、これらの測定位相差誤差の勾配に比例することが好ましい。更に詳細には、勾配が大きくなるにつれて、テーブルをより密にする必要がある。逆に、位相差誤差が測定空間において極めて緩やかに変化する場合、より疎なテーブルを使用することができる。グリッド間隔を決定する際の別の考察事項は、予測されるユーザ精度要求である。位相測定精度に対する要求が強い場合、より密なグリッドがテーブルに必要となる。特に、隣接するグリッドセル間の誤差値の変化は、ユーザ要求精度よりもずっと小さくする（例えば、要求精度の１／２または１／４）必要がある。
【００３４】
別の構成として、または更に、数学モデルを使用して位相補正量を表わすことができる。従って、これらの計算値を使用して、例えば球面調和モデル化に関連する技術を使用するモデルを作成する。同様に、１つのモデルを、これらの性能指数に対応して定めることもできる。動作状態では、本発明の方法により生成されるテーブルは、図４Ａ及び４Ｂのフローチャートを参照しながら説明される手順において使用することができる。これらのステップは、これらのアンテナを、ＧＮＳＳ搬送波の１波長よりも長い距離だけ離した、例えば１メートルまたは１／２メートルだけ離したアンテナ構造を使用して行なわれる。
【００３５】
当該手順は、開始ステップ４０２から始まり、そしてステップ４０４に進み、このステップ４０４では、２つのＧＮＳＳ信号アンテナを剛性フレームに、固定距離ｄだけ離して取り付ける。ステップ４０６に従って、２つのアンテナは共通ＧＮＳＳ搬送波信号を同時に追跡し、そして受信機は、当該受信機の位置を、一方の、または両方のアンテナからの信号を使用して、公知の方法で求める。当該システムは更に、ＧＮＳＳ衛星の位置座標をブロードキャストデータ及び／又は他の公知の手段に基づいて求める。次に、当該受信機は、これらの搬送波位相角を２つのアンテナで、かつ周期間隔で測定する（ステップ４０８）。
【００３６】
ステップ４１０では、当該システムは、ペアの搬送波位相測定値の減算を行なって、測定のまたは生の搬送波位相差を算出する。必要に応じて、当該システムは次に、搬送波位相整数アンビギュイティを、これらの搬送波位相測定値を使用して公知の短基線ＲＴＫ処理演算で決定し、そして２つのアンテナに対応する測定搬送波位相を求める。これらの生の位相差を使用して、当該受信機は、ステップ４１２に示すように、これらのアンテナの近似姿勢を公知の方法で、例えば式１を使用して算出する。ステップ４１４に示すように、当該システムは、上に説明した通りに求めたＧＮＳＳ衛星の位置を使用して、これらのアンテナの算出姿勢に対するこれらのＧＮＳＳ衛星信号の到来角を算出する。次に、当該システムは、この到来角を使用して位相マップまたはルックアップテーブルに入力し、そして位相差誤差補正量を取り出す。
【００３７】
当該システムは、ステップ４１６に示すように、テーブルから取り出した位相差誤差補正量を使用して、生の位相差測定値を調整することにより、マルチパス信号または他の局所的なＲＦ（高周波）効果により生じる位相歪みを補正する。この例では、取り出した値を、当該姿勢を算出するために使用される位相差値と組み合わせる。バイアス項をテーブルに取り込まない状態、または二重差分法を用いない状態のいずれかを仮定すると、必要に応じて、算出ラインバイアス項を更に、調整に取り入れる。次に、当該システムは、ステップ４１８に示すように、これらのアンテナの姿勢を、補正後のこれらの位相差値を使用して算出し直す。判定ステップ４２０では、これらのアンテナについてより早期に算出された姿勢と、これらのアンテナの補正姿勢との差が、テーブルのインデックス区間値またはマップのグリッドサイズよりも大きいかどうかについてチェックする。インデックス区間値またはグリッドサイズよりも大きい場合、ステップ４１４〜４２０を、補正姿勢を使用して繰り返すことにより、更新到来角などを求め、そしてこれらの繰り返しを、補正姿勢の変化が十分小さくなるまで継続する。当該手順はステップ４２２に進み、このステップ４２２では、補正姿勢をこれらのアンテナの実際の姿勢として使用し、そして当該手順はステップ４２４で終了する。
【００３８】
これらのアンテナ１０２と１０４との間の既知の距離ｄは、注目するＧＮＳＳ衛星信号の１波長よりも短くすることができるので、搬送波位相整数アンビギュイティは、ほとんど難なく決定することができ、従って、複雑なＲＴＫ（リアルタイムキネマティック）測位法は必要ではない。むしろサイクルのロールオーバーを必要に応じて考慮に入れながら、これらの測定搬送波位相角を直接用いて、生の位相差を求める。ステップ４０８は従って、簡略化される。しかしながら、これらのアンテナの間隔が更に短くなると、更に大きなクロストークがこれらのアンテナの間で発生する。クロストーク信号は、クロストークによって、これらのアンテナ位相中心が互いの方にずれて見えるので、搬送波位相角差の算出に悪影響を及ぼす。実際、或る間隔になると、２つのアンテナからは、信号が同じに「見える」ので、１本のアンテナとして動作しようとする。ルックアップメカニズム１２８は、それぞれのアンテナにおけるマルチパス信号による悪影響を補正し、そして必要に応じて、受信機動作に関連するラインバイアスによる悪影響を補正する他に、これらのアンテナにおけるＧＮＳＳ衛星信号の到来角に関連する搬送波位相歪みの補正を行なうことによりクロストークを補正するように動作する。このように、当該システムは、これらのアンテナの各アンテナに対応する個々の搬送波位相測定誤差を求める必要はない。
【００３９】
図５は、方位または姿勢を、位相マップまたはテーブル１２８を使用して求めた場合の結果、及び方位または姿勢を、位相マップまたはテーブル１２８を使用しないで求めた結果を示している。曲線５０２は、位相マップまたはテーブル１２８を使用しない場合の方位誤差を角度で示している。曲線５０４は、位相マップまたはテーブル１２８を、これらの計算に使用する場合の方位誤差を角度で示している。図から分かるように、位相マップを使用することにより、方位誤差をゼロ度近くまで低減することができ、そして更に、これらの誤差を、ゼロ度の近傍の微小範囲に収まるように安定させることができる。
【００４０】
別の構成として、または更に、これらの受信機は、データ収集／処理センター（図示せず）を含むシステム内で動作することができ、そしてこれらの受信機は、搬送波位相角測定データを当該処理センターに送信して、位置及び／又は姿勢を求めることができる。このように、これらの受信機は、測定データを処理する必要がないので、複雑さが低減される。このようなシステムでは、当該処理センターは、これらの搬送波位相角測定値を収集し、そして当該データをバッチ処理して、どの搬送波位相角測定値が妥当であるかを、"METHOD FOR POSITIONING USING GPS IN A RESTRICTIVE COVERAGE ENVIRONMENT"（ＧＰＳを限定された受け持ち領域内で使用して測位する方法）と題し、本出願の譲受人と同じ出願人に譲渡され、かつ本明細書において参照されることにより内容全体が本明細書に組み込まれることになる本出願と同時係属中の米国特許出願公開公報第２００６／００１２５１６号に開示される方法で判断することができる。従って、当該システムは、妥当な搬送波位相角測定値のみを使用して姿勢を算出する。
【００４１】
別の構成として、または更に、このようなシステム内の受信機は簡略化することができるが、その理由は、搬送波位相整数アンビギュイティを必要に応じて短基線構成に関して決定するためにプロセッサに負荷がかかるＲＴＫ処理を、データ収集／処理センターにおいて、位置及び／又は姿勢情報が当該センターから受信機に提供される状態で行なうことができるからである。既に説明したように、ＲＴＫ処理は、超短基線構成の場合は必要ではない。
【００４２】
別の構成として、当該システムは、これらのアンテナの姿勢を、各測定搬送波位相差データセットが収集された状態で算出することができる。このような動作は、これらのアンテナが、移動輸送手段に設置される場合に有効である。これらのアンテナが搬送波の１波長よりも短い距離だけ離間している状態では、搬送波位相整数アンビギュイティの解法は、上に説明したように、サイクルのロールオーバーの補償に簡略化され、そして複雑なＲＴＫ（リアルタイムキネマティック）測位法は、姿勢を求めるためには必要ではないので、当該処理は、複雑さが大幅に低減され、かつ所要時間が大幅に短くなる。
【００４３】
当該システムは、２つよりも多くのアンテナから成るアレイを利用し、そして位相マップ、ルックアップテーブル、及び／又は数学モデルを、全ての、または選択されたアンテナペアに対応して、上に説明した方法で生成することができる。従って、当該システムは、全ての、または選択されたアンテナペアを利用して、当該アレイの３次元姿勢を、２次元に関して上に説明した方法と同様の方法で求める。
【００４４】
別の構成として、または更に、当該アレイのピッチ角及びヨー角は、例えば「"Apparatus and Method for Determining Pitch and Azimuth From Satellite Signals"（ピッチ角及び方位角を衛星信号から求める装置及び方法）」と題し、本明細書において参照されることにより内容全体が本明細書に組み込まれることになる米国特許第６，２１１，８２１Ｂ１号に記載される方法で求めることができる。しかしながら、搬送波位相整数アンビギュイティの解法は、上に説明したように、超短基線に関するサイクルのロールオーバーの補償として扱われる。本発明は、２つ以上のアンテナから成るアンテナアレイの姿勢を、位相差誤差ルックアップテーブル、マップ、及び／又は数学モデル、すなわち本発明に従って生成されるルックアップメカニズムを使用して求める有利な方法及びシステムを提供していることを理解されたい。デュアルアンテナアレイのこれらのアンテナは、距離ｄだけ離間させているが、２つよりも多くのアンテナを有するこれらのアレイアンテナは、これらのアンテナの隣接アンテナの各隣接アンテナから等距離だけ離間させる必要はない。
【００４５】
これまでの説明は、本発明の特定の実施形態に関して行なわれてきた。しかしながら、プロセッサのようなシステム構成要素を組み合わせる、またはこれらのシステム構成要素を分離して更に別の構成要素とする、処理ステップの特定のステップまたは全てのステップをソフトウェア、ハードウェア、またはファームウェアで実行する、ステップを異なる順番で実行するなどのように、他の変形及び変更を記載の実施形態に加えることにより、このような変形及び変更の利点の幾つか、または全てを達成することができる。従って、本記述は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。従って、添付の請求項の目的は、全てのこのような変形及び変更を、これらの変形及び変更が本発明の思想及び範囲に含まれるものとして包含することにある。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【国際調査報告】
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