【誤訳訂正書】
【提出日】平成24年1月30日(2012.1.30)
【誤訳訂正１】
【訂正対象書類名】明細書
【訂正対象項目名】全文
【訂正方法】変更
【訂正の内容】
【発明の詳細な説明】
【発明の名称】アンテナアレーの向きを決定するための方法
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１による衛星位置決めシステムのためのアンテナアレーの向きを決定するための方法、および、請求項１２によるコンピュータプログラム製品に関する。
【背景技術】
【０００２】
衛星支援位置決め方式による位置または向きの決定において、衛星からの信号はアンテ ナあるいは受信器により受信され、その信号から、アンテナの位置が決定できる。これらのアンテナが車両などに搭載されたとき、この車両の位置が、決定できる。複数のアンテナの使用によって、それらの位置および車両の方向などの別の情報を得ることができる。既知の幾何学的配置を有する少なくとも３つのアンテナを使用することにより、これらのアンテナが一直線上に配置されておらず、２つのアンテナ間の接続線がそれぞれ１つの基線を定義する場合に原理的に見て最終的に可能になるのは、車両の３次元的な方向を決定することである。しかし、追加のアンテナがシステムに冗長性と更なる確実さを付加するので、一般に、４つのアンテナを有するアレーが使用される。受信した信号の搬送波の波長の範囲で十分に精密な位置の決定を実行するために、位相シフトだけがアンテナによって検出されるので、位相曖昧さが解消されなければならない。この位相曖昧さの解消は、更なるアンテナの使用によって改善する、あるいは促進することができる。
【０００３】
一般に、少なくとも４つの衛星はからの信号は少なくとも３つのアンテナによって受信されるので、結合の問題が生じる。結合の問題を解決するために、最少二乗法あるいは統計的な方法などにより、全部の可能な解から最適解を選択することができる方法が使用される。しかし、調査されるべき解決の総数は一般に非常に大きく、特に動的用途の場合に、そのような結合の問題を解くためには多くの計算コストを要するため、使用するアルゴリズムを効率的に構成しなければならない。したがって、利用可能な情報を副次的な条件ないし制約として使用して調査すべき解の総数を制限して、可能な解の集合から徐々に候補を消去し、残った解によって上記の位置ないしは方向を決定することに関心が向けられるのである。
【０００４】
調査すべき候補の総数を制限するのに適した選択肢は、例えば、アンテナの既知の幾何学的な配置などの既知の情報から、または例えば水平面を基準にした車両の傾きに対する最大限度などの妥当性についての前提条件から、制限を導出することである。
【０００５】
位相の曖昧さを解消するための方法は、例えば、Euler, H.-J.の"ＧＰＳ姿勢決定、改善された結果を得る補助情報を利用すること"、第３回国際ワークショップ"高精度ナビゲーション"3-5 April 1995, Stuttgart、そして、Euler, H.-J., Hill, Craig D."姿勢決定：最適の曖昧さの解消のためのすべての情報の利用" ION GPS 95, 12-15 September 1995, Palm Springs, California。
【０００６】
これらの出版物において、既知情報の最適の利用のために、地表面座標、すなわち、ローカル座標系が使用される。上記の解空間の評価ないしは制限では、２つずつのアンテナ間の幾何学形状、殊にその間隔および高さの違いが考慮されるが、空間における基線の方向の計算は複雑なままである。
【０００７】
上記の解空間を連続して制限するために適したアプローチは、つぎの刊行物に開示されている。例えば、Hill, Craig D., Euler, H.-J.の"姿勢決定のための最適の曖昧さ解消技術"、Proceedings of the 1996 IEEE Position Location and Navigation Symposium, PLANS, Atlanta, GA, USA, pages 263-269。
【０００８】
従来の基線方式は、１階の差分式に対して線形化を行った式のつぎの系に基づいている。
【数１】
2008528957.tif 000001
ここで、
ΔΦi12 は、衛星ｉに対する基地１と２の観察された１階の差分であり、
ｄｔは、受信クロックの差異であり、
ｘijは、衛星ｉを指し示す単位ベクトルのｊ番目の成分であり、
λは、搬送位相の波長であり、
ｄｘjは、第２のアンテナの未知の位置ベクトルのｊ番目の成分であり、
Ｎiは、衛星ｉに対応する１階差分の整数位相曖昧さである。
【０００９】
上記の位相曖昧さが解かれるないしは決定される場合、４つの式からなる上記の系により、２つのアンテナの位相中心の相対的な位置が得られる。続いて、それぞれの座標は、基線の向きに変換させられ、アンテナアレーの向きから、それに関連する本体の向きを得ることができる。基線長の半径を有する球内にあり、上記の相対座標に対する解を与えるそれぞれの整数位相曖昧さは、上記の正しい解に対する候補である。さらに、最小の偏差を有する基線の長さの既知の長さの組合せが再形成される。
【００１０】
十分な数の測定が可能であれば、位相の曖昧さは、最小二乗法あるいは整数最適化法あるいは混合整数最適化法により、解消される。
【００１１】
候補の除去による解の空間の連続的な限定のための１つのアプローチは、アンテナアレーの幾何学配列についての情報の前述の使用に基づいている。
【００１２】
地表面基準系では、基線のベクトルは、数式２により記述することができる：
【数２】
2008528957.tif 000002
ここで、ｅ、ｎ、ｕ は、それぞれ、基線の東、北、高さの成分である。
【００１３】
一般に、アンテナＡ１とＡ２の間を結ぶ基線に対する１階の差分観測方程式は、以下の数式３のように記述される：
【数３】
2008528957.tif 000003
ここで、
ΔLiλLiφ01Snは、例えばＧＰＳシステムの周波数Ｌ１またはＬ２の周波数Ｌｉの位相測定搬送波およびアンテナＡ０とＡ１の間の衛星Ｓｎに対する一階の差分であり、
ｅ01、n01、ｕ01は、アンテナＡ０とＡ１の間の基線の東、北、高さ成分であり、
ｅSn／ρ0Sn、ｎSn／ρ0Sn、ｕSn／ρ0Snは、衛星Ｓｎへの地表面単位ベクトルであり、
Liλは、周波数Ｌｉの波長であり、
LiＮ01Snは、衛星Ｓｎと周波数Ｌｉに対する一階の差分式の搬送周波数の位相曖昧さであり、
ｃは、真空中の光の速さであり、
Liｔc01は、周波数LiおよびアンテナA1とA0との間の基線に対する受信器クロックの時間差分である。
【００１４】
衛星への測定の十分な数、例えば、好ましい構成として４つの衛星、および、位相の曖昧さに対する適した値の選択により、基線の東、北および高さの成分を計算することができる。
【００１５】
解の空間を限定するために、アンテナアレーの幾何学的配列についての情報あるいは妥当な仮定を用いることが可能である。例えば、基線の長さを知り、車輌とそれとともに関連するアンテナアレーの最大傾斜を制限することができる。
【００１６】
このように、高さの成分は、以下の数式４の不等式を満たす：
【数４】
2008528957.tif 000004
【００１７】
基線の水平方向の成分は、以下の数式５による：
【数５】
2008528957.tif 000005
ここで、γmaxは、水平方向に対する傾斜の最大許容角度である。例えば値１５度に対しては：
u = (b2- e2 - n2)1/2 ≦ b・sin(15°) ≒ b・0.2588
b ≧ (e2 + n2 )1/2≧ b・cos(15°) ≒ b・0.9659。
【００１８】
これらの長さおよび傾斜の制限によって、最大許容傾斜を超える基線の候補を外すことが可能となり、正しい解のための可能な候補の数が、このように減らすことができる。制限のもう一つの例は、４つ以上の衛星に対する、または複数の搬送周波数に対する測定による変動の計算である。候補の値が変動の対応する範囲を超えると、除去が実行される。
【００１９】
ただ１つの基線を決定することにより、１つの自由度が不定になることができるため、一般に、例えばアンテナＡ０とＡ２の間に第２あるいは副次的な基線を常に決定しなければならない。その基線により、第１あるいは主基線の周りの回転自由度が規定される。
【００２０】
考えられるアプローチは、位相の曖昧さの解消を可能にする候補の第１のセットを表す第１の基線をまず計算することである。場合によっては、第１の基線に対してこれらの候補を計算する間にすでに上記の制限を考慮することもでき、これによって上記のセットが、すでにあらかじめ選択済みの候補から構成されるようにする。
【００２１】
除去されなかった候補に対し、所属の第２の基線に対する解を計算する。これらの解は、第１のセットの候補に対応する第２のセットを構成する。ここでは第１と第２の基線のためのこれらの解は、共通のアンテナ（基線Ａ０−Ａ１とＡ０−Ａ２に対するアンテナＡ０）によって関連付けられて対応付けられる。しかしながら基本的には二つの分離された一対のアンテナの基線を計算することも可能である。この場合にこの対応付けは、アンテナアレーの幾何学的配列の知識によって行われる。
【００２２】
第２の基線の計算された解に対し、これらのために適用できる制限に基づいて、除去が再度実行される。第１の基線の候補に対し、対応する第２の基線のすべての解が除去される場合、上記の第１の基線に対する候補も第１のセットから除去することができる。
【００２３】
位相の曖昧さを正しく決定するために、除去が実行される前に、これらの基線に対して比較的大きな数の解を決定することが必要である。しかしながらこれらの解を形成するためには、位相の曖昧さを解消する速度、したがって向きを決定する速度に影響を及ぼす計算コストが要求される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
本発明の目的は、互いに関連する基線の解の改善された計算を可能にする方法を提供することである。
【００２５】
更なる目的は、位相の曖昧さのより速い解消を可能にすることである。
【００２６】
速度を同じに保ったままで、位相の曖昧さの解消の複雑さを増大させることないしは精度を改善できるようにすることが別の課題である。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
これらの目的は、本発明の請求項１の特徴によって達成され、従属の請求項の特徴または解決法によって更に発展される。
【００２８】
本発明は、第２の基線の解の計算が改善された、衛星支援位置決めシステムのためのアンテナアレーの向きを決定するための方法に関連している。
【００２９】
従来技術の方法において、基線のための解は、互いに独立して決定され、制限に基づいて除去される。適した制限は、アンテナアレーの幾何学的配列から知られている基線間の角度である。この制限を満足しない一対の基線は、可能な解のセットから除去される。しかし、このアプローチのために、基線のすべての解は、互いに独立して生成され、そして関連付けられる必要がある。
【００３０】
しかし、アンテナアレーの既知の幾何学配列に基づいて、第１の基線および更なる基線を互いに関連させることができる。特に、軸線としての第１の基線の周りの第２の基線の回転として、第１の基線に対する第２の基線の位置の回転自由度を、角度によって表すことが可能である。従って、この相対的な位置は、ただ１つの未知のパラメータによって表され、ここで上記の２つの基線の長さおよび開き角度は既知である。
【００３１】
アンテナＡ０とＡ２の間を結ぶ第２の基線の東、北および高さの成分は、以下の数式６で与えられる：
【数６】
2008528957.tif 000006
ここで、
ｅ01, n01, u01は、アンテナＡ０とＡ１とを結ぶ第１の基線の東、北、高さの成分であり、
ｅ02, n02, u02は、アンテナＡ０とＡ２とを結ぶ第２の基線の東、北、高さの成分であり、
βは、第１の基線の周りの第２の基線の回転自由度あるいは回転をパラメータとして表す角度であり、
α012は、第１の基線と第２の基線の間の角度である。
【００３２】
未知の角度βに対して範囲が決定され、この範囲内で所属の第２の基線に対する解が候補毎に生成される。すなわち、上記のパラメータによる表現は、既存の解から選択する際に上記の値の範囲を制限するために行われるのではなく、本発明では、候補を生成する際に使用されるのであり、後の段階になってこれらの候補に対してはじめて制限および選択法が適用されるである。解を生成の際には上記のパラメータの許容される値の範囲をあらかじめ設定することによって上記の自由度を制限することができる。制限を行わずに生成して後で選択するのではなく、あらかじめ候補を制限することによって生成することにより、後続のステップにおいて候補の数が低減される。
【００３３】
格段に少ない数の解を分析すればよいので、角度βに対応する空間における検索は、位相の曖昧さの解の空間における検索よりも有利である。例えば、＋／−ｎの期間の検索窓は（２ｎ＋１）3個の解の計算と分析を必要とし、＋／−１５の期間に対しては２９７９１本の基線になる。これに対し、角度の空間の検索には、（２ｎ＋１）の基線の計算が必要となり、したがって０．５度のステップの分割した場合＋／−１５度の範囲に対し、６１個だけ解が生成される。
【００３４】
従って、第２の基線の考えられる向きと第１の基線とを結び付ける本発明の方法は、これらの基線が互いに独立して求められる従来技術の方法に比べて有利である。この連結は、アンテナアレーの既知の幾何学的関係を簡単に利用することができる地表面参照システムにおいて上記の基準線を式で表すことによって容易になる。例えばこれにより、第１の基線を中心とした第２の基線回転の角度の定義ないしは関係づけを行うことができる。
【００３５】
本発明による、第２の基線の解の生成は、方法ステップの上述の順序に限定されない。特に、除去のステップは別の順序で行うこともできる。従って、例えば、制限の導入の順序は、変更可能に構成することができる。したがって第２の基線に基づく候補の除去による検索セクタの限定は基本的に、例えば、第１の基線の候補に対する傾斜の制限を利用する前に実行することも可能である。しかしながら上記の順序は、除去過程ないし計算コストの効率によってあらかじめ設定されることが多い。
【００３６】
図１には、車輌２の上の衛星支援位置決めシステム用に４つのアンテナ１を備えるアンテナアレーの組立が図示されている。この例では、取付けは車輌２の屋根に行われる。アンテナ１と車輌２とは固定に対応付けられているため、車輌２の向きはアンテナアレーの向きから得ることができる。
【００３７】
図２は、アンテナアレーの４つのアンテナＡ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３とそれにより定義される基線との間の幾何学的な関係を示す。アンテナＡ０とＡ１の間の接続線が第１の基線Ｓ０１として選ばれたとすると、一方のアンテナＡ０とＡ２および他方のＡ０とＡ３の間の接続線は、第２の基線Ｓ０２、Ｓ０３を定義する。
【００３８】
図３ないしは５に説明されているのは、許容される解に対して検索空間を連続して制限することである。
【００３９】
図３は、位相の曖昧さを分離して解消するための制限がまだ行われていない検索空間を示している。これらの解は、衛星支援位置決めシステムの衛星に対する仮の距離を解決するために、おおよその位置の周りに位置決めされており、各空間の横方向の区分間の間隔はそれぞれ２ｍである。十字は、位相の曖昧さに対する異なる組合せを示しており、これらの組み合わせは、分析すべき候補を表している。この例では、図３の検索空間には、４９１３個の許容解が含まれている。
【００４０】
２本のアンテナ間の間隔の情報により、第１の基線は定義され、満たすべき第２の条件として、許容解のセクタを減らす制限が、規定される。図４に示されるように、この情報の使用の後で、まだ１１７個の潜在的な候補を有している。
【００４１】
別の制限を導入することにより、図５に示したように許容解の空間が制限される。水平面に対する最大傾斜を規定することにより、この例の候補の数は、６６に減少する。さらにこの数を減少させるために、さらなる制限を加える必要がある。１つの可能性は、さらに別の第２の基線を考慮に入れることである。
【００４２】
第１の基線と結びつけてこれらの第２の基線を計算するための本発明によるモデルは、図６に示されている。第１の基線Ｓ０１の端点はアンテナＡ０とＡ１により決定され、第２の基線Ｓ０ｘの端点はアンテナＡ０とＡｘにより決定されている。アンテナアレーの幾何学的配列の情報から、この第１の基線Ｓ０１と第２の基線Ｓ０ｘ間の幾何学的な角度のα01xを得ることができる。自由度として残っているのは、軸として機能する第１の基線S０１を中心とした第２の基線の回転、したがって回転自由度である。この回転は、角度βによってパラメータとして表される。本発明によると、第２の基線Ｓ０ｘは、離散のステップで角度を変更することにより計算され、２つの基線を決定するために同様に利用されるアンテナＡ０により、共通の１つの点が形成される。この共通点と幾何学的な角度α01xの情報により、２つの基線が互いに関連付けられる。生成された第２の基線Ｓ０ｘに対し、ここでも複数の制限を導出し、これらの制限によって解が除去され、検索空間がさらに制限される。
【００４３】
この実施例は、考えられるアンテナアレーの例だけを示しており、したがって、限定的、制限でないとして理解される。さらに、当業者は、本発明による方法に適した更なるアンテナ、例えば複数の平面あるいは他の幾何学的な形状の配置によるアンテナを得ることができる。さらに、この方法のステップは、検索セクタの限定の順序が別の方法で実行されるように、結合されるか、または統合することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】４つのアンテナを備えるアンテナアレーの例を示す。
【図２】４つのアンテナを備えるアンテナアレーの基線の概略図を示す。
【図３】検索空間の限定の概略図を示す。
【図４】検索空間の限定の概略図を示す。
【図５】検索空間の限定の概略図を示す。
【図６】第１と第２の基線間の幾何学的関係の概略図を示す。
【誤訳訂正２】
【訂正対象書類名】特許請求の範囲
【訂正対象項目名】全文
【訂正方法】変更
【訂正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
衛星支援位置決めシステムの信号を受信するための少なくとも３つのアンテナ（１、Ａ１、Ａ０、Ａ２、Ａ３）を備え、前記の信号の位相曖昧さを解消することによってアンテナアレーの向きを決定するための方法であって、
有利にはあらかじめ行われた測定によってアンテナ装置の幾何学形状が既知であり、
第１のアンテナ（Ａ０）と第２のアンテナ（Ａ１）との間を接続する線によって第１の基線（Ｓ０１）が定められており、
第１のアンテナ（Ａ０）と、別のアンテナ（Ａｘ）との間を接続する線によって第２の基線（Ｓ０ｘ）が定められており、
前記の第１の基線に対し前記の位相曖昧さを解消するための候補を計算し、当該の候補と、前記の第２の基線を解消するためのそれぞれ候補とを対応付ける、方法において、
前記の解を形成する際、第１の基線（Ｓ０１）の周りの前記の第２の基線（Ｓ０ｘ）の回転の自由度をただ１つのパラメータによって表すことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記の解を生成する際、前記のパラメータの許容範囲をあらかじめ設定することによって制限する、
請求項１に記載の方法。
【請求項３】
上記位相曖昧さの解消には：
第１の基線（Ｓ０１）に対する位相曖昧さの解消するための候補の第１のセットを計算するステップと、
当該の第１のセットから、第１の制限を満足しない少なくとも一つの候補を除去するステップと、
関連する解のセットを生成するステップと、
当該の関連する解のセットから、第２の制限を満足しない少なくとも一つの候補の除去するステップと、
前記第１のセットから、前記関連するセットが解を含まない候補を取り除くステップと、
前記第１のセットと前記関連するセットとから、上記アンテナアレーの向きを導くステップとを有することを特徴とする、請求項１あるいは２記載の方法。
【請求項４】
前記第１の基線（Ｓ０１）の周りの上記第２の基線（Ｓ０ｘ）の回転の自由度が、式
【数１】
2008528957.tif 000007
によって表され、
ここで、
ｅ01、ｎ01、ｕ01は第１の基線（Ｓ０１）の東、北および高さの成分であり、
ｅ0x、ｎ0x、ｕ0xは第２の基線（Ｓ０ｘ）の東、北および高さの成分であり、
βは回転の自由度を規定するための角度であり、
α01xは第１の基線（Ｓ０１）と第２の基線（Ｓ０ｘ）との間の角度であることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
前記解を生成する際、第１の基線（Ｓ０１）の周りの第２の基線（Ｓ０ｘ）の回転の自由度が、角度βによって表されることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
前記関連するセットを生成する際、水平面に対する前記角度βの許容値範囲が、例えば＋／−１５度以下の範囲に限定されることを特徴とする、請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記関連するセットを生成する際、前記の角度βの離散値に対する解を特に値の増分によって生成することを特徴とする、請求項５または６記載の方法。
【請求項８】
前記角度βの離散値が、０．５度の間隔を有することを特徴とする、請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記解を生成する際、第２の制限として前記角度βの角度範囲を制限することを特徴とする、請求項５から８までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１０】
第１の制限として、
前記第１の基線（Ｓ０１）の長さ、
水平面に対する前記第１の基線（Ｓ０１）の傾斜角
の量のうちの少なくとも一つを選択することを特徴とする、請求項１から９までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１１】
第２の制限として、前記第２の基線（Ｓ０ｘ）の長さを選択することを特徴とする、請求項１から１０までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１２】
前記第２の基線（Ｓ０ｘ）に対する解の関連するセットを生成する際、前記第２の基線（Ｓ０ｘ）が上記関連するセットに既に存在しているか否かを決定するテストを実行することを特徴とする、請求項１から１１までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１３】
請求項１から１２のいずれか記載の方法を実行するための、データ媒体上の記録として、あるいは、データ信号の形式のコンピュータプログラム製品。