(57)【要約】  本発明は、慣性装置と衛星測位受信機とのハイブリッド化システムから得られる位置および速度情報の完全性の監視に関する。本発明は、より詳細には、閉ループにおいてハイブリッド化したＩＮＳ／ＧＮＳＳシステム（「慣性航法システム」および「全地球的航法衛星システム」を表す）として当業者に知られる航法装置に関する。【選択図】      図２
2010506156.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハイブリッドシステムであって：
−気圧高度ＭＢＡの測定値を供給する気圧計モジュールＢＡＲＯ（３０）と；
−角度増分Δθおよび速度増分ΔＶを供給する慣性測定ユニットＵＭＩ（２０）と；
−前記角度増分Δθおよび前記速度増分ΔＶを受信するとともに、ハイブリッド位置およびハイブリッド速度をそれぞれ構成する慣性位置および速度フィックスＰＰＶＩを生成する仮想プラットフォームＰＦＶ（６０）と；
−Ｎ個の被追跡可視衛星群に基づいて動作するとともに、これらの衛星により送信された信号の生の測定値ＭＢｉ（ｉは衛星の指標を示し、１〜Ｎの値である）を生成する衛星測位受信機ＧＮＳＳ（１０）と；
−前記慣性位置および速度フィックスＰＰＶＩ、前記気圧高度ＭＢＡの測定値、ならびに前記Ｎ個の衛星により送信された前記信号の前記生の測定値ＭＢｉを受信するカルマンハイブリッド化フィルタＭＫＦ（４０）であって、前記フィルタは：
−前記慣性位置および速度フィックスＰＰＶＩと前記生の測定値ＭＢｉとの間の偏差を観測することにより得られる、前記ハイブリッドシステムの誤差に対応する状態ベクトルＶＥの推定を含むハイブリッド修正ＨＹＣ、および
−前記状態ベクトルＶＥの前記推定において生じた誤差の分散／共分散マトリクスＭＨＹＰ
を供給するカルマンハイブリッド化フィルタＭＫＦ（４０）と；
−前記慣性位置および速度フィックスＰＰＶＩ、前記気圧高度ＭＢＡの測定値、ならびに指標ｉの衛星を除く前記被追跡衛星により送信された前記信号の前記生の測定値ＭＢｉを各々受信するＮ個の二次フィルタＫＳＦｉ（５０ｉ）を含むバンクであって、前記二次フィルタＫＳＦｉは：
−前記慣性位置および速度フィックスＰＰＶＩと衛星ｉを除く前記被追跡衛星により送信された前記信号の前記生の測定値ＳＰＰｉとの間の偏差を観測することにより計算される、前記ハイブリッドシステムの誤差に対応する状態ベクトルＥＶＥｉの推定、および
−前記状態ベクトルＥＶＥｉの前記推定において生じた誤差の二次分散／共分散マトリクスＰｉ
を含むハイブリッドパラメータＳＨＹＰｉを供給するバンクと；
−前記ハイブリッドパラメータＳＨＹＰｉおよび前記分散／共分散マトリクスＭＨＹＰを受信し、前記ハイブリッド位置に関連する水平保護半径ＲＴを決定し、前記位置に関する前記状態ベクトルＥＶＥｉの前記推定の成分が検出閾値ＴＨｉよりも大きいときは、二次フィルタＫＳＦｉの故障について警報を発し、オプションで前記Ｎ個の被追跡可視衛星から故障した衛星を識別する計算モジュールＣＡＬ（７０）と；を備えるハイブリッドシステムにおいて、
前記二次フィルタＫＳＦｉおよび前記仮想プラットフォームＰＦＶがさらに、前記ハイブリッド修正ＨＹＣを受信することを特徴とする、ハイブリッドシステム。
【請求項２】
指標ｉの衛星が故障したことを前記計算モジュールＣＡＬ（７０）が識別する場合、前記二次フィルタＫＳＦｉ（５０ｉ）を前記カルマンフィルタＭＫＦ（４０）の代替に用いることを特徴とする、請求項１，０に記載のシステム。
【請求項３】
請求項１または２に記載のハイブリッドシステムの仮想プラットフォームＰＦＶ（６０）により供給されるハイブリッド位置の完全性を監視する方法であって、前記方法は水平保護半径ＲＰＴを決定し、前記方法は前記ハイブリッドシステムの前記計算モジュールＣＡＬ（７０）により実施され、前記水平保護半径ＲＰＴを決定するステップが：
−前記生の測定値ＭＢｉのうちの１つが誤っているという仮定Ｈ１の下で補助水平保護半径ＲＰＨ１を決定するステップと；
−前記生の測定値ＭＢｉのうちのいずれも誤っていないという仮定Ｈ０の下で補助水平保護半径ＲＰＨ０を決定するステップと；
−前記水平補助保護半径ＲＰＨ０およびＲＰＨ１のうちの最大値として前記水平保護半径ＲＰＴを決定するステップと；を含む計算ステップを含む方法において、
前記補助水平保護半径ＲＰＨ０およびＲＰＨ１を決定するステップが、水平平面において信頼楕円を内包する円の半径を決定するステップに基づいており、前記信頼楕円が、分散／共分散マトリクスおよび求める確率値に基づいて決定されることを特徴とする、方法。
【請求項４】
前記補助水平保護半径ＲＰＨ１を決定するステップが、所望の誤警報確率値τ１および所望の検出ミス確率値τ２に基づいて行われることを特徴とする、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記補助水平保護半径ＲＰＨ０を決定するステップが、所望の検出ミス確率値τ２および検出されない衛星欠陥の発生確率値τ３に基づいて行われることを特徴とする、請求項３に記載の方法。
【請求項６】
補助マトリクスＰＳｉ＝Ｐｉ−ＭＨＹＰからディメンション２×２の分散／共分散マトリクスＰＥｉが抽出され、水平位置に対応する前記マトリクスＰＳｉから軸が抽出される方法であって、
前記仮定Ｈ１の下で前記補助水平保護半径ＲＰＨ１を決定するステップが：
−Ｐ０１＝１−τ１／Ｎを決定するステップと；
−前記値Ｐ０１および前記マトリクスＰＥｉに基づいてテスト閾値ＴＨｉを決定するステップと；
−Ｐ０２＝１−τ２を決定するステップと；
−前記マトリクスＰＥｉおよび前記確率Ｐ０２に基づいて決定された楕円を内包する円の半径に等しいものとして補助保護半径ｄｉの値を決定するステップと；
−ｉが１〜Ｎのすべての値である場合の（ＴＨｉ＋ｄｉ）のうちの最大値として前記半径値ＲＰＨ０を決定するステップと；を含むことを特徴とする、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記分散／共分散マトリクスＭＨＹＰからディメンション２×２の分散／共分散マトリクスＰが抽出される方法であって、
水平位置に対応する前記マトリクスＭＨＹＰから軸が抽出され、前記仮定Ｈ０の下で前記補助水平保護半径ＲＰＨ０を決定するステップが：
−Ｐ０３＝１−τ２．τ３を決定するステップと；
−前記マトリクスＰおよび前記確率Ｐ０３に基づいて決定された楕円を内包する円の半径に等しいものとして前記半径値ＲＰＨ０を決定するステップと；を含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、慣性装置と衛星測位受信機とのハイブリッド化システムから得られる位置および速度情報の完全性の監視に関する。本発明は、より詳細には、閉ループにおいてハイブリッド化したＩＮＳ／ＧＮＳＳシステム（「慣性航法システム」および「全地球的航法衛星システム」を表す）として当該技術分野で公知の航法装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
慣性装置は、演算用電子装置に関連する慣性センサ（ジャイロセンサおよび加速度センサ）のセットで構成される。仮想プラットフォームＰＦＶと呼ばれる計算プラットフォームにより、正確な参照フレーム（ＬＧＴ（Ｌｏｃａｌ  Ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃ  Ｔｒｉｈｅｄｒｏｎ）と表記されることが多い）におけるキャリアの位置および速度情報が供給される。仮想プラットフォームＰＦＶは、各慣性センサから得たデータの予測および統合を可能にする。慣性装置が提供する情報は、短期的には正確だが、長期的には（センサの欠陥の影響により）ずれていく。慣性装置のコストのかなりの割合が、センサの欠陥の制御に注ぎ込まれている。
【０００３】
衛星測位受信機は、キャリアから可視の非静止衛星により送信された信号に基づく三角測量によりキャリアの速度および位置情報を提供する。フィックスを得るためには測位システムの最低でも４つの衛星が受信機から直接見えなければならないため、提供される情報は一時的に途絶えることがある。前記情報は、さらに、三角測量の基となる衛星群のジオメトリによって精度が変動し、また、送信パワーが低い距離を隔てた衛星から発せられる低レベルの信号の受信に依存するためノイズが多い。しかし、非静止衛星の軌道における位置が長期にわたって正確に分かっているため、長期的なずれが生じることはない。ノイズおよび誤差は、衛星システム、受信機、または衛星トランスミッタとＧＮＳＳ信号受信機との間の信号伝播にリンクし得る。さらに、衛星に影響を与える故障の結果、衛星からのデータは誤っている可能性がある。ＧＮＳＳ受信機から得られる位置を誤ったものにしないため、これらの変化が生じたデータには、タグ付けを行わなければならない。
【０００４】
衛星の故障を未然に防ぎＧＮＳＳ測定の完全性を確保するため、衛星測位受信機にＲＡＩＭ（「受信機自律型完全性監視」を意味する）と称される精度および可用性推定システムを装備することが知られている。ＲＡＩＭは、三角測量中に使用される衛星群のジオメトリおよび冗長性、ならびに既知の衛星の軌跡から推測されるこのジオメトリの短期間における予測可能な発展に基づく。しかし、ＲＡＩＭのアルゴリズムは、純粋に衛星位置決めシステムにリンクしており、ハイブリッド（ＩＮＳ／ＧＮＳＳ）システムから得られる位置フィックスの監視には適用できず、所与の時間において特定種類の故障を検出できるのみである。
【０００５】
ハイブリッド化には、慣性装置により提供された位置および速度情報と衛星測位受信機により提供された測定値とを数学的に組み合わせることにより、両システムを利用した位置および速度情報を得ることが含まれる。このため、ＧＮＳＳシステムにより提供される測定値の精度により慣性装置のずれを制御可能であり、慣性装置による測定値にノイズが少ないためＧＮＳＳ受信機の測定値におけるノイズを除去可能である。この組み合わせには、多くの場合、カルマンフィルタ法が用いられる。
【０００６】
カルマンフィルタ法は、「発展方程式」と称される方程式により物理システムの状態の発展をその環境内でモデル化（事前推定）し、「観測方程式」と称される方程式により当該物理システムの状態と外部センサの測定値との間の依存関係をモデル化する可能性に基づき、フィルタの状態を再調整（事後推定）する。カルマンフィルタにおいては、有効な測定すなわち「測定ベクトル」により、システムの状態の事後推定が可能となり、この推定値は、この推定において生じた誤差の共分散を最小化するという意味において最適なものである。フィルタの推定部は、有効な測定ベクトルとその事前予測との間の偏差を用いてシステムの状態ベクトルの事後推定値を生成することにより、観測残差と呼ばれる修正項を生成する。カルマンフィルタの利得ベクトルにより乗算後、この観測残差をシステム状態ベクトルの事前推定に適用することにより、最適な事後推定が得られる。
【０００７】
ハイブリッド化ＩＮＳ／ＧＮＳＳシステムの場合においては、カルマンフィルタは、慣性装置により提供される位置および速度フィックスと衛星測位受信機により提供される位置測定値とを受信し、慣性装置の誤差の発展をモデル化し、これらの誤差の事後推定を供給し、これを慣性装置の位置および速度フィックスの修正に供する。
【０００８】
慣性装置の仮想プラットフォームＰＦＶの出力に出現する慣性センサの欠陥に起因する位置および速度の誤差の推定は、カルマンフィルタにより行われる。カルマンフィルタによる推定による誤差の修正は、仮想プラットフォームＰＦＶの入力（閉ループアーキテクチャ）または出力（開ループアーキテクチャ）において行われる。
【０００９】
慣性装置のセンサ、ジャイロ計、加速度計および気圧計モジュール（気圧−慣性装置の場合）の欠陥がさほど重大でないときは、仮想プラットフォームＰＦＶの入力において修正を適用する必要はない。システムのモデル化（システムの発展を支配する方程式の線形化）は、フィルタにおいて依然有効である。カルマンフィルタにおいて計算された慣性装置の誤差の事後推定は、慣性装置により提供された位置および速度情報からカルマンフィルタにより計算されたそれぞれの推定値を推測することにより、キャリアの位置および速度の最適な推定値を規定することにのみ使用される。開ループと称されるこのようなハイブリッド化では、仮想プラットフォームＰＦＶにより行われる計算に影響はない。
【００１０】
慣性装置の欠陥が重大であるか、または航行時間が長いときは、カルマンフィルタにおいて統合された慣性モデルの発展を支配する方程式の線形化は、もはや無効である。従って、線形領域にとどまるため、仮想プラットフォームＰＦＶに修正を施さなければならない。カルマンフィルタにおいて計算された気圧−慣性装置の誤差の事後推定は、キャリアの位置および速度の最適な推定値の規定だけでなく、仮想プラットフォームＰＦＶにおける慣性装置の再調整にも供せられる。「閉ループ」と称されるこのようなハイブリッド化では、ハイブリッド化フィルタの結果が、仮想プラットフォームが自らの計算を行う際に用いられる。
【００１１】
ハイブリッド化は、異なる種類のＧＮＳＳ情報を観測することによっても行うことができる。ＧＮＳＳ受信機により決定されたキャリアの位置および速度については、ルースハイブリッド化（ｌｏｏｓｅ  ｈｙｂｒｉｄｉｚａｔｉｏｎ）、すなわち地上軸におけるハイブリッド化を行い、または、ＧＮＳＳ受信機により上流で抽出された情報、すなわち疑似距離および疑似速度（伝播時間の測定および衛星により受信機に向けて送信された信号のドップラー効果から直接得られる数値）については、タイトハイブリッド化（ｔｉｇｈｔ  ｈｙｂｒｉｄｉｚａｔｉｏｎ）、すなわち衛星軸におけるハイブリッド化を行う。
【００１２】
ＧＮＳＳ受信機に決定されたフィックスを用いて慣性装置から得られた情報を再調整する閉ループＩＮＳ／ＧＮＳＳシステムでは、衛星により提供される情報に影響を与える欠陥に特に注意を払う必要がある。というのも、そのような欠陥を受信する受信機がそれらを慣性装置に伝播し、前記装置の再調整が不正確になるためである。この問題の発生は、ＩＮＳ／ＧＰＳハイブリッドフィックスの完全性の確保に当たり、特に決定的な要素である。以下では、閉ループにおいてタイトハイブリッド化したシステムを対象とする。
【００１３】
航空アプリケーションなどの完全性が不可欠なアプリケーションにおいて位置測定の完全性を定量化するには、位置測定の「保護半径」と呼ばれるパラメータが使用される。保護半径は、所与の誤差発生確率についての最大の位置誤差に対応する。すなわち、航法システムに警報が発せられることなく位置誤差が提示された保護半径を超える確率は、この所与の確率値未満となる。計算は、２種類の誤差、すなわち通常の測定誤差と、衛星群の動作異常、例えば衛星の故障により引き起こされる誤差とに基づいて行われる。
【００１４】
測位システムの保護半径の値は、測位システムの購入を望む購入者により指定される重要な値である。保護半径の値の評価は、一般に、ＧＮＳＳ測定値の精度および慣性センサの挙動の統計的特性を用いる確率計算から得られる。これらの計算は公開され、ＧＮＳＳ衛星群のすべての場合、地球上で測位システムが取り得るすべての位置、そして測位システムがたどり得るすべての軌跡についてシミュレーションを可能にしている。これらのシミュレーションの結果、提案されている測位システムにより保証される保護半径特性を購入者に提供することが可能になる。通常、これらの特性は、利用可能性１００％の保護半径の値、または要求される保護半径値についての利用不能期間の形式で表わされる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は、上述の既知のソリューションの欠点を軽減するものである。本発明の目的は、すべての被追跡可視衛星から信号を受信するカルマンフィルタにより供給されるハイブリッド修正を用いて位置測定の精度を向上させることである。
【００１６】
また、本発明の目的は、どこでも、いずれの軌跡についても、いずれの瞬間においても、保護半径値の計算を可能にする公式を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
この目的のため、本発明の主題は、ハイブリッドシステムであって：
−気圧高度ＭＢＡの測定値を供給する気圧計モジュールＢＡＲＯ，３０と；
−角度増分Δθおよび速度増分ΔＶを供給する慣性測定ユニットＵＭＩ，２０と；
−角度増分Δθおよび速度増分ΔＶを受信するとともに、ハイブリッド位置およびハイブリッド速度をそれぞれ構成する慣性位置および速度フィックスＰＰＶＩを生成する仮想プラットフォームＰＦＶ，６０と；
−Ｎ個の被追跡可視衛星群に基づいて動作するとともに、これらの衛星により送信された信号の生の測定値ＭＢｉ（ｉは衛星の指標を示し、１〜Ｎの値である）を生成する衛星測位受信機ＧＮＳＳ，１０と；
−慣性位置および速度フィックスＰＰＶＩ、気圧高度ＭＢＡの測定値、ならびにＮ個の衛星により送信された信号の生の測定値ＭＢｉを受信するカルマンハイブリッド化フィルタＭＫＦ，４０であって、前記フィルタは：
−慣性位置および速度フィックスＰＰＶＩと生の測定値ＭＢｉとの間の偏差を観測することにより得られる、ハイブリッドシステムの誤差に対応する状態ベクトルＶＥの推定を含むハイブリッド修正ＨＹＣ、および
−状態ベクトルＶＥの推定において生じた誤差の分散／共分散マトリクスＭＨＹＰ
を供給するカルマンハイブリッド化フィルタＭＫＦ，４０と；
−慣性位置および速度フィックスＰＰＶＩ、気圧高度ＭＢＡの測定値、ならびに指標ｉの衛星を除く被追跡衛星により送信された信号の生の測定値ＭＢｉを各々受信するＮ個の二次フィルタＫＳＦｉ，５０ｉを含むバンクであって、二次フィルタＫＳＦｉは：
−慣性位置および速度フィックスＰＰＶＩと衛星ｉを除く被追跡衛星により送信された信号の生の測定値（ＳＰＰｉ）との間の偏差を観測することにより計算される、ハイブリッドシステムの誤差に対応する状態ベクトルＥＶＥｉの推定、および
−状態ベクトルＥＶＥｉの推定において生じた誤差の二次分散／共分散マトリクスＰｉ
を含むハイブリッドパラメータＳＨＹＰｉを供給するバンクと；
−ハイブリッドパラメータＳＨＹＰｉおよび分散／共分散マトリクスＭＨＹＰを受信し、ハイブリッド位置に関連する水平保護半径ＲＴを決定し、位置に関する状態ベクトルＥＶＥｉの推定の成分が検出閾値ＴＨｉよりも大きいときは、二次フィルタＫＳＦｉの故障について警報を発し、オプションでＮ個の被追跡可視衛星から故障した衛星を識別する計算モジュールＣＡＬ，７０と；を備えるハイブリッドシステムにおいて、
二次フィルタＫＳＦｉおよび仮想プラットフォームＰＦＶがさらに、ハイブリッド修正ＨＹＣを受信することを特徴とする、ハイブリッドシステムである。
【００１８】
また、本発明は、請求項１または２に記載のハイブリッドシステムの仮想プラットフォームＰＦＶ，６０により供給されるハイブリッド位置の完全性を監視する方法に関し、本方法は水平保護半径ＲＰＴを決定し、本方法はハイブリッドシステムの計算モジュールＣＡＬ，７０により実施され、水平保護半径ＲＰＴを決定するステップが：
−生の測定値ＭＢｉのうちの１つが誤っているという仮定Ｈ１の下で補助水平保護半径ＲＰＨ１を決定するステップと；
−生の測定値ＭＢｉのうちのいずれも誤っていないという仮定Ｈ０の下で補助水平保護半径ＲＰＨ０を決定するステップと；
−水平補助保護半径ＲＰＨ０およびＲＰＨ１のうちの最大のものとして水平保護半径ＲＰＴを決定するステップと；を含む計算ステップを含む方法において、
補助水平保護半径ＲＰＨ０およびＲＰＨ１を決定するステップが、水平平面において信頼楕円を内包する円の半径を決定するステップに基づいており、信頼楕円が、分散／共分散マトリクスおよび求める確率値に基づいて決定されることを特徴とする。
【００１９】
本発明の他の特徴および利点は、非限定的な例示により下記の添付図面を参照してなされる後続の詳細な説明を読むことにより明らかになろう。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】従来技術による閉ループおよびタイトハイブリッド化に基づくハイブリッドシステムを概略的に示す。
【図２】本発明による閉ループおよびタイトハイブリッド化に基づくハイブリッドシステムを概略的に示す。
【図３】信頼楕円および楕円を内包する円を示し、本発明による情報の完全性を監視する方法がこの円の半径を用いる。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
各図面を通じて、同一の要素には同一の参照符号を付す。
【００２２】
図１は、従来技術によるハイブリッドシステムを示す。このハイブリッドシステムは、以下を備える。すなわち：
−Ｎ個の被追跡可視衛星群から信号を受信する衛星測位受信機ＧＮＳＳ，１０と；
−角度増分Δθおよび速度増分ΔＶを供給する慣性測定ユニットＵＭＩ，２０と；
−気圧高度ＭＢＡの測定値を供給する気圧計モジュールＢＡＲＯ，３０と；
−カルマンハイブリッド化フィルタＭＫＦ，４０と；
−Ｎ個の二次フィルタＫＳＦｉ，５０ｉを含むバンクと；
−角度増分Δθおよび速度増分ΔＶを受信する仮想プラットフォームＰＦＶ，６０と；
−計算モジュールＣＡＬ，７０と；を備える。
【００２３】
慣性測定ユニットＵＭＩは、ジャイロ計および加速度計（図示せず）を備える。ジャイロ計が角度増分Δθを供給し、加速度計が速度増分ΔＶを供給する。
【００２４】
仮想プラットフォームＰＦＶは、気圧高度ＭＢＡの測定値を受信する。仮想プラットフォームＰＦＶは、ハイブリッド位置およびハイブリッド速度をそれぞれ構成する慣性位置および速度フィックスＰＰＶＩを生成する。プラットフォームＰＦＶは、気圧高度の測定値を用いて、垂直軸に沿ったハイブリッド位置のずれを回避する。
【００２５】
衛星測位受信機ＧＮＳＳは、衛星により送信される信号の生の測定値ＭＢｉ（ｉは衛星の指標を示し、１〜Ｎの値である）を供給する。
【００２６】
カルマンハイブリッド化フィルタＭＫＦは、Ｎ個の生の測定値ＭＢｉのセットを受信する。このＮ個の生の測定値のセットをＭＰＰＶと示す。
【００２７】
二次カルマンフィルタＫＳＦｉは、Ｎ−１個の信号の生の測定値ＭＢｉを受信する。Ｎ−１個の信号は、指標ｉの衛星を除く被追跡衛星により生成されたものである。このＮ−１個の信号の生の測定値ＭＢｉのセットをＳＰＰｉと示す。
【００２８】
ハイブリッド化フィルタＭＫＦおよび二次フィルタＫＳＦｉは、慣性位置および速度フィックスＰＰＶＩを受信する。
【００２９】
ハイブリッド化フィルタＭＫＦは、慣性位置ＰＰＶＩにおいて生じた誤差を推定し、以下を生成する。すなわち：
−慣性位置および速度フィックスＰＰＶＩと対応する生の測定値ＭＢｉとの間の偏差を観測することにより得られる、ハイブリッドシステムの誤差に対応する状態ベクトルＶＥと；
−状態ベクトルＶＥの推定において生じた誤差の分散／共分散マトリクスＭＨＹＰと；を生成する。
【００３０】
二次フィルタＫＳＦｉは、以下を含むハイブリッドパラメータＳＨＹＰｉを生成する。すなわち：
−慣性位置および速度フィックスＰＰＶＩと生の測定値ＳＰＰｉのセットとの間の偏差を観測するハイブリッドシステムの誤差に対応する状態ベクトルＥＶＥｉの推定値と；
−状態ベクトルＥＶＥｉの推定において生じた誤差の二次分散／共分散マトリクスＰｉと；を含むものである。
【００３１】
ハイブリッドシステムは、慣性位置ＰＰＶＩと状態ベクトルＶＥとの間の差異で構成されるハイブリッド出力ＳＨを供給する。
【００３２】
計算モジュールＣＡＬは、ハイブリッドパラメータＳＨＹＰｉおよび分散／共分散マトリクスＭＨＹＰを受信し、保護半径値ＲＰＴを決定する。
【００３３】
既に述べたように、保護半径は、データの完全性の確保が不可欠な特定のアプリケーションにおいては重要な測定値である。所定の不完全確率Ｐｎｉについて、測定値の保護半径ＲＰは、航法システムに警報が発せられない範囲において、計算値と実際の測定数値との間の偏差の上限であり、実際の値の計算値からの差違がＲＰを超える確率がＰｎｉ未満である、ということを思い出されたい。従って、別の言い方をすれば、実際の値が測定値を中心とする半径ＲＰの円の外側にある確率は最大でＰｎｉである、または、保護半径の決定において誤りがある確率は最大でＰｎｉである。
【００３４】
この保護半径は、該当する変数の標準偏差に基づいて計算する。保護半径は、状態ベクトルの各成分に適用されるが、実際には、位置変数を対象とする。より具体的には、高度については垂直保護半径、経度および緯度に関する位置については水平保護半径を計算し、これらの半径は、必ずしも同じ半径を有さず、同じ方法で使用しなくてもよい。
【００３５】
水平保護半径の計算原理を以下で説明する。
【００３６】
保護半径は、一般に、計算後、アプリケーションの関数として定められた閾値ＨＡＬと比較され、閾値を超えた場合は、位置測定が十分に信頼できるものと考えられないか、またはアプリケーションの文脈においては利用できないことを示す警告が発せられる。
【００３７】
指標ｉの衛星が故障したことを計算モジュールＣＡＬが識別する場合、二次フィルタＫＳＦｉをハイブリッド化フィルタＭＫＦの代替に用いるのが有益である。
【００３８】
保護半径ＲＰＨ０は、いずれの衛星にも故障がない状態で評価したもので、この仮定を共通してＨ０と示す。「故障」という用語は、通常の信号の様相を呈するが異常で位置誤差を招く信号を衛星が送信する異常な状況を意味するものと理解されたい。
【００３９】
保護半径ＲＰＨ０は、測定された数値の分散と、この誤差が保護半径を超える確率Ｐｎｉとに直接リンクしている。分散は、測定された数値にリンクした標準偏差σの平方である。従って、測定された位置の分散は、測定された数値に対応する分散／共分散マトリクスＰの対角線の係数である。標準偏差σは、この分散の平方根であるため、ハイブリッド化フィルタのマトリクスＰから推測される。
【００４０】
従来技術によるハイブリッドシステムでは、測定の瞬間における分散／共分散マトリクスＰの係数に基づいて保護半径ＲＰＨ０が計算される。衛星の構成が発展すると、保護半径ＲＰＨ０の値が同時に更新される。可視衛星群から衛星が消えると、保護半径ＲＰＨ０は漸次品質低下するのみである。逆に新たな衛星が出現すると、保護半径は即座に減少し、非常に有益である。
【００４１】
また、衛星の故障のリスクを考慮した保護半径ＲＰＨ１を計算することも可能で、この仮定を共通してＨ１と示す。この目的のため、受信機は「最大分離」として周知の手続を使用する。この場合、受信機は、既に説明したように動作するカルマンハイブリッド化フィルタＭＫＦとＮ個の二次フィルタとを備え、Ｎは同時に見え得る衛星数である。Ｎ個の二次フィルタは、カルマンハイブリッド化フィルタＭＫＦと並列に、同じ原理により動作する。ただし、ランクｉの二次フィルタは、すべての衛星の信号を受信するが、ランクｉの衛星から生じたものを除く。
【００４２】
図２は、本発明による閉ループおよびタイトハイブリッド化に基づくハイブリッドシステムを示す。
【００４３】
従来技術のハイブリッドシステムとの第１の相違点は、本ハイブリッドシステムが気圧測定値ＭＢＡを考慮しており、本システムのハイブリッド出力が仮想プラットフォームＰＦＶにより供給される慣性位置ＰＰＶＩに等しいという点である。
【００４４】
本発明によれば、気圧測定値ＭＢＡは、ハイブリッド化フィルタおよび二次フィルタＫＳＦｉにより受信される。
【００４５】
これにより、垂直方向に沿った位置のスレービング（ｓｌａｖｉｎｇ）がカルマンフィルタにより直接行われるため、従来技術の場合のように、カルマンフィルタから独立したスレービングを展開する必要はない。
【００４６】
従来技術のハイブリッドシステムとの第２の相違点は、ハイブリッド化フィルタＭＫＦが状態ベクトルＶＥの推定を含むハイブリッド修正ＨＹＣを生成することである。ハイブリッド修正ＨＹＣは、仮想プラットフォームおよび二次フィルタＳＫＦｉに供給される。ゆえに、プラットフォームＰＦＶにより生成された慣性位置および速度フィックスＰＰＶＩが、直接、ハイブリッド位置およびハイブリッド速度を構成し、このため状態ベクトルＥＶおよびＥＶＥｉの各成分の値はゼロに近くなる。
【００４７】
第３の相違点は、計算モジュールＣＡＬによる保護半径の計算方法である。計算原理は、信頼楕円の評価に基づく。
【００４８】
平均値がゼロ、標準偏差がそれぞれσ１およびσ２、相関係数がρである２つのガウス変数Ｘ１およびＸ２について検討する。例えば、Ｘ１およびＸ２は、緯度および経度として表される位置誤差に対応する。Ｘ１およびＸ２の同時確率密度の一定値に対応し、Ｒ０に等しい平面Ｘ１，Ｘ２の定義域は、次の方程式の楕円となる。
【数１】
2010506156.tif 000003
【００４９】
楕円の面積が確率Ｐｂに対応することが所望される、すなわち位置誤差が楕円内である確率Ｐｂを得ることが所望される場合は、次の関係式を満たす必要がある。
【数２】
2010506156.tif 000004
【００５０】
Ｘ１およびＸ２が、例えば衛星群により生成された信号の測定値と慣性装置のデータとのハイブリッド化により、決定された水平位置誤差に対応する場合は、求める確率値Ｐｂが定められ、そしてＸ１およびＸ２に関連するディメンション２＊２の分散／共分散マトリクスが得られると即座に、信頼楕円が十分に定義される。実際、Ｐがこれらの２つの変数をリンクする分散／共分散マトリクスであれば、σ１およびσ２はマトリクスＰの対角係数であり、ρは非対角係数に等しくなる。
【００５１】
図３は、保護半径を計算する方法に用いる信頼楕円を示す。
【００５２】
Ｒ２＝Ａ２＋Ｂ２であるような半径Ｒの円は、次の条件が満たされる場合、信頼楕円を内包する。
【数３】
2010506156.tif 000005
【００５３】
従って、求める確率値Ｐｂおよびこれらの変数に対応するディメンション２×２の分散／共分散マトリクスが得られると即座に、上記の決定論的数式に基づいて２つの変数、例えばハイブリッド位置についての保護半径が決定可能となる。
【００５４】
補助水平保護半径ＲＰＨ１の決定は、所望の誤警報確率値τ１および所望の検出ミス確率値τ２に基づいて行うのが有益である。
【００５５】
補助水平保護半径ＲＰＨ０の決定は、所望の検出ミス確率値τ２および検出されない衛星欠陥の発生確率値τ３に基づいて行うのが有益である。
【００５６】
補助マトリクスＰＳｉ＝Ｐｉ−ＭＨＹＰからディメンション２×２の分散／共分散マトリクスＰＥｉが抽出され、水平位置に対応するマトリクスＰＳｉから軸が抽出され、仮定Ｈ１の下で補助水平保護半径ＲＰＨ１を決定するステップが、以下のステップを含むことを特徴とするのが有益である。すなわち：
−Ｐ０１＝１−τ１／Ｎを決定するステップと；
−値Ｐ０１およびマトリクスＰＥｉに基づいてテスト閾値ＴＨｉを決定するステップと；
−Ｐ０２＝１−τ２を決定するステップと；
−マトリクスＰＥｉおよび確率Ｐ０２に基づいて決定された楕円を内包する円の半径に等しいものとして補助保護半径ｄｉの値を決定するステップと；
−ｉが１〜Ｎのすべての値である場合の（ＴＨｉ＋ｄｉ）の最大値として半径値ＲＰＨ１を決定するステップと；を含むことを特徴とするのが有益である。
【００５７】
分散／共分散マトリクスＭＨＹＰからディメンション２×２の分散／共分散マトリクスＰが抽出され、水平位置に対応するマトリクスＭＨＹＰから軸が抽出され、仮定Ｈ０の下で補助水平保護半径ＲＰＨ０を決定するステップが、以下のステップを含むことを特徴とするのが有益である。すなわち：
−Ｐ０３＝１−τ２．τ３を決定するステップと；
−マトリクスＰおよび確率Ｐ０３に基づいて決定された楕円を内包する円の半径に等しいものとして半径値ＲＰＨ０を決定するステップと；を含むことを特徴とするのが有益である。
【図１】
2010506156.tif 000006
【図２】
2010506156.tif 000007
【図３】
2010506156.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成21年7月30日(2009.7.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、慣性基準装置と衛星測位受信機とのハイブリッド化システムから得られる位置および速度情報の完全性の監視に関する。本発明は、より詳細には、閉ループにおいてハイブリッド化したＩＮＳ／ＧＮＳＳシステム（「慣性航法システム」および「全地球的航法衛星システム」を表す）として当該技術分野で公知の航法装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
慣性基準装置は、演算用電子装置に関連する慣性センサ（ジャイロセンサおよび加速度センサ）のセットで構成される。仮想プラットフォームＰＦＶと呼ばれる計算プラットフォームにより、正確な参照フレーム（ＬＧＴ（Ｌｏｃａｌ  Ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃ  Ｔｒｉｈｅｄｒｏｎ）と表記されることが多い）におけるキャリアの位置および速度情報が供給される。仮想プラットフォームＰＦＶは、各慣性センサから得たデータの予測および統合を可能にする。慣性基準装置が提供する情報は、短期的には正確だが、長期的には（センサの欠陥の影響により）ずれていく。慣性基準装置のコストのかなりの割合が、センサの欠陥の制御に注ぎ込まれている。
【０００３】
衛星測位受信機は、キャリアから可視の非静止衛星により送信された信号に基づく三角測量によりキャリアの速度および位置情報を提供する。位置データを得るためには測位システムの最低でも４つの衛星が受信機から直接見えなければならないため、提供される情報は一時的に途絶えることがある。前記情報は、さらに、三角測量の基となる衛星群のジオメトリによって精度が変動し、また、送信パワーが低い距離を隔てた衛星から発せられる低レベルの信号の受信に依存するためノイズが多い。しかし、非静止衛星の軌道における位置が長期にわたって正確に分かっているため、長期的なずれが生じることはない。ノイズおよび誤差は、衛星システム、受信機、または衛星トランスミッタとＧＮＳＳ信号受信機との間の信号伝播にリンクし得る。さらに、衛星に影響を与える故障の結果、衛星からのデータは誤っている可能性がある。ＧＮＳＳ受信機から得られる位置を誤ったものにしないため、これらの変化が生じたデータには、タグ付けを行わなければならない。
【０００４】
衛星の故障を未然に防ぎＧＮＳＳ測定の完全性を確保するため、衛星測位受信機にＲＡＩＭ（「受信機自律型完全性監視」を意味する）と称される精度および可用性推定システムを装備することが知られている。ＲＡＩＭは、三角測量中に使用される衛星群のジオメトリおよび冗長性、ならびに既知の衛星の軌跡から推測されるこのジオメトリの短期間における予測可能な発展に基づく。しかし、ＲＡＩＭのアルゴリズムは、純粋に衛星位置決めシステムにリンクしており、ハイブリッド（ＩＮＳ／ＧＮＳＳ）システムから得られる位置データの監視には適用できず、所与の時間において特定種類の故障を検出できるのみである。
【０００５】
ハイブリッド化には、慣性基準装置により提供された位置および速度情報と衛星測位受信機により提供された測定値とを数学的に組み合わせることにより、両システムを利用した位置および速度情報を得ることが含まれる。このため、ＧＮＳＳシステムにより提供される測定値の精度により慣性基準装置のずれを制御可能であり、慣性基準装置による測定値にノイズが少ないためＧＮＳＳ受信機の測定値におけるノイズを除去可能である。この組み合わせには、多くの場合、カルマンフィルタ法が用いられる。
【０００６】
カルマンフィルタ法は、「発展方程式」と称される方程式により物理システムの状態の発展をその環境内でモデル化（事前推定）し、「観測方程式」と称される方程式により当該物理システムの状態と外部センサの測定値との間の依存関係をモデル化する可能性に基づき、フィルタの状態を再調整（事後推定）する。カルマンフィルタにおいては、有効な測定すなわち「測定ベクトル」により、システムの状態の事後推定が可能となり、この推定値は、この推定において生じた誤差の共分散を最小化するという意味において最適なものである。フィルタの推定部は、有効な測定ベクトルとその事前予測との間の偏差を用いてシステムの状態ベクトルの事後推定値を生成することにより、観測残差と呼ばれる修正項を生成する。カルマンフィルタの利得ベクトルにより乗算後、この観測残差をシステム状態ベクトルの事前推定に適用することにより、最適な事後推定が得られる。
【０００７】
ハイブリッド化ＩＮＳ／ＧＮＳＳシステムの場合においては、カルマンフィルタは、慣性基準装置により提供される位置および速度データと衛星測位受信機により提供される位置測定値とを受信し、慣性基準装置の誤差の発展をモデル化し、これらの誤差の事後推定を供給し、これを慣性基準装置の位置および速度データの修正に供する。
【０００８】
慣性基準装置の仮想プラットフォームＰＦＶの出力に出現する慣性センサの欠陥に起因する位置および速度の誤差の推定は、カルマンフィルタにより行われる。カルマンフィルタによる推定による誤差の修正は、仮想プラットフォームＰＦＶの入力（閉ループアーキテクチャ）または出力（開ループアーキテクチャ）において行われる。
【０００９】
慣性基準装置のセンサ、ジャイロ計、加速度計および気圧計モジュール（気圧−慣性基準装置の場合）の欠陥がさほど重大でないときは、仮想プラットフォームＰＦＶの入力において修正を適用する必要はない。システムのモデル化（システムの発展を支配する方程式の線形化）は、フィルタにおいて依然有効である。カルマンフィルタにおいて計算された慣性基準装置の誤差の事後推定は、慣性基準装置により提供された位置および速度情報からカルマンフィルタにより計算されたそれぞれの推定値を推測することにより、キャリアの位置および速度の最適な推定値を規定することにのみ使用される。開ループと称されるこのようなハイブリッド化では、仮想プラットフォームＰＦＶにより行われる計算に影響はない。
【００１０】
慣性基準装置の欠陥が重大であるか、または航行時間が長いときは、カルマンフィルタにおいて統合された慣性モデルの発展を支配する方程式の線形化は、もはや無効である。従って、線形領域にとどまるため、仮想プラットフォームＰＦＶに修正を施さなければならない。カルマンフィルタにおいて計算された気圧−慣性基準装置の誤差の事後推定は、キャリアの位置および速度の最適な推定値の規定だけでなく、仮想プラットフォームＰＦＶにおける慣性基準装置の再調整にも供せられる。「閉ループ」と称されるこのようなハイブリッド化では、ハイブリッド化フィルタの結果が、仮想プラットフォームが自らの計算を行う際に用いられる。
【００１１】
ハイブリッド化は、異なる種類のＧＮＳＳ情報を観測することによっても行うことができる。ＧＮＳＳ受信機により決定されたキャリアの位置および速度については、ルースハイブリッド化（ｌｏｏｓｅ  ｈｙｂｒｉｄｉｚａｔｉｏｎ）、すなわち地上軸におけるハイブリッド化を行い、または、ＧＮＳＳ受信機により上流で抽出された情報、すなわち疑似距離および疑似速度（伝播時間の測定および衛星により受信機に向けて送信された信号のドップラー効果から直接得られる数値）については、タイトハイブリッド化（ｔｉｇｈｔ  ｈｙｂｒｉｄｉｚａｔｉｏｎ）、すなわち衛星軸におけるハイブリッド化を行う。
【００１２】
ＧＮＳＳ受信機に決定された位置を用いて慣性基準装置から得られた情報を再調整する閉ループＩＮＳ／ＧＮＳＳシステムでは、衛星により提供される情報に影響を与える欠陥に特に注意を払う必要がある。というのも、そのような欠陥を受信する受信機がそれらを慣性基準装置に伝播し、前記慣性基準装置の再調整が不正確になるためである。この問題の発生は、ＩＮＳ／ＧＰＳハイブリッド位置データの完全性の確保に当たり、特に決定的な要素である。以下では、閉ループにおいてタイトハイブリッド化したシステムを対象とする。
【００１３】
航空アプリケーションなどの完全性が不可欠なアプリケーションにおいて位置測定の完全性を定量化するには、位置測定の「保護半径」と呼ばれるパラメータが使用される。保護半径は、所与の誤差発生確率についての最大の位置誤差に対応する。すなわち、航法システムに警報が発せられることなく位置誤差が提示された保護半径を超える確率は、この所与の確率値未満となる。計算は、２種類の誤差、すなわち通常の測定誤差と、衛星群の動作異常、例えば衛星の故障により引き起こされる誤差とに基づいて行われる。
【００１４】
測位システムの保護半径の値は、測位システムの購入を望む購入者により指定される重要な値である。保護半径の値の評価は、一般に、ＧＮＳＳ測定値の精度および慣性センサの挙動の統計的特性を用いる確率計算から得られる。これらの計算は公開され、ＧＮＳＳ衛星群のすべての場合、地球上で測位システムが取り得るすべての位置、そして測位システムがたどり得るすべての軌跡についてシミュレーションを可能にしている。これらのシミュレーションの結果、提案されている測位システムにより保証される保護半径特性を購入者に提供することが可能になる。通常、これらの特性は、利用可能性１００％の保護半径の値、または要求される保護半径値についての利用不能期間の形式で表わされる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明の一目的は、上述の既知のソリューションの欠点を軽減し、すべての被追跡可視衛星から信号を受信するカルマンフィルタにより供給されるハイブリッド修正を用いて位置測定の精度を向上させることである。
【００１６】
本発明の別の目的は、どこでも、いずれの軌跡についても、いずれの瞬間においても、保護半径値の計算を可能にする公式を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、完全性監視付きハイブリッドＩＮＳ／ＧＮＳＳシステムに関し、完全性監視付きハイブリッドＩＮＳ／ＧＮＳＳシステムは：
−気圧高度ＭＢＡの測定値を供給する気圧計モジュールＢＡＲＯと；
−角度増分Δθおよび速度増分ΔＶを供給する慣性測定ユニットＵＭＩと；
−角度増分Δθおよび速度増分ΔＶを受信するとともに、ハイブリッド位置およびハイブリッド速度をそれぞれ構成する慣性位置および速度データＰＰＶＩを生成する仮想プラットフォームＰＦＶと；
−Ｎ個の被追跡可視衛星群に基づいて動作するとともに、これらの衛星により送信された信号の生の測定値ＭＢｉ（ｉは衛星の指標を示し、１〜Ｎの値である）を生成する衛星測位受信機ＧＮＳＳと；
−慣性位置および速度データＰＰＶＩ、気圧高度ＭＢＡの測定値、ならびにＮ個の衛星により送信された信号の生の測定値ＭＢｉを受信するカルマンハイブリッド化フィルタＭＫＦであって、前記フィルタは：
−慣性位置および速度データＰＰＶＩと生の測定値ＭＢｉとの間の偏差を観測することにより得られる、ハイブリッドシステムの誤差に対応する状態ベクトルＶＥの推定を含むハイブリッド修正ＨＹＣ、および
−状態ベクトルＶＥの推定において生じた誤差の分散／共分散マトリクスＭＨＹＰ
を供給するカルマンハイブリッド化フィルタＭＫＦと；
−慣性位置および速度データＰＰＶＩ、気圧高度ＭＢＡの測定値、ならびに指標ｉの衛星を除く被追跡衛星により送信された信号の生の測定値ＭＢｉを各々受信するＮ個の二次フィルタＫＳＦｉを含むバンクであって、二次フィルタＫＳＦｉは：
−慣性位置および速度データＰＰＶＩと衛星ｉを除く被追跡衛星により送信された信号の生の測定値（ＳＰＰｉ）との間の偏差を観測することにより計算される、ハイブリッドシステムの誤差に対応する状態ベクトルＥＶＥｉの推定、および
−状態ベクトルＥＶＥｉの推定において生じた誤差の二次分散／共分散マトリクスＰｉ
を含むハイブリッドパラメータＳＨＹＰｉを供給するバンクと；
−ハイブリッドパラメータＳＨＹＰｉおよび分散／共分散マトリクスＭＨＹＰを受信し、ハイブリッド位置に関連する水平保護半径ＲＴを決定し、位置に関する状態ベクトルＥＶＥｉの推定の成分が検出閾値ＴＨｉよりも大きいときは、二次フィルタＫＳＦｉの故障について警報を発し、オプションでＮ個の被追跡可視衛星から故障した衛星を識別する計算モジュールＣＡＬと；を備え、
二次フィルタＫＳＦｉおよび前記仮想プラットフォームＰＦＶがハイブリッド修正ＨＹＣを受信する。
【００１８】
また、本発明は、上述のハイブリッドＩＮＳ／ＧＮＳＳシステムの仮想プラットフォームＰＦＶにより供給されるハイブリッド位置の完全性を監視するため、水平保護半径ＲＰＴを決定する方法に関し、本方法は：
−生の測定値ＭＢｉのうちの１つが誤っているという仮定Ｈ１の下で補助水平保護半径ＲＰＨ１を決定するステップと；
−生の測定値ＭＢｉのうちのいずれも誤っていないという仮定Ｈ０の下で補助水平保護半径ＲＰＨ０を決定するステップと；
−水平補助保護半径ＲＰＨ０およびＲＰＨ１のうちの最大のものとして水平保護半径ＲＰＴの値を決定するステップと；を含む計算ステップを含み、
補助水平保護半径ＲＰＨ０およびＲＰＨ１を決定するステップが、水平平面において、分散／共分散マトリクスおよび求める確率値に基づいて決定される信頼楕円を内包する円の半径を決定するステップに基づいている。
【００１９】
本発明の他の特徴および利点は、非限定的な例示により下記の添付図面を参照してなされる後続の詳細な説明を読むことにより明らかになろう。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】従来技術による閉ループおよびタイトハイブリッド化に基づくハイブリッドシステムを概略的に示す。
【図２】本発明による閉ループおよびタイトハイブリッド化に基づくハイブリッドシステムを概略的に示す。
【図３】信頼楕円および楕円を内包する円を示し、本発明による情報の完全性を監視する方法がこの円の半径を用いる。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
各図面を通じて、同一の要素には同一の参照符号を付す。
【００２２】
図１は、従来技術によるハイブリッドシステムを示す。このハイブリッドシステムは、以下を備える。すなわち：
−Ｎ個の被追跡可視衛星群から信号を受信する衛星測位受信機ＧＮＳＳ，１０と；
−角度増分Δθおよび速度増分ΔＶを供給する慣性測定ユニットＵＭＩ，２０と；
−気圧高度ＭＢＡの測定値を供給する気圧計モジュールＢＡＲＯ，３０と；
−カルマンハイブリッド化フィルタＭＫＦ，４０と；
−Ｎ個の二次フィルタＫＳＦｉ，５０ｉを含むバンクと；
−角度増分Δθおよび速度増分ΔＶを受信する仮想プラットフォームＰＦＶ，６０と；
−計算モジュールＣＡＬ，７０と；を備える。
【００２３】
慣性測定ユニットＵＭＩは、ジャイロ計および加速度計（図示せず）を備える。ジャイロ計が角度増分Δθを供給し、加速度計が速度増分ΔＶを供給する。
【００２４】
仮想プラットフォームＰＦＶは、気圧高度ＭＢＡの測定値を受信する。仮想プラットフォームＰＦＶは、ハイブリッド位置およびハイブリッド速度をそれぞれ構成する慣性位置および速度データＰＰＶＩを生成する。プラットフォームＰＦＶは、気圧高度の測定値を用いて、垂直軸に沿ったハイブリッド位置のずれを回避する。
【００２５】
衛星測位受信機ＧＮＳＳは、衛星により送信される信号の生の測定値ＭＢｉ（ｉは衛星の指標を示し、１〜Ｎの値である）を供給する。
【００２６】
カルマンハイブリッド化フィルタＭＫＦは、Ｎ個の生の測定値ＭＢｉのセットを受信する。このＮ個の生の測定値のセットをＭＰＰＶと示す。
【００２７】
二次カルマンフィルタＫＳＦｉは、Ｎ−１個の信号の生の測定値ＭＢｉを受信する。Ｎ−１個の信号は、指標ｉの衛星を除く被追跡衛星により生成されたものである。このＮ−１個の信号の生の測定値ＭＢｉのセットをＳＰＰｉと示す。
【００２８】
ハイブリッド化フィルタＭＫＦおよび二次フィルタＫＳＦｉは、慣性位置および速度データＰＰＶＩを受信する。
【００２９】
ハイブリッド化フィルタＭＫＦは、慣性位置ＰＰＶＩにおいて生じた誤差を推定し、以下を生成する。すなわち：
−慣性位置および速度データＰＰＶＩと対応する生の測定値ＭＢｉとの間の偏差を観測することにより得られる、ハイブリッドシステムの誤差に対応する状態ベクトルＶＥと；
−状態ベクトルＶＥの推定において生じた誤差の分散／共分散マトリクスＭＨＹＰと；を生成する。
【００３０】
二次フィルタＫＳＦｉは、以下を含むハイブリッドパラメータＳＨＹＰｉを生成する。すなわち：
−慣性位置および速度データＰＰＶＩと生の測定値ＳＰＰｉのセットとの間の偏差を観測するハイブリッドシステムの誤差に対応する状態ベクトルＥＶＥｉの推定値と；
−状態ベクトルＥＶＥｉの推定において生じた誤差の二次分散／共分散マトリクスＰｉと；を含むものである。
【００３１】
ハイブリッドシステムは、慣性位置ＰＰＶＩと状態ベクトルＶＥとの間の差異で構成されるハイブリッド出力ＳＨを供給する。
【００３２】
計算モジュールＣＡＬは、ハイブリッドパラメータＳＨＹＰｉおよび分散／共分散マトリクスＭＨＹＰを受信し、保護半径値ＲＰＴを決定する。
【００３３】
既に述べたように、保護半径は、データの完全性の確保が不可欠な特定のアプリケーションにおいては重要な測定値である。所定の不完全確率Ｐｎｉについて、測定値の保護半径ＲＰは、航法システムに警報が発せられない範囲において、計算値と実際の測定数値との間の偏差の上限であり、実際の値の計算値からの差違がＲＰを超える確率がＰｎｉ未満である、ということを思い出されたい。従って、別の言い方をすれば、実際の値が測定値を中心とする半径ＲＰの円の外側にある確率は最大でＰｎｉである、または、保護半径の決定において誤りがある確率は最大でＰｎｉである。
【００３４】
この保護半径は、該当する変数の標準偏差に基づいて計算する。保護半径は、状態ベクトルの各成分に適用されるが、実際には、位置変数を対象とする。より具体的には、高度については垂直保護半径、経度および緯度に関する位置については水平保護半径を計算し、これらの半径は、必ずしも同じ半径を有さず、同じ方法で使用しなくてもよい。
【００３５】
水平保護半径の計算原理を以下で説明する。
【００３６】
保護半径は、一般に、計算後、アプリケーションの関数として定められた閾値ＨＡＬと比較され、閾値を超えた場合は、位置測定が十分に信頼できるものと考えられないか、またはアプリケーションの文脈においては利用できないことを示す警告が発せられる。
【００３７】
指標ｉの衛星が故障したことを計算モジュールＣＡＬが識別する場合、二次フィルタＫＳＦｉをハイブリッド化フィルタＭＫＦの代替に用いるのが有益である。
【００３８】
保護半径ＲＰＨ０は、いずれの衛星にも故障がない状態で評価したもので、この仮定を共通してＨ０と示す。「故障」という用語は、通常の信号の様相を呈するが異常で位置誤差を招く信号を衛星が送信する異常な状況を意味するものと理解されたい。
【００３９】
保護半径ＲＰＨ０は、測定された数値の分散と、この誤差が保護半径を超える確率Ｐｎｉとに直接リンクしている。分散は、測定された数値にリンクした標準偏差σの平方である。従って、測定された位置の分散は、測定された数値に対応する分散／共分散マトリクスＰの対角線の係数である。標準偏差σは、この分散の平方根であるため、ハイブリッド化フィルタのマトリクスＰから推測される。
【００４０】
従来技術によるハイブリッドシステムでは、測定の瞬間における分散／共分散マトリクスＰの係数に基づいて保護半径ＲＰＨ０が計算される。衛星の構成が発展すると、保護半径ＲＰＨ０の値が同時に更新される。可視衛星群から衛星が消えると、保護半径ＲＰＨ０は漸次品質低下するのみである。逆に新たな衛星が出現すると、保護半径は即座に減少し、非常に有益である。
【００４１】
また、衛星の故障のリスクを考慮した保護半径ＲＰＨ１を計算することも可能で、この仮定を共通してＨ１と示す。この目的のため、受信機は「最大分離」として周知の手続を使用する。この場合、受信機は、既に説明したように動作するカルマンハイブリッド化フィルタＭＫＦとＮ個の二次フィルタとを備え、Ｎは同時に見え得る衛星数である。Ｎ個の二次フィルタは、カルマンハイブリッド化フィルタＭＫＦと並列に、同じ原理により動作する。ただし、ランクｉの二次フィルタは、すべての衛星の信号を受信するが、ランクｉの衛星から生じたものを除く。
【００４２】
図２は、本発明による閉ループおよびタイトハイブリッド化に基づくハイブリッドシステムを示す。
【００４３】
従来技術のハイブリッドシステムとの第１の相違点は、本ハイブリッドシステムが気圧測定値ＭＢＡを考慮しており、本システムのハイブリッド出力が仮想プラットフォームＰＦＶにより供給される慣性位置ＰＰＶＩに等しいという点である。
【００４４】
本発明によれば、気圧測定値ＭＢＡは、ハイブリッド化フィルタおよび二次フィルタＫＳＦｉにより受信される。
【００４５】
これにより、垂直方向に沿った位置のスレービング（ｓｌａｖｉｎｇ）がカルマンフィルタにより直接行われるため、従来技術の場合のように、カルマンフィルタから独立したスレービングを展開する必要はない。
【００４６】
従来技術のハイブリッドシステムとの第２の相違点は、ハイブリッド化フィルタＭＫＦが状態ベクトルＶＥの推定を含むハイブリッド修正ＨＹＣを生成することである。ハイブリッド修正ＨＹＣは、仮想プラットフォームおよび二次フィルタＳＫＦｉに供給される。ゆえに、プラットフォームＰＦＶにより生成された慣性位置および速度データＰＰＶＩが、直接、ハイブリッド位置およびハイブリッド速度を構成し、このため状態ベクトルＥＶおよびＥＶＥｉの各成分の値はゼロに近くなる。
【００４７】
第３の相違点は、計算モジュールＣＡＬによる保護半径の計算方法である。計算原理は、信頼楕円の評価に基づく。
【００４８】
平均値がゼロ、標準偏差がそれぞれσ１およびσ２、相関係数がρである２つのガウス変数Ｘ１およびＸ２について検討する。例えば、Ｘ１およびＸ２は、緯度および経度として表される位置誤差に対応する。Ｘ１およびＸ２の同時確率密度の一定値に対応し、Ｒ０に等しい平面Ｘ１，Ｘ２の定義域は、次の方程式の楕円となる。
【数１】
2010506156.tif 000009
【００４９】
楕円の面積が確率Ｐｂに対応することが所望される、すなわち位置誤差が楕円内である確率Ｐｂを得ることが所望される場合は、次の関係式を満たす必要がある。
【数２】
2010506156.tif 000010
【００５０】
Ｘ１およびＸ２が、例えば衛星群により生成された信号の測定値と慣性基準装置のデータとのハイブリッド化により、決定された水平位置誤差に対応する場合は、求める確率値Ｐｂが定められ、そしてＸ１およびＸ２に関連するディメンション２＊２の分散／共分散マトリクスが得られると即座に、信頼楕円が十分に定義される。実際、Ｐがこれらの２つの変数をリンクする分散／共分散マトリクスであれば、σ１およびσ２はマトリクスの対角係数であり、ρは非対角係数に等しくなる。
【００５１】
図３は、保護半径を計算する方法に用いる信頼楕円を示す。
【００５２】
Ｒ２＝Ａ２＋Ｂ２であるような半径Ｒの円は、次の条件が満たされる場合、信頼楕円を内包する。
【数３】
2010506156.tif 000011
【００５３】
従って、求める確率値Ｐｂおよびこれらの変数に対応するディメンション２×２の分散／共分散マトリクスが得られると即座に、上記の決定論的数式に基づいて２つの変数、例えばハイブリッド位置についての保護半径Ｒが決定可能となる。
【００５４】
補助水平保護半径ＲＰＨ１の決定は、所望の誤警報確率値τ１および所望の検出ミス確率値τ２に基づいて行うのが有益である。
【００５５】
補助水平保護半径ＲＰＨ０の決定は、所望の検出ミス確率値τ２および検出されない衛星欠陥の発生確率値τ３に基づいて行うのが有益である。
【００５６】
補助マトリクスＰＳｉ＝Ｐｉ−ＭＨＹＰから、補助水平保護半径ＲＰＨ１を決定するのに用いられる、ディメンション２×２の分散／共分散マトリクスＰＥｉが抽出され、水平位置に対応するマトリクスＰＳｉから軸が抽出される。ここで、仮定Ｈ１の下で補助水平保護半径ＲＰＨ１を決定するステップが、以下のステップを含むのが有益である。すなわち：
−Ｐ０１＝１−τ１／Ｎを決定するステップと；
−値Ｐ０１およびマトリクスＰＥｉに基づいてテスト閾値ＴＨｉを決定するステップと；
−Ｐ０２＝１−τ２を決定するステップと；
−マトリクスＰＥｉおよび確率Ｐ０２に基づいて決定された楕円を内包する円の半径に等しいものとして補助保護半径ｄｉの値を決定するステップと；
−ｉが１〜Ｎのすべての値である場合の（ＴＨｉ＋ｄｉ）の最大値として半径値ＲＰＨ１を決定するステップと；を含むのが有益である。
【００５７】
分散／共分散マトリクスＭＨＹＰから、補助水平保護半径ＲＰＨ０を決定するのに用いられる、ディメンション２×２の分散／共分散マトリクスＰが抽出され、水平位置に対応するマトリクスＭＨＹＰから軸が抽出される。ここで、仮定Ｈ０の下で補助水平保護半径ＲＰＨ０を決定するステップが、以下のステップを含むのが有益である。すなわち：
−Ｐ０３＝１−τ２．τ３を決定するステップと；
−マトリクスＰおよび確率Ｐ０３に基づいて決定された楕円を内包する円の半径に等しいものとして半径値ＲＰＨ０を決定するステップと；を含むのが有益である。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
完全性監視付きＩＮＳ／ＧＮＳＳハイブリッドシステムであって：
−気圧高度ＭＢＡの測定値を供給する気圧計モジュールＢＡＲＯと；
−角度増分Δθおよび速度増分ΔＶを供給する慣性測定ユニットＵＭＩと；
−前記角度増分Δθおよび前記速度増分ΔＶを受信するとともに、ハイブリッド位置およびハイブリッド速度をそれぞれ構成する慣性位置および速度データＰＰＶＩを生成する仮想プラットフォームＰＦＶと；
−Ｎ個の被追跡可視衛星群に基づいて動作するとともに、これらの衛星により送信された信号の生の測定値ＭＢｉ（ｉは衛星の指標を示し、１〜Ｎの値である）を生成する衛星測位受信機ＧＮＳＳと；
−前記慣性位置および速度データＰＰＶＩ、前記気圧高度ＭＢＡの測定値、ならびに前記Ｎ個の衛星により送信された前記信号の前記生の測定値ＭＢｉを受信するカルマンハイブリッド化フィルタＭＫＦであって、前記フィルタは：
−前記慣性位置および速度データＰＰＶＩと前記生の測定値ＭＢｉとの間の偏差を観測することにより得られる、前記ハイブリッドシステムの誤差に対応する状態ベクトルＶＥの推定を含むハイブリッド修正ＨＹＣ、および
−前記状態ベクトルＶＥの前記推定において生じた誤差の分散／共分散マトリクスＭＨＹＰ
を供給するカルマンハイブリッド化フィルタＭＫＦと；
−前記慣性位置および速度データＰＰＶＩ、前記気圧高度ＭＢＡの測定値、ならびに指標ｉの衛星を除く前記被追跡衛星により送信された前記信号の前記生の測定値ＭＢｉを各々受信するＮ個の二次フィルタＫＳＦｉ（５０ｉ）を含むバンクであって、前記二次フィルタＫＳＦｉは：
−前記慣性位置および速度データＰＰＶＩと衛星ｉを除く前記被追跡衛星により送信された前記信号の前記生の測定値ＳＰＰｉとの間の偏差を観測することにより計算される、前記ハイブリッドシステムの誤差に対応する状態ベクトルＥＶＥｉの推定、および
−前記状態ベクトルＥＶＥｉの前記推定において生じた誤差の二次分散／共分散マトリクスＰｉ
を含むハイブリッドパラメータＳＨＹＰｉを供給するバンクと；
−前記ハイブリッドパラメータＳＨＹＰｉおよび前記分散／共分散マトリクスＭＨＹＰを受信し、前記ハイブリッド位置に関連する水平保護半径ＲＴを決定し、前記位置に関する前記状態ベクトルＥＶＥｉの前記推定の成分が検出閾値ＴＨｉよりも大きいときは、二次フィルタＫＳＦｉの故障について警報を発し、オプションで前記Ｎ個の被追跡可視衛星から故障した衛星を識別する計算モジュールＣＡＬ（７０）と；を備え、
前記二次フィルタＫＳＦｉおよび前記仮想プラットフォームＰＦＶがさらに、前記ハイブリッド修正ＨＹＣを受信する、完全性監視付きＩＮＳ／ＧＮＳＳハイブリッドシステム。
【請求項２】
指標ｉの衛星が故障したことを前記計算モジュールＣＡＬ（７０）が識別する場合、前記二次フィルタＫＳＦｉ（５０ｉ）を前記カルマンフィルタＭＫＦ（４０）の代替に用いる、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
請求項１に記載のハイブリッドシステムの仮想プラットフォームＰＦＶ（６０）により供給されるハイブリッド位置の完全性を監視するため、水平保護半径ＲＰＴを決定する方法であって、ハイブリッドの計算モジュールＣＡＬにより実施される前記方法は：
−前記生の測定値ＭＢｉのうちの１つが誤っているという仮定Ｈ１の下で補助水平保護半径ＲＰＨ１を決定するステップと；
−前記生の測定値ＭＢｉのうちのいずれも誤っていないという仮定Ｈ０の下で補助水平保護半径ＲＰＨ０を決定するステップと；
−前記水平補助保護半径ＲＰＨ０およびＲＰＨ１のうちの最大値として前記水平保護半径ＲＰＴを定めるステップと；を含み、
前記補助水平保護半径ＲＰＨ０およびＲＰＨ１を決定するステップが、水平平面において信頼楕円を内包する円の半径を決定するステップに基づいており、前記信頼楕円が、分散／共分散マトリクスおよび求める確率値に基づいて決定される、方法。
【請求項４】
前記補助水平保護半径ＲＰＨ１を決定するステップが、所望の誤警報確率値τ１および所望の検出ミス確率値τ２に基づいて行われる、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記補助水平保護半径ＲＰＨ０を決定するステップが、所望の検出ミス確率値τ２および検出されない衛星欠陥の発生確率値τ３に基づいて行われる、請求項３に記載の方法。
【請求項６】
軸が水平位置に対応する補助マトリクスＰＳｉ＝Ｐｉ−ＭＨＹＰからディメンション２×２の分散／共分散マトリクスＰＥｉが抽出され、前記仮定Ｈ１の下で前記補助水平保護半径ＲＰＨ１を決定するステップが：
−Ｐ０１＝１−τ１／Ｎを決定するステップと；
−前記値Ｐ０１および前記マトリクスＰＥｉに基づいてテスト閾値ＴＨｉを決定するステップと；
−Ｐ０２＝１−τ２を決定するステップと；
−前記マトリクスＰＥｉおよび前記確率Ｐ０２に基づいて決定された楕円を内包する円の半径に等しいものとして補助保護半径ｄｉの値を決定するステップと；
−ｉが１〜Ｎのすべての値である場合の（ＴＨｉ＋ｄｉ）のうちの最大値として前記半径値ＲＰＨ０を決定するステップと；を含む、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
軸が水平位置に対応する前記分散／共分散マトリクスＭＨＹＰからディメンション２×２の分散／共分散マトリクスＰが抽出され、前記仮定Ｈ０の下で前記補助水平保護半径ＲＰＨ０を決定するステップが：
−Ｐ０３＝１−τ２．τ３を決定するステップと；
−前記マトリクスＰおよび前記確率Ｐ０３に基づいて決定された楕円を内包する円の半径に等しいものとして前記半径値ＲＰＨ０を決定するステップと；を含む、請求項５に記載の方法。
【国際調査報告】
2010506156.tif 000012
2010506156.tif 000013
2010506156.tif 000014
2010506156.tif 000015
2010506156.tif 000016
2010506156.tif 000017