(57)【要約】【課題】  衛星位置ナビゲーション・システムにおける浮動点小数および整数アンビギュイティを決定するための方法および装置を提供する。【解決手段】  ローバー局は、未知の場所に周期的に位置すると共に、ナビゲーション信号を受信することのできる衛星受信装置を有する。既知の場所にある基地局とローバー局との間の相対位置座標を計算すると共に、衛星位置に対するその他の位置パラメータを計算することによって、ローバーと基地局との間の計測仰角に基づく幾何学的拘束をデータ計算と処理に組み入れて、搬送波位相アンビギュイティの決定を支援することができる。仰角は、複数のレーザビームをローバー局の光学センサに送信することによって計測される。この技法により、ローバーの場所の特定においてより高い精度が得られる。【選択図】図１
2005283576.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
衛星位置ナビゲーション・システムにおいてアンビギュイティ（不明瞭性）を決定するための装置であって、
既知の場所にある基地局であって、
搬送波信号を含むナビゲーション衛星信号を受信することのできる第１の衛星受信装置と、
レーザ送信機とを備える基地局、
移動局であって、
搬送波信号を含むナビゲーション衛星信号を受信することのできる第２の衛星受信装置と、
前記レーザ送信機によって生成されるレーザビームを受信する光検出装置と、
前記基地局の上の前記レーザ送信機と前記移動局との間の仰角を計算するために、レーザビームを処理する演算処理ユニットとを備える移動局、および
少なくとも部分的に搬送波信号に基づいて、前記移動局の場所を特定するための、前記第１および第２の衛星受信装置と通信するデータ処理ユニットであって、少なくとも部分的に前記仰角に基づいて、搬送波位相アンビギュイティを決定するように構成されたデータ処理ユニットを備える装置。
【請求項２】
前記データ処理ユニットが、少なくとも部分的に前記仰角に基づいて搬送波位相浮動小数点アンビギュイティを決定するように構成された、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記データ処理ユニットが、少なくとも部分的に前記仰角に基づいて搬送波位相整数アンビギュイティを決定するように構成された、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記レーザ送信機が、異なる幾何学的特徴を有する、複数ビームを生成するレーザ装置を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記複数ビームが、垂直方向に発散する２つ以上のビームに成形された、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
レーザビームを処理する前記演算処理ユニットが、前記光検出装置による２つ以上のビームの検出の間の時間遅延から制御信号を計算する、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記データ処理ユニットが、繰り返される反復手順の一部として搬送波位相アンビギュイティを決定する、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記演算処理ユニットまたは前記データ処理ユニットが、前記レーザ送信機の位置に頂点を有する幾何学的円錐を計算し、前記移動ユニットの参照点場所が、前記円錐の表面上にあると推定される、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記データ処理ユニットが、最初に浮動小数点アンビギュイティを推定し、次いで、前記推定された浮動小数点アンビギュイティを、少なくとも部分的に整数アンビギュイティを推定するのに使用する、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
衛星ナビゲーション・システムの移動ユニットの位置同定中にアンビギュイティを決定する方法であって、
既知の場所のレーザ送信機が生成するレーザビームを受信する工程と、
前記移動ユニットと前記レーザ送信機の間の仰角を計算する工程と、
前記移動ユニットの受信する搬送波におけるアンビギュイティを、少なくとも部分的に前記仰角から生成される幾何学的拘束に基づいて決定する工程とを含む方法。
【請求項１１】
前記レーザビームがＮ形である、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記レーザビームが、垂直方向に発散する２つ以上の扇形ビームを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記アンビギュイティが、搬送波位相整数アンビギュイティである、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記アンビギュイティが、搬送波位相浮動小数点アンビギュイティである、請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
前記決定する工程が、
前記レーザ送信機の位置に頂点を有する幾何学的円錐を生成する工程を含み、前記移動ユニットの参照点場所を、前記円錐の表面上にあると推定する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１６】
レーザ送信機から複数のレーザビームを生成する工程であって、前記ビームがそれぞれ、異なる周波数、異なる極性、異なる波長、異なる幾何学形状、異なる強度から選択される異なる特性を有する、工程をさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１７】
ナビゲーション衛星信号を受信することのできる、既知の場所に基地局を有し、かつレーザ送信機を有する衛星位置ナビゲーション・システムにおけるアンビギュイティを決定する装置であって、
移動局と、
前記移動局上の衛星受信装置と、
前記レーザ送信機から生成されるレーザビームを受信することのできる前記移動局上の光学センサと、
レーザビームを解析して前記移動局と前記基地局との間の仰角を計算すると共に、前記仰角に少なくとも部分的に基づいて場所アンビギュイティを決定するプロセッサ手段とを備える装置。
【請求項１８】
前記プロセッサ手段が、少なくとも部分的に前記仰角に基づいて、位相整数アンビギュイティおよび浮動少数点アンビギュイティを推定する、請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記プロセッサ手段が、初期化過程の一部として、位相整数アンビギュイティを推定する、請求項１７に記載の装置。
【請求項２０】
前記移動局が、建設機械と関係する、請求項１７に記載の装置。
【請求項２１】
前記プロセッサ手段が、レーザ送信機の位置に頂点を有する幾何学円錐を計算し、前記移動ユニット用の参照点場所が、前記円錐の表面上にあると推定される、請求項１７に記載の装置。
【請求項２２】
複数レーザビームを受信する光学センサを有すると共に、ナビゲーション衛星信号を受信するアンテナを有する移動ユニットの位置同定をする間に、アンビギュイティを決定する方法であって、
サイクルと位相のパラメータを検出するために、前記移動ユニットのアンテナが受信する衛星信号を処理する工程と、
前記移動ユニットと、既知の場所に位置する基地局との間の仰角を計算するために、前記移動ユニットの光学センサが受信するレーザビームを解析する工程と、
前記移動ユニットの推定場所におけるアンビギュイティを、仰角を組み入れる計算に基づいて決定する工程とを含む方法。
【請求項２３】
部分的に前記仰角に基づいて整数サイクル・アンビギュイティを決定する工程をさらに含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
部分的に前記仰角に基づいて浮動小数点アンビギュイティを決定する工程をさらに含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
初期化過程においてアンビギュイティを決定する工程をさらに含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２６】
前記仰角に基づいて幾何学円錐を計算する工程をさらに含み、前記移動ユニットの参照点場所が前記円錐の表面上にあると推定する、請求項２２に記載の方法。
【請求項２７】
複数のレーザビームを受信することのできる光学センサを有し、かつナビゲーション衛星信号を受信するためのアンテナを有する移動ユニットの位置同定中のアンビギュイティを決定するためのコンピュータ・プロセッサ上で実行可能なコンピュータ・プログラム命令を記憶するコンピュータ可読媒体であって、前記コンピュータ・プログラム命令が、
サイクルおよび位相のパラメータを検出するために、前記移動ユニットのアンテナが受信する衛星信号を処理する工程と、
前記移動ユニットと既知の場所に位置する基地局との間の仰角を計算するために、前記移動ユニットの光学センサが受信するレーザビームを解析する工程と、
前記仰角を組み入れた計算に基づく幾何学的拘束を使用して、浮動小数点および整数の搬送波アンビギュイティの両方を決定する工程とを定義する、コンピュータ可読媒体。
【請求項２８】
前記仰角に基づいて幾何学円錐を計算するプログラム命令をさらに含み、前記移動ユニットの参照点場所が、前記円錐の表面上にあると推定される、請求項２７に記載のコンピュータ可読媒体。
【請求項２９】
最初に浮動小数点アンビギュイティを推定し、次いで、前記推定された浮動小数点アンビギュイティを、少なくとも部分的に整数アンビギュイティを推定するために使用するプログラム命令をさらに含む、請求項２７に記載のコンピュータ可読媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的には衛星ナビゲーション受信装置に関し、より具体的にはナビゲーション衛星搬送波の整数および浮動点アンビギュイティの推定および決定に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧＰＳ（米国）やＧＬＯＮＡＳＳ（ロシア）などの衛星ナビゲーション・システムは、当該技術分野においてよく知られており、専用ナビゲーション受信装置を所有するユーザの高精度自己測位（ｈｉｇｈｌｙ  ａｃｃｕｒａｔｅ  ｓｅｌｆ−ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ）を目的としている。ナビゲーション受信装置は、それ自体から見通し距離内に位置する衛星から伝送される無線信号を受信して処理する。この衛星信号には、擬似ランダム２値コードによって変調された搬送波信号が含まれる。受信装置は、局所参照時計または発振器を基準として、受信信号の時間遅延を計測する。これらの計測によって、受信装置は、それ自体と衛星の間の、いわゆる擬似距離（ｐｓｅｕｄｏ  ｒａｎｇｅ）を特定することができる。この擬似距離は、様々な雑音源や衛星と受信装置との時間係数における変化のせいで、受信装置と衛星の実際距離とは異なっている。各衛星は、それ自体の搭載原子時計を有し、受信装置はそれ自体の搭載時計を有する。衛星の数が十分に多い場合には、計測された擬似距離を処理して、より正確なユーザ場所と座標時間係数（ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ  ｔｉｍｅ  ｓｃａｌｅ）を特定することができる。
【０００３】
高精度でユーザ場所を精密特定することへの要求、および計測の安定性と信頼性を改善することへの願望が、ディファレンシャル・ナビゲーション（ＤＮ）の開発へとつながった。ディファレンシャル・ナビゲーションにおいては、ローバー（Ｒｏｖｅｒ）とも呼ばれるユーザの位置を発見するタスクは、基地局（基地）を基準として行われる。ユーザは、移動しても静止していてもよい。移動ローバーの場所座標は、連続的に変化しており、時間係数を参照しなくてはならない。基地局の正確な座標は既知であり、基地局は一般に計測中は静止している。基地局は、ナビゲーション受信装置を有し、これが衛星の信号を受信して処理し、計測値を生成する。これらの信号計測値は、通信チャネル（例えば、無線）を介してローバーに伝送される。ローバーは、それ自体の場所を正確に特定するために、それ自体のナビゲーション受信装置を用いて取得するそれ自体の計測値と共に、基地から受信するこれらの計測値を使用する。ローバー定位の精度は、ディファレンシャル・ナビゲーション・モードにおいては向上するが、これはローバーが、それ自体の計測値における強い相関を有する誤差の主要部分を補償するために、基地局計測値を使用することができるからである。
【０００４】
ディファレンシャル・ナビゲーション（ＤＮ）を使用するときには、様々な動作モードが可能である。事後処理（ＰＰ）モードにおいては、ローバーの座標は、すべての計測が完了した後に、基地局計測値とローバー計測値とを共同処理することによって求められる。これによって、高精度な定位が可能となるが、それは定位のためにより多くのデータが利用可能であるからである。リアルタイム処理（ＲＴＰ）モードにおいては、ローバーの座標は、通信チャネルを介して受信する基地局情報を受信時に、リアルタイムで同定される。
【０００５】
ディファレンシャル・ナビゲーションの定位精度は、衛星搬送波信号の位相計測値で、擬似距離計測を補足することによってさらに改善することができる。基地受信装置において衛星から受信される信号の搬送波位相を計測して、ローバー受信装置で計測される同一の衛星の搬送波位相と比較すると、搬送波の波長の数パーセント以内の計測精度を得ることができる。これらの利点を実際に実現することは、搬送波位相の計測によって保証されるものであり、位相計測に対するアンビギュイティ（不明瞭性）決定（ａｍｂｉｇｕｉｔｙ  ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ）の問題に行き当たる。
【０００６】
このアンビギュイティは２つの要因によって生じる。第１には、衛星からローバーまでの第２の距離と比較して、衛星から基地までの第１の距離の差は、通常、搬送波の波長よりもはるかに大きい。したがって、基地およびローバーの受信装置が受信する搬送波信号の位相遅延における差は、実質的に１サイクルを超える可能性がある。第２に、入力衛星信号から整数サイクル数を計測することは不可能であり、その小数部分だけが計測可能である。したがって、整数のサイクル数を特定することが必要であり、これが「アンビギュイティ」と呼ばれる。より正確には、追跡中のすべての衛星に対してそのような整数パラメータのすべての組を、各衛星にそれぞれ１つの固有の整数パラメータを関連させて、特定する必要がある。この整数アンビギュイティの組を、ローバーの座標および時間係数における変動を含むその他の未知の値と共に、特定しなくてはならない。
【０００７】
高レベルにおいて、高精度ナビゲーション計測値を生成するタスクは次のように定式化される。ｎΣの未知の要素を含むベクトルを用いて、システムの状態ベクトルを特定する必要がある。それには、所与の座標系における（通常は、デカルト軸Ｘ、Ｙ、Ｚに沿った）３つのローバー座標（時には、座標の時間微分が追加される）、受信装置内の局所主参照発振器の位相ドリフトに起因する時間係数の変動、および搬送波周波数の位相計測値のアンビギュイティに関連するｎ個の整数の未知値を含む。ｎの値は、処理されている異なる搬送波信号の数によって決まり、したがって受信装置内で能動的に機能する衛星チャネルの数に一致する。少なくとも１つの衛星チャネルが、各衛星に対して使用され、これらの衛星の同報信号を、受信装置が受信して処理する。Ｌ１周波数帯の搬送波とＬ２周波数帯の搬送波を同報するＧＰＳ衛星などの、いくつかの衛星は、複数のコード変調搬送波信号を同報する。受信装置がＬ１帯およびＬ２帯の両方、いわゆる２重周波数受信装置で搬送波信号を処理する場合には、衛星チャネルの数（ｎ）は、相応して増加する。２重周波数受信装置は、電離層遅延補正を可能とし、そのためにアンビギュイティ決定を容易にする。
【０００８】
基地とローバーの受信装置によって、それぞれ２組のナビゲーション・パラメータが計測されて、未知の状態ベクトルを同定するのに使用される。各組のパラメータには、各衛星の受信装置までの擬似距離、および各衛星搬送波信号の全（完全）位相が含まれる。各擬似距離は、対応する衛星のコード変調信号の時間遅延を計測することによって得られる。コード変調信号は、各衛星追跡チャネルにおける遅延同期ループ（ＤＬＬ：ｄｅｌａｙ−ｌｏｃｋ  ｌｏｏｐ）回路によって追跡される。衛星搬送波信号の全位相は、対応する衛星追跡チャネルにおける位相同期ループ（ＰＬＬ：ｐｈａｓｅ−ｌｏｃｋ−ｌｏｏｐ）によって追跡される。観察ベクトルが、特定（一定）の時刻に対する計測ナビゲーション・パラメータの集合として生成される。
【０００９】
状態ベクトルと観察ベクトルとの関係は、よく知られたナビゲーション方程式系によって定義される。観察ベクトルが与えられると、方程式の数が、状態ベクトル内の未知数の数に等しいかそれを超える場合には、方程式系を解いて、状態ベクトルを見出すことができる。この方程式系を解くには、従来型の統計的方法、すなわち、最小２乗法、動的カルマンフィルタ法、およびこれらの方法の様々な変形形態を使用する。
【００１０】
これらの方法のデジタル形態での実際的な実現方法は様々なものがある。プロセッサ上でそのような方法を実装または開発する際には、通常、所与のプロセッサ能力に対して、結果の精度と結果を得るまでの時間との間に妥協を見出し、同時にプロセッサに対してある量の負荷を超えないようにしなくてはならない。
【００１１】
一般的な一方式は以下のステップを含む。特定（一定）の時刻における、擬似距離および全位相の計測値が、これらの計測値が属する衛星の指標および計測の時刻と共に、基地からローバーに伝送される。ローバー受信装置において対応する値が計測される。この処理には、各衛星に対する基地とローバーとの間の、擬似距離および全位相（ｆｕｌｌ  ｐｈａｓｅ）の一重差（ｓｉｎｇｌｅ  ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）の特定が含まれる。強い相関のある誤差は、この一重差において補償される（すなわち、実質的に相殺される）。次いで、一重差の残余が、計測結果から計算値を減算することによって計算される。残余の処理によって、（時には、いくつかの後続の反復が必要となる）ナビゲーション方程式の初期系を線形化することが可能となり、これによって、線形方程式系を解くための、確立された数学体系を使用することが可能となる。ｎ個のアンビギュイティを含む、状態ベクトルの構成要素が、解の結果として見出される。
【００１２】
しかしアンビギュイティの計算値は、必ずしも整数ではなく、浮動小数点数であることも多い。この理由で、解のこの段階では、浮動アンビギュイティ、またはフローティング・アンビギュイティと呼ばれる。整数アンビギュイティの真値を見つけるために、浮動アンビギュイティ・ベクトルを最も近い整数に四捨五入する手順が使用される。この処理が、アンビギュイティ決定と呼ばれる。アンビギュイティ決定が行われた後に初めて、残余の真値を特定し、次いで、再び方程式系を解くことによって、基地とローバーとを連結する基線の座標値を見出し、結果的に、ローバーの厳密な座標とその時計ドリフトに対する補正を特定することが可能となる。
【００１３】
上述の計算の全体構成は、当該技術分野においてよく知られており、例えば、Ｂｒａｄｆｏｒｄ  Ｗ．Ｐａｒｋｉｎｓｏｎ、Ｊａｍｅｓ  Ｊ．Ｓｐｉｌｋｅｒ  Ｊｒ．、「Ｇｌｏｂａｌ  Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ  Ｔｈｅｏｒｙ  ａｎｄ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」、Ｖｏｌｕｍｅ  １６３、Ｐｒｏｇｒｅｓｓ  Ｉｎ  Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ  ａｎｄ  Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ、Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  ｏｆ  Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ  ａｎｄ  Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｉｎｃ．、Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ  Ｄ．Ｃ．、１９９６年にさらに詳細が記載されている。
【００１４】
しかしながら、搬送波位相を計測するタスクは、達成が困難である。実際には、位相を計測するには非理想的な受信装置を使用しなくてはならず、各受信装置が、ＧＰＳ時間に対して異なる時計オフセットを有すると共に、各受信装置は、計測過程において発生する位相誤差を有する。さらに、現時点では、搬送波信号の周波数は１ＧＨｚを超えるので、搬送波が受信装置のアンテナによって受信されるときに、そのサイクルを個々に計数することは実際的ではない。これによって、「整数サイクル・アンビギュイティ」問題が生じ、本発明が提供する解決策が必要となる。サイクル・アンビギュイティを、効率的に、かつ適当な精度をもって決定することは、位相情報を有効に使用し基線の推定座標を改善するのに、重要な観点である。
【非特許文献１】Ｂｒａｄｆｏｒｄ  Ｗ．Ｐａｒｋｉｎｓｏｎ、Ｊａｍｅｓ  Ｊ．Ｓｐｉｌｋｅｒ  Ｊｒ．による「Ｇｌｏｂａｌ  Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ  Ｔｈｅｏｒｙ  ａｎｄ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」、Ｖｏｌｕｍｅ  １６３、Ｐｒｏｇｒｅｓｓ  Ｉｎ  Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ  ａｎｄ  Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ、Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  ｏｆ  Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ  ａｎｄ  Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｉｎｃ．、Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ  Ｄ．Ｃ．、１９９６年
【特許文献１】米国特許第６２６８８２４号
【特許文献２】米国特許出願公開第２００４／０１２５３６５Ａ１号
【特許文献３】米国特許出願第２００３／０１３６９０１Ａ１号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は、ナビゲーション衛星信号、受信装置時間オフセット、レーザビーム送信機、およびレーザビーム受信機を使用する静止または移動物体の、実際の正確な位置座標の特定における精度向上を達成する、改良型方法と装置とを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の一態様は、特に、レーザビーム角度計測に基づく拡大によって、衛星から受信装置への信号の搬送波位相アンビギュイティ決定を高速化することをねらいとしている。
【００１７】
本発明は、一般的には、衛星位置ナビゲーション・システムにおける搬送波アンビギュイティを決定する技法を提供する。一実施形態において、ディファレンシャル・ナビゲーション・システムは、１つまたは複数の衛星から搬送波の形態でナビゲーション信号を受信することのできる衛星受信装置を備える、既知の場所に位置する基地局を含む。ローバー局は、周期的に未知の場所に位置し、同一または類似のナビゲーション信号を受信することのできる衛星受信装置を有する。基地とローバーの間の位置座標と共に、ローバー局と基地局の間の仰角を特定し、かつ衛星位置に対するその他の位置パラメータを計算することによって、搬送波位相アンビギュイティを決定し、ローバーの場所を特定する際の誤差を最小化するのに役立つ、幾何学的拘束を生成することができる。
【００１８】
一実施形態においては、基地局上のレーザ送信機が、基地とローバーとの間の仰角を計測するための基準として、ローバー上の光学センサに対して複数のレーザビームを送信する。仰角に基づく円錐表面の形態の幾何学的拘束を、その他のパラメータおよび計算結果と共に、浮動小数点および整数搬送波位相アンビギュイティの推定と決定のために使用する。
【００１９】
本発明のこれら、およびその他の利点は、以下の詳細な説明と添付の図面を参照すれば、当業者には明白であろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明の特徴を実現するための代表的な例示位置ナビゲーション・システムは、それぞれが２つの周波数帯：Ｌ１帯およびＬ２帯、の信号を放射する複数の衛星を含む。２つの搬送信号は、Ｌ１帯で同時に送信されて、両搬送波信号は、同一の周波数を有するが、位相がπ／２（９０°）だけずれている。第１のＬ１帯搬送波信号は、Ｃ／Ａ（ｃｌｅａｒ  ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ）コード信号によって変調されており、第２のＬ１搬送波信号は、Ｐ（ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ）コード信号によって変調されている。１つの搬送波信号は、Ｌ２帯で送信され、Ｌ１搬送波信号とは異なる周波数を使用する。Ｌ２搬送波信号は、第２のＬ１搬送波信号を変調するのに使用される、同じＰコード信号で変調されている。これらの搬送波周波数の値は、１ＧＨｚから２ＧＨｚの間である。各Ｃ／Ａコード信号およびＰコード信号は、セグメントの反復列、または「チップ」を含み、ここで各チップは、事前設定された時間周期のものであり、＋１から−１である事前選択された値を有する。このセグメント値は、擬似ランダム・パターンに従い、したがってＣ／ＡコードおよびＰコードは擬似ランダム・コード信号またはＰＲコード信号と呼ばれる。さらに、Ｃ／Ａコード信号およびＰコード信号が、そのそれぞれの搬送波信号上で変調される以前に、各コード信号は、低周波数（５０Ｈｚ）情報信号（いわゆる情報記号）によって変調される。
【００２１】
衛星と受信装置の間の概略距離は、光速に、衛星信号が受信装置に到達するのにかかる伝播時間を乗じたものに等しい。この概略距離は擬似距離と呼ばれ、これをある特定の誤差について補正することによって、衛星と受信装置の間の補正距離を見出すことができる。それぞれの可視衛星と受信装置との間に、擬似距離がある。衛星から受信装置までの伝播時間は、受信装置および衛星内の時計と、受信された衛星信号内にあるいくつかの時間係数（すなわち、タイミング標識）とを用いて計測される。衛星および受信装置内の時計は、実質的に同じ時間に設定されるが、受信装置時計は時間オフセットを有することが仮定されており、その理由は、受信装置時計は水晶発振子に基づくのに対して、衛星時計はより正確な原子参照時計に基づくためである。受信装置は、メモリ中に記憶された衛星の軌道パターンを有し、その時計の時刻に基づいて衛星の軌道位置を特定することができる。受信装置は、衛星信号上のタイミング標識を読み取り、それを、それ自体の時計と比較して、衛星から受信装置までの伝播時間を特定する。
【００２２】
衛星の低周波数（例えば、５０Ｈｚ）情報信号は、最も精度の低いタイミング情報を提供し、Ｃ／Ａコード信号は、次に最も精密なタイミング情報を提供し、Ｐコード信号は最も精密なタイミング情報を提供する。擬似距離は、市民ユーザおよび一部の軍事ユーザ用には、低周波数情報信号とＣ／Ａコードとから特定され、ほとんどの軍事ユーザ用には、低周波数情報とＰコード信号とから特定される。Ｐコード信号の正確な使用には、軍事ユーザのみが知る特定のコード信号の知識を必要とする。Ｐコード信号が提供するよりも高い精度が、２つの受信装置を使用するディファレンシャル・ナビゲーションＤＮモードにおいて、衛星搬送波信号の位相を計測することによって得ることができる。
【００２３】
図１は、本発明のいくつかの特徴を組み込んだ、例示的なディファレンシャル・ナビゲーション・システムの概略図を示す。このディファレンシャル・ナビゲーション・システムは、ローバーＧＰＳユニット１１０および基地ＧＰＳユニット１１４を含む。基地１１４の場所は既知であり、システムはローバー１１０の場所を特定しようとしている。当該技術においてよく知られているように、ローバー１１０は、アンテナ１１２を介して衛星１０２、１０４、１０６、１０８から信号を受信する。同様に、基地１１４は、アンテナ１１６を介して衛星１０２、１０４、１０６、１０８から信号を受信する。基地１１４は、通信チャネル１１８を介してローバー１１０にディファレンシャル補正信号を送信する。通信チャネル１１８は、例えば、有線または無線接続とすることができる。図１に示す例示的なシステムにおけるローバー１１０の場所を特定する技法は、当該技術においてよく知られており、例えば、Ｂｒａｄｆｏｒｄ  Ｗ．Ｐａｒｋｉｎｓｏｎ、Ｊａｍｅｓ  Ｊ．Ｓｐｉｌｋｅｒ  Ｊｒ．、「Ｇｌｏｂａｌ  Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ  Ｔｈｅｏｒｙ  ａｎｄ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」、Ｖｏｌｕｍｅ  １６３、Ｐｒｏｇｒｅｓｓ  Ｉｎ  Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ  ａｎｄ  Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ、Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  ｏｆ  Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ  ａｎｄ  Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｉｎｃ．、Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ  Ｄ．Ｃ．、１９９６年に記載されている。
【００２４】
基地１１４に関連するレーザ・ユニット１２０は、基地とローバー上の参照点の間の仰角１２６を精密に計測するために、レーザビーム（単数または複数）１２２をローバー１１０上の光学センサ１２４に送信する。１２８などの局所参照面を、仰角の計測のために使用する。仰角を計測するためのレーザ信号の生成、送信、検出および解析についてのさらなる詳細は、図５〜９に関連して以下に記述する。
【００２５】
本発明の一実施形態によれば、ローバー・ユニット１１０は、少なくとも部分的に仰角１２６の計測に基づく、整数アンビギュイティを決定するために、整数アンビギュイティ・モジュールの機能を追加するように修正されている。本発明の一実施形態に従って構成された衛星受信装置の高レベルのブロック図を図２に示してある。図２は、アンテナ２１２を介して衛星信号を受信するための信号受信装置２０４を備える衛星受信装置ユニット２０２を示す。信号受信装置２０４は、ナビゲーション定位モジュール２０６に信号計測値を供給する。ナビゲーション定位モジュール２０６は、信号受信装置２０４から受け取る計測値を使用して、衛星受信装置ユニット２０２の場所を特定する機能を実行する。この機能は、ナビゲーション・タスクと呼ばれることもある。衛星受信装置ユニット２０２は、通信チャネルを介してその他のデバイスと通信するための通信インターフェース２０８を含む。例えば、衛星受信装置ユニット２０２は、通信インターフェース２０８を介して基地局から情報を受信する。本発明の一実施形態によれば、衛星受信装置ユニット２０２は、本発明の原理に従って動作するための、整数アンビギュイティ・モジュール２１０を含む。ここで、図２は、本発明の原理を示す目的で、高レベル機能ブロック図を示すためのものであることを理解すべきである。もちろんのこと、衛星受信装置には、図示していないその他の要素もある。例えば、標準的な衛星受信装置ユニットは、ユニットの全体機能を制御するための１つまたは複数のプロセッサを含んでいる。そのようなプロセッサは、一般にユニットのメモリ・ユニット内に記憶されたコンピュータ・プログラム・コードの制御の下に動作する。この明細書の記述があれば、当業者であれば、本発明の原理を実現するために、よく知られた衛星受信装置ユニットを修正する方法をすぐに理解するであろう。
【００２６】
本明細書において使用する場合には、受信装置という用語は、ＧＰＳ衛星受信ユニット２０２と、衛星受信装置ユニット２０２の一部である信号受信装置２０４の両方を意味する。当業者は、これらは異なる種類の受信装置であることを認識するであろう。衛星受信装置ユニット２０２は、ユーザが衛星信号を受信かつ処理して定位機能（ｌｏｃａｔｉｏｎ  ｆｕｎｃｔｉｏｎ）を実行するのに使用される全体ユニットであるのに対して、信号受信装置２０４は、衛星受信装置ユニット２０２の特定の部分を意味し、これは、アンテナ２１２を介して信号を受信し、その（以下に示すような）信号を処理し、ナビゲーション・タスクを実行するためにナビゲーション定位モジュール（ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ  ｌｏｃａｔｉｏｎ  ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ  ｍｏｄｕｌｅ）に、ある信号計測値およびパラメータを送る。
【００２７】
図３は、本発明の一実施形態による衛星受信装置２００の高レベルのブロック図を示す。本明細書で使用するブロック図は、ユニットの高レベル機能および構成を記述することを意図するものであることに注意されたい。当業者は、あるブロックはハードウェア構成要素を示すのに対して、他のブロックはある機能または動作を示すことを容易に理解するであろう。この機能および動作は、ハードウェア回路、プロセッサ上で実行されるソフトウェア命令、ファームウェア、またはハードウェアとソフトウェアの組合せによって実行することができる。本明細書の記述があれば、当業者は、良く知られた様々なハードウェアとソフトウェアの組合せを使用して、記述した機能を実現することができるであろう。したがって、本明細書に記載する機能の実現の詳細は、当業者にはよく知られているので、そのような実現の詳細はここでは詳細に記述しない。
【００２８】
図３を参照すると、衛星受信装置２００は、衛星信号２１６を受信するためのアンテナ２１４を備える。ＲＦケーブル２２２は、アンテナからＲＦモジュール２１８に衛星信号を搬送する。ＲＦモジュール２１８は、当該技術においてよく知られている方法で、信号の増幅、周波数変換、およびフィルタリングを行う。ＲＦモジュール２１８からの信号出力は、低搬送波周波数とアナログ／デジタル変換のための十分な電力を有する。ＲＦモジュール２１８の出力は、アナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）２２０に供給されて、ここで各衛星チャネルの信号が、レベルにおいて量子化され、時間においてデジタル化される。ＡＤＣ２２０は、デジタル信号を個々の衛星チャネル・プロセッサ２２６、２２８、２３０に供給する。衛星チャネル・プロセッサの出力は、ナビゲーション・タスクを実行するナビゲーション・プロセッサ２３２に供給される。
【００２９】
図４を参照すると、各チャネルは、衛星信号の選ばれた１つを追跡する。各追跡チャネルは、衛星信号（例えば、Ｃ／ＡコードまたはＰコード信号）内の１つのＰＲコード信号の遅延と共に、衛星の搬送波信号のダウンコンバータ版の位相も計測する。標準的な追跡チャネルは、ＰＲコードの遅延を追跡する遅延同期ループ（ＤＬＬ）回路、衛星の搬送波信号の位相を追跡する位相同期ループ（ＰＬＬ）回路、およびＤＬＬとＰＬＬ回路のための入力信号を生成する３つの相関器を備える。
【００３０】
ＤＬＬ回路は、１組の参照コード信号を生成する参照コード発生器を有し、参照コード信号のそれぞれは、衛星信号のＰＲコードを追跡すると共に、参照コードのそれぞれは、それぞれの相関器への入力として供給される。各相関器出力は、参照コード信号が衛星コード信号を追跡している度合（すなわち、参照信号が、衛星信号に対して時間において進んでいるか、または遅れている量）を表す。また、ＤＬＬ回路は、ＤＬＬ弁別器およびＤＬＬフィルタを有する。ＤＬＬ弁別器は、２つの相関器、すなわちＤＬＬ回路を制御するための基本信号を生成するＤＬＬ相関器と、ＤＬＬ相関器からの基本信号を平準化するのに有用な信号を生成する主相関器とから入力を受け取る。ＤＬＬ弁別器は、これらの入力から誤差制御信号を生成し、この誤差信号は、ＤＬＬ参照コード発生器へ制御信号として供給される前に、ＤＬＬフィルタによってフィルタリングされる。ＤＬＬ誤差信号の値は、ＤＬＬ発生器の参照コード信号が、追跡している衛星コード信号に対して、遅れている、または進んでいる量だけ変化して、コード発生器に、衛星コード信号によく一致するように参照コード信号のタイミングを調節させる。このようにして、追跡信号が達成される。擬似距離２４０は、受信装置時計２４２、５０Ｈｚ情報信号２４４、およびＤＬＬによって生成される参照コード信号２４６の任意の１つから当該技術で知られている方法で生成することができる。
【００３１】
同様に、ＰＬＬは、衛星搬送波信号のダウンコンバータ版を追跡する参照搬送波信号を生成する参照搬送波発生器を有する。参照搬送波周波数は、参照搬送波発生器内部の数値制御発振器（ｎｕｍｅｒｉｃａｌｌｙ−ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）によって生成されることが多いので、参照搬送信号の周波数はｆＮＣＯで表す。図４を参照すると、ＰＬＬ回路は、ＰＬＬ弁別器およびＰＬＬフィルタも有する。ＰＬＬ弁別器は２つの相関器、すなわちＰＬＬ回路を制御するための基本信号を生成するＰＬＬ相関器、およびＰＬＬ相関器からの基本信号を平準化するために有用な信号を生成する主相関器から入力を受け取る。それぞれの相関器出力は、参照搬送信号が衛星搬送信号を追跡している度合（すなわち、参照搬送信号が、衛星搬送波信号に対して時間において進んでいるか、または遅れている量）を表す。ＰＬＬ弁別器は、これらの入力から誤差制御信号を生成し、この誤差制御信号は、ＰＬＬ参照搬送波発生器に制御信号として供給される前にＰＬＬフィルタによってフィルタリングされる。ＰＬＬ誤差信号の値は、ＰＬＬ参照搬送波発生器の参照搬送波信号が、追跡されている衛星搬送信号に対して遅れている、または進んでいる量だけ変化し、参照搬送波発生器に、衛星搬送波信号によく一致するように参照搬送波信号のタイミングを調節させる。参照搬送波発生器は、ＰＬＬ参照発振器の位相（積分された周波数）を表す位相入力２５０を提供する。この位相入力信号２５０は、その他の情報と組み合わせて衛星信号の全位相を表す（ただし、アンビギュイティを含む）最終出力信号２５２を提供することができる。
【００３２】
最後に、各個別の追跡チャネルは、通常、最初に参照信号を変化させてＰＬＬおよびＤＬＬ回路をロック・モードにするサーチ・システム２５４を備える。この構成要素および上記のその他の構成要素の構築は、当該技術においてよく知られており、当業者が本発明を実施する上で、これらについてのさらに詳細な記述は必要ではない。
【００３３】
ＰＬＬループは、ｋＨｚ領域にある搬送波信号のドップラー・シフト周波数を容易に追跡することができる。当該技術において知られているように、衛星は固定周波数で送信するが、衛星と受信装置との相対運動によって、受信装置から見る周波数は、ドップラー周波数によってわずかに移動する。ＰＬＬ回路の参照発振器（例えば、ＮＣＯ）は、ダウンコンバートされた衛星信号の選ばれた１つの周波数を追跡する。結果として、これは、本質的に衛星搬送波信号のドップラー・シフト周波数を追跡する。
【００３４】
米国特許第６２６８８２４号には、観察可能な位相信号が、受信装置と衛星との距離にいかに関係するかが示されている。
【００３５】
本発明の特徴は、多数の応用環境および動作モードにおいて実現することができる。本発明は、リアルタイム処理モード（ＲＴＰ）および事後処理モード（ＰＰ）の両方に対して好適である。ローバー局と基地局との相対位置がすべての方向（Ｘ、ＹおよびＺ軸）で変化することのできる、一般応用領域において有用である。本発明は、基地局が常に固定位置にある場合、またはローバーが車両または掘削装置などに搭載されている場合などの、より制約の多い環境にも適用可能である。
【００３６】
図１のレーザ・ユニット１２０および光学センサ１２４を、図５および６の本発明の例示的な実施形態に示してある。回転レーザ装置２７が、回転照射によって複数のビームを光検出センサ装置２８に投射する。既知の点Ｘに概略位置合わせするために設置された三脚２９が、レーザ装置２７を支持している。三脚２９は、ＧＰＳ計測装置７５を載せて、基地局を構成している。ローバーは、センサ装置２８を載せた移動ロッド３４として示してある。ＧＰＳ計測装置３０がロッド３４の上端に装着されて、衛星から受信する信号に基づいて位置情報を提供する。レーザビームは好ましくは、垂直方向の扇形ビーム３３ａおよび３３ｂ、ならびに他の２つのビーム３３ａ、３３ｂに対して斜めに傾斜させた扇形ビーム３３ｃを組み込み、Ｎ形構成を形成する。扇形ビーム３３ａおよび３３ｂが垂直方向に向いている必要はないが、検出および解析は、互いに平行に延びると共に、水平参照面と垂直に交わるのが有利である。
【００３７】
図６の実施形態を参照すると、ローバーは、所定の高さに位置するスクレーピング・エッジ１８ａを有するブレード１８付の土木機械１７などの、掘削装置に装着されている。
【００３８】
図７を参照すると、回転レーザ装置２７は、投射光軸４０を有するレーザ投射装置３６を含む。レーザ投射装置３６は、任意の角度で傾斜させるために、ケーシング３５内に収容されている。ロータ３２が、レーザ投射装置３６の上部に回転可能に装着され、五角形プリズム３９が、回転子３２上に装着されている。モータが、走査ギア４１を介して回転子を駆動する。レーザビーム放出ユニット５２およびコリメータレンズ５３が、投射光軸４０上に配置されて、一緒に投射光学システム５４を形成している。回転子３２は、プリズム３９を支持するプリズム保持装置５５および回折格子５６を含む。レーザビーム放出ユニット５２から放出されるレーザビーム３３は、コリメータレンズ５３によって平行光束に変えられて、回折格子５６に入る。入射レーザビーム３３は、３３ａ、３３ｂ、３３ｃなどの複数の扇形レーザビームを形成するように、回折格子５６によって分割され、これらの扇形レーザビームは、五角形プリズム３９によって水平方向に偏向されて、プリズム保持装置５５の投射窓５７を介して投射される。レーザビームの特性は、制御ユニット５０によって制御される。
【００３９】
当業者であれば、レーザ送信機によって生成される、その他の形態の複数レーザビーム、例えば、異なる周波数、異なる極性、異なる波長、異なる寸法形態、および／または異なる強度などの異なる性質を有するビームを、本発明を実施するのに使用できることを理解するであろう。
【００４０】
図８を参照すると、扇形ビーム３３ａ、３３ｂ、３３ｃを検出するための光検出ユニット６２が、光検出センサ装置２８に装着されている。光検出センサ装置２８は、表示ユニット６３、警報ユニット６４、および入力ユニット６５と共に、記憶ユニット６６、演算ユニット６７、光検出信号処理回路６８、光検出信号出力ユニット６９およびロッド３４の傾斜を検出する傾斜検出装置７０を含む。
【００４１】
センサ装置２８を横切って通過するレーザビームの時間間隔比（ｔｉｍｅ  ｉｎｔｅｒｖａｌ  ｒａｔｉｏ）を得ることによって、各レーザビーム構成に対して通過位置を計算することができる。したがって、レーザ送信機の中心線と比較した、ローバーの仰角を迅速に計算することができる。例示的なレーザ送信、検出、および解析システムのさらなる詳細は、２００４年７月１日公開の「ＷＯＲＫＩＮＧ  ＰＯＳＩＴＩＯＮ  ＭＥＡＳＵＲＩＮＧ  ＳＹＳＴＥＭ」という名称の米国特許出願公開第２００４／０１２５３６５Ａ１号を参照できる。
【００４２】
図９Ａ〜９Ｊを参照すると、当業者であれば、Ｎ形レーザ信号と類似する様々なビーム・パターンおよび変形形態を、複数の発散レーザビームを検知し、基地局上の参照点とローバー上の対応する参照点の間の仰角を計算するための基礎として使用できることを理解するであろう。これらのパターンの中のいくつかは、２つだけの扇形ビームを組み込んだもの（図９Ａ〜９Ｂを参照）であるのに対して、その他は、３つ以上の扇形ビームを組み込んだものである（図９Ｃ〜９Ｊを参照）。また、曲線状または折り目をつけた扇形ビームを組み込んだパターン（図９Ｉ〜９Ｊを参照）を使用することもできる。２つの選ばれた扇形ビームを解析するための、光学センサ２８の２つの別個の受光セクションを使用する技法を含む、仰角を検出し計算するための例示的な技法が、２００３年７月２４日公開の「ＰＯＳＩＴＩＯＮ  ＤＥＴＥＲＭＩＮＩＮＧ  ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ  ＡＮＤ  ＲＯＴＡＲＹ  ＬＡＳＥＲ  ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ  ＵＳＥＤ  ＷＩＴＨ  ＴＨＥ  ＳＡＭＥ」という名称の米国特許出願第２００３／０１３６９０１Ａ１号に開示されている。
【００４３】
図１０に略図で示すように、本発明は、ＧＰＳおよびＧＬＯＮＡＳＳナビゲーション・データと同期された、ローバー仰角θ計測値を提供する。仰角は、局所水平面９０と、送信機２７が放出し、センサ２８の光学レンズ中心で検出されるレーザＮビーム９４の中心線９２との間で計測される。センサ・レンズ９５の光学中心は、ＧＰＳローバーのアンテナ位相中心に対して固定距離にある。
【００４４】
したがって、既知の角度θに対して、アンテナ位置は任意ではない。それは、ある幾何学的表面上になければならない。言い換えると、角度がわかっているとすれば、アンテナの位置を同定するのに、３つではなく２つの自由度だけが残される。実際には、ローバーのアンテナの３つの構成要素のすべて（より具体的には、ローバーのアンテナの概略位置Ｘ０に対する補正δＸ、Ｘ＝Ｘ０＋δＸ）が、以下の式（７）におけるベクトル
【数１】
2005283576.tif 000003
の一部として常に使用される。３自由度から２自由度だけへの制約は、ペナルティ項（５）を以下のコスト関数（６）に応用して、暗黙的に実施する。いずれの場合も、ペナルティが適用されるか否かにかかわらず（系（７）または（１）が解かれるか否かにかかわらず）、状態ベクトル
【数２】
2005283576.tif 000004
またはＹｋは、補正δＸのｘ、ｙ、ｚ、時間尺度ずれδｔ、およびアンビギュイティからなる。
【００４５】
図１０〜１１を参照すると、仰角θから生成される幾何学表面は、頂点が送信機の中心線点にあり、かつセンサによって計測される角度θだけ局所水平に対して傾斜させるように生成される円錐表面を有する円錐である。ローバーが、レーザ送信機よりも高い高さにある場合には、円錐表面は、図１１に示すように上方に広がる。あるいは、ローバーがレーザ送信機よりも低い高度にある場合には、円錐表面は下向きに広がる。可能性のあるアンテナ場所を、円錐の表面上の９６、９７、９８および９９で示してある。このような場所は、円錐表面の任意の場所であり得るが、２つの追加の局座標などの、２つの追加の自由度の計算によって、最終的に、可能な参照点の１つだけが正しい整数アンビギュイティを表すことが確認されることになる。
【００４６】
この幾何学的情報は、アンビギュイティ補正の過程に有用であり、その理由は、整数アンビギュイティが属する領域を効果的に制約するからである。浮動アンビギュイティを推定し、整数アンビギュイティを決定するときに、この追加の幾何学的制約を使用することによって、ＧＰＳノイズをより効果的に平均化して、最終的に、基地とローバーとの間の基線ベクトルを高速に初期化して、より迅速かつ効率的に特定することが可能となる。
【００４７】
アンビギュイティ決定タスクは、以下の３つの主要部分を含む。
１．追加の幾何学的制約が適用されるときの、（浮動アンビギュイティを推定して）浮動アンビギュイティ推定の生成、
２．部分的に浮動アンビギュイティに基づく、整数アンビギュイティの生成、および
３．アンビギュイティ決定の信号の生成。
本発明は、整数アンビギュイティと浮動アンビギュイティの両方を推定し決定することに関する。本発明の装置および方法は、入力データとして、以下を使用する。
【００４８】
（ａ）基地およびローバーの受信装置において得られる擬似距離および全位相計測値、
（ｂ）衛星座標（高度に予測可能であり、当該技術においてよく知られた方法によって、ＧＰＳ時間と、５０Ｈｚ低周波数情報信号によって提供される情報とから容易に特定できる）、
（ｃ）基地局およびローバー局の推定座標（それらのアンテナにおいて計測される）、ここでこれらの座標は、単一点解法によって擬似距離データから生成することが可能であり、基地局の座標は正確にわかっていることが多い、
（ｄ）基地局からローバー局へ送信されるレーザビームを使用して計測される、基地局とローバー局との仰角パラメータ。
入力（ａ）〜（ｃ）は、以下に示す式（１）および（７）における右辺ベクトルＲｋを計算するときに、暗黙的に使用される。
【００４９】
以下のデータ処理操作の解説は、本発明の例示的な実施および実施形態における、基礎となる計算操作を説明するものである。この数学的な解析は、浮動アンビギュイティ推定が反復的に実行され、かつ未知パラメータの正規システム行列（ｎｏｒｍａｌ  ｓｙｓｔｅｍ  ｍａｔｒｉｘ）または共分散行列の逆のいずれかが利用可能であるとして、幾何学的制約が、どのように浮動および固定（すなわち整数）搬送波位相アンビギュイティ推定方式に組み入れられるかを説明するものである。正規システム行列は下記の式（１）でＤｋとする。拡大行列を（７）では
【数３】
2005283576.tif 000005
とする。拡大は拘束（４）の適用の結果である。
いま、
−  ベクトルは列であり、
−  記号’は行列転置を表し、
−  Ｉを単位行列として、
−  
【数４】
2005283576.tif 000006
は既知のレーザ送信機位置、
−  
【数５】
2005283576.tif 000007
は、レーザ・センサ・レンズ光学中心ずれに対するアンテナ位相中心を補正した、ローバーの未知の位置、
−  ｈは、局所水平に対する垂直ベクトル、
−  θは、レーザ仰角検出装置によって計測される、レーザ送信機からローバーへのベクトルＸ−Ｔと局所水平との間の角度、
−  ‖‖は、ユークリッド・ベクトルのノルム、
−  下付き添え字ｋは、エポックの数、すなわち現在ＧＰＳ時刻であるとする。
Ｘ０を、ローバー位置に対する概略近似とし、δＸを補正とすると、
Ｘ＝Ｘ０＋δＸ
となる。
【００５０】
また、
【数６】
2005283576.tif 000008
を、再帰的推定のｋ番目ステップにおいて推定されるパラメータのベクトルとする。上記の表記において、δｔは、受信装置間の時計差であり、Ｎは浮動アンビギュイティ・ベクトルである。未知パラメータの推定の数値方式が何であろうとも、一般形式では、対称で正の定符号行列、
ＤｋＹｋ＝Ｒｋ                                                        （１）
Ｄｋ＝Ｄｋ−１＋ΔＤｋ                                                  （２）
を有する線形システムの解に類似しており、ここでＤｋは、正規システム行列または共分散行列Ｒｘの逆であり、Ｒｘは、エポックｋにおいて２つの受信装置で計測されるナビゲーション・データ、先のエポックで推定される浮動アンビギュイティ・ベクトルＮｋ−１、および先のエポックで収集される蓄積情報を含む右辺ベクトルである。式（２）は、正規システム更新を示し、これは再帰的推定の数値的コアである。以下には、補正ローバー位置が円錐の表面に属するという事実を反映して、いかに仰角形状制約が、浮動および固定アンビギュイティ推定方式に関係するかを数学的に説明する。
【００５１】
式（１）の行列ＤｋおよびベクトルＲｋを、未知数のベクトルＹｋの分割に従って、３つの部分に分割する、
【数７】
2005283576.tif 000009
ここで、それが誤解につながらない場合にはいつでも、簡潔にするためにエポック添え字ｋを省略する。ベクトルｈが与えられると、Ｃ‖を局所水平面上への直交投射であるとすると、
Ｃ‖＝Ｉ−ｈｈ’
であり、
Ｃ⊥＝ｈｈ’
は、方向ｈへの直行投射の行列であり、これはＣ‖に対する直交の補数である。
【００５２】
計測誤差がないと仮定すると、次の恒等式、
‖Ｃ‖（Ｘ−Ｔ）‖ｔａｎ（θ）＝‖Ｃ⊥（Ｘ−Ｔ）‖
が成立しなくてはならない。
【００５３】
最後の恒等式を展開すると、
【数８】
2005283576.tif 000010
を得る。
【００５４】
また、式（４）の侵害に対して、次の２次式ペナルティ・コスト関数を導入する。
【数９】
2005283576.tif 000011
【００５５】
ここで、式（１）の解は、次の２次関数
【数１０】
2005283576.tif 000012
の最小化と等価であることに留意されたい。
【００５６】
等式（１）および（４）は、「ペナルティ」コスト関数
Ｐ（Ｙ）＝Ｆ（Ｙ）＋ωΦ（Ｘ０＋δＸ）                              （６）
を最小化する最小２乗推定によって取り扱い、ここで、ωは、等式（４）を式（１）と共に考慮に入れなくてはならない重みである。次いで、数値プロセスにおいてレーザ仰角データを使用することを含む、浮動アンビギュイティを推定するための拡大方式は、式（６）の非線形関数Ｐ（Ｙ）を最小化するための、１回から複数回のニュートン反復を行うことからなる。１回のニュートン反復は次の形、
【数１１】
2005283576.tif 000013
となり、ここで、拡大行列
【数１２】
2005283576.tif 000014
および拡大ベクトル
【数１３】
2005283576.tif 000015
は、次の形式となる。
【数１４】
2005283576.tif 000016
＃１  ここで
【００５７】
上記の数値方式は、一般形に定式化される。それは、再帰的推定に使用されるアンビギュイティ推定アルゴリズムの詳細とは無関係に使用することができる。式（６）、（７）は、ニュートン法の１ステップをアンビギュイティ推定方式に追加する方法を表している。このニュートン法は、浮動アンビギュイティ推定の途中において、ペナルティ関数（５）を最小化することをねらいとする。
【００５８】
浮動小数点アンビギュイティ推定は、整数アンビギュイティ推定の前に最初に行う。円錐表面の幾何学的拘束を使用して浮動アンビギュイティを推定した後に、拡大行列
【数１５】
2005283576.tif 000017
および現在浮動アンビギュイティ推定を、整数アンビギュイティ探索を実行するときに、通常の方法で使用することができる。
【００５９】
特に、Ｌｅｎｓｔｒａ−Ｌｅｎｓｔｒａ−Ｌｏｖａｓｚ変換およびλ−ディコリレーションの両方を拡大行列
【数１６】
2005283576.tif 000018
に適用することができる。
【００６０】
観察ベクトルは、衛星とローバーとの間、および衛星と基地の間の擬似距離および搬送波位相を含む、すべてのナビゲーション・パラメータからなる。観察ベクトルは、上記式（１）の右辺ベクトルＲｋの計算に必要となる。
【００６１】
状態ベクトルは、推定しようとするすべての未知数、すなわちローバーのＸ、Ｙ、Ｚ、時計ずれ、すべての衛星に対するアンビギュイティおよび周波数帯である。より正確には、ローバーのＸ、Ｙ、Ｚ、ローバーと基地間の時計ずれ、すべての衛星および周波数帯に対する基地とローバー間のアンビギュイティ差である。エポックｋにおいて推定された状態ベクトルは、上記の式（１）においてＹｋで表される。
【００６２】
本発明は、「浮動アンビギュイティ・ベクトルの最も近い整数組への丸め」を代替または削除しない。非常に一般的には、「四捨五入（ｒｏｕｎｄｉｎｇ  ｏｆｆ）」という用語は、２つのベクトル、この場合には浮動および整数アンビギュイティ、の近接度を測るのに使用する基準に依存する。整数アンビギュイティ決定、または四捨五入は、次の問題、
【数１７】
2005283576.tif 000019
の解と考えることができ、ここで、
【数１８】
2005283576.tif 000020
は、浮動アンビギュイティ・ベクトル、Ｚは整数値ｎ次元空間（または整数格子）、Ｎは見出そうとするアンビギュイティの整数値ベクトル、‖‖は、２つのベクトル
【数１９】
2005283576.tif 000021
とＮの間の近接度を測るのに使用する基準を表す。‖‖に対する‖‖１基準（または、ベクトル構成要素の絶対値の合計）を使用すると、上記の最小化問題の解として、通常の意味で「四捨五入」されることになる。本発明では別の基準、加重‖‖２または‖‖Ｄ，２を使用し、これは次の最小化問題となる。
【数２０】
2005283576.tif 000022
【００６３】
本発明では（整数アンビギュイティ決定の一部として）、行列Ｄを拡大行列
【数２１】
2005283576.tif 000023
で置き換え、ここで行列Ｄは式（１）に現れ、行列
【数２２】
2005283576.tif 000024
は、式（８）に定義されている。また、（１）の状態ベクトルＹｋの部分としての浮動小数点ベクトル
【数２３】
2005283576.tif 000025
は、（７）の状態ベクトル
【数２４】
2005283576.tif 000026
の部分で置き換えられる。
【００６４】
図１２のフロー図を参照すると、ディファレンシャル・ナビゲーション・システムにおける例示的な実施形態についての動作方法を実現するための様々なステップを示してある。一般的に、ローバーが異なる未知の場所に配置される度に、本発明は、できる限りの精度で未知のローバーの場所を識別する空間座標を生成するために、様々なデータ・パラメータを収集して処理する独特の技法を提供する。搬送波アンビギュイティの推定と決定は、このデータ収集、計算および処理の重要な部分である。ローバーを未知の場所に配置した（ステップ３００）後に、局所水平基準に対するレーザビームの仰角を特定する（ステップ３０６）ために、基地局などの既知の場所から送信されるレーザビームが、ローバー・センサによって受信されて（ステップ３０２）、解析される（ステップ３０４）。この仰角が、ナビゲーション衛星によって送信される搬送波位相アンビギュイティの推定のための幾何学的拘束を提供する、幾何学的円錐表面を生成する（ステップ３０８）のに使用される。
【００６５】
ペナルティ項が、仰角、現在ローバー位置、送信機位置を用いて式（５）によって計算される（ステップ３１０）。拡大正規システム行列（８）を計算し（ステップ３１２）、次いで入力３１６と共に、（７）の拡大右辺ベクトルを計算する（ステップ３１４）のに使用する。
【００６６】
入力３１６は、基地局とローバーの両方からのデータを組み込む一連のステップによって生成され、これらのステップは、レーザビーム検出および解析とは個別かつ独立して進行することができる。フロー図矢印３１８に示すように、衛星搬送波信号が受信され（ステップ３２０）、処理されて、ローバーにおける処理（ステップ３２６）などのさらなる処理のための擬似距離（ステップ３２２）および搬送波位相（ステップ３２４）パラメータが生成される。類似の事象が、ローバーが受信する衛星搬送波信号についても行われる（ステップ３２８、３３０、３３２）。基地とローバーの両方からの複合データ入力を使用して、各衛星に対する、擬似距離および搬送波位相データの一重差を計算する（ステップ３３４）。衛星位置（ステップ３３６）および衛星と両方の受信装置との間の距離（ステップ３３８）に対して追加の計算が行われる。次いで、擬似距離（ステップ３４０）および搬送波位相（ステップ３４２）を含む、一重差残余を計算することが可能となり、これらの両方が、式（１）の右辺ベクトルを計算する（ステップ３４４）のに使用される。
【００６７】
説明かつ示したようにステップ３１４を完了した後に、ステップ３４６で、式（７）によって単一再帰を計算して、ローバーの浮動位置、時計差、および浮動アンビギュイティを推定する。アンビギュイティ決定（ステップ３４８、３５０）が成功であると、ローバーの最終固定位置が推定される（ステップ３６２）。場合によっては、アンビギュイティは決定されない。それでも、両方の場合において、式（２）に従って正規システム行列が更新されて（ステップ３６４）、手順（ステップ３６８）全体が再び開始される。
【００６８】
ステップ３６６（次のエポックにおいて、再帰処理を反復）で示すように、初期化中およびその後に、図１２のすべてのフロー図ステップの多くの反復および再反復が行われる。
【００６９】
残余の処理は、非常に一般的な形式で式（１）および（２）によって示されており、ここで残余は、右辺ベクトルＲｋの計算に含められる。円錐表面は、恒等式（４）によって記述される。さらなる幾何学的拘束―ローバー位置は円錐表面に属さなくてはならない―は、ペナルティ関数（５）を適用することによって考慮される。したがって、円錐表面（４）に「属さない」ことは、重み係数ｗを付けて、ペナルティ（５）をコスト関数（６）に加えることによって「ペナルティを課せ」られる。これによって、式（１）は式（７）によって、またさらには（８）によって置換される。（８）の重み係数ｗが大きな値をとるほど、ローバー位置は円錐表面により近くにあることが強制される。また、前述したように、拡大行列
【数２５】
2005283576.tif 000027
および（（７）の推定ベクトル
【数２６】
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の一部として）浮動アンビギュイティが、アンビギュイティの整数探索に含まれる。
【００７０】
整数アンビギュイティと浮動アンビギュイティ推定の両方の改善が、段階的に行われ、式（７）によって記述されるように情報が再帰的に蓄積されるにつれて、正しいアンビギュイティ決定の確率が、段階的に増大する。（「円錐表面に属すること」を意味する）幾何学的拘束（４）が、再帰過程（７）の一部として周期的に使用されて、毎回、アンビギュイティを決定するか、または上記の問題（ＭＰ）を解決することが必要である。この過程の好ましい終了は、整数アンビギュイティ決定の信号の出現によって示され、これはアンビギュイティ決定が十分安全に実施されたことを示す。その後に、本発明の特徴を組み入れた整数アンビギュイティ推定が、その他の入力データと一緒に、基地とローバーとの基線ベクトルの正確な特定のために使用される。この基線ベクトルは、Ｘ、Ｙ、Ｚ３次元のローバーと基地の差異である。
【００７１】
本発明の上記の方法は、整数アンビギュイティ・モジュール２１０（図２を参照）内で実行するか、または受信装置に位置するか、もしくはハードウェア、ソフトウェア、ファームウェアまたはそれらの組合せを使用して遠隔地にあるデータ・プロセッサ手段によって、実行することができる。本発明を実現するプログラム命令は、ディスク、テープ、不揮発性メモリ、揮発性メモリ、またはその他の形態のコンピュータ可読媒体に記憶することができる。本明細書の詳細な開示を見れば、本発明を製作、実施、使用することは十分に、ＧＰＳ分野の当業者の能力の範囲である。
【００７２】
前述の詳細な説明は、すべての意味において説明と例示のためのものであり、限定的なものではないこと、また本明細書において開示する本発明の趣旨は、詳細な説明から決定されるものではなく、特許法が許容する全範囲による解釈によって、請求項から決定されるべきものであることを理解すべきである。ここで、本明細書において示し説明した実施形態は、本発明の原理を説明するためだけのものであること、または本発明の範囲と趣旨から逸脱することなく当業者によって様々な修正を行うことができることを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】ディファレンシャル・ナビゲーション・システムにおける、本発明の選ばれた特徴を組み入れた概略図である。
【図２】本発明の一実施形態に従って構成された衛星受信装置の高レベルのブロック図である。
【図３】本発明の実施形態において使用される、衛星信号の処理を示す高レベルのブロックである。
【図４】衛星受信装置における個々の追跡チャネル用の機能ブロック図である。
【図５】ローバー局の高度計測値を生成するための基地局レーザ送信機を示す概略図である。
【図６】掘削機上に搭載されたローバー局の高度計測値を生成するための基地局レーザ送信機を示す概略図である。
【図７】図５〜６に記載の例示的なレーザ送信機を示す横断面図である。
【図８】ローバー局上のレーザビーム処理ユニットの概略ブロックである。
【図９Ａ】レーザ送信機によって生成されるレーザビームの例示的な投光パターンを示す図である。
【図９Ｂ】レーザ送信機によって生成されるレーザビームの例示的な投光パターンを示す図である。
【図９Ｃ】レーザ送信機によって生成されるレーザビームの例示的な投光パターンを示す図である。
【図９Ｄ】レーザ送信機によって生成されるレーザビームの例示的な投光パターンを示す図である。
【図９Ｅ】レーザ送信機によって生成されるレーザビームの例示的な投光パターンを示す図である。
【図９Ｆ】レーザ送信機によって生成されるレーザビームの例示的な投光パターンを示す図である。
【図９Ｇ】レーザ送信機によって生成されるレーザビームの例示的な投光パターンを示す図である。
【図９Ｈ】レーザ送信機によって生成されるレーザビームの例示的な投光パターンを示す図である。
【図９Ｉ】レーザ送信機によって生成されるレーザビームの例示的な投光パターンを示す図である。
【図９Ｊ】レーザ送信機によって生成されるレーザビームの例示的な投光パターンを示す図である。
【図１０】基地局レーザ送信機とローバー局上の参照点との間で計測された仰角を示す概略図である。
【図１１】浮動および整数アンビギュイティを推定するときに、計測仰角から生成される円錐表面に属するように拘束される推定ローバー位置を示す概略図である。
【図１２】図１０〜１１に示した仰角および幾何学的表面に基づき、整数および浮動点小数補正を生成するためのフローチャートである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図９Ｅ】
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【図９Ｆ】
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【図９Ｇ】
2005283576.tif 000043
【図９Ｈ】
2005283576.tif 000044
【図９Ｉ】
2005283576.tif 000045
【図９Ｊ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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