(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｑ＞３であるＱ個のレシーバを備えたＧＰＳ姿勢決定システムで用いるＧＰＳ受信機の障害を検出する方法であって、
３≦Ｐ≦Ｑ−１であるＰ個のレシーバのサブセットと複数の衛星からの信号を用いてＲ個の姿勢解を計算するステップと、
それぞれがＲ個の姿勢解の１つに対応するＲ個の更新後測定残余セットを決定するステップと、
Ｒ個の更新後測定残余セットを比較することで１≦Ｓ≦Ｑ−３であるＳ個のレシーバ障害を検出するステップとを含む方法。
【請求項２】
ＰがＱ−１に等しい場合、したがってＳ＝１の場合、Ｒ個の更新後測定残余セットのうちＱ−１個がその他の更新後測定残余セットと相対的に異なるならば、検出ステップがレシーバ障害を識別するステップを含む請求項１に記載の方法。
【請求項３】
検出ステップが、他の更新後測定残余セットと相対的に異なるＱ−１個の更新後測定残余セットに対応するＱ−１個の姿勢解を計算するのに共通して使用されているレシーバを障害レシーバとして分離するステップをさらに含む請求項２に記載の方法。
【請求項４】
検出ステップがＲ個の更新後測定残余セットの１つが残余しきい値要件を満足しない場合に限って実行される請求項３に記載の方法。
【請求項５】
ＧＰＳ姿勢決定システムが４つのレシーバを備え、決定ステップが４つの更新後測定残余セットを計算するステップを含み、４つの測定残余セットのそれぞれが４つの姿勢解の１つに対応し、姿勢解のそれぞれが３つのレシーバを用いて計算され、さらに、検出ステップが他の３つの更新後測定残余セットと相対的に異なる更新後測定残余セットに対応する姿勢解の計算には用いていないレシーバを障害レシーバとして分離するステップを含む請求項１に記載の方法。
【請求項６】
ＧＰＳ姿勢決定システムが４つのレシーバを備え、決定ステップが４つの更新後測定残余セットを計算するステップを含み、４つの更新後測定残余セットのそれぞれが４つの姿勢解の１つに対応し、姿勢解のそれぞれが３つのレシーバを用いて計算され、さらに、４つの更新後測定残余セットのうち３つが他の更新後測定残余セットよりも相対的に大きい場合に、検出ステップが他の更新後測定残余セットに対応する姿勢解の計算での使用から除外されたレシーバを障害レシーバ障害として識別するステップを含む請求項１に記載の方法。
【請求項７】
４つの更新後測定残余セットの１つが測定残余しきい値を超えた場合に限って識別ステップが実行される請求項６に記載の方法。
【請求項８】
決定ステップが４つ以上の姿勢解のそれぞれを計算する際に用いる衛星とレシーバの対に関連付けられたセットの個別の測定残余値を決定するステップを含み、姿勢解の１つに対応する更新後測定残余値が対応する姿勢解を計算する際に用いる衛星とレシーバの対に関連付けられた個別の測定残余値の二乗平均値を求めることで計算される請求項１に記載の方法。
【請求項９】
３≦Ｐ≦Ｑ−１であるＰ個のレシーバのサブセットと複数の衛星からの信号を用いてＲ個の姿勢解を計算するステップと、
それぞれがＲ個の姿勢解の１つに対応するＲ個の更新後測定残余値を決定するステップと、
Ｒ個の更新後測定残余値のそれぞれを測定残余しきい値と比較して障害レシーバの潜在的な存在を決定するステップとを含む、Ｑ＞３であるＱ個のレシーバを備えたＧＰＳ姿勢決定システムで用いるＧＰＳ受信機の障害検出方法。
【請求項１０】
ＧＰＳ姿勢決定時にレシーバ障害を決定する際に用いる受信機障害検出システムであって、
少なくとも２つの衛星から信号を受信するＱ＞３であるＱ個のレシーバと、
Ｒ個の姿勢解を計算する手段であって、Ｒ個の姿勢解のそれぞれを３≦Ｐ≦Ｑ−１であるＰ個のレシーバのサブセットで受信した複数の衛星からの信号を用いて計算する手段と、
それぞれがＲ個の姿勢解の１つに対応するＲ個の更新後測定残余値を計算する手段と、
Ｒ個の更新後測定残余値を比較してＳ個の障害レシーバを検出する検出手段を含む１≦Ｓ≦Ｑ−３であるＳ個の障害レシーバを分離する処理手段とを含むシステム。
【請求項１１】
ＰがＱ−１に等しい場合、したがってＳ＝１の場合、Ｒ個の更新後測定残余セットのうちＱ−１個がその他の更新後測定残余セットと相対的に異なるならば、検出手段がレシーバ障害を識別する手段を含む請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
識別手段が、他の更新後測定残余値と相対的に異なるＱ−１個の更新後測定残余値に対応するＱ−１個の姿勢解を計算する際に計算手段が共通して使用しているレシーバを障害レシーバとして識別する分離手段含む請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
処理手段が、Ｒ個の更新後測定残余値の１つが測定残余しきい値要件を満足しない場合に限ってＲ個の更新後測定残余値の比較が実行されるように検出手段を制御する手段をさらに含む請求項１０に記載のシステム。
【請求項１４】
システムが４つのレシーバを備え、計算手段が４つの更新後測定残余値を計算し、４つの更新測定残余値のそれぞれが４つの姿勢解の１つに対応し、さらに検出手段が他の３つの更新後測定残余値と相対的に異なる更新後測定残余値に対応する姿勢解の計算で用いていないレシーバを障害レシーバとして識別する分離手段を含む請求項１０に記載のシステム。
【請求項１５】
システムが４つのレシーバを備え、計算手段が４つの更新後測定残余値を計算し、４つの更新後測定残余値のそれぞれが４つの姿勢解の１つに対応し、４つの更新後測定残余値のうち３つが他の更新後測定残余値よりも相対的に大きい場合に、さらに検出手段が他の更新後測定残余値に対応する姿勢解の計算での使用から除外されたレシーバを障害レシーバ障害として分離する手段を含む請求項１０に記載のシステム。
【請求項１６】
処理手段が、４つの更新後測定残余値の１つが測定残余しきい値を超える場合に限って４つ以上のレシーバの１つを障害レシーバとして分離するための４つの更新後測定残余値の比較が実行されるように検出手段を制御する手段をさらに含む請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
計算手段が、
使用されるそれぞれの衛星と４つ以上の姿勢解を計算するためのレシーバの対に関連付けられた個別の測定残余値を決定する手段と、
生成する更新後測定残余値に対応する姿勢解を計算する際に用いる特定の衛星に関連付けられた個別の測定残余値を用いて二乗平均値を決定することで、それぞれの姿勢解に対応するそれぞれの更新後測定残余値を生成する手段とを含む請求項１０に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
発明の分野
本発明はＧＰＳ姿勢決定システムに関する。より詳細に言えば、本発明はＧＰＳ姿勢決定システムの障害受信機の検出に関する。
発明の背景
一般に、「全地球測位システム」（ＧＰＳ）はそれぞれの利用可能なＧＰＳ衛星、例えば宇宙船（ＳＶ）から基本的に２つの根本的な量を提供する。これらの２つの根本的な量は疑似距離測定およびＳＶの位置を含む。ＧＰＳ自体は一般に位置決定システムとして考えられているが、ＧＰＳ信号を用いた測定は実際、デルタ位置、すなわち、一つの位置の第２の位置に対する変化すなわち差を計算するために処理される。このような計算は１つまたは複数のＧＰＳアンテナ／受信機セットによる１つまたは複数のＧＰＳ  ＳＶからのＧＰＳ信号の受信後に行われる。２つの位置は例えば以前の位置に関して新しい位置であるか、特定の時間における別のアンテナに関するあるアンテナの位置（またはその間の相対位置）であるか、または以前の相対位置に関する現在の相対位置である。
ＧＰＳの一部として、それぞれのＳＶは、例えば送信時間、衛星クロック・データ、およびエフェメリス・データなどの航行メッセージ・データを含む航行信号、すなわちＳＶ位置信号を継続して送信している。航行信号は、送信元のＳＶに固有の別々の疑似乱数ディジタル符号によってそれぞれ変調されるＬ1およびＬ2で示される２つの個別の搬送波信号に乗せて同報通信される。従来のＧＰＳ航行の場合、ＧＰＳ受信機は通常４つのＳＶを追尾し、受信機のローカル・クロックを用いて送信済みの航行信号との同期を確立して航行メッセージ・データを回復する。
ＧＰＳ受信機は通常受信ＧＰＳ信号から「符号測定値」および「搬送波測定値」と呼ばれる２種類の測定値を取り出す。例えば、ＧＰＳ受信機によって回復された疑似乱数ディジタル符号信号を用いて、それぞれのＳＶまでの距離の尺度、すなわち疑似距離測定値を含む符号測定値を得ることができる。クロック同期の修正のために複数のＳＶ疑似距離測定値を用いることで事実上解消できる衛星とＧＰＳ受信機の間の時間クロックに同期がないことによって、この値はＳＶへの実際の距離と必ずしも一致しない。さらに、疑似乱数ディジタル符号信号を用いて疑似距離測定値を計算する方法とは対照的に、より正確な距離測定値を通常与えるＧＰＳ受信機による搬送波位相の測定値を用いて同様の測定値を回復することができる。さらに、このような同様の測定値はその他のキャリアスムース・コードベースの（carrier-smoothed code-based）疑似距離など他の方法によっても計算することができる。搬送波位相ベースの測定の場合、単一波長内の正確な位相を知ることができるが、ＧＰＳ  ＳＶとＧＰＳ受信機アンテナとの間に未知の整数個の搬送波信号波長、すなわち、位相のあいまいさが存在し、これを解決する必要がある。ＧＰＳ  ＳＶとＧＰＳ受信機の間のすべてのクロック誤差の解決を含むこのあいまいさの解決にはここでは取り組まないが、当技術分野で利用可能なこのようなあいまいさを訂正するいくつかの方法の１つによって訂正されるものと考えられる。
ＧＰＳ衛星を追尾するための通常のＧＰＳ受信機は一般に、受信したＧＰＳ信号から得た搬送波信号と符号との同期化および復調を必要とする。大半の設計で、相関処理が選択したＧＰＳ搬送波およびコード信号を受信機内で生成されたそれに対応する複数の搬送波と符号信号に位置合わせして符号測定値と搬送波測定値を回復する搬送波と符号の追跡ループを確立する。
図では、受信機はＧＰＳ符号信号と受信機の複製符号信号の間の移相を測定することで疑似距離、すなわちアンテナからＳＶまでの距離を測定する。このような移相は通過時間、すなわち距離測定値を表す。
姿勢決定では、固定した機体位置にあるアンテナを備えた複数のアンテナ／受信機セットが用いられる。次に、単一のＳＶに関して複数のアンテナで搬送波位相差測定値を求めることができる。この位相差測定処理は時間効果（ＳＶに起因する）を解消するため、相対的な位置効果（複数のアンテナに起因する）だけが残る。例えば、２つのアンテナ／受信機セットでＳＶから受信したＧＰＳ信号の搬送波位相測定値を用いて、アンテナの一方の他方に関する相対位置を表す搬送波位相差測定値を求めることができる。
位相差測定値を用いることで、少なくとも２つのＧＰＳ  ＳＶについて３つ以上の同一線上にないアンテナで受信したＧＰＳ信号に関する相対位置測定値の測定と処理を行い、完全な３次元姿勢決定を行うのに必要な姿勢ベクトルを生成することができる。
固定位置に３つのアンテナを備えた航行機の場合、このような搬送波位相差測定値を用いた姿勢決定はアンテナで決まる平面の姿勢を表す。
航空機などの通常のＧＰＳ姿勢決定システムでは、４つのアンテナ／受信機セットが冗長化のために使用される。４つのアンテナ／受信機セットのうち３つのアンテナが姿勢決定を実行できる平面を決めるために用いられる。多くの航行機、特に有人航空機は厳格な障害検出および分離要件を課されている。したがって、ＧＰＳ姿勢決定システムのアンテナ／受信機セットの障害を検出し分離することが重要である。
このようなＧＰＳ姿勢決定システムのアンテナ／受信機セットの障害を検出し分離する知られている方法はないと考えられる。本発明は、この問題、および以下に詳述する本発明の説明から当業者には直ちに明らかになるその他の問題を対象とする。
発明の概要
Ｑ＞３であるＱ個のレシーバを備えたＧＰＳ姿勢決定システムで用いる本発明によるＧＰＳ受信機の障害検出方法について以下に説明する。本方法は、３≦Ｐ≦Ｑ−１であるＰ個のレシーバの一意的なサブセットと複数の宇宙船からの信号を用いてＲ個の姿勢解を計算するステップを含む。Ｒ個の姿勢解に等しい更新後測定残余セットが決定される。各更新後測定の残余セットはＲ個の姿勢解の１つに対応する。１≦Ｓ≦Ｑ−３である「Ｓ個の」レシーバ障害はＲ個の更新後測定残余セットを比較することで検出される。
本方法の一実施態様では、ＰがＱ−１に等しい場合、したがってＳ＝１の場合、Ｒ個の更新後測定残余セットのうちＱ−１個がその他の更新後測定残余セットと相対的に異なるならば、検出ステップはレシーバ障害を識別するステップを含む。
本方法のさらなる実施態様では、少なくとも１つの障害受信機を検出するための検出ステップでの測定の残余値の比較は、Ｒ個の更新後測定残余セットの１つが残余しきい値要件を満足しない場合に限って実行される。
本発明のさらに別の実施態様では、ＧＰＳ姿勢決定システムは４つのレシーバを備え、決定ステップは４つの更新後測定残余セットを計算するステップを含む。４つの測定残余セットのそれぞれは４つの姿勢解の１つに対応し、姿勢解のそれぞれは３つのレシーバを用いて計算される。さらに、検出ステップが他の３つの更新後測定残余セットと相対的に異なる、すなわち、３つの残余セットが他の残余セットよりも相対的に大きい更新後測定残余セットに対応する姿勢解の計算には用いないレシーバとしてレシーバ障害を分離するステップを含む。
Ｑ＞３であるＱ個のレシーバを備えたＧＰＳ姿勢決定システムで用いる本発明による別のＧＰＳ受信機障害検出方法は、３≦Ｐ≦Ｑ−１であるＰ個のレシーバのサブセットと複数の宇宙船からの信号を用いてＲ個の姿勢解を計算するステップを含む。Ｒ個の姿勢解に等しい数の更新後測定残余値が決定される。それぞれの更新後測定残余値はそれぞれのＲ個の姿勢解に対応する。それぞれのＲ個の更新後測定残余値は測定残余しきい値と比較されて、障害レシーバの潜在的な存在が決定される。
ＧＰＳ姿勢決定時にレシーバ障害を決定するのに用いる本発明による受信機障害検出システムも提供される。このシステムは少なくとも２つの宇宙船から信号を受信するためのＱ＞３であるＱ個のレシーバと、１≦Ｓ≦Ｑ−３であるＳ個の障害レシーバを分離するための処理ユニットを含む。処理ユニットはＲ個の姿勢解を計算する。各姿勢解は３≦Ｐ≦Ｑ−１であるＰ個のレシーバの一意的なサブセットで受信する複数の宇宙船からの信号を用いて計算される。処理ユニットはＲ個の更新後測定残余値を計算する。各更新後測定残余値はＲ個の姿勢解の１つに対応する。処理ユニットはさらにＲ個の更新後測定残余値を比較してＳ個の障害レシーバを検出する。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明を実行するためのプロセッサ・システムを含むＧＰＳ姿勢決定システムのブロック図である。ＧＰＳ姿勢決定システムはＧＰＳの衛星、すなわちＳＶと相対的に示されている。
第２図は本発明による検出および分離方法を示す概略の流れ図である。
第３図は第１図に示す４つのアンテナ／受信機を備えたＧＰＳ姿勢決定システムで障害を検出して分離するための第２図に示す検出および分離方法の実施形態の一例の詳細な流れ図である。
実施形態の詳細な説明
本発明について第１図から第３図に関して以下に説明する。第２図に概略を示し、第３図に詳細な実施形態を例示する障害検出および分離方法を実行するためのＧＰＳ姿勢決定システム１０を第１図に示す。ＧＰＳ姿勢決定システム１０は、当業者には知られているように、例えば航空機の姿勢などの航行機の姿勢情報を生成するためにＧＰＳ姿勢決定システム１０などのＧＰＳシステムが用いるＧＰＳ信号を送信しながら地球を周回する６つの衛星、すなわちＳＶ１２と結び付けて図示されている。しかしながら、宇宙船、陸上航行機などのすべての航行機の姿勢が本発明にしたがって企図されることは当業者には明らかなはずである。
システム１０は４つの別々のアンテナ／受信機セット１４〜１７を含む。アンテナ／受信機セット１４〜１７はそれぞれ全方向性アンテナ、ＮｏｖＡｔｅｌ（カナダ）製の＃５０１アンテナ、Ｔｒｉｍｂｌｅ  Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ  Ｌｔｄ．製のロー・プロファイル・アンテナおよび前置増幅器＃１６２４８−５０、Ｃａｎａｄｉａｎ  Ｍａｒｃｏｎｉ  Ｃｏｍｐａｎｙ（カナダ）製の能動アンテナ＃ＡＮ１５０、またはＳＶからＧＰＳ信号を受信するのに適したその他のすべてのアンテナなどのアンテナ３１、３３、３５、３７を含む。さらに、アンテナ／受信機セット１４〜１７のそれぞれはセットのそれぞれのアンテナ３１、３３、３５、３７に接続され、それぞれのアンテナからＧＰＳ信号を受信し、受信したこのようなＧＰＳ信号をサンプリングするのに適したＧＰＳ受信機３２、３４、３６、３８を含む。このようなＧＰＳ受信機はＮｏｖＡｔｅｌ（カナダ）製の＃ＭＥＴ５０００、Ｔｒｉｍｂｌｅ  Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ  Ｌｔｄ．製のＴＡＮＳ  Ｖｅｃｔｏｒ受信機、Ｃａｎａｄｉａｎ  Ｍａｒｃｏｎｉ  Ｃｏｍｐａｎｙ（カナダ）製のＡＬＬＳＴＡＲ  ＣＭＴ−１２００、またはその他すべての適したＧＰＳ受信機を含む。
アンテナ／受信機セット１４はアンテナ３１（Ａ１）および受信機３２（Ｒ１）を含む。
アンテナ／受信機セット１５はアンテナ３３（Ａ２）および受信機３４（Ｒ２）を含む。
アンテナ／受信機セット１６はアンテナ３５（Ａ３）および受信機３６（Ｒ３）を含む。
アンテナ／受信機セット１７はアンテナ３７（Ａ４）および受信機３８（Ｒ４）を含む。
それぞれの受信機３２、３４、３６および３８はＧＰＳ信号からの情報を回復するためにＳＶのクロックと同期化するためのクロック２２を備える。クロック２２はそれぞれのＧＰＳ受信機に供給される単一のクロック、それぞれのＧＰＳ受信機に供給される複数の独立したクロック、または１つもしくは複数の受信機に供給される１つもしくは複数のクロックである。受信機３２、３４、３６および３８が生成する情報はプロセッサ・システム２４に供給される。このような情報、例えば搬送波位相差測定値をプロセッサ・システム２４が用いて姿勢などの所望の出力を生成する。プロセッサ・システム２４はまた受信機３２、３４、３６および３８の動作を制御する。
アンテナ３１、３３、３５および３７とそれぞれの受信機３２、３４、３６および３８は伝送回路で相互に、またシステムのその他のコンポーネントに接続できる。例えば、航空機では、アンテナを翼上の固定位置および／または航空機の胴体上の固定ポイントに遠隔配置して姿勢を決定する平面を決めることができる。アンテナが通信相手のそれぞれの受信機から遠隔の位置に配置されるため、通常、その間の伝送回線としてケーブルが用いられる。本発明は伝送パス全体について障害を検出し、障害発生位置にかかわらず、すなわち、ＧＰＳ信号をアンテナで受信してから測定情報を処理ユニット２４に入力する時点までプロセッサ・システム２４に正確なＧＰＳ信号および情報を供給することを対象とする。したがって、話を簡単にするために、複数のアンテナ／受信機セット１４〜１７をこれ以降（請求項を含めて）ＧＰＳ信号の全伝送パスおよびアンテナと、アンテナにそれぞれ接続された受信機と、アンテナを接続するあらゆる伝送回線と、受信機およびプロセッサ・システム２４を含む伝送パスのあらゆる部分の測定情報を指す「レシーバ」という用語を用いたレシーバ１４〜１７と呼ぶ。例えば、レシーバ１４はアンテナ３１、受信機３２およびプロセッサ・システム２４への接続を含むこれらのコンポーネントを接続するためのすべての伝送回線を含む。
プロセッサ・システム２４はさまざまな数のレシーバに関して第２図に概略を示した検出および分離方法５０を実行するのに適している。第１図の４つのレシーバの実施形態の例に限定されない。第３図に方法の詳細を説明する。一般に、検出方法５０はＱが４以上のあらゆる数のレシーバ（Ｑ）に適用できる。検出方法５０は、（Ｐ個の）レシーバと複数の宇宙船からのＧＰＳ信号の一意的なサブセット、すなわちグループを用いた複数の姿勢解（Ｒ）の計算を含む（ブロック５２）。ここでＲは４以上で、３≦Ｐ≦Ｑ−１である。例えば、第３図に示し記述するように、３つのレシーバのサブセット、すなわちグループについて姿勢解を計算できる。航行機の姿勢決定に５つのレシーバを用いれば、１０の（３つのレシーバの）姿勢解が可能である。４つのレシーバを用いれば４つの姿勢解が可能である（第３図を参照）。さらに、６つのレシーバを用いれば、１５の（４つのレシーバの）姿勢解が可能である。以下に詳述するように、レシーバのそれぞれのグループの姿勢解は複数のＳＶからの測定値の使用を含む。例えば、航空機の大半のケースでは、２つまたは３つのＳＶからの測定値を用いて姿勢解が計算される。ただし、４つ以上のＳＶからの測定値を用いることもできる。
さまざまなグループのレシーバの姿勢解は、ＧＰＳ信号の搬送波位相差測定値を用いてグループの各アンテナの他のアンテナとの相対位置を決定することで次のように計算できる。前述したように、この仕様は未知の位相のあいまいさが当業者に知られているやり方で解決されていることを前提とする。レシーバのグループの他のアンテナに対するレシーバのグループの各アンテナについて搬送波位相差測定値が計算されると、レシーバのそれぞれの一意的なグループに対応する姿勢解を下記のアルゴリズムを用いて決定できる。
例えば、レシーバの一意的なグループの姿勢解の計算を例示するために、レシーバ１４〜１６を含む３つのレシーバからなるグループが用いられる。レシーバ１４〜１６の受信機３２、３４、および３６を用いてＳＶ１〜３などの３つのＳＶからアンテナで受信したＧＰＳ信号の搬送波位相測定値を生成できる。次に、プロセッサ・システム２４がこの搬送波位相測定値を用いて１つのアンテナの別のアンテナに対する相対位置、すなわちＳＶの１つ、つまりＳＶ１についてのレシーバ１５のアンテナとのレシーバ１４のアンテナの相対位置を表す搬送波位相差測定値を生成できる。ＳＶ１に関するレシーバ１４〜１６のグループのアンテナ間で可能なその他のすべての相対位置も決定される。次にその他のＳＶすなわちＳＶ２〜３に関するこの同じレシーバのグループでの搬送波位相差測定値が決定される。レシーバ１４〜１６のグループのアンテナ間で可能なすべての相対位置の決定に続けて、姿勢解が生成できる。言いかえれば、個別の姿勢解を生成するこのようなそれぞれの組合せによる完全３次元姿勢計算には、複数のＧＰＳ衛星（すなわちＳＶ１〜３）と３つ以上のＧＰＳアンテナ（レシーバ１４〜１６）が必要である。
搬送波位相差測定値を用いて、絶対姿勢を次のように決定できる。次の式、すなわち式１はＧＰＳ搬送波位相差測定値とＧＰＳ  ＳＶの見通し線ベクトルとの関係を表す。このデータは慣性系ベクトルを機体フレーム・ベクトル、すなわち慣性系で航行機と共に回転する航行機の機体フレーム内で固定されているベクトルに変換する姿勢方向余弦行列
0003875276.tif 000002
によって適切な基準系に変換される。この姿勢行列は式の不明な要素であるがその他のすべてのデータは知られているか測定可能である。
0003875276.tif 000003
上式で、ΔΦは２つのアンテナ間で測定されたＧＰＳ搬送波位相差測定値、
Ｍ、Ｎは任意の２つのアンテナ、
ｉはＧＰＳ衛星インデックス、
0003875276.tif 000004
は機体基準フレームでのアンテナ間の基線ベクトル、
Ｂは機体基準フレーム、
Ｉは慣性基準フレーム、
0003875276.tif 000005
は慣性フレームから機体フレームへ変換する姿勢行列、
0003875276.tif 000006
は慣性座標原点から慣性座標のＧＰＳ  ＳＶへのベクトル、
0003875276.tif 000007
は慣性座標原点から慣性座標の機体へのベクトル
λはＧＰＳ信号の波長である。
この式の解は追尾したＧＰＳ  ＳＶ、すなわち例えばＳＶ１〜３など、および３つのレシーバを備えたグループのアンテナ、すなわち、例えば姿勢解の１つを計算するのに用いるレシーバ１４〜１６などに基づいてまず測定データを適切なアレイに集約することで決定される。
差の大きさにわたるアンテナの機体フレーム原点ベクトルに対するＳＶベクトルの差の割合が式２に示すように書き込まれ、次に式１が下記のように式３に書き込まれる。
0003875276.tif 000008
上式で、
0003875276.tif 000009
は慣性基準フレーム座標での機体フレーム原点からＧＰＳ  ＳＶへの単位ベクトルである。
0003875276.tif 000010
式３の搬送波位相差測定値を使用する際に受信機のクロック誤差があってはならないことに注意すべきである。クロック誤差はすべての測定された疑似距離に直接加えられるＧＰＳ受信機の発振器の不可避の誤差の結果である。このクロック誤差が周期のあいまいさの解決処理で除去されない場合、式３を用いる前に除去する必要がある。クロック誤差は当業者に知られているこのような誤差を訂正する任意の方法を用いて解決できる。例えば、クロック誤差は標準のＧＰＳ位置の式４、次にΔΦ＝ΔΦ’−クロックを解くことで除去できる。
0003875276.tif 000011
上式でΔΦ’はクロック誤差を除去していない。
0003875276.tif 000012
式３はすべての追尾されたＳＶおよびアンテナ、すなわち関係が式５として決定されるアンテナの対に関して書き込むことができる。
0003875276.tif 000013
上式で、
0003875276.tif 000014
上式で、［Ａ］9×1はベクトル形式で３行×３列の姿勢行列［Ａ］である。
したがって、式１は線形方程式として表されている。そして姿勢方向余弦行列は最小２乗法を用いて解くことができる式５の９要素のベクトルとしてリストされている。これで式５の９要素のベクトルは式６に示すように記号を用いて表すことができる。
式６）  ［ΔΦ］＝［ＬＲ］［Ａ］9×1
式６の解は次の式７が導出されるような［ＬＲ］行列の疑似逆数を形成することで得られる。
式７）  ［Ａ］9×1＝（［ＬＲ］T［ＬＲ］）-1［ＬＲ］T［ΔΦ］
上式で、Ｔは転置行列、−１は反転行列である。
この姿勢解を求めるには、９×９の反転行列が必要である。したがって、式７はＧＰＳ搬送波位相差測定値および追尾されるＧＰＳ  ＳＶへの見通し線ベクトルに基づいて航行機の姿勢を決定するための解を表す。姿勢行列［Ａ］3×3は特殊なタイプの行列、特に正規直交行列のため、式６自体は適切な方向の余弦行列が形成されることを保証しない。式７が決定する行列は最終結果が適切な方向余弦行列を表すように正規直交する必要がある。
２つのＧＰＳ  ＳＶだけが可視状態で３つのＧＰＳアンテナによって追尾されるという特異的なケースでは、姿勢決定に６つの一意的な測定値しか利用できない。これは［Ａ］9×1行列の９つの要素すべてについて解を出すには不十分である。この特異的なケースでは、式７は［Ａ］9×1の６つの要素（最初の２行）についてしか解かれず、残りの３つの要素（第３行）は最初の２行のベクトル・クロス積を求めて第３行を形成する
0003875276.tif 000015
ことで解が得られる。ここでも得られる３×３の行列は適切な方向余弦行列を表すように正規直交する必要がある。
３次元の航行機の姿勢を決定するには２つのＧＰＳ  ＳＶだけが技術的に必要であるが、ＧＰＳだけのシステムがアンテナ位置
0003875276.tif 000016
を決定するには通常３つまたは４つのＧＰＳ  ＳＶが必要である。慣性航行システム、または利用可能な同様の航行支援手段の場合は、このようなシステムによる位置の解は
0003875276.tif 000017
値として用いられ、この場合もＧＰＳ姿勢解を計算するのに必要なのは２つのＧＰＳ  ＳＶだけである。
搬送波位相差測定値を用いた姿勢解の計算に加え、絶対姿勢および摂動姿勢も、同日に出願され、本明細書に参照としてすべて組み込まれた「Ａｔｔｉｔｕｄｅ  Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ  Ｍｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  Ｓｙｓｔｅｍ」と題された同時係属の米国特許出願（整理番号第Ｈ１６−１６３８０号）に記載された別の方法を用いて生成することができる。
航行機の姿勢について、上記の姿勢解法で基準フレーム間で３つの要素ベクトルを変形するために用いる方向余弦行列（９要素行列）に関して説明する。しかしながら、これらの式は航行機の姿勢を表すのに用いることもできる４つのパラメータ四元数すなわちオイラー角に関して同様に導出できる。上記の姿勢計算の説明と関連して、ブロック５４に示す測定残余値の計算例の概要を説明する。式６および７を用いて、時間Ｋにおける更新後測定残余値が、Ak=([LR]KT[LR]K)-1[LR]KTΔΦKの式６を用いて最初にAkを計算することで計算される。ここで、ΔΦKはＧＰＳシステム１０の受信機が回復した搬送波位相測定値を用いてＧＰＳシステム１０によって測定されたものである。次に計算されたＡKを用いてΔ＾ΦＫ、すなわち予想ΔΦKをΔ＾ΦK＝［ＬＲ］KＡKを用いて新しいＡKの解に基づいて計算することでΔΦの測定値を再評価できる。これで差ΔΔΦ＝ΔΦK−Δ^ΦKは１つのＳＶに関して１対のアンテナ／受信機セットの搬送波位相測定値を用いて計算される１つの搬送波位相差測定値の更新後測定残余値になる。
完璧な世界では、ΔΔΦすなわち更新後測定残余値はゼロになる。ΔΦに内在する測定誤差のためにこの値はゼロではなく、検出方法５０と連携して用いて１つまたは複数のレシーバ障害の存在を検出して分離することができる。このような更新後測定残余値はＳＶとアンテナの対あたり１測定値の割で使用できる。例えば、３つのＳＶから得た測定値を用いて１つの姿勢解を決定する場合、一般に、それぞれのＳＶに関して２つの個別の測定残余値（すなわち、ＳＶあたり２つの測定残余値）が生成され、それぞれの姿勢解に対応する６つの残余値が使用できる、すなわち、６つの残余値が１つの姿勢解に対応する測定残余値の１つのセットを表す。
更新後測定残余セット、すなわち、特定の一意的なレシーバのグループについての姿勢解の計算で用いるＳＶとアンテナの対ごとに計算される個別の測定残余値を含むセットが姿勢解ごとに使用できる。レシーバ障害の検出（ブロック５６）は、第３図に示す４つのレシーバを備えたＧＰＳ姿勢システムの例に適用される検出方法に関して以下に詳述する測定残余値の「大きな」グループについて更新後測定残余セットを観察することで実行される。しかしながら、前述したように、検出方法５０は５つ以上のレシーバ、すなわちＱ個のレシーバを備えた姿勢システムを扱うように一般化することができる。第１図の４つのレシーバ・システム１０および第３図の流れ図を用いた詳細な説明に先だって、１≦Ｓ≦Ｑ−３であるＳ個のレシーバ障害のこのような一般化された検出について、Ｑ＞３であるＱ個のレシーバを備え、Ｐ＝Ｑ−Ｓで３≦Ｐ≦Ｑ−１であるＰ個のレシーバのサブセット、すなわちグループおよび複数の宇宙船からの信号を用いて計算されるＲ個の姿勢解を備えた一般化された姿勢システムに関して概説する。
姿勢解を計算するのに用いるレシーバの数にかかわらず、Ｒ個の姿勢解のそれぞれについて更新後測定残余値の１つのセットが決定される。その後、姿勢解に対応するＲ個の更新後測定残余セットを比較することで１つのレシーバ障害または複数のレシーバ障害の検出が実行される。
ＰがＱ−１に等しく、したがってＳ＝１の場合に単一のレシーバ障害を検出するため、更新後測定残余セットが比較されてＲ個の更新後測定残余セットのうちのＱ−１個がその他の更新後測定残余セットと相対的に異なっているか、すなわち、Ｑ−１個の残余セットがその他の残余セットよりも相対的に大きいかどうかが決定される。そうである場合、単一のレシーバ障害はその他の更新後測定残余セットよりも相対的に大きいＱ−１個の更新後測定残余セットに対応するＱ−１個の姿勢解を計算する際の共通の受信機として分離する。
Ｓ＞１の場合、すなわち複数のレシーバ障害を検出する場合、または例えばＰ＝Ｑ−２などの場合、一般に、数学的に「！」が階乗演算子を表す、例えば３！は３＊２＊１＝６であるＱ！／（Ｔ！＊Ｓ！）で表されるＲが「ＱからＴを選ぶ組合せ」であるＲ個の姿勢解が計算される。このような検出を例示するためにいくつかの例を挙げる。
Ｑ＝４のレシーバを用いた例では、上記の式を用いてＳ＝１で示すように１つのレシーバ障害だけの検出が可能である。これは上記の単一障害検出方法である。このような場合、計算に４つのレシーバの１つを除外する解が４つ得られる。以下に第３図に関して詳述するように、３つの相対的に大きい残余セットおよび１つの小さい残余セットの発生は、障害レシーバとして小さい残余セットの計算での使用から除外されたレシーバを識別する。
別の例では、５つのレシーバを用いる場合、Ｑ＝５で、１≦Ｓ≦２の２つのレシーバ障害と単一のレシーバ障害が検出できる。５つのレシーバ・セットに２つのレシーバ障害を検出する場合、５！／（３！＊２！）＝１０の異なる姿勢解が計算され、そこで対応する更新後測定残余セットが計算される。この場合、２つの障害レシーバとしての小さい測定残余セットを生む姿勢計算での使用から除外された２つのレシーバを識別する他のセットよりも相対的に大きい残余セットの１０のうち９つを探すために測定残余セットが検証される。
５つのレシーバ・セットで単一の受信機障害を検出する場合、対応する測定残余セットと共に５！／（４！＊１！）＝５の異なる姿勢解が計算される。この場合、障害レシーバとしての小さい測定残余セットを生む姿勢計算での使用から除外されたレシーバを識別する他のセットよりも相対的に大きい残余セットの５つのうち４つを探すために測定残余セットが検証される。
この処理は利用可能なあらゆる数のレシーバに拡張できる。Ｑ＝６個のレシーバでは、このアルゴリズムは３つ、２つ、または１つの障害を検出する能力があり、Ｑ＝７個のレシーバでは、このアルゴリズムは４つ、３つ、２つ、または１つの障害を検出する能力があり、以下同様であることに注意されたい。
姿勢解を計算する際に用いるレシーバのグループで使用できるＳＶとアンテナの各対の測定残余値を含む更新後測定残余値のそれぞれのセットのサイズを測るために、特定の姿勢解を計算するためのＳＶとアンテナの対の個々の測定残余値の二乗平均（ＲＭＳ）値が式８に示すように計算される。これらのＲＭＳ値、すなわち計算される姿勢解ごとの値は障害レシーバを決定するための比較に用いられる。
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異常なレシーバ誤差がない通常の搬送波位相差ベースのＧＰＳ姿勢決定システムでは、ΔΔΦrmsは１センチメートルより小さくなくてはならない。
特に第３図を参照しながら、第１図の４つの受信機を備えたＧＰＳ姿勢決定システム１０の例を用いて検出方法５０について説明する。さらに、搬送波位相差測定値を用いて実行される姿勢解５２の計算について説明する。第３図に示すように、３つのレシーバを備えた４つのグループであるグループ１〜４に対応する４つの姿勢解が計算される。この図のＳＶ１〜３で、少なくとも３つのＳＶを追尾する３つのレシーバを用いて完全な姿勢決定が行われる。したがって、グループはレシーバ１４、１５、および１６を用いるグループ１と、レシーバ１４、１５、および１７を用いるグループ２と、レシーバ１５、１６、および１７を用いるグループ３と、レシーバ１４、１６、および１７を用いるグループ４からなる。
追尾される各ＳＶに関するグループ１〜４のそれぞれのレシーバのそれぞれの対からの搬送波位相測定値を用いて本明細書で前述した姿勢の計算のための測定値が得られる。例えば、グループ１のレシーバ１４〜１６を用いてＳＶ１〜３などの３つのＳＶからアンテナで受信したＧＰＳ信号の搬送波位相測定値が生成される。次にプロセッサ・システム２４は搬送波位相測定値を用いて、ＳＶの１つ、すなわちＳＶ１についてのグループ１の他のアンテナに関するレシーバ１４〜１６のアンテナのそれぞれの相対位置を表す搬送波位相差測定値を生成する。この搬送波位相差測定値は他のＳＶ、すなわちＳＶ２〜３に関するレシーバ１４〜１６からなる同じグループ１についても決定される。レシーバ１４〜１６からなるグループ１のアンテナ間で可能なすべての相対位置の決定に続けて、前述したように姿勢解が生成できる。同様に、レシーバの他のグループ２〜４のそれぞれを用いて対応する個別の姿勢解が計算される。
その後、第３図の計算測定残余値ブロック５４に示すように、レシーバのグループ１〜４に対応する計算された姿勢解のそれぞれについて更新後測定残余値、すなわちＲＭＳ値が計算される。それぞれの姿勢解についての更新後測定残余値は前述の方法で計算される。言い換えれば、更新後測定残余値のセットの個々の測定残余値を用いてＲＭＳ値が計算される。個々の測定残余値は、測定された搬送波位相差を式６を用いて計算され式７で計算された最新のＡkを用いてΔΦの再評価が行われる予測搬送波位相差測定値と比較することで計算される。更新後測定残余セットのそれぞれは姿勢解に対応し、その二乗平均（ＲＭＳ）値を計算するのに用いられる。更新後測定残余値のセットのそれぞれが１つの姿勢解に対応し、測定残余値のセットを用いてその二乗平均（ＲＭＳ）値が計算される。例えば、ＳＶ１〜３に対応する６つの個別の測定残余値のセットがグループ１の３つのレシーバに関連付けられた搬送波位相差測定値について計算される、すなわち、ＳＶごとに２つの残余値が、またはＳＶ−アンテナの対ごとに１つの残余値が計算される。次に、この６つの個別の測定残余値のセットを用いてグループ１のレシーバで計算した姿勢解に対応するＲＭＳ更新後測定残余値が生成される。同様に、グループ２〜４のレシーバで計算した他の姿勢解に対応するＲＭＳ更新後測定残余値が生成される。このような測定残余値は同時に、または複合化されたやり方で生成できる。
４つの姿勢解に対応するＲＭＳ更新後測定残余値の計算後に、第３図に示すように、検出方法５０が生成された更新後測定残余値からレシーバ障害を決定して分離する（ブロック５６）。レシーバ障害の決定はブロック６０に示すように更新後測定残余値のそれぞれをＲＭＳ測定残余しきい値と比較することでレシーバの４つのグループ１〜４についてＲＭＳ更新後測定残余値をまず検証することによって実行される。更新後測定残余値のすべてがしきい値要件を満足しない場合、すなわちこの特定の例では更新後測定残余値のいずれも約１センチメートルのしきい値を超えない場合、障害は存在しないと判定され、処理は正常に継続する（ブロック６２および６６）。ＲＭＳ更新後測定残余値の１つがＲＭＳ残余しきい値要件を満足しない、すなわちしきい値を超える場合、すべての更新後測定残余値が検証されてレシーバのグループ１〜４のうち３つに対応するＲＭＳ更新後測定残余値が残りのグループよりも有意に大きいかどうかが決定される（ブロック６４）。グループ１〜４のうち３つのＲＭＳ更新後測定残余値が残りのグループよりも有意に大きくない場合、レシーバ障害が存在しないと決定される（ブロック６６）。グループ１〜４のうち３つのＲＭＳ更新後測定残余値が残りのグループよりも有意に大きい場合、レシーバ障害が存在すると決定される（ブロック６８）。
３つのグループのＲＭＳ更新後測定残余値は姿勢解を計算するのに用いる共通の同じレシーバに影響されたため、有意により大きいＲＭＳ更新後測定残余値を備えた３つのグループ内の共通のレシーバが障害レシーバであると決定できる。言い換えれば、より小さい更新後測定残余値を備えた残りのグループの姿勢解を計算するのに用いないレシーバは障害レシーバとして分離する（ブロック６８）。
好ましい実施形態を特に参照しながら本発明について説明してきたが、当業者にはただちに理解できるように、以下の請求項の企図する範囲を逸脱することなしに本発明を変形および変更することが可能である。例えば、所与のしきい値は例示のために過ぎず、姿勢解の計算は例示に過ぎず、その他の計算方法が本発明にしたがって明らかに企図され、第３図に関連して記載した例示の実施形態でレシーバの数とＳＶの数を好きなように入れ替えることができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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