(57)【要約】  本発明は、信号受信機によるポジション決定のために、地球衛星から送信される信号の伝播時間測定を補正するために使用される、地球大気圏内の電子分布のモデルを決定する方法であって、少なくとも以下のステップ、即ち、ａ）供給場所（２）の局所的な電子密度データを求めるステップと、ｂ）供給場所の局所的な密度に依存して、局所的な分解能を決定するステップと、ｃ）ステップａ）において求められた電子密度分布を、ステップｂ）において決定された分解能に依存して内挿する関数を決定するステップと、ｄ）ステップａ）において求められたデータと、ステップｃ）において求められた関数とを用いて、電子密度分布のモデルを作成するステップと、を有する方法に関する。
2020508456.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号受信機によるポジション決定のために、地球衛星から送信される信号の伝播時間測定を補正するために使用される、地球大気圏内の電子分布のモデルを決定する方法であって、少なくとも以下のステップ、即ち、
ａ）供給場所の局所的な電子密度データを求めるステップと、
ｂ）供給場所の局所的な密度に依存して、局所的な分解能を決定するステップと、
ｃ）ステップａ）において求められた電子密度分布を、ステップｂ）において決定された前記分解能に依存して内挿する関数を決定するステップと、
ｄ）ステップａ）において求められた前記データと、ステップｃ）において求められた前記関数とを用いて、前記電子密度分布の前記モデルを作成するステップと、
を有する、
地球大気圏内の電子分布のモデルを決定する方法。
【請求項２】
前記供給場所は、それぞれ少なくとも１つの２周波信号受信機を含む、
請求項１に記載の方法。
【請求項３】
ステップａ）において、固定の供給場所及び／又は可動の供給場所の局所的な電子密度分布を求める、
請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記可動の供給場所は、車両内に又は車両に配置されている、
請求項３に記載の方法。
【請求項５】
ステップｃ）において決定された前記関数は、局所化を行う基底関数である、
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記電子密度分布の前記モデルを用いて、複数のＧＮＳＳ信号受信機に供給される補正データを求める、
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
電子分布のモデルを決定するために、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の方法を実施する装置。
【請求項８】
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の方法のすべてのステップを実施するために構成されているコンピュータプログラム。
【請求項９】
請求項８に記載のコンピュータプログラムが記憶されている機械可読記憶媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地球大気圏内の、特にいわゆる電離圏内の、電子密度分布の適応型モデルを決定する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電離圏とは、おおよそ５０ｋｍから１０００ｋｍの高度に広がり、上方でプラズマ圏に移行する上層大気圏の範囲のことを表す。電離圏は、帯電した粒子の濃度が高められている点で特徴的であり、そのように高められた濃度は、電離プロセスにより太陽の入射に依存して発生する。電離の周波数及び強度に依存して、電磁信号は電離圏で屈折し、そのことから伝播時間の遅延が引き起こされる可能性がある。これによって、例えば、衛星支援型のポジショニングやナビゲーションなど、様々な適用分野が影響を受ける。米国のＧＰＳ又は欧州のガリレオなどのような全地球測位衛星システム（ＧＮＳＳ）のコード位相観測及び搬送波位相観測において、伝播時間の遅延により電離圏の状態に依存して、２桁のメートルの範囲で距離誤差が引き起こされる可能性がある。特に安全上重大な用途においては、影響を考慮するために電離圏について正確に把握することが極めて重要である。高価な測地用の２周波受信機を使用すれば、電離圏の１次の影響を取り除く目的で、信号の結合を適用することができる。はるかに安価な１周波受信機は、信号を補正して１ｍよりも小さい精度を達成するために、大気圏モデルをどうしても用いなければならない。
【０００３】
１周波受信機における誤差の補正のために用いられる相応の大気圏モデルとして、国際ＧＮＳＳ事業（ＩＧＳ）の分析センタによる電離圏の生成結果が知られており、これは、定置されたＧＮＳＳ参照局による全地球ネットワークの観測から、積分された電子密度いわゆる全電子数（ＴＥＣ）を、地理的長さと地理的幅と時間とに依存して計算して供給する。ＴＥＣ値は、ＧＮＳＳユーザのために、測定における電離圏の影響を補正する役割を果たす。従って、１周波受信機のための公知の大気圏モデルは、定置された参照局により決定される、場所と時間とに依存するＴＥＣ値をベースとしている。各参照局の間に位置する測地的ポジションについては、場所と時間とに依存するこれらのＴＥＣ値が内挿される。
【０００４】
ＴＥＣのパラメータ化及び内挿は、通常は大域的に定義される基底関数を用いて、例えば、球面調和関数（ＫＦＦ）又はボクセルを用いて行われ、これらによって均一なデータ分布及びデータ品質が見込まれる。球面調和関数の位数及び次数又はボクセルサイズひいてはモデルの分解能は、局の分布による傾向に従って規定される。これに加えて、固定的な支持点が採用される。それゆえ、非均一な局の分布に起因して、モデル平滑化によりＴＥＣの分解能が劣化する一方、密集した観測分布のエリアにおける詳細な情報が失われてしまう。ＧＮＳＳユーザに対しては、２．５°（〜２５０ｋｍ）の幅×５°（〜５００ｋｍ）の長さ×２時間という分解能を有する、大域的な強く平滑化されたグリッド値が供給される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図１には、ＩＧＳネットワークが例示的に描かれている。記入された点は、個々の参照局を表す。明らかなデータ欠落につながる非均一な局の分布であることがはっきりと示されており、ここでは、ヨーロッパの上だけが密集した編目のネットワークであることが問題であるといえる。これに加え、装備（例えば、ＧＮＳＳ受信機、アンテナ、設置場所）の選択は、一般的には局の運営側が責任を負っており、データ品質は極めて不均一である。よって、現在の時点においては、電離圏の生成結果の品質に直接的な影響を及ぼす以下の欠点、即ち、
・不均一な局の分布、
・不均一なデータ品質、
・不均一なデータベースにもかかわらず、大域的に定義され均一に配分された基底関数の使用、
・密集した局の分布のエリア（例えば、ヨーロッパ）におけるモデリング平滑化による重大な情報損失、
・局がカバーされていないエリア、即ち、大気圏情報を利用不可能なエリアを、極めて大域的なモデル分解能で切り抜けなければならないこと
が判明している。
【０００６】
ここではＩＧＳネットワークを例示的に選択したにすぎない。列挙した欠点は、他のＧＮＳＳ観測ネットワークの場合にも認めることができる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
発明の開示
ここでは、地球大気圏内の電子密度分布の適応型モデルを決定する方法を提案する。このモデルは、信号受信機によるポジション決定のために、地球衛星から送信される信号の伝播時間測定を補正するために使用される。この方法は、少なくとも以下のステップ、即ち、
ａ）供給場所の局所的な電子密度データを求めるステップと、
ｂ）供給場所の局所的な密度に依存して、局所的な分解能を決定するステップと、
ｃ）ステップａ）において求められた電子密度データを、ステップｂ）において決定された分解能に依存して内挿する関数を決定するステップと、
ｄ）ステップａ）において求められたデータとステップｃ）において求められた関数とを用いて、電子密度分布のモデルを作成するステップと、
を有する。
【０００８】
電離圏内の（局所的な）電子密度は、電離圏内の（局所的な）イオン密度と密接した関係にある。従って、電離圏を記述するために、関係に従って電子密度又はイオン密度が用いられる。
【０００９】
ステップａ）において、供給場所の局所的な電子密度データが求められる。この場合、好ましくは、供給場所から求められ、評価及び／又は供給される局所的な電子密度データが、データセンタ内の評価装置により受信されて評価され、そこにおいて電子密度分布のモデルが形成される。この目的で、例えば、ケーブルコネクション及び（固定の供給場所）、無線コネクション及び／又は衛星コネクションを介して、電子密度データをデータセンタに伝達することができる。
【００１０】
電子密度分布に対するデータを、特に場所と時間とに依存するＴＥＣ値、及び／又は、ＴＥＣ値の直接的な推定が可能な特に場所と時間とに依存するパラメータとすることができる。特に好ましくは、電子密度データは、特に場所と時間とに依存する関数パラメータであって、特にこれらの関数パラメータを分布関数に代入すれば、これらの関数パラメータによって電子密度分布の特に四次元のモデルを形成することができる。分布関数として、例えば、いわゆるチャップマン関数を用いるならば、場所と時間とに依存する関数パラメータは、少なくとも以下のパラメータ、即ち、
・高度に沿った最大電子密度、
・この最大電子密度が発生した高度、及び、
・対応するスケールハイト
を含むことができる。
【００１１】
１つの有利な実施形態によれば、供給場所は、それぞれ少なくとも１つの２周波信号受信機を含むことが提案される。好ましくは２周波信号受信機が、衛星から２周波信号受信機への信号伝播経路に沿った電子密度を記述するために典型的なパラメータを求め、これらは、例えば、個々の２周波信号受信機の範囲内における特に時間に依存するＴＥＣ値などである。しかも、供給場所は、評価及び送信ユニットを有することができ、これらのユニットによって、求められたパラメータを評価してデータセンタへ転送することができ、データセンタにおいて電子密度分布のモデルが形成される。
【００１２】
１つの有利な実施形態によれば、ステップａ）において固定の供給場所及び／又は（地表上の経路に沿って）可動である若しくは移動させられる供給場所の局所的な電子密度データを求める、ということが提案される。可動の供給場所は特に、それらを構成する部品を分解することなく、それらをある測地的ポジションから他の測地的ポジションへ移動させることができる、という点において優れている。固定の供給場所として、例えば、ＩＧＳネットワークなど参照ネットワーク内に定置されたＧＮＳＳ常設局を用いることができる。
【００１３】
好ましくは、可動の供給場所は車両（自動車）内に又は車両（自動車）に配置されている。ポジション決定における電離圏誤差に対する補正を（共通に）計算するために、車両ベースの供給場所を、特に固定の供給場所と組み合わせて用いることによりもたらされる特別な利点とは、十分な時間的及び空間的なカバーを達成することができるということであり、これは、固定の供給場所のみによっては達成することができない。車両の移動によって供給場所の分布が常に変化し、この方法を用いることにより決定される（適応型の）モデルによって、特に基底関数の（動的な）再配分によって、このことを考慮することができる。
【００１４】
ステップｂ）において、供給場所の局所的な密度に依存して、局所的な分解能の決定が行われる。例えば、データセンタの評価装置は、供給場所の測地的ポジションを評価することができ、このことから供給場所の局所的な密度及び／又は局所的な分解能を求める又は計算することができるようになる。
【００１５】
ステップｃ）において、ステップａ）で求められた電子密度データを、ステップｂ）で決定された分解能に依存して内挿する関数を決定する。これによって特に有利には、適応型のモデルを、又は、生じている観測状況に対し特に連続的に整合されるモデルを、提示した解決手段によって供給することが可能となる。
【００１６】
１つの有利な実施形態によれば、ステップｃ）において決定された関数は局所化を行う基底関数である、ということが提案される。局所化を行う基底関数として、例えば、Ｂスプライン及び／又はボクセル（ノード点として三次元グリッドにおけるグリッド点）を用いることができる。局所化を行う基底関数は、それらの支持点及び／又はカバー範囲を空間的及び時間的な観測分布に適応的に整合可能である、という点において特に優れている。好ましくはステップｃ）において、基底関数の支持点の配分が、特にＢスプラインの支持点及び／又はボクセルサイズの配分が、分解能又は観測の量及び／又は品質に依存して決定される。
【００１７】
好ましくは、関数はステップｃ）において、密集した観測分布又は高い分解能を有する１つ又は複数の（空間的な）エリアにおいて、（それぞれ）適応型の領域内モデリングが行われるようにして決定される。局所化を行う基底関数は、適応型の領域内モデリングに特に適している。密集した観測分布を有するエリアには、（空間的に集中した）固定の供給場所及び／又は可動の供給場所が、２桁のｋｍ範囲にある各観測場所間の距離（いわゆるベースライン）を伴って存在している。このようなエリア内における適応型の領域内モデリングのために、固定の供給場所各々及び／又は可動の供給場所各々を、（１つ又は複数の）基底関数の支持点を決定するために用いることができ、従って、有利には（１つ又は複数の）基底関数の密集した適応型の支持点配分ゆえに、モデリングに起因する電子密度分布の平滑化を低減することができるようになる。よって、密集して観測がカバーされるエリアを高分解能でモデリングすることができ、これによって高い詳細度を達成することができる。
【００１８】
まばらな観測分布又は低い分解能を有する１つ又は複数のエリアにおいても、同様に適応型の領域内モデリングを行うことができる。まばらな観測分布のエリアには、密集した観測分布のエリアと比較して、わずかな観測場所しか存在していない。供給場所の密度又は個々の供給場所間の距離は、まばらな観測分布のエリアでは数１００ｋｍの範囲にある。まばらな観測分布のエリアにおいては、可動の供給場所を、観測分布を密集させるために極めて特別に役立たせることができる。まばらな観測分布のエリア内における適応型の領域内モデリングのために、固定の供給場所に加えて可動の供給場所を、（１つ又は複数の）基底関数の支持点を決定するための計算の基礎として用いることができる。好ましくは、まばらな観測分布のエリア内において、データ欠落を克服し、低減された情報内容を可能な限り最良に利用することができるように、（１つ又は複数の）基底関数を整合させる。
【００１９】
データ欠落を有する１つ又は複数のエリアにおいて、電子密度分布をモデリングするために大域的なバックグラウンドモデルを用いることができる。換言すれば、このことは特に、提示した解決手段によれば、１つ又は複数の適応型の領域内モデリングを（場合によっては非適応型の）バックグラウンドモデルに埋め込むことができる、ということを意味する。データ欠落を有するエリアにおいては、固定の供給場所は、存在せず又はごくわずかにしか存在しない。しかも、データ欠落を有するエリアにおいては、可動の供給場所も、存在せず又はごくわずかにしか存在しない。データ欠落の正確な定量的評価は、モデルの用途に依存する。データ欠落を有するエリア内のイオン分布のモデリングのために、大域的なバックグラウンドモデルに加えて、レーダ高度測量などのようなさらに他の衛星支援型の観測方式を用いることができる。
【００２０】
まばらな観測分布のエリアと密集した観測分布のエリアとの間の移行範囲内においては、特に、密集した観測分布により高められた精度をまばらな観測分布の範囲内で可能な限り広く利用することができるようにする目的で、平滑化関数を用いることができる。
【００２１】
よって、この方法を用いて決定される電子密度分布のモデルを、いわゆる「パッチ」方法に基づくものとすることができ、この方法によれば、大域的なバックグラウンドモデルが領域内圧縮又は領域内モデリングと組み合わせられる。特に平滑化され内挿された大域的な電子密度分布を記述する目的で、大域的なバックグラウンドモデルは、例えば、球面調和関数及び／又はボクセルアプローチを用いることができる。
【００２２】
好ましくは、ステップｃ）において決定される関数は、局所化を行う多項式のＢスプラインである。これらの関数の場合、有効範囲ひいては局所化範囲を、支持点の配分によって変化させることができる。他の選択肢として又はこれに加えて、ボクセルアプローチを選択することができる。このケースにおいては、ボクセルのコーナを支持点と解釈することができ、従って、ボクセルのサイズと個数を観測ベースに応じて変化させることができる。
【００２３】
ステップｄ）において、ステップａ）で求められたデータとステップｃ）で求められた関数とを用いて、電子密度分布のモデルの作成が行われる。しかも、このモデルを作成するために、少なくとも１つの分布関数、特にいわゆるチャップマン関数又はエプスタイン関数を用いることができ、これによれば、高度に依存した電子密度の分布の推定が可能である。好ましくは、ステップｄ）において、四次元電子密度モデル及び／又は電子密度分布を時間に依存して記述するためのモデルを、３つの空間方向すべてにおいて作成する。
【００２４】
さらに他の有利な実施形態によれば、電子密度分布のモデルを用いて、複数の１周波信号受信機及び２周波信号受信機に供給される補正データを求める、ということが提案される。これらの補正データを用いることによって、個々の１周波信号受信機内に格納されている電離圏モデルを補正及び／又は更新することができる。２周波受信機の場合には、電離圏の補正を、例えば、改善された完全性コンセプト又は位相アンビギュイティのより高速な解決、ひいてはより短い収束時間の達成のために、利用することができる。対応する信号受信機を、例えば、車両（自動車）、船舶、ブイ、農業用の機器若しくは機械、携帯型ＧＮＳＳ受信機、携帯電話又は他の電子製品に、又は、それらの中に配置することができる。
【００２５】
ここでは、既述の方法を実施する装置及び対応するコンピュータプログラム並びにこのコンピュータプログラムが記憶されている機械可読記憶媒体についても述べるつもりである。既述の方法を実施する装置は、通常、コンピュータセンタ又は同等の構造内に実装されている。ここにおいて局所的な電子密度データが、既述の方法に従って受信されて処理される。
【００２６】
以下においては、ここで提示した解決手段及びそれを取り巻く技術的環境について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、ここで述べておくと、本発明は、図示の実施例によって限定されるべきものではない。特に、明示的に他のことが示されていない限り、図面で説明する事項の部分的な態様を抜き出して、他の図面及び／又は本明細書に由来する他の構成部分及び／又は認識と組み合わせることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】ＩＧＳネットワークの局の分布を有する地図を概略的に示す図である。
【図２】ここで提示した解決手段において使用可能な多項式のＢスプラインを概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図１には、ＩＧＳネットワークの局の分布が示された地図１が概略的に示されている。ここでは具体例としてＩＧＳネットワークを提示するが、その理由は、ＩＧＳネットワークの局２を、ここで提示した解決手段と関連して、固定の供給場所として用いることができ、それらの局からイオン分布データを求めることができるからである。図１には、それぞれ異なる観測シナリオが強調されており、即ち、密集した観測分布を伴うエリア３、まばらな観測分布を伴うエリア４、及び、より多くのデータ欠落を伴うエリア５が強調されている。
【００２９】
図２には、多項式のＢスプライン６が概略的に示されており、ここで提示した解決手段によれば、求められた電子密度データを決められた分解能に依存して内挿するために、これを用いることができる。図２には、一例として局所化を行う多項式のＢスプラインが、均一に配分された支持点７と共に示されている。ここで提示した解決手段と関連して、支持点７を固定の供給場所及び／又は可動の供給場所により形成することができる。
【００３０】
図２において、横軸には地理的幅８が、縦軸にはＢスプライン値９が書き込まれている。図２による表し方によれば、例示的に５つの支持点７を、−６０°から＋３０°までの地理的幅８のエリアに均一に配分して配置した。個々の関数又は曲線の有効範囲は、即ち、局所化範囲は、支持点７の配分と共に変化する。地球大気圏内のイオン分布の適応型モデルを供給する、ここで提示した解決手段と関連して、密集した観測でカバーされたエリアにおいては、支持点数が増やされ、観測がわずかなエリアにおいては、支持点数が減らされるように、支持点７の個数及びポジションを変化させることができる。従って、密集した観測でカバーされたエリアにおいては、狭い局所化範囲及び高められた分解能が設定され、観測がわずかなエリアにおいては、広い局所化範囲及び低減された分解能又は高められた平滑化が設定される。
【００３１】
Ｂスプライン６は局所化を行うものであり、即ち、有限のインターバルにおいてのみゼロと等しくない。提示した解決手段によれば、Ｂスプライン６の支持点７を、生じている観測状況に、又は、固定の供給場所及び／又は可動の供給場所の現在の（測地的）ポジションに、連続的に整合させることができる。エリア周辺及び有限の支持範囲のところでの内挿によって、多項式のＢスプラインは、提示した解決手段と関連して、局所的な電子密度分布に基づき行われる領域内モデリングに極めて適したものである。
【００３２】
提示した解決手段によれば、特に以下の利点を得ることができる。即ち、
・高い支持点密度を有するエリア内でのモデリングに起因する平滑化の低減によって特に、ポジション決定における精度が高められる。
・ＧＮＳＳユーザ、特に１周波信号受信機しか持たないＧＮＳＳユーザに対し、適応型の空間的及び時間的な分解能により電離圏パラメータの精度が改善される、という利点がもたらされる。
・モデルの分解能レベルが高められることによって、電離圏の気候学即ち、太陽の１１年周期による電離圏活動の変動、年間の及び季節的な変動、１日のうちのある時刻の変動などのような周期的作用のほか、ハイダイナミックな不規則的な現象、例えば、（中規模及び大規模の）伝搬性電離圏擾乱（ＴＩＤ、ＭＳＴＩＤ、ＬＳＴＩＤ）、突発性電離圏擾乱（ＳＩＤ）、スプレッドＦ層、スポラディックＥ層、電離圏嵐、及び／又は、シンチレーションなどを捕捉することができる。かかる作用は、現在利用可能な電離圏の生成結果の場合には、それらの硬直的な分解能及びそれに付随する平滑化レベルによって失われ、又は、局のカバーがまばらなエリアにおいては捕捉されない。
【００３３】
（適応型の）モデルのアプローチを、ここでは、電離圏モデリングの枠組みにおいて説明したが、これを多くの適用分野において適応させることができ、例えば、ＧＮＳＳ観測による対流圏のモデリング、磁場をモデリングするための車両における磁力計測定の利用、又は、地球の重力場のモデリングなどに適応させることができる。
【図１】
2020508456.tif 000003
【図２】
2020508456.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】令和1年9月26日(2019.9.26)
【手続補正１】
【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】
信号受信機によるポジション決定のために、地球衛星から送信される信号の伝播時間測定を補正するために使用される、地球大気圏内の電子分布のモデルを決定する方法であって、少なくとも以下のステップ、即ち、
ａ）供給場所の局所的な電子密度データを求めるステップと、
ｂ）供給場所の局所的な密度に依存して、局所的な分解能を決定するステップと、
ｃ）ステップａ）において求められた電子密度分布を、ステップｂ）において決定された前記分解能に依存して内挿する関数を決定するステップと、
ｄ）ステップａ）において求められた前記データと、ステップｃ）において求められた前記関数とを用いて、前記電子密度分布の前記モデルを作成するステップと、
を有する、
地球大気圏内の電子分布のモデルを決定する方法。
【請求項２】
前記供給場所は、それぞれ少なくとも１つの２周波信号受信機を含む、
請求項１に記載の方法。
【請求項３】
ステップａ）において、固定の供給場所及び／又は可動の供給場所の局所的な電子密度分布を求める、
請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記可動の供給場所は、車両内に又は車両に配置されている、
請求項３に記載の方法。
【請求項５】
ステップｃ）において決定された前記関数は、局所化を行う基底関数である、
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記電子密度分布の前記モデルを用いて、複数のＧＮＳＳ信号受信機に供給される補正データを求める、
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の方法のすべてのステップを実施するために構成されているコンピュータプログラム。
【請求項８】
電子分布のモデルを決定するために、請求項７に記載のコンピュータプログラムを実行する装置。
【請求項９】
請求項７に記載のコンピュータプログラムが記憶されている機械可読記憶媒体。
【国際調査報告】
2020508456.tif 000005
2020508456.tif 000006
2020508456.tif 000007
2020508456.tif 000008