JP2010508524A - 現在の放送軌道暦を使用しない位置の確定 - Google Patents

Abstract

長期間にわたって放送軌道暦データを使わずに位置情報を確定するための装置と方法について記載する。放送軌道暦から確定される衛星状態を格納し、この格納された衛星状態に関する運動方程式を数値積分して、現在の衛星状態を確定するクライアント装置が開示される。クライアント装置は、受信された衛星信号と共に現在の衛星状態を使用して、この衛星信号がどこで受信されたかを確定する。

Description

本開示の実施形態は衛星を利用した測位システムと方法に関する。より具体的には、本開示の実施形態は、放送形式の現在の軌道暦情報を使わずに位置を確定することに関する。

衛星を利用した測位システムは、軌道情報と測距信号を絶えず受信機に送信する地球周回軌道衛星の衛星群を含む。衛星を利用した測位システムの一例は全地球測位システム（ＧＰＳ）である。ＧＰＳはＧＰＳ衛星、サテライト・ビークル、またはスペース・ビークルとも呼ばれる地球周回軌道衛星の衛星群を含む。ＧＰＳ衛星は、非常に精密な軌道で一日に二度地球を周回しており、地上へ信号情報を送信する。衛星信号情報は、携帯用装置または移動式装置の内部や、基地局および／またはサーバー上の固定された位置に存在し得るＧＰＳ受信機により受信される。

ＧＰＳ受信機は、受信機の正確な位置を計算するために衛星信号情報を使用する。一般的に、ＧＰＳ受信機は、衛星によりＧＰＳ信号すなわち衛星信号が送信された時刻と、受信機において上記信号を受信した時刻とを比較する。衛星信号の送信と受信の間の時間差は、送信衛星から受信機までの距離に関する情報を受信機に与える。さらに多くの衛星からの疑似距離測定値（この距離情報は、ＧＰＳ衛星クロックと受信機クロック間のオフセットに比例した量によりオフセットを与えられるため疑似距離と呼ぶ）を使用することにより、受信機はその位置を確定することができる。ＧＰＳ受信機は、少なくとも４つの衛星からの受信信号を使用して三次元位置（緯度、経度、高度）を計算する。あるいは、少なくとも３つの衛星を使用して二次元位置を計算する（高度が既知の場合）。

ＧＰＳ衛星信号は見通し線に沿って伝播し、この信号は雲、ガラスおよびプラスチックを通過するが、建物や山などほとんどの固体を通過しない。そのため、一般的には、ＧＰＳ受信機は、建物の内部や、洞窟や、その他の地中の場所や、水中などのように、適切な衛星信号を受信することが不可能な場所でなければ、どこでも利用可能である。ＧＰＳ受信機は、位置情報を確定する際、通常は衛星信号からの情報に依存するので、衛星信号が無いと位置の確定は不可能となる。この衛星信号情報は、受信機への軌道暦（ｅｐｈｅｍｅｒｉｓ）データおよび天体暦（ａｌｍａｎａｃ）データと共に疑似ランダム符号を含む。疑似ランダム符号は、対応する信号を送信した衛星を識別する符号であり、かつ受信機が距離を測定するのを支援する。天体暦データは、数日または数週に及ぶ長期間にわたって、任意の時点において衛星群の各ＧＰＳ衛星が存在するであろう位置をＧＰＳ受信機に伝える。軌道暦データも同じことを行うが、数時間というより短い期間にわたって、より精密にこれを行う。

各衛星により継続的に送信される放送軌道暦データは、衛星の軌道についての重要な情報と、この軌道情報の有効期限とを含む。特に、ＧＰＳ衛星の放送軌道暦データは、約４時間にわたる将来的な衛星の状態を予測する。さらに詳細には、放送軌道暦データは、その放送軌道暦データの有効期間中の任意の時点における地球中心地球固定（Ｅａｒｔｈ−ｃｅｎｔｅｒｅｄ，Ｅａｒｔｈ−ｆｉｘｅｄ：ＥＣＥＦ）直交座標系における衛星の位置を計算可能にする、ケプラー軌道要素（Ｋｅｐｌｅｒｉａｎ ｅｌｅｍｅｎｔ ｅｌｌｉｐｓｅ）と追加の補正について記述する。通常は、位置を確定するためには疑似距離測定値と共に放送軌道暦データが必須である。

放送軌道暦データは４時間の期間のみ有効であり、かつ位置確定のために必須であるということを考慮すると、ＧＰＳ受信機は、以前に収集された放送軌道暦データの有効期間が期限切れになった場合には、衛星状態を計算する必要があるときに新しい放送軌道暦データを収集する必要がある。新しい放送軌道暦データは、ＧＰＳ衛星からの直接的な放送により収集可能である。あるいは、参照として本明細書にその全体を援用する２００４年９月１４日出願の米国特許出願第１０／９４１，２５１号明細書で検討されているように、衛星の軌道暦をサーバーから受信してもよい。しかしながら、ＧＰＳ衛星またはサーバーから新しい放送軌道暦データを収集することができない状況が存在する。新しい放送軌道暦データを収集することができない状況の例として、衛星信号の信号強度が低く、受信された衛星信号から軌道暦データの復号／復調ができなかったり、サーバーがカバーする領域の外側にクライアントが存在していたり、および／またはサーバーが幾つかの理由により利用できなかったりすることが挙げられる。新しい放送軌道暦データが利用できない場合、ＧＰＳ受信機は通常は位置情報を提供することができない。

さらに、ＧＰＳ受信機が、ＧＰＳ衛星および／またはサーバーから放送軌道暦情報を受信することができる位置にあり、その信号を適切に復号化できる場合でも、その受信および復号処理は処理時間を大幅に増大させる。この追加的な処理時間は、受信機の電力使用量を増加させるとともに、初期位置算出時間（ｔｉｍｅ−ｔｏ−ｆｉｒｓｔ−ｆｉｘ：ＴＴＦＦ）を直接的に増加させる。ＴＴＦＦと電力使用量の両方の増加は、受信機の使用状況と受信機の電力能力によっては、ユーザに受け入れ難いものである（例えば、セルラー電話のようなクライアント装置をホストとするＧＰＳ受信機は、より厳しい電力使用条件を有するであろう）。一般消費者向けの装置におけるＧＰＳの使用の増加と、このような装置により提供される情報への依存の増加を受けて、ＧＰＳ受信機が位置情報を提供することができない状況、および／または時間や電力の効率が良い手法で位置を提供することができない状況を低減することが望ましい。

現在の放送軌道暦を受信することなく衛星の軌道暦を確定するように動作可能なＧＰＳ受信機への当該技術分野における必要性に応えて、米国特許出願第１０／９４１，２５１号明細書（以下、２５１出願と呼ぶ）は、衛星を利用した測位システムにおける衛星の過去の状態データを受信または収集し、この過去の状態データを数値積分し、過去の状態データに基づく衛星軌道の予測を提供するサーバーを開示する。これら予測された衛星状態もまた衛星軌道暦と呼ぶことができる。

このとき、用語「軌道暦」はその厳密な意味で使用されるということが当業者に理解されるであろう。ＧＰＳ衛星によるケプラーパラメータの送信を「放送軌道暦」と呼ぶことはＧＰＳ技術における慣習であるが、ケプラーパラメータは「真の」衛星軌道暦ではなく、むしろ衛星軌道暦から導出されたパラメータである。従来のＧＰＳ衛星からのケプラーパラメータの送信を「放送軌道暦」と呼ぶのはＧＰＳ分野において定着した慣習であるため、過去の状態データの数値積分の結果は、衛星軌道暦から単に導出されただけのケプラーパラメータなどのパラメータとの混乱を回避するために、「予測衛星状態」と呼ばれる。

予測衛星状態を計算すると、サーバーはこれらをクライアントであるＧＰＳ搭載装置へ送信することができる。これらクライアント装置は、次に、予測衛星状態に基づいて現在の衛星軌道暦を計算することができる。予測衛星状態によりカバーされる期間は望まれる正確さに依存する。例えば、±４０メートルの正確さが許容される場合、予測衛星状態は、ＧＰＳ衛星群におけるすべての衛星に対して、７日間にわたる各１５分に対応する。この７日の期間内の現在時刻における衛星状態を確定するためには、クライアント装置は、現在時刻に関してその予測衛星状態を内挿するだけでよい。この手法では、クライアント装置が現在の衛星状態を確定するために必要とされる処理能力は比較的少ない。しかしながら、非常に多くの予測衛星状態の送信と格納のためには、非常に多くの帯域幅と記憶装置を専用に用意しなければならない。

したがって、２５１出願は、サーバーが予測衛星状態ではなく、むしろこれらケプラーパラメータなどの予測衛星状態から導出されるパラメータを生成する別の実施形態を開示する。クライアント装置はサーバーからケプラーパラメータを受信しこのケプラーパラメータを使用することにより衛星軌道を予測することができる。この手法では、サーバーとクライアント装置間の送信に対する帯域幅要求は低減される。

クライアント装置が、予測衛星状態あるいはこれらの状態から導出されるパラメータを受信するかにかかわらず、クライアント装置は、サーバーがこれらの状態／パラメータを生成し送信するように依然として要求するであろう。このようなインフラストラクチャの実施および維持には、かなりの費用を要する。

したがって、当該技術分野において、放送軌道暦または他のソースから受信される軌道暦を使わずに位置を確定することができる、改良されたＧＰＳ装置が必要とされている。

本発明の一態様として提供される装置は、複数の衛星から以前に受信された放送軌道暦を使用して、現在の衛星状態を計算するように動作可能な衛星状態予測器と、現在の放送軌道暦が利用できない場合に、その装置の位置を確定する際に、計算された前記現在の衛星状態を使用するように構成されている測位システムとを含む。

本発明の別の態様として提供される方法は、複数の衛星から放送軌道暦を受信し、複数の衛星の衛星状態を確定する工程と、衛星状態を格納する工程と、格納された衛星状態を使用して複数の衛星についての運動方程式を数値積分し、現在の衛星状態を確定する工程と、受信機において、前記複数の衛星から衛星信号を受信する工程と、受信された衛星信号と計算された前記現在の衛星状態とを使用して、受信機の位置を計算する工程とを含む。

本発明の実施形態によるＧＰＳシステムのブロック図である。 本発明の実施形態による現在の衛星状態を計算する方法を例示するフローチャートである。

これらの図面は本発明の実施形態についての説明を補助するために提供されるものであり、排他的または限定的であることを意図するものではない。これらの図面において同じ参照符号は同じ要素を示す。

長期間にわたって現在の放送軌道暦データを使わずに衛星軌道暦を確定するための装置と方法について説明する。ここで図１を参照すると、ＧＰＳ搭載装置１１０はＧＰＳシステム１０３を含む。ＧＰＳシステム１０３は、衛星１９０（説明を明確にするため、単一の衛星のみが示される）からＧＰＳ符号化信号１９２を受信する。従来技術の動作では、ＧＰＳシステムは衛星からのＧＰＳ符号化信号を復号化して、衛星の放送軌道暦を検索する。そして、ＧＰＳシステムはこの放送軌道暦を使用して、現在の衛星状態情報を確定する。そして、この現在の衛星状態情報は疑似距離データと組み合わせて使用され、ＧＰＳ装置の位置を提供する。

しかしながら、ＧＰＳシステムが電源を入れられたばかりの場合、衛星から放送軌道暦を受信するためには一定時間の経過を必要とする。また、屋内駐車場や高層建築物などの都市環境は、現在の放送軌道暦の受信を困難にする。現在の衛星状態情報を計算する能力を与えるために、本発明は、以前の放送軌道暦を使用するＧＰＳ搭載装置を提供する。例えば、ＧＰＳ搭載装置１００が使用されてきた従来の手法では、ＧＰＳ衛星からの現在の放送軌道暦から導出される衛星状態情報を使用して、装置自体の位置を確定していた。ＧＰＳシステムは、衛星の位置と速度を含む衛星状態情報をメモリ１０６に格納する。その後、ＧＰＳシステムがその位置を確定しようにも、頭上に遮蔽物なく現在の放送軌道暦を受信できる環境（オープンスカイ環境）にない場合、衛星状態予測器１０７は、メモリ１０６内の以前に格納された衛星状態情報を使用することにより、現在の衛星状態を確定するように構成される。

衛星状態予測器は、適切な力モデルを用いたＧＰＳ衛星の運動方程式の数値積分により、現在の衛星状態を確定することができる。地球重力は別として、これらの力モデルは、月−太陽モデル（ｌｕｎｉ−ｓｏｌａｒ ｍｏｄｅｌ）と通常呼ばれる、月と太陽の重力効果のモデルを含む。例えば、月−太陽モデルは、太陽についての、傾き、距離、ノード、ノードに対する角度、ノードに対する角度率の値を含むことができる。さらに、月についての、傾き、距離、ノード、ノードに対する角度、ノードに対する角度率の値も、このような月−太陽モデルで使用されるであろう。同様に、地球回転（ｅａｒｔｈ ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ）は、極位置ｘ、極位置ｙおよび一日の長さを用いて表示される。さらに、太陽輻射圧、ヨーバイアス（ｙバイアス）のためのパラメータもまた有用である。

Ａ＋Ｂｔ＋Ｃｔ^２＋Ｄｃｏｓ（ｗｔ）＋Ｅｓｉｎ（ｗｔ）の形式の級数表現（ここで、ｔは現在時刻、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、ｗは定数を表す）は、これらのパラメータを確定するための簡潔で効率的な手法を提供する。しかしながら、これらのパラメータは別の式を使用して表されてもよいことは十分に理解されるであろう。また、衛星の運動方程式に対する追加または代替のパラメータを確定してもよい。

これらの級数表現の定数Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、ｗの値は、地球回転、太陽輻射圧およびｙバイアスのパラメータの過去のデータに、上記級数を数値フィッティングさせることにより、オフラインで得ることができる。月−太陽パラメータは、地球回転、太陽輻射圧およびｙバイアスのパラメータにおいて見られるような確率的変動を有さないので、オフラインモデルは、月−太陽パラメータの将来値を正確に予測するために使用することができる。したがって、月−太陽パラメータに対するＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、ｗ値は、過去と将来の両データに対する曲線近似により得られる。一旦得られると、これらの定数は、確率的に変動するパラメータについて約６か月間有効である。月−太陽パラメータに対する定数は、かなり長い期間にわたって有効であろう。これら定数が確定されると、設計者またはユーザは、次に、それらをメモリ１０６に「焼きつけ」ることができる。このようにして、ＧＰＳ状態予測器は、上に検討された級数表現に時間ｔの現在値を当てはめることにより、これら格納された定数の有効期間（６か月など）の間の任意の時点の地球回転、月の傾き、太陽の傾きなどのパラメータを計算することができる。級数表現を使用してこれらのパラメータを計算すると、ＧＰＳ状態予測器は、次に、計算されたパラメータを使用してＧＰＳ衛星の運動方程式を数値積分することにより、現在の衛星状態を予測することができる。

定数の有効期間が切れた後、クライアント装置は、定数の新しい値を受信するために、インターネットや無線接続などの外部ソースに接続され得る。これらの値をリフレッシュすることで、クライアント装置は、衛星の運動方程式を数値積分して現在の衛星状態の計算を続けることができる。数値積分は、Ｒｕｎｇａ−Ｋｕｔｔａ法またはマルチステップ法などの任意の標準的な数値積分法により行うことができる。

現在の衛星状態の予測は、図２のフローチャートを参照するとさらに良く理解される。ステップ２００では、衛星状態は、従来技術の手法により放送軌道暦を使用して計算される。ステップ２０５では、放送軌道暦から計算された衛星状態がメモリに格納される。この時点で、予測を行なうＧＰＳ搭載装置は、電源が切られるかあるいは非アクティブモードに置かれてもよい。しばらく後で、ＧＰＳ搭載装置は、放送軌道暦を再獲得しようとして、電源が入れられるかあるいはアクティブモードに戻される。しかしながら、都市におけるビルの谷間、屋内駐車場、山や木々などの自然の障害物、無線周波数雑音などの環境条件、または他の幾つかの条件のため、ＧＰＳ搭載装置が放送軌道暦を頭上に遮蔽物がない環境（クリアスカイ環境）で受信することができないことがある。放送軌道暦は現在受信されていないので、ステップ２１０において、ＧＰＳ搭載装置は、格納された衛星状態をメモリから検索する。ステップ２１５において、ＧＰＳ搭載装置は、例えば本明細書に記載の簡潔な級数表現を使用することにより、地球回転値、太陽輻射圧、ｙバイアス値だけでなく、月−太陽値も確定する。ステップ２２０において、ＧＰＳ搭載装置は、格納された衛星状態に関する月−太陽、地球回転、太陽輻射圧、ｙバイアス値を使用して衛星運動方程式を数値積分し、現在の衛星状態を計算する。例えばステップ２００において放送軌道暦を受信した後に、衛星の遠隔操作や、クロックの変化またはリセットなどにより、衛星状態に変化があった場合、数値積分は不正確な結果を与えるかもしれない。これらの変化は、誤ったユーザ位置の計算を回避するためのＲＡＩＭ（受信機自律型完全性監視：Ｒｅｃｅｉｖｅｒ Ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ Ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ）アルゴリズムを使用することにより、クライアント装置において検知することができる。

パラメータは約６か月間のみ有効であるので、ステップ２２５において有効期間が切れたかどうかのテストが行われ得る。有効期間が切れていた場合、ステップ２３０において、新しい定数がオフラインで確定され、クライアント装置に送られる。そして、受信された定数は、ステップ２３５においてクライアント装置のメモリにロードされ得る。

上記実施形態は本発明を例示するものであるが本発明を制限しない。本発明の原理にしたがって多くの修正、変更が可能であることを理解すべきである。したがって、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によってのみ定義される。

Claims (20)

1. 衛星状態予測器と測位システムを含む装置であって、
   前記衛星状態予測器が、複数の衛星から以前に受信された放送軌道暦を使用して、現在の衛星状態を計算するように動作可能であり、
   前記測位システムが、現在の放送軌道暦が利用できない場合に、前記装置の位置を確定する際に、前記現在の衛星状態を使用するように構成されている装置。
2. 前記複数の衛星がＧＰＳ衛星であり、前記測位システムがＧＰＳ測位システムである、請求項１に記載の装置。
3. 前記ＧＰＳ衛星状態予測器が、前記ＧＰＳ衛星の運動方程式を数値積分することで、現在の衛星状態を計算するように構成されている、請求項２に記載の装置。
4. 前記ＧＰＳ衛星状態予測器が、現在の月のパラメータ、現在の太陽のパラメータ、現在の地球回転パラメータ、太陽輻射圧パラメータ、ｙバイアスパラメータからなるグループから選択される少なくとも１つのパラメータを計算するように構成されており、
   前記ＧＰＳ衛星状態予測器がさらに、前記数値積分の前に、前記少なくとも１つのパラメータに従って前記運動方程式を調整するように構成されている、請求項３に記載の装置。
5. 前記ＧＰＳ衛星状態予測器が、級数表現を使用して前記少なくとも１つのパラメータを計算するように構成されている、請求項４に記載の装置。
6. 前記級数表現が、累乗とシヌソイドの級数表現である、請求項５に記載の装置。
7. 前記級数表現が、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅおよびｗを定数、ｔを現在時刻としたときに、Ａ＋Ｂｔ＋Ｃｔ^２＋Ｄｃｏｓ（ｗｔ）＋Ｅｓｉｎ（ｗｔ）の形式で表現される、請求項６に記載の装置。
8. 前記測位システムがさらに、現在の放送軌道暦が利用可能な場合に、その現在の放送軌道暦を使用して前記現在の衛星状態を確定するように構成されている、請求項１に記載の装置。
9. 前記衛星状態予測器が、プロセッサを備える、請求項１に記載の装置。
10. 複数の衛星から放送軌道暦を受信し、前記複数の衛星の衛星状態を確定する工程と、
    前記衛星状態を格納する工程と、
    前記格納された衛星状態を使用して前記複数の衛星についての運動方程式を数値積分し、現在の衛星状態を確定する工程と、
    受信機において、前記複数の衛星から衛星信号を受信し、複数の疑似距離測定値を提供する工程と、
    前記疑似距離測定値と前記現在の衛星状態とを使用して、前記受信機の第１の位置を計算する工程を含む方法。
11. 現在の放送軌道暦と前記受信された衛星信号とを使用して、前記受信機の第２の位置を計算する工程をさらに含む、請求項１０に記載の方法。
12. 現在の月のパラメータ、現在の太陽のパラメータ、現在の地球回転パラメータ、太陽輻射圧パラメータ、ｙバイアスパラメータからなるグループから選択される少なくとも１つのパラメータを計算する工程と、
    前記数値積分の前に、前記少なくとも１つのパラメータに従って前記運動方程式を調整する工程をさらに含む、請求項１０に記載の方法。
13. 前記少なくとも１つのパラメータを計算する工程が、前記現在の月のパラメータ、前記現在の太陽のパラメータ、前記現在の地球回転パラメータ、前記太陽輻射圧パラメータ、前記ｙバイアスパラメータを計算する工程を含む、請求項１２に記載の方法。
14. 前記現在の月のパラメータ、前記現在の太陽のパラメータ、前記現在の地球回転パラメータ、前記太陽輻射圧パラメータ、前記ｙバイアスパラメータを計算する工程が、複数の級数表現の値を確定する工程を含む、請求項１３に記載の方法。
15. 前記級数表現のそれぞれが、累乗とシヌソイドの級数表現である、請求項１４に記載の方法。
16. 前記級数表現のそれぞれが、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅおよびｗを定数、ｔを現在時刻としたときに、Ａ＋Ｂｔ＋Ｃｔ^２＋Ｄｃｏｓ（ｗｔ）＋Ｅｓｉｎ（ｗｔ）の形式で表現される、請求項１５に記載の方法。
17. 過去の衛星状態を処理して前記定数Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅおよびｗを確定する工程をさらに含む、請求項１６に記載の方法。
18. 前記定数Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅおよびｗを不揮発性メモリに格納する工程をさらに含む、請求項１７に記載の方法。
19. 前記定数の有効期間が切れたかどうかを判断する工程をさらに含む、請求項１７に記載の方法。
20. 前記有効期間が切れていた場合に、前記定数を再計算する工程をさらに含む、請求項１９に記載の方法。

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