一体型ＧＰＳ慣性システム
ＧＰＳ受信機の新たな設置にも改良にも適したＧＰＳ慣性システムは、ＧＰＳアンテナのハウジングに組み込まれた慣性センサを含む。慣性センサの出力は、ＧＰＳシステムで使用されるのと同じデータ変調方式を使用して変調され、ＧＰＳ搬送波と同じ周波数のＲＦ周波数搬送波に載せられる。慣性測定値はアンテナからのＲＦ信号と同じケーブルを用いて受信機に送られ、受信機は、ＧＰＳ位置信号からデータを復元するのに使用されるのと同じ方式を使用して、センサ信号からデータを復元する。従って、既存のＧＰＳ受信機のソフトウェアを変更することで、慣性センサの出力から位置推定や速度推定が可能になる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＧＰＳと慣性を組み合わせた位置探知器に関する。詳しくは、本発明は、ＧＰＳ受信機に接続されたアンテナユニットの中に慣性センサを配置したシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、グローバル・ポジショニング・システム（ＧＰＳ）受信機を慣性センサと組み合わせて信頼性の高い位置推定を行い、その位置を比較的短いインターバルで更新することが可能になっている。詳しくは、ＧＰＳ受信機は、安価な慣性センサから得られる位置推定に比べて正確な位置推定が本来可能である。しかしながら、ＧＰＳ受信機を自動車に搭載すると、周回するＧＰＳ衛星から受信された信号が、木や丘などの自然環境物、あるいは建物やトンネルなどの人工構造物によって減衰され、ＧＰＳ受信機はドロップアウトされる。また、ＧＰＳシステムの位置更新は遅すぎて、航空機のオートパイロットシステムのような一部の制御システムには使用できないことがある。
【０００３】
一方、慣性センサではそのような問題が発生しない。しかしながら、慣性センサを安価な部品で実現すると、慣性センサの位置推定の精度は、ＧＰＳだけで推定する場合に比べて非常に低くなる。
【０００４】
そのため、２つのシステムを組み合わせ、ＧＰＳ位置更新を使用して慣性センサを校正することが行われている。慣性センサの出力を数学的に積分することにより、大抵の制御システムで使用するのに十分な速度で正確な位置推定を行うことが可能になる。また、慣性センサが十分な時間にわたってその校正状態を維持することで、ＧＰＳ信号がドロップアウトしている間にも正確な推定が可能になる。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、既存の装置に必要以上の変更を加えることなく、ＧＰＳ受信機の新たな設置にもＧＰＳ受信機の改良にも適した安価なＧＰＳ慣性システムに関する。具体的には、慣性センサをＧＰＳアンテナのハウジングの中に組み込み、慣性センサの出力を、ＧＰＳシステムで使用されるのと同じデータ変調方式を使用して変調し、ＧＰＳ搬送波と同じ周波数の無線周波数搬送波に載せる。
【０００６】
慣性測定値は、ＧＰＳアンテナからのＲＦ信号と同じケーブルを用いて、ＧＰＳ受信機に送ることができる。また、ＧＰＳ受信機は、ＧＰＳ位置信号からのデータを復元するのに使用されるのと同じ方式を使用して、センサ信号からデータを復元することができる。従って、既存のＧＰＳ受信機のソフトウェアを変更することで、慣性センサの出力から位置推定や速度推定が可能になる。
【０００７】
図示のように、アンテナユニット１０は伝送線ケーブル１４によって受信機１２に接続される。アンテナユニットは、従来のＧＰＳ受信システムと同様に、衛星や擬似衛星からの距離信号の受信に適したアンテナ１８を格納するためのハウジング１６を有する。アンテナで受信された信号は前置増幅器２０で増幅され、その出力はケーブル１４によって受信機１２に渡される。
【０００８】
受信機１２は、伝送線１４を介して受信した高周波信号を中間周波信号に変換するためのダウンコンバータ２２を含む。次いで、ダウンコンバータ２２の出力は複数の相関チャネル２４１〜２４ｎに渡される。チャネル２４はそれぞれ、処理装置２６の制御により、特定の信号源（すなわち、従来のシステムにおける衛星や擬似衛星）から送信された信号を復調する。そして、処理装置２６は、得られた時間情報を使用して受信機（すなわち、正確にはアンテナ１８）の位置を推定する。
【０００９】
詳しくは、ＧＰＳシステムのような衛星距離システムに使用される構成と同様に、衛星から送られたＲＦ搬送波を変調する際には、その衛星で使用される擬似ランダム符号の複製を各チャネル２４に割り当て、チャネルは、その複製を信号に関連付けて、衛星からの信号を復調する。各衛星は、送信された信号を衛星の識別情報や衛星の軌道上の位置などの衛星データを用いて更に変調する。本発明のＧＰＳシステムでは、各ビットの値が０であるか１であるかに応じて擬似ランダム符号を反転または非反転させることにより、このデータが１秒当たり５０ビットの速度で送信される。それらのビットは復調処理によって復元され、処理装置２６によって使用される。処理装置２６は、受信機の位置を計算する際に、それらのビットを衛星からの複製符号距離の時間とともに使用する。
【００１０】
本発明によれば、アンテナハウジング１６は、一連の慣性センサ２７１〜２７ｍの格納にも使用される。これらのセンサは、加速度計、ジャイロなどの任意の組み合わせであってよく、それらの出力を数学的に処理することにより位置情報を生成し、必要であれば更に、速度、加速度、および姿勢などの情報を生成する。それらのセンサの出力は、周回衛星と同じ搬送波周波数を有するＲＦ発生器２８から供給されたＲＦ搬送波の変調に使用され、生成された信号はケーブル１４を介して受信機１２に渡され、そこで処理装置２６によりそのタスクに割り当てられたチャネル２４によって復調される。
【００１１】
詳しくは、アンテナエンクロージャ１６は符号発生器３０をさらに含み、符号発生器３０は、周回衛星で使用される擬似ランダム符号と同じ長さおよびチップレートを有する一意の（重複のない）擬似ランダム符号を生成する。慣性センサ２７の出力は１以上のアナログ／デジタル変換器３２によって２値化され、得られた信号は制御式インバータ３４１〜３４Ｋに供給され、符号発生器３０からの擬似ランダム符号の変調に使用される。この変調は、周回衛星で使用される符号がそれらの衛星から送信されるデータで変調されるのと同じ方式で行われる。次いで、インバータの出力は変調器３８に供給され、変調器３８は、ＲＦ発生器３８の出力を位相変調する。変調された信号は、信号結合器４０で増幅器２０の出力と結合される。
【００１２】
受信機１２において、処理装置２６のソフトウェア（またはファームウェア）は、センサ２６で生成された慣性データに関連する擬似ランダム符号を幾つかのチャネル２４に割り当てる。それらのチャネルは通常方式で動作し、それらのデータを有する信号を復調する。その結果、処理装置２６は、慣性データだけでなく、衛星から送信された信号から導出されたデータも受信する。よく知られた方式では、衛星信号から導出された位置情報は、慣性データの校正に使用される。そのため、安価で不正確なセンサを使用しても、慣性データの精度は比較的高くなる。
【００１３】
受信機１２の動作は、処理装置２６に含まれるソフトウェアによって決まる。従って、既存の受信機に変更を加え、適当なソフトウェアを搭載することで、本発明に従った動作をさせることが簡単に可能である。
【００１４】
なお、ＧＰＳ衛星から送信されるデータのビットレート（５０ｂｐｓ）はＧＰＳシステムで使用される。ＧＰＳ信号を受信するように構成された受信機は、１チャネル当たり５００〜１０００ｂｐｓ高い速度で受信したデータを復元することができる。本明細書に記載のシステムは、そのようなビットレートを使用することが好ましい。
【００１５】
例えば、３軸の角度データおよび加速度データを生成する慣性センサを使用する場合を仮定する。さらに、チャネルの１つに各パラメータが割り当てられ、各パラメータが、４バイトのデータと、ヘッダおよびチェックサム用の２バイトのデータとを有するものと仮定する。その場合、１つのデジタルチャネル当たり６バイト（４８ビット）の情報が必要になる。データを５０％の効率で圧縮した場合、システムは、データを約４０Ｈｚの速度で生成することになる。これは、位置情報や速度情報に依存する大抵の制御システムの必要条件を十分に満たしている。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明を含む位置推定システムの図である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＧＰＳと慣性を組み合わせた位置探知器に関する。詳しくは、本発明は、ＧＰＳ受信機に接続されたアンテナユニットの中に慣性センサを配置したシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、グローバル・ポジショニング・システム（ＧＰＳ）受信機を慣性センサと組み合わせて信頼性の高い位置推定を行い、その位置を比較的短いインターバルで更新することが可能になっている。詳しくは、ＧＰＳ受信機は、安価な慣性センサから得られる位置推定に比べて正確な位置推定が本来可能である。しかしながら、ＧＰＳ受信機を自動車に搭載すると、周回するＧＰＳ衛星から受信された信号が、木や丘などの自然環境物、あるいは建物やトンネルなどの人工構造物によって減衰され、ＧＰＳ受信機はドロップアウトされる。また、ＧＰＳシステムの位置更新は遅すぎて、航空機のオートパイロットシステムのような一部の制御システムには使用できないことがある。
【０００３】
一方、慣性センサではそのような問題が発生しない。しかしながら、慣性センサを安価な部品で実現すると、慣性センサの位置推定の精度は、ＧＰＳだけで推定する場合に比べて非常に低くなる。
【０００４】
そのため、２つのシステムを組み合わせ、ＧＰＳ位置更新を使用して慣性センサを校正することが行われている。慣性センサの出力を数学的に積分することにより、大抵の制御システムで使用するのに十分な速度で正確な位置推定を行うことが可能になる。また、慣性センサが十分な時間にわたってその校正状態を維持することで、ＧＰＳ信号がドロップアウトしている間にも正確な推定が可能になる。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、既存の装置に必要以上の変更を加えることなく、ＧＰＳ受信機の新たな設置にもＧＰＳ受信機の改良にも適した安価なＧＰＳ慣性システムに関する。具体的には、慣性センサをＧＰＳアンテナのハウジングの中に組み込み、慣性センサの出力を、ＧＰＳシステムで使用されるのと同じデータ変調方式を使用して変調し、ＧＰＳ搬送波と同じ周波数の無線周波数搬送波に載せる。
【０００６】
慣性測定値は、ＧＰＳアンテナからのＲＦ信号と同じケーブルを用いて、ＧＰＳ受信機に送ることができる。また、ＧＰＳ受信機は、ＧＰＳ位置信号からのデータを復元するのに使用されるのと同じ方式を使用して、センサ信号からデータを復元することができる。従って、既存のＧＰＳ受信機のソフトウェアを変更することで、慣性センサの出力から位置推定や速度推定が可能になる。
【０００７】
図示のように、アンテナユニット１０は伝送線ケーブル１４によって受信機１２に接続される。アンテナユニットは、従来のＧＰＳ受信システムと同様に、衛星や擬似衛星からの距離信号の受信に適したアンテナ１８を格納するためのハウジング１６を有する。アンテナで受信された信号は前置増幅器２０で増幅され、その出力はケーブル１４によって受信機１２に渡される。
【０００８】
受信機１２は、伝送線１４を介して受信した高周波信号を中間周波信号に変換するためのダウンコンバータ２２を含む。次いで、ダウンコンバータ２２の出力は複数の相関チャネル２４１〜２４ｎに渡される。チャネル２４はそれぞれ、処理装置２６の制御により、特定の信号源（すなわち、従来のシステムにおける衛星や擬似衛星）から送信された信号を復調する。そして、処理装置２６は、得られた時間情報を使用して受信機（すなわち、正確にはアンテナ１８）の位置を推定する。
【０００９】
詳しくは、ＧＰＳシステムのような衛星距離システムに使用される構成と同様に、衛星から送られたＲＦ搬送波を変調する際には、その衛星で使用される擬似ランダム符号の複製を各チャネル２４に割り当て、チャネルは、その複製を信号に関連付けて、衛星からの信号を復調する。各衛星は、送信された信号を衛星の識別情報や衛星の軌道上の位置などの衛星データを用いて更に変調する。本発明のＧＰＳシステムでは、各ビットの値が０であるか１であるかに応じて擬似ランダム符号を反転または非反転させることにより、このデータが１秒当たり５０ビットの速度で送信される。それらのビットは復調処理によって復元され、処理装置２６によって使用される。処理装置２６は、受信機の位置を計算する際に、それらのビットを衛星からの複製符号距離の時間とともに使用する。
【００１０】
本発明によれば、アンテナハウジング１６は、一連の慣性センサ２７１〜２７ｍの格納にも使用される。これらのセンサは、加速度計、ジャイロなどの任意の組み合わせであってよく、それらの出力を数学的に処理することにより位置情報を生成し、必要であれば更に、速度、加速度、および姿勢などの情報を生成する。それらのセンサの出力は、周回衛星と同じ搬送波周波数を有するＲＦ発生器２８から供給されたＲＦ搬送波の変調に使用され、生成された信号はケーブル１４を介して受信機１２に渡され、そこで処理装置２６によりそのタスクに割り当てられたチャネル２４によって復調される。
【００１１】
詳しくは、アンテナエンクロージャ１６は符号発生器３０をさらに含み、符号発生器３０は、周回衛星で使用される擬似ランダム符号と同じ長さおよびチップレートを有する一意の（重複のない）擬似ランダム符号を生成する。慣性センサ２７の出力は１以上のアナログ／デジタル変換器３２によって２値化され、得られた信号は制御式インバータ３４１〜３４Ｋに供給され、符号発生器３０からの擬似ランダム符号の変調に使用される。この変調は、周回衛星で使用される符号がそれらの衛星から送信されるデータで変調されるのと同じ方式で行われる。次いで、インバータの出力は変調器３８に供給され、変調器３８は、ＲＦ発生器３８の出力を位相変調する。変調された信号は、信号結合器４０で増幅器２０の出力と結合される。
【００１２】
受信機１２において、処理装置２６のソフトウェア（またはファームウェア）は、センサ２６で生成された慣性データに関連する擬似ランダム符号を幾つかのチャネル２４に割り当てる。それらのチャネルは通常方式で動作し、それらのデータを有する信号を復調する。その結果、処理装置２６は、慣性データだけでなく、衛星から送信された信号から導出されたデータも受信する。よく知られた方式では、衛星信号から導出された位置情報は、慣性データの校正に使用される。そのため、安価で不正確なセンサを使用しても、慣性データの精度は比較的高くなる。
【００１３】
受信機１２の動作は、処理装置２６に含まれるソフトウェアによって決まる。従って、既存の受信機に変更を加え、適当なソフトウェアを搭載することで、本発明に従った動作をさせることが簡単に可能である。
【００１４】
なお、ＧＰＳ衛星から送信されるデータのビットレート（５０ｂｐｓ）はＧＰＳシステムで使用される。ＧＰＳ信号を受信するように構成された受信機は、１チャネル当たり５００〜１０００ｂｐｓ高い速度で受信したデータを復元することができる。本明細書に記載のシステムは、そのようなビットレートを使用することが好ましい。
【００１５】
例えば、３軸の角度データおよび加速度データを生成する慣性センサを使用する場合を仮定する。さらに、チャネルの１つに各パラメータが割り当てられ、各パラメータが、４バイトのデータと、ヘッダおよびチェックサム用の２バイトのデータとを有するものと仮定する。その場合、１つのデジタルチャネル当たり６バイト（４８ビット）の情報が必要になる。データを５０％の効率で圧縮した場合、システムは、データを約４０Ｈｚの速度で生成することになる。これは、位置情報や速度情報に依存する大抵の制御システムの必要条件を十分に満たしている。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明を含む位置推定システムの図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周回衛星からの距離信号を復調および処理するための受信機であって、
Ａ）各チャネルが前記距離信号を復調し、該信号から衛星データを復元するように構成された複数のチャネルと、
Ｂ）ａ．各チャネルに対し、そのチャネルで復調すべき信号の信号源を割り当て、
ｂ．前記距離信号から受信されたデータを処理するための制御手段と、
Ｃ）衛星搬送波周波数と同じ周波数を有するＲＦ発生器と、
Ｄ）前記ＲＦ発生器の出力を一意の擬似ランダム符号で変調し、慣性データに関連する該符号を変調して、擬似距離信号を生成する手段と、
Ｅ）衛星および変調手段で使用される前記擬似ランダム符号のローカル複製を受信機で受信した前記距離信号および前記擬似距離信号に関連付け、制御装置が前記チャネルで使用される符号の複製を選択することにより前記チャネルを対応する信号源に割り当てる、受信機チャネルと
からなる受信機。
【請求項２】
周回衛星から送信された距離信号を復調および処理するための受信機にＲＦリンクで接続されたリモート・アンテナ・ユニットであって、
Ａ）前記距離信号を前記受信機に送信するための前記ＲＦリンクに接続された、前記距離信号を受信するためのアンテナと、
Ｂ）慣性データを提供する複数の慣性センサと、
Ｃ）速度周波数発生器と、
Ｄ）前記発生器の出力を前記距離信号が衛星データで変調されるのと同じ方式により前記慣性データで変調することにより擬似距離信号を生成する手段と、
Ｅ）前記擬似距離信号を前記ＲＦリンクに接続して前記受信機に送信する手段と
からなるリモート・アンテナ・ユニット。
【請求項３】
前記速度周波数発生器は、前記衛星から送信される搬送波周波数と同じ周波数を有する、請求項２に記載のリモート・アンテナ・ユニット。
【請求項４】
距離信号を復調および処理するための受信機システムであって、
Ａ）各チャネルが前記距離信号を復調し、該距離信号から関連データを復元するように構成された複数のチャネルと、
Ｂ）前記複数のチャネルに信号を送信するためのＲＦリンクと、
Ｃ）前記距離信号を送信するためのＲＦリンクに接続された、衛星から距離信号を受信するためのアンテナと、
Ｄ）慣性データを提供する複数の慣性センサと、
Ｅ）速度周波数発生器と、
Ｆ）前記発生器の出力を前記距離信号が衛星データで変調されるのと同じ方式により前記慣性データで変調することにより擬似距離信号を生成する手段と、
Ｇ）前記擬似距離信号を前記ＲＦリンクに接続して複数のチャネルに送信する手段と
からなる受信機システム。
【請求項５】
各チャネルに対し、そのチャネルで復調すべき信号の信号源を割り当てるための制御装置であって、選択されたチャネルを前記慣性データに関連する信号源に割り当てるための制御手段と、
前記距離データから受信した衛星データおよび慣性データを処理する手段と
をさらに含む、請求項４に記載の受信機システム。
【請求項６】
前記ＲＦ発生器は、前記衛星搬送波周波数と同じ周波数を有し、
前記変調手段は、前記ＲＦ発生器の出力を一意の擬似ランダム符号で変調するとともに、該符号を慣性データで変調し、
前記チャネルは、受信機で受信した信号を前記擬似ランダム符号のローカル複製に関連付け、
前記制御装置は、前記チャネルで使用される符号複製を選択することにより前記チャネルを対応する信号源に割り当てる、請求項５に記載の受信機システム。
【請求項１】
周回衛星からの距離信号を復調および処理するための受信機であって、
Ａ）各チャネルが前記距離信号を復調し、該信号から衛星データを復元するように構成された複数のチャネルと、
Ｂ）ａ．各チャネルに対し、そのチャネルで復調すべき信号の信号源を割り当て、
ｂ．前記距離信号から受信されたデータを処理するための制御手段と、
Ｃ）衛星搬送波周波数と同じ周波数を有するＲＦ発生器と、
Ｄ）前記ＲＦ発生器の出力を一意の擬似ランダム符号で変調し、慣性データに関連する該符号を変調して、擬似距離信号を生成する手段と、
Ｅ）衛星および変調手段で使用される前記擬似ランダム符号のローカル複製を受信機で受信した前記距離信号および前記擬似距離信号に関連付け、制御装置が前記チャネルで使用される符号の複製を選択することにより前記チャネルを対応する信号源に割り当てる、受信機チャネルと
からなる受信機。
【請求項２】
周回衛星から送信された距離信号を復調および処理するための受信機にＲＦリンクで接続されたリモート・アンテナ・ユニットであって、
Ａ）前記距離信号を前記受信機に送信するための前記ＲＦリンクに接続された、前記距離信号を受信するためのアンテナと、
Ｂ）慣性データを提供する複数の慣性センサと、
Ｃ）速度周波数発生器と、
Ｄ）前記発生器の出力を前記距離信号が衛星データで変調されるのと同じ方式により前記慣性データで変調することにより擬似距離信号を生成する手段と、
Ｅ）前記擬似距離信号を前記ＲＦリンクに接続して前記受信機に送信する手段と
からなるリモート・アンテナ・ユニット。
【請求項３】
前記速度周波数発生器は、前記衛星から送信される搬送波周波数と同じ周波数を有する、請求項２に記載のリモート・アンテナ・ユニット。
【請求項４】
距離信号を復調および処理するための受信機システムであって、
Ａ）各チャネルが前記距離信号を復調し、該距離信号から関連データを復元するように構成された複数のチャネルと、
Ｂ）前記複数のチャネルに信号を送信するためのＲＦリンクと、
Ｃ）前記距離信号を送信するためのＲＦリンクに接続された、衛星から距離信号を受信するためのアンテナと、
Ｄ）慣性データを提供する複数の慣性センサと、
Ｅ）速度周波数発生器と、
Ｆ）前記発生器の出力を前記距離信号が衛星データで変調されるのと同じ方式により前記慣性データで変調することにより擬似距離信号を生成する手段と、
Ｇ）前記擬似距離信号を前記ＲＦリンクに接続して複数のチャネルに送信する手段と
からなる受信機システム。
【請求項５】
各チャネルに対し、そのチャネルで復調すべき信号の信号源を割り当てるための制御装置であって、選択されたチャネルを前記慣性データに関連する信号源に割り当てるための制御手段と、
前記距離データから受信した衛星データおよび慣性データを処理する手段と
をさらに含む、請求項４に記載の受信機システム。
【請求項６】
前記ＲＦ発生器は、前記衛星搬送波周波数と同じ周波数を有し、
前記変調手段は、前記ＲＦ発生器の出力を一意の擬似ランダム符号で変調するとともに、該符号を慣性データで変調し、
前記チャネルは、受信機で受信した信号を前記擬似ランダム符号のローカル複製に関連付け、
前記制御装置は、前記チャネルで使用される符号複製を選択することにより前記チャネルを対応する信号源に割り当てる、請求項５に記載の受信機システム。
【図１】
【公表番号】特表２００６−５１７６５６（Ｐ２００６−５１７６５６Ａ）
【公表日】平成１８年７月２７日（２００６．７．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−５００４４３（Ｐ２００６−５００４４３）
【出願日】平成１６年２月１１日（２００４．２．１１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＣＡ２００４／０００１８０
【国際公開番号】ＷＯ２００４／０７２５８２
【国際公開日】平成１６年８月２６日（２００４．８．２６）
【出願人】（５９８０９３３８１）ノヴァテル・インコーポレイテッド (7)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成１８年７月２７日（２００６．７．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年２月１１日（２００４．２．１１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＣＡ２００４／０００１８０
【国際公開番号】ＷＯ２００４／０７２５８２
【国際公開日】平成１６年８月２６日（２００４．８．２６）
【出願人】（５９８０９３３８１）ノヴァテル・インコーポレイテッド (7)
【Ｆターム（参考）】
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