衛星／レーザ測位システムにおいて高さ座標を正確に決定するための方法および装置
【課題】受信した衛星信号および受信したレーザ信号から位置座標を生成することが可能な衛星／レーザ測位システムにおいて信号を処理するための方法および装置を提供すること。
【解決手段】レーザ信号が利用可能である期間中は、高さ座標バイアス値がフィルタ・プロセッサによって維持される。高さ座標バイアス値は、衛星信号から導出された高さ座標とレーザ信号から導出された高さ座標との間の推定差を表す。レーザ信号が利用可能である期間中は、レーザ信号から導出された高さ座標が出力される。レーザ信号が利用できない期間中は、高さ座標バイアス値を衛星信号から導出された高さ座標に加えることによって、補正された高さ座標値が生成される。
【解決手段】レーザ信号が利用可能である期間中は、高さ座標バイアス値がフィルタ・プロセッサによって維持される。高さ座標バイアス値は、衛星信号から導出された高さ座標とレーザ信号から導出された高さ座標との間の推定差を表す。レーザ信号が利用可能である期間中は、レーザ信号から導出された高さ座標が出力される。レーザ信号が利用できない期間中は、高さ座標バイアス値を衛星信号から導出された高さ座標に加えることによって、補正された高さ座標値が生成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、衛星／レーザ測位システムに関し、より詳細には、衛星／レーザ測位システムにおいて高さ座標を正確に決定することに関する。
【背景技術】
【０００２】
物体の位置を決定するために様々なタイプの測位システムがある。例えば、全地球航法衛星システム（ＧＮＳＳ）では、航法受信機が衛星により送信された無線信号を受信し処理する。このようなＧＮＳＳシステムの例は、米国の全地球測位システム（ＧＰＳ）、ロシアの全地球航法衛星システム（ＧＬＯＮＡＳＳ）および計画されている欧州のガリレオ（Ｇａｌｉｌｅｏ）システムである。一般に、用語ＧＰＳが本明細書で使用されるが、本明細書の考察は任意のタイプのＧＮＳＳに等しく適用できることを理解されたい。
【０００３】
ＧＰＳ受信機は、受信した衛星信号の地域基準時刻に対する時間遅延を測定する。これらの測定値は、受信機が受信機と衛星との間のいわゆる擬似距離を決定することを可能とする。衛星の数が十分に多い場合は、次に、測定された擬似距離はユーザの位置および時刻を決定するために処理されることができる。位置の決定の精度は様々な手法の使用を通じて高められることができる。１つのこのような手法は、移動局（ローバ）とも呼ばれるユーザ位置を発見する作業が既知の位置の基地局に対して実行されるディファレンシャル航法（ＤＮ）である。基地局は、測定値を生成するために衛星の信号を受信し処理する航法受信機を有する。これらの信号測定値は通信チャネル（例えば無線）を介して移動局に送信される。移動局は、移動局の位置を正確に決定するために、それ自体の航法受信機で取得した自らの測定値に加えて、基地局から受信したこれらの測定値を使用する。ディファレンシャル航法モードにおいては、移動局は移動局の測定値の誤差を補償するために基地局の測定値を使用することができるので、位置の決定が改善される。
【０００４】
ディファレンシャル航法の位置の決定の精度は、擬似距離の測定値に衛星搬送波信号の位相の測定値を補うことによってさらに改善することができる。基地局の受信機において衛星から受信された信号の搬送波位相が測定され、移動局の受信機で測定された同一の衛星の搬送波位相と比較されるならば、測定精度は搬送波の波長の数パーセント以内まで得られる可能性がある。
【０００５】
上述の計算の全般的な枠組みは当技術分野でよく知られており、例えば、Ｂｒａｄｆｏｒｄ Ｗ．ＰａｒｋｉｎｓｏｎおよびＪａｍｅｓ Ｊ．Ｓｐｉｌｋｅｒ Ｊｒ、「Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」 Ｐｒｏｇｒｅｓｓ Ｉｎ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ、第１６３巻、米国航空宇宙工学協会刊、ワシントン市、１９９６年、にさらに詳細に説明されている。ディファレンシャル航法の手法と組み合わせて衛星搬送波位相を利用するリアルタイム・キネマティック（ＲＴＫ）ＧＰＳシステムは、参照により本明細書に組み込まれる米国特許第６２６８８２４号に説明される。
【０００６】
上述の航法手法は非常に正確な水平方向の位置の測定値をもたらす。しかしながら、ＧＰＳ位置測定手法における１つの知られた欠陥は、垂直の位置の測定値に精度が欠けることである。したがって、ＧＰＳ受信機の高さの決定は水平測定値の決定と同じ精度で決定されることはできない。
【０００７】
高さ計算値の精度を高める１つの手法は、ＧＰＳ計算値を他のシステムで補うことである。例えば、参照により本明細書に全体として組み込まれる「作業位置測定システム」という名称の米国特許出願公開２００４／０１２５３６５Ａ１は、適切に設置された回転レーザ送信機からレーザ受信機への鉛直角（すなわち、仰角）を正確に決定するシステムを開示している。一般に、回転レーザ・システムは、固定された位置で回転レーザを含み、ターゲット位置で光検出器を備える。光検出器は回転レーザ・ビームを周期的に検出し、レーザの受信に基づいて（すなわち、レーザ・ビームが検出器の光電セルに当たったときに）信号を生成する。有利な実施形態では、送信されるレーザ・ビームは文字Ｎの形をした扇形のビームを備える。信号は、光検出器とレーザ送信機との間の鉛直角などの付加的な測位／幾何学的情報を提供するために様々な手法を使用して処理されることができる。
【０００８】
上述の回転レーザ・システムそれ自体は、光検出器とレーザ送信機との間の鉛直角を測定するだけでありターゲットの高さは測定しない。（下記においてさらに詳細に考察されるように）よく知られた幾何学を使用して、光検出器とレーザ送信機との間の鉛直角が与えられるとすると、レーザ送信機と光検出器との間の水平分離距離が既知である場合、光検出器とレーザ送信機との相対高さを決定することができる。レーザ送信機の絶対高さは既知であるため、光検出器とレーザ送信機の相対高さが計算された後でターゲットの絶対高さを決定することができる。
【０００９】
レーザ送信機と光検出器との間の水平分離距離はＧＰＳ手法を使用して決定することができる。実際、２つのシステムは互いに補完する。上記で考察したように、ＧＰＳ手法は非常に正確な水平方向の測定値を提供することができるが鉛直の測定値はあまり正確でない。一方、回転レーザ・システムは、非常に正確な鉛直角を提供できるが、しかし、この鉛直角に十分に正確な水平の測定値が補われたときに正確な高さの測定値を提供することができるだけである。したがって、２つのシステムの有利な組合せが、水平および鉛直測定の両方において非常に正確な測位を提供する。このような組み合わされたシステムが上に参照した米国特許出願公開２００４／０１２５３６５Ａ１の中でさらに詳細に説明される。この参照した特許出願公開に示されるように、このようなシステムは、精密な測量用途に関連して使用するための測量ポールと組み合わせて、および精密な建設用途に関連して使用するための土工機械と組み合わせて使用されることができる。
【非特許文献１】Ｂｒａｄｆｏｒｄ Ｗ．Ｐａｒｋｉｎｓｏｎ、Ｊａｍｅｓ Ｊ．Ｓｐｉｌｋｅｒ Ｊｒ、「Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」 Ｐｒｏｇｒｅｓｓ Ｉｎ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ、第１６３巻、米国航空宇宙工学協会刊、ワシントン市、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２００４／０１２５３６５Ａ１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述の衛星／レーザ測位システムの１つの問題は、レーザ信号が何らかの理由のために利用できなくなる場合に現れる。例えば、建設の用途では回転レーザ送信機と移動局のレーザ受信機との間に機械または構造体が来ることがある。レーザ送信機と移動局のレーザ受信機との間で視線が遮られている間、利用可能な高さの情報が途絶される。これは位置の決定の精度を低下させる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、受信した衛星信号および受信したレーザ信号から位置座標を生成することが可能な衛星／レーザ測位システムにおいて信号を処理するための改良された手法を提供する。本発明の実施形態によれば、レーザ信号が利用可能である期間中は高さ座標バイアス値が維持される。この高さ座標バイアス値は、衛星信号から導出された高さ座標とレーザ信号から導出された高さ座標との間の推定差を表す。レーザ信号が利用可能である期間中は、レーザ信号から導出された高さ座標が出力される。レーザ信号が利用できない期間中は、高さ座標バイアス値を衛星信号から導出された高さ座標に加えることによって補正された高さ座標値が生成される。高さ座標バイアス値はレーザ信号の利用可能な期間中は適切なフィルタを使用して維持されることができる。
【００１２】
１つの実施形態では、高さ座標バイアス値は、衛星信号から導出された位置座標を衛星信号プロセッサから受信しレーザ信号から導出された位置座標をレーザ・プロセッサから受信するフィルタ・プロセッサによって計算される。レーザ信号が利用可能である期間中は、制御信号がスイッチを制御してレーザ信号から導出された高さ座標を出力する。レーザ信号が利用できない期間中は、制御信号はスイッチを制御して補正された高さ座標値をフィルタ・プロセッサから出力する。フィルタ・プロセッサは、高さ補正バイアス値を衛星信号から導出された高さ座標に加えることによって補正された高さ座標値を生成する。
本発明のこれらおよび他の利点は、以降の詳細な説明および添付された図面を参照することにより当業者にとって明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明が有利な応用可能性を有する１つのシステムが図１に示される。このシステムは、回転する放射によって扇形のビームを投射するための回転レーザ装置２７と、扇形ビームを受信するための光検出センサー装置２８とを備える。
【００１４】
三脚２９は、この三脚２９が既知の点Ｘに位置合わせされ回転レーザ装置２７がこの三脚２９の上に取り付けられるように設置される。回転レーザ装置２７は、主ユニット３１と、主ユニット３１の上に回転可能に取り付けられる回転部分３２とを備える。レーザ・ビーム３３は、回転する放射によって回転部分３２から投射される。光検出センサー装置２８は所定の支持手段によって支持される。図１はこの装置が現地作業でどのように動作されるかを示す。光検出センサー装置２８はオペレータによって手で運ばれることのできるロッド３４（例えば、測量ロッド）の上に設置される。ロッド３４の上端にはＧＰＳ位置測定装置３０が設けられる。ＧＰＳ位置測定装置３０を使用することにより、地表上の絶対位置が航法衛星からの信号に基づいて測定されることができる。
【００１５】
レーザ・ビーム３３は、垂直方向にある複数の扇形のレーザ・ビーム３３ａおよび３３ｂと、扇形のビーム３３ａおよび３３ｂに対して斜めにθの角度傾きＮ形の配置を形成している扇形のビーム３３ｃとを備える。また、レーザ・ビーム３３ａおよび３３ｂは広がり角αでそれぞれ投射される。
【００１６】
本発明が有利な応用可能性を有する他のシステムが図２に示される。図２では、光検出器装置２８は建設機械の作業用の道具の上（例えば、ブルドーザ１７の排土板１８の上）に固定される。取付けポール１９は排土板１８の上にまっすぐに立てられ、光検出センサー装置２８は取付けポール１９に取り付けられ、ＧＰＳ位置測定装置３０は取付けポール１９の上端に設置される。ブルドーザ１７は、排土板１８の動作を制御するためにコンピュータなどの掘削動作制御ユニット（図示せず）を備える。
【００１７】
図１および図２の両方のシステムにおいて、光検出センサー装置は、扇形のビームを受光するための光検出ユニットと、光検出ユニットが光ビームを受光したときに生成される光検出信号に基づいて回転レーザ装置に対する鉛直角を計算するための演算ユニットと、を備える。光検出センサー装置で生成された鉛直角は、位置決定作業の精度を高めるためにＧＰＳ位置測定装置と共に使用されることができる。
【００１８】
図１および図２と共に本明細書で説明されたタイプの回転レーザ・システムの機能のさらなる詳細ならびに鉛直角の決定は、上に参照した米国特許出願公開２００４／０１２５３６５Ａ１に見出すことができる。
【００１９】
Ｎ形配置のビームに加えて、既知の位置に対するターゲットの鉛直角を決定するために他の代替手段が使用されてもよい。例えば、図３は１つのそうした代替としての平面レーザ・システムを示す。図３は、平面レーザを既知の傾斜角３０４で送信するレーザ送信機３０２を示す。ターゲット装置３０６は送信されたレーザを検出するための複数の光検出センサー３０８を有する。このシステムは、光検出センサー３０８のうちのどのセンサーがレーザを検出するかということと既知の傾斜角３０４とに基づいて、ターゲットに対する送信機の鉛直角を計算することができる。また、図１および図２と共に説明した実施形態の場合のように、ターゲット装置３０６は地表上の絶対位置を決定するためにＧＰＳ位置測定装置３１０を含んでもよい。
【００２０】
上述の方法は、既知の位置に対するターゲットの鉛直角ならびにターゲットと既知の位置との間の水平距離を提供する。この情報が与えられたとすると、ターゲットの高さは幾何学的関係を利用して以下のように決定されることができる。図４は、（レーザ送信機４０４として図４に示される）既知の位置に対するターゲット装置４０２の高さの決定を説明する。鉛直角（ｖ）および水平距離（ｄｈ）が与えられたとすると、相対高さ（ΔＨ）は、
ΔＨ＝ｄｈ×ｔａｎ（ｖ） （１）
によって決定されることができる。
面４０６上の送信機４０４の高さ（ｔｈ）が既知であるので、ターゲット４０２の絶対高さ（Ｈ）は、
Ｈ＝ΔＨ＋ｔｈ （２）
によって決定されることができる。
【００２１】
ターゲット４０２の高さＨが高い精度で決定されることが必要とされる場合には、正確な水平距離の測定値を得るために正確な距離測定手法が使用されなくてはならない。本発明の背景技術で上述のように、１つのそのような正確な距離測定手法がＲＴＫ ＧＰＳである。このようなシステムの一例は、上に参照した米国特許出願公開２００４／０１２５３６５Ａ１の図１４および図１５に示される。それらの図は、回転レーザの旋回軸の上方に直接取り付けられたＧＰＳ基地局アンテナを示す。
【００２２】
図５Ａは、ＧＰＳをレーザ測位システムと共に使用した場合に利用可能な高さ座標の精度に比較して、ただＧＰＳ処理だけを使用した場合に利用可能な高さ座標の精度を示すグラフである。図５Ａのグラフは時刻（Ｔ）に対してプロットされた高さ（Ｚ）座標を示す。説明を簡略化するために、図５Ａのグラフは静止した移動局を対象にした、経時的なＺ座標を示す。線５０２は、レーザ信号が移動局で利用可能な場合に、受信したレーザ信号を処理することによって決定されたＺ座標（本明細書にＺｍとして参照される）を表す。示されているように、高さを決定するためにレーザ信号を使用する場合は高さの測定値は安定し正確である。線５０４は、レーザ信号が移動局で利用できない場合に、受信したＧＰＳ信号だけを処理して決定されたＺ座標（本明細書にＺＲとして参照される）を表す。示されたように、高さの測定値は不安定であり、レーザ信号を高さの決定に使用する場合よりも精度がより劣っている。上述のように、図５Ａのグラフは、安定なレーザで決定された高さ座標に比較してＧＰＳで決定された高さ座標の時間に対する変動を示すために、静止した移動局を対象にした時間に対するＺ座標を示す。同一の原理が動いている移動局に適用されるであろう。
【００２３】
任意の特定時刻ｔにおいてＺｍとＺＲとの間の差（デルタ−Δ）が存在するであろう。図５Ａでは時刻ｔ１におけるΔが５０６として示される。この差は、時間の経過につれて変動するであろう。レーザ送信機からのレーザ信号が稼動中に遮断され、これによって移動局のレーザ受信機に受信されないものと仮定する。このような場合には、高さ座標は受信したレーザ信号から決定されることができない（すなわち、Ｚｍが得られない）。このような状況では移動局はＺＲ高さ座標をバックアップとして利用することに戻るであろう。この状況が図５Ｂに示される。レーザ信号が時刻ｔ１から時刻ｔ２に至るまで遮断される状況を考える。時刻ｔ１に至るまでは高さ座標の測定値はレーザ信号処理から得られ、線５５０で表されるように安定で正確なままである。時刻ｔ１でシステムはＧＰＳで決定された高さ座標（ＺＲ）を利用することに戻らなければならず、ＺｍとＺＲとの間のΔのために高さ座標の測定値は時刻ｔ１でジャンプを示す。ＧＰＳで決定された高さ座標（ＺＲ）の利用は、レーザ処理からの高さ座標（Ｚｍ）が再び利用可能となる時刻ｔ２に至るまで継続する。この時刻で高さ座標の測定値は時刻ｔ２でもう１つのジャンプを示す。利用可能な高さ座標のこの変動は望ましくない。
【００２４】
本発明の実施形態によれば、高さ座標の上述の変動は、レーザ信号が利用可能である期間中は高さ座標バイアス値Ｂ（ｎ）を維持することによって低減される。このバイアスは、衛星信号から導出された高さ座標（ＺＲ）とレーザ信号から導出された高さ座標（Ｚｍ）との間の推定差を表す。レーザ信号が利用できない期間中は、高さ座標バイアス値を衛星信号から導出された高さ座標に加えることによって補正された高さ座標が生成される。
【００２５】
本発明の実施形態による高さ座標バイアス値のこの使用が図６Ａおよび図６Ｂに示される。図６Ａは、レーザ信号から導出された高さ座標（Ｚｍ）６０２およびＧＰＳ信号から導出された高さ座標（ＺＲ）６０４を示すグラフである。図６Ａのグラフは時刻（Ｔ）に対してプロットされたこれらの高さ座標を示す。説明を簡略化するため図５Ａと同様に、図６Ａのグラフは静止した移動局を対象にした時間に対する高さ座標を示す。また、図６Ａに示されるのは、経時的に維持される高さ座標バイアス値を表す破線６０６である。例えば、図６Ａに示されるように、時刻ｔ１においてＧＰＳ信号から導出された高さ座標（ＺＲ）はＺ１であり、時刻ｔ１における高さ座標バイアス値はＢ（１）である。もし、時刻ｔ１でレーザ信号が利用できなくなると、その場合は上述のように、精度のより劣るＧＰＳ信号が高さ座標を得るために使用されなければならない。本発明の実施形態によれば、ＧＰＳ信号から導出された高さ座標とレーザ信号から導出された高さ座標との間の差Δを補うために、時刻ｔ１におけるバイアス値Ｂ（１）がＧＰＳ信号から導出された高さ座標に加えられる。このようにして、たとえレーザ信号が利用できない期間中であっても、生成された高さ座標は非常に正確なレーザ信号から導出された高さ座標に近づくであろう。
【００２６】
図６Ｂは、レーザ信号が利用できない期間における高さ座標計算を改良するためにバイアス値を使用することを示す。時刻ｔ１から時刻ｔ２までレーザ信号が遮断される状況を考える。時刻ｔ１に至るまでは高さ座標測定値はレーザ信号処理から得られ、線６５０により表されるように安定で正確なままである。時刻ｔ１でシステムはＧＰＳ信号から導出された高さ座標（ＺＲ）の使用に戻らなければならない。しかしながら、図５Ｂと共に説明した状況とは違って、本発明の一実施形態によれば、レーザ信号の利用可能な期間中に維持されてきた高さ座標バイアス値がＧＰＳ信号から導出された高さ座標（ＺＲ）に加えられる。したがって、ＧＰＳ信号から導出された高さ座標に高さ座標バイアス値を加算することを表すために、結果として生じる高さ座標値はＺＲ＋Ｂ（ｎ）と表現されることができる。高さ座標バイアス値は、レーザ処理からの高さ座標（Ｚｍ）が再び利用可能になる時刻ｔ２まで、ＧＰＳ信号から導出された高さ座標（ＺＲ）に加えられる。図６Ｂに示されるように、レーザ信号が利用できない（時刻ｔ１から時刻ｔ２までの）期間中の高さ座標計算値の変動は図５Ｂに示された変動よりもはるかに小さい。したがって、本発明の本実施形態によれば、たとえレーザ信号が利用できない期間中でも高さ座標の決定はより正確である。
【００２７】
この高さ座標バイアスはフィルタを使用して追跡されることができる。１つの実施形態では、このフィルタは、
Ｂ（ｎ）＝ａ×Ｂ（ｎ−１）＋（１−ａ）×（Ｒ（ｎ）−Ｍ（ｎ））
とすることができ、ここで、Ｂ（ｎ）は現在時刻ｎにおける高さ座標バイアス、ａは可変の更新率（例えば、最初は０．９９９）、Ｂ（ｎ−１）は前回のバイアス値、Ｒ（ｎ）は現在時刻ｎにおけるＧＰＳ信号から導出された高さ座標、およびＭ（ｎ）は現在時刻ｎにおけるレーザ信号から導出された高さ座標、である。可変の更新率は異なる変数に対して調整可能であり、実装に特有なものである。
【００２８】
本発明の原理に従って動作するように構成された衛星／レーザ測位システムの１つの実施形態が図７に示される。図７の衛星／レーザ測位システムは、ＧＰＳプロセッサ７０４に接続された衛星アンテナ７０２を含む。ＧＰＳプロセッサ７０４は衛星信号を受信し、衛星信号から導出された位置座標ＸＲ、ＹＲ、ＺＲを生成する。Ｘ、ＹおよびＺ座標を生成するためのＧＰＳプロセッサの動作は当技術分野でよく知られている。また、衛星レーザ測位システムはレーザ・プロセッサ７０８に接続されたレーザ受信機７０６を含む。レーザ受信機７０６は、上述のように、非常に正確なレーザ信号から導出された高さ座標ＺＭを生成するためにレーザ・プロセッサ７０８により使用されることのできるレーザ・ビーム信号を受信する。また、レーザ・プロセッサ７０８は、ＧＰＳプロセッサ７０４からの衛星信号から導出された位置座標ＸＲ、ＹＲ、ＺＲ、ならびにレーザ送信機のＸ、ＹおよびＺ座標（ＸＴ、ＹＴ、ＺＴ）も受信する。これらの入力からレーザ・プロセッサ７０８は座標ＸＲ、ＹＲおよびＺＭを出力する。したがって、レーザ・プロセッサ７０８は、非常に正確なＧＰＳ信号から導出されたＸおよびＹ座標（ＸＲ、ＹＲ）ならびに非常に正確なレーザ信号から導出された高さ座標（ＺＭ）を出力する。
【００２９】
また、衛星／レーザ測位システムは上述のように高さ座標バイアスを維持するためのフィルタ・プロセッサ７１０を含む。フィルタ・プロセッサ７１０は、ＧＰＳプロセッサ７０４からの衛星信号から導出された位置座標ＸＲ、ＹＲ、ＺＲならびにレーザ・プロセッサ７０８からの座標ＸＲ、ＹＲ、ＺＭ出力を受信する。フィルタ・プロセッサ７１０は、上述のように高さ座標バイアスを維持するために受信した高さ座標を使用する。より詳細には図７の表記法を使用して、フィルタ・プロセッサ７１０は特定の時刻（ｎ）における高さ座標バイアスＢを、
Ｂ（ｎ）＝ａ×Ｂ（ｎ−１）＋（１−ａ）×（ＺＲ（ｎ）−ＺＭ（ｎ））
に従って計算する。
【００３０】
また、レーザ・プロセッサ７０８は、レーザ・プロセッサ７０８が非常に正確なレーザ信号から導出された高さ座標ＺＭを生成するためにレーザ受信機７０６からデータを受信しているかどうか、したがってレーザ信号を現在処理中であるかどうかを示す制御信号をライン７１２上に出力する。この制御信号はフィルタ・プロセッサ７１０ならびにスイッチ７１４に供給される。もし制御信号がレーザ・プロセッサ７０８は非常に正確なレーザ信号から導出された高さ座標ＺＭを生成していることを示すならば、その場合は、スイッチ７１４は位置７１８に移動し、（非常に正確なレーザ信号から導出された高さ座標ＺＭを含む）座標ＸＲ、ＹＲ、ＺＭが衛星／レーザ測位システムからライン７２０上に出力される。また、制御信号がレーザ・プロセッサ７０８は非常に正確なレーザ信号から導出された高さ座標ＺＭを生成していることを示す限りは、フィルタ・プロセッサ７１０は上述のように高さ座標バイアスを維持し続ける。
【００３１】
もし制御信号がレーザ・プロセッサ７０８は非常に正確なレーザ信号から導出された高さ座標ＺＭを生成していないことを示すならば、その場合には、フィルタ・プロセッサ７１０は高さ座標バイアスを計算することを停止する。さらに、レーザ・プロセッサ７０８が非常に正確なレーザ信号から導出された高さ座標ＺＭを生成していないことを示す制御信号に応答して、フィルタ・プロセッサ７１０は、最新の高さ座標バイアス（Ｂ（ｎ））をＧＰＳプロセッサ７０４から受信した衛星信号から導出された位置座標ＸＲ、ＹＲ、ＺＲに加える。この結果は、フィルタ・プロセッサ７１０が高さ座標バイアス値を使用して補正された高さ座標を有するＸ、Ｙ、Ｚ座標を生成するということである。より詳細には、フィルタ・プロセッサ７１０は座標ＸＲ、ＹＲ、ＺＲ−Ｂを出力し、ここでＺＲ−Ｂは高さ座標バイアスを使用して補正された衛星信号から導出された高さ座標を表す。同様に、制御信号がレーザ・プロセッサ７０８は非常に正確なレーザ信号から導出された高さ座標ＺＭを生成していないことを示す場合は、スイッチ７１４は位置７１６に移動し、（補正された高さ座標ＺＲ−Ｂを含む）座標ＸＲ、ＹＲ、ＺＲ−Ｂが衛星／レーザ測位システムからライン７２０上に出力される。座標ＸＲ、ＹＲ、ＺＲ−Ｂは、レーザ・プロセッサ７０８からの制御信号がレーザ・プロセッサ７０８は非常に正確なレーザ信号から導出された高さ座標ＺＭを生成していないことを示す限り、出力され続けるであろう。
【００３２】
図７は、本発明の原理による衛星／レーザ測位システムの１つの実施形態の構成要素の高レベル機能構成図であることを理解されたい。図７に示されたプロセッサおよび他の構成要素は、よく知られたハードウェア、ソフトウェア（すなわち、コンピュータ・プログラム・コードおよびデータ）ならびにハードウェアとソフトウェアとの組合せを使用して実現されることができる。また、実用可能な衛星／レーザ測位システムは、明確にするために図７には示されていない付加的なよく知られた構成要素も含むであろう。多くの様々なハードウェア／ソフトウェア構成が本発明を実施するために使用されてよい。
【００３３】
上述の「発明を実施するための最良の形態」は、あらゆる点で説明のためおよび例示のためのものであり限定するためのものではないことを理解されたい。また、本明細書に開示された本発明の範囲は、「発明を実施するための最良の形態」から決定されるものではなく、特許法により認められた全範囲に従って解釈されるように特許請求の範囲によって決定されるものである。本明細書に示され説明された実施形態は本発明の原理の単に説明のためのものであり、様々な修正形態が本発明の範囲および精神から逸脱することなく当業者によって実施されることができることを理解されたい。当業者は本発明の範囲および精神から逸脱することなく様々な他の特徴の組合せを実施することができるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の原理を実施することができる測量ポールおよび回転レーザを含むシステムを示す図である。
【図２】本発明の原理を実施することができる土工機械および回転レーザを含むシステムを示す図である。
【図３】本発明の原理を実施することができる平面レーザ・システムを含むシステムを示す図である。
【図４】ターゲット装置と既知の位置との間の鉛直角および水平距離（ｄｈ）が与えられた場合の、既知の位置に対するターゲット装置の高さの決定を示す図である。
【図５Ａ】レーザ測位システムと共にＧＰＳを使用した場合に利用可能な高さ座標の精度に比較して、ただＧＰＳ処理だけを使用したときに利用可能な高さ座標の精度を示すグラフである。
【図５Ｂ】レーザ信号が利用できなく、受信機が衛星信号から導出された無補正の高さ座標の使用に戻る期間における、高さ座標計算の変動を示すグラフである。
【図６Ａ】レーザ信号から導出された高さ座標と、ＧＰＳ信号から導出された高さ座標と、高さ座標バイアス値とを示すグラフである。
【図６Ｂ】レーザ信号が利用できなく、高さ座標計算を改善するために受信機がバイアス値を衛星信号から導出した高さ座標に加算する期間における、高さ座標計算の変動を示すグラフである。
【図７】本発明の実施形態に従って動作するように構成された衛星／レーザ測位システムの高レベル構成図である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、衛星／レーザ測位システムに関し、より詳細には、衛星／レーザ測位システムにおいて高さ座標を正確に決定することに関する。
【背景技術】
【０００２】
物体の位置を決定するために様々なタイプの測位システムがある。例えば、全地球航法衛星システム（ＧＮＳＳ）では、航法受信機が衛星により送信された無線信号を受信し処理する。このようなＧＮＳＳシステムの例は、米国の全地球測位システム（ＧＰＳ）、ロシアの全地球航法衛星システム（ＧＬＯＮＡＳＳ）および計画されている欧州のガリレオ（Ｇａｌｉｌｅｏ）システムである。一般に、用語ＧＰＳが本明細書で使用されるが、本明細書の考察は任意のタイプのＧＮＳＳに等しく適用できることを理解されたい。
【０００３】
ＧＰＳ受信機は、受信した衛星信号の地域基準時刻に対する時間遅延を測定する。これらの測定値は、受信機が受信機と衛星との間のいわゆる擬似距離を決定することを可能とする。衛星の数が十分に多い場合は、次に、測定された擬似距離はユーザの位置および時刻を決定するために処理されることができる。位置の決定の精度は様々な手法の使用を通じて高められることができる。１つのこのような手法は、移動局（ローバ）とも呼ばれるユーザ位置を発見する作業が既知の位置の基地局に対して実行されるディファレンシャル航法（ＤＮ）である。基地局は、測定値を生成するために衛星の信号を受信し処理する航法受信機を有する。これらの信号測定値は通信チャネル（例えば無線）を介して移動局に送信される。移動局は、移動局の位置を正確に決定するために、それ自体の航法受信機で取得した自らの測定値に加えて、基地局から受信したこれらの測定値を使用する。ディファレンシャル航法モードにおいては、移動局は移動局の測定値の誤差を補償するために基地局の測定値を使用することができるので、位置の決定が改善される。
【０００４】
ディファレンシャル航法の位置の決定の精度は、擬似距離の測定値に衛星搬送波信号の位相の測定値を補うことによってさらに改善することができる。基地局の受信機において衛星から受信された信号の搬送波位相が測定され、移動局の受信機で測定された同一の衛星の搬送波位相と比較されるならば、測定精度は搬送波の波長の数パーセント以内まで得られる可能性がある。
【０００５】
上述の計算の全般的な枠組みは当技術分野でよく知られており、例えば、Ｂｒａｄｆｏｒｄ Ｗ．ＰａｒｋｉｎｓｏｎおよびＪａｍｅｓ Ｊ．Ｓｐｉｌｋｅｒ Ｊｒ、「Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」 Ｐｒｏｇｒｅｓｓ Ｉｎ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ、第１６３巻、米国航空宇宙工学協会刊、ワシントン市、１９９６年、にさらに詳細に説明されている。ディファレンシャル航法の手法と組み合わせて衛星搬送波位相を利用するリアルタイム・キネマティック（ＲＴＫ）ＧＰＳシステムは、参照により本明細書に組み込まれる米国特許第６２６８８２４号に説明される。
【０００６】
上述の航法手法は非常に正確な水平方向の位置の測定値をもたらす。しかしながら、ＧＰＳ位置測定手法における１つの知られた欠陥は、垂直の位置の測定値に精度が欠けることである。したがって、ＧＰＳ受信機の高さの決定は水平測定値の決定と同じ精度で決定されることはできない。
【０００７】
高さ計算値の精度を高める１つの手法は、ＧＰＳ計算値を他のシステムで補うことである。例えば、参照により本明細書に全体として組み込まれる「作業位置測定システム」という名称の米国特許出願公開２００４／０１２５３６５Ａ１は、適切に設置された回転レーザ送信機からレーザ受信機への鉛直角（すなわち、仰角）を正確に決定するシステムを開示している。一般に、回転レーザ・システムは、固定された位置で回転レーザを含み、ターゲット位置で光検出器を備える。光検出器は回転レーザ・ビームを周期的に検出し、レーザの受信に基づいて（すなわち、レーザ・ビームが検出器の光電セルに当たったときに）信号を生成する。有利な実施形態では、送信されるレーザ・ビームは文字Ｎの形をした扇形のビームを備える。信号は、光検出器とレーザ送信機との間の鉛直角などの付加的な測位／幾何学的情報を提供するために様々な手法を使用して処理されることができる。
【０００８】
上述の回転レーザ・システムそれ自体は、光検出器とレーザ送信機との間の鉛直角を測定するだけでありターゲットの高さは測定しない。（下記においてさらに詳細に考察されるように）よく知られた幾何学を使用して、光検出器とレーザ送信機との間の鉛直角が与えられるとすると、レーザ送信機と光検出器との間の水平分離距離が既知である場合、光検出器とレーザ送信機との相対高さを決定することができる。レーザ送信機の絶対高さは既知であるため、光検出器とレーザ送信機の相対高さが計算された後でターゲットの絶対高さを決定することができる。
【０００９】
レーザ送信機と光検出器との間の水平分離距離はＧＰＳ手法を使用して決定することができる。実際、２つのシステムは互いに補完する。上記で考察したように、ＧＰＳ手法は非常に正確な水平方向の測定値を提供することができるが鉛直の測定値はあまり正確でない。一方、回転レーザ・システムは、非常に正確な鉛直角を提供できるが、しかし、この鉛直角に十分に正確な水平の測定値が補われたときに正確な高さの測定値を提供することができるだけである。したがって、２つのシステムの有利な組合せが、水平および鉛直測定の両方において非常に正確な測位を提供する。このような組み合わされたシステムが上に参照した米国特許出願公開２００４／０１２５３６５Ａ１の中でさらに詳細に説明される。この参照した特許出願公開に示されるように、このようなシステムは、精密な測量用途に関連して使用するための測量ポールと組み合わせて、および精密な建設用途に関連して使用するための土工機械と組み合わせて使用されることができる。
【非特許文献１】Ｂｒａｄｆｏｒｄ Ｗ．Ｐａｒｋｉｎｓｏｎ、Ｊａｍｅｓ Ｊ．Ｓｐｉｌｋｅｒ Ｊｒ、「Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」 Ｐｒｏｇｒｅｓｓ Ｉｎ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ、第１６３巻、米国航空宇宙工学協会刊、ワシントン市、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２００４／０１２５３６５Ａ１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述の衛星／レーザ測位システムの１つの問題は、レーザ信号が何らかの理由のために利用できなくなる場合に現れる。例えば、建設の用途では回転レーザ送信機と移動局のレーザ受信機との間に機械または構造体が来ることがある。レーザ送信機と移動局のレーザ受信機との間で視線が遮られている間、利用可能な高さの情報が途絶される。これは位置の決定の精度を低下させる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、受信した衛星信号および受信したレーザ信号から位置座標を生成することが可能な衛星／レーザ測位システムにおいて信号を処理するための改良された手法を提供する。本発明の実施形態によれば、レーザ信号が利用可能である期間中は高さ座標バイアス値が維持される。この高さ座標バイアス値は、衛星信号から導出された高さ座標とレーザ信号から導出された高さ座標との間の推定差を表す。レーザ信号が利用可能である期間中は、レーザ信号から導出された高さ座標が出力される。レーザ信号が利用できない期間中は、高さ座標バイアス値を衛星信号から導出された高さ座標に加えることによって補正された高さ座標値が生成される。高さ座標バイアス値はレーザ信号の利用可能な期間中は適切なフィルタを使用して維持されることができる。
【００１２】
１つの実施形態では、高さ座標バイアス値は、衛星信号から導出された位置座標を衛星信号プロセッサから受信しレーザ信号から導出された位置座標をレーザ・プロセッサから受信するフィルタ・プロセッサによって計算される。レーザ信号が利用可能である期間中は、制御信号がスイッチを制御してレーザ信号から導出された高さ座標を出力する。レーザ信号が利用できない期間中は、制御信号はスイッチを制御して補正された高さ座標値をフィルタ・プロセッサから出力する。フィルタ・プロセッサは、高さ補正バイアス値を衛星信号から導出された高さ座標に加えることによって補正された高さ座標値を生成する。
本発明のこれらおよび他の利点は、以降の詳細な説明および添付された図面を参照することにより当業者にとって明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明が有利な応用可能性を有する１つのシステムが図１に示される。このシステムは、回転する放射によって扇形のビームを投射するための回転レーザ装置２７と、扇形ビームを受信するための光検出センサー装置２８とを備える。
【００１４】
三脚２９は、この三脚２９が既知の点Ｘに位置合わせされ回転レーザ装置２７がこの三脚２９の上に取り付けられるように設置される。回転レーザ装置２７は、主ユニット３１と、主ユニット３１の上に回転可能に取り付けられる回転部分３２とを備える。レーザ・ビーム３３は、回転する放射によって回転部分３２から投射される。光検出センサー装置２８は所定の支持手段によって支持される。図１はこの装置が現地作業でどのように動作されるかを示す。光検出センサー装置２８はオペレータによって手で運ばれることのできるロッド３４（例えば、測量ロッド）の上に設置される。ロッド３４の上端にはＧＰＳ位置測定装置３０が設けられる。ＧＰＳ位置測定装置３０を使用することにより、地表上の絶対位置が航法衛星からの信号に基づいて測定されることができる。
【００１５】
レーザ・ビーム３３は、垂直方向にある複数の扇形のレーザ・ビーム３３ａおよび３３ｂと、扇形のビーム３３ａおよび３３ｂに対して斜めにθの角度傾きＮ形の配置を形成している扇形のビーム３３ｃとを備える。また、レーザ・ビーム３３ａおよび３３ｂは広がり角αでそれぞれ投射される。
【００１６】
本発明が有利な応用可能性を有する他のシステムが図２に示される。図２では、光検出器装置２８は建設機械の作業用の道具の上（例えば、ブルドーザ１７の排土板１８の上）に固定される。取付けポール１９は排土板１８の上にまっすぐに立てられ、光検出センサー装置２８は取付けポール１９に取り付けられ、ＧＰＳ位置測定装置３０は取付けポール１９の上端に設置される。ブルドーザ１７は、排土板１８の動作を制御するためにコンピュータなどの掘削動作制御ユニット（図示せず）を備える。
【００１７】
図１および図２の両方のシステムにおいて、光検出センサー装置は、扇形のビームを受光するための光検出ユニットと、光検出ユニットが光ビームを受光したときに生成される光検出信号に基づいて回転レーザ装置に対する鉛直角を計算するための演算ユニットと、を備える。光検出センサー装置で生成された鉛直角は、位置決定作業の精度を高めるためにＧＰＳ位置測定装置と共に使用されることができる。
【００１８】
図１および図２と共に本明細書で説明されたタイプの回転レーザ・システムの機能のさらなる詳細ならびに鉛直角の決定は、上に参照した米国特許出願公開２００４／０１２５３６５Ａ１に見出すことができる。
【００１９】
Ｎ形配置のビームに加えて、既知の位置に対するターゲットの鉛直角を決定するために他の代替手段が使用されてもよい。例えば、図３は１つのそうした代替としての平面レーザ・システムを示す。図３は、平面レーザを既知の傾斜角３０４で送信するレーザ送信機３０２を示す。ターゲット装置３０６は送信されたレーザを検出するための複数の光検出センサー３０８を有する。このシステムは、光検出センサー３０８のうちのどのセンサーがレーザを検出するかということと既知の傾斜角３０４とに基づいて、ターゲットに対する送信機の鉛直角を計算することができる。また、図１および図２と共に説明した実施形態の場合のように、ターゲット装置３０６は地表上の絶対位置を決定するためにＧＰＳ位置測定装置３１０を含んでもよい。
【００２０】
上述の方法は、既知の位置に対するターゲットの鉛直角ならびにターゲットと既知の位置との間の水平距離を提供する。この情報が与えられたとすると、ターゲットの高さは幾何学的関係を利用して以下のように決定されることができる。図４は、（レーザ送信機４０４として図４に示される）既知の位置に対するターゲット装置４０２の高さの決定を説明する。鉛直角（ｖ）および水平距離（ｄｈ）が与えられたとすると、相対高さ（ΔＨ）は、
ΔＨ＝ｄｈ×ｔａｎ（ｖ） （１）
によって決定されることができる。
面４０６上の送信機４０４の高さ（ｔｈ）が既知であるので、ターゲット４０２の絶対高さ（Ｈ）は、
Ｈ＝ΔＨ＋ｔｈ （２）
によって決定されることができる。
【００２１】
ターゲット４０２の高さＨが高い精度で決定されることが必要とされる場合には、正確な水平距離の測定値を得るために正確な距離測定手法が使用されなくてはならない。本発明の背景技術で上述のように、１つのそのような正確な距離測定手法がＲＴＫ ＧＰＳである。このようなシステムの一例は、上に参照した米国特許出願公開２００４／０１２５３６５Ａ１の図１４および図１５に示される。それらの図は、回転レーザの旋回軸の上方に直接取り付けられたＧＰＳ基地局アンテナを示す。
【００２２】
図５Ａは、ＧＰＳをレーザ測位システムと共に使用した場合に利用可能な高さ座標の精度に比較して、ただＧＰＳ処理だけを使用した場合に利用可能な高さ座標の精度を示すグラフである。図５Ａのグラフは時刻（Ｔ）に対してプロットされた高さ（Ｚ）座標を示す。説明を簡略化するために、図５Ａのグラフは静止した移動局を対象にした、経時的なＺ座標を示す。線５０２は、レーザ信号が移動局で利用可能な場合に、受信したレーザ信号を処理することによって決定されたＺ座標（本明細書にＺｍとして参照される）を表す。示されているように、高さを決定するためにレーザ信号を使用する場合は高さの測定値は安定し正確である。線５０４は、レーザ信号が移動局で利用できない場合に、受信したＧＰＳ信号だけを処理して決定されたＺ座標（本明細書にＺＲとして参照される）を表す。示されたように、高さの測定値は不安定であり、レーザ信号を高さの決定に使用する場合よりも精度がより劣っている。上述のように、図５Ａのグラフは、安定なレーザで決定された高さ座標に比較してＧＰＳで決定された高さ座標の時間に対する変動を示すために、静止した移動局を対象にした時間に対するＺ座標を示す。同一の原理が動いている移動局に適用されるであろう。
【００２３】
任意の特定時刻ｔにおいてＺｍとＺＲとの間の差（デルタ−Δ）が存在するであろう。図５Ａでは時刻ｔ１におけるΔが５０６として示される。この差は、時間の経過につれて変動するであろう。レーザ送信機からのレーザ信号が稼動中に遮断され、これによって移動局のレーザ受信機に受信されないものと仮定する。このような場合には、高さ座標は受信したレーザ信号から決定されることができない（すなわち、Ｚｍが得られない）。このような状況では移動局はＺＲ高さ座標をバックアップとして利用することに戻るであろう。この状況が図５Ｂに示される。レーザ信号が時刻ｔ１から時刻ｔ２に至るまで遮断される状況を考える。時刻ｔ１に至るまでは高さ座標の測定値はレーザ信号処理から得られ、線５５０で表されるように安定で正確なままである。時刻ｔ１でシステムはＧＰＳで決定された高さ座標（ＺＲ）を利用することに戻らなければならず、ＺｍとＺＲとの間のΔのために高さ座標の測定値は時刻ｔ１でジャンプを示す。ＧＰＳで決定された高さ座標（ＺＲ）の利用は、レーザ処理からの高さ座標（Ｚｍ）が再び利用可能となる時刻ｔ２に至るまで継続する。この時刻で高さ座標の測定値は時刻ｔ２でもう１つのジャンプを示す。利用可能な高さ座標のこの変動は望ましくない。
【００２４】
本発明の実施形態によれば、高さ座標の上述の変動は、レーザ信号が利用可能である期間中は高さ座標バイアス値Ｂ（ｎ）を維持することによって低減される。このバイアスは、衛星信号から導出された高さ座標（ＺＲ）とレーザ信号から導出された高さ座標（Ｚｍ）との間の推定差を表す。レーザ信号が利用できない期間中は、高さ座標バイアス値を衛星信号から導出された高さ座標に加えることによって補正された高さ座標が生成される。
【００２５】
本発明の実施形態による高さ座標バイアス値のこの使用が図６Ａおよび図６Ｂに示される。図６Ａは、レーザ信号から導出された高さ座標（Ｚｍ）６０２およびＧＰＳ信号から導出された高さ座標（ＺＲ）６０４を示すグラフである。図６Ａのグラフは時刻（Ｔ）に対してプロットされたこれらの高さ座標を示す。説明を簡略化するため図５Ａと同様に、図６Ａのグラフは静止した移動局を対象にした時間に対する高さ座標を示す。また、図６Ａに示されるのは、経時的に維持される高さ座標バイアス値を表す破線６０６である。例えば、図６Ａに示されるように、時刻ｔ１においてＧＰＳ信号から導出された高さ座標（ＺＲ）はＺ１であり、時刻ｔ１における高さ座標バイアス値はＢ（１）である。もし、時刻ｔ１でレーザ信号が利用できなくなると、その場合は上述のように、精度のより劣るＧＰＳ信号が高さ座標を得るために使用されなければならない。本発明の実施形態によれば、ＧＰＳ信号から導出された高さ座標とレーザ信号から導出された高さ座標との間の差Δを補うために、時刻ｔ１におけるバイアス値Ｂ（１）がＧＰＳ信号から導出された高さ座標に加えられる。このようにして、たとえレーザ信号が利用できない期間中であっても、生成された高さ座標は非常に正確なレーザ信号から導出された高さ座標に近づくであろう。
【００２６】
図６Ｂは、レーザ信号が利用できない期間における高さ座標計算を改良するためにバイアス値を使用することを示す。時刻ｔ１から時刻ｔ２までレーザ信号が遮断される状況を考える。時刻ｔ１に至るまでは高さ座標測定値はレーザ信号処理から得られ、線６５０により表されるように安定で正確なままである。時刻ｔ１でシステムはＧＰＳ信号から導出された高さ座標（ＺＲ）の使用に戻らなければならない。しかしながら、図５Ｂと共に説明した状況とは違って、本発明の一実施形態によれば、レーザ信号の利用可能な期間中に維持されてきた高さ座標バイアス値がＧＰＳ信号から導出された高さ座標（ＺＲ）に加えられる。したがって、ＧＰＳ信号から導出された高さ座標に高さ座標バイアス値を加算することを表すために、結果として生じる高さ座標値はＺＲ＋Ｂ（ｎ）と表現されることができる。高さ座標バイアス値は、レーザ処理からの高さ座標（Ｚｍ）が再び利用可能になる時刻ｔ２まで、ＧＰＳ信号から導出された高さ座標（ＺＲ）に加えられる。図６Ｂに示されるように、レーザ信号が利用できない（時刻ｔ１から時刻ｔ２までの）期間中の高さ座標計算値の変動は図５Ｂに示された変動よりもはるかに小さい。したがって、本発明の本実施形態によれば、たとえレーザ信号が利用できない期間中でも高さ座標の決定はより正確である。
【００２７】
この高さ座標バイアスはフィルタを使用して追跡されることができる。１つの実施形態では、このフィルタは、
Ｂ（ｎ）＝ａ×Ｂ（ｎ−１）＋（１−ａ）×（Ｒ（ｎ）−Ｍ（ｎ））
とすることができ、ここで、Ｂ（ｎ）は現在時刻ｎにおける高さ座標バイアス、ａは可変の更新率（例えば、最初は０．９９９）、Ｂ（ｎ−１）は前回のバイアス値、Ｒ（ｎ）は現在時刻ｎにおけるＧＰＳ信号から導出された高さ座標、およびＭ（ｎ）は現在時刻ｎにおけるレーザ信号から導出された高さ座標、である。可変の更新率は異なる変数に対して調整可能であり、実装に特有なものである。
【００２８】
本発明の原理に従って動作するように構成された衛星／レーザ測位システムの１つの実施形態が図７に示される。図７の衛星／レーザ測位システムは、ＧＰＳプロセッサ７０４に接続された衛星アンテナ７０２を含む。ＧＰＳプロセッサ７０４は衛星信号を受信し、衛星信号から導出された位置座標ＸＲ、ＹＲ、ＺＲを生成する。Ｘ、ＹおよびＺ座標を生成するためのＧＰＳプロセッサの動作は当技術分野でよく知られている。また、衛星レーザ測位システムはレーザ・プロセッサ７０８に接続されたレーザ受信機７０６を含む。レーザ受信機７０６は、上述のように、非常に正確なレーザ信号から導出された高さ座標ＺＭを生成するためにレーザ・プロセッサ７０８により使用されることのできるレーザ・ビーム信号を受信する。また、レーザ・プロセッサ７０８は、ＧＰＳプロセッサ７０４からの衛星信号から導出された位置座標ＸＲ、ＹＲ、ＺＲ、ならびにレーザ送信機のＸ、ＹおよびＺ座標（ＸＴ、ＹＴ、ＺＴ）も受信する。これらの入力からレーザ・プロセッサ７０８は座標ＸＲ、ＹＲおよびＺＭを出力する。したがって、レーザ・プロセッサ７０８は、非常に正確なＧＰＳ信号から導出されたＸおよびＹ座標（ＸＲ、ＹＲ）ならびに非常に正確なレーザ信号から導出された高さ座標（ＺＭ）を出力する。
【００２９】
また、衛星／レーザ測位システムは上述のように高さ座標バイアスを維持するためのフィルタ・プロセッサ７１０を含む。フィルタ・プロセッサ７１０は、ＧＰＳプロセッサ７０４からの衛星信号から導出された位置座標ＸＲ、ＹＲ、ＺＲならびにレーザ・プロセッサ７０８からの座標ＸＲ、ＹＲ、ＺＭ出力を受信する。フィルタ・プロセッサ７１０は、上述のように高さ座標バイアスを維持するために受信した高さ座標を使用する。より詳細には図７の表記法を使用して、フィルタ・プロセッサ７１０は特定の時刻（ｎ）における高さ座標バイアスＢを、
Ｂ（ｎ）＝ａ×Ｂ（ｎ−１）＋（１−ａ）×（ＺＲ（ｎ）−ＺＭ（ｎ））
に従って計算する。
【００３０】
また、レーザ・プロセッサ７０８は、レーザ・プロセッサ７０８が非常に正確なレーザ信号から導出された高さ座標ＺＭを生成するためにレーザ受信機７０６からデータを受信しているかどうか、したがってレーザ信号を現在処理中であるかどうかを示す制御信号をライン７１２上に出力する。この制御信号はフィルタ・プロセッサ７１０ならびにスイッチ７１４に供給される。もし制御信号がレーザ・プロセッサ７０８は非常に正確なレーザ信号から導出された高さ座標ＺＭを生成していることを示すならば、その場合は、スイッチ７１４は位置７１８に移動し、（非常に正確なレーザ信号から導出された高さ座標ＺＭを含む）座標ＸＲ、ＹＲ、ＺＭが衛星／レーザ測位システムからライン７２０上に出力される。また、制御信号がレーザ・プロセッサ７０８は非常に正確なレーザ信号から導出された高さ座標ＺＭを生成していることを示す限りは、フィルタ・プロセッサ７１０は上述のように高さ座標バイアスを維持し続ける。
【００３１】
もし制御信号がレーザ・プロセッサ７０８は非常に正確なレーザ信号から導出された高さ座標ＺＭを生成していないことを示すならば、その場合には、フィルタ・プロセッサ７１０は高さ座標バイアスを計算することを停止する。さらに、レーザ・プロセッサ７０８が非常に正確なレーザ信号から導出された高さ座標ＺＭを生成していないことを示す制御信号に応答して、フィルタ・プロセッサ７１０は、最新の高さ座標バイアス（Ｂ（ｎ））をＧＰＳプロセッサ７０４から受信した衛星信号から導出された位置座標ＸＲ、ＹＲ、ＺＲに加える。この結果は、フィルタ・プロセッサ７１０が高さ座標バイアス値を使用して補正された高さ座標を有するＸ、Ｙ、Ｚ座標を生成するということである。より詳細には、フィルタ・プロセッサ７１０は座標ＸＲ、ＹＲ、ＺＲ−Ｂを出力し、ここでＺＲ−Ｂは高さ座標バイアスを使用して補正された衛星信号から導出された高さ座標を表す。同様に、制御信号がレーザ・プロセッサ７０８は非常に正確なレーザ信号から導出された高さ座標ＺＭを生成していないことを示す場合は、スイッチ７１４は位置７１６に移動し、（補正された高さ座標ＺＲ−Ｂを含む）座標ＸＲ、ＹＲ、ＺＲ−Ｂが衛星／レーザ測位システムからライン７２０上に出力される。座標ＸＲ、ＹＲ、ＺＲ−Ｂは、レーザ・プロセッサ７０８からの制御信号がレーザ・プロセッサ７０８は非常に正確なレーザ信号から導出された高さ座標ＺＭを生成していないことを示す限り、出力され続けるであろう。
【００３２】
図７は、本発明の原理による衛星／レーザ測位システムの１つの実施形態の構成要素の高レベル機能構成図であることを理解されたい。図７に示されたプロセッサおよび他の構成要素は、よく知られたハードウェア、ソフトウェア（すなわち、コンピュータ・プログラム・コードおよびデータ）ならびにハードウェアとソフトウェアとの組合せを使用して実現されることができる。また、実用可能な衛星／レーザ測位システムは、明確にするために図７には示されていない付加的なよく知られた構成要素も含むであろう。多くの様々なハードウェア／ソフトウェア構成が本発明を実施するために使用されてよい。
【００３３】
上述の「発明を実施するための最良の形態」は、あらゆる点で説明のためおよび例示のためのものであり限定するためのものではないことを理解されたい。また、本明細書に開示された本発明の範囲は、「発明を実施するための最良の形態」から決定されるものではなく、特許法により認められた全範囲に従って解釈されるように特許請求の範囲によって決定されるものである。本明細書に示され説明された実施形態は本発明の原理の単に説明のためのものであり、様々な修正形態が本発明の範囲および精神から逸脱することなく当業者によって実施されることができることを理解されたい。当業者は本発明の範囲および精神から逸脱することなく様々な他の特徴の組合せを実施することができるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の原理を実施することができる測量ポールおよび回転レーザを含むシステムを示す図である。
【図２】本発明の原理を実施することができる土工機械および回転レーザを含むシステムを示す図である。
【図３】本発明の原理を実施することができる平面レーザ・システムを含むシステムを示す図である。
【図４】ターゲット装置と既知の位置との間の鉛直角および水平距離（ｄｈ）が与えられた場合の、既知の位置に対するターゲット装置の高さの決定を示す図である。
【図５Ａ】レーザ測位システムと共にＧＰＳを使用した場合に利用可能な高さ座標の精度に比較して、ただＧＰＳ処理だけを使用したときに利用可能な高さ座標の精度を示すグラフである。
【図５Ｂ】レーザ信号が利用できなく、受信機が衛星信号から導出された無補正の高さ座標の使用に戻る期間における、高さ座標計算の変動を示すグラフである。
【図６Ａ】レーザ信号から導出された高さ座標と、ＧＰＳ信号から導出された高さ座標と、高さ座標バイアス値とを示すグラフである。
【図６Ｂ】レーザ信号が利用できなく、高さ座標計算を改善するために受信機がバイアス値を衛星信号から導出した高さ座標に加算する期間における、高さ座標計算の変動を示すグラフである。
【図７】本発明の実施形態に従って動作するように構成された衛星／レーザ測位システムの高レベル構成図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受信した衛星信号および受信したレーザ信号から位置座標を生成することが可能な受信機内で信号を処理する方法であって、
前記レーザ信号が利用可能である期間中は高さ座標バイアス値を維持する工程と、
前記レーザ信号が利用できない期間中は前記高さ座標バイアス値を衛星信号から導出された高さ座標に加えることによって補正された高さ座標値を生成する工程と
を含む方法。
【請求項２】
前記高さ座標バイアス値は、前記衛星信号から導出された高さ座標とレーザ信号から導出された高さ座標との間の推定差を表す請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記レーザ信号が利用可能である期間中はレーザ信号から導出された高さ座標を出力する工程と、
前記レーザ信号が利用できない期間中は前記補正された高さ座標値を出力する工程と
をさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記高さ座標バイアス値は、
Ｂ（ｎ）＝ａ×Ｂ（ｎ−１）＋（１−ａ）×（Ｒ（ｎ）−Ｍ（ｎ））
として計算され、ここで、Ｂ（ｎ）は現在時刻ｎにおける高さ座標バイアス、ａは可変の更新率、Ｂ（ｎ−１）は前回のバイアス値、Ｒ（ｎ）は現在時刻ｎにおける衛星信号から導出された高さ座標、およびＭ（ｎ）は現在時刻ｎにおけるレーザ信号から導出された高さ座標である請求項１に記載の方法。
【請求項５】
受信した衛星信号および受信したレーザ信号から位置座標を生成することが可能な受信機であって、
衛星信号から導出された位置座標を、受信した衛星信号から生成するように構成された衛星信号プロセッサと、
レーザ信号から導出された高さ座標を、受信したレーザ信号から生成するように構成されたレーザ信号プロセッサと、
前記レーザ信号が利用可能である期間中は高さ座標バイアス値を維持するように構成されたフィルタ・プロセッサと
を備えた受信機。
【請求項６】
前記高さ座標バイアス値は、衛星信号から導出された高さ座標と前記レーザ信号から導出された高さ座標との間の推定差を表す請求項５に記載の受信機。
【請求項７】
前記フィルタ・プロセッサは、前記高さ座標バイアス値を前記衛星信号から導出された高さ座標に加えることによって、補正された高さ座標値を生成するようにさらに構成された請求項６に記載の受信機。
【請求項８】
前記レーザ信号が利用可能である期間中は前記レーザ信号から導出された高さ座標を出力するように構成され、前記レーザ信号が利用できない期間中は前記補正された高さ座標値を出力するように構成されたスイッチ、
をさらに備えた請求項７に記載の受信機。
【請求項９】
前記フィルタ・プロセッサは、前記高さ座標バイアスを、
Ｂ（ｎ）＝ａ×Ｂ（ｎ−１）＋（１−ａ）×（Ｒ（ｎ）−Ｍ（ｎ））
として計算するように構成され、ここで、Ｂ（ｎ）は現在時刻ｎにおける高さ座標バイアス値、ａは可変の更新率、Ｂ（ｎ−１）は前回のバイアス値、Ｒ（ｎ）は現在時刻ｎにおける衛星信号から導出された高さ座標、およびＭ（ｎ）は現在時刻ｎにおけるレーザ信号から導出された高さ座標である請求項５に記載の受信機。
【請求項１０】
受信した衛星信号および受信したレーザ信号から位置座標を生成することが可能な衛星／レーザ測位システムであって、
前記レーザ信号が利用可能である期間中は高さ座標バイアス値を維持するための手段と、
前記レーザ信号が利用できない期間中は、前記高さ座標バイアス値を衛星信号から導出された高さ座標に加えることによって、補正された高さ座標値を生成するための手段と
を備えた衛星／レーザ測位システム。
【請求項１１】
前記高さ座標バイアス値は、前記衛星信号から導出された高さ座標とレーザ信号から導出された高さ座標との間の推定差を表す請求項１０に記載の衛星／レーザ測位システム。
【請求項１２】
前記レーザ信号が利用可能である期間中はレーザ信号から導出された高さ座標を出力する手段と、
前記レーザ信号が利用できない期間中は前記補正された高さ座標値を出力する手段と
をさらに備えた請求項１０に記載の衛星／レーザ測位システム。
【請求項１３】
高さ座標バイアス値を維持するための前記手段は、前記高さ座標バイアス値を、
Ｂ（ｎ）＝ａ×Ｂ（ｎ−１）＋（１−ａ）×（Ｒ（ｎ）−Ｍ（ｎ））
として計算するための手段を備え、ここで、Ｂ（ｎ）は現在時刻ｎにおける高さ座標バイアス、ａは可変の更新率、Ｂ（ｎ−１）は前回のバイアス値、Ｒ（ｎ）は現在時刻ｎにおける前記衛星信号から導出された高さ座標、およびＭ（ｎ）は現在時刻ｎにおけるレーザ信号から導出された高さ座標である請求項１０に記載の衛星／レーザ測位システム。
【請求項１】
受信した衛星信号および受信したレーザ信号から位置座標を生成することが可能な受信機内で信号を処理する方法であって、
前記レーザ信号が利用可能である期間中は高さ座標バイアス値を維持する工程と、
前記レーザ信号が利用できない期間中は前記高さ座標バイアス値を衛星信号から導出された高さ座標に加えることによって補正された高さ座標値を生成する工程と
を含む方法。
【請求項２】
前記高さ座標バイアス値は、前記衛星信号から導出された高さ座標とレーザ信号から導出された高さ座標との間の推定差を表す請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記レーザ信号が利用可能である期間中はレーザ信号から導出された高さ座標を出力する工程と、
前記レーザ信号が利用できない期間中は前記補正された高さ座標値を出力する工程と
をさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記高さ座標バイアス値は、
Ｂ（ｎ）＝ａ×Ｂ（ｎ−１）＋（１−ａ）×（Ｒ（ｎ）−Ｍ（ｎ））
として計算され、ここで、Ｂ（ｎ）は現在時刻ｎにおける高さ座標バイアス、ａは可変の更新率、Ｂ（ｎ−１）は前回のバイアス値、Ｒ（ｎ）は現在時刻ｎにおける衛星信号から導出された高さ座標、およびＭ（ｎ）は現在時刻ｎにおけるレーザ信号から導出された高さ座標である請求項１に記載の方法。
【請求項５】
受信した衛星信号および受信したレーザ信号から位置座標を生成することが可能な受信機であって、
衛星信号から導出された位置座標を、受信した衛星信号から生成するように構成された衛星信号プロセッサと、
レーザ信号から導出された高さ座標を、受信したレーザ信号から生成するように構成されたレーザ信号プロセッサと、
前記レーザ信号が利用可能である期間中は高さ座標バイアス値を維持するように構成されたフィルタ・プロセッサと
を備えた受信機。
【請求項６】
前記高さ座標バイアス値は、衛星信号から導出された高さ座標と前記レーザ信号から導出された高さ座標との間の推定差を表す請求項５に記載の受信機。
【請求項７】
前記フィルタ・プロセッサは、前記高さ座標バイアス値を前記衛星信号から導出された高さ座標に加えることによって、補正された高さ座標値を生成するようにさらに構成された請求項６に記載の受信機。
【請求項８】
前記レーザ信号が利用可能である期間中は前記レーザ信号から導出された高さ座標を出力するように構成され、前記レーザ信号が利用できない期間中は前記補正された高さ座標値を出力するように構成されたスイッチ、
をさらに備えた請求項７に記載の受信機。
【請求項９】
前記フィルタ・プロセッサは、前記高さ座標バイアスを、
Ｂ（ｎ）＝ａ×Ｂ（ｎ−１）＋（１−ａ）×（Ｒ（ｎ）−Ｍ（ｎ））
として計算するように構成され、ここで、Ｂ（ｎ）は現在時刻ｎにおける高さ座標バイアス値、ａは可変の更新率、Ｂ（ｎ−１）は前回のバイアス値、Ｒ（ｎ）は現在時刻ｎにおける衛星信号から導出された高さ座標、およびＭ（ｎ）は現在時刻ｎにおけるレーザ信号から導出された高さ座標である請求項５に記載の受信機。
【請求項１０】
受信した衛星信号および受信したレーザ信号から位置座標を生成することが可能な衛星／レーザ測位システムであって、
前記レーザ信号が利用可能である期間中は高さ座標バイアス値を維持するための手段と、
前記レーザ信号が利用できない期間中は、前記高さ座標バイアス値を衛星信号から導出された高さ座標に加えることによって、補正された高さ座標値を生成するための手段と
を備えた衛星／レーザ測位システム。
【請求項１１】
前記高さ座標バイアス値は、前記衛星信号から導出された高さ座標とレーザ信号から導出された高さ座標との間の推定差を表す請求項１０に記載の衛星／レーザ測位システム。
【請求項１２】
前記レーザ信号が利用可能である期間中はレーザ信号から導出された高さ座標を出力する手段と、
前記レーザ信号が利用できない期間中は前記補正された高さ座標値を出力する手段と
をさらに備えた請求項１０に記載の衛星／レーザ測位システム。
【請求項１３】
高さ座標バイアス値を維持するための前記手段は、前記高さ座標バイアス値を、
Ｂ（ｎ）＝ａ×Ｂ（ｎ−１）＋（１−ａ）×（Ｒ（ｎ）−Ｍ（ｎ））
として計算するための手段を備え、ここで、Ｂ（ｎ）は現在時刻ｎにおける高さ座標バイアス、ａは可変の更新率、Ｂ（ｎ−１）は前回のバイアス値、Ｒ（ｎ）は現在時刻ｎにおける前記衛星信号から導出された高さ座標、およびＭ（ｎ）は現在時刻ｎにおけるレーザ信号から導出された高さ座標である請求項１０に記載の衛星／レーザ測位システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７】
【公開番号】特開２００８−１１６４４９（Ｐ２００８−１１６４４９Ａ）
【公開日】平成２０年５月２２日（２００８．５．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２７５９３４（Ｐ２００７−２７５９３４）
【出願日】平成１９年１０月２４日（２００７．１０．２４）
【出願人】（５０５３１５７４２）トプコン ポジショニング システムズ， インク． (11)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年５月２２日（２００８．５．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１０月２４日（２００７．１０．２４）
【出願人】（５０５３１５７４２）トプコン ポジショニング システムズ， インク． (11)
【Ｆターム（参考）】
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