衛星ナビゲーション・システムから受信した信号の適応処理のための方法および装置

专利摘要:
受信機座標を決定するために衛星ナビゲーション・システムから信号を受信するように構成され、協働追跡システムを使用して、視野内のＮ個のナビゲーション衛星について搬送波位相の完全位相を評価するように構成された適応受信機が開示される。適応受信機は、案内ステータスで自律広帯域位相ロック・ループ（ＰＬＬ）をもつチャネルを含む。広帯域ＰＬＬは、高いＳＮＲを有する衛星からの搬送波信号の位相を追跡するように構成され、変動する搬送周波数のターゲット指示のための制御コードを生成するように構成される。適応受信機は、被案内ステータスで狭帯域ＰＬＬをもつチャネルをも含む。狭帯域ＰＬＬは、低いＳＮＲをもつ衛星の搬送波信号の位相を追跡することができ、案内ステータスで広帯域ＰＬＬからのターゲット指示と、衛星移動によって生じる周波数変化の予測とを使用するように構成される。適応受信機は、スタンバイ・モードでオープンＰＬＬをもつチャネルをも含む。
公开号:JP2011508186A
申请号:JP2010535950
申请日:2008-10-31
公开日:2011-03-10
发明作者:ヴェイツェル，ビクター，エー．；ツォドジジュスキー，マーク，アイ．；ポテキン，オレグ；ユダノフ，セルゲイ
申请人:トップコン ジーピーエス，エルエルシー；
IPC主号:G01S19-37

专利说明:

[0001] 本発明は、一般に、衛星ナビゲーション・システム受信機に関し、より詳細には、そのような受信機の信頼性を高めることに関する。]
背景技術

[0002] 一般に、ＧＰＳ（米国）、ＧＬＯＮＡＳＳ（ロシア）およびＧＡＬＩＬＥＯ（ヨーロッパ）などの衛星ナビゲーション・システム（ナビゲーション衛星とも呼ばれる）を使用して、ナビゲーション受信機を所有しているユーザの位置を正確に決定する。ナビゲーション受信機は、いくつかの衛星によって同時に送信された無線信号を受信し、処理する。これらの無線信号は、擬似ランダム・バイナリ・コード（ＰＲコード）によって変調された搬送波信号を含む。コードは、一般に、バイナリ情報シンボルによって逆変調される。]
[0003] 各受信機は、その受信機を所有しているユーザとともに移動する。ユーザとともに移動する受信機は、しばしばローバと呼ばれる。ディファレンシャル・ナビゲーション（ＤＮ）では、ローバと基地局はナビゲーション衛星から同じ衛星信号を受信する。ローバは、各ナビゲーション衛星が信号を送信する時間に対する、ローバが衛星信号を受信する時間の時間遅延を測定する。ローバは、信号が衛星から受信機まで伝搬するのにかかる時間を測定することによって、衛星と受信機との間の距離（すなわち、擬似距離）を測定する。擬似距離は、この時間オフセットに光速を乗算したものである。]
[0004] 上述のように、基地局は、ローバと同じ衛星信号を受信する。基地局の正確な座標は知られており、基地局は測定中は概して固定である。基地局は、衛星の信号を受信し、処理して測定値を生成するナビゲーション受信機を有する。これらの信号測定値は、通信チャネル（たとえば、無線）を介してローバに送信される。ローバは、それ自体のナビゲーション受信機を用いて得られたそれ自体の測定値とともに、基地局から受信したこれらの測定値を使用して、その位置を正確に決定する。ローバは、ローバの測定値中の強相関誤差の大部分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、ディファレンシャル・ナビゲーション・モードでは位置決定が改善される。]
[0005] 衛星ごとに、ローバによって測定される時間遅延は、スケールを使用して測定される。ＰＲコード遅延を測定するための比較粗スケールがある。コード遅延は、ローバのローカルで生成されたコードと、衛星から受信したコードとの間のオフセットである。コード遅延はＰＲコード位相としても知られている。遅延は搬送周波数の位相によっても測定できる。そのような測定は、小さい曖昧でないレンジ（搬送周波数の周期）を有するが、一般により正確である。]
[0006] ローバは、２つのループを使用して遅延を測定する。位相ロック・ループ（ＰＬＬ）を使用して搬送波位相を追跡する。遅延ロック・ループ（ＤＬＬ）を使用してコード遅延を測定する。]
[0007] さらに、ローバはチャネルを含む。チャネルは、単一の衛星からの信号を追跡するために必要な回路からなる。特に、単一の衛星チャネルは、衛星からの１つの周波数上の単一のコードおよび搬送波に対するコード遅延および搬送波遅延を測定するための基本的な構造単位として考えることができる。各チャネルは、公的にアクセス可能な信号、たとえば、ＧＰＳ Ｃ／Ａ信号もしくはＧＰＳ Ｌ２Ｃ、場合によってはＧＰＳ Ｌ３もしくはＧＬＯＮＡＳＳＣ／Ａなどとともに作動する。]
[0008] 受信信号の処理では、（入力回路およびフィルタ処理回路ならびに周波数変換器を通過した）この信号の連続した乗算積の累積を行う。基準搬送波および基準コードは受信機で生成される。基準搬送波は所与の衛星用の受信信号の搬送波に対応し、基準コードは同じ衛星のＰＲコードに対応する。乗算および累積を受け持つ構成要素は相関器と呼ばれ、それに対応するプロセスは相関と呼ばれる。]
[0009] 衛星信号の受信機用のチャネルを設計するにはいくつかの方法がある。各チャネルは一般に３つの経路を含む。第１の経路は同相相関信号Ｉを計算する。第１の基準搬送波が入力信号搬送波と同相であり、基準コードが入力信号を変調するＰＲコードのコピーである場合、この相関信号を得ることができる。]
[0010] 基準搬送波の位相誤差φおよび基準コードの時間オフセットεが存在するとき、（簡単のために）干渉を無視して、信号Ｉを次のように表すことができる。
Ｉ＝μＵｍＲ０（ε）ｃｏｓφ
ただし、μはバイナリ情報シンボルであり、
Ｕｍは受信信号の振幅であり、
Ｒ０（ε）は、（受信機のフィルタを通過した後の）ＰＲコードと、入力信号用のＰＲコードのローカルで生成された複製である基準コードとの相互相関関数である。]
[0011] 第２の経路は直交相関信号Ｑを計算する。第２の基準搬送波を第１の基準搬送波からπ／２だけシフトすると、この信号を得ることができる。基準搬送波信号の相関は入力信号の直交成分を生成する。基準コードは第１の経路の基準コードと同じである。信号Ｑは次のように書くことができる。
Ｑ＝μＵｍＲ０（ε）ｓｉｎφ
直交信号ＱおよびＩは、ＰＬＬ位相弁別器のために使用される。]
[0012] 第３の経路は、ＤＬＬを制御するために使用される相関信号ｄｌを計算する。この信号を得るために、入力搬送波と同相の第１の基準搬送波が使用され、基準コードは、入力ＰＲコード・チップの符号の変化に一致する短いストローブ・パルスからなる。ストローブ・パルスの符号は、ストローブ・パルスに従うチップの符号に一致することに留意されたい。]
[0013] 受信機の個々のチャネルのＤＬＬおよびＰＬＬが信号にロックするために、遅延探索システムは受信信号の遅延および周波数を探索する。遅延探索システムは、基準コードの初期遅延を入力ＰＲコード遅延にできるだけ近くなるように設定する。初期遅延の設定された誤差がＤＬＬロック・イン・レンジの限界を超えない場合、ＤＬＬは一定の均衡点で停止する。（周波数探索システムを含むことができる）遅延探索システムは、基準搬送波の初期周波数をＰＬＬロック・イン・レンジを超えない誤差で設定することもできる。]
[0014] 受信機の動作中に、ある物体が受信アンテナを遮蔽すると、短期の信号損失のためにＤＬＬおよびＰＬＬにおける追跡の損失が生じることがある。この場合、遮蔽が除去された後、遅延探索システムは、再び信号にロックして、追跡を再開しなければならない。]
[0015] 遅延を測定する場合、ＰＬＬ帯域幅およびＤＬＬ帯域幅は、しばしば動誤差の量を低減するように選択される。考えられるファクタには、衛星および受信機の移動、受信機基準発振器の周波数変動、大気を介した波の伝搬の遅延の変動、基準信号発生器の不安定性などがある。]
[0016] 帯域幅が増加するにつれて、従来、動誤差は減少する。しかしながら、ある帯域幅を超えて帯域幅を増加することは、（受信機の固有雑音によって生じる誤差を含む）付加干渉からの誤差が増加するので、しばしば不可能である。さらに、帯域幅が増加するにつれて、サイクルスリップおよびロックの損失のリスクが高くなる。衛星が低い、または衛星が群葉によって部分的に遮蔽されるなどのために、衛星信号が弱いチャネルの場合、このリスクはしばしば高い。したがって、制御ループが頑強な動作を行うことができる信号対雑音比（ＳＮＲ）のしきい値を制限する、よく知られている制約がある。]
[0017] ２００１年１１月６日に発行された米国特許第６，３１３，７８９号には、広い帯域幅において共通妨害を追跡することによって上述の制約を解決する方法が記載されている。特に、その特許には、個々のＰＬＬを使用して各可視衛星の搬送波信号の位相を追跡することと、共通ベクトル・ループを使用して衛星の共通搬送波位相妨害を追跡することが記載されている。対応するＰＬＬからの制御信号によって基準コードのクロック・レートを補正するための個々のＤＬＬも各チャネルにある。]
[0018] 共通制御ループをもつ受信機では、各チャネルにおける個々のＰＬＬからの信号を予測され補正された信号に加算し、その合計を使用して、各チャネルにおける個々のデジタル数値制御発振器（ＮＣＯ）の周波数を制御する。予測信号は、衛星移動を予測することによって計算される。衛星移動の予測は、搬送周波数の適切なドップラー周波数シフトを補償すること、ならびに予測を行う他のファクタを含む。補正信号は、受信機チャネルをグループ化する共通ベクトル・ループの出力において発生する。共通ベクトル・ループの入力は、Ｎ個のチャネルにおけるＰＬＬ弁別器の出力信号のベクトル成分を有するＮ次元ベクトルである。このベクトルは、最小二乗法（ＬＳＭ）によって変換される。変換の結果、信号は、動的（ループ）フィルタに供給され、さらに各衛星の方向に投射され、それによって対応する補正信号を形成する。]
[0019] 共通ベクトル・ループおよびＮ個の個々のＰＬＬは多重ループ制御システムを形成する。搬送波位相に作用するいくつかの外的影響は、チャネルのすべてに共通である。それらは受信機移動および基準発振器の周波数変動を含む。これらの影響は主に共通ベクトル・ループによって追跡される。他の外的影響はチャネルごとに異なる。それらは、大気遅延の一部、衛星搭載基準発振器の周波数変動、および予測される衛星移動の誤差を含む。これらの影響は主に個々のＰＬＬによって追跡される。]
[0020] 共通の影響の衝撃が、個々の影響の衝撃と比較してはるかにより大きくなるにつれて、共通ベクトル・ループは、一般に、帯域幅がはるかに広くなり、個々のＰＬＬに対して一定でなくなる。個々のＰＬＬ信号からの補正が個々のＤＬＬに適用されると、コード遅延の追跡も共通ベクトル・ループからの恩恵を受ける。]
[0021] しかしながら、個々の回路と共通ＰＬＬの両方を使用することは、個々のループの互いの相互作用に対するリスクを提示する。したがって、近接するチャネルからの１つのチャネル上の干渉であるチャネル間干渉が生じることがある。チャネル間干渉は、異なるチャネルのうちの１つのチャネルのＰＬＬで発生した後、それらのチャネルのＰＬＬにおける追跡損失またはサイクルスリップをもたらすことがある。チャネル間干渉を制圧するために、各チャネルにおける信号品質は信号対雑音比に対して連続的に推定される。]
[0022] 代替的に、ＰＬＬ弁別器の出力信号が各チャネルにおける信号品質の許容限度を超えることが観測される。信号品質が許容しきい値を下回ると、警報信号が発生する。この警報信号が時間通りに発生した場合、信号品質が容認できるレベルに戻るまで、対応するチャネルは共通ループを使用しない。特に、警報信号が発生したとき、衛星信号を一時的に遮蔽するチャネルは共通ループを使用しない。遮蔽されたチャネルの測定値は、座標計算に使用されない。]
先行技術

[0023] 米国特許第６，３１３，７８９号]
課題を解決するための手段

[0024] 本発明の一実施形態によれば、適応ナビゲーション受信機は別個の衛星チャネルを含む。チャネルは、独立して動作し、チャネルのうちの１つまたは複数は、広帯域幅ＰＬＬを使用して強力な衛星信号を追跡することができる。これらのチャネルは案内ステータスを維持する。]
[0025] １つまたは複数のチャネルは、狭帯域幅ＰＬＬを使用することによって、より弱い信号を追跡することもできる。狭帯域幅ＰＬＬの動作は、受信機の動きによって生じる妨害の補償によって補正できる。これらのチャネルは被案内ステータスを維持する。]
[0026] ローカルの物体からの遮蔽のために衛星信号が失われた場合、影響を受けたチャネルを協働追跡システムによってサポートすることができる。協働追跡システム内で、補正を計算することができる。補正により、遮蔽の時間中に測定値の外挿が可能になり、信号が再び受信されたときの高速なＰＬＬの再獲得が保証される。チャネル・インジケータにより、測定のプロセスおよび衛星チャネルのパラメータの変更における信号品質の推定が可能になる。信号が失われたとき、１つまたは複数のチャネルがオープン・ステータスを維持する。残りのチャネルは探索ステータスを維持する。]
[0027] 本発明のこれらおよび他の利点は、以下の詳細な説明および添付の図面を参照すれば当業者には明らかになるであろう。]
図面の簡単な説明

[0028] 本発明の一実施形態による複数のチャネルをもつ適応ナビゲーション受信機のブロック図である。
本発明の一実施形態による図１の複数のチャネル中の案内チャネルのより詳細なブロック図である。
本発明の一実施形態による図１の複数のチャネル中の被案内チャネルのより詳細なブロック図である。
本発明の一実施形態による図１の複数のチャネル中のオープン・チャネルのより詳細なブロック図である。
本発明の一実施形態による協働追跡システムのブロック図である。] 図１
実施例

[0029] 異なるナビゲーション衛星システムの衛星、またはコンスタレーション中の異なる位置をもつ衛星の信頼性は、変動することがある。特に、衛星から受信した信号の品質は、異なる観測周期（すなわち、観測セッション）中にかなり変化することがある。]
[0030] 本発明の一実施形態によれば、「適応」ナビゲーション受信機は、受信信号の品質に応じて動作が変動するチャネルを含む。図１は、動作が変動する複数のチャネルを有する適応受信機１００のブロック図を示す。各チャネルは、１つまたは複数のＰＬＬおよびＤＬＬを含む。したがって、各チャネルは衛星を追跡することができる。] 図１
[0031] 各チャネルは、４つの可能なステータスのうちの１つを周期的に（周期ＴＮで）収集する。各ステータスは、異なるパラメータおよび／または機能的アプリケーションを有する。ステータス周期ＴＮは、座標情報を出力する周期に対応し、たとえば、０．１ｓから１０ｓまで選択される。]
[0032] 一実施形態では、各チャネルは、次の４つのステータスのうちの１つを維持する（すなわち、割り当てられ、保持する）ことができる。
・案内ステータス、
・被案内ステータス、
・オープン・ステータス（開回路とも呼ばれる）、または
・探索ステータス。
本明細書で使用する、案内チャネル１０８など、案内ステータスを有するチャネルは、案内チャネルと呼ばれる。同様に、被案内チャネル１１２など、被案内ステータスを有するチャネルは、被案内チャネルと呼ばれる。オープン・チャネル１１６など、開回路を有するチャネルは、オープン・チャネルと呼ばれる。探索ステータスを有するチャネルは、探索チャネルと呼ばれる。したがって、受信機では、各周期ＴＮで、異なるステータスをもつ異なる数のチャネルがある。
・Ｊは案内チャネル１０８の数であり、
・Ｋは被案内チャネル１１２の数であり、
・Ｒはオープン・チャネル１１６の数であり、
・残りのチャネルは探索チャネル１２０である。
以下でより詳細に説明するように、チャネルは、それらのステータスに応じて異なる機能を有する。]
[0033] 受信機１００は、衛星から受信した信号を処理するいくつかのステップを実行する。探索システムは、チャネルごとにターゲット指示を出力し、周波数および遅延にロックされた信号をも出力する。２５Ｈｚの帯域幅をもつ一実施形態では、３次ＰＬＬが周波数ターゲット指示を使用してロッキングを開始する。本明細書では、これらの３次ＰＬＬを自律ＰＬＬとも呼ぶ。]
[0034] 次いで、受信機１００は、情報シンボルの限界を決定し、エフェメリスをも受信する。各チャネルにおけるシンボル限界が決定されると、信号品質を推定するチャネル・インジケータが動作を開始する。さらに、エフェメリスを受信すると、受信機は、その座標を決定し、（衛星移動によって生じる）予測される速度および加速度を計算する。次いで、以下でより詳細に説明するように、協働追跡システムが動作を開始する。]
[0035] 案内チャネルおよび被案内チャネルの出力（すなわち、位相および擬似距離）がナビゲータ１２４に送信される。よく知られているように、ナビゲータ１２４は、協働追跡システム１２８からの出力とともに、これらの位相および擬似距離を使用して、受信機１００の座標を決定する。]
[0036] より詳細には、各ｊ番目の案内チャネル１０８（持続時間ＴＮをもつ各周期で４≦ｊ≦Ｊ）に関して、各ｊ番目の案内チャネル１０８は、１つのｊ番目の衛星からの信号を自律的に処理する。案内チャネルは、完全位相および擬似距離を一緒に測定する自律ＰＬＬおよび被案内ＤＬＬを含む。上述のように、完全位相および擬似距離は、受信機の座標を決定するためにナビゲータ１２４に送信される。案内チャネルの数は、（時間推定値を含む）測定された座標の数と同じである。等価なＰＬＬ帯域幅は、受信機の動きによって生じる動的妨害を追跡するのに十分に広い帯域幅（たとえば、２０〜２５Ｈｚ）とすることができる。]
[0037] 被案内チャネルのターゲット指示ブロック用の信号は、自律ＰＬＬ（図１のｆＮＣＯ１２２）から案内チャネル中で発生する。さらに、チャネル中のＤＬＬは被案内である。被案内ＤＬＬは、ＰＬＬから遅延レートに関する情報を収集する。ＤＬＬ帯域幅は、ＰＬＬの帯域幅よりも狭くなることがある（たとえば、１〜４Ｈｚ）。] 図１
[0038] 一実施形態では、各チャネルは、対応するチャネル・インジケータ・ブロックを有する。チャネル・インジケータ・ブロックは、関連するチャネルのステータスを変更することができる。特に、チャネル・インジケータ・ブロックは、受信した衛星信号のパラメータを分析し、必要ならば、関連するチャネルのステータスを変更するコマンドを出力する。各チャネル・インジケータは、コヒーレント・エネルギー・インジケータまたは位相（角度）インジケータとすることができる。チャネル・インジケータの入力値は、直交信号成分Ｉ、Ｑである。コヒーレント・エネルギー・インジケータの一実施形態では、成分Ｉ、Ｑは、ＰＬＬ帯域幅に対してほぼ逆の時間を求める摺動平均法によって平滑化される。たとえば、案内ＰＬＬの場合、その時間は４０ｍｓである。したがって、信号Ｉ０およびＱ０が決定される。]
[0039] （持続時間ＴＮをもつ）各周期で、エネルギー品質信号が発生し、次式によって与えられる。
ＳＡ＝［（Ｉ０）２＋（Ｑ０）２］
信号ＳＡは入力信号電力に比例し、再計算して、所与の衛星のチャネルについて、エネルギー潜在力の推定値、または１Ｈｚ帯域内の信号対雑音比（ＳＮＲ）を得ることができる。エネルギー品質信号は、ＰＬＬの相対的な追跡精度を特徴付けることができる。これにより、この信号を使用して、ＬＳＭ変換における重み係数Ｗを割り当てることが可能になる。]
[0040] 位相品質信号は、位相検波器中でも発生する。位相検波器はＰＬＬ弁別器と同様である。この信号は、さらに（たとえば、演算子Σを用いて）平滑化される。
ＳＰ＝Σａｂｓ（Ｑ０／Ｉ０）
ステータスを変更するコマンドは、信号ＳＡに基づいて、あるいは信号ＳＡИＳＰの組合せに従って生成される。]
[0041] 一実施形態では、信号ＳＡは、高しきい値および低しきい値と比較される。ＳＡが高しきい値と同じ場合、検討中のチャネルは案内チャネルと考えられる。ＳＡが低しきい値と高しきい値の間にある場合、チャネルは被案内チャネルである。ＳＡが低しきい値よりもより小さい場合、開回路が割り当てられる。一実施形態では、高しきい値は４０〜４５ｄＢ／ＨｚのＳＮＲで設定され、低しきい値は２５〜３０ｄＢ／Ｈｚのレベルで設定される。別の実施形態では、ＳＡが低しきい値よりも小さい場合、あるいはＳＰが０．２〜０．５ｒａｄを超える場合、開回路が割り当てられる。チャネル・インジケータはあらゆるステータスで機能するが、しきい値はステータスに応じて異なる方法で設定できる。]
[0042] より詳細には、各ｋ番目の被案内チャネル１１２（持続時間ＴＮをもつ各周期で０≦ｋ≦Ｋ）に関して、信号が広帯域ＰＬＬにとって（チャネル・インジケータによれば）弱すぎる場合、各ｋ番目の被案内チャネルはｋ番目の衛星信号を処理する。被案内チャネルの等価なＰＬＬ帯域（たとえば、５〜７Ｈｚ）は、案内チャネルのそれ（たとえば、２０〜２５Ｈｚ）よりも狭い。受信機の動きを確実に追跡するために、案内チャネルから情報を受信する、ターゲット指示ブロックからの案内信号が、被案内チャネルＰＬＬに適用される。]
[0043] 被案内チャネルの完全位相および擬似距離は、ナビゲータ１２４に転送される。さらに、チャネル・インジケータからのコマンドは、被案内チャネルのステータスを被案内ステータスから案内ステータスまたは開回路に変更することができる。]
[0044] チャネル・インジケータのブロックが、ｒ番目の信号の電力がＰＬＬを確実に追跡するために十分でないことを示す場合、および／またはその測定値が異常な場合、開回路はｒ番目の衛星チャネル（０≦ｒ≦Ｒ）に割り当てられる。そのような状況は、一般に長時間持続せず、ローカルの物体からの短期の遮蔽、または激しい干渉による信号のフェージングによって生じることがある。チャネルは、たとえば、１０〜２０ｓの間、開回路を有することができ、次いで、チャネルは被案内ステータスまたは探索ステータスを得る。]
[0045] オープン・チャネルの測定値は、ナビゲータ１２４に送信されないが、遮蔽された信号の位相を追跡することは、外挿のために依然として行われている。一実施形態では、オープン・チャネルの追跡システムは、スタンバイ・モードで作動し、コマンドがステータスを変更するのを待つ。ステータスを（「案内」ステータスまたは「被案内」ステータスに）変更するコマンドが受信されると、スタンバイ・モードは、新しい探索およびロックなしにｒ番目の衛星信号の追跡が再開することを保証する。さらに、ＰＬＬは、サイクルスリップなしに同じ定常点で追跡を開始する。]
[0046] 探索チャネルは、衛星信号を探索し、衛星信号にロックする。探索チャネルは、周波数および信号遅延によって新たに現れた衛星を探索することができる。観測セッションの初めに、大部分の受信機チャネルは探索ステータスを割り当てられる。セッションでは、可視ゾーン中の新しい衛星に関する情報、または所定の周期（たとえば、１０〜２０ｓ）の間に信号が失われたチャネルに関する情報に基づくコマンドに従って、空いているチャネルに探索ステータスが割り当てられる。]
[0047] 上述のように、受信機１００は協働追跡システム１２８をも含む。協働追跡システム１２８は受信機１００の衛星追跡能力を改善する。この改善は、２つのタイプの同時ＰＬＬ（すなわち、二重回路ＰＬＬ）に基づく。１つのＰＬＬ回路は、受信機ダイナミクスと内部発振器とを含む、受信機の見掛けのダイナミクスを追跡する。このＰＬＬ回路は、視野内のすべての衛星の総電力を使用し、２０Ｈｚ程度の広い帯域幅を有することができる。第２のタイプのＰＬＬ回路は、各衛星チャネルの見掛けのダイナミクスを追跡するように設計される。チャネルごとに専用の二重回路ＰＬＬがある。これらの個々のループは、約２Ｈｚの比較的狭い帯域幅を有する。協働追跡システム１２８は、高い干渉の領域内での衛星信号の追跡を可能にする。]
[0048] より詳細には、協働追跡システムは、衛星信号を逃したとき、案内チャネルおよび被案内チャネルの完全位相を共同処理し、推定し、スタンバイ・モードでオープン・チャネルの位相補正を実行する。周波数および遅延による特殊な探索なしに信号が出現するとすぐに、補正はチャネルのステータスを開回路から被案内ステータスに変更する。それは、ＰＬＬが同じ定常点に保持されることをも保証する。]
[0049] さらに、協働追跡システム１２８は、１つまたは複数のオープン・チャネル１１６を含むすべてのチャネルの位相を推定することができる。協働追跡システム１２８は、位相を推定するとき、受信機の移動によって生じるオープン・チャネルの位相変化を考慮することができる。一実施形態では、アクティブ・チャネル（すなわち、追跡を生成するチャネル）に関する情報を使用する。さらに、遮蔽時間中の低速の個々の位相ドリフトの補正を外挿することができる。]
[0050] 図２は、図１の案内チャネル１０８のうちの１つのより詳細なブロック図である。特に、図２は、１つのｊ番目の案内チャネル用のＰＬＬの一実施形態を示す。ＰＬＬは、ｊ番目の衛星信号搬送波の完全位相を測定し、被案内チャネル用の制御信号ｆｊＮＣＯを出力する。] 図１ 図２
[0051] ステータス変更コマンドによって制御されるスイッチがある。スイッチは、追加のブロックを接続し、メイン・ブロックのパラメータを変更することができる。]
[0052] 完全位相の測定は、周波数位相制御とともにデジタル３次（無定位）ＰＬＬによって実施される。ＰＬＬの制御周波数は、たとえば、１５０〜２５０Ｈｚの範囲内で選択される。位相検波器（ＰＤ）２０５は、次式に従って誤差信号Ｚｄｊ２０７を出力する。
Ｚｄｊ＝ａｔａｎ（Ｑｊ／Ｉｊ）
雑音余裕度を高めるために、いくつかのステップを行うことができる。たとえば、受信したバイナリ・シンボル



の符号を、評価し、除去することができる。したがって、次式を計算する。



この後、ＰＬＬの帯域幅と同じ帯域幅を有するフィルタで、成分



をフィルタ処理することができる。フィルタ処理の結果は



である。次いで、式



を使用して誤差信号２０７を計算する。]
[0053] 誤差信号２０７は、無定位次数とＰＬＬ帯域幅とを決定するループ・フィルタを通る。一実施形態では、ループ・フィルタは、アキュムレータΣｇ２０８およびΣｆ２０９をもつ２つの積分回路を含む。ループ・フィルタは、伝達関数αをもつ比例回路２１０をも含む。ＰＬＬ帯域幅は、たとえば、２０〜２５Ｈｚの範囲内の値を有する。]
[0054] ループ・フィルタの積分回路の出力は、ＮＣＯ２１２の周波数を制御する。アキュムレータ・ブロック２１４およびデジタル移相器２１５を使用して、比例回路２１０の出力はＮＣＯ２１２の出力位相に位相シフトを追加し、基準信号が直交成分の前者に発生する。]
[0055] 案内ＰＬＬのＮＣＯ２１２に適用される周波数は、計算されたドップラー周波数シフトＺｓｊ１．．．Ｚｓ４（衛星移動）とループ・フィルタからの周波数シフトとの合計として生成される。後者のシフトは、基準不安定性によって生じるシフトとドップラー・シフト（受信機移動）との合計である。]
[0056] 第１のスイッチ２１８および第２のスイッチ２２０は、一度に５ｍｓ間（すなわち、５ｍｓの周期）、閉じている。スイッチ２１８、２２０が閉じているとき、周波数制御信号が被案内チャネルに適用される。]
[0057] 図３は、図１に示すｋ番目の被案内チャネル１１２のうちの１つのより詳細なブロック図である。一実施形態では、被案内チャネルは２つの主要な構成要素を含む。第１の構成要素は主回路３１０である。第２の構成要素はターゲット指示ブロック３１５である。] 図１ 図３
[0058] 上述のように、位相検波器２０５は信号Ｚｄｋ２０７をループ・フィルタに出力する。被案内チャネルの２次ループ・フィルタは、伝達関数αをもつ比例回路３２０と、アキュムレータΣｆ３２５をもつ積分回路とからなる。次いで、予測信号Ｚｓｋ３２７が、ｋ番目の衛星の移動によって生じる周波数変化を補償するためにループに送信され、ターゲット指示ブロック３１５から案内信号ｆｋが送信される。ＰＬＬは、被案内チャネルのＮＣＯ３３０によって閉じられる。]
[0059] ＮＣＯ３３０の周波数制御が使用される場合、各案内ＰＬＬからの共通周波数制御信号３３５が被案内チャネル中の行列Ｇ３３７に供給される。（図２のＮＣＯ２１２に示すように）ＮＣＯ３３０の別個の周波数位相制御が使用される場合、各案内ＰＬＬからの等価な周波数制御信号が行列Ｇ３３７に供給される。等価な周波数制御信号は、積分回路の共通出力からの実際の周波数制御信号と、比例回路によって生成された（サイクルＴｃを制御することによって分割された）ＮＣＯ位相のシフトとの合計である。同じ信号は、ＤＬＬを制御することに使用される。] 図２
[0060] ターゲット指示ブロック３１５は、各案内衛星から（ｊ番目の衛星から）制御コードｆｊＮＣＯ３３５を受信する。対応する案内衛星の周波数変化の予測が、この制御コード３３５から減算される。得られた差は、ＬＳＭ（行列Ｇ）３３７で処理され、次いで、被案内チャネル（行列Ｈ）３４０の衛星方向に投射される。したがって、被案内チャネルについて（各ｋ番目のチャネルについて）案内信号ｆｋが形成される。]
[0061] 図４は、オープン・チャネルの一実施形態のより詳細なブロック図である。ある瞬間にループを開くコマンドは、チャネル・インジケータから送信される。次の周期ＴＮの開始から、このチャネルのＮＣＯ４０５は、ｒ番目の衛星の移動予測の信号と協働追跡システムからの信号とによって制御される。] 図４
[0062] ｒ番目の衛星の加速度の予測４１０はアキュムレータΣｆ４１５に送信され、アキュムレータ４１５は現在の周波数増分を出力する。この値は、開く瞬間に同じ衛星の予測された周波数４２０に追加される。次いで、行列Ｈ（たとえば、図３の行列Ｈ３４０）のｒ番目のチャネルの出力からの（ＴＮの周期の）周波数推定値４２５が、加算ブロック４３０に送信される。得られた周波数は、衛星信号の遮蔽中にＮＣＯ４０５を制御する。ＮＣＯ４０５の出力４３５を使用して、チャネル・インジケータに送信される直交成分Ｉｒ、Ｑｒを生成する。] 図３
[0063] 衛星信号がもはや（たとえば、群葉によって）遮蔽されなくなると、チャネル・インジケータは信号のステータスを「被案内」ステータスに変更するコマンドを出力する。ＮＣＯ位相は、さらに（以下でより詳細に説明するように）協働追跡システムからの信号４４０によって補正される。]
[0064] 一実施形態では、衛星信号が、たとえば、１０〜２０ｓより長い間失われた場合、オープン・チャネルは探索チャネルに変更される。]
[0065] 図５は、協働追跡システム５００の一実施形態のブロック図である。案内チャネルおよび被案内チャネルの完全位相φｊ、φｋは、協働追跡システム５００に入力される。] 図５
[0066] オープン・チャネルのためのターゲット指示



５０５は、これらのオープン・チャネルの完全位相から生成される。衛星が遮蔽されたとき、ターゲット指示



５０５を使用して、ＮＣＯ位相を予測し、補正する。スイッチ５１０ａ、５１０ｂが閉じているとき、このことが行われる。]
[0067] 一実施形態では、協働追跡システム５００は、（案内衛星および被案内衛星の数に従う）（Ｊ＋Ｋ個の）狭帯域の個々のループと、（たとえば、座標ｘ、ｙ、ｚ、ｃτに従う）複数（たとえば、４個）の比例共通ループとを含む。]
[0068] 共通ループ（より正確には、それらの行列Ｇ５１５およびＨ５２０）は、受信した衛星信号を使用して、完全位相φｉの組から、すべての衛星のためのターゲット指示



（たとえば、信号５２５）を生成する。これらのターゲット指示は、受信機の移動および水晶変動によって生じた（ＬＳＭで得られた）完全位相増分の推定値に等しい。]
[0069] 各個々のループは、大気変動、エフェメリス誤差および搭載基準の不安定性によって生じる影響のレート推定値ｘｊ５３０を生成する。この推定値を使用して、（オープン・チャネルにおける）衛星の遮蔽時の完全位相



５３５を予測する。遮蔽中に、完全位相



５３５は、受信機の座標を決定するために使用できる情報をナビゲータ５４０に提供することができる。]
[0070] 個々のループの最適パラメータは周期ＴＮに依存する。たとえば、ＴＮ＝１ｓでは、最適パラメータは、α＝０．５１、β＝０．０９、Δｆ３＝０．１７Ｈｚとすることができる。ＴＮ＝０．１ｓでは、最適パラメータは、α＝０．５１、β＝０．００９、Δｆ３＝１．３２Ｈｚとすることができる。ＴＮ＝０．０２ｓでは、最適パラメータは、α＝０．１６、β＝１０−３、Δｆ３＝２Ｈｚとすることができる。]
[0071] 協働追跡システム５００での計算のシーケンスは次の通り行われ、ただし、上付き文字ＳＶは、値が衛星移動予測の計算で得られることを意味する。
ｉは周期ＴＮ（元期）の数であり、
ｊは衛星チャネルの数である。
１）完全位相予測の計算。



ただし、



は、前の元期、すなわち（ｉ−１）番目の完全位相の最終推定値であり、
χｉ−１は、アキュムレータΣｆ中の値であり、



は、衛星の移動によって生じる（ｉ−１）番目およびｉ番目の元期からの時間の完全位相増分の予測である。
２）観測された完全位相



とその予測



との間の差の計算。



３）能動（案内および被案内）衛星のみについてＬＳＭ処理の差



を使用した、すべてのチャネルについてのターゲット指示



の計算。これを行うために、以下のステップを実行する。
ａ）（次元Ｊ＋Ｋをもつ）能動衛星について、差



のベクトルを編集する。
ｂ）ユニットカラムを追加して、これらの衛星について方向余弦の行列Ｈ１を編集する。
ｃ）能動衛星について重み係数Ｗのベクトルを編集する。
ｄ）これらの衛星について行列Ｇ＝（Ｈ１ＴＷＨ）−１を計算する。
ｅ）行列Ｇに差のベクトルを乗算し、それによって幾何学座標Δｘ、Δｙ、Δｚおよび時間ｃΔτの偏差の４成分ベクトルを得る。
ｆ）すべての衛星（案内チャネル、被案内チャネル、オープン・チャネル）を使用して、別の行列Ｈ１を生成する。
ｇ）この行列Ｈ１に幾何学座標および時間の偏差の４成分ベクトルを乗算し、それによって、すべての衛星のためのターゲット指示を得る。
４）案内チャネルおよび被案内チャネルについての残差の計算。



５）状態ベクトルの補正。
ｘｉ＝ｘｉ−１＋βδｉ



６）オープン・チャネルＮＣＯの補正位相の計算。



すべてのこれらの計算は、周期ＴＮで生成される。値



は、衛星遮蔽の瞬間に決定され、遮蔽の時間中、その値は変化しない。]
[0072] 前述の発明を実施するための形態は、あらゆる点で例示的および代表的であるが、限定的ではないとして理解されるものであり、本明細書で開示された本発明の範囲は、特許法によって許可される最大限の幅に従って解釈されるものとして、発明を実施するための形態からではなくむしろ特許請求の範囲から決定されるものである。本明細書で図示および説明した実施形態は本発明の原理を例示するものにすぎず、本発明の範囲および趣旨から逸脱することなく様々な変更が当業者によって実施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趣旨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。]

权利要求:

請求項1
受信機座標を決定するために複数のナビゲーション衛星から受信した搬送波信号を処理するように構成された適応受信機であって、受信搬送波信号の完全位相を評価するように構成された協働追跡システムと、案内ステータスと、被案内ステータスと、オープン・ステータスと、探索ステータスとを備える、複数のステータスのうちの１つを示すステータス・コマンドを生成するように構成された複数のチャネル・インジケータと、前記案内ステータスで動作するように構成された適応チャネルが、第１のしきい値を上回る信号対雑音比（ＳＮＲ）を有する受信搬送波信号の位相を追跡する自律広帯域位相ロック・ループ（ＰＬＬ）を備え、前記チャネルが、変動する搬送周波数のターゲット指示用の制御コードを生成するようにさらに構成され、前記被案内ステータスで動作するように構成された適応チャネルが、第２のしきい値を上回り、前記第１のしきい値を下回るＳＮＲを有する受信搬送波信号の位相を追跡する狭帯域ＰＬＬを備え、前記チャネルが、前記ターゲット指示と、ナビゲーション衛星の移動によって生じる周波数変化の予測とを使用するようにさらに構成され、前記オープン・ステータスで動作するように構成された適応チャネルが、スタンバイ・モードのオープンＰＬＬを備え、衛星移動によって生じる周波数変化の予測と前記協働追跡システムからのターゲット指示とを使用して、衛星遮蔽中に完全位相を外挿し、前記衛星遮蔽が終わったとき、ロッキングの準備をするように構成され、前記探索ステータスで動作するように構成された適応チャネルが、搬送波信号を探索し、ロックするように構成されるように、それぞれ前記ステータス・コマンドに応答して構成可能な複数の適応チャネルとを備える適応受信機。
請求項2
前記チャネル・インジケータが、適応チャネルの信号品質を推定するように構成された、請求項１に記載の適応受信機。
請求項3
前記チャネル・インジケータが、周期ＴＮで周期的に適応チャネルの前記信号品質を推定するように構成された、請求項２に記載の適応受信機。
請求項4
前記周期ＴＮが、０．１〜１０ｓの範囲から選択される、請求項３に記載の適応受信機。
請求項5
前記チャネル・インジケータの各々が信号対雑音比を決定し、ＳＡ＝［（Ｉ０）２＋（Ｑ０）２］に基づいてエネルギー品質信号ＳＡを発生し、Ｉ０およびＱ０が、前記ＰＬＬ帯域幅に対してほぼ逆の時間を求める摺動平均法によって平滑化された入力信号の直交成分である、請求項２に記載の適応受信機。
請求項6
インジケータは、前記エネルギー品質信号が前記第１のしきい値を超える場合、案内ステータス・コマンドを出力し、前記エネルギー品質信号が前記第２のしきい値を超えるが、前記第１のしきい値よりも小さい場合、被案内ステータス・コマンドを出力し、前記エネルギー品質信号が前記第２のしきい値よりも小さい場合、オープン・ステータス・コマンドを出力し、適応チャネルにオープン・ステータスが所定の時間より長い間割り当てられた場合、探索ステータス・コマンドを出力する、請求項５に記載の適応受信機。
請求項7
前記第１のしきい値が約４０〜４５ｄＢ／Ｈｚの間隔内にあり、前記第２のしきい値が約２０〜２５ｄＢ／Ｈｚの間隔内にある、請求項６に記載の適応受信機。
請求項8
チャネル・インジケータが、前記エネルギー品質信号ＳＡを発生するエネルギー・インジケータと、ＳＰ＝Σａｂｓ（Ｑ０／Ｉ０）に従って位相品質信号Ｓｐを発生する位相インジケータとを備え、前記エネルギー・インジケータがエネルギー品質信号ＳＡを発生する、請求項２に記載の適応受信機。
請求項9
前記位相品質信号ＳＰが、０．２〜０．５ｒａｄにほぼ等しいしきい値を上回る場合、ＰＬＬがオープン・ステータスになる、請求項８に記載の適応受信機。
請求項10
変動する搬送周波数のターゲット指示のための前記制御コードが、前記自律広帯域ＰＬＬの周波数レジスタから得られる、請求項１に記載の適応受信機。
請求項11
前記制御コードが、最小二乗法で処理され、前記狭帯域ＰＬＬのためのターゲット指示を形成するために衛星方向に投射される、請求項１０に記載の適応受信機。
請求項12
前記協働追跡システムが、いくつかの案内チャネルと被案内チャネルとによる狭帯域の個々のループと、座標ｘ、ｙ、ｚ、ｃτによる４つの比例共通ループとを備える、請求項１に記載の適応受信機。
請求項13
前記広帯域ＰＬＬと前記狭帯域ＰＬＬとから測定された完全位相のベクトルが、前記共通ループの入力に送信され、完全位相の最適な推定値とチャネルごとの位相増分のターゲット指示とを出力するために処理される、請求項１２に記載の適応受信機。
請求項14
前記推定値と前記ターゲット指示とが、信号がある期間遮蔽されるオープン・チャネルにおいて使用される、請求項１３に記載の適応受信機。
請求項15
前記協働追跡システムが、周期ＴＮで、１）完全位相予測を、で計算するステップと、ただし、は、前の元期、すなわち（ｉ−１）番目の完全位相の最終推定値であり、χｉ−１は、アキュムレータΣｆでの値であり、は、衛星移動によって生じる（ｉ−１）番目およびｉ番目の元期からの時間の完全位相増分の予測であり、２）前記観測された完全位相とその予測との間の差を、で計算するステップと、３）広帯域ＰＬＬと狭帯域ＰＬＬとを備えるチャネルのみについて前記ＬＳＭ処理差を使用して前記チャネルのためのターゲット指示を計算するステップと、ただし、このステップを実行するために、前記協働追跡システムが、ａ）次元Ｊ＋Ｋをもつ能動衛星について、差のベクトルを編集するステップと、ｂ）ユニットカラムを追加して、前記能動衛星について方向余弦の行列Ｈ１を編集するステップと、ｃ）能動衛星Ｗについて重み係数のベクトルを編集するステップと、ｄ）前記能動衛星Ｗについて行列Ｇ＝（Ｈ１ＴＷＨ）−１を計算するステップと、ｅ）幾何学座標Δｘ、Δｙ、Δｚおよび時間ｃΔτの偏差の４成分ベクトルを得るために、前記行列Ｇと前記差のベクトルを乗算するステップと、ｆ）広帯域ＰＬＬと狭帯域のＰＬＬとオープンＰＬＬとを備えるチャネルに関連する搬送波信号を送信する衛星を使用して、別の行列Ｈ１を生成するステップと、ｈ）すべての前記衛星のためのターゲット指示を得るために、この行列Ｈ１に幾何学座標および時間の偏差の４成分ベクトルを乗算するステップとを実行し、４）広帯域ＰＬＬと狭帯域ＰＬＬとを備えるチャネルについて、で、残差を計算するステップと、５）状態ベクトルを、ｘｉ＝ｘｉ−１＋βδｉで補正するステップと、６）オープンＰＬＬを有する適応チャネルのＮＣＯの補正位相を、で計算するステップとを実行するように構成された、請求項１４に記載の適応受信機。
請求項16
オープン・ステータスを有する前記適応チャネルが、前記遮蔽が終わったとき、被案内チャネル中のターゲット指示ブロックからの周波数ターゲット指示と、前記協働追跡システムからの位相補正とを受信するようにさらに構成された、請求項１に記載の適応受信機。
請求項17
各周期ＴＮで、ナビゲータが、座標を計算するために、案内チャネルと被案内チャネルとからの完全位相、ならびに前記協働追跡システムからのオープン・チャネルの完全位相推定値を使用する、請求項１に記載の適応受信機。
請求項18
受信機座標を決定するために複数の適応チャネルを使用して複数のナビゲーション衛星から受信した搬送波信号を処理するための方法であって、協働追跡システムによって受信搬送波信号の完全位相を評価することと、案内ステータスと、被案内ステータスと、オープン・ステータスと、探索ステータスとを備える、複数のステータスのうちの１つを示すステータス・コマンドを、複数のチャネル・インジケータによって生成することと、案内ステータス・コマンドに応答して、自律広帯域位相ロック・ループ（ＰＬＬ）が、第１のしきい値を上回る信号対雑音比（ＳＮＲ）を有する受信搬送波信号の位相を追跡する案内ステータスで動作するように適応チャネルを構成することであって、前記チャネルが、変動する搬送周波数のターゲット指示のための制御コードを生成するようにさらに構成された、構成することと、被案内ステータス・コマンドに応答して、狭帯域ＰＬＬが、第２のしきい値を上回り、前記第１のしきい値を下回るＳＮＲを有する信号を追跡し、前記ターゲット指示と、ナビゲーション衛星の移動によって生じる周波数変化の予測とを使用する、被案内ステータスで動作するように適応チャネルを構成することと、オープン・ステータス・コマンドに応答して、ＰＬＬが開き、完全位相が外挿され、衛星移動によって生じる周波数変化の予測と、前記協働追跡システムからのターゲット指示とを使用して、衛星遮蔽が終わったとき、再ロッキングを実施する準備がなされる、スタンバイ・モードで動作するように適応チャネルを構成することと、探索ステータスに応答して、搬送波信号をさらに探索し、ロックすることを保証する探索ステータスで動作するように適応チャネルを構成することとを含む方法。
請求項19
前記複数のチャネル・インジケータを使用して適応チャネルの信号品質を推定することをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
請求項20
前記推定することが、ＳＡ＝［（Ｉ０）２＋（Ｑ０）２］に基づいてエネルギー品質信号ＳＡを発生することをさらに含み、Ｉ０およびＱ０が、前記ＰＬＬ帯域幅に対してほぼ逆の時間を求める摺動平均法によって平滑化された入力信号の直交成分である、請求項１９に記載の方法。
請求項21
チャネル・インジケータは、前記エネルギー品質信号が前記第１のしきい値を超える場合、案内ステータス・コマンドを出力し、前記エネルギー品質信号が前記第２のしきい値を超えるが、前記第１のしきい値よりも小さい場合、被案内ステータス・コマンドを出力し、前記エネルギー品質信号が前記第２のしきい値よりも小さい場合、オープン・ステータス・コマンドを出力し、適応チャネルにオープン・ステータスが所定の時間より長い間割り当てられた場合、探索ステータス・コマンドを出力する、請求項２０に記載の方法。
請求項22
狭帯域ＰＬＬを備える前記適応チャネルのターゲット指示ブロックからの周波数ターゲット指示と、前記協働追跡システムからの位相補正とを、オープンＰＬＬを備える適応チャネルによって受信することをさらに含む、請求項１８に記載の方法。