JP5566599B2 - Navigation system having a device for detecting inaccuracy - Google Patents
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Description
本発明は、精度不良を検出する装置を備えるナビゲーションシステムに関する。
[関連出願の相互参照]
本出願は、2007年12月7日に出願された「RAIM WITH SPATIALLY CORRELATED IONOSPHERIC ERRORS」と題する米国仮特許出願第61/012,303号からの優先権を主張し、当該仮特許出願は、本明細書において、その全体が述べられるものとして、参照により組み込まれる。
The present invention relates to a navigation system provided with a device for detecting an inaccuracy.
[Cross-reference of related applications]
This application claims priority from US Provisional Patent Application No. 61 / 012,303, filed December 7, 2007, entitled “RAIM WITH SPATIALLY CORRELATED IONOSPHERIC ERRORS”. In the specification, it is incorporated by reference as if set forth in its entirety.
従来のRAIMアルゴリズムは、重み付けされる最小二乗解か、又は重み付けされない最小二乗解のいずれかに基づくことができ、その場合に、各衛星の擬似距離(pseudo-range)測定値の誤差は、他の衛星の擬似距離測定値の誤差とは無相関である。 The conventional RAIM algorithm can be based on either a weighted least squares solution or an unweighted least squares solution, in which case the error of each satellite's pseudo-range measurement is another There is no correlation with the error of the satellite pseudorange measurement.
しかしながら、各衛星の擬似距離内の電離層誤差(それは、支配的な誤差源である可能性が高い)は、実際には、他の衛星のそれぞれの電離層誤差と大きく相関する。この相関を無視することによって、水平方向の位置誤差を制限する水平保護限界(HPL)の計算値は、必要とされる値よりもはるかに大きくなる。結果として、低い航法性能要件(Required Navigation Performance、RNP)の手法をGPSが利用できなくなるという問題が生じる。 However, the ionospheric error within the pseudorange of each satellite (which is likely to be the dominant error source) is actually highly correlated with the respective ionospheric errors of other satellites. By ignoring this correlation, the calculated value of the horizontal protection limit (HPL) that limits the horizontal position error is much larger than the required value. As a result, there arises a problem that the GPS cannot be used in the method of Low Navigation Performance Requirements (RNP).
本発明は、上述の問題を解決することを目的とする。 The present invention aims to solve the above-mentioned problems.
本発明の一実施の形態では、複数の送信機からの複数の信号を受信するように動作することができる受信機を有する、車両のためのナビゲーションシステムが、プロセッサ及びメモリデバイスを備える。このメモリデバイスは、機械読取り可能命令を格納しており、この命令は、プロセッサによって実行されると、プロセッサが、複数の信号から導出される擬似距離測定値に対応する1組の誤差推定値を求めること、電離層遅延データを用いて、主航行解のための誤差共分散行列を求めること、及びパリティ空間技法を用いて、誤差共分散行列に基づいて、少なくとも1つの保護レベル値を求めることを可能にする。 In one embodiment of the present invention, a navigation system for a vehicle having a receiver that is operable to receive a plurality of signals from a plurality of transmitters comprises a processor and a memory device. The memory device stores machine-readable instructions that, when executed by a processor, cause the processor to generate a set of error estimates corresponding to pseudorange measurements derived from a plurality of signals. Determining an error covariance matrix for the main navigation solution using ionospheric delay data and determining at least one protection level value based on the error covariance matrix using a parity space technique. to enable.
本発明の好ましい実施形態及び代替的な実施形態が、以下の図面を参照しながら、以下に詳細に説明される。 Preferred and alternative embodiments of the present invention are described in detail below with reference to the following drawings.
図1は、本発明の一実施形態の教示を組み込む無線ナビゲーションシステムを示す。このシステムは、いくつかの送信機1〜Nと、ユーザセット12とを含む。好ましい実施形態では、送信機1〜Nは、衛星送信機のNAVSTAR GPSコンステレーションのサブセットであり、各送信機がユーザセット12のアンテナから視認可能である。送信機1〜Nは、ユーザセット12に対して個々の送信機位置及び信号伝送時刻を指示するN個の個々の信号を報知(broadcast)する。
FIG. 1 illustrates a wireless navigation system incorporating the teachings of one embodiment of the present invention. This system includes several transmitters 1 -N and a user set 12. In the preferred embodiment, transmitters 1 -N are a subset of the satellite transmitter's NAVSTAR GPS constellation, with each transmitter visible from the antenna of user set 12. The
ユーザセット12は、航空機(図示せず)に取り付けられ、受信機14と、プロセッサ16と、プロセッサメモリ18のようなメモリデバイスとを備える。受信機14は、NAVSTAR GPS互換であることが好ましく、信号を受信し、位置及び時刻データを抽出し、プロセッサ16に擬似距離測定値を与える。擬似距離測定値から、プロセッサ16は、ユーザセット12のための位置解を導出する。衛星は、1984年の世界測地系(WGS−84)座標、デカルト地球中心地球固定座標系において、自身の位置を送信するが、好ましい実施形態は、北東座標面と水平であり、且つ地球に対して接している局所基準系Lにおいて位置解を求める。しかしながら、座標系間で座標を変換する方法は十分に理解されているため、この座標系選択は重要ではない。
User set 12 is attached to an aircraft (not shown) and includes a
プロセッサ16はまた、擬似距離測定値を用いて、衛星送信機故障を検出すると共に、最悪誤差、すなわち保護限界を決定する。それらはいずれも、プロセッサ16によって、位置解と共に飛行管理システム20に出力される。飛行管理システム20は、保護限界と、特定の航空機飛行段階に対応する警報限界とを比較する。たとえば、非精密進入のような着陸前飛行段階中に、警報限界(又は許容半径誤差)は0.3海里であるが、負担の少ない大洋飛行段階中、警報限界は2海里〜10海里である(これらの限界に関するさらなる詳細については、参照により本明細書に援用される、RTCA発行のDO−208を参照されたい)。保護限界が警報限界を超える場合には、飛行管理システム、又はその均等物が、航空機のコックピット内の航行用ディスプレイにインテグリティ不良を告知又は通知する。プロセッサはまた、何らかの衛星送信機故障を検出したか否かも通知する。
The
本発明の一実施形態は、各衛星対間の電離層誤差の相関を、それらの電離層ピアースポイント(pierce point)間の距離の関数としてモデル化する。ピアースポイントが近いほど、相関が大きくなる。各衛星の擬似距離測定値の二乗平均(RMS)不確定性(又はσ)が、DO−229D、Appendix Jに定義される電離層分散モデルを用いて計算される。衛星毎に計算された相関係数及びσを用いて、電離層測定誤差共分散行列が形成される。残りの誤差(衛星クロック及び天体暦、対流圏、マルチパス及び受信機の雑音)は、相関がないものと仮定される。したがって、これらの誤差源の場合の合成される測定誤差共分散行列は対角行列である。これらの2つの行列を加えて、全測定誤差共分散行列が形成される。この行列はその後、最小二乗解を求めるための重み行列を形成するために反転される。その後、障害検出及び除外を実行することができ、米国特許第5,760,737号及び第6,639,549号においてすでに記載されている解分離のモデルに基づいて、水平保護レベル(HPL)、垂直保護レベル(VPL)、水平除外レベル(HEL)及び垂直除外レベル(VEL)のような種々の保護レベルを計算することができ、これらの特許文献は、本明細書において、その全体が述べられるかのように、参照により援用される。 One embodiment of the present invention models the correlation of ionospheric errors between each satellite pair as a function of the distance between their ionospheric pierce points. The closer the Pierce point, the greater the correlation. The root mean square (RMS) uncertainty (or σ) of each satellite's pseudorange measurements is calculated using the ionospheric dispersion model defined in DO-229D, Appendix J. An ionospheric measurement error covariance matrix is formed using the correlation coefficient and σ calculated for each satellite. The remaining errors (satellite clock and ephemeris, troposphere, multipath and receiver noise) are assumed to be uncorrelated. Therefore, the combined measurement error covariance matrix for these error sources is a diagonal matrix. These two matrices are added to form the total measurement error covariance matrix. This matrix is then inverted to form a weight matrix for finding the least squares solution. Fault detection and exclusion can then be performed and the horizontal protection level (HPL) based on the solution separation model already described in US Pat. Nos. 5,760,737 and 6,639,549. Various protection levels can be calculated, such as vertical protection level (VPL), horizontal exclusion level (HEL) and vertical exclusion level (VEL), which are described herein in their entirety. As if incorporated by reference.
図2は、図1に示される無線ナビゲーションシステムにおいて実施することができる、本発明の一実施形態による過程200を示す。その過程200は、個別のブロックとして示される1組の演算又はステップとして示される。その過程200は、任意の適切なハードウエア、ソフトウエア、ファームウエア、又はそれらの組み合わせで実施することができる。したがって、過程200は、通信媒体を介して、1つの電子デバイスから第2の電子デバイスに転送することができるコンピュータ実行可能命令において実施することができる。その演算が説明される順序は、必ずしも制限として解釈されるべきではない。
FIG. 2 shows a
図2を参照すると、ステップ210では、プロセッサ16は、擬似距離及び測定値に関するσ(誤差)値を計算する。
ステップ220では、プロセッサ16は測定値行列を求める。擬似距離残差Δρの真のベクトルは、以下のように、増分位置/時間解ベクトルΔx(位置線形化点からの距離)に関連する。
Referring to FIG. 2, in
In
式中、Hは測定値行列であり、以下の式によって与えられる。 In the equation, H is a measurement value matrix and is given by the following equation.
ただし、以下のベクトルは、ユーザから衛星iを指している見通し単位ベクトルである。 However, the following vectors are line-of-sight vectors pointing from the user to satellite i.
また、以下の式は、真の位置/クロックバイアス−線形化点に等しい。 Also, the following equation is equal to true position / clock bias-linearization point.
ステップ230では、プロセッサ16は、誤差共分散行列を計算する。測定された擬似距離残差のベクトル
In
は、真の擬似距離残差ベクトル+残留誤差のベクトルδρであり、それゆえ、以下のようになる。 Is the true pseudorange residual vector + residual error vector δρ, and therefore:
プロセッサ16は、Δxの更新後推定値を
The
と指定する。その際、プロセッサ16は、更新後測定残差のベクトルを以下のように定義することができる。
Is specified. In this case, the
各更新後測定残差は,測定された擬似距離残差と、更新後推定値 Each updated measurement residual is the measured pseudorange residual and the updated estimate
に基づいて予測される擬似距離残差との間の差である。
「重み付けされた最小二乗解」は、二乗された残差の重み付けされた和を最小にする
Is the difference between the pseudorange residual predicted based on
"Weighted least squares solution" minimizes the weighted sum of the squared residuals
の値を見つけることによって、プロセッサ16によって求められることができる。したがって、プロセッサ16は、以下の式を最小にすることができる。
Can be determined by the
式中、Wは適切な重み行列である。一般的に選択される重み行列は、各擬似距離測定値の不確定性に基づいて残差を正規化する行列である。したがって、プロセッサ16は、無相関測定値を仮定して、以下の行列を生成する。
Where W is an appropriate weight matrix. The generally selected weight matrix is a matrix that normalizes the residual based on the uncertainty of each pseudorange measurement. Therefore,
これは、各擬似距離誤差が他と相関がないものと仮定して、擬似距離測定誤差共分散行列の逆行列を表す。
しかしながら、各擬似距離誤差の垂直電離層遅延成分は、他と大きく相関する。この相関がわかる場合には、プロセッサ16は、真の擬似距離測定誤差共分散行列Rを用いることによって、その知識を利用することができる。その際、重み行列は以下のようになる。
This represents the inverse of the pseudorange measurement error covariance matrix, assuming that each pseudorange error is uncorrelated with the others.
However, the vertical ionospheric delay component of each pseudorange error is highly correlated with others. If this correlation is known, the
(4)を最小にする Minimize (4)
の値は、導関数をとり、それが0に等しいものとして、 The value of takes a derivative and it is equal to 0,
について解くことによって求められる。これによって、以下の式が生成される。 It is calculated by solving. As a result, the following expression is generated.
ただし、プロセッサ16は、重み付けされた最小二乗解行列Sを以下のように定義している。
However, the
高度補助
GPS擬似距離測定値を拡大するために、プロセッサ16は気圧高度を用いることができる。気圧高度が用いられる場合には、測定値行列は、以下のように拡大される。
To augment the altitude assisted GPS pseudorange measurement, the
この測定値行列は、Δx内の増分位置ベクトル(最初の3要素)が局所レベル座標において(z軸で下方に)与えられるものと仮定する。その際、見通し(line-of-sight、LOS)要素も、局所レベル座標内で表されなければならない。重み行列も以下のように拡大される。 This measurement matrix assumes that the incremental position vector (first three elements) in Δx is given in local level coordinates (down on the z axis). In so doing, line-of-sight (LOS) elements must also be represented in local level coordinates. The weight matrix is also expanded as follows.
測定値共分散行列を計算する
測定誤差共分散行列を求めるために、多数の方法を用いることができる。カルマンフィルタを適用する場合、電離層遅延の時間的な挙動(時間相関)をモデル化することができる。衛星iのための空間的に相関がある電離層誤差は、以下のように、その衛星のための名目的なイオノ(iono)σ値によってスケーリングされる、3つの独立して正規化された(σ=1.0)ガウスランダム誤差の重み付けされた和としてモデル化することができる。
Compute the Measurement Covariance Matrix Many methods can be used to determine the measurement error covariance matrix. When applying the Kalman filter, the temporal behavior (time correlation) of the ionospheric delay can be modeled. The spatially correlated ionospheric error for satellite i is scaled by the nominal iono σ value for that satellite as follows: = 1.0) can be modeled as a weighted sum of Gaussian random errors.
式中、xrefは、平均が0で、分散が1の独立ガウスランダム誤差の3×1ベクトルである。重みベクトル Where x ref is a 3 × 1 vector of independent Gaussian random errors with an average of 0 and a variance of 1. Weight vector
は、ユーザから1500kmの大圏距離において方位方向に等間隔に配置される、電離層の薄殻モデル(350kmの高さにある)上の3つの格子点を最初に定義することによって、プロセッサ16によって求められる。その後、プロセッサ16は、これらの点において、正規化された遅延の3×1ベクトルxgridを定義することができる。格子点i及びjにおける遅延は、以下の式に従って、それらの間の大圏距離に基づいて、互いに空間的に相関をなすことができる。
Is defined by the
式中、
dgrid_i,grid_j=格子点iと格子点jとの間の大圏距離
diono=電離層遅延の相関距離=4000km (13)
である。
Where
d grid_i, grid_j = Greater circle distance between grid point i and grid point j d iono = correlation distance of ionospheric delay = 4000 km (13)
It is.
その関係を用いて、プロセッサ16は、各格子点間の相関を記述する3×3共分散行列Pgridを形成することができる。
Using that relationship, the
これらの格子点において存在する遅延過程が、基準独立ガウスランダム誤差の或る線形結合である場合には、それらの過程は、所望の空間的相関及び時間的相関を有する。プロセッサ16は、所望の線形結合が、以下のように、3×3上三角マッピング行列Ugridを用いることによって得られるものと仮定することができる。
If the delay processes present at these grid points are some linear combination of reference independent Gaussian random errors, they have the desired spatial and temporal correlation. The
その際、グリッド共分散行列は以下のとおりである。 At that time, the grid covariance matrix is as follows.
それゆえ、マッピング行列Ugridは、単に共分散行列Pgridを因数分解することによって、プロセッサ16によって形成されることができる。3つの格子点の幾何学的配置は固定されているため、共分散行列Pgridは一定であり、それゆえ、プロセッサ16によって予め計算されることができる。ここで、プロセッサ16は、3つの格子点遅延の線形結合を選択することができ、その線形結合は衛星iのピアースポイントにおける正規化された遅延を生成し、3つの格子点(それゆえ、おそらく、他の衛星それぞれ)との適切な空間的相関が以下のように達成されるようになる。
Therefore, the mapping matrix U grid can be formed by the
式中、
ksat_i_grid=重み係数の3ベクトル
δρnorm_iono_i=衛星ピアースポイントにおける正規化された遅延
である。
Where
k sat — i — grid = 3 vector of weighting factors δρ norm — ion — i = normalized delay at the satellite Pierce point.
衛星擬似距離遅延は、以下の式に従って、第kの格子点における遅延と相関をなすことができる。 The satellite pseudorange delay can be correlated with the delay at the kth lattice point according to the following equation:
式中、
dsat_i,grid_k=衛星ピアースポイントと格子点との間の大圏距離
diono=名目的な電離層遅延の相関距離 (18)
である。
Where
d sat — i, grid — k = greater circle distance between satellite pierce points and grid points d iono = correlation distance of nominal ionospheric delay (18)
It is.
1×3共分散行列Psat_i_gridは、衛星iと各格子点との間の相関を定義し、以下のようになる。 The 1 × 3 covariance matrix P sat_i_grid defines the correlation between the satellite i and each lattice point, and is as follows.
それゆえ、重みベクトルksat_gridは、以下のように、プロセッサ16によって見つけられることができる。
Therefore, the weight vector k sat_grid can be found by the
(14)及び(16)を組み合わせて、プロセッサ16は、以下のように、3つの独立基準遅延から直接、正規化された垂直遅延を得ることができる。
Combining (14) and (16), the
それゆえ、重みベクトルは以下のとおりである。 Therefore, the weight vector is:
プロセッサ16は、以下のように、(21)から、N個の正規化された擬似距離イオノ遅延のベクトルを形成することができる。
The
ピアースポイントの地磁気緯度、及びDO−229において定義されるような傾斜係数に基づいて、正規化された遅延を、その衛星のためのσ値によってスケーリングすることによって、プロセッサ16は、見通し線に沿った実際の(正規化されていない)遅延を得ることができる。ベクトルの形では、プロセッサ16は、以下の式を生成する。
By scaling the normalized delay by the σ value for that satellite based on the geomagnetic latitude of the Pierce point and the slope factor as defined in DO-229, the
電離層遅延誤差共分散行列は、以下のように定義することができる。 The ionospheric delay error covariance matrix can be defined as follows:
擬似距離測定誤差の残りは、衛星iのためのσother_iによって表される合成1σ値と相関がないものと仮定される。簡単にするために、プロセッサ16は、衛星毎の1σ値が一定の6メートルであると仮定することができる。その際、全測定誤差共分散行列は以下のとおりである。
The remainder of the pseudorange measurement error is assumed to be uncorrelated with the combined 1σ value represented by σother_i for satellite i. For simplicity, the
スナップショットRAIM手法では、衛星間の相関は、格子を使用することなく直接計算される。衛星間の相関を直接計算することは、格子を使用する場合よりも簡単であり、且つわずかにより正確であることもある。 In the snapshot RAIM approach, the correlation between satellites is calculated directly without using a grid. Directly calculating the correlation between satellites is simpler than using a grid and may be slightly more accurate.
具体的には、電離層誤差共分散は、電離層殻(地面から350km上空にある)に沿ったピアースポイント間の大圏距離の関数としてモデル化することができる。 Specifically, the ionospheric error covariance can be modeled as a function of the great circle distance between Pierce points along the ionospheric shell (above 350 km above the ground).
式中、
dij=衛星i及びjのためのピアースポイント間の大圏距離
diono=無相関距離=4000km
である。
Where
d ij = Greater circle distance between Pierce points for satellites i and j d iono = uncorrelated distance = 4000 km
It is.
電離層誤差は大きく相関する。したがって、以下の式が成り立つ。 Ionospheric errors are highly correlated. Therefore, the following equation holds.
ただし、以下の2つの式が成り立つ。 However, the following two expressions hold.
重み付けされた最小二乗解のための誤差共分散
ステップ240では、プロセッサ16が、重み付けされた最小二乗解を計算する。更新後解における誤差は以下のとおりである。
Error Covariance for Weighted Least Squares Solution At step 240,
(27)に(2)を代入すると、以下の式が生成される。 Substituting (2) into (27) generates the following expression.
こうして、解行列Sは、擬似距離誤差を、更新後解誤差ベクトルにマッピングする。解誤差共分散行列は以下のように定義することができる。 Thus, the solution matrix S maps the pseudorange error to the updated solution error vector. The solution error covariance matrix can be defined as follows:
x及びy水平位置誤差は、Pの上2×2部分によって統計的に記述される。水平位置誤差楕円の長軸及び短軸は、この2×2行列の最大固有値及び最小固有値の平方根に等しく、対応する方向における1σ誤差を表す。こうして、最悪方向における1σ誤差は以下の式によって与えられる。 The x and y horizontal position errors are statistically described by the upper 2 × 2 portion of P. The major and minor axes of the horizontal position error ellipse are equal to the square root of the maximum and minimum eigenvalues of this 2 × 2 matrix and represent 1σ error in the corresponding direction. Thus, the 1σ error in the worst direction is given by:
垂直位置における1σ誤差は以下の式によって与えられる。 The 1σ error at the vertical position is given by:
水平性能指数は、保存的な95%無障害誤差限界であり、誤差共分散行列から、2D RMS誤差として、プロセッサ16によって計算されることができる。
The horizontal figure of merit is a conservative 95% fault free error limit and can be calculated by the
同様に、垂直性能指数は、誤差共分散行列から、2σ垂直誤差として、プロセッサ16によって計算されることができる。
Similarly, the vertical figure of merit can be calculated by the
パリティ空間RAIM
ステップ250では、プロセッサ16は、少なくとも1つの保護レベル値を計算する。それを果たす際に、プロセッサ16は、パリティ空間技法を利用することができる。重み付けされた最小二乗解は、以下のように表すことができることを思い起こされたい。
Parity space RAIM
In
相関がある測定値セットは、プロセッサ16によって、当該技術分野において既知である行列因数分解法を用いて、重み行列Wを因数分解することによって、相関がないセットに変換することができる。
A correlated measurement set can be converted by
式中、LはWの下三角平方根である。この結果として、以下の式が生成される。 Where L is the lower triangular square root of W. As a result, the following expression is generated.
式中、 Where
変換された測定誤差の共分散は以下のとおりである。 The covariance of the converted measurement error is as follows:
したがって、変換された測定値は相関がなく、それぞれ単位分散を有することが明らかである。本発明の測定値の式にLを乗算することによって、プロセッサ16は以下の式を得る。
Thus, it is clear that the converted measurements are uncorrelated and each have unit variance. By multiplying the measurement equation of the present invention by L, the
プロセッサ16は、以下の関係が成り立つような、N×N直交行列Qを見つけることができる。
The
こうして、プロセッサ16が測定値の式にQを乗算する場合には、結果として、以下の式が得られる。
Thus, when the
式中、AはQの上の4×N部分であり、Bは下の(N−4)×N部分である。結果として、以下の2つの式が成り立つ。 Where A is the 4 × N portion above Q and B is the lower (N−4) × N portion. As a result, the following two expressions hold.
最初の式を用いて、擬似距離誤差を0に設定することによって、推定された最小二乗解を求めることができる。 By using the first equation and setting the pseudorange error to 0, the estimated least squares solution can be determined.
上三角行列を逆にすることしか必要としないため、この式は、先に与えられた式よりも効率的である。
第2の式は、擬似距離誤差があるときにのみ、0以外の値であるパリティベクトルpを与える。故障がない場合に、パリティ共分散は以下のようになる。
This equation is more efficient than the equation given earlier because it only requires reversing the upper triangular matrix.
The second equation gives a parity vector p that is a non-zero value only when there is a pseudorange error. In the absence of a failure, the parity covariance is
こうして、パリティ要素もまた、単位分散を有する、無相関のセロ平均ガウス確率変数である。
一実施形態では、プロセッサ16は、pバイアスの概念を用いるカイ二乗法を利用する。そのような実施形態では、プロセッサ16は、以下のように、判別子(統計検定量)dとしてパリティ量の二乗を用いる。
Thus, the parity element is also an uncorrelated cello-mean Gaussian random variable with unit variance.
In one embodiment,
その際、判別子は、N−4の自由度を有する中心カイ二乗分布を有する。プロセッサ16は、この判別子に関するしきい値を設定し、そのしきい値よりも高い場合に故障が宣言される。このしきい値Dは、プロセッサ16によって、カイ二乗確率密度関数から計算され、許容可能な誤り警告確率が生成される。
In this case, the discriminator has a central chi-square distribution having N-4 degrees of freedom. The
しきい値が設定されると、検討すべき事柄は、単一の衛星に故障がある結果として判別子がしきい値にちょうど達した場合に、検出を見逃す確率を満たしながら、結果として生成される位置誤差がどの程度大きくなる可能性があるかということである。第kの衛星におけるバイアス故障εの結果として、以下の解誤差及びパリティ量誤差になる。 Once the threshold is set, the matter to consider is generated as a result, satisfying the probability of missing detection if the discriminator has just reached the threshold as a result of a single satellite failure. This is how large the position error may be. As a result of the bias fault ε in the k-th satellite, the following solution error and parity error occur.
こうして、パリティバイアスは、以下の勾配関数を通じて、水平位置誤差に関連する。 Thus, the parity bias is related to the horizontal position error through the following gradient function:
最も大きな勾配を有する衛星は、検出するのが最も難しい。この勾配はSlopemaxと呼ばれる。図3は、予想される雑音が存在する場合に、検出するのが最も難しい衛星に関するバイアスがあった場合にのみ生じることになる雑音散乱を表す。結果としてデータの一部が、検出を見逃す確率に等しい検出しきい値Dの左側に生じるようにする特定のバイアスが特に検討対象になる。このバイアスに関連付けられるパリティ量は「pバイアス」と呼ばれる。 The satellite with the largest gradient is the most difficult to detect. This gradient is called Slope max . FIG. 3 represents noise scatter that would only occur if there was a bias for the most difficult satellite to detect in the presence of expected noise. The particular bias that results in a portion of the data to occur to the left of the detection threshold D equal to the probability of missing detection is of particular consideration. The amount of parity associated with this bias is called “p-bias”.
バイアスがある場合に、判別子(パリティ量の二乗)は、N−4の自由度を有する非中心カイ二乗分布を有する。カイ二乗分布の非中心性パラメータλは、以下のとおりであることが示され得る。 When there is a bias, the discriminator (parity squared) has a non-central chi-square distribution with N-4 degrees of freedom. It can be shown that the non-centrality parameter λ of the chi-square distribution is:
したがって、非中心カイ二乗確率密度関数を用いて、プロセッサ16は、検出を見逃す確率の要求値を満たす、pバイアスのための値を求めることができる。
その際、水平保護レベル(HPL)は以下のとおりである。
Therefore, using the non-central chi-square probability density function, the
At that time, the horizontal protection level (HPL) is as follows.
パリティ空間の回転によるガウス法
図4を参照すると、さらに直交変換することを通じて、一実施形態が、衛星kのバイアス故障に起因するパリティ誤差がパリティ空間の軸1に完全に沿っているように、パリティ空間を回転させることができる。
Gaussian Method with Parity Space Rotation Referring to FIG. 4, through further orthogonal transformations, one embodiment ensures that the parity error due to the bias failure of satellite k is completely along
そのバイアスは軸1上にのみ現れるため、その結果はスカラーであり、判別子は一般的に、以下の式を用いて、プロセッサ16によって求められることができる。
Since the bias only appears on
故障がない場合、相関のあるランダム誤差wだけが存在する。 In the absence of a fault, there is only a correlated random error w.
衛星kにおけるバイアス故障に加えて、各衛星における相関のあるランダム誤差wがある場合、判別子は、以下の式を用いて、プロセッサ16によって求められることができる。
If there is a correlated random error w at each satellite in addition to a bias fault at satellite k, the discriminator can be determined by
故障に加えて、雑音が水平位置に及ぼす影響は、以下のとおりである。 In addition to failure, the effect of noise on the horizontal position is as follows.
式中、Sh及び Where Sh and
は、S及び Are S and
の最初の2行であり、 The first two lines of
はShの列kである。
ガウス確率密度関数を用いると、誤り警告の確率を満たすしきい値Dは、プロセッサ16によって求められることができる。検出時に、判別子量はしきい値に等しい。
Is the column k of S h.
Using a Gaussian probability density function, a threshold D that satisfies the error warning probability can be determined by the
故障が正であり、雑音よりもはるかに大きいものと仮定すると、以下の式が成り立つ。 Assuming the fault is positive and much larger than the noise, the following equation holds:
結果として生成される水平位置誤差は、プロセッサ16によって、以下の式を用いて求められることができる。
The resulting horizontal position error can be determined by
故障の方向における位置誤差量は、以下のとおりである。 The positional error amount in the direction of the failure is as follows.
ランダム擬似距離誤差は単位分散と相関がないため、平均についての雑音項の分散は、プロセッサ16によって、以下の式を用いて求められることができる。
Since the random pseudorange error has no correlation with the unit variance, the variance of the noise term for the mean can be determined by the
衛星kのための水平保護レベルは、プロセッサ16によって、以下の式を用いて求められることができる。
The horizontal protection level for satellite k can be determined by
式中、Kmd及びKfaは、誤り警告の確率、及び検出を見逃す確率を満たすために設定されるσ乗数である。
この過程はN個全ての衛星の場合に繰り返され、プロセッサ16は、以下の式を用いて全HPLを求めることができる。
In the equation, K md and K fa are σ multipliers set to satisfy the probability of error warning and the probability of missing detection.
This process is repeated for all N satellites and the
電離層誤差モデル計算
電離層格子点及びピアースポイント座標の決定
カルマンフィルタ手法の場合、且つ(17)を利用するために、プロセッサ16は最初に、各格子点の座標、及び衛星の電離層ピアースポイントの座標を決定することができる。その後、それらの2組の座標を用いて、プロセッサ16は、ピアースポイントと格子点との間の大圏距離を計算することができる。カルマンフィルタ、又はスナップショットRAIMのいずれの手法の場合でも、点i(たとえば、図1に示されるシステム、すなわち「ユーザ」)の座標、並びに点iから点j(たとえば、格子点)までの距離及び方位角がわかるとき、プロセッサ16は、以下のように、点jの座標を決定することができる。
Ionospheric Error Model Calculation Determination of Ionospheric Lattice Point and Pierce Point Coordinates In the case of the Kalman filter method and in order to use (17),
式中、
λi=点iの測地緯度
λj=点jの測地緯度
Λi=点iの測地経度
Λj=点jの測地経度
Aij=点iから点jまでの方位角(方位)
ψij=点iから点jまでの角距(地球の中心角)
=dij/(Re+hI)
dij=点iから点jまでの大圏距離
Re=地球の半径=6378km
hI=電離層薄殻モデルの高さ=350km
である。
Where
λ i = Geodetic latitude of point i λ j = Geodetic latitude of point j Λ i = Geodetic longitude of point i Λ j = Geodetic longitude of point j A ij = Azimuth angle from point i to point j (azimuth)
ψ ij = angle from point i to point j (center angle of the earth)
= D ij / (R e + h I )
d ij = Greater circle distance from point i to point j R e = Earth radius = 6378 km
h I = height of ionosphere thin shell model = 350 km
It is.
衛星の電離層ピアースポイントの座標も、(A.1)及び(A.2)を用いて計算することができる。この場合、ψijはユーザ位置からピアースポイントまでの中心角を表し、プロセッサ16によって、以下のように計算されることができる。
The coordinates of the ionosphere pierce point of the satellite can also be calculated using (A.1) and (A.2). In this case, ψ ij represents the central angle from the user position to the Pierce point, and can be calculated by the
式中、Eは、局所接平面に対するユーザ位置からの衛星の仰角である。
衛星の仰角及び方位角を計算する
衛星の仰角Eは、見通しベクトルがユーザの局所接平面(水平面)と成す角度と定義される。衛星の方位角Aは、水平面において測定されるような、真北に対する見通しベクトルの角度である。したがって、以下の関係が成り立つ。
Where E is the elevation angle of the satellite from the user position relative to the local tangent plane.
Calculate the elevation angle and azimuth angle of the satellite The elevation angle E of the satellite is defined as the angle that the line-of-sight vector forms with the local tangent plane (horizontal plane) of the user. The satellite azimuth A is the angle of the line-of-sight vector relative to true north, as measured in the horizontal plane. Therefore, the following relationship holds.
式中、 Where
は見通しベクトル The prospect vector
のx成分、y成分及びz成分であり、αはワンダー角(北からx局所レベル座標軸までの方位角)である。
方位角は、その結果が−π〜+πにあるように、±2πだけ調整されることに留意されたい。
大圏距離の決定
点i(たとえば、衛星ピアースポイント)から別の点j(たとえば、格子点)までの電離層薄殻モデルに沿った大圏距離は、プロセッサ16によって、以下のように計算されることができる。
X component, y component, and z component, and α is a wonder angle (azimuth from north to x local level coordinate axis).
Note that the azimuth is adjusted by ± 2π so that the result is between −π and + π.
Determination of great circle distance The great circle distance along the ionosphere shell model from point i (eg, satellite pierce point) to another point j (eg, lattice point) is calculated by
式中、 Where
である。
電離層分散モデル
電離層モデル誤差分散を計算するためにプロセッサ16によって実行されることができるアルゴリズムは、ICD−GPS−200C及びDO−229D J.2.3に由来することがある。このセクションにおける記号は、このセクションに特有であることに留意されたい。
It is.
Ionosphere Dispersion Model Algorithms that can be executed by
衛星の仰角Eを用いて、式(A.3)を用いることによって、ユーザ位置と、電離層ピアースポイントの地上投影位置との間の地球の中心角ψppを形成する。
次に、衛星の仰角E、方位角A、地球の中心角ψpp並びにユーザ測地緯度λu及び経度Λuを用いて、式(A.1)及び(A.2)を用いることによって、ピアースポイント測地緯度φpp及び経度λppを求める。
Using the elevation angle E of the satellite, the center angle ψ pp of the earth between the user position and the ground projection position of the ionosphere pierce point is formed by using the equation (A.3).
Next, using the equations (A.1) and (A.2) using the satellite elevation angle E, azimuth angle A, earth center angle ψ pp and user geodetic latitude λ u and longitude Λ u , Pierce Point geodetic latitude φ pp and longitude λ pp are obtained.
電離層ピアースポイントの地磁気緯度の絶対値を形成する。 Form the absolute value of the geomagnetic latitude of the ionosphere Pierce point.
地磁気緯度に基づいて、垂直遅延誤差の推定値を形成する。 An estimate of the vertical delay error is formed based on the geomagnetic latitude.
仰角Eを用いて、傾斜係数の二乗を計算する。 The square of the slope coefficient is calculated using the elevation angle E.
電離層遅延のモデル化された推定分散を形成する。 Form a modeled estimated variance of ionospheric delay.
受信機から入手可能である場合に適用される補償値を用いて、推定される分散を形成する(入手できない場合には、0と仮定する)。 Use the compensation value applied when available from the receiver to form the estimated variance (assuming 0 if not available).
電離層遅延の推定される分散を形成する。 Form an estimated variance of the ionospheric delay.
本発明の好ましい実施形態が図示及び説明されてきたが、上述されたように、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、多くの変更を行うことができる。したがって、本発明の範囲は、好ましい実施形態の開示によって制限されない。代わりに、本発明は、その全体が以下の特許請求の範囲を参照することによって決定されるべきである。 While the preferred embodiment of the invention has been illustrated and described, as noted above, many changes can be made without departing from the spirit and scope of the invention. Accordingly, the scope of the invention is not limited by the disclosure of the preferred embodiment. Instead, the invention should be determined by reference to the following claims in their entirety.
Claims (10)
プロセッサ(16)と、
機械読取り可能命令を格納しているメモリデバイス(18)と、
を備え、前記命令は、前記プロセッサ(16)によって実行されると、該プロセッサ(16)が、
前記複数の信号から導出される擬似距離残差を測定して、測定された擬似距離残差に対応する1組の誤差推定値を求めること、
電離層遅延空間相関データを表す非対角要素を含む測定誤差共分散行列を用いて、二乗された残差の重み付けされた和を最小にする重み付けされた最小二乗解を計算し、対応する解誤差共分散行列を計算すること、及び
パリティ空間技法を用いて、前記測定誤差共分散行列に基づいて、少なくとも1つの保護レベル値を求めることを可能にする、ナビゲーションシステム。 A vehicle navigation system (12) having a receiver (14) operable to receive a plurality of signals from a plurality of transmitters, the navigation system (12) comprising:
A processor (16);
A memory device (18) storing machine-readable instructions;
When the instructions are executed by the processor (16), the processor (16)
Measuring a pseudorange residual derived from the plurality of signals to determine a set of error estimates corresponding to the measured pseudorange residual ;
Calculate a weighted least squares solution that minimizes the weighted sum of the squared residuals using a measurement error covariance matrix that includes off-diagonal elements that represent ionospheric delay spatial correlation data and the corresponding solution error Rukoto to calculate the covariance matrix, and using the parity space technique, based on the measurement error covariance matrix, enabling the determination of the at least one protection level values, navigation system.
複数の信号から導出される擬似距離残差を測定して、測定された擬似距離残差に対応する1組の誤差推定値を求めること、
それぞれの複数の衛星からの複数の信号について空間的に相関のある電離層誤差をモデル化すること、
電離層遅延空間相関データを表す非対角要素を含む測定誤差共分散行列を用いて、二乗された残差の重み付けされた和を最小にする重み付けされた最小二乗解を計算し、対応する解誤差共分散行列を計算すること、
パリティ空間技法を用いて、前記解誤差共分散行列に基づいて、少なくとも1つの保護レベル値を求めること、及び
前記少なくとも1つの保護レベル値を表示することを含むステップを実行するためのコンピュータ実行可能命令を有する、コンピュータ読取り可能媒体。 A computer readable medium (18), the computer readable medium comprising:
Measuring a pseudorange residual derived from a plurality of signals to determine a set of error estimates corresponding to the measured pseudorange residual ;
Modeling spatially correlated ionospheric errors for multiple signals from each of multiple satellites;
Calculate a weighted least squares solution that minimizes the weighted sum of the squared residuals using a measurement error covariance matrix that includes off-diagonal elements representing ionospheric delay spatial correlation data and the corresponding solution error Rukoto to calculate the covariance matrix,
Computer-executable for performing steps including determining at least one protection level value based on the solution error covariance matrix using a parity space technique and displaying the at least one protection level value A computer readable medium having instructions.
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