JPH11190770A - 全地球位置測定システム自己較正姿勢決定 - Google Patents
全地球位置測定システム自己較正姿勢決定Info
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- JPH11190770A JPH11190770A JP10262144A JP26214498A JPH11190770A JP H11190770 A JPH11190770 A JP H11190770A JP 10262144 A JP10262144 A JP 10262144A JP 26214498 A JP26214498 A JP 26214498A JP H11190770 A JPH11190770 A JP H11190770A
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- gps
- line bias
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- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S19/00—Satellite radio beacon positioning systems; Determining position, velocity or attitude using signals transmitted by such systems
- G01S19/38—Determining a navigation solution using signals transmitted by a satellite radio beacon positioning system
- G01S19/39—Determining a navigation solution using signals transmitted by a satellite radio beacon positioning system the satellite radio beacon positioning system transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
- G01S19/53—Determining attitude
- G01S19/54—Determining attitude using carrier phase measurements; using long or short baseline interferometry
- G01S19/55—Carrier phase ambiguity resolution; Floating ambiguity; LAMBDA [Least-squares AMBiguity Decorrelation Adjustment] method
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
- B64G—COSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
- B64G1/00—Cosmonautic vehicles
- B64G1/22—Parts of, or equipment specially adapted for fitting in or to, cosmonautic vehicles
- B64G1/24—Guiding or controlling apparatus, e.g. for attitude control
- B64G1/244—Spacecraft control systems
-
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- B64G1/24—Guiding or controlling apparatus, e.g. for attitude control
- B64G1/36—Guiding or controlling apparatus, e.g. for attitude control using sensors, e.g. sun-sensors, horizon sensors
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- Position Fixing By Use Of Radio Waves (AREA)
- Navigation (AREA)
Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【課題】姿勢システム線路バイアスを正確に推定し、位
相較正を実行すると共に、アンテナ・アレイから得られ
る差分位相測定値を用いて姿勢を並行生成するための効
果的な方法を得ることである。 【解決手段】ＧＰＳ信号から導出した同時並行の線路バ
イアス推定値を用いて宇宙船の姿勢決定を改良した宇宙
船ＧＰＳ姿勢受信機。姿勢決定は、ＲＦ差分位相測定値
と、基線ベクトル及び線路バイアスの較正パラメータと
を用いる既知の「姿勢マスタ方程式」の双方向解法によ
り、ＧＰＳ測定値から得られる。「重み付け適合誤差」
Ｗは、測定値分散によって重み付けされた実際の測定値
及び予測値の差の２乗和から導出される。Ｗを最小にす
ることによって、得られる線路バイアス推定は、熱効果
を含むより最新のデータを与えるので、別個の地上較正
テストは不要である。
相較正を実行すると共に、アンテナ・アレイから得られ
る差分位相測定値を用いて姿勢を並行生成するための効
果的な方法を得ることである。 【解決手段】ＧＰＳ信号から導出した同時並行の線路バ
イアス推定値を用いて宇宙船の姿勢決定を改良した宇宙
船ＧＰＳ姿勢受信機。姿勢決定は、ＲＦ差分位相測定値
と、基線ベクトル及び線路バイアスの較正パラメータと
を用いる既知の「姿勢マスタ方程式」の双方向解法によ
り、ＧＰＳ測定値から得られる。「重み付け適合誤差」
Ｗは、測定値分散によって重み付けされた実際の測定値
及び予測値の差の２乗和から導出される。Ｗを最小にす
ることによって、得られる線路バイアス推定は、熱効果
を含むより最新のデータを与えるので、別個の地上較正
テストは不要である。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、 宇宙船姿勢決定
システムに関し、特に、全地球位置測定システム（ＧＰ
Ｓ）信号を動作中に入力として用いる、周回衛星のピッ
チ、ロール及びヨー姿勢制御を提供するシステムに関す
る。
システムに関し、特に、全地球位置測定システム（ＧＰ
Ｓ）信号を動作中に入力として用いる、周回衛星のピッ
チ、ロール及びヨー姿勢制御を提供するシステムに関す
る。
【０００２】
【係属中の仮出願に関する優先権主張】本出願は、リチ
ャード Ａ．フラー及びジョン Ｊ．ロデン（RICHARD A.
FULLER and JOHN J. RODDEN）による１９９７年９月１
６日出願の「全地球位置測定システム自己較正姿勢決定
（GLOBAL POSITIONING SYSTEM SELF CALIBRATION ATTIT
UDE DETERMINATION）」と題する係属中の米国仮出願第6
0/059,092号に関連し、米国合衆国法典第１１９条(e)に
基づき当該出願を基礎として優先権を主張し、その開示
の全体を本願明細書に引用するものとする。
ャード Ａ．フラー及びジョン Ｊ．ロデン（RICHARD A.
FULLER and JOHN J. RODDEN）による１９９７年９月１
６日出願の「全地球位置測定システム自己較正姿勢決定
（GLOBAL POSITIONING SYSTEM SELF CALIBRATION ATTIT
UDE DETERMINATION）」と題する係属中の米国仮出願第6
0/059,092号に関連し、米国合衆国法典第１１９条(e)に
基づき当該出願を基礎として優先権を主張し、その開示
の全体を本願明細書に引用するものとする。
【０００３】
【従来の技術】宇宙船に適したＧＰＳ姿勢受信機の開発
において遭遇した主要な問題は、「線路バイアス（line
-biases）」と呼ばれる、アンテナ及び受信機間をケー
ブルで接続した際の位相遅れなどの電気的遅延特性の正
確な推定値の必要性である。ＧＰＳに関して既存の業績
として以下のものがある。 １）Ｄ．ナイト（C. KNIGHT）による「アンビギュイテ
ィの即時解決の新しい方法（A New Method of Instanta
neous Ambiguity Resolution）」と題する、１９９４年
９月２０−２３日、ユタ州ソルトレークシティにおける
航行学会第７回国際技術会議における報告（Institute
of Navigation 7th International Technical Meeting,
Salt Lake City, UT, Sept. 20-23, 1994）。 ２）Ｃ．コーエン（C. COHEN）の「ＧＰＳを用いた姿勢
決定（Attitude Determination Using GPS）」と題す
る、スタンフォード大学、１９９２年１２月Ｐｈ．Ｄ論
文（Ph.D Dissertation, Stanford University, Decemb
er 1992）。 ３）Ｂ．パーキンソン等監修（B. PARKINSON et al., e
d.）の「全地球位置測定システム：理論及び応用」（第
Ｉ巻及び第II巻、アメリカ航空・宇宙航行学会、１９９
６年）。 ４）Ｊ．Ｋ．ブロック（J. K. BROCK）等による「宇宙
におけるＧＰＳ姿勢及び軌道決定（GPS Attitude and O
rbit Determination for Space）」と題する、１９９４
年９月２０−２３日、ユタ州ソルトレークシティにおけ
るＩＯＮ ＧＰＳ−９４会議のプロシーディングス（IO
N GPS-94 Conference Proceedings, SaltLake City, U
T, Sept. 20-23, 1994）。
において遭遇した主要な問題は、「線路バイアス（line
-biases）」と呼ばれる、アンテナ及び受信機間をケー
ブルで接続した際の位相遅れなどの電気的遅延特性の正
確な推定値の必要性である。ＧＰＳに関して既存の業績
として以下のものがある。 １）Ｄ．ナイト（C. KNIGHT）による「アンビギュイテ
ィの即時解決の新しい方法（A New Method of Instanta
neous Ambiguity Resolution）」と題する、１９９４年
９月２０−２３日、ユタ州ソルトレークシティにおける
航行学会第７回国際技術会議における報告（Institute
of Navigation 7th International Technical Meeting,
Salt Lake City, UT, Sept. 20-23, 1994）。 ２）Ｃ．コーエン（C. COHEN）の「ＧＰＳを用いた姿勢
決定（Attitude Determination Using GPS）」と題す
る、スタンフォード大学、１９９２年１２月Ｐｈ．Ｄ論
文（Ph.D Dissertation, Stanford University, Decemb
er 1992）。 ３）Ｂ．パーキンソン等監修（B. PARKINSON et al., e
d.）の「全地球位置測定システム：理論及び応用」（第
Ｉ巻及び第II巻、アメリカ航空・宇宙航行学会、１９９
６年）。 ４）Ｊ．Ｋ．ブロック（J. K. BROCK）等による「宇宙
におけるＧＰＳ姿勢及び軌道決定（GPS Attitude and O
rbit Determination for Space）」と題する、１９９４
年９月２０−２３日、ユタ州ソルトレークシティにおけ
るＩＯＮ ＧＰＳ−９４会議のプロシーディングス（IO
N GPS-94 Conference Proceedings, SaltLake City, U
T, Sept. 20-23, 1994）。
【０００４】これらの論文は、静止プラットホームの線
路バイアスを推定するいくつかの方法を提示し、適切な
テストが可能で線路バイアスが経時的に変化しない場合
に満足できる解法を提供する。しかしながら、熱条件の
変化等によりテストが不可能な、又は線路バイアスが経
時的に変化するような状況が起こるので、これらの方法
はいくぶん制限される。
路バイアスを推定するいくつかの方法を提示し、適切な
テストが可能で線路バイアスが経時的に変化しない場合
に満足できる解法を提供する。しかしながら、熱条件の
変化等によりテストが不可能な、又は線路バイアスが経
時的に変化するような状況が起こるので、これらの方法
はいくぶん制限される。
【０００５】従来技術のＧＰＳに関する他の論文は、以
下の通りである ５）Ｊ．Ｙ．ブロック（J. Y. BROCK）等による「ＧＰ
Ｓ姿勢決定及び航行飛行実験（GPS Attitude Determina
tion and Navigation Flight Experiment）」と題す
る、１９９５年９月１２−１５日、カリフォルニア州パ
ームスプリングスにおけるＩＯＮ ＧＰＳ−９５会議の
プロシーディングス（ION GPS-95 Conference Proceedi
ngs, Palm Springs, CA, Sept. 12-15, 1995）。 ６）Ｒ．Ａ．フラー（R. A. FULLER）等による「ＧＰＳ
Ｔｅｎｓｏｒによる宇宙船誘導及び制御（Spacecraft
Guidance and Control with GPS Tensor）」と題す
る、１９９６年２月７−１１日、コロラド州ブレッケン
リッジにおける第１９回年次ＡＡＳ誘導及び制御会議の
報告（19th Annual AAS Guidance and Control Confere
nce, Breckenridge, CO. Feb. 7-11, 1996）。 ７）Ｒ．Ａ．フラー（R. A. FULLER）等による「二重差
分の差分位相測定値からのＧＰＳ姿勢決定（GPS Attitu
de Determination From Double Difference Differenti
al Phase Measurements）」と題する、１９９６年９月
１７−２０日、ミズーリ州カンザスシティにおけるＩＯ
Ｎ ＧＰＳ−９６会議のプロシーディングス（ION GPS-
96 Conference Proceedings, Kansas City, MO. Sept.
17-20, 1996）。
下の通りである ５）Ｊ．Ｙ．ブロック（J. Y. BROCK）等による「ＧＰ
Ｓ姿勢決定及び航行飛行実験（GPS Attitude Determina
tion and Navigation Flight Experiment）」と題す
る、１９９５年９月１２−１５日、カリフォルニア州パ
ームスプリングスにおけるＩＯＮ ＧＰＳ−９５会議の
プロシーディングス（ION GPS-95 Conference Proceedi
ngs, Palm Springs, CA, Sept. 12-15, 1995）。 ６）Ｒ．Ａ．フラー（R. A. FULLER）等による「ＧＰＳ
Ｔｅｎｓｏｒによる宇宙船誘導及び制御（Spacecraft
Guidance and Control with GPS Tensor）」と題す
る、１９９６年２月７−１１日、コロラド州ブレッケン
リッジにおける第１９回年次ＡＡＳ誘導及び制御会議の
報告（19th Annual AAS Guidance and Control Confere
nce, Breckenridge, CO. Feb. 7-11, 1996）。 ７）Ｒ．Ａ．フラー（R. A. FULLER）等による「二重差
分の差分位相測定値からのＧＰＳ姿勢決定（GPS Attitu
de Determination From Double Difference Differenti
al Phase Measurements）」と題する、１９９６年９月
１７−２０日、ミズーリ州カンザスシティにおけるＩＯ
Ｎ ＧＰＳ−９６会議のプロシーディングス（ION GPS-
96 Conference Proceedings, Kansas City, MO. Sept.
17-20, 1996）。
【０００６】しかしながら、前述の文献の何れにも、姿
勢パラメータを並行して生成する方法、特にアンテナ・
アレイから得られる差分位相測定値（differential pha
se measurements）を用いて位相較正及び姿勢システム
線路バイアスの信頼性の高い推定を実行することは含ま
れていない。
勢パラメータを並行して生成する方法、特にアンテナ・
アレイから得られる差分位相測定値（differential pha
se measurements）を用いて位相較正及び姿勢システム
線路バイアスの信頼性の高い推定を実行することは含ま
れていない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、姿勢
システム線路バイアスを正確に推定し、位相較正を実行
すると共に、アンテナ・アレイから得られる差分位相測
定値を用いて姿勢を並行生成するための効果的な方法を
得ることである。従って、本発明の目的は、位相較正を
実行すると共に、アンテナ・アレイから得られる差分位
相を用いて姿勢の並行生成を得る方法及び手段を提供す
ることである。
システム線路バイアスを正確に推定し、位相較正を実行
すると共に、アンテナ・アレイから得られる差分位相測
定値を用いて姿勢を並行生成するための効果的な方法を
得ることである。従って、本発明の目的は、位相較正を
実行すると共に、アンテナ・アレイから得られる差分位
相を用いて姿勢の並行生成を得る方法及び手段を提供す
ることである。
【０００８】更に、本発明の目的は、位相較正を実行す
る際の姿勢システム線路バイアスを正確に推定する新し
い方法を提供することである。
る際の姿勢システム線路バイアスを正確に推定する新し
い方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記の技術論
文１）Ｄ．ナイト（D. KNIGHT）による「アンビギュイ
ティの即時解決の新しい方法(A New Method of Instant
aneous Amubiguity Resolution)」に記載された技術を
用いたシステム等の、全地球位置測定システム（ＧＰ
Ｓ）からの信号を用いて姿勢決定をなすシステムの有用
性を大きく拡張する方法及び手段を含み、特に本発明
は、宇宙船のＧＰＳ姿勢受信機の改善を提供する。Ｃ．
コーエン(C.COHEN)によって開発され、上記の技術論文
２）に記載された従来技術のプレ較正、固定パラメータ
の「自己測量（Self-Survey）」技術に対して、ＲＦ差
分位相測定値、基線(baseline)ベクトル及び線路バイア
スの較正パラメータを用いて下記に述べる既知の「姿勢
マスタ方程式（Attitude Master Equation）」の双方向
解法によって得られるＧＰＳ測定値から姿勢決定を得て
いる。基線は機械的に確定することができるが、線路バ
イアスは特別な較正を必要とし、軌道動作の線路バイア
スはほとんど連続的なベースで利用される。従って、正
確に宇宙船ＧＰＳ姿勢受信機において線路バイアスを推
定することはかなりの難問であり、本発明ではこの目的
のための同時並行(concurrent)の正確な推定値を生成す
るように設計されている。本発明によって得られる推定
は、熱効果を含むより最新のデータを与えるので、別個
の地上較正テストは不要である。
文１）Ｄ．ナイト（D. KNIGHT）による「アンビギュイ
ティの即時解決の新しい方法(A New Method of Instant
aneous Amubiguity Resolution)」に記載された技術を
用いたシステム等の、全地球位置測定システム（ＧＰ
Ｓ）からの信号を用いて姿勢決定をなすシステムの有用
性を大きく拡張する方法及び手段を含み、特に本発明
は、宇宙船のＧＰＳ姿勢受信機の改善を提供する。Ｃ．
コーエン(C.COHEN)によって開発され、上記の技術論文
２）に記載された従来技術のプレ較正、固定パラメータ
の「自己測量（Self-Survey）」技術に対して、ＲＦ差
分位相測定値、基線(baseline)ベクトル及び線路バイア
スの較正パラメータを用いて下記に述べる既知の「姿勢
マスタ方程式（Attitude Master Equation）」の双方向
解法によって得られるＧＰＳ測定値から姿勢決定を得て
いる。基線は機械的に確定することができるが、線路バ
イアスは特別な較正を必要とし、軌道動作の線路バイア
スはほとんど連続的なベースで利用される。従って、正
確に宇宙船ＧＰＳ姿勢受信機において線路バイアスを推
定することはかなりの難問であり、本発明ではこの目的
のための同時並行(concurrent)の正確な推定値を生成す
るように設計されている。本発明によって得られる推定
は、熱効果を含むより最新のデータを与えるので、別個
の地上較正テストは不要である。
【００１０】この推定値を得るにあたって、用いられる
線路バイアス及び基線ベクトルの較正パラメータ及び位
相測定値が以下のように「姿勢マスタ方程式」において
関連付けられる。
線路バイアス及び基線ベクトルの較正パラメータ及び位
相測定値が以下のように「姿勢マスタ方程式」において
関連付けられる。
【００１１】
【数１】
【００１２】ここで、 Δφij ＝ 基準又はマスタ・アンテナに関する差分位相測定値 ｉ ＝ ＧＰＳチャネル、１，２，．．．９ ｊ ＝ アンテナ基線(Antenna Baselines)、１，２，３
【００１３】
【外１】
【００１４】＝ 地球固定地球中心(ＥＣＥＦ：Earth F
ixed Earth Centered)のＧＰＳ衛星視線（ＬＯＳ：Line
of Sight）ベクトル
ixed Earth Centered)のＧＰＳ衛星視線（ＬＯＳ：Line
of Sight）ベクトル
【００１５】
【外２】
【００１６】 ＝ ボディ座標(body Coordinates)からの変換マトリクス（ＥＣＥＦ） Ｘj ＝ ボディ座標のアンテナ基線ベクトル ｋij ＝ 差分整数アンビギュイティ βj ＝ 差分線路バイアス又は電気経路長 Ｖij ＝ 位相測定雑音 である。
【００１７】差分距離測定値は、基準又はマスタ・アン
テナからのスレーブの波面方向の距離である。すなわ
ち、
テナからのスレーブの波面方向の距離である。すなわ
ち、
【００１８】
【数２】
【００１９】Ｄ．ナイト（D. KNIGHT）による上記の技
術論文に記載のこの姿勢マスタ方程式の代替の状態空間
式は、以下の通りである。
術論文に記載のこの姿勢マスタ方程式の代替の状態空間
式は、以下の通りである。
【００２０】
【数３】
【００２１】
【数４】
【００２２】
【数５】
【００２３】ここで、
【００２４】
【外３】
【００２５】＝ キャリア位相測定値
【００２６】
【外４】
【００２７】＝ 観測マトリクス
【００２８】
【外５】
【００２９】 ＝ 状態、通常、アンテナ位置クロック・バイアス
【００３０】
【外６】
【００３１】＝ 整数の組合せ。１衛星につき１つで、
ｉ＝１．．．ｍのｍ個の衛星があり、キャリア・サイク
ル整数及び関連する不確定性範囲を表す
ｉ＝１．．．ｍのｍ個の衛星があり、キャリア・サイク
ル整数及び関連する不確定性範囲を表す
【００３２】
【外７】
【００３３】＝１からｍを有する。
【００３４】
【外８】
【００３５】＝ 仮定ガウス確率分布及び分散
【００３６】
【外９】
【００３７】を有する位相測定値誤差
【００３８】
【外１０】
【００３９】＝ アンテナ位置
【００４０】
【外１１】
【００４１】＝ クロック・バイアス又は電気経路長
【００４２】
【外１２】
【００４３】＝ 視線、入射信号到着の方向 距離、位相及び時間の全ての単位は、キャリア波長であ
る。
る。
【００４４】
【外１３】
【００４５】及び
【００４６】
【外１４】
【００４７】を調整されるパラメータとみると、測定位
相
相
【００４８】
【外１５】
【００４９】は独立の確率変数であり、
【００５０】
【外１６】
【００５１】の同時確率密度は個々の密度の積である。
【００５２】
【外１７】
【００５３】の同時確率密度を評価すると、
【００５４】
【数６】
【００５５】
【数７】
【００５６】ログ−尤度関数は、
【００５７】
【数８】
【００５８】
【外１８】
【００５９】を最大化したとき、
【００６０】
【数９】
【００６１】は最小化される。Ｗは「重み付け適合誤差
（weighted fit error）」であり、測定値の分散により
重み付けした、予測値と実際の測定値の差の２乗和であ
る。最尤推定値はＷを最小化する
（weighted fit error）」であり、測定値の分散により
重み付けした、予測値と実際の測定値の差の２乗和であ
る。最尤推定値はＷを最小化する
【００６２】
【外１９】
【００６３】であり、従って線路バイアスを評価するの
に最も正確なものとして求められる。ＧＰＳについての
前述の式に表される関係及び本発明により得られる他の
測定データを用いることによって、姿勢決定を改善する
ことができる。
に最も正確なものとして求められる。ＧＰＳについての
前述の式に表される関係及び本発明により得られる他の
測定データを用いることによって、姿勢決定を改善する
ことができる。
【００６４】
【発明の実施の形態】本発明は、全地球位置測定システ
ム（ＧＰＳ）からの信号に基づいて、姿勢決定をなすシ
ステムの有用性を大きく拡張することを目的とし、上記
のＤ．ナイト(D. KNIGHT)による技術論文１）「アンビ
ギュイティの即時解決の新しい方法（ANew Method of I
nstantaneous Ambiguity Resolution）」に記載されて
いるのと同様な方法を使用及び改善する方法及び手段を
具現化するものである。更に、以下の詳細な説明から理
解されるように、線路バイアスの正確な推定をなすＧＰ
Ｓ姿勢受信機を提供する。
ム（ＧＰＳ）からの信号に基づいて、姿勢決定をなすシ
ステムの有用性を大きく拡張することを目的とし、上記
のＤ．ナイト(D. KNIGHT)による技術論文１）「アンビ
ギュイティの即時解決の新しい方法（ANew Method of I
nstantaneous Ambiguity Resolution）」に記載されて
いるのと同様な方法を使用及び改善する方法及び手段を
具現化するものである。更に、以下の詳細な説明から理
解されるように、線路バイアスの正確な推定をなすＧＰ
Ｓ姿勢受信機を提供する。
【００６５】まず第一に、現在の高度な航空宇宙の認定
ＧＰＳ受信機の例であり、本発明を実施することが好ま
しいものとして、例えば、本願の共同発明者であるＲ．
Ａ．フラー（R. A. FULLER）及び他の者による「ＧＰＳ
Ｔｅｎｓｏｒによる宇宙船誘導及び制御（Spacecraft
Guidance and Control with GPS Tensor）」と題する
上記した論文６）に開示された「ＧＰＳ ＴＥＮＳＯ
Ｒ」（本出願の譲受人の商標）がある。これをアップデ
ートした情報は、本願の共同発明者及び他の者による
「ＧＰＳ Ｔｅｎｓｏｒ、宇宙における姿勢及び軌道決
定システム（GPS Tensor, An Attitude and Orbit Dete
rmination System for Space）」と題する、Ｒ．フラ
ー、Ｄ．ホン、Ｓ．フルディアズ 、Ｊ．ロデン、Ｍ．
ツィー（R. FULLER, D. HONG, S. HUR-DIAZ, J. RODDE
N, M. TSE）による１９９７年９月１６−１９日、ミズ
ーリ州カンザスシティにおける航行学会第１０回国際技
術会議における報告（Institute of Navigation 10th I
nternational Technical Meeting,ION GPS-97, Septemb
er 16-19, 1997, Kansas City, MO）に開示されてお
り、ここに参考文献として引用する。ＧＰＳ ＴＥＮＳ
ＯＲは、９つのチャネルを利用して宇宙船姿勢の３軸、
航行位置／速さデータ、精度タイミング信号を生成し、
特に、現在実施プロセスにある「ＧＬＯＢＡＬＳＴＡ
Ｒ」（Globalstar社の商標）通信衛星星雲に用いるのに
適している。この受信機は、同期高度の約半分の軌道上
約２０，０００ｋｍの星雲内にある２５台のＧＰＳ衛星
ビークル（ＳＶｓ）の全体からのコード化ＲＦ信号から
動作を開始する。処理の第１ステップは、宇宙船又は受
信機及びＧＰＳ ＳＶｓを搭載した衛星間の「擬似距
離」を測定することである。擬似距離は、ＧＰＳ ＳＶ
から信号が送られた時間と宇宙船受信機による受信時間
にクロックバイアス・オフセットを加えた時間、すなわ
ち実際の送信時間との時間遅れ又は「距離」であり、信
号送信の時間に受信機クロックバイアスの効果を加えた
時間におけるＳＶと受信機の間の真の幾何学的距離を表
す。
ＧＰＳ受信機の例であり、本発明を実施することが好ま
しいものとして、例えば、本願の共同発明者であるＲ．
Ａ．フラー（R. A. FULLER）及び他の者による「ＧＰＳ
Ｔｅｎｓｏｒによる宇宙船誘導及び制御（Spacecraft
Guidance and Control with GPS Tensor）」と題する
上記した論文６）に開示された「ＧＰＳ ＴＥＮＳＯ
Ｒ」（本出願の譲受人の商標）がある。これをアップデ
ートした情報は、本願の共同発明者及び他の者による
「ＧＰＳ Ｔｅｎｓｏｒ、宇宙における姿勢及び軌道決
定システム（GPS Tensor, An Attitude and Orbit Dete
rmination System for Space）」と題する、Ｒ．フラ
ー、Ｄ．ホン、Ｓ．フルディアズ 、Ｊ．ロデン、Ｍ．
ツィー（R. FULLER, D. HONG, S. HUR-DIAZ, J. RODDE
N, M. TSE）による１９９７年９月１６−１９日、ミズ
ーリ州カンザスシティにおける航行学会第１０回国際技
術会議における報告（Institute of Navigation 10th I
nternational Technical Meeting,ION GPS-97, Septemb
er 16-19, 1997, Kansas City, MO）に開示されてお
り、ここに参考文献として引用する。ＧＰＳ ＴＥＮＳ
ＯＲは、９つのチャネルを利用して宇宙船姿勢の３軸、
航行位置／速さデータ、精度タイミング信号を生成し、
特に、現在実施プロセスにある「ＧＬＯＢＡＬＳＴＡ
Ｒ」（Globalstar社の商標）通信衛星星雲に用いるのに
適している。この受信機は、同期高度の約半分の軌道上
約２０，０００ｋｍの星雲内にある２５台のＧＰＳ衛星
ビークル（ＳＶｓ）の全体からのコード化ＲＦ信号から
動作を開始する。処理の第１ステップは、宇宙船又は受
信機及びＧＰＳ ＳＶｓを搭載した衛星間の「擬似距
離」を測定することである。擬似距離は、ＧＰＳ ＳＶ
から信号が送られた時間と宇宙船受信機による受信時間
にクロックバイアス・オフセットを加えた時間、すなわ
ち実際の送信時間との時間遅れ又は「距離」であり、信
号送信の時間に受信機クロックバイアスの効果を加えた
時間におけるＳＶと受信機の間の真の幾何学的距離を表
す。
【００６６】本発明のピッチ、ロール及びヨー姿勢、
θ，φ，ψ、の決定方法は、前述のスタンフォード大学
のＣ．コーエン（C. COHEN）博士により最初に開発され
技術論文２）に開示された方法を改善したものである。
コーエンの固定較正とは対照的に、本発明よる動作にお
いては航行計算を利用しつつ進行することが必要であ
る。これらの姿勢計算は宇宙船上の多重アンテナによっ
て受信したＳＶからの信号を用いるが、実際は、航行機
能は１つのアンテナを必要とするだけである。実際、擬
似距離決定のために多重アンテナの内１つのマスタ・ア
ンテナが指定され、追跡チャネルの信号対雑音比（ＳＮ
Ｒ）の変化に応じて他のアンテナに切り換える場合には
再指定がなされる。好適な実施例のＧＰＳ ＴＥＮＳＯ
Ｒは、姿勢を決定するために４つの矩形に配列されたア
ンテナからの信号を用いる。全てのアンテナで各ＳＶか
ら受信した信号はＲＦ信号であり、その信号から差分位
相測定値Δφijが導出される。 いくつかのＳＶ信号が
必要とされる。異なるソースからの異なる時間で異なる
アンテナに到着している信号のわずかな位相差はローカ
ルな基準フレームに対する宇宙船の姿勢を決定するため
の根拠を提供する。
θ，φ，ψ、の決定方法は、前述のスタンフォード大学
のＣ．コーエン（C. COHEN）博士により最初に開発され
技術論文２）に開示された方法を改善したものである。
コーエンの固定較正とは対照的に、本発明よる動作にお
いては航行計算を利用しつつ進行することが必要であ
る。これらの姿勢計算は宇宙船上の多重アンテナによっ
て受信したＳＶからの信号を用いるが、実際は、航行機
能は１つのアンテナを必要とするだけである。実際、擬
似距離決定のために多重アンテナの内１つのマスタ・ア
ンテナが指定され、追跡チャネルの信号対雑音比（ＳＮ
Ｒ）の変化に応じて他のアンテナに切り換える場合には
再指定がなされる。好適な実施例のＧＰＳ ＴＥＮＳＯ
Ｒは、姿勢を決定するために４つの矩形に配列されたア
ンテナからの信号を用いる。全てのアンテナで各ＳＶか
ら受信した信号はＲＦ信号であり、その信号から差分位
相測定値Δφijが導出される。 いくつかのＳＶ信号が
必要とされる。異なるソースからの異なる時間で異なる
アンテナに到着している信号のわずかな位相差はローカ
ルな基準フレームに対する宇宙船の姿勢を決定するため
の根拠を提供する。
【００６７】現在用いられる姿勢計算には、「自己測量
データ（Self Survey Data）」と呼ばれるいくつかのデ
ータベース・パラメータを必要とする。これらには、
「基線（baselines）」と呼ばれる、アンテナ及び指定
航行マスタ・アンテナの間のベクトル距離と、アンテナ
から受信機へのケーブルの電気的位相損失又は「線路バ
イアス（line-biases）」とを含む。前述のクラーク・
コーエン（Clark COHEN）博士によって開発された方法
を実行するオリジナルの姿勢システムは、ＧＰＳＳＶか
らＲＦデータを収集する完全に構成された（アンテナ・
ケーブルから受信機）システムに対してこれらのパラメ
ータを確定するため、数時間を要する特別な測定プロセ
スを必要とした。（コーエン博士の、「ＧＰＳを用いた
姿勢決定生成のためのシステムと方法（System and Met
hod for Generating Attitude Determinations using G
PS）」と題する、1996年8月20日発行の米国特許第5,54
8,293号を参照）。
データ（Self Survey Data）」と呼ばれるいくつかのデ
ータベース・パラメータを必要とする。これらには、
「基線（baselines）」と呼ばれる、アンテナ及び指定
航行マスタ・アンテナの間のベクトル距離と、アンテナ
から受信機へのケーブルの電気的位相損失又は「線路バ
イアス（line-biases）」とを含む。前述のクラーク・
コーエン（Clark COHEN）博士によって開発された方法
を実行するオリジナルの姿勢システムは、ＧＰＳＳＶか
らＲＦデータを収集する完全に構成された（アンテナ・
ケーブルから受信機）システムに対してこれらのパラメ
ータを確定するため、数時間を要する特別な測定プロセ
スを必要とした。（コーエン博士の、「ＧＰＳを用いた
姿勢決定生成のためのシステムと方法（System and Met
hod for Generating Attitude Determinations using G
PS）」と題する、1996年8月20日発行の米国特許第5,54
8,293号を参照）。
【００６８】このシステムは、最初は所要測定期間の
間、滑走路に駐機させる航空機に利用された。しかしな
がら、ＧＬＯＢＡＬＳＴＡＲ衛星の製造においてこの自
己測量データ収集方法を応用するのはひどく難しかっ
た。つまり、ベクトル基線はアンテナの機械的位置から
分かるが、個々の線路バイアスをオフラインで測定する
ことができなかったからである。
間、滑走路に駐機させる航空機に利用された。しかしな
がら、ＧＬＯＢＡＬＳＴＡＲ衛星の製造においてこの自
己測量データ収集方法を応用するのはひどく難しかっ
た。つまり、ベクトル基線はアンテナの機械的位置から
分かるが、個々の線路バイアスをオフラインで測定する
ことができなかったからである。
【００６９】線路バイアスをあらかじめ決めることの困
難さに加えて、周回ＧＬＯＢＡＬＳＴＡＲ衛星の線路バ
イアスが温度により変化するという予想が、飛行動作と
同時並行の線路バイアス推定が可能なシステム及びソフ
トウェアの開発を動機付けた。本発明に至る開発につい
て以下に述べる。ＧＰＳ測定値からの姿勢決定は、通
常、ＲＦ差分位相測定値、基線ベクトル及び線路バイア
スの較正パラメータを用いた「姿勢マスタ方程式」の双
方向解法によって得られる。この推定値を得るにあたっ
て、用いられる線路バイアス及び基線ベクトルの較正パ
ラメータ及び位相測定値が以下のように[姿勢マスタ方
程式」において関連付けられる。
難さに加えて、周回ＧＬＯＢＡＬＳＴＡＲ衛星の線路バ
イアスが温度により変化するという予想が、飛行動作と
同時並行の線路バイアス推定が可能なシステム及びソフ
トウェアの開発を動機付けた。本発明に至る開発につい
て以下に述べる。ＧＰＳ測定値からの姿勢決定は、通
常、ＲＦ差分位相測定値、基線ベクトル及び線路バイア
スの較正パラメータを用いた「姿勢マスタ方程式」の双
方向解法によって得られる。この推定値を得るにあたっ
て、用いられる線路バイアス及び基線ベクトルの較正パ
ラメータ及び位相測定値が以下のように[姿勢マスタ方
程式」において関連付けられる。
【００７０】
【数１０】
【００７１】ここで、 Δφij ＝ 基準又はマスタ・アンテナに関する差分位相測定値 ｉ ＝ ＧＰＳチャネル、１，２，．．．９ ｊ ＝ アンテナ基線(Antenna Baselines)、１，２，３
【００７２】
【外２０】
【００７３】＝ 地球固定地球中心(ＥＣＥＦ：Earth F
ixed Earth Centered)のＧＰＳ衛星視線（ＬＯＳ：Line
of Sight）ベクトル
ixed Earth Centered)のＧＰＳ衛星視線（ＬＯＳ：Line
of Sight）ベクトル
【００７４】
【外２１】
【００７５】 ＝ ボディ座標(body Coordinates)からの変換マトリクス（ＥＣＥＦ） Ｘj ＝ ボディ座標のアンテナ基線ベクトル ｋij ＝ 差分整数アンビギュイティ βj ＝ 差分線路バイアス又は電気経路長 Ｖij ＝ 位相測定雑音 である。
【００７６】差分距離測定値は、基準又はマスタ・アン
テナからのスレーブの波面方向の距離である。すなわ
ち、
テナからのスレーブの波面方向の距離である。すなわ
ち、
【００７７】
【数１１】
【００７８】基線は機械的に容易に確定することができ
るが、軌道動作中の線路バイアスはほとんど連続的ベー
スなので線路バイアスは特別な較正を必要とする。それ
が、本発明が生成するように設計されている較正であ
る。本発明によって得られる推定は、熱効果を含むより
最新のデータを与えるので、別個の地上較正テストは不
要である。
るが、軌道動作中の線路バイアスはほとんど連続的ベー
スなので線路バイアスは特別な較正を必要とする。それ
が、本発明が生成するように設計されている較正であ
る。本発明によって得られる推定は、熱効果を含むより
最新のデータを与えるので、別個の地上較正テストは不
要である。
【００７９】特に、Ｄ．ナイト（D. KNIGHT）による上
記の技術論文１）に記載のこの姿勢マスタ方程式の代替
の状態空間式は、以下の通りである。
記の技術論文１）に記載のこの姿勢マスタ方程式の代替
の状態空間式は、以下の通りである。
【００８０】
【数１２】
【００８１】
【数１３】
【００８２】
【数１４】
【００８３】ここで、
【００８４】
【外２２】
【００８５】＝ キャリア位相測定値
【００８６】
【外２３】
【００８７】＝ 観測マトリクス
【００８８】
【外２４】
【００８９】 ＝ 状態、通常、アンテナ位置及びクロック・バイアス
【００９０】
【外２５】
【００９１】＝ 整数の組合せ。１衛星につき１つで、
ｉ＝１．．．ｍのｍ個の衛星があり、キャリア・サイク
ル整数及び関連する不確定性範囲を表す
ｉ＝１．．．ｍのｍ個の衛星があり、キャリア・サイク
ル整数及び関連する不確定性範囲を表す
【００９２】
【外２６】
【００９３】＝１からｍを有する。
【００９４】
【外２７】
【００９５】＝ 仮定ガウス確率分布及び分散
【００９６】
【外２８】
【００９７】を有する位相測定値誤差
【００９８】
【外２９】
【００９９】＝ アンテナ位置
【０１００】
【外３０】
【０１０１】＝ クロック・バイアス又は電気経路長
【０１０２】
【外３１】
【０１０３】＝ 視線、入射信号到着の方向 距離、位相及び時間の全ての単位は、キャリア波長であ
る。
る。
【０１０４】
【外３２】
【０１０５】及び
【０１０６】
【外３３】
【０１０７】を調整されるパラメータとみると、測定位
相
相
【０１０８】
【外３４】
【０１０９】は独立の確率変数であり、
【０１１０】
【外３５】
【０１１１】の同時確率密度は個々の密度の積である。
【０１１２】
【外３６】
【０１１３】の同時確率密度を評価すると、
【０１１４】
【数１５】
【０１１５】
【数１６】
【０１１６】ログ−尤度関数は、
【０１１７】
【数１７】
【０１１８】
【外３７】
【０１１９】を最大化したとき、
【０１２０】
【数１８】
【０１２１】は最小化される。Ｗは「重み付け適合誤
差」であり、測定値の分散により重み付けした、予測値
と実際の測定値の差の２乗和である。最尤推定値はＷを
最小化する
差」であり、測定値の分散により重み付けした、予測値
と実際の測定値の差の２乗和である。最尤推定値はＷを
最小化する
【０１２２】
【外３８】
【０１２３】であり、従って線路バイアスを評価するの
に最も正確なものとして求められる。この定式化は、
Ｄ．ナイト（D. KNIGHT）による米国特許第5,296,861号
（1994年3月22日出願）に開示されている。前述の問題
は、既知の電気経路長測定値によりサイクル
に最も正確なものとして求められる。この定式化は、
Ｄ．ナイト（D. KNIGHT）による米国特許第5,296,861号
（1994年3月22日出願）に開示されている。前述の問題
は、既知の電気経路長測定値によりサイクル
【０１２４】
【外３９】 の整数の決定のために以前用いられた。このプロセス
は、電気経路を外的に決定するための専用の測定値手順
を意味する。本発明は、推定プロセスを外部の測定プロ
セスの必要性のない電気経路長の自己決定を含むように
拡張する。それに加えて、「リアル・タイム」推定は、
熱的に変化する宇宙船環境で起こるゆっくりした電気経
路長の変化を自動的に補正する。
は、電気経路を外的に決定するための専用の測定値手順
を意味する。本発明は、推定プロセスを外部の測定プロ
セスの必要性のない電気経路長の自己決定を含むように
拡張する。それに加えて、「リアル・タイム」推定は、
熱的に変化する宇宙船環境で起こるゆっくりした電気経
路長の変化を自動的に補正する。
【０１２５】式情報をＧＰＳ ＴＥＮＳ０Ｒに適用する
際には、図１のフローチャートに図示するように、ＧＰ
Ｓ ＴＥＮＳ０Ｒにおいて実行される２つの航行解法、
すなわち標準位置サービス（ＳＰＳ）及び航行フィルタ
（ＮＦ）があることを理解する必要がある。この図に示
されるように、遅延ロックループ（ＤＬＬ）１０はＳＶ
からコード化ＲＦ信号を受け取り、初めに算出されたＳ
Ｖ信号獲得時の擬似距離のミリ秒整数を用いて擬似距離
の断片ミリ秒部（fractional millisecond parts）を測
定する。擬似距離及びクロックバイアス値の双方は、整
数ミリ秒距離（例えば、３００ｋｍ）に断片ミリ秒セグ
メントを加えたものから成る項に分割される。未処理の
コード位相ミリ秒測定値からの断片ミリ秒が整数を上回
るたびに、追加の整数はロールオーバされ、１１に入力
される。整数クロック・バイアスも同じようにリセット
され、標準位置サービス（ＳＰＳ）１２又は航行フィル
タ（ＮＦ）１４において算出されるバイアスから１３に
おいてロールオーバされる。このクロックバイアスは、
１１で擬似距離測定値データをオフセットするのに用い
られ、このデータは１５でのコンシステンシィ・チェッ
クを経てＳＰＳ及びＮＦ計算にミリ秒整数修正擬似距離
を渡す。ＮＦ１４の計算は、独立して確定されるバイア
ス推定値を有し、ＮＦバイアス値はＳＰＳ１２の計算に
調整がなされると同時にインクリメントされ、クロック
バイアスが調整擬似距離測定値とコンシステントである
ように維持される。また、その逆も同様である。ＧＰＳ
時間基準は、ＧＬＯＢＡＬＳＴＡＲ衛星のような通信シ
ステムのネットワークを通しての基準である。ＳＰＳ１
２は、４つの擬似距離測定値を用いて４つの未知数ｘ−
ｙ−ｚ位置及びクロックバイアスｂを数値的に解く。こ
のサービス（ＳＰＳ）１２は位置計算に用いられ、また
これら４つの測定値無しではＳＰＳ解法は不可能であ
る。航行フィルタ１４のアルゴリズムを含む代替の航行
解法は、個々の擬似距離測定値を用いて４つのシステム
位置パラメータ、ｘ−ｙ−ｚ及びクロック・バイアスｂ
及びそれらの微分の連続して実行される動的モデルを調
節する。航行フィルタ１４は、ＧＰＳ ＴＥＮＳＯＲに
おいて利用できる全部で９つの測定チャネルまで用いる
ことができる。また、短期的に新たな擬似距離入力が無
い場合でさえ、先行動作の動的外挿に基づき位置パラメ
ータの推定値を生成する。ＮＦ１４の動作はいくつかの
軌道のパラメータが適当な解、例えば１２０ＳＰＳ解、
に収束するための初期化期間を必要とし、９つの状態、
すなわち３つの位置、３つの速度及びクロックバイア
ス、バイアス変化率、及びバイアス加速を推定する。一
度、パラメータが収束すると、ＮＦ解法は絶えずより多
くのデータを平均化するのでＳＰＳ解法より正確であ
る。ＮＦ解法は、処理において４つ未満のＳＶしか利用
できない不足の場合も許容するので、よりロバストな解
法である。擬似距離入力データにおけるこれらの２つの
解法の相互作用は、遅延ロックループ（ＤＬＬ）１０か
らの整数ミリ秒ロールオーバを航行解法のクロックバイ
アス部１７から１６において生成された１秒当りパルス
（ＰＰＳ：Pulse Per Second）出力及びミリ秒リセット
と混合することによって取扱うことができる。ＮＦ解法
を用いた１６におけるＰＰＳ出力は、前述のように不足
の影響を受けにくいのでＳＰＳ解法を用いた場合よりロ
バストである。ＧＬＯＢＡＬＳＴＡＲ等の衛星システム
には、ＰＰＳ出力１６の精度タイミング信号が重要であ
る。１秒間隔で生成されマイクロ秒の精度のこれらのパ
ルスに対し別個の出力ピンがある。ＧＬＯＢＡＬＳＴＡ
Ｒ通信周波数の全ネットワークは、ＧＰＳ ＴＥＮＳＯ
Ｒによって検出、再生成されるように「汎用」ＧＰＳ時
間にロックされている。ＰＰＳの生成は、航行計算のク
ロックバイアス・パラメータに基づいている。ＧＰＳ
ＴＥＮＳ０Ｒは、ＮＦ計算されたクロックバイアスのデ
フォルト選択がＰＰＳ生成に用いられるように動作す
る。システム位置パラメータｘ−ｙ−ｚは、本発明によ
るＧＰＳ姿勢処理アルゴリズムにおいて用いられる。
際には、図１のフローチャートに図示するように、ＧＰ
Ｓ ＴＥＮＳ０Ｒにおいて実行される２つの航行解法、
すなわち標準位置サービス（ＳＰＳ）及び航行フィルタ
（ＮＦ）があることを理解する必要がある。この図に示
されるように、遅延ロックループ（ＤＬＬ）１０はＳＶ
からコード化ＲＦ信号を受け取り、初めに算出されたＳ
Ｖ信号獲得時の擬似距離のミリ秒整数を用いて擬似距離
の断片ミリ秒部（fractional millisecond parts）を測
定する。擬似距離及びクロックバイアス値の双方は、整
数ミリ秒距離（例えば、３００ｋｍ）に断片ミリ秒セグ
メントを加えたものから成る項に分割される。未処理の
コード位相ミリ秒測定値からの断片ミリ秒が整数を上回
るたびに、追加の整数はロールオーバされ、１１に入力
される。整数クロック・バイアスも同じようにリセット
され、標準位置サービス（ＳＰＳ）１２又は航行フィル
タ（ＮＦ）１４において算出されるバイアスから１３に
おいてロールオーバされる。このクロックバイアスは、
１１で擬似距離測定値データをオフセットするのに用い
られ、このデータは１５でのコンシステンシィ・チェッ
クを経てＳＰＳ及びＮＦ計算にミリ秒整数修正擬似距離
を渡す。ＮＦ１４の計算は、独立して確定されるバイア
ス推定値を有し、ＮＦバイアス値はＳＰＳ１２の計算に
調整がなされると同時にインクリメントされ、クロック
バイアスが調整擬似距離測定値とコンシステントである
ように維持される。また、その逆も同様である。ＧＰＳ
時間基準は、ＧＬＯＢＡＬＳＴＡＲ衛星のような通信シ
ステムのネットワークを通しての基準である。ＳＰＳ１
２は、４つの擬似距離測定値を用いて４つの未知数ｘ−
ｙ−ｚ位置及びクロックバイアスｂを数値的に解く。こ
のサービス（ＳＰＳ）１２は位置計算に用いられ、また
これら４つの測定値無しではＳＰＳ解法は不可能であ
る。航行フィルタ１４のアルゴリズムを含む代替の航行
解法は、個々の擬似距離測定値を用いて４つのシステム
位置パラメータ、ｘ−ｙ−ｚ及びクロック・バイアスｂ
及びそれらの微分の連続して実行される動的モデルを調
節する。航行フィルタ１４は、ＧＰＳ ＴＥＮＳＯＲに
おいて利用できる全部で９つの測定チャネルまで用いる
ことができる。また、短期的に新たな擬似距離入力が無
い場合でさえ、先行動作の動的外挿に基づき位置パラメ
ータの推定値を生成する。ＮＦ１４の動作はいくつかの
軌道のパラメータが適当な解、例えば１２０ＳＰＳ解、
に収束するための初期化期間を必要とし、９つの状態、
すなわち３つの位置、３つの速度及びクロックバイア
ス、バイアス変化率、及びバイアス加速を推定する。一
度、パラメータが収束すると、ＮＦ解法は絶えずより多
くのデータを平均化するのでＳＰＳ解法より正確であ
る。ＮＦ解法は、処理において４つ未満のＳＶしか利用
できない不足の場合も許容するので、よりロバストな解
法である。擬似距離入力データにおけるこれらの２つの
解法の相互作用は、遅延ロックループ（ＤＬＬ）１０か
らの整数ミリ秒ロールオーバを航行解法のクロックバイ
アス部１７から１６において生成された１秒当りパルス
（ＰＰＳ：Pulse Per Second）出力及びミリ秒リセット
と混合することによって取扱うことができる。ＮＦ解法
を用いた１６におけるＰＰＳ出力は、前述のように不足
の影響を受けにくいのでＳＰＳ解法を用いた場合よりロ
バストである。ＧＬＯＢＡＬＳＴＡＲ等の衛星システム
には、ＰＰＳ出力１６の精度タイミング信号が重要であ
る。１秒間隔で生成されマイクロ秒の精度のこれらのパ
ルスに対し別個の出力ピンがある。ＧＬＯＢＡＬＳＴＡ
Ｒ通信周波数の全ネットワークは、ＧＰＳ ＴＥＮＳＯ
Ｒによって検出、再生成されるように「汎用」ＧＰＳ時
間にロックされている。ＰＰＳの生成は、航行計算のク
ロックバイアス・パラメータに基づいている。ＧＰＳ
ＴＥＮＳ０Ｒは、ＮＦ計算されたクロックバイアスのデ
フォルト選択がＰＰＳ生成に用いられるように動作す
る。システム位置パラメータｘ−ｙ−ｚは、本発明によ
るＧＰＳ姿勢処理アルゴリズムにおいて用いられる。
【０１２６】本発明によるＧＰＳ姿勢処理アルゴリズム
を図２に示す。多数の利用可能なＧＰＳ ＳＶから受信
した多重波長信号から導出された多重位相測定値が、差
分位相測定値Δφij及びそのレートΔφ*ijの形でアン
テナから１０Ｈｚの速さで入力され、ノード２０におい
て「重み付け適合誤差」を用いて重み付け最小２乗フィ
ッティングされる。ノード２０もまた、入力２１、ノー
ド２２での姿勢更新処理の後の姿勢変換Ａ、ノード２４
での基線決定の後の基線Ｘｊ入力２３、及びノード２６
において初期整数解、線路バイアス推定、位相モニタか
らの「ラップアラウンド（wraparound）」、完全性チェ
ック等のファクタから導出された差分距離の整数波長ｋ
ijを受け取る。ノード２０での最小２乗フィットは、線
路バイアス修正Δβjを含む姿勢修正及びレート、例え
ばピッチについてはδθ，δθ*を出力する。指示２７
は、図１の解法フローからのｘ−ｙ−ｚパラメータを用
いるノード２８におけるＬＯＳ計算を表す入力２９とと
もに姿勢更新処理２２に入力され、所望のピッチ、ロー
ル、ヨー姿勢及びレート決定値θ，θ*，φ，φ*，ψ，
ψ*を生成する。
を図２に示す。多数の利用可能なＧＰＳ ＳＶから受信
した多重波長信号から導出された多重位相測定値が、差
分位相測定値Δφij及びそのレートΔφ*ijの形でアン
テナから１０Ｈｚの速さで入力され、ノード２０におい
て「重み付け適合誤差」を用いて重み付け最小２乗フィ
ッティングされる。ノード２０もまた、入力２１、ノー
ド２２での姿勢更新処理の後の姿勢変換Ａ、ノード２４
での基線決定の後の基線Ｘｊ入力２３、及びノード２６
において初期整数解、線路バイアス推定、位相モニタか
らの「ラップアラウンド（wraparound）」、完全性チェ
ック等のファクタから導出された差分距離の整数波長ｋ
ijを受け取る。ノード２０での最小２乗フィットは、線
路バイアス修正Δβjを含む姿勢修正及びレート、例え
ばピッチについてはδθ，δθ*を出力する。指示２７
は、図１の解法フローからのｘ−ｙ−ｚパラメータを用
いるノード２８におけるＬＯＳ計算を表す入力２９とと
もに姿勢更新処理２２に入力され、所望のピッチ、ロー
ル、ヨー姿勢及びレート決定値θ，θ*，φ，φ*，ψ，
ψ*を生成する。
【０１２７】本発明を実行する適切な姿勢アルゴリズム
処理アーキテクチャを図３に示す。受信ＲＦ ＧＰＳ信
号はハードリミッタ３０に渡され、ＩＦ信号に変換、又
はコード化される。それは、例えば９つのチャネルへ入
力され差分位相測定値Δφij及びレートΔφ*ijを生成
し、図２のノード２０に入力される。これらのΔφij，
Δφ*ij測定値は、入力３１から姿勢解法装置３２に入
力される。この装置は、本質的にノード２０及び２２と
して機能し、また基線ベクトル及び線路バイアスを表す
入力３３及び整数修正を表す入力３５を受け取る。姿勢
解法装置３２はフィードバック出力を供給し、入力３３
及び３５を修正する。すなわち、一方のフィードバック
出力３７は、基線ベクトル及び線路バイアス入力３３に
加えられる出力を有する線路バイアス推定器３４へ、他
方は、整数推定器３６への出力３９、及び完全性チェッ
ク装置３８への解の残さ(residuals)出力４１である。
完全性チェック装置３８の出力４３は、整数推定器３６
からの出力４５とともに、姿勢解法装置３２へ整数修正
入力３５を供給する加算機４０へ供給される。姿勢解法
装置３２は、３１、３３及び３５の入力に応答して、図
２のアルゴリズムに合わせたピッチ、ロール、ヨーの姿
勢及びレートθ，θ*，φ，φ*，ψ，ψ*の出力４６を
供給する。
処理アーキテクチャを図３に示す。受信ＲＦ ＧＰＳ信
号はハードリミッタ３０に渡され、ＩＦ信号に変換、又
はコード化される。それは、例えば９つのチャネルへ入
力され差分位相測定値Δφij及びレートΔφ*ijを生成
し、図２のノード２０に入力される。これらのΔφij，
Δφ*ij測定値は、入力３１から姿勢解法装置３２に入
力される。この装置は、本質的にノード２０及び２２と
して機能し、また基線ベクトル及び線路バイアスを表す
入力３３及び整数修正を表す入力３５を受け取る。姿勢
解法装置３２はフィードバック出力を供給し、入力３３
及び３５を修正する。すなわち、一方のフィードバック
出力３７は、基線ベクトル及び線路バイアス入力３３に
加えられる出力を有する線路バイアス推定器３４へ、他
方は、整数推定器３６への出力３９、及び完全性チェッ
ク装置３８への解の残さ(residuals)出力４１である。
完全性チェック装置３８の出力４３は、整数推定器３６
からの出力４５とともに、姿勢解法装置３２へ整数修正
入力３５を供給する加算機４０へ供給される。姿勢解法
装置３２は、３１、３３及び３５の入力に応答して、図
２のアルゴリズムに合わせたピッチ、ロール、ヨーの姿
勢及びレートθ，θ*，φ，φ*，ψ，ψ*の出力４６を
供給する。
【０１２８】従って、全地球位置測定システム（ＧＰ
Ｓ）からの信号の利用に基づき、姿勢決定をなすシステ
ムの有用性を大きく拡張する方法及び手段について述べ
た。宇宙船の姿勢決定に適合するシステムは、幾何学的
入力データに結合した電気位相測定値だけに依存してい
る。別個の従来の測定「自己測量」のプロセスは、電気
経路位相長の決定に必要ではない。また電気位相長は、
動作の間一定である必要はない。
Ｓ）からの信号の利用に基づき、姿勢決定をなすシステ
ムの有用性を大きく拡張する方法及び手段について述べ
た。宇宙船の姿勢決定に適合するシステムは、幾何学的
入力データに結合した電気位相測定値だけに依存してい
る。別個の従来の測定「自己測量」のプロセスは、電気
経路位相長の決定に必要ではない。また電気位相長は、
動作の間一定である必要はない。
【図１】本発明に従い、処理するパラメータｘ、ｙ、ｚ
及びｂを生成する宇宙船のＧＰＳ姿勢受信機の航行解法
フローを示すフローチャートである。
及びｂを生成する宇宙船のＧＰＳ姿勢受信機の航行解法
フローを示すフローチャートである。
【図２】本発明によるＧＰＳ姿勢処理アルゴリズムを示
す図である。
す図である。
【図３】図２のアルゴリズムを実行するための姿勢アル
ゴリズムの処理アーキテクチャを示す図である。
ゴリズムの処理アーキテクチャを示す図である。
１０ 遅延ロックループ １２ ＳＰＳ １４ 航行フィルタ ２０ 最小２乗フィッティング装置 ２２ 姿勢更新装置 ２４ 基線決定装置 ３０ ハードリミッタ ３２ 姿勢解法装置 ３４ 線路バイアス推定器 ３６ 整数推定器 ３８ 完全性チェック装置
【手続補正書】
【提出日】平成１０年１１月１０日
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正内容】
【図１】
【図２】
【図３】
フロントページの続き (72)発明者 ジョン ジェイ． ロデン アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94020 ロスアルトス ロビンフッドレー ン 2071
Claims (9)
- 【請求項１】 差分位相測定値を得るＧＰＳ信号及び同
時並行の線路バイアス推定値を用いて宇宙船の姿勢決定
をなすシステムであって、 宇宙船上の、マスタ・アンテナを含むＧＰＳ信号を受信
するアンテナ手段と、 前記受信ＧＰＳ信号に応答して前記受信ＧＰＳ信号から
導出したシステム位置パラメータｘ−ｙ−ｚに関し視線
(line of sight:LOS)計算を実行し、そのＬＯＳ信号を
生成する手段と、 前記ＬＯＳ信号に応答して姿勢更新処理を実行し、姿勢
変換信号Ａを生成する更新手段と、 前記アンテナ手段の位置の基線幾何配置を確定し、前記
基線Ｘjを表す信号を生成する基線手段と、 初期整数解、線路バイアス推定値、位相モニタからの
「ラップアラウンド（wraparound）」、及び完全性チェ
ックを含むファクタから導出される差分距離の整数波長
ｋijを表す信号を生成する手段と、 前記アンテナ手段によって受信されるＧＰＳ信号に応答
して差分位相測定値Δφijを表す信号を生成する手段
と、 前記差分位相測定値Δφijに応答して、線路バイアス修
正信号Δβjを含む姿勢修正及び姿勢レート修正信号δ
θ，δθ*，δφ，δφ*，δψ，δψ*を生成する修正
信号生成手段と、 前記線路バイアス修正信号Δβjを含む前記姿勢修正及
び姿勢レート修正信号δθ，δθ*，δφ，δφ*，δ
ψ，δψ*を前記ＬＯＳ信号に結合させる前記更新手段
へ入力し、同時並行の線路バイアス推定値を用いてピッ
チ、ロール、ヨーの姿勢及び姿勢レートθ，θ*，φ，
φ*，ψ，ψ*を表す出力を得る手段と、からなり、 前記修正信号生成手段は、 「姿勢マスタ方程式」から導出される「重み付け適合誤
差」Ｗを用いて、前記差分位相測定値Δφij、前記姿勢
変換信号Ａ、前記基線信号Ｘｊ、及び前記差分距離の整
数波長ｋijを表す信号を含む入力信号について重み付け
最小２乗適合を実行し、前記同時並行の線路バイアス推
定値Δβjを提供する前記線路バイアス修正を生成する
手段を有することを特徴とするシステム。 - 【請求項２】 請求項１記載のシステムであって、 前記ＧＰＳ信号を受信する複数の追跡チャネルと、 前記追跡チャネルの信号対雑音比（ＳＮＲ）に基づいて
前記アンテナ手段の中から前記マスタ・アンテナを選ぶ
手段と、を更に有することを特徴とするシステム。 - 【請求項３】 請求項１記載のシステムであって、 前記「重み付け適合誤差」Ｗを最小化する手段を更に有
することを特徴とするシステム。 - 【請求項４】 同時並行の線路バイアス推定値を導出す
る差分位相測定値を得るＧＰＳ信号を用いて宇宙船の姿
勢決定をなす方法であって、 宇宙船上のマスタ・アンテナを含む複数のアンテナでＧ
ＰＳ信号を受信するステップと、 前記受信ＧＰＳ信号に応答して差分位相測定値信号Δφ
ijを生成するステップと、 前記受信ＧＰＳ信号からシステム位置パラメータｘ−ｙ
−ｚを導出し前記位置パラメータｘ−ｙ−ｚに関し視線
(ＬＯＳ)計算を実行し、それを表すＬＯＳ信号を生成す
るステップと、 前記ＬＯＳ信号に応答して姿勢更新を実行し、姿勢変換
信号Ａを生成するステップと、 前記アンテナの位置の基線幾何配置を確定し、前記基線
を表す信号Ｘjを生成するステップと、 初期整数解、線路バイアス推定値、位相モニタからの
「ラップアラウンド（wraparound）」、及び完全性チェ
ックを含むファクタから導出される差分距離の整数波長
ｋijを表す信号を生成するステップと、 「姿勢マスタ方程式」から導出される「重み付け適合誤
差」Ｗを用いて、前記差分位相測定値Δφij、前記姿勢
変換信号Ａ、前記基線信号Ｘｊ、及び前記差分距離の整
数波長ｋijを表す信号について重み付け最小２乗適合を
実行し、同時並行の線路バイアス推定値を提供する前記
線路バイアス修正Δβjを生成するステップと、 前記線路バイアス修正Δβjを前記差分位相測定値Δφi
jに適用し、前記線路バイアス修正信号Δβjを含む姿勢
修正及び姿勢レート修正信号δθ，δθ*，δφ，δ
φ*，δψ，δψ*を生成するステップと、 前記ＬＯＳ信号を前記姿勢修正及び姿勢レート修正信号
δθ，δθ*，δφ，δφ*，δψ，δψ*と結合し、同
時並行の線路バイアス推定値を用いてピッチ、ロール、
ヨーの姿勢及び姿勢レートθ，θ*，φ，φ*，ψ，ψ*
を表す出力を生成するステップと、からなることを特徴
とする方法。 - 【請求項５】 請求項４記載の方法であって、 前記ＧＰＳ信号は複数の追跡チャネルにより受信され、
前記マスタ・アンテナは前記追跡チャネルの信号対雑音
比（ＳＮＲ）に基づいて前記複数のアンテナの中から指
定されることを特徴とする方法。 - 【請求項６】 請求項４記載の方法であって、 前記「重み付け適合誤差」Ｗは最小化されることを特徴
とする方法。 - 【請求項７】 差分位相測定値を得るＧＰＳ信号及び同
時並行の線路バイアス推定値を用いて宇宙船の姿勢決定
をなす宇宙船のＧＰＳ姿勢受信機であって、 マスタ・アンテナを含むＧＰＳ信号を受信する複数の宇
宙船アンテナから前記ＧＰＳ信号を受け取る宇宙船上の
手段と、 前記受信ＧＰＳ信号から宇宙船位置パラメータｘ−ｙ−
ｚを導出する手段と、前記宇宙船位置パラメータｘ−ｙ
−ｚに視線(ＬＯＳ)計算を実行し、それを表すＬＯＳ信
号を生成する手段と、 前記ＬＯＳ信号に応答して姿勢更新処理を実行し、姿勢
変換信号Ａを生成する更新手段と、 前記複数のアンテナの位置の基線幾何配置を確定し、前
記基線Ｘjを表す信号を生成する基線手段と、 初期整数解、線路バイアス推定値、位相モニタからの
「ラップアラウンド（wraparound）」、及び完全性チェ
ックを含むファクタから導出される差分距離の整数波長
ｋijを表す信号を生成する手段と、 前記受信ＧＰＳ信号に応答して差分位相測定値Δφijを
表す信号を生成する手段と、 前記差分位相測定値Δφijに応答して、線路バイアス修
正信号Δβjを含む姿勢修正及び姿勢レート修正信号δ
θ，δθ*，δφ，δφ*，δψ，δψ*を生成する修正
信号生成手段と、 前記線路バイアス修正信号Δβjを含む前記姿勢修正及
び姿勢レート修正信号δθ，δθ*，δφ，δφ*，δ
ψ，δψ*を前記ＬＯＳ信号に結合させる前記更新手段
へ入力し、同時並行の線路バイアス推定値を用いてピッ
チ、ロール、ヨーの姿勢及び姿勢レートθ，θ*，φ，
φ*，ψ，ψ*を表す出力を得る手段と、からなり、 前記修正信号生成手段は、 「姿勢マスタ方程式」から導出される「重み付け適合誤
差」Ｗを用いて、前記差分位相測定値Δφij、前記姿勢
変換信号Ａ、前記基線信号Ｘｊ、及び前記差分距離の整
数波長ｋijを表す信号を含む入力信号について重み付け
最小２乗適合を実行し、前記同時並行の線路バイアス推
定値Δβjを提供する前記線路バイアス修正を生成する
手段を有することを特徴とするＧＰＳ姿勢受信機。 - 【請求項８】 請求項７記載の受信機であって、 前記ＧＰＳ信号を受信する複数の追跡チャネルと、 前記追跡チャネルの信号対雑音比（ＳＮＲ）に基づいて
前記アンテナ手段の中から前記マスタ・アンテナを選ぶ
手段と、を更に有することを特徴とする受信機。 - 【請求項９】 請求項７記載の受信機であって、 前記「重み付け適合誤差」Ｗを最小化する手段を更に有
することを特徴とする受信機。
Applications Claiming Priority (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US5909297P | 1997-09-16 | 1997-09-16 | |
| US09/144,146 US6101430A (en) | 1997-09-16 | 1998-08-31 | Global positioning system self calibration attitude determination |
| US60/059092 | 1998-08-31 | ||
| US09/144146 | 1998-08-31 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11190770A true JPH11190770A (ja) | 1999-07-13 |
Family
ID=26738351
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10262144A Pending JPH11190770A (ja) | 1997-09-16 | 1998-09-16 | 全地球位置測定システム自己較正姿勢決定 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6101430A (ja) |
| EP (1) | EP0908806A3 (ja) |
| JP (1) | JPH11190770A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103645489A (zh) * | 2013-11-22 | 2014-03-19 | 航天恒星科技有限公司 | 一种航天器gnss单天线定姿方法 |
| WO2016103934A1 (ja) * | 2014-12-26 | 2016-06-30 | 古野電気株式会社 | 測位信号受信装置 |
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| KR100401154B1 (ko) * | 2001-04-13 | 2003-10-10 | 주식회사 네비콤 | 검색대상 미지정수의 개수 감소방법과 위성체를 이용한항체의 3차원 자세측정방법 |
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| US8131462B2 (en) | 2008-02-28 | 2012-03-06 | Leica Geosystems Ag | Vehicle guidance and sensor bias determination |
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-
1998
- 1998-08-31 US US09/144,146 patent/US6101430A/en not_active Expired - Fee Related
- 1998-09-16 JP JP10262144A patent/JPH11190770A/ja active Pending
- 1998-09-16 EP EP98307525A patent/EP0908806A3/en not_active Withdrawn
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| CN103645489A (zh) * | 2013-11-22 | 2014-03-19 | 航天恒星科技有限公司 | 一种航天器gnss单天线定姿方法 |
| WO2016103934A1 (ja) * | 2014-12-26 | 2016-06-30 | 古野電気株式会社 | 測位信号受信装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP0908806A2 (en) | 1999-04-14 |
| US6101430A (en) | 2000-08-08 |
| EP0908806A3 (en) | 2000-09-27 |
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