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技術 磁気慣性グローバル測位システム

出願人 ノースロップグラマンシステムズコーポレイション
発明者 マイケルエス.ラーセン
出願日 2019年3月7日 (1年3ヶ月経過) 出願番号 2019-041333
公開日 2019年9月19日 (9ヶ月経過) 公開番号 2019-158881
状態 未査定
技術分野 航行(Navigation)
主要キーワード 初期静止位置 搭載プラットフォーム 周囲磁場 磁気モデル 二乗和平方根 磁場測定値 位置プロセッサ 磁場プロファイル
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (8)

課題

プラットフォーム上に搭載された磁気慣性グローバル測位ステムを提供する。

解決手段

グローバル測位システム10は、グローバル測位システムのおおよそのグローバル位置に関連するおおよその緯度を判定するように構成された慣性システム12を含む。システムは、おおよそのグローバル位置における周囲磁場を判定するように構成された磁力計システム22も含む。グローバル測位システムは、周囲磁場を所定の磁場プロファイルと比較して、判定されたおおよその緯度に沿っておおよその経度を判定し、プラットフォームのおおよそのグローバル位置を判定するように構成された位置プロセッサ26を更に含む。

概要

背景

位置検出は、何世紀にもわたって航法ナビゲーション)の重要な側面である。古代にさかのぼる航海の旅は、時間及び/又は天体の特徴を利用して、海及び大洋を横断して航行するためのおおよその位置をプロットし、相対的な確実性で意図した目的地に到達できるようにしていた。現代では、位置検出は様々な技術的手段を通じて実行される。一例として、グローバル測位衛星(GPS:GlobalPositioning Satellite)システムなどのグローバル航法衛星システム(GNSS:GlobalNavigation Satellite System)は、互いに対する既知軌道位置を有する衛星から送信された信号を受信することに基づいた位置情報を提供することができる。しかしながら、GNSSシステムが、比較的低レベルの衛星送信に依存するので、ビークル又は介在する障害物の位置に基づいて信号を受信することは困難になり得る。ほとんどのビークルの初期位置が(典型的には運転者又はユーザによって)容易に識別され得るのに対して、自律ビークルなどの幾つかのビークルは未知の場所で作動される可能性があり、これは「誘拐ロボット問題(kidnappedrobot problem)」として知られ、ビークルがその位置を判定することをより困難にする可能性がある。

概要

プラットフォーム上に搭載された磁気慣性グローバル測位システムを提供する。グローバル測位システム10は、グローバル測位システムのおおよそのグローバル位置に関連するおおよその緯度を判定するように構成された慣性システム12を含む。システムは、おおよそのグローバル位置における周囲磁場を判定するように構成された磁力計システム22も含む。グローバル測位システムは、周囲磁場を所定の磁場プロファイルと比較して、判定されたおおよその緯度に沿っておおよその経度を判定し、プラットフォームのおおよそのグローバル位置を判定するように構成された位置プロセッサ26を更に含む。

目的

一例として、グローバル測位衛星(GPS:GlobalPositioning Satellite)システムなどのグローバル航法衛星システム(GNSS:GlobalNavigation Satellite System)は、互いに対する既知の軌道位置を有する衛星から送信された信号を受信することに基づいた位置情報を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

プラットフォーム上に搭載された磁気慣性グローバル測位ステムであって、前記プラットフォームのおおよそのグローバル位置に関連するおおよその緯度を判定するように構成された慣性システムと、前記おおよそのグローバル位置における周囲磁場を判定するように構成された磁力計システムと、前記周囲磁場を所定の磁場プロファイルと比較し、前記判定されたおおよその緯度に沿っておおよその経度を判定して、前記プラットフォームの前記おおよそのグローバル位置を判定するように構成された位置プロセッサとを備える磁気慣性グローバル測位システム。

請求項2

前記慣性システムは、前記おおよそのグローバル位置に関連する天体の重心に関連するダウンベクトルを判定するように構成された加速度計と、前記天体のスピン軸を中心とする前記プラットフォームの正味の回転を判定するように構成されたジャイロスコープシステムとを含み、前記位置プロセッサは、前記ダウンベクトル及び前記プラットフォームの正味の回転に基づいて、前記おおよその緯度を判定するように構成されている、請求項1に記載の磁気慣性グローバル測位システム。

請求項3

加速度計システムは、前記ダウンベクトルを共同で判定するように構成された3つの直交する軸の各々に関連する複数の加速度計を含み、前記ジャイロスコープシステムは、前記プラットフォームの正味の回転を共同で判定するように構成された3つの直交する軸の各々に関連する複数のジャイロスコープを含む、請求項2に記載の磁気慣性グローバル測位システム。

請求項4

前記位置プロセッサは、不確実領域でおおよその緯度を初期に判定するように構成され、更に、前記おおよその緯度の前記不確実領域における前記所定の磁場プロファイルと共に前記周囲磁場を評価して、前記おおよその経度を判定するように構成されている、請求項1に記載の磁気慣性グローバル測位システム。

請求項5

前記所定の磁場プロファイルは、前記おおよその緯度の360°プロファイルに沿った3つの直交する軸の各々における磁場成分値を含む所定の緯度磁場プロファイルであり、前記位置プロセッサは、前記所定の緯度磁場プロファイルに沿って前記周囲磁場を比較して、前記おおよそのグローバル位置に関連する前記おおよその経度を判定するように構成されている、請求項1に記載の磁気慣性グローバル測位システム。

請求項6

前記おおよそのグローバル位置に対して少なくとも1つの星観測を実行するように構成された天体追跡システムを更に備え、前記位置プロセッサは、前記少なくとも1つの星観測に基づいて、おおよその現在時刻を判定するように更に構成されている、請求項1に記載の磁気慣性グローバル測位システム。

請求項7

初期時刻推定を提供するように構成された内部クロックを更に備え、前記位置プロセッサは、前記少なくとも1つの星観測に応じて前記初期時刻推定を絞り込むように更に構成されている、請求項6に記載の磁気慣性グローバル測位システム。

請求項8

前記プラットフォームは、ビークルを含み、前記慣性システムは、前記ビークルが初期位置で静止したままである間に、前記おおよその緯度を判定するように構成され、前記慣性システムは、前記初期位置からの前記ビークルの移動中に、慣性データ収集して、ナビゲーションデータを生成するように更に構成され、前記磁力計システムは、前記ナビゲーションデータに基づいて判定された移動軌道に沿った移動中に、前記周囲磁場を判定するように更に構成され、前記位置プロセッサは、前記移動軌道に沿った前記判定された周囲磁場を前記所定の磁場プロファイルと比較することに基づいて、前記おおよそのグローバル位置を絞り込むように構成されている、請求項1に記載の磁気慣性グローバル測位システム。

請求項9

前記移動に先立って第1の位置で第1の星観測を実行し、前記移動の後の第2の位置で第2の星観測を実行して、前記第1の星観測及び前記第2の星観測に基づいて、おおよその現在時刻を判定するように構成された天体追跡システムを更に含む、請求項8に記載の磁気慣性グローバル測位システム。

請求項10

前記おおよそのグローバル位置に関連する天体のグローバル磁場マップを格納するように構成された磁気モデルデータベースを更に備え、前記グローバル磁場マップは、前記所定の磁場プロファイルを含み、前記位置プロセッサは、マッチングアルゴリズムを実行して前記判定された周囲磁場を前記所定の磁場プロファイルと比較し、前記おおよそのグローバル位置を判定するように構成されている、請求項1に記載の磁気慣性グローバル測位システム。

請求項11

プラットフォームのおおよそのグローバル位置を判定するための方法であって、前記プラットフォームに関連する慣性システムを介して、前記プラットフォームのおおよそのグローバル位置に関連するおおよその緯度を判定すること、前記プラットフォームに関連する磁力計システムを介して、前記おおよそのグローバル位置における周囲磁場を判定すること、前記プラットフォームに関連するメモリからの所定の磁場プロファイルにアクセスすること、前記周囲磁場を前記所定の磁場プロファイルと比較し、前記判定されたおおよその緯度に沿っておおよその経度を判定して、前記プラットフォームの前記おおよそのグローバル位置を判定することを含む方法。

請求項12

前記おおよその緯度を判定することは、3つの直交する軸の各々に関連する複数の加速度計を介して、前記おおよそのグローバル位置に関連する天体の重心に関連するダウンベクトルを判定すること、前記3つの直交する軸の各々に関連する複数のジャイロスコープを介して、前記天体のスピン軸を中心とする前記プラットフォームの正味の回転を判定することを含む、請求項11に記載の方法。

請求項13

前記おおよその緯度を判定することは、不確実領域における前記おおよその緯度を初期に判定することを含み、前記周囲磁場を比較することは、前記おおよその緯度の前記不確実領域における前記所定の磁場プロファイルと共に前記周囲磁場を評価して、前記おおよその経度を判定することを含む、請求項11に記載の方法。

請求項14

前記所定の磁場プロファイルにアクセスすることは、前記所定の緯度の360°プロファイルに沿った3つの直交する軸の各々における磁場成分値を含む所定の緯度磁場プロファイルにアクセスすることを含み、前記周囲磁場を比較することは、前記所定の緯度磁場プロファイルに沿って前記周囲磁場を比較して、前記おおよそのグローバル位置に関連する前記おおよその経度を判定することを含む、請求項11に記載の方法。

請求項15

前記プラットフォームに関連する内部クロックを介して、初期時刻推定を判定すること、前記プラットフォームに関連する天体追跡システムを介して、前記おおよそのグローバル位置に対して少なくとも1つの星観測を実行することを更に含み、位置プロセッサは、前記少なくとも1つの星観測に応じて、前記初期時刻推定を絞り込むように更に構成されている、請求項11に記載の方法。

請求項16

前記プラットフォームは、ビークルを含み、前記おおよその緯度を判定することは、前記ビークルが初期位置に静止したままである間に、前記おおよその緯度を判定することを含み、前記方法は、前記初期位置から第2の位置への前記ビークルの移動中に慣性データを収集して、ナビゲーションデータを生成することを更に含み、前記周囲磁場を判定することは、前記ナビゲーションデータに基づいて判定される、前記初期位置から第2の位置への移動軌道に沿った移動中に、前記周囲磁場を判定することを含み、前記方法は、前記移動軌道に沿った前記判定された周囲磁場を前記所定の磁場プロファイルと比較することに基づいて、前記おおよそのグローバル位置を絞り込むことを更に含む、請求項11に記載の方法。

請求項17

ビークルプラットフォーム上に搭載された磁気慣性グローバル測位システムであって、慣性システムであって、天体の重心に関連するダウンベクトルを共同で判定し、且つ前記ビークルプラットフォームの移動の初期位置と第2の位置との間の移動軌道に沿ってダウンベクトル方向を追跡するように構成された、3つの直交する軸の各々に関連する複数の加速度計と、前記天体のスピン軸を中心とする前記ビークルプラットフォームの正味の回転を共同で判定し、且つ前記ビークルプラットフォームの移動の前記初期位置と前記第2の位置との間のスピン軸方向を追跡するように構成された、3つの直交する軸の各々に関連する複数のジャイロスコープとを含み、前記慣性システムは、前記初期位置と前記第2の位置との間の前記ダウンベクトル及び前記ビークルプラットフォームの前記正味の回転に応じて、前記ビークルプラットフォームのおおよその緯度を判定するように構成されている、前記慣性システムと、移動軌道に沿った前記移動中に、周囲磁場を追跡するように構成された磁力計システムと、前記周囲磁場を所定の磁場プロファイルと比較して、前記判定されたおおよその緯度に沿っておおよその経度を判定し、前記初期位置における前記ビークルプラットフォームの前記おおよそのグローバル位置を判定し、且つ前記移動軌道に沿って前記周囲磁場を前記所定の磁場プロファイルと引き続き比較し、前記第2の位置における前記おおよそのグローバル位置の前記判定を絞り込むように構成された位置プロセッサとを備える磁気慣性グローバル測位システム。

請求項18

前記所定の磁場プロファイルは、前記おおよその緯度の360°プロファイルに沿った3つの直交する軸の各々における磁場成分値を含む所定の緯度磁場プロファイルであり、前記位置プロセッサは、前記所定の緯度磁場プロファイルに沿って前記周囲磁場を比較して、前記おおよそのグローバル位置に関連する前記おおよその経度を判定するように構成されている、請求項17に記載の磁気慣性グローバル測位システム。

請求項19

初期時刻推定を提供するように構成された内部クロックと、前記おおよそのグローバル位置に対して少なくとも1つの星観測を実行するように構成された天体追跡システムとを更に備え、前記位置プロセッサは、前記初期時刻推定及び前記少なくとも1つの星観測に基づいて、おおよその現在時刻を判定するように更に構成されている、請求項17に記載の磁気慣性グローバル測位システム。

請求項20

前記天体のグローバル磁場マップを格納するように構成された磁気モデルデータベースを更に備え、前記グローバル磁場マップは、前記所定の磁場プロファイルを含み、前記位置プロセッサは、マッチングアルゴリズムを実行して、前記判定された周囲磁場を前記所定の磁場プロファイルと比較し、前記おおよそのグローバル位置を判定するように構成されている、請求項17に記載の磁気慣性グローバル測位システム。

技術分野

0001

本開示は、一般にセンサシステムに関し、特にグローバル測位ステムに関する。

背景技術

0002

位置検出は、何世紀にもわたって航法ナビゲーション)の重要な側面である。古代にさかのぼる航海の旅は、時間及び/又は天体の特徴を利用して、海及び大洋を横断して航行するためのおおよその位置をプロットし、相対的な確実性で意図した目的地に到達できるようにしていた。現代では、位置検出は様々な技術的手段を通じて実行される。一例として、グローバル測位衛星(GPS:GlobalPositioning Satellite)システムなどのグローバル航法衛星システム(GNSS:GlobalNavigation Satellite System)は、互いに対する既知軌道位置を有する衛星から送信された信号を受信することに基づいた位置情報を提供することができる。しかしながら、GNSSシステムが、比較的低レベルの衛星送信に依存するので、ビークル又は介在する障害物の位置に基づいて信号を受信することは困難になり得る。ほとんどのビークルの初期位置が(典型的には運転者又はユーザによって)容易に識別され得るのに対して、自律ビークルなどの幾つかのビークルは未知の場所で作動される可能性があり、これは「誘拐ロボット問題(kidnappedrobot problem)」として知られ、ビークルがその位置を判定することをより困難にする可能性がある。

0003

一例は、プラットフォーム上に搭載された磁気慣性グローバル測位システム(magnetic−inertialglobal positioning system)を含む。システムは、プラットフォームのおおよそのグローバル位置に関連するおおよその緯度を判定するように構成された慣性システムを含む。システムは、おおよそのグローバル位置における周囲磁場を判定するように構成された磁力計システムも含む。システムは、周囲磁場を所定の磁場プロファイルと比較し、判定されたおおよその緯度に沿っておおよその経度を判定して、プラットフォームのおおよそのグローバル位置を判定するように構成された位置プロセッサを更に含む。

0004

別の例は、プラットフォームのグローバル位置を判定するための方法を含む。方法は、プラットフォームに関連する慣性システムを介して、プラットフォームのおおよそのグローバル位置に関連するおおよその緯度を判定することを含む。方法は、プラットフォームに関連する磁力計システムを介して、おおよそのグローバル位置における周囲磁場を判定することも含む。方法は、プラットフォームに関連するメモリからの所定の磁場プロファイルにアクセスすることも含む。方法は、周囲磁場を所定の磁場プロファイルと比較し、判定されたおおよその緯度に沿っておおよその経度を判定して、プラットフォームのおおよそのグローバル位置を判定することを更に含む。

0005

別の例は、ビークルプラットフォーム上に搭載された磁気慣性グローバル測位システムを含む。磁気慣性グローバル測位システムは、慣性システムを含む。慣性システムは、天体の重心に関連するダウンベクトル共同で判定し、且つビークルプラットフォームの移動の初期位置と第2の位置との間の移動軌道に沿ってダウンベクトル方向を追跡するように構成された、3つの直交する軸の各々に関連する複数の加速度計を含む。慣性システムは、天体のスピン軸を中心とするビークルプラットフォームの正味の回転を共同で判定し、且つビークルプラットフォームの移動の初期位置と第2の位置との間のスピン軸方向を追跡するように構成された、3つの直交する軸の各々に関連する複数のジャイロスコープも含む。慣性システムは、初期位置と第2の位置との間のダウンベクトル及びビークルプラットフォームの正味の回転に応じて、ビークルプラットフォームのおおよその緯度を判定するように構成されることができる。システムは、移動軌道に沿った移動中に、周囲磁場を追跡するように構成された磁力計システムも含む。システムは、周囲磁場を所定の磁場プロファイルと比較して、判定されたおおよその緯度に沿っておおよその経度を判定し、初期位置におけるビークルプラットフォームのおおよそのグローバル位置を判定し、且つ移動軌道に沿って周囲磁場を所定の磁場プロファイルと引き続き比較し、第2の位置におけるおおよそのグローバル位置の判定を絞り込む(refine)ように構成された位置プロセッサを更に含む。

図面の簡単な説明

0006

磁気慣性グローバル測位システムの例を示す図である。
地球の例示的なダイアグラムを示す図である。
地球上の緯度の判定の例示的なダイアグラムを示す図である。
地球の別の例示的なダイアグラムを示す図である。
所定の緯度磁場プロファイルの例示的なダイアグラムを示す図である。
おおよそのグローバル位置の絞り込みの例示的なダイアグラムを示す図である。
プラットフォームのグローバル位置を判定するための方法の例を示す図である。

実施例

0007

本開示は、一般にセンサシステムに関し、特に磁気慣性グローバル測位システムに関する。磁気慣性グローバル測位システムは、ビークルプラットフォームなどのプラットフォーム上に搭載することができる。一例として、ビークルプラットフォームは、航空機(例えば無人航空機UAV:unmannedaerial vehicle))とすることができ、又は(可動若しくは不動の、有人若しくは無人の)様々な他のプラットフォームのうちの任意のものとすることができる。磁気慣性グローバル測位システムは、初期位置及び時刻に関して認識できていない状態で(agnostically)、(例えば関連するビークルの)プラットフォームのおおよそのグローバル位置を判定するように構成することができる。例えば、磁気慣性グローバル測位システムは、天体上の任意の位置における電源投入の状態に基づいて、おおよそのグローバル位置及びおおよその現在時刻を判定することができる。結果として、磁気慣性グローバル測位システムは「誘拐ロボット問題」に対処し、磁気慣性グローバル測位システムが、初期位置及び時刻に関して完全に認識できていない状態で、且つグローバル測位衛星(GPS)システムなどのグローバル航法衛星システム(GNSS)の支援なしに、おおよその位置及びおおよその現在時刻を判定するように構成されるようにする。天体は、以後は地球に対応するものとして説明される。しかしながら、磁気慣性グローバル測位システムの動作原理が、グローバルな位置を知ることが望ましい任意の固体の天体(例えば月、火星又は別の惑星)に等しく適用可能であることを理解されたい。

0008

磁気慣性グローバル測位システムは、プラットフォームのおおよそのグローバル位置に関連するおおよその緯度を判定するように構成できる関連ビークルの慣性航法システム(INS(登録商標):inertialnavigation system)などの慣性システムを含む。例えば、慣性システムは、地球の重心に関連するダウンベクトルを判定するように構成された加速度計を含むことができ、且つ地球のスピン軸を中心としたプラットフォームの正味の回転を判定するように構成されたジャイロスコープシステムも含むことができる。従って、プラットフォームは、最初に第1の位置で静止して配置されることができ、加速度及び回転データを含む慣性データ収集して、おおよその緯度を判定することができる。磁気慣性グローバル測位システムはまた、周囲磁場(例えば3つの直交する軸の各々での磁場を含む正味の磁場)を測定するように構成された磁力計システムを含む。

0009

慣性データを収集しておおよその緯度を判定すると、位置プロセッサは、マッチングアルゴリズムを実行して、測定された周囲磁場を所定の磁場プロファイルと比較し、プラットフォームのおおよその経度を判定することができる。例えば、所定の磁場プロファイルは、グローバル磁場モデルの一部とすることができ、且つINSの所定の緯度において、経度の360°にわたる所定の磁場に関連する所定の緯度磁場プロファイルに対応することができ、その結果、位置プロセッサは、所定の緯度における経線に沿った正味の磁場のおおよその一致を判定することができる。例えば、磁場プロファイルは、プラットフォームの初期化において、及び測定された周囲磁場に応じてアクセスされることができるグローバル磁場異常マップと関連付けられることができる。従って、判定された正味の磁場とほぼ一致する所定の磁場プロファイルの緯度上の位置は、おおよその経度に、及び従ってプラットフォームのおおよそのグローバル位置に対応することができる。

0010

一例として、緯度及び経度の判定は、絞り込むことができる不確実領域内の初期推定とすることができる。例えば、緯度及び経度の初期推定を判定することに応じて、磁気慣性グローバル測位システムは、追加の慣性及び磁場データを収集するために移動することができる。前述のように、磁気慣性グローバル測位システムは、ビークルに搭載することができ、その結果、ビークルは移動して、プラットフォームのグローバル位置を確認するために提供できる追加データを収集することができる。プラットフォームが移動している間に、グローバル測位システムは、慣性システムを介して(例えばINSを介して)プラットフォームの移動を追跡して、プラットフォームの移動の正確な方向データを判定することができる。加えて、磁気慣性グローバル測位システムは、プラットフォームの移動中に磁場データを連続的に収集することができる。結果として、位置プロセッサは、マッチングアルゴリズムの実行を継続し、移動中に収集された磁場データを所定の磁場プロファイルと連続的に比較することができる。結果として、磁気慣性グローバル測位システムは、おおよそのグローバル位置(例えば、おおよその緯度及びおおよその経度)を絞り込んで、より正確なグローバル位置を判定することができる。

0011

更に、一例として、磁気慣性グローバル測位システムは、(例えば1つ又は複数の天体(例えば星)追跡装置を含む)天体追跡システムを更に含むことができる。天体追跡システムは、(例えばグローバル測位システムの初期静止位置の間に)初期天体観測を提供するように実装されて、おおよそのグローバル位置に基づいておおよその時刻を計算することができる。例えば、初期のおおよそのグローバル位置を判定することに応じて、磁気慣性グローバル測位システムは、天体追跡システムを実行して、初期のおおよその現在時刻を判定することができ、これは、初期クロックシステム(例えば自走クロック)に基づくことができる。従って、磁気慣性グローバル測位システムは、おおよその現在時刻を用いて、おおよそのグローバル位置を更に絞り込むことができ、(例えばプラットフォームの移動後の)絞り込まれたグローバル位置を判定することに基づいて、天体追跡システムは、初期の天体観測に基づいた時刻の判定を更に絞り込むことができる。別の例として、天体追跡システムは、絞り込まれたグローバル位置の判定に応じて、天体観測を再び提供でき、従ってこれは現在時刻を更に絞り込むことができる。この結果、磁気慣性グローバル測位システムは、天体追跡システムを実行して、磁気慣性グローバル測位システムのグローバル位置の判定を絞り込むこと、及び/又は磁気慣性グローバル測位システムの動作の正確な現在時刻を計算することができる。

0012

図1は、磁気慣性グローバル測位システム10の例を示す。磁気慣性グローバル測位システム10は、様々なナビゲーション又は位置情報サービスアプリケーションのいずれかにおいて実行されて、磁気慣性グローバル測位システム10が搭載されるか又は配置されるプラットフォーム(図示せず)のおおよそのグローバル位置を提供することができる。一例として、プラットフォームは、ビークルとすることができ、その結果、磁気慣性グローバル測位システム10は、ビークルのおおよそのグローバル位置を提供することができる。本明細書で説明されるように、磁気慣性グローバル測位システム10は、磁気慣性グローバル測位システム10の電源投入時など、プラットフォームの初期位置に関して認識できていない状態(例えば「誘拐ロボット問題」)で、プラットフォームのおおよそのグローバル位置を提供することができる。加えて、磁気慣性グローバル測位システム10は、グローバル測位衛星(GPS)システムなどのグローバル航法衛星システム(GNSS)の支援なしに、プラットフォームのおおよそのグローバル位置を提供することができる。

0013

磁気慣性グローバル測位システム10は、プラットフォームに関連する慣性データを収集するように構成された慣性システム12を含む。一例として、慣性システム12は、関連ビークル又はビークル搭載プラットフォームの慣性航法システム(INS)に対応することができる。図1の例において、慣性システム12は、ジャイロスコープシステム14及び加速度計システム16を含む。ジャイロスコープシステム14は、少なくとも1つのジャイロスコープ18を含み、少なくとも1つのジャイロスコープ18は、それぞれ少なくとも1つの受感軸を中心にしたプラットフォームの回転を監視するように構成されている。例えば、ジャイロスコープ18は、3次元空間におけるX、Y、及びZ軸を中心としたプラットフォームの回転を判定できるように、それぞれ直交する受感軸を有する3つのジャイロスコープを含むことができる。同様に、加速度計システム16は、少なくとも1つの入力軸に沿ってプラットフォームの加速度を監視するように構成された少なくとも1つの加速度計20を含む。例えば、加速度計20は、3次元空間におけるX、Y、及びZ軸に沿ったプラットフォームの加速度を判定できるように、それぞれ直交する入力軸を有する3つの加速度計を含むことができる。

0014

磁気慣性グローバル測位システム10は、プラットフォームの位置における周囲磁場に関連付けられる磁場データを生成するように構成された磁力計システム22も含む。図1の例において、磁力計システム22は、磁場測定値を収集するように構成された少なくとも1つの磁力計24を含む。例えば、磁力計24は、周囲磁場のスカラー測定値及び3つの直交する軸の各々におけるベクトル磁場測定値を収集することができる。本明細書で説明されるように、磁気慣性グローバル測位システム10は、慣性システム12によって提供されるような慣性測定値と、磁力計システム22によって提供されるような磁場測定値との組み合わせに基づいて、おおよそのグローバル位置を判定するように構成されている。

0015

慣性システム12は、ジャイロスコープシステム14によって収集された回転データROT、及び加速度計システム16によって収集された加速度データACLを位置プロセッサ26に提供する。加えて、磁力計システム22は、磁力計24によって収集された磁場データMFを位置プロセッサ26に提供する。位置プロセッサ26は、本明細書でより詳細に説明されるように、回転データROT、加速度データACL、及び磁場データMFの組み合わせに基づいて、プラットフォームのおおよそのグローバル位置を判定するように構成されている。

0016

電源投入時など、磁気慣性グローバル測位システム10の初期動作中に、磁気慣性グローバル測位システム10は、現在位置の知識を有していない可能性があり、従って初期のグローバル位置及び時刻に関して認識できていない(agnostic)(例えば「誘拐ロボット問題」)。一例として、磁気慣性グローバル測位システム10が搭載されるプラットフォームは、GNSSシステムを有しない可能性があり、又は関連するGNSS衛星によって提供される信号の遮蔽オクルージョン)に基づくなどの、ディスエーブルされているか又は動作不可能なGNSSシステムを有する可能性がある。従って、磁気慣性グローバル測位システム10は、回転データROT、加速度データACL、及び磁場データMFだけに基づいて、プラットフォームのおおよそのグローバル位置を判定することができる。従って、磁気慣性グローバル測位システム10の初期動作中に、磁気慣性グローバル測位システム10は、第1の固定位置において静止したままで、プラットフォームのおおよそのグローバル位置に関連したおおよその緯度を判定することができる。

0017

一例として、第1の固定位置において、慣性システム12は、地球に関連する慣性データを収集することができる。例えば、加速度計システム16の加速度計20は、重力など、プラットフォームに作用する加速度を判定して、地球の重心の方を向いているダウンベクトルを判定することができる。加えて、ジャイロスコープシステム14のジャイロスコープ18は、地球のスピン軸を中心とした地球の回転に基づく、3つの直交する軸を中心とするようなプラットフォームの回転を判定することができる。従って、地球の重心の方を向いているダウンベクトルの組み合わせに基づいて、且つ地球のスピン軸に対するプラットフォームの既知の向きに基づいて、位置プロセッサ26は、ダウンベクトルと、地球のスピン軸に直交するベクトルとの間の角度を計算することができる。結果として、位置プロセッサ26は、プラットフォームのおおよそのグローバル位置が存在する地球のおおよその緯度を判定することができる。

0018

図2は、地球の例示的なダイアグラム50を示す。ダイアグラム50は、磁気慣性グローバル測位システム10が、初期位置に関して認識できていない状態で電源投入され得る場所のおおよその位置52を示す。図2の例において、おおよその位置52は、ほぼ西半球北米大陸における米国バージニア州アーリントンとして示されている。電源投入時に、グローバル測位システム10は、プラットフォームがどこに位置するかを全く認識していない可能性がある。加えて、本明細書でより詳細に説明されるように、グローバル測位システム10は、グローバル測位システム10がアクティブ化された(電源投入された)現在時刻を全く認識していない可能性もある。

0019

図3は、地球上の緯度の判定の例示的なダイアグラム100を示す。ダイアグラム100は、アクティブ化されたプラットフォームのおおよその位置52も含む地球のアウトラインとして例示されている。前述のように、電源投入時における磁気慣性グローバル測位システム10の初期動作中に、磁気慣性グローバル測位システム10は、現在位置の知識を有しておらず、従って初期のグローバル位置及び時刻に関しては認識できていない。従って、第1の固定位置において、慣性システム12は、地球に関連する慣性データを収集する。図3の例において、加速度計システム16の加速度計20は、プラットフォームに作用する重力加速度に基づいて、地球の重心の方を向いているダウンベクトル102を判定する。例えば、ダウンベクトル102は、ほぼ地球の重心の方へ、局所的な正味の重力場に沿って方向付けられることができる。加えて、ジャイロスコープシステム14のジャイロスコープ18は、地球のスピン軸104を中心とする地球の回転に基づく、3つの直交する軸を中心とするなどのプラットフォームの回転を判定する。従って、地球のスピン軸104に関連するプラットフォームの回転に基づいた、3つの軸を中心とするプラットフォームの回転は、地球のスピン軸104に直交するベクトル106を決定することができる。従って、角度θは、ベクトル106とダウンベクトル102との間で測定することができ、これは、地球の赤道面とダウンベクトル102との間の等しい角度θに対応する。従って、位置プロセッサ26は、おおよその位置52が存在するおおよその緯度108を計算することができる。一例として、おおよその緯度108は、(例えば、数メートル〜数百キロメートルの)不確実領域を含むように位置プロセッサ26によって判定されるような、おおよその緯度に対応し得る。

0020

おおよその緯度108を判定することに応じて、磁気慣性グローバル測位システム10は、おおよその位置52が存在するおおよその経度110を判定するように構成されることができる。一例として、グローバル測位システム10は、プラットフォームのおおよその位置52にいる間に(例えば第1の固定位置で静止している間に)、磁力計システム22の磁力計24を介して、周囲磁場測定値を収集することができる。周囲磁場測定値は、地球のスピン軸104から軸外である地球の極の磁場112に関連する磁場を含むことができる。地球の極の磁場112が、地球のスピン軸104から軸外であるので、周囲磁場は、おおよその緯度108を含む地球の所与の緯度のまわりの360°全体にわたり大幅に変化する可能性がある。従って、周囲磁場は、所与の緯度と交差する所与の経度に関連する情報を提供することができる。加えて、周囲磁場は、地殻の金属成分に関連するなどの、一定の地球ベースの磁場異常の測定値を含むことができる。このような地球ベースの磁場異常は、(例えば地質測定を通して)予め決定され得るので、その結果、周囲磁場は、地球の極の磁場112及び地球ベースの磁場異常の両方の成分を含むことができる。

0021

再び図1の例を参照すると、磁気慣性グローバル測位システム10は、地球の所定の磁場モデルを格納するように構成された磁気モデルデータベース28を更に含む。一例として、地球の所定の磁場モデルは、地球の表面全体からの磁場測定値に関連する地質データに基づいて生成されることができ、その結果、地球の所定の磁場モデルは、地球のほぼ全表面にわたる所定の磁場プロファイルを含むことができる。従って、プラットフォームのおおよその位置52における周囲磁場測定値を収集することに応じて、磁力計システム22は、磁場測定値MFを位置プロセッサ26に提供することができる。一例として、磁場測定値MFは、周囲磁場のスカラー振幅及び/又は周囲磁場の3つの直交するベクトルの測定値の各々を含むことができる。それに応じて、位置プロセッサ26は、磁場測定値MF、及び前述のように慣性システム12を介して確認されるようなおおよその緯度108を提供して、おおよその経度110を判定することができる。例えば、位置プロセッサ26は、磁気モデルデータベース28にアクセスして、判定されたおおよその緯度108に関連付けられた所定の緯度磁場プロファイルを取得することができ、且つ所定の緯度磁場プロファイルに対してマッチングアルゴリズムを実行して、判定された緯度におけるエラーを軽減し、おおよその経度110を判定するだけでなく、おおよその緯度を更に絞り込むことができる。

0022

図4は、地球の別の例示的なダイアグラム150を示す。地球のダイアグラム150は、地球全体の地図の歪曲した図、従って地球の緯度の約360°表現を示す。ダイアグラム150はまた、図3の例に示されたおおよその緯度108に対応し得るおおよその緯度152を示す。ダイアグラム150はまた、おおよその緯度152(例えば、バージニア州アーリントンにおけるおおよその位置52の緯度38.878°N)の360°全体に対応し得る所定の緯度磁場プロファイル154を示す。従って、所定の緯度磁場プロファイル154は、地球の所定の磁場モデルの一部として、磁気モデルデータベース28に格納することができる。従って、位置プロセッサ26は、所定の緯度磁場プロファイル154に対して磁場測定値MFのマッチングアルゴリズムを実行することができる。従って、マッチングアルゴリズムは、所定の緯度磁場プロファイル154に沿った所与の磁場と、磁場測定値MFによって提供されるような周囲磁場とのおおよその一致を判定することに応じて、おおよその経度110を判定することができる。その結果、所定の緯度磁場プロファイルに沿った周囲磁場の一致は、おおよその緯度152と交差するおおよその経度156、従ってプラットフォームのおおよそのグローバル位置158を示すことができる。

0023

図5は、所定の緯度磁場プロファイル200の例を示す。所定の緯度磁場プロファイル200は、図4の例における所定の緯度磁場プロファイル154に対応することができる。所定の緯度磁場プロファイル200は、地球のスピン軸104を中心とした緯度(例えばバージニア州アーリントンにおけるおおよその位置52の緯度38.878°N)の所定の360°にわたる経度の度数関数としてプロットされるように示されている。磁場振幅は、テスラ(例えばナノテスラ)における相対振幅として表現することができる。

0024

図5の例において、所定の緯度磁場プロファイル200は、地球のスピン軸104を中心とした緯度の360°にわたるように示され、且つ4つの別個の磁場プロファイルを示す。特に、所定の緯度磁場プロファイル200は、合計スカラー磁場振幅202、X軸磁場204、Y軸磁場206、及びZ軸磁場208を含む。従って、合計スカラー磁場振幅202は、X軸磁場204、Y軸磁場206、及びZ軸磁場208のベクトル和(例えば二乗和平方根)に対応することができる。従って、磁場振幅202、204、206及び208は、それぞれ、所定の緯度磁場プロファイル200によって表された特定の緯度上の所与の経度における、スカラー振幅及び3軸直交振幅の各々での所与の所定の磁場を表すことができる。一例として、磁場振幅202、204、206及び208は、地理的な測定値を介してなどで予め決定することができ、且つ地球の表面をほぼカバーする磁場モデルの複数の緯度のうちの1つの緯度を表すことができる。

0025

前述のように、プラットフォームのおおよその位置52における周囲磁場測定値を収集することに応じて、磁力計システム22は、磁場測定値MFを位置プロセッサ26に提供することができる。一例として、磁場測定値MFは、周囲磁場のスカラー振幅、及び周囲磁場の3つの直交するベクトル測定値の各々を含むことができる。それに応じて、位置プロセッサ26は、所定の緯度磁場プロファイル200に対してマッチングアルゴリズムを実行して、おおよその経度110を判定することができる。一例として、マッチングアルゴリズムは、磁場振幅202、204、206及び208に対して、スカラー測定値及び3つの直交測定値に関するような周囲磁場の相対的測定値を評価することができる。従って、マッチングアルゴリズムは、磁場振幅202、204、206及び208に対する、測定された周囲磁場の最も近い一致を提供する所与の経度を判定することができる。図5の例において、最も近い一致は、およそ77°Wで示され、それは、磁場振幅202、204、206及び208に対する、測定された周囲磁場の最も近い一致を提供した可能性があり、従ってバージニア州アーリントンにおけるおおよそのグローバル位置に対応している。

0026

前述のように、おおよその緯度152は、不確実領域内にある緯度であり得る。同様に、おおよその経度156は、不確実領域内にある経度であり得る。従って、おおよその緯度152及びおおよその経度156は、不確実なグローバル位置領域内にある(例えば数メートル〜数百キロメートル内まで正確な)おおよそのグローバル位置158に関連付けられることができる。例えば、グローバル測位システム10は、局所的な磁気異常が地球の極の磁場112より強いか、又は所定の緯度磁場プロファイルに沿った複数の同様の磁場のうちの1つに位置する、おおよそのグローバル位置に位置することができる。前述のように、おおよそのグローバル位置158は、グローバル測位システム10が搭載された、固定の第1の位置で静止しているプラットフォームによって確認されることができる。本明細書でより詳細に説明されるように、プラットフォームは、固定の第1の位置から第2の位置へ移動を開始して、おおよそのグローバル位置をはるかに正確な判定へと(例えば数メートルの不確実性内へと)絞り込むことができる。

0027

図6は、おおよそのグローバル位置の絞り込みの例示的なダイアグラム250を示す。ダイアグラム250は、グローバル測位システム10を搭載できるプラットフォームに対応する航空機252を示す。ダイアグラム250は航空機を示すが、ビークルが、航空機252に制限されず、その代わりに様々なビークルのうちの任意のものであり得ることが理解されるべきである。図6の例において、航空機252は、第1の固定位置254から第2の固定位置256へ移動しているように示されている。航空機252が移動している間に、グローバル測位システム10の慣性システム12は、慣性データを実質的に連続して収集するように、従って、それぞれ加速度計システム16及びジャイロスコープシステム14を介して、加速度データACL及び回転データROTを実質的に連続して収集するように構成され得る。結果として、慣性システム12、及び従って位置プロセッサ26は、第1の固定位置254から第2の固定位置256への航空機252の位置の連続的かつ正確な変化を監視することができる。結果として、位置プロセッサ26は、第1の固定位置254に対する第2の固定位置256の距離及び位置の差を非常に正確に識別することができる。

0028

加えて、磁力計システム22は、第1の固定位置254と第2の固定位置256との間の経路に沿って、周囲磁場データMFを連続的に収集することができる。従って、周囲磁場データMFは、航空機252のおおよその位置を絞り込むために提供されることができる。例えば、位置プロセッサ26が、第1の固定位置254から第2の固定位置256への航空機252の位置の変化を正確に識別できるので、位置プロセッサ26は、磁気モデルデータベース28にアクセスして、磁気モデルデータベース28に格納された磁場モデルにおける関連する変化に対応し得る収集された周囲磁場の変化を判定することができる。例えば、位置プロセッサ26は、マッチングアルゴリズムを実行して、第1の固定位置254から第2の固定位置256への経路に沿った周囲磁場の変化の、磁気モデルデータベース28に格納された磁場モデルにおけるほぼ同一の経路(例えば角度及び距離)に沿った所定の磁場データにおける対応する変化に対する一致を判定することができる。従って、位置プロセッサ26は、磁気モデルデータベース28における磁場モデルに対する、第1の固定位置254から第2の固定位置256への経路に沿った磁場測定値MFの変化に基づいて、第2の固定位置256(例えば飛行中の瞬間的な位置とすることが可能である)における航空機252のより著しく正確なおおよそのグローバル位置を判定することができる。

0029

プラットフォームのおおよそのグローバル位置を判定することに加えて、磁気慣性グローバル測位システム10は、電源投入時、従って電源投入の初期時刻に関して認識できていない状態で、おおよその現在時刻(例えば実時間)を判定するように構成され得る。再び図1の例を参照すると、磁気慣性グローバル測位システム10は、1つ又は複数の天体追跡装置(例えば星追跡装置)32を含む天体追跡システム30を更に含む。一例として、天体追跡システム30は、1つ又は複数の天体観測を実行することに基づいて、プラットフォームのおおよそのグローバル位置を判定することに応じて、磁気慣性グローバル測位システム10の動作のおおよその現在時刻を提供することができる。例えば、典型的な天体追跡装置は、天体観測を実行してプラットフォームの位置情報を判定し、所与の既知の時刻における所定の天体位置情報に基づいて、ナビゲーションを支援するように構成され得る。天体追跡システム30は、その代わりに、磁気慣性グローバル測位システム10によって実行されて、プラットフォームの既知のおおよその位置に基づいて、現在時刻を判定するように逆に動作することができる。

0030

例えば、天体追跡システム30は、(例えば図6の例における第1の固定位置254において)プラットフォームが最初に静止している間に、天体追跡装置32を介して天体観測を行い、且つ天体観測データCOをプロセッサ26に提供するように構成され得る。(例えば初期のおおよその緯度108及び初期のおおよその経度110を判定することに基づいて)初期の静止位置におけるプラットフォームのおおよそのグローバル位置を判定すると、位置プロセッサ26は、天体観測データCOに基づいて、且つおおよそのグローバル位置に基づいて、初期のおおよその現在時刻を判定することができる。太陽系の惑星が、およそ5126年ごとに一度、互いに対する相対配置を繰り返すとすると、位置プロセッサ26は、磁気慣性グローバル測位システム10の電源が切られて以来、惑星の整列サイクル時間の半分未満が過ぎた(例えば2563年未満)という仮定に基づいて、おおよその現在時刻を判定することができる。

0031

別の例として、初期の静止位置におけるプラットフォームのおおよそのグローバル位置を判定すると、プラットフォームが第1の固定位置にある間の単一の天体観測は、不確実領域内(例えば数秒〜数分内)にある現在時刻を提供することができる。このような不確実領域は、判定されたおおよそのグローバル位置の不確実性に基づく可能性があり、且つ天体観測が一回だけであることに基づく可能性がある。従って、グローバル測位システム10は、様々な時刻に天体追跡システム30を介して複数の天体観測を実行することに基づいて、現在時刻を絞り込むように構成することができる。例えば、前述のように、航空機252として構成されたプラットフォームは、第1の固定位置254から第2の固定位置256へ移動することができる。従って、天体追跡システム30は、第1の固定位置254における第1の天体観測及び第2の固定位置256における第2の天体観測(例えば、並びに/又はそれらの間の複数の追加の天体観測を含む)などの複数の天体観測を実行することができる。従って、第1の固定位置254と第2の固定位置256との間の天体観測間の差に基づいて、且つおおよそのグローバル位置の絞り込まれた判定に基づいて、磁気慣性グローバル測位システム10は、はるかにより正確な方法で(例えばミリ秒の精度内で)現在時刻を判定することができる。

0032

別の例として、グローバル測位システム10は、水晶発振器ベースのクロックなどのローカル時間基準(例えば内部クロック)を含むことができる。一例として、典型的な水晶クロックは、非常に小さなバッテリで何年も動作することができ、且つ小さな温度範囲にわたり適度に安定であり得る。しかしながら、温度範囲の端の極限における1年以上の動作の後で、ローカル時間基準は、それでもなお約12時間未満の不確実性の範囲内で時刻を提供することができる。しかしながら、電源投入後のこのようなベースラインの現在時刻は、天体追跡システム30によって提供される天体観測に基づいて絞り込まれ得る時間基準を提供することができる。従って、ベースライン時間基準は、位置不確実性の限界まで現在時刻の判定を絞り込むことができる。従って、現在時刻のこのような判定は、はるかに迅速に実行され得る。例えば、時間の判定が、十分に絞り込まれるようになる場合に、既知の周波数及びタイミングを備えたパルサーマグネターからの信号の観測を実行して、サブミリ秒レベルまでなど、時間の判定を更に絞り込むことが可能であり得る。

0033

従って、本明細書で説明されるように、おおよそのグローバル位置の判定が、磁気慣性グローバル測位システム10によって実行されて、おおよその現在時刻の判定を絞り込むことができる。加えて、おおよその現在時刻の判定が、磁気慣性グローバル測位システム10によって実行されて、おおよそのグローバル位置の判定を絞り込むことができる。従って、グローバル測位システム10は、おおよその現在時刻及びおおよそのグローバル位置の両方を互いに対しフィードバックする方法で提供して、おおよその現在時刻及びおおよそのグローバル位置を絞り込むことができる。

0034

上記で説明した前述の構造及び機能的特徴を考慮すると、本開示の様々な態様による方法は、図7を参照して一層よく認識されよう。説明の簡略化のために、図7の方法は、順次実行されるように図示され説明されるが、幾つかの態様が、本明細書の例に従って、相異なる順序で、且つ/又は本明細書で図示され説明された態様以外の態様と同時に行われ得るので、本開示が、図示の順序によって制限されないことを理解し認識されたい。更に、全ての示された特徴が、本開示の態様による方法を実行するために必要とされるわけではない可能性がある。

0035

図7は、プラットフォーム(例えばビークルプラットフォーム252)のおおよそのグローバル位置を判定するための方法の例を示す。302において、プラットフォームのおおよそのグローバル位置に関連するおおよその緯度が、プラットフォームに関連する慣性システム(例えば慣性システム12)を介して判定される。304において、周囲磁場が、プラットフォームに関連する磁力計システム(例えば磁力計システム22)を介して、おおよそのグローバル位置で判定される。306において、所定の磁場プロファイル(例えば磁場プロファイル200)が、プラットフォームに関連するメモリ(例えば磁場モデルデータベース28)からアクセスされる。308において、周囲磁場は、所定の磁場プロファイルと比較され、判定されたおおよその緯度に沿っておおよその経度を判定し、プラットフォームのおおよそのグローバル位置を判定する。

0036

上記で説明したものは、本開示の例である。もちろん、本開示を説明するための構成要素又は方法のあらゆる考えられる組み合わせを説明することは不可能であるが、当業者は、本開示の多くの更なる組み合わせ及び置き換えが可能であることを理解されよう。従って、本開示は、添付の特許請求の範囲を含む本出願の範囲内に入る全てのこのような変更、修正及び変形を包含するように意図されている。

0037

10磁気慣性グローバル測位システム
12慣性システム
14ジャイロスコープシステム
16加速度計システム
18ジャイロスコープ
20 加速度計
22磁力計システム
24 磁力計
26位置プロセッサ
28磁気モデルデータベース
30天体追跡システム
32 天体追跡装置

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