[論文レビュー] Improving GPS Precision and Processing Time using Parallel and Reduced-Length Wiener Filters

Javier Contreras García, Chi Zhou|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2010

GNSS positioning and interference参考文献 5被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、高価なGPS/INS統合システムに代わって、GPS定位精度を向上させるとともに処理時間を短縮する平行処理および短縮長のウィーナー・フィルタを提案する。実証により、最適化されたウィーナー・フィルタはカルマン法およびニューラルネットワーク法と同等の精度を達成する一方で、計算負荷を顕著に低減し、低サンプリング周波数でもリアルタイム処理を実現できることを示している。

ABSTRACT

Increasing GPS precision at low cost has always been a challenge for the manufacturers of the GPS receivers. This paper proposes the use of a Wiener filter for increasing precision in substitution of traditional GPS/INS fusion systems, which require expensive inertial systems. In this paper, we first implement and compare three GPS signal processing schemes: a Kalman filter, a neural network and a Wiener filter and compare them in terms of precision and the processing time. To further reduce the processing time of Wiener filter, we propose parallel and reduced-length implementations. Finally, we calculate the sampling frequency that would be required in every Wiener scheme in order to obtain the same total processing time as the Kalman filter and the neural network.

研究の動機と目的

• 低コストでGPS定位精度を向上させる課題に対処すること。
• 精度を損なわずGPS信号処理における処理時間を短縮すること。
• カルマンフィルタおよびニューラルネットワークと比較して、ウィーナー・フィルタリングをGPS応用分野における実用的代替手段として評価・最適化すること。
• ウィーナー・フィルタ計算を高速化するために、並列処理および短縮長実装を構築すること。
• ウィーナー法ベースのシステムがカルマン法およびニューラルネットワーク手法の合計処理時間と同等になるために必要なサンプリング周波数を特定すること。

提案手法

• カルマンフィルタ、ニューラルネットワーク、ウィーナー・フィルタの3つのGPS信号処理方式を実装し、比較する。
• 計算複雑性と処理遅延を最小限に抑えるために、短縮長ウィーナー・フィルタを設計する。
• 複数のプロセッサにウィーナー・フィルタ計算を分散させるための並列処理技術を適用する。
• GPS擬似距離および搬送波位相測定値の最適線形推定にウィーナー・フィルタリングを適用する。
• 同一条件下で3手法の処理時間および定位精度をベンチマーク化する。
• ウィーナー法ベースのシステムがカルマン法およびニューラルネットワーク手法の合計処理時間と同等になるために必要な等価サンプリング周波数を計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ウィーナー・フィルタはカルマンフィルタおよびニューラルネットワークと同等のGPS定位精度を達成できるか？
• RQ2 短縮長ウィーナー・フィルタはGPS信号処理における処理時間および精度にどのように影響を与えるか？
• RQ3 ウィーナー・フィルタの並列化は計算遅延をどの程度低減できるか？
• RQ4 ウィーナー・フィルタがカルマン法およびニューラルネットワーク手法の合計処理時間と同等になるために必要なサンプリング周波数は何か？
• RQ5 ウィーナー・フィルタは高価なGPS/INS統合システムの代替としてコスト効率の良い選択肢となるか？

主な発見

• ウィーナー・フィルタはカルマンフィルタおよびニューラルネットワーク手法と同等の定位精度を達成する。
• 短縮長ウィーナー・フィルタは標準ウィーナー・フィルタと比較して処理時間を顕著に短縮する。
• ウィーナー・フィルタの並列実装により計算がさらに高速化され、リアルタイム処理が可能になる。
• 最適化されたウィーナー・フィルタは、カルマンフィルタおよびニューラルネットワーク手法よりも低いサンプリング周波数で、同じ合計処理時間を達成できる。
• 提案されたウィーナー・フィルタは、従来のGPS/INS統合システムに代わる低コストで高精度な代替手段を提供する。
• 本研究は、ウィーナー・フィルタリングがGPS信号処理性能を向上させる実用的で効率的な手法であることを確認した。