JP2000508076A

JP2000508076A - Ｇｓｐ信号の高速獲得のための改良されたリアル・タイムクロック装置

Info

Publication number: JP2000508076A
Application number: JP10534360A
Authority: JP
Inventors: キング、トーマス・マイケル; オグレン、ジェフリー・ジェロメ
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1997-01-21
Filing date: 1997-12-12
Publication date: 2000-06-27
Also published as: WO1998032027A1; US5893044A; EP0895601A4; EP0895601A1

Abstract

(57)【要約】ＧＰＳ信号の獲得時間を改善する装置は、ＧＰＳ受信機（２１）およびリアル・タイム・クロック回路（３０）を含む。ＧＰＳ受信機は、ＧＰＳ受信機の場所に基づいて位置を与えるための正確な時間基準信号を含むＧＰＳ信号を受信する。また、ＧＰＳ受信機は、正確な時間基準信号から得られる内部時間軸（１１）も含む。リアル・タイム・クロック回路は、ＧＰＳ受信機に結合され、ＧＰＳ信号の正確な時間基準信号が得られる場合は、ＧＰＳ受信機から第１時間基準信号を受信し、ＧＳＰ信号の正確な時間基準信号が得られない場合は、ＧＰＳ受信機に第２時間基準信号を供給することににより、ＧＰＳ信号が一時的に中断した場合、またはＧＰＳ信号が未だ得られない場合に、ＧＰＳ信号の獲得時間短縮を可能とする。

Description

【発明の詳細な説明】ＧＳＰ信号の高速獲得のための改良されたリアル・タイムクロック装置発明の背景全地球測位衛星（ＧＳＰ：Global Positioning Satellite）受信機は、ＧＰＳ衛星からのＧＰＳ信号の受信に基づき決定された位置を判定するために広く普及している。ＧＰＳ受信機の最も重要な仕様の１つは、電力をユニットに印加した後に、受信機が衛星信号を獲得し、ユーザに位置座標を配信するのに要する時間である。これらのステップを完了するために必要な時間は、初期確定時間（ＴＴＦＦ：time-to-first-fix）として知られている。いずれの受信機でも、ＴＴＦＦは、それ自体固有のハードウエアおよびソフトウエアの設計によって影響を受け、ＧＰＳ受信機技術のユーザが購人を決定する際に詳細に調べる主要な特性(k ey parameter)の１つとなっている。したがって、最短のＴＴＦＦを有するユニットは大きな利点を有する。電池給電型ハンド・ヘルドＧＰＳ受信機では、例えば、獲得時間は全電池寿命に影響を与える。何故なら、ユーザが位置座標を待っている間、ユニットを連続的に給電状態に保持しなければならないからである。電源投入と初期確定との間の短い時間期間は、ユーザに関心のあるデータを彼に与え、同じ作業を行うのに時問が長くかかるユニットよりも、消費する全エネルギは少ない。加えて、初期確定を待っている間、例え短い時間期間でも永遠のように感じられる場合もある。自動車の用途では、ＧＰＳ受信機が装備されている自動車は、ＴＴＦＦ期間の間移動し場所を変更できるので、事故現場を識別するシステムのように、位置座標を緊急時に使用しようとする場合、位置の不確定性は特に危険な場合がある。何故なら、ＴＴＦＦ期間が経過するまで、ユーザには位置に関する知識がないからである。したがって、必要とされているのは、平均ＦＦＴＴを大幅に短縮することにより、ＴＴＦＦ間隔をできるだけ短くし、電池の長寿命化を図る発明である。図面の簡単な説明第１図は、現在の技術のＧＰＳ受信機の設計を記述し、特にリアル・タイム・クロック回路の受信機の残り部分に対する接続部を示すブロック図である。第２図は、改善されたリアル・タイム・クロック回路、およびそれに必要な、受信機の残り部分に対する接続を示すブロック図である。第３図は、リアル・タイム・データ収集プロセスを示す詳細なフロー・チャートである。第４図は、測定エポックと２回目の一致する毎に、不揮発性メモリに格納されるＧＰＳパラメータを記述する表である。第５図は、温度変化の予測レートよりも速いレートにおいて、不揮発性メモリに格納される所定のＧＰＳパラメータを記述する表である。第６図は、約１秒後にＴＴＦＦを達成するための電源投入シーケンスを示す詳細なフロー・チャートである。図面の詳細な説明従来技術のＧＰＳ受信機は、典型的に、分解能が１秒でしかなく、しかもＧＰＳ受信機内部の基準時間に正確に同期する手段を有さないリアル・タイム・クロック回路を使用している。したがって、従来技術の受信機は、一旦電力がユニットに印加されると、再度信号測定値から直接時間を獲得する必要がある。かかる典型的なＧＰＳ受信機において、リアル・タイム・クロックの時間誤差が１秒あるとすると、時間がＧＰＳ受信機の基準時間に同期していない（おそらく、第２の時間的不確定性を追加する原因となる）場合、かかる時間誤差は、数キロメートルに及ぶ位置の誤差を生ずることになろう。これは、明らかに、望ましい性質 (feature)ではないので、信号から時間を獲得しなければならない。このように、従来のＧＰＳ受信機のリアル・タイム・クロックは、ＴＴＦＦを改善するためには用いることはできない。更に、市場にある最高速のＴＴＦＦＧＰＳ受信機は、典型的に、電力を印加した後１０ないし１５秒以内に初期確定を達成する。ユーザはＴＴＦＦ期間が経過し終わるまで位置に関する知識を有していないために、かかる長いＴＴＦＦは、著しい位置の不確定性を生ずる可能性があり、自動車事故の現場を識別するシステムのような、緊急システムにおいて位置座標を用いようとする場合、特に危険となり得る。しかしながら、本発明は、ある条件の下ではＴＴＦＦ間隔をわずか１秒に短縮可能な、改善されたリアル・タイム・クロックを利用する。本発明を用いると、最近受信機をオンにしたことがある場合、ＴＴＦＦを約１秒に短縮することができる。加えて、本発明は、位置確定が比較的遅いレート、例えば、３０秒毎に１回程度で要求される用途では、平均電力ドレインを大幅に低下させることができる。かかる電力循環システム(power cycled system)に本発明を用いることにより、今日最もよく知られている技術と比較して、全電力消費が大幅に削減される。ＧＰＳ受信機は、典型的に、位置座標を適切かつ十分に獲得するためには、いくつかのステップを実行しなければならない。表１を参照すると、ＧＰＳ受信機が位置座標を獲得するために必要ないくつかのステップが、かかるステップを実行するための各時間と共にリストに示されている。表１ＧＰＳ位置獲得ステップ表１からわかるように、これらのステップを実行するための総時間は、２３ないし４３秒（エフェメリス(ephemeris)なし）、および５ないし１３秒（エフェメリスあり）である。次に、各ステップについての簡単な説明を行う。軌道予測のステップは、最後に判明した位置座標，衛星暦軌道パラメータ(sat ellite almanac orbit parameter)，および受信機に位置するリアル・タイム・クロックからの現在時刻を用いて、衛星可視性(satellite visibility)，ならびに受信機の基準発振器の推定衛星ドップラおよび推定周波数を計算する。コード同期のステップは、複製のＰＮコード・シーケンスを、衛星から受信したそれと整合させるプロセスである。最近のＧＰＳ受信機の殆どは、このプロセスのために順次検出(sequential detection)として知られるアルゴリズムを用い、これによって、相関が得られるまで複製ＰＮコードを同相に調節する。受信機の基準クロック位相は、衛星に対してはわからないので、コード位相空間全体を、電源投入時に検索しなければならない（全部で１０２３チップ）。周波数または位相同期のステップは、受信機内で計算した推定ドップラを、受信信号の実際のドップラと整合させるプロセスである（これ以降、「ドップラ」という用語は、衛星の運動による送信信号のドップラ・シフト，および受信機の基準発振器の周波数偏倚によって受信信号に誘発されるドップラ・シフトを意味するものとする）。これは、典型的に、狭帯域自動周波数制御ループまたは位相ロック・コスタス・ループ(phase locked costas loop)によって行われ、コード同期が得られるまでは、開始することができない。ビット同期のステップは、受信機がその処理を、各衛星から送信される毎秒５０ビット（ＢＰＳ）のデータ・ストリームに整合させるプロセスである。このプロセスは、複製ドップラ信号の周波数または位相が受信信号の実際のドップラまたは位相に近接するまで、開始することができない。メッセージ同期のステップは、受信機がその処理を、各衛星から送信される５０ＢＰＳデータ・ストリームに整合させるプロセスである。メッセージは、３００ビット長のサブフレームに構成され、同期は、各サブフレームの開始時にのみ（したがって、５０ＢＰＳデータ・レートでは、６秒までが必要となる）得ることができる。また、メッセージ同期のステップも、衛星信号の到達時刻の正確な測定値を与えることを注記しておく。エフェメリス収集のステップは、受信機が、同報通信される５０ＢＰＳデータ・メッセージをデコードすることにより、各衛星からの正確な衛星軌道パラメータを得るプロセスである。エフェメリス・データは、受信機が各衛星の真の位置を、時間の関数として計算する手段を与える。３００ＢＰＳメッセージ長に対してメッセージ同期がどこで行われるかに応じて、エフェメリス収集のプロセスは、合計で１８ないし３０秒の時間を要する可能性がある。ＰＶＴ計算プロセスのステップは、受信機が、範囲測定値からユーザの位置および正確な時刻，ならびに正確な時刻推定値を計算するために必要なものである。ＴＴＦＦを高速化するために普及している技法の１つに、「ホット・スタート」モードと呼ばれるものを使用し、これによって受信機が、オフ期間の間に、不揮発性メモリ内に現在の衛星のエフェメリス・データを常駐させ続け、各衛星によって現在同報通信されているエフェメリス・データの長さ(age)に比較してオフ期間が短い場合に、エフェメリス収集プロセスを回避するというものがある。しかしながら、この技法を用いても、（表１の）ステップ６を回避するだけに過ぎず、典型的な「ホット・スタート」ＴＴＦＦ獲得時間は、なおも１０秒近くかかる。第１図を参照すると、典型的なＧＰＳ受信機のハードウエア構成を示すブロック図が示されている。ＧＰＳ受信機は、切り換え給電部２１およびバッテリ給電部２３を含む。バッテリ給電部２３は、比較的低い周波数で動作する低電力発振回路１５，信号ライン１８を通じて１秒タイム・ティック(１ second time tick )を発生するデバイダ回路１７，および時問，分，秒，月，日，年のような都合のよい時間フォーマットで、ある初期化状態からの時間を追跡するリアル・タイム・クロック回路１９を含む。電池給電部２３は、切り換え給電部２１に比較して消費電力が非常に少なく、したがって、小さなバッテリ２３によって長時間の給電が可能である。切り換え給電部２１は、例えば、１５７５．４２Ｍｈｚの所定のキャリア周波数でＧＰＳ衛星信号を受信するアンテナｌを含み、受信ＧＰＳ信号は、ＧＰＳ受信機が時間を測定するために用いる、正確な時間基準信号を含む。また、切り換え給電部２１は、信号ライン４を通じて、所望の信号のスペクトルを中間周波数ＩＦ信号にダウン・コンバートするＲＦ処理ブロック３，ライン８を通じて供給される、ある好都合なサンプル・レートＦｓのＩＦ信号のデジタル複製物に、信号ライン６を通じて、ＩＦ信号４を変換するアナログ／デジタル変換器５を含む。更に、切り換え給電部２１は、デジタルＩＦ信号６に、高速信号処理機能を実施するために、デジタル信号処理ブロック７を含む。高速信号処理機能とは、ＣＤＭＡ信号の同期および減縮(despreading)，連続波形ＩＦ信号のワイプ・オフ(wiping off),信号ドップラまたはキャリア位相の推定およびワイプ・オフ，ならびに毎秒１回のようなある好都合なサンプル・レートでのコード位相の発生およびコード位相レートの測定等である。これらの測定値は、インターフェース・バス１４を通じて、毎秒１回のような所望の測定エポック時間で、ＧＰＳナビゲーションおよび追跡マイクロプロセッサ１３が発生するか、あるいはこれに送出する。測定エポックとは、受信機が衛星疑似範囲(s atellite pseudorange)を測定する時点のことであり、この時点におけるアンテナ位置に対応して、位置座標を最終的に計算する。典型的なＧＰＳ受信機では、マイクロプロセッサ１３において、１０００回の１ｋＫＨｚエポックをカウントし、各１０００回目の割り込みに一致するコード位相およびコード位相レートを計算することによって、１秒を測定する毎の測定エポック・データを実際に計算する。この構成では、マイクロプロセッサ１３は、デジタル信号処理技法を用いて、ソフトウエアで獲得および追跡機能を制御してもよい。受信機内の動作タイミングは、基準時間回路１１によって制御される。基準時間回路１１の機能は、ＧＰＳ受信機内部で使用する、必要なタイミング，クロック，および基準信号の全てを、単一の基準発振器９からコヒーレントに発生することである。この発振器は自走型であり、衛星に同期していないので、受信機は衛星の基準時間に対する基準時間回路１１の偏倚を最終的に計算しなければならない。受信機は、衛星からデコードされた正確な時間基準信号を用いて、ＧＰＳコンステレーションから位置データを獲得した後に、内部基準時間１１における時刻を判断する。位置データの獲得の後、正確な時刻（したがって、受信機基準時間１１の時間バイアス）を、マイクロプロセッサ１３において計算されるナビゲーション解法(navigation solution)の直接的な結果として計算する。ＧＰＳ受信機が、３つ以上の衛星に対して、使用可能な有効疑似範囲測定値を有する場合、１００メートル、２ＤＲＭＳ（１００メートル以内、時間の９５％）の精度で、位置を計算することができる。ナビゲーション解法の直接的な結果の１つは、１０ナノ秒単位という高精度で測定エポック時間を計算することである。測定エポック時間とは、受信機が衛星全てに対して共通な疑似範囲測定を行う時間であることを思い出されたい。測定エポックの絶対時刻（即ち、各１０００回目の割り込み）は、ユーザ位置を計算する場合、１０ナノ秒の範囲の精度で、正確に知られることになる。したがって、ＴＴＦＦの減少を目標とする既存のＧＰＳ受信機の設計は、基本的に、正確な時刻を十分な精度で予測し、同報通信衛星データからの正確な時間の収集プロセスを回避することや、コード位相を十分正確に予測し、全コード位相検索空間(total code phase search space)を大幅に減少させることが不可能であるという事実によって限定される。第２図を参照すると、本発明によるＧＰＳ受信機のハードウエア構成を示すブロック図がある。第２図に示すコンポーネントの内、第１図に示した構成と同一のものは、同様の参照番号で識別されていることは理解されよう。第２図は、ＧＰＳ受信機基準時間１１をリアル・タイム・クロック回路３０と同期させる際に必要な、改善されたリアル・タイム・クロック回路３０およびフリップ・フロップ３２を示す。改善されたリアル・タイム・クロック回路３０は、第１図におけると同一であり、典型的に３２．７６８ＫＨｚで動作する低電力発振器１５，低電力発振器の周波数信号４０を１Ｈｚ信号１８に分周するｎ−ビット・リップル・カウンタ回路３８，および１Ｈｚ信号１８を分周し、２年以上の正確な時間基準が得られるようにする別のｍ−ビットリップル・カウンタを含む。好適実施例では、ｎは１５ビットであり、ｍは少なくとも２６ビットである。ｎ−ビット・リップル・カウンタ３８からのｎ出力ビットは、各ミリ秒毎に、インターフェース・フリップ・フロップ３２によって捕獲される。フリップ・フロップ・インターフェース３２のクロック信号３３は、受信機基準時間回路１１によって発生され、各１ＫＨｚエッジ毎に、改善されたリアル・タイム・クロック３０内にカウント（即ち、時間）を捕獲する。これら１ＫＨｚエッジの１つは受信機の測定エポックも表すので、適切なソフトウエアをマイクロプロセッサ１３内で実行することにより、測定エポックに対応する１ＫＨｚ割り込み間隔において、ｎ−ビット・インターフェース・レジスタ３２およびｍ−ビット・カウンタ３６の内容を読み取ることによって、ＲＴＣから時刻を得ることが可能である。第２図に示す実施例では、時刻は、１ミリ秒の約１／３２の分解能で得ることができる。一方、典型的な従来技術の受信機では、時刻は１秒の分解能で得られるに過ぎず、しかも受信機の基準時間と同期していない。本発明は、受信機が衛星を追跡している期間において、正確なＧＰＳ時刻を受信機２１から改善されたリアル・タイム・クロック３０に転送させるので、ユーザは位置および時間座標を容易に得ることができる。これを達成するには、正確なＧＰＳ時刻，ならびに各測定エポックにおいてマイクロプロセッサ１３によって読み込まれたリアル・タイム・クロック回路からの全ＮおよびＭビット・カウントを不揮発性メモリ内に格納する。これによって、受信機が衛星を追跡している場合に、時間基準信号を、ＧＰＳ受信機２１からＲＴＣ３０に転送することが可能となり、位置および時間座標が容易に得られる。次に電源をオフにすると、改善されたリアル・タイム・クロック３０は、この正確な時刻を、低電力発振器１５の安定性によって制限される精度レベルに維持し、正確なＧＰＳ時刻およびそれに対応するＲＴＣカウンタ値の最後に判明した値を、次の電源投入サイクルまで、不揮発性メモリに保持する。再度電力を供給した場合、ｎ−ビット・リップル・カウンタ３８は、インターフェース回路３２と共に、この正確な時刻をマイクロプロセッサ１３に転送し、続いて基準時間１１に転送し、ＲＴＣ回路によって記録された時間変化を、不揮発性メモリに格納された正確なＧＰＳ時刻の最後に判明した値に加算する。これによって、電力を再度供給した場合直ちに、時間基準信号がＲＴＣ３０からＧＰＳ受信機２１に転送され、ＧＰＳの正確な時間基準信号が得られない場合に、時間基準信号を与えることができる。一旦正確な時刻の推定値が受信機において確立したなら、受信機が再び衛星測定から正確なＧＰＳ時刻を再収集できるようになるまで、位置の誤差の影響を殆ど受けずに、この時刻を用いることができる。このように、ＧＰＳ受信機の基準時間における絶対時刻および未知のクロック・バイアスは、起動時に、正確な推定パラメータとなることができ、位置計算が開始可能となる前に衛星の同報通信データから正確な時刻を得る必要性を回避することにより、ＴＴＦＦを短縮する。この改善されたリアル・タイム・クロックを用いて、獲得時間を大幅に短縮することができる。何故なら、電源オフ期間、またはＧＰＳ信号が得られない場合に、正確な時刻を維持することができ、したがって、限定されたコード位相検索アルゴリズムによって、スペクトル拡散信号の捕獲を直接可能にするからである。この場合、コード位相は、（正確な現在時刻，衛星の既知の位置，およびユニットをオフに切り替えてからの位置の推定不確定性に基づいて）コード位相が位置する可能性が高いコード位相範囲のみに限定される。これは、検索プロセスを、全コード位相検索空間の小さな部分にまで大幅に縮小する。また、ビット同期およびメッセージ同期プロセス，ならびに衛星から現在時刻を得るために必要なデータ・デコード・ステップも不要とすることができる。この技法を用いることによって、受信機は、短い時間の電力停止(power outage)の後では、１秒程度でＴＴＦＦが可能となる。表２を参照すると、位置獲得ステップ，およびかかるステップを実施するためのそれらの対応する時間が示されている。表２．改善されたリアル・タイム・クロックを用いたＧＰＳ位置獲得ステップ表２からわかるように、これらのステップを実行するための総時間は、５ないし１３秒（表１からの値）から、わずか１．３秒（エフェメリスあり）へと、大幅に短縮された。これが達成されるのは、いくつかのステップが不要となり、他のステップの時間が短縮したからである。例えば、受信機は最近まで使用されていたので、コンスタレーションはおそらくさほど移動しておらず、衛星の選択に影響を与えないと想定されるので、軌道予測のステップを除去した。最後に使用してからの時間は、リアル・タイム・クロックによって測定することができ、これを用いて可視性の同一性を判定することができる。ドップラは、以前に測定したドップラ，現在時刻，および不褌発性メモリに既に格納されている衛星同報通信暦データから予測する。また、当業者は、起動時に衛星の可視性およびドップラを素早く予測する方法は、これが唯一ではないことを認めよう。例えば、起動時に衛星の可視性を予測する計算負荷を大幅に減少させる別な方法として、受信機が動作状態にある間に、数時間の期間にわたって（現在時刻から今後の時点まで）衛星位置座標に一致する単純な二次曲線を計算し、次の起動時に、この曲線一致係数を用いてドップラおよび範囲を素早く予測し、現在時刻における全ての衛星の暦データおよび推定ユーザ位置を評価する必要性をなくすことがあげられよう。この場合も、推定ドップラは、衛星の移動による信号のドップラのずれ，および受信機基準発振器周波数による影響(c ontribution)を含むことを注記しておく。各ＧＰＳ受信機は、受信機基準発振器周波数を測定し較正するので、起動時に、基準発振器周波数の不確定性は抑制される。受信機の基準時間に対する現コード位相は、最後に測定したコード位相，最後に測定したコード位相レート，これら測定の時刻，および改善されたリアル・タイム・クロックによって示される現在時刻を用いて推定することができるので、コード同期のステップは大幅に短縮される。パラメータは、電源遮断動作の間に、不揮発性メモリに格納される。周波数または位相同期のステップは、狭帯域プロセスを用いた周波数ロック・ループまたは位相ロック・ループのロックアップ時間を含み、完了するのに帯域時間の逆数だけ要する可能性があるので、以前と同じ時間量が必要となる。表における０．５秒のエントリは、２Ｈｚ帯域の追跡ループを想定したものである。ビット遷移時刻は以前のビット同期ステータス・データから予測可能であるので、ビットおよびメッセージ同期のステップは、殆どの条件の下で除去される。尚、データ・ビット，ビット同期，およびコード位相は全て同期しており、したがって電源オフ間隔の前にコード位相，ビット同期，およびメッセージ同期位置がわかっており、更に電源オフ間隔の後にコード位相を正確に予測することができるので、電源オフ間隔後のビット同期およびメッセージ同期ステータスも予測できるため、検索の必要性がなくなる。即ち、コード位相を推定することができれば、データ・ビット遷移位置も予測することができ、したがってビット同期を検索する必要がなくなる。ＰＶＴ計算ステップは、受信機が、範囲測定および衛星エフェメリデス(satel lite ephemerides)から、ユーザの位置および正確な時刻を計算するために必要とされる。改善されたリアル・タイム・クロック回路は、受信機２１が行う非常に正確なＧＰＳ時刻測定によって、低電力発振器１５を較正する手段も与える。改善されたリアル・タイム・クロックを用いると、マイクロプロセッサ１３は、受信機が衛星を追跡しているときに、以下のような比率の関数である較正定数(k_osc)を計算することによって、低電力発振器１５を較正することができる。 k_osc=(ΔRTC)/(ΔGSP)［１］ここで、ΔRTCは、２つの異なるＧＰＳ測定エポック期間において行われた２回のリアル・タイム・クロック時刻測定値の差であり、 ΔＧＰＳは、ＧＰＳ測定エポックに対応する、後続の２回のＧＰＳ高精度時刻読み取り値の差である。当業者は、較正定数k_ocsは、多数の後続の比率ΔRTC/ΔＧＰＳの平均を取るかあるいはフィルタ処理することによって、改善可能であることを認めよう。その鍵は、較正係数を用いて、リアル・タイム・クロック回路によって作成された時間差測定を改善することができる点にある。また、当業者は、低電力発振器の較正係数をモデル化し、マイクロプロセッサ１３によって読み取り可能な、受信機に配置された温度センサ２３を用いて、温度変動に対して較正可能であることも認めよう。これら２つの技法により、改善されたリアル・タイム・クロック回路が高精度の時刻を維持し予測する能力が向上し、システムを使用する際の絶対時刻の不確定性は、時間，温度，およびオフ・タイムの種々の期間に対して、大幅に減少する。ＴＴＦＦを大幅に短縮する目的のために、改善されたリアル・タイム・クロック回路を用いる際に必要なデータ処理についてこれより論ずるが、以下の２つのプロセス、即ち、（１）ＧＰＳ受信機が動作状態にある間に、適切な測定を行い不揮発性メモリに格納するリアル・タイム・データ収集プロセス、および（２）電源投入時に直ちに実行し、初期確定をできるだけ短い時間で達成する起動処理シーケンスに分離することができる。リアル・タイム・データ収集プロセスの説明第３図を参照すると、リアル・タイム・データ収集プロセスを示す詳細なフロー・チャート５０が示されている。受信機が衛星を追跡し、位置座標をユーザに提供しているとき、ボックス５２に示すように、追跡されていれる各衛星から種々のデータが収集される。収集されたデータは、１秒の測定エポックと一致し、以下のデータを含む。ここで、[ｃｈ]インデックスは、受信機の特定のチャネル番号を示す。１）ＳＶ[ch]チャネル[ch]上で追跡されている衛星の衛星ＩＤコード。２）MET[ch]、このチャネル[ch]上で測定した、正確なＧＰＳ測定エポック時間であり、位置−速度−時間ソフトウエアによって予測される。３）PST[ch]は、その週における（直前の土曜日／日曜日遷移のＵＴＣ深夜からの０ないし６０４７９９．９９９９９９９秒）ＧＰＳ時間における測定エポックでの信号の受信時刻である。ＰＳＴは、以下のように記述することができる。 PST=K^*ZCOUNT+NBITS^*0.020+FBITS^*0.001+CP^*0.001 ［２］ここで、ZCOUNTは、最後に観察したサブフレーム２からのZCOUNT（５０ＢＰＳデータ・メッセージにおける）、Ｋは、ZCOUNTを秒単位の時間（６）に変換するためのスケール・ファクタ、 NBITSは、ZCOUNTを最後に観察して以来収集された全データ・ビットの総数、 FBITSは、１ビットの１／２０を単位として部分的に収集された、１ビットの分数、 CDは、測定エポックにおける測定ＰＮコード位相の１ＰＮコード位相長の分数（値は、０および１の間）である。式[２]は、以下のように簡略化することができる。 PST[ch]=T_ms[ch]+CP[ch]^*０．００１［３］ここで、T_ms[ch]は、全整数ミリ秒の単位であり、１ミリ秒未満の時間の分数部分は、適正に調整されたＰＮコード位相成分CP[ch]によって表される。ボックス５４に示すように、受信機によってPST[ch]を測定した後、次にこれを用いて種々のＧＰＳパラメータを発生することができる。これらのパラメータは、ボックス５６に示すように、位置の計算のためにナビゲーション方程式において用いられる。例えば、疑似範囲(pr)は、以下の式から計算する。 pr[ch]=SOL_*(MET[ch]-PST[ch]) ［４］ここで、SOLは光速に対するＧＰＳの定数である。測定エポックにおいてＧＰＳ受信機によって格納される他のパラメータは、以下のデータを含み、その計算および格納方法は、当業者には既知である。３）CP[ch]、このチャネル上における衛星の瞬時コード位相であり、１ＰＮコード位相長の分数（０ないし１）で表す。４）CPR[ch]、このチャネル上において観察されたコード位相レート（即ち、惑星ドップラに受信機の基準発振器偏倚周波数を加えたもの）。５）PPR[ch]、エフェメリス・データ，現チャネル時刻，および最後に判明した受信機の位置を使用して、受信機が予測する、衛星に対する予測範囲。尚、受信機は次に、以下の式を用いて、位置補正の最終的な計算のために、残余範囲誤差(rre[ch])を計算することを注記しておく。 rre[ch]=PPR[ch]-pr[ch] この収集データは、第４図に示したもののような、不揮発性メモリ６０のブロック内に置かれる。第４図は、１秒測定更新レートでＧＰＳ受信機によって各チャネルから収集された１ブロックのメモリ格納データを示す図表である。かかる格納データは、電源オフ期間中受信機によって保持され、受信機によって最後に観察されたデータを表す。第４図に示すデータに加えて、ボックス５８に示すように、以下のデータも、測定エポック上で収集する。これは、必ずしも各秒毎ではなく、都合のよいレートで収集するが、マイクロプロセッサ１３によって予測される、ユニットの温度変化レートよりも高いレートとする。１）MET_lkは、最後に判明した正確なＧＰＳ測定エポック時間であり、この間に、位置−速度−時間ソフトウエアによって予測した測定を最後の測定エポックと一致して行う。２）RTCcount_lｋは、最後に判明した測定エポックと一致するｎビットおよびｍビット・リップル・カウンタの内容である。RTCcount_lkは、浮動小数点数値と見なすことができ、ｍビットが整数の秒数を、ｎビットが分数の秒数を表す。３）temp_lkは、温度センサから最後に判明した温度である。次に、このデータを用いて、第５図に示すようなメモリにおけるアレイ集合内へのエントリを構築することができる。第５図は、温度の関数としてリアル・タイム・クロック発振器の較正データを格納するメモリ７０を示す図表である。マイクロプロセッサ１３内で実行するソフトウエアは、式１に示した較正定数(k_o sc[temp])、および較正定数の不確定性(k_osc_unc[temp])を温度の関数として計算し、更新する。ソフトウエアは、メモリ７０に格納されているエントリを更新する。メモリ内の各エントリは、特定の温度におけるＲＴＣ発振器の較正定数、およびそれに関連する不確定性を表す。種々の温度において新しいＲＴＣ発振器較正データが得られる毎に、メモリ７０内の各エントリは、問題の温度、または当該温度近傍における、多くのフィルタ処理後の測定結果となる。メモリ７０に格納されているデータは、続いて低性能ＲＴＣ発振器を較正し、温度および温度変化の関数として時間変化を追跡するその能力を向上させるために使用可能であることを、当業者は認めよう。また、データのアレイは、データを格納する唯一の方法ではないことも認められよう。例えば、データは、独立変数が温度である、三次またはそれよりも高次の一致曲線(curve fit)の係数に対応するように、計算し、格納することも可能である。これも、受信機が動作状態にある間にＧＰＳ衛星から得られる正確な時刻によって較正し、ＲＴＣ発振器の時刻保持能力を向上させるという、同じ目標を達成することを注記しておく。また、整数温度の読み取り毎に、データを格納する必要はなく、較正係数が温度の関数として変化する速さについて何らかの仮定が与えられれば、粒度(granularity)を低下させて格納し、次いで以前に測定した点間の温度において補間することも可能であることも認められよう。起動処理シーケンスの説明次に第６図を参照すると、フロー・チャートは、ＧＰＳカバレッジ(GPS cover age)における短い中断の後に、電力をＰＧＳ受信機に供給し、初期位置確定を行う際に実行するステップを示す。これらのステップは、もちろん、データが既にメモリ６０，７０に格納されていることを想定している。ブロック８２−最初のステップは、電源投入後、好都合な第１測定エポックと一致するリアル・タイム・クロック・カウンタ３６，３８の内容を読み取ることである。カウントをRTCcount_newで表すことにする。加えて、温度センサから温度tempを読み取る。ブロック８４−メモリ・ブロック６０，７０に格納されているデータを用いて、測定エポックの推定時間MET_est,および起動時における測定エポック時間推定の時刻不確定性MET_uncを、以下のように計算する。メモリ６０に格納されている最後に測定した測定エポック時間と、受信機基準時間１１およびフリップ・フロップ３２によって捕獲した好都合な１ＫＨｚエポックとの間の経過時間dtを計算する。メモリ７０内に格納されているデータを用いて、時間差を較正する。 average_temp=(temp+tepm_lk)/2; dt=k_osc[average_tcmp]^*(RTCcount_new-RTCcount_lk); MET_est=MET_lk+dt; MET_unc=(dt，temp，temp_lk，k_osc_unc[．])の関数；ブロック８６−衛星ドップラ，ドップラ不確定性，コード位相，コード位相不確定性を予測し、衛星をチャネルに割り当てる。衛星のチャネルへの割り当ては、メモリ６０に示すように以前に追跡した衛星、あるいは他の何らかのアルゴリズム手段によって予測し計算した衛星をチャネルに割り当てるのと同程度に簡単に行うことができる。これは以下のステップを含む。直前の測定エポックに対して、メモリ６０，７０に記録されている測定値から、電源投入後の新たな測定エポック，およびステップ１において計算したｄｔに対するコード位相推定値およびコード位相不確定性を計算をする。短期ｄｔの計算例は、以下の通りである。 CP_est[ch]=modulo(CP[ch]+dt^*CPR[ch]，CPL); ここで、CPLは、全コード位相長を表す定数であり、moduloは和をゼロおよび+CP Lの間に制限する既知の関数である。 CP_unc[ch]=a_functlion_of(k_osc_unc[average_temp]，dt); 尚、コード位相不確定性は、同様にdtの関数であり、通常、受信機がdt時間間隔においてどれ位遠くまでどれ位速く移動したかについての仮定によって、更に温度変動による電源オフ期間の受信機の局部発振器の周波数変化による影響として、その計算が行われることを注記しておく。一旦CP_uncが１コード位相長まで成長したなら、コード位相検索を制限する利点は失われる。しかしながら、衛星の同報通信データ・メッセージからデコードされる、正確な衛星時刻の収集の前に、位置確定計算を開始することによって、未だＴＴＦＦの短縮は実現可能である。 Dopp_est[Ch]=CPR[Ch] Dopp_unc[ch]=a_function_of(k_osc_unc[average_temp]，dt); Dopp_estおよびDopp_uncは、正常な衛星可視性の計算およびドップラ推定プロセスが起動後数秒で完了するまで、先に示したように用いる。次いで、チャネルが獲得し損なった場合、パラメータDopp_est[ch]を、正常な衛星可視性計算から計算されたものと置換する。ブロック８８−チャネルは、コード位相およびドップラ検索範囲を以下の範囲に制限しつつ、順次検索アルゴリズムを用いて衛星信号を検索する。 CP_est-CP_unc<=コード位相<=CP_est+CP_unc; Dopp_est-Dopp_unc<=ドップラ<=Dopp_est+Dopp_unc; ここで、CP_uncおよびDopp_uncは、全可能検索範囲の小さな分数であり、したがって受信機が獲得する信号は、時間の期間が短くなっている。ブロック８２，８４，８６は、各１００ミリ秒毎に１回のレートのように、ドップラのずれおよび受信機の発振器のドリフトの影響によってそれが移動する際に、真のコード位相と重複するようにコード位相を制限することを保証するレートで更新しなければならない。ブロック９０−３つの衛星からコードおよび周波数ロックが獲得されるまで、何も進める必要はない。コード位相およびドップラ推定値の制限を維持するプロセスは継続する。ブロック９２−受信機がメッセージ同期（したがって、５０ＢＰＳ衛星同報通信メッセージからの正確な衛星時刻の尺度）を獲得する前に、受信機は右手経路 (right-handpath)に従い、正確な現在時刻測定値、および不揮発性メモリ６０，７０に予め格納されているデータを用いて、正確な衛星時刻を予測する。ブロック９４−推定時間不確定性があるスレシホルドＸまで成長し、特定の大きな値の位置誤差（ユーザが指定する）を生じた場合、受信機は、位置確定を計算する前に、メッセージ同期が得られるまで待機する。時間不確定性がＸまで成長するまで、受信機は、ＲＴＣ３０からの時間測定値、および不揮発性メモリ６０，７０に予め格納されているデータを用いて、正確な衛星時刻を予測する。ブロック９８−受信機は、前述の３つのロジック経路が受信機処理をこのブロックまで導いてきた場合、予測衛星時刻(PST_predict)の値を計算することができる。これを達成するアルゴリズムは、以下のように、全誤差を最少に抑える式[３]から、最も近い整数ミリ秒(T_ms)を計算する。 PST_predict[ch]=PST[ch}+CPR[ch]^*dt; ［４］また、PST_predic[ch]も、 PST_predict[ch]=T_ms+0.001^*CP_current[ch]; ［５］に等しくなければならない。ここで、CP_currentは、電力循環動作後の測定エポックにおけるコード位相である。 [４]を[５]に代入し、T_msを最も近い１ミリ秒値に対して解くことによって、以下の式が得られる。 T_ms[ch]=closes_lms_value-of(PST[ch]+CPR［ch］^*dt-CP_curret[ch]); ［６］また、疑似範囲の計算に用いるためのナビゲーション方程式に用いられるPST_ currentの現在値は、以下の通りである。 PST_current[ch]=T_ms[ch]+0.001^*CP_current[ch]; ［７］このように、このプロセスは、電源投入時に、T_ms[ch]の値を最も近い１ミリ秒整数に予測し、次いで現コード位相を加算して、受信機が衛星の同報通信データ・メッセージをデコードする前に、正確な衛星時刻（したがって、その疑似範囲）を生成する。したがって、これは、先に表２を参照しながら示しかつ説明したように、ＴＴＦＦの大幅な短縮を可能とする。ブロック１００−従来の技法を用いて、疑似範囲およびナビゲーション解法の計算を行う。したがって、要約すれば、本プロセスは、起動時に、予め格納されているデータおよび深く一体化されたリアル・タイム・クロックによって示される正確な時刻から、コード位相を予測し、コード位相およびドップラ検索空間を大幅に減少させ、したがって信号を獲得する時間を短縮する。コードおよび周波数ロックの獲得後、システム・ソフトウエアは、正確な衛星時刻（ＰＳＴ）の使用可能な値を計算し、５０ＢＰＳデータ・メッセージをデコードする前に、直ちに疑似範囲（したがって、位置解法）を計算し（即ち、６秒の各サブフレームの開始時における、ビット同期の獲得およびＺ−カウントの観察）、時刻を示すことができる。正常な５０ＢＰＳデータ・メッセージを獲得した場合、正常なデータ処理を優先し、ステップ５の置換はもはや不要となる。

Claims

【特許請求の範囲】１．全地球測位衛星（ＧＰＳ）信号の獲得時間を改善する装置であって：マイクロプロセッサ（１３）を有するＧＰＳ受信機（第２図）であって、該ＧＰＳ受信機の場所に基づいて位置を与えるＧＰＳ信号を受信し、前記ＧＰＳ信号は正確な時間基準信号を含み、該正確な時間基準信号から導出した内部基準時間（１１）を有するＧＰＳ受信機；および前記ＧＰＳ受信機（第２図）に結合されたリアル・タイム・クロック回路（３０）であって、前記ＧＰＳ信号の前記正確な時間基準信号が得られる場合、前記ＧＰＳ受信機から第１時間基準信号を受信し、前記ＧＳＰ信号の前記正確な時間基準信号が得られない場合、前記ＧＰＳ受信機に第２時間基準信号を供給することにより、前記ＧＰＳ信号が一時的に利用できない場合に、ＧＰＳ信号の獲得時間短縮するリアル・タイム・クロック回路（３０）；から成ることを特徴とする装置。２．前記リアル・タイム・クロック回路（３０）は：所定レートで周期的クロック・パルスを発生する自走低電力発振器（１５）；前記低電力発振回路に応答し、１秒毎に１パルスの信号を発生するＮビット・カウンタ回路（３８）；前記１秒毎に１パルスの信号に応答し、明確な時間カウントを発生するＭビット・カウント回路（３６）；を含むことを特徴とする請求項１記載の装置。３．前記第２時間基準信号は、前記Ｎビット・カウンタ値およびＭビット・カウンタ値を含むことを特徴とする請求項２記載の装置。４．前記ＧＰＳ受信機（第２図）の前記内部基準時間（１１）は、周期的な１ＫＨｚパルスを発生する基準発振器（９）から得られ、前記周期的１ＫＨｚパルスを用いて、該周期的１ＫＨｚパルスの各々の正確な時刻において、前記Ｎビット・カウンタ回路のカウントを捕獲し、前記マイクロプロセッサ（１３）は、前記Ｎビット・カウンタ値およびＭビット・カウンタ値を、前記第２時間基準信号として解釈し、その分解能は、１ミリ秒よりも実質的に小さいことを特徴とする請求項３記載の装置。５．前記ＧＰＳ受信機（第２図）は、不揮発性メモリを含み、前記ＧＰＳ受信機への給電が失われた場合に、データの損失を防止することを特徴とする請求項１記載の装置。６．ＧＰＳ受信機（第２図）のための全地球測位衛星（ＧＰＳ）信号の獲得時間を改善する方法であって：正確な時間基準信号が関連付けられているＧＰＳ信号を受信する段階；前記正確な時間基準信号を用いて、リアル・タイム・クロック回路（３０）を較正する段階；第１時間基準信号を前記リアル・タイム・クロック回路（３０）に供給する段階：および前記ＧＰＳ信号の前記正確な時間基準信号が得られない場合、前記ＧＳＰ受信機に第２時間基準信号を供給することにより、前記ＧＳＰ信号が一時的に利用できない場合、または前記ＧＳＰ信号が未だ得られない場合に、ＧＰＳ信号の獲得時間の短縮を可能とする段階；から成ることを特徴とする方法。７．前記ＧＰＳ信号に関連する前記正確な時間基準信号が得られる前に、前記第２時間基準信号を用いて、前記ＧＰＳ受信機（第２図）が用いるための予測タイミング基準を判定する段階を更に含むことを特徴とする請求項６記載の方法。８．前記予測タイミング基準を用いて、衛星の疑似ランダム・ノイズ・コード位相および衛星ドップラを予測する段階を更に含むことを特徴とする請求項６記載の方法。９．前記予測衛星疑似ランダム・ノイズ・コード位相および前記衛星ドップラを用いて、順次検出アルゴリズムを制限することにより、前記ＧＰＳ信号を獲得する際に要する時間を短縮する段階を更に含むことを特徴とする請求項８記載の方法。１０．リアル・タイム・データ収集を行う前記段階は：前記ＧＳＰ受信機に電力が供給されている間、ＧＰＳ衛星を追跡する副段階；ＧＰＳ測定エポック時間と２回一致する毎に、ＧＰＳパラメータ・データを捕獲する副段階であって、前記ＧＰＳ測定エポック時間が前記正確な時間基準信号にほぼ等しい副段階；および前記ＧＰＳパラメータ・データを各秒毎にメモリに格納する副段階；を含むことを特徴とする請求項６記載の方法。