JP2002508521A - 推定基準時間を利用してgps受信機の位置を測定する方法 - Google Patents
推定基準時間を利用してgps受信機の位置を測定する方法Info
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Abstract
Description
ー電話システムのための縮小全地球測位システム用受信機のコードシフトサーチ
スペース」を発明の名称とし、ウィリアム・O・キャンプ、ジュニア・キャンビ
ッツ・ザンギおよびラジャラム・ラメッシュを発明者とし、本願出願人に譲渡さ
れた米国特許出願第08/950690号に関連する出願である。
ための方法に関し、より詳細にはGPS受信機によって距離測定を行う時以外の
異なる時間にGPS受信機の位置を測定するのに使用される補助情報を計算する
際に、GPS受信機の位置を測定するための方法に関する。
う、セルラー電話システムを装備することが好ましく、近い将来、このことが強
制的となる可能性が高い。これら条件を満たすために、これまでセルラー電話の
位置を測定するために全地球測位システム(GPS)の受信機をセルラー電話に
装備することが提案されている。しかしながら、GPS受信機は高価であり、セ
ルラー電話のサイズを大きくし、セルラー電話に利用できる限られたバッテリー
の電力を消費させてしまう。更に、GPS受信機はビル内または障害物、フェー
ジング、反射または同様な現象に起因し、GPS衛星の送信信号が微弱となる他
の領域では、良好には機能しない。
れる所定のGPS受信機の機能を省略すれば、GPS受信機をより小型にでき、
より安価にでき、エネルギー効率をより良好にできることは一般に知られている
。GPS衛星の信号を復調する代わりに別の手段を使ってGPS受信機に必要な
補助情報を提供できる。この補助情報としては種々の情報、例えばGPS受信機
を考慮に入れた現在あるGPS衛星のリスト、リストアップされたGPS衛星の
ドップラー偏位、リストアップされたGPS衛星の各々の暦データおよびリスト
アップされたGPS衛星の各々のクロック補正データが挙げられる。GPS受信
機がGPS衛星の信号を復調する必要性をなくせば、GPS受信機は長時間にわ
たってGPS衛星の信号を積分することにより、障害物に起因する微弱信号の受
信も可能となる。
のおおまかな位置を知らなければならない。更に補助情報を計算するのに使用さ
れる概略的な位置に対するGPS受信機の正確な位置が精密になればなるほど、
その結果、GPS受信機で実行すべき位置サーチも細かくなる。例えばGPS受
信機の実際の位置の数百マイルの半径内の位置まで計算された補助情報がGPS
受信機に与えられた場合、GPS受信機はGPS衛星までの実際の距離を測定す
る必要はなく、距離の各々のミリ秒の何分の1かを測定するだけでよい。これに
より1ミリ秒のコードサイクルに対する相対的なコードシフト位置のロケーショ
ンを探すための必要な距離測定が大幅に簡略化される。しかしながら、これを行
うにはGPS受信機はまだ位置を解法するのに使用すべきすべてのGPS衛星の
1023のコードシフト位置のすべてをサーチしなくてはならない。
相関器と逆高速フーリエ変換相関器との組み合わせによって、これらのコードシ
フトサーチを実行できる。このような周期的シーケンスのコードシフト位置を探
すための技術は、オッペンハイマー・アンド・シェーファー著「デジタル信号処
理」のような教科書に記載されている。かかる方法はストレートな相関化よりも
計算上、より効率的であるが、それにもかかわらず、計算を集中させなければな
らず、別の機能も必要とし、限られたバッテリーの電力資源を消費してしまう。
更に移動ユニットへ情報を伝え、GPS衛星の距離をサーチすることを補助する
機会により、この方法は可能でない多くのコードシフト位置をサーチする計算サ
イクルを使用するので、この方法は計算上効率的でなくなる。
ドシフト位置を同時にサーチする特殊なハードウェアを構築することである。し
かしながら、今日までコードシフト位置の何分の1か多いサーチを同時に行うこ
ともできるハードウェア固有の解決案はなく、多数のサーチと長い遅延時間を必
要としている。
能全地球測位システム用受信機のコードシフトサーチスペース」を発明の名称と
する継続中の本願出願人に譲渡された米国特許出願第08/950690号では、移動局 内にある縮小機能GPS受信機を提供するための方法は、移動局にサービスして
いるセル内の既知の地理的位置に対して計算される補助情報を使用する。セルラ
ー電話基地局によりサービスされるセル内の既知の位置に基づき、セルラー電話
ネットワークに接続されているサーバーが補助情報を計算する。ある場合には、
補助情報として、基地局を考慮に入れたGPS衛星のリスト、リストアップされ
たGPS衛星の各々に対するドップラー補正および既知の位置に対するユニバー
サル時間でコーディネートされた時間に基づくリストアップされたGPS衛星の
各々のコードシフト位置が挙げられる。別の場合には、補助情報として基地局を
考慮に入れたGPS衛星のリスト、基地局のカバー範囲の中心位置およびユニバ
ーサル時間でコーディネートされた時間に基づく、リストアップされた衛星の位
置およびクロック補正が含まれる。
との時間の同期化に依存していることである。しかしながら、多くの場合、GP
S受信機が距離計算を行う時間はセルラー電話ネットワーク内のレイテンシーに
起因して変動する。従って、GPS衛星と補助情報が存在しない時間との同期化
に基づき、距離計算を実行するための方法を考え付くと有利となる。
くとも4個の衛星を使って受信機の推定位置を計算するのに使用するトライアル
時間を選択することによって開始する。選択されたトライアル時間に基づき推定
位置が計算される。この推定位置から5番目の衛星までの第1距離を計算し、推
定位置から5番目の衛星までの第2位置を測定する。次に第1距離と第2距離と
の間の比較を行う。第1距離が第2距離に等しくなければ、推定位置は真の位置
ではなく、新しいトライアル時間を選択し、方法を繰り返す。第1距離と第2距
離とが実質的に等しくなれば、推定位置を真の位置とする。
。
置を測定するためのシステムの機能ブロック図が示されている。セルラー電話1
40に対し、セルラー電話ネットワーク110のうちのセルサイト120内に位
置するセルラー電話基地局100がサービスするようになっている。セルサイト
120は第1セクタ130と、第2セクタ132と、第2セクタ134とに分割
されており、図1は第1セクタ130内にセルラー電話140が位置している状
態を示している。このセルラー電話140は複数のGPS衛星160からのGP
S衛星の送信信号を受信する縮小機能GPS受信機150も含んでおり、この縮
小機能GPS受信機150はGPS衛星160の信号を復調し、補助情報を決定
するための機能は含まない。その代わりに、位置を決定するのに必要であり、更
にサーチすべきドップラー周波数偏位およびコード位相シフトの範囲も縮小する
補助情報が、別のソースから縮小機能GPS受信機150へ与えられるようにな
っている。
せることができ、各情報の組は所定の利点と欠点とを有する。第1の組の情報と
しては、縮小機能GPS受信機140を考慮に入れた衛星160のリスト、リス
トアップされた衛星160のドップラー周波数およびリストアップされた衛星1
60に対して予想されるコード位相関係を挙げることができる。しかしながら、
この情報はリストアップされた衛星160に対する、予想されるコード位相関係
が時間と共に急速に劣化する際には極めて小さいレイテンシーで送らなければな
らない。更に、測定時に衛星160の位置を決定するには、ある種の時間同期化
が必要である。
160のリスト、リストアップされた衛星160の暦データ、リストアップされ
た衛星160にのクロック補正データ、縮小機能GPS受信機140の概略位置
およびタイミング情報が挙げられる。この場合、この情報のレイテンシーはあま
り問題ではなく、ドップラー周波数および衛星信号間の相対的コードの位相を計
算できる。しかしながら、疑似距離を効率的にサーチし、測定するには、時間情
報は数秒内に既知とならなければならない。例えば、まさに測定時に正確に衛星
160の位置を定める際に位置を解法するには、時間情報は10ミリ秒内に既知
となっていなければならない。この情報は標準時間、内部クロックまたはセルラ
ー電話ネットワークから得ることができる。時間情報はGPS信号からも得るこ
とができるが、GPS信号の復調を行うには縮小機能GPS受信機に別の機能を
増設する必要がある。
0のリスト、リストアップされた衛星160に関する位置データおよび動きデー
タ、リストアップされた衛星160のクロック補正および縮小機能GPS受信機
140の概略的な位置が挙げられる。既知時間における衛星160の位置および
短期の動きに関するこの組の補助情報は、従来の暦情報および時間情報の代わり
である。この組の補助情報および縮小機能GPS受信機の位置を定めるための本
発明の方法を使用することにより、高速信号サーチおよび測定をするために60
秒までの待ち時間を許容できる。上記いずれのケースにおいても、差分GPS補
正データを加えることが可能である。
ー電話が位置するセクタ130の中心200のいずれかがある。補助情報を計算
するのに、基地局100のカバーエリア内の既知の位置を使用できる。また、基
地局100または補助情報を計算するサーバー170にあるGPS受信機180
を使用することを含む任意の方法によって位置を決定できる。
関するクロック補正データを得て、これらを周期的に更新する。好ましい実施例
では、データサービス190からセルラー電話ネットワーク110を介し、基地
局100によりGPSの暦情報およびクロック補正データが得られる。これとは
異なり、基地局100またはサーバー170に位置するGPS受信機180によ
り受信されるGPS衛星160の送信信号から直接情報を得ることができる。
Area Augmentation System)として知られる補助的G
PS関連システムが運用されると、基地局100またはサーバー170にあるG
PS受信機180の差分補正情報を得ることができるようになる。この差分補正
情報によってGPS受信機はより高い精度で受信機の位置を計算できるようにな
る。
180またはデータサービス190のいずれかから得た情報を使って補助情報を
計算でき、この情報はその後、基地局100へ伝送され、セルラー電話140内
にある縮小機能GPS受信機150へ送信される。この補助情報としては、例え
ば基地局100を考慮に入れたGPS衛星160のリスト、クロック補正情報、
縮小機能GPS受信機が距離測定を行うことになる最も確率の高い時間に対応す
る、リストアップされたGPS衛星160の各々の位置に対する三次元座標、リ
ストアップされたGPS衛星160の各々の三次元速度および軌跡、および補助
情報を計算するのに使用される既知の位置の三次元座標が挙げられる。速度情報
を使用してリストアップされたGPS衛星160の各々のドップラー周波数が計
算される。衛星160の位置、既知のロケーションの位置およびクロック補正デ
ータを使って、リストアップされたGPS衛星160の各々の予想コード位相シ
フトが計算される。これとは異なり、補助データとして基地局100を考慮に入
れたGPS衛星160のリスト、クロック補正情報、リストアップされたGPS
衛星の各々の暦データ、および補助情報を計算するのに使用される既知のロケー
ションの三次元座標が挙げられる。
40の運用中のセクタ、本例では第1セクタ130を決定できる場合、サーバー
170はセル120の中心ではなく、セクタ130の中心位置200に基づく補
助情報を計算する。中心位置200に基づく補助情報の計算は、補助情報の精度
を高める。その理由は、セルラー電話140はセルの中心にある基地局100よ
りも、中心位置200により近く位置している確率のほうが高いからである。中
心位置200の地理的座標はセクタ130の実際の中心に設ける必要はなく、む
しろセルラー電話が位置する確率が最も高い位置、例えばセクタ内のショッピン
グモール、複合オフィス、空港またはスポーツ施設内に設けることができる。し
かしながら、セルサイト120を多数のセクタに分割しない場合、または基地局
100がセルラー電話140の運用中のセクタを決定できない場合、基地局10
0の地理的位置に基づき補助情報が計算される。
市サービスエリアの地理的な中心位置が使用される。どのセルラー電話サービス
エリアもセルラー電話140において読み取られるシステムID(SID)で識
別される。セルラー電話140はこれら位置に関する補助情報および現在のSI
Dに関連する情報を参照するか、または補助情報をサーバー170に記憶し、セ
ルラー電話がSIDをサーバー170に提供し、サーバー170が補助情報を提
供するかのいずれかを行うことができる。
ー電話140内の縮小機能GPS受信機150へ送信する。この補助情報は種々
の方法で縮小機能GPS受信機150へ送信できる。例えば移動通信プロトコル
のためのグローバルシステム(GSM)を使用するセルラー電話ネットワークで
は、ショートメッセージサービスを通して送ることができ、トラヒックチャンネ
ルを通してパケットデータメッセージを送り、制御チャンネルを通して一斉送信
メッセージを送ることができる。補助情報はセルラー電話ネットワーク110と
セルラー電話140との間で情報を送信するための、業界で一般に知られている
方法に合致する態様で送られる。セルラー電話140内のトランシーバー141
は基地局100からの送信信号を受信し、コントローラ142(これもセルラー
電話140内にある)がこの情報を補助情報として識別し、縮小機能GPS受信
機150にこの補助情報を提供する。更に、特定のセルラー電話への要求時、ま
たは一斉送信チャンネルを介して複数のセルラー電話のいずれかに補助情報を送
ることができる。
地理的位置を測定するための、複数のGPS衛星220a-nと、既知の位置23 0と、未知の位置240とが示されている。補助情報内にリストアップされたG
PS衛星220a-nの各々は、一組の三次元座標(Xa-n、Ya-n、Za-n)を有す
る。一般にはすべての座標に対し、地球を中心とする中心固定系を使用する。既
知の位置230も一組の三次元座標(X、Y、Z)を有する。既知の位置230
から各GPS衛星220a-nまでの距離Ra-nは次の式によって計算される。
の値、および各衛星に対する個々のクロック補正値を使用する、業界で公知の方
法により各衛星220a-nに対するコードシフト位置を計算する。縮小機能GP S受信機150はGPS衛星220a-nの各々に対するコードシフトサーチスペ ースもサーチし、GPS衛星220a-nの各々に対する測定されたコードシフト 位置を決定する。計算されたコードシフト位置から測定されたコードシフト位置
が引かれ、各GPS衛星220a-nまでの距離を計算する。これらデルタ距離に 既知の位置から各GPS衛星220a-nまでの単位ベクトルのコサインのマトリ ックスの逆数を乗算すると、X、YおよびZに対する補正ベクトル補正値が得ら
れ、これら値は既知の位置230へ加えられ、未知の位置240を決定する。
を測定するための方法のフロー図が示されている。縮小機能GPS受信機により
補助情報が受信されると、少なくとも4個のGPS衛星の三次元の位置座標が計
算される(ステップ300)。補助情報がGPS衛星の座標および時間T0にお ける衛星の速度および軌跡を含む場合、この速度に時間を掛け、時間T0からT1 までの間に軌跡に沿って進んだ距離を計算することによって、現在時間T1にお けるGPS衛星の位置を計算する。他方、その代わりに補助情報が暦データを含
む場合、GPS受信機内で良好に知られている、一般に知られる態様でGPS衛
星の位置を計算する。
ステップ320)、また図2に記載されているコードシフト測定方法を使ってG
PS衛星から未知の位置までの距離を測定する。計算された距離と測定された距
離との差を計算し(ステップ340)、図2に記載されているように補正ベクト
ルを計算する(ステップ350)。既知の位置に補正ベクトルを加えることによ
り、推定位置を計算する(ステップ360)。この時点ではGPS衛星に対する
正確な時間基準はトライアルの推定値にすぎないので、位置が推定されるだけで
ある。従って、推定位置は検証する必要がある。
を考慮に入れた衛星リスト内にある5番目のGPS衛星までの距離を計算し(ス
テップ370)、推定位置から5番目のGPS衛星までの距離を測定する(ステ
ップ380)。次に、推定位置と5番目のGPS衛星との間の計算距離と測定距
離との差を計算し(ステップ390)、推定位置が実際の位置であるかどうかの
判断を行う(ステップ400)。計算された距離と測定された距離との差がゼロ
であれば、推定位置は実際の位置である。他方、計算された距離と測定された距
離との差がゼロでなければ、ステップ300における選択時間は正しくなく、推
定位置も正しくない。この場合、新しいトライアル時間を選択し(ステップ41
0)、ステップ310で始まるプロセスを繰り返す。2つの正しくないトライア
ル時間を選択した後に、3番目のトライアル時間を選択する際に、移動方向に関
する判断を行い、正しい基準時間を識別するのに任意のサーチルーチンを使用で
きる。
れにより衛星位置の計算に対し、簡単な二次の補正が可能である。この真の効果
は疑似距離測定の時間における数分の不確実性までこの方法を有効にすることで
ある。
載したが、本発明は開示した実施例のみに限定されるものでなく、次の請求項に
記載された発明の要旨から逸脱することなく、多数の再配置、変形および置換が
可能である。
ブロック図である。
複数のGPS衛星および既知の位置を未知の位置とを示す。
ャートである。
球測位システムよう受信機のコードシフトサーチスペース」を発明の名称とし、
ウィリアム・O・キャンプ、ジュニア・キャンビッツ・ザンギおよびラジャラム
・ラメッシュを発明者とし、本願出願人に譲渡された国際特許出願第PCT/US98/2
1709号に関連する出願である。
能全地球測位システム用受信機のコードシフトサーチスペース」を発明の名称と
する継続中の本願出願人に譲渡された国際特許出願第PCT/US/98/217090号では、
移動局内にある縮小機能GPS受信機を提供するための方法は、移動局にサービ
スしているセル内の既知の地理的位置に対して計算される補助情報を使用してい
る。セルラー電話基地局によりサービスされるセル内の既知の位置に基づき、セ
ルラー電話ネットワークに接続されているサーバーが補助情報を計算する。ある
場合には、補助情報として、基地局を考慮に入れたGPS衛星のリスト、リスト
アップされたGPS衛星の各々に対するドップラー補正および既知の位置に対す
るユニバーサル時間でコーディネートされた時間に基づくリストアップされたG
PS衛星の各々に対するコードシフト位置が挙げられる。別の場合には、補助情
報として基地局を考慮に入れたGPS衛星のリスト、基地局のカバー範囲の中心
位置およびユニバーサル時間でコーディネートされた時間に基づく、リストアッ
プされた衛星の位置およびクロック補正が含まれる。
Claims (8)
- 【請求項1】 (a)未知の位置に対する補助情報を使用し、少なくとも4
個の衛星を使用して推定される位置を計算するのに使用するためのトライアル時
間を選択する工程と、 (b)選択されたトライアル時間に基づき衛星受信機の推定位置を計算する工
程と、 (c)前記推定位置から5番目の衛星までの第1距離を計算する工程と、 (d)前記推定位置から5番目の衛星までの第2距離を測定する工程と、 (e)第1距離と第2距離とを比較する工程と、 (f)第1距離が実質的に第2距離に等しい場合、衛星受信機の現在の真の位
置として前記推定位置を受け入れる工程と、等しくない場合、 (g)既知の位置に対する補助情報を使用し、真のトライアル時間を選択する
工程と、 (h)工程(b)で始まるプロセスを繰り返す工程とを備えた、衛星受信機の
位置を測定するための方法。 - 【請求項2】 推定位置を計算する工程が、 少なくとも4個の衛星の各々の現在位置を計算する工程と、 4個の衛星の各々から既知の位置までの第3の距離を計算する工程と、 4個の衛星の各々から衛星受信機の未知の位置までの第3距離を測定する工程
と、 4個の衛星の各々から既知の位置までの計算された第3距離と4個の衛星の各
々から未知の位置までの測定された第3距離との間の差に基づき、補正ベクトル
を計算する工程と、 既知の位置の座標に前記補正ベクトルを加える工程とを備えた、請求項1記載
の方法。 - 【請求項3】 補正ベクトルを計算する前記工程が、4個の衛星の各々から
既知の位置までの計算された距離と4個の衛星の各々から未知の位置までの測定
された距離との差に既知の位置から4個の衛星の各々までの単位ベクトルのコサ
インのマトリックスの逆数を乗算する工程を含む、請求項2記載の方法。 - 【請求項4】 補助情報を受信する工程を更に含む、請求項2記載の方法。
- 【請求項5】 受信機を考慮した衛星のリストを受信する工程と、 クロック補正情報を受信する工程と、 前記リストアップされた衛星の各々の三次元の原点座標を受信する工程と、 リストアップされた衛星の各々の三次元の速度および軌跡を受信する工程と、 既知の位置の三次元座標とを含む補助情報を受信する工程とを含む、請求項4
記載の方法。 - 【請求項6】 少なくとも4個の衛星の各々の現在位置を計算する前記工程
が、 選択されたトライアル時間と4個の衛星の各々の三次元座標を決定した時との
時間差を計算する工程と、 前記時間差に4個の衛星の各々の速度を乗算し、時間差中に4個の衛星の各々
が進んだ距離を決定する工程と、 4個の衛星の各々の進んだ距離および軌跡に基づき、4個の衛星の各々の位置
を識別する工程とを備えた、請求項5記載の方法。 - 【請求項7】 受信機を考慮に入れた衛星のリストを受信する工程と、 クロック補正情報を受信する工程と、 前記リストアップされた衛星の各々の暦データを受信する工程と、 既知の位置の三次元座標とを含む補助情報を受信する工程とを含む、請求項4
記載の方法。 - 【請求項8】 少なくとも4個の衛星の現在位置を計算する工程が、暦デー
タにおける情報を外挿し、現在位置を計算する工程を含む、請求項7記載の方法
。
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US08/993,492 | 1997-12-18 | ||
US08/993,492 US6084544A (en) | 1997-12-18 | 1997-12-18 | Method for determining the location of a GPS receiver using an estimated reference time |
PCT/US1998/026520 WO1999031524A1 (en) | 1997-12-18 | 1998-12-14 | Method for determining the location of a gps receiver using an estimated reference time |
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