JP2003532903A

JP2003532903A - 衛星ベース測位システムの微弱信号動作の受信機

Info

Publication number: JP2003532903A
Application number: JP2001583210A
Authority: JP
Inventors: ブライアント、ロダリック・シー; グレノン、イーモン・ピー; ドーガン、スタンリー・エル; デンプスター、アンドリュー・ジー
Original assignee: Sigtec Navigation Pty Ltd
Current assignee: Sigtec Navigation Pty Ltd
Priority date: 2000-05-08
Filing date: 2001-05-07
Publication date: 2003-11-05
Also published as: KR20030013405A; EP1299745A4; CA2411607A1; AU5598801A; EP1299745A1; WO2001086318A1; IL152708A0; NZ523031A

Abstract

(57)【要約】【解決手段】衛星から送信される微弱信号を使用して受信機の位置を決定する方法、装置、システムである。本発明は、支援情報を受信機に提供して衛星からの送信が微弱な場合にも受信機の位置を決定可能にする、支援源と受信機の間の一連の交換処理に関わる。【効果】支援情報を使用して、この新規の受信機は、微弱な衛星信号を検出、補足、追尾し、微弱な衛星信号から時刻同期データを抽出できない場合でも、計算された疑似距離から位置の解を計算する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】本願は、２０００年５月１０日に出願された米国仮出願第６０／２０２，４６
４号の優先権出願日を請求する。

【０００２】

【発明の属する技術分野】

本発明は、米国のＮａｖｓｔａｒＧｌｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ
Ｓｙｓｔｅｍ（ＧＰＳ）、ロシアのＧｌｏｂａｌＮａｖｉｇａｔｉｏｎＳａ
ｔｅｌｌｉｔｅＳｙｓｔｅｍ（ＧＬＯＡＮＡＳＳ）、ヨーロッパのＧａｌｉｌ
ｅｏｓｙｓｔｅｍなどの衛星ベースの測位システム（ＳＰＳ：satellite-base
d positioning system）に用いられる受信機の設計に関する。本発明は、特に、
衛星からの微弱な信号送信を使用して受信機の位置を決定する方法、装置、シス
テムに関する。

【０００３】

【従来の技術】

衛星ベースの測位システムは、連続直接スペクトル拡散信号を地球に送信する
衛星の配置を使用して動作する。それらの衛星の受信距離内にある受信機は、ス
ペクトル拡散搬送波上で変調されたデータ（航法メッセージ）を搬送するそれら
の信号を傍受する。そのデータには、衛星自身の軌道パラメータ（たとえば、Ｇ
ＰＳの場合は精度の高い位置推算表データとそれより精度の低い暦データ）と共
に、信号におけるある瞬間の正確な送信時刻が含まれる。各４つの衛星から受信
機までの信号の伝搬時間を推定し、推定された伝搬時間に対応する送信時刻にお
けるそれらの衛星の位置を計算することで、受信機のアンテナの正確な位置を決
定することができる。

【０００４】従来のＳＰＳ受信機では、この位置を決定するための過程では、少なくとも４
つの衛星の疑似距離を推定し、それら推定された疑似距離から受信機の正確な位
置と時計誤差を求める。各疑似距離は、１つの衛星から受信機までの伝搬時間に
光速を乗じた値として計算され、したがって、各疑似距離は、衛星と受信機との
距離すなわち「航続距離」の推定値となる。伝搬時間は、航法メッセージから決
定される送信時刻と受信機の時計を使用して決定される受信時刻との差として推
定される。受信機の時計を衛星の時計と比較したときに、受信機の時計が異なる
現在時刻を持つことは避けられないため、４つの距離計算には共通の誤差を持つ
ことになる。共通の誤差は、受信機の時計の誤差に光速を乗じた値である。

【０００５】少なくとも４つの衛星を使用することで、１組の方程式を解いて、受信機の時
計誤差とアンテナの位置を決定することができる。３つの衛星についての計測だ
けしか行えない場合でも、受信機の座標が少なくとも１つ既知の場合は、位置と
時計誤差を決定できる。アンテナの高度を推定することで、しばしばこの状況に
近い状態にすることができる。

【０００６】衛星からの信号は、比較的高い「チップ」レート（"chipping"rate）（たとえ
ば１．０２３ＭＨｚ）の疑似ランダム２値拡散符号で２相変調されてから、低い
データレート（たとえば５０Ｈｚ）の２値航法メッセージで２相変調された搬送
波信号からなる。そのアンテナから衛星までの見通し線が遮られない受信機に対
しては、地球表面では、搬送波対雑音比は通常非常に低い（たとえば３１ｄＢＨ
ｚから５１ｄＢＨｚ）。しかし、従来の位相同期ループおよび遅延同期ループ技
術を使用して信号が検出、捕捉、追尾され、データが抽出されるようにすれば十
分である。

【０００７】従来のＳＰＳ受信機における信号の符号の追尾過程では、ハードウェア符号生
成器と信号混合器が使用される。局所的に生成された符号が正確に受信信号の符
号にそろえられると、混合器からの出力には、符号変調が全く含まれなくなる。
したがって、信号の帯域がはるかに狭くなり、信号にフィルタ処理を適用して信
号対雑音比を大幅に増加することができる。この処理は、相関器出力のサンプリ
ングレートが入力サンプリングレートよりもはるかに低くなるように（たとえば
、出力で１ｋＨｚに対して入力で１．３ＭＨｚ）、通常デシメーションフィルタ
を使用して実行される。

【０００８】また、ＧＰＳの場合、受信機の任意の所与の瞬間に対応する、この信号の正確
な送信時刻は、符号生成器の状態をラッチして符号の位相を取得し、データの各
ビット内の符号エポック（epoch）数を数え、航法メッセージの各ワード内のビ
ット数を数え、メッセージの各サブフレーム内のワード数を数え、サブフレーム
の境界に対応する送信時刻を抽出し復号することで決定することができる。同様
の方式があらゆるＳＰＳで使用可能である。

【０００９】しかし、従来のＳＰＳ受信機は、送信信号が弱くなっている場合に、やっかい
な位置の特定情報の消滅の問題が発生することがある。アンテナと衛星との間で
、直接の見通し線が遮られると、信号はアンテナに達したときに非常に減衰して
いることがある。従来の技術を使用して、このような信号を検出、捕捉、追尾す
ることはできない。さらに、このような状況では、信号を検出できても、たとえ
ば、ＧＰＳ信号の搬送波対雑音比が２４ｄＢＨｚやそれ以下に低下することがあ
り、そのような場合、信号からデータを抽出できない。

【００１０】従来技術の装置は、支援情報を使用して、それらの欠点を最小限にしたり、克
服しようとしてきた。そのような方式では、追加情報が外部からＳＰＳ受信機に
さまざまな二次送信源を介して供給され、減衰した信号が原因の情報の不足分が
埋め合わされる。このような装置の例は、Ｔａｙｌｏｒ他（米国特許第４，４４
５，１１８号）（衛星の暦で支援）、Ｌａｕ（米国特許第５，４１８，５３８号
）（差分衛星測位情報と位置推算表データで支援）、Ｋｒａｓｎｅｒ（米国特許
第５，６６３，７３４号）（ドップラ周波数偏移の送信で支援）、Ｋｒａｓｎｅ
ｒ（米国特許第５，７８１，１５６号）（ドップラ周波数偏移の送信で支援）、
Ｋｒａｓｎｅｒ（米国特許第５，８７４，９１４号）（ドップラ、初期化、およ
び疑似距離データで支援）、Ｋｒａｓｎｅｒ（米国特許第５，８４１，３９６号
）（衛星の暦データで支援）、Ｌｏｏｍｉｓ他（米国特許第５，９１７，４４４
号）（選択された衛星の位置推算表、暦、電離層、時刻、疑似距離修正、衛星イ
ンデックスおよび／または符号位相属性で支援）、Ｋｒａｓｎｅｒ（米国特許第
５，９４５，９４４号）（タイミングデータで支援）、Ｋｒａｓｎｅｒ（米国特
許第６，０１６，１１９号）（衛星信号のデータの再送信で支援）らの特許にお
いて示されている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】

しかし、支援情報には追加の送信能力が必要である。たとえば、支援情報は、
追加の衛星送信機や無線電話システムを使用してＳＰＳ受信機に送信可能である
。したがって、そのような追加資源の使用を制限するのに供給される支援情報の
量を削減することは、大きな効果がある。たとえば、無線通信ネットワークの音
声パスを使用して支援情報が通信されるときには、音声通信は、支援メッセージ
によって中断されることになる。したがって、支援メッセージは、音声の中断が
許容可能な長さと頻度に制限されるように、できるだけ短くなければならない。
また、どのように支援データが通信されても、その通信は、受信機の動作を遅く
することになる。多くの適用例では、位置データが即座に必要で、そのためあら
ゆる遅延は最小にしなければならない。

【００１２】

【課題を解決するための手段】

本発明の目的は、強信号が存在するときにも堅牢性を維持しながら、衛星送信
信号が遮られていたり微弱な時にも向上した性能を有する衛星測位システムで使
用する方法と装置を提供することである。

【００１３】その他の目的は、最小限の外部支援を使用して、その外部支援に障害が発生し
たときでも性能の劣化をわずかに維持しながら、システムの性能を向上させるこ
とである。

【００１４】本発明のさらに別の目的は、最短の初期測位時間（ＴＴＦＦ）を達成する装置
を提供することである。

【００１５】それ以外の目的は、ここに記述する本発明の説明から明らかになるであろう。

【００１６】それらの目的に合わせて、本発明にしたがって製造された装置は、屋内で受信
されるような減衰した衛星信号の検出、捕捉、追尾のための新規の信号処理の方
式を使用し、位置の解を計算する。その方式は、減衰した信号と外部から提供さ
れる最低限の支援情報を新規の方法で使用する。

【００１７】この方式において、ＳＰＳ受信機からの要求に応答して、支援源は２種類の情
報を順番に提供する。最初に支援源は、受信機の概算位置を提供するが、この概
算位置は２０ｋｍ以内が好ましく、ＧＰＳの場合には１００ｋｍ以内が好ましい
。第２に、支援源は、追尾している衛星群の正確な衛星の位置と速度を提供する
。それらの衛星位置と速度は、支援源により衛星の位置推算表データから計算さ
れる。それ以上の支援情報は必要ない。

【００１８】一般的に、装置は、内部に格納された暦データから得られた情報と支援源から
受信したその装置の概算位置とに基づいて、追尾している衛星群を検出して捕捉
する。衛星群が捕捉され、信号が微弱な場合、装置は微弱な信号内の送信時刻デ
ータではなく、微弱な衛星信号内の符号位相に依存する。信号の符号位相は、受
信時刻が共通になるように、同時に計測される。それから、符号位相間の差を決
定することで、結果の値、言い換えれば符号位相差が、衛星信号の送信時刻の差
のおおまかな計測結果とされる。

【００１９】本発明の好ましい実施形態では、それから、支援源から受信した概算距離の支
援により、それらの符号位相差を使用して疑似距離が生成される。この過程では
、受信機の概算位置と正確な衛星位置が組み合わされて衛星への概算距離が決定
される。それからさらに、この概算距離を符号位相差と組み合わせて、正確な疑
似距離の差が導き出される。最後に、正確な疑似距離と正確な衛星位置とを使用
して、正確なＧＰＳ受信機の位置を決定することができる。

【００２０】添付した図面により本発明を説明する。しかし、これらの図面は、本発明の例
を示すもので、本発明の適用範囲を限定するものではない。

【００２１】

【発明の実施の形態】

本発明には、前述の目的を達成するために使用される４つの明確に区別される
要素がある。第１の要素は、支援情報の性質と、ＳＰＳ受信機と支援源とがやり
取りして支援情報を提供する方法である。第２の要素は、強信号による妨害を回
避し、悪条件下での劣化を軽度にすることを保証しながら、微弱信号を検出し、
捕捉し、追尾する手続きに関連する。第３の要素は、複数の衛星信号を追尾して
、共通の計測時刻で符号位相を決定するための装置の設計に関連する。最後に、
本発明の第４の要素は、計測された符号位相の差から位置の解を計算するために
微弱な衛星信号を処理するのに使用されるアルゴリズム群に関する。それらの機
能をそれぞれ順番に説明する。

【００２２】本発明は、米国特許第５，４５９，４７３号で開示された同じ権利者の特許の
改良と拡張に関する。そのため、前述の米国特許を参照することにより、ここに
援用される。

【００２３】Ａ．支援源・受信機間のやり取り前述のように、本発明にしたがって使用される支援データは、ＧＰＳ受信機の概
算の位置と特定の衛星群の位置と速度を含む情報に限定される。この情報は、要
求・応答シーケンスを介して決定され、提供される。このような本発明による１
つの交換処理の実施形態のモデルを図１に示す。

【００２４】典型的な交換処理には、ＳＰＳ受信機１、支援源２、呼び出し受け付け装置３
が含まれることがある。たとえば、ＳＰＳ受信機１は、無線電話やその他のハン
ドセットに埋め込まれたり、それと一緒に配置されたＧＰＳ受信機であってもよ
い。支援源２は、支援データが無線通信リンクを介してハンドセットに送信され
るように、コールセンターやセルサイトあるいは無線ネットワーク内の他の場所
に配置されていてもよい。呼び出し受け付け装置３も、コールセンターや無線ネ
ットワークからアクセス可能なその他の場所に位置していてもよい。位置データ
の最終的なユーザーは、呼び出し受け付け装置３かＳＰＳ受信機１を携帯するユ
ーザーかのどちらかになる。本発明の目的から逸脱せずに、ＳＰＳ受信機１、支
援源２、および呼び出し受け付け装置３の間の他の送信形態を使用することが可
能である。

【００２５】交換処理を始めるには、ＳＰＳ受信機１は第１支援要求４を支援源２に対して
送信する。このような状況は、ＳＰＳ受信機１を起動したときに典型的に発生す
るが、他の場合にも発生することがある。それに応じて、支援源２は、ＳＰＳ受
信機１の概算位置を含んだ第１支援応答５を送信する。ＳＰＳ受信機１の概算位
置は、衛星信号の符号エポックの半分に光速を乗じた値またはＧＰＳの場合は約
１００ｋｍよりも正確であるのが好ましい。概算位置は、第１支援レポート内に
含めて呼び出し受け付け装置３にも送信することもできる。

【００２６】受信した概算位置と前回に格納された暦（almanac）データを使用して、ＳＰ
Ｓ受信機１は、相関検索を実行して衛星信号を捕捉する。暦データと概算位置は
、少なくとも１つの衛星が捕捉された後の初期検索を限定するのに役立つ。衛星
が捕捉されると、ＳＰＳ受信機１は第２支援要求７を支援源２に対して送信する
。第２支援要求７には、疑似距離の差を決定する場合にＳＰＳ受信機１により使
用される特定の衛星群を特定するための情報が含まれる。それに応じて、支援源
２は、衛星の位置推算表（ephemeris）から特定された衛星群の正確な位置と速
度を決定する。それから、決定された位置と速度は、第２支援応答８に含めて、
ＳＰＳ受信機１に送信される。その経過時間は既知であり、支援の要求の送信と
受信との間の待ち時間が決定可能と仮定すると、支援源２は、数十ミリ秒以内に
衛星信号の受信時刻を決定することができる。

【００２７】したがって、この方式では、支援源２が正確な衛星位置と速度を提供するので
、ＳＰＳ受信機１ではなく支援源２が、衛星信号から特定の時刻同期データを決
定できる必要があり、また、位置推算表データを保持したり取得する必要がある
。さらに、支援源２からＳＰＳ受信機１が衛星位置を受信したときにその衛星位
置が正確であることを保証するには、両者間の通信の待ち時間が数十ミリ秒以内
でなければならない。それにより、計算された衛星位置の誤差が数メートルに限
定されることが保証される。そのため、この好ましい実施形態では、第２支援要
求７は、衛星信号の符号位相がラッチされた瞬間から既知の経過時間で発生する
。その経過時間は既知であり、支援の要求の送信と受信との間の待ち時間が決定
可能と仮定すると、支援源２は、数十ミリ秒以内に衛星信号の受信時刻を決定す
ることができる。

【００２８】衛星の位置と速度を受信し、疑似距離の差と距離変化率の差を使用した後、Ｓ
ＰＳ受信機１は、位置と速度（ＰＶ）の解を計算して、自身の正確な位置、速度
、進行方向などを決定する。そのような決定後、ＳＰＳ受信機１は、未処理の位
置、速度、進行方向、高度、衛星識別情報、ＳＰＳ受信機１が使用した解モード
（すなわち、３Ｄまたは高度についての支援を使用する２Ｄモード）を含む受信
機レポート９を支援源２に送信する。

【００２９】より新しいその情報を受信することにより、支援源２は、さらに別の動作を実
行できる。たとえば、支援源２は、既知の衛星群と送信時刻を使用し、（使用可
能な何らかの手段により取得された）差分疑似距離補正を選択し、それから、報
告された解のモードに整合した対応する位置補正を計算する。この新規の計算に
より、支援源２はＳＰＳ受信機により報告された位置を補正して、より最新の位
置を取得することもできる。それから、その正確な位置を第２支援レポート１０
に含めて呼び出し受け付け装置３に送信することもできる。

【００３０】前述した交換処理の代替の実施形態として、ＳＰＳ受信機１は、符号位相差を
支援源２に報告する。この場合、支援源２は、ＳＰＳ受信機１が使用する方法に
類似した方法で、ＳＰＳ受信機１に対するＰＶ解を計算することができる。

【００３１】前述のように、この方式では、ＳＰＳ受信機１は、衛星信号の実際の時刻同期
データを利用せずに疑似距離を計算することが必要である。時刻同期データの使
用を避けるのは、衛星信号の符号位相が、衛星信号の送信時刻の差のおおまかな
計測結果とされるからである。この計測は、符号位相を同時に計測して受信時刻
を共通にすることで達成される。さらに、符号位相差を疑似距離差に変換するの
に必要なこの曖昧さの解決には、支援源２から取得した受信機の概算位置が使用
される。それから、概算位置を実時間時計の概算時間（精度は約１分）および現
在の暦データ（ＧＰＳの場合、古さは２ヶ月未満で、その場合、距離誤差は約３
０ｋｍ未満）と組み合わせると、符号位相差の曖昧さの間隔である符号エポック
の半分に光速を乗じた値よりも高い精度で衛星の概算距離を決定できる。一式の
概算距離と一式の符号位相を組み合わせることで、受信機を約１分以内の誤差で
同期する必要なしに、曖昧さのない正確な疑似距離差が得られる。

【００３２】さらに、支援データを最小限にする目的に合わせて、ＳＰＳ受信機１は、ドッ
プラ情報の提供を受ける必要なしにＰＶ解を計算することができる。従来の装置
では、そのような情報は、信号捕捉中に搬送波周波数検索を限定するのを支援し
たり、衛星の位置推算表データを使用する代わりに衛星の距離の変化を予測する
のに使用された。本発明では、ＳＰＳ受信機１は格納された現在の暦データを使
用してドップラ情報を推定する。

【００３３】ＧＰＳの場合に、衛星の概算位置が１００ｋｍよりも高い精度でわかると、Ｓ
ＰＳ受信機１は、この現在のアルマナックデータを使用して、衛星のドップラ周
波数を約２５０Ｈｚよりも高い精度で推定する。ＳＰＳ受信機１の基準発信器の
周波数オフセットが数Ｈｚ以内でわかっている場合、これは、迅速な捕捉には十
分な精度である。この後者の要件を達成するために、ＰＶ解が計算されるたびに
基準周波数オフセットが推定され、したがってオフセットの追跡が可能になる。
さらに、エージングばかりでなく温度による基準周波数の変化の程度と、ＰＶ解
とＰＶ解との間の大きな温度変化による捕捉性能の劣化の程度に対しては、ＳＰ
Ｓ受信機１は、後述するように、そのような変化に対処する方法を使用し、劣化
がわずかになることを保証する。

【００３４】支援源２を使用せずに、アルマナックデータが最新であることを保証するには
、ＳＰＳ受信機１は、強信号が存在する時には、データを最新に維持するために
、十分に頻繁に起動され、そして十分に長く起動されていなければならない。Ｇ
ＰＳシステムの場合、暦データを最新に維持するには、データは２か月以内の新
しさでなければならない。ＧＰＳでこの目的を達成するには、ＳＰＳ受信機１は
、約２か月間の期間にわたり約２７セットの軌道係数を収集しなければならない
。平均すると、１セットの収集に２０ｓを超える信号捕捉時間がかかり、すべて
のセットを捕捉するには、そのような収集を６０回行うことになる。したがって
、強信号が存在するときに、ＳＰＳ受信機１が１日に１回、平均３０ｓ間起動さ
れた場合、格納されている暦が最新に維持される。

【００３５】Ｂ．妨害信号が存在する場合の微弱信号の捕捉・追尾微弱なＳＰＳ信号の使用に関連する問題の１つは、どのようなＳＰＳシステムで
もダイナミックレンジが限られているということである。たとえば、ＧＰＳシス
テムのＣ／Ａコード信号の場合、同時に存在する他の信号よりも約２０ｄＢを超
えて微弱な信号は、どれも強信号に妨害される可能性がある。この妨害には、２
つの主な影響がある。まず、十分に低いしきい値を使用してより弱い信号を捕捉
しようとすると、より強い信号と受信機中で生成された符号との間の相互相関が
頻繁にしきい値以上になるため、受信機の検索シーケンスが頻繁な誤った警報に
よって中断されることである。第２に、受信機がより弱い信号を捕捉し追尾でき
たとしても、より強い信号の相互相関サイドローブが原因で計測誤差が大きくな
りやすく、真の相関メインローブから追尾アルゴリズムが離れてしまう。

【００３６】それらの問題のうち、前者の問題を回避することは、非常に望ましく、また、
後者の問題は、最大数キロにもなる大きな測位誤差の原因になるので、後者の問
題を回避することは必須である。したがって、ＳＰＳ受信機１は、より弱い信号
の前に強信号の捕捉を試みなければならない。この点について、図２は、高いし
きい値を使用して、あらゆる強信号を先に捕捉することを保証するＧＰＳ受信機
のための手続きの例の概要を示している。残りの必要な信号の捕捉のためのしき
い値が次に設定され、ＧＰＳの場合は、捕捉された最強の信号よりも２０ｄＢ低
く設定される。図２はＧＰＳシステムに関連する情報を示しているが、図２の一
般的な応用形態は、任意の他のＳＰＳシステムにも同様に適用できる。

【００３７】図２を参照して、装置は、ＳＰＳ受信機１の概算位置を支援源２から得るため
の試行で、最初の要求・応答の交換処理から開始する。交換処理が正常に行われ
、概算位置の支援データが受信されると、装置は、強信号の捕捉を目的として、
その初期検索パラメータを手順１１で設定する。検索のためのパラメータは、最
初に高いしきい値に設定され、選択されたそのしきい値での捕捉に適した短い積
分期間を持つ。衛星の符号位相については、予備知識がなく、したがって、検索
には制限がない。基準周波数オフセットは、前回受信機が起動されたときに計測
された前回の（すなわち旧い）値と仮定される。それに続く手順１２では、それ
らのパラメータにより、ＳＰＳ受信機１は複数チャネルの装置を使用して可視衛
星すべての強信号の同時検索を実施する。

【００３８】ＧＰＳの例では、衛星あたり１チャネル、積分期間あたり１チップ、チャネル
あたり０．５チップ間隔の２経路を使用した場合、このような無制限の符号検索
の実行には、１０２３／４＝２５６積分期間すなわち約１秒かかる。ほとんどの
場合、この時間は、存在する任意の強信号の捕捉に適している。

【００３９】しかし、いくつかの例では、受信機の基準発信器の仮定した周波数オフセット
が、相関器の出力サンプルのサンプリングレートで対応できるよりも大きく変化
していることがある。したがって、仮定した基準周波数オフセットを使用して捕
捉を試みたときに、衛星信号がまったく捕捉できない場合、手順６０でオフセッ
トが調整され、しきい値を低くせずに検索が継続する。このようにして、オフセ
ットが系統的に変更され、可能性のある周波数範囲全体で検索が実施される。系
統的な検索は、可能な最大のしきい値で１つ以上の衛星を捕捉したときに完了す
る。

【００４０】可能性のある周波数範囲全体で衛星信号が捕捉できない場合、手順１３で、よ
り低い（たとえば６ｄＢ低い）しきい値が設定され、より長い（たとえば４倍長
い）積分期間が使用される。基準周波数オフセットは、前回仮定された値に設定
が戻され、周波数検索が、それらのパラメータ値を使用して再開される。

【００４１】少なくとも１つの衛星を見つけるための最初の検索で、強信号が捕捉され、さ
らに追加の信号が必要な場合、捕捉された最強信号の計測された搬送波対雑音比
が、続く手順１４での検索で使用される積分期間と、検索中に適用される捕捉し
きい値との決定に使用される。たとえば、５０ｄＢＨｚよりも強い信号が捕捉さ
れている場合、続く検索での積分期間は３２ｍｓよりも長くする必要はない。こ
れは、３２ｍｓの積分期間で３０ｄＢＨｚ以上の信号の検出が可能なためで、前
述したダイナミックレンジの問題を回避するにはしきい値を３０ｄＢＨｚ以上に
設定する必要がある。

【００４２】基準周波数オフセットも、暦データと捕捉された信号の計測された搬送波周波
数と共にＳＰＳ受信機１の概算位置を使用して推定することができる。この推定
により、周波数検索をさらに実施する必要がなくなる。

【００４３】少なくとも１つの衛星が捕捉されていて、残りのすべての可視衛星の信号と最
初の衛星の信号との概算の符号位相差が推定できるので、衛星あたり１チャネル
を使用して、残りの衛星に対しては、限定された検索方法が実施可能である。概
算位置の推定値の精度が±１０ｋｍと仮定される場合、符号位相差はほぼ±２５
σｓ以内と推定できる。ＧＰＳの場合、この推定により、残りのすべての衛星が
５０×０．１２８ｓすなわち６．４ｓで捕捉できることになる。しかし、位置を
決定するのに十分な衛星が捕捉されると、検索を終了することができる。

【００４４】ＧＰＳの例では、２番目の検索が失敗しなかったと仮定すると、十分な衛星を
捕捉するのにかかる最大時間は、強信号のための最初の検索に１ｓ、第１の衛星
のための次の検索に４ｓ、残りの衛星のための検索に６．４ｓかかることになる
。その結果、合計の時間は１１．４ｓになる。しかし、典型的には、捕捉はこの
合計時間よりも短くなる（たとえば、１ｓ＋４ｓ＋３．２ｓすなわち８．２ｓ）
。

【００４５】この方式による捕捉性能の劣化を穏やかにするため、以下の障害への対応が必
要である。１．すべての信号が調整されたしきい値よりもさらに微弱なことが原因で、第
１の衛星信号を捕捉するための第２の周波数検索が失敗することがある。この障
害に対する１つの適切な方法として、手順１３で調整される順次減少するしきい
値を使用して、最終的にしきい値が有効に使用できるようになるまで、さらに検
索を実施する方法がある。２．概算の受信機位置が、想定される±１０ｋｍよりも精度が低いことがあり
、その結果、微弱信号の最初の検索の実施中に、衛星信号が十分に捕捉されない
。この障害に対する１つの方法として、手順１５で検索範囲を順次広げながら、
さらに周波数検索を実行する方法がある。この方式は、捕捉時間が長くなるにつ
れて、わずかに性能が悪化する。しかし、この方式は、捕捉可能な衛星信号であ
ればどれでも、最終的には捕捉されることを保証する。概して、受信機の概算位
置の精度が低いと、捕捉時間が長くなる。３．支援メッセージが受信されないことがある。これは、受信機が想定される
位置から何千キロも離れていることが原因で、間違った可視衛星が選択されてい
る可能性がある。それにより、前述したような検索を限定することもできなくし
てしまう。さらに重要なことは、計測が実施された後、符号位相から疑似距離の
差を正確に決定することができなくなる。このことはまた、必要なときに第２支
援メッセージが利用できず、位置の解を計算できなくなることを意味する。この
障害に対する１つの対策としては、手順１６に示したように、単に標準のＳＰＳ
受信機の動作に戻すことである。したがって、ＧＰＳの場合、３２ｍｓの積分期
間が使用可能で、前述のような最初の衛星と続く衛星の検索と、前述のような障
害への応答について、最後の既知の位置が仮定される。この場合、非常に微弱な
信号の捕捉性能は失われるが、通常のＧＰＳの性能は達成されることになる。位
置の決定の前に位置推算表の捕捉が必要になり、そのためさらに最大３０ｓの遅
延が生じるが、屋外では典型的に約１５ｓ以内の捕捉が依然として達成される。

【００４６】Ｃ．複数の衛星信号の符号位相の同時決定前述した支援の方式を達成するには、本発明のＳＰＳ受信機１には、複数の衛星
信号の符号位相を同時に決定する能力が必要になる。この点に関して、図３は、
このようなＳＰＳ受信機１の１つを示している。一般的に、ＳＰＳ受信機１は、
大まかに３つの部分に分割できる。受信機は、フロントエンド回路１７、３つ以
上の相関器１８、メモリ付きのマイクロプロセッサ２０を持つ。それぞれの機能
について、以下で詳述する。

【００４７】一般的に、フロントエンド回路１７は、後述のように最初の信号処理装置とし
ての役割を果たす。フロントエンド回路１７は、アンテナからの信号を増幅し、
フィルタリングし、ダウンコンバートし、デジタル化することで、デジタル相関
器１８での処理に適した信号とし、また、経済的で実用的な具体化用件にしたが
って、信号対雑音比と信号電力対干渉電力比が最小になるようにする。フロント
エンド回路のフロントエンド出力１９は、数十ＫＨｚ（ＧＰＳの場合）を中心と
した複素数信号か、約１．３ＭＨｚかそれ以上を中心とした実数信号である。サ
ンプリングレートは、典型的には数ＭＨｚで、デジタル化はサンプルあたり少な
くとも２ビットになる。好ましい実施形態では、ＡＧＣ回路がデジタル化された
信号のレベルを一定に維持する。実際の信号は、ＧＰＳの場合２ＭＨｚにわたっ
て拡散していて、いずれにしても微弱な信号のため、この信号は雑音に支配され
、ＡＧＣは、フロントエンド回路の出力において一定の雑音レベルを維持する。

【００４８】特定の衛星信号のための処理チャネルを各々が表しているハードウェア相関器
１８は、マイクロプロセッサ２０の制御の下でさらにフロントエンド出力１９を
処理するのに独立して使用される。各相関器１８内では、さらに、ほとんどＤＣ
に近くなるダウンコンバージョン２１（この場合直交）が、特定の衛星信号の推
定されるドップラオフセットと相関器を駆動する水晶発振器の基準周波数の推定
されるオフセットに基づいて実行される。それから、ダウンコンバージョンの結
果として生成される複素数信号２２が、特定の衛星信号の符号と一致するように
選択され、符号生成器２４で生成された実数二値疑似乱数符号信号２３と混合さ
れる（乗算される）。マイクロプロセッサ２０で制御される符号生成器２４は、
水晶発振器の推定オフセットがわかっている場合、推定される信号ドップラオフ
セットに合わせて設定された選択された速度で疑似乱数符号信号２３を生成する
。

【００４９】符号生成器２４は、疑似乱数符号信号２３と同じだが、疑似乱数符号信号２３
に対して一定の遅れのある遅延疑似乱数符号信号２５も生成する。この遅延疑似
乱数符号信号２５もダウンコンバートされた信号２２と混合される。それから、
結果として生成される混合信号２６は、デシメータ２８でそれぞれ独立して処理
される。デシメータ２８は、混合信号２６にローパスアンチエイリアスフィルタ
を適用し、低く設定されたサンプリングレートで、ダウンサンプリングを行う。
ＧＰＳの場合、その低く設定されたサンプリングレートは、約１ｋＨｚである。
このサンプリングレートは、１つのサンプルが符号エポックごとに得られるよう
に、ローカル符号速度から決定することもできる。しかし、このように設定する
ことが必須ではない。

【００５０】符号を検索する場合、プロセッサ２０は、各積分期間の最初に必要な量だけ符
号生成器２４を即座にステップさせるか、正確な期間、既知の量だけ符号周波数
を変更して、符号遅延に急速なステップを発生する。これが好ましい実施形態で
あるが、それに代わる別の仕組みでは、検索中に符号周波数を故意にオフセット
させ、入力信号の符号に相対的に符号が連続的に変化するようにしてもよい。

【００５１】衛星信号の追尾の際、本実施形態では、直前に説明したように、プロセッサ２
０は符号遅延を常時調整して、符号生成器２４からの疑似乱数符号信号２３と遅
延疑似乱数符号信号２５が受信信号よりも１つが前（早く）と１つが後（遅く）
に動作するようにする。その他の実施形態では、符号生成器２４は、入力信号の
符号に同期して動作し続ける３番目の信号（プロンプト）を生成したり、受信符
号に対して最大１チップ（最小の符号要素）の遅い遅延間隔と早い遅延間隔とに
またがるいくつかの追加の信号が存在するようにしてもよい。

【００５２】相関器の出力サンプル２９は、プロセッサ２０に読み込まれ、それらのサンプ
ルはさらに本明細書に後述の信号処理アルゴリズムにより処理され、搬送波信号
の振幅、周波数、および位相が推定される。それから、データを抽出するのに信
号が十分に強いため、データが抽出される場合は、未処理のサンプルを処理して
データを抽出する別個のアルゴリズムにより位相と周波数が利用される。このデ
ータの抽出のための方法は、当業者には自明である。

【００５３】それから、追尾される搬送波信号の周波数は、搬送波のドップラオフセットと
水晶発振器のオフセットの推定に使用される。前者のドップラオフセット値は、
続いて受信機（と受信機が乗り物に搭載されて移動していれば、その乗り物）の
速度の推定に使用される。

【００５４】雑音レベルはフロントエンド回路のＡＧＣで一定に保持されているので、早い
相関器出力サンプルと遅い相関器出力サンプル２９の振幅は、衛星信号の搬送波
対雑音比の推定値を表す。衛星信号検索を実行するときには、振幅がしきい値と
比較され、信号が検出されているかどうかが決定される。信号が検出されている
と、捕捉手続きが開始される。適切な捕捉手続きの手順は、当業者には自明であ
る。

【００５５】追跡中は、相関器の出力サンプル２９の平均振幅を互いに等しく保持するため
に、前述のように符号位相が調整される。相関器出力サンプル２９が３つ以上の
場合、同様の、しかしより複雑なアルゴリズムが適用可能である。そのような制
御アルゴリズムの性質は、当業者には自明である。

【００５６】各積分期間の最後に、各相関器１８の符号位相３０は、ハードウェア相関器内
のラッチ素子３１により同時にラッチされる。結果として生成される信号は、符
号位相の計測値３２を表す。それから、それらの符号位相計測値３２はプロセッ
サ２０で使用可能になる。それから、プロセッサ２０は平滑化アルゴリズムを、
搬送波周波数推定値と共に符号位相計測値３２に適用する。このアルゴリズムは
、搬送波周波数推定値の精度を使用してある積分期間から次の積分期間までの符
号位相の変化を予測して、長期間にわたり符号位相計測値３２の偶然誤差を減少
させるのに使用される。そのアルゴリズムは、搬送波周波数推定値にもフィルタ
を適用して、搬送波周波数推定値の偶然誤差を減少させる。搬送波平滑化アルゴ
リズムは、本明細書で後述する。

【００５７】数秒間（好ましい実施形態では５秒間）の平滑化後、搬送波を使用して平滑化
された符号位相計測値とフィルタリングされた搬送波周波数推定値は、ＳＰＳ受
信機１の位置と速度を推定する位置ソルバー（solver）に渡される。そのアルゴ
リズムは、正確な衛星位置情報データと支援源から受信した概算位置を使用する
。この計算は、本明細書において後により詳細に記述する。信号処理アルゴリズ
ム、搬送波平滑化アルゴリズム、位置解法アルゴリズムは、すべてプロセッサ２
０により実行される。

【００５８】Ｄ．衛星信号処理アルゴリズム前述したように、衛星信号の符号位相差を決定してそれらからＰＶ解を計算する
には、微弱な衛星信号の特別な処理が必要である。そのために、本発明では、衛
星信号の振幅、周波数、位相を計測するアルゴリズムを使用する。本発明では、
平滑化手順も符号位相計測値と搬送波周波数推定値に適用して、長期間にわたっ
て発生する偶然誤差を減少させる。最終的に、数式を適用して符号位相差を正確
な位置と速度の解に変換する。各アルゴリズムは順番に呼び出される。

【００５９】（１）微弱な衛星信号の振幅、周波数、及び位相の推定データが存在する場合に数種類の信号ごとに搬送波の振幅を推定するには、チャ
ネルごとにそれらの信号を処理するハードウェア相関器１８を用いる任意のＳＰ
Ｓ受信機１が必要である。従来の受信機では、位相同期ループか周波数同期ルー
プと遅延同期ループにより最終のダウンコンバータ２１の周波数と符号生成器２
４がそれぞれ制御される。しかし、信号が微弱な場合、信号が弱すぎて、補助ア
ルゴリズムの何らかの支援なしに同期することができない。本発明の信号処理ア
ルゴリズムは、捕捉のための補助アルゴリズムとして使用したり、捕捉と追尾の
両方のために位相同期ループまたは周波数同期ループとは独立して使用すること
ができる。

【００６０】信号が強い場合、各相関器の出力サンプル２９から、同期可能な十分な信頼性
のある信号を検出することができる。信号が微弱な場合、相関器の出力サンプル
２９は雑音が多いため、相関器の出力のサンプリングレートが非常に低い（ＧＰ
Ｓの場合、たとえば８Ｈｚ）場合を除いて、信号を雑音から分離することができ
ない。しかし、そのような低いサンプリングレートでデシメータ２８が残存する
搬送波をフィルタリングして取り除いてしまうのを防ぐには、ドップラ周波数と
水晶発振器のオフセットが、非現実的な高精度でわかっていなければならない。
そのため、符号位相計測値３２における残存搬送波信号の振幅を推定するには、
相関器の出力のサンプリングレートを高く保持することと適切なアルゴリズムが
必要である。

【００６１】図４は、本発明の１実施形態の相関器１８における早い混合信号と遅い混合信
号２９おのおのの振幅、周波数、位相の計測に使用されるアルゴリズムのフロー
チャートを示す。図４を参照して、その手続きは、相関器１８による符号位相計
測値３２から得られた１組のサンプルに適用される高速フーリエ変換３３を使用
する。このアルゴリズムの効果は、残存搬送波信号を数ビンのＦＦＴ出力３４に
圧縮することである。したがって、衛星信号のエネルギーが符号位相計測値３２
に含まれるすべての時間領域のサンプルに拡散していて、衛星信号を検出できな
くても、ＦＦＴ出力３４のビンでは検出できる。しかし、データの変調により、
衛星信号は、積分期間と変調の瞬間の残存搬送波の位相に関して、どこで遷移が
発生するかにより、半無作為に隣接するいくつかのビンに分割されるため、衛星
信号の振幅は容易に推定することはできない。

【００６２】しかし、衛星信号の存在の可能性が検出されている場合、窓操作３５をピーク
値を中心としたＦＦＴ出力３４のビンに適用して、多くのノイズを取り除くこと
ができる。より離れたビンは完全に破棄してもよい。これは、単純なフィルタリ
ング操作で、窓によりフィルタリングされた信号３７に対する非線形処理３６の
前に信号対雑音比を大幅に改善してデータの遷移をなくしてしまう。窓によりフ
ィルタリングされた信号３７内の窓が適用された残りのビンは、雑音とデータが
存在する場合に振幅を推定するために、次のように、いくつかの方法のうちの１
つで処理できる。１．破棄されたビンをゼロで埋め、完全なビンのセットを時間領域に逆変換す
ることができる。これにより、信号対雑音比が大幅に改善された一式の時間領域
のサンプルが得られ、それから、それらのサンプルは位相同期ループや遅延同期
ループで同期が行えるように処理することができる。２．逆変換を前述のように実行して、時間領域のサンプルを二乗してデータを
除去することができる。それから、ＤＦＴを使用して周波数領域に変換して戻し
、前回のＦＦＴのピークを中心としたいくつかのビンを求め、いくつかのＦＦＴ
ビンの値に基づいて、雑音に埋もれた疾走線の振幅と周波数の推定に適した任意
の推定アルゴリズムを適用し、変換結果の信号の振幅を推定することができる。
信号を二乗することの１つの影響として、残存搬送波信号の周波数が２倍されて
サンプルによりエイリアシングが発生する可能性があることに注意することが重
要である。この曖昧さは、周波数の決定時に解決する必要がある。３．窓が適用されて残ったビンのベクトルは、自動畳み込みが可能で自動畳み
込み過程３６でデータが除去される。これは、時間領域で二乗するのと同等であ
るが、窓によりフィルタリングされた信号３７内のビンの数がＦＦＴ３３のサイ
ズに比べて少ない場合、自己畳み込み過程３６は、前述の選択肢２で説明した過
程よりも計算上コストが低くなる。それから、自己畳み込みされたサンプル３８
は、いくつかのＦＦＴビンの値に基づいて、雑音に埋もれた疾走線の振幅と周波
数の推定に適した任意の推定アルゴリズム３９により処理することができる。か
さねて、各ビンに対応する周波数が自己畳み込み過程３６により２倍にされてい
て、周波数推定の目的のためにビンの幅が効果的に半分にされていることを理解
することが重要である。

【００６３】本特許の好ましい実施形態は、振幅と残存搬送波周波数の推定には選択肢３を
採用している。ＲＦ搬送波周波数は、次のように推定される。Ｆｃ＝Ｆｄ１＋Ｆｄ２＋（Ｎｐ１＋（Ｎｐ２−Ｎｎｏｍ＋ＮΨ）／２）＊Ｆｂ
ｉｎ―ΨＦｘｏ＊Ｆｎｏｍ／Ｆｘｏここで、Ｆｃは、ＲＦ搬送波周波数、Ｆｄ１は、フロントエンドダウンコンバージョンによる総周波数シフト、Ｆｄ２は、相関器におけるダウンコンバージョンによる周波数シフト、Ｎｐ１は、ＦＦＴのピークのビン番号（Ｎ点のＦＦＴの場合には−Ｎ／２と（
Ｎ／２＋１）との間）（自己畳み込みの実行のために抽出されたビンの中心のビ
ン）、Ｎｐ２は、計算された自己畳み込みされたビンの中のピークのビンのビン番号
（振幅と周波数の推定のために抽出されたビンの中心のビン）、Ｎｎｏｍは、計算された自己畳み込みされたビンの中の公称ピークのビンのビ
ン番号（つまり、ゼロラグに対応）、ＮΨは、計算された自己畳み込みされたビンの中の数個の隣接するビンの分析
によって推定された（Ｎｐ２に相対的にビンの数とビンの端数で表した）周波数
調整値、Ｆｂｉｎは、元のＦＦＴのビン幅、 ΨＦｘｏは、水晶発振器の公称周波数からの水晶発振器のオフセット、Ｆｎｏｍは、信号の公称ＲＦ搬送波周波数、Ｆｘｏは、水晶発振器の公称周波数である。

【００６４】信号が追尾されている間、適切であれば、前回の積分期間で推定された残存搬
送波周波数の正確な値を使用して、信号処理の計算負荷を減らすことができる。
たとえば、前回の積分期間に使用されたビンの計算が必要になるだけである。

【００６５】（２）信号の平滑化信号の追尾中は、位置の解法ソルバーに渡す前に搬送波平滑化過程により符号位
相推定値と周波数推定値を改善することが可能である。図５はこのような過程の
流れを示している。図示したアルゴリズムは、（ＪからＮまで任意にラベル付け
がされている）数個の積分期間から得られた格納された推定値に適用され、最後
の積分期間の改善された測定値を表す一式の測定値を計算するブロック計算であ
る。

【００６６】この好ましい実施形態では、アルゴリズムは、個々の衛星に対する絶対的な推
定値を処理するのではなく、１つの衛星からの推定値とその他のすべての衛星か
らの推定値との差を処理する。このような処理を行う理由は、差の処理には基準
発信器の周波数オフセットを考慮する必要がないためで、位置のソルバーの好ま
しい実施形態では絶対的な推定値ではなく差が使用される。

【００６７】特定の衛星信号に対応するすべての周波数の差の推定値４０が手順４２で単純
に平均化される。それから、平均搬送波周波数差４３は、予測手順４４で前向き
予測に使用される。その予測手順４４は、手順４５の平均化処理の前に、最後の
計測の瞬間までのその衛星の最新の符号位相差４１を除くすべての符号位相差に
使用される。予測手順４４は、搬送波周波数のドップラオフセット間の差（Ｆｃ
１―Ｆｃ２）に基づいて手順４６で決定された符号の推定ドップラオフセット４
７を使用する。符号の推定ドップラオフセット４７を使用して、手順４４では、
Ｎ個の積分期間により符号位相差４１の前向き予測が以下の式により行われる。 Ψｐ１−Ψｐ２＝Ｆｒａｃ（Ψｍ１−Ψｍ２＋Ｎ＊Ｔｉｐ／（Ｔｅ＊Ｆｎｏｍ
／（Ｆｃ１−Ｆｃ２）））ここで Ψｐ１−Ψｐ２は、符号エポックの端数として表された予測された符号位相差
４８、Ｆｒａｃ関数は、実引数から小数部を求める、 Ψｍ１−Ψｍ２は、前向き予測される計測された符号位相（４１）、Ｔｉｐは、公称積分期間、Ｔｅは、追尾アルゴリズムで決定される符号エポック期間、それ以外のすべての数量は、以前に定義されている。予測された符号位相差は、手順４５で平均化され、平均符号位相差４９が求めら
れる。

【００６８】（３）符号位相差を使用した位置と速度の解の計算前述のように、ＰＶ解は、前述の平滑化アルゴリズムにより符号位相差が処理さ
れた後、ＳＰＳ受信機１により計算される。図６は、好ましい位置のソルバーに
より使用されるＰＶ解を求める過程を示す。位置のソルバーは、以下のように、
改善された平均搬送波周波数差４３、平均符号位相差４９、正確な衛星位置５２
、概算の受信機位置５４を使用して位置と速度を計算する。

【００６９】手順５０で、計測値があるすべての衛星の概算距離５１が計算される。衛星位
置５２は支援源２から供給されるので、この手順では、衛星位置とこれも支援源
２から供給される概算位置５４のデカルト座標系でのベクトルとの差が計算され
るだけである。それらのベクトルの差に関するベクトルの大きさが概算距離５１
になる。

【００７０】手順５５で、エポックの曖昧さが解決され、平均符号位相差４９が疑似距離差
５６に変換される。すべての概算距離５１が（符号位相差の計算のために選択さ
れた）基準衛星の概算距離から減算され、概算距離差が求められる。概算距離差
は、以下の式にしたがって、後でエポックの曖昧さの解決に使用するために保存
される。Ｐ１−Ｐ２＝ｉｎｔ（（Ｒ１−Ｒ２）／Ｃ＊Ｔｅ−（Θ１−Θ２）＋０．５）
＋（Θ１−Θ２）ここで、Ｃは、光速、Ｔｅは、公称エポック期間、Ｐ１とＰ２は、衛星１と２の疑似距離５６、Ｒ１とＲ２は、それら２つの衛星の概算距離の推定値、 Θ１−Θ２は、それら２つの衛星の間の符号位相差である。手順５８では、ドップラ効果の影響を受けた平均搬送波周波数差４３から距離レ
ート差５７が計算される。距離レート差５７は、以下の式にしたがって計算され
る。ｄ（Ｒ１−Ｒ２）／ｄｔ＝−Ｃ＊（Ｆｃ１−Ｆｃ２）／Ｆｎｏｍここで、Ｃは、光速、ｄ（Ｒ１−Ｒ２）／ｄｔは、衛星１と衛星２との間の距離レート差５７である
。

【００７１】本発明の他の実施形態としては、現在位置の推定値６０と現在速度の推定値６
１が手順５９で、従来のＳＰＳ受信機のカルマン航法フィルタの単一の更新のた
めの方法と同様の方法で計算される。現実に時間に余裕があれば、実際の航法フ
ィルタをいくつかの更新のために実行して、推定ＰＶ解を改善できる（しかし、
その場合、支援源２から衛星の位置を更新する必要がある）。カルマンゲイン行
列Ｋは、よく知られた次の式で与えられる。Ｋ＝ＰＭ^T（ＭＰＭ^T＋Ｒ）^-1 とＸ＝Ｘ_INIT＋Ｋ（Ｙ−Ｙ_PRED）ここで、Ｙは計測ベクトルで、Ｘは位置と速度の推定値を含む解状態ベクトル
である。この式を使用して、初期状態ベクトルＸ_INITは、速度をゼロをとして、支援源か
らの概算位置に設定される。最初の予測ベクトルＹ_PREDは、概算距離５１から得
られた概算距離差に設定され、距離レート差５７については、０に設定される。

【００７２】状態共分散行列Ｐは、概算位置と速度の推定値の推定分散を表す入力値を持つ
対角行列に初期化される。位置分散推定値は、支援源２から取得したり、固定値
を使用できる。初期速度推定値はゼロで、その分散は適用対象に依存する。計測
値の分散は、従来の受信機で推定するように推定可能であるが、計測値分散行列
Ｒは従来のように対角行列にはならない。基準衛星との差が計算されているとい
うことは、衛星間の共分散項は従来の受信機のようにゼロではなく分散の推定値
の半分になるということである。概算位置（５４）と衛星位置（５２）は、計測
行列Ｍの行を形成する方向余弦と方向余弦の差の決定に使用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態による支援源、呼び出し受け付け装置、ハン
ドセットと統合ＳＰＳ受信機との間のやり取りを説明するシーケンス図である。

【図２】本発明の一実施形態による、衛星信号の捕捉、符号位相の計測、
それらの計測値に適用される搬送波平滑化、疑似距離の差の計算、ハンドセット
位置の計算のための全体のアルゴリズムを説明するフローチャートである。

【図３】本発明による典型的なＳＰＳ受信機のブロック図である。

【図４】本発明の一実施形態による、相関器の各チャネルの前と後の経路
（ａｒｍ）の振幅の計測に使用される信号処理アルゴリズムを説明するブロック
図である。

【図５】本発明の一実施形態による符号位相計測における誤差を減らすた
めに使用される搬送波平滑化アルゴリズムを説明するブロック図である。

【図６】本発明の一実施形態による符号位相差と搬送波周波数の差から位
置と速度を計算するのに使用されるアルゴリズムを説明するブロック図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＢＺ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＯ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＣ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者ブライアント、ロダリック・シーオーストラリア国、2906 オーストラリアン・キャピタル・テリトリー、コンダー、バリンジャー・ストリート 35 (72)発明者グレノン、イーモン・ピーオーストラリア国、2607 オーストラリアン・キャピタル・テリトリー、トーレンス (72)発明者ドーガン、スタンリー・エルオーストラリア国、2905 オーストラリアン・キャピタル・テリトリー、コールウェル (72)発明者デンプスター、アンドリュー・ジーイギリス国、ロンドン・エヌダブリュ１・８ジェイエイＦターム(参考） 5J062 AA12 CC07

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】衛星信号の減衰が存在する場合に受信機の位置を特定するた
めのＳＰＳシステムであって、同期データを含んだ繰り返しエポックを有する同期された符号化信号を搬送波
周波数上で送信する複数の軌道衛星と、１組の前記符号化信号を検出し、捕捉し、追尾するとともに、前記１組の符号
化信号の符号位相を前記エポックに関して同時に決定する受信機と、前記受信機の概算位置、並びに前記複数の衛星の位置及び速度を送信する支援
源とを備え、前記受信機は、前記概算位置、前記衛星の位置、前記符号位相差、及び搬送波
周波数の差を使用して正確な位置を決定する受信機の位置を特定するためのＳＰＳシステム。
【請求項２】前記正確な位置は、基準信号の符号位相と追加信号の各符号
位相とのオフセットを使用して決定される請求項１記載の受信機の位置を特定するためのＳＰＳシステム。
【請求項３】前記受信機は、要求を前記支援源に対して送信し、前記支援源は、それに応じて前記受信機の前記概算位置を送信する請求項１記載の受信機の位置を特定するためのＳＰＳシステム。
【請求項４】前記受信機は、可能なら最初により強い前記符号化された信
号を検出し捕捉し、それからより弱い前記符号化された信号を検出し捕捉する検
索方法を使用して前記１組の符号化された信号を検出し捕捉する請求項１記載の受信機の位置を特定するためのＳＰＳシステム。
【請求項５】前記受信機は、複数の衛星信号の同時検索を実施する請求項１記載の受信機の位置を特定するためのＳＰＳシステム。
【請求項６】前記受信機は、少なくとも１つの衛星を捕捉後、追加の衛星
の符号位相差を予測することで、該受信機による検索を限定する請求項１記載の受信機の位置を特定するためのＳＰＳシステム。
【請求項７】前記受信機は、前記追加の衛星が検出されず捕捉されない場
合、前記限定した検索を拡張する請求項６記載の受信機の位置を特定するためのＳＰＳシステム。
【請求項８】前記受信機は、複数の衛星を補足後、前記複数の衛星の識別
情報を含んだ要求を送信し、前記支援源は、それに応じて各衛星の位置及び速度を送信する請求項１記載の受信機の位置を特定するためのＳＰＳシステム。
【請求項９】前記支援源は、前記受信機の要求に応答して、前記複数の衛
星の位置及び速度を決定し送信する請求項１記載の受信機の位置を特定するためのＳＰＳシステム。
【請求項１０】前記支援源は、前記複数の衛星から受信した位置推算表デ
ータ、前記受信機の前記要求の受信時刻、及び前記要求の送信の待ち時間を使用
して前記複数の衛星の位置及び速度を決定する請求項９記載の受信機の位置を特定するためのＳＰＳシステム。
【請求項１１】前記受信機は、位置、速度、進行方向、高度、解モード、最近の位置の解に使用された衛星の識別情報、及び符号位相差を含む受信機情報群から選択された受信機情報を前記支援源に送信
する請求項１記載の受信機の位置を特定するためのＳＰＳシステム。
【請求項１２】受信機の位置情報を使用し処理するための呼び出し受け付
け装置をさらに備える請求項１記載の受信機の位置を特定するためのＳＰＳシステム
。
【請求項１３】前記支援源は、さらに前記受信機の前記概算位置を前記呼
び出し受け付け装置に対して送信する請求項１２記載の受信機の位置を特定するためのＳＰＳシステム。
【請求項１４】前記支援源は、さらに前記受信機の正確な位置を前記呼び
出し受け付け装置に対して送信する請求項１２記載の受信機の位置を特定するためのＳＰＳシステム。
【請求項１５】前記支援源は、前記受信機の正確な位置を、前記受信機か
ら送信された情報に基づいて決定する請求項１記載の受信機の位置を特定するためのＳＰＳシステム。
【請求項１６】前記受信機は、前記減衰した信号の符号位相の平滑化処理
を実行する請求項１記載の受信機の位置を特定するためのＳＰＳシステム。
【請求項１７】同期データを搬送する減衰した衛星信号が存在する場合に
受信機の正確な位置を決定するための方法であって、前記受信機によって局地的な位置の上の衛星の暦データを受信し格納するステ
ップと、前記受信機からの要求に応答して支援源から前記受信機の概算位置を送信する
ステップと、複数の衛星からの１組の信号を検出し、捕捉し、追尾するステップと、前記１組の信号から符号位相を同時に決定してから、基準符号位相について前
記符号位相の各々のオフセットを決定するステップと、１組の衛星の識別情報を含んだ要求を前記受信機から前記支援源に送信し、要
求された各衛星の位置及び速度を返信するステップと、前記概算位置、前記暦データ、前記符号位相差、及び前記衛星位置を使用して
位置の解を決定するステップとを含む受信機の正確な位置を決定するための方法。
【請求項１８】受信機データを前記支援源に送信するステップをさらに含む請求項１７記載の受信機の正確な位置を決定するための方法。
【請求項１９】前記受信機データは、受信機位置、受信機速度、受信機進行方向、受信機高度、受信機解モード、位置の解を決定するときに前記受信機が使用する衛星識別情報、及び受信機によって決定された符号位相差を含むデータ群からのデータである請求項１８記載の受信機の正確な位置を決定するための方法。
【請求項２０】受信機データを前記支援源から呼び出し受け付け装置に対
して送信するステップをさらに含む請求項１７記載の受信機の正確な位置を決定するための方法。
【請求項２１】前記受信機データは、受信機位置、受信機速度、受信機進行方向、受信機高度、受信機解モード、位置の解を決定するときに前記受信機が使用する衛星識別情報、及び受信機によって決定された符号位相差を含むデータ群からのデータである請求項２０記載の受信機の正確な位置を決定するための方法。
【請求項２２】前記検出し、捕捉し、追尾するステップは、検索振幅しき
い値をあるレベルから開始して連続して減少させることで、より強い信号をより
減衰した信号よりも前に補足する、周波数と振幅についての信号検索を含む請求項１７記載の受信機の正確な位置を決定するための方法。
【請求項２３】前記検索振幅しきい値を連続して減少させるたびに、その
前に周波数範囲走査を実行する請求項２２記載の受信機の正確な位置を決定するための方法。
【請求項２４】前記位置の解の決定するステップは、前記符号位相差を使
用して各衛星に対する疑似距離を決定するステップを含む請求項１７記載の受信機の正確な位置を決定するための方法。
【請求項２５】前記疑似距離の決定は、追尾されている各衛星に対する計
算された概算範囲を使用して行われる請求項２４記載の受信機の正確な位置を決定するための方法。
【請求項２６】前記概算範囲は、前記概算位置及び前記衛星位置を使用し
て計算される請求項２５記載の受信機の正確な位置を決定するための方法。
【請求項２７】減衰した衛星信号が存在する場合に正確な位置を決定する
ために、ＳＰＳシステムで使用するための装置であって、自身の概算位置及び衛星識別情報に対する要求を外部支援源に対して送信する
送信手段と、前記概算位置、並びに衛星の位置及び速度を前記外部支援源から受信する受信
手段と、送信された衛星信号を受信するアンテナと、前記アンテナで受信された前記衛星信号をフィルタリングし、サンプリングす
る回路と、各々が信号を検出し、補足し、追尾する複数の信号相関器と、プロセッサ及びメモリを含む制御回路とを備え、前記制御回路は、前記複数の信号相関器で検出され、補足され、追尾される複
数の衛星信号の符号位相オフセットを決定し、前記符号位相オフセットを使用し
て装置の位置の解を決定するＳＰＳシステムで使用するための装置。
【請求項２８】前記制御回路は、前記受信した概算位置及び格納されてい
る暦データに基づいて前記信号相関器を調整する請求項２７記載のＳＰＳシステムで使用するための装置。
【請求項２９】前記制御回路は、前記信号相関器の出力信号の積分期間を
連続的に増加させ、検索振幅しきい値を連続的に減少させることで、より強い符
号化信号がより減衰した信号よりも前に検出されるように信号検出を行う請求項２７記載のＳＰＳシステムで使用するための装置。
【請求項３０】前記制御回路は、前記検索振幅しきい値を連続して減少さ
せるたびに、その前に周波数範囲走査を実行する請求項２９記載のＳＰＳシステムで使用するための装置。
【請求項３１】前記制御回路は、保存されている暦データ、概算時刻、及
び概算位置を使用して前記周波数範囲を限定することで、搬送波の推定ドップラ
オフセット及び前記衛星信号の符号周波数を計算する請求項３０記載のＳＰＳシステムで使用するための装置。
【請求項３２】前記制御回路は、前記符号位相オフセット、並びに前記受
信した概算位置及び衛星位置から計算された概算距離を使用して、補足された各
々の衛星への疑似距離を計算する請求項２７記載のＳＰＳシステムで使用するための装置。
【請求項３３】既知または計算された衛星の位置からの自身の距離に基づ
いて自身の位置を計算するためにそれらの衛星から信号を受信する受信機であっ
て、ハードウェア相関器を内蔵する前記受信機において、前記ハードウェア相関
器の出力における信号を処理して相関処理が行われた信号の振幅及び周波数を推
定し、信号の存在を検出する方法であって、一定の積分期間にわたって時間領域信号サンプルを処理するステップと、前記積分期間内の全てのまたはいくつかの前記時間領域信号サンプルを周波数
ビン内の周波数領域に変換するステップと、最大の複素数の絶対値を含むピークの周波数ビンを特定するステップと、前記ピークの周波数ビンを中心とした窓を周波数ビンに適用することを含むフ
ィルタ処理を適用するステップと、前記窓が適用されたビンから信号の振幅及び周波数を推定するステップと、前記推定された周波数及び振幅を持つ信号の存在を検出するステップとを含む信号の存在を検出する方法。
【請求項３４】前記変換するステップは、離散フーリエ変換、高速フーリ
エ変換、及びフーリエ変換を含む変換方法群の中の変換方法を使用する請求項３３記載の信号の存在を検出する方法。
【請求項３５】前記フィルタ処理を適用するステップは、前記窓が適用さ
れたビンのベクトルを自動畳み込みすることでデータ変換の影響を除去する請求項３３記載の信号の存在を検出する方法。
【請求項３６】前記信号の存在を検出するステップは、多数の周波数推定
値を比較して、前記多数の周波数推定値が一致しているかどうかを確認するステ
ップを含む請求項３３記載の信号の存在を検出する方法。
【請求項３７】前記信号の存在を検出するステップは、前記推定された振
幅としきい値の比較を含む請求項３３記載の信号の存在を検出する方法。
【請求項３８】前記信号の存在を検出するステップは、多数の周波数推定
値を比較してそれらが一致しているかどうかを確認するステップをさらに含む請求項３７記載の信号の存在を検出する方法。
【請求項３９】より強い信号の検出のために、短期時間枠に設定された前
記一定の積分期間と、高い値に設定された前記しきい値から、より微弱な信号の
検出のために次第に、より長い前記一定の積分期間と、より低い前記しきい値を
使用して、前記ステップが繰り返される請求項３８記載の信号の存在を検出する方法。
【請求項４０】前記しきい値は、前回検出された信号について計測された
搬送波振幅の関数を使用して設定される請求項３９記載の信号の存在を検出する方法。
【請求項４１】前記関数は、十分に高いしきい値を設定して前記前回検出
された信号との相互相関の影響を減らす請求項４０記載の信号の存在を検出する方法。
【請求項４２】前記一定の積分期間は、前回の信号の検出に使用された一
定の積分期間の関数を使用して設定される請求項３９記載の信号の存在を検出する方法。