JP2004502175A - Ｇｐｓ信号を獲得するために組み合わされた並列および順次検出 - Google Patents

Abstract

２つの部分から成る信号獲得プロセスは、並列信号検出プロセスと信号検証／誤認警告却下プロセスを含んでいる。大規模並列アーキテクチャの獲得コリレータは、並列信号検出プロセスの間、時間／周波数不確定性の大きい範囲を探索して、各探索ドウエル毎に最大尤度検出対象を識別する。獲得コリレータによって実行される並列信号検出プロセスと同時並行して、最大尤度検出対象の現行リストが、検証／誤認警告却下プロセスで追加の探索ドウエルで検査される。検証／誤認警告却下プロセスは、複数の互いに独立したコリレータ又は追跡チャネルによって実行される。ソフトウエア制御下で、追跡チャネルは、最大尤度検出対象に対して、それが誤認警告として処分されるか所望の信号として検証されるまで、繰り返しドウエルを実行する。

Description

【０００１】
（関連出願）
本出願は、２０００年６月２７日に提出された係属中の仮出願第６０／２１４，４６２号の利益を主張するものである。
【０００２】
（技術分野）
本発明は、一般的には、衛星信号を獲得する装置と方法に関し、詳しくは、並列検出プロセス／順次検出プロセスを組み合わせたＧＰＳ信号を獲得する装置と方法に関する。
【０００３】
（関連技術）
弱い信号と高い妨害環境下で迅速に獲得するという要求によって、ＧＰＳ産業界は、商用的用途と軍事的用途の双方において大規模並列アーキテクチャを採用するようになっている。これらの大規模並列アーキテクチャは、数十万のコリレータと数十のＦＦＴタップから成る。このアーキテクチャによって、大きい領域の時間−周波数不確定ドメイン（ｔｉｍｅ−ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙ ｄｏｍａｉｎ）を単一ドウエル（ｄｗｅｌｌ）の獲得エンジンで探索できる。しかしながら、並列アーキテクチャの全てのエレメントは等しく取り扱われるため、ドウエル時間を動的に観察された信号および雑音環境の関数として最小化する際における順次検出器（ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ ｄｅｔｅｃｔｏｒ）の利点を実現することが不可能であった。
【０００４】
一般的なＧＰＳ信号獲得プロセッサは、２つのステップから成る。このプロセスの第１のステップでは、数千の時間／周波数セルから成る配列中で検出された最大の信号をしきい値と比較する。このプロセスの第２のステップでは、この検出された最大の信号がしきい値を超えている場合、検証／誤認警告却下アルゴリズム（ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ／ｆａｌｓｅ ａｌａｒｍ ｒｅｊｅｃｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ）は、この信号を再度検出して、時間を多重化して、この信号がソフトウエアしきい値を実際に超えていることを検証しようと試みる。
【０００５】
第１のステップでは、ＧＰＳ受信機、具体的には獲得コリレータのアーキテクチャは、所望の干渉性と非干渉性の積分期間にわたる相関出力を形成し、ソフトウエア制御されたしきい値を超えるピーク検出済み信号の時間および周波数座標を報告する。一旦、これらの座標が報告されると、このアーキテクチャは、以前のピーク信号の検出に使用されたものと同じ獲得コリレータを用いて、複数の繰り返されたドウエル中の信号を検出して、信号の存在を確認しようと試みる。
【０００６】
この技法の１つの欠点は、選択されたしきい値に対する感度が高いことである。このしきい値が高すぎると、検出を失敗する確率が高く、このしきい値が低すぎると、探索率が誤認警告のために低下することである。このＧＰＳ獲得プロセスに対する別の重大な欠点は、報告された信号が何千という信号から検出された最大の信号である必要があるということである。所望の獲得確率が９８％を超えると仮定すると、これは、雑音サンプルが信号プラス雑音を超える確率が、２％の検出失敗確率を超えてはならないことを意味する。３２，７０４個のセルを有する５１１個のコリレータ、６４タップＦＦＴアーキテクチャ（ａ ５１１ ｃｏｒｒｅｌａｔｏｒ，６４−ｔａｐ ＦＦＴ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ）の場合、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）が６．９５である必要がある。このようなＳ／Ｎ比を達成するということは、妨害免疫／弱信号感度（ｊａｍ ｉｍｍｕｎｉｔｙ／ｗｅａｋ ｓｉｇｎａｌ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ）を低下させるか、あるいは、信号を必要なＳ／Ｎ比に対して積分しながら時間対第１固定（ＴＴＦＦ（ｔｉｍｅ−ｔｏ−ｆｉｒｓｔ−ｆｉｘ））を増加させることを意味する。
【０００７】
したがって、当業者は、現在のプロセスとして、しきい値レベルの設定にあまり依存しない信号検出能力を有するＧＰＳ信号獲得プロセスに対する必要性を認識している。また、既存の大規模並列アーキテクチャの広帯域探索能力を保持しながらも順次検出器（ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ ｄｅｔｅｃｔｏｒ） の利点を多く含む方法の必要性もまた認識されている。
【０００８】
（発明の概要）
簡潔にそして一般的に言えば、本発明は、並列／順次組み合わせ検出器（ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｐａｒａｌｌｅｌ／ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ ｄｅｔｅｃｔｏｒ）として特徴付けられたアルゴリズムを採用したＧＰＳ信号を獲得するための装置とプロセスを提供する。このプロセスの第１のステップは、ＧＰＳ受信機の大規模並列アーキテクチャを用いて最大尤度の検出対象をスクリーニングする。このスクリーニングステップの後に、本質的には順次検出器であるところのもの、すなわち、多くのステップのうちのいずれか１つの後、潜在的検出対象を、それが各ステップでしきい値をパスしないかぎり却下する検証／誤認警告却下アルゴリズム（ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ／ｆａｌｓｅ ａｌａｒｍ ｒｅｊｅｃｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ）、が続く。
【０００９】
従来の獲得アルゴリズムは、高妨害又は弱信号環境下でＧＰＳ信号を獲得するために必要とされる大規模並列アーキテクチャで用いられる場合には準最適（ｓｕｂ−ｏｐｔｉｍａｌ）であることが示されている。本発明は、並列獲得の最良の特徴と順次検出器アルゴリズムを組み合わせた改良された獲得アルゴリズムを提供する。このアルゴリズムの詳細な実施の形態が、２つの例示的なＧＰＳ受信機アーキテクチャとして記述されている。第１のアーキテクチャは、５１１個の獲得コリレータ（５１１ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｃｏｒｒｅｌａｔｏｒｓ）と、検証用の６個の独立したコリレータを有する６４タップのＦＦＴとを備えている。第２のアーキテクチャは、検証用の１２個の独立したコリレータとして構成し得る２４０個の獲得コリレータを備えている。数学的な分析により、比較的従来の設計を越えたこのアルゴリズムの利点を定量化する。これらの分析は、獲得を成功させるために必要な信号対雑音比が大幅に減少することを示す。
【００１０】
第１の形態では、本発明は、ａ）最大の相関ピークを有するセルの集合を検出するために時間／周波数不確定範囲（ｔｉｍｅ／ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙ ｒａｎｇｅ）内の複数のセルに対して獲得ドウエル（ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｄｗｅｌｌ）を実行するステップと、ｂ）各セルのピークをしきい値と比較し、しきい値と少なくとも同程度の大きさのピークを有するこれらのセルを保持することによって、ステップａで検出されたセルの集合に対して初期検証ドウエル（ｉｎｉｔｉａｌ ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｄｗｅｌｌ）を実行するステップと、を含む信号獲得方法に関する。この方法はさらに、ｃ）最大の相関ピークを有するセルの他の集合を検出するために、時間／周波数不確定範囲内の他の複数のセルに対して獲得ドウエルを実行する、ステップと、ｄ）各セルのピークをしきい値と比較し、少なくともしきい値と同程度の大きさのピークを有するセルを保持することによって、ステップｂにおいて保持されたセルに対して続く検証ドウエルを実行し、ステップｃにおいて検出されたセルの集合に対して初期検証ドウエルを実行するステップと、を含む。
【００１１】
他の形態では、本発明は、複数の獲得コリレータと複数の独立したコリレータとを含む信号獲得装置に関する。これらの獲得コリレータは、初期獲得ドウエルと続く獲得ドウエルを時間／周波数不確定範囲内の複数のセルに対して実行するように構成されている。最大の相関ピークを有するセルの集合が、各獲得ドウエルの間に検出される。これらの独立したコリレータの各々は、獲得コリレータから検出済みのセルを受信して、この検出済みセルのピークをしきい値と比較し、それがしきい値と少なくとも同程度の大きさである場合にだけその検出済みセルを保持することによって、初期検証ドウエルをこの検出済みのセルに対して実行するように構成されている。これらの独立したコリレータはさらに、保持されたセルに対して少なくとも１つの後続の検証ドウエルを実行するように構成されている。
【００１２】
さらに他の形態では、本発明は、ＧＰＳ衛星で送信された信号を用いて物体のロケーションを追跡するシステムに関する。このシステムは、ＧＰＳ信号を受信するために物体に結合したアンテナと、上記のパラグラフで記述したものと類似の信号獲得デバイスと、を備えている。この信号獲得デバイスは、アンテナと通信するように動作して、アンテナで受信されたＧＰＳ信号を獲得して処理する。
【００１３】
さらに他の形態では、本発明は、時間／周波数不確定範囲内の複数のセルに対して複数の獲得ドウエルを実行するステップを含む信号獲得方法に関する。各獲得ドウエルは、最大の相関ピークを有する「ｘ」個のセルを検出する。この方法はまた、獲得ドウエル中に検出されたセルを比較するステップと、最大の相関ピークを有する「ｘ」個のセルを保持するステップと、各セルのピークをしきい値と比較してこのしきい値を超えるピークを有するセルだけを保持することによって、この「ｘ」個のセルに対して検証ドウエルを実行するステップと、を含んでいる。
【００１４】
さらに他の形態では、本発明は、複数のコリレータと、プロセッサで実行されるソフトウエアリストと、複数の独立したコリレータと、を含む信号獲得デバイスに関する。この複数の獲得コリレータは、時間／周波数不確定範囲内の複数のセルに対して獲得ドウエルを実行して、最大の相関ピークを有する「ｘ」個のセルを検出するように構成されている。ソフトウエアリストは、獲得ドウエル中に検出されたセルを比較して、最大の相関ピークを有する「ｘ」個のセルを保持するように構成されている。複数の独立したコリレータの各々は、ソフトウエアリストから検出済みセルを受信して、この検出済みセルのピークをしきい値と比較して、少なくともこのしきい値と同程度の大きさのピークを有する検出済みセルだけを保持することによって、検出済みセルに対して初期検出ドウエルを実行するように構成されている。これらの独立したコリレータは、さらに、これら保持されたセルに対して後続の検証ドウエルを実行するようになっている。
【００１５】
さらに他の形態では、本発明は、ＧＰＳ衛星によって送信された信号を用いて物体のロケーションを追跡するシステムに関する。本システムは、ＧＰＳ信号を受信するために物体に結合したアンテナと、上記のパラグラフで記述されたものと類似の信号獲得デバイスと、を備えている。この信号獲得デバイスは、アンテナと通信するように動作して、アンテナで受信したＧＰＳ信号を獲得して処理する。
【００１６】
本発明の利益には、ソフトウエア制御されたしきい値が存在しない状態における信号検出の性能が含まれる。その結果、しきい値の設定エラーに対する感度がなくなる。本発明はまた、追跡チャネル、すなわち、独立したコリレータを操作することによってＧＰＳ受信機のアーキテクチャの使用を最大化して、信号検出コリレータ内で並列に信号の検証／誤認の警告を実行する。本発明のこの方法はまた、従来のプロセスよりも多くの潜在的検出対象を見ている。これによって検出の確率が向上する。
【００１７】
本発明の上記の及び他の形態は、以下の詳細な説明及び本発明の形態を例示的に図示する添付図面から明らかであろう。
【００１８】
（実施の形態の詳細な説明）
図面全体にわたって類似の又は対応する部分を同じ参照番号で示しており、図面、特に図１をここで参照すると、本発明の一実施形態に従って構成された獲得エンジンによって実行される獲得方法８のブロック図が示されている。獲得エンジンは、自動車や航空機などの移動物体のロケーションを追跡して監視する商業用途又は軍事用途で用いられるＧＰＳ受信機の部分である。このような追跡システムの詳細は、当業者には良く知られており、したがってここでは説明しない。
【００１９】
図１を参照すると、獲得エンジンによって実行される獲得方法８は、２つのステップ、すなわち、並列信号検出１０と信号検証／誤認警告拒否１２とに分割されている。これらの２つのステップは、ソフトウエアの実施形態とハードウエアの実施形態の双方において区別されている。
【００２０】
並列信号検出プロセス１０は、獲得コリレータ１４の大規模並列アーキテクチャを用いて、時間／周波数不確定性のある大きい隣接した領域を迅速に探索する。獲得コリレータ１４は、各探索ドウエルに対して最大尤度検出対象（ｍｏｓｔ ｌｉｋｅｌｙ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎｓ）１６を識別する。コヒーレント積分と非コヒーレント積分の双方のドウエル時間が、所望の感度及び／又は障害抵抗（ｊａｍｍｉｎｇ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）を達成するように選択される。しかしながら、このステップは、順次検出プロセスの第１のステップに過ぎないので、信号を明瞭に識別するために、この並列プロセスのドウエル時間を延長する必要がない。その代わり、最大尤度検出対象の短いリストに真の信号が含まれていることを必要とするだけである。
【００２１】
獲得コリレータ１４によって実行される並列信号検出プロセス１０と同時並行に、最大尤度検出対象１６の現行リストを、検証／誤認警告却下プロセス１２において追加の探索ドウエルで検査する。検証／誤認警告却下プロセス１２は、複数の独立したコリレータ１８によって、すなわち、追跡チャネルで実行される。ソフトウエア制御下で、追跡チャネル１８は、最大尤度検出対象１６に対して、これらが誤認警告として処分されるか又は所望の信号として検証されるまで、繰り返しドウエルを実行する。
【００２２】
このように獲得プロセス８を分離することによって、獲得コリレータ１４によって実行される大きな時間／周波数不確定性の探索は、並列信号検出プロセス１０を介して尤度ある検出対象を識別することに限られる。これらの候補の場合にだけ、信号検証／誤認却下プロセス１２が実行される。この組み合わせが、獲得エンジンの特徴をその特定の長所（ｓｔｒｅｎｇｔｈｓ）にしたがって利用するが、大規模並列獲得コリレータ１４を用いて、大きな時間／周波数不確定性を迅速に走査し、また、順次検出器の追跡チャネル１８が、誤認警告に基づいて信号を正確に識別する。
【００２３】
この実施の形態の重要でなく補助的な利益は、検出プロセス１０の間において、注意深く選択されたしきい値に対する要件を除去できることである。事実、獲得コリレータ１４によって実行された並列信号検出プロセス１０は、最大尤度検出対象１６の固定長リスト（ｆｉｘｅｄ−ｌｅｎｇｔｈ ｌｉｓｔ）をしきい値を用いることなく発生する。ソフトウエア制御された追跡チャネル１８によって実行される信号検証／誤認警告却下プロセス１２の間、しきい値を用いてもよい。しかしながら、信号検証／誤認警告却下プロセス１２で用いられるアルゴリズムは、本来、強力（ｓｔｒｏｎｇ）であり、したがって、しきい値の選択は、しきい値の値の変動に対する最小の感度で実行され得る。
【００２４】
上記のように、獲得プロセス８は、並列信号検出プロセス１０と検証／誤認警告却下プロセス１２に分離されている。これらの２つのプロセスを、以下に別々に説明する。また、例示のＧＰＳ受信機アーキテクチャで用いられるアルゴリズムの分析を以下に記載する。
【００２５】
（獲得プロセス）
以下の説明は、時間／周波数不確定ドメインで３２，７０４個のセルを同時に探索することができ、５１１個のコリレータおよび６４タップのＦＦＴを有するＧＰＳ受信機アーキテクチャ（ここでは「５１１アーキテクチャ」と呼ぶ）に関して行われる。しかしながら、本発明は、この例示的なＧＰＳ受信機アーキテクチャには限られない。
【００２６】
図１を引き続き参照すると、本発明の信号検出プロセス１０の固有の特徴は、ソフトウエアに報告された最大尤度検出対象１６（すなわちソフトウエア制御された追跡チャネル１８）に、信号処理ハードウエア（すなわち獲得コリレータ１４）によって関連付けされている。従来のアーキテクチャは、干渉積分期間及び非干渉積分期間にわたって相関出力を形成し、ソフトウエア制御されたしきい値を超えるピーク検出を報告する。本発明によれば、ＧＰＳ受信機は、ＧＰＳ信号を含む多くの検出対象１６を報告するように構成される。
【００２７】
好適な実施形態では、獲得コリレータ１４は、最大で６個の検出対象１６の時間／周波数座標を戻すように構成されていて、これによって、潜在的検出対象をハードウエアからソフトウエアにもたらす。この技法の第１の利点は、全くしきい値を使用せず、したがって、不正確に計算されたしきい値に対する感度がないことである。検出の確率に関しては、真の信号が最も強度の高い６つの信号のリストに含まれることが必要とされるだけである。この技法は、適切に識別すべき誤認警告がなければならず、したがって、強力な（ｓｔｒｏｎｇ）誤認警告却下アルゴリズムが必要とされることを意味する。
【００２８】
引き続き図１を参照すると、ＧＰＳ受信機アーキテクチャは、６つの追跡チャネル１８をも含む。これらの追跡チャネル１８は、獲得コリレータ１４とは別に制御され、信号検証／誤認警告却下１２で使用され、これと並行して信号検出１０が続く。
【００２９】
所望のアーキテクチャを実現するために、６個の最大信号１６_１、（すなわち潜在的検出対象）の時間／周波数座標が、初期獲得ドウエル２０の完了時にＧＰＳ受信機から読み取られる。初期獲得ドウエル２０からの潜在的検出対象１６_１の時間／周波数座標のこの６つの集合は、６つの追跡チャネル１８に送られる。次に、ＧＰＳ受信機は、次の最大尤度検出対象１６_２の集合に対して獲得コリレータ１４を用いて時間／周波数不確定範囲内の次の３２，７０４個のセルを探索することによって、次の獲得ドウエル２２で信号検出プロセス１０を即座に再開するように指令される。これによって、並行して実行される信号検証／誤認警告却下プロセス１２によって混乱されることなく、獲得プロセス８が継続されることが保証される。
【００３０】
各追跡チャネル１８は、独立したコリレータとして用いられる。６つのコリレータパワー出力１６_１（出力１から６）は各々が、初期検証プロセス２４の間に、ソフトウエア制御されたしきい値と比較され、このしきい値を満足しなかったものは誤認警告として除かれ、一方、このしきい値を満足したものは、追跡チャネル１８内に保持される。図１を参照すると、例示の初期検証プロセス２４は、しきい値の要件を満足した出力を生じず、したがって、次の獲得ドウエル２２からの６つの最大尤度検出対象１６_２が６つの追跡チャネル１８に送られる。
【００３１】
次に、ＧＰＳ受信機は、次の検証プロセス２８が次の検出対象１６_２（出力７から１２）の集合に対して実行されている一方で、第２の後続獲得ドウエル２６で信号検出プロセス１０を即座に再開するように指令される。図１に示す例示の後続検証プロセス２８では、６つの出力１６_２のうちの１つ（出力「１１」）がしきい値を満足しており、それが追跡チャネル１８に保持される。出力「１１」は保持されているので、第２の後続獲得ドウエル２６から５つの最大尤度検出対象１６_３だけが、追跡チャネル１８に送られる。ＧＰＳ受信機は再度、後続の検証プロセス３２が出力「１１」と５つの新しい検出対象１６_３に対して実行されている一方で、第３の後続獲得ドウエル３０で信号検出プロセス１０を即座に再開するように指令される。図１の例示的なプロセスでは、直前に保持された出力「１１」は再度しきい値を満足し、よって、追跡チャネル１８に保持され、その一方で、５つの新たな検出対象（出力１３から１７）の各々が捨てられている。再び、出力「１１」が保持されているので、第３の後続獲得ドウエル３０からの５つの最大尤度検出対象１６_４（出力１８から２２）だけが、追跡チャネル１８に送られる。最後の信号検証プロセス３４において、直前に保持された出力「１１」もう一度ソフトウエア制御されたしきい値の要件を満足すると、信号検出として宣言される。検出器のパワー出力、例えば、出力「１１」がソフトウエアしきい値を２、３回続けて超えたことを主張することによって、このプロセスの信頼性が増す。
【００３２】
この誤認警告／信号検証アルゴリズムから２つの欠点が即座に明らかになる。第１の欠点は、ソフトウエアで計算されたしきい値に対する依存に戻ってしまうことである。これは真実であるが、それに続く分析によって、このしきい値の混乱に対する感度が非常に小さいことが実証される。概念的には、これは、３２，７０３の潜在的な誤認警告の存在のもとで信号を検出しようとするオリジナルの検出プロセスではなく、５つの誤認警告の存在のもとで信号を検出するだけでよいからである。
【００３３】
第２の欠点は、検出を宣言する前に複数の検出対象に対する要件である。信号検証／誤認警告却下ドウエル２４、２８、３２及び３４が獲得ドウエル２０、２２、２６及び３０の長さと同じであると仮定して、信号が追跡チャネル１８でしきい値を超えると、それが２回目又は３回目で検出されることを要求することによって、５つだけ残っている追跡チャネルを、後続の信号検証／誤認警告却下プロセスのために用いることができる。これは真実であるが、しきい値は、検出の確率を大幅に犠牲にすることなくこの発生を無視できるほどに小さく制限するのに充分高く設定することが可能である。上記の値は次の確率分析で定量化される。
【００３４】
（アルゴリズムの分析）
アルゴリズム全体の成功確率には、信号が検出された確率、信号検証プロセスが成功した確率及び誤認警告が無かった確率が含まれる。これは次のように表すことができる、
Ｐ_{ｓｕｃｃｅｓｓ}＝Ｐ_ｄｃｔ＊Ｐ_ＶＣＲ＊Ｑ_ＦＡ　　　（式１）
ここで、Ｐはイベントが成功する確率を示し、Ｑはイベントが成功しないときの本質的に定義された補完的な確率を表し、Ｐ＋Ｑ≡１である。
【００３５】
次のの計算を実行するに際して、全ての確率は本来ガウス的であると仮定する。これらのプロセスのいくつかは他の分布によってより正確に定義されるが、この単純化による変動は小さいものと感じられる。
【００３６】
（検出の確率分析）
分析は、第１の衛星に対する所望の獲得確率は９８％であるという仮定から始まる。これは、９５％というナビゲーション解（ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｓｏｌｕｔｉｏｎ）に対して衛星にとって十分な所望の獲得確率に適している。明らかに、以下に示される技法は、他の確率に対して有効であり、代替的な所望の確率に対する分析を繰り返すことは簡単な事である。
【００３７】
ＧＰＳチップのアーキテクチャが与えられると、測定されたパワー（厳密に雑音に依る）が信号（その雑音と共に）を含むセル中で測定されたパワーより大きいところのセルロケーションが、６つ未満である確率を決定する必要がある。全体的に９８％の要求が与えられると、これによって、雑音がどの単一のセルにおいても信号プラス雑音を超えない確率が決定される。
【００３８】
この後者の確率が与えられた場合、この確率を満足する又は超えることを要求されるＳ／Ｎ比を計算することは簡単である。そして、その計算結果は、９８％という単一衛星検出確率を保証するために必要とされるＳ／Ｎ比である。
【００３９】
（信号が上位６つに入る確率）
信号が上位６つに入る確率は、次式のように、信号プラス雑音を超える雑音を有するセルが正確に０ある確率に、それが正確に１つある確率を足し、それが正確に２つある確率を足し、それが正確に３つある確率を足し、それが正確に４つある確率を足し、それが正確に５つある確率を足したものである。
【数１】

【００４０】
正確にｉ個の検出対象が存在する確率は、次の２項確率関数で与えられる。
【数２】

【００４１】
ここで、Ｎ＝３２７０３、ｑ＝１−ｐであり、ｐは雑音が信号プラス雑音を超える単一セルの確率であり、さらに、
【数３】

である。
【００４２】
これらの式を組み合わせると、次式になる。
【００４３】
【数４】

Ｐ_ｄｅｔ対ｐを示す曲線を図２に示す。これは、Ｐ_ｄｅｔ＝０．９８という所望の値に対して、必要とされるｐの値は０．００００６３９（６３．９ｐｐｍ）である。
【００４４】
（単一セル確率の検出）
残るステップは、上記のように決定された高雑音における単一セル確率を補助するために必要とされるＳ／Ｎ比を決定することである。これは次式で与えられる。
Ｐｒｏｂ｛Ｓ＋Ｘ１＜Ｘ２｝　　　（式７）
ここで、Ｘ１とＸ２は、単位分散ゼロ平均正規分布（ｕｎｉｔ−ｖａｒｉａｎｃｅ， ｚｅｒｏ−ｍｅａｎ， ｎｏｒｍａｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）において独立したサンプルである。
【００４５】
これは次式のように書き換えられる。
Ｐｒｏｂ｛Ｓ＜Ｘ_３｝　　　（式８）
ここで、Ｘ_３≡Ｘ_２−Ｘ_１であり、分散が２であるゼロ平均正規分布のサンプルである。このように単純化することによって、５．４２という信号対雑音比が、０．００００６３９という所望の単一セル確率を達成するのに必要とされる。
【００４６】
（検証アルゴリズム）
Ｓ／Ｎ比が５．４２以上でなければならないという検出プロセスによって課せられた要件で、厳密な検証アルゴリズムを設計することは簡単である。上記のように、用いられるべきこのアルゴリズムは、ソフトウエア制御されたしきい値を用いて連続した複数の検出を要する。信号プラス雑音がしきい値を超える確率は、次式の単純な累積ガウス確率（ｓｔｒａｉｇｈｔ ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅ Ｇａｕｓｓｉａｎ ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ）である。
Ｐｒｏｂ｛Ｘ＞Ｔ／Ｎ−Ｓ／Ｎ｝ （式９）
ここで、Ｘはゼロ平均の単位分散ランダム変数（ｚｅｒｏ ｍｅａｎ， ｕｎｉｔ ｖａｒｉａｎｃｅ ｒａｎｄｏｍ ｖａｒｉａｂｌｅ）であり、Ｔ／Ｎはしきい値対雑音比であり、Ｓ／Ｎは信号対雑音比である。
【００４７】
誤認警告の確率は次式のように同様に単純である。
Ｐｒｏｂ｛Ｘ＞Ｔ／Ｎ｝ （式１０）
Ｔ／Ｎ比に２．７という値を用いると、真の信号を正確に検証する確率は９９．６５％となり、誤認警告を誤って検証する確率はほんの０．３５％に過ぎない。より低いしきい値を用いて２つの連続した検証ドウエルを必要とすることは、さらに強固（ｒｏｂｕｓｔ）な検証アルゴリズムをもたらす。例えば、２つの連続した検証を必要とする２．０というＴ／Ｎ比を用いると、真の信号が９９．９３％正確に確認され、誤認警告を誤って検証する確率はほんの０．０５２％に過ぎない。必要とされる順次検証の数を増すと、急速に減少へ転ずるポイントに達するにもかかわらず、さらに強固なアルゴリズムをもたらすことができる。
【００４８】
０．０５２％という低い誤認警告の確率を要求することは不要な限定にみえるが、各ドウエル中で、却下すべき誤認警告が６つあり、また、大きい時間／周波数不確定奈範囲を探索する場合、ドウエルの数は非常に大きい値となるということを思い出すべきである。例えば、全体の時間不確定が±１０ミリ秒であり、周波数不確定が±１ｐｐｍであるとすると、全体の時間／周波数不確定（干渉積分時間を２０ミリ秒と仮定する）を補うには約１９００の探索ドウエルが必要であり、したがって、約１１，４００の成功した誤認警告却下が必要となる。実際には、全体の誤認警告率を１％未満に抑えるには、個別の誤認警告率は次式で与えられる。
Ｑ_ｆａ ^１４００＞９９％　　　　　（式１１）
Ｐ_ｆａ＜０．８８ｐｐｍ　　　　　（式１２）
この誤認警告率では、Ｔ／Ｎ比の設定値が３．１より大きい必要が有り、これでは、検出確率が犠牲となる（約１％劣化する）。したがって、選択された方策として、２．３５というＴ／Ｎ比の値を用いて連続して３つの検証を実行することを要求する。この結果、検証確率は９９．９％となり、誤認警告確率は＜１％となる（Ｓ／Ｎは＞５．４２、また、誤認警告確率を±１０ミリ秒／±１ｐｐｍの時間／周波数不確定範囲の全体にわたって測定するものと仮定する）。
【００４９】
（成功の全体的確率）
互いに別の確率を組み合わせることによって、成功の全体的確率は次式で与えられる。
Ｐ_{ｓｕｃｃｅｓｓ}＝Ｐ_ｄｅｔ＊Ｐ_ｖｅｒ＊Ｑ_ＦＡ　　　　　（式１３）
Ｐ_{ｓｕｃｃｅｓｓ}＝０．９８＊０．９９９＊０．９９　　　（式１４）
Ｐ_{ｓｕｃｃｅｓｓ}＝０．９６９　　　　　　　　　　　　　（式１５）
これらの確率は、±１０ミリ秒／±１ｐｐｍという時間／周波数不確定範囲を探索している間において、５．４２というＳ／Ｎ比環境下で第１の衛星を獲得することに成功した場合のものである。
【００５０】
このアルゴリズムの利点は、それを従来の受信機の獲得アルゴリズムと比較すると最もよくわかる。このような受信機では、同じ３２，７０４の時間／周波数セルのアレイ内での最大の検出対象がしきい値と比較される。それがしきい値を超えた場合、信号検証／誤認警告却下アルゴリズムは、信号の存在を確認するために複数のドウエル中で信号を検出しようと試みるために用いられるのと同じ獲得コリレータを用いる。
【００５１】
このようなスキームの最大の欠点は、それが、信号が最大の検出対象であることを必要とすることである。数学的には、これは、雑音サンプルが信号プラス雑音を超える確率が２％という許容された検出失敗確率を超えてはならないことを意味する。同じ３２，７０４セルの場合、これは、Ｓ／Ｎ比が６．９５であることを必要とする（これに比較して、上記のアルゴリズムの場合は５．４２である）。このようなＳ／Ｎ比を達成することは、障害免疫／弱信号感度（ｊａｍ ｉｍｍｕｎｉｔｙ／ｗｅａｋ ｓｉｇｎａｌ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ）が低い、即ち、必要とされるＳ／Ｎ比に信号が積分される間でのＴＴＦＦの増加を意味する。
【００５２】
これによって、より制限されたアーキテクチャに用いられ過去において成功したことが証明されているアルゴリズムと比較して大規模並列アーキテクチャに用いられる検出アルゴリズムの質的な相違が指摘される。以前の検出アルゴリズムは信号検出のために設定したしきい値ことに関連しており、信号をマスキングする誤認警告にはあまり関連していないが、並列に探索される時間／周波数セルが大量に存在することによって、誤認警告の重要性が増す。
【００５３】
ここに記述するアルゴリズムは、この問題点を２つの方策で対処する。第１に、ただ１つの潜在的検出対象しか報告しないハードウエアの代わりに、それは、複数の検出対象を報告する。これによって、扱いにくい潜在的検出対象の中から真の信号の存在を検証することに対する問題の複雑さ検出対象が非常に軽減される。第２の重要な特徴は、主獲得コリレータと並行して検証／誤認警告却下を実行するために追跡チャネル（ｔｒａｃｋｉｎｇ ｃｈａｎｎｅｌ）を用いることである。アルゴリズムのこの第２の半分に重要性が移行された場合、これを並列に実行し、それによって大規模並列アーキテクチャの迅速な獲得能力を維持することは必須である。
【００５４】
図３を参照し、本発明の代替の実施形態では、獲得プロセスが、２４０個のコリレータと１６のＦＦＴタップを有するＧＰＳ受信機に適用されている。このＧＰＳ受信機は、ここでは「２４０アーキテクチャ」と呼ぶ。５１１アーキテクチャと同様に、２４０アーキテクチャは、各探索ドウエルに続く最大の相関ピークを戻す。２４０アーキテクチャの第２の特徴は、それが、分離した追跡チャネルを含まないことである。その代わりに、２４０獲得コリレータ４０は１２個の２０タップ追跡チャネル４２として再構成され得る。通常は、これらは１２個の衛星を追跡するために用いられる。しかしながら、上記の方策に従って、これらの追跡チャネル４２は、信号検証／誤認警告却下のための１２個の互いに独立した獲得チャネルとして用いられる。
【００５５】
第１の探索４４_１に続いて、この１２個の最大相関ピークのハードウエアリストが、最大尤度検出対象のソフトウエアリスト４６に含められる。２４０個のチップが１／２チップという間隔で置かれており、Ｃ／Ａコードの１０２３個の全体を探索するために、そのチップで、９つの探索４８を必要とする。第２から第９番目の探索４４_２から４４_９の場合、新たに決定された最大の相関ピークが、予め存在するリストと併合され、上位の１２個のピークだけが保持される。その結果、完全なＣ／Ａコードにより９つのドウエル内を探索した後に、リストは２０４６のコード位置にわたる１２の最大相関ピークを保持することになる。
【００５６】
次に、遅滞なく、獲得コリレータは、各々が１２のリストから最大尤度検出対象の内の１つを割り当てられた１２個の独立した獲得チャネル４２として再構成される。一般的に獲得ドウエルのドウエル長の２倍で実施される検証ドウエル５０が、次に実行される。検証ドウエル５０の出力が、ソフトウエアリスト４６に代替する。
【００５７】
次に、ハードウエアが２４０タップの獲得コリレータ４０として再構成され、獲得プロセスが継続される。誤認警告に対応する検証ドウエル５０からの信号は、当然、後続の獲得ドウエルからのより強力な検出対象によって代わられる。真の信号に対応する検証ドウエル５０からの信号は、依然としてリスト中にある。このソフトウエアは、真の信号としての最終的確認の前に検出対象が２回（ただし、これはソフトウエア制御された定数である）検証されることを要求する。
【００５８】
この実施の形態は、５１１アーキテクチャの実施例に関して上記された利点のほとんどを保持している。大規模並列アーキテクチャは、多数の時間／周波数セルをスクリーニングして、最大尤度検出対象の小さいリストを提供するために用いられる。次に、順次検出プロセスをこの小さいリストに対して用いて、検証／誤認却下アルゴリズムを実行する。この実施例の１つの相違は、並列検出器と順次検出器が連続的に動作することであり、これは、２２％というＴＴＦＦの増加を表すものである。しかしながら、これは、この実施例に対する低減したＳ／Ｎ比の要求に伴う時間の減少分のずれよりも大きい。
【００５９】
獲得確率を計算する数学は、５１１アーキテクチャで用いられるアルゴリズムに類似している。２４０アーキテクチャの場合、信号が２４０のコード位置の１２個の最大尤度検出対象に含まれるためには、Ｓ／Ｎ比は少なくとも４．４２でなければならない。２４０の別々のタップと８ポイントＦＦＴを有する他のＧＰＳ受信機アーキテクチャでは、Ｓ／Ｎ比は、同じ９８％という検出確率を保証するためには、少なくとも５．２２である必要がある。従来の検出アルゴリズムは、これらのアーキテクチャに対してＳ／Ｎ比の値がそれぞれ５．３２と６．０２である必要があった。
【００６０】
本発明の特定の形態を示し説明したが、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく様々な変形が可能であることが上記の記載から明らかである。したがって、本発明は、特許請求の範囲によって制限される以外は、なんら制限されることを意図しない。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の一実施形態にしたがって実行される獲得方法のブロック図である。
【図２】
（３２，０００のうち）６つ未満の雑音ヒットが信号より大きい確率を、単一セル確率の関数として示すグラフである。
【図３】
本発明の他の実施形態に従って実行される獲得方法のブロック図である。

Claims (10)

1. 初期獲得ドウエルおよび一連の後続の獲得ドウエルを時間／周波数不確定範囲内の複数のセルに対して実行するように構成され、各獲得ドウエルが最大の相関ピークを有するセルの集合を検出する複数のコリレータと、
   互いに独立した複数のコリレータであり、各々が、検出されたセルを前記獲得コリレータから受信し、前記検出されたセルのピークをしきい値と比較し、それが少なくとも前記しきい値と同程度である場合にのみ、前記検出されたセルを保持することによって、初期検証ドウエルを実行し、少なくとも１つの後続の検証ドウエルを前記保持されたセルに対して実行するコリレータとを備える信号獲得装置。
2. 前記獲得コリレータと前記独立したコリレータが、獲得ドウエルと検証ドウエルを並列に実行するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の信号獲得装置。
3. 前記獲得コリレータと前記独立したコリレータが、獲得ドウエルと検証ドウエルを連続して実行するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の信号獲得装置。
4. 前記初期獲得ドウエル中に検出されたセルの集合が、最大の相関ピークを有する６つのセルを含むことを特徴とする請求項１に記載の信号獲得装置。
5. 後続の獲得ドウエル中に検出されたセルの集合が最大の相関ピークを有する６−Ｎ個のセルを含み、Ｎが前記独立したコリレータによって保持されたセルの数であることを特徴とする請求項４に記載の信号獲得装置。
6. 前記しきい値が、Ｎが１以下となるように設定されていることを特徴とする請求項５に記載の信号獲得装置。
7. ａ）時間／周波数不確定範囲内の複数のセルに対して獲得ドウエルを実行して、最大の相関ピークを有するセルの集合を検出するステップと、
   ｂ）各セルのピークをしきい値と比較して、少なくとも前記しきい値と同程度のピークを有するセルを保持することによって、ステップａで検出されたセルの集合に初期検証ドウエルを実行するステップと、
   ｃ）前記時間／周波数不確定範囲内の他の複数のセルに対して獲得ドウエルを実行して、前記最大の相関ピークを有する他のセルの集合を検出するステップと、
   ｄ）各セルのピークをしきい値と比較して少なくともしきい値と同程度のピークを有するセルを保持することによって、ステップｂで保持されたセルに対して後続の検証ドウエル実行し、ステップｃで検出されたセルの集合に対して初期検証ドウエルを実行するステップとを含む信号獲得方法。
8. 獲得ドウエルと検証ドウエルが並列に実行されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 獲得ドウエルと検証ドウエルが連続して実行されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
10. ＧＰＳ衛星によって送信された信号を用いて物体の位置を追跡するシステムであって、
    前記物体と結合しＧＰＳ信号を受信するアンテナおよび、
    前記アンテナと通信状態で動作する信号獲得装置であり、
    該信号獲得装置が、初期獲得ドウエル及び一連の後続の獲得ドウエルを時間／周波数不確定範囲内の複数のセルに対して実行するように構成されており、各獲得ドウエルが最大の相関ピークを有するセルの集合を検出するところの複数の獲得コリレータと、
    複数の独立したコリレータであり、各々が、検出されたセルを前記獲得コリレータから受信し、前記検出されたセルのピークをしきい値と比較し、少なくとも前記しきい値と同程度である場合にのみ前記検出されたセルを保持することにより、前記検出されたセルに対して初期検証ドウエルを実行し、少なくとも１つの後続の検証ドウエルを前記保持されたセルに対して実行するように構成されたコリレータとを含むところの信号獲得装置、
    を備えるシステム。

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