JP2004518108A - グローバル・ポジショニング・システムのタグシステム - Google Patents

Abstract

複数のＧＰＳ源によって送信された複数のＧＰＳ信号を用いた対象物の位置および速度を決定する通信システム１０は、対象物１６から離れておりかつ複数のＧＰＳ信号２０に反応するインタロゲータ１２を含む。インタロゲータ１２は、少なくとも１つのＧＰＳ信号２０に関する時間およびコード位相情報、ＧＰＳ源の情報、少なくとも１つの周波数応答を含むＲＦ信号２６を送信する。該システムは、また、その対象物上に位置付けられかつＲＦ信号２６および複数のＧＰＳ信号２０に反応するトランスポンダ１４をも含む。

Description

【０００１】
（関連する出願）
この出願は、１９９９年４月３０日に出願された出願番号６０／１３２，０４６という同時係属の仮出願の利益を受ける。
【０００２】
（発明の背景）
（発明の技術分野）
本発明は、一般的に位置測定装置に係り、特に、対象物の位置を決定するためにグローバル・ポジショニング・システム（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ（ＧＰＳ））用いるシステムに関する。
【０００３】
（関連する技術の説明）
無人船（ｕｎｍａｎｎｅｄ ｖｅｓｓｅｌ）などの対象物の位置および速度を知得したいと望まれることが頻繁にある。このような対象物または船（ｖｅｓｓｅｌ）は、例えば、えい航される船（ｔｏｗｅｄ ｖｅｓｓｅｌ）、飛行機および自動車などを含む。えい航される舟（ｔｏｗｅｄ ｂａｒｇｅ）に関して言えば、その位置および速度を知得すべき理由は明白であり、航路の安全性が総ての有人または無人の船についての位置、コースおよび速さの情報に依存するからである。この目的のために、米国沿岸警備隊は、港湾および航路安全システム（Ｐｏｒｔｓ ａｎｄ Ｗａｔｅｒｗａｙｓ Ｓａｆｅｔｙ Ｓｙｓｔｅｍ（ＰＡＷＳＳ））、船舶交通サービス（Ｖｅｓｓｅｌ Ｔｒａｆｆｉｃ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ（ＶＴＳ））および自動識別システム（Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ（ＡＩＳ））トランスポンダによって航路上での位置を認識することへの需要に対処してきた。船舶に装備されたいずれのＡＩＳも、ＶＴＳを通して識別表示、位置、コースおよび速度データを航路の交通状態を表示する船舶交通センタ（ＶＴＣ）へ返信する。
【０００４】
無線ＤＧＰＳ受信器によって、舟（ｂａｒｇｅ）の位置を範囲内のインタロゲータへ報告することができる。そのインタロゲータはえい航船、他の有人船またはＶＴＣ自体であり得る。えい航船は、その舟（ｂａｒｇｅ）の位置の正確な認識を保持し、そのデータをＶＴＣへ中継することができる。携帯型の自己給電式（ｓｅｌｆ ｐｏｗｅｒｅｄ）無線ＤＧＰＳ受信器は、追跡すべき各舟（ｂａｒｇｅ）上に位置付けることができる。その受信器は、放置状態で、少なくとも航海の間、好ましくはより長期間に亘って、さらには無限に機能しなければならない。追跡すべき舟（ｂａｒｇｅ）の環境は振動および移動が少ないが、その受信器ユニットは移動している間に落下し、または誤操作されることも予想される。ＲＦ環境はＶＨＦ航海帯域の作用（ＶＨＦ ｍａｒｉｎｅ ｂａｎｄ ａｃｔｉｖｉｔｙ）、都市ＲＦノイズおよび航海レーダ送信（ｍａｒｉｎｅ ｒａｄａｒ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｓ）を含む。仰角（ｅｌｅｖａｔｉｏｎ）が３０度以下のＧＰＳ信号には何らかの妨害が予想されるが、それより高い仰角にある衛星は、追跡すべき舟（ｂａｒｇｅ）においてそのユニットが動作している間に可視状態（ｖｉｓｉｂｌｅ）でなければならない。その環境において、その主となる舟、他の船や船舶および沿岸設備からの複数の経路があるであろう。
【０００５】
舟（ｂａｒｇｅ）のようにリモートで給電されない対象物に関してＤＧＰＳタグを与えるためには少なくとも３つの解決策が現在有効である。その総ては、完全なＤＧＰＳトランスポンダ、ＧＰＳ擬似範囲トランスポンダ（ＧＰＳ ｐｓｅｕｄｏｒａｎｇｅ ｔｒａｎｓｐｏｎｄｅｒ）またはＲＦサンプリングトランスポンダなどの既存の技術に接続されたバッテリシステムを必要とするであろう。
【０００６】
完全なＤＧＰＳトランスポンダは、タグにＲＦモデムと一体化されたＤＧＰＳ航路標識受信器（ＧＰＳ ｂｅａｃｏｎ ｒｅｃｅｉｖｅｒ）およびＧＰＳ受信器からなる。ＧＰＳ受信器および航路標識受信器は、呼び掛けられる（ｉｎｔｅｒｒｏｇａｔｅｄ）ことを待機しながら、タグが配置（ｄｅｐｌｏｙｅｄ）されている間、連続してオン状態を維持しなければならない。一旦そのユニットが呼び掛けられると、それは位置報告を返信しなければならない。リモートで給電されない対象物にＤＧＰＳタグを与えるこのシステムは、その装置の全てが連続して給電されていなければならないという点で望ましくない。
【０００７】
ＧＰＳ擬似範囲トランスポンダは、ＲＦモデムと一体化されたＧＰＳ受信器からなる。そのトランスポンダにおいて、航路標識の補正は収集されない。受信器は、要求に応じて有用な擬似範囲を有するためにオン状態に維持されなければならない。ユニットが呼び掛けられたときには、それは、擬似範囲をえい航船に返信する。ＤＧＰＳの補正は収集され、えい航船に格納され、受信された擬似範囲へ与える。舟（ｂａｒｇｅ）の位置計算はえい航船において遂行される。このシステムは、また、要求に応じて測定を行うために、装置が連続して給電されることをも求められる。
【０００８】
ＲＦサンプリングトランスポンダは、Ｌ１帯域信号を周波数低減変換し、デジタル化して、さらにＲＦサンプルをそれ自身に送信する。呼び掛けの間にはオン状態に維持する必要はない。コード補正のためのＲＦサンプルの処理は、そのインタロゲータにおいて完全に行われる。この用途では最低の電力しか要求しないが、それは、複雑性や信頼性の観点においてそれ自身の問題をもたらす大量のデータを転送しなければならない。
【０００９】
必要とされつつも従来から使用できなかったのは、配備しやすくかつ小型であり、非常に低電力しか要しないシステムである。該システムは、簡単であるが信頼性のある通信リンクを使用しなければならず、より電力を節約し転送エラーを可能な限り低減させるためにデータ送信量を最小化すべきである。
【００１０】
（発明の概要）
要するに、一般的な表現では、本発明は、複数のＧＰＳ源によって送信された複数のＧＰＳ信号を用いて、対象物の位置および速度を決定するシステムおよび方法を提供する。
【００１１】
本発明の第１の実施形態は、対象物の位置および速度のうち少なくとも一方を決定する通信システムに関する。このシステムは、インタロゲータ（ｉｎｔｅｒｒｏｇａｔｏｒ）およびトランスポンダ（ｔｒａｎｓｐｏｎｄｅｒ）を含む。インタロゲータは、対象物から遠く離れており、複数のＧＰＳ信号に応答する。インタロゲータは、少なくとも１つのＧＰＳ信号の時間およびコード位相情報および少なくとも１つの周波数情報およびＧＰＳ源情報を含むＲＦ信号を送信する。トランスポンダは、対象物上に配置され、インタロゲータによって送信されたＲＦ信号および複数のＧＰＳ信号に応答する。トランスポンダは、ＧＰＳ源情報および少なくとも１つの周波数情報および時間およびコード位相情報に応答して複数のＧＰＳ信号のうちの１つを追跡する。トランスポンダはコリレーション・スナップショット（ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｓｎａｐｓｈｏｔ）を発生し、そのスナップショットをインタロゲータへ送信する。スナップショットは、複数のＧＰＳ信号のうちの１つとＣ／Ａコードチップの或る部分の一定のオフセット（ｒｅｇｕｌａｒ ｏｆｆｓｅｔ）でトランスポンダによって生成された複数のＧＰＳ信号のうちの１つの複製との間のサンプルド経路取得（Ｃ／Ａ）コード（ａ ｓａｍｐｌｅｄ ｃｏａｒｓｅ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ （Ｃ／Ａ） ｃｏｄｅ）を備える。インタロゲータは、トランスポンダの位置および速度を決定するコリレーション・スナップショットを処理する。
【００１２】
本発明の詳細な実施形態によれば、ＧＰＳ源情報は擬似ランダムノイズ（ＰＲＮ）コード番号を備え、周波数情報は搬送周波数（ｃａｒｒｉｅｒ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）およびドップラ・オフセット（Ｄｏｐｐｌｅｒ ｏｆｆｓｅｔ）周波数のうち少なくとも一方を備えている。他の詳細な実施形態によれば、周波数情報はインタロゲータによって送信されたＲＦ信号の搬送周波数を備え、トランスポンダは、フェーズロックループによって搬送周波数にフェーズロックされた局部発振器を備える。本発明の他の詳細な実施形態によれば、時間およびコード位相情報はチップ内でのオフセット測定値を備え、コリレーション・スナップショットは、積分間隔（ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｉｎｔｅｒｖａｌ）にわたって合計された一組のコリレータの出力として得られる。
【００１３】
本発明の第２の実施の形態によれば、複数のＧＰＳ源によって送信された複数のＧＰＳ信号を用いて対象物の位置および速度のうち少なくとも一方を決定する方法を含む。この方法は、対象物から遠く離れたインタロゲータの位置を特定するステップを含む。該インタロゲータは、少なくとも１つのＧＰＳ信号のＧＰＳ源情報および少なくとも１つの周波数情報および時間およびコード位相情報を決定するための複数のＧＰＳ信号に応答する。この方法は、少なくとも１つのＧＰＳ信号のＧＰＳ源情報および少なくとも１つの周波数情報および時間およびコード位相情報を備えたＲＦ信号をインタロゲータから送信するステップをも含む。また、対象物上に複数のコリレータを備えたトランスポンダの位置を特定するステップをも含む。このトランスポンダはＲＦ信号および複数のＧＰＳ信号に応答し、それによって、ＧＰＳ源情報および少なくとも１つの周波数情報および時間およびコード位相情報に応じて複数のＧＰＳ信号のうちの１つを追跡し、コリレーション・スナップショットを生成し、さらに、インタロゲータへそのスナップショットを送信する。スナップショットは、複数のＧＰＳ信号のうちのその１つとＣ／Ａコードチップの或る部分の一定のオフセットでトランスポンダによって生成された複数のＧＰＳ信号のうちの１つの複製との間のサンプルド経路取得（Ｃ／Ａ）コードを備える。この方法は、トランスポンダの位置および速度のうちの少なくとも一方を決定するためにコリレーション・スナップショットを処理するステップをさらに含む。
【００１４】
本発明の詳細な実施形態によれば、コリレーション・スナップショットを生成するステップは、或るチップと離れて位置付けられた複数のコリレータを用いて複数の積分の非干渉和（ｎｏｎｃｏｈｅｒｅｎｔ ｓｕｍ）を得るステップと、非干渉和に近似した信号ピーク値を決定するステップと、信号ピークから予測されるコード位相にコリレータを前もって位置付けるステップと、複数のコリレータの和を生成するために８分の１チップのコリレータの間隔に積分を実行するステップとを備える。より詳細な実施の形態によれば、非干渉和は、１チップ間隔で離れた１２のコリレータを用いた２つの１ミリ秒積分によって得られ、複数のコリレータの和は、１０ミリ秒積分によって生成される。
【００１５】
本発明の他の形態および利点は、本発明の原理を例として図示した添付図面を参照しつつ、次に続く詳細な説明により明らかになる。
【００１６】
（実施の形態の詳細な説明）
次に、図面に関し、いくつかの図面において同様の参照番号が類似または同一の要素を示すために用いられ、図１において、本発明の実施の形態に従ったＧＰＳタグシステム１０の基本的なブロック図が示されている。ＧＰＳタグシステム１０は、対象物１６の位置および速度を知得することが望まれるような様々な用途に用いられ得る。本発明の次の記述は、えい航船（ｔｏｗｉｎｇ ｖｅｓｓｅｌ）によってえい航される舟（ｂａｒｇｅ）の位置を追跡する手段としてＧＰＳタグシステム１０を使用する場合に着目している。しかし、本発明はこの用途に限定されるものではない。
【００１７】
図１に戻り、ＧＰＳタグシステム１０は、ベース対象物２２上に配置されたインタロゲータ１２および電力が使用可能または使用不能な場所にあるリモート対象物１６上に配置された少なくとも１つのトランスポンダ１４（以下、“タグ（ｔａｇ）”とも呼ぶ）を含む。インタロゲータ１２は、衛星などのような１またはそれ以上のＧＰＳ源によって送信されたＧＰＳ信号２０を受信するための受信アンテナ１８を含む。インタロゲータ２２は、トランスポンダ１４と通信するための無線アンテナ２４をさらに含む。トランスポンダ１４も、ＧＰＳ信号２０を受信するための受信アンテナ２８およびインタロゲータ１２と通信するための無線アンテナ３０を含む。インタロゲータ１２およびトランスポンダ１４は、ＲＦ信号２６を前後に送信し、前後から受信する。これらのＲＦ信号２６の内容は後述する。
【００１８】
インタロゲータ１２からトランスポンダ１４への全ての信号（ｍｅｓｓａｇｅ）は、起動信号で開始される。これは、残りの信号よりも高出力で可能となり、約１０ミリ秒の間送信される非変調搬送波である。起動信号の目的は、信号を伴う範囲にあるトランスポンダ１４の全てを喚起させることである。この信号は、トランスポンダ１４を受動的な待機状態から起動させる。その信号の残りは、同期化パターンおよびトランスポンダ１４がポーリングされるためのＩＤである。最も簡単な実施の形態によれば、３つのインタロゲータ−トランスポンダ間の信号が規定される。第１の信号は、総てのトランスポンダ１４へ、それら自体を識別するために広く送信する。第２の信号は、トランスポンダ１４を識別信号（ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｍｅｓｓａｇｅ）から終端させるための応答信号（ａｃｋｎｏｗｌｅｄｇｅ ｍｅｓｓａｇｅ）である。最後に、呼び掛け信号（ｉｎｔｅｒｒｏｇａｔｉｏｎ ｍｅｓｓａｇｅ）３２であり、以下、“コリレーション・スナップショット命令信号”とも呼ぶ。コリレーション・スナップショット命令信号の場合には、同期化パターンおよびＩＤの後に事前配置データ（ｐｒｅ−ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｄａｔａ）および追跡信号が続く。
【００１９】
コリレーション・スナップショットを得て、データをインタロゲータ１２へ返信する全体の処理は、４０から５０ミリ秒の範囲で実行される。ある周波数の問い合わせ速度に関し、トランスポンダ１４は１秒ごとにほんの５０ミリ秒間しか給電されない。この低デューティサイクルがＧＰＳタグシステム１０によって用いられる電力の低減に寄与し、換言すれば、大きくバッテリ寿命を増加させ、特に、連続した電力を要する公知のシステムに寄与する。トランスポンダのコリレーション・スナップショット命令信号３２は、トランスポンダ１４がＧＰＳ信号を見つけるために要求される情報の総てを提供し、インタロゲータ１２へ返信するためのコリレーション・スナップショット３４を構成する。コリレーション・スナップショット命令信号３２のデータは、ＰＲＮコード番号、チップ番号および各ＧＰＳ信号源が受信すべきドップラ・オフセットを含む。コリレーション・スナップショット命令信号３２の後に、トランスポンダ１４へ基準時間および周波数特性を与えるために追跡信号が続く。周波数特性は、入来する搬送波によってもたらされる。そのタイミングの情報は、追跡信号に与えられるコードに基づく。事前配置情報の後の短い連続コードは、ＧＰＳデータエポック（ＧＰＳ ｄａｔａ ｅｐｏｃｈ）を示す。各トランスポンダ１４コリレータ・チャネルは、図３に示すように、データエポックが生じた後に定時期（ｆｉｘｅｄ ｔｉｍｅ ）に、命令されたコードチップ上で信号の取得を開始しなければならない。
【００２０】
ＧＰＳシステム１０は、舟１６のようなリモート対象物上のタグ１４とえい航船２２のようなベース対象物上のインタロゲータ１２との間の処理の分割を最適化し、それによって、トランスポンダの電力浪費を最小化する。本発明は、いずれの情報もトランスポンダ１４において表示されず、または用いられず、従って、いずれの情報もトランスポンダの処理をＧＰＳ信号２０のＲＦサンプリングのコリレーション（ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）およびＧＰＳ信号の複製コード（ｃｏｄｅ ｒｅｐｌｉｃａ）に対するコリレーションに限定しない。
【００２１】
前述したとおり、インタロゲータ１２は呼び掛け信号３２を含むＲＦ信号をトランスポンダ１４へ送信する。それに応えて、舟１６上のトランスポンダ１４のそれぞれはコリレーション・スナップショット３４を含むＲＦ信号をインタロゲータ１２へ送信する。コリレーション・スナップショット３４を含む情報を用いて、インタロゲータ１２は、トランスポンダ１４の航海の特性および擬似範囲（ｐｓｅｕｄｏｒａｎｇｅ）を決定するのに必要な処理を実行し、それによって、そのトランスポンダが配置された対象物１６の位置および速度を提供する。
【００２２】
舟えい航システムに関して、航海を開始する前に、トランスポンダ１４は、集団内にある（ｉｎ ｃｏｎｖｏｙ）各舟１６上に配置される。トランスポンダ１４は、好ましくは、最も高位置にある平坦な金属面上に使用可能な状態で位置付けられる。トランスポンダ１４は、一旦、舟１６上に配置されると、手動でオフからオンへ切り替えられる。オンに切り替えられると、トランスポンダ１４は待機状態になる。後述するように、トランスポンダ１４は受動的なスタンドバイ回路を含み、呼び掛け通信３２が受信されるまでトランスポンダを待機状態に維持する。
【００２３】
トランスポンダ１４の配置の後、操作者はインタロゲータ１２をオンに切り替える。一旦、起動すると、インタロゲータ１２はＧＰＳ信号２０を取得する。ＧＰＳタグシステム１０は、インタロゲータ１２と通信するユーザインタフェース３６をさらに含む。ユーザインタフェース３６を通して、操作者は識別タグ（ＩＤＥＮＴＩＦＹ ＴＡＧＳ）モードを選択することができる。このモードが選択された場合には、インタロゲータ１２は、総てのトランスポンダ１４によって受信される、ＢＰＳＫ変調識別要求信号（ＢＰＳＫ ｍｏｄｕｌａｔｅｄ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｒｅｑｕｅｓｔ ｓｉｇｎａｌ）（図示せず）を送信する。この要求信号は、呼び掛け信号３２から分離されかつ区別される。各トランスポンダ１４は、内部的に発生したランダムな遅延の後に、応答信号（図示せず）を送信する。トランスポンダ１４の応答信号は、同一の周波数であり、その信号に変調された２０ビットＩＤコードＢＰＳＫを含む。インタロゲータ１２は、個別のトランスポンダ１４の応答信号の受信を認識する。各トランスポンダ１４は、任意の時間の遅延およびＩＤの送信を、ＩＤが認識されるまで、または、タイムアウトに達するまで繰り返し続ける。トランスポンダの応答信号の衝突が生じ得るが、各トランスポンダ１４がインタロゲータ１２によって認識されるまで送信し続けるので、識別動作は依然として実行されている。一旦、トランスポンダの応答信号が受信されると、次に、ユーザインタフェース３６が集団内にある総てのトランスポンダ１４のリストを表示する。操作者は、タグ１４のうちのいずれかにカスタム名を付けることができ、それらは、初期設定で５桁の１６進数ＩＤコードで特徴付けられている。同じＩＤコードを２つのトランスポンダ１４が有することはない。
【００２４】
本発明のある実施の形態によれば、操作者はインタフェース３６で追跡モードを選択し、各トランスポンダ１４の位置を更新するためのポーリング速度を選択する。インタロゲータ１２はトランスポンダ１４のラウンド・ロビン・ポーリング（ｒｏｕｎｄ ｒｏｂｉｎ ｐｏｌｌｉｎｇ）を開始し、各トランスポンダから１組の６つの衛星コリレーション・スナップショット３４を獲得する。インタロゲータ１２は、タグ１４の位置を計算し、ユーザインタフェース３６上にそれらを表示する。ＧＰＳタグシステム１０は、トランスポンダ１４のいずれかがインタロゲータ１２から選択された距離よりも近いまたは遠いという信号を得たときに、アラーム音を鳴らすアラーム輻射をも供給する。インタロゲータ１２は、他のトランスポンダ１４が範囲内に入ってきたか否かを認識するために識別要求信号を定期的に送信する。第１のえい航船が第２のえい航船によって占められている航路へ航行するときには、第２のえい航船によってえい航されている舟からのトランスポンダ１４は第２のえい航船に搭載されたインタロゲータ１２に応答することができる。第１のえい航船に搭載されたインタロゲータ１２はこれらの信号を受け取り、さらにトランスポンダの位置をプロットする。新しいトランスポンダ１４の検出、舟と舟との間の最小または最大範囲の侵害、舟とえい航船との最大範囲の限界の超過、並びに、舟の応答がなくなったときなどの状況において、アラームが操作者によって設定され得る。
【００２５】
目的地において、舟１６は、係留され、インタロゲータ１２は待機状態に設定される。インタロゲータ１２のＧＰＳ受信器は、次の航海の早期開始に対応するためにオン状態を維持している。トランスポンダ１４の呼び掛けが停止する。トランスポンダ１４は、呼び掛けられていないときには、自動的に待機状態へ戻る。すでに述べたとおり、待機状態になるときに、トランスポンダはミリワット以下の電力しか消費しない。
【００２６】
図２に関して、トランスポンダ１４は、アンテナスイッチ４２、受動スタンドバイ回路４６、電力供給制御４８およびソーラー蓄電制御器５０を備えた電力サブシステムを含む。受信器３０により受動スタンドバイ回路４６を給電することで、アンテナスイッチ４２がノーマルクローズ状態であるように示されている。不活性状態の間、トランスポンダ１４は、受信器３０が受動スタンドバイ回路４６に給電することによって基本的にパワーダウンしている。受動スタンドバイ回路４６は、精密なダイオード検出器と、ローパスフィルタと、ＭＯＳＦＥＴ電力供給制御器４８のゲート信号を駆動する比較器とを含む同期化されたフィルタ（ｔｕｎｅｄ ｆｉｌｔｅｒ）である。共振周波数におけるＲＦ信号により、組み込まれたローパスフィルタは、該ローパスフィルタが電力供給器をオンに切り替えるための閾値および始動誘因（ｔｒｉｇｇｅｒ）を比較器へ通過させるまで、ＤＣ出力電圧を発生する。待機状態における電流消費は、精密なダイオード検出器のためのバイアス電流およびオフ状態において比較器によって消費される電流だけである。ほとんどの実施の形態において、これは合計で１ミリワット未満にしかならないはずであり、適切なダイオード検出器を設計することで、数十マイクロワットにまで低減させることができる。この回路の動作は、ＧＰＳタグシステム通信のために選択される周波数帯域により変化する。検出回路の感度の低さは、波形の起動部分のみのために呼び掛け信号３２の電力を上昇させることによって補償することができる。
【００２７】
他の実施の形態によれば、トランスポンダ１４の始動誘因の失敗の可能性を低減させるために、始動誘因の前の背景ノイズ上に存在する２つのトーンに依存する比較的有利な受動スタンドバイ回路が使用され得る。このアプローチの利点は、アラームの失敗率を低減させ、それによって電力を節約することである。この場合、回路は、受動調整フィルタ受信器（ｐａｓｓｉｖｅ ｔｕｎｅｄ ｆｉｌｔｅｒ ｒｅｃｅｉｖｅｒｓ）を三重にすることで実施される。これらのうち２つは、インタロゲータ１２からの連続波（ＣＷ）トーン信号を検出ために用いられる。これらのうち第３の受信器は、着目された周波数帯域におけるノイズや障害の測定に用いられる。３つの出力電圧は、パワーＭＯＳＦＥＴのゲート電圧を制御する比較器の対に取り込まれる。第３の受信器のチャネルは、能動受信器における自動ゲイン制御（ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｇａｉｎ ｃｏｎｔｒｏｌ（ＡＧＣ））と同一の機能を実行し、待機状態の受信器のダイナミックレンジを上昇させる。
【００２８】
トランスポンダ１４は、ＲＦ通信器５２、位相ロックループ／電圧制御発振器（ＰＬＬ／ＶＣＯ）４０、コリレータ／コード発生器５４、アナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）５６、ＧＰＳ ＲＦ−ＩＦ変換器（ＧＰＳ ＲＦ／ＩＦ）５８およびマイクロコントローラ６０をさらに含む。トランスポンダ１４を起動する際には、アンテナスイッチ４２が“閉”に切り替えられ、ＲＦ通信器５２がインタロゲータ１２から信号を受信する。この信号は、上述したように、識別要求信号、または呼び掛け信号３２（“コリレーション・スナップショット要求信号”とも呼ぶ）を含み得る。ＰＬＬ／ＶＣＯ４０は、インタロゲータ１２から入来してくるコリレーション・スナップショット要求信号３２の搬送波周波数に従って動作する。これは、入来するＧＰＳ信号２０の同期積分（ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）のために正確な周波数情報をもたらすために行われる。
【００２９】
トランスポンダ１４は、ＶＣＯ４０を動作させる基準搬送波を獲得するために、入来するＢＰＳＫ信号を２乗（ｓｑｕａｒｅ）する。その２乗によりＢＰＳＫ変調を取り去る（ｗｉｐｅ ｏｆｆ）。事前配置情報がＢＰＳＫ変調器に送信されている間は、ＰＬＬループ４０は２乗された搬送波に同期化（ｌｏｃｋｅｄ）される。呼び掛け信号３２は、コリレーション・スナップショットが生じている間、発振器が依然として同期化されている事前配置情報の後に、少なくとも２０ミリ秒の追跡信号を含む。
【００３０】
コリレータ５４は、ＰＬＬ／ＶＣＯ４０から搬送波周波数を受信し、マイクロコントローラ６０から事前配置情報を受信する。コリレータ５４は、アンテナ２８によって受信され、ＧＰＳ ＲＦ／ＩＦ５８およびＡＤＣ５６によって処理されるＧＰＳ信号に対してコリレーションを施す。コリレーションの和は、マイクロコントローラ６０に提供され、インタロゲータ１２へコリレーション・スナップショットとして送信するためにＲＦ通信器５２へ転送される。
【００３１】
前述したとおり、トランスポンダ１４（図１参照）は、コリレーション・スナップショット３４をインタロゲータ１２へ返信するように設計されている。コリレーション・スナップショット３４は、受信されたＧＰＳ信号２０と少なくともチップ全体の範囲に対するチップのいずれかの部分（ｆｒａｃｔｉｏｎ）の一定のオフセットにおいてタグ１４で生成された複製との間における、サンプリングされた経路獲得（Ｃ／Ａ）コードコリレーション関数である。コリレーション・スナップショット３４は、積分間隔（ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｉｎｔｅｒｖａｌ）にわたって合計されたコリレータ出力のセットとして得られ、固定されたポイントの値のセットとして送信される。コリレーション・スナップショット３４は、コードの位相および周波数のオフセットを明らかにするために呼び掛け信号３２に応答して形成される。代表的な呼び掛け信号３２は、要求された擬似ランダムノイズ（ＰＲＮ）コード番号、チップ内のコード位相オフセットおよびＧＰＳ信号２０のドップラ周波数オフセットから成る。トランスポンダ１４は、固定点のコリレータ和のセットおよびチップにおけるレンジオフセット（ａ ｒａｎｇｅ ｏｆｆｓｅｔ）で応答する。一実施例では、コリレーション・スナップショット３４は、チップの８分の１のオフセットを示す各出力によって、４ビットずつの１２のコリレータ出力を備える。トランスポンダはＧＰＳ搬送波を追跡するほどに充分長くはオン状態を維持しないので、ＧＰＳ搬送波の同期化（ｌｏｃｋ）は、トランスポンダ１４においてはなされない。それに代えて、正確なＧＰＳ信号搬送波周波数情報はインタロゲータ１２からＲＦ搬送波によってもたらされ、それは、ＧＰＳ搬送波追跡ループなしに、同期積分（ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）を可能とする。トランスポンダ１４の帯域幅およびコリレータ間隔は、コード位相ノイズを１シグマで（ａｔ ｏｎｅ ｓｉｇｍａ）１メートル未満に保証できるような大きさにする。
【００３２】
一実施例によれば、トランスポンダ１４のコリレータ５４は、６つのチャネルにグループ化された７２個のコリレータを含む。各チャネルは、単一のＧＰＳ信号２０のコリレーション・スナップショット３４を撮るために、１２個のコリレータを用いる。コリレーション・スナップショット３４は３つのステップで生成される。図３を参照して、第１のステップＳ１は、１チップ間隔で離れて位置する１２個のコリレータを用いて、２つの１ミリ秒積分の非同期和（ｎｏｎｃｏｈｅｒｅｎｔ ｓｕｍ）を含む。非同期和は、単一の同期化２ミリ秒積分の場合よりも広い帯域幅を維持するために用いられる。これは、コード位相事前配置エラーが±１７５８メートル未満であり、かつ、搬送波周波数事前配置エラーが±３７５Ｈｚ未満である場合にＧＰＳ信号２０の場所を特定する。
【００３３】
第２のステップにおいては、１２個のコリレータは、ステップＳ１における信号ピークから予測されるコード位相で総て事前配置される。各コリレータは、予測された６２．５Ｈｚ間隔でドップラ周波数から分離されている。２ミリ秒積分が実行される。これらのコリレータの出力はステップＳ２の終りにおいて比較され、ドップラ周波数はステップＳ３の最悪な場合にとして３２．２５Ｈｚの範囲内で予測される。ステップＳ３において、１２のコリレーションは、８分の１チップコリレータ間隔で１０ミリ秒積分を実行する。コリレータ和は、トランスポンダのマイクロコントローラによって正規化され、ステップＳ１において算出されたチップオフセットとともに、１２個の４ビット値のセットとしてインタロゲータへ返信される。
【００３４】
インタロゲータ１２は、擬似範囲（ｐｓｅｕｄｏｒａｎｇｅ）の算出および複数の経路の評価のために、コリレーション・スナップショット３４を分析する。狭いコリレータ間隔は、インタロゲータ１２における初期および遅延した放射（ｄｅｌａｙｅｄ ｒａｙｓ）を評価することによって、至近距離にある複数の経路のいくつかを実質的に削除する。コリレーション・スナップショット３４の全体が１つのＧＰＳデータビットの間隔の範囲内、即ち、２０ミリ秒内に生成されていることに充分に注目されたい。インタロゲータ１２は、データビットの境界の２、３ミリ秒の間にコリレーションを開始するために、トランスポンダ１４へ信号を送信する。データビットはトランスポンダ１４においてはデコードしないので、データビットの境界にわたる積分は、コリレータ和からの低減の可能性（ｐｏｔｅｎｔｉａｌｌｙ ｓｕｂｔｒａｃｔｉｎｇ）を防ぐために回避される。
【００３５】
代替的な実施の形態によれば、トランスポンダ１４は、１２個のコリレータとともにたった１つのチャネルを備える。本実施の形態において、トランスポンダ１４は、インタロゲータ１２による観点において各ＧＰＳ信号２０のコリレーション情報を獲得するために、連続的にポーリングされる。このことは、インタロゲータ１２において要求される処理をわずかだけ増加させるが、トランスポンダ１４を簡単化することができるという利点を有する。
【００３６】
他の代替的な実施の形態によれば、トランスポンダ１４は、コリレーション曲線を示すデータポイントへ三角コリレーション関数を当てはめ、それによりピークのコリレーション位置を算出することによって、１０ミリ秒サンプルを超えた１２個のコリレータ値をチップオフセットへ低下させる。次に、このコリレータ値は、固定値番号へ変換され、並びに、全チップオフセットを確立し、１チップ間隔で離れた１２個のコリレータを用いた２つの１ミリ秒積分の非同期和であって、ステップ１の間に算出された初期の全チップオフセットとともに返信される。本実施の形態は、より少ないデータでもインタロゲータ１２へ返信できるという利点を有する。即ち、ピークコリレーション位置の１メートル分解能用に１０ビット、全チップオフセット用に４ビット、衛星ごとに計１４ビットのデータであり、６チャネル構成用には８４ビットである。
【００３７】
ＧＰＳタグシステム１０の好適な実施の形態によれば、トランスポンダ１４は、衛星ごとに４ビットのコリレータ出力を１２個インタロゲータ１２へ返信する。６つの衛星に関しては、２８８ビットが送信される。これは、１メートルの擬似範囲の精度にとっては充分であり、ＧＰＳタグシステム１０が複数経路軽減技術を用いることを可能とする。
【００３８】
この信号検出および擬似範囲の測定を単一のＧＰＳデータビットで実行するために、トランスポンダ１４は、正確な周波数情報を有していなければならない。図４は、１、２および１０ミリ秒積分の間隔に対するコリレーション損失（ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｌｏｓｓ）に対する搬送波周波数エラーを示している。呼び掛け信号３２におけるドップラ事前配置データは、トランスポンダ１４のクロック内における周波数エラーを生じさせず、１５７５．４２ＭＨｚのノーマルＬ１周波数に関連する。トランスポンダ１４は、局部コード発生器の周波数を設定するために、ＰＬＬ／ＶＣＯ４０を用いて呼び掛け信号３２の搬送波周波数を追跡する。これにより、正確な周波数情報が、インタロゲータ１２内に含まれるインタロゲータ発振器（図示せず）から送信され得る。次に、これにより、トランスポンダ１４は、局所ＧＰＳ搬送波追跡ループ（ｌｏｃａｌ ＧＰＳ ｃａｒｒｉｅｒ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｌｏｏｐｓ）または高価な温度補償クリスタル発振器（ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ（ＴＣＸＯ））なしに１０ミリ秒コリレーション関数測定を得ることができる。
【００３９】
図４に示したとおり、−６ｄＢ以上のコリレーション損失を維持するために、コリレーション・スナップショット３４の１ｍｓ積分のための初期周波数エラーはＬ１において±３７５Ｈｚ未満、即ち、±０．２３８ｐｐｍ未満にしなければならない。これは、入来する呼び掛け信号３２を追跡する位相ロックループで達成可能である。コリレータの６２．５Ｈｚのドップラ間隔で、コリレーション・スナップショットの第２のステップにおいて、システムは、を３１．２５Ｈｚ内に信号ドップラ（ｓｉｇｎａｌ Ｄｏｐｐｌｅｒ）を決定することができる。図４を再び参照し、これは、１０ミリ秒積分にとって、−２ｄＢ以上のコリレーション損失を維持する。
【００４０】
インタロゲータ１２がトランスポンダ１４のために呼び掛け信号３２を生成したときに、トランスポンダから見えるであろうコード位相を予測する。トランスポンダ１４は、合計された１ミリ秒積分間隔において１２個のコードチップにわたってコリレーション関数をサンプリングする。１２チップは、±６チップ、即ち、約±１７５８メートルの距離の不確実性を補填する。インタロゲータ１２の位置がそれ自身のＧＰＳ受信器から知得され、トランスポンダ１４がインタロゲータ１２の通信範囲内となる約１キロメートル以内になければならないとすると、システム１０は、難無く、衛星が±１７５８メートル以内の距離であると予測できる。えい航船２２と舟との間のＧＰＳ信号ドップラの差が、３０ｍ／ｓ、即ち、０．１ｐｐｍ以上になり得ず、確実に初期帯域幅の±０．２３８ｐｐｍの範囲内であるので、舟１６上のトランスポンダ１４によって観測されるドップラ周波数を予測することも可能である。
【００４１】
ＧＰＳタグシステム１０内において、インタロゲータ１２は、総ての可視ＧＰＳ衛星の追跡を続けることにより、並びに、スレーブ・コリレータのセット、即ち、トランスポンダ１４を遠隔操作することにより、主要なＧＰＳ受信器として作用する。インタロゲータ１２は、呼び掛け信号３２を介して、タグ１４で要求される周波数情報および正確な位相を提供し、システムにおいて１つだけ高価な発振器を有する。正確なドップラ・オフセットにトランスポンダ１４を事前配置する同じＧＰＳ信号２０がインタロゲータ１２によって追跡されるので、トランスポンダ１４のコリレータはＧＰＳ搬送波追跡ループなしに同期して積分する。トランスポンダ１４は、各コリレータタップ（ｔａｐ）で積分間隔にわたってコリレータ出力を積算および和算し、そしてその算出された和を返す。インタロゲータ１２は、サンプリングされたコリレーション関数を用いて、複数経路歪曲コリレーション・ピーク（ｍｕｌｔｉｐａｔｈ−ｄｉｓｔｏｒｔｅｄ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｐｅａｋ）に最適なものを見つける。次に、インタロゲータ１２は、トランスポンダ１４のコードの正確な位相を決定し、それによって、擬似範囲を衛星へ戻す。
【００４２】
ＧＰＳタグシステム１０の好適な実施の形態によれば、２ビットのサンプラ（ｓａｍｐｌｅｒ）がコリレータの前のデータをサンプリングするために用いられる。２ビットのサンプラを用いることで充分である。ほとんどのＧＰＳ受信器は、自動ゲイン制御（ＡＧＣ）回路の要求を回避するために１ビットのサンプラを用いている。１ビットのサンプラは、障害、特に、連続波（ＣＷ）障害を受ける傾向にある。ＣＷ障害の総てのゼロクロッシングはビットを反転させ、従って、Ａ／Ｄ変換器を“スチール（ｓｔｅａｌｉｎｇ）”する。ビット密度の大きさ（ｍａｇｎｉｔｕｄｅ ｂｉｔ ｄｅｎｓｉｔｙ）のＡＧＣ制御を有する２ビットサンプラは、ＣＷ障害に対する実質的な余裕を与える。
【００４３】
ＧＰＳタグシステム１０は、慣例の通信波形（ｃｕｓｔｏｍ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｗａｖｅｆｏｒｍ）を用いて、トランスポンダ１４の設計を支援する。波形は、ＢＰＳＫ変調搬送波（ＢＰＳＫ ｍｏｄｕｌａｔｅｄ ｃａｒｒｉｅｒ）である。一実施例において、通信リンクは、産業、科学、医学（ＩＳＭ）帯域である４０．６８ＭＨｚ搬送波上で１９，２００ｂｐｓからなる。ＶＨＦ搬送波周波数を選択することは不可欠ではなく、そのシステムは、望ましくは９１５ＭＨｚ帯域上のＵＨＦで動作できるが、４０．６８ＭＨｚの搬送波周波数を選択することが受動スタンドバイ回路の設計にとって都合が良い。トランスポンダ１４からＶＨＦ周波数で１キロメートル範囲に送信するには、１００ｍｗで充分である。一実施例では、インタロゲータ１２は、トランスポンダ１４において要求される感度を低減させるために、２００ｍｗで動作する。ＧＰＳタグシステム１０の他の用途としては、トランスポンダ１４をスキーヤーに携帯させることによって、彼らが迷子になった場合に彼らの位置を特定することができる。また、トランスポンダ１４を飛行機や空港周りを走行する車両に搭載することによって、制御器は地上での衝突を防止するためにより良く情報を得られる。さらに、トランスポンダ１４をゴルフカートに搭載し、ゴルフコースでのプレイの進行を向上させることができる。
【００４４】
本発明のいくつかの特定の形態が図示され、記述されてきたが、様々な変形が本発明の目的および範囲から逸脱することなくなされ得ることは明らかである。従って、請求項によって限定される以外は本発明は限定されない。
【図面の簡単な説明】
【図１】
ＲＦリンクおよび複数のトランスポンダと通信するインタロゲータを示すＧＰＳタグシステムの機能的なブロック図。
【図２】
図１のＧＰＳシステムのトランスポンダの模式的なブロック図。
【図３】
単一のＧＰＳデータビットに関するコリレーション・スナップショットのタイミング図。
【図４】
コリレーション損失ｖｓ．１、２または１０ｍｓ積分のドップラ・エラーのグラフ。

Claims (11)

1. 複数のＧＰＳ源によって送信された複数のＧＰＳ信号を用いた対象物の位置および速度のうち少なくとも一方を決定する方法であって、
   前記対象物から離れたインタロゲータを位置付けるステップであって、該インタロゲータは、少なくとも１つのＧＰＳ信号のＧＰＳ源情報および少なくとも１つの周波数情報および時間およびコード位相情報を決定するために複数のＧＰＳ信号に応答するステップと、
   前記インタロゲータから少なくとも１つのＧＰＳ信号の前記ＧＰＳ源情報および前記少なくとも１つの周波数情報および時間およびコード位相情報を含むＲＦ信号を送信するステップと、
   前記対象物上の複数のコリレータを備えたトランスポンダの位置を特定するステップであって、前記トランスポンダは、ＲＦ信号および複数のＧＰＳ信号に応答して、
   前記ＧＰＳ源情報および前記少なくとも１つの周波数情報および時間およびコード位相情報に応答して複数のＧＰＳ信号の１つを追跡するステップと、
   １チップ間隔で離れた複数のコリレータを用いて複数のインタロゲータの非同期和を得ることによってコリレーション・スナップショットを生成するステップであって、前記非同期和から近似の信号ピークを決定し、前記信号ピークから予測されるコード位相で前記コリレータを予測し、並びに、複数のコリレータ和を生成するために８分の１チップコリレータ間隔の積分を実行し、複数のＧＰＳ信号のうちの１つと経路獲得（Ｃ／Ａ）コードチップのいずれかの部分の一定のオフセットで前記トランスポンダによって生成された複数のＧＰＳ信号のうちのその１つの複製との間のサンプリングされた経路獲得（Ｃ／Ａ）コードを含む該スナップショットを生成するステップと、
   前記インタロゲータへ前記スナップショットを送信するステップとを含むステップと、
   前記トランスポンダの位置および速度のうち少なくとも一方を決定するために前記コリレーション・スナップショットを処理するステップとを備えた方法。
2. 前記複数のコリレータ和を正規化するステップをさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記非同期和は、１チップ間隔で離れた１２のコリレータを用いて、２つの１ミリ秒積分によって得られることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記複数のコリレータ和は、１０ミリ秒積分によって生成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記ＧＰＳ源情報は、擬似ランダムノイズ（ＰＲＮ）コード番号、並びに、搬送波周波数およびドップラ・オフセット周波数のうち少なくとも１つを含む周波数情報を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 前記周波数情報は、前記インタロゲータと、位相ロックループを通して搬送波周波数に位相同期化された局所発振器を備えたトランスポンダとによって送信されたＲＦ信号の搬送波周波数を含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 前記時間およびコード位相情報は、チップにおけるオフセット測定を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
8. 前記時間情報は、前記トランスポンダへ前記ＲＦ信号が到達した時刻を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
9. 前記コリレーション・スナップショットは、チップにおけるオフセット範囲および固定点コリレータ和のセットを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
10. 前記コリレーション・スナップショットは、積分間隔にわたって合計されたコリレータ出力のセットとして得られることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
11. 前記トランスポンダは、少なくとも１つのチャネルにグループ化された複数のコリレータを備え、各チャネルは単一ＧＰＳ信号のコリレーション・スナップショットを生成させることを特徴とする請求項１に記載の方法。

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