JP2004519887A - 衛星測位システムを用いた移動受信機と基地局の時間同期化方法 - Google Patents
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Abstract
Description
発明の分野
本発明は、移動受信機の位置特定に関し、特に、例えば、セルラ式通信ネットワークにおけるGPSを用いた携帯電話機等、時間同期化ネットワーク基地局及び衛星測位システムを用いた移動受信機に関する。
【0002】
発明の背景
衛星測位システムを用いた移動受信機が一般に知られているが、これには、例えば、ナビゲーションデバイスや双方向無線通信デバイスが含まれる。
周知の衛星測位システムとして、アメリカ合衆国に於ける時間及び航続距離ナビゲーションシステム(NAVSTAR)の全地球測位システム(GPS)やロシアに於ける全地球ナビゲーション衛星システム(GLONASS)及び提唱中の欧州衛星ナビゲーションシステム(Galileo)が挙げられる。
【0003】
通信機器製造メーカやサービス提供業者は、法律的な規制や市場に端を発した影響を受けて、例えば、緊急911番(E−911)サービスのサポートを強化したり、販促用サービスや有料の付加価値サービスを提供したり、ナビゲーションの目的等のために、散在する移動受信機の位置をより早く且つ正確に特定する必要に迫られている。
【0004】
短期的には、ネットワーク支援衛星ベース測位方式が、特に、セルラ式通信ネットワークの携帯電話機用の移動受信機測位サービスに対する需要の幾つかをサポートする可能性がある。また、移動受信機の測位は、自律して、つまりネットワーク支援無しでも実現し得る。
本発明の様々な側面、特徴、利点は、以下に示す添付図面と共に以下の詳細な説明を充分に検討することによって当業者は充分に理解されるであろう。
【0005】
詳細な説明
一般的に、移動受信機の内部クロック即ち局所クロックは、衛星測位システムのものほど精度が高くない。また、ネットワーク支援衛星測位システムに使用されるセルラ式通信ネットワーク基地局の局所クロックの精度も比較的悪い。
【0006】
移動受信機及びネットワーク基地局でタイミングや同期を改善すると、自律式及びネットワーク支援式衛星測位システムに基づく測位方式の双方において、測位性能が向上する。
【0007】
図1 は、一般的に、上空の衛星群120を見通せるように見晴らしの良い場所に置かれた基準受信機と、これに接続されたサーバすなわち基準ノード130と、が含まれるネットワーク支援衛星測位システム100である。ネットワークの中には、基準受信機が、サーバの一部であったり、又は、その逆であったり、また、その組合せで基準ノードが構成されるものがある。その他のネットワークでは、サーバが他の位置にあるものも在る。通常、基準ノードは、他のネットワークノードを介して、直接又は間接的に幾つかのネットワーク基地局に接続されるが、図1 では、その内の1つのみの基地局140を示す。
【0008】
基準受信機は、衛星信号を受信し、また、基準ノードは、受信した衛星信号に基づき、ネットワークを介した1つ以上の移動受信機への送信に適した形式で支援メッセージを生成する。一般的に、支援メッセージは、セルのキャリア信号101で変調され、この信号は、1対1モードで特定の携帯電話機104へ送信され又は1 対多モードもしくは放送モードで複数の移動受信機へ送信される。
【0009】
例えば、支援メッセージの情報には、特に、基準位置、基準時刻、GPS時刻、GPS曜日(TOW)、TOW支援、ドップラ、コードフェーズ並びにその検索画面、天文暦とクロック補正値、電離層遅延要素、世界標準時間(UTC)オフセット、暦、リアルタイム整合データが挙げられる。GPS時刻は、通常、サーバにおいて、あるいはもっと一般的には、基準ノードにおいて支援メッセージに打刻される。相対全地球測位システム(DGPS)において、支援メッセージには相対補正情報が含まれることがある。
【0010】
GPS時刻を有する支援メッセージが、ネットワークを介して、基準ノードから移動受信機へ送信される支援衛星測位方式においては、GPS時刻が支援メッセージに適用される時刻と支援メッセージが移動受信機で受信される時刻との間で伝搬遅延と本明細書中において呼ぶ遅延が存在する。
【0011】
一般的に、この伝搬遅延には、1つ以上の固定成分T固定遅延と、可変成分T可変遅延が存在し、これらを合計すると、総伝搬遅延TPROPTOTALが構成される。図1において、例えば、基準ノードと基地局間との間の距離が固定されており、従って、通常、その間の伝搬遅延は、その間の固定された距離のおかげで、予め分かったり又は少なくとも納得できる程度に予測可能であったりする。しかしながら、基地局に対する移動受信機の位置は、移動受信機が動き回るにつれて変わるため、通常、基地局140と移動受信機104との間の伝搬遅延は変化する。
【0012】
セルラ式通信ネットワークには、ハンドオフやタイムスロット同期等のために、定期的に基地局と移動局との間の往復遅延(RTD)を求めるものが多い。移動体用グローバルシステム(GSM)通信ネットワークや他の通信ネットワークにおいて、RDTは、タイミング先行(TA)として知られている。第3世代W−CDMAベースのネットワークでは、RDTは往復時間(RTT)として知られている。また、他の通信ネットワークも、往復遅延(RDT)を求め、通常、この往復遅延によって、移動受信機と基地局との間の距離が推定される。
【0013】
RDT測定値を対応するビット継続時間(BD)を有するビットで生成するネットワークでは、基地局と移動受信機との間の推定伝搬遅延は、以下のようにRDTとBDとの積に比例する。
【0014】
T可変遅延=[1/2]*[RTD]*[BD]・・・(1)
一般的に、特定のネットワークに対するBD及びビット継続時間分解能(BDR)は、それに対応するセルラ通信規格で指定される。GSMネットワークでは、例えば、基地局と移動受信機との間の推定伝搬遅延は、以下の様になる。
【0015】
T可変遅延=[1/2]*[TA]*[3.692ms]・・・(2)
ここで、TAはタイミング先行、3.692は、あるGSMネットワークでのビット継続時間(BD)である。
GSMネットワークにおいて、タイミング先行(TA)は、基地局で約480ms毎に求められる。従って、時速100kmで移動している電話機は、連続したTA測定間の時間間隔の間に約13メートルもの距離を移動し得る。
【0016】
図2において、基地局と移動受信機との間の伝搬遅延は、以下の様に求めた推定往復遅延(eRTD)を用いて、より正確に推定し得る。
eRTD=RTD+(T´SCH/TSCH−1)*(Tオフセット)・・・(3)
【0017】
ここで、TSCHは、基地局から送信される連続同期バースト即ちパイロット信号SCHi 230とSCHi+1 234との間の時間間隔である。T´SCHは、移動受信機に於ける連続同期バーストSCHiの受信とSCHi+1の受信との間の時間間隔である。一般的に、TSCHと異なり、T´SCHは、移動受信機が基地局に向かって又は遠ざかるように移動しているのかに依存する。例えば、Tオフセットは、同期信号SCHiの送信と支援メッセージ232の送信との間で測定した間隔である。GSMや他のネットワークでは、TSCH及びTオフセット又はそれと類似した量も知られている。
【0018】
移動受信機と基地局との間の推定可変伝搬遅延は、式(1)のRTDを式(3)の推定往復遅延(eRTD)で置き換えることによって、次のように求められる。
【0019】
T可変遅延=[1/2]*[RTD+(T´SCH/TSCH−1)*(Tオフセット)]*[BD]・・・(4)
GSMネットワークにおいて、式(4)は次のように表わすことができる。
T可変遅延=[1/2]*[TA+(T´SCH/TSCH−1)*(Tオ フセット)]*[3.692]・・・(5)
【0020】
式(4)及び(5)に基づき求められた伝搬遅延によって、定期的なRTD測定間の間隔中、基地局に対する移動受信機の動きが補正される。
移動受信機と基地局との間の伝播遅延を求める他の方法は、以下の様に求められる。
【0021】
T可変遅延=[1/2]*[RTD]*[BD]+[T補正]・・・(6)
補正時間成分T補正は、移動受信機において、以下の様にビット存続時間分解能(BDR)と複数のT´SCH測定値の平均との積に比例する。
【0022】
【数3】
GSMネットワークにおいて、例えば、移動受信機で、BDは1/4ビット分解能である。即ち、BD=3.692msのとき、BDR=0.923msであり、式(6)は以下の様に表される。
【0023】
【数4】
T補正成分は、ビット存続時間分解能BDRに依存して、より高い分解能を提供するが、この分解能BDRは、個々のネットワーク用のセルラ通信規格に指定される。移動受信機が静止している場合、可変伝搬遅延を求めるには、式(6)及び(8)がより適している。これに対して、移動受信機が基地局に対して動いている場合、可変伝搬遅延を求めるには、式(4)及び(5)がより適している。
【0024】
前述のように、総伝搬遅延は、上述した一般式(4)及び(6)の一方から求めた可変伝搬遅延に固定伝搬遅延を加算することで求め得る。総伝搬遅延は、電話機において、支援メッセージを移動受信機へ伝搬するのに要する時間を補正するために用いられ、例えば、総伝搬遅延時間は、支援メッセージに刻印されたGPS時刻に付加できる。
【0025】
一般的に、電話機が上空の衛星群の1つを見通せる位置にある場合、電話機の局所クロックを衛星測位システム時刻に直接定期的に同期させるのが望ましい。
図3は、移動受信機310を代表的な形態の携帯電話機で示す。この携帯電話機には、例えば、セルラ式通信ネットワーク基地局330と通信を行なうための送受信機(Tx/Rx)等の通信ネットワーク・インターフェース314が含まれる。他の選択肢として、移動受信機310は、手持ち式もしくは搭載式GPSナビゲーションデバイス又は追跡デバイスであってよく、通信ネットワーク・インターフェースは有ってもよく無くてもよい。
【0026】
更に、移動受信機310は、例えば、GPS測定センサ等、上空の衛星群320から衛星信号322を受信するための衛星信号受信インターフェース312を備える。また、移動受信機は、衛星信号受信インターフェースに接続された付帯メモリを有するプロセッサ316と、局所クロック318と、を備える。代表的な携帯電話機は、自律式又はネットワーク支援式の測位用に構成し得る。センサ312は、GPS受信機として充分に機能し得る。他の選択肢として、この充分な機能を持ったGPS受信機は、付属品等、携帯電話と接続された独立のデバイスであってよい。
【0027】
図4は、移動受信機に於ける衛星時刻及び局所クロック時刻のサンプリングを示す。更に具体的には、移動受信機は、第1と第2衛星時刻TGPS1 410並びにTGPS2 420及び第1と第2局所クロック時刻TMS1 412並びにTMS2 422をサンプリングする。
【0028】
好適には、第1衛星信号は、第2衛星信号が第2クロック信号に対して有する関係と同じ関係を第1クロック信号に対して有する。1つの実施形態において、第1衛星信号は、第1局所クロック信号と同時にサンプリングされ、第2衛星信号は、第2局所クロック信号と同時にサンプリングされる。第1衛星信号と局所クロック信号との間に遅延があれば、第2衛星信号と局所クロック信号との間に同じ遅延が存在する。
【0029】
移動受信機即ち移動局の局所クロックのドリフトは、以下の様に求められる。
T移動局ドリフト=[TMS1−TMS2]/[TGPS1−TGPS2]・・・(9)
【0030】
局所クロックのドリフトは、電話機において、ソフトウェアプログラム等の制御下でプロセッサ316により算出される。そして、算出した局所クロックのドリフトを用いて、例えば、局所クロックが遅いか早いかに応じて、算出したドリフトを局所クロック時刻に加算又は減算することによって局所クロックを補正し得る。
【0031】
位置特定支援サービスを提供するセルラ式通信ネットワークにおいて、基地局330は、それに付帯するGPS受信機を有し得る。そのGPS受信機の例として、位置特定サービスのための測定値を提供するために用いる位置測定ユニット(LMU)340の一部であるGPS受信機342がある。このLMUは、基地局の一部であってもよく、或いは他の選択肢として、直接又は空間インターフェースを介して、基地局に接続してもよい。
【0032】
セルラ式通信ネットワークから移動受信機へ支援メッセージを送信するアプリケーションでは、基地局の局所クロック332は補正し得る。基地局のメモリを備えたプロセッサ334は、以下の様な局所ドリフトを算出するために、例えば、LMUのGPS受信機342から得られる様なGPS時刻及び局所クロック332をサンプリングし得る。
【0033】
T基地局ドリフト=[TBST1−TBST2]/[TGPS1−TGPS2]・・・(10)
他の選択肢として、LMU340のプロセッサは、サンプリングとドリフトを算出し得る。当業者は、同じ手法が、移動受信機310と同様な構造を有する基地局に適用し得ることを理解されるであろう。
【0034】
移動受信機及び基地局の局所クロックは、定期的に補正するのが好ましい。また、上述した様に、局所クロックのドリフトは定期的に更新できるが、ドリフトの割合は、比較的短い時間間隔ではほぼ一定であり、従って、局所クロックの補正頻度と同じ頻度で更新する必要はない。局所クロック発振器のドリフトの割合が、1秒当り約50ナノ秒あるとすると、1m秒のクロック精度が、局所クロックを約5.5時間毎に補正することによって維持し得る。
【0035】
本発明について、現時点でその最良の形態と考えられるものを当業者が作製し使用し得るように本明細書において述べたが、当業者は、例示の実施形態ではなく付属の請求項によって限定される本発明の範囲と精神から逸脱すること無く、等価の置き換え、改良及び変更をそれに対して成し得ることを理解し認識されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図1】衛星測位システムを用いた移動受信機のセルラ式通信ネットワークサポート用支援衛星測位システムによる位置特定を示す図。
【図2】代表的なセルラ式通信ネットワーク信号のタイミングチャートを示す図。
【図3】代表的なセルラ式通信ネットワーク支援の衛星測位システムを示す図。
【図4】代表的な時刻信号サンプリングチャートを示す図。
Claims (20)
- 局所クロックを有し衛星測位システムを用いた移動受信機と衛星測位システムとを同期化するための方法であって、
前記移動受信機において第1及び第2衛星信号をサンプリングする段階と、
前記移動受信機において第1及び第2局所クロック信号をサンプリングする段階であって、前記第1局所クロック信号は、前記第2局所クロック信号が前記第2衛星信号に対して有する関係と同じ関係を前記第1衛星信号に対して有する前記段階と、
前記第1と前記第2局所クロック信号との間の差によって除算された前記第1と前記第2のサンプリングされた衛星信号との間の差に比例する局所クロックドリフトを求める段階と、
前記局所クロックのドリフトに基づき前記局所クロックを補正する段階と、を備えることを特徴とする方法。 - 請求項1に記載の方法であって、
前記第1衛星信号と前記第1クロック信号とをほぼ同時にサンプリングする段階と、
前記第2衛星信号と前記第2クロック信号とをほぼ同時にサンプリングする段階と、を備えることを特徴とする方法。 - 請求項1に記載の方法であって、
前記移動受信機は、セルラ式通信ネットワーク用の携帯電話であり、定期的に前記局所クロックを補正し、前記局所クロックが補正される頻度より少ない頻度で前記局所クロックドリフトを更新することを特徴とする方法。 - 請求項3に記載の方法であって、
前記第1衛星信号と前記第1局所クロック信号とをほぼ同時にサンプリングする段階と、
前記第2衛星信号と前記第2クロック信号とをほぼ同時にサンプリングする段階と、を備えることを特徴とする方法。 - セルラ式通信ネットワーク基地局の局所クロックと、衛星測位システムのシステムクロックとを同期化するための方法であって、
前記基地局において、衛星時刻を有する第1及び第2衛星信号をサンプリングする段階と、
第1及び第2基地局局所クロック信号をサンプリングする段階であって、前記第1局所クロック信号は、前記第2衛星信号に対して前記第2局所クロック信号が有する関係と同じ関係を前記第1衛星信号に対して有する前記段階と、
前記第1と前記第2局所クロック信号との間の差によって除算された前記第1と前記第2衛星信号との間の衛星時刻の差に比例する局所クロックドリフトを求める段階と、
前記局所クロックのドリフトに基づき前記局所クロックを補正する段階と、を備えることを特徴とする方法。 - 請求項5に記載の方法であって、前記局所クロックを再補正する段階を備えることを特徴とする方法。
- 請求項5に記載の方法であって、
前記第1衛星信号と第1クロック信号とをほぼ同時にサンプリングする段階と、
前記第2衛星信号と前記第2クロック信号とをほぼ同時にサンプリングする段階と、を備えることを特徴とする方法。 - 衛星測位システムを用いた移動受信機であって、
衛星測位システムから衛星時刻を有する衛星信号を受信するための衛星測位システムインターフェースと、
局所クロックと、
TMS1及びTMS2が、第1及び第2のサンプリングされた局所クロック時刻であり、TGPS1及びTGPS2が、第1及び第2のサンプリングされた衛星時刻である場合、[TMS1−TMS2]/[TGPS1−TGPS2]に比例した局所クロックドリフト
(T移動局ドリフト)を求める手段と、を備え、
前記第1衛星時刻は、前記第2衛星時刻が前記第2局所クロック時刻に対して有する関係と同じ関係を前記第1局所クロックに対して有することを特徴とする移動受信機。 - 請求項8に記載の移動受信機であって、
前記局所クロックドリフトに基づき、前記局所クロックを補正する手段を備えることを特徴とする移動受信機。 - 請求項8に記載の移動受信機であって、セルラ式通信ネットワークにおいて通信を行なうための無線通信インターフェースを備える衛星測位システムを用いた携帯電話機であることを特徴とする移動受信機。
- セルラ式通信ネットワーク基地局であって、
衛星測位システムから衛星時刻を有する衛星信号を受信するための衛星測位システムインターフェースと、
局所クロックと、
TBS1及びTBS2が、第1及び第2のサンプリングされた局所クロック時刻であり、TGPS1及びTGPS2が、第1及び第2のサンプリングされた衛星時刻である場合、[TBS1−TBS2]/[TGPS1−TGPS2]に比例した局所クロックドリフト
(T基地局ドリフト)を求める手段と、を備え、
前記第1衛星時刻は、前記第2衛星時刻が前記第2局所クロック時刻に対して有する関係と同じ関係を前記第1局所クロックに対して有することを特徴とする移動受信機。 - 請求項11に記載の基地局であって、
前記局所クロックドリフトに基づき、前記局所クロックを補正するための手段を備えることを特徴とする基地局。 - 既知のビット継続時間(BD)に基づき移動受信機と基地局との間の往復遅延(RTD)を定期的に求める基地局であり、又、既知の同期間隔で送信される同期信号間において衛星時刻と共に支援メッセージを送信する前記基地局を有するネットワークにおいて、衛星測位システムを用いた前記移動受信機を同期化するための方法であって、
前記基地局に対する前記移動受信機の動きを補正する時間係数を求める段階と、
前記RTDと、前記基地局に対する前記移動受信機の動きを補正する前記時間係数とに基づき推定往復遅延(eRTD)を求める段階と、
前記RTDと前記BDの積に比例する前記基地局と前記移動受信機との間の推定伝搬遅延を求める段階と、
前記推定伝搬遅延に基づき前記移動受信機のクロックを設定する段階と、を備えることを特徴とする方法。 - 請求項13に記載の方法であって、
前記支援メッセージは、同期信号の送信に対して既知の支援メッセージ時刻オフセットで送信され、
前記移動受信機において受信する連続同期化バースト間の時間間隔を求める段階と、
前記時間間隔と前記既知の同期化間隔との時間差を求める段階と、
前記時間差と、前記既知の同期化間隔で除算した前記支援メッセージのオフセットの比との間の積に比例した時間係数を求める段階と、を備えることを特徴とする方法。 - 請求項13に記載の方法であって、
基準ノードにおいて支援メッセージを生成する段階と、前記基準ノードから前記基地局へ前記支援メッセージを送信する段階と、前記基準ノードと前記基地局との間の伝搬遅延に前記推定伝搬遅延を加算することによって、前記基準ノードと前記移動受信機との間総伝搬遅延を求める段階と、前記総伝搬遅延に基づき前記移動受信機において前記クロックを設定する段階と、を備えることを特徴とする方法。 - 請求項13に記載の方法であって、
TSCHが、同期間隔であり、T´SCHが、前記移動受信機で受信された連続同期信号間の間隔である場合、eRTD=RTD+[T´SCH/TSCH−1]*[Tオフセット]を計算することによって、前記推定往復遅延(eRTD)を求める段階と、
TPROP=[1/2]*[eRTD]*[BD]を計算することによって、前記基地局と前記移動受信機との間の前記推定伝搬遅延(TPROP)を求める段階と、を備えることを特徴とする方法。 - 既知のビット継続時間(BD)に基づき、移動受信機と基地局との間の往復遅延(RTD)を定期的に求める基地局であり、又、既知の同期間隔(TSCH)で送信される同期信号間において衛星時刻と共に支援メッセージを送信する前記基地局を有するネットワークにおいて、衛星測位システムを用いた移動受信機であって、
Tオフセットが、同期信号と前記支援メッセージとの間の時間間隔であり、T´SCHが、前記移動受信機で受信する連続同期化バースト間の時間間隔である場合、前記移動受信機と前記基地局との間の推定往復遅延(eRTD=RTD+[T´SCH/TSCH−1]*[Tオフセット])を求める手段と、
前記基地局と前記移動受信機との間の推定伝搬遅延(TPROP=[1/2]*[eRTD]*[BD])を求める手段と、
前記推定伝搬遅延に基づき、前記移動受信機のクロックを同期化するための手段と、を備えることを特徴とする方法。 - 既知のビット継続時間に基づき、移動受信機と基地局との間の往復遅延(RTD)を定期的に求める基地局であり、又、既知の同期間隔で送信される同期信号間において衛星時刻と共に支援メッセージを送信する前記基地局を有するネットワークにおいて、衛星測位システムを用いた移動受信機を同期化するための方法であって、
前記ビット継続時間の分解能と、前記移動受信機において受信される連続同期信号間の複数の時間間隔平均との積に比例した時間補正成分を求める段階と、
RTDと前記時間補正成分の総和に比例した前記基地局と前記移動受信機との間の推定伝搬遅延を求める段階と、
前記推定伝搬遅延に基づき、前記移動受信機のクロックを設定する段階と、を備えることを特徴とする方法。 - 或るビット継続時間の分解能(BDR)を有する既知のビット継続時間(BD)に基づき、移動受信機と基地局との間の往復遅延(RTD)を定期的に求める基地局であり、又、既知の同期間隔で送信される同期信号間の衛星時刻(TSCH)と共に支援メッセージを送信する前記基地局を有するネットワークにおける衛星測位システムを用いた移動受信機であって、
T´SCHが、前記移動受信機において受信する複数の同期信号TSCH間における間隔の平均である場合、時間補正係数(
前記基地局と前記移動受信機との間の推定伝搬遅延(T遅延=[1/2]*[RTD]*[BD]+[T補正])を求める手段と、
前記推定伝搬遅延に基づき、前記移動受信機のクロックを同期化するための手段と、を備えることを特徴とする方法。
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