JP2005508502A - セルラー捕捉信号を使用してグローバルポジショニングシステム信号を受信する方法及び装置 - Google Patents
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Abstract
少なくとも1つのセルラー捕捉信号を使用するGPS装置のための方法及び装置が開示される。より詳細には、GPS装置は、セルラー電話ネットワークと相互作用するのにAGPS回路の小さなサブセットしかもたずにAGPSに関連した利益を得るために少なくとも1つのセルラー捕捉信号を受信するように構成される。これは、セルラー電話サービスプロバイダーに契約せずにGPS装置の使用を容易にし、従って、セルラー契約料金を回避するものである。
【選択図】図1
【選択図】図1
Description
【関連出願のクロスレファレンス】
【0001】
[0001]本出願は、参考としてその全体を各々ここに援用する2001年6月19日に出願された出願中の米国特許出願第09/884,874号、2001年6月6日に出願された米国特許出願第09/875,809号、及び2000年11月17日に出願された米国特許出願第09/715,860号に関連した要旨を包含する。
【発明の分野】
【0002】
[0002]本発明は、移動体探索システムのための移動ワイヤレス装置に関し、より詳細には、個人探索システムのための屋内貫通度を改善したグローバルポジショニングサテライト(GPS)受信器に関する。
【関連技術の説明】
【0003】
[0003]GPSの出現に伴い、個人又は物体の位置を与えるのに使用できる移動装置の需要が高まりつつある。従来のGPS受信器を用いて作られた装置が多数の会社で開発されて来た。しかしながら、これらの装置には、著しい制約があり、そのうちの1つが屋内貫通度である。
【0004】
[0004]従来のGPS受信器の上記制約に対処するために、ワイヤレスリンクを経て通信する移動GPS受信器及びセルラーインフラストラクチャーの結合が案出された。アシスト型GPS(AGPS)として知られているこの技術結合は、GPS受信器とセルラーハンドセットを結合したものである。セルラーハンドセットは、ポジショニングデータ(「補助データ」)を通信するための両方向リンクを与える。
【0005】
[0005]特に、屋内環境における従来のGPS移動装置の性能は、複数の衛星の各々により放送されたナビゲーションデータ流をデコードするためのGPS移動装置の能力で制限され得る。他の要素の中でも、各ナビゲーションデータ流は、各衛星の軌道及びクロック変化を時間の関数として記述するパラメータを有する衛星軌跡モデルを含む。ナビゲーションデータ流における衛星軌跡モデルは、「放送天体暦(broadcast ephemeris)」と称されるときもある。GPS移動装置は、慣習的に、ナビゲーションデータ流を受信してデコードし、位置を計算するのに必要な放送天体暦を抽出する。しかしながら、屋内環境における信号対雑音比は、放送天体暦のナビゲーションデータビットをデコードするにはしばしば不充分である。従って、衛星軌道及びクロック変化を確認するための別の手段が必要とされている。
【0006】
[0006]AGPSシステムでは、衛星軌道及びクロック変化、又はこれらの要素から導出された情報が、両方向セルラーリンクを経てGPS移動装置へ供給される。このような衛星に関する情報を要求及び受信するために両方向セルラーリンクが使用されると共に、従来、AGPSサービスは、セルラーネットワークへの許可された加入者しか利用できない。
【0007】
[0007]AGPSは、屋内貫通度の改善を与えるが、セルラーハンドセットを追加しワイヤレスプロバイダーに契約するために、GPS受信器のコスト及び電力消費が増大する。セルラーハンドセットは、複雑でコストの高いコンポーネントを含む。例えば、電話が、セルラープロバイダーの契約料金の追加を招くだけの不必要な追加であるGPS用途では、セルラー電話をGPS受信器に追加するコストだけで禁止的なものとなり得る。更に、セルラー送信は、電力も消費する。
【0008】
[0008]それ故、従来のGPSハンドヘルド装置とコスト的に同等であるが、AGPSハンドセットに関連した屋内貫通度の利益を伴うGPS移動装置を提供することが要望される。
【発明の概要】
【0009】
[0009]本発明は、GPS装置とセルラーハンドセットとの完全な一体化を必要とせずに、AGPSに関連した利益を得るための装置及び方法を提供する。更に、本発明は、GPSハンドヘルド又は移動装置を、セルラー電話サービスプロバイダーに契約せずに動作するものとし、ひいては、このような契約のための料金を排除する。本発明の1つの態様は、セルラー捕捉信号受信器又はフロントエンドを備えたGPSハンドヘルド装置である。捕捉信号を受信するのに必要な回路は、完全なセルラーハンドセットの一部分だけで構成されることが明らかである。特に、セルラーネットワークのベースステーションと通信するための送信器部分は、GPSハンドヘルド装置に含まれない。更に、変調、復調、音声処理、コールプロトコル、加入者識別等のために構成されたデジタル信号プロセッサ及びアプリケーションプロセッサは、GPSハンドヘルド装置には存在しない。セルラー捕捉信号受信器は、GPSハンドヘルド装置が正確な時刻(time of day)及び/又は周波数基準をもつことができるようにし、従って、GPS信号捕捉及びGPS位置計算を行う上で助けとなる。
【0010】
[0010]本発明の1つの態様は、GPS信号を受信する方法にある。より詳細には、周波数修正バーストがセルラーネットワークから得られる。この周波数修正バーストに応答して周波数オフセットが決定され、次いで、GPS信号を受信するためにこの周波数オフセットに応答して周波数サーチ窓が決定される。これは、セルラーネットワークへセルラー信号を送信する必要なく行われてもよいし、セルラーネットワークに契約する必要なく行われてもよい。
【0011】
[0011]本発明の別の態様は、GPSハンドヘルド装置へのGPS信号を受信する方法にある。より詳細には、時間同期バーストがセルラーネットワークから得られる。時間同期バーストに応答してタイミングオフセットが決定され、次いで、GPS信号を受信するためにこのタイミングオフセットに応答して時刻が決定される。これは、セルラーネットワークへセルラー信号を送信する必要なく行われてもよいし、セルラーネットワークに契約する必要なく行われてもよい。
【0012】
[0012]本発明の別の態様は、セルラーネットワークのセルラーベースステーションの付近でGPSハンドヘルド装置の位置を決定する方法にある。より詳細には、位置情報及び識別情報の少なくとも1つがセルラーベースステーションから得られ、次いで、位置情報及び識別情報の少なくとも1つに応答してGPSハンドヘルド装置の位置推定が決定される。これは、セルラーネットワークへセルラー信号を送信する必要なく行われてもよいし、セルラーネットワークへ料金に基づくアクセスを行う必要なく行われてもよい。
【0013】
[0013]本発明の別の態様は、GPS移動装置にある。より詳細には、GPS移動装置は、少なくとも1つのアンテナを備えている。この少なくとも1つのアンテナは、セルラー捕捉信号を受信するように結合されたセルラー捕捉信号フロントエンドに結合される。GPS信号を受信するためにこの少なくとも1つのアンテナにGPS信号フロントエンドが結合される。このGPSフロントエンド及びセルラー捕捉フロントエンドにはGPS/セルラープロセッサが結合される。このGPS/セルラープロセッサは、GPSフロントエンドと通信するGPD基本帯域プロセッサ、及びセルラー捕捉信号フロントエンドと通信するセルラー捕捉信号基本帯域プロセッサと共に構成される。GPS/セルラープロセッサには基準発振器が結合される。セルラー捕捉信号基本帯域プロセッサ及びGPS基本帯域プロセッサには汎用プロセッサが結合され、この汎用プロセッサにはメモリが結合される。
【0014】
[0014]なお、添付図面は、本発明の典型的な実施形態を示すものに過ぎず、それ故、本発明の範囲を何ら限定するものではないことに注意されたい。本発明は、他の等しく有効な実施形態も受け入れられる。
【好適な実施形態の詳細な説明】
【0015】
[0020]本発明は、GPS受信器を両方向能力のセルラーハンドセットと一体化する必要なくセルラープロバイダーから捕捉信号を受信するように構成されたGPSハンドヘルドを使用してGPSシステムを実施することに関する。本発明は、セルラーネットワークから補助(aiding)データを得る必要性を排除しつつ従来の関連AGPSの1つ以上の利益を提供する。
【0016】
[0021]本発明の1つの態様は、AGPSシステムに与えられるアシスタンスデータに置き換わる衛星軌跡データを記憶するようにGPS装置を構成するための方法にある。AGPSシステムにおいて、セルラーネットワークからアシスタンスデータを受信するには、このようなアシスタンスデータを要求及び受信するための両方向能力のセルラーハンドセットを必要とする。更に、このようなサービスは、加入者にセルラーネットワークへ支払させるためにのみ通常利用される。特に、本発明の1つの態様において、GPS移動装置のメモリに衛星軌跡モデルが記憶される。メモリに記憶された衛星軌跡モデルのソースは、放送天体暦でよく、これは、GPS移動装置が、少なくとも、ナビゲーションデータのデコードを実行できる媒体信号強度信号環境の外側にあるときに受信されてデコードされる。或いは又、衛星軌跡モデルは、コンピュータネットワーク接続を経てGPS移動装置へ供給されてもよい。衛星軌跡モデルが放送天体暦を含む場合には、衛星軌跡モデルは、約2時間から6時間は有効となり得る。本発明の別の態様では、何日間も有効である長期間の衛星軌跡モデルが使用される。衛星軌跡モデルが得られてメモリに入れられると、GPS移動装置は、長期間衛星軌跡モデルの有効周期中屋内で機能することができる。これは、従来のAGPSのように頻繁に得られるアシスタンスデータの必要性を排除する。
【0017】
[0022]本発明の別の態様は、GPS移動装置の時間オフセットを決定する方法にある。より詳細には、セルラー捕捉信号は、GPS移動装置により受信される時間同期信号であって、GPS移動装置が衛星軌跡データを適用するための時刻を確立できるようにする時間同期信号を含むことができる。更に、この時間同期信号は、充分に正確なものであれば、GPS信号捕捉に必要なサーチ時間を減少する遅延サーチ窓を確立するのに使用できる。更に、この時間同期信号は、コヒレントな平均化インターバルをGPS信号データビットと整列させ、信号対雑音比を改善するのにも使用できる。
【0018】
[0023]本発明の別の態様は、GPS移動装置の時間オフセットを決定するための方法にある。より詳細には、セルラー捕捉信号は、GPS移動装置で受信される時間同期信号であって、GPS移動装置の受信器が衛星軌跡データを適用するための時刻を確立できるようにする時間同期信号を含むことができる。更に、この時間同期信号は、充分に正確なものであれば、GPS信号捕捉に必要なサーチ時間を減少する遅延サーチ窓を確立するのに使用できる。更に、この時間同期信号は、コヒレントな平均化インターバルをGPS信号データビットと整列させ、信号対雑音比を改善するのにも使用できる。
【0019】
[0024]本発明の別の態様は、セルラー捕捉信号及びGPS衛星信号を受信するように構成された1つ以上のアンテナと、GPS信号のための高周波(RF)フロントエンド回路と、セルラー捕捉信号のためのRFフロントエンド回路と、セルラー捕捉信号基本帯域プロセッサと、GPS信号基本帯域プロセッサと、これら基本帯域プロセッサに共通のタイムキープカウンタと、このタイムキープカウンタ、基本帯域プロセッサ及びフロントエンド回路に結合された基準発振器と、前記基本帯域プロセッサに結合されたプロセッサと、このプロセッサに結合されたメモリとを備えたGPS移動装置にある。ある実施形態では、GPS移動装置は、更に、コンピュータネットワークのドッキングインターフェイス、又はデータモデム、或いはその両方を含んでもよい。
【0020】
[0025]以下の説明において、本発明をより完全に理解するために多数の特定の細部を説明する。しかしながら、当業者であれば、本発明は、これら特定の細部の1つ以上を伴わずに実施できることが明らかであろう。他の実施形態では、本発明を不明確にするのを避けるために、良く知られた特徴は説明しない。
【0021】
[0026]図1を参照すれば、本発明の1つ以上の態様に基づくGPS及びセルラーネットワークの一実施形態の一部分がネットワーク図で例示されている。衛星コンステレーション11は、複数の衛星で構成される。説明上、4つの衛星、即ち衛星11−1、11−2、11−3及び11−4が示されているが、使用する衛星は、それより少なくても多くてもよい。GPS装置10は、衛星放送からの1つ以上の衛星信号12を受信するように構成される。GPS装置10は、衛星放送信号12を一方向通信の一形式として受信するように構成される。又、GPS装置10は、セルラーベースステーション13から1つ以上のセルラー放送信号14を受信するように構成される。GPS装置10は、セルラー放送信号14を一方向通信の一形式として受信するように構成される。GPS装置10は、以下に詳細に述べるように衛星放送信号12又はコンピュータネットワーク接続から、或いはその両方から、衛星情報を受信するよう動作するように構成されてもよい。更に、特に、屋内や衛星信号に苛酷な他の環境で動作するときには、通信タワー13から放送された1つ以上のセルラー捕捉信号14がGPS装置10により使用される。
【0022】
[0027]図2を参照すれば、本発明の1つ以上の態様に基づいて1つ以上の衛星軌跡モデルのような衛星情報を得るためのGPS及びコンピュータネットワークの一実施形態の一部分がネットワーク図で例示されている。GPS移動装置10は、コンピュータ22と通信状態に置かれることができる。コンピュータ22は、イントラネット又はインターネットの一部分を形成するコンピュータネットワーク21と通信状態に置かれることができる。このネットワーク21は、サーバー23と通信状態に置かれることができる。サーバー23は、データベース27へのアクセス権を含み又は有する。データベース27は、例えば、図1の各衛星11に対する1つ以上の衛星軌跡モデル39を含む。従って、サーバー23は、衛星軌跡モデル39で構成された放送天体暦を受信するためにネットワーク21を経て1つ以上のGPS受信ステーション27−1、27−2及び27−3と通信することができる。GPS移動装置10は、サーバー23からそこにダウンロードされた1つ以上の衛星軌跡モデル39をもつことができる。
【0023】
[0028]或いは又、サーバー23は、ネットワーク21を経て公衆交換電話ネットワーク(PSTN)25と通信状態に置かれてもよい。PSTN25は、GPS移動装置10と通信状態に置かれた電話24と通信状態に置かれてもよいし、又は電話24と通信状態に置かれてもよい。この実施形態では、1つ以上の軌跡モデルをGPS移動装置10にダウンロードするために料金無料番号のような電話番号がダイヤルされてもよい。
【0024】
[0029] 衛星軌跡モデル39をリフレッシュするために移動装置10とサーバー23との間の接続が確立されてもよい。他の場合には、この接続が存在しなくてもよい。例えば、コンピュータネットワーク21の接続のない現場の状態では、GPSハンドヘルド10が、図1に示された1つ以上の衛星信号12から衛星情報を得てもよい。このような情報は、通常、放送時間から約2〜6時間は有効である。有効周期が終わる前に、GPS受信器は、動作を継続するために天体暦情報の別の有効放送を得なければならない。
【0025】
[0030]別の実施形態では、GPS基準ステーション27−1、27−2及び27−3からの衛星追跡データがサーバー23に使用されて、約1週間までの周期中は有効である長期間衛星軌跡モデル39が形成される。軌道モデル及びそれに関連した長期間軌道軌跡データは、2001年6月19日に出願されたジェームスW.ラマンス、チャールズアブラハム、及びフランクバンジゲレン氏の「LONG TERM EPHEMERIS」と題する特許出願第09/884,874号、及び2001年6月6日に出願されたジェームスW.ラマンス、チャールズアブラハム、及びフランクバンジゲレン氏の「METHOD ANS APPARATUS FOR GENERATING AND DISTRIBUTING SATELLITE TRACKING」と題する特許出願第09/875,809号のような出願中の関連特許出願に詳細に開示されている。本発明の1つの態様では、長期間軌道軌跡モデルがGPS移動装置10に使用されて、サーバー23により与えられた衛星軌跡モデル39の有効周期が延長される。これは、コンピュータネットワーク21に容易にアクセスできない状態においてGPS移動装置10を使用できるインターバルを増加する。
【0026】
[0031]図3を参照すれば、本発明の1つ以上の態様に基づきセルラー捕捉信号を受信する移動又はハンドセットGPSユニットの一実施形態の一部分が流れ図で例示されている。セルラーベースステーション13は、周波数修正信号31と、時間同期信号32と、フレーム番号のようなタイミングメッセージ信号33と、セル識別番号信号34Aとを含む多数のセルラー捕捉信号を放送する。タイミングメッセージ信号33は、個別信号であってもよいし、又は時間同期信号32が与えられた時間メッセージ33でもよいことに注意されたい。セルラーベースステーション13のある実施形態では、付加的な信号、即ちセル位置信号34Bも与えられる。これら放送要素31、32、33、34A及び34Bの1つ以上は、特定のセルラーネットワーク実施形態において存在してもしなくてもよいことを理解されたい。更に、あるセルラーネットワークでは、放送要素31、32、33、34A及び34Bの1つ以上は、種々の組み合せの複合信号へと合成されてもよい。本発明の1つ以上の態様に基づき、これら信号31、32、33、34A及び34Bの1つ以上は、個々に、一緒に又は種々の組合せで使用されてもよい。
【0027】
[0032]従来、セルラー捕捉信号は、その少なくとも一部分が、セルラーハンドセットを、セルラーネットワークとの通信を確立する第1ステップとしてセルラーベースステーションに同期させられるようにするために与えられる。より詳細には、通信を確立する第1段階では、セルラーハンドセットは、捕捉信号のための特定周波数を監視する。本発明の1つ以上の態様によれば、1つ以上のセルラー捕捉信号が受信されるが、GPS移動装置は、セルラーネットワークとの両方向通信を確立するのに必要とされる後続ステップで動作を続けない。より詳細には、本発明の1つ以上の態様によれば、GPS移動装置は、データ又はメッセージ或いはその両方をセルラーネットワークへ送信しない。更に、GPS移動装置は、セルラーネットワークの契約なしに1つ以上の捕捉信号を受信してもよい。
【0028】
[0033]図4を参照すれば、本発明の1つ以上の態様に基づく移動又はハンドヘルドGPS10の一実施形態の一部分がブロック図で例示されている。図4を参照しながら、更に、図3を参照すると、1つ以上のセルラー捕捉信号31、32、33、34A及び34Bを集合的に且つセルラー捕捉信号102を単独で受信できるようにするために、特別な回路が従来のGPS受信器に追加される。これは、付加的なアンテナ、即ちアンテナ111に結合された第2の高周波(RF)チューナー、即ちセルラー捕捉フロントエンド131を含む。1つ以上のセルラー捕捉信号102がアンテナ111により受信され、セルラー捕捉フロントエンド131からセルラー捕捉信号基本帯域136へ供給される。セルラー捕捉信号基本帯域136は、例えば、セルラー電話の設計で良く知られた従来のデジタル処理を使用して、1つ以上のセルラー捕捉信号102をロック及びデコードするように使用される。コストを考慮して、セルラー捕捉フロントエンド131は、GPSアンテナ133に結合された単一のRF半導体集積回路130上の従来のGPSフロントエンド132に一体化されてもよい。更に、コストを節約するために、セルラー捕捉信号基本帯域136は、単一のデジタル信号処理半導体集積回路上の従来のGPS基本帯域137と一体化されて、GPS/セルラープロセッサ135を形成してもよい。このような集積回路は、例えば、デジタル信号プロセッサ(DSP)を含むが、これに限定されない。しかしながら、2つ以上の集積回路、例えば、DSP及び特定用途向け集積回路(ASIC)や、DSP及びFPGAが使用されてもよい。従って、集積回路130及び135を設けることにより、従来のGPSに対して僅かなコスト増分が付加されるだけである。更に、高周波CMOS(相補的金属酸化物半導体)のような他の技術は、基本帯域プロセッサの機能及びフロントエンドの機能を単一ASICに一体化することができる。この僅かな増分コストに含まれるのは、図4を参照して詳細に述べる追加フィルタ及び余分なアンテナである。更に、セルラー捕捉信号102は電力が比較的高いので、コストを更にコントロールするために単純なアンテナが使用されてもよい。或いは、GPS及びセルラー信号の両方を受信できる単一アンテナ100が使用されてもよい。
【0029】
[0034]周波数修正信号31の特性は、セルラーネットワークに基づいて変化する。CDMAシステムでは、周波数修正信号31は、パイロットチャンネルで構成されてもよい。パイロットチャンネルは、セルのカバレージエリアにわたって放送される共通チャンネルである。従来、パイロットチャンネルは、215チップの繰返し擬似ノイズ(PN)シーケンスを使用する。多数のベースステーションが同じPNコードを送信するが、相互干渉を回避するために異なるタイミングオフセットで送信する。パイロットチャンネルを検出するために、GPS移動ステーション10は、図4のセルラー捕捉フロントエンド131を使用して、セルラーベースステーション送信器を指示するエネルギーが検出されるまで、ある範囲のPNコードオフセットを走査してもよい。検出されたパイロット信号に対する位相又は周波数ロックにより、GPS移動装置10は、GPS移動装置10の基準発振器、例えば、図4の基準発振器138におけるエラーに関連した周波数オフセット35Aを測定してもよい。或いは又、GPS移動装置10は、パイロット信号の周波数エラーの開ループ測定を行って、周波数オフセット35Aを決定してもよい。
【0030】
[0035]GSMシステムでは、周波数修正信号31は、ベースステーションに指定された多数の周波数チャンネルの1つにおいてベースステーションにより周期的に送信される周波数修正バーストである。周波数修正バースト信号31は、チャンネルの搬送波周波数から特定のオフセットで送信される非変調トーンである。GPS移動装置10は、周波数修正バーストから周波数エラーの開ループ測定を行って、周波数オフセット35Aを決定してもよい。
【0031】
[0036]他の既知のセルラーシステムの中でも、例えば、ジェネラル・システム・モービル(GSM)システムやコード・ドメイン・マルチプル・アクセス(CDMA)システムにおいて、放送信号31、32、33、34A及び34Bの1つ以上が良く知られているので、明瞭化のためこれら信号に関する不必要な詳細説明は、ここでは、繰り返さない。
【0032】
[0037]別の実施形態では、図4の任意の基準発振器ステアリング回路142を使用して、基準発振器ステアリング35Bが与えられる。この実施形態では、周波数修正信号31がステアリング回路142(図4に示す)に関連して使用されて、基準発振器138(図4に示す)をその通常動作周波数範囲内に維持する。ステアリング回路142は、発振器138(図4に示す)の電圧制御入力に接続されたデジタル/アナログコンバータで構成されてもよい。周波数修正信号に基づいて基準発振器を周波数ステアリングすることは、セルラーハンドセットでは公知であり、一般的には、ハンドセット送信器を指定の送信周波数に正確に維持するよう確保するための要件である。しかしながら、GPS移動装置10は、セルラー信号送信器を含まないので、送信周波数を維持する必要はない。更に、GPS装置は、AGPS装置とは対照的に、電圧制御を伴わない発振器のような非ステアリング基準発振器から外れて動作する傾向がある。従って、非ステアリング基準発振器138(図4に示す)を、周波数修正信号31と共に使用して、例えば、セルラー捕捉基本帯域プロセッサ136(図4に示す)で周波数オフセット35Aを与え又は計算してもよい。周波数オフセット35Aは、周波数及び遅延サーチ窓41に送られる。
【0033】
[0038]特定のGPS衛星信号11に対する周波数及び遅延サーチ窓45の一実施形態が図5に示されている。当業者に明らかなように、この周波数及び遅延窓45は、周波数窓501の軸における不確実周波数と、遅延窓502の軸における不確実コード遅延との二次元スペースで構成される。GPS信号を捕捉するために、GPS受信器10(図4に示す)は、GPS信号に対して周波数及び遅延サーチ窓501及び502を各々サーチする。図5には例示的なGPS信号応答503が示されている。GPS受信器10(図4に示す)は、1つ以上のサーチビン504で走査することにより信号応答503を検出する。周波数及び/又は遅延の不確実性が大きい場合には、このサーチが時間浪費となる。これは、屋内環境において特に言えることであり、必要な信号対雑音比の改善を得るために、GPS受信器10(図4に示す)は、サーチビン504を進行させる前に数秒間停止して信号電力を蓄積する。従って、特に屋内動作の場合には、周波数及び遅延サーチ窓501及び502をできるだけ小さく保持することが有用である。
【0034】
[0039]図5を参照しながら、図1を再び参照する。周波数窓501は、ドップラー不確実性(GPS衛星11に対するGPS装置10の相対的運動による)と、GPS装置10における基準発振器138(図4に示す)の不正確さによる周波数不確実性との関数である。周波数オフセット35A(図3に示す)は、周波数修正信号31が従来通りに正確な周波数で送信されるので基準発振器138(図4に示す)からのオフセットの正確な推定を与える。従って、周波数窓501に対する基準発振器138の不確実性の影響は、周波数オフセット35Aで実質的に減少又は排除することができる。周波数窓501の調整は、基準発振器138の電圧をステアリングし又は周波数を制御する特殊目的回路を伴わずに、プログラムメモリ145(図4に示す)のソフトウェアアルゴリズムを使用して実行できることに注意されたい。或いは又、周波数窓501のオフセット作用は、基準発振器ステアリング回路142(図4に示す)で基準発振器138の周波数を変更することにより達成されてもよい。
【0035】
[0040]図3を再び参照すれ。時間同期信号32は、GPS移動装置10により得られて、時間オフセット36を決定することができる。時間同期信号32の特性は、セルラーネットワークに基づいて変化する。CDMAシステムでは、時間同期信号32は、同期チャンネルで構成することができる。この同期チャンネルは、セルのカバレージエリアにわたって放送される共通のチャンネルである。特定のセルラーベースステーションのパイロットチャンネル及び同期チャンネルは、215チップのPNシーケンスのような同一のPNシーケンスを使用する。更に、同期チャンネルは、特定のウオルシュ(Walsh)コードで変調され、異なるウオルシュコードを使用して同期チャンネルをページング及びトラフィックチャンネルから分離することができる。同期チャンネルは、タイミングメッセージ33を搬送する。特に、CDMAでは、同期チャンネルは、このようなパイロットチャンネルの時刻(time of day)オフセットを識別するパイロットPNオフセットを含むメッセージを搬送する。
【0036】
[0041]図3及び図4を再び参照すれば、CDMAに適合し得る実施形態において、GPS装置10は、先ず、近傍のベースステーション13のパイロットチャンネルをセルラー捕捉フロントエンド131で検出し、次いで、同じベースステーション13により放送されている同期チャンネルをデコードするように進む。GPS装置10は、GPS装置10のローカルタイムキープカウンタ139の特定のタイミングオフセットでこのようなパイロットチャンネルへの同期を達成する。その短時間後に、GPS装置10は、このようなパイロットチャンネルの時刻オフセットを含む時間メッセージ33を受信する。GPS装置10は、時間メッセージ33を、ローカルタイムキープカウンタ139のタイミングオフセットと共に使用して、時間オフセット36を計算する。CDMAでは、ベースステーション13の時刻が、GPS衛星11(図1に示す)により使用されるGPS時間に同期されるので、時間オフセット36は、ローカルタイムキープカウンタ139とGPS時間との間の絶対オフセットを与える。
【0037】
[0042]GSMシステムでは、時間同期信号32は、セルラーベースステーション13に指定された多数の周波数スロットの1つにおいてベースステーション13により周期的に送信される同期バーストである。時間同期信号32は、バーストのスタート点を識別する既知のビットシーケンスのような独特のヘッダを含む。更に、時間同期信号32は、他の要素の中でも、このような同期バーストに関連したGSMタイムスタンプを含むタイミングメッセージ33を搬送する。GSMに適合し得る実施形態では、GPS装置10は、時間同期信号32を受信し、そこからのヘッダ情報を使用して、ローカルタイムキープカウンタ139に対する同期バーストのスタート点を識別する。GPS装置10は、この情報をタイミングメッセージ33と結合して使用して、時間オフセット36を計算する。このようにして、時間オフセット36は、ローカルタイムキープカウンタ139と、ベースステーション13のGSMタイミングとの間のオフセットを与える。あるGSMネットワークでは、GSMタイミングがGPS時間と同期されない。それ故、時間オフセット36は、GPS時間に対する絶対的な時間オフセットを与えない。しかしながら、時間オフセット36は、以下に述べるように、相対的時間の指示子として有益に使用することができる。
【0038】
[0043]時間オフセット36の時間精度は、セルラーネットワークの実施に依存する。セルラーネットワーク内にGPSタイミングを組み込むCDMAのようなシステムでは、高いタイミング精度がある。他のネットワーク、例えば、GSMでは、時間同期バーストの相対的なタイミングが良好であるが、GPS時間に対して未知のオフセットが存在することがある。最終的に、あるシステムでは、時間指示子が絶対指示子でよいが、精度が限定された状態では、例えば、日時が手でセットされたコンピュータサーバー23(図2に示す)からの時間でよい。
【0039】
[0044]精度に応じて、使用可能な時間オフセット36がGPS装置10内で多数の目的に使用することができる。時間オフセット36の精度が1ミリ秒より実質的に良好である場合には、時間オフセット36の正確な時間成分41を周波数及び遅延サーチ窓45に組み込むことができる。より詳細には、図5を更に参照すれば、正確なタイミングが得られない一般的なケースでは、遅延窓502は、公称1ミリ秒であるC/Aコードの全周期に及ぶことが良く知られている(C/Aコードは、従来、民間用途に使用できるコードを指す)。このため、GPS基本帯域プロセッサ137内でローカルに発生されるC/Aコードのタイミングは、GPS信号12(図1に示す)に対して任意である。しかしながら、正確な時間成分41が得られる場合には、ローカルに発生されるC/Aコードを、GPS信号12(図1に示す)に対してタイミング合わせすることができる。より詳細には、GPS装置10は、GPS基本帯域137内のC/Aコードジェネレータ及びセルラー捕捉基本帯域136に対して共通のタイムキープカウンタ139を使用する。従って、上述した時間同期信号32から決定された時間オフセット36は、ローカルタイムキープカウンタ139に関連して使用されて、GPSタイミングに対してローカルに発生されるコードのスタート点をプログラムすることができる。このように、ローカルに発生されるコードの未知の相対的タイミングにより生じる遅延窓502の不確実性成分は、実質的に減少又は排除される。残りの遅延窓502の成分は、未知の擬似レンジ及び正確な時間成分41のエラーに関連した遅延不確実性である。以下に述べるように、擬似レンジは、衛星軌跡モデル及び位置の推定、例えば、位置情報34bから推定されてもよい。従って、正確な時間成分41が実質的に1ミリ秒未満の精度である場合には、遅延窓502を実質的に1ミリ秒未満に減少してもよい。
【0040】
[0045]図3〜5を更に参照する。1つの態様として周波数窓501を減少し、別の態様として遅延窓502を減少すると、二次元の周波数及び遅延サーチ窓45を完全にカバーするに必要なサーチビンの全数が実質的に減少される。上述したように、これは、GPS受信器10、又はより詳細には、GPS基本帯域プロセッサ137が、より迅速にサーチを行えるようにし、それ故、GPS衛星信号12(図1に示す)を得るに必要な時間を短縮できるようにする。更に、減少されたサーチ窓は、各サーチビンに長く停止する機会をGPS移動装置10に与える。長い停止は、屋内の弱い信号を受信できるようにする信号対雑音比の改善を与える。
【0041】
[0046]任意であるが、時間オフセット36は、コヒレントな平均化50に与えられる。コヒレントな平均化50は、C/Aコードの多数の連続サイクルから相関結果を平均化することにより各サーチビンにおける信号対雑音比を改善する。コヒレントな平均化を行うときには、GPS信号に対する50bpsのナビゲーションデータビットの影響を考慮しなければならない。より詳細には、ナビゲーションデータビットにより、GPS信号は、C/Aコードの20サイクルごとに潜在的な180度の位相遷移を受ける。信号対雑音比の改善のために、単一ナビゲーションデータビットを含むC/Aコードの20個の連続サイクルにわたってコヒレントな平均化が実行される。更に、性能を改善するために、この平均化プロセスは、ナビゲーションデータビットのタイミングと同期されねばならず、さもなければ、データビットが変化すると、このような平均化プロセスが部分的に無効となることがある。このため、コヒレントな平均化50とナビゲーションデータビットのタイミングとの同期を得ることが望ましい。ナビゲーションデータビットのタイミングは、全ての衛星11(図1に示す)に対して均一であり、GPS時間と同期される。
【0042】
[0047]GPS装置10に到達するデータビットのタイミングは、ローカルタイムキープカウンタ139と、GPS装置10と衛星11(図1に示す)との間の擬似レンジ遅延との関数である。正確な時間成分41は、ローカルタイムキープカウンタ139とGPS時間との関係を確立する。従って、擬似レンジが以下に述べるように推定された場合には、正確な時間成分41を、ローカルタイムキープカウンタ139に関連して使用して、コヒレントな平均化50のスタート及びストップ時間を制御し、コヒレントな平均化のインターバルを、到来するナビゲーションデータビットに合致させることができる。
【0043】
[0048]時刻42は、時間オフセット36の絶対成分であり、GPS時間単位という単位に変換される。この変換は、多数の形式をとることができ、例えば、ジュリアン(Julian)データシステムからの変換、又はセルラーネットワークにより使用される他の何らかのタイムキープ規格をとることができる。時刻42は、時間オフセット36の精度が1ミリ秒以下である用途、即ち正確な時間成分41を発生できないときでも、GPS受信器10内で使用されてもよい。特に、時刻42は、衛星位置43を確認するための基準時間を与える。より詳細には、時刻42は、衛星軌跡モデル39に対する基準時間を与える。衛星11が空を迅速に移動するときには、時刻42は、少なくともほぼ10ミリ秒以内の精度であり、衛星位置の予想エラーがほぼ数メーター以下となるのが好ましい。しかしながら、時刻42がこの精度レベルを与えない場合には、時刻42のエラーがナビゲーション解決策の一部分として解消されてもよい。この後者の状態では、時刻42の精度が重要でなく、サーバー又はリアルタイムクロックにより与えられる時間のようなおおよその時間推定で充分である。このような方法は、例えば、2000年11月17日に出願されたフランクバンジゲレン氏の「METHOD AND APPARATUS FOR TIME-FREE PROCESSING OF GPS SIGNALS」と題する出願中の特許出願第09/715,860号に詳細に説明されたタイムフリーGPSである。
【0044】
[0049]時間オフセット36がGPS時間に対して任意の関係を有する場合には、時刻42を直接使用できない。しかしながら、時間オフセット36は、相対的時間の指示子として有益なことがある。例えば、GPS移動装置10は、ナビゲーションデータ流の週時間(time of week)(TOW)部分をデコードする従来の方法により初期の時刻を決定してもよい。TOWは、セルラーネットワークの時間とGPSの時間との関係を決定するのに使用できる。例えば、時間オフセット36は、GSMシステムの時間とGPSの時刻との間のオフセットを表わすことができる。この関係が確立されると、セルラーベースステーションが正確な発振器を使用してそれらのタイミング信号を発生するので、長期間にわたってその関係を一定に保つことができる。従って、GPS移動装置10は、時間オフセット36を使用して、セルラーネットワークとGPS時間との間の以前に決定された関係に基づいて時刻42を決定することもできる。このようにして、GPS移動装置10は、時間同期信号32からの時間同期バーストを使用して時刻を確認して、屋内動作環境における位置を得ることができる。更に、GPS移動装置10は、時間を維持するためのバッテリ作動式リアルタイムクロックをもたずに機能することができる。
【0045】
[0050]セルラーベースステーション13は、セル識別番号34Aを与えることができる。このメッセージの詳細は、セルラーネットワークと共に変化する。セル識別番号34Aは、GPS移動装置10のメモリに記憶されたルックアップテーブル37においてセルラーベースステーション13の位置をルックアップするのに使用できる。これは、GPS移動装置10のおおよその又は推定された位置38を与え、即ちGPS移動装置10は、通信タワー13の位置の経度及び緯度に関連したセクター内にある。セクターのサイズは、田舎、郊外及び都市のエリアネットワークで異なるので、この位置推定38は、前記エリアネットワークの1つにおけるセルラーベースステーション13の位置に基づいて適宜変化する。セルラーベースステーション13がそのセル位置35Bを与えるように構成された場合には、セル位置ルックアップテーブル37を回避してもよく、位置推定38は、セル位置信号34Bに基づいて与えられる。
【0046】
[0051]位置推定38は、視線計算40のために与えられる。より詳細には、位置推定38は、衛星の位置、速度及びクロック推定43と結合されて、予想擬似レンジ及び擬似レンジレート44と、GPS装置10と各GPS衛星11(図1に示す)との間の単位ベクトル49とを決定する。視線計算40と、擬似レンジ及び擬似レンジレート44と、単位ベクトル49と、遅延及び周波数測定値47は、位置、速度及び時間計算48にとって充分である。このような計算の詳細は良く知られており、明瞭化のためにここでは繰り返さない。
【0047】
[0052]擬似レンジ及び擬似レンジレート44は、周波数及び遅延サーチ窓45に与えられる。特に、擬似レンジレートは、GPS移動装置10と各GPS衛星(図1に示す)との間のドップラーシフトの推定を与え、周波数窓501を決定できるようにする。同様に、擬似レンジは、GPS移動装置10と各GPS衛星11(図1に示す)との間のタイミング遅延の推定を与え、遅延窓502の決定を容易にする。上述したように、擬似レンジ及び擬似レンジレート44は、周波数及び遅延サーチ窓45の成分、より詳細には、基準発振器138の周波数不確実性及びタイムキープカウンタ139に結合されたローカル発生されたC/Aコードの時間不確実性であり、これらは両方ともセルラー捕捉信号102により実質的に減少することができる。
【0048】
[0053]集積回路135は、基本帯域プロセッサ136及び137へクロック信号を与えるためのタイムキープカウンタ139を含むことができる。基準発振器138は、ある裕度内の決定された周波数をタイムキープカウンタ139に供給するのに使用できる。マイクロプロセッサのような汎用プロセッサ141は、図3を参照して述べたように、捕捉信号基本帯域136からの情報を受け取って、GPS基本帯域137へ出力を供給するように結合される。マイクロプロセッサ141は、仕切られたメモリ即ち個々のメモリ144及び145で構成できるメモリ146に結合される。個々のメモリに対し、プログラムメモリ145は、図3を参照して述べたように、1つ以上のセルラー捕捉信号を使用して、衛星レンジ及びレンジレートに関する情報を与えるためのプログラムを記憶するのに使用される。従って、プログラムメモリは、プログラム可能な不揮発性メモリ、例えば、EPROM、E2PROM、フラッシュメモリ等でよい。データメモリ144は、マイクロプロセッサ141に対するデータを一時的に記憶するのに使用できる。従って、データメモリ144は、プログラム可能な揮発性メモリ、例えば、DRAM、SRAM等でよい。任意であるが、ドッキングステーション、データモデム及び/又はネットワークインターフェイス143は、1つ以上の衛星軌跡モデルを受け取るためにマイクロプロセッサ141に接続されてもよい。任意であるが、デジタル/アナログ(D/A)コンバータ142は、周波数のデジタル信号を受け取ってそれを同じ周波数のアナログ信号に変換し、基準発振器138へステアリング電圧を供給するためにマイクロプロセッサ141に結合されてもよい。
【0049】
[0054]セルラー捕捉信号を受け取って使用するためのGPS装置内の増分回路は最小であることを理解されたい。特に、この回路の範囲及びコストは、送信回路、デジタル信号処理回路、音声処理回路、プロトコルスタックプロセッサ、及び他の多数のコンポーネントを含む完全なセルラー電話より遥かに少ない。従って、本発明の1つ以上の態様に基づくGPSシステムは、従来のAGPSシステムを形成するためのコストより低いコストで製造できることが予想される。
【0050】
[0055]ここに述べた実施形態は、GSM及びCDMAシステムに対して詳細に説明したが、本発明は、iDEN、TDMA、AMPS、GPRS、CDMA−2000及び他の2.5ネットワーク、並びにW−CDMA及び他の3Gネットワークを含むあらゆる形式のセルラーネットワークに使用できることが明らかである。更に、本発明は、多数の形式のセルラー捕捉信号を単一の装置において受け入れることができる。特に、セルラー捕捉フロントエンド131及びセルラー捕捉基本帯域136は、多数のネットワークからの信号の同時又は逐次処理を組み込むように構成できる。これは、更に、規定のカバレージ領域内だけでなく、世界中のどこででもGPS装置10の使用を容易にし、従って、1組のセルラーネットワーク信号を受信して使用する能力を与えることが要望される。
【0051】
[0056]GPS衛星について説明したが、本発明の1つ以上の態様は、GPS信号と同様のPNコードを放送するシュードライト(pseudolite)、即ち地上ベースの送信器と共に使用されてもよいことが明らかである。従って、ここで使用する「衛星」という語は、シュードライト及びその等効物を包含するものとする。更に、「衛星信号」又は「GPS信号」という語は、シュードライト及びその等効物からの衛星状及びGPS状信号も包含するものとする。更に、GPSシステムについて説明したが、本発明の1つ以上の態様は、ロシアグロナス(Russian Glonass)システムを含む(これに限定されないが)同様の衛星ポジショニングシステムにも等しく適用できることが明らかである。
【0052】
[0027]以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明の基本的な範囲から逸脱せずに他の及び更に別の実施形態も案出でき、従って、本発明の範囲は、特許請求の範囲により限定される。
【図面の簡単な説明】
【0053】
【図1】本発明の1つ以上の態様に基づくGPS及びセルラーネットワークの一実施形態の一部分を例示するネットワーク図である。
【図2】本発明の1つ以上の態様に基づくGPS及びコンピュータネットワークの一実施形態の一部分を例示するネットワーク図である。
【図3】本発明の1つ以上の態様に基づいてセルラー捕捉信号を受信する移動又はハンドセットGPSユニットの一実施形態の一部分を例示する流れ図である。
【図4】本発明の1つ以上の態様に基づくGPSユニットの一実施形態の一部分を例示するチップレベルブロック図である。
【図5】本発明の1つ以上の態様に基づく周波数及び遅延窓の一実施形態を示す信号検出図である。
【0001】
[0001]本出願は、参考としてその全体を各々ここに援用する2001年6月19日に出願された出願中の米国特許出願第09/884,874号、2001年6月6日に出願された米国特許出願第09/875,809号、及び2000年11月17日に出願された米国特許出願第09/715,860号に関連した要旨を包含する。
【発明の分野】
【0002】
[0002]本発明は、移動体探索システムのための移動ワイヤレス装置に関し、より詳細には、個人探索システムのための屋内貫通度を改善したグローバルポジショニングサテライト(GPS)受信器に関する。
【関連技術の説明】
【0003】
[0003]GPSの出現に伴い、個人又は物体の位置を与えるのに使用できる移動装置の需要が高まりつつある。従来のGPS受信器を用いて作られた装置が多数の会社で開発されて来た。しかしながら、これらの装置には、著しい制約があり、そのうちの1つが屋内貫通度である。
【0004】
[0004]従来のGPS受信器の上記制約に対処するために、ワイヤレスリンクを経て通信する移動GPS受信器及びセルラーインフラストラクチャーの結合が案出された。アシスト型GPS(AGPS)として知られているこの技術結合は、GPS受信器とセルラーハンドセットを結合したものである。セルラーハンドセットは、ポジショニングデータ(「補助データ」)を通信するための両方向リンクを与える。
【0005】
[0005]特に、屋内環境における従来のGPS移動装置の性能は、複数の衛星の各々により放送されたナビゲーションデータ流をデコードするためのGPS移動装置の能力で制限され得る。他の要素の中でも、各ナビゲーションデータ流は、各衛星の軌道及びクロック変化を時間の関数として記述するパラメータを有する衛星軌跡モデルを含む。ナビゲーションデータ流における衛星軌跡モデルは、「放送天体暦(broadcast ephemeris)」と称されるときもある。GPS移動装置は、慣習的に、ナビゲーションデータ流を受信してデコードし、位置を計算するのに必要な放送天体暦を抽出する。しかしながら、屋内環境における信号対雑音比は、放送天体暦のナビゲーションデータビットをデコードするにはしばしば不充分である。従って、衛星軌道及びクロック変化を確認するための別の手段が必要とされている。
【0006】
[0006]AGPSシステムでは、衛星軌道及びクロック変化、又はこれらの要素から導出された情報が、両方向セルラーリンクを経てGPS移動装置へ供給される。このような衛星に関する情報を要求及び受信するために両方向セルラーリンクが使用されると共に、従来、AGPSサービスは、セルラーネットワークへの許可された加入者しか利用できない。
【0007】
[0007]AGPSは、屋内貫通度の改善を与えるが、セルラーハンドセットを追加しワイヤレスプロバイダーに契約するために、GPS受信器のコスト及び電力消費が増大する。セルラーハンドセットは、複雑でコストの高いコンポーネントを含む。例えば、電話が、セルラープロバイダーの契約料金の追加を招くだけの不必要な追加であるGPS用途では、セルラー電話をGPS受信器に追加するコストだけで禁止的なものとなり得る。更に、セルラー送信は、電力も消費する。
【0008】
[0008]それ故、従来のGPSハンドヘルド装置とコスト的に同等であるが、AGPSハンドセットに関連した屋内貫通度の利益を伴うGPS移動装置を提供することが要望される。
【発明の概要】
【0009】
[0009]本発明は、GPS装置とセルラーハンドセットとの完全な一体化を必要とせずに、AGPSに関連した利益を得るための装置及び方法を提供する。更に、本発明は、GPSハンドヘルド又は移動装置を、セルラー電話サービスプロバイダーに契約せずに動作するものとし、ひいては、このような契約のための料金を排除する。本発明の1つの態様は、セルラー捕捉信号受信器又はフロントエンドを備えたGPSハンドヘルド装置である。捕捉信号を受信するのに必要な回路は、完全なセルラーハンドセットの一部分だけで構成されることが明らかである。特に、セルラーネットワークのベースステーションと通信するための送信器部分は、GPSハンドヘルド装置に含まれない。更に、変調、復調、音声処理、コールプロトコル、加入者識別等のために構成されたデジタル信号プロセッサ及びアプリケーションプロセッサは、GPSハンドヘルド装置には存在しない。セルラー捕捉信号受信器は、GPSハンドヘルド装置が正確な時刻(time of day)及び/又は周波数基準をもつことができるようにし、従って、GPS信号捕捉及びGPS位置計算を行う上で助けとなる。
【0010】
[0010]本発明の1つの態様は、GPS信号を受信する方法にある。より詳細には、周波数修正バーストがセルラーネットワークから得られる。この周波数修正バーストに応答して周波数オフセットが決定され、次いで、GPS信号を受信するためにこの周波数オフセットに応答して周波数サーチ窓が決定される。これは、セルラーネットワークへセルラー信号を送信する必要なく行われてもよいし、セルラーネットワークに契約する必要なく行われてもよい。
【0011】
[0011]本発明の別の態様は、GPSハンドヘルド装置へのGPS信号を受信する方法にある。より詳細には、時間同期バーストがセルラーネットワークから得られる。時間同期バーストに応答してタイミングオフセットが決定され、次いで、GPS信号を受信するためにこのタイミングオフセットに応答して時刻が決定される。これは、セルラーネットワークへセルラー信号を送信する必要なく行われてもよいし、セルラーネットワークに契約する必要なく行われてもよい。
【0012】
[0012]本発明の別の態様は、セルラーネットワークのセルラーベースステーションの付近でGPSハンドヘルド装置の位置を決定する方法にある。より詳細には、位置情報及び識別情報の少なくとも1つがセルラーベースステーションから得られ、次いで、位置情報及び識別情報の少なくとも1つに応答してGPSハンドヘルド装置の位置推定が決定される。これは、セルラーネットワークへセルラー信号を送信する必要なく行われてもよいし、セルラーネットワークへ料金に基づくアクセスを行う必要なく行われてもよい。
【0013】
[0013]本発明の別の態様は、GPS移動装置にある。より詳細には、GPS移動装置は、少なくとも1つのアンテナを備えている。この少なくとも1つのアンテナは、セルラー捕捉信号を受信するように結合されたセルラー捕捉信号フロントエンドに結合される。GPS信号を受信するためにこの少なくとも1つのアンテナにGPS信号フロントエンドが結合される。このGPSフロントエンド及びセルラー捕捉フロントエンドにはGPS/セルラープロセッサが結合される。このGPS/セルラープロセッサは、GPSフロントエンドと通信するGPD基本帯域プロセッサ、及びセルラー捕捉信号フロントエンドと通信するセルラー捕捉信号基本帯域プロセッサと共に構成される。GPS/セルラープロセッサには基準発振器が結合される。セルラー捕捉信号基本帯域プロセッサ及びGPS基本帯域プロセッサには汎用プロセッサが結合され、この汎用プロセッサにはメモリが結合される。
【0014】
[0014]なお、添付図面は、本発明の典型的な実施形態を示すものに過ぎず、それ故、本発明の範囲を何ら限定するものではないことに注意されたい。本発明は、他の等しく有効な実施形態も受け入れられる。
【好適な実施形態の詳細な説明】
【0015】
[0020]本発明は、GPS受信器を両方向能力のセルラーハンドセットと一体化する必要なくセルラープロバイダーから捕捉信号を受信するように構成されたGPSハンドヘルドを使用してGPSシステムを実施することに関する。本発明は、セルラーネットワークから補助(aiding)データを得る必要性を排除しつつ従来の関連AGPSの1つ以上の利益を提供する。
【0016】
[0021]本発明の1つの態様は、AGPSシステムに与えられるアシスタンスデータに置き換わる衛星軌跡データを記憶するようにGPS装置を構成するための方法にある。AGPSシステムにおいて、セルラーネットワークからアシスタンスデータを受信するには、このようなアシスタンスデータを要求及び受信するための両方向能力のセルラーハンドセットを必要とする。更に、このようなサービスは、加入者にセルラーネットワークへ支払させるためにのみ通常利用される。特に、本発明の1つの態様において、GPS移動装置のメモリに衛星軌跡モデルが記憶される。メモリに記憶された衛星軌跡モデルのソースは、放送天体暦でよく、これは、GPS移動装置が、少なくとも、ナビゲーションデータのデコードを実行できる媒体信号強度信号環境の外側にあるときに受信されてデコードされる。或いは又、衛星軌跡モデルは、コンピュータネットワーク接続を経てGPS移動装置へ供給されてもよい。衛星軌跡モデルが放送天体暦を含む場合には、衛星軌跡モデルは、約2時間から6時間は有効となり得る。本発明の別の態様では、何日間も有効である長期間の衛星軌跡モデルが使用される。衛星軌跡モデルが得られてメモリに入れられると、GPS移動装置は、長期間衛星軌跡モデルの有効周期中屋内で機能することができる。これは、従来のAGPSのように頻繁に得られるアシスタンスデータの必要性を排除する。
【0017】
[0022]本発明の別の態様は、GPS移動装置の時間オフセットを決定する方法にある。より詳細には、セルラー捕捉信号は、GPS移動装置により受信される時間同期信号であって、GPS移動装置が衛星軌跡データを適用するための時刻を確立できるようにする時間同期信号を含むことができる。更に、この時間同期信号は、充分に正確なものであれば、GPS信号捕捉に必要なサーチ時間を減少する遅延サーチ窓を確立するのに使用できる。更に、この時間同期信号は、コヒレントな平均化インターバルをGPS信号データビットと整列させ、信号対雑音比を改善するのにも使用できる。
【0018】
[0023]本発明の別の態様は、GPS移動装置の時間オフセットを決定するための方法にある。より詳細には、セルラー捕捉信号は、GPS移動装置で受信される時間同期信号であって、GPS移動装置の受信器が衛星軌跡データを適用するための時刻を確立できるようにする時間同期信号を含むことができる。更に、この時間同期信号は、充分に正確なものであれば、GPS信号捕捉に必要なサーチ時間を減少する遅延サーチ窓を確立するのに使用できる。更に、この時間同期信号は、コヒレントな平均化インターバルをGPS信号データビットと整列させ、信号対雑音比を改善するのにも使用できる。
【0019】
[0024]本発明の別の態様は、セルラー捕捉信号及びGPS衛星信号を受信するように構成された1つ以上のアンテナと、GPS信号のための高周波(RF)フロントエンド回路と、セルラー捕捉信号のためのRFフロントエンド回路と、セルラー捕捉信号基本帯域プロセッサと、GPS信号基本帯域プロセッサと、これら基本帯域プロセッサに共通のタイムキープカウンタと、このタイムキープカウンタ、基本帯域プロセッサ及びフロントエンド回路に結合された基準発振器と、前記基本帯域プロセッサに結合されたプロセッサと、このプロセッサに結合されたメモリとを備えたGPS移動装置にある。ある実施形態では、GPS移動装置は、更に、コンピュータネットワークのドッキングインターフェイス、又はデータモデム、或いはその両方を含んでもよい。
【0020】
[0025]以下の説明において、本発明をより完全に理解するために多数の特定の細部を説明する。しかしながら、当業者であれば、本発明は、これら特定の細部の1つ以上を伴わずに実施できることが明らかであろう。他の実施形態では、本発明を不明確にするのを避けるために、良く知られた特徴は説明しない。
【0021】
[0026]図1を参照すれば、本発明の1つ以上の態様に基づくGPS及びセルラーネットワークの一実施形態の一部分がネットワーク図で例示されている。衛星コンステレーション11は、複数の衛星で構成される。説明上、4つの衛星、即ち衛星11−1、11−2、11−3及び11−4が示されているが、使用する衛星は、それより少なくても多くてもよい。GPS装置10は、衛星放送からの1つ以上の衛星信号12を受信するように構成される。GPS装置10は、衛星放送信号12を一方向通信の一形式として受信するように構成される。又、GPS装置10は、セルラーベースステーション13から1つ以上のセルラー放送信号14を受信するように構成される。GPS装置10は、セルラー放送信号14を一方向通信の一形式として受信するように構成される。GPS装置10は、以下に詳細に述べるように衛星放送信号12又はコンピュータネットワーク接続から、或いはその両方から、衛星情報を受信するよう動作するように構成されてもよい。更に、特に、屋内や衛星信号に苛酷な他の環境で動作するときには、通信タワー13から放送された1つ以上のセルラー捕捉信号14がGPS装置10により使用される。
【0022】
[0027]図2を参照すれば、本発明の1つ以上の態様に基づいて1つ以上の衛星軌跡モデルのような衛星情報を得るためのGPS及びコンピュータネットワークの一実施形態の一部分がネットワーク図で例示されている。GPS移動装置10は、コンピュータ22と通信状態に置かれることができる。コンピュータ22は、イントラネット又はインターネットの一部分を形成するコンピュータネットワーク21と通信状態に置かれることができる。このネットワーク21は、サーバー23と通信状態に置かれることができる。サーバー23は、データベース27へのアクセス権を含み又は有する。データベース27は、例えば、図1の各衛星11に対する1つ以上の衛星軌跡モデル39を含む。従って、サーバー23は、衛星軌跡モデル39で構成された放送天体暦を受信するためにネットワーク21を経て1つ以上のGPS受信ステーション27−1、27−2及び27−3と通信することができる。GPS移動装置10は、サーバー23からそこにダウンロードされた1つ以上の衛星軌跡モデル39をもつことができる。
【0023】
[0028]或いは又、サーバー23は、ネットワーク21を経て公衆交換電話ネットワーク(PSTN)25と通信状態に置かれてもよい。PSTN25は、GPS移動装置10と通信状態に置かれた電話24と通信状態に置かれてもよいし、又は電話24と通信状態に置かれてもよい。この実施形態では、1つ以上の軌跡モデルをGPS移動装置10にダウンロードするために料金無料番号のような電話番号がダイヤルされてもよい。
【0024】
[0029] 衛星軌跡モデル39をリフレッシュするために移動装置10とサーバー23との間の接続が確立されてもよい。他の場合には、この接続が存在しなくてもよい。例えば、コンピュータネットワーク21の接続のない現場の状態では、GPSハンドヘルド10が、図1に示された1つ以上の衛星信号12から衛星情報を得てもよい。このような情報は、通常、放送時間から約2〜6時間は有効である。有効周期が終わる前に、GPS受信器は、動作を継続するために天体暦情報の別の有効放送を得なければならない。
【0025】
[0030]別の実施形態では、GPS基準ステーション27−1、27−2及び27−3からの衛星追跡データがサーバー23に使用されて、約1週間までの周期中は有効である長期間衛星軌跡モデル39が形成される。軌道モデル及びそれに関連した長期間軌道軌跡データは、2001年6月19日に出願されたジェームスW.ラマンス、チャールズアブラハム、及びフランクバンジゲレン氏の「LONG TERM EPHEMERIS」と題する特許出願第09/884,874号、及び2001年6月6日に出願されたジェームスW.ラマンス、チャールズアブラハム、及びフランクバンジゲレン氏の「METHOD ANS APPARATUS FOR GENERATING AND DISTRIBUTING SATELLITE TRACKING」と題する特許出願第09/875,809号のような出願中の関連特許出願に詳細に開示されている。本発明の1つの態様では、長期間軌道軌跡モデルがGPS移動装置10に使用されて、サーバー23により与えられた衛星軌跡モデル39の有効周期が延長される。これは、コンピュータネットワーク21に容易にアクセスできない状態においてGPS移動装置10を使用できるインターバルを増加する。
【0026】
[0031]図3を参照すれば、本発明の1つ以上の態様に基づきセルラー捕捉信号を受信する移動又はハンドセットGPSユニットの一実施形態の一部分が流れ図で例示されている。セルラーベースステーション13は、周波数修正信号31と、時間同期信号32と、フレーム番号のようなタイミングメッセージ信号33と、セル識別番号信号34Aとを含む多数のセルラー捕捉信号を放送する。タイミングメッセージ信号33は、個別信号であってもよいし、又は時間同期信号32が与えられた時間メッセージ33でもよいことに注意されたい。セルラーベースステーション13のある実施形態では、付加的な信号、即ちセル位置信号34Bも与えられる。これら放送要素31、32、33、34A及び34Bの1つ以上は、特定のセルラーネットワーク実施形態において存在してもしなくてもよいことを理解されたい。更に、あるセルラーネットワークでは、放送要素31、32、33、34A及び34Bの1つ以上は、種々の組み合せの複合信号へと合成されてもよい。本発明の1つ以上の態様に基づき、これら信号31、32、33、34A及び34Bの1つ以上は、個々に、一緒に又は種々の組合せで使用されてもよい。
【0027】
[0032]従来、セルラー捕捉信号は、その少なくとも一部分が、セルラーハンドセットを、セルラーネットワークとの通信を確立する第1ステップとしてセルラーベースステーションに同期させられるようにするために与えられる。より詳細には、通信を確立する第1段階では、セルラーハンドセットは、捕捉信号のための特定周波数を監視する。本発明の1つ以上の態様によれば、1つ以上のセルラー捕捉信号が受信されるが、GPS移動装置は、セルラーネットワークとの両方向通信を確立するのに必要とされる後続ステップで動作を続けない。より詳細には、本発明の1つ以上の態様によれば、GPS移動装置は、データ又はメッセージ或いはその両方をセルラーネットワークへ送信しない。更に、GPS移動装置は、セルラーネットワークの契約なしに1つ以上の捕捉信号を受信してもよい。
【0028】
[0033]図4を参照すれば、本発明の1つ以上の態様に基づく移動又はハンドヘルドGPS10の一実施形態の一部分がブロック図で例示されている。図4を参照しながら、更に、図3を参照すると、1つ以上のセルラー捕捉信号31、32、33、34A及び34Bを集合的に且つセルラー捕捉信号102を単独で受信できるようにするために、特別な回路が従来のGPS受信器に追加される。これは、付加的なアンテナ、即ちアンテナ111に結合された第2の高周波(RF)チューナー、即ちセルラー捕捉フロントエンド131を含む。1つ以上のセルラー捕捉信号102がアンテナ111により受信され、セルラー捕捉フロントエンド131からセルラー捕捉信号基本帯域136へ供給される。セルラー捕捉信号基本帯域136は、例えば、セルラー電話の設計で良く知られた従来のデジタル処理を使用して、1つ以上のセルラー捕捉信号102をロック及びデコードするように使用される。コストを考慮して、セルラー捕捉フロントエンド131は、GPSアンテナ133に結合された単一のRF半導体集積回路130上の従来のGPSフロントエンド132に一体化されてもよい。更に、コストを節約するために、セルラー捕捉信号基本帯域136は、単一のデジタル信号処理半導体集積回路上の従来のGPS基本帯域137と一体化されて、GPS/セルラープロセッサ135を形成してもよい。このような集積回路は、例えば、デジタル信号プロセッサ(DSP)を含むが、これに限定されない。しかしながら、2つ以上の集積回路、例えば、DSP及び特定用途向け集積回路(ASIC)や、DSP及びFPGAが使用されてもよい。従って、集積回路130及び135を設けることにより、従来のGPSに対して僅かなコスト増分が付加されるだけである。更に、高周波CMOS(相補的金属酸化物半導体)のような他の技術は、基本帯域プロセッサの機能及びフロントエンドの機能を単一ASICに一体化することができる。この僅かな増分コストに含まれるのは、図4を参照して詳細に述べる追加フィルタ及び余分なアンテナである。更に、セルラー捕捉信号102は電力が比較的高いので、コストを更にコントロールするために単純なアンテナが使用されてもよい。或いは、GPS及びセルラー信号の両方を受信できる単一アンテナ100が使用されてもよい。
【0029】
[0034]周波数修正信号31の特性は、セルラーネットワークに基づいて変化する。CDMAシステムでは、周波数修正信号31は、パイロットチャンネルで構成されてもよい。パイロットチャンネルは、セルのカバレージエリアにわたって放送される共通チャンネルである。従来、パイロットチャンネルは、215チップの繰返し擬似ノイズ(PN)シーケンスを使用する。多数のベースステーションが同じPNコードを送信するが、相互干渉を回避するために異なるタイミングオフセットで送信する。パイロットチャンネルを検出するために、GPS移動ステーション10は、図4のセルラー捕捉フロントエンド131を使用して、セルラーベースステーション送信器を指示するエネルギーが検出されるまで、ある範囲のPNコードオフセットを走査してもよい。検出されたパイロット信号に対する位相又は周波数ロックにより、GPS移動装置10は、GPS移動装置10の基準発振器、例えば、図4の基準発振器138におけるエラーに関連した周波数オフセット35Aを測定してもよい。或いは又、GPS移動装置10は、パイロット信号の周波数エラーの開ループ測定を行って、周波数オフセット35Aを決定してもよい。
【0030】
[0035]GSMシステムでは、周波数修正信号31は、ベースステーションに指定された多数の周波数チャンネルの1つにおいてベースステーションにより周期的に送信される周波数修正バーストである。周波数修正バースト信号31は、チャンネルの搬送波周波数から特定のオフセットで送信される非変調トーンである。GPS移動装置10は、周波数修正バーストから周波数エラーの開ループ測定を行って、周波数オフセット35Aを決定してもよい。
【0031】
[0036]他の既知のセルラーシステムの中でも、例えば、ジェネラル・システム・モービル(GSM)システムやコード・ドメイン・マルチプル・アクセス(CDMA)システムにおいて、放送信号31、32、33、34A及び34Bの1つ以上が良く知られているので、明瞭化のためこれら信号に関する不必要な詳細説明は、ここでは、繰り返さない。
【0032】
[0037]別の実施形態では、図4の任意の基準発振器ステアリング回路142を使用して、基準発振器ステアリング35Bが与えられる。この実施形態では、周波数修正信号31がステアリング回路142(図4に示す)に関連して使用されて、基準発振器138(図4に示す)をその通常動作周波数範囲内に維持する。ステアリング回路142は、発振器138(図4に示す)の電圧制御入力に接続されたデジタル/アナログコンバータで構成されてもよい。周波数修正信号に基づいて基準発振器を周波数ステアリングすることは、セルラーハンドセットでは公知であり、一般的には、ハンドセット送信器を指定の送信周波数に正確に維持するよう確保するための要件である。しかしながら、GPS移動装置10は、セルラー信号送信器を含まないので、送信周波数を維持する必要はない。更に、GPS装置は、AGPS装置とは対照的に、電圧制御を伴わない発振器のような非ステアリング基準発振器から外れて動作する傾向がある。従って、非ステアリング基準発振器138(図4に示す)を、周波数修正信号31と共に使用して、例えば、セルラー捕捉基本帯域プロセッサ136(図4に示す)で周波数オフセット35Aを与え又は計算してもよい。周波数オフセット35Aは、周波数及び遅延サーチ窓41に送られる。
【0033】
[0038]特定のGPS衛星信号11に対する周波数及び遅延サーチ窓45の一実施形態が図5に示されている。当業者に明らかなように、この周波数及び遅延窓45は、周波数窓501の軸における不確実周波数と、遅延窓502の軸における不確実コード遅延との二次元スペースで構成される。GPS信号を捕捉するために、GPS受信器10(図4に示す)は、GPS信号に対して周波数及び遅延サーチ窓501及び502を各々サーチする。図5には例示的なGPS信号応答503が示されている。GPS受信器10(図4に示す)は、1つ以上のサーチビン504で走査することにより信号応答503を検出する。周波数及び/又は遅延の不確実性が大きい場合には、このサーチが時間浪費となる。これは、屋内環境において特に言えることであり、必要な信号対雑音比の改善を得るために、GPS受信器10(図4に示す)は、サーチビン504を進行させる前に数秒間停止して信号電力を蓄積する。従って、特に屋内動作の場合には、周波数及び遅延サーチ窓501及び502をできるだけ小さく保持することが有用である。
【0034】
[0039]図5を参照しながら、図1を再び参照する。周波数窓501は、ドップラー不確実性(GPS衛星11に対するGPS装置10の相対的運動による)と、GPS装置10における基準発振器138(図4に示す)の不正確さによる周波数不確実性との関数である。周波数オフセット35A(図3に示す)は、周波数修正信号31が従来通りに正確な周波数で送信されるので基準発振器138(図4に示す)からのオフセットの正確な推定を与える。従って、周波数窓501に対する基準発振器138の不確実性の影響は、周波数オフセット35Aで実質的に減少又は排除することができる。周波数窓501の調整は、基準発振器138の電圧をステアリングし又は周波数を制御する特殊目的回路を伴わずに、プログラムメモリ145(図4に示す)のソフトウェアアルゴリズムを使用して実行できることに注意されたい。或いは又、周波数窓501のオフセット作用は、基準発振器ステアリング回路142(図4に示す)で基準発振器138の周波数を変更することにより達成されてもよい。
【0035】
[0040]図3を再び参照すれ。時間同期信号32は、GPS移動装置10により得られて、時間オフセット36を決定することができる。時間同期信号32の特性は、セルラーネットワークに基づいて変化する。CDMAシステムでは、時間同期信号32は、同期チャンネルで構成することができる。この同期チャンネルは、セルのカバレージエリアにわたって放送される共通のチャンネルである。特定のセルラーベースステーションのパイロットチャンネル及び同期チャンネルは、215チップのPNシーケンスのような同一のPNシーケンスを使用する。更に、同期チャンネルは、特定のウオルシュ(Walsh)コードで変調され、異なるウオルシュコードを使用して同期チャンネルをページング及びトラフィックチャンネルから分離することができる。同期チャンネルは、タイミングメッセージ33を搬送する。特に、CDMAでは、同期チャンネルは、このようなパイロットチャンネルの時刻(time of day)オフセットを識別するパイロットPNオフセットを含むメッセージを搬送する。
【0036】
[0041]図3及び図4を再び参照すれば、CDMAに適合し得る実施形態において、GPS装置10は、先ず、近傍のベースステーション13のパイロットチャンネルをセルラー捕捉フロントエンド131で検出し、次いで、同じベースステーション13により放送されている同期チャンネルをデコードするように進む。GPS装置10は、GPS装置10のローカルタイムキープカウンタ139の特定のタイミングオフセットでこのようなパイロットチャンネルへの同期を達成する。その短時間後に、GPS装置10は、このようなパイロットチャンネルの時刻オフセットを含む時間メッセージ33を受信する。GPS装置10は、時間メッセージ33を、ローカルタイムキープカウンタ139のタイミングオフセットと共に使用して、時間オフセット36を計算する。CDMAでは、ベースステーション13の時刻が、GPS衛星11(図1に示す)により使用されるGPS時間に同期されるので、時間オフセット36は、ローカルタイムキープカウンタ139とGPS時間との間の絶対オフセットを与える。
【0037】
[0042]GSMシステムでは、時間同期信号32は、セルラーベースステーション13に指定された多数の周波数スロットの1つにおいてベースステーション13により周期的に送信される同期バーストである。時間同期信号32は、バーストのスタート点を識別する既知のビットシーケンスのような独特のヘッダを含む。更に、時間同期信号32は、他の要素の中でも、このような同期バーストに関連したGSMタイムスタンプを含むタイミングメッセージ33を搬送する。GSMに適合し得る実施形態では、GPS装置10は、時間同期信号32を受信し、そこからのヘッダ情報を使用して、ローカルタイムキープカウンタ139に対する同期バーストのスタート点を識別する。GPS装置10は、この情報をタイミングメッセージ33と結合して使用して、時間オフセット36を計算する。このようにして、時間オフセット36は、ローカルタイムキープカウンタ139と、ベースステーション13のGSMタイミングとの間のオフセットを与える。あるGSMネットワークでは、GSMタイミングがGPS時間と同期されない。それ故、時間オフセット36は、GPS時間に対する絶対的な時間オフセットを与えない。しかしながら、時間オフセット36は、以下に述べるように、相対的時間の指示子として有益に使用することができる。
【0038】
[0043]時間オフセット36の時間精度は、セルラーネットワークの実施に依存する。セルラーネットワーク内にGPSタイミングを組み込むCDMAのようなシステムでは、高いタイミング精度がある。他のネットワーク、例えば、GSMでは、時間同期バーストの相対的なタイミングが良好であるが、GPS時間に対して未知のオフセットが存在することがある。最終的に、あるシステムでは、時間指示子が絶対指示子でよいが、精度が限定された状態では、例えば、日時が手でセットされたコンピュータサーバー23(図2に示す)からの時間でよい。
【0039】
[0044]精度に応じて、使用可能な時間オフセット36がGPS装置10内で多数の目的に使用することができる。時間オフセット36の精度が1ミリ秒より実質的に良好である場合には、時間オフセット36の正確な時間成分41を周波数及び遅延サーチ窓45に組み込むことができる。より詳細には、図5を更に参照すれば、正確なタイミングが得られない一般的なケースでは、遅延窓502は、公称1ミリ秒であるC/Aコードの全周期に及ぶことが良く知られている(C/Aコードは、従来、民間用途に使用できるコードを指す)。このため、GPS基本帯域プロセッサ137内でローカルに発生されるC/Aコードのタイミングは、GPS信号12(図1に示す)に対して任意である。しかしながら、正確な時間成分41が得られる場合には、ローカルに発生されるC/Aコードを、GPS信号12(図1に示す)に対してタイミング合わせすることができる。より詳細には、GPS装置10は、GPS基本帯域137内のC/Aコードジェネレータ及びセルラー捕捉基本帯域136に対して共通のタイムキープカウンタ139を使用する。従って、上述した時間同期信号32から決定された時間オフセット36は、ローカルタイムキープカウンタ139に関連して使用されて、GPSタイミングに対してローカルに発生されるコードのスタート点をプログラムすることができる。このように、ローカルに発生されるコードの未知の相対的タイミングにより生じる遅延窓502の不確実性成分は、実質的に減少又は排除される。残りの遅延窓502の成分は、未知の擬似レンジ及び正確な時間成分41のエラーに関連した遅延不確実性である。以下に述べるように、擬似レンジは、衛星軌跡モデル及び位置の推定、例えば、位置情報34bから推定されてもよい。従って、正確な時間成分41が実質的に1ミリ秒未満の精度である場合には、遅延窓502を実質的に1ミリ秒未満に減少してもよい。
【0040】
[0045]図3〜5を更に参照する。1つの態様として周波数窓501を減少し、別の態様として遅延窓502を減少すると、二次元の周波数及び遅延サーチ窓45を完全にカバーするに必要なサーチビンの全数が実質的に減少される。上述したように、これは、GPS受信器10、又はより詳細には、GPS基本帯域プロセッサ137が、より迅速にサーチを行えるようにし、それ故、GPS衛星信号12(図1に示す)を得るに必要な時間を短縮できるようにする。更に、減少されたサーチ窓は、各サーチビンに長く停止する機会をGPS移動装置10に与える。長い停止は、屋内の弱い信号を受信できるようにする信号対雑音比の改善を与える。
【0041】
[0046]任意であるが、時間オフセット36は、コヒレントな平均化50に与えられる。コヒレントな平均化50は、C/Aコードの多数の連続サイクルから相関結果を平均化することにより各サーチビンにおける信号対雑音比を改善する。コヒレントな平均化を行うときには、GPS信号に対する50bpsのナビゲーションデータビットの影響を考慮しなければならない。より詳細には、ナビゲーションデータビットにより、GPS信号は、C/Aコードの20サイクルごとに潜在的な180度の位相遷移を受ける。信号対雑音比の改善のために、単一ナビゲーションデータビットを含むC/Aコードの20個の連続サイクルにわたってコヒレントな平均化が実行される。更に、性能を改善するために、この平均化プロセスは、ナビゲーションデータビットのタイミングと同期されねばならず、さもなければ、データビットが変化すると、このような平均化プロセスが部分的に無効となることがある。このため、コヒレントな平均化50とナビゲーションデータビットのタイミングとの同期を得ることが望ましい。ナビゲーションデータビットのタイミングは、全ての衛星11(図1に示す)に対して均一であり、GPS時間と同期される。
【0042】
[0047]GPS装置10に到達するデータビットのタイミングは、ローカルタイムキープカウンタ139と、GPS装置10と衛星11(図1に示す)との間の擬似レンジ遅延との関数である。正確な時間成分41は、ローカルタイムキープカウンタ139とGPS時間との関係を確立する。従って、擬似レンジが以下に述べるように推定された場合には、正確な時間成分41を、ローカルタイムキープカウンタ139に関連して使用して、コヒレントな平均化50のスタート及びストップ時間を制御し、コヒレントな平均化のインターバルを、到来するナビゲーションデータビットに合致させることができる。
【0043】
[0048]時刻42は、時間オフセット36の絶対成分であり、GPS時間単位という単位に変換される。この変換は、多数の形式をとることができ、例えば、ジュリアン(Julian)データシステムからの変換、又はセルラーネットワークにより使用される他の何らかのタイムキープ規格をとることができる。時刻42は、時間オフセット36の精度が1ミリ秒以下である用途、即ち正確な時間成分41を発生できないときでも、GPS受信器10内で使用されてもよい。特に、時刻42は、衛星位置43を確認するための基準時間を与える。より詳細には、時刻42は、衛星軌跡モデル39に対する基準時間を与える。衛星11が空を迅速に移動するときには、時刻42は、少なくともほぼ10ミリ秒以内の精度であり、衛星位置の予想エラーがほぼ数メーター以下となるのが好ましい。しかしながら、時刻42がこの精度レベルを与えない場合には、時刻42のエラーがナビゲーション解決策の一部分として解消されてもよい。この後者の状態では、時刻42の精度が重要でなく、サーバー又はリアルタイムクロックにより与えられる時間のようなおおよその時間推定で充分である。このような方法は、例えば、2000年11月17日に出願されたフランクバンジゲレン氏の「METHOD AND APPARATUS FOR TIME-FREE PROCESSING OF GPS SIGNALS」と題する出願中の特許出願第09/715,860号に詳細に説明されたタイムフリーGPSである。
【0044】
[0049]時間オフセット36がGPS時間に対して任意の関係を有する場合には、時刻42を直接使用できない。しかしながら、時間オフセット36は、相対的時間の指示子として有益なことがある。例えば、GPS移動装置10は、ナビゲーションデータ流の週時間(time of week)(TOW)部分をデコードする従来の方法により初期の時刻を決定してもよい。TOWは、セルラーネットワークの時間とGPSの時間との関係を決定するのに使用できる。例えば、時間オフセット36は、GSMシステムの時間とGPSの時刻との間のオフセットを表わすことができる。この関係が確立されると、セルラーベースステーションが正確な発振器を使用してそれらのタイミング信号を発生するので、長期間にわたってその関係を一定に保つことができる。従って、GPS移動装置10は、時間オフセット36を使用して、セルラーネットワークとGPS時間との間の以前に決定された関係に基づいて時刻42を決定することもできる。このようにして、GPS移動装置10は、時間同期信号32からの時間同期バーストを使用して時刻を確認して、屋内動作環境における位置を得ることができる。更に、GPS移動装置10は、時間を維持するためのバッテリ作動式リアルタイムクロックをもたずに機能することができる。
【0045】
[0050]セルラーベースステーション13は、セル識別番号34Aを与えることができる。このメッセージの詳細は、セルラーネットワークと共に変化する。セル識別番号34Aは、GPS移動装置10のメモリに記憶されたルックアップテーブル37においてセルラーベースステーション13の位置をルックアップするのに使用できる。これは、GPS移動装置10のおおよその又は推定された位置38を与え、即ちGPS移動装置10は、通信タワー13の位置の経度及び緯度に関連したセクター内にある。セクターのサイズは、田舎、郊外及び都市のエリアネットワークで異なるので、この位置推定38は、前記エリアネットワークの1つにおけるセルラーベースステーション13の位置に基づいて適宜変化する。セルラーベースステーション13がそのセル位置35Bを与えるように構成された場合には、セル位置ルックアップテーブル37を回避してもよく、位置推定38は、セル位置信号34Bに基づいて与えられる。
【0046】
[0051]位置推定38は、視線計算40のために与えられる。より詳細には、位置推定38は、衛星の位置、速度及びクロック推定43と結合されて、予想擬似レンジ及び擬似レンジレート44と、GPS装置10と各GPS衛星11(図1に示す)との間の単位ベクトル49とを決定する。視線計算40と、擬似レンジ及び擬似レンジレート44と、単位ベクトル49と、遅延及び周波数測定値47は、位置、速度及び時間計算48にとって充分である。このような計算の詳細は良く知られており、明瞭化のためにここでは繰り返さない。
【0047】
[0052]擬似レンジ及び擬似レンジレート44は、周波数及び遅延サーチ窓45に与えられる。特に、擬似レンジレートは、GPS移動装置10と各GPS衛星(図1に示す)との間のドップラーシフトの推定を与え、周波数窓501を決定できるようにする。同様に、擬似レンジは、GPS移動装置10と各GPS衛星11(図1に示す)との間のタイミング遅延の推定を与え、遅延窓502の決定を容易にする。上述したように、擬似レンジ及び擬似レンジレート44は、周波数及び遅延サーチ窓45の成分、より詳細には、基準発振器138の周波数不確実性及びタイムキープカウンタ139に結合されたローカル発生されたC/Aコードの時間不確実性であり、これらは両方ともセルラー捕捉信号102により実質的に減少することができる。
【0048】
[0053]集積回路135は、基本帯域プロセッサ136及び137へクロック信号を与えるためのタイムキープカウンタ139を含むことができる。基準発振器138は、ある裕度内の決定された周波数をタイムキープカウンタ139に供給するのに使用できる。マイクロプロセッサのような汎用プロセッサ141は、図3を参照して述べたように、捕捉信号基本帯域136からの情報を受け取って、GPS基本帯域137へ出力を供給するように結合される。マイクロプロセッサ141は、仕切られたメモリ即ち個々のメモリ144及び145で構成できるメモリ146に結合される。個々のメモリに対し、プログラムメモリ145は、図3を参照して述べたように、1つ以上のセルラー捕捉信号を使用して、衛星レンジ及びレンジレートに関する情報を与えるためのプログラムを記憶するのに使用される。従って、プログラムメモリは、プログラム可能な不揮発性メモリ、例えば、EPROM、E2PROM、フラッシュメモリ等でよい。データメモリ144は、マイクロプロセッサ141に対するデータを一時的に記憶するのに使用できる。従って、データメモリ144は、プログラム可能な揮発性メモリ、例えば、DRAM、SRAM等でよい。任意であるが、ドッキングステーション、データモデム及び/又はネットワークインターフェイス143は、1つ以上の衛星軌跡モデルを受け取るためにマイクロプロセッサ141に接続されてもよい。任意であるが、デジタル/アナログ(D/A)コンバータ142は、周波数のデジタル信号を受け取ってそれを同じ周波数のアナログ信号に変換し、基準発振器138へステアリング電圧を供給するためにマイクロプロセッサ141に結合されてもよい。
【0049】
[0054]セルラー捕捉信号を受け取って使用するためのGPS装置内の増分回路は最小であることを理解されたい。特に、この回路の範囲及びコストは、送信回路、デジタル信号処理回路、音声処理回路、プロトコルスタックプロセッサ、及び他の多数のコンポーネントを含む完全なセルラー電話より遥かに少ない。従って、本発明の1つ以上の態様に基づくGPSシステムは、従来のAGPSシステムを形成するためのコストより低いコストで製造できることが予想される。
【0050】
[0055]ここに述べた実施形態は、GSM及びCDMAシステムに対して詳細に説明したが、本発明は、iDEN、TDMA、AMPS、GPRS、CDMA−2000及び他の2.5ネットワーク、並びにW−CDMA及び他の3Gネットワークを含むあらゆる形式のセルラーネットワークに使用できることが明らかである。更に、本発明は、多数の形式のセルラー捕捉信号を単一の装置において受け入れることができる。特に、セルラー捕捉フロントエンド131及びセルラー捕捉基本帯域136は、多数のネットワークからの信号の同時又は逐次処理を組み込むように構成できる。これは、更に、規定のカバレージ領域内だけでなく、世界中のどこででもGPS装置10の使用を容易にし、従って、1組のセルラーネットワーク信号を受信して使用する能力を与えることが要望される。
【0051】
[0056]GPS衛星について説明したが、本発明の1つ以上の態様は、GPS信号と同様のPNコードを放送するシュードライト(pseudolite)、即ち地上ベースの送信器と共に使用されてもよいことが明らかである。従って、ここで使用する「衛星」という語は、シュードライト及びその等効物を包含するものとする。更に、「衛星信号」又は「GPS信号」という語は、シュードライト及びその等効物からの衛星状及びGPS状信号も包含するものとする。更に、GPSシステムについて説明したが、本発明の1つ以上の態様は、ロシアグロナス(Russian Glonass)システムを含む(これに限定されないが)同様の衛星ポジショニングシステムにも等しく適用できることが明らかである。
【0052】
[0027]以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明の基本的な範囲から逸脱せずに他の及び更に別の実施形態も案出でき、従って、本発明の範囲は、特許請求の範囲により限定される。
【図面の簡単な説明】
【0053】
【図1】本発明の1つ以上の態様に基づくGPS及びセルラーネットワークの一実施形態の一部分を例示するネットワーク図である。
【図2】本発明の1つ以上の態様に基づくGPS及びコンピュータネットワークの一実施形態の一部分を例示するネットワーク図である。
【図3】本発明の1つ以上の態様に基づいてセルラー捕捉信号を受信する移動又はハンドセットGPSユニットの一実施形態の一部分を例示する流れ図である。
【図4】本発明の1つ以上の態様に基づくGPSユニットの一実施形態の一部分を例示するチップレベルブロック図である。
【図5】本発明の1つ以上の態様に基づく周波数及び遅延窓の一実施形態を示す信号検出図である。
Claims (42)
- グローバルポジショニングシステム(GPS)信号を受信する方法であって、
セルラーネットワークから周波数修正バーストを得るステップと、
前記周波数修正バーストに応答して周波数オフセットを決定するステップと、
前記セルラーネットワークに契約する必要なく前記GPS信号を受信するために前記周波数オフセットに応答して周波数サーチ窓を決定するステップと、
を備えた方法。 - GPSハンドヘルド装置へのグローバルポジショニングシステム(GPS)信号を受信する方法であって、
セルラーネットワークから時間同期バーストを得るステップと、
前記時間同期バーストに応答してタイミングオフセットを決定するステップと、
前記セルラーネットワークに契約する必要なく前記GPS信号を受信するために前記タイミングオフセットに応答して時刻を決定するステップと、
を備えた方法。 - 前記時刻に応答して衛星の位置及び衛星の速度の少なくとも1つを決定するステップを更に備えた請求項2に記載の方法。
- 前記衛星の位置に応答して前記GPS信号を受信するための遅延サーチ窓を決定するステップを更に備えた請求項3に記載の方法。
- 前記衛星の速度に応答して前記GPS信号を受信するための周波数サーチ窓を決定するステップを更に備えた請求項3に記載の方法。
- 前記衛星の位置に応答して前記GPSハンドヘルド装置の位置を計算するステップを更に備えた請求項3に記載の方法。
- 前記衛星の速度に応答して前記GPSハンドヘルド装置の速度を計算するステップを更に備えた請求項3に記載の方法。
- 前記時刻に応答して前記GPS信号を受信するための遅延サーチ窓を決定するステップを更に備えた請求項2に記載の方法。
- 前記GPSハンドヘルド装置への前記GPS信号を受信するステップと、
前記時刻に応答してナビゲーションデータビットに同期させるようにコヒレントに平均化するステップと、
を更に備えた請求項2に記載の方法。 - セルラーネットワークのセルラーベースステーションの付近でグローバルポジショニングシステム(GPS)ハンドヘルド装置の位置を決定する方法であって、
前記セルラーベースステーションから位置情報及び識別情報の少なくとも1つを得るステップと、
前記セルラーネットワークへ料金ベースでアクセスする必要なく前記位置情報及び識別情報の少なくとも1つに応答して前記GPSハンドヘルド装置の位置推定を決定するステップと、
を備えた方法。 - 前記位置推定に応答して擬似レンジを計算するステップを更に備えた請求項10に記載の方法。
- 前記擬似レンジに応答してGPS信号を受信するための遅延サーチ窓を決定するステップを更に備えた請求項11に記載の方法。
- 前記擬似レンジに応答してコヒレントな平均化をナビゲーションデータビットに同期させるステップを更に備えた請求項11に記載の方法。
- 前記位置推定に応答して擬似レンジレートを計算するステップを更に備えた請求項10に記載の方法。
- GPS信号を受信するために前記擬似レンジレートに応答して周波数サーチ窓を決定するステップを更に備えた請求項14に記載の方法。
- 前記識別情報は、セル識別子である請求項10に記載の方法。
- ベースステーションの位置を前記セル識別子に関連付けるルックアップテーブルを設けるステップを更に備え、位置推定を決定する前記ステップは、前記セル識別子を使用して前記セルラーベースステーションのセルラーベースステーション位置を得ることを含む請求項16に記載の方法。
- 前記位置情報は、前記セルラーベースステーションのセルラーベースステーション位置である請求項10に記載の方法。
- 少なくとも1つのアンテナと、
前記少なくとも1つのアンテナに結合されて、セルラー捕捉信号を受信するためのセルラー捕捉信号フロントエンドと、
前記少なくとも1つのアンテナに結合されて、GPS信号を受信するためのGPS信号フロントエンドと、
前記GPSフロントエンド及び前記セルラー捕捉フロントエンドに結合されたGPS/セルラープロセッサであって、前記GPSフロントエンドと電気的に通信するGPS基本帯域プロセッサ、及び前記セルラー捕捉信号フロントエンドと電気的に通信するセルラー捕捉信号基本帯域プロセッサと共に構成されたGPS/セルラープロセッサと、
前記GPS/セルラープロセッサに結合された基準発振器と、
前記セルラー捕捉信号基本帯域プロセッサ及び前記GPS基本帯域プロセッサに結合された汎用プロセッサと、
前記汎用プロセッサに結合されたメモリと、
を備えたグローバルポジショニングシステム(GPS)移動装置。 - 前記GPS移動装置は、セルラー送信器を備えていない請求項19に記載のGPS移動装置。
- 前記GPS移動装置は、セルラーハンドセットと一体化されない請求項19に記載のGPS移動装置。
- 前記セルラー捕捉信号フロントエンド及びGPS信号フロントエンドは、単一の集積回路において一体化される請求項19に記載のGPS移動装置。
- 前記セルラー捕捉信号基本帯域プロセッサ及びGPS基本帯域プロセッサは、単一の集積回路において一体化される請求項19に記載のGPS移動装置。
- 前記基準発振器に結合され且つ前記セルラー捕捉信号基本帯域プロセッサ及び前記GPS基本帯域プロセッサと電気的に通信するタイムキープカウンタを更に備えた請求項19に記載のGPS移動装置。
- グローバルポジショニングシステム(GPS)信号を受信する方法であって、
セルラーネットワークから周波数修正バーストを得るステップと、
前記周波数修正バーストに応答して周波数オフセットを決定するステップと、
前記セルラーネットワークにセルラー信号を送信する必要なく前記GPS信号を受信するために前記周波数オフセットに応答して周波数サーチ窓を決定するステップと、
を備えた方法。 - GPSハンドヘルド装置へのグローバルポジショニングシステム(GPS)信号を受信する方法であって、
セルラーネットワークから時間同期バーストを得るステップと、
前記時間同期バーストに応答してタイミングオフセットを決定するステップと、
前記セルラーネットワークにセルラー信号を送信する必要なく前記GPS信号を受信するために前記タイミングオフセットに応答して時刻を決定するステップと、
を備えた方法。 - 前記時刻に応答して衛星の位置及び衛星の速度の少なくとも1つを決定するステップを更に備えた請求項26に記載の方法。
- 前記衛星の位置に応答して前記GPS信号を受信するための遅延サーチ窓を決定するステップを更に備えた請求項27に記載の方法。
- 前記衛星の速度に応答して前記GPS信号を受信するための周波数サーチ窓を決定するステップを更に備えた請求項27に記載の方法。
- 前記衛星の位置に応答して前記GPSハンドヘルド装置の位置を計算するステップを更に備えた請求項27に記載の方法。
- 前記衛星の速度に応答して前記GPSハンドヘルド装置の速度を計算するステップを更に備えた請求項27に記載の方法。
- 前記時刻に応答して前記GPS信号を受信するための遅延サーチ窓を決定するステップを更に備えた請求項26に記載の方法。
- 前記GPSハンドヘルド装置への前記GPS信号を受信するステップと、
前記時刻に応答してナビゲーションデータビットに同期させるようにコヒレントに平均化するステップと、
を更に備えた請求項26に記載の方法。 - セルラーネットワークのセルラーベースステーションの付近でグローバルポジショニングシステム(GPS)ハンドヘルド装置の位置を決定する方法であって、
前記セルラーベースステーションから位置情報及び識別情報の少なくとも1つを得るステップと、
前記セルラーネットワークへセルラー信号を送信する必要なく前記位置情報及び識別情報の少なくとも1つに応答して前記GPSハンドヘルド装置の位置推定を決定するステップと、
を備えた方法。 - 前記位置推定に応答して擬似レンジを計算するステップを更に備えた請求項34に記載の方法。
- 前記擬似レンジに応答してGPS信号を受信するための遅延サーチ窓を決定するステップを更に備えた請求項35に記載の方法。
- 前記擬似レンジに応答してコヒレントな平均化をナビゲーションデータビットに同期させるステップを更に備えた請求項35に記載の方法。
- 前記位置推定に応答して擬似レンジレートを計算するステップを更に備えた請求項34に記載の方法。
- GPS信号を受信するために前記擬似レンジレートに応答して周波数サーチ窓を決定するステップを更に備えた請求項38に記載の方法。
- 前記識別情報は、セル識別子である請求項34に記載の方法。
- ベースステーションの位置をセル識別子に関連付けるルックアップテーブルを設けるステップを更に備え、位置推定を決定する前記ステップは、前記セル識別子を使用して前記セルラーベースステーションのセルラーベースステーション位置を得る段階を含む請求項39に記載の方法。
- 前記位置情報は、前記セルラーベースステーションのセルラーベースステーション位置である請求項34に記載の方法。
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