JP2006501480A - Ｇｐｓ受信機の周波数オフセットの自己調整 - Google Patents

Abstract

全地球測位システム（ＧＰＳ）の受信機（１０２）は、ＧＰＳダウンコンバータ（１１０）によりＧＰＳ衛星信号を受信し取得する際に使用される信号を合成する際に使用される、基準発振器（１１４）を有する。受信機（２０４）の製造時に、受信機は試験され、発振器の工場周波数オフセットが決定される（２０６）。受信機の構成要素を取り付けるのに使用されるハンダ・リフローに使用される熱が、結晶を始めとする発振器装置の動作周波数を、かなり大きく変動させることがわかった。その上、受信機の製造後の短期間の間に、発振器の周波数はその元の動作周波数に戻るように変化するため、ＧＰＳ搬送波の検索に使用される狭い検索ウィンドウは不適当であり、受信機は所望の搬送波信号を見出せない可能性がある。本発明は、製造後の期間に、発振器の周波数が落ち着き、装置が初めてオンにされると、動作周波数オフセットを決定するために受信機を広い検索ウィンドウに関して積極的に使用する（２１２）、ということを利用している。その後、後続の位置決定動作のために、狭い検索ウィンドウが使用される（２２２）。

Description

本発明は、一般には、衛星信号を使用した位置決定装置に関し、詳細には、受信機の製造中に導入された周波数誤差を有し、そのような誤差が受信機の製造後の一定期間にわたって変動する、衛星位置決定受信機に関する。

（発明の背景）
衛星位置決定受信機は多年にわたって使用されており、現在は集積回路の形で実装されているため、数年前のサイズおよびコストと比較すると比較的小さくかつ安価になっている。従って、衛星位置決定受信機は、過去よりも、より多くの用途に使用されている。例えば、衛星位置決定受信機を、マッピング設備やナビゲーション設備を備えて使用される自動車に比較的よく見出すことができる。

現在、最も一般的な形式では、衛星位置決定受信機は集積回路の形で提供されており、基準発振器を始めとするいくつかの周辺回路の追加を必要とする。当然ながら、基準発振器には、安定かつ正確な発振回路が設けられ得る。一般に、熱安定性および精度はコストの関数である。すなわち、発振回路がより安定しており、正確であれば、一般に、コストはより多くかかる。しかしながら、コスト重視の高い家庭用電子機器では、安価な回路を使用することが望ましい。

発振器を実装するそれほど高価でない手段の中でも、水晶発振器はそのコストの割に比較的安定しており正確である。他の安価で複雑でない発振器手段も存在するが、水晶発振器は電子機器に最も広く用いられている回路の１つである。ほとんどの家庭用電子機器の場合、水晶発振器は十分に安定かつ正確であり、通常修正を必要としない。しかしながら、一般に、水晶発振器は、他のタイプの発振器と同様に、百万分の一（parts per million ，ｐｐｍ）で測定された周波数精度で規定される。例えば１０メガヘルツ（ＭＨｚ）の公称動作周波数と±５ｐｐｍの誤差を備えた水晶発振器は、±５０Ｈｚの周波数誤差を有するだろう。そのような誤差は、公称周波数に比べて小さくても、チャネルが周波数によって規定される通信用途のような周波数重視の用途では許容しがたい誤差である。５０Ｈｚの誤差は、通信信号を意図したチャンネルに隣接するチャンネルへ容易にドリフトさせるおそれがある。

周波数誤差を修正するために使用されている多くの技術があるが、これらの技術は限定的なものではないため、それらの技術の修正効果を正確な基準発振器を確立するために統合し得る。例えば、より正確な発振器が利用可能であり、従って、５．０ｐｐｍの発振器装置を使用する代わりに、設計者は０．５ｐｐｍの精度を有するより低い許容差（tolerance ）部分を使用することを選択し得る。よく用いられる技術は、自動周波数修正（ＡＦＣ）の使用である。ＡＦＣは様々な技術により行なうことができる。通信装置におけるより一般的な技術の１つは、装置が正確な搬送波信号を受け取り、周波数誤差またはオフセットを決定するために、装置の内部発振器周波数を受け取った正確な搬送波と比較することである。オフセットは、例えば周波数合成器または装置内の他の周波数依存オペレータにより基準発振器周波数を修正するために使用される。

より正確な発振器装置の使用にもかかわらず、製造プロセスの結果、発振器装置の周波数がその規定許容差を越えて変化し得ることがわかった。例えば、０．５ｐｐｍは短時間の間では温度に対しては適当であり得るが、結晶は、より長い期間にわたると、老化や機械的衝撃、あるいはそれらの両方のために、より大きな変化を受ける場合がある。具体的には、例えば、水晶発振器装置が回路基板のハンダ・リフローの最中のような高熱に曝された場合、０．５ｐｐｍの規定許容差を有する結晶は５．０ｐｐｍの規定許容差を有する結晶よりも１０倍大きく変化し得る。さらに、高熱への曝露後の一定期間の間、水晶の周波数はその公称周波数へ戻るように変化し続けるだろう。その期間は、通常、約２日間続く。その後、水晶の周波数は落ち着き、その後の周波数の変化は、装置がいかなる高温にも曝されないと仮定すると、比較的小さくなる。装置の製造後、装置は通常試験され、調整されるため、このような周波数変化は問題を生じさせる。装置が製造後まもない時期に試験され、調整されると、ユーザが装置を使用する準備ができる時までに、発振器の動作周波数が製造後まもない時期の状態から変化しているため、そのような調整は効果がないだろう。周波数が変化するだろうことが一般に予想され、信号を受け取る装置では、搬送波信号を取得するために装置が検索する周波数範囲があり、次に、必要ならば、装置はその周波数オフセットを修正するだろう。しかしながら、場合によっては、装置が最初に試験される時と、装置がユーザに使用される時との間に周波数が大幅に変化し、所望の搬送波信号を見つけるには検索ウィンドウが十分に広くない場合があることがわかっている。より広い検索ウィンドウを使用することは可能ではあるが、より広い検索ウィンドウは、装置が所望の搬送波信号を検索し得る時間の量を増加させる。従って、通常の動作の間の検索時間に影響を及ぼさずに、装置の製造後の発振器周波数の変化を調整する手段が必要とされている。

本明細書は、新規と見なされる本発明の特徴を定義する請求項で締めくくられているが、本発明は以下の説明を図面と関連付けて考慮すればより良く理解されるものと考えられる。図面では、同様な参照数字が繰り返し使用されている。

本発明は、２つの異なる検索ウィンドウの周波数範囲を使用することにより上記の課題を解決する。受信機の製造後の受信機の試験中に決定される周波数誤差設定を使用して、まず、広い検索ウィンドウが、工場設定周波数誤差またはオフセットと共に使用される。一旦所望の搬送波が得られると、新しい周波数オフセットが決定され、狭い周波数検索ウィンドウがその後使用される。本発明の１実施形態では、この手順は、工場での試験後に装置に初めて電源が入れられた時に試みられる。本発明の別の実施形態では、受信機が広い周波数検索ウィンドウを使用して所望の搬送波を検知または取得しなかった場合に、ユーザが屋内またはそれ以外の妨害位置に位置すると仮定して、受信機を空の開放した景色の位置に移動させるために、受信機のユーザにメッセージが表示される。

ここで図１を参照すると、本発明の、全地球位置測位衛星（ＧＰＳ）受信機１０２の概要のブロック図１００が示される。ＧＰＳ受信機は、アンテナ１０４、フィルタ１０６およびアンプ１０８を含むフロントエンドを有する。フロントエンド要素は、衛星１１２によって放送された、所望の周波数帯で受け取られる信号を、受け取り、増幅するために調整される。ＧＰＳシステムに関連する例証的な実施形態をここに説明しているが、本発明は他の衛星測位システムを含む他の受信機アプリケーションにも等しく適用されると想定されることに留意する。アンプ１０８はフィルタされ増幅された信号を、ＧＰＳダウンコンバータ１１０に与える。ダウンコンバータは、周波数合成器とダウン・ミキサを備え、基準発振器１１４からの基準信号を使用してＧＰＳ周波数帯の周波数を合成する。ＧＰＳ衛星は、すべて同じ周波数で放送しているが、それらの現在位置および受信機に対する移動方向が受信信号のドップラーシフトを引き起こすことが周知である。実際に、ドップラー誤差の決定は、受信機の位置の計算に使用される。合成信号は、ベースバンド信号を生成するために、フロントエンドから受け取られた信号と混合され、ベースバンド信号は、ダウンコンバータによって使用される現在のドップラー誤差に関する情報と共に、ＧＰＳベースバンド・プロセッサ１１６に与えられる。ベースバンド・プロセッサは、ＧＰＳダウンコンバータによって現在合成されている周波数でＧＰＳ信号が受け取られているか否かを決定するために、修正を行なう。この修正では、コントローラ１１８によって提供される基準発振器のオフセット誤差を考慮する。コントローラ１１８はそのようなオフセット誤差をメモリ１２０から持ってくる。しかしながら、十分な数の衛星信号を取得すると、ＧＰＳベースバンド・プロセッサは、現在のオフセットが正しいか否かを決定することができる。正しくない場合、コントローラには新しいオフセットが渡され、コントローラはその新しいオフセットをメモリに格納する。コントローラはさらに、ベースバンドプロセッサにより検索される周波数範囲を決定する検索ウィンドウパラメータを、ＧＰＳベースバンドプロセッサへ渡す。

好ましい実施形態では、基準発振器１１４は、例えば温度補償型水晶発振器のような水晶発振器である。代替の受信機の設計では、コントローラ１１８は通信インタフェース１２２を介して発振器１１４をモニタし、デジタル−アナログコントローラ（ＤＡＣ）１２４により発振器１１４の周波数を調節することができる。コントローラ１１８はＤＡＣにデジタル値を与え、ＤＡＣはそのデジタル値を制御電圧に変換する。制御電圧は、基準発振器１１４を調節するために、当該技術分野で周知の方法で発振器１１４に印加される。

ＧＰＳ受信機を始めとする位置決定設備の１つの望ましい用途は、移動通信装置内でのＧＰＳ受信機の使用である。ＧＰＳ対応の移動通信装置は、ユーザが自身の位置を知ることができないか自身の位置を非常時サービス・オペレータに対して関連付けることができない非常時の状況では特に利点がある。

通常の移動通信装置は、ＲＦ信号を送受するためのアンテナを有する。アンテナは送受信機１２８に結合される。送受信機は、当該技術分野において周知のように、アンプ、アップミキサ、ダウンミキサ、周波数合成器、ＡＦＣ、信号処理回路等を有する。送受信機はコントローラ１１８の制御下で動作し、オーディオ・プロセッサ１３０と共に動作する。オーディオ・プロセッサは、送受信機から受け取った音声信号をスピーカ１３２を介して再生し、移動通信装置のユーザによって生成された音声信号をマイクロホン１３４を通じて受け取る。ディスプレイや、キーパッドおよび他のボタンのような通常の構成要素を備えたユーザインタフェース１３６は、ユーザが移動通信装置およびＧＰＳ受信機を操作することを可能にする。移動通信装置は基地局１３８と通信する。基地局１３８はその基地局の近くにサービス提供セルまたはサービス・エリアを設置する。支援なしで、自律モードで位置フィックス（fi x ) を得る時間は、非常時の状況で望まれる時間よりはるかに長い可能性があるため、基地局との移動通信装置リンクを介して、支援情報をＧＰＳ受信機に送ることにより、ＧＰＳ受信機を支援することが望ましい。支援情報は、基地局にいるローカルＧＰＳ受信機１４０から、または基地局によりアクセス可能なローカル支援サーバ１４２からネットワークを介して、得ることができる。支援情報には、例えば、現在見えている衛星に関する天体位置情報、周波数修正等が含まれる。しかしながら、本発明によれば、ＧＰＳ受信機の基準発振器１１４は、セルラ基地局からの支援手段または基地局が接続されている無線通信サービスネットワークに関する他の手段によっては修正されない。

ここで図２を参照すると、本発明の、ＧＰＳ受信機の周波数オフセットを自己修正する方法のフローチャート２００が示される。プロセスの開始２０２では、受信機が、水晶発振器を始めとする発振器手段を含む構成要素から組み立てられる。受信機の製造（２０４）の間に、受信機は、例えばハンダ・リフローの間に起こるように、高熱に曝される。これにより、発振器装置の動作周波数が変化する。受信機の製造後、受信機が十分に冷えると、受信機は試験され、調整される。工場での試験中、受信機は正確な搬送波信号を与えられ、その基準発振器の周波数オフセットを決定することができる（２０６）。この最初の周波数オフセットは工場周波数オフセットと称される。このオフセットは、基準発振器の実際の現在の動作周波数の、その公称周波数からの差を表わす値である。一旦工場周波数オフセットが決定されると、それは受信機の不揮発性メモリに格納されるか、ＧＰＳ受信機が移動通信装置に組み込まれている場合には移動通信装置に格納される。

通常、製造後、受信機は一時的に保管され、次に、店か、あるいは顧客に直接出荷される（２０８）。製造と最終の顧客による受取との間の期間は、通常、長くとも数日間である。この非活動期間の間に、発振器の動作周波数が重要な量、温度にわたるその定格周波数許容差を超える量だけ、変化する可能性があることが判明した。すなわち、たとえ発振器装置が温度にわたって０．５ｐｐｍの許容差で定格されていても、この最初の定置期間に５．０ｐｐｍも変化する可能性がある。搬送波の通常の検索が工場周波数オフセットで試みられる場合、基準発振器の周波数が大きく変わるため、また、そのような検索は予め設定された何らかのウィンドウまたは範囲に周波数範囲が通常は制限されているため、受信機は所望の搬送波を検知できない可能性がある。受信機が周波数ウィンドウ内で所望の搬送波を見つけていない場合、搬送波は存在しないと仮定される。従って、本発明によれば、受信機は、広周波数範囲の検索ウィンドウ２１２を使用して、動作周波数オフセットの決定を開始する（２１０）。広い検索ウィンドウの幅は、周波数範囲の点から、規定の設計ならびに製造プロセスへの発振器の応答および製造直後の期間にわたる後続の振動数シフトに基づいて選択される。本発明の好ましい実施形態では、発振器は、０．５ｐｐｍの許容差を有する温度補償型水晶発振器であり、広い検索ウィンドウは５．０ｐｐｍの範囲を有する。動作周波数オフセットと称される新しい周波数オフセットを決定すべく最初の検索を始める際には、受信機はＧＰＳ衛星信号２１４を取得しなければならない。受信機は、工場周波数オフセットを使用して検索を開始し、得られた周波数付近で、かつ広い検索ウィンドウ内のスペクトルを検索することにより、これを行う。受信機は、ＧＰＳ衛星信号の取得を支援するために受信機を晴れた空かまたは非妨害位置に移動させるように、受信機（２１６）のユーザを促してもよい。そのような促進は、受信機がＧＰＳ衛星信号の取得をはじめて試みた時にルーチンかつ自動に行われてもよいし、または検索ウィンドウ全体を検索し、ＧＰＳ衛星搬送波信号を見出さなかった時に行われてもよい。促進は、例えば、受信機または受信機を組み込んだ移動通信装置のディスプレイ上にメッセージを表示することにより、容易に行なわれる。テキストメッセージの代わりに、またはテキストメッセージと共に、オーディオ信号が使用され得る。一旦受信機がＧＰＳ衛星信号を取得すると、受信機は基準発振器の現在の周波数オフセットを決定することができる。この時に決定された周波数オフセットは、小さな変化を受けた後、後続の動作（２２０）のための動作周波数オフセットになり、受信機で使用するために不揮発性メモリに格納される。この周波数オフセットは、工場周波数オフセットと実質的に異なるであろうと予想される。さらには、発振器周波数は比較的安定であり、変化が発振器装置の規定許容差を超えることはないため、後続の位置決定動作には狭い検索ウィンドウ２２２が使用される。狭周波数検索ウィンドウは、発振器装置の通常の動作許容差よりも広い必要はない。好ましい実施形態では、０．５ｐｐｍの温度補償型発振器が使用され、狭い検索ウィンドウは発振器の公称周波数の０．５ｐｐｍ以下の周波数範囲、すなわち基準発振器の温度にわたる規定周波数許容差と実質的に等しい範囲を含む。後続の位置決定動作では、当該技術分野で周知のように、受信機は、例えばセルラ移動通信ネットワークから得られた、特定の支援情報を使用し得る（２２４）。後続の位置決定動作の間、先に言及したように、周波数オフセットは変わる場合があり、その場合には、新しい周波数オフセットが格納されるだろう。狭い周波数検索範囲を使用する間に、信号が検知されたが、しかしその信号が弱い信号と考えられる場合、ＧＰＳ受信機は、信号の強度を増して、かつ位置決定時間を短縮すべく、非妨害位置へ移動するようにユーザを促し得ることが想定される。さらに、狭い周波数範囲検索ウィンドウを使用して検索している間に、信号が見つからなかった場合、ＧＰＳ受信機は広周波数範囲検索ウィンドウの使用に戻り得る（２２５）ことも想定される。本発明の１実施形態では、ＧＰＳ受信機は、位置決定と共に非常サービスの要求に使用される移動通信装置に組み入れられる。第１のフィックス（fix ）を得るためには長時間が必要とされるため、第１のフィックスは移動通信装置の電源が初めてオンにされた時に試みられることが想定される。「フィックス」とは、装置の現在位置の決定、および従って現在の周波数オフセット誤差の決定を意味する。さらに、装置のメモリに格納されたオフセット誤差には日付が付けられ、ＧＰＳ受信機が使用された最後の時からある実質的な期間が経過した場合、ＧＰＳ受信機は広周波数範囲ウィンドウを使用した検索を開始してもよいことが想定される。

従って、本発明は、ＧＰＳ受信機の製造の間に導入された周波数誤差を修正するために全地球測位システム（ＧＰＳ）受信機の周波数オフセットの自己調整を行なう方法であって、ＧＰＳ受信機の製造時にＧＰＳ受信機の基準発振器の工場周波数オフセットを決定することから始まる方法を提供する。工場周波数オフセットを決定した後、受信機は、ＧＰＳ衛星信号を得る目的で、工場周波数オフセットと広周波数範囲検索ウィンドウを使用して、ＧＰＳ衛星信号を検索し始める。ＧＰＳ信号を得ると、受信機は、ＧＰＳ衛星信号の周波数から、ＧＰＳ受信機の基準発振器の動作周波数オフセットを決定し始める。後続の位置決定動作では、受信機が、狭周波数範囲検索ウィンドウを使用して、衛星信号を得る。本発明の好ましい実施形態では、基準発振器は公称周波数を有し、動作周波数オフセットの決定は、基準発振器の公称動作周波数の少なくとも３．０ｐｐｍまでに設定された広い周波数ウィンドウで行なわれる。本発明は、温度補償型水晶発振器を含む、水晶発振器に特に適用可能である。本発明は、ＧＰＳ信号の検索開始時に、ＧＰＳ受信機が組込まれた移動通信装置のディスプレイを含む、ＧＰＳ受信機のディスプレイ上にメッセージを表示し、ＧＰＳ受信機のユーザにＧＰＳ受信機を非妨害位置へ移動させるよう命令することを含み得る。メッセージの表示は、自動的に行われてもよいし、ＧＰＳ衛星信号を検索して、一定期間後にＧＰＳ衛星信号が見つからなかった後に行なわれてもよい。

本発明の好ましい実施形態を図示し、説明してきたが、本発明がそのように制限されないことは明らかであろう。当業者には、特許請求の範囲によって定義される本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、多くの改変物、変更物、変形物、置換物および等価物が思い浮かぶだろう。

本発明による全地球位置測位衛星（ＧＰＳ）受信機の略ブロック図。 本発明によるＧＰＳ受信機の周波数オフセットを自己修正する方法のフローチャート。

Claims (10)

1. 全地球測位システム（ＧＰＳ）受信機の基準発振器の周波数誤差を修正するために該ＧＰＳ受信機の周波数オフセットの自己調整を行なう方法であって、
   ＧＰＳ受信機の製造時に、ＧＰＳ受信機の基準発振器の工場周波数オフセットを決定すること；
   前記工場周波数オフセットを決定した後に、前記工場周波数オフセットと広周波数範囲の検索ウィンドウを使用して、ＧＰＳ衛星信号を検索すること；
   前記ＧＰＳ信号を検索し始めた後に、ＧＰＳ衛星信号を得ること；
   前記ＧＰＳ信号を得ると、前記ＧＰＳ衛星信号の周波数から、ＧＰＳ受信機の基準発振器の動作周波数オフセットを決定すること；および
   前記動作周波数オフセットを決定すると、引き続きＧＰＳ衛星信号を得るために狭周波数範囲の検索ウィンドウを使用すること；
   から成る方法。
2. 前記動作周波数オフセットの決定は、基準発振器の温度にわたる規定周波数許容差より広く設定された広周波数範囲の検索ウィンドウを用いて行なわれる、請求項１に記載のＧＰＳ受信機の周波数オフセットの自己調整を行う方法。
3. 前記周波数オフセットの決定は工場周波数オフセットの決定により行なわれ、前記動作周波数オフセットの決定は基準水晶発振器の周波数オフセットの決定により行われる、請求項１に記載のＧＰＳ受信機の周波数オフセットの自己調整を行う方法。
4. 前記周波数オフセットの決定は工場周波数オフセットの決定により行なわれ、前記動作周波数オフセットの決定は温度補償型基準水晶発振器の周波数オフセットの決定により行われる、請求項３に記載のＧＰＳ受信機の周波数オフセットの自己調整を行う方法。
5. 前記動作周波数オフセットを決定すると、引き続きＧＰＳ衛星信号を得るために、基準発振器の温度にわたる周波数許容差と実質的に等しい周波数範囲の検索ウィンドウが使用される、請求項１に記載のＧＰＳ受信機の周波数オフセットの自己調整を行う方法。
6. 前記ＧＰＳ信号を検索し始めた後に、ＧＰＳ受信機を非妨害位置へ移動するよう受信機のユーザに命令するメッセージをＧＰＳ受信機のディスプレイ上に表示する、請求項１に記載のＧＰＳ受信機の周波数オフセットの自己調整を行う方法。
7. 前記メッセージの表示は、ＧＰＳ衛星信号を検索し、一定期間後にＧＰＳ衛星信号が見つからなかった後で行なわれる、請求項６に記載のＧＰＳ受信機の周波数オフセットの自己調整を行う方法。
8. 全地球測位システム（ＧＰＳ）受信機の基準発振器の周波数誤差を修正するために該ＧＰＳ受信機を備えた移動通信装置の周波数オフセットの自己調整を行なう方法であって、
   ＧＰＳ受信機の製造時に、ＧＰＳ受信機の基準発振器の工場周波数オフセットを決定すること；
   前記工場周波数オフセットを決定した後に、前記工場周波数オフセットと広周波数範囲の検索ウィンドウを使用して、ＧＰＳ衛星信号を検索すること；
   前記ＧＰＳ信号を検索し始めた後に、ＧＰＳ衛星信号を得ること；
   前記ＧＰＳ信号を得ると、前記ＧＰＳ衛星信号の周波数から、ＧＰＳ受信機の基準発振器の動作周波数オフセットを決定すること；および
   前記動作周波数オフセットを決定すると、引き続きＧＰＳ衛星信号を得るために、狭周波数範囲の検索ウィンドウと移動通信装置の外部ソースから受け取った支援情報を使用すること；
   から成る方法。
9. 前記動作周波数オフセットの決定は、基準発振器の温度にわたる規定周波数許容差より広く設定された広周波数範囲の検索ウィンドウを用いて行なわれる、請求項８に記載のＧＰＳ受信機を備えた移動通信装置の周波数オフセットの自己調整を行なう方法。
10. 前記周波数オフセットの決定は工場周波数オフセットの決定により行なわれ、前記動作周波数オフセットの決定は基準水晶発振器の周波数オフセットの決定により行われる、請求項８に記載のＧＰＳ受信機を備えた移動通信装置の周波数オフセットの自己調整を行なう方法。

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