JP2006502406A - 衛星測位システムにおいて時刻を決定するための方法およびシステム - Google Patents

衛星測位システムにおいて時刻を決定するための方法およびシステム Download PDF

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Abstract

衛星信号受信機で時刻推定値を受信するための方法および装置は、サーバから時刻推定値を受信し、その時刻推定値を使用して、衛星信号受信機のクロックの誤差を補償する。補償済クロックの出力は、衛星信号受信機の位置を計算するときに使用される。時刻推定値は、ネットワーク時刻プロトコル（ＮＴＰ）もしくは簡易ネットワーク時刻プロトコル（ＳＮＴＰ）を使用して、またはサーバからの単方向ブロードキャストによって受信される。

Description

関連出願の相互参照
[0001]本出願は、２００２年７月９日に発行された米国特許第６４１７８０１号の一部継続出願である、２００２年７月８日に出願された同時係属中の米国特許出願第１０／１９０７４５号の一部継続出願であって、上記の各出願は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
発明の背景
[0002]本発明は一般に、衛星ベースの位置探索に関し、より詳細には、本発明は、衛星測位システムにおいて時刻を決定するための方法およびシステムに関する。
関連技術の説明
[0003]全地球測位システム（ＧＰＳ）受信機は通常、衛星から送信され、地表面上または付近にある受信機によって受信される信号の、送信と受信の間の時間遅延を計算することによって、自らの位置を決定する。時間遅延に光速を乗じることによって、受信機から、受信機の視野内にある各衛星までの距離が得られる。ＧＰＳ衛星は、衛星の位置データ、いわゆる「軌道暦」データを受信機に送信する。軌道暦データに加えて、衛星は、衛星信号に関連する絶対時刻情報も受信機に送信する。すなわち、絶対時刻信号は、週内の秒を示す信号（ａ ｓｅｃｏｎｄ ｏｆ ｔｈｅ ｗｅｅｋ ｓｉｇｎａｌ）として送信される。この絶対時刻信号によって、受信機は、各受信信号が各衛星からいつ送信されたかに関する時刻タグを明確に決定することができる。各信号の正確な送信時刻を知ることによって、受信機は、軌道暦データを使用して、各衛星が信号を送信した時にどこにいたかを計算する。最後に、受信機は、衛星の位置についての知識と、計算した衛星までの距離とを組み合わせて、受信機の位置を計算する。
[0004]より具体的には、ＧＰＳ受信機は、軌道を周回するＧＰＳ衛星から送信された、独自の擬似ランダム雑音（ＰＮ）符号を含むＧＰＳ信号を受信する。ＧＰＳ受信機は、受信したＰＮ信号系列と、内部的に発生させたＰＮ信号系列との間の時間的なずれを比較することによって、信号の送信と受信の間の時間遅延を決定する。
[0005]送信された各ＧＰＳ信号は、直接系列拡散スペクトル信号である。商用として利用可能なＧＰＳ信号は、標準測位サービスによって提供されている。これらの信号は、１５７５．４２ＭＨｚ（Ｌ１周波数）の搬送波上で、拡散率が１．０２３ＭＨｚの直接系列拡散信号を利用する。各衛星は、個々の衛星を識別する（Ｃ／Ａ符号として知られる）独自のＰＮ符号を送信することで、複数の衛星から信号が同時に送信されても、１つの信号が別の信号の干渉をほとんど受けることなく、それらの信号を受信機で同時に受信できるようにする。ＰＮ符号系列の長さは、１ミリ秒の時間間隔当たり１０２３チップである。１０２３チップの１周期は、ＰＮフレームと呼ばれる。各受信ＧＰＳ信号は、１０２３チップからなる反復性のある１．０２３ＭＨｚのＰＮパターンから構成される。信号レベルが非常に低くても、多くのＰＮフレームを処理し、基本的に平均をとることによって、ＰＮパターンを観測して、明確な時間遅延測定値を提供することができる。測定されたこれらの時間遅延は、１ミリ秒のＰＮフレーム境界を法とする剰余として知られているので、「サブミリ秒擬似距離（ｓｕｂ−ｍｉｌｌｉｓｅｃｏｎｄ ｐｓｅｕｄｏｒａｎｇｅ）」と呼ばれる。衛星ごとに各遅延についてのミリ秒の整数部を求めることによって、正しく明確な擬似距離が得られる。明確な擬似距離を求めるプロセスは、「整数ミリ秒曖昧性解決（ｉｎｔｅｇｅｒ ｍｉｌｌｉｓｅｃｏｎｄ ａｍｂｉｇｕｉｔｙ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ）」として知られている。
[0006]ＧＰＳ受信機の位置を求めるには、ＧＰＳ信号が送信された絶対時刻と、その絶対時刻における衛星の位置とについての知識と共に、４つで１組の擬似距離を用いれば十分である。送信の絶対時刻は、送信時刻における衛星の位置を決定するために、ひいては、ＧＰＳ受信機の位置を決定するために必要である。ＧＰＳ衛星は、約３．９ｋｍ／ｓで移動しており、その結果、地球から観測される衛星までの距離は、最大±８００ｍ／ｓの割合で変化する。絶対時刻誤差は、１ミリ秒の時刻誤差につき、最大で０．８ｍの距離誤差を生じさせる。これらの距離誤差は、ＧＰＳ受信機の位置についても同様の大きさの誤差を生じさせる。したがって、位置に関して約１０ｍの精度を達成するには、絶対時刻の精度を１０ｍｓとすれば十分である。１０ｍｓを大きく超える絶対時刻誤差は、大きな位置誤差を生じさせるので、一般的なＧＰＳ受信機では、絶対時刻の精度を約１０ｍｓか、それより良好にする必要がある。
[0007]絶対時刻誤差は、ＧＰＳ衛星のクロックドリフトの結果として生じる誤差も導入するが、これらの誤差は、衛星位置の誤差に比べてはるかに小さいので、本明細書で行う説明では無視できることに留意されたい（ＧＰＳクロックドリフトは、一般に１秒につき０．１ナノ秒より小さく、衛星までの観測距離は、ＧＰＳクロックドリフトに光速を乗じた分だけ影響を受けるので、この誤差は、０．０３ｍ／ｓより小さくなり、衛星位置の変化に起因する誤差よりも約２万５千倍小さい）。
[0008]ＧＰＳ測位に緊密に関係する別の時間パラメータに、サブミリ秒擬似距離を測定するのに使用される時刻基準に関するサブミリ秒オフセット（ｓｕｂ−ｍｉｌｌｉｓｅｃｏｎｄ ｏｆｆｓｅｔ）がある。このオフセットは、すべての測定値に等しく影響し、そのため、「共通モード誤差（ｃｏｍｍｏｎ ｍｏｄｅ ｅｒｒｏｒ）」として知られている。
[0009]共通モード誤差を、絶対時刻誤差と混同すべきではない。上で説明したように、１ミリ秒の絶対時刻誤差は、最大０．８ｍの距離誤差を生じさせるが、１マイクロ秒の絶対時刻誤差は、１ミリメートルより小さいほとんど識別できない距離誤差を生じさせるに過ぎない。しかし、１マイクロ秒の共通モード誤差は、１マイクロ秒に光速を乗じた、３００メートルの擬似距離誤差を生じさせる。共通モード誤差は、擬似距離にそのような大きな影響を及ぼすが、実際上、共通モード誤差の較正は非常に難しい。そのため、従来のＧＰＳ受信機は、特定の受信機で十分多くの擬似距離を測定した後で、位置と共に求めるべき未知量として、共通モード誤差を取り扱う。
[0010]多数の衛星について、ＧＰＳ信号を探索し取得するプロセス、ならびに軌道暦データおよび絶対時刻を含む関連データを読み取るプロセスは、多くの時間を費やし、受信機の位置を計算する際に、許容できない遅延を導入する。さらに、多くの状況において、衛星信号に対する妨害が発生し得る。そのような場合、受信信号レベルが低くなりすぎて、誤りなく衛星データを復調し、取り出すことができない。しかし、そのような信号が劣化した状況でも、軌道暦および絶対時刻について外部情報源が利用できれば、受信機は、衛星信号を追跡して、時刻遅延を（ひいては、距離を）測定することができる。
[0011]軌道暦（または等価の）データおよび絶対時刻情報からなる「アシスト」ＧＰＳ（“ａｓｓｉｓｔｅｄ”ＧＰＳ）を提供するため、様々な技術革新が達成された。支援情報は、選択可能な通信形態のいずれか（通常は、セルラーデータチャネルなどの無線）を使用して、ＧＰＳ受信機に送信される。アシストＧＰＳを使用することによって、ＧＰＳ受信機は、信号レベルが低すぎて、従来のＧＰＳが正常に機能できないエリアでも、動作することができる。
[0012]現在、大部分のアシストＧＰＳは、衛星の位置を正確に決定するために、絶対時刻についての正確な外部知識をセルラーネットワークから得る必要がある。絶対時刻は、１ミリ秒から１０ミリ秒の間の精度のものが必要とされ、無線システムでは、しばしば無線信号のフレーミング境界から取得される。残念ながら、ＧＰＳ受信機において絶対時刻を無線ネットワークから上記の精度で容易に取得できる、ＧＰＳ支援の望ましい実施は存在しない。例えば、ＡＭＰＳセルラー電話システムは、時刻情報をサポートしておらず、（今のところ）北米ＴＤＭＡセルラー電話システムでも同様である。ＧＳＭセルラー電話システムは、時刻情報をサポートしているが、位置測定ユニット（ＬＭＵ：ｌｏｃａｔｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｕｎｉｔ）として知られるネットワーク要素を追加しなければならない。ＬＭＵは、互いに関係するすべての基地局とＧＰＳとの時刻オフセットを監視し、ＧＰＳ受信機が絶対時刻を取得するためにＧＳＭ信号のフレーミング境界を使用できるように、そのオフセット値をＧＰＳ受信機に送信する。しかし、ＬＭＵが配備されているのは、ＧＳＭネットワークの一部だけである。ＬＭＵを備えていないＧＳＭネットワークや、セルラーネットワークが絶対時刻を提供できないその他の状況では、無線ネットワーク信号から取得される絶対時刻についての正確な外部知識をもたずに、ＧＰＳ受信機の位置を計算するための方法を提供することが望ましい。
[0013]したがって、当技術分野では、衛星からの絶対時刻情報にも、無線ネットワーク信号から取得される絶対時刻の外部情報源にもアクセスすることなく、衛星測位システムにおいて時刻を決定するための方法およびシステムが必要とされている。
発明の概要
[0014]本発明は、衛星信号受信機で時刻推定値を受信するための方法およびシステムである。本発明は、サーバから時刻推定値を受信し、その時刻推定値を使用して、衛星信号受信機でクロックの誤差を補償する。補償済クロックの出力は、衛星信号受信機の位置を計算するときに使用される。本発明の一実施形態では、時刻推定値は、ネットワーク時刻プロトコル（ＮＴＰ）を使用して受信される。本発明の別の実施形態では、時刻推定値は、簡易ネットワーク時刻プロトコル（ＳＮＴＰ）を使用して受信される。本発明のさらに別の実施形態では、時刻推定値は、サーバから衛星信号受信機にブロードキャストされる。
[0015]本発明の一実施形態では、本発明は、位置を計算するときに、補償済クロックの出力を使用する。本発明の別の実施形態では、本発明は、絶対時刻の事前推定値（ａ−ｐｒｉｏｒｉ ｅｓｔｉｍａｔｅ）を更新する数学的モデルの中で、補償済クロックの出力を絶対時刻の事前推定値として使用して、衛星信号受信機の位置および絶対時刻を決定する。本発明のさらに別の実施形態では、本発明は、補償済クロックの出力を使用して、絶対時刻の事前推定値を更新する数学的モデルを使用して計算される絶対時刻の整合性をチェックする。このようにして、本発明は、衛星からの絶対時刻情報も、無線ネットワーク信号から取得される絶対時刻の外部情報源も取得せずに、衛星信号受信機の位置を決定することができる。
[0016]上で述べた本発明の特徴を達成する方法を詳細に理解できるように、添付の図面に示された本発明の実施形態を参照しながら、上で簡潔に要約した本発明をより詳細に説明する。
[0017]しかし、添付の図面は、本発明の典型的な実施形態のみを示したものに過ぎず、それゆえ、本発明の範囲を限定するものと見なすべきではなく、本発明がその他の等しく有効な実施形態も許容できることに留意すべきである。
詳細な説明
[0030]本発明は、全地球測位システム（ＧＰＳ）において、ＧＰＳ受信機で絶対時刻情報にアクセスすることなく、位置および時刻を決定するための方法および装置である。以下の説明では、本発明の完全な理解が得られるよう、説明のために数々の具体的な詳細が述べられている。しかし、それらの具体的な詳細がなくても、本発明を実施し得ることは、当業者には明らかであろう。
[0031]図１に、無線リンク１５０を介してサーバ１２１に結合された統合移動装置１０２を含む、本発明の一実施形態を示す。統合受信機１０２には、ＧＰＳ受信機１０８が、無線通信トランシーバ１１２と共に含まれる。ＧＰＳ受信機１０８は、受信機１０８の視野内にあるＧＰＳ衛星に関するサブミリ秒擬似距離だけを測定し、そのサブミリ秒擬似距離を、無線リンク１５０を使用してサーバ１２１に送信する。サーバ１２１は、無線通信を受信するのに使用される無線塔１１８の既知の所在位置から、ＧＰＳ受信機位置の近似的な事前推定値を形成する。サーバ１２１はまた、独自のリアルタイムクロックから時刻タグを割り当て、それによって、ＧＰＳ受信機１０８が衛星からＧＰＳ信号を受信した絶対時刻の事前推定値を生成する。事前位置が本当の位置から１００ｋｍ以内にあり、受信の事前絶対時刻が受信の本当の（未知の）時刻から１分以内にあるならば、サーバ１２１は、ミリ秒の整数部を求めることができ、その結果、サブミリ秒擬似距離を本当の擬似距離に変換することができる。
[0032]次に、サーバ１２１は、擬似距離を使用して、未知の受信機位置と絶対時刻とを求める。サーバは、中央処理装置（ＣＰＵ）１２２と、サーバクロック１２４と、塔所在位置データベース１２８と、ＣＰＵ支援回路１５２と、メモリ１５４とを含む。支援回路は、クロック回路、キャッシュ、電源、およびＩ／Ｏインタフェースなど、ＣＰＵ動作を円滑化する周知の回路を含む。メモリ１５４は、ランダムアクセスメモリ、読み取り専用メモリ、着脱可能記憶装置、ハードディスク記憶装置、またはこれらのメモリ装置の任意の組み合わせとすることができる。
[0033]本発明の一実施形態では、共通モード誤差は、サーバ１２１において、まったく未知であると仮定される。本発明の一実施形態では、サーバ１２１は、事前共通モード誤差がゼロであると仮定するが、結果に何らの変化も与えず、その他の任意の事前共通モード誤差が使用できることを理解されたい。未知のパラメータについての５つの事前推定値（３つの位置座標、１つの絶対時刻、１つの共通モード誤差）を用いて、サーバ１２１は、測定された擬似距離と事前情報とを未知のパラメータに関連づける数学的モデルを生成する。数学的モデルは、線形式として記述することができ、それを解くことによって、正確な位置と絶対時刻とが得られる。
[0034]より具体的には、複数の衛星（図示せず）からのＧＰＳ信号１０４が、ＧＰＳアンテナ１０６で受信される。受信信号は、ＧＰＳ受信機１０８に結合される。ＧＰＳ受信機１０８は、ＧＰＳ信号を処理して、パス１１０上にサブミリ秒擬似距離を形成し、サブミリ秒擬似距離は、通信トランシーバ１１２に結合され、通信アンテナ１１６からセルラー電話ネットワークなどの無線ネットワークを介して送信される。統合受信機１０２からの送信は、付近の無線塔１１８、例えば、セルラー電話塔によって受信される。前記無線塔１１８からは、サブミリ秒擬似距離と無線塔ＩＤとが、サーバ１２１に送信される。サーバ１２１では、サーバクロック１２４を使用して、サブミリ秒擬似距離がサーバで受信されたときに、時刻タグを提供する。サーバ１２１は、パス１２８を介して無線塔ＩＤを塔所在位置データベース１２８に渡し、データベース１２８から塔の所在位置を取得する。塔の所在位置は、パス１３０を介してＣＰＵ１２２に結合される。
[0035]サブミリ秒擬似距離データに対応するすべての衛星についての衛星軌道暦データは、何らかの外部情報源１２５（例えば、上空を見渡せるサーバ付近に所在する別のＧＰＳ受信機、またはＧＰＳ受信機ネットワークなどその他の何らかの情報源）からサーバに提供される。記述を簡潔にするため、「軌道暦」という用語は、衛星軌道パラメータおよび衛星クロックパラメータの意味で使用されていることに留意されたい。サーバ１２１のＣＰＵ１２２は、サブミリ秒擬似距離と、無線塔所在位置と、サーバ時刻と、軌道暦とを組み合わせて、正確なＧＰＳ受信機位置と、ＧＰＳ受信機１０８で信号を受信した正確な絶対時刻とを形成する。
[0036]上記の装置は、ＧＰＳ受信機１０８が、屋内で使用されたために絶対時刻情報と軌道暦データを確実に受信できず、軌道暦データの処理がサーバ１２１で達成される場合のことを想定している。しかし、場合によっては、サーバに擬似距離データを供給する代わりに、サーバ（またはその他の何らかの情報源）が、軌道暦データおよびクロック信号を移動装置１０２に供給することができ、移動装置が、位置計算を実行することができる。本発明のそのような一実施形態では、サーバ１２１に関して上で説明したのと同様の方法で信号を容易に処理できるように、（１２２および１２４に類似する）ＣＰＵとクロックが、移動装置１０２にも配置される。
[0037]図２に、図１のサーバＣＰＵ１２２によって実行されるプロセス２００のフローチャートを示す。ステップ２０２で、サーバクロック信号を使用して、ＧＰＳ受信機でＧＰＳ信号を受信した絶対時刻の事前推定値を提供する。サーバクロックの使用は、本発明を例示するために使用された１つの実施形態であり、一般に、時刻の事前推定値は、サーバクロック以外の時刻源からも取得できることを理解されたい。本発明は、絶対時刻の事前推定値の情報源または品質に関わりなく適用することができる。説明を簡潔にするため、この特定の実施形態では、ＧＰＳ受信機でＧＰＳ信号を受信した実際の絶対時刻から１分以内の時刻タグを提供するサーバクロックがあるものと仮定している。この簡潔化のための仮定は、多くの場合、実際に正しいが、本発明の必須部分ではなく、本発明の説明を簡潔にするためだけに本明細書で使用されている。この明細書の後のほうで、この簡潔化のための仮定は取り除かれる。
[0038]ステップ２０６で、塔の所在位置が、ＧＰＳ受信機位置の事前推定値として、ＣＰＵに提供される。塔の所在位置の使用は、使用できる数多くの事前位置のうちの１つの実施形態に過ぎないことを理解されたい（例えば、同じＧＰＳ受信機１０８について前もって計算された位置、もしくは最近使用された塔の位置の組み合わせを、事前位置として使用することができ、または事前位置を単に推測することもできる）。本発明は、事前位置の情報源または品質に関わりなく適用することができる。説明を簡潔にするため、この実施形態では、事前位置がＧＰＳ受信機１０８の本当の位置から１００ｋｍ以内にあるものと仮定している。この簡潔化のための仮定は、多くの場合、実際に正しいが、本発明の必須部分ではなく、本発明の説明を簡潔にするためだけに本明細書で使用されていることを理解されたい。この明細書の後のほうで、この簡潔化のための仮定は取り除かれる。
[0039]ステップ２０４およびステップ２０８で、ＧＰＳ受信機の視野内にある適切な衛星に関するサブミリ秒擬似距離および軌道暦も、プロセス２００への入力として提供される。
[0040]ステップ２１０で、サブミリ秒擬似距離の整数部が、図３に関して説明されるプロセスによって求められる。サブミリ秒擬似距離の整数部を求めることによって、プロセスは、完全な擬似距離を生成する。
[0041]ステップ２１２で、予想擬似距離が形成される。この予想擬似距離は、すべての事前パラメータ（事前位置、測定の事前絶対時刻、および事前共通モード誤差）が、現実にこれらのパラメータの実際値である場合に測定される擬似距離である。予想擬似距離は、ｒｉで表され、インデックスｉは、適切な衛星を表す。
[0042]ステップ２１４で、測定された擬似距離（ρｉで表す）と予想擬似距離（ｒｉ）との差として定義される、事前擬似距離残差が形成される。事前擬似距離残差は、ｕｉで表される。
[0043]ステップ２１６で、ｕをｘに関連づける数学的モデルが形成される。ただし、ｕは、ｕｉからなるベクトルであり、ｘは、位置、共通モード誤差、および受信絶対時刻の事前値に対する更新からなるベクトルである。
Figure 2006502406
 ただし、ｎは、擬似距離の数である。擬似距離は、長さの単位（例えば、メートル）で表される。
Figure 2006502406
 位置更新ｘ、ｙ、ｚは、長さの単位（例えば、メートル）で表され、時刻更新ｔｃ、ｔｓは、時間の単位（例えば、秒）で表される。
[0044]これら２つのベクトルを関連づける数学的モデルの実施形態は、テイラー級数であり、級数の第１項は、ｘに関するｕの１次導関数であり、第２項は、２次導関数を含み、以下も同様である。プロセスの一実施形態では、本発明は、テイラー級数の１次導関数のみを保つ線形化されたモデルを使用する。これによって、ｕをｘに関連づける以下の式が与えられる。
Figure 2006502406
[0045]∂ρｉ／∂ｘ、∂ρｉ／∂ｙ、および∂ρｉ／∂ｚの具体的な値は、事前位置を表すのに使用される座標系に依存する。行列Ｈの最初の３列の各項は、当技術分野でよく知られているので、さらなる説明は必要ないであろう。行列の第４列は、光速ｃであり、モデルのこの部分も、当技術分野で一般的である。本発明の新規の態様では行列に第５列を含む必要がある。この第５列は、絶対時刻の事前推定値に含まれる未知の誤差と測定された擬似距離との間の関係を正確にモデル化する。さらに、この列の各項は、時間に関する擬似距離の変化率であり、軌道暦データから正確に計算することができる。したがって、行列Ｈのすべての項を知ることができ、ＧＰＳ受信機で利用できる５つ以上の擬似距離があれば、線形代数を使用して、ｘの値を計算することができる。
[0046]ステップ２２０で、更新ｘ、ｙ、ｚを事前位置に加えることによって、ＧＰＳ受信機位置が計算され、更新ｔｓを受信の事前時刻に加えることによって、受信の絶対時刻が形成される。事前位置と事前絶対時刻が、本当の位置および本当の絶対時刻に十分近い場合、プロセス２００を１回実行するだけで、必要な精度をもった結果が得られる。しかし、プロセス２００の１回目の実行で、すばやく必要な精度に収束しない場合は、結果２２２を使用して、ステップ２０２用に新しい事前受信時刻推定値を、ステップ２０６用に新しい事前位置推定値を形成し、結果が正しい結果に収束するまで、プロセス２００を繰り返す（地球から衛星までの距離は、事前位置に含まれる誤差に比べて桁違いに大きいという事実のおかげで、１次テイラー級数を使用した線形化は、完備な非線形システムの非常に優れた数学的記述になるので、一般に、非常にわずかな繰り返ししか必要とされない）。
[0047]テイラー級数は、未知の位置および絶対時刻を、測定された擬似距離に関連づける数学的モデルの一実施例に過ぎないことを理解されたい。本発明は、許容できる解が得られるまで、未知のパラメータを繰り返し調整するなどの技法によって解くことができる、非線形モデルなど、その他のモデルを用いても等しく有効である。
[0048]上で仮定したように、事前位置が１００ｋｍ以内、事前絶対時刻が１分以内である場合、結果２２２は正確である。しかし、事前位置および時刻がこれらの限界内で分からない場合、ステップ２１０で、不正確な整数部が形成されることがあり、不正確な結果２２２が得られることがある。そのような場合、この誤り状態を検出するため、ステップ２２４で形成される事後残差が、図４に関して説明するように使用され、その後、異なる事前値が使用される。
[0049]図３に、サブミリ秒擬似距離の整数部（図２のステップ２１０）を求めるプロセス３００のフローチャートを示す。説明を簡潔にするため、この特定の実施形態では、事前位置は、ＧＰＳ受信機の本当の位置から１００ｋｍ以内にあり、事前絶対時刻推定値は、ＧＰＳ受信機でＧＰＳ信号を受信した本当の絶対時刻から１分以内であるものと仮定している。この簡潔化のための仮定は、多くの場合、実際に正しいが、本発明の必須部分ではなく、本発明の説明を簡潔にするためだけに本明細書で使用されている。図４、図５、および図６に関する説明で、この簡潔化のための仮定は取り除かれる。
[0050]ステップ３０８で、プロセス３００は、（ステップ２０２で提供される）受信の事前絶対時刻および（ステップ２０６で提供される）事前位置と共に、（ステップ２０８で提供される）衛星の軌道暦データを使用して、予想擬似距離を計算する。本明細書全体にわたって、軌道暦という用語は、衛星軌道パラメータおよび衛星クロックパラメータの意味で使用される。
[0051]ステップ３１０で、１つの衛星が、基準衛星として選択される。本発明の好ましい実施形態では、（事前位置から見て）最も高い仰角を有する衛星が、基準として選択されるが、どの衛星を基準として使用するかは重要でないことを理解されたい。基準衛星の予想擬似距離は、ｒ０で表される（パス３１２）。その他の衛星の予想擬似距離は、ｒｉで表される（パス３１４）。
[0052]ステップ３１８で、基準衛星に整数を割り当てる。その整数は、以下の式を満足しなければならない。
Ｎ０＊ｃ／１０３＋ｓ０−ｔｃ＝ｒ０−ｅ０
ただし、ｃは、ｍ／ｓで表される光速、ｔｃは、共通モード誤差、ｅ０は、事前位置および事前絶対時刻に含まれる複合誤差によって導入された、予想擬似距離に含まれる誤差である。
[0053]以下の説明で、他のすべての整数部でも正確に等しい誤差が生じるのであれば、共通モード誤差が、上記の整数部で生じる誤差を吸収することが分かるので、任意の整数を割り当てられることが、当業者には理解できるであろう。整数Ｎ０は、以下の式によって割り当てられる。
Ｎ０＝ｒｏｕｎｄ（（ｒ０−ｓ０）＊１０３／ｃ）
[0054]ステップ３２２で、すべての衛星のサブミリ秒擬似距離３２０をＮ０と共に使用して、残りの衛星のミリ秒値の整数部が計算される。Ｎ０にどのような値を選択したとしても、関連する共通モード誤差ｔｃが必ず含まれる。Ｎｉの値は、Ｎｉ、測定されたサブミリ秒擬似距離（ｓｉ）、予想擬似距離（ｒｉ）、および共通モード誤差（ｔｃ）を関連づける、以下の式を満足するように選択される。
Ｎｉ＊ｃ／１０３＋ｓｉ−ｔｃ＝ｒｉ−ｅｉ
ただし、ｅｉは、事前位置および事前絶対時刻に含まれる複合誤差によって導入された、予想擬似距離に含まれる誤差である。項ｔｃは（定義から）すべての衛星で共通なので、本発明の好ましい手法では、上記の式からＮ０に対応する式を引くことによって、項ｔｃを完全に消去する。こうすることで、Ｎｉに関する以下の式が得られる。
Ｎｉ＝ｒｏｕｎｄ（Ｎ０（ｓ０−ｓｉ＋ｒｉ−ｒ０）＊１０３／ｃ）
上記の式は、整数部を計算するプロセスの一実施形態を表す。ｔｃに対する関係がすべての整数部で一致するよう維持されているならば、任意の式を使用して、これらの整数部を計算できることを理解されたい。
[0055]上記の説明では、事前位置は、本当の位置から１００ｋｍ以内にあり、事前絶対時刻は、本当の絶対時刻から１分以内であることを仮定した。すべてのＧＰＳ衛星で、最大擬似距離率は、±８００ｍ／ｓである。したがって、誤差項ｅｉの最大値は、１００ｋｍ＋６０ｓ＊０．８ｋｍ／ｓ＝１４８ｋｍである。これは、１ Ｃ／Ａ符号ミリ秒期間の半分より小さく（すなわち、１整数ミリ秒の半分より小さく）、上で使用された丸め操作によって、必ず正確な整数部が得られる。図４、図５、および図６に関する開示では、事前位置の精度および事前時刻の精度に課されたこれら２つの制約は取り除かれる。
[0056]事前位置が１００ｋｍ以内で分からない場合であっても、一定の有限な精度限界内では知ることができる。同様に、事前絶対時刻が１分以内で分からない場合であっても、一定の有限な精度限界内では知ることができる。プロセス２００およびプロセス３００で説明したように、１００ｋｍおよび１分の制約内にある事前位置および事前時刻推定値からは、正確な整数部、正確なＧＰＳ受信機位置、および正確な絶対時刻が得られる。本発明の一実施形態では、すべての可能な事前位置からなる空間を、地形高度の検索テーブルから高度を割り当てた１００ｋｍ×１００ｋｍの緯経度グリッドに分割する。同様に、すべての可能な事前絶対時刻からなる空間を、１分の区分に分割する。こうすることで、すべての可能な事前位置と事前時刻からなる集合が得られる。プロセス２００は、集合に属する可能な事前位置と事前時刻の各値について、反復的に使用される。本当の値から１００ｋｍ以内かつ１分以内にある事前位置と事前時刻が見つかった場合、事後残差は小さく、上で説明したようにして、正確なＧＰＳ受信機位置と絶対時刻が計算される。
[0057]本発明のプロセス４００の一実施形態を図４に示す。ステップ４０２で、すべての可能な事前位置および残差から集合を形成する。本発明の一実施形態では、この集合は、地形高度の検索テーブルから高度を割り当てた１００ｋｍ×１００ｋｍのグリッドと、１分の区分に分割された時刻とで構成される。上で説明したように、１００ｋｍのグリッドに最大擬似距離率に１分を乗じた値を加えた値は、整数解決プロセス３００が正確な整数を選択するのに必要な、１ミリ秒の半分の範囲より小さい最大可能推定誤差を与えるので、これは便利な表現である。しかし、すべての可能な事前値を構成するために、前に使用した値から得た結果に基づいて、集合の新しい要素を動的に生成することを含む、多くの異なる方法が使用できることを理解されたい。
[0058]ステップ４０４で、プロセス４００は、１つの可能な事前位置と事前時刻の組を選択する。これらの値は、プロセス２００で使用される。ステップ４０６で、プロセス４００は、図２のステップ２２４で生成された事後残差を調べる。正確なＧＰＳ受信機位置と絶対時刻が計算されていれば、残差の大きさは小さい（すなわち、擬似距離測定誤差と同じオーダー、数１０メートル）。整数曖昧性が正確に解決されないほど、事前位置および時刻が本当の値から大きく乖離している場合、残差は大きい（すなわち、１ミリ秒期間のオーダー、何キロメートルもの距離）。残差が大きい場合、候補とした事前位置および時刻は不正確であり、可能な組からなる集合から取り除かれる。プロセス４００は、正確な位置と絶対時刻が計算されるまで繰り返される。
[0059]ＧＰＳ受信機で絶対時刻が利用できるとしても、従来の整数曖昧性解決プロセスでは、整数部を初期推定値によって一意に確定するには、本当の位置に十分近い、位置の初期推定値を必要としたことは、当業者であれば理解されよう。本発明は、位置の正確な初期推定値を必要とせずに正確な整数部を計算する新規な手段を提供する。
[0060]図５Ａおよび図５Ｂに、本発明の一実施形態において受信機位置を決定するのに使用されるグリッド５０２と、位置計算プロセス２００中に計算される残差の大きさ５０６とをそれぞれ示す。この例では、事前位置は、任意の推測により、北アメリカの中央に割り当てられている。次に、可能な各事前位置（グリッドポイント５０４）に関して、プロセス２００が実行され、事後残差の大きさが調べられる。妥当でない候補が不合格にされるごとに、１度×１度のグリッド５０２上を外側に探索することによって、別の候補（別のグリッドポイント５０４）が生成される（１度×１度のグリッドは、先に説明した１００ｋｍ×１００ｋｍのグリッドとは少し異なる実施形態であるが、どちらの実施形態でも、正確な整数部、ひいては、正確な位置および絶対時刻が得られる、少なくとも１つの事前位置が与えられることが保証されていることに留意されたい）。事前位置は、地形高度の検索テーブルから事前高度を割り当てることによって完全なものになる。図５Ａには、グリッド５０４上に１６６３個の妥当でない候補が示されており、図５Ｂには、対応する残差の大きさ５０６が、それぞれ不正確なミリ秒整数のオーダー（すなわち、何キロメートルもの距離）で示されている。検索が（カリフォルニア州サンホゼ内の）本当の位置付近にある事前位置に達すると、数学的モデルによって、正確な結果が「はじき出され」、正確な位置および時刻が計算される。１６６４番の事前位置候補（残差の大きさ５０８、グリッドポイント５１０）は、正しい位置から東へ約１７５ｋｍの地点にあり、この例では、位置および時刻の解を「はじき出す」のに十分な近さである。正確な解からは、約３０メートルの残差が生じるが、これは不正確な残差に比べて、１千から１万倍も小さい。
[0061]「小さな」残差（数十メートル）と「大きな」残差との間の大きな差（数万から数百万キロメートル）によって、本発明の実施形態は実用上、非常にうまく機能する。しかし、計算された位置および絶対時刻を、無線支援システムで使用される無線塔の所在位置など、何らかの他の手段によって得られた位置および時刻と比較することを含む、その他の方法を使用して、結果の品質をテストしてもよいことを理解されたい。また、非ゼロの残差を得るためには、未知数より多くの独立の観測値が必要であることも理解されたい。上で説明した実施形態では、５つの未知のパラメータ、すなわち、位置の座標が３つと、共通モード誤差と、絶対時刻とが存在する。したがって、非ゼロの残差を得るためには、少なくとも６つの独立した測定値が必要となる。６機のＧＰＳ衛星を観測できる場合、それらから６つの測定値を得ることができる。６機のＧＰＳ衛星を観測できない場合、とり得る複数のステップが存在し、その多くは当技術分野において一般的である。測定値の数は、その他の情報源からの測定値（無線システムからの到着時間に基づく距離測定値、無線システムで測定された到来角測定値、または取得し得るその他の任意の独立の測定値など）を含むことによって増やすことができる。
[0062]観測可能値の数は、位置についての既知の制約を「擬似測定値（ｐｓｅｕｄｏ−ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ）」として含むことによっても増やすことができ、例えば、既知または近似的に既知の高度を、擬似測定値として数学的モデルに導入することができる。数学的モデルが式ｕ＝Ｈｘで表される、上で具体的に説明した実施形態では、既知の高度の擬似測定値は、緯度、経度、および高度からなる座標において、最初に事前位置を指定し、次に事前高度に既知の高度を設定し、次に行列の式に新しい行を追加することによって生成することができる。
Figure 2006502406
 この手法によって、新たな測定値または観測可能値が数学的モデルに効果的に追加される。この手法は、当技術分野において一般的であり、未知のパラメータを求める際に役立て得る任意の制約に適用されることを理解されたい。
[0063]別の手法として、未知のパラメータを減らす手法がある。これは、既知または近似的に既知のパラメータを取り除くことによって実行することができる。最も一般に知られているパラメータは高度であるので、数学的モデルから高度を取り除くことができる。同様に、共通モード誤差は、（例えば、本発明が、安定した発振器にアクセスするシステムにおいて実施される場合）較正することができるので、数学的モデルから取り除くことができる。
[0064]開示した技法の様々な組み合わせを利用して、未知の絶対時間を含む未知の値を計算できることを理解されたい。
[0065]例えば、本発明の技法を使用して、位置を計算することなく、時間パラメータだけを計算することができる。本発明の好ましい実施形態では、これは、数学的モデル内で位置を事前位置に固定し、残りの２つの未知パラメータ、すなわち、共通モード誤差と絶対時刻を計算することによって行われる。
[0066]図６は、本発明の例示的な実施形態において試された、異なる事前時刻（軸６０４）に対する残差の大きさ（軸６０２）を示したグラフ６００である。この特定の例では、図５の各グリッドに対して、可能な時刻の範囲が１分刻みで試されている。最初の事前絶対時刻は、時刻を推測することによって選択されるが、この時刻は、受信の本当の絶対時刻よりも約２時間半遅いことが判明する。プロセス４００が、本当の位置から約１７５ｋｍ離れた事前位置と、本当の絶対時刻から１分以内の事前時刻を適用したとき、数学的モデルは、図５に示すように、正確な位置および時刻を計算する。一般に、事前位置および時刻が、プロセス３００が正確な整数部を計算するのに十分な近さをもつと、数学的モデルは、直ちに正確な位置および時刻を計算する。説明したように、本発明の好ましい実施形態では、適切なグリッドと適切に間を空けた時間間隔とを生成することによって、そのような事前位置および時刻が少なくとも１つ見つかることが保証されている。
[0067]上で説明した実施形態では、本発明は、擬似距離および軌道暦を使用して、衛星信号受信機の絶対位置と衛星信号を受信した絶対時刻とを計算した。しかし、衛星信号を受信した絶対時刻を一切計算することなく、衛星信号受信機の絶対位置を計算するのが望ましいことがある。したがって、本発明は、有利には、正確なＧＰＳ時刻（ＴＯＤ：ｔｉｍｅ−ｏｆ−ｄａｙ）を知ることなく、または計算することなく、ＧＰＳ測定値を利用して、受信機位置を決定する。
[0068]本発明の第２の実施形態を分かりやすく説明するため、従来技術によるＧＰＳ位置計算において、正確なＧＰＳ ＴＯＤが必要になる理由を理解する必要がある。ＧＰＳ受信機は位置を計算する際、最初に、無線信号を受信し、前記信号の送信と受信の間の遅延を測定することによって、複数の衛星から受信機までの距離を測定する。次に、衛星軌道データおよび正確なＴＯＤを使用して、信号が送信された瞬間における衛星位置を決定することができる。最後に、既知の衛星位置からの測定された距離を使用して、受信機の位置が計算される。したがって、従来技術のＧＰＳ受信機では、正確なＴＯＤが分からないと、正確な衛星位置を決定することができない。各衛星の位置に誤差が含まれると、計算された受信機の位置にも誤差が含まれる。この誤差は、たとえＴＯＤの不正確さがわずかであっても、非常に大きくなり得る。ＧＰＳ衛星は、地上の観測者に対して、最大毎秒８００メートルで動いている。したがって、正確な時刻にたった１秒の誤差が含まれただけでも、位置の誤差は８００メートルになる。これが、従来技術のＧＰＳ受信機が正確な時刻を必要とした理由である。
[0069]本発明の第２の実施形態によれば、図２のステップ２１６で形成される数学的モデルは、絶対時刻変数が消去された等価なモデルに変形される。このようにして、本発明は、正確なＴＯＤを決定する必要を回避する。より具体的には、多変数連立式において、１つの未知の変数を消去してから、その他の変数を計算するための技法が、当技術分野でよく知られている。そのような技法の１つを利用する本発明の一実施形態は、ステップ２１６で形成された数学的モデルのテイラー級数の説明を検討することによって理解することができる。
Figure 2006502406
[0070]行列Ｈを、未知の絶対時刻変数ｔｓをその他の未知数から分離する部分行列に変形するため、事前擬似距離残差ｕｉを合成することができる。具体的には、各事前擬似距離残差ｕｉ（ｉは１より大きい）に対して、新しい擬似距離ｖｉを以下のように形成することができる。
Figure 2006502406
 これは、式ｕ＝Ｈｘの両辺に左側から以下の行列を乗じるのと同じであることに留意されたい。
Figure 2006502406
[0071]上記の変形の結果、以下の新しい連立式が得られる。
Figure 2006502406
 ただし、変数ｔｓは分離され、Ｈｉ，ｊは行列Ｈの係数であり、Ｇｉ，ｊは上記の左乗算から得られる係数である。このようにして、新しい事前擬似距離ｖ２からｖｎを、未知の変数ｘ、ｙ、ｚ、およびｔｃに関連づける式を、分離することができる。ＧＰＳ受信機で５以上の擬似距離を利用できるならば、残りの未知変数の値は、線形代数を使用して計算することができる。
[0072]多変数式から未知の変数を消去する同様の周知の方法が数多く存在する。これらの技法を使用して、本発明は、未知の位置変数および時刻変数のうちの任意の一部分を求めることができる。未知の位置変数および時刻変数のうちの一部分だけを求めることによって、本発明は、計算の複雑度を減らし、例えば、絶対時刻など、特定の変数についての知識をもたずに済ませることができる。
[0073]本発明のさらに別の実施形態では、本発明は、サーバから受信した時刻推定値を使用して、移動装置の位置を計算するための方法およびシステムである。図１を参照すると、本発明の一実施形態では、時刻推定値は、サーバ１２１から移動装置１０２に、ネットワーク時刻プロトコル（ＮＴＰ）または簡易ネットワーク時刻プロトコル（ＳＮＴＰ）などの時刻転送プロトコルを使用して転送される。本発明の別の実施形態では、時刻推定値は、サーバ１２１から移動装置１０２への単方向ブロードキャストを介して提供される。サーバからの時刻推定値を使用することによって、本発明は、衛星によって送信される絶対時刻情報、またはＣＤＭＡ無線ネットワークなどの無線ネットワークから取得される絶対時刻情報を受信することなく、移動装置１０２の位置を決定することができる。
[0074]図７に、移動装置１０２のより詳細なブロック図を示す。移動装置１０２の要素は、図１の移動装置の要素と同じか、または類似しており、同じ参照番号で指し示され、上で詳細に説明されている。移動装置１０２は、ＧＰＳ受信機１０８と、通信トランシーバ１１２と、プロセッサ７０２と、ローカルクロック７０４とを含む。一実施形態では、ローカルクロック７０４は、低電力継続動作クロック（例えば、リアルタイムクロック）を含む。リアルタイムクロックは、ＧＰＳ受信機１０８が非活動中（例えば、電源断）であっても、低電力状態で動作し続ける。別の実施形態では、ローカルクロック７０４は、ＧＰＳ受信機１０８が活動中にだけ動作するクロックを含む。ローカルクロック７０４は、ＧＰＳ信号が受信された推定時刻を提供するために使用される。プロセッサ７０２は、ＧＰＳ受信機１０８から擬似距離を受信し、ローカルクロック７０４からＧＰＳ信号が受信された推定時刻を受信する。その後、プロセッサ７０２は、位置計算のために、擬似距離と受信推定時刻とを、通信トランシーバ１１２を介してサーバ１２１に送信する。代替として、プロセッサ７０２は、移動装置１０２内で位置を計算するために、軌道暦などの情報をサーバ１２１から受信することができる。
[0075]移動装置１０２は、サーバ１２１によって生成された時刻推定値を使用して、ローカルクロック７０４の誤差を補償する。具体的には、移動装置１０２は、時刻推定値を求めるリクエストを、通信トランシーバ１１２と通信アンテナ１１６とを使用してサーバ１２１に送信する。リクエストは、無線通信リンク１５０を介して、サーバ１２１に伝送される。サーバ１２１は、移動装置１０２に時刻推定値を返送する。移動装置１０２は、サーバ１２１からの時刻推定値を使用して、ローカルクロック７０４を調整することによって、ローカルクロック７０４の誤差を補償する。代替として、移動装置１０２は、ローカルクロック７０４とサーバ１２１からの時刻推定値との間の誤差を計算し、誤差の記録を保持し続けることによって、ローカルクロック７０４の誤差を補償する。記録を使用して、ローカルクロック７０４の誤差を補償することによっても、クロック調整と同じ結果を達成することができる。
[0076]ローカルクロック７０４の補償済出力は、いつまでも有効であり続けることはできない。例えば、ローカルクロック７０４は、ローカルクロック７０４の出力が時間と共に変化する「クロックドリフト」を生じさせることがある。典型的なリアルタイムクロック回路は、＋／−２０ｐｐｍのオーダーの精度をもった水晶振動子を時間基準にして動作する。したがって、ローカルクロック７０４は、同じ比率でドリフトし、約７時間動作した後で０．５秒の時間誤差を発生させることがあり得る。そのため、移動装置１０２は、希望時間精度を維持するのに必要な間隔で周期的にサーバ１２１から時刻推定値を取得することによって、ローカルクロック７０４の誤差を補償する。
[0077]図８に、ローカルクロック７０４の誤差を補償するプロセス８００の例示的な実施形態を示したフローチャートを示す。ステップ８０２で、移動装置１０２がローカルクロック７０４の誤差を最後に補償した時刻が決定される。ステップ８０４で、最後に補償が行われた時刻が、ローカルクロック補償の間の最大希望時間に対応する閾値と比較される。最後に補償が行われた時刻が、所望の閾値を超えている場合、プロセス８００はステップ８０６に進む。超えていない場合は、プロセス８００はステップ８１０に進む。ステップ８０６で、移動装置１０２は、サーバ１２１に時刻推定値を要求する。ステップ８０８で、移動装置１０２は、サーバ１２１から受信した時刻推定値を使用して、ローカルクロック７０４の誤差を補償する。ステップ８１０で、上で詳細に説明したように、移動装置１０２の位置が、サーバ１２１または移動装置１０２によって計算される。
[0078]図７に戻ると、一実施形態では、ローカルクロック７０４の補償済出力が、絶対時刻として使用される。ローカルクロック７０４の補償済出力は、軌道暦データを使用して衛星位置を決定するために使用されるので、位置の式に含まれる変数の総数を減らすことができる。
[0079]本発明の別の実施形態では、ローカルクロック７０４の補償済出力は、上で詳細に説明した時刻を必要としない（ｔｉｍｅ−ｆｒｅｅ）ＧＰＳプロセスの様々な実施形態（すなわち、図２〜図６で説明したプロセス、およびそれらの実施形態）において、絶対時刻の事前推定値として使用される。すなわち、擬似距離、軌道暦データ、および時刻の事前推定値を関連づける数学的モデルが形成される。数学的モデルは、時刻の事前推定値を更新して、絶対時刻および移動装置１０２の位置を計算するために使用される。そのような実施形態は、サーバ１２１から受信する時刻推定値が、衛星位置の決定に使用できるほど十分に正確ではないシステム、例えば、サーバ１２１によって生成される時刻推定値に１０ｍｓより大きな誤差がある場合に、特に有利である。
[0080]上で説明したように、時刻を必要としないＧＰＳプロセスは、事前時刻推定値の大きな初期不確実性に対処することができる。しかし、最良の位置決定性能を達成するには、ローカルクロック７０４は、絶対時刻から数秒以内に維持すべきである。ローカルクロック７０４を絶対時刻から数秒以内に維持すれば、位置決定を開始する前に、移動装置１０２がサーバ１２１に時刻推定値を要求する必要がないので、本発明において、起動時間が最短化される。最初の位置決定の後で、移動装置１０２は、位置決定に必要ならば、サーバ１２１に時刻推定値を要求し、それを受信することができる。
[0081]本発明のさらに別の実施形態では、ローカルクロック７０４を最後に補償した時刻が、ローカルクロック７０４の出力を絶対時刻として使用できる最大許容ドリフト期間に対応する閾値と比較される。閾値を超えている場合、時刻を必要としないＧＰＳプロセスの様々な実施形態において、補償済ローカルクロック７０４の出力を絶対時刻の事前推定値として使用することができる。閾値を超えていない（例えば、ローカルクロック７０４を最後に補償してから、わずかな時間しか経過していない）場合、ローカルクロック７０４の出力は、より正確であると見なし、時刻を必要としないＧＰＳプロセスで使用する代わりに、絶対時刻として使用することができる。
[0082]本発明のまた別の実施形態では、補償済ローカルクロック７０４の出力は、時刻を必要としないＧＰＳプロセスによって計算された絶対時刻の整合性をチェックするために使用される。時刻を必要としないＧＰＳプロセスは、上で説明したように、絶対時刻を計算するために使用され、その際、計算された絶対時刻の精度を検査するために、補償済ローカルクロック７０４の出力が使用される。
[0083]本発明のまた別の実施形態では、時刻を必要としないＧＰＳプロセスによって計算された絶対時刻は、ローカルクロック７０４を補償するために使用される。時刻を必要としないＧＰＳプロセスによって計算された絶対時刻を使用するローカルクロック７０４の補償は、サーバ１２１からの時刻推定値を使用するローカルクロック７０４の補償に加えて実行することができる。すなわち、時刻を必要としないＧＰＳプロセスによって計算された絶対時刻を使用するローカルクロック７０４の補償は、図８のステップ８０６〜ステップ８０８に示されたローカルクロック補償プロセスに対する追加プロセスまたは代替プロセスとして機能することができる。
[0084]図９に、時刻推定値を受信し、移動装置の位置を計算するためのプロセス９００の一実施形態を示したフローチャートを示す。ステップ９０２で、衛星群の複数の衛星までの擬似距離が計算される。一実施形態では、移動装置１０２内のＧＰＳ受信機１０８は、サブミリ秒擬似距離を計算する。擬似距離の整数部は、当技術分野でよく知られているように、移動装置の近似位置についての事前知識を使用して決定することができる。近似位置についてのそのような事前知識は、移動装置１０２が現在通信している無線塔１１８の所在位置から得ることができる。代替として、擬似距離の整数部は、上で図３に関して説明したプロセスを使用して決定される。
[0085]ステップ９０４で、時刻推定値をサーバ１２１から受信する。一実施形態では、移動装置１０２は、ＮＴＰまたはＳＮＴＰを使用して、無線リンク１５０を介し、サーバ１２１に時刻推定値を要求し、これを受信する。時刻推定値のリクエストは、例えば、移動装置１０２での位置リクエストに応答して、または移動装置１０２での絶対時刻の利用不能に応答して行うことができる。代替として、時刻推定値のリクエストは、定期的に実行される。本発明の別の実施形態では、移動装置１０２は、単方向ブロードキャストによって、サーバ１２１から時刻推定値を受信する。どの実施形態でも、サーバ１２１から時刻推定値が与えられると、移動装置１０２は、ローカルクロック７０４の誤差を補償することができる。
[0086]より具体的には、一実施形態では、移動装置１０２は、時刻転送プロトコル（例えば、ＮＴＰまたはＳＮＴＰ）を使用して、サーバ１２１に時刻推定値を要求し、これを受信する。移動装置１０２は、プロセスが収束するまで、サーバ１２１に対して一連の時刻リクエストを実行し、移動装置１０２内の時刻誤差モデルを更新する。例えば、ＮＴＰプロトコルは、業界規格によって定義されており、移動装置１０２の非常に正確な時刻設定を可能にすることができる。
[0087]代替として、より多くの時間を費やし、より多くの通信帯域を必要とする、サーバ１２１との間の一連のリクエストおよびレスポンスのやり取りを避けたほうが望ましい場合には、ＳＮＴＰプロトコルを使用することができる。ＳＮＴＰプロトコルは、ＮＴＰ時刻転送を簡略化したものであり、時刻交換が、サーバ１２１への１回の時刻リクエストと移動装置１０２への１回のレスポンスとによって行われるように制限される。ＳＮＴＰプロトコルは、伝送遅延の信頼性のあるモデルを構築するためのデータをより少ししかもたないので、提供される時刻の精度は一般により低くなる。一方、ＳＮＴＰプロトコルは、最低限の通信しか必要とせず、本発明の目的に適した時刻推定値を速やかに提供することができる。ＳＮＴＰプロトコルは、明示的に実施する必要はなく、代わりに、移動装置１０２とサーバ１２１との間で行われる他のプロトコル交換の中に埋め込むことができる。例えば、支援データのリクエストやそれに対するレスポンスは、時刻転送プロトコルを実施するのに必要な時刻パケットを含むことができる。
[0088]また別の代替として、移動装置１０２とサーバ１２１との間の時刻転送は、単方向に行われる。サーバ１２１は、移動装置１０２から何の情報もリクエストも受信しないで、移動装置１０２に時刻推定値を送信する。この実施形態では、補正できない待ち時間の未知の成分に対しては、より低い精度しか達成されない。にもかかわらず、この実施形態は、本発明の目的に適した精度を提供することができる。この実施形態の利点は、サーバの時刻情報をタイムスタンプとして、サーバ１２１から提供される任意のデータに含めることができることである。具体的には、ＡＧＰＳサーバから提供される支援データに、時刻推定値でタイムスタンプを捺すことができる。
[0089]図９に戻ると、ステップ９０６で、衛星群に関する軌道暦データを受信する。ステップ９０８で、擬似距離、サーバ１２１からの時刻推定値（例えば、補償済ローカルクロック７０４の出力）、および軌道暦データを使用して、移動装置１０２の位置が計算される。サーバ１２１からの時刻推定値は、衛星信号を受信した絶対時刻として使用することができる。受信の絶対時刻と軌道暦データとを使用して、衛星の位置を決定することができる。その後、擬似距離を４つ使用して、位置に関する３つの未知数と共通モード誤差とを求めることができる。代替として、地形モデルを使用して、移動装置１０２の高度を推定または決定し、擬似距離を３つだけ使用して、位置に関する２つの未知数と共通モード誤差とを求めることができる。関連変数をどのような形で事前知識として与えるかに応じて、その他の方法による位置計算を実施できることは、当業者であれば理解されよう。
[0090]図１０に、位置計算ステップ９０８の別の実施形態を示したフローチャートを示す。この実施形態では、サーバ１２１からの時刻推定値は、時刻を必要としないＧＰＳプロセスにおいて、絶対時刻の事前推定値として使用される。ステップ１００２で、絶対時刻の事前推定値が、サーバ１２１からの時刻推定値（例えば、補償済ローカルクロック７０４の出力）を使用して決定される。ステップ１００４で、擬似距離、軌道暦データ、および時刻の事前推定値を関連づける数学的モデルが形成される。ステップ１００６で、絶対時刻が、数学的モデルを使用して決定される。ステップ１００８で、移動装置１０２の位置も、数学的モデルを使用して決定される。
[0091]図１１に、位置計算ステップ９０８のまた別の実施形態を示したフローチャートを示す。この実施形態では、サーバ１２１からの時刻推定値は、時刻を必要としないＧＰＳプロセスを使用して計算された絶対時刻の整合性を検査するために使用される。ステップ１１０２で、絶対時刻の事前推定値が提供される。時刻の事前推定値は、任意の時刻源から取得することができ、時刻源の品質にかかわらず利用することができる。ステップ１１０４で、擬似距離、軌道暦データ、および絶対時刻の事前推定値を関連づける数学的モデルが形成される。ステップ１１０６で、絶対時刻が、数学的モデルを使用して決定される。ステップ１１０８で、計算された絶対時刻の整合性を検査するために、計算された絶対時刻が、サーバ１２１からの時刻推定値（例えば、補償済ローカルクロック７０４の出力）と比較される。例えば、サーバ１２１からの時刻推定値が＋／−５００ｍｓ以内の精度をもつことが期待される場合、絶対時刻計算の整合性は、計算値がこの範囲内に収まるかどうかを検査することによってチェックすることができる。ステップ１１１０で、移動装置１０２の位置が、数学的モデルを使用して決定される。
[0092]図１２に、移動装置１０２とサーバ１２１の間の時刻転送プロセスの一実施形態を示したフローチャートを示す。ステップ１２０２で、移動装置１０２が、ローカルクロック７０４によって決定された送信時刻に対応する開始タイムスタンプＴ１を含むデータパケットを、サーバ１２１に送信する。一実施形態では、データパケットのフォーマットは、ＮＴＰ時刻転送プロトコルに準拠する。別の実施形態では、データパケットのフォーマットは、ＳＮＴＰ時刻転送プロトコルに準拠する。ステップ１２０４で、サーバ１２１が、パケットを受信し、サーバクロック１２４によって決定された受信時刻に対応する受信タイムスタンプＴ２を追加する。ステップ１２０６で、サーバ１２１は、パケットを移動装置１０２に送信し、サーバクロック１２４によって決定された送信時刻に対応する送信タイムスタンプＴ３を追加する。ステップ１２０８で、移動装置１０２は、パケットを受信し、ローカルクロック７０４によって決定された受信時刻に対応する宛先タイムスタンプＴ４を追加する。
[0093]ステップ１２１０で、移動装置１０２は、移動装置とサーバ１２１の間の伝播遅延を計算する。片道の伝播遅延は、移動装置１０２から見た往復所要時間の半分から、パケットがサーバ１２１で費やした時間を差し引いた時間として定義される。すなわち、伝播遅延は次式で表される。
Figure 2006502406
 ステップ１２１２で、移動装置１０２は、ローカルクロック７０４をサーバクロック１２４に実質的に同期させるのに必要なオフセットを計算する。オフセットは、伝播遅延を送信タイムスタンプＴ３に加え、その結果を宛先タイムスタンプＴ４から引くことによって計算される。すなわち、オフセットは次式で表される。
Figure 2006502406
[0094]上で説明した時刻転送プロトコルに関連する重要な時刻誤差源が２つ存在する。第１の誤差源は、サーバ知識に含まれる時刻誤差である。すなわち、サーバ１２１のサーバクロック１２４によって提供される時刻に関連して何らかの誤差が存在する。第２の誤差源は、計算された伝播遅延に含まれる誤差である。すなわち、伝播遅延計算では、片道遅延は統計的に往復遅延の半分であると仮定している。この仮定が妥当でない場合、伝播遅延には何らかの誤差が含まれる。これら２つの誤差源は、移動装置１０２とサーバ１２１の間で利用される通信チャネル（例えば、ＧＰＲＳまたは回線交換呼）、および無線ネットワークゲートウェイに対するサーバ１２１の配置によっても左右される。本発明では、誤差に寄与する先に述べた要因と、サーバ１２１から受信した時刻推定値が、例えば、絶対時刻として許容できるかどうかの決定とに基づいて、誤差範囲を特徴づけることができる。
[0095]本発明を衛星軌道を取得するための軌道暦データとクロックパラメータとを使用する例によって説明してきたが、そのようなパラメータの等価の記述を使用することもできる。衛星軌道については、ＧＰＳ受信機から見た軌道の記述を始めとして、使用できる多くの等価の記述が存在する。衛星の軌道暦は、予測擬似距離モデル、予測幾何距離モデル、およびクロックモデル、または衛星軌道および／またはクロックパラメータを記述するモデルの別の組み合わせによって、置き換えることができる。これらのモデルはすべて、同様の目的に役立つので、上記の本明細書では、「軌道暦」という用語は、衛星軌道パラメータおよび衛星クロックパラメータ、または同様のタイプの機能的に等価なデータの意味で使用されている。
[0096]本発明の方法および装置をＧＰＳ衛星に関して説明してきたが、本発明の教示は、擬似衛星（ｐｓｅｕｄｏｌｉｔｅ）または衛星と擬似衛星との組み合わせを利用する測位システムにも等しく適用できることを理解されたい。擬似衛星は、Ｌ帯搬送波信号上に変調でき、一般にＧＰＳ時刻に同期する、（ＧＰＳ信号に類似する）ＰＮ符号をブロードキャストする地上送信機である。本明細書で使用する「衛星」という用語は、擬似衛星または擬似衛星の等価物を含むものとされ、本明細書で使用する「ＧＰＳ信号」という用語は、擬似衛星または擬似衛星の等価物からのＧＰＳに類似の信号を含むものとされる。
[0097]これまでの説明では、本発明を米国の全地球測位システム（ＧＰＳ）における適用例に関して説明してきた。しかし、これらの方法が、類似の衛星システムにも、具体的には、ロシアのＧｌｏｎａｓｓシステムや欧州のガリレオシステムにも等しく適用できることは明らかであろう。本明細書で使用する「ＧＰＳ」という用語は、ロシアのＧｌｏｎａｓｓシステムや欧州のガリレオシステムを始めとする、そのような代替的な衛星測位システムを含むものとされる。
[0098]これまでの説明は本発明の好ましい実施形態を対象として行われたが、本発明の基本的範囲から逸脱することなく、本発明のさらに別の実施形態を考案することができ、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって決定される。
絶対時刻を知ることなくＧＰＳ受信機の所在位置を計算するための装置のブロック図である。 図１の装置の動作を説明するフローチャートである。 本発明によって擬似距離を計算する方法を説明するフローチャートである。 本発明の代替実施形態によって受信機位置および絶対時刻を計算する方法を説明するフローチャートである。 位置誤差の残差の大きさ（５Ｂ）を生成するために使用されるグリッド（５Ａ）をグラフィカルに示した図である。 位置誤差の残差の大きさ（５Ｂ）を生成するために使用されるグリッド（５Ａ）をグラフィカルに示した図である。 絶対時刻を計算する際に使用される時刻誤差の残差のグラフである。 本発明の別の実施形態と共に使用される移動装置のより詳細なブロック図である。 図７の移動装置のローカルクロックで誤差を補償するプロセスの例示的な実施形態を示したフローチャートである。 時刻推定値を受信し、移動装置の位置を計算するプロセスの実施形態を示したフローチャートである。 図９のプロセスにおける位置計算の別の実施形態を示したフローチャートである。 図９のプロセスにおける位置計算のさらに別の実施形態を示したフローチャートである。 移動装置とサーバの間の時刻伝送プロセスの実施形態を示したフローチャートである。

Claims (36)

  1. 衛星信号受信機で時刻推定値を受信する方法であって、
    サーバから時刻推定値を受信するステップと、
    前記時刻推定値を使用して、前記衛星信号受信機のクロックの誤差を補償するステップと、
    前記衛星信号受信機の位置を計算するときに、前記補償済クロックの出力を使用するステップと
    を含む方法。
  2. 前記補償済クロックの出力を使用する前記ステップが、
    前記補償済クロックの前記出力を絶対時刻として指定するステップと、
    前記衛星信号受信機の位置を計算するときに、前記指定された絶対時刻を利用するステップと
    を含む、請求項１に記載の方法。
  3. サーバから時刻推定値を受信する前記ステップが、
    前記時刻推定値を決定するためにネットワーク時刻プロトコル（ＮＴＰ）を使用して前記サーバと通信するステップを含む、請求項２に記載の方法。
  4. サーバから時刻推定値を受信する前記ステップが、
    前記時刻推定値を決定するために簡易ネットワーク時刻プロトコル（ＳＮＴＰ）を使用して前記サーバと通信するステップを含む、請求項２に記載の方法。
  5. サーバから時刻推定値を受信する前記ステップが、
    前記サーバから前記衛星信号受信機に前記時刻推定値をブロードキャストするステップを含む、請求項２に記載の方法。
  6. 前記補償済クロックの出力を使用する前記ステップが、
    前記補償済クロックの前記出力を絶対時刻の事前推定値として指定するステップと、
    絶対時刻の前記指定された事前推定値を、絶対時刻の前記事前推定値を更新する数学的モデルの中で利用して、前記衛星信号受信機の位置および絶対時刻を計算するステップと
    を含む、請求項１に記載の方法。
  7. サーバから時刻推定値を受信する前記ステップが、
    前記時刻推定値を決定するためにネットワーク時刻プロトコル（ＮＴＰ）を使用して前記サーバと通信するステップを含む、請求項６に記載の方法。
  8. サーバから時刻推定値を受信する前記ステップが、
    前記時刻推定値を決定するために簡易ネットワーク時刻プロトコル（ＳＮＴＰ）を使用して前記サーバと通信するステップを含む、請求項６に記載の方法。
  9. サーバから時刻推定値を受信する前記ステップが、
    前記サーバから前記衛星信号受信機に前記時刻推定値をブロードキャストするステップを含む、請求項６に記載の方法。
  10. 前記補償済クロックの出力を使用する前記ステップが、
    時刻情報源から絶対時刻の事前推定値を提供するステップと、
    絶対時刻の前記事前推定値を更新する数学的モデルを使用して、前記衛星信号受信機の位置および絶対時刻を計算するステップと、
    前記計算された絶対時刻を前記補償済クロックの前記出力と比較するステップと
    を含む、請求項１に記載の方法。
  11. サーバから時刻推定値を受信する前記ステップが、
    前記時刻推定値を決定するためにネットワーク時刻プロトコル（ＮＴＰ）を使用して前記サーバと通信するステップを含む、請求項１０に記載の方法。
  12. サーバから時刻推定値を受信する前記ステップが、
    前記時刻推定値を決定するために簡易ネットワーク時刻プロトコル（ＳＮＴＰ）を使用して前記サーバと通信するステップを含む、請求項１０に記載の方法。
  13. サーバから時刻推定値を受信する前記ステップが、
    前記サーバから前記衛星信号受信機に前記時刻推定値をブロードキャストするステップを含む、請求項１０に記載の方法。
  14. 時刻推定値を受信する前記ステップが、
    パケットを前記クロックから取得した開始タイムスタンプと共に、前記衛星信号受信機から前記サーバに送信するステップと、
    前記パケットをサーバクロックから取得した受信タイムスタンプおよび送信タイムスタンプと共に、前記サーバから前記衛星信号受信機に返信するステップと、
    前記パケットを宛先タイムスタンプと共に、前記衛星信号受信機で受信するステップと
    を含む、請求項１に記載の方法。
  15. 前記クロックの誤差を補償する前記ステップが、
    前記クロックのオフセットを決定するために前記開始、受信、送信、および宛先タイムスタンプを処理するステップを含む、請求項１４に記載の方法。
  16. 前記衛星信号受信機が非活動状態にあるときは、前記クロックが低電力状態で動作し続ける、請求項１に記載の方法。
  17. 時刻推定値を受信する前記ステップが、
    前記クロックの最終補償時刻を決定するステップと、
    前記最終補償時刻を閾値と比較するステップと、
    前記最終補償時刻が前記閾値を超えたことに応答して、前記サーバに前記時刻推定値を要求するステップと
    を含む、請求項１に記載の方法。
  18. サーバから時刻推定値を受信する前記ステップと、前記衛星信号受信機のクロックの誤差を補償するステップとが、周期的に実行される、請求項１に記載の方法。
  19. 時刻推定値を受信する前記ステップが、絶対時刻が使用できないことに応答して実行される、請求項１に記載の方法。
  20. 衛星信号受信機の位置を決定するための方法であって、
    前記衛星信号受信機と衛星群中の複数の衛星との距離を推定した擬似距離を計算するステップと、
    サーバから時刻推定値を受信するステップと、
    前記衛星群に関する軌道暦データを受信するステップと、
    前記時刻推定値、前記軌道暦データ、および前記擬似距離を使用して、前記衛星信号受信機の位置を決定するステップと
    を含む方法。
  21. 位置を決定する前記ステップが、
    前記時刻推定値を絶対時刻として指定するステップと、
    前記衛星信号受信機の前記位置を決定するときに、前記指定された絶対時刻を利用するステップと
    を含む、請求項２０に記載の方法。
  22. サーバから時刻推定値を受信する前記ステップが、
    前記時刻推定値を決定するためにネットワーク時刻プロトコル（ＮＴＰ）を使用して前記サーバと通信するステップを含む、請求項２１に記載の方法。
  23. サーバから時刻推定値を受信する前記ステップが、
    前記時刻推定値を決定するために簡易ネットワーク時刻プロトコル（ＳＮＴＰ）を使用して前記サーバと通信するステップを含む、請求項２１に記載の方法。
  24. サーバから時刻推定値を受信する前記ステップが、
    前記サーバから前記衛星信号受信機に前記時刻推定値をブロードキャストするステップを含む、請求項２１に記載の方法。
  25. 位置を決定する前記ステップが、
    前記時刻推定値を絶対時刻の事前推定値として指定するステップと、
    絶対時刻の前記指定された事前推定値を、絶対時刻の前記事前推定値を更新する数学的モデルの中で利用して、前記衛星信号受信機の位置および絶対時刻を決定するステップと
    を含む、請求項２０に記載の方法。
  26. サーバから時刻推定値を受信する前記ステップが、
    前記時刻推定値を決定するためにネットワーク時刻プロトコル（ＮＴＰ）を使用して前記サーバと通信するステップを含む、請求項２５に記載の方法。
  27. サーバから時刻推定値を受信する前記ステップが、
    前記時刻推定値を決定するために簡易ネットワーク時刻プロトコル（ＳＮＴＰ）を使用して前記サーバと通信するステップを含む、請求項２５に記載の方法。
  28. サーバから時刻推定値を受信する前記ステップが、
    前記サーバから前記衛星信号受信機に前記時刻推定値をブロードキャストするステップを含む、請求項２５に記載の方法。
  29. 位置を決定する前記ステップが、
    時刻情報源から絶対時刻の事前推定値を提供するステップと、
    絶対時刻の前記事前推定値を更新する数学的モデルを使用して、前記衛星信号受信機の位置および絶対時刻を計算するステップと、
    前記計算された絶対時刻を前記時刻推定値と比較するステップと
    を含む、請求項２０に記載の方法。
  30. 前記サーバからの前記時刻推定値に１０ミリ秒より大きな誤差がある、請求項２０に記載の方法。
  31. 移動装置の位置を決定するためのシステムであって、
    衛星信号受信機と無線トランシーバを備える移動装置と、
    前記移動装置と無線通信が行える状態にあるサーバと
    を備え、
    前記衛星信号受信機が、前記移動装置と衛星群中の複数の衛星との距離を推定した擬似距離を計算し、
    前記移動装置が、前記サーバから時刻推定値を受信する、システム。
  32. 前記移動装置が、ローカルクロックをさらに備え、前記ローカルクロックの誤差が、前記サーバからの前記時刻推定値を使用して補償される、請求項３１に記載のシステム。
  33. 前記無線トランシーバが、前記擬似距離と前記ローカルクロックの出力とを前記サーバに送信し、前記サーバが、軌道暦データを受信し、前記擬似距離、前記軌道暦データ、および前記ローカルクロックの前記出力を使用して、前記移動装置の位置を計算する、請求項３２に記載のシステム。
  34. 前記移動装置が、ネットワーク時刻プロトコル（ＮＴＰ）を使用して前記サーバと通信することによって、前記サーバから時刻推定値を受信する、請求項３１に記載のシステム。
  35. 前記移動装置が、簡易ネットワーク時刻プロトコル（ＳＮＴＰ）を使用して前記サーバと通信することによって、前記サーバから時刻推定値を受信する、請求項３１に記載のシステム。
  36. 前記移動装置が、時刻推定値を、前記時刻推定値のブロードキャストを介して前記サーバから受信する、請求項３１に記載のシステム。
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