JP2006509423A - 同期無線通信システム中の通信装置の位置決定および追跡方法 - Google Patents

Abstract

同期無線通信システムの通信装置102を同期する方法は、ＧＰＳ信号が利用可能ではないか妨害されているときシステム同期および通信装置の位置決定を可能にする。通信装置102はタイミング基準信号214、218と同期されるフレーム302内で通信する。タイミング基準信号はそれが使用可能であるときＧＰＳ信号から、またはＴＯＡから発生され、ＧＰＳ信号が利用可能ではないとき軌道補外されることができる。訓練された発振器はフレームの数秒にわたって実質的な同期を維持するために使用されてもよい。１実施形態では、フレーム302内で受信された信号の伝播遅延が決定され、他の通信装置102に提供され、１以上の通信装置が通信装置102の位置を計算することを可能にする。位置情報は自己同期で使用するために他の通信装置へ報告されることができる。

Description

本発明は無線通信、特に移動する通信装置を有する無線通信システム、さらに厳密にはシステムエレメント間で通信するための同期無線データリンクを使用する通信システムに関する。

多数の無線通信システムは通信装置の正確な位置決定および追跡のために全地球測位システム（ＧＰＳ）信号に依存している。これらのシステムは比較的簡単で容易であるために脆弱性を増し、ＧＰＳ信号が妨害される可能性がある。これは特に戦場の通信システムおよび／または兵器システムが非常にＧＰＳ信号に依存する戦場状態では問題である。

したがって、改良された無線通信システムと通信方法の一般的な必要性が存在している。同期無線通信システムと，通信装置の位置の決定および追跡方法に対する必要性も存在する。同期無線通信システムと、ＧＰＳ信号が利用可能ではないか妨害されるときシステムの同期を可能にする方法も必要とされている。さらにまた、ＧＰＳ信号が利用可能ではないか妨害されるとき通信装置の位置決定を可能にする同期通信システムおよび方法の必要性が存在する。

同期無線通信システムと、通信装置の位置を決定し、追跡する方法は、ＧＰＳ信号が利用可能ではないか妨害されているときシステム同期および通信装置の位置決定を可能にする。通信装置はタイミング基準信号と同期される時間フレーム内で通信する。タイミング基準信号は利用可能であるときにはＧＰＳ信号から、または到着時間（ＴＯＡ）から発生され、ＧＰＳ信号が利用可能ではないときには軌道補外される。訓練された発振器がフレームの一部（例えば数秒）にわたって同期を維持するために使用されてもよい。１実施形態では、フレーム内で受信された信号の伝播遅延が決定され、他の通信装置に提供され、１以上の通信装置がその通信装置の位置を計算することを可能にする。位置情報は自己同期で使用するために他の通信装置へ報告されることができる。

特許請求の範囲は本発明の種々の実施形態の幾つかに関する。しかしながら、詳細な説明を図面と共に考慮するとき、本発明のより完全な理解を与える。同一の参照符号は図面全体を通して類似のアイテムをさしている。
以下の説明および図面は当業者が十分に実施できるように本発明の特定の実施形態を説明する。他の実施形態は、構造、論理的、電気的、プロセス、他の変更を含んでいる。実施例は単に可能な変更の代表的なものである。個々のコンポーネントおよび機能は明確に必要とされないならば、随意選択的であり、動作のシーケンスは変更可能である。幾つかの実施形態の部分および特徴はその他の実施形態に含まれまたは置換されることができる。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲全体と全ての利用可能な均等物を含む。

本発明はとりわけ、同期無線通信システムの通信装置の位置を決定し、および／または追跡する方法を提供する。この方法は頑強であり、実質的に自律性であり、実質的に妨害に対して耐性がある。種々の実施形態の方法は、妨害されるかそうでなければ正確に受信されることができないＧＰＳ信号に完全に依存する必要はない。

図１は本発明の実施形態が実施されることのできる動作環境を示している。動作環境100はリンク104で同期無線通信を使用して相互に通信できる複数の通信装置102を含んでいてもよい。通信装置102は２方向無線同期通信が可能なほとんど任意のタイプの通信装置であってもよい。通信装置102は航空機、地上ビークル、誘導弾、ミサイルに搭載されることができる。幾つかの通信装置102は運動中であり、それに関する軌道を有し、一方で基準通信装置106のような幾つかの通信装置は運動中である必要はない。通信装置が誘導弾またはミサイルを含んでいる少なくとも１つの実施形態では、幾つかの通信装置102は１以上のターゲット108へ誘導されることができる。

環境100は戦場の環境として示されているが、本発明の実施形態はほとんどの任意の環境で実施されることができる。例えば通信装置102が２方向無線である時、環境100は都市型の環境であってもよい。

本発明の実施形態によれば、１以上の通信装置102の地理的な位置は同期無線通信を使用して決定されることができる。各通信装置102は同期信号で同期され、その同期信号は通信フレームの開始を示している。これらの実施形態では、通信はフレーム内で他の通信装置から受信される。各通信装置はフレームの予め割当てられた時間スロット中に送信する。伝播遅延は少なくとも幾つかの他の通信装置に対して受信された通信から決定され、少なくとも１つの通信装置の位置は伝播遅延から計算されることができる。

１実施形態では、同期信号は通信装置により受信されたＧＰＳ信号から得られるタイミング基準信号であってもよい。このタイミング基準信号は各通信装置で同期されることができる。別の実施形態では、通信装置は少なくとも１つの通信装置に対して前もって決定された位置と、到着時間（ＴＯＡ）情報および／または通信装置の軌道補外に基づいて自己同期信号を発生することができる。自己同期信号に基づくタイミング基準信号は通信フレームの開始を示すために実質的に各通信装置に対して同期されることができる。１実施形態では、自己同期信号はＧＰＳ信号がタイミング基準信号の導出に利用可能ではないときに発生される。自己同期は、ＧＰＳベースの同期信号がない場合に失敗するとき、同期無線通信システムの連続した動作を行う。

図２は、本発明の１実施形態にしたがった無線通信装置の機能ブロック図である。通信装置200は任意の１つの通信装置102（図１）として使用するのに適しているが、他の装置および構造もまた適している。１実施形態では、通信装置200は同期無線通信を使用して通信し、通信フレームの予め割当てられた部分の期間中に受信および／または送信することができる。通信装置200はアンテナ204を使用して予め定められたプロトコルにしたがってパケット化されたデータを受信および／または送信するためにデータ受信機／送信機エレメント202を含むことができる。データ受信機／送信機エレメント202はデータ信号をデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）206へ提供するために受信された信号を下方変換し、復調し、デジタル化し、アンテナ204により送信するためにＤＳＰ206から受信されたデータ信号をＲＦ信号へ変換する。データ受信機／送信機エレメント202はパワー増幅器、受信機のフロントエンド、１以上のフィルタ、周波数変換器、Ａ／Ｄ変換器、送信拒否スイッチとを含むことができる。

ＤＳＰ206は信号処理機能を行い、通信装置の主要目的を行うのに使用するためにコマンドおよび／またはデータ信号のような情報をホストシステム208と通信することができる。例えば２方向無線または基地局装置の場合、ＤＳＰ206はデジタル化された音声信号と通信パラメータをホストシステム208と通信できる。誘導弾や戦場環境のミサイルまたは地上局の場合には、ＤＳＰ206は特定のアプリケーションにしたがって、ビデオおよび／または制御データをホストシステム208と通信してもよい。

通信装置200はまたアンテナ212を介してＧＰＳ衛星からＧＰＳ信号を受信することのできる随意選択的なＧＰＳ受信機210を含むことができる。ＧＰＳ受信機はＧＰＳ信号の受信によりホストシステム208によって使用されるための位置情報を発生できる。１実施形態では、ＧＰＳ受信機210は他の装置との同期通信で装置200により使用されるためのタイミング基準信号214をＧＰＳ信号から導出する。１実施形態では、環境100（図１）で動作する幾つかまたは全ての通信装置102（図１）は受信されたＧＰＳ信号からタイミング基準信号214を得る。この実施形態では、タイミング基準信号214は各通信装置に対して同期されることができ、その間の無線通信が正確に同期されることを可能にする。タイミング基準信号214は例えば毎秒１パルスの信号である。

通信装置200はまたタイミング基準信号218を発生できる自己同期信号発生器216を含んでいてもよい。自己同期信号発生器216はＧＰＳ信号がＧＰＳ受信機210に対して利用可能ではなく、ＧＰＳ受信機がタイミング基準信号214を提供できないときに動作可能である。１実施形態では、信号発生器216により発生されるタイミング基準信号218は、ＧＰＳ信号が他の通信装置に対して利用可能ではないときでさえも、環境100（図１）で動作している他の通信装置102（図１）により発生されるタイミング基準信号と実質的に同期されることが好ましい。１実施形態では、制御装置226はタイミング基準信号がＧＰＳ受信機210または自己同期信号発生器216のどちらにより与えられるかを決定できる。別の実施形態では、ＧＰＳ受信機210はタイミング基準信号214を発生できないとき、直接的にインジケータを信号発生器216へ提供することができる。

１実施形態では、タイミング基準信号218はプロトコル信号により設定されたＴＯＡ基準点に基づいている。タイミング基準信号218の他の通信装置102（図１）のタイミング基準信号との実質的な同期は、１以上の通信装置に対する情報、伝播遅延情報および他の通信装置の軌道補外の使用によって実現されることができる。この情報はホストシステム208により与えられる。

１実施形態では、制御装置226はＧＰＳ衛星から受信された信号のＧＰＳ信号対雑音比（ＳＮＲ）を決定するためにＧＰＳ受信機210により提供されるデータを監視することができる。この実施形態では、制御装置226はＳＮＲが非常に低い（例えば予め定められたしきい値より下）とき、タイミング基準信号214の代わりにタイミング基準信号218を使用するように同期エレメント220に指令することができる。

１実施形態では、ＧＰＳ受信機210または自己同期信号発生器216のいずれかにより発生されることができるタイミング基準信号は通信フレーム当り一度、同期エレメント220へ提供される。この実施形態では、同期エレメント220はフレームの予め割当てられたタイムスロット中の通信においてＤＳＰ206により使用されるためのクロック信号222を発生できる。１実施形態では、システムで動作する各通信装置の同期エレメント220はフレーム期間中に装置間の実質的な同期を維持するためにクロック信号222の発生において使用するための正確な発振器を使用することができる。

ＴＯＡ決定装置224は、クロック信号222に基づいて受信された信号から到着時間（ＴＯＡ）情報を決定できる。１実施形態では、ＴＯＡ決定装置224は通信フレームを有する異なる通信装置から受信された信号の伝播遅延を決定することができる。これらの伝播遅延はタイミング基準信号218の発生において同期信号発生器216により使用されることができる。

１実施形態では、アンテナ204および／またはアンテナ212は１以上の指向性アンテナを含み、データリンクが妨害される確率および／またはＧＰＳ信号補助通信装置200が高い妨害環境で動作する確率を減少するために低い確率の検出／遮断技術を使用できる。アンテナ204および212は別々のエレメントとして示されているが、１実施形態では、アンテナ204および212の機能は単一のアンテナまたはアンテナの単一のセットにより実行されてもよい。

通信装置200は幾つかの別々の機能エレメントを有するものとして示されているが、１以上の機能エレメントが結合され、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）を含むプロセッサのようなソフトウェア構成エレメントの組合せ、および／またはハードウェアエレメントにより構成されてもよい。１実施形態では、装置200の一部分は既存のシステムエレメントの通信コンポーネント内の多数の既存の回路を使用する通信装置内に構成されてもよい。

１実施形態では、同期エレメント220は訓練された発振器を具備している。訓練された発振器の幾つかの構成は本発明の実施形態による使用に適している。１構成では、通常の高正確度で低いドリフトの電圧制御された発振器（ＶＣＯ）はデジタルアナログ変換器（ＤＡＣ）、アナログ回路、デジタル論理および制御装置と共に使用されることができる。ＶＣＯは１０^−７以上に良好な周波数安定度特性を有する。周期的な基準信号（例えばタイミング基準信号214または218）は外部ソースにより供給される。１実施形態では、論理および制御装置は２つのタイミング基準信号214または218の使用の優先順位を決定することができる。論理装置はＤＡＣに対するインターフェース、タイミング基準および制御装置を含むことができ、１以上のデジタルカウンタ、比較装置、他の論理装置を含むことができる。動作において、ＶＣＯ出力はタイミング基準信号により規定された期間だけデジタル論理装置によりカウントされることができる。結果的なカウントは濾波され、エラー項を設定するために先のデータと平均され、これはＤＡＣを変化するために使用され、ＶＣＯへの制御ループを閉じる。幾つかの実施形態では、付加的な正確度は周波数エラーを数学的に償う事により得られ、これはＴＯＡ基準点に影響する。これは以下説明する位置アルゴリズムを行う前の事前処理ステップとして行われる。

図３は、本発明の１実施形態にしたがって無線通信装置間での同期通信のための通信フレームを示している。通信フレーム302は通信装置102（図１）のような通信装置間の同期無線通信に使用されることができる。各フレーム302の開始は通信装置により発生されたタイミング基準信号214または218（図２）のようなタイミング基準信号と同期されることができる。各フレーム302は複数の時間スロット304に分割されることができ、通信装置が１以上の時間スロット中でデータを受信または送信することを可能にする。１実施形態では、各通信装置102（図１）は特定の時間スロットを割当てられ、通信装置が他の装置に干渉せずに特定の時間スロット中に通信することを許容する。フレーム302は連続的なベースで反復されることができる。

時間スロット内で通信する通信装置は予め定められたプロトコルにしたがってパケット化されたデータを通信することができる。各時間スロットは、受信機または送信機の時間が信号の受信または送信の準備をすることを可能にするセットアップ時間306と、種々の通信装置からの通信間の到着時間の差を許容するためのガード時間308を含むことができる。１実施形態では、パケット化されたデータはヘッダ部分310とデータ部分312とを含むことができる。ヘッダ部分310は同期に使用されるプリアンブルを含むことができる。

１実施形態では、フレームの第１の時間スロットのプリアンブルは受信する通信装置が第１の時間スロットを容易に識別できるように、予め定められた、またはその他の方法で識別可能なビットパターンを含んでいてもよい。この実施形態では、この“特別な”第１の時間スロットはマスター通信装置により送信され、システムと同期するための方法を“失った”通信装置へ提供できる。これは通信装置が例えば飛行中に不正確な同期を生じる主要なグリッチに遭遇したときに有効である。

１実施形態では、フレーム302は他の通信装置への到着時間情報の交換のために通信装置により使用されるおよび／または計算された位置情報の報告のために通信装置により使用される１以上の報告時間スロット305を含んでいる。これを以下詳細に説明する。

１実施形態では、種々の形態のプロトコル通報はパケットに含まれてもよい。プロトコル通報は使用されている特定の装置およびプロトコルにしたがって、パケットヘッダ、リンクパラメータ、他の非ユーザデータ信号を含んでもよい。これらの非ユーザデータ信号はパケットプロトコルインターバル内の位置に固定され、それ故本発明の種々の実施形態により実行される位置の解のためのＴＯＡ基準点として使用されてもよい。

装置のより大きなシステム中の任意の単一の装置（例えば基準装置）の位置が知られるとき、装置のシステム全体が単一の装置に関して位置されることができる。単一の装置の位置が絶対座標で知られるならば、全てのシステム装置の位置は（ＷＧＳ８４を基準とされる緯度と経度のような）座標系で決定されることができる。そうでなければ、システムの装置の少なくとも相対的な位置が決定されることができる。基準装置はシステムの動作期間中、同一の装置である必要はない。基準装置として指定される装置は時間に応じて変化され、解の計算で考慮される。

システムが一度同期されると、無線データリンクは長時間にわたって同期を維持するためにＧＰＳが導出したタイミング基準信号（例えば１−ＰＰＳ信号）にしたがう。本発明の実施形態によれば、２つの技術がＧＰＳベースのタイミングの依存を軽くし、したがって大きいシステムの通信装置の無線データリンクベースの位置決定のＴＯＡベースの位置決定能力を維持するために実行されることができる。

第１の技術によれば、同期エレメント220（図２）で実施されることができる訓練された発振器は、タイミング基準信号の短い経過時間中に非常に大きい保持時間を同時に与えながら、ＧＰＳが導出したタイミング基準信号のずれに関するタイミング信号のドリフト態様を改良するように構成されることができる。訓練された発振器はＧＰＳで導出されたタイミング基準信号に緩く位相ロックされることができる。エレメント220内の第２の制御ループは発振器を正確な周波数に厳密に調節することができる。この周波数は実質的に長期のドリフトを有することを可能にされるが、例えば数十秒の期間にわたって極めて低いドリフトである。したがって、同一の訓練機能をシステム中の各通信装置の無線データリンクで使用させることにより、ほぼ一定の相対的なタイミング能力がそれらの間に存在する。絶対的なタイミングではなく相対的なタイミングがＴＯＡベースの位置決定および／または無線データリンクにおける同期通信に対して使用されることができる。

第２の技術によれば、システムの自己同期が実行されることができる。この技術では、プロトコルが使用され、そこにおいて連続的なプロトコル通報は非ユーザデータが送信されるときでさえも実行される。丁度、ＴＯＡ位置基準としてプロトコル信号中の特定点を使用するように、その同一点は訓練された発振器のＧＰＳで導出されたタイミング基準信号の代わりの、基準信号218（図２）のような代理基準である。この実施形態では、第２の制御ループは発振器を正確な周波数に厳密に調節する。この周波数は実質的に長期のドリフトを有することを可能にされるが、数十秒の期間に極めて低いドリフトである。この実施形態では、通信装置は伝播効果（例えば送信された信号の伝播の時間遅延）が考慮されるように他の装置の位置情報を有することができる。したがって、位置決定がこの実施形態の本質的な部分であるので、閉ループが、既存の無線データ通信を妨害せずに、自己同期、訓練された発振器、ＴＯＡベースの位置の解を結合して形成されることができる。

本発明の実施形態にしたがって、ＧＰＳで導出されたタイミング基準信号が利用可能であり、タイミング基準として妥当に見えるとき、これが使用されることができる。そうでなければ自己同期信号が使用されることができる。いずれの場合にも、訓練された発振器が使用されることができる。ＧＰＳで得られたタイミング基準信号が存在しない場合には、各通信装置の位置は各装置の伝播遅延効果を補償するために無線データリンクを介してシステムの他の装置へ送信されることができる。幾つかのエレメントだけが実行可能なＧＰＳ信号へアクセスするならば、これらの装置は主要な基準エレメントとして指定され、ハイブリッド方式がＧＰＳアクセスのないエレメントに対する同期を維持するために使用されることができる。ミサイル内部ナビゲーションシステム（ＩＮＳ）のような任意の付加的なナビゲーション能力の使用はＴＯＡ解のインターバル期間中における位置変化に対する補間および補償を可能にすることにより位置の正確性を改良するために使用されることができる。動作中に通信装置に対して利用可能な許容可能なＧＰＳ信号が存在しないとき、少なくとも１つの装置が既知の位置情報を有する位置基準点として指定されることができる。この場合、システムは完全な位置の正確性が得られる前にあるパラメータが安定になることを可能にするスタートアップ相を開始することができる。

幾つかの実施形態では、既存の無線データリンク装置は実行される本発明の実施形態によって使用される技術のために広く変更される必要はない。例えば訓練された発振器の出力は任意の既存のクロックソースで置換されてもよい。幾つかのデータリンク装置は外部クロック入力のための設備を有し、したがってクロック信号の変形を必要としない。他は通常は高品質のＴＣＸＯである内部発振器を有するが、これは省略され、代わりに訓練された発振器出力が使用される。基準タイミング信号はデータリンク装置内にタップされることができる。この基準は使用されるデータリンク変調のタイプと他の要因にしたがって、データリンク装置内の幾つかの可能なソースから与えられることができる。例えば拡散スペクトルデータリンクでは、シーケンスまたはホッピングパターンにおけるある周波数の開始は基準として作用する。固定した搬送波周波数の場合、非ユーザデータプロトコル信号の特定のバイトの特定のビットのエッジは時間基準として指定されることができる。他のタイプの無線データリンク装置により、タイミング基準信号はその通信システムの詳細にしたがって決定されることができる。システム中の種々の通信装置が類似または実質的に同一であるとき、相対的なタイミングの正確性は保持される。幾つかのケースでは、データリンク装置は所望の位置の正確性に対して十分に良好である正確性を有するデジタル信号を提供するために容易に変更されない。これらの場合には、データリンク装置（例えばエレメント202（図２））からタップされる有効な信号を検査する外部回路が使用されてもよい。この外部回路はその後、タイミング基準点を決定することができる。この外部回路は例えば訓練された発振器と同一の回路カードアセンブリ上で結合されることができる。

図４ＡおよびＢは本発明の１実施形態にしたがった位置決定手順のフローチャートである。手順400は通信装置102（図１）のように１以上の通信装置の位置を決定するために使用されてもよく、このような通信装置の１つにより実行されてもよい。１実施形態では、ほとんどまたは全ての通信装置は同時に手順400を行うことができる。動作402において、システム同期が実行される。システム同期はタイミング基準信号の発生を含み、これは受信されたＧＰＳ信号404または先に説明したシステム自己同期406に基づいている。タイミング基準信号は通信装置間の同期通信用の通信フレームの開始を示すために使用されることができる。動作408では、通信装置は同期無線通信を使用して１以上の他の通信装置と通信する。１実施形態では、通信装置はフレーム内の予め割当てられた時間スロット中で情報を送信できる。時間スロット304（図３）はこのような通信に使用されることができる。動作408は通信装置の主要な目的を行う。例えば２方向無線の場合、通信装置は音声データを通信できる。誘導弾またはミサイルの場合、通信装置はビデオのような戦場データを通信し、または制御および／または誘導データを与えられることができる。

動作408中、通信装置は動作410中に１以上の他の通信装置から通信を受信できる。これは302（図３）からのように単一のフレーム内で行われる。他の通信装置から受信される各通信は他の通信装置に割当てられた特定の時間スロット中に受信されることができる。動作412では、フレームの第１の時間スロットが割当てられた通信装置から受信される通信のプリアンブルが識別されることができる。

動作414で、伝播遅延が動作410で受信された通信から決定されることができる。別の通信装置から受信される各通信に対しては、伝播遅延は装置の割当てられた時間スロットの開始からのオフセットに基づいて決定されることができる。１実施形態では、動作414はＴＯＡ決定装置224（図２）により実行されることができる。

動作416で、動作414で決定された伝播遅延が他の通信装置に対して報告されることができる。動作416は現在のフレームの報告時間スロット（例えば図３の時間スロット305）中に行われることができる。各通信装置は伝播遅延を報告するための報告時間の一部分を割当てられることができる。動作418で、通信装置は他の通信装置からの伝播遅延を受信することができる。動作416と418はいずれの順序で行われてもよい。

動作420で、伝播遅延に基づいて通信装置の位置が計算される。１実施形態では、ＴＯＡ位置決定技術が特定の通信装置に対して報告された伝播遅延を用いて使用される。多数の良好に設定された数学的技術および／またはＴＯＡデータに基づいて位置を解くためのアルゴリズムの１つが動作420において実行され、それには双曲線の交差に基づいた解を含まれる。双曲線は１組の全ての点により規定される曲線であり、平面上の２つの点の間の距離において一定の差を有する。距離は放射されたエネルギの伝播時間に対してアナログであるので、時間差は実際の距離に直接関係され、それ故双曲線の交差に対して使用可能である。双曲線の交差特性が２次元または３次元の位置決定で最も有効であるために、各通信装置で３または４個のＴＯＡ測定点（伝播遅延測定）が存在する。本発明の幾つかの実施形態は位置決定解の正確性を改良するために付加的な測定を使用する。装置106（図１）のような１以上の基準装置424の既知の位置は絶対座標を参照するために動作420で使用されることができる。

付加的な測定が利用可能であるとき、本発明の１実施形態では、動作420は種々の基準に基づいて、あるＴＯＡ測定点を選択するデータ選択422を含むことができる。基準は受信された信号対雑音比（ＳＮＲ）、ビットエラー率（ＢＥＲ）、または測定通信装置に対する近接性のような信号品質情報を含むことができる。あるデータの選択により、データ選択222は動作420で計算された位置の正確度を改善するのを助けることができる。

１実施形態では、動作420はシステム中で動作するほとんどまたは全ての通信装置により実行されることができ、これは各通信装置が全ての通信装置の位置を計算することを可能にする。本発明の実施形態は通信装置が少なくともその固有の位置を決定することを許容し、システム要求に応じて、通信装置が他の通信装置の位置を決定することができる。１実施形態では、動作420は有効な処理パワーを有する１つ程度の少数の通信装置によって実行される。他の実施形態では動作420は有効な処理パワーを有する通信装置のサブセットにより実行されることができる。

動作426で、動作420で計算された位置が他の通信装置に与えられることができる。動作426は緯度と経度のように特定の座標系に関して計算された位置情報を報告し、または代わりに動作426はアルゴリズム的に便利な局部座標系を有する時間オフセットとして位置情報を報告することができる。動作426は現在のフレームの報告する時間スロット中において位置を報告することを含んでもよい。１実施形態では位置はある通信装置により集められ、それは他の通信装置を管理し制御するために使用されることができる。例えば基準装置106（図１）は航空機中の通信装置でこの位置情報を受信する。別の例では、通信装置110（図１）のような制御通信装置はその制御下で通信装置112（図１）の位置情報を受信できる。本発明の幾つかの実施形態によれば、任意の通信装置はコマンドまたは制御通信装置であってもよく、このようなデータを他の装置から受信できる。

動作402乃至426はフレーム毎に通信装置により反復されることができ、ＧＰＳ信号が利用可能ではないときでさえも、位置情報が連続して決定および／または規則的に更新されることを可能にする。

１実施形態では、動作428が実行されることができる。動作428では、特定の通信装置に対する位置情報に基づいて動作が行われる。例えば更新されたターゲット情報430に基づいて、制御装置は通信装置の位置に応じて通信装置を再指令することができる。

動作432は次のフレームに対する手順400の少なくとも一部を反復することができる。手順400の個々の動作が示され、別々の動作として説明されているが、１以上の個々の動作が同時に実行され、動作が示された順序で行われることは全く必要とされない。

図５は、本発明の１実施形態によるシステム同期手順のフローチャートである。この手順500は、システムの通信エレメントが同期無線通信リンクで通信するシステムにおける通信エレメントの同期に使用するために、タイミング基準信号214、218（図２）の１つのようなタイミング基準信号の発生に使用されることができる。他の通信装置も手順500を部分的に行うのに適しているが、手順500は通信装置200（図２）の部分により実行されることができる。動作502はＧＰＳ信号がタイミング基準信号の発生に使用可能であるか否かを決定する。ＧＰＳ信号がタイミング基準信号の発生に使用可能であるとき、動作512および514が行われ、ここではタイミング基準信号は受信されたＧＰＳ信号から発生される。ＧＰＳ信号がタイミング基準信号の発生に使用可能ではないとき、動作504が行われる。１実施形態では、利用可能なＧＰＳ信号が自己同期よりも正確性の少ないシステム同期を行うことが決定されるとき、動作504が行われる。

動作504で、装置の位置は先の処理から集められることができる。動作506では、位置データはシステムの局部的な幾何学座標系の原点からの時間オフセットへ変換され、これは随意選択的である。局部的で、仮想の、座標系も動作516からのデータを有するＷＧＳ８４緯度および経度のような任意の外部座標系を参照されることができる。動作516は外部基準に対して座標系を調節できる。

動作508は動作506の結果を採用し、類似、仮想、時間マークがシステムの局部的な幾何学座標系の原点で生じるのと同一の瞬間に生じるタイミング信号を発生するために装置の局部的な時間マークからそれらを減算する。動作518は位置決定手順（例えば図４の手順400）中およびシステム同期手順500中に装置の移動または軌道の効果を補間する。動作518はまたタイミングおよび位置の正確性を改善するために付加的な補正ファクタを発生するように無線ネットワークを通る位置決定データの待ち時間を考慮に入れることができる。動作508は動作518で決定されたこれらの補正ファクタを考慮に入れることができる。１実施形態では動作508はシステム全体の局部的な座標系の原点からゼロの伝播時間（例えば無限の伝播速度）に対する通信装置のタイミング基準の補正を含むことができる。

動作510は動作508または514或いはその両者の結果を採用し、これを装置の基本的なタイミングの調節に使用する。この基本的なタイミングは位置の機能と無線データリンクの機能の両者を含んでいる。動作510の後、手順500はシステムが動作している時に反復されることができる。

その他、特別に説明したわけではないが、処理、コンピュータ処理、計算、決定、表示等の用語は、処理システムのレジスタおよびメモリ内の物理的な（例えば電子的な）量として表されるデータを操作し、これを処理システムのレジスタまたはメモリ内の物理的な量として表される類似の他のデータに変換する１以上の処理またはコンピュータシステム或いは類似の装置、またはその他のこのような情報記憶、送信または表示装置の動作および／またはプロセスを指している。さらにここで使用されるように、コンピュータ装置は揮発性または不揮発性メモリ或いはその組合せであるコンピュータの読取可能なメモリに結合されている１以上の処理エレメントを含んでいる。さらに、ここで使用されるように、データは１以上の記憶データエレメントを表し、これはファイルの部分、単一のファイル、ファイルの大きさ、データベース、記憶装置の区分、容積、容積のセット等を含むことができる。データは単一の記憶装置に存在する必要はなく、多数の記憶装置にまたがることができる。

通信装置の位置を決定し、追跡する同期無線通信システムおよび方法は、ＧＰＳ信号が利用可能ではないか妨害されているときに、システム同期と通信装置の位置決定が可能にされる。種々の実施形態では、システムおよび方法は頑強であり、実質上自律性であり、妨害に対して抵抗力がある。種々の実施形態のシステムおよび方法は、妨害されるかそうでなければ正確に受信ができないＧＰＳ信号に完全に依存することを必要としない。

種々の実施形態では、このシステムおよび方法はシステムエレメント間において時間にわたって相対的な位置エラーを必ずしも累積しない。このシステムおよび方法は必ずしも戦場の煙または霧により影響されず、昼間または夜間に使用されることができる。このシステムおよび方法は必ずしも地勢データベースを必要としない。幾つかの実施形態では、コンピュータ処理は既に通信装置内にあるＣＰＵにより実行されることができる。本発明の多くの実施形態はそれがプラットフォームにかかわりなくほとんどの無線データリンクシステムに適合されることを可能にする。

特定の実施形態についての前述の説明は、一般的な概念から逸脱せずに、現在の知識を適用することによって、他の者が容易に変更および／または種々の応用にそれを適応させることができる本発明の一般的な特性を十分に明白にしている。それ故、このような適応および変更は説明した実施形態の意義および均等物の範囲内である。ここで使用される用語と術語は説明の目的であり、技術的範囲を限定する目的ではない。したがって、本発明は特許請求の範囲の技術的範囲内に入る全てのこのような置換、変更、均等物、変形を含んでいる。

本発明の実施形態が実行されることのできる動作環境を示す図。 本発明の１実施形態にしたがった無線通信装置の機能ブロック図。 本発明の１実施形態にしたがって無線通信装置間での同期通信のための通信フレームを示す図。 本発明の１実施形態にしたがった位置決定手順のフローチャート。 本発明の１実施形態にしたがった位置決定手順のフローチャート。 本発明の１実施形態にしたがったシステム同期手順のフローチャート。

Claims (10)

1. 同期無線通信を使用して、通信する複数の通信装置（102）間で実質的に同期を維持する方法において、通信装置は内部で発生された同期信号（214、218）により他の装置と実質的に同期され、同期信号は通信フレーム（302）の開始を示し，方法は、
   フレームの予め割当てられたタイムスロット（304）期間中にそれぞれ行われる他の通信装置からの送信をフレーム内において受信し（410）、
   少なくとも幾つかの他の通信装置で受信された通信から伝播遅延を（414で）決定し、
   少なくとも１つの通信装置の位置を伝播遅延から（420で）計算し、
   フレーム同期のためタイミング基準信号をその位置から（508で）発生するステップを含んでいる方法。
2. タイミング基準信号（214）は使用可能なＧＰＳ信号が利用可能であるときに通信装置により受信されるＧＰＳ信号から得られ、タイミング基準信号は実質的に各通信装置に対して同期される請求項１記載の方法。
3. タイミング基準信号（218）は少なくとも１つの通信装置に対して先に決定された位置に基づいており、通信装置に対して軌道補外し、タイミング基準信号（218）は通信フレーム（302）の開始を示すために各通信装置で実質的に同期され、通信装置（102）は使用可能なＧＰＳ信号が利用可能ではないとき，自己同期信号を発生し、
   決定された伝播遅延はフレームの開始と、少なくとも幾つかの他の通信装置からの通信の受信との間の時間遅延に基づいている請求項１記載の方法。
4. 現在の通信装置での伝播遅延を少なくとも幾つかの他の通信装置から（418で）受信し、受信された伝播遅延を使用して少なくとも幾つかの通信装置の位置を（420で）計算するステップをさらに含み、計算は現在の通信装置の位置に対する計算を含んでいる請求項１記載の方法。
5. 伝播遅延を少なくとも幾つかの他の通信装置へ（416で）報告し、
   計算された位置を少なくとも幾つかの他の通信装置へ（426で）送信するステップをさらに含んでいる請求項４記載の方法。
6. さらに、ゼロ伝播時間の通信装置のタイミング基準をシステム幅の局所座標系の原点から補正することを含んでいる請求項１記載の方法。
7. 内部で発生されたタイミング基準信号（214、218）と同期された複数の通信装置（102）を具備し、それらの通信装置は同期された通信フレーム（302）の予め割当てられた時間スロット（304）内で他の通信装置からの通信を受信し、他の通信装置の伝播遅延を決定し、位置情報を少なくともいくつかの他の通信装置と交換し、位置情報に基づいてフレーム同期のためタイミング基準信号を発生し、通信装置はゼロ伝播時間に対するタイミング基準をシステム幅の局所座標系の原点から補正する同期無線通信システム。
8. 同期無線通信システムの一部として動作するための通信装置（200）において、
   同期された通信フレームの予め割当てられた時間スロット内において他の通信装置とデータパケットを通信するデータ受信機／送信機（202）と、
   他の通信装置に割当てられた時間スロット内において他の通信装置から受信された通信に関連する伝播遅延を決定するための到着時間（ＴＯＡ）決定装置（224）と、
   他の通信装置とのフレーム同期のためにタイミング基準信号を発生する自己同期信号発生器（216）とを具備し、
   受信された通信の伝播遅延は他の通信装置と交換され，タイミング基準信号は他の通信装置から受信された伝播遅延に基づいて発生される通信装置。
9. さらに、同期通信フレーム（302）の期間中にクロック信号（222）を発生するために、タイミング基準信号（214、218）に応答する訓練された発振器を含む同期エレメント（220）を具備している請求項８記載の通信装置。
10. さらに、使用可能なＧＰＳ信号が通信装置により受信されたとき、タイミング基準信号（214）を発生するためのＧＰＳ受信機（210）を具備し、自己同期信号発生器（216）は使用可能なＧＰＳ信号が受信される時タイミング基準信号（218）の発生を控える請求項９記載の通信装置。

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