JP2010521667A

JP2010521667A - 多衛星測位（ＡＬＬＩＮＶＩＥＷ）でのコヒーレントなグローバルポジショニングシステム（ＧＰＳ）信号の擬似ランダムノイズ（ＰＲＮ）コード捕捉およびナビゲーションソリューション（ＮａｖｉｇａｔｉｏｎＳｏｌｕｔｉｏｎ）の算出のための方法およびシステム

Info

Publication number: JP2010521667A
Application number: JP2009553555A
Authority: JP
Inventors: ディ・エスポスティ，レイモンド・エス
Original assignee: Boeing Co
Current assignee: Boeing Co
Priority date: 2007-03-16
Filing date: 2007-03-16
Publication date: 2010-06-24
Anticipated expiration: 2027-03-16
Also published as: EP2069817B1; WO2008115174A1; JP5302902B2; EP2069817A1

Abstract

本開示の方法およびシステムは、一度に１つのＧＰＳ信号捕捉ではなく、同時の、多衛星測位でのコヒーレントなＰＲＮコード信号処理法に基づく、ＧＰＳ衛星測距信号のより堅牢な検知を可能にする。さらに、当該方法およびシステムは、ＧＰＳのＰＲＮコード信号を一度に１つ捕捉する従来の捕捉方策と比べると、組合された信号の信号対雑音比（ＳＮＲ）捕捉性能において１０ｄＢ以上の改善を可能にし得る。当該方法およびシステムはさらに、ユーザおよび基地局の両方に共通の測距誤差の除去を自動的に可能にし、マルチパス誤差がコード位相計測値に導入するのを最小限にする。

Description

分野
この発明は、グローバルポジションニング（global positioning; ＧＰ）のための方法およびシステムに関する。より具体的には、この発明は、衛星からグローバルポジションニングシステム（global positioning system; ＧＰＳ）信号を捕捉し、ＧＰＳユーザ受取機の場所を求めるための方法およびシステムに関する。

背景
何十年もの間、移動体プラットフォームおよび／または個人についてのリアルタイムの場所および位置情報を取得する能力は、非常に求められた技術であった。米国空軍が導入した世界規模の無線ナビゲーションシステムであるグローバルポジションニングシステム（ＧＰＳ）の実現以来、これは現実のものとなった。ＧＰＳは、さまざまな衛星、地上局または基地局、および少なくとも１つのＧＰＳユーザ受取機を含む。

衛星の場所は、ＧＰＳユーザ受取機の位置を計算するのに基準点として用いられ、それは通常、メートル単位、時にはセンチメートル単位内で正確である。衛星、地上局、およびＧＰＳユーザ受取機の各々は、正確な時間で始まるプログラムされた時間決めされた信号を有する。衛星が送信した信号を連続追跡するよう、地上局およびＧＰＳユーザ受取機は、自身のそれぞれの内部クロックが予測する時間に対して、自身のそれぞれの内部生成された信号をスルー（slew）させる。信号が連続追跡される際、ＧＰＳユーザ受取機は、擬似距離（pseudoranges）と呼ばれる、各衛星に対する距離計測を行なう。これらの擬似距離計測は、衛星に対する実際の距離を含み、それに加えて、ＧＰＳ時間に対する受取機のクロックの時間のオフセットに関連付けられる誤差、さらには他のより小さな誤差を含む。ＧＰＳ制御セグメントのネットワークに含まれる地上局は、衛星のクロックおよび軌道についての予測を生成するよう用いられる測距計測値を提供する。これらの予測は周期的に衛星に対してアップロードされ、衛星はこのデータをユーザ受取機に送信し、ユーザ受取機の位置決め機能を支援する。

各衛星は、一意の擬似ランダムノイズ（Pseudo-Random Noise；ＰＲＮ）コードとナビゲーション（Nav）メッセージとを含むＧＰＳ衛星信号を、２つの搬送周波数Ｌ１およびＬ２上で送信する。Ｌ１キャリアは１５７５．４２ＭＨｚであり、時間調整（timing）のために、Navメッセージと擬似ランダムノイズコードとを搬送する。Ｌ２キャリアは１２２７．６０ＭＨｚである。Ｌ２信号は通常は軍用目的に用いられ、より正確かつ複雑な擬似ランダムノイズコードである。粗捕捉（Coarse Acquisition；Ｃ／Ａ）コードおよび精密（Precise；Ｐ）コードと呼ばれる２つのタイプのＰＲＮコードがある。Ｃ／Ａコードは民間利用を意図し、１．０２３ＭＨｚの速度でＬ１キャリアを変調し、１０２３ビットごとに繰返し、したがって、Ｃ／Ａコードの長さは１ミリ秒になる。Ｐコードは、軍での利用を意図し、７日間の周期で繰返し、１０．２３ＭＨｚの速度でＬ１およびＬ２キャリアの両方を変調する。Ｐコードは、暗号化されると、「Ｙ」コードと呼ばれる。さらに、Navメッセージは、Ｌ１およびＬ２上のこれらコードに加えられるとともに、衛星の軌道情報、それらのクロック補正情報、およびその他のシステムのステータスの情報を与える低周波数信号である。ＧＰＳ衛星測距信号（ranging signal）が地球に送信されると、ＧＰＳ衛星測距信号は、慣性座標系における真空を通る光速伝播に関連付けられる距離遅延を伴って、直接ＧＰＳユーザ受取機に到達するのが理想的である。しかしながら、ＧＰＳ
ユーザ受取機への経路に沿って、ＧＰＳ衛星測距信号は、距離予測モデルに対する、光速伝播に関連付けられるパス遅延に加えて、当該ＧＰＳ衛星信号を遅延させるいくつかの要因に遭遇することになり、したがって誤差を伴う。このような遅延および誤差を起こし得る要因には、衛星のエフェメリスおよびクロック誤差、選択利用性（selective availability；ＳＡ）、イオン圏および大気圏の影響、マルチパス、ならびに受取機のクロック誤差が含まれる。

ＧＰＳ衛星測距信号における遅延および誤差を低減または除去するよう、デファレンシャルＧＰＳ地上局と呼ばれる他の地上局がしばしば用いられる。各々のデファレンシャル地上局は、静的であり、すべての衛星信号計測値を結びつけ、特定の基準値にする。さらに、ＧＰＳユーザ受取機に最も近いデファレンシャル地上局は、同じエポック時間において、ＧＰＳユーザ受取機によって捕捉および追跡されるＧＰＳ衛星信号と同じ遅延および誤差であって、ＧＰＳ衛星信号に関係付けられる遅延および誤差を含むＧＰＳ衛星測距信号を受取る。デファレンシャル地上局は、典型的にはＧＰＳユーザ受取機の数十キロメートル内にある。デファレンシャル地上局は距離の遅延またはタイミング誤差を計測し、次いで、この補正情報を無線周波数（radio frequency；ＲＦ）の無線通信リンクを通じてＧＰＳユーザ受取機に提供する。ＧＰＳユーザ受取機は、しばらくの間は定常であるかもしれないし、または不定であるかもしれない。ＧＰＳユーザ受取機は、これらの補正をその距離計測値に適用し、上述の誤差を低減する。デファレンシャル地上局は、その固定位置を認識しており、各ＧＰＳ衛星信号についての予測される移動時間を計算する。この計算は、宇宙において各衛星がどこに位置するべきかという送信エフェメリスに基づく。デファレンシャル地上局は、衛星測距信号についての計算された移動時間と、当該信号について計測される実際の移動時間とを、すべての衛星に対して比較し、これにより各衛星について当該信号に関係付けられる誤差補正情報を決定する。デファレンシャル地上局は次いで、各衛星についての誤差補正情報をＧＰＳユーザ受取機に送信する。

従来の信号処理の場合、ＧＰＳユーザ受取機は、まずオンに切換えられるかまたは活性化されてＧＰＳ信号を処理し始めると、視野内の複数の衛星からのＧＰＳ衛星測距信号を探し、捕捉し、かつ連続追跡する。ＧＰＳユーザ受取機はさらに、ＧＰＳユーザ受取機の視野内の各衛星ＰＲＮコード信号について距離計測（擬似距離と呼ばれる）を行ない、ＰＲＮコード信号上に重畳されたNavメッセージデータを復調し、デファレンシャルＧＰＳモードで動作しているならば、地上局から自身に送られた如何なる誤差補正も適用し、この情報を用いてＧＰＳユーザ受取機の位置およびＧＰＳ時間に対するユーザ受取機のクロックのオフセットについて解く。さらに、視野内の任意の衛星とＧＰＳユーザ受取機との間の距離を求めるよう、ＧＰＳユーザ受取機は、信号伝播遅延について実際の移動時間を求め、基地局から受取った誤差補正情報を適用し、補正された移動時間を計算する。この補正された移動時間は次いで、光速で乗算され、これにより信号送信衛星までの距離を求める。少なくとも４つの衛星のＧＰＳ衛星測距信号を捕捉した後、ＧＰＳユーザ受取機は、自身の位置とＧＰＳ時間に対する時間誤差とについて解く。

ＧＰＳ衛星測距信号を捕捉する従来の方法は、一度に１つのＧＰＳ衛星信号を捕捉するＧＰＳユーザ受取機を提供する。信号捕捉は一般的には、ＧＰＳユーザ受取機に関連付けられる最も脆弱な段階である。１つの理由は、Ｃ／Ａコードが弱く、小さいレベルの干渉、間欠的な減衰、または衛星からＧＰＳユーザ受取機までの見通し線（Line-of-Sight；ＬＯＳ）の障害物が、測距信号の１つ以上について捕捉処理を失敗させ得るということである。

したがって、たとえば屋内、樹木の葉の下、またはジャミング条件下でのような、信号
出力の減衰または干渉に関連付けられる困難を伴う環境において、ＧＰＳユーザ受取機によって速く、確実で、かつ堅牢な測距信号捕捉をより良好に確実にする態様で、測距信号捕捉処理をさらにもっと改善するのが望ましいであろう。

概要
本開示は、ＧＰＳユーザ受取機の場所を同時に見積もる間に、ＧＰＳユーザ受取機の視野内の複数の衛星の各々から複数の衛星測距信号を同時に検知および捕捉する方法およびシステムを提供する。

この方法は、グローバルポジションニングシステム（ＧＰＳ）ユーザ受取機の視野内にある複数の衛星からの入力を用いることを伴う。あるデファレンシャル基地局からの無線補助信号は、初期化データのセット、ユーザ場所補助データ、およびＧＰＳ時間同期機能をＧＰＳユーザ受取機に与えるよう用いられ、これにより地表基準のサーチスペースグリッドを制限する。サーチスペースグリッド上での探索は、これらの初期化およびユーザ場所補助データならびにＧＰＳ時間同期機能を用いながら行なわれ、ユーザ受取機の視野内の複数の衛星から複数の衛星測距信号を同時に捕捉する。

方法のさらなる局面は、周波数補助を提供し、周波数サーチスペースを低減または除去し、かつユーザ受取機の信号処理のためにより長いコヒーレントな積分時間を可能にすることを含む。さらに、当該方法は、エポック時間からの衛星の動きにおけるどのような変化に対しても、受取られた複数の衛星測距信号の各々についての信号位相を調節することを伴う。さらに、当該方法は、各グリッドポイント場所での複数の受取られた衛星測距信号をコヒーレントに組み合わせ、処理される複数の衛星測距信号の組み合わされた出力に対応する出力を作り出すことを提供する。次いで、当該組み合わされた出力がＧＰＳユーザ受取機についての推定場所を示すかどうかについて判定がなされる。

ＧＰＳユーザ受取機の視野内の複数の衛星からの入力を用いるグローバルポジションニングシステム（ＧＰＳ）がさらに提供される。当該システムは、複数のＧＰＳ衛星と、局と、少なくとも１つのＧＰＳユーザ受取機を含む。複数のＧＰＳ衛星は、複数のＧＰＳ衛星測距信号を作り出すよう構成され、各ＧＰＳ衛星信号はＰＲＮコードを含む。さらに、基地局は、探索を所定のサーチスペースグリッドに制限するよう、初期化データのセットを生成するよう構成される。基地局はさらに、複数のＧＰＳ衛星測距信号を受取り、時間および周波数補助データを作り出すよう構成される。これは、複数のＧＰＳ衛星測距信号の捕捉を補助するようサーチスペースを低減するとともに、サーチスペースのサイズを低減するか、または信号処理のコヒーレントな積分時間を延ばすのを助ける。ＧＰＳユーザ受取機は、複数の衛星および基地局と無線通信する。当該ＧＰＳユーザ受取機はさらに、視野内の複数の衛星からの複数のＧＰＳ衛星測距信号をコヒーレントに組合せ、出力を作り出すよう構成される。当該出力を用いて、ＧＰＳユーザ受取機は、サーチグリッドポイントのすべてにわたる最大の組み合わされた信号出力に対応する１つのグリッドポイントを選択することにより、同時に自身の場所を見積もる。

この発明の適用のさらなる範囲は、以下に与えられる詳細な説明から明らかになるであろう。詳細な説明および具体的な例はこの発明のさまざまな好ましい実施例を示すが、説明目的であることを意図とするのみであり、この発明の範囲を限定することを意図としない。

この発明は、詳細な説明および添付の図面からより詳細に理解されるであろう。
詳細な説明
さまざまな実施例の以下の記載は単に説明的な性質であり、本開示、その適用例、または利用を限定することを意図するものでは決してない。

図１を参照すると、本開示は、グローバルポジションニングシステム（ＧＰＳ）の視野内にある複数の衛星からの入力を用いるための方法１０を示す。これら複数の衛星は、少なくとも３つの衛星、最大でユーザ受取機の視野内のすべての衛星まで、を含む。当該方法は、動作１２において、無線補助リンクを用いて、基地局からユーザ受取機に、初期化データのセットと基地局場所情報とを送信することを含む。初期化データのセットは、アルマナックまたは衛星のエフェメリスおよびクロックデータ、サイズまたは境界データ、ならびに衛星測距信号計測データを含む衛星測距信号データを含む。境界データは、ユーザ受取機が位置するサーチスペースグリッドを制限するよう所定の地理的寸法を含む。動作１４では、この方法はさらに、基地局を用いて、ユーザ受取機がその内部クロックに同期するのを可能にするＧＰＳ時間同期機能と、基地局で計測され、ユーザ受取機の視野内の衛星コードの受取りを同期するのに用いられる衛星測距データとをユーザ受取機に送信することを提供する。

ＧＰＳ時間同期機能およびその他の送信されたデータがユーザ受取機によって受取られた後、動作１６で示されるように、ユーザ受取機は基地局によって提供された初期化データのセットに基づきサーチスペースグリッド内において探索を始め、ユーザ受取機の視野内の複数の衛星の各々から同時に衛星コードを捕捉する。さらには、ユーザ受取機は、当該ユーザ受取機の視野内のすべての衛星から同時に複数の衛星ＰＲＮコードのすべてを捕捉してもよい。動作１８では、ユーザ受取機は、サーチスペースグリッドにおけるグリッドポイントを探索している間、各受取った衛星ＰＲＮコードの出力をコヒーレントに組合せ、当該ユーザ受取機の推定場所を求める。より具体的には、ユーザ受取機はサーチスペースグリッドを探索し、当該サーチスペースグリッド内の複数のグリッドポイント場所についての各々の受取った衛星コードに関係付けられる出力をコヒーレントに合計し、どのグリッドポイントが受取った衛星コードについて最大の組合せ出力を提供するか求める。最大の組合せ出力は、当該ユーザ受取機の推定場所を識別する、特定のグリッドポイント場所での最大の組合せ出力を示す。

図２を参照すると、本開示のグローバルポジションニングシステム（ＧＰＳ）５０は、上述した動作を実現するために示される。ＧＰＳ５０は、複数のＧＰＳ衛星５２、基地局５４、およびＧＰＳユーザ受取機５６を含む。衛星５２は、各々、ユーザ受取機５６および基地局５４と無線通信している。さらに、基地局５４はユーザ受取機５６と無線通信している。

衛星５２の場所は、信号処理を補助するのに基準点として用いられ、ユーザ受取機５６の場所を算出する。衛星５２は、ユーザ受取機５６の視野にある、地球の軌道における「Ｍ」個の衛星の群を含む。衛星５２の各々は１つ以上の正確に同期されたＧＰＳ衛星測距信号を地球に向けて送信する。ＧＰＳ測距衛星信号はＬ１および／またはＬ２搬送周波数のような搬送周波数上で搬送される擬似ランダムノイズ（ＰＲＮ）コードおよびナビゲーション（Nav）メッセージを含む。Ｌ１キャリアは１５７５．４２ＭＨｚであり、時間調
整（timing）のために、NavメッセージおよびＰＲコードの両方を搬送する。Ｌ２キャリアは１２２７．６０ＭＨｚである。

粗捕捉（Ｃ／Ａ）コードおよび精密（Ｐ）コードと呼ばれる２つのタイプのＰＲＮコードがある。Ｃ／Ａコードは民間利用を意図し、１．０２３ＭＨｚの速度でＬ１キャリアを変調し、１０２３ビットごとに繰返す。Ｐコードは、軍での利用を意図し、７日間の周期で繰返し、１０．２３ＭＨｚの速度でＬ１およびＬ２キャリアの両方を変調する。Ｐコードは、暗号化されると、「Ｙ」コードと呼ばれる。さらに、Navメッセージは、ＰＲＮコードに加えられるとともに、その衛星の軌道についての情報、クロック補正、およびその他のシステムのステータス情報を与える低周波数信号である。

技術が進歩すると、衛星５２は、さらに多くの民間および軍用コードをＬ１およびＬ２キャリアならびにＬ５と呼ばれる付加的な搬送周波数上に含んでもよい。たとえば、ある衛星５２は、２つの軍用コードと１つの民間用信号コードとをＬ１キャリア上に含み、２つの軍用コードと１つの民間用信号コードとをＬ２キャリア上に含み、２つの民間用コードをＬ５キャリア上に含んでもよい。さらに、ＧＰＳナビゲーションシステム衛星５２の代わりに、当該衛星５２は、たとえば米国連邦航空局（Federal Aviation Administration；ＦＡＡ）および米国運輸省（Department of Transportation；ＤＯＴ）によって開発された広域補強システム（Wide Area Augmentation System；ＷＡＡＳ）か、または欧州連合（European Union）および欧州宇宙機関（European Space Agency）によって立上げられた構想であるガリレオ衛星無線ナビゲーションシステムの衛星（Galileo satellite radio navigation system satellite）のような、他の既存の衛星ナビゲーションシステムの衛星を含んでもよい。普遍性の損失がないように、システム５０はＧＰＳコード、または利用可能であるならば、たとえば統合されたＧＰＳ−ガリレオユーザ受取機のような他の衛星ナビゲーションシステム信号のコードを組込んでもよい。

基地局５４は、正確に測量されたポイントに位置する静的な受取機である地上局を含む。基地局５４は衛星５２の各々からＧＰＳ衛星測距信号を受取る。各ＧＰＳ衛星測距信号が基地局５４およびユーザ受取機５６に受取られる際には、当該衛星信号は、イオン圏または大気圏の状態、ＧＰＳ送信エフェメリスおよびクロックデータにおける誤差、マルチパスの状態によって、または基地局５４もしくはユーザ受取機５６に到達する測距信号において誤差を引起し得る他の要因によって悪い影響を受ける場合がある。基地局５４は、初期化データの一意のセット、基地局場所データ、およびサイズまたは境界データのような付加的な補助データを送信する。初期化データのセットは、ＧＰＳアルマナックまたは衛星エフェメリスおよびクロックデータ、ならびに基地局５４で受取られる際の基地局測距計測値を含むＰＲＮ測距データを含む。境界データは、ユーザ受取機５６が位置するサーチスペースグリッドを制限するよう所定の地理的寸法を含む。

ユーザ受取機５６は、基地局場所データに基づきサーチスペースグリッドの中を探索し、ユーザ受取機５６の視野内の衛星５２から衛星コードの少なくとも１つを同時に捕捉する。さらに、ユーザ受取機５６は、ユーザ受取機５６の視野内の衛星のすべてから衛星測距コードのすべてを同時に捕捉してもよく、これにより、受取った衛星コードをコヒーレントに合計するといったようにコヒーレントに組合せ、かつユーザ受取機５６の推定場所をそこから検知する。ユーザ受取機５６は、所定の地理的領域内の複数のグリッドポイント場所の各々での受取ったＧＰＳ測距信号の各々の出力をコヒーレントに組合せるか、または合計し、これにより最大出力値を求める。ユーザ受取機５６は、当該最大出力値を用いて、ユーザ端末の推定場所を推定する。最大出力値は、グリッドポイント場所の各々について存在するすべてのＰＲＮコードの最も高い合計された出力を示し、それがユーザ受取機５６の推定場所を識別する。以下の段落では、ユーザ受取機５６の機能をより詳細に記載する。

無線補助リンクを通じて、ユーザ受取機５６は、基地局場所データとともに捕捉を補助する初期化データのセットと、捕捉探索の際に補助する境界データとを受取る。さらに、無線リンクを通じて、ユーザ受取機５６にはＧＰＳ時間同期機能が与えられ、これにより未知のユーザクロック誤差に関連付けられるサーチスペースグリッドを低減する。ユーザ受取機５６はさらに、基地局５４から、探索に用いるために、時間同期の正確性についてのデータを受取るか、または時間同期の正確性は境界データに基づきユーザ受取機５６によって推論される。さらに、ユーザ受取機５６は、時間補助機能および周波数補助機能を用いて、ユーザ受取機のクロック誤差を低減してもよく、これによりタイムサーチスペースを低減する。

時間補助機能は、ＧＰＳ時間伝達または時間サンプリング制御法のような、いくつかの形態を取り得る。時間伝達法は、ＧＰＳ時間同期機能を、外部のＲＦ補助信号を用いてユーザ受取機５６に与える。他方では、時間サンプリング制御法は、基地局５４が、ＧＰＳ衛星測距信号を計測するために基地局５４に用いられる時間エポックに近い時間エポックでＧＰＳ衛星測距信号をサンプリングするようユーザ受取機５６に命令を与えることを含む。

周波数補助は、信号位相ロックおよび周波数ロック（たとえば周波数ロックループ（phase lock loop; ＰＬＬ））を基地局無線周波数（ＲＦ）搬送信号に対して実現することによって、ユーザ受取機５６により実現され得る。基地局信号が高品質の恒温槽付き水晶発振器（ovenized crystal oscillator; ＯＣＸＯ）を用いて生成される場合、ユーザ受取機ＰＬＬは周波数探索を低減または除去するのに十分なほど正確でかつ安定的な周波数基準値を提供する。ユーザ受取機ＰＬＬ周波数基準値はさらに、ユーザ受取機５６に対する衛星５２の各々のドップラーおよび動きに対する補償に続いて、１秒間の継続時間までコヒーレント積分時間をサポートする。

アルマナックまたはエフェメリスデータを用いて、ユーザ受取機５６は、サーチスペースグリッド内の自身の場所を求めるよう用いるために、視野内のＧＰＳ衛星測距コード信号の数を求める。サーチスペースグリッドは二次元のサーチグリッドを含む。代替的には、サーチスペースグリッドは三次元のサーチグリッドを含んでもよい。たとえば、二次元のサーチスペースグリッドの場合、ある場所を求めるには、ユーザ受取機５６の視野内の少なくとも３つの衛星５４が必要とされる。他方では、三次元のサーチグリッド内のユーザ受取機５６の場所を求めるには、少なくとも４つの衛星５４が必要になる。さらに、ユーザ受取機５６は、以下の式またはその変形例によって与えられる予測可能なオフセットにＰＲＮ符号器を調節し、これにより、視野内の「Ｍ」個の衛星５２の各々から受取られたＧＰＳ衛星ＰＲＮコード信号を同時に相関し、何らかの可能性の高いグリッドポイント場所で信号のすべての存在を同時に検知する。

図３を参照すると、サーチスペースグリッド５８は、約１／４から１／２のＰＲＮコードチップの分だけ離れ得る（Ｃ／Ａコードの場合、Ｌ１のＣ／Ａコードチップは約３００メートルに対応し、Ｐ（Ｙ）コードの場合、Ｐコードチップは約３０メートルに対応する）サーチスペースグリッドポイント（ｘ，ｙ）のセットを含む。二次元のサーチ領域の寸法が約１０ｋｍ×１０ｋｍであるならば、サーチポイントの数は、Ｃ／Ａコードチップについては、約５，０００から２０，０００である。さらに、初期のサーチ領域の低減により、大幅に計算を節減することが可能になる。たとえば、１ｋｍ×１ｋｍの領域では、Ｃ／Ａコードチップについて、１００の要素（factor of 100)削減、またはたった５０から２００のグリッドポイントが可能になる。

再び図３を参照すると、基地局５４からのベクトル

によってオフセットされる、ユーザ受取機５６の場所で受取られたコード位相は、大きさが

である、基地局５４に対する距離オフセットを含む。式中、

は、衛星「ｉ」に対する見通し線（ＬＯＳ）単位ベクトルである。したがって、エポック時間ｔ₀での、基地局５４に対する、ユーザ受取機５６が受取ったＮ個の衛星ＰＲＮコード擬似距離（ＰＲ）計測値のセットは、以下の式で与えられる。

式中、「ｂ」は、ＧＰＳ時間に対する、ユーザ受取機クロックにおける未知のオフセットを示す未知のパラメータである。「Ｎ」は、視野内の「Ｍ」個までの衛星５２から合計された、処理において用いられるＰＲＮコード信号のすべてからなる。エポック時間ｔ₀での、２つのＧＰＳのＰＲＮコード信号「ｉ」と「ｊ」との間の相対コード位相は以下のように規定される。

式中、ＰＲＮコード測距計測値ｉおよびｊは、同じ衛星５２ｉに関係付けられる２つの異なるＰＲＮコード信号、または２つの異なる衛星５２ｉ、５２ｊから得られた２つの異なるＰＲＮコード信号から得られ得る。同じ衛星５２からの２つのＰＲＮコード信号の間の相対コード位相はほとんど同一である。ＰＲＮコード信号が同じ衛星５２ｉからの２つの異なる周波数から得られる場合は、相対コード位相は中間周波数のバイアスを含み得る。

ユーザ受取機５６および基地局５４によって見られる、相対コード位相の間の差は以下の式によって与えられる。

式２を式３に代入し、式１を用いてその結果を簡素化すると、以下の式が与えられる。

未知のユーザクロックオフセットパラメータ「ｂ」が、式４によって与えられる差の相対コード位相の式から存在しなくなる。上記の式、またはそれらの変形例は、ユーザ受取機５６が「Ｍ」個の衛星５２について視野内にある「Ｎ」個のＧＰＳのＰＲＮ信号からの出力を同時に探索、捕捉、および組合せる際に、ユーザ受取機５６内の相対コード位相を予測するのに用いられる。これにより、たとえばユーザ受取機５６のＮ個の相関器を用い、かつ対応するＮ個のＰＲＮコード生成器の出力チップシーケンスをあるグリッドポイントで予測される相対コード位相によって与えられる位相オフセットに対して同期することにより、ユーザ受取機５６が、ユーザ受取機５６の視野内の各衛星についてＰＲＮコードのすべてまでである「Ｎ」個のＰＲＮコードを同時に捕捉するのが可能になる。

基地局５４によって与えられると、衛星５２の１つのアルマナックまたはエフェメリスデータ、基地局の場所、およびＧＰＳ時間情報を用いて、ユーザ受取機５６内においてＬＯＳ単位ベクトル

が計算され得る。ＬＯＳ単位ベクトルは、典型的には、基地局５４とユーザ受取機５６との両方で同じであると想定される。したがって、実用的な適用例の場合、基地局５４とユーザ受取機５６との間のタイミング誤差は約１ミリ秒を超えることはないはずである。しかしながら、受取機のクロック誤差に関連付けられるサーチスペースを低減するためには、さらにより小さい時間同期誤差が有益である。基地局５４が与える時間同期機能は１マイクロ秒以下まで正確であるのが理想的である。しかしながら、この誤差もサーチスペースグリッド５８のサイズによって制限される。

補助データがひとたびユーザ受取機５６に送られると、ユーザ受取機５６は上記の式またはその変形例を用いて、二次元のサーチグリッドの場合、二次元の解

を求めて、基地局５４に対するユーザ受取機の場所の未知のパラメータについて解く。代替的には、サーチスペースグリッド５８が三次元の地表基準グリッドを含む場合、三次元
の解

が与えられる。
代替的には、上記の式の変形例は、サーチスペースグリッド５８内において、ユーザ受取機の絶対的な場所（たとえば、基地局５４ではなく、地表基準中心座標システムに対するユーザ受取機５６の相対的な場所）の算出を可能にする。この絶対的な場所は、ユーザ受取機の処理方法内において、衛星エフェメリスおよびクロックデータと、基地局５４から供給されたＧＰＳ時間同期情報とから予測される、各グリッドポイントでの相対的なコード位相を用いることによってＮ個の相関器を調整することにより得られ得る。しかしながら、この方法はイオン圏の遅延に対する補償をさらに必要とする場合があり、コードチップのかなり大きな部分となり得る。

小さな間隔にわたる静的な条件によってか、または周波数および慣性計測ユニット（Inertial Measurement Unit; ＩＭＵ）の補助によって、ユーザ受取機５６はさらに、延長した時間間隔にわたって複数の計測値をコヒーレントに処理し得る。このような定式化において、他のパラメータが性能を改善させるよう加えられ得る。ＧＰＳ処理は、ＧＰＳエポック時間ｔ₀に対する相関間隔にわたる衛星の動きにおける如何なる変化に対しても、ＰＲＮ符号器および信号位相を調節する。この調節は、衛星エフェメリスおよびクロックデータを用いて決定され得る。

すべてのＰＲＮコード信号をコヒーレントに組合せるよう、ユーザ受取機５６は、初期の計測エポック時間に、各ＰＲＮコードに関連付けられる各信号キャリア位相角度の可能性にわたるよう組合せ探索を行なう。この組合せ探索は、処理される「Ｎ」個のＰＲＮコードに関連付けられるキャリア位相の組合せのすべてに及ぶ。その１つのキャリア位相組合せ、すなわち上述したように、例えば従属の相対コード位相同期探索を行なう「Ｎ」個のＰＲＮコード相関器からの合計された出力といったような、ノイズレベルに対して、組合されたＰＲＮコード信号出力における最も強力な「スパイク」を作り出すグリッドポイントおよびユーザ受取機のクロックの組合せが、最も可能性の高いユーザ受取機の場所を示す。この探索はさらに、ユーザクロック誤差にわたる探索、および各グリッドポイントでのすべてのＰＲＮコード信号についてのすべてのキャリア位相組合せにわたる組合せ探索を含む。ノミナルコード受取出力レベルの認識、各周波数帯域での見積もられたノイズレベル、姿勢基準値に対するユーザ受取機５６のゲインパターンによる衛星ＬＯＳ減衰、および既知のＬＯＳ障害物のような付加的な情報は、信号を除去し、かつ組合せの数を低減するか、または出力を重み付けするために有用であり得、これによりソリューションスピードまたは性能を向上させる。この情報はさらに、好適なしきい値の計算により、ユーザ受取機５６が行なう計算ソリューション動作の信頼性を予測するのを可能にし得る。

ユーザ受取機５６は、相関に先立って、各ＰＲＮコード信号について、エポック時間ｔ₀でサンプリングされた信号位相のデジタル回転を適用することによって、組合せキャリア位相探索を行なってもよい。たとえば、５つのＰＲＮコード信号に対して４５°の位相インクリメントを用いる徹底的な探索は、８⁵＝３２，７６８の可能性のある組合せに対応する。この探索は、全サーチスペースにわたる最大の組合せ出力を求める探索のために多数の相関器を実現する特別に設計された電子回路（たとえば、特定用途向け集積回路（Application Specific Integrated Circuits）またはＡＳＩＣＳ）を用いて効率的に総合され得る。このサーチスペースは、グリッドポイント、ユーザクロック誤差探索、キャリ
ア位相組合せ探索からなる。さらに、より小さなキャリア位相インクリメントが用いられれば、信号処理損失が低減されるが、計算上の負荷または電子機器ハードウェアの複雑性も増加する。キャリア位相組合せサーチスペースの低減は、各衛星５２に対する既知の信号位相関係を用いて可能となる。

各グリッド探索ポイントでは、ユーザ受取機５６は、この特定のグリッドサーチポイントがユーザ受取機５６の推定場所であると想定する。処理の間、ユーザ受取機５６は、上記の式によって予測されるように、各内部ＰＲＮ符号器の位相を関連付けられる相対コード位相に調整する。さらにユーザ受取機５６は、上述した関連付けられるＰＲＮ符号器の出力データを、ユーザ受取機５６から受取ったダウンコンバートおよび周波数補正されたデータに対して相関する。予想されたコード位相およびサーチスペースグリッドポイントに関連付けられるユーザクロック時間オフセットおよび距離オフセットが実際のユーザ受取機距離に対応するならば、信号の存在に対応する出力があることになる。この仮定した想定が正しくないならば、出力はノイズにのみ対応することになる。（たとえば屋内または干渉条件下のような）困難を伴う環境において、１つの相関器からの出力ではＰＲＮコード信号を正確に検知するのに不十分であるかもしれない。「Ｎ」個のＰＲＮコード信号からの出力がコヒーレントに組合されると、ＰＲＮコード信号の検知の信頼性がはるかに改善される。受取ったＧＰＳ衛星測距信号の各々からの相関器出力をコヒーレントに組合せることにより、ＰＲＮコード信号は、ユーザ受取機の推定場所で同時に捕捉され得る。

ＰＲＮコード信号の初期探索に続いて、ＰＲＮコード信号の検知、ユーザ受取機５６の推定場所の算出、ユーザ受取機５６の場所に対するその後の絞込み探索が実行されてもよい。このような絞込みは、出力がさらに最大化されるまで初期のグリッドポイントソリューションに対してさらに小さなステップ（たとえば１／１０コードチップの間隔で）で、またはコード位相誤差処理を実行するよう小さなコード位相調節を用いることでサーチスペースグリッド５８を調節することを伴い得る。

複数の周波数帯域に関連付けられるデータの、基地局５４およびユーザ受取機５６による処理のために、基地局５４およびユーザ受取機５６についての中間周波数バイアスは、コードチップ（Ｃ／Ａコードチップは約１ミリ秒であり、Ｐ（Ｙ）コードチップは約０．１ミリ秒である）に対して小さいままに保たれる。代替的には、すべての周波数帯域からのすべての信号のコヒーレントな組合せが望ましいならば、このバイアスに関連付けられる付加的な小さなサーチレイヤが必要となり得る。しかしながら、１つの周波数帯域からのＰＲＮコード信号を処理するだけで、有効な処理ゲインが達成され得る。たとえば、各衛星５２は２つの民間用および２つの軍用の信号を地球でのカバレッジ（Earth coverage）Ｌ１上にて有し得、そのため、比較可能な受取られた出力レベルの衛星ＰＲＮコード信号を想定すると、視野内の１０個の衛星５２により、１つの信号のみの捕捉に勝る、要素４０（１６ｄＢ）の利点が与えられ得る。

上述したように高品質な正確かつ安定したユーザ受取機５６の発振器または基地局の周波数補助がなければ、ユーザ受取機の発振器周波数オフセットにわたる付加的な探索も必要となり得、コヒーレントな積分時間の継続期間が制限され得る。この場合、付加的な周波数サーチスペースの範囲は、発振器の周波数誤差に依存することになり、コヒーレントな積分時間の継続時間は発振器の安定性に依存することになる。

各ＰＲＮコードについてコヒーレントな積分時間を延ばすよう、当該処理は、ユーザ受取機５６に対する衛星５２のドップラーへの周波数補正を含む。長い積分時間のために、相関間隔にわたって位相のコヒーレンシーを維持するべく、捕捉されたＧＰＳ信号サンプルデータまたは内部生成されたコードおよび位相データはさらに、相関間隔にわたって、任意の衛星５２のまたは大幅なユーザ受取機５６の動きについて位相補正される。他方で
は、操作者が、送信ＧＰＳ信号データが捕捉される間、ユーザ受取機５６に関連付けられるボタンを押した後、数秒間ユーザ受取機５６を静止状態で単に保持することにより、ユーザ受取機のモーション劣化（motion degradation）を除去できる。さらに、ユーザ受取機５６の地球の差動回転の影響に対する補正は、１０ｋｍ×１０ｋｍ内のサーチエリアグリッドについては、必要ない。

別の実施例では、ＧＰＳのNavデータストリッピングが（たとえばＮＡＶメッセージデータビット遷移境界を超えてコヒーレントな積分時間を延ばすよう）適用されるならば、このデータストリッピングを促進するよう、ユーザ受取機５６は好ましくは、これらのデータビットが相関間隔にわたって予測され得る適切な時間にサンプリングを行う。基地局５４は、好ましくは補助およびコード位相情報をほぼ同じ時間に与える。

さらなる実施例では、ユーザ受取機５６による信号受取りの前に、メッセージデータが予測され得ず、ユーザ受取機５６に中継されてこなければ、ユーザ受取機５６はデジタル化されたデータをバッファリングし得、処理に先立って、基地局５４の無線補助リンクからのＮＡＶメッセージデータのフィードフォワードを待つ。

さらに別の実施例では、ユーザ受取機５６は、将来近代化されるＬ２およびＬ５の民間用およびその他の信号上で利用可能となるデータのないチップまたはチャネルに対してコヒーレントに積分を行なう。

なお、短いコヒーレントな積分時間継続期間を１つのＮＡＶデータシンボル間隔に制限し、たとえば同相（Ｉ）および直角位相（Ｑ）チャネルからの出力を二乗し、次いでＰＲＮコードのチャネルのすべてについてＩ²+Ｑ²の合計を行なうことによって相関器出力が非コヒーレントに組合されるならば、処理の複雑性の低減とともに、性能の低減が可能である。

別の実施例では、基地局５４が補助データを提供する代わりに、当該補助データは、携帯電話局、時間同期および地理位置サービスも提供する通信衛星、ナビゲーション・シグナル・オブ・オポチュニティ（navigation signal-of-opportunity）から送られてもよく、またはＧＰＳ／無線装置のローカルネットワーク内の好適に設計された第２のＧＰＳ／無線装置から得られてもよい。

さらなる実施例では、困難な環境においても、繰返しスナップショットタイプの捕捉／位置決定により、ＧＰＳのＰＲＮコード信号の連続的な追跡が失敗し得る状況での堅牢な捕捉／再捕捉およびその後の準連続時間ナビゲーション性能が可能になり得る。困難さがそれより小さい環境では、視野内のＧＰＳ衛星測距信号のすべてを連続的に追跡するよう衛星のＰＲＮコードおよび搬送信号追跡ループ、ベクトル遅延ロックループ、または非常に堅固な結合実現例を初期化する上述の得られたソリューションのハンドオフが、ソリューションを確認し、Navメッセージデータを復調し、位置、時間、速度の見積りを絞込む。特に、ここでのこの実現例は、さらに非常に堅固なＧＰＳ／ＩＮＳ（慣性ナビゲーションシステム）結合実現例を、干渉しがちな環境において初期化する堅牢な技術を提供する。

ここで与えられた方法１０およびシステム５０は、基地局５４およびユーザ受取機５６の両方に対して共通の誤差の自動的な除去を可能にし、１つまたはいくつかの衛星測距信号に影響を与えるマルチパスに影響されない。基地局５４による処理は、ユーザ受取機５６に送られる測距データ内にマルチパスの誤差が導入されるのを最小限にすることを助ける。

さまざまな好ましい実施例が記載されてきたが、当業者ならば、この発明の概念から逸脱することなくなされ得る修正例または変形例を認識するであろう。例によってここでの開示を説明し、当該例はそれを限定するよう意図していない。したがって、記載および特許請求の範囲は、関連ある先行技術に鑑みて必要であるような限定をもって寛容に解釈されるべきである。

グローバルポジションニングシステム（ＧＰＳ）の視野内にある複数の衛星からの入力を用いるための、本開示の方法のフローチャートの図である。図１の方法を実現するよう用いられる例示的なシステムのブロック図である。衛星のすべてからの測距信号入力を同時に捕捉するよう用いられる二次元のサーチエリアの例を示すグラフの図である。

Claims

ユーザ受取機のリアルタイムの位置を素早く求めるよう、衛星コードを有する複数の衛星測距信号を素早く捕捉および用いるための方法であって、
無線補助リンクを用いて、初期化データのセットおよび基地局場所データを基地局からユーザ受取機に送信し、ユーザ受取機が位置するサーチスペースグリッドを所定の地理的寸法に制限するステップと、
基地局を用いて、ユーザ受取機がユーザ受取機クロックに同期することを可能にする時間同期機能と、エポック時間に基地局で受取られた衛星測距データとをユーザ受取機に送信するステップと、
ユーザ受取機を用いて、基地局場所データに基づきサーチスペースグリッド内を探索するとともに、ユーザ受取機の視野内の複数の衛星からの衛星コードのうち少なくとも１つを同時に捕捉するステップと、
ユーザ受取機を用いて、受取られた衛星コードをコヒーレントに組合せるとともに、そこからユーザ受取機の推定場所を検知するステップとを含む、方法。
ユーザ受取機を用いて、受取られた衛星コードがコヒーレントに組合されることになる所定の地理的寸法内でのグリッドポイント場所を検知するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
初期化データのセットと時間同期機能とは、サーチグリッドポイントにおいて複数の衛星の各々について少なくとも１つの衛星コード位相を予測するよう用いられる、請求項１に記載の方法。
グリッドポイントでの各衛星コード信号位相は、基地局に対する地理的関係を用いて予測される、請求項３に記載の方法。
グリッドポイントでの各衛星予測コード位相は、ユーザ受取機に受取られる際に複数の衛星測距信号コード位相を同時に捕捉するよう用いられる、請求項４に記載の方法。
受取られた衛星コードをコヒーレントに組合せる動作は、
地理的寸法における複数のグリッドポイント場所の各々で受取られた衛星コードの各々によって作り出される出力を分析するステップと、
複数のグリッドポイント場所の各々について出力のすべてをコヒーレントに合計するステップと、
合計された出力が地理的寸法内の複数のグリッドポイント場所についての最大出力値を示すときを判断し、ユーザ受取機の推定場所を識別するステップとを含む、請求項１に記載の方法。
ユーザ受取機の誤差時間を低減するとともに衛星コードの捕捉を補助するよう、時間補助を与えるステップと、
周波数サーチスペースを低減または除去するよう周波数補助を与えるステップと、
エポック時間からの衛星の動きにおけるどのような変化に対しても、コード位相を調節するステップとをさらに含む、請求項１に記載の方法。
地理的寸法は、地球の座標の二次元のグリッドまたは三次元のグリッドを含む、請求項１に記載の方法。
二次元のグリッドは約１０ｋｍ×１０ｋｍ以下の正方形を含む、請求項８に記載の方法。
初期化データのセットは、
アルマナックデータと、
衛星エフェメリスデータと、
クロックデータと、
サーチスペースグリッドについてのサイズまたは境界データ、および基地局測距計測値とのうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の方法。
衛星測距信号を用いてユーザ受取機の位置を求めるための方法であって、
基地局からユーザ受取機に無線補助リンクを介して初期化データおよび基地局場所データを送信し、ユーザ受取機による複数の衛星測距信号を求める探索を、ユーザ端末の現在場所を取囲む所定の地理的領域に制限するステップと、
ユーザ受取機を用いて、ユーザ受取機の視野内である各宇宙ベースのＧＰＳ衛星からの複数の衛星測距信号の各々を求めて、複数のグリッドポイント場所を有する所定の地理的領域内を探索するステップと、
ユーザ受取機を用いて、所定の地理的領域内の複数のグリッドポイント場所の各々で前記測距信号のすべての受取られたものの出力をコヒーレントに組合せ、これにより最大出力値を求めるステップと、
ユーザ受取機に最大出力値を用いらせて、ユーザ端末の推定場所を推測するステップを含む、方法。
ユーザ受取機の視野内の衛星によって送られたＧＰＳ衛星測距信号のすべてを同時に検知および捕捉するよう、地理的領域内において少なくとも１つのキャリア位相組合せにわたって探索を行なうステップと、
ユーザ受取機の時間誤差を低減するとともに、当該探索を補助するよう時間補助を与えるステップと、
周波数サーチスペースを低減または除去するよう周波数補助を与えるステップと、
地理的領域にわたって最大の組合された出力に対応する組合された信号出力を選択することに基づき、基地局に対するユーザ受取機についての推定場所を見積もるステップとをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
最大出力値は、グリッドポイント場所の各々について存在するすべての前記衛星測距信号の最も高い合計出力を示し、それはユーザ受取機の推定場所を識別する、請求項１２に記載の方法。
推定場所に基づき地理的領域を低減するステップと、
ＧＰＳ衛星測距信号の第２のセットを同時に検知および捕捉をするよう、低減されたサーチエリアグリッド内において、少なくとも１つのキャリア位相組合せにわたって探索を行なうステップと、
低減されたサーチスペースグリッド内のグリッドポイント場所を検知するステップと、
エポック時間からの衛星の動きにおけるどのような変化に対しても、コード位相を調節するステップと、
グリッドポイント場所で、ＧＰＳ衛星測距信号の第２のセットの各々の衛星コードをコヒーレントに組合せ、第２の組合された出力を作り出すステップと、
第２の組合された出力が、ユーザ受取機についての絞込まれた場所を示すかどうか判断するステップと、
低減されたサーチエリアグリッド内において、基地局に対するユーザ受取機の絞込まれた場所を見積もるステップとをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
地理的領域は、約１０ｋｍ×１０ｋｍの正方形以下の地球座標の二次元の群をさらに含
む、請求項１１に記載の方法。
地理的領域はさらに、地球座標の三次元の群をさらに含む、請求項１１に記載の方法。
初期データは、アルマナックまたは衛星エフェメリスおよびクロックデータ、エポック時間に基地局で受取られた際の衛星測距計測データを含む衛星ＰＲＮ測距データ、ならびにユーザ受取機が位置するサーチスペースグリッドを制限するサイズおよび境界データとを含む、請求項１１に記載の方法。
ユーザ受取機の視野内の複数の衛星からの衛星測距信号からユーザ受取機の位置を素早く求めるためのグローバルポジションニングシステム（ＧＰＳ）であって、
擬似ランダムコードを有する複数のＧＰＳ衛星測距信号を作り出すよう構成される複数のＧＰＳ衛星と、
サーチスペースグリッドを所定の地理的寸法に制限するよう、初期化データのセットと、時間同期機能と、基地局場所データとを生成するように構成される基地局とを含み、当該基地局はさらに、サーチスペースグリッドについて時間誤差を低減するとともに複数のＧＰＳ測距信号の捕捉を補助するようユーザ受取機のクロックを同期させる時間補助データを作り出すよう複数のＧＰＳ衛星測距信号を受取り、かつ当該時間補助データと初期化データのセットとを送信するよう構成され、前記グローバルポジションニングシステムはさらに、
基地局と無線通信するユーザ受取機を含み、当該ユーザ受取機は初期化データのセットと時間補助データとを受取るよう構成され、ユーザ受取機はさらに、ユーザ受取機のクロックを同期させる時間同期機能とエポック時間に基地局で受取られた測距信号測距データとを受取るようさらに構成され、ユーザ受取機は、基地局場所データに基づきサーチスペースグリッド内を探索するとともに、ユーザ受取機の視野内の複数の衛星から測距信号の少なくとも１つを同時に捕捉するよう動作可能であり、ユーザ受取機はさらに、受取られた測距信号の出力をコヒーレントに組合せ、そこからユーザ受取機の推定場所を検知するよう構成される、グローバルポジションニングシステム。
ユーザ受取機はさらに、低減されたサーチエリアグリッド内において少なくとも１つのキャリア位相組合せにわたって探索を行なうことで当該推定場所を絞込むとともに、基地局に対するユーザ受取機の絞込まれた場所を見積もるよう構成される、請求項１７に記載のシステム。
ユーザ受取機はさらに、サーチスペースグリッド内における複数のグリッドポイント場所を検知するとともに、当該複数のグリッドポイント場所の各々で測距信号の各々の出力をコヒーレントに合計し、最大出力を求めるよう構成される、請求項１７に記載のシステム。
最大出力は、サーチスペースグリッド内に見つかった複数のグリッドポイント場所の最大の出力に対応するため、最大出力は当該推定場所を識別する、請求項１９に記載のシステム。