JP3574436B2 - 衛星ナビゲーションシステム及びナビゲーションシステム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は衛星ＧＰＳ受信機及びシステムに関し、より具体的には初期定点化時間（ｔｉｍｅ−ｔｏ−ｆｉｒｓｔ−ｆｉｘ）及び精度を向上し、さらにフィールドデバイスの製造コストを改善するために、正確な時間及び周波数についての情報によってネットワークで支援される最低コストのフィールドデバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
全地球測位システム（ＧＰＳ：ｇｌｏｂａｌ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ）の受信機は位置及び速度といったナビゲーションデータを判定するのに普通３個以上の地球の軌道を回る衛星から受信する信号を用いる。ＧＰＳ信号は無料で全世界的に使用可能で、今では日常的に都市の１ブロック以内まで、あるいはより一層正確に車の位置を判定するのに用いられている。２周波搬送波のＧＰＳ受信機は普通、そのＧＰＳ衛星と対応付けた一対の無線搬送波Ｌ１及びＬ２を探知してその搬送周波数に対するＰコード変調から蓄積デルタレンジ測定値（ＡＤＲ：ａｃｃｕｍｕｌａｔｅｄ ｄｅｌｔａ−ｒａｎｇｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ）を生成し、同時にＬ１のＣ／Ａコードを探知してコード位相測定値を生成する。搬送周波数Ｌ１は１５７５．４２ ＭＨｚに割り当てられ、一方Ｌ２は１２２７．７８ ＭＨｚに位置している。安価な受信機は一つの搬送周波数にしか合わせることができないので、位置エラーとなって現れる局所的対流圏及び電離層の信号伝搬遅延を計算する情報が十分でない。これらの周波数で、無線搬送波信号は照準線に沿って伝わっていく。そのためにビルや山、水平線で受信がブロックされ、マルチパス反射により良好な受信状態との干渉が起きる。
【０００３】
地球を回る軌道に乗ったＧＰＳ衛星群の各々が３２の固有識別コードの一つを符号分割多元接続（ＣＤＭＡ：ｃｏｄｅ−ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ａｃｃｅｓｓ）方式で伝送する。そうすると、ＧＰＳ衛星の全てがそれぞれの衛星の相対速度によるドップラー周波数シフト分をプラス／マイナスした同じ周波数で、スペクトル拡散通信モードで伝送することができるようになる。１０２３「チップ」コードを個々のＧＰＳ衛星に予め割り当てられた３２の擬似乱数（ＰＲＮ）シーケンスコードのうちの一つに相関することによって、信号ジャンブルや雑音から特定の衛星を区別することができる。これらのコードは必ずしも互いに同じ位相で伝送されるわけではない。従って、最初にＧＰＳ衛星を「見出す」には、ドップラー周波数シフトと局所水晶発振器の精度の低さを考慮に入れなければならないので、様々な搬送周波数を探察することが必要になる。さらに、搬送周波数を探察するには、１０２３の異なるコード位相及び２０以上の可能な相関コードテンプレートを用いて、符号一致を見付け出さなければならない。
【０００４】
不確実性の一番の原因となるのは、起動時に一般的な局所発振器から生じる可能性のあるランダム周波数である。従って、見かけのドップラー周波数は広範囲な探察境界内でしかわからない。局所発振器はそれ自体公称値からはるかに外れている可能性があるから、実際のドップラー周波数を知っていてもあまり役にたたない。
【０００５】
ユーザの見地から言えば、先行技術のＧＰＳ受信機は少なくとも２つの操作特性に関して完全に満足できるものになっていない。そうした従来の受信機は、建物によって局所信号フィールドレベルが受信機の最高感度以下に下がってしまうために、屋内では往々にして作動しなくなる。さらに、ほとんどの受信機がコールドスタートから位置の解を生成するのに非常に時間がかかる。
【０００６】
ＧＰＳ受信機で集中的に計算を行うために高速なクロック速度と大量の高価なメモリーとを必要とした。そのために、高価な包括的ハードウエアが必要となる。そのため、メーカーもユーザも共に安価なプラットフォームを使用できる、或いは他のアプリケーション用の既存のプラットフォームを共用できる軽量薄型のナビゲーション・ソリューションを求めている。
【０００７】
インターネットは、個々のＧＰＳ受信機がそれぞれの区域で微分補正データをモニタして、計算集約型タスクは高性能プロセッサを有する地元のサーバにまかせるようにするための一つの手段でもある。
【０００８】
スナップトラック社（ＳｎａｐＴｒａｃｋ， Ｉｎｃ．， Ｓａｎ Ｊｏｓｅ， ＣＡ）はワイヤレス支援型（ＷＡＧ）システムの供給をビジネスとする会社である。時間、周波数、大体のロケーションのデータをワイヤレスネットワークから抽出してＧＰＳ受信機で行われるＧＰＳ信号の処理を支援する。そうしたテクノロジーがスナップトラック社に付与された米国特許番号５，９４５，９４４、５，６６３，７３４、５，７８１，１５６、５，８２５，３２７、５，８３１，５７４、５，８４１，３９６、５，８１２，０８７、５，８７４，９１４、５，８８４，２１４などに記載されている。また、米国特許６，０７８，２９０も参照。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明の目的は、信号強度レベルが極端に低い屋内でも作動する衛星ＧＰＳ受信機を提供することである。
【００１０】
本発明のもう一つの目的は、コールドスタート後毎回すばやく位置の解を生み出せる衛星ＧＰＳ受信機を提供することである。
【００１１】
本発明の更なる目的は、安価な衛星ナビゲーションシステムを提供することである。
【００１２】
本発明のまた更なる目的は、インターネットとインタフェースをとれる衛星ナビゲーションシステムを提供することである。
【００１３】
手短に言えば、本発明のシステムの実施例は、携帯電話と、ベース携帯電話サイトと、サーバとから構成され、それぞれがＧＰＳ受信機と対になっている。携帯電話と対応したＧＰＳ受信機をサイト及びサーバから受信した情報によって支援して、衛星探察の不確実性を低減できるようにする。携帯電話及びそのＧＰＳ受信機が正確であると仮定しての時間及び周波数から収集したデータを用いて時間差及び／又は周波数差を測定する。携帯電話で計算された速度の解の後処理に補正情報を用いてシステムに関してもっと正確な決定を行うことができる。
【００１４】
以下に述べる様々な図面に示した好適な実施例についての詳細な説明を読めば当業者には本発明の上記のまたその他の目的及び効果が明らかになることは疑いの余地がない。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の衛星ナビゲーションシステムは、軌道を回るナビゲーション衛星の信号捕捉が行われる前に誤差が存在している第１衛星ＧＰＳ受信機基準周波数を有する第１衛星ＧＰＳ受信機と、前記第１衛星ＧＰＳ受信機と共用するために接続され、且つ前記第１衛星ＧＰＳ受信機周波数に関連付けられる無線搬送波を有する第１無線通信装置と、前記ナビゲーション衛星から捕捉した信号により、前記ナビゲーション衛星の基準周波数と同期した衛星基準周波数を取得するための第２衛星ＧＰＳ受信機と、前記第１無線通信装置からの前記無線搬送波の搬送周波数を測定するための第２無線通信装置と、前記第２無線通信装置による前記搬送周波数の測定値から前記第１の衛星ＧＰＳ受信機基準周波数のクロック誤差を算出し、前記第１の衛星ＧＰＳ受信機基準周波数のクロック誤差を、前記第２衛星ＧＰＳ受信機が取得した前記衛星基準周波数と比較すると共に、前記比較された誤差情報を周波数誤差を減らすべく前記第１衛星ＧＰＳ受信機に通信するためのサーバと、からなり、第１衛星ＧＰＳ受信機は、前記周波数誤差が全く低下しなかった場合よりも早く初期化できるようになっていることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の他の衛星ナビゲーションシステムは、軌道を回るナビゲーション衛星の信号捕捉が行われる前に誤差が存在している第１衛星ＧＰＳ受信機基準周波数を有する第１衛星ＧＰＳ受信機と、前記第１衛星ＧＰＳ受信機と共用するために接続され、且つ前記第１衛星ＧＰＳ受信機周波数に関連付けられる無線搬送波を有する携帯電話と、前記ナビゲーション衛星から捕捉した信号により、前記ナビゲーション衛星の基準周波数と同期した衛星基準周波数を取得するための第２衛星ＧＰＳ受信機と、前記携帯電話からの前記無線搬送波の搬送周波数を測定するためのベース携帯電話サイトと、前記ベース携帯電話サイトによる前記搬送周波数の測定値から前記第１の衛星ＧＰＳ受信機基準周波数のクロック誤差を算出し、前記第１の衛星ＧＰＳ受信機基準周波数のクロック誤差を、前記第２衛星ＧＰＳ受信機が取得した前記衛星基準周波数と比較すると共に、前記比較された誤差情報を周波数誤差を減らすべく前記第１衛星ＧＰＳ受信機に通信するためのサーバと、からなり、第１衛星ＧＰＳ受信機は、前記周波数誤差が全く低下しなかった場合よりも早く初期化できるようになっていることを特徴とする。
また、本発明の更に他の衛星ナビゲーションシステムは、軌道を回るナビゲーション衛星から捕捉した信号により、前記ナビゲーション衛星の基準周波数と同期した衛星基準周波数を取得するための第１衛星ＧＰＳ受信機と、前記第１衛星ＧＰＳ受信機と連結され且つ基地局の区域内に位置している間に受信した無線搬送波に前記衛星基準周波数を関連させると共に、前記基地局からの前記無線搬送波の搬送周波数測定値を取得すべく接続された第１携帯電話と、誤差が存在する衛星ＧＰＳ受信機基準周波数を有すると共に、前記区域内で位置の解を提供するため第２衛星ＧＰＳ受信機と、前記第２衛星ＧＰＳ受信機と連結され且つ前記基地局から受信した前記無線搬送波に前記衛星ＧＰＳ受信機基準周波数を関連させると共に、前記基地局からの前記無線搬送波の搬送周波数測定値を取得することができる第２携帯電話と、前記第１携帯電話が取得した前記搬送周波数測定値を前記第２携帯電話に通信して、それを前記第２携帯電話が取得とした前記搬送周波数測定値と比較することによって、前記第２衛星ＧＰＳ受信機の前記衛星ＧＰＳ受信機基準周波数の周波数誤差を減らす構成となっていることを特徴とする。
本発明のナビゲーションシステムは、全地球測位システム（ＧＰＳ）受信機とそれぞれ対になった携帯電話とベース携帯電話サイトとサーバとからなるナビゲーションシステムであって、前記携帯電話と対応したＧＰＳ受信機は、サイト及びサーバから受信した、前記携帯電話とそのＧＰＳ受信機が正確な時間と周波数であると仮定したところのものから収集されたデータを用いて得た時間差及び／又は周波数差の測定値を用いて衛星探察の不確実性を低減する情報で支援され、前記携帯電話で計算された速度の解の後処理に補正情報を用いることを特徴とする。例えば、（１）時間差、（２）周波数差、（３）水晶温度対周波数モデルといった３つのハードウエアベースの測定値を用いて２つの別のシステムの局所クロックの同期をとることができる。３つのうちのどれか或いはいろいろな組み合わせを用いてクロックを同期させることができる。timeDiff観測データにおいて、２つの異なるタイムソースからの時間事象間を知っていれば、一つのタイムソースでの事象の時間を用いてもう一方のタイムソースでの事象の時間を計算することができる。freqDiff観測データにおいて、２つのクロックの周波数差を知っていれば、一方の周波数を見出し、それを用いてもう一方の周波数を推測することができる。tempMass観測データにおいて、水晶（発振器）温度を測定することにより温度・周波数較正モデルを用いて局所GPSクロックの周波数を推測することができる。タイムソースのうちの一つがGPS受信機ならば、もう一方のクロックをGPS時間に関連づけることができる。そうすると、世界中のデバイス全てを、共通の安定した基準、例えば、GPSシステム原子時計に時間及び周波数を同期させるということも可能である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１に本発明の実施例におけるシステム１００を示す。システム１００は基地局（セルラーサイト）１０２と、少なくとも一つの携帯電話（セルラー電話）１０４と、ネットワークサーバ１０６とを有する。基地局１０２は、送受信機（セルラー送受信機）１０８と、その基準クロック１１０と、ＧＰＳ受信機１１２とからなる。携帯電話１０４はセルラー電話サービスバンド受信機１１４を有し、それは基地局１０２から受信する信号の周波数及び位相を探知するのに用いられる。携帯電話１０４は独自のＧＰＳ受信機１１５も内蔵している。ネットワークサーバ１０６は、基地局と携帯電話ＧＰＳ受信機の両方からデータネットワーク１１６を介して時間情報及びその他のデータを受信し、配信する。また、位置とその時間及び周波数のＧＰＳ時間からのオフセット等をデータベース１１８に収集して、後から参照できるようにする。
【００１８】
本発明におけるパッシブネットワーク同期化の実施例は基地局のＧＰＳ受信機を用いて基地局のクロックをＧＰＳ時間と同期させる。そして、例えば、インターネットなどのネットワーク・インフラストラクチャでネットワークサーバにより携帯電話ＧＰＳ受信機のクロックと携帯電話のクロックとを共にＧＰＳ時間と同期させる。一般的なＧＰＳ受信機は１秒につき１パルス（１−ＰＰＳ）の時間基準を生成し、それはｔｉｍｅＤｉｆｆ回路によって基地局及び携帯電話の各無線搬送波から導出された１−ＰＰＳクロックと比較され、関連付けられる。１秒以外の観測期間でも同様にできるが、時間間隔を１秒にすると演算が簡単になる。
【００１９】
本発明の実施例では、３つの異なる通信リンクを用いて時間及び周波数データを転送することができる。一つ目は基地局１０２にあるＧＰＳ基準受信機１１２をネットワークサーバ１０６とリンクし、２つ目は携帯電話１１４と携帯電話ＧＰＳ受信機１１５との間で携帯電話に直接に或いはネットワークサーバを経由して間接にソフトウエアＡＰＩ又はパケット通信を伝送する。受信機間で直接にデータを共用することによりシステム性能を向上させることができる。３つ目の接続はネットワークサーバ１０６と携帯電話とを携帯電話とＧＰＳ受信機の両方にリンクさせる。ネットワークサーバ１０６を基地局１０２に設置して、携帯電話システムの送受信機１０８、１１４を介して通信することもできる。
【００２０】
携帯電話とＧＰＳを組み合わせた受信機内で測位できるように、例えば、基地局から携帯電話への到着時間差測定値（ＴＤＯＡ）を用いて測位利用可能性及び測位精度を向上させることができる。基地局から携帯電話への送信時間スタンプを事前に知っていること（基地局の位置、基地局のクロックバイアス、基地局のＧＰＳ時間からのドリフト）と組み合わせることができる。そうした時間スタンプを用いて携帯電話と基地局間の無線信号伝搬距離にしか影響されない高い精度で基地局から携帯電話に時間情報を転送することができる。
【００２１】
携帯電話の搬送周波数シンセサイザ・ループの補正周波数オフセットを用いてＧＰＳ受信機の周波数オフセットを推定することができる。そうした推定値を用いて、周波数不確定性を低減して、初期定点化時間を短縮し、受信機の感度を向上させ、そして／またはハードウエアのサイズ及び電力消費を抑えることができる。ディジタル数値制御型発振器（ＮＣＯ）とアナログ電圧制御型発振器（ＶＣＯ）とは共にそうした搬送周波数シンセサイザ・ループに一般的に用いられている。
【００２２】
ｔｅｍｐＭｅａｓ測定値を用いて携帯電話からＧＰＳ受信機への周波数転送の精度をさらに向上させることができる。ｔｉｍｅＤｉｆｆ観測値を一切使わずに、ｆｒｅｑＤｉｆｆ観測値だけを周波数転送に用いることができる。ｔｉｍｅＤｉｆｆ観測値は、ｆｒｅｑＤｉｆｆ観測値を用いずに、時間と周波数の組み合わせ転送にも用いることができる。時間転送の精度はソフトウエアベースのフィルタを採用してｔｉｍｅＤｉｆｆハードウエア量子化雑音を低減することによって向上を図るのが好ましい。本発明のデュアルモード測位システムの別の実施例に基地局周波数及び位相の携帯電話観測値を用いることができる。
【００２３】
本明細書で用いる「パッシブ同期」（ｐａｓｓｉｖｅ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ）とは、基地局及び携帯電話のクロックの時間及び周波数オフセットをＧＰＳ受信機クロックに関してのみ観測することを意味する。測定されたオフセットを通信層で、例えば、インターネットで転送制御プロトコル／インターネットプロトコル（ＴＣＰ／ＩＰ）を用いて送ることによって後から較正を行う。携帯電話及び基地局の実際のクロックは制御されない。これらのクロックからの信号を単に観測するだけで、入手した補正データがソースにフィードバックされてクロックを変更する必要はない。むしろ、そのデータはＧＰＳ衛星探察とその後の位置計算を支援するためにネットワークサーバ及びＧＰＳ受信機ソフトウエアでの演算に使われる。
【００２４】
図２は、ＧＰＳの１−ＰＰＳ周期２０２、セルの１−ＰＰＳ周期２０４、及び出力カウンタ値２０６の時間関係を示す図である。ＧＰＳマスタクロックをその入力周波数として用いる計数回路を用いてｔｉｍｅＤｉｆｆ観測を行うことができる。内部クロック数を、例えば、内部１−ＰＰＳ（２０２）と外部（セル）１−ＰＰＳ（２０４）など、２つの事象ソース間でカウントする。その結果を周期的に出力し、カウンタを再びスタートさせるようにするので、毎秒ごとに２つのカウンタ出力があらわれる。
【００２５】
両出力カウンタ値を組み合わせて主要なパラメータ、つまり２つのクロックソース間のバイアスを推定することができる。外部１−ＰＰＳ（２０４）でのリスタートすると毎回バイアスが生じる。代わってカウンタを内部１−ＰＰＳ（２０２）でリスタートさせると、そのバイアスを引いたものになる。少なくとも２つあるやり方の一つで、例えば、平滑指向型（ｓｍｏｏｔｈ ｓｔｅｅｒｅｄ）或いは無指向型（ｕｎｓｔｅｅｒｅｄ）内部１−ＰＰＳで、外部１−ＰＰＳ（基地局または携帯電話から）を内部１−ＰＰＳ（ＧＰＳ受信機）と同期させることができる。
【００２６】
図３において、ＧＰＳ１−ＰＰＳタイミングエッジはＧＰＳシステム時間に対して正確にスレーブしていると仮定する。このように、ＧＰＳ１−ＰＰＳタイミングエッジは「真」のＧＰＳ時間を表わす。ＧＰＳ整数秒から導出された９９９番目のミリ秒割り込みによってスタートするカウントダウン回路により１−ＰＰＳエッジを生成することができる。１−ＰＰＳがＧＰＳ整数秒のｍｓｅｃ−９９９とｍｓｅｃ−１の間のどこかで発生するように調整できるように、割り込み範囲は±１ミリ秒であるのが好ましい。「真」のＧＰＳ時間誤差に至るまでのＧＰＳミリ秒タイマとしてミリ秒のバイアス（ｍｓｅｃ−ｂｉａｓ）誤差をＧＰＳ受信機において計算する。ＧＰＳ受信機の発振器がＧＰＳ時間からドリフトすると、ミリ秒のバイアス誤差も変わってくる。カウントダウン値もドリフトの影響で変わる。バイアスの平均値が±０．５ミリ秒を超えると、回路を範囲内に保つようにＧＰＳミリ秒カウンタが調整されるのが好ましい。
【００２７】
ミリ秒バイアス誤差を知ることにより、本発明の平滑指向型方式の実施例は、基地局のＧＰＳ受信機に用いられる。時間はＧＰＳ受信機でわかると共に、ＧＰＳ時間と基地局時間基準とのオフセットを測定することにより、その時間を基地局にパッシブに転送することができる。
【００２８】
基地局１−ＰＰＳと対応付けた時間を、ＴｉｍｅＣＳ＝ｔｉｍｅＧＰＳ＋ｂｉａｓＣＳＧとして計算することができる。ここで、変数ｂｉａｓＣＳＧは基地局とＧＰＳ時間との時間オフセットを表わす。ｂｉａｓＣＳＧは、スナップショットか、全てのｉの測定値Ｎｉ１、Ｎｉ２の時系列を用いてフィルタリングされた推定値か、のどちらかを用いる関数を使って推定される。
【００２９】
本願発明に係る無指向型内部１−ＰＰＳ法の実施例は別のカウントダウン回路を使用しない。内部１−ＰＰＳを整数ＧＰＳ秒事象に対応するミリ秒割り込みから直接生成する。そのようにするには、ミリ秒バイアス誤差が所定のしきい値よりも大きくなる場合は、ＧＰＳ整数秒に対応するミリ秒割り込みを周期的にシフトさせなければならない。内部ＰＰＳ事象間の時間は１秒以上の場合も或いは１秒以下の場合もある。そこで発生するステップシフトは短時間のため、受信機に悪影響を及ぼすことはない。事象が発生することがわかっているので、１ミリ秒のシフトは計算の残余ミリ秒バイアス誤差を考慮に入れる。
【００３０】
その位置が携帯電話のユーザインタフェースから要求されている時はいつでも、携帯電話のＧＰＳ受信機により無指向型基準が活用されることができる。そうしたＧＰＳ受信機は瞬時に衛星を探知しないのが普通だから、ＧＰＳのミリ秒バイアス誤差は知りようがない。逆の問題が携帯電話にはある。ＧＰＳ時間が未知のまま、ネットワークから携帯電話に時間が転送される。
【００３１】
動作時には、特定の基地局の時間及び周波数オフセットは、ネットワークサーバから得られる。基地局の位置も解計算に役に立つ。携帯電話クロックとＧＰＳ受信機クロックとのオフセットを測定する。ＧＰＳ受信機の時間及び周波数オフセットの推定値をＧＰＳ時間から計算し、ＧＰＳ衛星探察範囲を狭めるのに用いる。
【００３２】
携帯電話及び基地局において、本システムの未知数を減らすのにｔｉｍｅＤｉｆｆ観測値が用いられる。本明細書では、ｔｉｍｅＤｉｆｆ測定値を２つ別々のソースによって生成された２つの時間事象間の時間の差と定義する。両方のクロックは各クロックの期待公称周波数に基づいて同じ期待周期を有する信号を生成する。その測定値は連続する事象間のクロック数である。
【００３３】
全てのクロックには、所望の公称周波数に対していくらかの周波数オフセットが存在し、両クロックの公称値からの周波数オフセットに起因してバイアスも常に変動する。
【００３４】
ｆｒｅｑが観測できる実際の物理的周波数で考え、
と仮定する。ｂａｓｅＦｒｅｑは所望の周波数である。例えば、クロックはこの周波数で動作するように設計されているが、欠陥、経時変化、温度の作用により、周波数はｆｒｅｑとして現れる。ｄｒｉｆｔは現在の周波数と所望の公称周波数との間の周波数オフセットである。
【００３５】
さて、両クロックが特定の時間間隔を有する非同期の１秒時間事象信号パルスを生成すると仮定しよう。特定数の基準クロックをカウントして所望のカウントになったらパルスを出力するカウンタで１秒事象を生成することができる。１秒のカウント数が公称水晶周波数である。
【００３６】
生じた実際の時間はクロック数に各クロックの「真」の周期をかけたものに等しい。一定のドリフトがあると仮定して、各クロックの「真」の周期はＣｌｏｃｋｐｅｒｉｏｄ変数で、それはヘルツで表わした周波数の逆数となる。
【００３７】
生じた実際の時間周期ＤＴはｂａｓｅＦｒｅｑ／ｆｒｅｑとなる。これに方程式２を挿入すると、
ここで、ｄｅｌｔａＢｉａｓは２つの事象間に発生するバイアスの変動である。
【００３８】
方程式３の効果は、各１秒事象ごとに、バイアス合計にさらに増分を累積していくことである。
【００３９】
ＧＰＳ時間がわかっている場合のステアリングクロック（ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｃｌｏｃｋ）による１−ＰＰＳでは、ＧＰＳ時間からオフセットを推定して、常に事象時に所望する「真」の時間の１クロック以内になるようにクロックを方向付けることができる。
【００４０】
もしくは、１−ＰＰＳを方向付けないままにしておくこともできる。バイアス合計をソフトウエアで保持しておき、較正を全てソフトウエアで行う場合、同期損失なしにバイアス合計を考慮することができる。
【００４１】
広げて２つのクロックを考慮に入れると、ｂａｓｅＧＲｆｒｅｑはＧＰＳ受信機で使われるクロックの期待周波数（Ｈｚ）である。ｂａｓｅＣＳｆｒｅｑは基地局で使われるクロックの期待周波数（Ｈｚ）である。ｆｒｅｑＧＲはＧＰＳ受信機の実際の観測周波数（Ｈｚ）である。ｆｒｅｑＣＳは基地局の実際の観測周波数（Ｈｚ）である。ｂｉａｓＧＲｉはＧＰＳ受信機の１−ＰＰＳにおける時間Ｔｉでの「真」のＧＰＳ時間からのバイアスである。ｂｉａｓＣＳｉは基地局の１−ＰＰＳにおける時間Ｔｉでの「真」のＧＰＳ時間からのバイアスである。ｄｅｌｔａＢｉａｓＧＲ１２はＧＰＳ受信機におけるｔ１からｔ２の間のバイアス変動である。ｄｅｌｔａＢｉａｓＣＳ１２は基地局におけるｔ１からｔ２の間のバイアス変動である。
【００４２】
基準クロック及び未知クロックを先ず定義し、その後ＧＰＳクロックを基準となるように選ぶ。衛星を探知することによってＧＰＳと同期をとることができる。
【００４３】
基地局をＧＰＳ時間と同期させる未知クロックとなるように定義する。
【００４４】
ＧＰＳと基地局との間の「真」の時間を定義する。ＴＤｉｊは最新の事象のｊ番目のソースのｉ番目の時間における２つの連続する事象間の「真」の時間である。ｊ＝１が基地局で、ｊ＝２がＧＰＳ受信機である。
【００４５】
図４は、「真」のＧＰＳ１−ＰＰＳ事象と、１−ＰＰＳ事象の実際のロケーションと、「真」のｔＤｉｆｆ観測値との３者関係を表わすものである。
これらの観測を次のようにすることができる。
【００４６】
ｔｉｍｅＤｉｆｆ観測値だけしかないときには量子化誤差は除去しにくいので、そのことがｆｒｅｑＤｉｆｆ測定値を収集する動機となる。そうすると、フィルタリングによって量子化雑音を減らすことができるので、高周波数のクロックは要らない。高周波数のクロックを使用しないのでシステム消費電力を節減でき、電池で稼動する携帯用デバイスでは非常に重要なことである。
ｔｉｍｅＤｉｆｆ観測データから２つの重要なパラメータ、つまり基地局のＧＰＳ時間からのバイアスと基地局の周波数ドリフトとを推定することができる。周波数ドリフトの推定値をバイアスの推定値と相関させるので、基地局のバイアス推定値をフィルタリングするのに新しい情報は要らない。
【００４７】
図５は、時間軸を書き直したもので、量子化誤差の影響を見ることができる。クロック同期により第１基地局ＰＰＳがＭＣＬＫ３上にあるので、Ｎ１１は３である。「真」の測定値ＴＤ１１は測定数（ＴＤ１１ｍ）から量子化値Ｑ１を差し引いたものである。
【００４８】
「真」の時間差は、クロックの「真」の数（整数＋分数、すなわち量子化）にクロックの周期をかけたものである。周波数は間隔の間ずっと一定だったと仮定すると、その周期は「真」の周波数の逆になる。理想的測定の「真」のモデルを下に示す。
「真」の時間差を次のように定義する。
測定数は整数である。計測に用いたクロックの正確な周波数は推定値にすぎない。使用した測定値は、観測したカウント数に期待周波数の逆であるところの予測周期をかけたものである。
測定値を次のようにして定義する。
【００４９】
バイアスパラメータの数値指標はその時間タグを表わす。ＴＤの第１数値インジケータは時間で、第２は観測を開始するのに用いられるソースである。
「真」の誤差から推定パラメータを差し引いたものが誤差であると定義することによってｂｉａｓＣＳ１の推定値の誤差モデルを見付ける第１の測定がスタートする。
推定誤差をｅｒｒｏｒＢｉａｓＣＳ１１と定義し、それは基地局ＰＰＳをトリガーとして用いる第１秒における基地局バイアスの推定誤差である。
これは最悪なケースの精度誤差で、およそ１０．９１メートルである。
【００５０】
ＧＰＳドリフト誤差は総周波数よりもはるかに小さいので、第１の項は無視することができる。一般的に、ＧＰＳ受信機は周波数をＬ１で１Ｈｚ未満まで測定することができる。公称周波数で誤差は１／（１５７５．４２／２７．４５６）、すなわち１／５７．４となり、ｂａｓｅＧＲｆｒｅｑで０．０１７４ Ｈｚとなる。Ｎ１１はｆｒｅｑＧＲに近い可能性があるので、０．０１７４／ｆｒｅｑＧＲは０．６３ナノ秒となり、０．１９メートルに等しい。そうした項はドリフト誤差が小さい場合には無視できる。
【００５１】
第２の項はより大きな誤差ソースである。最悪の場合、Ｑ１は１クロックに近く、Ｑ１／ｂａｓｅＧＲｆｒｅｑは３６ナノ秒もしくは１０．９１メートルになる。マスタクロックの両エッジを使用するとしたら、１８ナノ秒の精度を実現することができる。連続する１−ＰＰＳ事象間でカウンタを駆動するのに基準クロックのそうしたエッジを用いる。解像度が向上して、最悪の場合の量子化は＿／ｂａｓｅＧＲｆｒｅｑが１８ナノ秒＝５．４６メートル。
【００５２】
上記の例から基準クロックの周波数（２７．４５６ ＭＨｚ）にのみ基づいてＴＤｉｆｆの理論上の最悪なケースの精度を得ることができる。
【００５３】
第１間隔における第２測定値から基地局バイアスの第２推定値が与えられるが、ＧＲバイアスが異なる。
ＧＰＳドリフト推定誤差はわずかなので、第１の項は無視することができる。１秒以内に基地局バイアスの２つの推定値を得、雑音誤差が異なる。
推定測定モデルは次の通り。
ここで、Ｎ１１、Ｎ２１、Ｎ１２はハードウエア測定からのカウントで、ｆｒｅｑＧＲｈａｔ、ｂｉａｓＧＲｈａｔはＧＰＳ受信機を使って計算される。
【００５４】
基地局のクロックバイアスの誤差モデルは次の通り。
ここで、Ｎ（平均、分散）はガウス分布である。ＴＤＯＰは最小自乗解行列（ｔｈｅ ｌｅａｓｔ ｓｑｕａｒｅｓ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｍａｔｒｉｘ）からの精度の時間希釈度（ｔｉｍｅ−ｄｉｌｕｔｉｏｎ ｏｆ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ）である。擬似範囲（ＰＲ）及び擬似範囲レート（ＰＲＲ）の標準的偏差として上にあげた数字はコード及び搬送波探知ループを用いる従来の探知のためのものである。
【００５５】
基地局クロックのドリフトはｔｉｍｅＤｉｆｆデータを用いて推定することができる。２つの時間差測定値を合わせて基地局からの２つの外部ＰＰＳ事象に広がることができる。この和は基地局の１秒事象の時間の推定値である。
ここで、ＤｒｉｆｔＣＳ１２は基地局ＰＰＳ事象間の間隔における基地局クロックのドリフトである。
【００５６】
その前の基地局のバイアス推定値が将来２つの基地局ＰＰＳ事象間で守られる。
【００５７】
新たなパラメータを定義する。それは、新たなｂｉａｓＣＳ推定をフィルタリングする基準となる軌道を生成するためのドリフト推定を有するその前のｂｉａｓＣＳ推定の射影である。
「真」のモデルから測定モデルを差し引くと、
これは先に導出したｅｒｒｏｒＢｉａｓＣＳ２１の方程式に等しい。
【００５８】
量子化誤差及びＧＰＳ受信機誤差が基地局の最終的なフィルタリング後の推定値の中に現れる。補足のフィルタを用いて同じパラメータの２つの推定値を組み合わせてフィルタリング後の一つの推定値にする。補足フィルタは次の形式を有し
先のフィルタリングした推定値と新たなフィルタリングしていない測定値とが共に同じパラメータの推定値であるとすれば、フィルタリング後の推定値はバイアスがない、
【００５９】
利得パラメータ”ａ”が小さければ、先のフィルタリングした推定値上の雑音はフィルタリングしないのが好ましい。前の時点から現時点までに伝播誤差があれば、その誤差をフィルタリングした推定値に直接入れる。
【００６０】
伝播誤差が新たな生の測定値の雑音と同じ位の大きさのとき、最適フィルタは利得０．５を有する。このように、伝播誤差はいくらか減衰する。
補足フィルタを用いると、
の形式を有する。
【００６１】
予測したバイアスは測定量に等しく且つ両項の誤差が同じだから、誤差源を軽減することはできない。
【００６２】
ＧＰＳ観測によって与えられるもの以外に、それより前の基地局バイアス推定値を用いることができる。ｅｒｒｏｒＢｉａｓＣＳ１２の代わりに、可変のｅｒｒｏｒＢｉａｓＣＳ１１を使用することができる。
これは前に導出された誤差よりも実際小さいように見える。しかしながら、
この結果は確定的なものではないので、さらに調べなければならない。
【００６３】
基準クロックによって生成された既知の時間間隔に未知の周波数誤差を有するクロックからクロックパルス数を数えて、ｆｒｅｑＤｉｆｆ観測データを形成する。周波数を「真」の時間間隔で割ったクロック数として計算する。ｔｉｍｅＤｉｆｆ測定データを用いてこの推定を行うのに十分な情報があっても、推定値の誤差はバイアス推定値と完璧に相関していることがわかる。同じ観測値を、それと対応した量子化ソースを共に、バイアス及びドリフトを推定する際用いる。このように、ｆｒｅｑＤｉｆｆを用いてバイアス推定値とは統計的に独立したドリフトの推定値を形成する。
【００６４】
本発明の実施例は、未知の周波数誤差を有するクロックパルスを直接数える。これに対し、ｔｉｍｅＤｉｆｆ回路は基準クロックからのパルスを数える。
【００６５】
量子化誤差は（１， ０）間の一様確率変数で、それはゼロ平均ではない、パラメータを減らすには、データを予めホワイトにしてゼロ平均測定誤差を生み出さなければならず、量子化された雑音源を用いるパラメータ推定には従来の技法を用いることができる。
【００６６】
いったん雑音源がゼロ平均プロセスになると、優れたフィルタリングによって軽減可能である。しかしながら、一定でないスロープを有するパラメータを推定する場合、先のフィルタリングしたバイアスが現時点まで伝播されなければならない。これは新たな測定値をバイアスがないように前のデータと同化するのに必要である。平均バイアスと新たなデータとの差はスケーリングされた後、伝播された推定値に加算されて更新が終わる。
【００６７】
一次のローパスフィルタは、
ｄｅｌｔａＴｉｍｅ（Ｋ）は、ｔ＝Ｋとｔ＝Ｋ−１との間の時間と等しくなる。
もしＫｍａｘが無限ならば、フィルタ出力は全てのデータの平均であることに注目。
【００６８】
ｔｉｍｅＤｉｆｆベースのドリフト推定値からの伝播誤差は新たな測定値と同じ誤差を有する。伝播誤差はフィルタリングされていないので、射影のフェーズにｔｉｍｅＤｉｆｆベースのドリフト推定値を用いることはできない。
【００６９】
本発明の実施例は未知の周波数誤差クロックパルスを直接数える。ｔｉｍｅＤｉｆｆ回路は基準クロックからパルスを数える。
【００７０】
ｆｒｅｑＤｉｆｆ測定値は内部クロックの整数で定義された間隔内に数えられた外部クロック数である。内部クロックの周波数オフセットの推定値から外部クロックの周波数を測定することができる。
【００７１】
「真」の測定値は、
観測された数はカウントの開始時及び終了時に内部マスタクロックに対する外部クロックの量子化の影響によってエラーになる。
【００７２】
観測モデルを図６から導出することができる。これにおいて回路は４つの外部クロックを数える。しかしながら、実数は（Ｑ１−Ｑ２）に等しい分数成分を含んだ数で、０と１の間の連続確率変数である。ここで、Ｑ１及びＱ２はカウント単位。
【００７３】
「真」の整数＋カウント分数は、
と等しくなる。
【００７４】
回路で観察したカウントはＮカウントのみである。
【００７５】
「真」の時間差は、間隔の内部マスタクロック数にクロックの「真」の周期を掛けたものである
整理し直すと、
となる。
ｅｑＡを操作することによって括弧（ｂｒａｃｋｅｔ）内の項を置き換えることができる。
方程式（ｂａｓｅＧＲ／Ｍ）の左側の第１の項の尺度係数は公称ＧＰＳ受信機周波数に基づくｄｅｌｔａＴｉｍｅの近似値である。従って、この項は全基地局周波数の推定値である。全周波数推定値から公称基地局周波数を差し引くことにより、差は２つのクロックの周波数オフセットの差を表わす。左手側は望む周波数差を生み出す測定データ操作を表わす。周波数誤差の発生は時間間隔の中で失われた分数サイクルに起因する。基地局周波数を上げる（Ｑ１及びＱ２を小さくするｂａｓｅＣＳをあげる）、或いは時間間隔を大きくする（Ｍを大きくする）のいずれかによって誤差を小さくすることができる。ＧＰＳ受信機のドリフトの項（ｆｇｒｅｑＣＳ／ｆｒｅｑＧＲ）に対する尺度係数が、ＧＰＳ受信機のクロック周波数をその基準周波数から基地局の基準周波数に変換したものを生む。
そして縮小すると、
となる。
【００７６】
ＧＰＳドリフト誤差項ｅｒｒｏｒＤｒｉｆｔＧＲを積分するので、積分時間が長くなるほど、「真」の時間間隔推定の誤差が大きくなる。量子化誤差は２つの一様確率変数の和である。
【００７７】
最悪のケースの周波数誤差を決定するのは周波数差を数えるのに使われるクロックの周期である。周波数が高くなるほど、周期と量子化項が小さくなる。もしくは、より長い観測周期を用いることができる。その場合、クロックが観測可能な温度変化のある環境で動作する場合に問題になる。これによってクロックが周波数を変え、非線形変化に至る可能性がある。平均的周波数は量子化された推定値と比べ正確でなくなる。
【００７８】
外部クロック周波数が内部クロック周波数よりも低ければ、ｔｉｍｅＤｉｆｆからのｄｒｉｆｔＣＳ推定値を用いて基地局周波数オフセットを推定する。ただし、もし外部周波数が内部クロック周波数よりも高ければ、代わってｆｒｅｑＤｉｆｆ観測値を用いる。
【００７９】
周波数同期化だけしかできない場合には、システム１ＰＰＳが存在しないために、ｆｒｅｑＤｉｆｆを用いて外部クロック周波数を推定する。それは外部ＰＰＳを使用できないとｔｉｍｅＤｉｆｆから外部クロックについての情報を得られないからである。
【００８０】
ネットワークインフラストラクチャ及びＧＰＳ受信機と通信するデバイスの場合、両受信機がそれぞれの送信機の搬送周波数を探知する。ＧＰＳの場合、受信機が擬似乱数コードの位相も探知して、擬似範囲測定値を生み出すことができる。測定値は、伝送時間を知っているので、到着測定値の時間差で、受信機はその局所クロックに関する到着時間を記録する。
【００８１】
ＧＰＳ衛星（ＳＶ）には、宇宙船クロックの「真」のＧＰＳ時間及び「真」の望ましい基準周波数との時間及び周波数誤差がある。
その全ての基地局のための基準時間を有する携帯システム（ＣＳＳ）は、基地局システム時間、もしくはｔｉｍｅＣＳＳを用いる。そうした時間基準はＧＰＳ時間とは異なる。基地局は共通時間とは同期していない可能性もある。本発明の実施例は基地局が必ずしも同じ時間基準をもっていなくていい。
【００８２】
”ＦｒｅｑＣＳ”はｂａｓｅＣＳｆｒｅｑ＋ｄｒｉｆｔＣＳで、”ＴｉｍｅＣＳ”はｔｉｍｅＣＳＳ＋ｂｉａｓＣＳＳである（基地局のシステムタイムに関して）。それは、ｔｉｍｅＣＳＧ＋ｂｉａｓＣＳＧとも等しい（ＧＰＳ時間に関して）。
【００８３】
各基地局はｔｉｍｅＣＳＳとのオフセットがあり、それはｂｉａｓＣＳＳである。ｔｉｍｅＣＳＳをＧＰＳ時間に参照することもできる。基地局の時間誤差はｂｉａｓＣＳＧに変わる。携帯電話もｄｒｉｆｔＣＰと称した公称周波数からの周波数オフセットを有する。
基地局周波数を探知するための携帯電話法が２つある。つまりＮＣＯ法又はＶＣＯ法。本発明に係るＮＣＯ法の実施例では、携帯電話の基準周波数を一定に保ち、基地局を探知するのに要する別の周波数を別の発振器つまりＮＣＯで作る。この別の周波数を作る回路は普通、全ての周波数調整値を積分して基地局周波数を探知するのに必要な公称周波数からのオフセットを表わす数字を生成するソフトウエアのカウンタを有する。そうした周波数オフセットは３つのプロセスによるものである。つまり、（１）携帯電話のその公称周波数からのオフセット、（２）携帯電話と基地局の間の照準線に沿った携帯電話ユーザのダイナミックスの投影によって起こされる携帯電話と基地局間のドップラー、（３）基地局のその公称周波数からのオフセット。
【００８４】
携帯電話は総周波数オフセット数及び対応付けられた時間タグを含んだメッセージを出力する。そうした数字はｆｒｅｑＤｉｆｆ観測値及びｔｉｍｅＤｉｆｆ観測値とともに用いられて携帯電話をＧＰＳ受信機クロックに同期させる。
【００８５】
本発明のＶＣＯ法においては、ＶＣＯを用いて基準周波数を直接調整することによって基地局の搬送波を探知する。異なるミックスダウン周波数を生成する回路への電圧を変える。ＮＣＯは不要。調整された基準クロックをｔｉｍｅＤｉｆｆ及びｆｒｅｑＤｉｆｆ観測値を用いて直接観測すれば、携帯電話が更なる情報を送る必要がない。携帯電話のバイアスは基地局の範囲及びバイアスによって置き換えられるので、携帯電話のドリフトはｒａｎｇｅＲａｔｅ及び基地局のドリフトになる。
【００８６】
ｔｅｍｐＭｅａｓ観測データはｆｒｅｑＤｉｆｆに非常に似ている。ナビゲーション用のディジタル信号プロセッサは、ＲＣ時定数によって周波数が決定される抵抗器が実際はサーミスタである発振器を含むのが好ましい。ｔｅｍｐＭｅａｓ回路は所定間隔における発振器のサイクル数を数え、サーミスタの較正曲線から温度の測度を得る。
【００８７】
ＧＰＳクロックは当然ながら温度とともにドリフトする。そのために、較正のフェーズ時、ナビゲーションディジタル信号プロセッサの温度がＧＰＳ受信機に基づくときは、カウント数とＧＰＳ受信機クロックのドリフト（ｄｒｉｆｔＧＲ２ｈａｔ）が同時にスイープされるのを観測する。ＧＰＳクロックのドリフトをｔｅｍｐＭｅａｓから予測できるモデルを構築する。
【００８８】
クロックの経時変化及び水晶の欠陥が原因で水晶周波数のモデルからの偏差が生じる。水晶の内的変動が作用して推定量の精度を限定する。
【００８９】
ｔｅｍｐＭｅａｓを実施するハードウエアはＧＰＳの所定ミリ秒時にスタートして所定ミリ秒後終了する単なるカウンタである。
【００９０】
工場において工業温度範囲でスイープしている間（及び信頼できるＧＰＳフィックスを得られるフィールドで）、ｔｅｍｐＭｅａｓ及びｄｒｉｆｔＧＲ２ｈａｔを観測してｄｒｉｆｔＧＲ２ｈａｔ対カウンタ値のモデル（及びフィールドでの更新モデル）を構築しよう。そうすると、ｔｅｍｐＭｅａｓをいつでも実行することができるし、このモデルを用いて、ＧＰＳ受信機クロックドリフトの推定値を得ることができる。この推定値をｄｒｉｆｔＧＲ２ＨａｔＳＣＸＯと呼ぶ。ＳＣＸＯは、Ｓｏｆｔｗａｒｅ−Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ−Ｃｒｙｓｔａｌ−Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒの頭文字をとったものである。
【００９１】
携帯電話において、ｄｒｉｆｔＧＲ２ｈａｔを形成する起動時のｔｅｍｐＭｅａｓが作られる。そうした推定値を（電話から携帯電話への）時間及び周波数の転送時に用いて必要なＧＰＳ探察範囲を縮小して、スーパーシン（ｓｕｐｅｒ−ｔｈｉｎ）ＧＰＳクライアントを可能にする。
【００９２】
デュアルモードシステムの構成要素はＧＰＳ衛星と、ＧＰＳ受信機、基地局、及び携帯電話である。
【００９３】
ＧＰＳ衛星は基地局でＧＰＳ受信機によって探知されている。基地局の目的は、基地局のクロックＧＰＳ時間からのオフセットとその周波数基準からのオフセットとを観測することである。この受信機及び基地局は所在が知られており、スタティックである。それらは物理的に近くにあり、ｔｉｍｅＤｉｆｆ及びｆｒｅｑＤｉｆｆの観測に必要な物理的接続が可能である。
【００９４】
第２のＧＰＳ受信機は携帯電話位置にある。目的は携帯電話の所在（位置と速度）を推定することである。これを行うには全ての可能な測定ソースを用いる。標準のＧＰＳ擬似範囲及び擬似範囲レートの測定を用いて基地局にあるＧＰＳ受信機の位置、時間、及び周波数を計算する。そうすると、ＧＰＳ受信機をＧＰＳ時間に同期させることができ、そのために、基地局とＧＰＳ受信機との時間と周波数のオフセットを観測することによって、ＧＰＳ時間からの基地局の時間及び周波数オフセットを算出することができる。
【００９５】
本発明の携帯電話の実施例ではその逆を行っている。携帯電話が基地局の周波数及び時間を探知していると仮定する。携帯電話と基地局間の信号の擬似範囲及び擬似範囲レートの測定値も形成することができる。基地局の位置を知っているので、基地局をＧＰＳ衛星を用いるのと同じように照準を合わせるソースとして用いることができる。
【００９６】
携帯電話が基地局を探知し、そして探知するのに要する周波数を知っているので、ｆｒｅｑＤｉｆｆの使用によって２つのことが可能になる。携帯電話と基地局間の擬似範囲及び擬似範囲レートを携帯電話の時間及び周波数の誤差の推定値として用いることができる。ｔｉｍｅＤｉｆｆｏ及びｆｒｅｑＤｉｆｆの観測値を用いてＧＰＳ受信機の時間及び周波数を推定して、ＧＰＳ衛星の探察範囲を大いに縮小することができる。捕捉時間及び／又は捕捉感度を向上させるのに用いることもできる。システムはＧＰＳが衛星を捉えるのを援助する。少なくとも一つのＧＰＳ衛星を捉えた後、携帯電話と基地局間の擬似範囲及び擬似範囲レートをＧＰＳ擬似範囲及び擬似範囲レートとともに位置計算に用いることができる。ｔｉｍｅＤｉｆｆ及びｆｒｅｑＤｉｆｆ観測値があるから、基地局の時間及びドリフトをＧＰＳのバイアス及びドリフトを用いて表わすことができるので、未知数がスタンドアローン型のＧＰＳケースの場合と同じように標準の未知数まで減らされる。
【００９７】
図７は、衛星（ＳＶ）７０２を探知するＧＰＳ受信機及び基地局７０６を探知する携帯電話７０４を有するデュアルノードシステムを表わす図である。デュアルノードシステムに関して言えば、システム内のクロックは、
である。
【００９８】
例えば、ＧＰＳ衛星が５個、基地局が５ヶ所あるとしたら、システムにおけるクロック総数は、ｎｍＳａｔｅｌｌｉｔｅｓ＋ｎｕｍＣｅｌｌＳｉｔｅｓ＋３＝５＋５＋３＝１３となる。
基地局及びＧＰＳ衛星ごとに、擬似範囲の測定値（ＰＲ）と擬似範囲レートの測定値（ＰＲＲ）を形成することができる。
【００９９】
１個のＧＰＳ衛星７０２と１ヶ所の基地局７０６を有するシステムの場合、基地局７０６と携帯電話７０４間をパッシブ接続にすることによって較正が始まる。基地局のクロック信号及びその１−ＰＰＳをＧＰＳ受信機１（７０６）によって観測する。これらの信号はディジタル信号プロセッサのｆｒｅｑＤｉｆｆ及びｔｉｍｅＤｉｆｆ回路それぞれに接続される。携帯電話のクロック信号及びその１−ＰＰＳをＧＰＳ受信機２（７０４）によって観測する。これもディジタル信号プロセッサを有しており、そうした信号をディジタル信号プロセッサのｆｒｅｑＤｉｆｆ及びｔｉｍｅＤｉｆｆ回路それぞれに接続する。
【０１００】
図８は、自分のシステム時間を有する各クロックとこの時間からのクロックバイアスを表わす図である。受信機において観測するために、この２つの和、例えば、システム時間＋バイアスからハードウエアが用いる基準時間が生成される。これらの時間基準間で時間差を観測する。第１の時間差ＴＤ１はＧＰＳ受信機１と基地局間の時間差で、第２の時間差ＴＤ２はＧＰＳ受信機２と携帯電話間の時間差である。クロックパルス信号は、或る既知の時間に送信機を出て範囲に応じてその後受信機に到着するタイミング信号を表わす。しかしながら、時間のバイアス誤差が原因で、観測された位相測定に、例えば、送信機及び受信機両方のバイアス誤差による影響が及ぶ。そうした観測値が擬似範囲になる。
【０１０１】
ＴＤ１はＧＰＳ受信機１と基地局の１−ＰＰＳ間のｔｉｍｅＤｉｆｆ測定値である。そこから受信機１からカウント数単位で観測値Ｎ１２及びＮ２１を生成するとともに、秒単位でｔｉｍｅＤｉｆｆ ＴＤ１を形成することができる。
【０１０２】
ＴＤ２はＧＰＳ受信機１と基地局の１−ＰＰＳ間のｔｉｍｅＤｉｆｆ測定値である。そこから受信機２からカウント数単位で観測値Ｎ１２及びＮ２１を生成するとともに、秒単位でｔｉｍｅＤｉｆｆ ＴＤ１を形成することができる。
【０１０３】
図８から、
がわかる。
【０１０４】
擬似範囲測定値の測度単位は、ｔｉｍｅＤｉｆｆ及びｆｒｅｑＤｉｆｆを用いて事を単純にするために、メートルよりも秒を単位とするのが好ましい。だが、メートルを単位に用いることもできる。
【０１０５】
ｔｉｍｅＤｉｆｆ回路から毎秒２つの測定値を得る。それはＮｉ１とＮｉ２で、Ｉ＝時間マーカー、「１」は外部ＰＰＳからの測定値で、「２」は内部ＰＰＳからの測定値である。
【０１０６】
携帯電話の中で生成された信号の局所位相に基地局から送信された信号の受信位相を探知させるために生み出された位相測定値をアクセスすることができる。
【０１０７】
図８から、観測位相測定値は、
が与えられる。
【０１０８】
「真」の位置を見出すことができる。地球中心・地球固定の（ＥＣＥＦ： ｅａｒｔｈ−ｃｅｎｔｅｒｅｄ−ｅａｒｔｈ−ｆｉｘｅｄ）３次元デカルト座標、例えば、ＷＧＳ−８４を用いる。基地局の位置及び速度を知っているものと考える。
基地局にあるＧＰＳ受信機１は位置が知られており、それは基地局に近いが、まったく同一である必要はない。従って、ｐｏｓＧＰＳ１＝（ｘ１， ｙ１， ｚ１）， かつｖｅｌＧＰＳ１＝（ｘＶｅｌ１， ｙＶｅｌ１， ｚＶｅｌ１）＝０．
ＧＰＳ衛星の位置は、システムの周りに分布しているエフェメリスモデルから知られているものと仮定する。衛星の速度をエフェメリスから算出する。ＰｏｓＳＶ＝（ｘＳＶ， ｙＳＶ， ｚＳＶ）， ＶｅｌＳＶ＝（ｘＶｅｌＳＶ， ｙＶｅｌＳＶ， ｚＶｅｌＳＶ）．
ＧＰＳ受信機２は携帯電話を有し、その所在はシステムにおける主たる未知数である。その他の未知数はシステムにおける不都合なパラメータで、それは全て解かれるか、さもなくば消去されなければならない。
【０１０９】
基地局及びＧＰＳ受信機は同じ（未知の）場所にあると定義する。従って、
ｐｏｓＧＰＳ２＝ｐｏｓＣＰ＝（ｘ， ｙ， ｚ），
そして
ｖｅｌＧＰＳ２＝ｖｅｌＣＰ＝（ｘＶｅｌ， ｙＶｅｌ， ｚＶｅｌ）．
「真」の範囲の定義において、座標枠は正規直交。いかなる２点間の正距離はその２点間のベクトル量である。範囲の方程式は秒によって表わすことができる。
ここで、Ｋ＝光の速度の逆数、例えば、２．９９７９２４５８ｅ８ ｍｅｔｅｒｓ／ｓｅｃｏｎｄ
図９は、どのようにしてｆｒｅｑＤｉｆｆを測定して用いるかをビジュアルに示したものである。ＧＰＳ受信機１の基準と基地局の基準との間でｆｒｅｑＤｉｆｆ１を測定する。ＧＰＳ受信機２の基準と携帯電話の基準との間でｆｒｅｑＤｉｆｆ２を測定する。両受信機に同じ基準、例えば、ＧＰＳ受信機で用いられた公称周波数を用いる。この策の一部は、ＤＧＰＳ及びデータ用の両基準局、基地局、及びクライアント（携帯電話）ソリューションでディジタル信号プロセッサを含んだ同じハードウエアソリューションを採用することである。従って、同じ周波数基準を仮定することができ、それはＧＰＳ衛星搬送波を探知するのに用いられる全ての周波数を生成すべく用いられる公称水晶周波数である。
【０１１０】
基地局側について言えば、異なる複数の公称周波数を有するシステムからの周波数オフセットを算出する際、共通の周波数基準を用いるのが都合がいい。但し、いずれの場合も同じモデル化を用いることができる。全ての公称周波数は一つのマスタ周波数に対してスケーリングされなければならない。次に、オフセットに比ｏｔｈｅｒＲｅｆＦｒｅｑ／ｎｏｍｉｎａｌＲｅｆＦｒｅｑを掛けることによって周波数オフセットをその公称周波数から新たなマスタ周波数に変換する。適切なスケーリングで代数を実行することができる。その結果を逆スケーリングを用いて公称基準に変換して戻す。
【０１１１】
範囲レート測定値はｆｒｅｑＤｉｆｆの数字には含まれず、擬似範囲はｔｉｍｅＤｉｆｆの数字の中に入っている。ユーザの移動及び衛星は普通ＧＰＳ搬送周波数で表わされる（Ｌ１＝１５７５．４２ＭＨｚ）。ｆｒｅｑＤｉｆｆ観測値はユーザや衛星の移動による影響を受けない。
【０１１２】
そのことは携帯電話周波数生成に関してＮＣＯにあてはまる。本発明のＶＣＯ法の実施例では、範囲及び基地局クロックの影響は携帯電話基準周波数に現れない。
【０１１３】
ｆｒｅｑＤｉｆｆ回路からの生の測定値はＧＰＳ受信機１からのカウント数Ｎ１およびＧＰＳ受信機２からのカウント数Ｎ２である。これらを用いて、基地局基準周波数でサイクル／秒単位でｆｒｅｑＤｉｆｆを計算することができる。ＢａｓｅＣＳ ＝ ｂａｓｅＣＰと仮定することができる。
基地局搬送波を探知するのに携帯電話からの周波数の推定値がなければならない。本発明に係る方法の実施例をＮＣＯと共に用いる。携帯電話はｂａｓｅＣＰ周波数でサイクル／秒の単位にスケーリングできる数字を出力することができる。
【０１１４】
携帯電話搬送波探知ループからの測定値は、
別の実施例では、ＶＣＯを方向指定して基地局搬送波を探知し、携帯電話公称周波数への影響をｔｉｍｅＤｉｆｆ及びｆｒｅｑＤｉｆｆ回路において直接観測する。それでも周波数の公称値からのオフセットの数値表現を出力することが可能である。但し、携帯電話クロックに起因してｆｒｅｑＤｉｆｆに現れる周波数成分には異なる意味がある。そこで、ｆｒｅｑＤｉｆｆはセルラー電話の移動のドップラー成分及び基地局の周波数オフセットを観測する。
【０１１５】
送信機が正の周波数オフセットを有するとしたら、受信機は公称値からのこの加算周波数オフセットを探知するにはその生成周波数を上げなければならない。受信機が正の周波数オフセットを有するとしたら、受信機は搬送波を探知するにはその生成周波数を下げなければならない。最後に、送信機と受信機との間に正のドップラーがあるとしたら、受信機はその影響を探知するにはその周波数を上げなければならない。
【０１１６】
基地局の搬送波を探知して、探知を可能にすべく生成される周波数は、
ＶＣＯ周波数に更新値を生み出す位相誤差判別子は携帯電話のドリフトを取り除かなければならない。
【０１１７】
ｆｒｅｑＤｉｆｆ観測値への影響を調べて、カウンタは基地局を探知するのに、携帯電話周波数ｆｒｅｑＣＰではなく、周波数のサイクルの整数ｆｒｅｑＣＰｖｃｏを観測する。
【０１１８】
言い換えれば、
ＧＰＳ受信機は数値制御型発振器において生成する擬似範囲レートを周波数オフセットから測定することができ、それは基準周波数（ｆｒｅｑＣＳ＝ｂａｓｅＧＲｆｒｅｑ＋ｄｒｉｆｔＧＲ）からもう一つの周波数オフセットを提供する。測定値を擬似範囲の導関数としてモデル化することができる。
そして、「真」のユーザ速度ベクトル＝（ｘＶｅｌ， ｙＶｅｌ， ｚＶｅｌ）となる。
基地局にあるＧＰＳ受信機は「真」のユーザ速度がゼロであると仮定することができる。従って、全ての位置及び速度は既知であると仮定する。基地局にあるＧＰＳ受信機１１２はその位置を計算することができる、すなわち、その位置が測量位置である可能性がある。第２に、衛星の位置及び速度を基地局のＧＰＳ受信機にとって使用可能なエフェメリスを用いて計算することができる。
ｒａｎｇｅＲａｔｅＧＲ１及びｄｒｉｆｔＳＶは既知だから、観測した擬似範囲レートを用いてＧＰＳ受信機のドリフトを推定することができる。
従って、ＧＰＳ受信機１でのドリフトの推定値を計算することができる。
複数の衛星を探知しているとしたら、ドリフト推定値を速度フィックスから、もしくは、位置がわかっている場合上記方程式の集合を平均することによって、形成することができる。そうすると、位置の精度が高ければ、推定値の精度を向上させることができる。
ｆｒｅｑＤｉｆｆ及び推定ＧＰＳ受信機１クロックドリフトを用いて、基地局クロックドリフトの推定値を形成することができる。
本発明に係る方法の実施例を用いて速度を計算するために携帯電話クロックドリフトを取り除く。
【０１１９】
携帯電話がＮＣＯを用いて周波数を探知している場合、ｆｒｅｑＤｉｆｆを用いてＧＰＳ受信機のドリフトによって基地局のドリフトを表わすことができる。これは、測定した携帯電話の搬送周波数から携帯電話のクロックを除去して基地局の搬送波を探知する。
搬送波測定値をｄｒｉｆｔＣＰの推定値として用いることができる。
従って、これは擬似範囲レートの式で、ここで未知数はＧＰＳ受信機の速度及びクロックバイアスを用いて表現されている。
【０１２０】
携帯電話の中のＧＰＳ受信機のドリフトを推測するために携帯電話のクロックドリフトを除去する。
【０１２１】
定点化の前に、この手続きを用いて携帯電話の中のＧＰＳ受信機クロックのクロックドリフトの推定値を生成することができる。
【０１２２】
ドリフトの推定値を携帯電話はスタティックであると仮定することにより形成することができるので、ｒａｎｇｅＲａｔｅＣＰ項をゼロと仮定することができる。推定値の精度はこの仮定の正確さによる。しかしながら、ほとんどの低コストのクロックの場合、水晶にかかる温度及び経時変化に起因する周波数の不確定性は携帯電話及び基地局間のユーザダイナミックスよりもはるかに大きいので、推定値から莫大な情報利得を得ることができ、それを用いて探察時間を短縮するとともに／又は感度を向上させることができる。
【０１２３】
例えば、ユーザが時速１００マイルで移動しているとしよう。ユーザ速度を先ずｍ／秒に換算する。
さて、この例では、携帯電話クロックでのＧＰＳ受信機の公称周波数は２７．４５６ＭＨｚであると仮定しよう。
波長
λＣＰ＝Ｃ／ｆ＝ｓｐｅｅｄ−ｏｆ−ｌｉｇｈｔ／２７．４５６ｅ６ ｃｙｃｌｅ／ｓｅｃ ＝ １０．９ ｍｅｔｅｒｓ／ｃｙｃｌｅ
ユーザが実際は時速１００マイルで動いているときユーザはスタティックであると仮定した場合のｄｒｉｆｔＣＰの周波数Ｅｒｒｏｒは、
ｆｒｅｑＥｒｒｏｒ（Ｈｚ ａｔ ｎｏｍｉｎａｌ ＧＲ ｆｒｅｑ） ＝（４４．７０４ｍｅｔｅｒｓ／ｓｅｃｏｎｄ）＊（１−ｃｙｃｌｅ ｏｆ ｂａｓｅＣＰｆｒｅｑ／１０．９ｍｅｔｅｒｓ）
水晶の周波数誤差は０．５から１ＰＰＭ程度で構わない、そしてゼロユーザ速度を仮定することによりＧＰＳ受信機ドリフトを推定する際大きな情報利得を得ることができる。１−ＰＰＭ不確実性の情報利得は、１／０．１５＝６．７。これは、周波数探察を６．６９の因数で縮小できることを意味する。それにより、探察時間が大幅に短縮される。
【０１２４】
ユーザダイナミックスがゼロであると仮定して、先ず携帯電話周波数ドリフトを推定する。
と推定する。
【０１２５】
速度を計算するために携帯電話のクロックドリフトを除去する。基地局周波数を探知するために携帯電話がＶＣＯを用いている場合、ｆｒｅｑＤｉｆｆを用いてｂａｓｅＣＰｆｒｅｑへの影響を観測することができる。
【０１２６】
観測用の「真」のモデルは、
【０１２７】
ユーザ速度はゼロである。そこから携帯電話の中のＧＰＳ受信機のクロックドリフトの推定が可能になる。
【０１２８】
この推定値を用いてＧＰＳ衛星を見付けるのにしなければならない周波数探察を縮小することができる。従って、この観測値を用いて周波数転送を行うことができる。
【０１２９】
ユーザ速度を推定するために、（携帯電話の中のＮＣＯを用いる）本発明に係る方法の実施例の測定値は、
（携帯電話の中のＶＣＯを用いる）本発明にかかる別の実施例の測定値は、
ユーザ速度及びＧＰＳ受信機ドリフトを推定するために携帯電話とＧＰＳの擬似範囲レートの測定値を組み合わせる。
【０１３０】
携帯電話はＪヶ所の基地局集合を探知して、ｊ番目の擬似範囲レート観測値を形成する。
速度を解くために、先ず位置の解を行い、そして次のようにして公称ｒａｎｇｅＲａｔｅＣＰ（ｊ）を予測する。
となる。
【０１３１】
同様に、次のようにして公称ｒａｎｇｅＲａｔｅＧＲ２（ｋ）を予測することができる。
これらは、ユーザ速度及びＧＰＳ受信機のクロックドリフトだけを用いた方程式である。従って、複数のＧＰＳ衛星か複数の基地局のいずれかから４つの測定値を見付けられれば、従来の方法（最小二乗やカルマンフィルタなど）を用いて速度及びドリフトを求めることができる。
【０１３２】
ｔｉｍｅＤｉｆｆ及び擬似範囲の未知数を除去するには、ｔｉｍｅＤｉｆｆ測定値を使わなければならない。
【０１３３】
ｒａｎｇｅＧＲ１は、その成分が知られているから、既知数と考える。
【０１３４】
衛星の位置及びクロックのバイアスは、サーバによってシステムを循環させることができるＧＰＳエフェメリスから計算することができるので、既知と考える。
【０１３５】
ＧＰＳ受信機１は少なくとも時間の解を計算するのに十分な数の衛星を探知していると仮定しよう。もしその位置を知っていれば、これを行うには衛星は一つだけでいい。
となる。
【０１３６】
ＧＰＳ時間から基地局のクロックバイアスを解くには、ＧＰＳ受信機１とセルラーサイト間のｔｉｍｅＤｉｆｆ測定値（ＴＤ１）を用いる。基地局とＧＰＳとの時間のバイアスを推定する。
【０１３７】
いずれかのｔｉｍｅＤｉｆｆ測定値（Ｎ１１またはＮ１２）を用いることができる。
ここで、ｔｉｍｅＤｉｆｆの定義を用いて、次のように基地局のドリフトを求める。
Ｎ１１を用いると、
位置を計算するために携帯電話のクロックバイアスを除去する。
【０１３８】
携帯電話が携帯電話と基地局間の擬似範囲測定値を生成すると仮定する。
【０１３９】
基地局を探知する携帯電話によって形成される擬似範囲は、
基地局のクロックバイアスの推定値を適用すると共に、携帯電話とＧＰＳ受信機２間のｔｉｍｅＤｉｆｆを用いる。そのように変数が変わることによって携帯電話のクロック及び基地局のクロックの消去が可能になり、携帯電話で導出された擬似範囲を携帯電話の場所とＧＰＳ受信機２とによって表わすことができる。
【０１４０】
携帯電話におけるｔｉｍｅＤｉｆｆは次の形式を有する。
ところで、
携帯電話のｄｒｉｆｔＧＲの推定値なしにｔｉｍｅＤｉｆｆを形成すると、位置決定（ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｆｉｘ）までＧＰＳ受信機２のドリフトの推定値は不明である。そこで、モデルを定式化し直し、このパラメータの明確な影響を表現するモデルを得る。
【０１４１】
ＦｒｅｑＧＲｈａｔではなく、ｂａｓｅＧＲｆｒｅｑを用いて観測したｔｉｍｅＤｉｆｆを正規化する。
【０１４２】
この場合、
測定値はｄｒｉｆｔＧＲの一次関数ではない。なぜならば、ｄｒｉｆｔＧＲが第２項の分子
及び分母（ｆｒｅｑＧＲの内部）の両方に現れるからである。これでも対応することはできるが不便である。そのために、モデルを線形化する単純な近似化を実行する。分母のｆｒｅｑＧＲを単にｂａｓｅＧＲｆｒｅｑで置き換える。
【０１４３】
未知のＧＰＳ受信機のドリフトを線形化して測定値を変数ｄｒｉｆｔＧＲ内で線形にする。変数ｄｒｉｆｔＧＲを分母から除去する。
の近似値を調べる。
【０１４４】
ここでも、ｄｒｉｆｔＧＲ＝２０ ＰＰＭとする。
【０１４５】
「真」の値を求めると、
【０１４６】
ｍａｘＮ１＝ｂａｓｅＧＲを掛けると、誤差は３．９９８１９７ｅ−１０＝０．１１ ｍｅｔｅｒｓとなる。
【０１４７】
このように、まだ線形誤差モデルが存在する。この方法がだめな場合には、ｄｒｉｆｔＧＲ項が分母に存在することから、モデルは線形にはならない。
【０１４８】
測位できるように携帯電話擬似範囲を用いるには、先ずｄｒｉｆｔＧＲ２の推定値を見出し、その後擬似範囲にドリフト項を含める。通常、擬似範囲は位置及びクロックのバイアスだけに関係している。従って、この公式化には余分の未知数がある。但し、擬似範囲レートが使用可能で、全ての未知数を同時に求めることができる。
【０１４９】
ｔｅｍｐＭｅａｓを用いてｄｒｉｆｔＧＲ２を推定するために、ｄｒｉｆｔＧＲ＝２０ＰＰＭと仮定する。Ｎ１１はほぼｂａｓｅＧＲと同一であったと仮定する。これは、基地局がＧＰＳの１−ＰＰＳのすぐ左側にあることを意味する。ｄｒｉｆｔＧＲに比例するもう一つの項はｄｒｉｆｔＧＲ／ｆｒｅｑＧＲである。
【０１５０】
仮にドリフトが２０ＰＰＭだとすると、
となる。
【０１５１】
【０１５２】
ｔｅｍｐＭｅａｓは、携帯電話の擬似範囲を用いてＧＰＳ受信機のクロックバイアスを推測するのに十分な近似値を提供する。そうした値は事前測位に用いることができる。
【０１５３】
ｔｉｍｅＤｉｆｆ測定値を計算するには、携帯電話側のｔｉｍｅＤｉｆｆを以下のように再定義する。測定モデルによれば、
となる。
【０１５４】
ここで、携帯電話におけるｔｉｍｅＤｉｆｆの測定モデルを挿入（量子化項は含まない。そのため、パラメータは推定値であって「真」のパラメータではない）すると、
となる。
【０１５５】
この形式を用いて、ｄｒｉｆｔＧＲ２に比例するまた別の項を、ｆｒｅｑＧＲでなくｂａｓｅＧＲｆｒｅｑを用いてその誤差を正規化する。
【０１５６】
ｂｉａｓＣＰｈａｔを求めるためにその測定モデルを書き換えると
となる。
【０１５７】
上記の式をセルラー電話の擬似範囲の中に挿入すると、全てのクロック項をＧＰＳ受信機２のクロックで表わすことができる。
本発明の実施例を用いて携帯電話内のＧＰＳ受信機のバイアスを推測するには携帯電話のクロックバイアスを除去すればよい。また、ＧＰＳ受信機２のバイアスを直接推定するために、単に上記の式を展開し直して解けばよい。
この方程式によれば、ＧＰＳ信号を探知する前にＧＰＳ受信機のクロックバイアスを推定することができる。ＧＰＳの場合、時間探察枠が最大で１ミリ秒である。したがって、探察範囲を縮小するには、クロックバイアス推定値の誤差が１ミリ秒よりも十分小さくなければならない。
【０１５８】
携帯電話が、基地局からわずか１キロメートル（１０００ｍ）のところにあると仮定しよう。これは、基地局密度が非常に高い日本では起こりうることである。
【０１５９】
また、ｆｒｅｑＤｉｆｆを用いてｄｒｉｆｔＧＲ２を推定すると仮定する。
【０１６０】
既に説明したように、
この式で、ユーザ速度をゼロと仮定する。
【０１６１】
ｔｅｍｐＭｅａｓを用いてｄｒｉｆｔＧＲｓｃｘｏを推定する。すなわち、ｔｅｍｐＭｅａｓからクロック周波数を推定するために、ｔｅｍｐＭｅａｓ観測値と較正モデルとを用いてＧＰＳ受信機２のクロックドリフトを推定する。
【０１６２】
基地局からの範囲が１０００として、ｄｒｉｆｔＧＲ推定値を用いると、
となる。
【０１６３】
推定値の精度は、基地局までの距離が１０００ｍであるという仮定に依存する。仮に距離が２０００ｍであったとしても、精度は約１０００／ｃ＝３．３ｅ−１＝３．３ ｍｉｃｒｏｓｅｃｏｎｄであろう。時間の不確定性が１ ｍｓｅｃから３．３ ｍｉｃｒｏｓｅｃｏｎｄに縮小した。これはほとんど因子３００の情報利得である。それはスーパーシンＧＰＳクライアントを可能にする類の情報利得である。
【０１６４】
位置を計算するために携帯電話のクロックバイアスを除去する。
【０１６５】
携帯電話が本発明に係るＶＣＯの実施例を用いて搬送波を探知する場合の測定モデルを導出する。周波数が、入力信号の位相と一致するように調整される。周波数の調整にともない携帯電話基準と対応付けられたＰＰＳも移動するため、ｔｉｍｅＤｉｆｆの意味が変わる。
【０１６６】
ｔｉｍｅＤｉｆｆは、携帯電話のバイアスを観測するのではなく、基地局のバイアス及び基地局と携帯電話間の範囲を観測する。例えば、基地局のクロックバイアスが正であれば、基地局もその位相を増大してアライメントするようにしなければならない。基地局から携帯電話への信号の伝搬時間を補正するには、携帯電話は、入力信号を探知するためにその信号をさらに遅延させなければならない。位相の進みは位相における正の増加である。
【０１６７】
携帯電話のクロックバイアスをｒａｎｇｅＣＰ及び基地局バイアスで置き換える。
【０１６８】
「真」のｔｉｍｅＤｉｆｆモデルは次のようになる。
実際の測定値でも同じ問題がある。すなわち、正しい周波数によってｔｉｍｅＤｉｆｆを正規化することである。ｂａｓｅＧＲｆｒｅｑを正規化し、そしてｄｒｉｆｔＧＲ２項を明白に説明する。
定義から、
となる。
【０１６９】
さてここで、「真」のＴＤ１に我々のモデルを挿入するとともに、推定パラメータを挿入すると、（我々のモデルに量子化項を含まずに）
携帯電話の擬似範囲の式及びＧＰＳ受信機のクロック誤差を得る。式において未知数はユーザ位置である。たとえＧＰＳ受信機のドリフトが現れたにしても、方程式を解くことができる。
【０１７０】
位置を計算するために携帯電話のクロックバイアスを除去する。
【０１７１】
ＧＰＳの捕捉を支援するための時間転送の場合は、上記の式をｂｉａｓＧＲ項について解けばよい。ここでもまた、ＧＰＳ受信機のクロックドリフトを推定するために２つのソースを得る。ｔｅｍｐＭｅａｓ観測値を用いるか、あるいはｆｒｅｑＤｉｆｆを用いるかのいずれかで、ユーザ速度はゼロと仮定する。
デュアルモードシステムにおける位置／速度を解く。
【０１７２】
携帯電話の擬似範囲をＧＰＳの擬似範囲と組み合わせる。
本発明の方法実施例（本発明のＮＣＯ法の実施例）のために定義する。
もしくは、本発明の実施例（本発明のＶＣＯ法の実施例）のために定義する。
擬似範囲レートと同様に、公称範囲を差し引くことにより位置に関して線形化する。
【０１７３】
デルタベクトルを「真」の位置ベクトルと位置の開始推定値との間の誤差として定義する。推定のプロセスで、デルタベクトルを計算し、それを開始位置に加算して位置推定値を得る。そのために、推測値を形成する際ユーザ位置を必要とすると仮定して、ｘＮｏｍｉｎａｌを用いる。
【０１７４】
我々の公称推定値（ｘＮｏｍｉｎａｌ）における誤差をｄｅｌＸと定義すると、
Ｊヶ所の基地局とＫ個の衛星に対する測定値を有すると仮定する。ｊ番目の基地局とｋ番目の衛星の線形測定値は、
ここで、ｕＸＣＳ及びｕＸＳＶは擬似範囲レートのところで定義したものと同じ。
【０１７５】
デュアルモードシステムは解方程式を導出し、それはシステムにおいて全ての観測データをユーザ位置／速度と携帯電話の中のＧＰＳ受信機のクロックバイアス及びドリフトとに関連付けている。その他のシステムクロックは全てシステム外で較正されている。
【０１７６】
標準的な解法を用いて８つの未知数を解くことができる。
【０１７７】
解を得るために、多数の観測値が未知数を有する。それはすなわちユーザ位置を有する４つの観測値が要るということである。微分測定値も必要である。ＧＰＳ受信機の速度とクロックドリフトを推定する。
【０１７８】
ｔｉｍｅＤｉｆｆ、ｆｒｅｑＤｉｆｆ、ｔｅｍｐＭｅａｓという各オブサーバブルを用いて、これらの信号の探察範囲を縮小することによりＧＰＳ衛星の捕捉を向上させることができる。携帯電話及び基地局の較正に関するＧＰＳ受信機のクロックバイアス及びドリフトとを推定する。
【０１７９】
システムは真に分散された処理システムである。クライアント・タイプにより、全ての較正及び計算を携帯電話の中で行うか、ネットワークサーバにおいて行うか、或いはその２つのシステムに分散することができる。しかしながら、サーバは基地局の較正用数字を送るダクトだから、データを時間と周波数の両方の転送に用いてＧＰＳ捕捉時間を向上させるとともに、両システムからの範囲と範囲レートとを用いて携帯電話の位置を計算するデュアルモードオペレーションにデータを用いることができる。
【０１８０】
基地局と、サーバ、携帯電話、そして基地局及び携帯電話両方のＧＰＳ受信機との間の通信手段を仮定する。しかしながら、使用する特定の方法の詳細はここで提示した方程式にとって決定的な要因ではない。
【０１８１】
ＧＰＳ受信機１は基地局にある。絶えずＧＰＳを探知して、その位置と、クロックバイアス、及びクロックドリフトを推定する。ＧＰＳ受信機と基地局クロック間のｔｉｍｅＤｉｆｆ及びｆｒｅｑＤｉｆｆを実行する。測定値及びその解をネットワークサーバに戻す。サーバは基地局のクロックバイアス及びドリフトを計算する。また、５０ｂｐｓのナビゲーションデータメッセージなど他のＧＰＳデータをネットワークサーバに送信する。
【０１８２】
ネットワークサーバは基地局からデータを受け入れ、各基地局のクロックバイアスとドリフトの表を構築する。ＧＰＳ受信機の位置から基地局の位置を生成することもできる。ネットワークサーバはナビゲーションデータ・データベースを構築し、データベースは衛星の位置と、速度、クロックバイアス、及びドリフトを計算するためのデータソースとしてシステム中に分配される。
【０１８３】
ＧＰＳ受信機２は携帯電話に位置してこの受信機の位置を計算する。電源投入時、ＧＰＳ受信機のクロックバイアス、ドリフトや位置はわからない。ｔｉｍｅＤｉｆｆ、ｆｒｅｑＤｉｆｆ、及びｔｅｍｐＭｅａｓを実行する。携帯電話の受信機は（少なくとも一ヶ所の）基地局を探知する。搬送波の位相及び周波数を探知することによって、基地局間の擬似範囲及び擬似範囲レートを形成することができる。これらの測定値を基地局のクロックバイアス及びドリフトと基地局の位置を含む基地局データと共に用いて、さらにｔｉｍｅＤｉｆｆとｆｒｅｑＤｉｆｆ及びｔｅｍｐＭｅａｓの各観測値を用いて、携帯電話とＧＰＳ受信機間の時間及び周波数転送を実行することができる。１個のＧＰＳ衛星を捕捉した後、観測値を用いてデュアルモードの位置／速度を計算することもできる。
【０１８４】
時間及び周波数転送によって、探察範囲を縮小することにより、ＧＰＳ衛星の捕捉を向上させることができる。そのために捕捉時間及び感度が向上する。それによりスーパーシン・クライアントが可能になる。
【０１８５】
１個以上のＧＰＳ衛星を捕捉した後、両システムからの範囲と範囲レートとの測定値を組み合わせて携帯電話の位置を計算する。それにより、使用できる各システムからの測定値数が通常よりも少ない場合、測位が可能になるはずである。例えば、ＧＰＳ衛星１個のみと基地局３ヶ所、或いはＧＰＳ衛星２個と基地局２ヶ所、もしくはＧＰＳ衛星３個と基地局１ヶ所のみによって、３次元フィックスを行うことができる。
【０１８６】
実際には、携帯電話でＧＰＳ衛星が探知されていなくても携帯電話の位置を計算することができる。基地局は有意相対垂直変位をするので、３次元的解は非常に雑音が多い。しかしながら、携帯電話の位置する高度を使用できれば、２次元的解が可能である。（基地局を同期化させるには基地局でＧＰＳ衛星が依然として必要である。）基地局が良好な垂直分離を有する場合、３次元のＣＤＭＡだけも可能である。
【０１８７】
ＧＰＳアルマナックとエフェメリスを捕捉して、基準局のＧＰＳ受信機を有するサーバ１０６により換算して各衛星の位置と速度をそれぞれ表わす単純な多項式を提供する。言うまでもなく、そうした多項式は時間と共に古くなり効力喪失するだろうが、十分に新鮮な軌道データを提供するにはインターネットを介した基地局１０２とサーバ１０６間の周期的コンタクトが決定的な要因となる。そこで、ローカルＲＡＭ／ＲＯＭに現時点のエフェメリス及びアルマナックを保持するためにＧＰＳ受信機１１２は記憶集約的要件を免除され、位置フィックスごとに衛生軌道位置の二重精度浮動小数点数学をローカルに計算するプロセッサ集約型ジョブを免除される。
【０１８８】
本発明に係るビジネスモデルの実施例では、サーバ１０６を独立したサービスプロバイダが所有、運営する。使用単位料金又は加入料金をユーザに請求する。携帯電話１０４及び／又は携帯１０２を運営する。もしくは、携帯電話１０４をアプリケーション専用ネットワーククライアントの半導体集積回路デバイス設計の知的財産（ＩＰ）パッケージにさらにバンドルする。そうしたＩＰをネットワーククライアントの相手先ブランドによる製造会社（ＯＥＭ）にライセンス料とハードウエアデバイスのコストで販売する。
【０１８９】
オペレーションでは、ＧＰＳ受信機１１２は２つのドメインで、すなわち、周波数とコード位相とにおいて、ＧＰＳマイクロ波信号を同時に探察しなければならない。局所発振器と衛星相対速度に起因するドップラーシフトとが搬送周波数の不確定性を生み出し、それは解決される。同時ＧＰＳ衛星擬似乱数（擬似乱数）コード位相は別の未知数である。「雑音フロア」より上の受信信号は比較的容易に素早く探察することができる。しかし、ビルの屋内にあるような、弱い信号は雑音が２０デシベル程度になると埋没してしまう。周波数／コード位相ビンを閲覧する度に、コード・コレレータによって提供された処理利得を有する雑音フロアを「ビートダウン」できる程度にそこに長く留まらなければならない。貧弱な信号の場合、探察ビンが例えば、エイリアシングによるなど、ビン周波数とビン・コード位相間のより細かいステップを有していなければならない。そのために、もっと多くのビンを探察しなければならないし、各ビンには処理ドエルがもっと必要である。こうしたこと全てによって探察時間が指数的に増大する。
【０１９０】
サーバ１０６はリアルタイムのナビゲーションデータをインターネットに公開する。一部リアルタイムの又は非リアルタイムのナビゲーション及び初期化データをインターネットに載せる他のサービスは現存するので、そうしたデータは用いて、ＧＰＳ受信機１１２に送信中のリアルタイムのナビゲーションデータを一部置き換えるのに、或いはＧＰＳ受信機１１２に送信中のリアルタイムのナビゲーションデータの有効性をチェックすることができる。サーバ１０６の主たる決定的な役割ジョブはＧＰＳ受信機１１２からナビゲーション計算ジョブをオフロードすることである。そうしたオフロードに対応できる度合いはＧＰＳ受信機１１２とサーバ１０６間で実現可能な通信コンタクトの正則性いかんで決まる。ＧＰＳ受信機１１２で得た実際の測定値はサーバ１０６に転送される。
【０１９１】
本発明の別の実施例は、ハイレベルの抽象化及び目的のデータ処理を行うサーバ１０６を組み込んでいる。例えば、サーバプラットフォームは健康状態及び品質モニタを内臓し、前記スタティック観測値をチェックして測定誤差及び衛星データメッセージの前記データベースに不正情報が含まれないようにする。また、サーバ１０６は時間とともにＧＰＳ受信機１１２が時間、日、週、月、年といった周期中に閲覧する場所のパターンの位置の解情報を収集することができる。そうした情報を処理してＧＰＳ受信機１１２がどこにあるか、ユーザがどこにいたか、或いはユーザがこの先きどこに行こうとしているか推定することができる。そうした情報は、派遣、タイムレコーダー、自宅監禁、人員配置、在庫管理、財産管理、軍隊、警備、その他のアプリケーションに役に立つ。位置情報を解釈してユーザが或る瞬間に何をしているか知的な推測をすることができる。例えば、ユーザの位置が地元のスーパーの位置と一致すれば、そのユーザは買い物をしていると想定することができる。例えば、市のメンテナンス部門が消火栓、変圧所、道路など恒久的な場所と連結して電子データベース内に「マーキング」することによって、ウェブサーバ１０６にユーザがログを生成することもできる。
【０１９２】
インターネット上に存在するユーザの位置についての情報を広告会社や販売会社が利用してユーザにリアルタイムでメッセージを送ることができる。そうしたデータを本発明のビジネスモデルの実施例でリアルタイムで販売する。
【０１９３】
概して、本発明の実施例はインターネット・サーバを使用して遠隔ＧＰＳ受信機が収集したデータを従来からの受信機や方法と比べ信号感度が向上し探察時間が短縮するようなやり方でプロセスする。
【０１９４】
最近のテストデータは、一般的な水晶周波数の演繹的最悪ケースのモデル化誤差がおよそ±０．５ＰＰＭ（±７８７Ｈｚ）であることを温度モデル化を用いて示す。保守的に考え、ユーザ位置誤差の周波数に対する作用のためにいくらかの不確実性を見込んで、第１衛星では周波数範囲±１０００を探察するのが好ましい。一回目の探察で分かった周波数情報に非常に自信があるなら、後続衛星の探察範囲を制約して時間と労力を省くことができる。もしくは、そうした探察時間を節約する代わりに、安価なハードウエアで使われるよりスローなクロック速度を使用するようにすることができる。
【０１９５】
図１０は、本発明のインフラストラクチャ支援型ナビゲーションシステムの第２実施例の機能ブロック図で、大まかに参照番号１０００で示している。政治的或いは経済的理由から、携帯電話のベースサイト（例えば、図１のシステム１００）にＧＰＳ受信機を含まないシステム１０００を必要とする特殊ケースである。従って、永久的に不動の場所に停留した携帯電話とＧＰＳ受信機の組み合わせを変更してサービスできるようにすることができる。本発明のビジネスモデル実施例は、サービスを必要とするが普通では利用できない各基地局の固定局に明らかに普通の携帯電話を配置する。利用できない原因には、基地局の運営者が敵対的な場合や、法律的に反対があったり厄介だったり、時間が短かったり、費用がかかりすぎるなどがある。
【０１９６】
システム１０００は、例えば、インターネットなど、データネットワーク１００４に接続されたサービスプロバイダ１００２を含む。基地局１００６は局と局の間の普通の携帯電話呼び出しを電話番号を用いて単に処理する。閲覧しているモバイル携帯電話のユーザ１００８は基地局１００６を経由して電話呼び出しを行い、受信もする。サービスプロバイダ１００２を運営する企業は予め永久的な停留携帯局１０１０を基地局１００６のサービス区域内に配置する。基地局１００６を経由して行われる電話呼び出しを介してシステムの他の部分にもアクセスすることができる。
【０１９７】
サービスプロバイダ１００２は、ＧＰＳ受信機、ネットワークサーバ１０１４、温度と時間及び周波数のデータ及びモデルを記憶するためのデータベース１０１６を含む。基地局１００６は携帯トランシーバ１０２２を備えるが、ＧＰＳ受信機はない。携帯電話１００８も自分のＧＰＳ受信機１０２０と携帯トランシーバ１０２２を含む。永久的な停留携帯局１０１０はＧＰＳ受信機１０２４と携帯電話サービスバンドトランシーバ１０２６を有し、携帯電話サービスバンドトランシーバ１０２６は基地局１００６から受け取る信号の周波数及び位相を探知するのに使われる。ネットワークサーバ１０１４は基地局と携帯電話の両方のＧＰＳ受信機からデータネットワーク１００４で時間情報やその他のデータを受け取り、配布する。位置とＧＰＳ時間からの時間及び周波数のオフセットとのデータベース１０１６が後で参照するために収集される。
【０１９８】
システム１００（図１）と同様に、例えば、（１）時間差、（２）周波数差、（３）水晶温度対周波数モデルという３つのハードウエアベースの測定値を用いて独立した２つのシステムの局所クロックを同期させる。どれか或いは３つの組み合わせを用いてクロックを同期させることができる。ＴｉｍｅＤｉｆｆ観測データで、もし２つの異なる時間ソースからの時間事象間の時間差が既知ならば、一つの時間ソースにおける事象の時間を用いてもう一方の時間ソースにおける事象の時間を計算することができる。ＦｒｅｑＤｉｆｆ観測データで、もし２つのクロック間の周波数差が既知ならば、一方の周波数を見出すことにより他方の周波数を推測することができる。ＴｅｍｐＭｅａｓ観測データで、温度周波数較正モデルを用いて水晶温度を測定することによって局所ＧＰＳクロックの周波数を推測する。もし時間ソースの一つがＧＰＳ受信機ならば、もう一つのクロックをＧＰＳ時間に関連させることができる。そうすると、ＧＰＳシステム原子クロックなど共通の安定基準に世界中のデバイスを時間及び周波数同期させることができる。
【０１９９】
本発明のパッシブネットワーク同期化の実施例はＧＰＳ受信機１０２４を用いてＧＰＳ時間で基地局１００６のクロックを測定する。それゆえに、インターネットなどネットワークインフラストラクチャでネットワークサーバによって携帯電話ＧＰＳ受信機１０２０のクロックと携帯電話１０２２のクロックをＧＰＳ時間に同期させることができる。一般的なＧＰＳ受信機は１秒に１パルス（１−ＰＰＳ）の時間基準を生成し、それはｔｉｍｅＤｉｆｆ回路を用いて基地局及び携帯電話の携帯電話無線搬送波それぞれから導出された１−ＰＰＳクロックに比較され、関連付けられる。１秒以外の観測間隔も同じように使えるが、１秒の時間間隔を採用すると数学がより単純になる。
【０２００】
本発明の実施例は３つの異なる通信リンクを用いて時間及び周波数データを転送する。一つはＧＰＳ基準受信機１０２４をネットワークサーバ１０１４とリンクさせる。２つ目は携帯電話と携帯電話内のＧＰＳ受信機との間のソフトウエアＡＰＩ又はパケット通信を携帯電話内で直接に或いはネットワークサーバを経由して間接に運ぶ。ＧＰＳ受信機間でデータを直接共用するとシステム性能の向上に役立つ。３番目の接続はネットワークサーバ１０１４を携帯電話１０２２とＧＰＳ受信機１０２０の両方にリンクする。
【０２０１】
携帯電話とＧＰＳを組み合わせた受信機の内部で測位できるように、例えば、携帯電話１０１０から携帯電話１００８への到着時間差測定（ＴＤＯＡ）を用いて測位の使用可能性及び精度を向上させることができる。携帯電話１０１０から携帯電話１００８に送られた時間スタンプを携帯電話１０１０の位置と携帯電話１０１０のクロックバイアス及びＧＰＳ時間からの基地局１００６のドリフトについての演繹的知識とを組み合わせることができる。そうした時間スタンプを用いて携帯電話１０１０から携帯電話１００８に両者間の無線信号伝播距離の影響しか受けない精度で時間情報を転送することができる。
【０２０２】
この実施例においてもＧＰＳ受信機の周波数オフセットを推定するのに携帯電話の搬送周波数シンセサイザループの補正周波数オフセットを用いる。そうした推定値を用いて周波数の不確定性を低減させ、それにより初期定点化時間を短縮し、受信機の感度を向上させ、そして／又はハードウエアのサイズ及び消費電力を抑える。ディジタル数値制御型発振器（ＮＣＯ）及びアナログ電圧制御型発振器（ＶＣＯ）は共にそうした搬送周波数シンセサイザに普通に使われている。
【０２０３】
ｔｅｍｐＭｅａｓ測定値を用いて、例えば、温度モデルを構築することにより、携帯電話からＧＰＳ受信機への周波数転送精度をさらに向上させることができる。周波数転送にｔｉｍｅＤｉｆｆ観測値を一切使わずにｆｒｅｑＤｉｆｆ観測値だけを用いることができる。ｆｒｅｑＤｉｆｆ観測値を使わずにｔｉｍｅＤｉｆｆ観測値を用いて時間及び周波数の組み合わせ転送することもできる。ソフトウエアベースのフィルタを用いてｔｉｍｅＤｉｆｆハードウエアの量子化雑音を抑えることによって時間転送精度を向上させるのが好ましい。携帯電話１０１０の周波数及び位相の携帯電話の観測値は本発明のデュアルモード測位システムの別の実施例にも使うことができる。
【０２０４】
本書で用いる「パッシブ同期」とはＧＰＳ受信機のクロックに関して携帯電話１０１０と携帯電話のクロックの時間及び周波数のオフセットだけを観測することを言う。例えば、インターネットで転送制御プロトコル／インターネットプロトコル（ＴＣＰ／ＩＰ）パケットを使うなど、通信レイヤーを経由して測定されたオフセットを送ることによって、後から較正がなされる。携帯電話及び携帯電話１０１０の実クロックは制御されない。これらのクロックからの信号はただ観測されるだけで、得た補正データはクロックを変えるソースに一切フィードバックされない。むしろ、そのデータはネットワークサーバとＧＰＳ受信機のソフトウエアにおいてＧＰＳ衛星探察とその後の位置計算を支援するために計算数学的に活用される。
【０２０５】
本発明を現時点における好適な実施例により説明してきたが、開示は限定と解釈されるべきものではない。上記の開示を読めば、紛れもなく様々な変更や変形が当業者には明確になるであろう。よって、特許請求の範囲は本発明の「真の」精神ならびに範囲から逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が含むものとする。
【０２０６】
【発明の効果】
本発明の効果は、ユーザのナビゲーション装置のコストを下げるシステム及び方法を提供していることである。
【０２０７】
本発明のもう一つの効果は、感度と初期定点化時間を改善して都市の谷間や屋内でも十分に使用できるシステム及び方法を提供していることである。
【０２０８】
本発明の更なる効果は、リアルタイムの履歴的ユーザ定点に関連した高度のデータベースサービスをインターネットで提供できるようにするシステム及び方法を提供していることである。
【図面の簡単な説明】
【図１】携帯電話、携帯電話ベースサイト、及びサーバを含む本発明のインフラストラクチャ支援型ナビゲーションシステムの実施例の機能ブロック図。
【図２】２つの異なるクロック差をディジタルカウンタにおける蓄積クロックパルスとして量化できる方法を表わす図。
【図３】１−ＰＰＳ周期の最後の１０００分の１番目部分の第２事象のバイアススキューを表わす図。
【図４】本発明の実施例によって計算されるＧＰＳ事象と基地局事象及び様々な種類のタイミングバイアスという３者間の関係を示す図。
【図５】本明細書に示した数理方程式を裏付けるクロックと時間周期との関係を表わすタイミング図。
【図６】ｆｒｅｑＤｉｆｆ観測における外部基地局のクロックの量子化を表わす図。
【図７】ＧＰＳ衛星と基地局と携帯電話との実際の幾何学的配列と、タイミング／周波数バイアスが位置情報に及ぼす影響を表わす図。
【図８】自分のシステム時間を有する各クロックとこの時間からの対応クロックバイアスを表わすタイミング図。
【図９】基地局と携帯電話とＧＰＳ受信機との１−ＰＰＳ出力間の周波数の関係を示すチャート。
【図１０】本発明におけるインフラストラクチャ支援型ナビゲーションシステムに関わる第２の実施例の機能ブロック図。
【符号の説明】
１０２、１００６ 基地局（セルラーサイト）
１０４、１０１０ 携帯電話（セルラー電話）
１０６、１０１４ ネットワークサーバ
１０８、１１４、１０１８、１０２６ 送受信機（セルラー送受信機）
１１０ 基準クロック
１１２、１１５、１０１２、１０２０、１０２４ ＧＰＳ受信機
１１６、１００４ データネットワーク
１１８、１０１６ データベース
【発明の属する技術分野】
本発明は衛星ＧＰＳ受信機及びシステムに関し、より具体的には初期定点化時間（ｔｉｍｅ−ｔｏ−ｆｉｒｓｔ−ｆｉｘ）及び精度を向上し、さらにフィールドデバイスの製造コストを改善するために、正確な時間及び周波数についての情報によってネットワークで支援される最低コストのフィールドデバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
全地球測位システム（ＧＰＳ：ｇｌｏｂａｌ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ）の受信機は位置及び速度といったナビゲーションデータを判定するのに普通３個以上の地球の軌道を回る衛星から受信する信号を用いる。ＧＰＳ信号は無料で全世界的に使用可能で、今では日常的に都市の１ブロック以内まで、あるいはより一層正確に車の位置を判定するのに用いられている。２周波搬送波のＧＰＳ受信機は普通、そのＧＰＳ衛星と対応付けた一対の無線搬送波Ｌ１及びＬ２を探知してその搬送周波数に対するＰコード変調から蓄積デルタレンジ測定値（ＡＤＲ：ａｃｃｕｍｕｌａｔｅｄ ｄｅｌｔａ−ｒａｎｇｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ）を生成し、同時にＬ１のＣ／Ａコードを探知してコード位相測定値を生成する。搬送周波数Ｌ１は１５７５．４２ ＭＨｚに割り当てられ、一方Ｌ２は１２２７．７８ ＭＨｚに位置している。安価な受信機は一つの搬送周波数にしか合わせることができないので、位置エラーとなって現れる局所的対流圏及び電離層の信号伝搬遅延を計算する情報が十分でない。これらの周波数で、無線搬送波信号は照準線に沿って伝わっていく。そのためにビルや山、水平線で受信がブロックされ、マルチパス反射により良好な受信状態との干渉が起きる。
【０００３】
地球を回る軌道に乗ったＧＰＳ衛星群の各々が３２の固有識別コードの一つを符号分割多元接続（ＣＤＭＡ：ｃｏｄｅ−ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ａｃｃｅｓｓ）方式で伝送する。そうすると、ＧＰＳ衛星の全てがそれぞれの衛星の相対速度によるドップラー周波数シフト分をプラス／マイナスした同じ周波数で、スペクトル拡散通信モードで伝送することができるようになる。１０２３「チップ」コードを個々のＧＰＳ衛星に予め割り当てられた３２の擬似乱数（ＰＲＮ）シーケンスコードのうちの一つに相関することによって、信号ジャンブルや雑音から特定の衛星を区別することができる。これらのコードは必ずしも互いに同じ位相で伝送されるわけではない。従って、最初にＧＰＳ衛星を「見出す」には、ドップラー周波数シフトと局所水晶発振器の精度の低さを考慮に入れなければならないので、様々な搬送周波数を探察することが必要になる。さらに、搬送周波数を探察するには、１０２３の異なるコード位相及び２０以上の可能な相関コードテンプレートを用いて、符号一致を見付け出さなければならない。
【０００４】
不確実性の一番の原因となるのは、起動時に一般的な局所発振器から生じる可能性のあるランダム周波数である。従って、見かけのドップラー周波数は広範囲な探察境界内でしかわからない。局所発振器はそれ自体公称値からはるかに外れている可能性があるから、実際のドップラー周波数を知っていてもあまり役にたたない。
【０００５】
ユーザの見地から言えば、先行技術のＧＰＳ受信機は少なくとも２つの操作特性に関して完全に満足できるものになっていない。そうした従来の受信機は、建物によって局所信号フィールドレベルが受信機の最高感度以下に下がってしまうために、屋内では往々にして作動しなくなる。さらに、ほとんどの受信機がコールドスタートから位置の解を生成するのに非常に時間がかかる。
【０００６】
ＧＰＳ受信機で集中的に計算を行うために高速なクロック速度と大量の高価なメモリーとを必要とした。そのために、高価な包括的ハードウエアが必要となる。そのため、メーカーもユーザも共に安価なプラットフォームを使用できる、或いは他のアプリケーション用の既存のプラットフォームを共用できる軽量薄型のナビゲーション・ソリューションを求めている。
【０００７】
インターネットは、個々のＧＰＳ受信機がそれぞれの区域で微分補正データをモニタして、計算集約型タスクは高性能プロセッサを有する地元のサーバにまかせるようにするための一つの手段でもある。
【０００８】
スナップトラック社（ＳｎａｐＴｒａｃｋ， Ｉｎｃ．， Ｓａｎ Ｊｏｓｅ， ＣＡ）はワイヤレス支援型（ＷＡＧ）システムの供給をビジネスとする会社である。時間、周波数、大体のロケーションのデータをワイヤレスネットワークから抽出してＧＰＳ受信機で行われるＧＰＳ信号の処理を支援する。そうしたテクノロジーがスナップトラック社に付与された米国特許番号５，９４５，９４４、５，６６３，７３４、５，７８１，１５６、５，８２５，３２７、５，８３１，５７４、５，８４１，３９６、５，８１２，０８７、５，８７４，９１４、５，８８４，２１４などに記載されている。また、米国特許６，０７８，２９０も参照。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明の目的は、信号強度レベルが極端に低い屋内でも作動する衛星ＧＰＳ受信機を提供することである。
【００１０】
本発明のもう一つの目的は、コールドスタート後毎回すばやく位置の解を生み出せる衛星ＧＰＳ受信機を提供することである。
【００１１】
本発明の更なる目的は、安価な衛星ナビゲーションシステムを提供することである。
【００１２】
本発明のまた更なる目的は、インターネットとインタフェースをとれる衛星ナビゲーションシステムを提供することである。
【００１３】
手短に言えば、本発明のシステムの実施例は、携帯電話と、ベース携帯電話サイトと、サーバとから構成され、それぞれがＧＰＳ受信機と対になっている。携帯電話と対応したＧＰＳ受信機をサイト及びサーバから受信した情報によって支援して、衛星探察の不確実性を低減できるようにする。携帯電話及びそのＧＰＳ受信機が正確であると仮定しての時間及び周波数から収集したデータを用いて時間差及び／又は周波数差を測定する。携帯電話で計算された速度の解の後処理に補正情報を用いてシステムに関してもっと正確な決定を行うことができる。
【００１４】
以下に述べる様々な図面に示した好適な実施例についての詳細な説明を読めば当業者には本発明の上記のまたその他の目的及び効果が明らかになることは疑いの余地がない。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の衛星ナビゲーションシステムは、軌道を回るナビゲーション衛星の信号捕捉が行われる前に誤差が存在している第１衛星ＧＰＳ受信機基準周波数を有する第１衛星ＧＰＳ受信機と、前記第１衛星ＧＰＳ受信機と共用するために接続され、且つ前記第１衛星ＧＰＳ受信機周波数に関連付けられる無線搬送波を有する第１無線通信装置と、前記ナビゲーション衛星から捕捉した信号により、前記ナビゲーション衛星の基準周波数と同期した衛星基準周波数を取得するための第２衛星ＧＰＳ受信機と、前記第１無線通信装置からの前記無線搬送波の搬送周波数を測定するための第２無線通信装置と、前記第２無線通信装置による前記搬送周波数の測定値から前記第１の衛星ＧＰＳ受信機基準周波数のクロック誤差を算出し、前記第１の衛星ＧＰＳ受信機基準周波数のクロック誤差を、前記第２衛星ＧＰＳ受信機が取得した前記衛星基準周波数と比較すると共に、前記比較された誤差情報を周波数誤差を減らすべく前記第１衛星ＧＰＳ受信機に通信するためのサーバと、からなり、第１衛星ＧＰＳ受信機は、前記周波数誤差が全く低下しなかった場合よりも早く初期化できるようになっていることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の他の衛星ナビゲーションシステムは、軌道を回るナビゲーション衛星の信号捕捉が行われる前に誤差が存在している第１衛星ＧＰＳ受信機基準周波数を有する第１衛星ＧＰＳ受信機と、前記第１衛星ＧＰＳ受信機と共用するために接続され、且つ前記第１衛星ＧＰＳ受信機周波数に関連付けられる無線搬送波を有する携帯電話と、前記ナビゲーション衛星から捕捉した信号により、前記ナビゲーション衛星の基準周波数と同期した衛星基準周波数を取得するための第２衛星ＧＰＳ受信機と、前記携帯電話からの前記無線搬送波の搬送周波数を測定するためのベース携帯電話サイトと、前記ベース携帯電話サイトによる前記搬送周波数の測定値から前記第１の衛星ＧＰＳ受信機基準周波数のクロック誤差を算出し、前記第１の衛星ＧＰＳ受信機基準周波数のクロック誤差を、前記第２衛星ＧＰＳ受信機が取得した前記衛星基準周波数と比較すると共に、前記比較された誤差情報を周波数誤差を減らすべく前記第１衛星ＧＰＳ受信機に通信するためのサーバと、からなり、第１衛星ＧＰＳ受信機は、前記周波数誤差が全く低下しなかった場合よりも早く初期化できるようになっていることを特徴とする。
また、本発明の更に他の衛星ナビゲーションシステムは、軌道を回るナビゲーション衛星から捕捉した信号により、前記ナビゲーション衛星の基準周波数と同期した衛星基準周波数を取得するための第１衛星ＧＰＳ受信機と、前記第１衛星ＧＰＳ受信機と連結され且つ基地局の区域内に位置している間に受信した無線搬送波に前記衛星基準周波数を関連させると共に、前記基地局からの前記無線搬送波の搬送周波数測定値を取得すべく接続された第１携帯電話と、誤差が存在する衛星ＧＰＳ受信機基準周波数を有すると共に、前記区域内で位置の解を提供するため第２衛星ＧＰＳ受信機と、前記第２衛星ＧＰＳ受信機と連結され且つ前記基地局から受信した前記無線搬送波に前記衛星ＧＰＳ受信機基準周波数を関連させると共に、前記基地局からの前記無線搬送波の搬送周波数測定値を取得することができる第２携帯電話と、前記第１携帯電話が取得した前記搬送周波数測定値を前記第２携帯電話に通信して、それを前記第２携帯電話が取得とした前記搬送周波数測定値と比較することによって、前記第２衛星ＧＰＳ受信機の前記衛星ＧＰＳ受信機基準周波数の周波数誤差を減らす構成となっていることを特徴とする。
本発明のナビゲーションシステムは、全地球測位システム（ＧＰＳ）受信機とそれぞれ対になった携帯電話とベース携帯電話サイトとサーバとからなるナビゲーションシステムであって、前記携帯電話と対応したＧＰＳ受信機は、サイト及びサーバから受信した、前記携帯電話とそのＧＰＳ受信機が正確な時間と周波数であると仮定したところのものから収集されたデータを用いて得た時間差及び／又は周波数差の測定値を用いて衛星探察の不確実性を低減する情報で支援され、前記携帯電話で計算された速度の解の後処理に補正情報を用いることを特徴とする。例えば、（１）時間差、（２）周波数差、（３）水晶温度対周波数モデルといった３つのハードウエアベースの測定値を用いて２つの別のシステムの局所クロックの同期をとることができる。３つのうちのどれか或いはいろいろな組み合わせを用いてクロックを同期させることができる。timeDiff観測データにおいて、２つの異なるタイムソースからの時間事象間を知っていれば、一つのタイムソースでの事象の時間を用いてもう一方のタイムソースでの事象の時間を計算することができる。freqDiff観測データにおいて、２つのクロックの周波数差を知っていれば、一方の周波数を見出し、それを用いてもう一方の周波数を推測することができる。tempMass観測データにおいて、水晶（発振器）温度を測定することにより温度・周波数較正モデルを用いて局所GPSクロックの周波数を推測することができる。タイムソースのうちの一つがGPS受信機ならば、もう一方のクロックをGPS時間に関連づけることができる。そうすると、世界中のデバイス全てを、共通の安定した基準、例えば、GPSシステム原子時計に時間及び周波数を同期させるということも可能である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１に本発明の実施例におけるシステム１００を示す。システム１００は基地局（セルラーサイト）１０２と、少なくとも一つの携帯電話（セルラー電話）１０４と、ネットワークサーバ１０６とを有する。基地局１０２は、送受信機（セルラー送受信機）１０８と、その基準クロック１１０と、ＧＰＳ受信機１１２とからなる。携帯電話１０４はセルラー電話サービスバンド受信機１１４を有し、それは基地局１０２から受信する信号の周波数及び位相を探知するのに用いられる。携帯電話１０４は独自のＧＰＳ受信機１１５も内蔵している。ネットワークサーバ１０６は、基地局と携帯電話ＧＰＳ受信機の両方からデータネットワーク１１６を介して時間情報及びその他のデータを受信し、配信する。また、位置とその時間及び周波数のＧＰＳ時間からのオフセット等をデータベース１１８に収集して、後から参照できるようにする。
【００１８】
本発明におけるパッシブネットワーク同期化の実施例は基地局のＧＰＳ受信機を用いて基地局のクロックをＧＰＳ時間と同期させる。そして、例えば、インターネットなどのネットワーク・インフラストラクチャでネットワークサーバにより携帯電話ＧＰＳ受信機のクロックと携帯電話のクロックとを共にＧＰＳ時間と同期させる。一般的なＧＰＳ受信機は１秒につき１パルス（１−ＰＰＳ）の時間基準を生成し、それはｔｉｍｅＤｉｆｆ回路によって基地局及び携帯電話の各無線搬送波から導出された１−ＰＰＳクロックと比較され、関連付けられる。１秒以外の観測期間でも同様にできるが、時間間隔を１秒にすると演算が簡単になる。
【００１９】
本発明の実施例では、３つの異なる通信リンクを用いて時間及び周波数データを転送することができる。一つ目は基地局１０２にあるＧＰＳ基準受信機１１２をネットワークサーバ１０６とリンクし、２つ目は携帯電話１１４と携帯電話ＧＰＳ受信機１１５との間で携帯電話に直接に或いはネットワークサーバを経由して間接にソフトウエアＡＰＩ又はパケット通信を伝送する。受信機間で直接にデータを共用することによりシステム性能を向上させることができる。３つ目の接続はネットワークサーバ１０６と携帯電話とを携帯電話とＧＰＳ受信機の両方にリンクさせる。ネットワークサーバ１０６を基地局１０２に設置して、携帯電話システムの送受信機１０８、１１４を介して通信することもできる。
【００２０】
携帯電話とＧＰＳを組み合わせた受信機内で測位できるように、例えば、基地局から携帯電話への到着時間差測定値（ＴＤＯＡ）を用いて測位利用可能性及び測位精度を向上させることができる。基地局から携帯電話への送信時間スタンプを事前に知っていること（基地局の位置、基地局のクロックバイアス、基地局のＧＰＳ時間からのドリフト）と組み合わせることができる。そうした時間スタンプを用いて携帯電話と基地局間の無線信号伝搬距離にしか影響されない高い精度で基地局から携帯電話に時間情報を転送することができる。
【００２１】
携帯電話の搬送周波数シンセサイザ・ループの補正周波数オフセットを用いてＧＰＳ受信機の周波数オフセットを推定することができる。そうした推定値を用いて、周波数不確定性を低減して、初期定点化時間を短縮し、受信機の感度を向上させ、そして／またはハードウエアのサイズ及び電力消費を抑えることができる。ディジタル数値制御型発振器（ＮＣＯ）とアナログ電圧制御型発振器（ＶＣＯ）とは共にそうした搬送周波数シンセサイザ・ループに一般的に用いられている。
【００２２】
ｔｅｍｐＭｅａｓ測定値を用いて携帯電話からＧＰＳ受信機への周波数転送の精度をさらに向上させることができる。ｔｉｍｅＤｉｆｆ観測値を一切使わずに、ｆｒｅｑＤｉｆｆ観測値だけを周波数転送に用いることができる。ｔｉｍｅＤｉｆｆ観測値は、ｆｒｅｑＤｉｆｆ観測値を用いずに、時間と周波数の組み合わせ転送にも用いることができる。時間転送の精度はソフトウエアベースのフィルタを採用してｔｉｍｅＤｉｆｆハードウエア量子化雑音を低減することによって向上を図るのが好ましい。本発明のデュアルモード測位システムの別の実施例に基地局周波数及び位相の携帯電話観測値を用いることができる。
【００２３】
本明細書で用いる「パッシブ同期」（ｐａｓｓｉｖｅ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ）とは、基地局及び携帯電話のクロックの時間及び周波数オフセットをＧＰＳ受信機クロックに関してのみ観測することを意味する。測定されたオフセットを通信層で、例えば、インターネットで転送制御プロトコル／インターネットプロトコル（ＴＣＰ／ＩＰ）を用いて送ることによって後から較正を行う。携帯電話及び基地局の実際のクロックは制御されない。これらのクロックからの信号を単に観測するだけで、入手した補正データがソースにフィードバックされてクロックを変更する必要はない。むしろ、そのデータはＧＰＳ衛星探察とその後の位置計算を支援するためにネットワークサーバ及びＧＰＳ受信機ソフトウエアでの演算に使われる。
【００２４】
図２は、ＧＰＳの１−ＰＰＳ周期２０２、セルの１−ＰＰＳ周期２０４、及び出力カウンタ値２０６の時間関係を示す図である。ＧＰＳマスタクロックをその入力周波数として用いる計数回路を用いてｔｉｍｅＤｉｆｆ観測を行うことができる。内部クロック数を、例えば、内部１−ＰＰＳ（２０２）と外部（セル）１−ＰＰＳ（２０４）など、２つの事象ソース間でカウントする。その結果を周期的に出力し、カウンタを再びスタートさせるようにするので、毎秒ごとに２つのカウンタ出力があらわれる。
【００２５】
両出力カウンタ値を組み合わせて主要なパラメータ、つまり２つのクロックソース間のバイアスを推定することができる。外部１−ＰＰＳ（２０４）でのリスタートすると毎回バイアスが生じる。代わってカウンタを内部１−ＰＰＳ（２０２）でリスタートさせると、そのバイアスを引いたものになる。少なくとも２つあるやり方の一つで、例えば、平滑指向型（ｓｍｏｏｔｈ ｓｔｅｅｒｅｄ）或いは無指向型（ｕｎｓｔｅｅｒｅｄ）内部１−ＰＰＳで、外部１−ＰＰＳ（基地局または携帯電話から）を内部１−ＰＰＳ（ＧＰＳ受信機）と同期させることができる。
【００２６】
図３において、ＧＰＳ１−ＰＰＳタイミングエッジはＧＰＳシステム時間に対して正確にスレーブしていると仮定する。このように、ＧＰＳ１−ＰＰＳタイミングエッジは「真」のＧＰＳ時間を表わす。ＧＰＳ整数秒から導出された９９９番目のミリ秒割り込みによってスタートするカウントダウン回路により１−ＰＰＳエッジを生成することができる。１−ＰＰＳがＧＰＳ整数秒のｍｓｅｃ−９９９とｍｓｅｃ−１の間のどこかで発生するように調整できるように、割り込み範囲は±１ミリ秒であるのが好ましい。「真」のＧＰＳ時間誤差に至るまでのＧＰＳミリ秒タイマとしてミリ秒のバイアス（ｍｓｅｃ−ｂｉａｓ）誤差をＧＰＳ受信機において計算する。ＧＰＳ受信機の発振器がＧＰＳ時間からドリフトすると、ミリ秒のバイアス誤差も変わってくる。カウントダウン値もドリフトの影響で変わる。バイアスの平均値が±０．５ミリ秒を超えると、回路を範囲内に保つようにＧＰＳミリ秒カウンタが調整されるのが好ましい。
【００２７】
ミリ秒バイアス誤差を知ることにより、本発明の平滑指向型方式の実施例は、基地局のＧＰＳ受信機に用いられる。時間はＧＰＳ受信機でわかると共に、ＧＰＳ時間と基地局時間基準とのオフセットを測定することにより、その時間を基地局にパッシブに転送することができる。
【００２８】
基地局１−ＰＰＳと対応付けた時間を、ＴｉｍｅＣＳ＝ｔｉｍｅＧＰＳ＋ｂｉａｓＣＳＧとして計算することができる。ここで、変数ｂｉａｓＣＳＧは基地局とＧＰＳ時間との時間オフセットを表わす。ｂｉａｓＣＳＧは、スナップショットか、全てのｉの測定値Ｎｉ１、Ｎｉ２の時系列を用いてフィルタリングされた推定値か、のどちらかを用いる関数を使って推定される。
【００２９】
本願発明に係る無指向型内部１−ＰＰＳ法の実施例は別のカウントダウン回路を使用しない。内部１−ＰＰＳを整数ＧＰＳ秒事象に対応するミリ秒割り込みから直接生成する。そのようにするには、ミリ秒バイアス誤差が所定のしきい値よりも大きくなる場合は、ＧＰＳ整数秒に対応するミリ秒割り込みを周期的にシフトさせなければならない。内部ＰＰＳ事象間の時間は１秒以上の場合も或いは１秒以下の場合もある。そこで発生するステップシフトは短時間のため、受信機に悪影響を及ぼすことはない。事象が発生することがわかっているので、１ミリ秒のシフトは計算の残余ミリ秒バイアス誤差を考慮に入れる。
【００３０】
その位置が携帯電話のユーザインタフェースから要求されている時はいつでも、携帯電話のＧＰＳ受信機により無指向型基準が活用されることができる。そうしたＧＰＳ受信機は瞬時に衛星を探知しないのが普通だから、ＧＰＳのミリ秒バイアス誤差は知りようがない。逆の問題が携帯電話にはある。ＧＰＳ時間が未知のまま、ネットワークから携帯電話に時間が転送される。
【００３１】
動作時には、特定の基地局の時間及び周波数オフセットは、ネットワークサーバから得られる。基地局の位置も解計算に役に立つ。携帯電話クロックとＧＰＳ受信機クロックとのオフセットを測定する。ＧＰＳ受信機の時間及び周波数オフセットの推定値をＧＰＳ時間から計算し、ＧＰＳ衛星探察範囲を狭めるのに用いる。
【００３２】
携帯電話及び基地局において、本システムの未知数を減らすのにｔｉｍｅＤｉｆｆ観測値が用いられる。本明細書では、ｔｉｍｅＤｉｆｆ測定値を２つ別々のソースによって生成された２つの時間事象間の時間の差と定義する。両方のクロックは各クロックの期待公称周波数に基づいて同じ期待周期を有する信号を生成する。その測定値は連続する事象間のクロック数である。
【００３３】
全てのクロックには、所望の公称周波数に対していくらかの周波数オフセットが存在し、両クロックの公称値からの周波数オフセットに起因してバイアスも常に変動する。
【００３４】
ｆｒｅｑが観測できる実際の物理的周波数で考え、
【００３５】
さて、両クロックが特定の時間間隔を有する非同期の１秒時間事象信号パルスを生成すると仮定しよう。特定数の基準クロックをカウントして所望のカウントになったらパルスを出力するカウンタで１秒事象を生成することができる。１秒のカウント数が公称水晶周波数である。
【００３６】
生じた実際の時間はクロック数に各クロックの「真」の周期をかけたものに等しい。一定のドリフトがあると仮定して、各クロックの「真」の周期はＣｌｏｃｋｐｅｒｉｏｄ変数で、それはヘルツで表わした周波数の逆数となる。
【００３７】
生じた実際の時間周期ＤＴはｂａｓｅＦｒｅｑ／ｆｒｅｑとなる。これに方程式２を挿入すると、
【００３８】
方程式３の効果は、各１秒事象ごとに、バイアス合計にさらに増分を累積していくことである。
【００３９】
ＧＰＳ時間がわかっている場合のステアリングクロック（ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｃｌｏｃｋ）による１−ＰＰＳでは、ＧＰＳ時間からオフセットを推定して、常に事象時に所望する「真」の時間の１クロック以内になるようにクロックを方向付けることができる。
【００４０】
もしくは、１−ＰＰＳを方向付けないままにしておくこともできる。バイアス合計をソフトウエアで保持しておき、較正を全てソフトウエアで行う場合、同期損失なしにバイアス合計を考慮することができる。
【００４１】
広げて２つのクロックを考慮に入れると、ｂａｓｅＧＲｆｒｅｑはＧＰＳ受信機で使われるクロックの期待周波数（Ｈｚ）である。ｂａｓｅＣＳｆｒｅｑは基地局で使われるクロックの期待周波数（Ｈｚ）である。ｆｒｅｑＧＲはＧＰＳ受信機の実際の観測周波数（Ｈｚ）である。ｆｒｅｑＣＳは基地局の実際の観測周波数（Ｈｚ）である。ｂｉａｓＧＲｉはＧＰＳ受信機の１−ＰＰＳにおける時間Ｔｉでの「真」のＧＰＳ時間からのバイアスである。ｂｉａｓＣＳｉは基地局の１−ＰＰＳにおける時間Ｔｉでの「真」のＧＰＳ時間からのバイアスである。ｄｅｌｔａＢｉａｓＧＲ１２はＧＰＳ受信機におけるｔ１からｔ２の間のバイアス変動である。ｄｅｌｔａＢｉａｓＣＳ１２は基地局におけるｔ１からｔ２の間のバイアス変動である。
【００４２】
基準クロック及び未知クロックを先ず定義し、その後ＧＰＳクロックを基準となるように選ぶ。衛星を探知することによってＧＰＳと同期をとることができる。
【００４３】
基地局をＧＰＳ時間と同期させる未知クロックとなるように定義する。
【００４４】
ＧＰＳと基地局との間の「真」の時間を定義する。ＴＤｉｊは最新の事象のｊ番目のソースのｉ番目の時間における２つの連続する事象間の「真」の時間である。ｊ＝１が基地局で、ｊ＝２がＧＰＳ受信機である。
【００４５】
図４は、「真」のＧＰＳ１−ＰＰＳ事象と、１−ＰＰＳ事象の実際のロケーションと、「真」のｔＤｉｆｆ観測値との３者関係を表わすものである。
これらの観測を次のようにすることができる。
ｔｉｍｅＤｉｆｆ観測値だけしかないときには量子化誤差は除去しにくいので、そのことがｆｒｅｑＤｉｆｆ測定値を収集する動機となる。そうすると、フィルタリングによって量子化雑音を減らすことができるので、高周波数のクロックは要らない。高周波数のクロックを使用しないのでシステム消費電力を節減でき、電池で稼動する携帯用デバイスでは非常に重要なことである。
ｔｉｍｅＤｉｆｆ観測データから２つの重要なパラメータ、つまり基地局のＧＰＳ時間からのバイアスと基地局の周波数ドリフトとを推定することができる。周波数ドリフトの推定値をバイアスの推定値と相関させるので、基地局のバイアス推定値をフィルタリングするのに新しい情報は要らない。
【００４７】
図５は、時間軸を書き直したもので、量子化誤差の影響を見ることができる。クロック同期により第１基地局ＰＰＳがＭＣＬＫ３上にあるので、Ｎ１１は３である。「真」の測定値ＴＤ１１は測定数（ＴＤ１１ｍ）から量子化値Ｑ１を差し引いたものである。
【００４８】
「真」の時間差は、クロックの「真」の数（整数＋分数、すなわち量子化）にクロックの周期をかけたものである。周波数は間隔の間ずっと一定だったと仮定すると、その周期は「真」の周波数の逆になる。理想的測定の「真」のモデルを下に示す。
「真」の時間差を次のように定義する。
測定値を次のようにして定義する。
バイアスパラメータの数値指標はその時間タグを表わす。ＴＤの第１数値インジケータは時間で、第２は観測を開始するのに用いられるソースである。
「真」の誤差から推定パラメータを差し引いたものが誤差であると定義することによってｂｉａｓＣＳ１の推定値の誤差モデルを見付ける第１の測定がスタートする。
推定誤差をｅｒｒｏｒＢｉａｓＣＳ１１と定義し、それは基地局ＰＰＳをトリガーとして用いる第１秒における基地局バイアスの推定誤差である。
【００５０】
ＧＰＳドリフト誤差は総周波数よりもはるかに小さいので、第１の項は無視することができる。一般的に、ＧＰＳ受信機は周波数をＬ１で１Ｈｚ未満まで測定することができる。公称周波数で誤差は１／（１５７５．４２／２７．４５６）、すなわち１／５７．４となり、ｂａｓｅＧＲｆｒｅｑで０．０１７４ Ｈｚとなる。Ｎ１１はｆｒｅｑＧＲに近い可能性があるので、０．０１７４／ｆｒｅｑＧＲは０．６３ナノ秒となり、０．１９メートルに等しい。そうした項はドリフト誤差が小さい場合には無視できる。
【００５１】
第２の項はより大きな誤差ソースである。最悪の場合、Ｑ１は１クロックに近く、Ｑ１／ｂａｓｅＧＲｆｒｅｑは３６ナノ秒もしくは１０．９１メートルになる。マスタクロックの両エッジを使用するとしたら、１８ナノ秒の精度を実現することができる。連続する１−ＰＰＳ事象間でカウンタを駆動するのに基準クロックのそうしたエッジを用いる。解像度が向上して、最悪の場合の量子化は＿／ｂａｓｅＧＲｆｒｅｑが１８ナノ秒＝５．４６メートル。
【００５２】
上記の例から基準クロックの周波数（２７．４５６ ＭＨｚ）にのみ基づいてＴＤｉｆｆの理論上の最悪なケースの精度を得ることができる。
【００５３】
第１間隔における第２測定値から基地局バイアスの第２推定値が与えられるが、ＧＲバイアスが異なる。
推定測定モデルは次の通り。
【００５４】
基地局のクロックバイアスの誤差モデルは次の通り。
【００５５】
基地局クロックのドリフトはｔｉｍｅＤｉｆｆデータを用いて推定することができる。２つの時間差測定値を合わせて基地局からの２つの外部ＰＰＳ事象に広がることができる。この和は基地局の１秒事象の時間の推定値である。
【００５６】
【００５７】
新たなパラメータを定義する。それは、新たなｂｉａｓＣＳ推定をフィルタリングする基準となる軌道を生成するためのドリフト推定を有するその前のｂｉａｓＣＳ推定の射影である。
【００５８】
量子化誤差及びＧＰＳ受信機誤差が基地局の最終的なフィルタリング後の推定値の中に現れる。補足のフィルタを用いて同じパラメータの２つの推定値を組み合わせてフィルタリング後の一つの推定値にする。補足フィルタは次の形式を有し
利得パラメータ”ａ”が小さければ、先のフィルタリングした推定値上の雑音はフィルタリングしないのが好ましい。前の時点から現時点までに伝播誤差があれば、その誤差をフィルタリングした推定値に直接入れる。
【００６０】
伝播誤差が新たな生の測定値の雑音と同じ位の大きさのとき、最適フィルタは利得０．５を有する。このように、伝播誤差はいくらか減衰する。
補足フィルタを用いると、
【００６１】
予測したバイアスは測定量に等しく且つ両項の誤差が同じだから、誤差源を軽減することはできない。
【００６２】
ＧＰＳ観測によって与えられるもの以外に、それより前の基地局バイアス推定値を用いることができる。ｅｒｒｏｒＢｉａｓＣＳ１２の代わりに、可変のｅｒｒｏｒＢｉａｓＣＳ１１を使用することができる。
この結果は確定的なものではないので、さらに調べなければならない。
【００６３】
基準クロックによって生成された既知の時間間隔に未知の周波数誤差を有するクロックからクロックパルス数を数えて、ｆｒｅｑＤｉｆｆ観測データを形成する。周波数を「真」の時間間隔で割ったクロック数として計算する。ｔｉｍｅＤｉｆｆ測定データを用いてこの推定を行うのに十分な情報があっても、推定値の誤差はバイアス推定値と完璧に相関していることがわかる。同じ観測値を、それと対応した量子化ソースを共に、バイアス及びドリフトを推定する際用いる。このように、ｆｒｅｑＤｉｆｆを用いてバイアス推定値とは統計的に独立したドリフトの推定値を形成する。
【００６４】
本発明の実施例は、未知の周波数誤差を有するクロックパルスを直接数える。これに対し、ｔｉｍｅＤｉｆｆ回路は基準クロックからのパルスを数える。
【００６５】
量子化誤差は（１， ０）間の一様確率変数で、それはゼロ平均ではない、パラメータを減らすには、データを予めホワイトにしてゼロ平均測定誤差を生み出さなければならず、量子化された雑音源を用いるパラメータ推定には従来の技法を用いることができる。
【００６６】
いったん雑音源がゼロ平均プロセスになると、優れたフィルタリングによって軽減可能である。しかしながら、一定でないスロープを有するパラメータを推定する場合、先のフィルタリングしたバイアスが現時点まで伝播されなければならない。これは新たな測定値をバイアスがないように前のデータと同化するのに必要である。平均バイアスと新たなデータとの差はスケーリングされた後、伝播された推定値に加算されて更新が終わる。
【００６７】
一次のローパスフィルタは、
もしＫｍａｘが無限ならば、フィルタ出力は全てのデータの平均であることに注目。
【００６８】
ｔｉｍｅＤｉｆｆベースのドリフト推定値からの伝播誤差は新たな測定値と同じ誤差を有する。伝播誤差はフィルタリングされていないので、射影のフェーズにｔｉｍｅＤｉｆｆベースのドリフト推定値を用いることはできない。
【００６９】
本発明の実施例は未知の周波数誤差クロックパルスを直接数える。ｔｉｍｅＤｉｆｆ回路は基準クロックからパルスを数える。
【００７０】
ｆｒｅｑＤｉｆｆ測定値は内部クロックの整数で定義された間隔内に数えられた外部クロック数である。内部クロックの周波数オフセットの推定値から外部クロックの周波数を測定することができる。
【００７１】
「真」の測定値は、
【００７２】
観測モデルを図６から導出することができる。これにおいて回路は４つの外部クロックを数える。しかしながら、実数は（Ｑ１−Ｑ２）に等しい分数成分を含んだ数で、０と１の間の連続確率変数である。ここで、Ｑ１及びＱ２はカウント単位。
【００７３】
「真」の整数＋カウント分数は、
【００７４】
回路で観察したカウントはＮカウントのみである。
【００７５】
「真」の時間差は、間隔の内部マスタクロック数にクロックの「真」の周期を掛けたものである
ｅｑＡを操作することによって括弧（ｂｒａｃｋｅｔ）内の項を置き換えることができる。
【００７６】
ＧＰＳドリフト誤差項ｅｒｒｏｒＤｒｉｆｔＧＲを積分するので、積分時間が長くなるほど、「真」の時間間隔推定の誤差が大きくなる。量子化誤差は２つの一様確率変数の和である。
【００７７】
最悪のケースの周波数誤差を決定するのは周波数差を数えるのに使われるクロックの周期である。周波数が高くなるほど、周期と量子化項が小さくなる。もしくは、より長い観測周期を用いることができる。その場合、クロックが観測可能な温度変化のある環境で動作する場合に問題になる。これによってクロックが周波数を変え、非線形変化に至る可能性がある。平均的周波数は量子化された推定値と比べ正確でなくなる。
【００７８】
外部クロック周波数が内部クロック周波数よりも低ければ、ｔｉｍｅＤｉｆｆからのｄｒｉｆｔＣＳ推定値を用いて基地局周波数オフセットを推定する。ただし、もし外部周波数が内部クロック周波数よりも高ければ、代わってｆｒｅｑＤｉｆｆ観測値を用いる。
【００７９】
周波数同期化だけしかできない場合には、システム１ＰＰＳが存在しないために、ｆｒｅｑＤｉｆｆを用いて外部クロック周波数を推定する。それは外部ＰＰＳを使用できないとｔｉｍｅＤｉｆｆから外部クロックについての情報を得られないからである。
【００８０】
ネットワークインフラストラクチャ及びＧＰＳ受信機と通信するデバイスの場合、両受信機がそれぞれの送信機の搬送周波数を探知する。ＧＰＳの場合、受信機が擬似乱数コードの位相も探知して、擬似範囲測定値を生み出すことができる。測定値は、伝送時間を知っているので、到着測定値の時間差で、受信機はその局所クロックに関する到着時間を記録する。
【００８１】
ＧＰＳ衛星（ＳＶ）には、宇宙船クロックの「真」のＧＰＳ時間及び「真」の望ましい基準周波数との時間及び周波数誤差がある。
【００８２】
”ＦｒｅｑＣＳ”はｂａｓｅＣＳｆｒｅｑ＋ｄｒｉｆｔＣＳで、”ＴｉｍｅＣＳ”はｔｉｍｅＣＳＳ＋ｂｉａｓＣＳＳである（基地局のシステムタイムに関して）。それは、ｔｉｍｅＣＳＧ＋ｂｉａｓＣＳＧとも等しい（ＧＰＳ時間に関して）。
【００８３】
各基地局はｔｉｍｅＣＳＳとのオフセットがあり、それはｂｉａｓＣＳＳである。ｔｉｍｅＣＳＳをＧＰＳ時間に参照することもできる。基地局の時間誤差はｂｉａｓＣＳＧに変わる。携帯電話もｄｒｉｆｔＣＰと称した公称周波数からの周波数オフセットを有する。
【００８４】
携帯電話は総周波数オフセット数及び対応付けられた時間タグを含んだメッセージを出力する。そうした数字はｆｒｅｑＤｉｆｆ観測値及びｔｉｍｅＤｉｆｆ観測値とともに用いられて携帯電話をＧＰＳ受信機クロックに同期させる。
【００８５】
本発明のＶＣＯ法においては、ＶＣＯを用いて基準周波数を直接調整することによって基地局の搬送波を探知する。異なるミックスダウン周波数を生成する回路への電圧を変える。ＮＣＯは不要。調整された基準クロックをｔｉｍｅＤｉｆｆ及びｆｒｅｑＤｉｆｆ観測値を用いて直接観測すれば、携帯電話が更なる情報を送る必要がない。携帯電話のバイアスは基地局の範囲及びバイアスによって置き換えられるので、携帯電話のドリフトはｒａｎｇｅＲａｔｅ及び基地局のドリフトになる。
【００８６】
ｔｅｍｐＭｅａｓ観測データはｆｒｅｑＤｉｆｆに非常に似ている。ナビゲーション用のディジタル信号プロセッサは、ＲＣ時定数によって周波数が決定される抵抗器が実際はサーミスタである発振器を含むのが好ましい。ｔｅｍｐＭｅａｓ回路は所定間隔における発振器のサイクル数を数え、サーミスタの較正曲線から温度の測度を得る。
【００８７】
ＧＰＳクロックは当然ながら温度とともにドリフトする。そのために、較正のフェーズ時、ナビゲーションディジタル信号プロセッサの温度がＧＰＳ受信機に基づくときは、カウント数とＧＰＳ受信機クロックのドリフト（ｄｒｉｆｔＧＲ２ｈａｔ）が同時にスイープされるのを観測する。ＧＰＳクロックのドリフトをｔｅｍｐＭｅａｓから予測できるモデルを構築する。
【００８８】
クロックの経時変化及び水晶の欠陥が原因で水晶周波数のモデルからの偏差が生じる。水晶の内的変動が作用して推定量の精度を限定する。
【００８９】
ｔｅｍｐＭｅａｓを実施するハードウエアはＧＰＳの所定ミリ秒時にスタートして所定ミリ秒後終了する単なるカウンタである。
【００９０】
工場において工業温度範囲でスイープしている間（及び信頼できるＧＰＳフィックスを得られるフィールドで）、ｔｅｍｐＭｅａｓ及びｄｒｉｆｔＧＲ２ｈａｔを観測してｄｒｉｆｔＧＲ２ｈａｔ対カウンタ値のモデル（及びフィールドでの更新モデル）を構築しよう。そうすると、ｔｅｍｐＭｅａｓをいつでも実行することができるし、このモデルを用いて、ＧＰＳ受信機クロックドリフトの推定値を得ることができる。この推定値をｄｒｉｆｔＧＲ２ＨａｔＳＣＸＯと呼ぶ。ＳＣＸＯは、Ｓｏｆｔｗａｒｅ−Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ−Ｃｒｙｓｔａｌ−Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒの頭文字をとったものである。
【００９１】
携帯電話において、ｄｒｉｆｔＧＲ２ｈａｔを形成する起動時のｔｅｍｐＭｅａｓが作られる。そうした推定値を（電話から携帯電話への）時間及び周波数の転送時に用いて必要なＧＰＳ探察範囲を縮小して、スーパーシン（ｓｕｐｅｒ−ｔｈｉｎ）ＧＰＳクライアントを可能にする。
【００９２】
デュアルモードシステムの構成要素はＧＰＳ衛星と、ＧＰＳ受信機、基地局、及び携帯電話である。
【００９３】
ＧＰＳ衛星は基地局でＧＰＳ受信機によって探知されている。基地局の目的は、基地局のクロックＧＰＳ時間からのオフセットとその周波数基準からのオフセットとを観測することである。この受信機及び基地局は所在が知られており、スタティックである。それらは物理的に近くにあり、ｔｉｍｅＤｉｆｆ及びｆｒｅｑＤｉｆｆの観測に必要な物理的接続が可能である。
【００９４】
第２のＧＰＳ受信機は携帯電話位置にある。目的は携帯電話の所在（位置と速度）を推定することである。これを行うには全ての可能な測定ソースを用いる。標準のＧＰＳ擬似範囲及び擬似範囲レートの測定を用いて基地局にあるＧＰＳ受信機の位置、時間、及び周波数を計算する。そうすると、ＧＰＳ受信機をＧＰＳ時間に同期させることができ、そのために、基地局とＧＰＳ受信機との時間と周波数のオフセットを観測することによって、ＧＰＳ時間からの基地局の時間及び周波数オフセットを算出することができる。
【００９５】
本発明の携帯電話の実施例ではその逆を行っている。携帯電話が基地局の周波数及び時間を探知していると仮定する。携帯電話と基地局間の信号の擬似範囲及び擬似範囲レートの測定値も形成することができる。基地局の位置を知っているので、基地局をＧＰＳ衛星を用いるのと同じように照準を合わせるソースとして用いることができる。
【００９６】
携帯電話が基地局を探知し、そして探知するのに要する周波数を知っているので、ｆｒｅｑＤｉｆｆの使用によって２つのことが可能になる。携帯電話と基地局間の擬似範囲及び擬似範囲レートを携帯電話の時間及び周波数の誤差の推定値として用いることができる。ｔｉｍｅＤｉｆｆｏ及びｆｒｅｑＤｉｆｆの観測値を用いてＧＰＳ受信機の時間及び周波数を推定して、ＧＰＳ衛星の探察範囲を大いに縮小することができる。捕捉時間及び／又は捕捉感度を向上させるのに用いることもできる。システムはＧＰＳが衛星を捉えるのを援助する。少なくとも一つのＧＰＳ衛星を捉えた後、携帯電話と基地局間の擬似範囲及び擬似範囲レートをＧＰＳ擬似範囲及び擬似範囲レートとともに位置計算に用いることができる。ｔｉｍｅＤｉｆｆ及びｆｒｅｑＤｉｆｆ観測値があるから、基地局の時間及びドリフトをＧＰＳのバイアス及びドリフトを用いて表わすことができるので、未知数がスタンドアローン型のＧＰＳケースの場合と同じように標準の未知数まで減らされる。
【００９７】
図７は、衛星（ＳＶ）７０２を探知するＧＰＳ受信機及び基地局７０６を探知する携帯電話７０４を有するデュアルノードシステムを表わす図である。デュアルノードシステムに関して言えば、システム内のクロックは、
【００９８】
例えば、ＧＰＳ衛星が５個、基地局が５ヶ所あるとしたら、システムにおけるクロック総数は、ｎｍＳａｔｅｌｌｉｔｅｓ＋ｎｕｍＣｅｌｌＳｉｔｅｓ＋３＝５＋５＋３＝１３となる。
基地局及びＧＰＳ衛星ごとに、擬似範囲の測定値（ＰＲ）と擬似範囲レートの測定値（ＰＲＲ）を形成することができる。
【００９９】
１個のＧＰＳ衛星７０２と１ヶ所の基地局７０６を有するシステムの場合、基地局７０６と携帯電話７０４間をパッシブ接続にすることによって較正が始まる。基地局のクロック信号及びその１−ＰＰＳをＧＰＳ受信機１（７０６）によって観測する。これらの信号はディジタル信号プロセッサのｆｒｅｑＤｉｆｆ及びｔｉｍｅＤｉｆｆ回路それぞれに接続される。携帯電話のクロック信号及びその１−ＰＰＳをＧＰＳ受信機２（７０４）によって観測する。これもディジタル信号プロセッサを有しており、そうした信号をディジタル信号プロセッサのｆｒｅｑＤｉｆｆ及びｔｉｍｅＤｉｆｆ回路それぞれに接続する。
【０１００】
図８は、自分のシステム時間を有する各クロックとこの時間からのクロックバイアスを表わす図である。受信機において観測するために、この２つの和、例えば、システム時間＋バイアスからハードウエアが用いる基準時間が生成される。これらの時間基準間で時間差を観測する。第１の時間差ＴＤ１はＧＰＳ受信機１と基地局間の時間差で、第２の時間差ＴＤ２はＧＰＳ受信機２と携帯電話間の時間差である。クロックパルス信号は、或る既知の時間に送信機を出て範囲に応じてその後受信機に到着するタイミング信号を表わす。しかしながら、時間のバイアス誤差が原因で、観測された位相測定に、例えば、送信機及び受信機両方のバイアス誤差による影響が及ぶ。そうした観測値が擬似範囲になる。
【０１０１】
ＴＤ１はＧＰＳ受信機１と基地局の１−ＰＰＳ間のｔｉｍｅＤｉｆｆ測定値である。そこから受信機１からカウント数単位で観測値Ｎ１２及びＮ２１を生成するとともに、秒単位でｔｉｍｅＤｉｆｆ ＴＤ１を形成することができる。
【０１０２】
ＴＤ２はＧＰＳ受信機１と基地局の１−ＰＰＳ間のｔｉｍｅＤｉｆｆ測定値である。そこから受信機２からカウント数単位で観測値Ｎ１２及びＮ２１を生成するとともに、秒単位でｔｉｍｅＤｉｆｆ ＴＤ１を形成することができる。
【０１０３】
図８から、
【０１０４】
擬似範囲測定値の測度単位は、ｔｉｍｅＤｉｆｆ及びｆｒｅｑＤｉｆｆを用いて事を単純にするために、メートルよりも秒を単位とするのが好ましい。だが、メートルを単位に用いることもできる。
【０１０５】
ｔｉｍｅＤｉｆｆ回路から毎秒２つの測定値を得る。それはＮｉ１とＮｉ２で、Ｉ＝時間マーカー、「１」は外部ＰＰＳからの測定値で、「２」は内部ＰＰＳからの測定値である。
【０１０６】
携帯電話の中で生成された信号の局所位相に基地局から送信された信号の受信位相を探知させるために生み出された位相測定値をアクセスすることができる。
【０１０７】
図８から、観測位相測定値は、
【０１０８】
「真」の位置を見出すことができる。地球中心・地球固定の（ＥＣＥＦ： ｅａｒｔｈ−ｃｅｎｔｅｒｅｄ−ｅａｒｔｈ−ｆｉｘｅｄ）３次元デカルト座標、例えば、ＷＧＳ−８４を用いる。基地局の位置及び速度を知っているものと考える。
ＧＰＳ衛星の位置は、システムの周りに分布しているエフェメリスモデルから知られているものと仮定する。衛星の速度をエフェメリスから算出する。ＰｏｓＳＶ＝（ｘＳＶ， ｙＳＶ， ｚＳＶ）， ＶｅｌＳＶ＝（ｘＶｅｌＳＶ， ｙＶｅｌＳＶ， ｚＶｅｌＳＶ）．
ＧＰＳ受信機２は携帯電話を有し、その所在はシステムにおける主たる未知数である。その他の未知数はシステムにおける不都合なパラメータで、それは全て解かれるか、さもなくば消去されなければならない。
【０１０９】
基地局及びＧＰＳ受信機は同じ（未知の）場所にあると定義する。従って、
ｐｏｓＧＰＳ２＝ｐｏｓＣＰ＝（ｘ， ｙ， ｚ），
そして
ｖｅｌＧＰＳ２＝ｖｅｌＣＰ＝（ｘＶｅｌ， ｙＶｅｌ， ｚＶｅｌ）．
「真」の範囲の定義において、座標枠は正規直交。いかなる２点間の正距離はその２点間のベクトル量である。範囲の方程式は秒によって表わすことができる。
図９は、どのようにしてｆｒｅｑＤｉｆｆを測定して用いるかをビジュアルに示したものである。ＧＰＳ受信機１の基準と基地局の基準との間でｆｒｅｑＤｉｆｆ１を測定する。ＧＰＳ受信機２の基準と携帯電話の基準との間でｆｒｅｑＤｉｆｆ２を測定する。両受信機に同じ基準、例えば、ＧＰＳ受信機で用いられた公称周波数を用いる。この策の一部は、ＤＧＰＳ及びデータ用の両基準局、基地局、及びクライアント（携帯電話）ソリューションでディジタル信号プロセッサを含んだ同じハードウエアソリューションを採用することである。従って、同じ周波数基準を仮定することができ、それはＧＰＳ衛星搬送波を探知するのに用いられる全ての周波数を生成すべく用いられる公称水晶周波数である。
【０１１０】
基地局側について言えば、異なる複数の公称周波数を有するシステムからの周波数オフセットを算出する際、共通の周波数基準を用いるのが都合がいい。但し、いずれの場合も同じモデル化を用いることができる。全ての公称周波数は一つのマスタ周波数に対してスケーリングされなければならない。次に、オフセットに比ｏｔｈｅｒＲｅｆＦｒｅｑ／ｎｏｍｉｎａｌＲｅｆＦｒｅｑを掛けることによって周波数オフセットをその公称周波数から新たなマスタ周波数に変換する。適切なスケーリングで代数を実行することができる。その結果を逆スケーリングを用いて公称基準に変換して戻す。
【０１１１】
範囲レート測定値はｆｒｅｑＤｉｆｆの数字には含まれず、擬似範囲はｔｉｍｅＤｉｆｆの数字の中に入っている。ユーザの移動及び衛星は普通ＧＰＳ搬送周波数で表わされる（Ｌ１＝１５７５．４２ＭＨｚ）。ｆｒｅｑＤｉｆｆ観測値はユーザや衛星の移動による影響を受けない。
【０１１２】
そのことは携帯電話周波数生成に関してＮＣＯにあてはまる。本発明のＶＣＯ法の実施例では、範囲及び基地局クロックの影響は携帯電話基準周波数に現れない。
【０１１３】
ｆｒｅｑＤｉｆｆ回路からの生の測定値はＧＰＳ受信機１からのカウント数Ｎ１およびＧＰＳ受信機２からのカウント数Ｎ２である。これらを用いて、基地局基準周波数でサイクル／秒単位でｆｒｅｑＤｉｆｆを計算することができる。ＢａｓｅＣＳ ＝ ｂａｓｅＣＰと仮定することができる。
【０１１４】
携帯電話搬送波探知ループからの測定値は、
【０１１５】
送信機が正の周波数オフセットを有するとしたら、受信機は公称値からのこの加算周波数オフセットを探知するにはその生成周波数を上げなければならない。受信機が正の周波数オフセットを有するとしたら、受信機は搬送波を探知するにはその生成周波数を下げなければならない。最後に、送信機と受信機との間に正のドップラーがあるとしたら、受信機はその影響を探知するにはその周波数を上げなければならない。
【０１１６】
基地局の搬送波を探知して、探知を可能にすべく生成される周波数は、
【０１１７】
ｆｒｅｑＤｉｆｆ観測値への影響を調べて、カウンタは基地局を探知するのに、携帯電話周波数ｆｒｅｑＣＰではなく、周波数のサイクルの整数ｆｒｅｑＣＰｖｃｏを観測する。
【０１１８】
言い換えれば、
基地局にあるＧＰＳ受信機は「真」のユーザ速度がゼロであると仮定することができる。従って、全ての位置及び速度は既知であると仮定する。基地局にあるＧＰＳ受信機１１２はその位置を計算することができる、すなわち、その位置が測量位置である可能性がある。第２に、衛星の位置及び速度を基地局のＧＰＳ受信機にとって使用可能なエフェメリスを用いて計算することができる。
ｒａｎｇｅＲａｔｅＧＲ１及びｄｒｉｆｔＳＶは既知だから、観測した擬似範囲レートを用いてＧＰＳ受信機のドリフトを推定することができる。
従って、ＧＰＳ受信機１でのドリフトの推定値を計算することができる。
ｆｒｅｑＤｉｆｆ及び推定ＧＰＳ受信機１クロックドリフトを用いて、基地局クロックドリフトの推定値を形成することができる。
【０１１９】
携帯電話がＮＣＯを用いて周波数を探知している場合、ｆｒｅｑＤｉｆｆを用いてＧＰＳ受信機のドリフトによって基地局のドリフトを表わすことができる。これは、測定した携帯電話の搬送周波数から携帯電話のクロックを除去して基地局の搬送波を探知する。
【０１２０】
携帯電話の中のＧＰＳ受信機のドリフトを推測するために携帯電話のクロックドリフトを除去する。
【０１２１】
定点化の前に、この手続きを用いて携帯電話の中のＧＰＳ受信機クロックのクロックドリフトの推定値を生成することができる。
【０１２２】
ドリフトの推定値を携帯電話はスタティックであると仮定することにより形成することができるので、ｒａｎｇｅＲａｔｅＣＰ項をゼロと仮定することができる。推定値の精度はこの仮定の正確さによる。しかしながら、ほとんどの低コストのクロックの場合、水晶にかかる温度及び経時変化に起因する周波数の不確定性は携帯電話及び基地局間のユーザダイナミックスよりもはるかに大きいので、推定値から莫大な情報利得を得ることができ、それを用いて探察時間を短縮するとともに／又は感度を向上させることができる。
【０１２３】
例えば、ユーザが時速１００マイルで移動しているとしよう。ユーザ速度を先ずｍ／秒に換算する。
波長
λＣＰ＝Ｃ／ｆ＝ｓｐｅｅｄ−ｏｆ−ｌｉｇｈｔ／２７．４５６ｅ６ ｃｙｃｌｅ／ｓｅｃ ＝ １０．９ ｍｅｔｅｒｓ／ｃｙｃｌｅ
ユーザが実際は時速１００マイルで動いているときユーザはスタティックであると仮定した場合のｄｒｉｆｔＣＰの周波数Ｅｒｒｏｒは、
ｆｒｅｑＥｒｒｏｒ（Ｈｚ ａｔ ｎｏｍｉｎａｌ ＧＲ ｆｒｅｑ） ＝（４４．７０４ｍｅｔｅｒｓ／ｓｅｃｏｎｄ）＊（１−ｃｙｃｌｅ ｏｆ ｂａｓｅＣＰｆｒｅｑ／１０．９ｍｅｔｅｒｓ）
【０１２４】
ユーザダイナミックスがゼロであると仮定して、先ず携帯電話周波数ドリフトを推定する。
【０１２５】
速度を計算するために携帯電話のクロックドリフトを除去する。基地局周波数を探知するために携帯電話がＶＣＯを用いている場合、ｆｒｅｑＤｉｆｆを用いてｂａｓｅＣＰｆｒｅｑへの影響を観測することができる。
【０１２６】
観測用の「真」のモデルは、
ユーザ速度はゼロである。そこから携帯電話の中のＧＰＳ受信機のクロックドリフトの推定が可能になる。
この推定値を用いてＧＰＳ衛星を見付けるのにしなければならない周波数探察を縮小することができる。従って、この観測値を用いて周波数転送を行うことができる。
【０１２９】
ユーザ速度を推定するために、（携帯電話の中のＮＣＯを用いる）本発明に係る方法の実施例の測定値は、
【０１３０】
携帯電話はＪヶ所の基地局集合を探知して、ｊ番目の擬似範囲レート観測値を形成する。
【０１３１】
同様に、次のようにして公称ｒａｎｇｅＲａｔｅＧＲ２（ｋ）を予測することができる。
【０１３２】
ｔｉｍｅＤｉｆｆ及び擬似範囲の未知数を除去するには、ｔｉｍｅＤｉｆｆ測定値を使わなければならない。
【０１３３】
ｒａｎｇｅＧＲ１は、その成分が知られているから、既知数と考える。
【０１３４】
衛星の位置及びクロックのバイアスは、サーバによってシステムを循環させることができるＧＰＳエフェメリスから計算することができるので、既知と考える。
【０１３５】
ＧＰＳ受信機１は少なくとも時間の解を計算するのに十分な数の衛星を探知していると仮定しよう。もしその位置を知っていれば、これを行うには衛星は一つだけでいい。
【０１３６】
【０１３７】
いずれかのｔｉｍｅＤｉｆｆ測定値（Ｎ１１またはＮ１２）を用いることができる。
Ｎ１１を用いると、
【０１３８】
携帯電話が携帯電話と基地局間の擬似範囲測定値を生成すると仮定する。
【０１３９】
基地局を探知する携帯電話によって形成される擬似範囲は、
【０１４０】
携帯電話におけるｔｉｍｅＤｉｆｆは次の形式を有する。
【０１４１】
ＦｒｅｑＧＲｈａｔではなく、ｂａｓｅＧＲｆｒｅｑを用いて観測したｔｉｍｅＤｉｆｆを正規化する。
【０１４２】
この場合、
及び分母（ｆｒｅｑＧＲの内部）の両方に現れるからである。これでも対応することはできるが不便である。そのために、モデルを線形化する単純な近似化を実行する。分母のｆｒｅｑＧＲを単にｂａｓｅＧＲｆｒｅｑで置き換える。
【０１４３】
未知のＧＰＳ受信機のドリフトを線形化して測定値を変数ｄｒｉｆｔＧＲ内で線形にする。変数ｄｒｉｆｔＧＲを分母から除去する。
【０１４４】
ここでも、ｄｒｉｆｔＧＲ＝２０ ＰＰＭとする。
【０１４５】
「真」の値を求めると、
ｍａｘＮ１＝ｂａｓｅＧＲを掛けると、誤差は３．９９８１９７ｅ−１０＝０．１１ ｍｅｔｅｒｓとなる。
【０１４７】
このように、まだ線形誤差モデルが存在する。この方法がだめな場合には、ｄｒｉｆｔＧＲ項が分母に存在することから、モデルは線形にはならない。
【０１４８】
測位できるように携帯電話擬似範囲を用いるには、先ずｄｒｉｆｔＧＲ２の推定値を見出し、その後擬似範囲にドリフト項を含める。通常、擬似範囲は位置及びクロックのバイアスだけに関係している。従って、この公式化には余分の未知数がある。但し、擬似範囲レートが使用可能で、全ての未知数を同時に求めることができる。
【０１４９】
ｔｅｍｐＭｅａｓを用いてｄｒｉｆｔＧＲ２を推定するために、ｄｒｉｆｔＧＲ＝２０ＰＰＭと仮定する。Ｎ１１はほぼｂａｓｅＧＲと同一であったと仮定する。これは、基地局がＧＰＳの１−ＰＰＳのすぐ左側にあることを意味する。ｄｒｉｆｔＧＲに比例するもう一つの項はｄｒｉｆｔＧＲ／ｆｒｅｑＧＲである。
【０１５０】
仮にドリフトが２０ＰＰＭだとすると、
【０１５１】
ｔｅｍｐＭｅａｓは、携帯電話の擬似範囲を用いてＧＰＳ受信機のクロックバイアスを推測するのに十分な近似値を提供する。そうした値は事前測位に用いることができる。
【０１５３】
ｔｉｍｅＤｉｆｆ測定値を計算するには、携帯電話側のｔｉｍｅＤｉｆｆを以下のように再定義する。測定モデルによれば、
【０１５４】
ここで、携帯電話におけるｔｉｍｅＤｉｆｆの測定モデルを挿入（量子化項は含まない。そのため、パラメータは推定値であって「真」のパラメータではない）すると、
【０１５５】
この形式を用いて、ｄｒｉｆｔＧＲ２に比例するまた別の項を、ｆｒｅｑＧＲでなくｂａｓｅＧＲｆｒｅｑを用いてその誤差を正規化する。
【０１５６】
ｂｉａｓＣＰｈａｔを求めるためにその測定モデルを書き換えると
【０１５７】
上記の式をセルラー電話の擬似範囲の中に挿入すると、全てのクロック項をＧＰＳ受信機２のクロックで表わすことができる。
【０１５８】
携帯電話が、基地局からわずか１キロメートル（１０００ｍ）のところにあると仮定しよう。これは、基地局密度が非常に高い日本では起こりうることである。
【０１５９】
また、ｆｒｅｑＤｉｆｆを用いてｄｒｉｆｔＧＲ２を推定すると仮定する。
【０１６０】
既に説明したように、
【０１６１】
ｔｅｍｐＭｅａｓを用いてｄｒｉｆｔＧＲｓｃｘｏを推定する。すなわち、ｔｅｍｐＭｅａｓからクロック周波数を推定するために、ｔｅｍｐＭｅａｓ観測値と較正モデルとを用いてＧＰＳ受信機２のクロックドリフトを推定する。
【０１６２】
基地局からの範囲が１０００として、ｄｒｉｆｔＧＲ推定値を用いると、
【０１６３】
推定値の精度は、基地局までの距離が１０００ｍであるという仮定に依存する。仮に距離が２０００ｍであったとしても、精度は約１０００／ｃ＝３．３ｅ−１＝３．３ ｍｉｃｒｏｓｅｃｏｎｄであろう。時間の不確定性が１ ｍｓｅｃから３．３ ｍｉｃｒｏｓｅｃｏｎｄに縮小した。これはほとんど因子３００の情報利得である。それはスーパーシンＧＰＳクライアントを可能にする類の情報利得である。
【０１６４】
位置を計算するために携帯電話のクロックバイアスを除去する。
【０１６５】
携帯電話が本発明に係るＶＣＯの実施例を用いて搬送波を探知する場合の測定モデルを導出する。周波数が、入力信号の位相と一致するように調整される。周波数の調整にともない携帯電話基準と対応付けられたＰＰＳも移動するため、ｔｉｍｅＤｉｆｆの意味が変わる。
【０１６６】
ｔｉｍｅＤｉｆｆは、携帯電話のバイアスを観測するのではなく、基地局のバイアス及び基地局と携帯電話間の範囲を観測する。例えば、基地局のクロックバイアスが正であれば、基地局もその位相を増大してアライメントするようにしなければならない。基地局から携帯電話への信号の伝搬時間を補正するには、携帯電話は、入力信号を探知するためにその信号をさらに遅延させなければならない。位相の進みは位相における正の増加である。
【０１６７】
携帯電話のクロックバイアスをｒａｎｇｅＣＰ及び基地局バイアスで置き換える。
【０１６８】
「真」のｔｉｍｅＤｉｆｆモデルは次のようになる。
定義から、
【０１６９】
さてここで、「真」のＴＤ１に我々のモデルを挿入するとともに、推定パラメータを挿入すると、（我々のモデルに量子化項を含まずに）
【０１７０】
位置を計算するために携帯電話のクロックバイアスを除去する。
【０１７１】
ＧＰＳの捕捉を支援するための時間転送の場合は、上記の式をｂｉａｓＧＲ項について解けばよい。ここでもまた、ＧＰＳ受信機のクロックドリフトを推定するために２つのソースを得る。ｔｅｍｐＭｅａｓ観測値を用いるか、あるいはｆｒｅｑＤｉｆｆを用いるかのいずれかで、ユーザ速度はゼロと仮定する。
【０１７２】
携帯電話の擬似範囲をＧＰＳの擬似範囲と組み合わせる。
本発明の方法実施例（本発明のＮＣＯ法の実施例）のために定義する。
【０１７３】
デルタベクトルを「真」の位置ベクトルと位置の開始推定値との間の誤差として定義する。推定のプロセスで、デルタベクトルを計算し、それを開始位置に加算して位置推定値を得る。そのために、推測値を形成する際ユーザ位置を必要とすると仮定して、ｘＮｏｍｉｎａｌを用いる。
【０１７４】
我々の公称推定値（ｘＮｏｍｉｎａｌ）における誤差をｄｅｌＸと定義すると、
【０１７５】
デュアルモードシステムは解方程式を導出し、それはシステムにおいて全ての観測データをユーザ位置／速度と携帯電話の中のＧＰＳ受信機のクロックバイアス及びドリフトとに関連付けている。その他のシステムクロックは全てシステム外で較正されている。
【０１７６】
標準的な解法を用いて８つの未知数を解くことができる。
【０１７７】
解を得るために、多数の観測値が未知数を有する。それはすなわちユーザ位置を有する４つの観測値が要るということである。微分測定値も必要である。ＧＰＳ受信機の速度とクロックドリフトを推定する。
【０１７８】
ｔｉｍｅＤｉｆｆ、ｆｒｅｑＤｉｆｆ、ｔｅｍｐＭｅａｓという各オブサーバブルを用いて、これらの信号の探察範囲を縮小することによりＧＰＳ衛星の捕捉を向上させることができる。携帯電話及び基地局の較正に関するＧＰＳ受信機のクロックバイアス及びドリフトとを推定する。
【０１７９】
システムは真に分散された処理システムである。クライアント・タイプにより、全ての較正及び計算を携帯電話の中で行うか、ネットワークサーバにおいて行うか、或いはその２つのシステムに分散することができる。しかしながら、サーバは基地局の較正用数字を送るダクトだから、データを時間と周波数の両方の転送に用いてＧＰＳ捕捉時間を向上させるとともに、両システムからの範囲と範囲レートとを用いて携帯電話の位置を計算するデュアルモードオペレーションにデータを用いることができる。
【０１８０】
基地局と、サーバ、携帯電話、そして基地局及び携帯電話両方のＧＰＳ受信機との間の通信手段を仮定する。しかしながら、使用する特定の方法の詳細はここで提示した方程式にとって決定的な要因ではない。
【０１８１】
ＧＰＳ受信機１は基地局にある。絶えずＧＰＳを探知して、その位置と、クロックバイアス、及びクロックドリフトを推定する。ＧＰＳ受信機と基地局クロック間のｔｉｍｅＤｉｆｆ及びｆｒｅｑＤｉｆｆを実行する。測定値及びその解をネットワークサーバに戻す。サーバは基地局のクロックバイアス及びドリフトを計算する。また、５０ｂｐｓのナビゲーションデータメッセージなど他のＧＰＳデータをネットワークサーバに送信する。
【０１８２】
ネットワークサーバは基地局からデータを受け入れ、各基地局のクロックバイアスとドリフトの表を構築する。ＧＰＳ受信機の位置から基地局の位置を生成することもできる。ネットワークサーバはナビゲーションデータ・データベースを構築し、データベースは衛星の位置と、速度、クロックバイアス、及びドリフトを計算するためのデータソースとしてシステム中に分配される。
【０１８３】
ＧＰＳ受信機２は携帯電話に位置してこの受信機の位置を計算する。電源投入時、ＧＰＳ受信機のクロックバイアス、ドリフトや位置はわからない。ｔｉｍｅＤｉｆｆ、ｆｒｅｑＤｉｆｆ、及びｔｅｍｐＭｅａｓを実行する。携帯電話の受信機は（少なくとも一ヶ所の）基地局を探知する。搬送波の位相及び周波数を探知することによって、基地局間の擬似範囲及び擬似範囲レートを形成することができる。これらの測定値を基地局のクロックバイアス及びドリフトと基地局の位置を含む基地局データと共に用いて、さらにｔｉｍｅＤｉｆｆとｆｒｅｑＤｉｆｆ及びｔｅｍｐＭｅａｓの各観測値を用いて、携帯電話とＧＰＳ受信機間の時間及び周波数転送を実行することができる。１個のＧＰＳ衛星を捕捉した後、観測値を用いてデュアルモードの位置／速度を計算することもできる。
【０１８４】
時間及び周波数転送によって、探察範囲を縮小することにより、ＧＰＳ衛星の捕捉を向上させることができる。そのために捕捉時間及び感度が向上する。それによりスーパーシン・クライアントが可能になる。
【０１８５】
１個以上のＧＰＳ衛星を捕捉した後、両システムからの範囲と範囲レートとの測定値を組み合わせて携帯電話の位置を計算する。それにより、使用できる各システムからの測定値数が通常よりも少ない場合、測位が可能になるはずである。例えば、ＧＰＳ衛星１個のみと基地局３ヶ所、或いはＧＰＳ衛星２個と基地局２ヶ所、もしくはＧＰＳ衛星３個と基地局１ヶ所のみによって、３次元フィックスを行うことができる。
【０１８６】
実際には、携帯電話でＧＰＳ衛星が探知されていなくても携帯電話の位置を計算することができる。基地局は有意相対垂直変位をするので、３次元的解は非常に雑音が多い。しかしながら、携帯電話の位置する高度を使用できれば、２次元的解が可能である。（基地局を同期化させるには基地局でＧＰＳ衛星が依然として必要である。）基地局が良好な垂直分離を有する場合、３次元のＣＤＭＡだけも可能である。
【０１８７】
ＧＰＳアルマナックとエフェメリスを捕捉して、基準局のＧＰＳ受信機を有するサーバ１０６により換算して各衛星の位置と速度をそれぞれ表わす単純な多項式を提供する。言うまでもなく、そうした多項式は時間と共に古くなり効力喪失するだろうが、十分に新鮮な軌道データを提供するにはインターネットを介した基地局１０２とサーバ１０６間の周期的コンタクトが決定的な要因となる。そこで、ローカルＲＡＭ／ＲＯＭに現時点のエフェメリス及びアルマナックを保持するためにＧＰＳ受信機１１２は記憶集約的要件を免除され、位置フィックスごとに衛生軌道位置の二重精度浮動小数点数学をローカルに計算するプロセッサ集約型ジョブを免除される。
【０１８８】
本発明に係るビジネスモデルの実施例では、サーバ１０６を独立したサービスプロバイダが所有、運営する。使用単位料金又は加入料金をユーザに請求する。携帯電話１０４及び／又は携帯１０２を運営する。もしくは、携帯電話１０４をアプリケーション専用ネットワーククライアントの半導体集積回路デバイス設計の知的財産（ＩＰ）パッケージにさらにバンドルする。そうしたＩＰをネットワーククライアントの相手先ブランドによる製造会社（ＯＥＭ）にライセンス料とハードウエアデバイスのコストで販売する。
【０１８９】
オペレーションでは、ＧＰＳ受信機１１２は２つのドメインで、すなわち、周波数とコード位相とにおいて、ＧＰＳマイクロ波信号を同時に探察しなければならない。局所発振器と衛星相対速度に起因するドップラーシフトとが搬送周波数の不確定性を生み出し、それは解決される。同時ＧＰＳ衛星擬似乱数（擬似乱数）コード位相は別の未知数である。「雑音フロア」より上の受信信号は比較的容易に素早く探察することができる。しかし、ビルの屋内にあるような、弱い信号は雑音が２０デシベル程度になると埋没してしまう。周波数／コード位相ビンを閲覧する度に、コード・コレレータによって提供された処理利得を有する雑音フロアを「ビートダウン」できる程度にそこに長く留まらなければならない。貧弱な信号の場合、探察ビンが例えば、エイリアシングによるなど、ビン周波数とビン・コード位相間のより細かいステップを有していなければならない。そのために、もっと多くのビンを探察しなければならないし、各ビンには処理ドエルがもっと必要である。こうしたこと全てによって探察時間が指数的に増大する。
【０１９０】
サーバ１０６はリアルタイムのナビゲーションデータをインターネットに公開する。一部リアルタイムの又は非リアルタイムのナビゲーション及び初期化データをインターネットに載せる他のサービスは現存するので、そうしたデータは用いて、ＧＰＳ受信機１１２に送信中のリアルタイムのナビゲーションデータを一部置き換えるのに、或いはＧＰＳ受信機１１２に送信中のリアルタイムのナビゲーションデータの有効性をチェックすることができる。サーバ１０６の主たる決定的な役割ジョブはＧＰＳ受信機１１２からナビゲーション計算ジョブをオフロードすることである。そうしたオフロードに対応できる度合いはＧＰＳ受信機１１２とサーバ１０６間で実現可能な通信コンタクトの正則性いかんで決まる。ＧＰＳ受信機１１２で得た実際の測定値はサーバ１０６に転送される。
【０１９１】
本発明の別の実施例は、ハイレベルの抽象化及び目的のデータ処理を行うサーバ１０６を組み込んでいる。例えば、サーバプラットフォームは健康状態及び品質モニタを内臓し、前記スタティック観測値をチェックして測定誤差及び衛星データメッセージの前記データベースに不正情報が含まれないようにする。また、サーバ１０６は時間とともにＧＰＳ受信機１１２が時間、日、週、月、年といった周期中に閲覧する場所のパターンの位置の解情報を収集することができる。そうした情報を処理してＧＰＳ受信機１１２がどこにあるか、ユーザがどこにいたか、或いはユーザがこの先きどこに行こうとしているか推定することができる。そうした情報は、派遣、タイムレコーダー、自宅監禁、人員配置、在庫管理、財産管理、軍隊、警備、その他のアプリケーションに役に立つ。位置情報を解釈してユーザが或る瞬間に何をしているか知的な推測をすることができる。例えば、ユーザの位置が地元のスーパーの位置と一致すれば、そのユーザは買い物をしていると想定することができる。例えば、市のメンテナンス部門が消火栓、変圧所、道路など恒久的な場所と連結して電子データベース内に「マーキング」することによって、ウェブサーバ１０６にユーザがログを生成することもできる。
【０１９２】
インターネット上に存在するユーザの位置についての情報を広告会社や販売会社が利用してユーザにリアルタイムでメッセージを送ることができる。そうしたデータを本発明のビジネスモデルの実施例でリアルタイムで販売する。
【０１９３】
概して、本発明の実施例はインターネット・サーバを使用して遠隔ＧＰＳ受信機が収集したデータを従来からの受信機や方法と比べ信号感度が向上し探察時間が短縮するようなやり方でプロセスする。
【０１９４】
最近のテストデータは、一般的な水晶周波数の演繹的最悪ケースのモデル化誤差がおよそ±０．５ＰＰＭ（±７８７Ｈｚ）であることを温度モデル化を用いて示す。保守的に考え、ユーザ位置誤差の周波数に対する作用のためにいくらかの不確実性を見込んで、第１衛星では周波数範囲±１０００を探察するのが好ましい。一回目の探察で分かった周波数情報に非常に自信があるなら、後続衛星の探察範囲を制約して時間と労力を省くことができる。もしくは、そうした探察時間を節約する代わりに、安価なハードウエアで使われるよりスローなクロック速度を使用するようにすることができる。
【０１９５】
図１０は、本発明のインフラストラクチャ支援型ナビゲーションシステムの第２実施例の機能ブロック図で、大まかに参照番号１０００で示している。政治的或いは経済的理由から、携帯電話のベースサイト（例えば、図１のシステム１００）にＧＰＳ受信機を含まないシステム１０００を必要とする特殊ケースである。従って、永久的に不動の場所に停留した携帯電話とＧＰＳ受信機の組み合わせを変更してサービスできるようにすることができる。本発明のビジネスモデル実施例は、サービスを必要とするが普通では利用できない各基地局の固定局に明らかに普通の携帯電話を配置する。利用できない原因には、基地局の運営者が敵対的な場合や、法律的に反対があったり厄介だったり、時間が短かったり、費用がかかりすぎるなどがある。
【０１９６】
システム１０００は、例えば、インターネットなど、データネットワーク１００４に接続されたサービスプロバイダ１００２を含む。基地局１００６は局と局の間の普通の携帯電話呼び出しを電話番号を用いて単に処理する。閲覧しているモバイル携帯電話のユーザ１００８は基地局１００６を経由して電話呼び出しを行い、受信もする。サービスプロバイダ１００２を運営する企業は予め永久的な停留携帯局１０１０を基地局１００６のサービス区域内に配置する。基地局１００６を経由して行われる電話呼び出しを介してシステムの他の部分にもアクセスすることができる。
【０１９７】
サービスプロバイダ１００２は、ＧＰＳ受信機、ネットワークサーバ１０１４、温度と時間及び周波数のデータ及びモデルを記憶するためのデータベース１０１６を含む。基地局１００６は携帯トランシーバ１０２２を備えるが、ＧＰＳ受信機はない。携帯電話１００８も自分のＧＰＳ受信機１０２０と携帯トランシーバ１０２２を含む。永久的な停留携帯局１０１０はＧＰＳ受信機１０２４と携帯電話サービスバンドトランシーバ１０２６を有し、携帯電話サービスバンドトランシーバ１０２６は基地局１００６から受け取る信号の周波数及び位相を探知するのに使われる。ネットワークサーバ１０１４は基地局と携帯電話の両方のＧＰＳ受信機からデータネットワーク１００４で時間情報やその他のデータを受け取り、配布する。位置とＧＰＳ時間からの時間及び周波数のオフセットとのデータベース１０１６が後で参照するために収集される。
【０１９８】
システム１００（図１）と同様に、例えば、（１）時間差、（２）周波数差、（３）水晶温度対周波数モデルという３つのハードウエアベースの測定値を用いて独立した２つのシステムの局所クロックを同期させる。どれか或いは３つの組み合わせを用いてクロックを同期させることができる。ＴｉｍｅＤｉｆｆ観測データで、もし２つの異なる時間ソースからの時間事象間の時間差が既知ならば、一つの時間ソースにおける事象の時間を用いてもう一方の時間ソースにおける事象の時間を計算することができる。ＦｒｅｑＤｉｆｆ観測データで、もし２つのクロック間の周波数差が既知ならば、一方の周波数を見出すことにより他方の周波数を推測することができる。ＴｅｍｐＭｅａｓ観測データで、温度周波数較正モデルを用いて水晶温度を測定することによって局所ＧＰＳクロックの周波数を推測する。もし時間ソースの一つがＧＰＳ受信機ならば、もう一つのクロックをＧＰＳ時間に関連させることができる。そうすると、ＧＰＳシステム原子クロックなど共通の安定基準に世界中のデバイスを時間及び周波数同期させることができる。
【０１９９】
本発明のパッシブネットワーク同期化の実施例はＧＰＳ受信機１０２４を用いてＧＰＳ時間で基地局１００６のクロックを測定する。それゆえに、インターネットなどネットワークインフラストラクチャでネットワークサーバによって携帯電話ＧＰＳ受信機１０２０のクロックと携帯電話１０２２のクロックをＧＰＳ時間に同期させることができる。一般的なＧＰＳ受信機は１秒に１パルス（１−ＰＰＳ）の時間基準を生成し、それはｔｉｍｅＤｉｆｆ回路を用いて基地局及び携帯電話の携帯電話無線搬送波それぞれから導出された１−ＰＰＳクロックに比較され、関連付けられる。１秒以外の観測間隔も同じように使えるが、１秒の時間間隔を採用すると数学がより単純になる。
【０２００】
本発明の実施例は３つの異なる通信リンクを用いて時間及び周波数データを転送する。一つはＧＰＳ基準受信機１０２４をネットワークサーバ１０１４とリンクさせる。２つ目は携帯電話と携帯電話内のＧＰＳ受信機との間のソフトウエアＡＰＩ又はパケット通信を携帯電話内で直接に或いはネットワークサーバを経由して間接に運ぶ。ＧＰＳ受信機間でデータを直接共用するとシステム性能の向上に役立つ。３番目の接続はネットワークサーバ１０１４を携帯電話１０２２とＧＰＳ受信機１０２０の両方にリンクする。
【０２０１】
携帯電話とＧＰＳを組み合わせた受信機の内部で測位できるように、例えば、携帯電話１０１０から携帯電話１００８への到着時間差測定（ＴＤＯＡ）を用いて測位の使用可能性及び精度を向上させることができる。携帯電話１０１０から携帯電話１００８に送られた時間スタンプを携帯電話１０１０の位置と携帯電話１０１０のクロックバイアス及びＧＰＳ時間からの基地局１００６のドリフトについての演繹的知識とを組み合わせることができる。そうした時間スタンプを用いて携帯電話１０１０から携帯電話１００８に両者間の無線信号伝播距離の影響しか受けない精度で時間情報を転送することができる。
【０２０２】
この実施例においてもＧＰＳ受信機の周波数オフセットを推定するのに携帯電話の搬送周波数シンセサイザループの補正周波数オフセットを用いる。そうした推定値を用いて周波数の不確定性を低減させ、それにより初期定点化時間を短縮し、受信機の感度を向上させ、そして／又はハードウエアのサイズ及び消費電力を抑える。ディジタル数値制御型発振器（ＮＣＯ）及びアナログ電圧制御型発振器（ＶＣＯ）は共にそうした搬送周波数シンセサイザに普通に使われている。
【０２０３】
ｔｅｍｐＭｅａｓ測定値を用いて、例えば、温度モデルを構築することにより、携帯電話からＧＰＳ受信機への周波数転送精度をさらに向上させることができる。周波数転送にｔｉｍｅＤｉｆｆ観測値を一切使わずにｆｒｅｑＤｉｆｆ観測値だけを用いることができる。ｆｒｅｑＤｉｆｆ観測値を使わずにｔｉｍｅＤｉｆｆ観測値を用いて時間及び周波数の組み合わせ転送することもできる。ソフトウエアベースのフィルタを用いてｔｉｍｅＤｉｆｆハードウエアの量子化雑音を抑えることによって時間転送精度を向上させるのが好ましい。携帯電話１０１０の周波数及び位相の携帯電話の観測値は本発明のデュアルモード測位システムの別の実施例にも使うことができる。
【０２０４】
本書で用いる「パッシブ同期」とはＧＰＳ受信機のクロックに関して携帯電話１０１０と携帯電話のクロックの時間及び周波数のオフセットだけを観測することを言う。例えば、インターネットで転送制御プロトコル／インターネットプロトコル（ＴＣＰ／ＩＰ）パケットを使うなど、通信レイヤーを経由して測定されたオフセットを送ることによって、後から較正がなされる。携帯電話及び携帯電話１０１０の実クロックは制御されない。これらのクロックからの信号はただ観測されるだけで、得た補正データはクロックを変えるソースに一切フィードバックされない。むしろ、そのデータはネットワークサーバとＧＰＳ受信機のソフトウエアにおいてＧＰＳ衛星探察とその後の位置計算を支援するために計算数学的に活用される。
【０２０５】
本発明を現時点における好適な実施例により説明してきたが、開示は限定と解釈されるべきものではない。上記の開示を読めば、紛れもなく様々な変更や変形が当業者には明確になるであろう。よって、特許請求の範囲は本発明の「真の」精神ならびに範囲から逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が含むものとする。
【０２０６】
【発明の効果】
本発明の効果は、ユーザのナビゲーション装置のコストを下げるシステム及び方法を提供していることである。
【０２０７】
本発明のもう一つの効果は、感度と初期定点化時間を改善して都市の谷間や屋内でも十分に使用できるシステム及び方法を提供していることである。
【０２０８】
本発明の更なる効果は、リアルタイムの履歴的ユーザ定点に関連した高度のデータベースサービスをインターネットで提供できるようにするシステム及び方法を提供していることである。
【図面の簡単な説明】
【図１】携帯電話、携帯電話ベースサイト、及びサーバを含む本発明のインフラストラクチャ支援型ナビゲーションシステムの実施例の機能ブロック図。
【図２】２つの異なるクロック差をディジタルカウンタにおける蓄積クロックパルスとして量化できる方法を表わす図。
【図３】１−ＰＰＳ周期の最後の１０００分の１番目部分の第２事象のバイアススキューを表わす図。
【図４】本発明の実施例によって計算されるＧＰＳ事象と基地局事象及び様々な種類のタイミングバイアスという３者間の関係を示す図。
【図５】本明細書に示した数理方程式を裏付けるクロックと時間周期との関係を表わすタイミング図。
【図６】ｆｒｅｑＤｉｆｆ観測における外部基地局のクロックの量子化を表わす図。
【図７】ＧＰＳ衛星と基地局と携帯電話との実際の幾何学的配列と、タイミング／周波数バイアスが位置情報に及ぼす影響を表わす図。
【図８】自分のシステム時間を有する各クロックとこの時間からの対応クロックバイアスを表わすタイミング図。
【図９】基地局と携帯電話とＧＰＳ受信機との１−ＰＰＳ出力間の周波数の関係を示すチャート。
【図１０】本発明におけるインフラストラクチャ支援型ナビゲーションシステムに関わる第２の実施例の機能ブロック図。
【符号の説明】
１０２、１００６ 基地局（セルラーサイト）
１０４、１０１０ 携帯電話（セルラー電話）
１０６、１０１４ ネットワークサーバ
１０８、１１４、１０１８、１０２６ 送受信機（セルラー送受信機）
１１０ 基準クロック
１１２、１１５、１０１２、１０２０、１０２４ ＧＰＳ受信機
１１６、１００４ データネットワーク
１１８、１０１６ データベース
Claims (14)
- 衛星ナビゲーションシステムであって、
軌道を回るナビゲーション衛星の信号捕捉が行われる前に誤差が存在している第１衛星ＧＰＳ受信機基準周波数を有する第１衛星ＧＰＳ受信機と、
前記第１衛星ＧＰＳ受信機と共用するために接続され、且つ前記第１衛星ＧＰＳ受信機周波数に関連付けられる無線搬送波を有する第１無線通信装置と、
前記ナビゲーション衛星から捕捉した信号により、前記ナビゲーション衛星の基準周波数と同期した衛星基準周波数を取得するための第２衛星ＧＰＳ受信機と、
前記第１無線通信装置からの前記無線搬送波の搬送周波数を測定するための第２無線通信装置と、
前記第２無線通信装置による前記搬送周波数の測定値から前記第１の衛星ＧＰＳ受信機基準周波数のクロック誤差を算出し、
前記第１の衛星ＧＰＳ受信機基準周波数のクロック誤差を、前記第２衛星ＧＰＳ受信機が取得した前記衛星基準周波数と比較すると共に、
前記比較された誤差情報を周波数誤差を減らすべく前記第１衛星ＧＰＳ受信機に通信するためのサーバと、からなり、
第１衛星ＧＰＳ受信機は、前記周波数誤差が全く低下しなかった場合よりも早く初期化できるようになっていることを特徴とする衛星ナビゲーションシステム。 - 請求項１において、前記第２衛星ＧＰＳ受信機及び前記第２無線通信装置は固定された場所にあり、前記第１衛星ＧＰＳ受信機の位置の解の精度を向上させるために局所微分補正測定値を取得して前記サーバに通信することを特徴とする衛星ナビゲーションシステム。
- 請求項１において、前記サーバは、局所発振器の周波数誤差及び時間誤差のうちの少なくとも一つを低減する情報を前記第１衛星ＧＰＳ受信機に提供することを特徴とする衛星ナビゲーションシステム。
- 請求項３において、前記サーバは、無線接続とデータネットワークで通信された前記第１及び第２衛星ＧＰＳ受信機間の時間測定値を比較することによって時間差情報を計算することを特徴とする衛星ナビゲーションシステム。
- 請求項３において、前記サーバは、前記第１及び第２無線通信装置間の搬送周波数測定値を比較することによって周波数差情報を計算し、この周波数差情報は無線接続及び前記データネットワークで通信されることを特徴とする衛星ナビゲーションシステム。
- 衛星ナビゲーションシステムであって、軌道を回るナビゲーション衛星の信号捕捉が行われる前に誤差が存在している第１衛星ＧＰＳ受信機基準周波数を有する第１衛星ＧＰＳ受信機と、
前記第１衛星ＧＰＳ受信機と共用するために接続され、且つ前記第１衛星ＧＰＳ受信機周波数に関連付けられる無線搬送波を有する携帯電話と、
前記ナビゲーション衛星から捕捉した信号により、前記ナビゲーション衛星の基準周波数と同期した衛星基準周波数を取得するための第２衛星ＧＰＳ受信機と、
前記携帯電話からの前記無線搬送波の搬送周波数を測定するためのベース携帯電話サイトと、
前記ベース携帯電話サイトによる前記搬送周波数の測定値から前記第１の衛星ＧＰＳ受信機基準周波数のクロック誤差を算出し、
前記第１の衛星ＧＰＳ受信機基準周波数のクロック誤差を、前記第２衛星ＧＰＳ受信機が取得した前記衛星基準周波数と比較すると共に、
前記比較された誤差情報を周波数誤差を減らすべく前記第１衛星ＧＰＳ受信機に通信する ためのサーバと、からなり、
第１衛星ＧＰＳ受信機は、前記周波数誤差が全く低下しなかった場合よりも早く初期化できるようになっていることを特徴とする衛星ナビゲーションシステム。 - 請求項６において、前記第２衛星ＧＰＳ受信機及び前記ベース携帯電話サイトは固定された場所にあり、前記第１衛星ＧＰＳ受信機の位置の解の精度を向上させるために局所微分補正測定値を取得して前記サーバに通信することを特徴とする衛星ナビゲーションシステム。
- 前記サーバは、局所発振器の周波数誤差及び時間誤差のうち少なくとも一つを低減する情報を前記第１衛星ＧＰＳ受信機に提供することができることを特徴とする請求項６に記載の衛星ナビゲーションシステム。
- 請求項８において、前記サーバは、無線接続とデータネットワークで通信された前記第１及び第２衛星ＧＰＳ受信機間の時間測定値を比較することによって時間差情報を計算することを特徴とする衛星ナビゲーションシステム。
- 請求項８において、前記サーバは、前記携帯電話及び前記ベース携帯電話サイト間の搬送周波数測定値を比較することによって周波数差情報を計算し、この周波数差情報は無線接続及び前記データネットワークで通信されることを特徴とする衛星ナビゲーションシステム。
- 請求項３において、前記サーバは、温度測定（tempMeas）観測データを収集してそれをデータベースに格納し、そこからソフトウエア補償型水晶発振装置（SCXO）における受信機の感度及び捕捉性能を向上させるために用いられる温度周波数モデルを構築可能とすることを特徴とする衛星ナビゲーションシステム。
- 請求項１において、デュアルモードシステム構成において少なくともＧＰＳ衛星１個と３つの基地局とを用いることを特徴とする衛星ナビゲーションシステム。
- 請求項３において、前記サーバは、衛星の捕捉及び受信機の感度を向上させる時間差と周波数差のインフラストラクチャ情報及び温度測定を統合する全地球測位システム（ＧＰＳ）ディジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）用アプリケーション専用集積回路（ＡＳＩＣ）を含むことを特徴とする衛星ナビゲーションシステム。
- 軌道を回るナビゲーション衛星から捕捉した信号により、前記ナビゲーション衛星の基準周波数と同期した衛星基準周波数を取得するための第１衛星ＧＰＳ受信機と、
前記第１衛星ＧＰＳ受信機と連結され且つ基地局の区域内に位置している間に受信した無線搬送波に前記衛星基準周波数を関連させると共に、
前記基地局からの前記無線搬送波の搬送周波数測定値を取得すべく接続された第１携帯電話と、
誤差が存在する衛星ＧＰＳ受信機基準周波数を有すると共に、前記区域内で位置の解を提供するため第２衛星ＧＰＳ受信機と、
前記第２衛星ＧＰＳ受信機と連結され且つ前記基地局から受信した前記無線搬送波に前記衛星ＧＰＳ受信機基準周波数を関連させると共に、前記基地局からの前記無線搬送波の搬送周波数測定値を取得することができる第２携帯電話と、
前記第１携帯電話が取得した前記搬送周波数測定値を前記第２携帯電話に通信して、それを前記第２携帯電話が取得とした前記搬送周波数測定値と比較することによって、前記第２衛星ＧＰＳ受信機の前記衛星ＧＰＳ受信機基準周波数の周波数誤差を減らす構成となっていることを特徴とする衛星ナビゲーションシステム。
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