JP4105389B2 - 推定基準時間を利用してgps受信機の位置を測定する方法 - Google Patents
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Description
(関連出願とのクロスレファレンス)
本願は参考例として引用する、「セルラー電話システムのための縮小機能全地球測位システムよう受信機のコードシフトサーチスペース」を発明の名称とし、ウィリアム・O・キャンプ、ジュニア・キャンビッツ・ザンギおよびラジャラム・ラメッシュを発明者とし、本願出願人に譲渡された国際特許出願第PCT/US98/21709号に関連する出願である。
【0002】
(発明の背景)
(発明の技術的分野)
本発明は一般的には全地球測位システム(GPS)用受信機の位置を決定するための方法に関し、より詳細には、GPS受信機の位置を決定するのに使用される補助情報を、GPS受信機によって距離測定を行う時以外の異なる時間に計算する際のGPS受信機の位置を決定するための方法に関する。
【0003】
(関連出願の説明)
セルラー電話システム内で動作するセルラー電話の地理的位置を決定するよう、セルラー電話システムが装備されることが好ましく、近い将来、このことが強制的となる可能性が高い。これら条件を満たすために、これまでセルラー電話の位置を測定するために全地球測位システム(GPS)の受信機をセルラー電話に装備することが提案されている。しかしながら、GPS受信機は高価であり、セルラー電話のサイズを大きくし、セルラー電話に利用できる限られたバッテリーの電力を消費させてしまう。更に、GPS受信機はビル内または障害物、フェージング、反射または同様な現象に起因し、GPS衛星の送信信号が微弱となる他の領域では、良好には機能しない。
【0004】
GPS衛星信号の復調によって通常得られるような補助情報を得るのに使用される所定のGPS受信機の機能を省略すれば、GPS受信機をより小型にでき、より安価にでき、エネルギー効率をより良好にできることは一般に知られている。GPS衛星の信号を復調する代わりに別の手段を使ってGPS受信機に必要な補助情報を提供できる。この補助情報としては種々の情報、例えばGPS受信機を考慮に入れた現在あるGPS衛星のリスト、リストアップされたGPS衛星のドップラー偏位、リストアップされたGPS衛星の各々の暦データおよびリストアップされたGPS衛星の各々のクロック補正データが挙げられる。GPS受信機がGPS衛星の信号を復調する必要性をなくせば、GPS受信機は長時間にわたってGPS衛星の信号を積分することにより、障害物に起因する微弱信号の受信も可能となる。
【0005】
しかしながら、GPS受信機のための補助情報を計算するには、GPS受信機のおおまかな位置を知らなければならない。更に補助情報を計算するのに使用される概略的な位置に対するGPS受信機の正確な位置が精密になればなるほど、その結果、GPS受信機で実行すべき位置サーチも細かくなる。例えばGPS受信機の実際の位置の数百マイルの半径内の位置まで計算された補助情報がGPS受信機に与えられた場合、GPS受信機はGPS衛星までの実際の距離を測定する必要はなく、距離の各々のミリ秒の何分の1かを測定するだけでよい。これにより1ミリ秒のコードサイクルに対する相対的なコードシフト位置のロケーションを探すための必要な距離測定が大幅に簡略化される。しかしながら、これを行うにはGPS受信機はまだ位置を解法するのに使用すべきすべてのGPS衛星の1023のコードシフト位置のすべてをサーチしなくてはならない。
【0006】
これらコードシフト位置のすべてを同時にサーチするには、高速フーリエ変換相関器と逆高速フーリエ変換相関器との組み合わせによって、これらのコードシフトサーチを実行できる。このような周期的シーケンスのコードシフト位置を探すための技術は、オッペンハイマー・アンド・シェーファー著「デジタル信号処理」のような教科書に記載されている。かかる方法はストレートな相関化よりも計算上、より効率的であるが、それにもかかわらず、計算を集中させなければならず、別の機能も必要とし、限られたバッテリーの電力資源を消費してしまう。更に移動ユニットへ情報を伝え、GPS衛星の距離をサーチすることを補助する機会により、この方法は可能でない多くのコードシフト位置をサーチする計算サイクルを使用するので、この方法は計算上効率的でなくなる。
【0007】
1023のシフトコード位置のすべてをサーチする別の解決案は、多数のコードシフト位置を同時にサーチする特殊なハードウェアを構築することである。しかしながら、今日までコードシフト位置の何分の1か多いサーチを同時に行うこともできるハードウェア固有の解決案はなく、多数のサーチと長い遅延時間を必要としている。
【0008】
1997年10月15日に出願された「セルラー電話システムのための縮小機能全地球測位システム用受信機のコードシフトサーチスペース」を発明の名称とする継続中の本願出願人に譲渡された国際特許出願第PCT/US/98/217090号では、移動局内にある縮小機能GPS受信機を提供するための方法は、移動局にサービスしているセル内の既知の地理的位置に対して計算される補助情報を使用している。セルラー電話基地局によりサービスされるセル内の既知の位置に基づき、セルラー電話ネットワークに接続されているサーバーが補助情報を計算する。ある場合には、補助情報として、基地局を考慮に入れたGPS衛星のリスト、リストアップされたGPS衛星の各々に対するドップラー補正および既知の位置に対するユニバーサル時間でコーディネートされた時間に基づくリストアップされたGPS衛星の各々に対するコードシフト位置が挙げられる。別の場合には、補助情報として基地局を考慮に入れたGPS衛星のリスト、基地局のカバー範囲の中心位置およびユニバーサル時間でコーディネートされた時間に基づく、リストアップされた衛星の位置およびクロック補正が含まれる。
【0009】
この方法の欠点は、この方法が衛星の時間とGPS受信機によって行われる距離測定の時間との時間の同期化に依存していることである。しかしながら、多くの場合、GPS受信機が距離計算を行う時間はセルラー電話ネットワーク内のレイテンシー(潜伏期)に起因して変動する。従って、GPS衛星と時間の同期が無い補助情報に基づき、距離計算を実行するための方法を考え付くと有利となる。
【0010】
(発明の概要)
本発明は衛星受信機の位置を測定するための方法を含む。この方法はまず少なくとも4個の衛星を使って受信機の推定位置を計算するのに、GPS衛星基準時刻の推定値として使用するトライアル時刻を選択することによって開始する。選択されたトライアル時刻に基づき推定位置が計算される。すなわち、前記選択されたトライアル時刻と既知の位置の衛星補助情報と前記衛星補助情報を獲得した時刻とに基づき、前記少なくとも4個の衛星の各々の現在位置を計算する。次に、前記4個の衛星の各々から前記既知の位置までの第1の距離を計算し、前記4個の衛星の各々から前記衛星受信機の未知の位置までの第2の距離を測定する。次に、前記4個の衛星の各々から前記既知の位置までの計算された前記第1の距離と前記4個の衛星の各々から前記衛星受信機の未知の位置までの測定された前記第2の距離との間の差に基づき、補正ベクトルを計算し、前記既知の位置の座標に前記補正ベクトルを加えて、前記選択されたトライアル時刻における前記衛星受信機の推定位置を計算する。この推定位置から5番目の衛星までの第3の距離を計算し、推定位置から5番目の衛星までの第4の距離を測定する。次に第3の距離と第4の距離との間の比較を行う。第3の距離が第4の距離に等しくなければ、推定位置は真の位置ではなく、新しいトライアル時刻を選択し、方法を繰り返す。第3の距離と第4の距離とが実質的に等しくなれば、推定位置を真の位置とする。
【0011】
本発明をより完全に理解するには、添付図面と共に次の詳細な説明を参照する。
【0012】
(発明の詳細な説明)
次に図1を参照すると、この図には本発明の好ましい実施例による、地理的位置を測定するためのシステムの機能ブロック図が示されている。セルラー電話140に対し、セルラー電話ネットワーク110のうちのセルサイト120内に位置するセルラー電話基地局100がサービスするようになっている。セルサイト120は第1セクタ130と、第2セクタ132と、第2セクタ134とに分割されており、図1は第1セクタ130内にセルラー電話140が位置している状態を示している。このセルラー電話140は複数のGPS衛星160からのGPS衛星の送信信号を受信する縮小機能GPS受信機150も含んでおり、この縮小機能GPS受信機150はGPS衛星160の信号を復調し、補助情報を決定するための機能は含まない。その代わりに、位置を決定するのに必要であり、更にサーチすべきドップラー周波数偏位およびコード位相シフトの範囲も縮小する補助情報が、別のソースから縮小機能GPS受信機150へ与えられるようになっている。
【0013】
サーチ空間を縮小するのに必要な補助情報内に、種々の異なる組の情報を含ませることができ、各情報の組は所定の利点と欠点とを有する。第1の組の情報としては、縮小機能GPS受信機150を考慮に入れた衛星160のリスト、リストアップされた衛星160のドップラー周波数およびリストアップされた衛星160に対して予想されるコード位相関係を挙げることができる。しかしながら、この情報はリストアップされた衛星160に対する、予想されるコード位相関係が時間と共に急速に劣化する際には極めて小さいレイテンシーで送らなければならない。更に、測定時に衛星160の位置を決定するには、ある種の時間同期化が必要である。
【0014】
別の組の補助情報としては、縮小機能GPS受信機150を考慮に入れた衛星160のリスト、リストアップされた衛星160の暦データ、リストアップされた衛星160にのクロック補正データ、縮小機能GPS受信機150の概略位置およびタイミング情報が挙げられる。この場合、この情報のレイテンシーはあまり問題ではなく、ドップラー周波数および衛星信号間の相対的コードの位相を計算できる。しかしながら、疑似距離を効率的にサーチし、測定するには、時間情報は数秒内に既知とならなければならない。例えば、まさに測定時に正確に衛星160の位置を定める際に位置を解法するには、時間情報は10ミリ秒内に既知となっていなければならない。この情報は標準時間、内部クロックまたはセルラー電話ネットワークから得ることができる。時間情報はGPS信号からも得ることができるが、GPS信号の復調を行うには縮小機能GPS受信機に別の機能を増設する必要がある。
【0015】
第3の組の補助情報としては、縮小機能受信機150を考慮に入れた衛星160のリスト、リストアップされた衛星160に関する位置データおよび動きデータ、リストアップされた衛星160のクロック補正および縮小機能GPS受信機150の概略的な位置が挙げられる。既知時間における衛星160の位置および短期の動きに関するこの組の補助情報は、従来の暦情報および時間情報の代わりである。この組の補助情報および縮小機能GPS受信機の位置を定めるための本発明の方法を使用することにより、高速信号サーチおよび測定をするために60秒までの待ち時間を許容できる。上記いずれのケースにおいても、差分GPS補正データを加えることが可能である。
【0016】
既知の位置としては、基地局100の位置か、またはこれとは異なり、セルラー電話が位置するセクタ130の中心200のいずれかがある。補助情報を計算するのに、基地局100のカバーエリア内の既知の位置を使用できる。また、基地局100または補助情報を計算するサーバー170にあるGPS受信機180を使用することを含む任意の方法によって位置を決定できる。
【0017】
基地局100はGPSの暦情報およびGPS衛星160の現在のステータスに関するクロック補正データを得て、これらを周期的に更新する。好ましい実施例では、データサービス190からセルラー電話ネットワーク110を介し、基地局100によりGPSの暦情報およびクロック補正データが得られる。これとは異なり、基地局100またはサーバー170に位置するGPS受信機180により受信されるGPS衛星160の送信信号から直接情報を得ることができる。
【0018】
将来、ワイドエリアオーギュメンテーションシステム(WAAS:Wide Area Augmentation System)として知られる補助的GPS関連システムが運用されると、基地局100またはサーバー170にあるGPS受信機180の差分補正情報を得ることができるようになる。この差分補正情報によってGPS受信機はより高い精度で受信機の位置を計算できるようになる。
【0019】
基地局100または遠隔地のいずれかにあるサーバー170は、GPS受信機180またはデータサービス190のいずれかから得た情報を使って補助情報を計算でき、この情報はその後、基地局100へ伝送され、セルラー電話140内にある縮小機能GPS受信機150へ送信される。この補助情報としては、例えば基地局100を考慮に入れたGPS衛星160のリスト、クロック補正情報、縮小機能GPS受信機が距離測定を行うことになる最も確率の高い時間に対応する、リストアップされたGPS衛星160の各々の位置に対する三次元座標、リストアップされたGPS衛星160の各々の三次元速度および軌跡、および補助情報を計算するのに使用される既知の位置の三次元座標が挙げられる。速度情報を使用してリストアップされたGPS衛星160の各々のドップラー周波数が計算される。衛星160の位置、既知のロケーションの位置およびクロック補正データを使って、リストアップされたGPS衛星160の各々の予想コード位相シフトが計算される。これとは異なり、補助データとして基地局100を考慮に入れたGPS衛星160のリスト、クロック補正情報、リストアップされたGPS衛星の各々の暦データ、および補助情報を計算するのに使用される既知のロケーションの三次元座標が挙げられる。
【0020】
セルサイト120が多数のセクタに分割され、基地局100がセルラー電話140の運用中のセクタ、本例では第1セクタ130を決定できる場合、サーバー170はセル120の中心ではなく、セクタ130の中心位置200に基づく補助情報を計算する。中心位置200に基づく補助情報の計算は、補助情報の精度を高める。その理由は、セルラー電話140はセルの中心にある基地局100よりも、中心位置200により近く位置している確率のほうが高いからである。中心位置200の地理的座標はセクタ130の実際の中心に設ける必要はなく、むしろセルラー電話が位置する確率が最も高い位置、例えばセクタ内のショッピングモール、複合オフィス、空港またはスポーツ施設内に設けることができる。しかしながら、セルサイト120を多数のセクタに分割しない場合、または基地局100がセルラー電話140の運用中のセクタを決定できない場合、基地局100の地理的位置に基づき補助情報が計算される。
【0021】
別の実施例では、基地局100の地理的位置の代わりに商取引エリアまたは都市サービスエリアの地理的な中心位置が使用される。どのセルラー電話サービスエリアもセルラー電話140において読み取られるシステムID(SID)で識別される。セルラー電話140はこれら位置に関する補助情報および現在のSIDに関連する情報を参照するか、または補助情報をサーバー170に記憶し、セルラー電話がSIDをサーバー170に提供し、サーバー170が補助情報を提供するかのいずれかを行うことができる。
【0022】
サーバー170が補助情報を計算した後に、基地局100は補助情報をセルラー電話140内の縮小機能GPS受信機150へ送信する。この補助情報は種々の方法で縮小機能GPS受信機150へ送信できる。例えば移動通信プロトコルのためのグローバルシステム(GSM)を使用するセルラー電話ネットワークでは、ショートメッセージサービスを通して送ることができ、トラヒックチャンネルを通してパケットデータメッセージを送り、制御チャンネルを通して一斉送信メッセージを送ることができる。補助情報はセルラー電話ネットワーク110とセルラー電話140との間で情報を送信するための、業界で一般に知られている方法に合致する態様で送られる。セルラー電話140内のトランシーバー141は基地局100からの送信信号を受信し、コントローラ142(これもセルラー電話140内にある)がこの情報を補助情報として識別し、縮小機能GPS受信機150にこの補助情報を提供する。更に、特定のセルラー電話への要求時、または一斉送信チャンネルを介して複数のセルラー電話のいずれかに補助情報を送ることができる。
【0023】
次に、更に図2を参照すると、ここには例えば本発明の好ましい実施例により地理的位置を測定するための、複数のGPS衛星220a-nと、既知の位置230と、未知の位置240とが示されている。補助情報内にリストアップされたGPS衛星220a-nの各々は、一組の三次元座標(Xa-n、Ya-n、Za-n)を有する。一般にはすべての座標に対し、地球を中心とする中心固定系を使用する。既知の位置230も一組の三次元座標(X、Y、Z)を有する。既知の位置230から各GPS衛星220a-nまでの距離Ra-nは次の式によって計算される。
【0024】
【数1】
【0025】
縮小機能GPS受信機150は、補助情報を使用することにより、光速の既知の値、および各衛星に対する個々のクロック補正値を使用する、業界で公知の方法により各衛星220a-nに対するコードシフト位置を計算する。縮小機能GPS受信機150はGPS衛星220a-nの各々に対するコードシフトサーチスペースもサーチし、GPS衛星220a-nの各々に対する測定されたコードシフト位置を決定する。計算されたコードシフト位置から測定されたコードシフト位置が引かれ、各GPS衛星220a-nまでの距離を計算する。これらデルタ距離に既知の位置から各GPS衛星220a-nまでの単位ベクトルのコサインのマトリックスの逆数を乗算すると、X、YおよびZに対する補正ベクトル補正値が得られ、これら値は既知の位置230へ加えられ、未知の位置240を決定する。
【0026】
次に図3を参照すると、ここには本発明の好ましい実施例に係わる地理的位置を測定するための方法のフロー図が示されている。縮小機能GPS受信機により補助情報が受信されると、少なくとも4個のGPS衛星の三次元の位置座標が計算される(ステップ310)。補助情報がGPS衛星の座標および時間T0における衛星の速度および軌跡を含む場合、この速度に時間を掛け、時間T0からT1までの間に軌跡に沿って進んだ距離を計算することによって、現在時間T1におけるGPS衛星の位置を計算する。他方、その代わりに補助情報が暦データを含む場合、GPS受信機内で良好に知られている、一般に知られる態様でGPS衛星の位置を計算する。
【0027】
上出の式を使ってGPS衛星から既知の位置までの距離を計算し(ステップ320)、また図2に記載されているコードシフト測定方法を使ってGPS衛星から未知の位置までの距離を測定する(ステップ330)。計算された距離と測定された距離との差を計算し(ステップ340)、図2に記載されているように補正ベクトルを計算する(ステップ350)。既知の位置に補正ベクトルを加えることにより、推定位置を計算する(ステップ360)。この時点ではGPS衛星に対する実際の時間基準はトライアルの推定値にすぎないので、位置が推定されるだけである。従って、推定位置は検証する必要がある。
【0028】
推定位置が実際の位置であるかどうかを検証するために、推定位置から受信機を考慮に入れた衛星リスト内にある5番目のGPS衛星までの距離を計算し(ステップ370)、推定位置から5番目のGPS衛星までの距離を測定する(ステップ380)。次に、推定位置と5番目のGPS衛星との間の計算距離と測定距離との差を計算し(ステップ390)、推定位置が実際の位置であるかどうかの判断を行う(ステップ400)。計算された距離と測定された距離との差がゼロであれば、推定位置は実際の位置である。他方、計算された距離と測定された距離との差がゼロでなければ、ステップ300における選択時間は正しくなく、推定位置も正しくない。この場合、新しいトライアル時刻を選択し(ステップ410)、ステップ310で始まるプロセスを繰り返す。2つの正しくないトライアル時刻を選択した後に、3番目のトライアル時刻を選択する際に、移動方向に関する判断を行い、正しい基準時間を識別するのに任意のサーチルーチンを使用できる。
【0029】
推定円軌道に基づく軌道運動に対し、高次の補正を適用できると仮定する。これにより衛星位置の計算に対し、簡単な二次の補正が可能である。この真の効果は疑似距離測定の時間における数分の不確実性までこの方法を有効にすることである。
【0030】
以上で、添付図面に本発明の方法の実施例を示し、これまでの詳細な説明に記載したが、本発明は開示した実施例のみに限定されるものでなく、次の請求項に記載された発明の要旨から逸脱することなく、多数の再配置、変形および置換が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の好ましい実施例により、地理的位置を決定するためのシステムの機能ブロック図である。
【図2】 本発明の好ましい実施例に従い、例えば地理的位置を測定するための例を示す複数のGPS衛星および既知の位置を未知の位置とを示す。
【図3】 本発明の好ましい実施例に従い、地理的位置を決定するための方法のフローチャートである。
Claims (5)
- 衛星受信機(150)の現在の未知の位置(240)を除く既知の位置(230)に基づく衛星補助情報を計算可能な情報源から前記衛星補助情報を受信する工程を含む、当該衛星受信機が自機の現在の真の位置を決定する方法であって、
(a)少なくとも4個の衛星を使用して当該衛星受信機の推定位置を計算するために、GPS衛星基準時計により表わした現在時刻の推定値として使用するトライアル時刻を選択する工程(300)と、
(b)前記選択されたトライアル時刻と前記既知の位置に基づく衛星補助情報とに基づき、前記少なくとも4個の衛星の各々の前記選択されたトライアル時刻における推定位置を計算する工程(310)であって、前記衛星補助情報が、前記既知の位置を考慮した衛星のリストと、クロック補正情報と、該リストされた各衛星の暦データと、地球を中心とする座標系で表わした前記既知の位置の三次元座標とを含み、前記暦データの情報を外挿して前記推定位置を計算する工程を含む工程(310)と、
(c)前記4個の衛星の各々の前記選択されたトライアル時刻における計算された推定位置から前記既知の位置までの第1の距離を計算する工程(320)と、
(d)前記4個の衛星の各々の現在位置から当該衛星受信機の現在の未知の位置までの第2の距離を測定する工程(330)と、
(e)前記4個の衛星の各々の前記選択されたトライアル時刻の推定位置から前記既知の位置までの計算された前記第1の距離と、前記4個の衛星の各々の現在位置から当該衛星受信機の現在の未知の位置までの測定された前記第2の距離との間の差に基づき、補正ベクトルを計算する工程(350)と、
(f)前記既知の位置の座標に前記補正ベクトルを加えて、前記選択されたトライアル時刻に基づく当該衛星受信機の推定位置を計算する工程(360)と、
(g)当該衛星受信機の推定位置から5番目の衛星の前記選択されたトライアル時刻の推定位置までの第3の距離を計算する工程(370)と、
(h)当該衛星受信機の現在の未知の位置から前記5番目の衛星の現在位置までの第4の距離を測定する工程(380)と、
(i)前記第3の距離と前記第4の距離とを比較する工程(390、400)と、
(j)前記第3の距離が実質的に前記第4の距離に等しい場合、前記工程(360)で計算された推定位置を当該衛星受信機の現在の真の位置として認める工程と、
前記第3の距離が前記第4の距離と等しくない場合、
(k)GPS衛星基準時計により表わした現在時刻の新たな推定値として使用する、新たなトライアル時刻を選択する工程(410)と、
(l)工程(b)で始まるプロセスを繰り返す工程と、
を備えることを特徴とする衛星受信機が自機の現在の真の位置を決定するための方法。 - 前記補正ベクトルを計算する工程(350)は、
前記4個の衛星の各々の前記選択されたトライアル時刻で計算された推定位置から前記既知の位置までの計算された前記第1の距離と、前記4個の衛星の各々から当該衛星受信機の現在の未知の位置までの測定された前記第2の距離との差に、前記既知の位置から前記4個の衛星の各々の前記選択されたトライアル時刻の推定位置までの単位ベクトルのコサインのマトリックスの逆数を乗算する工程を含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 前記衛星補助情報を受信する工程は、セルラー電話(140)の一部である当該衛星受信機へのセルラー電話ネットワーク(110)を通して、前記情報源からの前記衛星補助情報を受信する工程を含むことを特徴とする請求項1または2に記載の方法。
- 衛星受信機(150)の現在の未知の位置(240)を除く既知の位置(230)に基づく衛星補助情報を計算可能な情報源から、前記衛星補助情報を受信する手段を含む衛星受信機であって、
請求項1乃至3のいずれか1項に記載の方法を実施する手段を有することを特徴とする衛星受信機。 - 当該衛星受信機はセルラー電話機(140)に含まれることを特徴とする請求項4に記載の衛星受信機。
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US08/993,492 | 1997-12-18 | ||
US08/993,492 US6084544A (en) | 1997-12-18 | 1997-12-18 | Method for determining the location of a GPS receiver using an estimated reference time |
PCT/US1998/026520 WO1999031524A1 (en) | 1997-12-18 | 1998-12-14 | Method for determining the location of a gps receiver using an estimated reference time |
Publications (2)
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