JP4489227B2 - Ｇｐｓ受信機用のジャミング検出およびブランキング - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願は、１９９９年２月４日にＫＵＤＨＲＥＴＨＡＹＡ Ａ． ＳＨＲＩＤＨＡＲＡおよびＰＡＵＬ Ａ． ＵＮＤＥＲＢＲＩＮＫによって出願された「ＳＰＲＥＡＤ ＳＰＥＣＴＲＵＭ ＲＥＣＥＩＶＥＲ ＰＥＲＦＯＲＭＡＮＣＥ ＩＭＰＲＯＶＥＭＥＮＴ」というタイトルの、同時係属出願でかつ同一譲受人の特許出願番号第０９／２４４，６９６号（代理人の事件整理番号３１００８．９７ＵＳ０１）に関連し、この文献を本明細書中で参考として援用する。
【０００２】
本発明は、概して、拡散スペクトル（ｓｐｒｅａｄｉｎｇ ｓｐｅｃｔｒｕｍ）通信およびグローバルポジショニングシステムに関する。本発明は、具体的な実施形態においては、ジャミング信号の存在下におけるグローバルポジショニングシステムの性能を向上するシステム、プロセス、およびデバイスに関する。
【０００３】
【従来の技術】
人間により最初に使用された航法システムはおそらく太陽であろう。太陽は東から昇り西に沈むので、移動が日中に行われる限り、空における太陽の位置から方向を得ることができた。海上交易が出現するに伴い、夜間にも方向を確認する必要が生じ、天体航法が誕生した。それらの精度を増すために、天体および太陽航法は改善され、地図、海図、ならびにアストロラーベおよび羅針盤などの装置を介して補強された。そのような装置により補強したとしても、天体および太陽航法は誤差を生みがちであり、Ａ点からＢ点に移動するのは、尚もって、ある程度試行錯誤を要する問題であった。
【０００４】
無線の出現、特に強力な商用無線局の出現に伴い、地上局ベースの無線方向探知（ＲＤＦ）が実現した。ＲＤＦの背景にある原理は、比較的単純である。ナビゲータは、指向性アンテナを使用してある無線局に周波数を合わせ、その無線局の方位を発見し得る。次に、ナビゲータは、第２の無線局に周波数を合わせ、その局の方位を発見し得る。方位を知ることと、両無線局の地図上の位置を知ることとにより、ナビゲータの位置を計算し得る。
【０００５】
長距離航空輸送における進歩の継続は、航空機を正確に誘導する能力を必要にした。この要求を満たすためにＲＤＦが使用され、航法のために地上局ベースのビーコンが開発された。これらのビーコンは、すべての航空機のみならず船舶にとっても急速に不可欠となった。
【０００６】
グローバルポジショニングシステム（ＧＰＳ）も無線航法に基づくが、相違点は、ビーコンがもはや静止性でなく、地上ベースでないことである。ＧＰＳシステムは、衛星ベースの航法システムであって、２４基の衛星に加え軌道上にスペア（ｓｐａｒｅｓ）を有し、１１，０００海里上空の宇宙空間で、均等に配置された６本の軌道を周回している。各衛星は、１２時間で地球を一周する。
【０００７】
ＧＰＳの主たる機能は、時計として作用することである。各衛星は、搭載する１０．２３ＭＨｚセシウム原子時計から信号を得る。各衛星は、その特定の疑似ノイズ（ＰＮ）コードを伴って、拡散スペクトル信号を送信する。明瞭に異なるＰＮコーディングシーケンスを使用して、同一のスペクトルで、複数の信号を送信することにより、衛星は、互いに干渉せずに同一の帯域幅を共有し得る。ＧＰＳシステムに使用されるコードは１０２３ビット長で、毎秒１．０２３メガビットの速度で送信され、毎マイクロセカンドにおよそ１度のタイムマークを発生するが、これは時として「チップ」と称される。このシーケンスは毎ミリセカンドに１度反復され、進路獲得コード（Ｃ／Ａコード）と称される。２０サイクルごとにコードは位相を変更し得、他の衛星すべての「アルマナック（ａｌｍａｎａｃ）」含有データを有する１５００ビット長のメッセージをコード化する。
【０００８】
ＧＰＳ機構により指定されているＰＮコードは３２ある。そのうち２４は、現在軌道を周回中の衛星に属し、２５番目のＰＮコードは、任意の衛星に割り当てられないよう指定されている。残りのコードは予備のコードであって、古いユニットまたは故障したユニットと交換される新規の衛星に使用され得る。異なるＰＮシーケンスを使用するＧＰＳ受信器は、一致を探して信号スペクトルを走査する。ＧＰＳ受信器は、一致を発見した場合、その信号を発生した衛星を識別する。
【０００９】
地上ベースのＧＰＳ受信器は、三角測量と称される無線方向探知機（ＲＤＦ）の方法論の変形を使用して、その地上ベースＧＰＳ受信器の位置を判定し得る。ＧＰＳの位置判定は、無線ビーコンがもはや静止性でなく、地球を毎秒約１．８マイルの速度で周回し、宇宙を移動する衛星である点で、ＲＤＦ技術とは異なる。宇宙ベースであることにより、ＧＰＳシステムは、三角測量などの方法を用いて、事実上、地球上の任意の点の位置を確定するのに使用できる。
【００１０】
この三角測量は、衛星から時刻信号を獲得するＧＰＳ受信器ユニットに依存している。実際の時刻を知り、これを衛星から受信した時刻と比較することにより、受信器は衛星までの距離を計算し得る。例えば、ＧＰＳ衛星が、受信器から１２，０００マイルにあれば、受信器は、その衛星から半径１２，０００マイルで規定された空間のどこかに存在するに違いない。次に、ＧＰＳ受信器が第２の衛星の配置を確認した場合、この第２の衛星の周りの配置球空間に基づき、受信器の位置を計算できる。２つの球空間は交差し、円を形成しているので、ＧＰＳ受信器はその配置円内のどこかに位置するに違いない。第３の衛星の配置を確認することにより、ＧＰＳ受信器は、第３の衛星の周囲の配置球空間を予測できる。第３の衛星の配置球空間は、最初の２つの衛星の配置球空間の交差により形成される配置円と、わずか２つの点で交差する。配置球空間がその２つの可能な配置点の１つと交差する、もう１つの衛星の配置を判定することにより、ＧＰＳ受信器の正確な位置が判定される。その結果、正確な時刻も判定し得る。これは、すべての衛星の配置を説明し得る時刻オフセットは１つしかないからである。三角測量法は、３０メートルのオーダーの精度で位置を算出するが、ＧＰＳ位置判定の精度は、信号強度および多重通路反射により劣化し得る。
【００１１】
一度に１１基までの衛星が、ＧＰＳ受信器により受信され得る。峡谷など、特定の環境では、遮蔽される衛星もあるので、ＧＰＳ位置決定システムは、水平線近くの衛星など、弱い信号強度を有する衛星に位置情報を依存し得る。別の場合には、ＧＰＳ受信器ユニットにより受信された信号強度を頭上の枝が低減し得る。いずれの場合も、信号強度が低減され得る。
【００１２】
通信に無線スペクトルを使用する方法は複数ある。例えば、周波数分割多重アクセス（ＦＤＭＡ）システムでは、周波数帯が、連続する周波数スロットに分割され、異なる送信機が異なる周波数スロットに割り当てられる。
【００１３】
ｎ時分割多重アクセス（ＴＤＭＡ）システムでは、各送信機が発信し得る時間が１つのタイムスロットに限定されているので、送信機はメッセージを次々に送信するが、割り当てられた時間の間のみ送信する。ＴＤＭＡでは、各送信機が送信する周波数は、一定周波数であり得るか、または連続的に変化する（周波数ホッピング）。
【００１４】
複数のユーザに無線スペクトルを割り付ける第３の方法は、拡散スペクトルとしても知られる、コード分割多重アクセス（ＣＤＭＡ）を使用するものである。ＣＤＭＡでは、すべてのユーザが常に同じ周波数帯で送信する。各ユーザは、そのユーザの送信を他のすべてから分離するのに使用される専用のコードを有する。このコードは、一般的に拡散コードと称される。これは、その帯域幅全体に情報を広げるからである。また、このコードは、一般的に疑似ノイズまたはＰＮコードとも称される。ＣＤＭＡ送信では、送信データの各ビットは、送信されるデータが「１」の場合、その特定ユーザの拡散コードにより置換され、送信されるデータが「０」の場合、拡散コードの逆により置換される。
【００１５】
受信器で送信を復号するためには、コードを「非拡散」する必要がある。非拡散化のプロセスは、入来する信号を用い、これを拡散コードにより乗算して、結果を合計する。このプロセスは、一般的に相関として知られ、信号がＰＮコードに相関すると、一般的に言われる。非拡散化のプロセスでは、オリジナルデータが他のすべての送信から分離され得、オリジナルの信号が復元され得る。ＣＤＭＡシステムに使用されるＰＮコードの属性は、１つの拡散スペクトルコードの存在が、別コードの復号の結果を変えないというものである。あるコードが別のコードの存在に干渉しない属性は、しばしば直交性と称され、この属性を処理するコードは、直交であると言われる。
【００１６】
拡散スペクトル信号からデータを抽出するプロセスは、一般的に、相関、復号、および非拡散など多くの用語により知られている。本願において、これらの用語は、相互置き換え可能なものとして使用する。
【００１７】
拡散スペクトルシステムにより使用されるコードは、一般的に様々な用語により称され、ＰＮ（疑似ノイズ）コード、ＰＲＣ（疑似ランダムコード）、拡散コード、非拡散コード、および直交コードを含むが、これらに限定されない。本願において、これらの用語も、相互置き換え可能なものとして使用する。
【００１８】
ＣＤＭＡがしばしば拡散スペクトルと称されるのは、送信帯域幅が広いからである。拡散スペクトルは、数々の利点を有する。ある利点は、データ送信がスペクトル全体に広がるので、拡散スペクトルは、他のいくつかのプロトコルよりも妨害に耐え得る。別の利点は、メッセージが低電力で送信されても尚、出コードされることであり、更に別の利点は、ひとつの受信機で複数の信号を同時に受信することができる点にある。
【００１９】
グローバルポジショニングシステム（ＧＰＳ）は、拡散スペクトル技術を使用して、データを地上ユニットに伝達している。拡散スペクトルの使用は、ＧＰＳシステムにおいて特に有利である。拡散スペクトル技術は、ＧＰＳ受信器が信号周波数で動作することを可能にするので、複数周波数が使用される場合に、他の周波数帯に切り替えて調整するために必要な追加のエレクトロニクスを省略する。また、拡散スペクトルは、例えば、５０ワット以下を必要として、実質的妨害に耐えるのに、ＧＰＳ送信器の電力消費要求を最小化する。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
ＧＰＳシステムは広く利用されているが、その性能を劣化させたり使用を妨害する条件が存在する。ＧＰＳ信号の受信の改善は、絶えず求められている。ＧＰＳ信号の受信において、地上ベース受信器の性能を改善するために、より優れた感度が必要とされている。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明のジャミング信号の存在下におけるＧＰＳ受信機内の誤差を最小化する方法は、ジャミング信号と関連してＧＰＳ信号を受信するステップと、上記ジャミング信号を検出するステップと、上記ジャミング信号によってＧＰＳ受信機内に発生した誤差を低減するような対策を適用するステップと、を包含する方法により、上記課題が達成される。
【００２２】
上記ジャミング信号を検出するステップが、上記ＧＰＳ受信機内の温度変化を検出するステップと、上記ＧＰＳ受信機内の上記温度変化から予測されるクロックドリフトを決定するステップと、上記ＧＰＳ受信機内における上記ＧＰＳ受信機の実際のクロックドリフトを決定するステップと、上記温度変化によって予測された上記クロックドリフトを上記ＧＰＳ受信機の上記実際のクロックドリフトと比較し、これにより、ジャミング信号の存在を検出するステップと、を包含してもよい。
【００２３】
上記ジャミング信号を検出するステップが、上記ＧＰＳ受信機についての信号対雑音比を決定するステップと、上記信号対雑音比の急激な降下を検出し、これにより、ジャミング信号の存在を検出するステップと、を包含してもよい。
【００２４】
上記ジャミング信号を検出するステップが、ＧＰＳ周波数における信号強度値を決定するステップと、上記ＧＰＳ周波数における上記信号強度値を信号強度最大値と比較し、これにより、ジャミングを検出するステップと、を包含してもよい。
【００２５】
上記ジャミング信号を検出するステップが、ＧＰＳ信号を第１の相関器におけるＰＮコードに相関させ、これにより、上記第１の相関器の出力が上記ＰＮコードが存在することを示すようにする、ステップと、上記ＧＰＳ信号を第２の相関器における遅延したＰＮコードに相関させるステップであって、上記遅延は、上記第２の相関器の出力が上記遅延ＰＮコードが存在しないことを示すのに十分な遅延である、ステップと、上記第２の相関器の出力の上昇に相当する上記第１の相関器の出力値の降下について上記第１の相関器の出力をモニタリングし、これにより、ジャミングを検出するステップと、を包含してもよい。
【００２６】
上記ジャミング信号を検出するステップが、受信したＧＰＳ信号を上記ＧＰＳ信号内には含まれていないＰＮコードに相関させるステップと、相関出力の上昇を検出し、これにより、ジャミングを検出するステップと、包含してもよい。
【００２７】
上記ジャミング信号を検出するステップが、受信したＧＰＳ信号を上記ＧＰＳ信号内には含まれていないＰＮコードに複数の相関器で相関させるステップであって、連続する相関器間において上記ＰＮコードが遅延される、ステップと、上記複数の相関器の相関出力の上昇を検出し、これにより、ジャミングを検出するステップと、を包含してもよい。
【００２８】
上記ジャミング信号を検出するステップが、受信したＧＰＳ信号を上記ＧＰＳ信号内には含まれていないＰＮコードに複数の相関器で相関させるステップであって、上記受信したＧＰＳ信号には複数のＰＮコードは存在しない、ステップと、上記複数の相関器の相関出力の上昇を検出し、これにより、ジャミングを検出するステップと、を包含してもよい。
【００２９】
上記ＧＰＳ信号内には含まれていない上記ＰＮコードは上記ＧＰＳ受信機によって受信されないＧＰＳ衛星からのＧＰＳコードであってもよい。
【００３０】
上記ＧＰＳコードは、ＧＰＳ機構によっていずれのＧＰＳ衛星にも存在しないことが保証された２５番目のＧＰＳコードであってもよい。
【００３１】
上記対策を適用するステップが、上記ＧＰＳ受信機の機能をディセーブルするステップを包含してもよい。
【００３２】
上記対策を適用するステップが、上記ジャミングが存在する間に位置決定の推測航法を適用するステップを包含してもよい。
【００３３】
上記対策を適用するステップが、ジャミング信号の存在の指標を提供するステップを包含してもよい。
【００３４】
上記対策を適用するステップが、位置決定のバックアップ方法にデフォルトするステップを包含してもよい。
【００３５】
本発明のジャミング信号の存在下におけるＧＰＳ受信機内の誤差を最小化する装置は、上記ジャミング信号を検出する手段と、上記ジャミング信号によってＧＰＳ受信機内に発生した誤差を低減する対策手段と、を備えることにより、上記課題が達成される。
【００３６】
上記ジャミング信号を検出する手段が、ＧＰＳユニット温度の変化を測定する温度センサと、上記ＧＰＳユニット温度の変化を受信し、上記ＧＰＳユニット温度の変化から予測されるクロックドリフトを決定する演算回路と、実際のクロックドリフトを決定する回路と、上記予測クロックドリフトおよび上記実際のクロックドリフトを受信し、上記実際のクロックドリフトを上記予測クロックドリフトと比較して差を決定する比較器であって、これにより、ジャミングが検出できる、比較器と、
を備えていてもよい。
【００３７】
上記ジャミング信号を検出する手段が、存在する信号の量を決定する回路と、上記信号中に存在するノイズの量を決定する回路と、上記存在する信号の量を受信するとともに上記信号中に存在する上記ノイズの量を受信して、信号対雑音比を決定する演算回路と、上記演算回路に接続され、上記信号対雑音比を受信するとともに、上記信号対雑音比の急激な変化を検出し、これにより、ジャミングを検出するモニタリング回路と、を備えていてもよい。
【００３８】
上記ジャミング信号を検出する手段が、ＧＰＳ伝送帯における上記信号の強度をモニタリングする信号強度検出回路と、上記信号強度検出回路に接続され、上記ＧＰＳ伝送帯における上記信号の強度を受信し、上記ＧＰＳ伝送帯における上記信号の強度を予測される最大値と比較し、これにより、ジャミングを検出する、比較器回路と、を備えていてもよい。
【００３９】
上記ジャミング信号を検出する手段が、第１の相関器と、上記第１の相関器に接続されるＰＮコードであって、これにより、ＧＰＳ信号中におけるＰＮコードの存在が上記第１の相関器からの高出力によって検出される、ＰＮコードと、第２の相関器と、上記ＰＮコードおよび上記第２の相関器の間に配置され、上記ＰＮコードを受信し、上記ＰＮコードを上記第２の相関器に接続する前に上記ＰＮコードを遅延する遅延回路であって、上記遅延は、上記第２の相関器の低出力によって上記遅延ＰＮコードが存在しないことを示すのに十分な遅延である、遅延回路と、上記第１の相関器および上記第２の相関器の出力を受信し、上記第２の相関器の出力の上昇に相当する上記第１の相関器の出力値の降下を決定する回路であって、これにより、ジャミングの存在が検出される、回路と、を備えていてもよい。
【００４０】
上記ジャミング信号を検出する手段が、ＧＰＳ信号およびＰＮコードを受信するように接続された１つ以上の相関器のチェーンであって、上記ＰＮコードは連続的に遅延されており、上記相関器のチェーンの出力が低い値を示すようになっている、相関器チェーンと、上記相関器の出力に接続され、上記相関器の出力値の上昇を検出するモニタリング回路であって、これにより、ジャミング信号を検出する、モニタリング回路と、を備えていてもよい。
【００４１】
上記ジャミング信号を検出する手段が、ＧＰＳ信号および異なる複数のＰＮコードを受信するように接続された複数の相関器であって、上記相関器の出力が低い値を示すようになっている、複数の相関器と、上記相関器の出力に接続され、上記相関器の出力値の上昇を検出するモニタリング回路であって、これにより、ジャミング信号を検出する、モニタリング回路と、を備えていてもよい。
【００４２】
上記対策手段が、ジャミング信号が存在することを示す指標を受信し、上記ジャミング信号が存在することを示す指標を受信したときに上記ＧＰＳ受信機をディセーブルする回路、を備えていてもよい。
【００４３】
上記対策手段が、ジャミング信号が存在することを示す指標を受信し、上記ジャミング信号が存在することを示す指標を受信したときに上記ＧＰＳ受信機をディセーブルする回路と、上記ジャミング信号が存在することを示す指標を受信したときに、上記ＧＰＳ受信機の位置を更新する手段として推測航法を適用する回路と、
を備えていてもよい。
【００４４】
上記対策手段が、ジャミング信号が存在することを示す指標を受信し、上記ジャミング信号が存在することを示す指標を受信したときに上記ＧＰＳ受信機をディセーブルする回路と、上記ジャミング信号が存在することを示す指標を受信したときに、上記ＧＰＳ受信機の位置を更新するためにバックアップ位置決定システムにデフォルトする回路と、を備えていてもよい。
【００４５】
したがって、本発明の好適な実施形態は、拡散スペクトル技術を用いるＧＰＳ受信器、および、ＧＰＳ受信器を用いるシステムに関する。
【００４６】
データを受信するためには、拡散スペクトル受信器は、ＰＮコードが存在することを判定しなければならない。ＰＮコードが受信された信号中に存在することを判定するためには、受信された信号は、ビット毎にＰＮコードと比較されなければならない。このＰＮコードとのビット毎の信号比較のプロセスは、一般的に相関と呼ばれる。通常、ＧＰＳユニット内の相関器は、公知のＧＰＳコードを受け取られた拡散スペクトル信号と比較して、所定のＧＰＳ信号の存在を判定する。ＧＰＳシステムは、特定のＰＮコードを含む信号（つまり特定のＧＰＳ衛星からの信号）が見つかった表示として、相関器からの高い出力を探す。
【００４７】
さまざまなソースからのジャミング干渉（ｊａｍｍｉｎｇ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）は、ＧＰＳ信号を発見して復号化するプロセスを混乱し得る。ＧＰＳ信号を発見して復号化するプロセスが混乱させられた場合、誤差が起こり得る。ジャミングが続く場合、これらの誤差が積み重なり得る。これらジャミングが誘発し、積み重なった誤差の結果として、位置に関する甚大な誤差が起こり得る。これらのジャミングが誘発する誤差は、ジャミングがなくなった後であっても、長期間に亘って（数時間にまで亘って）続き得る。
【００４８】
本願開示の好適な実施形態のいくつかは、ジャミングに関するＧＰＳシステムにおける誤差を防ぐものである。これらの実施形態は、ジャミング信号が存在する表示を検出し、そして、それを処理するための対策をとる。
【００４９】
ジャミング信号が存在し得ることを検出するのに複数の方法が存在する。単独または一緒にこれらの方法を適用することにより、ジャミングの表示が検出され得る。ジャミングを検出する第１の方法は、ＧＰＳユニット内の相関器チェーンからの出力の立ち上がりを検出することを含む。通常、相関器チェーンを用いてＧＰＳ信号を検出する場合、１つ以上の相関器の出力は、信号が検出されたことを表示する値が上昇する。しかし、チェーン内の全ての相関器の値の立ち上がりは、ジャミング信号が存在し得ることを示す。チェーン内の全ての相関器の値の立ち上がりが突然起こる場合、これもまたジャミング信号の存在を示し得る。ジャミングの別の影響（ａｒｔｉｆａｃｔ）は、ＧＰＳ回路内のクロックドリフトとして現れる。クロックドリフトはまた、温度にも依存し得る。クロックドリフトが存在し、かつ、それに対応する温度の増加が起こらない場合、ジャミングが存在し得ることを示す。ＧＰＳシステムによって受け取られた拡散スペクトル信号の信号対雑音比はまた、ジャミングの検出を補助するためにも使用され得る。ＧＰＳ信号の信号対雑音比の変化は、システムおよびＧＰＳ衛星がシステム変化位置（ｓｙｓｔｅｍ ｃｈａｎｇｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ）によって受け取られる際に起こる、ＧＰＳシステム内での通常の事象である。しかし、突然起こる信号対雑音比の変化は、ジャミング信号が存在することを示し得る。ジャミングの１を超える表示が同時に発生することによって、ジャミング信号の存在する可能性がより高くなる。
【００５０】
ジャミングが検出された後で、対策がなされ得る。これらの対策は、ジャミングがなくなるまでに受信器をオフにすることを含み得る。ジャミングへの対策はまた、ジャミングが存在し、かつ、ＧＰＳの読み出しがＧＰＳシステムによって抑制されていること、もしくは、判定された位置をこれ以上信頼し得ないことを、ユーザに知らせることも含み得る。ジャミング信号を検出すると、ＧＰＳ位置判定の代わりに、推測航法も採用され得る。ＧＰＳポジショニングは、ジャミングがなくなった後に回復され得る。
【００５１】
【発明の実施の形態】
好適な実施形態の第１の例は、ＧＰＳ受信器内に見られ得るものである。
【００５２】
図１は、宇宙空間における４つのＧＰＳ衛星１０５、１０７、１０９、および１１１からの信号を同時に受信する地上にあるＧＰＳ受信器１０３を示す図である。４つのＧＰＳ衛星１０５、１０７、１０９、および１１１は、ＧＰＳ受信器１０３により受信される高精度の報時信号を連続的に同報通信する。ＧＰＳ衛星１０５、１０７、１０９、および１１１の各々からの信号は、異なるパス１１３、１１５、１１７、および１１９をそれぞれ通らなければならない。受信される各衛星からの報時信号は、衛星からの信号が受信器への異なるパスを通るために必要な時間を含む。衛星はまた、それらの位置に関するデータをも報時信号と同様に同報通信する。衛星の位置を知り、衛星から受信器までの距離を演算するために報時信号を用いることにより、受信器は正確にその位置を決定することができる。
【００５３】
図２は、拡散スペクトルを符号化するためのＧＰＳ衛星の一部２０１、およびデータの送信を示すブロック図である。ブロック２０３は、送信のために符号化される衛星データを表す。このデータは、衛星のための位置情報、ならびに遅延および誤差情報を含む。ブロック２０５は、一般にアルマナックデータ（全てのＧＰＳ衛星上のデータ）と呼ばれるものを表す。ブロック２０７は、衛星内の高精度の原子時間基準により発生する現在の時間を表す。ブロック２０３、２０５、および２０７からの情報は、データ符号器２０９により適切なフォーマットにおいて符号化される。符号化データは、その後拡散（ｓｐｒｅａｄｉｎｇ）ユニット２１１へ送信される。拡散ユニット２１１はエンコードデータをビット毎に２４個の拡散コードのうちの１つに乗算し、各コードは軌道上の特定の衛星を表す。得られたデータストリーム２１５は、秒あたり１．０２３メガビットのチップ速度を有する。チップレートは、時間を拡散コード長（この場合、１０２３ビット）に乗算したデータ速度（１秒あたり１０００ビット）である。データストリームは、その後変調器２１９（ここで搬送周波数１．５７５４２ＧＨｚがそれにより変調される）へ送信される。生成信号は、同時通信のための衛星のアンテナ２２１へ送信される。
【００５４】
図３は、例示的なＧＰＳ受信器ユニットの受信部２０１を示す一般化されたブロック図である。アンテナ３０３は、１つ以上のＧＰＳ衛星からの信号を受信する。受信された信号は、復調器３０５に供給される。復調器３０５は、ブロック３０７に示すように、搬送周波数（例えば、１．５７５４２ＧＨｚ）を用いて信号を復調する。生成データ信号３０９は、衛星２１５の信号に対応する。拡散スペクトル信号３０９は、その後疑似ノイズコード３１３を用いて相関器３１１において収束される。データ復号器３１５は、その後必要とされるデータを復号し得る。このデータとは、受信ユニットの位置を三角測量するために用いられる。
【００５５】
図４は、長さ８の拡散コードと共に示される、スペクトル拡散および収束、または相関プロセスを表す表を示す。３つの８ビット拡散コードが示される。拡散コード１の４０１は、１１００００１１であり、拡散コード２の４０３は、００１１００１１であり、拡散コード４の４０１は、１００１０１１０である。例えば、拡散コード１を用いてデータを拡散するために、データ「１」が送信される場合、列４０７内にあるコードのコピーである１１００００１１は、その適所に送信される。データ「０」が送信される場合、列４０９内に示す、各ビットが逆になった逆コードである００１１１１００がその適所に送信される。すなわち、拡散コード１が用いられ、「１」を表すデータが送信される場合、１１００００１１が送信され、同様に、「０」を表すデータは、コード００１１１１００として送信される。
【００５６】
収束プロセスは、数学的操作（すなわち受信データとの相関関係）を含む。例えば、データが拡散コード１を使用している送信者から受信されると、データを収束するため、まず受信されたコードの全ての「０」は、演算を目的として−１に置換される。従って、１１００００１１（コード１の「１」の表現）が受信された場合、欄４１１に示す１１−１−１−１−１１１に置換される。受信されたコードは、ビット毎に拡散コードの演算的表現（すなわち、欄４１３に示す１１−１−１−１−１１１）により乗算される。拡散コードおよび受信されたコードのビットの答えは、欄４１５に示すように１＋１＋１＋１＋１＋１＋１＋１＝＋８として示される。相関関係の答えは＋８であり、これによりバイナリ「１」が検出される。００１１１１００（欄４０９に示すコード１の「０」の表現）が受信された場合、欄４１７に示す−１−１１１１−１−１１に置換される。受信されたコードは、ビット毎に拡散コードの演算的表現（すなわち、欄４１９に示す１１−１−１−１−１１１）により乗算される。欄４２１に示すビットの答えは−１−１−１−１−１−１−１−１＝−８であり、相関関係の答えは−８であり、これによりバイナリ「０」が検出される。信号が拡散コードの逆と相関していた場合、答えは＋８であった。これらの方法は等価的であり、この選択は特定の実施形態に基づいてなされ得る。
【００５７】
信号拡散によりコード１と共に送信されたデータが、拡散コード２により収束される場合が、欄４２３、４２５、および４２７に示される。例として、「１」の拡散コード１データビット（すなわち、１１００００１１）が受信される。欄４２３に示すように、０ビットは演算目的のために−１に置換される。その後、受信されたコード１１−１−１−１−１１１は、ビット毎に拡散コード２（例えば、欄４２５に示す−１−１１１−１−１１１）により乗算される。拡散コード１データ「１」を拡散コード２により乗算した答えは、欄４２７に示すように−１−１−１−１＋１＋１＋１＋１＝０である。すなわち、データ「１」を表す拡散コード１は、ビット毎に乗算されて拡散コード２と合計され（即ち、コード１によるデータ拡散はコード３と相関し、その結果は０である）、言い換えると、データが検出されない。従って、拡散コード第１号を用いるバイナリ１の送信は、拡散コード２を用いるデータ解釈に干渉しない。
【００５８】
コード１による信号拡散により送信され、拡散コード３を用いて収束されるデータが、欄４２９、４３１、および４３３に示される。例として、「１」の拡散コード１データビット（即ち、１１００００１１）が受信される。欄４２３に示すように、０ビットは演算目的のために−１により置換される。その後、受信されたコード１１−１−１−１−１１１は、ビット毎に拡散コード３に乗算される（例えば、欄４３１に示す１−１−１１−１１１−１）。拡散コード１データ「１」を乗算した答えは、欄４２７に示すように１−１＋１−１＋１−１＋１−１＝０である。すなわち、データ「１」を表す拡散コード１がビット毎に乗算されて拡散コード３と合計される場合、すなわち、コード１に拡散されるデータがコード３と相関する場合、その結果は０であり、この場合データは検出されない。従って、拡散コード１を用いるバイナリ１の送信は、拡散コード３を用いるデータ解釈に干渉しない。
【００５９】
上記の例は、１つのコードにより送信されるデータが、別コードにより送信されるデータに干渉しないという事実を示している。１つのコードによるデータの送信が、別のコードにより送信されるデータをマスクしないというこの特質は、一般に直交性と呼ばれ、そのような特質を有するコードは直交性であると言える。
【００６０】
上記の説明は、ウォルシュコードとして知られる、完全に直交性であるコードのクラスにより実施された。しかし、ウォルシュコードの数は制限されている。現存のウォルシュコードの数は、拡散コードにおけるビットの数である。この状態が制限的であることから、疑似ノイズ（ＰＮ）コードとして知られる、ほとんど直行的であるコードの族が開発されてきている。疑似ノイズコードは、周期的に反復し、疑似ノイズコードがそれら自体により乗算されてビットが合計される場合、その結果はシーケンスの長さと同じ数であるという特質を有する。すなわち、理想的な条件下において、コード長さＮの疑似ノイズコードの、そのコードを含む信号との相関的答えは、値Ｎとなる。例えば、ＧＰＳ 疑似ノイズコードの長さは１０２３であり、ＧＰＳ信号をその信号内に含まれるコードと相関させる場合、相関器の出力は１０２３となり、信号が存在しないならばその値は−１となる。
【００６１】
疑似ノイズコードはまた、それらが任意の数のビットにより遅れず遷移される特定の疑似ノイズコードを含む信号と相関する場合、その結果は−１である。このことは、その相関関係が、コードをもつ拡散スペクトル信号に遅れず同期しなければならないことを意味する。
【００６２】
拡散スペクトルシステムは、低電力信号と混ざるノイズに対してより耐性があるという利点を有する。拡散スペクトルシステム内の信号は非常に低くあり得るため、信号を獲得すること、およびその信号が存在することを識別することを困難にし得る。
【００６３】
図５は、ＧＰＳ受信器の例の好適な実施形態を詳細に示したブロック図である。
システム５０１は、複数の衛星からの信号の復号化を示す。ＧＰＳ受信器は、そのアンテナ５０３を介して衛星信号を受け取る。復調器５０７は、信号を搬送周波数５０５と混合し、得られた信号５０８はベースバンド周波数に低減される。得られた信号５０８は、ＧＰＳ受信器ユニットが受け取ることのできる全ての衛星信号を合成したものである。個々の衛星データストリームを復号化するために、合成信号５０８を正確なＰＮコードと相関させる必要がある。合成信号が不正確なコードと相関された場合、データの復号化は行われない。ＧＰＳシステム内で使用するための、ＧＰＳ機構によって指定された３２個のＰＮコードが存在する。データをエンコードするために、アクティブ衛星によって、これらのＰＮコードのうち２４個のコードが使用される。ＧＰＳシステム内の２４個のアクティブ衛星の各々は、それ自体の個々のＰＮコードを有する。
【００６４】
ＧＰＳ受信器は、その受信器の位置を決定するために数個の衛星からデータを抽出しなければならない、そしてその数個の衛星から同時にデータを抽出しなければならない。この状況は、図５において示される実施例において示される。示される実施態様において、ＧＰＳ受信ユニットは、１２の衛星から同時にデータを抽出し得る５２９。コードは、３２のＧＰＳ ＰＮ拡散コードのすべてを含むコードテーブル５１７から得られる。これらのコードは、ＧＰＳの「ゴールド」コードと称されることがある。コードテーブル５１７から得られたＰＮコード第１，５１５号は、信号からデータを抽出するために相関器５０９において使用される。次に、得られたデータがデータ復号器５１１において復号化される。データデコーダ５１１の出力は、衛星５１３からの情報を含む。次に、データデコーダ８１１の出力は、受信器からの衛星の距離を確かめるために使用され得る。
【００６５】
第２相関データ復号化ユニット５１９を第１と同様に例示する。第２ユニットは、第２ＰＮコード５２５を受け取り、それを相関器５２１において入力信号をかけ合わせてそれを非拡散化する。このように非拡散化されたデータは、データ復号器５２３において復号化される。データ復号器５２３の出力５２７は、受信器からの衛星の距離を確かめるために使用される。
【００６６】
理想的な拡散スペクトル通信システムにおいて、全ての信号は受信器に同期した状態で到着する。つまり、受信された信号全ての信号遷移は同時に起こる。そのような場合における状況を図６に示す。
【００６７】
図６において、拡散スペクトル波形６０１は、拡散スペクトル波形６０３と同期している。波形６０１および波形６０３を加算した結果得られた波形は、波形６０５である。得られた波形６０５が時間ｔ0、ｔ1、ｔ2、ｔ3、およびｔ4にサンプリングされ、その結果は、表６０７に示す通りである。つまり、波形６０５は、時間ｔ0において０、時間ｔ1において２、時間ｔ2において１、時間ｔ3において１、時間ｔ4において１である。これらは、信号６０１および６０３の加算について正確な値であり、相関器はこれらの値を変換する際に異常を起こさない。拡散スペクトル信号が同期した状態で受信器に到着する状況はまれであり、より一般的な状況は図７に示す通りである。
【００６８】
図７において、拡散スペクトル波形７０１は、図６の拡散スペクトル波形６０１と全く同じである。図７において、拡散スペクトル波形７０５は、期間Δｔ1だけ遅延していることにより波形７０５の最初の立ち上がりエッジが７０３から７０７に遅延されていること以外は、図６の拡散スペクトル波形６０３と全く同じである。その他については、波形７０５は波形６０３と同一波形である。波形７０１と波形７０５との加算により、波形７０９が生成される。得られた波形７０９を時刻ｔ0、ｔ1、ｔ2、ｔ3、およびｔ4においてサンプリングした場合の結果は、表７１５に示す通りである。すなわち、波形７０９は時刻ｔ0においては「０」、ｔ1においては「１」、ｔ2においては「２」、ｔ3においては「２」、そしてｔ4においては「０」である。これは、時刻ｔ0、ｔ1、ｔ2、ｔ3、およびｔ4においてサンプリングされた場合の波形７０９は、波形６０５が時刻ｔ0、ｔ1、ｔ2、ｔ3、およびｔ4においてサンプリングされた場合とは異なる結果を提供することを意味する。この差違の唯一の原因は、信号７０５の遅延Δｔ1にある。
【００６９】
しかし、波形７０９が時刻ｔ0A、ｔ1A、ｔ2A、ｔ3A、およびｔ4Aにおいてサンプリングされた場合、結果は表７１７に示すようになる。すなわち表６０７の結果と同じであり、これは波形６０１と波形６０３との正しい和である。
【００７０】
拡散スペクトル信号が同時に到着しない状態を矯正するための回路の一例を図８に示す。図８において、受信された信号８０３は、相関器Ｃ１（８０７）において、ＰＮコード８０５に対して相関される。相関の結果は出力１（８０９）である。さらに受信された信号８０３は、相関器Ｃ2（８１５）において、遅延素子Ｄ1（８１１）で遅延されたＰＮコード８０５に対して相関される。遅延されたＰＮコード８１３は次に、相関器Ｃ2（８１５）において受信された信号８０３に対して相関され、結果は出力２（８１７）となる。ＰＮコードは次に遅延素子Ｄ2（８１９）において２度目の遅延を受けた後、相関器Ｃ3（８２３）において相関され、結果は出力３（８２５）に結合される。遅延されたＰＮコード８２１は、複数のさらなる遅延Ｄm（８２７）を通され得、その後、遅延されたＰＮコードは複数のさらなる相関器Ｃn（８３１）において相関され得、そして結果はさらなる出力Ｎ（８３３）に出力され得る。受信信号に遅延を行っても、あるいはＰＮコードに遅延を行っても同等な結果が得られることが、当業者には理解されるであろう。同等な出力を達成することができるため、どちらを遅延するかは、実施形態に応じて適宜決定され得る。
【００７１】
ＧＰＳ受信器に到達する拡散スペクトル信号間の遅延には、いくつかの発生源があり得る。信号間の主要な遅延源は、ＧＰＳ受信器においては、受信器から異なる距離にある衛星から信号がやって来るためである。衛星は移動しているため、信号間の遅延量は常に変化し得る。ＧＰＳ受信器は衛星の位置（衛星からの信号内にエンコードされている）を決定する。結果としてＧＰＳ受信器は、信号間の遅延を計算し、図８の多重相関メカニズムにおいて信号を抽出するためにはどれくらいの遅延が必要になるかを計算することができる。
【００７２】
遅延がＧＰＳシステムの予想に一致しない場合、いくつかの要因が考えられる。存在し得る第１の要因として、ユニットの温度変化により、ユニット内のクロッククリスタルがドリフトする可能性がある。典型的なＧＰＳユニットに備えられたクリスタルは、温度によってドリフトし得る。このドリフトに対応するための一法として、ＧＰＳユニット内に温度センサを設けることにより、クリスタルの温度が変化したことによるクロックドリフトが予想されるか否かを決定することができる。温度変化に起因するドリフトがわかっている場合は、適切な補正を行うことができる。ドリフトの第２の要因としては、受信器ユニットが移動した場合である。すなわち、信号を適切に相関するために必要となる予期せぬ遅延は、衛星に対して受信器が新しい位置をとった場合にも起こり得る。
【００７３】
受信信号間の遅延が変化することにより信号が適切にデコードできなくなった場合、相関器の出力が下降する。その場合、ＧＰＳシステムは、相関器出力が期待値にまで上がることによりＰＮコードが信号と同期したことが示されるまで、遅延を調節し得る。あるいは図８に示すようなスキームを用いる場合には、遅延チェーン中のより上流側またはより下流側の相関器から出力を得てもよい。もし遅延が期待よりも多大であれば、ＧＰＳ受信器は、追加的な遅延を、受信器位置の変化（すなわち速度）であると解釈し得る。
【００７４】
期待される遅延と実際に必要とされる遅延とを受信器が比較するこのメカニズムは、ＧＰＳ受信器が移動している速度を効果的に決定できる方法である。相関器値が下降し始めるに従って、ＧＰＳシステムは、ＰＮコード（あるいはＧＰＳ受信器の実施形態によっては入来信号）の遅延を、相関器から出力される値が期待値（１００％相関されたＧＰＳ信号においては「１０２３」）あるいは何らかの中間値に増加するまで、進めるか遅らせ得る。存在しないＰＮコード、あるいは遅延されたことにより信号内においてそのコードとは同期しなくなったＰＮコードとの相関は、相関器から「−１」の値を出力させ、図８のような通常に動作している遅延チェーンにおいては、相関器の大多数はｌｏｗ出力（すなわち「−１」または「−１」近傍でかつ「１０２３」よりずっと小さい値）を有し得る。
【００７５】
ジャミング信号は、他の信号を阻害するスプリアス（ｓｐｕｒｉｏｕｓ）信号であり、ジャミング信号が強い場合は特に、元の信号を解釈することを困難にあるいは不可能にさえする。ジャミングは普通に見られる現象である。スプリアス信号には多くの発生源がある。高周波デジタル回路はスプリアスノイズを発生し得、電気モータは接続が断続される際に広スペクトルのノイズを多量に発生し、自動車の点火システムはノイズをばらまき、雷などの自然現象でさえ、ジャミング信号の発生に関与し得る。
【００７６】
これらのノイズ源に加えて、ＧＰＳ受信器は、移動体ＧＳＭ電話機によって発生されるノイズに特に弱い。これらの電話機のサイドバンドは、ＧＰＳシステムが作動する周波数範囲内にあり得、しばしばスプリアスエネルギーをＧＰＳ信号の受信と干渉し得る周波数に乗せてしまうことがある。
【００７７】
さらに、ＧＰＳ送信器は、低エネルギー（現在のＧＰＳ衛星においては最大５０ワット）であるため、比較的低エネルギーのジャミング信号であっても周波数が合えば、ＧＰＳ受信器の動作を邪魔し得る。
【００７８】
ＧＰＳ受信器におけるジャミング信号の存在は、現在の位置決定情報を邪魔するだけにはとどまらない悪影響を有し得る。ジャミング信号が終わっても即座には消えないような誤差をシステムに引き起こし得る。例えば１例として、ＧＰＳ受信器が、図６における信号６０１および６０３のように２つの信号が完全に同期している状態にあるとする。それからジャミング信号が信号６０３に割り込む。この時、ＧＰＳ受信器は信号のサンプリングを変化させ始める。信号は元々、時刻ｔ0、ｔ1、ｔ2、ｔ3、およびｔ4においてサンプリングされたものである。これらの信号間の遅延は、図７に示す状態まで増加する。信号間の実際の遅延は、図７に示すようにΔｔ1であり、信号７０５の立ち上がりエッジは、ジャミング信号が開始されたときの場所７０３から７０７まで距離Δｔ1移動する。しかしＧＰＳシステムは、信号を取得しようとして、信号７０５をサンプリングするための遅延を、調整し続けてしまっている。遅延がΔｔ2（７１１）まで調整され、受信器が時刻ｔ0B、ｔ1B、ｔ2B、ｔ3B、およびｔ4Bにおいて信号をサンプリングしているとき、ジャミングが止み、ＧＰＳシステムが信号を取得し始める。信号を再同期するためには実際にはΔｔ3分の調整のみが必要であるため、信号が時刻ｔ0A、ｔ1A、ｔ2A、ｔ3A、およびｔ4A においてサンプリングされたとしても出力は依然として矯正される。しかしＧＰＳシステムはΔｔ2分の遅延を追加しており、時刻ｔ0B、ｔ1B、ｔ2B、ｔ3B、およびｔ4Bにおいてサンプリングを行うことにより、ＧＰＳシステムはΔｔ2分の調整後に信号を再度取得している。表７１９から明らかなように、出力はこれで正しくなり、表７１７（信号をΔｔ2よりも短いΔｔ3分の遅延でサンプリングを行っている）と同じになっている。ＧＰＳシステムは、再同期を達成するために必要以上に遅延を増加させている。ＧＰＳシステムは、信号を取得するためにはΔｔ2の遅延が必要であると誤って判断してしまっているため、その遅延に基づいて新しい位置を計算してしまう。この状況は長い間続き得、信号７０５を提供する衛星がもはや受信されていなくなった後でさえも続き得る。
【００７９】
図８を参照して別のシナリオを図示する。相関器Ｃ1（８０７）が−１の出力を発生しており、相関器Ｃ2（８１５）が１０２３の出力を発生していると仮定する。この場合、ジャミング信号が割り込み、相関器Ｃ2（８１５）の出力は、衛星が自然に移動した場合に下降が起こるはずである通常の時刻よりも前に下降する。ＧＰＳシステムはこれを速度と解釈し、チェーンのさらに下流側の正しい相関器を探し始める。システムは信号を再取得しようとし続け、連続的に相関器を探し、衛星の移動に対する予想遅延を、システムが考えているところの速度に加算する。この誤差は膨らみ続け得る。カルマンフィルタリングを用いているＧＰＳ受信器においては、この種の誤差は累積し、ジャミングが止まった後においても、誤った読み取りが次第に消散する間、誤差は残っている。
【００８０】
従って、当該分野において、ＧＰＳ受信器の性能を改善するために、ジャミング信号を検出し、ジャミング信号の存在による効果に対処する必要がある。
【００８１】
ジャミングの悪影響を回避するための第１のステップは、ジャミング信号の存在を検出することである。ジャミング信号の存在を表すものはいくつかある。
【００８２】
ジャミングを検出することができる方法の１つは、対応する温度変化を伴わないような高速のクロックドリフトを検出することである。ＧＰＳ受信器が、その信号の全てのデコードのために遅延を増加しなければならないような場合は、クロックドリフトが大きくなっているはずである。もし対応して温度が変化していれば、ドリフトはユニット温度の変化のせいであり得る。しかし、ドリフトが大きいが温度変化が少ない場合や、突然ジャンプするようなクロックドリフトは、ジャミング信号の存在を表している可能性がある。従って、これらの事象を検出することは、ジャミング信号を検出することであり得る。
【００８３】
ジャミングを検出する別の方法は、入来するＧＰＳ信号の信号対ノイズ比を調べることである。もしこの比が既定の量（例えば３ｄＢ）より大きく急速に下降した場合、ノイズが大きく急激に増加しているため、これはジャミング信号が存在することを表している。
【００８４】
ジャミングを検出するための３番目の方法は、図８における相関器チェーンなどのメカニズムを用いることである。信号がチェーンによって受信され、これをデコードするために正しいＰＮコードが用いられているならば、相関器からの期待される出力は、入来するＧＰＳ信号とコードが同期していないことを示す「−１」になる。チェーン中の遅延が信号をデコードするために適正であれば、相関器の出力は増加し、信号がコードに合致しかつ信号が十分強ければ、出力は「１０２３」となる。チェーン中のこの地点から後では、相関器出力は再び「−１」に減少する。いくつの相関器が「−１」より大きい相関器出力を示すかは、いくつかの要因に依存する。これは、相関器の総数、信号の強度、および相関器チェーンの段間の遅延量に依存する。
【００８５】
しかしジャミングの存在下においては、チェーン中のｌｏｗ値（相関信号の不在を示す）を有する全ての相関器の値は上昇し、良好な相関（すなわちｈｉｇｈ出力）を示す相関器の値は下降する。しかしこの状況は検出が困難である。なぜならば、ＧＰＳ信号は、位置の変化、到達範囲および信号経路に出入りする障害物に起因して常に変化し得るからである。
【００８６】
相関器チェーンを用いてジャミングの存在を検出する別の方法は、入来信号を、ＧＰＳ受信器によって受信されていないＰＮコードに相関付けることである。このコードは、３２個の指定ＧＰＳコードのいずれでもないコードか、ＧＰＳ衛星には用いられないことがＧＰＳ機構によって保証されている第２５番目のＧＰＳコードか、あるいは、ＧＰＳシステムによって受信され得る位置にない衛星のうちの１つのコードであってもよい。また、各衛星はそのデータの一部として、システム中の全ての衛星の位置に関する情報を含むアラマナックを送達するので、ＧＰＳシステムは、その受信範囲内に無い衛星を選択し、そのＰＮコードを用いることもできる。非ジャミング条件下においては、信号強度が適切であれば、このチェーン内において非受信ＰＮコードを有している全ての相関器は、ｌｏｗ値（信号強度が適切であれば「−１」）を示す。ジャミングが存在する場合は、チェーン中の全ての相関器はより高い出力を示す。このような値の増加を示す相関器が多いほど、ジャミングが存在している可能性が高い。従って、相関器チェーンがチェーン内に１００個の相関器を有しており全ての相関器の出力が上昇する場合の方が、チェーン内に３個しか相関器がないときに値が上昇する場合よりも、ジャミングが存在している可能性が高い。しかし、相関器の数が最小であったとしても、例えば１個であったとしても、相関器の出力にこのタイプの上昇が見られる場合は、ジャミングが存在する可能性を示している。
【００８７】
ジャミングを検出する方法は他にも存在する。例えば、受信中の信号の信号強度を、当該分野において周知の信号強度インジケータを用いてモニタすることなどである。信号強度が突然増加した場合、あるいは、ＧＰＳ周波数における信号強度がＧＰＳ信号と見なされ得るには高すぎることが示された場合もまた、スプリアス信号ならびにジャミング源を示している。
【００８８】
勿論、ジャミングを検出する方法は組み合わせてもよく、一般に、２つ以上のジャミングの証左がある方が、そのような証左が１つだけの場合よりもジャミング信号が存在する可能性が高いことになる。当業者は、上記実施例の組み合わせおよび変形例が可能であることを理解するであろう。当業者らはまた、本開示における発明の概念から逸脱することなく、上記実施例に示した原理を様々な方法で用いることによって、本発明の目的を達成することが可能であることを理解するであろう。
【００８９】
ジャミングが検出された場合、様々な対策を取り得る。単純な対策は、ジャミング信号が無くなるまで単にＧＰＳシステムを停止することである。このことにより、位置の誤差ジャンプまたは速度の誤差が見られることがなくなり、誤差が累積することがなくなる。ユニットのディスプレイは、ジャミング信号が検出されたことを示すメッセージを提供し得、最後の有効な位置がどこであったかを示し得る。また、利用可能な有効位置が存在しないことを単に示してもよい。
【００９０】
ＧＰＳユニットはまた、推測航法を用いることができる。この場合、最後にわかっていた有効位置、最後にわかっていた移動方向、最後にわかっていた速度を用いて得た位置を、表示する。
【００９１】
より高度な実施形態においては、ＧＰＳユニットは、ユニット中に構築された他のナビゲーションシステムに戻ってもよい。
【００９２】
ＧＰＳ衛星は、５０ワット未満の低パワー送信機を用いてＧＰＳ信号を放送する。ＧＰＳ放送信号は、信号の受信に与えるノイズの影響を低減する拡散スペクトル技術を用いてエンコードされるものの、ジャミング信号は、ＧＰＳ受信機の性能に悪影響を与え得る。ジャミング信号は、システム内の位置および速度の指標に誤差を生じさせ得る。システム内においてこれらの誤差が重なると、ジャミング信号がなくなった後も誤差が散逸するまでに相当の時間がかかる場合がある。これらの誤差は、数十マイルのオーダーの速度誤差および位置誤差となって現れ得る。相関器チェーンの出力を監視する方法であって、この相関器チェーン中の各リンクにおいて相関ＰＮコードを遅延する方法を含む、ジャミング信号の存在を検出する方法が本願によって開示される。さらに、本願は、ジャミング信号に対処するための対策を開示する。その方法には、ジャミング信号が存在する期間の間、受信機を停止したり、推測航法等の代替的な方法によって位置計算を行う方法が含まれる。
【００９３】
ＧＰＳ受信器が埋め込まれたアプリケーションに応じて、様々なジャミング対策を講じ得ることが、当業者には理解される。例えば、乗物の場合は、最後にわかっている有効ＧＰＳ位置およびコンパスの読み取り値ならびに速度表示に依拠してもよく、飛行機の場合はナビゲーション用ビーコンに依拠してもよい。用いることのできる対策の種類は無数であり、発明の精神および趣旨から逸脱することなく多くの改変例が可能である。
【００９４】
【発明の効果】
本発明のジャミング信号の存在下におけるＧＰＳ受信機内の誤差を最小化する方法および装置により、ＧＰＳ信号の受信において、地上ベース受信器の性能を改善するためのより優れた感度が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】４つのＧＰＳ衛星から、現在信号を受信しているＧＰＳ受信器を示す図である。
【図２】ＧＰＳ衛星の一部を表すブロック図である。
【図３】例示的なＧＰＳ受信器の一部を表す一般化ブロック図である。
【図４】長さ８の拡散コードと共に示した、拡散および収束プロセスを表す表である。
【図５】本発明の実施形態による例示的なＧＰＳ受信器を詳細に示すブロック図である。
【図６】２つの同期した拡散スペクトル信号およびそれらの加算結果の一部を示す図である。
【図７】相互に位相変位を有する２つの拡散スペクトル信号、および、それらの加算結果の一部を示す図である。
【図８】本発明の好適な実施形態において見られるタイプの比較回路の、配線のブロック図である。
【符号の説明】
５０３ アンテナ
５０５ 搬送波
５０７ 復調器
５０９ 相関器
５１１ データ復号器
５１５ 拡散コード第１号
５１７ ＰＮ拡散コード
５１９ 第２相関データ復号化ユニット
５２１ 相関器
５２３ データ復号器
５２５ 拡散コード第２号
【発明の属する技術分野】
本願は、１９９９年２月４日にＫＵＤＨＲＥＴＨＡＹＡ Ａ． ＳＨＲＩＤＨＡＲＡおよびＰＡＵＬ Ａ． ＵＮＤＥＲＢＲＩＮＫによって出願された「ＳＰＲＥＡＤ ＳＰＥＣＴＲＵＭ ＲＥＣＥＩＶＥＲ ＰＥＲＦＯＲＭＡＮＣＥ ＩＭＰＲＯＶＥＭＥＮＴ」というタイトルの、同時係属出願でかつ同一譲受人の特許出願番号第０９／２４４，６９６号（代理人の事件整理番号３１００８．９７ＵＳ０１）に関連し、この文献を本明細書中で参考として援用する。
【０００２】
本発明は、概して、拡散スペクトル（ｓｐｒｅａｄｉｎｇ ｓｐｅｃｔｒｕｍ）通信およびグローバルポジショニングシステムに関する。本発明は、具体的な実施形態においては、ジャミング信号の存在下におけるグローバルポジショニングシステムの性能を向上するシステム、プロセス、およびデバイスに関する。
【０００３】
【従来の技術】
人間により最初に使用された航法システムはおそらく太陽であろう。太陽は東から昇り西に沈むので、移動が日中に行われる限り、空における太陽の位置から方向を得ることができた。海上交易が出現するに伴い、夜間にも方向を確認する必要が生じ、天体航法が誕生した。それらの精度を増すために、天体および太陽航法は改善され、地図、海図、ならびにアストロラーベおよび羅針盤などの装置を介して補強された。そのような装置により補強したとしても、天体および太陽航法は誤差を生みがちであり、Ａ点からＢ点に移動するのは、尚もって、ある程度試行錯誤を要する問題であった。
【０００４】
無線の出現、特に強力な商用無線局の出現に伴い、地上局ベースの無線方向探知（ＲＤＦ）が実現した。ＲＤＦの背景にある原理は、比較的単純である。ナビゲータは、指向性アンテナを使用してある無線局に周波数を合わせ、その無線局の方位を発見し得る。次に、ナビゲータは、第２の無線局に周波数を合わせ、その局の方位を発見し得る。方位を知ることと、両無線局の地図上の位置を知ることとにより、ナビゲータの位置を計算し得る。
【０００５】
長距離航空輸送における進歩の継続は、航空機を正確に誘導する能力を必要にした。この要求を満たすためにＲＤＦが使用され、航法のために地上局ベースのビーコンが開発された。これらのビーコンは、すべての航空機のみならず船舶にとっても急速に不可欠となった。
【０００６】
グローバルポジショニングシステム（ＧＰＳ）も無線航法に基づくが、相違点は、ビーコンがもはや静止性でなく、地上ベースでないことである。ＧＰＳシステムは、衛星ベースの航法システムであって、２４基の衛星に加え軌道上にスペア（ｓｐａｒｅｓ）を有し、１１，０００海里上空の宇宙空間で、均等に配置された６本の軌道を周回している。各衛星は、１２時間で地球を一周する。
【０００７】
ＧＰＳの主たる機能は、時計として作用することである。各衛星は、搭載する１０．２３ＭＨｚセシウム原子時計から信号を得る。各衛星は、その特定の疑似ノイズ（ＰＮ）コードを伴って、拡散スペクトル信号を送信する。明瞭に異なるＰＮコーディングシーケンスを使用して、同一のスペクトルで、複数の信号を送信することにより、衛星は、互いに干渉せずに同一の帯域幅を共有し得る。ＧＰＳシステムに使用されるコードは１０２３ビット長で、毎秒１．０２３メガビットの速度で送信され、毎マイクロセカンドにおよそ１度のタイムマークを発生するが、これは時として「チップ」と称される。このシーケンスは毎ミリセカンドに１度反復され、進路獲得コード（Ｃ／Ａコード）と称される。２０サイクルごとにコードは位相を変更し得、他の衛星すべての「アルマナック（ａｌｍａｎａｃ）」含有データを有する１５００ビット長のメッセージをコード化する。
【０００８】
ＧＰＳ機構により指定されているＰＮコードは３２ある。そのうち２４は、現在軌道を周回中の衛星に属し、２５番目のＰＮコードは、任意の衛星に割り当てられないよう指定されている。残りのコードは予備のコードであって、古いユニットまたは故障したユニットと交換される新規の衛星に使用され得る。異なるＰＮシーケンスを使用するＧＰＳ受信器は、一致を探して信号スペクトルを走査する。ＧＰＳ受信器は、一致を発見した場合、その信号を発生した衛星を識別する。
【０００９】
地上ベースのＧＰＳ受信器は、三角測量と称される無線方向探知機（ＲＤＦ）の方法論の変形を使用して、その地上ベースＧＰＳ受信器の位置を判定し得る。ＧＰＳの位置判定は、無線ビーコンがもはや静止性でなく、地球を毎秒約１．８マイルの速度で周回し、宇宙を移動する衛星である点で、ＲＤＦ技術とは異なる。宇宙ベースであることにより、ＧＰＳシステムは、三角測量などの方法を用いて、事実上、地球上の任意の点の位置を確定するのに使用できる。
【００１０】
この三角測量は、衛星から時刻信号を獲得するＧＰＳ受信器ユニットに依存している。実際の時刻を知り、これを衛星から受信した時刻と比較することにより、受信器は衛星までの距離を計算し得る。例えば、ＧＰＳ衛星が、受信器から１２，０００マイルにあれば、受信器は、その衛星から半径１２，０００マイルで規定された空間のどこかに存在するに違いない。次に、ＧＰＳ受信器が第２の衛星の配置を確認した場合、この第２の衛星の周りの配置球空間に基づき、受信器の位置を計算できる。２つの球空間は交差し、円を形成しているので、ＧＰＳ受信器はその配置円内のどこかに位置するに違いない。第３の衛星の配置を確認することにより、ＧＰＳ受信器は、第３の衛星の周囲の配置球空間を予測できる。第３の衛星の配置球空間は、最初の２つの衛星の配置球空間の交差により形成される配置円と、わずか２つの点で交差する。配置球空間がその２つの可能な配置点の１つと交差する、もう１つの衛星の配置を判定することにより、ＧＰＳ受信器の正確な位置が判定される。その結果、正確な時刻も判定し得る。これは、すべての衛星の配置を説明し得る時刻オフセットは１つしかないからである。三角測量法は、３０メートルのオーダーの精度で位置を算出するが、ＧＰＳ位置判定の精度は、信号強度および多重通路反射により劣化し得る。
【００１１】
一度に１１基までの衛星が、ＧＰＳ受信器により受信され得る。峡谷など、特定の環境では、遮蔽される衛星もあるので、ＧＰＳ位置決定システムは、水平線近くの衛星など、弱い信号強度を有する衛星に位置情報を依存し得る。別の場合には、ＧＰＳ受信器ユニットにより受信された信号強度を頭上の枝が低減し得る。いずれの場合も、信号強度が低減され得る。
【００１２】
通信に無線スペクトルを使用する方法は複数ある。例えば、周波数分割多重アクセス（ＦＤＭＡ）システムでは、周波数帯が、連続する周波数スロットに分割され、異なる送信機が異なる周波数スロットに割り当てられる。
【００１３】
ｎ時分割多重アクセス（ＴＤＭＡ）システムでは、各送信機が発信し得る時間が１つのタイムスロットに限定されているので、送信機はメッセージを次々に送信するが、割り当てられた時間の間のみ送信する。ＴＤＭＡでは、各送信機が送信する周波数は、一定周波数であり得るか、または連続的に変化する（周波数ホッピング）。
【００１４】
複数のユーザに無線スペクトルを割り付ける第３の方法は、拡散スペクトルとしても知られる、コード分割多重アクセス（ＣＤＭＡ）を使用するものである。ＣＤＭＡでは、すべてのユーザが常に同じ周波数帯で送信する。各ユーザは、そのユーザの送信を他のすべてから分離するのに使用される専用のコードを有する。このコードは、一般的に拡散コードと称される。これは、その帯域幅全体に情報を広げるからである。また、このコードは、一般的に疑似ノイズまたはＰＮコードとも称される。ＣＤＭＡ送信では、送信データの各ビットは、送信されるデータが「１」の場合、その特定ユーザの拡散コードにより置換され、送信されるデータが「０」の場合、拡散コードの逆により置換される。
【００１５】
受信器で送信を復号するためには、コードを「非拡散」する必要がある。非拡散化のプロセスは、入来する信号を用い、これを拡散コードにより乗算して、結果を合計する。このプロセスは、一般的に相関として知られ、信号がＰＮコードに相関すると、一般的に言われる。非拡散化のプロセスでは、オリジナルデータが他のすべての送信から分離され得、オリジナルの信号が復元され得る。ＣＤＭＡシステムに使用されるＰＮコードの属性は、１つの拡散スペクトルコードの存在が、別コードの復号の結果を変えないというものである。あるコードが別のコードの存在に干渉しない属性は、しばしば直交性と称され、この属性を処理するコードは、直交であると言われる。
【００１６】
拡散スペクトル信号からデータを抽出するプロセスは、一般的に、相関、復号、および非拡散など多くの用語により知られている。本願において、これらの用語は、相互置き換え可能なものとして使用する。
【００１７】
拡散スペクトルシステムにより使用されるコードは、一般的に様々な用語により称され、ＰＮ（疑似ノイズ）コード、ＰＲＣ（疑似ランダムコード）、拡散コード、非拡散コード、および直交コードを含むが、これらに限定されない。本願において、これらの用語も、相互置き換え可能なものとして使用する。
【００１８】
ＣＤＭＡがしばしば拡散スペクトルと称されるのは、送信帯域幅が広いからである。拡散スペクトルは、数々の利点を有する。ある利点は、データ送信がスペクトル全体に広がるので、拡散スペクトルは、他のいくつかのプロトコルよりも妨害に耐え得る。別の利点は、メッセージが低電力で送信されても尚、出コードされることであり、更に別の利点は、ひとつの受信機で複数の信号を同時に受信することができる点にある。
【００１９】
グローバルポジショニングシステム（ＧＰＳ）は、拡散スペクトル技術を使用して、データを地上ユニットに伝達している。拡散スペクトルの使用は、ＧＰＳシステムにおいて特に有利である。拡散スペクトル技術は、ＧＰＳ受信器が信号周波数で動作することを可能にするので、複数周波数が使用される場合に、他の周波数帯に切り替えて調整するために必要な追加のエレクトロニクスを省略する。また、拡散スペクトルは、例えば、５０ワット以下を必要として、実質的妨害に耐えるのに、ＧＰＳ送信器の電力消費要求を最小化する。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
ＧＰＳシステムは広く利用されているが、その性能を劣化させたり使用を妨害する条件が存在する。ＧＰＳ信号の受信の改善は、絶えず求められている。ＧＰＳ信号の受信において、地上ベース受信器の性能を改善するために、より優れた感度が必要とされている。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明のジャミング信号の存在下におけるＧＰＳ受信機内の誤差を最小化する方法は、ジャミング信号と関連してＧＰＳ信号を受信するステップと、上記ジャミング信号を検出するステップと、上記ジャミング信号によってＧＰＳ受信機内に発生した誤差を低減するような対策を適用するステップと、を包含する方法により、上記課題が達成される。
【００２２】
上記ジャミング信号を検出するステップが、上記ＧＰＳ受信機内の温度変化を検出するステップと、上記ＧＰＳ受信機内の上記温度変化から予測されるクロックドリフトを決定するステップと、上記ＧＰＳ受信機内における上記ＧＰＳ受信機の実際のクロックドリフトを決定するステップと、上記温度変化によって予測された上記クロックドリフトを上記ＧＰＳ受信機の上記実際のクロックドリフトと比較し、これにより、ジャミング信号の存在を検出するステップと、を包含してもよい。
【００２３】
上記ジャミング信号を検出するステップが、上記ＧＰＳ受信機についての信号対雑音比を決定するステップと、上記信号対雑音比の急激な降下を検出し、これにより、ジャミング信号の存在を検出するステップと、を包含してもよい。
【００２４】
上記ジャミング信号を検出するステップが、ＧＰＳ周波数における信号強度値を決定するステップと、上記ＧＰＳ周波数における上記信号強度値を信号強度最大値と比較し、これにより、ジャミングを検出するステップと、を包含してもよい。
【００２５】
上記ジャミング信号を検出するステップが、ＧＰＳ信号を第１の相関器におけるＰＮコードに相関させ、これにより、上記第１の相関器の出力が上記ＰＮコードが存在することを示すようにする、ステップと、上記ＧＰＳ信号を第２の相関器における遅延したＰＮコードに相関させるステップであって、上記遅延は、上記第２の相関器の出力が上記遅延ＰＮコードが存在しないことを示すのに十分な遅延である、ステップと、上記第２の相関器の出力の上昇に相当する上記第１の相関器の出力値の降下について上記第１の相関器の出力をモニタリングし、これにより、ジャミングを検出するステップと、を包含してもよい。
【００２６】
上記ジャミング信号を検出するステップが、受信したＧＰＳ信号を上記ＧＰＳ信号内には含まれていないＰＮコードに相関させるステップと、相関出力の上昇を検出し、これにより、ジャミングを検出するステップと、包含してもよい。
【００２７】
上記ジャミング信号を検出するステップが、受信したＧＰＳ信号を上記ＧＰＳ信号内には含まれていないＰＮコードに複数の相関器で相関させるステップであって、連続する相関器間において上記ＰＮコードが遅延される、ステップと、上記複数の相関器の相関出力の上昇を検出し、これにより、ジャミングを検出するステップと、を包含してもよい。
【００２８】
上記ジャミング信号を検出するステップが、受信したＧＰＳ信号を上記ＧＰＳ信号内には含まれていないＰＮコードに複数の相関器で相関させるステップであって、上記受信したＧＰＳ信号には複数のＰＮコードは存在しない、ステップと、上記複数の相関器の相関出力の上昇を検出し、これにより、ジャミングを検出するステップと、を包含してもよい。
【００２９】
上記ＧＰＳ信号内には含まれていない上記ＰＮコードは上記ＧＰＳ受信機によって受信されないＧＰＳ衛星からのＧＰＳコードであってもよい。
【００３０】
上記ＧＰＳコードは、ＧＰＳ機構によっていずれのＧＰＳ衛星にも存在しないことが保証された２５番目のＧＰＳコードであってもよい。
【００３１】
上記対策を適用するステップが、上記ＧＰＳ受信機の機能をディセーブルするステップを包含してもよい。
【００３２】
上記対策を適用するステップが、上記ジャミングが存在する間に位置決定の推測航法を適用するステップを包含してもよい。
【００３３】
上記対策を適用するステップが、ジャミング信号の存在の指標を提供するステップを包含してもよい。
【００３４】
上記対策を適用するステップが、位置決定のバックアップ方法にデフォルトするステップを包含してもよい。
【００３５】
本発明のジャミング信号の存在下におけるＧＰＳ受信機内の誤差を最小化する装置は、上記ジャミング信号を検出する手段と、上記ジャミング信号によってＧＰＳ受信機内に発生した誤差を低減する対策手段と、を備えることにより、上記課題が達成される。
【００３６】
上記ジャミング信号を検出する手段が、ＧＰＳユニット温度の変化を測定する温度センサと、上記ＧＰＳユニット温度の変化を受信し、上記ＧＰＳユニット温度の変化から予測されるクロックドリフトを決定する演算回路と、実際のクロックドリフトを決定する回路と、上記予測クロックドリフトおよび上記実際のクロックドリフトを受信し、上記実際のクロックドリフトを上記予測クロックドリフトと比較して差を決定する比較器であって、これにより、ジャミングが検出できる、比較器と、
を備えていてもよい。
【００３７】
上記ジャミング信号を検出する手段が、存在する信号の量を決定する回路と、上記信号中に存在するノイズの量を決定する回路と、上記存在する信号の量を受信するとともに上記信号中に存在する上記ノイズの量を受信して、信号対雑音比を決定する演算回路と、上記演算回路に接続され、上記信号対雑音比を受信するとともに、上記信号対雑音比の急激な変化を検出し、これにより、ジャミングを検出するモニタリング回路と、を備えていてもよい。
【００３８】
上記ジャミング信号を検出する手段が、ＧＰＳ伝送帯における上記信号の強度をモニタリングする信号強度検出回路と、上記信号強度検出回路に接続され、上記ＧＰＳ伝送帯における上記信号の強度を受信し、上記ＧＰＳ伝送帯における上記信号の強度を予測される最大値と比較し、これにより、ジャミングを検出する、比較器回路と、を備えていてもよい。
【００３９】
上記ジャミング信号を検出する手段が、第１の相関器と、上記第１の相関器に接続されるＰＮコードであって、これにより、ＧＰＳ信号中におけるＰＮコードの存在が上記第１の相関器からの高出力によって検出される、ＰＮコードと、第２の相関器と、上記ＰＮコードおよび上記第２の相関器の間に配置され、上記ＰＮコードを受信し、上記ＰＮコードを上記第２の相関器に接続する前に上記ＰＮコードを遅延する遅延回路であって、上記遅延は、上記第２の相関器の低出力によって上記遅延ＰＮコードが存在しないことを示すのに十分な遅延である、遅延回路と、上記第１の相関器および上記第２の相関器の出力を受信し、上記第２の相関器の出力の上昇に相当する上記第１の相関器の出力値の降下を決定する回路であって、これにより、ジャミングの存在が検出される、回路と、を備えていてもよい。
【００４０】
上記ジャミング信号を検出する手段が、ＧＰＳ信号およびＰＮコードを受信するように接続された１つ以上の相関器のチェーンであって、上記ＰＮコードは連続的に遅延されており、上記相関器のチェーンの出力が低い値を示すようになっている、相関器チェーンと、上記相関器の出力に接続され、上記相関器の出力値の上昇を検出するモニタリング回路であって、これにより、ジャミング信号を検出する、モニタリング回路と、を備えていてもよい。
【００４１】
上記ジャミング信号を検出する手段が、ＧＰＳ信号および異なる複数のＰＮコードを受信するように接続された複数の相関器であって、上記相関器の出力が低い値を示すようになっている、複数の相関器と、上記相関器の出力に接続され、上記相関器の出力値の上昇を検出するモニタリング回路であって、これにより、ジャミング信号を検出する、モニタリング回路と、を備えていてもよい。
【００４２】
上記対策手段が、ジャミング信号が存在することを示す指標を受信し、上記ジャミング信号が存在することを示す指標を受信したときに上記ＧＰＳ受信機をディセーブルする回路、を備えていてもよい。
【００４３】
上記対策手段が、ジャミング信号が存在することを示す指標を受信し、上記ジャミング信号が存在することを示す指標を受信したときに上記ＧＰＳ受信機をディセーブルする回路と、上記ジャミング信号が存在することを示す指標を受信したときに、上記ＧＰＳ受信機の位置を更新する手段として推測航法を適用する回路と、
を備えていてもよい。
【００４４】
上記対策手段が、ジャミング信号が存在することを示す指標を受信し、上記ジャミング信号が存在することを示す指標を受信したときに上記ＧＰＳ受信機をディセーブルする回路と、上記ジャミング信号が存在することを示す指標を受信したときに、上記ＧＰＳ受信機の位置を更新するためにバックアップ位置決定システムにデフォルトする回路と、を備えていてもよい。
【００４５】
したがって、本発明の好適な実施形態は、拡散スペクトル技術を用いるＧＰＳ受信器、および、ＧＰＳ受信器を用いるシステムに関する。
【００４６】
データを受信するためには、拡散スペクトル受信器は、ＰＮコードが存在することを判定しなければならない。ＰＮコードが受信された信号中に存在することを判定するためには、受信された信号は、ビット毎にＰＮコードと比較されなければならない。このＰＮコードとのビット毎の信号比較のプロセスは、一般的に相関と呼ばれる。通常、ＧＰＳユニット内の相関器は、公知のＧＰＳコードを受け取られた拡散スペクトル信号と比較して、所定のＧＰＳ信号の存在を判定する。ＧＰＳシステムは、特定のＰＮコードを含む信号（つまり特定のＧＰＳ衛星からの信号）が見つかった表示として、相関器からの高い出力を探す。
【００４７】
さまざまなソースからのジャミング干渉（ｊａｍｍｉｎｇ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）は、ＧＰＳ信号を発見して復号化するプロセスを混乱し得る。ＧＰＳ信号を発見して復号化するプロセスが混乱させられた場合、誤差が起こり得る。ジャミングが続く場合、これらの誤差が積み重なり得る。これらジャミングが誘発し、積み重なった誤差の結果として、位置に関する甚大な誤差が起こり得る。これらのジャミングが誘発する誤差は、ジャミングがなくなった後であっても、長期間に亘って（数時間にまで亘って）続き得る。
【００４８】
本願開示の好適な実施形態のいくつかは、ジャミングに関するＧＰＳシステムにおける誤差を防ぐものである。これらの実施形態は、ジャミング信号が存在する表示を検出し、そして、それを処理するための対策をとる。
【００４９】
ジャミング信号が存在し得ることを検出するのに複数の方法が存在する。単独または一緒にこれらの方法を適用することにより、ジャミングの表示が検出され得る。ジャミングを検出する第１の方法は、ＧＰＳユニット内の相関器チェーンからの出力の立ち上がりを検出することを含む。通常、相関器チェーンを用いてＧＰＳ信号を検出する場合、１つ以上の相関器の出力は、信号が検出されたことを表示する値が上昇する。しかし、チェーン内の全ての相関器の値の立ち上がりは、ジャミング信号が存在し得ることを示す。チェーン内の全ての相関器の値の立ち上がりが突然起こる場合、これもまたジャミング信号の存在を示し得る。ジャミングの別の影響（ａｒｔｉｆａｃｔ）は、ＧＰＳ回路内のクロックドリフトとして現れる。クロックドリフトはまた、温度にも依存し得る。クロックドリフトが存在し、かつ、それに対応する温度の増加が起こらない場合、ジャミングが存在し得ることを示す。ＧＰＳシステムによって受け取られた拡散スペクトル信号の信号対雑音比はまた、ジャミングの検出を補助するためにも使用され得る。ＧＰＳ信号の信号対雑音比の変化は、システムおよびＧＰＳ衛星がシステム変化位置（ｓｙｓｔｅｍ ｃｈａｎｇｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ）によって受け取られる際に起こる、ＧＰＳシステム内での通常の事象である。しかし、突然起こる信号対雑音比の変化は、ジャミング信号が存在することを示し得る。ジャミングの１を超える表示が同時に発生することによって、ジャミング信号の存在する可能性がより高くなる。
【００５０】
ジャミングが検出された後で、対策がなされ得る。これらの対策は、ジャミングがなくなるまでに受信器をオフにすることを含み得る。ジャミングへの対策はまた、ジャミングが存在し、かつ、ＧＰＳの読み出しがＧＰＳシステムによって抑制されていること、もしくは、判定された位置をこれ以上信頼し得ないことを、ユーザに知らせることも含み得る。ジャミング信号を検出すると、ＧＰＳ位置判定の代わりに、推測航法も採用され得る。ＧＰＳポジショニングは、ジャミングがなくなった後に回復され得る。
【００５１】
【発明の実施の形態】
好適な実施形態の第１の例は、ＧＰＳ受信器内に見られ得るものである。
【００５２】
図１は、宇宙空間における４つのＧＰＳ衛星１０５、１０７、１０９、および１１１からの信号を同時に受信する地上にあるＧＰＳ受信器１０３を示す図である。４つのＧＰＳ衛星１０５、１０７、１０９、および１１１は、ＧＰＳ受信器１０３により受信される高精度の報時信号を連続的に同報通信する。ＧＰＳ衛星１０５、１０７、１０９、および１１１の各々からの信号は、異なるパス１１３、１１５、１１７、および１１９をそれぞれ通らなければならない。受信される各衛星からの報時信号は、衛星からの信号が受信器への異なるパスを通るために必要な時間を含む。衛星はまた、それらの位置に関するデータをも報時信号と同様に同報通信する。衛星の位置を知り、衛星から受信器までの距離を演算するために報時信号を用いることにより、受信器は正確にその位置を決定することができる。
【００５３】
図２は、拡散スペクトルを符号化するためのＧＰＳ衛星の一部２０１、およびデータの送信を示すブロック図である。ブロック２０３は、送信のために符号化される衛星データを表す。このデータは、衛星のための位置情報、ならびに遅延および誤差情報を含む。ブロック２０５は、一般にアルマナックデータ（全てのＧＰＳ衛星上のデータ）と呼ばれるものを表す。ブロック２０７は、衛星内の高精度の原子時間基準により発生する現在の時間を表す。ブロック２０３、２０５、および２０７からの情報は、データ符号器２０９により適切なフォーマットにおいて符号化される。符号化データは、その後拡散（ｓｐｒｅａｄｉｎｇ）ユニット２１１へ送信される。拡散ユニット２１１はエンコードデータをビット毎に２４個の拡散コードのうちの１つに乗算し、各コードは軌道上の特定の衛星を表す。得られたデータストリーム２１５は、秒あたり１．０２３メガビットのチップ速度を有する。チップレートは、時間を拡散コード長（この場合、１０２３ビット）に乗算したデータ速度（１秒あたり１０００ビット）である。データストリームは、その後変調器２１９（ここで搬送周波数１．５７５４２ＧＨｚがそれにより変調される）へ送信される。生成信号は、同時通信のための衛星のアンテナ２２１へ送信される。
【００５４】
図３は、例示的なＧＰＳ受信器ユニットの受信部２０１を示す一般化されたブロック図である。アンテナ３０３は、１つ以上のＧＰＳ衛星からの信号を受信する。受信された信号は、復調器３０５に供給される。復調器３０５は、ブロック３０７に示すように、搬送周波数（例えば、１．５７５４２ＧＨｚ）を用いて信号を復調する。生成データ信号３０９は、衛星２１５の信号に対応する。拡散スペクトル信号３０９は、その後疑似ノイズコード３１３を用いて相関器３１１において収束される。データ復号器３１５は、その後必要とされるデータを復号し得る。このデータとは、受信ユニットの位置を三角測量するために用いられる。
【００５５】
図４は、長さ８の拡散コードと共に示される、スペクトル拡散および収束、または相関プロセスを表す表を示す。３つの８ビット拡散コードが示される。拡散コード１の４０１は、１１００００１１であり、拡散コード２の４０３は、００１１００１１であり、拡散コード４の４０１は、１００１０１１０である。例えば、拡散コード１を用いてデータを拡散するために、データ「１」が送信される場合、列４０７内にあるコードのコピーである１１００００１１は、その適所に送信される。データ「０」が送信される場合、列４０９内に示す、各ビットが逆になった逆コードである００１１１１００がその適所に送信される。すなわち、拡散コード１が用いられ、「１」を表すデータが送信される場合、１１００００１１が送信され、同様に、「０」を表すデータは、コード００１１１１００として送信される。
【００５６】
収束プロセスは、数学的操作（すなわち受信データとの相関関係）を含む。例えば、データが拡散コード１を使用している送信者から受信されると、データを収束するため、まず受信されたコードの全ての「０」は、演算を目的として−１に置換される。従って、１１００００１１（コード１の「１」の表現）が受信された場合、欄４１１に示す１１−１−１−１−１１１に置換される。受信されたコードは、ビット毎に拡散コードの演算的表現（すなわち、欄４１３に示す１１−１−１−１−１１１）により乗算される。拡散コードおよび受信されたコードのビットの答えは、欄４１５に示すように１＋１＋１＋１＋１＋１＋１＋１＝＋８として示される。相関関係の答えは＋８であり、これによりバイナリ「１」が検出される。００１１１１００（欄４０９に示すコード１の「０」の表現）が受信された場合、欄４１７に示す−１−１１１１−１−１１に置換される。受信されたコードは、ビット毎に拡散コードの演算的表現（すなわち、欄４１９に示す１１−１−１−１−１１１）により乗算される。欄４２１に示すビットの答えは−１−１−１−１−１−１−１−１＝−８であり、相関関係の答えは−８であり、これによりバイナリ「０」が検出される。信号が拡散コードの逆と相関していた場合、答えは＋８であった。これらの方法は等価的であり、この選択は特定の実施形態に基づいてなされ得る。
【００５７】
信号拡散によりコード１と共に送信されたデータが、拡散コード２により収束される場合が、欄４２３、４２５、および４２７に示される。例として、「１」の拡散コード１データビット（すなわち、１１００００１１）が受信される。欄４２３に示すように、０ビットは演算目的のために−１に置換される。その後、受信されたコード１１−１−１−１−１１１は、ビット毎に拡散コード２（例えば、欄４２５に示す−１−１１１−１−１１１）により乗算される。拡散コード１データ「１」を拡散コード２により乗算した答えは、欄４２７に示すように−１−１−１−１＋１＋１＋１＋１＝０である。すなわち、データ「１」を表す拡散コード１は、ビット毎に乗算されて拡散コード２と合計され（即ち、コード１によるデータ拡散はコード３と相関し、その結果は０である）、言い換えると、データが検出されない。従って、拡散コード第１号を用いるバイナリ１の送信は、拡散コード２を用いるデータ解釈に干渉しない。
【００５８】
コード１による信号拡散により送信され、拡散コード３を用いて収束されるデータが、欄４２９、４３１、および４３３に示される。例として、「１」の拡散コード１データビット（即ち、１１００００１１）が受信される。欄４２３に示すように、０ビットは演算目的のために−１により置換される。その後、受信されたコード１１−１−１−１−１１１は、ビット毎に拡散コード３に乗算される（例えば、欄４３１に示す１−１−１１−１１１−１）。拡散コード１データ「１」を乗算した答えは、欄４２７に示すように１−１＋１−１＋１−１＋１−１＝０である。すなわち、データ「１」を表す拡散コード１がビット毎に乗算されて拡散コード３と合計される場合、すなわち、コード１に拡散されるデータがコード３と相関する場合、その結果は０であり、この場合データは検出されない。従って、拡散コード１を用いるバイナリ１の送信は、拡散コード３を用いるデータ解釈に干渉しない。
【００５９】
上記の例は、１つのコードにより送信されるデータが、別コードにより送信されるデータに干渉しないという事実を示している。１つのコードによるデータの送信が、別のコードにより送信されるデータをマスクしないというこの特質は、一般に直交性と呼ばれ、そのような特質を有するコードは直交性であると言える。
【００６０】
上記の説明は、ウォルシュコードとして知られる、完全に直交性であるコードのクラスにより実施された。しかし、ウォルシュコードの数は制限されている。現存のウォルシュコードの数は、拡散コードにおけるビットの数である。この状態が制限的であることから、疑似ノイズ（ＰＮ）コードとして知られる、ほとんど直行的であるコードの族が開発されてきている。疑似ノイズコードは、周期的に反復し、疑似ノイズコードがそれら自体により乗算されてビットが合計される場合、その結果はシーケンスの長さと同じ数であるという特質を有する。すなわち、理想的な条件下において、コード長さＮの疑似ノイズコードの、そのコードを含む信号との相関的答えは、値Ｎとなる。例えば、ＧＰＳ 疑似ノイズコードの長さは１０２３であり、ＧＰＳ信号をその信号内に含まれるコードと相関させる場合、相関器の出力は１０２３となり、信号が存在しないならばその値は−１となる。
【００６１】
疑似ノイズコードはまた、それらが任意の数のビットにより遅れず遷移される特定の疑似ノイズコードを含む信号と相関する場合、その結果は−１である。このことは、その相関関係が、コードをもつ拡散スペクトル信号に遅れず同期しなければならないことを意味する。
【００６２】
拡散スペクトルシステムは、低電力信号と混ざるノイズに対してより耐性があるという利点を有する。拡散スペクトルシステム内の信号は非常に低くあり得るため、信号を獲得すること、およびその信号が存在することを識別することを困難にし得る。
【００６３】
図５は、ＧＰＳ受信器の例の好適な実施形態を詳細に示したブロック図である。
システム５０１は、複数の衛星からの信号の復号化を示す。ＧＰＳ受信器は、そのアンテナ５０３を介して衛星信号を受け取る。復調器５０７は、信号を搬送周波数５０５と混合し、得られた信号５０８はベースバンド周波数に低減される。得られた信号５０８は、ＧＰＳ受信器ユニットが受け取ることのできる全ての衛星信号を合成したものである。個々の衛星データストリームを復号化するために、合成信号５０８を正確なＰＮコードと相関させる必要がある。合成信号が不正確なコードと相関された場合、データの復号化は行われない。ＧＰＳシステム内で使用するための、ＧＰＳ機構によって指定された３２個のＰＮコードが存在する。データをエンコードするために、アクティブ衛星によって、これらのＰＮコードのうち２４個のコードが使用される。ＧＰＳシステム内の２４個のアクティブ衛星の各々は、それ自体の個々のＰＮコードを有する。
【００６４】
ＧＰＳ受信器は、その受信器の位置を決定するために数個の衛星からデータを抽出しなければならない、そしてその数個の衛星から同時にデータを抽出しなければならない。この状況は、図５において示される実施例において示される。示される実施態様において、ＧＰＳ受信ユニットは、１２の衛星から同時にデータを抽出し得る５２９。コードは、３２のＧＰＳ ＰＮ拡散コードのすべてを含むコードテーブル５１７から得られる。これらのコードは、ＧＰＳの「ゴールド」コードと称されることがある。コードテーブル５１７から得られたＰＮコード第１，５１５号は、信号からデータを抽出するために相関器５０９において使用される。次に、得られたデータがデータ復号器５１１において復号化される。データデコーダ５１１の出力は、衛星５１３からの情報を含む。次に、データデコーダ８１１の出力は、受信器からの衛星の距離を確かめるために使用され得る。
【００６５】
第２相関データ復号化ユニット５１９を第１と同様に例示する。第２ユニットは、第２ＰＮコード５２５を受け取り、それを相関器５２１において入力信号をかけ合わせてそれを非拡散化する。このように非拡散化されたデータは、データ復号器５２３において復号化される。データ復号器５２３の出力５２７は、受信器からの衛星の距離を確かめるために使用される。
【００６６】
理想的な拡散スペクトル通信システムにおいて、全ての信号は受信器に同期した状態で到着する。つまり、受信された信号全ての信号遷移は同時に起こる。そのような場合における状況を図６に示す。
【００６７】
図６において、拡散スペクトル波形６０１は、拡散スペクトル波形６０３と同期している。波形６０１および波形６０３を加算した結果得られた波形は、波形６０５である。得られた波形６０５が時間ｔ0、ｔ1、ｔ2、ｔ3、およびｔ4にサンプリングされ、その結果は、表６０７に示す通りである。つまり、波形６０５は、時間ｔ0において０、時間ｔ1において２、時間ｔ2において１、時間ｔ3において１、時間ｔ4において１である。これらは、信号６０１および６０３の加算について正確な値であり、相関器はこれらの値を変換する際に異常を起こさない。拡散スペクトル信号が同期した状態で受信器に到着する状況はまれであり、より一般的な状況は図７に示す通りである。
【００６８】
図７において、拡散スペクトル波形７０１は、図６の拡散スペクトル波形６０１と全く同じである。図７において、拡散スペクトル波形７０５は、期間Δｔ1だけ遅延していることにより波形７０５の最初の立ち上がりエッジが７０３から７０７に遅延されていること以外は、図６の拡散スペクトル波形６０３と全く同じである。その他については、波形７０５は波形６０３と同一波形である。波形７０１と波形７０５との加算により、波形７０９が生成される。得られた波形７０９を時刻ｔ0、ｔ1、ｔ2、ｔ3、およびｔ4においてサンプリングした場合の結果は、表７１５に示す通りである。すなわち、波形７０９は時刻ｔ0においては「０」、ｔ1においては「１」、ｔ2においては「２」、ｔ3においては「２」、そしてｔ4においては「０」である。これは、時刻ｔ0、ｔ1、ｔ2、ｔ3、およびｔ4においてサンプリングされた場合の波形７０９は、波形６０５が時刻ｔ0、ｔ1、ｔ2、ｔ3、およびｔ4においてサンプリングされた場合とは異なる結果を提供することを意味する。この差違の唯一の原因は、信号７０５の遅延Δｔ1にある。
【００６９】
しかし、波形７０９が時刻ｔ0A、ｔ1A、ｔ2A、ｔ3A、およびｔ4Aにおいてサンプリングされた場合、結果は表７１７に示すようになる。すなわち表６０７の結果と同じであり、これは波形６０１と波形６０３との正しい和である。
【００７０】
拡散スペクトル信号が同時に到着しない状態を矯正するための回路の一例を図８に示す。図８において、受信された信号８０３は、相関器Ｃ１（８０７）において、ＰＮコード８０５に対して相関される。相関の結果は出力１（８０９）である。さらに受信された信号８０３は、相関器Ｃ2（８１５）において、遅延素子Ｄ1（８１１）で遅延されたＰＮコード８０５に対して相関される。遅延されたＰＮコード８１３は次に、相関器Ｃ2（８１５）において受信された信号８０３に対して相関され、結果は出力２（８１７）となる。ＰＮコードは次に遅延素子Ｄ2（８１９）において２度目の遅延を受けた後、相関器Ｃ3（８２３）において相関され、結果は出力３（８２５）に結合される。遅延されたＰＮコード８２１は、複数のさらなる遅延Ｄm（８２７）を通され得、その後、遅延されたＰＮコードは複数のさらなる相関器Ｃn（８３１）において相関され得、そして結果はさらなる出力Ｎ（８３３）に出力され得る。受信信号に遅延を行っても、あるいはＰＮコードに遅延を行っても同等な結果が得られることが、当業者には理解されるであろう。同等な出力を達成することができるため、どちらを遅延するかは、実施形態に応じて適宜決定され得る。
【００７１】
ＧＰＳ受信器に到達する拡散スペクトル信号間の遅延には、いくつかの発生源があり得る。信号間の主要な遅延源は、ＧＰＳ受信器においては、受信器から異なる距離にある衛星から信号がやって来るためである。衛星は移動しているため、信号間の遅延量は常に変化し得る。ＧＰＳ受信器は衛星の位置（衛星からの信号内にエンコードされている）を決定する。結果としてＧＰＳ受信器は、信号間の遅延を計算し、図８の多重相関メカニズムにおいて信号を抽出するためにはどれくらいの遅延が必要になるかを計算することができる。
【００７２】
遅延がＧＰＳシステムの予想に一致しない場合、いくつかの要因が考えられる。存在し得る第１の要因として、ユニットの温度変化により、ユニット内のクロッククリスタルがドリフトする可能性がある。典型的なＧＰＳユニットに備えられたクリスタルは、温度によってドリフトし得る。このドリフトに対応するための一法として、ＧＰＳユニット内に温度センサを設けることにより、クリスタルの温度が変化したことによるクロックドリフトが予想されるか否かを決定することができる。温度変化に起因するドリフトがわかっている場合は、適切な補正を行うことができる。ドリフトの第２の要因としては、受信器ユニットが移動した場合である。すなわち、信号を適切に相関するために必要となる予期せぬ遅延は、衛星に対して受信器が新しい位置をとった場合にも起こり得る。
【００７３】
受信信号間の遅延が変化することにより信号が適切にデコードできなくなった場合、相関器の出力が下降する。その場合、ＧＰＳシステムは、相関器出力が期待値にまで上がることによりＰＮコードが信号と同期したことが示されるまで、遅延を調節し得る。あるいは図８に示すようなスキームを用いる場合には、遅延チェーン中のより上流側またはより下流側の相関器から出力を得てもよい。もし遅延が期待よりも多大であれば、ＧＰＳ受信器は、追加的な遅延を、受信器位置の変化（すなわち速度）であると解釈し得る。
【００７４】
期待される遅延と実際に必要とされる遅延とを受信器が比較するこのメカニズムは、ＧＰＳ受信器が移動している速度を効果的に決定できる方法である。相関器値が下降し始めるに従って、ＧＰＳシステムは、ＰＮコード（あるいはＧＰＳ受信器の実施形態によっては入来信号）の遅延を、相関器から出力される値が期待値（１００％相関されたＧＰＳ信号においては「１０２３」）あるいは何らかの中間値に増加するまで、進めるか遅らせ得る。存在しないＰＮコード、あるいは遅延されたことにより信号内においてそのコードとは同期しなくなったＰＮコードとの相関は、相関器から「−１」の値を出力させ、図８のような通常に動作している遅延チェーンにおいては、相関器の大多数はｌｏｗ出力（すなわち「−１」または「−１」近傍でかつ「１０２３」よりずっと小さい値）を有し得る。
【００７５】
ジャミング信号は、他の信号を阻害するスプリアス（ｓｐｕｒｉｏｕｓ）信号であり、ジャミング信号が強い場合は特に、元の信号を解釈することを困難にあるいは不可能にさえする。ジャミングは普通に見られる現象である。スプリアス信号には多くの発生源がある。高周波デジタル回路はスプリアスノイズを発生し得、電気モータは接続が断続される際に広スペクトルのノイズを多量に発生し、自動車の点火システムはノイズをばらまき、雷などの自然現象でさえ、ジャミング信号の発生に関与し得る。
【００７６】
これらのノイズ源に加えて、ＧＰＳ受信器は、移動体ＧＳＭ電話機によって発生されるノイズに特に弱い。これらの電話機のサイドバンドは、ＧＰＳシステムが作動する周波数範囲内にあり得、しばしばスプリアスエネルギーをＧＰＳ信号の受信と干渉し得る周波数に乗せてしまうことがある。
【００７７】
さらに、ＧＰＳ送信器は、低エネルギー（現在のＧＰＳ衛星においては最大５０ワット）であるため、比較的低エネルギーのジャミング信号であっても周波数が合えば、ＧＰＳ受信器の動作を邪魔し得る。
【００７８】
ＧＰＳ受信器におけるジャミング信号の存在は、現在の位置決定情報を邪魔するだけにはとどまらない悪影響を有し得る。ジャミング信号が終わっても即座には消えないような誤差をシステムに引き起こし得る。例えば１例として、ＧＰＳ受信器が、図６における信号６０１および６０３のように２つの信号が完全に同期している状態にあるとする。それからジャミング信号が信号６０３に割り込む。この時、ＧＰＳ受信器は信号のサンプリングを変化させ始める。信号は元々、時刻ｔ0、ｔ1、ｔ2、ｔ3、およびｔ4においてサンプリングされたものである。これらの信号間の遅延は、図７に示す状態まで増加する。信号間の実際の遅延は、図７に示すようにΔｔ1であり、信号７０５の立ち上がりエッジは、ジャミング信号が開始されたときの場所７０３から７０７まで距離Δｔ1移動する。しかしＧＰＳシステムは、信号を取得しようとして、信号７０５をサンプリングするための遅延を、調整し続けてしまっている。遅延がΔｔ2（７１１）まで調整され、受信器が時刻ｔ0B、ｔ1B、ｔ2B、ｔ3B、およびｔ4Bにおいて信号をサンプリングしているとき、ジャミングが止み、ＧＰＳシステムが信号を取得し始める。信号を再同期するためには実際にはΔｔ3分の調整のみが必要であるため、信号が時刻ｔ0A、ｔ1A、ｔ2A、ｔ3A、およびｔ4A においてサンプリングされたとしても出力は依然として矯正される。しかしＧＰＳシステムはΔｔ2分の遅延を追加しており、時刻ｔ0B、ｔ1B、ｔ2B、ｔ3B、およびｔ4Bにおいてサンプリングを行うことにより、ＧＰＳシステムはΔｔ2分の調整後に信号を再度取得している。表７１９から明らかなように、出力はこれで正しくなり、表７１７（信号をΔｔ2よりも短いΔｔ3分の遅延でサンプリングを行っている）と同じになっている。ＧＰＳシステムは、再同期を達成するために必要以上に遅延を増加させている。ＧＰＳシステムは、信号を取得するためにはΔｔ2の遅延が必要であると誤って判断してしまっているため、その遅延に基づいて新しい位置を計算してしまう。この状況は長い間続き得、信号７０５を提供する衛星がもはや受信されていなくなった後でさえも続き得る。
【００７９】
図８を参照して別のシナリオを図示する。相関器Ｃ1（８０７）が−１の出力を発生しており、相関器Ｃ2（８１５）が１０２３の出力を発生していると仮定する。この場合、ジャミング信号が割り込み、相関器Ｃ2（８１５）の出力は、衛星が自然に移動した場合に下降が起こるはずである通常の時刻よりも前に下降する。ＧＰＳシステムはこれを速度と解釈し、チェーンのさらに下流側の正しい相関器を探し始める。システムは信号を再取得しようとし続け、連続的に相関器を探し、衛星の移動に対する予想遅延を、システムが考えているところの速度に加算する。この誤差は膨らみ続け得る。カルマンフィルタリングを用いているＧＰＳ受信器においては、この種の誤差は累積し、ジャミングが止まった後においても、誤った読み取りが次第に消散する間、誤差は残っている。
【００８０】
従って、当該分野において、ＧＰＳ受信器の性能を改善するために、ジャミング信号を検出し、ジャミング信号の存在による効果に対処する必要がある。
【００８１】
ジャミングの悪影響を回避するための第１のステップは、ジャミング信号の存在を検出することである。ジャミング信号の存在を表すものはいくつかある。
【００８２】
ジャミングを検出することができる方法の１つは、対応する温度変化を伴わないような高速のクロックドリフトを検出することである。ＧＰＳ受信器が、その信号の全てのデコードのために遅延を増加しなければならないような場合は、クロックドリフトが大きくなっているはずである。もし対応して温度が変化していれば、ドリフトはユニット温度の変化のせいであり得る。しかし、ドリフトが大きいが温度変化が少ない場合や、突然ジャンプするようなクロックドリフトは、ジャミング信号の存在を表している可能性がある。従って、これらの事象を検出することは、ジャミング信号を検出することであり得る。
【００８３】
ジャミングを検出する別の方法は、入来するＧＰＳ信号の信号対ノイズ比を調べることである。もしこの比が既定の量（例えば３ｄＢ）より大きく急速に下降した場合、ノイズが大きく急激に増加しているため、これはジャミング信号が存在することを表している。
【００８４】
ジャミングを検出するための３番目の方法は、図８における相関器チェーンなどのメカニズムを用いることである。信号がチェーンによって受信され、これをデコードするために正しいＰＮコードが用いられているならば、相関器からの期待される出力は、入来するＧＰＳ信号とコードが同期していないことを示す「−１」になる。チェーン中の遅延が信号をデコードするために適正であれば、相関器の出力は増加し、信号がコードに合致しかつ信号が十分強ければ、出力は「１０２３」となる。チェーン中のこの地点から後では、相関器出力は再び「−１」に減少する。いくつの相関器が「−１」より大きい相関器出力を示すかは、いくつかの要因に依存する。これは、相関器の総数、信号の強度、および相関器チェーンの段間の遅延量に依存する。
【００８５】
しかしジャミングの存在下においては、チェーン中のｌｏｗ値（相関信号の不在を示す）を有する全ての相関器の値は上昇し、良好な相関（すなわちｈｉｇｈ出力）を示す相関器の値は下降する。しかしこの状況は検出が困難である。なぜならば、ＧＰＳ信号は、位置の変化、到達範囲および信号経路に出入りする障害物に起因して常に変化し得るからである。
【００８６】
相関器チェーンを用いてジャミングの存在を検出する別の方法は、入来信号を、ＧＰＳ受信器によって受信されていないＰＮコードに相関付けることである。このコードは、３２個の指定ＧＰＳコードのいずれでもないコードか、ＧＰＳ衛星には用いられないことがＧＰＳ機構によって保証されている第２５番目のＧＰＳコードか、あるいは、ＧＰＳシステムによって受信され得る位置にない衛星のうちの１つのコードであってもよい。また、各衛星はそのデータの一部として、システム中の全ての衛星の位置に関する情報を含むアラマナックを送達するので、ＧＰＳシステムは、その受信範囲内に無い衛星を選択し、そのＰＮコードを用いることもできる。非ジャミング条件下においては、信号強度が適切であれば、このチェーン内において非受信ＰＮコードを有している全ての相関器は、ｌｏｗ値（信号強度が適切であれば「−１」）を示す。ジャミングが存在する場合は、チェーン中の全ての相関器はより高い出力を示す。このような値の増加を示す相関器が多いほど、ジャミングが存在している可能性が高い。従って、相関器チェーンがチェーン内に１００個の相関器を有しており全ての相関器の出力が上昇する場合の方が、チェーン内に３個しか相関器がないときに値が上昇する場合よりも、ジャミングが存在している可能性が高い。しかし、相関器の数が最小であったとしても、例えば１個であったとしても、相関器の出力にこのタイプの上昇が見られる場合は、ジャミングが存在する可能性を示している。
【００８７】
ジャミングを検出する方法は他にも存在する。例えば、受信中の信号の信号強度を、当該分野において周知の信号強度インジケータを用いてモニタすることなどである。信号強度が突然増加した場合、あるいは、ＧＰＳ周波数における信号強度がＧＰＳ信号と見なされ得るには高すぎることが示された場合もまた、スプリアス信号ならびにジャミング源を示している。
【００８８】
勿論、ジャミングを検出する方法は組み合わせてもよく、一般に、２つ以上のジャミングの証左がある方が、そのような証左が１つだけの場合よりもジャミング信号が存在する可能性が高いことになる。当業者は、上記実施例の組み合わせおよび変形例が可能であることを理解するであろう。当業者らはまた、本開示における発明の概念から逸脱することなく、上記実施例に示した原理を様々な方法で用いることによって、本発明の目的を達成することが可能であることを理解するであろう。
【００８９】
ジャミングが検出された場合、様々な対策を取り得る。単純な対策は、ジャミング信号が無くなるまで単にＧＰＳシステムを停止することである。このことにより、位置の誤差ジャンプまたは速度の誤差が見られることがなくなり、誤差が累積することがなくなる。ユニットのディスプレイは、ジャミング信号が検出されたことを示すメッセージを提供し得、最後の有効な位置がどこであったかを示し得る。また、利用可能な有効位置が存在しないことを単に示してもよい。
【００９０】
ＧＰＳユニットはまた、推測航法を用いることができる。この場合、最後にわかっていた有効位置、最後にわかっていた移動方向、最後にわかっていた速度を用いて得た位置を、表示する。
【００９１】
より高度な実施形態においては、ＧＰＳユニットは、ユニット中に構築された他のナビゲーションシステムに戻ってもよい。
【００９２】
ＧＰＳ衛星は、５０ワット未満の低パワー送信機を用いてＧＰＳ信号を放送する。ＧＰＳ放送信号は、信号の受信に与えるノイズの影響を低減する拡散スペクトル技術を用いてエンコードされるものの、ジャミング信号は、ＧＰＳ受信機の性能に悪影響を与え得る。ジャミング信号は、システム内の位置および速度の指標に誤差を生じさせ得る。システム内においてこれらの誤差が重なると、ジャミング信号がなくなった後も誤差が散逸するまでに相当の時間がかかる場合がある。これらの誤差は、数十マイルのオーダーの速度誤差および位置誤差となって現れ得る。相関器チェーンの出力を監視する方法であって、この相関器チェーン中の各リンクにおいて相関ＰＮコードを遅延する方法を含む、ジャミング信号の存在を検出する方法が本願によって開示される。さらに、本願は、ジャミング信号に対処するための対策を開示する。その方法には、ジャミング信号が存在する期間の間、受信機を停止したり、推測航法等の代替的な方法によって位置計算を行う方法が含まれる。
【００９３】
ＧＰＳ受信器が埋め込まれたアプリケーションに応じて、様々なジャミング対策を講じ得ることが、当業者には理解される。例えば、乗物の場合は、最後にわかっている有効ＧＰＳ位置およびコンパスの読み取り値ならびに速度表示に依拠してもよく、飛行機の場合はナビゲーション用ビーコンに依拠してもよい。用いることのできる対策の種類は無数であり、発明の精神および趣旨から逸脱することなく多くの改変例が可能である。
【００９４】
【発明の効果】
本発明のジャミング信号の存在下におけるＧＰＳ受信機内の誤差を最小化する方法および装置により、ＧＰＳ信号の受信において、地上ベース受信器の性能を改善するためのより優れた感度が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】４つのＧＰＳ衛星から、現在信号を受信しているＧＰＳ受信器を示す図である。
【図２】ＧＰＳ衛星の一部を表すブロック図である。
【図３】例示的なＧＰＳ受信器の一部を表す一般化ブロック図である。
【図４】長さ８の拡散コードと共に示した、拡散および収束プロセスを表す表である。
【図５】本発明の実施形態による例示的なＧＰＳ受信器を詳細に示すブロック図である。
【図６】２つの同期した拡散スペクトル信号およびそれらの加算結果の一部を示す図である。
【図７】相互に位相変位を有する２つの拡散スペクトル信号、および、それらの加算結果の一部を示す図である。
【図８】本発明の好適な実施形態において見られるタイプの比較回路の、配線のブロック図である。
【符号の説明】
５０３ アンテナ
５０５ 搬送波
５０７ 復調器
５０９ 相関器
５１１ データ復号器
５１５ 拡散コード第１号
５１７ ＰＮ拡散コード
５１９ 第２相関データ復号化ユニット
５２１ 相関器
５２３ データ復号器
５２５ 拡散コード第２号
Claims (22)
- ジャミング信号の存在下におけるＧＰＳ受信機内の誤差を最小化する方法であって、
ジャミング信号と関連してＧＰＳ信号を受信するステップと、
該ジャミング信号を検出するステップと、
該ジャミング信号によってＧＰＳ受信機内に発生した誤差を低減するような対策を適用するステップと、
を包含し、
前記ジャミング信号を検出するステップが、
前記ＧＰＳ受信機内の温度変化を検出するステップと、
該ＧＰＳ受信機内の該温度変化から予測されるクロックドリフトを決定するステップと、
該ＧＰＳ受信機内における該ＧＰＳ受信機の実際のクロックドリフトを決定するステップと、
該温度変化によって予測された該クロックドリフトを該ＧＰＳ受信機の該実際のクロックドリフトと比較し、これにより、ジャミング信号の存在を検出するステップと、
を包含する方法。 - 前記ジャミング信号を検出するステップが、
前記ＧＰＳ受信機についての信号対雑音比を決定するステップと、
該信号対雑音比の急激な降下を検出し、これにより、ジャミング信号の存在を検出するステップと、
を包含する、請求項１に記載の方法。 - 前記ジャミング信号を検出するステップが、
ＧＰＳ周波数における信号強度値を決定するステップと、
該ＧＰＳ周波数における該信号強度値を信号強度最大値と比較し、これにより、ジャミングを検出するステップと、
を包含する、請求項１又は２に記載の方法。 - 前記ジャミング信号を検出するステップが、
ＧＰＳ信号を第１の相関器におけるＰＮコードに相関させ、これにより、該第１の相関器の出力が該ＰＮコードが存在することを示すようにする、ステップと、
該ＧＰＳ信号を第２の相関器における遅延したＰＮコードに相関させるステップであって、該遅延は、該第２の相関器の出力が該遅延ＰＮコードが存在しないことを示すのに十分な遅延である、ステップと、
該第２の相関器の出力の上昇に相当する該第１の相関器の出力値の降下について該第１の相関器の出力をモニタリングし、これにより、ジャミングを検出するステップと、
を包含する、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。 - 前記ジャミング信号を検出するステップが、
受信したＧＰＳ信号を該ＧＰＳ信号内には含まれていないＰＮコードに相関させるステップと、
相関出力の上昇を検出し、これにより、ジャミングを検出するステップと、
包含する、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。 - 前記ジャミング信号を検出するステップが、
受信したＧＰＳ信号を該ＧＰＳ信号内には含まれていないＰＮコードに複数の相関器で相関させるステップであって、連続する相関器間において該ＰＮコードが遅延される、ステップと、
該複数の相関器の相関出力の上昇を検出し、これにより、ジャミングを検出するステップと、
を包含する、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。 - 前記ジャミング信号を検出するステップが、
受信したＧＰＳ信号を該ＧＰＳ信号内には含まれていないＰＮコードに複数の相関器で相関させるステップであって、該受信したＧＰＳ信号には複数のＰＮコードは存在しない、ステップと、
該複数の相関器の相関出力の上昇を検出し、これにより、ジャミングを検出するステップと、
を包含する、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。 - 前記ＧＰＳ信号内には含まれていない前記ＰＮコードは前記ＧＰＳ受信機によって受信されないＧＰＳ衛星からのＧＰＳコードである、請求項５から７のいずれか一項に記載の方法。
- 前記ＧＰＳコードは、ＧＰＳ機構によっていずれのＧＰＳ衛星にも存在しないことが保証された２５番目のＧＰＳコードである、請求項８に記載の方法。
- 前記対策を適用するステップが、前記ＧＰＳ受信機の機能をディセーブルするステップを包含する、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
- 前記対策を適用するステップが、前記ジャミングが存在する間に位置決定の推測航法を適用するステップを包含する、請求項１０に記載の方法。
- 前記対策を適用するステップが、ジャミング信号の存在の指標を提供するステップを包含する、請求項１０に記載の方法。
- 前記対策を適用するステップが、位置決定のバックアップ方法にデフォルトするステップを包含する、請求項１０に記載の方法。
- ジャミング信号の存在下におけるＧＰＳ受信機内の誤差を最小化する装置であって、
該ジャミング信号を検出する手段と、
該ジャミング信号によってＧＰＳ受信機内に発生した誤差を低減する対策手段と、
を備えており、
前記ジャミング信号を検出する手段が、
ＧＰＳユニット温度の変化を測定する温度センサと、
該ＧＰＳユニット温度の変化を受信し、該ＧＰＳユニット温度の変化から予測されるクロックドリフトを決定する演算回路と、
実際のクロックドリフトを決定する回路と、
該予測クロックドリフトおよび該実際のクロックドリフトを受信し、該実際のクロックドリフトを該予測クロックドリフトと比較して差を決定する比較器であって、これにより、ジャミングが検出できる、比較器と、
を備えた装置。 - 前記ジャミング信号を検出する手段が、
存在する信号の量を決定する回路と、
該信号中に存在するノイズの量を決定する回路と、
該存在する信号の量を受信するとともに該信号中に存在する該ノイズの量を受信して、信号対雑音比を決定する演算回路と、
該演算回路に接続され、該信号対雑音比を受信するとともに、該信号対雑音比の急激な変化を検出し、これにより、ジャミングを検出するモニタリング回路と、
を備えている、請求項１４に記載の装置。 - 前記ジャミング信号を検出する手段が、
ＧＰＳ伝送帯における前記信号の強度をモニタリングする信号強度検出回路と、
該信号強度検出回路に接続され、該ＧＰＳ伝送帯における該信号の強度を受信し、該ＧＰＳ伝送帯における該信号の強度を予測される最大値と比較し、これにより、ジャミングを検出する、比較器回路と、
を備えている、請求項１４又は１５に記載の装置。 - 前記ジャミング信号を検出する手段が、
第１の相関器と、
該第１の相関器に接続されるＰＮコードであって、これにより、ＧＰＳ信号中におけるＰＮコードの存在が該第１の相関器からの高出力によって検出される、ＰＮコードと、
第２の相関器と、
該ＰＮコードおよび該第２の相関器の間に配置され、該ＰＮコードを受信し、該ＰＮコードを該第２の相関器に接続する前に該ＰＮコードを遅延する遅延回路であって、該遅延は、該第２の相関器の低出力によって該遅延ＰＮコードが存在しないことを示すのに十分な遅延である、遅延回路と、
該第１の相関器および該第２の相関器の出力を受信し、該第２の相関器の出力の上昇に相当する該第１の相関器の出力値の降下を決定する回路であって、これにより、ジャミングの存在が検出される、回路と、
を備えている、請求項１４から１６のいずれか一項に記載の装置。 - 前記ジャミング信号を検出する手段が、
ＧＰＳ信号およびＰＮコードを受信するように接続された１つ以上の相関器のチェーンであって、該ＰＮコードは連続的に遅延されており、該相関器のチェーンの出力が低い値を示すようになっている、相関器チェーンと、
該相関器の出力に接続され、該相関器の出力値の上昇を検出するモニタリング回路であって、これにより、ジャミング信号を検出する、モニタリング回路と、
を備えている、請求項１４から１６のいずれか一項に記載の装置。 - 前記ジャミング信号を検出する手段が、
ＧＰＳ信号および異なる複数のＰＮコードを受信するように接続された複数の相関器であって、該相関器の出力が低い値を示すようになっている、複数の相関器と、
該相関器の出力に接続され、該相関器の出力値の上昇を検出するモニタリング回路であって、これにより、ジャミング信号を検出する、モニタリング回路と、
を備えている、請求項１４から１６のいずれか一項に記載の装置。 - 前記対策手段が、
ジャミング信号が存在することを示す指標を受信し、該ジャミング信号が存在することを示す指標を受信したときに前記ＧＰＳ受信機をディセーブルする回路、
を備えている、請求項１４から１９のいずれか一項に記載の装置。 - 前記対策手段が、
該ジャミング信号が存在することを示す指標を受信したときに、該ＧＰＳ受信機の位置を更新する手段として推測航法を適用する回路と、
を備えている、請求項２０に記載の装置。 - 前記対策手段が、
該ジャミング信号が存在することを示す指標を受信したときに、該ＧＰＳ受信機の位置を更新するためにバックアップ位置決定システムにデフォルトする回路と、
を備えている、請求項２０に記載の装置。
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