JP4727815B2 - 衛星測位システムにおいて時間を決定するための方法および装置 - Google Patents

Description

【０００１】
本出願は、１９９７年２月３日に提出され、本発明の譲受人に譲渡された「衛星測位システムに基づいた時間測定のための方法および装置（Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ Ｔｉｍｅ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ）」と題される米国特許出願第０８／７９４，６４９号の一部継続出願である。
【０００２】
【発明の属する技術分野】
本発明は、衛星測位システム（ＳＰＳ）に関し、特にＳＰＳ信号伝送および／または受信と関連する時間を決定することに関する。
【０００３】
【従来の技術】
ＧＰＳ（全地球測位システム）受信機などのＳＰＳ受信機は、通常、ＧＰＳ（またはＮＡＶＳＴＡＲ）衛星などの非常に多数の衛星から同時に伝送される信号の到着の相対的な時間を計算することによりその位置を決定する。ＧＰＳなどの典型的な衛星測位システムにおいては、非常に多数の衛星が、極小のクロック精度を提供してよいきわめて正確なシステムクロックに従って同期される。一般的には、各衛星は、ＧＰＳの場合、（ＧＰＳ）システム時間と呼ばれる（これ以降システム時間と呼ばれる）システムクロックによって示される時間に従って、データが伝送されたときを示すタイムスタンプも含むナビゲーションデータ（例えば、衛星の場所）を伝送する。
【０００４】
ただし、ＳＰＳ受信機は、典型的にはこのような正確なクロックを有していない。したがって、ＳＰＳ受信機は、典型的には、読み取り、および衛星メッセージに含まれるタイミング情報によってタイミング情報を決定する。多くの受信機は、４つ（または５つ以上の）衛星からの測定値を使用することによって位置および時間を決定する。４つの衛星（ｉ＝１、２、３、４）の内のそれぞれへの距離は、以下のように表記されてよい。
【０００５】
【数１】

ここで、
ｘ、ｙおよびｚは、受信機の座標／位置（未知）である。
【０００６】
ｘｉ、ｙｉおよびｚｉは、ｉ番目の衛星の座標／位置（既知）である。およびｃｂは、受信機のクロックと基準時間の間の時間の誤差（未知）の結果であるクロックバイアスを表す。
【０００７】
このようにして、前記等式（１）には、典型的には、合計４個の未知数がある。
【０００８】
多くの場合、ＰＲｉは、それが等式（１）のｃｂの項で示されるように受信機のクロック誤差によって生じる可能性のあるオフセットを加えたまたは差し引いた、ｉ番目の衛星の実際の距離を表すために擬似距離と呼ばれる。４つの衛星からの測定値を使用する前記等式は、線形にされ、以下に示すように行列形式で表される。
【０００９】
【数２】

ここで、
△ＰＲｉは、ｉ番目の衛星（ｉ＝１、２、３、４）の擬似距離の残差であり、ｉ番目の衛星までの測定擬似距離と初期推定距離の間の差異（既知）を表す。
【００１０】
ｕｘｉ、ｕｙｉおよびｕｚｉは、ｘ座標軸、ｙ座標軸、およびｚ座標軸に沿って投影された、受信機からｉ番目の衛星までの視線（ＬＯＳ）の方向余弦（既知）である。
【００１１】
△ｘ、△ｙ、△ｚおよび△ｃｂは、基準クロックからオフセットされてよい受信機の座標／位置およびクロックの初期概算に対する補正（未知）である。
【００１２】
これ以降、擬似距離残差ベクタもＺと呼ばれ、ｎｘ４要素行列Ｈも観測行列と呼ばれ、ｘは、重要な未知数を含むＳＰＳ受信機の位置と時間の補正ベクトルを表す。このようにして、観測行列Ｈの逆数が存在する場合には、前記行列等式（２）によって表記される一次方程式の集合の中の未知数ｘに対する一意の解が求められてよく、その結果
【数３】

擬似距離（ＰＲｉ）を求める場合、従来のＳＰＳ受信機は、典型的にはその位置の初期推定値およびミリ秒範囲内まで既知であるクロックバイアスを使用する。しかしながら、衛星からの信号は光の速度で、またはほぼ光の速度で移動してくるため、時間の１ミリ秒の不明確ささえ擬似距離測定値での最高３００キロメートルの誤差を生じさせることがある。前記行列等式（２）を解くことによって、従来のＧＰＳ受信機は、その初期クロックバイアス概算に対する補正を計算でき、そこでは初期クロックバイアス概算は、「時間調節」情報を提供するナビゲーションメッセージを読み取ることによって引き出される。
【００１３】
残念なことに、多くの状況では、１つまたは複数の衛星のナビゲーションメッセージを読み取ることによってシステム時間を決定することは、信号品質の劣化のため、困難である可能性がある。例えば、衛星信号の妨害物がある場合、ＧＰＳ衛星からの受信信号レベルまたは信号対雑音比（ＳＮＲ）が低すぎて、エラーなく衛星データ信号を復調し、読み取ることはできない可能性がある。このような状況は、個人の追跡調査およびそれ以外に高度に移動性の用途で生じる場合がある。このような信号条件下では、受信機は依然としてＧＰＳ信号を取得し、追跡調査することができる。ただし、タイミングデータ無しで位置決定およびあいまいでない時間測定を実行することは、代替方法を利用して最適に実行されてよい。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、衛星ナビゲーションデータメッセージ内で提供されているタイミング情報を処理することから基準時間を決定しなくても、基準時間（例えば、システム時間またはそれ以外の相対的に正確な基準時間）を基準にしてＳＰＳ受信機による衛星伝送の時間および／または測定の時間などのＳＰＳ内の時間を決定するための方法および装置を提供する。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
衛星測位システムに関連する基準時間を決定するための方法および装置が記述される。いったん決定されると、基準時間は、ある実施形態においては、他のナビゲーション情報を求めるために使用されてよい。このようなナビゲーション情報は、例えば、衛星測位システム（ＳＰＳ）受信機の場所／位置を含んでよい。１つの実施形態においては、ＳＰＳ受信機と１つまたは複数の衛星のセットの間の相対的な速度は、ＳＰＳ受信機によって示されるような時間と基準時間の間のオフセットを求めるために使用される。本発明の別の実施形態に従って、誤差統計が基準時間を決定するために使用される。本発明のまた別の実施形態に従って、それぞれが少なくとも衛星メッセージの一部を表す２つのレコードが時間を決定するために比較される。１つのインプリメンテーションでは、ＳＰＳ受信機は移動性であり、説明されている方法の１つまたは組み合わせに従って時間および／またはその他のナビゲーション情報を決定するために、基地局とともに動作する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
衛星測位システムとともに使用するための衛星データメッセージに関係する時間を測定するための多様な方法および装置が以下に説明される。本発明の説明の一部は米国の全地球測位衛星（ＧＰＳ）システムに焦点を当てている。しかしながら、これらの方法が、ロシアのＧｌｏｎａｓｓシステムなどの類似した衛星測位システムにも等しく適用できることが明らかでなければならない。さらに、本発明の教示は、ｐｓｅｕｄｏｌｉｔｅｓまたは衛星とｐｓｅｕｄｏｌｉｔｅｓの組み合わせを活用する測位システムに等しく適用可能であることが理解されるだろう。さらに、基地局および移動性ＳＰＳ受信機の多様なアーキテクチャが、本発明の制限として解釈されるよりむしろ説明目的で提供されている。
【００１７】
１つの実施形態の概要：時間決定のための衛星速度の活用
図３は、本発明の１つの実施形態に従って、移動性通信受信機および送信機と結合されている移動性ＳＰＳ受信機（図１に示されているもののような）と共に活用されるように、衛星測位システム内での時間決定のために、相対的な衛星速度を活用するための方法を示すフロー図である。図３に示されている方法２００では、図１に図示されている移動性ＳＰＳ受信機１００のようなエンティティが、ステップ２０２において、１つまたは複数の衛星のセットに対するその位置を推定する。１つの実施形態においては、ＳＰＳ受信機は、衛星から伝送される信号に基づき衛星のセットに対する擬似距離のセットを決定してよい。このようにして、ＳＰＳ受信機による任意の距離または位置の推定は、典型的には、ＳＰＳ受信機のクロックによって提供される測定の時間と基準時間との間のオフセットのために、実際の位置または距離を基準にしてオフセットされるだろう。
【００１８】
ステップ２０４では、図１０に図示されている基地局のような基地局が、ＳＰＳ受信機から推定情報を受け取る。例えば、推定情報は、ＳＰＳ受信機による測定の時間の推定に関連するような擬似距離測定値の表記を含んでよい。例えば、擬似距離は、ＳＰＳ受信機のクロックによって示されるような時間を使用して求められてよい。前述されたように、正確な基準時間を基準にした、時間の正確な瞬間での衛星の位置について知らずに、ＳＰＳ受信機は、時間の任意のオフセット／誤差のために実際の距離からオフセットされる可能性のあるその位置の推定／近似に制限されるだけである。
【００１９】
ステップ２０６では、基地局は、衛星のセットの相対的な速度の推定に基づき、ＳＰＳ受信機によって基地局に提供される推定情報によって表されるような、ＳＰＳ受信機の距離または位置の推定に関連する時間オフセットを決定する。１つの実施形態においては、衛星のセットのそれぞれの相対的な速度が、衛星と移動性ＳＰＳ受信機の間の近似される相対的な速度を表す。ＳＰＳ受信機による測定の時間と基準時間（例えば、ＧＰＳシステム時間）の間の時間オフセットを決定するために相対的な衛星速度を活用するための、本発明の実施形態に従った方法は、行列等式（４）に関して後述される。
【００２０】
最後に、ステップ２０８では、基地局が、時間、位置、速度等の改善されたナビゲーション情報をＳＰＳ受信機に提供する。改善されたナビゲーション情報は、基準時間を基準にしてどの時刻において、位置、距離またはそれ以外の情報が移動性ＳＰＳ受信機によって推定または測定されたのかを突き止めるための、オフセット（またはその近似）の決定に基づく。代替実施形態においては、基地局は、ＳＰＳ受信機に改善されたナビゲーション情報を提供しないことがある。例えば、このような情報は、有線または無線等であることがあるデータ通信リンクを介して別のエンティティに記憶、提供されてよい。
【００２１】
表１は、どのようにしておよびどのデバイス（複数の場合がある）によってここに言及される量の幾つかが、本発明の１つの実施形態に従って決定されるのかを示す。
【００２２】
【表１】

本発明の１つの実施形態においては、後述されるような擬似距離行列等式（４）が、移動性ＳＰＳ受信機での測定の時間に関連する推定された時間と、基準時間との間の時間の誤差／オフセットについて解かれる。このような解は、１つの実施形態においては、移動性ＳＰＳ受信機の位置を推定するために使用される衛星のセットと、移動性ＳＰＳ受信機自体の間の相対的な速度に基づいている。５つの測定値の場合、修正された行列等式（４）は、以下のように表記されてよい。
【００２３】
【数４】

ここで、
ΔPRｉは、ｉ番目（ｉ＝１，２，３，４，５）の人工衛星に対して擬似距離(pseudorange)の残差を意味する。また、ΔPRｉは、ｉ番目の人工衛星に対する、
測定された擬似距離と初期推定距離との差（既知である）を表している。
【００２４】
ｕｘｉ、ｕｙｉ、ｕｚｉは、受信者からｉ番目（ｉ＝１，２，３，４，５）の人工衛星に対する視線ベクトル（ｌｉｎｅ−ｏｆ−ｓｉｇｈｔ ｖｅｃｔｏｒ：ＬＯＳベクトル）の方向余弦であり、それぞれ視線ベクトルのｘ軸，ｙ軸，ｚ軸への射影である（既知である）。
【００２５】
ｓｖ 距離 レートｉは、ｉ番目（ｉ＝１，２，３，４，５）の人工衛星と、あるエンティティ（例えば、移動ＳＰＳ受信器等）と、の相対速度を意味している（既知である）。
【００２６】
Δｘ，Δｙ，Δｚ，Δｃｂは、座標／位置の初期推定と受信機のクロックとに対する補正である（未知である）。
【００２７】
Δｔは時間計測についてのオフセットであり、例えば一例を挙げると、擬似距離の計測が実行された推定時刻と基準時間（例えば、ＧＰＳシステム時間、或いはＧＰＳシステム時間に基づく時間等）との差（或いはオフセット）を表している（未知である）。
【００２８】
上記行列による方程式（４）を解くことで、特定時刻において計測された擬似距離に適合する一意的な解を得ることができる。方程式（４）の解によれば、擬似距離が決定された時刻の初期推定に対して、Δｔは粗い補正を与え、Δｃｂは細かな補正を与える。すなわち、千分の一秒未満或いはそれ以上のオーダーとなり得るものであって、基準時間（例えば、ＧＰＳシステム時間）とあるエンティティ（例えば、移動ＳＰＳ受信器等）が当該エンティティの位置または／或いは人工衛星群の位置を推定した推定時間との間のオフセットは、人工衛星群の相対速度に基づいて決定することができる。
【００２９】
必ずしもあらゆる場合という訳ではないが、式（４）は、代表的な５つの未知数Δｘ，Δｙ，Δｚ，Δｃｂ，Δｔを含んでいる。従って、計測時においてこれらの未知数の何れかが既知でない限り、５個（或いはそれ以上）の独立な擬似距離の計測が、上記未知数に対する一意的な解を求めるために典型的に考慮に入れられることができる。
【００３０】
一般に、行列による方程式（４）の精度は、各人工衛星の相対速度（すなわち、sv 距離＿レートｉ）の精度に少なくとも一部は依存している。さらには、例えば移動ＳＰＳ受信器の様なあるエンティティに対する各人工衛星からの視線ベクトル（ＬＯＳベクトル）を計算するために用いられる、初期位置及び時間推定に関する誤差は、各人工衛星の速度推定において誤差を生ずることがある。従って、一実施例としては、セルラー方式サイトの位置情報を利用することで、ＳＰＳ受信器の位置の初期推定を決定することができる。さらに、一実施例として、行列方程式（４）は、該エンティティに対する改良された位置推定を使って、複数の人工衛星のセットの中の一或いはそれ以上の速度を再計算することにより、反復的に解くこともできる。この場合、各反復によって５個の改良が得られる。すなわち、空間的な領域、すなわち位置若しくは距離に関する３つの改良（Δｘ，Δｙ，Δｚ）、時間領域に関する二つの改良（Δｃｂ，Δｔ）である。
【００３１】
本発明に係る当該実施例においては移動ＳＰＳ受信器の速度はわかっているものとされ、時間の判別にはドップラ計測を利用している。また、当該実施例では、後験的な速度の誤差を、ドップラ情報を使用することで最小限にして時間を決定する。本実施例では、時間の誤差は、移動ＳＰＳ受信器に対して計算された速度（当該速度は、上記行列方程式（４）あるいは後述する誤差の統計的方法を含む種々の方法によって計算することができる。）と、わかっている移動ＳＰＳ受信器の速度と、の差を表している。この様な誤差を最小にすることで、関心のある時間を決定することができる。例えば、移動ＳＰＳ受信器が静止状態（すなわち、速度０の状態）である場合、基準時間と比べて、計測された時間への種々の近似を行うことで、解を計算することが可能である。速度０に対応する解は、最も基準時間に近いものとなり、従って、移動ＳＰＳ受信器の位置及び／又は他のナビゲーション情報を決定するのに使用される。本発明の他の実施例としては、高度援助或いは推測航法（例えば、知っている方向に関する速度の制限等）、またはその他の技術を採用してもよい。これは、ＳＰＳ受信器の相対速度の利用や、時間その他のナビゲーション情報を決定するための一又はそれ以上の人工衛星群を、改良或いは単純化するためである。
【００３２】
他の実施例の概要：
時間決定に対する誤差統計の利用
本発明に係る本実施例では、誤差統計を利用して衛星測位システムに関する基準時間を決定する。本発明の当該観点から見た一状況、すなわち誤差統計に基づいた時間の決定は、計測の数（例えば、擬似距離の計測等）が未知数の数（例えば、Δｘ，Δｙ，Δｚ，Δｃｂ等）を上回る場合に有効である。更には、誤差統計は、時間及び／又は他のナビゲーション情報の決定を改善するための他の技術に関連して利用することも可能である。
【００３３】
図４は、本発明の一実施例に従った、誤差統計を利用して衛星測位システムにおける時間を決定する方法を示した流れ図である。図４中の方法３００のステップ３０２において、あるエンティティ、例えば移動ＳＰＳ受信器は、複数の時間において、人工衛星群に対して相対的な距離と位置とを推定する。なお、ここでの複数の時間（一又はそれ以上の時間）は、基準時間からのオフセットである、計測された推定時間と関係を有するものである。そのような上記オフセットは、ＳＰＳ受信器の時計と基準時計によって示された時間との間でのオフセット、ドリフト、及び／又はＳＰＳ受信器の時計における他の不正確さなどが原因である可能性がある。この基準時間は、例えばＧＰＳシステム時間といった衛星測位システムに関する時間に対応している。
【００３４】
ステップ３０４では、複数の時間インスタンスの夫々は、さらにオフセットを加算或いは減算することで変更される。例えば、本実施例では、個々の距離或いは位置の推定に関連する計測の推定された時間の各々は、−５乃至＋５秒間のオフセットによって変更される。また、他の実施例としては、オフセット値の他の範囲を加算或いは減算し、誤差統計に対する種々のサンプルを取得する構成をとることも可能である。
【００３５】
ステップ３０６では、変更された時間インスタンス（すなわち、オフセットが加算されたり減算されたりしたもの）のセットのために、誤差統計を決定する。最後に、ステップ３０８で、基準時間（あるいはその近似）を誤差統計の振る舞いに基づいて決定する。一実施例では、図５に基づいて後述する様に、誤差統計は、擬似距離の残差値の単位分散の分布の決定も含んでいる。本実施例では、単位分散の一次偏差は、空間領域（ｘ，ｙ，ｚ）と時間領域（Δｔ）における一次偏差とに典型的に対応している。使用された誤差統計を最適化することで（このことは、単位分散の場合においては、単位分散の最小値化に対応する）、検索された基準時間に近似する時間を判別することができる。距離或いは位置の推定誤差／オフセットに関する単位分散を使用することについて、一実施例に従って、図５を参照して以下更に説明する。
【００３６】
図５は、図４の方法３００において単位分散の誤差統計を利用して衛星測位システムの基準時間を決定する方法を示した流れ図であり、本発明の一実施例に従うものである。特に、図５は、図４のステップ３０６の一実施例を示したものである。ステップ３１０では、単位分散は、時間インスタンスの変更されたセットのために決定される。この一実施例では、単位分散は次の様に定義される。
【００３７】
【数５】

Ｗは重み係数であり、重み観測行列を表している。
【００３８】
ある実施例では、重み係数は使用されない。このことは、一般的に重み行列を単位行列とみなすことと等価である。
【００３９】
ｎは、測定値の数を表す。
【００４０】
ｍは、未知数の数を表す。
【００４１】
従って、単位分散は、大部分において、複数の擬似距離の残差の値の二乗の和（重み付けされたもの或いは重み付けされないもの）を意味している。単位分散の式（５）の分母は、自由度の数を表している。
【００４２】
ステップ３１２において、単位分散の多項式フィットが決定される。正規分布した擬似距離の残差に関して、単位分散の期待値は１であり、分布は（ｎ−ｍ）自由度のχ二乗（Chi-square）の分布である。しかしながら、幾つかの場合、個々の単位分散の値は０になることもある。これは、ＳＰＳ受信器に対する位置或いは時間の調整の完全なフィットに対応するものである。従って、統計的に最適な位置調整のための計測（例えば、擬似距離、擬似距離の残差等）は、理想的に０に近い値として、一般的に単位分散を最小化する。換言すれば、距離或いは位置の推定に対する単位分散を最小化した場合、最善の適合性（或いは解）が空間及び／或いは時間について得られるのである。
【００４３】
図６及び図７は、本発明の一実施例に従った距離推定のセットに対する、単位分散のフィットの例を示している。例えば図６において示したように、（時間オフセットの関数としての）単位分散の誤差統計の分布が得られた場合、二つの一次フィット（一つは、正のオフセットに対するもの、もう一つは負のオフセットに対するもの）を計算してもよい。傾斜の先端、すなわち二つの傾斜の交点は、基準時間に対する近似を与える。多項式フィットの種々の周知な型を単位分散データに対して利用しうること、また、単位分散の分布の局所最小値を決定し、それに続いて関心のある基準時間を決定することが理解される。
【００４４】
図７は、図６に示した単位分散の分布の例を拡大した拡大図である。同図に示すように、図７の時間オフセットのスケールは、図６のそれよりも小さくなっている。図７の例から、単位分散のフィットに関する勾配の交差点すなわち最小点は、厳密に０の時間オフセットと必ずしも対応しないことがわかる。どのような場合においても、単位分散は、十分正確なＳＰＳ受信器の位置に関する推定、及び／又は例えばＧＰＳシステム時間の様な関心のある基準時間を提供することが可能である。
【００４５】
他の誤差統計を使用することで、基準時間に対する近似を与えるフィットを得ることができるのがわかる。さらに、図４及び図５に関して示された方法は、移動ＳＰＳ受信器と基地局との組み合わせ、或いは何れか一方のエンティティによって排他的に実行することができる。例えば、一実施例として、基地局が距離推定（例えば、擬似距離の値）のセットを移動ＳＰＳ受信器から受信し、単位分散のような誤差統計に基づいて、当該受信器の時間、位置、或いはその他のナビゲーション情報を決定する。基地局は、移動ＳＰＳ受信器或いはその他のエンティティに対して、ナビゲーション情報或いは少なくとも部分的な情報を、任意に提供することができる。この場合、ＳＰＳ受信器は、当該情報及び／或いはその他の情報に基づいて、時間、位置、及び／又はその他のナビゲーション情報を判別することができる。
【００４６】
代替の実施例
上記したように、本発明の種々の実施例においては、相対速度と誤差統計（擬似距離の残差に関係付けられた単位分散など）をそれぞれ別個もしくは同時に用いて、衛星測位システムに関わる時間を決定してもよい。さらに、どの方法を選択するかは、利用できるデータ、信号の性質、衛星の数や間隔、一つ以上の衛星と受信機との距離などの所定の条件に応じて決定できる。実施例によっては、両方の方法を用いて、不正確さを最小限にしたものに基づき、時間、位置その他の航行情報に対する最適の解決結果を選択するようにしてもよい。
【００４７】
さらに別の実施例においては、上述した衛星測位システムにおける時間決定のための方法および装置を、別の時間決定方法および装置と組み合わせることができる。その組み合わせ方は、「時間測定に基づく衛星位置決めのための方法および装置」というタイトルの米国特許出願08/794,649号（1997年2月3日提出）に記載されており、この出願の記載内容はこの出願に参照の為に取り込まれるものとする。この参照の為の特許に詳細に記載されているように、移動体SPS受信機のような構成要素により受信された衛星データメッセージの記録を、誤差がないと仮定しうる別の記録と比較することで時間を決定するようにしてもよい。このように比較することで、図8と図9を参照して概略が後述されるようにまた上記参照用の同時係属出願08/794,649号において詳細に記載されるように、時間を決定することができる。
【００４８】
図8は、衛星データメッセージの第1、第2の記録を比較することに基づいて、衛星測位システムに関連する時間を決定する一般的な方法を示す。この方法は、図1に示すような本発明の実施例に基づく移動可能な通信送受信機と組み合わされた移動体(mobile)SPS受信機と共に利用される。第8図と第9図を参照して後述する方法は、上述した、相対速度か誤差統計の決定かこれらの両方に基づく時間決定技術の一つもしくは組み合わせたものと組み合わせてもよい。図１に示す移動体GPS受信機100は、ステップ501において、たとえば天文暦のような衛星データメッセージをサンプリング化しメッセージの記録を作成する。この方法500においては、ステップ503において、遠隔もしくは移動体GPS受信機はこの記録を基地局に送信する。該基地局は図10や図11に示すような構成の基地局である。その記録は、通常の場合、移動体SPS受信機によって受信された衛星データメッセージを示すものである。ステップ505において、基地局は移動体GPS受信機より発信された記録を、衛星ナビゲーション・メッセージの参照記録とみなされる別の記録と比較する。この参照記録は関連づけられた複数の時間値を有しており、衛星データメッセージの複数のセグメントがそれぞれ関連付けられた特定の「基準(reference)」時間を有している。ステップ507において、基地局は移動体GPS受信機100による衛星データメッセージのサンプリング時間を決定する。この決定は参照記録と関連した時間値に基づくものであり、一般には記録が移動体GPS受信機に受信された時間を示す。
【００４９】
図９は、衛星測位システムと共に用いられる、衛星データメッセージに関連する時間を測定するための方法620をより詳細に示す。ステップ621において、移動体GPS受信機もしくは遠隔GPS受信機はGPS信号を取得し、それらの取得したGPS信号に基づき擬似距離を決定する。ステップ623において、移動体GPS受信機はPNデータを除去し、擬似距離の作成もしくは決定に用いられた取得されたGPS信号から衛星データメッセージの記録を作成する。通常、この記録は取得したGPS信号における衛星ナビゲーション・メッセージを示し、データの推定を示すものである。ステップ625において、移動体GPS受信機はその記録と決定された擬似距離を基地局に送信する。該基地局はたとえば図10もしくは図11に示すような基地局である。
【００５０】
ステップ627において、基地局は移動体GPS受信機から送信された記録に対し、関連する衛星群のナビゲーション・メッセージの参照記録との相互相関を実行する。通常、この参照記録は自身のデータと関連する正確な時間スタンプを含む（例えば、参照記録のデータはビット毎に関連する時間値、即ち「スタンプ(stamp)」を有す）。この時間スタンプを用いて、最初に取得されたGPS信号が携帯GPS受信機により受信される時間を決定しているのである。一般に、移動体GPS受信機から送出された記録と参照記録は時間的に一部重複している。
【００５１】
ステップ629において、基地局は相互相関演算に基づき、受信されたGPS信号を遠隔GPS受信機により取得する時間を決定する。次にステップ631において基地局は、受信されたGPS信号を遠隔GPS受信機により取得する時間を利用し、決定された擬似距離を用いて位置情報を決定する。この位置情報は、移動体/遠隔GPS受信機の緯度や経度であってもよい。基地局は、ステップ633において、遠隔GPS受信機の位置情報を別の構成要素と交信してもよい。別の構成要素とは、インターネットやイントラネットを介して基地局と接続されているコンピュータシステム等である。
【００５２】
ハードウェアの概観
図１は、本発明と共に使用しうる、移動体GPS受信機と通信システムの組み合わせの例を示す。この移動体GPS受信機と通信システムの組み合わせ100は、同時係属の米国特許出願08/652,833号において詳細に記載されている。この米国出願は1996年5月23日に提出されたものであり、タイトルは「回路を共有するGPS測位システムと通信システムの組み合わせシステム」であり、その記載内容はこの出願に取り込まれるものとする。図2は、図1に示すRF/IFコンバータ７と周波数合成器16をさらに詳細に示すものである。図2に示されるこれらの構成要素も、同時係属出願08/652,833号において記載されている。
【００５３】
図１に示す移動体GPS受信機および通信システム100は、記憶されたGPS信号に対し特別なデジタル信号処理を実行することで、受信機の感度を高くなるように構成してもよい。このことは、米国特許5,663,734に記載されている。この特許は1997年9月2日に発布されたものであり、タイトルは「GPS受信機とGPS信号を処理する方法」であり、この特許の記載内容はこの出願に参照の為に取り込まれるものとする。米国特許5,663,734に記載されているこの処理操作においては、通常、高速フーリエ変換（FTT）を用いる中間たたみこみ量を計算し、この中間たたみこみ量をデジタルメモリに記録し、その後これらの中間たたみこみ量を用いて少なくても1つの擬似距離を設定する。図1に示したGPS受信機および通信システムの組み合わせ100に、周波数安定化技術やキャリブレーション(calibration)技術を組み込んで、GPS受信機の感度と精度をさらに高めるようにしてもいい。これらの技術は同時係属出願08/759,523号において記載されている。この出願は1996年12月4日に提出されたものであり、タイトルは「データリンクを利用した改良型GPS受信機」であり、その出願の記載内容はこの出願に取り込まれるものとする。
【００５４】
図１に示す結合された移動ＧＰＳ受信機及び通信システム１００が、詳細にではないが概要がここに示されている。代表的な実施形態では、移動ＧＰＳ受信機及び通信システム１００は、図１０及び図１１のいずれかに示した基地局のいずれか一つでもよい、基地局１７のような基地局からの命令を受信する。この命令は、通信アンテナ２で受信され、またこの命令は、デジタルメッセージとして処理され、プロセッサ１０によりメモリ９に格納される。ある実施形態では、メモリ９は命令、データ及び／又は“スナップショット(snapshot)”情報を格納するランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）に格納可能である。プロセッサ１０は、このメッセージが基地局へ位置情報を提供する命令であると判定し、これによりプロセッサ１０は、少なくとも通信システムと一部が共用可能なシステムのＧＰＳの一部を作動させる。これは、例えば、ＲＦ ＩＦコンバータ７が通信アンテナ２から通信信号を受信するよりＧＰＳアンテナ１からＧＰＳ信号を受信するようなスイッチ６の設定を含む。そして、ＧＰＳ信号が受信され、デジタル化され、デジタルメモリ９に格納され、米国特許第５，６６３，７３４号で説明されたデジタル信号処理技術に従って処理され得る。この処理結果は、一般に、“見えている(in view)”衛星の組に対する複数の擬似距離を含んでいてもよく、それに基づくこれら擬似距離あるいはデータは、処理構成要素１０により、送信機の一部を動作可能にし、擬似距離を通信アンテナ２を介して基地局に送り戻すことで、基地局に送り戻してもよい。
【００５５】
図１に示す基地局１７は、無線通信リンクを介して遠隔局に直接接続されてもよいし、図１２に示すように、電話の位置及び基地局の間の有線通信リンクを提供するセルラ電話のサイトを通じて遠隔局に接続されてもよい。図１０及び図１１はこれら２つの考えられる基地局の例である。
【００５６】
図１０に示す基地局７０１は移動ＧＰＳ受信機へ、及び移動ＧＰＳ受信機からの無線リンクを提供することにより、また受信した擬似距離を処理することにより、自律ユニット(autonomous)として機能してもよい。上述した実施形態の一つあるいはその組み合わせによれば、基地局７０１は相関衛星速度、誤り統計値及び／又は衛星データメッセージ記録の比較を利用することにより時間を判定するための擬似距離を処理してもよい。基地局７０１は、基地局が首都圏に位置する場合の利用を見出すこともでき、追跡されるすべての移動ＧＰＳ受信機は、同じ首都圏に同様に配置可能である。例えば、基地局７０１は、移動ＧＰＳ受信機を備え、あるいは利用するそれぞれを追跡するため、警察隊やレスキューサービスにより採用され得る。一般に、送信機及び受信要素７０９及び７１１は単一のトランシーバユニットに組み合わせられ、単一のアンテナを有する。しかしながら、これら構成要素は別個に存在するかのように別個に示されている。送信機７０９は、命令及び／又はナビゲーション情報を送信機アンテナ７１０を介して移動ＧＰＳ受信機に提供するように機能する。一般に、送信機７０９は処理ユニットのユーザからの要求を受信し、特定の移動ＧＰＳ受信機の配置を決定し得るデータ処理ユニットの制御下にある。その結果、データ処理ユニット７０５は送信機７０９により移動ＧＰＳ受信機に送信される命令を生じさせる。これに応答して、移動ＧＰＳ受信機は受信機７１１に、受信アンテナ７１２により受信される本発明の一実施形態における擬似距離、関連時間評価及び／又は衛星データメッセージ記録（又はそれの一部）を送り戻す。受信機７１１はこのような情報を移動ＧＰＳ受信機から受信し、それらをデータ処理ユニット７０５に提供する。データ処理ユニット７０５は、移動ＧＰＳ受信機から受信した擬似距離と関連づけられた時間、位置及び／又は他のナビゲーション情報を決定する上述した動作の一つあるいはそれ以上を実行する。係属中出願０８／７９４，６４９号を参照して上記説明したように、このような動作はＧＰＳ受信機７０３や参照品質衛星データメッセージの他のソースから受信した衛星データメッセージを含んでいてもよい。このことは、さらに上記言及された係属中特許出願に説明されている。ＧＰＳ受信機７０３は移動ＧＰＳ受信機の位置情報を計算するための擬似距離及び決定時間とともに、一実施形態で利用される衛星暦データを提供することができる。大容量記憶装置７０７は衛星速度情報と、移動ＧＰＳ受信機から受信された記録と比較するのに用いられる衛星データメッセージの記憶された基準記録バージョンと、上述した一つあるいはそれ以上の技術に従った誤り統計値分析ルーチン及び／又は擬似距離に基づく時間を決定するための他の情報及び移動ＧＰＳ受信機により提供される他のいかなる情報をも格納することができる。データ処理ユニット７０５は、任意のディスプレイ７１５に接続されてもよいし、また任意のＧＩＳソフトウェアを有する大容量記憶装置７１３に接続されてもよい。別個独立に述べられているが、大容量記憶装置７１３は、同一のハードディスクや他のデータ格納デバイス／媒体に含められる点で、大容量記憶装置７０７と同じであると認識される。
【００５７】
図１１は本発明の代替的な基地局を示す図である。この基地局７２５は、図１２に示すセルラ電話サイト８５５のような遠隔送信及び受信サイトに接続されるように意図されている。また、この基地局７２５は、インターネットやイントラネット、あるいは他の型式のコンピュータネットワークシステムのようなネットワークを介して顧客システムと接続され得る。この手法による基地局の使用は、“顧客−サーバに基づく遠隔ロケータ装置(Remort Locator Device)”と題され、１９９６年９月６日に出願された係属中出願第０８／７０８，１７６号にさらに説明され、参考のためここに組み込まれている。基地局７２５は、図１２に示される結合された移動ＧＰＳ受信機及び通信システム８５３のような移動ＧＰＳユニットと、セルラ電話サイト８５５及びそれに対応するアンテナや図１２に示すアンテナ８５７を介して通信する。結合されたＧＰＳ受信機及び通信システム８５３は図１に示すシステム１００と同様でもよいと認識される。
【００５８】
図１１に示すように、基地局７２５はバス７３０によりメインメモリ７２９に接続されたプロセッサ７２７を有する。プロセッサ７２７は従来のマイクロプロセッサでよいし、メインメモリ７２９はランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）でもよい。基地局７２５はさらに、キーボード、マウス、ディスプレイ７３５及びバス７３０を介してプロセッサ７２７及びメモリ７２９に接続される結合Ｉ／Ｏコントローラのような他の入力及び出力装置を有する。ハードディスクやＣＤＲＯＭ、あるいは他の大容量記憶装置のような大容量記憶装置７３３は、バス７３０を介してプロセッサ７２７にというように、システムの様々な構成要素に接続される。ＧＰＳ受信機あるいは他の衛星データメッセージのソースの間のＩ／Ｏ相関関係を提供するように実行する入力／出力（Ｉ／Ｏ）装置７３１はまた、バス７３０に接続される。このＩ／Ｏ装置７３１はＧＰＳ受信機（例えば図１０に示すＧＰＳ受信機７０３）からの衛星データメッセージを受信してもよく、それらをバス７３０を介して、本発明の上記説明した実施形態の一つに従って、それらに適用される時間スタンプを発生させ得るプロセッサに提供してもよい。この記録は、例えば、移動ＧＰＳ受信機から受信された記録と比較するのに後に用いられる大容量記憶装置７３３に格納される。大容量記憶装置７３３は衛星の一組あるいはそれ以上の組の相対速度を示す速度情報も格納してもよい。さらに、大容量記憶装置７３３は衛星位置情報／信号を処理する上記説明した方法の一つあるいはそれ以上に対応したルーチンを記憶する。
【００５９】
２つのモデム７３９及び７３７は、基地局７２５とは相対的に遠隔に配置された他のシステムとのインタフェースとして図１１に示されている。モデムあるいはネットワークインタフェース７３９の場合、この装置は例えばインターネットやある他のコンピュータネットワークを介して、顧客コンピュータに接続される。このモデムあるいは他のインタフェース７３７は、システム８５１を示す図１２に示されたサイト８５５のようなセルラ電話サイトに対するインタフェースを提供する。
【００６０】
基地局７２５はこの技術の当業者に認識される様々なコンピュータアーキテクチャを実装し得る。例えば、これらは多重バスあるいはメインバス及び周辺バスでもよいし、多数のコンピュータシステム及び／又は多数のプロセッサでもよい。例えば、ＧＰＳ受信機７０３からの衛星データメッセージを受信し、専用の手法で参照記録を提供するために、参照記録を準備し、それを格納して本発明の上記説明した実施形態の一つに従い格納データ量を管理するのに干渉がないように、メッセージを処理する専用プロセッサを有する利点があってもよい。
【００６１】
図１２は、ＳＰＳ受信機、セルラ電話サイト、基地局、インターネット及び顧客コンピュータシステムを含む本発明の一実施形態に従ったシステムを示す。この図１２に示すシステム８５１は、ある実施形態では以下のように動作し得る。顧客コンピュータシステム８６３はインターネット８６１のようなネットワークを介してメッセージを基地局８２５に送信する。特定の移動ＧＰＳ受信機の位置への要求に沿って通過するネットワークやインターネット８６１における干渉ルータやコンピュータシステムがあってもよいと認識される。そして、基地局８２５は、一般にはワイヤ電話リンク８５９であるリンクを介してメッセージをセルラ電話サイト８５５に送信する。そして、このセルラ電話サイト８５５は、そのアンテナあるいはアンテナ８５７を用いた命令を結合された移動ＳＰＳ受信機及び通信システム８５３に送信する。これに応答して、システム８５３は擬似範囲、衛星データメッセージの記録、速度情報及び／又は他の情報を送り戻す。このような情報はセルラ電話サイト８５５により受信され、リンク８５９を介して基地局に送り戻される。そして、基地局は相対衛星速度、ドップラー測定値、誤り統計値の一つあるいはその結合を用い、及び／又は２つあるいはそれ以上の衛星データ記録を比較する時間決定のような、本発明の上記様々な実施形態で説明された一つあるいはそれ以上の動作を実行する。そして、基地局は時間及び／又はＳＰＳ受信機の位置のようなナビゲーション情報を判定し、このナビゲーション情報を、インターネット８６１のようなネットワークを介して、それ自身顧客コンピュータシステムにマッピングソフトウェアを有する顧客コンピュータシステム８５３に通信し、このシステムのユーザがマップ上に移動ＳＰＳシステム８５３の正確な位置を見るのを可能にしている。
【００６２】
代表的な実施形態
本発明は、幾つかの実施形態及び図面という観点から説明されたが、この分野の技術の当業者は本発明は説明された実施形態あるいは図面に限定されるものではないことを認識する。特に、本発明は、以下の一つあるいはその組み合わせにより、衛星測位システムにおける時間あるいは他のナビゲーション情報を判定する方法及び／又は装置を提供する幾つかの実施形態で実行可能である：（１）実体及び／又は一組の衛星の相対速度の利用、（２）時間あるいは位置／範囲に対する誤り統計値の計算、（３）２つあるいはそれ以上の衛星データメッセージの比較。
【００６３】
従って、本発明の方法及び装置は、添付するクレームの精神及び範囲内で、改良及び置換をして実行できる。従って、この説明は、本発明を限定する代わりの例示とみなされるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明の実施形態に従って活用されてよい組み合わされた移動性ＧＰＳ受信機と通信システムの例を示す。
【図２】 図２は、図１のＲＦからＩＦ変換器７および周波数合成器１６をさらに詳細に示す。
【図３】図３は、図２に示されているもののような、移動性通信受信機および送信機と組み合わされている移動性ＳＰＳ受信機とともに活用されるように、本発明の１つの実施形態に従った衛星測位システム内での時間決定のために相対的な衛星速度を活用するための方法を示すフロー図である。
【図４】図４は、本発明の１つの実施形態に従って、衛星測位システムで時間を決定するためにエラー統計を活用するための方法を示すフロー図である。
【図５】図５は、本発明の１つの実施形態に従って、衛星測位システムで時間を決定するために、図４の方法３００で単位分散エラー統計を活用するための方法を示すフロー図である。
【図６】図６は、本発明の１つの実施形態に従った範囲概算のセットの単位分散適合の一例を示す。
【図７】図７は、本発明の１つの実施形態に従った範囲概算のセットの単位分散適合の一例を示す。
【図８】図８は、衛星データメッセージの第１レコードと第２レコードの比較に基づき、本発明の１つの実施形態に従って、図１に示されているものなどの移動性通信受信機と送信機と組み合わされる移動性ＳＰＳ受信機とともに活用されてよい、衛星測位システムと関連する時間を決定するための汎用化された方法を示す。
【図９】図９は、衛星測位システムとともに使用するための衛星データメッセージに関連する時間を測定するための方法６２０をさらに詳細に示す。
【図１０】図１０は、本発明の１つの実施形態に従った基地局を示す。
【図１１】図１１は、本発明の１つの実施形態に従った基地局を示す。
【図１２】図１２は、ＳＰＳ受信機、セルラー電話サイト、基地局、インターネットおよびクライアントコンピュータシステムを含む、本発明の１つの実施形態に従ったシステムを示す。
【符号の説明】
１…ＧＰＳアンテナ、２…通信アンテナ、６…スイッチ、

Claims (21)

1. 衛星測位システムに関する基準時間を決定する方法、該方法は機械で実施される下記の工程を具備する：
   エンティティが、前記エンティティに対して相対的な一群の衛星の位置に関する第１の値を推定すること、ここにおいて、前記推定された第１の値は第１の時間計測値に関連し、前記第１の値に関連する第１の時間計測値と前記衛星測位システムに関する前記基準時間は、あるオフセットだけずれている；
   前記第１の値を前記推定することを繰り返し行って複数の第１の値及びその値に関連する複数の時間計測値を得ること；
   前記複数の第１の値についての前記オフセットの関数としての誤差統計を計算すること；及び
   前記誤差統計が最小値となるように、前記第１の時間計測値と前記衛星測位システムに関する前記基準時間との間の前記オフセットを決定すること。
   ここにおいて、前記誤差統計は単位分散の分布を含み、前記単位分散は前記複数の第１の値の残差値の二乗の加算値を重み付けしたものを自由度の数で除算したものである。
2. 前記第１の値は疑似距離の残差値を含み、前記誤差統計の値は前記疑似距離の残差値の二乗の加算値を含む請求項１の方法。
3. 前記疑似距離の残差値の二乗の加算値は、重み付け係数により重み付けされる、請求項２の方法。
4. 前記オフセットに基づいて前記エンティティの位置を判断する工程を更に含む請求項１の方法。
5. 前記オフセットを用いてＧＰＳシステム時間を決定し、前記エンティティを前記ＧＰＳシステム時間に同期させる工程を更に含む請求項１の方法。
6. 下記工程をさらに備える請求項１記載の方法：
   遠隔のエンティティが前記誤差統計の値を決定する工程を実行すること；
   前記遠隔のエンティティがナビゲーション情報を前記エンティティに提供すること、ここで、前記遠隔のエンティティは衛星測位システム（ＳＰＳ）の受信器を有する。
7. 前記ナビゲーション情報は前記オフセットを含む請求項６の方法。
8. 前記ナビゲーション情報は前記ＳＰＳ受信器の位置を示す情報を含んでいる請求項６の方法。
9. 衛星測位システムに関する時間を決定する方法、該方法は機械で実施される下記工程を具備する：
   エンティティが、前記エンティティと一群の衛星との間の相対的距離及び相対的位置の少なくとも一方に関する複数の値を推定すること、ここにおいて、前記複数の値の各々は、各時間計測値にそれぞれ関連し、各時間計測値と前記衛星測位システムに関する時間は第１のオフセットだけずれている；
   第２のオフセットにより前記複数の値の中の１つに関連する各時間計測値を変更すること；
   前記変更された時間計測値を用いて、前記第１のオフセットの関数としての前記誤差統計値の組を決定すること；及び
   前記誤差統計値の前記組に基づいて、前記誤差統計値が最小値となるように、前記第１のオフセットを決定すること、
   ここにおいて、前記誤差統計は単位分散の分布を含み、前記単位分散は前記複数の値の残差値の二乗の加算値を重み付けしたものを自由度の数で除算したものである。
10. 前記第１のオフセットを決定する工程は、前記誤差統計の値の線形収束値を決定する工程を具備する請求項９の方法。
11. 前記誤差統計の値の組は、前記複数の値及び前記第２のオフセットに基づく単位分散を含む請求項１０の方法。
12. 衛星測位システムに関する時間を決定するための方法、該方法は下記工程を具備する：
    第１の時間値を決定するために、第１のエンティティにより受信される衛星メッセージの少なくとも一部の第１の記録を、誤差が無いと仮定しうる前記衛星メッセージの第２の記録と比較すること、ここにおいて、前記衛星メッセージの前記第２の記録は、第２のエンティティにおいて受信される；および、
    時間計測値と衛星測位システムに関する時間との間のオフセットの関数としての誤差統計値の組に基づいて、前記誤差統計値の組の最小値を生じさせるような前記オフセットを決定することにより、複数の第２の時間値を決定すること、
    ここにおいて、前記第１の時間値と前記第２の時間値の少なくとも一方は、前記衛星測位システムに関係付けられた前記時間を示しており、
    ここにおいて、前記誤差統計は単位分散の分布を含み、前記単位分散は前記複数の第２の時間値の残差値の二乗の加算値を重み付けしたものを自由度の数で除算したものである。
13. 前記第１の記録及び第２の記録は、少なくとも部分的には時間において重複するものである請求項１２の方法。
14. 前記衛星メッセージの第２の記録を前記第２のエンティティが前記第１のエンティティへ供給する工程を更に有する請求項１２の方法。
15. 前記第１のエンティティは、基地局である請求項１４の方法。
16. 前記第２のエンティティは、移動体衛星測位システム（ＳＰＳ）受信機である請求項１４の方法。
17. 前記第１のエンティティは、移動体衛星測位システム（ＳＰＳ）受信機である請求項１４の方法。
18. 前記第２のエンティティは、基地局である請求項１４の方法。
19. 請求項１２記載の方法、ここにおいて、前記第２の時間値を決定する前記工程は、下記工程を具備する：
    前記第１のエンティティと前記一群の衛星の少なくとも一つとの間の距離に関係付けられた１組の距離値の各々に関して、前記時間計測値と衛星測位システムに関する前記時間との間の前記オフセットの関数としての誤差統計値の前記組を決定すること；および、
    前記第２の時間値を決定するために誤差統計値の前記組を最適化するような前記オフセットを決定すること。
20. 前記距離値の組の各々は、擬似距離の残差に対応するものである請求項１９の方法。
21. 誤差統計値の前記組は、お互いに関して時間においてオフセットされる複数の距離値の組の分散に対応する請求項１９の方法。

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