JP5015788B2 - 測位信号を受信しつつコヒーレント積分長を長くするための方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＧＰＳシステム等の無線測位信号を用いてモバイルデバイスの位置を計算するための装置及び方法に関するものである。

位置探索装置は、海上の船舶や奥地の冒険に関してだけでなく、日常生活の中で携帯電話を用いるあらゆる人にとってもますます一般的な装置になってきている。携帯電話数の増加とパーソナル位置探索装置の人気が相まって、位置を決定するために用いられる信号を取得するための高速、高感度の方法の開発が促されている。

位置探索技術は、典型的には、既知の所在位置から同時並行して送信される無線測位信号を利用する。ＧＰＳシステムにおいては、これらの測位信号は、既知の時間に複数の衛星から予め決められた周波数で同時並行して送信される。地上では、ＧＰＳ受信機は、上空の視界内にある各衛星から測位信号を取得する。前記測位信号の到着時間と視界内の衛星の正確な所在位置、及びこれらの信号が各衛星から送信された正確な時間が用いられて、前記ＧＰＳ受信機の位置が三角測量される。

測位信号、特にＧＰＳ信号は、疑似ランダム（ＰＮ）シーケンスと呼ばれる高速の繰り返し信号、すなわち「符号」を含む。民生の用途に関して利用可能な符号は、Ｃ／Ａコードと呼ばれ、１．０２３ ＭＨｚのバイナリ位相反転速度、すなわち「チッピング」速度及び１ミリ秒の符号期間に関する１０２３チップの繰り返し期間を有する。ＧＰＳシステムにおける疑似ランダムシーケンスは、「ゴールド符号」と呼ばれる系統に属する。各ＧＰＳ衛星は、一意のゴールド符号を用いて搬送周波数で同時に信号をブロードキャストする。

受信機においては、前記搬送周波数の電磁エネルギーが観測され、この観測されたエネルギーが処理されて、視界内に存在するあらゆるＧＰＳ衛星から送信された信号の可能性のある存在が探索される。受信機による観測時点では、特定のＧＰＳ符号及び位相遅延は不明である。受信機の目的は、ほぼ前記搬送周波数の観測されたエネルギー内においてＧＰＳ符号を識別し、各識別されたＧＰＳ符号の位相遅延を決定することである。しかしながら、ＧＰＳ符号及び位相遅延は当初は不明であるため、典型的には、第１のＧＰＳ符号が仮定されて次にＧＰＳ信号が識別されるかまたは存在しないことが決定されるまで順に試験される手法が採用される。前記プロセスは、視界内に存在する可能性があるその他の各ＧＰＳ衛星に関して繰り返される。

測位信号をＧＰＳ衛星から受信することは、幾つかの要因に起因して困難な可能性がある。例えば、ＧＰＳ信号は、相対的に低電力で、および遠距離から送信される。前記ＧＰＳ信号が地球軌道から受信機に到達するまでに、最初の低電力が大幅に低減され、受信機に到達した信号は極端に弱くなっている。

他の問題は、測位信号のうちの１つ以上に影響を及ぼす可能性がある周波数誤差に関連する。例えば、搬送周波数は、ドップラー効果に起因して経時でわずかにシフトすることがある。受信機内においては、発振器及び信号を受信及び処理するその他の電子機器が、周波数のわずかなシフト等の誤差を導入する可能性があり、そのことが受信を複雑化させる可能性がある。前記周波数シフトが一定である場合は、フーリエ変換（例えばＦＦＴ）手法を用いることができる。しかしながら、この周波数シフトが経時で変動する、すなわち周波数シフトが観測時間（データブロック）中に一定でない、とさらに複雑化する。経時で変動する周波数誤差の問題に対処するために、コヒーレント処理のためのデータブロックの長さ（コヒーレント長）は、通常は１秒の一部分（例えば２０ミリ秒）に制限される。前記長さが制限されないと、周波数誤差がシステム感度を大幅に劣化させる可能性がある。周波数シフトが存在する可能性があるときのシステム感度を向上させるために、いくつかの時間間隔（例えば５〜２０）に関して幾つかの連続するコヒーレント処理演算を行うことができ、その結果が非コヒーレントな形で合計されて１秒以上の期間にわたる信号が示される。

単一のコヒーレント処理演算をより長い期間にわたって実行することが可能なシステムを利用可能であれば、すなわち、コヒーレント積分長を大幅に拡大することが可能であれば非常に有益になる。

本明細書においては、予め決められた周波数で複数の送信機から送信され、受信機の所在位置を決定する際に用いられる１つ以上の測位信号を受信及び処理するためのコヒーレント積分長を拡大させるための方法及び装置が説明される。各測位信号は、前記信号を送信した送信機を一意で識別する周期的繰り返しシーケンスを含む。

観測後及び受信機での処理後に測位信号において発生する可能性がある周波数ドリフトを補償するために、前記周波数ドリフトに関して１つ以上の仮定が行われ、一実施形態においては、前記仮定が観測されたデータと結合されて処理される。この処理は、より長いコヒーレント積分長を可能にし、このことが処理時間を大幅に短縮し及び／又はより正確な結果を提供する。特に、信号処理において周波数ドリフトに関する仮定を用いることによって、全積分長を同じ長さに維持しながら非コヒーレントな積分の長さを短くするという犠牲を払ってコヒーレント積分の長さを拡大させることができ、その正味の効果は、信号検出感度の向上である。

特に、複数の送信機のうちの１つから予め決められた搬送周波数で送信された測位信号を受信するために長いコヒーレント積分期間を利用する方法及び装置が開示される。前記測位信号は、前記測位信号を送信した送信機を一意で識別する基準信号を含む。前記方法は、ほぼ前記搬送周波数の電磁エネルギーを受信機において観測することと、前記観測された電磁エネルギーを示すデータを格納すること、とを具備する。前記データは、不明な周波数ドリフトを被る可能性があるデータブロックを定義するために、予め定義された時間間隔にわたって観測される。前記送信機のうちの１つが仮定され、それによって前記複数の一意の基準信号のうちの１つが仮定される。周波数ドリフトが仮定され、受信機は、前記仮定された周波数ドリフトに応じて、複数の移相における前記データブロックと前記仮定された基準信号との間の一致の有無を探し出す。一致した信号が見つけ出された場合は、受信機は、位相遅延及びタイミング情報を決定し、一致した信号が見つけ出されない場合は、受信機は、一致した信号が見つけ出されるまで又は予め決められた出口基準が満たされるまで以前のステップをループ形式で繰り返す。

仮定された周波数ドリフトは、いずれかの該当する信号形態を有しており、例えば、仮定された周波数ドリフトは、ほぼ線形またはほぼ指数的であるか又はそれよりも複雑な場合がある。仮定された周波数ドリフトは、受信機アルゴリズム内のあらゆる適切な場所に実装することが可能であり、例えば、前記方法は、ドリフトが調整されたデータ信号を提供するために仮定された周波数ドリフトに応じてデータブロックを処理することと、前記ドリフトが調整されたデータブロックと前記仮定された基準信号との間における一致の有無を探索すること、とを含むことができる。代替として、前記方法は、ドリフトが調整された基準信号を提供するために前記仮定された周波数ドリフトに応じて前記仮定された基準信号を処理することと、前記データブロックと前記仮定された基準信号との間における一致の有無を探索すること、とを含むことができる。

前記受信方法は、前記データブロックに応じて周波数サンプルを計算することと、前記基準信号に応じて周波数サンプルを計算することと、前記データブロックの周波数サンプルと前記基準信号との間における一致の有無を探索すること、とを含むことができる。前記実施形態においては、前記方法は、前記仮定された周波数ドリフトに応じて前記データブロック周波数サンプルのうちの少なくとも１つのベクトル基底及び周期的に繰り返すシーケンスを調整することをさらに具備することができる。

有利なことに、開示される方法は、より長いコヒーレント積分期間を可能にし、それによって従来の受信機方法よりも長いデータブロックを使用することを可能にする。例えば、前記データブロックは、基準信号の１００乃至５００回の繰り返し回数範囲内、又は１００ミリ秒乃至１秒の範囲内の大きさを有することができる。しかしながら、より短いコヒーレント積分期間、例えば１０乃至１００ミリ秒を有する開示された方法を利用することは依然として有利であると思われる。

一実施形態においては、送信機は、ＧＰＳ周波数でＧＰＳ信号を送信する複数のＧＰＳ衛星を具備し、各ＧＰＳ衛星は、一意の周期的に繰り返すシーケンスを送信する。受信機における前記信号の符号位相オフセットが見つけ出され、幾つかの送信機からのこの情報を用いて、ＧＰＳアルゴリズムを用いて受信機の位置を確定することができる。

上記の方法は、受信機内の適切なハードウェア及び／又はソフトウェア内に実装すること、及び／又は無線ネットワーク内の１つ以上のサーバーに実装することができる。例えば、いくつかの機能は、受信機内に実装することができ、幾つかの機能は、位置決定エンティティ（ＰＤＥ）内に実装することができる。

以下では、本発明についてより完全に理解するために、添付図面において例示された実施形態が詳細に説明される。

以下では、本発明は図を参照しつつ説明され、類似の番号は、同じ又は類似の要素であることを表す。

本明細書において説明されるＦＦＴおよびＤＦＴアルゴリズムは、周波数サンプルを生成するアルゴリズム例を示すために用いられる。より一般的には、適当な周波数サンプルを生成するあらゆる適切なアルゴリズムをＦＦＴ及びＤＦＴアルゴリズムの代替として利用することができる。例えば、これらの周波数サンプルは、周波数領域サンプルの数及びスペースがＤＦＴの場合と完全には同じでないＤＦＴ類似アルゴリズムを用いて生成することができる。すなわち、より多い又はより少ない周波数サンプルを計算することができ、さらに、周波数領域サンプル間のスペースは、標準的なＤＦＴ演算のスペースよりも狭くすることができる。周波数サンプルは、デジタル又はアナログデータから、観測されたデータから、又は以前に計算された値から生成することができる。計算された周波数サンプルは、後続する演算のために用いられる。

用語説明及び頭字語
以下の詳細な説明では下記の用語及び頭字語が用いられる。

Ａ−ＧＰＳ：補助付きＧＰＳ。 ＧＰＳ取得プロセスに関する特別な援助がロケーションサーバーによって提供される測位技術であり、取得時間を短縮すること及び感度を向上させることができる。

基地局又はＢＴＳ：基地トランシーバ局。移動局との通信に用いられる固定局。無線通信信号を送信及び受信するためのアンテナを含む。

ＣＤＭＡ：符号分割多重接続。ＱＵＡＬＣＯＭＭ(登録商標) Incorporatedによって先駆されて商業目的で開発された高容量デジタル無線技術。

チップ： シンボルであり、疑似ランダム（ＰＮ）シーケンスの変調（例えば位相反転）の最小部分でもある。

チップ速度：シンボル伝送速度。

符号位相：受信されたＧＰＳ信号内の受信されたＰＮシーケンスのフレーム境界とローカルで生成されたＰＮ基準シーケンスのフレーム境界との間の相対的タイミング。符号位相は、通常は、ゼロと１つのＰＮフレームの継続時間、すなわち、民生用ＧＰＳ信号における１ミリ秒との間の数字である。符号位相は、位置を決定するために用いられる受信機によって抽出されるタイミング情報であるとみなすことができる。

コヒーレント処理： 通常は非線形の（例えば、検出又は結合）演算を用いずにデータブロック全体を処理する技術。

相関：受信された信号と基準符号を比較するプロセス。相関演算は、コヒーレント処理を含み、さらに非コヒーレント処理も含むことができる。相関プロセス（コヒーレント又は非コヒーレント）の出力は、「相関出力」と呼ばれる。

検出：各データサンプルにおけるパワーを決定するために、非線形演算、典型的には大きさ演算又は二乗の大きさの演算を用いて一組のサンプルについて演算するプロセス。例えば、各データサンプルが同相・4相（Ｉ−Ｑ）成分フォーマットで、又は前記同相成分がデータワードの実成分と関連し、前記4相成分が虚成分と関連する「複素」フォーマットで表される場合は、検出プロセスは、大きさ又は二乗の大きさを計算することができる。一事例においては、二乗の大きさの演算は、複素数と関連する正規演算である。

ＤＦＴ：離散フーリエ変換。

ＦＦＴ：高速フーリエ変換。継続時間が有限のシーケンスのＤＦＴを計算するための効率的な技術。ＤＦＴ又はＦＦＴアルゴリズムから構築された周波数サンプルは同一であることに注目すること。このため、用語“ＤＦＴデータ」及び「ＦＦＴデータ」は、互換可能である。

ＧＰＳ：全地球測位システム。ＧＰＳ衛星までの距離測定値を利用して３次元の所在位置（高度を含む）を決定する技術。ＧＰＳという用語は、米国の全地球測位システムを指すためにしばしば用いられるが、この用語の意味は、その他の全地球測位システム、例えば、ロシアのグロスナスシステム及び計画中の欧州ガリレオシステムを含む。一部のシステムにおいては、衛星測位システム（ＳＰＳ）という用語がＧＰＳという用語の代わりに用いられる。本明細書の発明は、例示することを目的として、現在の米国のＧＰＳシステムに関して説明される。しかしながら、本発明は、同様のシグナリングフォーマットを利用する様々なＳＰＳシステムに対して、及び米国のＧＰＳシステムの将来の変形に対しても適用可能であることが当業者にとって明白なはずである。

ＧＰＳフィックス：測定及びその後の計算から成るプロセスの最終結果であり、前記最終結果によってＧＰＳユーザーの所在位置が決定される。

ＧＳＭ：幅広く用いられている他のデジタル無線技術であるモバイル用グローバルシステム
非コヒーレント処理：例えば信号・雑音比を向上させる理由で、非線形検出演算を行いその後に結合演算を行うことによっていくつかの隣接するコヒーレントに処理されたデータセットを結合させること。例えば、非コヒーレント処理は、複数の隣接するデータブロックからの相関出力を検出すること、及び結合させること（例えば合計すること）を含むことができる。

ＭＳ：１つ以上の基地局と通信するためのベースバンドモデムを有しさらに位置探索能力を備える移動局、例えば携帯電話。本開示において参照されるＭＳは、典型的にはＧＰＳ受信機を含む。

ＰＤＥ：位置決定エンティティ：典型的にはＣＤＭＡネットワーク内に所在し、１つ以上のＧＰＳ基準受信機と共同で機能し、ＧＰＳ関連情報をＭＳと交換することができる、システム資源（サーバー、等）。ＭＳによって補助されるＡ−ＧＰＳセッションでは、ＰＤＥは、信号取得プロセスを向上させるためにＧＰ補助データをＭＳに送信することができる。ＭＳは、疑似距離測定値等の情報をＰＤＥに戻すことができ、ＰＤＥは、ＭＳの位置を計算することができる。ＭＳに基づくＡ−ＧＰＳセッションにおいては、ＭＳは、計算された位置結果をＰＤＥに送信することができる。

疑似距離測定：ＧＰＳ受信機と選択された衛星との間の距離推定値を決定するために該受信機によって採用されて信号処理技術に基づいて行われるプロセス。前記距離は、ＳＶから受信機までの信号送信時間に関して測定される。

ＳＶ：衛星ビークル。全地球測位システムの１つの主要素は、地球軌道を周回しさらに一意で識別可能な信号をブロードキャストするＳＶの組である。

ＵＭＴＳ：ユニバーサル携帯電話サービス：ＣＤＭＡの１つの形態を利用し、ＧＳＭの後継として設計された第三世代セルラー基準。

ＧＰＳシステム及び移動局に関する概要
次に、図１及び２が参照される。図１は、ＧＰＳ測位信号１２を発信する複数のＧＰＳ衛星（ＳＶ）１１と、複数の地上基地局１０と、移動局（ＭＳ）１４とを含むＧＰＳ環境を示す。基地局１０は、セルラーインフラストラクチャネットワーク１５に接続され、セルラーインフラストラクチャネットワーク１５は、その他のネットワーク及び通信システム、例えば電話システム１６、コンピュータネットワーク１７ａ、例えばインターネット、及びその他の通信システム１７ｂと通信することを可能にする。従って、基地局１０は、通信ネットワークのうちで基地局と通信する幾つかの追加通信システムを含むことができる部分を具備することができる。

ＭＳ１４は、本明細書の別の場所において例えば図２を参照して説明されるが、一般的には、ＧＰＳ受信機と、双方向通信信号２０を用いて基地局と通信するための双方向通信システムと、を含む。ＧＰＳ受信機は、１つ以上の基地局と通信する非常に様々な移動局（携帯電話を除く）において実装可能であることが明確なはずである。さらに、本明細書における説明を容易にするため、本明細書において開示される測位システムは、ＧＰＳシステムであることができる。本明細書において説明されるシステムは、衛星に基づくあらゆる測位システム内に実装可能であることが認識されるべきである。

図１において、ＭＳ１４を携帯する徒歩のユーザー１３が示されている。該ユーザーは、立っている、歩いている、車で移動している、又は公共輸送手段を利用している、などの可能性がある。前記移動局は、非常に様々な環境内に所在することが可能であり、さらに静止していること又は移動していることが可能であることが明確に理解できるはずである。

ＧＰＳ衛星（ＳＶ）１１は、ＧＰＳ受信機の位置を測位するために利用されるあらゆるグループの衛星ブロードキャスティング信号を具備する。特に、前記衛星は、ＧＰＳ時間に位相が合わせられた無線測位信号１２を送信するために同期化される。これらの測位信号は、予め決められた周波数で、及び予め決められたフォーマットで生成される。現在のＧＰＳ実装においては、各ＳＶは、民生用の型のＧＰＳ信号をＧＰＳ基準に従ったフォーマットでＬ１周波数帯域（１５７５．４２ ＭＨｚ）で送信する。これらのＧＰＳ信号がＭＳ内の従来のＧＰＳ受信機によって検出されると、ＧＰＳシステムは、ＧＰＳ信号の送信からＭＳでの受信までの経過時間量の計算を試みる。換言すると、ＧＰＳシステムは、ＧＰＳ信号の各々が各々の衛星からＧＰＳ受信機まで移動するために要する時間を計算する。疑似距離は、c・(T_user−T_sv)+cT_biasで定義され、ここで、cは光速であり、T_userは所定のＳＶからの信号が受信されたときのＧＰＳ時間であり、T_svは、衛星が前記信号を送信時のＧＰＳ時間であり、T_biasは、通常はＧＰＳ受信機内に存在するローカルユーザーのクロックにおける誤差である。疑似距離は、定数“ｃ”が省略された形で時々定義される。一般的事例においては、受信機は、４つの未知数、すなわちＸ、Ｙ、Ｚ（受信機アンテナの座標）、及びT_biasを解く必要がある。この一般的事例に関しては、前記４つの未知数を解くことは、通常は、４つの異なるＳＶからの測定値を要求する。しかしながら、一定の状況下においては、この制約は緩和することができる。例えば、正確な高度推定値が入手可能である場合は、要求されるＳＶ数は、４から３に減らすことが可能である。いわゆるＧＰＳによって補助される動作においては、T_svは受信機が必ずしも入手することができず、受信機は、真の疑似距離を処理する代わりに、主に符号位相に依存する。現在のＧＰＳ実装においては、ＰＮ符号は１ミリ秒ごとに繰り返すため、前記符号位相は１ミリ秒時間の不明瞭さを有する。データビット境界を確認することができ、従って２０ミリ秒の不明瞭さのみを発生させることが時々ある。

基地局１０は、無線信号２０を用いてＭＳ１４と通信する通信ネットワークの一部として利用される基地局のあらゆる集合を具備する。前記基地局は、複数のその他の通信ネットワーク、例えば公衆電話システム１６、コンピュータネットワーク１７ａ、例えばインターネット、位置決定エンティティ（ＰＤＥ）１８（上記において定義）、及びブロック１７ｂにおいてまとめて示されているその他の様々な通信システム、との通信サービスを提供するセルラーインフラストラクチャネットワーク１５に接続される。ＧＰＳ基準受信機（又は複数の受信機）１９は、基地局１０内又はその付近、又はその他のいずれかの適切な位置に所在することができ、位置を決定する際に役立つ情報、例えばＳＶ位置（天体歴）情報を提供するためにＰＤＥ１８と通信する。

地上に配置されたセルラーインフラストラクチャネットワーク１５は、典型的には、携帯電話のユーザーが電話システム１６を通じて他の電話に接続することを可能にする通信サービスを提供する。しかしながら、基地局は、その他のデバイスと通信するために及び／又はその他の通信目的、例えば、携帯型パーソナルデジタルアシスタント（ＰＤＡ）とのインターネット接続、のためにも利用可能である。一実施形態においては、基地局１０は、ＧＳＭ通信ネットワークの一部である。しかしながら、その他の実施形態においては、その他の型の同期（ＣＤＭＡ２０００、等）の又は非同期の通信ネットワークを用いることができる。

図２は、モバイルデバイス１４の一実施形態のブロック図であり、通信システム及び位置探索システムを含む。セルラー通信システム２２は、セルラー信号２０を用いて通信するアンテナ２１に接続される。セルラー通信システム２２は、基地局と通信する及び／又は基地局からの信号２０を検出するための、及び送信された又は受信された情報を処理するための適切なデバイス、例えばモデム２３、ハードウェア、及びソフトウェアを具備する。

ＭＳ内のＧＰＳ位置探索システム２７は、理想的なＧＰＳ（搬送）周波数で又は該周波数付近で送信された測位信号１２を受信するためにＧＰＳアンテナ２８に接続される。ＧＰＳシステム２７は、周波数変換回路と、アナログ−デジタル変換器と、ＧＰＳクロックと、ＧＰＳ受信機の希望される機能を制御するための制御論理と、ＧＰＳ信号を受信及び処理するための及び適切な位置探索アルゴリズムを用いて位置を決定するために必要な計算を行うためのいずれかの適切なハードウェア及びソフトウェアと、を含むＧＰＳ受信機２９を具備する。前記例示された実施形態においては、前記アナログ−デジタル変換器は、位置探索システム内のバッファメモリに接続され、バッファメモリは、ＤＦＴ演算中にデータを提供及び格納するためにＤＦＴ回路に結合される。一部の補助付きＧＰＳ実装においては、最終的な位置評定計算（例えば、緯度及び経度）は、遠隔サーバーにおいて、ＧＰＳ受信機から前記遠隔サーバーに送信された符号位相及びその他の情報に基づいて行われる。幾つかのＧＰＳシステム例が、ノーマンＦ．クラスナーによる米国特許番号５，８４１，３９６、６，００２，３６３、及び６，４２１，００２において開示されている。

ＧＰＳクロックは、正確なＧＰＳ時間を維持することが意図されている。しかしながら、所在位置フィックス前に正確な時間を入手できないことが非常に頻繁であるため、ＧＰＳクロックソフトウェア内において推定値及び該値と関連する不確実性によって時間を維持するのが共通の方法である。ＧＰＳ時間は、正確なＧＰＳ所在位置フィックス後にしばしば正確に（現在のＧＰＳ実装においては数十ナノ秒の不確実性内で）わかることを注記することができる。しかしながら、最終的な位置探索計算が遠隔サーバーで行われる場合は、正確な時間は、前記サーバーでしか入手することができない。

モバイルデバイス制御システム２５は、双方向通信システム２２及び位置探索システム２７の両システムに接続される。モバイルデバイス制御システム２５は、接続されているシステムに関する適切な制御機能を提供するためのあらゆる適切な構造、例えば、１つ以上のマイクロプロセッサ、メモリ、その他のハードウェア、ファームウェア、及びソフトウェアを含む。本明細書において説明される処理ステップは、マイクロプロセッサによる制御対象となるハードウェア、ソフトウェア、及び／又はファームウェアを用いてあらゆる適切な形で実装されることが明確に理解されるはずである。

制御システム２５は、ユーザーインタフェース２６にも接続され、ユーザーインタフェース２６は、ユーザーとインタフェースするための適切な構成要素、例えば、キーパッド、音声通信サービス用のマイク／スピーカー、及びディスプレイ（バックライトＬＣＤディスプレイ、等）を含む。位置探索システム２７及び双方向通信システム２２に接続されたモバイルデバイス制御システム２５及びユーザーインタフェース２６は、ＧＰＳ受信機及び双方向通信システムに関する適切な入力／出力機能、例えば、ユーザー入力の制御及び結果の表示、を提供する。

ＧＰＳ信号に関する説明
式（Ａ１）で表される理想的なＧＰＳ信号の構造を表す線図である図３が参照される。ＧＰＳ信号の関数形は、何時でも次式のように表すことができる。

ここで、Ａは、信号の振幅であり、d(t)は、（例えば双位相変調によって）搬送波を変調する相対的に低速（例えば５０ボー）のデータシーケンスであり、P(t)は、反復するＰＮシーケンスF(t)から成る波形であり、□は、搬送波位相であり、w_r(t)は、瞬間の受信された搬送周波数である。

ここで、w_e(t)は、瞬間的な周波数誤差（周波数ドリフト）であり、w_cは、公称搬送周波数である。

式（Ａ１）は複素表示であり、直角位相サンプリング方法を利用して信号を処理する場合に役立つことが注記される。実世界の状況においては、様々なパラメータが完全に安定していることはないということを認識すべきである。

図３に示されるように、ＧＰＳ信号は、３５において示される一連のＰＮフレームを具備し、各ＰＮフレームは、特定の疑似雑音（すなわち“ＰＮ”）シーケンス及び搬送周波数２７に従って2相変調される波形F(t)３６を含む。F(t)の個々の繰り返しは“ＰＮフレーム”と呼ばれる。各ＰＮフレームは、予め決められた期間T_rを有する。３８には、例示されるＰＮフレームのうちの１つの開始時に発生するデータシーケンスd(t)のデータ遷移が示されている。しかしながら、データシーケンスd(t)は、相対的に低い速度を有するため、データ遷移３８は、２０のＰＮフレームごとに１回しか発生せず、従って、前記データ遷移は、任意で選択されたＰＮフレームの開始時に発生する場合と発生しない場合がある。

各ＧＰＳ衛星（ＳＶ）は、予め決められた速度で送信される一連のシンボル（チップ）である、３６に示された一意のＰＮ波形F(t)を送信する。前記ＰＮ波形は、搬送波を２相変調するために用いられる特定のＰＮシーケンスによって互いに区別される。例えば、これらのシーケンスは、米国ＧＰＳシステムのＣ／Ａ波形で一組のゴールド符号から選択される。以下の説明においては、“ＰＮシーケンス”は、実際には搬送波の変調信号を構築し、従って波形F(t)を生成するために用いられる数字のシーケンスであるため、“ＰＮシーケンス”という用語を必ずしも正確でないF(t)に関して用いることができる。しかしながら、このような形で用いられる“ＰＮシーケンス”は、該ＰＮシーケンスによって変調される波形を意味することが前後関係から明確であろう。

一例においては、チップ速度は１．０２３ ＭＨｚであり、従ってＰＮデータ速度は１ｋＨｚになる。この波形F(t)は、連続的に繰り返される。例えば、第１の衛星ＳＶ_１からの第１の符号は、一意のシーケンスF₁(t)を繰り返して送信し、ＳＶ_２は、一意のＰＮシーケンスF₂(t)を繰り返し送信し、以下同様である。ＧＰＳ受信機は、視界内にあると思われるすべてのＧＰＳ衛星に関する一意のＰＮシーケンスを用いてプログラミングされる。

これらのＰＮシーケンスは、特定の衛星を識別するためのアルゴリズムにおいて用いられ、特に、ＧＰＳ受信機において衛星信号が受信されるときには、ＰＮシーケンスは、前記受信された信号を送信した衛星を識別するために利用される。しかしながら、最初は、ＧＰＳ受信機は、上述されるように全ＰＮレーム（例えば、１ミリ秒の期間すなわち１０２３チップ）にわたる可能性がある実際の受信された符号位相エポックを知らない。従って、受信機は、連続して又は並行して、受信されたＧＰＳフレームのエポックをローカルで生成された基準フレームのエポックと整合させようとしてエポック−不確実性範囲にわたって探索しなければならない。

ＧＰＳ測位信号用受信機
今度は、ＧＰＳ受信機のうちで受信信号を処理及び相関させてＧＰＳ信号が存在するかどうかを決定する部分の機能図である図４が参照される。

観測されたデータが４０に示される。最初に、実際のＧＰＳ環境においては、ＧＰＳ受信機は、各々が一意のＰＮシーケンスF(t)を有する複数の信号、例えば、式Ａ（１）において示される理論的信号、を同時に受信する。例えば、典型的状況においては、ＧＰＳ受信機は、典型的には、いずれかの時点において様々な視界内の衛星から８乃至１２の信号を受信し、これらの様々なパラメータは、例えば異なる経路長、到着方向、及びドップラー周波数シフトに起因して互いに異なる。従って、「観測されたデータ」は、すべての視界内衛星からの情報を含むことができる。例示する目的で、以下の開示は、選択された衛星からの信号の存在を探索するために前記観測されたデータを処理することを説明する。視界内にあるその他の衛星に関する観測されたデータを処理することは、同様の形で進行することが明確なはずである。

次に、４１において、前記観測されたデータが例えば該当する周波数変換システムによって処理され、前記観測されたデータが取り出されて例えばダウンコンバージョンによって適切な周波数に変換される。前記周波数変換された出力をのちに処理するためにデジタル形に変換するためにアナログ／デジタル変換器４２を適宜用いることができる。当然のことであるが、信号が既にデジタル形式に変換されている場合は、このＡ／Ｄ変換器４２は必要にならない。次に、Ａ／Ｄ変換器４２からの信号が処理ボックス４３に与えられ、処理ボックス４３において、例えば乗算によって周波数ドリフトに関する仮定の波形と結合される。

ＧＰＳ信号が受信機に到着して受信機内で処理後においては、周波数が最初の値からドリフトしている可能性がある。周波数ドリフトは、ＳＶの動き及びＭＳの動きによるドップラー効果に起因して、信号が受信機に到着する前に引き起こされる可能性がある。さらに、ＭＳ局所発振器内の例えば温度変化に起因するわずかな誤差も、搬送周波数を理想的な周波数から変動させる可能性がある。この周波数ドリフトは、経時で変動することがある。すなわち、該周波数ドリフトは、データを観測中に変動することがある。典型的には、周波数ドリフト量は受信機にとっては不明である。

不明な周波数ドリフトを補償するために、周波数ドリフトに関する仮定が４４において行われる。送信機／衛星の放射加速に起因する予測周波数ドリフト（すなわち、予測される衛星ドップラー変化）が、周波数ドリフトに関する仮定の中に含められる場合と含められない場合がある。仮定された周波数ドリフトは、一般的には以下の形を有する。

仮定された周波数ドリフト = w_h(t) （Ａ３）
次に、幾つかの周波数ドリフト例を示す周波数ドリフトと時間の関係図である図５が参照される。例示される仮定は単なる例であるにすぎないこと、及び仮定された周波数ドリフトは非常に様々な形を有することが可能であることが明確なはずである。一例は、５１において示される一定の周波数ドリフトである。他の例は、５２において示される周波数ドリフトの負の線形変化速度（例えば、−２Ｈｚ／秒）である。他の例は、５３に示される周波数ドリフトの指数的変化速度である。さらに他の例は、５４及び５５における周波数ドリフトの正の線形変化速度である（例えば、１Ｈｚ／秒及び２Ｈｚ／秒）。その他の例は、５６及び５７において示される曲線である。周波数ドリフトの仮定に関しては無数の関数を使用可能であることが明らかなはずである。しかしながら、（正又は負の）線形の変化速度等の単純な仮定のほうが実装が単純である。さらに、典型的には、実際の信号の周波数ドリフト速度は漸進的（例えば３Ｈｚ／秒未満）であり、従って、前記範囲内における周波数ドリフトに関する仮定は、受信を向上させることが可能になる。送信機／衛星の放射加速に起因する予測周波数ドリフト（すなわち、予測される衛星ドップラー変化）は、周波数ドリフトの仮定に含められる場合と含められない場合があることに注目すること。衛星ドップラー変化が周波数ドリフトに関する仮定に含められない場合は、該変化は、別個に補償することができる。

周波数に関する仮定は、あらゆる適切な形で格納することができる。例えば、周波数に関する仮定は、波形としてデジタル形式でメモリに格納することができる。代替として、周波数仮定は、アナログ形式で格納することも可能である。

再度図４において、４４の周波数に関する仮定がＡ／Ｄ変換器４５に適用され（該当する場合）、次に、ドリフトが調整された信号を提供するために適切な方法によってＡ／Ｄ変換器４２からのデータと結合される。多くの用途の場合は、これらの２つの信号を結合させるための方法は乗算演算が適切になる。幾つかの実施形態においては、仮定された周波数ドリフトは、位置探索システムのその他の部分に実装することが可能である。例えば、仮定された周波数ドリフトは、収集されたデータではなく基準符号を調整するために用いることができる。基準符号及びデータは、相互に関係する形でいっしょに用いられるため、基準符号を調整することの正味の効果は、本明細書において例示されるデータを調整することの正味の効果と同様になる。さらに他の実施形態においては、仮定された周波数ドリフトは、後続するＦＦＴ演算のベクトル基底を調整するために、又はＦＦＴ演算の入力又は出力、又は両方を修正するために用いることができる。送信機／衛星の動きに起因する予測周波数ドリフト（すなわち、予測される衛星ドップラー変化）は、仮定された周波数ドリフトに含めることができ、又は別個に適用することができる。後者の場合は、衛星ドップラーに関する調整は、アルゴリズム内のその他の周波数ドリフトに関する調整と同じ場所に、又はその他の場所に挿入することができる。

ドリフトが調整された信号は、ドリフトが調整された信号に応じて選択された測位信号及び位相遅延との一致の有無を探索する相関システム４６に対して加えられる。図４に示される特定の相関システム４６は、例示することを目的として提供されており、その他の実施形態は、その他の相関システムを適宜及び／又は有用である場合に利用することができる。特に、図４において、相関システム４６は、より高速の処理時間のために並行して動作する幾つかの処理分枝を含む。しかしながら、実際には、可能性のあるすべてのＰＲシフトに関する分枝に要する犠牲は、通常は時間を節約可能であることだけでは正当化されず、これらの動作は、通常は、例えばループ形式のように順次で行われる。

相関システム
典型的には、測位信号をＧＰＳ衛星から受信するために、観測された信号が特定のＧＰＳ符号及び位相に関する基準符号と相関される。例えば、相関受信機は、ローカルメモリに内蔵される適切なゴールド符号の格納された複製を含むローカルで生成された基準符号を受信信号に乗じ、次に、信号の存在を示す数値を得るために前記積を積分（例えば、低域フィルタリング）する。このプロセスは、コヒーレント処理と呼ばれる。

図４において、相関システム４６は、ドリフトが調整された信号及び第１のパイロット基準（ＰＲ）信号の両方を受信する第１の相関器４７ａ含む。相関された信号は、フーリエ変換ブロック４８に与えられ、次に、比較できる大きさを提供するための検出演算４９が行われる。第２の相関器４７ｂもドリフトが調整された信号を受信するが、第１のＰＲ信号から位相がシフトされている第２のＰＲ信号を受信する。４８ｂにおいてＦＦＴが行われ、４９ｂにおいて検出演算が行われ、このため、現時点において大きさを入手可能である。同様に、可能性のあるすべての移相に関して、第３、第４、第５のＰＲ信号、以下同様、に関する相関が行われる。次に、最大値がこれらの結果から選択され、（予め決められた判定基準によって決定時に）この最大値がその他の結果よりも十分に大きい場合は、一致値として選択することができ、位相遅延を示すことができる（すなわち、慣習的な用語法における□□を示すことになる）。

一部の相関システムにおいては、複数の連続するコヒーレント処理演算の結果が検出され（例えばその大きさが決定され）、より高い忠実度を有する相関出力を提供するために結合される。最初の相関演算は、「コヒーレント処理」と呼ばれ、後者の結合するステップは、「非コヒーレント」又は「非コヒーレント処理」と呼ばれる。本明細書において定義されるシステムではより長いコヒーレント処理時間が意図されているため、非コヒーレント処理は行う必要がないことがあるが、幾つかの実施形態において役立つか又は望ましいことがある。有利なことに、本明細書において開示されるシステムによって提供されるより長いコヒーレント長は、要求される感度を達成させるために要する非コヒーレント積分数を減らすことが可能である。５０において、「チョッピング」のためのオプションのシステムが実装される。すなわ、相関結果がチョッピングされ、チョッピングされたもの（時間間隔）がＦＦＴシステムに入る。この場合は、４９ａにおける検出演算は、ＦＦＴ結果を平方することと、時間間隔全体にわたるＦＦＴ結果を非コヒーレントに合計すること、とを含む。

相関システム要約
受信された信号に関するこの格納された複製の相対的タイミングを順次で再調整し、相関出力を観測することによって、受信機は、受信された信号とローカルクロックの間の時間遅延を決定することができる。符号期間（例えば１ミリ秒）を除くこの時間遅延は、「符号位相」と呼ばれる。前記出力の存在の最初の決定は、「取得」と呼ばれる。一定のＧＰＳ受信機においては、取得が生じた時点で、プロセスは、高相関出力を維持するためにローカル基準のタイミングが少量ずつ調整される「トラッキング」位相に入る。トラッキング位相中の相関出力は、疑似ランダム符号が除去された、すなわち共通の用語では「逆拡散された」、状態のＧＰＳ信号として観察することができる。この信号は狭帯域であり、ＧＰＳ波形上に重ね合わされる毎秒５０ビット（ｂｐｓ）の２相偏移変調データ信号と釣り合った帯域幅を有する。

方法
図６は、測位信号を処理して、前記測位信号が周波数ドリフト、送信機を識別する反復符号、及び搬送周波数オフセットを選択する仮定と一致するかどうかを識別するために移動局において行われる一連のステップを示す流れ図である。以下において説明されるように、アルゴリズムは、周波数ドリフトに関する仮定を行い、送信機（例えば、ＧＰＳ衛星又は基地局）を選択し、さらに、選択されたＧＰＳ符号に関する符号位相オフセットの一致を見つけ出すことを試みてすべての可能な符号位相オフセット（例えば、ＧＰＳに関しては１０２３のオフセット）を検査することができる。次に、周波数ドリフトに関する幾つかの仮定に関してコヒーレント処理アルゴリズムが繰り返され、その後、前記移動局によって観察することができる各ＧＰＳ符号に関して再度繰り返される。

データを観測する（６１）
図６の６１において、ＧＰＳ測位信号のほぼ搬送周波数の電磁（ＥＭ）エネルギーを観測するための動作が示される。前記ＧＰＳ信号（存在する場合）は、少なくともブロック期間Ｔ_ｃの長さの時間間隔にわたって連続的に観測される。ＧＰＳ信号の形は、本明細書の別の場所において例えば図６を参照しつつ説明される。

観測されたデータを処理する（６２）
再度図６を参照し、６２において、観測されたデータが適宜処理される。前記処理は、受信された状態のデータを例えばチップごとに処理することによって「リアルタイム」で行うことができ、又は、前記データをバッファリングして１つの組として処理することができる。処理は、適切な周波数変換回路によってＧＰＳ信号から搬送周波数を除去して残留周波数f_eを残すことを含むことができる。搬送周波数を除去するために、典型的にはＧＰＳ信号が最初にミキサによって中間周波数（ＩＦ）に変換される。次に、前記変換されたＧＰＳ信号は、適切なアナログ技術又はデジタル技術によって処理されて残りのＩＦ成分が約ゼロに減じられる。例えば、ＩＦ周波数は、他のミキサによってほぼ除去することができ、又は、ＧＰＳをアナログ−デジタル変換器でデジタル信号に変換後に、デジタル処理ミキシング技術を用いることができる。このことは、例えば従来の処理ミキシング技術を用いて当業においてよく知られる方法で行うことができる。さらに、搬送周波数はデジタル化前に除去することができるが、搬送周波数の大部分のみを除去すること及び信号はデジタル化前に低IF周波数、例えばf_IF+f_eに変換された周波数であることが可能である。デジタル化動作後は、ＩＦ周波数f_IFは、典型的にはデジタル信号処理方法によって除去される。信号処理に関するその他の変形は、当業者にとって明確なはずである。

補助付きＧＰＳシステムにおいては、すべてのＧＰＳ信号に関する予測されるドップラー補正を、（１つの形又は他の形で）ＰＤＥからＧＰＳ受信機に送信することができ、さらに、視界内にあると思われるＧＰＳ衛星のリストも前記受信機に送信され、このため、ＧＰＳ受信機は衛星信号をより効率的に探すことができる。予測されるデータストリームもＰＤＥによって提供することができる。

６２において、データシーケンスがオプションで除去される。データシーケンスd(t)を処理前に除去することは、オプションであるが、非常に役に立つことが可能である。データシーケンスの除去を援助するために、一部の補助付きＧＰＳシステムにおいては、予測されるデータシーケンスd(t)は、（例えばサーバーから）ＧＰＳ信号の幾つかの概算的な到着時間とともにＧＰＳ受信機に送信される。これらの場合においては、ＧＰＳ受信機は、データシーケンスd(t)を除去し、従って、データシーケンスd(t)に起因して方程式（Ａ１）の信号内において２０ミリ秒ごとに発生する可能性がある疑似ランダム極性反転を除去することができる。ランダム極性反転を除去することによって（すなわち、d(t)を除去することによって）、コヒーレント処理時間を、ＧＰＳ取得プロセスの感度を向上させることができるより長い時間間隔、例えば１００ミリ秒超、に拡大させることができる。前述されるように、ＧＰＳの幾つかの将来のモードは、データを含まないシグナリング成分を含むことができる。

同じく６２において、処理されたＧＰＳ信号は、アナログ−デジタル変換器において予め決められた時間間隔にわたってデジタル化（すなわち、サンプリング）され（以前に変換されていない場合）、ＧＰＳ受信機のバッファメモリに格納される。データセットの大きさ、及びデータのサンプル速度には理論的な制限はないが、データセットの大きさは２のべき乗であることが時々有益である。

データブロックを提供する（３３）
６３において、予め決められたコヒーレント処理期間T_cにおけるデジタルデータ（例えば、生データ又は処理されたデータ）の部分に対応するサンプル時間間隔T_cを選択することによってコヒーレント処理に関するデータブロックが定義される。コヒーレント処理のためにデータが結合される時間間隔は、典型的には、有意な、整数の数のＰＮフレーム（例えば１００ＰＮフレーム）を含むように選択される。有利なことに、前記時間間隔の長さ（コヒーレント長）は、仮定された周波数ドリフトに起因する従来のシステムよりも長くすることができる。しかしながら、コヒーレント処理ブロックは、長すぎないようにすべきである。特に、前記長い時間間隔にわたる予測不能な周波数変動が性能の向上を制限するか又は妨げる可能性があるため、非常に大きなブロック（例えば、２乃至３秒のブロック）をコヒーレントに処理するように試みることは不利になることがある。

図３を簡単に参照し、測位信号は、データブロック、例えば第１のデータブロック３９ａ又は第２のデータブロック３９ｂ、を定義する時間T_cにわたって観測され、前記時間T_cは、前記データブロックが整数の数のＰＮフレーム３５を有するように選択される。実際のデータブロックはＰＮフレームの開始時を事前に知らずに受信されるため、データブロックの初め及び終わりはＰＮフレーム境界内のいずれかの場所に存在する可能性があることに注目することができる。例えば、３９ａにおいて示されるように、データブロックは、偶然に第１のＰＮフレームの初めから最後のＰＮフレームの終わりまで延びる可能性があるが（符号位相オフセット＝０）、（３９ｂにおいて示されるように）前記データブロックは、第１のＰＮフレームの中央のいずれかの場所から最後の全ＰＮフレームに後続するフレームの中央のいずれかの場所まで延びることになり、このため、符号位相オフセットは、ゼロに等しくない。

周波数ドリフトを仮定する（６４）
６４において、（図５を参照して例が既に説明されている）周波数ドリフトに関する仮定は、あらゆる適切な方法によって、無作為に又は以前の情報に基づいて行われる。例えば、最も可能性が高い周波数ドリフトに関する仮定、例えば２Ｈｚ／秒で線形、を選択するためのアルゴリズムを用いることができる。代替として、最も可能性が高い周波数ドリフトの選択は、直近において成功した周波数ドリフトに基づいて、又は最も共通する周波数ドリフトに基づいて、又はその他のあらゆる適切なアルゴリズムに基づいて行うことができる。

仮定された周波数ドリフトに応じてデータブロックを処理する（６５）
６５において、データブロック及び仮定された周波数ドリフトは、仮定された周波数ドリフトに関して調整されたデータブロックであるドリフト調整データ信号を提供するために例えば乗算演算によって処理される。その他の実施形態においては、仮定された周波数ドリフトは、その他の量を調整するためにアルゴリズム内の別の場所において利用可能であることを注記することができる。例えば、仮定された周波数ドリフトは、データではなく基準符号を調整するために用いることができる。基準符号およびデータは相関状態でいっしょに用いられるため、基準符号を調整することの正味の効果は、本明細書において例示されるデータを調整することの効果とほぼ同じになる。さらに他の実施形態においては、仮定された周波数ドリフトは、後続するＦＦＴ演算のベクトル基底を調整するために、又はＦＦＴ演算の入力又は出力、又はその両方を修正するために用いることができる。送信機／衛星の動きに起因する予測周波数ドリフト（すなわち、衛星ドップラー）は、仮定された周波数ドリフトに含めることができ、又は別個に適用することができる。後者の場合は、衛星ドップラーに関する調整は、アルゴリズム内におけるその他の周波数ドリフトに関する調整と同じ場所に、又はその他のいずれかの場所に挿入することができる。

視界内に存在する送信機を選択する、基準符号を提供する（６６）
６６において、いずれかの適切な方法によって送信機（例えば、ＧＰＳ衛星）が選択又は決定される。特定の衛星の選択は、無作為であることができ、又は、好ましいことに、ＰＤＥによって提供された来歴又はリスト等の適切な情報に基づくことができる。

この衛星選択に基づいて、衛星から送信された信号を示す基準符号が供給される。前記基準符号は、ローカルで生成すること又は事前に計算して格納することができる。前記基準符号は、あらゆる適切な形であることができ、例えば、時間領域信号であることができる。代替として、前記基準符号は、ＦＦＴとして格納することができる。これらの符号は、よく知られており、すべてのＧＰＳ符号に関する値を予め計算してこれらの値をＧＰＳ受信機に格納することが実行可能でありさらに実際的である。

ＧＰＳ受信機は、多数の信号を同時に受信し、例えば典型的な状況においては、ＧＰＳ受信機は、典型的には、あらゆる時点において様々な視界内の衛星から８乃至１２の信号を受信するが、これらの信号の多くは、弱すぎて検出できないことがある。従って、いずれの衛星が受信可能な信号を提供中であるか不確実であり、さらに、検出可能な場合においても、到着時間を決定する受信可能信号の符号位相オフセットは不明である。

後述されるように、選択された衛星に関するＰＮ符号は、少なくとも一致が見つけ出されるまで又は周波数に関するすべての仮定がなくなるまで、前記周波数に関するすべての仮定に関して試験され、次に、次の衛星が選択されて周波数に関するすべての仮定について試験され、以下同様に、すべての候補衛星が選択されるまで、又は所在位置フィックスを完了させるための十分な衛星が見つけ出されるまで続けられる。

最初のＰＲシフトを仮定する（６７）
６７において、ＰＲシフトに関する最初の仮定が行われる。ＧＰＳ受信機が十分な情報を入手可能である（例えば、以前の所在位置フィックスが既に行われているか又は符号位相予測が入手可能である）場合は、この最初の仮定および後続する仮定は、この情報に基づいて行うことができる。情報が入手できない場合は、最良の推量が行われて探索が開始する。

ドリフトが調整された信号を基準符号と相関させる（６８）
６８において、ドリフトが調整された信号をいずれかの適切な方法によって基準符号と相関させるための演算が行われる。その結果は、相関データセットである。

説明する目的上、上記の開示された方法は、１つのブロックのデータをコヒーレントに処理することに相当し、本明細書においては「コヒーレント積分」と呼ばれる１つの型の相関である。感度を向上させるために、幾つかのコヒーレント相関プロセスからの相関出力の大きさは、幾つかの（例えば、２乃至２０００ブロック、典型的には５乃至２００ブロックの）隣接する時間間隔にわたって検出および結合して相関結果を提供することができる。このプロセスは、「非コヒーレント積分」と呼ばれる。

データブロックに関するフーリエ変換を行う（６９）
６９において、相関データセットは、例えば一組の周波数サンプルを生成するために、フーリエ変換プロセスを用いて周波数領域に変換することができる。このステップは、「順方向変換」プロセスと呼ばれ、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）等の様々な方法で行うことが可能である。１つのよく知られたアプローチ法は、「時間におけるデシメーション」であり、他のアプローチ法は、周波数におけるデシメーションである。チャープＺ-変換（chirp z-transform）又は数論的変換（number theoretic transform）等のその他の高速アルゴリズムを適宜又は役立つ場合に採用することができる。

任意の信号のＦＦＴは、処理対象データブロックの継続時間の逆数によって周波数分離された一連のデータ周波数サンプルを含む。例えば、ブロック継続時間（Ｔ_ｃ）が８０ミリ秒である場合は、周波数サンプルの間隔は１２．５Ｈｚである。各データ周波数サンプルは、単位をＨｚとするその周波数によって、又はより便利な方法である周波数インデックスによって識別することができる。特に、ＤＦＴの各データ周波数サンプルは、整数（周波数インデックス）によって指定することができ、該整数は、例えばゼロの周波数の場合はゼロのインデックスから始まることができる。ＮポイントＦＦＴの場合は、周波数インデックスＮ／２は、サンプル速度の１／２、すなわちＳ／２の単位がＨｚの周波数に対応する。インデックスＮ／２＋１、Ｎ／２＋２、等を有する周波数サンプルは、−Ｓ／２＋１／Ｔ_ｃ、−Ｓ／２＋２／Ｔ_ｃ、等に相当する単位Ｈｚの周波数に対応する。すなわち、負の周波数に対応するデータを表す。

ＦＦＴ相関結果を探索して一致を見つけ出す（７０）
７０において、ステップ６９からのＦＦＴ相関結果が分析され、一致が見つけ出されているかどうかを決定する。この演算は、後述されるような幾つかの適切なアルゴリズムのうちのいずれかにおいて行うことができる。特に、ＦＦＴ結果は、等間隔で配置された、異なる周波数の一連の線である。一致が見つけ出されているかどうかを決定するために、あらゆる適切な探索アルゴリズムを採用することができる。典型的には、各線の大きさが計算（検出）される。ＦＦＴ周波数インデックスおよび特定の仮定された符号位相に関する線の大きさは、全線の中で最大であり、その振幅が予め決められたしきい値を満たしているか又は上回っている場合は、一致が見つけ出されていると推定することができる。

７１において、試験が行われる。一致が識別されていない場合は、動作は判断７２に進む。７２において、探索すべきさらなるＰＲシフトが存在する場合は、ステップ７３において他のＰＲシフトに関する仮定が行われ、ステップ６８乃至７１を含む「位相ループ」内において動作が継続する。しかしながら、探索すべきＰＲシフトがそれ以上存在しない場合は、動作は、位相ループから出て、７２から判断７４に進み、判断７４は、周波数ドリフトに関するさらなる仮定を試験すべきかどうか決定する。

判断７４から、試験すべき周波数ドリフトに関するさらなる仮定が存在する場合は、動作は、ステップ６４乃至７２を含む「周波数ドリフトループ」内で継続し、同じ送信機に関する他の周波数ドリフトを仮定する。試験すべき周波数ドリフトに関する仮定がそれ以上存在しない場合は、動作は、後述されるように探索すべきさらなる衛星／送信機が存在するかどうかを決定する判断７６に進む。

ステップ７１における判断に戻り、一致が見つけ出されている場合は、動作は、符号位相オフセットが決定されるステップ７５に進む。

符号位相オフセットを決定する（７５）
上述されるように、データがサンプリングされたときには、符号位相は不明であった。すなわち、ＰＮフレーム期間の始まり及び終わりはまだ確認されていない。特に、データブロックは、整数の数のＰＮフレームを有するが、データブロックの開始位置は不明であり、従って、データブロックの初め及び終わりは、ＰＮフレーム内のいずれかの場所に存在する可能性がある。例えば、図３に示されるように、データブロックは、偶然に、３９ａにおいて示されるように第１のＰＮフレームの初めから最後のＰＮフレームの終わりまで延びている可能性がある（符号位相オフセット＝０）が、データブロックは、６９ｂにおいて示されるように第１のＰＮフレーム内の任意の点から最後の全ＰＮフレームに後続するフレーム内の同じ点まで延びることになる可能性のほうが高い（符号位相オフセット＝０でない）。

７５において、肯定的な探索結果が得られた後に（すなわち、ステップ７１において一致が見つけ出された後に）、６８において用いられた仮定されたＰＲシフトから符号位相オフセットが決定され、他方、ステップ６９のＦＦＴ相関結果から平均周波数オフセットが決定される。通常は、正確な符号位相オフセットが、探索において見つけ出されたピークの周囲の幾つかのＰＲシフトに対応する相関結果から内挿される。ＰＲシフトに関する連続する仮定が１／２ＰＮチップ以下しか離れていない場合は、前記内挿が可能である。

７６において、追加の送信機／衛星を探索すべきかどうかの判断が行われる。この判断は、適切な判定基準に従って行われ、例えば、所在位置フィックスを行う上で十分な数の衛星が既に存在する場合、又は可能性のある視界内の全衛星が探索された場合は、探索を停止する判断を行うことができ、従って、７７において示されるように、取得動作が完了している。しかしながら、さらなる衛星が探索される場合は、動作はステップ６６に戻り、次の衛星を選択して他のＰＲシフトを仮定するために送信機ループが実施され、新たな仮定条件を用いてステップ６６乃至７６が実施される。

要約および追加説明
図６の方法は、１ブロックのデータをコヒーレントな方法で処理することに対応し、この処理は、本明細書においては「コヒーレント積分」と呼ばれる１つの型の相関である。しかしながら、実際上は、コヒーレント積分期間の長さは様々な周波数誤差によって制限されるため、コヒーレント積分は、弱いＧＰＳ信号を検出してその符号位相を測定するための十分な感度が得られないことがある。感度を向上させるために、幾つかのコヒーレント相関処理からの相関出力の大きさを検出して結合させることができ、この結合は、「非コヒーレント積分」と呼ばれる。特に、コヒーレントプロセスは、１つ以上の追加の隣接する時間的間隔（例えば、２乃至２０００ブロックで、典型的には５乃至２００ブロック）にわたって繰り返すことができ、結果が検出されて（例えば、その大きさ又は大きさの二乗が計算されて）結合される。これらの検出された相関サンプルブロックを合計することは、非コヒーレント又は非コヒーレント処理と呼ばれる。非コヒーレント処理は、同じ積分全長に関してコヒーレント処理よりも低い感度を提供する。周波数ドリフトに関する仮定を信号処理において適用することによって、積分全長は同じに保ちながら非コヒーレント積分の長さを短くするという犠牲を払ってコヒーレント積分の長さを長くすることができ、その正味の効果は、信号検出感度の向上である。

上記の教義に鑑み、本発明の精神および適用範囲を逸脱せずに代替実施形態を実装可能であることが当業者によって理解されるであろう。

図７は、測位信号を受信するための代替実施形態を含む流れ図である。特に、ブロック６１乃至６４、６６、６７、及び７１乃至７７のステップは、図６を参照して上述されるステップに対応する。

７８において、仮定されたＰＲシフト及び仮定された周波数シフトに応じて、データブロックと仮定された基準信号との間における一致の有無を探索する動作が示される。７８における動作は、図６を参照して上述されるシステムを含み、前記システムにおいては、データブロックが仮定された周波数ドリフトに応じて処理されてドリフトが調整されたデータ信号が提供され、その後に前記ドリフトが調整されたデータブロックと前記仮定された基準信号との間における一致の有無が探索される。

代替として、７８において、動作は、前記仮定された周波数ドリフトに応じて前記仮定された基準信号を処理してドリフトが調整された基準信号を提供することと、前記データブロックと前記仮定された基準信号との間における一致の有無を探索すること、とを含むことができる。

一般的には、７８における動作は、周波数ドリフト、周波数、及び位相シフトを仮定するあらゆる適切なシーケンスを用いて行うことができる。多くの代替が適切であり、例えば、周波数ドリフトに関する複数の仮定を並行して試験することができ、又は周波数ドリフトに関する複数の仮定に関して単一の移相仮定を試験することができ、又は異なる型の幾つかの異なる仮定を並行して試験することができる。

さらに他の代替においては、７８における動作は、データブロックに応じて周波数サンプルを計算することと、前記基準信号に応じて周波数サンプルを計算することと、データブロックと基準周波数サンプルとの間における一致の有無を探索すること、とを含むことができる。前記仮定された周波数ドリフトに応じて、フーリエ変換データブロック及び周期的に繰り返すシーケンスのうちの少なくとも１つのベクトル基底を調整することができる。

本発明は、添付図面を用いて説明された前記のすべての実施形態及び修正を含む特許請求項の範囲のみによって制限される。

複数の基地局と通信状態にある移動局内のＧＰＳ受信機によって受信されるＧＰＳ信号を発信する衛星を含む通信・位置探索システムの透視図である。 ＧＰＳ受信機およびセルラー通信システムを含む移動局の一実施形態のブロック図である。 ＧＰＳ測位信号の構造および波形成分を示す線図である。 ＧＰＳ受信機のうちで受信信号を処理および相関させてＧＰＳ測位信号が存在するかどうかを決定する部分の機能ブロック図である。 幾つかの周波数ドリフト例を示す周波数ドリフトと時間の関係図である。 仮定された周波数ドリフトに応じてデータブロックを調整することを含む測位信号受信方法の流れ図である。 仮定された周波数ドリフトに応じて測位信号を受信するための方法の流れ図である。

Claims (30)

1. 複数の送信機のうちの１つから予め決められた搬送周波数で送信された測位信号を受信するために長いコヒーレント積分期間を使用する方法であって、前記測位信号は、前記測位信号を送信した前記送信機を一意で識別する基準信号を含み、
   ａ）受信機において、ほぼ前記搬送周波数の電磁エネルギーを観測し、前記観測された電磁エネルギーに応じてデータを提供することと、
   ｂ）前記送信機のうちの１つを仮定し、それによって前記複数の一意の基準信号のうちの１つを仮定することと、
   ｃ）周波数ドリフトを仮定することであって、前記周波数ドリフトは時間の経過にしたがって変化することと、
   ｄ）前記仮定された周波数ドリフトに応じて前記データを処理することと、
   ｅ）前記データのデータブロックを定義することと、
   ｆ）前記データブロックと前記仮定された基準信号との間における一致の有無を探索することと、
   ｇ）一致された信号が見つけ出された場合は、位相遅延及びタイミング情報を決定し、その他の場合、一致された信号が見つけ出されるまで又は前記ステップｂ乃至ｆを終了するための条件が満たされるまで当該ステップｂ乃至ｆを繰り返し実行すること、とを具備する方法。
2. 前記仮定された周波数ドリフトは、時間に関してほぼ線形に変化する請求項１に記載の方法。
3. 前記仮定された周波数ドリフトは、時間の経過に関して指数的に変化する請求項１に記載の方法。
4. 前記ステップｆは、
   前記仮定された周波数ドリフトに応じて前記データブロックを処理してドリフトが調整されたデータ信号を提供することと、
   複数の移相に関して前記ドリフトが調整されたデータブロックと前記仮定された基準信号との間における一致の有無を探索すること、とを具備する請求項１に記載の方法。
5. 前記ステップｆは、
   前記仮定された周波数ドリフトに応じて前記仮定された基準信号を処理してドリフトが調整された基準信号を提供することと、
   複数の移相に関して前記データブロックと前記仮定された基準信号との間における一致の有無を探索すること、とを具備する請求項１に記載の方法。
6. 前記ステップｆは、
   前記データブロックに応じて周波数サンプルを計算することと、
   前記基準信号に応じて周波数サンプルを計算することと、
   前記データブロック周波数サンプルと前記基準信号周波数サンプルとの間における一致の有無を探索すること、とを具備する請求項１に記載の方法。
7. 前記ステップｆは、前記仮定された周波数ドリフトに応じて前記データブロック周波数サンプルのベクトル基底及び前記周期的に繰り返すシーケンスを調整することをさらに具備する請求項６に記載の方法。
8. 前記送信機は、ＧＰＳ信号をＧＰＳ周波数で送信する複数のＧＰＳ衛星を具備し、各ＧＰＳ衛星は、一意の基準信号を送信する請求項１に記載の方法。
9. 前記データブロックは、前記基準信号の整数の回数の繰り返しに対応する大きさを有する請求項１に記載の方法。
10. 前記データブロックは、前記基準信号の１００乃至５００回の繰り返し範囲内の大きさを有する請求項１に記載の方法。
11. 複数の送信機のうちの１つから予め決められた搬送周波数で送信された測位信号を受信するために長いコヒーレント積分期間を使用する方法であって、前記測位信号は、前記測位信号を送信した前記送信機を一意で識別する周期的に繰り返すシーケンスを含み、
    ａ）受信機において、ほぼ前記搬送周波数で電磁エネルギーを観測し、前記観測された電磁エネルギーを示すデータを格納することと、
    ｂ）不明な周波数ドリフトが発生する可能性があるデータブロックを定義することであって、前記周波数ドリフトは、時間の経過にしたがって変化することと、
    ｃ）前記データブロックにおける周波数ドリフトを仮定することと、
    ｄ）前記仮定された周波数ドリフトに応じて前記データを処理してドリフトが調整された信号を提供することと、
    ｅ）前記ドリフトが調整された信号を相関システムに加え、前記ドリフトが調整された信号と前記複数の送信機のうちの少なくとも１つとの間における一致の有無を探索することと、
    ｆ）一致する信号が見つけ出された場合は、位相遅延及びタイミング情報を決定し、その他の場合は、一致する信号が見つけ出されるまで又は前記ステップｃ乃至ｅを終了するための条件が満たされるまで当該ステップｃ乃至ｅを繰り返し実行すること、とを具備する方法。
12. 前記仮定された周波数ドリフトは、時間に関して線形に変化する請求項１１に記載の方法。
13. 前記仮定された周波数ドリフトは、時間の経過に関して指数的に変化する請求項１１に記載の方法。
14. 前記ステップｅは、
    前記複数の送信機のうちの１つを仮定し、前記仮定された送信機に対応する基準符号を提供することと、
    ＰＲシフトを想定することと、
    前記ＰＲシフトに応じて前記ドリフトが調整された信号及び前記基準符号を相関させ、それによって相関データセットを提供することと、
    前記相関データセットを探索して信号の一致を識別すること、とを具備する請求項１１に記載の方法。
15. 前記基準符号は、時間領域信号を具備する請求項１４に記載の方法。
16. 前記送信機は、ＧＰＳ信号をＧＰＳ周波数で送信する複数のＧＰＳ衛星を具備し、各ＧＰＳ衛星は、一意の周期的に繰り返すシーケンスを送信する請求項１１に記載の方法。
17. 前記データブロックは、 前記周期的に繰り返すシーケンスの整数の回数の繰り返しに対応する大きさを有する請求項１１に記載の方法。
18. 前記データブロックは、前記周期的に繰り返すシーケンスの１００乃至５００回の繰り返し範囲内の大きさを有する請求項１１に記載の方法。
19. 前記タイミング情報を利用して前記移動局の位置を決定することをさらに具備する請求項１１に記載の方法。
20. 前記データブロックは、１０ミリ秒乃至１秒の時間間隔に対応する請求項１１に記載の方法。
21. 複数の送信機のうちの１つから予め決められた搬送周波数で送信された測位信号を受信するために長いコヒーレント積分期間を使用する受信機であって、前記測位信号は、前記測位信号を送信した前記送信機を一意で識別する基準信号を含み、
    ほぼ前記搬送周波数で電磁エネルギーを観測するための手段であって、アンテナを含む手段と、
    予め定義された時間間隔にわたる前記観測された電磁エネルギーを示すデータを格納するための手段と、
    前記送信機のうちの１つを仮定し、それによって前記複数の一意の基準信号のうちの１つを仮定するための手段と、
    周波数ドリフトを仮定するため手段であって、前記周波数ドリフトは、時間の経過にしたがって変化する手段と、
    前記データに応じてデータブロックを定義するための、及び前記仮定された周波数ドリフトに応じて、複数の移相における前記データブロックと前記仮定された基準信号との間の一致の有無を探索するための手段と、
    位相遅延及びタイミング情報を決定するための手段と、
    一致した信号が見つけ出されているかどうかを決定するための制御手段と、を具備する受信機。
22. 前記仮定された周波数ドリフトは、時間に関して線形に変化する請求項２１に記載の受信機。
23. 前記仮定された周波数ドリフトは、時間の経過に関して指数的に変化する請求項２１に記載の受信機。
24. 前記仮定された周波数ドリフトに応じて前記データブロックを処理してドリフトが調整されたデータ信号を提供するための手段と、
    前記ドリフトが調整されたデータブロックと前記仮定された基準信号との間における一致の有無を探索するための手段と、をさらに具備する請求項２１に記載の受信機。
25. 前記仮定された周波数ドリフトに応じて前記仮定された基準信号を処理してドリフトが調整された基準信号を提供するための手段と、
    前記データブロックと前記仮定された基準信号との間における一致の有無を探索するための手段と、を具備する請求項２１に記載の受信機。
26. 前記データブロックに応じて周波数サンプルを計算するための手段と、
    前記基準信号に応じて周波数サンプルのための手段と、
    前記フーリエ変換されたデータブロックと前記フーリエ変換された基準信号との間における一致の有無を探索するための手段と、を具備する請求項２１に記載の受信機。
27. 前記仮定された周波数ドリフトに応じて前記データブロック周波数サンプルのベクトル基底及び前記周期的に繰り返すシーケンスを調整するための手段をさらに具備する請求項２６に記載の受信機。
28. 前記送信機は、ＧＰＳ信号をＧＰＳ周波数で送信する複数のＧＰＳ衛星を具備し、各ＧＰＳ衛星は、一意の基準信号を送信する請求項２１に記載の受信機。
29. 前記データブロックは、前記基準信号の整数の回数の繰り返しに対応する大きさを有する請求項２１に記載の受信機。
30. 前記データブロックは、１０ミリ秒乃至１秒の時間間隔に対応する請求項２１に記載の受信機。

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