JP5106848B2

JP5106848B2 - Ｇｐｓ位置決定のための方法及びｇｐｓ受信器

Info

Publication number: JP5106848B2
Application number: JP2006506586A
Authority: JP
Inventors: アミテスサーカー; アンドリューティユレ
Original assignee: NXP BV
Current assignee: NXP BV
Priority date: 2003-05-07
Filing date: 2004-04-28
Publication date: 2012-12-26
Anticipated expiration: 2024-04-28
Also published as: CN1784611A; EP1623247A1; CN1784611B; GB0310410D0; US20060224317A1; TW200506406A; KR20060008985A; JP2006525505A; WO2004099813A1; EP1623247B1; ATE417282T1; US8560233B2; DE602004018307D1

Description

本発明は、ＧＰＳ位置決定のための方法及びＧＰＳ受信器に関する。

国際特許出願公開WO02/099454A2は、衛星追跡情報を生成し配信する方法及び装置に関する。とりわけ、該特許出願の「Description of the Related Art」の項は、低い信号強度の状況で、ＧＰＳ衛星からエフェメリス（衛星軌道及びクロックデータ）をダウンロードする際にＮＡＶＳＴＡＲＧＰＳ受信器が直面する困難さを認識している。またこの問題に対して、ＧＰＳ信号中のエフェメリスデータが、ＧＰＳ受信器によって基準局において受信され、該エフェメリスをＧＰＳ衛星から直接に送信されたエフェメリスデータの代わりに利用して位置決定を行うリモートのＧＰＳ受信器へと送信される、ＡＧＰＳ（assisted GPS）の方法も認識している。国際特許出願公開WO02/099454A2は、ＡＧＰＳのエフェメリスの供給源は最終的にＧＰＳ衛星であるため、エフェメリスは数時間の間のみ有効であることを示唆している（標準的なＮＡＶＳＴＡＲＧＰＳエフェメリスによって記述される簡略化された衛星軌道モデルのため）。従ってＡＧＰＳは、最新のエフェメリスを保持することを確実にするため、定期的に又は位置決定が必要とされる度にエフェメリス情報の供給源に接続するリモートのＧＰＳ受信器を必要とする。最新のエフェメリスが無い場合、リモートのＧＰＳ受信器は自身の位置を正確に決定することができない。

国際特許出願公開WO02/099454A2の請求項１に記載された発明は、長期的な衛星追跡データ（長期的なエフェメリスモデル用のデータ）が、ＧＰＳ受信局において受信された標準的なエフェメリスデータから生成される方法を記載している。該長期間の衛星追跡データは次いでリモートのＧＰＳ受信器に送信され、該リモートのＧＰＳ受信器は次いで、放送されるエフェメリス情報の更新を受信することなく、何日かの間動作し得る。特に、長期的な衛星追跡データの生成は、長期的なエフェメリスモデル用のパラメータを、標準的なエフェメリスの最近の履歴にフィッティングさせることにより為されているように見える。ここで前記モデルは前記エフェメリスの履歴だけでなく、ＧＰＳ衛星によって放送される標準的なエフェメリスパラメータが有効である２時間の期間を超えた、将来のエフェメリスにも対応する。国際特許出願公開WO02/099454A2は、反復の最小二乗法タイプのアプローチを利用して、長期的なエフェメリスモデルパラメータを標準的なエフェメリスの最新の履歴にフィッティングさせることを提案しているが、計算的なコストが高い。更に、標準的なエフェメリスモデルパラメータからＧＰＳ位置決定を得るための標準的なアルゴリズムが利用されることができず、長期的なエフェメリスモデルからＧＰＳ位置決定を得るための、より複雑なアルゴリズムが必要とされる。

本発明の目的は、ＧＰＳ受信器が更新されたエフェメリスを定期的に受信する必要がない、ＧＰＳ位置決定を行う代替の改善された方法を提供することにある。

本発明によれば、ＧＰＳ位置決定のための方法であって、（i）ＧＰＳ衛星によって送信されるＧＰＳエフェメリスに対応する標準的なＧＰＳエフェメリスを提供するステップと、（ii）標準的なＧＰＳエフェメリスの少なくとも１つの衛星軌道パラメータの時間による変動の周波数成分を記述する少なくとも１つのパラメータを含む補足ＧＰＳエフェメリスを提供するステップと、（iii）ＧＰＳ衛星への疑似距離を測定するステップと、（iv）それぞれステップ（i）及び（ii）において提供された前記標準的なＧＰＳエフェメリス及び前記補足ＧＰＳエフェメリスの両方、並びにステップ（iii）において測定された前記疑似距離から、ＧＰＳ位置決定を行うステップとを有する、かような方法が提供される。

前記パラメータはたとえば、太陰周期又は太陽周期に対応する。

本発明により、請求項５乃至９のいずれか１項に記載の対応するＧＰＳ受信器、及び請求項１０乃至１３のいずれか１項に記載の対応するサーバが更に提供される。

本発明者は、標準的なエフェメリスの衛星軌道パラメータは時間と共に予想可能に変化し、該変化はモデル化されることができる程度のものであり、これにより時間経過につれた標準的なエフェメリスのエラーが、位置の決定に先立ち訂正されることができることを認識した。それ故本発明は、ＧＰＳ受信器が定期的に更新されたエフェメリスを受信する必要のないＧＰＳ位置決定のための方法を提供するための、計算的にコストの掛からない方法を提供する。このことは、国際特許出願公開WO02/099454A2において開示された方法に比べて拡張されたサーバベースのＡ−ＧＰＳ方法が提供されることを可能とするのみならず、ＧＰＳ受信器によってＧＰＳ衛星から直接に受信された標準的なＧＰＳエフェメリスの履歴から、補足ＧＰＳエフェメリスの少なくとも１つのパラメータを決定することが可能なＧＰＳ受信器をも可能とする。

本発明は、添付する模式的な図を参照しながら、例としてのみ、以下に説明される。

従来のセルラー電話網１の地理的なレイアウトが、図１に示される。前記網は、それぞれが相互に離隔された地理的位置に配置された複数の基地局ＢＳを有し、そのうちＢＳ１乃至ＢＳ７の７つが示されている。これらの基地局のそれぞれは、いずれかのサイト又はサービスエリアにおける中継システムコントローラによって操作されるラジオ送信器及び受信器の全体を有する。これらの基地局のそれぞれのサービスエリアＳＡ１乃至ＳＡ７は、網掛けによって示されるように、図示された領域全体を集合的にカバーするようにオーバラップする。このシステムは更に、各基地局ＢＳ１乃至ＢＳ７への２方向通信リンクＣＬ１乃至ＣＬ７を備えたシステムコントローラＳＣを有する。これらの通信リンクのそれぞれは、例えば専用の陸線であっても良い。システムコントローラＳＣは更に、公衆交換電話網（ＰＳＴＮ）に接続され、モバイル型セルラー電話機ＭＳ１と該網の加入者との間で通信が行われることを可能としても良い。

図２を参照すると、通信送信器（ＣｏｍｍＴｘ）及び受信器（ＣｏｍｍＲｘ）２１を有するモバイル型セルラー電話機が、より詳細に示されている。前記通信送信器及び受信器２１は通信アンテナ２０に接続されており、基地局ＢＳ１との通信のために通信マイクロプロセッサ（Ｃｏｍｍ μｃ）２２によって制御される。該モバイル型セルラー電話機は、基地局ＢＳ１によって登録されている。セルラー電話網内における双方向通信のためのかような電話機の設計及び製造は良く知られており、本発明の一部を形成しない部分はここでは詳しく説明されない。

従来のモバイル型電話機の構成要素に加えて、電話機ＭＳ１は更にＧＰＳ受信器（ＧＰＳＲｘ）２４を有する。ＧＰＳ受信器２４はＧＰＳアンテナ２３に接続されており、ＧＰＳマイクロプロセッサ（ＧＰＳ μｃ）２５によって制御され、軌道を周回するＧＰＳ衛星から送信されたＧＰＳスペクトル拡散信号を受信する。動作中は、ＧＰＳ受信器２４はアンテナ２３を通してＮＡＶＳＴＡＲ
ＳＰＳＧＰＳ信号を受信し、該信号を事前処理しても良い。該事前処理は一般に、帯域外のＲＦ干渉を最小化するためのパッシブバンドパスフィルタリング、前置増幅、中間周波数（ＩＦ）への逓減、及びアナログ−ディジタル変換によって為される。結果のディジタル化されたＩＦ信号は変調された状態のままであり、利用可能な衛星からの全ての情報を依然として含んでおり、ＧＰＳマイクロプロセッサ２５のメモリに送られる。次いで、疑似距離情報を導出する目的のため、ＧＰＳ信号が取得され追跡される。該疑似距離情報から、従来のナビゲーションアルゴリズムを利用して、前記モバイル型電話機の位置が決定される。ＧＰＳ信号の取得及び追跡のためのかような方法は良く知られている。例えば、「GPS Principles and Applications」（Kaplan編、ISBN 0-89006-793-7、Artech House）のChapter 4（GPS satellite signal characteristics）及びChapter 5（GPS satellite signal acquisition and tracking）を参照されたい。ＧＰＳマイクロプロセッサ２５は、任意に通信マイクロプロセッサ２２に一般的なものであるような汎用マイクロプロセッサの形で実装されても良く、又はＧＰＳ用途向けの集積回路（ＡＳＩＣ）に埋め込まれたマイクロプロセッサであっても良い。

セルラー電話網基地局ＢＳ１は、図３に模式的に示される。従来の基地局の構成要素に加えて、基地局ＢＳ１は更にＧＰＳアンテナ３４、受信器３５及びマイクロプロセッサ３６を有する。これらは略連続的に動作し、これにより前記基地局は最新のＧＰＳ衛星情報を常に保持している。該情報は、現在視野に入っている、軌道を周回する衛星のものを含む（かような衛星は、不明瞭さは別としてマクロセルについても電話機及び関連する基地局の双方に共通である見込みが高い）。ＧＰＳデータメッセージは、最新のアルマナック及びエフェメリスデータ、並びに前記基地局により観測されたＧＰＳ衛星信号のドップラーシフト及び現在のコード位相を含む。

要求に応じて、セルラー電話網基地局ＢＳ１（サーバとして働く）は、モバイル型セルラー電話機ＭＳ１に、最新のアルマナック及びエフェメリスデータ、並びに前記基地局により観測されたＧＰＳ衛星信号のドップラーシフト及び現在のコード位相を供給する。これに加え本発明によれば、セルラー電話網基地局ＢＳ１は更に、モバイル型セルラー電話機ＭＳ１に、該基地局が決定した補足エフェメリスデータを供給する。該補足エフェメリスデータは、衛星軌道に関する１５個の標準的なエフェメリスパラメータの時間変化を記述する。これにより、標準的なエフェメリスパラメータが通常有効であると考えられる２時間の期間を超えて、標準的なエフェメリスパラメータが補正されることができる。

標準的なＮＡＶＳＴＡＲＧＰＳエフェメリスは、時間変化する以下の１５個の基本的な軌道パラメータを含む。（１）長半径の平方根、（２）離心率、（３）軌道半径に対する正弦高調波補正項の振幅、（４）軌道半径に対する余弦高調波補正項の振幅、（５）計算値からの平均運動差、（６）基準時間における平均偏差、（７）緯度引数に対する余弦高調波補正項の振幅、（８）緯度引数に対する正弦高調波補正項の振幅、（９）軌道傾斜角に対する余弦高調波補正項の振幅、（１０）軌道傾斜角に対する正弦高調波補正項の振幅、（１１）各週の元期における軌道面の昇交点の経度、（１２）基準時間における軌道傾斜角、（１３）軌道傾斜角の速度、（１４）近地点引数、（１５）赤経の速度。

本発明者は、上述のパラメータ（Ｐ）のそれぞれの時間変化が、（２）の離心率を除いて、以下の式を用いて用意にモデル化されることを発見した。
Ｐ＝Ｃ_１＋Ｃ_２ｔ＋Ｃ_suncos（２πｆ_sunｔ＋φ_sun）＋Ｃ_mooncos（２πｆ_moonｔ＋φ_moon）
ここで、ｔは年の開始からの時間であり、ｆ_sun＝１／１８２．５日、ｆ_moon＝１／１３．７日である。Ｃ_１、Ｃ_２、Ｃ_sun、Ｃ_moon、φ_sun及びφ_moonは、それぞれのエフェメリスパラメータについて少量の過去データのみを利用して容易に決定され得る定数である。図４は、２００２年の間、衛星２について２時間の間隔（Ｔ）で測定された軌道傾斜角をラジアン（ＲＡＤ）で示す。オフセット及びずれ（上述の式においてＣ_１＋Ｃ_２ｔによってモデル化されている）並びに太陽及び月の影響による２つの周期的変化（cos（２πｆ_sunｔ＋φ_sun）及びcos（２πｆ_moonｔ＋φ_moon）によってモデル化されている）が明らかである。

それ故本発明によれば、基地局ＢＳ１によって決定されモバイル型電話機ＭＳ１に供給される補足エフェメリスが、６個の定数から成る１４個のセットを有し、各前記セットが１５個の標準的なエフェメリスパラメータのうちの１４個の時間変化を記述する。

軌道離心率の変化は、上述の式を用いては必ずしもモデル化されない。しかしながら幸運にも、軌道離心率は他の標準的なエフェメリスパラメータの幾つか程は変化せず、標準的なエフェメリスが一般に有効であると考えられる２時間の期間を超えて十分に有効のまま留まる程度にしか変化しない。いずれにしても、離心率の長期的な変化も、例えば１次及び２次の変化又は多項式曲線フィッティングを利用して、モデル化されても良い。かような変化を記述するパラメータは基地局ＢＳ１によって決定されることができ、モバイル型電話機ＭＳ１に送信されることもできる。

上述の例はサーバベースのＡ−ＧＰＳタイプの方法に関するものであるが、上述したように、単純化された計算が含まれる場合には、ＧＰＳ受信器によってＧＰＳ衛星から直接に受信された標準的なＧＰＳエフェメリスの履歴から、補足ＧＰＳエフェメリスを決定することが可能なＧＰＳ受信器を提供することも可能である。かようなスタンドアロン型のＧＰＳ受信器は、図５に模式的に示される。前記受信器がＧＰＳ信号を受信し該信号から直接エフェメリスデータを導出する（これによりエフェメリスの履歴を取得する）ことが可能である場合、前記エフェメリスの変化を記述するパラメータが決定される。次いで、疑似距離は前記ＧＰＳ信号から測定されることができるが、前記ＧＰＳ信号上のエフェメリスデータメッセージが復調されることができないような信号状況である場合には、正確なエフェメリスを提供し位置を決定するために、事前に決定された補足エフェメリスによって補正された古いエフェメリスデータが利用されることができる。

本開示を読むことにより、他の変形例が当業者には明確であろう。他の変形例は、ＧＰＳ受信器及びその構成要素部分の設計、製造及び使用において既に知られた他の特徴を含んでも良く、ここで既に説明された特徴の代わりに、又は該特徴に加えて利用されても良い。

最後に、本発明は、米国防省によって開発され現在運用されている全天候型の宇宙空間ベースのナビゲーションシステム、ＮＡＶＳＴＡＲＧＰＳに関連して説明されたが、本発明は、ＧＬＯＮＡＳＳ及びＧａｌｉｌｅｏ並びにこれらの複合を含む、他のグローバルポジショニングシステムに同等に適用できることは理解されるであろう。

本発明により動作するＧＰＳ受信器を有するモバイル型セルラー電話機ＭＳ１が配置された、セルラー電話網の地理的なレイアウトを示す。モバイル型セルラー電話機ＭＳ１をより詳細に示す。基地局ＢＳ１をより詳細に示す。放送されるエフェメリスパラメータの時間変化を示す。本発明により動作するスタンドアロン型のＧＰＳ受信器を示す。

Claims

ＧＰＳ位置決定のための方法であって、
（i）ＧＰＳ衛星によって送信されるＧＰＳエフェメリスに対応する標準的なＧＰＳエフェメリスを提供するステップと、
（ii）補足ＧＰＳエフェメリスを提供するステップと、
（iii）ＧＰＳ衛星への疑似距離を測定するステップと、
（iv）それぞれステップ（i）及び（ii）において提供された前記標準的なＧＰＳエフェメリス及び前記補足ＧＰＳエフェメリスの両方、並びにステップ（iii）において測定された前記疑似距離から、ＧＰＳ位置決定を行うステップと、
を有し、
前記補足ＧＰＳエフェメリスは、標準的なＧＰＳエフェメリスの少なくとも１つの衛星軌道パラメータの時間による変動の周波数成分を記述する少なくとも１つのパラメータを含み、
前記周波数成分は、太陰周期及び太陽周期に対応する、
方法。
ＧＰＳ受信器であって、
（i）ＧＰＳ衛星によって送信されるＧＰＳエフェメリスに対応する標準的なＧＰＳエフェメリスと、
（ii）補足ＧＰＳエフェメリスと、
（iii）前記ＧＰＳ受信器からＧＰＳ衛星までの測定された疑似距離とから、ＧＰＳ位置決定を行うように構成され、
前記補足ＧＰＳエフェメリスは、標準的なＧＰＳエフェメリスの少なくとも１つの衛星軌道パラメータの時間による変動の周波数成分を記述する少なくとも１つのパラメータを含み、
前記周波数成分は、太陰周期及び太陽周期に対応する、
ＧＰＳ受信器。
前記ＧＰＳ受信器によって前記ＧＰＳ衛星から直接受信された標準的なＧＰＳエフェメリスの履歴から、少なくとも1つの前記補足ＧＰＳエフェメリスを決定するように更に構成された、請求項２に記載のＧＰＳ受信器。
システムであって、
サーバと、請求項２又は３に記載のＧＰＳ受信器と、を備え、
前記サーバは、
ＧＰＳ衛星によって送信されるＧＰＳエフェメリスに対応する標準的なＧＰＳエフェメリスの少なくとも1つの衛星軌道パラメータの時間による変動の周波数成分を記述する少なくとも1つのパラメータを含む補足ＧＰＳエフェメリスを、リモートのＧＰＳ受信器に送信するように構成され、前記周波数成分は太陰周期及び太陽周期に対応する、ように構成されている
ことを特徴とするシステム。