JP5118088B2 - グローバルポジショニングシステム信号を獲得及び追跡する方法及び装置 - Google Patents
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関連出願へのクロスリファレンス
本出願は、同じ発明者であるクラスナー(Norman F. Krasner)によって1997年2月11日に提出され本発明の譲受人に譲受された「高速・高感度GPS受信器」という題名の、暫定米国特許出願第06/037,904号の部分継続出願である。
本発明の一実施形態によるGPS受信機で使用するための改良された捕捉回路は、GPS信号の敏捷な捕捉および高感度を得るように前処理機能および後処理機能とともに1つあるいはそれ以上の整合フィルタを使用する。特に、受信機が低信号対雑音比環境で作動できる後整合フィルタループ積分器(「くし形フィルタ」とも呼ばれる)は、非常に高い感度を得るのに必要な積分を行う。図2は、複数の入力チャネルのための別個の捕捉回路を備えているGPS入力信号捕捉回路200を示している。GPS捕捉回路の単一チャネル201のための捕捉回路のブロック図が本発明の1つの態様により示されている。
上記の式では、変数は下記の値を有する。
Ldopp=sinc2(freq offset×npred×0.001)
Ldata=(1−0.315×npred/20)2
上記の式では、変数は下記の意味を有する。
npostd:加算された独立した事後検出フレームの数=全数フレーム/npred
F:1023であるようにとられるPNフレーム当たりの独立したサンプル数
Ldopp:ドップラーの誤差による損失
Ldata:連続した積分を低下させるデータ遷移による損失
freq offset:受信信号と受信機の推定値との間のキャリア周波数誤差(局部発振器およびドップラー誤差を含む)
上記の式では、(S/N)outは、平均二乗背景雑音パワーで割られたピーク出力信号パワーであり、(S/N)inは、チップレート(およそ1MHz)に等しいバンド幅で測定された平均雑音パワーで割られた平均信号パワーである。(npred×npostd)は積分されるPNフレームの全数に等しいことに注目。したがって、上記の式は、最大出力SNR(通常、十分な検出可能性および低い誤った検出レートに対して約15dB、すなわち約30倍を越えるべきである)最大出力SNRを得るためにパラメータnpostdおよびnpred(図4のMおよびN)を選択するために使用できる。いくつかの場合、ドップラー誤差が大きいかもしれないとき、検出が生じるまで、マイクロコントローラ428から出力であるドップラー制御線をゆっくりと進むかあるいは同調できる。
図6は、本発明の一実施形態による捕捉回路400の整合フィルタ408の詳細図を示している。整合フィルタ408は、重み付けタップ付遅延線構造を利用する。フィルタ408は2つの別個のセクションに分割される。一方のセクションは個別チップの時間波形に整合されるチップ整合フィルタ604を含む。チップ整合フィルタ604は、擬似ランダム信号パターンの実際のパターンに整合されるタップ付フィルタ608が後に続く。フィルタをこのようにばらばらにすることによって、タップ付フィルタは±1の値だけとるタップを含み、さらに、あらゆる他のタップはゼロに設定されてもよい。図6に例証された整合フィルタでは、タップ付フィルタ608に供給されたサンプルレートは、ダウンサンプラ606によって発生されるようにチップ当たり2個のサンプルである。
前述の議論では、整合フィルタ408は、GPSフレームの全てのPNチップに対応するサンプル値の各々(1023チップ、一般的にはチップ当たり2サンプルで2046個のサンプル値)を連続して計算した。しかしながら、整合フィルタの複雑さを減らし、本発明の長所をなお保持することができる。
x(1)w(1023)+x(2)w(1022)+…+x(32)w(992)
x(2)w(1023)+x(3)w(1022)+…+x(33)w(992)
・
・
・
x(32)w(1023)+x(33)w(1022)+…+x(63)w(992)
この時に、32のサンプルが処理された後、重みは、そのときその元の値よりも小さい指数(すなわち、w(991)...w(960))を有する重みと取り換えられ、整合フィルタは次の32のサンプルに対する結果を生じる(時間t=32〜t=63)。
x(33)w(991)+x(34)w(990)+…+x(64)w(960)
x(34)w(991)+x(35)w(1022)+…+x(65)w(960)
・
・
・
x(64)w(991)+x(65)w(990)+…+x(95)w(960)
しかしながら、ループ積分器630の効果は、上記の2つのアレイの対応する行を一緒に加えることにあり、それによってその記憶レジスタ内に時間(t=32からt=63)の各々に対する全結果を生じる。
x(1)w(1023)+x(2)w(1022)+…+x(64)w(960)
x(2)w(1023)+x(3)w(1022)+…+x(65)w(960)
・
・
・
x(32)w(1023)+x(33)w(1022)+…+x(95)w(960)
この後のアレイの各行は、出力時間t=0、1,...31に対応する長さ64の整合フィルタに対して発生された各行と同じである。したがって、ループフィルタは、整合フィルタがより長い長さ整合フィルタの役目を果たすことができるように必要とされる機能を実行する。同様に、あらゆる付加的32のサンプルの後、新しい重みのセットは前のセットよりも小さい値32の指数とともに導入される。上記の解析は利用され、あらゆる付加的32のサンプル後のループ積分器の出力は、いっそう長い整合フィルタのために生じる時間t=0〜t=31のフィルタ出力を示している。32のこのような期間の後、整合フィルタ620によって発生されたデータセットは下記のとおりである。
x(993)w(31)+x(994)w(30)+…+x(1024)w(0)
x(994)w(31)+x(995)w(30)+…+x(1025)w(0)
・
・
・
x(1024)w(31)+x(1025)w(30)+…+x(1055)w(0)
このデータは、動作を完了するために前のデータに付加される。ループ積分器630がこの最終ブロックで更新される度に、その内容は他のバッファに送ることができる。次の時間にループ積分器630は更新され、数フレームにわたって積分したくない場合、その最初の状態はセロにセットできる。
図10は、本発明の一実施形態による従来のGPS受信機900の捕捉回路400の実現を示している。GPS信号は、GPSアンテナ902によって受信され、入力回路904を通ってGPS受信機900に入力される。受信GPS信号内のPNコードは、図4〜8に関して前述された動作に従って外部プロセッサとともに回路400aで得られ、追跡される。捕捉400aの出力は、信号が受信された各GPS衛星から受信された信号に対応する擬似範囲データ908を含む。各衛星は、入力回路904によって受信され、回路400bによって復調される天体位置表データも送信する。プロセッサ910は、天体位置表データおよび擬似範囲データを処理し、受信機の位置を決定する。プロセッサ910の出力は、ユニットの位置を図形であるいは構成上表示する表示装置912のような入出力装置を駆動する。この構成では、図4の回路は、プロセッサ910とともに捕捉機能およびトラッキング機能の両方を実行する。
GPS捕捉回路全ての前述の例は、入来データを記憶するために別個のシフトレジスタを必要とする各々(例えば図2の捕捉回路200)と並列の複数の整合フィルタを実現した。これらの回路に対して、多数のチャネル、例えば8つのチャネルが並列に実現される場合、レジスタ数は大きくなり、システムの全ゲートカウントを支配してもよい。さらに、多数のレジスタに関連したかなりの電力ドレインがあってもよい。本発明の一実施形態では、入力GPS信号データを保持するGPS捕捉回路は入力段で単一シフトレジスタを利用する。
Claims (26)
- グローバルポジショニングシステム信号を獲得及び追跡する方法であって、
グローバルポジショニングシステム(GPS)信号のサンプルの現在の組に関して疑似ランダムノイズ整合フィルタ演算を実行して、現在の整合フィルタ出力データブロックを提供し、
少なくとも1つ以前の整合フィルタ出力データブロックの第1組を、前記現在の整合フィルタ出力データブロックに線形結合して、第1の線形結合出力データブロックを生成し、
前記整合フィルタ出力データブロックの第1組を前記現在の整合フィルタ出力データブロックに線形結合して第1の線形結合出力データブロックを生成するに際し、前記第1組の各ブロックの開始時点が、前記現在の整合フィルタ出力ブロックの開始時点に対して、前記グローバルポジショニングシステム信号のフレーム周期の倍数に等しい時間だけ、遅延されており、
前記第1の線形結合出力データブロックに関する非線形演算を実行して第1の検出されたデータブロックを提供し、
グローバルポジショニングシステム信号のサンプルの前記現在の組に後続する、グローバルポジショニングシステム信号のサンプルの組に関して、疑似ランダムノイズ整合フィルタ演算を実行して、後続の整合フィルタ出力データブロックを提供し、
少なくとも1つ以前の整合フィルタ出力データブロックの第2組を、前記後続の整合フィルタ出力データブロックと線形結合して、第2の線形結合データブロックを生成し、
前記整合フィルタ出力データブロックの第2組を前記後続の整合フィルタ出力データブロックに線形結合して第2の線形結合出力データブロックを生成するに際し、前記第2組の各ブロックの開始時点が、前記後続の整合フィルタ出力ブロックの開始時点に対して、前記グローバルポジショニングシステム信号のフレーム周期の倍数に等しい時間だけ、遅延されており、
前記第2の線形結合された出力データブロックに関して非線形演算を実行して第2の検出されたデータブロックを提供し、
前記第2の検出されたデータブロックを前記第1の検出されたデータブロックと線形結合して、結合検出ブロックを提供し、
前記結合検出ブロックを用いて、前記グローバルポジショニングシステム信号の少なくとも1つの要素信号の到着時間推定を決定すること、を具備する方法。 - 前記現在の整合フィルタ出力データブロックは、前記グローバルポジショニングシステム信号の1フレーム周期の一部に等しい時間間隔に渡って発生するデータ組を具備し、前記一部は1/256を越える請求項1に記載の方法。
- 前記第1の線形結合出力データブロックを所定の組の記憶位置に記憶することをさらに具備する請求項2に記載の方法。
- 前記現在の整合フィルタ出力データブロックを、少なくとも1つ以前の整合フィルタ出力データブロックと線形結合することは、線形スケーリング及び加算演算を含む請求項2に記載の方法。
- 前記第2の検出されたデータブロックを、前記第1の検出されたデータブロックと結合することは、線形スケーリング及び加算演算を含む請求項2に記載の方法。
- 前記結合検出ブロックに関して、前記第1の検出されたデータブロックの開始時点が、前記第2の検出されたデータブロックの開始時点に対して、前記グローバルポジショニングシステム信号のフレーム周期の倍数に等しい時間だけ、遅延されている、請求項1に記載の方法。
- 前記非線形演算は、大きさ二乗演算またはエンベロープ演算の一方である請求項1に記載の方法。
- GPS信号のサンプルの前記現在の組についての前記整合フィルタ演算はさらに、複数の副次的な整合フィルタ演算を具備し、この複数の副次的な整合フィルタ演算の各々は個々のユニットによって実行され、前記ユニットの出力はさらに、前記現在の整合フィルタ出力データブロックを生成するべく結合される請求項1に記載の方法。
- 前記複数の副次的な整合フィルタ演算はデータとフィルタ重みの副次的組に関して実行され、かつ複数の副次的な整合フィルタ演算は、前記複数の副次的な整合フィルタ演算の各々が実行されるデータとフィルタ重みを除いて同一である請求項8に記載の方法。
- 前記複数の副次的な整合フィルタ演算の各々は、単一の重み付け及び蓄積ユニットを用いる請求項8に記載の方法。
- GPS信号のサンプルの前記現在の組に関する前記整合フィルタ演算は、応答が全疑似ランダムフレームの一部に一致する整合フィルタを用いる請求項1に記載の方法。
- GPS信号のサンプルの前記現在の組についての前記整合フィルタ演算は、全疑似ランダムフレームに一致する整合フィルタを用い、前記グローバルポジショニングシステム信号の全フレーム長さに対応する長さよりも短い多数のワードを出力として提供する請求項1に記載の方法。
- GPS信号のサンプルの前記現在の組に関する前記整合フィルタ演算は、全疑似ランダムフレームの一部に一致する整合フィルタを用い、前記グローバルポジショニングシステム信号の全フレーム長さに対応する長さよりも短い多数のワードを出力として提供する請求項1に記載の方法。
- グローバルポジショニングシステム信号を獲得及び追跡する装置であって、
グローバルポジショニングシステム(GPS)信号のサンプルの現在の組に関して疑似ランダムノイズ整合フィルタ演算を実行して、現在の整合フィルタ出力データブロックを提供する手段と、
少なくとも1つ以前の整合フィルタ出力データブロックの第1組を、前記現在の整合フィルタ出力データブロックに線形結合して、第1の線形結合出力データブロックを生成する手段であって、前記整合フィルタ出力データブロックの第1組を前記現在の整合フィルタ出力データブロックに線形結合して第1の線形結合出力データブロックを生成するに際し、前記第1組の各ブロックの開始時点が、前記現在の整合フィルタ出力ブロックの開始時点に対して、前記グローバルポジショニングシステム信号のフレーム周期の倍数に等しい時間だけ、遅延されている手段と、
前記第1の線形結合出力データブロックに関して非線形演算を実行して第1の検出されたデータブロックを提供する手段と、
グローバルポジショニングシステム信号のサンプルの前記現在の組に後続する、グローバルポジショニングシステム信号のサンプルの組に関して、疑似ランダムノイズ整合フィルタ演算を実行して、後続の整合フィルタ出力データブロックを提供する手段と、
少なくとも1つ以前の整合フィルタ出力データブロックの第2組を、前記後続の整合フィルタ出力データブロックと線形結合して、第2の線形結合データブロックを生成する手段であって、前記整合フィルタ出力データブロックの第2組を前記後続の整合フィルタ出力データブロックに線形結合して第2の線形結合出力データブロックを生成するに際し、前記第2組の各ブロックの開始時点が、前記後続の整合フィルタ出力ブロックの開始時点に対して、前記グローバルポジショニングシステム信号のフレーム周期の倍数に等しい時間だけ、遅延されている手段と、
前記第2の線形結合された出力データブロックに関して非線形演算を実行して第2の検出されたデータブロックを提供する手段と、
前記第2の検出されたデータブロックを前記第1の検出されたデータブロックと線形結合して、結合検出ブロックを提供する手段と、
前記結合検出ブロックを用いて、前記グローバルポジショニングシステム信号の少なくとも1つの要素信号の到着時間推定を決定する手段と、を具備する装置。 - 前記現在の整合フィルタ出力データブロックは、前記グローバルポジショニングシステム信号の1フレーム周期の一部に等しい時間間隔に渡って発生するデータ組を具備し、前記一部は1/256を越える請求項14に記載の装置。
- 前記第1の線形結合出力データブロックを所定の組の記憶位置に記憶する手段をさらに具備する請求項15に記載の装置。
- 前記現在の整合フィルタ出力データブロックを、少なくとも1つ以前の整合フィルタ出力データブロックと線形結合する手段は、線形スケーリング及び加算演算を行う手段を含む請求項15に記載の装置。
- 前記第2の検出されたデータブロックを、前記第1の検出されたデータブロックと結合する手段は、線形スケーリング及び加算演算を行う手段を含む請求項15に記載の装置。
- 前記結合検出ブロックに関して、前記第1の検出されたデータブロックの開始時点が、前記第2の検出されたデータブロックの開始時点に対して、前記グローバルポジショニングシステム信号のフレーム周期の倍数に等しい時間だけ、遅延されている、請求項14に記載の装置。
- 前記非線形演算は、大きさ二乗演算またはエンベロープ演算の一方である請求項14に記載の装置。
- GPS信号のサンプルの前記現在の組についての前記整合フィルタ演算はさらに、複数の副次的な整合フィルタ演算を具備し、この複数の副次的な整合フィルタ演算の各々は個々のユニットによって実行され、前記ユニットの出力はさらに、現在の整合フィルタ出力データブロックを生成するべく結合される請求項14に記載の装置。
- 前記複数の副次的な整合フィルタ演算はデータとフィルタ重みの副次的組に関して実行され、かつ複数の副次的な整合フィルタ演算は、前記複数の副次的な整合フィルタ演算の各々が実行されるデータとフィルタ重みを除いて同一である請求項21に記載の装置。
- 前記複数の副次的な整合フィルタ演算の各々は、単一の重み付け及び蓄積ユニットを用いる請求項21に記載の装置。
- GPS信号のサンプルの前記現在の組に関する前記整合フィルタ演算は、応答が全疑似ランダムフレームの一部に一致する整合フィルタを用いる請求項14に記載の装置。
- GPS信号のサンプルの前記現在の組についての前記整合フィルタ演算は、全疑似ランダムフレームに一致する整合フィルタを用い、前記グローバルポジショニングシステム信号の全フレーム長さに対応する長さよりも短い多数のワードを出力として提供する請求項14に記載の装置。
- GPS信号のサンプルの前記現在の組に関する前記整合フィルタ演算は、全疑似ランダムフレームの一部に一致する整合フィルタを用い、前記グローバルポジショニングシステム信号の全フレーム長さに対応する長さよりも短い多数のワードを出力として提供する請求項14に記載の装置。
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