JP5687632B2 - 低地球軌道（ｌｅｏ）衛星を使用したローカルクロック周波数の較正 - Google Patents

Description

本発明は概して衛星システムに関し、さらに具体的には衛星システムを使用した周波数の較正に関するものである。

多くの種類のハンドヘルド電子機器−例えば携帯電話、パーソナル携帯情報機器（ＰＤＡ）、全地球測位システム（ＧＰＳ）受信機、又はその他の無線受信機−を使用して、多数の位置情報サービスを提供することができる。例えば、ショッピングモールの買い物客は、モール内の客の位置を「知る」機器、例えば携帯電話で、客が探している特定の商品がセールで売られている客の近くの店の情報及び道順を得ることができ得る。又は、互いの位置を相互に把握することができる友人たちと買い物をすることが可能になり得る、又はそれ自体の位置を正確に知ることができる、言い換えれば正確にナビゲートできる機器に基づいて、その他の任意の数の無限の可能性が存在し得る。

例えば携帯電話を使用するに当たって、位置情報サービスの提供は、ＧＰＳ等の様々な既存の衛星ナビゲーションシステムによって提供されるナビゲーション及び時刻設定信号を使用することができる携帯電話に依存し得る。衛星信号が閉塞され得る多くの状況においては、しかしながら、これらの衛星システムは通常、信頼性の高い位置情報サービスを可能にするのに十分要件を満たすシステム性能、例えば信号電力を提供しない。例えば、ナビゲーション衛星信号は、例えば上述したショッピングモールの例等の建物内、及びその他の閉塞率の高い環境、たとえば建造物に囲まれた場所において極度に減衰する可能性がある。さらに、ナビゲーション衛星信号は例えば雨によるフェーディング；例えば高い建物周囲でのマルチパス歪；例えば軍事的な妨害；及び生い茂った枝葉による減衰等の他の影響を受ける可能性がある。

ある位置情報サービスシステム及びナビゲーションシステムでは例えば、慣性ナビゲーションシステム、特殊ビーコン、及び高感度のＧＰＳシステム等の様々な方法を使用して、屋内のナビゲーション不具合への対処を試みてきた。慣性ナビゲーションシステムはしかしながら、変動しまた高価である。ビーコンは高価で標準化されていない特殊な固定アセットが必要であるため、特殊なユティリティのみを有する。感度の良いＧＰＳシステムは通常、屋内環境でのＧＰＳ信号の弱さを確実に克服し続けることができないため、ユーザの期待通りの性能を発揮することができない。例えば携帯電話又はテレビジョン信号に基づく他のナビゲーション方法も通常、垂直方向のナビゲーション情報を得ることができない。

この結果、例えばＧＰＳ信号等のナビゲーション信号の感度、例えば携帯電話、ＰＤＡ、ＧＰＳナビゲータ、又は他のポータブル無線受信機等のハンドヘルド機器の受信感度を改善して、屋内の位置情報サービス及びナビゲーションを確実に提供できるようにする必要がある。さらに、ハンドヘルド機器の（例えば、限定容量、重量、及び消費電流要件等の）狭い制限内で上記のようなナビゲーション信号受信感度を提供する必要がある。

一実施形態によれば、衛星から機器へ周波数の安定性を伝送する方法は、衛星から信号を受信し；衛星信号からコード位相を決定し；支援情報を受信し；コード位相と支援情報を使用して機器のローカルクロック周波数を較正することにより、ローカルクロック周波数を衛星のクロック周波数と実質的に同期化することを含む。

別の実施形態によれば、受信機ユニットは、衛星から信号を受信するアンテナ；ローカルクロック；衛星信号の時刻伝送構造メッセージからデータを抽出するアナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ；支援情報を保存するメモリ；並びに、抽出されたデータを使用してコード位相を決定し、コード位相と支援情報を使用してローカルクロックの周波数の修正値を決定して、ローカルクロック周波数を衛星のクロック周波数と実質的に同期化させるコンピュータを含む。

別の実施形態によれば、減衰された環境において全地球測位システム（ＧＰＳ）信号を受信する方法は、低地球軌道（ＬＥＯ）衛星信号のフレーム構造を検出し；ローカルクロックをフレーム構造に同調させ；フレーム構造にしたがってそれぞれ分離された複数の時刻推定値を生成し；それぞれ一つの時刻推定値を複数の並列相関器のうちのそれぞれ一つに提供し；時刻推定値を使用して並列相関器を時刻同調させ；時刻同調した相関器からの時刻推定値を使用してＧＰＳ信号を自動追跡することを含む。

本発明の範囲は、参照することによってこの部分に組み込まれる請求項によって定義される。当業者は、一以上の実施形態の下記の詳しい説明を考慮することによって、本発明の実施形態のさらに完全な理解、及び本発明の実施形態の追加の利点の認識を得ることができる。最初に簡単に説明する添付の図面を参照する。

図１は本発明の一実施形態による、閉塞された又は妨害された環境において利用できるナビゲーションシステムを全体的に示す絵図である。 図２は本発明の一実施形態による、受信機ユニットのブロック図である。 図３は本発明の一実施形態による、低地球軌道（ＬＥＯ）衛星の時刻伝送構造信号を示す信号時刻設定図である。 図４は本発明の一実施形態による、衛星から正確な周波数伝送を取得する方法を示すフロー図である。 図５は本発明の一実施形態による、受信した衛星信号のコード位相を決定する方法を示すフロー図である。 図６は本発明の一実施形態による、閉塞した又は妨害された環境において周波数の伝送を行う方法を示すフロー図である。

実施形態とその利点は、下記の詳細説明を参照することによって最も良く理解される。一又は複数の図面に示す同じ要素を識別するために、同じ参照番号を使用していることを理解されたい。

一般に、本発明の実施形態により、例えば携帯電話等の小さいハンドヘルド機器が、機器が復調できないほどにナビゲーション衛星信号が減衰した、例えば屋内等の環境においてさえも、衛星の周波数発生器の周波数安定性をハンドヘルド機器に伝送することが可能になる。したがって、実施形態により、通信衛星信号を使用して、ポータブルユーザ機器のローカル発振器周波数を補正する能力を得ることができ、これによりポータブル機器、例えば携帯電話、全地球測位システム（ＧＰＳ）受信機、又は他の任意の種類の無線受信機の感度が改善され、閉塞された又は妨害された環境においてナビゲーション衛星、例えばＧＰＳ、信号を検出することが可能になる。

一実施形態によれば、例えば低地球軌道（ＬＥＯ）衛星等の衛星を用いたシステムを使用して、例えば携帯電話又は他のコンパクトな機器等の受信機ユニットを増強することができ、これにより大幅に減衰、閉塞又は妨害された環境においてさえも、位置情報サービスを提供することが可能になる。一以上の実施形態によるナビゲーションシステムは、受信ユニットの感度を改善することによって、ＧＰＳ衛星等の既存の情報源から受信した信号が根本的に弱いにも関わらず、機能することができる。

特定の衛星、例えば通信衛星からの信号は通常、他の衛星、例えばＧＰＳ等の測位システム衛星からの信号よりも強くなっている。たとえば、信号がＧＰＳ信号よりも強い衛星システムは、ＬＥＯ衛星コンステレーションイリジウムである。ある実施形態では、イリジウム衛星は（「時刻伝送構造信号」とも呼ばれる）固有の特定時刻設定信号を周期的に反復する（疑似ランダム数（ＰＮ）コードとも呼ばれる）疑似ランダムコードの形態で送信する。このコードの構造により、例えば屋内、又は商業的な競合信号によってＧＰＳ信号が妨害される可能性がある場所、又は受信ユニットがイリジウム信号を受信することはできるが、ＧＰＳ信号の低電力と減衰環境のためにＧＰＳ信号を受信することができない例えば軍事的背景において敵によって意図的にＧＰＳ信号が妨害される場所等の、大幅に減衰された又は閉塞された環境においてさえも、ユーザの機器がコードに自動ロックオンすることが可能になる。イリジウム衛星については、反復可能な疑似ランダムコードの構造により、受信ユニット１０２が大幅に減衰された環境、例えばほとんどのＧＰＳ受信機が受信できなくなるレベルを約−１５ｄＢ超える、アンテナにおいて最大４５ｄＢ減衰された環境においてさえも、受信ユニット１０２が疑似ランダムコードに自動ロックオンすることが可能になる。コード位相を、例えばセルラーネットワーク、インターネットネットワーク、又はＷｉＦｉ等のネットワークから提供される追加情報（例：軌道情報、おおよその時刻、及びおおよその位置）と組み合わせることによって、コード位相を約１〜１０マイクロ秒の精度で特定時刻に変換することができる。正確な時刻設定が行われたら、受信ユニットはこの情報を使用してＧＰＳ相関器を同調させ、これによりＧＰＳ相関器がＧＰＳ信号を良好に受信（すなわち検出）することができる。

信号が検出されたら、受信ユニット、例えば携帯電話はイリジウム衛星のドップラー測定値を、既知の送信周波数情報及び正確な軌道情報とともに使用して、周波数の変化率を予測することができる。受信ユニットは有効距離及び軌道情報を持っているため、ドップラー効果を除去することができる。残りの周波数信号は、基本的には、衛星の搬送波周波数である。衛星の搬送波合成器は通常、例えば携帯電話、すなわち受信ユニット等のポータブル機器に提供することができるものよりも優れた品質のものである。したがって、本明細書に記載される特定の実施形態によれば、衛星の搬送波周波数の周波数安定性を受信ユニットのローカルクロックに伝送することが可能である。イリジウムを使用することで、実行に移された周波数伝送システムが、結果的に１．６ＧＨｚ（ギガヘルツ）において約４０Ｈz（ヘルツ）、又は約０．０２５ｐｐｍの周波数安定性で周波数の伝送を実現することが可能となっている。

一以上の実施形態によれば、衛星信号から生成された安定した周波数は、受信ユニット内のシステム相関器を同調させやすくして非常に狭い時間間隔に焦点を合わせるのに十分正確なものである。閉塞された又は妨害された環境において正確な時刻基準の利点なしに、複数のシステム相関器を使用する場合、相関プロセスは広い時刻周期を探索することによって計算を行うために、受信ユニットが上記状況下で機能することができない可能性がある。しかしながら、安定した周波数（例えば、約０．０２５ｐｐｍの精度を有する周波数）を伝送することによって、受信ユニット（又はユーザ機器）が、大幅に減衰した又は妨害された環境においてさえも、受信ユニットのシステム相関器を整合させることによって、例えばＧＰＳ等の測位システムからナビゲーション信号をより良好に受信し追跡することができる。したがって、本発明の実施形態は、大幅に減衰した又は妨害された環境において、ＧＰＳ又は任意の他の衛星測位システムを支援することができる。

図１に、一実施形態による、閉塞された又は妨害された環境において機能することができるナビゲーションシステム１００を示す。図１に示すように、ナビゲーションシステム１００はナビゲーションシステム衛星１０６から信号１０９を受信する受信ユニット１０２（例：携帯電話）を含むことができる。信号１０９は、従来のナビゲーション衛星からの全地球測位システム信号（例：保護された及び/又は保護されていないＧＰＳ信号）を含むことができる。また、受信ユニット１０２は、ＬＥＯ衛星であってよい衛星１０４から信号１０５を受信することができる。ＬＥＯ衛星１０４から受信した信号１０５は、衛星１０４上でコード化された正確な時刻信号を含むことができる。受信ユニット１０２はまた、ネットワーク１０８から信号１０７を受信することもできる。ネットワーク１０８は例えば、セルラーネットワーク、インターネットネットワーク、ＷｉＦｉネットワーク、又はその他のネットワークの任意の組み合わせを含むことができる。ネットワーク１０８を介して受信した信号１０７は、追加の支援情報、例えば衛星１０４に関する軌道情報、受信ユニット１０２のおおよその位置、衛星１０４と受信ユニット１０２の間のおおよその有効距離（例：約３０００メータ（ｍ）以内）、おおよその時刻情報（例：ＵＴＣの約５秒以内のおおよその時刻）、衛星１０４に関する時刻設定バイアス情報（例：衛星のクロックオフセット）、及び/又はその他の情報を含むことができる。

一又は複数の実施形態によれば、ナビゲーションシステム衛星１０６は、例えばｉＧＰＳ（屋内全地球測位システム）システム等の統合された高性能ナビゲーション及び通信システムの一部であってよい。別の実施形態によれば、衛星１０６は、例えば全地球周回軌道ナビゲーションシステム（Ｇｌｏｎａｓｓ）を含む、他の任意の衛星測位システムの一部であってよい。

ある実施例では、ＬＥＯ衛星１０４は通信衛星であってよく、この通信衛星は、既存の通信システムの衛星（例：インジウム又はグローバルスター衛星システム）によって実行可能である。衛星１０４を実行するためにイリジウム衛星１０４を使用するある実施例では、イリジウム衛星の飛行コンピュータを適切なソフトを用いて再プログラミングして、ナビゲーション信号を処理しやすくすることができる。衛星１０４を実行するためにグローバルスター通信衛星を使用する別の実施例では、衛星の曲管アーキテクチャにより、地上機器をアップグレードして様々な新規信号形式をサポートすることが可能になる。衛星１０４がＬＥＯ通信衛星として実行される実施形態では、ＬＥＯ通信衛星はナビゲーション信号だけでなく、通信信号をサポートするように構成することができる。これに関しては、上記ナビゲーション信号はマルチパス排除、測距精度、相互相関、妨害及び干渉に対する抵抗、及び選択的アクセス、スプーフィング防止、及び傍受の可能性を低減することを含む安全性等の様々な要因を考慮して実行することが可能である。

受信ユニット１０２は、様々な宇宙空間と地上間の測距情報源（すなわち、衛星１０４、１０６とネットワーク１０８）から信号を受信してデコードする適切なハードウェア及び/又はソフトウェアで実行して、ナビゲーションを行うことができる。上記信号は例えば、ＧＰＳ（又はその他任意の測位システム（例：Ｇｌｏｎａｓｓ）、ＬＥＯ（例：イリジウム又はグローバルスター衛星システム）、広域補強システム（ＷＡＡＳ）、ヨーロッパグローバルナビゲーションオーバーレイサービス（ＥＧＮＯＳ），多重機能衛星補強システム（ＭＳＡＳ）、ガリレオ、準天頂衛星システム（ＱＺＳＳ），及び/又は衛星携帯サービス（ＭＳＶ）衛星からの送信を含むことができる。上記信号はまた、セルラーネットワーク、テレビネットワーク、インターネットネットワーク、ＷｉＦｉ、ＷｉＭＡＸ、ナショナルビークルインフラストラクチャ統合（ＶＩＩ）ノード、及びその他の適切な情報源を含むことができるネットワーク１０８からの地上送信を含むこともできる。受信ユニット１０２は、参照することにより本明細書に組み込まれる、２００８年５月１３日に発行された米国特許第７３７２４００号明細書に記載される様々な実施形態によって実行することができる。

受信ユニット１０２はさらに、特定の実施形態において望ましくあり得る他の宇宙空間と地上間の測距情報源の送信信号を使用して受信し、ナビゲーションを行うように構成することが可能である。加えて、受信ユニット１０２は、妨害防止のために、慣性測定ユニット（ＩＭＵ）を例えばマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）機器として実行するように構成することができる。受信ユニット１０２はまた、特定の用途に好適な任意の望ましい構成で実行することもできる。例えば、様々な実施形態では、受信ユニット１０２はセル方式の電話（携帯電話）、ｉＧＰＳ受信機、ハンドヘルドナビゲーション機器、ビークル搭載のナビゲーション機器、航空機搭載のナビゲーション機器、又はその他の種類の機器として実行可能である。ある実施形態では、受信ユニット１０２の位置はユーザの位置と一致し得る。

図２に、一実施形態による受信ユニット１０２のシステムブロック図の一例を示す。図２から分かるように、受信ユニット１０２は本明細書に前述した衛星の信号１０５、１０７、及び/又は１０９を受信するように適合されたマルチ周波数アンテナ２０２を含むことができる。アンテナ２０２は、アナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換器２０５に接続された増幅器２０４に電力を供給することができる一又は複数の事前選択フィルタ２０３に連結していてよい。Ａ／Ｄ変換器２０５のサンプリングレートは、受信ユニット１０２が対象の全てのバンドをベースバンドにダウンコンバートすることができるように、適切に決定することができる。合成器２０７は、温度制御された水晶発振器（ＴＣＸＯ）２０８から信号２１７を受信することができる。合成器２０７は、Ａ／Ｄ変換器２０５、慣性測定ユニット２１０、及びメモリとプロセッサを含むことができるコンピュータ２０６に連結していてよい。コンピュータ２０６は、合成器２０７とＡ／Ｄ変換器２０５からの入力だけでなく、慣性測定ユニット２１０からの測定値２１１を受信して、位置、高度、及び時刻を含むことができる出力２０９を生成することができる。

システム相関器はコンピュータ２０６のプロセッサによって実行可能である。例えば、受信ユニット１０２が閉塞又は妨害され、ナビゲーションシステム衛星１０６から検出可能な信号１０９（例：ＧＰＳ信号）を受信できない場所においては、受信ユニット１０２はネットワーク１０８へ支援を要求するメッセージを送ることができる。ネットワーク１０８は次に、受信ユニット１０２に提供する追加の支援情報を決定することができる。受信ユニット１０２は次に、ネットワーク１０８を介して取得した追加の支援情報を含む信号１０７を、ＬＥＯ衛星１０４からの時刻伝送構造信号を含む信号１０５と組み合わせて使用して、受信ユニット１０２のシステム相関器を同調させる。システム相関器を同調させることによって、受信ユニット１０２がナビゲーションシステム信号１０９を検出することが可能になり、ナビゲーションシステム衛星１０６からの受信が、受信ユニット１０２が閉塞された又は妨害された環境においてであってもナビゲーションを行うことが可能になるほど十分に改善された状態になる。

図３に、一実施形態による例えば衛星１０４等のＬＥＯ衛星の時刻伝送構造信号を示す。図３の時刻伝送構造信号は、例えば図１のナビゲーションシステム１００において使用するように実行することができ、あるいは、例えばネットワークの同期化、又は他のシステム又は用途において使用することも可能である。図３に示す実施例では、信号３００はイリジウム衛星システムの衛星１０４からの信号１０５を含むことができる。

図３に示すように、信号３００は衛星システムの各衛星１０４によって繰り返し送信される連続的な１０キロバイト（Ｋ）のバッファサイクル３０２を含むことができる。各１０Ｋバッファサイクル３０２は、例えば９９８４バイト、又は同等に７９８７２ビットを含むことができる。したがって、各１０Ｋバッファサイクル３０２は、それぞれ３１２ビットを有する２５６のメッセージフレーム３０４を含むことができる。各衛星１０４は、それぞれ約４６．０８秒かけて、１日当たり１８７５バッファサイクルを送信することができる。

メッセージフレーム３０４は０．１８秒の間隔で提供され得る。メッセージフレーム３０４の３１２ビットは例えば、３１２の時刻伝送ビット、他のシステムタスクに選択された３１２のペイロードビット、及び/又は時刻伝送ビット及びペイロードビットを含む３１２のビットを含むことができる。時刻伝送構造メッセージビットにより、２５６の可能な時刻伝送構造メッセージの内の一つが提供され、１８０ミリ秒のメッセージフレーム３０４のうちの約８．２８ミリ秒かかり得る。時刻伝送構造メッセージバースト（すなわち、８．２８ミリ秒のデータ）は、メッセージフレーム３０４内の特定の「タイムスロット」だけずれていてよい。ペイロードビットにより、声が更新される９０ミリ秒ごとに生成される通信データ（例：通話）が供給される。特定用途に望ましくあり得る、他の様々な目的で使用する追加のビットを衛星１０４によって事前に定義することができる。メッセージフレーム３０４の全てのビットを使用して、メッセージフレーム３０４のエッジを検出することができる。

各時刻伝送構造メッセージはそれ自体の固有の疑似ランダムコード（又は他の固有のコード）を有し、これにより各時刻伝送構造メッセージを他から区別することができる。固有コードは例えば、疑似ランダムコード、直交コード、又はコードセットの異なるメンバー間の相互相関が（例えば約０．５未満等）比較的低く、各個別のコードセットのメンバーの自動相関が（例えば約０．５よりも高い等）比較的高い特性を持つ他のバイナリコードであってよい。

例えば、２５６又はそれ以上の異なる時刻伝送構造メッセージがあるとしたら、バッファサイクル３０２の２５６のメッセージフレーム３０４のそれぞれは、バッファサイクル３０２内に、それ自体の固有の時刻伝送構造メッセージを有することができる。一実施形態では、イリジウム衛星１０４はおおよそ４６．０８秒ごとに繰り返す疑似ランダムコードを送信することができる。別の実施形態では、粗いタイミングコードの次に疑似ランダムコードが続いてもよい。粗いタイミングコードは、ドップラーシフトを決定する等、様々な過程に使用するために、受信ユニット１０２によって容易に検出可能な純粋な搬送波周波数の反復セグメントを含むことができる。次に、疑似ランダムコードを使用して、高い精度で特定時刻を決定することができるが、受信ユニット１０２には粗いタイミングコードよりも検出することが困難な場合がある。これに関しては、受信ユニット１０２が粗いタイミングコードを使用して、疑似ランダムコードを受信すると予測されるおおよその時刻を効率的に決定することができる。

時刻伝送構造メッセージが受信ユニット１０２に届く正確な時刻は、図３及びここに示す式（１）：
時刻 ＝ 開始時刻＋（Ｎ−１）×４６．０８秒＋（ｎ−１）×０．１８秒＋タイムスロットオフセット＋（衛星からユーザまでの距離）／ｃ （１）
を使用して（例えばコンピュータ２０６によって）計算することができる。

式（１）では、「時刻」は計算されるべき時刻伝送構造メッセージが到着する正確な時刻であり、「開始時刻」はバッファサイクル３０２を送信する衛星１０４の既知の開始時刻を表す。式（１）に表される開始時刻の値は例えば、所定の日付の午前１２時あるいはその他の一時刻であってよく、データリンクを介して受信ユニット１０２に送る、又はそうでない場合は例えばコンピュータ２０６のメモリ等の受信ユニット１０２のメモリに記憶させることができる。式（１）においてはまた、ｃは光速である。

式（１）では、現在の１０Ｋバッファサイクル３０２を表し得る「Ｎ」は、開始時刻以降にバッファサイクル３０２が反復した回数である。式（１）では、例えば各バッファサイクルの２５６の固有メッセージは４６．０８秒ごとに反復すると想定される。一実施形態では、受信ユニット１０２のローカルクロックは、例えば受信ユニット１０２がネットワーク１０８に同期したクロックを有する場合は、Ｎの値を決定するのに十分な精度を有し得る。

式（１）では、（「コード位相」とも称される）「ｎ」は、メッセージフレーム３０４（各メッセージフレームの長さは０．１８秒である）の序数（この実施例では、１番から２５６番まで）を表し、メッセージフレーム３０４の時刻伝送構造メッセージ（例えば８．２８ミリ秒バースト）は、その固有の擬似ランダムコードを介して識別されている。式（１）の実施例では、ＬＥＯ衛星１０４は０．１８秒ごとに時刻伝送構造メッセージを送信し、各時刻伝送構造メッセージは２５６の固有の擬似ランダムコードのうちの一つを含む。２５６のメッセージフレーム３０４のバッファサイクル３０２の後に、擬似ランダムコードが最初から反復する。したがって、この実施例では、「ｎ」は１から２５６までの数である。したがって、受信ユニット１０２はどの時刻伝送構造メッセージを受信したかを識別することができ、次にコード位相「ｎ」を決定することができる。例えば、受信ユニット１０２が相関変換を行って、ノイズがある中でどの時刻伝送構造メッセージを受信したかを識別することができる。

式（１）では、「タイムスロットオフセット」は、時刻伝送構造メッセージ（例えば８．２８ミリ秒バースト）が送られる前に、０．１８秒の長さのメッセージフレーム３０４内の時間の長さを計上する。各メッセージフレーム内には幾つかのタイムスロット（たとえば、８．２８ミリ秒バーストは、０．１８秒フレームにおいて約２１余りのタイムスロットによって調節され得る）が割り当てられている。タイムスロットを使うことで例えば、衛星の送信周波数の時分割マルチプレクシング又は時分割マルチプルアクセス（ＴＤＭＡ）が可能になり得る。タイムスロットは衛星１０４によって供給され得る；タイムスロットは観測基準点によって測定され得る；そして、タイムスロットは、衛星サービスの一部として定着させる又は予測することが可能である。また、「タイムスロットオフセット」を使用して、システム１００の任意のタイミングバイアスを補正することもでき、例えば、「タイムスロットオフセット」は衛星１０４のクロックの測定誤差又は送信シーケンスにおける既知のタイムスロットの変更を補正することができる。受信ユニット１０２はネットワーク１０８を介してどのタイムスロットを使用するかを知ることができる。

式（１）では、「衛星からユーザまでの距離」は、衛星１０４と受信ユニット１０２との間の距離を表す。この距離は、衛星１０４の軌道モデル、受信ユニット１０２の位置の好適に正確な情報、及びおおよその時刻（衛星の軌道モデルへの入力として）を使用して計算することができる。ある実施形態では、式（１）の「時刻」の計算値を約１０マイクロ秒以内の精度で得るために、距離の推定値は約３０００ｍ以内の精度であってよく、これは約２００００ｍの地上における水平方向の精度に等しい。この測位レベルは例えば、セルネットワーク１０８を使用したセルネットワーク技術によって簡単に達成することができる。衛星１０４から受信ユニット１０２までの距離を決定した後で次に、この距離を（「ｃ」とも称される）光の速度で割って、信号１０５が衛星１０４から受信ユニット１０２まで伝播するのに必要な時間分の、式（１）における時刻修正値が得られる。

必要な追加の支援情報、例えば軌道モデル、おおよその時刻、及び受信ユニット１０２のおおよその位置は、データリンクを介して、例えばネットワーク１０８によって送ることができる。さらに、単純なビームカバレッジ法を用いて、ユーザが現在どのＬＥＯ衛星のビーム（例：衛星１０４からのビーム）領域内に位置するか、そして最近のビームの時間履歴の情報に基づいて、受信ユニット１０２の位置を決定することができる。受信ユニット１０２のおおよその測位のその他多数の方法を好適に用いることもまた可能である。ある実施形態では、衛星１０４の衛星軌道情報（天体位置表）には、様々な時点での衛星のコンステレーション内の衛星１０４の位置、及び受信ユニット１０２が衛星１０４からクロック値を正確に取得するのに使用できるその他の情報等の情報が含まれ得る。この実施形態では、ネットワーク１０８は１ｋｍ未満以内の受信ユニット１０２（又はユーザ）の位置を簡単に決定することができる。衛星からユーザまでの−有効距離とも呼ばれる−距離は約３キロメータの精度であってよい。受信ユニット１０２のおおよその時刻を軌道情報とともに使用して、衛星１０４の位置、したがって有効距離を決定することができる。

図４に、一実施形態による、例えば衛星１０４等の衛星から周波数安定性を、例えば受信ユニット１０２等の小さいポータブルのハンドヘルド機器に伝送する方法を示す。例えば、時刻伝送構造メッセージの「時刻」が例えば式（１）を使用して決定されたら、受信ユニット１０２によって時刻伝送信号にロックオンすることができる。その後、衛星１０４及び受信ユニット１０２の間の相対運動のドップラー修正値が時刻伝送信号に適用されると、受信ユニット１０２は、その周波数安定性が衛星１０４の周波数安定性に事実上近いローカルクロック信号を生成することができる。

ステップ４０２において、受信ユニット１０２は衛星１０４から、図３に示すような時刻伝送構造信号３００を含むことができる信号１０５を受信する。前述したように、時刻伝送構造信号３００は、擬似ランダムコード及び／又は後に擬似ランダムコードが続く粗いタイミングコードを含むことができる。

ステップ４０４では、時刻伝送構造信号３００のコード位相、又は式（１）の「ｎ」は、例えば図５を参照に下に記載した方法を使用して、受信ユニット１０２によって決定することができる。簡単に言えば、受信ユニット１０２は相関変換を行って、ノイズがあるところにおいても、どの時刻伝送構造メッセージを受信したのかを識別することができる。例えば、ノイズがある場合には、ランダムビットを受信することができ、次に時刻伝送構造メッセージ、そしてランダムビットを再び受信することができる。このため、時刻伝送構造メッセージはノイズによって乱れる可能性があり、乱れたビット値を含み得る。長いメッセージ、例えば１０００ビットのメッセージが送られたと仮定すると、ビットを受信したビットと比較することができる。例えば９８０ビットが正しい場合に、次の１０００ビットを比較し等、ピークに到達するまで続ける。正しいビットの数が平均数よりも大きくなったときがピークに到達したときである。１０００ビットのメッセージを送る実施例において、ピークが例えば６００であるとすると、これが正しいメッセージであると決定される。したがって、メッセージは特定時刻においてノイズのある状態で受信され、統計的に決定される。

ステップ４０６においては、受信ユニット１０２は、（式（１）において「開始時刻」で表される）時刻伝送構造信号の開始時刻、時刻伝送構造信号送信の予測される搬送波周波数、ＬＥＯ衛星軌道モデル、及び図３及び式（１）に関連して上述したタイムバイアス修正情報等の追加の支援情報を受信することができる。受信ユニット１０２は、例えば受信ユニット１０２が減衰環境を入ったり出たり移動している場合に、例えば衛星１０４からネットワーク１０８を介して追加の支援情報を受信することができる。一般には、追加支援情報の更新率は低く、例えば２４時間又はそれ以上保存される可能性がある。さらに、（例えば数秒の精度の）おおよその時刻は、ネットワーク１０８を介して、又は受信ユニット１０２のローカルクロックによって供給することができる。

ステップ４０８では、受信ユニット１０２は例えば、式（１）にしたがってＬＥＯ衛星１０４（例えばイリジウム衛星）に維持される内部クロック時刻と一致し得る「時刻」を計算することによって、正確な特定時刻を決定するのに十分な情報を有する。例えば、各イリジウム衛星は、クロックの変動なしに、協定世界時（ＵＴＣ、仏のＴｅｍｐｓ Ｕｎｉｖｅｒｓｅｌ Ｃｏｏｒｄｏｎｎｅ、またグリニッジ平均時又はグリニッジ標準時とも知られる）に対して１０マイクロ秒の精度で監視され維持される内部クロックを維持している。したがって、イリジウム衛星によって送信される時刻伝送構造信号を、約１０マイクロ秒以内の精度でＵＴＣに正確に結びつけることができる。したがって、（例えば式（１）から「時刻」を計算することによって）イリジウム衛星の内部クロック時刻を決定することによって、約１０マイクロ秒以内の精度の特定時刻情報を受信ユニット１０２で取得することができる。

ステップ４１０において、受信ユニット１０２は信号１０５のドップラーシフト、すなわち衛星１０４及び受信ユニット１０２の間の相対運動によって発生した信号１０５の周波数の変化を補正することができる。例えば、ステップ４０８で計算した「時刻」の値を使用してドップラーシフトを補正することによって、受信ユニット１０２は約０．０２５ｐｐｍの安定性で周波数を合成することができる。周波数のドップラーシフトは下記の式（２）：
周波数のドップラーシフト ＝ −（距離レート）×周波数／ｃ （２）
を使用して計算することができ、上記式において「ｃ」は光の速度であり、「周波数」は衛星１０４における信号１０５の周波数であり、「距離レート」は時間単位当たりの受信ユニット１０２の位置と衛星１０４の位置の間の有効距離又は距離の変化、あるいは同等に、衛星及び受信ユニットの間の相対速度である。距離レートは受信ユニット１０２によって、例えばネットワーク１０８と受信ユニット１０２を介してステップ４０６において受信したＬＥＯ衛星軌道モデルを、ステップ４０６において受信し又は決定したおおよその位置とともに使用して、計算することができる。

受信ユニット１０２は、「時刻」又は相関変換ピーク値と一致する復調信号データを使用して、衛星１０４からの信号１０５の周波数測定値を生成することができる。ある例示の実施形態では、復調時刻伝送信号１０５の位相を調べることによって周波数の偏差、△ｆを測定することができる。復調時刻伝送信号１０５の位相は、復調信号１０５の「同位相」（Ｉ）及び「直角位相」（Ｑ）コンポーネント間の角度であってよい。この実施例では、コード位相（「ｎ」）を定義するビットは、コード位相をインターリーブするために２つの連続的な群に定義することができる。特定のコード位相に対する完全な相関変換、及び復調時刻伝送信号１０５の完全な復調が行われることにより、インターリーブされたコード位相が全く同じである（すなわち、位相角は一定である、これは位相角の傾きがゼロであるということができる）ため、Ｉ及びＱ信号が両方とも同一となり得る。一方、ローカル発振器及び／又はドップラー推定値の誤差によって周波数の偏差（すなわち不完全な復調）が起きた結果、周波数の偏差に反応して位相角の傾きがゼロでなくなる。周波数の偏差に反応した位相角の傾きを測定することにより、周波数偏差の測定値、△ｆを得ることができる。信号１０５を正確に復調するために、式（２）を使用して、衛星１０４と受信ユニット１０２の間の相対運動から起こる周波数のドップラーシフトを計上することができる。復調プロセスに適切なドップラー補正が適用された場合、周波数偏差の測定値は全て、受信ユニット１０２のローカルクロック発振器と衛星１０４搭載の正確なクロック発振器との間の周波数の不一致のみが原因であり得る。衛星１０４搭載の正確な発振器は既知の周波数（ｆ_{＿ｋｎｏｗｎ}）を有するため、真のローカル周波数（ｆ_{＿ｌｏｃａｌ}）は式（３）：
（ｆ_{＿ｌｏｃａｌ}） ＝ （ｆ_{＿ｋｎｏｗｎ}）＋△ｆ （３）
を使用して得ることができる。

多数の可能性のある周波数を同調する方法がハードウェア又はソフトウェアのいずれかに存在する。ハードウェアの方法では例えば、復調プロセスによって測定される位相／周波数誤差（例：△ｆ）に比例する発振器制御電圧を生成することによって周波数を同調させる。この電圧は、例えばユニット１０２に含むことができる電圧制御発振器（ＶＣＯ）に対しマイナスのフィードバック入力信号となる。ＶＣＯの出力周波数は、復調プロセスに再度適用することができ、結果として新規誤差△ｆ_＿ｎｅｗが発生する。このフィードバックプロセスは、入力誤差△ｆ_＿ｎｅｗが十分に小さくなって、変更されたローカル周波数（ｆ_{＿ｌｏｃａｌ＿ｎｅｗ}）が基準周波数ｆ_{＿ｋｎｏｗｎ}に十分近づき、ローカルクロック周波数が望ましい精度に達するまで継続し得る。このプロセスは例えば、位相固定ループ（ＰＬＬ）を使用して実行することができる。

上述した処理を行ってｆ_{＿ｌｏｃａｌ＿ｎｅｗ}が修正された、又は較正された後は、ローカルクロック周波数は衛星の信号１０５と実質的に同じ周波数安定性及び精度を有することができる。言い換えると、ＬＥＯ衛星１０４の周波数安定性及び精度が、ハンドヘルド受信ユニット１０２に伝送されている。

図５に、一実施形態により、受信衛星信号（例えば、信号１０５においてイリジウム衛星から送られた時刻伝送構造信号３００）のコード位相を決定する方法を示す。図５の方法は、図４の方法のステップ４０４において例えば、データ、例えば時刻伝送構造メッセージを含む時刻伝送構造信号３００を、（図２に示すように）アンテナ２０２、事前選択フィルタ２０３、増幅器２０４、及び信号を復調ベースバンド信号に変換するＡ／Ｄコンバータ２０５を有する受信ユニット１０２でイリジウム衛星１０４から受信し、イリジウムの周波数バンド全体で収集された後で実施することができる。

ステップ５０２において、復調されたデータは例えば１秒当たりに５０Ｍサンプル（メガサンプル又はミリオンサンプル）の速さで、Ａ／Ｄコンバータ２０５によって抽出され、（例えばＡ／Ｄコンバータ２０５のレジスタ内）に捕獲され、メモリ（例えばコンピュータ２０６のメモリ）の適切なブロック、例えば１ミリ秒のデータサンプルを含むブロックに保存される。

ステップ５０４では、抽出されたデータの粗い収集探索が行われ得る。この実施例では、約８．２８ミリ秒の（例えば時刻伝送構造メッセージバーストの長さに匹敵する、図３参照）データを選択して、詳細処理を行うことができる。取得されたデータのドップラーは既知の軌道モデルと推定時刻を使用して推定することができる。データは、既知の（あるいは推定された）周波数サブバンド及びアクセスに基づいて正弦関数及び余弦関数によってデジタル式に復調することができる。復調にはまた、ドップラー修正周波数の推定値も含むことができる。データはその後、例えば約１１１分の１に縮小され得る。高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を圧縮されたデータに使用して、最も高いピークと関連周波数を決定することができる。関連周波数を使用して、次の反復での復調をさらに改善することもできる。復調により通常は直流電圧が得られるが、不完全なドップラー推定値により通常、低周波数コンポーネントが生成される。抽出データの各ブロックを処理した後に、抽出データの１ミリ秒ブロックを処理することができる、すなわちプロセスを繰り返すことができる。次に、処理したデータのピークを整合性のチェックを行うことによって調べることができる。例えば、ピークは「ｎ」×１８０ミリ秒（すなわち０．１８秒メッセージのフレーム長、図３参照）だけ分離する必要がある。

ステップ５０６において、ピークを調べた後に、微細な収集を、粗いピーク＋１８０ミリ秒−０．５×ウィンドウの位置において行うことができる。ウィンドウはコード位相「ｎ」が存在すると予測できる時間範囲を表す。例えば、抽出データは２５６疑似ランダムコードの時刻伝送構造メッセージと相関させることができ；次に最も高い相関ピークを記録することができ；時間ステップは特定のマイクロ秒数値だけ進ませることができる。このプロセスはその後ウィンドウが存続する間繰り返すことができる。

ステップ５０８において、コード位相「ｎ」は、どのメッセージが最適なピークを生成したかについての知識、そしてデータが取得された相対時間の知識をもとに受信ユニット１０２によって決定することができる。コード位相「ｎ」が決定されたら、図５の方法は終了する。

受信ユニット１０２のローカル発振器又はクロックの周波数が、一又は複数の実施形態の上述した技術にしたがって、衛星１０４の周波数合成器の安定性及び精度と一致するように修正されたら、伝送された周波数安定性及び精度を有するローカルクロック周波数を種々の用途、例えばネットワークの同期化、又はＧＰＳ、ｉＧＰＳ（屋内ＧＰＳ）、又はａＧＰＳ（支援ＧＰＳ）等の測位システムの補助として使用することができる。

図６に、本発明の一実施形態による、閉塞された（例えば減衰された、又は妨害された）環境においてナビゲーション目的でクロック精度及び安定性を伝送する方法を示す。図６の方法は図１に示すシステム１００で実行可能であるが、この実施形態では、例えばネットワーク１０８を介して提供される追加の支援情報が利用不可能であることが想定され得る。

図６の方法を使用した、受信ユニット１０２のローカル発振器の周波数の較正は、例えばイリジウム衛星のネイティブＬ−バンドバースト構造信号等を使用することによって、上述したように追加の支援情報の提供なしに、達成することが可能である。様々な実施形態において、衛星１０４は例えばイリジウム等のＬＥＯ衛星であってよく、衛星１０６はＧＰＳ衛星であってよい。上記実施形態では、イリジウム衛星は１６１０ＭＨｚ〜１６２５ＭＨｚのＬバンド構造による周波数を使用することが知られている。ＧＰＳ搬送波もまたＬバンドにあり、１１７６．４５ＭＨｚ（Ｌ５）、１２２７．６０ＭＨｚ（Ｌ２）、１３８１．０５ＭＨｚ（Ｌ３）、及び１５７５．４２ＭＨｚ（Ｌ１）の周波数に集中している。イリジウムとＧＰＳの周波数が近接しているため、受信ユニット１０２は、余分なアンテナを必要とせずに、イリジウム衛星システム及びＧＰＳ衛星システムの両方の衛星システムからともに信号を受信することが可能であり得る。イリジウム衛星によって提供されるＬバンド信号は、約１０マイクロ秒の精度でＵＴＣ時刻と結び付けることができる。Ｌバンドのイリジウム衛星信号は、１８０ミリ秒（０．１８秒）のメッセージフレームによって構造化されている。したがって、イリジウム衛星の信号のＬバンドメッセージフレームのエッジを決定することにより、正確な時刻設定情報を得ることができる。

ステップ６０２において、（例えば、Ｌバンドのイリジウム衛星信号によって実行される時の）衛星１０４からの信号１０５の送信フレーム構造を受信ユニット１０２によって検出することができる。明確に定義された又は精製されたコード（例：時刻伝送構造メッセージ）がない場合においてさえも、受信ユニット１０２はイリジウムからの送信信号のＬバンドフレームを検出することが可能である。この実施形態においてはネットワーク１０８からの追加の支援情報を利用することができないと想定されるため、受信ユニット１０２は例えば式（１）の「時刻」項等の特定時刻の連続的な予測又は推定値を用意する。十分な事前知識に基づき、時刻推定値の数値はしばしば妥当な数値内に収まり得る。例えば、イリジウムのフレーム構造のうち１００フレーム内にＧＰＳ秒が結集される。したがって、時刻推定値又は予測値の数値は１００に制限され得る。このように、衛星１０４のフレームエッジの単純な知識により、（例えば本実施例につき１００等の）妥当な範囲の複数の時刻推定値が要求されるため、ＧＰＳの処理が大幅に改善され得る。

ステップ６０４において、連続推定値が生成された後に、受信ユニット１０２のローカルクロックを、例えば第１衛星等の衛星１０４の信号１０５のフレーム構造に同調させることができる。この調節は、例えば復調された時刻伝送構造信号の処理データにおいて検出された位相誤差等を使用して行うことができる。位相誤差を前述した位相固定ループプロセスに入力して、信号１０５のフレーム構造と、受信ユニット１０２のローカルクロックとの間の周波数／時刻を同調させることができる。

ステップ６０６において、少なくとも一つの時刻推定値が、例えば第２衛星等の衛星１０６の信号１０９に同調するように、フレーム構造信号にしたがってそれぞれ分離された重複時刻推定値が生成される。

ステップ６０８において、時刻推定値が受信ユニット１０２の並列相関器に供給される。この場合、受信ユニット１０２（例：ＧＰＳ受信機）は多数の並列測位システム相関器を有することができ、これにより十分に時刻の同調が行われた時に、妨害された又は減衰された環境においてさえも、衛星１０６（例：ＧＰＳ衛星）からの信号１０９（ＧＰＳ信号）にロックオンすることが可能になり得る。並列相関器は次に時刻推定値にしたがって同調させることができる。

ステップ６１０において、衛星１０６の信号１０９に同調された時刻推定値が識別されて、受信ユニット１０２の衛星１０６からの信号１０９を効率的に検出する能力が大幅に改善される。受信ユニット１０２は次に衛星１０６（例：ＧＰＳ衛星）からの信号を、そうでない場合には信号１０９が検出できない特に閉塞された環境において、ナビゲーション及び測位に使用することができる。

適用可能な場合において、本発明によって提供される様々な実施形態は、ハードウェア、ソフトウェア、又はハードウェア及びソフトウェアの組み合わせを用いて実行することが可能である。また適用可能な場合において、本明細書に記載された様々なハードウェアコンポーネント及び／又はソフトウェアコンポーネントを、本発明の精神から逸脱することなく、ソフトウェア、ハードウェア、及び／又はソフトウェアとハードウェアの両方を含む複合コンポーネントに組み合わせることができる。適用可能な場合において、本明細書に記載される様々なハードウェアコンポーネント及び／又はソフトウェアコンポーネントを、本発明の精神から逸脱することなく、ソフトウェア、ハードウェア、又は両方を含むサブコンポーネントに分離することが可能である。さらに、適用可能な場合において、ソフトウェアコンポーネントはハードウェアコンポーネントとして実行することができ、ハードウェアコンポーネントはソフトウェアコンポーネントとして実行することができると考えられる。

本発明によるソフトウェア、例えばプログラムコード及び／又はデータは、一又は複数のコンピュータによって読み取り可能な媒体に記憶させることができる。また、本明細書に特定されたソフトウェアは、ネットワーク化された、あるいはネットワーク化されていない、一又は複数の汎用又は特殊用途コンピュータ及び／又はコンピュータシステムを使用して実行可能であると考えられる。適用可能な場合において、本明細書に記載された様々なステップの順番を変更する、又は複合ステップに組み合わせる、及び／又はサブステップに分離して本明細書に記載された機構を提供することが可能である。

上述した実施形態は例示であって、本発明を限定するものではない。また当然ながら、本発明の原理にしたがって、多数の修正及び変更も可能である。したがって、本発明の範囲は下記の請求項によってのみ定義されるものである。

Claims (15)

1. 衛星から機器へ周波数の安定性を伝送する方法であって：
   衛星から信号を受信すること；
   衛星の信号からコード位相を決定することであって、衛星がクロック周波数を有する低地球軌道（ＬＥＯ）衛星であり、信号が複数のメッセージフレームを備え、各メッセージフレームが序数と固有の疑似ランダムコードを有する少なくとも１つの時刻伝送構造メッセージを有し、コード位相がメッセージフレームの序数に一致し、メッセージフレームの時刻伝送構造メッセージが固有の疑似ランダムコードにより識別されること；
   支援情報を受信すること；
   機器のローカルクロックの周波数を較正することにより、ローカルクロック周波数を衛星クロック周波数と実質的に同期させることであって、衛星の信号の周波数をコード位相および支援情報を使用して測定することを含むこと
   を含む方法。
2. 較正することが、ローカルクロック周波数を修正して、衛星と機器の相対運動に関わるドップラーシフトを補正することを含む、請求項１に記載の方法。
3. 較正することが、
   衛星信号の周波数測定値を修正して、衛星と機器の相対運動に関わるドップラーシフトを補正すること；
   衛星クロック周波数を決定すること；
   衛星クロック周波数と、衛星信号の修正された周波数測定値を使用して、ローカルクロック周波数の周波数修正値を生成すること
   を含む、請求項１に記載の方法。
4. 衛星の信号が複数のメッセージフレームを含み、各メッセージフレームが時刻伝送構造メッセージを含む、請求項１に記載の方法。
5. 各メッセージフレームが、通信データに付随するペイロードビットをさらに含む、請求項４に記載の方法。
6. コード位相を決定することが、メッセージフレームの少なくとも一つの各時刻伝送構造メッセージに固有のコードを識別することを含む、請求項４に記載の方法。
7. コードが、コードセットを有するバイナリコードであり、コードセットの異なるメンバー間の相互相関が比較的低く、コードセットの各独立したメンバーの自己相関が比較的高い、
   請求項６に記載の方法。
8. 支援情報が、衛星の軌道情報を含む、請求項１に記載の方法。
9. 較正されたローカルクロック周波数を使用して、全地球測位システム（ＧＰＳ）信号にロックオンし；
   ＧＰＳ信号を使用して機器の位置を決定する
   ことをさらに含む、請求項１に記載の方法。
10. 較正することが、ＬＥＯ衛星の軌道モデルと、機器のおおよその位置から距離レートを計算することを含む、請求項９に記載の方法。
11. 衛星から信号を受信するアンテナであって、衛星がクロック周波数を有する低地球軌道（ＬＥＯ）衛星であり、信号が複数のメッセージフレームを備え、各メッセージフレームが序数と固有の疑似ランダムコードを有する少なくとも１つの時刻伝送構造メッセージを有するアンテナと、
    ローカルクロックと、
    衛星信号の時刻伝送構造メッセージからデータを抽出するアナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換器と、
    支援情報を記憶するメモリと、
    抽出したデータを使用してコード位相を決定するコンピュータと
    を含み、
    コード位相がメッセージフレームの序数に一致し、メッセージフレームの時刻伝送構造メッセージが固有の疑似ランダムコードにより識別され、
    コンピュータがさらにコード位相及び支援情報を使用して衛星信号の周波数を測定して、ローカルクロックの周波数修正値を決定することにより、ローカルクロック周波数を衛星のクロック周波数と実質的に同期させる、受信ユニット。
12. 周波数の修正値が、衛星と受信ユニットの相対運動に関わるドップラーシフトを補正するために、衛星信号の周波数測定値に対するドップラー周波数修正値を含む、
    請求項１１に記載の受信ユニット。
13. 支援情報が衛星軌道の天体位置表を含み、
    支援情報が受信ユニットのおおよその位置を含む、
    請求項１１に記載の受信ユニット。
14. 時刻伝送構造メッセージがコードセットを有するバイナリコードを含み、コードセットの異なるメンバー間の相互相関は比較的低く、コードセットの各独立したメンバーの自己相関は比較的高く、コードセットの各メンバーにより時刻伝送構造メッセージのメッセージフレームが独自に識別される、請求項１１に記載の受信ユニット。
15. メッセージフレームの識別により、コード位相が決定され、
    支援情報が、タイムスロットオフセットと、衛星から受信ユニットまでの距離を含む、
    請求項１１に記載の受信ユニット。

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