(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧＰＳ受信機が時間を決定する決定方法であって、
所定の期間に亘って、ＧＰＳメッセージからＧＰＳデータを捕捉するステップ（３０４）と；
予測データパターンを、捕捉した前記ＧＰＳデータに配置するステップと（３０８）；
前記所定の期間の開始時間と前記予測データパターンの到着時間との間の時間オフセットを決定するステップ（３１１）と
を有し、
前記ＧＰＳメッセージは、ＧＰＳ衛星からのメッセージであり、
前記配置するステップは、捕捉した前記ＧＰＳデータを前記予測データパターンに相関させることによって生成した相関出力を積分し、積分された相関出力の大きさを決定し、その決定された大きさのうちの最大値に基づいて予測データパターンの到着時間を決定することを含み、
前記決定するステップは、前記時間オフセットを補正することによって前記ＧＰＳ衛星と前記ＧＰＳ受信機との間の信号伝達時間を補償することを含み、
前記時間オフセットを補正することは、前記補正された時間オフセットを修正することによって、衛星クロックオフセット時間を補償することを含む、決定方法。
【請求項２】
前記時間オフセットは、前記ＧＰＳ受信機のクロックを校正するために使用される、
請求項１記載の決定方法。
【請求項３】
前記予測データパターンは、ＧＰＳメッセージプリアンブル（１０２）である、
請求項１記載の決定方法。
【請求項４】
前記予測データパターンは、ハンドオーバワード（１０５）である、
請求項１記載の決定方法。
【請求項５】
前記予測データパターンは、サブフレームＩＤ（１０６）である、
請求項１記載の決定方法。
【請求項６】
前記予測データパターンは、ＧＰＳメッセージプリアンブル（１０２）と、ハンドオーバワード（１０５）と、サブフレームＩＤ（１０６）と、それらの組合せとから選択される、
請求項１記載の決定方法。
【請求項７】
前記所定の期間は、１秒である、
請求項１記載の決定方法。
【請求項８】
前記捕捉するステップは、
ＧＰＳ信号を所定の中間周波数に逓減するステップと；
逓減された前記ＧＰＳ信号をサンプリングすることによって、複数のサンプルを生成するステップと；
前記複数のサンプルをメモリに格納するステップと
を有する、
請求項１記載の決定方法。
【請求項９】
請求項１〜８のうちのいずれか１項に記載の決定方法を実行するように構成された装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、１９９９年２月１９日に出願された係属中の米国実用特許出願第０９／２５３，３１８号、１９９９年２月１９日に出願された係属中の米国実用特許出願第０９／２５３，６６２号、および１９９９年２月１９日に出願された係属中の米国実用特許出願第０９／２５３，６７９号に基づく優先権を主張する。
【０００２】
（発明の分野）
本発明は、概してＧＰＳ受信機に関し、特にＧＰＳハンドセットに関する。
【背景技術】
【０００３】
（発明の背景）
全地球測位システム（ＧＰＳ）は、世界中のどこにＧＰＳ受信機があるときにもＧＰＳ受信機に正確な位置情報を与えるため米国国防省が開発した衛星に基づくシステムである。したがって、適切に装備されたＧＰＳ受信機は、位置が望まれるあらゆる状況で使用することができ、通常は３次元の位置座標を生成する。ＧＰＳシステムは、１２時間の軌道で地球を周回する２４個以上の衛星で構成された衛星軌道配置（コンステレーション）によって可能になる。衛星は６つの軌道面に配置され、各軌道面が４つの衛星を含む。軌道面は６０°隔置され、赤道面から約５５°傾斜する。この配置により、空の見通しがきく地球上の任意の点で、いつでも４個〜１２個の衛星が見えることが確実にされる。
【０００４】
ＧＰＳ衛星は、ＧＰＳ受信機が使用すべきデータを伝送する。データには、衛星位置データ（人工衛星軌道暦データ）および衛星クロック補正データが含まれる。ＧＰＳ信号は、１．０２３Ｍｈｚチップレート（０．００１秒反復インターバル）において１０２３ビット長のＧｏｌｄスプレッディングコードで２相変調した搬送信号を含む。これは、５０ビット／秒（ＢＰＳ）のレートのデータビット（１データビット当たり２０ミリ秒のレートでの伝送）でも変調する。５０ＢＰＳデータは、ＧＰＳに基づく時刻（すなわち、ＧＰＳ衛星のクロック時刻）を決定するための情報および地理的位置を決定するための情報を含む。
【０００５】
ＧＰＳ信号に含まれるデータの詳細情報は、Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｄｏｃｕｍｅｎｔ ＩＣＤ−ＧＰＳ−２００で入手可能であり、これは１９９１年に改訂され、Ｒｏｃｋｗｅｌｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから発行され、引用により本明細書に組み込まれる。ＧＰＳメッセージに含まれるクロック時刻は、衛星で精密に同期された絶対時刻信号である。すなわち、ＧＰＳ配置にあるすべての衛星は、衛星から地上局への信号伝搬時間を考慮に入れた地上基準局によって同期される。この方法で、配置にあるどの衛星も、衛星で時間を同期され、絶対時刻エラーは、数ナノ秒〜数十ナノ秒以内で精密に制御される。
【０００６】
絶対時刻信号は、位置を正確に決定するために、ＧＰＳ受信機によって使用することができる。位置がほぼ判明したら、受信機内の絶対時刻も、衛星同報通信メッセージで受信機が観察した精密な時間を、受信機と衛星間の計算可能な伝搬遅延でオフセットすることにより知ることができる。
【０００７】
受信機で絶対時刻を知ることは、ＧＰＳ衛星が約４ｍ／ミリ秒で移動しているので、重要なパラメータである。レンジ測定時刻に１ミリ秒の誤差がある場合、測定されたレンジには４メートルもの誤差があることもある。このレンジエラーは、次に幾何学的位置係数（ＧＤＯＰ、すなわち精密度の幾何学的希釈）を掛けて追加の位置エラーに翻訳され、これは４メートルの追加レンジエラーの何倍にもなることがある。
【０００８】
５０ＢＰＳデータに含まれる週の時刻（ＴＯＷ）データフィールドは、絶対時刻信号と組み合わせられて、ＧＰＳ受信機がローカル時間を正確かつ確実に決定するのを可能にする。ＴＯＷデータは、６秒間隔で全衛星から伝送される。ＴＯＷデータの検出は、信号の絶対値によって決定される。特定の信号絶対値レベルを下回ると、レンジ測定値を獲得することは可能であるが、ＴＯＷデータを復号することが不可能である。例えば、約３０ｄＢ−Ｈｚ未満の信号レベルの場合は、５０ＢＰＳメッセージの個々のメッセージビットを復号することが不可能になる。しかし、３０ｄＢ−Ｈｚよりはるかに下、２０ｄＢ−Ｈｚ未満のレベルの信号でも信号補正を獲得することが可能である。Ｍｏｔｏｒｏｌａの出願第０９／２５３，３１８号、第０９／２５３，６６２号および第０９／２５３，６７９号で採用した技術を使用して、補正検出精度をこれらのレベルまで拡張することができる。したがって、必要なのは、３０ｄＢ−Ｈｚ未満の信号レベルで時刻を決定する方法である。
【０００９】
ＧＰＳ受信機は、常にＧＰＳ衛星同報通信データからローカル時間を確実に決定できるわけではない。ＧＰＳの機能は非常に有用であり、その結果、例えば、携帯電話および他のハンドヘルド電子装置などの、様々な装置に組み込まれている。このような携帯性のため、それらの装置は往々にしてビルの谷間を走行する車両に置かれたり、建物または他の障害物の中に持ち込まれたりする。当然の結果として、ＧＰＳ信号は遮断されるか、受信状態が悪くなり得る。このため、５０ＢＰＳ絶対時刻信号の受信が不確実になることがある。このような場合は、位置測定が可能になるようにＧＰＳハンドセットが正確な時間測定値を獲得することが望ましい。ＧＰＳ衛星は約４ｍ／ミリ秒の速度で移動するので、レンジ測定の時刻が正確に分からなければ、レンジ測定が、したがって位置測定が、それに比例する誤差を有することになる。例えば、測定時刻が２０ミリ秒の誤差を含む場合、レンジ測定には８０メートルもの誤差があり、その結果、幾何学的形状に応じて、位置測定に数百メートルの誤差が生じる恐れがある。
【００１０】
ＣＤＭＡ（符号分割多元接続）携帯電話などの、一部の携帯電話装置では、インフラストラクチャが同期され、各基地局がネットワークのＧＰＳ受信機から精密な時刻を受信する。次に、ＣＤＭＡ基地局は、時刻をモバイル機器に伝送することによってモバイル機器を同期し、ＣＤＭＡ電話ハンドセットの時刻を１マイクロ秒（＋伝送遅延）のオーダーの精度で分かるようにする。
【００１１】
例えば、汎欧州デジタルセルラーシステム（ＧＳＭ（登録商標））携帯電話などの非同期ＧＰＳ装置では、精密な時刻情報が望ましいが、概ねネットワークから発する信号から入手することができない。しかし、適切なハードウェアおよび／またはソフトウェアを追加することにより、これらを同期するために既存のネットワークを改造することは非実用的であり、費用がかかる。
【００１２】
関連技術は、様々な方法で上記の問題を解決しようとした。第１の手法は、Ｋｒａｓｎｅｒの米国特許第５，８１２，０８７号で与えられている。Ｋｒａｓｎｅｒは、ハンドセットのディジタルスナップショットメモリを使用して、データをランダム列で捕捉し、それを基地局に伝送する。基地局は、従来通りのＧＰＳ受信機を使用して、ディジタルスナップショットメモリで捕捉した５０ＢＰＳデータビットの一部の到着時刻を測定する。基地局で測定したデータビットは、既知の到着時刻を有し、ディジタルスナップショットメモリで捕捉した未知のデータビットとの相関がとられる。最大の相関が得られると、移動メモリのデータ捕捉時刻を決定することができる。
【００１３】
しかし、Ｋｒａｓｎｅｒの欠点は、遠隔の基地局のＧＰＳ受信機が必要とされることである。遠隔の基地局のＧＰＳ受信機が、１つまたは複数のＧＰＳ衛星からの現在のＧＰＳデータシーケンスを測定し、これを移動ユニットに伝送しなければならない。あるいは、移動ユニットが検出後の補正データを基地に伝送してもよい。いずれの方法でも、手法では基地局と移動ユニット間で多数のビットを伝送する必要があり（例えば、１２個の衛星がそれぞれ５０ビット）、ハンドセットが、基地局で観察し、通信したパターンとの相関を後にとるため、受信データのサンプルを記憶する必要がある。
【００１４】
第２の関連技術の手法では、位置測定ユニット（ＬＭＵ）を非同期ネットワーク全体に配置する。ＬＭＵの目的は、非同期通信ネットワークが記憶する時刻とＧＰＳの時間との時間オフセットを測定することである。個々のＬＭＵが各基地局からのメッセージビットの到着時刻を測定し、各基地局の相対的時間オフセットを決定する。これは、（伝搬時間を決定するための）各基地局の位置およびＬＭＵの位置に関する知識を使用し、ＬＭＵ内部のＧＰＳ受信機によって遂行される。
【００１５】
しかし、この第２の関連技術の手法は、通信ネットワークに追加の構成要素を必要とするので費用がかかる。複雑な解決策でもある。第３の関連技術の手法では、５０ＢＰＳデータシーケンスを固定したメインサイトで観察する。時刻データがメインサイトから移動ユニットに伝送される。移動ユニットは、既知のデータパターンおよび（メインサイトが観察した）その既知の到着時刻を使用して、取得帯域幅を５０ＢＰＳデータレート未満に狭めることができる。
【００１６】
この場合も、主な欠点は、測定した５０ＢＰＳデータシーケンスを移動ユニットに伝送し、移動ユニットがデータを受信し、復調できなければならないことである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】米国特許第５，８１２，０８７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
したがって、当該技術分野では、ＧＳＭ（登録商標）システムなどの、非同期ネットワークの一部であるＧＰＳハンドセットで、測定時刻を決定する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
（発明の概要）
本発明の第１の態様により、ＧＰＳ受信機で時刻を決定する方法が提供される。方法は、所定の期間だけＧＰＳメッセージからＧＰＳデータを捕捉するステップと、予測されるデータパターンを捕捉データに配置するステップと、データ捕捉の開始時間と予測されるデータパターンの到着時刻との時間オフセットを決定するステップとを含む。
【００２０】
本発明の第２の態様により、ＧＰＳ受信機で時刻を決定する方法が提供される。方法は、所定の期間だけ相関後コヒーレントＧＰＳデータを捕捉するステップと、予測されるデータパターンを捕捉データに配置するステップと、データ捕捉の開始時刻と予測されるデータパターンの到着時刻との時間オフセットを決定するステップとを含む。
【００２１】
本発明の第３の態様により、ＧＰＳ受信機で時刻を決定する方法が提供される。方法は、ＧＰＳメッセージを所定の中間周波数まで逓減するステップと、複数のサンプルを生成するよう中間周波数をサンプリングするステップと、複数のサンプルをメモリに記憶するステップと、各可視ＧＰＳ衛星信号のコード位相を決定するステップと、メモリの各可視ＧＰＳ衛星信号のドップラーシフトを決定するステップと、衛星のＧＰＳデータを選択するステップと、複数の所定の期間にわたって相関後データの同相コヒーレント特徴を測定して記憶するステップと、複数の所定の期間にわたって相関後データの直交コヒーレント特徴を測定して記憶するステップと、同相および直交特徴と予測されるデータパターンとをコヒーレントに相関させるステップと、相関最大値が捕捉ステップの開始から時間オフセットの後に発生する状態で、相関最大値から時間オフセットを決定するステップとを含む。
【００２２】
本発明の第４の態様により、ＧＰＳ受信機で時刻を決定する方法が提供される。方法は、ＧＰＳメッセージを所定の中間周波数まで逓減するステップと、複数のサンプルを生成するよう中間周波数をサンプリングするステップと、複数のサンプルと各可視衛星ＰＲＮおよび各可視衛星ドップラーとを非コヒーレントに相関させるステップと、各可視ＧＰＳ衛星信号で実時間コード位相および実時間ドップラーシフトを決定するステップと、衛星ＧＰＳデータを選択するステップと、複数の所定の期間にわたって相関後データの実時間同相コヒーレント特徴を測定して記憶するステップと、所定の複数の期間にわたって相関後データの実時間直交コヒーレント特徴を測定して記憶するステップと、同相および直交特徴を予測されるデータパターンにコヒーレントに相関させるステップと、相関最大値が非コヒーレント相関ステップの開始から時間オフセットの後に発生する状態で、相関最大値から時間オフセットを決定するステップとを含む。
【００２３】
本発明の第５の態様により、ＧＰＳ受信機で時間を決定する装置が提供される。装置は、ＧＰＳ信号を中間周波数に逓減し、ＧＰＳ信号ソースに接続することができるＧＰＳダウンコンバータと；中間周波数データをディジタルデータに変換するためにダウンコンバータに接続されたアナログ−ディジタル変換器と；アナログ−ディジタル変換器に接続され、かつクロックに接続されたディジタルＩＦスイッチであって、所定のサンプル期間だけ周期的に閉鎖するようにクロックによって制御されるディジタルＩＦスイッチと；ディジタルＩＦスイッチに接続され、かつディジタルＩＦスイッチの閉鎖時に入手可能な複数のディジタルＩＦデータを記憶することができるＩＦメモリと；ＩＦメモリに接続され、複数のディジタルＩＦデータのコード位相特徴を決定し、ドップラー特徴を決定し、信号強度特徴を決定することができる非コヒーレントＧＰＳ相関器と；ＩＦメモリおよび非コヒーレントＧＰＳ相関器との両方に接続され、同相および直交コヒーレント測定値を生成するコヒーレントＧＰＳ相関器と；コヒーレントＧＰＳ相関器に接続され、周期的に閉鎖して複数の同相および直交測定値を生成するメモリ記憶スイッチと；メモリ記憶スイッチに接続され、複数の同相および直交測定値を記憶することができるサンプルメモリと；サンプルメモリおよび予測されるデータパターン記憶に接続された相関器であって、複数の同相および直交測定値を予測されるデータパターンにコヒーレントに相関させて、相関出力を生成する相関器と；相関器に接続され、かつ相関出力を積分して積分出力を生成するコヒーレント積分器と；コヒーレント積分器に接続され、かつ積分出力を大きさを検出して、複数の積分大きさを生成する大きさ決定器と；大きさ決定器に接続されて、複数の積分大きさを記憶する大きさ対遅延メモリと；大きさ対遅延メモリに接続されて、最大積分大きさを決定することができる最大積分大きさ決定器と；を備え、最大信号大きさの遅延時間が時間オフセットである。
【００２４】
本発明の第６の態様により、ＧＰＳ受信機で時刻を決定する装置が提供される。装置は、ＧＰＳ信号を中間周波数に逓減し、ＧＰＳ信号ソースに接続することができるＧＰＳダウンコンバータと；中間周波数データを複数のディジタルデータに変換するためにダウンコンバータに接続されたアナログ−ディジタル変換器と；アナログ−ディジタル変換器に接続され、コード位相特徴を決定し、ドップラー特徴を決定し、複数のディジタルデータの信号強度特徴を決定することができる非コヒーレントＧＰＳ相関器と；アナログ−ディジタル変換器および非コヒーレントＧＰＳ相関器の両方に接続され、同相および直交コヒーレント測定値を生成するコヒーレントＧＰＳ相関器と；コヒーレントＧＰＳ相関器に接続され、周期的に閉鎖して複数の同相および直交測定値を生成するメモリ記憶スイッチと；メモリ記憶スイッチに接続され、複数の同相および直交相関後測定値を記憶することができるサンプルメモリと；サンプルメモリおよび予測されたデータパターン記憶に接続された相関器とであって、複数の同相および直交測定値を予測されるデータパターンにコヒーレントに相関させて、相関出力を生成する相関器と；相関器に接続され、かつ相関出力を積分して積分出力を生成するコヒーレント積分器と；コヒーレント積分器に接続され、かつ積分出力の大きさを検出して、複数の積分大きさを生成する大きさ決定器と；大きさ決定器に接続されて、複数の積分大きさを記憶する大きさ対遅延メモリと；大きさ対遅延メモリに接続されて、最大積分大きさを決定することができる最大積分大きさ決定器と；を備え、最大信号大きさの遅延期間が時間オフセットである。
【００２５】
本発明の以上のおよびその他の特徴および利点は、以下の本発明の好ましい実施形態を添付図面と組み合わせて説明することにより、さらに深く理解される。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】ＧＰＳデータワードを示す。
【図２Ａ】ＧＰＳデータワードのデータセグメント捕捉に使用する１秒の捕捉時間枠の使用を示す。
【図２Ｂ】ＧＰＳデータワードのデータセグメント捕捉に使用する１秒の捕捉時間枠の使用を示す。
【図３】本発明の方法の第１実施形態の流れ図を示す。
【図４】本発明の方法の第２実施形態の流れ図を示す。
【図５】本発明の方法の第３実施形態の流れ図を示す。
【図６】本発明の方法の第４実施形態の流れ図を示す。
【図７】ＧＰＳハンドセットで時間を決定する装置の第１実施形態のブロック図を示す。
【図８】信号ＡおよびＢを相関させて出力信号Ｃを生成する方法を示す。
【図９】最大積分大きさが予測されたデータパターンの開始を指示する方法を示す。
【図１０】信号ＩＦ捕捉メモリを使用しない装置の第２実施形態のブロック図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
（発明の詳細な説明）
非同期ＧＰＳハンドセットで時刻を決定する低コストの方法を、外部受信機または独立した計時装置での通信リンクおよびデータ転送を必要とせずに実行する。ＧＰＳ衛星信号の予測可能な構造が、ハンドセットでの時刻決定を補助する。
【００２８】
５０ＢＰＳデータパターンまたはデータシーケンスが精密に分かり、時間の関数として精密に計算することができる（すなわち確定的）衛星同報通信データ（それぞれが６秒毎に反復する）は少なくとも３つのセグメントがある。これらの既知で予測可能なデータシーケンスまたはデータパターンを、複数のデータビットにわたって相関し、使用して、５０ＢＰＳデータメッセージの個々のビットを復調するにはＧＰＳ信号が弱すぎる場合でも、精密な時刻を決定することができる。
【００２９】
図１は、各ＧＰＳ衛星が６秒毎に伝送するＧＰＳデータワード１００を示す。ＧＰＳデータワード１００は、プリアンブル１０２、ＨＯＷワード１０５、およびサブフレームＩＤ１０６を含む。プリアンブル１０２は、各衛星で同じである所定の８ビット識別子を含み、同じパターンが６秒毎に反復する。また、以前のサブフレームからの直前の２ビットは常に同じ（００）であり、したがって衛星毎に常に合計１０ビットが同じである。この文書ではこれ以降、「プリアンブル」は、直前サブフレームの最後の２ビット（００）と現在のサブフレームの冒頭にある８ビットのシーケンスを有する１０ビットのシーケンスを含むものとする。プリアンブル１０２は、５０ＢＰＳデータレートに基づいて各衛星が伝送するのに２００ミリ秒かかる。ＨＯＷワード１０５は、次のサブフレームの第１ビットの週時刻を規定する１７ビット長のワードである。サブフレームＩＤ１０６は、５個の可能なサブフレームそれぞれの内容を規定する３ビットのフィールドである。ＨＯＷワード１０５は伝送に３４０ミリ秒かかり、サブフレームＩＤ１０６は伝送に６０ミリ秒かかる。
【００３０】
その結果、１０ビットのプリアンブル１０２は常に同じかつ既知であり、１７ビットのＨＯＷワード１０５および３ビットのサブフレームＩＤ１０６は、時刻の関数として予測可能である。新しいＨＯＷワード１０５およびサブフレームＩＤ１０６は、６秒の間隔でメッセージに現れるので、ハンドセットでローカル時間を３秒以内まで分かれば、サブフレーム毎に１７ビットのＨＯＷワード１０５および３ビットのサブフレームＩＤ１０６の精密なパターンが分かる。ハンドセットのローカル時間を３秒以内に維持することは、既にどのディジタルハンドセットの部品にもなっている低コストで低出力の実時間クロックの機能内で、容易に実行される。
【００３１】
５０ＢＰＳメッセージの各ビットは、１．０２３ＭＨｚで伝送される１０２３ビットスプレッディングゴールドコードとコヒーレントで、これ自体も精密な衛星クロックに対してコヒーレントである。ゴールドコードはデータビット毎に２０回反復し、各ゴールドコードビットの２０の発生を復号するのに約２０ミリ秒の期間を必要とする。
【００３２】
５０ＢＰＳメッセージ全体が衛星クロックと同期しているので、５０ＢＰＳメッセージの各ビットを衛星から伝送する時間は精密に制御されると共に既知であり、精密な時刻を指示するのに使用することができる。前述したように、ＧＰＳ地上制御セグメントは、各衛星の精密なクロックを数ナノ秒の正確さまで維持する（すなわち操作する）。その結果、プリアンブル１０２、ＨＯＷワード１０５、およびサブフレームＩＤ１０６の衛星からの伝送時間が精密に分かる。これらの既知または予測可能なデータビットパターンの受信時間を同期させると、信号の飛行時間（衛星と受信機間の伝搬遅延）および衛星クロック誤差を予測されるビットの受信時刻に加算することにより、ＧＰＳ衛星からＧＰＳ受信機へと精密な絶対ローカル時間を伝送することができる。伝搬遅延および衛星クロック誤差は、衛星の同報通信人工衛星軌道暦およびクロック補正データを知ることにより受信機で計算可能であり、距離測定値から位置を計算するために、これらのデータも必要である。
【００３３】
ＧＰＳデータワード１００の到着時刻を使用して、ＧＰＳハンドセット内で自由に動作する局所クロックを校正することができる。校正方法は、Ｋｉｎｇの米国特許第５，８９３，０４４号で教示され、これは引用により本明細書に組み込まれる。プリアンブル１０２および／またはＨＯＷワード１０５および／またはサブフレームＩＤ１０６の到着時間（ＴＯＡ）は、飛行中の衛星距離の測定時間の測定に使用するか、任意選択でメモリへの捕捉時間の測定に使用することができる。ＧＰＳ信号の捕捉および相関のオンザフライ（転送時）測定は、ＧＰＳ信号が強力である場合に使用することができ、ＧＰＳ信号の捕捉および相関のメモリ方法は、信号が弱いか不確実である場合に使用することができる。
【００３４】
メモリを使用する場合、メモリは、いずれか１つまたは全てのデータセグメントを含むのに必要なメモリより大きいことが好ましい。捕捉時間は、本発明の技術により、またはＫｉｎｇの米国特許第５，８９３，０４４号によって教示された技術により、またはネットワークからハンドセットに送信されたパルスまたはメッセージなど、他の粗い時間基準を使用することにより、周期的に再校正した自由作動の局所実時間クロックで制御することが好ましい。重要なのは、捕捉間隔開始時間が、１つのサブフレームデータパターンの開始を他と区別することができるのに十分な正確さ、またはせいぜい３秒の誤差であることである。データセグメントをメモリ（予備相関のためのＩＦメモリまたは相関後メモリ）に捕捉したら、データセグメントの精密な到着時間を直接測定し、したがってデータ捕捉時間を、したがってレンジ測定時間を確立することができる。これは、既存のＧＳＭ（登録商標）セルラー装置のハードウェアを広範に改造したり、既存の通信ネットワークに追加の構成要素を追加したり、特殊なネットワークメッセージを送信したりする必要なく実行することができる。
【００３５】
ＧＰＳ受信機またはハンドセットは独自の内部クロックを有することができる。しかし、この内部クロックは、ＧＰＳ信号データの到着時間を正確に追跡するのに必要な正確さを有しなくてもよい。代わりに、内部クロックは、ＧＰＳデータメッセージ１００の到着時間を抽出し、測定した到着時間を使用して内部クロックを周期的に再校正することにより、周期的に再校正することができる。最悪のケースでは、ＧＰＳハンドセットの局所実時間クロックが、約５０ＰＰＭの誤差を有する３２ｋＨｚの発振器を使用できることが予想され、１日に約２回の再校正が必要となる（１秒の正確さドリフト）。
【００３６】
言うまでもなく、ハンドセットの局所実時間クロックが変動するにつれ、ＧＰＳデータメッセージ１００の測定された到着時間は変動するが、局所実時間クロック（この変化時間レートもＧＰＳによって校正することができる）の変動が比較的少ないので、測定した到着時間を使用して、局所実時間クロックの再校正に有用なオフセットを決定することができる。例えば、図１では、以前のサブフレームおよび現在のサブフレームを示す縦線は、ＧＰＳハンドセットがＧＰＳデータメッセージ１００の開始を予測する場所を示すことができる。したがって、実際の開始時間とＧＰＳハンドセットが開始を予測する時間との差を測定すると、ＧＰＳハンドセットのクロック時間および変化時間レートの再校正に使用できる時間オフセットが得られる。
【００３７】
局所実時間クロックが校正されていない場合は、探索プロセスを使用してセグメントをサンプリングし、既知のデータパターンまたはシーケンスに対してこれを検査し、次に検査間隔を別のセグメント長にスライドさせて、所望の既知のデータパターンまたはシーケンスが発見されるまで反復する。
【００３８】
図２Ａ〜図２Ｂは、データセグメントを捕捉するための１秒の捕捉時間枠２００の使用を示す。入りＧＰＳ信号は、この実施形態では１秒の期間、捕捉される。所望に応じて他の捕捉時間枠を使用してもよい。図２Ａでは、（クロックドリフトのために）ＧＰＳハンドセットの予測開始時間より前にプリアンブル１０２が到着する。しかし、捕捉時間枠２００のサイズのため、プリアンブル１０２全体が捕捉され、記憶される。プリアンブルの予測される開始時間の前および後のＧＰＳデータが捕捉されるように１秒の捕捉時間枠が好ましい。したがって、捕捉されたデータを検査して、いつプリアンブルが開始したか正確に求めることができる。
【００３９】
図２Ｂでは、プリアンブル１０２が予測開始時間より後に到着する。１秒の捕捉時間枠２００を使用することにより、局所ハンドセットクロックは、多数のビットをオフしてもよく、それでもプリアンブル１０２全体をなお捕捉することができる。
【００４０】
図３は、ＧＰＳハンドセットの時刻を決定する方法の第１実施形態の流れ図３００を示す。ステップ３０４で、ＧＰＳデータを所定の期間だけ捕捉する。好ましい実施形態では、ＧＰＳデータは、図２Ａおよび図２Ｂで示すように、約１秒間捕捉されるが、他の期間を使用してもよい。開始時間および捕捉事象の継続時間は、局所実時間クロックによって制御される。局所実時間クロックは予め（本明細書で説明する方法、または従来のＧＰＳ信号処理技術によって）校正され、ドリフトしてもよい。
【００４１】
局所実時間クロックの正確さは、例えば、ハンドセット基準発振器などの駆動発振器の安定性に基づいて決まる。ＧＳＭ（登録商標）およびＣＤＭＡハンドセットでは、ハンドセット基準発振器は通常、約０．０５ＰＰＭの安定性を有する（すなわち、発振器は１００，０００，０００回振動する毎に約±５回変動する）。局所実時間クロックは、単純な３２ＫＨｚの自由作動発振器で駆動してもよい。
【００４２】
ステップ３０８では、確定的特徴または所定の特徴（例えば、プリアンブル、ＨＯＷワード、サブフレームＩＤのコードレプリカなど）を有する予測データパターンを捕捉データに配置する。好ましい実施形態では、これは図１に示すプリアンブル１０２である。しかし、ＨＯＷワード１０５のように、確定的特徴または所定の特徴を有する他の予測データパターンを使用してもよい。
【００４３】
ステップ３１１では、捕捉開始時間から予測されたデータパターンまたはデータシーケンスの到着時間までの時間オフセットを決定する。ステップ３１５では、衛星から受信機への信号の伝搬遅延および衛星オフセットクロック補正を適用し、精密なローカル時間の測定値を生成する。この時間オフセットを使用して、ＧＰＳハンドセットのクロックを再校正し、さらに衛星レンジ測定の時間スタンピングのベースにすることができる。
【００４４】
図４は、ＧＰＳハンドセットで時間を決定する方法の第２実施形態の流れ図４００を示す。流れ図４００は、進行中に方法を実行する点のみが、第１の実施形態の流れ図３００と異なる。したがって、ステップ４０４では、ステップ３０４のようにＧＰＳデータをただ捕捉するのではなく、方法は相関後コヒーレントＧＰＳデータを捕捉する。ステップ４０８はステップ３０８と等しく、ステップ４１１はステップ３１１と等しい。
【００４５】
流れ図３００または流れ図４００のいずれかを使用してもよいことを理解されたい。実時間オンザフライ方法が好ましいが、代わりにＧＰＳ信号をメモリに記憶してから、処理してもよい。メモリは一般に、受信機が相関ロックを喪失し、したがって信号の受信時に実時間でそれをもはや相関できない場合に使用する。これは、信号受信を改善または維持したり、受信信号の強度を改善したり、電力消費量を削減したり、計算負荷を長時間分配したりするために実行することができる。
【００４６】
図５は、ＧＰＳハンドセットで時間を決定する方法の第３実施形態の流れ図５００を示す。ステップ５０１では、受信したＧＰＳメッセージを中間周波数に逓減する。これは当該技術分野で一般に知られ、データ処理および取扱いをさらに容易にするために実行される。
【００４７】
ステップ５０４では、中間周波数をサンプリングし、複数のディジタルサンプルを取得する。サンプリングは、通常、例えば、１秒などの所定の期間にわたって実行され、その結果、好ましい実施形態では２００のサンプルが生成される。
【００４８】
ステップ５０７では、ディジタルＩＦサンプルを記憶する。好ましい実施形態では、これは、例えば、ランダムアクセスメモリなどの一般的メモリに記憶される。しかし、ディジタルＩＦサンプルは任意のタイプのディジタル記憶装置に記憶することができる。
【００４９】
ステップ５１０では、データを受信した可視衛星毎にコード位相を決定する。ステップ５１２では、各可視衛星で受信したデータで、ドップラー（または周波数）シフトを決定する。ＧＰＳシステムは、地球の周囲の軌道に分布した２４の衛星を使用し、一般に、少なくとも４つの衛星が、空の見通しがよい状態で地上の任意の点から見える。
【００５０】
ステップ５１７では、処理のために最も強い信号を選択する。方法は、ＧＰＳ信号の受信が比較的不良である期間中に正確な時間を決定するよう設計されるので、最強の信号を選択すると、最も確実であり、成功の可能性も最大になる。時間決定に必要な最小数の信号を処理するだけで計算時間、およびその結果としての電力消費量が減少され、その信号は１つの衛星の信号である。言うまでもなく、正確な時間を決定するのに、最強の信号が絶対的に必要なわけではない。追加的に（しかし次善的に）、受信機で複数の信号を処理して、時間を決定することができる。
【００５１】
ステップ５２２では、相関後コヒーレント信号の同相特徴を測定し、記憶する。ステップ５２７では、相関後コヒーレント信号の直交特徴を測定し、記憶する。ステップ５２２および５２７は同時に実行することが好ましい。
【００５２】
ステップ５３１では、ステップ５２２および５２７で決定した同相および直交特徴を、予測されるデータパターンとコヒーレントに相関させる。好ましい実施形態では、これはプリアンブル１０２、ＨＯＷワード１０５および／またはサブフレームＩＤ１０６である。実際には、ステップ５３１は受信信号の同相および直交特徴を予測されるデータパターンと比較して、受信データのシーケンスにおいて予測されるデータパターンがいつ開始するか決定する。
【００５３】
ステップ５３４では、相関最大値から時間オフセットを決定する。ステップ５３１の相関はピーク（図９に見ることができる）を生成し、このピークは最大相関点、すなわち入りデータが予測されるデータパターンと一致する点である。したがって、データ捕捉開始からピークまでの時間が、予測されるデータパターンの開始が生じる時間オフセットを与える。
【００５４】
ステップ５３８では、ステップ５３４で決定した時間オフセット、選択された衛星のコード位相および位置、衛星に対応するクロック補正（任意のＧＰＳ受信機の標準）、特定のＧＰＳデータセグメントの既知の到着時間（プリアンブル１０２、ＨＯＷワード１０５および／またはサブフレームＩＤ１０６）、およびハンドセットの地理的位置から捕捉時間を決定する。ハンドセットの位置は、初期推測からの反復によって計算することができ、初期推測は、例えば、最寄りのセルラー基地局の位置である（各セルラー基地局は既知の緯度と経度を有する）。このデータは、時間オフセットを決定するのに十分である。次に、時間オフセットを使用してハンドセットの実時間クロックを再校正し、ＧＰＳ衛星システムとの時間同期を維持することができる。
【００５５】
図６は、ＧＰＳハンドセットで時間を決定する方法の第４実施形態の流れ図６００を示す。流れ図６００は、ステップ６０７で流れ図６００がＧＰＳサンプルを各可視衛星の疑似ランダムノイズ（ＰＲＮ）コード（すなわち各衛星の一意の識別子で、ゴールドコードとしても知られる）および各可視衛星のドップラー特徴と非コヒーレントに相関させる点で、第３実施形態の流れ図５００と異なる。図６に示す他のステップは、図５の対応するステップと同じである。図４の方法と同様、図６の方法はオンザフライの時間オフセット決定であり、ディジタルＩＦメモリを必要としない。
【００５６】
流れ図５００または流れ図６００のいずれを使用してもよいことを理解されたい。実時間のオンザフライ方法が好ましいが、代替的にＧＰＳ信号をメモリに記憶してから、処理してもよい。メモリは一般に、受信機が相関ロックを喪失し、したがって信号の受信時に実時間でそれをもはや相関できない場合に使用する。これは、信号受信を改善または維持したり、受信信号の強度を改善したり、電力消費量を削減したり、長時間にわたって処理を延長したりするために実行することができる。
【００５７】
図７は、ＧＰＳハンドセットで時間を決定する装置７００の第１実施形態のブロック図を示す。装置７００は、アンテナ７０４、ＧＰＳダウンコンバータ７０９、アナログ−ディジタル変換器（ＡＤＣ）７１１、相関前ディジタルＩＦスイッチ７１３、局所実時間クロック７１５、ディジタルＩＦメモリ７２１、取得補助データ７２４、非コヒーレントＧＰＳ相関器７２６、コヒーレントＧＰＳ相関器７２９、相関後コヒーレントメモリ記憶スイッチ７３２、サンプルメモリ７３５、クリーンアップミキサ７３８、相関器７４２、予め記憶された予測データパターン７４４、時間拡張器７４８、時間遅延７５０、コヒーレント積分器７５４、大きさ決定器７５７、大きさ対遅延メモリ７６２、および最大積分大きさ決定器７６６を含む。
【００５８】
アンテナ７０４は、ＧＰＳ信号を受信し、これをＧＰＳダウンコンバータ７０９に送る。ＧＰＳダウンコンバータ７０９はＧＰＳデータ信号を中間周波数（ＩＦ）に変換し、これをＡＤＣ７１１に送る。ＡＤＣ７１１はＩＦデータをディジタルＩＦデータに変換し、ディジタルＩＦデータをディジタルＩＦスイッチ７１３に送る。ディジタルＩＦスイッチ７１３は、局所実時間クロック７１５の制御下で、ディジタルＩＦデータを周期的にサンプリングし、周期的サンプル（相関前）はディジタルＩＦメモリ７２１に記憶される。
【００５９】
標的ビットがＮミリ秒長のメモリに適切に捕捉されるのを保証するため、実時間クロック７１５の正確さは（Ｎ−Ｍ）／２ミリ秒以内に維持しなければならない。好ましい実施形態ではＮが１秒、Ｍが２００ミリ秒であるとすると、クロックは約±２００ミリ秒もドリフトすることができ、それでも標的データシーケンスの捕捉に有用である。
【００６０】
しかしながら、局所実時間クロック７１５は周期的に再校正しなければならない。再校正は、幾つかの方法で実施することができる。例えば、１）各ＧＰＳ位置決め要求で本明細書に記載した方法を適用するか、２）実時間クロック７１５が所定の許容不能な量ドリフトするよう予想される場合は、自動的に再校正するか、３）ハンドセットから空の見晴らしがよい場合は、直接ＧＰＳ信号から従来通のＧＰＳが時間を抽出することができるか、４）ハンドセットが充電などの遠隔動力を有している場合は、従来のＧＰＳ信号検出器から時間を取得し、可能な場合はＧＰＳ信号から時間を直接取得するか、５）カーキットに内蔵された埋め込み式ＧＰＳセンサから、または、例えば、ブルートゥースなどの無線インタフェースを介して車両自体から、カーキットからハンドセットへ時間を転送するか、６）非同期ネットワークを通して粗い時間を伝送する。
【００６１】
非コヒーレントＧＰＳ相関器７２６は、受信してディジタルＩＦメモリ７２１に記憶されるＧＰＳ衛星信号のコード位相特徴、ドップラー特徴、および信号強度を決定する。ハードウェアはこのポイントまで複数のＧＰＳ衛星信号を受信することができ、ディジタルＩＦメモリ７２１に記憶されたディジタルＩＦデータは、幾つかの衛星信号のデータを含むことを理解されたい。前述したように、任意の時刻にＧＰＳハンドセットの視野には最少でも４つのＧＰＳ衛星があり、場合によってはそれ以上ある。したがって、少なくとも４つのＧＰＳデータ信号が存在する。
【００６２】
非コヒーレントＧＰＳ相関器７２６は、取得補助データ７２４からの情報も受信し、これは既知および予測される衛星位置などの衛星の配置を含む。この取得補助データ７２４によって、非コヒーレントＧＰＳ相関器７２６は衛星信号を区別し、検出可能な各衛星信号のコード位相（０から１ミリ秒の時間オフセット）およびドップラー周波数（±４ＫＨｚ）を決定することができる。
【００６３】
非コヒーレントＧＰＳ相関器７２６は、時間領域の相関器でよく、相関器は連続する出力を１ミリ秒までコヒーレントに合計する。このような相関器の例が、Ｋｅｎｎｅｄｙの米国特許第５，１４８，４５２で示され、これは引用により本明細書に組み込まれる。代替的に、非コヒーレントＧＰＳ相関器７２６は、Ｋｒａｓｎｅｒの米国特許第５，６６３，７３４号、またはＭａその他の米国特許第４，９９８，１１１号で開示されているような周波数領域の相関器でもよく、それらは両方とも引用により本明細書に組み込まれる。非コヒーレント相関器は、５０ＢＰＳデータパターンを知る必要がなく、従来のＧＰＳ信号処理技術が失敗する環境で、信号のコード位相およびドップラーシフトを抽出できることに留意することが重要である。また、非コヒーレントＧＰＳ相関器７２６は、専用のハードウェアで実装するか、プログラム可能なディジタル信号プロセッサにコード化したソフトウェアによって生成することができる。
【００６４】
コヒーレントＧＰＳ相関器７２９は、同様にディジタルＩＦメモリ７２１に接続され、非コヒーレントＧＰＳ相関器７２６にも接続される。ディジタルＩＦメモリ７２１からのデータが（単チャネル）コヒーレントＧＰＳ相関器７２９に供給され、コヒーレントＧＰＳ相関器７２９は、所定のコード位相およびドップラーで信号の１ミリ秒同相および直交測定を実行する。コヒーレントＧＰＳ相関器７２９は単チャネル相関器であり、非コヒーレントＧＰＳ相関器７２６から受信した最強ＧＰＳデータ信号の同相および直交測定値を生成する。この時点で、最強のＧＰＳ信号は選択されており、時間決定の取得の信頼性および可能性を向上させるために、この時点から使用される。非コヒーレントＧＰＳ相関器７２６およびコヒーレント相関器７２９は、２つの異なるモードで使用される同じ１つの相関器でもよいことに留意することが重要である。
【００６５】
非コヒーレントＧＰＳ相関器７２６と同様、コヒーレントＧＰＳ相関器７２９も専用のハードウェアで実装するか、プログラム可能なディジタル信号プロセッサにコード化したソフトウェアによって生成することができる。
【００６６】
コヒーレントＧＰＳ相関器７２９には、相関後メモリ記憶スイッチ７３２が接続され、これはサンプルメモリ７３５に接続されて、サンプルメモリ７３５に記憶される同相および直交測定サンプルワードを生成する。メモリ記憶スイッチ７３２は、好ましい実施形態では１ミリ秒のサンプルを採取し、ディジタルＩＦメモリ７２１に記憶されたＮミリ秒のデータに対応する同相および直交測定値のＮワードの複素数データを生成する。１ミリ秒のサンプルは拡散が防止されており（ＧＰＳ信号は拡散スペクトル信号である）、ほぼゼロのドップラーであり、したがってサンプルワードに残っている唯一の信号は５０ＢＰＳデータパターン（およびノイズ）である。
【００６７】
サンプルメモリ７３５にはクリーンアップミキサ７３８が接続され、これは記憶された同相および直交測定値から残りのドップラー特徴を除去する（サンプルメモリ７３５は、サンプルから全て、またはほとんど全てのドップラーを除去した同相および直交測定値を含む）。これは、相関後サンプルがメモリに既に記憶され、再生することができるので、複数の技術を使用し、反復的な方法で実施することができる。例えば、１つの方法は、大きさ対遅延メモリ７６２のピーク信号を最大にするドップラーワイプオフ周波数を見出すようにサンプルメモリ７３５に記憶された完全なサンプルセットから複数の相関で残りのドップラーワイプオフ周波数の反復的ステッピングを実行する。これを最善に実行するため、コヒーレント相関器７２９のドップラー信号の大部分をワイプオフするのに使用する推定ドップラー周波数は、サンプルメモリ７３５に充填する間、一定に維持するとよい。このようにして、一定の残りのドップラーワイプオフ周波数を使用することができるか、あるいは動力学を受ける受信機の場合は、チャープのある（一定でなく、一定速度の周波数変化で変化する）残りのドップラーワイプオフ周波数も、反復的試行の一部として試みることができる。
【００６８】
相関器７４２はクリーンアップミキサ７３８および予想データパターン７４４に接続される。相関器７４２は、予想データパターン７４４に同相および直交測定値を相関させる。
【００６９】
好ましい実施形態では、予想データパターン７４４はＧＰＳデータメッセージ１００のプリアンブル１０２、ＨＯＷワード１０５および／またはサブフレームＩＤ１０６である。予想データパターン７４４は時間拡張器７４８に接続され、これは各ビットの継続時間を１ミリ秒から２０ミリ秒に拡張し、時間拡張器７４８はさらに遅延器７５０に接続される。遅延器７５０は相関器７４２に接続される。したがって、予想される５０ＢＰＳデータパターンは、サンプルメモリ７３５に記憶されたサンプルワードの長さに一致するため、２００ミリ秒の長さのデータパターンに変換される（プリアンブル１０２の場合）。相関器７４２は、受信して記憶したデータをこの予測データパターンとコヒーレントに相関させ、データパターンに相関がある場合は最高値を生成する。これが図８に図示され、ここで信号ＡおよびＢは相関して、出力信号Ｃを生成する。したがって、信号Ｃは信号ＡおよびＢが同じ値を有する場合はディジタルの１を含み、信号ＡとＢが異なる場合はディジタルのゼロを含む。これは、ハードウェアの排他的ＯＲゲート、またはこのメモリに記憶されたマイクロプロセッサのアルゴリズムによって実行することができる。
【００７０】
コヒーレント積分器７５４は相関器７４２に接続され、相関出力を積分して積分出力を生成する。Ｎ−Ｍ遅延コヒーレント積分を実行する作業の多くは、マイクロプロセッサまたは専用ハードウェアに記憶された再帰的アルゴリズムにより実行することができるので、必要な作業数が大幅に減少することに留意されたい。また、乗算演算は全て＋１または−１で実行されるので、計算が大幅に単純になる。
【００７１】
コヒーレント積分器７５４には大きさ決定器７５７が接続され、積分結果の大きさを検出する。大きさ決定器７５７からの複数の積分大きさが、大きさ対遅延メモリ７６２に記憶される。好ましい実施形態では、Ｎ−Ｍ大きさ値の合計が生成され、大きさ対遅延メモリ７６２に記憶される。パラメータＮは、サンプルメモリ７３５のワードのサイズであり、ＮはディジタルＩＦメモリ７２１に捕捉されたデータのミリ秒数を反映する。ディジタルＩＦメモリが１秒のデータ（すなわち、１０００個のサンプル）を含む場合、パラメータＮは１，０００である。パラメータＭは既知のデータパターンの長さである。プリアンブル１０２を捕捉する場合、パラメータＭは２００ミリ秒の長さである。同様に、ＨＯＷワード１０５では、パラメータＭは３４０ミリ秒の長さである。積分大きさの数は、ＡＤＣ７１１の後に捕捉された元のＩＦデータ内のサンプル数に対応する。
【００７２】
次に、最大積分大きさ決定器７６６が大きさ対遅延メモリ７６２に記憶されたデータを使用して、最大積分結果が達成されるポイントを決定する。これは図９に図示され、ここで最大積分大きさは予測データパターンの冒頭を指示する。信号捕捉開始時（時間ゼロポイント）と最大積分大きさ測定時間（ピーク）との間の時間オフセットが、求める時間オフセットである。次に、時間オフセットを（選択された衛星のコード位相および位置、および対応する衛星クロック補正とともに）使用して、図５のステップ５３８および図６のステップ６３８との関連で上述したように、実際の（ローカル）時間を決定し、ハンドセットの実時間クロックを再校正することができる。
【００７３】
同様の方法で、図１０に示すようなＧＰＳハンドセットで時間を決定する装置の第２実施形態を使用する。ここでは図７に示したようなディジタルＩＦサンプルメモリ７２１およびＩＦスイッチ７１３は削除されている。図１０を参照すると、ローカル実時間クロック１０１５が、サンプルメモリ１０３５に記憶された相関後同相および直交サンプルの捕捉時間スイッチ１０３２を直接制御する。残りの装置は、図７に関して述べたものと同じである。したがって、装置１０００は、時間オフセットを決定するため、ＧＰＳ信号を進行中に処理するよう設計される。
【００７４】
要素７３２〜７６６および要素１０３２〜１０６６は、全て、制御マイクロプロセッサ上で実行するソフトウェアアルゴリズムで好ましく実行でき、したがって追加のハードウェアを必要としない。
【００７５】
好ましい実施形態について以上で詳細に説明してきたが、本発明は記載されたような特定の実施形態に制限されるものではない。本発明の概念から逸脱することなく、当業者には本明細書で記載した特定の実施形態を多様に使用し、改造し、逸脱できることが明白である。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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