(57)【要約】  衛星信号受信機の位置を特定する方法および装置が説明される。１つの例において、複数の衛星に対する衛星信号受信機の距離を推定する疑似距離が取得される。最初の時点で、疑似距離を使用して絶対時間および位置が計算される。次に後続の時点で、他の位置を計算するため絶対時間が使用される。他の例において、衛星信号受信機に関連づけられた複数の状態が推定される。ここで、複数の状態は時間タグ誤差状態を含む。次に、複数の状態を関連づけるダイナミックモデルが形成される。ダイナミックモデルは、衛星信号受信機の位置を計算するように動作する。【選択図】  図１
2007501417.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
衛星信号受信機の位置を特定する方法であって、
複数の衛星に対する衛星信号受信機の距離を推定する疑似距離を取得するステップと、
最初の時点で、疑似距離を使用して絶対時間および位置を計算するステップと、
後続の時点で、絶対時間を使用して他の位置を計算するステップと、
を備える方法。
【請求項２】
計算するステップが、
時間および位置の演繹的推定を取得する工程と、
時間および位置の演繹的推定を更新する数学モデルを使用して、位置および受信絶対時間を計算する工程と、
を備える、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
絶対時間が、所定の正確度へ計算されている絶対時間に応答して、他の位置を計算するように使用される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
更に、取得された疑似距離の数、複数の衛星信号へ関連づけられた劣化または精度値、複数の衛星信号の信号対雑音比、および帰納的疑似距離剰余の少なくとも１つから所定の正確度を引き出すステップを備える、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
更に、最初の時点と後続の時点との間のそれぞれの複数の時点で、疑似距離を使用して複数の時間タグ誤差を計算するステップと、
複数の時間タグ誤差を平均して絶対時間を生成するステップと、
を備える、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
他の位置が、標準全世界測位システムの計算を使用して計算され、絶対時間が、標準全世界測位システムの計算で既知の値として使用される、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
他の位置が、時間および位置の演繹的推定を更新する数学モデルを使用して計算され、絶対時間が、数学モデル内の追加の測定値として使用される、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
更に、無線通信システムを使用してサーバへ疑似距離を送るステップを備え、絶対時間、位置、および他の位置がサーバを使用して計算される、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
絶対時間、位置、および他の位置が、衛星信号受信機の中で計算される、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
衛星信号受信機に関連づけられた複数の状態を推定し、複数の状態が時間タグ誤差状態を含むステップと、
複数の状態を関連づけるダイナミックモデルを形成し、ダイナミックモデルが衛星信号受信機の位置を計算するように動作するステップと
を備える方法。
【請求項１１】
複数の状態が、更に、コモンモード誤差に関連した状態および衛星信号受信機の位置に関連した少なくとも１つの状態を含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
更に、複数の衛星に対する衛星信号受信機の距離を推定する疑似距離を取得するステップと、
疑似距離を使用してダイナミックモデル内の複数の状態を更新するステップと、
ダイナミックモデルを使用して衛星信号受信機の位置を計算するステップと
を備える、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
ダイナミックモデルがシーケンシャルエスティメータの中で形成される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
更に、週時刻情報を取得するステップと、
週時刻情報を使用して、ダイナミックモデル内の時間タグ誤差状態について既知の値を推定するステップと、
を備える、請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
更に、複数の衛星から送信された天体暦データから週時刻情報を復号するステップを備える、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
更に、週時刻情報を取得するステップと、
週時刻情報に応答してダイナミックモデルから時間タグ誤差状態を取り除くステップと、
を備える、請求項１０に記載の方法。
【請求項１７】
更に、複数の衛星から送信された天体暦データから週時刻情報を復号するステップを備える、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
衛星信号受信機の位置を計算するシステムであって、
衛星信号受信機および無線トランシーバを備える移動デバイスと、
移動デバイスと無線通信するサーバと、
を備え、
衛星信号受信機が、複数の衛星に対する衛星信号受信機の距離を推定する疑似距離を提供し、無線トランシーバが疑似距離をサーバへ送信し、
サーバが、最初の時点で疑似距離を使用して絶対時間および衛星信号受信機の位置を計算し、後続の時点で絶対時間を使用して衛星信号受信機の他の位置を計算するようになっている、システム。
【請求項１９】
衛星信号受信機および無線トランシーバを備える移動デバイスと、
移動デバイスと無線通信するサーバと
を備え、
衛星信号受信機が、複数の衛星に対する衛星信号受信機の距離を推定する疑似距離を提供し、無線トランシーバが疑似距離をサーバへ送信するようになっており、
サーバが、衛星信号受信機に関連づけられた複数の状態を有するシーケンシャルエスティメータを含み、複数の状態が時間タグ誤差状態を含む、システム。
【請求項２０】
シーケンシャルエスティメータがカルマンフィルタである、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２１】
複数の衛星に対する移動デバイスの距離を推定する疑似距離を提供する衛星信号受信機と、
衛星信号受信機に関連づけられた複数の状態を有するシーケンシャルエスティメータであって、複数の状態が時間タグ誤差状態を含むシーケンシャルエスティメータと、
を備える移動デバイス。
【請求項２２】
シーケンシャルエスティメータがカルマンフィルタである、請求項２１に記載の移動デバイス。
【発明の詳細な説明】
【発明の分野】
【０００１】
[0001]本発明は、衛星をベースとした位置の特定に関する。更に具体的には、本発明は、全世界測位システム（ＧＰＳ）信号の時間解放処理方法および装置に関する。
【関連技術の説明】
【０００２】
[0002]全世界測位システム（ＧＰＳ）受信機は、通常、衛星から送信され地表上または地表近くの受信機によって受信された信号の送信および受信間の時間遅延を計算することによって、受信機の位置を決定する。時間遅延に光速を乗じたものは、受信機から、受信機によって観察される衛星の各々への距離を提供する。ＧＰＳ衛星は、いわゆる「天体暦」データと呼ばれる衛星位置データを受信機へ送信する。天体暦データに加えて、衛星は、衛星信号に関連づけられた絶対時間情報を受信機へ送信する。即ち、絶対時間信号は、週信号の援助として送られる。この絶対時間信号によって、受信機は、いつ各々の受信信号が各々の衛星によって送信されたかの時間タグを明白に決定することができる。各々の信号の正確な送信時間を知ることによって、受信機は、天体暦データを使用し、各々の衛星が信号を送信したときの衛星位置を計算する。最後に、受信機は衛星位置の知識および衛星への計算距離を組み合わせて受信機位置を計算する。
【０００３】
[0003]多数の衛星について、ＧＰＳ信号をサーチおよび捕捉し、絶対時間を含む天体暦および関連データを読み取るプロセスは、時間を消費し、受信機位置の計算に許容されない遅延を導入する。更に、多くの場合、衛星信号の閉塞が存在するかも知れない。これらの場合、受信信号のレベルが低すぎて、誤差なしに衛星データを復調および誘導することはできない。しかし、これらの劣化信号状況において、天体暦および絶対時間の外部源を利用できれば、受信機は衛星信号を追跡し、時間遅延（したがって距離）を測定することができる。
【０００４】
[0004]天体暦（または同等の）データおよび絶対時間情報の外部源から成る「ＧＰＳエイド」を提供するため、幾つかの革新が行われた。エイド情報は、或る代替形式の通信（通常、無線、例えばセルラデータ通信路）を使用してＧＰＳ受信機へ送信される。ＧＰＳエイドの使用のおかげで、ＧＰＳ受信機は、従来のＧＰＳが適切に機能するには低すぎる信号レベル区域で動作することができる。
【０００５】
[0005]これまで発明された全てのＧＰＳエイドは、衛星位置を正確に決定できるように、絶対時間の正確な外部知識を必要とする。絶対時間は、１ミリ秒から１０ミリ秒の間の正確度を要求される。残念ながら、ＧＰＳ受信機でこの正確度までの絶対時間を容易に取得できない場合、ＧＰＳエイドの実現形態が望まれる。例えば、ＡＭＰＳ携帯電話システムは、時間情報をサポートせず、（現在のところ）北アメリカＴＤＭＡ携帯電話システムもサポートしていない。ＧＳＭ携帯電話システムはタイミング情報をサポートするが、異なった地理的領域では異なった時間参照を有する。これらの状況において、絶対時間を知ることなく、ＧＰＳ受信機位置を計算する方法の提供が望まれる。
【０００６】
[0006]更に具体的には、全世界測位システム（ＧＰＳ）受信機は、軌道を回るＧＰＳ衛星から送信されて一意の疑似ランダム雑音（ＰＮ）コードを含むＧＰＳ信号を受信する。ＧＰＳ受信機は、受信ＰＮコード信号シーケンスと内部生成ＰＮ信号シーケンスの間の時間シフトを比較することによって、信号の送信および受信間の時間遅延を決定する。
【０００７】
[0007]各々の送信ＧＰＳ信号は、直接シーケンス拡散スペクトル信号である。商用に利用される信号は、標準位置サービスによって提供される。これらの信号は、１５７５．４２ＭＨｚ（Ｌ１周波数）の搬送波上で１，０２３ＭＨｚ拡散レートを有する直接シーケンス拡散信号を利用する。各々の衛星は、特定の衛星を識別する一意のＰＮコード（Ｃ／Ａコードとして知られる）を送信し、１つの信号が他の信号によってほとんど干渉されることなく、幾つかの衛星から同時に送信された信号が受信機によって同時に受信できるようにする。ＰＮコードシーケンス長は、１ミリ秒時間周期に対応する１０２３チップである。１０２３チップの１サイクルはＰＮフレームと呼ばれる。各々の受信ＧＰＳ信号は、１０２３チップの１．０２３ＭＨｚ反復ＰＮパターンから構成される。非常に低い信号レベルにおいて、ＰＮパターンは依然として観察され、多くのＰＮフレームを処理および不可欠的に平均することによって、明白な時間遅延測定値を提供する。これらの測定された時間遅延は、「サブミリ秒疑似距離」と呼ばれる。なぜなら、それらは１ミリ秒ＰＮフレーム境界の法として知られるからである。一度、各々の衛星への各々の遅延に関連づけられたミリ秒の整数を解くことによって絶対時間遅延を計算することができれば、明白な真の疑似距離が得られる。明白な疑似距離を解くプロセスは、「整数ミリ秒あいまい解法」として既知である。
【０００８】
[0008]４つの疑似距離の集合、およびＧＰＳ信号の送信絶対時間およびそれら絶対時間における衛星位置の知識は、ＧＰＳ受信機の位置を解くのに十分である。送信絶対時間は、ナビゲーションメッセージ内で衛星からブロードキャストされる。ナビゲーションメッセージは、低い５０Ｈｚデータレートで１．０２３ＭＨｚのＰＮコード上に重ねられる。この５０Ｈｚ信号は、ＰＮフレームの開始部と整列したビット境界を有する２相位相変調（ＢＰＳＫ）データストリームである。データビット周期（２０ミリ秒）当たりに、正確に２０のＰＮフレームが存在する。５０Ｈｚ信号は、ＧＰＳ衛星軌道、衛星クロック補正、週時刻情報、および他のシステムパラメータを記述するデータビットを含む。
【０００９】
[0009]衛星送信に関連づけられた絶対時間は、ＧＰＳ信号のナビゲーションメッセージ内の週時刻（ＴＯＷ）データを読み取ることによって、通常のＧＰＳ受信機で決定される。時刻決定の標準方法において、通常のＧＰＳ受信機は５０ボーデータストリームを復号および同期する。５０ボー信号は複数の３０ビット語へ配列され、これらの語は、３００ビットの長さおよび６秒の持続時間を有する１０語のサブフレームへグループ化される。５つのサブフレームは、１５００ビットのフレームおよび３０秒の持続時間を備え、２５のフレームは１２．５分の持続時間を有するスーパーフレームを備える。スーパーフレームは完全なナビゲーションメッセージを含む。６秒ごとに起こるデータビットサブフレームは、ＴＯＷを６秒の解へ提供するビットを含む。５０ボーデータストリームはＣ／Ａコード遷移と整列し、データビットエッジの到着時間（２０ｍｓの時間間隔）は、送信絶対時間を最も近い２０ミリ秒へ解く。ビット境界への精度同期化は、送信絶対時間を１ミリ秒以下へ解くことができる。
【００１０】
[0010]衛星信号に関連づけられた絶対時間は、ＧＰＳ時間へ較正された外部タイミング源を有し、この時間を使用して衛星信号受信時の正確な時間タグを提供することによって、無線支援ＧＰＳ受信機で決定される。受信時間から疑似距離をマイナスしたものは、各々の衛星の送信絶対時間を与える（時間単位で表された疑似距離は、送信／受信時間遅延を反映する）。
【００１１】
[0011]送信絶対時間は、送信時の衛星位置を決定し、したがってＧＰＳ受信機の位置を決定するために必要である。ＧＰＳ衛星は約３．９ｋｍ／ｓで移動し、したがって地球から観察された衛星の距離は最高±８００ｍ／ｓのレートで変化する。絶対タイミング誤差はタイミング誤差の各々のミリ秒について０．８ｍまでの距離誤差を生じる。これらの距離誤差はＧＰＳ受信機位置の類似サイズの誤差を生成する。したがって、１０ｍｓの絶対時間正確度は約１０ｍの位置正確度に十分である。１０ｍｓよりもはるかに大きい絶対タイミング誤差は大きな位置誤差を生じ、したがって典型的なＧＰＳ受信機は、絶対時間が約１０ミリ秒の正確度またはそれより良好であることを要求している。
【００１２】
[0012]注意すべきは、絶対タイミング誤差は、更に、ＧＰＳ衛星クロックドリフトの結果として誤差を導入することである。しかし、これらの誤差は衛星位置誤差よりもはるかに小さいので、この説明の目的からは無視することができる（ＧＰＳクロックドリフトは、典型的には１秒当たり０．１ナノ秒よりも小さく、衛星までの観察距離は、光速を乗じられたＧＰＳクロックドリフトによって影響される。この誤差は０．０３ｍ／ｓよりも小さく、衛星位置の変化によって生じる誤差よりも約２５，０００倍も小さい）。
【００１３】
[0013]ＧＰＳ位置特定に密接に関連づけられた他の時間パラメータが存在する。これはサブミリ秒疑似距離を測定するために使用される時間参照でのサブミリ秒オフセットである。このオフセットは、全ての測定値に等しく影響し、この為、「コモンモード誤差」として既知である。
【００１４】
[0014]コモンモード誤差は、絶対時間誤差と混同されてはならない。前述したように、１ミリ秒の絶対時間誤差は０．８メートルまでの距離誤差を導き、１マイクロ秒の絶対時間誤差は、ほとんど観察不可能な１ミリメートルよりも小さい距離誤差を生じる。しかし、１マイクロ秒のコモンモード誤差は、光速を乗じられた１マイクロ秒、即ち３００メートルの疑似距離誤差を生じる。
【００１５】
[0015]コモンモード誤差は疑似距離に対してそのように大きく影響し、またコモンモード誤差を較正するのは実際上非常に困難であるから、従来のＧＰＳ受信機は、一度、十分に多くの疑似距離が特定の受信機で測定されてから、位置と共に解かれなければならない未知変量としてコモンモード誤差を取り扱う。しかし、従来のＧＰＳ受信機は絶対時間誤差を解かないで、（１０ミリ秒またはそれより良好な）要求正確度の絶対時間を知っている事実に依存する。
【００１６】
[0016]したがって、絶対時間を使用しないでＧＰＳ信号を処理する方法および装置の必要性が当分野で存在する。
【発明の概要】
【００１７】
[0017]本発明は、衛星によって、またはＧＰＳ受信機で利用可能な代替タイミング源によって送信された絶対時間情報を使用しないで、ＧＰＳ受信機位置を計算する方法および装置である。本発明の一実施形態において、ＧＰＳ受信機は、無線通信トランシーバを含む統合受信機に格納されるが、正確な絶対時間情報源へのアクセスを有しない。無線トランシーバは、無線ネットワークを介してサーバと通信する。ＧＰＳ受信機は、衛星疑似距離を測定し、無線通信トランシーバを使用して疑似距離をサーバへ送る。サーバは数学モデルへ疑似距離を当て嵌めるが、その数学モデルにおいて、ＧＰＳ受信機位置および絶対時間は未知のパラメータである。次に、サーバは、モデルへ最良に当て嵌まる位置および絶対時間を計算し、ＧＰＳ受信機の正しい位置、および疑似距離の測定が行われた絶対時間を生成する。
【００１８】
[0018]他の実施形態において、複数の衛星に対する衛星信号受信機の距離を推定する疑似距離が取得される。最初の時点で疑似距離を使用して、絶対時間および位置が計算される。次に後続の時点で、他の位置を計算するため絶対時間が使用される。更に他の実施形態において、衛星信号受信機に関連づけられた複数の状態が推定される。ここで、複数の状態は時間タグ誤差状態を含む。次に、複数の状態を関連づけるダイナミックモデルが形成される。ダイナミックモデルは衛星信号受信機の位置を計算するように動作する。
【００１９】
[0019]本発明の上記の列挙された特徴が得られる手法を詳細に理解できるように、上記で簡単に要約された本発明の更に具体的な説明が、添付の図面で例示される実施形態を参照することによって得られる。
【００２０】
[0020]しかし、注意すべきは、添付の図面が本発明の典型的な実施形態のみを例示し、したがって本発明の範囲の限定と考えてはならないことである。なぜなら、本発明は他の等しく効果的な実施形態を承認するからである。
【詳細な説明】
【００２１】
[0031]本発明は、ＧＰＳ受信機で絶対時間情報へのアクセスを有することなく、全世界測位システム（ＧＰＳ）で位置および時間を決定する方法および装置である。以下の説明において、説明を目的として、本発明の十分な理解を提供するため、多くの具体的詳細が記述される。しかし、本発明はこれらの具体的詳細なしに実施されることが当業者に明らかである。
【００２２】
[0032]図１は、無線リンク１５０を介してサーバ１２１へ結合された統合移動受信機１０２を備える本発明の一実施形態を示す。ＧＰＳ受信機１０８は、無線通信トランシーバ１１２と一緒に統合受信機１０２の中に含まれる。ＧＰＳ受信機１０８は、受信機１０８から観察されるＧＰＳ衛星に関してサブミリ秒疑似距離のみを測定し、次に無線通信リンク１５０を使用して、これらサブミリ秒疑似距離をサーバ１２１へ送る。サーバ１２１は、無線通信を受信するために使用された無線塔１１８の既知のロケーションからＧＰＳ受信機位置の近似的および演繹的推定を形成する。サーバ１２１は、更に、それ自身のリアルタイムクロックから時間タグを割り振り、ＧＰＳ受信機１０８が衛星からＧＰＳ信号を受信した絶対時間の演繹的推定を作り出す。演繹的位置が真の位置の１００ｋｍ内であり、演繹的受信絶対時間が真の（未知）受信時間の１分内であれば、サーバ１２１は整数ミリ秒を解き、サブミリ秒疑似距離を真の疑似距離へ転じることができる。
【００２３】
[0033]次に、サーバ１２１は、疑似距離を使用して、未知の受信機位置および絶対時間を解く。サーバは、中央処理ユニット（ＣＰＵ）１２２、サーバクロック１２４、塔ロケーションデータベース１２８、ＣＰＵサポート回路１５２、およびメモリ１５４を備える。サポート回路は、ＣＰＵの動作を容易にする周知の回路、例えばクロック回路、キャッシュ、電源、Ｉ／Ｏインタフェース回路などを備えている。メモリ１５４は、ランダムアクセスメモリ、読み出し専用メモリ、取り外し可能記憶装置、ハードディスク記憶装置、またはこれらメモリデバイスの任意の組み合わせであってもよい。
【００２４】
[0034]本発明の一実施形態において、コモンモード誤差は、サーバ１２１で全く知られていないと仮定する。本発明の一実施形態において、サーバ１２１は、ゼロの演繹的コモンモード誤差を仮定するが、結果に変化を生じることなく、任意の他の演繹的コモンモード誤差を使用できることが理解される。未知のパラメータの５つの演繹的推定（３つの位置座標、１つの絶対時間、１つのコモンモード誤差）を使用して、サーバ１２１は、測定疑似距離および演繹的情報を未知のパラメータへ関連づける数学モデルを作り出す。数学モデルは、一次方程式として書くことができ、これは解かれたとき正しい位置および絶対時間を生じる。
【００２５】
[0035]更に具体的には、複数の衛星（図示されず）からのＧＰＳ信号１０４は、ＧＰＳアンテナ１０６で受信される。受信信号は、ＧＰＳ受信機１０８へ結合される。ＧＰＳ受信機１０８は、ＧＰＳ信号を処理してパス１１０上にサブミリ秒疑似距離を形成する。サブミリ秒疑似距離は、通信トランシーバ１１２へ結合され、無線ネットワーク、例えば携帯電話網を介して通信アンテナ１１６から送信される。統合受信機１０２からの送信は、近くの無線塔１１８、例えば携帯電話塔によって受信される。サブミリ秒疑似距離および無線塔ＩＤは、上記無線塔１１８からサーバ１２１へ送られる。サーバ１２１において、サーバクロック１２４は、サブミリ秒疑似距離がサーバで受け取られたときの時間タグを提供するために使用される。サーバ１２１は、パス１２６に沿って無線塔ＩＤを塔ロケーションデータベース１２８へ渡し、データベース１２８から塔のロケーションを抽出する。塔ロケーションは、パス１３０に沿ってＣＰＵ１２２へ結合される。
【００２６】
[0036]サブミリ秒疑似距離データによって表される全ての衛星について、衛星天体暦データは、或る外部源１２５（例えば、上空を明瞭に観察するサーバの近くに位置する他のＧＰＳ受信機、または或る他の源、例えばＧＰＳ受信機のネットワーク）からサーバへ提供される。「天体暦」の用語は、簡単にするため、衛星軌道パラメータおよび衛星クロックパラメータを意味するために使用されることに注意されたい。サーバ１２１のＣＰＵ１２２は、サブミリ秒疑似距離、無線塔ロケーション、サーバ時間、および天体暦を組み合わせて、正しいＧＰＳ受信機位置およびＧＰＳ受信機１０８における信号受信の絶対時間を形成する。
【００２７】
[0037]上記装置は、ＧＰＳ受信機１０８が絶対時間情報および天体暦データを信頼されるようには受信できないものと仮定する。即ち、ＧＰＳ受信機は、屋内で使用され、天体暦データの処理はサーバ１２１内で達成される。しかし、幾つかの場合には、サーバへ疑似距離データを供給するのではなく、サーバ（または或る他の源）が、天体暦データおよびクロック信号を移動デバイス１０２へ供給し、移動デバイスが位置計算を実行することができる。本発明のそのような実施形態において、サーバ１２１に関して説明した方法と同じような信号処理を容易にするため、（１２２および１２４に類似した）ＣＰＵおよびクロックが移動デバイス１０２の中に置かれる。
【００２８】
[0038]図２は、図１のサーバＣＰＵ１２２によって実行されるプロセス２００のフローチャートを示す。ステップ２０２において、ＧＰＳ受信機におけるＧＰＳ受信機信号の受信絶対時間の演繹的推定を提供するため、サーバクロック信号が使用される。サーバクロックの使用は、本発明を例示するために使用される一実施形態であり、一般的に、時間の演繹的推定は、サーバクロック以外の時間源から来てもよいことが理解される。本発明は、絶対時間の演繹的推定の源または品質とは無関係に適用可能である。解説を簡単にするため、この特定の実施形態は、ＧＰＳ受信機におけるＧＰＳ信号の実際の受信絶対時間の１分内の時間タグを提供するサーバクロックを有するものと仮定される。この単純化仮定は、多くの場合事実に合致するが、本発明の必要部分ではなく、本発明の説明を簡単にするためにのみここで使用されたことが理解される。本明細書の後の部分で、この単純化仮定は取り除かれる。
【００２９】
[0039]ステップ２０６において、塔ロケーションはＧＰＳ受信機位置の演繹的推定としてＣＰＵへ提供される。塔ロケーションの使用は、使用できる任意数の演繹的位置の一実施形態であるにすぎないことが理解される（例えば、同じＧＰＳ受信機１０８について前に計算された位置が演繹的位置として使用され、または最近使用された塔の位置の組み合わせが使用され、または演繹的位置が単純に推測されてもよい）。本発明は、その演繹的位置の源または品質とは無関係に適用可能である。解説を簡単にするため、この特定の実施形態は、ＧＰＳ受信機１０８の真の位置の１００ｋｍ内にある演繹的位置を有するものと仮定される。この単純化仮定は、多くの場合事実に合致するが、本発明の必要部分ではなく、本発明の説明を簡単にするためにのみここで使用されたことが理解される。本明細書の後の部分で、この単純化仮定は取り除かれる。
【００３０】
[0040]ステップ２０４および２０８において、ＧＰＳ受信機から観測される適切な衛星についても、サブミリ秒疑似距離および天体暦が入力としてプロセス２００へ提供される。
【００３１】
[0041]ステップ２１０において、サブミリ秒疑似距離整数が、図３を参照して以下で説明されるプロセスによって解かれる。サブミリ秒疑似距離整数を解いてしまうと、プロセスは完全な疑似距離を作り出す。
【００３２】
[0042]ステップ２１２において、期待される疑似距離が形成される。これらの期待疑似距離は、全ての演繹的パラメータ（演繹的位置、演繹的測定絶対時間、および演繹的コモンモード誤差）が事実としてこれらパラメータの実際の値であったとすれば測定される疑似距離である。期待疑似距離はｒｉで表され、インデックスｉは適切な衛星を示す。
【００３３】
[0043]ステップ２１４において、演繹的疑似距離剰余が形成される。これらの剰余は、測定疑似距離（ｐｉで表される）と期待疑似距離（ｒｉ）の間の差として定義される。演繹的疑似距離剰余はｕｉで表される。
【００３４】
[0044]ステップ２１６において、ｕをｘに関連づける数学モデルが形成される。ここで、ｕはｕｉのベクトルであり、ｘは位置の演繹的値、コモンモード誤差、および受信絶対時間への更新のベクトルである。
【数１】
2007501417.tif 000003
ここで、ｎは疑似距離の数である。疑似距離は、長さの単位（例えば、メートル）で表される。
【数２】
2007501417.tif 000004
位置の更新ｘ、ｙ、ｚは長さの単位（例えばメートル）で表され、時間の更新ｔＣ、ｔＳは時間の単位（例えば秒）で表される。
【００３５】
[0045]これら２つのベクトルを関連づける数学モデルの実施形態は、テイラー級数である。その場合、級数の第１の項はｘに関するｕの第１微分係数であり、第２の項は第２微分係数を含む。以下同様である。プロセスの一実施形態において、本発明はテイラー級数の第１微分係数のみを保持する線形モデルを使用する。これは、ｕをｘに関連づける次の方程式を与える。
【数３】
2007501417.tif 000005
【００３６】
[0046]∂ρｉ／∂ｘ、∂ρｉ／∂ｙ及び∂ρｉ／∂ｚの特定の値は、演繹的位置を記述するために使用される座標系に依存する。行列Ｈの、最初の３つの列の項は、当分野では周知であり、更なる説明は必要でない。行列の第４の列は光速のｃであり、モデルのこの部分も当分野で標準である。本発明の新規な様相は、行列内に第５の列を含むことを必要とする。この第５の列は、絶対時間の演繹的推定の未知誤差と測定疑似距離の間の関係を正確にモデル化する。更に、この列の項は時間に関する疑似距離の変化率であり、天体暦データから正確に計算され得る。こうして、行列Ｈ内の全ての項が知られ、ＧＰＳ受信機で利用可能な疑似距離が５つ以上あれば、線形代数を使用してｘの値を計算することができる。
【００３７】
[0047]ステップ２２０において、更新ｘ、ｙ、ｚを演繹的位置へ加算することによってＧＰＳ受信機位置が計算され、更新ｔＳを演繹的受信時間へ加算することによって受信絶対時間が形成される。演繹的位置および演繹的絶対時間が真の位置および真の絶対時間へ十分に近かったとすれば、プロセス２００を通る１回のパスは、要求された正確度の結果を生じる。しかし、プロセス２００を通る第１のパスが、要求された正確度へ直ちに集束しなければ、ステップ２０２のために新しい演繹的受信時間推定を形成し、ステップ２０６のために新しい演繹的位置推定を形成するように、結果２２２が使用される。プロセス２００は、結果が正しい結果へ集束するまで反復される（典型的には、必要とされる反復は非常に少ない。なぜなら、衛星距離が演繹的位置の誤差よりも地球から非常に遠いおかげで、１次テイラー級数を使う線形化は完全非線形システムの非常に良好な数学記述だからである）。
【００３８】
[0048]テイラー級数は、未知の位置および絶対時間を測定疑似距離へ関連づける数学モデルの１つの例にすぎないことが理解される。本発明は、他のモデル、例えば非線形モデルで等しく有効である。非線形モデルは、許容される解が得られるまで未知のパラメータを反復して当て嵌めるような手法によって解かれる。
【００３９】
[0049]前に仮定したように、演繹的位置および演繹的絶対時間がそれぞれ１００ｋｍおよび１分内であれば、結果２２２は正しい。しかし、演繹的位置および時間がこれらの限度内で知られなければ、正しくない整数がステップ２１０で形成され、正しくない結果２２２が得られるかも知れない。この場合、図４を参照して以下で説明するように、この誤差状態を検出するためステップ２２４で形成される帰納的剰余が使用され、異なった演繹的値が使用される。
【００４０】
[0050]図３は、サブミリ秒疑似距離整数を解く例示的プロセス３００（図２のステップ２１０）のフローチャートである。解説を簡単にするため、この特定の実施形態は、ＧＰＳ受信機の真の位置の１００ｋｍ内にある演繹的位置、およびＧＰＳ受信機における真の受信絶対時間の１分内にある演繹的絶対時間推定を有するものと仮定される。これらの単純化仮定は、多くの場合事実に合致しているが、本発明の必要部分ではなく、本発明のこの実施形態の説明を簡単にするためにのみここで使用されたことが理解される。図４、図５、および図６に関する説明において、これらの単純化仮定は取り除かれる。
【００４１】
[0051]ステップ３０８において、プロセス３００は、衛星の天体暦データ（ステップ２０８で提供される）、演繹的受信絶対時間（ステップ２０２で提供される）、および演繹的位置（ステップ２０６で提供される）を使用して、期待疑似距離を計算する。本明細書を通してそうであるように、天体暦の用語は、衛星軌道パラメータおよび衛星クロックパラメータを意味するために使用される。
【００４２】
[0052]ステップ３１０において、単一の衛星が参照衛星として選択される。好ましい実施形態において、（演繹的位置から）最高の仰角を有する衛星が参照として選択されるが、どの衛星が参照として使用されるかは重要でないことが理解される。参照衛星の期待疑似距離はｒ０で示される（パス３１２）。他の衛星の期待疑似距離は、ｒｉで示される（パス３１４）。
【００４３】
[0053]ステップ３１８において、整数が参照衛星へ割り当てられる。整数は次の方程式を満足させなければならない。
【数４】
2007501417.tif 000006
ここで、ｃはｍ／ｓで表された光速であり、ｔＣはコモンモード誤差であり、ｅ０は、演繹的位置および演繹的絶対時間の結合誤差によって導入された期待疑似距離の誤差である。
【００４４】
[0054]当業者は、任意の整数を割り当ててもよいことを理解する。なぜなら、以下の説明において、正確に等しい誤差が全ての他の整数で生じる限り、この整数の誤差をコモンモード誤差が吸収することが分かるからである。整数Ｎ０は、次の方程式に従って割り当てられる。
【数５】
2007501417.tif 000007
【００４５】
[0055]ステップ３２２において、残りの衛星の整数ミリ秒値が、全ての衛星のサブミリ秒疑似距離３２０およびＮ０を使用して計算される。Ｎ０のどのような値が上記で選択されたかは、関連づけられたコモンモード誤差ｔＣを暗黙に意味する。次の方程式を満足させるＮｉの値が選択される。この方程式はＮｉ、測定サブミリ秒疑似距離（ｓｉ）、期待疑似距離（ｒｉ）、およびコモンモード誤差（ｔＣ）を関連づける。
【数６】
2007501417.tif 000008
ここで、ｅｉは、演繹的位置および演繹的絶対時間の結合誤差によって導入された期待疑似距離の誤差である。好ましいアプローチにおいて、Ｎ０の対応する方程式は、上記の方程式から減じられ、これは項ｔＣを正確に消す。なぜなら、この項は（定義によって）全ての衛星について共通だからである。これは、Ｎｉについて次式を生じる。
【数７】
2007501417.tif 000009
上記の方程式は、整数を計算するプロセスの一実施形態を表す。ｔＣへの関係が全ての整数について首尾一貫して維持される限り、任意の式を使用して、これらの整数を計算してもよいことが理解される。
【００４６】
[0056]上記の説明において、演繹的位置は真の位置の１００ｋｍ内であり、演繹的絶対時間は真の時間の１分内であるという仮定が行われた。全てのＧＰＳ衛星について、最大疑似レンジレートは±８００ｍ／ｓである。したがって、誤差項ｅｉの最大値は１００ｋｍ＋６０ｓ＊０．８ｋｍ／ｓ＝１４８ｋｍである。これは１つのＣ／Ａコードミリ秒エポックの半分よりも小さく（即ち、１つの整数ミリ秒の半分よりも小さく）、上記で使用された丸め演算は常に正しい整数を生じる。図４、図５、図６に関する開示において、演繹的位置正確度および演繹的時間正確度に対するこれら２つの制約は取り除かれる。
【００４７】
[0057]演繹的位置が１００ｋｍ内にあることが知られていなければ、それでも或る有限の正確限度にあることが知られている。同様に、演繹的絶対時間が１分内にあることが知られていなければ、それでも或る有限の正確限度にあることが知られている。プロセス２００および３００で説明されたように、１００ｋｍおよび１分の制約内にある任意の演繹的位置および時間推定は、正しい整数、正しいＧＰＳ受信機位置、および正しい絶対時間を生じる。本発明の一実施形態において、全ての可能な演繹的位置の空間は、１００ｋｍ×１００ｋｍの緯度／経度グリッドへ分割され、高度は地形高度のルックアップテーブルから割り当てられる。同様に、全ての可能な演繹的絶対時間の空間は、１分セグメントへ分割される。これは全ての可能な演繹的位置および時間の集合を生じる。プロセス２００は、集合からの可能な演繹的位置および時間の値の各々について反復して使用される。演繹的位置および時間が真理の１００ｋｍおよび１分内にあることが発見されたとき、帰納的剰余は小さく、正しいＧＰＳ受信機位置および絶対時間が、前述したようにして計算される。
【００４８】
[0058]このプロセス４００の実施形態は、図４で示される。ステップ４０２において、全ての可能な演繹的位置および剰余が集合へ形成される。一実施形態において、集合は１００ｋｍ×１００ｋｍのグリッドとして組織され、高度は地形的高さのルックアップテーブルから割り当てられ、時間は１分セグメントへ分割される。これは便利な表現である。なぜなら、前述したように、１００ｋｍグリッドと最大疑似レンジレートに１分を乗じたものとの組み合わせは、１ミリ秒の半分の距離よりも小さい最大可能推定誤差を与えるからである。これは整数解法プロセス３００が正しい整数を選択するために必要である。しかし、全ての可能な演繹的値の集合を組織するため、任意数の異なった方法を使用してもよいことが理解される。そのような方法には、前に使用された値から得られた結果に基づいて、ダイナミックに集合の新しい元を作り出すことが含まれる。
【００４９】
[0059]ステップ４０４において、プロセス４００は１つの可能な演繹的位置および時間の組み合わせを選択する。これらの値はプロセス２００で使用される。ステップ４０６において、プロセス４００は、図２のステップ２２４で生成される帰納的剰余を検査する。正しいＧＰＳ受信機位置および絶対時間が計算されたのであれば、剰余の量は小さいであろう（即ち、疑似距離測定誤差と同じオーダ−数十メートル）。演繹的位置および時間が真理から遠く離れていて、整数のあいまいが正しく解かれなかったのであれば、剰余は大きいであろう（即ち、１ミリ秒エポックのオーダ−数キロメートル）。剰余が大きければ、候補の演繹的位置および時間は正しくなく、それらは可能性の集合から取り除かれる。プロセス４００は、正しい位置および絶対時間が計算されるまで反復される。
【００５０】
[0060]たとえ絶対時間がＧＰＳ受信機で利用可能であるとしても、整数あいまい解法プロセスは、初期推定によって整数を一意に定めるため、これまでは真の位置へ十分に近い位置の初期推定を必要としたことが当業者によって理解される。本発明は、位置の正確な初期推定を必要とすることなく、正しい整数を計算する新規な手段を提供する。
【００５１】
[0061]図５Ａおよび図５Ｂは、それぞれ、本発明の実施形態における受信機位置を決定するために使用されるグリッド５０２、および位置計算プロセス２００の間に計算される剰余量５０６を示す。この例において、演繹的位置は、任意の推量、即ち北アメリカの中央として割り当てられる。次に、プロセス２００は、各々の可能な演繹的位置（グリッドポイント５０４）について実行され、帰納的剰余の量が検査される。各々の間違った候補が拒絶されるにつれて、他の候補（他のグリッドポイント５０４）が、１度×１度グリッド５０２上で外側へサーチすることによって生成される。（この１度×１度グリッドは、上記の１００ｋｍ×１００ｋｍグリッドとは少し異なる実施形態であることに注意されたい。双方の実施形態は、正しい整数、したがって正しい位置および絶対時間を生じる少なくとも１つの演繹的位置を与えるように保証される。）演繹的位置は、地形的高さのルックアップテーブルから演繹的高度を割り当てることによって完成される。図５Ａはグリッド５０４上で１，６６３の間違った候補を示し、図５Ｂは対応する剰余量５０６を示す。各々は正しくないミリ秒整数のオーダ（即ち、多くのキロメートル）である。一度、サーチが真の位置（サンホゼ、カリフォルニア）の近くにある演繹的位置に達すると、数学モデルは正しい結果を適所へ「スナップ」させ、正しい位置および時間が計算される。演繹的位置候補番号１，６６４（剰余量５０８およびグリッドポイント５１０）は真の位置の約１７５ｋｍ東であり、これは、この例において、位置および時間の解が適所へ「スナップ」するのに十分な近さである。正しい解は約３０メートルである剰余を生じ、これは正しくない剰余よりも１，０００倍から１０，０００倍も小さい。
【００５２】
[0062]「小さい」剰余（数十メートル）と「大きい」剰余（数十から数百キロメートル）の間の大きな差は、実際上、この実施形態を非常に良好に働かせる。しかし、他の方法を使用して結果の品質をテストしてもよいことが理解される。他の方法には、計算された位置および絶対時間を、或る他の手段、例えば無線支援システムで使用される無線塔のロケーションを介して得られた位置および時間と比較することが含まれる。更に、非ゼロの剰余を有するためには、未知数よりも多い独立観察数を有することが必要であることが分かる。これまで説明された実施形態において、５つの未知パラメータ、即ち３つの位置座標、コモンモード誤差、および絶対時間が存在した。したがって、非ゼロの剰余を有するために少なくとも６つの独立測定値が必要とされる。６つのＧＰＳ衛星を観察できるならば、それらから６つの測定値を得ることができる。観察できる６つの衛星が存在しなければ、取ることのできる幾つかのステップがある。それらの多くは当分野で標準である。測定値の数は、他の源からの測定値を含ませることによって増加されてもよい（例えば、無線システムからの到着時間に基づいた距離測定値、無線システムで測定された到着角測定値、または得ることのできる他の独立測定値）。
【００５３】
[0063]観察可能値の数は、位置上の既知の制約を「疑似測定値」として含めることによって増加することができる。例えば、既知またはほぼ既知の高度を疑似測定値として数学モデルへ導入することができる。数学モデルが方程式ｕ＝Ｈｘによって表される上記の実施形態において、既知の高度の疑似測定値は、まず緯度、経度、および高度の座標に演繹的位置を指定し、次に演繹的高度を既知の高度へ設定し、次に新しい行を行列方程式へ加えることによって作り出されてもよい。即ち、
【数８】
2007501417.tif 000010
このアプローチは、他の測定値または観察可能値を数学モデルへ効果的に加える。このアプローチは当分野で標準であり、未知のパラメータを解くとき有用な任意の制約へ適用されることが理解される。
【００５４】
[0064]他のアプローチは未知パラメータの数を減らすことである。これは既知またはほぼ既知のパラメータを取り除くことによって実行されてもよい。最も普通の既知のパラメータは高度であり、それを数学モデルから取り除くことができる。同様に、コモンモード誤差を較正してもよく（例えば、安定発振器へのアクセスを有するシステムで本発明が実現されるならば）、数学モデルから取り除いてもよい。
【００５５】
[0065]未知の絶対時間を含む未知の値を計算するため、開示された手法の多くの組み合わせが適用されてもよいことが分かる。
【００５６】
[0066]例えば、本発明の手法を使用して、位置を計算することなく、時間パラメータのみを計算することができる。これは、好ましい実施形態において、数学モデル内の位置を演繹的位置へ固定し、残りの２つの未知のパラメータ、即ちコモンモード誤差および絶対時間を計算することによって行われる。
【００５７】
[0067]図６は、本発明の例示的実施形態で試みられた異なる演繹的時間（軸６０４）に関連づけられた剰余量（軸６０２）のグラフ表現６００である。この特定の例において、或る範囲の可能な時間であって各々１分だけ離れている時間が、図５で示されるグリッドポイントの各々について試みられる。第１の演繹的絶対時間は、真の受信絶対時間よりも約２時間半遅れていることが判明する時間を推量することによって選択された。プロセス４００が、真の位置から約１７５ｋｍ離れた演繹的位置、および真の絶対時間の１分内にある演繹的時間を適用するとき、数学モデルは、図５で示されるように、正しい位置および時間を計算する。一般的に、数学モデルは、演繹的位置および時間が十分に近くて正しい整数の計算をプロセス３００に行わせるや否や、正しい位置および時間を計算する。説明したように、好ましい実施形態は、適切なグリッドおよび適切に間隔を空けられた時間間隔を作り出すことによって、少なくとも１つのそのような演繹的位置および時間を見出すように保証される。
【００５８】
[0068]上記実施形態において、本発明は、疑似距離および天体暦を使用して、衛星信号受信機の絶対位置および衛星信号受信の絶対時間を計算した。しかし、衛星信号の受信絶対時間を計算することなく、衛星信号受信機の絶対位置を計算することが望ましいかもしれない。したがって、本発明は、ＧＰＳ測定値を有利に利用して、正確なＧＰＳ時刻（ＴＯＤ）を知るかまたは計算することなく受信機位置を決定する。
【００５９】
[0069]本発明の第２の実施形態を最良に説明するため、なぜ正確なＧＰＳ  ＴＯＤが、従来技術のＧＰＳ位置計算で必要となるかを理解することが必要である。ＧＰＳ受信機は、無線信号を受信し、上記信号の送信および受信間の遅延を測定し、幾つかの衛星からの距離を測定することによって位置を計算する。次に、衛星軌道データおよび正確なＴＯＤを使用して、信号が送信された瞬間に衛星位置を決定することができる。最後に既知の衛星位置からの測定距離を使用して、受信機位置が計算される。こうして、従来技術のＧＰＳ受信機では、正確なＴＯＤが知られなければ、正確な衛星位置を決定することができない。各々の衛星の位置の誤差は、計算された受信機位置の誤差を生じる。ＴＯＤに小さな不正確があっても、この誤差は非常に大きくなる可能性がある。ＧＰＳ衛星は、地球上の観察者に対して、１秒当たり８００メートルまで移動する。したがって、正確な時刻に１秒の誤差があっても、８００メートルの位置誤差を生じる。これが、従来技術のＧＰＳ受信機が正確な時刻を必要とした理由である。
【００６０】
[0070]本発明によれば、図２のステップ２１６で形成された数学モデルは、絶対時間変量が削除される同等モデルへ変換される。このようにして、本発明は正確なＴＯＤを決定する必要性を除く。更に具体的には、方程式の多変量集合内の１つの未知の変量を、他の変量を計算する前に削除する手法は、当分野では周知である。１つのそのような手法を使用する本発明の実施形態は、ステップ２１６で形成される数学モデルのテイラー級数記述を研究することによって理解される。即ち、
【数９】
2007501417.tif 000011
【００６１】
[0071]演繹的疑似距離剰余ｕｉを組み合わせて、他の未知変量から未知の絶対時間変量ｔＳを切り離す小行列へ行列Ｈを変換することができる。具体的には、ｉが１よりも大きいときの演繹的疑似距離剰余ｕｉの各々について、新しい演繹的疑似距離ｖｉを次のように形成することができる。
【数１０】
2007501417.tif 000012
注意すべきことに、これは方程式ｕ＝Ｈｘに次の行列を前もって乗じることと等しい。
【数１１】
2007501417.tif 000013
【００６２】
[0072]上記の変換は、方程式の新しい集合を生じる。
【数１２】
2007501417.tif 000014
ここで、変量ｔＳは切り離されており、Ｈｉ，ｊはＨ行列の係数であり、Ｇｉ，ｊは上記の事前乗法から生じる係数である。したがって、新しい演繹的疑似距離ｖ２からｖｎを未知の変量ｘ、ｙ、ｘ、およびｔＣへ関連づける方程式を分離することができる。ＧＰＳ受信機で５つ以上の疑似距離を利用できると仮定すれば、残りの未知変量の値は、線形代数を使用して計算可能である。
【００６３】
[0073]多変量方程式から未知の変量を削除する類似の周知の方法が多く存在する。これらの手法を使用して、本発明は、未知の位置および時間変量の任意の部分集合を解くことができる。未知の位置および時間変量の部分集合のみを解くことによって、本発明は計算の複雑性を減らし、特定の変量、例えば絶対時間の知識の欠乏を許容する。
【００６４】
[0074]前述した説明から明らかなように、位置および絶対時間の計算は、通常のＧＰＳ解法と比較して、追加の未知の絶対時間パラメータを解く追加の独立疑似距離測定値を必要とする。或る場合には、ＧＰＳ受信機は、位置および絶対時間の完全計算を可能にする十分な数の疑似距離測定を実行できないかも知れない。したがって、本発明の他の実施形態において、前に計算された絶対時間情報を使用して位置が計算される。一実施形態において、絶対時間は実質的に前述したようにして計算され、次に全ての位置計算の間に絶対時間を再計算する必要性を除くために「保持」される。あるいは、時間タグ誤差状態は、シーケンシャルエスティメータ、例えばカルマンフィルタ内で使用されてもよい。疑似距離測定値が利用可能になるにつれて、時間タグ誤差状態を含むシーケンシャルエスティメータが更新され、正しい位置および絶対時間へ収束する。いずれかの実施形態において、ｎの独立測定値を有するｍの未知変量を解く古典的「最小二乗」アプローチで絶対時間を解くには不十分な疑似距離測定値が存在する場合でも、本発明はＧＰＳ受信機の位置を決定することができる。ここでｎ≧ｍである。
【００６５】
[0075]図７は、本発明に従ったＧＰＳ受信機の位置を突き止めるプロセス７００の一実施形態を示す流れ図である。プロセス７００は、ＧＰＳ受信機の位置が要求されるステップ７０２で始まる。ステップ７０４において、絶対時間が既知として指定されたかどうかの決定が行われる。絶対時間が既知として指定されなかったのであれば、プロセス７００はステップ７０８へ進む。ステップ７０８において、ＧＰＳ受信機の位置および絶対時間が、図２を参照して説明したようにして解かれる。
【００６６】
[0076]ステップ７１０では、ステップ７０８で計算された絶対時間の正確度が推定される。計算された絶対時間の正確度を決定するため、多数のインディケータが使用されてもよい。計算で使用された独立疑似距離測定値の数は、正確度の第１レベルインディケータであることに注意されたい。一般的に、疑似距離測定値が多くなれば、それだけ絶対時間の計算は正確になる。もっと正確な正確度インディケータは、ステップ７０８の位置および絶対時間計算の精度時間タグ劣化（ＴＴＤＯＰ）を含む。ＴＴＤＯＰは、計算された絶対時間の正確度を、絶対時間を計算するために使用された個々の疑似距離測定値の正確度に関連づける幾何学的ファクタである。具体的には、ＴＴＤＯＰは、計算された絶対時間の誤差の標準偏差と、測定誤差の標準偏差との比である。前述した線形数学モデル（即ち、ｕ＝Ｈｘ）が与えられると、ＴＴＤＯＰは（ＨＴＨ）−１の第５対角元の平方根によって与えられる。計算された絶対時間は、ジオメトリが貧弱であるとき（即ち、ＴＴＤＯＰが大きいとき）、統計的に正確度が小さくなる。絶対時間正確度の他のインディケータは、各々の受信衛星信号の信号強度である。信号強度が低ければ、絶対時間の決定は統計的に正確度が小さくなる。更に、他の正確度インディケータは、前述した帰納的疑似距離剰余を含む。解が過剰に決定されるならば、帰納的疑似距離剰余の量は絶対時間正確度の表示を提供する。ステップ７０８で計算された絶対時間の正確度の推定を提供するため、前述した正確度インディケータの１つまたは複数が使用されてもよい。
【００６７】
[0077]ステップ７１２において、計算された絶対時間の正確度が十分であるかどうかの決定が行われる。正確度が十分であれば、プロセス７００はステップ７１４へ進む。そこでは、計算された絶対時間情報が記録され、絶対時間が既知として指定される。正確度がステップ７１２で十分でなければ、プロセス７００は、計算された絶対時間情報を記録することなくステップ７０２へ戻り、追加の位置要求について反復する。
【００６８】
[0078]注意すべきは、計算された絶対時間情報が、ローカルクロック（例えば、図１で示されるサーバクロック１２４または移動デバイス１０２内のクロック）に関する時間タグ誤差として記憶されてもよいことである。ローカルクロックは、絶対時間の演繹的推定を提供する。一度、絶対時間が計算されると、その絶対時間は、ローカルクロックによって生成された時間（「ローカル時間」）と比較され、時間タグ誤差が決定される。時間タグ誤差は、コモンモード誤差と混同されてはならない。コモンモード誤差は、ＧＰＳ受信機でサブミリ秒疑似距離を測定する参照点の誤差であり、１ミリ秒のトータル範囲を有する。時間タグ誤差は、絶対時間とローカル時間の間の差を表す値であり、１分以上の範囲であってもよい。数学的には、時間タグ誤差は、次のようにローカル時間および絶対時間に関連づけられる。
【数１３】
2007501417.tif 000015
ここで、ｔａｂｓｏｌｕｔｅは絶対時間であり、ｔｌｏｃａｌはローカル時間であり、ｔＳは時間タグ誤差である。したがって、時間タグ誤差が或る特定の時間で知られるならば、時間タグ誤差は、次のようにして後続時間でｔ′ａｂｓｏｌｕｔｅを決定するために使用されてもよい。
【数１４】
2007501417.tif 000016
【００６９】
[0079]ステップ７０４で、絶対時間が既知として指定されるならば、プロセス７００はステップ７０６へ進む。ステップ７０６では、ＧＰＳ受信機の位置が、既知の絶対時間情報に基づいて計算される。一実施形態において、通常のＧＰＳ位置計算が、疑似距離測定値を使用してステップ７０６で実行される。その場合、得られた衛星遠隔測定データを使用して信号送信時の衛星位置を決定するため、既知の絶対時間情報が使用される。他の実施形態において、ＧＰＳ受信機の位置および絶対時間は、図２を参照して説明したように、本発明の時間解放プロセスを使用して解かれる。この実施形態において、既知の絶対時間情報が、「疑似測定値」として使用されるように疑似距離測定値と共に上記数学モデルに含められてもよい。注意すべきは、疑似測定値が次のように表されることである。
【数１５】
2007501417.tif 000017
ここで、ｕは、前述したように演繹的測定剰余のベクトルであり、
【数１６】
2007501417.tif 000018
は次のように既知の絶対時間から計算された時間タグ誤差疑似測定値である。
【数１７】
2007501417.tif 000019
ステップ７０６から、プロセス７００はステップ７０２へ戻り、追加の位置要求について反復する。
【００７０】
[0080]本発明の代替の実施形態において、十分に正確な絶対時間が得られるまで独立絶対時間を継続して計算するのではなく、本発明は複数の計算された時間タグ誤差を平均し、その平均を既知の時間タグ誤差として記録してもよい。例えば、計算された絶対時間がステップ７１２で十分正確でなければ、計算された絶対時間を廃棄するのではなく、計算された時間タグ誤差が記憶され、後続して計算される時間タグ誤差と平均されてもよい。このようにして、平均が十分正確になるまで、時間タグ誤差結果の移動平均がステップ７１０で正確度閾値と比較されてもよい。あるいは、前述した正確度インディケータを使用して平均時間タグ誤差結果の正確度を決定するのではなく、本発明は、ステップ７０８で生成された所定数の絶対時間結果の平均を計算し、十分な数の時間タグ誤差結果が平均されたとき、ステップ７１４で既知の時間タグ誤差として平均時間タグ誤差を記録してもよい。これら平均方法、またはそれらの派生方法のいずれについても、加重平均が使用されてもよい。加重は、個々の結果の推定正確度に応じて選択されてもよい。
【００７１】
[0081]本発明の上記の実施形態は、前に計算された絶対時間の使用を例外として、各々の位置が独立に計算されるＧＰＳ実現形態に焦点を当ててきた。しかし、幾つかのＧＰＳ実現形態は、位置が要求される度に独立の位置計算を生成しない。むしろ、フィルタされた位置結果を継続して生成するため、情報の履歴が使用される。履歴の組み込みは、ＧＰＳ受信機が位置から位置へ移動する傾向に関する公式モデルまたは仮定の非公式集合に依存する。受信機の移動（および受信機クロックの振る舞い）に境界を置くことによって、設計者は受信機のダイナミックスを十分に追跡するフィルタリング時定数を選択し、平均プロセスでの正確度を改善することができる。フィルタリング手法の他の利点は、不十分な衛星測定値が存在して独立解を作り出すとき、受信機が動作を継続してもよいことである。そのような実現形態は、車両ダイナミックスがモデル化可能で、周波数ブロッキングが独立解を生成する能力を阻害する都市の運転状況で特に価値がある。
【００７２】
[0082]したがって、本発明の他の実施形態において、ＧＰＳ受信機位置および絶対時間を決定するためシーケンシャル推定プロセスが使用される。図８は、図１のサーバ１２１の他の実施形態を示すブロック図である。図１に示される要素と同一または類似の要素は、同一の参照番号で示され、上記で詳細に説明されている。サーバ１２１は、更に、複数の状態を有するシーケンシャルエスティメータ８０２を含む。複数の状態の中には、絶対時間に関連づけられた時間タグ誤差状態が含まれる。例えば、シーケンシャルエスティメータ８０２は、時間タグ誤差状態に加えて位置状態、速度状態、コモンモード誤差状態、およびクロック周波数誤差状態を含んでもよい。シーケンシャルエスティメータ８０２は、ＣＰＵ１２２から疑似距離測定値を受け取り、要求に応じてＣＰＵ１２２へＧＰＳ受信機位置および絶対時間を提供する。疑似距離測定値の各々の集合は、シーケンシャルエスティメータ８０２の状態を更新するために使用される。更新は、現在の状態情報および測定値の双方を加重し、新しい状態情報を生成する。他の実施形態において、シーケンシャルエスティメータ８０２は、サーバ１２１ではなく、移動デバイス１０２の一部分であってもよい。そのような実施形態において、（ＣＰＵ１２２と類似した）ＣＰＵが移動デバイス１０２に設けられ、サーバ１２１に関して説明した方法と同じように信号処理を容易にする。
【００７３】
[0083]一実施形態において、シーケンシャルエスティメータ８０２は、離散ＧＰＳシステムの線形ダイナミックモデルを使用するカルマンフィルタである。ＧＰＳシステムは、幾つかの状態によってモデル化される。一実施形態において、状態は、３次元ｘ、ｙ、ｚ内の位置、コモンモード誤差、および時間タグ誤差であってもよい。最初の４つの状態は、当分野では周知である。本発明の新規な様相は、時間タグ誤差状態の追加を含む。時間タグ誤差状態は、前述したように絶対時間に関連づけられる。当分野では周知のように、本発明の性質および以下に続く説明を変更することなく、更に多くの状態、例えば速度状態、クロック周波数状態などを追加してもよい。
【００７４】
[0084]ＧＰＳシステムの線形ダイナミックモデルΦは、次の関係に従って、ベクトルＸｋによって表される１つの離散時間間隔におけるシーケンシャルエスティメータ８０２の状態を、ベクトルＸｋ−１によって表されるシーケンシャルエスティメータ８０２の前の状態へ関連づける。
【数１８】
2007501417.tif 000020
ここで、Ｗｋ−１はダイナミックモデルに関連づけられたプロセス雑音であり、Ｑはプロセス雑音の共分散である。行列Ｑは、ＧＰＳ受信機からの測定値が不在のときＸｋ−１が与えられたとすれば、Ｘｋがどれほど良好に既知となるかの測度である。
【００７５】
[0085]ＧＰＳ受信機は、測定値Ｚｋの集合を計算する。ＧＰＳにおいて、ＧＰＳ受信機によって得られた測定値とシーケンシャルエスティメータ８０２の状態の間の関係は非線形であり、次式を用いて指定されてもよい。
【数１９】
2007501417.tif 000021
ここで、ｈは非線形モデルを示し、ｖｋはＧＰＳ受信機測定値上の雑音を示し、ＲはＧＰＳ受信機測定値雑音の共分散である。
【００７６】
[0086]シーケンシャルエスティメータ８０２の各々の反復は、次のように、次の時間間隔での状態値を予測することによって始まる。
【数２０】
2007501417.tif 000022
ここで、
【数２１】
2007501417.tif 000023
は１つの時間間隔における予測状態のベクトルであり、
【数２２】
2007501417.tif 000024
は前の時間間隔における予測状態のベクトルであり、Ｐは予測状態と現在の状態との間の差の共分散である。
【００７７】
[0087]更新された状態推定は、次のように測定値の予測を生成するために使用される。
【数２３】
2007501417.tif 000025
ここで、
【数２４】
2007501417.tif 000026
は、予測された測定値を表すベクトルである。同時に、状態誤差共分散が次のように外挿される。
【数２５】
2007501417.tif 000027
更に、カルマン利得行列が、次のように計算される。
【数２６】
2007501417.tif 000028
ここで、Ｈは非線形モデルｈの線形形式を示す。
【００７８】
[0088]カルマン利得は、次のように、観察測定値と予測測定値の間の差に基づいて状態推定を調整するために使用される。
【数２７】
2007501417.tif 000029
最後に、帰納的状態共分散が、次式に従って計算される。
【数２８】
2007501417.tif 000030
ここで、Ｉは恒等行列を示す。
【００７９】
[0089]線形測定モデルは、カルマンフィルタへ組み込まれている測定値に依存する。主なフィルタ入力は、ＧＰＳ受信機からの疑似距離測定値である。この場合、行列Ｈは、当業者によって良く理解されるように、視界ベクトルの行およびコモンモード誤差状態の１を含む。
【００８０】
[0090]ｎの独立測定値を有するｍの未知変量を解く古典的「最小二乗」アプローチで絶対時間を解くには不十分な疑似距離測定値が存在しても、シーケンシャルエスティメータ８０２の中に時間タグ誤差状態を組み込むことによって、本発明はＧＰＳ受信機の位置を決定することができる。ここでｎ≧ｍである。
【００８１】
[0091]本発明の代替実施形態において、疑似距離測定値と一緒に、直接時間タグ誤差疑似測定値がシーケンシャルエスティメータ８０２へ適用されてもよい。例えば、時間タグ誤差は、ＴＯＷ情報が天体暦データからデコードされるとき直接利用することができる。この場合、Ｈ行列は、前述したように、次の行を含む。
【数２９】
2007501417.tif 000031
【００８２】
[0092]更に、本発明の他の実施形態において、シーケンシャルエスティメータ８０２内の時間タグ誤差状態を削除するため、直接時間タグ誤差測定値を使用してもよい。一度、時間タグ誤差がＴＯＷ情報から直接得られると、例えば、時間タグ誤差状態がシーケンシャルエスティメータ８０２から取り除かれ、シーケンシャル推定プロセスが通常のように実行される。
【００８３】
[0093]図９は、本発明に従ってシーケンシャルエスティメータの状態を更新するプロセス９００を示す流れ図である。プロセス９００はステップ９０２で始まる。ステップ９０２では、シーケンシャルエスティメータの状態が時間タグ誤差状態で初期化される。ステップ９０４では、疑似距離測定値がＧＰＳ受信機から受け取られる。ステップ９０６では、疑似距離測定値を使用してシーケンシャルエスティメータの状態が更新される。シーケンシャル推定プロセスは前に説明された。ステップ９０８では、時間タグ誤差の直接測定値が得られたかどうかの決定が行われる。得られていなければ、プロセス９００は、追加の疑似距離測定値が得られるステップ９０４へ戻る。時間タグ誤差の直接測定値が得られていれば、プロセス９００はステップ９１０へ進む。ステップ９１０では、時間タグ誤差の直接測定値を使用して時間タグ誤差状態が修正される。一実施形態において、時間タグ誤差状態は、シーケンシャルエスティメータから取り除かれる。他の実施形態において、時間タグ誤差状態と時間タグ誤差の直接測定値の間の１対１の対応が、疑似測定値を使用してシーケンシャルエスティメータの中に維持される。いずれの場合も、プロセスはステップ９０４へ戻り、そこで追加の疑似距離測定値が得られる。
【００８４】
[0094]或る場合には、移動デバイス１０２内の高速クロック回路を選択的に非活性化して、電力を節約することが望ましいかも知れない。絶対時間情報は、ローカルクロックに関するオフセットとして既知なので、高速クロック回路が非活性化されている間、時間を維持するのが望ましい。図１０は移動デバイス１０２を示す詳細なブロック図である。図１で示される要素と同一または類似の要素は、同一の参照番号で示され、上記で詳細に説明されている。注意すべきは、移動デバイス１０２が基準発振器１００２（例えば、電圧制御発振器（ＶＣＯ）または温度補償水晶発振器（ＴＣＸＯ））および予備発振器１００４を含むことである。ＧＰＳ受信機１０８は、一次クロック回路１００３および予備クロック回路１００５を含む。
【００８５】
[0095]一次クロック回路１００３は、位相同期ループ（ＰＬＬ）１００６、数値制御発振器（ＮＣＯ）１００８、およびカウンタ１０１０を備える。動作において、基準発振器１００２はＰＬＬ１００６を駆動する。ＰＬＬ１００６はＧＰＳ受信機１０８のために基準クロック（例えば、８０ＭＨｚ）を生成する。ＰＬＬ１００６によって生成された基準クロックはＮＣＯ１００８へ結合され、ＮＣＯ１００８は基準周波数（例えば、１ＫＨｚ）を生成する。ＮＣＯ１００８によって生成された基準周波数は、時間を刻むために使用されるカウンタ１０１０を駆動する。例えば、ＮＣＯ１００８によって提供された基準周波数が１ＫＨｚであれば、カウンタ１０１０は、経過したミリ秒の数をカウントする。カウンタ１０１０は、ＧＰＳ受信機１０８によって得られた疑似距離測定値をタイムスタンプするために使用されてもよい。
【００８６】
[0096]発振器１００２およびＰＬＬ１００６は、比較的高速で動作する。幾つかの応用では、移動デバイス１０２内の基準発振器１００２は電力を節約するためオフにされる。例えば、移動デバイス１０２が携帯電話であれば、携帯電話が予備モードに入るとき、基準発振器１００２が非活性化されて電力を節約してもよい。予備発振器１００４は活性化されたままであるが、基準発振器１００２よりもはるかに低い動作周波数で動作する。例えば、予備発振器１００４は３２ＫＨｚ周波数基準を提供してもよい。
【００８７】
[0097]予備クロック回路１００５は、カウンタ１０１２およびコンパレータ１０１４を含む。予備発振器１００４はカウンタ１０１２を駆動する。カウンタ１０１２は、ＰＬＬ１００６よりも小さい電力を引き出す。なぜなら、カウンタ１０１２は、はるかに低い周波数（例えば、８０ＭＨｚに対して３２ＫＨｚ）で動作するからである。移動デバイス１０２が予備モードに入る前に、予備クロック回路１００５内のカウンタ１０１２の出力を一次クロック回路１００３内のカウンタ１０１０の出力と比較するためコンパレータ１０１４が使用される。コンパレータ１０１４はオフセット値を生成し、このオフセット値は移動デバイス１０２によって記憶されてもよい。一度、コンパレータ１０１４からのオフセット値が記憶されると、移動デバイス１０２が予備モードに入って発振器１００２が非活性化されるので、一次クロック回路１００３はオフにされて電力を節約してもよい。
【００８８】
[0098]移動デバイス１０２が予備モードから出るとき、一次クロック回路１００３は再び動作可能にされ、予備クロック回路１００５内のカウンタ１０１２の出力と一次クロック回路１００３内のカウンタ１０１０の出力とを比較するためコンパレータ１０１４が使用される。コンパレータ１０１４は他のオフセット値を生成し、このオフセット値は前のオフセット値と比較されて、カウンタ１０１０を正しい時間へ復元してもよい。即ち、予備クロック回路１００５は、一次クロック回路１００３がオフにされた期間の間、経過時間を追跡する。予備クロック回路１００５が経過時間を追跡するために使用される長さは、予備発振器１００４のドリフトに従う。典型的には、予備発振器１００４は、百万当たり１０パーツだけドリフトしてもよい。これは一次クロック回路１００３が非活性化される各々の秒について１０μｓのドリフトに等しい。したがって、予備クロック回路１００５が経過時間を１００ｍｓ内に維持するのであれば、一次クロック回路１００３は１０，０００秒まで非活性化されてもよい。
【００８９】
[0100]このようにして、ＧＰＳ受信機１０８または移動デバイス１０２が低電力または予備モードへ入るならば、一次クロック回路１００３内のカウンタ１０１０によって記録された時間が維持されてもよい。こうして、カウンタ１０１０によって記録された時間は、前述した任意のプロセスに従って、前に計算された時間として使用されてもよい。一次クロック回路１００３の正確度は、更に、生成時間を上記の疑似測定値として導入するか、シーケンシャルエスティメータ内で時間タグ誤差状態の共分散を調整する（即ち、移動デバイス１０２またはＧＰＳ受信機１０８が低電力モードで実行していた間のドリフトに関連する時間タグ誤差状態の不正確度を補償する）ことによって説明されてもよい。
【００９０】
[0101]これまでの説明は、時間タグ誤差を、連続的に評価される変量として記述した。注意すべきは、ミリ秒の整数として時間タグ誤差を表せることである。なぜなら、ミリ秒の端数誤差は、コモンモード誤差（ｔｃ）によって吸収されるからである。幾つかの実施形態では、例えば、推定プロセスの間または後に、時間タグ誤差をミリ秒の整数へ制約することによって、上記の制約を利用して時間タグ誤差の推定を改善することが望ましいかも知れない。
【００９１】
[0102]本発明は、天体暦データを使用して衛星の軌道およびクロックパラメータを得るように記述されたが、そのようなパラメータの同等の記述も使用することができる。使用できる衛星軌道の同等の記述が数多く存在する。そのような記述の中には、ＧＰＳ受信機から見た軌道の記述が含まれる。衛星の天体暦は、期待疑似距離のモデル、期待幾何学距離のモデル、およびクロックモデルによって置換されるか、衛星の軌道および／またはクロックパラメータを記述するモデルの他の組み合わせによって置換されてもよい。これら全てのモデルは類似の目的に役立つから、これまで使用された「天体暦」の用語は、衛星軌道パラメータ、衛星クロックパラメータ、または同じタイプの機能的に等しいデータを意味する。
【００９２】
[0103]本発明の方法および装置は、ＧＰＳ衛星を参照して説明されたが、疑似衛星、または衛星と疑似衛星の組み合わせを利用する測位システムへ教示を等しく適用できることが分かる。疑似衛星は（ＧＰＳ信号と類似の）ＰＮコードをブロードキャストする地上型送信機であって、ＰＮコードは、一般的にＧＰＳ時間と同期されて、Ｌバンド搬送波信号上で変調されてもよい。ここで使用される「衛星」の用語は、疑似衛星、または疑似衛星の同等物を含むように意図され、ここで使用される「ＧＰＳ信号」の用語は、疑似衛星、または疑似衛星の同等物からのＧＰＳ類似信号を含むように意図される。
【００９３】
[0104]これまでの説明において、本発明は米国全世界測位システム（ＧＰＳ）への適用を基準として説明された。しかし、これらの方法は類似の衛星システム、特にロシアグロナスシステムおよびヨーロッパガリレオシステムへ等しく適用できることが明らかである。ここで使用される「ＧＰＳ」の用語は、そのような代替の衛星測位システムを含み、そのような測位システムには、ロシアグロナスシステムおよびヨーロッパガリレオシステムが含まれる。
【００９４】
[0105]本発明の教示を組み込まれた様々な実施形態が詳細に図示および説明されたが、当業者は、他の様々な多くの実施形態であって、これらの教示を組み込まれた実施形態を容易に案出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】絶対時間の知識なしにＧＰＳ受信機のロケーションを計算する装置のブロック図を示している。
【図２】図１の装置の動作を表す流れ図を示している。
【図３】本発明に従って疑似距離を計算する方法を表す流れ図を示している。
【図４】本発明の代替実施形態において、受信機位置および絶対時間を計算する方法を表す流れ図を示している。
【図５Ａ】位置誤差の剰余量（５Ｂ）を生成するために使用されるグリッド（５Ａ）をグラフで示している。
【図５Ｂ】位置誤差の剰余量（５Ｂ）を生成するために使用されるグリッド（５Ａ）をグラフで示している。
【図６】絶対時間の計算で使用される剰余時間誤差のグラフを示している。
【図７】本発明に従ってＧＰＳ受信機の位置を特定するプロセスの一実施形態を示す流れ図である。
【図８】図１で示されるサーバの他の実施形態を示すブロック図である。
【図９】本発明に従ってシーケンシャルエスティメータの状態を更新するプロセスを示す流れ図である。
【図１０】図１の移動デバイスを示す詳細なブロック図である。
【図１】
2007501417.tif 000032
【図２】
2007501417.tif 000033
【図３】
2007501417.tif 000034
【図４】
2007501417.tif 000035
【図５Ａ】
2007501417.tif 000036
【図５Ｂ】
2007501417.tif 000037
【図６】
2007501417.tif 000038
【図７】
2007501417.tif 000039
【図８】
2007501417.tif 000040
【図９】
2007501417.tif 000041
【図１０】
2007501417.tif 000042
【国際調査報告】
2007501417.tif 000043
2007501417.tif 000044
2007501417.tif 000045
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