(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
全地球航法衛星システム(GNSS)の衛星搭載送信機からの少なくとも１つのGNSS信号に基づいて、電離層位相シンチレーション測定値を生成するための測定システムであって、地上ベースの受信機内に、
オープンループ構成で配置された、データ取得モジュール(31)、復調器モジュール（32）および大気監視アルゴリズムモジュール（33）を含み；
前記データ取得モジュール（31）は、前記GNSS信号を受信するように適合され、かつ基準クロック(418)及び前記基準クロック(418)に結合されたアナログ-デジタル変換器(ADC)(416)を含み、前記アナログ-デジタル変換器（ADC）は、前記基準クロック(418)のタイミングで複数の中間周波数(IF)サンプル(r)を生成するように適合されており、各IFサンプルは、前記基準クロック(418)から生成される関連時刻タグ(TOW)を有しており；
前記復調器モジュール（32）は、前記IFサンプル(r)と、関連時刻タグ(TOW)と、前記衛星システムに関連する、エフェメリス情報(ATM)を含む補助データ(35)とを受信するように適合されており、かつそこから相関値(Yi)を生成するように適合されており；
前記大気監視アルゴリズムモジュールは、前記相関値(Yi)を受信して、そこから前記位相シンチレーション測定値(σφ)を生成し；かつ
前記大気監視アルゴリズムモジュール(33)は、位相プロセス再構成アルゴリズムを含み、
前記位相プロセス再構成アルゴリズムは、
以前の位相推定値により現在の相関値(Yi)をデローテートし；
弁別器を使用して残留位相(φ)を推定し；かつ、
以前の位相と現在の残留位相(φ)との和としての現在の位相(θ)を計算する、
ことを含む、
測定システム。
【請求項２】
全地球航法衛星システム(GNSS)の衛星搭載送信機からの少なくとも１つのGNSS信号に基づいて、電離層位相シンチレーション測定値を生成するための測定システムであって、地上ベースの受信機内に、
オープンループ構成で配置された、データ取得モジュール(31)、復調器モジュール（32）および大気監視アルゴリズムモジュール（33）を含み；
前記データ取得モジュール（31）は、前記GNSS信号を受信するように適合され、かつ基準クロック(418)及び前記基準クロック(418)に結合されたアナログ-デジタル変換器(ADC)(416)を含み、前記ADCは、前記基準クロック(418)のタイミングで複数の中間周波数(IF)サンプル(r)を生成するように適合されており、各IFサンプルは、前記基準クロック(418)から生成される関連時刻タグ(TOW)を有しており；
前記復調器モジュール（32）は、前記IFサンプル(r)と、関連時刻タグ(TOW)と、前記衛星システムに関連する、エフェメリス情報(ATM)を含む補助データ(35)とを受信し、そこから相関値(Yi)を生成するように適合されており；
前記大気監視アルゴリズムモジュールは、前記相関値(Yi)を受信して、それから前記位相シンチレーション測定値(σφ)を生成するように適合され；
前記大気監視アルゴリズムモジュール(33)は位相差プロセスアルゴリズムを含み、前記位相差プロセスアルゴリズムは、
【数１】
0006513179.tif 000018
を用いて位相差プロセス値Δ[n]を再構成するように動作可能であり、
各位相差プロセス値Δ[n]は、２つの隣り合う相関値間の位相差であり、
σφは、位相差プロセス値Δ[n]に対して適用される
【数２】
0006513179.tif 000019
で与えられるフィルタを用いることで、位相差プロセス値Δ[n]から計算される、
測定システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載された測定システムにおいて、
前記データ取得モジュール（31）は、各IFサンプル(r)をタグ付きIFサンプル(r)として出力するように適合されており、各タグ付きIFサンプル(r)は、それぞれの時刻タグ(TOW)が付加されたIFサンプル(r)を含む、測定システム。
【請求項４】
請求項３に記載された測定システムにおいて、
前記復調器モジュール（32）は、前記タグ付きIFサンプル(r)を受信するように適合されており、それによって前記復調器モジュール(32)により生成された各相関値(Yi)はそれぞれの時刻タグ(TOW)に関連付けられる、測定システム。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載された測定システムにおいて、
前記データ取得モジュール（31）は、それぞれのIFサンプル(r)に同期して前記時刻タグ(TOW)を出力するように適合された時刻付加モジュール(420)を含む、測定システム。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載された測定システムにおいて、
前記データ取得モジュール(31)は、前記基準クロック(418)に結合された時刻付加モジュール(420)を含み、時刻付加モジュール(420)は、ローカル時刻を表すローカルカウンタとして動作するように適合されており、前記ローカルカウンタのカウント値は各IFサンプル(r)が生成されたときインクリメントされる、測定システム。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載された測定システムにおいて、
前記データ取得モジュール(31)は、前記無線航法信号からアナログIF信号を生成するように適合されたダウンコンバータ(410)を含み、前記ダウンコンバータ(410)は、基準クロック(418)の出力から得られた変換信号に基づいて動作する、測定システム。
【請求項８】
請求項７に記載された測定システムにおいて、
前記データ取得モジュール(31)は、前記基準クロック(418)の出力を受信するように結合されたPLL(424)を含み、前記PLL(424)は、前記ダウンコンバータ(410)に変換信号を供給するVCO(426)を駆動する、測定システム。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれかに記載された測定システムにおいて、
前記基準クロック(418)は、無線航法信号の時間フレームに対して、前記無線航法信号の測距コードのチップの期間の１０分の１未満の整合度を有する、測定システム。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれかに記載された測定システムにおいて、
前記基準クロック(418)は、約１ナノ秒の精度の時刻タグの生成のために、時刻の推定値を伝播させることに使用可能な程度の無線航法信号の時間フレームに対する整合度を有する、測定システム。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれかに記載された測定システムにおいて、
前記基準クロック(418)は、初期の時刻タグに対応する初期の同期点から進んだ時刻に伝播させるように適合されている、測定システム。
【請求項１２】
請求項１乃至１１のいずれかに記載された測定システムにおいて、
前記基準クロック(418)は、完全にモデル化されたクロックを含み、前記時刻タグは、所定のサンプル周期を用いて過去の信号同期点から伝播される時刻信号から生成される、測定システム。
【請求項１３】
請求項１乃至１１のいずれかに記載された測定システムにおいて、
前記基準クロック(418)は、統制発振器を含み、前記統制発振器は内部発振器を含み、統制クロック信号を外部の周波数標準から受信するように適合されている、測定システム。
【請求項１４】
請求項１３に記載された測定システムにおいて、
開始段階およびデータ取得段階で動作可能であり、前記基準クロック(418)は、前記統制発振器による統制が、前記開始段階中は有効であり、前記データ取得段階中は無効となるように動作可能である、測定システム。
【請求項１５】
請求項１４に記載された測定システムにおいて、
前記外部の周波数標準は、GNSS信号とGPS統制発振器(GPSDO)信号のいずれか一方によって提供される、測定システム。
【請求項１６】
請求項１乃至１１のいずれかに記載された測定システムにおいて、
前記基準クロック(418)は、未知のパラメータのライブモデリングがクロック推定アルゴリズムを使用して実行される自走クロックを含む、測定システム。
【請求項１７】
請求項１６に記載された測定システムにおいて、
前記基準クロック(418)は、
推定されたクロックパラメータを測定し、
前記推定されたクロックパラメータに基づく初期同期点から正確に時刻タグを伝播させるように動作可能である、測定システム。
【請求項１８】
請求項１７に記載された測定システムにおいて、
前記推定されたクロックパラメータは、第１の衛星搭載送信機のセットからの衛星航法信号から測定され、かつ前記データ取得モジュール(31)により取得される前記衛星航法信号は、第２の衛星搭載送信機のセットの１つ以上の衛星搭載送信機からのものであり、前記第１のセットおよび第２のセットは共通の衛星搭載送信機を備えていない、測定システム。
【請求項１９】
請求項１乃至１８のいずれかに記載された測定システムにおいて、
前記補助データ(35)は、受信機に関連するパラメータ(Rec.)を含み、前記受信機に関連するパラメータは、地球中心、地球固定フレームにおける受信機アンテナ（402）の区分的連続軌道を表す、測定システム。
【請求項２０】
請求項１乃至１９のいずれかに記載された測定システムにおいて、
前記補助データ(35)は、前記送信機が搭載された衛星の軌道パラメータ(S.V.)を含む、測定システム。
【請求項２１】
請求項２０に記載された測定システムにおいて、
前記軌道パラメータ(S.V.)は、ブロードキャストエフェメリスを含む、測定システム。
【請求項２２】
請求項２１に記載された測定システムにおいて、
前記ブロードキャストエフェメリスは、GNSSエフェメリスまたは精密エフェメリスを含む、測定システム。
【請求項２３】
請求項１９に記載された測定システムにおいて、
前記復調器モジュール(32)は、時刻タグ(TOW)および前記受信機に関連するパラメータ(Rec.)を受信するため、ならびに受信機に関連する時間遅延(δtRX)を出力するためのユーザー受信機モデル(504)を含む、測定システム。
【請求項２４】
請求項２０乃至２２のいずれかに記載された測定システムにおいて、
前記復調器モジュールは、宇宙飛行体モデル(506)を含み、前記宇宙飛行体モデルは、時刻タグ(TOW)および前記軌道パラメータ(S.V.)を受信し、宇宙飛行体に関連する時間遅延(δtSV)を生成するように適合されている、測定システム。
【請求項２５】
請求項２４に記載された測定システムにおいて、
前記復調器モジュール(32)は、大気モデル(508)を含み、前記大気モデルは、前記時刻タグ(TOW)、受信機に関連する時間遅延(δtRX)、前記宇宙飛行体に関連する時間遅延(δtSV)、および前記エフェメリス情報(Atm.)を受信し、大気に関連する時間差(δtA)を出力するように適合されている、測定システム。
【請求項２６】
請求項２５に記載された測定システムにおいて、
前記復調器モジュール(32)は、前記受信機に関連する時間遅延(δtRX)と前記宇宙飛行体に関連する時間遅延(δtSV)の和を含む第１の和を生成し、かつ信号に関連する時間遅延(tSIG)を生成するために前記第１の和(512)と前記大気に関連する時間差(δtA)との和を含む第２の和を生成するように適合されている、測定システム。
【請求項２７】
請求項２６に記載された測定システムにおいて、
前記復調器モジュールは、前記信号遅延(tSIG)を受信し、DMF(102)の入力のための推定値(Si^)を生成するように適合されているコードおよび搬送波NCOをさらに含む、測定システム。
【請求項２８】
請求項２に記載された測定システムにおいて、
σφは、関数
【数３】
0006513179.tif 000020
を用いて、σφ２から得られる、測定システム。
【請求項２９】
全地球航法衛星システム(GNSS)の衛星搭載送信機からの少なくとも１つのGNSS信号に基づいて、電離層位相シンチレーション測定値を生成するための測定方法であって、
地上ベースの受信機内にオープンループ構成で配置された、データ取得モジュール(31)であって基準クロック(418)および前記基準クロックに結合されたアナログ-デジタル変換器(ADC)(416)を含むデータ取得モジュール(31)、復調器モジュール（32）および大気監視アルゴリズムモジュール（33）を提供し；
前記データ取得モジュール(31)を使用して前記GNSS信号を受信し、そこから、前記ADCは前記基準クロック(418)のタイミングで、各IFサンプルが前記基準クロック(418)から生成される関連時刻タグ(TOW)を有する、複数の中間周波数(IF)サンプル(r)を生成するように適合されており；
前記復調器モジュール(32)を使用して、前記IFサンプル(r)と、関連時刻タグ(TOW)と、前記衛星システムに関連する、エフェメリス情報(ATM)を含む補助データ(35)とを受信し、そこから相関値(Yi)を生成し；かつ、
前記大気監視アルゴリズムモジュール(33)を使用して、前記相関値(Yi)を受信し、そこから前記位相シンチレーション測定値(σφ)を生成し；かつ、
前記大気監視アルゴリズムモジュール(33)は、位相プロセス再構成アルゴリズムを含み、
前記位相プロセス再構成アルゴリズムは、
以前の位相推定値により現在の相関値(Yi)をデローテートし；
弁別器を使用して残留位相(φ)を推定し；かつ、
以前の位相と現在の残留位相(φ)との和としての現在の位相(θ)を計算する、
ことを含む、
測定方法。
【請求項３０】
全地球航法衛星システム(GNSS)の衛星搭載送信機からの少なくとも１つのGNSS信号に基づいて、電離層位相シンチレーション測定値を生成するための測定方法であって、
地上ベースの受信機内にオープンループ構成で配置された、データ取得モジュール(31)、復調器モジュール（32）および大気監視アルゴリズムモジュール（33）を提供し、
前記データ取得モジュール(31)は、基準クロック(418)および前記基準クロックに結合されたアナログ-デジタル変換器(ADC)(416)を含み；
前記データ取得モジュール(31)を使用して、前記GNSS信号を受信し、
前記ADCは前記基準クロック(418)のタイミングで複数の中間周波数(IF)サンプル(r)を生成するように構成されており、各IFサンプルは、前記基準クロック(418)から生成される関連時刻タグ(TOW)を有し；
前記復調器モジュール(32)を使用して、前記IFサンプル(r)と関連時刻タグ(TOW)と前記衛星システムに関連する、エフェメリス情報(ATM)を含む補助データ(35)を受信し、
そこから相関値(Yi)を生成し；かつ、
前記大気監視アルゴリズムモジュール(33)を使用して、前記相関値(Yi)を受信して、そこから前記位相シンチレーション測定値(σφ)を生成し；かつ、
前記大気監視アルゴリズムモジュール(33)は位相差プロセスアルゴリズムを含み、前記位相差プロセスアルゴリズムモジュールは、
【数４】
0006513179.tif 000021
を用いて位相差プロセス値Δ[n]を再構成するように動作可能であり、
ここでσφは、位相差プロセス値Δ[n]に対して適用される
【数５】
0006513179.tif 000022
で与えられるフィルタを用いることで、位相差プロセス値Δ[n]から計算される、
測定方法。
【請求項３１】
処理回路による実行のため、および少なくとも請求項２９および３０におけるステップに対応する命令を定義するかまたは変換可能なデータが記録または貯蔵された、記録可能、書き換え可能または貯蔵可能な媒体。
【請求項３２】
通信装置と記憶装置を含み、オンデマンドまたは他の方法で、処理回路による実行のため、および少なくとも請求項２９および３０におけるステップに対応する命令を定義するかまたは変換可能なデータを送信するように構成されたコンピューターサーバー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（0001）
本発明は、地上ベースのGNSS（Global Navigation Satellite System：全地球航法衛星システム）受信機を用いる大気測定に関し、特に、電離層や電離層活動に関連する統計値の測定に関する。
【背景技術】
【０００２】
（0002）
宇宙ベースの無線信号は、大気監視のために広く使用されている。これらの信号は、宇宙ベースの送信機から地球に伝播するため、大気により位相偏移、群遅延、および振幅の変化を受ける。
適切な方法でこれらの信号を処理する受信機は、これらの位相の推定量、遅延及び振幅の変化を抽出することができ、さらに大気に関するいくつかの情報を推測することができる。
GNSS信号は、その存在量の多さおよび地球規模のカバレッジ、ならびに複数の周波数で送信されるという事実により、これらの目的のために広く使用される。
これらの信号は電離層や対流圏の監視に使用される。その理由は、電離層や対流圏がＬバンドで送信された信号の伝播速度および伝播方向の変化を誘起するためである。
【０００３】
（0003）
これらの影響を測定するために、GNSS受信機が使用される。これらの受信機は、搬送波の周波数および位相と、これらの信号の変調された測距コードを追尾し、信号電力、搬送波位相および測距コード遅延の測定値を生成する。以後、未処理信号測定値(raw signal measurements)と呼ばれるこれらの値は、次に大気を通る信号伝播に関連する種々の特性（以下、大気測定値）の計算のために使用される。
従来、これらの未処理信号測定値を生成するための受信機は、対象のパラメータのクローズドループ追尾を行っている。典型的なシステムでは、測距コードのために遅延ロックループ（DLL）を使用し、搬送波のために位相ロックループ（PLL）を使用する。
他の多くのシステムも利用可能であるが、一般に、受信機は未処理信号の測定値を生成するために、再帰的なフィードバック/フィードフォワードメカニズムの並べ替えに依存する。
【０００４】
（0004）
大気測定値の計算は、利用可能性と未処理信号測定値の品質の両方に依存する。このため、受信機の追尾アルゴリズムが信号パラメータを正確に追尾することが困難になると、得られた大気測定値の品質が低下する。
受信機に実装された特定の追尾アルゴリズムが、結果として得られる大気測定値に影響を与える。例えば、追尾アルゴリズム内のフィルタリング作用または一時的なエラーは、大気測定値にアーチファクト(人工効果；artefacts)を生成することがある。
【０００５】
（0005）
大気中の異常（例えば、電離層シンチレーション）は、受信機の追尾アルゴリズムの正確な動作を困難にすることがある。したがって、受信機がこの異常を測定するために使用されるとき、追尾アルゴリズムが追尾に失敗し、未処理信号測定値の品質の低下またはそれらが利用できないとの理由で大気測定値の品質が大幅に低下する可能性がある。
受信機の追尾耐久力および測定値の利用可能性を高めるため、積分時間の拡張、追尾帯域の低減などの多くの技術が提案されている。しかし、これらは、未処理信号測定値の減少をもたらし、最終的には、大気測定値のアーチファクトが生成される結果となる。
【０００６】
（0006）
ある大気測定値の生成、例えばシグマ−ファイ（φ）として知られている電離層測定には、未処理信号測定値のフィルタリングが必要である。しばしばデトレンディング(de-trending)として知られるこのフィルタリングステージは、かなり長い収束時間を有する。未処理信号測定値が断続的に使用不能となった場合、その結果使用不能となる大気測定値の時間は、はるかに長くなり得る。
【０００７】
（0007）
現在のアプローチの弱点は推定段階にある。従来、受信機においては、大気測定値の計算に先立って、未処理信号パラメータの推定または追尾を行っている。理想的でない状態になると、この追尾段階に問題が発生する。従来のシステムの欠点について、理論的な要因を挙げながら、図１および図２（従来技術）に関連して説明する。
【０００８】
（0008）
典型的には地上受信機のアンテナ受信されるGNSS信号は次の式(１)のようにモデル化される。
【数１】
0006513179.tif 000002
ここで、Ssigは視野にある衛星からの信号のセット、sｉ(t)は可視の複数の衛星からのｉ番目の受信信号、n(t)は付加された熱雑音を意味する。式(１)における様々なパラメータは以下の信号特性を表す。即ち、Piは総受信電力（ワット）、ωiはラジアン／秒単位の公称のRF搬送波周波数、di(t)はバイポーダル(bi-podal)データ信号または二次コード、ci(t)は信号の拡散シーケンスおよび副搬送波、θi(t)は伝搬遅延、衛星対ユーザーダイナミックス(satellite-to-user dynamics)、大気の影響、および衛星時計の影響を含む総受信位相プロセス、プロセスτi(t)は伝搬遅延、衛星時計の影響、および大気の影響を含む受信機で観測された総遅延を表す。
【０００９】
（0009）
特に、搬送波の位相項、即ち式(１)におけるθi(t)は、異なる位相プロセスの数を表す。これは数学的には下記の式(２)に示す線形結合で表すことができる。
【数２】
0006513179.tif 000003
ここで、θ０はある任意の初期位相を表し、θLOS(t)は衛星と受信機との間の見通し線の長さ(line-of-sight geometry)/ダイナミックスによる誘起位相プロセスを表し、θSV Clk.(t)は衛星時計の誤差による位相プロセスを表し、θAtm.(t)は信号が伝播する大気による誘起位相プロセスを表す。
【００１０】
（0010）
図１（従来技術）は、搬送波位相（θi^）及び測距コード遅延（τi^）のローカルな推定値が相関値Yi[n]を生成するために使用される方法を示す、従来の受信機のデジタル整合フィルタ102-1のブロック図である。
【００１１】
（0011）
GNSS受信機は、一般に、受信RF信号のゼロまたはノンゼロの中間周波数へのダウンコンバージョンを実行し、次いで信号をサンプリングする。これらの信号サンプル(r)は、次に下記の式(３)に示される演算が実装されたデジタル整合フィルタ（DMF）102-1により処理される。
【数３】
0006513179.tif 000004
ここで、変数τi^およびθi^は、式(１)で定義された受信機における変数τiおよびθiの推定値であり、用語Yi[n]は相関値として知られている。
【００１２】
（0012）
式(３)により記述される演算は、受信機内の追尾アルゴリズム内で搬送波位相および測距コードの追尾ループの一部として実施される。
【００１３】
（0013）
図２（従来技術）は、搬送波追尾ループ104および測距コード追尾ループの双方のためのループを描いた典型的なクローズドループ追尾構成のブロック図である。当業者に理解されるように、DMFバンク102は複数のインスタンス102-1，102-2，102-3（即ちチャンネルあたり１つ；ここには３つのみ図示）を実装している。
【００１４】
（0014）
典型的な実装は図２に示されるブロック図に従う。ここで、相関値Yi[n]は、信号パラメータτi^（ｍＴＳ）およびθi^（ｍＴＳ）の推定値を生成するために、搬送波追尾ブロック104および測距コード追尾ブロック106により処理される。次いで、これらの推定値は後一連の相関値Yi[n]）を生成するために使用される。
【００１５】
（0015）
GNSS信号が伝播している大気の特性や属性を推定するために使用される特定の複数のアルゴリズムは、‘大気監視アルゴリズム’108との名称のブロックに実装されている。これらのアルゴリズムは、次の量を処理する。即ち、DMF102によって生成されるYi[n]、および追尾アルゴリズムにより推定されるτi^とθi^である。監視アルゴリズムの性能は未処理信号測定値の品質に直接的に影響されるので、搬送波および測距コードの双方の追尾アルゴリズムの適正な動作は大気監視受信機にとって非常に重要である。
問題は、伝搬路における高い大気活性状態の変動により、これらの追尾アルゴリズムが不十分に実行されたり、失敗したりするおそれがあることである。
【００１６】
（0015a）
YORK J ET AL：“Development of a Prototype Texas Ionospheric Ground Receiver（TIGR）”,ITM2012-PROCEEDINGS OF THE 2012 INTERNATIONAL TECHNICAL MEETING OF THE INSTITUTE OF NAVIGATION,THE INSTITUTE OF NAVIGATION,8551 RIXLEW LANE SUITE 360 MANASSAS,VA 20109,USA,1 February 2012（2012-02-01）, 1526-1556頁,XP056000936は、衛星信号から電離層測定を行うように設計されたソフトウェア受信機を開示している。
RFデータは、直接毎秒２ギガでADCによりサンプリングされ、FPGAに渡され、ここでデジタル的にフィルタリングされ、各々が２０MHzの帯域を有する３つの可変帯域にダウンサンプリングされる。
データ量の低減したデジタルデータストリームは第２のFPGAに渡され、ここで個々のチャンネルは、複数の狭い信号帯域にフィルタリングされる。この信号帯域の中心は、予測されたドップラーシフトを補償するために調整された衛星信号の周波数である。このデータ中の信号の位相および強度の予測は、汎用CPU上で動作するオンボードソフトウェアの使用により達成される。
【００１７】
（0015b）
LULICH TD ET AL：“Open Loop Tracking of Radio Occultation Signals from an Airbome Platform”,GNSS 2010-PROCEEDINGS OF THE 23RD INTERNATIONAL TECHNICAL MEETING OF THE SATELLITE DIVISION OF THE INSTITUTE OF NAVIGATION(ION GNSS 2010),THE INSTITUTE OF NAVIGATION,8551 RIXLEW LANE SUITE 360 MANASSAS,VA 20109,USA、24 September 2010（2010-09-24）,1049-1060頁, XP056000217は、リモートセンシング技術をベースとする無線掩蔽（RO）を開示している。
この無線掩蔽（RO）の技術は、電離層内の電子密度を決定するために全地球測位システム（GPS）からの信号を使用し、モデルベース（model-based）のドップラー周波数の推定値およびGPSデータビットの記録(レコード)を使用したオープンループ（OL）追尾を行う。
【００１８】
（0015c）
G. BEYERLE ET AL：“Observation and Simulation of receiver-induced refractivity biases in GPS radio occultation”,JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESERCH,Vol.111,no.D12,1 January 2006（2006-01 -01）,XP055158431,ISSN：0148-0227、DOI：10.1029 / 2005J D006673は、GPS電波掩蔽内の受信機に誘発される屈折率の偏り(バイアス)の観測とシミュレーションを開示している。
【００１９】
（0015d）
NIU F ET AL：“GPS Carrier Phase Detrending Methods and Performances for Ionospheric Scintillation Studies”,ITM2012-PROCEEDINGS OF THE 2012 INTERNATIONAL TECHNICAL MEETING OF THE INSTITUTE OF NAVIGATION,THE INSTITUTE OF NAVIGATION,8551, RD LEW,LANE SUITE 360,MANASSAS,VA 20109,USA,1 February 2012（2012-02-01）、1462-1467頁,XP056000934は、GPS搬送波の位相のデトレンド方法および電離層シンチレーションの研究のための講演を開示している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
（0016）
本発明は、さらに無線航法（例えばGNSS）信号から、純粋にオープンループの方法で生成された未処理信号測定値から取得される大気測定値を生成することを目的とする。
【００２１】
（0017）
本発明は、低品質の未処理信号測定値および/または高い大気活動の状況で大気測定値を生成することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
（0018）
本発明の一態様によれば、無線航法システムの衛星搭載送信機からの少なくとも１つの無線航法信号に基づいて、大気測定値を生成するための測定システムであって、
オープンループ構成で配置された、データ取得モジュール、復調器モジュールおよび大気監視アルゴリズムモジュールを含み；
前記データ取得モジュールは基準クロックを含み、前記データ取得モジュールは、前記無線航法信号を受信して、そこから複数の中間周波数(IF)サンプル(r)を生成するように適合されており、各サンプルは前記基準クロックから生成される関連時刻タグ(TOW)を有しており；
前記復調器モジュールは、前記IFサンプル(r)と、関連時刻タグ(TOW)と、前記衛星システムに関連する補助データとを受信するよう適合されており、かつそこから相関値(Yi)を生成するように適合されており；
前記大気監視アルゴリズムモジュールは、前記相関値(Yi)を受信して、そこから前記大気測定値を生成するよう適合されている、
測定システムが提供される。
【００２３】
（0018a）
データ取得モジュールは、タグ付きIFサンプル(r)としての各IFサンプル(r)を出力するように適合されてもよい。各タグ付きIFサンプル（r）は、それぞれの時刻タグ(TOW)が付加されたIFサンプル(r)を含む。
【００２４】
（0018b）
復調器モジュールは、上記タグ付きIFサンプル(r)を受信するように適合されてもよい。ここで、復調器モジュール(32)により生成される各相関値(Yi)は、それぞれの時刻タグ(TOW)に関連している。
【００２５】
（0018c）
データ取得モジュールは、IFサンプル(r)を生成するためのアナログ-デジタルコンバータ（変換器；ADC）を含んでもよい。このADCは、基準クロック(418)に結合されており、そのタイミングに基づいてIFサンプル(r)を生成する。
【００２６】
（0018d）
データ取得モジュールは、それぞれのIFサンプル(r)に同期して前記時刻タグ(TOW)を出力するように適合された時刻付加モジュール(420)を含んでもよい。
【００２７】
（0018e）
データ取得モジュールは、基準クロックに結合された時刻付加モジュールを含んでもよい。この時刻付加モジュールは、ローカル時刻を表すローカルカウンタとして作動するように適合されている。このローカルカウンタのカウント値は、各IFサンプル(r)が生成されたときインクリメントされる。
【００２８】
（0018f）
データ取得モジュールは、無線航法信号からアナログIF信号を生成するように適合されたダウンコンバータを含んでもよい。このダウンコンバータは、基準クロックの出力から得られる変換信号に基づいて動作する。
【００２９】
（0018g）
データ取得モジュールは、基準クロックの出力を受信するように結合されたPLLを含んでもよい。ここで、PLLは、ダウンコンバータに変換信号を供給するためのVCOを駆動する。
【００３０】
（0018h）
基準クロックは、無線航法信号の時間フレームに対して、無線航法信号の測距コードのチップの期間の１０分の１未満の整合度を有してもよい。
【００３１】
（0018i）
基準クロックは、約１ナノ秒の精度で時刻タグの生成のために、時刻の推定値を伝播(propagate)させることに使用可能な程度の、無線航法信号の時間フレームに対する整合度を有してもよい。
【００３２】
（0018j）
基準クロックは、初期の時刻タグに対応する初期の同期点から、進んだ時刻に伝播させるように適合されてもよい。
【００３３】
（0019）
１つの実施形態では、基準クロックは、完全にモデル化されたクロックを含む。ここで、上記時刻タグは、過去の信号同期点から所定のサンプル周期を用いて伝播される時刻信号から得られる。
【００３４】
（0019a）
別の実施形態では、基準クロックは、統制(disciplined)発振器を含む。この統制発振器は、外部の周波数標準から統制クロック信号を受信するように適合された内部発振器を含む。
このシステムは、開始段階とデータ取得段階で動作可能である。ここで、基準クロックは、統制発振器による統制が開始段階では有効となり、データ取得段階で無効となるように動作可能である。外部の周波数基準は、GNSS信号とGPS統制発振器(GPSDO)から供給されてもよい。
【００３５】
（0019b）
別の実施形態では、基準クロックは、未知のパラメータのライブモデリングがクロック推定アルゴリズムを使用して実行される自走クロックを含む。
基準クロックは、推定されたクロックのパラメータを測定し、推定されたクロックパラメータに基づいて初期同期点から時刻タグを正確に伝播させるように動作可能であってもよい。
この推定されたクロックパラメータは、第１の衛星搭載送信機のセットからの衛星航法信号から測定されてもよい。また、上記データ取得モジュールにより取得される衛星航法信号は、第２セットの１つ以上の衛星搭載送信機のセットからのものである。第１のセットと第２のセットは、共通の衛星搭載送信機を持っていない。
【００３６】
（0020）
補助データは、受信機に関連するパラメータ（Rec.）、即ち、地球中心、地球固定フレームにおける受信機アンテナの区分的連続軌道を表すパラメータを含んでもよい。
【００３７】
（0021）
補助データは、送信機が搭載された衛星の軌道パラメータ（SV）を含んでもよい。軌道パラメータ（SV）は、ブロードキャストエフェメリス(放送暦；broadcast ephemerides)を含むことができる。ブロードキャストエフェメリスは、GNSSエフェメリスや精密(precise)エフェメリスを含んでもよい。
【００３８】
（0022）
補助データは、エフェメリス情報（ATM）を含んでもよい。
【００３９】
（0023）
復調器モジュールは、時刻タグ(TOW)と受信機に関連するパラメータ(Rec.)を受信し、かつ受信機に関連する時間遅延(δtRX)を出力するためのユーザー受信機モデルを含んでもよい。
【００４０】
（0024）
復調器モジュールは、宇宙飛行体モデル(506)を含んでもよい。宇宙飛行体モデルは、時刻タグ(TOW)および軌道パラメータ（S.V.）を受信し、そして宇宙飛行体に関連する時間遅延(δtSV)を生成するように適合されている。
【００４１】
（0025）
復調器モジュールは、大気モデルを含んでもよい。大気モデルは、時刻タグ（TOW）、受信機に関連する時間遅延(δtRX)、宇宙飛行体に関連する時間遅延(δtSV)、およびエフェメリス情報(Atm.)を受信し、かつ大気に関連する時間差(δtA)を出力するように適合されている。
【００４２】
（0026）
復調器モジュールは、信号に関連する時間遅延(tSIG)を生成するために、受信機に関連する時間差(δtRX)と宇宙飛行体に関連する時間差(δtSV)の和を含む第１の和、および、第１の和と大気に関連する時間差(δtA)との和を含む第２の和を生成するよう適合されている。
【００４３】
（0027）
復調器モジュールは、さらに、コードおよび搬送波MCOを含んでもよい。このコードおよび搬送波MCOは、信号遅延(tSIG)を受信し、DMFへの入力の推定値(Si^)を生成するように適合されている。
【００４４】
（0028）
大気監視アルゴリズムモジュールは、位相プロセス再構成アルゴリズムを含んでもよい。この位相プロセス再構成アルゴリズムは、
以前の位相推定値により現在の相関値(Yi)をデローテート(回転補正：de-rotate)すること、
弁別器(ディスクリミネータ)を用いて、残留位相(Φ)を推定すること、および
以前の位相と現在の残留位相(Φ)の和としての現在の位相(θ)を計算することを含む。
【００４５】
（0029）
大気監視アルゴリズムモジュールは位相差プロセス（処理）アルゴリズムを含んでもよい。この位相差プロセスアルゴリズムは、以下の式を用いて位相差を再構成するように動作可能である。
【数４】
0006513179.tif 000005
【００４６】
（0030）
１つの実施形態では、σφはφの値を生成するために、下記の式で与えられるフィルタを用いて、Δ(n)の値から計算されてもよい。
【数５】
0006513179.tif 000006
【００４７】
（0031）
１つの実施形態では、σφは下記の関数を用いて、σφ２から取得されてもよい。
【数６】
0006513179.tif 000007
【００４８】
（0032）
本発明の別の態様によれば、無線航法システムの衛星搭載送信機からの少なくとも１つの無線航法信号に基づいて、大気測定値を生成するための測定方法であって、
オープンループ構成で配置された、データ取得モジュールであって基準クロックを含む前記データ取得モジュール、復調器モジュールおよび大気監視アルゴリズムモジュールを提供し；
前記データ取得モジュールを使用して、前記無線航法信号を受信し、そこから各々前記基準クロックから生成される関連時刻タグ(TOW)を有する複数の中間周波数(IF)サンプル(r)を生成し；
前記復調器モジュールを使用して、前記IFサンプル(r)と関連時刻タグ(TOW)と前記衛星システムに関連する補助データを受信し、そこから相関値(Yi)を生成し；
前記大気監視アルゴリズムモジュールを使用して、前記相関値(Yi)を受信し、そこから前記大気測定値を生成することを含む、
測定方法が提供される。
【００４９】
（0033）
本発明の別の態様によれば、処理回路による実行のため、および少なくとも請求項３２におけるステップに対応する、命令を定義するかまたは変換可能なデータが記録または貯蔵された、記録可能、書き換え可能または貯蔵可能な媒体が提供される。
【００５０】
（0034）
本発明の別の態様によれば、通信装置と記憶装置を含み、オンデマンドまたは他の方法で、処理回路による実行のため、および少なくとも請求項３２におけるステップに対応する、命令を定義するかまたは変換可能なデータを送信するように適合されたコンピューターサーバーが提供される。
【００５１】
（0035）
利点は、受信機の時間と位置に関する支援情報の使用、および大気測定値を算出する方法を修正することにより、追尾段階の問題が完全に回避されることで、より強固(ロバスト)な監視システムを構築できることである。
【００５２】
（0036）
さらなる利点は、オープンループモードで動作させ、かつ連続かつ完全な位相推定のための必要性を回避することによって、本発明の実施形態は、弱信号環境での回復力(resilience)、極めて厳しい電離層活動下での強固な追尾、および伝統的な受信機構成よりも高い測定値の利用可能性を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
（0037）
本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。
【００５４】
（0038）
【図１】図１（従来技術）は、従来の受信機のデジタル整合フィルタ102-1のブロック図であり、相関値Yi[n]の生成に搬送波位相(θi^)と測距コード(τi^)がどのように使用されるかを示す。
【００５５】
（0039）
【図２】図２（従来技術）は、搬送波追尾ループ104および測距コード追尾106の両方のためのループを描いた典型的なクローズドループ追尾構成のブロック図である。
【００５６】
（0040）
【図３】図３は、本発明の実施形態に係る測定システムのシステム構成のブロック図である。
【００５７】
（0041）
【図４】図４は、図３のデータ取得モジュール31のブロック図である。
【００５８】
（0042）
【図５】図５は、図３のオープンループ復調器モジュール32のブロック図である。
【００５９】
（0043）
【図６】図６は、図３のAMAモジュール33で行われる一連の相関値Yiが与えられるS4の値の計算処理のブロック図である。
【００６０】
（0044）
【図７】図７は、図３のAMAモジュール33で行われる一連の位相推定値θi^が与えられるσφの計算処理のブロック図である。
【００６１】
（0045）
【図８】図８は、図３のAMAモジュール33で行われる現在の位相を計算する相関値Yiからの位相の再構成処理のブロック図である。
【００６２】
（0046）
【図９】図９は、図３のAMAモジュール33で行われる一連の位相差推定値Δ^が与えられるσφの計算処理のブロック図である。
【００６３】
（0047）
【図１０】図１０は、図６に示されるアルゴリズムを使用して、方法１と方法２の両方で計算され、かつ市販の大気監視受信機によって提供された基準値と比較したS4を時間毎にプロットして示したものである。
【００６４】
（0048）
【図１１】図１１は、図７と図９に示されるアルゴリズムを用いて、図３のAMAモジュール33で実行された方法１および方法２の両方で計算され、かつ市販の大気監視受信機によって提供された基準値と比較したσφを時間毎にプロットして示したものである。
【発明を実施するための形態】
【００６５】
（0049）
図３は、本発明の実施形態に係る測定システムのシステム構成のブロック図である。
【００６６】
（0050）
このシステム構成は、３つの主要なブロックである、データ取得（DAQ）31、オープンループ復調器（OLD）32と大気監視アルゴリズム（AMA）33で構成することができる。
【００６７】
（0051）
GNSS受信機におけるフィードフォワードクローズドループ構成に関連する問題および欠点を克服するために、本発明の実施形態は、オープンループ構成を利用している。
図３に示されているように、本発明の実施形態は以下の構成要素を含む。即ち、データ取得モジュール（DAQ）31、オープンループ復調器（OLD）32、および大気監視アルゴリズムのセットを組み込んだ大気監視アルゴリズムモジュール（AMA）33を含む。
以下でより詳細に説明するように、DAQモジュール31は、未処理（例えばGNSS）信号を受信し、それぞれが関連する時刻タグ（TOW）を有するIFサンプル(r)を出力する。復調器32は、rとTOWを受け取り、これら、および補助データ(一般に35で示される)に基づいて、相関値Yjを生成する。相関値YjはAMAモジュール33に出力される。
【００６８】
（0052）
図４は、図３のデータ取得モジュール31のブロック図である。
【００６９】
（0053）
図４に示されているDAQモジュール33は、アンテナ402からの１つ以上のGNSSバンドのための中間周波数サンプル(r)を取得するタスクを実行する。
アンテナ402で受信された信号は、低雑音増幅器(LNA)404で増幅され、バンドパスRFフィルタ406およびさらなる増幅器408を通り、IFに変換するダウンコンバータ410に送られる。
ダウンコンバータ410からのIF出力信号は、ADC416でデジタル(IF)サンプルに変換される前に、ゲインブロック412でさらに増幅され、IFバンドパスフィルタ414を通る。
UTCまたは特定のGNSSシステムの時刻に調整された、ここではTOWと呼ばれる時刻タグを、各IFサンプルrに提供するため、正確なクロック418がサンプルをダウンコンバートし、デジタル化するために使用される。
基準クロック418からのクロック信号422は、PLL424に供給される。PLL424は、VCO426とともにループを形成し、VCO426の出力は、IF信号を生成するために、ダウンコンバータ410に使用される(当業者には理解されるように、IFデータは、リアルタイム処理のためにOLDモジュール32(図３)に直接流されるか、または後処理のためにストレージディスクに流される。)。
DAQの重要な特徴は基準クロック418である。好ましくは、基準クロック418は、UTC、または特定のGNSSシステムの時刻に正確に同期しているか、またはそのオフセット（基準値からの偏差）がよく知られている。
しかしながら、好ましい実施形態では、データ取得中は基準クロック418がGNSSシステムから直接統制されないことが必要である。それが、実施形態のシステムが動作するオープンループの原理に反するからである。DAQ31の基準クロック418の特定の実施形態については、以下に説明する。
【００７０】
（0054）
図３に戻ると、OLDモジュール32は、DAQ31からのIFサンプルおよび関連する時刻タグ(TOWおよびr)、ならびに補助情報35を入力として受け取る；本実施形態において、後者は、それぞれが図３にS.V.、Rec.およびAtm.と示されている衛星エフェメリス、受信機の位置情報、および大気情報を含むが、それらの１つ、いくつか、または全てが使用される。
好ましくは、各サンプルrについて、τi^およびθi^と呼ばれる受信信号パラメータの値を予測するため、関連するTOWは、S.V.、Rec.およびAtm.情報35とともに使用される。
本質的に、この情報は、幾何学的距離、相対論的な影響、任意の公知のおよび/または決定論的な大気の影響、衛星クロックとハードウェアバイアスおよび公知の受信機バイアスからなる伝搬路を予測するために使用されてもよい。
次にこれらの信号パラメータは、相関値Y[ｎ]を生成するためにDMFに渡される。DMFは図１に示されている標準的なDMF102でよい。
このDMF102は、相関値Y[n]を生成するために、搬送波および測距コードのワイプオフ（除去）およびそれに続く積分およびダンプ(dump)操作を実行する。
式（２）で表される位相プロセスを参照すると、そのプロセスθLOS(t)およびθSV Clk.(t)は、大気と衛星エフェメリスの誤差に対応する残留誤差のみを残して除去される。
測距コード遅延又は搬送波位相中の何れか又は両方の特定のオフセットに対応する余分な相関値が生成される可能性があるが、IFデータ内で捕捉された各信号、および各可視衛星のために、少なくとも１つの相関値Y[n]が生成される。
【００７１】
（0055）
AMAモジュール33は、OLDモジュール32により生成される相関値Y[n]を入力として受け取り、それらを様々な大気の測定のために使用する。このモジュールは、大気の状態または大気の活動のレベルに関する情報を提供する様々なアルゴリズムを実装してもよい。
特に、AMAモジュール33は、シンチレーションを記述または定量化するものを含む電離層活動に関連する測定値の生成を行ってもよい。
多くの受信機は、アルゴリズムの特性を利用することにより、相関値Y [n]および完全な位相推定値の両方を使用しているが、AMAモジュール33は、Yiのみの標準電離層測定アルゴリズムを実装してもよい。
【００７２】
（0056）
図４を参照すると、DAQモジュール31は、受信アンテナ402を内蔵し、受信したRF GNSS信号を処理する。このブロックの出力は、正確に時刻タグが付与されたデジタルGNSSデータ（r,TOW）のストリームである。
後者は、それがアンテナによって受信されるとき、各サンプルrは正確な時刻タグTOWと対になっており、本質的にGNSS信号のデジタル表現である。
時刻は、ローカル時間フレーム（受信機）またはリモート時間フレーム（宇宙飛行体、送信機）で表すことができる。いずれの場合も、現在の時刻を示すローカルカウンタは、IF信号の各サンプルrがアナログ-デジタル変換器４１６により記録(record)された時にインクリメントされてよい。このカウンタの値は、このサンプルrと対になって、時刻タグTOWを表す。
【００７３】
（0057）
好ましくは、IFデータを取得し、時刻タグ（TOW）を生成するために十分に正確なクロック418が使用される。より好ましくは、シンチレーションの監視ため、クロック418は、非常に低い位相ノイズを示すことが必要である。
また、本発明の実施形態は、クロックのドリフトおよびドリフトのレートに対して、データ取得動作の全期間にわたって既知のモデルに適合するのに十分に安定なことであるとの第２の要件を課している。
与えられたGNSS時間フレームに対して必要な時刻の整合(アライメント)の度合は、監視された信号の特性により決定され、公称の測距コードチップの１０分の１未満に設定される。複数の実施形態によれば、以下に示すように、異なる実装を用いることができる。
【００７４】
（0058）
例えば、本発明の１つのライブ実装は、GNSSフロントエンドとデジタイザを使用している。
典型的には、このようなシステムは、１つの信号事前調整(pre-conditioning)ブロック（プリアンプとフィルタ）、１つ以上の合成器(シンセサイザー)と混合器(ミキサー)、アンチエイリアスフィルタ、およびアナログ-デジタル変換器（ADC）を含む。
局部発信器を調整するクロックはADCを駆動する必要がある。後のミッション(post-mission)の実装は、GNSSデジタイザで以前に捕捉されたファイルからのストリーミングデータを含む。
【００７５】
（0059）
図４に示すように、GNSSサンプルストリームにタグを付ける処理は、単一の基準クロック418によって駆動される。このクロックは、GNSS時間フレームに整合されること、および非常に高い精度（≒１.−ナノ秒）で、時刻タグを生成するために、時刻の推定値を伝播させるために使用できることが重要である。
【００７６】
（0060）
一実施形態では、完全な（すなわち完全にモデル化された）クロック418が使用される。この場合、DAQモジュール31は、予測可能なサンプル周期を用いて、過去の単一同期点からの時刻を単純に伝播させる。
【００７７】
（0061）
別の実施形態は統制発振器（DO）に依存することを含む。この場合、DAQモジュール31は、データが取得される期間中に基準発信器がアライメント（整合）を維持することを必要とする。
統制発振器は、一般に内部発振器を含み、内部発振器に対し、修正または操縦（steering）を提供するために、外部の周波数標準を利用する。
外部の周波数標準の一つの共通のソースはGNSS信号である。GNSS(即ちGPS統制発振器(GPSDO；GPS Disciplined Oscillator）の使用）から統制される場合には、データ取得処理を開始する前に統制が行われることを保証しなければならない。
その上、装置は、データ取得処理の全体を通して、アライメントを維持するために十分に良好な持続(ホールドオーバー)性能を有していることが保証されなければならない。
もちろん、このような実装は、標準、既製のGPSDOを基準クロックとして採用し、データ取得期間中の統制動作を無効にすることを選択してもよい。
【００７８】
（0062）
自走クロックが使用される別の実施形態では、その未知のパラメータ（すなわちドリフトとドリフトレート）のライブモデリングは、オーダーメイド(bespoke)のクロック推定アルゴリズムを用いて実行される。
本質的に、これは、GNSSシステムが基準クロックの未知のパラメータの推定に対する基準として使用されるという意味で、前項の実施形態に相当する。
しかし、推定されたクロックパラメータは、発振器を操縦または統制しようとするというよりも、むしろ、単に測定され、より正確な初期同期点からの時刻タグを伝播させるために使用される。
この特殊なケースは、以前に取得したデータの後処理である。
このデータは、後処理され、テスト中の大気の異常によって、影響を受けていないか、または軽度の影響を受けただけに見える1つ（またはそれ以上）の衛星信号は、未知のクロックパラメータを推定するために利用することができる。
未知のクロックパラメータを推定するために使用する衛星のセットと、大気を監視するために使用する衛星のセットとは、相互に排他的でなければならないことに留意されたい。
このアプローチは、正確な時刻タグ付け機能を使用することなく、時間的に先に記録されたシンチレーションファイルに対する結果を検証するために使用されている。
【００７９】
（0063）
上述した基準クロック418の３つの実施形態は、初期時刻タグから進んだ時刻に初期同期ポイントを伝播させるための手段を表す。全ての場合に、この初期の時刻同期が達成されなければならない。実施形態においては、これはDAQ31の出力rを処理することによって行われる。
これらのサンプルは、従来の典型的なGPSSで行われるように処理することができ、それによって、伝統的な、クローズドループアルゴリズムがサンプルrに適用され、位置と固定時刻（time-fix）が計算される。この固定時刻は時刻タグ処理のための初期同期ポイントを提供する。
【００８０】
（0064）
図５は、図３のオープンループ復調器モジュール32のブロック図である。
【００８１】
（0065）
オープンループ復調器（OLD）モジュール32は、相関値Yiを生成するために、DAQモジュール31によって生成されたIFサンプルrを処理する。
OLDモジュール32に必要な入力は、好ましくは、正確に時刻タグが付加されたデジタルGNSSデータ（r、TOW）のストリーム；ユーザーダイナミックス、宇宙飛行体ダイナミックス（オンボードクロックを含む）、および大気遅延を含む。
受信機側で誘起される遅延は、IFサンプルの時刻タグTOWへの吸収によってモデル化されていることに注意されたい。このモジュールは、それぞれの可視衛星について相関Yi値の出力として生成する。典型的なコヒーレント積分期間は１ミリ秒であるが、より一般的な実装では短いか長い期間を使用することができる。
【００８２】
（0066）
OLD32は、図５に示すように、２つの主要なサブブロックから構成されている：GNSS信号シンセサイザ502とDMF102である。
このシンセサイザは、ユーザーの特定の位置および時刻において受信アンテナ402(図４)で観測される衛星信号を再生する。
それを行うためには、ユーザーのアンテナ402の軌道がゼロまたは正確に知られている必要がある。これは、図５に“Rec.”として示されている、地球中心（earth-centered）、地球固定フレームにおける受信アンテナ402の区分的連続軌道を表す入力を提供することにより達成される。OLD32は、適切に時刻タグ（TOW）と入力Rec.を受信するためのユーザー受信機モデルを含み；ユーザー受信機モジュール504は時間遅延Δ(t)RXを出力する。
【００８３】
（0067）
衛星信号ダイナミックスは、軌道パラメータおよび正確な時刻基準と結合されたクロック補正を使用して生成される。この軌道モデルのパラメータは、図５に変数“S.V.”として示されている。
これらの軌道パラメータは、しばしばエフェメリス（ephemerides）と呼ばれ、GNSS、いわゆるサードパーティ(第三者)精密エフェメリス、または任意の他の適切な軌道モデルのセットによって提供されるように、一連のブロードキャストエフェメリスの形態をとることができる。
典型的な例は、GPS、ガリレオ(Galileo)と北斗(BeiDou)に使用されるケプラーパラメータ、またはGLONASSのために使用されるデカルト位置および派生(デリバティブ)モデルのブロードキャストセットである。他のオプション、国際GNSSサービス（IGS）などのサードパーティが提供する正確なエフェメリスモデルを含む。
OLD32は、適切には、宇宙飛行体モデル506も含み；かつ飛行体モデル506は、時刻タグ(TOW)および軌道パラメータ(S.V.)を受信し、宇宙飛行体に関連する時間遅延δTSVを生成するように適合されている。
最終的には、大気遅延の推定値は、それぞれ別のモデルを使用して生成され、既知の値、または補助エフェメリス情報を用いて適切にパラメータ化される。この補助エフェメリス情報は、図５に変数“Atm.”として示されている。
典型的なモデルは、ほんの数例挙げるだけでも、電離層のためのKlobucharまたはNeQuickモデル、および対流圏のためのSaastamoinenモデルを含む。
大気モデル508は、時刻タグ（TOW）、受信機に関連する時間遅延(δtRX)、宇宙飛行体に関する時間遅延(δtSV)、およびエフェメリス情報(Atm.)を受信するように適合されている。大気モデル508は、これらから大気に関連する時間遅延(δtA)を生成する。
【００８４】
（0068）
OLD32は、信号に関連する遅延(δtRX)と宇宙飛行体に関連する遅延(δtSV)の和からなる第１の和512を生成するための加算要素510を含む。さらに、第２の加算要素514が、時間遅延(δtSIG)を生成するために、第１の和512と大気に関連する遅延(δtA)の和からなる第２の和を生成するように適合されている。この信号に関連する遅延(δtRX)は、DMF102への入力の推定値(Si^)を生成するために、コードおよび搬送波MCO516に入力される。
【００８５】
（0069）
DMF102は、図１に示されているように、シミュレートされたレプリカ信号に対する入力信号ストリームの逆拡散と累積を行う。このステップは、フィードバック動作がないとの違いはあるが、図２に示されている一般的なクローズドループGNSS受信機内で相関器エンジンが行う動作と極めて類似している。
有利なことに、本発明は、これらの異常の影響を受ける相関値Yiを観測するいかなるフィードバックシステムにも依存せず、受信信号において観測可能な振幅、遅延および位相変化に正確に依存する。
DMF102の一実施形態においては、衛星信号毎に唯一の相関器が使用されるが、コンセプトはより一般的であり、任意の数を使用することができる。別の実施形態では、受信信号パラメータの一層の耐久性及び正確な予測を提供するために、公称の周波数および遅延に調整された相関器に対して、周波数および遅延の両方が周辺で一定の間隔を置いた多くの相関器が実装される。各実施形態では、実装は、古典的なリアルタイムまたは後処理を含む。
【００８６】
（0070）
OLD32の内部において、２つのサブブロック(信号シンセサイザ502およびDMF102)の間のインタフェースは、正確に計時されたコード遅延および搬送波位相のシーケンス、それぞれτi^およびθi^である。どちらも、ユーザーと航法衛星のアンテナとの間の見通し線(LOS:Line Of Sight)の幾何学的な距離に関連する。しかし、両者の間には、数ある要素の中で、特に分散性媒体である大気に起因する実質的な差異が存在する。
正確なストリーム時間を使用することで、アキュムレータは何時でもダンプされることが可能であるが、通常は拡散されたコードのエッジに同期してダンプされる。
そのうえ、ブロードキャストされた航法メッセージにアクセス権が与えられると、受信信号に対するビットワイプオフ操作を許容し、航法メッセージの重要な部分を予測することができる。可能な場合、次のセクションで説明するように、それは位相再構成を著しく強化する。
【００８７】
（0071）
大気監視アルゴリズム（AMA）モジュール33（図3）は、複素相関値Y（n）をOLDモジュール32から入力として受け取り、かつ大気測定値を出力として生成する。以下、以後で定義するS4およびσφを含む一般的なシンチレーション指数を生成する電離層シンチレーション監視モジュールの実施形態について論じる。
【００８８】
（0072）
シンチレーション特性のための広く受け入れられているパラメータは、振幅のためのS4と搬送波位相のためのσφである。一般的には、S4の計算には、Iと呼ばれる中間パラメータを相関値Y[n]から計算することが必要である。多くの場合、これは、狭帯域パワー(NBP)と広帯域パワー(WBP)と呼ばれるさらなる中間変数を介して実装される。
あるいは、図６に示されているように、他の実装では、相関値Yiから直接この値を計算する。
Iの値は、一般に0.1Hzの帯域幅を持つ６次のバターワース型のローパスフィルタを用いてデトレンドされる。このローパスフィルタは、数値安定性の理由から、２段のカスケードフィルタとして実装され、図６にLPF62として示されている。
【００８９】
（0073）
図７は、図３のAMAモジュール33で行われる一連の位相推定値θi^が与えられるσφの計算処理のブロック図である。
【００９０】
（0074）
σφを計算する従来の方法は以下の３つのステップを含む。最初に、受信されたGNSS信号の位相は、等価プロセスθ（n]＝θ(nTI)を生成するために、再構成され、固定のサンプルレートでサンプリングされる。
二番目に、それは0.1Hzの帯域幅を持つ６次のバターワース型のハイパスフィルタを用いてデトレンドされる。
最後に、デトレンドされた位相プロセスの変動が、有限の重複しないブロック期間τ秒で計算される(ブロック74)。
したがって、搬送波位相測定が位相異常を測定するために使用されるのに対し、プロンプトレプリカ（またはむしろそれらの副産物）の複素相関器の出力は、振幅異常を評価するために使用される。
【００９１】
（0075）
標準的なGNSS受信機は、PLLのようなクローズドループ位相追尾アルゴリズムを介して、搬送波位相観測値を導出することに留意されたい。対照的に、本発明の実施形態においては、σφを計算するための２つの新規なアプローチが採用されている。
受信信号の位相の追尾をクローズドループで行わないことの利点は；シンチレーション指数の計算を追尾ループのフィルタのアーチファクトから分離すること、及び非常に悪い信号条件下（例えば、サイクルスリップ）での位相追尾障害の問題を防ぐことである。
【００９２】
（0076）
σφの算出方法の両方の実施形態は、再構成された位相が直ちにデトレンドされるという事実を利用する。
注意喚起したように、OLDモジュール32は、信号合成を経由して、見通し線（LOS）ダイナミック、衛星クロックおよび既知の大気の寄与などを含む、搬送波位相に対する既知の決定的寄与のすべてを除去する。残るのは、エフェメリスと大気モデルと局部発振器からのさらなる位相の寄与から生じる残留誤差である。
デトレンドプロセスの目的は、θAtm.(t)以外の全ての要因の寄与を除去することであり、したがって、位相再構成処理に必要なことは、この用語（term）を表すことだけである。２つの実施形態は以下のとおりである。
［第１の方法：位相プロセスの再構成］
【００９３】
（0077）
図８は、図7のAMAモジュール33で行われる、相関値Yiからの位相再構成、即ち、以前の位相と、以前の位相推定値により現在の相関器をデローテート（de-rotating；回転解除）したときに観察される残留位相の和としての現在の位相を算出する処理のブロック図である。
符号ｅ-jθは、実軸に対しての角度−θをもつ複素平面上の単位ベクトルを表し、符号Ｚ-1は１サンプルの遅延を表す。
この場合、位相プロセスの有効部分(useful part)は、連続する対をなす相関値間で計算される位相差の累積和によって再構成される（すなわち、Y[N-1]とY[N]）。
図８に示すように、相関値Yiは、以前の位相推定値によってデローテートされ(ブロック82を介して第１の乗算要素84へ入力する)、かつ残留位相の誤差が測定される。弁別ブロック84は、式（４）で示した位相弁別器の機能を表す。
総位相推定値θは、これらの残留位相測定値を積算することによって与えられる。結果として得られた位相プロセスは、典型的なGNSS受信機によって生成されるのと同様の方法で処理することができる。
搬送波周波数測定および位相測定に最も重要な寄与は、ユーザーと衛星アンテナとの間のLOS速度だけではなく、ユーザーと衛星クロックのドリフトの差に起因する。
従来の受信機からの位相測定値を使用する場合、一般に、この寄与は、無視できない収束時間を犠牲にしてデトレンディングフィルタによって除去される。実際、このようなフィルタのこの収束時間は、数分のオーダーになる可能性がある。この技術は、当然、この位相の寄与を除去する。その結果は、公称の雑音条件では、同じデトレンディングフィルタは、従来の位相プロセスと第１の方法の一つに正確に同じ結果をもたらすが、後者の場合がはるかに速く収束することを示す。
【００９４】
（0078）
詳細には、位相プロセスは以下のように再構成される。まず、現在の相関値が以前の位相推定値によってデローテートされる（最初のサンプルのためにゼロに初期化される）。
二番目に、残留位相φは、現在のサンプルに対応するデータビットの符号が既知であるか否かに応じて、コヒーレント（四象限アークタンジェント）であるかまたは非コヒーレント（アークタンジェント）であるかが弁別器86により推定される。
現在の位相の値φは、次に、以前の位相(ブロック88のアプリケーションにより取得される)と現在の残留位相φの和(加算要素87を介して)として計算される。
数学的には、このプロセスは以下の式（４）によって表される。
【数７】
0006513179.tif 000008
ここで、d[n]は、現在のデータビットの値であり、かつ位相プロセスは、位相差の再帰的な合計に分解されると仮定する。即ち、
θ[n]＝θ[n−1]＋Δ[n]、符号R(x)およびI(x)は、それぞれxの実部および虚部、そして関数atan(x)およびatan2(y,x)は、それぞれアークタンジェントおよび４象限アークタンジェント関数を表す。このσφを生成するための位相推定のプロセスは、次の図７に示されている標準的なアルゴリズムに続く。
［第２の方法：変更されたデトレンディングフィルタ］
【００９５】
（0079）
図９は、図３のAMAモジュール33で行われる、一連の位相差推定値Δ^が与えられσφの値が計算される処理のブロック図である。
この第２のアプローチは、本質的に0.1Hzの帯域幅を持つ６次のハイパスフィルタが搬送波位相の全てのゆっくりと変化するダイナミックスの除去のてこ入れをする。このことは、位相プロセスの再構成を完全に回避し、絶対的な位相に代えて位相差が用いられ得ることを示唆している。
デトレンディングフィルタの次数を１低減することができ、従来のアプローチに従って、等価でより簡単なフィルタが、全く同じ結果を生成する。
この新しいフィルタは以下のように見出される。
下記の式（５）で示されるｚ領域の伝達関数を有する伝統的な６次のバターワース型ハイパスフィルタを想定する。
【数８】
0006513179.tif 000009
ここで、式（５）の出力はデトレンドされた位相プロセスであり、ここにθＤ[n]で示されるものは、再構成された位相θ[n]にH(z)を適用することで見出される。このフィルタは、フィルタB(z)をθ(t)に対して適用し、次いでその結果に対して1/A(z)を適用するカスケードプロセスと完全に等価である。したがって、この位相プロセスθ[n]は、B(z)によりのみ行われる。
【００９６】
（0080）
エポックnでは、ここにθB[n]として示されるθ[n]に対して適用されたフィルタB（z）の出力は、
【数９】
0006513179.tif 000010
で与えられる。
【００９７】
（0081）
また、その位相プロセスを位相差の総和に分解することを想定すると、式（６）は、
【数１０】
0006513179.tif 000011
により与えられる。
【００９８】
（0082）
ここでH(z)はハイパスフィルタであり、直流ゲインが０である。そうするとH(1)＝０であるから、
【数１１】
0006513179.tif 000012
であり、式（７）は、
【数１２】
0006513179.tif 000013
に削減される。
ここで、
【数１３】
0006513179.tif 000014
式（８）を思い起こすと、c６＝０であるから、
【数１４】
0006513179.tif 000015
【００９９】
（0083）
したがって、フィルタH(z)を用いて、元の位相プロセスθを処理することにより得られたデトレンディング位相プロセスθDは、
【数１５】
0006513179.tif 000016
で与えられる新しいフィルタを用いて、位相差プロセスΔ[n]＝θ[n]−θ[n−1]を処理することと完全に等価であることがわかる。
【０１００】
（0084）
式（１２）は、位相プロセスの再構成が全く必要ないこと、および２つの隣接する相関値の間の位相差の推定のみが必要であることを示唆する。このことは、σφの生成を大幅に簡素化し、結果として、著しくより強固な監視アルゴリズムになる。具体的には、一実施形態では、位相差プロセスの再構成は、
【数１６】
0006513179.tif 000017
を含む。
ここで、相関値の両方のビットが既知か否かに依存して、２つの位相差推定値の一方が使用される。この位相差プロセスの生成の後、変更されたフィルタが適用可能であり、最後にσφの推定値を計算することができる。
Δ(n)からσφを計算するこのプロセスは、図９に示されている。この図において、“M-FLT”と名付けられたブロックが、ここで述べた変更されたフィルタを表している。
【０１０１】
（0085）
式（１３）で与えられるような位相差の単純な直接的推定は、以下に想定されるが、代替的な実施形態では、Δ[n]の推定値の精度を高めるために、相関値のさらなる処理を行ってもよい。
例えば、この推定を、位相プロセスのためのアプリオリ（演繹的な）統計モデルを条件としてもよい。即ち、外れ値または失敗と思われる推定値；即ち、３つまたはそれより多い一連の推定値が観測されるような推定値、を拒否するかまたは修正する仕組みを実装してもよい。
【０１０２】
（0086）
S4およびσφについて、第１の方法、第２の方法より計算された値を比較したもの、および市販の大気監視(基準)受信機をそれぞれ図１０および図１１に示す。これらより、オープンループアルゴリズムは、伝統的なクローズドループ受信機のそれを完全に再生可能であることが判る。
【０１０３】
（0087）
それぞれの実施において種々の構成要素を有する様々な実施形態を参照して、実施形態について説明してきたが、他の実施形態では、これらの構成要素および他の構成要素の組合せおよび置換を利用することが理解されるであろう。
【０１０４】
（0088）
また、実施形態のいくつかは、コンピュータシステムのプロセッサによってまたは機能を実行する他の手段によって実装可能な方法または方法の要素の組合せとして本明細書中に記載されている。したがって、このような方法または方法の要素を実行するために必要な命令を有するプロセッサは、方法または方法の要素を実行するための手段を構成する。さらに、装置の実施形態の本明細書に記載の要素は、本発明を実施する目的で要素によって実行される機能を実行するための手段の一例である。
【０１０５】
（0089）
本明細書で提供される説明において、多数の特定の細部が記載されている。しかしながら、本発明の実施形態はこれらの特定の細部なしに実施できることが理解される。さらに、周知の方法、構造、および技術は、この説明に対する理解を不明瞭にしないために詳細には示されていない。
【０１０６】
（0090）
このように、本発明の好ましい実施形態であると考えられるものを説明してきたが、当業者は、他の変形または更なる変形が本発明の精神および範囲から逸脱することなくなされ得ることを理解するであろう。また、本発明の範囲内に入るような全ての変更及び変形は、請求することを意図したものである。例えば、上記の任意の式は、使用可能な手順の単なる代表例である。
ブロック図において機能を追加または削除することができるし、機能ブロック間で動作を交換することもできる。また、記載した方法において、本発明の範囲内でステップを追加または削除することができる。
【図１】
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【図２】
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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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【図１１】
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