(57)【要約】【課題】高感度衛星測位システム受信機及び受信方法【解決手段】航法衛星受信機の方法では、電源投入時の受信機に関して、どんな航法データを持ち合わせているか、どのレベルの時刻不確定性が存在するか、どんな位置不確定性があるか判定する。受信機の感度を高めるために探索窓及び滞留時間を変えることができる屋内及び屋外探索エンジンを用いる。受信された信号は、時間及び周波数の不確定性が大きい場合に探索感度を高めるために並列動作できる幾つかのプレイバックループに保持され、なおかつ電源投入から初めて測位するまでの時間を短縮することができる。航法データが弱すぎて読み取れない場合でもサーバに援助を求めて衛星の捕捉を達成することができる。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
航法受信機を操作するための方法であって、
航法衛星受信機の位置不確定性（sigmaPos）を、解明する整数アンビギュイティ問題が存在しないカテゴリＡ、有用なドップラー推定値を適用可能なカテゴリＢ、及び位置があまりにも不確かで零の初期ドップラー推定値がより高速に位置解の結果を生むカテゴリＣに類別するステップと、
前記sigmaPosが前記３つのカテゴリＡ〜Ｃのどれに当てはまると想定されるかにより、軌道を回るＧＰＳ衛星から直接得る以外の方法で、航法衛星（ＧＰＳ衛星）の軌道暦、衛星暦、システム時刻情報を得るステップと、
前記sigmaPosが前記３つのカテゴリＡ〜Ｃのどれに当てはまると想定されるかにより、軌道を回るＧＰＳ衛星からのマイクロ波信号送信を直接捕捉するステップとを有することを特徴とする方法。
【請求項２】
類別のステップの結果前記カテゴリＡのsigmaPosになった場合には、さらに、
各ＧＰＳ衛星に関するビット遷移時間（ＢＴＴ）又はＺカウントを先ず最初に得ることなく、位置フィックス（position fix）を得るステップを有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
類別のステップの結果、前記カテゴリＢのsigmaPosになった場合には、さらに、
任意のハイＮのＧＰＳ衛星に関して予期されたドップラーを予測して位置フィックスを得ることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
類別のステップの結果、前記カテゴリＣのsigmaPosになった場合には、さらに、
位置を一切想定せずに位置フィックスを得ることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
捕捉のステップは、さらに、
ローカルのリアルタイムクロックを読み取ってどんな初期時刻不確定性も低減するステップを有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
捕捉又は取得のステップは、さらに、
航法データメッセージを復号化して任意のＧＰＳ衛星に対するＺカウントを得ることによりどんな初期時刻不確定性でも低減するステップを有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
取得のステップは、さらに、
ネットワークサーバから供給されたデータからパターンマッチングにより任意のＧＰＳ衛星に対するＺカウントを取得してどんな初期時刻不確定性でも低減するステップを有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
取得のステップは、さらに、
ネットワークレイテンシの計算を含むネットワークサーバから供給された時刻推定値を取得してどんな初期時刻不確定性でも低減するステップを有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項９】
捕捉のステップは、さらに、
屋外操作及び屋内操作という想定いかんに基づく減衰レベルに応じてＧＰＳ衛星からの信号を探索するステップを有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
捕捉のステップは、さらに、
受信の信号対雑音比（Ｓ/Ｎ比）が約−１４２ｄＢｍよりも強くなるような減衰レベルだった場合にはＧＰＳ衛星からの信号を探索する屋外探索法（ＯＤＳＭ）を使用するステップと、
屋内探索法（ＩＤＳＭ）を用いることなく確かな航法データを集めるステップとを有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
捕捉のステップは、さらに、
受信のＳ/Ｎ比が約−１４２ｄＢｍよりも弱くなるような減衰レベルだった場合にはＧＰＳ衛星からの信号を探索する屋内探索法（ＩＤＳＭ）を使用するステップと、
サーバの支援により間接的に少なくとも多少の航法データを受信するステップとを有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
航法衛星受信機ネットワークであって、
軌道を回るＧＰＳ衛星からの信号を受信すると共に、そうした信号に基づく航法フィックス（navigation fix）を提供するためのＧＰＳ測定プラットフォームと、
軌道を回るＧＰＳ衛星からの信号を受信すると共に、ＧＰＳ測定プラットフォームが前記航法フィックスを提供するのを支援するべくネットワーク上のそうした信号から航法情報を供給するためのネットワークサーバと、
位置の不確定性（sigmaPos）を、約１５０ｋｍ未満の第１sigmaPosと、１５０ｋｍ〜３０００ｋｍの第２sigmaPos、及び３０００ｋｍを超える第３sigmaPosを有する３つのカテゴリのうちの一つに類別するために前記ＧＰＳ測定プラットフォーム内に装備された第１プロセッサと、
sigmaPosが前記３つのカテゴリのどれに当てはまるかにより、前記軌道を回るＧＰＳ衛星から信号を捕捉するために前記ＧＰＳ測定プラットフォーム内に装備された第２プロセッサとを備えることを特徴とする航法衛星受信機ネットワーク。
【請求項１３】
衛星測位システム（ＳＰＳ）の受信システムであって、
軌道を回るＧＰＳ衛星から減衰した信号を受信すると共に、そうした信号から航法フィックスを提供するための高感度ＳＰＳ受信機と、
軌道を回るＧＰＳ衛星からの信号を受信すると共に、高感度ＳＰＳ受信機が前記航法フィックスを提供するのを支援するべくそうした信号から航法情報を提供するための基準局と、
前記軌道を回るＧＰＳ衛星からの前記提供された航法情報を用いて、あまりにも減衰しすぎて直接取得できなかった航法データメッセージを再構築するために高感度ＳＰＳ受信機内に装備された航法データ合成器と、
位置の不確定性（sigmaPos）を、約１５０ｋｍ未満の第１sigmaPosと、１５０ｋｍ〜３０００ｋｍの第２sigmaPos、及び３０００ｋｍを超える第３sigmaPosを有する３つのカテゴリのうちの一つに類別するために前記ＧＰＳ測定プラットフォーム内に装備された第１プロセッサと、
sigmaPosが前記３つのカテゴリのどれに当てはまるかにより前記軌道を回るＧＰＳ衛星から信号を捕捉するために前記ＧＰＳ測定プラットフォーム内に装備された第２プロセッサとを備えることを特徴とするＳＰＳ受信システム。
【請求項１４】
衛星測位システム（ＳＰＳ）受信機を操作するための方法であって、
航法衛星受信機の位置不確定性（sigmaPos）を、約１５０ｋｍ未満の第１sigmaPosと、１５０ｋｍ〜３０００ｋｍの第２sigmaPos、及び３０００ｋｍを超える第３sigmaPosを有する３つのカテゴリのうちの一つに類別するステップと、
sigmaPosが前記３つのカテゴリのどれに当てはまるかによりＧＰＳ衛星からの信号を捕捉するステップとを有することを特徴とする方法。
【請求項１５】
類別のステップの結果、前記第１sigmaPosになった場合には、さらに、
各ＧＰＳ衛星に関するビット遷移時間又はＺカウントを先ず最初に得ることなく位置フィックスを見出すステップを有することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
類別のステップの結果、前記第２sigmaPosになった場合には、さらに、
各ハイＮのＧＰＳ衛星に関して予期されたドップラーを予測して位置フィックスを見出すことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
類別のステップの結果、前記第２sigmaPosになった場合には、さらに、
位置を一切想定せずに位置フィックスを見出すことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
捕捉のステップは、さらに、
ローカルのリアルタイムクロックを読み取ってどんな初期時刻不確定性でも低減するステップを有することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１９】
捕捉のステップは、さらに、
航法データメッセージを復号化して任意のＧＰＳ衛星に対するＺカウントを得ることによりどんな初期時刻不確定性でも低減するステップを有することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項２０】
捕捉のステップは、さらに、
ネットワークサーバから供給されたデータからパターンマッチングにより任意のＧＰＳ衛星に対するＺカウントを取得してどんな初期時刻不確定性でも低減するステップを有することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項２１】
捕捉のステップは、さらに、
ネットワークレイテンシ計算を含むネットワークサーバから供給された時刻推定値を取得してどんな初期時刻不確定性でも低減するステップを有することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項２２】
捕捉のステップは、さらに、
屋外操作及び屋内操作という想定いかんに基づく減衰レベルに応じてＧＰＳ衛星からの信号を探索するステップを有することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項２３】
捕捉のステップは、さらに、
受信のＳ/Ｎ比が約−１４２ｄＢｍよりも強くなるような減衰レベルだった場合にはＧＰＳ衛星からの信号を探索する屋外探索法（ＯＤＳＭ）を使用するステップと、
屋内探索法（ＩＤＳＭ）を用いることなく確かな航法データを集めるステップとを有することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項２４】
捕捉のステップは、さらに、
受信のＳ/Ｎ比が約−１４２ｄＢｍよりも弱くなるような減衰レベルだった場合にはＧＰＳ衛星からの信号を探索する屋内探索法（ＩＤＳＭ）を使用するステップと、
サーバの支援により間接的に少なくとも多少の航法データを受信するステップとを有することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、航法衛星受信機に関し、より具体的には、信号の弱い環境で航法衛星受信機を操作するための方法並びにシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
全地球測位システム（ＧＰＳ）は、米国国防総省が１３０億ドル以上かけて構築及び運用している衛星をベースにした無線航法システムである。衛星測位システム（ＳＰＳ）にはＧＰＳ及びロシアのGLONASS航法システムがある。その他に、日本やヨーロッパ連合が提案しているシステムもある。
【０００３】
ＧＰＳシステムでは、高度２０，２００キロメートルで地球を回る２４の衛星が、任意の時刻に、最低６個の衛星がユーザから見えるように、軌道上に間隔をあけて配置されている。各衛星は各々正確な時刻と位置の信号を送信する。ＧＰＳ受信機は、信号が届くまでの時間遅延を測定し、それから受信機−衛星間の見かけの距離を算出する。ＧＰＳ受信機は、少なくとも４つの衛星からのこのような測定値によって、その３次元の位置、速度、及びシステム時刻を算出することができる。
【０００４】
電源を投入したばかりの航法衛星受信機は、見えている衛星の正確な軌道上の位置も、受信機自体の現在位置も、受信機の水晶発振器の誤差の程度やその調整周波数も、現在時刻もまだ分からない。但し、数秒以内もしくはもう少し正確な時刻と、数百キロメートルの範囲で大体の位置を掴んでいるかもしれない。このようなおおよその値であっても、こうした既にある情報が使用できることは大きな利点となる。
【０００５】
受信機が衛星からの送信を見つけて捕捉するには、衛星からの正確なシステム時刻及び見かけ搬送周波数が必要となるため、初期の探索では普通、全ての可能性について探索が必要となる。可能性の範囲を小さくするということは、その分だけ初期化が速くなるということになる。そうした機器メーカーにとっては、一番最初の位置の測位(position fix)が一般ユーザが問題なく許容できる時間内で出来ることが非常に重要である。
【０００６】
他のＧＰＳ受信機が接続され、既に衛星を捕捉追跡しているネットワークサーバを用いて、携帯電話と関連付けられたＧＰＳ受信機やインターネットで通信可能なＧＰＳ受信機をいろいろな方法で支援することができる。電話やネットワークチャネルを用いて、航法衛星受信機に情報のキービットを与えて受信機の初期化を速めることができる。本願発明者の一人であるPaul McBurney他は、既に、ＧＰＳ受信機クライアント支援に関する米国特許出願を数件手続きしている。これらの特許出願を表１にまとめた。それらの特許出願は同じ譲渡人に譲与されており、ここにそれらを引用することにより本書に組み込まれているものとする。
【０００７】
【表１】
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【０００８】
ＧＰＳ衛星は、１２．５分おきに繰り返される航法（ＮＡＶ）データメッセージを５０ｂｐｓで送信する。航法データメッセージは、ＧＰＳ受信機が十分な数の衛星を信号捕捉し、航法解を得るのに不可欠な、システム時刻、衛星軌道暦、衛星暦情報からなる。航法データメッセージは２５のフレームからなり、各フレームの送信には３０秒かかる。各フレームは５つのサブフレームからなり、各サブフレームは１０のワードからなる。各サブフレームの始めにあるＺカウントは、衛星からの送信時間を示す。軌道暦は最初の３サブフレームで、サブフレーム４〜５は５０頁以上に及ぶ衛星暦データである。航法データの１データフレーム全体は１５００ビットで、送信に３０秒かかる。
【０００９】
航法データは、その信号レベルが弱すぎると、受信及び復調を確実に行なうことができない。屋内やデッキの下ではこのような状況が発生する。そのため、高感度受信機では、現在の航法データを得るために、別のチャネルを使って第三者からの情報支援を受ける必要がある。ローカル受信機のシステム時刻が分かれば、第三者から得た他の一般的な航法データメッセージにＺカウント情報をプラグインすることができる。
【００１０】
各データフレームは５つのサブフレーム１〜５に分割され、各サブフレームは３００ビット、例えば、３０ビットのワード１０個からなる。従って、１０ワードからなる３００ビットの各サブフレームを送信するのには６秒かかる。サブフレームは必ず３０ビットのテレメトリ（ＴＬＭ）ワードで始まり、その後に３０ビットのハンドオーバワード（ＨＯＷ）が続く。これら２つの３０ビットのワードは、２４ビットのデータと６ビットのパリティからなる。各サブフレームは８ワードのデータペイロードを有する。
【００１１】
３００ビットの各サブフレームの先頭にあるＴＬＭワードは、８ビットのプリアンブルから始まる。プリアンブルによってサブフレームの始まりを認識することができる。プリアンブルは、受信機を同期させるための重要なメカニズムとなる。
【００１２】
最初の３００ビットのサブフレームでは、ＴＬＭワード及びＨＯＷに続いて、そのＧＰＳ衛星（ＳＶ）クロック補正データが送信される。２番目のサブフレームではそのＧＰＳ衛星の軌道暦データの第１部分が送信される。３番目のサブフレームではそのＧＰＳ衛星の軌道暦データの第２部分が送信される。サブフレームの４と５はシステムデータの別々の頁を送信するのに用いられる。４番目のサブフレームもＴＬＭワード及びＨＯＷで始まり、電離層、ＵＴＣ、その他のデータについての非常に長い情報を送信するため、データペイロードは１２．５分かかって一回りする。２５フレーム、つまり１２５サブフレームからなる一連のデータは、１２．５分間かかって送信され完全な航法メッセージとなる。５番目のサブフレームはＴＬＭワード及びＨＯＷで始まり、そのデータペイロードもどちらかというと大型の衛星暦を送信するもので、１２．５分かかって一回りする。
【００１３】
クロックデータパラメータは、ＧＰＳ衛星クロック及びそのＧＰＳ時刻との関係を表わしている。軌道暦データパラメータは、衛星軌道の短区間のＧＰＳ衛星軌道を表わしている。通常、受信機は一時間毎に新しい軌道暦データを収集するが、４時間までは大きな誤差なく古いデータを使用することができる。軌道暦パラメータは、軌道暦パラメータセットで表わされる軌道周期において、任意の時間におけるＧＰＳ衛星の位置を計算するアルゴリズムと共に使用される。衛星暦は、全ＧＰＳ衛星の近似軌道データパラメータである。１０パラメータの衛星暦は長期に亘るＧＰＳ衛星軌道を表わしており、時には数ヶ月使用することができる。
【００１４】
現在の衛星暦があれば、ＧＰＳ受信機の起動時の信号捕捉時間をかなり短くすることができる。近似軌道データは、衛星群の中の各ＧＰＳ衛星の近似位置及び搬送波ドップラー周波数を受信機にプリセットするのに用いられる。
【００１５】
Norman F. Krasnerは、２００１年５月２９日付けで登録となった米国特許番号６，２３９，７４２Ｂ１「時間測定に基づく衛星測位システムの方法及び装置（METHOD AND APPARATUS FOR SATELITE POSITIONING SYSTEM BASED ON TIME MEASUREMENT）」の中で、搬送波信号レベルが弱すぎて判読できない航法データメッセージに対処する方法を説明している。基地局は、航法データメッセージのいくつかの部分を記録し、それらを遠方にあるＳＰＳ受信機からの類似データと比較するのに使用される。遠方にあるＳＰＳ受信機は、そこから見える衛星から航法データメッセージのいくつかの部分を直接受信する。基地局で記録された航法データには補正時刻ＩＤが含まれているので、時間がオーバーラップしている２つの部分を一致させることで、遠方にあるＳＰＳ受信機がその正しいシステム時刻を見つけ出すことを支援することができる。このような比較は遠方のモバイル受信機ではなく、基地局で行なわれる。
【００１６】
【特許文献１】米国再発行特許発明第6,239,742号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
そこで、本発明の目的は、航法衛星受信を支援すると共に受信機の初期化を支援するための方法並びにシステムを提供することにある。
【００１８】
本発明の別の目的は、ＧＰＳ受信機及びＳＰＳ受信機が初期化に必要とする時間を短縮するための方法並びにシステムを提供することにある。
【００１９】
本発明のさらなる目的は、費用対効果の高い衛星航法システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明の方法は、航法受信機を操作するための方法であって、
航法衛星受信機の位置不確定性（sigmaPos）を、解明する整数アンビギュイティ問題が存在しないカテゴリＡ、有用なドップラー推定値を適用可能なカテゴリＢ、及び位置があまりにも不確かで零の初期ドップラー推定値がより高速に位置解の結果を生むカテゴリＣに類別するステップと、
前記sigmaPosが前記３つのカテゴリＡ〜Ｃのどれに当てはまると想定されるかにより、軌道を回るＧＰＳ衛星から直接得る以外の方法で、航法衛星（ＧＰＳ衛星）の軌道暦、衛星暦、システム時刻情報を得るステップと、
前記sigmaPosが前記３つのカテゴリＡ〜Ｃのどれに当てはまると想定されるかにより、軌道を回るＧＰＳ衛星からのマイクロ波信号送信を直接捕捉するステップとを有することを特徴とする。
【００２１】
また、類別のステップの結果前記カテゴリＡのsigmaPosになった場合には、さらに、
各ＧＰＳ衛星に関するビット遷移時間（ＢＴＴ）又はＺカウントを先ず最初に得ることなく、位置測位（position fix）を得るステップを有することを特徴とする。
【００２２】
また、類別のステップの結果、前記カテゴリＢのsigmaPosになった場合には、さらに、
任意のハイＮのＧＰＳ衛星に関して予期されたドップラーを予測して位置測位を得ることを特徴とする。
【００２３】
また、類別のステップの結果、前記カテゴリＣのsigmaPosになった場合には、さらに、
位置を一切想定せずに位置フィックスを得ることを特徴とする。
【００２４】
また、捕捉のステップは、さらに、
ローカルのリアルタイムクロックを読み取ってどんな初期時刻不確定性も低減するステップを有することを特徴とする。
【００２５】
また捕捉又は取得のステップは、さらに、
航法データメッセージを復号化して任意のＧＰＳ衛星に対するＺカウントを得ることによりどんな初期時刻不確定性でも低減するステップを有することを特徴とする。
【００２６】
また、取得のステップは、さらに、
ネットワークサーバから供給されたデータからパターンマッチングにより任意のＧＰＳ衛星に対するＺカウントを取得してどんな初期時刻不確定性でも低減するステップを有することを特徴とする。
【００２７】
また、ステップは、さらに、
ネットワークレイテンシの計算を含むネットワークサーバから供給された時刻推定値を取得してどんな初期時刻不確定性でも低減するステップを有することを特徴とする。
【００２８】
また、ステップは、さらに、
屋外操作及び屋内操作という想定いかんに基づく減衰レベルに応じてＧＰＳ衛星からの信号を探索するステップを有することを特徴とする。
【００２９】
また、ステップは、さらに、
受信の信号対雑音比（Ｓ/Ｎ比）が約−１４２ｄＢｍよりも強くなるような減衰レベルだった場合にはＧＰＳ衛星からの信号を探索する屋外探索法（ＯＤＳＭ）を使用するステップと、
屋内探索法（ＩＤＳＭ）を用いることなく確かな航法データを集めるステップとを有することを特徴とする。
【００３０】
また、ステップは、さらに、
受信のＳ/Ｎ比が約−１４２ｄＢｍよりも弱くなるような減衰レベルだった場合にはＧＰＳ衛星からの信号を探索する屋内探索法（ＩＤＳＭ）を使用するステップと、
サーバの支援により間接的に少なくとも多少の航法データを受信するステップとを有することを特徴とする。
【００３１】
本発明の航法衛星受信機ネットワークは、
軌道を回るＧＰＳ衛星からの信号を受信すると共に、そうした信号に基づく航法フィックス（navigation fix）を提供するためのＧＰＳ測定プラットフォームと、
軌道を回るＧＰＳ衛星からの信号を受信すると共に、ＧＰＳ測定プラットフォームが前記航法フィックスを提供するのを支援するべくネットワーク上のそうした信号から航法情報を供給するためのネットワークサーバと、
位置の不確定性（sigmaPos）を、約１５０ｋｍ未満の第１sigmaPosと、１５０ｋｍ〜３０００ｋｍの第２sigmaPos、及び３０００ｋｍを超える第３sigmaPosを有する３つのカテゴリのうちの一つに類別するために前記ＧＰＳ測定プラットフォーム内に装備された第１プロセッサと、
sigmaPosが前記３つのカテゴリのどれに当てはまるかにより、前記軌道を回るＧＰＳ衛星から信号を捕捉するために前記ＧＰＳ測定プラットフォーム内に装備された第２プロセッサとを備えることを特徴とする。
【００３２】
本発明のＳＰＳ受信システムは、衛星測位システム（ＳＰＳ）の受信システムであって、
軌道を回るＧＰＳ衛星から減衰した信号を受信すると共に、そうした信号から航法フィックスを提供するための高感度ＳＰＳ受信機と、
軌道を回るＧＰＳ衛星からの信号を受信すると共に、高感度ＳＰＳ受信機が前記航法フィックスを提供するのを支援するべくそうした信号から航法情報を提供するための基準局と、
前記軌道を回るＧＰＳ衛星からの前記提供された航法情報を用いて、あまりにも減衰しすぎて直接取得できなかった航法データメッセージを再構築するために高感度ＳＰＳ受信機内に装備された航法データ合成器と、
位置の不確定性（sigmaPos）を、約１５０ｋｍ未満の第１sigmaPosと、１５０ｋｍ〜３０００ｋｍの第２sigmaPos、及び３０００ｋｍを超える第３sigmaPosを有する３つのカテゴリのうちの一つに類別するために前記ＧＰＳ測定プラットフォーム内に装備された第１プロセッサと、
sigmaPosが前記３つのカテゴリのどれに当てはまるかにより前記軌道を回るＧＰＳ衛星から信号を捕捉するために前記ＧＰＳ測定プラットフォーム内に装備された第２プロセッサとを備えることを特徴とする。
【００３３】
本発明の方法は、衛星測位システム（ＳＰＳ）受信機を操作するための方法であって、
航法衛星受信機の位置不確定性（sigmaPos）を、約１５０ｋｍ未満の第１sigmaPosと、１５０ｋｍ〜３０００ｋｍの第２sigmaPos、及び３０００ｋｍを超える第３sigmaPosを有する３つのカテゴリのうちの一つに類別するステップと、
sigmaPosが前記３つのカテゴリのどれに当てはまるかによりＧＰＳ衛星からの信号を捕捉するステップとを有することを特徴とする。
【００３４】
また、類別のステップの結果、前記第１sigmaPosになった場合には、さらに、
各ＧＰＳ衛星に関するビット遷移時間又はＺカウントを先ず最初に得ることなく位置測位を見出すステップを有することを特徴とする。
【００３５】
また、類別のステップの結果、前記第２sigmaPosになった場合には、さらに、
各ハイＮのＧＰＳ衛星に関して予期されたドップラーを予測して位置フィックスを見出すことを特徴とする。
【００３６】
また、類別のステップの結果、前記第２sigmaPosになった場合には、さらに、
位置を一切想定せずに位置測位を見出すことを特徴とする。
【００３７】
また、捕捉のステップは、さらに、
ローカルのリアルタイムクロックを読み取ってどんな初期時刻不確定性でも低減するステップを有することを特徴とする。
【００３８】
また、捕捉のステップは、さらに、
航法データメッセージを復号化して任意のＧＰＳ衛星に対するＺカウントを得ることによりどんな初期時刻不確定性でも低減するステップを有することを特徴とする。
【００３９】
また、捕捉のステップは、さらに、
ネットワークサーバから供給されたデータからパターンマッチングにより任意のＧＰＳ衛星に対するＺカウントを取得してどんな初期時刻不確定性でも低減するステップを有することを特徴とする。
【００４０】
また、捕捉のステップは、さらに、
ネットワークレイテンシ計算を含むネットワークサーバから供給された時刻推定値を取得してどんな初期時刻不確定性でも低減するステップを有することを特徴とする。
【００４１】
また、捕捉のステップは、さらに、
屋外操作及び屋内操作という想定いかんに基づく減衰レベルに応じてＧＰＳ衛星からの信号を探索するステップを有することを特徴とする。
【００４２】
また、捕捉のステップは、さらに、
受信のＳ/Ｎ比が約−１４２ｄＢｍよりも強くなるような減衰レベルだった場合にはＧＰＳ衛星からの信号を探索する屋外探索法（ＯＤＳＭ）を使用するステップと、
屋内探索法（ＩＤＳＭ）を用いることなく確かな航法データを集めるステップとを有することを特徴とする。
【００４３】
また、捕捉のステップは、さらに、
受信のＳ/Ｎ比が約−１４２ｄＢｍよりも弱くなるような減衰レベルだった場合にはＧＰＳ衛星からの信号を探索する屋内探索法（ＩＤＳＭ）を使用するステップと、
サーバの支援により間接的に少なくとも多少の航法データを受信するステップとを有することを特徴とする。
【００４４】
簡単に言えば、本発明の航法衛星受信機の方法は、電源投入時に、受信機が、どのような航法データ（navData）を持っているのか、どの程度の時間不確定性が存在するのか、どのような位置不確定性があるかを確定するものである。受信機の感度を向上させるのに、探索窓（search window）及び滞留時間（dwell time）が異なる屋内対応探索エンジン、屋外対応探索エンジンを使用する。受信された信号は、時間及び周波数の不確定性が大きくなった場合に、探索感度を向上させ、しかも初期測位時間（time-to-first-fix）を短くするために、並列で運用可能な複数のプレイバックループに保持される。航法データが弱すぎて判読できない時でも、サーバに支援を要求して衛星の捕捉を達成することができる。
【００４５】
本発明は、普通では初期化できない減衰した信号の減衰レベルでの航法衛星受信機の初期化の手段を講じたシステム並びに方法を提供する。
【００４６】
また、携帯電話と関連付けられる航法衛星受信機のコスト削減の手段を講じたシステム並びに方法を提供する。
【００４７】
本発明におけるこれらの及びその他の目的及び効果は、様々な図面に例証されている好適なＳＰＳ受信機について以下に詳細の述べる説明を読めば、当業者ならば、容易に分かるようになることは疑いの余地がない。  
【発明を実施するための最良の形態】
【００４８】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【実施例１】
【００４９】
図１に示すのは、本発明の実施例におけるネットワーク型航法システム１００で、基準局サーバシステム１０２、ＧＰＳ測定プラットフォーム１０４、インターネットのようなコンピュータ介在型ネットワーク１９６を含む。サーバシステム１０２は、航法ＧＰＳ衛星１０８、１１０、１１２からなる衛星群を捕捉し追跡している航法衛星受信機を有する。これらの中にはＧＰＳ測定プラットフォーム１０４から見えるものもある。航法衛星１１４、１１６が入った別の衛星群はクライアントシステム１０４から見ることができる。ＧＰＳ測定プラットフォーム１０４は、自分専用の航法衛星受信機を有しているが、航法衛星１１２、１１４、１１６からなる衛星群をまだ捕捉追跡していないかもしれない。
【００５０】
本発明の航法衛星受信機は、電源投入時に、受信機が、どのような航法データを持っているのか、どのようなレベルの時間不確定性があるのか、どのような位置不確定性があるかのか、を確定する。そして、屋内用及び屋外用の探索エンジンを用いて、受信機の感度を向上させるために、探索窓及び滞留時間を変える。受信された信号は、時間及び周波数の不確定性が大きくなった場合には探索感度を向上させ、しかも初期測位時間（TTFF）を短くするために、並列で運用可能な複数のプレイバックループに保持される。航法データが弱すぎて判読できない時でも、サーバに支援を要求して衛星の捕捉を達成することができる。
【００５１】
概して、本発明のＧＰＳ測定プラットフォームの実施例は、どれだけサーバから独立して作動できるかによって、４つのタイプに分類することができる。自律型クライアントは、サーバ１０２から、最低限の支援、例えば、ディファレンシャル補正データを受けるだけで機能しユーザに航法解を提供することができる。デミクライアントは、軌道暦及び時間の偏差算出を単純化する多項式モデルなど、もう少し支援を必要とする。シンクライアントはほとんど全ての航法計算をサーバ１０２に任せ、基本的にＧＰＳ衛星群に対する視点から観測測定値を提供するだけである。そしてもしユーザがそこにいて航法解を見たければ、航法解がローカルのディスプレイに戻される。クライアントの４番目のタイプは、本明細書でオムニ（ＯＭＮＩ）と呼んでいる、クライアント１０４として接続された高感度ＧＰＳ受信機である。
【００５２】
図２に示すのは、受信機で航法衛星を捕捉追跡するための本発明の探索方法の実施例で、ここでは参照番号２００で示している。以下の説明で使用している技法や用語で、当業者にとって一般的な技術といえないものについては、本明細書に引用されている米国特許出願に詳しく説明されている。
【００５３】
方法２００では、まず航法受信機の電源をオンにする。ステップ２０２で、受信機の現在位置に関して、どのようなデータが利用可能なのか、全体でどのような時間不確定性（sigmaTime）が在るのか、全体でどのような位置不確定性（sigmaPos）が在るのか、が確定される。ステップ２０２で言及しているデータには、ＧＰＳ衛星に関する衛星暦情報及び軌道暦情報も含まれる。データの利用可能性は、サーバが接続されているかどうかと、保持されているデータがどれだけ新しいかによって決まる。
【００５４】
データソースの品質は幾つかの等級に分けることができる：
ａ．全ＧＰＳ衛星に対する現在の軌道暦が最良の場合で、全世界をカバーしているサーバと通信できているときに発生する。このようなデータに更新されると、受信機は４〜６時間自律走行することができる。軌道暦が衛星暦のような役割を果たすから、これらのデータにより高度が最も高い衛星（ハイＮ）を計算できるようになる。
【００５５】
ｂ．幾つかのＧＰＳ衛星に対する現在の軌道暦及びその他の衛星に対するダウンモード（down-moded）の軌道暦は、最近追跡し、前のサーバセッション又はトラッキングセッションから他の軌道暦を保持している受信機において発生する。その後４〜６時間はそうしたデータを使用してハイＮを形成しドップラーを予測することができる。
【００５６】
ｃ．現在の軌道暦はなくても完全な衛星暦があれば捕捉できるが、ＧＰＳ衛星の位置及びクロックの精度が十分でないので、フィックスすることはできない。屋外であれば、サーバを使用せずに新しい軌道暦を収集することができる。
【００５７】
ｄ．起動前やサーバとの通信後、並びに一般的なコールドスタート中は、クライアントにデータは発生しない。
【００５８】
時間の不確定性（sigmaTime）には幾つかのレベルがある：
ａ．補正されないまま走行しているが、その期間が１日未満のリアルタイムクロック（ＲＴＣ）ならば、１ミリ秒以内が可能である。
【００５９】
ｂ．航法データから復号化された測定Ｚカウント又はパターンマッチにより時間の不確定性を１０ミリ秒以内に短縮することができる。１０ミリ秒以内ならば、Ｕ-dotＶ−ＤＴ項を用いずに位置解を収束するのに十分である。
【００６０】
ｃ．補正されないまま数日から１週間走行しているリアルタイムクロック（ＲＴＣ）であれば、２０ミリ秒以内が可能である。これは一般にＺカウントなしフィックス（no-Z fix）を回避するのに十分である。
【００６１】
ｄ．ネットワークレイテンシ推定値及びサーバを時間のベースとして使用することで、sigmaTimeを２０ミリ秒から５０ミリ秒短縮することができるので、Ｚカウントなしフィックス及び伝統的なフィックスタイプ（classic fix type）の使用が可能になる。
【００６２】
ｅ．sigmaTimeが１秒台ならば、Ｚカウントなしフィックスでは保全性を増すために１秒以上の大きなＤＴ推定値は不適切と判定することができる。
【００６３】
ｆ．人が入力したおおよその時刻又は５分までの精度しかないＲＴＣは、ハイＮのＧＰＳ衛星を捉えたり、適度のドップラーを得るには十分だから、探索を開始するにはこれでいいけれど、フィックスを開始するにはＺカウント、パターンマッチ、又はレイテンシソースが必要である。
【００６４】
ｇ．利用できる時間情報が全くないというのが、基準局の起動及びその他のコールドスタートのデフォルトである。
【００６５】
ビット遷移時間（ＢＴＴ）は、整数ミリ秒の２０ミリ秒以下の部分の推定値で、パターンマッチを用いて計算された整数ミリ秒をフィルタ処理するのに使用したり、独立した検証器として用いることができる。Ｚカウント及びＢＴＴは航法データを収集して測定される。ＢＴＴはコード位相の反転を修正するのにも用いられる。概して、２０ミリ秒以下の部分は一致するはずである。Ｚカウントと比べＢＴＴには雑音が少し多い。しかしながら、Ｚカウントはコード位相が反転する近傍で短時間の間１ミリ秒の誤差になる可能性がある。
【００６６】
位置の不確定性（sigmaPos）には３つのレベルがある：
ａ．１５０ｋｍ未満。この場合は、各衛星に対して、ビット遷移時間（ＢＴＴ）又はＺカウントがなくても、フィックス（測位）を得ることができる。
【００６７】
ｂ．１５０ｋｍ以上で３０００ｋｍ未満。この場合は、ハイＮのＧＰＳ衛星の予想ドップラーを推測してある程度の改善をはかることができる。
【００６８】
ｃ．３０００ｋｍ超。この場合は、ハイＮ及び予想ドップラー情報があまりに貧弱だから位置を仮定しないほうがいい。
【００６９】
１５０ｋｍというしきい値は、一つのＣ／Ａコードシーケンス全体を完了する間にＧＰＳ衛星から発射されたマイクロ波送信が伝播する物理的な距離である。もしもユーザの位置が１５０ｋｍ不確定性よりも優れた精度で分かっている場合には、コード位相の整数アンビギュイティ（integer ambiguity）はない。しかし、ユーザの位置が１５０ｋｍ不確定性ほどよい精度で分かっていない場合には、整数アンビギュイティの問題を解決しなければならない。それゆえ、この１５０ｋｍのしきい値は、擬似ランダム番号（ＰＲＮ）コードの長さ及びその反復期間又はチップレートに大きく依存する。ＧＰＳシステムのＣ／Ａコードは毎ミリ秒繰り返されるが、精密コード（Ｐコード）は長さがはるかに長く、事実上整数アンビギュイティの問題はない。他の航法衛星システム、例えば、ロシアのGLONASSシステムには、別のしきい値がある。
【００７０】
３０００ｋｍというしきい値は、移動しているＧＰＳ衛星のドップラー効果の結果である。位置の不確定性が３０００ｋｍよりも優れた精度で分かっている場合には、それに基づくドップラー推定値が役に立つことがある。位置の不確定性が３０００ｋｍほど良い精度で分かっていない場合には、そのレベルの不確定性に基づくドップラー推定値は害になることがある。従って、３０００ｋｍというしきい値はＧＰＳシステム及びその衛星の特性を示す。他のシステムやアプリケーションは、恐らく、適切な別のしきい値を有する。
【００７１】
位置の不確定性が１５０ｋｍ未満ならば、Ｚカウントなしで現在位置を出すことができる。位置不確定性が１５０ｋｍ以下で、ＧＰＳ衛星に対する整数ミリ秒（intMs）を利用できない時には、グリッドフィックス（gridFix）法を採用することができる。sigmaTimeが１０ミリ秒を超える場合には、Ｚなしのフィックスタイプを採用するのが好ましい。
【００７２】
ＧＰＳ衛星から受信した信号の信号対雑音比（Ｓ/Ｎ比）は、ＧＰＳ衛星毎に異なる可能性がある。屋外（ＯＤ）及び４等級の屋内（ＩＤ−１〜ＩＤ−４）という５レベルのＳ/Ｎ比が定義される。
【００７３】
【表２】
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【００７４】
受信機のＳ/Ｎ比が少なくとも−１４２ｄＢｍあれば、屋外（ＯＤ）信号減衰レベルとなる。本明細書で定義している屋外探索方法を用いてＧＰＳ衛星の捕捉が行なわれ、時間追跡ステートマシン（ＴＳＭ）を用いて追跡が行なわれる。屋内探索方法は必要ないので、受信機に要求される余分の時間及び労力を回避することができる。このようなＳ/Ｎ比では確かな航法データ、例えば、軌道暦、Ｚカウント、ＢＴＴが得られる。
【００７５】
Ｓ/Ｎ比が−１４２ｄＢｍから−１４５ｄＢｍであれば、第１の屋内信号減衰レベル（ＩＤ１）となる。ＧＰＳ衛星の捕捉は、ＴＳＭへ追跡を受け渡し（ハンドオフ）屋内探索法で行なわれる。屋内探索法は、パワー節減のために、ハンドシェイク後は無効となる。ＴＳＭで航法データ、例えば、多少の軌道暦、Ｚカウント、ＢＴＴ等を得ることができる。
【００７６】
Ｓ/Ｎ比が−１４５ｄＢｍから−１５０ｄＢｍであれば、第２の屋内信号減衰レベル（ＩＤ２）となる。ＤＬＬランを用いる屋内探索法からＴＳＭでのトラックにキャリアループ４搬送波への受け渡しを用いて、ＧＰＳ衛星の捕捉が行なわれる。そうすると、ＢＴＴや何らかのパターンマッチングを得ることができるが、一般に信号が弱すぎて確かな航法データを収集することができない。
【００７７】
−１５０ｄＢｍから−１５５ｄＢｍのＳ/Ｎ比では、第３の屋内信号減衰レベル（ＩＤ３）となる。ＧＰＳ衛星の捕捉は、ＤＬＬランを用いる屋内探索法からＴＳＭでのトラックにキャリアループの４搬送波への受け渡しを用いて、ＧＰＳ衛星の捕捉が行なわれる。そうすると、ＢＴＴ及び何らかのパターンマッチングを得ることができるが、一般に信号が弱すぎて確かな航法データを収集することができない。
【００７８】
−１５０ｄＢｍよりも低いＳ/Ｎ比では、第４の屋内信号減衰レベル（ＩＤ４）が定められ、ほとんど完全な信号遮断に等しい。ＧＰＳ衛星の捕捉追跡は、信号がこれほど弱いとほとんど不可能である。
【００７９】
本明細書で説明する本発明のＳＰＳ受信機は、受信機の信号強度の有効範囲を−１５０ｄＢｍまで拡大する。
【００８０】
任意のある時間に見ることのできるＧＰＳ衛星全てが必ずしも５つの信号減衰レベルの分類の一つ、例えばＯＤ、ＩＤ１〜ＩＤ４、に該当するとは限らない。しかしながら、基準局のような障害物のない屋外ならば、ある程度の高度以上のＧＰＳ衛星は全て、おそらく屋外信号減衰レベルモデルに該当する。逆に、受信機が屋内の相当に奥まったところにある場合は、全ＧＰＳ衛星からの信号が妨害されているＩＤ４グループに該当するかもしれない。Ｓ/Ｎ比の環境は、混在状態にあるのがより一般的である。
【００８１】
例えば、受信機が深い谷間で作動している場合、直接見ることの出来るＧＰＳ衛星（ＯＤ）と、減衰されたＧＰＳ衛星（ＩＤ１〜ＩＤ３）と、妨害されたＧＰＳ衛星（ＩＤ４）との組み合わせになることもある。そうした環境では、狭帯域屋内探索が原因で、頭上の信号の強いＧＰＳ衛星が、信号の弱い妨害されたＧＰＳ衛星に対して好ましくない相互相関（cross-correlation）を発生させる可能性がある。相互相関のピークは、探索対象のＧＰＳ衛星よりも大きくなる可能性もある。このような場合、屋外探索法（ＯＤＳＭ）をまず最初に用いるのが好ましい。ＯＤＳＭでは帯域はより広く、感度が低い。相互相関は、周波数窓が広がるに伴って発生しやすくなる。相互相関の可能性を最小限にする最良の策は、極力小さな周波数窓で探索することである。
【００８２】
建物内にあるが信号減衰レベルＩＤ４より上の場合には、いくつかのＧＰＳ衛星はより強い受信信号レベルを示しているかもしれない。しかしながら、仮に多少減衰した直接ビームを発する高高度にあるＧＰＳ衛星があったとしても、実際には直接信号の届くＧＰＳ衛星はないので、相互相関の可能性は小さくなる。そうした環境では屋内探索法もうまく機能する。
【００８３】
２つの基本的な仮説を立てることができる：
Ｈｏ：sigmaPos＜１５０ｋｍでは時間の誤差が小さいのでドップラーは正しい、及び
Ｈ１：Ｈｏは間違い
本発明の受信機の実施例には、２つの探索法と探索エンジン、つまり、屋外探索法／エンジン（ＯＳＤＭ）と屋内探索法／エンジン（ＩＤＳＭ）が用いられる。
【００８４】
ＯＤＳＭでは、４タイプの探索仮説、Ｈｏ、Ｈｏ＆Ｈ１、Ｈ１ａ、Ｈ１ｎａが用いられる。Ｈｏの確信度の高い単一仮説では、ハイ８のみを使用し、ドップラーとソフトウェア補償型水晶発振器（ＳＣＸＯ）を中心に、±２ｋＨｚ周波数探索を用いる。最高感度にチューニングされ、ハイＮ衛星だけを使用する。
【００８５】
ＯＤＳＭのＨｏ＆Ｈ１では、依然としてＨｏにある程度の確信はあるが、Ｈ１についても確認する。ハイ８のドップラーとＳＣＸＯを中心にして、中程度の感度にチューニングされ、±２ｋＨｚの周波数探索を行なう。他のＧＰＳ衛星２４個全てを探索し、起動済み（launched）及び起動されていない（not-launched）グループワードに対して±４ｋＨｚの拡大された探索を行なう。他のワードにこれらのＧＰＳ衛星を含まずに、同じ幅の周波数窓でハイＮを探索することもできる。少なくともハイＮが最初に試されるが、再び試すのは時間の無駄である。
【００８６】
ＯＤＳＭのＨ１ａの場合、時刻も位置も不明である。現在軌道上にあるＧＰＳ衛星は衛星暦から分かっている。２４個のＧＰＳ衛星に関する情報は３つのグループワードに分散される。軌道面について多少の知識があると、最適任意位置探索時間（optimal anywhere-search time）に役に立つかもしれない。
【００８７】
ＯＤＳＭのＨ１ｎａは、ＯＤＳＭのＨ１ａと同であるが、利用可能な衛星暦はない。このような状況はバッテリバックアップ型メモリを持っていない自律型クライアントで発生する。
【００８８】
それぞれの探索パラメータは、より高感度になるようにチューニングしたり、完了までの時間をより短縮するようにチューニングしたりできる。
【００８９】
ＯＤＳＭ測定値はＴＳＭに受け渡され追跡される。ＯＤモードはＯＤＳＭ及びＴＳＭで問題なく作動する。異なるＳ/Ｎ比が混在するような場合は、一般的なクライアントでは、ＴＳＭで信号の強いＧＰＳ衛星を追跡しながら、ＩＤＳＭで信号の弱いＧＰＳ衛星を捕捉する。
【００９０】
ＩＤＳＭでは、６タイプの探索の仮説を用いる。ＩＤＳＭ帰無仮説（Ｈｏ）探索は、妥当な最小周波数窓及び最長滞留時間で行う通常のＤＳＭである。（帰無仮説：null-hypothesis）一般的に、有効な事前データを持っている時に使用される。ＩＤＳＭ帰無仮説周波数拡大（ＨｏＥｆ）探索とは、水晶の不確定性モデルが楽観的すぎる場合に、その周波数窓を拡大する。ＩＤＳＭ帰無仮説滞留時間拡大（ＨｏＥｄ）探索とは、減衰レベルが最初の予想よりもはるかに大きく、受信機の感度がもっと必要な場合に、その滞留を伸ばす。ＩＤＳＭ帰無仮説周波数拡大滞留時間拡大（ＨｏＥｆｄ）探索は、その周波数及び滞留時間を両方ともに伸ばす。ＩＤＳＭ帰無仮説周波数拡大滞留時間短縮（ＨｏＥｆＲｄ）探索は、データにあまり確信がない場合又はサーバに接続していない場合に、その周波数窓を拡大すると共に滞留時間を短縮する。軌道暦がなくては、ＧＰＳ衛星を使用できないので航法データを収集できず、非常に長い滞留時間をかけて探索するだけの価値がない。
【００９１】
ＩＤＳＭの別の仮説（Ｈ１）探索は、ＯＤＳＭのＨ１探索が捕捉できていない時に受信機の感度を上げるためのバックアップである。より短い滞留時間でより大きな周波数窓を使用する。滞留時間を半分にすると、探索の周波数窓を２倍にすることができる。例えば、１秒から２５０ミリ秒にすると、３ｄＢ上昇して−１５３ｄＢｍから−１５０ｄＢｍになる。１ｋＨｚ領域を滞留時間１秒で探索するのと同じ時間で、４ｋＨｚ領域が探索できる。これはＢＴＴを見出せる限度だから、ちょうど良いレベルである。但し、ここでは航法データも得ることができない。そこで、滞留時間をさらに８０ミリ秒まで短縮すると、−１４８．５ｄＢｍになり、探索をさらに２倍高速化できる。ＩＤＳＭのＨ１探索では、クライアントがＩＤＳＭのステータスを監視し、８個のＧＰＳ衛星全てに関して周波数窓の探索をいつ完了したか判断しなければならない。捕捉できなかったスロットに対しては別のＧＰＳ衛星グループを提供し、２４もしくは３２のＧＰＳ衛星の探索を完了するまで繰り返さなければならない。
【００９２】
図２において、sigmaPosの確信度が高ければ、例えば１５０ｋｍよりも精度が良ければ、ステップ２０４でＩＤＳＭ  Ｈｏが実施される。これは、ＩＤ１からＩＤ４が真ならば、正しい経路である。ＯＤが真ならば、少なくとも一つのＧＰＳ衛星からの信号が強い場合は、相互相関を考慮しなくてはならない。ＯＤが真ならば、ＯＤＳＭが望ましく、ＴＳＭまでの時間を短縮できる。タイムアウト後にフィックスがないがデータを信用できる場合は、現在のドップラー中心で同じＧＰＳ衛星の探索を続ける。但し、ドリフト推定値が間違っている場合には周波数窓を広げる。モデルが間違っている場合には、この探索ではＧＰＳ衛星は見つからないので、ＯＤＳＭのＨ１を試す。ＯＤが真であれば、探索は回復するが、屋内の場合はそうはならない。ＧＰＳ衛星が全く捕捉できなかった場合は、いくつかのタイムアウト後に、少なくとも1回は全てのモードでＯＤＳＭを試してみるべきである。高度は低くて信号が強いＧＰＳ衛星がハイＮのＧＰＳ衛星集合の中に入っていることを示している可能性があるというのは、間違いである。現在位置及び現在時刻では見えないＧＰＳ衛星を捕捉しているというのは、そのデータが間違っていることを示している。そのような場合は、追跡している信号の強いＧＰＳ衛星の軌道暦に基づいて、平均的なＧＰＳ衛星位置が生じるはずである。
【００９３】
ステップ２０４では、決められた時間量（Tsec）又は決められたサイクル（Ncycles）だけＩＤＳＭ  Ｈｏが試される。これがうまくいかない場合は、ステップ２０６でT sec又はN cyclesだけＩＤＳＭ  ＨｏＥが試され、ドリフト不確定性及び／又は滞留が増大される。もしこれもうまくいかなければ、ステップ２０８でＯＤＳＭ  Ｈ１がTsec又はNcyclesだけ試される。それでもうまくいかなかったら、ステップ２１０でTsec又はNcyclesのだけＩＤＳＭ  Ｈ１ａが試され、ドリフト不確定性及び／又は滞留が増大される。それでもなおＧＰＳ衛星が捕捉されなかったら、ステップ２０４に戻る。いずれかのステップがうまくいったら、追跡ステップ２１２、例えば、ＴＳＭへ受け渡しが行なわれる。
【００９４】
もしくは、sigmaPosに十分に確信がもてる時は、ＴＳＭへの受け渡しと共にＤＳＭ  Ｈｏをまず最初に試してみる。もしこれがうまくいけば、ＴＳＭ２１２だけでいい。３〜４個のＧＰＳ衛星だけを捕捉できた場合には、まず最初にＩＤＳＭを用いる。但し、５〜６個のＧＰＳ衛星を捕捉できた場合には、ＩＤＳＭを回避することができる。ＯＤが真であれば、最短捕捉時間（TimeToACQ）が実現される。ＩＤが真であれば、図２に示すステップ２０４〜２１０を採用するよりも、TimeToACQは時間がかかる。タイムアウト後にフィックスがなければ、拡大した周波数不確定性を用いてＯＤＳＭ  Ｈｏを周期的に試みる。
【００９５】
要約すると、代替戦略ではステップ２０４でＯＤＳＭ  Ｈｏが実施される。一回のトライアルで、同じ周波数不確定性モデルをＯＤＳＭ  Ｈｏとして使用する。次に、ステップ２０６の代わりに、ある特定の時間量（Tsec）及び／又はサイクル数（Ncycles）だけＩＤＳＭ  Ｈｏが実施される。ステップ２０８の代わりに、Tsec又はNcyclesだけ増大されたドリフト不確定性及び／又は滞留時間を有するＩＤＳＭ  ＨｏＥｆｄが実施される。最後に、ステップ２１０の代わりに、代替仮説としてＯＤＳＭ  Ｈ１がTsec又はNcyclesだけ実施される。
【００９６】
図２において、ステップ２０２の結果、sigmaPosが中程度の確信度である場合、例えば、１５０ｋｍ〜３０００ｋｍの場合には、ステップ２１４でＩＤＳＭ  Ｈｏが実施される。完全な擬似距離フィックスが必要である。つまり、そのフィックスにおいて各ＧＰＳ衛星に対する整数ミリ秒が測定されなければならない。各ＧＰＳ衛星に対してＢＴＴ及び少なくとも一つのＺカウントが必要である。それゆえに、信号は少なくとも−１５０ｄＢｍでなければならない、例えば、ＩＤ２かそれ以上に信号が強くなければならない。Ｚカウント及びＢＴＴを有するＧＰＳ衛星が少なくとも一つはあり、ＢＴＴしかないＧＰＳ衛星に対して整数ミリ秒を予測するためのアルゴリズムが適用される。整数ミリ秒には６３〜８５ミリ秒という制限範囲があるが、高度の低いＧＰＳ衛星に対しては、より狭い範囲が適用される。従って、信号の強いＧＰＳ衛星は、範囲が２０ミリ秒未満となる。優れたＢＴＴ確信度を有するＧＰＳ衛星を使用すると、ＢＴＴ雑音が原因で発生する可能性のあるモジュロ３００ｋｍ線形化ＰＲ誤差（modulo 300Km linearized PR error）を回避するのに役立つ。
【００９７】
一般に、Ｓ/Ｎ比が−１５０ｄＢｍよりも良いＧＰＳ衛星、つまり、ＯＤ、ＩＤ１、ＩＤ２であれば、ＢＴＴを得ることができる。Ｚカウントについても可能ではあるが、ＩＤ２の場合は確実とは言えない。しかしながら、Ｚカウントについては、前述の引用することで本明細書に組み込まれた開示の中で説明している復号化されたＺカウント又はパターンマッチ技法を用いることで、間接的に得ることができる。
【００９８】
航法データパターンマッチングは、−１４５ｄＢｍ以上の感度で作動する全ての受信機で有用である。全擬似距離解が必要だから、中確信度の位置戦略ではＺなしの解を試みることはない。帰無仮説は他の仮説よりも真である可能性が高いので、手持ちのデータを与えた最高感度探索が先ず最初に用いられる。
【００９９】
使用可能な軌道暦が利用できる場合又はサーバ接続からモデルを得ることができる場合には、いずれにしてもＢＴＴ及び整数ミリ秒を得るためのデータを完全には収集できないかもしれないレベルであっても探索することは理にかなっている。例えば、パターンマッチから。
【０１００】
ＩＤ２、つまり−１５０ｄＢｍまで対応できるように構成されたＩＤＳＭから始まる。滞留時間が短いと、同じ時間量でもっと大きな周波数範囲を使用することができる、例えば、ＩＤＳＭ  Ｈｏ  ＩＤ２。これがうまくいかなければ、仮定している減衰か又はデータかいずれかが間違っている。ある所与の位置不確定性に対して周波数窓が拡大されたとき、捕捉で最もおかしやすい誤りは、減衰が当初想定したよりもひどいことである。この時は、感度を上げるために滞留時間を長くすると同時に同じ周波数範囲を維持することができる。
【０１０１】
従って、ステップ２１４では、Tsec及び／又はNcyclesの間データが良好な場合、ＩＤＳＭ  ＨｏのＩＤ３レベルが使用される。それで捕捉に失敗したら、ステップ２１６でＩＤＳＭ  ＨｏＥｆ  ＩＤ３を試みる。次に、ステップ２１８でＩＤＳＭ  ＨｏＥｄ  ＩＤ２レベルをTsec及び／又はNcyclesの間試みる。捕捉の最後の試みとしてステップ２２０でＯＤＳＭ  Ｈ１を使用する。ステップ２２０がうまくいかなければ、ステップ２１４に戻ってシーケンス全体をもう一度やり直す。
【０１０２】
受信機の位置に全く確信がない場合には、ステップ２０２はステップ２２２に受け渡す。位置確信度ゼロが発生し得る理由は、最後の位置からのデータが単に古過ぎて期限切れになっていることである。ステップ２２２で、必要な情報を供給してくれるサーバが利用可能かどうかの確認が行なわれる。サーバを利用できる場合には、ＩＤＳＭ  ＨｏＥｆの屋内減衰レベル２（ＩＤ２）を用いてTsec及び／又はNcyclesの間探索が行なわれる。ＩＤＳＭ  Ｈｏを試してもいい。それがうまくいかなければ、ＯＤＳＭ  Ｈ１を用いて探索を行なう。
【０１０３】
ステップ２２４では、時刻や位置情報といったデータが全くない。そのために、Ｈｏ仮説を生み出すことができない。完全衛星暦がある場合には直接ＯＤＳＭ  Ｈ１ａに行かなければならない。そうでなければ、ＯＤＳＭ  Ｈ１ｎａを使用する。しかし、これらの探索の違いは大きい。すなわち、２４個のＧＰＳ衛星だけを探索するのではなく３２個を探索するので、労力と時間が２５％増しになる。ＯＤＳＭ  Ｈ１を用いて直接スタートするのは、バッテリバックアップ型ＲＡＭメモリ（ＢＢＲａｍ）をもっていない基準局であれば、妥当な方法である。高感度のコールドスタートにはＩＤＳＭ  Ｈ１が有用である。
【０１０４】
ステップ２２６で、事前データが全くないこと、例えば、コールドスタートであることが認識される。ここで、２つの探索のオプションがある。第1のオプションは、ＯＤが真であると仮定して、ＯＤＳＭ  Ｈ１ａを実行することである。コールドスタートの基準局には、これが好ましい。第２のオプションは、広い周波数窓を用いて、恐らく短い滞留時間で、ＩＤＳＭを実行することである。次に、小さなグループのprePosを用いてＧＰＳ衛星を次から次に循環して全ＧＰＳ衛星を探索する。
【０１０５】
図３に示すのは、本発明の一般的なステートマシンの実施例で、本明細書では参照番号３００で示している。方法３００は、基準局を含む、あらゆるクライアントタイプに有効である。ステップ３０２では、位置のシグマ（ｘ）に基づく３つの探索タイプに対する状態の行列が定義される。例えば、（ａ）Ｘ＜／＝１５０ｋｍ、（ｂ）１５０ｋｍ＜Ｘ＜／＝３０００ｋｍ、（ｃ）Ｘ＞３０００ｋｍである。ステップ３０４では、探索回数及び探索タイプが、探索タイプのマトリックス内で個別に定義される。最低時間及び最低サイクル数だけ作動する各状態の持続時間を定義することができる。どの探索が再スタートしたか確認するためにステータスを監視する。探索タイプは、ＯＤＳＭがＨｏ、Ｈｏ＆Ｈ１、Ｈ１ａ、Ｈ１ｎａで、ＩＤＳＭがＨｏ、ＨｏＥｆ、ＨｏＥｄ、ＨｏＥｆｄ、Ｈ１である。ステップ３０６では、状態に達成した後ループが始まる点として一つのエレメントが定義される。このエレメントはループの終わりになる。ステップ３０８では、ループの開始にジャンプする点として別のエレメントが定義される。ステップ３１０では、第１のループエレメントを見つけるパスで既に実行されていれば、ループ状態にあるどんなエレメントもスキップされる。ステップ３１２では、ループ開始点、ループ終了点、状態スキップがそれぞれわずか３ビットで定義される。ステップ３１４では、最初のフィックスに遭遇したら、位置不確定性が１５０ｋｍになるまでそのステートマシンを放棄することができる。そのステートマシンは再入力及び初期化される。
【０１０６】
図４に示すのは、本発明のオムニクライアント航法衛星受信機ネットワークの実施例で、本明細書では参照番号４００で示している。オムニクライアント航法衛星受信機ネットワークにはネットワークサーバ４０４がサポートしている航法プラットフォーム４０２が少なくとも一つある。
【０１０７】
各ＧＰＳ測定プラットフォーム４０２は、一般的に、ＧＰＳアンテナ４０６、低雑音増幅器（ＬＮＡ）４０８、ＧＰＳ弾性表面波超音波（ＳＡＷ）フィルタ４１０、中間周波数（ＩＦ）ＳＡＷフィルタ４１４が組み込まれた無線周波数（ＲＦ）特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）４１２、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）４１６、基準水晶振動子４１８、及び基準水晶振動子温度センサ４２０からなる。
【０１０８】
自律型クライアント４２２は、ほとんどサーバからの援助なしに機能し、ユーザに航法解を提供することができる。デミクライアント４２４は、例えば軌道暦及び時間偏差計算を単純化する多項式モデル等の援助を必要とする。シンクライアント４２６は、ローカルホストに航法解処理の負担をかけない。ほとんど全ての航法計算をサーバ４０４に任せ、基本的にＧＰＳ衛星群に対する自らの視点からの観測測定値を提供するだけである。もしユーザがそこにいて見たければ、ローカルのディスプレイで確認できるように航法解が戻される。シンクライアント４２６においては、ＤＳＰは何か他の非ＧＰＳアプリケーションとの共有部分となる。そうしたことから、クライアントでマルチスレッドのアプリケーションプログラムは必要なく、単純なプログラムループだけが実行される。
【０１０９】
オムニクライアント４２７は、ほとんど完全自律走行するが、コンピュータネットワークで完全セットの軌道暦を周期的に収集する。オムニクライアントはさらに、電源オフ時にも作動し、再び電源投入されるまでその位置の不確定性、sigmaPosを１５０ｋｍ以下に保持する。こうした条件により高感度オペレーションが可能になる。高感度オペレーションでは、信号の力を見出すのにはるかに細かい探索ステップが用いられ、また各ステップの滞留時間が長い。オムニクライアント４２７は、水晶発振器４１８が温度センサ４２０による温度測定を用いるソフトウェア補償型の発振器であれば、非常に有利である。航法プラットフォーム４０２が電力投入される度に、リアルタイムクロックは真の時間に対して１ミリ秒以内の精度で走行し続ける。
【０１１０】
ローカル基準発振器水晶発振子４１８は、温度関数として変化する周波数ドリフト誤差を有する。ローカル基準発振器水晶発振子４１８の温度を測定するのに基準水晶振動子温度センサ４２０を使用する。最初に使用されるのは、航法プラットフォーム４０２が初期化されてＧＰＳ衛星を追跡しているときに、製造時のキャリブレーションで曲線を構築するデータを収集するためである。その次は、航法プラットフォーム４０２が初期化しながら最初のＧＰＳ衛星を捕捉しようとしている間に、記憶されている係数から９次の多項式を計算できるように、指数値を提供するために使用される。
【０１１１】
サーバ４０４は、一般的には、基準局マネージャ４３２へのＧＰＳ信号入力を提供する多数の基準局アンテナ４２８、４３０を装備している。ロケーションサーバ４３４は、初期測位時間及び位置解の質の向上のために、デミクライアント４２４、シンクライアント４２６、オムニクライアント４２７に支援情報を提供することができる。高感度モードで作動しているオムニクライアントのケースでは、サーバ４０６が収集し転送した軌道暦情報によりＧＰＳ衛星からの−１５０ｄＢｍ以下の信号レベルでエニウェアフィックスが可能になる。
【０１１２】
本発明の実施例は、オムニクライアント、つまりクライアント１０４や航法プラットフォーム４０２が、いつどの様にしてサーバ４０４にコンタクトするのかを判定する。多くの状況において、バイトあたりの通信費が高かったり、ネットワークに周期的にしかアクセスできなかったりするので、サーバコンタクトは頻度が低く且つ最小限でなければならない。
【０１１３】
信号の強度が高いと、航法データを収集して実際にＺカウント及びＢＴＴが測定される。ＢＴＴはコード位相の反転を正すのに用いられる。概して、２０ミリ秒以下の部分は一致するはずである。ＢＴＴにはＺカウントよりも少し雑音が多いが、Ｚカウントはコード位相が反転する近傍の短時間に、１ミリ秒ずれることがある。
【０１１４】
オムニクライアントは、sigmaTimeを１ミリ秒以下に抑えるには優れた時間ソースを必要とする。パターンマッチを行ない、間接的に時刻を見出すのに５０Ｈｚの航法データを用いることができる。そうすることで、Ｚカウントを復調できない場合に、ＧＰＳ受信機に十分な時間ソースが備わる。パターンマッチに十分な確信があれば、ＧＰＳ衛星における整数ミリ秒intMsを決めることができる。
【０１１５】
開始時間の不確定性sigmaTimeが±１０msecよりも大きければ、解フィックスに、いわゆるビッグデルタＴ項（ＤＴ）を用いなければならない。そうすることで、必要なＧＰＳ衛星数が一つ増える。位置の不確定性sigmaPosが１５０ｋｍ以下で、ＧＰＳ衛星に対する整数ミリ秒が利用可能でない場合には、gridFix法を用いることができる。sigmaTimeが１０msecを超える場合には、Ｚカウントなしフィックスタイプを用いる。
【０１１６】
全ＧＰＳ衛星の衛星暦ではなく、完全なＧＰＳ衛星暦、highAccAlmが軌道暦と一緒にサーバから送られる。さらに、現在追跡してないＧＰＳ衛星の古い軌道暦を含む別の完全なＧＰＳ衛星暦、mixAccAlmがサーバから送られる。
【０１１７】
望ましくは、ＧＰＳ衛星群すべてを継続的に観測できる全地球規模のサーバ（WWserver）が提供されることである。WWserverには、同じ時刻に世界中で全てのＧＰＳ衛星を見ることができるような、十分な空間的距離を置いた基準局が十分に含まれているからである。
【０１１８】
サーバ４０４は、一つ以上の基準局を有するローカルエリアサーバ（LAserver）で、全ＧＰＳ衛星群の一部だけを観測する。従って、LAserverは、MixAccAlmしか提供できず、highAccAlmを提供することができない。
【０１１９】
電源投入後、衛星暦は軌道暦を含むが、その軌道暦は実際は衛星暦である。１回の１２時間サイクルの後、いくつかの衛星暦は軌道暦ベースの衛星暦で置き換えられる。
【０１２０】
ＧＰＳ衛星からの航法データは、−１４５ｄＢｍの低い信号レベルまで直接収集することができる。従って、軌道暦、Ｚカウント、ＢＴＴをこのレベルで得ることができる。このレベルのＧＰＳ衛星はサーバとは無関係に作動することができるし、開始位置の精度を必要としないフィックス、例えばエニウェアフィックス（anywhere fix）、に使用される。−１４５ｄＢｍからはパターンマッチングが必要で、−１５０ｄＢｍまで実行される。これによりＺカウント又は整数ミリ秒を得ることができるので、ＧＰＳ衛星をエニウェアフィックスに用いることができる。但し、そうした信号レベルでは、サーバ１０２又は別のソースから、ネットワーク１０６を介して軌道暦を取得しなければならない。信号レベル−１５０ｄＢｍ以下では、パターンマッチングをやるには航法データの信頼性が不十分である。航法データはサーバ１０２又は４０４から取得されなければならず、そうした弱い信号のＧＰＳ衛星は不確定性が１５０ｋｍ未満の場合にしかフィックスに参加することはできない。
【０１２１】
ＧＰＳ衛星の初期捕捉時には、軌道暦レベルの精度は必要でない。衛星暦、つまり、質が低下した（downgraded）軌道暦は予備測位（preposition）に必要なデータを予測するのには十分である。軌道暦レベルの精度はフィックスにも必要ない。測位できるように軌道暦の古さ（age）に応じたタイムアウトが定められる。そうしたしきい値を緩和しても、時間の関数として精度の質の低下が適切にモデル化されていれば、依然満足できる測位を維持することができる。カスタマが望ましい性能レベルを選択できるように、古さのしきい値を制御可能なパラメータにすることができる。
【０１２２】
最初のフィックス又は時間の設定にはサーバ１０２からの航法データのサブフレームデータが必要である。この後、クライアント１０４からサブフレーム（subFrames）が要求されることはない。クライアント１０４によって復号化された航法データは、サーバがパターンマッチングを行なうためにサーバ１０２に送られる。
【０１２３】
信号レベルが−１４５ｄＢｍより良いＧＰＳ衛星が３個以上ある場合には、オムニクライアント１０４はサーバ接続を必要としない。軌道暦を収集しなければならない場合は、初期測位時間が長くなる。場合によっては、以前集めた軌道暦を使用することができる。
【０１２４】
以前に収集した軌道暦が手元にあって、かつsigmaPosが１５０ｋｍ未満の場合には、オムニクライアント１０４はサーバ接続を必要としない。最低いくつのＧＰＳ衛星が必要かというのはsigmaTimeによって決まる。そのような時間不確定性は、温度ドリフトをソフトウェアで補償するリアルタイムクロック（ＲＴＣ）によって、小さくすることができる。従って、ＲＴＣを有する場合には３個、ＲＴＣがない場合には４個のＧＰＳ衛星が必要となる。
【０１２５】
さもなければ、フィックスを解くためには、オムニクライアント１０４はサーバ１０２にコンタクトして特定の情報を要求しなければならない。ＧＰＳ衛星の信号が−１４５ｄＢｍから−１５０ｄＢｍで、sigmaPos＞１５０ｋｍの場合には、航法データのサブフレームが必要である。これらのＧＰＳ衛星が最初のフィックスに加わるには、ＧＰＳ衛星のintMsが必要である。−１４５ｄＢｍ以下の信号の弱いＧＰＳ衛星３個しか利用できず、その他に好ましい正確な時間手段がない場合には、パターンマッチングを用いることができる。そして、４個のＧＰＳ衛星に対していわゆるＺカウントなしフィックスが実施される。
【０１２６】
ＧＰＳ衛星の信号が−１４５ｄＢｍよりも強くならず、その軌道暦がタイムアウトになっている場合には、軌道暦を要求しなければならない。そうした場合には、可能な限り初期測位時間が短縮されるのが好ましい。
【０１２７】
メインのプログラムアプリケーションがＧＰＳ受信機を周期的にオンにしてフィックスを得ることもできる。それにより、最後のフィックスから受信機がどれだけ移動したか、又は単にＧＰＳ受信機が所定のゾーンから出たかどうかを決定する。フィックス間の時間を、sigmaPosが１５０ｋｍの範囲内に保持できるように選択することで、信号が−１４５ｄＢｍ以下の弱いＧＰＳ衛星におけるintMsを不要にする。そうすることで、サーバに接続して航法データのサブフレームを要求したりすることなく、高感度のフィックスを保持する能力が拡大される。サーバ要求のタイミングは適応的である。これは、接続がなくても十分な能力がある場合に、静かなクライアント／サーバ接続を提供するのに必要である。
【０１２８】
オムニクライアントは、自分で持っているデータ、そのデータの古さ、捕捉成功の尤度、例えばＧＰＳ衛星数やその信号レベル、を評価しなければならない。オムニクライアントは次に、接続すべきかどうか、そしてどのデータを要求すべきかを決定する。適応性を無効にし、明確なコマンドによってサーバ接続を行なうことができる。マスタアプリケーションが一時間毎にサーバ接続するようにしてもいい。従って、５分毎にフィックスが行なわれる場合は、１２番目のフィックスがサーバ接続される。
【０１２９】
マスタアプリケーションがデータを収集した後それを汎用化されたＡＰＩによりクライアントに送り込む放送タイプの軌道暦サービスを用いることもできる。クライアントはセッションの時はいつでもサーバ接続することができる。
【０１３０】
本発明の実施例の中には、クライアントとサーバ間のハンドシェイクを制御可能でかつ選択可能にするものがある。マスタアプリケーションに送られるステータスメッセージは、（ａ）軌道暦の古さと現在のハイＮの中のＧＰＳ衛星でタイムアウトになったものがあるかどうか、（ｂ）ＧＰＳ衛星の追跡の類別及び任意のＧＰＳ衛星に対してサブフレームが必要かどうか、及び（ｃ）SigmaTime及びsigmaPos、を示している。
【０１３１】
追跡しているＧＰＳの軌道暦が利用可能な限り、屋内の高感度動作を維持することができるし、位置の不確定性が１５０ｋｍ未満なのでＺカウントなしでフィックスを得ることができる。Ｚカウントなしフィックス法ではＧＰＳ衛星の数が一つ増えるから、ＲＴＣなどの正確な時間源が望ましい。例えば、３次元フィックスでは５個、２次元フィックスでは４個のＧＰＳ衛星が必要である。普通では弱すぎて５０ｂｐｓのＧＰＳ航法データストリームを復調できない信号測定値を用いて位置フィックスを計算することができる。
【０１３２】
初期測位時間をリーズナブルなものにするためには、ソフトウェア補償型水晶発振器（ＳＣＸＯ）を装備すべきである。初期測位時間を気にしなくてよければ、より大きな周波数誤差を見つけられるように周波数探索窓を拡大することができる。受信機で確かなデータの復調ができるぐらい信号が強ければ、位置の範囲を１５０ｋｍを超えて拡大することができる。
【０１３３】
引用することにより本明細書に組み込まれる上記の米国特許出願の中に説明されているＲＴＣは、クライアントアプリケーションが走行していなくても、前のフィックスから得たミリ秒レベルの精度を普通は維持することができる。唯一犠牲にしなければならないのは、スリープ時の電力消費がわずかに増えることである。
【０１３４】
本発明の実施例では、信号が十分に強ければ、航法データを個別に復調することができる。このようなことは、現在のＳＴＩ又はグローバルロケートデザインでは、伝統的な追跡機能を追加しない限りできない。
【０１３５】
サーバがない場合は、最近、例えばここ４時間以内に、屋外と同じような信号が観測されていない限り、高感度位置フィックスを実現することはできない。これは、可視衛星は常に変化しているので、前のＧＰＳ衛星軌道に基づく軌道暦の精度は質が低下するからである。各軌道の質の低下の程度は重要な問題である。宇宙船の軌道並びに衛星のクロックの軌道は共に正確にモデル化されていなければならない。昔からのモデル化の中には軌道暦の利用可能性を１２〜１６時間の範囲に延長できるものがある。そうすると、性能は幾分向上するが、それでもなおフィックスの精度を予測するのは難しい。
【０１３６】
図５に示すのは、本発明の衛星測位システム（ＳＰＳ）受信機及び支援システムで、本明細書では参照番号５００で示す。例えば、米国政府が運営している全地球測位システム（ＧＰＳ）及びロシア政府が運営しているグロナス（GLONASS）システムはそうしたＳＰＳシステムである。
【０１３７】
システム５００は、頭上のＳＰＳ衛星群５０２からマイクロ波信号を受信する。信号５０４は、見通し線を進む時に減衰５０６、例えば屋内にある場合には建物によって、その強さが減衰する。それにもかかわらず高感度ＳＰＳ受信機５０８は、高減衰していても、そうした信号で機能することができる。減衰の影響の一つは、５０Ｈｚの航法データが認識不能になるか、信頼性のないものになることである。そこで、本発明のいくつかのＳＰＳ受信機では別の手段によってこれらを得なければならない可能性がある。基準局５１２は減衰していない信号５１０を受信するので、そうした５０Ｈｚの航法データメッセージを確実に復調することができる。さらに、そのような基準局５１２は、既に測量された位置が分かっていて、ＳＰＳの位置解を真の位置と比較できるかもしれない。そうした比較から様々な誤差、例えば、電離層及び対流圏誘導誤差の大きさや方向が明らかになる。
【０１３８】
ＳＰＳ受信機が航法データメッセージ情報を既に持っている場合は、擬似距離をＳＰＳ受信機で直接測定することができる。なぜなら、コード分割多重アクセス（ＣＤＭＡ）復調方法は、長いサンプル期間を使って収集し、相関処理利得を利用するように機能するからである。無線受信機５１４はそうした送信にチューニングし、相関プロセッサ５１６は可視衛星までの様々な擬似距離を測定する。
【０１３９】
一実施例において、航法プロセッサ５１８は、リアルタイムクロック（ＲＴＣ）５２０からの時刻情報及びＺカウントと、軌道暦、航法データ合成器５２２からの衛星暦航法データ情報を得る。２００２年２月１９日出願の米国特許出願番号１０／０７９，２５３はそうしたＲＴＣの構造及び使用についてより詳細に説明している。そうでなければ、時刻、Ｚカウント、軌道暦、衛星暦航法データ情報は従来通りに取得される。
【０１４０】
航法データ合成器５２２は、減衰５０６がそれほど大きくなかったらならば無線受信機５１４が受け取ったであろう適切な５５フレームの航法データメッセージを再構築する。遠隔基準局５１２は、クライアント５２４に時刻情報を提供せず、現在の軌道暦及び衛星暦データだけを提供する。遠隔基準局５１２との通信チャネルは一般にバンド幅が５０Ｈｚよりはるかに高いから、現在の軌道暦及び衛星暦データを衛星５０２が送信するのにかかる通常の１２．５分よりもはるかに短い時間で転送することができる。
【０１４１】
クライアント５２４は、軌道暦、衛星暦、航法データ、その他の情報を受信する。Ｚカウント及びタイミング情報は、航法データ合成器５２２及びＲＴＣから時刻の読み取りにより計算される。航法データ合成器５２２は組み合わされた情報を航法プロセッサが無理なく受容れて処理できるメッセージにフォーマットする。
【０１４２】
ＲＴＣ５２０は３秒以内の精度を有するので、合成された航法データの中にＺカウントを正しく書き込むことができ、整数アンビギュイティを回避することができる。それゆえに、位置解出力５２６は航法プロセッサ５１８から得ることができる。そうしたことは、本願の発明者が開発し、引用することにより本書に既に組み込まれている他の発明及び技術と組み合わせた場合、とりわけ真実である。
【０１４３】
遠隔基準局５１２は、航法衛星群５０２を周期的且つ継続的に追跡する自分専用の完全な航法衛星受信機５２８を装備している。航法メッセージ全体５３０が１２．５メッセージ送信時間に抽出された後、ローカルメモリに保持される。タイムストリッパ５３２はタイミング情報、例えば、Ｚカウントを削除する。軌道暦及び衛星暦航法データ５３４が抽出され、ネットワークサーバ５３６で軌道暦及び衛星暦航法データが利用可能となる。ネットワーク又は他の通信システム接続５３８により、クライアント５２４は、初期化及び／又は位置解計算を継続するための支援情報を要求することができる。
【０１４４】
通信システム接続５３８は常に利用可能とは限らないので、本発明のＳＰＳ受信機は遠隔基準局５１２に頻繁に接続されなくても作動することができる。
【０１４５】
本発明のビジネスモデルの実施例では、ＳＰＳ受信機５０８のオーナ／ユーザは、遠隔基準局５１２の運営者からそうした航法データ支援情報に対して使用毎に手数料又は加入料金が請求される。
【０１４６】
それゆえに、本発明のＳＰＳ受信機は、屋内や信号レベルが−１４５ｄＢｍ以下になるようなところで使用するのがとりわけ有効である。
【０１４７】
本発明のＳＰＳ受信機の受信機初期化方式には、屋内探索法（ＩＤＳＭ）及び屋外探索法（ＯＤＳＭ）がある。屋内探索法は、従来のＳＰＳ受信機では使えない非常に弱い、軌道を回るＳＰＳ衛星からの高減衰信号を処理する。屋内探索法及び屋外探索法は各々、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）に実装される探索エンジンとして又はマイクロコンピュータのプログラムとして実施することができる。
【０１４８】
受け渡し（ハンドオフ）メカニズムは、信号の強度、時刻情報、ネットワークアクセスなどに基づいて、屋内法を選択するか屋外法を選択する。そこで、時刻及び周波数の初期化探索の大きさを定義するために主要パラメータを用いる。各レベルで信号をどのようにして捕捉追跡するか定義するために主要な減衰レベルを用いる。
【０１４９】
測定収量を増やすために、各ＧＰＳ衛星は、信号が時間追跡するのに十分な強さであれば、ＴＳＭに受け渡される。但し、ＴＳＭはＢＴＴを見つけ出してＴＳＭの保全性がパスする間は、測定値を提供するためにＧＰＳ衛星の追跡は依然ＩＤＳＭ内に保持される。
信号が非常に弱いＧＰＳ衛星の場合、周波数ループが引き込むのにすごく時間がかかったり、全く引き込むことはできないこともある。従って、トラッキングステートマシン間の遷移時にＧＰＳ衛生を見失わないように両マシンは並列で動作する。
【０１５０】
タイムトラックステートマシンは、１８０度の搬送波位相反転を観測できるぐらい精確に位相を追跡する。航法データが追跡され、サブフレームからＺカウントが抽出される。そうすると、衛星からの時刻の転送、つまり、最高のタイミング基準が可能になる。
【０１５１】
理想的には、−１４５ｄＢｍ程度以上の強い信号の衛星の長時間の追跡は、タイムトラッキングエンジンにおいてなされる。この方法の利点は、擬似距離合計を確定できることにより、航法データを観測することができると共にクライアントが任意の場所での自律型測位機能を利用できることにある。ＴＳＭは、位相弁別回路（phase discriminator）を備える更新レートの高い搬送周波数トラッキングループ、つまり、ＡＦＣ又はＰＬＬを使用する。位相弁別回路は航法データで発生する１８０度位相シフトの観測を可能にする。擬似距離は、推定ミリ秒伝播時間をコード位相に加算して、例えば、受信したＺカウントに時間のタグを付けて完成する。
【０１５２】
別の利点は、コード位相及び周波数が平均化されることである。受信機の処理に起因する量子化誤差が他の宇宙空間誤差（errors-in-space）以下に低減される。位相及び周波数は、真の位相のあたりでディザリングできるから、そうした測定値は最良の精度を提供する。これらの位相は平均化され、平均位相がかなり正確な測定値を生成する。衛星毎に必要なプレイバックは一回だけで、使用される相関器（correlator）の数も最小のため、各衛星の電力消費は最小限に抑えられる。
【０１５３】
ＴＳＭには独立入力があり、自動アップモード（auto-upmode）の自動割当（auto-allocation）ロジックが有効になっていると、クライアント、又は他のステートマシンから予備測位情報（prepositioning information）を直接受け取る。自動アップモードは構成可能である。シンクライアントの場合は、これらのモードから多少の恩恵があり、マシン間でＧＰＳ衛星を転送する際の遅延が小さい。代替策では、クライアントが各メッセージに問題がないことをモニタし、どの信号がリソースに最もメリットがあるかに基づいて１２のＴＳＭのワークスペースをはっきりと制御しなければならない。
【０１５４】
事前情報にほとんど確信がなければ、屋外ステートマシン（ＯＤＳＭ）を用いて多数の衛星をクイックサーチする。全探索の中心周波数となる水晶振動子の周波数オフセットをうまく推定しなければならない。非常に正確な周波数やコードの中心を用いた確信度の高い小規模な衛星探索は、予測される信号レベルに基づいて、ＩＳＤＭ又はＴＳＭで直接予備測位される。
【０１５５】
ＯＤＳＭは一つのグループ入力メッセージを使用する。ＧＰＳ衛星は３つの３２ビットグループワード、例えば、ハイＮ、起動済み、未起動、のうちの一つにビットを設定して定義される。
【０１５６】
【表３】
2004170422.tif 000005
【０１５７】
屋外捕捉エンジンは、ＯＤＳＭのprePosパラメータの様々な値を用いてクライアントモードで４つのモードを生成する。例えば、Ｓ/Ｎ比が少なくとも−１４２ｄＢｍという屋外Ｓ/Ｎ比仮説を用いると、次の位置不確定性の仮説が成り立つ。
【０１５８】
Ｈｏ：位置誤差＜１５０ｋｍで時間誤差が小さいので、ドップラーは正しい、
Ｈ１：Ｈｏは誤まり
４つのタイプの探索、つまり、Ｈｏ、Ｈｏ＆Ｈ１、Ｈ１ａ、Ｈ１ｎａが試される。Ｈｏ高確信度単一仮説は、ハイ８のみとドップラー及びＳＣＸＯを中心に±２ｋＨｚ周波数探索を用いる。最高感度に対応できるようにチューニングされ、ハイＮグループワードだけを使用する。
【０１５９】
Ｈｏ＆Ｈ１では、まだＨｏに多少の確信度があるが、Ｈ１も試される。ハイ８のドップラー及びＳＣＸＯを中心に、中間感度に対応できるようにチューニングされた±２ｋＨｚを使用する。他のＧＰＳ衛星の２４個全てを、ハイＮも、探索し、起動済み及び未だ起動されていないグループワード間に全て±４ｋＨｚの範囲を使用する。ハイＮも、他のワードの中にこれらのＧＰＳ衛星を含めることなく、同じ広い周波数窓で探索される。少なくともハイＮは最初に試されるが、再び試すのは時間の無駄である。
【０１６０】
Ｈ１ａでは、時刻及び位置は不明である。現在起動中のＧＰＳ衛星は衛星暦から分かる。２４個は３つのグループワードに分散されている。軌道面について多少の知識があると、最適なエニウェア探索時間に役立つ。
【０１６１】
Ｈ１ｎａはＨ１ａと同じだが、利用できる衛星暦はない。これは、バッテリバックアップ型メモリを有していない自律型クライアントにおいて起きる。
【０１６２】
探索パラメータは各々、高感度又は短時間完了（fast-time-to-completion）に対応できるようにチューニングすることができる。
【０１６３】
ＯＤＳＭ測定値は、追跡のためにＴＳＭに受け渡される。ＯＤモードはＯＤＳＭ及びＴＳＭでかなりうまく作動することができる。様々なＳ/Ｎ比の信号が混合している場合は、信号が弱いＧＰＳ衛星をＩＤＳＭで捕捉し、その間にＴＳＭで信号の強いＧＰＳ衛星を追跡するようにしてもいい。こうしたケースは汎用クライアントにもあてはまる。
【０１６４】
ＩＤＳＭファームウェアはデジタル信号プロセッサに指示して要求された各コード位相及び周波数仮説に対する非常に長い積分を行なわせる。
【０１６５】
ＩＤＳＭには、２つの入力、グループパケット、及び個別のpreposがある。グループpreposを受け取ると、ステートマシンが完全にリセットされる。個別のpreposは空きスロットをとるか又は同じＧＰＳ衛星を上書きすることができる。ＧＰＳ衛星がトラッキングしていれば、強制されていない限りpreposを無視することができる。preposは、完全コード窓及び指定数の周波数を有する探索か、もしくは屋内測定マシンで使用されるのと似たような１５周波数を有する一つのweakMeas窓かのいずれかである。同じ大きさの探索窓がグループ入力パケット内の全ＧＰＳ衛星に適用される。積分、つまり、滞留時間は各ＧＰＳ衛星で同じである。信号の強いＧＰＳ衛星は、観測されたパワーがしきい値を超えると、早めに終了する。探索範囲も一般化され、ＧＰＳ衛星につき２５６周波数段（frequency steps）まで探索する。強力なＧＰＳ衛星は、許可されていれば、timeTrackにアップモードすることができる。最良周波数推定値でより多くフィルタをかけるが、同期関数の保全性（sync-function integrity）を果たすのに必要な範囲をカバーするために、弱いmeasトラッキングは均等の間隔になっていない。
【０１６６】
信頼できる主要なＧＰＳ情報がある場合には、屋内探索法を使用することができる。例えば、位置誤差が約２００ｋｍ未満で、ＧＰＳ時間誤差が１０秒未満。しかしながら、時間及び位置の不確定性がこれほど大きいと、全コード探索が必要不可欠である。こうしたコード量の場合、６４分の３１のチップ間隔（chip interval）でコードを作成する探索デジタル信号プロセッサモードを使用しなければならない。
【０１６７】
衛星の位置及び速度を計算するのに現在のＧＰＳデータが使用される。メートルあたりの位置誤差１．１４ｅ−４ｍ／ｓを用いて衛星のドップラーを予測することができる。従って、１００ｋｍでは、最大距離（range）レート誤差は１．１４ｍ／ｓ、約６０Ｈｚである。
【０１６８】
基準水晶発振器、例えば、２７．４５６ＭＨｚ水晶振動子の不確定性を見込まなければならない。水晶振動子毎に正確な個々のモデル、つまり、約０．５ｐｐｍの精度を有するＳＣＸＯモデルがあると想定する。Ｌ１、つまり、１５７５．４２Ｍｚで、１００万分の１の半分は７８８Ｈｚである
ユーザの動き（user dynamics）を何かしら見込まなければならない場合があるが、これらの作用は普通、水晶発振器の不確定性と比べてほとんど意義がない。１００ｍｐｈ（１６０ｋｐｈ）で動いている車両は、４５ｍ／ｓ＝２３６Ｈｚとなる。これを最悪のケースの周波数誤差７８８＋６０＋２３６＝１０８４Ｈｚと比較してみよう。
【０１６９】
水晶発振器の不確定性は０．５ＰＰＭであると仮定する大まかなやり方を用いると、受信機は、たとえモデルより１０％以下でも、屋内モードではＧＰＳ衛星毎に±１ｋＨを探索しなければならない。ある観測点から見た場合、この車両の動きとドップラー誤差との組合せが全てのＧＰＳ衛星で同じ符号になる確率はかなり小さい。
【０１７０】
屋内探索及びトラッキングステートマシンは、８個のＧＰＳ衛星に対する任意の周波数窓を並列で長い積分時間をかけて探索する。探索は±１ｋＨか、もっと長い時間かかっても問題なければ±１ｋＨ以上になる。ＩＤＳＭで探索が広くなれば、それだけ滞留時間を短くできる。
【０１７１】
位置の不確定性が１５０ｋｍよりも高い場合及び低下した感度で短期滞留を使用する場合、全擬似距離を計算するにはＧＰＳ衛星毎にＢＴＴ及びＺカウントが必要である。短期滞留では、一般に、ＩＤ２（−１５０ｄＢｍ）までＧＰＳ衛星を捕捉することができる。但し、捕捉できなければ、ＧＰＳ衛星の捕捉を向上させるために滞留時間を増やすことができる。
【０１７２】
６タイプのＩＤＳＭ探索が役に立つ。ＩＤＳＭ  Ｈｏ探索は、最小周波数窓および妥当な最長滞留時間とを有する通常のＩＤＳＭである。そうした探索は、一般に、優れた事前データを持っている場合に用いられる。ＩＤＳＭ  ＨｏＥｆ探索は、水晶振動子の不確定性モデルが楽観的すぎた場合にはその周波数窓を拡げる。ＩＤＳＭ  ＨｏＥｄ探索は、減衰レベルが最初予期したよりはるかに深刻で受信機の感度がもっと必要だから、滞留を延長する。ＩＤＳＭ  ＨｏＥｆｄ探索は、周波数及び滞留を共に拡大する。ＩＤＳＭ  ＨｏＥｆＲｄ探索は、周波数領域を増大するが、データの確信度が低かったり、サーバに接続していない場合には滞留時間を短縮する。軌道暦なしでは、ＧＰＳ衛星を使用できず航法データを収集できないから、非常に長い滞留時間をかけて探索する価値がない。
【０１７３】
ＩＤＳＭ  Ｈ１探索は、ＯＤＳＭ  Ｈ１探索で捕捉できない場合に受信機の感度を向上させるためのバックアップ対策である。使用する周波数窓が大きくなると、滞留時間は短縮される。滞留時間が二分の一に短縮される度に、この探索は周波数窓を２倍にすることができる。例えば、１秒から２５０ミリ秒にすると、−１５３ｄＢｍから３ｄＢ高くなって−１５０ｄＢｍになる。１秒の滞留で１ｋＨｚ窓を探索するのと同じ時間で４ｋＨｚの窓を探索することができる。これはＢＴＴを見出せる限度だから、無理のないレベルである。但し、ここでは航法データを得ることはできない。そこで、滞留時間をさらに８０ミリ秒まで短縮すると、−１４８ｄＢｍになり、探索をさらに２倍高速化することができる。ＩＤＳＭＨ１探索では、クライアントがＩＤＳＭステータスを監視し、全８個のＧＰＳ衛星に対する探索窓を完了したかどうか判定しなければならない。捕捉していないスロットに別のＧＰＳ衛星集合を提供し、全２４個又は３２個のＧＰＳ衛星が完了するまで繰り返されなければならならい。
【０１７４】
受信信号の強度には３つの基本レベルがある。例えば、（１）−１４５ｄＢｍ以上、（２）−１４５ｄＢｍ〜−１５０ｄＢｍ、（３）−１５０ｄＢｍ以下。−１４５ｄＢｍ以上の受信信号強度では、確かな航法データを収集することができ、軌道暦、Ｚカウント、ビット遷移時間（ＢＴＴ）を抽出することができる。−１４５ｄＢｍ〜−１５０ｄＢｍの受信信号強度では、マッチさせるのに良好なコピーがあれば、航法データはパターンマッチングを行なえる程度に強力である。そうしたパターンマッチングによりＺカウント及び整数ミリ秒を判定できるようになるので、特定のＧＰＳ衛星を「エニウェア」フィックスに使用できるようになる。但し、そうしたケースでは、そうした弱い信号ではローカルで確かな受信ができないから、第３者から軌道暦情報を得なければならない。受信信号の強度が−１５０ｄＢｍ以下の場合には、位置不確定性は１５０ｋｍ未満で航法データは第３者、例えば、ネットワークサーバから与えられなければならない。
【０１７５】
周波数不確定性モデルの場合、使用する探索周波数は予期されるドップラー＋ユーザ速度の効果とドリフトモデルの誤差との組合せである。
【０１７６】
【表４】
2004170422.tif 000006
【０１７７】
sigmaSvDoppler項は、位置の誤差を原因とする方向余弦の誤差によって発生するドップラー誤差の中に誘発される誤差を見込んでいる。位置誤差の関数である周波数誤差の典型的な値は、ドップラー誤差が探索全体の半分である中間点周辺で、１０ｋｍ＝６Ｈｚ、１００ｋｍ＝６０Ｈｚ、１５０ｋｍ＝９０Ｈｚ、３００ｋｍ＝１８０Ｈｚ、６００ｋｍ＝３６０Ｈｚ、３０００ｋｍ＝１８００Ｈｚで、一つのＧＰＳ衛星の平均的なＧＰＳ衛星位置における最悪のケースでは６０００ｋｍ＝３６００Ｈｚである。２００ｋｍの車両では、最大速度＝３８０Ｈｚとなる。０．５ｐｐｍより優れた水晶振動子モデルでは７５０Ｈｚとなる。位置誤差が１５０ｋｍ未満の時には、±１ｋＨｚの周波数窓で十分である。位置、時刻に全く心当たりがなければ、ＧＰＳ衛星のドップラーのシグマに対処できるように±４ｋＨｚの周波数窓が必要である。
【０１７８】
理想的には、ほぼ−１４５ｄＢｍの信号の強い衛星の長期追跡は全て、タイムトラッキングエンジンを用いて行なわれる。そうした方法では、航法データを観測し、従って、全擬似距離が判定されるので、クライアントが任意の場所の自律型測位機能を利用できるようになる。ＴＳＭは、位相弁別器と共に更新レートの高い搬送周波数トラッキングループ（ＡＦＣ又はＰＬＬ）を用いる。位相弁別器により、航法データによって引き起こされる１８０度位相シフトを観測できるようになる。擬似距離は、受信されたＺカウントにタイムタグを付けることによってコード位相に推定されたミリ秒伝播時間を加算して完全なものになる。
【０１７９】
コード位相及び周波数が平均化されるので、この方法は受信機の処理に起因する量子化誤差を他の宇宙空間誤差以下に低減することができる。従って、測定により最良の精度を得ることができる。なぜならば、この方法では真の位相を中心に位相及び周波数がディザリングされ、それらの位相が平均化されて平均位相がかなり正確な測定値を生じるからである。
【０１８０】
この方法ではＧＰＳ衛星毎に１回のプレイバックだけが必要で、最小限の数の相関回路を使用するから、ＧＰＳ衛星あたりの電力消費が最小限に抑えられる。
【０１８１】
本発明を現時点で好適なＳＰＳ受信機により説明してきたが、開示を限定と解釈すべきでないことが理解できる。上記の開示を読めば、当業者ならば、様々な変更並びに修正が明らかになることは疑いの余地がない。従って、添付の特許請求の範囲は、本発明の「真の」精神並びに範囲から逸脱しない限りにおいてあらゆる変更並びに修正を含むと解釈されるものと考える。
【図面の簡単な説明】
【０１８２】
【図１】本発明のネットワーク型航法システムの機能ブロック図。
【図２】本発明の実施例のフローチャート。
【図３】本発明の一般化した実施例のフローチャート。
【図４】本発明の航法衛星受信機ネットワークおける自律型、デミ、シン、オムニの各クライアントの機能ブロック図。
【図５】本発明の衛星測位システム受信機及びサポートシステム。
【符号の説明】
【０１８３】
１０２、４０４    サーバ
１０４    クライアント
１０６    インターネット
１０８、１１０、１１２、１１４、１１６    ＧＰＳ衛星
４０２    航法プラットフォーム
４０６、４２８、４３０    アンテナ
４０８    ＬＮＡ
４１０    ＧＰＳ  ＳＡＷ
４１２    ＲＦ  ＡＳＩＣ
４１４    ＩＦ  ＳＡＷ
４１６    ＤＳＰ  ＡＳＩＣ
４１８    水晶発振器
４２０    温度センサ
４２２    自律型クライアント
４２４    デミクライアント
４２６    シンクライアント
４２７    オムニクライアント
４３２    基準局マネージャ
４３４    ロケーションサーバ
【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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