(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧＰＳレシーバにより受信された、第１および第２の衛星によるＧＰＳスペクトラム拡散信号を逆拡散する方法であって、
所定サンプル期間に前記第１の衛星によるＧＰＳスペクトラム拡散信号および前記第２の衛星によるＧＰＳスペクトラム拡散信号をサンプルするステップと、
前記所定サンプル期間の一部分から前記第１の衛星によるＧＰＳスペクトラム拡散信号を取得するステップと、
前記第１の衛星の動きによるＧＰＳスペクトラム拡散信号のドップラシフトに起因する周波数変化を計算するステップと、
前記ＧＰＳレシーバの移動、前記ＧＰＳレシーバの局部発振器のドリフト、および前記第１および第２の衛星の動きに起因し、前記所定サンプル期間を通して取得された、前記第１の衛星によるＧＰＳスペクトラム拡散信号の周波数変化を測定し、測定された前記周波数変化に関する周波数情報を得るステップと、
前記測定された周波数変化から、前記第１の衛星によるＧＰＳスペクトラム拡散信号のドップラシフトに起因する周波数変化を排除するステップと、
サンプルされた前記第２の衛星によるＧＰＳスペクトラム拡散信号を、前記測定された周波数変化から前記第１の衛星によるＧＰＳスペクトラム拡散信号のドップラシフトに起因する周波数変化を排除した前記周波数変化を表す信号と混合して前記第２の衛星によるスペクトラム拡散信号の混合信号を生成するステップと、
前記第２の衛星によるＧＰＳスペクトラム拡散信号の混合信号を、前記所定サンプル期間の全ての期間にわたり取得された前記第２の衛星によるＧＰＳスペクトラム拡散信号のために生成された複製信号と、相関させるステップと、
を備える、ＧＰＳスペクトラム拡散信号を逆拡散する方法。
【請求項２】
前記ＧＰＳ信号レシーバは、受信したＧＰＳスペクトラム拡散信号をサンプリングしたサンプルを記憶するメモリを有するディジタルＧＰＳ信号レシーバであり、前記周波数情報を得るステップの後で前記メモリに前記サンプルを記憶するステップをさらに有し、前記第１の衛星によるＧＰＳスペクトラム拡散信号は、前記メモリ内に記憶した前記サンプルから得られ、前記周波数情報は、前記サンプルに含まれる取得された第１の衛星によるＧＰＳスペクトラム拡散信号の周波数変化に関連づけられるステップをさらに有する請求項１に記載のＧＰＳスペクトラム拡散信号を逆拡散する方法。
【請求項３】
前記周波数情報は、前記メモリ内に記憶されたサンプル信号変換系列を用いて前記第１の衛星によるＧＰＳスペクトラム拡散信号をトラッキングすることにより得られる請求項２に記載のＧＰＳスペクトラム拡散信号を逆拡散する方法。
【請求項４】
前記周波数情報は、ドップラシフトが前記第２の衛星によるＧＰＳスペクトラム拡散信号を発するＧＰＳ衛星の動きに起因する場合に、前記ＧＰＳレシーバにより前記第２の衛星によるＧＰＳスペクトラム拡散信号において観察されるドップラシフトによる周波数変化分を排除するよう修正される請求項１に記載のＧＰＳスペクトラム拡散信号を逆拡散する方法。
【請求項５】
ドップラシフトによる周波数変化が、前記ＧＰＳレシーバの最新の決定位置に基づいて計算される請求項４に記載のＧＰＳスペクトラム拡散信号の逆拡散方法。
【請求項６】
請求項１に記載されたＧＰＳ信号を逆拡散する方法に用いられる前記ＧＰＳレシーバによって受信される複数の衛星によるＧＰＳスペクトラム拡散信号を逆拡散することができることを特徴とするＧＰＳレシーバ。
【請求項７】
請求項６に記載のＧＰＳレシーバを有するモバイル電話機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＧＰＳ受信機により受信される複数のＧＰＳ拡散スペクトル信号の逆拡散を行う方法、並びにこの方法のためのＧＰＳ受信機及び当該ＧＰＳ受信機を組み込む移動通信機器（特にモバイルセルラフォン）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＧＰＳ信号を得るために複製のＧＰＳ衛星擬似ランダムノイズ（ＰＲＮ）符号信号を連続的に発生し受信したＧＰＳ信号と相関をとるＧＰＳレシーバを提供することはよく知られている。普通、かかる複製符号は、当該レシーバと軌道衛星との間におけるドップラシフトにより当該受信ＧＰＳ信号のものに対しての異なる符号位相だけでなく異なる周波数を有すると思われるので、２次元符号周波数／位相掃引が行われ、かかる掃引によって結局は局部的に発生した複製のものと同じ周波数及び符号位相を有する入力ＰＲＮ符号となるのである。この符号は、検出されると取り込まれかつ追跡され、当該擬似範囲情報を得ることが可能となり、この情報からそのレシーバの位置を慣例的なナビゲーションアルゴリズムを用いて計算可能となるのである。
【０００３】
また、セルラ電話機ネットワークの操作者が呼び出し、特に当該緊急サービスへの緊急呼び出しのための呼び出しが行われる場所を判断することができるように、このようなＧＰＳレシーバを組み込むモバイルセルラフォンを提供することも知られている。緊急呼び出しのためには勿論、当該呼び出し位置が出来る限り早く利用可能となることは望ましいのであるが、ＧＰＳレシーバが天体暦データを更新する権利を持たない「コールドスタート」（cold start）から、或いは相当悪い場合にはＧＰＳレシーバが最新の暦を有していない「ファクトリーコールドスタート」（factory cold start）から、最初に固定又は決定する時間（ＴＴＦＦ：time to first fix）は、３０秒から５分の間のどこかの値となってしまう。
【０００４】
かかるＴＴＦＦを短くするために、より迅速にＧＰＳ信号を取得するようＧＰＳレシーバには基地局の支援（手段）が設けられる。このような支援には、当該ＧＰＳレシーバに用いられる局部発振器を調整するための高精度キャリア周波数基準信号と、視野にある衛星のドップラシフトを測定することのできる最新の衛星暦（アルマナック）及び天体暦データのためのデータメッセージと、現在ＰＲＮ符号位相といったものの当該レシーバへの基地局による供給が含まれる。このような支援によって、当該使用すべき目標（又は対象）のＰＲＮ符号を検知するための周波数及び符号位相の狭い範囲しか掃引しなくて済み、これにより検査の必要な符号インスタンスの数を減らし、もって符号取得時間を減らすことができる。基地局系支援については、ここで参照により組み入れられる米国特許第５８４１３９６号及び第５８７４９１４号にさらに記述されている。
【０００５】
検査に必要な符号インスタンスの数を十分に減らすことにより、取得の全体時間に重大な影響を与えることなく、各検査についての停留時間（dwell time―休止時間―）を増大させることが可能となる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、ＧＰＳレシーバにより受信された複数のＧＰＳ拡散スペクトル信号を逆拡散する方法であって、特に（但し限定するものではなく）、延長された持続期間の停留が上述したような微弱な信号を得るのに行われるときに当該微弱信号を取得する可能性を高める方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の態様によれば、第１ＧＰＳ信号を取得するステップと、前記ＧＰＳレシーバにより測定されるようなその第１の取得信号の周波数変化に関連する周波数情報を得るステップと、前記周波数情報を第２ＧＰＳ信号を得るために用いるステップと、を有するようにした方法が提供される。
【０００８】
かかる変化は、通常、当該ＧＰＳレシーバによって行われる測定値変化をもたらす局部発振器のドリフト及びＧＰＳレシーバの動きを示しうるものである。このようなエラーの源を発見し補償することによって、その信号取得（捕捉）プロセスに対する悪い影響（作用）を回避し若しくは少なくとも軽減することができ、もって微弱なＧＰＳ信号の取得の助けをすることができる。これは特に、残留する弱い信号それ自体得ようとして長い停留（dwell）期間が使われるときにおけるものであり、単一の停留の経過／過程において変化が生じ補償されうる。
【０００９】
ここで、前記ＧＰＳレシーバを、当該受信ＧＰＳ信号をサンプリングしてそのサンプルをメモリに記憶するディジタルＧＰＳレシーバとした場合には、前記第１ＧＰＳ信号は、その記憶したサンプルから得られ、これにより前記周波数情報は、当該記憶サンプルにおいて存在するような当該第１の取得信号の周波数変化に関係づけられる、という形態にすることもできる。
【００１０】
かかる周波数情報は、ドップラシフトが当該第１のＧＰＳ信号を発するＧＰＳ衛星の動きに原因がある場合において、ＧＰＳレシーバにより当該第１ＧＰＳ信号に観察されるようなドップラシフトによるそれらの周波数変化を相殺し、かつ当該第２の信号に対しても同様の周波数変化を補償するよう改変されうる。
【００１１】
これについては、かかるドップラシフトが当該ＧＰＳレシーバの最後に知り得た決定位置（position fix）に基づいて計算されうるもの、或いはまた近くの通信基地局により提供される決定位置に基づいて、当該通信基地局と通信するよう適合されたモバイル通信機器にそのＧＰＳレシーバが組み込まれるもの、といった例がある。例えば、当該基地局の位置に対応する決定位置がある。
【００１２】
本発明の第２の態様によれば、複数のＧＰＳ拡散スペクトル信号を逆拡散する別の方法が提供され、ここでは、ディジタルＧＰＳレシーバにおいて当該周波数情報を第２のＧＰＳ信号を得るのに用いることに代え当該受信ＧＰＳ信号を再サンプルするかどうかの周波数情報に基づいて判定がなされ、かかる判定がなされた場合においては、その受信ＧＰＳ信号が再サンプルされる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を、添付の概略的図面を参照して、セルラ電話ネットワークに用いられるＧＰＳレシーバを有するモバイルセルラ電話の実施例につき例示を用いて説明する。
【００１４】
図１には、慣例的なセルラ電話ネットワーク１の地理的配置が概略的に示されている。このネットワークは、複数の基地局ＢＳを有し、ここではその７つがＢＳ１〜ＢＳ７として示されている。これら基地局は、それぞれが互いに間隔の空けられた地理的位置に位置付けられる。これら基地局の各々は、いずれか１つのサイト又はサービスエリアにおいて中継システムコントローラにより動作されるラジオ送信機及び受信機全部を有する。これら基地局の各サービスエリアＳＡ１〜ＳＡ７はハッチングにより示されるように重なって、図示される全体の区域を集団でカバーする。このシステムはさらに、各基地局ＢＳ１〜ＢＳ７に対する２方向通信リンクＣＬ１〜ＣＬ７をそれぞれ具備するシステムコントローラＳＣを有する。これら通信リンクの各々は、例えば専用の陸上通信線とすることができる。システムコントローラＳＣはまた、一般加入電話網（ＰＳＴＮ：public switched telephone network）に接続され、モバイルセルラ電話機ＭＳ１と当該電話網への加入者との間で通信を行うことができるようになっている。複数のモバイルセルラ電話機ＭＳが与えられており、その３つがＭＳ１，ＭＳ２及びＭＳ３として示されている。各電話機はその区域全体及びその全くの外において自由に往き来することができる。
【００１５】
図２を参照すると、モバイルセルラ電話機ＭＳ１が詳しく示されている。この電話機は、登録している基地局ＢＳ１と通信するために、通信アンテナ２０に接続されかつ通信マイクロプロセッサ（Commμｃ）２２により制御される通信トランスミッタ（Comm Tx）及びレシーバ（Comm Rx）２１を有する。セルラ電話ネットワーク内での２方向通信用のこのような電話機の設計及び製造はよく知られているので、そうした本発明の構成に直接関係しない部分は以下においてはあまり詳しく述べないこととする。
【００１６】
モバイル電話の慣例的構成要素に加えて、電話機ＭＳ１は、軌道ＧＰＳ衛星から送信されたＧＰＳ拡散スペクトル信号を受信する、ＧＰＳマイクロプロセッサ（ＧＰＳμｃ）２５により制御されかつＧＰＳアンテナ２３に接続されたＧＰＳレシーバ（ＧＰＳ Rx）２４をさらに有する。動作時には、ＧＰＳレシーバ２４は、アンテナ２３を通じてナブスタ（ＮＡＶＳＴＡＲ）のＳＰＳ／ＧＰＳ信号を受信しそれらを前処理する。これは普通、帯域外ＲＦ干渉を最小化するための受動型帯域通過フィルタリング、前段増幅、中間周波数（ＩＦ）へのダウンコンバージョン及びアナログ／ディジタル変換によってなされるものである。結果として得られるディジタル化されたＩＦ信号は、利用可能な衛星からの情報全てを含んだまま復調され続け、ＧＰＳマイクロプロセッサ２５のメモリに供給される。そして、通常のナビゲーションアルゴリズムを用いて当該モバイル電話機の位置を測定可能とする基になる擬似情報を得る目的で、数あるディジタルレシーバチャネル（普通は１２個まで）のうちいずれかにおいてＧＰＳ信号を得て追跡可能となる。このようなＧＰＳ信号の取得及び追跡の方法はよく知られており、例えば、GPS Principles and Applications（Editor, Kaplan）ISBN 0-89006-793-7 Artech House の第４章（ＧＰＳ衛星信号特性）及び第５章（ＧＰＳ衛星信号の取得及び追跡）を参照されたい。ＧＰＳマイクロプロセッサ２５は、通信マイクロプロセッサ２２にオプションとして共通にしうる汎用マイクロプロセッサ又はＧＰＳアプリケーション関連の集積回路（ＡＳＩＣ）に埋め込まれたマイクロプロセッサの形態で実現可能である。
【００１７】
セルラ電話ネットワークの基地局ＢＳ１は、図３に概略的に示されている。基地局の通常の構成要素に加えて、当該基地局はさらに、ＧＰＳアンテナ３４、レシーバ３５及びマイクロプロセッサ３６を有し、これらは実質的に連続した動作の態様を採りこれにより当該基地局は最新のＧＰＳ衛星情報を常時所有することができる。この情報は、軌道衛星のどれが現在視野（検知可能範囲）に入っているかを含み（このような衛星は、均等（互角）なマクロセルについては電話機とこれに関連する基地局との双方に共通である可能性があり、離れると不明瞭となる）、当該ＧＰＳデータメッセージは、最新の暦（アルマナック）及び天体暦（ephemeris）データ並びに衛星クロック訂正データの他、当該基地局により観察されるようなＧＰＳ衛星信号のドップラシフト及び現在コード（符号）位相を含むものである。
【００１８】
モバイルセルラ電話機ＭＳ１のユーザが緊急呼び出しをした場合で２方向通信リンクＣＬ１を介したシステムコントローラＳＣの制御の下にあるときには、基地局ＢＳ１は、当該電話機にこの情報を提供し、これにより当該電話機は使用すべき目標ＰＲＮコードを検知するための周波数及びコード位相の狭い範囲の掃引だけで済むことになり、もって迅速なコード取得及びＴＴＦＦを確実なものとするのである。そして電話機から基地局へ返送されその後に当該緊急サービスのオペレータに通じる位置決定／決定位置（position fix）は、合衆国では公衆安全応答地点（ＰＳＡＰ：Public Safety Answer Point）と称されている。
【００１９】
図４を参照すると、電話機ＭＳ１のＧＰＳマイクロプロセッサ２５が概略的に示されており、これは擬似ランダムノイズ（ＰＲＮ）コード（符号）の掃引を実現するものであり、ここでは衛星ＰＲＮコードの複製コード（進み（Ｅ），即時（Ｐ），遅れ（Ｌ））が連続して発生され、当該レシーバにより受信された入力衛星ＰＲＮコードと比較される。ＧＰＳマイクロプロセッサ２５に記憶された信号サンプルから擬似情報を得るために、搬送波を除去しなければならず、これは当該レシーバが搬送波発生器４１を用いて同相（Ｉ）及び直交位相（Ｑ）の複製搬送波信号を発生することにより行われる。通常、この受信搬送波の周波数を正確に再生するのに搬送波位相同期ループ（ＰＬＬ）が使われる。コード位相同期を捕捉するために、ＰＲＮ系列の進み（Ｅ）、即時（Ｐ）及び遅れ（Ｌ）の複製コードがコード発生器４２により連続して発生される。そしてこれら複製コードは、通常は積分器４３における積分により当該Ｉ及びＱ信号と相関がとられて３つの同相相関成分（ＩＥ，ＩＬ，ＩＰ）と３つの直交位相相関成分（ＱＥ，ＱＬ，ＱＰ）とを生成する。コード位相ディスクリミネータが当該相関成分の関数として計算され閾値テストがそのコード位相ディスクリミネータにかけられるとともに、当該コード位相ディスクリミネータが高レベルならば位相の一致が示されそうでなければコード発生器は位相シフトを伴う次のシリーズの複製を生成する。線形な位相掃引によって、結局、入力ＰＲＮコードは局部発生されたその複製のものと同相となり、コード取得がなされることになる。
【００２０】
本発明によれば、モバイル電話機ＭＳ１のＧＰＳプロセッサ２５は、次の各例のいずれかに記述されるような形態で入力ＧＰＳ信号を取得するようにすることができる。
【００２１】
【例１】
ＧＰＳ信号の受信が概して弱いビルの中に居るモバイルセルラ電話機ＭＳ１のユーザが、緊急サービス（合衆国では「公衆安全連絡ポイント」（public safety answer point）と称される）に緊急呼び出しを行う場合である。２方向通信リンクＣＬ１を介したシステムコントローラＳＣの制御の下で、基地局ＢＳ１は、最新の暦（アルマナック）及び天体暦データ並びに当該基地局により目下観察されているようなＧＰＳ衛星信号のドップラシフトを提供する。
【００２２】
ＧＰＳレシーバは、１００ｍｓのＧＰＳ信号をサンプリングし、それから当該基地局により供給される衛星情報を用いて、ＧＰＳプロセッサ２５は、ＧＰＳ信号の取得を試みるべく通常の進みマイナス遅れ相関アーキテクチャ使う。サンプリングされる１００ｍｓ相当のＧＰＳ信号のうち１０ｍｓ部分を用いて、ＧＰＳプロセッサ２５は、使用すべきターゲットＰＲＮコードが検知されるところの周波数の狭い範囲だけを掃引し、そうしているときに比較的大なる信号対雑音比を有する２つのＧＰＳ信号を首尾良く取得するようにしている。これは、例えば、当該ビルの窓を通してＧＰＳレシーバの直接の視界にそれぞれのＧＰＳ衛星が存在する場合に生じうる。そして、残りのＧＰＳ信号についての（不成功となる）掃引が完了すると、位置決定（position fix）を得るべくさらに２回要求され、ＧＰＳレシーバは、以下のような改変された取得処理を行う。
【００２３】
（１）現在得ている信号のうちの１つを用いて、ＧＰＳプロセッサ２５は、当該１００ｍｓのＧＰＳ信号サンプルにおけるＧＰＳレシーバにより観察されるような当該信号の周波数変化を測定する。これは、当該１００ｍｓサンプル系列における例えば大体数個の１０ｍｓの停留（dwell）を用いて当該信号を反復して取得したり、或いは当該１００ｍｓサンプル系列の最初の１０ｍｓ部分を用いて当該信号を得てから当該１００ｍｓサンプル系列における当該信号を追従することによって、行うことができる。当該変化は、普通は局部発振器のドリフトや、当該ＧＰＳレシーバの周波数測定用基準値、電話機ハンドセット及び衛星双方の動きに起因したドップラシフトの変化に起因するものである。
【００２４】
（２）基地局により供給された天体暦データから、又は前に取得したＧＰＳ信号、最後に既知となった位置決定に基づくもののような推定位置若しくは通信基地局により提供された位置決定及び１つのＧＰＳ衛星から得られうるＧＰＳ時間情報及び位置決定推定値から、簡単に計算することのできる当該取得信号に関連した衛星の動きにより生じたドップラシフトに起因するそれら周波数変化を排除するように、周波数変化特性を改変させることができる。
【００２５】
（３）別のＧＰＳ信号の取得の助けとするため、周波数変化特性はさらに、当該信号すなわち目標信号に関連した衛星の動きにより生じたドップラシフトに起因する想定周波数変化を補償するようにも改変することができる。これもまた、基地局により提供される天体暦データから簡単に計算することができ、また、ＧＰＳ信号、位置推定値及びＧＰＳ時間情報から得ることもできる。
【００２６】
（４）全体で１００ｍｓ相当のＧＰＳ信号サンプルにわたる停留を用いて、ＧＰＳプロセッサ２５は、ここでも使用すべき目標ＰＲＮコードを知るための狭い周波数範囲のみを掃引する。但し、このとき当該信号を得るために使われた相関処理は、ステップ（３）の後に改変されるような周波数変化特性に応じて改変される。すなわち、ハンドセットの動きと局部発振器のドリフトの作用は排除又は少なくとも軽減されるのである。これは、次の方法のいずれかにより行われる。通常の態様で当該データを処理する前に、そのデータをその検出された周波数変化を表す信号と混合する、という手法か、又は当該データを通常のサーチメカニズムのパートとして固定の周波数オフセット信号と混合するのに代え、当該測定された周波数変化を取り入れるような形で調整される可変周波数信号を用いる、という手法である。
【００２７】
【例２】
ディジタルＧＰＳレシーバを用いかつ例１において説明したものに似た状況であって２つのＧＰＳ信号が容易に得られたものの少なくともう２つ必要としている場合である。ＧＰＳプロセッサ２５は、ここでも当該１００ｍｓのＧＰＳ信号サンプルにおいてＧＰＳレシーバにより前に取得したいずれか所定の信号の周波数変化を測定しうる。但し、このときは、当該変化が、当該ＧＰＳレシーバは微弱信号を取り込み不可能であるとは見込めない程度に厳格なものとみなされるものであって、当該ＧＰＳレシーバは、単純にＧＰＳ信号を再サンプルし再試行することを選択しうる。
【００２８】
上記進み−遅れ相関方法の代替例として、ＰＲＮコードを取得するために、高速畳み込み方法、特に高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を含む方法を用いてもよい。かかる畳み込み方法は、Robert G Davenport氏による“FFT processing of direct sequence spreading codes using modern DSP microprocessors”と題された論文（IEEE 1991 National Aerospace and Electronics Conference NAECON 1991, volume 1, 第９８頁〜第１０５頁）や米国特許第５，６６３，７３４号に記述されている。本発明の方法は、少なくとも、当該ＦＦＴ畳み込みが実行される前にいずれのキャリアも上述したように信号から取り出すことができるという点で、こうした畳み込み方法に等しく適用可能である。
【００２９】
以上、ナブスタＧＰＳ、米国国防総省により現在運用され開発されている全天候型で宇宙空間に基づくナビゲーションシステムを背景にして本発明の多くを記述したが、ＧＰＳの一般的な根本原理は、汎用性のあるものであり、ナブスタシステムだけに限定されるものではない。したがって、ＧＰＳというのは、異なる位置に存在する複数の拡散スペクトルラジオトランスミッタと当該ラジオトランスミッタの送信情報の到着時間に基づいてその位置を判定するレシーバとを有するあらゆる測位システムを指すものである。
【００３０】
本開示内容を読むことによって、当業者にとっては他の変形例を見出すことができると思われる。また、そのような変形例には、ＧＰＳレシーバ及びその構成部の設計、製造及び使用において既に知られ、かつここで既に説明した技術的内容事項に代え又は加えて用いることの可能な別の技術的内容事項を含みうるものである。本願の請求項には、特徴事項の特定の組み合わせの形で表現されているが、本願の開示の範囲は、ある請求項に現に記載されたものと同じ発明に関係しているかどうか、そして本発明が扱うものと同じ問題の全て又はいくつかを軽減するかどうかに拘わらず、ここに明示的又は暗黙的に開示されたあらゆる新規な特徴若しくは特徴の新規な組み合わせをも包含するものである。よって本願は、本願又は本願から派生する別のいずれかの出願の手続追行において、このような特徴及び／又は特徴の組み合わせについて新しい請求項を示すことがあることを注記する次第である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  セルラ電話ネットワークの地理的配置を示す図。
【図２】  図１のモバイルセルラ電話機ＭＳ１を詳細に示す図。
【図３】  図１の基地局ＢＳ１を詳細に示す図。
【図４】  モバイルセルラ電話機ＭＳ１のＧＰＳレシーバ及びプロセッサを詳細に示す図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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