(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
疑似ランダムノイズ（ＰＲＮ）コード列を含み、また、ＧＰＳ受信機で受信された目標とするＧＰＳ拡散スペクトル信号の逆拡散方法であって、
目標信号上でＧＰＳ受信機により観察され、ＧＰＳ衛星の動きに起因するドップラーシフトにおける周波数変動の推定に関するドップラー情報を得る段階と、
対応するＰＲＮコード列を含んでいる参照信号を目標信号と相関させる段階を有し、
一つの相関の間に、前記ＧＰＳ受信器による目標信号上で観察されるドップラーシフトにおける予期される周波数変動を考慮するために、前記目標信号又は前記参照信号をドップラー情報の関数として修正することを特徴とする逆拡散方法。
【請求項２】
目標信号を参照信号と比較するよりも前に、ドップラー情報の関数として修正することを特徴とする、請求項１記載の逆拡散方法。
【請求項３】
参照信号をその目標信号と比較するよりも前に、ドップラー情報の関数として修正することを特徴とする、請求項１記載の逆拡散方法。
【請求項４】
ＧＰＳ受信機による修正により得られた最新の位置を基準としてドップラーシフトの推定値を計算することを特徴とする、請求項１乃至３に記載の逆拡散方法。
【請求項５】
ＧＰＳ受信機が、近くの通信基地局と通信を行えるように適合されている移動体通信装置の中に組み込まれていて、又ドップラーシフトの推定値が通信基地局から与えられた位置の修正に基づいて計算されていることを特徴とする、請求項１乃至３記載の逆拡散方法。
【請求項６】
位置の修正が通信基地局の場所に対応していることを特徴とする、請求項５に記載の逆拡散方法。
【請求項７】
ＧＰＳ受信機によって、請求項１乃至６に記載のいずれかの逆拡散方法によって受信されたＧＰＳ拡散スペクトル信号の逆拡散を行うことができるＧＰＳ受信機。
【請求項８】
請求項７記載のＧＰＳ受信機を含んでいる移動用電話。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＧＰＳ受信機により受信されたＧＰＳ拡散スペクトル信号の逆拡散方法と、ＧＰＳ受信機とそのＧＰＳ受信機に組み込まれる移動通信装置（特に携帯電話）に関する。
【背景技術】
【０００２】
レプリカ(replica)ＧＰＳ衛星疑似ランダムノイズ（ＰＲＮ）コード信号が絶え間なく発生し、これらの信号を獲得するためにこれらの信号は受信されたＧＰＳ信号と相関関係を持たせているＧＰＳ受信機を提供することはよく知られている。通常は、受信機と周回軌道衛星の間でドップラーシフトにより、レプリカコードはＧＰＳ信号を受信したコードフェーズ（phase）とは異なるコードフェーズを持ち、又、異なる周波数を持つので、そのようなスィープ（sweep）が入ってくるＰＲＮコードが局所的に発生したレプリカの周波数とコードフェーズと同じ周波数とコードフェーズを結果として有するようにするために、二次元コード周波数・フェーズのスィープは用いられているのである。もし検出されれば、コードは獲得又は追跡され、疑似範囲(pseudorange)情報を得ることができる可能性があるのであり、その疑似範囲情報によって従来のナビゲーションアルゴリズムを用いて受信機の位置を計算し得る。
【０００３】
携帯電話ネットワークのオペレータが、どこから呼び出し、特に緊急用のサービスに対する緊急の呼び出しが行われているかを判断できるようにすることとを目的として、携帯電話がＧＰＳ受信機を備えていることは、よく知られている。もちろん、緊急の呼び出しに対しては、緊急の呼び出しのなされた位置を利用できるようになるのができるだけ早い方が良いが、ＧＰＳ受信機が最新の天体位置推算表（ephemeris）にアクセスできない「コールドスタート」、更に悪い場合、ＧＰＳ受信機が今の暦(almanac)を持っていない「ファクトリーコールドスタート」によって、最初の修正が行われるまでの時間（ＴＴＦＦ）はどこでも３０秒から５分の間となる。
【０００４】
このＴＴＦＦを小さくするためには、ＧＰＳ信号をより早く獲得するためのベース基地アシスタンス(assistance)をＧＰＳ受信機に備えることが考えられる。そのアシスタンスは、ＧＰＳ受信機の中で使われている局部発信器を較正するための正確なキャリア周波数の参照信号を、基地局から受信機までの間に、準備することを含む。すなわち、現在までの衛星の暦と天体位置推算表のデータのデータ列を決定することができ、これにより視界にある衛星にとってのドップラーシフトを考慮するのである。また、そのカレントＰＲＮコードフェーズも決定することができる。そのアシスタンスによって、その目的のＰＲＮコードが含まれていることがわかっている狭い周波数帯域とコードフェーズのみを通過させることが可能であり、それによってチェックが必要なコードインスタンスの数は減少し、それによってコードを獲得するまでに要する時間が短縮されるのである。ベース基地アシスタンスについては、ＵＳ特許５８４１３９６、５８７４９１４において詳細に書かれており、本明細書の参考文献として組み入れられる。
【０００５】
チェックの必要なコードインスタンスを十分に減少させることにより、獲得のための全体の時間に大きな影響を与えることなく、各々のチェックのための滞在（dwell）時間を長くすることができる。このことにより、弱いＧＰＳ信号を獲得する可能性が大きくなる、という利益がある。例えば、一つのコードの事例(instance)や滞在(dwell)にとって、１０ｍｓの間、相関が起こりうるというのは、おおよそ１０個のコードの繰り返し（Ｃ/Ａモード）又は、ちぐはぐの個別の相関が集められた１０ｍｓの期間が１０個、ちぐはぐに集められて構成される１００ｍｓの期間に相当する。
【０００６】
弱い信号を獲得する可能性が高められているＧＰＳ受信機によって受信されたＧＰＳ拡散スペクトル信号の逆拡散方法を提供するのが、本発明の目的である。そして本方法においては、限定するわけではないが、特に、その弱い信号を獲得するために、期間の延長された滞在が用いられている場合についての発明である。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によると、目標信号上でＧＰＳ受信機により観察され、ＧＰＳ衛星の動きに起因するドップラーシフト（Doppler shift）における変動の推定に関する情報を得る段階と、対応するＰＲＮコード列を含んでいる参照信号を目標信号と相関させる段階を有し、一つの滞在の間は、その相関をドップラー情報の関数として修正することを特徴とする方法が提供される。例えば、相関に先だって、ドップラー情報の関数として目標信号又は参照信号を修正することにより、このことが実現される。
【０００８】
この誤差の原因に気づき、補償することによって、信号獲得プロセスにおける有害な効果を除去あるいは緩和させることができ、それによって、弱いＧＰＳ信号の獲得を助けている。このことは、特に残存している弱い信号を獲得するために長いドウェル期間を用いた場合、例えば個々の１０ｍｓの相関を集めた１ｓとした場合にそうである。周波数を完全にぴったりと合わせることにより、理論的には無限に小さい信号を獲得するために無限の時間を統合することができる。しかしながら、衛星の動きの要因である、ドップラーシフトの偏差は典型的には１Hz/s のオーダであるが、そのドップラーのばらつきを補償しないばあいには、このことにより実用的な統合時間を約０．５Sに制限するのである（ｆが周波数のばらつきとすると、これは０．５ｆにあたる）。
【０００９】
ドップラーシフトはＧＰＳ受信機の最新の修正された位置に基づいて、また別の方法としては、ＧＰＳ受信機が近くの通信基地局によって通信することに対応している移動通信デバイスに組み込まれている場合に、通信基地局から提供される修正された位置に基づいて、ドップラーシフトは計算することができる。たとえば、位置修正は、通信基地局の位置に対応する。
【００１０】
一例として、本発明を付随の図面を用いて、携帯電話ネットワークで使用するＧＰＳ受信機を含んだ携帯電話の実施例により説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
従来の携帯電話ネットワーク１の地理的な見取り図を図１に示す。このネットワークは複数のベースステーションBSを有しており、そのうちの７個をBS１からBS7に示す。これらは個別に設置され、相互に地理的な配置で間隔が空けられている。これらの基地局のそれぞれが、いずれかの場所またはサービスエリアに接地されたトランキング（trunking）システムコントローラによって動作する無線送信機と受信機の全体を含んでいる。ハッチングによって示されるように、SA１からSA７までのそれぞれの電波の届く範囲は、全体の領域に及ぶように集合的に重なりあっている。本システムは、さらに、双方向通信回線CL1からCL７を備えたシステムコントローラを含み、CL1からCL７はおのおのが基地局BS１からBS７までのびている。これらの通信回線のそれぞれは、例えば専用の陸線である。そのシステムコントローラは、更に携帯電話MS１と公衆交換電話交換網の受信契約者との間で通信ができるように、公衆交換電話交換網（ＰＳＴＮ）に接続されていることもありえる。複数の携帯電話MSのうちの三個をMS1、MS２、MS３に示すが、これらはおのおの領域全体、そして実際にその外までも自由に動き回ることができるのである。
【００１２】
図２を参照すると、携帯電話MS1がより詳細に図示されている。携帯電話MS1は、通信用アンテナ２０に接続されている通信用送信機（Comm Tx）と受信機（Comm Rx）２１を含み、登録された基地局BS１と通信するための通信用マイクロプロセッサ（Comm μc）２２によって制御されている。携帯電話ネットワークの中に双方向通信のための電話を設計・製造することは、よく知られており、本発明の一部を構成しない部品に関しては、ここではこれ以上詳しくは述べない。
【００１３】
携帯電話の従来の構成要素に加えて、電話MS１は、ＧＰＳアンテナ２３に接続されていて、軌道ＧＰＳ衛星から送られてくるＧＰＳ拡散スペクトルを受信するＧＰＳマイクロプロセッサ（ＧＰＳμC）によって制御されている、ＧＰＳ受信機（ＧＰＳ  Rx）２４を更に含む。稼動時には、ＧＰＳ受信機２４はNAVSTAR  SPS  ＧＰＳ信号をアンテナ２３を通じて受信し、予備処理を行う。予備処理は、一般的には、帯域外のRF干渉、前置増幅、中間周波数へのダウン（down）変換、アナログ・デジタル変換、を最小にするため、受動的バンドパスフィルタによって行われる。結果として、デジタル化されたIF信号は、変調されたままで、依然として利用可能な衛星からのすべての情報を含んでおり、ＧＰＳマイクロプロセッサ２５のメモリの中に入る。従来のナビゲーションアルゴリズムを用いて携帯電話の位置を判断することができる擬似範囲情報を取り出す目的から、ＧＰＳ信号は獲得され、あらゆるデジタル受信機チャンネルで、一般的には１２個までのチャンネルで、追跡される。ＧＰＳ信号の獲得と追跡に関する方法はよく知られており、例えば、ISBN  ０−８９００６−７９３−７Artech House（編集者、Kaplan）のＧＰＳ  Principles  and  Applications の第４章（ＧＰＳ衛星信号の特徴）と第５章（ＧＰＳ衛星信号の獲得と追跡）を参照されたい。そのＧＰＳマイクロプロセッサ２５は、多目的マイクロプロセッサという形で、または、状況に応じてコミュニケーション・マイクロプロセッサ２２、またはＧＰＳの中に埋め込まれる特定用途向け集積回路と共有して用いることが可能である。
【００１４】
携帯電話ネットワーク基地局BS1を図３に示す。基地局の従来の構成要素に加えて、さらにＧＰＳアンテナ３４、受信機３５、マイクロプロセッサ３６を含み、これらは、基地局が最新のＧＰＳ衛星情報をいつも持っているため、実質的には連続的な稼動をしている。この情報は現在どの軌道衛星を考慮しているか、ということをも含んでいる（それらの衛星は、曖昧さは別として、電話と均一のマクロセル（macrocells）用の担当する基地局に共通のようである）。ＧＰＳデータ列は、最新の暦と天体位置推算表データ、衛星クロック補正データ、基地局によって観測されたＧＰＳ衛星信号のドップラーシフトと現在のコードフェーズを含んでいる。
【００１５】
当技術分野で周知のように、携帯電話MS1の使用者が緊急呼び出しを行った場合と双方向通信回線を通じたシステムコントローラによる制御下にある場合は、すばやくコードを獲得または最初の修正が行われるまでの時間を保証するために、目的のPRNコードが含まれていることが知られている狭い範囲の周波数とコードフェーズを通過することのみが必要とされているために、基地局BS１がこの情報を電話に提供することもあり得る。それから、位置修正が電話から基地局に送信され戻され、更に、アメリカでパブリック・セーフティ・アンサー・ポイント（PSAP）と言われている、緊急サービスオペレータに送信される。
【００１６】
図４を参照すると、擬似乱数コードスウィープを使用している、電話MS１の衛星マイクロプロセッサ２５が示されている。擬似乱数ノイズコードスウィープの中では、衛星PRNコードのアーリー（early）(E)、プロンプト(prompt)(P)、レート（late）(L)レプリカコードが継続的に生成され、受信機によって受信されたときに、衛星PRNコードと比較される。ＧＰＳマイクロプロセッサ２５の中に蓄えられている信号サンプルから擬似範囲情報を取り出すために、搬送波を除去しなければならないが、このことは搬送波ジェネレータ４１を用いて、同相位相であり、かつ、方形にされた位相のレプリカ搬送波信号を生成している受信機によって行われている。搬送波位相ロックループ（PLL）は、通常は正確に受信された搬送波の周波数を正確に複製するために用いられる。コード・フェーズ・ロックを獲得するために、PRN列のアーリー（early）(E)、プロンプト(prompt)(P)、レート（late）(L)レプリカコードは、コードジェネレータ４２によって絶え間なく生成されている。レプリカコードは、典型的にはインテグレータ４３による統合によって、三個の同相相関コンポーネント（IE、IL、IP）と三個の方形にされた位相相関コンポーネント（QE、QL、QP）を生成するために、ＩとＱと相互に相関を持つようにされている。コードフェーズディスクリミネータは、その相関コンポーネントの関数として計算され、コードフェーズディスクリミネータには、閾値テストが適用される。すなわち、位相整合は、コードフェーズディスクリミネータが高い値であるか否かによって決定され、コードジェネレータは位相シフトによって次のレプリカの組を生成する。線形位相スィープは最終的には入ってくる局所的に生成されたレプリカとコード獲得と同じ位相になっているPRNコードとなるであろう。
【００１７】
本発明に従って、携帯電話のＧＰＳプロセッサ２５は、次のＧＰＳ信号を以下の実施例に示すようにして獲得し得る。
【００１８】
実施例
携帯電話MS１の使用者が、ＧＰＳ信号の受信が一般的に弱くなってしまう建物の中にいる場合に、緊急呼び出しを緊急サービスに行う（アメリカでは、パブリック・セーフティ・アンサー・ポイントといわれている）。双方向通信回線CL1によってシステムコントローラＳＣの制御下にある場合は、基地局BS1は、最新の暦と天体位置推算表のデータと、基地局によって現在観測されているＧＰＳ衛星信号のドップラーシフトを提供している。
【００１９】
ＧＰＳ受信機は、ＧＰＳ信号の１００ｍｓ分をサンプリングし、基地局によって提供される衛星情報を用いて、ＧＰＳプロセッサ２５は、ＧＰＳ信号を獲得するために、従来のアーリー・マイナス・レート（early-minus-late）相関アーキテクチャを用いている。サンプルされたＧＰＳ信号に値する１００ｍｓの一部の１０ｍｓを用いることによって、目標のPRNコードが含まれていることがわかっている、その狭い範囲の周波数の範囲だけをＧＰＳプロセッサ２５はスウィープし、そうすることによって比較的高いS/N比を有する２つのＧＰＳ信号を何とか獲得することが求められる。このことは、例えば各々のＧＰＳ衛星が建物の窓をとおしてＧＰＳ受信機が正面にある場合におこる。それから、ＧＰＳ信号を維持するためのウィ−プが失敗に終わった場合、さらに二つのＧＰＳ信号が位置修正を得るために必要とされ、ＧＰＳ受信機は、修正獲得プロセスを有する。そのプロセスは以下の内容を含む。
【００２０】
（１）  現在獲得されている信号の一つを用いて、１００ｍｓのPGS信号サンプルを通じてＧＰＳ受信機によって観測されたときに、ＧＰＳプロセッサ２５はその信号の周波数の偏差を測定する。このことは、１００ｍｓサンプル列を通じていくつかの１０ｍｓドゥエルを用いた信号を繰り返し獲得すること、又は１００ｍｓサンプル列の最初の１０ｍｓ部分を用いた信号を獲得し、１００ｍｓサンプル列を通じてその信号を追跡すること、によって行われる。一般的には、その偏移は局部発信器のドリフトに起因しており、周波数はＧＰＳ受信機によって、そのドリフトを参照して計測されている。そして、ドップラーシフトは携帯電話機と衛星の移動の両方に起因している。
【００２１】
（２）  周波数変動のプロフィール（profile）は、基地局によって又は前に獲得されているＧＰＳ信号から与えられた天体位置推算表データ、わかっている最新の位置修正に基づいた位置推定値、又は、通信基地局によって与えられた位置修正、一つのＧＰＳ衛星と位置修正推定値から生成されたＧＰＳ時間の知識、から直ちに計算できる獲得された信号と関連した衛星の動きによるドップラーシフトの要因に起因するこれらの周波数偏移を除くために修正されうる。
【００２２】
（３）  遠くにあるＧＰＳの信号の獲得を助けるため、その信号、例えば目標信号、と関連した衛星の動きによるドップラーシフトの要因に起因する予想される周波数変動を補うことによって、周波数変動プロフィールは更に修正されうる。この場合も先と同様、基地局から与えられる又はＧＰＳ信号から獲得される天体位置推算表データ、位置推定値、ＧＰＳ時間の知識、から直ちに計算することができる。
【００２３】
（４）  全体の１００ｍｓに値するＧＰＳ信号サンプルを超えるドウェルを用いることによって、ＧＰＳプロセッサ２５は再び目的のPRNコードが含まれていることがわかっている狭い周波数の範囲のみをスィープする。しかしながら今回の場合は、その信号を獲得するために用いられているその相関プロセスは、ステップ（３）によって修正された後の周波数変動プロフィールにしたがって、修正されている。すなわち、携帯電話の動きと局部発振器のドリフトの影響は除かれ、又は少なくとも緩和されているのである。このことは、以下のいずれの方法によっても実現することができる。従来の方法でそのデータを処理するより前に、検出された周波数変動を表す信号とそのデータを混合する。または、従来の検索メカニズムの一部として、そのデータと修正された周波数オフセット信号を混合する代わりに、測定された周波数変動を組み込むという方法で調整された、様々な周波数信号を用いる。
【００２４】
上記例では、２個の比較的強い信号が獲得された後に、比較的弱い信号の獲得する間、ドップラーシフトが考慮されている。例えば基地局から携帯電話に天体位置推算表データ、携帯電話の位置推定値、現在のＧＰＳ時間があたえられた時、最初の信号を獲得するための、そのような偏差は考慮され得る。
【００２５】
更に、アーリー・レート（early-late）相関方法の別の方法として、ファストコンボリューション（fast convolution）方法、特に、高速フーリエ変換（FFTｓ）をPRNコード獲得のためにもちいることもできる。そのようなコンボリューション方法は、1991年のIEEE National Aerospace and Electronics Conference NAECON 1991の第１巻、９８ページから１０５ページにおいて、Robert G Davenport  により“FFT processing of direct sequence spreading codes using modern DSP microprocessors”というタイトルで発表されており、又、US特許5,663,734に書かれている。本発明の方法は、少なくとも、FFTコンボリューションを実行する前に、上記の信号から、どんな搬送波も取り除く事ができるという点において、そのコンボリューション方法に同様に適用することができる。
【００２６】
本発明の大部分を全天候型、宇宙を基点としたナビゲーションシステムであり、アメリカの国防省で発展し、現在用いられているNAVSTAR  ＧＰＳについて述べてきた。しかしながら、ＧＰＳの全般的根本的な原理は一般的なものであり、NAVSTARに限ったことではない。したがって、ＧＰＳは、異なる場所における複数の拡散スペクトル無線送信機と無線通信機の通信の到着時間に基づいてその位置を決定する受信機を含むいかなるポジショニング・システムについても述べているのである。
【００２７】
現在公開されている情報を読むと、当業者にとっては他の変更は明らかであろうし、ＧＰＳ受信機とコンポーネントパーツ、設計、製造、使用において既に知られている特徴を含めるかもしれないし、既にここに述べた特徴の代わりに、又は付け加えて用いているかもしれない。しかしながら、クレームは独特な特徴の結合であるこのアプリケーションを形成しており、このアプリケーションの開示の範囲もまた、明白にであれ、言外にであれ、クレームで現在主張されているものと同じ発明に関するものであろうとなかろうと、本発明が対処している全ての問題の一つと同じ問題を緩和するものであろうとなかろうと、ここで公表された斬新な特徴又は、斬新な特徴の組み合わせをも、含んでいることを理解されるべきである。
【００２８】
ここで、出願人は、本出願に関して指定の期日内に、その特徴、及び又は、その特徴の結合に関して新しいクレームを作成したり、この出願から導かれる更なる出願をするかもしれないことを述べる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】携帯電話ネットワークの地理的な見取り図である。
【図２】図１の携帯電話MS1をより詳細に示したものである。
【図３】図１の基地局BS1をより詳細に示したものである。
【図４】携帯電話MS１のＧＰＳ受信機とプロセッサをより詳細に示したものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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