(57)【要約】実用的な移動位置確認システムにおいて、正確かつ迅速な位置測定を提供するために、GPS受信機は、外部から伝送された信号にロックされた第１の周波数、およびGPS発振器により発生された第２の周波数を使用して予測される、次の時間期間における周波数誤差を較正される。次の時間期間における誤差を予測するために、いくつかの測定が時間にわたってなされ、誤差推定値が作られ、誤差関数が誤差推定値の組に応答して近似される。そしてこの予測された誤差は、次の時間期間にGPS受信機を修正するのに使用される。1つの実施では、予め定義された理想的なセルラー周波数で動作するセルラー局のネットワークを使用してセルラー通信を提供するため、および予め定義されたGPS周波数でGPS信号を送信するGPS衛星を使用して位置確認をまた提供するために、多機能携帯用装置が開示される。
2006510034.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動装置でGPS信号を受信するため外部から伝送された信号を使用してGPS受信機を較正および修正する方法であって、
前記外部から伝送された信号にロックされた第１の周波数を生成し、
前記GPS信号を処理するために適用されるGPS発振器に第２の周波数を発生させ、
次の時間期間のためにGPS発振器誤差を予測し、
前記予測されたGPS周波数誤差に応答して次の時間期間にGPS受信機を修正することを含む方法。
【請求項２】
前記GPS発振器誤差を予測するステップが、複数の測定値を提供するために、複数の時間期間にわたる前記第1および第２の周波数を繰り返して測定することを含む請求項1の方法。
【請求項３】
次の時間期間にGPS発振器誤差を予測する前記ステップが、
前記複数の測定値に応答して一組の誤差推定値を計算し、
前記組の誤差推定値に応答して数学の関数を適合することを含む請求項2の方法。
【請求項４】
前記修正ステップが、前記第２の周波数を供給して前記GPS周波数のGPS信号を予め定められた中間周波数に変換するGPS局部発振器を修正することを含む請求項1の方法。
【請求項５】
前記GPS受信機がデジタル局部発振器を含むデジタル処理システムを含み、前記修正ステップが前記デジタル局部発振器を修正することを含む請求項1の方法。
【請求項６】
予め定義されたGPS周波数で送信されるGPS信号を受信するために、GPS信号とは別の、予め定義された精密な搬送周波数を持っている外部から伝送された信号を使用して、移動装置のGPS受信機を較正および修正する方法であって、
前記精密な搬送周波数に応答して第１の周波数信号を発生させ、
前記GPS受信機において、前記GPS信号を処理するために適用される第２の周波数信号を発生させ、
第1の時間期間において、第1および第２の周波数の誤差を推定し、かつ
一組の誤差推定値を提供するために、少なくとも1つの追加時間期間前記誤差推定ステップを繰り返し、
前記組の誤差推定値に応答して前記第２の周波数の誤差関数を近似し、
前記近似された関数を利用している次の時間期間に誤差を予測し、かつ
前記予測された誤差に応答して前記次の時間期間に前記GPS信号を処理するために、前記GPS受信機の前記第２の周波数を修正するステップを含む方法。
【請求項７】
複数の時間期間にわたって前記第２の周波数と前記第１の周波数の比率を繰り返し測定し、各時間期間について予め定められた数とこの比率を比較して各時間期間にそれぞれ前記誤差を推定することをさらに含む請求項6の方法。
【請求項８】
前記誤差予測ステップは、前記組の誤差推定値に応答して数学の関数を適合することにより、前記第２の周波数の時間に対する周波数誤差を決定することを含む請求項6の方法。
【請求項９】
前記誤差予測ステップが、
前記組の誤差推定値を平均する、および
前記組の誤差推定値を利用して前記組の誤差推定値に適合した最小平均二乗を生成する数学の回帰方法を実行する、
の1つを含む請求項8の方法。
【請求項１０】
前記外部から伝送された信号がセルラー基地局により提供され、前記移動装置がセルラートランシーバーを含み、さらに、
前記精密な搬送周波数を周波数ロックして前記第１の周波数を提供し、
前記移動装置と前記セルラー基地局の間で通信することを含む請求項6の方法。
【請求項１１】
前記外部から伝送された信号から精密な搬送周波数を抽出して前記第１の周波数を提供することをさらに含む請求項6の方法。
【請求項１２】
前記修正ステップは、前記GPS周波数の前記GPS信号を予め定められた中間周波数に変換するために前記第２の周波数を供給するGPS局部発振器を修正することを含む請求項6の方法。
【請求項１３】
前記GPS受信機が、デジタル局部発振器を含むデジタル処理システムを含み、前記修正ステップが前記デジタル局部発振器を修正することを含む請求項6の方法。
【請求項１４】
予め定義されたGPS周波数で送信されたGPS信号を受信するため、セルラー基地局から送信される通信信号を使用して、移動装置のGPS受信機を較正および修正する方法であって、前記通信信号は予め定義された精密な搬送周波数を含み、
第１の周波数を発生させるため第１の局部発振器を精密な搬送周波数に同期させ、
予め定められた値に近い公称の値を持っている前記GPS受信機の第２の周波数信号を発生させ、前記第２の周波数信号は前記GPS信号を処理するために適用され、
複数の時間期間にわたって前記第1および第２の周波数を監視して、前記複数の時間期間の各々について周波数測定値を提供し、
各監視された時間期間について前記第１および第２の周波数における誤差を推定して、一組の誤差推定値を提供し、
前記誤差推定値に応答して数学の関数を適合することにより、周波数誤差対前記第２の周波数のための時間関数を近似し、
前記近似された関数を利用して次の時間期間における誤差を予測し、
前記予測された誤差に応答して前記次の時間期間のための修正信号を発展させ、
前記修正信号に応答して前記GPS信号を処理するステップを含む方法。
【請求項１５】
前記監視するステップが、複数の時間期間にわたって前記第２の周波数と前記第１の周波数の比率を繰り返し測定し、各時間期間について予め定められた数とこの比率を比較して各時間期間にそれぞれ前記誤差を推定することを含む請求項14の方法。
【請求項１６】
前記誤差予測ステップが、
前記組の前記誤差推定値を平均する、および
前記誤差推定値に対する最小平均二乗曲線を計算するため、前記組の誤差推定値を利用して数学の回帰方法を実行する、
の1つを含む請求項14の方法。
【請求項１７】
前記修正信号に応答して、前記GPS周波数の前記GPS信号を予め定められた中間周波数に変換するため、前記第２の周波数を供給するGPS局部発振器の周波数を修正するステップをさらに含む請求項14の方法。
【請求項１８】
前記GPS受信機が、デジタル局部発振器を含むデジタル処理システムを含み、前記修正信号に応答して、前記デジタル局部発振器から出力された周波数を修正するステップをさらに含む請求項14の方法。
【請求項１９】
予め定義された理想的なセルラー周波数で運用されるセルラー局のネットワークを使用してセルラー通信を提供し、また予め定義されたGPS周波数でGPS信号を送信するGPS衛星を使用して位置確認を提供する多機能携帯用装置であって、
セルラー局の前記ネットワークとの通信を復調するための第１の周波数を発生させる第１の局部発振器を含むセルラー通信システムと、
前記GPS信号を処理するために結合される第２の周波数を発生させる第２の局部発振器を含むGPSシステムと、
複数の前の時間期間にわたって前記第1の周波数と第２の周波数の測定値に応答して、次の時間期間の誤差を予測する誤差予測および修正システムであって、また、前記予測された誤差に応答して前記次の時間期間のための修正信号を発生させるシステムと、
前記修正信号を受信し、それに応答して前記次の時間期間中に前記GPS信号を処理する前記GPSシステムの局部発振器とを含む装置。
【請求項２０】
前記誤差予測および修正システムが、
周波数比較回路と、
誤差監視および予測回路と、
周波数修正発生回路とを含む請求項19の多機能携帯用装置。
【請求項２１】
前記周波数比較回路が第1の周波数と第２の周波数を監視し、観測期間中前記第1の周波数と第２の周波数を示す測定値を定期的に提供する手段を含み、前記誤差監視および予測回路が各時間期間について誤差推定値を提供するために各前記測定値を予め定められた数と定期的に比較する請求項19の多機能携帯用装置。
【請求項２２】
前記誤差監視および予測回路が、前記複数の誤差推定値に応答して数学の関数に近似するシステムを含む請求項19の多機能携帯用装置。
【請求項２３】
前記近似システムが、
予め定義された数の期間にわたる前記誤差推定値を平均する手段と、
前記複数の時間期間にわたって前記誤差推定値の最小平均二乗を計算するため、予め定義された時間期間の数にわたって前記誤差推定値を利用する数学の回帰方法を実行する手段と、
の1つを含む請求項22の多機能携帯用装置。
【請求項２４】
前記局部発振器が前記第２の周波数を提供するGPS局部発振器を含む、請求項19の多機能携帯用装置。
【請求項２５】
前記局部発振器がGPS信号のデジタル周波数変換で利用されるデジタル局部発振器を含む、請求項19の多機能携帯用装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
この出願は2002年12月13日にファイルされた米国仮出願シリアルNo.60/433,138の優先権を要求する。
この発明はGPSシステムなどの無線信号の使用により移動装置の位置を計算するための装置と方法に関連する。
【背景技術】
【０００２】
GPSに基づいた既存の位置確認技術は、知られた時間における予め定義されたGPS周波数で信号を送信する衛星のネットワークを使用する。地上のGPS受信機はそれが“見る”ことができる空の各衛星からの信号の到着の時間を測定する。衛星の正確な位置と共に信号の到着の時間、および各衛星から送信された信号の正確な時間は、GPS受信機の位置を三角測量するのに使用される。標準のGPS受信機は衛星からGPS信号を受信するのに使用される局部発振器を含んでいる。
【０００３】
GPS衛星からの信号の獲得はGPS受信機の局部発振器の周波数変化に非常に敏感である。多数の要素がGPS信号の獲得を難しくするのに貢献する。GPS信号は比較的低パワーで送信される、そしてGPS衛星が地球の軌道にある。GPS信号が地上に達する時間により、それらの初めの低パワーは大いに減少され、非常に弱い信号になる。その結果、GPS受信機の局部発振器周波数がGPS周波数からたとえ僅かに離れても、GPS信号を有効に受信することは難しくかつ時間がかかるかもしれない。
【０００４】
GPS受信システムを含んでいる多くの通信システムでは、“基準局部発振器” と呼ばれる主局部発振器が存在している。基準局部発振器の出力信号は順次1つ以上の周波数合成回路に供給され、それは次に他の周波数で追加信号を生成し、追加信号はそのようなシステムにおける様々な回路に提供される。例として、16.368MHzの公称の出力周波数を用いる基準局部発振器を利用するのがGPS受信システムに関して普通である。この発振器出力は基準周波数を使用する周波数合成回路に通常供給され、1575.42MHzの近辺で局部発振器周波数を生成し、それは順次ほぼベースバンドで入力GPS信号を変換するダウンコンバータ回路で使用される。同様に、この基準発振器出力は、しばしば1.023MHzの倍数である周波数で、サンプル時計を合成するのに使用されるかもしれず、ここにこのサンプル時計は近ベースバンド変換GPS信号をサンプルするデジタル化回路の一部として使用される。同様に、セル電話受信機では、基準発振器はしばしば10MHzから20MHzの範囲(設計による)に発振の周波数を持っており、この周波数は信号のダウン変換とサンプリングの目的のために追加周波数を生成するのに使用される。
【０００５】
いくつかの状況で、米国特許第5,841,396号、第6,421,002号および他のもので開示されたような周波数較正方法を利用することがGPSシステムにとって有利であるかもしれない。1つのアプローチでは、セル電話の局部発振器(VCTCXO)の平均周波数は測定されて、GPS受信機の発振器の周波数誤差を較正するために使用される。このVCTCXOは通常非常に安定した受信セルラー信号にロックされる周波数である。代替のアプローチはGPS発振器をセル電話の局部発振器に周波数ロックすることである。この後者のアプローチは、セル電話発振器の短期間の安定性が貧しいならば、性能に悩まされる。そのようなセル電話発振器の安定性は、セル電話設計、およびプラットホームの動きなどの多くの要素に依存している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
較正方法は時々以下の性能問題を経験する：
(A) セル電話の送信機のオン/オフに関連した加熱/冷却による周波数“乱調”問題、
(B) 再びセル電話の送信機のオン/オフに関連した電圧変動による周波数変化、そして、
(C) 環境効果による他の加熱/冷却状況。
【０００７】
上記較正測定方法は、静的または歩行速度のような比較的遅い速度で動くプラットホームにおいて適切に働くかもしれないが、乗り物の用法で観測されるセルラー発振器の急速な周波数変動は較正の性能を劣化させるであろう。すなわち、セルラー発振器がネットワークに周波数ロックされるので、セルラー信号の受信周波数における急速な変動は較正に大きい誤差を引き起こすかもしれない。例えば、乗り物が供給セル基地局に近づいて、次に局を通り過ぎるとき、そのような急速な変動は起こるかもしれない。この短い時間の間に、セル基地局からの直接パイロットの観測される周波数は、1秒か数秒に関して大きい正のドップラー(例えば、+100Hz)から大きい負のドップラー(例えば、-100Hz)に、急速に変化するかもしれない。オンまたはオフであるセル電話送信機に結合された、受信セルラー搬送周波数のこの急速な変化は、周波数ロック較正方法の効力の劣化を引き起こすかもしれない。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実用的な移動位置確認装置において正確で迅速な位置測定値を提供するため、ここに説明されるシステムは、外部から伝送された信号にロックされる第１の周波数とGPS発振器で発生された第２の周波数に応答して、次の時間期間の周波数誤差を予測することにより、GPS受信機を較正する。特に、較正システムは時間がたつにつれていくつかの測定値を作成することをなし、各測定値における誤差を推定して、誤差関数に近似して、次の時間期間のための誤差を予測する。そして、予測された誤差は、次の時間期間にGPS受信機を修正するために使用される。
【０００９】
方法と装置は、予め定義された精密な搬送周波数を持っている外部から伝送された信号(GPS信号を除いた)を使用して、移動装置でGPS受信機を較正して、修正するために開示される。予め定義されたGPS周波数で送信されるGPS信号を受信するために、方法は精密な搬送周波数に応答して第１の周波数信号を発生させて、GPS受信機においてGPS信号を処理するために適用される第２の周波数信号を発生させることを含んでいる。例えば、第１の周波数はセルラー受信機により受信される周波数の分数調波であるかもしれない、そして第２の周波数信号はGPS受信機の基準GPS発振器により直接発生されるか、またはそれは基準GPS発振器から引出されるかもしれない。較正方法は、第1の時間期間に第1と第２の周波数の間で誤差を推定し、一組の誤差推定値を提供するために少なくとも１つの追加時間期間に誤差推定ステップを繰り返し、誤差推定値の組に応答して第２の周波数の誤差関数に近似して、近似関数を利用して次の時間期間における誤差を予測することを含んでいる。修正信号が発生され、GPS受信機の発振器は、予測された誤差に応答してGPS信号を処理するために次の時間期間に修正される。
【００１０】
通常、較正方法は複数の時間期間にわたって第２および第１の周波数の比率を繰り返し測定し、各時間期間についてこの比率を予め定められた数と比較し、各時間期間についてそれぞれ誤差を推定することを含んでいる。誤差予測ステップは、誤差推定値の組を平均することによるような、誤差推定値の組に応答して数学の関数を適合することにより周波数誤差対第２の周波数の時間を決定し、誤差推定値の組に適合した最小平均二乗を生成するために、誤差推定値の組を利用する数学の回帰方法を実行することを通常含んでいる。
【００１１】
いくつかの開示された方法では、修正ステップは、GPS周波数のGPS信号を予め定められた中間周波数に変換するため、第２の周波数に供給するGPS局部発振器を修正することを含み、他の開示された方法では、GPS受信機はデジタル局部発振器を含むデジタル処理システムを含み、かつ修正ステップはデジタル局部発振器を修正することを含んでいる。
【００１２】
1つの実施では、予め定義された理想的なセルラー周波数において動作するセルラー局のネットワークを使用して、セルラー通信を提供するために、また予め定義されたGPS周波数でGPS信号を送信するGPS衛星を使用して位置確認を提供するために、多機能携帯用装置が開示される。多機能携帯用装置はセルラー局のネットワークとの通信を復調するための第１の周波数を発生させる第１の局部発振器、GPS信号を処理するために結合される第２の周波数を発生させる第２の局部発振器を含むGPSシステム、複数の前の時間期間にわたって第1と第２の周波数の測定値に応答して次の時間期間における誤差を予測する誤差予測および修正システム、また予測された誤差に応答して次の時間期間のための修正信号を発生させるシステム、および修正信号を受信しかつそれに応答して次の時間期間GPS信号を処理するGPSシステムの局部発振器を含むセルラー通信システムを含む。
【００１３】
発明をさらに完全に理解するために、付随の図面で例証される実施例の以下の詳細な記述が参照される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
この発明は、同様な数字が類似の要素を表している図面を参照して以下の記述で説明される。
用語と頭字語の用語集
以下の用語と頭字語が詳細な記述の中に使用される:
基地局-セルラー電話ネットワークにおけるセルサイトなどの精密な搬送周波数を送信する局。
較正-現在の測定誤差と将来の時間における予測誤差に関連する処理。
修正-較正処理における予測される誤差の補償に関連する方法。
CDMA-符号分割多元接続
FSK-周波数シフトキーイング
GPS-全地球測位システム、用語GPSはしばしば米国の全地球測位システムを意味すると受け止められるが、ここでこの用語の意味およびここに説明されるすべての装置の方法は、ロシアのグロナスシステムおよび計画されたヨーロッパのガリレオシステムのような、多の全地球測位システムに等しくよく適用する。いくつかのシステムでは、用語衛星測位システム(SPS)はGPS専門用語の代わりに使用される。
GSM-移動通信の全地球システム
移動装置-セル電話などのように、位置が決定されるべきユーザにより通常持ち運ばれる携帯用の装置。
多機能装置- GPSシステムとセルラー通信システムなどの2つ以上の動作機能がある装置。
パイロット信号-遠隔装置との通信を確立する目的のためのセルラー局により放出された、擬似乱数数列により通常変調される信号。用語“パイロット”はしばしばCDMAセルラー通信システムに関する文脈で使用されるが、この用語はここでは他のすべてのセルラー通信システムに広く適用される。
精密な搬送周波数-外部の源から送信される非常に予測可能な正確な周波数。精密な搬送周波数は外部の源により直接放出されるか、または米国特許第6,421,002号で開示されるように、外部の源から放出された信号から導出されるかもしれない。
変数の表
以下はここで議論されるいくらかに変数を示す表である：
変数 記述
δf      理想的な周波数と実際(セルラーまたはGPS周波数のいずれ
かに関して)の間の差
fc        実際のセルラー発振器周波数(例えば、第1の発振器周波数)
fc0        理想的なセルラー発振器周波数(例えば、精密な搬送波周波数)
fg        GPS発振器周波数(例えば、第２の発振器周波数)
fg＊        一実施例において周波数合成器により供給されるGPS混合周波数
fg0        理想的なGPS発振器周波数
f1        時間t=0における初期のGPS発振器周波数 (例えば、16.368MHz)
f2        時間t=0における初期のセルラー発振器周波数 (例えば、19.2MHz)
R        第1と第2の発振器周波数の間の測定比率
R0        セルラーとGPS発振器周波数の間の理想的な比率
S        一実施例において修正信号として使用される目盛係数。
【００１５】
背景技術のセクションで説明されたように、基準局部発振器からの基準周波数は、システムで使用するために他の周波数を合成する(またはより一般的に、導出する)ために使用されるかもしれない。ここにいくつかの実施例の記述目的のために、我々は専門用語“局部発振器”または“発振器”を使用するかもしれない、それは一実施例で基準局部発振器と同義である。しかしながら、代替の実施例は用語“局部発振器”または“発振器”を、例えば、周波数合成手順を通してそのような基準局部発振器から得られるいずれかの発振信号と関連づけるかもしれない。そのような導出信号は基準発振器のものに関して知られている関係をもつ平均周波数を有するので、この発明の方法と装置をこれらの発振器の出力のいずれかに適用することは簡単である。したがって、この発明の記述では、用語“局部発振器”または“発振器”は広く定義され、周波数が基準発振器から導出される基準発振器または任意の発振器を含む。同様に、我々は用語“発振器周波数”を使用するとき、周波数が基準発振器から導出される基準発振器または任意の発振器の周波数を意味する。結合されたセル電話トランシーバーとGPS受信機のような、多機能通信装置において、2つ以上の基準発振器、例えば、セル電話回路のための1つとGPS回路のための1つがあるかもしれない。我々は、異なった発振器チェーンを区別するために、専門用語GPS局部発振器とセル電話局部発振器を使用する。
【００１６】
我々はまた、基準発振器がわずかに可変周波数をもつかもしれないことに注意し、そのような周波数が理想的な周波数に関して様々な誤差を補償するために何らかの方式で制御されるかもしれない。例えば、セル電話では、周波数基準として電圧制御温度補償水晶発振器(VCTCXO) を利用するのが一般的である。ここで、補償手順は非常に安定した受信セルラー信号が測定に使用され、VCTCXOの周波数における誤差を修正することに使用される。また、温度測定回路は、周囲温度変動の関数として生じる周波数誤差を補償するのに使用される。
【００１７】
概観
背景技術で議論したように、ターンオンまたはオフであるセル電話送信機と同一空間を占める受信されたセルラー発振器周波数の急速な変化は、GPSの局部発振器がセルラーシステムの局部発振器により観測される外部の精密な搬送周波数を使用して較正される較正方法の効力の劣化を引き起こすかもしれない。ここに説明されるシステムを使用して、十分長い時間期間にわたってセル電話および/またはGPSシステムの局部発振器周波数の周波数変化を観察することにより、GPS発振器の較正を改良することができる。ここに説明されるように、周波数比較の処理は、一組の観測をもたらすために恐らく0.5乃至1.0秒間隔で定期的に実行することができる。そして、これらの観測(例えば、10乃至20の最新の観測)は、一次(または、より高い次数) 回帰などの曲線適用技術を利用する変化対時間の周波数比率を決定するために使用することができる。この処理は次にGPSシステムの局部発振器を較正するのに使用される誤差予測をもたらすことができ、それは自動車内の移動装置がセルラー基地局のそばを移動するとき起こるかもしれない+100乃至-100Hzの周波数ジャンプのような、急速な周波数ジャンプから結果として生じる誤差を平滑にする傾向があるだろう。
【００１８】
ここに開示される方法と装置は、GPS発振器周波数が時間に関してドリフトしている状況で役に立つ。したがって、ここに議論する様々な誤差と修正は、例えば、急速な周囲温度変化の結果のような時間の関数である。ここに説明されるように、そのような測定値(少なくとも2つ)の多数性は将来のGPS発振器周波数対時間を予測するのに使用され、したがって、この発振器へのドリフトの修正を可能にするかもしれない。通常、比較的短い期間(30秒を示す) にわたって、そのようなドリフトは時間の一次関数としてよくモデル化され、そして、より長い期間にわたって、２次曲線適合(または、さらに高い次数適合)がより適切であるかもしれない。ここに説明される測定誤差への曲線適合の誘導はそのようなGPS発振器ドリフトの補償を許容する。
【００１９】
記述
図１は本発明が実施されることができる1つの環境を示す。図示された環境において、GPS受信機とセル電話は移動ユニットで一緒に実施される; しかしながら、本発明は、精密な搬送周波数にロックされる第１の発振器の周波数が第２の発振器を較正するのに使用される他のシステムで使用することができることは明らかである。
【００２０】
図１は10でまとめて示された多くのセルラー基地局、11でまとめて示されたGPS衛星、および移動装置14を握るユーザ12の透視図である。図２を参照してより詳細に説明されるように、移動装置14はセル電話などの通信システムとGPSシステムなどの位置確認システムを含むかもしれない。ユーザ12は示されたように徒歩であるかもしれない、または、例えば自動車または公共の交通機関で移動しているかもしれない。
【００２１】
セルラー基地局10は移動装置との接続のため通信ネットワークの一部として利用されるセルラー基地局の任意の集合を含む。セルラー基地局は、公共の電話システム16などの複数の他の通信ネットワーク、インターネットなどのコンピュータネットワーク17、および18で示された他の通信システムと通信サービスを提供するセルラーインフラストラクチャネットワーク15に接続される。セルラーインフラストラクチャネットワークは、通常電話システム16を使用してセル電話のユーザを別の電話に接続させる通信サービスを提供する; しかしながら、セルラー基地局はまた、他の装置と通信するため、および/または手で持つ携帯情報端末(PDA)でインターネット接続のような他の通信目的のために利用することができる。
【００２２】
一実施例では、セルラー基地局10はCDMA通信ネットワークの一部である; しかしながら、他の実施例では、GSMネットワークなどの他の型の通信ネットワークが使用されるかもしれない。CDMAシステムでは、各セルラー局は定期的にセルラー局を唯一確認する擬似乱数数列を放出する。擬似乱数数列は受信機が追跡するのに役に立つ一連のビットである。CDMAの専門用語においてこの擬似乱数数列は“パイロット信号”と呼ばれる; ここに使用されるように、用語パイロット信号はCDMAシステムと同様に任意のセルラーシステムに適用することができる。例えば、様々な同期信号がGSMセルラー局により提供される。CDMAとGSM信号は予め定義された、高精密な周波数でセルラー局から送信され、それはここに説明される一実施例において精密な搬送周波数を提供する。
【００２３】
GPS衛星11はGPS受信機を位置付けるのに使用されるいずれのグループの衛星も含む。衛星は、GPSシステムのための制御機能を提供する陸上の基地GPS通信システム19と通信する。衛星は同期され、定期的に同時に無線信号を送出する。これらの信号がGPS受信機により検出されるとき、GPSシステムはそれらの各衛星から受信機まで伝送するのにかかる検出されたGPS信号の時間の量を計算する。これは、GPS受信機が正確な局部時計を持つと仮定する。しかしながら、そのような4つ以上の信号が同時に受信される限り、時計は受信されたGPS信号自体により設定されるかもしれない。
【００２４】
図２は通信と位置確認システムを組み込む移動装置14の一実施例のブロックダイアグラムである。図２はアンテナ21に接続されたセルラー通信システム22を示す。セルラー通信システム22は、局部発振器23と局部発振器23をセルラー基地周波数にロックする自動周波数制御(AFC)システム24を含む、セルラー基地局からの通信および/または検出信号のための適当な装置、ハードウェア、およびソフトウェアを含む。理想的に、この周波数はfc0である。上で議論したように、局部発振器がAFC制御の下で受信されたセルラー基地周波数にロックされるが、局部発振器により発生させた実際のセル周波数fcは、移動装置の動きなどの理由のため理想的な基地周波数fc0よりも異なっているかもしれない。言い換えれば、伝送された基地周波数と実際の局部発振器周波数は完全に同期しないかもしれない。セルラー通信システム22は誤差予測および較正システム30と結合され、その結果、以下で詳細に説明される誤差予測のために使用されるセルラー局部発振器周波数fcなどのデータの転送を許容する。
【００２５】
一実施例では、セルラー通信システム22は基地局のCDMAネットワークと通信するのに適当なCDMA通信システムを含む; しかしながら、他の実施例では、セルラー通信システムはGSMなどの別の型のネットワークを含むかもしれない。
移動装置制御システム25は通信システム22と位置確認システム27に接続される。移動装置制御システム25は、マイクロプロセッサ、メモリ、他のハードウェア、ファームウェア、およびソフトウェアなどの任意の適切な構造を含み、それが接続されるシステムに対して適切な制御機能を供給する。制御システム25はユーザーインタフェース26に接続され、ユーザーインタフェースはキーパッド、音声通信サービスのためのマイクロホン/スピーカー、およびバックライトLCD表示のような表示などのユーザとのインタフェースに適した任意の構成要素を含む。移動装置制御システム25と位置確認システム27に接続されたユーザーインタフェース26とは、ユーザ入力を制御して結果を表示するような、GPS受信機のための適当な機能を提供する。
【００２６】
この実施例においてGPSシステムである位置確認システム27は、理想的なまたは略理想的なGPS周波数で送信されるGPS信号を受信するためにGPSアンテナ28に接続される。GPSシステム27はGPS信号を受信して処理する任意の適当なハードウェアとソフトウェアとを含み、任意の適当な位置確認アルゴリズムを使用して位置を決定するのに必要な任意の計算を実行する。GPSシステムの例は図3と4で示され、それを参照して説明される。GPSシステムの他の例は、Norman F.Krasnerによる米国特許第5,841,396号、第6,002,363号、第6,421,002号で開示される。GPSシステム27は GPS衛星からのGPS信号をダウンコンバートするために使用される１つ以上の局部発振器29を含んでいる。
【００２７】
GPSシステム27は誤差予測および較正システム30と結合されて、その結果、GPS発振器周波数fgなどのデータの転送を許容する。以下で詳細に説明されるように、GPS発振器周波数fgは誤差予測をして、GPSシステム27に供給される修正信号を発生させるためにセルラー発振器周波数fcと共に使用される。
【００２８】
図３を参照すると、位置確認システム27a、通信システム22a、および誤差予測および較正システム30aの一実施例を示す。以前に説明された要素の実施は、以前に議論された参照数字へ小文字を追加することにより指定される(例えば、“21”に“a”を追加して、21aにする)。
【００２９】
通信システム22aは、受信された通信信号に周波数をロックするAFC回路を有する無線のモデム32を含み、セルラー発振器周波数出力fcを線33に提供し、それは誤差予測および制御システム30aに供給される。
この実施例における位置確認システム27aは、GPS信号を受信してそれを線35上に中間周波数fIFの信号に変換するGPS RF-IFダウンコンバータ 34を含んでいる。中間周波数(IF)信号はアナログデジタル変換器36に供給され、次に、デジタル出力はGPSデジタル処理システム37に供給され、処理システムはデジタル信号を受けて位置確認情報を提供する方法でそれを処理する。
【００３０】
RF-IFダウンコンバータ 34は、周波数合成器38から供給された合成周波数fg＊と受信されたGPS信号を結合することにより作動する。ダウンコンバータの結合処理の結果は中間周波数fIFの信号である; 例えば、IFがゼロであることが望まれているなら、周波数合成器は受信されたGPS信号の周波数に等しい周波数を提供しなければならない。しかしながら、周波数合成器により供給された合成周波数fg＊が受信されたGPS信号の周波数に等しくないなら、中間周波数fIFはゼロでなく、いくらかの量だけ異なるだろう。そして、中間周波数fIFが期待されたGPS周波数と十分異なるならば、GPS信号を獲得することは難しいか、または不可能でさえあるかもしれない。
【００３１】
GPS局部発振器39は、周波数合成器38にGPS局部発振器周波数fgを供給するように結合され、合成器は合成周波数fg＊を提供するために局部発振器周波数fgを合成し、fg＊は順次GPS信号を処理するためにダウンコンバータ 34により使用される。合成周波数fg＊が中間周波数fIFを決定し、合成周波数がGPS発振器周波数fgから合成されるので、GPS局部発振器周波数fgのどんな変化も中間周波数fIFに影響するだろう。この効果は乗数の特性のために重要であることがある: 典型的な周波数合成器は100倍かそれ以上局部発振器周波数を乗算する。したがって、局部発振器周波数fgにおけるどんな誤差もfg＊を提供するために乗算され、この乗算された誤差はその必要な値から中間周波数fIFをかなり変えることができる。
【００３２】
局部発振器における誤差を観察および予測し、GPS信号に関してGPS受信機を較正するために、誤差予測および較正システム30aは、線40でGPS局部発振器39からGPS局部発振器周波数fgを受け、また、線33でセルラー発振器周波数を受ける。周波数比較回路41が2つの周波数を監視し、以下の回路にその測定値を定期的に提供する；例えば、周波数比較回路は一定時間間隔にわたってこれら2つの周波数の各々についてサイクル数を数え、これらの数を直接誤差監視および時間に対する予測システム42に提供する。代わりに、周波数比較回路41はサイクルの数の2倍に等しいゼロ交差の数を数えてもよく、比較の数を2倍にするため精度を改良するだろう。計数された数が、生の計数、2つの周波数間の比率、または周波数差δfのようないずれかの適当な形で定期的に提供されるかもしれない。また、スペクトル分析法を使用する方法、速いフーリエ変換方法などの他の様々な周波数比較方法も可能である。
【００３３】
誤差監視および時間に対する予測システム42は周波数比較回路41と接続され、2つの周波数の測定値を受け取る。通常測定値は1/2秒または1秒毎のように、定期的に作られかつ提供される。誤差監視および時間に対する予測システム42は任意の適当なハードウェアかソフトウェアを含み、またアナログまたはデジタル装置を含むかもしれない。例えば、システム42はマイクロプロセッサ、メモリ、ファームウェアおよび/またはソフトウェアをデジタルに含み、その必要な機能を提供するように実施されるかもしれない。図５ないし９を参照してより詳細に議論するように、例えば、誤差監視システムは周波数測定値を受けて各測定値について誤差を推定かつ記憶し、一組の誤差推定値に応答して数学の関数を決定する。この機能から、それは次の時間間隔のために誤差予測値を任意の適当な形に計算する。
【００３４】
誤差予測値は周波数修正発生回路43に供給され、それは線44に修正信号を発生させる。一実施例において、修正信号は目盛係数Sの形である。修正信号はGPS局部発振器39に供給され、GPS局部発振器は応答してGPS局部発振器周波数fg出力を調整し、予測された誤差に関して修正する。
【００３５】
図４を参照すると、位置確認システム27および誤差予測較正システム30の代替の実施例を示す。図４では多くの構成要素が図３のものと同様であるが、しかしながら、図３のように修正信号をGPS局部発振器39に供給する代わりに、修正信号はデジタル処理システム37aのデジタル発振器46に線45から供給される。図４では、デジタル処理システム37aはデジタル発振器46と接続されたデジタルダウンコンバータ 47を含み、GPS信号を復調することにおいてGPS ダウンコンバータ 34を援助する。デジタルダウンコンバータ 47はアナログデジタルコンバータ35からデジタル信号を受け、それをデジタル発振器46の周波数とデジタル的に結合し、デジタル中間周波数fIFDのデジタル的に変換された信号を発生させる。GPSデジタル処理システム48は次にデジタル的に変換された信号を受けてそこに含まれたGPS信号を得ることを試みて、それを適切に処理する。
【００３６】
図４の実施例では、GPS局部発振器39が誤差修正回路30bと結合されないで、従って、セルラー発振器周波数にロックされないことが注意されるかもしれない。代わりに、GPS局部発振器は正常な周波数変化を許容され、その変化はGPS ダウンコンバータからの信号の中間周波数fIFを変える効果があるだろう。デジタル局部発振器46とデジタルダウンコンバータ 47が中間周波数fIFを新しい周波数fIFDに変換するために利用され、新しい周波数は修正信号に応答して中間周波数fIFの誤差を修正する。したがって、図４の実施例では、修正信号が異なる要素を制御するように意図されるので、修正信号は図３の実施例における修正信号と形が同じでないかもしれない。また、どちらかの実施例における修正信号は、誤差修正調整に加えて適宜他の調整を含むかもしれない。
【００３７】
図５を参照すると、図５は発明の一実施例における誤差を予測して修正信号を発生させるように行われる一連のステップを示すフローチャートである。図５を参照する以下の議論は、誤差予測と較正方法の概観を提供するように意図される。この方法の様々な態様はまた、図6A乃至6D、7、8、および9に関して以下に詳細に説明される。
【００３８】
51で観測時間の間隔(期間)が始まる。
52でGPSとセルラー局部発振器の周波数が観測される。一実施例ではGPSと局部発振器周波数が、比較することにより2つの周波数間の差を観測される。別のものでは、2つの周波数の比率が比較される。
【００３９】
53で、観測間隔の終わりに、周波数測定値が作られる。例えば、観測がGPSと局部発振器信号間の周波数比率を観測することを含むならば、計数によるなどで、その間隔の間に観測される平均周波数比率が測定値として取られる。そして、観測の処理は51に戻って、次の間隔を開始し、各その後の期間のための観測と測定を繰り返す。一般に測定値は、例えば0.5秒から2秒間隔で定期的に取られる。
【００４０】
54において、周波数測定値はその各時間期間について周波数誤差を推定するのに使用される。54での周波数誤差推定値の処理は、その期間中の周波数比率を予め定められた定数と比較することを含むかもしれない; 例えば、GPSと理想的なセルラー周波数の間の比率が予め定められた定数R0であるので、測定値のための誤差は、予め定められた定数と2つの周波数間の観測された比率との間の差を見ることにより推定することができる。
【００４１】
55において、誤差が推定された後に、それはデジタル実施におけるメモリなどの適当な位置に記憶される。例えば、誤差監視システム42(図3と4)は、複数の時間期間について誤差推定値に関する情報を記憶するためにデータベースを含むかもしれない。
【００４２】
56で一組の誤差推定値が選択され、関数近似ステップである次のステップのためにデータを提供する。その組は、10から20の最新の誤差推定値のような、複数の最新の誤差推定値を含むように予め選択されるかもしれない。
57において、誤差推定値の組を使用して関数が近似される。例えば、前記組における前記誤差推定値を平均する; 前記組における誤差推定値を利用する一次回帰方法を実行する；前記組における誤差推定値を利用する最小平均二乗曲線を計算するような方法により数学の関数が近似されるかもしれない。
【００４３】
58において、近似された関数を使用して、次の時間間隔について予測された周波数誤差が決定される。例えば、近似された関数は次の時間間隔で周波数誤差を予測するのに直接使用されるかもしれない。
59で予測された周波数誤差が使用され、次の時間間隔について適切な局部発振器に適用される修正信号を発展させる。例えば、図３の実施において、修正信号はGPSの局部発振器39に供給される、そして、図４の実施では、修正信号はデジタル局部発振器46に供給される。
【００４４】
GPS発振器とセル電話主発振器における周波数誤差
図6A、6B、6C、および6Dが今参照される。以下は2つのケースのための周波数誤差の分析である: ケース1において、プラットフォームの動きの影響が最小量であると仮定され、かつ基地局送信機の搬送周波数の精度が本質的に完全であると仮定され、セルラー電話の発振器により正確に追跡される。ケース2はセルラー電話の発振器に変化があると仮定する点で異なる。
【００４５】
参照目的のために、受信されたセル電話信号(または、複数の信号) にロックされる周波数である発振器は、セル電話主発振器と呼ばれ、その周波数は“セルラー基準”または“セルラー発振器” 周波数と呼ばれる。GPS 回路を駆動するのに使用される発振器は“GPS基準”または“GPS発振器”と呼ばれる。
【００４６】
図６Aは1つの例の負荷状態の下でセルラーおよびGPS発振器周波数の典型的な周波数変化のグラフである。図６Aに示されるように、セルラー発振器周波数fcはその初期値f2から増加しており、同時にGPS発振器周波数fgはその初期値f1から増加するが、より速い率で増加している。周波数誤差の大部分がしばしばセルラー発振器よりむしろGPS発振器にあるので、これは典型的である。
【００４７】
図６Bは図６Aの周波数観測を使用する時間にわたってGPS発振器周波数対セルラー発振器周波数の比率のグラフである。見ることができるように、比率は両方の周波数の関数である; しかしながら、それはGPS発振器周波数により通常支配される。比率はセルラー発振器周波数により割算されるGPS発振器周波数として示されるが、代わりに逆(すなわち、GPS発振器周波数により割算されるセルラー発振器周波数)を使用することができる。周波数測定値と比率計算に関連する詳細な議論は以下で提供される。
【００４８】
図６Cは図６Bからの比率を使用する誤差推定値のグラフである。図６Cでは、各1秒間隔の間の誤差推定値が時間間隔の中点で取られる; 他の実施例では、他の適当な点が誤差推定値のために使用されてもよい。その上、いくつかの実施例では、周波数測定値および/または誤差修正は一組の較正修正を計算するのに利用されるかもしれなくて、それは次に、関数に近似するために曲線適合手順に使用されるかもしれない。
【００４９】
図６Dは図６Cの誤差推定値から近似される周波数修正曲線のグラフである。周波数修正曲線を発生させるための1つの処理が以下で詳細に説明される。y-軸は、その誤差を補償するためにGPS発振器周波数に供給される目盛係数である、次元のない“GPS発振器周波数修正計数”の単位を有することに注意されるかもしれない。
【００５０】
ケース1:完全なセルラー発振器、不完全なGPS発振器
セルサイト(“セルラー発振器”) にロックした移動発振器が第１の周波数fcを持ち、GPS 回路(“GPS発振器”)を駆動するために使用される移動発振器が第2の周波数fgを持っていると仮定する。我々は以下の式を仮定する：
fg= fg0+δf              (1)
ここにfg0は所望のGPS発振器周波数である理想的なGPS周波数、δfは理想的なGPS周波数と実際のGPS発振器周波数との間の差として定義される。セルラーとGPS発振器周波数に関する1つの例が図６Aに示される。
【００５１】
理想的なGPS周波数は理想的なセルラー周波数に関して特定の比率を保持する:
R0= fg0/fc0                  (2A)
我々はセルラー発振器周波数fcが理想的である(すなわち、fc= fc0) と仮定するならば、
R0= fg0/fc                  (2B)
図６Bは、図６Aから観測を使用して計算された比率の1つの例を示す。代替実施例では、セルラー発振器周波数対GPS基準発振器周波数の比率が測定され、すなわち、我々はRの代わりに量fc/fgを計算する((3)参照) 同様の手順が採用されることができる。
【００５２】
1つの例では、所望のGPS発振器周波数fg0は16.368MHzであるかもしれない、そして、fc(理想的な)は19.2MHzであるかもしれない、その場合R0=0.8525である。図６Cは以下の比率を形成することにより、連続した間隔の誤差測定値を示すグラフである:
R=fg/fc=（fg0+δf）/fc= R0+δf/fc            (3)
我々はR0を知っているので、我々はこの比率(比率は以下で説明されるように例えば、周波数カウンタ型演算を使用して測定される)からそれを引算し、誤差比率δf/fcを残すことができる。もちろん、fcに関する知識で、我々はδfを決定することができる。
【００５３】
一実施例においてGPS誤差を修正するために、GPS発振器周波数fgが周波数fg0を生成する量だけ調整されることができる; すなわち、我々はS= fg0/ fg を生成する目盛係数Sを見出すことを欲する。この目盛係数は以下のように計算される：
S= fg0/fg= fg0/（fg0+δf）=1/（1+δf/fg0）=（1-δf/fg0-（δf/fg0）2-・・・）
≒（1-δf/fg0）                  (4)
ここに後者の近似は、発振器周波数における端数の誤差が通常非常に小さい(10〜100PPM) という事実に従う。これは1つの例で計算されて、図６Dに示される。我々は、すべての実用的な目的のために、GPS周波数の変更が係数（1-δf/fg0）であることがわかる。目盛係数修正の符号が誤差比率修正の反対であることに注意を要す(式(3)参照)。
【００５４】
ケース2：不完全セルラーとGPS発振器
ここで、我々はGPS発振器のためにfg=fg0+δfg、セルラー発振器のためにfc=fc0+δfcとし、ここにfg0とfc0は理想的なGPSとセルラー発振器周波数であり、δfgとδfcは各発振器に存在している誤差である。
【００５５】
通常、これらの誤差は時間の関数として変化する。次に、上述のケース1の分析に続いて、我々は周波数の比率を持つ：
R=fg/fc==(fg0+δfg)/(fc0+δfc)= fg0/fc0(1+δfg/fg0)/(1+δfc/fc0)
≒R0(1+δfg/fg0) (1-δfc/fc0)
≒R0(1+δfg/fg0-δfc/fc0)
= R0 +δfg/ fc0-δfc fg0/fc02            (5)
ここに我々はδfc/fc0とδfg/fc0の小さいサイズのために有効であるより高い次数項を無視した。(5)を調べると、最後の項δfc fg0/fc02を除いて、我々はそれが(2)と同じであることがわかるが、δfcがゼロでないので、最後の項はゼロではない。我々はまた、発振器誤差の比率に関するセルラー発振器誤差の比率への影響がこれら2つの誤差の比率に比例する、すなわち、δfc/δfgに比例していることがわかる。したがって、例えば、セルラー発振器誤差(ヘルツで表される)がGPS発振器誤差の10%であり、公称の発振器周波数が同じであるならば、セルラー発振器誤差の影響はそれ自体でGPS発振器による影響の1/10であるだろう。
【００５６】
(5)の右側の第１の2つの量だけに基づく式を利用することによりGPS発振器誤差を補償するとき、我々は誤差を作るであろう。すなわち、我々は通常δfcを測定する方法を持たず、したがって、我々はそれがゼロであると仮定する(いくつかの場合、長期間平均は短期間のこの量の変化を小さくなるようにさせるが)。(4)と同様の修正目盛係数は、δfcがゼロであるならば、この場合(1-δfg/fg0)であると計算される；しかしながら、我々は、量+δfg/fc0の代わりに残余誤差(R0を引算した後の)が+δfg/fc0-δfcfg0/fc02であることが(5)からわかる。従って、正確な目盛係数(1-δfg/fg0) の代わりに、我々は不正確な目盛係数(1-δfg/fg0δfc/fc0)を適用する。従って、最後の項は誤差項である。この量の第２の項に対するこの誤差項の比率は-(δfc/δfg) (fg0/fc0)である。通常後者の項は略1であり、したがって誤差-(δfc/δfg)の比率が補償手順の後に残った残余誤差を決定する。
【００５７】
周波数測定値
一実施例では、周波数の比率が周波数計数型手順を使用して計算され、その中でセルラー発振器は“時間基準”として使用され、GPS発振器は計数されるべき周波数として使用される。通常時間基準のサイクルの固定数が時間間隔を確立するために計数される。
【００５８】
例えば、セルラー発振器周波数が公称19.2MHzであるなら、19.2百万サイクルの計数が1秒の時間間隔を確立するだろう。この時間間隔の間、GPS発振器のサイクル数、またはゼロ交差の数が計数される。1秒間隔にわたって計数されたGPS発振器のサイクル数はGPS発振器の周波数に明確に比例している。この特定の例について事実上、1秒間隔にわたる計数されたサイクル数はGPS発振器周波数の推定値をヘルツで示すであろう。この発振器のゼロ交差の計数は、任意の間隔にわたって完全なサイクルの略2倍のゼロ交差があるので、改良された精度を提供する。
【００５９】
上述の1つの代替手段は時間基準として、すなわち、計数間隔を確立するためにGPS発振器を使用することであり、そしてセルラー発振器のサイクルまたはゼロ交差数を計数することである。明らかに、この比率はGPS発振器周波数の周波数の逆数、すなわちGPS発振器周波数の周期に比例している。この方法は逆数計数方法または逆方法と呼ばれ、先に述べた方法は直接方法と呼ばれる。
【００６０】
直接計数方法は、GPS発振器周波数がセルラー発振器の周波数を超えるとき、通常逆数計数方法よりも優れている、そして逆に、セルラー発振器周波数がGPS発振器周波数のものを超えているとき、逆数計数方法が優れている。
代替の実施例では、より複雑さを犠牲にして、周波数比率を計算するより精密な方法が利用可能である。上記計数手順における誤差の主な源の１つは、時間間隔中の発振器の計数が使用される方法に依存して、1サイクルまたは1/2サイクルのどちらかの単位で量子化されるという事実である。この時間量子化の影響はいくつかの方法で減少することができる。1つの方法において、時間の期間Tにわたって単一の周波数計数手順を実行することの代わり、我々は、カウンタを止めないで、各隣接する時間の期間T/MにわたってM計数手順を実行する。M間隔の各々について個々の計数が得られ、数のこの組は周波数に適合する最小平均二乗を決定するため、一次回帰手順(周波数ドリフトが一次であると仮定する)を適合することができる。このアプローチは、長さTの１時間間隔を利用する手順に関して、M1/2に略等しい量だけ、量子化によるRMS誤差(そして雑音の他の源さえ)を減少するであろう。
【００６１】
他の実施例では、測定されるべき周波数源からのクロックはアナログ信号のように扱われるかもしれなくて、時間基準により決定された時間で(例えば、時間基準のNクロックサイクルと等しい時間に)サンプルされる。そのようにして得られたデータはフーリエ分析され、基準クロックのものに関連する周波数でスペクトル線を発生させるだろう。様々な補間手順がこの周波数の正確な推定値を作るために利用されるかもしれない。このアプローチはまた、単一間隔計数方法の以上の改良された性能を提供する。
【００６２】
他の周波数推定方法がまた利用されるかもしれないが、最終結果はセルラーとGPS発振器の周波数の比率の推定を実行することである。
関数を近似するための一次回帰例
以下は時間に対する周波数誤差の関数を近似するための1つの方法に関する例である。例えば、周波数較正処理は、恐らく1秒間隔で定期的に実行することができる。一組の誤差推定値が一次(またはさらに高い次数) 回帰を利用する時間に対する周波数比率の変化を決定するために使用され、一次回帰はセル基地局を通り過ぎるとき現れるかもしれない+100乃至-100Hzの周波数ジャンプなどの、急速な周波数ジャンプを取り除く傾向があるだろう。
【００６３】
最後のm誤差推定値が周波数ドリフトプロフィールを決定するために使用される組を含むなら、一例では、最小平均二乗が一次ドリフトに適合し、以下により与えられる：
【００６４】
【数１】
2006510034.tif 000003
オーバーバーは対応する量の平均を示す。大きさ□の測定値あたりのランダムRMS誤差の存在で、(6)の測定値の平均二乗誤差は以下により与えられる：
【００６５】
【数２】
2006510034.tif 000004
多モード装置の一実施例において、測定値の量子化ステップサイズは供給された修正信号(例えば、セルラー発振器から)の1/2サイクルがある。この信号が19MHzであるならば、1秒の測定間隔の量子化ステップサイズは1/38e6=2.6□10-8である。
【００６６】
【数３】
2006510034.tif 000005
(7B)から、我々は12のそのような測定値を処理するならば、RMS周波数誤差がおよそ3.45Hzであることを見ることができる。その上、周波数勾配の誤差が(7A)から0.084倍の測定値あたりのRMS誤差、即ち、0.084□7.6□10-9=6.35□10-10 Hz/secであることがわかる。これはGPS L1周波数における略1.0Hz/secに対応している。明確に、12の測定値を利用する較正方法は優れた周波数勾配測定値を生成することができる。我々は、較正方法自体が、GPS発振器の周波数オフセットと変化の比率を決定するために必要とされる周波数測定精度を提供するために十二分に適切であることがわかる。一次勾配モデルが正確な適合を提供しないかもしれない場合では、二次の勾配適合がしばしば適切である。特に、それらの場合では、(6)に代って二次回帰がよく利くかもしれない。
【００６７】
もちろんいくつかの実施例では、上述の誤差がGPS発振器よりむしろセルラー発振器の誤差により支配されるかもしれないことが可能である。しかしながら、CDMAシステムのために、セルラー発振器は、原則としてセシウム規格と同一基準の長期安定性を達成するセルラー信号を追跡する。GSMシステムでは、示されたセルラーは高品質のTCXOに同期して、また非常に安定している。通常、セルラー発振器の誤差の支配的な源はプラットホーム動きに関連している動きである。
【００６８】
ここに説明されたアプローチの1つの利点は、標準の周波数変化が乗り物の動きに関連づけられるドップラー周波数限界により通常拘束されることである。したがって、以下の議論はプラットホーム動きの推定値への有害な影響を分析するだろう。
いくつかの情況では、問題は上で議論したような一次回帰アプローチを使用するとき起こるかもしれない。非修正のGPS局部発振器が時間に対する一次周波数誤差を示すと仮定する。M時間期間の期間にわたってこの誤差を観測すると、結果として起こる修正は一定値プラス時間の一次関数になるだろう。従って、時間期間M+1のときに、修正されたGPS局部発振器は非常に少ししか誤差を示さないだろう。したがって、時間期間M+1に小さい誤差を含む最後のM期間について誤差を使用して一次回帰を実行すると、誤った結果を得るだろう。この問題に関する1つの方法は、各時間期間(M+1、M+2など)について、周波数修正がされなかったならば存在したであろうGPS局部発振器周波数を計算することである。我々がGPS局部発振器周波数修正の組を蓄積するだけを必要とし、非修正の周波数に達するように設定している現在の発振器からこれらを引算するので、これは計算するのが簡単である。そして、これらの非修正の周波数は一次(または、より高い次数)回帰手順に適用されるかもしれない。上記影響を避ける他のアプローチは、現在の測定誤差の部分が、出力が発振器の制御への現在の修正を表すフィルタへ供給されるように、閉じたループの修正手順に基づくものである。
【００６９】
動きによる誤差の追跡
ここに説明された誤差較正アプローチの文脈における、乗り物の動きの分析を示すため図7、8および9が参照される。動きは乗り物の速度のためだけの結果である；例えば、歩行者の速度が1.0メータ/秒において、L1周波数での最大のドップラーは5.3Hzであるにすぎず、著しい加速は普通ない。そのような小さいドップラーは追跡性能に無視しうる程度にわずかな影響である。
【００７０】
セル塔の近くを通過する乗り物による急速な周波数のジャンプ
図７はほとんど瞬時に起こる+100Hzから-100Hzの周波数ジャンプから結果として生じる一次勾配推定値を示すグラフである。特に、図７では、セル塔からの観測されたドップラーは、GPS周波数について計算されるとき1秒で+100Hzから-100Hzまで変化する。例えば、自動車が毎時およそ42マイルで移動している道路の横に隣接してセル基地局塔があるならば、これは起こることができる。もちろんこれはより高速の乗り物について拡大されることができる。しかしながら、通常セル塔は高速道路からはるかに遠いので、周波数におけるそのような突然の変化を観測することは典型的ではないだろう；代わりに、恐らく数秒にわたってスムーズに変化しているドップラーを観測することがより起こりそうである。このより現実的な状況はまもなく分析される。
【００７１】
我々は前のセクションで説明された手順を用いて、一次回帰適合と共に12の較正測定値を使用すると仮定する。上記の仮定で、我々が一次回帰適合を使用しないならば、我々は最大200Hz/秒の周波数の急速な変化を観測するだろう。しかしながら、一次回帰の平滑化効果は図７に示される。
【００７２】
時間に対する周波数勾配の推定値に達する図７の曲線を得ることは、付加された雑音またはいかなる他の一次勾配もないとき、一組の12の測定値を利用して実行された。図に見ることができるように、勾配推定値における最大の誤差はおよそ-25.1Hzである。
【００７３】
+100から-100Hzへのジャンプが追加の一次勾配(例えば、発振器ドリフトによる)と共に存在していたならば、推定値誤差は依然として図７に示されるそれと同じであるだろう。1つの実験では、25Hzの周波数勾配誤差のための性能の損失が分析され、出力SNR損失は高感度追跡中使用される典型的な設定についておよそ0.6dBだけであることが見出された。また、前のセクションの議論は、勾配推定値における量子化関連誤差がこの誤差と比べて重要でないことを示す。
【００７４】
図８は、セル基地局塔が略15メータの高さで道路から略15メータの位置にあり、乗り物が毎時60マイル(1秒あたり27メータ)で移動しているいくらか現実的な状況の一次勾配推定値を示すグラフである。これは高速道路の近くの比較的低いセル塔である。これは数秒の期間にわたって+142から-142Hzへのドップラーの偏倚をもたらす。結果として起こる一次勾配推定値は図８に示される。また、セル塔からの直接パイロットだけがAFC測定に利用される(すなわち、他の反射パイロットが重み付けされない)と仮定される。追加パイロットの存在は状況を通常改善するだろう。単一のパイロット場合では、最悪のケースの推定値がおよそ34.2Hzだけの誤差であることがわかる。このケースの出力SNRにおける低下がおよそ1.13dBになるという1つの分析が示された。
【００７５】
パイロットトーンパワー変化によるランダム変動
図８を参照して上で分析されたセル塔状況は、ほとんどの状態の最も悪いケース状況であることが期待される。興味がある他の状況は、いくつかのパイロット信号がAFCループを制御するために受信されかつ結合されるそれらを含んでいる。１つまたは他のそのようなパイロットは、AFCが周囲にシフトさせる時間の関数として支配するかもしれない。しかしながら、乗り物の速度が上で分析されたそれよりも実質的に遅いと通常期待されるうっとうしい都市環境で、この急速なシフトが最も際立つように期待されるであろう。時間の関数としてのAFCの付加的なランダム変動では、周波数勾配偏倚を抑える効果を平均化する傾向があるだろう。
【００７６】
図９は通常分配されるランダム周波数データのための一次勾配推定値を表現するグラフである。乗り物の動きの影響はAFC周波数を毎秒ランダムな値で範囲[-50Hz，50Hz] の周りをさまよわせると仮定する。そして、この状況の1000秒にわたるシミュレーションは図９に示される周波数勾配推定値を生成する。先の12の測定値一次回帰を用いたこのシミュレーションの分析は4.2HzのRMS勾配推定値誤差を示し、それはこの場合4.18Hzである(7A) からの予測と一致している。この小さい誤差がもたらす性能の損失は取るにたらない。
【００７７】
さらなるコメントと改良
上述の一次回帰の様々な変更は、上記結果をさらに改良するのに利用されるかもしれない。例えば、特別なフィルタリングが較正サンプルになされるかもしれない。上記1つのシナリオでは、周波数対時間関数が基本的にステップ関数であり、その結果、ステップ関数を微分するならば、結果は適当な閾値技術を通してフィルタにかけることができる大きいスパイクであるだろう。さらなる積分動作は取り除かれた周波数ステップ関数で較正サンプルをもたらす。代替の方法は、たぶん期待された状態に関連づけられる、時間に対する較正値のある“パターン”を認識することに基づいて発展されるかもしれない。また、ここに説明されたシステムが、例えばロシアのGlosnass System、計画されたヨーロッパのGalileo System、米国の全地球測位システム、および任意の他の衛星測位システムのような任意の位置決めシステムへ一般に適用できることは明らかである。
【００７８】
代替実施例が発明の精神または範囲から逸脱することなく実施されるかもしれないことは、これらの教示から見て、当業者により理解されるであろう。上記明細書と図面とに関連して見られるとき、そのようなすべての実施例と変形例を含む以下の請求項によってのみ、この発明は制限されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】複数のセルラー基地局、GPS衛星、およびセル電話などの移動装置を持っているユーザの透視図である。
【図２】通信および位置確認システムを組み込んでいる一実施例の移動装置のブロックダイアグラムである。
【図３】通信システム、位置確認システム、および誤差予測および較正システムの一実施例のブロックダイアグラムである。
【図４】通信システム、位置確認システム、および誤差予測および較正システムの他の実施例のブロックダイアグラムである。
【図５】一実施例において誤差を予測して、修正信号を発生させるように行われる一連のステップを示すフローチャートである。
【図６Ａ】一例においるセルラーとGPS発振器周波数の典型的な周波数変化のグラフである。
【図６Ｂ】図6Aの周波数観測を使用してGPS発振器周波数対セルラー発振器周波数の比率を示すグラフである。
【図６Ｃ】図6Bからの比率を使用する誤差推定値のグラフである。
【図６Ｄ】図6Cの誤差推定値から近似される周波数修正を示すグラフである。
【図７】ほとんど瞬時に起こる+100Hzから-100Hzの周波数ジャンプから結果として生じる一次勾配推定値のグラフである。
【図８】セル基地塔が道路から略15メータにあり、高さ略15メータの例の一次勾配推定値を示すグラフである。
【図９】通常分布されるランダム周波数データのための一次勾配推定値を示すグラフである。
【図１】
2006510034.tif 000006
【図２】
2006510034.tif 000007
【図３】
2006510034.tif 000008
【図４】
2006510034.tif 000009
【図５】
2006510034.tif 000010
【図６Ａ】
2006510034.tif 000011
【図６Ｂ】
2006510034.tif 000012
【図６Ｃ】
2006510034.tif 000013
【図６Ｄ】
2006510034.tif 000014
【図７】
2006510034.tif 000015
【図８】
2006510034.tif 000016
【図９】
2006510034.tif 000017
【手続補正書】
【提出日】平成17年10月13日(2005.10.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セルラーネットワーク信号にロックされた第１の周波数を生成し、
第１の時間期間中GPS発振器に第２の周波数を発生させ、
前記第１の時間期間中に前記第１および第２の周波数の比較に基づいて第１の誤差を計算し、
第２の時間期間中に前記第１および第２の周波数の比較に基づいて第２の誤差を計算し、
前記第１および第２の誤差から誤差関数を提供し、
次の時間期間のために前記誤差関数を使用してGPS発振器誤差を予測し、
前記予測されたGPS発振器誤差に応答して前記次の時間期間に前記GPS発振器を修正することを含むGPS受信機を修正する方法。
【請求項２】
作動中前記方法を繰り返すことをさらに含む請求項1の方法。
【請求項３】
前記誤差関数を提供することが、前記第１および第２の誤差計算に数学の関数を適合することを含む請求項１の方法。
【請求項４】
前記修正することが、前記第２の周波数を供給するGPS局部発振器を修正して、前記GPS信号を予め定められた中間周波数に変換することを含む請求項1の方法。
【請求項５】
前記GPS発振器はデジタル局部発振器であり、前記修正は前記デジタル局部発振器を修正することを含む請求項1の方法。
【請求項６】
予め定義されたGPS周波数で送信されるGPS信号を受信するために、予め定義された精密な搬送周波数を持っているセルラーネットワーク信号を使用して、移動装置のGPS受信機を修正する方法であって、
前記精密な搬送周波数に応答して第１の周波数信号を発生させ、
前記GPS受信機において、前記GPS信号を処理するために第２の周波数信号を発生させ、
第1の時間期間において、前記第1および第２の周波数間の誤差を計算し、
一組の誤差推定値を提供するために、少なくとも第２のそれぞれの時間期間中に少なくとも１回前記誤差計算を繰り返し、
前記組の誤差計算から直接前記第２の周波数の誤差関数を提供し、
前記誤差関数を利用して前記繰り返しに従って次の時間期間における誤差を予測し、
前記第２の周波数を修正して前記次の時間期間に前記GPS信号を処理することを含む方法。
【請求項７】
前記誤差を計算することが、各前記時間期間について前記第２と前記第１の周波数の比率を測定し、各時間期間について予め定められた数とこの比率を比較することを含む請求項6の方法。
【請求項８】
前記誤差予測は、前記組の誤差推定値に数学の関数を適合することにより、前記第２の周波数の時間に対する周波数誤差を決定することを含む請求項6の方法。
【請求項９】
前記誤差予測が、
前記組の誤差推定値を平均する、および
前記組の誤差推定値を利用して前記組の誤差推定値に適合した最小平均二乗を生成する数学の回帰方法を実行する、
の1つを含む請求項6の方法。
【請求項１０】
前記セルラーネットワーク信号がセルラー基地局により提供され、前記移動装置がセルラートランシーバーを含み、さらに、
前記精密な搬送周波数を周波数ロックして前記第１の周波数を提供し、
前記移動装置と前記セルラー基地局の間で通信することを含む請求項6の方法。
【請求項１１】
前記セルラーネットワーク信号から精密な搬送周波数を抽出して前記第１の周波数を提供することをさらに含む請求項6の方法。
【請求項１２】
前記修正することは、前記GPS周波数の前記GPS信号を予め定められた中間周波数に変換するために前記第２の周波数を供給するGPS局部発振器を修正することを含む請求項6の方法。
【請求項１３】
前記GPS受信機が、デジタル局部発振器を含み、前記修正することが前記デジタル局部発振器を修正することを含む請求項6の方法。
【請求項１４】
予め定義されたGPS周波数で送信されたGPS信号を受信するため、セルラー基地局から送信される通信信号を使用して、移動装置のGPS受信機を修正する方法であって、前記通信信号は予め定義された精密な搬送周波数を含み、
第１の周波数を発生させるため第１の局部発振器を精密な搬送周波数に同期させ、
予め定められた値に近い公称の値を持っている前記GPS受信機の第２の周波数信号を発生させ、前記第２の周波数信号は前記GPS信号を処理するために適用され、
複数の時間期間にわたって前記第1および第２の周波数を監視して、前記複数の時間期間の各々について周波数測定値を提供し、
各監視された時間期間について前記第１および第２の周波数における誤差を計算して、一組の誤差推定値を提供し、
前記組の誤差推定値に応答して数学の関数を適合することにより、周波数誤差対前記第２の周波数のための時間関数を提供し、
前記関数を利用して次の時間期間における誤差を予測し、
前記予測された誤差に応答して前記次の時間期間のための修正信号を発展させ、
前記修正信号に応答して前記GPS信号を処理することを含む方法。
【請求項１５】
前記監視することが、複数の時間期間にわたって前記第２の周波数と前記第１の周波数の比率を繰り返し測定し、各時間期間について予め定められた数とこの比率を比較して前記誤差を計算することを含む請求項14の方法。
【請求項１６】
前記誤差予測が、
前記組の前記誤差計算値を平均する、および
前記誤差推定計算値に対する最小平均二乗曲線を計算するため、前記組の誤差計算値を利用して数学の回帰方法を実行する、
の1つを含む請求項14の方法。
【請求項１７】
前記修正信号に応答して、前記GPS周波数の前記GPS信号を予め定められた中間周波数に変換するため、前記第２の周波数を供給するGPS局部発振器の周波数を修正することをさらに含む請求項14の方法。
【請求項１８】
前記GPS受信機がデジタル局部発振器を含み、前記修正信号に応答して、前記デジタル局部発振器から出力された周波数を修正することをさらに含む請求項14の方法。
【請求項１９】
予め定義された理想的なセルラー周波数で運用されるセルラー局のネットワークを使用してセルラー通信を提供し、また予め定義されたGPS周波数でGPS信号を送信するGPS衛星を使用して位置確認を提供する多機能携帯用装置であって、
セルラー局の前記ネットワークとの通信を復調するための第１の周波数を発生させる第１の局部発振器を含むセルラー通信システムと、
前記GPS信号を処理するために結合される第２の周波数を発生させる第２の局部発振器を含むGPSシステムと、
複数の前の時間期間にわたって前記第1の周波数と第２の周波数の測定値を表す誤差関数に従って、次の時間期間の誤差を予測する誤差予測および修正システムであって、また、前記予測された誤差に応答して前記次の時間期間のための修正信号を発生させるシステムと、
前記修正信号を受信し、それに応答して前記次の時間期間中に前記GPS信号を処理する前記第2の局部発振器とを含む装置。
【請求項２０】
前記誤差予測および修正システムが、
周波数比較回路と、
誤差監視および予測回路と、
周波数修正発生回路とを含む請求項19の多機能携帯用装置。
【請求項２１】
前記周波数比較回路が、前記第1の周波数と第２の周波数を監視し、観測期間中前記第1の周波数と第２の周波数の間の差を示す測定値を定期的に提供する手段を含み、
前記誤差監視および予測回路が、各時間期間について誤差推定値を提供するために各前記測定値を予め定められた数と定期的に比較する請求項20の多機能携帯用装置。
【請求項２２】
前記誤差関数が数学の関数であり、前記監視および予測回路が前記複数の誤差推定値に従って前記数学の関数に近似するシステムを含む請求項20の多機能携帯用装置。
【請求項２３】
前記近似システムが、
予め定義された数の期間にわたる前記誤差推定値を平均する手段と、
前記複数の時間期間にわたって前記誤差推定値の最小平均二乗を計算するため、予め定義された時間期間の数にわたって前記誤差推定値を利用する数学の回帰方法を実行する手段と、
の1つを含む請求項22の多機能携帯用装置。
【請求項２４】
前記局部発振器が、GPS信号のデジタル周波数変換で利用されるデジタル局部発振器を含む請求項19の多機能携帯用装置。
【国際調査報告】
2006510034.tif 000018
2006510034.tif 000019