(57)【要約】【課題】微弱信号の衛星送信を用いて受信機の位置を求める方法、装置およびシステムを提供すること。【解決手段】本発明は、補助情報を受信機に提供する役目を果たす、補助発信源と受信機の間の一連のやりとりを含み、弱い衛星送信の存在下で受信機の位置を求められるようにする。新規の受信機は、弱い衛星信号からは時間同期データを抽出できないにもかかわらず、補助情報を用いて、弱い衛星信号を検出、捕捉および追尾し、計算した疑似距離から位置の解を計算する。
2004526951.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
衛星信号の減衰の存在下で受信機の位置を特定するＳＰＳシステムであって、
搬送波周波数上の同期された符号化信号を送る複数の軌道衛星であって、前記符号化信号は同期データを含む反復エポックを有する複数の軌道衛星と、
前記符号化信号の組を検出、捕捉、追尾すると同時に、前記エポックに関して前記組のコード位相を求める受信機と、
前記受信機の近似的な位置と、複数の衛星の位置および速度とを送信する補助発信源と、を備え、
前記受信機は、前記近似的な位置、前記衛星の位置、前記コード位相および搬送波周波数差を用いて正確な位置を求めるＳＰＳシステム。
【請求項２】
前記正確な位置は、基準信号のコード位相と付加的な信号からのコード位相の各々との間のオフセットを用いて求められる請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記受信機は前記補助発信源に要求を送信し、該補助発信源は応答として前記受信機の近似的な位置を送信する請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記受信機は、強い符号化信号が利用可能である場合にまず該強い符号化信号を検出および捕捉してから弱い符号化信号を検出および捕捉する検索方法を用いて前記符号化信号の組を検出および捕捉する請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記受信機は、複数の衛星信号の同時検索を行う請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記受信機は、少なくとも１つの衛星の捕捉後にさらなる衛星のコード位相差を推定することによって検索を制限する請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記受信機は、さらなる衛星が検出および捕捉されない場合に前記制限した検索を広げる請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記受信機は、複数の衛星の捕捉後に、複数の衛星のアイデンティティを含む要求を送信し、これに応答して前記補助発信源は、各衛星の位置および速度を送信する請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記補助発信源は、前記受信機からの要求に応答して複数の衛星の位置および速度を求めて送信する請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記補助発信源は、前記衛星から受信したエフェメリスデータ、前記受信機の要求の受信時刻および前記要求の送信待ち時間を用いて前記複数の衛星の位置および速度を求める請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記受信機は、受信機情報を前記補助発信源に送信し、該受信機情報は、
位置、
速度、
進行方向、
高さ、
解の最頻値、
最近の位置求解に用いた衛星のアイデンティティ、および
コード位相差
を含む一群の受信機情報から選択される請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
受信機の位置情報を使用または処理するコールテイカをさらに備える請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記補助発信源は、前記受信機の前記近似的な位置を前記コールテイカにさらに送信する請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記補助発信源は、前記受信機の前記正確な位置を前記コールテイカにさらに送信する請求項１２に記載のシステム。
【請求項１５】
前記補助発信源は、前記受信機から送信された情報を基に前記受信機の正確な位置を求める請求項１に記載のシステム。
【請求項１６】
前記受信機は、前記減衰信号の前記コード位相に対して平滑化操作を行う請求項１に記載のシステム。
【請求項１７】
同期データを搬送する減衰した衛星信号の存在下で受信機の正確な位置を求める方法であって、
受信機によって地域衛星のアルマナックデータを受信および記憶すること、
前記受信機からの要求に応答して補助発信源から前記受信機の近似的な位置を送ること、
複数の衛星から信号の組を検出、捕捉および追尾すること、
前記信号の組から複数のコード位相を同時に求め、次に基準コード位相に対する前記コード位相の各々のオフセットを求めること、
衛星の組のアイデンティティを含む要求を前記受信機から前記補助発信源に送り、前記要求された衛星の各々の位置および速度を返すこと、
前記近似的な位置、アルマナックデータ、コード位相差および衛星位置を用いて位置の解を求めることと、を含む方法。
【請求項１８】
前記補助発信源に受信機データを送ることをさらに含む請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記受信機データは、
受信機の位置、
受信機の速度、
受信機の進行方向、
受信機の高さ、
受信機の解の最頻値、
位置の解を求める際に前記受信機が用いた衛星のアイデンティティ、および
受信機が求めたコード位相差
を含む一群のデータからのデータである前記請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
受信機データを前記補助発信源からコールテイカへ送ることをさらに含む請求項１７に記載の方法。
【請求項２１】
前記受信機データは、
受信機の位置、
受信機の速度、
受信機の進行方向、
受信機の高さ、
受信機の解の最頻値、
位置の解を求める際に前記受信機が用いた衛星のアイデンティティ、および
受信機が求めたコード位相差
を含む一群のデータからのデータである請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記検出、捕捉および追尾するステップは、周波数および振幅信号検索を含み、該検索において、検索振幅閾値をある何らかのレベルで始め、連続して低下させて、より減衰した信号の前により強い信号を捕捉することを可能にする請求項１７に記載の方法。
【請求項２３】
前記検索振幅閾値の連続的な低下のそれぞれに先立って周波数レンジの掃引を行う請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記位置の解を求めるステップは、前記コード位相差を用いた各衛星に対する疑似距離を求めることを含む請求項１７に記載の方法。
【請求項２５】
前記疑似距離を求めることは、計算した、各追尾衛星までの近似的なレンジを用いて行われる請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記近似的なレンジは、前記近似的な位置および前記衛星位置を用いて計算される請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
ＳＰＳシステムにおいて用いる、減衰した衛星信号の存在下で正確な位置を求める装置であって、
送信手段の近似的な位置および衛星のアイデンティティに対する要求を外部の補助発信源に送る送信手段と、
前記近似的な位置ならびに衛星の位置および速度を前記外部の補助発信源から受信する受信手段と、
送信された衛星信号を受信するアンテナと、
前記アンテナにおいて受信した前記信号をフィルタリングおよびサンプリングする回路と、
信号の検出、捕捉および追尾を各々が行う複数の信号相関器と、
プロセッサおよびメモリを含む制御回路と、を備え、
前記制御回路は、前記複数の信号相関器において検出、捕捉および追尾された複数の衛星信号のコード位相オフセットを求め、装置の位置の解を求める際に前記コード位相オフセットを用いる装置。
【請求項２８】
前記制御回路は、前記受信した近似的な位置および記憶したアルマナックデータに基づいて信号相関器を調整する請求項２７に記載の装置。
【請求項２９】
前記制御回路は信号検出を行い、該信号検出では、相関器出力信号の積分期間を連続して拡大し、かつ振幅閾値を連続的に減少させることによって、より減衰した信号の前により強い符号化信号を捕捉する請求項２７に記載の装置。
【請求項３０】
前記制御回路は、前記検索振幅閾値の連続的な低下のそれぞれに先立って周波数レンジの掃引を行う請求項２９に記載の装置。
【請求項３１】
前記制御回路は、記憶したアルマナックデータ、近似的な時刻および前記近似的な位置を用いて前記衛星信号の搬送波およびコード周波数の推定ドップラーオフセットを計算し、前記周波数レンジを制限する請求項３０に記載の装置。
【請求項３２】
前記制御回路は、前記コード位相オフセット、および前記受信した近似的な位置および衛星位置から導き出した、計算した近似的なレンジを用いて各捕捉衛星に対する疑似距離を計算する請求項２７に記載の装置。
【請求項３３】
衛星からの信号を受信して、該衛星の既知のまたは計算された位置からの受信機の距離を基に受信機自体の位置を計算する、ハードウェア相関器を組み込んだ受信機において、前記相関器の出力で前記信号を処理して、該相関信号の振幅および周波数を推定し、かつ信号の存在を検出する方法であって、
時間領域信号のサンプルを固定積分期間にわたって処理すること、
前記サンプルの全部または一部を積分期間内に周波数領域の周波数ビンに変換すること、
最大の複素振幅を含むピーク周波数ビンを特定すること、
前記周波数ビンへの、前記ピーク周波数ビンを中心とする窓の適用を含むフィルタプロセスを適用すること、
前記窓掛けしたビンから前記信号の振幅および周波数を推定すること、
前記推定した周波数および振幅を有する信号の存在を検出ことと、を含む方法。
【請求項３４】
前記変換するステップは、離散フーリエ変換、高速フーリエ変換およびフーリエ変換を含む一群の変換方法からの変換方法の使用を含む請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
前記フィルタプロセスを適用するステップは、前記窓掛けしたビンのベクトルの自己畳み込みであって、それによってデータ遷移の作用を除去する、自己畳み込みを含む請求項３３に記載の方法。
【請求項３６】
前記信号の存在を検出するステップは、いくつかの周波数推定値の比較であって、それによって該周波数推定値が一致するかを確かめる比較を含む請求項３３に記載の方法。
【請求項３７】
前記信号の存在を検出するステップは、前記推定した振幅と閾値の比較を含む請求項３３に記載の方法。
【請求項３８】
前記信号の存在を検出するステップは、いくつかの周波数推定値の比較であって、それによって該周波数推定値が一致するかを確かめる比較をさらに含む請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
前記ステップは繰り返され、前記固定積分期間を短い時間フレームに設定し、かつ前記閾値を高い値に設定した状態でより強い信号を検出し、より長い固定積分期間およびより低い閾値を徐々に用いてより弱い信号を検出する請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
前記閾値は、前に検出した信号について測定した搬送波振幅の関数を用いて設定される請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
前記関数は、前記閾値を十分高く設定して、前記前に検出した信号との相互相関の影響を低減する請求項４０に記載の方法。
【請求項４２】
前記固定積分期間は、前の信号の検出に用いられた固定積分期間の関数を用いて設定される請求項３９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の分野】
【０００１】
本発明は、米国のＮａｖｓｔａｒ全地球的測位システム（ＧＰＳ）、ロシアの全地球的航法衛星システム（ＧＬＯＮＡＳＳ）および欧州のＧａｌｉｌｅｏシステムといった衛星利用測位システム（ＳＰＳ）において使用される受信機の設計に関する。より具体的には、本発明は、微弱信号（WEAK SIGNAL）の衛星送信を用いて受信機の位置を求める方法、装置およびシステムに関する。
【０００２】
本願は、２０００年５月１０日付で出願された米国仮出願第６０／２０２，４６４号および２００１年１月２３日付で出願された同第６０／２６３，４３９号の優先出願日を主張する。
【発明の背景】
【０００３】
衛星利用測位システムは、連続した直接シーケンス・スペクトラム拡散信号を地球に送信する一群の衛星を利用することによって動作する。これらの衛星の受信範囲にある受信機は、スペクトラム拡散搬送波上で変調されたデータ（航法メッセージ）を搬送するこれらの信号を傍受する（intercept）。このデータは、信号中の特定の瞬間における正確な送信時刻を衛星自体の軌道パラメータ（例えばＧＰＳの場合は正確なエフェメリス（ephemeris：軌道暦）データとそれほど正確でないアルマナック（almanac：衛星暦）データ）とともに提供する。４つの衛星それぞれから受信機への信号の飛行時間を推定し、推定した飛行時間に対応する送信時の衛星の位置を計算することによって、受信機のアンテナの正確な位置を求めることが可能である。
【０００４】
従来のＳＰＳ受信機において、これを行うプロセスは、少なくとも４つの衛星の疑似距離（pseudorange）を推定し、次にこれらの距離から受信機の正確な位置およびクロック誤差を計算することを含む。各疑似距離は、ある衛星から受信機への飛行時間に光速度を乗じたものとして計算されるもので、衛星と受信機の間の距離すなわち「レンジ」の推定値である。飛行時間は、航法メッセージから求められる送信時刻と受信機内のクロックを用いて求められる受信時刻との間の差として推定される。受信機のクロックは必然的に、衛星のクロックに比して異なる現在時刻を有することになるため、４つのレンジ計算には共通誤差が生じる。この共通誤差は、受信機のクロックにおける誤差に光速度を乗じたものである。
【０００５】
少なくとも４つの衛星を用いることによって、１組の等式を解いて、受信機のクロック誤差とアンテナの位置の両方を求めることが可能である。３つの測定値しか利用可能でない場合でも、その受信機の座標のうち少なくとも１つが分かっていれば、位置とクロック誤差を求めることは可能である。多くの場合、アンテナの高度を推定することによって、この状況を近似することができる。
【０００６】
衛星からの信号は、擬似ランダム２値拡散コードによって比較的高い「チップ」レート（例えば１０２３ＭＨｚ）で二相変調され、次に２値航法メッセージによって低いデータレート（例えば５０Ｈｚ）で二相変調された搬送波信号からなる。搬送波対雑音比は通常、アンテナから衛星への視野方向に遮るものがない受信機の場合、地表において非常に低い（例えば３１ｄＢＨｚ〜５１ｄＢＨｚ）。しかしながら、従来の位相ロックループおよび遅延ロックループ技法を用いて信号を検出、捕捉および追尾できるようにし、データが抽出されれば十分である。
【０００７】
従来のＳＰＳ受信機における信号コードの追尾プロセスは、ハードウェアコード発生器および信号ミキサ（signal mixer）の使用を含む。局部発生させたコードが入力信号のコードとぴったり合う場合、混合器からの出力はコード変調を全く含まない。よって信号の帯域はずっと少なくなり、信号をフィルタリングして信号対雑音比を大きく増大させることができる。これは通常、デシメーションフィルタを用いて、相関器の出力サンプリングレートが入力サンプリングレートよりもずっと低くなるように行われる（例えば入力では１．３ＭＨｚであるのに対し出力では１ｋＨｚ）。
【０００８】
また、ＧＰＳの場合、受信機における所与の瞬間に対応する信号の正確な送信時刻は、コード発生器の状態をラッチしてコード位相を得ること、各データビット中のコードエポックを計数すること、航法メッセージの各ワード中のビットを計数すること、メッセージの各サブフレーム中のワードを計数すること、ならびにサブフレーム境界に対応する送信時刻を抽出および復号化することによって求めることができる。いかなるＳＰＳにも同様の方式を用いることができる。
【０００９】
しかしながら従来のＳＰＳ受信機は、弱化した送信信号の存在下で、位置の特定中に厄介な中断に見舞われる可能性がある。アンテナと衛星の間のまっすぐな視野方向が遮られた場合、信号はアンテナ到達時に大幅に減衰している恐れがある。従来の技法は、これらの信号を検出、捕捉および追尾するために用いることができない。さらに、これらの状況では、信号が検出できたとしても、例えばＧＰＳ信号の搬送波対雑音比は、２４ｄＢＨｚ以下である可能性があるため、信号からデータを抽出することが不可能である。
【００１０】
従来技術の装置は、補助情報を使用することで、これらの欠点を最小限に抑えよう、あるいは克服しようとしてきた。このような方式では、付加的な情報が外部からＳＰＳ受信機に、様々な二次発信源（secondary transmission source）を介して供給され、減衰信号により生じた不足分の情報を埋め合わせる。かかる装置の例は、Taylorら（米国特許第４，４４５，１１８号）（衛星のアルマナックデータによって補助）、Lau（米国特許第５，４１８，５８３号）（ディファレンシャル衛星測位情報およびエフェメリスによって補助）、Krasner（米国特許第５，６６３，７３４号）（ドップラー周波数シフトの送信によって補助）、Krasner（米国特許第５，７８１，１５６号）（ドップラー周波数シフトの送信によって補助）、Krasner（米国特許第５，８７４，９１４号）（ドップラー、初期化および疑似距離データによって補助）、Krasner（米国特許第５，８４１，３９６号）（衛星のアルマナックデータによって補助）、Loomisら（米国特許第５，９１７，４４４号）（選択された衛星のエフェメリス、アルマナック、電離圏、時刻、疑似距離補正、衛星インデックス（index）および／またはコード位相属性によって補助）、Krasner（米国特許第５，９４５，９４４号）（タイミングデータによって補助）、Krasner（米国特許第６，０１６，１１９号）（衛星信号からのデータ再送信によって補助）の特許に教示されている。
【００１１】
しかしながら補助情報には、付加的な送信機能が必要となる。補助情報は例えば、付加的な衛星送信機または無線電話システムを用いてＳＰＳ受信機に送ることができる。よって、供給される補助情報の量を低減してそのような付加的な資源の使用を制限することは非常に有利である。例えば、補助情報を伝えるために無線通信網の音声パスが用いられている場合、音声通信は補助メッセージによって妨害されることになる。したがって、補助メッセージは、音声の妨害を許容できる時間および周波数に制限するため、できる限り短くなければならない。また、補助データがどのように伝えられるとしても、その通信は、受信機の動作を遅らせることになる。多くの用途において、位置データは即座に必要とされるため、いかなる遅延も最小限に抑えるべきである。
【発明の簡単な説明】
【００１２】
本発明の目的は、遮られた、すなわち弱い衛星送信信号の存在下で向上した性能を持ちながら、強い信号の存在下で頑強な性能を維持する衛星測位システムにおいて用いる方法および装置を提供することである。
【００１３】
別の目的は、最小限の外部の補助を利用してシステムの性能を向上させ、一方、この補助が失敗した場合に適切な降格化（degradation）を維持することである。
【００１４】
本発明のさらに別の目的は、最短の初期測位時間（ＴＴＦＦ：Time To First Fix）を達成する装置を提供することである。
【００１５】
さらなる目的は、本明細書中に含まれる発明の記載から明らかとなろう。
【００１６】
これらの目的に関して、本発明に従って作成される装置は、屋内の位置で受信されるような減衰された衛星信号を検出、捕捉、および追尾する新規の信号処理方式を利用し、位置の解を計算する。本方式は、減衰された衛星信号と、最小限の外部供給補助情報とを新規な方法で使用する。
【００１７】
本方式に基づき、またＳＰＳ受信機による要求への応答として、補助発信源（aiding source）は、２種類の情報を順序付けられたシーケンスで供給する。補助発信源はまず、受信機の近似的な位置を好ましくは２０ｋｍ以内まで、ＧＰＳの場合は確実に１００ｋｍ以内まで与える。補助発信源は次に、追尾する衛星の組について正確な衛星の位置および速度を与える。これらの衛星の位置および速度は補助発信源によって、当該衛星のエフェメリスデータから計算される。これ以上の補助情報は必要ない。
【００１８】
装置は通常、追尾する衛星の組を、内部に記憶されたアルマナックデータからの情報と、補助発信源から受信した当該装置の近似的な位置とに基づき検出および捕捉する。装置は、捕捉してしまえば、弱い信号の存在下において、弱化した信号中の送信時刻データよりも、弱い衛星信号のコード位相に頼る。複数の信号のコード位相を同時に測定し、受信時刻が共通となるようにする。次に、コード位相間の差を求めることによって、結果として得られる値すなわちコード位相差（code phase differences）を、衛星信号の送信時刻の差のあいまいな測定値とみなす。
【００１９】
本発明の好ましい実施形態では、次にこれらのコード位相差を使用し、補助発信源から受信した近似的な位置の助けを得て疑似距離を生成する。このプロセスでは、受信機の近似的な位置と正確な衛星の位置とを組み合わせて、衛星の近似的なレンジを求める。それからさらに、近似的なレンジをコード位相差と組み合わせて、正確な疑似距離差（pseudorange difference）を得る。最後に、正確な疑似距離と正確な衛星位置を用いて、正確なＳＰＳ受信機の位置を解くことができる。
【００２０】
添付図面を用いて本発明を説明する。しかしながら、これらの図は、本発明の例を示すものであり、その適用可能性を制限するものではない。
【００２１】
本発明には、上記の目的を達成するために利用される４つの明確な要素がある。第１の要素は、補助情報の性質、ならびにＳＰＳ受信機と補助発信源が相互作用して補助情報を提供する方法である。第２の要素は、弱い信号を検出、捕捉および追尾しながら、強い信号による妨害を回避し、不利な条件下での適切な降格化を保証する手順に関する。第３の要素は、複数の衛星信号を追尾して共通の測定時におけるコード位相を求める装置の設計に関する。最後に、本発明の第４の要素は、弱い衛星信号を処理し、測定したコード位相差から位置の解を計算するために用いられるアルゴリズムの組を含む。これらの特徴をそれぞれ順に扱う。
【００２２】
本発明は、本出願人が保有する、米国特許第５，４５９，４７３号に開示される発明の改良および拡張に関連する。したがって、上記米国特許を参照により本明細書中に援用する。
【００２３】
Ａ．補助発信源と受信機の相互作用
上述のように、本発明に従って用いられる補助データは、ＳＰＳ受信機の近似的な位置と、特定組の衛星の位置および速度とを含む情報に限定される。この情報は、要求／応答シーケンスを通じて求められ、与えられる。補助データには衛星のクロック補正が含まれるはずである。これらは、衛星の航法メッセージ中に与えられ、１ｍｓもの大きさであり得る。したがって、疑似距離差を精確に計算するためには、これらの補正を適用することが重要である。補助発信源は、衛星の位置および速度を供給する代わりに、衛星の位置、速度、加速度および／または衛星のアルマナックデータから計算される別の位置の派生物（position derivatives）の補正を供給することもできる。このアルマナックデータは、位置の求解を行う際に用いられる補助データを用いて補正される、衛星の粗い（coarse）位置、速度および他の派生物を計算するためにも用いることができる。
【００２４】
これは、受信機の位置を計算するための比較的長時間の（例えば何十分もの）衛星位置の予測を十分な精度で可能にしながらも、受信機に送信する補助データの量の点ではなお多くを要求しないため、有利である。
【００２５】
この補助データは、完全なエフェメリスデータに比べて小さいこと、見込まれる寿命が長いことから、規則的な間隔で送信される一斉同報の形で構成することが実現可能となる。この利点は、ほとんどの場合に受信機は補助データを要求する必要がないことであり、これにより、ネットワークベースセンタ（network base centre）、コールセンタ（call centre）または無線ウェブサイトに向かう方向のシステムデータトラフィックが著しく減少する。
【００２６】
しかしながら、システムはほとんどの場合に、受信機中のアルマナックデータの様々な問題に対処しなければならない。これは、次のように処理することができる。
１．複数のアルマナック問題の補正を一斉同報する。
２．特定のアルマナック問題の補正要求に応答してアルマナック補正を送信する。あるいは
最後の１回または２回の発行分のアルマナックの補正を一斉同報し、他の発行分のアルマナックの補正については要求に応答する。本発明による一実施形態のこのようなやりとりのモデルを図１に示す。
【００２７】
通常のやりとりには、ＳＰＳ受信機１と、補助発信源２と、コールテイカ（call taker）３とが関与し得る。ＳＰＳ受信機１は例えば、無線電話機または他のハンドセットに組み込まれるか、当該ハンドセットと同じ位置にあるＧＰＳ受信機であり得る。補助発信源２は、無線ネットワーク中のコールセンタ、コールサイト（call site）または他の位置に位置し、補助データが無線通信リンクを介してハンドセットへ送信されるようになっている。コールテイカ３もまた、無線ネットワークからアクセス可能なコールセンタまたは他の位置に位置し得る。位置データの最終的なユーザは、コールテイカ３か、ＳＰＳ受信機１を携行するユーザかであり得る。ＳＰＳ受信機１と、補助発信源２と、コールテイカ３との間の他の形式の送信も、本発明の目的から逸脱することなく利用することができる。
【００２８】
やりとりを開始するため、ＳＰＳ受信機１は第１の補助要求４を補助発信源２に送る。これは通常、ＳＰＳ受信機１の起動時に行われるが、他の時点でも行うことができる。補助発信源２は応答として、ＳＰＳ受信機１の近似的な位置を含む第１の補助応答５を送る。好ましくは、ＳＰＳ受信機１の近似的な位置は、衛星信号のコードエポックの２分の１に光速度を乗じたもの、すなわちＧＰＳの場合は約１００ｋｍよりも精確である。この近似的な位置は、第１の補助報告６中でコールテイカ３にも送ることができる。
【００２９】
ＳＰＳ受信機１は、受信した近似的な位置と、以前に記憶されたアルマナックデータとを用いて、衛星信号を捕捉するための相関検索を行う。アルマナックデータと近似的な位置は、少なくとも１つの衛星を捕捉すれば、初期の検索を制限するのに役立つ。捕捉時に、ＳＰＳ受信機１は第２の補助要求７を補助発信源２に送る。第２の補助要求７は、ＳＰＳ受信機１が疑似距離差を求める際に用いる特定組の衛星を特定するための情報を含む。補助発信源２は応答として、特定した衛星の組の正確な位置および速度を当該衛星のエフェメリスデータから求める。求めた位置および速度は次に、第２の補助応答８中でＳＰＳ受信機１に送られる。この経過時間は既知であるため、補助要求の送信と受信の間の待ち時間を求めることができるものと仮定すると、補助発信源は、衛星信号の受信時刻を数十ミリ秒以内まで求めることが可能である。
【００３０】
しかしながら受信機は、アルマナック補正を用いる場合、送信時刻（ＴＯＴ）を１０ｍｓのオーダの精度で求める必要がある。さらに受信機はこれを、待ち時間の推定の必要なく行うことが好ましい。なぜなら待ち時間の推定は、面倒で、煩わしく、ともすると誤差を生じやすいからである。
【００３１】
補助データは、補助発信源においておよそ１ｍｓまで精確な時間タグを含み得る。通信待ち時間のために、この精度は、ショートメッセージサービス等の無線通信媒体によっては何秒というオーダまで低下する。したがってこの手法は、待ち時間が推定されなければ役立たない。その代わりに、下記の事実を用いてＴＯＴを明確な選択肢の組に制限することができる。
ａ）コードエポックの境界は衛星から、ＧＰＳ時刻におけるミリ秒の境界で送信される。
ｂ）各ＴＯＴと先行するコードエポック境界との間の時間は、その衛星の測定されたコード位相に対応するため、既知である。
ｃ）受信機における信号の受信時刻（ＴＯＲ）は、１ｓに遥かに満たない精度で分かっている。
ｄ）各衛星までのレンジは、（疑似距離差のあいまいさを解消するために必要な）１ｍｓ未満の精度で分かっている。
【００３２】
したがって、ＴＯＲおよびＴＯＴは次のように推定することができる。
１．粗いＴＯＲから平均飛行時間（平均ＴＯＦ、約７０ｍｓ）を引き、アルマナックを用いてその近似的なＴＯＴにおける衛星の位置を計算する。
２．アルマナック補正を用いてこれらの衛星の位置を補正する。
３．推定した受信機の位置までの衛星のレンジ、すなわちＴＯＦを推定する。
４．粗いＴＯＲからＴＯＦを引いて、ＴＯＴを精緻化する。
５．アルマナックおよびアルマナック補正を用いて対応する衛星の位置を計算する。
６．解が一定基準に集束するまでステップ３〜５を繰り返す。
７．上記ステップ３および４と同様に新しいＴＯＴを計算する。
８．上記ａ）およびｂ）を、その衛星の対応するコード位相測定値およびクロック補正とともに用いて、各ＴＯＴを可能な限り近い値に補正する。
９．アルマナックおよびアルマナック補正を用いて新しい衛星の位置を計算する。
１０．推定したレンジ差と、ステップ９で得た衛星位置とを用いて、新しい受信機の位置の推定値と、疑似距離差の残差の組とを計算する。
１１．疑似距離残差の平均二乗値を計算する。
１２．ＴＯＲ値を求めるため、ステップ７〜１１をニュートンラプソンの反復ループまたはこれに類するもので囲み、最小平均二乗残差値を生じる。これは最終的なＴＯＲ推定値であり、これと元の粗いＴＯＲ推定値との間の差を用いて受信機のクロックを補正することができる。対応する受信機の位置の推定値は、最終的な受信機の位置の推定値である。
【００３３】
以降の航法フィルタの更新では、このプロセスを省略することができる。
【００３４】
したがって本方式では、正確な衛星の位置および速度を補助発信源２が提供するため、ＳＰＳ受信機１ではなく補助発信源２が、衛星信号から特定の時間同期データを求めることができ、かつ、エフェメリスデータを保持または取得する必要がある。さらに、ＳＰＳ受信機１が補助発信源２から受信するときの衛星の位置が確実に精確であるようにするため、受信機１と補助発信源２の間の通信の待ち時間は数十ミリ秒以内でなければならない。これにより、計算された衛星の位置の誤差を確実に数メートルに制限することができる。この目的のため、好ましい実施形態において第２の補助要求７は、衛星信号のコード位相がラッチする瞬間から既知の時間が経過したときに起こる。この経過時間は既知であるため、補助要求の送信と受信の間の待ち時間を求めることができるものと仮定すると、補助発信源２は、衛星信号の受信時刻を数十ミリ秒以内まで求めることが可能である。
【００３５】
ＳＰＳ受信機１は次に、衛星の位置および速度を受信した後で、疑似距離および距離変化割合の差(range rate differences)を用いて、位置・速度（ＰＶ：Position and Velocity）解を計算し、自己の正確な位置、速度、進行方向（heading）などを求める。求めた後、ＳＰＳ受信機１は次に、未処理の位置、速度、進行方向、高さ、衛星の識別情報（identification）および受信機が用いる解の最頻値（solution mode）（すなわち高度の補助を用いた３Ｄまたは２Ｄ）を含む受信機報告９を補助発信源２に送る。
【００３６】
補助発信源２は、この受信機からの情報を受信すると、さらなる動作を取ることができる。補助発信源２は例えば、既知の衛星の組および送信時刻を用いて、ディファレンシャル疑似距離補正（任意の利用可能な手段によって得られる）を選択し、次に、報告された解の最頻値と一致する、対応する位置補正を計算することができる。この位置補正の計算により、補助発信源２は、ＳＰＳ受信機が報告した位置に補正を適用して、より最新の位置を得ることができる。次にこの正確な位置を、第２の補助報告１０中でコールテイカ３に送ることができる。
【００３７】
上記のやりとりの代替的な実施形態として、ＳＰＳ受信機１は補助発信源２にコード位相差を報告する。この場合、補助発信源２は、ＳＰＳ受信機１と同様の方法を用いてＳＰＳ受信機１のＰＶ解を計算することもできる。
【００３８】
上述のように、本方式はＳＰＳ受信機１に、衛星信号からの実際の時間同期データの恩恵を受けずとも疑似距離を計算することを要求する。このデータの使用を避ける理由は、衛星信号のコード位相が衛星信号の送信時刻における差のあいまいな測定値とみなされるためである。このデータの不使用は、同じ瞬間でのコード位相を測定し、受信時刻が共通になるようにすることによって達成される。さらに、コード位相差を疑似距離差に変換する上で必要な、あいまいさを解消することは、補助発信源２から得られる受信機の近似的な位置を利用することによって達成される。近似的な位置を次に、リアルタイムクロックからの近似的な時刻（およそ１分まで精確なもの）および最新のアルマナックデータ（生じるレンジ誤差が約３０ｋｍ未満であるＧＰＳの場合は最近２ヶ月未満のもの）と組み合わせるのであれば、衛星の近似的なレンジを、衛星信号のコードエポックの２分の１に光速度を乗じたもの（コード位相差のあいまいな間隔）よりも正確に求めることが可能となる。近似的なレンジの組とコード位相の組を組み合わせることによって、受信機を約１分よりも正確に同期させる必要なしに明白で正確な疑似距離差を導き出すことができる。
【００３９】
さらに、補助データを最低限とする目的に一貫して、ＳＰＳ受信機１は、ドップラー情報を供給される必要なしにＰＶ解を計算することができる。従来の装置では、衛星のエフェメリスデータを用いる代案としてドップラー情報を用い、信号捕捉中に搬送波周波数検索を制限すること、あるいは衛星レンジの変化を予測することを補助していた。本発明においてＳＰＳ受信機１は、記憶された最新のアルマナックデータを用いてドップラー情報を推定する。
【００４０】
ＳＰＳ受信機１は、この最新のアルマナックデータを用いて衛星のドップラー周波数を、衛星の近似的な位置が約１００キロメートルよりも正確な精度で分かっているものと仮定して、ＧＰＳの場合は約２５０Ｈｚよりも正確な精度で推定する。これは、ＳＰＳ受信機１の基準発振器の周波数オフセットが数Ｈｚ以内まで分かっていれば、高速捕捉を達成するのに十分な精度である。この基準発振器の周波数オフセット要件を達成するため、ＰＶ解を計算する度に基準周波数オフセットを計算する。よってこれを追尾することができる。さらに、基準周波数が温度および時間に伴い変化する程度まで、またＰＶ解の間の大きな温度変化が捕捉性能の低下をもたらす程度まで、ＳＰＳ受信機１は後述のように、変化に対処する方法を利用し、適切な降格化を保証する。
【００４１】
補助発信源２を使用せずに最新のアルマナックデータが確実にあるようにするには、ＳＰＳ受信機１は、データを最新に保つため、強い信号の存在下において十分な頻度かつ十分な長さで起動されねばならない。ＧＰＳシステムの場合、アルマナックデータは、最新であり続けるためには２ヶ月未満のものでなければならない。このＧＰＳでの目標を遂げるため、ＳＰＳ受信機１は、ほぼ２ヶ月の期間で２７組の軌道係数を集めなければならない。平均して、１組を集めるにはおよそ２０ｓに加え信号捕捉時間がかかり、全ての組を捕捉するにはこのような収集（gatherings）がおよそ６０回必要となる。よって、ＳＰＳ受信機１が強い信号の存在下において平均で約１日１回、約３０ｓにわたって起動されれば、記憶されたアルマナックは最新に保たれる。
【００４２】
Ｂ．妨害信号の存在下における弱い信号の捕捉／追尾
弱いＳＰＳ信号の使用に伴う問題の１つは、いかなるＳＰＳシステムでもダイナミックレンジは限られていることである。例えば、ＧＰＳシステムのＣ／Ａコード信号の場合、同じく存在する別の信号よりも約２０ｄＢ以上弱い信号はいずれも、より強い信号によって妨害される可能性がある。この妨害には主に２つの作用がある。第１に、十分に低い閾値を用いてより弱い信号を捕捉しようとしているにもかかわらず、受信機の検索シーケンスは、頻発する誤認警報によって妨害される。なぜなら多くの場合に、強い信号と、受信機内で生成されたコードとの間の相互相関は閾値を上回るからである。第２に、受信機は、より弱い信号を捕捉および追尾できても、追尾アルゴリズムを本当の相関メインローブから引き離すより強い信号からの相互相関サイドローブによって生じる大きな測定誤差に影響されやすい。
【００４３】
上記１番目の問題は避けることが非常に望ましく、２番目の問題は、数キロメートルもの大きな測位誤差をもたらす可能性があるため、避けることが不可欠である。したがってＳＰＳ受信機１は、より弱い信号を捕捉しようとする前に、強い信号を捕捉することを試みるべきである。これに関して、図２はＧＰＳ受信機の例示的な手順の概略を示し、この手順では、強い信号をまず最初に高い閾値で確実に捕捉するようにする。次に残りの必要な信号の捕捉のための閾値を、ＧＰＳの場合には捕捉した最も強い信号から２０ｄＢ低く設定する。図２はＧＰＳシステムに関する情報を含むが、その汎用アプリケーションは他の任意のＳＰＳシステムにも等しく適用される。
【００４４】
図２を参照すると、本装置は、補助発信源２からＳＰＳ受信機１の近似的な位置を取得するために第１の要求／応答のやりとりから始める。やりとりが成功して近似的な位置の補助データを受信した場合、装置はステップ１１において、強い信号を捕捉することを目的として初期の検索パラメータを設定する。検索用のパラメータは初め高い閾値に、その選択した閾値での捕捉に適した短い積分期間で設定される。衛星のコード位相の予備知識はないため、検索に制限はない。基準周波数オフセットは、受信機が前に起動された際に測定された前の値（すなわち「ｏｌｄ」）であると仮定される。次のステップ１２ではこれらのパラメータにより、ＳＰＳ受信機１は、マルチチャネル装置を用いて、全ての可視衛星の強い信号の同時検索を行う。
【００４５】
ＧＰＳの例において、このような制限のないコード検索を１つの衛星につき１チャネル、１つの積分期間につき１チップで、１つのチャネルにつき２つのアームを用いて０．５のチップ間隔で行うと、１０２３／４＝２２５の積分期間、すなわち約１秒かかる。ほとんどの場合、これは存在するいかなる強い信号の捕捉にも適している。
【００４６】
しかしながら場合によっては、受信機の基準発振器の仮定の周波数オフセットは、相関器の出力サンプルのサンプリングレートが対応できるよりも大きく変化している可能性がある。したがって、仮定の基準周波数オフセットを用いた試行中に衛星信号が捕捉されなかった場合、ステップ６０においてオフセットを調整し、閾値は下げずに検索を続行する。このようにオフセットは、考え得る周波数レンジで検索を行うように体系的に変更される。この体系的な検索は、可能な最も高い閾値で１つまたは複数の衛星を捕捉すると終了する。
【００４７】
考え得る周波数レンジにわたって衛星信号が捕捉されなかった場合、ステップ１３において、より低い閾値を設定し（例えば６ｄＢ低く）、より長い積分期間を用いる（例えば４倍長い）。基準周波数オフセットは前の仮定値に戻され、これらのパラメータ値を用いて周波数検索を再開する。
【００４８】
少なくとも１つの衛星を見付ける本来の検索において、任意の強い信号を捕捉し、かつさらなる信号が依然として必要である場合、捕捉した最も強い信号の測定した搬送波対雑音比を用いて、ステップ１４における次の検索で用いる積分期間と、その検索中に適用する捕捉閾値とを求める。例えば、５０ｄＢＨｚよりも大きい信号を捕捉した場合、次の検索の積分期間が３２ｍｓよりも長い必要はない。その理由は、３２ｍｓの積分期間で３０ｄＢＨｚ以上の信号を検出することが可能であり、上述のダイナミックレンジの問題を回避するために閾値は３０ｄＢＨｚ以上に設定しなければならないためである。
【００４９】
基準周波数オフセットも、ＳＰＳ受信機１の近似的な位置をアルマナックデータおよび捕捉信号の測定した搬送波周波数とともに用いて推定される。これは、さらなる周波数検索の必要をなくすだろう。
【００５０】
少なくとも１つの衛星を捕捉しているため、残りの衛星には１つの衛星につき１つのチャネルを用いて制限付き検索方式を実施することができる。なぜなら、残りの可視衛星の信号全てと、最初の１つの衛星の信号との間の近似的なコード位相差を推定することができるからである。近似的な位置推定値の精度が±１０ｋｍであると推定される場合、コード位相差は、およそ±２５μｓ以内であると推定することができる。ＧＰＳの場合、これにより残りの衛星すべてを５０*０．１２８ｓすなわち６．４ｓ以内で捕捉することが可能となる。しかし検索は、位置を求めることを可能にするのに十分な衛星を捕捉すれば終了することもできる。
【００５１】
したがってＧＰＳの例では、２回目の検索が失敗しなかったと仮定すると、十分な衛星を捕捉するのにかかる最長時間は、１回目の強い信号の検索の１ｓと、２回目の第１の衛星の検索の４ｓとに、次の残りの衛星の検索の６．４ｓを加えたものとなる。これは合計１１．４ｓとなる。しかし通常、捕捉にかかる時間はこれよりも短い（例えば１ｓ＋４ｓ＋３．２ｓすなわち８．２ｓ）。
【００５２】
この方式の捕捉性能の適切な降格化には、次の失敗の場合に対処することが必要である。
１．１番目の衛星信号を捕捉するための２回目の周波数検索は、全ての信号が調整した閾値よりさらに弱いために失敗する可能性がある。失敗に対する適切な方法の１つは、ステップ１３において連続的に下げた調整閾値を用いて、何らかの最終的な閾値が利用されるまで、さらなる検索を行うことであろう。
２．近似的な受信機の位置は、仮定した１０ｋｍよりも精確でない可能性があり、結果として、１回目の微弱信号の検索の試み（pass）では捕捉される衛星信号が不十分となる。この失敗に対処する方法の１つは、ステップ１５で検索範囲を連続的に増加させながら、さらなる周波数検索の試みを行うことである。この方式は、捕捉時間の増加を伴い適切に降格化する。しかしながらこの方式は、捕捉が可能な衛星信号はいずれも最終的に捕捉されることを確実にする。平均して、使用する近似的な受信機の位置の精度が下がるほど、捕捉時間は長くなる。
３．補助メッセージが受信されない可能性がある。これは、受信機が想定した位置から何千ｋｍも離れている可能性があるために、可視衛星の選択を誤ったことを意味し得る。これはまた、いずれの検索も上述のように制限されなくなる。より重要なことには、これにより、測定が１度行われるとコード位相から疑似距離差が明白に求められなくなる。これはまた、第２の補助メッセージが必要なときに入手できなくなることを意味し、位置の解が計算されなくなる。この失敗に対する応答の１つは、ステップ１６に示すように単に標準的なＳＰＳ受信機の動作に戻ることである。したがってＧＰＳの場合、３２ｍｓの積分期間を用いて最後の既知の位置を仮定し、上述のように第１の衛星とそれ以降の衛星の検索を行い、上述のように失敗の応答を行う。この場合、非常に弱い信号を捕捉する能力は失われるが、通常のＧＰＳ性能は達成される。野外では、通常およそ１５ｓ以内の捕捉がなおも達成されるが、位置を求める前にエフェメリスを取得することが必要となり、これが３０ｓ以下のさらなる遅延を加える。
【００５３】
微弱信号のＧＰＳ動作の制限の１つは、強い信号が、その信号よりも２０ｄＢ以上弱い信号をいずれも妨害することである。ピークの自己相関値から２０ｄＢ低いＧＰＳのＣ／Ａコード間には疑似の（spurious）相互相関が存在する。さらに、主の相関から２５ｄＢ低いところでは疑似の自己相関が生じる。
【００５４】
このような方式の副作用は、１つまたは複数の強い信号により、他の遥かに弱い信号が捕捉されない可能性があることである。これは、多くの場合に位置を推定するには強い信号が少な過ぎる都会の渓谷で、あるいは建物内の窓際や立体駐車場の両側で生じ得る。
【００５５】
代替的な手法は、特別なハードウェア機構を相関器に設計し、強い信号が相関器に入る際（または前）に当該信号が合成信号中で選択的かつ部分的に相殺されることを可能にすることを含む。これは次に、残りの相関器が対処しなければならないダイナミックレンジを小さくすることによって、より多くの衛星信号を捕捉することを可能にする。
【００５６】
図７は、必要なハードウェア構成を示す。各ハードウェアチャネルは、複素正弦波を発生する最終的なダウンコンバージョン局部発振器と、実の２値ゴールドコードシーケンスを発生するコード発生器とを組み込む。これらの局部発生信号はともに乗算され、入力信号と相関が取られて、各々の周波数と位相がプロセッサによって制御される。ここまでは通常のＧＰＳ相関器と同様の構成であるが、例外として、局部発生させたコードシーケンスと最終的なダウンコンバージョン信号は通常、別々に入力信号と乗算される。
【００５７】
しかし主な差異は、局部発生信号が、入力信号を全ての相関器チャネルに網目状に送るために用いられる入力信号バスに渡される前にスケーリングされ、入力信号から除算され得ることである。プロセッサは、用いられるスケーリングを制御する。
【００５８】
このハードウェアを用いて、プロセッサファームウェアは、強い信号を捕捉および追尾することができる。これらの条件下で、局部発生信号は、入力信号中に存在する１つの衛星からの信号のスケーリングされた複製である。したがって、ファームウェアはこの場合にスケーリング係数（図７のＡ）を、１つの衛星が局部発生させた複製によって部分的に相殺されるように設定することができる。ファームウェアは、残差信号レベルを監視することによって、相殺の程度を調整し、強い信号を追尾する際に疑似の相関を軽減する必要性と、良い雑音性能を保持したいという欲求との間で妥協を行うことができる。
【００５９】
この方式の主な難しさは、相関器内における入力信号と局部発生信号の両方の表現が通常は非常に粗いことである。入力信号は例えば、２ビットを用いて表されることが多い。これにより、適切に制御された部分的な相殺を行うのに十分な精度でスケーリングを数値的に行えない可能性がある。これに対する解決策は、入力信号のデジタル化に先立ってアナログ回路中でスケーリングおよび相殺を行うことであり得る。別法として、信号がより大きな数値解で表現され、かつ／またはスケーリングが、各積分期間の部分の正確な（またはほぼ正確な）相殺を行うことによって行われ得る。
【００６０】
受信機は、弱い信号と強い信号の両方を利用するように設計され得る。強い信号が存在する場合、かかる受信機は通常動作し、アルマナックおよびエフェメリスデータを抽出し、疑似距離または疑似距離差を測定する。しかしながら、強い信号が存在しない場合、受信機は、微弱信号モードで動作する。受信機が微弱信号モードにおいて用いる衛星のエフェメリスデータを既に抽出しており、その受信機の近似的な位置を既に求めている場合、補助は必要ない。そうでない場合、受信機は、任意の都合の良い補助発信源からの補助データを用いることができる。
【００６１】
受信機は、利用可能な強い信号の数に応じてモードを切り換えることができる。十分に精確な位置が推定できるほど十分な強い信号が利用可能でない場合、受信機は微弱信号モードに切り換わる。この場合、強い信号は依然として用いられるが、信号処理、測定の構築および衛星位置の計算はすべて微弱信号モードで行われる。
【００６２】
さらに受信機は、個々のチャネルが微弱信号モードとなり、他のチャネルが通常モードとなり得るように設計され得る。この場合、各チャネルの信号処理方法は測定の構築モードと同様、対応する衛星の信号強度に基づき選択される。衛星の位置は、エフェメリスデータが利用可能である衛星のエフェメリスデータから、位置の求解に用いる他の全ての衛星のアルマナック補正を用いて計算される。疑似距離差を普通に構築するには弱すぎる信号の場合、疑似距離差は、あいまいさの解法を用いて構築される。
【００６３】
補助の一斉同報を用いていない場合、これらの混合モードタイプのいずれかの受信機は、必要なときにのみ補助データを要求する。テレマティックスおよび自動車両ロケーションシステムの場合、補助データは、受信機が非常に雑然とした環境に長期間いる場合にのみ必要となる。かかる用途において、微弱信号技術の使用は、厳しい都市環境における精確な位置の追尾を提供するために時折用いられるようなジャイロ計器、加速度計および積算計パルス計数回路といった推測航法センサを使用する必要を回避する。他の場合では、位置情報の利用可能性が、補助なしの従来のＧＰＳ受信機によって与えられる位置情報の利用可能性に比べて著しく増加する。
【００６４】
Ｃ．複数の衛星信号のコード位相を同時に求めること
上述の補助方式を達成するため、本発明のＳＰＳ受信機１には、複数の衛星信号のコード位相を同時に求める能力が必要である。これに関して、図３は、そのようなＳＰＳ受信機１を１つ示す。通常、ＳＰＳ受信機１は大きく３つの部分に分類することができる。この装置は、フロントエンド回路１７と、３つまたはそれ以上の相関器１８と、メモリを有するマイクロプロセッサ２０とを備える。以下にそれぞれの機能を説明する。
【００６５】
フロントエンド回路１７は通常、最初の信号プロセッサとして次のように働く。フロントエンド回路１７は、アンテナからの信号を増幅し、フィルタリングし、ダウンコンバートし、デジタル化して、当該信号をデジタル相関器１８での処理に適したものにし、信号対雑音比および信号対干渉比が経済的および実際的な実現要件を条件として最小となるようにする。フロントエンド回路のフロントエンド出力１９は、中心が何十ＫＨｚかの複素信号（ＧＰＳの場合）、あるいは中心が１．３ＭＨｚ以上である実信号であり得る。サンプリングレートは通常数ＭＨｚであり、デジタル化は少なくとも２サンプルビットである。好ましい実施形態において、ＡＧＣ回路は、デジタル化信号のレベルを一定に保つ。ＧＰＳの場合に実信号は２ＭＨｚにわたって拡散しており、いずれにせよ弱い信号であるため、この信号は雑音に占められており、ＡＧＣはフロントエンドの出力において一定の雑音レベルを維持する。
【００６６】
それぞれが特定の衛星信号の処理チャネルを表すハードウェア相関器１８は別個に用いられて、フロントエンド出力１９をマイクロプロセッサ２０の制御下でさらに処理する。各相関器１８内部では、特定の衛星信号の推定ドップラーオフセットと、相関器を駆動する水晶発振器の基準周波数の推定オフセットとに基づき、ＤＣ付近までのさらなるダウンコンバージョン２１（この場合は直交）が行われる。次に、結果として得られたダウンコンバート済の複素信号２２は、特定の衛星信号の実の２値擬似ランダムコード信号に適合するように選択された、コード発生器２４によって生成された実の２値擬似ランダムコード信号２３と混合される（すなわち擬似ランダムコード信号２３によって乗算される）。マイクロプロセッサ２０によって制御されるコード発生器２４は、推定した水晶発振器のオフセットが与えられると、推定した信号のドップラーオフセットに適合するように選択されたレートセットで擬似ランダムコード信号２３を生成する。
【００６７】
コード発生器２４は、遅れた擬似ランダムコード信号２５も生成する。この遅れた擬似ランダムコード信号２５は、擬似ランダムコード信号２３と同一であるが、当該擬似ランダムコード信号２３に対して固定したラグがある。この遅れた擬似ランダムコード信号２５もまた、ダウンコンバート済信号２２と混合される。結果として得られた混合信号２６は次に、デシメータ２８によって別個に処理される。デシメータ２８は、アンチエイリアスフィルタを低域濾波し、混合信号２６をより低いサンプリングレートにダウンサンプリングする。ＧＰＳの場合、より低いサンプリングレートとは約１ＫＨｚである。このサンプリングレートは局部のコードレートから導き出して、各コードエポックにつき１つのサンプルが得られるようにすることができる。しかしながら、これは必須ではない。
【００６８】
コードを検索する場合、プロセッサ２０は、コード発生器２４に各積分期間の開始を所要時間だけ瞬間的に進ませる（step）か、コード周波数を正確な時間のあいだ既知の量だけ変化させて、そのコードラグ中に高速ステップを１つ行う。これは好ましい実施形態であるが、代替方式では、検索中にコード周波数を故意にずらし、コードが入力信号のコードに対して連続的に遅くなる（slews）ようにする。
【００６９】
衛星信号を追尾する際、本実施形態では、プロセッサ２０がこのようにコードラグを絶え間なく調整し、コード発生器２４からの擬似ランダムコード信号２３と遅れた擬似ランダムコード信号２５とを、一方が入力信号のコードに先行し（進んだ）、もう一方が入力信号のコードに後続する（遅れた）状態に保つようにする。他の実施形態では、コード発生器２４が、入力信号のコードと同期した第３の信号（プロンプト）を生成するか、あるいは実際に、入力コードの前後１チップ（最小のコード要素）までのラグ間隔にわたるいくつかの付加的な信号が存在する可能性がある。
【００７０】
相関器の出力サンプル２９は、プロセッサ２０に読み込まれ、このプロセッサ２０において、本明細書中で後述する、搬送波信号の振幅、周波数および位相を推定する信号処理アルゴリズムによってさらに処理される。次に、信号がデータの抽出に十分なほど強いためにデータを抽出すべき場合、位相および周波数は、未処理サンプルに作用してデータを抽出する別個のアルゴリズムによって利用される。このデータの抽出方法は当業者には明らかであろう。
【００７１】
次に、追尾した搬送波信号の周波数を用いて、搬送波のドップラーオフセットおよび水晶発振器のオフセットを推定する。搬送波のドップラーオフセット値は後に、受信機（および受信機が搭載されて移動する車両）の速度を推定するために用いられる。
【００７２】
進んだ、および遅れた相関器出力サンプル２９の振幅は、衛星信号の搬送波対雑音比の推定値を表す。これは、雑音レベルがフロントエンドのＡＧＣによって一定に維持されるためである。衛星信号の検索を行う場合、振幅を閾値と比較して、信号が検出されたかを判定する。検出された場合、捕捉手順が開始される。適切な捕捉手順のステップは、当業者には明らかであろう。
【００７３】
追尾の際、コード位相は上述のように調整され、相関器出力サンプル２９の平均振幅を互いに等しい状態に保つようにする。３つまたはそれ以上の相関器出力サンプル２９が存在する場合、同様であるがより複雑なアルゴリズムを適用することができる。これらの制御アルゴリズムの性質は、当業者には明らかであろう。
【００７４】
各積分期間の終わりに、各相関器１８のコード位相３０は、ハードウェア相関器内のラッチ要素３１によって同時にラッチされる。結果として得られる信号は、コード位相測定値３２を表す。これらのコード位相測定値３２は次に、プロセッサ２０に提供される。次にプロセッサ２０は、平滑化アルゴリズムをコード位相測定値３２ならびに搬送波周波数推定値に適用する。このアルゴリズムは、搬送波周波数測定値の精度を利用して１つの積分期間から次の積分期間へのコード位相の変化を予測することによって、コード位相測定値３２中のランダムエラーを経時的に低減するために用いられる。このアルゴリズムはまた、搬送波周波数推定値をフィルタリングして、ランダム誤差を低減させる。搬送波平滑化アルゴリズムについては本明細書中で後述する。
【００７５】
数秒の平滑化後、（好ましい実施形態では５秒）、搬送波を平滑化したコード位相測定値と、フィルタリングした搬送波周波数推定値とを位置ソルバ（location solver）に渡す。この位置ソルバは、ＳＰＳ受信機１の位置と速度を推定する。アルゴリズムは、補助発信源から受信した正確な衛星位置データおよび近似的な位置を利用する。この計算については本明細書中でより詳しく後述する。信号処理、搬送波平滑化および位置求解アルゴリズムはすべて、プロセッサ２０によって実行される。
【００７６】
Ｄ．衛星信号処理アルゴリズム
上記のように、弱い衛星信号のコード位相差を求め、そこからＰＶ解を計算するためには、弱い衛星信号の特別な処理が必要となる。この目的のために、本発明は、衛星信号の振幅、周波数および位相を測定するアルゴリズムを利用する。本発明はまた、コード位相測定値および搬送波周波数推定値に平滑化手順を適用し、経時的に生じるランダム誤差を低減する。最後に、コード位相差を正確な位置および速度の解に変換する式を適用する。各アルゴリズムを順に扱う。
【００７７】
（１）弱い衛星信号の振幅、周波数および位相の推定
各チャネルにいくつかの信号があるハードウェア相関器１８を使用するＳＰＳ受信機１はいずれも、データの存在下で上記いくつかの信号の各々の搬送波の振幅を推定することが要求される。従来の受信機において、位相ロックループまたは周波数ロックループと、遅延ロックループとは、最終的なダウンコンバータ２１とコード発生器２４の周波数をそれぞれ制御する。しかしながら、弱い信号の場合は、信号が弱すぎて、補助アルゴリズムからの何らかの補助を使用しなければロックインすることができない。本発明の信号処理アルゴリズムは、捕捉用の補助アルゴリズムとして使用するか、あるいは任意の位相ロックループや周波数ロックループとは独立して捕捉および追尾の両方のために使用することができる。
【００７８】
強い信号を用いれば、個々の相関器出力サンプル２９から信号を、ロックインが可能な十分な信頼度で検出することが可能である。弱い信号の場合、相関器出力サンプル２９は、雑音が多いため、相関器の出力サンプリングレートが極めて低い場合（例えばＧＰＳの場合は８Ｈｚ）を除き、信号を雑音と区別することができない。しかしながら、デシメータ２８がそのような低サンプリングレートの残留搬送波をフィルタリングして除去してしまうことを防ぐには、ドップラー周波数および水晶発振器オフセットが非現実的な高精度で分かっていなければならない。したがって、より高い相関器出力サンプリングレートを保持する必要があり、コード位相測定値３２において残留搬送波信号の振幅を推定するための適切なアルゴリズムが要求される。
【００７９】
図４は、本発明の一実施形態による相関器１８の進んだ混合信号２９および遅れた混合信号２９の各々からの信号の振幅、周波数および位相の測定に使用されるアルゴリズムのフローチャートを示す。図４を参照すると、当該手順は、相関器１８のコード位相測定値３２からのサンプルのブロックに適用される高速フーリエ変換３３の使用を含む。このアルゴリズムの作用は、残留搬送波信号をＦＦＴ出力３４の数個のビン(bins)に圧縮することである。したがって衛星信号は、コード位相測定値３２に含まれる全時間領域サンプルにわたってエネルギーが拡散しているときは検出できないが、ＦＦＴ出力３４のビンでは検出できる。しかしながら、データ変調により衛星信号がいくつかの隣接するビン間で、その瞬間における積分期間と残留搬送波の位相との両方に関して遷移（transition）が該当する位置に応じて半ランダムに分割されるため、衛星信号の振幅は容易には推定できない。
【００８０】
それにもかかわらず、考えられる衛星信号の存在を検出しているので、ピーク値を中心とするＦＦＴ出力３４のビンに窓掛け操作（window operation）３５を適用することによって、雑音の大部分を除去することが可能である。より遠方のビンは完全に廃棄してもよい。これは単なるフィルタリング操作であり、窓掛けフィルタリングした信号３７の非線形処理３６に先立って信号対雑音比を大幅に向上させ、データ遷移を排除する。窓掛けフィルタリングした信号３７中の残りの窓掛け済ビンは以下のように、雑音およびデータの存在下で振幅を推定するため、いくつかの方法のうちの１つで処理され得る。
１．廃棄したビンを０で埋め、次に、完全なビンの組を逆変換して時間領域に戻すことができる。これにより、信号対雑音比が著しく向上した時間領域サンプルの組が得られ、これらのサンプルは次に、位相ロックループまたは遅延ロックループのロックインを行うように処理され得る。
２．上述のように逆変換を行い、時間領域サンプルを二乗してデータを除去することができる。すると、結果として得られる信号の振幅は、ＤＦＴを用いて周波数領域に変換し直して以前のＦＦＴピークを中心とする数個のビンを得ること、および雑音に埋め込まれたシッソイドの振幅および周波数をいくつかのＦＦＴビンの値に基づいて推定するのに適した任意の推定アルゴリズムを適用することによって推定することができる。信号を二乗する作用の１つとして、残留搬送波信号の周波数を２倍にし、その周波数がサンプルによってエイリアシングされるようにすることに留意することが重要である。このあいまいさは、周波数を求める際に解く必要があるだろう。
３．自己畳み込みプロセス３６では、残りの窓掛け済ビンのベクトルを自己畳み込みさせてデータを除去する。これは時間領域における二乗に相当するが、窓掛けフィルタリングした信号３７中のビン数がＦＦＴ３３のサイズに比べて少ない場合、この自己畳み込みプロセス３６は、上記のオプション２に記載したプロセスよりも計算的な負荷が少ない場合がある。自動畳み込み済サンプル３８は次に、雑音に埋め込まれたシッソイドの振幅および周波数をいくつかのＦＦＴビンの値に基づいて推定するのに適した任意の推定アルゴリズム３９によって処理することができる。ここでもまた、各ビンに対応する周波数は自己畳み込みプロセス３６によって２倍になっており、よってビン幅は周波数の推定の目的で事実上半分となっていることを理解することが重要である。
本発明の好ましい実施形態は、振幅および残留搬送波周波数の推定にオプション３を採用する。ＲＦ搬送波周波数を次のように推定する。
Ｆｃ＝Ｆｄ１＋Ｆｄ２＋（Ｎｐ１＋（Ｎｐ２−Ｎｎｏｍ＋ＮΔ）／２）*Ｆｂｉｎ−ΔＦｘｏ*Ｆｎｏｍ／Ｆｘｏ
ここで、
ＦｃはＲＦ搬送波周波数であり、
Ｆｄ１は、フロントエンドでのダウンコンバージョンによる全周波数シフトであり、
Ｆｄ２は、相関器におけるダウンコンバージョンによる周波数シフトであり、
Ｎｐ１は、ＦＦＴにおけるピーク（自己畳み込みを行うために抽出したビンのうち中央のビン）のＮ点ＦＦＴのビン番号（−Ｎ／２〜（Ｎ／２＋１））であり、
Ｎｐ２は、計算した自己畳み込み済ビンにおけるピークビン（振幅および周波数を推定するために抽出したビンのうち中央のビン）のビン番号であり、
Ｎｎｏｍは、計算した自己畳み込み済ビンにおける公称ピークビン（すなわちラグがゼロに相当する）のビン番号であり、
ＮΔは、計算した自己畳み込み済ビンのいくつかの隣接ビンの解析によって推定される周波数調整（Ｎｐ２に対するビン数およびビンの分数で表す）であり、
Ｆｂｉｎは、元のＦＦＴのビン幅であり、
ΔＦｘｏは、水晶発振器の公称周波数からのオフセットであり、
Ｆｎｏｍは、信号の公称ＲＦ搬送波周波数であり、
Ｆｘｏは、水晶発振器の公称周波数である。
【００８１】
信号の追尾中、所望であれば、前の積分期間中に推定した残留搬送波周波数の正確な値を利用することによって信号処理の計算負荷を減らすことが可能である。例えば、前の積分期間中に用いられたビンのみを計算すればよい。
【００８２】
（２）信号の平滑化
信号の追尾中、コード位相および周波数の推定値は、位置ソルバに渡す前に、搬送波の平滑化プロセスによって精緻化することができる。図５は、かかるプロセスのフローを示す。図示のアルゴリズムは、いくつかの積分期間（Ｊ〜Ｎで任意に表記した）からの記憶された推定値に適用して、最後の積分期間の精緻化された測定値を表す単一組の測定値を計算するブロック計算である。
【００８３】
好ましい実施形態において、アルゴリズムは、個々の衛星の絶対的な推定値を処理するのではなく、１つの衛星からの推定値と他の全ての衛星からの推定値との間の差を処理する。この理由は、位置ソルバの好ましい実施形態において、差は基準発振器の周波数オフセットを考慮せずとも処理できることから、絶対的な推定値ではなく差が用いられるためである。
【００８４】
特定の衛星信号に対応する周波数差推定値４０をすべて、ステップ４２において単純に平均化する。次に予測ステップ４４において、この搬送波周波数差平均４３を用いて前方予測を行う（predict forward）。この予測ステップ４４は、その衛星の最新のコード位相差を除く全てのコード位相差４１に対して、ステップ４５において平均化する前の最新の測定時まで用いる。予測ステップ４４は、搬送波周波数のドップラーオフセット間の差（Ｆｃ１−Ｆｃ２）に基づく、ステップ４６から求めたコード４７の推定ドップラーオフセットを用いる。コード４７の推定ドップラーオフセットを用いて、予測ステップ４４は、次の式を用いてコード位相差４１をＮ個の積分期間だけ前方予測するために用いられる。
Δｐ１−Δｐ２＝Ｆｒａｃ（Δｍ１−Δｍ２＋Ｎ*Ｔｉｐ／（Ｔｅ*Ｆｎｏｍ／（Ｆｃ１−Ｆｃ２））
ここで、
Δｐ１−Δｐ２は、コードエポックの分数として表した予測コード位相差４８であり、
Ｆｒａｃ関数は、実引数の分数成分を与え、
Δｍ１−Δｍ２は、前方予測される測定コード位相（４１）であり、
Ｔｉｐは公称積分期間であり、
Ｔｅは、追尾アルゴリズムから求められるコードエポック期間であり、
他の数量はすべて先に定義した通りである。
予測したコード位相差は次に、ステップ４５において平均化し、コード位相差平均４９を生じる。
【００８５】
（３）コード位相差を用いた位置および速度の解の計算
上述のように、ＰＶ解はＳＰＳ受信機１によって、コード位相差が上記の平滑化アルゴリズムによって処理された後に計算される。図６は、好ましい位置ソルバが用いるＰＶ求解プロセスを示す。位置ソルバは位置および速度を、精緻化された搬送波周波数差平均４３、コード位相差平均４９、正確な衛星位置５２および近似的な受信機の位置５４を用いて以下のように計算する。
【００８６】
ステップ５０において、測定値が存在する全ての衛星までの近似的なレンジ５１を計算する。衛星の位置５２は補助発信源２によって供給されるため、このステップは単に、同様に補助発信源２によって供給された、衛星位置および近似的な位置５４のデカルト座標のベクトル差を含む。これらのベクトル差のベクトル振幅は近似的なレンジ５１である。
【００８７】
ステップ５５において、エポックのあいまいさを解消し、コード位相差平均４９を疑似距離差５６に変換する。全ての近似的なレンジ５１を（コード位相差を計算するために選択した）基準衛星の近似的なレンジから引き、近似的なレンジ差を得る。これらは、後の使用のため、ならびに次式によってエポックのあいまいさを解消する際に使用するために保存する。
Ｐ１−Ｐ２＝ｉｎｔ［（Ｒ１−Ｒ２）／ｃ*Ｔｅ−（?１−?２）＋０．５］＋（?１−?２）
ここで、
Ｃは光速度であり、
Ｔｅは公称エポック期間であり、
Ｐ１およびＰ２は、衛星１および２の疑似距離５６であり、
Ｒ１およびＲ２は、同じ２つの衛星の近似的なレンジ推定値であり、
?１−?２は、同じ２つの衛星間のコード位相差である。
【００８８】
ステップ５８において、ドップラーの影響を受けた搬送波周波数差平均４３から距離変化割合の差５７を計算する。距離変化割合の差５７は、次式に従って計算される。
ｄ（Ｒ１−Ｒ２）／ｄｔ＝−ｃ*（Ｆｃ１−Ｆｃ２）／Ｆｎｏｍ
ここで、
ｃは光速度であり、
ｄ（Ｒ１−Ｒ２）／ｄｔは、衛星１と衛星２の間の距離変化割合の差５７である。
【００８９】
本発明の代替的な一実施形態では、ステップ５９において最新の位置推定値６０および最新の速度推定値６１を、従来のＳＰＳ受信機におけるカルマン航法フィルタの１回の更新と同様の方法で計算する。実際には、時間が許せば、数回の更新に実の航法フィルタをかけて、推定ＰＶ解をさらに精緻化することができる。（しかしながら、この場合は補助発信源２から衛星位置を更新する必要があるだろう。）カルマンゲイン行列Ｋは、よく知られた次式によって与えられる。
Ｋ＝ＰＭT（ＭＰＭT＋Ｒ）-1
かつ
Ｘ＝ＸINIT＋Ｋ（Ｙ−ＹPRED）
ここで、Ｙは測定ベクトルであり、Ｘは、位置および速度の推定値を含む解状態ベクトルである。
この式を用いて、初期の状態ベクトルＸINITを補助発信源からの近似的な位置に速度ゼロで設定する。第１の予測ベクトルＹPREDは、近似的なレンジ５１から導き出した近似的なレンジ差に設定し、距離変化割合の差５７の場合はゼロである。
【００９０】
状態共分散行列Ｐは、行列要素（entries）が近似的な位置および速度の測定値の推定分散を表す対角行列に初期化される。位置分散の推定値は補助発信源２から得るか、あるいは固定値を用いることができる。初期の速度推定値はゼロであり、その分散は用途によって異なる。測定値の分散は、従来の受信機の場合と同様に推定することができるが、例外として、測定値の分散行列Ｒはもはや対角ではない。基準衛星との差を計算したという事実は、衛星間の共分散項が、従来の受信機の場合と同様の０ではなく、分散測定値の半分の値であることを意味する。近似的な位置（５４）および衛星の位置（５２）を用いて、測定行列Ｍの行から方向余弦および方向余弦の差を求めることができる。
【００９１】
システムの達成可能な感度をさらに向上させる上で、さらなる信号処理ステップが有益であることが分かっている。これは、ピークを取り出す前に加重平均フィルタを用いて、コヒーレントな積分期間にわたって様々な振幅の自己畳み込み済ビンをフィルタリングすることによるノンコヒーレント積分を含む。このタイプのフィルタの一例を次式に示す。
Ｘi,j＝ＡＸi,j-1＋（１−Ａ）Ｙi,j
ここで、Ｘi,jは、積分期間ｊにおけるノンコヒーレントにフィルタリングした自己畳み込み済ビンのうちｉ番目のビンの振幅であり、Ｙi,jは、積分期間ｊにおける自己畳み込み済ビンのうちｉ番目のビンであり、Ａは一定のフィルタリング係数である。Ａの値が大きくなればなるほど、フィルタリングの度合は大きくなる。
【００９２】
ノンコヒーレントフィルタリングは、微弱信号追尾の頑強性を向上させ、よって信号をうまく捕捉および追尾することのできる信号レベルを低くすることが分かっている。フィルタリングした振幅は、シッソイドの振幅の推定値に代わるものとして用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】本発明の一実施形態による、補助発信源と、コールテイカと、ＳＰＳ受信機が組み込まれたハンドセットとの間の相互作用を説明するシーケンス図である。
【図２】本発明の一実施形態による、衛星信号を捕捉し、コード位相を測定し、これらの測定値を搬送波により平滑化し、疑似距離差を計算し、ハンドセットの位置を計算するアルゴリズム全体を説明するフローチャートである。
【図３】本発明による標準的なＳＰＳ受信機のブロック図である。
【図４】本発明の一実施形態による、相関器の各チャネルの進んだアームと遅れたアームにおいて振幅を測定するために用いられる信号処理アルゴリズムを説明するブロック図である。
【図５】本発明の一実施形態による、コード位相測定値の誤差を低減するために用いられる搬送波平滑化アルゴリズムを説明するブロック図である。
【図６】本発明の一実施形態による、コード位相差および搬送波周波数差から位置および速度を計算するために用いられるアルゴリズムを説明するブロック図である。
【図７】相関器のハードウェア構成を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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