JP3921172B2

JP3921172B2 - 測位方法、擬似距離計算方法および測位システム

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Publication number: JP3921172B2
Application number: JP2002548469A
Authority: JP
Inventors: シュー、アンドリュー; ファンロイ、ベンジャミン; チチクリス、ジョン
Original assignee: サーフテクノロジーインコーポレイテッド
Priority date: 2000-12-04
Filing date: 2001-12-03
Publication date: 2007-05-30
Anticipated expiration: 2021-12-03
Also published as: CN100442078C; EP1344085A2; KR100657445B1; WO2002046786A2; WO2002046786A3; AU2002220135A1; JP2004515766A; US6525688B2; CN1416530A; US20020097181A1; KR20030007405A

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は、位置−決定方法及び装置に関する。
【０００２】
（発明の背景）
多くのアプリケーションにおいて、その環境中の位置を予測することが必要である。今日、多くの位置決定システムがこの課題のために提案されてきた。そのようなシステムの一つが、全地球測位システム（ＧＰＳ）である。このシステムは、地球の軌道上の複数の衛星を含む。また、地球上には、ＧＰＳ受信器、モニタリングステーション及び差動ＧＰＳ受信器を有する。
【０００３】
GPS衛星は、GPS受信器が地球上での自身の位置を予測可能である信号を送信する。GPS衛星信号は、典型的には、（１）搬送波信号、（２）擬似ランダム雑音（ＰＲＮ）コード、（３）ナビゲーションデータを合成したものを含む。GPS衛星は、２種類の搬送波周波数で伝送する。第一の搬送波周波数は、約1575.42MHzであるのに対して、第２の周波数は約1227.60MHzである。第２の搬送波周波数は主として軍事的アプリケーションのために用いられている。
【０００４】
各々の衛星は、第１の搬送波信号を変調する目的で２つのＰＲＮコードを用いる。第１のコードはcoarse acquisition(C/A)コードである。このコードはチップ（chip）と呼ばれる連続する１０２３のエレメントであり、それは約1MHzレートで変調される。第２のコードはprecise(P)コードであり、７日周期で繰り返され、10MHzレートで変調される。異なった衛星によって送信されるGPS信号を区別するために、異なるＰＲＮコードが異なる衛星へとアサインされる。
【０００５】
ナビゲーションデータは第１の搬送波信号及びＰＲＮコードに重ね合わされる。ナビゲーションデータは一連の５つのフレームとして送信される。各フレームは長さ６秒であり、いつフレームが送信されたかというタイムスタンプを有する。また、ナビゲーションデータのフレームは、衛星のクロック誤差、衛星の軌道（即ちエフェメリスデータ）、及びその他のシステムステータスデータに関する情報を提供する。ＧＰＳ衛星はその高さ、位置、及びスピードにおけるエフェメリス誤差をモニターするモニタリングステーションよりエフェメリスデータを受信する。
【０００６】
ＧＰＳ衛星によって送信される信号を基に、ＧＰＳ技術は、典型的には三角測量法を用いることでＧＰＳ受信器の位置を予測する。それは通常１．５７５４２ＧＨｚの周波数において、少なくとも４つの衛星信号の捕捉及びトラッキングを要求する。ＧＰＳ信号の捕捉はしばしば、様々な位相オフセット及びドップラー変位した周波数での、受信したＧＰＳ信号と各衛星のＣ／Ａコードとの間の相関計算を伴う。コード位相及び位相の遅延は、別名で位相オフセットと呼ばれる。各衛星について、ＧＰＳ捕捉技術は、最大の計算された相関値とともに、その相関値を生じる位相オフセット及びドップラー変位を記録する。ＧＰＳ捕捉技術は次に、結果として最も高く記録された相関値を生じる複数の衛星（例えば４つの衛星）を識別する。
【０００７】
信号を捕捉した後、信号トラッキングプロセスが、それら衛星のための記録された相関値に関係する位相オフセット及びドップラー値で、識別された衛星からの信号をデコードする。具体的には、信号トラッキングプロセスは識別された衛星に対する識別された位相オフセット及びドップラー値を用い、識別された衛星の各々のナビゲーションデータを抽出する。抽出されたデータの一部は、タイムスタンプ情報である。
【０００８】
抽出された時間データより、信号トラッキングプロセスは受信器及び識別された衛星の間の距離を計算し得る。とりわけ、衛星の信号の送信遅延（即ち信号が衛星より受信器に向かって移送される時間）が、受信器が衛星の信号を受信した時間より衛星の送信開始時間（即ち衛星の抽出されたタイムスタンプ）を差し引くことで計算されてもよい。次に、受信器と衛星との距離が、光速と衛星の信号送信遅延時間とを乗ずることで計算され得る。受信器と衛星との間の予測距離若しくは正確な距離が、しばしば衛星の疑似距離と呼ばれる。
【０００９】
信号のトラッキングの後、典型的には計算された疑似距離と衛星の位置とを基に、三角測量プロセスがＧＰＳ受信器位置を計算する。信号の捕捉の間に識別された各衛星の位置は、衛星エフェメリスデータより計算される。理論上、三角測量は３つの衛星のみについて位置と疑似距離の計算を要求する。しかし受信器のクロックにおける不正確さのために、三角測量法はしばしば４つの衛星の位置と疑似距離とを用いる。
【００１０】
複数のＧＰＳシステムはまた、差動ＧＰＳ技術を用いることでその正確さを改善する。そのような技術は、既知の場所における差動ＧＰＳ受信器の操作を要求する。それらの位置を計算するためにタイミング信号を用いる通常のＧＰＳ受信器とは異なって、差動ＧＰＳ受信器は信号経路（ｐａｔｈ）に起因するタイミング誤差を計算するべく、既知の場所を用いる。これら差動ＧＰＳレシーバは、ＧＰＳ信号の移動にかかる時間を決定し、また実際の時間との比較を行う。それらの比較を基に、差動ＧＰＳレシーバは”誤差補正”因子を生成し、それは近くのＧＰＳ受信器へとリレーされる。ＧＰＳ受信器は、次にそれらの誤差を送信遅延計算に入れる。
【００１１】
信号のトラッキングは複数の不利益を有する。例えばそれは煩雑な計算であり、それ故多大な時間を要する。また信号のトラッキングは、タイムスタンプが６秒の長さのナビゲーションデータフレームに埋め込まれている時、選択された衛星のタイムスタンプを抽出するのに最悪６秒、また平均でも３秒を要する。この要求が、位置決定プロセスのスピード低下を招く。最終的には信号のトラッキング及び信頼性をもったデータデコーディングは、捕捉に必要とされるよりもさらに高い信号パワーを要求する。このことは、室内若しくは都市環境におけるようにＧＰＳ信号が減衰される場合の重大な障害となってしまう。
【００１２】
それ故GPS受信器の位置を迅速に識別することが可能な全地球測位システムが必要とされる。GPS受信器の位置を識別するために少量の受信GPSデータのみを必要とする全地球測位システムもまた必要とされる。更に一般的には、複数の若しくは全ての上述された必要性を処理する位置決定システムが必要とされる。
【００１３】
（発明の概要）
本発明の複数の実施例は、複数の送信機と少なくとも一つの受信機とを有する位置決定システムを提供する。各々の送信機が個別で周期的に繰り返される要素を含む信号を送信し、受信機は基準信号を受信する。受信された基準信号に基づき、位置決定システムは、次のように受信器の推定位置を特定する。送信機のセット内の各送信機に対して、システムは、受信された基準信号と、送信機の周期的繰り返し要素のレプリカとの間の位相オフセットを計算する。システムはまた、受信機の近似位置と、受信された信号の近似受信時間を特定する。次にシステムは特定された近似位置及び時間また計算された位相オフセットを用い、送信機のセットのための擬似距離を計算する。最終的に、計算された疑似距離を用いることで、システムは受信機の推測位置を特定する。
【００１４】
（発明を実施するための最良の形態）
本発明は、位置決定方法及び装置を提供する。以下の説明では、説明の目的で多数の詳説が示されている。しかしながら、当業者は、これら特定の詳説を用いることなしに本発明が実行され得ることを理解されるであろう。例えば、いくつかの実施例では本発明は以下に、全地球測位システム（global positioning system）に言及して説明されている。当業者は、本発明の別の実施例では、別の種類の位置決定システムが用いられることを理解されるであろう。別の例では公知の構造及びデバイスは、本発明の説明が不必要な詳説によって不明瞭にならないようにブロックダイヤグラムの形態で示されている。
【００１５】
本発明のいくつかの実施例は、受信機が受信した「参照信号（基準信号）」から位置決定を行うような位置決定システムである。本明細書中で用いているように、参照信号は位置情報が得られるようなあらゆる種類の信号を意味している。それゆえに、参照信号は、GPS（「global positioning system」）信号、CDMA（「code division multiple access」）信号、GSM（「global system for mobile communication」）信号、TDMA（「time division multiple access」）信号、CDPD（「cellular digital packet data」）信号、若しくはその他の位置情報が得られる信号であってよい。
【００１６】
しかしながら、以下に説明される実施例では、参照信号はGPS受信機の位置を見積もるために用い得るGPS信号である。地球上でGPS受信機は通常、地球の周囲を回る人工衛星によって送信されるいくつかの信号の合成であるようなGPS信号を受信する。そのようなGPS人工衛星の信号の特性は背景の章に説明されている。
【００１７】
GPS受信機は独立型の装置であってもよいし、別のモバイルデバイス（例えば、携帯情報端末（「PDA」）、無線電話、その他）の一部であってもよいし、別のモバイルデバイスへの通信接続（例えば、専売SpringBoardを介してHandspring VIsor PDAへの接続）ができてもよい。GPS受信機に対してのそのようなアーキテクチャのいくつかが、2000年12月4日に提出された「Method and Apparatus for Determining Location Using a Thin-Client Device」という題の米国特許出願第09/730,324号に説明されている。この出願（2000年12月4日に提出された「Method and Apparatus for Determining Location Using a Thin-Client Device」という題の米国特許出願第09/730,324号）の開示に言及することをもって本明細書の一部とする。
【００１８】
いくつかの実施例では、GPS受信機の位置を（１）最初に、受信機によって受信したGPS参照信号からK-デジタルサンプルｓ₁、・・・、ｓ_Kを生成し、次に（２）GPS受信機の位置を見積もるためにデジタル化されたGPS参照データ（基準データ）を用いて、GPS受信機の位置を見積もる。GPS受信機は通常、デジタル化作業を実行する。さらに、いくつかの実施例では、GPS受信機は受信したGPS信号の一部のみをデジタル化する。そのようなサンプル生成のためにGPS受信機を用い得るような単純な信号処理回路の例が、図1の参照とともに以下に説明されている。
【００１９】
いくつかの実施例では、（１）GPS受信機により全部が実行される、（２）GPS受信機と接続しているような別のデバイス若しくはコンピュータにより全部が実行される、又は（３）GPS受信機により一部が実行され、GPS受信機と接続しているような別のデバイス若しくはコンピュータにより一部が実行される、のいずれかで実行され得るような位置決定プロセスを用いることによってデジタル化されたGPS参照データからGPS受信機の位置が見積もられる。
【００２０】
いくつかの実施例では、位置決定プロセスは、受信したGPS参照データの信号トラッキングを実行せずに、1組の人工衛星に対して擬似距離を計算する。これらの実施例のいくつかでは、前記プロセスは、1組の人工衛星の各々に対して受信した参照信号のサンプル及び人工衛星のPRNコードのレプリカの間の位相オフセットを計算する。システムは、受信機の近似位置及び概ねの受信時間（例えば、受信信号の開始と概ね同じ時間）も特定する。
【００２１】
このシステムは次に、1組の人工衛星の擬似距離を計算するために、計算された位相オフセット、受信機の概ねの位置、及び概ねの受信時間を用いる。人工衛星の擬似距離を計算するために、いくつかの実施例では、第1サンプルｓ₁を生じるような信号を送信した時間から受信機が第1サンプルｓ₁を生成した時間までに人工衛星から送信されたPRNコードの全て若しくは大部分の長さを計算するために、受信機の近似位置と及び人工衛星の計算されたオフセットを用いる。
最終的に、このシステムは計算された擬似距離を用いて受信機の推定位置を特定する。
【００２２】
ある状況下では、見積もられた受信機の位置は受信機の正確な位置と合致する。別の状況下では、見積もられた受信機の位置は正確な受信機の位置と合致し、その精度は観察者には正確な位置との区別がつかないほど高性能である。しかしながら、さらに別の状況下では、見積もられた位置はある誤差量によってGPS受信機の正確な位置から異なり、このような状況下では、いくつかの実施例はこの（見積もられた位置及び実際の受信機の位置の間の）誤差が特定の位置決定アプリケーションに対して確実に許容範囲にあるようにするためにいくつかのステップをとる。いくつかのより具体的な位置決定プロセスを図２〜１０の参照によって説明していく。
I ．デジタル参照データの生成
図１は、GPS信号を受信し、このGPS信号からK-デジタルサンプルを生成するような信号処理回路１００を図示している。この図に示されているように、信号処理回路１００はGPSアンテナ１０５、GPSチューナー１１０、クロック１１５、ダウンコンバータ１２０、及びアナログからデジタルへの（「A/D」）コンバータ１２５を含む。
【外１】

【００２３】
RFチューナーは、クロック信号を受信すべくクロック１１５と通信接続されている。このクロック１１５は、信号処理回路１００の構成要素の動作を同期させるための1つ以上のクロック信号を生成する。このクロックも、同期クロック信号１３０を受信する。このクロック１１５は、様々なソースから同期信号１３０を受信し得る。例えば、いくつかの実施例では、この信号処理回路１００は、（１）同期信号と共に無線信号を捕らえ、（２）この信号をクロック１１５に供給するような、RF処理回路を含む。
【００２４】
この同期信号によって、クロックが最初にその内部時間をセットすることが可能となり、クロックが参照クロック（基準クロック）と同期することも可能になる。いくつかの実施例では、受信機はネットワーク（例えば、無線電話ネットワーク）の一部であり、受信機クロックのGPSクロックからの外れがマイクロ秒若しくはミリ秒の範囲内であるように、そのクロック１１５はネットワーククロックと同期している。いくつかの実施例では、クロック１１５はGPSクロックと１ミリ秒以下の範囲で同期している。受信機クロックの不正確さの程度は、（１）同期信号１３０を得るソース及び方法、（２）同期信号ソースのクロックの正確さ、（３）GPS受信機クロックの正確さに依存する。
【００２５】
別の実施例では、受信機クロックをGPS時間の所望の時間間隔内に保持するために別の技術を用いてもよいことに留意されたい。例えば、いくつかの実施例では、内部的にクロックのずれに対しての見積もり及び補正を有してもよい。別の実施例では、受信機に高精度のクロックを用いる。
【００２６】
【外２】

【００２７】
信号処理回路１００は、無線周波数と対立するような中間周波数でA/Dコンバータ１２５が参照信号をサンプリングし得るようにダウンコンバータを利用する。当業者は、別の実施例では信号処理回路中に1つ以上のダウンコンバータを含んでよいことを理解するであろう。さらに、いくつかの実施例ではGPS参照信号を、A/Dコンバータでサンプリングされるようなベースバンド参照信号に変換するために1つ以上のダウンコンバータを用いてもよい。
【００２８】
【外３】

【００２９】
【外４】

【００３０】
II ． GPS 受信機の位置の見積もり
図２は、信号処理回路１００によって生成されたデジタルサンプルからGPS受信機の位置を見積もるような位置決定プロセス２００を図示している。以下に説明されるような実施例では、GPS受信機と分離している位置決定サーバがこのプロセス２００を実行する。当業者は、別の実施例では、このプロセス２００が（１）GPS受信機によって全部実行されるか、（２）GPS受信機によって一部が実行され、GPS受信機と通信している別のデバイス若しくはコンピューター（例えば、位置決定サーバ）によって一部が実行される、のいずれかで実行されることも理解するであろう。
【００３１】
図３は、前記プロセス２００を実行するような位置決定サーバ３００を図示している。いくつかの実施例では、このサーバはただ1つのコンピュータであるが、別の実施例では複数のコンピューターがこのサーバを形成している。いくつかの実施例では、これら複数のコンピューターは分散設置されてよい。このサーバは、独立型のデバイスであってもよいし、別のデバイスの一部であってもよい。
【００３２】
図３に示されているように、位置決定サーバ３００は、デジタルGPS参照データｓ₁、・・・、ｓ_Kを１つ以上のベース局３１０を介してクライアントデバイス３０５から受信する。クライアントデバイス３０５は、GPS受信機であるか、GPS受信機を含んでいるか、若しくはGPSに通信接続されているかのいずれかでよい。さらに、各ベース局は個々の領域内で、GPS受信機の信号送信を検知し、この情報を位置決定サーバに中継する。当業者は、GPS受信機からの信号を位置決定サーバへと中継するための種々の通信アーキテクチャ及びネットワークをベース局に用いてよいことを理解するであろう。いくつかの実施例では、ベース局は、クライアントデバイス３０５に無線通信を提供するような電話塔（cell tower）である。
【００３３】
【外５】

【００３４】
【外６】

【００３５】
いくつかの実施例では、データ処理サーバは差動GPSデータ、衛星クロック補正データ、ナビゲーションビット、及びエフェメリスデータ（ephemeris data）にアクセスする必要もある。サーバは、そのようなデータを種々のソースから受信し得る。例えば、図３に示されているように、サーバは1以上のインターネットのような通信ネットワーク３２５を介して１以上の参照GPS受信機３２０からそのようなデータを受信し得る。
【００３６】
個々のGPS受信機に対してプロセス２００を実行するために、位置決定サーバ３００は最初に、GPS参照データの第1サンプルｓ₁を生じさせるような信号を送信した時の全てのGPS衛星の近似位置を（２０５で）計算する。この計算は以下のセクションII.Aで図４の参照によりさらに説明される。
【００３７】
【外７】

【００３８】
【外８】

【００３９】
プロセス２００は次に、GPS受信機の推定位置を計算するために計算された擬似距離を（２２５で）用いる。いくつかの実施例では、以下のセクションII.Eで説明されているように三角測量技術を用いて計算された擬似距離からGPS受信機の推定位置を計算する。
【００４０】
A. 人工衛星位置の計算
【外９】

【００４１】
エフェメリスデータと差動データが与えられると、実用的には人工衛星ｉの位置ｙⁱはＧＰＳ時間ｔの決定論的関数である。エフェメリスデータと差動データから人工衛星の位置を得るための一組の等式が、１９９６年のＡｒｔｅｃｈＨｏｕｓｅ、ＥｌｌｉｏｔｔＫａｐｌａｎによる「ＵｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇＧＰＳＰｒｉｎｃｉｐｌｅｓａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」の３８ページのテーブル２．３に提供されている。計算された人工衛星位置は、通常は地球を中心として地球を固定した座標系で規定されるような３次元ベクトル（ｙⁱ∈Ｒ³）である。
【００４２】
人工衛星iの位置を計算するために、このプロセス２００は最初に、人工衛星が第１サンプルを生じさせるような信号を送信した時間を計算する必要がある。しかしながら、信号のトラッキングを実行せずに正確な送信時間を計算するのは困難である。それゆえに、このプロセス２００はこれらパラメーターの正確な計算をする代わりに各人工衛星の近似的な送信時間及び位置を計算する。
【００４３】
より具体的には、各人工衛星iの送信時間は実際の第１サンプル時間ｔ_１からこの人工衛星に対しての実際の信号通過遅延τ_iを引いたものである。この信号通過遅延τ_iは第１サンプルｓ₁を生じさせるような信号の人工衛星の送信と、受信機による第１サンプルの生成との間の時間である。等式（１）は、人工衛星iの正確な信号通過遅延τ_iを計算する１つの方法を示している。
【００４４】
【数１】

【００４５】
この等式では、lは第１サンプル時間ｔ_１での受信機の正確な位置であり、ｙⁱ(ｔ_１−τ_i)は送信時間(ｔ_１−τ_i)きっかりの人工衛星の正確な位置であり、cは高速であり、τ_i ^αは大気状態による遅延であり、τ^γは受信機のアナログ処理によって生じる遅延である。
【００４６】
位置決定プロセス２００は、差動データを用いて大気状態遅延τ_i ^αを決定し得る。位置決定プロセス２００は各GPS受信機と関連する処理遅延τ^γを（データ記憶装置３１５のような）記憶構造からの検索もし得る。しかしながら、（１）正確なサンプル時間ｔ_１、（２）サンプル時間ｔ_１ちょうどの受信機の正確な位置l、（３）送信時間(ｔ_１−τ_i)ちょうどの人工衛星の正確な位置ｙⁱ(ｔ_１−τ_i)を確かめるのは困難である。それゆえに、信号通過遅延τ_iの正確な値を得るために等式（１）を解くのは困難である。
【００４７】
【外１０】

【数２】

【００４８】
【外１１】

【００４９】
【外１２】

【００５０】
【外１３】

【００５１】
【外１４】

【００５２】
図４で示されているように、プロセス４００は最初に、有しているGPS衛星のリストの中から第1番目のGPS衛星iを（４０５で）選択する。次にこのプロセスは、受信機と関連する信号処理遅延τ^γを（４１０で）決定する。いくつかの実施例では、プロセス２００及び位置決定サーバ３００に用いられる得るようなGPS受信機の各々と関連する処理遅延τ^γを記憶構造に記憶する。それゆえに、これらの実施例では、プロセス４００は問題の個々のGPS受信機と関連する処理遅延τ^γを記憶構造から検索する。
【００５３】
【外１５】

【００５４】
【外１６】

【００５５】
【外１７】

【００５６】
【外１８】

【００５７】
近似送信時間での選択人工衛星の位置を計算した後、このプロセスは選択した人工衛星がGPS衛星リスト中の最後のGPS衛星かどうかを（４４０で）決定する。最後でなければ、このプロセスはこのリストから別のGPS衛星を（４４５で）選択し、この新しく選択した人工衛星の近似位置を決定するために４１５〜４３５を繰り返す。さもなければ、このプロセスは、第1生成サンプルを生じるような信号を送信した近似時間でのGPS衛星の位置を全て計算したものとして終了する。
【００５８】
B. 上方にある人工衛星の特定
【外１９】

【００５９】
【外２０】

【００６０】
【外２１】

【００６１】
【外２２】

【００６２】
【外２３】

【００６３】
【外２４】

【００６４】
６２０で、このプロセス６００は６１５で生成されたスカラー積が６０５で生成されたスカラー積以上であるかどうか決定する。６０５で生成されたスカラー積以上でなければ、このプロセスは以下に説明されるような６３０へ移行する。さもなければ、このプロセスは６１０で選択された人工衛星を上方にある人工衛星として指定し、次に６３０へ移行する。
【００６５】
６３０で、このプロセスは有しているGPS衛星リスト上の全てのGPS衛生を調査したかどうか決定する。全てを調査していなければ、このプロセスはこのリストから別のGPS衛星を選択するために６１０へ戻り、新しく選択した人工衛星が上方にある人工衛星かどうかを決定するために上述した作業を繰り返す。
【００６６】
このプロセスが全てのGPS衛星を調査したと一度（６３０で）決定すると、このプロセスは終了する。このプロセスは通常、プロセス６００の終了時間までに、ある整数NヶのGPS衛星が上方にある人工衛星であると特定する。
【００６７】
C. 位相オフセットの計算
【外２５】

【００６８】
【外２６】

【数３】

【００６９】
【数４】

【００７０】
【外２７】

【００７１】
【外２８】

【００７２】
【外２９】

【００７３】
図７は、いくつかの上方にある人工衛星に対しての有効な位相オフセットを計算するためのプロセス７００を示している。プロセス２００は上方にある人工衛星を特定した後でこのプロセス７００を（２１５で）実行する。このプロセス７００は最初に（７０５で）、上方にある人工衛星を選択し、この人工衛星の最大アンビギュイティ値が0と等しくなるように規定する。
【００７４】
【外３０】

【００７５】
次にこのプロセスは７２０で計算されたアンビギュイティ値が、選択した人工衛星に対してここまでに記録された最大のアンビギュイティ値よりも大きいかどうかを（７２５で）決定する。もし大きくなければ、このプロセスは以下に説明されるような７３５に移行する。もし大きければ、（７３０で）このプロセスは最大アンビギュイティ値を７２０で計算された値と等しくなるようにセットし、この人工衛星の位相オフセットをここまでの位相オフセットで最適のものとして記憶する。次にこのプロセスは７３５へ移行する。
【００７６】
７３５で、このプロセスは候補の組を全て調査したかどうか決定する。もし全て調査していなければ、このプロセスは７１５に戻り、別の候補の組を選択する。そうでなければ、このプロセスは選択した人工衛星の最大アンビギュイティ値がアンビギュイティ値の閾値を越えているかどうかを（７４０で）決定する。もし越えていれば、（７４５で）このプロセスは擬似距離を計算する必要がある人工衛星リストに選択した人工衛星を追加し、その位相オフセットとして７３０で記憶されたこの人工衛星に対しての最適の位相オフセットを記憶する。
【００７７】
７４５から、このプロセスは７５０に移行する。このプロセスは選択した人工衛星の最大アンビギュイティ値がアンビギュイティ値の閾値を越えていないと（７４０で）決定した場合にも７５０に移行する。７４５で、このプロセスは上方にある人工衛星の全てを調査したかどうか決定する。もし全て調査していなければ、このプロセスは７０５に戻り、別の人工衛星を選択する。そうでなければこのプロセスは終了する。
【００７８】
D. 擬似距離の計算
いくつかの上方にある人工衛星の位相オフセットを計算した後、このプロセス２００は次に、1組の人工衛星に対しての擬似距離を計算するために受信機の近似位置及び計算された位相オフセットを（２２０で）用いる。人工衛星の擬似距離を計算するために、このプロセス２００は、この人工衛星が第1サンプルｓ₁を生じさせるような信号を送信した時間から受信機が第1サンプルｓ₁を生成した時間までにこの人工衛星によって送信されたPRNコードの全て若しくは大部分の長さを計算する。
【００７９】
上述したように、信号通過遅延がこの継続時間（即ち、人工衛星が第1サンプルｓ₁を生じさせるような信号を送信した時間と受信機が第1サンプルｓ₁を生成した時間との間の時間）を指している。人工衛星のi^th番目の信号通過遅延の間、人工衛星iはいくつかのPRNコードを送信する。
【００８０】
図８は、これらのPRNコードが3つのカテゴリーにグループ化され得ることを図示している。第1番目のカテゴリーは第1サンプルｓ₁を生じさせる信号を含むようなPRNコードセグメント８０５である。以下の考察では、このPRNコードセグメントを第1PRNコードセグメントと呼ぶ。この第1PRNコードセグメント８０５は、第1サンプルを生じるような信号が第1PRNコードチップの一部であるときは完全な若しくは概ね完全なセグメントであると言われており、また、第1サンプルを生じるような信号が第1PRNコードチップの後のチップの一部であるときは部分的なセグメントであると言われている。
【００８１】
第２番目のカテゴリーは、人工衛星が第１ＰＲＮコードの後且つ第１サンプル時間の前に送信した完全なＰＲＮコード８１０を含む。以下の考察では、これらのＰＲＮコードは全ＰＲＮコードとして呼ぶ。第３番目のカテゴリーは、受信機が第１サンプルを生成したときに人工衛星が送信しているようなＰＲＮコード８１５である。以下の考察では、このＰＲＮコードセグメントを最終ＰＲＮコードセグメント８１５と呼ぶ。この最終ＰＲＮコードセグメント８１５は、第１サンプル時間に人工衛星がこのコードの最終チップを送信しているときは完全な若しくは概ね完全なセグメントであると言われており、第１サンプル時間に人工衛星がこのコードの最終チップの前のチップを送信しているときは部分的なセグメントであると言われている。
【００８２】
以下で等式（５）は、差動補正及び人工衛星クロックの誤差を考慮した後の第1PRNコード、最終PRNコード、及び全PRNコードの総和によってGPS受信機とi^th番目の人工衛星の間の推定距離を計算する1つの方法を図示している。言い換えれば、等式（５）はi^th番目の人工衛星に対しての擬似距離ρ_iの数学的な表現を提供している。
【００８３】
【数５】

この等式では、（１）P_iは第1コードセグメントの長さであり、（２）m_iは全PRNコードの数であり、（３）lは、約300Kmである全PRNコードの長さであり、（４）ν_iはi^th番目の人工衛星の送信位相であり、（５）cは光速であり、（６）cν_iは人工衛星クロックの誤差に対しての調整なしの最終PRNコードの長さであり、（７）d_i ^εは人工衛星クロック誤差の補正因子であり、（８）d_iは大気誤差補正因子である。
【００８４】
したがって、等式（５）では、（１）第1項（P_i）は第1コードセグメントの長さを考慮したものであり、（２）第２項（m_il）は全PRNコードを考慮したものであり、（３）第3項（cν_i + d_i ^ε）は人工衛星クロック誤差を調整した後の最終PRNコードを考慮したものであり、（４）第4項（d_i）は大気遅延を考慮したものである。
【００８５】
図９は、以下の等式（６）にしたがって人工衛星の擬似距離を計算するプロセス９００を図示したものである。
【００８６】
【数６】

等式（６）は、i^th番目の人工衛星に対しての別の擬似距離ρ_iを計算するための数学的な表現を提供している。等式（６）は、人工衛星クロック誤差に対しての調整なしの最終PRNコードの長さであるcν_iを含んでいないこと以外は等式（５）と類似している。以下でさらに説明されるように、このプロセス９００はcν_iを計算しないが、この項をPヶの人工衛星で全て一緒に考慮するために、続く三角測量作業にむしろ残している。
【００８７】
１．第1PRNコードセグメントの長さの計算
人工衛星iの第1コードセグメント８０５の長さP_iは、この人工衛星の位相オフセットφ_iと関連したコードの長さである。したがって、このコードの長さを以下の考察で位相の長さとして呼ぶ。図１０は、人工衛星iの位相の長さと位相オフセットの間の関係を図示している。この図は3つのコードを示している。第1のコード１００５は、受信した信号中のi^th番目の人工衛星のPRNコードである（この図では、受信したPRNコードの模式図は受信信号中の劣化及びひずみを無視している）。
【００８８】
第2コードは、位置決定プロセスが用いるようなi^th番目の人工衛星のPRNコードのレプリカ１０１０である。図１０は、完全なコードのレプリカの長さを図示している。第3コードは、受信したコード１００５と完全に合致させるためにある位相オフセットだけシフトさせたレプリカのバージョンである。図１０に示されているように、この位相の長さは、受信した信号中の第1コードセグメントの長さと等しいような位相オフセットと関連がある。
【００８９】
位相オフセットφiが0〜1の間の正規化された時間の値として表現されると、i^th番目の人工衛星の位相の長さP_iは、以下の等式（７）で表現される。
【００９０】
【数７】

この位相の長さは別の方法で表現してもよい。例えば、位相オフセットが別の方法で表現されると、それは異なるように表現されてよい。
【００９１】
2．全PRNコードセグメントの長さの計算
i^th番目の人工衛星が第1PRNコード８０５の後且つ第1サンプル時間の前に送信した全PRNコード８１０の長さを計算するために、いくつかの実施例では、最初に、これらの完全なコードの数m_iを計算する。等式（８）は、この数を計算するための数学的な表現を提供する。
【００９２】
【数８】

【００９３】
【外３１】

3．最終PRNコードセグメントの長さの計算及び人工衛星クロック誤差の補正
人工衛星クロック誤差を考慮することによりGPS衛星クロックが全て同期している限りは、最終コードセグメント８１５の長さはPヶの人工衛星全てに対して等しくなる。それゆえに、上述したように、このプロセス９００は以下で調整なしのPRNコードの長さ（cν_i）をゼロにセットし、この項をPヶの人工衛星で全て一緒に考慮するために、続く三角測量作業に残している。
【００９４】
上述のように、等式（６）は、人工衛星クロック誤差を考慮するために距離補正因子d_i ^εを含む。等式（９）は、この誤差補正因子を計算するための1つの公式を提供している。
【００９５】
【数９】

この等式では、ε_iはいくつかの実施例では位置決定プロセスによって通信ネットワーク３２５を介してGPS受信機３２０から受信されるような人工衛星クロック誤差である。
【００９６】
4．差動補正の調整
上述したように、等式（６）は、差動補正因子d_iを含む。この補正因子は大気状態及びその他の影響による信号通過遅延を考慮するためのものである。この差動補正因子は、第三者ベンダー、通信ネットワーク３２５経由で公的に利用可能なデータ（例えば、www.ngs.noaa.gov/CORS/cors-data.html）、独立したGPS受信機の文書及びその他のソースを含むような、種々のソースから得ることができる。
【００９７】
5．擬似距離計算プロセス９００
図９の擬似距離計算プロセス９００を以下に説明する。このプロセスは最初に、擬似距離を計算するためにプロセス７００が選択したPヶの人工衛星の1つを（９０５で）選択する。次にこのプロセスは、プロセス７００によって計算された位相オフセットφ_iから選択した人工衛星の位相の長さP_iを計算するために上述した等式（７）を（９１０で）用いる。
【００９８】
このプロセスは次に、人工衛星クロック誤差による距離補正因子d_i ^εを計算するために等式（９）を（９１５で）用いる。上述したように、いくつかの実施例では、通信ネットワーク３２５を介してGPS受信機３２０から人工衛星クロック補正ε_iを検索する。このプロセスは９２０で、第1PRNコード８０５の後且つ第1サンプル時間の前に選択した人工衛星が送信した全PRNコード８１０の数を計算するために等式（８）を用いる。このプロセス９００は次に、９１５で計算された数を約300KmくらいのPRNコードの長さlに乗じることによって、これら全PRNコードの長さを（９２５で）計算する。このプロセスは次に９３０で、大気遅延補正因子d_iを特定する。
【００９９】
このプロセスは次に、９１０、９２０、９２５、及び９３０で計算された値の総和をとることによって、選択した人工衛星の擬似距離を（９３５で）計算する。このプロセス９００は次に、プロセス７００によって特定されたPヶの人工衛星の全ての擬似距離が生成されたかどうかを（９４０で）決定する。もし全てが生成されていなければ、このプロセスは９０５に戻り、次の人工衛星を選択し、新しく選択した人工衛星の擬似距離を計算するために９１０〜９３５を繰り返す。さもなければプロセスは終了する。
【０１００】
E. 位置を決定するための擬似距離の三角測量
擬似距離の計算の後、このプロセス２００は次に、GPS受信機の推定位置を計算するために計算された擬似距離を（２２５で）用いる。いくつかの実施例では、計算された擬似距離からGPS受信機の推定位置を計算するために三角測量の技術を用いる。
【０１０１】
三角測量には、1996年のArtech House、Elliott Kaplanによる「Understanding GPS Principles and Applications」のページ44〜48で説明されているような複数の方法がある。当業者は、これらの方法のいずれもが計算された擬似距離から受信機の位置を計算するために本発明と一緒に容易に用いる得ることを理解するであろう。
【０１０２】
いくつかの実施例では、この三角測量のアルゴリズムは、人工衛星の距離の共通の不確定性を補正するために4つの人工衛星を用いており、三角測量の際に4つの人工衛星を用いることに対して従来のGPSの判断である受信機のクロック誤差を補正する代わりに用いられている。セクションII.D及び図８で説明されるように、この不確定性は最終PRNコード８１５である。この項は全ての人工衛星で共通であり、それゆえに、4つの人工衛星を含むことで、三角測量アルゴリズムはこの項を解くことが可能である。最終PRNコードのこの受信機クロック誤差及び不確定性は同じエンティティの等価な表現である。
【０１０３】
当業者は、上述した実施例がいくつもの利点を有することを理解するであろう。例えば、これらの実施例は人工衛星の擬似距離を計算するために信号のトラッキングを実行しない。したがって、これらの実施例はいくつかの先行技術よりも高速である。さらに、これらの実施例は、人工衛星のタイムスタンプを抽出しないので、数秒ものGPSデータを必要としない。
【０１０４】
本発明は多数の特定の詳説に関して説明されているが、当業者は本発明は、本発明の精神から離れずに、別の特定の形態で実施されてもよいことを理解するであろう。例えば、上記で説明された実施例は商用GPS周波数を用いているが、別の実施例は軍事用GPS周波数を用いており、一方で別の実施例は商用周波数及び軍事用周波数の両方を用いる。すなわち、当業者は本発明は前述の例示的な詳説に制限されるものではなく、むしろ付随する請求項によって規定されることを理解するであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、GPS信号を受信し、このGPS信号からいくつかのデジタルサンプルを生成するような信号処理回路を図示している。
【図２】図２は、信号処理回路によって生成されたデジタルサンプルからGPS受信機の位置を決定するようなプロセスを図示している。
【図３】図３は、位置−決定システムを図示している。
【図４】図４は、特定の送信時間でのGPS衛星の近似位置を計算するプロセスを図示している。
【図５】図５は、近似位置の「上方」にある人工衛星の1つ及び近似位置の「上方」にない別の人工衛星を図示している。
【図６】図６は、近似位置の上方にある人工衛星を特定するようなプロセスを図示している。
【図７】図７は、いくつかの人工衛星に対する位相オフセットを計算するプロセスを図示している。
【図８】図８は、いくつかのGPS衛星からGPS受信機が受信するコードセグメントの種類を図示している。
【図９】図９は、擬似距離を計算するプロセスを図示している。
【図１０】図１０は、GPS受信機によって受信したPRNコード、GPS受信機により記憶されているこのコードのレプリカ、及びこのレプリカの位相シフトバージョンを図示している。

Claims

ＧＰＳ受信機の位置を特定する全地球測位方法であって、
（Ａ）ＧＰＳ受信機でＧＰＳ信号を受信する工程と、
（Ｂ）近似受信時刻として、ＧＰＳ受信機でＧＰＳ信号が受信された時刻を測定する工程と、
（Ｃ）衛星の第１近似位置として、その衛星の近似受信時刻での位置を計算する工程と、
（Ｄ）ＧＰＳ受信機の近似位置と衛星の第１近似位置に基づいて、その衛星の近似伝播遅延を計算する工程と、
（Ｅ）近似受信時刻と衛星の近似伝播遅延に基づいて、その衛星の近似送信時刻を計算する工程と、
（Ｆ）衛星の第２近似位置として、その衛星の近似送信時刻での位置を計算する工程と、
（Ｇ）ＧＰＳ信号と衛星のＰＲＮコードのレプリカの間の位相オフセットを特定する工程と、
（Ｈ）ＧＰＳ受信機の近似位置と、衛星の第２近似位置と、位相オフセットから、その衛星とＧＰＳ受信機の間の完全なＰＲＮコードの個数を計算する工程と、
（Ｉ）完全なＰＲＮコードの個数と位相オフセットから、衛星についての擬似距離を計算する工程と、
（Ｊ）上記（Ｃ）から（Ｉ）の各工程を、各衛星について実施する工程と、
（Ｋ）衛星についての擬似距離を用いてＧＰＳ受信機の位置を計算する工程を備える方法。
前記衛星の近似受信時刻での位置と、前記衛星の近似送信時刻での位置が、参照ＧＰＳ受信機からのエフェメリスデータを用いて計算されることを特徴とする、請求項１の方法。
前記衛星の近似受信時刻での位置と、前記衛星の近似送信時刻での位置が、参照ＧＰＳ受信機からのエフェメリスデータおよび差動ＧＰＳデータを用いて計算されることを特徴とする、請求項１の方法。
前記（Ｄ）の工程の前に、差動ＧＰＳデータを用いて大気遅延を決定する工程をさらに備えており、
前記（Ｄ）の工程において、近似伝播遅延が、ＧＰＳ受信機の近似位置と、衛星の第１近似位置と、大気遅延に基づいて計算されることを特徴とする、請求項３の方法。
ＧＰＳ受信機の近似位置が、ＧＰＳ受信機と直接通信するベース局の位置であることを特徴とする、請求項１から４の何れかの方法。
ＧＰＳ受信機の近似位置が、ＧＰＳ受信機と直接通信するベース局の位置と、ＧＰＳ受信機とベース局の間の通信の信号強度に基づいて計算されることを特徴とする、請求項１から４の何れかの方法。
前記（Ａ）と（Ｂ）の工程が、ＧＰＳ受信機によって実行され、
前記（Ｃ）から（Ｋ）の工程が、ＧＰＳ受信機と通信する位置決定サーバによって実行されることを特徴とする、請求項１から６の何れかの方法。
前記（Ｈ）の工程の前に、衛星クロック誤差補正因子を取得する工程をさらに備えており、
前記（Ｈ）の工程において、衛星とＧＰＳ受信機の間の完全なＰＲＮコードの個数が、ＧＰＳ受信機の近似位置と、衛星の第２近似位置と、位相オフセットと、衛星クロック誤差補正因子に基づいて計算され、
前記（Ｉ）の工程において、衛星についての擬似距離が、完全なＰＲＮコードの個数と、位相オフセットと、衛星クロック誤差補正因子に基づいて計算されることを特徴とする、請求項１から７の何れかの方法。
前記（Ｉ）の工程の前に、大気誤差補正因子を取得する工程をさらに備えており、
前記（Ｉ）の工程において、衛星についての擬似距離が、完全なＰＲＮコードの個数と、位相オフセットと、衛星クロック誤差補正因子と、大気誤差補正因子に基づいて計算されることを特徴とする、請求項８の方法。
前記ＧＰＳ受信機が受信機クロックを備えており、
前記（Ｂ）の工程において、近似受信時刻として、ＧＰＳ受信機でＧＰＳ信号が受信された時刻が受信機クロックを用いて測定されることを特徴とする、請求項１から９の何れかの方法。
前記ＧＰＳ受信機が、無線電話ネットワークと通信可能であって、
前記受信機クロックが、ネットワーククロックと同期していることを特徴とする、請求項１０の方法。
ＧＰＳ受信機に対するＧＰＳ衛星の擬似距離を計算する方法であって、
（Ａ）ＧＰＳ受信機でＧＰＳ信号を受信する工程と、
（Ｂ）近似受信時刻として、ＧＰＳ受信機でＧＰＳ信号が受信された時刻を測定する工程と、
（Ｃ）ＧＰＳ衛星の第１近似位置として、そのＧＰＳ衛星の近似受信時刻での位置を計算する工程と、
（Ｄ）ＧＰＳ受信機の近似位置とＧＰＳ衛星の第１近似位置に基づいて、そのＧＰＳ衛星の近似伝播遅延を計算する工程と、
（Ｅ）近似受信時刻とＧＰＳ衛星の近似伝播遅延に基づいて、そのＧＰＳ衛星の近似送信時刻を計算する工程と、
（Ｆ）ＧＰＳ衛星の第２近似位置として、そのＧＰＳ衛星の近似送信時刻での位置を計算する工程と、
（Ｇ）ＧＰＳ信号とＧＰＳ衛星のＰＲＮコードのレプリカの間の位相オフセットを特定する工程と、
（Ｈ）ＧＰＳ受信機の近似位置と、ＧＰＳ衛星の第２近似位置と、位相オフセットから、そのＧＰＳ衛星とＧＰＳ受信機の間の完全なＰＲＮコードの個数を計算する工程と、
（Ｉ）完全なＰＲＮコードの個数と位相オフセットから、ＧＰＳ受信機に対するＧＰＳ衛星の擬似距離を計算する工程を備える方法。
前記ＧＰＳ衛星の近似受信時刻での位置と、前記ＧＰＳ衛星の近似送信時刻での位置が、参照ＧＰＳ受信機からのエフェメリスデータを用いて計算されることを特徴とする、請求項１２の方法。
前記ＧＰＳ衛星の近似受信時刻での位置と、前記ＧＰＳ衛星の近似送信時刻での位置が、参照ＧＰＳ受信機からのエフェメリスデータおよび差動ＧＰＳデータを用いて計算されることを特徴とする、請求項１２の方法。
前記（Ｄ）の工程の前に、差動ＧＰＳデータを用いて大気遅延を決定する工程をさらに備えており、
前記（Ｄ）の工程において、近似伝播遅延が、ＧＰＳ受信機の近似位置と、ＧＰＳ衛星の第１近似位置と、大気遅延に基づいて計算されることを特徴とする、請求項１４の方法。
ＧＰＳ受信機の近似位置が、ＧＰＳ受信機と直接通信するベース局の位置であることを特徴とする、請求項１２から１５の何れかの方法。
ＧＰＳ受信機の近似位置が、ＧＰＳ受信機と直接通信するベース局の位置と、ＧＰＳ受信機とベース局の間の通信の信号強度に基づいて計算されることを特徴とする、請求項１２から１５の何れかの方法。
前記（Ａ）と（Ｂ）の工程が、ＧＰＳ受信機によって実行され、
前記（Ｃ）から（Ｉ）の工程が、ＧＰＳ受信機と通信する位置決定サーバによって実行されることを特徴とする、請求項１２から１７の何れかの方法。
前記（Ｈ）の工程の前に、衛星クロック誤差補正因子を取得する工程をさらに備えており、
前記（Ｈ）の工程において、ＧＰＳ衛星とＧＰＳ受信機の間の完全なＰＲＮコードの個数が、ＧＰＳ受信機の近似位置と、ＧＰＳ衛星の第２近似位置と、位相オフセットと、衛星クロック誤差補正因子に基づいて計算され、
前記（Ｉ）の工程において、ＧＰＳ受信機に対するＧＰＳ衛星の擬似距離が、完全なＰＲＮコードの個数と、位相オフセットと、衛星クロック誤差補正因子に基づいて計算されることを特徴とする、請求項１２から１８の何れかの方法。
前記（Ｉ）の工程の前に、大気誤差補正因子を取得する工程をさらに備えており、
前記（Ｉ）の工程において、ＧＰＳ受信機に対するＧＰＳ衛星についての擬似距離が、完全なＰＲＮコードの個数と、位相オフセットと、衛星クロック誤差補正因子と、大気誤差補正因子に基づいて計算されることを特徴とする、請求項１９の方法。
前記ＧＰＳ受信機が受信機クロックを備えており、
前記（Ｂ）の工程において、近似受信時刻として、ＧＰＳ受信機でＧＰＳ信号が受信された時刻が受信機クロックを用いて測定されることを特徴とする、請求項１２から２０の何れかの方法。
前記ＧＰＳ受信機が無線電話ネットワークと通信可能であって、
前記受信機クロックがネットワーククロックと同期していることを特徴とする、請求項２１の方法。
ＧＰＳ受信機と、ＧＰＳ受信機と通信可能な位置決定サーバを備える測位システムであって、
ＧＰＳ受信機が、
ＧＰＳ信号を受信する手段と、
近似受信時刻として、ＧＰＳ信号が受信された時刻を測定する手段を備えており、
位置決定サーバが、
衛星の第１近似位置として、その衛星の近似受信時刻での位置を計算する手段と、
ＧＰＳ受信機の近似位置と衛星の第１近似位置に基づいて、その衛星の近似伝播遅延を計算する手段と、
近似受信時刻と衛星の近似伝播遅延に基づいて、その衛星の近似送信時刻を計算する手段と、
衛星の第２近似位置として、その衛星の近似送信時刻での位置を計算する手段と、
ＧＰＳ信号と衛星のＰＲＮコードのレプリカの間の位相オフセットを特定する手段と、
ＧＰＳ受信機の近似位置と、衛星の第２近似位置と、位相オフセットから、その衛星とＧＰＳ受信機の間の完全なＰＲＮコードの個数を計算する手段と、
完全なＰＲＮコードの個数と位相オフセットから、衛星についての擬似距離を計算する手段と、
衛星についての擬似距離を用いてＧＰＳ受信機の位置を計算する手段を備えている測位システム。