JP4851186B2 - 衛星位置確認システムのための較正および修正システム - Google Patents
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Description
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。
(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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)。
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。
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/fc0 2 (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/fc0 2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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
Claims (24)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。 - 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。
- 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。 - 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。
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