JP5688115B2 - 通信リンクを利用した改良型ｇｐｓ受信器 - Google Patents

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関連出願

本出願は、１９９６年３月８日提出のノーマン Ｆ．クラスナー（Ｎｏｒｍａｎ Ｆ．Ｋｒａｓｎｅｒ）による米国特許出願第０８／６１２５８２号の一部継続出願である。
本出願はまた、同じ発明者ノーマン Ｆ．クラスナーによる１９９５年１０月９日提出の「Ｌｏｗ Ｐｏｗｅｒ，Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｐｓｅｕｄｏｒａｎｇｅ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅｓ Ｓｙｓｔｅｍｓ」という名称の仮特許出願第６０／００５３１８号にも関係し、ここにこの仮出願の出願日の利益を主張するものである。

本発明は、衛星の位置情報の決定が可能な受信器に関し、具体的には、全世界測位衛星（ＧＰＳ）システムにおいて適用される前記受信器に関する。

ＧＰＳ受信器は通常、複数のＧＰＳ（またはＮＡＶＳＴＡＲ）衛星から同時に送信された信号の相対的な到着時間を計算することによって、ＧＰＳ受信器自体の位置を決定する。これらの衛星は、そのメッセージの一部として、衛星位置データおよびクロック・タイミングに関するデータを送信する。これらのデータは「エフェメリス（ｅｐｈｅｍｅｒｉｓ、位置推算暦）」データと呼ばれる。ＧＰＳ信号を探索してこれを取得し、複数の衛星のエフェメリス・データを読み、このデータから受信器の位置を計算するプロセスには時間がかかり、これに数分を要することもしばしばである。多くの場合、この処理時間の長さは許容できるものではなく、小型化した携帯用途においてはさらにバッテリ寿命を大幅に制限する。

現在のＧＰＳ受信器の他の限界は、これらの受信器が動作するのは、障害がなく、複数の衛星をはっきりと見通せ、このような信号を受け取るのに良好な品質のアンテナが適正に配置される状況に限定されることである。そのためこれらは、本体取り付け型の携帯用途、樹木の葉や建築物の妨害が大きい区域、および屋内用途では通常使用できない。

ＧＰＳ受信システムの主な機能は２つある。（１）さまざまなＧＰＳ衛星までの擬似距離の計算、（２）これらの擬似距離ならびに衛星のタイミング・データおよびエフェメリス・データを使用した受信プラットホームの位置の計算である。擬似距離は単に、それぞれの衛星から受信した信号と局部クロックとの間で測定した時間遅延である。衛星エフェメリス（衛星位置推算暦）データおよびタイミング・データは、ＧＰＳ信号を取得しトラッキングした後にＧＰＳ信号から抽出される。前述のとおり、この情報の収集には通常、比較的長い時間を要し（３０秒〜数分）、誤り率を低くするために良好な受信信号レベルで実施されなければならない。

知られている実質的に全てのＧＰＳ受信器は、擬似距離の計算に相関法を利用している。これらの相関法はリアルタイムで実行される。ハードウェア相関器を用いて実行されることも多い。ＧＰＳ信号は、擬似乱数（ＰＮ）列と呼ばれる高率繰返し信号を含む。民生用途に使用可能なコードはＣ／Ａコードと呼ばれ、１．０２３ＭＨｚの２進位相反転レート、すなわち「チッピング」レート、および１ミリ秒のコード周期の間に１０２３チップの繰返し周期を有する。このコード列は、Ｇｏｌｄコードとして知られるグループに属している。それぞれのＧＰＳ衛星は、固有のＧｏｌｄコードを有する信号を一斉送信する。

特定のＧＰＳ衛星から受信した信号に対して、ベースバンドへのダウンコンバート処理を実施した後に、相関受信器が、受信した信号に、その局部メモリ内に含まれている適切なＧｏｌｄコードの記憶された複製を乗じ、次いで、その信号が存在することの指示を得るために、その積を積分する、すなわち低域フィルタを通す。このプロセスを「相関」演算と呼ぶ。この受信信号に対する記憶してあった複製の相対的なタイミングを順に調整し、相関出力を観察することによって、受信器は、受信信号と局部クロックの間の時間遅延を決定することができる。このような出力の存在を始めに決定することを「取得（ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ）」と呼ぶ。取得がなされた後、プロセスは「トラッキング」段階に入る。トラッキング段階では、高相関出力を維持するために、局部基準のタイミングを多少調整する。トラッキング段階中の相関出力は、擬似乱数コードを取り除いたＧＰＳ信号、または一般的な用語では「デスプレッド（ｄｅｓｐｒｅａｄ）」信号と見ることができる。この信号は、ＧＰＳ波形に重ね合わされた５０ビット／秒の２進移相偏移キーイング信号に等しい帯域幅を有する狭帯域信号である。

相関取得プロセスには非常に時間がかかる。受信信号が弱い場合にはなおさらである。取得時間を改善するため、多くのＧＰＳ受信器では、相関ピークの並行探索ができるよう複数の相関器（一般に最大で１２個）を利用する。

取得時間を改善する別の方法が、米国特許第４４４５１１８号に記載されている。この方法では、ＧＰＳ信号の取得を助けるために制御基地局から遠隔ＧＰＳ受信器ユニットにドップラー情報を送信する。この方法は取得時間を改善するが、ＧＰＳ衛星は比較的高速で全世界を周回しているので、ドップラー情報が正確であるのは短い時間の間だけである。したがって、正確なドップラー情報を遠隔ユニットが使用することができるためには、ドップラー情報を再送信する必要がある。

米国特許第４４４５１１８号にはさらに、遠隔ＧＰＳ受信器ユニットによる位置決定の精度を向上させる方法が記載されている。以下同特許をテイラー（Ｔａｙｌｏｒ）特許と呼ぶ。テイラー特許では、遠隔ＧＰＳ受信器ユニットの局部発振器の品質が悪いために起こる誤りの元を排除するために、安定な周波数基準が基地局から遠隔ＧＰＳ受信器ユニットに送信される。この方法は、周波数偏移変調（ＦＳＫ）された特殊な信号を使用する。この信号は、ＧＰＳ信号周波数に非常に近い周波数に位置していなければならない。テイラー特許の図４に示されているように、この特殊なＦＳＫ信号の周波数は、１５７５ＭＨｚであるＧＰＳ信号の周波数よりも約２０ＭＨｚ低い。さらに、テイラー特許に記載の方法では、受信器の局部発振器（Ｌ．Ｏ．５２として図示されている）における誤りが全て、ＧＰＳチャネルと基準チャネルの両方に現れ、したがってこれらの誤りが相殺される同相信号除去機構が使用される。この誤りを検出または測定することは試みていない。この方法は、ホモダイン操作と呼ばれることもある。この方法にはいくつかの利点もあるが、この２つのチャネルが周波数を含め、よく一致している必要がある。その上この方法では、両方の周波数が固定されたままである必要であり、そのため、周波数ホッピング手法はこの方法と両立しない。

（発明の概要）
本発明の一態様では、ＧＰＳ移動受信器が、精密搬送周波数信号を供給する発信源から精密搬送周波数信号を受け取る。この受信器は、この周波信号にロックし、ＧＰＳ信号の収集に使用する局部発振器の較正（例えば安定化または補正）に使用される基準信号を供給する。この態様を実施する装置は、一実施態様において、ＧＰＳ信号を受け取る第１のアンテナ、および第１のアンテナに結合されたダウンコンバータを含む。このダウンコンバータは、このダウンコンバータに第１の基準信号を供給する局部発振器に結合される。この装置はさらに、精密搬送周波数信号を供給する発信源から精密搬送周波数信号を受け取る第２のアンテナ、および第２のアンテナに結合された自動周波数制御（ＡＦＣ）回路を含む。このＡＦＣ回路は、第１のアンテナを介して受け取ったＧＰＳ信号を取得するのに使用する第１の基準信号を較正するための第２の基準信号を局部発振器に供給する。精密搬送周波数信号の周波数は送信のたびに変化してもよい。

本発明の一実施態様は衛星暦（ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ａｌｍａｎａｃ）データを含むＧＰＳ衛星情報を、基地局から、遠隔ユニットまたはＧＰＳ移動ユニットにデータ通信リンクを介して送信することによって、遠隔ＧＰＳ受信器の位置を決定する方法を提供する。次いでこの衛星暦データを使用して、遠隔ユニットの視野の中にある衛星のドップラー・データを決定する。遠隔ユニットは続いて、このドップラー・データ、および視野の中の衛星から受信したＧＰＳ信号を使用して、この衛星までの擬似距離を計算する。計算された擬似距離は基地局に送信され、そこで、遠隔ユニットの位置が計算される。さらに、この方法を実施することができる装置のさまざまな実施形態を記載した。

本発明は、例をあげて示されるが、添付図面中の図に限定されない。図面中の同一の参照符号は同様の要素を示す。
本発明の方法を利用した遠隔または移動ＧＰＳ受信システムの主な構成要素のブロック図であり、基地局と前記遠隔システムの間に存在し得るデータ・リンクが示されている。 代替のＧＰＳ移動ユニットのブロック図である。 他の代替ＧＰＳ移動ユニットのブロック図である。 本発明の一実施形態である受信器のＲＦおよびＩＦ部分の２つの代替形態を示す図である。 本発明の一実施形態である受信器のＲＦおよびＩＦ部分の２つの代替形態を示す図である。 本発明の方法に基づくプログラム可能ＤＳＰプロセッサが実行する主な操作（例えばソフトウェア操作）の流れ図である。 本発明の方法に基づくさまざまな処理段階における信号処理波形を示す図である。 本発明の一実施形態における基地局システムを示す図である。 本発明の代替実施形態における基地局システムを示す図である。 本発明の一態様に基づく局部発振器の較正を有するＧＰＳ移動ユニットを示す図である。 局部発振器の較正を有するＧＰＳ移動ユニットの他の実施形態を示す図である。 局部発振器の較正を有するＧＰＳ移動ユニットの他の実施形態を示す図である。 本発明の一実施形態に基づく移動ユニットの電力管理方法を示す流れ図である。 移動ユニットに提供された衛星暦データから、視野の中にある衛星のドップラー情報を導き出す方法を示す図である。

本発明は、移動性のまたは遠隔にある物体の位置を計算する装置および方法に関する。これらは、遠隔ハードウェアが、非常に低い受信信号レベルで動作し、かつ位置情報を正確に測定できる能力を有し、消費電力が非常に低くなるような方法で実施される。すなわち、電力消費が減少する一方で、受信器の感度および精度が向上する。これは、安定な周波数通信信号を遠隔ユニットが受信し、これを使用することによって可能となる。これは、図１Ａに示すような遠隔受信機能を実装し、別に設置された基地局１０から遠隔または移動ＧＰＳユニット２０に衛星暦情報を送信することによって可能となる。

擬似距離を使用して、遠隔ユニットの地理的位置を計算するのには異なる多くの方法があることに留意されたい。以下に３つの例をあげる。
１．方法１：衛星データ・メッセージを基地局１０から遠隔２０に再送信することによって、遠隔ユニット２０が、擬似距離の測定値にこの情報を結合してその位置を計算する。例えば、参照によって本明細書に組み込まれる米国特許第５３６５４５０号を参照されたい。遠隔ユニット２０は一般に、遠隔ユニット２０の内部で位置計算を実行する。
２．方法２：遠隔ユニット２０が、ＧＰＳ信号を受信することによって、当技術分野で一般に実施されている通常の方法で衛星エフェメリス・データを集める。一般に１〜２時間の間有効であるこのデータを擬似距離の測定値に結合し、一般に遠隔ユニット内で位置計算を遂行する。
３．方法３：遠隔ユニット２０が、通信リンク１６を介して擬似距離を基地局１０に送信し、基地局は、この情報を衛星エフェメリス・データと結合して位置計算を遂行する。例えば、参照によって本明細書に組み込まれる米国特許第５２２５８４２号を参照されたい。

方法１および３では、基地局１０および遠隔ユニット２０が、問題の全ての衛星をともに見ることができ、互いが、ＧＰＳ擬似乱数コードの繰返しレートに関連した時間の曖昧性を解決するのに十分に近い距離に配置されることを仮定している。この条件は、基地局１０と遠隔ユニット２０の間の距離が、光速の１／２にＰＮ繰返し周期（１ミリ秒）を乗じたものであるとき、すなわち約１５０ｋｍであるときに満足される。

本発明を説明するため、方法３を利用して位置計算を遂行するものとする。しかし、この明細書を再検討すれば、本発明のさまざまな態様および実施形態を、前記の３つの方法のいずれとでも、またはその他の方法とでも使用することができることを当業者は理解するであろう。例えば方法１の変形形態において、衛星エフェメリスを表すデータなどの衛星データ情報を、基地局が遠隔ユニットに送信してもよく、バッファリングされたＧＰＳ信号から本発明に基づいて計算された擬似距離とこの衛星データ情報を結合して、遠隔ユニットの緯度および経度（多くの場合さらに高度）を得てもよい。遠隔ユニットから受信する位置情報を緯度および経度に限定してもよいし、または、遠隔ユニットの緯度、経度、高度、速度および方角を含む広範囲の情報としてもよいことも理解されよう。さらに、本発明の局部発振器の補正および／または電力管理態様を、方法１のこの変形形態に利用することもできる。さらに、衛星暦情報を、遠隔ユニット２０に送信し、遠隔ユニット２０がこれを本発明の態様に基づいて利用するようにしてもよい。

方法３において基地局１０は、図１Ａに示すデータ通信リンク１６を介して送信されるメッセージを通じて遠隔ユニット２０に測定を実行するよう指示する。一般に、遠隔ユニット２０に指示を与える基地局１０からのメッセージがさらに、視野の中にある特定の衛星の識別または、その他の初期設定データを指定してもよい。基地局１０は、このメッセージに含めて（または事前に）、衛星データ情報の形態の衛星暦情報を送信してもよい。この衛星暦情報は一般に、ＧＰＳ衛星群の全ての衛星の時刻ごとの大まかな位置の記述を含んでいる。米国特許第４４４５１１８号には、衛星暦データに含めることができるデータのいくつかが記載されている。遠隔ユニット２０の部分である別個のモデム２２がこのメッセージを受け取り、低電力マイクロプロセッサ２６に結合されたメモリ３０がこれを記憶する。次いで、この衛星暦情報を使用して、視野の中にある衛星のドップラー情報を導き出すことができる。このドップラー情報の導出については後にさらに説明する。この暦データは最長１カ月間有効である。マイクロプロセッサ２６は、遠隔ユニットの処理部材３２〜４８とモデム２２の間のデータ情報転送を処理し、以下の議論で明らかにする遠隔受信器２０内部の電力管理機能を制御する。擬似距離の計算および／またはその他のＧＰＳ計算の実行時、または、代替の電源が使用可能なときを除いて、マイクロプロセッサ２６は通常、遠隔ユニット２０の全てまたはほとんどのハードウェアを低電力状態、すなわちパワー・ダウン状態にセットする。しかしモデムの受信器部分は、少くとも周期的にオン（フル・パワー状態まで）にされ、遠隔ユニットの位置の決定を促すコマンドが基地局１０から遠隔ユニットに送信されたか否かを判定する。

遠隔ユニットの視野の中にある衛星のドップラー情報を導き出すのにこの衛星暦情報を使用すると、遠隔ユニット２０がこのドップラー情報を探索する必要がなくなり、これによって、その処理時間が１０分の１未満に減少する。ドップラー情報の使用によってさらに、ＧＰＳ移動ユニット２０が、ＧＰＳ信号のサンプルをより高速に処理することが可能となり、これによって、位置情報を計算するためにプロセッサ３２がフル・パワーを受け取らなければならない時間が短縮される傾向がみられる。これだけで、遠隔ユニット２０によって消費される電力が減り、かつ感度が向上する。ＧＰＳメッセージ内のデータのエポックを含む追加の情報を遠隔ユニット２０に送信してもよい。

受信データ・リンク信号は精密搬送周波数を利用することができる。遠隔ユニット受信器２０は、後に説明する図６に示すように自動周波数制御（ＡＦＣ）ループを使用して、この搬送波にロックし、これによってさらに、（例えば、ＧＰＳ信号の取得に使用するＧＰＳ局部発振器の出力周波数を補正することによって）遠隔ユニット受信器自体の基準発振器を較正することができる。メッセージ伝送時間を１０ミリ秒、受信信号対雑音比を２０デシベルとすると、ＡＦＣを介した周波数測定が、１０Ｈｚまたはこれより優れた精度で実施可能となる。これは一般に、本発明の必要条件を満たしてあまりあるものであろう。この特徴は、従来法または本発明の高速畳込み法を使用して実行される位置計算の精度をも強化する。この特徴については後にさらに詳細に説明する。

本発明の一実施形態では、通信リンク１６は、双方向ページャ・システムなどの市販の狭帯域無線周波通信媒体である。このシステムは、遠隔ユニット２０と基地局１０の間で伝送されるデータ量が比較的小さい実施形態に使用することができる。ドップラー（衛星暦データの代替）およびその他のデータ（例えば視野の中にある衛星の識別などの初期設定データ）の送信に必要なデータ量は比較的小さく、同様に、位置情報（例えば擬似距離）に必要なデータ量も比較的小さい。したがって、狭帯域システムがこの実施形態に適当である。ＧＰＳ衛星群の全ての衛星のおおよその位置を記述するのに必要なデータ量を狭帯域通信システムで効率的に送信できるように、衛星暦データを圧縮してもよい。短時間に大量のデータを送信する必要があるシステムでは、より高帯域の無線周波通信媒体が必要となることがある。これらのより高帯域のシステムが、圧縮していない衛星暦データを送信する実施形態に必要となることがある。

衛星暦情報は、長期間（例えば一般に１カ月間）良好な精度を維持するので、圧縮していない衛星暦情報を送信するときでも、狭帯域システムの使用が効率的でありえることを理解されたい。したがって、この情報を月に１度送信し、ＧＰＳ移動ユニット（例えば、フラッシュＥＥＰＲＯＭメモリ）に記憶し、１カ月間それを使用してもよい。この場合には一般に、この情報は、衛星暦データを受け取った日付を指示するタイム・スタンプとともに記憶される。遠隔ユニットは次いで、位置情報の提供を指示するコマンドを受け取ったときに、衛星暦データが古くなっていないかどうかを判定し、これに応じて基地局から送信された暦データを受け取ったり、または受け取らなかったりする。データが古くなっていない（例えば、その暦データが、そのタイム・スタンプの指示から判断して１カ月または他の所定の期間に達していない）場合には、記憶してあったデータを使用することができ、「新しい」衛星暦データを受け取る必要はなく、このようなデータの自動送信は無視される。代替として、衛星暦データを送信した遠隔ユニット、およびそれぞれの遠隔ユニットに対して衛星暦データを最後に送信した日付を指示するタイムスタンプのリストを基地局が保持することによって、衛星暦データを送信するべきか否かを基地局が判定してもよい。この場合基地局は、特定の遠隔ユニットに記憶された最後の衛星暦データの古さに基づいて、位置決定コマンドを送信する際に衛星暦データも送信するか否かを判定する。特定の遠隔ユニットの暦データが古くなっていない（例えば１カ月がたっていない）場合には、暦データを付けずに位置決定コマンドのみを基地局から遠隔ユニットに送信する。暦データが古くなっている場合には、現在の衛星暦データを遠隔ユニットに送信する。

遠隔ユニット２０が衛星暦情報とともにＧＰＳ処理コマンドを（例えば基地局１０から）受信した後（または、局所的に記憶された衛星暦データが使用可能であると遠隔ユニット２０が判定した後）、マイクロプロセッサ２６は、バッテリ／電力レギュレータおよび電源スイッチ回路３６（および制御電力線２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ）を介して、ＲＦ−ＩＦ変換器４２、アナログ−ディジタル変換器４４およびディジタル・スナップショット・メモリ４６を活動化し、これらの構成要素にフル・パワーを提供する。これによって、アンテナ４０を介して受信されたＧＰＳ衛星からの信号がＩＦ周波にダウンコンバートされ、続いてディジタル化される。次いで、一般に１００ミリ秒から１秒の持続時間に対応するこのようなデータ・セットがスナップショット・メモリ４６に記憶される。感度を向上させるほうが電力の節約よりも重要である状況では、（感度をよくするために）メモリ４６により多くのデータを記憶し、電力の節約が感度よりも重要である状況では、記憶するデータを減らすといったように、マイクロプロセッサ２６は記憶するデータの量を制御することができる。一般に、ＧＰＳ信号が部分的に妨害されるときには感度がより重要となり、電源を豊富に使用可能なとき（例えばカー・バッテリの使用）には、電力を節約する重要性は低くなる。このデータを記憶するメモリ４６のアドレス指定は、フィールド・プログラム可能ゲート・アレイ集積回路４８によって制御される。後にさらに論じるように、ＧＰＳ信号のダウンコンバートは、局部発振器信号３９を変換器４２に供給する周波数シンセサイザ３８を使用して実施される。

この期間中（視野の中にある衛星からのディジタル化されたＧＰＳ信号をスナップショット・メモリ４６に記入している間）は、ＤＳＰマイクロプロセッサ３２を低消費電力状態に維持することができることに留意されたい。ＲＦ−ＩＦ変換器４２およびアナログ−ディジタル変換器４４は一般に、擬似距離計算に必要なデータを収集し記憶するのに十分な短時間の間のみオンにされる。データ収集が完了した後、制御電力線２１ｂおよび２１ｃを介して、これらの変換器がオフにされるか、または、供給電力が低減される（ただしメモリ４６はフル・パワーを受け取り続ける）。したがって実際の擬似距離計算中の消費電力の増大には寄与しない。次いで、擬似距離計算が実行される。一実施形態ではこれに、テキサス・インスツルメンツ（Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）社のＴＭＳ３２ＯＣ３Ｏ集積回路などの汎用プログラム可能ディジタル信号処理ＩＣ３２（ＤＳＰ）を使用する。このＤＳＰ３２はこの計算の実行前に、制御電力線２１ｅを介して、マイクロプロセッサ２６および回路３６によって活動化電力状態に置かれる。

このＤＳＰ３２は、カスタムメイドの専門ディジタル信号処理ＩＣと比べると、汎用プログラム可能ＤＳＰである点が、いくつかの遠隔ユニットＧＰＳユニットで使用されるその他のＤＳＰとは異なる。さらにＤＳＰ３２では、局所的に生成された基準信号と受信信号との間の多数の相関演算を高速に実行することによって擬似距離の非常に高速な計算を可能とする高速フーリエ変換（ＦＦＴ）アルゴリズムを使用することができる。受信した各ＧＰＳ信号のエポックの探索を完了するのには一般に、２０４６回の相関演算が必要である。高速フーリエ変換アルゴリズムによって、このような位置の全てを同時かつ並列に探索することが可能となり、これによって、必要な計算プロセスが、従来の方法に比べて１０〜１００倍も高速になる。

視野の中にある各衛星の擬似距離の計算が完了した後、ＤＳＰ３２は、本発明の一実施形態において、相互接続バス３３を介してマイクロプロセッサ２６にこの情報を送信する。このとき、マイクロプロセッサ２６は、バッテリ／電力レギュレータ回路３６に適当な制御信号を送ることによってＤＳＰ３２およびメモリ４６を再び低消費電力状態に置くことができる。最終的な位置計算のため、マイクロプロセッサ２６は次いで、モデム２２を利用し、データ・リンク１６を介して擬似距離データを基地局１０に送信する。擬似距離データに加えて、バッファ４６への最初のデータ収集からデータ・リンク１６を介したデータの送信までの経過時間を指示する時間タグを同時に基地局１０に送信してもよい。この時間タグによって、データ収集の時点におけるＧＰＳ衛星位置の計算が可能となるので、時間タグは、基地局の位置計算性能を向上させる。代替の方法として、前記方法１に従ってＤＳＰ３２が、遠隔ユニットの位置（例えば緯度および経度、または緯度、経度および高度）を計算し、このデータを、マイクロプロセッサ２６に送信し、同様にこのデータを、モデム２２を介して基地局１０に中継するようにしてもよい。この場合、ＤＳＰが、衛星データ・メッセージを受信してからバッファのデータ収集が開始されるまでの経過時間を維持することによって位置計算が容易になる。これによって、データ収集の時点におけるＧＰＳ衛星の位置計算が可能となるので、遠隔ユニットの位置計算性能が改善される。

図１Ａに示すように一実施形態では、モデム２２が別個のアンテナ２４を利用し、データ・リンク１６を介してメッセージを送受信する。モデム２２は、アンテナ２４に交互に結合される通信受信器および通信発信器を含むことを理解されたい。同様に基地局１０も、別個のアンテナ１４を使用してデータ・リンク・メッセージを送受信することができ、これによって、基地局１０のＧＰＳアンテナ１２を介してＧＰＳ信号を連続的に受信することが可能となる。

一般的な例では、ディジタル・スナップショット・メモリ４６に記憶されたデータの量、およびＤＳＰまたは複数のＤＳＰの速度に応じて、ＤＳＰ３２での位置計算が数秒以下で済むことが期待される。

基地局１０からの位置計算コマンドが頻繁でなければ、遠隔ユニット２０の高電力消費回路の活動化は短時間でよいことは以上の議論から明らかである。少くとも多くの状況において、このようなコマンドによって遠隔機器が高電力消費状態に活動化されるのは、その時間のたかだか約１％に過ぎないことが予想される。

そしてこれによって、バッテリの動作時間はそうしない場合の１００倍も長くなる。電力管理操作の実施に必要なプログラム・コマンドは、ＥＥＰＲＯＭ２８またはその他の適当な記憶媒体に記憶される。この電力管理戦略を、異なる電力利用度状況に適合可能なものにすることができる。例えば、主電源が使用可能なときには、位置の決定を継続して実施することができる。

先に指摘したように、ディジタル・スナップショット・メモリ４６は比較的長い時間に対応するレコードを取り込む。高速畳込み法を使用したこの大きなデータ・ブロックの効率的な処理は、（例えば、建物、樹木などによる部分的な妨害のために受信状態が悪いときなどに）低い受信レベルの信号を処理できる本発明の能力に寄与する。視野の中の全てのＧＰＳ衛星の擬似距離は、バッファリングされたこの同じデータを使用して計算される。これによって、（都市の妨害条件などの）信号振幅が急速に変化する状況において、連続トラッキングＧＰＳ受信器に関して性能が向上する。

図１Ｂに示したわずかに異なる実施態様は、マイクロプロセッサ２６およびその周辺装置（ＲＡＭ３０およびＥＥＰＲＯＭ２８）を使用せず、その機能を、より複雑なＦＰＧＡ（フィールド・プログラム可能ゲート・アレイ）４９に含まれた追加の回路で置き換える。図１Ｂに示した遠隔ユニットの構造および動作は、１９９６年３月８日に提出されたノーマン Ｆ．クラスナーによる米国特許出願第０８／６１２６６９号、特許第５６６３７３４号に、より詳細に記載されている。この出願は、参照によって本明細書に組み込まれる。図１Ｂの遠隔ユニットはＤＳＰ３２ａを使用し、図７に示すような電力管理方法に従って、異なる構成要素を選択的にオンにしたり、またはこれらへの供給電力を減らしたりする。

図１Ｃに、本発明に基づくＧＰＳ移動ユニットの他の実施形態を示す。このユニットは、図１Ａおよび図１Ｂに示したＧＰＳ移動ユニットの構成要素の多くを含む。

図１Ｃは、ＧＰＳ移動ユニットが、感度を電力節約とトレードオフする本発明の機能を示す図である。本明細書で説明したように、メモリ４６に記憶するＧＰＳ信号の量を増やすことによってＧＰＳ移動ユニットの感度を向上させることができる。これは、より多くのＧＰＳ信号を収集し、ディジタル化して、メモリ４６に記憶することによって実施される。このバッファリングの増大によって電力消費も増大するが、ＧＰＳ移動ユニットの感度は向上する。図１Ｃに示した遠隔ユニットの構造および動作は、１９９６年３月８日提出の前掲米国特許出願第０８／６１２６６９号に、より詳細に記載されている。

ＧＰＳ移動ユニットのＲＦ−ＩＦ周波数変換器およびディジタル化システムの代表的な例を図２Ａおよび図２Ｂに示す。図２Ａおよび図２Ｂに示したこれらの例の構造および動作は、１９９６年３月８日提出の前掲米国特許出願第０８／６１２６６９号に、より詳細に記載されている。

ＤＳＰ３２で実施されるＧＰＳ信号処理の詳細は、図３の流れ図、ならびに図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃ、図４Ｄ、および図４Ｅに参照することで理解することができる。以下に説明する信号処理を実行する機械コードまたはその他の適当なコードがＥＰＲＯＭ３４に記憶されることは当業者には明白である。その他の不揮発性記憶装置を使用してもよい。以下では、図２ＡのＩ／Ｑサンプリングを使用するものとし、スナップショット・メモリ４６は、２．０４８ＭＨｚの２つのディジタル・データ・チャネルを含むものとする。この処理の目的は、局所的に生成された波形に関して受信波形のタイミングを決定することにある。さらに、高い感度を達成するため、このような波形の非常に長い部分を処理する。これは一般に、１００ミリ秒から１秒である。この信号処理で使用するドップラー情報は、記憶されていた衛星暦データから導き出されたドップラー情報でも、または最近送信された衛星暦データから導き出されたドップラー情報でもよいことを理解されたい（位置コマンドとともに遠隔ユニットに直接に送信されたドップラー情報を使用することもできる。この場合は、遠隔ユニット内でドップラー情報を導き出す必要がなくなる）。衛星暦データからのドップラー情報の導出については、図８との関連で本明細書でさらに説明する。図３、および図４Ａないし図４Ｅに示した信号処理に関しては、１９９６年３月８日提出の前掲米国特許出願第０８／６１２６６９号に、より詳細に記載されている。

図３、および図４Ａないし図４Ｅに示した前述の信号処理の概要を次に説明する。視野の中の１つまたは複数のＧＰＳ衛星からのＧＰＳ信号を、遠隔ＧＰＳユニット上のアンテナを使用して遠隔ＧＰＳユニットが受信する。これらの信号はディジタル化されて、遠隔ＧＰＳユニット内のバッファに記憶される。これらの信号を記憶した後、一実施形態では、プロセッサが前処理、高速畳込み処理および後処理操作を実施する。これらの処理操作には以下のものが含まれる。

ａ）ＧＰＳ信号に含まれる擬似乱数（ＰＮ）コードの複数のフレーム周期に持続時間が等しい一連のブロックに記憶したデータを分解する。
ｂ）各ブロックに対して前処理段階を実行する。前処理段階では、１つのＰＮフレームと等しい持続時間を有する連続するデータ・サブブロックをコヒーレントに加算することによって、擬似乱数コード周期の持続時間に長さが等しい圧縮されたデータ・ブロックを生成させる。この加算段階は、対応するサンプル番号のサブブロックどうしを加算することを意味する。
ｃ）圧縮された各ブロックに対して、整合フィルタリング操作を実行する。この操作では、高速畳込み手法を利用して、データ・ブロックに含まれる受信したＰＮコードと局所的に生成されたＰＮ基準信号（例えば処理中のＧＰＳ衛星の擬似乱数列）との間の相対的なタイミングを決定する。
ｄ）前記整合フィルタリング操作から生成された積に絶対値２乗演算を実行することによって擬似距離を決定し、これを後処理する。後処理では、絶対値２乗データ・ブロックを加算して全てのブロックの絶対値２乗データを単一のデータ・ブロックに結合することによって、１つのピークを生成させる。
ｅ）前記単一のデータブロックのピークの位置をディジタル補間法を使用して高い精度で見つけ出す。この位置は、データ・ブロックの始まりから前記ピークまでの距離であり、これが、処理中の擬似乱数列に対応するＧＰＳ衛星の擬似距離を表す。

バッファリングされたＧＰＳ信号の処理に使用される高速畳込み手法は一般に、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）であり、畳込みの結果は、圧縮ブロックの順変換と事前に記憶した擬似乱数列の順変換表現の積を計算して第１の結果を生成し、次いで、第１の結果の逆変換を実行して結果を回復することによって生成される。また、ドップラーで誘導された時間遅延および局部発振器で誘導された時間誤差の効果は、高速フーリエ変換の順変換操作と逆変換操作の間に、サンプル番号ごとの位相がそのブロックに必要な遅延補償と一致するように調整された、複素指数関数を圧縮ブロックの順ＦＦＴに乗算する操作を挿入することによって、各圧縮データ・ブロックごとに補償される。

前述の実施形態では、各衛星からのＧＰＳ信号の処理は、並列にではなく、時間軸にそって逐次的に実施される。代替実施形態では、視野の中にある全ての衛星からのＧＰＳ信号を時間並列的な方法で一度に処理する。

本明細書では、基地局１０は、問題の全ての衛星の共通視野を有し、Ｃ／Ａ ＰＮコードの繰返し周期に関連した曖昧性を回避するために、遠隔ユニット２０に十分に近いと仮定する。９０マイルの距離はこの基準を満たす。さらに、基地局１０はＧＰＳ受信器を有し、視野の中の全ての衛星を連続的に高い精度で追跡できるような良好な地理的位置にあると仮定する。

記載した基地局１０のいくつかの実施形態では、ＧＰＳ移動ユニットの緯度および経度などの位置情報を計算するために、基地局のコンピュータなどのデータ処理構成要素が使用されるが、それぞれの基地局１０が単に、ＧＰＳ移動ユニットからの擬似距離など受信した情報を、緯度および経度の計算を実際に実行する１つまたはいくつかの中央局（ｃｅｎｔｒａｌ ｌｏｃａｔｉｏｎ）に中継するだけでもよいことを理解されたい。この方法では、データ処理ユニットおよび関連構成要素をそれぞれの中継基地局から排除することによって、これらの中継基地局のコストおよび複雑さを低減させることができる。この場合中央局は、受信器（例えば電気通信受信器）、ならびにデータ処理ユニットおよび関連構成要素を含むことになろう。さらにある実施形態では、ドップラー情報または衛星暦データを衛星から遠隔ユニットに送信し、これによって送信セル内に基地局をエミュレートして、基地局を仮想基地局とすることもできる。

図５Ａおよび図５Ｂに、本発明に基づく基地局の２つの実施形態を示す。図５Ａに示した基地局では、ＧＰＳ受信器５０１がＧＰＳアンテナ５０１ａを介してＧＰＳ信号を受信する。ＧＰＳ受信器５０１は従来のＧＰＳ受信器でよく、一般にＧＰＳ信号を基準として調時された時間基準信号、およびＧＰＳ衛星群の全ての衛星の衛星暦データを供給する。ＧＰＳ受信器５０１が、視野の中の衛星に関するドップラー情報を供給してもよい。このＧＰＳ受信器５０１は、調整された局部発振器５０５に結合される。この局部発振器は時間基準信号５１０を受け取り、この基準信号に位相ロックする。この調整された局部発振器５０５は、変調器５０６に提供される出力を有する。変調器５０６はさらに、衛星暦データ（または、ＧＰＳ移動ユニットの視野の中にある各衛星のドップラー・データ情報信号）および／またはその他の衛星データ情報信号５１１を受け取る。変調器５０６は、衛星暦データ（またはドップラー・データ）および／またはその他の衛星データ情報で、局部発振器５０５から受け取った局部発振器信号を変調し、変調された信号５１３を発信器５０３に供給する。衛星暦情報などの衛星データ情報を発信器のアンテナ５０３ａを介してＧＰＳ移動ユニットに送信するのに、データ処理ユニット５０２が発信器５０３の動作を制御できるよう、発信器５０３は、相互接続５１４を介してデータ処理ユニット５０２に結合される。このようにしてＧＰＳ移動ユニットは、ＧＰＳ受信器５０１が受信した衛星暦情報、および図６に示すようなＧＰＳ移動ユニット内の局部発振器の較正に使用できる高精度の局部発振器搬送波信号を受け取ることができる。位置決定コマンドの送信のたびに、基地局が、現在の衛星暦データを自動的に遠隔ユニットに送信するようにしてもよいことを理解されたい。これの代わりに、基地局が、前述のとおりに、遠隔ユニットに記憶された衛星暦データが古くなっているか否かを判定し、遠隔ユニットに記憶されているデータが古くなっている場合にのみ現在の暦データを送信するようにしてもよい。高帯域通信システム（例えばセルラ電話システム）を通信リンクに使用している場合には、前者の方法のほうが好ましい。狭帯域通信システムを使用している場合には後者の方法のほうが好ましい。

図５Ａに示した基地局はさらに、遠隔ユニットまたはＧＰＳ移動ユニットから通信アンテナ５０４ａを介して通信信号を受信するように結合された受信器５０４を含む。アンテナ５０４ａを、送信器のアンテナ５０３ａと同一のアンテナとし、単一のアンテナが、従来の方法で発信器および受信器の両方のアンテナの働きをするようにするようにしてもよいことを理解されたい。受信器５０４は、データ処理ユニット５０２に結合される。データ処理ユニット５０２は、従来型のコンピュータ・システムでよい。処理ユニット５０２はさらに、ドップラー・データ情報および／またはその他の衛星データ情報をＧＰＳ受信器５０１から受け取る相互接続５１２を含むことができる。この情報を、移動ユニットから受信器５０４を介して受信した擬似距離情報またはその他の情報の処理に利用することができる。このデータ処理ユニット５０２はディスプレイ装置５０８に結合される。ディスプレイ装置５０８は従来型のＣＲＴでよい。データ処理ユニット５０２はさらに、ディスプレイ５０８に地図を表示するのに使用するＧＩＳ（地理情報システム）ソフトウェア（例えば米カリフォルニア州サンタクララのストラテジック・マッピング社（Ｓｔｒａｔｅｇｉｃ Ｍａｐｐｉｎｇ，Ｉｎｃ．）のＡｔｌａｓ ＧＩＳ）を含む大容量記憶装置５０７に結合される。ディスプレイ地図を使用すると、表示された地図に対応させてＧＰＳ移動ユニットの位置をディスプレイ上に示すことができる。

図５Ｂに示す代替の基地局は、図５Ａに示した構成要素の多くを含む。しかし図５Ｂの基地局は、衛星暦データ、あるいはドップラー・データ情報および／またはその他の衛星データ情報をＧＰＳ受信器から得ることはせず、代わりに、電気通信リンクまたは無線リンクから従来の方法で得た衛星暦データ、あるいはドップラー・データ情報および／またはその他の衛星データ情報の発信源５５２を含んでいる。例えば、インターネット上のサーバ・サイトからこの情報を得ることができる。このドップラー情報および／または衛星情報は、相互接続５５３を介して変調器５０６に送られる。図５Ｂに示した変調器５０６のもう一方の入力は、セシウム標準局部発振器などの基準品質の局部発振器からの発振器出力信号である。この基準局部発振器５５１は精密搬送周波数を供給する。この精密搬送周波数は、ドップラー・データ情報および／またはその他の衛星データ情報で変調され、次いで、発信器５０３を介してＧＰＳ移動ユニットに送信される。

前の議論では、衛星データ伝送および周波数基準情報の全ての機能を統合する基地局を示したが、実際の状況のほとんどでは、これは、セルラ・システムまたはページング・システムなどの商用通信システムを使用して部分的に実行することができる。例えば、ほとんどのディジタル・セルラ・システムは、信号の送信に非常に安定な局部発振器を利用する。この場合、基地局は、ブロック５０１または５５２に衛星データを収集し、従来の有線モデムを使用して、このようなセルラ・システムを介してこのデータを送るだけでよい。精密周波数基準の送信を含む実際の変調機能は、セル・サイトの発信器によって実行される。この方法によれば、特別なＲＦ回路の必要ない非常に低コストの基地局が可能となる。同様に、遠隔ユニットと基地局の間のリンク上で、セルラ・システムが、ブロック５０４の受信および復調機能を提供し、基地局は、通常の回線を介してこのようなデータを受信するモデムを利用するだけでよくなる。

搬送周波数が非常に安定である限り、データ信号の伝送周波数およびフォーマットは重要ではないということは本発明の重要な特徴である。多数の周波数チャネルを利用して多数のユーザにサービスを提供するセルラ・システムでは一般にそうであるように、この搬送周波数は、送信のたびに異なってもよいことに留意されたい。いくつかの場合には、搬送周波数は１回の呼の間に変化してもよい。例えば、いくつかのディジタル・セルラ・システムでは周波数ホッピングが利用される。遠隔受信器が、安定した伝送周波数に周波数ロックする限り、本発明は、このような信号を利用することができる。

図６Ａに、本発明のＧＰＳ移動ユニットの一実施形態を示す。この実施形態は、図１Ａに示したアンテナ２４と同様の通信チャネル・アンテナ６０１を介して受信した精密搬送周波数信号を利用する。アンテナ６０１は、図１Ａのモデム２２と同様のモデム６０２に結合され、モデム６０２は、自動周波数制御回路６０３に結合される。この自動周波数制御回路は、（セルラ電話のセル・サイト発信器であるか、またはこれを含むとみなされる）本発明の一実施形態に基づいて本明細書に記載された基地局から送信された精密搬送周波数信号にロックする。自動周波数制御回路６０３は、一般に、精密搬送周波数に周波数ロックされる出力６０４を提供する。この信号６０４は、比較器６０５によって、相互接続６０８を介したＧＰＳ局部発振器６０６の出力と比較される。比較器６０５によって実施された比較の結果は、訂正信号としてＧＰＳ局部発振器６０６に供給される誤り訂正信号６１０となる。このようにして、周波数シンセサイザ６０９は、較正されたより高品質の局部発信信号を相互接続６１２を介してＧＰＳダウンコンバータ６１４に供給する。ＧＰＳ局部発振器６０６および周波数シンセサイザ６０９は、ＧＰＳアンテナ６１３を介して受信したＧＰＳ信号を取得するダウンコンバータに入力されるＧＰＳクロック信号を供給する１つの局部発振器とみなすことができることを理解されたい。本明細書で使用する「較正された」、「較正する」、または「較正」という言葉は、（局部発振器内での誤りの測定から導き出された基準信号を使用して）局部発振器を測定し、これを補正するシステム、または（例えば、通信受信器からの局部発振器信号を、ＧＰＳ信号のダウンコンバート／取得に使用するＧＰＳクロック信号を生成する周波数シンセサイザ回路に供給することによって）局部発振器信号を安定化するシステムについて言う。相互接続６１２を介して供給される信号は、図１Ａの相互接続３９によって変換器４２に供給される局部発振器信号と同様であり、変換器４２は、ＧＰＳ信号を受信するＧＰＳアンテナ６１３に結合されたＧＰＳダウンコンバータ６１４と同様であることを理解されたい。

代替実施形態では、通信受信器のＡＦＣユニットによって供給される信号６０４が、適当な周波数で周波数シンセサイザ６０９の基準として働くＬＯとなる。この場合、ＧＰＳ局部発振器は必要なくなり（このため図６Ａではオプションとして示されている）、ＧＰＳ局部発振器からの信号６０７の代わりにこの信号６０４が、シンセサイザ６０９に直接に供給される。このようにして、正確で安定な局部発振器クロック信号が、ＧＰＳアンテナを介して受信したＧＰＳ信号を取得するＧＰＳダウンコンバータに供給される。

他の代替実施形態では、比較器６０５によって実施された比較の結果を、誤り訂正信号として相互接続６１０ａを介して図１Ａに示したＤＳＰチップ３２と同様のＤＳＰ部品６２０に出力する。この場合、誤り訂正信号６１０は、周波数シンセサイザ６０９に間接的にも供給されない。位相ロック・ループ、または周波数ロック・ループ、またはブロック位相推定器を含む従来のいくつかの手法を使用して自動周波数制御回路を実施してもよい。

図６Ｂに、本発明の移動ユニット内にＧＰＳ信号を取得する（例えば、ダウンコンバートする）のに使用するＧＰＳ局部発振器を較正するＧＰＳ移動ユニットの他の実施形態を示す。この方法は、通信受信器の受信回路から安定な周波を導き出すものである。ディジタル・セルラ信号、ＰＣＳ信号などの多くの通信信号は、０．１ｐｐｍまで安定な搬送周波数を有する。このような信号の受信器は、その動作の一部として、受信器の搬送波に適用される位相ロック手順を提供し、これによって、このような搬送波を除去し、搬送波に乗せられたディジタル・データを復調することが可能となる。この位相ロック手順は通常、そのプロセスの一部として安定な局部発振器を生成し、次いでこの局部発振器を利用して、ＧＰＳ受信器の局部発振器を別々に安定させる。これによって、この受信器の高価な構成要素が不要になる。

通信受信器６４０が受信した通信信号は、どのチャネルに受信器を同調させたかによって、複数の可能な搬送周波数のうちの１つを有することができる。受信器の第１段（変換器６４２）はこの入力信号を、単一のＩＦ周波数、例えば１４０ＭＨｚにダウンコンバートする。このダウンコンバートは、ダウンコンバータ６４２に発振器信号入力を供給する発振器ＶＣＯ１ ６４３によって制御される。ＶＣＯ１の出力は、発振器ＶＣＯ１ ６４３およびＶＣＯ２ ６４７に入力を供給する周波数シンセサイザ６４４によって制御される。ミクサ６４６は、発振器６４７からの入力発振器信号によって制御される第２段のＲＦ−ＩＦダウンコンバータを形成する。通信受信器の次の段（コスタス・ループ復調器６４８および温度補償電圧制御発振器（ＴＣＶＣＸＯ）６４５）は、位相ロック回路である。この回路の目的は、入力信号の搬送周波数に位相ロックさせる局部発振器信号を構築することである。位相偏移キーイングされた信号に対して、この回路を実現する当技術分野で周知の一般的な回路は、コスタス・ループ（Ｃｏｓｔａｓ Ｌｏｏｐ）である（例えばガードナー（Ｇａｒｄｎｅｒ）著「Ｐｈａｓｅｌｏｃｋ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ」第２版、Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ＆ Ｓｏｎｓ，（１９７９）を参照されたい）。図６Ｂにおいて、コスタス・ループは、基準周波発生器ＴＣＶＣＸＯ６４５の出力をＩＦ信号の搬送周波数に位相および周波数アライメントさせる周波数補正電圧をＴＣＶＣＸＯ６４５に供給する。

ＧＰＳ受信器部分６５０のＧＰＳダウンコンバータ６５２とともに使用される周波数シンセサイザ６５４に（ＴＣＶＣＸＯ６４５からの）ＶＣＯ出力６４５ａを基準周波数として供給することができる。このようにして、この周波数シンセサイザは、受信された通信信号の周波数安定度と同じ周波数安定度を有する、このＧＰＳシステムに使用する局部発振器（ＶＣＯ３ ６５３およびＶＣＯ４ ６５５）への入力を生成する。発振器６５３は、ＲＦ−ＩＦダウンコンバートの第１段を制御し、発振器６５５は、ＲＦ−ＩＦダウンコンバートの第２段を制御する。ミクサ６５６は、第２段のＲＦ−ＩＦダウンコンバータを形成する。このコンバータは、ダウンコンバータ６５２から第１の中間周波を受信し、ディジタイザ回路（バッファおよびＧＰＳプロセッサとともにブロック６５７として示されている）に第２の中間周波を供給する。

たとえ受信する通信信号の周波数が受信のたびに変化しても、その信号が、異なる周波数チャネルに割り当てられる場合は、前記方法を適用することができることに留意されたい。

前記方法の代替方法を図６Ｃに示す。ここでは、ダイレクト・ディジタル・シンセサイザ（ＤＤＳ）集積回路６７７に、やはりデジタル回路として実装されるコスタス・ループ６７９からディジタル・チューニング・ワードが供給される。ＧＰＳ受信器の局部発振器を安定させるためにこのチューニング・ワードを、ＧＰＳ受信器の一部分である周波数シンセサイザ６８９にも供給することができる。この場合、この周波数シンセサイザはさらに、その周波数の精度調整を可能とするため、ＤＤＳ６８９ｂを利用することができる。周波数の精度調整はＤＤＳの本来の機能である。

例えば、ＤＤＳは通信受信器内にあるが、ＤＤＳのＬＯ出力はＧＰＳシステムに供給する方法など、前記方法の代替となる複合的方法もある。一般的な方法は、このシステムによって提供される局部発振器を安定させるために、通信受信器内の周波数ロック回路または位相ロック回路に同調電圧または局部発振器信号を生成させ、これを、ＧＰＳ受信器上の周波数シンセサイザ回路に供給するものである。

受信器６４０および６７０の位相ロック回路の全体または一部を、アナログ手段の代わりにディジタル信号処理手段を介して実施してもよいことに留意されたい。この場合、これらの回路への入力は、Ａ／Ｄ変換器を介してディジタル化され、これらのブロックの回路機能は、ハードワイヤード・ディジタル信号処理部品またはプログラム可能ディジタル信号処理部品（すなわちプログラム可能ＤＳＰ）を使用して構築される。

図７に、本発明の一実施形態に基づく具体的な電力管理シーケンスを示す。電力を低減させる方法には、当技術分野で周知の多くの方法があることを理解されたい。これらの方法には、クロックされる同期構成要素に供給するクロックを遅くする方法、特定の構成要素への電力供給を遮断するか、または構成要素の特定の回路をオフにする方法などがある。位相ロック・ループおよび発振回路には、スタートアップ時間および安定化時間が必要であり、したがって設計者が、これらの構成要素を、完全にはパワー・ダウンさせない（または全くパワー・ダウンさせない）ようにしてもよいことを理解されたい。図７に示す例は、システムのさまざまな構成要素を初期化し、これらを低電力状態に置く段階７０１から開始される。定期的に、または所定の期間が経過した後、モデム２２の通信受信器がフル・パワーに戻され、コマンドが基地局１０から送信されているか否かが判定される。これは、段階７０３で実施される。段階７０５で、位置情報を求める要求を基地局から受信した場合、モデム２２は段階７０７で、電力管理回路に警報を出す。この時点で、モデム２２の通信受信器を、所定の期間オフにするか、または後に再び定期的にオンにされるまでオフにすることができる。これを段階７０９に示す。この時点で通信受信器をオフにせず、フル・パワーの状態に維持してもよいことを理解されたい。次いで段階７１１で、電力管理回路が、変換器４２およびアナログ−ディジタル変換器４４をパワー・アップして、移動ユニットのＧＰＳ受信器部分をフル・パワーに復帰させる。周波数発振器３８もパワー・ダウンしている場合は、この時点でこの構成要素をフル・パワーに復帰させ、安定させるためにある時間放置する。次いで段階７１３で、構成要素３８、４２、および４４を含むＧＰＳ受信器がＧＰＳ信号を受信する。このＧＰＳ信号は、メモリ４６にバッファリングされる。このメモリも、ＧＰＳ受信器が段階７１１でフル・パワーに復帰したときにフル・パワーに戻されている。スナップショット情報の収集が完了した後、段階７１７でＧＰＳ受信器は低電力状態に戻される。これは一般に、変換器４２および４４への供給電力を低減する一方で、メモリ４６をフル・パワーに維持することを含む。次いで段階７１９で、処理システムをフル・パワーに復帰させる。一実施形態ではこれに、ＤＳＰチップ３２にフル・パワーを供給することが含まれる。ただし、図１Ｃに示した実施形態の場合のようにＤＳＰチップ３２も電力管理機能を提供する場合には、ＤＳＰチップ３２ａは一般に段階７０７でフル・パワーに戻されることを理解されたい。マイクロプロセッサ２６が電力管理機能を実施する図１Ａに示した実施形態では、ＤＳＰチップ３２などの処理システムは段階７１９でフル・パワーに戻される。段階７２１でＧＰＳ信号が、図３に示した方法などの本発明の方法に基づいて処理される。ＧＰＳ信号の処理が完了した後、段階７２３に示すように、処理システムは低電力状態に置かれる（ただし、処理システムが前述のように電力管理を制御していない場合に限る）。次いで段階７２５で、モデム２２の通信発信器がフル・パワーに戻される。これは段階７２７で、処理済みのＧＰＳ信号を応答として基地局１０に送信するためである。擬似距離情報または緯度および経度情報などの処理済みのＧＰＳ信号の送信が完了した後、通信発信器が段階７２９で低電力状態に戻され、電力管理システムは段階７３１で、所定の期間など、ある遅延時間の間待機する。この遅延時間が経過した後、基地局から要求が送信されているか否かを判定するために、モデム２２の通信受信器はフル・パワーに戻される。

図８に、本発明に基づいて遠隔ユニットに送信された衛星暦データから視野の中にある衛星のドップラー情報を導き出す方法を示す。段階８０１で遠隔ユニットが衛星暦データを受信し、このデータを、遠隔ユニット内（例えばフラッシュＥＥＰＲＯＭ）に記憶する。任意選択として、本明細書中で説明したように、暦データの古さを後に判定するために、遠隔ユニットがこのデータに、現在の日付および時刻をスタンプするようにしてもよい。

段階８０３で、遠隔ユニットが、おおよその時刻および遠隔ユニットのおおよその位置を決定する。おおよその時刻および位置を衛星暦データとともに使用して、段階８０５で、遠隔ユニットが、視野の中にある全ての衛星のドップラーを決定する。遠隔ユニットは、位置決定コマンドを基地局から受信するときに、視野の中にある衛星の識別も受信し、この識別を使用して、暦データ、ならびに段階８０３で決定したおおよその時刻および位置から、これらの衛星に対してのみドップラーを計算する。暦データは、ＧＰＳ衛星から送信された信号の中に特定の形態で供給されるが、この情報が、通信リンクを介してその形態のまま供給される必要はない。例えば、さまざまな送信量の精度を低下させることによって、このデータを圧縮することができる。精度の低下によって、ドップラーの精度が低下することもあるが、このような精度の低下は、ＧＰＳ受信器の許容される誤り収支の範囲内にあることもある。これに代わって、例えば、衛星の位置データを、球面調和関数などの一組の曲線に合わせる方法など、暦データを他の表現とするほうが好ましいことがある。この方法によれば、ＧＰＳ受信器が、供給された暦データからドップラー情報をより簡単に計算できることがある。

適当な間隔（例えば１秒）をあけた時刻に、遠隔ユニットから問題の衛星までの距離を計算することによって、おおよそのドップラー情報を計算することができる。これは、供給された暦データ、および（例えば、セルラ電話システムの位置が固定されたセル・サイトに基づいた）おおよそのユーザ位置を利用して実施される。これらの距離の差が距離レートである。これを、光速で除すると、秒／秒（またはナノ秒／秒などの他の適当な単位セット）を単位としたドップラー情報が得られる。

本発明の方法および装置をＧＰＳ衛星との関連で説明してきたが、これらの教示は、擬似衛星（ｐｓｅｕｄｏｌｉｔｅ）または、衛星と擬似衛星の組合わせを利用する測位システムにも等しく適用可能であることを理解されたい。擬似衛星は、一般にＧＰＳ時刻と同期したＬバンド搬送波信号上に変調された（ＧＰＳ信号と同様の）ＰＮコードを同時送信する地上発信器である。遠隔受信器が識別できるように、各発信器には固有のＰＮコードが割り当てられる。擬似衛星は、トンネル、鉱山、建物、またはその他の周囲を囲まれた領域など、軌道を周回する衛星からのＧＰＳ信号を利用できない可能性のある状況において有用である。本明細書で使用する「衛星」という用語は、擬似衛星、または擬似衛星の等価物を含むことを企図したものであり、本明細書で使用するＧＰＳ信号という用語は、擬似衛星または擬似衛星の等価物からのＧＰＳ信号類似信号を含むことを企図したものである。

先の議論では、米国の全世界測位衛星（ＧＰＳ）システムへの適用に関して本発明を説明してきた。しかし、これらの方法は、同様の衛星測位システム、特にロシアのＧｌｏｎａｓｓシステムにも等しく適用可能であることは明らかである。Ｇｌｏｎａｓｓシステムは、異なる衛星からの放射を区別するのに、異なる擬似乱数コードを利用するのではなく、わずかに異なる搬送周波数を利用する点がおもに、ＧＰＳシステムとは異なる。この状況では、新しい衛星の放射を処理するときに、データの前処理に別の指数乗数を使用する点を除いて、前述の回路およびアルゴリズムは実質的に全て適用可能である。追加の処理操作を一切必要とせずに、この操作を、図３のボックス１０８のドップラー補正操作と結合することができる。この状況で必要なＰＮコードは１つだけであり、したがってブロック１０６は必要なくなる。本明細書で使用する「ＧＰＳ」という用語には、ロシアのＧｌｏｎａｓｓシステムを含むこのような代替衛星測位システムが含まれる。

図１Ａ、図１Ｂ、および図１Ｃには、デジタル信号を処理する複数の論理ブロック（例えば図１Ａの４６、３２、３４、２６、３０、２８）が示されているが、これらのブロックのいくつかまたは全てを、回路のＤＳＰ部分のプログラム可能性を維持しつつ、単一の集積回路上に統合してもよいことを理解されたい。このような実施態様は、電力が非常に低い用途およびコストに敏感な用途で重要となることがある。

ドップラー情報の導出に遠隔ユニットで衛星暦データを使用する本発明のさまざまな態様、およびＧＰＳ信号の取得に使用するＧＰＳ局部発振器の出力の較正に精密搬送周波数信号を使用する本発明のさまざまな態様を、参照によって本明細書に組み込まれる１９９６年５月２３日提出のノーマン Ｆ．クラスナーによる米国特許出願第０８／６５２８３３号に記載されているもののようなアーキテクチャを有するＧＰＳ移動ユニットに使用することができることを理解されたい。

ＤＳＰプロセッサのプログラム可能性を保持しながら処理全体の速度を向上させるために、図３の操作の１つまたはいくつかを、ハードワイヤード論理回路が実行するようにしてもよいことを理解されたい。例えば、ブロック１０８のドップラー補正機能を、ディジタル・スナップショット・メモリ４６とＤＳＰ ＩＣ３２の間に配置した専用ハードウェアで実行するようにしてもよい。このような場合、図３のその他の全てのソフトウェア機能を、ＤＳＰプロセッサによって実行してもよい。より大きな処理パワーを得るために、１つの遠隔ユニットにいくつかのＤＳＰを使用してもよい。ＧＰＳデータ信号の複数のフレーム・セットを収集（サンプリング）し、各フレーム・セットの収集の合間の時間を利用して、図３に示したように各セットを処理することができることを理解されたい。

以上の明細では、特定の例示的な実施形態に関して本発明を説明してきた。しかし、添付の請求の範囲に記載した本発明のより幅広い趣旨および範囲から逸脱することなく、本発明に、さまざまな修正および変更を実施できることは明らかである。したがって本明細書および図面を限定するためのものと考えるべきではなく、例示のためのものであると考えるべきである。

図１Ａ
４０ ＧＰＳアンテナ
４２ ＲＦ−ＩＦ変換器
４４ アナログ−ディジタル変換器
４６ ディジタル・スナップショット・メモリ
３２ 汎用プログラム可能ＤＳＰチップ
３４ プログラムＥＰＲＯＭ
４８ 書込みアドレスＦＰＧＡ
３８ 周波数シンセサイザ
３６ バッテリ／電力レギュレータおよび電源スイッチ
２６ マイクロプロセッサ
２２ モデム
１２ ＧＰＳアンテナ
１０ 基地局
１６ データ・リンク
図１Ｂ
４０ ＧＰＳアンテナ
４２ ＲＦ−ＩＦ変換器
４４ アナログ−ディジタル変換器
４６ ディジタル・スナップショット・メモリ
３２ａ 汎用プログラム可能ＤＳＰチップ
３４ プログラムＥＰＲＯＭ
４９ メモリ／電力管理ＦＰＧＡ
３８ 周波数シンセサイザ
３６ バッテリ／電力レギュレータおよび電源スイッチ
２２ モデム
１２ ＧＰＳアンテナ
１０ 基地局
１６ データ・リンク
図１Ｃ
４０ ＧＰＳアンテナ
４２ ＲＦ−ＩＦ変換器
４４ アナログ−ディジタル変換器
４６ ディジタル・スナップショット・メモリ
３２ａ 汎用プログラム可能ＤＳＰチップ
３４ プログラムＥＰＲＯＭ
４９ メモリ／電力管理ＦＰＧＡ
８５ 電力モード・スイッチ
３８ 周波数シンセサイザ
３６ａ 電源スイッチ
７９ 太陽電池
８１ バッテリ
７７ 電力レギュレータ
２２ モデム
図２Ａ
６８ Ｉ／Ｑダウンコンバート
図３
１００ 位置決定コマンドおよびドップラー・データを基地局から受信する
１０２ 発振器オフセットをモデムのＡＦＣから見いだす
１０４ ＧＰＳ信号のスナップショットを収集する
１０６ 第１／第２の衛星のＰＮコードを得る
１０８ 第１／第２の衛星の連続するＮ個のＰＮフレームにドップラー補正指数を乗じる
１１０ 第１／第２の衛星の連続するＮ個のＰＮフレームを加算する
１１２ 加算したフレームのＦＦＴを見いだす
１１４ ＰＮコードのＦＦＴを乗じる
１１６ 指数を乗じて、ドップラー・タイム・シフトを補償する
１１８ 逆ＦＦＴを見いだす
１２０ データの絶対値２乗を見いだす
１２２ データを、前のデータの和に加算する
１２４ その衛星の全てのデータを処理したか？
１２６ ピーク位置を補間して擬似距離を見いだす
１２８ 全ての衛星を処理したか？
１３０ 位置を決定するか、またはデータを基地局に送信して位置計算を実施する
１３２ パワーダウンし、次の位置決定コマンドを待つ
図５Ａ
５０５ 調整された局部発振器
５１０ 時間基準信号
５０１ ＧＰＳ受信器
５０６ 変調器
５０３ 送信器
５０２ データ処理ユニット
５０４ 受信器
５０８ ディスプレイ
５０７ ＧＩＳソフトウェアを含んだ大容量記憶装置
図５Ｂ
５５１ 基準局部発振器（セシウム標準局部発振器など）
５５２ ドップラーおよび／またはその他の衛星データ情報の発信源（電気通信リンク、無線リンクなど）
５０６ 変調器
５０３ 送信器
５０２ データ処理ユニット
５０４ 受信器
５０８ ディスプレイ
５０７ ＧＩＳソフトウェアを含んだ大容量記憶装置
図６Ａ
６１３ ＧＰＳアンテナ
６１４ ＢＰＳダウンコンバータ
６１６ アナログ−ディジタル変換器
６１８ ディジタル・スナップショット・メモリ
６２０ ＤＳＰ構成要素
６０９ 周波数シンセサイザ
６０６ ＧＰＳ局部発振器（オプション）
６０５ 比較
６０１ 通信アンテナ
６０２ 無線モデム
図６Ｂ
６４２ ＲＦ−ＩＦ変換
６４８ コスタス・ループ復調器
６４４ 周波数シンセサイザ
６４５ ＴＣＶＣＸＯ（周波数基準）
６５２ ＲＦ−ＩＦ変換
６５７ ディジタイザおよびＧＰＳ信号プロセッサ
６４４ 周波数シンセサイザ
図６Ｃ
６７２ ＲＦ−ＩＦ変換
６７９ コスタス・ループ復調器
６７４ 周波数シンセサイザ
６７５ ＴＣＶＣＸＯ（周波数基準）
６８７ ＲＦ−ＩＦ変換
６９２ ディジタイザおよびバッファおよびＧＰＳ信号プロセッサ
６８９ 周波数シンセサイザ
図７
７０１ 構成要素を初期化し、これらを低電力状態に置く
７０３ 通信受信器をフル・パワーにする
７０５ 位置情報を求める要求を基地局から受信する
７０７ 電力管理回路に警報を出す
７０９ 通信受信器を低電力状態に戻す
７１１ 電力管理回路が、ＧＰＳ受信器をフル・パワーに戻す
７１３ ＧＰＳ受信器がＧＰＳ信号を受信する
７１５ ＧＰＳ信号をバッファリングする
７１７ ＧＰＳ受信器を低電力状態に戻す
７１９ 処理システムをフル・パワーに戻す
７２１ ＧＰＳ信号を処理する
７２３ 処理システムを低電力状態に戻す
７２５ 通信送信器をフル・パワーに戻す
７２７ 処理したＧＰＳ信号を基地局に送信する
７２９ 通信送信器を低電力状態に戻す
７３１ ある時間の遅延
７３３ 通信受信器をフル・パワーに戻す
図８
８０１ ＢＰＳ移動受信器ユニットが衛星暦データを受信しこれを記憶する（オプションで、受信時刻のタイム・スタンプ添付）
８０３ おおよその時刻およびおおよその受信器位置を決定する（オプションで、セルラ通信システムの受信器セルの位置を利用してもよい）
８０５ 時刻、おおよその受信器位置、および衛星暦データを使用して、視野の中の衛星のおおよそのドップラー情報を計算する

Claims (4)

1. ＧＰＳ移動受信器内の局部発振器を較正する方法であって、
   通信アンテナを介して基地局からの精密搬送周波数信号を受信する段階であって、前記精密搬送周波数信号の周波数は送信のたびに変化する、段階と、
   前記通信アンテナに結合された自動周波数制御回路により、前記受信した精密搬送周波数信号にロックした周波数を有する制御信号を出力する段階と、
   比較器で前記制御信号を受信する段階と、
   前記制御信号をＧＰＳ局部発振器の出力から受け取った局部発振信号と比較する段階と、
   前記制御信号と前記ＧＰＳ局部発振器の出力との比較に基づいて前記比較器から誤り信号を出力する段階と、
   前記ＧＰＳ局部発振器で前記誤り信号を受信し、受信した誤り信号に基づいて前記ＧＰＳ局部発振器の周波数を較正し、較正された局部発振信号を生成する段階と、
   前記較正された局部発振信号に基づいて、周波数シンセサイザによりＧＰＳクロック信号を生成する段階と、
   前記ＧＰＳクロック信号をダウンコンバータへ出力する段階と、
   前記ダウンコンバータにより、前記ＧＰＳクロック信号を用いてＧＰＳアンテナにより受信されたＧＰＳ信号を取得する段階と、
   を含む、
   前記方法。
2. 前記通信アンテナに結合された自動周波数制御回路により、前記受信した精密搬送周波数信号にロックした周波数を有する制御信号を出力する段階は、
   前記精密搬送周波数信号の前記周波数に基づいて周波数補正電圧を生成するために、位相ロック・ループ回路により前記精密搬送周波数信号へ位相ロックする段階と、
   前記周波数補正電圧に基づいて、基準周波数発生器により前記制御信号を生成する段階と、を含む、請求項１に記載の方法。
3. 通信アンテナと、
   ＧＰＳアンテナと、
   前記ＧＰＳアンテナに結合されたダウンコンバータと、
   前記通信アンテナと通信し、制御信号を出力する自動周波数制御モジュールを含む無線モデムであって、前記制御信号は、前記通信アンテナにより受信した基地局からの精密搬送周波数信号にロックした周波数を有し、前記精密搬送周波数信号の周波数は送信のたびに変化する、無線モデムと、
   自動周波数制御モジュールと通信する比較器と、
   前記比較器と通信するＧＰＳ局部発振器と、
   前記ＧＰＳ局部発振器に結合され、ＧＰＳクロック信号を生成する周波数シンセサイザと、
   を備えた移動ユニットであって、
   前記比較器は、前記自動周波数制御モジュールからの前記制御信号と前記ＧＰＳ局部発振器の出力から受け取った局部発振信号とを比較し、この比較に基づいて誤り信号を生成するように構成され、
   前記ＧＰＳ局部発振器は、前記比較器から前記誤り信号を受信し、この誤り信号に基づいて前記ＧＰＳ局部発振器の周波数を較正し、較正された局部発振信号を生成するように構成され、
   前記ダウンコンバータは、前記ＧＰＳクロック信号を用いてＧＰＳアンテナから受信されたＧＰＳ信号を取得するように構成される、
   ことを特徴とする移動ユニット。
4. 前記自動周波数制御モジュールは、
   前記精密搬送周波数信号の前記周波数に基づいて周波数補正電圧を生成するために、前記精密搬送周波数信号へ位相ロックする、位相ロック・ループ回路と、
   前記周波数補正電圧に基づいて、前記制御信号を生成する基準周波数発生器と、
   を備える、請求項３に記載の移動ユニット。

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