全視野のコヒーレントなＧＰＳ信号擬似ランダム雑音（ＰＲＮ）コード捕捉及びナビゲーション解決定のための全地球測位システム（ＧＰＳ）ユーザ受信機および幾何学的表面処理
ＧＰＳ装置のより強固な検出、捕捉、位置決め解能力を可能にする方法およびシステムである。システムおよび方法はＧＰＳユーザ受信機の位置を予測するために、一度に一つのＧＰＳ信号の捕捉ではなく、同時的な全視野のコヒーレントなＰＲＮコード信号処理方式に基づいたＧＰＳ衛星距離信号を使用する。さらに、画像処理技術、超密着結合処理技術、またはその組合せはさらにユーザ受信機の位置決定の正確性を強化するために使用される。信号処理技術はＧＰＳ衛星距離信号が個別に検出されることができないとき、或いは１または２のみの強いＧＰＳ衛星距離信号が弱い信号環境、混雑状態、その組合せにおいて個別に検出されることができるときＧＰＳユーザ受信機の位置を決定するために使用される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は全地球測位（ＧＰ）のための方法及びシステムに関し、特に本発明は幾何学的表面処理技術を使用してＧＰＳユーザ受信機の位置を決定するために衛星からＧＰＳ信号を捕捉するための全地球測位システム（ＧＰＳ）ユーザ受信機のためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
数十年間にわたって、移動体プラットフォームおよび／または個人の実時間の位置及び位置情報を得る能力は技術で強力に求められている。全地球測位システム（ＧＰＳ）の実施以来、世界無線ナビゲーションシステムが米国海軍により紹介され、これは実用になっている。ＧＰＳは衛星、地上または基地局、少なくとも１つのＧＰＳユーザ受信機のコンステレーションを含んでいる。
【０００３】
衛星の位置はＧＰＳユーザ受信機の位置を計算するための基準点として使用され、これは通常数メートル以内、時にはセンチメートル以内まで正確である。衛星、地上局、ＧＰＳユーザ受信機はそれぞれ正確な時間で開始する時間信号を予めプログラムする。衛星により放送される信号をロックして自動追尾するため、地上局とＧＰＳユーザ受信機はそれらのそれぞれの内部クロックにより予測される時間に関してそれらのそれぞれの内部で発生された信号をスリューする。信号がロックされるとき、ＧＰＳユーザ受信機は「擬似距離」と呼ばれる各衛星に対する距離測定を行う。これらの擬似距離測定は衛星までの実際の距離と、ＧＰＳ時間に関する受信機クロック時間オフセットに関連される誤差に加えて、他のより小さい誤差を含んでいる。ＧＰＳ制御セグメントネットワークに含まれる地上局は衛星クロックと軌道の予測を行うために使用される距離測定を行う。これらの予測は固定的に衛星へアップロードされ、衛星はこのデータをユーザ受信機位置決め機能を支援するためにユーザ受信機へ放送する。
【０００４】
各衛星は特有の擬似ランダム雑音（ＰＲＮ）コードとナビゲーション（Ｎａｖ）メッセージを含んだＧＰＳ信号を２つの搬送波周波数Ｌ１とＬ２で送信する。Ｌ１搬送波は１５７５．４２ＭＨｚであり、タイミングのためにＮａｖメッセージと擬似ランダム雑音コードの両者を伝送する。Ｌ２搬送波は１２２７．６０ＭＨｚである。Ｌ２信号は通常軍事目的で使用される。粗捕捉（Ｃ／Ａ）コードと精密（Ｐ）コードと呼ばれる２つのタイプのＰＲＮコードが存在する。民間使用を目的とするＣ／Ａコードは１．０２３ＭＨｚの速度でＬ１搬送波を変調し、１０２３ビット毎に反復し、したがってＣ／Ａコードの長さは１ミリ秒である。軍事使用を目的とするＰコードは７日間のサイクルで反復し、Ｌ１とＬ２搬送波の両者を１０．２３ＭＨｚの速度で変調する。Ｐコードが暗号化されるとき、これは「Ｙ」コードと呼ばれる。さらに、Ｎａｖメッセージは衛星の軌道、それらのクロック補正、その他のシステム状態についての情報を与えるＬ１とＬ２におけるコードに付加される低周波数信号である。理想的には、ＧＰＳ衛星の距離信号が地球に放送されるとき、ＧＰＳ衛星の距離信号は慣性基準システムで真空を通る光伝播速度に関連される距離遅延を有してＧＰＳユーザ受信機に直接到達する。しかしながら、ＧＰＳユーザ受信機へのルートに沿って、ＧＰＳ衛星距離信号はＧＰＳ衛星信号を遅延させる幾つかの原因に遭遇する。これらの信号は距離予測モデルに関する光伝播速度に関連されるパス遅延に加えて遅延を生成し、したがって誤差の原因になる。このような遅延と誤差の潜在的な原因は衛星の暦とクロック誤差、選択的な有効性（ＳＡ）、電離層および大気効果、マルチパス、受信機クロック誤差を含んでいる。
【０００５】
ＧＰＳ衛星の距離信号における遅延及び誤差を減少または除去するため、ディファレンシャルＧＰＳ地上局と呼ばれる他の地上局がしばしば使用される。各ディファレンシャル地上局は静止しており、全ての衛星信号測定をローカル基準へ結びつける。さらにＧＰＳユーザ受信機に最も近いディファレンシャル地上局は同じエポック時間でＧＰＳユーザ受信機により捕捉され追跡されたＧＰＳ衛星信号と同じＧＰＳ衛星信号に関する遅延と誤差を含んでいるＧＰＳ衛星信号を受信する。ディファレンシャル地上局は典型的にＧＰＳユーザ受信機の数十キロメートル内にある。ディファレンシャル地上局は距離遅延またはタイミング誤差を測定し、その後、無線周波数（ＲＦ）無線通信リンクによってこの補正情報をＧＰＳユーザ受信機へ提供する。ＧＰＳユーザ受信機は当分の間静止するか、ローミングしている可能性がある。ＧＰＳユーザ受信機は前述の誤差を減少するためにこれらの補正をその距離測定に適用する。ディファレンシャル地上局はその固定位置を知り、各ＧＰＳ衛星信号の予測される伝播時間を計算する。この計算は各衛星が宇宙空間で位置付けられるべき場所の放送暦に基づいている。ディファレンシャル地上局は各衛星の信号に関する誤差補正情報を決定するために全ての衛星について、衛星距離信号の計算された伝播時間を信号に対して測定された実際の伝播時間と比較する。ディファレンシャル地上局はその後各衛星の誤差補正情報をＧＰＳユーザ受信機へ送信する。
【０００６】
通常の信号処理では、ＧＰＳユーザ受信機が最初にオンに切り換えられるか、ＧＰＳ信号の処理を開始するように付勢されるとき、これは視野中の多数の衛星からＧＰＳ衛星距離信号をサーチし、捕捉し、ロックして自動追尾する。ＧＰＳユーザ受信機はまたＧＰＳユーザ受信機の視野内の各衛星のＰＲＮコード信号について（擬似距離と呼ばれる）距離測定も行う。ＧＰＳ受信機はＰＲＮコード信号に重ね合わされるＮａｖメッセージデータを復調し、ディファレンシャルＧＰＳモードで動作されるならば地上局からそこに送信された任意の誤差補正を適用し、ＧＰＳユーザ受信機の位置と、ＧＰＳ時間に関するユーザ受信機クロックオフセットを解くためにこの情報を使用する。付加的に、視野内の任意の衛星とＧＰＳユーザ受信機との間の距離を決定するためにＧＰＳユーザ受信機は信号伝播遅延の実際の伝播時間を決定し、補正された伝播時間を計算するために基地局から受信された誤差補正情報を適用する。補正された伝播時間はその後信号送信衛星までの距離を決定するために光速度により乗算される。少なくとも４つの衛星のＧＰＳ衛星の距離信号を捕捉した後、ＧＰＳユーザ受信機はその位置とＧＰＳ時間に関する時間誤差を解く。
【０００７】
ＧＰＳ衛星距離信号を捕捉する通常の方法は一度に１つのＧＰＳ衛星信号を捕捉してＧＰＳユーザ受信機に提供する。信号の捕捉は通常、ＧＰＳユーザ受信機に関連される最も脆弱なフェイズである。その１つの理由はＣ／Ａコードが弱くて小さい干渉レベルで断続的な減衰、または衛星からＧＰＳユーザ受信機までの視線（ＬＯＳ）の障害が１以上の距離信号で捕捉プロセスを失敗させる可能性があるためである。
【０００８】
それ故、距離信号の迅速で信頼性があり頑強な捕捉がＧＰＳユーザ受信機により行われることができることを良好に確実にする方法で信号捕捉プロセスをさらに改良することが望ましい。これらの動作が例えば室内、木の葉の下、または妨害状態下のような信号電力の減衰または干渉に関連される困難な環境でＧＰＳユーザ受信機により行われることができるならば特に望ましい。
【発明の概要】
【０００９】
本発明はＧＰＳユーザ受信機の位置を同時に推定しながらＧＰＳユーザ受信機の視野中の複数の衛星のそれぞれから同時に複数の衛星の距離信号を検出し捕捉するための方法およびユーザ受信機を提供する。
【００１０】
この方法は初期化データ、基地局位置データ、衛星距離データ、時間補助データのセットの受信を含んでいる。時間同期機能はユーザ受信機クロックと、エポック時間に基地局で受信されたときの距離信号の距離データを同期するために基地局から受信される。この情報を使用して、ユーザ受信機は基地局位置データに基づいて地球基準サーチ空間領域と２次元または３次元のサーチ空間グリッド内のＧＰＳ信号をサーチする。サーチ空間領域は複数のグリッド点位置を含んでいる、ユーザ受信機の視野内の複数の各衛星からの少なくとも１つの衛星距離信号が同時に捕捉される。複数のグリッド点のそれぞれで受信された距離信号の搬送波位相角度の組合せにおいてサーチが行われる。複数の各グリッド点位置で受信された距離信号の電力出力はそこからユーザ受信機の見込位置を決定するために組み合わせられる。見込グリッド点位置で、全ての距離信号からの電力は組み合わされた電力出力の最大値に対応してコヒーレントに組み合わされる。最大の組合された電力に関連される見込位置はその後、解の確実性を決定するために解析される。
【００１１】
全地球測位システムでユーザ受信機の位置を迅速に決定するためのＧＰＳユーザ受信機もまた提供される。ＧＰＳユーザ受信機はユーザインターフェース、基地局受信部、ナビゲーションシステム、制御処理モジュールを含んでいる。ユーザインターフェースはリクエスト信号を発生し、ユーザ受信機の位置の指示を受信するように構成される。基地局の受信部は初期化データと基地局位置データを受信するために無線補助リンクを使用する。このデータは衛星距離信号のサーチ空間領域をユーザ端末の現在位置を画定する予め定められた地理領域へ限定するために使用される。基地局受信部または制御処理モジュールはまたエポック時間にユーザ受信機クロックを同期するため基地局信号から受信されるとき時間同期関数を出力する。
【００１２】
ナビゲーションシステムは初期化データと基地局位置データを受信し、複数のグリッド点位置を有する予め定められた地理領域内で、ユーザ受信機の視野内にある複数の宇宙ベースのＧＰＳ衛星から少なくとも１つの衛星距離信号をサーチするように構成されている。ナビゲーションシステムはまた予め定められた地理領域内の複数のグリッド点位置のそれぞれで全ての受信された距離信号の電力出力を組合せ、最大の電力出力値を出力するように構成されている。制御処理モジュールはナビゲーションシステムと通信し、ユーザ受信機の位置を決定するために最大の電力出力を受信し、それに応答して位置信号をユーザインターフェースモジュールへ出力するように構成されている。
【００１３】
本発明の方法及びＧＰＳ受信機は、ＧＰＳ ＰＲＮコード信号を一度に１つ捕捉するのではなく、全視野のコヒーレントなＰＲＮコード信号処理方式に基づいてＧＰＳ衛星距離信号のより強力な検出を可能にする。さらに、方法及びＧＰＳ受信機はＧＰＳ ＰＲＮコード信号を一度に１つ捕捉する通常の捕捉方法と比較するとき、組合された信号の信号対雑音比（ＳＮＲ）捕捉性能の１０ｄＢ以上の改良を可能にする。この方法及びＧＰＳ受信機はまたユーザと基地局の両者に共通の距離誤差を自動的に除去することを可能にし、コード位相測定に対するマルチパス誤差の導入を最小にする。
【００１４】
本発明のさらに別の応用範囲は以下行う詳細な説明から明白になるであろう。種々の実施形態を示しているが、詳細な説明と特別な例は例示を目的としており、本発明の技術的範囲を限定する目的ではないことを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】全地球測位システム（ＧＰＳ）の視野にある複数の衛星からの入力を使用するための本発明の方法のフローチャート。
【図２】図１の方法の実行に使用される例示的なシステムのブロック図。
【図３】全ての衛星から距離信号入力を同時に捕捉するために使用される２次元のサーチ域領域の１例を示すグラフ。
【図４】ここに含まれている説明による例示的なユーザ受信機のブロック図。
【図５】図１の方法の実行に使用されるユーザ受信機の例示的なナビゲーション処理モジュール90の回路概略図。
【図６】図１の方法を実行するためのユーザ受信機に関連する従属バンクの例示的なネットワークの回路概略図。
【図７】ここに含まれている説明による多数の衛星信号のコヒーレントな組合せの位相シフトを示すグラフ。
【図８】ここに含まれている説明による理想的な相関関数の図。
【図９】複数のグリッド点位置（視野内に５つの衛星とゼロ雑音を有するユーザ受信機）の２次元サーチ空間領域における電力出力を示すグラフ。
【図１０】複数のグリッド点位置（視野内に５つの衛星と、各ＰＲＮコード相関器出力におけるＳＮＲ＝１２ｄＢを有するユーザ受信機）の２次元サーチ空間領域における電力出力を示すグラフ。
【図１１】複数のグリッド点位置（視野内に９つの衛星とゼロ雑音を有するユーザ受信機）の２次元サーチ空間領域における電力出力を示すグラフ。
【図１２】複数のグリッド点位置（視野内に９つの衛星と、各ＰＲＮコード相関器出力におけるＳＮＲ＝６ｄＢを有するユーザ受信機）の２次元サーチ空間領域における電力出力を示すグラフ。
【図１３】複数のグリッド点位置（視野内に２０の衛星と、各衛星から受信された５ＰＲＮコードと、各ＰＲＮコード相関器出力におけるＳＮＲ＝０ｄＢを有するユーザ受信機）の２次元サーチ空間領域における電力出力を示すグラフ。
【図１４】複数のグリッド点位置（視野内に９つの衛星を有し、ｚ＝０のユーザ受信機）の３次元サーチ空間領域の水平断面における電力出力を示すグラフ。
【図１５】複数のグリッド点位置（視野内に９つの衛星を有し、ｚ＝５００ｍのユーザ受信機）の３次元サーチ空間領域の水平断面における電力出力を示すグラフ。
【図１６】複数のグリッド点位置（視野内に９つの衛星を有し、ｚ＝１０００ｍのユーザ受信機）の３次元サーチ空間領域の水平断面における電力出力を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明は詳細な説明と添付図面からさらに十分に理解されよう。
種々の実施形態の以下の説明は、本質的に単なる例示であり、本発明、その応用、または使用を限定することを意図するものではない。ここで使用されているように、用語「モジュール」は特定用途用集積回路（ＡＳＩＣ）、電気回路、１以上のソフトウェアまたはファームウェアプログラムを実行するプロセッサ（共有、専用またはグループ）およびメモリ、従属相関器ネットワークのバンク、組合せのサーチ論理回路および／または説明した機能を行う他の適切なコンポーネントを指している。
【００１７】
図１を参照すると、本発明の説明は全地球測位システム（ＧＰＳ）ユーザ受信機の視野にある複数の衛星からの入力を使用するための方法10を示している。複数の衛星はユーザ受信機の視野内の少なくとも３つの衛星から全ての衛星までを含んでいる。この方法は動作12において初期化データ及び基地局位置データのセットを基地局からユーザ受信機へ送信するための無線補助リンクの使用を含んでいる。初期化データのセットは年鑑または衛星暦及びクロックデータ、寸法または境界データ、衛星距離信号測定データを含む衛星距離信号データを含んでいる。境界データはユーザ受信機が位置付けられるサーチ空間領域の大きさを限定するため予め定められた地理的空間を含んでいる。動作14において、基地局はユーザ受信機がその内部クロックを同期することを可能にするＧＰＳ時間同期関数と、エポック時間に基地局で測定されたときの衛星距離データをユーザ受信機へ送信し、これはユーザ受信機の視野中の衛星コードの受信を同期するために使用される。
【００１８】
ＧＰＳ時間同期関数と他の送信されたデータがユーザ受信機により受信された後、ユーザ受信機はサーチ空間領域グリッド点内でサーチを開始する。そのサーチは基地局により提供される初期化データのセットに基づくことができる。ユーザ受信機は動作16で示されているように、ユーザ受信機の視野内の複数の各衛星から衛星コードを同時に捕捉する。ユーザ受信機はその代わりにユーザ受信機の視野中の全ての衛星から同時に複数の衛星ＰＲＮコードの全てを捕捉することができる。動作18で、ユーザ受信機がサーチ空間領域のグリッド点をサーチしている間に、それはユーザ受信機の見込位置を決定するために各受信された衛星ＰＲＮコードの電力出力を組み合わせる。特に、ユーザ受信機はサーチ空間領域をサーチし、サーチ空間領域内の複数のグリッド点位置の各受信された衛星コードに関する電力出力を組合せ、受信された衛星コードの最大の組み合わせられた電力出力を提供するグリッド点を決定する。ユーザ位置に対応するグリッド点で、処理される全ての衛星コードの電力はコヒーレントに組み合わされ、最大の電力出力を示す。最大の組み合わせられた電力出力はユーザ受信機の見込位置を識別するために特定のグリッド点位置で最高の組合された電力出力を示す。
【００１９】
図２を参照すると、前述の動作を実行するための本発明の全地球測位システム（ＧＰＳ）50が示されている。ＧＰＳ50は複数のＧＰＳ衛星52、基地局54、ＧＰＳユーザ受信機56を具備している。衛星52はそれぞれユーザ受信機56と基地局54と無線で通信している。さらに基地局54はユーザ受信機56と無線で通信している。
【００２０】
衛星52の位置はユーザ受信機56の位置を決定するための信号処理を助けるための基準点として使用される。衛星52はユーザ受信機56の視野にある地球軌道中の“Ｍ”個の衛星のコンステレーションを構成している。各衛星52の１つは１以上の正確に同期されたＧＰＳ衛星距離信号を地球方向へ放送する。ＧＰＳ距離衛星信号はＬ１および／またはＬ２搬送波周波数のような搬送波周波数で伝播される擬似ランダム雑音（ＰＲＮ）コードとナビゲーション（Ｎａｖ）メッセージを含んでいる。Ｌ１搬送波周波数は１５７５．４２ＭＨｚであり、タイミングのためにＮａｖメッセージとＰＲＮコードの両者を伝送する。Ｌ２搬送波周波数は１２２７．６０ＭＨｚである。
【００２１】
粗捕捉（Ｃ／Ａ）コードと精密（Ｐ）コードと呼ばれる２つのタイプのＰＲＮコードが存在する。民間使用を目的とするＣ／Ａコードは１．０２３ＭＨｚの速度でＬ１搬送波を変調し、１０２３ビット毎に反復する。軍事使用を目的とするＰコードは７日のサイクルで反復し、Ｌ１とＬ２搬送波の両者を１０．２３ＭＨｚの速度で変調する。Ｐコードが暗号化されるとき、これは「Ｙ」コードと呼ばれる。さらに、Ｎａｖメッセージは衛星の軌道、それらのクロック補正、その他のシステム状態についての情報を与えるＰＲＮコードに付加される低周波数信号である。
【００２２】
技術の進歩につれて、衛星52はＬ１とＬ２搬送波およびＬ５と呼ばれる付加的な搬送波周波数により多くの民間および軍事コードを含むことができる。例えば衛星52はＬ１搬送波上に２つの軍事コードと２つの民間信号コード、Ｌ２搬送波上に２つの軍事コードと１つの民間信号コード、Ｌ５搬送波上に２つの民間コードを含むことができる。さらに、ＧＰＳナビゲーションシステム衛星52の代わりに、衛星52は例えば米国連邦航空局（ＦＡＡ）と運輸省（ＤＯＴ）により開発された広域拡大システム（ＷＡＡＳ）または欧州連合と欧州宇宙機構の主導で発射されたガリレオ衛星無線ナビゲーションシステム衛星のような他の既存の衛星ナビゲーションシステム衛星を含むことができる。普遍性を失わずに、システム50はＧＰＳコード、または他の生成ナビゲーションシステム信号のコード、利用可能であるならば、例えば集積されたＧＰＳ−ガリレオユーザ受信機を一体化することができる。
【００２３】
基地局54は正確に調査された地点に位置される静止受信機を含む地上局を備えている。基地局54は各衛星52からＧＰＳ衛星距離信号を受信する。各ＧＰＳ衛星距離信号が基地局54とユーザ受信機56により受信されるとき、衛星信号は電離層または大気状態、ＧＰＳ放送暦およびクロック誤差と、マルチパス状態、または基地局54或いはユーザ受信機56に到達する距離信号に誤差を発生しうる他の要因によって悪影響される可能性がある。基地局54は初期化データ、基地局位置データ及び寸法または境界データの特有のセットのような付加的な補助データを送信する。初期化データのセットはＧＰＳ年鑑または衛星歴及びクロックデータ、エポック時間に基地局54で受信されたときの基地局距離測定を含むＰＲＮ距離データを含んでいる。境界データはユーザ受信機56が位置されているサーチ空間領域を限定するために予め定められた地理空間を含んでいる。
【００２４】
ユーザ受信機56は基地局位置データに基づいてサーチ空間領域内をサーチし、ユーザ受信機56の視野内の衛星52から衛星コードの１以上を同時に捕捉する。さらにユーザ受信機56は受信された衛星コードを合計する等コヒーレントに組合せ、そこからユーザ受信機56の見込位置を検出するためにユーザ受信機56の視野内の全ての衛星から全ての衛星距離コードを同時に捕捉することができる。ユーザ受信機56は最大の電力出力値を決定するために予め定められた地理領域内の複数のグリッド点位置のそれぞれで受信されたＧＰＳ距離信号の電力出力を組合せまたは合計する。ユーザ受信機56はユーザ受信機56の見込位置を外挿するために最大の電力出力値を使用する。最大の電力出力値は各グリッド点位置に存在する全てのＰＲＮコードの最高のコヒーレントに組み合わせられた電力出力を示しており、最大の電力に関連されるサーチ空間領域内のその位置はユーザ受信機56の見込位置を識別する。以下の段落はユーザ受信機56の機能をより特別に説明している。
【００２５】
無線補助リンクを通して、ユーザ受信機56は基地局位置データと共に捕捉を補助するための初期化データのセットと捕捉サーチの補助のためのサーチ領域境界データとを受信する。さらに無線リンクによって、ユーザ受信機56には未知のユーザクロック誤差に関連されるサーチ空間を減少するためにＧＰＳ時間同期機能が与えられる。ユーザ受信機56は基地局54からサーチで使用するための時間同期の正確性についてのデータも受信する。しかしながら時間同期の正確性はサーチ領域境界データに基づいてユーザ受信機56により推測されることができる。さらに、ユーザ受信機56はサーチ空間を減少するためにユーザ受信機クロックと発振器の誤差を減少するように基地局からの時間補助機能と周波数補助機能を使用することができる。
【００２６】
時間補助機能はＧＰＳ時間転送または時間サンプリング制御方法のような幾つかの形態を取ることができる。時間転送方法は基地局54からの外部ＲＦ補助信号を使用して、ＧＰＳ時間同期機能をユーザ受信機56へ提供する。他方で、時間サンプリング制御方法はＧＰＳ衛星距離信号を測定するために基地局54により使用される時間エポックに近い時間エポックでＧＰＳ衛星距離信号をサンプルするコマンドを基地局54がユーザ受信機56に提供することを含んでいる。
【００２７】
周波数補助は安定な基地局無線周波数（ＲＦ）搬送波信号への信号位相または周波数のロック（例えば位相ロックループ（ＰＬＬ））を実行することによりユーザ受信機56により行われることができる。基地局信号が高品質のオーブン結晶発振器（ＯＣＸＯ）またはＧＰＳ衛星信号の追跡により周波数較正されている発振器を使用して発生されるならば、ユーザ受信機ＰＬＬは周波数サーチを減少または除去するのに十分正確で安定な周波数基準を提供する。ユーザ受信機ＰＬＬ周波数基準はまた、１秒の期間までコヒーレントな積分時間と、それに後続するユーザ受信機56に関する各衛星52のドップラと運動の補償を支援する。
【００２８】
年鑑または暦データを使用して、ユーザ受信機56はサーチ空間グリッド内のその位置を決定するために使用される視野内のＧＰＳ衛星距離コード信号の数を決定することができる。サーチ空間はグリッド点の２次元領域を含んでいる。代わりにサーチ空間はサーチグリッド点の３次元領域を含むことができる。例えば２次元の場合の位置を決定するために、ユーザ受信機56の視野内に少なくとも３つの衛星54が必要とされる。他方で、３次元の場合のユーザ受信機56の位置を決定するためには、少なくとも４つの衛星54が必要とされる。さらに、ユーザ受信機56は次式またはその変形により与えられる予測可能なオフセットへＰＲＮコーダを調節し、それによって幾つかの見込グリッド点位置の全ての信号の存在を同時に検出するために各“Ｍ”個の衛星52から受信されたＧＰＳ衛星ＰＲＮコード信号を同時に相関する。
【００２９】
図３を参照すると、サーチ空間領域58は約１／４乃至１／２ＰＲＮコードチップ離れて隔てられることができるサーチ空間グリッド点（ｘ、ｙ）のセットを含んでいる（Ｌ１ Ｃ／ＡコードチップはＣ／Ａコードで約３００メートルに対応し、ＰコードチップはＰ（Ｙ）コードで約３０メートルに対応する）。２次元のサーチ空間領域の大きさが約１０ｋｍ×１０ｋｍであるならば、サーチ点の数はＣ／Ａコードチップに対して約５，０００乃至２０，０００であることができる。さらに初期サーチスペース域の減少は大きな計算的節約を可能にする。例えば１ｋｍ×１ｋｍの領域は１００の節約係数またはＣ／Ａコードチップで５０乃至２００のみのグリッド点を可能にする。
【００３０】
再度図３を参照すると、基地局54からベクトル→ｒＵによりオフセットされるユーザ受信機56の位置における受信されたコード位相は大きさ＾Ｌｉ・→ｒＵの基地局54に関する距離オフセットを含んでおり、ここで＾Ｌｉは衛星“ｉ”までの視線（ＬＯＳ）単位ベクトルである。したがって、エポック時間ｔ０における基地局54に関するユーザ受信機56により受信された“Ｎ”衛星ＰＲＮコード擬似距離（ＰＲ）測定のセットは次式により与えられる。
【数１】
【００３１】
ここで“ｂ”はＧＰＳ時間に関するユーザ受信機の未知のオフセットを表す未知のパラメータである。“Ｎ”は視野内の“Ｍ個”までの衛星52から合計された処理で使用される全てのＰＲＮコード信号からなる。エポック時間ｔ０における２つのＧＰＳ ＰＲＮコード信号“ｉ”と“ｊ”間の相対的なコード位相は次式のように規定される。
Φｉｊ（ｔｏ）＝ＰＲｉ（ｔｏ）−ＰＲｊ（ｔｏ） （式２）
ここでＰＲＮコード距離測定ｉとｊは同じ衛星52iに関する２つの異なるＰＲＮコード信号または２つの異なる衛星52i、52jから得られる２つの異なるＰＲＮコード信号から得られる。同じ衛星52からの２つのＰＲＮコード信号間の相対的なコード位相はほぼ同じである。ＰＲＮコード信号が同じ衛星52iからの２つの異なる周波数から得られるならば、相対的なコード位相は衛星送信機と電離層遅延に関連される周波数間バイアスを含むことができる。
【００３２】
ユーザ受信機56と基地局54により観察されるときの相対的なコード位相間の差は次式により得られる。
ΔΦｉｊ（ｔｏ）＝（Φｉｊ）Ｕ−（Φｉｊ）ＢＳ （式３）
結果を簡単にするために式２を式３に代入し、式１を使用すると、次式が得られる。
【数２】
【００３３】
未知のユーザクロックオフセットパラメータ“ｂ”は式４により与えられる差分相対コード位相式から落ちる。ユーザ受信機56が“Ｍ個の”衛星52の視野内の“Ｎ”ＧＰＳ ＰＲＮコード信号からの電力を同時にサーチし、捕捉し、組み合わせるとき、前述の式またはその変形がユーザ受信機56内の相対コード位相を予測するために使用される。これはユーザ受信機56がそのユーザ受信機56の視野内の衛星の全てのＰＲＮコードまでの“Ｎ”ＰＲＮコードを同時に捕捉することを可能にする。これはユーザ受信機56のＮ個の相関器を使用し、対応するＮ個のＰＲＮコード発生器出力チップシーケンスをエポック時間にグリッド点で予測される相対コード位相により与えられるような位相オフセットへ同期することにより実現される。例えば、グリッド点においてユーザ受信機により受信されるときのＰＲを予測するための式（１）の使用を考え、ここでは基地局ＰＲコード測定データ、ユーザ位置→ｒＵを限定するためのサーチ域境界データ、“ｂ”の不確定さを限定するための時間同期関数は基地局によりユーザ受信機に与えられる。
【００３４】
ＬＯＳ単位ベクトル＾Ｌｉは基地局54により与えられるような各衛星52の年鑑または暦データ、基地局位置、ＧＰＳ時間情報を使用してユーザ受信機56内で計算されることができる。ＬＯＳ単位ベクトルは典型的に基地局54とユーザ受信機56との両者で同じであると仮定される。したがって実際の応用では、基地局54とユーザ受信機56との間のタイミング誤差は約１ミリ秒を超えてはならない。しかしながら、さらに小さい時間同期誤差は受信機クロック誤差に関連されるサーチ空間を減少するのに有益である。理想的には、基地局54により与えられる時間同期関数は１ミリ秒以下まで正確である。しかしながらこの誤差はサーチ空間領域58の寸法によっても限定される。
【００３５】
補助データがユーザ受信機56へ送信されると、ユーザ受信機56は２次元サーチ空間の２次元の解→ｒＵ＝（Ｘ，Ｙ）に対して基地局54に関するユーザ受信機位置の未知のパラメータを解くために前述の式またはその変形を使用する。代わりにサーチ空間領域58は３次元地球基準グリッドを有し、３次元の解→ｒＵ＝（Ｘ，Ｙ，Ｚ）が与えられる。
【００３６】
代わりに、前述の式の変形はサーチ空間領域58内の絶対ユーザ受信機位置（例えば基地局54の代わりに地球基準中心座標系に関するユーザ受信機56の位置）の決定を可能にする。この絶対位置はユーザ受信機56の処理方法内で、衛星暦及びクロックデータから予測されるような各グリッド点の相対コード位相と、基地局54から供給されるＧＰＳ時間同期情報を使用することによりＮ個の相関器を調節することで得られることができる。しかしながら方法はさらにコードチップの寸法調整が可能な部分である可能性がある電離層遅延の補償を必要とする可能性がある。
【００３７】
小さい時間間隔にわたる静止状態または周波数及び慣性測定装置（ＩＭＵ）補助により、ユーザ受信機56は延長された時間間隔にわたって多数の測定をコヒーレントに処理することもできる。このような公式では、他のパラメータが性能を改良するために付加されることができる。ＧＰＳ処理はＧＰＳエポック時間ｔ０に関して時間間隔にわたって衛星の運動の任意の変化に対してＰＲＮコーダと信号位相を調節する。この調節は衛星の暦とクロックデータを使用して決定されることができる。
【００３８】
ユーザ受信機位置で全てのＰＲＮコード信号をコヒーレントに組み合わせるため、ユーザ受信機56は初期測定エポック時間における各ＰＲＮコードに関連される全ての信号搬送波位相角度の可能性にわたって組合せサーチを行う。組合せサーチは処理される“Ｎ個の”ＰＲＮコードに関連される全ての搬送波位相の組合せにわたって延在する。雑音レベルに関する組合されたＰＲＮコード信号電力出力で最も強い「スパイク」を発生するその１つの搬送波位相角度の組合せとグリッド点とユーザ受信機クロックの組合せ、例えば前述したように従属の相対的なコード位相同期サーチを行う“Ｎ個の”ＰＲＮコード相関器からの合計された出力は最も見込のあるユーザ受信機位置を示す。このサーチはまたユーザクロック誤差にわたるサーチと、各グリッド点における全てのＰＲＮコード信号の全ての搬送波位相の組合せにわたる組合せサーチも含んでいる。公称上のコード受信電力レベルの知識、各周波数帯域の評価された雑音レベル、姿勢基準に関するユーザ受信機56のアンテナ利得パターンによる衛星ＬＯＳ減衰、既知のＬＯＳ障害のような付加的な情報は信号を消去し、組合せ数を減少し、或いは解の速度または性能を改良するために電力出力を加重するのに有用である可能性がある。この情報はまたユーザ受信機56により行われる計算された解の演算の確実さを予測するための適切なしきい値の計算を可能にする。
【００３９】
ユーザ受信機56は相関の前に各ＰＲＮコード信号についてのエポック時間ｔ０におけるサンプルされた信号位相のデジタル回転を適用することにより組合せ搬送波位相サーチを行うことができる。例えば５のＰＲＮコード信号で４５度の位相インクリメントを使用する徹底的なサーチは８５＝３２，７６８の可能な組合せに対応する。サーチは特別に設計された電子回路（例えば特定用途用集積回路または“ＡＳＩＣ”）を使用して効率的に合成されることができる。このような回路はサーチ空間全体にわたって最大の組合された電力を迅速にサーチするための多数の相関器を構成することができる。さらに、より小さい搬送波位相インクリメントは信号処理損失を減少するだけでなく、計算的な負担または電子ハードウェアの複雑性の増加も生じる。搬送波位相組合せサーチ空間の減少は各衛星の既知の信号52に対する位相関係を使用して、または基地局に、測定されたときの各衛星52のＰＲＮコード間の相対的な搬送波位相角度情報をユーザ受信機46へ送信させることにより可能である。
【００４０】
サーチ空間領域内の各グリッド点で、ユーザ受信機56はこの特定のグリッドサーチ点がユーザ受信機56の見込位置であると仮定する。処理期間中、ユーザ受信機56は前述の式により予測されるように各内部ＰＲＮコード位相を関連される相対コード位相へ調節する。さらにユーザ受信機56は前述の関連されるＰＲＮコーダの出力データをユーザ受信機56のＧＰＳアンテナから受信された下方変換され周波数補正されたデータと相関する。予測されたコード位相及びサーチ空間グリッド点に関連されるユーザクロック時間オフセットと距離オフセットが実際のユーザ受信機距離に対応するならば、信号の存在に対応する電力出力が存在する。推測される予測が正しくないならば、電力出力は雑音にのみ対応する。難しい環境（例えば室内または干渉状態下）では、１つの相関器からの電力出力はＰＲＮコード信号を確実に検出するには不十分である可能性がある。“Ｎ個の”ＰＲＮコード信号からの電力出力がコヒーレントに組み合わせられるとき、ＰＲＮコード信号の検出の確実性は非常に改良される。各受信されたＧＰＳ衛星距離信号からの相関器出力をコヒーレントに組み合わせることにより、ＰＲＮコード信号は見込のあるユーザ受信機位置で同時に全て捕捉されることができる。
【００４１】
ＰＲＮコード信号の初期サーチと、ＰＲＮコード信号の検出と、ユーザ受信機56の見込位置の決定に続いて、その後のユーザ受信機位置の位置の精巧なサーチが行われることができる。このような精巧なサーチは電力がさらに最大にされるまで、またはコード位相誤差処理を実行するために小さいコード位相調節を使用することによって、初期グリッド点の解に関してより小さいグリッドステップ（例えば１／１０コードチップ間隔）で減少されたサーチ空間領域58を調節することを含むことができる。
【００４２】
基地局54とユーザ受信機56の多数の周波数帯域に関連されるデータの処理では、基地局54とユーザ受信機56に対する周波数間バイアスはコードチップに関して小さく維持される（Ｃ／Ａコードチップは約１ミリ秒であり、Ｐ（Ｙ）コードチップは約０．１ミリ秒である）。その代わりに、全ての周波数帯域からの全ての信号のコヒーレントな組合せが望まれるならば、このバイアスに関連される付加的な小さいサーチ層が必要である可能性がある。しかしながら１つの周波数帯域からのＰＲＮコード信号を処理することによってのみ大きな処理利得が実現されることができる。例えば各衛星52は地球カバー範囲Ｌ１周波数で２つの民間及び２つの軍事用信号を有することができ、そのため比較可能な受信された電力レベルの衛星ＰＲＮコード信号を仮定すると、視野内の１０個の衛星52は１つの信号の捕捉よりも４０（１６ｄＢ）の有効な係数を得ることができる。
【００４３】
前述したように高品質で正確で安定なユーザ受信機56の発振器または基地局周波数補助がないと、ユーザ受信機の発振器周波数オフセットにわたる付加的なサーチもまた必要とされ、コヒーレントな積分時間の期間が制限される。この場合、付加的な周波数サーチ空間の程度は発振器の周波数誤差にしたがい、コヒーレントな積分時間の期間は発振器の安定性にしたがう。
【００４４】
各ＰＲＮコードのコヒーレントな積分時間を拡張するために、処理はユーザ受信機56に関する衛星52のドップラの周波数補正と、エポック時間に関するドップラの変化の段階的補正を含んでいる。例えば長い積分時間では、相関間隔にわたって位相の一貫性を維持するため、捕捉されたＧＰＳ信号サンプルデータまたは内部で発生されたコード及び搬送波位相データはまた相関間隔にわたって任意の衛星52または重要なユーザ受信機56の運動について位相補正される。他方で、徒歩のオペレータは放送ＧＰＳ信号データが捕捉される間にユーザ受信機56に関連されるボタンを押した後数秒間、単にユーザ受信機56を静止して保持することによりユーザ受信機の運動の低下を除去することができる。付加的に、地球回転が影響するユーザ受信機56の修正は１０ｋｍ×１０ｋｍ内のサーチ域領域では必要とされない。
【００４５】
ユーザ受信機56の別の実施形態では、ユーザ受信機56は弱い信号の回復のための方法を使用することができる。ユーザ受信機56は弱い信号環境期間および／または１乃至２のみの強い衛星距離信号が検出され捕捉されることができるときのような妨害状態で弱い信号の回復方法を使用する。ユーザ受信機56または基地局54は受信された衛星距離信号を強い信号または弱い信号として識別する。ユーザ受信機56は強い信号の数が強い信号の予め定められた数よりも少ないか否かを決定する。強い信号の予め定められた数は測定された擬似距離の処理に基づいて、ユーザ受信機56によりその見込位置を決定するために必要とされる強い信号の数を表している。搬送波位相角度の組合せは強い信号に関連される測定された量に制約される。ユーザ受信機56は強い信号に関連するデータに基づいて制約されたサーチ空間領域を使用して弱い信号をサーチする。弱い信号の搬送波角度オフセットのみをサーチして、ユーザ受信機56はその見込位置を決定するためにサーチ空間領域をサーチする。
【００４６】
ユーザ受信機56の別の実施形態では、ユーザ受信機56はより正確に見込位置を決定するために画像幾何学的表面処理技術を使用することができる。画像処理技術を使用して、ユーザ受信機56はサーチグリッド点にわたって組合された電力出力の幾何学的表面パターンを解析する。幾何学的表面は各グリッド点位置において組み合わされた電力値を有するサーチグリッドにわたる表面を含むことができる。画像処理技術は最大のピークまたは最大の組合された電力出力の位置をさらに正確にするために未調整の幾何学的表面電力データに対する平滑にされた幾何学的表面モデル適合を計算し、さらにピークが実際に誤った検出と正確な検出のいずれに対応するかを決定するために幾何学的表面を解析するために適用されることができる。幾何学的表面モデル適合は弁別パラメータを抽出し解析することによって解析されることができる。正確なユーザ受信機位置で、幾何学的表面は最大の電力ピークの特性を示す。平滑にされた表面モデル適合と、平滑にされた表面モデル適合に関する残留する雑音ジッターから抽出される弁別パラメータは見込解の確信を強め、または誤った解を識別し除外するために解析されることができる。
【００４７】
特に、ユーザ受信機56は各グリッド点位置に対応する各組合された電力出力を最大にするためにユーザクロック時間オフセットを調節する。次に、幾何学的表面モデルは予測される幾何学および各受信された衛星距離信号の信号特性に基づいて結果的なサーチ空間領域にわたって予測される。さらに幾何学的表面モデルの予測についての説明を以下行う。最後に、この幾何学的表面モデルのパラメータは（例えば最小二乗法の意味で）グリッド点に関連される雑音の多い組み合わせられた電力値と適合する。解析技術は見込のあるユーザ位置の解の確実性を決定するために最大電力出力と電力表面の特徴の検出を強化することを可能にするために幾何学的表面モデルと獲得された弁別パラメータへ適用される。
【００４８】
画像処理技術の適用において、ユーザ受信機56は幾つかの時間間隔にわたって幾何学的表面の多数のスナップショットを処理することもできる。次に従属相関器のネットワークまたは平滑にされた幾何学的表面モデルの組合された電力出力は時間平滑な組合された出力を発生するために時間的に濾波される。したがって処理方法は２次元（又は３次元）空間と時間にわたって組み合わせられた電力データの濾波または平滑化を適用する。平滑にされた幾何学的表面モデルは見込位置に対応する特定のグリッド点位置の最大の電力出力をより良好に位置決定するために補間される。次に、幾何学的表面の勾配、ピーク、隆起部は弁別パラメータを発生するために使用される。弁別パラメータは見込位置がその見込位置について三角測量する隆起部を有する最大のピークに対応することを確実にするために解析される。スマートアルゴリズムがこの応用で適用されることができる。最大のピークが位置決めされると、幾何学的表面とピークは幾何学的表面のダイナミックモデルを含んでいるカルマンフィルタタイプの処理と基地局54からの多数の時間エポックにおける測定の処理で時間内に発展され追跡されることができる。
【００４９】
幾何学的表面はユーザ受信機56がサーチ空間領域の見込位置に位置されており、有効なユーザ受信機運動モデルには信号特性とユーザ受信機56に関する衛星の既知の幾何学的配置が与えられているという仮定に基づいて予測可能な方法で発展する。時間の経過につれて、この幾何学的表面はユーザ受信機運動に関する衛星の運動により僅かに変化するが、この効果は予測可能である。さらに、新しい衛星が処理に付加され、他の衛星が削除されるとき、幾何学的表面の変化は予測可能である。これは時間で発展する予測的な幾何学的表面画像モデルの使用を示唆しているだけでなく、フェーディング及び他のランダムな効果に適合するために幾つかのランダムな時間発展コンポーネントを含むこともできる。このようなランダムな発展コンポーネントは雑音を空間的及び時間的に取り除き、したがって最大のピーク電力の追跡に関連されるナビゲーション解の正確性を強化するためにランダムフィルタモデルとカルマンフィルタタイプのダイナミックモデルを含むことができる。
【００５０】
ユーザ受信機56の別の実施形態では、ユーザ受信機56はさらに処理を強化するための便宜性を付加するために演繹的または受信された情報を信号処理論理で実行することができる。例えば演繹的情報はＧＰＳ ＰＲＮコードの受信された電力に関するデータ、各周波数帯域における干渉に関するデータ、既知のＬＯＳ妨害、アンテナ利得パターン及び姿勢基準データを含むことができる。ＧＰＳ ＰＲＮコードの信号強度はより強い信号を処理するために選択的に使用されることができる。干渉は最低の干渉を有する周波数帯域から選択的にＰＲＮコードを処理するために使用されることができる。姿勢基準データは低いユーザ受信機アンテナ利得に関連される信号のような弱い信号を除外するために使用されることができる。ＩＭＵ情報または運動検出器は各信号に対して適切なコヒーレントな積分間隔を設定するために使用されることができる。論理制御の処理はスマートアルゴリズムを使用して実行されることができる。
【００５１】
ユーザ受信機56の別の実施形態は超密着結合（ＵＴＣ）技術を使用するユーザ受信機56を含んでいる。ＵＴＣ技術は未調整のＧＰＳ測定を未調整の慣性測定装置（ＩＭＵ）測定と一体化することにより対妨信状態を改良する効率的な方法である。ＵＴＣ技術により、スムーザ（図示せず）は従属相関器のネットワークの電力出力を距離及び距離レート残留誤差または位置−時間ドメイン及び対応するレート残留誤差へ変換し平滑にする。スムーザはカルマンフィルタで構成することができる。
【００５２】
例えば伝統的なＵＴＣ技術は慣性捕捉を仮定し、位置−時間ドメインの視線内の全てのＧＰＳ信号の追跡前に良性の環境のＧＰＳ信号へロックして自動追尾する。ユーザ受信機56は高い妨害環境の位置−時間ドメイン追跡でＵＴＣ技術を初期化することができる。この１例は精密誘導兵器（ＰＧＭ）が解放され、ＧＰＳ信号捕捉を獲得し、ストレスのある環境で適合または「追跡」しなければならないときを含んでいる。ＵＴＣ技術では、全ての衛星のＰＲＮコード測定がカルマンフィルタを通して閉ループ追跡されるので、個々のＰＲＮコードに関連する正の追跡状態または搬送波追跡ループ誤差ジッターの通常のインジケータはもはや適用されることができない。幾何学的表面処理では、集束されたＵＴＣ技術の位置−時間ドメイン解はＵＴＣ技術の解が実際に最大の電力ピークに対応することを証明するために摂動されることができる。画像処理解析技術は最大の電力ピーク出力の存在または不在を設定するために収束されたＵＴＣ技術解の付近で適用されることができる。ＵＴＣ技術解の完全性または信頼性はＧＰＳ測定がＩＮＳ解に統合されるべきか否かを決定することを助ける。ＧＰＳ信号追跡状態が正であるならば、ＧＰＳ測定はＩＮＳ解へ統合されることができる。他方で、ＧＰＳ信号追跡状態が決定されずまたは否定的であるならば、ＧＰＳ測定は廃棄されるべきである。この場合、ユーザ受信機56はＩＮＳ解だけを使用する。
【００５３】
図４を参照すると、ユーザ受信機56の１実施形態が示されている。ユーザ受信機56は、ユーザインターフェースモジュール59、制御処理モジュール（ＣＰＭ60）60、基地局受信部62、無線周波数（ＲＦ）フロントエンド部64、ナビゲーションシステム66を含んでいる。ユーザインターフェースモジュール58はユーザがユーザ受信機56の見込位置を決定するためのリクエスト信号をＣＰＭ60へ送信することを可能にする。ＣＰＭ60はデータ転送および電力管理を制御し、見込位置を予測するためにナビゲーションシステム66により送信される電力出力を解析する。基地局受信部62は基地局54からデータ情報を受信し、それをＣＰＭ60へ送信する。ＲＦフロントエンド部64はユーザ受信機56の視野内の衛星からＧＰＳ信号を受信する。ナビゲーションシステム66はユーザ受信機56の見込位置を決定するためにここで説明したように基地局受信部62から受信されたデータに基づいて、ＲＦフロントエンド部64を介してＧＰＳ衛星信号を処理する。
【００５４】
ユーザインターフェースモジュール59は制御インターフェース59aとディスプレイ59bを含むことができる。制御インターフェース59aを使用して、オペレータはユーザ受信機56の見込位置を決定するためのリクエスト信号をＣＰＭ60へ送信してＧＰＳ信号処理をスタートさせる。制御インターフェース59aはさらに実行される動作のための複数のモードの１つについてのリクエストをＣＰＭ60へ送信できる。動作モードについてはさらに以下後述する。見込位置が決定されると、ディスプレイ59bは見込位置を示す信号を受信し、それをオペレータに通知できる。特に、ディスプレイは例えば通常のＬＣＤディスプレイパネルを介して見込位置を表示できる。
【００５５】
ＣＰＭ60はユーザインターフェースモジュール59からリクエスト信号、基地局受信部62から基地局データ、ナビゲーションシステム66から電力出力を受信する。ＣＰＭ60はバッテリおよび電力調整システム68、マイクロプロセッサ70、メモリ72を含むことができる。バッテリおよび電力調整システム68はそれぞれＲＦフロントエンド部64、ＣＰＭ60、ナビゲーションシステム及びユーザインターフェースモジュール58をオンに切換えるために調整された電力を提供する。
【００５６】
マイクロプロセッサ70はメモリ72中にＲＦフロントエンド部64により送信された基地局データを記憶できる。マイクロプロセッサ70は各ユーザ受信機処理エレメントとモデム間のデータ情報の転送を処理する。マイクロプロセッサ70はまたＲＦフロントエンド部64とナビゲーションシステム66を付勢し、それによってリクエスト信号が受信されると、ユーザ受信機56の見込位置が決定される。さらにマイクロプロセッサ70は見込位置を決定するためにナビゲーションシステム66の電力出力を処理し、これはその後メモリ72へ記憶されることができる。マイクロプロセッサ70はさらに幾何学的表面画像化処理技術とＵＴＣ技術のようなここで説明した他の機能を行うことができる。さらに、電力の節約に加えて、マイクロプロセッサ70は擬似距離および／または他のＧＰＳ計算が行われていないとき、大部分または全てのユーザ受信機のハードウェアを共通して「待機」モードまたは電力ダウン／オフ状態と呼ばれる低電力状態に設定することができる。メモリ72は前述したようにマイクロプロセッサ70により送信されたデータを記憶するために使用される。同様に、メモリ72はナビゲーションシステム66および／または関連されるＧＰＳ信号データにより予測されるデータを記憶することもできる。
【００５７】
基地局受信部62は第１のアンテナ72とモデム74を具備することができる。第１のアンテナ72は基地局54により送信される補助データと、初期化データと基地局位置データのセットとを含んだ基地局データを受信する。このデータはモデム74により受信され、ＣＰＭ60へ送信される。
【００５８】
ＲＦフロントエンド部64はＧＰＳアンテナ76と低雑音増幅器（ＬＮＡ）78を具備することができる。ＧＰＳアンテナ76はユーザ受信機56の視野内の各衛星からＧＰＳ信号を受信する。ＬＮＡ78は通常のＲＦフィルタ（図示せず）と、通常の低雑音増幅器段（図示せず）と通常のバッファ増幅器段（図示せず）とを含むことができる。ＲＦフィルタは同じ位置に位置されるセル無線、ＭＳＡＴおよびインマルサット送信機に関する信号を排除し、画像および低調波周波数信号を拒否する。各低雑音増幅器段とバッファ増幅器段は確実性を最大にするために増幅され受信された信号を使用する。
【００５９】
ナビゲーションシステム66は弱い信号のロックシステム、対妨信システムまたはその組合せであってもよい。ナビゲーションシステム66は下方変換器80、アナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換器82、基準発振器84、クロック86、デジタルスナップショットメモリ88、ナビゲーションモジュール90を含んでいる。ナビゲーションシステム66が付勢されるとき、下方変換器80、Ａ／Ｄ変換器82、デジタルスナップショットメモリ88、ナビゲーションモジュール90はＣＰＭ60のバッテリ及び電力調整システム68を介して十分に付勢されることができる。これは各ＧＰＳ衛星からの各信号がＧＰＳアンテナ76を介して受信され、デジタルスナップショットメモリ88に記憶されるように予め処理されることを可能にする。受信された信号はＬＮＡ78により濾波され増幅され、基準発振器84を使用して下方変換器80によりＩＦ周波数へ下方変換される。基準発振器84はＡ／Ｄ変換器82によりデジタル化されデジタルスナップショットメモリ88に記憶される内部周波数基準を提供する。ナビゲーションモジュール90はスナップショットメモリ88からデータを検索し、ユーザ受信機56の見込位置を決定するためにこのデータを基地局受信部62から受信された情報と組み合わせる。基地局情報を受信するとき、ナビゲーションモジュール90はクロック86を更新し同期することができ、前述したように発振器84の周波数を補正する。発振器84はここで説明するようにユーザ受信機発振器84として機能する。さらにクロック86はここで説明するようにユーザ受信機発振器クロック84として機能する。
【００６０】
図４および５を参照すると、ナビゲーションモジュール90は外部ループサーチルーチン92と内部ループサーチルーチン94と、従属相関器のネットワークバンク96とを含んでいる。外部ループサーチルーチン92はユーザのクロック誤差を制限する間隔の時間インクリメントで、見込位置を制限するグリッド点のサーチ空間領域セットにわたってサーチを行う。各グリッド点及びユーザ受信機時間オフセットで、内部ループサーチ機能94は全ての初期搬送波位相角度の組合せにわたってサーチを行い、組み合わされ受信されたＰＲＮコード信号に関連される電力量を従属相関器のネットワーク96に計算させる。各グリッド点およびエポック時間で受信されたコード位相は基地局供給距離測定に関して予測可能であるので、複数の相関器は組合せサーチを行うために共に従属される。従属相関器のネットワーク96はエポック時間ｔ０における全ての可能な初期搬送波位相角度にわたって組合せサーチを行うことにより、各グリッド点と時間オフセットで全てのＰＲＮコード信号をコヒーレントに組み合わせようとする。代わりに、従属相関器のネットワーク96は高速フーリエ変換（ＦＦＴ）の実行により置換されることができる。
【００６１】
各グリッド点で、内部ループサーチ機能94は処理されるＮ個の独立した信号に対する全ての可能な初期搬送波位相角度の組合せにわたってサーチする。幾つかのＰＲＮコード信号に対しては、同じ衛星からの多数の信号間の位相角度関係は基地局54により予測されまたは提供されることができる。この情報は２つのコード、例えばＬ１ Ｃ／ＡコードとＰ（Ｙ）コードが公称上位相の１象限にあるときに、組合せサーチ空間を減少するために使用されることができる。ユーザ受信機クロックオフセットは別のサーチパラメータを表す。正確なグリッド点位置、ユーザ時間および搬送波位相角度の組合せで、全ての相関器信号の電力出力はコヒーレントに同位相で組合せられ、雑音レベルに関してネットワーク96からの組合された電力出力の強力なスパイクが存在する。
【００６２】
さらに、従属相関器のネットワークバンク96は好ましくはＡＳＩＣを具備している。例えば従属相関器のネットワークバンク96は１００ＭＨｚのＡＳＩＣで構成されることができる。さらに、従属相関器のネットワークバンク96の好ましくは多数の並列レプリカがサーチ空間領域の全てのグリッド点位置と位相角度の組合せを通して迅速にサーチするために構成されることができる。例えばＡＳＩＣは１０，０００以上のグリッド点または搬送波位相角度の組合せを並列に同時にサーチするために１０，０００以上の従属相関器のネットワークバンク96を構成することができる。従属相関器のネットワークバンク96は４５度のインクリメントで各搬送波位相角度をサーチできる（小さいインクリメントは組合せの損失を減少するが、処理負荷を増加する）。したがって、各信号搬送波位相角度は３６０度の範囲にわたって８のインクリメントでサーチされることができる。Ｎ個の独立した信号の特有の搬送波位相角度の組合せの総数はしたがって８Ｎである。
【００６３】
図６に関連する以下の説明は従属相関器のネットワークバンク96の機能についてさらに詳細に説明している。通常のＰＲＮコードの除去は各相関器により行われ、データ除去機能（図示せず）はＰＲＮコードおよび応用可能ならばＮａｖメッセージデータビット転移に関連する任意の変調を除去する。ＰＲＮコード信号が第１のミキサ98で受信されるとき、ユーザ受信機発振器周波数の補正が基地局54により送信される補助データにより得られるように行われ、適用される。第２のミキサ100で、図５の内部ループ94のサーチの特別なインクリメントに関連されるＰＲＮ搬送波位相角度が除去される。第３のミキサ102で、予測可能な衛星軌道とエポック時間のクロックドップラが混合される。相関間隔にわたる衛星軌道とクロック運動によるコード位相と搬送波位相に対する予測可能な調節はそれぞれＰＲＮコーダと第２のミキサ100で適用されることができる。同様に、エポック時間のユーザ受信機ドップラに対する付加的なコード及び搬送波位相補正と相関間隔にわたる運動はＩＭＵから利用可能であるならば適用されることができる。そうでなければ、ユーザ受信機の運動が無視できる程度であるならば、オペレータまたは運動検出センサによる静的補助が使用されることができる。基地局54で受信されるようなＰＲＮコード位相データが与えられると、エポック時間の特定のグリッド点位置における相対的なコード位相が予測される。これは特定の相関器に供給する特定の相関器106に関連される各ＰＲＮコーダ104が予測可能なコード位相オフセットに回転されることを可能にする。さらに、相関間隔にわたる予測可能な「ユーザ衛星ダイナミック調節」信号はＰＲＮコーダ104を操縦し、相関間隔にわたって衛星軌道及びクロック運動（およびＩＭＵから利用可能であるならばユーザ運動）を補償するために入力される。これはコヒーレントな積分時間間隔全体にわたるコードと搬送波の両者の一貫性を維持するために、時間の変化がするときスルーイングを継続するためにエポック時間に関する搬送波位相ミキサ100の調節と、ＰＲＮコーダ104でのエポック時間に関する調節を可能にする。
【００６４】
距離ドメインにおけるこの補償の式は以下のようになる。
【数３】
【００６５】
ここで擬似距離の変化率は衛星の暦データとクロックデータおよびＩＭＵから利用可能であるならばユーザ運動の知識により与えられる。理論的に、全ての補助プロセスが適切に機能しているとき、処理は１秒程度のコヒーレントな積分時間と、１ＰＲＮコード信号の処理に関する１０×ｌｏｇ（Ｎ）に近い処理利得を可能にすることができる。
【００６６】
多数の衛星からの全ての距離信号をコヒーレントに組み合わせるために、全ての信号は同位相で処理されなければならない。ナビゲーションモジュール90は全ての可能な搬送波位相角度の組合せをサーチし、処理期間中に信号位相を調節する。正確なグリッド点、ユーザ受信機クロック86のオフセット、および搬送波位相角度の組合せで、全ての信号の電力はコヒーレントに結合される。例えば図７に示されているように受信されたＧＰＳ信号位相を仮定すると、ΔΦ０＝０、ΔΦ１＝Δψ１，．．．，ΔΦＮ＝ΔψＮに最も近く対応する１つの位相角度サーチの組合せはコヒーレントに組合せられるとき全ての信号を同位相にさせる。全ての相関器出力のコヒーレントな組合せは各相関器106からの出力が結合器（例えば加算器）110で組み合わされられるときに生じる。
【００６７】
方法10とシステム50のＳＮＲ比と処理利得を説明する。Ｙを組合された相関器出力110とし、この場合組合せ関数がＮ個の相関器出力の単純な和に対応すると仮定し、ｓｉとｎｉをそれぞれ各相関器106からの信号および雑音出力とする。雑音出力はゼロ平均であり独立し完全に同様に分配される（ＩＩＤ）と仮定される。
【数４】
【００６８】
正確なグリッド点、ユーザ受信機クロックオフセット、および搬送波位相角度の組合せで、Ｙの変化は次式により与えられる。
【数５】
【００６９】
先に示されている微分の最後の行を考慮すると、（全ての信号は正しいグリッド点、ユーザクロックオフセット、搬送波位相角度の組合せで同位相で合計され、全ての信号は同じ振幅または電力を有すると仮定するので）第１の項はＮの２乗×各信号に関係される電力に等しい。中間の項は雑音ゼロ平均特性のためにゼロに等しい。第３の項はＩＩＤの相関されていない特性のためにｉ＝ｊのケースだけが二重和を存続するのでＮ×各雑音項の変化に等しい。
【００７０】
単一の相関器に関する処理利得は第１の項対最後の項の比、即ちＮ２／Ｎ×単一の相関器のＳＮＲまたは単一のＰＲＮコード信号を処理する単一の相関器106の利得に関するＮ利得の係数により与えられる。それ故、Ｎ＝１０のＰＲＮコード信号では、処理利得は１０ｄＢであり、Ｎ＝１００のＰＲＮコード信号では、処理利得は２０ｄＢである。これは従属相関器のネットワークバンク96の電力出力の組合せ期間中に損失がないことを仮定する。幾つかの環境の実際の実施では、１以上の信号が全体的にブロックされ、対応する相関器電力出力は組合された出力に対して雑音を付加するだけである。
【００７１】
衛星信号を組合わすプロセスは簡単な合計よりも一般的な形態、例えば次式により与えられるような各相関器出力の加重された和を取る。
Ｐ＝ａ１・Ｐ１＋ａ２・Ｐ２＋…＋ａＮ・ＰＮ
予測される信号強度の関数として性能を強化するための組合せ加重ａ１と、ＬＯＳに沿った運動の不確定性に基づいて処理された各ＰＲＮコード信号の最適なコヒーレントな積分時間の選択は、性能を強化するための付加的な自由度パラメータの制御を可能にする。組合せ加重ａ１は、ゼロ雑音に関連される予測幾何学的表面モデルをサーチ空間グリッド領域にわたる雑音を有する未調整の合計された電力出力データへ適合するのに使用されるパラメータとしての役目も行う。
【００７２】
さらに、サーチを完了するための経過時間は数秒を超えることはない。処理負荷の評価はしたがって仮定されたユーザ受信機アーキテクチャ構造で行われる。しかしながら、開発中の技術、例えば国防総省国防高等研究事業局のマイクロ電気機械システム（ＤＡＲＰＡ ＭＥＭＳ）スケール原子時計プロジェクトは将来の処理を非常に容易にすることができる。
【００７３】
さらに別の実施形態では、ユーザ受信機56は92へ変更された処理を実行し、ここではＰＲＮコード位相と搬送波位相角度オフセットの両者が予測される。３次元のサーチ空間領域でサーチするとき、サーチ空間領域はグリッド点位置の数を増加するためにより微細な解像度のグリッド間隔へ分割されることができる。これはユーザ受信機56がより正確に見込位置のその搬送波位相角度を予測することを可能にできる。例えば３次元のサーチ空間領域は約１００立方メートルよりも小さい可能性がある。さらに微細な解像度は例えば搬送波波長の一部または約１−３センチメートルを有することができる。
【００７４】
基地局の無線補助サービスがＧＰＳエポック時間でその搬送波位相角度測定も提供するならば、ユーザ受信機56はより微細な解像度のグリッドを有するサーチ空間領域における各グリッド点のその自分の搬送波位相測定を予測するためにこの情報を使用できる。ここで、ユーザ受信機56は搬送波位相角度の組合せにわたってサーチしない。代わりに各グリッド点で、基地局54に関するコード位相測定と搬送波位相測定が基地局距離と位相角度測定を使用して予測される。さらに、組合せサーチ空間はＮ番目の電力まで成長するので、１０以下の独立した衛星信号は全ての搬送波位相角度の組合せにわたるサーチを含めた従来の方法を使用して各グリッド点位置で処理されることができるが、変更された処理はより多くの信号が処理されることを可能にする。ユーザ受信機クロックオフセットはまた従属相関器のネットワークバンク96の組合された電力出力を最大にするために調節され、ここでは最大の電力出力が従属相関器96の見込位置を示す。この変更された搬送波位相予測処理の利点は、処理負荷が不確実な領域の寸法に基づいており、したがって処理は１つのＰＲＮコード信号に関して２０ｄＢまでの処理利得のために、例えば潜在的には１００までのより多くの独立した衛星信号、或いは恐らくガリレオおよび現代的なＧＰＳ衛星が最終的に配備されるときに視野内にあるより大きな衛星距離信号へ拡張することができることである。
【００７５】
別の実施形態では、方法10とシステム50は基地局54からの無線補助なしにユーザ受信機56の見込位置を決定することができる。この実施形態では、ユーザ受信機56は「ホットスタート」、「後の固定」、「再取得」の動作モードのどの１つでも動作できる。記憶された補助データおよび／または衛星信号データを含んでいないユーザ受信機56は通常「コールド」受信機と呼ばれる。ホットスタートモードは第２のユーザ受信機（図示せず）から補助データを受信することによってユーザ受信機56がその見込位置を決定することを可能にする。衛星距離信号を処理し、その見込位置を決定するユーザ受信機はしばしば「ホット」受信機と呼ばれる。第２のユーザ受信機は任意のＧＰＳ処理装置、セル電話局、または時間同期および地理位置情報サービスまたはナビゲーション機会信号、例えば同期されたＲＦ信号をＴＶまたは無線局から提供する通信衛星を有することができる。第２のユーザ装置はＧＰＳ／無線装置のローカルネットワーク内の適切に設計された第２のＧＰＳ／無線装置からも得られることができる。
【００７６】
後の固定または再取得モードでは、ユーザ受信機56はバッテリ寿命を節約するために自動的にＲＦフロントエンド部64、基地局受信部62、ナビゲーションシステム66、および／またはユーザインターフェースモジュール58をオフにすることができる。これによりユーザ受信機56に衛星距離信号の処理を停止させる。短い時間の経過後、前述のエレメントはユーザ受信機56の見込位置をすばやく決定するために自動的にオンに切り換えられる。このユーザ受信機56の見込位置を決定するためのオフとオンの切換えのシーケンスは時間期間に基づいて行われる。この方法の主な利点は、ユーザ受信機56が基地局補助情報をさらに使用せずに後の固定を得るために動作できるが、代わりに内部に保存されたデータ、その従来の固定からのＰＲＮコード位相データ、その内部クロックにより維持されるような時間を使用して予測されるような初期データを利用することができることである。このシーケンスからの付加的な利点はブレッドクラムのトレールが生成され保存されることができることである。ブレッドクラムのトレールは時間期間にわたって決定された複数の保存された連続的見込位置を含んでいる。ブレッドクラムのトレールは従来の見込位置からの内部に保存されたデータに基づいてまたはそれを使用して決定される。各動作モードは他の信号強化または対妨信技術が失敗する可能性があるストレス状態下で動作するためのユーザ受信機56の能力を強化する。
【００７７】
方法10とシステム50の別の実施形態では、ＧＰＳ Ｎａｖデータ除去は例えばＮＡＶメッセージデータビット転移境界を超えてコヒーレントな積分時間を延長するために適用されることができる。このデータ除去を助けるため、ユーザ受信機56はデータビットが相関間隔にわたって予測されることができる適切な時間にサンプルすることが好ましい。基地局54は好ましくは補助及びコード位相情報をほぼ同時に提供する。
【００７８】
さらに別の実施形態では、メッセージデータが予測されることができず、ユーザ受信機56による信号受信に先だってユーザ受信機56へ中継されることができないならば、ユーザ受信機56はデジタル化データをバッファできる。バッファはその後、処理する前に基地局54無線補助リンクからのＮＡＶメッセージデータのフィードフォワードを待機できる。
【００７９】
さらに別の実施形態では、ユーザ受信機56は将来の新型のＬ２とＬ５の民間及び他の信号で有効であることが予想されるデータチップまたはチャンネル上の情報をコヒーレントに一体化できる。
【００８０】
減少された処理の複雑性、１ＮＡＶデータ符合間隔に限定される短いコヒーレントな積分時間期間と共に、減少された性能が可能であることに注意すべきである。例えば同位相（Ｉ）と直角位相（Ｑ）チャンネルからの出力を２乗し、全てのＰＲＮコードチャンネルでＩ２＋Ｑ２を合計することによって、相関器の電力出力が非コヒーレントに組み合わせられるならば、減少された性能と減少された複雑性も可能である。この構造では、搬送波位相角度の組合せ94におけるサーチは避けられることができる。
【００８１】
さらに別の実施形態では、困難な環境において、捕捉／位置固定の反復されたスナップショットタイプは、ＧＰＳ ＰＲＮコード信号の連続的な追跡が失敗したときの状態での頑丈な捕捉／再取得とその後の準連続時間ナビゲーション能力を可能にすることができる。それ程困難ではない環境において、先に得られた解のハンドオフは衛星ＰＲＮコードと搬送波信号追跡ループまたはベクトル遅延ロックループを初期化するために行われることができる。連続的に視野中の全てのＧＰＳ衛星距離信号を追跡し、解を確認し、Ｎａｖメッセージデータを復調し、位置、時間、速度評価を精巧にするための超密着結合の実行へのハンドオフも行われることができる。特にこの実行は干渉を受けやすい環境における超密着ＧＰＳ／ＩＮＳ（完成ナビゲーションシステム）結合の実行を初期化するための頑丈な技術も提供する。
【００８２】
以下の例は方法10とシステム50の性能を示している。さらに提示されている各例はＭＡＴＬＡＢシミュレーションの結果を含んでいる。ユーザ受信機56のシミュレートされた「真」の位置は２次元（または３次元）の地球基準空間領域の随意選択的な位置で取られ、コード位相測定はエポック時間における基地局位置でシミュレートされた。ユーザ受信機56の機能がシミュレートされた。図８を参照して、理想的な相関機能が仮定された。必要とされる負荷の処理量が極めて多いために、図５と６に示されている搬送波位相角度処理はシミュレートされず、ＰＲＮコード信号は搬送波位相角度の損失なく組み合わせられると仮定された。しかしながら、有限のサーチグリッド間隔により、相関機能ピークからのコード位相オフセットのコード相関損失が存在した。
【００８３】
例１では、５つの衛星と、これらの５つの衛星からのＬ１ Ｃ／Ａコード（コードチップ＝３００ｍ）の処理と、初期的な２次元位置と、１ｋｍの時間不確定領域と、１／４チップのインクリメントでのサーチを仮定する。仮定されるユーザ装置アーキテクチャは図６で示されているように従属相関器のただ１つのネットワークバンクと、１００ＭＨｚでクロックされる処理ステップからなる。
グリッド時間点の数＝（１０００ｍ／７５ｍ）３＝２３７０
搬送波位相角度の組合せ数＝８５＝３２，７６８
並列サーチセグメントの総数＝（２３７０）＊（３２，７６８）＝７７．７Ｍ
１００ＭＨｚ ＡＳＩＣを仮定するサーチの総時間＝７７．７Ｍ／１００ＭＨｚ＝０．７８秒
１つのＰＲＮコード信号に関する処理利得＝５衛星（７．０ｄＢ）
図９および１０に示されているように、ＭＡＴＬＡＢシミュレーションの結果は１つの衛星が直接的に頭上９０度の高度で選択されたＮ＝５衛星の場合の組合された電力表面を示すために提示されている。残りの４つの衛星は４５度の高度角度で選択され、＋／−とおよび＋／−ｙ軸の上方の方位角で均等に隔てられた。使用されたサーチのインクリメントは１／４コードチップであった。各ｘ−ｙグリッド点において、ユーザ受信機時間オフセットはまた１／４チップのインクリメントでサーチされ、各ｘ−ｙグリッド点のプロッされた値はユーザ受信機クロック時間間隔サーチにおける最大の組合された電力出力に対応する。図８に示されているように、各相関器の電力出力は１に正規化された。ＰＲＮコードは搬送波位相誤差のために損失なく組み合わされることが仮定された。しかしながらコード位相誤差による損失が存在するならば、幾何学的表面にわたる最大の組合された電力出力は処理されたＮ＝５衛星信号よりもやや小さい。組合された電力の幾何学的表面はシミュレートされた真のユーザ受信機位置、この場合では原点において最大の高さを有する山頂（例えば電力ピーク）の特性を示す。図９に示されているように、雑音は含まれず、図１０とは異なって、シミュレートされた通常の雑音電力は各ＰＲＮコード相関器の出力で１２ｄＢ＝２０ ｌｏｇ（Ｓ／σ）のＳＮＲに等しく（Ｔｃ＝１秒ではＣ／Ｎ＝１２ｄＢ Ｈｚに等しく）示されている。図１０に示されているように、山頂と、真のユーザ受信機位置近くの最大の電力出力の方向の特性は雑音が存在していてもこのサンプルの実行（run?）で依然として認められる。
【００８４】
図９に示されている幾何学的パターンは多数の隆起部を示し、これらは原点で真のユーザ受信機位置に対して三角測量することに注意する。隆起部は幾つかの信号ＰＲＮコードの位相が同調しているが全てのＮ個の信号コード位相と同調していない位置のセットに対応している。例えば選択された幾何学のために、３つの衛星ＰＲＮコード信号は依然としてｘまたはｙ軸に沿ったコヒーレントな関係を維持する。しかしながら原点でのみ、全てのＮ＝５のコード位相は一貫性を実現する。
【００８５】
例２では、９つの衛星からのＬ１ Ｃ／Ａコードの処理と、初期的な２次元位置と、１ｋｍの時間不確定領域と、１／４チップのインクリメントでのサーチを仮定する。この場合、仮定されるユーザ装置アーキテクチャは図６で示されているように従属相関器の１０，０００の並行ネットワークバンクからなる。
グリッド時間点の数＝（１０００ｍ／１００ｍ）３＝１０００
搬送波位相角度の組合せ数＝８９＝１３４．２Ｍ
並列サーチセグメントの総数＝１０００＊１３４．２Ｍ／１０，０００＝１３．４Ｍ
１００ＭＨｚ ＡＳＩＣを仮定するサーチの総時間＝１３．４Ｍ／１００ＭＨｚ＝０．１３秒
１つのＰＲＮコード信号に関する処理利得＝９衛星（９．５ｄＢ）
例２によれば、仮定されるハードウェアアーキテクチャの実際上の限界は約Ｎ＝９または１０の独立した衛星信号である。しかしながらこの限界は図３に示されているような変更された搬送波位相予測処理を使用することにより小さい不確定領域で克服されることができる。
【００８６】
図１１と１２に示されているように、ＭＡＴＬＡＢシミュレーションの結果は１つの衛星が直接頭上にあり、４つの衛星が４５度の高度の方位角度で均等に隔てられており、４つの衛星が水平で方位角度が均等に隔てられているＮ＝９衛星のシナリオについて示されている。この場合、シミュレートされた真のユーザ受信機位置はサーチ空間の後部コーナーで選択され、視覚化を改良するためにグリッド及びユーザ受信機の時間オフセットは例２の１／３チップインクリメントではなく１／１０チップインクリメントでサーチされた。図１１から認められるように、幾何学的表面は図１２に示されているのとは異なって雑音を含んでいない。図１２は６ｄＢ＝２０ｌｏｇ（Ｓ／σ）のＳＮＲに対応する（Ｔｃ＝１秒ではＣ／Ｎ＝６ｄＢ Ｈｚに等しい）各相関器の出力の幾何学的表面においてシミュレートされた雑音を示している。前述したように真のユーザ受信機位置の最大のピーク方向への傾向は高レベルの雑音が存在しても依然として認められる。ピーク近くの傾向の弁別に関連される改良された性能は１／３チップではなく高い解像度の１／１０チップ間隔の使用により示唆される。
【００８７】
例３では、基地局に関する搬送波位相角度が基地局からの搬送波位相速度を使用して各グリッド点位置で予測される変更された搬送波位相予測処理方法を仮定する。さらに、１００メートルの３次元位置−時間不確定領域を仮定し、この仮定はホットスタート、後の固定、再取得のユーザ受信機モードで、さらに幾つかのネットワーク無線補助ＧＰＳモードでも非常に合理的であることに注意する。不確定領域が５ｃｍのグリッド間隔を有する微細な解像度メッシュに分割されることを仮定する。全部で１００の処理されるＰＲＮコード信号において視野内の各１０のＧＰＳ衛星と１０のガリレオ衛星からの５のＰＲＮコード距離信号の処理を仮定する。
グリッド時間点の数＝（１００ｍ／０．０５ｍ）４＝１．６×１０１３
並行サーチセグメントの総数＝１．６×１０１３／１０，０００＝１．６Ｂ
１００ＭＨｚ ＡＳＩＣを仮定するサーチの総時間＝１．６Ｂ／１００ＭＨｚ＝１６秒
１つのＰＲＮコード信号に関する処理利得＝（２０衛星）＊（５コード／衛星）＝１００（２０ｄＢ）
例３によれば、仮定されるハードウェアアーキテクチャの実際の限界と、予測される搬送波位相角度を使用する変更された処理は約１００メートルの位置−時間不確定領域にあると思われる。損失のない処理利得は単一のＰＲＮコード信号の捕捉に関して２０ｄＢである。
【００８８】
図１３に示されているように、ＭＡＴＬＡＢシミュレーションの結果は各２０の衛星からの５つの信号の処理のシナリオについて与えられている。２０の衛星はランダムなＬＯＳで選択され、各ＰＲＮコード信号の受信された電力レベルは同じであると仮定された。各相関器の出力ＳＮＲは０ｄＢとしてシミュレートされ、「真の」ユーザ受信機位置は原点で取られた。電力表面は真のユーザ受信機位置の近くで最大ピークを形成し、それは高い雑音レベルが存在しても迅速に認められる。
【００８９】
図１４乃至１６を参照すると、ＭＡＴＬＡＢシミュレーションの結果は雑音のないＮ＝９衛星の場合について３次元のシミュレーションについて説明されている。この場合、「真の」ユーザ受信機位置は原点、例えば（ｘ，ｙ，ｚ）＝（０，０，０）であるように選択された。電力表面の断面が垂直軸ｚの一定値に対して示されている。示されているように、最大及びピークの予測される傾向はｚ＝０表面（図１４）で示され、ｚ＝＋５００メートル（図１５）とｚ＝＋１０００メートル（図１６）の表面はｚ＝０でのピークよりも小さい電力を有する多数の局部的な最大のピークを示している。これらの結果は画像処理技術、平滑にされた電力表面から抽出された弁別パラメータを解析し見込解とその信頼性の識別に使用するためのスマートアルゴリズムの使用の効率を示している。
【００９０】
説明されている方法10およびシステム50は民間の商用部門と軍事部門の応用の両者におけるストレス状態または弱い信号搬送波対雑音電力比（Ｃ／Ｎｏ）状態で動作するのに特に効率的である。この１つの理由は方法10およびシステム50が伝統的なＧＰＳ信号処理技術で行われるように任意の信号の２乗を避けることである。ＳＮＲ＜０ｄＢでは、２乗は信号電力に関する雑音電力を増幅する傾向がある。さらに、ここで与えられている方法10およびシステム50は基地局54とユーザ受信機56の両者に共通の誤差の自動除去を可能にし、通常１または２、３の衛星距離信号に影響するマルチパスを免れる。基地局54による処理はユーザ受信機56へ送信される距離データへのマルチパス誤差の導入を最小にすることを助ける。
【００９１】
種々の実施形態について説明したが、当業者は本発明の概念から逸脱せずに行われることができる変形または変更を認識するであろう。例はここでの開示を示しており、本発明を限定することを意図してはいない。それ故、説明と特許請求の範囲は自由に解釈されるべきであり、関係する従来技術を考慮して必要であるときにのみこのような限定を有する。
【技術分野】
【０００１】
本発明は全地球測位（ＧＰ）のための方法及びシステムに関し、特に本発明は幾何学的表面処理技術を使用してＧＰＳユーザ受信機の位置を決定するために衛星からＧＰＳ信号を捕捉するための全地球測位システム（ＧＰＳ）ユーザ受信機のためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
数十年間にわたって、移動体プラットフォームおよび／または個人の実時間の位置及び位置情報を得る能力は技術で強力に求められている。全地球測位システム（ＧＰＳ）の実施以来、世界無線ナビゲーションシステムが米国海軍により紹介され、これは実用になっている。ＧＰＳは衛星、地上または基地局、少なくとも１つのＧＰＳユーザ受信機のコンステレーションを含んでいる。
【０００３】
衛星の位置はＧＰＳユーザ受信機の位置を計算するための基準点として使用され、これは通常数メートル以内、時にはセンチメートル以内まで正確である。衛星、地上局、ＧＰＳユーザ受信機はそれぞれ正確な時間で開始する時間信号を予めプログラムする。衛星により放送される信号をロックして自動追尾するため、地上局とＧＰＳユーザ受信機はそれらのそれぞれの内部クロックにより予測される時間に関してそれらのそれぞれの内部で発生された信号をスリューする。信号がロックされるとき、ＧＰＳユーザ受信機は「擬似距離」と呼ばれる各衛星に対する距離測定を行う。これらの擬似距離測定は衛星までの実際の距離と、ＧＰＳ時間に関する受信機クロック時間オフセットに関連される誤差に加えて、他のより小さい誤差を含んでいる。ＧＰＳ制御セグメントネットワークに含まれる地上局は衛星クロックと軌道の予測を行うために使用される距離測定を行う。これらの予測は固定的に衛星へアップロードされ、衛星はこのデータをユーザ受信機位置決め機能を支援するためにユーザ受信機へ放送する。
【０００４】
各衛星は特有の擬似ランダム雑音（ＰＲＮ）コードとナビゲーション（Ｎａｖ）メッセージを含んだＧＰＳ信号を２つの搬送波周波数Ｌ１とＬ２で送信する。Ｌ１搬送波は１５７５．４２ＭＨｚであり、タイミングのためにＮａｖメッセージと擬似ランダム雑音コードの両者を伝送する。Ｌ２搬送波は１２２７．６０ＭＨｚである。Ｌ２信号は通常軍事目的で使用される。粗捕捉（Ｃ／Ａ）コードと精密（Ｐ）コードと呼ばれる２つのタイプのＰＲＮコードが存在する。民間使用を目的とするＣ／Ａコードは１．０２３ＭＨｚの速度でＬ１搬送波を変調し、１０２３ビット毎に反復し、したがってＣ／Ａコードの長さは１ミリ秒である。軍事使用を目的とするＰコードは７日間のサイクルで反復し、Ｌ１とＬ２搬送波の両者を１０．２３ＭＨｚの速度で変調する。Ｐコードが暗号化されるとき、これは「Ｙ」コードと呼ばれる。さらに、Ｎａｖメッセージは衛星の軌道、それらのクロック補正、その他のシステム状態についての情報を与えるＬ１とＬ２におけるコードに付加される低周波数信号である。理想的には、ＧＰＳ衛星の距離信号が地球に放送されるとき、ＧＰＳ衛星の距離信号は慣性基準システムで真空を通る光伝播速度に関連される距離遅延を有してＧＰＳユーザ受信機に直接到達する。しかしながら、ＧＰＳユーザ受信機へのルートに沿って、ＧＰＳ衛星距離信号はＧＰＳ衛星信号を遅延させる幾つかの原因に遭遇する。これらの信号は距離予測モデルに関する光伝播速度に関連されるパス遅延に加えて遅延を生成し、したがって誤差の原因になる。このような遅延と誤差の潜在的な原因は衛星の暦とクロック誤差、選択的な有効性（ＳＡ）、電離層および大気効果、マルチパス、受信機クロック誤差を含んでいる。
【０００５】
ＧＰＳ衛星の距離信号における遅延及び誤差を減少または除去するため、ディファレンシャルＧＰＳ地上局と呼ばれる他の地上局がしばしば使用される。各ディファレンシャル地上局は静止しており、全ての衛星信号測定をローカル基準へ結びつける。さらにＧＰＳユーザ受信機に最も近いディファレンシャル地上局は同じエポック時間でＧＰＳユーザ受信機により捕捉され追跡されたＧＰＳ衛星信号と同じＧＰＳ衛星信号に関する遅延と誤差を含んでいるＧＰＳ衛星信号を受信する。ディファレンシャル地上局は典型的にＧＰＳユーザ受信機の数十キロメートル内にある。ディファレンシャル地上局は距離遅延またはタイミング誤差を測定し、その後、無線周波数（ＲＦ）無線通信リンクによってこの補正情報をＧＰＳユーザ受信機へ提供する。ＧＰＳユーザ受信機は当分の間静止するか、ローミングしている可能性がある。ＧＰＳユーザ受信機は前述の誤差を減少するためにこれらの補正をその距離測定に適用する。ディファレンシャル地上局はその固定位置を知り、各ＧＰＳ衛星信号の予測される伝播時間を計算する。この計算は各衛星が宇宙空間で位置付けられるべき場所の放送暦に基づいている。ディファレンシャル地上局は各衛星の信号に関する誤差補正情報を決定するために全ての衛星について、衛星距離信号の計算された伝播時間を信号に対して測定された実際の伝播時間と比較する。ディファレンシャル地上局はその後各衛星の誤差補正情報をＧＰＳユーザ受信機へ送信する。
【０００６】
通常の信号処理では、ＧＰＳユーザ受信機が最初にオンに切り換えられるか、ＧＰＳ信号の処理を開始するように付勢されるとき、これは視野中の多数の衛星からＧＰＳ衛星距離信号をサーチし、捕捉し、ロックして自動追尾する。ＧＰＳユーザ受信機はまたＧＰＳユーザ受信機の視野内の各衛星のＰＲＮコード信号について（擬似距離と呼ばれる）距離測定も行う。ＧＰＳ受信機はＰＲＮコード信号に重ね合わされるＮａｖメッセージデータを復調し、ディファレンシャルＧＰＳモードで動作されるならば地上局からそこに送信された任意の誤差補正を適用し、ＧＰＳユーザ受信機の位置と、ＧＰＳ時間に関するユーザ受信機クロックオフセットを解くためにこの情報を使用する。付加的に、視野内の任意の衛星とＧＰＳユーザ受信機との間の距離を決定するためにＧＰＳユーザ受信機は信号伝播遅延の実際の伝播時間を決定し、補正された伝播時間を計算するために基地局から受信された誤差補正情報を適用する。補正された伝播時間はその後信号送信衛星までの距離を決定するために光速度により乗算される。少なくとも４つの衛星のＧＰＳ衛星の距離信号を捕捉した後、ＧＰＳユーザ受信機はその位置とＧＰＳ時間に関する時間誤差を解く。
【０００７】
ＧＰＳ衛星距離信号を捕捉する通常の方法は一度に１つのＧＰＳ衛星信号を捕捉してＧＰＳユーザ受信機に提供する。信号の捕捉は通常、ＧＰＳユーザ受信機に関連される最も脆弱なフェイズである。その１つの理由はＣ／Ａコードが弱くて小さい干渉レベルで断続的な減衰、または衛星からＧＰＳユーザ受信機までの視線（ＬＯＳ）の障害が１以上の距離信号で捕捉プロセスを失敗させる可能性があるためである。
【０００８】
それ故、距離信号の迅速で信頼性があり頑強な捕捉がＧＰＳユーザ受信機により行われることができることを良好に確実にする方法で信号捕捉プロセスをさらに改良することが望ましい。これらの動作が例えば室内、木の葉の下、または妨害状態下のような信号電力の減衰または干渉に関連される困難な環境でＧＰＳユーザ受信機により行われることができるならば特に望ましい。
【発明の概要】
【０００９】
本発明はＧＰＳユーザ受信機の位置を同時に推定しながらＧＰＳユーザ受信機の視野中の複数の衛星のそれぞれから同時に複数の衛星の距離信号を検出し捕捉するための方法およびユーザ受信機を提供する。
【００１０】
この方法は初期化データ、基地局位置データ、衛星距離データ、時間補助データのセットの受信を含んでいる。時間同期機能はユーザ受信機クロックと、エポック時間に基地局で受信されたときの距離信号の距離データを同期するために基地局から受信される。この情報を使用して、ユーザ受信機は基地局位置データに基づいて地球基準サーチ空間領域と２次元または３次元のサーチ空間グリッド内のＧＰＳ信号をサーチする。サーチ空間領域は複数のグリッド点位置を含んでいる、ユーザ受信機の視野内の複数の各衛星からの少なくとも１つの衛星距離信号が同時に捕捉される。複数のグリッド点のそれぞれで受信された距離信号の搬送波位相角度の組合せにおいてサーチが行われる。複数の各グリッド点位置で受信された距離信号の電力出力はそこからユーザ受信機の見込位置を決定するために組み合わせられる。見込グリッド点位置で、全ての距離信号からの電力は組み合わされた電力出力の最大値に対応してコヒーレントに組み合わされる。最大の組合された電力に関連される見込位置はその後、解の確実性を決定するために解析される。
【００１１】
全地球測位システムでユーザ受信機の位置を迅速に決定するためのＧＰＳユーザ受信機もまた提供される。ＧＰＳユーザ受信機はユーザインターフェース、基地局受信部、ナビゲーションシステム、制御処理モジュールを含んでいる。ユーザインターフェースはリクエスト信号を発生し、ユーザ受信機の位置の指示を受信するように構成される。基地局の受信部は初期化データと基地局位置データを受信するために無線補助リンクを使用する。このデータは衛星距離信号のサーチ空間領域をユーザ端末の現在位置を画定する予め定められた地理領域へ限定するために使用される。基地局受信部または制御処理モジュールはまたエポック時間にユーザ受信機クロックを同期するため基地局信号から受信されるとき時間同期関数を出力する。
【００１２】
ナビゲーションシステムは初期化データと基地局位置データを受信し、複数のグリッド点位置を有する予め定められた地理領域内で、ユーザ受信機の視野内にある複数の宇宙ベースのＧＰＳ衛星から少なくとも１つの衛星距離信号をサーチするように構成されている。ナビゲーションシステムはまた予め定められた地理領域内の複数のグリッド点位置のそれぞれで全ての受信された距離信号の電力出力を組合せ、最大の電力出力値を出力するように構成されている。制御処理モジュールはナビゲーションシステムと通信し、ユーザ受信機の位置を決定するために最大の電力出力を受信し、それに応答して位置信号をユーザインターフェースモジュールへ出力するように構成されている。
【００１３】
本発明の方法及びＧＰＳ受信機は、ＧＰＳ ＰＲＮコード信号を一度に１つ捕捉するのではなく、全視野のコヒーレントなＰＲＮコード信号処理方式に基づいてＧＰＳ衛星距離信号のより強力な検出を可能にする。さらに、方法及びＧＰＳ受信機はＧＰＳ ＰＲＮコード信号を一度に１つ捕捉する通常の捕捉方法と比較するとき、組合された信号の信号対雑音比（ＳＮＲ）捕捉性能の１０ｄＢ以上の改良を可能にする。この方法及びＧＰＳ受信機はまたユーザと基地局の両者に共通の距離誤差を自動的に除去することを可能にし、コード位相測定に対するマルチパス誤差の導入を最小にする。
【００１４】
本発明のさらに別の応用範囲は以下行う詳細な説明から明白になるであろう。種々の実施形態を示しているが、詳細な説明と特別な例は例示を目的としており、本発明の技術的範囲を限定する目的ではないことを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】全地球測位システム（ＧＰＳ）の視野にある複数の衛星からの入力を使用するための本発明の方法のフローチャート。
【図２】図１の方法の実行に使用される例示的なシステムのブロック図。
【図３】全ての衛星から距離信号入力を同時に捕捉するために使用される２次元のサーチ域領域の１例を示すグラフ。
【図４】ここに含まれている説明による例示的なユーザ受信機のブロック図。
【図５】図１の方法の実行に使用されるユーザ受信機の例示的なナビゲーション処理モジュール90の回路概略図。
【図６】図１の方法を実行するためのユーザ受信機に関連する従属バンクの例示的なネットワークの回路概略図。
【図７】ここに含まれている説明による多数の衛星信号のコヒーレントな組合せの位相シフトを示すグラフ。
【図８】ここに含まれている説明による理想的な相関関数の図。
【図９】複数のグリッド点位置（視野内に５つの衛星とゼロ雑音を有するユーザ受信機）の２次元サーチ空間領域における電力出力を示すグラフ。
【図１０】複数のグリッド点位置（視野内に５つの衛星と、各ＰＲＮコード相関器出力におけるＳＮＲ＝１２ｄＢを有するユーザ受信機）の２次元サーチ空間領域における電力出力を示すグラフ。
【図１１】複数のグリッド点位置（視野内に９つの衛星とゼロ雑音を有するユーザ受信機）の２次元サーチ空間領域における電力出力を示すグラフ。
【図１２】複数のグリッド点位置（視野内に９つの衛星と、各ＰＲＮコード相関器出力におけるＳＮＲ＝６ｄＢを有するユーザ受信機）の２次元サーチ空間領域における電力出力を示すグラフ。
【図１３】複数のグリッド点位置（視野内に２０の衛星と、各衛星から受信された５ＰＲＮコードと、各ＰＲＮコード相関器出力におけるＳＮＲ＝０ｄＢを有するユーザ受信機）の２次元サーチ空間領域における電力出力を示すグラフ。
【図１４】複数のグリッド点位置（視野内に９つの衛星を有し、ｚ＝０のユーザ受信機）の３次元サーチ空間領域の水平断面における電力出力を示すグラフ。
【図１５】複数のグリッド点位置（視野内に９つの衛星を有し、ｚ＝５００ｍのユーザ受信機）の３次元サーチ空間領域の水平断面における電力出力を示すグラフ。
【図１６】複数のグリッド点位置（視野内に９つの衛星を有し、ｚ＝１０００ｍのユーザ受信機）の３次元サーチ空間領域の水平断面における電力出力を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明は詳細な説明と添付図面からさらに十分に理解されよう。
種々の実施形態の以下の説明は、本質的に単なる例示であり、本発明、その応用、または使用を限定することを意図するものではない。ここで使用されているように、用語「モジュール」は特定用途用集積回路（ＡＳＩＣ）、電気回路、１以上のソフトウェアまたはファームウェアプログラムを実行するプロセッサ（共有、専用またはグループ）およびメモリ、従属相関器ネットワークのバンク、組合せのサーチ論理回路および／または説明した機能を行う他の適切なコンポーネントを指している。
【００１７】
図１を参照すると、本発明の説明は全地球測位システム（ＧＰＳ）ユーザ受信機の視野にある複数の衛星からの入力を使用するための方法10を示している。複数の衛星はユーザ受信機の視野内の少なくとも３つの衛星から全ての衛星までを含んでいる。この方法は動作12において初期化データ及び基地局位置データのセットを基地局からユーザ受信機へ送信するための無線補助リンクの使用を含んでいる。初期化データのセットは年鑑または衛星暦及びクロックデータ、寸法または境界データ、衛星距離信号測定データを含む衛星距離信号データを含んでいる。境界データはユーザ受信機が位置付けられるサーチ空間領域の大きさを限定するため予め定められた地理的空間を含んでいる。動作14において、基地局はユーザ受信機がその内部クロックを同期することを可能にするＧＰＳ時間同期関数と、エポック時間に基地局で測定されたときの衛星距離データをユーザ受信機へ送信し、これはユーザ受信機の視野中の衛星コードの受信を同期するために使用される。
【００１８】
ＧＰＳ時間同期関数と他の送信されたデータがユーザ受信機により受信された後、ユーザ受信機はサーチ空間領域グリッド点内でサーチを開始する。そのサーチは基地局により提供される初期化データのセットに基づくことができる。ユーザ受信機は動作16で示されているように、ユーザ受信機の視野内の複数の各衛星から衛星コードを同時に捕捉する。ユーザ受信機はその代わりにユーザ受信機の視野中の全ての衛星から同時に複数の衛星ＰＲＮコードの全てを捕捉することができる。動作18で、ユーザ受信機がサーチ空間領域のグリッド点をサーチしている間に、それはユーザ受信機の見込位置を決定するために各受信された衛星ＰＲＮコードの電力出力を組み合わせる。特に、ユーザ受信機はサーチ空間領域をサーチし、サーチ空間領域内の複数のグリッド点位置の各受信された衛星コードに関する電力出力を組合せ、受信された衛星コードの最大の組み合わせられた電力出力を提供するグリッド点を決定する。ユーザ位置に対応するグリッド点で、処理される全ての衛星コードの電力はコヒーレントに組み合わされ、最大の電力出力を示す。最大の組み合わせられた電力出力はユーザ受信機の見込位置を識別するために特定のグリッド点位置で最高の組合された電力出力を示す。
【００１９】
図２を参照すると、前述の動作を実行するための本発明の全地球測位システム（ＧＰＳ）50が示されている。ＧＰＳ50は複数のＧＰＳ衛星52、基地局54、ＧＰＳユーザ受信機56を具備している。衛星52はそれぞれユーザ受信機56と基地局54と無線で通信している。さらに基地局54はユーザ受信機56と無線で通信している。
【００２０】
衛星52の位置はユーザ受信機56の位置を決定するための信号処理を助けるための基準点として使用される。衛星52はユーザ受信機56の視野にある地球軌道中の“Ｍ”個の衛星のコンステレーションを構成している。各衛星52の１つは１以上の正確に同期されたＧＰＳ衛星距離信号を地球方向へ放送する。ＧＰＳ距離衛星信号はＬ１および／またはＬ２搬送波周波数のような搬送波周波数で伝播される擬似ランダム雑音（ＰＲＮ）コードとナビゲーション（Ｎａｖ）メッセージを含んでいる。Ｌ１搬送波周波数は１５７５．４２ＭＨｚであり、タイミングのためにＮａｖメッセージとＰＲＮコードの両者を伝送する。Ｌ２搬送波周波数は１２２７．６０ＭＨｚである。
【００２１】
粗捕捉（Ｃ／Ａ）コードと精密（Ｐ）コードと呼ばれる２つのタイプのＰＲＮコードが存在する。民間使用を目的とするＣ／Ａコードは１．０２３ＭＨｚの速度でＬ１搬送波を変調し、１０２３ビット毎に反復する。軍事使用を目的とするＰコードは７日のサイクルで反復し、Ｌ１とＬ２搬送波の両者を１０．２３ＭＨｚの速度で変調する。Ｐコードが暗号化されるとき、これは「Ｙ」コードと呼ばれる。さらに、Ｎａｖメッセージは衛星の軌道、それらのクロック補正、その他のシステム状態についての情報を与えるＰＲＮコードに付加される低周波数信号である。
【００２２】
技術の進歩につれて、衛星52はＬ１とＬ２搬送波およびＬ５と呼ばれる付加的な搬送波周波数により多くの民間および軍事コードを含むことができる。例えば衛星52はＬ１搬送波上に２つの軍事コードと２つの民間信号コード、Ｌ２搬送波上に２つの軍事コードと１つの民間信号コード、Ｌ５搬送波上に２つの民間コードを含むことができる。さらに、ＧＰＳナビゲーションシステム衛星52の代わりに、衛星52は例えば米国連邦航空局（ＦＡＡ）と運輸省（ＤＯＴ）により開発された広域拡大システム（ＷＡＡＳ）または欧州連合と欧州宇宙機構の主導で発射されたガリレオ衛星無線ナビゲーションシステム衛星のような他の既存の衛星ナビゲーションシステム衛星を含むことができる。普遍性を失わずに、システム50はＧＰＳコード、または他の生成ナビゲーションシステム信号のコード、利用可能であるならば、例えば集積されたＧＰＳ−ガリレオユーザ受信機を一体化することができる。
【００２３】
基地局54は正確に調査された地点に位置される静止受信機を含む地上局を備えている。基地局54は各衛星52からＧＰＳ衛星距離信号を受信する。各ＧＰＳ衛星距離信号が基地局54とユーザ受信機56により受信されるとき、衛星信号は電離層または大気状態、ＧＰＳ放送暦およびクロック誤差と、マルチパス状態、または基地局54或いはユーザ受信機56に到達する距離信号に誤差を発生しうる他の要因によって悪影響される可能性がある。基地局54は初期化データ、基地局位置データ及び寸法または境界データの特有のセットのような付加的な補助データを送信する。初期化データのセットはＧＰＳ年鑑または衛星歴及びクロックデータ、エポック時間に基地局54で受信されたときの基地局距離測定を含むＰＲＮ距離データを含んでいる。境界データはユーザ受信機56が位置されているサーチ空間領域を限定するために予め定められた地理空間を含んでいる。
【００２４】
ユーザ受信機56は基地局位置データに基づいてサーチ空間領域内をサーチし、ユーザ受信機56の視野内の衛星52から衛星コードの１以上を同時に捕捉する。さらにユーザ受信機56は受信された衛星コードを合計する等コヒーレントに組合せ、そこからユーザ受信機56の見込位置を検出するためにユーザ受信機56の視野内の全ての衛星から全ての衛星距離コードを同時に捕捉することができる。ユーザ受信機56は最大の電力出力値を決定するために予め定められた地理領域内の複数のグリッド点位置のそれぞれで受信されたＧＰＳ距離信号の電力出力を組合せまたは合計する。ユーザ受信機56はユーザ受信機56の見込位置を外挿するために最大の電力出力値を使用する。最大の電力出力値は各グリッド点位置に存在する全てのＰＲＮコードの最高のコヒーレントに組み合わせられた電力出力を示しており、最大の電力に関連されるサーチ空間領域内のその位置はユーザ受信機56の見込位置を識別する。以下の段落はユーザ受信機56の機能をより特別に説明している。
【００２５】
無線補助リンクを通して、ユーザ受信機56は基地局位置データと共に捕捉を補助するための初期化データのセットと捕捉サーチの補助のためのサーチ領域境界データとを受信する。さらに無線リンクによって、ユーザ受信機56には未知のユーザクロック誤差に関連されるサーチ空間を減少するためにＧＰＳ時間同期機能が与えられる。ユーザ受信機56は基地局54からサーチで使用するための時間同期の正確性についてのデータも受信する。しかしながら時間同期の正確性はサーチ領域境界データに基づいてユーザ受信機56により推測されることができる。さらに、ユーザ受信機56はサーチ空間を減少するためにユーザ受信機クロックと発振器の誤差を減少するように基地局からの時間補助機能と周波数補助機能を使用することができる。
【００２６】
時間補助機能はＧＰＳ時間転送または時間サンプリング制御方法のような幾つかの形態を取ることができる。時間転送方法は基地局54からの外部ＲＦ補助信号を使用して、ＧＰＳ時間同期機能をユーザ受信機56へ提供する。他方で、時間サンプリング制御方法はＧＰＳ衛星距離信号を測定するために基地局54により使用される時間エポックに近い時間エポックでＧＰＳ衛星距離信号をサンプルするコマンドを基地局54がユーザ受信機56に提供することを含んでいる。
【００２７】
周波数補助は安定な基地局無線周波数（ＲＦ）搬送波信号への信号位相または周波数のロック（例えば位相ロックループ（ＰＬＬ））を実行することによりユーザ受信機56により行われることができる。基地局信号が高品質のオーブン結晶発振器（ＯＣＸＯ）またはＧＰＳ衛星信号の追跡により周波数較正されている発振器を使用して発生されるならば、ユーザ受信機ＰＬＬは周波数サーチを減少または除去するのに十分正確で安定な周波数基準を提供する。ユーザ受信機ＰＬＬ周波数基準はまた、１秒の期間までコヒーレントな積分時間と、それに後続するユーザ受信機56に関する各衛星52のドップラと運動の補償を支援する。
【００２８】
年鑑または暦データを使用して、ユーザ受信機56はサーチ空間グリッド内のその位置を決定するために使用される視野内のＧＰＳ衛星距離コード信号の数を決定することができる。サーチ空間はグリッド点の２次元領域を含んでいる。代わりにサーチ空間はサーチグリッド点の３次元領域を含むことができる。例えば２次元の場合の位置を決定するために、ユーザ受信機56の視野内に少なくとも３つの衛星54が必要とされる。他方で、３次元の場合のユーザ受信機56の位置を決定するためには、少なくとも４つの衛星54が必要とされる。さらに、ユーザ受信機56は次式またはその変形により与えられる予測可能なオフセットへＰＲＮコーダを調節し、それによって幾つかの見込グリッド点位置の全ての信号の存在を同時に検出するために各“Ｍ”個の衛星52から受信されたＧＰＳ衛星ＰＲＮコード信号を同時に相関する。
【００２９】
図３を参照すると、サーチ空間領域58は約１／４乃至１／２ＰＲＮコードチップ離れて隔てられることができるサーチ空間グリッド点（ｘ、ｙ）のセットを含んでいる（Ｌ１ Ｃ／ＡコードチップはＣ／Ａコードで約３００メートルに対応し、ＰコードチップはＰ（Ｙ）コードで約３０メートルに対応する）。２次元のサーチ空間領域の大きさが約１０ｋｍ×１０ｋｍであるならば、サーチ点の数はＣ／Ａコードチップに対して約５，０００乃至２０，０００であることができる。さらに初期サーチスペース域の減少は大きな計算的節約を可能にする。例えば１ｋｍ×１ｋｍの領域は１００の節約係数またはＣ／Ａコードチップで５０乃至２００のみのグリッド点を可能にする。
【００３０】
再度図３を参照すると、基地局54からベクトル→ｒＵによりオフセットされるユーザ受信機56の位置における受信されたコード位相は大きさ＾Ｌｉ・→ｒＵの基地局54に関する距離オフセットを含んでおり、ここで＾Ｌｉは衛星“ｉ”までの視線（ＬＯＳ）単位ベクトルである。したがって、エポック時間ｔ０における基地局54に関するユーザ受信機56により受信された“Ｎ”衛星ＰＲＮコード擬似距離（ＰＲ）測定のセットは次式により与えられる。
【数１】
【００３１】
ここで“ｂ”はＧＰＳ時間に関するユーザ受信機の未知のオフセットを表す未知のパラメータである。“Ｎ”は視野内の“Ｍ個”までの衛星52から合計された処理で使用される全てのＰＲＮコード信号からなる。エポック時間ｔ０における２つのＧＰＳ ＰＲＮコード信号“ｉ”と“ｊ”間の相対的なコード位相は次式のように規定される。
Φｉｊ（ｔｏ）＝ＰＲｉ（ｔｏ）−ＰＲｊ（ｔｏ） （式２）
ここでＰＲＮコード距離測定ｉとｊは同じ衛星52iに関する２つの異なるＰＲＮコード信号または２つの異なる衛星52i、52jから得られる２つの異なるＰＲＮコード信号から得られる。同じ衛星52からの２つのＰＲＮコード信号間の相対的なコード位相はほぼ同じである。ＰＲＮコード信号が同じ衛星52iからの２つの異なる周波数から得られるならば、相対的なコード位相は衛星送信機と電離層遅延に関連される周波数間バイアスを含むことができる。
【００３２】
ユーザ受信機56と基地局54により観察されるときの相対的なコード位相間の差は次式により得られる。
ΔΦｉｊ（ｔｏ）＝（Φｉｊ）Ｕ−（Φｉｊ）ＢＳ （式３）
結果を簡単にするために式２を式３に代入し、式１を使用すると、次式が得られる。
【数２】
【００３３】
未知のユーザクロックオフセットパラメータ“ｂ”は式４により与えられる差分相対コード位相式から落ちる。ユーザ受信機56が“Ｍ個の”衛星52の視野内の“Ｎ”ＧＰＳ ＰＲＮコード信号からの電力を同時にサーチし、捕捉し、組み合わせるとき、前述の式またはその変形がユーザ受信機56内の相対コード位相を予測するために使用される。これはユーザ受信機56がそのユーザ受信機56の視野内の衛星の全てのＰＲＮコードまでの“Ｎ”ＰＲＮコードを同時に捕捉することを可能にする。これはユーザ受信機56のＮ個の相関器を使用し、対応するＮ個のＰＲＮコード発生器出力チップシーケンスをエポック時間にグリッド点で予測される相対コード位相により与えられるような位相オフセットへ同期することにより実現される。例えば、グリッド点においてユーザ受信機により受信されるときのＰＲを予測するための式（１）の使用を考え、ここでは基地局ＰＲコード測定データ、ユーザ位置→ｒＵを限定するためのサーチ域境界データ、“ｂ”の不確定さを限定するための時間同期関数は基地局によりユーザ受信機に与えられる。
【００３４】
ＬＯＳ単位ベクトル＾Ｌｉは基地局54により与えられるような各衛星52の年鑑または暦データ、基地局位置、ＧＰＳ時間情報を使用してユーザ受信機56内で計算されることができる。ＬＯＳ単位ベクトルは典型的に基地局54とユーザ受信機56との両者で同じであると仮定される。したがって実際の応用では、基地局54とユーザ受信機56との間のタイミング誤差は約１ミリ秒を超えてはならない。しかしながら、さらに小さい時間同期誤差は受信機クロック誤差に関連されるサーチ空間を減少するのに有益である。理想的には、基地局54により与えられる時間同期関数は１ミリ秒以下まで正確である。しかしながらこの誤差はサーチ空間領域58の寸法によっても限定される。
【００３５】
補助データがユーザ受信機56へ送信されると、ユーザ受信機56は２次元サーチ空間の２次元の解→ｒＵ＝（Ｘ，Ｙ）に対して基地局54に関するユーザ受信機位置の未知のパラメータを解くために前述の式またはその変形を使用する。代わりにサーチ空間領域58は３次元地球基準グリッドを有し、３次元の解→ｒＵ＝（Ｘ，Ｙ，Ｚ）が与えられる。
【００３６】
代わりに、前述の式の変形はサーチ空間領域58内の絶対ユーザ受信機位置（例えば基地局54の代わりに地球基準中心座標系に関するユーザ受信機56の位置）の決定を可能にする。この絶対位置はユーザ受信機56の処理方法内で、衛星暦及びクロックデータから予測されるような各グリッド点の相対コード位相と、基地局54から供給されるＧＰＳ時間同期情報を使用することによりＮ個の相関器を調節することで得られることができる。しかしながら方法はさらにコードチップの寸法調整が可能な部分である可能性がある電離層遅延の補償を必要とする可能性がある。
【００３７】
小さい時間間隔にわたる静止状態または周波数及び慣性測定装置（ＩＭＵ）補助により、ユーザ受信機56は延長された時間間隔にわたって多数の測定をコヒーレントに処理することもできる。このような公式では、他のパラメータが性能を改良するために付加されることができる。ＧＰＳ処理はＧＰＳエポック時間ｔ０に関して時間間隔にわたって衛星の運動の任意の変化に対してＰＲＮコーダと信号位相を調節する。この調節は衛星の暦とクロックデータを使用して決定されることができる。
【００３８】
ユーザ受信機位置で全てのＰＲＮコード信号をコヒーレントに組み合わせるため、ユーザ受信機56は初期測定エポック時間における各ＰＲＮコードに関連される全ての信号搬送波位相角度の可能性にわたって組合せサーチを行う。組合せサーチは処理される“Ｎ個の”ＰＲＮコードに関連される全ての搬送波位相の組合せにわたって延在する。雑音レベルに関する組合されたＰＲＮコード信号電力出力で最も強い「スパイク」を発生するその１つの搬送波位相角度の組合せとグリッド点とユーザ受信機クロックの組合せ、例えば前述したように従属の相対的なコード位相同期サーチを行う“Ｎ個の”ＰＲＮコード相関器からの合計された出力は最も見込のあるユーザ受信機位置を示す。このサーチはまたユーザクロック誤差にわたるサーチと、各グリッド点における全てのＰＲＮコード信号の全ての搬送波位相の組合せにわたる組合せサーチも含んでいる。公称上のコード受信電力レベルの知識、各周波数帯域の評価された雑音レベル、姿勢基準に関するユーザ受信機56のアンテナ利得パターンによる衛星ＬＯＳ減衰、既知のＬＯＳ障害のような付加的な情報は信号を消去し、組合せ数を減少し、或いは解の速度または性能を改良するために電力出力を加重するのに有用である可能性がある。この情報はまたユーザ受信機56により行われる計算された解の演算の確実さを予測するための適切なしきい値の計算を可能にする。
【００３９】
ユーザ受信機56は相関の前に各ＰＲＮコード信号についてのエポック時間ｔ０におけるサンプルされた信号位相のデジタル回転を適用することにより組合せ搬送波位相サーチを行うことができる。例えば５のＰＲＮコード信号で４５度の位相インクリメントを使用する徹底的なサーチは８５＝３２，７６８の可能な組合せに対応する。サーチは特別に設計された電子回路（例えば特定用途用集積回路または“ＡＳＩＣ”）を使用して効率的に合成されることができる。このような回路はサーチ空間全体にわたって最大の組合された電力を迅速にサーチするための多数の相関器を構成することができる。さらに、より小さい搬送波位相インクリメントは信号処理損失を減少するだけでなく、計算的な負担または電子ハードウェアの複雑性の増加も生じる。搬送波位相組合せサーチ空間の減少は各衛星の既知の信号52に対する位相関係を使用して、または基地局に、測定されたときの各衛星52のＰＲＮコード間の相対的な搬送波位相角度情報をユーザ受信機46へ送信させることにより可能である。
【００４０】
サーチ空間領域内の各グリッド点で、ユーザ受信機56はこの特定のグリッドサーチ点がユーザ受信機56の見込位置であると仮定する。処理期間中、ユーザ受信機56は前述の式により予測されるように各内部ＰＲＮコード位相を関連される相対コード位相へ調節する。さらにユーザ受信機56は前述の関連されるＰＲＮコーダの出力データをユーザ受信機56のＧＰＳアンテナから受信された下方変換され周波数補正されたデータと相関する。予測されたコード位相及びサーチ空間グリッド点に関連されるユーザクロック時間オフセットと距離オフセットが実際のユーザ受信機距離に対応するならば、信号の存在に対応する電力出力が存在する。推測される予測が正しくないならば、電力出力は雑音にのみ対応する。難しい環境（例えば室内または干渉状態下）では、１つの相関器からの電力出力はＰＲＮコード信号を確実に検出するには不十分である可能性がある。“Ｎ個の”ＰＲＮコード信号からの電力出力がコヒーレントに組み合わせられるとき、ＰＲＮコード信号の検出の確実性は非常に改良される。各受信されたＧＰＳ衛星距離信号からの相関器出力をコヒーレントに組み合わせることにより、ＰＲＮコード信号は見込のあるユーザ受信機位置で同時に全て捕捉されることができる。
【００４１】
ＰＲＮコード信号の初期サーチと、ＰＲＮコード信号の検出と、ユーザ受信機56の見込位置の決定に続いて、その後のユーザ受信機位置の位置の精巧なサーチが行われることができる。このような精巧なサーチは電力がさらに最大にされるまで、またはコード位相誤差処理を実行するために小さいコード位相調節を使用することによって、初期グリッド点の解に関してより小さいグリッドステップ（例えば１／１０コードチップ間隔）で減少されたサーチ空間領域58を調節することを含むことができる。
【００４２】
基地局54とユーザ受信機56の多数の周波数帯域に関連されるデータの処理では、基地局54とユーザ受信機56に対する周波数間バイアスはコードチップに関して小さく維持される（Ｃ／Ａコードチップは約１ミリ秒であり、Ｐ（Ｙ）コードチップは約０．１ミリ秒である）。その代わりに、全ての周波数帯域からの全ての信号のコヒーレントな組合せが望まれるならば、このバイアスに関連される付加的な小さいサーチ層が必要である可能性がある。しかしながら１つの周波数帯域からのＰＲＮコード信号を処理することによってのみ大きな処理利得が実現されることができる。例えば各衛星52は地球カバー範囲Ｌ１周波数で２つの民間及び２つの軍事用信号を有することができ、そのため比較可能な受信された電力レベルの衛星ＰＲＮコード信号を仮定すると、視野内の１０個の衛星52は１つの信号の捕捉よりも４０（１６ｄＢ）の有効な係数を得ることができる。
【００４３】
前述したように高品質で正確で安定なユーザ受信機56の発振器または基地局周波数補助がないと、ユーザ受信機の発振器周波数オフセットにわたる付加的なサーチもまた必要とされ、コヒーレントな積分時間の期間が制限される。この場合、付加的な周波数サーチ空間の程度は発振器の周波数誤差にしたがい、コヒーレントな積分時間の期間は発振器の安定性にしたがう。
【００４４】
各ＰＲＮコードのコヒーレントな積分時間を拡張するために、処理はユーザ受信機56に関する衛星52のドップラの周波数補正と、エポック時間に関するドップラの変化の段階的補正を含んでいる。例えば長い積分時間では、相関間隔にわたって位相の一貫性を維持するため、捕捉されたＧＰＳ信号サンプルデータまたは内部で発生されたコード及び搬送波位相データはまた相関間隔にわたって任意の衛星52または重要なユーザ受信機56の運動について位相補正される。他方で、徒歩のオペレータは放送ＧＰＳ信号データが捕捉される間にユーザ受信機56に関連されるボタンを押した後数秒間、単にユーザ受信機56を静止して保持することによりユーザ受信機の運動の低下を除去することができる。付加的に、地球回転が影響するユーザ受信機56の修正は１０ｋｍ×１０ｋｍ内のサーチ域領域では必要とされない。
【００４５】
ユーザ受信機56の別の実施形態では、ユーザ受信機56は弱い信号の回復のための方法を使用することができる。ユーザ受信機56は弱い信号環境期間および／または１乃至２のみの強い衛星距離信号が検出され捕捉されることができるときのような妨害状態で弱い信号の回復方法を使用する。ユーザ受信機56または基地局54は受信された衛星距離信号を強い信号または弱い信号として識別する。ユーザ受信機56は強い信号の数が強い信号の予め定められた数よりも少ないか否かを決定する。強い信号の予め定められた数は測定された擬似距離の処理に基づいて、ユーザ受信機56によりその見込位置を決定するために必要とされる強い信号の数を表している。搬送波位相角度の組合せは強い信号に関連される測定された量に制約される。ユーザ受信機56は強い信号に関連するデータに基づいて制約されたサーチ空間領域を使用して弱い信号をサーチする。弱い信号の搬送波角度オフセットのみをサーチして、ユーザ受信機56はその見込位置を決定するためにサーチ空間領域をサーチする。
【００４６】
ユーザ受信機56の別の実施形態では、ユーザ受信機56はより正確に見込位置を決定するために画像幾何学的表面処理技術を使用することができる。画像処理技術を使用して、ユーザ受信機56はサーチグリッド点にわたって組合された電力出力の幾何学的表面パターンを解析する。幾何学的表面は各グリッド点位置において組み合わされた電力値を有するサーチグリッドにわたる表面を含むことができる。画像処理技術は最大のピークまたは最大の組合された電力出力の位置をさらに正確にするために未調整の幾何学的表面電力データに対する平滑にされた幾何学的表面モデル適合を計算し、さらにピークが実際に誤った検出と正確な検出のいずれに対応するかを決定するために幾何学的表面を解析するために適用されることができる。幾何学的表面モデル適合は弁別パラメータを抽出し解析することによって解析されることができる。正確なユーザ受信機位置で、幾何学的表面は最大の電力ピークの特性を示す。平滑にされた表面モデル適合と、平滑にされた表面モデル適合に関する残留する雑音ジッターから抽出される弁別パラメータは見込解の確信を強め、または誤った解を識別し除外するために解析されることができる。
【００４７】
特に、ユーザ受信機56は各グリッド点位置に対応する各組合された電力出力を最大にするためにユーザクロック時間オフセットを調節する。次に、幾何学的表面モデルは予測される幾何学および各受信された衛星距離信号の信号特性に基づいて結果的なサーチ空間領域にわたって予測される。さらに幾何学的表面モデルの予測についての説明を以下行う。最後に、この幾何学的表面モデルのパラメータは（例えば最小二乗法の意味で）グリッド点に関連される雑音の多い組み合わせられた電力値と適合する。解析技術は見込のあるユーザ位置の解の確実性を決定するために最大電力出力と電力表面の特徴の検出を強化することを可能にするために幾何学的表面モデルと獲得された弁別パラメータへ適用される。
【００４８】
画像処理技術の適用において、ユーザ受信機56は幾つかの時間間隔にわたって幾何学的表面の多数のスナップショットを処理することもできる。次に従属相関器のネットワークまたは平滑にされた幾何学的表面モデルの組合された電力出力は時間平滑な組合された出力を発生するために時間的に濾波される。したがって処理方法は２次元（又は３次元）空間と時間にわたって組み合わせられた電力データの濾波または平滑化を適用する。平滑にされた幾何学的表面モデルは見込位置に対応する特定のグリッド点位置の最大の電力出力をより良好に位置決定するために補間される。次に、幾何学的表面の勾配、ピーク、隆起部は弁別パラメータを発生するために使用される。弁別パラメータは見込位置がその見込位置について三角測量する隆起部を有する最大のピークに対応することを確実にするために解析される。スマートアルゴリズムがこの応用で適用されることができる。最大のピークが位置決めされると、幾何学的表面とピークは幾何学的表面のダイナミックモデルを含んでいるカルマンフィルタタイプの処理と基地局54からの多数の時間エポックにおける測定の処理で時間内に発展され追跡されることができる。
【００４９】
幾何学的表面はユーザ受信機56がサーチ空間領域の見込位置に位置されており、有効なユーザ受信機運動モデルには信号特性とユーザ受信機56に関する衛星の既知の幾何学的配置が与えられているという仮定に基づいて予測可能な方法で発展する。時間の経過につれて、この幾何学的表面はユーザ受信機運動に関する衛星の運動により僅かに変化するが、この効果は予測可能である。さらに、新しい衛星が処理に付加され、他の衛星が削除されるとき、幾何学的表面の変化は予測可能である。これは時間で発展する予測的な幾何学的表面画像モデルの使用を示唆しているだけでなく、フェーディング及び他のランダムな効果に適合するために幾つかのランダムな時間発展コンポーネントを含むこともできる。このようなランダムな発展コンポーネントは雑音を空間的及び時間的に取り除き、したがって最大のピーク電力の追跡に関連されるナビゲーション解の正確性を強化するためにランダムフィルタモデルとカルマンフィルタタイプのダイナミックモデルを含むことができる。
【００５０】
ユーザ受信機56の別の実施形態では、ユーザ受信機56はさらに処理を強化するための便宜性を付加するために演繹的または受信された情報を信号処理論理で実行することができる。例えば演繹的情報はＧＰＳ ＰＲＮコードの受信された電力に関するデータ、各周波数帯域における干渉に関するデータ、既知のＬＯＳ妨害、アンテナ利得パターン及び姿勢基準データを含むことができる。ＧＰＳ ＰＲＮコードの信号強度はより強い信号を処理するために選択的に使用されることができる。干渉は最低の干渉を有する周波数帯域から選択的にＰＲＮコードを処理するために使用されることができる。姿勢基準データは低いユーザ受信機アンテナ利得に関連される信号のような弱い信号を除外するために使用されることができる。ＩＭＵ情報または運動検出器は各信号に対して適切なコヒーレントな積分間隔を設定するために使用されることができる。論理制御の処理はスマートアルゴリズムを使用して実行されることができる。
【００５１】
ユーザ受信機56の別の実施形態は超密着結合（ＵＴＣ）技術を使用するユーザ受信機56を含んでいる。ＵＴＣ技術は未調整のＧＰＳ測定を未調整の慣性測定装置（ＩＭＵ）測定と一体化することにより対妨信状態を改良する効率的な方法である。ＵＴＣ技術により、スムーザ（図示せず）は従属相関器のネットワークの電力出力を距離及び距離レート残留誤差または位置−時間ドメイン及び対応するレート残留誤差へ変換し平滑にする。スムーザはカルマンフィルタで構成することができる。
【００５２】
例えば伝統的なＵＴＣ技術は慣性捕捉を仮定し、位置−時間ドメインの視線内の全てのＧＰＳ信号の追跡前に良性の環境のＧＰＳ信号へロックして自動追尾する。ユーザ受信機56は高い妨害環境の位置−時間ドメイン追跡でＵＴＣ技術を初期化することができる。この１例は精密誘導兵器（ＰＧＭ）が解放され、ＧＰＳ信号捕捉を獲得し、ストレスのある環境で適合または「追跡」しなければならないときを含んでいる。ＵＴＣ技術では、全ての衛星のＰＲＮコード測定がカルマンフィルタを通して閉ループ追跡されるので、個々のＰＲＮコードに関連する正の追跡状態または搬送波追跡ループ誤差ジッターの通常のインジケータはもはや適用されることができない。幾何学的表面処理では、集束されたＵＴＣ技術の位置−時間ドメイン解はＵＴＣ技術の解が実際に最大の電力ピークに対応することを証明するために摂動されることができる。画像処理解析技術は最大の電力ピーク出力の存在または不在を設定するために収束されたＵＴＣ技術解の付近で適用されることができる。ＵＴＣ技術解の完全性または信頼性はＧＰＳ測定がＩＮＳ解に統合されるべきか否かを決定することを助ける。ＧＰＳ信号追跡状態が正であるならば、ＧＰＳ測定はＩＮＳ解へ統合されることができる。他方で、ＧＰＳ信号追跡状態が決定されずまたは否定的であるならば、ＧＰＳ測定は廃棄されるべきである。この場合、ユーザ受信機56はＩＮＳ解だけを使用する。
【００５３】
図４を参照すると、ユーザ受信機56の１実施形態が示されている。ユーザ受信機56は、ユーザインターフェースモジュール59、制御処理モジュール（ＣＰＭ60）60、基地局受信部62、無線周波数（ＲＦ）フロントエンド部64、ナビゲーションシステム66を含んでいる。ユーザインターフェースモジュール58はユーザがユーザ受信機56の見込位置を決定するためのリクエスト信号をＣＰＭ60へ送信することを可能にする。ＣＰＭ60はデータ転送および電力管理を制御し、見込位置を予測するためにナビゲーションシステム66により送信される電力出力を解析する。基地局受信部62は基地局54からデータ情報を受信し、それをＣＰＭ60へ送信する。ＲＦフロントエンド部64はユーザ受信機56の視野内の衛星からＧＰＳ信号を受信する。ナビゲーションシステム66はユーザ受信機56の見込位置を決定するためにここで説明したように基地局受信部62から受信されたデータに基づいて、ＲＦフロントエンド部64を介してＧＰＳ衛星信号を処理する。
【００５４】
ユーザインターフェースモジュール59は制御インターフェース59aとディスプレイ59bを含むことができる。制御インターフェース59aを使用して、オペレータはユーザ受信機56の見込位置を決定するためのリクエスト信号をＣＰＭ60へ送信してＧＰＳ信号処理をスタートさせる。制御インターフェース59aはさらに実行される動作のための複数のモードの１つについてのリクエストをＣＰＭ60へ送信できる。動作モードについてはさらに以下後述する。見込位置が決定されると、ディスプレイ59bは見込位置を示す信号を受信し、それをオペレータに通知できる。特に、ディスプレイは例えば通常のＬＣＤディスプレイパネルを介して見込位置を表示できる。
【００５５】
ＣＰＭ60はユーザインターフェースモジュール59からリクエスト信号、基地局受信部62から基地局データ、ナビゲーションシステム66から電力出力を受信する。ＣＰＭ60はバッテリおよび電力調整システム68、マイクロプロセッサ70、メモリ72を含むことができる。バッテリおよび電力調整システム68はそれぞれＲＦフロントエンド部64、ＣＰＭ60、ナビゲーションシステム及びユーザインターフェースモジュール58をオンに切換えるために調整された電力を提供する。
【００５６】
マイクロプロセッサ70はメモリ72中にＲＦフロントエンド部64により送信された基地局データを記憶できる。マイクロプロセッサ70は各ユーザ受信機処理エレメントとモデム間のデータ情報の転送を処理する。マイクロプロセッサ70はまたＲＦフロントエンド部64とナビゲーションシステム66を付勢し、それによってリクエスト信号が受信されると、ユーザ受信機56の見込位置が決定される。さらにマイクロプロセッサ70は見込位置を決定するためにナビゲーションシステム66の電力出力を処理し、これはその後メモリ72へ記憶されることができる。マイクロプロセッサ70はさらに幾何学的表面画像化処理技術とＵＴＣ技術のようなここで説明した他の機能を行うことができる。さらに、電力の節約に加えて、マイクロプロセッサ70は擬似距離および／または他のＧＰＳ計算が行われていないとき、大部分または全てのユーザ受信機のハードウェアを共通して「待機」モードまたは電力ダウン／オフ状態と呼ばれる低電力状態に設定することができる。メモリ72は前述したようにマイクロプロセッサ70により送信されたデータを記憶するために使用される。同様に、メモリ72はナビゲーションシステム66および／または関連されるＧＰＳ信号データにより予測されるデータを記憶することもできる。
【００５７】
基地局受信部62は第１のアンテナ72とモデム74を具備することができる。第１のアンテナ72は基地局54により送信される補助データと、初期化データと基地局位置データのセットとを含んだ基地局データを受信する。このデータはモデム74により受信され、ＣＰＭ60へ送信される。
【００５８】
ＲＦフロントエンド部64はＧＰＳアンテナ76と低雑音増幅器（ＬＮＡ）78を具備することができる。ＧＰＳアンテナ76はユーザ受信機56の視野内の各衛星からＧＰＳ信号を受信する。ＬＮＡ78は通常のＲＦフィルタ（図示せず）と、通常の低雑音増幅器段（図示せず）と通常のバッファ増幅器段（図示せず）とを含むことができる。ＲＦフィルタは同じ位置に位置されるセル無線、ＭＳＡＴおよびインマルサット送信機に関する信号を排除し、画像および低調波周波数信号を拒否する。各低雑音増幅器段とバッファ増幅器段は確実性を最大にするために増幅され受信された信号を使用する。
【００５９】
ナビゲーションシステム66は弱い信号のロックシステム、対妨信システムまたはその組合せであってもよい。ナビゲーションシステム66は下方変換器80、アナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換器82、基準発振器84、クロック86、デジタルスナップショットメモリ88、ナビゲーションモジュール90を含んでいる。ナビゲーションシステム66が付勢されるとき、下方変換器80、Ａ／Ｄ変換器82、デジタルスナップショットメモリ88、ナビゲーションモジュール90はＣＰＭ60のバッテリ及び電力調整システム68を介して十分に付勢されることができる。これは各ＧＰＳ衛星からの各信号がＧＰＳアンテナ76を介して受信され、デジタルスナップショットメモリ88に記憶されるように予め処理されることを可能にする。受信された信号はＬＮＡ78により濾波され増幅され、基準発振器84を使用して下方変換器80によりＩＦ周波数へ下方変換される。基準発振器84はＡ／Ｄ変換器82によりデジタル化されデジタルスナップショットメモリ88に記憶される内部周波数基準を提供する。ナビゲーションモジュール90はスナップショットメモリ88からデータを検索し、ユーザ受信機56の見込位置を決定するためにこのデータを基地局受信部62から受信された情報と組み合わせる。基地局情報を受信するとき、ナビゲーションモジュール90はクロック86を更新し同期することができ、前述したように発振器84の周波数を補正する。発振器84はここで説明するようにユーザ受信機発振器84として機能する。さらにクロック86はここで説明するようにユーザ受信機発振器クロック84として機能する。
【００６０】
図４および５を参照すると、ナビゲーションモジュール90は外部ループサーチルーチン92と内部ループサーチルーチン94と、従属相関器のネットワークバンク96とを含んでいる。外部ループサーチルーチン92はユーザのクロック誤差を制限する間隔の時間インクリメントで、見込位置を制限するグリッド点のサーチ空間領域セットにわたってサーチを行う。各グリッド点及びユーザ受信機時間オフセットで、内部ループサーチ機能94は全ての初期搬送波位相角度の組合せにわたってサーチを行い、組み合わされ受信されたＰＲＮコード信号に関連される電力量を従属相関器のネットワーク96に計算させる。各グリッド点およびエポック時間で受信されたコード位相は基地局供給距離測定に関して予測可能であるので、複数の相関器は組合せサーチを行うために共に従属される。従属相関器のネットワーク96はエポック時間ｔ０における全ての可能な初期搬送波位相角度にわたって組合せサーチを行うことにより、各グリッド点と時間オフセットで全てのＰＲＮコード信号をコヒーレントに組み合わせようとする。代わりに、従属相関器のネットワーク96は高速フーリエ変換（ＦＦＴ）の実行により置換されることができる。
【００６１】
各グリッド点で、内部ループサーチ機能94は処理されるＮ個の独立した信号に対する全ての可能な初期搬送波位相角度の組合せにわたってサーチする。幾つかのＰＲＮコード信号に対しては、同じ衛星からの多数の信号間の位相角度関係は基地局54により予測されまたは提供されることができる。この情報は２つのコード、例えばＬ１ Ｃ／ＡコードとＰ（Ｙ）コードが公称上位相の１象限にあるときに、組合せサーチ空間を減少するために使用されることができる。ユーザ受信機クロックオフセットは別のサーチパラメータを表す。正確なグリッド点位置、ユーザ時間および搬送波位相角度の組合せで、全ての相関器信号の電力出力はコヒーレントに同位相で組合せられ、雑音レベルに関してネットワーク96からの組合された電力出力の強力なスパイクが存在する。
【００６２】
さらに、従属相関器のネットワークバンク96は好ましくはＡＳＩＣを具備している。例えば従属相関器のネットワークバンク96は１００ＭＨｚのＡＳＩＣで構成されることができる。さらに、従属相関器のネットワークバンク96の好ましくは多数の並列レプリカがサーチ空間領域の全てのグリッド点位置と位相角度の組合せを通して迅速にサーチするために構成されることができる。例えばＡＳＩＣは１０，０００以上のグリッド点または搬送波位相角度の組合せを並列に同時にサーチするために１０，０００以上の従属相関器のネットワークバンク96を構成することができる。従属相関器のネットワークバンク96は４５度のインクリメントで各搬送波位相角度をサーチできる（小さいインクリメントは組合せの損失を減少するが、処理負荷を増加する）。したがって、各信号搬送波位相角度は３６０度の範囲にわたって８のインクリメントでサーチされることができる。Ｎ個の独立した信号の特有の搬送波位相角度の組合せの総数はしたがって８Ｎである。
【００６３】
図６に関連する以下の説明は従属相関器のネットワークバンク96の機能についてさらに詳細に説明している。通常のＰＲＮコードの除去は各相関器により行われ、データ除去機能（図示せず）はＰＲＮコードおよび応用可能ならばＮａｖメッセージデータビット転移に関連する任意の変調を除去する。ＰＲＮコード信号が第１のミキサ98で受信されるとき、ユーザ受信機発振器周波数の補正が基地局54により送信される補助データにより得られるように行われ、適用される。第２のミキサ100で、図５の内部ループ94のサーチの特別なインクリメントに関連されるＰＲＮ搬送波位相角度が除去される。第３のミキサ102で、予測可能な衛星軌道とエポック時間のクロックドップラが混合される。相関間隔にわたる衛星軌道とクロック運動によるコード位相と搬送波位相に対する予測可能な調節はそれぞれＰＲＮコーダと第２のミキサ100で適用されることができる。同様に、エポック時間のユーザ受信機ドップラに対する付加的なコード及び搬送波位相補正と相関間隔にわたる運動はＩＭＵから利用可能であるならば適用されることができる。そうでなければ、ユーザ受信機の運動が無視できる程度であるならば、オペレータまたは運動検出センサによる静的補助が使用されることができる。基地局54で受信されるようなＰＲＮコード位相データが与えられると、エポック時間の特定のグリッド点位置における相対的なコード位相が予測される。これは特定の相関器に供給する特定の相関器106に関連される各ＰＲＮコーダ104が予測可能なコード位相オフセットに回転されることを可能にする。さらに、相関間隔にわたる予測可能な「ユーザ衛星ダイナミック調節」信号はＰＲＮコーダ104を操縦し、相関間隔にわたって衛星軌道及びクロック運動（およびＩＭＵから利用可能であるならばユーザ運動）を補償するために入力される。これはコヒーレントな積分時間間隔全体にわたるコードと搬送波の両者の一貫性を維持するために、時間の変化がするときスルーイングを継続するためにエポック時間に関する搬送波位相ミキサ100の調節と、ＰＲＮコーダ104でのエポック時間に関する調節を可能にする。
【００６４】
距離ドメインにおけるこの補償の式は以下のようになる。
【数３】
【００６５】
ここで擬似距離の変化率は衛星の暦データとクロックデータおよびＩＭＵから利用可能であるならばユーザ運動の知識により与えられる。理論的に、全ての補助プロセスが適切に機能しているとき、処理は１秒程度のコヒーレントな積分時間と、１ＰＲＮコード信号の処理に関する１０×ｌｏｇ（Ｎ）に近い処理利得を可能にすることができる。
【００６６】
多数の衛星からの全ての距離信号をコヒーレントに組み合わせるために、全ての信号は同位相で処理されなければならない。ナビゲーションモジュール90は全ての可能な搬送波位相角度の組合せをサーチし、処理期間中に信号位相を調節する。正確なグリッド点、ユーザ受信機クロック86のオフセット、および搬送波位相角度の組合せで、全ての信号の電力はコヒーレントに結合される。例えば図７に示されているように受信されたＧＰＳ信号位相を仮定すると、ΔΦ０＝０、ΔΦ１＝Δψ１，．．．，ΔΦＮ＝ΔψＮに最も近く対応する１つの位相角度サーチの組合せはコヒーレントに組合せられるとき全ての信号を同位相にさせる。全ての相関器出力のコヒーレントな組合せは各相関器106からの出力が結合器（例えば加算器）110で組み合わされられるときに生じる。
【００６７】
方法10とシステム50のＳＮＲ比と処理利得を説明する。Ｙを組合された相関器出力110とし、この場合組合せ関数がＮ個の相関器出力の単純な和に対応すると仮定し、ｓｉとｎｉをそれぞれ各相関器106からの信号および雑音出力とする。雑音出力はゼロ平均であり独立し完全に同様に分配される（ＩＩＤ）と仮定される。
【数４】
【００６８】
正確なグリッド点、ユーザ受信機クロックオフセット、および搬送波位相角度の組合せで、Ｙの変化は次式により与えられる。
【数５】
【００６９】
先に示されている微分の最後の行を考慮すると、（全ての信号は正しいグリッド点、ユーザクロックオフセット、搬送波位相角度の組合せで同位相で合計され、全ての信号は同じ振幅または電力を有すると仮定するので）第１の項はＮの２乗×各信号に関係される電力に等しい。中間の項は雑音ゼロ平均特性のためにゼロに等しい。第３の項はＩＩＤの相関されていない特性のためにｉ＝ｊのケースだけが二重和を存続するのでＮ×各雑音項の変化に等しい。
【００７０】
単一の相関器に関する処理利得は第１の項対最後の項の比、即ちＮ２／Ｎ×単一の相関器のＳＮＲまたは単一のＰＲＮコード信号を処理する単一の相関器106の利得に関するＮ利得の係数により与えられる。それ故、Ｎ＝１０のＰＲＮコード信号では、処理利得は１０ｄＢであり、Ｎ＝１００のＰＲＮコード信号では、処理利得は２０ｄＢである。これは従属相関器のネットワークバンク96の電力出力の組合せ期間中に損失がないことを仮定する。幾つかの環境の実際の実施では、１以上の信号が全体的にブロックされ、対応する相関器電力出力は組合された出力に対して雑音を付加するだけである。
【００７１】
衛星信号を組合わすプロセスは簡単な合計よりも一般的な形態、例えば次式により与えられるような各相関器出力の加重された和を取る。
Ｐ＝ａ１・Ｐ１＋ａ２・Ｐ２＋…＋ａＮ・ＰＮ
予測される信号強度の関数として性能を強化するための組合せ加重ａ１と、ＬＯＳに沿った運動の不確定性に基づいて処理された各ＰＲＮコード信号の最適なコヒーレントな積分時間の選択は、性能を強化するための付加的な自由度パラメータの制御を可能にする。組合せ加重ａ１は、ゼロ雑音に関連される予測幾何学的表面モデルをサーチ空間グリッド領域にわたる雑音を有する未調整の合計された電力出力データへ適合するのに使用されるパラメータとしての役目も行う。
【００７２】
さらに、サーチを完了するための経過時間は数秒を超えることはない。処理負荷の評価はしたがって仮定されたユーザ受信機アーキテクチャ構造で行われる。しかしながら、開発中の技術、例えば国防総省国防高等研究事業局のマイクロ電気機械システム（ＤＡＲＰＡ ＭＥＭＳ）スケール原子時計プロジェクトは将来の処理を非常に容易にすることができる。
【００７３】
さらに別の実施形態では、ユーザ受信機56は92へ変更された処理を実行し、ここではＰＲＮコード位相と搬送波位相角度オフセットの両者が予測される。３次元のサーチ空間領域でサーチするとき、サーチ空間領域はグリッド点位置の数を増加するためにより微細な解像度のグリッド間隔へ分割されることができる。これはユーザ受信機56がより正確に見込位置のその搬送波位相角度を予測することを可能にできる。例えば３次元のサーチ空間領域は約１００立方メートルよりも小さい可能性がある。さらに微細な解像度は例えば搬送波波長の一部または約１−３センチメートルを有することができる。
【００７４】
基地局の無線補助サービスがＧＰＳエポック時間でその搬送波位相角度測定も提供するならば、ユーザ受信機56はより微細な解像度のグリッドを有するサーチ空間領域における各グリッド点のその自分の搬送波位相測定を予測するためにこの情報を使用できる。ここで、ユーザ受信機56は搬送波位相角度の組合せにわたってサーチしない。代わりに各グリッド点で、基地局54に関するコード位相測定と搬送波位相測定が基地局距離と位相角度測定を使用して予測される。さらに、組合せサーチ空間はＮ番目の電力まで成長するので、１０以下の独立した衛星信号は全ての搬送波位相角度の組合せにわたるサーチを含めた従来の方法を使用して各グリッド点位置で処理されることができるが、変更された処理はより多くの信号が処理されることを可能にする。ユーザ受信機クロックオフセットはまた従属相関器のネットワークバンク96の組合された電力出力を最大にするために調節され、ここでは最大の電力出力が従属相関器96の見込位置を示す。この変更された搬送波位相予測処理の利点は、処理負荷が不確実な領域の寸法に基づいており、したがって処理は１つのＰＲＮコード信号に関して２０ｄＢまでの処理利得のために、例えば潜在的には１００までのより多くの独立した衛星信号、或いは恐らくガリレオおよび現代的なＧＰＳ衛星が最終的に配備されるときに視野内にあるより大きな衛星距離信号へ拡張することができることである。
【００７５】
別の実施形態では、方法10とシステム50は基地局54からの無線補助なしにユーザ受信機56の見込位置を決定することができる。この実施形態では、ユーザ受信機56は「ホットスタート」、「後の固定」、「再取得」の動作モードのどの１つでも動作できる。記憶された補助データおよび／または衛星信号データを含んでいないユーザ受信機56は通常「コールド」受信機と呼ばれる。ホットスタートモードは第２のユーザ受信機（図示せず）から補助データを受信することによってユーザ受信機56がその見込位置を決定することを可能にする。衛星距離信号を処理し、その見込位置を決定するユーザ受信機はしばしば「ホット」受信機と呼ばれる。第２のユーザ受信機は任意のＧＰＳ処理装置、セル電話局、または時間同期および地理位置情報サービスまたはナビゲーション機会信号、例えば同期されたＲＦ信号をＴＶまたは無線局から提供する通信衛星を有することができる。第２のユーザ装置はＧＰＳ／無線装置のローカルネットワーク内の適切に設計された第２のＧＰＳ／無線装置からも得られることができる。
【００７６】
後の固定または再取得モードでは、ユーザ受信機56はバッテリ寿命を節約するために自動的にＲＦフロントエンド部64、基地局受信部62、ナビゲーションシステム66、および／またはユーザインターフェースモジュール58をオフにすることができる。これによりユーザ受信機56に衛星距離信号の処理を停止させる。短い時間の経過後、前述のエレメントはユーザ受信機56の見込位置をすばやく決定するために自動的にオンに切り換えられる。このユーザ受信機56の見込位置を決定するためのオフとオンの切換えのシーケンスは時間期間に基づいて行われる。この方法の主な利点は、ユーザ受信機56が基地局補助情報をさらに使用せずに後の固定を得るために動作できるが、代わりに内部に保存されたデータ、その従来の固定からのＰＲＮコード位相データ、その内部クロックにより維持されるような時間を使用して予測されるような初期データを利用することができることである。このシーケンスからの付加的な利点はブレッドクラムのトレールが生成され保存されることができることである。ブレッドクラムのトレールは時間期間にわたって決定された複数の保存された連続的見込位置を含んでいる。ブレッドクラムのトレールは従来の見込位置からの内部に保存されたデータに基づいてまたはそれを使用して決定される。各動作モードは他の信号強化または対妨信技術が失敗する可能性があるストレス状態下で動作するためのユーザ受信機56の能力を強化する。
【００７７】
方法10とシステム50の別の実施形態では、ＧＰＳ Ｎａｖデータ除去は例えばＮＡＶメッセージデータビット転移境界を超えてコヒーレントな積分時間を延長するために適用されることができる。このデータ除去を助けるため、ユーザ受信機56はデータビットが相関間隔にわたって予測されることができる適切な時間にサンプルすることが好ましい。基地局54は好ましくは補助及びコード位相情報をほぼ同時に提供する。
【００７８】
さらに別の実施形態では、メッセージデータが予測されることができず、ユーザ受信機56による信号受信に先だってユーザ受信機56へ中継されることができないならば、ユーザ受信機56はデジタル化データをバッファできる。バッファはその後、処理する前に基地局54無線補助リンクからのＮＡＶメッセージデータのフィードフォワードを待機できる。
【００７９】
さらに別の実施形態では、ユーザ受信機56は将来の新型のＬ２とＬ５の民間及び他の信号で有効であることが予想されるデータチップまたはチャンネル上の情報をコヒーレントに一体化できる。
【００８０】
減少された処理の複雑性、１ＮＡＶデータ符合間隔に限定される短いコヒーレントな積分時間期間と共に、減少された性能が可能であることに注意すべきである。例えば同位相（Ｉ）と直角位相（Ｑ）チャンネルからの出力を２乗し、全てのＰＲＮコードチャンネルでＩ２＋Ｑ２を合計することによって、相関器の電力出力が非コヒーレントに組み合わせられるならば、減少された性能と減少された複雑性も可能である。この構造では、搬送波位相角度の組合せ94におけるサーチは避けられることができる。
【００８１】
さらに別の実施形態では、困難な環境において、捕捉／位置固定の反復されたスナップショットタイプは、ＧＰＳ ＰＲＮコード信号の連続的な追跡が失敗したときの状態での頑丈な捕捉／再取得とその後の準連続時間ナビゲーション能力を可能にすることができる。それ程困難ではない環境において、先に得られた解のハンドオフは衛星ＰＲＮコードと搬送波信号追跡ループまたはベクトル遅延ロックループを初期化するために行われることができる。連続的に視野中の全てのＧＰＳ衛星距離信号を追跡し、解を確認し、Ｎａｖメッセージデータを復調し、位置、時間、速度評価を精巧にするための超密着結合の実行へのハンドオフも行われることができる。特にこの実行は干渉を受けやすい環境における超密着ＧＰＳ／ＩＮＳ（完成ナビゲーションシステム）結合の実行を初期化するための頑丈な技術も提供する。
【００８２】
以下の例は方法10とシステム50の性能を示している。さらに提示されている各例はＭＡＴＬＡＢシミュレーションの結果を含んでいる。ユーザ受信機56のシミュレートされた「真」の位置は２次元（または３次元）の地球基準空間領域の随意選択的な位置で取られ、コード位相測定はエポック時間における基地局位置でシミュレートされた。ユーザ受信機56の機能がシミュレートされた。図８を参照して、理想的な相関機能が仮定された。必要とされる負荷の処理量が極めて多いために、図５と６に示されている搬送波位相角度処理はシミュレートされず、ＰＲＮコード信号は搬送波位相角度の損失なく組み合わせられると仮定された。しかしながら、有限のサーチグリッド間隔により、相関機能ピークからのコード位相オフセットのコード相関損失が存在した。
【００８３】
例１では、５つの衛星と、これらの５つの衛星からのＬ１ Ｃ／Ａコード（コードチップ＝３００ｍ）の処理と、初期的な２次元位置と、１ｋｍの時間不確定領域と、１／４チップのインクリメントでのサーチを仮定する。仮定されるユーザ装置アーキテクチャは図６で示されているように従属相関器のただ１つのネットワークバンクと、１００ＭＨｚでクロックされる処理ステップからなる。
グリッド時間点の数＝（１０００ｍ／７５ｍ）３＝２３７０
搬送波位相角度の組合せ数＝８５＝３２，７６８
並列サーチセグメントの総数＝（２３７０）＊（３２，７６８）＝７７．７Ｍ
１００ＭＨｚ ＡＳＩＣを仮定するサーチの総時間＝７７．７Ｍ／１００ＭＨｚ＝０．７８秒
１つのＰＲＮコード信号に関する処理利得＝５衛星（７．０ｄＢ）
図９および１０に示されているように、ＭＡＴＬＡＢシミュレーションの結果は１つの衛星が直接的に頭上９０度の高度で選択されたＮ＝５衛星の場合の組合された電力表面を示すために提示されている。残りの４つの衛星は４５度の高度角度で選択され、＋／−とおよび＋／−ｙ軸の上方の方位角で均等に隔てられた。使用されたサーチのインクリメントは１／４コードチップであった。各ｘ−ｙグリッド点において、ユーザ受信機時間オフセットはまた１／４チップのインクリメントでサーチされ、各ｘ−ｙグリッド点のプロッされた値はユーザ受信機クロック時間間隔サーチにおける最大の組合された電力出力に対応する。図８に示されているように、各相関器の電力出力は１に正規化された。ＰＲＮコードは搬送波位相誤差のために損失なく組み合わされることが仮定された。しかしながらコード位相誤差による損失が存在するならば、幾何学的表面にわたる最大の組合された電力出力は処理されたＮ＝５衛星信号よりもやや小さい。組合された電力の幾何学的表面はシミュレートされた真のユーザ受信機位置、この場合では原点において最大の高さを有する山頂（例えば電力ピーク）の特性を示す。図９に示されているように、雑音は含まれず、図１０とは異なって、シミュレートされた通常の雑音電力は各ＰＲＮコード相関器の出力で１２ｄＢ＝２０ ｌｏｇ（Ｓ／σ）のＳＮＲに等しく（Ｔｃ＝１秒ではＣ／Ｎ＝１２ｄＢ Ｈｚに等しく）示されている。図１０に示されているように、山頂と、真のユーザ受信機位置近くの最大の電力出力の方向の特性は雑音が存在していてもこのサンプルの実行（run?）で依然として認められる。
【００８４】
図９に示されている幾何学的パターンは多数の隆起部を示し、これらは原点で真のユーザ受信機位置に対して三角測量することに注意する。隆起部は幾つかの信号ＰＲＮコードの位相が同調しているが全てのＮ個の信号コード位相と同調していない位置のセットに対応している。例えば選択された幾何学のために、３つの衛星ＰＲＮコード信号は依然としてｘまたはｙ軸に沿ったコヒーレントな関係を維持する。しかしながら原点でのみ、全てのＮ＝５のコード位相は一貫性を実現する。
【００８５】
例２では、９つの衛星からのＬ１ Ｃ／Ａコードの処理と、初期的な２次元位置と、１ｋｍの時間不確定領域と、１／４チップのインクリメントでのサーチを仮定する。この場合、仮定されるユーザ装置アーキテクチャは図６で示されているように従属相関器の１０，０００の並行ネットワークバンクからなる。
グリッド時間点の数＝（１０００ｍ／１００ｍ）３＝１０００
搬送波位相角度の組合せ数＝８９＝１３４．２Ｍ
並列サーチセグメントの総数＝１０００＊１３４．２Ｍ／１０，０００＝１３．４Ｍ
１００ＭＨｚ ＡＳＩＣを仮定するサーチの総時間＝１３．４Ｍ／１００ＭＨｚ＝０．１３秒
１つのＰＲＮコード信号に関する処理利得＝９衛星（９．５ｄＢ）
例２によれば、仮定されるハードウェアアーキテクチャの実際上の限界は約Ｎ＝９または１０の独立した衛星信号である。しかしながらこの限界は図３に示されているような変更された搬送波位相予測処理を使用することにより小さい不確定領域で克服されることができる。
【００８６】
図１１と１２に示されているように、ＭＡＴＬＡＢシミュレーションの結果は１つの衛星が直接頭上にあり、４つの衛星が４５度の高度の方位角度で均等に隔てられており、４つの衛星が水平で方位角度が均等に隔てられているＮ＝９衛星のシナリオについて示されている。この場合、シミュレートされた真のユーザ受信機位置はサーチ空間の後部コーナーで選択され、視覚化を改良するためにグリッド及びユーザ受信機の時間オフセットは例２の１／３チップインクリメントではなく１／１０チップインクリメントでサーチされた。図１１から認められるように、幾何学的表面は図１２に示されているのとは異なって雑音を含んでいない。図１２は６ｄＢ＝２０ｌｏｇ（Ｓ／σ）のＳＮＲに対応する（Ｔｃ＝１秒ではＣ／Ｎ＝６ｄＢ Ｈｚに等しい）各相関器の出力の幾何学的表面においてシミュレートされた雑音を示している。前述したように真のユーザ受信機位置の最大のピーク方向への傾向は高レベルの雑音が存在しても依然として認められる。ピーク近くの傾向の弁別に関連される改良された性能は１／３チップではなく高い解像度の１／１０チップ間隔の使用により示唆される。
【００８７】
例３では、基地局に関する搬送波位相角度が基地局からの搬送波位相速度を使用して各グリッド点位置で予測される変更された搬送波位相予測処理方法を仮定する。さらに、１００メートルの３次元位置−時間不確定領域を仮定し、この仮定はホットスタート、後の固定、再取得のユーザ受信機モードで、さらに幾つかのネットワーク無線補助ＧＰＳモードでも非常に合理的であることに注意する。不確定領域が５ｃｍのグリッド間隔を有する微細な解像度メッシュに分割されることを仮定する。全部で１００の処理されるＰＲＮコード信号において視野内の各１０のＧＰＳ衛星と１０のガリレオ衛星からの５のＰＲＮコード距離信号の処理を仮定する。
グリッド時間点の数＝（１００ｍ／０．０５ｍ）４＝１．６×１０１３
並行サーチセグメントの総数＝１．６×１０１３／１０，０００＝１．６Ｂ
１００ＭＨｚ ＡＳＩＣを仮定するサーチの総時間＝１．６Ｂ／１００ＭＨｚ＝１６秒
１つのＰＲＮコード信号に関する処理利得＝（２０衛星）＊（５コード／衛星）＝１００（２０ｄＢ）
例３によれば、仮定されるハードウェアアーキテクチャの実際の限界と、予測される搬送波位相角度を使用する変更された処理は約１００メートルの位置−時間不確定領域にあると思われる。損失のない処理利得は単一のＰＲＮコード信号の捕捉に関して２０ｄＢである。
【００８８】
図１３に示されているように、ＭＡＴＬＡＢシミュレーションの結果は各２０の衛星からの５つの信号の処理のシナリオについて与えられている。２０の衛星はランダムなＬＯＳで選択され、各ＰＲＮコード信号の受信された電力レベルは同じであると仮定された。各相関器の出力ＳＮＲは０ｄＢとしてシミュレートされ、「真の」ユーザ受信機位置は原点で取られた。電力表面は真のユーザ受信機位置の近くで最大ピークを形成し、それは高い雑音レベルが存在しても迅速に認められる。
【００８９】
図１４乃至１６を参照すると、ＭＡＴＬＡＢシミュレーションの結果は雑音のないＮ＝９衛星の場合について３次元のシミュレーションについて説明されている。この場合、「真の」ユーザ受信機位置は原点、例えば（ｘ，ｙ，ｚ）＝（０，０，０）であるように選択された。電力表面の断面が垂直軸ｚの一定値に対して示されている。示されているように、最大及びピークの予測される傾向はｚ＝０表面（図１４）で示され、ｚ＝＋５００メートル（図１５）とｚ＝＋１０００メートル（図１６）の表面はｚ＝０でのピークよりも小さい電力を有する多数の局部的な最大のピークを示している。これらの結果は画像処理技術、平滑にされた電力表面から抽出された弁別パラメータを解析し見込解とその信頼性の識別に使用するためのスマートアルゴリズムの使用の効率を示している。
【００９０】
説明されている方法10およびシステム50は民間の商用部門と軍事部門の応用の両者におけるストレス状態または弱い信号搬送波対雑音電力比（Ｃ／Ｎｏ）状態で動作するのに特に効率的である。この１つの理由は方法10およびシステム50が伝統的なＧＰＳ信号処理技術で行われるように任意の信号の２乗を避けることである。ＳＮＲ＜０ｄＢでは、２乗は信号電力に関する雑音電力を増幅する傾向がある。さらに、ここで与えられている方法10およびシステム50は基地局54とユーザ受信機56の両者に共通の誤差の自動除去を可能にし、通常１または２、３の衛星距離信号に影響するマルチパスを免れる。基地局54による処理はユーザ受信機56へ送信される距離データへのマルチパス誤差の導入を最小にすることを助ける。
【００９１】
種々の実施形態について説明したが、当業者は本発明の概念から逸脱せずに行われることができる変形または変更を認識するであろう。例はここでの開示を示しており、本発明を限定することを意図してはいない。それ故、説明と特許請求の範囲は自由に解釈されるべきであり、関係する従来技術を考慮して必要であるときにのみこのような限定を有する。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
初期化データ、基地局位置データ、時間補助データのセットを受信し、
ユーザ受信機クロックと、エポック時間に基地局（54）で受信された距離信号の距離データとを同期するために時間同期機能を受信し、
基地局位置データに基づいて地球基準サーチ空間領域（58）と複数のグリッド点位置を有する予め規定されたサーチ空間境界内をサーチし、
ユーザ受信機の視野内の複数の衛星（52）のそれぞれから電力出力を有する少なくとも１つの衛星距離信号を同時に捕捉し、
複数のグリッド点のそれぞれにおいて受信された距離信号の搬送波位相角度の組合せについてサーチし、
各複数のグリッド点位置のそれぞれで同時に受信された距離信号の電力出力をコヒーレントに組み合わせ、そこからユーザ受信機の見込位置を決定し、
ユーザ受信機の見込位置の確実さを評価するステップを含んでいる全地球測位システム“ＧＰＳ”受信機（56）の位置を迅速に決定する方法。
【請求項２】
電力出力の組合せはさらに、最大のコヒーレントに組合された電力出力が検出されるとき、見込位置を決定するステップを含んでいる請求項１記載の方法。
【請求項３】
さらに、最大の電力出力の位置を決定するためにサーチ空間領域にわたって組合された電力出力表面データの平滑にされた幾何学的表面モデルを解析するステップを含んでいる請求項２記載の方法。
【請求項４】
組合された電力出力の幾何学的表面の解析はさらに、
特定のグリッド点位置に対応して各組み合わされた電力出力を最大にするためにユーザ受信機の時間オフセットを調節し、
各受信された衛星距離信号の予測される幾何学形態及び信号特性に基づいて、結果的なサーチ空間領域にわたる組合された電力出力の画像パターンを予測し、
最大の電力出力の検出を強化するため、残留雑音に関して平滑にされた幾何学的表面モデルを解析するためにアルゴリズムと画像処理技術を適用し、
平滑にされた電力表面モデルの勾配、ピーク、隆起部に関連される平滑にされた幾何学的表面モデルから弁別パラメータを発生し、
見込位置が幾何学的表面の最大のピークに対応し、幾何学的表面モデルの隆起部が見込位置に対して三角測量されることを確実にするために弁別パラメータを解析することにより見込位置の解を立証するステップを含んでいる請求項３記載の方法。
【請求項５】
画像処理技術の適用はさらに、平滑にされ予測される幾何学的表面モデルを組み合わせられた電力出力表面データに固定することにより画像パターンに関して雑音を平滑にするために画像処理技術を適用し、したがって最大の電力出力を決定するために根本的な信号表面特性にロックして自動追尾するステップを含んでいる請求項４記載の方法。
【請求項６】
さらに、集束された超密着結合“ＵＴＣ”のＧＰＳ／ＩＮＳ“全地球測位システム／慣性ナビゲーションシステム”解を摂動し、
集束されたＵＴＣ解グリッド点で電力出力をコヒーレントに組み合わせるために受信された距離信号を処理し、
第２の見込位置を決定するために集束された超密着結合解の周辺の複数のグリッド点のそれぞれで受信された距離信号の電力出力をコヒーレントに組み合わせようとするために受信された距離信号を処理し、
集束された解のグリッド点に関連される電力出力と、周辺の適合点に関連される電力出力へ幾何学的表面モデルを適合し、
集束されたＵＴＣの信頼性を決定し、この集束されたＵＴＣの信頼性の決定は、
集束された解のグリッド点が最大の電力出力ピークに対応し、ＵＴＣ処理が実際のＧＰＳ信号を追跡していることを示すか否かを決定するために幾何学的電力表面を解析し、
集束された解が最大の電力出力ピークに関連され、ＵＴＣ処理が実際のＧＰＳ信号を追跡しないことを示すか否かを決定するために幾何学的電力表面を解析することによるものである請求項４記載の方法。
【請求項７】
さらに、見込位置を決定するために予め決定された時間期間にわたって幾何学的表面の多数のスナップショットを処理する請求項５記載の方法。
【請求項８】
時間にわたる幾何学的表面の多数のスナップショットの処理はさらに、
幾何学的表面の力学を予測するために既知の幾何学的形態及び運動モデルの使用に基づいて平滑にされた幾何学的表面モデルを予測可能な方法で発展させ、
平滑な組合せられた電力出力を発生するために時間にわたって幾何学的表面の組み合わせられた電力出力を濾波し、
特定のグリッド点位置における最大の組合された電力出力と、ユーザ受信機の見込位置に対応する時間エポックの位置を突き止めるために平滑にされ組合された電力出力幾何学的表面モデルを補間し、
平滑にされた電力表面モデルの勾配、ピーク、および隆起部に関連される弁別パラメータを発生し、
見込位置が幾何学的表面の最大のピークに対応し、幾何学的表面の隆起部が見込位置に対して三角測量されることを確認するために弁別パラメータを解析するステップを含んでいる請求項７記載の方法。
【請求項９】
見込位置の信頼性の評価はさらに、
平滑にされた幾何学的表面モデルに関するサーチ空間領域にわたって組み合わされた電力出力データの残留雑音ジッターを計算し、
見込位置の信頼性を予測するために、見込位置の平滑にされた幾何学表面モデルを残留雑音ジッターに対して比較する請求項１記載の方法。
【請求項１０】
受信された衛星距離信号の電力出力の組合せはさらに、
サーチ空間領域または平滑にされた幾何学的表面モデルにわたる組合された電力出力データが明白に最大の電力ピークが存在しないことを示し、したがって見込位置は確実に決定されることができないことを示すときを決定し、
最も強力な電力レベルに関連されるユーザ受信機の視野内の衛星のサブセットの優先的使用と、
擬似ランダム雑音（ＰＲＮ）コード信号のタイプの優先的使用と、
性能を強化するため低い干渉または高い予測される搬送波対雑音の電力比を有する周波数帯域からの優先的な信号処理のうちの少なくとも１つの処理を優先的に変更及び制御するために演繹的または受信された情報を使用するアルゴリズムを使用し、
信号組合せ加重を変更し、
ユーザ受信機の見込位置を予測するステップを含んでいる請求項１記載の方法。
【請求項１１】
視野内の複数の衛星からの少なくとも１つの衛星距離信号の同時捕捉はさらに、
受信された衛星距離信号が強い信号と弱い信号を含むときを決定し、
測定された擬似距離の処理に基づいて、強い信号の数が見込位置を決定するのに必要な強い信号の予め定められた数以下であるときを決定し、
強い信号の測定された品質に搬送波位相角度を制約し、
強い信号に関するコードおよび搬送波位相測定データに基づいて制約されたサーチ空間領域を使用して弱い信号をサーチし、
サーチが弱い信号の搬送波位相角度オフセットのみにおいて行われる見込位置を決定するステップを含んでいる請求項１記載の方法。
【請求項１２】
さらに、各衛星距離信号を処理し、衛星距離信号の各電力出力を組み合わせるための加重を計算する最適なコヒーレントな積分時間を予測するために超密着結合技術を使用することを含んでいる請求項１記載の方法。
【請求項１】
初期化データ、基地局位置データ、時間補助データのセットを受信し、
ユーザ受信機クロックと、エポック時間に基地局（54）で受信された距離信号の距離データとを同期するために時間同期機能を受信し、
基地局位置データに基づいて地球基準サーチ空間領域（58）と複数のグリッド点位置を有する予め規定されたサーチ空間境界内をサーチし、
ユーザ受信機の視野内の複数の衛星（52）のそれぞれから電力出力を有する少なくとも１つの衛星距離信号を同時に捕捉し、
複数のグリッド点のそれぞれにおいて受信された距離信号の搬送波位相角度の組合せについてサーチし、
各複数のグリッド点位置のそれぞれで同時に受信された距離信号の電力出力をコヒーレントに組み合わせ、そこからユーザ受信機の見込位置を決定し、
ユーザ受信機の見込位置の確実さを評価するステップを含んでいる全地球測位システム“ＧＰＳ”受信機（56）の位置を迅速に決定する方法。
【請求項２】
電力出力の組合せはさらに、最大のコヒーレントに組合された電力出力が検出されるとき、見込位置を決定するステップを含んでいる請求項１記載の方法。
【請求項３】
さらに、最大の電力出力の位置を決定するためにサーチ空間領域にわたって組合された電力出力表面データの平滑にされた幾何学的表面モデルを解析するステップを含んでいる請求項２記載の方法。
【請求項４】
組合された電力出力の幾何学的表面の解析はさらに、
特定のグリッド点位置に対応して各組み合わされた電力出力を最大にするためにユーザ受信機の時間オフセットを調節し、
各受信された衛星距離信号の予測される幾何学形態及び信号特性に基づいて、結果的なサーチ空間領域にわたる組合された電力出力の画像パターンを予測し、
最大の電力出力の検出を強化するため、残留雑音に関して平滑にされた幾何学的表面モデルを解析するためにアルゴリズムと画像処理技術を適用し、
平滑にされた電力表面モデルの勾配、ピーク、隆起部に関連される平滑にされた幾何学的表面モデルから弁別パラメータを発生し、
見込位置が幾何学的表面の最大のピークに対応し、幾何学的表面モデルの隆起部が見込位置に対して三角測量されることを確実にするために弁別パラメータを解析することにより見込位置の解を立証するステップを含んでいる請求項３記載の方法。
【請求項５】
画像処理技術の適用はさらに、平滑にされ予測される幾何学的表面モデルを組み合わせられた電力出力表面データに固定することにより画像パターンに関して雑音を平滑にするために画像処理技術を適用し、したがって最大の電力出力を決定するために根本的な信号表面特性にロックして自動追尾するステップを含んでいる請求項４記載の方法。
【請求項６】
さらに、集束された超密着結合“ＵＴＣ”のＧＰＳ／ＩＮＳ“全地球測位システム／慣性ナビゲーションシステム”解を摂動し、
集束されたＵＴＣ解グリッド点で電力出力をコヒーレントに組み合わせるために受信された距離信号を処理し、
第２の見込位置を決定するために集束された超密着結合解の周辺の複数のグリッド点のそれぞれで受信された距離信号の電力出力をコヒーレントに組み合わせようとするために受信された距離信号を処理し、
集束された解のグリッド点に関連される電力出力と、周辺の適合点に関連される電力出力へ幾何学的表面モデルを適合し、
集束されたＵＴＣの信頼性を決定し、この集束されたＵＴＣの信頼性の決定は、
集束された解のグリッド点が最大の電力出力ピークに対応し、ＵＴＣ処理が実際のＧＰＳ信号を追跡していることを示すか否かを決定するために幾何学的電力表面を解析し、
集束された解が最大の電力出力ピークに関連され、ＵＴＣ処理が実際のＧＰＳ信号を追跡しないことを示すか否かを決定するために幾何学的電力表面を解析することによるものである請求項４記載の方法。
【請求項７】
さらに、見込位置を決定するために予め決定された時間期間にわたって幾何学的表面の多数のスナップショットを処理する請求項５記載の方法。
【請求項８】
時間にわたる幾何学的表面の多数のスナップショットの処理はさらに、
幾何学的表面の力学を予測するために既知の幾何学的形態及び運動モデルの使用に基づいて平滑にされた幾何学的表面モデルを予測可能な方法で発展させ、
平滑な組合せられた電力出力を発生するために時間にわたって幾何学的表面の組み合わせられた電力出力を濾波し、
特定のグリッド点位置における最大の組合された電力出力と、ユーザ受信機の見込位置に対応する時間エポックの位置を突き止めるために平滑にされ組合された電力出力幾何学的表面モデルを補間し、
平滑にされた電力表面モデルの勾配、ピーク、および隆起部に関連される弁別パラメータを発生し、
見込位置が幾何学的表面の最大のピークに対応し、幾何学的表面の隆起部が見込位置に対して三角測量されることを確認するために弁別パラメータを解析するステップを含んでいる請求項７記載の方法。
【請求項９】
見込位置の信頼性の評価はさらに、
平滑にされた幾何学的表面モデルに関するサーチ空間領域にわたって組み合わされた電力出力データの残留雑音ジッターを計算し、
見込位置の信頼性を予測するために、見込位置の平滑にされた幾何学表面モデルを残留雑音ジッターに対して比較する請求項１記載の方法。
【請求項１０】
受信された衛星距離信号の電力出力の組合せはさらに、
サーチ空間領域または平滑にされた幾何学的表面モデルにわたる組合された電力出力データが明白に最大の電力ピークが存在しないことを示し、したがって見込位置は確実に決定されることができないことを示すときを決定し、
最も強力な電力レベルに関連されるユーザ受信機の視野内の衛星のサブセットの優先的使用と、
擬似ランダム雑音（ＰＲＮ）コード信号のタイプの優先的使用と、
性能を強化するため低い干渉または高い予測される搬送波対雑音の電力比を有する周波数帯域からの優先的な信号処理のうちの少なくとも１つの処理を優先的に変更及び制御するために演繹的または受信された情報を使用するアルゴリズムを使用し、
信号組合せ加重を変更し、
ユーザ受信機の見込位置を予測するステップを含んでいる請求項１記載の方法。
【請求項１１】
視野内の複数の衛星からの少なくとも１つの衛星距離信号の同時捕捉はさらに、
受信された衛星距離信号が強い信号と弱い信号を含むときを決定し、
測定された擬似距離の処理に基づいて、強い信号の数が見込位置を決定するのに必要な強い信号の予め定められた数以下であるときを決定し、
強い信号の測定された品質に搬送波位相角度を制約し、
強い信号に関するコードおよび搬送波位相測定データに基づいて制約されたサーチ空間領域を使用して弱い信号をサーチし、
サーチが弱い信号の搬送波位相角度オフセットのみにおいて行われる見込位置を決定するステップを含んでいる請求項１記載の方法。
【請求項１２】
さらに、各衛星距離信号を処理し、衛星距離信号の各電力出力を組み合わせるための加重を計算する最適なコヒーレントな積分時間を予測するために超密着結合技術を使用することを含んでいる請求項１記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公表番号】特表２０１０−５００５６２（Ｐ２０１０−５００５６２Ａ）
【公表日】平成２２年１月７日（２０１０．１．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５２３８３０（Ｐ２００９−５２３８３０）
【出願日】平成１９年８月７日（２００７．８．７）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００７／０１７６１３
【国際公開番号】ＷＯ２００８／０２１１２１
【国際公開日】平成２０年２月２１日（２００８．２．２１）
【出願人】（５００５２０７４３）ザ・ボーイング・カンパニー (773)
【氏名又は名称原語表記】Ｔｈｅ Ｂｏｅｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２２年１月７日（２０１０．１．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年８月７日（２００７．８．７）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００７／０１７６１３
【国際公開番号】ＷＯ２００８／０２１１２１
【国際公開日】平成２０年２月２１日（２００８．２．２１）
【出願人】（５００５２０７４３）ザ・ボーイング・カンパニー (773)
【氏名又は名称原語表記】Ｔｈｅ Ｂｏｅｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ
【Ｆターム（参考）】
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