ＧＮＳＳ衛星による位置測定方法と装置
【課題】位置計算を航行メッセージの読み取りなしで、そして、ネットワークからのアシスト情報もなしで計算可能とする。
【解決手段】位置計算はコードと周波数の観測値とメモリーに保存される予測エフェメリスデータを利用して行われる。コードと周波数の観測値と予測値の差にもとづいて計算された損失関数が位置計算に使われる。位置計算は全地球衛星航法システム信号の１コード周期の利用で可能である。位置計算装置はフロントエンドと航行ユニットから構成される。フロントエンドユニットと航行ユニットは分離されている。デジタル化された中間周波数データはフロントエンド・ユニットから航行ユニットへ直接かデータ・リンク経由で通信可能であり、後の利用のためにメモリーに保存することも可能である。
【解決手段】位置計算はコードと周波数の観測値とメモリーに保存される予測エフェメリスデータを利用して行われる。コードと周波数の観測値と予測値の差にもとづいて計算された損失関数が位置計算に使われる。位置計算は全地球衛星航法システム信号の１コード周期の利用で可能である。位置計算装置はフロントエンドと航行ユニットから構成される。フロントエンドユニットと航行ユニットは分離されている。デジタル化された中間周波数データはフロントエンド・ユニットから航行ユニットへ直接かデータ・リンク経由で通信可能であり、後の利用のためにメモリーに保存することも可能である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
本発明は全地球衛星航法システム（ＧＮＳＳ）の分野、特にアシストＧＮＳＳ（ＡＧＮＳＳ）又はアシストＧＰＳ（ＡＧＰＳ）技術の代替として関連している。
【背景技術】
ＧＮＳＳレシーバは複数の衛星の信号を利用し位置計算を行う。それがコード測定と周波数測定を行い、衛星エフェメリスと通信時間を含む航行メッセージを読み取ることが必要される。その情報を基として、ＧＮＳＳレシーバはアンテナの位置を計算することができる。多くのアプリケーションが瞬時の位置計算を必要としている。瞬時の位置計算が可能になると衛星の信号をトラッキングすることと航行メッセージの読み取ることの必要がなくなる。ＧＰＳ（全地球位置把握システム）Ｌ１信号の航行メッセージ全体を読み取り、位置計算に必要なデータを完全に復調するには３０秒近くかかる。航行メッセージ・データが他のデータ・リンクからアクセスできる場合にも航行メッセージからタイムマークを復調する必要があるため、それも６秒近くかかる。多くのアプリケーションにはデータのスナップ・ショットのみ使用し、瞬時の位置計算を可能にする必要がある。多くの場合には室内トラッキングは不可能なため航行メッセージを部分的にも復調することも不可能である。室内の移動に対してはマルチパスを変更させトラッキングがもとから可能であっても、中断される可能性がとても高い。
携帯電話でのＧＰＳ機能を使用する場合には、ＧＰＳと同時には携帯電話の使用は混信のため不可能である。その結果としてはユーザーが航行メッセージのデータの読み取りが完全に終了するまで待たなければならない。
アメリカ特許５，９４５，９４４ Ｋｒａｓｎｅｒ Ｎｏｒｍａｎ Ｆ．，Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ ｔｉｍｅ ｆｏｒ ＧＰＳ ｒｅｃｅｉｖｅｒｓ，０８／３１／１９９９、がネットワーク経由で時刻情報を供給する方法を記述している［１］。それに対して、本発明は航行メッセージの読み取りとネットワークのアシスト・データなしでの位置計算を可能にする。
２０００年７月３ｒｄ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｆｕｓｉｏｎ，ＦＵＳＩＯＮ ２０００で公開された“Ｔｉｍｅ Ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｔｈｒｏｕｇｈ Ｆｕｓｉｏｎ ｏｆ Ｉｎａｃｃｕｒａｔｅ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｔｉｍｉｎｇ Ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ ｗｉｔｈ ＧＰＳ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ”というＪ．Ｓｙｒｊａｒｉｎｎｅの論文にはコード測定残差による損失関数利用の位置計算の方法が記述された［３］。
同じ２０００年にアメリカ特許に“Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ ｔｉｍｅ−ｆｒｅｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｏｆ ＧＰＳ ｓｉｇｎａｌｓ”という題名の特許の申請があった［２］。それが衛星から通信された絶対時間情報又はＧＰＳレシーバでの代替の時間情報源を使用せずにＧＰＳレシーバの位置を計算するための方法と装置を記述している。ＧＰＳレシーバはワイヤレス・コミュニケーション・トランシーバを含んだ統合レシーバにあるが、正確な絶対時間情報源にアクセスできない。ワイヤレス・トランシーバはワイヤレス・ネットワークを経由しサーバに伝達する。
本発明と以上［１］，［２］と［３］に記述されたシステムと方法との違いは複数ある。本発明はレシーバから取れる時間源を利用し、ワイヤレス・レシーバなど、アシスト・データを供給するデータ・リンクを含めていない。その特徴は位置計算の時にはレシーバがネットワークにデータ・リンクを必要としていないこと。今回提案の発明はネットワークを一切必要としない。つまり、本発明はＡＧＰＳネットワーク外にもっと広い範囲のアプリケーションで使用できる。
ＧＰＳ付きカメラなどのアプリケーションがネットワークなしで瞬時の位置計算を必要としている。カメラが使用される場所にいつもネットワークがあることは、ほぼ不可能である。もう一つのアプリケーションは空に機動する飛行機である。データのスナップ・ショットを使えることは以下の二つの利益になる。その一つめは、仮に衛星が航行システムに１ミリ秒しか見えないとしてもデータは失われない。その二つめは、時間遅れが小さい、その小ささは飛行機などの高ダイナミックの乗物にとってとても重要である。そういうアプリケーションにおいてネットワーク使用はほとんどの場合不可能な可能性が高い。
ネットワークなしの瞬時の位置計算が望ましいのは、ネットワークは地震などの自然災害により機能不全または破壊されることがありえるためである。そういう場合にも瞬時の位置計算できることが重要である。
参考の［２］が位置計算のため必要とするのはレシーバのおおよその位置を数キロの精度でもとから知ることである。本発明はサーバーなどからの仮定位置の情報を必要としない。初期の近似はレシーバに国名を入力するか、見える衛星のＰＲＮ（疑似乱数ノイズ）から捕捉できる。そういう方法は初期位置を数千キロ以内で与えるが本発明には十分である。本発明はレシーバで疑似距離の不確定性を解くことを仮定位置が不明であっても可能にする。参考［２］の方法はアシスト情報と仮定位置なしで位置計算する方法を実際のアプリケーションに提供するものではない。
最近の発表［４］にはアシスト情報と仮定位置なしでの位置計算方法が記述されている。しかし、［４］に記述されている方法は実際のアプリケーション化の余地がない。その記述によると位置計算には１４分かかる。それは通常のＧＰＳアルゴリズムによる３０秒ぐらいかかる方法の３０倍ほどの時間である。本発明は通常のＧＰＳアルゴリズム方法より３０倍速い計算方法を記述している。本発明の方法による位置計算は通常のＧＰＳアルゴリズム方法によりかかる３０秒のかわりに１−２秒程度での位置計算を可能にする。本発明で記述する方法は実際のアプリケーションに重要であるリアル・タイムの位置計算を可能にする。
本発明と［２］はアプリケーション分野が異なる。本発明はネットワーク接続有の携帯レシーバのみに限られていない。しかし、参考［２］はネットワークに接続されているレシーバのみに応用できる。
【発明の開示】
本発明はコードとドップラー測定を利用した新しい位置把握方法である。本方法の新しさとは複数の極小点関数における広域極小点をもとめるための一般アルゴリズム［５］又はアニーリング方法［６］の応用、ドップラー測定での初期探索範囲の限定、そして予測エフェメリスの時計誤差の緩和などである。以上のものは組み合わせによってのみ応用可能で、同時応用により新しいＧＮＳＳ位置把握方法を作る。ドップラー測定のみ位置計算に使用することはあまり役に立たず（特にトラッキング・ループ使用しない場合）、その理由は結果の位置計算の精度が低すぎるため。しかし、それは複数の極小点関数における広域極小点をもとめるための初期探索範囲の制限には十分である。本発明は予測エフェメリスの利用を提案する。予測軌道データは更新なしで長時間使用可能であって長い時間のあいだ高い精度を提供する。衛星時計誤差の予測データはより速く低下する。こういう方法には軌道データが予測エフェメリスの有効期限をより長くし、結果としては時計誤差の緩和が本発明の重要な構成要素であるため、それのみ利用するのが重要である。
本発明は位置把握方法を利用した新しいＧＮＳＳレシーバ・システムである。ＧＮＳＳレシーバ・システムは普通のレシーバとして、又はトラッキング・システムかアセット・モニタリング（車両運行管理システム）としての利用可能である。このトラッキング・システムの他のトラッキング・システムとの違いはローバーの方でフロントエンドとメモリーのみが必要であるということ。アセット・モニタリング（車両運行管理）システムと他の存在しているアセット・モニタリング（車両運行管理）システムとの違いはローバーの方ではフロントエンドとコミュニケーション機のみ必要があること。従来のトラッキングとアセット・モニタリング・システムはローバーの方でフロントエンドの他にベースバンド・プロセッサーと航行プロセッサーを含む完全なレシーバを必要としている。本発明は結果としてローバーが従来のシステムより小さく、安く、電力消費が小さいトラッキング・システムを可能にする。それが可能となるのは本発明がＧＮＳＳデータの小さい、例えば、ＧＰＳのＬ１信号の１ミリ秒に同等である１コード周期の、スナップ・ショットをとるうえでの位置計算を可能にするからである。このデータはメモリーに保存されること、又はコントロール・センターへ送信することが可能である。コントロール・センターはローバーの位置を１ミリ秒のデータだけを利用して計算できる。データの量は数百バイトほどの小さい量でもよい。在来のＧＮＳＳ又はＧＰＳの処理はデータをその三万倍ほど必要としている。それほどの量のデータを送信し、途中でメモリーに保存する必要のあるトラッキング・システムは非実用的である。そのため従来の技術ではデータをローバー側で処理する必要があった。そのためローバーには完全なレシーバもなければならなかった。本発明が可能にするのは完全のレシーバなしのフロントエンドである。
そのゆえにＧＮＳＳ信号を処理し航行メッセージを読み取りする必要がなく、ネットワークと仮定位置なしで瞬時の位置計算をする方法と装置の必要性が現在この分野にある。
【課題を解決する手順】
本発明はＧＰＳ位置把握又は他のＧＮＳＳ衛星信号（ＧＬＯＮＡＳＳとＧａｌｉｌｅｏを含む）に適用し得る。普通は捕捉段階後３０秒ほどＧＰＳ信号のトラッキング、航行メッセージの読み取り、そして衛星の軌道データと時計誤差を引き出すことが必要となる。このデータが外のデータ・リンク又はメモリーから供給される場合にも航行メッセージの読み取りと送信時間を引き出すためＧＰＳ信号のトラッキングを捕捉段階後６秒間程度する必要がある。本発明は捕捉ユニット、システム時計と予測又は実際エフェメリス情報の測定を利用しアンテナの位置を計算することを可能にする。
図．１は本発明ＧＮＳＳレシーバ・システムのフローチャートを表示している。複数の衛星（１０１）のＧＮＳＳ無線周波数信号がＧＮＳＳアンテナ（１０２）を経由し、フロントエンド・モジュール（１０３）に通信される。フロントエンド・モジュール（１０３）は信号をＧＮＳＳ周波数から中間周波数への変換を行い、信号をデジタル化する。デジタル化された中間周波数信号（１０４）は本発明内には具体化により３つの使用方が可能。発明のＧＮＳＳシステムがアセット・モニタリングなどのシステム用（つまり、車両運行管理又は子供やペットのモニタリング）のＧＮＳＳセンサーとし使用される場合にはデジタル化された中間周波数信号（１０４）はコミュニケーション送信モジュール（１０５）へ移される。
発明のＧＮＳＳシステムがＧＮＳＳトラッキング・デバイスとして使用される場合はデジタル化された中間周波数信号（１０４）はメモリー・モジュール（１０６）に移される。時計（１０７）が各中間地点のデジタル化された中間周波数信号（１０４）データの各セットのタイムマークをメモリー・モジュール（１０６）に供給する。ＧＮＳＳアンテナ（１０２）、フロントエンド・モジュール（１０３）、メモリー・モジュール（１０６）、時計（１０７）とコミュニケーション送信モジュール（１０５）を含むフロントエンド・ユニット（１０９）は別なデバイスとして設計され、離れて設置することができる。
フロントエンド・ユニット（１０９）が離れて設置され、アセット・モニタリング・システムのようなリモート・ローバーの瞬時の位置計算に使用される場合はパックされた中間周波数データ（１１０）はコミュニケーション受信モジュール（１１１）に通信される。フロントエンド・ユニット（１０９）が離れて設置され、トラッキング・システムに使用される場合はタイムマークされた中間地点のデジタル化された中間周波数データ・セット（１１２）がのちにメモリーからダウンロードされる。 メモリー・モジュール（１０６）のタイムマーク（１１３）は対応のタイムマークされた中間地点のデジタル化された中間周波数データ・セット（１１２）と一緒に位置計算に使用される。発明のＧＮＳＳシステムがＧＮＳＳレシーバとして利用される場合にはデジタル化された中間周波数信号（１０４）は捕捉モジュール（１１４）へ直接フロントエンド・モジュール（１０３）から移される。
捕捉モジュール（１１４）はデジタル化されたデータを処理し、捕捉された衛星の疑似乱数ノイズ（ＰＲＮ）番号とＧＮＳＳドップラー測定を含んだＧＮＳＳ観測量（１１５）を位置計算モジュール（１１６）へ出力する。時間基準モジュール（１１７）は位置計算モジュール（１１６）におおよその時刻をタイムマーク（１１３）から、又はトラッキング・システムの場合にはメモリー・モジュール（１０６）から、アセット・モニタリング又はＧＮＳＳレシーバ具体化の場合には時計（１１８）から供給する。メモリー・モジュール（１１９）は位置計算モジュール（１１６）にエフェメリス情報を供給する。エフェメリスは予測エフェメリス、又は実際のエフェメリスである。
位置計算モジュール（１１６）はユーザの位置（１２０）をメモリー・モジュール（１１９）が供給したＧＮＳＳ衛星エフェメリス、捕捉モジュール（１１４）からのＧＮＳＳコード測定とＧＮＳＳ測定（１１５）、そして時間基準モジュール（１１７）からのおおよその現在時刻を使用し計算する。
位置計算モジュール（１１６）は予測コード測定関数と実際のコード測定関数の大きさの差の関数の損失関数を作る。
損失関数は複数の局所極小点をもっている。位置計算モジュール（１１６）が一般アルゴリズムを利用し広域極小点探索を実現する。又は、位置計算モジュール（１１６）はアニーリング方法又は暴力的な探索法と最適化アルゴリズムを利用して損失関数の広域極小点探索を実現する。
以上の損失関数の探索範囲に制限をつけるため、位置計算モジュール（１１６）は位置の概算値の探索をドップラー測定関数と予測ドップラー測定関数の大きさの差の関数の損失関数を利用し行う。
ｗｉがｉ番衛星の信号の信号対ノイズの比率に基づく重み関数。
予測衛星時計誤差を減少させ、有効期限が長いエフェメリスの使用を可能にするためには位置計算モジュール（１１６）は以下の通り、軌道衛星データのみを位置計算に利用するために、もう一つの予測コード測定関数の時間による大きさの差の関数と実際のコード測定関数の時間による大きさの差の関数の損失関数を利用する。
ｗｉがｉ番衛星の信号の信号対ノイズに基づく比率の重み関数。
従って、航行ユニット（１２１）は捕捉モジュール（１１４）、位置計算モジュール（１１６）、メモリー・モジュール（１１９）、時間基準モジュール（１１７）、時計（１１８）とコミュニケーション受信モジュール（１１１）からなる。
メモリー・モジュール（１０６）、時計（１０７）コミュニケーション送信モジュール（１０５）、時間基準モジュール（１１７）とコミュニケーション受信モジュール（１１１）はフロントエンド・ユニット（１０９）と航行ユニット（１２１）が同一される場合には不必要になることがある。
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の主たる目的はアシスト・ネットワークを利用しない、そして、航行メッセージを読み取る必要のないＧＮＳＳ位置把握システムを提供することである。
そのうえ、本発明の主たる目的は電源を入れた瞬間から１か２秒で位置計算を完了するＧＮＳＳ位置把握レシーバ・システムを提供することである。
そのうえ、本発明の主たる目的はＧＮＳＳ衛星信号の１コード期間のみで位置計算を行えるＧＮＳＳ位置把握システムを提供することである。
そのうえ、本発明の主たる目的はＧＮＳＳフロントエンドをリモート・センサーとして使用するＧＮＳＳ位置把握システムを提供することである。リモート・センサーはデジタル化された中間周波数データを複数のコミュニケーション・モジュールを通して一つか複数の航行ユニットに送信する。
そのうえ、本発明の主たる目的はＧＮＳＳフロントエンドをトラッキング・デバイスとして利用するＧＮＳＳ位置把握システムを提供することである。トラッキング・デバイスは各中間地点に関するデジタル化された中間周波数データをメモリー・モジュールに後ほどに遠く設置された航行ユニットでの処理のため保管する。
【実施例】
好ましい具体化は図２に表示されている。複数のＧＰＳ衛星（２０１）がキャリア、広がる疑似乱数コードと航行メッセージを含む無線周波数信号（２０２）を送信する。信号（２０２）はアンテナ（２０３）により受信され、フロントエンド・モジュール（２０４）にアンテナ・ケーブル（２０５）経由で通信される。フロントエンド・モジュール（２０４）は信号をＧＰＳ Ｌ１周波数から４ＭＨｚ中間周波数へ変換を供給し、信号を１６ＭＨｚのサンプリングレートでデジタル化する。デジタル化された中間周波数信号（２０６）が捕捉モジュール（２０７）へ通信される。本具体化はフロントエンドと航行ユニットが一個のデバイスに置かれる場合である。本具体化の場合には航行ユニットがパソコンにある。
ポジショニング以前に予測衛星エフェメリスがメモリー・モジュール（２０８）にダウンロードされる。例えば、ＡＳＣＩＩ ＳＰ３フォーマットのエフェメリスはＣＯＤＥのＦＴＰサイトｆｔｐ：／／ｆｔｐ．ｕｎｉｂｅ．ｃｈ／ａｉｕｂ／ＣＯＤＥからダウンロードできる。ＣＯＤＥは予測衛星エフェメリスなどの無料サービスを供給する国際地球数学サービス（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｇｅｏｍａｔｉｃ Ｓｅｒｖｉｃｅ）の一機関である［７］。
捕捉モジュール（２０７）は信号捕捉後に捕捉衛星の疑似乱数ノイズ（ＰＲＮ）号（２０９）、ＧＰＳドップラー測定（２１０）とＧＰＳコード測定（２１１）を出力する。
範囲探索モジュール（２１２）が予測衛星エフェメリスとシステム時計（２１３）を利用して、捕捉衛星のＰＲＮ号（２０９）と決まった所定の時間と衛星軌道で見える衛星のＰＲＮ号が同じである地域を探索する。本具体化での所定時間はパソコンのシステムの時間である。地域は初期探索範囲を定義し、それがダウンヒル探索モジュール（２１４）へ供給される。ダウンヒル探索モジュール（２１４）はダウンヒル・シンプレクス方法［６］を利用し損失関数の極小点をみつける。損失関数はドップラーベース損失関数形成モジュール（２１５）にてＧＰＳドップラー測定（２１０）と予測ドップラー測定を利用して形成される。予測ドップラー測定は予測衛星（２０１）位置を探索時間範囲内とアンテナ（２０３）の探索座標範囲の位置を使用して計算される。初期決定モジュール（１１２）の４次元の探索範囲は受信時間とアンテナ位置により形成される。レシーバ時計誤差が計算からそれぞれの衛星と最高の仰角の選択されたマスター衛星の一対の差の形成により除外される。
ドップラーベース損失関数形成モジュール（２１５）は以下の通り損失関数を形成する。
ｗｉ は捕捉モジュール（２０７）からのｉ番衛星の信号の信号対ノイズの比率に基づく重み関数である。本具体例では重み関数の係数はすべて１とセットされる。
ダウンヒル探索モジュール（２１４）はモジュール（２１６）で以降の探索のための新たな、より狭い範囲を定義し、それが主要探索モジュール（２１７）へ供給される。主要探索モジュール（２１７）は一般アルゴリズム［５］を利用しモジュール（２１８）で形成された損失関数の最小点を求める。損失関数はＧＰＳコード測定（２１１）と予測コード測定を使用して形成される。予測コード測定は予測衛星（２０１）の探索時間範囲での位置とアンテナ（２０３）の探索座標範囲での位置により計算される。受信時間とアンテナの位置が初期化モジュール（２１６）で４次元の探索範囲を形成する。レシーバ時計誤差が観測値からそれぞれの衛星と最高の仰角の選択されたマスター衛星の一対の差の形成により除外される。損失関数形成モジュール（２１８）は以下の通り損失関数を形成する。
ｗｉ は捕捉モジュール（２０７）からのｉ番衛星の信号の信号対ノイズの比率に基づいた重み関数。
コード不確定性はモジュール（２１９）にて修復される。ダウンヒル探索モジュール（２１４）は以降の探索のための新たなより狭い範囲を定義する。主要探索モジュール（２１７）が位置のより良い近似を求める。このユーザー初期位置の概算値（２２０）は探索範囲初期化モジュール（２１６）へ伝達される。探索範囲初期化モジュール（２１６）は探索範囲を再定義し探索モジュール（２１４）へダウンヒル・シンプレクス法利用の高速な精密位置捕捉のため送信する。
計算された位置（２２１）はユーザにディスプレー（２２２）で出力されるのが可能でシステム時間をシステム時間補正モジュール（２２３）にて改良と修正することができる。
エフェメリスが一週間を超える時間利用される場合は、予測衛星時計誤差が位置計算の精密を低下させる。その効果を減らすためにはシステムはモジュール（２１８）により形成された損失関数Ｆ２の代わりにモジュール（２２４）により形成された以下の関数を利用する。
ｗｉ は捕捉モジュール（２０７）からのｉ番衛星の信号の信号対ノイズの比率に基づいた重み関数。
以上の詳細な記述には本発明は具体化例により説明されたが、その具体化例以外の構成又は配置の改修又は変更は熟練の者によりできるが、その場合の改修または変更は本発明の範囲内となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は航行メッセージの読み取りなしでかつネットワーク接続なしでのＧＮＳＳコードと周波数測定、そして予測エフェメリスを利用して位置計算を行うＧＮＳＳレシーバ・システムのブロック線図の表示である。（１０１）複数のＧＰＳ衛星 （１０２）ＧＮＳＳアンテナ （１０３）フロントエンド・モジュール （１０４）デジタル化された中間周波数信号 （１０５）コミュニケーション送信モジュール （１０６）メモリー・モジュール （１０７）時計 （１０８）タイムマーク （１０９） フロントエンド・ユニット （１１０）パックされた中間周波数データ （１１１）コミュニケーション受信モジュール （１１２）タイムマークされた中間地点のデジタル化された中間周波数データ・セット （１１３）タイムマーク （１１４）捕捉モジュール （１１５）ＧＮＳＳ観測量 （１１６）位置計算モジュール （１１７）時間基準モジュール （１１８）時計 （１１９）メモリー・モジュール （１２０）計算されたユーザ位置 （１２１）航行ユニット
【図２】図２は発明のＧＮＳＳレシーバ・システムの適当な具体化ブロック線図である。（２０１）複数のＧＰＳ衛星 （２０２）ＧＰＳ無線周波数信号 （２０３）ＧＰＳアンテナ （２０４）フロントエンド・モジュール （２０５）アンテナ・ケーブル （２０６）デジタル化された中間周波数信号 （２０７）捕捉モジュール （２０８）メモリー・モジュール （２０９）捕捉衛星のＰＲＮ号 （２１０）ＧＰＳドップラー測定 （２１１）ＧＰＳコード測定 （２１２）範囲探索モジュール （２１３）システム時計 （２１４）ダウンヒル探索モジュール （２１５）ドップラーベース損失関数形成モジュール （２１６）探索初期化モジュール （２１７）主要探索モジュール （２１８）主要損失関数形成モジュール （２１９）コード不確定性修復モジュール （２２０）ユーザー初期位置の概算値 （２２１）ユーザー位置 （２２２）ディスプレー （２２３）システム時間補正モジュール （２２４）二重差分ベース損失関数形成モジュール
【参考書目】
Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ Ｃｉｔｅｄ
１．ＵＳ特許５，９４５，９４４ Ｋｒａｓｎｅｒ Ｎｏｒｍａｎ Ｆ．，Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ ｔｉｍｅ ｆｏｒ ＧＰＳ ｒｅｃｅｉｖｅｒｓ、１９９９年８月３１日発行。特許願書登録号０８／８４５，５４５、１９９７年４月２４日登録。
２．ＵＳ特許６，４１７，８０１ ｖａｎ Ｄｉｇｇｅｌｅｎ，Ｆｒａｎｋ，Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ ｔｉｍｅ−ｆｒｅｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｏｆ ＧＰＳ ｓｉｇｎａｌｓ、２００２年９月０７日発行。特許願書登録号７１５８６０、２０００年１１月１７日登録
３．Ｓｙｒｊａｒｉｎｎｅ，Ｊ．Ｔｉｍｅ Ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｔｈｒｏｕｇｈ Ｆｕｓｉｏｎ ｏｆ Ｉｎａｃｃｕｒａｔｅ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｔｉｍｉｎｇ Ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ ｗｉｔｈ ＧＰＳ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ．３ｒｄ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，Ｆｕｓｉｏｎ，ＦＵＳＩＯＮ Ｊｕｌｙ ２０００，Ｖｏｌｕｍｅ ＩＩ，Ｐａｇｅｓ ＷＥＤ５：３−１０．
４．Ｎｉｉｌｏ Ｓｉｒｏｌａ，Ｅｘｈａｕｓｔｉｖｅ ｇｌｏｂａｌ ｇｒｉｄ ｓｅａｒｃｈ ｉｎ ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ ｒｅｃｅｉｖｅｒ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ｍｏｄｕｌａｒ ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ｒａｎｇｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ：Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｓｅｒｉｅｓ ５２（２００６）７３−８２
５．Ｓ．Ｎ．Ｓｉｖａｎａｎｄａｍ Ｓ．Ｎ．Ｄｅｅｐａ Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔｏ Ｇｅｎｅｔｉｃ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ，Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ，２００８．
６．Ｗｉｌｌｉａｍ Ｈ．Ｐｒｅｓｓ ｅｔ ａｌ．，Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｒｅｃｉｐｅｓ，３ｒｄ ｅｄｉｔｉｏｎ，Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ，２００７
７．Ｊ．Ｍ．Ｄｏｗ，Ｒ．Ｅ．Ｎｅｉｌａｎ，Ｇ．Ｇｅｎｄｔ，”Ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ＧＰＳ Ｓｅｒｖｉｃｅ（ＩＧＳ）：Ｃｅｌｅｂｒａｔｉｎｇ ｔｈｅ １０ｔｈ Ａｎｎｉｖｅｒｓａｒｙ ａｎｄ Ｌｏｏｋｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ Ｎｅｘｔ Ｄｅｃａｄｅ，”Ａｄｖ．Ｓｐａｃｅ Ｒｅｓ．３６ ｖｏｌ．３６，ｎｏ．３，ｐｐ．３２０−３２６，２００５．ｄｏｉ：１０．１０１６／ｊ．ａｓｒ．２００５．０５．１２５
【技術分野】
本発明は全地球衛星航法システム（ＧＮＳＳ）の分野、特にアシストＧＮＳＳ（ＡＧＮＳＳ）又はアシストＧＰＳ（ＡＧＰＳ）技術の代替として関連している。
【背景技術】
ＧＮＳＳレシーバは複数の衛星の信号を利用し位置計算を行う。それがコード測定と周波数測定を行い、衛星エフェメリスと通信時間を含む航行メッセージを読み取ることが必要される。その情報を基として、ＧＮＳＳレシーバはアンテナの位置を計算することができる。多くのアプリケーションが瞬時の位置計算を必要としている。瞬時の位置計算が可能になると衛星の信号をトラッキングすることと航行メッセージの読み取ることの必要がなくなる。ＧＰＳ（全地球位置把握システム）Ｌ１信号の航行メッセージ全体を読み取り、位置計算に必要なデータを完全に復調するには３０秒近くかかる。航行メッセージ・データが他のデータ・リンクからアクセスできる場合にも航行メッセージからタイムマークを復調する必要があるため、それも６秒近くかかる。多くのアプリケーションにはデータのスナップ・ショットのみ使用し、瞬時の位置計算を可能にする必要がある。多くの場合には室内トラッキングは不可能なため航行メッセージを部分的にも復調することも不可能である。室内の移動に対してはマルチパスを変更させトラッキングがもとから可能であっても、中断される可能性がとても高い。
携帯電話でのＧＰＳ機能を使用する場合には、ＧＰＳと同時には携帯電話の使用は混信のため不可能である。その結果としてはユーザーが航行メッセージのデータの読み取りが完全に終了するまで待たなければならない。
アメリカ特許５，９４５，９４４ Ｋｒａｓｎｅｒ Ｎｏｒｍａｎ Ｆ．，Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ ｔｉｍｅ ｆｏｒ ＧＰＳ ｒｅｃｅｉｖｅｒｓ，０８／３１／１９９９、がネットワーク経由で時刻情報を供給する方法を記述している［１］。それに対して、本発明は航行メッセージの読み取りとネットワークのアシスト・データなしでの位置計算を可能にする。
２０００年７月３ｒｄ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｆｕｓｉｏｎ，ＦＵＳＩＯＮ ２０００で公開された“Ｔｉｍｅ Ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｔｈｒｏｕｇｈ Ｆｕｓｉｏｎ ｏｆ Ｉｎａｃｃｕｒａｔｅ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｔｉｍｉｎｇ Ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ ｗｉｔｈ ＧＰＳ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ”というＪ．Ｓｙｒｊａｒｉｎｎｅの論文にはコード測定残差による損失関数利用の位置計算の方法が記述された［３］。
同じ２０００年にアメリカ特許に“Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ ｔｉｍｅ−ｆｒｅｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｏｆ ＧＰＳ ｓｉｇｎａｌｓ”という題名の特許の申請があった［２］。それが衛星から通信された絶対時間情報又はＧＰＳレシーバでの代替の時間情報源を使用せずにＧＰＳレシーバの位置を計算するための方法と装置を記述している。ＧＰＳレシーバはワイヤレス・コミュニケーション・トランシーバを含んだ統合レシーバにあるが、正確な絶対時間情報源にアクセスできない。ワイヤレス・トランシーバはワイヤレス・ネットワークを経由しサーバに伝達する。
本発明と以上［１］，［２］と［３］に記述されたシステムと方法との違いは複数ある。本発明はレシーバから取れる時間源を利用し、ワイヤレス・レシーバなど、アシスト・データを供給するデータ・リンクを含めていない。その特徴は位置計算の時にはレシーバがネットワークにデータ・リンクを必要としていないこと。今回提案の発明はネットワークを一切必要としない。つまり、本発明はＡＧＰＳネットワーク外にもっと広い範囲のアプリケーションで使用できる。
ＧＰＳ付きカメラなどのアプリケーションがネットワークなしで瞬時の位置計算を必要としている。カメラが使用される場所にいつもネットワークがあることは、ほぼ不可能である。もう一つのアプリケーションは空に機動する飛行機である。データのスナップ・ショットを使えることは以下の二つの利益になる。その一つめは、仮に衛星が航行システムに１ミリ秒しか見えないとしてもデータは失われない。その二つめは、時間遅れが小さい、その小ささは飛行機などの高ダイナミックの乗物にとってとても重要である。そういうアプリケーションにおいてネットワーク使用はほとんどの場合不可能な可能性が高い。
ネットワークなしの瞬時の位置計算が望ましいのは、ネットワークは地震などの自然災害により機能不全または破壊されることがありえるためである。そういう場合にも瞬時の位置計算できることが重要である。
参考の［２］が位置計算のため必要とするのはレシーバのおおよその位置を数キロの精度でもとから知ることである。本発明はサーバーなどからの仮定位置の情報を必要としない。初期の近似はレシーバに国名を入力するか、見える衛星のＰＲＮ（疑似乱数ノイズ）から捕捉できる。そういう方法は初期位置を数千キロ以内で与えるが本発明には十分である。本発明はレシーバで疑似距離の不確定性を解くことを仮定位置が不明であっても可能にする。参考［２］の方法はアシスト情報と仮定位置なしで位置計算する方法を実際のアプリケーションに提供するものではない。
最近の発表［４］にはアシスト情報と仮定位置なしでの位置計算方法が記述されている。しかし、［４］に記述されている方法は実際のアプリケーション化の余地がない。その記述によると位置計算には１４分かかる。それは通常のＧＰＳアルゴリズムによる３０秒ぐらいかかる方法の３０倍ほどの時間である。本発明は通常のＧＰＳアルゴリズム方法より３０倍速い計算方法を記述している。本発明の方法による位置計算は通常のＧＰＳアルゴリズム方法によりかかる３０秒のかわりに１−２秒程度での位置計算を可能にする。本発明で記述する方法は実際のアプリケーションに重要であるリアル・タイムの位置計算を可能にする。
本発明と［２］はアプリケーション分野が異なる。本発明はネットワーク接続有の携帯レシーバのみに限られていない。しかし、参考［２］はネットワークに接続されているレシーバのみに応用できる。
【発明の開示】
本発明はコードとドップラー測定を利用した新しい位置把握方法である。本方法の新しさとは複数の極小点関数における広域極小点をもとめるための一般アルゴリズム［５］又はアニーリング方法［６］の応用、ドップラー測定での初期探索範囲の限定、そして予測エフェメリスの時計誤差の緩和などである。以上のものは組み合わせによってのみ応用可能で、同時応用により新しいＧＮＳＳ位置把握方法を作る。ドップラー測定のみ位置計算に使用することはあまり役に立たず（特にトラッキング・ループ使用しない場合）、その理由は結果の位置計算の精度が低すぎるため。しかし、それは複数の極小点関数における広域極小点をもとめるための初期探索範囲の制限には十分である。本発明は予測エフェメリスの利用を提案する。予測軌道データは更新なしで長時間使用可能であって長い時間のあいだ高い精度を提供する。衛星時計誤差の予測データはより速く低下する。こういう方法には軌道データが予測エフェメリスの有効期限をより長くし、結果としては時計誤差の緩和が本発明の重要な構成要素であるため、それのみ利用するのが重要である。
本発明は位置把握方法を利用した新しいＧＮＳＳレシーバ・システムである。ＧＮＳＳレシーバ・システムは普通のレシーバとして、又はトラッキング・システムかアセット・モニタリング（車両運行管理システム）としての利用可能である。このトラッキング・システムの他のトラッキング・システムとの違いはローバーの方でフロントエンドとメモリーのみが必要であるということ。アセット・モニタリング（車両運行管理）システムと他の存在しているアセット・モニタリング（車両運行管理）システムとの違いはローバーの方ではフロントエンドとコミュニケーション機のみ必要があること。従来のトラッキングとアセット・モニタリング・システムはローバーの方でフロントエンドの他にベースバンド・プロセッサーと航行プロセッサーを含む完全なレシーバを必要としている。本発明は結果としてローバーが従来のシステムより小さく、安く、電力消費が小さいトラッキング・システムを可能にする。それが可能となるのは本発明がＧＮＳＳデータの小さい、例えば、ＧＰＳのＬ１信号の１ミリ秒に同等である１コード周期の、スナップ・ショットをとるうえでの位置計算を可能にするからである。このデータはメモリーに保存されること、又はコントロール・センターへ送信することが可能である。コントロール・センターはローバーの位置を１ミリ秒のデータだけを利用して計算できる。データの量は数百バイトほどの小さい量でもよい。在来のＧＮＳＳ又はＧＰＳの処理はデータをその三万倍ほど必要としている。それほどの量のデータを送信し、途中でメモリーに保存する必要のあるトラッキング・システムは非実用的である。そのため従来の技術ではデータをローバー側で処理する必要があった。そのためローバーには完全なレシーバもなければならなかった。本発明が可能にするのは完全のレシーバなしのフロントエンドである。
そのゆえにＧＮＳＳ信号を処理し航行メッセージを読み取りする必要がなく、ネットワークと仮定位置なしで瞬時の位置計算をする方法と装置の必要性が現在この分野にある。
【課題を解決する手順】
本発明はＧＰＳ位置把握又は他のＧＮＳＳ衛星信号（ＧＬＯＮＡＳＳとＧａｌｉｌｅｏを含む）に適用し得る。普通は捕捉段階後３０秒ほどＧＰＳ信号のトラッキング、航行メッセージの読み取り、そして衛星の軌道データと時計誤差を引き出すことが必要となる。このデータが外のデータ・リンク又はメモリーから供給される場合にも航行メッセージの読み取りと送信時間を引き出すためＧＰＳ信号のトラッキングを捕捉段階後６秒間程度する必要がある。本発明は捕捉ユニット、システム時計と予測又は実際エフェメリス情報の測定を利用しアンテナの位置を計算することを可能にする。
図．１は本発明ＧＮＳＳレシーバ・システムのフローチャートを表示している。複数の衛星（１０１）のＧＮＳＳ無線周波数信号がＧＮＳＳアンテナ（１０２）を経由し、フロントエンド・モジュール（１０３）に通信される。フロントエンド・モジュール（１０３）は信号をＧＮＳＳ周波数から中間周波数への変換を行い、信号をデジタル化する。デジタル化された中間周波数信号（１０４）は本発明内には具体化により３つの使用方が可能。発明のＧＮＳＳシステムがアセット・モニタリングなどのシステム用（つまり、車両運行管理又は子供やペットのモニタリング）のＧＮＳＳセンサーとし使用される場合にはデジタル化された中間周波数信号（１０４）はコミュニケーション送信モジュール（１０５）へ移される。
発明のＧＮＳＳシステムがＧＮＳＳトラッキング・デバイスとして使用される場合はデジタル化された中間周波数信号（１０４）はメモリー・モジュール（１０６）に移される。時計（１０７）が各中間地点のデジタル化された中間周波数信号（１０４）データの各セットのタイムマークをメモリー・モジュール（１０６）に供給する。ＧＮＳＳアンテナ（１０２）、フロントエンド・モジュール（１０３）、メモリー・モジュール（１０６）、時計（１０７）とコミュニケーション送信モジュール（１０５）を含むフロントエンド・ユニット（１０９）は別なデバイスとして設計され、離れて設置することができる。
フロントエンド・ユニット（１０９）が離れて設置され、アセット・モニタリング・システムのようなリモート・ローバーの瞬時の位置計算に使用される場合はパックされた中間周波数データ（１１０）はコミュニケーション受信モジュール（１１１）に通信される。フロントエンド・ユニット（１０９）が離れて設置され、トラッキング・システムに使用される場合はタイムマークされた中間地点のデジタル化された中間周波数データ・セット（１１２）がのちにメモリーからダウンロードされる。 メモリー・モジュール（１０６）のタイムマーク（１１３）は対応のタイムマークされた中間地点のデジタル化された中間周波数データ・セット（１１２）と一緒に位置計算に使用される。発明のＧＮＳＳシステムがＧＮＳＳレシーバとして利用される場合にはデジタル化された中間周波数信号（１０４）は捕捉モジュール（１１４）へ直接フロントエンド・モジュール（１０３）から移される。
捕捉モジュール（１１４）はデジタル化されたデータを処理し、捕捉された衛星の疑似乱数ノイズ（ＰＲＮ）番号とＧＮＳＳドップラー測定を含んだＧＮＳＳ観測量（１１５）を位置計算モジュール（１１６）へ出力する。時間基準モジュール（１１７）は位置計算モジュール（１１６）におおよその時刻をタイムマーク（１１３）から、又はトラッキング・システムの場合にはメモリー・モジュール（１０６）から、アセット・モニタリング又はＧＮＳＳレシーバ具体化の場合には時計（１１８）から供給する。メモリー・モジュール（１１９）は位置計算モジュール（１１６）にエフェメリス情報を供給する。エフェメリスは予測エフェメリス、又は実際のエフェメリスである。
位置計算モジュール（１１６）はユーザの位置（１２０）をメモリー・モジュール（１１９）が供給したＧＮＳＳ衛星エフェメリス、捕捉モジュール（１１４）からのＧＮＳＳコード測定とＧＮＳＳ測定（１１５）、そして時間基準モジュール（１１７）からのおおよその現在時刻を使用し計算する。
位置計算モジュール（１１６）は予測コード測定関数と実際のコード測定関数の大きさの差の関数の損失関数を作る。
損失関数は複数の局所極小点をもっている。位置計算モジュール（１１６）が一般アルゴリズムを利用し広域極小点探索を実現する。又は、位置計算モジュール（１１６）はアニーリング方法又は暴力的な探索法と最適化アルゴリズムを利用して損失関数の広域極小点探索を実現する。
以上の損失関数の探索範囲に制限をつけるため、位置計算モジュール（１１６）は位置の概算値の探索をドップラー測定関数と予測ドップラー測定関数の大きさの差の関数の損失関数を利用し行う。
ｗｉがｉ番衛星の信号の信号対ノイズの比率に基づく重み関数。
予測衛星時計誤差を減少させ、有効期限が長いエフェメリスの使用を可能にするためには位置計算モジュール（１１６）は以下の通り、軌道衛星データのみを位置計算に利用するために、もう一つの予測コード測定関数の時間による大きさの差の関数と実際のコード測定関数の時間による大きさの差の関数の損失関数を利用する。
ｗｉがｉ番衛星の信号の信号対ノイズに基づく比率の重み関数。
従って、航行ユニット（１２１）は捕捉モジュール（１１４）、位置計算モジュール（１１６）、メモリー・モジュール（１１９）、時間基準モジュール（１１７）、時計（１１８）とコミュニケーション受信モジュール（１１１）からなる。
メモリー・モジュール（１０６）、時計（１０７）コミュニケーション送信モジュール（１０５）、時間基準モジュール（１１７）とコミュニケーション受信モジュール（１１１）はフロントエンド・ユニット（１０９）と航行ユニット（１２１）が同一される場合には不必要になることがある。
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の主たる目的はアシスト・ネットワークを利用しない、そして、航行メッセージを読み取る必要のないＧＮＳＳ位置把握システムを提供することである。
そのうえ、本発明の主たる目的は電源を入れた瞬間から１か２秒で位置計算を完了するＧＮＳＳ位置把握レシーバ・システムを提供することである。
そのうえ、本発明の主たる目的はＧＮＳＳ衛星信号の１コード期間のみで位置計算を行えるＧＮＳＳ位置把握システムを提供することである。
そのうえ、本発明の主たる目的はＧＮＳＳフロントエンドをリモート・センサーとして使用するＧＮＳＳ位置把握システムを提供することである。リモート・センサーはデジタル化された中間周波数データを複数のコミュニケーション・モジュールを通して一つか複数の航行ユニットに送信する。
そのうえ、本発明の主たる目的はＧＮＳＳフロントエンドをトラッキング・デバイスとして利用するＧＮＳＳ位置把握システムを提供することである。トラッキング・デバイスは各中間地点に関するデジタル化された中間周波数データをメモリー・モジュールに後ほどに遠く設置された航行ユニットでの処理のため保管する。
【実施例】
好ましい具体化は図２に表示されている。複数のＧＰＳ衛星（２０１）がキャリア、広がる疑似乱数コードと航行メッセージを含む無線周波数信号（２０２）を送信する。信号（２０２）はアンテナ（２０３）により受信され、フロントエンド・モジュール（２０４）にアンテナ・ケーブル（２０５）経由で通信される。フロントエンド・モジュール（２０４）は信号をＧＰＳ Ｌ１周波数から４ＭＨｚ中間周波数へ変換を供給し、信号を１６ＭＨｚのサンプリングレートでデジタル化する。デジタル化された中間周波数信号（２０６）が捕捉モジュール（２０７）へ通信される。本具体化はフロントエンドと航行ユニットが一個のデバイスに置かれる場合である。本具体化の場合には航行ユニットがパソコンにある。
ポジショニング以前に予測衛星エフェメリスがメモリー・モジュール（２０８）にダウンロードされる。例えば、ＡＳＣＩＩ ＳＰ３フォーマットのエフェメリスはＣＯＤＥのＦＴＰサイトｆｔｐ：／／ｆｔｐ．ｕｎｉｂｅ．ｃｈ／ａｉｕｂ／ＣＯＤＥからダウンロードできる。ＣＯＤＥは予測衛星エフェメリスなどの無料サービスを供給する国際地球数学サービス（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｇｅｏｍａｔｉｃ Ｓｅｒｖｉｃｅ）の一機関である［７］。
捕捉モジュール（２０７）は信号捕捉後に捕捉衛星の疑似乱数ノイズ（ＰＲＮ）号（２０９）、ＧＰＳドップラー測定（２１０）とＧＰＳコード測定（２１１）を出力する。
範囲探索モジュール（２１２）が予測衛星エフェメリスとシステム時計（２１３）を利用して、捕捉衛星のＰＲＮ号（２０９）と決まった所定の時間と衛星軌道で見える衛星のＰＲＮ号が同じである地域を探索する。本具体化での所定時間はパソコンのシステムの時間である。地域は初期探索範囲を定義し、それがダウンヒル探索モジュール（２１４）へ供給される。ダウンヒル探索モジュール（２１４）はダウンヒル・シンプレクス方法［６］を利用し損失関数の極小点をみつける。損失関数はドップラーベース損失関数形成モジュール（２１５）にてＧＰＳドップラー測定（２１０）と予測ドップラー測定を利用して形成される。予測ドップラー測定は予測衛星（２０１）位置を探索時間範囲内とアンテナ（２０３）の探索座標範囲の位置を使用して計算される。初期決定モジュール（１１２）の４次元の探索範囲は受信時間とアンテナ位置により形成される。レシーバ時計誤差が計算からそれぞれの衛星と最高の仰角の選択されたマスター衛星の一対の差の形成により除外される。
ドップラーベース損失関数形成モジュール（２１５）は以下の通り損失関数を形成する。
ｗｉ は捕捉モジュール（２０７）からのｉ番衛星の信号の信号対ノイズの比率に基づく重み関数である。本具体例では重み関数の係数はすべて１とセットされる。
ダウンヒル探索モジュール（２１４）はモジュール（２１６）で以降の探索のための新たな、より狭い範囲を定義し、それが主要探索モジュール（２１７）へ供給される。主要探索モジュール（２１７）は一般アルゴリズム［５］を利用しモジュール（２１８）で形成された損失関数の最小点を求める。損失関数はＧＰＳコード測定（２１１）と予測コード測定を使用して形成される。予測コード測定は予測衛星（２０１）の探索時間範囲での位置とアンテナ（２０３）の探索座標範囲での位置により計算される。受信時間とアンテナの位置が初期化モジュール（２１６）で４次元の探索範囲を形成する。レシーバ時計誤差が観測値からそれぞれの衛星と最高の仰角の選択されたマスター衛星の一対の差の形成により除外される。損失関数形成モジュール（２１８）は以下の通り損失関数を形成する。
ｗｉ は捕捉モジュール（２０７）からのｉ番衛星の信号の信号対ノイズの比率に基づいた重み関数。
コード不確定性はモジュール（２１９）にて修復される。ダウンヒル探索モジュール（２１４）は以降の探索のための新たなより狭い範囲を定義する。主要探索モジュール（２１７）が位置のより良い近似を求める。このユーザー初期位置の概算値（２２０）は探索範囲初期化モジュール（２１６）へ伝達される。探索範囲初期化モジュール（２１６）は探索範囲を再定義し探索モジュール（２１４）へダウンヒル・シンプレクス法利用の高速な精密位置捕捉のため送信する。
計算された位置（２２１）はユーザにディスプレー（２２２）で出力されるのが可能でシステム時間をシステム時間補正モジュール（２２３）にて改良と修正することができる。
エフェメリスが一週間を超える時間利用される場合は、予測衛星時計誤差が位置計算の精密を低下させる。その効果を減らすためにはシステムはモジュール（２１８）により形成された損失関数Ｆ２の代わりにモジュール（２２４）により形成された以下の関数を利用する。
ｗｉ は捕捉モジュール（２０７）からのｉ番衛星の信号の信号対ノイズの比率に基づいた重み関数。
以上の詳細な記述には本発明は具体化例により説明されたが、その具体化例以外の構成又は配置の改修又は変更は熟練の者によりできるが、その場合の改修または変更は本発明の範囲内となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は航行メッセージの読み取りなしでかつネットワーク接続なしでのＧＮＳＳコードと周波数測定、そして予測エフェメリスを利用して位置計算を行うＧＮＳＳレシーバ・システムのブロック線図の表示である。（１０１）複数のＧＰＳ衛星 （１０２）ＧＮＳＳアンテナ （１０３）フロントエンド・モジュール （１０４）デジタル化された中間周波数信号 （１０５）コミュニケーション送信モジュール （１０６）メモリー・モジュール （１０７）時計 （１０８）タイムマーク （１０９） フロントエンド・ユニット （１１０）パックされた中間周波数データ （１１１）コミュニケーション受信モジュール （１１２）タイムマークされた中間地点のデジタル化された中間周波数データ・セット （１１３）タイムマーク （１１４）捕捉モジュール （１１５）ＧＮＳＳ観測量 （１１６）位置計算モジュール （１１７）時間基準モジュール （１１８）時計 （１１９）メモリー・モジュール （１２０）計算されたユーザ位置 （１２１）航行ユニット
【図２】図２は発明のＧＮＳＳレシーバ・システムの適当な具体化ブロック線図である。（２０１）複数のＧＰＳ衛星 （２０２）ＧＰＳ無線周波数信号 （２０３）ＧＰＳアンテナ （２０４）フロントエンド・モジュール （２０５）アンテナ・ケーブル （２０６）デジタル化された中間周波数信号 （２０７）捕捉モジュール （２０８）メモリー・モジュール （２０９）捕捉衛星のＰＲＮ号 （２１０）ＧＰＳドップラー測定 （２１１）ＧＰＳコード測定 （２１２）範囲探索モジュール （２１３）システム時計 （２１４）ダウンヒル探索モジュール （２１５）ドップラーベース損失関数形成モジュール （２１６）探索初期化モジュール （２１７）主要探索モジュール （２１８）主要損失関数形成モジュール （２１９）コード不確定性修復モジュール （２２０）ユーザー初期位置の概算値 （２２１）ユーザー位置 （２２２）ディスプレー （２２３）システム時間補正モジュール （２２４）二重差分ベース損失関数形成モジュール
【参考書目】
Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ Ｃｉｔｅｄ
１．ＵＳ特許５，９４５，９４４ Ｋｒａｓｎｅｒ Ｎｏｒｍａｎ Ｆ．，Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ ｔｉｍｅ ｆｏｒ ＧＰＳ ｒｅｃｅｉｖｅｒｓ、１９９９年８月３１日発行。特許願書登録号０８／８４５，５４５、１９９７年４月２４日登録。
２．ＵＳ特許６，４１７，８０１ ｖａｎ Ｄｉｇｇｅｌｅｎ，Ｆｒａｎｋ，Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ ｔｉｍｅ−ｆｒｅｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｏｆ ＧＰＳ ｓｉｇｎａｌｓ、２００２年９月０７日発行。特許願書登録号７１５８６０、２０００年１１月１７日登録
３．Ｓｙｒｊａｒｉｎｎｅ，Ｊ．Ｔｉｍｅ Ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｔｈｒｏｕｇｈ Ｆｕｓｉｏｎ ｏｆ Ｉｎａｃｃｕｒａｔｅ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｔｉｍｉｎｇ Ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ ｗｉｔｈ ＧＰＳ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ．３ｒｄ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，Ｆｕｓｉｏｎ，ＦＵＳＩＯＮ Ｊｕｌｙ ２０００，Ｖｏｌｕｍｅ ＩＩ，Ｐａｇｅｓ ＷＥＤ５：３−１０．
４．Ｎｉｉｌｏ Ｓｉｒｏｌａ，Ｅｘｈａｕｓｔｉｖｅ ｇｌｏｂａｌ ｇｒｉｄ ｓｅａｒｃｈ ｉｎ ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ ｒｅｃｅｉｖｅｒ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ｍｏｄｕｌａｒ ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ｒａｎｇｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ：Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｓｅｒｉｅｓ ５２（２００６）７３−８２
５．Ｓ．Ｎ．Ｓｉｖａｎａｎｄａｍ Ｓ．Ｎ．Ｄｅｅｐａ Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔｏ Ｇｅｎｅｔｉｃ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ，Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ，２００８．
６．Ｗｉｌｌｉａｍ Ｈ．Ｐｒｅｓｓ ｅｔ ａｌ．，Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｒｅｃｉｐｅｓ，３ｒｄ ｅｄｉｔｉｏｎ，Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ，２００７
７．Ｊ．Ｍ．Ｄｏｗ，Ｒ．Ｅ．Ｎｅｉｌａｎ，Ｇ．Ｇｅｎｄｔ，”Ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ＧＰＳ Ｓｅｒｖｉｃｅ（ＩＧＳ）：Ｃｅｌｅｂｒａｔｉｎｇ ｔｈｅ １０ｔｈ Ａｎｎｉｖｅｒｓａｒｙ ａｎｄ Ｌｏｏｋｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ Ｎｅｘｔ Ｄｅｃａｄｅ，”Ａｄｖ．Ｓｐａｃｅ Ｒｅｓ．３６ ｖｏｌ．３６，ｎｏ．３，ｐｐ．３２０−３２６，２００５．ｄｏｉ：１０．１０１６／ｊ．ａｓｒ．２００５．０５．１２５
【特許請求の範囲】
【請求項１】
全地球衛星航法システム（ＧＮＳＳ）受信機（レシーバ・アンテナ）の位置とＧＮＳＳ信号の受信の時間の計算方法で、
ＧＮＳＳ衛星エフェメリスの供給、
ＧＮＳＳコード測定の供給、
ＧＮＳＳドップラー測定の供給、
おおよその現在時刻の供給、
以上のエフェメリス、コード測定、ドップラー測定と信号の受信のおおよその時刻を利用しＧＮＳＳ受信機の位置と信号の受信の時間の計算。
【請求項２】
以上１．によるＧＮＳＳ受信機の位置とＧＮＳＳ信号の受信の時刻をポジショニングの時にネットワーク等を利用せずに計算する方法。
【請求項３】
以上１．によるＧＮＳＳ受信機の位置とＧＮＳＳ信号の受信の時刻を衛星エフェメリスとして予測エフェメリスを利用して計算する方法。
【請求項４】
以上１．によるＧＮＳＳ受信機の位置とＧＮＳＳ信号の受信の時刻を複数の局所極小点をもっている予測コード測定関数と実際のコード測定関数の大きさの差の関数に基ずく損失関数を利用し計算する方法。
【請求項５】
以上１．によるＧＮＳＳ受信機の位置とＧＮＳＳ信号の受信の時刻を一般アルゴリズムを利用して損失関数の広域極小点探索を実現する計算方法。
【請求項６】
以上１．によるＧＮＳＳ受信機の位置とＧＮＳＳ信号の受信の時刻をシミュレートしたアニーリング方法を利用して損失関数の広域極小点探索を実現し計算する方法。
【請求項７】
以上１．によるＧＮＳＳ受信機の位置とＧＮＳＳ信号の受信の時刻を暴力的な探索法と関数の最適化アルゴリズムを利用して損失関数の広域極小点探索を実現し、計算する方法。
【請求項８】
以上１．による、ＧＮＳＳ受信機の位置と受信の時刻をドップラー測定関数と予測ドップラー測定関数の大きさの差の関数の損失関数を利用して初期探索範囲を限らせて計算する方法。
【請求項９】
損失関数を予測コード測定関数との時間による変化と実際コード測定関数の時間による変化の差関数を基として、以上１．によるＧＮＳＳ受信機の位置とＧＮＳＳ信号の受信の時刻を計算し、軌道人工衛星データのみでのポジショニングに利用するため決定するという計算方法。
【請求項１０】
センサー・ユニットと航行ユニットからなるＧＮＳＳレシーバ・システム・ユニット。
【請求項１１】
以上１０．によるＧＮＳＳレシーバ・システムがさらにセンサー・ユニットから航行ユニットへデータを送るコミュニケーション・モジュールを含む。
【請求項１２】
以上１０．によるＧＮＳＳレシーバ・システムのセンサー・ユニットがアンテナ、フロント・エンド・モジュールとメモリー・モジュールからなる。
【請求項１３】
以上１０．によるＧＮＳＳレシーバ・システムの航行ユニットが捕捉モジュール、時計、メモリー・モジュールとポジショニング・モジュールからなる。
【請求項１４】
以上１２．によるセンサー・ユニットのフロント・エンド・モジュールが無線周波信号をアンテナから受信し変換とデジタル化された中間周波数信号を出力する。
【請求項１５】
以上１２．によるセンサー・ユニットのメモリー・モジュールがデジタル化された中間周波数信号データーを後の利用のため保存する。
【請求項１６】
以上１３．による航行ユニットで補捉モジュールでデジタル化された中間周波数信号データが処理され、ＧＮＳＳコードと周波数測定が出力される。
【請求項１７】
以上１３．による航行ユニットでメモリー・ユニットが予測エフェメリスと衛星時計誤差情報を保存する。
【請求項１８】
以上１０．によるＧＮＳＳレシーバー・システムでセンサー・ユニットと航行ユニットが離れていて、コミュニケーション・モジュールにてつながれる。
【請求項１９】
以上１０．によるＧＮＳＳレシーバー・システムで航行ユニットが複数のセンサー・ユニットにコミュニケーション・モジュールにてつながれる。
【請求項２０】
以上１０．によるＧＮＳＳレシーバー・システムでデジタル化された中間周波数信号がリモート・センサー・ユニットからコントロール・センター・ユニットに位置の計算のためデーター・リンク・モジュールに用いて送信される。
【請求項２１】
以上１０．によるＧＮＳＳレシーバー・システムでデジタル化された中間周波数信号が後期、航行ユニットでの位置計算のたに使用されるようにメモリー・モジュールにて保存される。
【請求項２２】
以上１３．による航行ユニットでポジショニング・モジュールが捕捉モジュールからのＧＮＳＳコードと周波数測定、メモリー・モジュールからの衛星予測軌道と時計誤差、そして時計からの現在時刻を利用しＧＮＳＳフロントエンド・ユニット・アンテナの位置とＧＮＳＳの信号受信の時刻の計算を請求項１．にある通り行う。
【請求項１】
全地球衛星航法システム（ＧＮＳＳ）受信機（レシーバ・アンテナ）の位置とＧＮＳＳ信号の受信の時間の計算方法で、
ＧＮＳＳ衛星エフェメリスの供給、
ＧＮＳＳコード測定の供給、
ＧＮＳＳドップラー測定の供給、
おおよその現在時刻の供給、
以上のエフェメリス、コード測定、ドップラー測定と信号の受信のおおよその時刻を利用しＧＮＳＳ受信機の位置と信号の受信の時間の計算。
【請求項２】
以上１．によるＧＮＳＳ受信機の位置とＧＮＳＳ信号の受信の時刻をポジショニングの時にネットワーク等を利用せずに計算する方法。
【請求項３】
以上１．によるＧＮＳＳ受信機の位置とＧＮＳＳ信号の受信の時刻を衛星エフェメリスとして予測エフェメリスを利用して計算する方法。
【請求項４】
以上１．によるＧＮＳＳ受信機の位置とＧＮＳＳ信号の受信の時刻を複数の局所極小点をもっている予測コード測定関数と実際のコード測定関数の大きさの差の関数に基ずく損失関数を利用し計算する方法。
【請求項５】
以上１．によるＧＮＳＳ受信機の位置とＧＮＳＳ信号の受信の時刻を一般アルゴリズムを利用して損失関数の広域極小点探索を実現する計算方法。
【請求項６】
以上１．によるＧＮＳＳ受信機の位置とＧＮＳＳ信号の受信の時刻をシミュレートしたアニーリング方法を利用して損失関数の広域極小点探索を実現し計算する方法。
【請求項７】
以上１．によるＧＮＳＳ受信機の位置とＧＮＳＳ信号の受信の時刻を暴力的な探索法と関数の最適化アルゴリズムを利用して損失関数の広域極小点探索を実現し、計算する方法。
【請求項８】
以上１．による、ＧＮＳＳ受信機の位置と受信の時刻をドップラー測定関数と予測ドップラー測定関数の大きさの差の関数の損失関数を利用して初期探索範囲を限らせて計算する方法。
【請求項９】
損失関数を予測コード測定関数との時間による変化と実際コード測定関数の時間による変化の差関数を基として、以上１．によるＧＮＳＳ受信機の位置とＧＮＳＳ信号の受信の時刻を計算し、軌道人工衛星データのみでのポジショニングに利用するため決定するという計算方法。
【請求項１０】
センサー・ユニットと航行ユニットからなるＧＮＳＳレシーバ・システム・ユニット。
【請求項１１】
以上１０．によるＧＮＳＳレシーバ・システムがさらにセンサー・ユニットから航行ユニットへデータを送るコミュニケーション・モジュールを含む。
【請求項１２】
以上１０．によるＧＮＳＳレシーバ・システムのセンサー・ユニットがアンテナ、フロント・エンド・モジュールとメモリー・モジュールからなる。
【請求項１３】
以上１０．によるＧＮＳＳレシーバ・システムの航行ユニットが捕捉モジュール、時計、メモリー・モジュールとポジショニング・モジュールからなる。
【請求項１４】
以上１２．によるセンサー・ユニットのフロント・エンド・モジュールが無線周波信号をアンテナから受信し変換とデジタル化された中間周波数信号を出力する。
【請求項１５】
以上１２．によるセンサー・ユニットのメモリー・モジュールがデジタル化された中間周波数信号データーを後の利用のため保存する。
【請求項１６】
以上１３．による航行ユニットで補捉モジュールでデジタル化された中間周波数信号データが処理され、ＧＮＳＳコードと周波数測定が出力される。
【請求項１７】
以上１３．による航行ユニットでメモリー・ユニットが予測エフェメリスと衛星時計誤差情報を保存する。
【請求項１８】
以上１０．によるＧＮＳＳレシーバー・システムでセンサー・ユニットと航行ユニットが離れていて、コミュニケーション・モジュールにてつながれる。
【請求項１９】
以上１０．によるＧＮＳＳレシーバー・システムで航行ユニットが複数のセンサー・ユニットにコミュニケーション・モジュールにてつながれる。
【請求項２０】
以上１０．によるＧＮＳＳレシーバー・システムでデジタル化された中間周波数信号がリモート・センサー・ユニットからコントロール・センター・ユニットに位置の計算のためデーター・リンク・モジュールに用いて送信される。
【請求項２１】
以上１０．によるＧＮＳＳレシーバー・システムでデジタル化された中間周波数信号が後期、航行ユニットでの位置計算のたに使用されるようにメモリー・モジュールにて保存される。
【請求項２２】
以上１３．による航行ユニットでポジショニング・モジュールが捕捉モジュールからのＧＮＳＳコードと周波数測定、メモリー・モジュールからの衛星予測軌道と時計誤差、そして時計からの現在時刻を利用しＧＮＳＳフロントエンド・ユニット・アンテナの位置とＧＮＳＳの信号受信の時刻の計算を請求項１．にある通り行う。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１０−７１９６６（Ｐ２０１０−７１９６６Ａ）
【公開日】平成２２年４月２日（２０１０．４．２）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２００８−２６９１５４（Ｐ２００８−２６９１５４）
【出願日】平成２０年９月１９日（２００８．９．１９）
【出願人】（５０８３１１３７４）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年４月２日（２０１０．４．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２６９１５４（Ｐ２００８−２６９１５４）
【出願日】平成２０年９月１９日（２００８．９．１９）
【出願人】（５０８３１１３７４）
【Ｆターム（参考）】
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