GPS provides accurate, continuous, world-wide, real time, 3-dimential position and velocity information. In recent years, the usage of the GPS has become nearly ubiquitous. This is driving for some new challenges such as high precision, high sensitivity and fast positioning for GPS performance. Nowadays our society is evolving to a ubiquitous network society. Various kinds of networks exist in our life. In this thesis, we proposed two kinds of system to improve GPS performance with the help of network.

Differential GPS was proposed for the applications of high precision measurement, land survey and so on. By using correction data from reference stations at known locations, DGPS accuracy is improved to on the order of meter and RTK-GPS can provide precise positioning service on the order of centimeter. In a Differential system, how to transmit the correction data from reference station to the user is extremely significant. We proposed differential GPS correction data dissemination via geostationary satellite communication link and Internet for high accuracy Differential GPS.

At least 4 visible satellites are indispensable when doing positioning by GPS. In recent years, the positioning needs is arising from urban canyon and indoor environments, where the conventional GPS receiver can not catch enough satellites. Assisted GPS technology makes indoor positioning possible and fastens positioning by using the assistant information transmitted from the assisting server. Comparing to the high level SNR signal processing time, the high-sensitivity receiver has to do longer time integration during acquisition process to catch weak signal of satellite. Therefore, the performance parameter TTFF (Time To First Fix) will become to a large number. To reduce TTFF of the high-sensitivity receiver, we proposed an acquisition scheme based on timing-synchronized 3G (third generation) network for AGPS receiver.

(1) Differential GPS Positioning via Geostationary Satellite Communication Link and Internet

In DGPS and RTK-GPS, the user uses the correction data transmitted from the reference station to do high precision positioning. In DGPS, the reference station broadcast the correction data via FM radio and medium wave. FM radio service has been used in car-navigation system and covered almost whole country. Medium wave service is only for marine navigation that users can not use it inland. Country wide RTK-GPS correction data service in Japan is still not constructed yet. The cellular phone network, specific low power radio, audio sub-carrier channel and mobile radio communication link for business use have been researched as data link. However, their applications were constrained by data transmission rate, coverage and necessary special receiver.

We proposed geostationary satellite communication link and Internet as new type data link. The geostationary satellite communication link has some merits as follows: First, satellite communication can cover wide area and unlimited number of user can receive signals with their receivers; second, at least 64kbps data transmission rate is available. However, satellite communication needs expensive VSAT (Very Small Aperture Terminal) and parabola antenna. They are heavy and not convenient to setup. A transmission system is suggested and a DGPS positioning experiment is carried out via geostationary satellite communication link. The experiment results are evaluated. One other kind network we chose as data link is Internet. The Internet covers the entire world and if the user has an IP, he can connect to Internet easily. Because bi-direction communication is possible, the user has flexibility of selecting reference station, correction data type and so on. However, the most critical characteristic of Internet is latency, which will have a great effect to the differential GPS positioning accuracy. We measured the GPS correction data transfer latency via Internet. Furthermore, based on the measured Internet transfer latency, we evaluated of the static positioning results of the Internet-based GPS positioning system.

Satellite communication line is appropriate for network-based RTK-GPS data dissemination to provide wide-area RTK-GPS service. It is possible for network-based RTK-GPS positioning system to provide the precise positions to mass users via the QZSS in Japan. In the other hand, Internet can help construct ground-based differential information distribution and provide various kinds of services corresponding to user's requirements, such as precision request, their link bandwidth, and environment and so on.

(2) An Acquisition Scheme Based on Timing-Synchronized Third Generation Cellular Network for AGPS Receiver

We also proposed an acquisition scheme to provide high-sensitivity and fast positioning service. A function of automatic location identification from an emergency call (E911) is imposed by United States FCC from 2001 and required in Japan from April of this year. These mandates require integrating positioning services in cellular communication networks. Because cell phone carried by people may be at indoors or urban canyon environment where the GPS signal is attenuated and extremely weak, the high-sensitivity for reliable positioning is dispensable. Furthermore, fast positioning response time from emergency call is strictly requested. To improve sensibility and fasten positioning time, AGPS has been proposed. The server with a GPS receiver calculates and sends assistance data to the user. Thus the user can estimate his location based on assistance information and the received GPS signal. Sensitivity during acquisition is critical to a receiver. It is well known that 50 bps navigation data cause a bit polarity transition. That means when a bit transition appears in an integration data interval, processing gain will be decreased. The first problem for a feasible high sensitive AGPS is how to wipe off navigation data. In the signal acquisition process, another problem is that the conventional receiver has to search 1023 chips for each satellite and 6 kHz Doppler frequency shift and local oscillator uncertainty for a sky search. This process is time-consuming. The second problem is how to narrow the search space to get fast positioning response during signal acquisition.

To wipe off the navigation message, we need the navigation message sequence itself and to align the start time with the received signal bits. The external sub-millisecond time synchronization is essentially needed to find start time. In a 3G cellular network, there are two time synchronization standards: CDMA2000 has 10 microseconds accuracy and TD-SCDMA has 100 nanoseconds accuracy. Thus we suggest wiping off navigation data referring to the precise time provided by timing-synchronized network. During acquisition, there is a two-dimensional search in C/A code and carrier frequency directions. As the start time of 1 ms C/A code is aligned with 20 ms navigation data bit, the knowledge of the navigation data bit start time also helps the C/A code initial phase search. The C/A code search can be performed nearby this start time. To reduce the carrier frequency search range, the conventional receiver store almanac data in memory to perform cold start. From almanac data, we get available satellites information and calculate Doppler frequency shift. However, the old almanac data (for example: several weeks ago) causes frequency error on the order of 10 - 100 Hz. The Computation at receiver is necessary as well. For a cell phone, it is inefficient to store almanac locally because user may not use positioning function frequently, so that almanac data gets old. Another method is to transfer almanac data from the server to the user. But it is time-consuming and will increase communication traffic in cellular network. Thus, we want to predict Doppler frequency shift caused by the motion of satellite at the server and send short information to the user. The user can determine his optimum search space just with simple calculation.

We analyze the proposed system's main errors and evaluate its performance. The simulations proved feasibility and efficiency of our method. The real data received from GPS front-end was used to verify the validation of the scheme. As we assume that the estimated arrival time error of navigation message data is within 20 microseconds, which include time error in timing-synchronized network and user's position error, the processing gain loss in acquisition is so trivial that will not affect the acquisition correlation peak determination. We wiped off navigation data successfully and enabled long-time coherent integration. Thus the sensitivity is finally improved. On the other hand, the C/A code phase can be obtained by searching within only 20 code phases instead of searching all 1023 possible code phases, which is 96% reduction of code searching space. This means our AGPS receiver can do hot start in cold start condition. TTFF is reduced as well. In the fast Doppler frequency search method, by analyzing motion of the satellite, earth's rotation, user local oscillator uncertainty and motion of the user, we proposed optimum adjustable frequency search range to different server-user distance. This means a fast cold start. The merits of using our methods for cell phone are as follows: save hardware resource, low computational load and power saving.

To conclude our research, by utilizing various communication networks, firstly, we carried out experiment to try high precision positioning network construction; then we proposed acquisition scheme for AGPS receiver to provide high sensitivity and fast response positioning service. Our proposed systems were evaluated and verified by experiments so that the efficiency and validity of systems are proved. We believe that high performance GPS will bring us more convenient in the future.

本論文は「GPS Performance Improvements by Utilizing Networks (ネットワークの援用によるGOS性能向上に関する研究)」と題し、近年位置情報の取得とその応用拡大へのニーズの高まりを受けて、GPS (Global Positioning System) 信号を用いる測位の高精度化、高感度化および高速化を実現するために、多様な情報ネットワークを活用することを提案し、提案方式の実現性と実用性とを実験を取り入れつつ検証したものであり、全6章で構成される。

第一章は「Introduction(序章)」であり、本研究に至る動機、目的が述べられ、全体の要約と構成が示されている。

第二章は「GPS, DGPS, AGPS and GPS Receiver(GPS、DGPS、AGPSおよびGPS受信機)」であり、研究対象となるGPSシステムの技術的体系と技術要素につき概説し、以降の各論の前提を述べている。

第三章は「Differential GPS Positioning Via Geostationary Satellite Communication Link and Internet(静止衛星通信リンクおよびインターネットによるディファレンシャルGPS測位)」であり、ディファレンシャルGPS測位の利用を容易にするための提案を行っている。

ディファレンシャルGPS の一つでありよく知られているDGPSを実現するための補正データの伝送には、FMラジオ及び中波をデータリンクとして、補正データを放送する方式が知られている。しかし現時点では、高精度ディファレンシャルGPS を実現するRTK-GPS (Real Time Kinematic GPS)のために必要となる大量の補正データを提供するサービスはまだ全国的には存在していない。

静止衛星回線の利用は広い領域をカーバすることができ、受信するユーザの数に制限がなく、データ転送を64kbps以上とすることができる。これを活用したDGPSを実証するために、VSAT(Very Small Aperture Terminal)と通信衛星を用いてDGPSシステムを構成し、DGPS測位を評価し、静止衛星回線をデータリンクとすることの有効性を示している。

続いて、全国的に活用が可能となっているインターネットをデータリンクとする方式を提案している。インターネットは利用者のニーズに合わせた補正データの提供が容易であるために、ユーザは基地局や補正データタイプなどを自分の状況によって、選択できるという柔軟性を持つ。しかし、インターネットにける最大の問題は転送遅延であり、この遅延はDGPSおよびRTK-GPS測位精度に大きな影響を及ぼす。本研究では、インターネット上で補正データの転送遅延を測定し、この結果に基づき、インターネットを用いたDGPSおよびRTK-GPS測位システムを評価し、実用性を示している。

以上により、静止衛星回線及びインターネットをデータリンクとして活用することを提案し、高精度ディファレンシャルGPSの実用性を明らかにするとともに、またこの結論は現在構想中のQZSS(準天頂衛星システム)の活用にもつながるとしている。

第四章は「Integration of GPS with Network Assistance(ネットワークの援用によるGPS機能の高度統合化)」であり、本論文の第二の目標である高感度、高速GPS測位を実現するために、時刻同期が図られた3G携帯網を用いたアシストGPS (Assisted GPS : AGPS)受信機に用いる捕捉手法を提案している。

AGPSは、測位感度の向上と高速化を目指す方式である。携帯電話に対し緊急自動位置通報の実装が義務づけられたが、屋内や都市中心部などのビルの谷間にいる場合には携帯電話が受信するGPS信号が極めて制限され、信頼性のある高速測位が困難となる。受信機の測位感度は、捕捉プロセスの感度が決定する。GPS衛星信号の捕捉には、受信信号の長時間相関によるS/N比の改善が行われるが、信号に変調されている50bpsの航法メッセージが、20msごとデータビット反転を起こす可能性があるために、20ms以上の相関処理を行うには航法メッセージの影響を除去しなければならない。加えて複数の衛星を同時に補足するためには、衛星ごとに信号チップとドップラ遷移周波数を考慮した周波数再生を行うことになるが、この処理には時間を要するために、周波数探索範囲を狭めることが高速化の課題となる。

このために、第三世代(3G)携帯網で運用されている網同期を活用することを提案している。提案は二つの要素からなる。第一は、端末が受信する航法メッセージとその伝送開始時間をサーバが端末へ通知することである。これにより長時間の信号相関処理を可能とし、同時にC/Aコードの探索範囲を狭めることができる。第二は、衛星運動、地球自転、端末に起因する同期誤差およびサーバと端末間の距離を考慮し端末の受信ドップラ遷移周波数の予測値をサーバで計算し、端末に送ることである。これにより端末の周波数再生に要する計算処理を削減する。これらの概要が示されている。

第五章は「Evaluation of Fast Acquisition Scheme for AGPS Receiver(AGPS受信機における高速化方式の評価)」であり、前章で述べた提案方式について、システム誤差を分析し、実現性および有効性をシミュレーションと実験で検証している。

まず網同期と端末の位置に起因する時間誤差を評価しているが、航法データ受信開始時刻の誤差は20マイクロセカンド以下となることが評価された結果、時刻誤差のない理想状況に比べ、相関処理利得ロスは、些細な値であり、航法メッセージの除去に殆ど影響はないことが検証された。これにより、長時間コヒーレント相関が可能となり、捕捉段階の感度向上を実現している。同時に、C/Aコードの探索範囲は従来の1023チップから 20チップまで減少し、約96%のコード探索範囲の削減を達成している。

続いて端末が受信するドップラ遷移周波数に対する評価を、衛星運動、地球自転、端末に起因する同期誤差、サーバと端末間の距離、端末移動などの要素を加えて行った結果、都市部の携帯網では数十Hzとなることが評価され、周波数再生のための探索範囲は実用に問題のない範囲に狭められることを確認している。

提案した捕捉手法を用いれば、AGPS受信機はコールドスタート条件でホットスタート(Hot start)と同等の性能が実現できる。加えて本提案は、携帯電話のハードウェア量、計算処理量、および低電力消費量の点でも問題なく実現できると結論している。

第六章は「Conclusion and Perspective(結論と展望)」であり、本論文において提案したネットワークの援用により、高精度DGPS測位と高感度かつ高速AGPS受信機が実現できることを、評価と検証を通して確認できたとしている。

以上これを要するに、本論文は広く活用されている情報ネットワークを多様に活用することにより、GPS信号による測位の更なる高精度化、高感度化および高速測位を実現することを目的としたものであり、提案方式の実現性と実用性とを実験を取り入れつつ検証したものであり、情報通信技術に知見を与えるところが少なくない。

よって本論文は博士(情報理工学)の学位請求論文として合格と認められる。