專利名稱：全球定位系統(tǒng)接收機中跳過z計數(shù)和準(zhǔn)確時間的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及被關(guān)閉然后在弱信號環(huán)境中再打開的高靈敏度導(dǎo)航衛(wèi)星接收機，并且更具體地涉及在接收的信號太弱以致不能從GPS載波解調(diào)導(dǎo)航數(shù)據(jù)時、用于避免確定z計數(shù)和系統(tǒng)時間的方法和電路。
背景技術(shù)：
全球定位系統(tǒng)(GPS)接收機使用從星座中的若干地球軌道衛(wèi)星接收的信號來確定用戶位置和速度以及其它導(dǎo)航數(shù)據(jù)。剛剛打開的現(xiàn)有技術(shù)的導(dǎo)航接收機還不知道它在哪里、它的晶體振蕩器誤差有多少，也不知道是什么時間。所有這些都需要得到并且鎖定到衛(wèi)星傳輸上，因此必須使搜索成為可能。首先搜索最可能的以節(jié)省時間。
高靈敏度GPS接收機在初始時間或者頻率不確定性大時存在問題。在信號能量極弱時，接收機必須收聽更靠近在一起的更多的單獨頻率，并且停留在每個步驟更久。飛行中衛(wèi)星的相對速度所引起的多普勒頻移貢獻了一些這種頻率不確定性，但是本地時鐘誤差也如此。如果本地時鐘沒有同步到精確的時間基準(zhǔn)，則時鐘誤差可以非常大。在常規(guī)GPS接收機關(guān)閉時，它停止跟蹤提供精度時間基準(zhǔn)的GPS衛(wèi)星。在接收機由用戶關(guān)閉時，GPS接收機中的基準(zhǔn)振蕩器一般也被關(guān)閉。因此，對本地基準(zhǔn)振蕩器進行更好地初始估計能夠改進首次定位的時間。
“z計數(shù)”是GPS導(dǎo)航消息中每六秒發(fā)送的時間標(biāo)記。在不知道位置的情況下，能夠利用第一z計數(shù)在初始將接收機時間設(shè)置為±13毫秒，因為在地球表面上到任何軌道衛(wèi)星的范圍是60-85毫秒。
信號電平比-145dbm更好的GPS接收機能夠容易地鎖定到強的GPS衛(wèi)星運載火箭(SV)上，以對NAV數(shù)據(jù)解碼。這產(chǎn)生SV星歷和位置。此后，總偽距需要根據(jù)硬件碼相位形成。常規(guī)GPS接收機從所謂的z計數(shù)確定整數(shù)毫秒范圍。
當(dāng)信號電平大略幾乎等于-145dbm到-150dbm時，實用的高靈敏度GPS接收機能夠采用模式匹配技巧來得到z計數(shù)。
鎖定到一個或多個GPS衛(wèi)星運載火箭(SV)上并跟蹤其的GPS接收機以非常高的準(zhǔn)確度知道時間。這是因為GPS系統(tǒng)基于設(shè)置時間和使用的頻率基準(zhǔn)的原子鐘。SV發(fā)射的粗捕獲(C/A)在傳播波長的每一毫秒重復(fù)，并且因此關(guān)于GPS接收機觀察哪個毫秒存在基本模糊度。如果知道整數(shù)毫秒，例如，知道偽距大于1毫秒，則整數(shù)模糊度就解決了。然后能夠從定位獲得準(zhǔn)確時間。在初始捕獲期間，最少需要捕獲三顆衛(wèi)星，不是四顆。少找一顆衛(wèi)星可導(dǎo)致節(jié)省首次定位的時間。
本發(fā)明人Paul McBurney描述了一種解決方案，它保持實時時鐘運行，參見2004年3月30日授予的美國專利6714160。該專利通過引用結(jié)合于本文中。但是，利用這樣一種解決方案，僅僅保持實時時鐘有效所需的無功電流在3伏特下可以為3毫安，或者9-10毫瓦。所需的是能夠在小于10微瓦下提供良好結(jié)果的實時時鐘。PaulMcBurney還在2003年12月30日授予的美國專利6670916中描述了一種柵格搜索方法。導(dǎo)航衛(wèi)星接收機能夠通過知道幾秒之內(nèi)的時間和150千米之內(nèi)的位置而在其初始化時得到良好的開端。建立具有恒定高度的點的二維柵格，它代表150千米區(qū)域以內(nèi)的解起始點。檢查來自星座中每顆衛(wèi)星的部分(fractional)偽距，以得到與柵格中的點的最佳初始擬合。還對各個點嘗試時間界限內(nèi)的各種時間偏差調(diào)整，以得到最佳擬合點。該點然后用在驅(qū)動中，以得到最終解并且產(chǎn)生首次定位。
每當(dāng)位置不確定性超過一半的碼相位模糊度距離時，需要z計數(shù)來從衛(wèi)星確定接收機的整數(shù)毫秒。必須形成總偽距，例如，整數(shù)毫秒和z計數(shù)，以計算用戶位置坐標(biāo)。
所需要的是一種低能量方式來保持足夠準(zhǔn)確的時間，以加速高靈敏度GPS接收機的熱啟動。

發(fā)明內(nèi)容
簡要地，本發(fā)明的導(dǎo)航衛(wèi)星接收機實施例包括高靈敏度射頻前端和與客戶CPU相關(guān)聯(lián)的導(dǎo)航處理器?？蛻鬋PU運行與導(dǎo)航處理器串行通信的操作系統(tǒng)?？蛻鬋PU還能夠從網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器獲得導(dǎo)航數(shù)據(jù)系統(tǒng)傳輸，并且在高靈敏度環(huán)境中的直接衛(wèi)星信號太弱以致不能被直接解調(diào)時，提供導(dǎo)航數(shù)據(jù)系統(tǒng)傳輸。具有表型晶體的低功率、低頻振蕩器和計數(shù)器用作實時時鐘，以在接收機休眠時保持時間不確定性低于50毫秒。如果在重新喚醒接收機時，時間不確定性和位置不確定性低于某些最大值，則將需要最少數(shù)量的衛(wèi)星，并且能夠避免取每顆衛(wèi)星的初步z計數(shù)。
本發(fā)明的一個優(yōu)點在于，提供在導(dǎo)航衛(wèi)星接收機中產(chǎn)生更快的高靈敏度定位的電路和方法。
本發(fā)明的另一優(yōu)點在于，為在信號非常弱但強度足以得到碼相位時而提供的、并且用于避免在GPS接收機中使用更難的過程和計算來得到z計數(shù)和整數(shù)毫秒的系統(tǒng)和方法。
本發(fā)明的再一個優(yōu)點在于，提供用于減少GPS接收機中實時時鐘所需的休眠電流的系統(tǒng)和方法。
本發(fā)明的這些及其它目的和優(yōu)點在閱讀以下在各個附圖中圖示的優(yōu)選實施例的詳細說明之后，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員無疑將變得顯而易見。


圖1是本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實施例的功能框圖，其中服務(wù)器支持在因特網(wǎng)上傳遞信息的客戶；以及圖2是本發(fā)明的方法實施例的流程圖。
具體實施例方式
圖1代表本發(fā)明的高靈敏度導(dǎo)航衛(wèi)星接收機系統(tǒng)實施例，并且在本文中用總的附圖標(biāo)記100表示。系統(tǒng)100包括由網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器104支持的至少一個導(dǎo)航平臺102。從軌道導(dǎo)航衛(wèi)星接收的傳輸用信號105表示。本發(fā)明的主要益處在信號105太弱以致于不能允許解調(diào)導(dǎo)航數(shù)據(jù)、但強度足以允許獲得碼相位時得以實現(xiàn)。因為導(dǎo)航平臺102需要這樣的導(dǎo)航數(shù)據(jù)來產(chǎn)生定位，所以呼叫網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器104來提供這樣的信息。
因此，本發(fā)明的實施例與在信號強度非常低并且可得到在一半的碼相位模糊度距離內(nèi)的上一位置的情況下工作的高靈敏度GPS接收機相關(guān)聯(lián)。(該距離通常大約為75km，但在柵格搜索時擴大為大約150km，因為位置不確定性降低，使得能夠正確地解開時鐘不確定性)。例如，在室內(nèi)或者在類似樹葉的自然掩蓋物下。在這種情況下，可用衛(wèi)星的數(shù)量還可以是臨界的，并且存在熱啟動高靈敏度定位所需的最少衛(wèi)星數(shù)量為三顆衛(wèi)星而不是四顆的優(yōu)點。
每個GPS測量平臺102一般地包括GPS天線106、低噪聲放大器(LNA)108、GPS表面聲波(SAW)濾波器110、具有中頻(IF)SAW濾波器113的射頻(RF)專用集成電路(ASIC)112、專門GPS導(dǎo)航數(shù)字信號處理器(DSP)114、高頻CPU晶體振蕩器115、客戶通信信道116、實時時鐘(RTC)計數(shù)器117、低頻表型晶體振蕩器118以及電池120。
操作具有表型晶體的晶體振蕩器118節(jié)省相當(dāng)多的電力。這種晶體在大約32kHz諧振，并且此低頻面對少得多的AC負載效應(yīng)。現(xiàn)有技術(shù)的RTC使用了高得多的頻率和無功電流的振蕩器。
DSP 114包括位置和時間不確定性計算器。它能夠在重新啟動期間確定位置不確定性是否由于用戶移動而增長到大于大約一半的碼相位模糊度距離、和/或時間不確定性是否增長到大于大約50毫秒或者大于10秒。如果接收的信號太弱以致不能確定z計數(shù)，則碼相位噪聲更高。由低于50毫秒的時間誤差所引起的計算衛(wèi)星位置誤差對位置準(zhǔn)確度的降低并未高于碼相位噪聲的。沒有z的定位中的建模在超過10秒時變得不確定。真實的時間誤差是在關(guān)閉時段期間頻率誤差的積分。這可以通過將最壞情況的頻率誤差乘以接收機關(guān)閉的時段來近似計算。溫度校正法可用于擴展可容許的關(guān)閉時間。
DSP 114還包括在位置和時間不確定性計算器指示不確定性小得足以直接進行定位時跳過對z計數(shù)的初步確定的邏輯。這種邏輯可使用少到3顆的沒有z計數(shù)的衛(wèi)星而獲得首次熱啟動定位。這還在圖2中進一步具體描述。
在“客戶側(cè)”，包括27.456MHz主時鐘(MCLK)晶體振蕩器122、主處理器(CPU)124、基準(zhǔn)晶體溫度傳感器(T)126、晶體溫度-頻率模型128以及監(jiān)視MCLK的毫秒的毫秒歷元監(jiān)視器130?？蛻鬋PU 124和DSP 114之間的通信在串行信道116上進行。運行在客戶CPU 124上的操作系統(tǒng)對其進行控制，并且可以忙于不同于導(dǎo)航的其它作業(yè)。因此，客戶側(cè)維持的任何時間不能足夠好地傳遞給DSP 114以用在初始化中。如果DSP 114要在它斷電的同時維持有用地準(zhǔn)確時間，則它必須具有像RTC 117的本地計時器。DSP 114能夠?qū)φ誈PS系統(tǒng)時間校準(zhǔn)RTC 117的計數(shù)偏差，并且隨后在它存取RTC 117計數(shù)時減去此偏差。
使RTC 117計數(shù)同步，以僅僅在GPS系統(tǒng)時間的毫秒(msec)間隔上讀取。這保證了一致的讀數(shù)，它們提供比需要的50毫秒準(zhǔn)確度更高的準(zhǔn)確度。如果只是特定地(ad hoc)讀取計數(shù)器，則50毫秒準(zhǔn)確度是不可能的。在接收機定位之后，它知道在特定毫秒的GPS時間，因此它能夠幾乎無誤差地傳播該時間到任何毫秒。在接收機重新啟動時，讀取另一GPS毫秒。通過添加上次定位的計數(shù)器和在當(dāng)前毫秒讀取的當(dāng)前值之差，然后能夠知道什么時間與那個新的毫秒相關(guān)聯(lián)。
在一個實施例中，低頻表型的晶體振蕩器118工作在大約32.768KHz，并且具有±20ppm的基本晶體頻率容差。例如，常規(guī)的石英表振蕩器晶體。
工作在32.768KHz范圍中的晶體振蕩器比運行在高得多的頻率下的振蕩器需要少得多的功率來操作。這主要因為出現(xiàn)在更高頻率下的遞增的AC信號電容性負載。
電池120提供便攜式操作，并且提供能夠由用戶切斷的工作電力。休眠電力不能由用戶切斷，并且它保持低頻振蕩器118和RTC計數(shù)器117有效。
當(dāng)重新喚醒高靈敏度導(dǎo)航接收機時，將存在兩種基本不確定性，例如，位置和時間。如果位置不確定性低于一半的碼相位模糊度距離，并且時間不確定性低于50毫秒，則可利用捷徑來提供快速的熱啟動定位，因為能夠跳過一些難以獲得的信息。為此需要最少三顆衛(wèi)星。如果時間不確定性小于10秒，則仍然能夠避免每顆衛(wèi)星的z計數(shù)，但將需要最少四顆衛(wèi)星。
本發(fā)明的實施例通過校準(zhǔn)低頻振蕩器118和RTC計數(shù)器117到GPS系統(tǒng)時間、并且利用其后獲得的計數(shù)在熱啟動期間復(fù)位接收機時鐘，從而在再次加電之后減少時間不確定性。具體地，在非常弱的信號環(huán)境中，不能直接從衛(wèi)星傳輸解調(diào)導(dǎo)航數(shù)據(jù)。
圖2圖示本發(fā)明的方法實施例，并且在本文中用總的附圖標(biāo)記200表示。在可得到準(zhǔn)確的GPS系統(tǒng)時間的冷啟動和初始化之后，在能夠從GPS定位計算GPS時間時，步驟202通過在毫秒中斷讀取計數(shù)器來校準(zhǔn)計時器。例如，可以使用圖1中的RTC計數(shù)器117。在步驟204，導(dǎo)航接收機斷電，但例如用如圖1所示的電池使計時器保持運行。在GPS導(dǎo)航接收機重新啟動時，如步驟206所示，將存在位置不確定性和時間不確定性。例如，通過DSP 114中的過程來參考計時器，以計算接收機斷電多久，并且因此計算位置和時間不確定性是多少。例如，位置不確定性是最大可能用戶速度乘以Δ時間(ΔT)。時間不確定性是晶體頻率漂移乘以Δ時間(ΔT)。
步驟208中，進行位置不確定性測試。如果它超過大約一半的碼相位模糊度距離，即1毫秒的一半碼相位的傳播距離，則步驟210用來得到三顆衛(wèi)星的z計數(shù)。這將然后將不確定性減少到低于一半的碼相位模糊度距離，并且柵格搜索方法可用于繼續(xù)進行而不需要第四顆衛(wèi)星。
一旦位置不確定性減少到或者確定低于一半的碼相位模糊度距離，則步驟212可用于檢查時間不確定性是否低于50毫秒。如果是，則在步驟214中，能夠在沒有z計數(shù)并且僅僅用三顆衛(wèi)星的情況下確定定位。步驟216用來檢查時間不確定性是否低于10秒。如果是，則步驟218在沒有z計數(shù)的情況下確定定位，但它需要四顆衛(wèi)星。否則，步驟220得到至少一個z計數(shù)。
本發(fā)明用于更快地在弱信號環(huán)境中熱啟動高靈敏度導(dǎo)航衛(wèi)星接收機的方法實施例具有兩個不同的會話。在關(guān)于GPS接收機的第一會話期間，捕獲GPS衛(wèi)星，并且產(chǎn)生用戶位置坐標(biāo)。然后求出在接收機毫秒的GPS系統(tǒng)時間。從包括在GPS接收機中的晶體振蕩器驅(qū)動的計時器讀出計數(shù)，并且相對于接收機毫秒校準(zhǔn)。從計時器獲得的任何計數(shù)以及獲得它的GPS系統(tǒng)時間都記錄在存儲器中。然后斷電結(jié)束第一會話。
再次加電開始第二會話，但計時器一直保持有效并且繼續(xù)進行它的計數(shù)。讀出在接收機毫秒的計時器的計數(shù)，并且減去第一會話中存儲在存儲器中的上次計數(shù)，以確定GPS接收機被關(guān)閉了多少個時鐘。到上次知道的GPS系統(tǒng)時間的時鐘數(shù)量用來設(shè)置接收機時間。因此在位置不確定性不超過特殊閾值時，能夠避免來自服務(wù)器的耗時的或者無效的對NAV數(shù)據(jù)的請求。
本文所述的以大約32KHz計時的計時器能夠在小于10微瓦下工作。溫度測量還可以周期性地進行，以進一步精調(diào)計算的接收機被關(guān)閉的時段。例如，將整個關(guān)閉時間分解成組成時段盡管本發(fā)明已經(jīng)依據(jù)當(dāng)前優(yōu)選實施例進行了描述，但應(yīng)該理解，本公開不應(yīng)解釋為限制。無疑，在閱讀了以上公開之后，各種變化和修改對本領(lǐng)域技術(shù)人員都是顯而易見的。因此，所附的權(quán)利要求旨在解釋為覆蓋落入本發(fā)明的“真實”精神和范圍內(nèi)的所有變化和修改。
權(quán)利要求
1.一種導(dǎo)航衛(wèi)星接收機系統(tǒng)，包括用于導(dǎo)航定位的GPS射頻(RF)級和數(shù)字信號處理器(DSP)；在GPS-RF接收的直接GPS衛(wèi)星傳輸太弱以致不能直接解調(diào)GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)、或者太舊以致無用時，用于所述DSP的GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)源；計時器，連接到所述DSP并且能夠在所述DSP斷電時維持時基計數(shù)；校準(zhǔn)器，用于比較GPS系統(tǒng)時間和所述計時器中的計數(shù)，以隨后用于重建GPS系統(tǒng)時間；配置在所述DSP中的位置和時間不確定性計算器，用于確定這樣的不確定性是否超過特殊限制；以及配置在所述DSP中的導(dǎo)航計算器，在所述不確定性沒有超過所述特殊限制的情況下，用于在所述DSP加電時利用所述時基計數(shù)產(chǎn)生定位而不首先獲得z計數(shù)。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括表型晶體振蕩器，與所述計時器相關(guān)聯(lián)并且在所述DSP斷電時提供實質(zhì)的電力節(jié)省。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述位置和時間不確定性計算器確定所述位置不確定性是否超過大約一半的碼相位模糊度距離；以及在所述位置不確定性確實超過一半的碼相位模糊度距離時，所述導(dǎo)航計算器獲得至少三顆衛(wèi)星的z計數(shù)，以允許將所述位置不確定性減少到小于一半的碼相位模糊度距離的定位，并且因此允許在定位中不需要任何衛(wèi)星上的z計數(shù)的后續(xù)定位。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述位置和時間不確定性計算器確定所述位置不確定性是否沒有超過一半的碼相位模糊度距離，并且對于弱信號情況所述時間不確定性是否超過最大時間誤差但小于10秒；以及如果對于弱信號情況所述時間不確定性超過所述最大時間誤差但小于10秒，則所述導(dǎo)航計算器獲得第四顆衛(wèi)星，并且仍然在沒有z計數(shù)的情況下繼續(xù)進行。
5.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述位置和時間不確定性計算器確定所述時間不確定性是否超過大約10秒；以及如果所述時間不確定性超過大約10秒，則所述導(dǎo)航計算器獲得一個z計數(shù)，并且其后所述時間不確定性能夠減少到低于50毫秒。
6.一種用于更快地在弱信號環(huán)境中熱啟動高靈敏度導(dǎo)航衛(wèi)星接收機的方法，所述方法包括在關(guān)于GPS接收機的第一會話期間，捕獲GPS衛(wèi)星，并且產(chǎn)生用戶位置坐標(biāo)，以及求解在接收機毫秒的GPS系統(tǒng)時間；從包括在所述GPS接收機中的晶體振蕩器驅(qū)動的計時器讀出計數(shù)并且相對于所述接收機毫秒校準(zhǔn)所述計數(shù)；將從所述計時器獲得的任何計數(shù)以及獲得它的GPS系統(tǒng)時間記錄在存儲器中；斷電以結(jié)束所述第一會話并且再次加電以開始第二會話，所述計時器一直保持有效并且繼續(xù)進行它的計數(shù)；讀出在接收機毫秒的所述計時器的計數(shù)，并且減去所述第一會話中存儲在所述存儲器中的上次計數(shù)，以確定所述GPS接收機被關(guān)閉的關(guān)閉時段；以及將所述關(guān)閉時段添加到上次知道的GPS系統(tǒng)時間中，以設(shè)置接收機時間。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，還包括如果所述位置不確定性超過大約一半的碼相位模糊度距離，則獲得三顆衛(wèi)星的z計數(shù)，以然后將所述不確定性減少到低于一半的碼相位模糊度距離。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，還包括通過讀出當(dāng)前計時器計數(shù)并且將該計數(shù)添加到在校準(zhǔn)步驟中獲得的系統(tǒng)時間，檢查所述時間不確定性是否低于10秒，并且如果低于10秒，則在沒有z計數(shù)以及至少四顆衛(wèi)星的情況下確定位置坐標(biāo)。
9.如權(quán)利要求6所述的方法，還包括所述計時器以大約32KHz計時，并且利用小于10微瓦的功耗工作。
全文摘要
導(dǎo)航衛(wèi)星接收機包括高靈敏度射頻前端和與客戶CPU相關(guān)聯(lián)的導(dǎo)航處理器?？蛻鬋PU運行與導(dǎo)航處理器串行通信的操作系統(tǒng)?？蛻鬋PU還能夠從網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器獲得導(dǎo)航數(shù)據(jù)系統(tǒng)傳輸，并且在高靈敏度環(huán)境中的直接衛(wèi)星信號太弱以致不能被直接解調(diào)時，提供導(dǎo)航數(shù)據(jù)系統(tǒng)傳輸。具有表型晶體的低功率、低頻振蕩器和計數(shù)器用作實時時鐘，以在接收機休眠時保持時間不確定性低于50毫秒。如果在重新喚醒接收機時，時間不確定性和位置不確定性低于某些最大值，則將需要最少數(shù)量的衛(wèi)星，并且能夠避免取每顆衛(wèi)星的初步z計數(shù)。
文檔編號G01S19/25GK1815256SQ20061000437
公開日2006年8月9日 申請日期2006年1月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月31日
發(fā)明者P·W·麥博尼, F·羅德 申請人:精工愛普生株式會社, 伊萊德公司