BRPI0317181B1 - sistema de calibragem e correção para sistemas de localização de posição por satélite - Google Patents

Abstract

"sistema de calibragem e correção para sistemas de localização de posição por satélite". para fornecer medições de posição precisas e rápidas em um sistema de localização de posição móvel prático, o receptor gps é calibrado, um erro de freqüência no próximo período de tempo é previsto utilizando-se uma primeira freqüência travada em um sinal transmitido externamente, e uma segunda freqüência é gerada por um oscilador gps. para se prever o erro no próximo período de tempo, várias medições são realizadas através do tempo, estimativas de erro são realizadas, uma função erro é aproximada em resposta ao conjunto de estimativas de erro. esse erro previsto é então utilizado para corrigir o receptor gps no próximo período de tempo. em uma implementação, um dispositivo portátil de múltiplas funções é descrito para fornecer a comunicação celular utilizando uma rede de estações celulares que operam em freqüências celulares ideais predefinidas, e também para fornecer a localização de posição utilizando satélites gps que transmitem sinais gps em uma freqüência gps predefinida.

Description

"SISTEMA DE CALIBRAGEM E CORREÇÃO PARA SISTEMAS DE LOCALIZAÇÃO DE POSIÇÃO POR SATÉLITE" FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

1. CAMPO DA INVENÇÃO

Essa invenção refere-se a um equipamento e método para computar a posição de um dispositivo móvel pela utilização de sinais sem fio, tais como sistemas GPS.

2. DESCRIÇÃO DA TÉCNICA RELACIONADA

As tecnologias de localização de posição existentes baseadas em GPS utilizam uma rede de satélites que transmitem sinais em uma freqüência GPS predefinida em um momento determinado. Um receptor GPS no solo mede os tempos de chegada dos sinais de cada satélite no céu que o mesmo pode "ver". Os tempos de chegada dos sinais juntamente com a localização exata dos satélites e os momentos exatos nos quais os sinais foram transmitidos a partir de cada satélite são utilizados para triangular a posição do receptor GPS. Um receptor GPS padrão inclui um oscilador local que é utilizado para receber os sinais GPS dos satélites. A aquisição de sinais provenientes dos satélites GPS é altamente sensível às variações de freqüência no oscilador local do receptor GPS. Um número de fatores contribui para tornar difícil a aquisição dos sinais GPS. Os sinais GPS são transmitidos em uma potência relativamente baixa, e os satélites GPS estão na órbita da Terra. No momento em que os sinais GPS alcançam o solo, sua potência inicialmente baixa foi reduzida err. muitc, tornando o sinal extremamente fraco. Como resultado disso, se a freqüência do oscilador local do receptor GPS estiver mesmo que ligeiramente fora da freqüência GPS, pode ser difícil e demorado se receber efetivamente os sinais GPS.

Em muitos sistemas de comunicação, incluindo os sistemas de recepção GPS, existe um oscilador local primário chamado de "oscilador local de referência". 0 sinal de saída do oscilador local de referência é, por sua vez, alimentado para um ou mais circuitos de síntese de freqüêncía, que, por sua vez, produzem sinais adicionais em outras freqüências que são fornecidos para vários circuitos em tais sistemas. Como um exemplo, é comum que os sistemas de recepção GPS utilizem um oscilador local de referência com uma freqüêncía de saída nominal de 16,368 MHz. Essa saída de oscilador é tipicamente alimentada para um circuito de síntese de freqüêncía que utiliza a freqüêncía de referência para produzir uma frequência de oscilador local nas proximidades de 1575,42 MHz, que, por sua vez, é utilizada em um circuito conversor de descida (downconverter) que traduz os sinais GPS de entrada para a banda base mais próxima. De forma similar, essa saída do oscilador de referência pode ser utilizada para sintetizar um relógio de amostra, freqüentemente com uma freqüêncía sendo um múltiplo de 1,023 MHz, onde esse relógio de amostra é utilizado como parte de um circuito de digitalização que cria amostras do sinal GPS traduzidos para a banda base mais próxima. De forma similar, nos receptores de telefones celulares, um oscilador de referência freqüentemente possui uma freqüêncía de oscilação na faixa de 10 MHz a 20 MHz (dependendo do modelo), que é utilizada para produzir freqüências adicionais para fins de conversão descendente de sinal e amostragem.

Em algumas situações, pode ser vantajoso que um sistema GPS utilize um método de calibragem de freqüêncía, tal como revelado nas Patentes U.S. Nos 5,841,396; 6,421,002, e outras. Em uma abordagem, a freqüêncía média do oscilador local do telefone celular (VCTCXO) é medida, e utilizada para calibrar o erro de freqüência do oscilador do receptor GPS. Essa VCTCXO é tipicamente uma freqüência travada no sinal celular recebido altamente estável. Uma abordagem alternativa é se travar em freqüência o oscilador GPS ao oscilador local do telefone celular. Essa última abordagem sofre em termos de desempenho se uma estabilidade de curto prazo do oscilador do telefone celular for pobre. Tal estabilidade do oscilador do telefone celular depende de vários fatores, tais como modelo do telefone celular, e movimento da plataforma. 0 método de calibragem algumas vezes sofre de problemas de desempenho, incluindo: A) problemas de "corrida" de freqüência decorrentes do aquecimento/resfriamento associado ao liga/desliga do transmissor do telefone celular; B) variação de freqüência decorrente de flutuações de tensão, novamente associadas ao liga/desliga do transmissor do telefone celular; e C) outras situações de aquecimento/resfriamento decorrentes de efeitos ambientais.

Apesar do método de medição de calibragem acima poderem funcionar adequadamente em uma plataforma que seja estática ou em movimento a velocidades relativamente baixas, tal como velocidades de pedestres, flutuações rápidas de freqüência do oscilador celular observadas na utilização veicular causarão a deterioração do desempenho da calibragem. Isto é, visto que o oscilador celular é travado em freqüência na rede, flutuações rápidas na freqüência recebida do sinal celular podem causar grandes erros na calibragem. Tais flutuações rápidas podem ocorrer, por exemplo, quando um veículo está se aproximando ae uma estação base celular servidora e então passa da estação.

Durante esse curto intervalo de tempo, a frequência observada do piloto direto dessa estação base celular pode mudar rapidamente de um Doppler positivo grande (por exemplo +100 Hz) para um Doppler negativo grande (por exemplo, -100 Hz) em questão de um ou vários segundos. Essa rápida variação na freqüência de portadora celular recebida, acoplada a um transmissor de telefone celular sendo ligado e desligado, pode causar uma deterioração da eficácia do método de calibragem travado era freqüência.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

Para se fornecer medições de posição precisas e rápidas em um dispositivo de localização de posição móvel prático, um sistema descrito aqui calibra um receptor GPS prevendo um erro de freqüência no próximo período de tempo em resposta a uma primeira freqüência travada em um sinal transmitido externamente e uma segunda freqüência gerada por um oscilador GPS. Particularmente, o sistema de calibragem realiza várias medições através do tempo, estima um erro em cada medição, aproxima uma função erro, e prevê um erro para o próximo período de tempo. 0 erro previsto é então utilizado para corrigir o receptor GPS no próximo período de tempo.

Um método e um equipamento são revelados para calibrar e corrigir um receptor GPS no dispositivo móvel utilizando um sinal transmitido externamente (que não um sinal GPS) que possui uma freqüência de portadora de precisão predefinida. Para receber o sinal GPS transmitido em uma freqüência GPS predefinida, o método inclui gerar um primeiro sinal de freqüência em resposta à freqüência de portadora de precisão, e gerar um segundo sinal de freqüência no receptor GPS que é aplicado para processar o sinal GPS. Por exemplo, a primeira freqüência pode ser uma sub-harmônica da freqüência recebida por um receptor celular, e o segundo sinal de freqüência pode ser gerado diretamente por um oscilador GPS de referência no receptor GPS, ou pode ser derivado de um oscilador GPS de referência. 0 método de calibragem inclui estimar um erro entre as primeira e segunda freqüências em um primeiro período de tempo, repetir a etapa de estimativa de erro por pelo menos um período de tempo adicional para fornecer um conjunto de estimativas de erro, aproximar uma função erro da segunda freqüência em resposta ao conjunto de estimativas de erro, e prever um erro em um próximo período de tempo utilizando a função aproximada. Um sinal de correção é gerado, e um oscilador no receptor GPS é corrigido no próximo período de tempo para processar o sinal GPS em resposta ao erro previsto.

Tipicamente, o método de calibragem inclui medir repetidamente uma razão das segunda e primeira freqüências através de uma pluralidade de períodos de tempo e, para cada período de tempo, comparar essa razão com um número predeterminado para estimar o erro respectivamente para cada período de tempo. A etapa de previsão de erro inclui tipicamente determinar um erro de freqüência versus tempo da segunda freqüência pelo ajuste de uma função matemática em resposta ao conjunto de estimativas de erro, tal como pelo cálculo da média do conjunto de estimativas de erro, e realizar um método de regressão matemática utilizando o conjunto de estimativas de erro para produzir um ajuste de média dos mínimos quadrados para o conjunto de estimativas de erro.

Em alguns métodos revelados, a etapa de correção inclui corrigir um oscilador local GPS que supre a segunda freqüência para converter o sinal GPS na freqüência GPS em uma freqüência intermediária predeterminada, e em outros métodos revelados o receptor GPS compreende um sistema de processamento digital que inclui um oscilador local digital, e a etapa de correção inclui corrigir o oscilador local digital.

Em uma implementação, um dispositivo portátil de múltiplas funções é revelado para fornecer comunicação celular utilizando uma rede de estações celulares que operam em freqüências celulares ideais predefinidas, e também para fornecer a localização de posição utilizando satélites GPS que transmitem sinais GPS em uma freqüência GPS precefinida. 0 dispositivo portátil de múltiplas funções compreende um sistema de comunicação celular incluindo um primeiro oscilador local que gera uma primeira freqüência para demodular as comunicações com a rede de estações celulares, um sistema GPS incluindo um segundo oscilador local que gera uma segunda freqüência acoplada para processar os sinais GPS, um sistema de previsão e correção de erro que prevê um erro em um. próximo período de tempo em resposta às medições das primeira e segunda freqüências através de uma pluralidade de períodos de tempo anteriores, o sistema também gerando um sinal de correção para o próximo período de tempo em resposta ao erro previsto, e um oscilador local no sistema GPS que recebe o sinal corrigido e, em resposta a isso, processa o sinal GPS durante o próximo período de tempo. BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS Para uma compreensão mais completa dessa invenção, será feito referência agora à descrição detalhada a seguir das modalidades como ilustrado nos desenhos em anexo, nos quais: A figura 1 é uma vista em perspectiva de uma pluralidade de estações base celulares, satélites GPS, e um usuário segurando um dispositivo móvel, tal como um telefone celular; A figura 2 é um diagrama de blocos do dispositivo móvel em uma modalidade que incorpora os sistemas de comunicação e de localização de posição; A figura 3 é um diagrama de blocos de uma modalidade do sistema de comunicação, do sistema de localização de posição, e do sistema de previsão e calibragem de erro; A figura 4 é um diagrama de blocos de outra modalidade do sistema de comunicação, do sistema de localização de posição, e sistema de previsão e calibragem de erro; A figura 5 é um fluxograma que mostra uma série de etapas realizadas para prever um erro e gerar um sinal de correção em uma modalidade; A figura 6A é um gráfico de variações de freqüência típicas de celular e de frequências do oscilador GPS em um exemplo; A figura 6B é um gráfico que mostra a razão da freqüência do oscilador GPS pela freqüência do oscilador celular utilizando as observações de freqüência da figura 6A; A figura 6C é um gráfico das estimativas de erro utilizando as razões da figura 6B; A figura 6D é um gráfico mostrando as correções de freqüência aproximadas das estimativas de erro na figura 6C; A figura 7 é um gráfico de uma estimativa de inclinação linear resultando de um salto de freqüência quase instantâneo de +100Hz para -100Hz; A figura 8 é um gráfico que mostra uma estimativa de inclinação linear de um exemplo no qual uma torre de base celular tem cerca de 15 metros a partir da rodovia e cerca de 15 metros de altura; e A figura 9 é um gráfico que mostra uma estimativa de inclinação linear para dados de freqüência aleatória normalmente distribuídos.

DESCRIÇÃO DETALHADA

Essa invenção é descrita na descrição a seguir com referência às figuras, nas quais números similares representam elementos similares.

GLOSSÁRIO DE TERMOS E ACRÔNIMOS

Os termos e acrônimos a seguir são utilizados por toda a descrição detalhada: Estação Base - Uma estação que transmite uma freqüência de portadora de precisão, tal como uma estação radiobase (cell site) em uma rede telefônica celular.

Calibragem - Um processo que se refere à medição de erros no momento atual e à previsão de erros para um período futuro.

Correção - Um método que se refere à compensação de erros previstos no processo de calibragem. CDMA - Acesso Múltiplo por Divisão de Código. FSK - Modulação por Chaveamento de Freqüência. GPS - Sistema de Posicionamento Global. Apesar de o termo GPS ser freqüentemente utilizado para significar o Sistema de Posicionamento Global Norte Americano, o significado desse termo aqui e os métodos de todos os equipamentos descritos aqui se aplicam igualmente bem a outros Sistemas de Posicionamento Global, cal como o Sistema Russo Glonass e o Sistema Galileo Europeu planejado. Em alguns sistemas, o termo Sistema de Posicionamento por Satélite (SPS) é utilizado para substituir a terminologia GPS. GSM - Sistema Global para Comunicações Móveis.

Dispositivo Móvel - Um dispositivo portátil, tal como um telefone celular, tipicamente portado por um usuário cuja localização deve ser determinada.

Dispositivo de Múltiplas Funções - Um dispositivo que possui duas ou mais funções operacionais, tal como um sistema GPS e um sistema de comunicação celular.

Sinal Piloto - Um sinal, tipicamente modulado por uma seqüéncia pseudo-aleatória, emitido por uma estação celular para fins de estabelecimento de comunicação com dispositivos remotos. Apesar de o termo "piloto" ser frequentemente utilizado no contexto de sistemas celulares CDMA, esse termo também se aplica de forma ampla aqui a todos os outros sistemas de comunicação celular.

Freqüência de portadora de Precisão - Uma freqüência precisa e altamente previsível que é transmitida a partir de uma fonte externa. Uma freqüência de portadora de precisão pode ser emitida diretamente pela fonte externa, ou ela pode ser derivável do sinal emitido a partir da fonte externa, tal como descrito na Patente U.S. N° 6,421,002.

TABELA DE VARIÁVEIS A seguir encontra-se uma tabela que apresenta algumas das variáveis discutidas aqui: VARIÁVEL DESCRIÇÃO 5f diferença entre a freqüência ideal e a real (para freqüências celulares ou GPS) f c freqüência do oscilador celular real (por exemplo, primeira freqüência de oscilador) fco freqüência do oscilador celular ideal (por exemplo, uma freqüência de portadora de precisão), fg freqüência do oscilador GPS (por exemplo, segunda freqüência do oscilador) fg* freqüência de mistura GPS suprida pelo sintetizador de freqüência em uma modalidade fg0 freqüência do oscilador GPS ideal íi freqüência do oscilador GPS inicial no momento t=0 (por exemplo, 16,368 MHz) f2 freqüência do oscilacor celular inicial no momento t=0 (por exemplo, 19,2 MHz) R razão medida entre as primeira e segunda freqüências do oscilador Ro razão ideal entre as freqüências do oscilador celular e GPS S fator de escalonamento utilizado como um sinal de correção em uma modalidade Como descrito na seção de fundamentos, a freqüência de referência de um oscilador local de referência pode ser utilizada para sintetizar (cu mais geralmente, derivar) outras freqüências para utilização no sistema. Para fins de descrição para algumas modalidades aqui, pode-se utilizar a terminologia "oscilador local" ou "oscilador", que, em uma modalidade, é sinônimo de oscilador local de referência. No entanto, modalidades alternativas podem associar o termo "oscilador local" ou "oscilador" com quaisquer sinais de oscilação derivados de tal oscilador local de referência através de um procedimento de síntese de freqüência, por exemplo. Visto que tais sinais derivados possuem freqüências médias que suportam uma relação conhecida relativa a do oscilador de referência, é fácil se aplicar os métodos e o equipamento dessa invenção a qualquer uma das saídas desses "osciladores". Dessa forma, nessa descrição da invenção, o termo "oscilador local" ou "oscilador" é definido de forma ampla de modo a incluir o oscilador de referência ou qualquer oscilador cuja freqüência é derivada do oscilador de referência. De forma similar, quando se utiliza o termo "freqüência de oscilador" se deseja significar a do oscilador de referência ou a de qualquer oscilador cuja freqüência seja derivada do oscilador de referência. Em um dispositivo de comunicações de múltiplas funções, tal como um transceptor de telefone celular e um receptor GPS combinados, pode haver dois ou mais osciladores de referência, por exemplo, um para o conjunto de circuitos do telefone celular e um para o conjunto de circuitos GPS. Utiliza-se a terminologia do oscilador local GPS e do oscilador local do telefone celular para distinguir entre as diferentes correntes do oscilador.

Deve-se notar também que um oscilador de referência pode ter uma freqüência ligeiramente variável, onde tal freqüência pode ser controlada de alguma forma de modo a compensar os vários erros relativos a uma freqüência ideal. Por exemplo, em telefones celulares, é comum se utilizar um Oscilador de Cristal Compensado por Temperatura e Controlado por Tensão (VCTCXO) como uma referência de freqüência. Aqui, um procedimento de compensação é utilizado no qual um sinal celular recebido altamente estável é utilizado para medir e corrigir erros na freqüência do VCTCXO. Além disso, um circuito de medição de temperatura é utilizado para compensar erros de freqüência que resultam como uma função das flutuações da temperatura ambiente.

VISÃO GERAL

Como discutido nos Fundamentos, variações rápidas na freqüência do oscilador celular recebida, que podem coincidir com um transmissor de telefone celular sendo ligado ou desligado, podem causar uma deterioração da eficácia de um método de calibragem. no qual um oscilador local GPS é calibrado utilizando uma freqüência de portadora de precisão externa observada pelo oscilador local do sistema celular. Utilizando-se o sistema descrito aqui, a calibragem de um oscilador GPS pode ser aperfeiçoada pela observação das variações de freqüêr.cia nas freqüências do oscilador local do telefone celular e/ou do sistema GPS através de um período de tempo suficientemente longo. Como descrito aqui, um processo de comparação de frequência pode ser realizado periodicamente, talvez err. intervalos de 0,5 a 1,0 segundo, para resultar em um conjunto de observações. Então, essas observações (por exemplo, as 10 a 20 observações mais recentes) podem ser utilizadas para determinar a taxa de alteração de freqüência versus tempo utilizando técnicas de ajuste de curva tal como regressão linear (ou uma ordem mais alta) . Esse processo pode resultar em uma previsão de erro que é então utilizada para calibrar um oscilador local no sistema GPS, que tenderá a suavizar os erros que resultam de um salto rápido de freqüência, tal como um salto de freqüência de +100 para -100Hz que pode ocorrer quando um dispositivo móvel em um carro passa por uma estação base celular. O método e o equipamento revelados aqui são úteis na situação na qual a freqüência do oscilador GPS está desviando cora o tempo. Dessa forma, os vários erros e correções discutidos aqui são funções do tempo, por exemplo, como resultado de mudanças rápidas da temperatura ambiente. Como descrito aqui, uma multiplicidade de tais medições (pelo menos duas) pode então ser utilizada para prever a freqüência do oscilador GPS futuro versus tempo, e dessa forma, permitir a correção dos desvios nesse oscilador. Tipicamente, através de períodos de tempo relativamente curtos (diz-se 30 segundos), tais desvios são bem-modelados como funções lineares do tempo, e através de períodos mais longos, um ajuste de curva de 2a ordem (ou ajuste de ordem ainda superior) pode ser mais adequado. A derivação de um ajuste de curva para a medição de erro(s) como descrito aqui permite a compensação de tais desvios do oscilador GPS. DESCRIÇÃO A figura 1 ilustra um ambiente no qual a presente invenção pode ser implementada. No ambiente ilustrado, um receptor GPS e um telefone celular são implementados juntos em uma unidade móvel; no entanto, deve ser evidente que a presente invenção podería ser utilizada em outros sistemas nos quais a freqüência de um primeiro oscilador travada em uma freqüência de portadora de precisão é utilizada para calibrar um segundo oscilador. A figura 1 mostra uma pluralidade de estações base celulares mostradas coletivamente por 10, satélites GPS mostrados coletivamente por 11, e um usuário 12 agarrando um dispositivo móvel 14. Como descrito em maiores detalhes com referência à figura 2, o dispositivo móvel 14 inclui um sistema de comunicação, tal como um telefone celular, e um sistema de localização de posição, tal como um sistema GPS. O usuário 12 pode estar de pé como mostrado, ou pode estar viajando de carro ou em um transporte público, por exemplo.

As estações base celulares 10 compreendem qualquer coleção de estações base celulares utilizadas como parte de uma rede de comunicação para conexão com o dispositivo móvel. As estações base celulares são conectadas a uma rede de infra-estrutura celular 15 que fornece serviços de comunicação com uma pluralidade de outras redes de comunicação, tal como um sistema de telefonia pública 16, redes de computador 17, tal ccmo a Internet, e outros sistemas de comunicação mostrados por 18. A rede de infra-estrutura celular fornece tipicamente os serviços de comunicação que permitem que o usuário de um telefone celular se conecte a outro telefone utilizando o sistema de telefonia 16; no entanto, as estações base celulares também poderíam ser utilizadas para se comunicar com outros dispositivos e/ou para outros fins de comunicação, tal como conexão via Internet com um assistente digital pessoal portátil (PDA).

Em uma modalidade, as estações base celulares 10 são parte de uma rede de comunicação CDMA; no entanto, em outras modalidades, outros tipos de redes de comunicação, tais como as redes GSM, podem ser utilizadas. Nos sistemas CDMA, cada estação celular emite periodicamente uma seqüência pseudo-aleatória que identifica de forma singular a estação celular. A seqüência pseudo-aleatória é uma série de bits que são úteis para o travamento do receptor. Na terminologia CDMA essa seqüência pseudo-aleatória é chamada de "sinal piloto"; como utilizado aqui, o termo sinal piloto pode ser aplicado a qualquer sistema celular além de sistemas CDMA. Por exemplo, vários sinais de sincronização são fornecidos pelas estações celulares GSM. Os sinais CDMA e GSM são transmitidos a partir das estações celulares em freqüências predefinidas e altamente precisas, que fornecem freqüências portadoras de precisão em uma modalidade descrita aqui.

Os satélites GPS 11 compreendem qualquer grupo de satélites utilizado para o posicionamento de um receptor GPS. Os satélites se comunicam com um sistema de comunicação GPS terrestre 19, que fornece funções de controle para o sistema GPS. Os satélites são sincronizados para enviar periodicamente sinais sem fio ao mesmo tempo. Quando esses sinais são detectados pelo receptor GPS, o sistema GPS calcula a quantidade de tempo que leva para os sinais GPS detectados percorrerem de seus respectivos satélites para o receptor. Isso assume que o receptor GPS possui um relógio local preciso. No entanto, o relógio pode ser configurado pelos sinais GPS recebidos propriamente ditos desde que quatro ou mais de tais sinais sejam recebidos simultaneamente. A figura 2 é um diagrama de blocos de uma modalidade do dispositivo móvel 14 incorporando os sistemas de comunicação e de localização de posição. A figura 2 mostra um sistema de comunicação celular 22 conectado a uma antena 21. 0 sistema de comunicação celular 22 compreende dispositivos adequados, hardware, e software para comunicação com e/ou detecção de sinais das estações base celulares, incluindo um oscilador local 23 e um sistema de controle de freqüência automático (AFC) 24 que trava o oscilador local 23 na freqüência base celular. De forma ideal, essa freqüência é fc0. Como discutido acima, apesar de o oscilador local ser travado na freqüência base celular recebida sob o controle AFC, a freqüência celular real fc gerada pelo oscilador local pode ser diferente da freqüência base ideal fco por motivos tais como o movimento do dispositivo móvel. Em outras palavras, a freqüência base transmitida e a freqüência de oscilador local real podem não ser perfeitamente sincronizadas. 0 sistema de comunicação celular 22 é acoplado a um sistema de previsão e calibragem de erro 30, permitindo, assim, a transferência de dados, tal como a freqüência do oscilador local celular fc, que é utilizada para previsão de erro como descrito em detalhes em outro local.

Em uma modalidade, o sistema de comunicação celular 22 compreende um sistema de comunicação CDMA adequado para comunicação com uma rede CDMA das estações base; no entanto, em outras modalidades, o sistema de comunicação celular pode compreender outro tipo de rede tal como GSM.

Um sistema de controle de dispositivo móvel 25 é conectado ao sistema de comunicação 22 e ao sistema de localização de posição 27. 0 sistema de controle de dispositivo móvel 25 inclui qualquer estrutura adequada, tal como microprocessador, memória, outro hardware, firmware, e software para fornecer funções de controle adequadas para os sistemas aos quais é conectado. 0 sistema de controle 25 é conectado a uma interface de usuário 26, que inclui quaisquer componentes adequados para criar uma interface com o usuário, tal como um teclado, um microfone/alto-falante para serviços de comunicação de voz, e um display, tal como um display LCD de iluminação posterior. 0 sistema de controle do dispositivo móvel 25 e a interface de usuário 26 são conectados ao sistema de localização de posição 27 para fornecerem funções adequadas para o receptor GPS, tal como o controle de entrada de usuário e a exibição dos resultados. 0 sistema de localização de posição 27, o qual, nessa modalidade, é um sistema GPS, está conectado a uma antena GPS 28 para receber sinais GPS que são transmitidos em ou perto da freqüência GPS ideal. 0 sistema GPS 27 compreende quaisquer hardware e software adequados para receber e processar sinais GPS e realizar quaisquer cálculos necessários para se determinar a posição utilizando qualquer algoritmo de localização de posição adequado. Exemplos de sistemas GPS são ilustrados nas figuras 3 e 4 e descritos com referência às mesmas. Outros exemplos dos sistemas GPS são revelados nas Patentes U.S. Nos 5,841,396; 6,002,363; 6,421,002 por Norman F. Krasner. O sistema GPS 27 inclui um ou mais osciladores locais 29 que são utilizados para converter descendentemente (downconvert) os sinais GPS a partir do satélite GPS. 0 sistema GPS 27 é acoplado a um sistema ce previsão e calibragem de erro 30, permitindo, assim, a transferência de dados, tal como a freqüência do oscilador GPS fg. Como descrito em outro local aqui em detalhes, a freqüência do oscilador GPS fg é utilizada juntamente com a freqüência do oscilador celular fc para realizar uma previsão de erro e para gerar um sinal de correção que é suprido para o sistema GPS 27.

Será feita agora referência à figura 3, que ilustra uma modalidade do sistema de localização de posição 27a, do sistema de comunicação 22a, e do sistema de previsão e calibragem de erro 30a. As implementações dos elementos previamente descritos são designadas pela anexação de uma letra minúscula à referência numérica discutida anteriormente (por exemplo, anexando "a" a "21" para criar 21a). O sistema de comunicação 22a .inclui um modera sem fio 32 que possui um circuito AFC que trava em freqüência no sinal de comunicação recebido para fornecer a saida de freqüência do oscilador celular fc em uma linha 33, que é suprida para o sistema de previsão e conzrole de erro 30a. O sistema de localização de posição 27a nessa modalidade inclui um conversor de descida RF-IF GPS 34 que recebe o sinal GPS e converte o mesmo em um sinal a uma freqüência intermediária tIF na linha 35. O sinal de freqüência intermediária (IF) é suprido para um conversor analógico/digital 36, e então a saida digital é suprida para um sistema de processamento digital GPS 37 que recebe o sinal digital e processa o mesmo de forma a fornecer informação de localização de posição. O conversor de descida RF-IF 34 opera pela combinação do sinal GPS recebido com uma frequência sintetizada fg* suprida a partir de um sintetizador de freqüência 38. 0 resultado do processo de combinação no conversor de descida é um sinal na freqüência intermediária fIf; por exemplo, se for desejado que IF seja igual a zero, então o sintetizador de freqüência deve fornecer uma freqüência igual à do sinal GPS recebido. No entanto, se a freqüência sintetizada fg* suprida pelo sintetizador de freqüência for diferente da freqüência do sinal GPS recebido, então a freqüência intermediária fjF não será igual a zero, mas diferirá por algumas partes. E, se a freqüência intermediária fIF for suficientemente diferente da freqüência GPS esperada, então pode ser difícil ou até mesmo impossível se adquirir o sinal GPS. 0 oscilador local GPS 39 é acoplado para suprir a freqüência do oscilador local GPS fg para o sintetizador de freqüência 38, que sintetiza a freqüência do oscilador local fg para fornecer a freqüência sintetizada fg\ que, por sua vez, é utilizada pelo conversor de descida 34 para processar o sinal GPS. Visto que a freqüência sintetizada fg* determina a freqüência intermediária fjF, e a freqüência sintetizada é sintetizada a partir da freqüência do oscilador GPS fg, quaisquer variações na freqüência do oscilador local GPS fg afetarão também a freqüência intermediária fjf. Esse efeito pode ser significativo devido a uma característica do multiplicador: um sintetizador de freqüência típico pode multiplicar a freqüência do oscilador local por lOOx ou mais. Portanto, qualquer erro na freqüência do oscilador local fg é multiplicado para fornecer fg*, e esse erro multiplicado pode variar significativamente a freqüência intermediária fiF de seu valor desejado. A fim de se observar e prever erros no oscilador local e calibrar o receptor GPS com relação ao sinal GPS, o sistema de previsão e controle de erro 30a recebe a freqüência do oscilador local GPS fg do oscilador local GPS 39 em uma linha 40, e também recebe a freqüência do oscilador celular fc na linha 33. Um circuito de comparação de freqüência 41 monitora as duas freqüências e fornece periodicamente suas medições para o circuito seguinte; por exemplo, o circuito de comparação de freqüência pode contar durante um intervalo de tempo fixo o número de ciclos para cada uma dessas duas frequências e fornecer esses números diretamente para o sistema de monitoramento e previsão de erro versus tempo 42. Alternativamente, o circuito de comparação de freqüência 41 pode contar o número de cruzamentos zero, que é igual a 2X o número de ciclos, e aperfeiçoaria a precisão devido à duplicação do número de comparações. O número contado pode ser periodicamente fornecido de qualquer forma adequada, tal como uma contagem básica, como uma razão entre as duas freqüências, ou como uma diferença de freqüência ôf. Vários outros métodos de comparação de freqüência também são possíveis tais como os que utilizam métodos de análise espectral, tais como os métodos de Transformada de Fourier Rápida. O sistema de monitoramento e previsão de erro versus tempo 42 é acoplado ao circuito de comparação de freqüência 41 para receber medições das duas freqüências. Tipicamente, as medições são feitas e fornecidas periodicamente, tal como a cada meio segundo ou a cada segundo. O sistema de monitoramento e previsão de erro versus tempo 42 inclui qualquer hardware ou software adequado, e pode incluir dispositivos analógicos ou digitais. Por exemplo, o sistema 42 pode ser implementado digitalmente utilizando um microprocessador, memória, firmware e/ou software para fornecer suas funções desejadas.

Como discutido em maiores detalhes com referência às figuras de 5 a 9, por exemplo, o sistema de monitoramento de erro recebe as medições de freqüência, estima e armazena um erro para cada medição, e determina uma função matemática em resposta a um conjunto de estimativas de erro. A partir dessa função, ele calcula um valor de previsão de erro para o próximo intervalo de tempo de qualquer forma adequada. 0 valor de previsão de erro é suprido para o circuito de geração de correção de freqüência 43, que gera um sinal de correção em uma linha 44. Em uma modalidade o sinal de correção está na forma de um fator de escalonamento S. 0 sinal de correção é suprido para o oscilador local GPS 39, que, em resposta, ajusta a freqüência do oscilador local GPS de saida fg para corrigir o erro previsto.

Será feito referência agora à figura 4, que ilustra uma modalidade alternativa do sistema de localização de posição 27 e do sistema de previsão e calibragem de erro 30. Na figura 4, muitos dos componentes são similares aos da figura 3, no entanto, o sinal de correção é suprido em uma linha 45 para um oscilador local digital 46 no sistema de processamento digital 37a, ao invés de suprir o sinal de correção para o oscilador local GPS 39 como na figura 3. Na figura 4, o sistema de processamento digital 37a inclui um conversor de descida digital 47 acoplado ao oscilador digital 46, para auxiliar o conversor de descida GPS 34 na demodulação do sinal GPS. 0 conversor de descida digital 47 recebe o sinal digital do conversor A/D 35, combina digitalmente o mesmo com a freqüência do oscilador digital 46, e gera um sinal convertido digitalmente em uma freqüência intermediária digital fÍFD. Um sistema de processamento digital GPS 48 então recebe o sinal convertido digitalmente, tenta adquirir os sinais GPS contidos aqui, e processa o mesmo de forma adequada.

Pode ser notado que, na modalidade da figura 4, o oscilador local GPS 39 não é acoplado ao circuito de correção de erro 30b e, por conseguinte, não é travado na freqüência do oscilador celular. Ao invés disso, o oscilador local GPS pode ter variações de freqüência normais, que terão o efeito de variação da freqüência intermediária f1F do sinal do conversor de descida GPS. O oscilador local digital 46 e o conversor de descida digital 47 são utilizados para converter a freqüência intermediária íIF em uma nova freqüência fIFD que corrige um erro na freqüência intermediária fIF em resposta ao sinal de correção. Portanto, na modalidade da figura 4, o sinal de correção pode não ser idêntico em forma ao sinal de correção na modalidade da figura 3 visto que devem controlar elementos diferentes. Além disso, o sinal de correção em qualquer modalidade pode incluir outros ajustes como adequado em adição ao ajuste de correção de erro.

Será feito referência agora à figura 5, que é um fluxograma que mostra uma série de etapas realizadas para prever um erro e gerar um sinal de correção em uma modalidade da invenção. A discussão a seguir com referência à figura 5 deve fornecer uma visão geral do método de previsão e calibragem de erro. Vários aspectos desse método também são descritos em outro local em detalhes, tal como com referência às figuras 6A a 6D, 7, 8 e 9.

Em 51, um intervalo de tempo de observação (período) começa.

Em 52, as freqüências do oscilador local celular e GPS são observadas. Em uma modalidade, as freqüências do oscilador local e GPS são observadas pela comparação da diferença entre as duas frequências. Em outra, a razão das duas freqüências é comparada.

Em 53, no final de um intervalo de observação, uma medição de freqüência é feita. Por exemplo, se a observação envolver a observação da razão de freqüência entre os sinais do oscilador local e GPS, então a razão de freqüência média observada nesse intervalo, tal como por contagem, é considerada como a medição. Então, o processo de observação retorna para 51 para começar o próximo intervalo e repetir uma observação e medição para cada período subseqüente. Geralmente, as medições são realizadas periodicamente, por exemplo, em intervalos de 0,5 a 2 segundes.

Em 54, a medição de freqüência é utilizada para estimar um erro de freqüência para seu respectivo período de tempo. 0 processo de estimativa de erro de freqüência em 54 pode incluir a comparação da razão de freqüência durante esse período com uma constante predeterminada; por exemplo, visto que a razão entre as freqüências celular ideal e GPs é uma constante predeterminada R0, então o erro para a medição pode ser estimado observando-se a diferença entre a constante predeterminada e a razão observada entre as duas freqüências.

Em 55, depois que o erro foi estimado, o mesmo é armazenado em um local adequado, tal como uma memória em uma implementação digital. Por exemplo, o sistema de monitoramento de erro 42 (figuras 3 e 4) pode incluir uma base de dados para armazenar informações referentes às estimativas de erro para uma pluralidade de períodos de tempo.

Em 56, um conjunto de estimativas de erro é selecionado para fornecer dados para a próxima etapa, que é a etapa de aproximação de função. O conjunto pode ser pré- selecionado de forma a incluir um número de estimativas de erro mais recentes, tal como as 10 a 20 estimativas de erro mais recentes.

Em 57, uma função é aproximada utilizando-se o conjunto de estimativas de erro. Por exemplo, uma função matemática pode ser aproximada por métodos, tais como a realização de uma média das estimativas de erro no conjunto; a realização de um método de regressão linear utilizando as estimativas de erro no conjunto; ou o cálculo de uma curva de média dos mínimos quadrados utilizando as estimativas de erro no conjunto.

Em 58, utilizando a função aproximada, um erro de freqüência previsto para o próximo intervalo de tempo é determinado. Por exemplo, a função aproximada pode ser utilizada diretamente para prever o erro de freqüência no próximo intervalo de tempo.

Em 59, o erro de freqüência previsto é utilizado para desenvolver um sinal de correção que é aplicado ao oscilador local adequado para o próximo intervalo de tempo. Por exemplo, na implementação da figura 3, o sinal de correção é suprido para o oscilador local GPS 39, e na implementação da figura 4, o sinal de correção é suprido para o oscilador local digital 46.

ERROS DE FREQÜÊNCIA NO OSCILADOR GPS E NO OSCILADOR PRINCIPAL DO TELEFONE CELÜLAR

Será feito referência agora às figuras 6A, 6B, 6C e 6D. A seguir, encontra-se uma análise dos erros de freqüência para dois casos. Para o caso 1, os efeitos do movimento da plataforma são considerados mínimos e a precisão da freqüência de portadora do transmissor da estação base é considerada como sendo essencialmente perfeita. Além disso, a freqüência de portadora do transmissor da estação base transmissora é considerada como sendo rastreada exatamente pelo oscilador do telefone celular. 0 caso 2 difere visto que considera que existam variações no oscilador do telefone celular.

Para fins de referência, o oscilador que é travado em frequência no sinal de telefone celular recebido (ou sinais) é chamado de oscilador principal de telefone celular, e sua freqüência é referida como freqüência de "referência celular" ou de "oscilador celular". 0 oscilador que é utilizado para acionar o conjunto de circuitos GPS é referido como "referência GPS" ou "oscilador GPS". A figura 6A é um gráfico das variações de freqüência típicas das freqüências de oscilador celular e GPS sob condições de tensão em um exemplo. Como mostrado na figura 6A, a freqüência do oscilador celular fc está aumentando a partir de seu valor inicial de fi e, ao mesmo tempo, a freqüência do oscilador GPS fg está aumentando a partir de seu valor inicial de Í2, mas a uma taxa mais rápida. Isto é típico visto que a maior parte do erro de freqüência é freqüentemente no oscilador GPS ao invés de no oscilador celular. A figura 6B é um gráfico da razão da freqüência do oscilador GPS pela freqüência do oscilador celular através do tempo utilizando as observações de freqüência da figura 6A. Como pode ser observado, a ra2ão é uma função de ambas as freqüências; no entanto, é tipicamente dominada pela freqüência do oscilador GPS. Apesar de a razão ser mostrada como a freqüência do oscilador GPS dividida pela freqüência do oscilador celular, o inverso (isto é, a freqüência do oscilador celular dividida pela freqüência do oscilador GPS) podería ser utilizado ao invés. Uma discussão detalhada referente à medição de freqüência e ao cálculo de razão é fornecida em outro local aqui. A figura 6C é um gráfico das estimativas de erro utilizando as razões da figura 6B. Na figura 6C, a estimativa de erro para cada intervalo de 1 segundo é realizada no ponto médio do intervalo de tempo; em outras modalidades, outros pontos adequados podem ser utilizados para as estimativas de erro. Adicionalmente, em algumas modalidades, as medições de freqüência e/ou correções de erro podem ser utilizadas para computar um conjunto de correções de calibragem, que pode então ser utilizado no procedimento de ajuste de curva para aproximar uma função. A figura 6D é um gráfico da curva de correção de freqüência que é aproximada a partir das estimativas de erro na figura 6C. Um processo para gerar a curva de correção de freqüência é descrito em maiores detalhes abaixo. Pode ser notado que o eixo-y possui unidades de um "fator de correção de freqüência do oscilador GPS" sem dimensões, que é um fator de escalonamento a ser suprido para a freqüência do oscilador GPS a fim de compensar seus erros.

CASO 1: OSCILADOR CELULAR PERFEITO, OSCILADOR GPS

IMPERFEITO

Supondo-se que o oscilador móvel travado na estação radiobase (o "oscilador celular") possua uma primeira freqüência fc e o oscilador móvel utilizado para acionar o conjunto de circuitos GPS (o "oscilador GPS") possui uma segunda freqüência fg. Supondo-se que se escreva: (D onde fgo é a freqüência GPS ideal, que é a freqüência do oscilador GPS desejada, e ôf é definida como a diferença entre a freqüência GPS ideal e a freqüência do oscilador GPS real. Um exemplo das freqüèncias do oscilador celular e GPS é mostrado na figura 6A. A freqüência GPS ideal suporta uma razão especifica relativa à freqüência celular ideal: (2A) Caso se assuma que a freqüência do oscilador celular fc é ideal (isto é, assumir fc = .fco), então (2B) A figura 6B mostra um exemplo da razão calculada utilizando as observações da figura 6A. Nas modalidades alternativas um procedimento similar pode ser empregado no qual a razão da freqüência do oscilador celular relativa ao oscilador de referência GPS é medida, isto é, computa-se a quantidade fc/fg ao invés de R (vide (3)).

Em um exemplo, a freqüência do oscilador GPS desejada fgo pode ser 16,368 MHz e fc (ideal) pode ser 19,2 MHz, caso no qual Rq = 0,8525. A figura 6C é um gráfico que mostra as medições de erro para intervalos sucessivos, pela formação da razão: (3) Uma vez que se conhece Ro, é possível se subtrair o mesmo dessa razão (a razão é medida, por exemplo, utilizando-se uma operação do tipo de contador de freqüência, como explicado abaixo) deixando uma razão de erro ôf/fc. Obviamente, com o conhecimento do fc é possível se determinar ôf.

Para se corrigir o erro GPS em uma modalidade a freqüência do oscilador GPS fg pode ser escalonada por uma quantidade que produza uma freqüência fg0; isto é, se deseja encontrar um fator de escalonamento S que produza S=fgo/fg. Esse fator de escalonamento é então computado de forma a ser: (4) onde a última aproximação segue do fato de o erro fracionado na freqüência do oscilador ser tipicamente muito pequeno (entre 10 e 100 PPM) . Isto é computado em um exemplo, e mostrado na figura 6D. Observa-se que, para todas as finalidades práticas, a modificação da frequência GPS é o fator (l-δί/fg0) ■ Note-se que o sinal da correção do fator de escalonamento é o oposto ao da correção de razão de erro (vide equação (3)).

CASO 2 - OSCILADORES GPS E CELULAR IMPERFEITOS

Aqui se escreve para o oscilador GPS e para o oscilador celular, onde fgo e fco são as freqüências do oscilador GPS e celular ideais, e 6fg, e Ôfc são os erros presentes em cada um dos osciladores.

Tipicamente, esses erros variam como uma função do tempo. Então, seguindo a análise para o caso 1 acima se tem a razão das freqüências: (5) onde foram negligenciados os termos de ordem superior, que são válidos devido ao tamanho reduzido de ôfc/fco e ôfg/fc0. Examinando-se (5), observa-se que é idêntica a (2), exceto pelo último termo que é agora diferente de zero, visto que se assumiu que ôfc é diferente de zero. Também se observa que o efeito na razão do erro de oscilador celular relativo ao do erro do oscilador GPS é proporcional às razões desses dois erros, isto é, proporcional a ôfc/5fg. Dessa forma, por exemplo, se o erro do oscilador celular (expresso em Hertz) foi 10% dos erros do oscilador GPS, e as frequências do oscilador nominal foram iguais, então o efeito do erro do oscilador celular seria 1/10 disso devido ao oscilador GPS.

Quando se compensa o erro do oscilador GPS pela utilização de uma equação com base apenas nas primeiras duas quantidades do lado direito de (5) será criado um erro. Isto é, não existe, tipicamente, forma de se medir ôfc e, dessa forma, se considera que seja igual a zero (apesar de, em alguns casos, uma média de longo prazo fazer com que as variações de curto prazo nessa quantidade sejam pequenas). 0 fator de escalonamento de correção, similar a (4), para esse caso é computado e seria (1 - ôfg/fgo) se 6fc fosse igual a zero; no entanto, se observa a partir de (5) que, ao invés da quantidade +6fg/fco, o erro residual (após a subtração de R0) De acordo, ao invés do fator de escalonamento correto (l-ôfg/fgo), é aplicado o fator de escalonamento incorreto De acordo, o último termo é o termo com erro. A razão desse termo com erro para o segundo termo dessa quantidade é -(ÔfC/Ôfg) (fgo/fco). Tipicamente, o último termo é aproximadamente um e, dessa forma, a razão dos erros -(ôfc/ôfg) determina o erro residual deixado após o procedimento de compensação.

MEDIÇÕES DE FREQUÊNCIA

Em uma modalidade, a razão das freqüências é computada utilizando-se um procedimento do tipo de contagem de frequência no qual o oscilador celular é utilizado como uma "base de tempo" e o oscilador GPS é utilizado como a freqüência a ser contada. Tipicamente, um número fixo de ciclos da base de tempo é contado para se estabelecer um intervalo de tempo.

Por exemplo, se a freqüência do oscilador celular fosse nominalmente 19,2 MHz, então a contagem de 19,2 milhões de ciclos estabelecería um intervalo de tempo de 1 segundo. Durante esse intervalo de tempo, o número de ciclos, ou o número de cruzamentos zero do oscilador GPS são contados. 0 número de ciclos do oscilador GPS contado através desse intervalo de 1 segundo é c.l aramente proporcional à freqüência do oscilador GPS. De fato, para esse exemplo específico, o número de ciclos contados através do intervalo de 1 segundo seria a estimativa da freqüência do oscilador GPS em Hertz. A contagem de cruzamentos zero desse oscilador fornece uma precisão aperfeiçoada visto que existe aproximadamente o dobro de cruzamentos zero que ciclos completos através de qualquer intervalo.

Uma alternativa para o acima é a utilização do oscilador GPS como a base de tempo, isto é, para estabelecer o intervalo de contagem, e então contar o número de ciclos ou cruzamentos zero do oscilador celular. Obvíamente, essa razão é proporcional ao recíproco da freqüência da freqüência do oscilador GPS, isto é, ao período da freqüência do oscilador GPS. Esse método é chamado de método de contagem recíproca, ou método inverso, ao passo que o método mencionado antes é chamado de método direto. 0 método de contagem direta é normalmente superior ao método de contagem recíproca, quando a freqüência do oscilador GPS excede a do oscilador celular, e inversamente o método de contagem recíproca é superior quando a freqüência do oscilador celular excede a da freqüência do oscilador GPS.

Na modalidade alternativa, métodos de maior precisão das razões de freqüência de computação estão disponíveis, às cusras de uma maior complexidade. Uma das principais fontes de erro nos procedimentos de contagem acima é o fato de o número de contagens de um oscilador durante um intervalo de tempo ser quantízado em unidades de um ciclo ou meio-ciclo, dependendo do método utilizado. Esse efeito de quantização de tempo pode ser reduzido de várias formas. Em um método, ao invés de se realizar um único procedimento de contagem de freqüência através de um período de tempo T, são realizados M procedimentos de contagem através de períodos de tempo adjacentes T/M cada, sem parar os contadores. Números de contagem individuais para cada um dos intervalos M serão obtidos e esse conjunto de números pode ser ajustado com um procedimento de regressão linear (assumindo-se que o desvio de freqüência seja linear) para determinar um ajuste de média dos mínimos quadrados na freqüência. Essa abordagem reduzirá o erro RMS devido à quantização (e mesmo outras fontes de ruído), por uma quantidade aproximadamente igual a M1/2, relativa ao procedimento que utiliza um intervalo de tempo de comprimento T.

Em outra modalidade, o relógio da fonte de freqüência a ser medida pode ser tratado como um sinal analógico e é amostrado nos momentos determinados pela base de tempo (por exemplo, em momentos iguais a N ciclos de relógio da base de tempo). Os dados obtidos dessa forma são analisados por Fourier e produzirão uma linha espectral em uma freqüência relacionada à do relógio de referência. Vários procedimentos de interpolação podem ser utilizados para realizar uma estimativa precisa dessa freqüência. Essa abordagem também fornece um desempenho aperfeiçoado em comparação com o do método de contagem de intervalo único.

Outros métodos de estimativa de freqüência também podem ser utilizados, mas o resultado líquido é a realização de uma estimativa da razão das freqüências dos osciladores celular e GPS.

EXEMPLO DE REGRESSÃO LINEAR PARA APROXIMAÇÃO DE UMA FUNÇÃO A seguir, encontra-se um exemplo de um método para aproximar uma função erro de freqüência versus tempo. Por exemplo, um processo de calibragem de freqüência pode ser realizado periodicamente, talvez em intervalos de 1 segundo. Um conjunto de estimativas de erro é utilizado para determinar a taxa de freqüência de mudança versus regressão linear utilizando tempo (ou uma ordem ainda maior), que tenderá a suavizar um salto de freqüência rápido, tal como um salto de freqüência de +100 para -100 Hz que pode ocorrer quando do acionamento por uma estação base celular.

Se as últimas estimativas de erro m compreenderem o conjunto utilizado para determinar o perfil de desvio de freqüência, então, em um exemplo, o ajuste de média dos mínimos quadrados para um desvio linear é dado por: (6A) <6B) onde yn é o conjunto de medições de freqüência M, cada uma possuindo variância σ2, n são os momentos de medição, é a estimativa da freqüência linear versus a característica de tempo e /0 é a estimativa de freqüência correspondente à primeira das medições de freqüência m. A "overbar" indica uma média da quantidade correspondente. Na presença de erro RMS aleatório por medição da magnitude σ, os erros quadráticos médios das medições de (6) são dados por: PA) PB) Em uma modalidade de um dispositivo de múltiplos modos, os tamanhos da etapa de quantização das medições são de 1/2 ciclo do sinal de correção suprido (do oscilador celular, por exemplo). Se esse sinal tiver 19 MHz, então o tamanho da etapa de quantização para um intervalo de medição de 1 segundo é 1 /38e6=2,6X10”8. Se o erro for distribuído de maneira uniforme através desse tamanho de etapa, o erro RMS na freqüência para um intervalo de medição de 1 segundo é simplesmente 2, βΧΙΟ'8/ λ/Ϊ2 =7,6X10’9, que corresponde a 12,0 Hz na freqüência Ll GPS. A partir de (7B), pode-se observar que se forem processadas doze medições dessas, o erro de freqüência RMS seria em torno de 3,45 Hz. Adicionalmente, o erro na inclinação da freqüência é encontrado a partir de (7A) como sendo 0,084 vezes o erro RMS por medição, ou 0,084X7,6X10"9 = 6, 35X10'10 Hz/s. Isso corresponde a aproximadamente 1,0 Hz/s na freqüência Ll GPS. Claramente o método de calibragem utilizando 12 medições pode produzir medições de inclinação de freqüência superior. Observa-se que o método de calibragem propriamente dito deve ser mais do que adequado para fornecer a precisão da medição de freqüência necessária para se determinar o desvio de freqüência e a taxa de mudança do oscilador GPS. Nos casos onde um modelo de inclinação linear pode não fornecer um ajuste preciso, um ajuste de inclinação quadrática é frequentemente adequado. Particularmente, nesses casos, uma regressão quadrática alternativa para (6) pode funcionar bem.

Obviamente, em algumas modalidades, é possível que os erros acima possam ser dominados por erros no oscilador celular ao invés de no oscilador GPS. No entanto, para sistemas CDMA, o oscilador celular rastreia um sinal celular que, a princípio, alcança uma estabilidade a longo prazo medida com padrões césio. Nos sistemas GSM, o sinal celular também é muito estável, sendo sincronizado com um TCXO de alta qualidade. Tipicamente, a fonte dominante de erro no oscilador celular é aquela associada ao movimento da plataforma.

Uma vantagem da abordagem descrita aqui é que as variações de freqüência normais são normalmente limitadas pelos limites de freqüência Doppler associados ao movimento do veículo. Portanto, a discussão a seguir analisará os efeitos prejudiciais do movimento de plataforma sobre as estimativas.

Em algumas circunstâncias, um assunto pode surgir quando da utilização de uma abordagem de regressão linear, tal como a discutida acima. Supondo-se que o oscilador local GPS não corrigido exiba um erro de freqüência linear versus tempo. Caso se observe esse erro durante um período de M períodos de tempo, então a correção resultante será uma constante mais uma função linear do tempo. De acordo, no período de tempo M+l, o oscilador local GPS corrigido exibirá muito pouco erro. Dessa forma, se for realizada então uma regressão linear utilizando os erros para os últimos M períodos incluindo o erro pequeno no período de tempo M+l, um resultado errado será obtido. Uma forma de se solucionar esse problema é computar para cada período de tempo (M+l, M+2 e assim por diante), a freqüência do oscilador local GPS que teria estado presente se as correções de freqüência não tivessem sido feitas. Isto é fácil de se fazer visto que é necessário apenas o acúmulo do conjunto de correções de freqüência de oscilador local GPS e a subtração das mesmas da configuração do oscilador atual para se chegar às freqüências não corrigidas. Essas freqüências não corrigidas podem então ser aplicadas ao procedimento de regressão linear (ou uma ordem superior). Outras abordagens para se evitar o efeito acima são as baseadas nos procedimentos de correção de malha fechada nos quais uma fração do erro medido atualmente é alimentada para um filtro cuja saída representa a correção atual para o controle do oscilador.

RASTREAMENTO DE ERROS DEVIDO AO MOVIMENTO

Será feito referência agora às figuras 7, 8 e 9 para ilustrar uma análise do movimento do veículo no contexto da abordagem de calíbragem de erro descrito aqui. 0 movimento deve ter consequências apenas para as velocidades do veiculo; a velocidades de pedestre, por exemplo, de 1,0 metro/segundo, o Doppler máximo na freqüência Ll é de apenas 5,3 Hz e uma aceleração significativa não é comum. Tais Dopplers pequenos devem afetar de forma irrisória o desempenho do rastreamento. SALTOS DE FREQÜÊNCIA RÁPIDOS DEVIDO À PASSAGEM DE VEÍCULO PERTO DA TORRE CELULAR A figura 7 é um gráfico ilustrando uma estimativa de inclinação linear resultando de um salto de freqüência quase instantâneo de +100 Hz para -100 Hz. Particularmente, na figura 7, o Doppler observado de uma torre celular, como computado para a freqüência GPS, muda de +100 Hz para -100 Hz em um segundo. Isso ocorrería, por exemplo, se a torre da estação base celular estivesse imediatamente ao lado de uma rodovia através da qual um automóvel está viajando a cerca de 68 km/h (42 milhas/h). Isso, obviamente, pode ser escalonado para veículos a velocidades mais altas. No entanto, normalmente, a torre celular está muito mais distante da rodovia e, dessa forma, não seria típico se observar tal mudança súbita na freqüência; ao invés disso, é mais provável se observar um Doppler em mudança suave, talvez durante vários segundos. Essa situação mais realística é analisada em breve.

Assumindo-se que se utilize o procedimento descrito na seção anterior e se utilize 12 medições de calibragem juntamente com o ajuste de regressão linear. Com as considerações acima, se o ajuste de regressão linear não tivesse sido utilizado, se observaria uma rápida mudança na freqüência máxima de 200 Hz/s. O efeito suavizante da regressão linear, no entanto, é mostrado na figura 7.

Para se obter a curva da figura 7 as estimativas de inclinação de freqüência versus tempo foram realizadas utilizando um conjunto de doze medições na ausência de ruído adicionado ou quaisquer outras inclinações lineares.

Como pode ser observado na figura, o erro máximo na estimativa de inclinação é de cerca de -25,1 Hz.

Se um salto de +100 a -100 Hz estiver presente juntamente com uma inclinação linear adicional (por exemplo, decorrente do desvio do oscilador), então o erro do estimador ainda será idêntico ao mostrado na figura 7. Em uma experiência, a perda no desempenho para o erro de inclinação de freqüência de 25 Hz é analisada e a perda SNR , de saída é considerada como sendo apenas de cerca de 0,6 dB para as configurações típicas utilizadas durante o rastreamento de alta sensibilidade. A discussão da seção anterior também ilustra que os erros relacionados à quantização na estimativa de inclinação são insignificantes em comparação com esse erro.

A figura 8 é um gráfico que mostra uma estimativa de inclinação linear de uma situação um pouco mais realista na qual uma torre de estação base celular está a cerca de 15 metros da rodovia e cerca de 15 metros acima do chão e um veiculo está viajando a 97 quilômetros por hora (60 milhas/h) (27 metros por segundo). Essa é uma torre celular relativamente baixa perto da rodovia. Isso resulta em uma excursão no Doppler de +142 Hz para -142 através de um período de vários segundos. A estimativa de inclinação linear resultante é mostrada na figura 8. É considerado também que apenas o piloto direto da torre celular é utilizado para a medição AFC (isto é, não pesado pelos outros pilotos refletidos) . A presença de pilotos adicionais aperfeiçoará tipicamente a situação. No caso de um único piloto, observa-se que a pior estimativa possível está errada por cerca de 34,2 Hz. Uma análise mostrou que a degradação na SNR de saída para esse caso é de 1,13 dB. FLUTUAÇÕES ALEATÓRIAS DEVIDO ÀS VARIAÇÕES DE POTÊNCIA DE TOM PILOTO A situação da torre celular analisada acima com referência à figura 8 deve ser a pior situação possível sob a maior parte das condições. Outras situações de interesse incluem as situações nas quais vários sinais piloto são recebidos e combinados para controlar o loop AFC. Um ou o outro desses pilotos pode dominar como uma função do tempo, fazendo com que o AFC mude. No entanto, deve-se esperar esse deslocamento rápido como sendo mais proeminente em ambientes urbanos pesados, onde a velocidade do veículo é normalmente substancialmente menor do que a analisada acima. Adicionalmente, flutuações aleatórias do AFC como uma função do tempo tenderão a causar um efeito de realização de média que reduz as excursões de inclinação de freqüência. A figura 9 é um gráfico que apresenta a estimativa de inclinação linear para dados de frequência aleatória distribuídos normalmente. Supõe-se que os efeitos do movimento do veículo façam com que a freqüência AFC varie na faixa de [-50 Hz, 50 Hz] com um valor aleatório a cada segundo. Então, uma simulação através de 1000 segundos dessa situação produz uma estimativa de inclinação de freqüência mostrada na figura 9. A análise dessa simulação com a regressão linear de 12 medições anterior indica um erro estimado de inclinação RMS de 4,2 Hz, que é consistente com a previsão de (7A) que seria de 4,18 Hz para esse caso. Esse pequeno erro causa uma perda de desempenho irrisória.

3. COMENTÁRIOS E APERFEIÇOAMENTOS ADICIONAIS Várias modificações da regressão linear acima podem ser utilizadas para aperfeiçoar adicionalmente os resultados acima. Por exemplo, uma filtragem especial pode ser realizada nas amostras de calibragem. Em uma situação acima, a função freqüência versus tempo é basicamente uma função de etapa, e dessa forma, se se diferenciar uma função de etapa o resultado será um pico grande que pode ser filtrado através de uma técnica de criação de limites adequada. Uma operação de integração adicional resulta na calibraçâo de amostras com a função de etapa de freqüência removida. Métodos alternativos podem ser desenvolvidos com base no reconhecimento de determinados "padrões" de valores de calibragem versus tempo que são mais provavelmente associados às condições esperadas. Além disso, deve estar claro que o sistema descrito aqui se aplica geralmente a qualquer sistema de posicionamento, por exemplo, o Sistema Glosnass Russo, o Sistema Galíleo Europeu, o Sistema de Posicionamento Global Norte-Americano, e qualquer outro Sistema de Posicionamento por Satélite.

Será apreciado pelos versados na técnica, em vista desses ensinamentos, que modalidades alternativas podem ser implementadas sem se desviar do espírito ou escopo da invenção. Essa invenção deve ser limitada apenas às reivindicações a seguir, que incluem todas as modalidades e modificações quando visualizadas em conjunto com o relatório acima e os desenhos em anexo.

REIVINDICAÇÕES

Claims (24)

1. Método de correção de um receptor GPS, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende: produzir uma primeira freqüência travada para um sinal de rede celular; gerar uma segunda freqüência em um oscilador GPS durante um primeiro período de tempo; computar um primeiro erro com base em comparações das primeira e segunda freqüências durante o primeiro período de tempo; computar um segundo erro com base em comparações das primeira e segunda freqüências durante um segundo período de tempo; fornecer uma função erro a partir dos primeiro e segundo erros; prever um erro de oscilador GPS utilizando a função erro para um próximo período de tempo; e corrigir o oscilador GPS no próximo período de tempo em resposta ao erro de oscilador GPS previsto.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende adicionalmente repetir o método durante a operação.

3. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERI ZADO pelo fato de que fornecer uma função erro compreende ajustar uma função matemática às computações dos primeiro e segundo erros.

4. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a correção compreende corrigir um oscilador local GPS que supre a segunda freqüência para converter o sinal GPS em uma freqüência intermediária predeterminada.

5. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERI ZADO pelo fato de que o oscilador GPS é um oscilador local digital, e a correção compreende corrigir o oscilador local digital.

6. Método de correção de um receptor GPS em um dispositivo móvel utilizando um sinal de rede celular possuindo freqüência de portadora de precisão predefinida, para receber um sinal GPS transmitido em uma freqüência GPS predefinida, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende: gerar um primeiro sinal de freqüência em resposta à frequência de portadora de precisão; gerar um segundo sinal de freqüência no receptor GPS para processar o sinal GPS; computar um erro entre as primeira e segunda freqüências em um primeiro período de tempo; repetir a computação de erro pelo menos uma vez durante pelo menos um segundo período de tempo respectivo para fornecer um conjunto de estimativas de erro; fornecer uma função erro da segunda freqüência diretamente a partir do conjunto de computações de erro; prever um erro em um próximo período de tempo seguindo a repetição utilizando a função erro; e corrigir a segunda freqüência para processar o sinal GPS no próximo tempo.

7. Método, de acordo com a reivindicação 6, CARACTERI ZADO pelo fato de que a computação de um erro compreende medir uma razão de segunda e primeira freqüências para cada um dos períodos de tempo e, para cada período de tempo, comparar esta razão com um número predeterminado.

8. Método, de acordo com a reivindicação 6, CARACTERI ZADO pelo fato de que a previsão de erro inclui determinar um erro de freqüência versus tempo da segunda freqüência pelo ajuste de uma função matemática ao conjunto de estimativas de erro.

9. Método, de acordo com a reivindicação 6, CARACTERIZADO pelo fato de que a previsão de erro compreende um de: calcular a média do conjunto de estimativas de erro; e realizar um método de regressão matemática utilizando o conjunto de computações de erro para produzir um ajuste de média dos mínimos quadrados para o conjunto de estimativas de erro.

10. Método, de acordo com a reivindicação 6, CARACTERI ZADO pelo fato de que o sinal de rede celular é fornecido por uma estação base celular, o dispositivo móvel compreendendo um transceptor celular, e o método compreendendo adicionalmente: travar em freqüência a freqüência de portadora de precisão para fornecer a primeira freqüência; e comunicar entre o dispositivo móvel e a estação base celular.

11. Método, de acordo com a reivindicação 6, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende adicionalmente extrair uma freqüência de portadora de precisão a partir do sinal de rede celular para fornecer a primeira freqüência.

12. Método, de acordo com a reivindicação 6, CARACTERIZADO pelo fato de que a correção compreende corrigir um oscilador local GPS que supre a segunda freqüência para converter o sinal GPS na freqüência GPS em uma freqüência intermediária predeterminada.

13. Método, de acordo com a reivindicação 6, CARACTERIZADO pelo fato de que o receptor GPS compreende um oscilador local digital, e a correção compreende corrigir o oscilador local digital.

14. Método de correção de um receptor GPS em um dispositivo móvel para receber um sinal GPS transmitido em uma freqüência GPS predefinida utilizando um sinal de comunicação transmitido a partir de uma estação base celular, o sinal de comunicação incluindo uma freqüência de portadora de precisão predefinida, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende: sincronizar um primeiro oscilador local à frequência de portadora de precisão para gerar uma primeira freqüência; gerar um segundo sinal de freqüência no receptor GPS possuindo um valor nominal próximo a um valor predeterminado, o segundo sinal de freqüência aplicado para processar o sinal GPS; monitorar as primeira e segunda freqüências através de uma pluralidade de períodos de tempo para fornecer uma medição de freqüência para cada um da pluralidade de períodos de tempo; computar um erro nas primeira e segunda freqüências para cada período de tempo monitorado para fornecer um conjunto de estimativas de erro; fornecer um erro de freqüência versus função de tempo para a segunda freqüência pelo ajuste de uma função matemática em resposta ao conjunto de estimativas de erro; prever um erro em um próximo período de tempo utilizando a função; desenvolver um sinal de correção para o próximo período de tempo em resposta ao erro previsto; e processar o sinal GPS em resposta ao sinal de correção.

15. Método, de acordo com a reivindicação 14, CARACTERIZADO pelo fato de que o monitoramento compreende medir repetidamente uma razão das segunda e primeira freqüências através de uma pluralidade de períodos de tempo e, para cada período de tempo, comparar esta razão com um número predeterminado para computar o erro.

16. Método, de acordo com a reivindicação 14, CARACTERIZADO pelo fato de que a previsão de erro compreende uma de: calcular a média das computações de erro no conjunto; realizar um método de regressão matemática utilizando as computações de erro no conjunto de modo a calcular uma curva de média dos mínimos quadrados para as computações de estimativas de erro.

17. Método, de acordo com a reivindicação 14, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende adicionalmente corrigir uma freqüência de um oscilador local GPS que supre a segunda freqüência para converter o sinal GPS na freqüência GPS em uma freqüência intermediária predeterminada, em resposta ao sinal de correção.

18. Método, de acordo com a reivindicação 14, CARACTERIZADO pelo fato de que o receptor GPS compreende um oscilador local digital, e compreende adicionalmente corrigir uma saída de freqüência do oscilador local digital, em resposta ao sinal de correção.

19. Dispositivo portátil de múltiplas funções (14) para fornecer comunicação celular utilizando uma rede de estações celulares que operam em freqüências celulares ideais predefinidas, e também para fornecer localização de posição utilizando satélites GPS que transmitem sinais GPS em uma freqüência GPS predefinida, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende: um sistema de comunicação celular (22) incluindo um primeiro oscilador local (23) que gera uma primeira freqüência para demodular comunicações com a rede de estações celulares; um sistema GPS (27) incluindo um segundo oscilador local (29) que gera uma segunda freqüência acoplada para processar os sinais GPS; um sistema de previsão e correção de erro (30) que prevê um erro em um próximo período de tempo de acordo com uma função erro representando medições das primeira e segunda freqüências através de uma pluralidade de períodos de tempo anteriores, o sistema gerando também um sinal de correção para o próximo período de tempo em resposta ao erro previsto; e o segundo oscilador local (29) recebendo o sinal de correção e, em resposta ao mesmo, processa o sinal GPS durante o próximo período de tempo.

20. Dispositivo portátil de múltiplas funções (14), de acordo com a reivindicação 19, CARACTERIZADO pelo fato de que o sistema de previsão e correção de erro compreende: um circuito de comparação de frequência (41); um circuito de monitoramento e previsão de erro (42) ; e um circuito de geração de correção de frequência (43) .

21. Dispositivo portátil de múltiplas funções (14), de acordo com a reivindicação 20, CARACTERI ZADO pelo fato de que o circuito de comparação de frequência (41) inclui: meios para monitorar as primeira e segunda freqüências e fornecer, periodicamente, medições indicativas de uma diferença entre as primeira e segunda freqüências durante um período de observação; e o circuito de monitoramento e previsão de erro (42) comparando periodicamente cada uma das medições com um número predeterminado para fornecer uma estimativa de erro para cada período de tempo.

22. Dispositivo portátil de múltiplas funções, de acordo com a reivindicação 20, CARACTERIZADO pelo fato de que a função erro é uma função matemática e o circuito de monitoramento e previsão (42) compreende um sistema para aproximar a função matemática de acordo com a pluralidade de estimativas de erro.

23. Dispositivo portátil de múltiplas funções, de acordo com a reivindicação 22, CARACTERI ZADO pelo fato de que o sistema de aproximação compreende um de: meios para calcular a média das estimativas de erro através de um número predefinido de períodos; meios para realizar um método de regressão matemática utilizando as estimativas de erro através de um número predefinido de períodos de tempo para calcular uma média dos mínimos quadrados das estimativas de erro através da pluralidade de períodos de tempo.

24. Dispositivo portátil de múltiplas funções, de acordo com a reivindicação 19, CARACTERI ZADO pelo fato de que o segundo oscilador local compreende um oscilador local digital (46) que é utilizado na translação de freqüência digital de um sinal GPS.