CN1458534A

CN1458534A - 一种电子设备定位的方法、一种系统以及一种电子设备

Info

Publication number: CN1458534A
Application number: CN03136027.0A
Authority: CN
Inventors: H·瓦利奥; S·皮蒂莱
Original assignee: Nokia Oyj
Current assignee: Nokia Oyj
Priority date: 2002-05-16
Filing date: 2003-05-16
Publication date: 2003-11-26
Also published as: US20040012523A1; US6882306B2; FI114173B; FI20020929A; FI20020929A0; US20030214433A1; EP1365255A1

Abstract

本发明涉及一种借助定位系统中的卫星来确定一个电子设备(1)的位置的方法。在该方法中，卫星轨道数据和电子设备(1)的缺省位置被确定。在该方法中，至少以下步骤被采用：使用所述缺省位置来确定一个第一时间数据估计值的确定步骤，根据所述时间数据估计值、缺省位置以及卫星轨道数据来计算卫星信号码相位估计值的计算步骤，以及一个搜索步骤，其中定位系统的卫星所发送的码调制信号被接收，以便搜索至少一个卫星的信号以及使用所述码相位估计值来捕获该信号。本发明还涉及一种应用了该方法的系统，以及一种电子设备(1)。

Description

一种电子设备定位的方法、一种系统以及一种电子设备

技术领域

本发明涉及一种借助定位系统中的卫星来确定电子设备位置的方法，在该系统中确定了卫星轨道数据并为电子设备确定了一个缺省位置。本发明还涉及一种系统，它具有借助定位系统中的卫星所发送的码调制信号来确定电子设备位置的装置，在这个定位系统中确定了卫星轨道数据，并且该系统包含为电子设备确定一个缺省位置的装置，电子设备包含接收定位系统中的卫星所发送的码调制信号的装置。本发明还涉及一种电子设备，它具有借助定位系统中的卫星所发送的码调制信号来进行定位的装置，在这个定位系统中确定了卫星轨道数据，并且该电子设备包含为电子设备确定一个缺省位置的装置以及接收定位系统中的卫星所发送的码调制信号的装置。

背景技术

通常，运用GPS系统的定位接收机尝试接收至少四个不同卫星的信号，基于这些信号而在定位接收机中计算定位接收机的位置(x，y和z坐标)以及GPS系统的时间数据。定位则是在例如开启定位接收机的阶段被执行的。由于定位接收机必须捕获所要接收的每个信号，因此接收四个不同的卫星信号需要花费很长时间。对于捕获以及从卫星接收信号而言，在能够接收信号之前，现有技术的定位接收机必须找出所要接收的每个信号的数量、多普勒频率以及码相位。这个步骤需要的操作数量可以借助系统中的卫星数目、多普勒频率变化以及不同码相位的数量来进行估计。举例来说，假设卫星定位系统包含32颗卫星，从21个不同的频率范围搜索多普勒频率，并且存在1023个不同码相位以及应用了1/2码片分辨率，那么这些数值的乘积将会给出一个与该问题的程度有关的概念。借助以上给出的数字，对于从单个卫星捕获信号而言，不同的组合数目约为1,300,000(＝32×21×2046)。以上给出的数值恰好对应于目前使用的GPS系统中的情形。

在一些情况下，定位接收机已经预先接收了卫星信号，并且具有某种其自身位置的估计值，以及卫星轨道数据，因此更容易出现以上提到的情形。因而有可能将一个预先确定的位置用作缺省位置。当定位接收机具有某种时间数据、位置数据以及卫星轨道数据时，通过计算，有可能估计出卫星到定位接收机的方位角，并且使用这个数据来仅仅限制对于这种卫星信号的捕获，其中根据计算，相对于定位接收机的位置而言，卫星当时处于水平线之上。此外，假设定位接收机相对卫星移动却保持静止或是移动缓慢，那么有可能进一步限制沿着视线传送的信号的多普勒频率搜索范围。

然而定位接收机并不一定具有GPS系统的精确时间数据，其中定位接收机不能以很高精度来估计卫星位置。

然而，由于一个码片的长度很短，因而为了限制码相位的搜索范围，定位接收机应该具有非常精确的时间数据。例如在GPS系统中，一个码片大约是0.98μs，码重复间隔(历元(epoch))大约是1毫秒。而这种精度是不可能通过定位接收机中使用的常规实时时钟(RTC)来实现的。因此在常规的定位接收机中，在完成了对于来自至少四个不同卫星的信号的捕获并且已经根据这些信号确定了定位接收机位置和系统时间数据之前，对于这种未曾捕获的这种卫星信号来说，码相位的估计是不可能进行的。在现有技术的常规定位接收机中，对四个信号进行捕获，并且位置以及时间数据是在没有码相位资料的情况下被确定的。首先，在已经发现和接收了这四个不同信号并以某种精度确定了系统时间数据和定位接收机位置之后，对其它卫星的信号进行搜索，并且使用码相位数据来捕获卫星信号。基于这些卫星而被确定的信息可用于提高定位精度。这种对于四个不同卫星信号的捕获将会花费很长时间，尤其是在信号非常微弱的情况下。实际上，捕获时间因而有可能是数十分钟，乃至好几个小时，实际上，这在大多数应用中都意味着无法使用定位接收机。特别是在户内，信号强度有可能非常微弱，乃至于无法进行捕获，并且定位也不会成功。

GPS卫星系统应用了两种卫星轨道数据，即星历表和历书，其中星历表更为精确。星历表轨道数据的精度小于一米，而历书轨道数据则以大约0到3千米的精度来指示卫星位置。每个卫星只发送自己的星历表轨道数据，而历书轨道数据则被发送到所有卫星。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种用于加快定位接收机定位的方法，一种定位系统以及一种电子设备。本发明基于这样一种思想，其中一颗卫星的信号捕获是通过将一个已知位置用作电子设备缺省位置而在电子设备的定位接收机中实施的，其中已知位置比较接近电子设备当时的位置。在本发明的一个有利的实施例中，这个缺省位置是移动通信网络中基站的已知位置。基于这个缺省位置和一个卫星信号，有可能形成一个相对精确的系统时间数据估计值，其中，这个时间数据被用于估计一个或多个其他卫星信号码相位。当几个码片精度以内的码相位已知时，搜索卫星信号要比从所有不同的可能码相位中进行搜索更为容易。更为确切的说，本发明的特征主要在于，该方法至少包括步骤：

一个使用所述缺省位置来确定第一时间数据估计值的确定步骤，

一个基于所述时间数据估计值、缺省位置以及卫星轨道数据来计算卫星信号码相位估计值的计算步骤，以及

一个搜索步骤，其中接收一个从定位系统中的卫星发送的码调制信号，以便搜索至少一个卫星的信号以及使用所述码相位估计值来捕获该信号。

根据本发明的系统，其特征主要在于，该系统包括：

使用所述缺省位置来确定第一时间数据估计值的装置，

基于所述时间数据估计值、缺省位置以及卫星轨道数据来计算卫星信号码相位估计值的装置，以及

搜索至少一个卫星的信号以及使用所述码相位估计值来捕获该信号的装置。

此外，根据本发明的电子设备，其特征主要在于，该电子设备包括：

使用所述缺省位置来确定第一时间数据估计值的装置，

本发明显示出超越现有技术解决方案的显著优点。在应用根据本发明的方法时，有可能显著加快对于来自用于定位的卫星的信号的捕获，因为在借助缺省位置和一个卫星信号而对时间数据进行了相对精确的判定之后，码相位估计值的误差可以借助该方法而被限制在几个码片以内。因此，与现有技术的接收机相比，通过使用该方法，很容易就可以在定位中实现甚至四倍速率。另一方面，为了提高精度，对于来自一颗卫星的信号的捕获时间可以成为四倍，并且仍然像现有技术中的定位接收机那么快的进行定位。快速定位具有如下优点，例如减少了把定位接收机保持在激活状态中的时间，由此减少了定位接收机的功率损耗，这在便携设备中是特别有利的。

附图说明

在下文中，本发明将会参考附图而被更为详细的描述，其中

图1在一个简化流程图中显示了根据本发明一个优选实施例的方法的操作，

图2显示了当缺省位置与接收机实际位置之间的水平距离大约是5千米时，作为卫星方位角与仰角的一个函数的卫星与接收机之间的距离误差。

图3显示了应用本方法的一种情形，以及

图4在一个简化框图中显示了根据本发明一个优选实施例的定位接收机。

具体实施方式

以下描述中将结合GPS卫星定位系统来举例说明根据本发明的一个有利实施例的方法，但是很明显，本发明并不局限于只在这个系统中使用。图3显示了应用本发明一种实例的情形，并且图4在一个简化框图中显示了根据本发明一个有利实施例的电子设备1。举例来说，电子设备1包含一个定位接收机2以及通信装置3，例如移动通信装置。如果必要的话，电子设备1可以借助这些通信装置3来与例如移动通信网络的一个通信网络4进行通信。此外，电子设备包含一个控制部件5，该部件优选包含一个处理器MCU和/或一个数字信号处理器DSP。为了加以使用，电子设备1具有至少一个用户界面6，该界面优选包含一个显示器7、一个辅助键盘8以及音频装置9a、9b、9c。为了保存数据和应用软件，该电子设备具有存储装置10。

在开启电子设备1时，最好确定电子设备1是否包含卫星轨道参数(星历表轨道数据和/或历书轨道数据)、预先确定的位置数据和/或保存在其中的时间数据。如果没有足够新的轨道数据、位置数据或时间数据，则可以经由通信网络4来下载数据。从通信网络4中可以下载轨道参数、粗略的系统时间数据以及参考点的位置数据。所用参考点最好是通信网络4中一个已知点的位置，例如基站11的位置，其中该基站当时被用作电子设备1的所谓的服务基站，也就是电子设备1与通信网络4之间进行通信所要经过的基站。通常，电子设备1与服务基站之间的距离不超过数十千米，优选不超过大约30千米。然而很明显，在本发明中，所述最大距离也可以大于或小于30千米。

图1在一个框图中显示了根据本发明一个优选实施例的方法的不同步骤。电子设备1选择一个发送信号的卫星来进行接收，例如图3情形中的第一卫星SV1。在这种卫星选择中，有可能使用现有技术的方法。此后，如果可能的话，所选卫星信号的搜索及其捕获是在定位接收机2中开始的。在流程图中，步骤101显示了上述数据的确定以及卫星的选择。

举例来说，在定位接收机中根据信噪比来检查是否可以接收到那种强度足以对信号中发送的导航数据进行解调的卫星信号(步骤102)。在一种可以在定位接收机2中接收到这种强度足以对信号中发送的导航数据进行解调的卫星信号的情况下，可以直接从卫星信号中确定所述时间数据(步骤103)。

然而并不是始终都可以找到任何足以解调导航数据的卫星信号。因此，举例来说，有可能使用本身已知的相关方法，该方法使用已知的参考数据，其中参考数据与所接收的卫星信号进行相关(最好是互相关)(步骤104)。借助互相关，试图找出这样一个点，其中已知的参考数据存在于信号之中，由此在定位接收机2中进行卫星信号的捕获，以便找到周(week)数据的时间。可用于互相关的参考数据越长，互相关的结果就越好。

在一些情形中，有可能把电子设备1的存储装置10中保存的轨道参数用作轨道参数，而把电子设备1的实时时钟(RTC)12的时间数据用作时间数据，以及把电子设备1的存储装置10中保存的预定位置用作参考点位置数据。因此，接收机不需要来自通信网络的任何信息。然而，时间数据应以几秒为精度进行校正；优选的，时间数据的最大误差约为3秒。轨道参数应该是有效的，并且参考点的位置数据实际上不应该不如获取自通信网络的相应位置数据精确。

在确定了周数据的时间之后，码片步长被设定为它的初始值，最好是零(步骤105)。如在以下描述中所给出的那样，在根据本发明一个有利实施例的方法中，这个码片步长被用于精确调整码相位。

通常，定位接收机有必要捕获至少四个不同的卫星信号来确定位置的三个坐标x、y、z，以及时间数据。在本发明中，已知参考点的位置，例如移动通信网络中所述服务基站11的位置被设定为缺省位置。因此，以上在步骤103或104中根据一个卫星信号而确定的捕获信息以及所选参考点的位置都被用在定位接收机2中，以便计算时间数据(步骤106)。如果参考点与电子设备1的实际位置实质上相同，那么在这个阶段确定的时间数据对应于实际的时间数据。然而在实际情况中，参考点通常并不完全对应于电子设备1的实际位置，甚至有可能存在大约几千米的偏差。尽管如此，步骤106中计算的时间数据也会非常接近实际数据，因为在任何情况下，信号传播时间中的差值都是相对较小的，而传播距离差值约为几千米或数十千米。利用这个信息，假设所确定的时间数据可被用于以这样一种方式来确定码相位，以致其中误差最大约为几个码片。对于必须从所有可能的不同码相位中确定正确码相位的现有技术的情形来说，这是一种相当大的改进。举例来说，在GPS系统中，如果在几个不同频率执行搜索来找出正确的多普勒频率，则意味着对1023个不同码相位乃至几倍于此的码相位进行扫描。

在根据所述参考点、轨道数据以及一个卫星信号确定了所估计的时间数据之后，可以以几个码片的精度来为所有将要搜索的卫星信号计算码相位估计值(步骤107)。举例来说，所搜索的卫星是图3情形中的第二SV2，第三SV3和第四SV4卫星。为每个将要搜索的卫星信号设定一个缺省码相位，其中码相位是通过计算已确定的码相位与码片步长值的总和而被得到的(步骤108)。此后，在定位接收机2中使用所述缺省码相位值来捕获信号(步骤109)。如果可能捕获到所搜索的卫星信号，则为这个卫星校正缺省码相位值。有利的是，定位接收机2包含若干个接收信道CH1、CH2、CHn，最好是至少三个接收信道，其中，实际上可以在各个接收信道上同时尝试捕获一个所要搜索的卫星信号。如果接收信道少于所要追踪的卫星信号，那么至少部分连续执行对于将要追踪的卫星信号的捕获。

接下来的步骤110中检查是否找到了由卫星发送的足够数量的信号，也就是说，是否已经完成了对于将要追踪的所有卫星信号的捕获。如果已经发现了需要数量的信号，则可以使用本身已知的位置计算和测时算法而把这些信号用于进一步定义定位和时间数据(步骤112)。然而，如果没有找到足够数量的卫星信号，则在步骤111中，根据例如预定的置换算法来改变码片步长值。其中一种置换算法是-0.5，+0.5，-1.0，+1.0，-1.5，+1.5，……；也就是说，在第一置换过程中，为码片步长给出-0.5这个值，在第二置换过程中，该值为+0.5，在第三置换过程中，该值为-1.0，以此类推。因此，变量值在零点两旁变化，以便找出正确的码相位值。然而很明显，本发明并不仅仅局限于这种置换算法，它还可以应用其它类型的置换算法。在改变了码片步长值之后，该操作将从步骤106继续，其中三个位置坐标x，y，z以及时间数据将被重新计算，以便与当时情况相对应。并且步骤107到110也被执行。如果结合这个新的码相位值还是没有找到足够数量的卫星信号，那么步骤111将被再次执行，以便改变码片步长的值，并且步骤106到110将被重复。所述步骤106到111将会一直重复，直到发现足够数量的卫星信号，或是满足另一个标准，例如超出了一个可能为重复设置的最大次数。

在上述根据本发明一个有利实施例的方法中，对于以第一步长计算的时间数据来说，其精度实际上与第一步长中使用的卫星与参考点之间的距离差值直接成正比，并与卫星与电子设备之间的距离差值直接成正比。举例来说，这个差值是基于卫星方位角和仰角，并且基于参考点与实际位置之间差值的。

图2描述了参考点与电子设备1之间距离约为5千米时，在卫星与电子设备1之间作为卫星方位角和仰角的一个函数的距离误差。在这里，假设电子设备1与参考点在一个平面上，并且卫星轨道处于相对参考点20,000千米的高度。举例来说，从图2可以看出，当仰角很大，优选约为80到90°时，或者当方位角接近±90°时，距离误差实际上是无关紧要的。在这种情况下，本发明的方法求出的时间数据非常接近实际的时间数据，其中基于该时间数据而为另一个将要搜索的卫星计算的码相位数据是非常精确的。相对地，当卫星接近地平线时，仰角非常小，而方位角优选约为0或±180°，距离误差约为±5千米。在这种条件下，参考点与电子设备之间的距离导致一个距离误差，这个误差实际上具有对应的大小。这个5千米的距离误差相当于时间数据中大约16.7ns的误差，其中，在计算出的码相位中，误差约为17个码片。然而，当通过置换和重复所述步骤106到111来改变所述码片步长值时，这个误差将会减少。

因此，码片步长的作用是补偿所估计的时间数据中的误差，这是因为参考点用作了缺省位置。举例来说，如果码片步长值的置换限度是±20个码片，则有可能使用根据本发明的方法来消除卫星与电子设备之间估计距离中约为5.8千米(＝290米/码片×20个码片)的误差。实际上，举例来说，在基于网络的定位中，移动通信网络被用于定位电子设备1，定位误差小于5千米。因此，通过根据本发明的方法，可以提高精度，而不需要把码片步长值改为±20个码片以上。因此，步骤106到111的重复次数可以保持在合理限度以内。在基于网络的定位方面，所用参考点并不一定是服务基站11的位置，它还可以是在基于网络的定位中得到的位置数据。

在根据本发明另一有利实施例的方法中，足够精确的时间数据经由通信网络4，例如移动通信网络而被发送到电子设备1。因此，定位设备2无需找到第一卫星的信号并对这个信号进行捕获，但是在本发明中有可能从步骤101直接进行到步骤105，其中码片步长被设定为它的初始值。在其他方面，本方法的步骤对应于以上给出的步骤106到111。

本发明还可以用这样一种方式来应用，其中改变了参考点位置，而不是调整时间数据。在参考点位置非常接近电子设备1实际位置的阶段，如果在定位设备1的位置可以得到所希望的卫星信号，则有可能搜索这些卫星信号。然而，由于时间数据的改变不会对卫星与定位接收机之间的几何结构产生影响，因此改变时间数据更为有效。取而代之的是，举例来说，参考点的变化将会改变与参考点有关的方位角和/或仰角。

根据本发明的方法主要是通过电子设备1的控制部件中的软件来实现的。作为根据本发明的电子设备1的定位接收机2，它有可能使用本身已知的接收机结构。

本发明还可应用于这样一种情况，其中定位接收机2暂时失去了这种由定位接收机2捕获的卫星信号。在这种情形下使用的也是上述方法，也就是说，为了进行定位，对一个卫星的信号进行追踪或是从通信网络接收时间数据，并且对其它卫星的信号进行捕获。然而现有技术的解决方案中使用了预先得到的码相位信息以及有可能是最近确定的位置数据来进行所谓的再捕获。

很明显本发明并不仅仅局限于以上给出的实施例，而是可以在附加权利要求的范围内进行修改。

Claims

1.一种借助定位系统中的卫星来确定电子设备(1)位置的方法，其中卫星轨道数据被确定并为电子设备(1)确定一个缺省位置，其特征在于，该方法至少包括步骤：

一个确定步骤，使用所述缺省位置来确定第一时间数据估计值，

一个计算步骤，根据所述时间数据估计值、缺省位置以及卫星轨道数据来计算卫星信号的一个码相位估计值，以及

一个搜索步骤，其中定位系统的卫星所发送的码调制信号被接收，以便搜索至少一个卫星的信号以及使用所述码相位估计值来捕获该信号。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于：如果无法基于所述第一时间数据估计值来执行对来自至少一个其他卫星的信号的捕获，则改变所述时间数据估计值，其中所述计算步骤和搜索步骤将被重复，并且在每次重复中，在所述计算步骤中都会使用一个改变的时间数据估计值。

3.根据权利要求1或2的方法，其中电子设备(1)被用于从通信网络(4)接收信息，其特征在于：关于所述缺省位置的数据是从通信网络(4)接收的。

4.根据权利要求3的方法，其特征在于：所使用的所述通信网络(4)是一个移动通信网络，它具有用于通信网络与电子设备(1)之间通信的基站，并且所使用的所述缺省位置是基站(11)的位置，其中移动通信网络与电子设备(1)之间经由该基站来进行通信。

5.根据权利要求3的方法，其特征在于：所使用的所述通信网络是一个移动通信网络，其中电子设备(1)的位置被确定，并且所使用的所述缺省位置是在通信网络中确定的电子设备(1)的位置。

6.根据权利要求1到5中任一权利要求的方法，其特征在于：为了确定所述第一时间数据估计值，接收一个卫星的信号，并且对所要接收的这个信号进行捕获。

7.根据权利要求1到5中任一权利要求的方法，其特征在于：所述第一时间数据估计值是从通信网络发送到电子设备(1)的。

8.一种系统，它具有借助定位系统中的卫星所发送的码调制信号来确定电子设备(1)的位置的装置，其中定位系统卫星轨道数据被确定，并且该系统包含为电子设备(1)确定一个缺省位置的装置(4，11)，电子设备(1)包含接收定位系统中的卫星所发送的码调制信号的装置(2)，其特征在于，该系统包括：

使用所述缺省位置来确定第一时间数据估计值的装置，

基于所述时间数据估计值、缺省位置以及卫星轨道数据来计算卫星信号的一个码相位估计值的装置，以及

搜索至少一个卫星的信号并且使用所述码相位估计值来捕获该信号的装置(2，5)。

9.根据权利要求8的系统，其特征在于：它包含装置(5)，用于在不可能基于所述第一时间数据估计值来捕获至少一个其他卫星信号的情况下改变所述时间数据估计值，还包含用于计算卫星信号码相位估计值和重复搜索卫星信号的装置，以及将改变的时间数据估计值用于每次重复的装置。

10.根据权利要求8或9的系统，其中电子设备(1)被用于从通信网络(4)接收信息，其特征在于：电子设备(1)包含从通信网络(4)接收关于所述缺省位置的数据的装置(3)。

11.根据权利要求10的系统，其特征在于：所述通信网络(4)是一个移动通信网络，它具有用于移动通信网络与电子设备(1)之间通信的基站(11)，并且所使用的所述缺省位置被安排在基站(11)的位置，其中移动通信网络与电子设备(1)被安排成经由该基站进行通信。

12.根据权利要求10的系统，其特征在于：所述通信网络(4)是一个移动通信网络，它具有用于确定电子设备(1)的位置的装置，并且所使用的所述缺省位置被安排在移动通信网络中所确定的电子设备(1)的位置。

13.根据权利要求8到12中任一权利要求的系统，其特征在于：确定所述第一时间数据估计值的装置包含接收一个卫星的信号的装置(2)以及捕获所接收信号的装置。

14.根据权利要求8到12中任一权利要求的系统，其特征在于：它包含将所述第一时间数据估计值从通信网络发送到电子设备(1)的装置(11)。

15.一种电子设备(1)，它包含借助定位系统中的卫星所发送的码调制信号来确定位置的装置(2，5)，其中定位系统卫星轨道数据被确定，并且电子设备(1)包含为电子设备(1)确定一个缺省位置的装置(3)，以及对定位系统中的卫星所发送的码调制信号进行接收的装置(2)，其特征在于，该电子设备包括：

使用所述缺省位置来确定一个第一时间数据估计值的装置(2，5)，

基于所述时间数据估计值、缺省位置以及卫星轨道数据来计算卫星信号码相位估计值的装置(5)，以及

搜索至少一个卫星的信号以及使用所述码相位估计值来捕获该信号的装置(2，5)。

16.根据权利要求15的电子设备(1)，其特征在于：它包含装置(5)，用于在不可能基于所述第一时间数据估计值来捕获至少一个其他卫星信号的情况下，改变所述时间数据估计值，该电子设备还包含计算卫星信号码相位估计值以及重复搜索卫星信号的装置，以及将改变的时间数据估计值用于每次重复的装置。

17.根据权利要求15或16的电子设备(1)，其特征在于：它包含保存所述卫星的轨道数据的装置(5)。

18.根据权利要求15、16或17的电子设备(1)，其特征在于：它包含用于执行移动站功能的装置(3)。