CN1815256B - 全球定位系统接收机中跳过z计数和准确时间 - Google Patents

Abstract

导航卫星接收机包括高灵敏度射频前端和与客户CPU相关联的导航处理器。客户CPU运行与导航处理器串行通信的操作系统。客户CPU还能够从网络服务器获得导航数据系统传输，并且在高灵敏度环境中的直接卫星信号太弱以致不能被直接解调时，提供导航数据系统传输。具有表型晶体的低功率、低频振荡器和计数器用作实时时钟，以在接收机休眠时保持时间不确定性低于50毫秒。如果在重新唤醒接收机时，时间不确定性和位置不确定性低于某些最大值，则将需要最少数量的卫星，并且能够避免取每颗卫星的初步z计数。

Description

全球定位系统接收机中跳过Z计数和准确时间

技术领域

本发明涉及被关闭然后在弱信号环境中再打开的高灵敏度导航卫星接收机，并且更具体地涉及在接收的信号太弱以致不能从GPS载波解调导航数据时、用于避免确定z计数和系统时间的方法和电路。

背景技术

全球定位系统(GPS)接收机使用从星座中的若干地球轨道卫星接收的信号来确定用户位置和速度以及其它导航数据。刚刚打开的现有技术的导航接收机还不知道它在哪里、它的晶体振荡器误差有多少，也不知道是什么时间。所有这些都需要得到并且锁定到卫星传输上，因此必须使搜索成为可能。首先搜索最可能的以节省时间。

高灵敏度GPS接收机在初始时间或者频率不确定性大时存在问题。在信号能量极弱时，接收机必须收听更靠近在一起的更多的单独频率，并且停留在每个步骤更久。飞行中卫星的相对速度所引起的多普勒频移贡献了一些这种频率不确定性，但是本地时钟误差也如此。如果本地时钟没有同步到精确的时间基准，则时钟误差可以非常大。在常规GPS接收机关闭时，它停止跟踪提供精度时间基准的GPS卫星。在接收机由用户关闭时，GPS接收机中的基准振荡器一般也被关闭。因此，对本地基准振荡器进行更好地初始估计能够改进首次定位的时间。

“z计数”是GPS导航消息中每六秒发送的时间标记。在不知道位置的情况下，能够利用第一z计数在初始将接收机时间设置为±13毫秒，因为在地球表面上到任何轨道卫星的范围是60-85毫秒。

信号电平比-145dbm更好的GPS接收机能够容易地锁定到强的GPS卫星运载火箭(SV)上，以对NAV数据解码。这产生SV星历和位置。此后，总伪距需要根据硬件码相位形成。常规GPS接收机从所谓的z计数确定整数毫秒范围。

当信号电平大略几乎等于-145dbm到-150dbm时，实用的高灵敏度GPS接收机能够采用模式匹配技巧来得到z计数。

锁定到一个或多个GPS卫星运载火箭(SV)上并跟踪其的GPS接收机以非常高的准确度知道时间。这是因为GPS系统基于设置时间和使用的频率基准的原子钟。SV发射的粗捕获(C/A)在传播波长的每一毫秒重复，并且因此关于GPS接收机观察哪个毫秒存在基本模糊度。如果知道整数毫秒，例如，知道伪距大于1毫秒，则整数模糊度就解决了。然后能够从定位获得准确时间。在初始捕获期间，最少需要捕获三颗卫星，不是四颗。少找一颗卫星可导致节省首次定位的时间。

本发明人Paul McBurney描述了一种解决方案，它保持实时时钟运行，参见2004年3月30日授予的美国专利6714160。该专利通过引用结合于本文中。但是，利用这样一种解决方案，仅仅保持实时时钟有效所需的无功电流在3伏特下可以为3毫安，或者9-10毫瓦。所需的是能够在小于10微瓦下提供良好结果的实时时钟。PaulMcBurney还在2003年12月30日授予的美国专利6670916中描述了一种栅格搜索方法。导航卫星接收机能够通过知道几秒之内的时间和150千米之内的位置而在其初始化时得到良好的开端。建立具有恒定高度的点的二维栅格，它代表150千米区域以内的解起始点。检查来自星座中每颗卫星的部分(fractional)伪距，以得到与栅格中的点的最佳初始拟合。还对各个点尝试时间界限内的各种时间偏差调整，以得到最佳拟合点。该点然后用在驱动中，以得到最终解并且产生首次定位。

每当位置不确定性超过一半的码相位模糊度距离时，需要z计数来从卫星确定接收机的整数毫秒。必须形成总伪距，例如，整数毫秒和z计数，以计算用户位置坐标。

所需要的是一种低能量方式来保持足够准确的时间，以加速高灵敏度GPS接收机的热启动。

发明内容

简要地，本发明的导航卫星接收机实施例包括高灵敏度射频前端和与客户CPU相关联的导航处理器。客户CPU运行与导航处理器串行通信的操作系统。客户CPU还能够从网络服务器获得导航数据系统传输，并且在高灵敏度环境中的直接卫星信号太弱以致不能被直接解调时，提供导航数据系统传输。具有表型晶体的低功率、低频振荡器和计数器用作实时时钟，以在接收机休眠时保持时间不确定性低于50毫秒。如果在重新唤醒接收机时，时间不确定性和位置不确定性低于某些最大值，则将需要最少数量的卫星，并且能够避免取每颗卫星的初步z计数。

本发明的一个优点在于，提供在导航卫星接收机中产生更快的高灵敏度定位的电路和方法。

本发明的另一优点在于，为在信号非常弱但强度足以得到码相位时而提供的、并且用于避免在GPS接收机中使用更难的过程和计算来得到z计数和整数毫秒的系统和方法。

本发明的再一个优点在于，提供用于减少GPS接收机中实时时钟所需的休眠电流的系统和方法。

本发明的这些及其它目的和优点在阅读以下在各个附图中图示的优选实施例的详细说明之后，对本领域普通技术人员无疑将变得显而易见。

附图说明

图1是本发明的网络系统实施例的功能框图，其中服务器支持在因特网上传递信息的客户；以及

图2是本发明的方法实施例的流程图。

具体实施方式

图1代表本发明的高灵敏度导航卫星接收机系统实施例，并且在本文中用总的附图标记100表示。系统100包括由网络服务器104支持的至少一个导航平台102。从轨道导航卫星接收的传输用信号105表示。本发明的主要益处在信号105太弱以致于不能允许解调导航数据、但强度足以允许获得码相位时得以实现。因为导航平台102需要这样的导航数据来产生定位，所以呼叫网络服务器104来提供这样的信息。

因此，本发明的实施例与在信号强度非常低并且可得到在一半的码相位模糊度距离内的上一位置的情况下工作的高灵敏度GPS接收机相关联。(该距离通常大约为75km，但在栅格搜索时扩大为大约150km，因为位置不确定性降低，使得能够正确地解开时钟不确定性)。例如，在室内或者在类似树叶的自然掩盖物下。在这种情况下，可用卫星的数量还可以是临界的，并且存在热启动高灵敏度定位所需的最少卫星数量为三颗卫星而不是四颗的优点。

每个GPS测量平台102一般地包括GPS天线106、低噪声放大器(LNA)108、GPS表面声波(SAW)滤波器110、具有中频(IF)SAW滤波器113的射频(RF)专用集成电路(ASIC)112、专门GPS导航数字信号处理器(DSP)114、高频CPU晶体振荡器115、客户通信信道116、实时时钟(RTC)计数器117、低频表型晶体振荡器118以及电池120。

操作具有表型晶体的晶体振荡器118节省相当多的电力。这种晶体在大约32kHz谐振，并且此低频面对少得多的AC负载效应。现有技术的RTC使用了高得多的频率和无功电流的振荡器。

DSP 114包括位置和时间不确定性计算器。它能够在重新启动期间确定位置不确定性是否由于用户移动而增长到大于大约一半的码相位模糊度距离、和/或时间不确定性是否增长到大于大约50毫秒或者大于10秒。如果接收的信号太弱以致不能确定z计数，则码相位噪声更高。由低于50毫秒的时间误差所引起的计算卫星位置误差对位置准确度的降低并未高于码相位噪声的。没有z的定位中的建模在超过10秒时变得不确定。真实的时间误差是在关闭时段期间频率误差的积分。这可以通过将最坏情况的频率误差乘以接收机关闭的时段来近似计算。温度校正法可用于扩展可容许的关闭时间。

DSP 114还包括在位置和时间不确定性计算器指示不确定性小得足以直接进行定位时跳过对z计数的初步确定的逻辑。这种逻辑可使用少到3颗的没有z计数的卫星而获得首次热启动定位。这还在图2中进一步具体描述。

在“客户侧”，包括27.456MHz主时钟(MCLK)晶体振荡器122、主处理器(CPU)124、基准晶体温度传感器(T)126、晶体温度-频率模型128以及监视MCLK的毫秒的毫秒历元监视器130。客户CPU 124和DSP 114之间的通信在串行信道116上进行。运行在客户CPU 124上的操作系统对其进行控制，并且可以忙于不同于导航的其它作业。因此，客户侧维持的任何时间不能足够好地传递给DSP 114以用在初始化中。如果DSP 114要在它断电的同时维持有用地准确时间，则它必须具有像RTC 117的本地计时器。DSP 114能够对照GPS系统时间校准RTC 117的计数偏差，并且随后在它存取RTC 117计数时减去此偏差。

使RTC 117计数同步，以仅仅在GPS系统时间的毫秒(msec)间隔上读取。这保证了一致的读数，它们提供比需要的50毫秒准确度更高的准确度。如果只是特定地(ad hoc)读取计数器，则50毫秒准确度是不可能的。在接收机定位之后，它知道在特定毫秒的GPS时间，因此它能够几乎无误差地传播该时间到任何毫秒。在接收机重新启动时，读取另一GPS毫秒。通过添加上次定位的计数器和在当前毫秒读取的当前值之差，然后能够知道什么时间与那个新的毫秒相关联。

在一个实施例中，低频表型的晶体振荡器118工作在大约32.768KHz，并且具有±20ppm的基本晶体频率容差。例如，常规的石英表振荡器晶体。

工作在32.768KHz范围中的晶体振荡器比运行在高得多的频率下的振荡器需要少得多的功率来操作。这主要因为出现在更高频率下的递增的AC信号电容性负载。

电池120提供便携式操作，并且提供能够由用户切断的工作电力。休眠电力不能由用户切断，并且它保持低频振荡器118和RTC计数器117有效。

当重新唤醒高灵敏度导航接收机时，将存在两种基本不确定性，例如，位置和时间。如果位置不确定性低于一半的码相位模糊度距离，并且时间不确定性低于50毫秒，则可利用捷径来提供快速的热启动定位，因为能够跳过一些难以获得的信息。为此需要最少三颗卫星。如果时间不确定性小于10秒，则仍然能够避免每颗卫星的z计数，但将需要最少四颗卫星。

本发明的实施例通过校准低频振荡器118和RTC计数器117到GPS系统时间、并且利用其后获得的计数在热启动期间复位接收机时钟，从而在再次加电之后减少时间不确定性。具体地，在非常弱的信号环境中，不能直接从卫星传输解调导航数据。

图2图示本发明的方法实施例，并且在本文中用总的附图标记200表示。在可得到准确的GPS系统时间的冷启动和初始化之后，在能够从GPS定位计算GPS时间时，步骤202通过在毫秒中断读取计数器来校准计时器。例如，可以使用图1中的RTC计数器117。在步骤204，导航接收机断电，但例如用如图1所示的电池使计时器保持运行。在GPS导航接收机重新启动时，如步骤206所示，将存在位置不确定性和时间不确定性。例如，通过DSP 114中的过程来参考计时器，以计算接收机断电多久，并且因此计算位置和时间不确定性是多少。例如，位置不确定性是最大可能用户速度乘以Δ时间(ΔT)。时间不确定性是晶体频率漂移乘以Δ时间(ΔT)。

步骤208中，进行位置不确定性测试。如果它超过大约一半的码相位模糊度距离，即1毫秒的一半码相位的传播距离，则步骤210用来得到三颗卫星的z计数。这将然后将不确定性减少到低于一半的码相位模糊度距离，并且栅格搜索方法可用于继续进行而不需要第四颗卫星。

一旦位置不确定性减少到或者确定低于一半的码相位模糊度距离，则步骤212可用于检查时间不确定性是否低于50毫秒。如果是，则在步骤214中，能够在没有z计数并且仅仅用三颗卫星的情况下确定定位。步骤216用来检查时间不确定性是否低于10秒。如果是，则步骤218在没有z计数的情况下确定定位，但它需要四颗卫星。否则，步骤220得到至少一个z计数。

本发明用于更快地在弱信号环境中热启动高灵敏度导航卫星接收机的方法实施例具有两个不同的会话。在关于GPS接收机的第一会话期间，捕获GPS卫星，并且产生用户位置坐标。然后求出在接收机毫秒的GPS系统时间。从包括在GPS接收机中的晶体振荡器驱动的计时器读出计数，并且相对于接收机毫秒校准。从计时器获得的任何计数以及获得它的GPS系统时间都记录在存储器中。然后断电结束第一会话。

再次加电开始第二会话，但计时器一直保持有效并且继续进行它的计数。读出在接收机毫秒的计时器的计数，并且减去第一会话中存储在存储器中的上次计数，以确定GPS接收机被关闭了多少个时钟。到上次知道的GPS系统时间的时钟数量用来设置接收机时间。因此在位置不确定性不超过特殊阈值时，能够避免来自服务器的耗时的或者无效的对NAV数据的请求。

本文所述的以大约32KHz计时的计时器能够在小于10微瓦下工作。温度测量还可以周期性地进行，以进一步精调计算的接收机被关闭的时段。例如，将整个关闭时间分解成组成时段

尽管本发明已经依据当前优选实施例进行了描述，但应该理解，本公开不应解释为限制。无疑，在阅读了以上公开之后，各种变化和修改对本领域技术人员都是显而易见的。因此，本公开旨在解释为覆盖落入本发明的“真实”精神和范围内的所有变化和修改。

Claims (5)

1.一种导航卫星接收机系统，包括：

用于导航定位的GPS射频专用集成电路和数字信号处理器；

在GPS射频专用集成电路接收的直接GPS卫星传输太弱以致不能直接解调GPS导航数据、或者太旧以致无用时，用于所述数字信号处理器的GPS导航数据的网络源；

计时器，连接到所述数字信号处理器并且能够在所述数字信号处理器断电时维持计数；

校准器，用于比较GPS系统时间和所述计时器中的计数，以随后用于重建GPS系统时间；

配置在所述数字信号处理器中的位置和时间不确定性计算器，用确定这样的不确定性是否超过特殊限制；以及

配置在所述数字信号处理器中的导航计算器，在所述不确定性没有超过所述特殊限制的情况下，用于在所述数字信号处理器加电时利用所述计数产生定位而不首先获得z计数。

2.如权利要求1所述的系统，还包括：

表型晶体振荡器，与所述计时器相关联并且在所述数字信号处理器断电时提供实质的电力节省。

3.如权利要求1所述的系统，其中：

所述位置和时间不确定性计算器确定所述位置不确定性是否超过一半的码相位模糊度距离；以及

在所述位置不确定性确实超过一半的码相位模糊度距离时，所述导航计算器获得至少三颗卫星的z计数，以允许将所述位置不确定性减少到小于一半的码相位模糊度距离的定位，并且因此允许在定位中不需要任何卫星上的z计数的后续定位。

4.如权利要求1所述的系统，其中：

所述位置和时间不确定性计算器确定所述位置不确定性是否没有超过一半的码相位模糊度距离，并且对于弱信号情况所述时间不确定性是否超过最大时间误差但小于10秒；以及

如果对于弱信号情况所述时间不确定性超过所述最大时间误差但小于10秒，则所述导航计算器获得第四颗卫星，并且仍然在没有z计数的情况下继续进行。

5.如权利要求1所述的系统，其中：

所述位置和时间不确定性计算器确定所述时间不确定性是否超过10秒；以及

如果所述时间不确定性超过10秒，则所述导航计算器获得一个z计数，并且其后所述时间不确定性能够减少到低于50毫秒。

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