CN1854753A - 断电时保持全球定位系统接收机和移动电话的精确时间 - Google Patents

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Abstract

混合的导航卫星接收机和移动电话只使用两个晶体振荡器。一个晶体振荡器工作主时钟约27MHz，并消耗毫瓦级的功率。另一个晶体振荡器只消耗微瓦级的功率，并在电池供电下持续工作在约32KHz。只有第二个低频振荡器保持在电源“关闭”期间运行。在电源“重启”时，参考实时时钟计数器，促使GPS系统时间的估算重新生成，并被提供给GPS－DSP，以加快其初始化。主时钟被GPS校准，并且精确时钟用于驱动用于移动电话部分和主机CPU的NCO。

Description

断电时保持全球定位系统接收机和移动电话的精确时间
技术领域
本发明涉及在时间不确定时初始化慢的问题，更具体而言，涉及采用在掉电周期内保持运行的GPS校准的实时时钟，以便在初始化期间为混合GPS接收机和移动电话的一半都提供精确的时间估算。
背景技术
相关申请
这是由本发明人Paul W.McBURNEY、Arthur WOO和France RODE在2003年9月4日提交的题为“COMBINATION NAVIGATION SATELLITERECEIVERS AND COMMUNICATIONS DEVICES”的美国专利申请10/656,078的部分继续申请。在此称为“母案”。
大多数消费类电子设备都是大批量生产的，其销售极大依赖于它们的价格。一种提供更好价格的方法是降低制造成本，例如劳动力和所用元件的成本。目前，导航卫星接收机与通信设备的组合是可利用的，许多传统的商业产品都为导航卫星接收机部分提供了一组晶体和晶体振荡器，并且为通信设备提供单独的一组。
全球定位系统(GPS)接收机使用从星座中绕地球运行的卫星接收的多个信号，以便确定用户的位置和速度，以及其它导航数据。现有技术的导航接收机在刚接通时仍然不知道它在哪里，其晶体振荡器的误差多大，也不知道是什么时间。所有这些都需要发现并锁定卫星传送，从而必须探究多个可能性。首先最可能要探究的是节省时间。
在初始时间或频率不确定度大时，高灵敏的GPS接收机是一个问题。当信号能量极度微弱时发现信号能量，需要做出更小的步长并在每步停留更长时间。因此具有本地基准振荡器的较好初始估算可改进首次定位时间(time-to-first-fix)。
具有更好信号电平即-145dbm的GPS接收机，可以轻易锁定强GPS卫星载体(SV)，以解码NAV数据。如此可产生SV星历和位置。在那之后，总伪距(pseudorange)需要根据硬件代码相位(codephase)而形成。通常GPS接收机确定整数之毫秒和所谓的z计数。
当信号电平大概不如-145dbm～-150dbm好时，实际高灵敏度GPS接收机可采用样式匹配的跟踪，以便获得定位任意地方(anywhere-fix)的z计数或整数之毫秒。
锁定或跟踪一个或多个GPS卫星载体(SV’)的GPS接收机，知道非常高精度的时间。这是因为GPS系统是基于原子时钟的，该时钟设置使用的时间和频率基准。SV’传输的粗捕获(C/A)在传播波长的每一个毫秒都重复，从而GPS接收机正观测到哪个毫秒基本上是模糊的。如果知道了整数之毫秒，例如，知道优于一毫秒的时间，那么整数的模糊性不需要求解。知道了z计数，跳过查找z计数并设置整数之微秒的步骤，可节省大量的时间以及可节省对GPS接收机在冷启动之后提供其首次导航解决方案定位的研究的努力。
需要低生产成本的导航卫星接收机和通信设备的组合。
发明内容
简单地说，本发明的混合导航卫星接收机和移动电话实施例只使用了两个晶体振荡器。一个振荡器操作约27MHz的主时钟，并消耗毫瓦级的功率。另一个振荡器只消耗微瓦级的功率，并在电池供电下持续操作在约32KHz。在电源“关闭”期间，只有第二个低频振荡器保持运行。在电源“重启”时，参考实时时钟计算器，促使GPS系统时间的估算重新生成，并被提供给GPS-DSP，以加快其初始化。主时钟被GPS对准，并且精确时钟被用于驱动移动电话部分和主机CPU的NCO。
本发明的优点在于，提供了一种混合导航接收机和移动电话的组合的系统和方法，以便快速初始化并只用两个晶体。
毫无疑问，在阅读了以下各种附图中所示的优选SPS接收机的详细描述之后，本领域普通技术人员可以清楚了解本发明的这些和其它目的及优点。
附图说明
图1是本发明实施例的组合GPS卫星导航接收机部分和通信设备系统的功能框图；
图2是本发明GPS系统实施例的功能框图，其中实施例支持具有网络服务器提供的信息的客户端接收机；以及
图3是在本发明实施例的组合GPS卫星导航接收机和通信设备系统中多次重用频率的示意图。
具体实施方式
图1说明了本发明的混合卫星导航接收机和通信设备实施例，并在此用概括的参考数字100来表示。系统100具有两个基本部分：采用全球定位系统(GPS)接收机102形式的导航接收机，以及采用移动电话104形式的通信设备。GPS部分102是独立的定位模型，也可以是具有在主机CPU上执行的定位码的测量模型。每个部分可分别从GPS系统和蜂窝电话基础设施导出精确的系统时间。需要精确的时间来稳定它们各自的本地振荡器(LOgps和LOcell)。具有精确的本地振荡器允许了每个部分不用在频率搜寻时间下就可在其各自频谱中发现载波。
本发明的实施例允许GPS接收机102和移动电话104都完全关闭以节省电池能量。GPS接收机102包括GPS天线106，其连接GPS-RF-IF级108。GPS数字信号处理器(GPS-DSP)110采样已经下转换的信号，并产生定位解决方案和高精度的GPS系统时间。27MHz的晶体112控制主时钟114。GPS接收机需要的各种LO和LF频率由GPS振荡器116从主时钟产生。软件控制的晶体振荡器(SCXO)模型118接收来自温度传感器(T)120的温度输入。它还接收来自时基122的精确GPS时间。SCXO模型118能够补偿晶体112的稳定漂移。为了完全讨论该技术，这里参见2003年1月21日发布的美国专利6,509,870 B1，其在本申请中引入作为参考。
在正常操作期间，主时钟114需要毫瓦级的工作功率。因此，这必须在用户输入“关闭”命令时被关闭。其操作在用户发出“重启”命令时重新开始。问题是，精确的GPS时间在关闭时间没有一直在计算。
在正常操作期间，精确时基122向GPS时间再生器124提供计算过的GPS系统时间。GPS时间再生器124还从实时时钟(RTC)126接收“偏移”计数。低频32KHz的晶体128控制RTC 126，并工作在微瓦级的功率上。这比主时钟114所需功率量低三个等级。GPS时间再生器124能够计算低频32KHz晶体128的误差和漂移。它还接收与GPS系统时间对准的计数。在接收到“关闭”命令时，存储与最后计算的良好的GPS系统时间对准的偏移计数。在接收到“重启”命令时，GPS时间再生器124向最后计算的良好的GPS系统时间添加当前的偏移计数，校正误差和漂移。这导致再生GPS时间，而再生的GPS时间通过精确时基被反馈给GPS-DSP 110。在GPS-DSP 110，再生的GPS时间用作开始载波频率搜索和多普勒估算的起始点。它还允许主时钟112在SCXO模型118控制下立刻开始操作。因此，精确主时钟在“重启”之后马上可用于移动电话104。
这种移动电话104包括通信天线130，其连接通信收发信机132。通信DSP 134解码并编码移动语音呼叫。主机CPU 136驻留在便携单元，并可用于其他应用。它还可控制通过第一数字控制振荡器(NCO1)138合成的精确LO频率。第二NCO2 140可类似地被控制，用于CPU 136所需的时钟或其应用。
图2及其有关公开内容最初引入作为母案的参考，为方便读者而在此重复。现在，引入的材料显现在本发明人之一Paul McBurney在2004年3月30日发布的美国申请6,714,160中。它示出了OMNI客户机导航卫星接收机网络，在此用概括的参考数字200来表示。OMNI客户机导航卫星接收机网络包括至少一个由网络服务器204支持的导航平台202。
每个GPS测量平台202一般包括GPS天线206、低噪放大器(LAN)208、GPS表面声波(SAW)滤波器210、具有中频(IF)SAW滤波器214的射频(RF)专用集成电路(ASIC)212、数字信号处理器(DSP)216、基准晶体振荡器218、以及基准晶体温度传感器220。
自主客户机222无需来自服务器204的帮助，就可承担导航解决方案的作用并将其提供给邻近的用户。半客户机(demi-client)224需要帮助，例如多项式模型，其简单化了星历和时偏的计算。瘦客户机(thin-client)226不能承担本地主机的角色，而本地主机具有导航解决方案的处理。它几乎划出了服务器204上的所有导航计算，基本上只提供来自SV星座图中其视点的观察测量。如果用户在那并且想要看它们，则导航解决方案被返回，用于本地显示。在瘦客户机226中，DSP是与一些其它非GPS应用共享的部分。同样，在客户机不需要多线程的应用程序，而只执行简单的程序环。
OMNI客户机227几乎完全自主运行，但定期通过计算机网络收集全套的星历。它还在断电期间工作，以便当重新加电时，保持其位置不确定性即sigmaPos在150km以内。这些条件允许在较佳的搜索步长用于查找信号功率以及每步具有长停顿的情况下进行高灵敏度的操作。如果晶体振荡器218是通过温度传感器220采用温度测量补偿的软件，则OMNI客户机227还非常受益。实时时钟(RTC)保持运行，每次导航平台202加电，就精确到优于真实时间的一毫秒。
本地基准振荡器晶体振荡器218将具有频率漂移误差，该误差将作为温度的函数而改变。基准晶体温度传感器220用于测量本地基准振荡器晶体振荡器218的温度。第一用途是在导航平台202被初始化并跟踪SV’时收集数据，以便构建制造校准期间的曲线。随后用途是提供索引值，从而第九阶的多项式等式可由存储的系数来计算，同时导航平台202正在初始化，并试图锁定其第一SV上。
服务器204一般包括若干个基准站天线228和230，其向基准站管理器232提供GPS信号输入。定位服务器234可向半客户机224、瘦客户机226、以及OMNI客户机227提供支持信息，用于改善首次定位时间和定位解决方案的质量。在OMNI客户机227工作在高灵敏度模式下，由服务器204收集和转发的星历信息能够定位任何地方，而来自SV的信号电平在-150dbm以下。
本发明方法的实施例确定了服务器204如何及何时通过OMNI客户机来联系，OMNI客户机例如是客户机和导航平台202。在许多情况中，服务器联系必须是很少发生的并被最小化，这是因为每字节传输成本较高或网络仅可周期地访问。
当信号强度高时，z计数和BTT通过收集NAV数据被真实测量。BTT被用于清除任何代码相位的翻转。通常，20毫秒之下的部分将适合。BTT上的噪声比z计数上的稍微多些。然而，对于代码相位翻转附近短的时间时期，z计数可关闭一毫秒。
OMNI客户机需要良好的时间源，以使sigmaTime降低到一毫秒以下。50Hz的NAV数据可用于进行样式匹配和间接地查找时间。这样可在z计数不能被解调时，为GPS接收机提供适当的时间源。如果在样式匹配中有足够的置信度，还可在SV上确定整数之毫秒、intMs。
如果起始的时间不确定性即sigmaTime大于+/-10毫秒，则所谓的大ΔT项(DT)必须用于解决方案定位中。这样使所需的SV’的数量增加了一个。当位置不确定性即sigmaPos在150km以内以及SV’上intMs不可用时使用栅格定位(gridFix)方法。当sigmaTime大于10毫秒时，采用非Z的定位类型。
具有所有GPS SV’的星历(ephemerede)而不是历书(almanac)的服务器发送完整的GPS历书即highAccAlm。另一完整的GPS历书即mixAccAlm由服务器发送，并且包括当前未跟踪的SV’的较旧的星历。
优选地，WWserver服务器可被实现，其具有完整GPS星座的持续观察性。它具有足够的保持适合空间分离的基准站，以便同时观察世界上所有的SV’。服务器204表示本地服务器即LAserver，其具有一个或多个基准站，它只观察完整GPS SV星座的子集。从而，LAserver不能提供highAccAlm，只能提供mixAccAlm。
在接通后，历书将包括实际上是历书的星历。在一个12小时周期后，一些历书将被基于历书的星历来代替。
来自GPS SV’的NAV数据只要信号电平降到与-145dbm一样低时就立刻收集。因此，星历、z计数和BTT可从该电平中导出。处于该电平的SV’可与服务器无关地操作，并可用于不需要开始诸如定位任何地方之类的位置精确的定位。样式匹配需要在-145dbm时开始，并且能够在下降到与-150dbm一样低时继续执行。因而，可获得z计数或intMs，从而，SV可用于任何地方的定位。然而，在这种信号电平上，星历需要通过网络从服务器、或可替换的源来获得。信号电平低于-150dbm时，NAV数据对于样式匹配不足够可靠。NAV数据必须从服务器204获得，而且，具有这种微弱信号的SV’在不确定性小于150km时，可以只参与定位。
在最初的SV捕获期间，不需要星历等级的精度。历书或降级的星历，对于预测预先定位所需的数据是足够的。定位也不需要星历等级的精度。定义超时，用于定位的星历年限。如果精度降级作为时间的函数来恰当地建模，则这种阈值可放宽，并仍然保持可信赖的定位。年限阈值可以是可控制的参数，从而顾客可选择期望的性能等级。
首次定位或设置时间需要来自服务器的NAV数据的子帧数据。那之后，客户机不再请求子帧。客户机解码的NAV数据可发送给服务器，用于服务器进行样式匹配。
当存在信号电平都好于-145dbm的三个或多个SV’时，OMNI客户机不需要服务器连接。如果星历必须被收集，则首次定位时间(TTFF)将更长。在某些情况下，可采用先前收集的星历。
当手头上有先前收集的SV’星历且sigmaPos小于150km时，OMNI客户机不需要服务器连接。所需SV’的最小数量取决于sigmaTime。这种时间不确定性可以利用实时时钟(RTC)来减小，而实时时钟(RTC)被软件补偿温度漂移。所以需要三个SV’具有这种RTC，而四个SV’不用RTC。
否则，解决定位将需要OMNI客户机联系服务器并请求某种信息。当SV’信号为-145dbm--150dbm、并且sigmaPos＞150km时，需要NAV数据的子帧。用于这些SV’的intMs参与首次定位需要它们。如果只有三个-145dbm或较弱的SV’可用，而没有其它更好的精确时间的装置，则可采用样式匹配。然后，采用具有四个SV’的所谓的非Z定位。
当SV’信号不再高于-145dbm并且它们的星历已经超时时，必须请求星历。在此情况下，需要尽可能最快的TTFF。
主程序应用可周期地接通GPS接收机并获得定位。这确定了接收机已经离开最后的定位多远，或简单确定GPS接收机是否已经离开了预定区域。选择定位之间的时间间隔，使sigmaPos保持在150km之内，从而intMs在微弱的SV’上不必低于-145dbm。这扩展了保持高灵敏度定位的能力，而无需服务器连接来请求NAV数据子帧。服务器请求的计时是自适应的。当没有客户机/服务器连接而存在足够的性能时，这需要提供静止的客户机/服务器连接。
OMNI客户机必须评估它所具有的数据、数据的年限、捕获成功的可能性，例如SV’数量和信号电平。OMNI客户机然后确定是否进行连接，以及请求什么数据。可中止自适应性，并且可通过显式命令进行服务器连接。主应用可以决定每一小时进行服务器连接。因此，对于每五分钟完成的定位，第十二次定位将进行服务器连接。
可以使用广播型星历，其中，主应用收集数据，然后通过通用API’将其推入客户机。可授权客户机在会话期间的任何时间都可进行服务器连接。
客户机的时间不确定性一般在定位之前大于一微秒。所以，在首次定位之前已经完成了完整代码相位的常规搜索。在首次定位以后、或对于使用RTC的某些重启，客户机可以具有低于一微秒的时间不确定性。在这些情况下，客户机可减小代码搜索窗口。所以，即使客户机具有来自测量的z计数的时间，客户机仍然必须搜索代码不确定性的所有1023芯片。
决定性地，在本发明的所有实施例中，DSP 216(图2)部分在掉电后保持带电，并被保持为客户机会话之间的时间源。在掉电期间，电源实际上对RF ASIC 212ASIC 212、采样时钟、sampleMem、和OSM关闭。但是，电源对晶体振荡器218以及对DSP 216内部的毫秒中断保持带电，从而DSP可处理它。
客户机202具有振荡器在维持时间内稳定的优点，所述维持时间是在相当长周期直到下个GPS会话的最后位置定位中计算的时间。
客户机根据经验确定可以实现的精度。为此，客户机可设置离开定位的时间，然后针对给出的关闭时间停止跟踪。接着客户机重新启动跟踪并将测量的z计数作为时钟已经过去了多久的指示。在定位中客户机执行的时钟调节将告诉我们，时钟相对于GPS时间已经过去了多久。
该技术需要客户机保持晶体振荡器218和DSP 216的电源。它需要客户机具有保持GPS电路的电源能力，甚至当设备表面上被关闭时。
在一般的关闭情况下，当所有固件的状态机空闲时，所有的“int1”行动将停止。客户机还将中止自动输出，从而“int0”行动也将停止。此刻，甚至将不存在任何后台行动，而DSP 216将完成其任务，并开始停机模式。停机模式是DSP 216在下述情况下出现的特殊低功率特征，即，其保持空闲直到出现在DSP自动跳到中断业务程序时的中断。
当毫秒-中断到达时，DSP 216苏醒并为其服务，使所有计时器前进一毫秒，该计时器包括GPS时间估计。然后，DSP 216在退出中断时返回停机模式。
客户机需要输出绝对时间。所以，只要GPS-TOW(以秒计算)从604799到0翻滚，客户机都还将增加星期计数器。目前，客户机在DSP216上不维持绝对GPS星期，从而必须为RTC模式添加该特征。然而，DSP 216上的处理不采用星期数字。应该只包括它，以便提供DSP 216外的绝对GPS时间。客户机还将通过维持可变的终止时间受益，所述终止时间可由客户机在其重启时读取。
当另一客户机会话开始时完成此循环。此刻，客户机将请求重新输出的连续时间消息，而且客户机将能够观察DSP 216是否已经保持开启或关闭，以及它是否具有时间上的置信度。因此，客户机将需要构造一个偏差和漂移不确定性，客户机可以使用该偏移不确定性以确定它如何使用来自DSP 216的时间。
当客户机发送时间调整时，它还将发送估计的时间设置精度。DSP216接受此精度。此精度将根据晶体相对于温度的稳定性模型，自动地在DSP 216内传播。如果出现更大的温度变化，则偏差和漂移不确定性将以更高速传播。然而，如果温度恒定，则不确定性就以较低速传播。
当客户机将完成会话时，它将与DSP 216进行通信，以便中止所有GPS跟踪功能。这将关闭RF ASIC 212，并关闭所有GPS的状态机。客户机可选择深度休眠模式，或者RTC模式。如果选择了深度休眠，则客户机关闭晶体振荡器218。然而，如果请求了RTC模式，则客户机保持晶体开启。
客户机还可请求DSP 216维持其毫秒时钟。如果它需要产生最低的功率消耗，则它还可确定停止任何事情，包括毫秒。仅当晶体管改变状态时，消耗最多的功率，因此，如果所有电路都关闭，则消耗最小。在深度休眠期间，当DSP 216检测到深度休眠模式并遭遇中断命令时，还关闭振荡器。
如果客户机关闭DSP 216却请求毫秒选项时，那么，固件中止其可采用的所有模式，却保持毫秒和振荡器激活。客户机还中止时间消息的自动输出，以便保持DSP 216尽可能静止。
在嵌入式应用中，始终存在未采用正确关闭程序就将关闭电源的可能性。理想地，客户机将从使用客户机的应用获得关闭请求。这启动了下表中的事件链。
  客户机接收来自主应用的请求，该主应用希望关闭GPS；客户机向DSP 216发送消息，以便关闭所有GPS跟踪引擎(ODSM，IDSM，TSM)；客户机发送优选的DSP 216的关闭模式，并等待行动的确认。如果它想要最低功率模式，则它请求DEEP_SLEEP_MODE。如果它想要最多的信息，则它请求RTC_MODE；客户机刷新来自其串联缓冲器的所有数据；客户机完成所有事件的处理，并因而，电池支持的关键存储元件变为静态；电池支持的数据被保存；客户机向主应用发回消息，所述主应用处于关闭的安全状态；以及主机重新分配客户机应用。
当关闭以受控方式发生时，这种程序是优选的方法。
还可以发生较无次序的关闭。在此情形下，主机应用在它能够执行其关闭程序之前突然终止客户机代码。例如，DSP 216没有被适当地关闭，或电源与系统断开。这可发生在某人拆除电池或电池不能提供足够电流来维持适合的操作电平时。
如果DSP 216仍然供电，则可包括检查逻辑以检查与客户机的通信是否已经终止。如果是这样，则DSP 216进行其自己的掉电顺序。如果DSP 216仅仅是掉电，则在其重新接通时，它将处于其缺省状态，并没有问题。然而，存在一个风险，即当时客户机正在写电池支持的文件部分而数据可能受到破坏。一变量可被写成标记，以指示DSP 216被适当地关闭。如果当数据于启动时读出时没有设置变量，则数据被认为无效，并明显被设置成无效状态。
在接通期间，客户机应用被启动，并反馈(tickle)DSP 216以将其唤醒，并请求时间状态。这种反馈还立刻启动DSP 216中的TCO。当接收到时间状态时，如果时间状态无效，则客户机将其偏差和漂移不确定性设置成未知状态。通过这种方式，任何电池支持的数据或来自服务器的数据为了最小的西格玛(sigma)，都可适当地与它们自己斗争(battle)。GPS时间在此刻还将为零，直到客户机查询它的其它信息源。
如果时间状态有效，则客户机复制时间不确定性数据，并利用这些数据初始化其内部数据结构。如果更好的数据从其它源获得，则它可在数据变为可用时与那些不确定性进行斗争。然后，客户机读取有关电池支持的数据的状态。它吸收具有数据有效性标记设置的数据部分。接着，客户机准备评估它的可用信息，并开始从服务器请求数据。
在依次关闭期间，如果选择了RTC_MODE，则时间数据被发送给DSP216。作为关闭程序的一部分，它等待确认。如果只在关闭程序中发送时间数据，则客户机的无序关闭发生，其中，电源对DSP 216保持开启。在这种情况下，RTC_MODE将不能启动，且DSP 216持续运行。状态机将仍然运行，而时间信息将会丢失。
可在客户机和DSP 216之间执行周期性的握手。如果握手丢失，并且DSP 216仍通电，则DSP 216需要将其自己置入静止状态。
如果计时数据可被周期地发送，则客户机将仍然保持时间激活。然而，计时数据的维持计算上是昂贵的，从而客户机将需要把这些计算编排(orchestrate)成具有很低的优先权。
以下时间和不确定性维持等式可以用于设计。在某个地点(at somepoint)，客户机将从定位、z计数、样式匹配中获得时间信息，或者从诸如不同实时时钟之类的其它源，或者从服务器等待时间(latency)估计器获得时间信息。客户机可生成用于偏差和漂移的每个数据源的精度模型。对于偏差可采取米、对于漂移可采取m/s来计算。所采用的SCXO模型单位为m/s。在预先定位过程中，客户机总是在伪区域中进行计算，然后计算出伪距速率，然后转换为64th芯片的硬件单位及载体NCO单位。从而，如果客户机要在DSP 216中直接使用该数字，则客户机将必须转换成NCO单位。
漂移(m/s)/λ(m/循环)*比特/Hz
＝漂移*(1575.42e6/2.99792458e8)*224/528,000
＝漂移*166.9789113
漂移NCO单位(比特/Hz)＝漂移(m/s)*166.9789113
客户机将周期地发送下列原子数据设置：
1.当前偏差(b定位)，单位为米，LSB为2-6
2.当前漂移(d定位)，单位为米/秒单位，LSB为2-12
3.偏差西格玛(σbf)，单位为米，LSB为26
4.毫秒西格玛(σ毫秒)，单位为毫秒，LSB为一个毫秒
5.漂移西格玛(σdf)，单位为米/秒，LSB为2-12
6.TCO测量，最接近对漂移(TCO定位)的估算，单位为数，LSB为212
7.msec16，准确地对应偏差以及所有其它参数。
对于频率误不确定性，客户机只有一个参数σdf。然而对于时间不确定性，客户机宁愿用两个参数工作。在许多情况下，在首次定位之前，时间不确定性有数毫秒，从而客户机宁愿将时间不确定性分成两个分量：多个毫秒部分，为子毫秒的部分。
来自不同源的偏差和漂移的精度
  定位类型或信息源   毫秒西格玛(σ毫秒)(毫秒)   偏差西格玛(σbf)(米)   漂移西格玛(σdf)(m/s)
  来自DSP 216的RTC   从最初发送给DSP216的数据中计算出   从最初发送给DSP 216的数据中计算出   从最初发送给DSP216的数据中计算出
  来自RTC或客户机设备的近似时间   1000   300,000   基于SCXO的可用性或来自电池支持的漂移估算
  来自服务器的近似时间   1000   300,000   基于SCXO的可用性或来自电池支持的漂移估算
  来自服务器的精确时间   SigmaServer(在服务器等待时间逻辑中计算出)可能最好的情况下为10-20毫秒   300,000   基于SCXO的可用性或来自电池支持的漂移估算
  来自样式匹配的时间   10+.(存在时间可能错误的小概率)   300,000   基于SCXO的可用性或来自电池支持的漂移估算
  来自z计数的时间   10   300,000 基于SCXO的可用性或从电池支持的漂移估算
  来自非z定位的时间   ＞＞10.应该象500一样大，但却是几何和测量噪声的函数   TDOP*σmeasPR悖论说明：偏差西格玛小，而毫秒西格玛较大 TDOP*σmeasPRR具有良好的测量，＜＜10m/s(室内)＜＜1m/s(室外)
  来自定位的时间该时间解决了使时间误差线性化，围绕来自样式匹配的时间，或样式匹配，或z计数，或DSP216RTC模式或确信的服务器时间   0   TDOP*σmeasPR悖论说明：偏差西格玛小，而毫秒西格玛较大 TDOP*σmeasPRR具有良好的测量，＜＜10m/s(室内)＜＜1m/s(室外)
传播等式用TCO和先前的漂移更新漂移、传播偏差与漂移、当偏差超过+/-？毫秒时做出毫秒调整、更新漂移不确定性、并更新偏差不确定性。为了传播偏差和偏差西格玛，客户机将需要更新漂移和漂移西格玛。
根本地，偏差是漂移的积分，而偏差西格玛是漂移西格玛的积分。
客户机基于定位时的漂移数据来估计漂移，以及基于当前TCO的读取来估计当前SCXO数据。
  driftHat＝函数(定位时的漂移，定位时的SCXO漂移，当前的SCXO漂移)
具有漂移估计的偏差被传播。当偏差超过+/-？毫秒时，客户机调整DSP 216的毫秒，从而使毫秒保持精确。
偏差＝偏差+driftHat*dt如果(偏差＞毫秒/2){偏差-＝毫秒调整DSP 216的毫秒+1毫秒}否则，如果(偏差＜-毫秒/2){偏差+＝毫秒调整DSP 216毫秒-1毫秒}
客户机基于定位时的漂移来更新漂移西格玛，并基于当前TCO来更新当前漂移模型。
  DriftSigma(t)＝函数(定位时的漂移西格玛，定位时的SCXO西格玛，当前的SCXO西格玛)
客户机传播作为漂移不确定性积分的偏差不确定性。
  biasSigma＝DriftSigmaAtFix+积分(DriftSigma(t))*dt
当下一会话开始时，客户机发送回偏差、漂移、以及西格玛。如果顺利的话，偏差西格玛增长将小于10或20毫秒，意味着客户机实际上无需依赖来自任何其它源的时间就可完成定位。
因此，可从观察中定义下列参数：
1.δ(t定位)＝d定位-dSCXO(t定位)。此标记的参数在定位时间上被测量，并且表示了在定位时间上的模型误差。它保持恒定直到重新开始处理。
2.δ(t现在)＝dSCXO(t现在)-dSCXO(t定位)。这是已标记的参数，并且表示了在来自定位时间的模型中的变化。
第一目标是将传播偏差与漂移的最佳估算。当然客户机还具有请求，即估算的偏差西格玛是真实偏差误差的最小上界(LUB)。以这种方式，由于客户机传播偏差西格玛，所以它将保持足够小，从而在长时期后，该西格玛指示客户机可采用偏差来计算定位。反过来说，如果偏差西格玛太大，则客户机不能确信地采用该偏差估算来计算定位。
围绕定位时间，所测量的漂移当然是客户机具有的最佳估算。只要温度保持在定位温度附近，那么客户机可利用定位漂移作为传播源。这还将产生最小的漂移西格玛，并因此，偏差西格玛将缓慢积分，并帮助产生LUB标准。
相反，当自从最后定位开始的时间长时，客户机趋于在作为基准点的定位漂移中丢失置信度，并且客户机宁愿传输完全建模的数据。然而，客户机必须用更大的西格玛来传播。
在这两种极端之间，将这两个源(定位和模型)混在一起似乎符合逻辑。根据经验，客户机已经看到，通常漂移轨线即将长时期地稍微偏离SCXO模型。然而，日复一日，同样极可能偏差高于或低于该模型。如果客户机将数据混在一起，并且只要可能在定位偏移上倾斜以产生当前的日偏差，那么如果可以的话，客户机能够获得更大的精确漂移，并且还可以用更小的漂移西格玛来反应。
一个关键的可观察量是|δ(t定位)|，即在定位时间上测量的漂移和模型化的漂移之间的差。假设客户机将对定位中所用的测量、以及定位本身执行某些完整性检查。例如，如果计算的速率接近于零，则这象一个稳定点，并且它很可能是多普勒测量误差小。因此，客户机将假设来自定位的所测量的漂移具有高置信度。由于采用了室内测量而造成的降级，将反应来自定位的漂移西格玛。从这点来看，客户机趋向在最近测量的数据中具有更高的置信度。
晶体的老化或震动将趋于在晶体和模型之间产生偏差。客户机必须接受在测量的数据和模型化的数据之间将出现的差异。客户机将开发方法来传播偏差及偏差西格玛、漂移及漂移西格玛，其对于测量的数据具有较强的加权，但当来自测量的时间增加时，缓慢地向模型化的漂移集中。
定义简单的公式，用于将定位时估计的漂移迁移到来自SCOX的漂移估计。客户机将通过耦合简单的参数来控制迁移的速率。
客户机将混合漂移的两种估计，一个是基于当前TCO的SCXO模型，另一个是调整的定位漂移。调整的定位漂移只不过是来自对由于当前时间和定位时间而造成的模型中的改变进行校正的定位的漂移。
调整的定位漂移是：
da(tk)＝d(t定位)+dSCXO(tk)-dSCXO(t定位)
客户机定义混合的漂移估算如下：
d^(tk)＝[1-α]*da(tk)+α*dSCXO(tk)
注意，客户机具有漂移的两个估算，客户机将参数α混合在一起。该参数提供了：
1、当tk＝t定位时，则客户机希望d^(tk)＝da(tk)，这需要α＝0。
2、当tk＞＞t定位时，则客户机希望d^(tk)＝dSCXO(tk)，这需要α＝1
因此，定义参数N，即滤波器已被更新的时间计数，
定义：
N1＝1，                  如果k＝1
Nk＝k                    如果k＜＝Nmax
Nk＝kmax                如果k＞Nmax
客户机还希望能够使用整数数学(integer math)执行乘法，因此，客户机定义：
α＝Nk/2M
1-α＝(2M-Nk)/2M
Nmax＝2M
客户机只需要指定一个参数M，从而完全定义变化的速率。
  M Nmax＝达到最后值的秒   达到最后值的小时
  8 256   .071
  10 1025   .285
  12 4096   1.14
  14 16368   4.55
  16 65536   18.2
相同公式用于漂移西格玛。
σd(tk)＝[1-α]*σ定位+α*σSCXO(tk)
模型每秒钟被更新，从而绝对乘以一秒钟，客户机可如下更新偏差：
b(tk)＝b(tk-1)+d^(tk)
客户机还将更新作为漂移西格玛积分的偏差西格玛，所以绝对乘以一秒钟如下：
σb(t1)＝σb定位
σb(tk)＝σb(tk-1)+σd(tk)
晶体振荡器218和DSP 216固件可用于证明模型的精确，还可选择正确的时间常数。实际的DSP 216固件跟踪至少一个卫星，从而客户机总是能够测量真实的偏差和漂移。客户机通过如下围绕真实位置线性化伪距和伪距速率来完成这一工作：
a.LPR＝intms*cmsec+codePhase-rangeHat-corr
b.LPRR＝rangeRate-rangeRateHat
c.模型是LPR＝biasTrure和LPRR＝driftTrue
绝对首次的测量，客户机将接收机时钟项设置成LPR和LPRR之外的空位。LPR大于+/-？毫秒的任何分量进入毫秒时钟调整。剩余的子毫秒部分是初始偏差。在首次调整后，客户机开始形成来自SCXO数据和上述等式的偏差和漂移。如果偏差增长超过+/-？毫秒的范围，则客户机象通常一样完成时钟调整。LPR和LPRR将提供真实的偏差和漂移，并且等式将提供估算的偏差和漂移。而且，无论何时存在测量的z计数，并且如果客户机用真实的intms校正z计数而不是假定经验值“70”，则可获得真实的毫秒时间误差。
图3描述了在本发明的卫星导航接收机与通信设备系统的集成组合中进行的频率多次重用的实施例，该系统由概况的参考数字300表示。系统300具有GPS部分302和蜂窝电话部分304，它们均集成在同一便携式或手持设备内。GPS部分302包括GPS天线306、GPS RF接收机308、GPS数字处理器和频率发生器(芯片)310、GPS振荡器(oscGPS)312和低频振荡器(osc3)314。时钟选择器316在标准和低功率操作之间进行选择，例如通过时钟频率选择。蜂窝电话部分304包括蜂窝电话天线318、通信收发信机320、数字信号处理器322、电话CPU功率控制时钟选择器324、分频器325和压控振荡器(VCO)326。
在这里包含了分频器325，以便提高施加给VCO 326的基准频率的相对稳定性和精确性。当蜂窝电话部分304在本地具有非常准确的基准时，它并不依赖于为正确的CDMA操作提供良好基准频率的蜂窝电话基站。如果在一个基站区域中工作的所有移动电话都具有这种提供GPS的基准信号，则没有必要为基站配备昂贵的原子时钟。
通信设备通常需要它们自身更快的处理器晶体，这是因为典型的VCO振荡器工作在相对较低的10-13MHz范围中。一些处理器需要能够切换到用于特殊通信功能的甚至更高的频率。在下变换处理中使用的并在RF芯片中产生的中频(IF)，可用于运行需要更多计算资源的应用。为低功率时间维持选择一个低频振荡器，并且所述低频振荡器通常是32KHz的晶体。
在接通时，GPS芯片310加载用于电话CPU 324的缺省启动处理器时钟选择，例如从非易失存储单元中。主机处理器的时钟频率是通过与用于输入到一个数字控制振荡器(NCO)的GPS时钟相乘而产生的。然后，可以对这种NCO进行数字编程，以便产生最高可达其输入频率一半的任何输出频率。GPS部分302将自己置于休眠、低功率模式，并且让用户决定何时使用GPS。当主机系统的时钟稳定时，所述主机系统开始工作。然后，主机可以通过主机CPU 324与GPS数字芯片310之间的通信来选择不同频率。电话部分304能够通过发送期望的频率来请求常规的频率数字。它可以控制何时将VCO转向将要使用的频率，例如用于日本PDC系统的12.6MHz的频率。如果GPS部分302正在跟踪GPS卫星并且正在求解其频率误差，则它能够通过已知道GPS晶体中的误差来补偿所请求的12.6MHz。因此，它可以为通信设备VCO 326提供一个更加稳定的频率。如果需要低功率模式，则通信设备304可以请求GPS部分302进入低功率模式。它与来自osc3 314的低频率晶体输入合拍。如果可以将GPS振荡器312变成低功率，则可以去除32KHz的晶体振荡器314。GPS部分302可以在时间-事件线上将中断发送到电话部分302，以便唤醒需要在常规但精确的间隔上出现的某些进程。
GPS部分302提供一个由GPS卫星时间标准校正的VCO频率，并且非常精确。响应于来自电话部分304的请求，例如请求频分多址(FDMA)系统中需要的频率阶跃操作，还可以提供来自GPS部分302的可变VCO。GPS部分302可以输出一个模拟正弦曲线电压，以便近似一个晶体输出。这可以通过使用一个来自加法器顶部的比特来请求，用于精确的相位。这个相位使用具有更多用于正弦曲线而不是线性计数器值的代表性等级的表格来转换。在一个数模转换器中，可以将表格值转换成模拟信号。加法器的溢出还可用于产生一个简单的1比特数字时钟频率。并且可以用osc3 314与GPS接收机中的GPS秒和毫秒中断的组合来构建时间间隔中断。可以通过使用偏移来把事件的计时定相到任何基准的时间帧。
在本发明的一方法实施例中，将导航接收机与蜂窝电话的集成组合中的源振荡器的数量减为两个，例如，一个是大约27MHz的GPS晶体振荡器和一个大约32KHz的值班(watch)晶体振荡器。一个乘法器与GPS晶体振荡器相连，以便产生更高的频率。此外，使用了两个数控振荡器(NC01和NC02)来分别产生VCO和主机CPU的频率。时间事件逻辑则从GPS毫秒中断、GPS秒脉冲、数字偏移和值班晶体振荡器的组合中产生针对主机CPU的时间事件。
总而言之，本发明的实施例改善了制造成本和设备性能。例如，导航接收机为通信设备提供一个基准晶体频率，以便重用晶体，从而消除了对于第二晶体即通信VCO晶体的需要。并且，当导航接收机将这种基准晶体频率提供给通信设备时，通信接收机灵敏度被提高，这是因为频率不确定性被大大减小，以至于初始频率搜索空间可以被调整。由此，接收机能够使用更小的增量或步长来搜索频域中的信号，同时仍然能在一个合理时间内查找到初始锁定。
尽管根据本优选实施例的接收机而对本发明已经进行了描述，但是应当理解，所述公开不应视为是限制性的。在阅读了上述公开内容之后，毫无疑问，对本领域技术人员来说，各种变更和修改都是显而易见的。因此，所附权利要求应当被解释为覆盖了符合本发明“真正”精神和范围以内的所有变化和修改。

Claims (15)

1.一种混合导航卫星接收机和移动电话的组合(100)，包括：
GPS射频(108)和GPS-DSP处理级(110)，用于计算定位解决方案和精确GPS系统时间；
移动电话收发信机(132)和DSP处理级(134)，用于蜂窝通信；
主时钟(114)，连接其以向GPS射频和DSP处理级以及移动电话收发信机和DSP处理级独立地提供本地振荡器(LO)频率基准；
软件控制的晶体振荡器(SCXO)模型(118)，连接其以控制主时钟；
精确时基(122)，连接其以向SCXO模型提供精确时钟，从而它可补偿主时钟的误差和漂移，并具有接收计算的GPS系统时间的输入；
GPS时间再生器(124)，用于通过将对准的偏移计数添加给在输入“断电”命令之前获得的最后已知计算的GPS系统时间，来提供再生的GPS系统时间；以及
实时时钟(RTC)(126)，用于在“断电”期间生成所述偏移计数，并用于将其提供给GPS时间再生器。
2.权利要求1的混合组合，还包括：
放置在主振荡器内的27MHz晶体(112)；以及
放置在RTC内的32KHz晶体(128)。
3.权利要求1的混合组合，还包括：
主机CPU(136)，其与GPS射频和DSP处理级以及移动电话收发信机和DSP处理级同时驻留；以及
数字控制振荡器(NCO)(138)，可由主机CPU编程，并连接其以提供可变的本地振荡器基准频率。
4.权利要求1的混合组合，其中，
GPS时间再生器(124)，持续地使来自RTC的偏移计数与GPS系统时间相关联，并当输入“断电”命令时存储最后的关联。
5.权利要求4的混合组合，其中：
当输入电源“重启”命令时，GPS时间再生器(124)读入来自RTC(126)的当前偏移计数，并将其与所述最后关联组合，以便估算出再生的GPS系统时间。
6.权利要求5的混合组合，其中：
GPS时间再生器(124)为GPS-DSP处理级的初始化提供所述再生的GPS系统时间。
7.一种集成的卫星导航接收机与通信设备的组合系统(300)，包括：
单个便携设备，其包括全球定位系统(GPS)接收机部分(302)以及通信收发信机部分(304)；
所述GPS接收机部分(302)包括GPS射频接收机(308)、GPS数字处理器和频率发生器(GPS-芯片)(310)、GPS振荡器(oscGPS)(312)、工作在约32KHz的低频振荡器(osc3)(314)；以及时钟选择器(316)，用于在正常工作和仅计时低功率工作的时钟频率选择之间进行选择；
所述通信收发信机部分(304)包括蜂窝电话收发信机(320)、数字信号处理器(DSP)(322)、电话主机CPU(324)、分频器(325)、以及压控振荡器(VCO)(326)；
其中，在接通时，GPS-芯片(310)装载所述电话CPU(324)的缺省启动处理器时钟合成频率值，且通过乘以GPS时钟来生成主机处理器时钟频率，所述GPS时钟被输入给数字控制振荡器(NCO)，然后数字控制振荡器可被数字编程，以生成请求的输出频率；以及
其中，如果GPS接收机部分(302)正在跟踪GPS卫星并正在求解频率误差，则其通过计算所述GPS振荡器(oscGPS)(312)中的误差来补偿请求的频率，以向所述VCO(326)提供更稳定的频率。
8.权利要求7的系统，其中：
使所述主机CPU(324)能够经由主机CPU(324)和所述GPS-芯片(310)之间的通信链路，选择不同的频率；以及
所述通信收发信机部分(304)可请求特殊输出频率，并且其可控制所述VCO(326)何时开始输出这种频率。
9.权利要求7的系统，其中：
如果即将使用低功率模式，则通信设备(304)发送对于所述GPS接收机部分(302)的请求以进入所述低功率模式。
10.权利要求7的系统，其中：
用具有来自osc3(314)的输入的低频晶体维持时间。
11.权利要求7的系统，其中：
所述GPS接收机部分(302)向唤醒一些过程的通信收发信机部分(304)发送中断。
12.权利要求7的系统，其中：
GPS接收机部分(302)将自己置于休眠、低功率模式，并使用户能够决定何时使用GPS功能。
13.权利要求7的系统，还包括：
可变的VCO，其响应于来自所述通信收发信机部分(304)的请求，从所述GPS接收机部分(302)输出，以生成特殊的频率、波形和相位。
14.权利要求7的系统，还包括：
时间间隔中断，该中断由包含在所述GPS接收机部分(302)中的GPS秒和GPS毫秒中断的组合构建。
15.一种用于当整体组合导航接收机和电话时将基准振荡器所需的晶体数量限制为两个的方法，包括：
为GPS振荡器提供工作在约27MHz的第一晶体；
为值班振荡器提供工作在约32KHz的第二晶体；
将乘法器连接到GPS振荡器，以产生更高的频率来操作GPS接收机；
用第一数字控制振荡器(NCO1)生成VCO频率，以便操作通信收发信机；
用第二数字控制振荡器(NCO2)生成主机CPU频率；以及
用GPS微秒中断、GPS秒脉冲、数字偏移以及所述值班振荡器的逻辑组合对主机CPU产生时间事件。
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