CN1954233A - 一种全球卫星定位装置 - Google Patents

Abstract

一种卫星定位装置，包含用于为位置估计提供时间数据的定时同步电路。所述电路被配置为，在第一模式中，在没有位置估计辅助的情况下，根据至少一个接收到的卫星定位信号提供定时数据，并且在第二模式中，在有位置估计辅助的情况下，根据至少一个接收到的卫星定位信号提供定时数据。所述定时同步电路被配置为，根据所述定时同步电路是否在提供所述定时数据，在所述第一和第二模式的操作之间转换。

Description

一种全球卫星定位装置

发明领域

本发明涉及卫星定位系统，特别地，但不局限于用在通信系统中使蜂窝无线系统中的位置信号同步。

发明背景

无线蜂窝通信网络及其运作已被广泛熟知。在这种系统中，网络覆盖的区域被划分为蜂窝。每个蜂窝配置有基站，所述基站被配置为与在关联于所述基站的蜂窝中的多个移动台或与其他用户设备进行通信。

在这些已知系统中，有可能参照基站来定位移动台，因而有可能在基站的工作发射范围内定位移动台。

同样已知，可以通过测量在移动台和已知基站或发射器之间的信号的发射和接收之间的时间，来确定额外的位置信息。利用这种测量基站发射信号的到达时间(TOA)方法，有可能在数十米内定位移动台。

利用基站发射时间信号，并用这些信号来估计位置，产生的估计会含有若干潜在误差和问题。主要问题之一，即基站发射信号到达移动台的路径众多。所述路径可以是直接路径，其能够提供对基站和移动台之间的距离的准确估计；所述路径也可以被人为或自然现象，如建筑物、大型交通工具和山丘等折射或反射。这些间接路径不能反映基站和移动台之间的真实距离，因而造成位置估计误差。这些折射和反射信号路径在建筑林立和城市的环境中更为常见，因此，基站密度的增大有损更为准确的基站位置估计。

全球定位卫星(GPS)系统的发展已经成为位置估计领域的一项独立的发展，它使得GPS接收器能够通过测量在从环绕地球的卫星接收的信号之间的时间差在两三米内准确定位其位置。CPS系统依靠发射器(轨道卫星)和接收器来获取所发射的定时序列信号的准确信息，从而可以作出对接收器位置的准确估计。

如本领域中所知的，每个GPS轨道卫星都带有非常精准稳定的原子钟使所有卫星准确同步。此外，卫星群受地面控制站监控，任何检测到的定时误差都会被有效地校正。

由于为每个GPS接收器都提供精准稳定的时钟振荡器，如原子钟，耗资巨大，因此，典型的GPS接收器通过比较从至少4个不同卫星接收到的至少4个独立的GPS定时信号来确定GPS时间序列。这些卫星不仅被用于准确同步接收器时钟，还用于提供信号位置的准确估计。

如本领域中所知的，定时同步序列可以通过接收由每个GPS卫星发射的周时间(ToW)信号来得到。ToW信号每一GPS副帧(即精确地每6秒)发射一次。ToW信号的检测在很大程度上依赖于所接收的信号强度，强度低于一定阈值便不能对组成ToW信号的信息位进行解码。而且处理ToW信号占用大量的处理时间，这对能量消耗造成不利影响。

若接收到的信号接近接收强度阈值，那么在某些情况下，可以通过储存预前确定的位置估计并且将其用作先验值以限制对于定时同步序列的“搜索窗”，来改善产生所述时间同步序列(从而也产生位置估计)的速度。

这些方法依赖于对所储存的位置估计的时间标记，并且舍弃了早于预定值的位置估计。这样防止从不准确的位置搜索窗开始搜索定时同步序列。

当以前储存的位置不是不准确的开始位置时，这些方法有缺点。已知的方法简单地舍弃位置估计，并且要求系统开始新的定时同步序列，这导致了处理程序和能量的消耗。

发明内容

本发明实施例的目的是解决或部分缓解上述的一个或多个问题。

根据本发明提供一种卫星定位装置，其包括用于为位置估计提供定时数据的定时同步电路，所述电路被配置为：在第一模式中，在没有位置估计的辅助的情况下，根据至少一个所接收的卫星定位信号来提供所述定时数据，在第二模式中，在有位置估计的辅助的情况下，根据至少一个所接收的卫星定位信号来提供所述定时数据，所述定时同步电路被配置为根据其是否在提供所述定时数据，在所述第一和第二模式的操作之间进行转换。

所述定时同步电路优选被进一步配置为，根据所述定时同步电路是否在第一时间段(N)期间提供所述定时数据，从所述第二模式转换到所述第一模式。

所述定时同步电路可以被进一步配置为，根据所述定时同步电路是否在第二时间段(M)期间提供所述定时数据，从所述第一模式转换到所述第二模式。

所述装置可以进一步包含位置估计电路，其被配置为接收所述定时数据并且根据所述定时信息输出位置估计。

所述位置估计器电路可以进一步包含位置寄存器。

所述位置寄存器可包含随机存取存储器。

所述第一模式的操作优选为GPS定时同步序列。

所述第二模式的操作优选为位置辅助的GPS定时同步序列

一种集成电路，可以包含上述卫星定位装置。

根据本发明的第二方面提供一种用于在卫星定位系统中产生定时数据的方法，所述系统包含用于为位置估计提供定时数据的定时同步电路，其中所述方法包含以下步骤：接收至少一个全球定位卫星信号；接收至少一个位置估计；在第一模式中，在有位置估计辅助的情况下，根据所述至少一个卫星定位信号产生定时数据；在第二模式中，在没有位置估计辅助的情况下，根据所述至少一个卫星定位信号产生定时信息；根据所述定时同步电路是否在提供所述定时数据在所述两模式之间转换。

在所述两模式之间的转换步骤可以包含，根据所述定时同步电路是否在第一时间段(N)期间提供所述定时数据，从所述第二模式转换到所述第一模式。

在所述两模式之间的转换步骤可以进一步包含，根据所述定时同步电路是否在第二时间段(M)期间提供所述定时数据，从所述第一模式转换到所述第二模式。

附图说明

为了更好地理解本发明及如何实施，参考附图举例，其中：

图1所示为典型的蜂窝网络的蜂窝设计的示意图，其中可实施本发明的实施例；

图2所示为全球定位卫星(GPS)系统的示意图，其中可实施本发明的实施例；

图3所示为本发明的第一实施例的示意图，该实施例被并入在图1所示的蜂窝网络中工作的移动台无线通信收发器；

图4所示为如图3所示的本发明第一实施例中所用方法的流程图；以及

图5所示为本发明的第二实施例的示意图。

具体实施方式

参照图1，所示为蜂窝远程通信网络51的一部分，其中可以实施本发明的实施例。由所述网络覆盖的区域可划分为多个蜂窝1，9。图1显示了被6个局部蜂窝9包围的中央蜂窝1。为使示意清晰，与这些蜂窝相邻的更多蜂窝未示出。每个蜂窝与基站收发台3(亦即基站)相关联。基站3被配置为与关联于基站3的移动装置或其他用户设备5进行通信。移动装置的例子包括移动电话、具有收发器能力的个人数字助理(PDA)，以及具有收发器能力的笔记本电脑。这些移动装置5也被称为移动台。

所述蜂窝至少部分地或全部交迭。在某些系统中，蜂窝可具有与图示不同的形状。在某些实施例中，基站3可以与在其关联蜂窝外的移动装置5进行通信。在另一些实施例中，移动装置5可以与移动装置5直接通信，而无需借助基站3。在另一些本发明实施例中，基站3可与另一个基站3直接通信。

在蜂窝中的移动台5和基站3之间的通信被同步于由基站3发射的符号和帧。在本领域中已知，基站3由精准稳定到百万分之一秒的时钟获得其定时。移动台5接收基站信号，并且用所述基站信号来同步其本身的内部时钟和定时。

在本领域中已知，美国使用的码分多址(CDMA)网络标准与GPS定时序列同步，而其他通信标准，如全球移动通信系统(GSM)和宽带码分多址(WCDMA)，不提供与GPS时间同步的基站定时，因而被看作与GPS时间异步。而且，可以将基站和其定时看作彼此异步。

图2所示为一个典型GPS系统的示意图。GPS接收器或移动台5利用天线接收来自轨道卫星101的信号103。在图2中，移动台5可“看到”轨道卫星群101(a)，101(b)，101(c)，101(d)。所述卫星中的每一个分别发射信号103(a)，103(b)，103(c)，103(d)。

这些信号由副帧组成。每一副帧包含每秒50位的数据序列。所述每秒50位的数据序列包含已知的前同步码、周时间(ToW)和副帧ID。所述前同步码是在每一副帧开始处预先确定的8位标识符，和在每一副帧末端的2位(00)序列，这对于每个卫星都相同。ToW信号是准确定义当前副帧的开始时间的17位序列。

为了能够在很低的功率水平上接收到所述信号并将其从背景噪声中提取出，所述数据序列利用已知伪随机定时序列来调制。所述伪随机序列也被称为黄金码(gold code)，其长1023位，在频率1.023Mhz上被发射，亦即所述码序列每数据位重复20次。

利用典型GPS系统的移动台位置估计，是利用被称为三角测量的处理来实现的。该处理方法假设移动台5存储的时间信号和轨道卫星101是准确同步的。从卫星101反复发射所述伪随机定时序列并由移动台5接收。然后，移动台5将所接收的序列和期望序列进行比较，以确定定时延迟。通过利用所述定时延迟和准确已知的卫星位置，移动台估计指示出所述移动台可能位于的球形弧。这些球形弧的组合提供准确的位置估计。假设估计系统正常工作，如果可以“看见”3个卫星，那么3段弧在两点相交。如果“看见”4个或更多卫星，那么所述弧在一个位置上相交——假设在三维空间中作单个位置估计。

图3所示为本发明第一实施例的示意图。移动台5包括天线301，GPS接收器303，及蜂窝收发器305。

天线301与GPS接收器303耦合。GPS接收器303被耦合到蜂窝收发器305。

此外，蜂窝收发器305包含GPS解调器313、定时序列估计器325、位置估计器319，以及位置寄存器323。

GPS解调器313被耦合到GPS接收器。GPS解调器313被进一步耦合到定时估计器325。定时估计器325被耦合到位置估计器319。定时估计器被进一步耦合到位置寄存器323。位置估计器319被进一步耦合到位置寄存器323。

进一步的实施例可以将位置值存储在随机存储器(RAM)中而非位置寄存器323中。本发明的进一步的实施例可以在处理器单元和用于存储数据和功能性单元指令的相关存储器中，实现上述系统组件的功能。

移动台5可进一步包含其它组件，以使其成为移动通信站。所述与本发明实施例非直接相关的组件，未在图3中标出，也未在下文中描述。

天线301包含多带宽收发天线，能够接收和发射蜂窝网络频率成分，并且接收由卫星101发射的GPS信号。接收到的信号被传送给GPS接收器303。这些接收到的信号也通过GPS接收器303被传送给蜂窝收发器305。

在进一步的实施例中，使用一个以上的天线接收GPS和蜂窝信号。进一步的实施例可以有一个或多个天线连接到蜂窝接收器305，及一个或多个天线连接到GPS接收器303。另外，在某些实施例中，至少一个天线被仅耦合到蜂窝收发器305，并且至少一个天线被仅耦合到GPS接收器303。

GPS接收器303接收GPS射频频率信号分量，并通过互连309向蜂窝接收器305输出GPS数据。在本发明的第一实施例中，向蜂窝接收器305输出的GPS数据是所接收到的GPS信号。在本发明的其它实施例中，所述GPS信号的采样被输出到蜂窝接收器305，从中可得出定时信息。

蜂窝收发器305内的GPS解调器313接收由GPS接收器输出的GPS数据，并且调制所述数据以产生数据流，所述数据流被估计器325用于产生准确的局部定时值。通过仅利用所述GPS数据而产生准确的局部定时值，被称为普通GPS定时同步序列。

GPS定时估计器325进一步接收来自位置寄存器323的已存位置估计。利用所述GPS数据和所述已存位置估计，GPS定时估计器325能够通过将所述已存位置估计作为先验搜索窗的起始位置，得出定时同步序列。利用所述位置准确的预先估计，提供了比其它实现方式更快速和功耗更低的定时同步序列。所述位置估计的使用也被称为位置辅助定时同步序列。

图4所示为本发明第一实施例中使用的方法。

在起始步骤401，蜂窝收发器305和GPS接收器303执行上电或重置。在步骤403，定时估计器325仅用GPS数据，执行普通定时同步信号序列。该序列利用本领域已知的方法将移动台时间同步到GPS时间。

在步骤405，从所述定时同步序列获取的GPS定时值，以及所接收的GPS定时信号被传送到位置估计器319。利用从单独接收到的GPS定时信号所导出的准确GPS定时值和三角测量位置，可以算出GPS接收器的位置估计。

随后在步骤407，所述GPS接收器的位置估计被存储在位置寄存器323中。

而后，在步骤409，移动台5的GPS接收器尝试刷新所估计的GPS时间。定时估计器325用本领域已知的位置辅助GPS定时同步序列方法，来尝试产生同步的GPS定时值。

如果所述位置辅助GPS定时同步序列在第一预定的时间段(N秒)结束前成功，那么本方法转到步骤405，并且所述新GPS定时值可以被位置估计器319用于产生新的位置估计。

如果第一预定时间段(N秒)结束后所存储的位置辅助GPS定时同步序列尚未产生新的GPS定时值，例如当前GPS接收器位置与已存的GPS接收器位置的差别很大，那么本方法转到步骤411。

在步骤411，定时估计器325“忘记”已存位置值。换句话说，所述定时估计器从所述位置辅助GPS定时同步序列模式转换到普通GPS定时同步序列模式。

在步骤413，定时估计器325在普通GPS定时同步序列模式中，利用仅已知GPS信号的方法来执行GPS定时估计。所述方法应用大得多的“搜索窗”，并且通常将找出GPS定时信息，其中所述已存位置值不正确。

如果所述普通GPS定时同步序列在第二预定时间段(M秒)内成功，那么本方法转到步骤405，并且所述新GPS定时值可以被位置估计器319用于产生新的位置估计。

如果第二预定时间段(M秒)结束后所述普通GPS定时同步序列尚未产生新GPS定时值，例如当前GPS接收器强度过低以致不能实现完全锁定，那么本方法转到步骤415。

在步骤415，时间估计器325“记起”在位置寄存器323中的被“忘记”的已存位置。换句话说，时间估计器325从普通GPS时定时同步序列模式转向位置辅助GPS定时同步序列模式。本方法随之转到步骤409，在步骤409，时间估计器325执行位置辅助GPS定时同步序列。

已存位置辅助GPS定时同步序列和普通GPS定时同步序列的迭代过程持续进行，直到得到定时估计。例如，当GPS接收器在室内环境中，并且已存位置与当前位置接近时，信号强度可能在已存位置估计的第二轮迭代中较强，并且在此时计算出定时值。

参照图5描述本发明的第二实施例。移动台5包括天线301、GPS接收器351、及蜂窝收发器353。

天线301被耦合到GPS接收器351。GPS接收器351被耦合到蜂窝收发器353。在本发明的一个实施例中，在GPS接收器351和蜂窝收发器353之间传送信号。

GPS接收器351包含GPS信号接收器303、GPS解调器313，以及定时估计器325。GPS信号接收器303具有耦合到天线301的输入和耦合到GPS解调器313输入的输出。GPS解调器313的输出耦合到定时估计器325的第一输入。所述定时估计器具有耦合到蜂窝收发器353的位置估计器319的第一输入/输出，及耦合到蜂窝收发器353的位置寄存器323的第二个输入/输出。

GPS信号接收器303接收来自天线301的信号，对接收到的信号进行滤波，以向GPS解调器313输出信号。然后，GPS解调器313对GPS信号进行解调，以提取存储在GPS信号中的定时数据和信息数据。所述定时和信息数据随后被传送到定时估计器325。定时估计器325将所述定时信息传送到蜂窝收发器353的位置估计器319，并且从蜂窝接收器353的位置寄存器323接收已存位置值。

因此，本发明的第二实施例与本发明的第一实施例不同，所述不同在于GPS解调和定时估计功能并非嵌入在蜂窝收发器系统内，并且因此提供给蜂窝收发器系统的是解调后的定时和数据信号。

在本发明第二实施例的所有其他方面，以与前述实施例相似的方式运作。

在上述两个实施例中，位置信息在预定时间段后未被简单地舍弃，因而执行普通时间同步序列频率可大幅降低。

在本发明的一些实施例中，所述第一和第二时间段固定在所述定时估计器内。在本发明的其他实施例中，所述第一和第二时间段可以根据移动台工作的环境条件变化和调整。例如，当移动台从在快速移动交通工具内行进时到移动台大部分位于室内时，所述时间段可能改变。

虽然上述内容涉及例如嵌入在蜂窝远程通信系统中的GPS接收器系统，但这种包含信号接收器、解调器、定时估计器、位置估计器和位置寄存器的GPS接收器，可以独立于所述收发器系统工作。

在本发明的进一步实施例中，包含信号接收器、解调器、定时估计器、位置估计器和位置寄存器的GPS接收器，可以嵌入任何需要位置估计信息的系统中。

Claims (12)

1.一种卫星定位装置，包含：

为位置估计提供定时数据的定时同步电路，所述电路被配置为，在第一模式中，在没有位置估计的辅助的情况下，根据至少一个接收到的卫星定位信号，提供所述定时数据，并且在第二模式中，在有位置估计的辅助的情况下，根据至少一个接收到的卫星定位信号，提供所述定时数据；

所述定时同步电路被配置为，根据所述定时同步电路是否提供所述定时数据，在所述第一和第二工作模式间转换。

2.如权利要求1所述的装置，其中，所述定时同步电路被进一步配置为，根据所述定时同步电路是否在第一时间段(N)期间提供所述定时数据，从所述第二模式转换到所述第一模式。

3.如权利要求1或2所述的装置，其中，所述定时同步电路被进一步配置为，根据所述定时同步电路是否在第二时间段(M)期间提供所述定时数据，从所述第一模式转换到所述第二模式。

4.如上述权利要求中的任何一项所述的装置，进一步包含位置估计电路，其被配置为接收所述定时数据，并且根据所述定时信息输出位置估计。

5.如上述权利要求中的任何一项所述的装置，其中，所述位置估计器电路进一步包含位置寄存器。

6.如权利要求5所述的装置，其中，所述位置寄存器包含随机存取存储器。

7.如上述权利要求中的任何一项所述的装置，其中，所述第一模式的操作为GPS定时同步序列。

8.如上述权利要求中的任何一项所述的装置，其中，所述第二模式的操作为位置辅助GPS定时同步序列。

9.一种集成电路，包括如上述权利要求中的任一项所述的GPS装置。

10.一种用于在卫星定位系统中产生定时数据的方法，所述系统包含用于为位置估计提供定时数据的定时同步电路，其中所述方法包含以下步骤：

接收至少一个全球定位卫星信号；

接收至少一个位置估计；

在第一模式中，在没有位置估计的辅助的情况下，根据所述至少一个卫星定位信号，产生定时数据；

在第二模式中，在有位置估计的辅助的情况下，根据所述至少一个卫星定位信号，产生定时信息；

根据所述定时同步电路是否提供所述定时数据，在所述两模式间转换。

11.如权利要求10所述的方法，其中，在所述两模式间转换的步骤包含，根据所述定时同步电路是否在第一时间段(N)期间提供所述定时数据，从所述第二模式转换到所述第一模式。

12.如权利要求10或11所述的方法，其中，在所述两模式间转换的步骤进一步包含，根据所述定时同步电路是否在第二时间段(M)期间提供所述定时数据，从所述第一模式转换到所述第二模式。

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