DE60035675T2

DE60035675T2 - GPS-Empfänger mit niedriger Leistung mit Neuverteilung der Synchronisationsaufgaben

Info

Publication number: DE60035675T2
Application number: DE60035675T
Authority: DE
Inventors: Pierre-Andre Farine; Jean-Daniel Etienne; Ruud Riem-Vis; Elham Firouzi
Original assignee: Asulab AG
Current assignee: Asulab AG
Priority date: 2000-07-04
Filing date: 2000-07-04
Publication date: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2020-07-05
Also published as: DE60035675D1; EP1170597B1; EP1170597A1; ATE368233T1

Description

Die Erfindung betrifft einen GPS-Empfänger mit niedriger Leistung mit Neuverteilung der Synchronisationsaufgaben. Der GPS-Empfänger mit niedriger Leistung umfasst insbesondere eine Empfangsantenne für Hochfrequenzsignale, die von Satelliten stammen, eine Empfangs- und Formungsstufe für Hochfrequenzsignale, die von der Antenne geliefert werden, eine Korrelationsstufe, die aus mehreren Kanälen besteht, die jeweils einen Korrelator umfassen, wobei die Korrelationsstufe Zwischensignale empfängt, die durch die Empfangsstufe geformt werden, und einen Mikroprozessor, der mit der Korrelationsstufe verbunden ist und X-, Y- und Z-Positions-, Geschwindigkeits- und Zeitdaten in Abhängigkeit von den Daten berechnen soll, die nach der Korrelation aus den von den Satelliten ausgesandten GPS-Signalen entnommen werden. Die aus den GPS-Signalen entnommenen Daten sind insbesondere die GPS-Nachricht und die Pseudoabstände.
Derzeit sind 24 Satelliten im Orbit in einem Abstand nahe 20200 km über der Oberfläche der Erde in 6 Umlaufebenen angeordnet, die jeweils um 55° in Bezug auf den Äquator versetzt sind. Die von einem Satelliten benötigte Zeit, um einen vollständigen Umlauf im Orbit zu vollenden, damit er sich wieder am gleichen Punkt über der Erde befindet, beträgt ungefähr 12 h. Die Verteilung der Satelliten im Orbit. ermöglicht einem GPS-Erdempfänger, die GPS-Signale von mindestens vier sichtbaren Satelliten zu empfangen, um beispielsweise seine Position, seine Geschwindigkeit und die lokale Uhrzeit zu bestimmen.
Für das Aussenden der Hochfrequenzsignale umfasst jeder Satellit eine Atomuhr, die mit einer Frequenz von 10,23 MHz getaktet wird, um genaue Zeitdaten zu GPS-Erdempfängern zu liefern. Erdsteuerstationen ermöglichen es, bestimmte Daten des Satelliten nach Bedarf zu korrigieren, beispielsweise auf der Höhe seiner Zeitinformation und Orbitinformation.
Jeder dieser Satelliten sendet Hochfrequenzsignale aus, die aus einer ersten Trägerfrequenz L1 von 1,57542 GHz, auf die der P-Code mit 10,23 MHz und der PRN-C/A-Code von 1,023 MHz, der jedem Satelliten eigen ist, mit der GPS-Nachricht mit 50 Hz, die die Ephemeriden- und Almanachdaten enthält, die insbesondere für die Berechnung der Position nützlich sind, moduliert werden, und eine zweite Trägerfrequenz 12 mit 1,2276 GHz, auf die der P-Code mit 10,23 MHz mit der GPS-Nachricht mit 50 Hz moduliert wird. In zivilen Anwendungen wird nur die Trägerfrequenz L1 mit dem C/A-Code von den Erdempfängern für die Berechnung der X-, Y- und Z-Position, der Geschwindigkeit und der Zeit gemäß der GPS-Nachricht verwendet.
Der PRN-C/A-Code (Pseudozufallsrausch-C/A-Code) von jedem Satelliten, der auch Gold-Code genannt wird, ist ein Pseudozufallscode, der für jeden Satelliten eindeutig ist, um die von den Satelliten ausgesandten Signale im Inneren des Empfängers unterscheiden zu können. Alle Gold-Codes besitzen die Eigenschaft, dass sie orthogonal sind, d. h., dass, wenn sie miteinander korreliert werden, das Ergebnis der Korrelation einen Wert nahe 0 ergibt. Diese Eigenschaft ermöglicht es, mehrere Hochfrequenzsignale, die von mehreren Satelliten stammen, gleichzeitig in mehreren Kanälen ein und desselben GPS-Empfängers unabhängig verarbeiten zu können.
Dieser C/A-Code ist ein digitales Signal, das aus 1023 Chips besteht und das sich jede Millisekunde wiederholt. Diese Wiederholungsperiode ist auch durch den Begriff Epoche des Gold-Codes definiert. Es ist zu beachten, dass ein Chip Werte von 1 oder 0 wie für ein Bit annimmt. Ein Chip (in der GPS-Technik verwendeter Begriff) ist jedoch von einem Bit zu unterscheiden, das verwendet wird, um eine Informationseinheit zu definieren.
Die Gold-Codes sind für 32 Identifikationsnummern von Satelliten definiert, was noch eine freie Wahl des spezifischen Codes lässt, der jedem anderen Satelliten zugeschrieben wird, der in eine der Umlaufebenen in den Orbit gebracht wird.
Im GPS-Empfänger erzeugt auf der Höhe der Korrelationsstufe ein C/A-Code-Generator eine bekannte Kopie eines C/A-Codes des Satelliten durch eine Sequenz von 1023 verschiedenen Chips für jede Herstellung der Phasenerfassung für die Erfassung eines Satelliten. Die Codechips sind in der Zeit in einer Implementierung mit Schieberegistern durch Einrichten des Taktgebers, die die Schieberegister steuert, versetzt.
In mehreren Aktivitätssektoren hat es die Verwendung von tragbaren GPS-Empfängern oder solchen, die in andere Vorrichtungen mit größerer Abmessung eingebaut sind, ermöglicht, zu den Benutzern Navigationsdaten zu liefern, die insbesondere ihre Orientierung und ihre Kenntnis des Orts, den sie belegen, erleichtern. Insbesondere kann die Verwendung von GPS-Empfängern, die in das Armaturenbrett von Straßenfahrzeugen eingebaut sind, und in Zusammenwirkung mit gespeicherten kartographischen Daten, um dem Fahrer des Fahrzeugs einen Weg anzeigen zu können, erwähnt werden.
Die Verringerung der Größe der GPS-Empfänger ist zu einer Notwendigkeit geworden, um sie in Objekte einbauen zu können, die von einer einzigen Person leicht transportierbar sind, die ihre Position und ihre Geschwindigkeit an jedem Ort in relativ genauer Weise kennen will. Mit dieser Größenverringerung dieser Empfänger, die durch Batterien versorgt werden, mussten sich auch Konstruktionen vorgestellt werden, die eine gewisse Einsparung der von den Empfängern verbrauchten Energie garantieren, deshalb die Verwirklichung von Empfängern mit niedriger Leistung.
Die Anforderungen des Verbrauchs hängen natürlich von der Kapazität der Versorgungsbatterie zum Liefern der Energie zu den GPS-Empfängern bei der Verarbeitung der empfangenen Hochfrequenzsignale ab. Je kleiner diese Batterie in Abhängigkeit vom tragbaren Objekt, in dem der Empfänger montiert ist, ist, desto mehr ist es erforderlich, die elektronischen Blöcke der integrierten Schaltungen des GPS-Empfängers mit verringerter Größe zu entwerten, sowie die Art und Weise, in der die Signale in den Schaltungen verarbeitet werden, um die GPS-Nachricht und die Pseudoabstände jedes erfassten Satelliten zu entnehmen.
Da es in Erwägung gezogen wird, GPS-Empfänger in tragbaren Objekten wie Mobiltelephonen oder auch in Armbanduhren zu montieren, müssen die integrierten Schaltungen so entworfen werden, dass ihr Verbrauch nicht zu groß ist, um zu vermeiden, zu häufig die Batteriezelle oder die Batterie des Objekts wechseln zu müssen oder eine kurzfristige systematische Wiederaufladung eines Energieakkumulators ausführen zu müssen.
Im Fall einer Montage in einer Armbanduhr wird eine Größenverringerung nicht nur der Platine, die die integrierten Schaltungen zur Verarbeitung der empfangenen Signale trägt, sondern auch jener der Antenne und des Akkumulators im Rahmen des Möglichen auferlegt. Eine Verringerung des Verbrauchs kann durch Verringern der Größe der Technologie insbesondere für die Verwirklichung der integrierten Schaltungen des Korrelators und der Berechnung durch den Mikrocontroller erreicht werden. Eine CMOS-Technologie von 0,5 μm kann beispielsweise verwendet werden, oder in naher Zukunft mit einer CMOS-Technologie von 0,18 μm, während eine gute Funktion bei hoher Frequenz garantiert wird. Außerdem kann eine Optimierung des Algorithmus zur Verarbeitung der GPS-Signale des Mikroprozessors, die im Korrelator ausgeführt wird, den Verbrauch des Empfängers weiter verringern.
Mehrere Ausführungen von Empfängern mit niedriger Leistung waren bereits das Werk von Patenten, um die vom Empfänger bei seinem Betrieb verbrauchte Energie maximal einzusparen. Beispielsweise kann das Patent US 5 650 785 des Unternehmens Trimble Navigation Limited zitiert werden, das einen GPS-Empfänger mit niedriger Leistung betrifft. Dieser Empfänger umfasst insbesondere einen HF-Abschnitt mit Frequenzteilung und Quantifizierung der GPS-Signale für die Korrelationsstufe und eine Mikrocontroller-Vorrichtung, die einen Versorgungsspannungsmodulator steuert. Dieser Versorgungsspannungsmodulator wird verwendet, um den HF-Abschnitt während einer Zeitdauer zu deaktivieren, die geringer ist als die Zeit, die erforderlich ist, um die GPS-Signale zu korrelieren, um den Verbrauch dieses energieverschlingenden HF-Abschnitts maximal zu verringern, während die Korrelationsstufe in Betrieb belassen wird.
Die aktuelle Tendenz zum Steigern der Geschwindigkeit der Verarbeitung der Signale, während versucht wird, Energie zu sparen, in Anbetracht der großen Übertragung von Daten, die zwischen dem Korrelator und dem Mikroprozessor stattfinden muss, besteht darin, den Empfänger mit einem 32-Bit-Mikroprozessor auszustatten. Diese Verbesserung der Kapazitäten des Empfängers mit derartigen Mikroprozessoren hat jedoch den Nachteil, dass ein großer Austausch von Daten zwischen dem Mikroprozessor und dem Demodulator oder Korrelator stattfindet, wobei dieser Austausch außerdem bei einer Frequenz stattfindet, die kHz übersteigt.
Um sich auf eine Größenordnung des aktuellen Verbrauchs von GPS-Empfängern mit niedriger Leistung festzulegen, kann das Beispiel über die Verwirklichung des GPS-Empfängers, der ACE III GPS genannt wird, des Unternehmens Trimble Navigation Limited herangezogen werden. Dieser Empfänger besitzt eine Architektur mit 8 Kanälen, die die schnellste ist, um Energie zu sparen, und eine beste Zuverlässigkeit garantiert. Die Abmessung der Karte mit den Komponenten ist 8,26 cm × 4,65 cm × 1,15 cm. Die verbrauchte Leistung ist kleiner als 0,5 W, ohne den Verbrauch des Verstärkers der Antenne zu berücksichtigen. Diese GPS-Empfängervorrichtung wird für die Navigation, die Verfolgung (Lokalisierung), die Sammlung von Daten oder andere Anwendungen verwendet, in denen die Vorrichtung durch eine Batterie versorgt wird. Dieser Empfänger umfasst 32 Korrelatoren.
Eine erste integrierte Schaltung ist der HF/ZF-Frequenzwandler, der die in der Korrelationsstufe geformte Information schicken soll, in dem ein Übergang zu einer Zwischenfrequenz stattfindet, um unter anderem den Verbrauch zu verringern, ohne die Qualität des empfangenen Signals zu verschlechtern. Eine zweite integrierte Schaltung, die das Zwischensignal empfängt, ist der GPS-DSP, dessen Mikroprozessor vom 32-Bit-Typ ist. Die von diesem Empfänger verbrauchte Leistung liegt in der Größenordnung von 0,5 W für eine Spannung, die 3,5 V nicht übersteigt. Selbst mit einem derartigen relativ geringen Verbrauch, ist dieser Empfänger schwierig imstande, beispielsweise eine Uhr oder ein tragbares Telephon ausstatten zu können, die mit einem schwachen Energieakkumulator oder mit einer Batteriezelle versehen sind.
Wenn eine Berechnung in Echtzeit erwünscht ist, erfordert dies eine große Rechenleistung, die nur mittels großer Mikroprozessoren oder großer Rechner, insbesondere mit 32-Bit-Mikroprozessoren, durchgeführt werden kann.
Ein Ziel, dessen Lösung die Absicht der Aufgabe der Erfindung ist, besteht darin, einen GPS-Empfänger mit niedriger Leistung zu verwirklichen, der den Energieverbrauch maximal verringern kann, so dass der Akkumulator oder die Batteriezelle des Objekts sich nicht zu schnell entlädt, während er sich von den Ausführungen der GPS-Empfängervorrichtungen des Standes der Technik distanziert.
Ein weiteres Ziel, dessen Lösung die Absicht der Aufgabe die Erfindung ist, besteht darin, alle Komponenten des GPS-Empfängers in das Innere des Gehäuses einer Uhr integrieren zu können, damit sie durch einen Energieakkumulator oder eine Batteriezelle versorgt wird.
Diese Ziele sowie andere werden vom vorstehend angeführten GPS-Empfänger mit niedriger Leistung erreicht, der dadurch gekennzeichnet ist, dass in jedem Kanal eine Steuereinheit mit einem Algorithmus zur Verarbeitung von digitalen Signalen dem Korrelator zugeordnet ist, um bei der Inbetriebnahme des Kanals zu ermöglichen, in autonomer Weise alle Synchronisationsaufgaben für die Suche und die Verfolgung eines Satelliten abzuarbeiten, und dass mindestens eine Registergruppe für die Eingabe und Ausgabe von Daten an der Grenze zwischen der Korrelationsstufe und dem Mikroprozessor angeordnet ist, um Daten, die vom Mikroprozessor zur Korrelationsstufe ausgesandt werden, und Daten, die von der Korrelationsstufe geliefert werden, zu empfangen, wobei die Daten, die durch die Registergruppe laufen, aus Signalen mit einer Frequenz bestehen, die geringer als die oder gleich der Frequenz der GPS-Nachrichtensignale ist, damit der Mikroprozessor die Aufgaben der Berechnung der Position, der Geschwindigkeit und der Zeit ohne Eingriff auf der Höhe der Synchronisations- und Korrelationsaufgaben ausführen kann.
Diese Ziele sowie weitere werden auch durch eine Uhr mit einem derartigen GPS-Empfänger erreicht, der dadurch gekennzeichnet ist, dass der GPS-Empfänger im Gehäuse der Uhr untergebracht ist und von einem Energieakkumulator oder von einer Batteriezelle versorgt wird, der/die auch für die Versorgung der elektronischen Komponenten der Zeitmessfunktionen dient.
Ein Vorteil des GPS-Empfängers besteht darin, dass ein großer Teil des Algorithmus zur Verarbeitung der digitalen Signale, der DSP-Algorithmus genannt wird, mit Hilfe eines zweckgebundenen Materials in der Korrelationsstufe angeordnet wird. Dies ermöglicht es folglich, diese Softwareaufgaben, die vorher einem Mikroprozessor mit 32 Bits oder mehr gewidmet waren, in die Korrelationsstufe umzuverteilen. Der Mikroprozessor ist folglich nur damit beschäftigt, Rechenaufgaben gemäß den GPS-Nachrichten von mindestens vier Satelliten auszuführen, die von den empfangenen Hochfrequenzsignalen entnommen sind. Es wird sogar vorgeschlagen, den ganzen Algorithmus in eine Steuereinheit zu integrieren, die in der Korrelationsstufe angeordnet ist. Die Synchronisation wird folglich in einer verkabelten Logik außerhalb des Mikroprozessors, der für die Endberechnung verwendet wird, ausgeführt. Eine Parallelbit-Architektur ist folglich in jedem Kanal mit einer Steuerung jeder Korrelationsstufe in den Regelungsschleifen vorgesehen.
Da es keine sehr große Übertragung von Daten zwischen dem Korrelator und dem Mikroprozessor mehr gibt und diese Übertragung nicht mehr sehr schnell stattfinden muss, kann nur ein 8-Bit-Mikroprozessor verwendet werden. Der Mikroprozessor ist folglich nur mit Niederfrequenzberechnungen mit digitalen Signalen zwischen 50 Hz und 2 Hz für die Navigation beschäftigt, daher eine Energieeinsparung. Die Korrelatorstufe muss natürlich Speicherelemente, eine arithmetische Einheit, eine Einheit zur Steuerung des Korrelators und eine Synchronisationseinheit der Datenbits für die Ausführung der verschiedenen eigentlichen Synchronisations- und Korrelationsschritte umfassen.
Die Softwareaufgaben, die vorher im Mikroprozessor in Kommunikation mit der Korrelationsstufe durchgeführt wurden, erfolgten vorher bei einer Frequenz in der Größenordnung von kHz. Folglich musste jedes Mal eine Übertragung von Informationen bei dieser Frequenz ausgeführt werden. Da der Algorithmus, der auf die Regelungsschleifen des Korrelators einwirkt, in jedem der 12 Kanäle in Form einer verkabelten Logik übertragen wurde, werden nun alle Synchronisationsberechnungen mit den Frequenzen, die höher sind als kHz, in der Korrelationsstufe durchgeführt. Es gibt nur mehr Datenübertragungen mit 50 Hz, die durch die Pufferregister an der Grenze zwischen der Korrelationsstufe und dem Hauptmikroprozessor laufen, was es ermöglicht, eine große Menge an Energie zu sparen.
Mit dieser neuen Umverteilung dieser Softwareaufgaben wird der Energieverbrauch des Empfängers stark verringert, deshalb eine mögliche Integration in eine Uhr. Zum Vergleich ist der GPS-Empfänger der vorliegenden Erfindung mit einem Verbrauch in der Größenordnung von 100 mW bei einer Versorgungsspannung, die geringer als oder 3 V ist, vorgesehen, und wird gewöhnlich auf eine Leistung in der Größenordnung von 50 mW in naher Zukunft gebracht. Der GPS-Empfänger mit allen seinen Komponenten, die auf einer gedruckten Schaltung angeordnet sind, besitzt einen Platzbedarf nahe 8 cm³.
Die im Empfänger verwendeten Taktfrequenzen sind in Abhängigkeit von den Frequenzen der empfangenen Hochfrequenzsignale angepasst, um mehrere Teile in identischer Weise zu takten, was die Konsequenz hat, dass auch die Anzahl von elektronischen Elementen insbesondere in der Korrelationsstufe und infolgedessen der Verbrauch des Empfängers verringert wird. Außerdem wird eine Verringerung des Verbrauchs durch Ausführen einer Umsetzung oder Komprimierung der Frequenz der Hochfrequenzsignale für die Korrelationsstufe durchgeführt.
Der Mikroprozessor kann verwendet werden, wenn mindestens drei oder vier Satelliten erfasst wurden, um jeglichen unnützen Verbrauch zu verringern, in Anbetracht dessen, dass jeder Kanal der Korrelationsstufe in autonomer Weise die Operationen der Suche und Verfolgung des erfassten Satelliten koordinieren kann.
Die Ziele, Vorteile und Merkmale des GPS-Empfängers mit niedriger Leistung mit Umverteilung der Softwareaufgaben auf der Höhe der Korrelationsstufe zeigen sich besser in der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen, die durch die Zeichnungen dargestellt sind, in denen:
1 in schematischer Weise die Gesamtheit der Elemente, die den erfindungsgemäßen GPS-Empfänger bilden, darstellt,
2 den Korrelator eines Kanals für die Anpassung der Kopie des C/A-Codes und der Kopie der Trägerfrequenz des erfindungsgemäßen GPS-Empfängers darstellt,
3 eine Graphik der Anpassungsinkremente der Trägerfrequenz und des C/A-Codes der Kanäle gemäß zwei Dimensionen für die Erfassung und die Verfolgung der sichtbaren Satelliten darstellt,
4 einen Ablaufplan der Operationen der Suche und der Verfolgung der Satelliten des erfindungsgemäßen GPS-Empfängers darstellt, und
5 eine Armbanduhr darstellt, die mit einem erfindungsgemäßen GPS-Empfänger ausgestattet ist.
In der folgenden Beschreibung werden mehrere Elemente des GPS-Empfängers, die dem Fachmann auf diesem technischen Gebiet gut bekannt sind, nur in vereinfachter Weise geschildert, wobei die Betonung speziell auf die Umverteilung der Softwareaufgaben insbesondere der Synchronisation, die sich vorher im Mikroprozessor befand, auf der Höhe der Korrelationsstufe gelegt wird.
Der GPS-Empfänger mit niedriger Leistung ist vorzugsweise dazu bestimmt, eine Armbanduhr auszustatten, um nach Bedarf Daten der Position, der Geschwindigkeit und der lokalen Uhrzeit für den Träger der Uhr zu liefern. Da die Uhr einen Akkumulator oder eine Batteriezelle mit kleiner Größe besitzt, muss die verbrauchte Leistung die geringstmögliche bei der Funktion des GPS-Empfängers sein. Aus diesen Gründen wurde vorgesehen, die wesentlichen Aufgaben der Synchronisation hinsichtlich der Erfassung und Verfolgung der Satelliten auf der Höhe der Korrelationsstufe und nicht mehr im Mikroprozessor zu verteilen, wie in der folgenden Beschreibung genauer erläutert wird.
Der GPS-Empfänger könnte natürlich andere tragbare Objekte mit kleiner Größe in gleicher Weise wie die vorstehend angeführte Uhr ausstatten, die mit einem Energieakkumulator oder einer Batteriezelle versehen sind, beispielsweise für ein tragbares Telephon.
Bei der Montage des GPS-Empfängers in einem Gehäuse einer Armbanduhr muss auch die Abmessung der Antenne berücksichtigt werden. Es muss bekannt sein, dass eine Verringerung der Größe der Antenne sowie der Masseebene, auf der sie montiert ist, eine Verringerung der Verstärkungseinheit durch die Verluste des Rauschabstandes (SNR) als Konsequenz hat. Mehrere Anstrengungen haben sich auf die Verbesserung der Erfassung des Signals und auf die Algorithmen zur Verfolgung konzentriert, die es ermöglichen, die Verluste des Rauschabstandes für den Empfänger zu kompensieren.
Die Übertragung von Daten mit dem Mikroprozessor erfolgt nicht mehr während aller Korrelationsschritte. Es ist nur das Ergebnis der Korrelation von jedem Kanal der Korrelationsstufe, das zum Mikroprozessor übertragen wird, insbesondere die GPS-Nachrichten mit einer Frequenz von 50 Hz. Deshalb wurde der hohe Verbrauch, der vorher beim Austausch von Informationen oder Parametern zwischen dem Mikroprozessor und der Korrelationsstufe während der Erfassungs- und Verfolgungsphasen festgestellt wurde, die bei Frequenzen oberhalb kHz abgelaufen sind, stark verringert.
Der GPS-Empfänger 1 mit niedriger Leistung ist schematisch in 1 dargestellt. Er besteht aus einer Antenne 2 zum Empfangen der Hochfrequenzsignale, die von mehreren Satelliten stammen, einer Stufe 3 zum Empfangen und Formen der Hochfrequenzsignale, die von der Antenne 2 geliefert werden, einer Korrelationsstufe 7, die Zwischensignale ZF in komplexer Form mit einer Frequenz in der Größenordnung von 400 kHz von der Formungsstufe 3 empfängt, wobei die Korrelationsstufe aus 12 Kanälen 7' besteht, einer Datenübertragung 10, die jeden Kanal mit einem jeweiligen Pufferregister 11 verbindet, und schließlich einem Datenbus 13, der jedes Pufferregister mit einem Mikroprozessor 12 verbindet.
Die Register 11 von jedem Kanal können Daten oder Parameter zur Konfiguration, die vom Mikroprozessor oder von einem Speicher, der ihm zugeordnet ist, stammen, für den Korrelationskanal 7' empfangen und können Daten hinsichtlich der GPS-Nachrichten, den PRN-Code-Zustand, das Frequenzinkrement in Bezug auf den Doppler-Effekt, die Pseudoabstände und andere Daten nach der Korrelation und Verriegelung mit einem speziellen Satelliten übertragen.
Die Pufferregister 11 bestehen aus mehreren Arten von Registern, die beispielsweise die Steuer- und Zustandsregister, die Register für die NCO-Oszillatoren (Oszillatoren eines numerisch gesteuerten Oszillators) der Kanäle, die Pseudoabstandsregister und die Energieregister, die Register für den Abstand und das Inkrement des Trägers und des Codes und die Testregister sind. Es ist zu beachten, dass diese Register Daten während der Korrelationsphase sammeln können, damit sie während der Prozeduren der Erfassung und Verfolgung der Satelliten verwendet werden, ohne zwangsweise automatisch zum Mikroprozessor übertragen zu werden.
In einer Ausführungsvariante kann in Anbetracht der Tatsache, dass bestimmte Daten, die im Registerblock angeordnet sind, jedem Kanal gemeinsam sind, ein einziger Block von Registern 11 für alle Kanäle 7' der Korrelationsstufe in Erwägung gezogen werden.
In der Empfangsstufe 3 setzt eine erste elektronische Schaltung 4 das Hochfrequenzsignal von einer Frequenz von 1,57542 GHz in eine Frequenz von 179 MHz um und eine zweite elektronische ZF-Schaltung 5 führt eine doppelte Umsetzung durch, um die GPS-Signale zuallererst auf eine Frequenz von 4,8 MHz, dann schließlich auf eine Frequenz von 400 kHz durch Abtasten mit 4,4 MHz zu bringen, um ein komplexes Zwischensignal ZF zu liefern, das in der Korrelationsstufe abgetastet und quantifiziert wird. Dieses komplexe Zwischensignal ZF besteht folglich aus einem phasengleichen Signal I und einem Quadratursignal Q.
Die von der ersten Schaltung 4 gelieferten Signale geben in der Hälfte der Fälle Signale mit unterschiedlicher Parität (+1 und –1). Diese Parität muss folglich für die Operationen der Demodulation der GPS-Signale im Empfänger berücksichtigt werden.
Im Fall eines GPS-Empfängers mit niedriger Leistung ist es empfohlen, 1-Bit-Zwischensignale ZF zur Quantifizierung für die Trägerfrequenz auszugeben, selbst wenn diese Quantifizierung einen zusätzlichen Verlust in der Größenordnung von 1 dB am Rauschabstand (SNR) erzeugt.
Für diese Frequenzumsetzungsoperationen ist ein Quarzoszillator 6, der auf eine Frequenz in der Größenordnung von 17,6 MHz kalibriert ist, ein Teil der Stufe 3 zum Empfangen und Formen der Hochfrequenzsignale. Die Frequenz dieses Oszillators wird auf ungefähr 1,4 GHz erhöht, um eine Multiplikation mit den GPS-Signalen mit 1,57542 GHz durchzuführen, um auf eine Frequenz von 179 MHz in der ersten HF-Schaltung 4 umgesetzte Signale zu liefern. Das Taktsignal des Oszillators wird an die zweite ZF-Schaltung angelegt, um die GPS-Signale zuallererst auf eine Frequenz von 4,8 MHz und anschließend auf die Frequenz von 400 kHz umsetzen zu können. Eine Taktfrequenzdivision wird in dieser zweiten Schaltung 5 ausgeführt, um eine Abtastfrequenz der GPS-Signale in der Größenordnung von 4,4 MHz vorzusehen, die normalerweise zur Taktfrequenz CLK äquivalent ist, die für die Korrelationsstufe bestimmt ist. Es ist jedoch zu beachten, dass die Anmelderin den GPS-Empfänger mit einer Taktfrequenz CLK von 4,36 MHz verwirklicht hat, die auch durch 16 in der Empfangsstufe dividiert wird, beispielsweise um eine Frequenz CLK 16 von 272,5 kHz zu geben, die für bestimmte Teile der Korrelationsstufe verwendet wird, aber durch Näherung wird in dieser Beschreibung die Frequenz CLK gleich 4,4 MHz definiert.
Es ist zu beachten, dass die Frequenz von 4,36 MHz viel kleiner sein könnte, da zwei Kriterien diesen Wert definieren. Das erste Kriterium bezieht sich auf den komplexen Abtastalgorithmus, bei dem die Bandbreite des Antideckungsfilters die Taktfrequenz auf ein Minimum von 3 MHz begrenzt. Das zweite Kriterium ist die Taktfrequenz, die zu jenen des PRN-Codes (1,023 MHz) und des Trägers (400 kHz) asynchron sein muss. In Abhängigkeit von bestimmten Kriterien der HF/ZF-Stufe wurde die Taktfrequenz auf 4,36 MHz festgelegt.
Der Mikroprozessor 12 ist in der vorliegenden Erfindung vorzugsweise ein 8-Bit-Mikroprozessor CoolRISC-816 von EM Microelectronic-Marin SA in der Schweiz. Dieser Mikroprozessor wird durch ein Taktsignal mit 4,4 MHz getaktet, das vom Signal mit 8,8 MHz abgeleitet ist, das vom Dividierer 6' der Empfangs- und Formungsstufe 3 geliefert wird.
Ein einziges Halbleitersubstrat kann ebenso die Gesamtheit der Korrelationsstufe mit den Registern und dem Mikroprozessor enthalten.
In Anbetracht der Tatsache, dass die vom Bus 10 zu den Registern 11 übertragenen Daten Signale mit einer Frequenz von 50 Hz sind, kann die Verarbeitung dieser Daten, insbesondere der demodulierten GPS-Nachrichten, folglich durch einen Mikroprozessor mit kleiner Größe verwirklicht werden, da der Mikroprozessor 12 hauptsächlich nur mit den Aufgaben der Berechnung der X-, Y- und Z-Position, der Geschwindigkeit und der Zeit beschäftigt ist. Es ist zu beachten, dass diese Berechnungen nicht in Echtzeit durchgeführt werden müssen, deshalb ist es möglich, einen 8-Bit-Mikroprozessor zu verwenden, während am Energieverbrauch des Empfängers eingespart wird, da die Synchronisationsaufgaben für die Erfassung und Verfolgung der Satelliten mit Frequenzen oberhalb kHz in autonomer Weise durch ein zweckgebundenes Material in mindestens vier Kanälen 7' der Korrelationsstufe 7 durchgeführt werden.
Jeder Kanal 7' der Korrelationsstufe 7 umfasst einen Korrelator 8 und ein Steuereinheit 9, die zur Inbetriebnahme insbesondere des Algorithmus zur Verarbeitung der Signale für die Erfassung des Signals des Satelliten und die Verfolgung des durch den Kanal erfassten Satelliten durch ein zweckgebundenes Material vorgesehen ist.
Die Steuereinheit 9 von jedem Kanal umfasst unter anderem eine Einheit mit Speichern, eine arithmetische Einheit, eine Einheit zur Synchronisation der Datenbits, eine Einheit zur Steuerung des Korrelators und eine Unterbrechungseinheit, die in 1 nicht sichtbar sind. Die Speichereinheit besteht insbesondere aus einem RAM-Speicher zum Aufzeichnen von momentanen Daten. Der RAM-Speicher ist in eine nicht regelmäßige oder regelmäßige Struktur verteilt. Die arithmetische Einheit verwirklicht insbesondere Additions-, Subtraktions-, Multiplikations-, Akkumulations- und Versetzungsoperationen.
Alle Aufgaben der Erfassung und Verfolgung der erfassten Satelliten werden folglich in autonomer Weise in jedem jeweiligen Kanal der Korrelationsstufe in einer Parallelbit-Architektur verwirklicht, in der die Berechnung von mehreren Bits in einem Taktimpuls verwirklicht wird. Wenn ein Kanal auf einen Satelliten verriegelt wurde, synchronisiert die Schaltung den Fluss von GPS-Daten, die für die anschließenden Berechnungen bestimmt sind.
Wie vorher beschrieben, werden mehrere Hochfrequenzsignale, die von mehreren Satelliten stammen, an der Antenne empfangen. Da ihre C/A-Codes orthogonal sind, können die Kanäle in simultaner Weise arbeiten, damit sie sich jeweils auf einem jeweiligen Satelliten verriegeln.
Es muss bekannt sein, dass die Position der Satelliten im Himmel bekannt ist, was veranlasst, dass in Erwägung gezogen werden kann, in einem Speicher des Empfängers alle Informationen hinsichtlich der Position der Satelliten, ihres Gold-Codes und jener, die durch den GPS-Erdempfänger im Moment seiner Inbetriebnahme sichtbar sein können, zu haben.
Die Zwischensignale ZF, die zur Korrelationsstufe geliefert werden, umfassen Rauschen, das um 15 dB höher ist als die Nutzsignale, deshalb ist es erforderlich, die Form der Signale zu kennen, die der Empfänger demodulieren muss. Dies dient dazu, eine Korrelation der ZF-Signale und eine Demodulation der GPS-Nachricht für den Mikroprozessor sicherzustellen, sobald die Kanäle jeweils auf einen jeweiligen sichtbaren Satelliten verriegelt sind.
In der GPS-Anwendung werden die DSP-Algorithmen in verschiedenen Frequenzverhältnissen ausgeführt. Die Algorithmen, die in niedrigeren Frequenzverhältnissen, bis zu kHz, ausgeführt werden, bestehen im Wesentlichen aus den folgenden Funktionen: Steuerung der Vorerfassungsbandbreite, Erfassung des Signals, Verfolgung des Signals, Blockierungserfassung, Synchronisation der Bits, Demodulation der Daten, Steuerung der Parität und Maßberechnung. Die Aufga ben, die in einem höheren Frequenzverhältnis, d. h. höher als kHz, ausgeführt werden, sind die Steuerung der Verstärkung mit Vorkorrelation, die Filterung des Vorkorrelationssignals, die Abtastung und die Quantifizierung, der Schwund des Doppler, die Erzeugung der Trägerfrequenz durch den NCO, den PRN-Code-Generator und den Korrelator.
In einer ersten Phase der Suche eines Satelliten werden die Frequenzparameter hergestellt und der PRN-Code wird geladen, damit der Kanal die Suche beginnen kann. Er untersucht alle möglichen Phasen in einer einzigen Trägerfrequenz mit der Auflösung eines Chips, wie in 3 dargestellt. Wenn der Satellit gefunden wurde, verriegelt die Schaltung auf dem Signal, während die Träger- und Codefrequenzen, die intern erzeugt werden, angepasst werden. Solange die Leistung des Signals ausreicht, führt der Kanal die Synchronisation der Bits fort und gibt die GPS-Nachrichten aus.
Um den Pseudoabstand zu bestimmen, wird der Zustand des PRN-Code-Generators für jeden Kanal gleichzeitig übertragen, ebenso wie die aktuelle Phase des NCO-Codes. Dies ermöglicht es, die Information über den Abstand, der den Empfänger vom Satelliten trennt, mit einer Auflösung, die geringer ist als eine Mikrosekunde, zu finden.
Zusätzlich zur Verringerung des Verbrauchs, der mit der Verteilung der Softwareaufgaben in die Korrelationsstufe festgestellt wird, kann eine zusätzliche Verringerung des Verbrauchs durchgeführt werden, indem durch eine Zeitperiode absichtlich die HF-Stufe von der Empfangs- und Formungsstufe 3 der Signale getrennt wird, während das Verfahren der Erzeugung der Kopie des Codes aktiv gehalten wird.
Am Ausgang von der Pufferregisterstufe 11 zum Mikroprozessor befindet sich die GPS-Nachricht mit einem einzigen Bit auf einer Frequenz von 50 Hz, was es ermöglicht, viel Energie zu sparen. Vom Gesichtspunkt des mit dieser Umverteilung der Synchronisationsaufgaben erhaltenen Gewinns ist die Datenübertragung zwischen jedem Korrelationskanal und dem Mikroprozessor bis zu 3 Größenordnungen geringer in Bezug auf die GPS-Empfänger des Standes der Technik, da es nicht mehr erforderlich ist, die Energien und Inkremente des NCO für jede Epoche zu übertragen.
Der Zustand des PRN-Code-Generators und der Zustand der Phase des NCO, insbesondere am Ende der Korrelation, werden in das Pufferregister 11 gesetzt, um den Pseudoabstand bestimmen zu können, damit der Mikroprozessor daraus mit mindestens vier Satelliten die Position, die Geschwindigkeit und die Zeit entnehmen kann.
In der Konfiguration, die gerade mit Bezug auf 1 beschrieben wurde, ist zu beachten, dass der Korrelator 8 und die Steuereinheit 9 durch ein erstes Taktsignal CLK (4,36 MHz) und durch ein zweites Taktsignal CLK 16 (272,5 kHz) für den Hauptteil der Korrelationsstufe getaktet werden. Die Regelungsschleifen zur Einstellung der Parameter der Trägerfrequenz und der Phase des C/A-Codes funktionieren ihrerseits mit digitalen Signalen von 1 kHz. Dieser Teil der Korrelationsstufe 7 mit 1 kHz ist in einer Parallelbit-Architektur verwirklicht, was die Verarbeitung der Signale der Schleife durch die Steuereinheit mit einem weniger hohen Frequenzverhältnis in autonomer Weise ermöglicht. Am Ende der Korrelationskette wurden die empfangenen GPS-Signale mit einer Frequenz von 1,57542 GHz schrittweise verringert, damit sie auf Signale mit einer Frequenz von 50 Hz gebracht werden, die der GPS-Nachricht entsprechen, die direkt durch den Mikroprozessor nutzbar sind.
In 2 sind der Korrelator 8 mit einem Teil für die Regelungsschleife des PRN-Codes und einem weiteren Teil für die Regelungsschleife der Trägerfrequenz darstellt. Für mehr Details in Bezug auf die verschiedenen Elemente dieses Korrelators soll der Leser auf die Lehre, die aus dem Kapitel 5 des Buchs "Understanding GPS Principles and Applications", verfasst von Phillip Ward und vom Herausgeber Elliott D. Kaplan, und insbesondere auf 5.8 und 5.13, die in groben Zügen alle Elemente der 2 der vorliegenden Erfindung darstellen, entnommen ist, Bezug nehmen.
In der vorliegenden Erfindung wurde die punktuelle Komponente aus der Regelungsschleife des Codes aus Gründen der Verbrauchseinsparung beseitigt, aber ein Verlust des Rauschabstandes wird festgestellt, der in der Größenordnung von 2,5 dB liegt.
Mit Bezug auf 2 ist das Zwischensignal ZF, das in der Fig. durch eine fette Linie, die von einem schrägen Balken geschnitten ist, der 2 Bits definiert, dargestellt ist, ein komplexes Signal (I + iQ), das aus einem phasengleichen 1-Bit-Signal I und einem 1-Bit-Quadratursignal besteht. Das Zwischensignal ZF wurde abgetastet und quantifiziert und wird zuerst durch eine Multipliziererstufe 20 des Trägers geleitet. Ein Multiplizierer 21 multipliziert das Signal ZF mit dem Cosinus minus dem i-fachen des Sinus der Kopie des Trägers, die intern erzeugt wird, um aus dem komplexen Signal das phasengleiche Signal I zu entnehmen, während ein Multiplizierer 22 das Signal ZF mit minus Sinus minus dem i-fachen des Cosinus der Kopie des Trägers, die intern erzeugt wird, multipliziert, um aus dem komplexen Signal das Quadratursignal Q zu entnehmen.
Nach dieser Operation geht es um das Finden der Äquivalenz des C/A-Codes des Signals eines zu erfassenden Satelliten in einem verriegelten Kanal mit einem C/A-Code, der im dem gewünschten Satelliten entsprechenden Kanal erzeugt wird. Dafür laufen das phasengleiche Signal und das Quadratursignal durch eine zweite Stufe von Multiplizierern 23, um die Signale I und Q mit einer voreilenden Kopie und einer nacheilenden Kopie des C/A-Codes zu korrelieren, um vier Korrelationssignale zu erhalten. In jedem Kanal der Korrelationsstufe wurde nur die voreilende und die nacheilende Kopie anstelle der drei Kopien normalerweise ohne Berücksichtigung der punktuellen Kopie bewahrt. Dies ermöglicht es, die Anzahl von Korrelationselementen zu minimieren.
Der Multiplizierer 24 empfängt das Signal I und das Signal der voreilenden Kopie E (vom englischen Begriff "early") von einem 2-Bit-Register 36 und liefert ein korreliertes Signal mit Phasenvoreilung. Der Multiplizierer 25 empfängt das Signal I und das Signal der nacheilenden Kopie L (vom englischen Begriff "late") vom Register 36 und liefert ein korreliertes Signal mit Phasennacheilung. Der Multiplizierer 26 empfängt das Quadratursignal Q und das voreilende Signal E und liefert ein voreilendes korreliertes Quadratursignal. Schließlich empfängt der Multiplizierer 27 das Signal Q und das Signal der nacheilenden Kopie L und liefert ein nacheilendes korreliertes Quadratursignal. Der Abstand zwischen der voreilenden Kopie E und der nacheilenden Kopie L ist in der Ausführung der vorliegenden Erfindung ein Chip, was veranlasst, dass der Abstand mit einer punktuellen zentralen Komponente P ½ Chip ist. Die Multiplizierer können durch Vereinfachung beispielsweise mit Hilfe von EXKLUSIV-NICHT-ODER-Logikgattern verwirklicht werden.
Hinsichtlich der um einen Abstand von einem Chip voreilenden und nacheilenden Signale sind sie nützlich, um die bei der Erfassung des Satelliten erfasste Energiespitze zu erfassen, was die Verwendung der punktuellen Signale überflüssig macht, mit dem Ziel, jeglichen unnützen Verbrauch im GPS-Empfänger mit niedriger Leistung zu vermeiden. Trotzdem genügt die Verwendung dieser voreilenden und nacheilenden Komponenten für die Erfassung des Satelliten.
Die vier korrelierten Signale treten jeweils in einen der Zähler-Integratoren 28, 29, 30, 31 ein, die Vorerfassungselemente sind, deren Ausgangswerte I_ES, I_LS, Q_ES und Q_LS mit 10 Bits dargestellt werden, was bedeutet, dass ein vollständiger Zyklus des C/A-Codes nötig war, um die Werte zu finden. Ein vollständiger Satz von Werten I_ES, I_LS, Q_ES und Q_LS wird jede Millisekunde oder jede Epoche erhalten. Alle Operationen in den Schleifen, die diesen Integratoren folgen, erfolgen in einer Parallelbit-Architektur mit Signalen mit einer Frequenz von 1 kHz. Um einen Teil des Rauschens des zu demodulierenden Nutzsignals zu beseitigen, werden nur die 8 höchstwertigen Bits für die Folge der Kette zur Verarbeitung der digitalen Signale verwendet.
Die Werte der Signale I_ES, I_LS, Q_ES und Q_LS, die in der Fig. durch eine fette Linie, die von einem schrägen Balken geschnitten ist, der 8 Bits definiert, dargestellt sind, werden in einen Codeschleifendiskriminator 32 und in ein Codeschleifenfilter 33 geleitet. Der Codeschleifendiskriminator verwirklicht die Operationen der Berechnung der Energie der Signale I_ES, I_LS, Q_ES und Q_LS. Der Diskriminator ist nicht kohärent vom Typ mit Verzögerungsverriegelungsschleife (DLL). Er besteht insbesondere aus einem 8-Bit-Multiplizierer und aus einem 20-Bit-Akkumulator. In diesem Diskriminator wird eine Korrektur der Trägerschleife durchgeführt, da beim Aussenden des Signals durch den Satelliten der Doppler-Effekt sich nicht nur auf der Trägerfrequenz, sondern auch auf dem C/A-Code, der auf die Trägerfrequenz moduliert wird, bemerkbar macht. Das Bringen des Trägers in den Codeschleifendiskriminator entspricht einer Division des Abstandsinkrements des Trägers durch 1540.
Gemäß dem gefilterten Ergebnis des Diskriminators wird ein Phaseninkrement durch den 28-Bit-NCO dem PRN-Code-Generator 35 auferlegt, damit er die Reihe von Bits des PRN-C/A-Codes zum Register 36 überträgt, um eine neue Korrelation durchzuführen. Die Frequenzauflösung dieses 28-Bit-NCO liegt in der Größenordnung von 16 mHz (für eine Taktfrequenz von 4,4 MHz).
Die verschiedenen Ergebnisse der Schleife werden von der Steuereinheit verarbeitet, damit sie die Erfassungs- und Verfolgungsoperationen koordiniert. Sobald eine Synchronisation und Verriegelung mit dem gewünschten Satelliten besteht, werden die Werte I_ES und I_LS in ein Demodulationselement 50 eingeführt, das die Datennachricht mit 50 Hz auf 1 Bit durch das Register zur Eingabe und Ausgabe von Daten zum Mikroprozessor liefern kann. Zusätzlich zur Nachricht kann der Mikroprozessor insbesondere die Informationen hinsichtlich der Pseudoabstände, die in das Pufferregister eingegeben werden, nehmen, um die X-, Y- und Z-Position, die Geschwindigkeit und die genaue lokale Uhrzeit zu berechnen.
In der Regelungsschleife wurde ein modifizierter Mehrfachunterbrechungsdetektor (Multiple Dwell Detektor), der nicht dargestellt ist, in jeden Kanal eingebaut, um eine gute Verringerung der Synchronisationszeit zu garantieren, um den Verbrauch des Empfängers zu verringern. Die Vorerfassungszeit der Integratoren bleibt dagegen konstant auf 1 ms. In diesem Detektor wird am Ende der ersten Erfassung eine Energieschwelle am Ausgang des Energiedetektors subtrahiert. Wenn das Ergebnis dieser Subtraktion kleiner als 0 ist, bedeutet dies, dass ein Energiemangel vorliegt. Im gegenteiligen Fall kann eine zweite Erfassung beginnen. Die Energieschwelle wird erneut bei der Addition des neuen Ausgangs des Energiedetektors mit dem Ergebnis der vorangehenden Operation subtrahiert. Diese Operationen werden N Mal wiederholt, bis das Signal als vorhanden deklariert wird. Ab diesem Moment kann das Verfolgungsverfahren beginnen. Dieser Detektor ermöglicht folglich, die Erfassung des Signals des Satelliten zu beschleunigen.
Alle vorstehend erläuterten Elemente werden in Anbetracht der Tatsache, dass sie Teil der allgemeinen Kenntnisse eines Fachmanns auf diesem technischen Gebiet sind, nicht genauer beschrieben.
Mit Bezug auf 2 wird das Signal ZF mit dem Cosinus minus dem i-fachen Sinus der Kopie des Trägers, die intern im Multiplizierer 21 erzeugt wird, und mit minus Sinus mal dem i-fachen des Cosinus der Kopie des Trägers, die intern im Multiplizierer 22 erzeugt wird, multipliziert. Diese Signale (Cos-iSin) und (-Sin-ICos) stammen jeweils von einem Block 45 und einem Block 46 einer Tabelle des Signals der Kopie. Das Ziel besteht darin, die Trägerfrequenz der Signale, die die GPS-Nachricht tragen, letztendlich zu entnehmen.
Die Summe der Signale I_ES und I_LS im Addierer 37 wird verwendet, um das Signal I_PS zu erzeugen, und die Summe der Signale Q_ES und Q_LS im Addierer 38 wird verwendet, um das Signal Q_PS zu erzeugen, die alle beide mit 10 Bits dargestellt werden. Diese Werte werden mit einer Frequenz von 1 kHz in einen Trägerschleifendiskriminator 42 (Hüllkurvenerfassung) zum Berechnen der Energie der Signale, gefolgt von einem Trägerschleifenfilter 43, eingegeben. Der Diskriminator besteht insbesondere aus einem 8-Bit-Multiplizierer und einem 20-Bit-Akkumulator. Er ist vom Typ mit Frequenz- und Phasenverriegelungsschleife.
Eine Mittelwertoperation am Frequenzdiskriminator wird ausgeführt, um die Robustheit und die Genauigkeit der Schleifen zur Verfolgung des Trägers zu steigern. Die im Diskriminator vorgesehene Akkumulation dauert 16 Zyklen, was 16 ms entspricht.
Gemäß dem Ergebnis des Diskriminators und nach Durchgang durch das Filter empfängt der 24-Bit-NCO des Trägers 44 ein Frequenzinkrement (Bin) für die Korrektur der Kopie der Trägerfrequenz. Dieser 24-Bit-NCO hat eine Frequenzauflösung in der Größenordnung von 260 mHz.
Die zwei Verfahren zur Regelung des Codes und des Trägers werden während der Verfolgung synchronisiert, und zwar obwohl die Schleifen zur Verfolgung des Trägers nur nach einer Bestätigung der Anwesenheit des Signals des Satelliten aktualisiert werden.
Es ist in Bezug auf 2 noch zu beachten, dass der numerisch gesteuerte Oszillator, der als NCO definiert ist, ausreichend groß sein müsste, um eine kleine Frequenzauflösung zu haben, aber die Akkumulation der Phase in diesen großen NCO viel Energie verbraucht, was der Ausführung eines GPS-Empfängers mit niedriger Leistung entgegensteht. Mehrere Anordnungen eines NCO können vorgesehen werden, um ihren Verbrauch maximal zu verringern, da er einen wichtigen Teil des Verbrauchs des Empfängers mit den Integratoren bildet.
In 3 ist eine Graphik des Verfahrens zur Herstellung der Kopie des Signals in 2 Dimensionen dargestellt, die die Phasen- und Frequenzinkremente in den Regelungsschleifen für den Code und den Träger zeigt. Dies ermöglicht einerseits, die Phase des C/A-Codes und andererseits die durch den Doppler-Effekt modifizierte Trägerfrequenz zu finden, um die Reste dieser Frequenz durch Korrelation am Eingang der Korrelationsstufe zu unterdrücken.
Es muss bekannt sein, dass bei der Aussendung der Hochfrequenzsignale durch einen Satelliten der Doppler-Effekt einen Einfluss auf die Signale sowie auf die Trägerfrequenz wie auf den C/A-Code hat, was bewirkt, dass die Regelungsschleifen des Codes und des Trägers miteinander verbunden sind, um eine bessere Genauigkeit der Einstellung der Phase des PRN-Codes und der Trägerfrequenz, die am Empfänger empfangen wird, zu erhalten.
Die Algorithmen der Erfassung und der Verfolgung erfordern die Kopie der Trägerfrequenz des Satelliten für die Demodulation. Der Schwund des Doppler-Effekts, der Frequenzfehler zwischen ± 4,5 kHz verursachen kann, die allen Aussendungen von Hochfrequenzsignalen von in Bewegung befindlichen Satelliten innewohnt, kann durch Anpassen entweder der Phase oder der Frequenz des Signals, das in den Empfänger eintritt, beseitigt werden.
Andere Fehler auf Grund der Ungenauigkeit des internen Oszillators oder der Effekte der Ionosphäre kommen zu den Fehlern nur auf Grund des Doppler-Effekts hinzu. Im Allgemeinen kann bis zu einem Frequenzabstand von ungefähr ± 7,5 kHz gezählt werden. Diese Fehler können natürlich in der Codeschleife und in der Trägerschleife in der Erfassungs- und Verfolgungsphase korrigiert werden.
In jeder Korrelationsepoche wird die Phase des PRN-Codes um einen Schritt von 1 Chip verzögert. Dies ermöglicht es, den Code in der Zeit zu versetzen, um den Phasenabstand des Satelliten zu finden. Sobald der Satellit gefunden wurde, geht es darum, die Trägerfrequenz mit den Doppler-Effekten zu korrigieren, was in einer Regelungsschleife des Trägers erfolgt. Da die Differenz zwischen der empfangenen Trägerfrequenz und der erzeugten Trägerfrequenz auf plus oder minus 250 Hz begrenzt ist, können mehrere Suchen bei verschiedenen erzeugten Trägerfrequenzen erforderlich sein. Schlimmstenfalls sind bis zu 20 Suchen für die Korrektur der Frequenz im NCO des Trägers erforderlich.
Eine Beziehung zwischen den Regelungsschleifen des Codes und des Trägers wird festgestellt, da bei der Aussendung der Hochfrequenzsignale der Doppler-Effekt sowohl auf die Trägerfrequenz als auch den C/A-Code einwirkt, wie vorstehend erläutert.
In 4 ist ein Ablaufplan der Algorithmen zur Erfassung und Verfolgung des Signals des Satelliten in der Korrelationsstufe dargestellt. Diese Algorithmen bilden die wichtigsten Merkmale des GPS-Empfängers. Diese Algorithmen sind in die Steuereinheit in einer verkabelten Logikstruktur eingebaut, wobei die Einheit zur Steuerung des Korrelators eine Folge von Steuersignalen für den Korrelator erzeugt, wenn Datenübertragungen in der Speichereinheit und der arithmetischen Einheit stattfinden müssen. Informationen werden von der Speichereinheit entnommen, die für die Operationen der arithmetischen Einheit verantwortlich ist und auch die Ergebnisse der Berechnung oder die Werte der Kette von Schleifen in den Erfassungs- und Verfolgungsbetriebsarten speichert. Die Pufferregister speichern Werte, die bei der Regelung der verschiedenen Teile des Kanals festgestellt werden.
Initialisierungsparameter werden in das Pufferregister gegeben, damit sie von der Steuereinheit des Kanals gelesen werden können, der für den Start der Erfassungs- und Verfolgungsphase ausgewählt wird. In dieses Register werden auch verschiedene Parameter oder Informationen des Korrelators oder der Steuereinheit gesetzt, damit sie vom Mikroprozessor gelesen werden können.
Der Zustand der Werte oder der Parameter der in den Regelungsschleifen akkumulierten Signale wird von der Steuereinheit verarbeitet, die größtenteils durch eine Taktfrequenz CLK 16 (272,5 kHz) getaktet wird.
Nach 1 ms, d. h. 1 Epoche, liefern die Zähler-Integratoren die Werte I_ES, I_LS, Q_ES und Q_LS sowie die Werte I_PS und Q_PS, die Werte mit 10 Bits sind, was durchaus einer Akkumulation während 1 ms entspricht, in Anbetracht der Tatsache, dass der C/A-Code aus 1023 Bits in einer Periode von 1 ms entspricht.
Mit Bezug auf 4 wird, nachdem in Schritt 100 alle im Voraus in der Steuereinheit oder im Korrelator oder im Pufferregister gespeicherten Daten auf Null gebracht wurden, ein Anlaufbefehl 101 gegeben. Eine Unterdrückung der Inkremente der Schleifen 102 wird durchgeführt und ein Befehl des Ladens der Nummer des PRN-Codes und der Festlegung der Frequenzparameter wird ausgeführt. Der Kanal kann mit der Erfassung des Signals des zu suchenden Satelliten beginnen. Die Frequenz- oder Phaseninkremente 103 werden in den entsprechenden NCO geschrieben.
Anschließend tritt der Algorithmus in eine Ruhebetriebsart zum Warten auf eine Unterbrechung des Vorerfassungs-Zähler-Integrators ein. Die Unterbrechung entspricht dem Liefern einer ersten Reihe von akkumulierten Werten I_ES, I_LS, Q_ES und Q_LS (ADO) der korrelierten Signale in der Regelungsschleife des Codes in der Periode von 1 ms, die vom Zähler-Integrator geliefert werden 104. Solange der Zähler-Integrator seine Zählung nicht beendet hat, d. h. solange ADO nicht gleich 1 ist, setzt er seine Integration fort.
Nach dieser ersten Reihe von Werten, wie mit Bezug auf 3 beschrieben, muss zuerst die Erfassung des Satelliten ausgeführt werden. Solange sich nicht in der Verfolgungsbetriebsart 105 befunden wird, d. h. solange der Verfolgungsbefehl nicht gleich 1 ist, wird in die Erfassungsschleife durch Suchen der Phase des C/A-Codes eingetreten. Eine Berechnung der Energie 106 der vier phasengleichen und Quadraturwerte I_ES, I_LS, Q_ES und Q_LS gemäß den korrelierten nacheilenden (späten) und voreilenden (frühen) Signalen erfolgt (Energiedetektor). Diese Berechnung wird schrittweise mit Hilfe der Steuereinheit, die durch das Taktsignal CLK 16 getaktet wird, gemäß der Zustandsmaschine der Erfassungs- und Verfolgungsoperationen ausgeführt.
Da es möglich ist, dass es eine Unterbrechung der Hochfrequenzsignale infolge eines Hindernisses gibt, wird eine Unterbrechungskontrolle 107 durchgeführt. Wenn der Unterbrechungsbefehl in einem normalen Betriebsfall 0 ist, wird ein Vergleich des Energiepegels 108 in Bezug auf einen Schwellenwert durchgeführt. Wenn die Energie nicht ausreicht, gibt es eine Phasenverzögerung des C/A-Codes 109 und die Anzahl K von Zyklen wird auf 1 zurückgesetzt, um eine neue Korrelation des erzeugten korrigierten C/A-Codes mit dem Zwischensignal durchzuführen, um die Äquivalenz des durch das Zwischensignal transportierten C/A-Codes zu finden.
Die vorher beschriebene Schleife wiederholt sich auf der Höhe 103, bis die Energie der Werte I_ES, I_LS, Q_ES und Q_LS größer ist als die Energiereferenzschwelle 108. Bei Bejahung wurde der Satellit gefunden oder erfasst und es besteht keine Phasenverzögerung des Codes 110 mehr. Um sicher zu sein, dass der Satellit gefunden wurde und nicht einfach ein Fehler auf Grund des Rauschens in der Regelungsschleife, muss sich dagegen der Zyklus der Korrelation und Integration der Werte I_ES, I_LS, Q_ES und Q_LS 16 mal wiederholen. Wenn die Anzahl von Zyklen K in Schritt 111 von 16 verschieden ist, muss sich die Schleife durch die Schritte 104, 105, 106, 107, 108, 110 und 111 wiederholen. Sobald 16 Zyklen von 1 ms abgelaufen sind und festgestellt werden konnte, dass der Satellit nach einem Mittelwert von 16 gespeicherten Werten gut erfasst wurde, wurde die Bestätigung des Erfassungsendes durchgeführt.
Ab dem Ende der Erfassung wird der Verfolgungsbefehl 112 auf 1 gesetzt und der Zähler der Anzahl von Zyklen wird auf 1 zurückgesetzt.
Wenn im Schritt 107 eine Unterbrechung der HF-Stufe auferlegt wird, d. h. wenn der Unterbrechungsbefehl gleich 1 ist, wird eine Inkrementierung der Anzahl von Zyklen im Schritt 113 durchgeführt. Eine Kontrolle der Anzahl von Zyklen wird in Schritt 114 durchgeführt. Solange die Anzahl von Zyklen nicht gleich 16 ist, werden die Schritte 104, 105, 106, 107, 113 wiederholt. Sobald die Anzahl von Zyklen gleich 16 ist, wird der Zähler der Anzahl von Zyklen 115 auf 1 gesetzt und die berechnete Energie der Werte I_ES, I_LS, Q_ES und Q_LS wird in Schritt 116 mit einer Energieschwelle verglichen. Wenn diese Energie unter der Referenzschwelle liegt, wiederholen sich die Schritte 104, 105, 106, 107, 113, 114 und 115, bis die Energie größer ist als die Referenzschwelle. In Schritt 117 wird der Unterbrechungsbefehl auf 0 gesetzt und der Verfolgungsbefehl wird auf 1 gesetzt.
Wenn die Anwesenheit des Satelliten bestätigt wurde, kann das Verfolgungsverfahren beginnen.
Da nach Schritt 112 oder 117 und nach dem Durchgang durch Schritt 104 der Verfolgungsbefehl 105 gleich 1 ist, kann die Verfolgungsschleife ausgeführt werden. In diesem Fall erfolgt eine Berechnung der punktuellen Energie 118 der phasengleichen und Quadraturwerte I_PS und Q_PS am Ausgang des Integrators im Trägerschleifendiskriminator (Hüllkurvendetektor). Diese Berechnung wird schrittweise mit Hilfe der Steuereinheit gemäß den Zustandsmaschinen der Erfassungs- und Verfolgungsoperationen ausgeführt.
Eine Bestimmung der Frequenzinkremente der Schleife 119 wird ausgeführt, gefolgt von einem Inkrement eines Zyklus des Zählers der Anzahl von Zyklen K in Schritt 120. Wenn in Schritt 121 die Anzahl von Zyklen K von 1 ms nicht gleich 16 ist, wie vorher in der Coderegelungsschleife definiert, erfolgt eine Wiederholung von Schritt 104 bis Schritt 121, bis die Anzahl von Zyklen K gleich 16 ist. Ab diesem Moment wird der Zähler der Anzahl von Zyklen K in Schritt 122 auf 1 zurückgesetzt und ein Vergleich der für die Werte I_PS und Q_PS berechneten Energie mit einer Energiereferenzschwelle 123 wird ausgeführt. Solange die Energie größer ist als die Referenzschwelle, werden die Schritte 103 bis 123 mit jedem Mal einer Einstellung der Frequenz des Trägers und des Codes wiederholt, um die Kopie der Trägerfrequenz des Zwischensignals zu liefern, um sie durch Multiplikation aufzuheben, wie mit Bezug auf 2 erläutert.
Die Werte I_PS und Q_PS müssen unter einer Energiereferenzschwelle lie gen, um der Steuereinheit befehlen zu können, dass die Trägerfrequenz mit den Doppler-Effekten insbesondere gefunden wurde. Wenn die Energie in Schritt 123 geringer als die Energieschwelle ist, wird der Verfolgungsbefehl 124 auf Null gesetzt. Ab diesem Moment können die Daten der GPS-Nachricht nicht mehr demoduliert werden, da der Energiepegel unzureichend ist.
In Schritt 125 wird ein Test durchgeführt, um zu wissen, ob der Satellit vorher erfasst wurde. Bei Bejahung werden Inkremente in der Unterbrechungsschleife (coasting) festgelegt, um zu versuchen, den verlorenen Satelliten wieder zu finden. Wenn der Satellit dagegen noch nicht erfasst wurde, gibt es eine Rücksetzung der Schleifeninkremente 127 und das System sucht weiterhin einen Satelliten. In Schritt 125 und in Schritt 127 wird eine Rückkehr zu Schritt 103 ausgeführt.
Alle Operationen der Zustandsmaschine (FSM), die durch den Kanal in der Erfassungs- und Verfolgungsphase durchgeführt werden, werden in autonomer Weise durch die Zusammenwirkung der Steuereinheit und des Korrelators mit den Regelungsschleifen in einer Parallelbit-Architektur ausgeführt. Die Zustandsmaschine umfasst 32 Positionen von Berechnungen und der Speicherung von Werten, um alle Verfahren bei der Erfassung und Verfolgung eines Satelliten durchzuführen.
Mit Bezug auf 5 kann der GPS-Empfänger mit niedriger Leistung eine Armbanduhr 60 jeglicher Art ausstatten. Die Armbanduhr 60, die im vorliegenden Fall eine Uhr mit analoger Anzeige der Uhrzeit und mit digitaler Anzeige von Informationen ist, umfasst ein Gehäuse, das aus einer Wandung 62 und einer Lünette 61 besteht, auf der ein Glas 63 angeordnet ist, ein Zifferblatt 65, Zeiger 64 zur Anzeige der Uhrzeit oder einer Richtung, einen Schritt-Mikromotor 66 für den Vorschub der Zeiger, ein PCB-LCD-Modul 67, mindestens einen Druckknopf 68 und Mittel 69 zur Befestigung an einem Armband.
Im Gehäuse der Uhr ist ein GPS-Empfänger montiert. Dieser GPS-Empfänger besteht beispielsweise aus einer Mikrostreifen-Antenne 71 für den Empfang der Hochfrequenzsignale von Satelliten, die auf einer gedruckten Schaltung 70 montiert ist, auf der auf der entgegengesetzten Seite Komponenten 72 des Empfängers angeordnet sind. Die Komponenten 72 sind durch eine Kapselung 73 geschützt und werden durch einen Li-Ionen-Akkumulator 74 versorgt, der unter der gedruckten Schaltung 70 in der Wandung 62 angeordnet ist. Eine Spule zum Aufladen des Akkumulators 75 ist auf dem Boden der Wandung angeordnet, um magnetisch mit einer externen Vorrichtung, die in 5 nicht sichtbar ist, gekoppelt zu werden, welche das Aufladen des Akkumulators ermöglicht.
Andere Ausführungsformen des GPS-Empfängers mit niedriger Leistung hätten natürlich in Kenntnis des Fachmanns beschrieben werden können, ohne vom Rahmen der Erfindung, der durch die Ansprüche definiert ist, abzuweichen. Eine größere Anzahl von Kanälen kann denkbar sein, vorausgesetzt, dass sie jeweils aus einem Korrelator und einer Steuereinheit bestehen, die die Möglichkeit haben, in autonomer Weise die Synchronisation des Kanals durch einen Algorithmus zur geeigneten Verarbeitung der digitalen Signale zu verwirklichen. Dieser Kanal wird in einem zweckgebundenen Material für die Erfassung und Verfolgung eines speziellen Satelliten entworfen.
Die Zwischensignale wurden als komplexe Signale mit phasengleichen 1-Bit-Signalen und 1-Bit-Quadratursignalen beschrieben, es kann jedoch denkbar sein, derartige Zwischensignale mit mehreren Bits zu liefern.
Die Elemente, die die Korrelationsstufe bilden, können mehrere Modifikationen erfahren, um den Verbrauch des Empfängers zu verringern, während die Integration des Algorithmus zur Verarbeitung der digitalen Signale in Form einer verkabelten Logik in jedem Kanal bewahrt wird.

Claims

GPS-Empfänger mit niedriger Leistung, der eine Antenne (2) zum Empfangen von von Satelliten ausgehenden Hochfrequenzsignalen, eine Empfangs- und Formungsstufe (3) für von der Antenne gelieferte Hochfrequenzsignale, eine Korrelationsstufe (7), die aus mehreren Kanälen (7') zusammengesetzt ist, die jeweils einen Korrelator (8) enthalten, wobei die Korrelationsstufe (7) Zwischensignale (IF) empfängt, die von der Empfangsstufe (3) geformt sind, und einen Mikroprozessor (12), der mit der Korrelationsstufe verbunden ist und dazu bestimmt ist, X-, Y- und Z-Positionsdaten, Geschwindigkeitsdaten und Zeitdaten in Abhängigkeit von Daten, die nach der Korrelation aus den von den Satelliten gesendeten GPS-Signalen entnommen werden, zu berechnen, umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem Kanal dem Korrelator (8) eine Steuereinheit (9), die einen Algorithmus für die Verarbeitung digitaler Signale enthält, zugeordnet ist, um bei der Inbetriebnahme des Kanals (7') zu ermöglichen, sämtliche Synchronisationsaufgaben für die Suche und die Verfolgung eines Satelliten autonom abzuarbeiten, und dass wenigstens eine Gruppe von Dateneingangs- und Datenausgangsregistern (11) an der Grenze zwischen der Korrelationsstufe (7) und dem Mikroprozessor (12) angeordnet ist, um sowohl von dem Mikroprozessor ausgesendete und für die Korrelationsstufe bestimmte Daten als auch von der Korrelationsstufe gelieferte Daten zu empfangen, wobei die Daten, die durch die Registergruppe laufen, aus Signalen mit einer Frequenz, die kleiner oder gleich der Frequenz der GPS-Nachrichtensignale ist, zusammengesetzt sind, damit der Prozessor die Positions-, Geschwindigkeits- und Zeit-Berechnungsaufgaben ohne Eingriff auf Höhe der Synchronisations- und Korrelationsaufgaben ausführen kann.
GPS-Empfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischensignale (IF), die zu der Korrelationsstufe (7) geliefert werden, komplexe Signale sind, die in der Empfangs- und Formungsstufe (3) abgetastet und quantifiziert worden sind, wobei diese komplexen Signale aus einer phasengleichen 1-Bit-Signalkomponente und aus einer Quadratur-1-Bit-Signalkomponente gebildet sind.
GPS-Empfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung auf Regelungsschleifen der Phase des C/A-Codes und der Trägerfrequenz in einer Parallelbit-Architektur einwirkt.
GPS-Empfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Korrelator (8) aufgebaut ist aus einer ersten Multipliziererstufe (20) zum Multiplizieren des Zwischensignals (IF) einerseits mit dem Kosinus minus dem 1-fachen Sinus der Kopie der in der Korrelationstufe digital erzeugten Trägerfrequenz und andererseits mit dem negativen Sinus minus dem i-fachen Kosinus dieser Kopie der Trägerfrequenz, um am Ausgang ein erstes, phasengleiches Signal (I) und ein zweites Quadratursignal (Q) zu liefern, und aus einer zweiten Multipliziererstufe (23) zum Korrelieren des ersten Signals (I) einerseits mit einer nacheilenden Kopie des C/A-Code-Signals des Satelliten, das in der Korrelationsstufe digital erzeugt wird, und andererseits mit einer voreilenden Kopie des C/A-Code-Signals des Satelliten und zum Korrelieren des zweiten Signals (Q) einerseits mit einer nacheilenden Kopie des C/A-Code-Signals des Satelliten und andererseits mit einer voreilenden Kopie des C/A-Code-Signals des Satelliten, wobei die vier Signale, die die zweite Multipliziererstufe (23) verlassen, jeweils in einen entsprechenden Zähler-Integrator (28, 29, 30, 31) geschickt werden, um vier Codesignale, die in Phase bzw. um 90° phasenverschoben sind (I_ES, I_LS, Q_ES und Q_LS), die jeweils auf wenigstens 8 Bit in einer Phasenkorrekturschleife des C/A-Codes verteilt sind, und die Summe der zwei phasengleichen Codesignale (I_ES und I_LS) sowie die Summe der zwei um 90° phasenverschobenen Codesignale (Q_ES und Q_LS) zu liefern, was zwei Trägersignale (I_PS und Q_PS) ergibt, die jeweils auf wenigstens 8 Bit in einer Trägerfrequenz-Korrekturschleife verteilt sind.
GPS-Empfänger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die voreilenden Signale einen Phasenabstand von einem Chip in Bezug auf die nacheilenden Signale haben.
GPS-Empfänger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Code-Korrekturschleife nacheinander einen Codeschleifen-Diskriminator (32), ein Codeschleifen-Filter (33), einen 28-Bit-NCO-Oszillator (34) und einen C/A-Code-Generator, der mit einem 2-Bit-Register verbunden ist und die voreilende und die nacheilende Kopie an die zweite Multipliziererstufe (23) liefert, umfasst.
GPS-Empfänger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerfrequenz-Korrekturschleife nacheinander einen Trägerschleifen-Diskriminator (42), ein Trägerschleifen-Filter (43), einen 24-Bit-NCO-Oszillator (44) und zwei Blöcke (45 und 46) zum Liefern des Kosinus und des Sinus der durch den NCO-Oszillator korrigierten Kopie der Trägerfrequenz an die erste Multipliziererstufe (20) umfasst.
GPS-Empfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er 12 Kanäle mit jeweils einem Korrelator (8) und einer Steuereinrichtung (9) umfasst.
GPS-Empfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Teil des Korrelators (8) und der Steuereinrichtung (9) jedes Kanals (7') durch ein erstes Taktsignal (CLK) getaktet wird, das von einem Quarz-Oszillator geliefert wird, der in der Empfangs- und Formungsstufe (3) untergebracht ist, und dass ein zweiter Teil des Korrelators und der Steuereinrichtung durch ein zweites Taktsignal (CLK16) getaktet wird, wobei die Frequenz des ersten Taktsignals 16 mal größer als die Frequenz des zweiten Taktsignals ist.
GPS-Empfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden Kanal eine Gruppe von Registern (11) vorgesehen ist.
GPS-Empfänger nach einem der Ansprüche 1 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrelationsstufe (7), die Registergruppe(n) (11) und der Mikroprozessor (12) in einem einzigen Halbleitersubstrat verwirklicht sind.
Uhr, die einen GPS-Empfänger nach einem der vorhergehenden Ansprüche enthält, dadurch gekennzeichnet, dass der GPS-Empfänger (1) in dem Gehäuse der Uhr untergebracht ist und von einem Energieakkumulator oder von einer Batteriezelle, der bzw. die außerdem der Versorgung der elektronischen Komponenten für die Zeitmessfunktionen dient, versorgt wird.