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QUERVERWEIS ZU ZUGEHÖRIGEN ANMELDUNGEN
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Die
vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität und den Vorteil des Anmeldedatums
der am 19. Februar 1999 eingereichten anhängigen
US-Gebrauchsmusteranmeldung 09/253,318 ,
der am 19. Februar 1999 eingereichten anhängigen
US-Gebrauchsmusteranmeldung 09/253,662 und
der am 19. Februar 1999 eingereichten anhängigen
US-Gebrauchsmusteranmeldung 09/253,679 .
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BEREICH DER ERFINDUNGEN
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein einen GPS-Empfänger und
insbesondere einen GPS-Handgerät.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNGEN
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Das
globale Positionssystem (GPS) ist ein satellitenbasierendes System,
das von dem US-Verteidigungsministerium entwickelt wurde, um genaue Positionsinformationen
an einen irgendwo in der Welt vorhandenen GPS-Empfänger zu übermitteln.
Ein passenderweise ausgestatteter GPS-Empfänger kann daher in jeder Situation
verwendet werden, in der ein Standort erwünscht ist, und führt üblicherweise
zu Positionskoordinaten in drei Dimensionen. Das GPS-System wird
von einer Satelliten-Erdumkreisungskonstellation, die aus 24 oder
mehr Satelliten besteht, die in 12-Stunden-Umkreisungen die Erde umkreisen, ermöglicht.
Die Satelliten sind in sechs Umkreisungsebenen angeordnet, von denen
jede vier Satelliten aufweist. Die Umkreisungsebenen sind um 60
Grad gegeneinander versetzt und sind um ungefähr 55 Grad gegen die Äquatorebene
geneigt. Diese Konstellation stellt sicher, dass vier bis zwölf Satelliten
jederzeit von jedem Punkt auf der Erde bei freier Sicht auf den
Himmel sichtbar sind.
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Die
GPS-Satelliten übertragen
Daten, die von GPS-Empfängern
verwendet werden sollen, einschließlich Satellitenpositionsdaten
(Ephemeridendaten) und Satellitenzeitkorrekturdaten. Das GPS-Signal umfasst ein
Trägersignal,
das mit einem 1023-Bit langen Gold-Spreizcode bei einer 1,023 Mhz-Chiprate
(0,001 Sekunden-Wiederholungsintervall) bi-phasen-moduliert wird.
Es wird außerdem
mit Datenbits bei einer 50-Bits-pro-Sekunde(BPS)-Rate moduliert
(mit einer Geschwindigkeit von 20 Millisekunden pro Datenbit übertragen).
Die 50-BPS-Daten umfassen Informationen zur Feststellung einer GPS-basierten
Zeit (d.h., eine Uhrzeit des GPS-Satelliten) und Informationen zur
Feststellung des geographischen Standorts.
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Ausführliche
Informationen über
die in dem GPS-Signal enthaltenen Daten sind in dem Schnittstellensteuerungsdokument
(Interface Control Document) ICD-GPS-200, das 1991 überarbeitet
wurde, von der Rockwell International Corporation veröffentlicht
und hierbei als Bezug verwendet wird, verfügbar.
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Die
in der GPS-Nachricht enthaltene Uhrzeit ist ein absolutes Zeitsignal,
das in dem Satelliten exakt synchronisiert wird. Das bedeutet, dass
alle Satelliten in der GPS-Konstellation von Boden-Referenzstationen
synchronisiert werden, die die Signallaufzeit vom Satelliten zur
Bodenstation mit berücksichtigen.
Auf diese Weise wird jeder Satellit in der Konstellation an dem
Satelliten zeitsynchronisiert, wobei die absolute Zeitabweichung innerhalb
von einigen Nanosekunden bis hin zu einigen -zig Nanosekunden exakt
gesteuert wird.
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Das
absolute Zeitsignal kann von einem GPS-Empfänger verwendet werden, um Positionen genau
zu bestimmen. Sobald eine Position ungefähr bekannt ist, kann die absolute
Zeit in dem Empfänger außerdem ermittelt
werden, indem die präzise
Zeit, die von dem Empfänger
in der Satelliten-übertragungsnachricht
erfasst wird, mit der berechenbaren Ausbreitungsverzögerung zwischen
dem Empfänger und
dem Satelliten verschoben bzw. korrigiert wird.
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Die
Kenntniss der absoluten Zeit in dem Empfänger ist ein wichtiger Parameter,
da sich die GPS-Satelliten mit ungefähr 4 Metern pro Millisekunde
bewegen. Wenn die Entfernungsmesszeit um eine Millisekunde abweicht,
dann können
die gemessenen Entfernungen um so viel wie vier Meter abweichen.
Diese Entfernungsabweichung vervielfacht sich dann um einen Geometriefaktor
(GDOP oder Geometric Dilution Of Precision) bei der Umrechnung in
eine zusätzliche
Positionsabweichung, die ein Vielfaches der vier Meter der zusätzlichen
Bereichsabweichung sein kann.
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Ein
in den 50-BPS-Daten enthaltenes TOW-(Time of Week – Zeit der
Woche)-Datenfeld ermöglicht
einem GPS-Empfänger
in Verbindung mit dem absoluten Zeitsignal, eine Lokalzeit genau
und schnell zu bestimmen. Die TOW-Daten werden von allen Satelliten
in Intervallen von sechs Sekunden übertragen. Die Erfassung der
TOW-Daten hängt
von der Signalgröße ab. Unterhalb
eines bestimmten Signalgrößenpegels
ist es möglich,
eine Entfernungsmessung zu erhalten, aber es ist nicht möglich, die TOW-Daten
zu dekodieren. Für
Signalpegel unterhalb von ungefähr
30 dB-Hz ist es beispielsweise unmöglich, einzelne Nachrichtenbits
der 50 BPS-Nachricht zu dekodieren. Es ist jedoch möglich, eine
Signalkorrelation bei Signalen, die weit unter 30 dB-Hz liegen,
bis hinunter zu Pegeln von 20 dB-Hz, zu erhalten. Von den
Motorola-Anmeldungen S/N 09/253,318 ,
S/N 09/253,662 und
S/N 09/253,679 verwendete
Verfahren können
verwendet werden, um die Empfindlichkeit der Korrelationserfassung
bis zu diesen Pegeln auszu weiten. Somit besteht ein Bedarf nach
einem Verfahren zur Zeitbestimmung bei Signalpegeln unter 30 dB-Hz.
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Der
GPS-Empfänger
kann nicht immer zuverlässig
eine Lokalzeit aus den GPS-Satellitenübertragungsdaten bestimmen.
GPS-Funktionen sind sehr nützlich
und wurden daher in eine Vielzahl von Vorrichtungen einschließlich beispielsweise
Funktelefonen und anderen elektronischen Vorrichtungen, die in der
Hand gehalten werden können,
eingearbeitet. Da sie tragbar sind, befinden sich solche Vorrichtungen
oftmals in Fahrzeugen, die durch Stadtschluchten fahren, oder werden
in Gebäude
oder andere Hindernisse hineingetragen. Als natürliche Folge davon kann das
GPS-Signal blockiert
oder schlecht empfangen werden. Dies kann den Empfang des 50-BPS-absoluten-Zeitsignals
unzuverlässig
machen. In solchen Fällen
ist es wünschenswert, dass
ein GPS-Handgerät
eine genaue Zeitmessung erhält,
so dass Positionsmessungen verfügbar
sind. Da sich GPS-Satelliten mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 4 Metern
pro Millisekunde bewegen, wird, wenn die Zeit einer Enternungsmessung
nicht genau bekannt ist, die Entfernungsmessung und somit die resultierende
Positionsmessung eine proportionale Abweichung aufweisen. Wenn die
Messzeit beispielsweise eine Abweichung von 20 Millisekunden aufweist,
kann die Entfernungsmessung eine so große Abweichung wie 80 Meter
aufweisen, abhängig
von der Geometrie, und die resultierende Positionsmessung kann um
einige hundert Meter abweichen.
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In
manchen Mobiltelefonvorrichtungen wie beispielsweise CDMA-Mobiltelefonen (CDMA – code division
multiple access – Codemultiplexverfahren) wird
die Infrastruktur synchronisiert und jede Basisstation empfängt eine
exakte Zeit von einem Netzwerk-GPS-Empfänger.
Die CDMA-Basisstation synchronisiert dann Mobilvorrichtungen durch Übertragung
der Zeit an die Mobilvorrichtungen, wodurch ermöglicht wird, dass eine Zeit
in dem CDNA-Telefonhandgerat bis hin zu einer Genauigkeit im Bereich
einer Mikrosekunde (plus einer Übertragungsverzögerung)
bekannt ist.
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In
nichtsynchronisierenden GPS-Vorrichtungen, wie beispielsweise GSM-Mobiltelefonen
(GSM – Global
System for Mobile communications) sind exakte Zeitinformationen
erwünscht,
aber aus den das Netzwerk verlassenden Signalen im Allgemeinen nicht
verfügbar.
Es ist jedoch unpraktisch und kostspielig, vorhandene Netzwerke
zu modifizieren, um sie durch Hinzufügen von geeigneter Hardware und/oder
Software zu synchronisieren.
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Der
zugehörige
Stand der Technik hat versucht das Problem auf verschiedene Arten
zu lösen. Ein
erster Entwurf ist in Krasner,
US-Patent 5,812,087 gegeben.
Krasner verwendet einen digitalen Schnappschussspeicher in einem
Handgerät,
um eine zufällige
Menge an Daten zu erfassen und sie an eine Basisstation zu übertragen.
Die Basisstation verwendet einen herkömmlichen GPS-Empfänger, um
die Ankunftszeit eines Abschnitts der in dem digitalen Schnappschussspeicher
erfassten 50-BPS-Datenbits zu messen. Die von der Basisstation gemessenen
Datenbits haben eine bekannte Ankunftszeit und werden gegen die
in dem digitalen Schnappschussspeicher erfassten unbekannten Datenbits korreliert.
Wenn eine maximale Korrelation erhalten wird, kann die Datenerfassungszeit
in dem mobilen Speicher bestimmt werden.
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Der
Nachteil bei Krasner ist jedoch, dass ein GPS-Empfänger einer
entfernten Basisstation notwendig ist. Der GPS-Empfänger einer
entfernten Basisstation muss eine gegenwärtige 50-GPS-Datensequenz von
einem oder mehreren GPS-Satelliten messen und sie dann an die Mobileinheit übertragen. Alternativ
kann die Mobileinheit Korrelationsdaten nach der Erfassung an die
Basis übertragen.
So oder so ist für
das Schema notwendig, dass eine große Anzahl von Bits zwischen
der Basisstation und der Mobileinheit übertragen werden (beispielsweise
je 12 Satelliten mal 50 Bits) und dass das Handgerät ein Beispiel
der empfangenen Daten zur nachfolgenden Korrelation mit dem von
der Basisstation beobachteten und weitergeleiteten Muster speichert.
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In
einem zweiten zugehörigen
Entwurf des Standes der Technik werden LMUs (Location Measurement
Units – Standortmesseinheiten) überall in
einem nicht synchronisierten Netzwerk verteilt. Der Zweck der LMU
ist das Messen des Zeit-Offsets zwischen einer Zeit, wie sie von
einem nicht synchronisierten Kommunikationsnetzwerk gehalten wird,
und der GPS-Zeit. Eine einzelne LMU misst die Ankunftszeit von Nachrichtenbits
von jeder Basisstation und bestimmt den relativen Zeit-Offset für jede Basisstation.
Dies wird von einem GPS-Empfänger
innerhalb einer LMU und mit dem Wissen des Standorts jeder Basisstation
und des Standorts jeder LMU (zu Zwecken der Bestimmung einer Ausbreitungszeit)
ausgeführt.
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Der
zweite zugehörige
Entwurf des Standes der Technik ist jedoch kostspielig, da dafür zusätzliche
Komponenten in einem Kommunikationsnetzwerk notwendig sind. Es ist
außerdem
eine komplizierte Lösung.
In einem dritten zugehörigen
Entwurf des Standes der Technik wird die 50-BPS-Datensequenz bei
einer festgelegten Master-Stelle erfasst. Die Zeitdaten werden von
der Master-Stelle
an eine Mobileinheit übertragen.
Die Mobileinheit kann das bekannte Datenmuster und seine bekannte
Ankunftszeit (von der Masterstelle erfasst) verwenden, um die Erfassungsbandbreite
unter die 50-BPS-Datenrate zu bringen.
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Auch
hier ist es ein großer
Nachteil, dass die gemessene 50-BPS-Datensequenz an die Mobileinheit übertragen
werden muss, und dass die Mobileinheit in der Lage sein muss, die
Daten zu empfangen und zu demodulieren.
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US 4,872,164 offenbart eine
Kompensation für
Doppler-Verschiebungen in der Verzögerung von Daten-Bursts, die
von einer Bodenstation an einen Satelliten gesendet werden.
US 4,872,164 offenbart insbesondere
einen Phasenvergleich zwischen einem Taktimpuls, der von einer Burst-Präambel zurückgewonnen
wurde, und einem Systemtaktimpuls des Satelliten.
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US 5,798,732 offenbart ein
Verfahren zum Angleichen einer lokalen Zeit mit der GPS-Zeit durch Synchronisation
eines nachgebildeten Bitstroms, der eine erwartete GPS-Nachricht
mit einem GPS- Bitstrom
aufweist.
US 5,798,732 offenbart
die Schätzung
von Zeitabweichungen basierend auf gemessenen Doppler-Verschiebungen
und korrigiert eine Lokalzeit unter Verwendung der geschätzten Zeitabweichung.
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Daher
bleibt in der Technik ein Bedarf nach der Bestimmung einer Zeit-der-Messung
in einem GPS-Handgerät,
der ein Teil eines nichtsynchronisierten Netzwerks, wie beispielsweise
des GSM-Systems,
ist.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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In
einem ersten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren
zur Bestimmung von Zeit in einem GPS-Empfänger bereit, wie in Anspruch
1 beansprucht ist.
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In
einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung
bereit, wie in Anspruch 9 beansprucht ist.
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Weitere
Aspekte sind wie in den abhängigen Ansprüchen beansprucht
ist.
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Die
oben erwähnten
und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden
anhand der folgenden Beschreibung sowie deren bevorzugter Ausführungsformen
zusammen mit den anliegenden Zeichnungen besser verstanden werden.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 stellt
ein GPS-Datenwort dar;
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2A–2B stellen
die Verwendung eines zweiten Erfassungszeitrahmens dar, der zur
Erfassung eines Datensegments des GPS-Datenworts verwendet wird;
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3 stellt
ein Ablaufdiagramm einer ersten Ausführungsform des Verfahrens der
vorliegenden Erfindung dar;
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4 stellt
ein Ablaufdiagramm einer zweiten Ausführungsform des Verfahrens der
vorliegenden Erfindung dar;
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5 stellt
ein Ablaufdiagramm einer dritten Ausführungsform des Verfahrens der
vorliegenden Erfindung dar;
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6 stellt
ein Ablaufdiagramm einer vierten Ausführungsform des Verfahrens der
vorliegenden Erfindung dar;
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7 stellt
ein Blockdiagramm einer ersten Ausführungsform einer Vorrichtung
zur Bestimmung von Zeit in einem GPS-Handgerät dar;
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8 stellt
dar, wie Signale A und B zur Erzeugung eines Ausgabesignals C korreliert
werden;
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9 stellt
dar, wie die maximale integrierte Größe den Beginn des vorausgesagten
Datenmusters angibt; und
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10 stellt
ein Blockdiagramm einer zweiten Ausführungsform der Vorrichtung
ohne Verwendung eines Signal-IF-Erfassungsspeichers dar.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGEN
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Ein
kostengünstiges
Verfahren zur Bestimmung von Zeit in einem nichtsynchronisierten GPS-Handgerät wird ohne
dafür nötige Kommunikationsverbindungen
und Datenübertragungen
mit externen Empfängern
oder unabhängigen
Timing-Vorrichtungen durchgeführt.
Die vorhersagbare Struktur des GPS-Satellitensignals stellt eine
Unterstütztung bei
der Bestimmung der Zeit an dem Handgerät bereit.
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Es
gibt mindestens drei Segmente der Satelliten-Übertragungsdaten (von denen
sich jedes alle 6 Sekunden wiederholt), in denen das 50-BPS-Datenmuster
oder die -Datensequenz exakt bekannt ist oder als eine Funktion
der Zeit exakt berechnet werden kann (d.h., deterministisch). Diese
bekannten und vorherbestimmbaren Datensequenzen oder Datenmuster
können über mehrere
Datenbits korreliert und zur Bestimmung der genauen Zeit sogar dann verwendet
werden, wenn das GPS-Signal zu schwach ist, um die Demodulation
der individuellen Bits der 50-BPS-Datennachricht zu ermöglichen.
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1 stellt
das GPS-Datenwort 100 dar, das alle 6 Sekunden von jedem
GPS-Satelliten übertragen
wird. Das GPS-Datenwort 100 umfasst eine Präambel 102,
ein HOW-Wort 105 und eine Unterrahmenkennung 106.
Die Präambel 102 umfasst
eine vorbestimmte acht-Bit-Kennung,
die für
jeden Satelliten gleich ist, wobei sich dasselbe Muster alle 6 Sekunden
wiederholt. Zusätzlich
sind die vorhergehenden zwei Bits von dem vorherigen Unterrahmen
immer dieselben (00), wodurch somit eine Gesamtmenge von zehn Bits
für jeden
Satelliten immer dieselben sind. In dem restlichen Teil dieses Dokuments
soll der Begriff "Präambel" die zehn-Bit-Sequenz mit den letzten
zwei Bits (00) des vorhergehenden Unterrahmens und die acht-Bit-Sequenz
bei Beginn des gegenwärtigen
Unterrahmens aufweisen. Die Präambel 102 benötigt 200
Millisekunden, um von jedem Satelliten basierend auf der 50-BPS-Datenrate übertragen zu
werden. Das HOW-Wort 105 ist ein siebzehn-Bit-langes Wort,
das die Wochenzeit des ersten Bits des nächsten Unterrahmens definiert.
Die Unterrahmenkennung 106 ist ein drei-Bit-Feld, das die Inhalte von jedem
der fünf
möglichen
Unterrahmen definiert. Das HOW-Wort 105 benötigt 340
Millisekunden für
die Übertragung
und die Unterrahmenkennung 106 benötigt 60 Millisekunden für die Übertragung.
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Als
Ergebnis ist die zehn-Bit-Präambel 102 immer
dieselbe und bekannt, und das siebzehn-Bit-HOW-Wort 105 und
die drei-Bit-Unterrahmenkennung 106 sind
als eine Funktion der Zeit vorherbestimmbar. Da ein neues HOW-Wort 105 und
die Unterrahmenkennung 106 in Intervallen von sechs Sekunden
in einer Nachricht erscheinen, ermöglicht die Kenntnis der Lokalzeit
bis hin zu innerhalb von drei Sekunden in dem Handgerät die Kenntnis
des genauen Musters des siebzehn-Bit-HOW-Wortes 105 und
der drei-Bit-Unterrahmenkennung 106 für jeden
Unterrahmen. Die Aufrechterhaltung der Lokalzeit in dem Handgerät bis hin
zu innerhalb von drei Sekunden ist leicht innerhalb der Möglichkeiten
von Echtzeituhren mit niedrigen Kosten und niedriger Leistung, die
schon jetzt Teil jedes digitalen Handgeräts sind.
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Jedes
Bit der 50-BPS-Nachricht ist mit dem 1023-Bit-Gold-Spreizcode kohärent, der
bei 1,023 MHz übertragen
wird, wobei dieser selbst bezogen auf die exakte Satellitenzeit
kohärent
ist. Der Gold-Code wiederholt sich zwanzig Mal für jedes Datenbit, wobei eine
Zeitdauer von ungefähr
zwanzig Millisekunden zum Decodieren des zwanzigmaligen Auftretens
jedes Gold-Codebits notwendig ist.
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Da
die gesamte 50-BPS-Nachricht mit der Satellitenzeit synchron ist,
wird die Übertragungszeit von
dem Satelliten für
jedes Bit der 50-BPS-Nachricht genau gesteuert und ist bekannt,
und kann zur Angabe genauer Zeit verwendet werden. Wie zuvor erwähnt, hält das GPS-Bodensteuerungssegment die
genaue Zeit in jedem Satelliten bis hin zu einer Genauigkeit von
ein paar Nanosekunden aufrecht (d.h., es steuert). Als Ergebnis
ist die Übertragungszeit
von dem Satelliten der Präambel 102,
des HOW-Wortes 105 und der Unterrahmenkennung 106 genau
bekannt. Die Synchronisation der Empfangszeit dieser bekannten oder
vorhersagbaren Datenbitmuster ermöglicht die Übertragung genauer absoluter
Lokalzeit von dem GPS-Satelliten an den GPS-Empfänger durch Hinzufügen der
Flugzeit des Signals (die Ausbreitungsverzögerung zwischen dem Satelliten
und dem Empfänger)
und der Satellitenzeitabweichung zum Zeitpunkt des Empfangs der vorhergesagten
Bits. Die Ausbreitungsverzögerung und
die Satellitenzeitabweichungen sind in dem Empfänger durch Wissen der Satellitenübertragungsephemeride
und der Zeitkorrekturdaten berechenbar, die außerdem notwendig sind, um die
Position aus den Entfernungsmessungen zu berechnen.
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Die
Ankunftszeit des GPS-Datenworts
100 kann verwendet werden,
um eine freilaufende Lokalzeit innerhalb des GPS-Handgeräts zu kalibrieren. Das
Kalibrierungsverfahren wird in dem
US-Patent 5,893,044 von
King, das hiermit als Stand der Technik mit einbezogen wird, gelehrt.
Die Ankunftszeit (TOA – Time
of Arrival) der Präambel
102 und/oder des
HOW-Worts
105 und/oder der Unterrahmenkennung
106 kann
verwendet werden, um die Messzeit der Satellitenentfernungen sofort
zu messen, oder optional, um die Erfassungszeit in einem Speicher
zu messen. Das sofortige Ver fahren der GPS-Signalerfassung und -korrelation
kann in den Fällen
verwendet werden, wenn das GPS-Signal stark ist, und das Speicherverfahren
der GPS-Signalerfassung und -korrelation kann verwendet werden,
wenn das Signal schwach oder unzuverlässig ist.
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Wenn
ein Speicher verwendet wird, ist der Speicher vorzugsweise größer als
notwendig, um ein beliebiges oder alle Datensegmente zu enthalten. Die
Erfassungszeit wird vorzugsweise von einer freilaufenden lokalen
Echtzeituhr gesteuert, die durch das Verfahren der vorliegenden
Erfindung oder durch das in dem
US-Patent 5,893,044 von
King gelehrte Verfahren oder unter Verwendung einer anderen gewöhnlichen
Zeitreferenz, wie beispielsweise einem von dem Netzwerk an den Handgerät gesendeten Impuls
oder einer Nachricht periodisch neu kalibriert wird. Wichtig ist,
dass die Erfassungsintervallstartzeit genau genug ist, um in der
Lage zu sein, den Beginn eines Unterrahmendatenmusters von einem
anderen zu unterscheiden, oder eine Abweichung von höchstens
drei Sekunden hat. Sobald ein Datensegment im Speicher (entweder
ein IF-Speicher zur Vorkorrelation oder ein Speicher für eine nachfolgende
Korrelation) erfasst wird, kann die genaue Ankunftszeit des Datensegments
direkt gemessen werden, wodurch die Zeit der Datenerfassung und
somit die Entfernungsmesszeit festgestellt wird. Dies kann ohne
die Notwendigkeit der ausgiebigen Modifizierung der Hardware der
vorhandenen GSM-Mobilvorrichtungen, ohne die Notwendigkeit des Hinzufügens zusätzlicher
Komponenten in einem vorhandenen Kommunikationsnetzwerk oder ohne
dafür notwendige spezielle
Netzwerknachrichten durchgeführt
werden.
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Der
GPS-Empfänger
oder das GPS-Handgerät
kann seine eigenes interne Uhr haben. Diese interne Uhr hat jedoch
eventuell keine ausreichende Genauigkeit, um die Ankunftszeit der
GPS-Signaldaten genau zu verfolgen. Stattdessen kann die interne Uhr
periodisch neu kalibriert werden, indem die Ankunftszeit der GPS-Datennachricht 100 ermittelt
und die gemessene Ankunftszeit verwendet wird, um die interne Uhr
periodisch neu zu kalibrieren.
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Es
wird angenommen, dass im schlimmsten Fall eine lokale Echtzeituhr
in dem GPS-Handgerät einen
32 kHz-Oszillator, der eine Abweichung von ungefähr 50 Pulsen pro Million (PPM)
hat, verwendet werden kann, wodurch ungefähr zweimal am Tag eine neue
Kalibrierung notwendig wird (eine 1-Sekunden-Genauigkeitsabweichung).
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Da
die lokale Echtzeituhr in dem Handgerät variiert, wird die gemessene
Ankunftszeit der GPS-Datennachricht 100 natürlich auch
variiern, aber aufgrund der relativ kleinen Abweichung in der lokalen
Echtzeituhr (für
die ihre Zeitveränderungsrate auch
vom GPS kalibriert werden kann), kann die gemessene Ankunftszeit
verwendet werden, um einen Offset zu bestimmen, der zur erneuten
Kalibrierung der lokalen Echtzeituhr nützlich ist. In 1 kann
beispielsweise die vertikale Linie, die den vorherigen Unterrahmen
und den gegenwärtigen
Unterrahmen anzeigt, angeben, wo das GPS-Handgerät den Beginn der GPS-Datennachricht 100 erwartet.
Die Messung des Unterschieds zwischen dem tatsächlichen Beginn und dem vom
GPS-Handgerät
erwarteten Beginn ergibt daher einen Zeit-Offset, der verwendet werden
kann, um die Uhrzeit des GPS-Handgeräts und die Zeitveränderungsrate
neu zu kalibrieren.
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Falls
die lokale Echtzeituhr nicht kalibriert wurde, wird ein Suchvorgang
verwendet, um ein Segment abzutasten, nach dem bekannten Datenmuster oder
der Sequenz zu suchen, und dann das Überprüfungsintervall zu einer weiteren
Segmentlänge
zu verschieben und dasselbe zu wiederholen, bis das gewünschte bekannte
Datenmuster oder die Sequenz gefunden wurde.
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2A–2B zeigen
die Verwendung eines einsekündigen
Erfassungszeitrahmens 200 zur Erfassung eines Datensegments.
Ein ankommendes GPS-Signal wird in dieser Ausführungsform für die Dauer
einer Sekunde erfasst. Weitere Erfassungszeitrahmen können wie
gewünscht
verwendet werden. In 2A kommt die Präambel 102 vor
der erwarteten Startzeit des GPS-Handgeräts an (aufgrund von der Zeitabweichung).
Aufgrund der Größe des Erfassungszeit rahmens 200 wird
jedoch die gesamte Präambel 102 erfasst
und gespeichert. Ein einsekündiger
Erfassungszeitrahmen wird bevorzugt, so dass GPS-Daten vor und nach
der erwarteten Startzeit der Präambel
erfasst werden. Somit können
die erfassten Daten überprüft werden,
um herauszufinden, wann genau die Präambel beginnt.
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In 2B kommt
die Präambel 102 nach
der erwarteten Startzeit an. Durch Verwendung eines einsekündigen Erfassungszeitrahmens 200 kann
die lokale Uhr des Handgeräts
um einiges abweichen, und die vollständige Präambel 102 kann trotzdem
erfasst werden.
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3 stellt
ein Ablaufdiagramm 300 der ersten Ausführungsform des Verfahrens zur
Bestimmung von Zeit in einem GFS-Handgerät dar. In Schritt 304 werden
GPS-Daten für
eine vorher festgelegte Zeitdauer erfasst. In der bevorzugten Ausführungsform
werden GPS-Daten wie in 2A und 2B dargestellt,
für ungefähr eine
Sekunde erfasst, obwohl andere Zeitdauern verwendet werden können. Die
Startzeit und Dauer des Erfassungsvorgangs werden von einer lokalen
Echtzeituhr gesteuert. Die lokale Echtzeituhr wird zuvor kalibriert
(entweder mit dem hier beschriebenen Verfahren oder mit traditionellen
GPS-Signalverarbeitungsverfahren) und kann abweichen bzw. driften.
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Die
Genauigkeit der lokalen Echtzeituhr hängt von der Stabilität eines
antreibenden Oszillators, beispielsweise des Referenzoszillators
eines Handgeräts
ab. IN GSM- und CDMA-Handgeräten hat
der Referenzoszillator des Handgeräts üblicherweise eine Stabilität von ungefähr 0,05
PPM (d.h., der Oszillator kann um ungefähr plus oder minus 5 Schwingungen
für jede
100,000,000 Schwingungen variieren). Die lokale Echtzeituhr kann
auch von einem einfachen freilaufenden 32 KHz-Oszillator angetrieben
werden.
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In
Schritt 308 wird ein erwartetes Datenmuster mit deterministischen
oder vorher festgelegten Eigenschaften (z.B. eine Codenachbildung
einer Präambel,
eines HOW-Worts, einer Unterrahmen kennung usw.) in den erfassten
Daten lokalisiert. In der bevorzugten Ausführungsform ist dies die in 1 dargestellte
Präambel 102.
Es können
jedoch auch weitere erwartete Datenmuster mit deterministischen oder
vorher festgelegten Eigenschaften, wie beispielsweise das HOW-Wort 105,
verwendet werden.
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In
Schritt 311 wird ein Zeit-Offset von dem Beginn der Erfassung
bis zur Ankunftszeit des erwarteten Datenmusters oder der Datensequenz
bestimmt.
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In
Schritt 315 wird die Ausbreitungsverzögerung des Signals von dem
Satelliten und Empfänger sowie
die Satelliten-Offset-Zeitkorrektur angewandt, wodurch eine genaue
Messung der Lokalzeit ermittelt wird. Der Zeit-Offset kann verwendet
werden, um die Uhr in dem GPS-Handgerät neu zu kalibrieren und wird
ebenso die Basis für
die Zeitprägung
der Satellitenentfernungsmessungen sein.
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4 stellt
ein Ablaufdiagramm 400 einer zweiten Ausführungsform
des Verfahrens zur Bestimmung von Zeit in einem GSM-Handgerät dar. Das
Ablaufdiagramm 400 unterscheidet sich nur dadurch von dem
Ablaufdiagramm 300 der ersten Ausführungsform, dass das Verfahren
sofortig durchgeführt
wird. Somit erfasst das Verfahren in Schritt 404, anstatt
wie in Schritt 304 nur GPS-Daten zu erfassen, kohärente GPS-Daten
nach der Korrelation. Schritt 408 entspricht Schritt 308;
Schritt 411 entspricht Schritt 311.
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Man
kann klar erkennen, dass entweder das Ablaufdiagramm 300 oder
das Ablaufdiagramm 400 verwendet werden kann. Das sofortige
Echtzeitverfahren wird bevorzugt, aber alternativ kann ein GPS-Signal im Speicher
gespeichert und dann verarbeitet werden. Der Speicher wird allgemein
in Fällen verwendet,
bei denen der Empfänger
eine Korrelationsverriegelung verloren hat und das Signal nicht länger in
Echtzeit korrelieren kann, wenn dieses empfangen wird. Dies kann
durchgeführt
werden, um den Signalempfang zu verbessern oder aufrecht zu erhalten,
um die Stärke
des empfan genen Signals zu verbessern, um den Stromverbrauch zu
verringern oder um die Rechenbeanspruchung über die Zeit zu verteilen.
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5 stellt
ein Ablaufdiagramm 500 einer dritten Ausführungsform
des Verfahrens zur Bestimmung von Zeit in einem GPS-Handgerät dar. In Schritt 501 wird
eine empfangene GPS-Nachricht auf eine Zwischenfrequenz herabgewandelt.
Dies ist in der Technik allgemein bekannt und wird durchgeführt, um
die Datenverarbeitung und -handhabung zu erleichtern.
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In
Schrit 504 wird die Zwischenfrequenz abgetastet, um eine
Vielzahl von digitalen Abtastwerten zu erhalten. Das Abtasten wird üblicherweise über eine
vorher festgelegte Zeitdauer, wie beispielsweise eine Sekunde, durchgeführt, und
als Ergebnis werden in der bevorzugten Ausführungsform zweihundert Abtastwerte
erzeugt.
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In
Schritt 507 werden die digitalen Zwischenfrequenz-(IF)-Abtastwerte gespeichert.
In der bevorzugten Ausführungsform
werden sie in einem allgemeinen Speicher, wie beispielsweise einem
RAM (Random Access Memory) gespeichert. Die digitalen IF-Abtastwerte
können
jedoch in jeder beliebigen Art von digitaler Speichervorrichtung
gespeichert werden.
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In
Schritt 510 wird eine Codephase für jeden sichtbaren Satelliten,
für den
Daten empfangen werden, bestimmt.
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In
Schritt 512 wird eine Doppler-(oder Frequenz-)-Verschiebung
für Daten,
die für
jeden sichtbaren Satelliten empfangen werden, bestimmt. Das GPS-System
verwendet 24 Satelliten, die in der Erdumlaufbahn verteilt sind,
und von denen im Allgemeinen mindestens vier Satelliten bei freier
Sicht auf den Himmel von jedem beliebigen Punkt auf der Erde sichtbar
sind.
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In
Schritt 517 wird das stärkste
Signal zur Verarbeitung ausgewählt.
Da das Verfahren zur Bestimmung genauer Zeit während Zeitdauern, wenn der
Empfang von GPS-Signalen relativ schlecht ist, ausgelegt ist, führt die
Auswahl des stärksten
Signals zur größten Zuverlässigkeit
und größten Erfolgswahrscheinlichkeit.
Sie verringert auch die Rechenzeit und den entstehenden Stromverbrauch,
indem nur die minimale Anzahl von für die Zeitbestimmung notwendigen
Signalen verarbeitet wird, wobei es sich um ein Satellitensignal
handelt. Natürlich
ist das stärkste
Signal zur Bestimmung der exakten Zeit nicht unbedingt notwendig.
Zusätzlich
(aber teiloptimal) könnten
mehrere Signale zur Bestimmung von Zeit in dem Empfänger verarbeitet
werden.
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In
Schritt 522 wird ein phasenrichtiges Merkmal des kohärenten Signals
nach der Korrelation gemessen und gespeichert. In Schritt 527 wird
ein 90° phasenverschobenes
Merkmal des kohärenten
Signals nach der Korrelation gemessen und gespeichert. Schritt 522 und 527 werden
vorzugsweise gleichzeitig durchgeführt.
-
In
Schritt 531 werden die in den Schritten 522 und 527 bestimmten
phasenrichtigen und phasenverschobenen Merkmale kohärent mit
einem erwarteten Datenmuster korreliert. In einer bevorzugten Ausführungsform
sind dies die Präambel 102, das
HOW-Wort 105 und/oder die Unterrahmenkennung 106.
Tatsächlich
vergleicht Schritt 531 die phasenrichtigen und phasenverschobenen
Merkmale des empfangenen Signals mit dem erwarteten Datenmuster,
um festzustellen, wann das erwartete Datenmuster in der Sequenz
empfangener Daten beginnt.
-
In
Schritt 534 wird ein Zeit-Offset aus dem Korrelationsmaximum
bestimmt. Die Korrelation von Schritt 531 wird eine Spitze
erzeugen (die in 9 gesehen werden kann), und
diese Spitze ist der Punkt der maximalen Korrelation, d.h., der
Punkt, an dem die ankommenden Daten mit dem erwarteten Datenmuster übereinstimmen.
Die Zeit zwischen dem Beginn der Datenerfassung und der Spitze ergibt
daher den Zeit-Offset, an dem der Beginn des erwarteten Datenmusters
auftritt.
-
In
Schritt 538 wird die Erfassungszeit von dem in Schritt 534 festgestellten
Zeit-Offset, der Codephase und dem Standort des ausgewählten Satelliten,
der dem Satelliten entsprechenden Zeitkorrektur (Standard in jedem
GPS-Empfänger),
der bekannten Ankunftszeit des bestimmten GPS-Datensegments (Präambel 102,
HOW-Wort 105 und/oder Unterrahmenkennung 106)
und dem geographischen Standort des Handgeräts festgestellt. Der Standort des
Handgeräts
kann durch Iteration von einer anfänglichen Schätzung berechnet
werden, wobei die anfängliche
Schatzung beispielsweise der Standort der nächsten zellularen Basisstation
ist (jede Basisstation hat eine bekannte Breite und Länge). Diese Daten
sind ausreichend, um den Zeit-Offset zu bestimmen. Der Zeit-Offset
kann zur erneuten Kalibrierung der Echtzeituhr des Handgeräts verwendet
werden, um die Zeitsynchronität
mit dem GPS-Satellitensystem
aufrecht zu erhalten.
-
6 stellt
ein Ablaufdiagramm 600 einer vierten Ausführungsform
des Verfahrens zur Bestimmung von Zeit in einem GPS-Handgerät dar. Das
Ablaufdiagramm 600 unterscheidet sich dadurch von dem Ablaufdiagramm 500 der
dritten Ausführungsform,
dass für
Schritt 607 das Ablaufdiagramm 600 GPS-Abtastwerte
gegenüber
dem PRN-Code (PRN – Pseudo
Random Noise = Pseudozufallsrauschen) jedes sichtbaren Satellitens
(d.h., eine eindeutige Kennung für
jeden Satelliten, auch bekannt als Gold-Code) und jedem sichtbaren
Satelliten-Doppler-Merkmal nicht-kohärent korreliert. Die weiteren
in 6 dargestellten Schritte entsprechen den entsprechenden
Schritten in 5. Ähnlich wie das Verfahren von 4 ist
das Verfahren von 6 eine sofortige Zeit-Offset-Bestimmung, die keinen
digitalen IF-Speicher benötigt.
-
Man
kann klar erkennen, dass entweder das Ablaufdiagramm 500 oder
das Ablaufdiagramm 600 verwendet werden kann. Das sofortige
Echtzeitverfahren wird bevorzugt, aber alternativ kann ein GPS-Signal im Speicher
gespeichert und dann verarbeitet werden. Der Speicher wird allgemein
in Fällen verwendet,
bei denen der Empfänger
eine Korrelationsverriegelung verloren hat und das Signal nicht länger in
Echtzeit korrelieren kann, wenn dieses empfangen wird. Dies kann
durchgeführt
werden, um den Signalempfang zu verbessern oder aufrecht zu erhalten,
um die Stärke
des empfangenen Signals zu verbessern, um den Stromverbrauch zu
verringern oder die Bearbeitung über
die Zeit auszudehnen.
-
7 stellt
ein Blockdiagramm einer ersten Ausführungsform einer Vorrichtung 700 zur
Bestimmung von Zeit in einem GPS-Handgerät dar. Die Vorrichtung 700 umfasst
eine Antenne 704, einen GPS-Abwärtswandler 709, einen
Analog/Digitalwandler (ADC) 711, einen digitalen Vor-Korrelations-IF-Schalter 713,
eine lokale Echtzeituhr 715, einen digitalen FF-Speicher 721,
erfassungsunterstützende
Daten 724, einen nichtkohärenten GPS-Korrelator 726,
einen kohärenten
GPS-Korrelator 729, einen kohärenten Nach-Korrelations-Speicherschalter 732,
ein Abtastwertespeicher 735, einen Bereinigungsmischer
(clean-up mixer) 738, einen Korrelator 742, ein
vorgespeichertes vorherbestimmbares erwartetes Datenmuster 744,
einen Zeitdehner 748, eine Zeitverzögerung 750, einen
kohärenten
Integrator 754, einen Großenbestimmer 757,
einen Größe-gegen-Verzögerung-Speicher 762 und
einen maximalen Integrationsgrößenbestimmer 766.
-
Die
Antenne 704 empfangt ein GPS-Signal und leitet es an den
GPS-Abwärtswandler 709 weiter. Der
GPS-Abwärtswandler 709 wandelt
das GPS-Signal in eine Zwischenfrequenz (IF) um und leitet es an den
Analog-Digital-Wandler 711 weiter. Der Analog-Digital-Wandler 711 wandelt
die FF-Daten in digitale IF-Daten um und sendet die digitalen IF-Daten an
den digitalen IF-Schalter 713. Der digitale IF-Schalter 713,
der von der lokalen Echtzeituhr 715 gesteuert wird, nimmt
periodische Abtastwerte der digitalen IF-Daten, wobei die periodischen
Abtastwerte (vor der Korrelation) in dem digitalen IF-Speicher 721 gespeichert
werden.
-
Um
zu garantieren, dass die Ziel-Bits in dem N-Millisekunden langen
Speicher erfasst werden, muss die Genauigkeit der Echtzeituhr 715 innerhalb von
(N-M)/2 Millisekunden gehalten werden. Angenommen, dass in der bevorzugten
Ausführungsform N
eine Sekunde und M 200 Millisekunden ist, kann die Uhr um ungefähr plus
oder minus 400 Millisekunden abweichen und immer noch zur Erfassung
der Zieldatensequenz nützlich
sein.
-
Die
lokale Echtzeituhr 715 muss jedoch periodisch neu kalibriert
werden. Die Neukalibrierung kann anhand von zahlreichen Verfahren
durchgeführt werden,
die Folgendes umfassen: 1) Anwenden des hier beschriebenen Verfahrens
mit jeder GPS-Positionsstandortanforderung, 2) automatische Neukalibrierung,
wenn vorhergesehen wird, dass die Echtzeituhr 715 um ein
vorher festgelegtes nicht akzeptables Maß abweicht, 3) wenn das Handgerät eine freie Sicht
auf den Himmel hat und ein herkömmliches GPS
die Zeit aus den direkten GPS-Signalen extrahieren kann, 4) Erhalt
von Zeit von einem herkömmlichen
GPS-Signaldetektor zu Zeiten, wenn das Handgerät netzbetrieben wird, beispielsweise
beim Laden, und die Zeit direkt von dem GPS-Signal erhält, wenn
dieses verfügbar
ist, 5) Übertragung
von Zeit von einem Fahrzeugeinbausatz zu dem Handgerät von einem
eingebetteten GPS-Sensor, der in den Fahrzeugeinbausatz eingebaut
ist, oder von dem Fahrzeug selbst über eine drahtlose Schnittstelle, wie
beispielsweise Bluetooth, 6) Übertragung
von Ablaufzeit über
das nicht synchronisierte Netzwerk.
-
Der
nicht-kohärente
GPS-Korrelator 726 bestimmt ein Codephasenmerkmal, ein
Doppler-Merkmal und eine Signalstärke eines empfangenen GPS-Satellitensignals,
das in dem digitalen IF-Speicher 721 gespeichert ist. Es
sollte verstanden Weden, dass die Hardware bis zu diesem Punkt in
der Lage ist, mehrere GPS-Satellitensignale zu empfangen, wobei
die digitalen IF-Daten in dem digitalen IF-Speicher 721 gespeichert
sind, der Daten für
zahlreiche Satellitensignale aufweist. Wie zuvor angegeben wurde,
wird ein Minimum von vier GPS-Satelliten, und möglicherweise mehr zu jeder
Zeit im Blickfeld des GPS-Handgeräts sein. Somit können mindestens
vier GPS-Datensignale vorhanden sein.
-
Der
nicht-kohärente
GPS-Korrelator 726 empfängt
außerdem
Informationen von den erfassungsunterstützenden Daten 724 einschließlich Satellitenephemeriden,
wie beispielsweise bekannte und erwartete Satellitenstandorte. Diese
erfassungsunterstützenden
Daten 724 ermöglichen,
dass der nichtkohärente
GPS-Korrelator 726 zwischen Satellitensignalen unterscheidet
und die Codephase (0 bis 1 Millisekunde Zeit-Offset) und Dopplerfrequenz
(+/– 4
KHz) jedes erfassbaren Satellitensignals bestimmt.
-
Der
nichtkohärente
GPS-Korrelator
726 kann ein Zeitbereichskorrelator sein,
wobei der Korrelator aufeinanderfolgende Ausgaben kohärent auf 1
Millisekunde summiert. Ein Beispiel eines solchen Korrelators ist
in dem
US-Patent 5,148,452 von
Kennedy et al. dargestellt, das hiermit als Stand der Technik aufgeführt ist.
Alternativ kann der nichtkohärente GPS-Korrelator
726 ein
Frequenzbereichskorrelator sein, wie er in dem
US-Patent 5,663,734 von Krasner oder
in dem
US-Patent 4,998,111 von
Ma et al. offenbar ist, welche beide hiemit als Stand der Technik aufgeführt sind.
Es ist wichtig zu erwähnen,
dass ein nichtkohärenter
Korrelator keine Kenntniss über
das 50-BPS-Datenmuster benötigt
und die Codephase und Doppler-Verschiebung der Signale in Umgebungen,
in denen herkömmliche
GPS-Signalverarbeitungsverfahren fehlschlagen, extrahieren kann.
Zusätzlich
kann der nicht kohärente
GPS-Korrelator
726 durch zweckbestimmte Hardware oder durch Software,
die in einem programmierbaren digitalen Signalprozessor codiert
wird, implementiert werden.
-
Der
kohärente
GPS-Korrelator 729 ist gleichermaßen mit dem digitalen IF-Speicher 721 verbunden
und auch mit dem nicht kohärenten GPS-Korrelator 726 verbunden.
Daten von dem digitalen IF-Speicher 721 werden
in den (Einzelkanal-) kohärenten
GPS-Korrelator 729 eingegeben, und der kohärente GPS-Korrelator 729 führt eine
Millisekunde lange phasenrichtige und phasenverschobene Messungen
des Signals an der vorher festgelegten Codephase und Doppler durch.
Der kohärente GPS-Korrelator 729 ist
ein Einzelkanal-Korrelator und erzeugt phasenrichtige und phasenverschobene Messungen
des stärksten,
von dem nichtkohärenten GPS-Korrelator 726 empfangenen
GPS-Datensignals. An diesem Punkt wird das stärkste GPS-Signal ausgewählt und
von diesem Punkt an verwendet, um die Zuverlässigkeit und Wahrscheinlichkeit,
eine Zeitbestimmung zu erhalten, zu vergrößern. Es ist wichtig anzumerken,
dass es sich bei dem nichtkohärenten
Korrelator 726 und dem kohärenten Korrelator 729 um
denselben Korrelator handeln kann, der in zwei unterschiedlichen
Modi verwendet wird.
-
Genauso
wie der nichtkohärente
GPS-Korrelator 726 kann der kohärente GPS-Korrelator 729 durch
zweckbestimmte Hardware implementiert oder durch Software, die in
einem programmierbaren digitalen Signalprozessor codiert wird, erzeugt
werden.
-
Der
Nach-Korrelations-Speicherschalter 732, der eine Verbindung
mit dem Abtastwertespeicher 735 herstellt und phasenrichtige
und phasenverschobene Messabtastworte erzeugt, die in dem Abtastwertespeicher 735 gespeichert
sind, ist mit dem kohärenten
GPS-Korrelator 729 verbunden. In der bevorzugten Ausführungsform
nimmt der Speicherschalter 732 eine Millisekunde Abtastwerte
auf und erzeugt N Worte komplexer Daten der phasenrichtigen und
phasenverschobenen Messungen, die den N Millisekunden der in dem
digitalen IF-Speicher 721 gespeicherten Daten entsprechen.
Die 1 Millisekunde Abtastwerte wurden entspreizt (das GPS-Signal ist
ein Spreizspektrumssignal), sind ungefähr bei Null Doppler, und somit
ist das einzige übrigbleibende
Signal auf den Abtastworten das 50-BPS-Datenmuster (und Rauschen).
-
Der
Bereinigungsmischer 738, der jede beliebige übrigbleibende
Doppler-Eigenschaft aus den gespeicherten phasenrichtigen und phasenverschobenen
Messungen entfernt, ist mit dem Abtastwertespeicher 735 verbunden
(der Abtastwertespeicher 735 enthält phasenrichtige und phasenverschobene Messungen,
bei denen alle oder fast alle Doppler aus den Abtastwerten entfernt
wurden). Dies kann unter Verwendung mehrerer Verfahren auf sich
wiederholende Weise erreicht werden, da die Abtastwerte nach der
Korrelation schon in dem Speicher gespeichert sind und erneut abgespielt
werden können.
Ein Verfahren umfasst beispielsweise das iterative Abschreiten der übrigbleibenden
Doppler Auslöschungs-Frequenz über mehreren
Korrelationen des in dem Abtastwertespeicher 735 gespeicherten
vollständigen
Satzes von Abtastwerten, um die Doppler Auslöschungs-Frequenz zu finden,
die das Spitzensignal in dem Größe-gegen-Verzögerung-Speicher 762 maximiert.
Um dies am besten zu tun, sollte die geschätzte Doppler-Frequenz, die
in dem kohärenten
Korrelator 729 verwendet wird, um den größten Teil
des Doppler-Signals auszulöschen,
konstant gehalten werden, während
der Abtastwertespeicher gefüllt
wird. Auf diese Weise kann eine konstante Rest-Doppler-Auslöschungs-Frequenz
verwendet werden, oder in dem Fall, dass ein Empfänger eine Dynamik
erfährt,
kann außerdem
eine gezirpte (nicht konstante, bei einer konstanten Frequenzveränderungsrate
geänderte)
Rest-Doppler-Auslöschungs-Frequenz
als Teil der sich wiederholenden Versuche probiert werden.
-
Der
Korrelator 742 ist mit dem Bereinigungsmischer 738 und
dem erwarteten Datenmuster 744 verbunden. Der Korrelator 742 korreliert
die phasenrichtigen und phasenverschobenen Messungen mit dem erwarteten
Datenmuster 744.
-
In
der bevorzugten Ausführungsform
ist das erwartete Datenmuster 744 die Präambel 102,
das HOW-Wort 105 und/oder die Unterrahmenkennung 106 der
GPS-Datennachricht 100. Das erwartete Datenmuster 744 ist
mit einem Zeitdehner 748 verbunden, der die Dauer jedes
Bits von 1 Millisekunde auf 20 Millisekunden dehnt, und der Zeitdehner 748 ist des
Weiteren mit einem Verzögerer 750 verbunden. Der
Verzögerer 750 ist
mit dem Korrelator 742 verbunden. Daher wird das vorhergesagte
50-BPS-Datenmuster in ein Datenmuster mit einer Lange von 200 Millisekunden
(im Fall der Präambel 102)
umgewandelt, um die Lange der in dem Abtastspeicher 735 gespeicherten
Abtastworte anzupassen. Der Korrelator 742 korreliert die
empfangenen und gespeicherten Daten kohärent mit diesem erwarteten Datenmuster
und erzeugt höhere
Werte, wenn die Datenmuster korrelieren. Dies ist in 8 dargestellt,
bei dem die Signale A und B korreliert werden, um ein Ausgangssignal
C zu erzeugen. Das Signal C enthält
daher eine digitale Eins, wenn die Signale A und B denselben Wert
aufweisen, und enthält
eine digitale Null, wenn sich die Signale A und B unterscheiden.
Dies kann von Exklusiv-ODER-Gattern in Hardware oder von einem in
seinem Speicher gespeicherten Mikroprozessoralgorithmus erreicht
werden.
-
Der
kohärente
Integrator 754 ist mit dem Korrelator 742 verbunden
und integriert die Korrelationsausgabe zur Erzeugung einer Integrationsausgabe. Es
sollte erwähnt
werden, dass ein Großteil
der Arbeit zum Erreichen der N-M verzögerten kohärenten Integrationen mit einem
rekursiven Algorithmus, der in einem Mikroprozessor oder in zweckbestimmter Hardware
gespeichert ist, durchgeführt
werden kann, wodurch die Anzahl der notwendigen Vorgänge stark verringert
wird. Zusätzlich
sind die Multiplikationsvorgänge
alle um +1 oder –1,
wodurch die Arithmetik stark vereinfacht wird.
-
Der
Größenbestimmer 757 ist
mit dem kohärenten
Integrator 754 verbunden und ermittelt eine Größe des Integrationsergebnisses.
Eine Vielzahl von Integrationsgrößen von
dem Größenbestimmer 757 werden
in dem Größe-gegen-Verzögerung-Speicher 762 gespeichert.
In der bevorzugten Ausführungsform
wird eine Gesamtmenge von N-M Größenwerten
erzeugt und in dem Größe-gegen-Verzögerung-Speicher 762 gespeichert.
Der Parameter N ist die Größe in Worten
des Abtastwertespeichers 735, wobei N die Anzahl der Millisekunden
von in dem digitalen IF-Speicher 721 erfassten Daten widerspiegelt.
In dem Fall, dass der digitale IF-Speicher 1 Sekunde von
Daten (d.h., 1000 tastwerte) aufweist, ist der Parameter N 1000.
Der Parameter M ist die Länge
des bekannten Datenmusters. Wenn die Präambel 102 erfasst
werden soll, ist der Parameter M 200 Millisekunden lang. Gleichermaßen ist
der Parameter M für
das HOW-Wort 105 340 Millisekunden lang. Die Anzahl der
Integrationsgrößenwerte
entspricht der Anzahl von Abtastwerten in den ursprünglichen IF-Daten,
die nach dem Analog-Digital-Wandler 711 erfasst werden.
-
Der
maximale Integrationsgrößenbestimmer 766 verwendet
dann die in dem Größe-gegen-Verzögerung-Speicher 762 gespeicherten
Daten, um den Punkt zu bestimmen, an dem ein maximales Integrationsergebnis
erzielt wird. Dies ist in 9 dargestellt,
wobei der maximale integrierte Größenwert den Beginn des vorhergesagten
Datenmusters angibt. Der Zeit-Offset zwischen dem Zeitpunkt des
Beginns der Signalerfassung (der Zeitnullpunkt) und dem Zeitpunkt
der gemessenen maximalen Integrationsgröße (der Spitze) ist der gesuchte
Zeit-Offset. Der Zeit-Offset kann dann verwendet werden (zusammen
mit der Codephase und dem Standort des ausgewählten Satelliten und seiner
entsprechenden Satellitenzeitkorrektur), um die tatsächliche
(lokale) Zeit zu bestimmen und die Echtzeituhr des Handgeräts neu zu
kalibrieren, wie zuvor in Zusammenhang mit Schritt 538 von 5 und
Schritt 638 von 6 erläutert wurde.
-
Auf ähnliche
Weise wird eine in 10 dargestellte zweite Ausführungsform
einer Vorrichtung zur Bestimmung von Zeit in einem GPS-Handgerät verwendet,
für den
der in 7 dargestellte digitale IF-Abtastwertespeicher 721 und
IF-Speicher 713 entfernt wurden. In 10, auf
die nun Bezug genommen wird, steuert die lokale Echtzeituhr 1015 direkt den
Erfassungszeitschalter 1032 der in dem Abtastwertespeicher 1035 gespeicherten
phasenrichtigen und phasenverschobenen Abtastwerte nach der Korrelation.
Die restliche Vorrichtung ist dieselbe, wie die mit Bezug zu 7 beschriebene.
Die Vorrichtung 1000 ist daher zur sofortigen Verarbeitung
von GPS-Signalen zur Bestimmung des Zeit-Offsets ausgelegt.
-
Man
kann klar erkennen, dass die Elemente 732 bis 766 und
die Elemente 1032 bis 1066 vorzugsweise alle in
einem Softwarealgorithmus ausgeführt
werden können,
der auf einem steuernden Mikroprozessor läuft und somit keine zusätzliche
Hardware benötigen.