DE602005001630T2

DE602005001630T2 - Verfahren zum Empfangen von GPS Signalen und GPS Empfänger

Info

Publication number: DE602005001630T2
Application number: DE602005001630T
Authority: DE
Inventors: Hideki Shinagawa-Ku Awata
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2004-02-02
Filing date: 2005-01-31
Publication date: 2008-06-05
Anticipated expiration: 2025-02-01
Also published as: US20050168382A1; EP1560036B1; DE602005001630D1; JP2005214916A; EP1560036A1; US7053827B2

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf GPS-Empfangsverfahren (globales Positionierungssystems) und GPS-Empfänger.
Bei GPS-Systemen zum Erlangen von Positionen von mobilen Körpern unter Verwendung von künstlichen Satelliten (anschließend als GPS-Satelliten bezeichnet) sind die Grundfunktionen jedes GPS-Empfängers die, dass der Empfänger Signale von vier oder mehreren GPS-Satelliten empfängt, die aktuelle Position seiner Position aus den Empfangssignalen berechnet und die berechnete Position dem Benutzer mitteilt.
Der GPS-Empfänger demoduliert die Signale, welche von GPS-Satelliten empfangen werden (anschließend werden diese Signale als GPS-Satellitensignale bezeichnet), um die Orbitdaten der GPS-Satelliten zu erlangen, und, von jedem Orbit des GPS-Satelliten der Zeitinformation und der Verzögerungszeit die dreidimensionale Position des eigenen Empfängers auf Basis simultaner Gleichungen herleitet. Die Signale von vier GPS-Satelliten sind zur Positionierungsberechnung notwendig, da die Wirkungen des Fehlers zwischen der Zeit im GPS-Empfänger und der Zeit jedes Satelliten beseitigt werden müssen.
Bei GPS-Verbraucherempfängern wird das Signalfunkspektrum, welches durch einen Spreizcode spektral-gespreizt wird, der als Li-Band C/A (Löschen und Erwerben) bezeichnet wird, welches von GPS-Satelliten (Navstar) übertragen wird, zur Positionierungsberechnung empfangen.
Der C/A-Code ist ein Code einer PN-Sequenz (Pseudozufallsrauschen), welche eine Überragungssignalrate (oder Chiprate) von 1,023 MHz und eine Codelänge von 1023 hat, wobei ein Spreizcode beispielsweise aus Gold-Codes besteht. Die Signale, welche von den GPS-Satelliten übertragen werden, sind jeweils ein Signal, welches durch Ausführen von BPSK (binäres Phasenumtasten) auf dem Träger erlangt wird, der eine Frequenz von 1575,42 MHz hat, mit einem Signal, welches durch spektrales Spreizen von Daten von 50 bps unter Verwendung eines Spreizcodes erlangt wird. In diesem Fall beträgt die Codelänge 1023, so dass beim C/A-Code sich der PN-Sequenzcode in einer Periode von 1023 Chips wiederholt (daher eine Periode = 1 Millisekunde), wie in 34A gezeigt ist.
Der PN-Sequenzcode des C/A-Codes ist von einem GPS-Satelliten zum anderen verschieden. Jeder GPS-Empfänger kann jedoch vorher ermitteln, welcher PN-Sequenzcode durch welchen GPS-Satelliten verwendet wird. Zusätzlich erlaubt eine Navigationsinformation (Orbit-Information), was später beschrieben wird, dass der GPS-Empfänger weiß, welches GPS-Satellitensignal er an seiner Position und zu welchem Zeitpunkt empfangen kann. Daher empfängt im Fall einer dreidimensionalen Positionierung der GPS-Empfänger Funkwellen von vier oder mehreren GPS-Satelliten, welche an dieser Position und in diesem Zeitpunkt erworben werden können, spreizt die empfangenen Signale spektral und führt eine Positionierungsberechnung auf Basis der gespreizten Signale durch, um dadurch seine eigene Position zu erlangen.
Wie in 34B gezeigt ist, wird ein Bit der Satellitensignaldaten (oder Navigationsinformationsdaten) als 20 Perioden des NP-Sequenzcodes übertragen, nämlich auf Basis von 20 Millisekunden. Das heißt, dass die Datenübertragungsrate 50 bps beträgt. Die 1023 Chips für eine Periode des PN-Sequenzcodes werden zwischen dem Bit invertiert, welches "1" und "0" hat.
Wie in 34C gezeigt ist, werden 30 Bits (60 Millisekunden) ein Wort bei GPS. Wie in 34(D) gezeigt ist, bilden 10 Wörter einen Hilfsrahmen (6 Sekunden). Wie in 34(E) gezeigt ist, wird das Startwort jedes Hilfsrahmens immer mit einer Präambel ergänzt, d.h. einem vorher festgelegten Bitmuster, sogar dann, wenn die Daten aktualisiert werden. Diesen Präambeldaten folgen Daten.
Fünf Hilfsrahmen bilden einen Hauptrahmen (30 Sekunden). Die Navigationsinformation wird in Dateneinheiten von diesem einen Hauptrahmen übertragen. Drei Hilfsrahmen der Daten dieses einen Hauptrahmens liefern die Satelliten-spezifische Orbit-Information, welche als Ephemeris-Information bezeichnet wird. Diese Ephemeris-Information wird in einer Wiederholung von einem Hauptrahmen (30 Sekunden) übertragen und umfasst die Parameter, um den Orbit des Satelliten zu erlangen, der diese Information überträgt, und den Übertragungszeitpunkt des Signals vom Satelliten.
Das zweite Wort der drei Hilfsrahmen der Ephemeris-Information umfasst die TOW (Wochenzeit) und das dritte Wort des ersten Hilfsrahmens 1 des Hauptrahmens umfasst die Zeitdaten, die als Wochenzahl bezeichnet werden. Die Wochenzahl ist die Information, welche jede Woche zusammengezählt wird, wobei der 6. Januar (Sonntag) 1980 die Woche 0 ist. Außerdem wird die TOW die Information, die alle 6 Sekunden zusammengezählt wird (nämlich jede Periode des Hilfsrahmens), wobei 0:00 Sonntag 0 Uhr ist.
Jeder der GPS-Satelliten besitzt eine Atomuhr, um gemeinsame Uhrzeitdaten und die Zeit zu verwenden, bei dem das Signal von jedem GPS-Satelliten übertragen wird, mit der die Atomuhr synchronisiert wird. Die Absolutzeit wird durch Empfangen der oben erwähnten beiden Uhrdaten erlangt. Jeder Wert unterhalb von 6 Sekunden wird mit der Zeit des Satelliten bei dem Prozess einer Synchronisationsverriegelung auf die Funkwelle des Satelliten mit der Genauigkeit des Referenzoszillators dieses GPS-Empfängers synchronisiert.
Außerdem wird der PN-Sequenzcode jedes GPS-Satelliten erzeugt, wenn er mit der Atomuhr synchronisiert ist. Die Position und die Geschwindigkeit des Satelliten zur Verwendung bei der Positionsberechnung im GPS-Empfänger werden aus dieser Ephemeris-Information erlangt.
Die Ephemeris-Information ist ein genauer Kalender, der vergleichsweise und häufig unter der Steuerung der Erdsteuerstation aktualisiert wird. Durch Halten dieser Ephemeris-Information im Speicher kann der GPS-Empfänger diese zur Positionsberechnung verwenden. Die Dienstlebensdauer der Ephemeris-Information beträgt normalerweise ungefähr 2 Stunden hinsichtlich der Genauigkeit, so dass der GPS-Empfänger die Zeit von dem Augenblick an überwacht, bei der die Ephemeris-Information im Speicher gespeichert ist, und wenn die Dienstlebensdauer überstiegen ist, die Ephemeris-Information, welche im Speicher gespeichert ist, aktualisiert und umschreibt.
Es sollte angemerkt sein, dass man zumindest 80 Sekunden (äquivalent 3 Hilfsrahmen) braucht, um den Inhalt des Speichers mit der Ephemeris-Information zu aktualisieren, die neu vom GPS-Satelliten erlangt wird, und man nachfolgende 30 Sekunden braucht, wenn die Daten auf halben Weg zwischen Hilfsrahmen erlangt werden.
Die Orbitinformation der verbleibenden zweiten Hilfsrahmen der Daten eines Hauptrahmens ist die Information, welche als Almanach-Information bezeichnet wird, die allgemein von allen Satelliten übertragen wird. Die 25 Rahmen der Almanach-Information sind erforderlich, die gesamte Information zu erlangen. Die Almanach-Information besteht aus der Information, welche die ungefähre Position jedes Satelliten zeigt, und der Information, die zeigt, welche Satelliten verfügbar sind.
Diese Almanach-Information wird ebenfalls zumindest einmal alle paar Tage unter der Steuerung der Erdsteuerinformation aktualisiert. Die Almanach-Information kann im Speicher des GPS-Empfängers zur Verwendung gespeichert werden. Die Dienstlebensdauer der Almanach-Information beträgt mehrere Monate. Mit der Zeit vermindert sich die Genauigkeit der Positionsbestimmung des Satelliten, wobei jedoch die Almanach-Information nützlich genug verbleibt, um die ungefähre Position des Satelliten zu erkennen. Normalerweise wird die Almanach-Information aktualisiert, während der GPS-Empfänger verwendet wird.
Das Speichern der Almanach-Information im Speicher des GPS-Empfängers erlaubt beim Einschalten des Empfängers die Berechnung, für welchen Satelliten welcher Kanal zugeteilt werden soll.
Um die oben erläuterten Daten durch Empfangen des GPS-Satellitensignals durch den GPS-Empfänger zu erlangen, wird das gleiche PN-Sequenzsignal (anschließend wird der PN-Sequenz-Spreizcode als PN-Code bezeichnet; der PN-Sequenz-Spreizcode des GPS-Satelliten wird als Satelliten PN-Code bezeichnet; und der entsprechende PN-Sequenz-Spreizcode des GPS-Empfängers wird als Nachbildungs-PN-Code bezeichnet) wie der C/A-Code, der auf dem zu empfangenden Satelliten GPS-Satelliten verwendet wird, wobei der PN-Sequenzcode auf dem GPS-Empfänger vorbereitet ist, verwendet, das GPS-Satellitensignal durch Phasensynchronisation des C/A-Codes für dieses GPS-Satellitensignal zu erwerben, wodurch Spektral-Entspreizen ausgeführt wird. Wenn die Phasensynchronisation mit dem C/A-Code zum Entspreizen erfolgreich war, wird Bit-Ermittlung ausgeführt, um das Erwerben einer Navigationsinformation einschließlich der Zeitinformation usw. vom GPS-Satelliten zuzulassen.
Das GPS-Satellitensignal wird durch eine C/A-Codephasen-Synchronisationssuche eingefangen. Bei dieser Phasensynchronisationssuche wird eine Korrelation zwischen dem Nachbildungs-PN-Code des GPS-Empfängers und dem Satelliten PN-Code des GPS-Satelliten ermittelt, und, wenn der erlangte Korrelationswert größer ist als ein vorher festgelegter Wert, wird die Synchronisation zwischen beiden bestimmt und eingerichtet. Wenn keine Synchronisation als eingerichtet vorgefunden wird, wird die Phase des Nachbildungs-PN-Codes des GPS-Empfängers unter Verwendung eines Synchronisationsverfahrens gesteuert, um den Nachbildungs-PN-Code mit dem Satelliten-PN-Code zu synchronisieren.
Wie oben beschrieben wird das GPS-Satellitensignal durch BPSK-Modulieren des Trägers mit einem Signal erlangt, welches durch Spreizen von Daten mit dem Satelliten-PN-Code erlangt wird, so dass für den GPS-Empfänger, um das GPS-Satellitensignal zu empfangen, Synchronisation nicht nur zwischen den PN-Codes eingerichtet werden muss, sondern auch zwischen dem Träger und den Daten. Die Synchronisation der PN-Codes des Trägers kann jedoch nicht unabhängig ausgeführt werden.
Beim GPS-Empfänger ist es normale Praxis, die Trägerfrequenz jedes Empfangssignals in eine Zwischenfrequenz innerhalb mehrerer MHz umzusetzen und die oben erläuterte Synchronisationsermittlungsverarbeitung in Bezug auf das Empfangssignal im Zustand dieses Zwischenfrequenzsignals auszuführen. Die Trägerfrequenz dieses Zwischenfrequenz signals (nämlich die Zwischenfrequerz-Trägerfrequenz) umfasst einen Frequenzfehler, der durch die Doppler-Verschiebung verursacht wird, entsprechend hauptsächlich der Bewegungsgeschwindigkeit des GPS-Satelliten und einer Frequenzfehlerkomponente des Mischoszillators, die innerhalb des GPS-Empfängers erzeugt wird, wenn ein Empfangssignal in ein Zwischenfrequenzsignal umgesetzt wird. Die Frequenzfehlerkomponente des Mischoszillators, welche in diesem Zwischenfrequenzsignal enthalten ist, wird anschließend als Zwischenfrequenz-Trägerfehler bezeichnet.
Wenn mm die Zwischenfrequenz-Trägerfrequenz eines Empfangssignals f_IF eine vorher festgelegte Zwischenfrequenz-Trägerfrequenz F_IF, die Doppler-Verschiebung des GPS-Satelliten fD und der Zwischenfrequenz-Trägerfehler Δf_IF ist, wird die oben erwähnte Zwischenfrequenz-Trägerfrequenz f in der Gleichung unten so ausgedrückt: fIF = FIF + fD + ΔfIF (Gleichung a)
Aufgrund des oben erläuterten Frequenzfehlerfaktors ist die Trägerfrequenz im Zwischenfrequenzsignal nicht bekannt; es ist daher notwendig, die IF-Trägersynchronisation durch Ausführen einer Frequenzsuche einzurichten. Da außerdem der Synchronisationspunkt (oder die Synchronisationsphase) des PN-Codes innerhalb einer Periode von der Positionsbeziehung zwischen dem GPS-Empfänger und dem GPS-Satelliten abhängt, ist der Synchronisationspunkt unbekannt, so dass irgendein Synchronisationsverfahren erforderlich ist, um den Synchronisationspunkt, wie oben beschrieben, einzurichten.
Wenn es Zeit zur Synchronisation zwischen dem Spreizcode dem IF-Träger braucht, wird die Antwort des GPS-Empfängers verzögert, wodurch es ein Problem einer Unannehmlichkeit bei Verwendung des GPS-Empfängers gibt.
Bei bekannten GPS-Empfängern wird die Synchronisation zwischen dem Träger und dem Spreizcode durch gleitende Korrelation ermittelt, welche die Frequenzsuche umfasst, und im gleichen Zeitpunkt werden der Synchronisationserwerb und der Haltebetrieb mittels DLL (Phasenverriegelungsschleife) und Costas-Schleife ausgeführt. Der Synchronisationserwerb durch gleitende Korrelation und das Synchronisationshalten durch DLL und die Costas-Schleife sind jedoch für einen Hochgeschwindigkeits-Synchronisationserwerb im Prinzip nicht geeignet, so dass bei aktuellen GPS-Empfängern das Verarbeiten bis zum Synchronisationserwerb durch die Verwendung einer Multikanalkonfiguration verkürzt wird.
Das Patentdokument (japanisches offengelegtes Patent Nr. 2003-258969 ) offenbart einen Aufbau, bei dem der Synchronisationserwerbsabschnitt und der Synchronisationshalteabschnitt voneinander getrennt sind, der Synchronisationserwerbungsabschnitt aus einem Anpassungsfilter besteht, und der Synchronisationshalteabschnitt aus DLL und einer Costas- Schleife gebildet wird, um dadurch Synchronisationserwerb und Synchronisationshaltebetrieb mit hoher Geschwindigkeit auszuführen.
Das oben erwähnte Patentdokument ist wie folgt.
(Patentdokument 1)

Japanisches offengelegtes Patent Nr. 2003-258969

Das Ausführen der Positionierungsberechnung mit einem GPS-Empfänger erfordert zumindest die Position des Satelliten und den Bereich zwischen dem Satelliten und dem Empfänger. Die Position des Satelliten kann aus der Ephemeris-Information der Orbitinformation, die oben beschrieben wurde, erlangt werden.
Der Bereich zwischen dem GPS-Satelliten und dem GPS-Empfänger kann durch den GPS-Empfänger berechnet werden, indem die Zeitperiode gemessen wird, in welcher ein Signal, welches vom Satelliten übertragen wird, in einem bestimmten Zeitpunkt den GPS-Empfänger erreicht (nämlich die Signalankunftszeit = der Unterschied zwischen der Zeit, bei der der Spreizcode erzeugt wird, und der Zeit, bei der der Spreizcode ankommt), und durch Multiplizieren der erlangten Zeit mit der Lichtgeschwindigkeit (3 × 10⁸ m/s). Der oben erwähnte Bereich, der durch den GPS-Empfänger berechnet wird, enthält jedoch einen Fehler aufgrund eines Taktfehlers beispielsweise zwischen dem GPS-Empfänger und dem GPS-Satelliten, so dass dieser Bereich allgemein als Pseudobereich bezeichnet wird.
Bei dem GPS-Empfänger ist die Höhe des Einflusses des Taktfehlers auf den Pseudobereich ebenfalls unbekannt, so dass die Anzahl unbekannter Werte, die berechnet werden, 4 ist, d.h. diese unbekannte Höhe zusätzlich der oben erwähnten unbekannten dreidimensionalen Koordinatenwerte. Daher fängt der GPS-Empfänger die Funkwellen von den 4 Satelliten ein, um dreidimensionale Positionierung auszuführen. Aktuell sind beispielsweise 32 GPS-Satelliten verfügbar, der GPS-Empfänger wählt einen Satz von vier Satelliten aus, welche verfügbar sind und erzeugt einen geringeren Fehler, wodurch dreidimensionale Positionierung ausgeführt wird. Die folgenden Gleichungen werden für diese dreidimensionale Positionierung verwendet: r1 = {(x1 – X)2 + (y1 – X)2 + (z1 – Z)2}1/2 – s r2 = { (x2 – X)2 + (y2 – X)2 + (z2 – Z)2}1/2 – s r3 = {(x3 – X)2 + (y3 – X)2 + (z3 – Z)2}1/2 – s r4 = {(x4 – X)2 + (y4 – X)2 + (z4 – Z)2}1/2 – swobei
ri (i = 1, 2, 3, 4): Pseudobereich des GPS-Satelliten i;
X, Y, Z: Position des GPS-Empfängers;
xi, yi, zi: Position des GPS-Satelliten i; und
s: die Höhe des Einflusses des Taktfehlers des GPS-Empfängers auf den Bereich.
Jede der oben erläuterten Gleichungen ist eine Gleichung zweiten Grads, welche keinen Multiplikationsausdruck zwischen unterschiedlich unbekannten Werten hat. Allgemein werden simultane Gleichungen durch ein Iterationsverfahren gelöst, beispielsweise das Verfahren nach Newton mit einem geeigneten Anfangswert in der Nähe einer vorgegebenen Lösung. Bei dem Verfahren nach Newton wird eine bestimmte Gleichung lokal linear an einem Punkt in der Nähe der Lösung angenähert, die linearen simultanen Gleichungen werden unter Verwendung eines Anfangswerts gelöst, das Ergebnis der Lösung wird als nächster Anfangswert verwendet, um die Lösung zu erlangen, dieser Betrieb wird wiederholt, bis die Lösung in einen bestimmten Fehlerbereich fällt, wodurch die Endlösung erlangt wird.
In einer Umgebung, in welcher die Empfangsignale von vier oder mehren GPS-Satelliten stabil erlangt werden können, kann der GPS-Empfänger seine eigene Geschwindigkeit wie folgt erlangen. Zunächst berechnet für jeden der vier oder mehreren GPS-Satelliten der GPS-Empfänger die Satellitenposition und die Geschwindigkeit aus der Orbitinformation und der Ursprungszeit des Spreizcodes. Danach werden unter Verwendung der Position des GPS-Empfängers, welche wie oben beschrieben erlangt wird, und der Trägerfrequenz des Empfangssignals vom GPS-Satelliten, welche durch Synchronisationshalten erlangt wird, lineare simultane Gleichungen mit der dreidimensionalen Geschwindigkeit des GPS-Empfängers und des Zwischenfrequenz-Trägerfehlers, die als unbekannte Werte angegeben sind, eingerichtet. Durch Lösen dieser linearen simultanen Gleichungen kann die Geschwindigkeit des GPS-Empfängers erlangt werden. Der Fehler des Zwischenfrequenzträgers, der in diesem Zeitpunkt erlangt wird, ist ein Fehler, der bezüglich der Genauigkeit in der Empfangsumgebung gut ist und dazu verwendet werden kann, die Zwischenfrequenz-Trägerfrequenz beim Einfangen eines neuen GPS-Satellitensignals zu bestimmen.
Um die Zeitperiode vom Einschalten des GPS-Empfängers zu minimieren, um die Position des GPS-Empfängers zu erlangen, halten viele GPS-Empfänger in ihrem internen Speicherbereich auch, wenn die Spannung von diesen selbst ausgeschaltet ist, die Orbitinformation des GPS-Satelliten, von welchem ein Signal empfangen wurde, unmittelbar bevor ausgeschaltet wurde und die dreidimensionalen Koordinaten und der Zwischenfrequenz-Trägerfehler des GPS-Empfängers im Zeitpunkt der letzten Positionierung gemacht wurde.
Wenn die Zwischenfrequenz-Trägerfrequenz des GPS-Satelliten beim Erwerben der Synchronisation eines GPS-Signals bekannt ist, wird erwartet, den Synchronisationser werb in einer kürzeren Zeit auszuführen. Die Zwischenfrequenz Trägerfrequenz f kann von der Gleichung (a) wie oben erwähnt erlangt werden.
In der (Gleichung a) ist die Zwischenfrequenz FIF ein vorher festgelegter Wert. Die Doppler-Verschiebung fD des GPS-Satelliten kann aus der Position der Geschwindigkeit des GPS-Satelliten kann aus der Position und der Geschwindigkeit des GPS-Empfängers und der Position und der Geschwindigkeit des GPS-Satelliten berechnet werden. Wenn die Geschwindigkeit des GPS-Empfängers nicht bekannt ist, wird angenommen, dass diese 0 ist, und ein geeigneter Wert der Doppler-Verschiebung fD des GPS-Satelliten kann aus der Information des internen Takts (nämlich des RTC (Realzeittakt)) des GPS-Empfängers und den dreidimensionalen Koordinaten des GPS-Empfängers und der Orbitinformation des GPS-Satelliten, welche im internen Speicherbereich des GPS-Empfängers gespeichert ist, erlangt werden.
Wenn folglich der Zwischenfrequenz-Trägerfehler Δf bekannt ist, kann die Zwischenfrequenz-Trägerfrequenz aus Gleichung a erlangt werden. Es wird daher erwartet, dass bei dem GPS-Empfänger im eingeschalteten Zustand und den vier GPS-Satelliten, welche noch nicht im erworbenen Zustand sind, der Synchronisationserwerb in einer kurzen Zeit unter Verwendung des Zwischenfrequenz-Trägerfehlers Δf ausgeführt werden kann, der unmittelbar vor dem letzten Ausschalten erlangt und im Speicher des GPS-Empfängers gespeichert wurde.
Der Oszillator, der Referenz zur Mischoszillatorfrequenz liefert, welche unmittelbar bei dem Zwischenfrequenz-Trägerfehler Δf beteiligt ist, kann jedoch von mehreren 10 bis mehreren 100 Hz während einer Zeitperiode von mehreren Sekunden bis mehreren 10 Sekunden in Abhängigkeit verschiedener Zustände variieren, beispielsweise der Umgebungstemperatur und Erschütterung zusätzlich zu der individuellen Zusammensetzung des Oszillators.
Sogar, wenn die Zeitperiode, in welcher die Spannung vor mehrere Sekunden bis mehrere 10 Sekunden lang ausgeschaltet ist, kann folglich der Zwischenfrequenz-Trägerfehlerwert, der im Speicherbereich im GPS-Empfänger gespeichert ist, um mehrere 10 bis mehrere 100 Hz versetzt sein, bis dieser auf den Wert in diesem Verwendungszustand aufgrund der Berechnung der Geschwindigkeit des GPS-Empfängers aktualisiert ist, nachdem dieser wie oben beschrieben eingeschaltet ist.
Wenn folglich der Synchronisationserwerb der Empfangssignale von vier oder mehreren GPS-Satelliten unter Verwendung des oben erläuterten Zwischenfrequenz-Trägerfehlers ohne irgendeine Änderung versucht wird, welche gespeichert ist, wenn die Spannung ausgeschaltet wird, tritt ein Problem auf, dass es Zeit benötigt, den Synchronisationserwerb durchzuführen, da vier oder mehrere GPS-Satellitensignale synchron in einem Frequenzbe reich erworben werden müssen, wobei eine Variation von ungefähr mehreren 10 bis mehreren 100 Hz in Abhängigkeit von den oben erläuterten Zustanden, beispielsweise der Umgebungstemperatur und Erschütterung betrachtet werden müssen.
Die EP-A 0 561 540 (Pioneer) offenbart, dass, wenn einmal ein erster GPS-Satellit gefunden ist, die Frequenz, bei der dieser gefunden wird, in Verbindung mit der Doppler-Verschiebung verwendet wird, um den Zwischenfrequenzfehler zu berechnen, der innerhalb des GPS-Empfängers erzeugt wird. Dieser Fehler wird kompensiert, wenn weitere GPS-Satelliten gesucht werden.
Überblick über die Erfindung
Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung suchen, ein GPS-Empfangsverfahren und einen GPS-Empfänger bereitzustellen, die angepasst sind, synchron die Empfangssignale von vier oder mehreren GPS-Satelliten im Einschaltezustand des GPS-Empfängers zu halten, um beispielsweise die Geschwindigkeit des GPS-Empfängers zu berechnen, und während einer Zeitperiode, in welcher der Zwischenfrequenz-Trägerfehler eine gute Genauigkeit hat, synchron die vier GPS-Satellitensignale in einer kurzen Zeitdauer stabil wie möglich zu erwerben.
Um die Erfindung auszuüben und gemäß einem Merkmal der Erfindung wird ein GPS-Empfangsverfahren (globales Positionssystem-Empfangsverfahren) bereitgestellt, welches folgende Schritte aufweist:
Erwerben – in einem Synchronisation-Erwerbsabschnitt eines Empfängers – eines Signals, welches von einem GPS-Satelliten empfangen wird, unter Verwendung einer Zwischenfrequenz-Trägerfrequenz, welche durch einen Referenzoszillator des Empfängers erzeugt wird;
Weiterleiten des erworbenen Signals an einen Synchronisationshalteabschnitt des Empfängers, der mehrere Kanäle hat, und Zuteilen des erworbenen Signals einem der Kanäle;
Halten des erworbenen Signals in einem Synchronisation-Haltezustand unter Verwendung des zugeteilten Kanals des Synchronisationshalteabschnitts;
Erlangen der Satelliten-Orbitinformation des GPS-Satelliten vom erworbenen Signal im Synchronisation-Haltezustand, wobei die Satelliten-Orbitinformation einen Positions- und Geschwindigkeitswert des GPS-Satelliten aufweist;
Berechnen eines Zwischenfrequenz-Trägerfehlers der Zwischenfrequenz-Trägerfrequenz, welche durch den Referenzoszillator erzeugt wird, auf Basis einer Frequenzdifferenz zwischen dem Referenzoszillator und einer Zwischenfrequenz-Trägerfrequenz des er worbenen Signals, welches im Synchronisationshalteabschnitt gehalten wird, wobei die Berechnung von einem Position- und einem Geschwindigkeitswert, der von der Satelliten-Orbitinformation erlangt wird, der laufenden Zeit und der Position des Empfängers abhängt;
Korrigieren der Zwischenfrequenz-Trägerfrequenz, welche durch den Referenzoszillator erzeugt wird, unter Verwendung des berechneten Zwischenfrequenz-Trägerfehlers;
Sequentielles Erwerben von Signalen, welche von anderen GPS-Satelliten empfangen werden, unter Verwendung des Synchronisationserwerbungsabschnitts unter Verwendung der korrigierten Zwischenfrequenz-Trägerfrequenz, Weiterleiten der erworbenen Signale an den Synchronisationshalteabschnitt, Zuteilen der erlangten Signale den entsprechenden Kanälen des Synchronisationshalteabschnitts und synchrones Halten der erworbenen Signale parallel in den jeweiligen Kanälen.
Bei diesem oben beschriebenen Aufbau wird, wenn die Anzahl der GPS-Satelliten im Synchronisationserwerbszustand und im Synchronisationshaltezustand nach der Einschaltesequenz beispielsweise 0 ist und das Signal von einem ersten GPS-Satelliten synchron erworben wird, der Anfangswert der Zwischenfrequenz-Trägerfrequenz des Signals vom GPS-Satelliten, welches synchron zu erwerben ist, unter Verwendung des Zwischenfrequenz-Trägerfehlers eingestellt, der beispielsweise im GPS-Satelliten gespeichert ist. Dazu außerdem der gespeicherte Zwischenfrequenz-Trägerfehler einen großen Fehlerbereich wie erwähnt bewirkt, wird der Synchronisationserwerb wie der bei einem großen Fehlerbereich ausgeführt.
Wenn das Signal von einem GPS-Satelliten synchron durch den ersten oben erwähnten Synchronisationserwerb gehalten wird und die Zwischenfrequenz-Trägerfrequenz des Signals von diesem GPS-Satelliten bekannt war und wenn die Orbitinformation des UPS-Satelliten im Synchronisationshaltezustand in einem Speicherabschnitt gespeichert ist und die Position und die aktuelle Zeit des Empfängers dieses Signals bekannt sind, wird die Doppler-Verschiebung dieses GPS-Satelliten erlangt. Die Position und die Geschwindigkeit des GPS-Satelliten werden zunächst aus der Orbitinformation erlangt. Mit der empfangenen Geschwindigkeit, bei der angenommen wird, 0 zu sein, wird anschließend die Doppler-Verschiebung fD dieses GPS-Satelliten von der bekannten Empfängerposition und die erlangte Position und die Geschwindigkeit dieses GPS-Satelliten erlangt.
Da die Zwischenfrequenz-Trägerfrequenz bekannt ist, wird danach der Zwischenfrequenz-Trägerfehler Δf unter Verwendung der Doppler-Verschiebung fD durch Umformen der Gleichung 1 erlangt. Dieser Zwischenfrequenz-Trägerfehler wird vom aktuellen Zustand erlangt und hat daher eine höhere Genauigkeit als der des Zwischenfrequenz-Trägerfehlers, der gespeichert wurde, als die Spannung ausgeschaltet wurde.
Wenn synchron ein zweiter GPS-Satellit erworben wird, wird daher der Synchronisationserwerb unter Verwendung der Zwischenfrequenz-Trägerfrequenz ausgeführt, welche unter Verwendung des erlangten Zwischenfrequenz-Trägerfehlers korrigiert wurde.
Der Synchronisationserwerb wird auf Basis der Zwischenfrequenz-Trägerfrequenz folglich ausgeführt, welche durch den Zwischenfrequenz-Trägerfehler korrigiert wurde, der eine höhere Genauigkeit hat als die des gespeicherten Zwischenfrequenz-Trägerfehlers, so dass die Zeit, welche zum Ausführen des Synchronisationserwerbs notwendig ist, abgekürzt werden kann.
Wenn, nachdem unmittelbar die Spannungssequenz des GPS-Empfängers eingeschaltet ist, die Anzahl der GPS-Satelliten im Synchronisationshaltezustand kleiner ist als die Anzahl der GPS-Satelliten (normalerweise vier), welche zum Erlangen der Position und der Geschwindigkeit des GPS-Empfängers notwendig sind, jedoch die geeignete Position des Empfängers und die Orbitinformation des GPS-Satelliten im Synchronisationshaltezustand verfügbar sind, kann der Zwischenfrequenz-Trägerfehler, der ursprünglich durch den GPS-Empfänger Geschwindigkeit erlangt werden kann, ungefähr berechnet werden. Der Zwischenfrequenz-Trägerfehler, der nicht aktualisiert werden kann, wenn die Position und die Geschwindigkeit des GPS-Empfängers nicht berechnet werden können, kann ungefähr berechnet werden.
Wenn der Zwischenfrequenz-Trägerfehler wie oben beschrieben ungefähr berechnet werden kann, kann die Zwischenfrequenz-Trägerfrequenz eines GPS-Satelliten, welche dessen Orbitinformation liefert, jedoch nicht in den Synchronisationserwerbszustand gebracht wurde, einschließlich des oben erwähnten Zwischenfrequenz-Trägerfehlers ungefähr berechnet werden, wodurch die Zeit, welche zum Synchronisationserwerb notwendig ist, abgekürzt wird.
Wenn die Zeit, welche zum Synchronisationserwerb notwendig ist, abgekürzt werden kann, kann die Zeit (nämlich TTFF = Time to First Fix)) von der Spannungseinschaltesequenz des GPS-Empfängers zur ersten Positionierung abgekürzt werden.
Wie beschrieben und gemäß der Erfindung, wenn, wie unmittelbar nach der Spannungseinschaltesequenz des GPS-Empfängers die Anzahl der GPS-Satelliten im Synchronisationshaltezustand geringer ist als die Anzahl der GPS-Satelliten (normalerweise 4), welche zum Erlangen der Position und der Geschwindigkeit des GPS-Empfängers notwendig ist, kann der Zwischenfrequenz-Trägerfehler ungefähr unter Verwendung der Zwischenfrequenz-Trägerfrequenz des Empfangssignals, der ungefähren Position des Empfängers und der Orbitinformation und der aktuellen Zeit des synchron gehaltenen GPS-Satelliten berechnet wer den, wodurch die Zeit, welche zum Synchronisationserwerb notwendig ist, unter Verwendung des ungefähr berechneten Zwischenfrequenz-Trägerfehlers abgekürzt wird.
Da die Zeit, welche zum Synchronisationserwerb notwendig ist, wie oben beschrieben abgekürzt werden kann, kann die TTFF, welche die Zeit von der Spannungseinschaltesequenz des GPS-Empfängers bis zur ersten Positionierung ist, abgekürzt werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden mm lediglich als Beispiel mit Hilfe der beiliegenden Zeichnungen beschrieben, wobei durchwegs gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, und in denen:
1 ein Blockdiagramm ist, welches ein Konfigurationsbeispiel eines GPS-Empfängers nach der Erfindung zeigt;
2 ein Blockdiagramm ist, welches ein Konfigurationsbeispiel eines Synchronisationserwerbsabschnitts eines Teils von 1 zeigt;
3 ein Blockdiagramm ist, welches ein internes Konfigurationsbeispiels eines DSP zeigt, der einen Teil des Synchronisationserwerbsabschnitts bildet, der in 2 gezeigt ist;
4 ein Beispiel eines PN-Code-Korrelationsergebnisses zeigt, welches durch Verwendung eines digitalen Anpassungsfilters erlangt wird;
5 ein allgemeines Beispiel eines Verfahrens zum Hernehmen von Synchronisation zwischen dem Träger und dem PN-Code eines Empfangssignals zeigt;
6 ein erstes Beispiel eines Synchronisationserwerbsverfahrens zeigt, welche als eine Ausführungsform der Erfindung praktiziert wird;
7 eine Konfiguration eines Hauptbereichs mit einem Betrieb des ersten Beispiels des in betracht gezogenen Synchronisationserwerbsverfahrens zeigt;
8 ein zweites Beispiel des Synchronisationserwerbsverfahrens zeigt;
9 einen Hauptbereich des Synchronisationserwerbsverfahrens bei der Ausführungsform der Erfindung zeigt;
10 einen weiteren Hauptbereich des Synchronisationserwerbsverfahrens bei der Ausführungsform der Erfindung zeigt;
11 ein Teil eines Flussdiagramms ist, welches ein Betriebsbeispiel des Hauptbereichs bei der Ausführungsform der Erfindung zeigt;
12 ein weiteres Teil des Flussdiagramms ist, welches ein Betriebsbeispiel des Hauptbereichs bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
13 ein Teil eines Flussdiagramms ist, welches einen Betrieb eines zweiten Beispiels des Synchronisationserwerbsverfahrens zeigt;
14 ein weiteres Teil des Flussdiagramms ist, welches den Betrieb des zweiten Beispiels des Synchronisationserwerbsverfahrens zeigt;
15 einen Hauptbereich zeigt, wobei der Betrieb des zweiten Beispiels des Synchronisationserwerbsverfahrens betrachtet wird;
16 ein drittes Beispiel des Synchronisationserwerbsverfahrens zeigt;
17 das dritte Beispiel des Synchronisationserwerbsverfahrens zeigt;
18 einen Hauptbereich zeigt, wobei ein Betrieb des dritten Beispiels des Synchronisationserwerbsverfahrens betrachtet wird;
19 ein viertes Beispiel des Synchronisationserwerbsverfahrens zeigt;
20 das vierte Beispiel des Synchronisationserwerbsverfahrens zeigt;
21 weiter das vierte Beispiel des Synchronisationserwerbsverfahrens zeigt;
22 das vierte Beispiel des Synchronisationserwerbsverfahrens separat zeigt;
23 weiter das vierte Beispiel des Synchronisationserwerbsverfahrens separat zeigt;
24 weiter separat das vierte Beispiel des Synchronisationserwerbsverfahrens zeigt;
25 ein Teil eines Flussdiagramms ist, welches den Betrieb des vierten Beispiels des Synchronisationserwerbsverfahrens zeigt;
26 ein weiteres Teil des Flussdiagramms ist, welches den Betrieb des vierten Beispiels des Synchronisationserwerbsverfahrens zeigt;
27 ein Blockdiagramm ist, welches ein Konfigurationsbeispiel eines Synchronisationshalteabschnitts eines Teils von 1 zeigt;
28 ein Blockdiagramm ist, welches ein Konfigurationsbeispiel einer Costas-Schleife zeigt, welche ein Teil des Synchronisationshalteabschnitts bildet, welcher in 27 gezeigt ist;
29 ein Blockdiagramm ist, welches ein Konfigurationsbeispiel einer DLL zeigt, welche ein Teil des in 27 gezeigten Synchronisationshalteabschnitts bildet;
30 ein Flussdiagramm ist, welches ein Flussbeispiel der Synchronisationserwerbsverarbeitung zeigt;
31 ein Flussdiagramm ist, welches einen Fluss der Synchronisationshalte-Startverarbeitung zeigt;
32 ein Flussdiagramm ist, welches einen Fluss der Synchronisationshalteverarbeitung von Kanal-zu-Kanal zeigt;
33A bis 33C ein Verfahrensbeispiel zum Bestimmen der Synchronisationshalte-Startzeitsteuerung bei der Ausführungsform zeigt;
34A bis 34E eine Konfiguration eines Signals zeigen, welches von einem _ GPS-Satelliten empfangen wird;
35 Gleichungen zur Verwendung beim Beschreiben der Ausführungsform zeigt; und
36 weitere Gleichungen zur Verwendung beim Beschreiben der Ausführungsform zeigt.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Im folgenden wird ein GPS-Empfangsverfahren und eine Vorrichtung beschrieben, die als eine Ausführungsform der Erfindung praktiziert werden, mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen. Zunächst wird ein GPS-Empfänger zur Verwendung bei der Ausführungsform beschrieben.
Aufbau des GPS-Empfängers
Der unten beschriebene GPS-Empfänger besitzt einen Aufbau, der die Mängel des bekannten Verfahrens überwindet, um den Träger und den PN-Code synchron zu erwerben und den Träger und den PN-Code mittels einer gleitenden Korrelation synchron zu halten, in Verbindung mit einem bekannten Suchprozess sowie einer DLL (verzögerungs-verriegelte Schleife) und einer Costas-Schleife.
Das bekannte Verfahren zum synchronen Erwerben und zum synchronen Halten des IF-Trägers und des Satelliten-PN-Codes mittels gleitender Korrelation in Verbindung mit der Frequenzsuche sowie DLL und Costas-Schleife besitzt den Mangel, dass man Zeit zur Synchronisation des Spreizcodes (PN-Code) und des Trägers braucht, da das bekannte Verfahren auf Basis der gleitenden Korrelation, welche die Frequenzsuche begleitet, für Hochgeschwindigkeitssynchronisation im Prinzip nicht geeignet ist. Dieser Mangel bewirkt, dass der GPS-Empfänger die Antwort verzögert, was eine Unannehmlichkeit bei der Verwendung zeigt.
Herkömmlicherweise verwenden, um den oben erläuterten Mangel zu überwinden, aktuelle GPS-Empfänger eine Multikanalkonfiguration zum Suchen nach Multisynchronisationspunkten im gleichen Zeitpunkt. Die Verwendung der Multikanalkonfiguration mit dem bekannten Verfahren macht den Aufbau jedes GPS-Satelliten kompliziert und treibt daher die Kosten nach oben. Zusätzlich vergrößert die Suche nach den synchronen Punkten in Multikanälen im gleichen Zeitpunkt den Leistungsverbrauch, was ein ernsthaftes Problem im Fall von tragbaren GPS-Empfängern bildet.
Bei dem bekannten Verfahren werden der Synchronisationserwerb und das Synchronisationshalten des PN-Codes und des Trägers in einer integrierten Weise unter Verwendung der gleitenden Korrelation, welche die Frequenzsuche begleitet, und der DLL und der Costas-Schleife ausgeführt, so dass, wenn das Signal von einem GPS-Satelliten unterbrochen wird, der Synchronisationserwerb und das Synchronisationshalten wiederum in einer integrierten Weise ausgeführt werden müssen, wodurch ein Problem sich ergibt, dass es eine lange Zeit braucht, bis der Synchronisationserwerb und das Synchronisationshalten neu beginnen.
Mit dem bekannten Verfahren macht, da der Synchronisationserwerb und das Synchronisationshalten des PN-Codes und des Trägers in einer integrierten Weise unter Verwendung der gleitenden Korrelation in Verbindung mit Frequenzsuche und DLL und Costas-Schleife ausgeführt werden, ein Versuch, die Empfindlichkeit des GPS-Empfängers zu steigern, die Verarbeitungszeit für den Synchronisationserwerb und das Synchronisationshalten im Prinzip ziemlich lang, wodurch ein Problem sich ergibt, dass es schwierig ist, die Empfindlichkeit des GPS-Empfängers zu steigern.
Der GPS-Empfänger, der als eine Ausführungsform der Erfindung ausgeübt wird, ist so aufgebaut, die oben erläuterten Probleme in Verbindung mit dem Stand der Technik zu überwinden.
Gesamtaufbau des GPS-Empfängers der Ausführungsform
In 1 ist nun ein Blockdiagramm gezeigt, welches ein Aufbaubeispiel des GPS-Empfängers nach der vorliegenden Ausführungsform zeigt. Der GPS-Empfänger hat einen Frequenzumsetzerabschnitt 10, einen Synchronisationserwerbsabschnitt 20, einen Synchronisationshalteabschnitt 30, einen Steuerabschnitt 40, eine GPS-Antenne 1, eine Referenzoszillatorschaltung (TCXO) 2 auf Basis einer Quarzoszillatorschaltung, die Temperaturkompensation hat, eine Zeitsteuersignal-Erzeugerschaltung (Multiplizier-/Dividierschaltung) 3 und eine Quarzoszillatorschaltung (XO) 4.
Der Steuerabschnitt 40 hat eine CPU (Zentralverarbeitungseinheit) 41, einen Programm-ROM (Nur-Lese-Speicher) 42, einen RAM (Speicher mit wahlfreiem Zugriff) 43 für einen Arbeitsbereich, eine Taktschaltung 44 zum Zählen der realen Zeit (RTC: Realzeittakt), einen Timer 45, und einen nichtflüchtigen Speicher 46, welche miteinander verbunden sind.
Der Timer 45 wird dazu verwendet, verschiedene Zeitsteuersignale zu erzeugen, welche für den Betrieb der oben erläuterten Komponenten und für die Zeitreferenz notwendig sind. Der nichtflüchtige Speicher 46 speichert die Orbitinformation einschließlich der Almanachinformation und der Ephemeris-Information, welche aus dem GPS-Satellitensignal extrahiert werden, und die Positionsinformation und den IF-Trägerfehler ΔfIF des GPS-Empfängers, die erlangt werden, wenn die Spannung eingeschaltet war, bevor sie abgeschaltet wurde. Im nichtflüchtigen Speicher 46 wird die Ephemeris-Information beispielsweise alle zwei Stunden aktualisiert, wie später beschrieben wird, und die Almanachinformation wird beispielsweise alle paar Tage aktualisiert, wenn der GPS-Empfänger aktualisiert wird. Es sollte angemerkt sein, dass der nichtflüchtige Speicher 46 ein batterie-gepufferter RAM sein kann.
Das Referenztaktsignal von der Referenzoszillatorschaltung 2 wird zur Multiplizier-/Dividierschaltung 3, und, wie später beschrieben wird, zur Mischoszillatorschaltung (PLL) 15 zur Frequenzumsetzung des Frequenzumsetzerabschnitts 10 geliefert. Die Multiplizier-/Dividierschaltung 3 multipliziert oder teilt den Referenztakt, um das Taktsignal zu erzeugen, welches zum Synchronisationserwerbsabschnitt 20, zum Synchronisationshalteabschnitt 30 und zum Steuerabschnitt 40 geliefert wird. Die Multiplizier-/Dividierschaltung 3 wird zur Multiplikation und Teilung durch die CPU 41 des Steuerabschnitts 40 gesteuert.
Es sollte angemerkt sein, dass das Taktsignal von der Quarzoszillatorschaltung 4 für die Taktschaltung 44 des Steuerabschnitts 40 dient. Das Taktsignal von den Abschnitten absehen von der Taktschaltung 44 des Steuerabschnitt 40 wird von der Multiplizier-/Dividierschaltung 3 geliefert.
Wie oben beschrieben wird das GPS-Satellitensignal von jedem GPS-Satelliten übertragen und durch BPSK-Modulation des Trägers, der eine Frequenz von 1575,72 MHz hat, durch ein Signal erlangt, welches durch Spektralspreizen der Übertragungsdaten von 50 bps durch den Satelliten-PN-Code (C/A-Code) erlangt wird, der ein Muster hat, welches für jeden GPS-Satelliten bestimmt wird, wobei die Übertragungssignal-Geschwindigkeit 1,023 MHz ist und die Codelänge 1023 ist.
Das GPS-Satellitensignal mit 1575,42 MHz, welches an der GPS-Antenne 1 empfangen wird, wird zum Frequenzumsetzerabschnitt 10 geliefert. Im Frequenzumsetzerabschnitt 10 wird das GPS-Satellitensignal, welches an der GPS-Antenne empfangen wird, durch eine rauscharme Verstärkerschaltung 11 verstärkt, um zu einem Bandpassfilter (BPF) 12 geliefert zu werden, in welchem die unerwünschte Bandkomponente beseitigt wird. Das resultierende Signal vom Bandpassfilter 12 wird zu einer Zwischenfrequenz-Umsetzerschaltung (IF) 14 über eine Hochfrequenzverstärkerschaltung 13 geliefert.
Das Ausgangssignal der Referenzoszillatorschaltung 2 wird zu einer Mischoszillatorschaltung (PLL) 15 auf Basis des PLL-Synthesizers geliefert, von dem ein Mischoszillator-Ausgangssignal mit dem Frequenzverhältnis zur Ausgangsfrequenz der Referenzoszillatorschaltung 2 fixiert erlangt wird. Dieses Mischoszillator-Ausgangssignal wird zur Zwischenfrequenz-Umsetzerschaltung 14 geliefert, in welcher die Trägerfrequenz des GPS-Satellitensignals in eine leicht zu verarbeitendes Zwischenfrequenz tieffrequenz-umgesetzt wird, beispielsweise 1,023 MHz, wobei ein Zwischenfrequenzsignal von der Zwischenfrequenz-Umsetzerschaltung 14 ausgegeben wird. Anschließend wird der Träger dieses Zwischenfrequenzsignals, nämlich der Zwischenfrequenzträger, als IF-Träger bezeichnet.
Das Zwischenfrequenzsignal, welches von der Zwischenfrequenz-Umsetzerschaltung 14 ausgegeben wird, wird durch eine Verstärkerschaltung 16 verstärkt und durch ein Tiefpassfilter (LPF) 17 bandbegrenzt, wobei das resultierende Signal durch einen 1-Bit-A/D-Umsetzer 18 in ein 1-Bit-Digitalsignal umgesetzt wird (anschließend als IF-Daten bezeichnet). Diese IF-Daten werden zum Synchronisationserwerbsabschnitt 20 und zum Synchronisationshalteabschnitt 30 geliefert.
Bei der vorliegenden Ausführungsform werden die IF-Daten nämlich nicht zu einer integrierten Schaltung geliefert, welche aus Synchronisationserwerbs- und Synchronisationshaltefunktionen besteht, wie die bekannte Gleitkorrelation und die Costas-Schleife + DLL, sondern zum Synchronisationserwerbsabschnitt 20 und zum Synchronisationshalteabschnitt 30, welche funktionell voneinander getrennt sind.
Bei der vorliegenden Ausführungsform führt der Synchronisationserwerbsabschnitt 20 den Synchronisationserwerb für das GPS-Satellitensignal durch, d.h., ermittelt die Phase des Satelliten-PN-Codes und die Frequenz des IF-Trägers des GPS-Satellitensignals. Der Synchronisationshalteabschnitt 30 führt das Synchronisationshalten des Satelliten-PN-Codes und des IF-Trägers des GPS-Satellitensignals durch, welche durch den Synchronisationserwerbsabschnitt 20 erworben wurden.
Konfigurationen des Synchronisationserwerbsabschnitts 20 und des Synchronisationshalteabschnitts 30
Bei der vorliegenden Ausführungsform fangt, wie später beschrieben wird, der Synchronisationserwerbsabschnitt 20 in seinem Speicher die IF-Daten vom Frequenzumsetzerabschnitt 10 in einer Menge äquivalent zu einer vorher festgelegten Zeitperiode ein und berechnet für die IF-Daten, welche im Speicher eingefangen sind, die Korrelation zwischen dem Satelliten-PN-Code des GPS-Satellitensignals und des Nachbildungs-PN-Codes des GPS-Empfängers entsprechend dem Satelliten-PN-Code jedes GPS-Satelliten, um dadurch Spreizcode-Phasensynchronisationserwerb auszuführen.
Der Spreizcode-Phasensynchronisationserwerb kann mittels eines angepassten Filters für den Hochgeschwindigkeits-Synchronisationserwerb der Spreizspektrumssignale ausgeführt werden, ohne auf das oben erwähnte Gleitkorrelationsverfahren zurückzugreifen.
Das angepasste Filter kann digital durch ein Transversalfilter ausgebildet sein. Seit einiger Zeit ist ein Verfahren zum Synchronisieren von Spreizcodes mit hohen Geschwindigkeiten verfügbar, wobei die FFT(die schnelle Fourier-Transformation) verwendet wird, welche durch die Verbesserung der Hardwareleistung unterstützt wird, die durch einen DSP (Digitalsignalprozessor) repräsentiert wird. Das digitale angepasste Filter selbst hat jedoch nicht die Fähigkeit, die Synchronisation von Spreizcodes zu halten.
Das letztere FFT-Basis-Verfahren basiert auf einem Verfahren zum Beschleunigen eines Berechnungsverfahrens, welches seit langem bekannt ist, bei dem, wenn eine Korrelation zwischen dem Nachbildungs-PN-Code des Empfängers und dem Satelliten-PN-Code gefunden wird, die Spitze der Korrelation, wie in 4, die später beschrieben wird, ermittelt wird, wobei die ermittelte Spitze für die Startphase des Satelliten-PN-Codes bezeichnend ist. Daher erlaubt die Ermittlung dieser Korrelationsspitze den Erwerb der Synchronisation des Satelliten-PN-Codes oder der Phase des Satelliten-PN-Codes im Empfangssignal vom GPS-Satelliten.
Der Träger (die Zwischenfrequenz) des empfangenen Signals vom GPS-Satelliten kann gemeinsam mit der Phase des Satelliten-PN-Codes ermittelt werden, wobei ein Betrieb im FFT-Frequenzbereich bei dem Verfahren auf FFT-Basis ausgeführt wird. Die Phase des Satelliten-PN-Codes wird in einem Pseudobereich umgesetzt. Wenn die Ermittlung für vier oder mehr Satelliten getätigt wurde, kann die Position des GPS-Empfängers berechnet werden. Auch die Ermittlung der Trägerfrequenz zeigt eine Doppler-Verschiebung, auf deren Basis die Geschwindigkeit des GPS-Empfängers berechnet werden kann.
Auf Basis der oben erwähnten Kenntnis berechnet die vorliegende Ausführungsform die Korrelation zwischen den PN-Codes mittels des digitalen angepassten Filters auf FFT-Basis, wodurch eine Hochgeschwindigkeits-Synchronisationshalteverarbeitung auf Basis der erlangten Korrelation ausgeführt wird.
Das GPS-Satellitensignal, welches an der GPS-Antenne empfangen wird, enthält die Signale von mehreren GPS-Satelliten. Der Synchronisationserwerbsabschnitt 20 bereitet die Information über die Nachbildungs-PN-Codes für alle GPS-Satelliten vor. Unter Verwendung dieser vorbereiteten Information kann die Korrelation mit den Nachbildungs-PN-Codes der mehreren GPS-Satelliten, welche für den GPS-Empfänger verfügbar ist, berechnet werden, wodurch der Synchronisationserwerb der mehreren GPS-Satellitensignale ausgeführt wird.
Auf Basis des Synchronisationserwerbs, der unter Verwendung der Nachbildungs-PN-Codeinformation für einen bestimmten GPS-Satelliten ausgeführt wird, ermittelt der Synchronisationserwerbsabschnitt 20 den Synchronisationserwerb des Signals von diesem bestimmten GPS-Satelliten. Für den Identifizierer des synchronisations-erworbenen GPS-Satelliten wird beispielsweise die GPS-Satellitennummer verwendet.
Danach leitet der Synchronisationserwerbsabschnitt 20 die Satellitennummerinformation des synchronisations-erworbenen GPS-Satelliten, die Phaseninformation des Satelliten-PN-Codes, der durch Synchronisationserwerb ermittelt wurde, die IF-Trägerfrequenzinformation, und wenn, wenn erforderlich, die Information über eine Signalintensität, welche aus dem Korrelationsermittlungssignal besteht, welches den Korrelationsgrad zeigt, zum Synchronisationshalteabschnitt 30 weiter.
Die Information, welche die Satellitennummer, die Phase des Satelliten-PN-Signals, die IF-Trägerfrequenz und die Signalintensität, welche durch den Synchronisationserwerbsabschnitt 20 ermittelt werden, aufweist, wird an den Synchronisationshalteabschnitt 30 mit den folgenden Verfahren weitergeleitet: bei einem Verfahren werden das Datenformat und das Interrupt-Verfahren vorher bestimmt, und die oben erwähnte Information wird unmittelbar entsprechend zum Synchronisationshalteabschnitt 30 weitergeleitet; und, bei dem anderen Verfahren wird die Information an den Synchronisationshalteabschnitt 30 über den Steuerabschnitt 40 weitergeleitet.
Bei dem ersten Verfahren erzeugt ein DSP 23 des Synchronisationserwerbsabschnitts 20 die Information, welche an den Synchronisationshalteabschnitt 30 weiterzuleiten ist. Alternativ kann ein Steuerabschnitt auf Basis des DSP beispielsweise im Synchronisationshalteabschnitt 30 eingerichtet sein, wodurch die Information, welche für den Synchronisationshalteabschnitt 30 notwendig ist, auf Basis der Information erzeugt wird, welche vom Synchronisationserwerbsabschnitt 20 empfangen wird.
Beim letzten Verfahren kann das Weiterleiten der Information durch die CPU 41 des Steuerabschnitts 40 und des Synchronisationserwerbsabschnitts 20 gesteuert werden, und der Synchronisationshalteabschnitt 30 kann durch die CPU 41 gesteuert werden, wodurch die Phasenkorrektur des Satelliten-PN-Codes, was später beschrieben wird, sowie das Einstellen verschiedener Synchronisationsprozeduren gemäß den Situationen des Synchronisationserwerbsabschnitts 20 und des Synchronisationshalteabschnitts 30, was später beschrieben wird, erleichtert wird.
Bei einer Ausführungsform, die unten beschrieben wird, wird das Verfahren verwendet, bei dem die Information, welche die Satellitennummer, die Satelliten-PN-Codephase, die IF-Trägerfrequenz und die Signalintensität enthält, vom Synchronisationserwerbsabschnitt 20 über den Steuerabschnitt 40 zum Synchronisationshalteabschnitt 30 weitergeleitet wird.
Konfiguration des Synchronisationserwerbsabschnitts 20
In 2 ist ein Konfigurationsbeispiel des Synchronisationserwerbsabschnitts 20 gezeigt. In diesem Beispiel hat der Synchronisationserwerbsabschnitt 20 eine Abtastschaltung 21, einen RAM 22 zum Datenpuffern, einen DSP 23, und einen Speicher (RAM/ROM) 24, der sowohl einen Programm-ROM als auch einen Arbeitsbereichs-RAM zur Verwendung durch den DSP 23 hat. Der DSP 23 und der Speicher (RAM/ROM) sind mit der CPU 41 des Steuerabschnitts 40 verbunden.
Die Abtastschaltung 21 tastet die IF-Daten von 1,023 MHz vom Frequenzumsetzerabschnitt 10 mit einer vorher festgelegten Frequenz ab, die mehr als das zweifache ist wie 1,023 MHz, und schreibt jeden Abtastwert in den RAM 22. Der RAM 22 hat eine Speichergröße, die groß genug ist, die IF-Daten einer vorher festgelegte Zeitdauer lang zu speichern. Der DSP 23 führt eine Synchronisationserwerbsverarbeitung in Einheiten der IF-Daten eine Zeitlänge lang äquivalent der Größe des RAM 22 aus.
Genauer ausgedrückt führt in diesem Beispiel der DSP 23 den Hochgeschwindigkeits-Synchronisationserwerb des Satelliten-PN-Codes der IF-Daten, welcher im RAM 22 gespeichert ist, mittels des digitalen angepassten Filters auf Basis der FFT, aus. Dann ermittelt als Ergebnis der Synchronisationserwerbsverarbeitung der DSP 23 die synchronisations-erworbene GPS-Satellitennummer, die Phase des Satelliten-PN-Codes des synchronisationserworbenen GSP-Satellitensignals und dessen IF-Trägerfrequenz.
Die Abtastfrequenz der Abtastschaltung 21 bestimmt die Ermittlungsgenauigkeit der Phase des Satelliten-PN-Codes. Diese Abtastfrequenz muss mehr als das zweifache sein wie die maximale Frequenz, wobei gewünscht wird, dass diese eine Frequenz ist, die ein ganzzahliges Vielfaches des IF-Trägers ist.
Die Zeitlänge der Verarbeitungseinheit im DSP 23, welche durch die Speichergröße des RAM 22 bestimmt wird, bestimmt die Ermittlungsgenauigkeit der IF-Trägerfrequenz. Es ist wünschenswert, dass die Zeitlänge der Verarbeitungseinheit im DSP 23 ein ganzzahliges Vielfaches einer Periode des PN-Codes ist, insbesondere eine Potenz aus 2, wie später beschrieben wird.
Die Abtastfrequenz in der Abtastschaltung 21 soll nun die Chip-Rate des Spreizcode-fachen α und die Zeitlänge der IF-Daten, welche im RAM 22 gespeichert sind, eine Periode des PN-Code-fachen β (β-Millisekunden) sein. Der DSP 23 kann dann die Phase des Satelliten-PN-Codes mit einer Genauigkeit von 1/α-Chip und die IF-Trägerfrequenz mit einer Genauigkeit von 1/β kHz (±1/2β kHz) durch einen Betrieb im FFT-Frequenzbereich ermitteln.
Die folgenden Details zeigen Beispiele der Synchronisationserwerbsverarbeitung auf Basis des FFT-angepassten Filters im DSP 23.
Beispiel 1 (Basiskonfigurationsbeispiel) des Synchronisationserwerbs auf Basis des digitalen angepassten Filters.
In dem Beispiel beträgt die Abtastfrequenz in der Abtastschaltung 21 4,096 MHz, die ungefähr viermal so hoch ist wie die Chip-Rate des Spreizcodes. Der RAM 22 speichert die Daten von 4096 Abtastpunkten, die äquivalent einer Periode (eine Millisekunde) des PN-Codes sind. In Bezug auf diese Daten in Einheiten einer Millisekunde, welche im RAM 22 gespeichert sind, berechnet der DSP 23 eine Korrelation zwischen dem Satelliten-PN-Code des DSP Satelliten und dem Nachbildungs-PN-Code des GPS-Empfängers mittels der Korrelationsberechnung auf Basis von FFT, wodurch die Synchronisationserwerbsverarbeitung ausgeführt wird. Da eine Periode des PN-Codes äquivalent 1023 Chips ist, kann die Phase des Satelliten-PN-Codes mit einer Genauigkeit von 1/4 Chip ermittelt werden. Die Ermittlungsgenauigkeit für die IF-Trägerfrequenz beträgt 1 kHz, da die FFT-Verarbeitung auf Basis von einer Millisekunde ausgeführt wird.
In diesem Beispiel liest, wie in 3 gezeigt ist, der DSP 23 die IF-Daten in Einheiten einer Millisekunde vom RAM 22 und führt die FFT-Verarbeitung in Bezug auf die IF-Daten über einen FFT-Verarbeitungsabschnitt 101 durch, wobei ein Ergebnis dafür in einen Speicher 102 geschrieben wird. Dann wird das FFT-Verarbeitungsergebnis vom Speicher 102 zu einem Multipliziererabschnitt 103 geliefert.
Dagegen erzeugt ein PN-Code-Erzeugerabschnitt 104 einen Nachbildungs-PN-Code, der als in der gleichen Linie mit dem PN-Code gesehen wird, der im Empfangssignal vom GPS-Satelliten verwendet wird. In Wirklichkeit gibt der PN-Code-Erzeugerabschnitt 104 selektiv die vorbereiteten Nachbildungs-PN-Codes entsprechend mehreren GPS-Satelliten sequentiell aus.
Der Nachbildungs-PN-Code für eine Periode (1023 Chips) vom PN-Code-Erzeugerabschnitt 104 wird zu einem FFT-Verarbeitungsabschnitt 105 geliefert, um FFT-verarbei tet zu werden, wobei die Verarbeitungsergebnisse zu einem Speicher 106 geliefert werden. Wie bei dem Normalfall werden die FFT-Ergebnisse sequentiell vom Speicher 106 in ansteigender Reihenfolge der Frequenzen gelesen, welche zum Multiplizierabschnitt 103 geliefert werden.
Der Multiplizierabschnitt 102 multipliziert das FFT-Ergebnis des Empfangssignals, welches vom Speicher 102 gelesen wird, mit dem FFT-Ergebnis des Nachbildungs-PN-Codes, welches vom Speicher 106 gelesen wird, um den Grad der Korrelation zwischen dem Satelliten-PN-Code des Empfangssignals und dem Nachbildungs-PN-Code im Frequenzbereich zu berechnen. Es sollte darauf hingewiesen werden, dass die Multiplikation im Multiplizierabschnitt 103 zwischen der komplexen Konjugation von einem vom diskreten Fourier-Transformations-Ergebnis des Empfangssignals und dem diskreten Fourier-Transformations-Ergebnis des Nachbildungs-PN-Codes und einem anderen durchgeführt wird. Das Ergebnis dieser Multiplikation wird zu einem inversen FFT-Verarbeitungsabschnitt 107 geliefert, in dem das Signal des Frequenzbereichs in das Signal in den Zeitbereich zurückgebracht wird.
Das inverse FFT-Ergebnis, welches von dem inversen FFT-Verarbeitungsabschnitt 107 erlangt wird, zeigt ein Korrelationsermittlungssignal im Zeitbereich zwischen dem Satelliten-PN-Code des Empfangssignals und dem Nachbildungs-PN-Code. Dieses Korrelationsermittlungssignal wird zu einem Korrelationspunkt-Ermittlungsabschnitt 108 geliefert.
Dieses Korrelationsermittlungssignal bezeichnet einen Korrelationswert in jeder der Chip-Phasen für eine Periode des Spreizcodes. In der Phase (für eine Periode des Spreizcodes), wo der Spreizcode im Empfangssignal, der eine Intensität hat, die höher ist als eine vorher festgelegte Intensität, in Synchronisation mit dem Spreizcode vom PN-Code-Generatorabschnitt 104 ist, wird eine Korrelationsschwingungsform erlangt, welche einen Spitzenwert zeigt, bei dem der Korrelationswert in einer Phase in 1023 Chip-Phasen einen vorher festgelegten Schwellenwert übersteigt, wie in 4 gezeigt ist. Die Chip-Phase, in welcher der Spitzenwert gilt, ist die Phase des Korrelationspunkts, welcher die Startphase einer Periode des Satelliten-PN-Codes des GPS-Satellitensignals für den Nachbildungs-PN-Code des GPS-Empfängers ist.
Wenn dagegen das Empfangssignal eine geringere Intensität als einen vorher festgelegten Pegel hat, wird die Synchronisation, wenn es eine gibt, zwischen dem Spreizcode im Empfangssignal und dem Spreizcode vom PN-Code-Erzeugerabschnitt 104 nicht die Korrelationsschwingungsform zur Folge haben, in welcher der Spitzenwert, wie in 4 gezeigt ist, gilt. Daher wird kein Spitzenwert, der den vorher festgelegten Schwellenwert übersteigt, in irgendeiner der Chip-Phasen gelten.
Der Korrelationspunkt-Ermittlungsabschnitt 108 ermittelt die Synchronisation zwischen dem Satelliten-PN-Code des Empfangssignals und dem Nachbildungs-PN-Code, wobei geprüft wird, ob der Spitzenwert, der den vorher festgelegten Wert übersteigt, im Korrelationsermittlungssignal gefunden wird, welches beispielsweise zum Korrelationspunkt-Ermittlungsabschnitt 108 geliefert wird.
Wenn der Korrelationspunkt-Ermittlungsabschnitt 108 die Korrelation gefunden hat, ermittelt der Korrelationspunkt-Ermittlungsabschnitt 108 die Phase des oben erwähnten Spitzenwerts als den Korrelationspunkt, nämlich als die Phase des Satelliten-PN-Codes des GPS-Satellitensignals. Danach erkennt der DSP 23 die GPS-Satellitennummer, wobei geprüft wird, welchem GPS-Satelliten der Nachbildungs-PN-Code vom PN-Code-Erzeugungsabschnitt 104 entspricht.
Das Korrelationsermittlungssignal, welches in 4 gezeigt ist, ist ein Zeitbereichssignal. Dessen Korrelationsspitzenwert wird lediglich ermittelt, wenn die Trägerkomponente im Zwischenfrequenz-Empfangssignal durch die Verarbeitung, die später beschrieben wird, korrekt entfernt wurde.
Die Frequenz der beseitigten Trägerkomponente liefert die IF-Trägerfrequenz einschließlich einer Doppler-Verschiebung entsprechend dem Korrelationspunkt, bei dem der Spitzenwert, der den vorher festgelegten Wert übersteigt, gilt. Daher wird diese IF-Trägerfrequenz einschließlich einer Doppler-Verschiebung durch den DSP 23 als Ergebnis der Korrelationspunktermittlung ermittelt.
Wenn der Synchronisationserwerb für einen GPS-Satelliten wie oben beschrieben abgeschlossen ist, wird die oben erläuterte Verarbeitung in diesem Beispiel wiederholt, wobei der Nachbildungs-PN-Code, der durch den PN-Code-Erzeugungsabschnitt 104 erzeugt wurde, durch einen anderen ersetzt wird, der dem Satelliten-PN-Code des anderen GPS-Satelliten entspricht. Wenn keine Synchronisation erworben wurde, ersetzt der DSP 23 den Nachbildungs-PN-Code, der durch den PN-Code-Erzeugungsabschnitt 104 erzeugt wurde, durch einen anderen entsprechend dem Satelliten-PN-Code des anderen Satelliten, wodurch die oben erwähnte Verarbeitung wiederholt wird.
Wenn die Synchronisationserwerbsverarbeitung für alle GPS-Satelliten beendet wurde, welche der Suche unterworfen wurden, oder die Synchronisation mit dem PN-Code von vier oder mehreren GPS-Satelliten erworben wurde, wie beispielsweise aus der Information von der CPU 41 des Steuerabschnitts 40 bekannt ist, beendet der DSP 23 die oben erwähnte Synchronisationserwerbsverarbeitung.
Der DSP 23 liefert die Information, welche aus der synchronisations-erworbenen GPS-Satellitennummer, der Phase des Satelliten-PN-Codes des synchronisations-erworbenen GPS-Satellitensignals besteht, und dessen IF-Trägerfrequenz, welche als Ergebnis der Synchronisationserwerbsverarbeitung ermittelt wurde, zum Steuerabschnitt 40. In diesem Fall liefert der DSP 23 außerdem den Spitzenwert des Korrelationspunkts jedes synchronerworbenen GPS-Satellitensignals zum Steuerabschnitt 40.
In der obigen Beschreibung wurde die Verarbeitung des Trägers des Empfangssignals nicht betrachtet; tatsächlich jedoch enthält das Empfangssignal r(n) den Träger, wie in der Gleichung (3) von 35 gezeigt ist. In der Gleichung (3) bezeichnet A die Amplitude, d(n) bezeichnet die Daten, f₀(=f_IF) bezeichnet die Trägerwinkelfrequenz im Zwischenfrequenzsignal, und n(n) bezeichnet das Rauschen.
Wenn die Abtastfrequenz in der Abtastschaltung 21 fs ist und der Abtastzählwert für eine Periode des PN-Codes N ist (daher 0 ≤ n < N), ist die Beziehung zwischen der diskreten Frequenz k (0 ≤ k < N) nach der diskreten Fourier-Transformation und der realen Frequenz f: f = k·fs/N, wenn 0 ≤ k ≤ N/2.f = (k – N)·fs/N (f < 0), wenn N/2 < k < N.
Es sei angemerkt, dass wegen der Kenndaten der diskreten Fourier-Transformation R(k) und C(k) die Zyklizität bezeichnen, wenn k < 0 und k ≥ N.
Um die Daten d(n) aus dem Empfangssignal r(n) zu erlangen, muss die Synchronisation zwischen dem PN-Code c(n) und dem Träger cos2πnf₀ erworben werden, um die Trägerkomponente zu beseitigen. Wenn nämlich die Trägerkomponente lediglich in R(k) in der Gleichung (2) enthalten ist, welche in 35 gezeigt ist, kann die Korrelationsschwingungsform, wie in 4 gezeigt ist, nicht erlangt werden.
Bei dieser Ausführungsform kann ein einfacher Aufbau, bei dem lediglich die Verarbeitung im Frequenzbereich durch FFT ausgeführt wird, die Trägerkomponente beseitigen, wobei Synchronisation zwischen dem PN-Code c(n) und dem Träger (IF-Träger) cos2πnf₀ erworben wird.
Im Normalfall nämlich wird das FFT Ergebnis des Empfangssignals vom GPS-Satelliten, welches durch den FFT-Verarbeitungsabschnitt 101 erlangt wird, vom Speicher 102 in ansteigender Reihenfolge der Frequenzen der Frequenzkomponente des Empfangssignals gelesen, um zum Multiplizierabschnitt 103 geliefert zu werden. Bei der vorliegenden Ausführungsform werden die Leseadressen durch den Lesadress-Steuerabschnitt 109 ver schiebe-gesteuert, um das FFT-Ergebnis des Empfangssignals vom Speicher 102 sequentiell zu lesen.
Wenn eine Höhe der Doppler-Verschiebung des GPS-Satelliten, von welchem das Empfangssignal empfangen wurde, korrekt geschätzt werden kann und die Information über die Trägerfrequenz des Empfangssignals, welche durch die Oszillatorfrequenz ermittelt wurde, und die Zeitinformation innerhalb des GPS-Empfängers korrekt kalibriert wurden, erhalten werden kann, wird die Information über die Trägerfrequenz (IF-Trägerfrequenz) zum Leseadress-Steuerabschnitt 109 geliefert.
Die Information über diese IF-Trägerfrequenz wird fast korrekt gemeinsam mit der Berechnung der Empfängergeschwindigkeit erlangt, wenn die Empfangssignale von vier oder mehreren GPS-Satelliten im Synchronhaltezustand sind und die Empfängerposition stabil wie oben beschrieben gemessen wird, so dass die Information über den berechneten IF-Träger verwendet wird. Außerdem kann die Information über den IF-Träger von außerhalb des GPS-Empfängers erlangt werden.
Anschließend verschiebt auf Basis der Information über die Trägerfrequenz, welche im GPS-Empfänger erzeugt wird oder von außerhalb erlangt wird, der Leseadress-Steuerabschnitt 109 die Leseadressen um die Trägerfrequenz, um das FFT-Ergebnis des Empfangssignals vom Speicher 102 sequentiell zu lesen, wobei das FFT-Ergebnis zum Multiplizierabschnitt 103 geliefert wird.
Durch Lesen des FFT-Ergebnisses des Empfangssignals r(n) vom Speicher 102 durch Verschieben der Leseadressen um die Trägerfrequenz des Empfangssignals kann ein FFT-Ergebnis erlangt werden, welches äquivalent dem FFT-Ergebnis des Empfangssignals ist, wobei die Trägerkomponente wie später beschrieben beseitigt ist. Das FFT-Ergebnis, bei dem die Trägerkomponente beseitigt ist, wird mit dem FFT-Ergebnis für eine Periode des PN-Codes multipliziert. Das Ergebnis dieser Multiplikation wird entspreizt, um ein Korrelationsermittlungs-Ausgangssignal zu erlangen, bei dem der Spitzenwert sicher am Korrelationspunkt steht, wie in 4 gezeigt ist.
Es sei angemerkt, dass anstelle des Steuerns der Leseadresse des FFT-Ergebnisses, welche vom Speicher 102 gelesen wird, die Leseadresse des FFT-Ergebnisses des Nachbildungs-PN-Codes, der vom Speicher 106 gelesen wird, gesteuert werden kann, um die Trägerkomponente des Empfangssignals r(n) dem FFT-Ergebnis des Nachbildungs-PN-Codes hinzuzufügen und um die Multiplikation im Multiplizierabschnitt 103 auszuführen, wodurch im Wesentlichen die Trägerkomponente mehr beseitigt wird, wie auch später beschrieben wird.
Nachfolgend wird ausführlich das Entfernen der Trägerkomponente durch die Synchronisation des Trägers des Empfangssignals und des Satelliten-PN-Codes beschrieben, wobei die Adressen, welche vom Speicher 102 oder vom Speicher 106 gelesen werden, gemeinsam mit der Verarbeitung des digitalen angepassten Filters im DSP 23 gesteuert werden.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird die Verarbeitung des digitalen angepassten Filters im DSP 23 ausgeführt. Das Prinzip der digitalen angepassten Filterverarbeitung basiert auf dem Theorem, dass die Faltungs-Fourier-Transformation im Zeitbereich zu einer Multiplikation im Frequenzbereich wird, wie durch die Gleichung (1) gezeigt ist, die in 35 gezeigt ist.
In der Gleichung (1) bezeichnet r(n) das Empfangssignal im Zeitbereich, und R(k) bezeichnet dessen diskrete Fourier-Transformation. In dieser Gleichung bezeichnet c(n) den Nachbildungs-PN-Code, der vom PN-Code-Erzeugungsabschnitt geliefert wird, und C(k) bezeichnet dessen diskrete Fourier-Transformation. n bezeichnet die diskrete Zeit, und k bezeichnet die diskrete Frequenz. F[k] bezeichnet die Fourier-Transformation von f(n).
Wenn nun angenommen wird, dass die Korrelationsfunktion zwischen zwei Signalen r(n) und c(n) gleich f(n) ist, zeigt die diskrete Fourier-Transformation F(k) von f(n) eine Beziehung, wie diese in der Gleichung (2) definiert ist, welche in 35 gezeigt ist. Wenn angenommen wird, dass r(n) das Signal vom Frequenzumsetzungsabschnitt 10 ist und c(n) der Nachbildungs-PN-Code vom PN-Code-Erzeugungsabschnitt 104 ist, kann die Korrelationsfunktion f(n) zwischen r(n) und c(n) in der folgenden Prozedur auf Basis der Gleichung (2) ohne Verwendung der normalen Definitionsgleichung berechnet werden.

• Berechne die diskrete Fourier-Transformation R(k) des Empfangssignals r(n)
• Berechne die komplexe Konjugation der diskreten Fourier-Transformation C(k) des Nachbildungs-PN-Codes c(n)
• Berechne F(k) der Gleichung (2) durch komplexe Konjugation von R(k) und C(k)
•Berechne Korrelationsfunktion f(n) durch inverse Fourier-Transformation von F(k).

Wie oben beschrieben wird, wenn der Satelliten-PN-Code, der im Empfangssignal r(n) enthalten ist, zum Nachbildungs-PN-Code c(n) passt, der vom PN-Code-Erzeugungsabschnitt 104 geliefert wird, wird die Korrelationsfunktion f(n), welche durch die oben erwähnte Prozedur erlangt wird, zu einer Zeitschwingungsform, in welcher der Spitzenwert beim Korrelationspunkt steht, der in 4 gezeigt ist. Wie oben beschrieben werden bei der vorliegenden Ausführungsform der FFT- und der inverse FFT-Hochgeschwindigkeits-Algorithmus bei der diskreten Fourier-Transformation und der inversen Fourier-Transformation angewandt, so dass die Berechnung wesentlich schneller ausgeführt werden kann als die Berechnung der Korrelation auf Basis der Definitionen.
Nachfolgend wird die Synchronisation zwischen dem Träger, der im Empfangssignal r(n) enthalten ist, und dem Satelliten-PN-Code beschrieben.
Wie oben beschrieben enthält das Empfangssignal r(n) den Träger, wie durch die Gleichung (3) von 35 gezeigt ist. Das Erlangen von Daten d(n) vom Empfangssignal r(n) erfordert, den Träger zu entfernen, wobei Synchronisation zwischen dem Nachbildungs-PN-Code c(n) und dem Träger cos2πnf₀ erworben wird. Wenn nämlich der Träger in lediglich R(k) in Gleichung (2), welche in 45 gezeigt ist, die oben beschrieben ist, enthalten ist, wird die Korrelationsschwingungsform, wie in 4 gezeigt ist, nicht erlangt.
Wie oben beschrieben ist, wenn die Höhe der Doppler-Verschiebung korrekt geschätzt ist und die Oszillatorfrequenz und die Zeitinformation im GPS-Empfänger korrekt ist, die Trägerfrequenz (IF-Trägerfrequenz) f₀ (= f_IF) des Empfangssignals r(n) bekannt. In diesem Fall kann, wie in 5 gezeigt ist, die Trägerkomponente vom Empfangssignal r(n) entfernt werden, bevor die FFT ausgeführt wird, wobei ein Multiplizierabschnitt 121 vor dem FFT-Verarbeitungsabschnitt 101 angeordnet wird und die Frequenzumsetzung durch Multiplizieren – im Multiplizierabschnitt 121 – des Empfangssignals r(n) mit dem Träger ausgeführt wird, der die Frequenz f₀ hat, die vom Signalerzeugungsabschnitt 122 geliefert wird.
In diesem Fall wird das FFT-Ergebnis des Empfangssignals r(n), bei dem die Trägerkomponente entfernt ist, vom Speicher 102 erlangt, und dieses FFT-Ergebnis wird mit dem FFT-Ergebnis des Nachbildungs-PN-Codes c(n) im Multiplizierabschnitt 103 multipliziert, so dass eine Zeitschwingungsform, bei der der Spitzenwert bei dem Korrelationspunkt steht, wie in 4 gezeigt ist, sicher als Ausgangssignal vom inversen FFT-Verarbeitungsabschnitt 107 erlangt werden kann.
Es sei darauf hingewiesen, dass, wie (in 5) angemerkt ist, die gleiche Wirkung durch Anordnen des Multiplizierabschnitts 121 vor dem FFT-Verarbeitungsabschnitt 105, um den Nachbildungs-PN-Code c(n) zu verarbeiten und durch Ausführen von Frequenzumsetzung durch Multiplizieren – im Multizierabschnitt 121 – des Nachbildungs-PN-Codes c(n) mit dem Träger, der die Frequenz f₀ (= f_IF) hat, der vom Signalerzeugungsabschnitt 122 geliefert wird, um die Trägerkomponente zum Nachbildungs-PN-Code hinzuzufügen, anstelle die Trägerkomponente vom Empfangssignal r(n) zu entfernen, erlangt werden kann.
In diesem Fall nämlich, da die Trägerkomponente, welche im FFT-Ergebnis des Empfangssignals enthalten ist, welches vom Speicher 102 gelesen wird, synchron ist mit der hinzugefügten Trägerkomponente, welche im FFT-Ergebnis des Nachbildungs-PN-Codes enthalten ist, der vom Speicher gelesen wird, wird das Korrelationsermittlungs-Ausgangssignal, bei dem der Spitzenwert am Korrelationspunkt steht, wie in 4 gezeigt ist, vom inversen FFT-Verarbeitungsabschnitt 107 erhalten.
Das Verfahren, bei das Signal im Zeitbereich mit dem Signal der Trägerfrequenz multipliziert wird, wie in 5 gezeigt ist, erfordert jedoch einen speziellen Multiplizierabschnitt, um die Trägerkomponente zu beseitigen, wie oben beschrieben, was einen komplizierten Aufbau und eine verminderte Verarbeitungsgeschwindigkeit aufgrund von Multiplikationen zur Folge hat.
Dagegen kann die Eigenschaft von FFT die oben erwähnten Frequenzmultiplikationen ausdrücken, wie in der Gleichung (4) von 35 gezeigt ist. In der Gleichung (4) bezeichnet F[k] die diskrete Fourier-Transformation von f(n), Φ₀ bezeichnet die Phasendifferenz mit dem Träger, und k₀ bezeichnet k entsprechend f₀, wobei f₀ = k₀·fs/N. Aus der Gleichung (4) wird die FFT des Signals, bei dem das Empfangssignal r(n) frequenz-umgesetzt wurde, wie in 5 gezeigt ist, zur FFT mit R(k), was die FFT von r(n) ist, verschoben um die Trägerfrequenz k₀.
Damit ist der in 5 gezeigte Aufbau durch einen Aufbau ersetzbar, der in 6 gezeigt ist. Bei dem in 6 gezeigten Aufbau wird auf die Adressen zugegriffen, wenn das FFT-Ergebnis des Empfangssignals oder das FFT-Ergebnis des Nachbildungs-PN-Codes vom Speicher 102 oder vom Speicher 106 gelesen wird, um die Trägerfrequenz verschoben, anstelle das Empfangsignal r(n) und den Nachbildungs-PN-Code c(n) mit der Trägerfrequenz zu multiplizieren.
In diesem Fall wird das Empfangssignal r(n) durch Abwärtsumsetzung verschoben, wobei k₀ > 0 und der Nachbildungs-PN-Code c(n) durch Aufwärtsumsetzung verschoben wird, wobei k₀ < 0.
Wie oben beschrieben eliminiert die Verwendung der FFT-Eigenschaft, welche in der Gleichung (4) gezeigt ist, die Notwendigkeit für den Signalerzeugungsabschnitt 122, der in 5 gezeigt ist, so dass die Phase der Adresse im Speicher, von welchem das FFT-Ergebnis gelesen wird, lediglich verschoben zu werden braucht, wodurch ein vereinfachter Aufbau und eine Hochgeschwindigkeitsverarbeitung bereitgestellt werden.
Es sollte angemerkt sein, dass, da die Phasendifferenz Φ₀ in der Gleichung (4) nicht bekannt ist, dies in 6 ignoriert wird. Beispielsweise wird die Korrelationsfunktion f(n) (0 ≤ n < N), welche als Ergebnis der Berechnung der inversen FFT von F' (k) erlangt wird, welche aus der Gleichung (5) berechnet wurde, die in 35 gezeigt ist, zu einer kom plexen Zahl. Wenn man annimmt, dass deren realer Teil f_R' (n) ist und deren imaginärer Teil f_r' ist, wird die Amplitude |f(n)| des Korrelationsspitzenwerts erlangt, wie in Gleichung (6) von 35 gezeigt ist, und die Phase Φ wird erhalten, wie in Gleichung (7) von 35 gezeigt ist, so dass die Multiplikation von exp (j Φ₀) des rechten Ausdrucks von Gleichung (4) weggelassen werden kann. Es sei angemerkt, dass die Phase Φ einen Wert annimmt, bei dem Φ₀ der Gleichung (7) den beiden Werten hinzugefügt ist, welche voneinander um π verschieden sind, entsprechend dem Satelliten-PN-Code der Daten d(n) in Gleichung (3).
In 7 ist ein Aufbaudiagramm gezeigt, bei dem der Betrieb des Beispiels 1 der Synchronisationserwerbsverarbeitung im DSP 23 auf das Blockdiagramm, welches in 3 gezeigt ist, bezogen ist. Die Ausgangssignale der Komponentenblöcke dieses Aufbaus, die oben erwähnten Signalausgangssignale r(n) und c(n) und die Berechnungsergebnisse R(k), C(k) und f(n) sind gezeigt.
Wie oben beschrieben und gemäß dem Beispiel 1 der Synchronisationserwerbsverarbeitung des DSP 23 wird bei der Konfigurierung eines digitalen angepassten Filters auf Basis von FFT im GPS-Empfänger das FFT-Ergebnis des Empfangssignals mit dem Nachbildungs-PN-Code multipliziert, wobei die Adressen des Speichers um die Trägerfrequenz verschoben werden, wie in 7 gezeigt ist, um den Korrelationspunkt np in der Schwingungsform zu bekommen, welche beispielsweise in 7 gezeigt ist, so dass, wenn der Korrelationspunkt np für vier GPS-Satelliten gefunden wird, nämlich vier Arten an Nachbildungs-PN-Codes c(n), die Berechnung der GPS-Empfängerposition ermöglicht wird.
Gemäß dem Beispiel 1 wird bei der Ausführung der auf FFT-basierenden digitalen Anpassungsfilter-Verarbeitung keine Multiplikation im Zeitbereich ausgeführt, um Synchronisation zwischen den Träger des Empfangssignals und dem Nachbildungs-PN-Code zu erwerben, jedoch wird bei der Multiplikation zwischen dem FFT-Ergebnis des Empfangssignals und dem FFT-Ergebnis des Nachbildungs-PN-Codes im Frequenzbereich ein einfaches Verfahren verwendet, bei dem eines von dem FFT-Ergebnis des Empfangssignals und dem FFT-Ergebnis des Nachbildungs-PN-Codes verschoben wird, wodurch die Trägerkomponente des Empfangssignals beseitigt wird.
In dem in 7 gezeigten Beispiel wird die Speicherleseadresse des FFT-Ergebnisses R(k) des Empfangssignals verschoben; es ist auch praktikabel, die Speicherleseadresse des FFT-Ergebnisses C(k) des Nachbildungs-PN-Codes in der Richtung umgekehrt zur Verschieberichtung des FFT-Ergebnisses R(k) des Empfangssignals zu verschieben (nämlich in der Aufwärtsumsetzung im Multiplizierer).
Bei dem oben erläuterten Beispiel 1 sind der PN-Code-Erzeugungsabschnitt 104 und der FFT-Verarbeitungsabschnitt 105 separat angeordnet. Es ist auch praktikabel, die FFT-Berechnung des Nachbildungs-PN-Codes c(n) bei Empfang eines Satellitensignals wegzulassen, indem die FFT-verarbeiteten Nachbildungs-PN-Codes gespeichert werden, welche den GPS-Satelliten im Speicher entsprechen.
Beispiel 2 des Synchronisationserwerbs durch das digitale angepasste Filter
Das oben erwähnte Beispiel 1 des Synchronisationserwerbs wird angewandt, wenn die Trägerfrequenz des Signals, welches vom GPS-Satelliten empfangen wird, korrekt angegeben wird. Im Beispiel 2 ist jedoch die Trägerfrequenz nicht bekannt. Wie beim Beispiel 1 beträgt die Abtastfrequenz in der Abtastschaltung 21 gleich 4,096 MHz, und die Speichergröße des RAM 22 ist äquivalent einer Millisekunde der Daten von der Abtastschaltung 21 im Beispiel 2.
In 8 ist ein Blockdiagramm gezeigt, welches ein Aufbaubeispiel des DSP 23 als Beispiel 2 zeigt. Gemäß 8 sind Komponenten, die ähnlich denjenigen sind, die oben mit Hilfe von 3 beschrieben wurden, welche den DSP 23 zeigen, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Im Beispiel 2 des Synchronisationserwerbs wird das Korrelationsermittlungs-Ausgangssignal des Korrelationspunkt-Ermittlungsabschnitts 108 zum Leseadress-Steuerabschnitt 110 geliefert. Der Leseadress-Steuerabschnitt 110 steuert änderbar die oben erwähnte Verschiebung der Leseadresse des FFT-Ergebnisses des Empfangssignals r(n) vom Speicher 102 auf Basis des Korrelationsermittlungs-Ausgangssignals des Korrelationspunkt-Ermittlungsabschnitts 108 und rund um die Vorhersageadresse entsprechend der Information (oder der Anfangswert) der IF-Trägerfrequenz, unter Verwendung des IF-Trägerfehlers berechnet wurde, der im nichtflüchtigen Speicher 46 des Frequenzumsetzungsabschnitts 10 gespeichert wurde, wodurch man den Spitzenwert, wie in 4 gezeigt ist, im Korrelationspunkt-Ermittlungsabschnitt 108 bekommt. Wenn der Spitzenwert, der in 4 gezeigt ist, in der Korrelationspunkt-Ermittlungsschaltung 108 erlangt wurde, stoppt der Leseadress-Steuerabschnitt 110 die Leseadress-Verschiebeschaltung bei dem Verschiebepegel in diesem Augenblick.
Wenn das Synchronisationshalten in Bezug auf das Empfangssignal sogar von einem GPS-Satelliten in der Einschaltesequenz beispielsweise nicht ausgeführt wird, verwendet der Steuerabschnitt 40 als den Anfangswert, der zum Lesadress-Steuerabschnitt 110 zu liefern ist, die IF-Trägerfrequenz, die ungefähr von dem früheren IF-Trägerfehler Δf_IF erlangt wurde, der im nichtflüchtigen Speicher 46 des GPS-Empfängers gespeichert wurde, und der Doppler- Verschiebung fD, welche auf Basis der Orbitinformation und der GPS-Empfängerposition erlangt wird, welche im nichtflüchtigen Speicher 46 im Zeitpunkt der letzten Ausschaltesequenz gespeichert wurde.
Wenn das Synchronisationshalten in Bezug auf die Empfangssignale von allen vier GPS-Satelliten nicht ausgeführt wurde, sondern das Synchronisationshalten in Bezug auf das Empfangssignal von zumindest einem GPS-Satelliten ausgeführt wurde und daher die Zwischenträgerfrequenz dieses Empfangssignals bekannt ist und die Orbitinformation des GPS-Satelliten im Synchronisationshaltezustand im Speicherabschnitt gespeichert ist und die aktuelle Position und Zeit des Satelliten bekannt sind, erlangt der Steuerabschnitt 40 die IF-Trägerfrequenz von der Doppler-Verschiebung fD, die ungefähr erlangt wurde, wie oben beschrieben, und dem IF-Trägerfrequenzfehler Δf_IF, der erlangt wird, wie später beschrieben wird. Der Steuerabschnitt 40 verwendet die somit erlangte IF-Trägerfrequenz als Anfangswert der IF-Trägerfrequenz, der zum Leseadress-Steuerabschnitt 110 geliefert wird.
Wenn anschließend der Steuerabschnitt 40 zum Synchronisationshalten fertig wird, welches in Bezug auf alle vier GPS-Satelliten stabil auszuführen ist, und die GPS-Empfänger-Geschwindigkeitsberechnung ausgeführt wurde, um einen korrekten IF-Trägerfehler Δf_IF zu erlangen, verwendet der Steuerabschnitt 40 diesen korrekten IF-Trägerfehler Δf_IF als Anfangswert der IF-Trägerfrequenz, welcher zum Leseadress-Steuerabschnitt 110 zu liefern ist.
Es sollte angemerkt sein, dass – für den IF-Trägerfehler Δf_IF im nichtflüchtigen Speicher 46 – der Wert des IF-Trägerfehlers Δf_IF, der in diesem Zeitpunkt verwendet wird, gespeichert wird. Daher wird eine Einschaltesequenz wiederum nach der Ausschaltesequenz ausgeführt, der IF-Trägerfrequenzfehler Δf_IF, der sofort vor der Spannungsausschaltesequenz gespeichert wurde, wird im nichtflüchtigen Speicher 46 gespeichert.
Berechnung des IF-Trägerfehlers zum Bestimmen des Anfangswerts der IF-Trägerfrequenz
Beispielsweise beginnt beim Synchronisationserwerb eines GPS-Satellitensignals mit Beginn von einer Einschaltesequenz die vorliegende Ausführungsform einen Synchronisationserwerbsbetrieb unter Verwendung – als Anfangswert – der IF-Trägerfrequenz, welche ungefähr den IF-Trägerfehler Δf_IF erlangte, unmittelbar vor der Ausschaltesequenz, welche im nichtflüchtigen Speicher 46 gespeichert wurde, und der Doppler-Verschiebung, welche durch Berechnung erlangt wird, wodurch das Synchronisationshalten des Signals, welches von zumindest einem GPS-Satelliten empfangen wird, ausgeführt wird.
Bei den bekannten Verfahren wird der IF-Trägerfehler Δf_IF, der im nichtflüchtigen Speicher 46 unmittelbar vor der letzten Spannungsausschaltesequenz gespeichert wurde, nicht aktualisiert, bis das Synchronisationshalten in Bezug auf die Signale, welche von vier oder mehreren Satelliten empfangen werden, ausgeführt wird, und die GPS-Empfänger-Geschwindigkeitsberechnung ausgeführt wurde, um den IF-Trägerfehler Δf_IF zu berechnen.
Im Gegensatz dazu wird bei der vorliegenden Ausführungsform der IF-Trägerfeh ler Δf_IF aktualisiert, wie oben beschrieben, wenn das Synchronisationshalten in Bezug auf das Signal ausgeführt wurde, welches von zumindest einem GPS-Satelliten empfangen wurde, und auf Basis der Information, welche von dieser Synchronisationshalteverarbeitung erlangt wurde.
Es gibt eine Beziehung, wie in der Gleichung (9) gezeigt ist, welche in 36 gezeigt ist, unter dreidimensionalen Koordinaten x₀ des GPS-Satelliten, der dreidimensionalen Geschwindigkeit v₀, den dreidimensionale Koordinaten p des GPS-Satelliten, der dreidimensionalen Geschwindigkeit v des GPS-Satelliten, der Doppler-Verschiebung fD des GPS-Satelliten, der Trägerfrequenz f_RF (= 1575,42 MHz) und der Lichtgeschwindigkeit c im Vakuum. Es sollte angemerkt sein, dass in Gleichung (9) a·b ein Innenprodukt zwischen einem Vektor a und einem Vektor b bezeichnet.
Hier sind die Orbitinformation des GPS-Satelliten und die ungefähre Position und aktuelle Zeit des GPS-Empfängers aus der Information bekannt, welche im nichtflüchtigen Speicher 46 gespeichert ist, und die dreidimensionale Position p und die dreidimensionale Geschwindigkeit v des GPS-Satelliten werden aus der Orbitinformation dieses GPS-Satelliten und der Zeit des internen Takts des GPS-Empfängers erlangt. Wenn daher die dreidimensionale Geschwindigkeit v₀ gleich 0 ist, kann die Gleichung (9) in die Gleichung (10) umgeformt werden, welche in 36 gezeigt ist. Die Doppler-Verschiebung fD des GPS-Satelliten kann nämlich ungefähr aus der oben erwähnten Vorbedingung erlangt werden.
Wenn danach der Synchronisationserwerb in Bezug auf das Signal ausgeführt wurde, welches von zumindest einem GPS-Satelliten empfangen wurde, in der gleichen Weise wie beim oben beschriebenen Stand der Technik und dieses Empfangssignal in den Synchronisationshaltezustand versetzt wird, kann die IF-Trägerfrequenz des Signals, welche von diesem GPS-Satelliten empfangen wird, erlangt werden. Wenn in diesem Augenblick die Satellitennummer des GPS-Satelliten im Synchronisationshaltezustand gleich i ist und die IF-Trägerfrequenz, welche vom Synchronisationshalteabschnitt erlangt wird, gleich f_IFi ist, kann dann aus der Gleichung a, welche am Anfang beschrieben wurde, und der Gleichung (c) die oben beschrieben wurde, der IF-Trägerfehler Δf_IFi ausgedruckt werden, wie in der Gleichung (11) von 36 gezeigt ist.
Die Gleichung (11) zeigt, dass der IF-Träger Δf_IF ungefähr erhalten werden kann, indem die Information (IF-Trägerfrequenz) über den GPS-Satelliten verwendet wird, der schon in den Synchronisationshaltezustand versetzt wurde, und der Satellitenposition und der Satellitengeschwindigkeit, welche aus der Orbitinformation dieses GPS-Satelliten berechnet werden.
Es sei angemerkt, dass der IF-Trägerfehler Δf_IF, der somit ungefähr berechnet wurde, eine bessere Genauigkeit hat, welche für die aktuelle Umgebung geeignet ist, als der frühere IF-Trägerfehler Δf_IF unmittelbar vor der letzten Spannungsabschaltesequenz. Dieser ungefähr erlangte IF-Trägerfehler Δf_IF wird für die IF-Trägerfrequenz für den Synchronisationserwerb des Signals verwendet, welches vom nächsten GPS-Satelliten empfangen wird, bis der korrekte IF-Trägerfehler Δf_IF gemeinsam mit der Empfangsgeschwindigkeit mit den Signalen erlangt wird, welche von den vier GPS-Satelliten empfangen werden, welche in den Synchronisationshaltezustand versetzt sind.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird nämlich die IF-Trägerfrequenz ungefähr aus der oben erwähnten Gleichung a auf der Basis des IF-Trägerfehlers Δf_IF erlangt, der ungefähr erlangt wurde, wie oben beschrieben, und der Doppler-Verschiebung fD, die ungefähr wie oben beschrieben erlangt wurde. Diese ungefähr berechnete IF-Trägerfrequenz wird als Anfangswert der IF-Trägerfrequenz verwendet, welche zum Leseadress-Steuerabschnitt 110 geliefert wird, wenn der Synchronisationserwerb des Signals, welches von einem anderen GPS-Satelliten empfangen wird, ausgeführt wird.
In 9 ist ein Diagramm gezeigt, welches den Unterschied zwischen dem Synchronisationserwerbsverfahren gemäß der vorliegenden Ausführungsform und dem bekannten Verfahren zeigt, welches im Zeitpunkt der Spannungseinschaltesequenz ausgeführt wird. Beim bekannten Verfahren wird nämlich der IF-Trägerfehler Δf_IF (M) unmittelbar vor der letzten Spannungsausschaltesequenz, welche in einem nichtflüchtigen Speicher gespeichert ist, gehalten und verwendet, bis die Signale von den vier GPS-Satelliten in den Synchronisationshaltezustand versetzt wurden und der korrekte IF-Trägerfehler Δf_IF (A) zusammen mit der Empfangsgeschwindigkeit erlangt wurde. Daher beeinträchtigt die Frequenzdifferenz die TTFF von der Spannungseinschaltesequenz zum Synchronisationserwerb zur ersten Positionierung, wodurch diese TTFF verzögert wird.
Im Gegensatz dazu werden gemäß der vorliegenden Ausführungsform, wenn der Synchronisationserwerb in Bezug auf das Signal von zumindest einem GPS-Satelliten ausge führt wird, um diesen Satelliten in den Synchronisationshaltezustand zu versetzen, die IF-Trägerfehler Δf_IF (A1), Δf_IF (A2), Δf_IF (A3) usw., die wie oben beschrieben ungefähr berechnet wurden, verwendet, um Synchronisationshalten auszuführen, wodurch die TTFF von der Spannungseinschaltesequenz zur Positionierung abgekürzt wird.
Wenn dagegen der Synchronisationserwerb wie oben beschrieben ausgeführt wurde, werden mehrere IF-Trägerfehler Δf_IF in der Zeit, wo das Signal von den vier GPS-Satelliten empfangen wird, in den Synchronisationshaltezustand versetzt. Wenn man in diesem Fall den GPS-Satellit, von dem der IF-Trägerfehler Δf_IF erlangt wird, als " berechenbaren IF-Trägerfehler des Satelliten" bezeichnet, kann ein GPS-Satelliten zu diesem "berechenbaren IF-Trägerfehler des Satelliten" werden, wenn die folgenden beiden Bedingungen erfüllt werden:

(1) Der GPS-Satellit ist im Synchronisationshaltezustand und dessen IF-Trägerfrequenz kann vom Synchronisationshalteabschnitt erlangt werden (die Satellitennummer soll i sein).
(2) Es gibt die Orbitinformation des GPS-Satelliten i und die GPS-Satellitenposition und die Geschwindigkeit können aus der aktuellen Zeit erlangt werden.

Wenn es zwei oder mehrere "berechenbare IF-Trägerfehler des Satelliten" gibt, und daher es mehrere Δf_IF gibt, kann der neu erlangte IF-Trägerfehler Δf_IF verwendet werden, jedes Mal, wenn dieser erlangt wird; es ist jedoch bessere Praxis, die folgende Berechnung unter Verwendung dieser beiden oder mehreren IF-Trägerfehler Δf_IF auszuführen und den resultierenden IF-Trägerfehler Δf_IF zu verwenden:

(1) Erlangen eines Durchschnittswerts von mehreren IF-Trägerfehlern Δf_IF und Verwendung des resultierenden Durchschnittswerts als IF-Trägerfehler Δf_IF, um die IF-Trägerfrequenz zu erlangen.
(2) Unter der Annahme, dass, um so höher der Signalpegel im Synchronisationshalteabschnitt beim GPS-Satellit ist, um so besser die Genauigkeit von dessen IF-Träger ist, wird der IF-Trägerfehler Δf_IF, der von dem Signal von dem GPS-Satelliten erlangt wird, der den höchsten Signalpegel unter den mehreren IF-Trägerfehlern Δf_IF hat, als IF-Trägerfehler Δf_IF verwendet, um die IF-Trägerfrequenz Δf_IF zu erlangen.
(3) Unter der Annahme, dass, um so höher der Signalpegel im Synchronisationshalteabschnitt beim GPS-Satellit ist, um so besser die Genauigkeit von dessen IF-Träger ist, wird ein Durchschnittswert der IF-Trägerfehler Δf_IF von den Signalen von den GPS-Satelliten erlangt, welche einen höheren Signalpegel als einen vorher festgelegten Schwellenwert haben, und dieser Durchschnittswert wird als IF-Trägerfehler Δf_IF verwendet, um die IF-Trägerfrequenz zu erlangen.

Bei der oben erwähnten ungefähren Berechnung des IF-Trägerfehlers Δf_IF werden ungefähre Werte, bei denen die Geschwindigkeit des Empfängers als beispielsweise 0 angenommen wird, verwendet. Die Verwendung dieser Annäherung bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung erzeugt sogar bessere Ergebnisse als bei dem bekannten Verfahren, wie anschließend beschrieben wird.
Wenn nämlich die Gleichung (11), welche in 36 gezeigt ist, geometrisch betrachtet wird, wird der Trägerfrequenzfehler dadurch erhalten, dass ein Innenprodukt zwischen einem Einheitsvektor in der gleichen Richtung wie der Augen-Blickrichtungs-Vektor von der GPS-Empfängerposition Xs zur GPS-Satellitenposition Ps und der Satellitengeschwindigkeitsvektor v mit der Konstanten f_RF/c multipliziert wird.
Der Winkel, der durch diese beiden Vektoren E und v gebildet wird, soll θ sein, und die Doppler-Verschiebung fD ist so, wie in der Gleichung (12) gezeigt ist, was zeigt, dass die Empfängerposition lediglich cosθ beeinträchtigt.
Wenn man betrachtet, dass die Empfängerposition in der Nähe der Grundfläche ist, beträgt der Abstand vom Empfänger zum GPS-Satelliten ungefähr 20000 km, so dass, wenn es eine Abweichung von mehreren km (beispielsweise 10 km) bezüglich der Empfängerposition gibt, der Winkel Φ des Augen-Blickwinkel-Richtungsvektors vom Empfänger zum Satelliten, der sich entsprechend ändert, beträgt:
tanΦ ≈ 10/2000
nämlich, Φ ≈ 0,00005 [rad] ≈ ungefahr 0,3 Grad.
Wenn dieser Winkel unmittelbar θ beeinträchtigt, nämlich, wenn θ' = θ±_Φ, wird die Gleichung (13) von 36 erhalten.
Hier werden aus 0 Annäherung cosΦ ≈ 1, sinΦ ≈ 0 erlangt. Folglich ist eine Differenz zwischen der Doppler-Verschiebung fD', wobei die GPS-Empfängerposition um ungefähr 10 km abweicht, und der ursprünglichen Doppler-Verschiebung so, wie in Gleichung (14) von 36 gezeigt ist, bei einem Maximum, d.h., ungefähr 10 Hz.
Bei der obigen Gleichung (14) wird angenommen, dass die absolute GPS-Satellitengeschwindigkeit |v| 4000 m/s maximal ist. Da nämlich die Empfängergeschwindigkeit 0 ist, da diese nicht bekannt ist, wenn der Fehler bei der Empfängerposition ungefähr 10 km ist, kann die Doppler-Verschiebung mit einem Fehler von ungefähr 1 Hz maximal im Vergleich zu dem Fall erlangt werden, wo die korrekte Empfängerposition angegeben wird.
Dieser Fehler wird unmittelbar auf den IF-Trägerfehler reflektiert. Dagegen kann, wie oben beschrieben, unmittelbar nach der Spannungseinschaltesequenz des Empfängers der IF-Trägerfehlerwert, der im Speicherbereich im Empfänger gehalten wird, um ungefähr 10 Hz auf mehrere 100 Hz verschoben werden, bis der IF-Trägerfehlerwert aktualisiert ist, aufgrund der Berechnung der Empfängergeschwindigkeit nach der Spannungseinschaltesequenz, sogar, wenn die Spannungsausschalteperiode mehrere Sekunden bis mehrere 10 Sekunden kurz ist.
Daher ist es praktikabel, den niedrigeren IF-Trägerfehler Δf_IF zu schätzen, wobei der IF-Trägerfehler Δf_IF durch die vorliegende Ausführungsform berechnet wird, bevorzugt als den IF-Trägerfehler Δf_IF nach dem Stand der Technik, der im Speicher im Zeitpunkt des Spannungsabschaltens gespeichert wurde.
11 und 12 sind Flussdiagramme, welche die Verarbeitung zum Aktualisieren des IF-Trägerfehlers Δf_IF zeigen, um den Anfangswert der IF-Trägerfrequenz zu bestimmen, welcher zum Leseadress-Steuerabschnitt 110 zu liefern ist.
Zunächst bestimmt die CPU 41 des Steuerabschnitts 10, ob die Empfangssignale von vier oder mehreren GPS-Satelliten im Synchronhaltezustand sind, ob die Geschwindigkeit dieses Empfängers berechnet wurde, und ob in diesem Zeitpunkt der IF-Trägerfehler Δf_IF erlangt wurde, wodurch der IF-Trägerfehler Δf_IF im nichtflüchtigen Speicher 46 aktualisiert wird, um den korrekten Wert augenblicksweise zu aktualisieren (Schritt S1).
Wenn herausgefunden wird, dass der IF-Trägerfehler Δf_IF auf den korrekten Wert augenblicksweise aktualisiert wurde, fährt die CPU 41 mit dem Aktualisieren dieses IF-Trägerfehlers Δf_IF fort, indem der Schritt S1 wiederholt wird.
Wenn dagegen herausgefunden wird, dass der IF-Trägerfehler Δf_IF nicht auf den korrekten Wert augenblicksweise im Zeitpunkt der Spannungseinschaltesequenz beispielsweise aktualisiert wurde, setzt die CPU 41 die Satellitennummer i, die synchron zu erwerben ist, auf den Anfangswert (i = 1) (Schritt S2) und bestimmt, ob das Signal, welches vom GPS-Satelliten dieser Satellitennummer i empfangen wird, im Synchronhaltezustand ist oder nicht (Schritt S3).
Wenn das Signal von dem GPS-Satelliten dieser Satellitennummer i nicht im Synchronisationshaltezustand im Schritt S3 gefunden wird, inkrementiert die CPU 41 die Satellitennummer i (Schritt S8) und bestimmt, ob der Verarbeitungsbetrieb vom Schritt S3 usw. in Bezug auf alle GPS-Satelliten ausgeführt wurde, nämlich 32 GPS-Satelliten (Schritt S9). Wenn es irgendwelche GPS-Satelliten gibt, die nicht verarbeitet zurückgelassen sind, kehrt die CPU 41 zurück zum Schritt S3, um den Verarbeitungsbetrieb davon aus zu wiederholen.
Wenn herausgefunden wird, dass das Signal, welches vom GPS-Satelliten empfangen wird, diese Satellitennummer i hat, welche im Synchronhaltezustand ist, bestimmt die CPU 41, ob die Orbitinformation des GPS-Satelliten, der diese Satellitennummer i hat, im nichtflüchtigen Speicher 46 gespeichert ist, und der Zustand, ob die dreidimensionale Position x₀ und die aktuelle Zeit des GPS-Empfängers verfügbar sind oder nicht, erfüllt ist (Schritt S4).
Wenn herausgefunden wird, dass die oben erwähnte Bedingung nicht im Schritt S4 erfüllt ist, läuft die CPU 41 weiter zum Schritt S8, um die Satellitennummer i zu inkrementieren.
Wenn im Schritt S4 herausgefunden wird, dass die oben erwähnte Bedingung erfüllt ist, werden der Positionsvektor pi und der Geschwindigkeitsvektor vi des GPS-Satelliten, der diese Satellitennummer i hat, aus der Orbitinformation und der aktuellen Zeit des GPS-Satelliten erlangt, der die Satellitennummer i hat (Schritt S5).
Danach wird die Doppler-Verschiebung fDi des GPS-Satelliten, der diese Satellitennummer i hat, aus der Gleichung (1) erlangt, welche in 36 gezeigt ist (Schritt S6). Dann wird unter Verwendung der erlangten Doppler-Verschiebung fDi der IF-Trägerfehler Δf_IFi aus der Gleichung (11) berechnet, welche in 36 gezeigt ist, und der erlangte IF-Trägerfehler wird im Pufferspeicher gespeichert (Schritt S7).
Danach läuft die CPU 41 zum Schritt S8, um die Satellitennummer i zu inkrementieren. Im Schritt S9 bestimmt die CPU 41, ob der Verarbeitungsbetrieb des Schritts S3 usw. in Bezug auf alle GPS-Satelliten ausgeführt wurde. Wenn es irgendwelche nicht verarbeitete GPS-Satelliten gibt, kehrt die CPU 41 zurück zum Schritt S3, um davon aus die oben erwähnten Verarbeitungsbetrieb zu wiederholen.
Wenn herausgefunden wird, dass der oben erwähnte Verarbeitungsbetrieb des Schritt S3 usw. in Bezug auf alle GPS-Satelliten ausgeführt wurde, bestimmt die CPU 41, ob der IF-Trägerfehler Δf_IFi für einen oder mehreren GPS-Satelliten berechnet wurde (Schritt S11, der in 12 gezeigt ist).
Wenn herausgefunden wird, dass der IF-Trägerfehler Δf_IFi nicht für einen oder mehrere Satelliten im Schritt S11 berechnet wurde, beendet die CPU 41 diese Verarbeitungsroutine, wobei mit der Verarbeitung vom Schritt S1, der in 11 gezeigt ist, wiederum begonnen wird. Dieses Mal wird bei dem Synchronisationserwerb des Signals vom GPS-Satelliten der IF-Trägerfehler, der im nichtflüchtigen Speicher 46 unmittelbar vor der Spannungsausschaltesequenz gespeichert wurde, verwendet, wodurch der Anfangswert der IF-Trägerfrequenz eingestellt wird.
Wenn herausgefunden wird, dass der IF-Trägerfehler Af_IFi für einen oder mehrere Satelliten im Schritt 511 berechnet wurde, mittelt die CPU 41 den gesamten erlangten IF-Trägerfehler Δf_IFi in diesem Fall (Schritt S12). Danach aktualisiert die CPU 41 den erlangten Durchschnittswert Δf₀, um diesen als IF-Trägerfehler Δf_IF zu verwenden, um den Anfangswert der IF-Trägerfrequenz zu setzen (Schritt S13). Die CPU 41 beendet diese Verarbeitungsroutine, wobei der oben erwähnte Verarbeitungsbetrieb vom Schritt S1, der in 11 gezeigt ist, begonnen wird.
Damit wird die Synchronisationshalteverarbeitung in Bezug auf die Empfangssignale von vier GPS-Satelliten ausgeführt, die Geschwindigkeit des GPS-Empfängers wird berechnet, und sogar während einer Periode, bis der korrekte IF-Trägerfehler erlangt wird, wird der Verarbeitungsbetrieb des Schritt S3 bis S13 ausgeführt, wodurch die ungefähren Werte des IF-Trägerfehlers Δf_IF sequentiell aktualisiert werden, wobei die aktualisierten Werte zum Synchronisationserwerb verwendet werden. Diese neue Konfiguration kann den TTFF von der Spannungseinschaltesequenz bis zum Start der Positionierung abkürzen.
Synchronisationserwerbsverarbeitung
Nachfolgend wird ein Fluss der Verarbeitung, welche im Synchronisationserwerbsabschnitt 20 im Beispiel 2 des Synchronisationserwerbs ausgeführt wird, mit Hilfe von 13 und dem in 14 gezeigten Flussdiagramm beschrieben. Es sei angemerkt, dass 13 und das Flussdiagramm von 14 hauptsächlich der Software-Verarbeitung entsprechen, welche im DSP 23 ausgeführt wird.
Zunächst werden die IF-Daten vom Frequenzumsetzerabschnitt 10 durch die Abtastschaltung 21 abgetastet, die im RAM 22 als Signal r(n) gespeichert werden (Schritt S21). Danach wird die FFT in Bezug auf das Signal r(n) durch den FFT-Verarbeitungsabschnitt 101 ausgeführt, und das Ergebnis R(k) der FFT wird im Speicher 102 gespeichert (Schritt S22). Danach wird das FFT-Ergebnis C(k) des Nachbildungs-PN-Codes entsprechend dem GPS-Satelliten, von welchem das Signal empfangen wurde, im Speicher 106 gesetzt (Schritt S23).
Danach wird der Anfangswert k₀' einer Verschiebung der Leseadresse des FFT-Ergebnisses R(k) des Empfangssignals r(n) im Speicher 102 bestimmt (Schritt S24). Die Verschiebung der Leseadresse entspricht nämlich der IF-Trägerfrequenz wie oben beschrieben. Der Anfangswert der IF-Trägerfrequenz, welcher unter Verwendung des IF-Trägerfehlers und der Doppler-Verschiebung fD berechnet wurden, welche berechnet und wie oben beschrieben bestimmt wurden, wird im Steuerabschnitt 40 erlangt. Der erlangte Anfangswert wird zum DSP 23 geliefert. Der DSP 23 bestimmt den Anfangswert k₀' der Verschiebung der Leseadresse auf Basis der gelieferten IF-Trägerfrequenz.
Wie oben beschrieben wird, wenn es kein Signal vom GPS-Satelliten gibt, der im Synchronhaltezustand gehalten wird, im GPS-Empfänger unmittelbar nach dessen Spannungseinschaitesequenz der IF-Trägerfehler, welcher in der letzten Spannungsausschaltesequenz gespeichert wurde, verwendet, um den Anfangswert der IF-Trägerfrequenz zu berechnen. Auf Basis des berechneten Anfangswerts der IF-Trägerfrequenz wird der Anfangswert k₀' der Verschiebung der Leseadresse bestimmt.
Wenn die Signale von einem oder mehreren GPS-Satelliten in den Synchronisationshaltezustand versetzt sind, wird der Durchschnittswert Δf₀ der ungefähr berechneten IF-Trägerfrequenz verwendet, um den Anfangswert der IF-Trägerfrequenz zu berechnen. Aus der berechneten IF-Trägerfrequenz wird der Anfangswert k₀' des Verschiebebetrags der Leseadresse bestimmt.
Wenn die Signale, welche von vier oder mehreren GPS-Satelliten in den Synchronisationshaltezustand versetzt wurden und der korrekte IF-Trägerfehler gemeinsam mit der Berechnung der Geschwindigkeit des GPS-Empfängers erlangt werden kann, wird außerdem dieser korrigierte IF-Trägerfehler verwendet, um den Anfangswert der IF-Trägerfrequenz zu berechnen, und, auf Basis der berechneten IF-Trägerfrequenz wird der Anfangswert k₀' des Verschiebebetrags der Leseadresse bestimmt.
Danach wird der Anfangswert k₀', der wie oben bestimmt wurde, als Verschiebebetrag k' der Leseadresse des FFT-Ergebnisses vom Speicher 102 gesetzt, und der Änderungszählwert t der Verschiebesteuerung wird auf den Anfangswert t = 0 gesetzt (Schritt S25).
Danach wird das FFT-Ergebnis R(k) des Empfangssignals r(n) vom Speicher 102 gelesen, wobei die Leseadresse um k' verschoben wird (Schritt S26). Danach wird eine komplexe Konjugation zwischen dem gelesenen FFT-Ergebnis R(k – k') mit der komplexen Konjugation des FFT-Ergbnisses C(k) des Nachbildungs-PN-Codes multipliziert, um die Korrelationsfunktion F'(k) zu erlangen (Schritt S27).
Die inverse FFT in Bezug auf diese Korrelationsfunktion F'(k) ausgeführt, um die Funktion f(n) im Zeitbereich zu erlangen (Schritt S28). Danach wird der Spitzenwert f(np) für diesen Spitzenwert f(n) (Schritt S29) erlangt, um zu bestimmen, ob der erlangte Spitzenwert f(np) größer ist als der vorher festgesetzte Schwellenwert fth Schritt S31, der in 14 gezeigt ist).
Wenn herausgefunden wird, dass der Spitzenwert f(np) kleiner ist als der vorher festgelegte Schwellenwert fth im Schritt S31, wird bestimmt, dass kein Korrelationspunkt ermittelt wurde und es wird bestimmt, ob der Änderungszählwert t der Verschiebesteuerung kleiner ist als der vorher festgelegte Maximalwert t_max (Schritt S36). Dieser Maximalwert t_max ist äquivalent 1 kHz bei Umsetzung in die Frequenz.
Wenn herausgefunden wird, dass der Änderungszählwert t der Verschiebesteuerung kleiner ist als der oben erwähnte vorher festgelegte Maximalwert t_max, wird der Änderungszählwert t der Verschiebesteuerung um 1 inkrementiert (t = t + 1), und der neue Verschiebewert k' wird als k' = k' + (–1)^t × t festgelegt (Schritt S37), wonach die Prozedur zurückkehrt zum Schritt S26, um davon aus den oben erwähnten Verarbeitungsbetrieb zu wiederholen.
Wenn herausgefunden wird, dass der Änderungszählwert t der Verschiebesteuerung größer ist als der oben erwähnte vorher festgelegte Maximalwert t_max im Schritt S36, wird bestimmt, ob der so bestimmte Zählwert einen vorher festgelegten Zählwert für die Daten überstiegen hat, welche aktuell im RAM 22 gespeichert sind (Schritt S38). Wenn der Zählwert den vorher festgelegten Zählwert nicht übersteigt, kehrt die Prozedur zurück zum Schritt S21, um neue Daten im RAM 22 zu speichern, wodurch davon aus der oben erwähnte Verarbeitungsbetrieb wiederholt wird.
Wenn herausgefunden wird, dass der Zählwert den vorher festgelegten Zählwert im Schritt S38 übersteigt, wird bestimmt, ob die oben erwähnte Spreizcode-Synchronisations-Suchverarbeitung in Bezug auf alle Satelliten, die zu suchen sind, ausgeführt wurde (Schritt S38). Wenn herausgefunden wird, dass die Spreizcode-Synchronisation-Suchverarbeitung in Bezug auf alle Satelliten, die zu suchen sind, ausgeführt wurde, wird der Suchbetrieb beendet (Schritt S39).
Wenn im Schritt S34 noch irgendwelche zu suchende Satelliten verbleiben, wird der Satellit, der anschließend zu suchen ist, ausgewählt, und es wird der Nachbildungs-PN-Code c(n) auf den PN-Code geändert, der durch den ausgewählten Satelliten verwendet wird (Schritt S35). Danach wird zurück im Schritt S23 der oben erwähnte Verarbeitungsbetrieb wiederholt.
Wenn gefunden wird, dass der Spitzenwert f(np) größer ist als der vorher festgelegte Schwellenwert fth im Schritt S31, wird die diskrete Zeit (die Phase des PN-Codes), welcher diesen Spitzenwert f(np) nimmt, als Korrelationspunkt ermittelt (Schritt S32).
Danach wird bestimmt, ob der ermittelte Korrelationspunkt np der vierte Punkt ist oder nicht (Schritt S33). Wenn gefunden wird, dass der ermittelte Korrelationspunkt der vierte Punkt ist, beginnt die Empfängerpositions-Berechnungsverarbeitung, wodurch die Synchronisationshalteverarbeitung im Synchronisationshalteabschnitt 30 ausgeführt wird (Schritt S40).
Danach geht die Prozedur weiter zum Schritt S34. Die Verarbeitung des Schritts S40 kann in Bezug auf den vierten Punkt oder danach ausgeführt werden.
Es sollte darauf hingewiesen werden, dass die Höhe der Doppler-Verschiebung des GPS-Satelliten, der empfangen wird, und der Oszillatorfrequenzfehler des GPS-Empfängers von der Leseadress-Verschiebehöhe k' im Zeitpunkt des Korrelationspunkts np geschätzt werden kann, der im Schritt S32 ermittelt wird. Die Trägerfrequenz des Empfangssignals kann nämlich ermittelt werden.
Wenn herausgefunden wird, dass der ermittelte Korrelationspunkt np nicht der vierte Punkt im Schritt S33 ist, wird bestimmt, ob die oben erwähnte Spreizcode-Synchronisations-Suchverarbeitung in Bezug auf alle GPS-Satelliten, die zu suchen sind, durchgeführt wurde oder nicht (Schritt S34). Wenn gefunden wird, dass diese Verarbeitung in Bezug auf alle Satelliten, die zu suchen sind, beendet ist, wird der Suchbetrieb beendet (Schritt S39).
Wenn noch irgendwelche Satelliten verbleiben, für die die Spreizcode-Synchronisations-Suchverarbeitung im Schritt S34 nicht beendet wurde, wird der Satellit, der anschließend zu suchen ist, ausgewählt, und der Nachbildungs-PN-Code c(n) wird auf den PN-Code geändert, der durch den ausgewählten Satelliten zu verwenden ist (Schritt S35). Danach kehrt die Prozedur zurück zum Schritt S23, um davon aus den oben erwähnten Verarbeitungsbetrieb zu wiederholen.
In 15 ist ein Konfigurationsdiagramm gezeigt, welches die oben erwähnte Verarbeitung des Beispiels 2 des Synchronisationserwerbs zeigt, wie dieser auf das Blockdiagramm reflektiert ist, welches den Innenaufbau des DSP 23 zeigt, der in 8 gezeigt ist. Für die Ausgangssignale der Komponentenblöcke, welche in 15 gezeigt sind, sind die oben erwähnten Signalausgänge und die Berechnungsergebnisse gezeigt.
Wie oben beschrieben können gemäß dem Beispiel 2 des Synchronisationserwerbs, sogar, wenn die Trägerfrequenz des Signals, welches vom GPS-Satelliten empfangen wird, nicht bekannt ist, die Synchronisationsermittlung des Trägers des Empfangssignals und der Satelliten-PN-Code durch positive Verwendung der Verarbeitung im Frequenzbereich durch FFTT ausgeführt werden, wodurch die Trägerkomponente entfernt wird. Daher kann die vorliegende Ausführungsform die Ermittlung des Korrelationspunkts zwischen dem Satelliten-PN-Code des GPS-Empfangssignals und dem Nachbildungs-PN-Code über das digitale angepasste Filter auf FFT-Basis mit hoher Geschwindigkeit und mit einem einfachen Aufbau realisieren. Außerdem kann die IF-Trägerfrequenz von der Leseadress-Verschiebung im Speicher 102 ermittelt werden.
Es sei angemerkt, dass auch in dem Fall des Beispiels 2 die FFT-Berechnung des Nachbildungs-PN-Codes c(n) im Zeitpunkt des Satellitensignalempfangs weggelassen werden kann, indem die FFT-verarbeiteten Nachbildungs-PN-Codes entsprechend den Satelliten im Speicher vorher gespeichert werden.
Beispiel 3 des Synchronisationserwerbs durch das digitale angepasste Filter
Wie oben beschrieben ist bei der Ermittlung des Korrelationspunkts zwischen dem Empfangssignal und dem Nachbildungs-PN-Code über das digitale angepasste Filter die Einheitsdatenlänge, in welcher die Korrelationspunktermittlung durchgeführt wird, normalerweise eine Periodenlänge des PN-Codes.
Bei dem Signal, welches von dem GPS-Satelliten empfangen wird, ist jedoch 1 Bit an Daten äquivalent 20 Perioden des PN-Codes, wie oben beschrieben, und daher hat für diese 20 Perioden der Code das gleiche Bitmuster. Unter Verwendung dieser Eigenschaft im Beispiel 3 des Synchronisationserwerbs ist die Einheitsdatenlänge, in welcher der Korrelationspunkt zwischen dem Empfangssignal und dem Nachbildungs-PN-Code über das digitale angepasste Filter ermittelt wird, das zweifache oder mehr der periodischen Länge des PN-Codes. Die Abtastfrequenz in der Abtastschaltung 21 ist die gleiche wie die, welche bei den oben erwähnten Beispielen verwendet wird.
Das Empfangssignal wird in Einheiten äquivalent von zwei oder mehreren Perioden des PN-Codes FFT-verarbeitet, so dass im Beispiel 3 die Genauigkeit der Ermittlung der IF-Trägerfrequenz nach oben geht und im gleichen Zeitpunkt die Empfangsempfindlichkeit verbessert wird, wodurch der Synchronisationserwerb des PN-Codes und die Suche nach der IF-Trägerfrequenz im Vergleich zu dem Verfahren erleichtert wird, bei dem die Signale im gleichen Zeitbereich kumulativ addiert werden. Nachfolgend wird das Beispiel 3 des Synchronisationserwerbs beschrieben.
Es gibt ein früheres Beispiel, bei dem der Korrelationspunkt in Bezug auf die Daten einer Periodenlänge ermittelt wird, welche über eine M-Periode (wobei M 2 oder mehr ganzzahlig ist) des PN-Codes im Zeitbereich kumulativ addiert sind (siehe beispielsweise US-PS 4 998 111 oder "An Introduction to Snap Track^TM Server-Aided GPS Technology, ION GPS-98 Proceedings").
Wie in 16 gezeigt ist, werden nämlich bei den oben erwähnten früheren Beispielen die Ergebnisse, welche durch Multiplizieren des Empfangssignals r(n) mit dem Nachbildungs-PN-Code erlangt werden, über die M-Periode kumulativ addiert. Bei diesen bekannten Verfahren wird das C/N durch die Verwendung der Periodizität und des Rauschens des Signals, welches vom GPS-Satelliten empfangen wird, verbessert. Wenn die Synchroni sation zwischen dem Träger des Empfangssignals und dem Satelliten-PN-Code schon erworben wurde, wird das C/N durch ein Vielfaches M verbessert, wodurch die Empfangsempfindlichkeit (die Korrelationspunkt-Ermittlungsempfindlichkeit) durch ein Vielfaches von M verbessert wird. Folglich wird die Ermittlungsgenauigkeit der Trägerfrequenz durch ein Vielfaches von M verbessert.
Wenn es jedoch keine Synchronisation zwischen dem Träger des Empfangssignals und dem Satelliten-PN-Code gibt, werden die M Träger, welche unterschiedliche Phasen haben, additiv kombiniert, so dass das entscheidende GPS-Signal im Ergebnis der kumulativen Addition hervorgehoben wird, wodurch die Ermittlung der Korrelationsspitze nicht ermöglicht wird.
Wenn daher die Trägerfrequenz des Empfangssignals unbekannt ist, ist es daher erforderlich, die Trägerfrequenz zu suchen, was wiederum erfordert, einen nicht effizienten Betrieb zum Ausführen kumulativer Addition für jedes des Frequenzobjekts zur Suche auszuführen.
Im Gegensatz dazu wird im Beispiel 1 und im Beispiel 2, die oben beschrieben sind, ein einfaches Verfahren verwendet, bei dem die Leseadressen der FFT-Ergebnisse im Speicher in den Frequenzbereich wie oben beschrieben verschoben werden, um Synchronisation zwischen dem Träger des Empfangssignals und dem Satelliten-PN-Code zu erlangen, wodurch das meiste der Wirkung der kumulativen Addition gemacht wird.
Wie das Beispiel 2 sucht das Beispiel 3 des Synchronisationserwerbs nach Trägerfrequenzen mit der Trägerfrequenz des Signals, welches vom unbekannten GPS-Satelliten empfangen wird; in diesem Fall wird die FFT in Bezug auf das Empfangssignal r(n) für jede M Periode des PN-Codes ausgeführt. Für jede M Periode des PN-Codes wird die Empfangssignal-Trägerfrequenzsuche durch Steuern der Verschiebung der Leseadressen des Empfangssignals-FFT-Ergebnisse im Speicher ausgeführt.
Bei ≤ 20 werden die Daten d(n) in der Gleichung (3), welche in 35 gezeigt ist, zu einem festen Wert von 1 oder –1 während der M Periode des PN-Codes, so dass diese Daten ignoriert werden können. Dann wird die Gleichung (3) zu t(n) = A·c(n) cos2πnf₀ + n(n). Da die Anzahl der Datenposten gleich M × N ist (wobei N die Anzahl der Datenposten für eine Periode des Spreizcodes ist), beträgt, wenn die diskrete Fourier-Transformation in Bezug darauf mit der Periodenlänge von M ausgeführt wird, die Beziehung zwischen k, welche nach der diskreten Fourier-Transformation erlangt wird, und der realen Frequenz f: f = kfs/MN wenn 0 < k ≤ MN/2 oder f = (k – MN) fs/MN (wobei f < 0), wenn MN/2 < k < MN, wodurch die Auflösung mit M multipliziert wird.
Der PN-Code c(n) ist jedoch ein Frequenzsignal, und, wenn man annimmt, dass eine Periodenlänge gleich T (T = 1 Millisekunde mit dem C/A-Code von GPS) ist, gibt es dann keine Frequenzkomponente, welche die Genauigkeit von nicht mehr als f = 1/T hat. Daher konzentriert sich die Frequenzkomponente des PN-Codes c(n) beim FFT-Ergebnis R(k) (wobei 0 ≤ K < MN) nach der diskreten Fourier-Transformation des Empfangssignals r(n) auf alle M Punkte, nämlich N Punkte bei MN Datenposten, und deren Amplitude ist das M-fache so hoch wie die gleiche Frequenzkomponente in einer Periodenlänge, da M Frequenzkomponenten kumulativ addiert sind. 17 zeigt ein Spektrumsbeispiel mit M = 4, um die Beschreibung abzukürzen.
Im in 17 gezeigten Beispiel erscheinen die Signalspektren bei M = 4, und es gibt keine Signalkomponente dazwischen. Außerhalb von N Punkten ist die Frequenzkomponente des PN-Codes c(n) gleich 0. Dagegen ist das Rauschen n(n) ein nicht periodisches Signal in vielen Fällen, so dass die Energie über alle MN Frequenzkomponenten verteilt ist. Folglich wird in einer Summe von N Frequenzkomponenten des PN-Codes c(n) beim FFT-Ergebnis R(k) des Empfangssignals r(n) das C(N) durch ein Vielfaches von M wie die kumulative Addition im Zeitbereich verbessert.
Wenn die Trägerkomponente cos2πnf₀, welche in Gleichung (3) gezeigt ist, im Empfangssignal r(n) nicht gefunden wird, konzentriert sich die Frequenzkomponente des PN-Codes c(n) im FFT-Ergebnis R(k) auf K = i × M (wobei 0 ≤ i < N). Da jedoch die Trägerkomponente existiert, werden die Leseadressen der FFT-Ergebnisse R(K) im Speicher zyklisch um k₀ von der Trägerfrequenz mit K = i × M) – k₀ für jede Periode des PN-Codes im Beispiel 3 verschoben.
Der Aufbau des DSP 23 im Beispiel 3, welches oben beschrieben wurde, ist allgemein der gleiche wie der des Beispiels 2, welches in 8 gezeigt ist. Im Beispiel 3 ist jedoch die Speicherkapazität des RAM 22 äquivalent der M Periode des PN-Codes, beispielsweise 16 Perioden (16 Millisekunden). Der DSP 23 führt einen Erwerbsverarbeitungsbetrieb auf einer Datenbasis äquivalent der M Periode des PN-Codes aus. 18 zeigt ein Aufbaudiagramm, bei dem der oben erwähnte Erwerbsverarbeitungsbetrieb auf den internen Aufbau des DSP 23 gerichtet ist.
Von dem FFT-Verarbeitungsabschnitt 101 wird das FFT-Ergebnis R(K) mit der FFT-Berechnungseinheit, welche die M Periode des PN-Codes ist, erlangt, um in den Speicher 102 geschrieben zu werden. In 18 ist 0 ≤ k < N, 0 ≤ K < MN.
Anschließend werden die Leseadressen verschiebe-gesteuert, und das FFT-Ergebnis wird vom Speicher 102 gelesen, wo es mit dem Multiplizierabschnitt 103 anschließend multipliziert wird, wobei das FFT-Ergebnis mit der komplexen Konjugation des FFT-Ergebisses C(k) des Nachbildungs-PN-Codes c(n), welches vom Speicher 106 gelesen wird, multipliziert wird.
Im Fall des Beispiels 3 ist die Korrelationsfunktion F(k), welche vom Multiplizierabschnitt 103 erlangt wird, so, wie in Gleichung (8) von 35 gezeigt ist. Es sei angemerkt, dass in der Gleichung (8) k die k in der komplexen Konjugation des FFT-Ergebnisses C(k) des PN-Codes ist, und k₀ die von f₀ = k₀·fs/MN ist.
Zu diesem Zeitpunkt enthält in 13 der Spitzenwert der Korrelationsfunktion f/n), der vom inversen FFT-Verarbeitungsabschnitt 107 erlangt wird, den PN-Code mit R(k), welches die M Periode ist, so dass M Spitzen in einem Bereich von 0 ≤ n < MN auftreten. Da jedoch lediglich ein Korrelationspunkt in einer Periode des PN-Codes ermittelt werden kann, kann die Berechnung durch den inversen FFT-Verarbeitungsabschnitt 107 lediglich innerhalb eines Bereichs von 0 ≤ n < n sein, wie bei den oben erwähnten ersten und zweiten Ausführungsformen, was keine Berechnung von N ≤ n < MN erfordert.
Somit können gemäß dem Beispiel 3 die Korrelationspunkt-Ermittlungsempfindlichkeit und daher die Empfangsempfindlichkeit verbessert werden, wobei die FFT des Empfangssignals r(n) mit M des PN-Codes multipliziert wird. In diesem Fall geht, wenn M ansteigt, die Empfangsempfindlichkeit nach oben. Daher kann das Steuern des Werts M die Empfangsempfindlichkeit steuern.
Es sei angemerkt, dass auch im Beispiel 3 die FFT-Berechnung des Nachbildungs-PN-Codes c(n) im Zeitpunkt des Satellitensignalempfangs weggelassen werden kann, indem die FFT-verarbeiteten Nachbildungs-PN-Codes entsprechend dem Satelliten im Speicher vorher gespeichert sind.
Beispiel 4 des Synchronisationserwerbs durch das digitale angepasste Filter:
Bei der oben erwähnten dritten Ausführungsform wird das Empfangssignal r(n), welches in der M Periode (M > 1) des PN-Codes vorhanden ist, FFT-verarbeitet, um die Suche nach unbekannten Trägerfrequenzen freizugeben und die Empfangsempfindlichkeit zu verbessern. Da jedoch die Anzahl von Datenabtastungen von N im Fall einer Periode des PN-Codes auf ein Vielfaches von M = MN vergrößert wird, wird die FFT-Berechnungszeit lang, und die Speicherkapazität des Speichers 102 wird groß. Das Beispiel 4 des Synchronisationserwerbs ist dazu da, diese Probleme zu verbessern.
Wie in 17 gezeigt ist, existiert die Frequenzkomponente im FFT-Ergebnis R(k) mit der M Periode (M > 1) des PN-Codes, der als FFT-Verarbeitungseinheit verwendet wird, lediglich alle M Komponenten, so dass die Komponente zwischen allen M Frequenzen nicht benötigt wird.
Nun wird das FFT-Ergebnis R(K), (wobei 0 ≤ K < MN), in M Sätze aus R(i × M), R(i × M + 1), R(i × M + 2),.... R(i × M + M – 1) (0 ≤ i < N) unterteilt. Um die Beschreibung abzukürzen sind unterteilte Spektralbeispiele, welche erhalten werden, wenn M = 4 Sätze, in 19 bis 22 gezeigt. Die Trägerfrequenz ist nicht bekannt, und einer der M Sätze hat die Energie des GPS-Signals, in welchem die Korrelation ermittelt wird. In den in 19 bis 22 gezeigten Beispielen umfasst der Satz aus R(i × M), die Frequenzkomponente des Empfangssignals r(n), und die anderen drei unterteilten Spektren, welche lediglich Rauschen haben.
Es sei angemerkt, dass die Trägerfrequenz k₀ eines tatsächlichen Signals nicht k' = k₀ ist, um korrekt zu sein, so dass, wenn k₀ zwischen k₀' und k₀ + 1 ist, nämlich k₀' ≤ k₀ < k₀' + 1 beispielsweise Korrelationen in sowohl k' = k₀' als auch k' = k₀' + 1 ermittelt werden, wobei das eine näher an k₀ größer ist als das andere.
Wenn M eine Potenz von 2 ist, wobei das FFT-Ergebnis R(K) in M Sätze wie oben beschrieben unterteilt ist, kann jeder Satz unabhängig voneinander aufgrund der Eigenschaft der FFT-Berechnungsprozedur berechnet werden.
23 zeigt die Signalflüsse für FFT-Berechnungen fir 8 Posten von Daten g(0) bis g(7). Wenn das FFT-Ergebnis G(K), welches in 3 gezeigt ist, in vier Datensätze unterteilt wird, werden (G(0), G(4)), (G(1), G(5)), (G(2), G(6)) und (G(3), G(7)) erhalten. Für (G(0), G(4)) kann die Berechnung lediglich im Bereich, der in 24 gezeigt ist, ausgeführt werden. Der Aufbau dieser Berechnung gilt außerdem für die anderen Sätze (G(1), G(5)), (G(2), G(6)) und (G(3), G(7)).
Diese vier Sätze werden nacheinander wie folgt geprüft. Zunächst wird (G(0), G(4)) berechnet. Wenn die Berechnung abgeschlossen ist, wird der Speicher, in welchem (G(0), G(4)) gespeichert ist, freigegeben, wonach die Berechnung des nächsten Satzes beginnt. Wenn die Berechnungen von (G(1), G(5)), (G(2), G(6)) und (G(3), G(7)) in dieser Reihenfolge beendet sind, werden deren Speicher freigegeben. Daher ist lediglich eine Speicherkapazität von 1/4 erforderlich im Vergleich zur Berechnung des FFT von G(0) bis G(7) in einer Stapelweise. Die Anzahl von Multiplikationen bei der FFT-Berechnung durch Unterteilen des FFT-Ergebnisses in M ist die gleiche wie die bei der FFT-Berechnung des gesamten FFT-Ergebnisses in einer Stapelweise.
Das oben erwähnte Beispiel ist auch auf R(i × M), R(i × M + 1), R(i × M + 2),... R(i × M + M – 1) anwendbar, indem M auf eine Potenz von 2 angehoben wird, so dass die Speicherkapazität des Speichers, in welchem das FFT-Ergebnis gespeichert wird, lediglich 1/M von MN sein muss, nämlich N. Wenn der Korrelationspunkt auf halben Wege bei der Ermittlung von R(i × M), R(i × M + 1), R(i + M + 2),... R(i × M + M – 1) in dieser Reihenfolge ermittelt wird, müssen die Sätze nachfolgend auf denjenigen, in welchem der Korrelationspunkt ermittelt wurde, nicht geprüft werden, so dass eine kürzere Verarbeitungszeit erwartet werden kann als beim Ermitteln des Korrelationspunkts durch die FFT-Verarbeitung der Empfangssignale für die M Perioden des PN-Codes in einer Stapelweise.
Anschließend wird die Verarbeitung durch den Synchronisationserwerbsabschnitt 20 im Beispiel 4 des Synchronisationserwerbs, der oben beschrieben wurde, mit Hilfe der Flussdiagramme, welche in 25 und 26 gezeigt sind, beschrieben. In den in 25 und 26 gezeigten Beispielen wird, um die Anzahl der Häufigkeit der FFT-Verarbeitung zu minimieren, die Trägerfrequenzsuche für jeden Satz von FFT für alle Objektsatelliten zur Korrelationsermittlung ausgeführt. Es sei angemerkt, dass die in 25 und 26 gezeigten Flussdiagramme der Software-Verarbeitung im DSP 23 entsprechen.
Zunächst wird die Variable u (0 ≤ u < M) für die Anzahl der unterteilten Sätze von R(K) (wobei 0 ≤ K < MN und K = i × M + u) initialisiert (Schritt S51). Danach werden die IF-Daten vom Frequenzumsetzerabschnitt 10 durch die Abtastschaltung 21 abgetastet, und die resultierenden Abtastdaten werden im RAM 22 als Signal r(n) gespeichert (wobei 0 ≤ n < MN) für die M Perioden des PN-Codes, 16 Perioden (16 Millisekunden) beispielsweise (Schritt S52). Danach wird dieses Signal r(n) im FFT-Verarbeitungsabschnitt 101 FFT-verarbeitet, und das FFT-Ergebnis R(K) wird in den Speicher 102 geschrieben (Schritt S53). Anschließend wird das FFT-Ergebnis C(k) des PN-Codes, welches dem GPS-Satelliten entspricht, von welchem das Signal empfangen wurde, im Speicher 106 gesetzt (Schritt S54).
Danach wird der Anfangswert k₀' der Verschiebung der Leseadresse des FFT-Ergebnisses R(K) des Empfangssignals r(n) im Speicher 102 in der gleichen Weise wie im oben erläuterten Schritt S24 bestimmt (Schritt S55). Danach wird der bestimmte Anfangswert k₀' als Verschiebung k' der Leseadresse des FFT-Ergebnisses im Speicher 102 gesetzt, und der Änderungszählwert t der Verschiebesteuerung wird auf den Anfangswert t = 0 gesetzt (Schritt S56).
Danach wird das FFT-Ergebnis R(K) des Empfangssignals r(n) vom Speicher 102 gelesen, wobei dessen Leseadresse um k' verschoben wird (Schritt S57). Danach wird das gelesene FFT-Ergebnis R(K – k') mit der komplexen Konjugation des FFT-Ergebnisses c(k) des Nachbildungs-PN-Codes multipliziert, um die Korrelationsfunktion F'(k) zu erlangen (Schritt S58).
Die inverse FFT wird in Bezug auf diese Korrelationsfunktion F'(k) ausgeführt, um die Funktion f(n) im Zeitbereich zu erlangen (Schritt S59). Danach wird der Spitzenwert f(np) dieser Funktion f(n) erlangt (Schritt S60), um zu bestimmen, ob der erlangte Spitzenwert f(np) größer ist als der vorher festgelegte Schwellenwert fth (Schritt S61, der in 26 gezeigt).
Wenn herausgefunden wird, dass der Spitzenwert f(np) kleiner ist als der vorher festgelegte Schwellenwert fth im Schritt S61, wird dies so betrachtet, dass kein Korrelationspunkt ermittelt wurde. Dann wird bestimmt, ob der Änderungszählwert t der Verschiebesteuerung kleiner ist als der vorher festgelegte maximale Wert t_max (Schritt S62). Dieser Maximalwert t_max ist äquivalent einem 1 kHz bei der Frequenzumsetzung.
Wenn herausgefunden wird, dass der Änderungszählwert t der Verschiebesteuerung kleiner ist als der vorher festgelegte maximale Wert t_max, wird der Änderungszählwert t der Verschiebesteuerung um 1 (t = t + 1) inkrementiert, und die neue Verschiebung k' wird auf k' = k' + (–1)^t × t gesetzt (Schritt S63), wonach die Prozedur zum Schritt S57 zurückkehrt, um davon aus die oben erwähnten Verarbeitungsarbeiten zu wiederholen.
Wenn herausgefunden wird, dass der Änderungszählwert t der Verschiebesteuerung größer ist als der vorher festgelegte maximale Wert t_max im Schritt S62, wird bestimmt, ob der Zählwert, der als größer vorgefunden wird, einen vorher festgelegten Zählwert für die Daten überstiegen hat, welche aktuell im RAM 22 gespeichert sind (Schritt S71). Wenn gefunden ist, dass der Änderungszählwert nicht den vorher festgelegten Zählwert überschritten hat, kehrt die Prozedur zurück zum Schritt S52 und speichert neue Daten im RAM 22, um davon aus den oben erwähnten Verarbeitungsbetrieb zu wiederholen.
Wenn der Änderungszählwert nicht kleiner ist als der vorher festgelegte Zählwert im Schritt S71, wird bestimmt, ob die oben erwähnte Spreizcode-Synchronisations-Suchverarbeitung für alle Satelliten beendet wurde (Schritt S66). Wenn herausgefunden wird, dass der Spreizcode-Synchronisations-Suchbetrieb für alle Satelliten beendet wurde, wird bestimmt, ob die Variable u kleiner ist als M-1 (Schritt S68). Wenn gefunden wird, dass die Variable u kleiner ist, wird die Variable u inkrementiert (Schritt S69), wonach die Prozedur zurückkehrt zum Schritt S53, um von da aus den oben erwähnten Verarbeitungsbetrieb zu wiederholen.
Wenn herausgefunden wird, dass die Variable u gleich oder größer ist als M-1 im Schritt S68, wird der Suchbetrieb beendet (Schritt S70).
Wenn herausgefunden wird, dass die Spreizcode-Synchronisations-Suchverarbeitung im Schritt S66 nicht beendet wurde, wird ein Satellit, der anschließend zu verarbeiten ist, ausgewählt, und der Nachbildungs-PN-Code c(n) wird auf den PN-Code geändert, der durch den ausgewählten Satelliten verwendet wird (Schritt S67). Danach kehrt die Prozedur zurück zum Schritt S54, um von da aus den Verarbeitungsbetrieb zu wiederholen.
Wenn herausgefunden wird, dass der Spitzenwert f(np) größer ist als der vorher Festgelegte Schwellenwert fth im Schritt S61, wird die diskrete Zeit (Phase des PN-Codes), wobei dieser Spitzenwert f(np) als Korrelationspunkt und der Anfangswert k₀' der Verschiebung der Leseadresse des oben erwähnten FFT-Ergebnisses R(K) in den Speicher 102 genommen wird, auf den Verschiebewert k' der Leseadresse in diesem Zeitpunkt zurückgesetzt (Schritt S64).
Anschließend wird bestimmt, ob der ermittelte Korrelationspunkt np der vierte Punkt ist (Schritt S65). Wenn dies der vierte Punkt ist, beginnt die CPU 41 mit der Empfängerpositions-Berechnungsverarbeitung, wodurch die Synchronisationshalteverarbeitung im Synchronisationshalteabschnitt 30 ausgeführt wird (Schritt S72). Danach läuft die Prozedur zum Schritt S66. Es sei angemerkt, dass der Prozess des Schritts S72 auch in Bezug auf Korrelationspunkte im Anschluss an den vierten Korrelationspunkt ausgeführt werden kann.
Es sei angemerkt, dass die Doppler-Verschiebung des GPS-Satelliten, von dem das Signal empfangen wird, und der Oszillatorfrequenzfehler von der Verschiebung k' im Korrelationszeitpunkt np geschätzt werden können, die im Schritt S64 ermittelt werden, die erlangte Variable u für die Anzahl unterteilter Sätze ist.
Wenn herausgefunden wird, dass der ermittelte Korrelationspunkt np nicht der vierte Punkt im Schritt S65 ist, läuft die Prozedur zum Schritt S66, um den oben erwähnten Verarbeitungsbetrieb des Schritts S66 usw. auszuführen.
Es sei angemerkt, dass, wenn die Trägerfrequenz wie bei dem Beispiel 1 des oben beschrieben Synchronisationserwerb bekannt ist, lediglich entsprechend eine von R(i × M), R(i × m + 1), R(i × m + 2),... R(i × m + M – 1) berechnet zu werden braucht, wodurch veranlasst wird, dass das Verfahren zum Ausüben der FFT in Bezug auf das Empfangssignal in Einheiten der Zeit mehrere Perioden des PN-Codes aufweist, welcher in der gleichen Weise anwendbar ist.
Ungleich zu den bekannten Verfahren, bei denen der Gleitkorrelator im Prinzip Zeit braucht, führen die oben erwähnten Synchronisationserwerbsverfahren der Beispiele 1 bis 4 nach der Erfindung die Verarbeitung durch das digitale angepasste Filter auf FFT-Basis unter Verwendung eines Hochgeschwindigkeitssuch-DSP durch, wodurch die Verarbeitungs zeit signifikant verkürzt wird. Insbesondere wird bei den Verfahren der Beispiele 3 und 4 die FFT-Verarbeitung in Einheiten der M Periode des PN-Codes ausgeführt, wodurch ein Synchronisationserwerb mit hoher Empfindlichkeit geliefert wird.
Außerdem kann in dem Fall des Beispiels 4 die FFT-Verarbeitung schneller in Einheiten der M Periode des PN-Codes ausgeführt werden.
Wenn der Synchronisationserwerb der Signale von vier oder mehreren GPS-Satelliten durch den Synchronisationserwerbsabschnitt 20 unter Verwendung von einem der oben erwähnten neuen Verfahren ausgeführt werden kann, kann der GPS-Empfänger die Position und die Geschwindigkeit des GPS-Empfängers von der Phase des PN-Codes und der IF-Trägerfrequenz berechnen. Die Berechnung der Positionierung kann nämlich ohne die Anordnung des Synchronisationshalteabschnitts 30 getätigt werden.
Die Ausführung der Berechnung der Positionierung und der Geschwindigkeit mit einer Genauigkeit, die für den GPS-Empfänger genug ist, erfordert jedoch die Ermittlung der Phase des PN-Codes und der IF-Trägerfrequenz mit hoher Genauigkeit, so dass es erforderlich ist, die Abtastfrequenz in der Abtastschaltung 21 zu steigern oder die Zeitlänge der IF-Daten, die im RAM 22 zu Speicher sind, beispielsweise zu steigern.
Wenn ein digitales angepasstes Filter im Synchronisationserwerbsabschnitt 20 verwendet wird, muss erwogen werden, dass das digitale angepasste Filter selbst keine Synchronisationshaltefähigkeit hat.
Wenn ein Aufbau verwendet wird, bei dem keine Navigationsinformation von außerhalb des GPS-Empfängers erlangt wird, muss der Synchronisationserwerbsabschnitt 20 die Navigationsinformationen von vier oder mehreren GPS-Satelliten alle 20 ms demodulieren, so dass der DSP 23 die Ermittlung der Synchronisation und die Demodulation der Navigationsinformation mit ziemlich hohen Geschwindigkeiten immer ausführen muss.
Wenn jedoch die Berechnungen der GPS-Empfängerposition und der Geschwindigkeit mit ziemlicher hoher Genauigkeit lediglich durch den Synchronisationserwerbsabschnitt 20 wie oben beschrieben ausgeführt werden, vergrößert sich der Hardware-Aufwand, so dass die Herstellungskosten und der Leistungsverbrauch nach oben gehen, was ernsthafte Probleme bei der tatsächlichen Herstellung des GPS-Empfängers darstellen.
Um diese Probleme zu überwinden, führen die Ausführungsformen der Erfindung den groben Synchronisationserwerb unter Verwendung des eigens dafür bestimmten Synchronisationserwerbsabschnitt 20 und eines Synchronisationshaltens von mehreren GPS-Satelliten und die Demodulation der Navigationsinformationen unter Verwendung des Synchronisationshalteabschnitts 30 aus. Der Synchronisationserwerbsabschnitt 20 leitet die Informa tion, beispielsweise die ermittelte GPS-Satellitennummer, die Phase des PN-Codes dieses Satellitens, die IF-Trägerfrequenz und die Signalintensität der Korrelation des ermittelten Signals an den Synchronisationshalteabschnitt 30 über den Steuerabschnitt 40 als Daten weiter. Der Synchronisationshalteabschnitt 30 beginnt den Betrieb mit den gelieferten Daten, welche als Anfangswerte verwendet werden.
Konfiguration des Synchronisationshalteabschnitts 30 –
Um das Synchronisationshalten von mehreren GPS-Satelliten-Signalen parallel auszuführen, hat der Synchronisationshalteabschnitt 30 mehrere Kanäle, welche jeweils einem GPS-Satelliten-Signal zugeteilt sind.
27 zeigt ein Aufbaubeispiel des Synchronisationshalteabschnitts 30 bei der vorliegenden Ausführungsform. Der Synchronisationshalteabschnitt 30 hat Synchronisationshalteabschnitte 30CH1, 30CH2,... 30CHn für n Kanäle, sowie ein Steuerregister 33. Jeder Kanalsynchronisations-Halteabschnitt 30CH1, 30CH2,.. 30CHn besitzt eine Costas-Schleife und eine DLL (Phasenverriegelungsschleife) 32.
Das Steuerregister 33, welches mit der CPU 41 des Steuerabschnitt 40 verbunden ist, empfangt die Parameter der Costas-Schleife 31 und der DLL 32 und die Daten zum Bestimmen der Filterkettendaten und setzt die Empfangsdaten auf einen Bereich, welcher durch CPU 41 eines Kanals gezeigt wird, der durch die CPU 41 gezeigt wird. Das Steuerregister 33 empfängt außerdem die Korrelationswertinformation und die Frequenzinformation von der Costas-Schleife 31 und der DLL 32 und leitet die Empfangsinformation weiter zur CPU 41, wenn dadurch zugegriffen wird.
Konfigurationen der Costas-Schleife 31 und der DLL 32
28 zeigt ein Blockdiagramm, welches ein Konfigurationsbeispiel der Costas-Schleife 31 zeigt, und 29 zeigt ein Konfigurationsbeispiel der DLL.
Die Costas-Schleife 31 führt das Synchronisationshalten der IF-Trägerfrequenz durch und extrahiert Navigationsinformationen, welche die Übertragungsdaten sind. Die DLL 32 führt das Synchronisationshalten der Phase des Satelliten-PN-Codes aus. Die Costas-Schleife 31 und die DLL 32 arbeiten zusammen, um das GPS-Satelliten-Signal spektral zu entspreizten, um das Signal zu bekommen, bevor dies spektral gespreizt wurde, und demoduliert dieses Signal, um eine Navigationsinformation zu bekommen, wobei die Navigationsinformation zur CPU 41 des Steuerabschnitts 40 geliefert wird. Nachfolgend wird insbesondere der Betrieb der Costas-Schleife 31 und der DLL 32 beschrieben.
Costas-Schleife 31
Die IF-Daten vom Frequenzumsetzerabschnitt 10 werden zu einem Multiplizierer 201 geliefert. Zu diesem Multiplizierer 201 wird der Nachbildungs-PN-Code von einem PN-Code-Generator 320 der DLL 32 geliefert, der in 29 gezeigt ist. Der PN-Code-Generator 320 der DLL 32 erzeugt Nachbildungs-PN-Codes der drei Phasen eines schnellen PN-Codes P, eines frühen PN-Codes E und eines späten PN-Codes L. Wie später beschrieben wird, berechnet die DLL 32 die Korrelationen zwischen dem schnellen PN-Code E, dem späteren PN-Code L und die IF-Daten und steuert die erzeugten Phasen der Nachbildungs-PN-Codes vom PN-Code-Generator 320, so dass diese Korrelationswerte einander gleich werden. Folglich wird die Phase des schnellen PN-Codes gleich der Phase des Satelliten-PN-Codes des GPS-Satelliten-Signals.
Zum Multiplizierer 201 wird zum Entspreizen der Costas-Schleife 31 der schnelle PN-Code P vom PN-Code-Generator 320 geliefert, um entspreizt zu werden. Die entspreizten IF-Daten vom Multiplizierer 201 werden zu den Multiplizierer 202 und 203 geliefert.
Die Costas-Schleife 31 hat die Multiplizierer 202 und 203, die Tiefpassfilter 204 und 205, einen Phasendetektor 206, ein Schleifenfilter 207, einen NCO (numerisch-gesteuerter Oszillator) 208, einen Korrelationsdetektor 209, eine Binärbildungsschaltung 210, einen PN-Code-Verriegelungs-Unterscheidungsabschnitt 211, eine Schaltschaltung 212 und einen IF-Trägerverriegelungs-Unterscheidungsabschnitt 213, wie in 28 gezeigt ist.
Die Grenzfrequenzinformation der Tiefpassfilter 204 und 205, der Parameter zum Definieren der Filtereigenschaft des Schleifenfilters 207 und die Frequenzinformation zum Definieren der Oszillatormittenfrequenz des NCO 208 werden über das Steuerregister 33 von der CPU 41 auf Basis des Synchronisationserwerbsergebnisses im Synchronisationserwerbabschnitt 20 gesetzt.
Die Schaltschaltung 212 steuert das Öffnen/Schließen der Costas-Schleife 31 und wird durch das Schaltsteuersignal von der CPU 41 eingeschaltet bzw. ausgeschaltet. Es wird darauf hingewiesen, dass der Anfangszustand, bevor der Synchronisationshaltebetrieb beginnt, die Schaltschaltung 212 ausgeschaltet ist und der offene Schleifenzustand bereitgestellt wird. Wenn nach dem Starten eines Synchronisationshaltebetriebs das Korrelationsausgangssignal des Korrelationsdetektors 209 der Costas-Schleife 31 einen signifikanten Pegel erreicht hat, wird die Schaltschaltung 212 eingeschaltet, wodurch ein geschlossener Schleifenzustand bereitgestellt wird.
Das Signal, welches im Multiplizierer 201 entspreizt wurde, wird zu den Multiplizierern 202 und 203 geliefert. Zu diesen Multiplizierem 202 und 203 werden ein I-Signal (Kosinus) und ein Q-Signal (Sinus) einer Quadraturphase vom NCO 208, welche zu ungefähr dem IF-Träger gemacht werden, auf Basis der Frequenzinformation von der CPU 41 des Steuerabschnitts 40 geliefert. Die Ergebnisse dieser Multiplizierer 202 und 203 werden über die Tiefpassfilter 204 und 205 zum Phasendetektor 206 geliefert. Die Tiefpassfilter 204 und 205 empfangen die Grenzfrequenzinformation von der CPU 41 des Steuerabschnitts 40, um das Außer-Band-Rauschen von dem gelieferten Signal zu entfernen.
Der Phasendetektor 206 ermittelt die Phasendifferenz zwischen dem IF-Träger und dem Frequenzsignal vom NCO 208 auf Basis der Signale von den Tiefpassfiltern 204 und 205 und liefert die ermittelte Phasendifferenz über das Schleifenfilter 207 zum NCO 208. Folglich wird der NCO 208 gemäß damit gesteuert, um die Phase des Ausgangsfrequenzsignals von dem NCO 208 mit der IF-Trägerkomponente zu synchronisieren.
Es sei angemerkt, das das Schleifenfilter 207 die Phaseninformation vom Phasendetektor 208 gemäß dem Parameter integriert, der von der CPU 41 des Steuerabschnitts 40 geliefert wird, um ein NCO-Steuersignal zum Steuern des NCO 208 zu bilden. Mit dem NCO 208 wird die Phase des Ausgangsfrequenzsignals vom NCO 208 mit der IF-Trägerkomponente durch das NCO-Steuersignal vom Schleifenfilter 207, wie oben beschrieben, synchronisiert.
Die Ausgangssignale der Tiefpassfilter 204 und 205 der Costas-Schleife 31 werden zum Korrelationsdetektor 209 geliefert. Der Korrelationsdetektor 209 multipliziert alle empfangen Ausgangssignale von den Tiefpassfiltern 204 und 205 mit sich selbst und addiert die Ergebnisse der Multiplikation, wobei das Ergebnis der Addition ausgegeben wird. Das Ausgangssignal des Korrelationsdetektors 209 ist für den Korrelationswert CV(P) zwischen den IF-Daten und dem schnellen PN-Code P vom PN-Code-Generator 320 bezeichnet. Dieser Korrelationswert CV(P) wird über das Steuerregister 33 an die CPU 41 des Steuerabschnitts 40 weitergeleitet.
Im gleichen Zeitpunkt wird das Ausgangssignal des Tiefpassfilters 204 zur Binärbildungsschaltung 210 geliefert, von welcher die Navigationsinformationsdaten ausgegeben werden.
Der Korrelationswert CV(P), der vom Korrelationsdetektor 209 ausgegeben wird, wird zum PN-Code-Verriegelungs-Unterscheidungsabschnitt 211 geliefert. Der PN-Code-Verriegelungs-Unterscheidungsabschnitt 211 vergleicht den Korrelationswert CV(P), der ausgegeben wird, mit einem vorher festgelegten Schwellenwert. Wenn herausgefunden wird, dass der Korrelationswert CV(P) größer ist als der Schwellenwert, ist dies dafür bezeichnend, dass das Synchronisationshalten verriegelt ist; wenn der ausgegebene Korrelationswert CV(P) kleiner als der Schwellenwert vorgefunden wird, ist dies dafür bezeichnend, dass das Syn chronisationshalten nicht verriegelt wird, wobei diese Zustände durch PN-Code-Verriegelungs-Unterscheidungsausgangssignale gezeigt werden.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird dieses PN-Code-Verriegelungs-Unterscheidungsausgangssignal zur CPU 41 des Steuerabschnitts 40 übertragen, wonach die CPU 41 erkennt, dass der PN-Code im Synchronisationshalteabschnitt 30 im verriegelten oder nichtverriegelten Zustand ist. Aus diesem PN-Code-Verriegelungs-Unterscheidungsausgangssignal bestimmt die CPU 41 lediglich, dass der PN-Code im Synchronisationshaltezustand ist. Daher führt die CPU 41 nicht die Ermittlung des IF-Trägerentriegelungszustands von diesem PN-Code-Verriegelungs-Unterscheidungsausgangssignal durch, obwohl die Synchronisation des PN-Codes erworben wurde. Die CPU 41 bestimmt aus dem Ausgangssignal des IF-Trägerverriegelungs- und Unterscheidungsabschnitts 213, ob die Frequenz des IF-Trägers verriegelt wurde oder nicht verriegelt wurde.
Zum IF-Trägerverriegelungs-Unterscheidungsabschnitt 213 werden die Ausgangssignale der Tiefassfilter 204 und 105 geliefert. Der IF-Trägerverriegelungs-Unterscheidungsabschnit 213 erlangt ein Verhältnis des Absolutwerts des Ausgangssignals des Tiefpassfilters 204 und das des Tiefpassfilters 205. Wenn herausgefunden wird, dass das erlangte Verhältnis kleiner ist als ein vorher festgelegter Schwellenwert, ist dies dafür bezeichnend, dass die Synchronisation des IF-Trägers verriegelt ist; ansonsten ist dies dafür bezeichnend, dass die Synchronisation des IF-Trägers entriegelt ist, was durch das IF-Trägerverriegelungs-Unterscheidungsignal angezeigt wird.
Wenn nämlich das Ausgangssignal des Tiefpassfilters 204 gleich Io ist, und das Ausgangssignal des Tiefpassfilters 205 gleich Qo ist, und der oben erwähnte vorher festgelegte Schwellenwert gleich th ist, wird der Verriegelungszustand angezeigt, wenn |Io|/Qo|> th; ansonsten wird der Entriegelungszustand angezeigt.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird dieses IF-Trägerverriegelungs-Unterscheidungsausgangssignal zur CPU 42 des Steuerabschnitts 40 übertragen. Von diesem empfangenen IF-Trägerverriegelungs-Unterscheidungsausgangssignal erkennt die CPU 41 den verriegelten oder nichtverriegelten Zustand des IF-Trägers.
DLL 32
Wie in 29 gezeigt ist, werden in der DLL 32 die IF-Daten vom Frequenzumsetzerabschnitt 10 zum Multiplizierer 301 und zum Multiplizierer 311 geliefert. Zum Multiplizierer 301 wird der frühe PN-Code E vom PN-Code-Generator 320 geliefert. Zum Multiplizierer 311 wird der späte PN-Code L vom PN-Code-Generator 320 geliefert.
Der Multiplizierer 301 multipliziert die IF-Daten mit dem frühen PN-Code E, um eine Spektral-Entspreizverarbeitung auszuführen, und liefert das entspreizte Signal zu den Multiplizierern 302 und 303. Zu den Multiplizierern 302 wird das I-Signal vom NCO 208 der oben beschriebenen Costas-Schleife 31 geliefert. Zum Multiplizierer 303 wird das Q-Signal vom NCO 208 geliefert.
Der Multiplizierer 302 multipliziert die entspreizten IF-Daten mit dem I-Signal vom NCO 208 und liefert das Ergebnis über ein Tiefpassfilter 304 zu einem Korrelationsdetektor 306. In gleicher Weise multipliziert der Multiplizierer 303 die entspreizten IF-Daten mit dem Q-Signal vom NCO 208 und liefert das Ergebnis über ein Tiefpassfilter 305 zum Korrelationsdetektor 306.
Es sei angemerkt, dass wie die Tiefpassfilter 204 und 205 der Costas-Schleife 31 die Tiefpassfilter 304 und 305 die Grenzfrequenzinformation von der CPU 41 des Steuerabschnitts 40 empfangen, um das Rauschen, welches außerhalb des Bandes ist, von diesen Signalen zu beseitigen.
Der Korrelationsdetektor 306 multipliziert alle Ausgangsempfangssignale von den Tiefpassfiltern 304 und 305 mit sich selbst und addiert die Ergebnisse der Multiplikation, wobei das Ergebnis der Addition ausgegeben wird. Das Ausgangssignal des Korrelationsdetektors 306 ist fair den Korrelationswert CV(E) zwischen den IF-Daten und dem frühen PN-Code E vom PN-Code-Generator 320 bezeichnend. Dieser Korrelationswert CV(E) wird zu einem Phasendetektor 321 geliefert und im Steuerregister 33 für die CPU 41 des Steuerabschnitts 40 zur Verwendung gespeichert.
In gleicher Weise multipliziert der Multiplizierer 311 die IF-Daten mit dem Verzögerungs-PN-Code L, um die spektral-entspreizte Verarbeitung auszuführen, und liefert das entspreizte Signal zu den Multiplizierern 312 und 313. Zu dem Multiplizierer 312 wird ein I-Signal vom NCO 208 geliefert, und zum Multiplizierer 313 wird das Q-Signal vom NOC 208 geliefert, wie oben beschrieben.
Der Multiplizierer 312 multipliziert die entspreizten IF-Daten mit dem I-Signal vom NCO 208 und liefert das Ergebnis über ein Tiefpassfilter 314 zu einem Korrelationsdetektor 316. In gleicher Weise multipliziert der Multiplizierer 313 die entspreizten IF-Daten mit dem Q-Signal vom NCO 208 und liefert das Ergebnis über ein Tiefpassfilter 315 zum Korrelationsdetektor 316. Wie die Tiefpassfilter 304 und 305, die oben beschrieben wurden, empfangen die Tiefpassfilter 314 und 315 die Grenzfrequenzinformation von der CPU 41 des Steuerabschnitts 40, um das Rauschen, welches außerhalb des Bands ist, vom gelieferten Signal zu beseitigen.
Der Korrelationsdetektor 316 multipliziert alle empfangenen Ausgangssignale von den Tiefpassfiltern 314 und 315 mit sich selbst und addiert die Ergebnisse der Multiplikation, wobei das Ergebnis der Addition ausgegeben wird. Das Ausgangssignal des Korrelationsdetektors 316 ist für den Korrelationswert CV(L) zwischen den IF-Daten und dem späten PN-Code L vom PN-Code-Generator 320 bezeichnend. Dieser Korrelationswert CV(L) wird zum Phasendetektor 321 geliefert und zur Verwendung im Steuerregister 33 für die CPU 41 gespeichert.
Der Phasendetektor 321 ermittelt die Phasendifferenz zwischen dem schnellen PN-Code P und dem Satelliten-PN-Code des GPS-Satelliten als Differenz zwischen dem Korrelationswert CV(E) vom Korrelationsdetektor 306 und dem Korrelationswert CV(L) vom Korrelationsdetektor 316 und liefert ein Signal, welches der ermittelten Phasendifferenz entspricht, als numerisch-gesteuertes Signal des NCO 323 über ein Schleifenfilter 322. Zum PN-Code-Generator 320 wird ein Ausgangssignal dieses NCO 323 geliefert. Durch Steuern der Ausgangsfrequenz des NCO 323 wird die erzeugte Phase des PN-Codes vom PN-Code-Generator 320 gesteuert.
Es sei angemerkt, dass der NCO 323 mit der Frequenzinformation beliefert wird, um die Anfangsoszillatorfrequenz von der CPU 41 des Steuerabschnitt 40 gemäß dem Synchronisationserwerbergebnis des Synchronisationserwerbsabschnitts 20 zu steuern, wie später beschrieben wird.
Durch die oben erwähnte Schleifensteuerung in der DLL 32 wird der NCO 323 gesteuert, und der PN-Code-Generator 320 steuert die erzeugten Phasen von PN-Codes P, E und L, so dass der Korrelationswert CV(E) und der Korrelationswert CV(L) den gleichen Pegel erreichen. Folglich synchronisiert der schnelle PN-Code P, der durch den PN-Code-Generator 320 erzeugt wird, die IF-Daten mit dem entspreizten PN-Code bezüglich der Phase. Als Ergebnis werden die IF-Daten durch den schnellen PN-Code P korrekt bezüglich des Spektrums entspreizt, wodurch veranlasst wird, dass die Binärbildungsschaltung 210 die Navigationsdaten in der Costas-Schleife 32 demoduliert und ausgibt.
Anschließend wird das demodulierte Ausgangssignal der Navigationsinformationsdaten zu einer Datendemodulatorschaltung, die nicht gezeigt ist, geliefert, um in Daten demoduliert zu werden, welche für den Steuerabschnitt 40 verfügbar sind, wobei die demodulierten Daten zum Steuerabschnitt 40 geliefert werden. Der Steuerabschnitt 40 verwendet die Navigationsinformationsdaten zu Positionierungsberechnung und extrahiert die Orbitinformation (Almanachinformation und Ephemeris-Information) von Zeit zu Zeit, wobei die extrahierte Information im nichtflüchtigen Speicher 46 gespeichert wird.
Es sei angemerkt, dass das Schleifenfilter 323 der DLL 32 die Phasenfehlerinformation vom Phasendetektor 321 auf Basis des Parameters integriert, der von der CPU 41 des Steuerabschnitts 40 geliefert wird, um ein NCO-Steuersignal zu bilden, um den NCO 323 zu steuern, wie das oben erwähnte Schleifenfilter 207 der Costas-Schleife 31.
In der DLL 32 ist außerdem eine Schaltschaltung 324 zur Schleifenausschalte-/Einschaltesteuerung zwischen dem Schleifenfilter 322 und dem NCO 323 vorgesehen, welche eingeschaltet bzw. ausgeschaltet wird, wobei ein Signal von der CPU 41 umgeschaltet wird.
Es sei angemerkt, dass im Anfangszustand, bevor ein Synchronisationshaltebetrieb beginnt, die Schaltschaltung 324 ausgeschaltet ist und der offene Schleifenzustand bereitgestellt wird. Wenn nach dem Beginn eines Synchronisationshaltebetriebs das Korrelationsausgangssignal des Korrelationsdetektors 209 der Costas-Schleife 32 einen signifikanten Pegel erreicht hat, wird die Schaltschaltung 324 eingeschaltet, wodurch der geschlossene Schleifenzustand bereitgestellt wird.
Übergang vom Synchronisationserwerb zum Synchronisationshalten Wie oben beschrieben leitet bei der vorliegenden Ausführungsform der Synchronisationserwerbsabschnitt 20 die Information, beispielsweise die ermittelte GPS-Satellitennummer die Phase dieses Satelliten-PN-Codes, die IF-Trägerfrequenz und die Signalintensität weiter zur CPU 41 des Steuerabschnitts 40 als Daten. Es sei angemerkt, dass die Signalintensität für die Übertragung der Synchronisationshalteverarbeitung nicht wesentlich ist.
Auf Basis der oben erwähnten erlangten Information erzeugt die CPU 41 des Steuerabschnitts 40 die Daten, welche zum Synchronisationshalteabschnitt 30 geliefert werden, und leitet die erzeugten Daten dahin weiter. Der Synchronisationshalteabschnitt 30 beginnt einen Synchronisationshaltebetrieb unter Verwendung der Empfangsdaten als Anfangswerte.
Die Daten, welche von der CPU 41 des Steuerabschnitts 40 zum Synchronisationshalteabschnitt 30 weitergeleitet werden, umfassen die numerische Information zum Bestimmen der Anfangsoszillatorfrequenz (der Oszillatormittenfrequenz) des NCO 323, um die erzeugte Phase des Nachbildungs-PN-Codes vom PN-Code-Generator 320 der DLL zu steuern, die numerische Information, um die Anfangsoszillatorfrequenz (die Oszillatormittenfrequenz) des NCO 208 der Costas-Schleife 31 zu bestimmen, Parameter, um die Filtereigenschaft des Schleifenfilters 207 und des Schleifenfilters 322 zu bestimmen, und die Koeffizienteninformation, um die Grenzfrequenz der Tiefpassfilter 204, 205, 304, 305, 314 und 315 zu bestimmen, um die Skala des Frequenzbands festzulegen.
Zu diesem Zeitpunkt umfasst die Information, welche von der CPU 41 zum Synchronisationshalteabschnitt 30 zu liefern ist, die Phase und die Frequenz für den Synchronisationshalteabschnitt 30, um das Synchronisationshalten des PN-Codes und das Synchronisationshalten des IF-Träger zu beginnen, und die Anfangswertdaten, um die Filtereigenschaft zu definieren. Die CPU 41 erzeugt die oben erwähnten Anfangswertdaten, so dass die Synchronisationshalteverarbeitung von der Nähe der Phase des PN-Codes beginnt, der als Ergebnis der Synchronisationserwerbsverarbeitung im Synchronisationserwerbsabschnitt 20 und aus der Nähe der IF-Trägerfrequenz ermittelt wurde.
Folglich beginnt der Synchronisationshalteabschnitt 30 einen Synchronisationshaltebetrieb von der Nähe der Phase des PN-Codes, der durch den Synchronisationserwerbsabschnitt 20 ermittelt wurde, und der Nähe der ermittelten IF-Trägerfrequenz, wodurch der Synchronisationshalte-Verriegelungszustand schnell bereitgestellt wird.
Dagegen ist es für die Berechnung der Position und der Geschwindigkeit des GPqS-Empfängers notwendig, dass der GPS-Empfängersynchronisation bezüglich vier oder mehrerer GPS-Satelliten vom Start des Synchronisationserwerbs einrichtet und die eingerichtete Synchronisation hält. Es sind mehrere Verfahren für den Synchronisationserwerbsabschnitt 20, den Synchronisationshalteabschnitt 30 und die CPU 41 verfügbar, um diese Abschnitte zu steuern, um die Verarbeitung auszuführen, um die Synchronisation der Signale von vier oder mehreren Satelliten zu erwerben und zu halten (anschließend wird diese Verarbeitung als Synchronisationserwerb- und Synchronisationshalteverarbeitung bezeichnet). Anschließend werden mehrere Beispiele des Synchronisationserwerbs- und Synchronisationshalteverfahrens beschrieben.
Beispiel 1: Synchronisationserwerbs- und Synchronisationshalteprozess
Im Beispiel 1 überträgt, nachdem die Synchronisation von einem der GPS-Satelliten erworben wurde, der Synchronisationserwerbsabschnitt 20 unmittelbar einen Unterbrechungsbefehl zum Starten eines Synchronisationshaltebetriebs, die GPS-Satellitennummer, welche als Ergebnis des Synchronisationserwerbs erlangt wurde, die Phase dieses Satelliten-PN-Codes, die IF-Trägerfrequenz und die Signalintensität, welche für den Korrelationsermittlungspegel bezeichnend ist, zur CPU 41. Wenn diese Übertragung beendet ist, beginnt der Synchronisationserwerbsabschnitt 20 mit dem Erwerb der Synchronisation eines nächsten GPS-Satelliten.
Jedes Mal, wenn der Unterbrechungsbefehl vom Synchronisationserwerbsabschnitt 20 ankommt, teilt die CPU 41 einen unabhängigen Kanal dem Synchronisationshalte abschnitt 30 zu und legt die Anfangswerte fest, wobei veranlasst wird, dass der Synchronisationshalteabschnitt 30 einen Synchronisationshaltebetrieb beginnt.
30 ist ein Flussdiagramm, um den Synchronisationserwerb durch den Synchronisationserwerbsabschnitt 20 im Beispiel 1 des Synchronisationserwerbs- und Synchronisationshalteprozesses zu beschreiben.
Zunächst wird das anfängliche Einstellen zum Synchronisationserwerb ausgeführt (Schritt S81). Bei dieser anfänglichen Einstellung werden die GPS-Satelliten, welche der Suche nach dem Synchronisationserwerb unterworfen sind, und die Sequenz der Suche auf Basis der gültigen Orbitinformation eingestellt, welche durch den GPS-Empfänger in seinem nichtflüchtigen Speicher 46 gespeichert wurde. Aus dieser Orbitinformation wird die Trägerfrequenz mit der betrachteten Doppler-Verschiebung berechnet, wodurch die Mitte und der Bereich der IF-Trägerfrequenz, welche der Suche unterworfen ist, eingestellt wird.
Wenn ein ungefährer Oszillatorfehler durch den vergangenen Betrieb erlangt wird, bevor die Spannungseinschaltesequenz im GPS-Empfänger bekannt ist, wird angenommen, dass die Position des GPS-Empfängers die Position ist, welche in der Spannungseinschaltesequenz gespeichert wurde, nämlich die Position unmittelbar vor der letzten Spannungsausschaltesequenz, und die Mitte und der Bereich der IF-Trägerfrequenz, welche der Suche unterworfen werden, werden gemäß der Doppler-Verschiebung bestimmt, welche aus der Orbitinformation berechnet wurde, um dadurch die Zeit weiter abzukürzen, welche zum Erreichen des Synchronisationshaltens erforderlich ist.
Wenn das anfängliche Einstellen beendet ist, wird ein GPS-Satellit, der synchron erworben wird, gemäß der Suchsequenz (Schritt 82) eingestellt. Folglich wird die Satellitennummer, welche dem Synchronisationserwerb wird, bestimmt, und der PN-Code zur Korrelationsermittlung wird bestimmt.
Danach beginnt der Synchronisationserwerbsabschnitt 20 mit dem Speichern der IF-Daten, welche durch die Abtastschaltung 21 abgetastet wurden, in den RAM 22, wobei der Timer im gleichen Zeitpunkt gestartet wird (Schritt S83). Für diesen Timer wird der Timer 45 des Steuerabschnitts 40 verwendet. Der Timer 45 wird außerdem dazu verwendet, den Synchronisationshalte-Verarbeitungsstartzeitpunkt einzustellen, wie später beschrieben wird.
Danach wird die Korrelation des Satelliten-PN-Codes des GPS-Satelliten, welche im Schritt S82 festgelegt wurde, im DSP 23 ermittelt, wobei eines der Synchronisationshalteverfahren verwendet wird, bei denen das oben beschriebene digitale angepasste Filter verwendet wird (Schritt S84).
Es wird bestimmt, ob die Korrelation des Satelliten-PN-Codes des GPS-Satelliten ermittelt wurde, nämlich der Synchronisationserwerb des GPS-Satelliten-Signals durchgeführt wurde (Schritt S85). Wenn ermittelte Korrelation vorgefunden wird, wird ein Unterbrechungsbefehl an die CPU 41 abgegeben, und die Information, beispielsweise GPS-Satellitennummer, die Phase des Satelliten-PN-Codes, die IF-Trägerfrequenz und die Signalintensität werden an die CPU 41 als Ermittlungsergebnisse des Synchronisationserwerbs weitergeleitet (Schritt S86).
Anschließend wird bestimmt, ob die Synchronisationserwerbssuche in Bezug auf alle GPS-Satelliten, welche der Suche unterworfen wurden, beendet wurde (Schritt S87). Wenn es noch GPS-Satelliten gibt, welche der Suche unterworfen werden, kehrt die Prozedur zurück zum Schritt S82 und legt einen GPS-Satelliten, der anschließend zu suchen ist, fest, wobei der oben erwähnte Verarbeitungsbetrieb davon aus wiederholt wird. Wenn gefunden wird, dass der Synchronisationserwerb in Bezug auf alle GPS-Satelliten beendet wurde, welche der Suche im Schritt S87 unterworfen wurden, wird der Synchronisationserwerbsbetrieb beendet, wobei der Synchronisationserwerbsabschnitt 20 in den Standby-Zustand versetzt wird.
Wenn keine Korrelation im Schritt S85 gefunden wird, wird bestimmt, ob dieser Zustand über eine vorher festgelegte Zeitdauer gelaufen ist (Schritt S88). Wenn herausgefunden wird, dass dieser Zustand eine vorher festgelegte Zeitdauer nicht überstiegen hat, kehrt die Prozedur zurück zum Schritt S85, um die Korrelationsermittlungsverarbeitung fortzusetzen.
Wenn gefunden wird, dass die vorher festgelegte Zeitperiode verstrichen ist (Schritt S88), läuft die Prozedur weiter zum Schritt S87, um zu bestimmen, ob die Synchronisationserwerbssuche in Bezug auf alle GPS-Satelliten beendet wurde, welche der Suche unterworfen wurden. Wenn es noch GPS-Satelliten gibt, welche der Suche unterworfen werden, kehrt die Prozedur zurück zum Schritt S82, um einen GPS-Satelliten, der anschließend zu suchen ist, festzulegen, wobei der oben erwähnte Verarbeitungsbetrieb davon aus wiederholt wird.
Wenn gefunden wird, dass der Synchronisationserwerb in Bezug auf alle GPS-Satelliten, die der Suche unterworfen werden, beendet ist, wird der Synchronisationserwerbsbetrieb beendet, um den Synchronisationserwerbsabschnitt 20 in den Standby-Zustand zu versetzen.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird die CPU 41 so angepasst, um auch das Einschalten bzw. Ausschalten der Spannung zum Synchronisationserwerbsabschnitt 20 oder das Einschalten bzw. Ausschalten der Versorgung des Betriebstakts von Multiplizier-/Dividierschaltung 30 zum Synchronisationserwerbsabschnitt 20 zu steuern. Wenn der Synchronisationserwerbsabschnitt 20 im oben beschriebenen Standby-Zustand ist, wird die Spannung zum Synchronisationserwerbsabschnitt 20 ausgeschaltet, oder die Lieferung des Betriebstakts wird durch den Synchronisationserwerbsabschnitt 20 abgeschaltet, wodurch der Leistungsverbrauch eingespart wird.
Wenn der Synchronisationserwerbsabschnitt 20 durch ein digitales angepasstes Filter wie oben beschrieben konfiguriert ist, ist es wünschenswert, den Synchronisationserwerbsabschnitt 20 mit einem hohen Takt zu betreiben, um die Geschwindigkeit der FFT-Berechnung im DSP zu erhöhen und um den Leistungsverbrauch im Betriebszeitpunkt zu steigern. Wenn jedoch die Synchronisationserwerbsermittlung der Signale aller anfänglich eingestellten GPS-Satelliten beendet ist, wodurch vier oder mehrere GPS-Satelliten in den Synchronisationshaltezustand im Synchronisationshalteabschnitt 30 versetzt sind, kommt die Aufgabe des Synchronisationserwerbsabschnitt 20 zu einem Ende.
Bei der vorliegenden Ausführungsform kann, wenn die Rolle des Synchronisationserwerbsabschnitts 20 zu einem Abschluss kommt, wie oben beschrieben, die CPU 41 Leistungsverbrauch einsparen, da der Synchronisationserwerbsabschnitt 20 in den Standby-Zustand versetzt ist.
Es sei angemerkt, dass bei dem oben erwähnten Beispiel die CPU 41 den Synchronisationserwerbsabschnitt 20 in den Standby-Zustand versetzt, nachdem alle anfänglich eingestellten GPS-Satelliten synchron erworben wurden. Es ist außerdem für die CPU 41 praktikabel, den Synchronisationserwerbsabschnitt 20 in den Standby-Zustand zu versetzen, nachdem das Prüfen, dass die Anzahl der GPS-Satelliten, welche synchron im Synchronisationshalteabschnitt 30 gehalten werden könnten, vier oder mehr erreicht hat.
Offensichtlich kann die CPU 41 den Synchronisationserwerbsabschnitt 20 aus dem Standby-Zustand in den Betriebszustand bringen, wenn der Synchronisationserwerb wiederum notwendig ist.
Nachfolgend wird die Steuerverarbeitung im Synchronisationshalteabschnitt 30 durch die CPU 41 beschrieben, welche einen Unterbrechungsbefehl vom Synchronisationserwerbsabschnitt 20 gibt, mit Hilfe des in 31 und 32 gezeigten Flussdiagramms.
31 ist das Flussdiagramm, welches die Verarbeitung zeigt, bei dem, wenn die CPU 41 einen Unterbrechungsbefehl empfängt und die Information, beispielsweise die Phase des Satelliten-PN-Codes, die IF-Trägerfrequenz, die GPS-Satellitennummer und die Signalintensität, als Ergebnis des Synchronisationserwerbs vom Synchronisationserwerbsabschnitt 20, die CPU 41 eine Kanalzuteilung im Synchronisationshalteabschnitt 30 ausführt und einen Synchronisationshaltebetrieb beginnt. 32 ist das Flussdiagramm, welches die Synchronisationshalte-Verarbeitungssteuerung zeigt, welche in jedem Kanal im begonnen Synchronisationshalteabschnitt 30 ausgeführt wird. Zunächst wird die Synchronisationshalte-Startverarbeitung, welche in 31 gezeigt ist, beschrieben.
Zunächst setzt Anfangs die Spannungseinschaltesequenz des GPS-Empfängers beispielsweise die CPU 41 Konstanten für den NCO, die Tiefpassfilter und die Schleifenfilter im Synchronisationshalteabschnitt 30 (Schritt S91). Es sei angemerkt, dass im Anfangszustand sowohl die Costas-Schleife 31 als auch die DLL 32 im offenen Schleifenzustand sind.
Danach überwacht die CPU 41 einen Unterbrechungsbefehl vom Synchronisationserwerbsabschnitt 20 (Schritt S92). Wenn ein Unterbrechungsbefehl ankommt, empfangt die CPU 41 die Information, beispielsweise die GPS-Satellitennummer, die Phase des Satelliten-PN-Codes, die IF-Trägerfrequenz und die Signalintensität, und stellt den Synchronisationshalteabschnitt 30 ein, um somit einen unabhängigen Kanal entsprechend der empfangenen GPS-Satellitennummer zuzuteilen (Schritt S93).
Danach berechnet die CPU 41 den Synchronisationshalte-Startzeitablauf von der Phase des Satelliten-PN-Codes, der vom Synchronisationserwerbsabschnitt 20 empfangen wird, und erzeugt die Anfangswerte, die zu jedem Bereich im zugeordneten Kanal im Synchronisationshalteabschnitt 30 zu liefern sind, auf Basis der IF-Trägerfrequenz, welche vom Synchronisationserwerbsabschnitt 20 empfangen wird (Schritt S94).
Danach liefert die CPU 41 die erzeugten Anfangswerte zu jedem Bereich in dem Kanal, der im Schritt S93 zugeordnet wurde, im Synchronisationshalteabschnitt 30 über das Steuerregister 33 und beginnt einen Synchronisationshaltebetrieb, indem die erzeugte Phase des schnellen PN-Codes P vom PN-Code-Generator 320 in dem Kanal gesteuert wird, der im Schritt S93 zugeordnet wurde, um somit die Phase, wenn der Synchronisationshaltebetrieb beginnt, zu erzeugen (Schritt S95). Es sei angemerkt, dass in diesem Zeitpunkt sowohl die Costas-Schleife 31 als auch die DLL 32 im offenen Schleifenzustand gehalten sind.
Wenn die Kanalzuteilung zum Synchronisationshalten in Bezug auf das synchron erworbene GPS-Satelliten-Signal ausgeführt wird, wobei der Synchronisationshaltebetrieb begonnen wird, kehrt die Prozedur zurück zum Schritt S92, um auf eine nächste Unterbrechung zu warten.
Anschließend wird die Synchronisationshalteverarbeitung für jeden Kanal, die wie oben beschrieben begonnen wurde, mit Hilfe des in 32 gezeigten Flussdiagramms beschrieben.
Zunächst bestimmt die CPU 41, ob der Korrelationswert CV(P) vom Synchronisationshalteabschnitt 30 einen signifikanten Pegel erreicht hat (Schritt S101). Wenn herausgefunden wird, dass der Korrelationswert CV(P) einen signifikanten Pegel erreicht hat, schließt die CPU 41 die Costas-Schleife 31 und die DLL 32, um einen Synchronisationshaltebetrieb auszuführen (Schritt S102).
Danach überwacht die CPU 41 das Verriegelungs-Unterscheidungsausgangssignal des PN-Code-Unterscheidungsabschnitts 211 der Costas-Schleife 31 des Halteabschnitts 30 (Schritt S103). Wenn der Synchronisationshalteabschnitt 30 im Verriegelungszustand vorgefunden wird, inkrementiert die CPU 41 die Anzahl der synchron-gehaltenen GPS-Satelliten um 1 (Schritt S104), wobei der Synchronisationshaltezustand fortgesetzt wird (Schritt S105).
Während des Synchronisationshaltebetriebs überwacht die CPU 41 das Verriegelungsunterscheidungs-Ausgangssignal vom PN-Code-Unterscheidungsabschnitt 211 der Costas-Schleife 31 (Schritt S106). Wenn die Verriegelung des Synchronisationshaltens erkannt wurde, kehrt die Prozedur zurück zum Schritt S105, um den Synchronisationshaltezustand fortzusetzen. Wenn gefunden wird, dass das Synchronisationshalten im Schritt S106 entriegelt ist, dekrementiert die CPU 41 die Anzahl der synchron-gehaltenen GPS-Satelliten um 1 (Schritt S107), wodurch die Verarbeitung ausgeführt wird, die auszuführen ist, wenn das Synchronisationshalten entriegelt ist. Die Beschreibung dieser Verarbeitung wird übersprungen.
Wenn vier oder mehrere GPS-Satelliten-Signale im Synchronisationshaltezustand im Synchronisationshalteabschnitt 30 gefunden werden, berechnet die CPU 41 die Position und die Geschwindigkeit des GPS-Empfängers.
Wenn gefunden wird, dass der Korrelationswert CV(P) den signifikanten Pegel im Schritt S101 nicht erreicht, bestimmt die CPU 41, ob dieser Zustand über eine vorher festgelegte Zeitperiode gewesen ist (Schritt S109). Wenn herausgefunden wird, dass dies eine vorher festgelegte Zeitdauer gewesen ist, bringt die CPU 41 den Kanal, der im Synchronisationshalteabschnitt 30 im Schritt S93 zugeteilt wurde, zu einem freien Kanal, wodurch das Synchronisationshaltens dieses Kanals gestoppt wird (Schritt S110).
Wenn der Verriegelungszustand durch das Verriegelungsunterscheidungs-Ausgangssignal im Schritt S103 nicht ermittelt wurde, bestimmt die CPU 41, ob dieser Zustand über eine vorher festgelegte Zeitdauer lang angedauert hat (Schritt S111). Wenn herausgefunden wird, dass dies über eine vorher festgelegte Zeitdauer angedauert hat, bringt die CPU 41 den Kanal, der im Synchronisationshalteabschnitt 30 im Schritt S93 zugeteilt wurde, zu einem freien Kanal, wodurch das Synchronisationshalten dieses Kanals gestoppt wird (Schritt S110).
Die Schritte 109, 111 und 110 sind aus folgenden Gründen vorgesehen. Sogar, wenn die Korrelation, welche durch den Synchronisationserwerbsabschnitt 20 ermittelt wird, bei einem signifikanten Pegel vorgefunden wird, kann diese Synchronisation falsch sein, da diese zufällig durch Rauschen erzeugt wird. Für die falsche Synchronisation, welche zufällig erzeugt wird und daher nicht anhaltend ist, wird keine Synchronisation im Synchronisationshalteabschnitt 30 eingerichtet. Wenn daher die Synchronisation nicht innerhalb einer bestimmten Suchzeit im Synchronisationshalteabschnitt 30 eingerichtet werden kann, wird der Synchronisationshaltebetrieb gestoppt und der zugeteilte Kanal wird auf einen freien Kanal zurückgebracht, wobei auf einen nächste Unterbrechung gewartet wird.
Dagegen ist es im Schritt S94, der in 31 gezeigt ist, für die CPU 41 erforderlich, den Synchronisationshalte-Startablauf des Synchronisationshalteabschnitt 30 zu berechnen, um somit die Phase des Nachbildungs-PN-Codes vom PN-Code-Generator 320 des Synchronisationshalteabschnitt 30 an die Phase des Satelliten-PN-Codes anzupassen, der durch den Synchronisationserwerbsabschnitt 20 ermittelt wurde. Diese Berechnung muss betrachten, dass eine vorher festgelegte Zeitperiode verstrichen ist, bis der Synchronisationserwerbs eines GPS-Satelliten-Signals im Synchronisationserwerbsabschnitt 20 beendet ist und durch die Wirkungen der Doppler-Verschiebung und des Fehlers der Frequenzoszillatorschaltung 2 des GPS-Empfängers beeinträchtigt wird.
Das letztere Problem wird dadurch verursacht, dass die IF-Trägerfrequenz einer der Fehler der Frequenzoszillatorschaltung 2 aufweist, welche den Abtasttakt erzeugt, um die IF-Daten vom Frequenzumsetzerabschnitt 10 im Speicher zu speichern.
Es sei angemerkt, dass bei der vorliegenden Ausführungsform sowohl der Synchronisationserwerbsabschnitt 20 als auch der Synchronisationshalteabschnitt 30 in Bezug auf den Takt arbeiten, der durch die Referenzoszillatorschaltung 2 erzeugt wird, so dass der Synchronisationserwerbsabschnitt 20 und der Synchronisationshalteabschnitt 30 strikt den gleichen Frequenzfehler haben. Wie für die Synchronisation des IF-Trägers besteht daher kein Problem mit dem Synchronisationshalteabschnitt 30, der seinen Betrieb unter Verwendung der IF-Trägerfrequenz beginnt, welche im Synchronisationserwerbsabschnitt 20 ermittelt wurde, als Anfangswert.
Beispiel eines Verfahrens zum Bestimmen des Synchronisationshalte-Startzeitablaufs
Anschließend wird ein Verfahrensbeispiel zum Bestimmen des Synchronisationshalte-Startzeitablaufes im Schritt S94 beschrieben.
Die Synchronisationshalte-Startsteuerung wird durch den Fehler der Referenzoszillatorschaltung 2 des GPS-Empfängers beeinträchtigt. Grundsätzlich wird der PN-Code in einer Periode einer Millisekunde wiederholt, so dass die Startzeitsteuerung des PN-Codes im Synchronisationshalteabschnitt 30 kein Problem zeigt, wenn sie durch ein ganzzahliges Vielfaches einer Millisekunde abweicht.
In diesem Beispiel hat unter Verwendung davon der Synchronisationserwerbsabschnitt 20 den Timer 45 mit der Zeitsteuerung zum Speichern der IF-Daten im RAM 22 begonnen, und, wenn der Synchronisationserwerbsabschnitt 20 eine Phasendifferenz h zwischen dem Satelliten-PN-Code und dem Nachbildungs-PN-Code für die IF-Daten ermittelt, welche im RAM 22 gespeichert sind, passt die CPU 41 unter Verwendung des gleichen Timer 45 die Phase an den Satelliten-PN-Code des Empfangssignals an, wobei der schnelle PN-Code P gestartet wird, der im PN-Code-Generator 320 des Synchronisationshalteabschnitt 30 erzeugt wird, in dem Zeitpunkt, der um die ermittelte Phasendifferenz h vom ganzzahligen Vielfachen einer Millisekunde abweicht.
33A, 33B und 33C zeigen die Zustände des oben erwähnten Verfahrens. 33A zeigt IF-Daten, wobei jedes PN des Satelliten-PN-Code bezeichnet. Wie in 33B gezeigt ist, ermittelt, wenn die IF-Daten im RAM 22 mit einer Zeitsteuerung mit der Phase gespeichert sind, welche um h abweicht, wie gezeigt ist, in Bezug auf den Satelliten-PN-Code der IF-Daten, der DSP 23 diese Phasendifferenz h als Phaseninformation (die Phase, um den PN-Code-Generator 320 der DLL 32 zurückzusetzen) des Satelliten-PN-Codes.
Es sei hier angenommen, dass der Zeitpunkt, bei dem diese Phasendifferenz h durch den Synchronisationserwerbsabschnitt 20 ermittelt wurde, ein Zeitpunkt ist, der mehrere Millisekunden vom Zeitpunkt vorbei, bei dem der Timer 45 gestartet wurde, mit der Zeitsteuerung zum Speichern der IF-Daten im RAM 22, wie in 33C gezeigt ist.
Wenn der Zeitpunkt, bei dem die Phasendifferenz h für den PN-Code vom Synchronisationserwerbsabschnitt 20 empfangen wurde, ein Zeitpunkt in der Einheit einer Millisekunde zwischen der Zeit ist, welche durch den Timer 45 gezählt wurde, wartet die CPU 41, bis die Zeit der Einheit einer Millisekunde vorbei ist und setzt die erzeugte Phasen des PN-Code-Generator 320 des Synchronisationshalteabschnitt 30 mit einer Zeit, welche durch Addieren der Phasendifferenz h für den PN-Code erlangt wurde, welche als Synchronisationshalte-Startzeitsteuerung verwendet wird.
Folglich kann die erzeugte Phase des schnellen PN-Codes P des PN-Code-Generators 320 des Synchronisationshalteabschnitt 30 ungefähr an die Phase des Satelliten-PN-Codes des GPS-Satelliten-Signals angepasst werden, welches durch den Synchronisationser werbsabschnitt 20 erlangt wird, wodurch die Zeit, welche zum Einrichten der Phase notwendig ist, reduziert wird.
Bei der bekannten Aufgabe der Costas-Schleife zuzüglich DLL ist die Phase des Satelliten-PN-Codes des Empfangssignals nicht bekannt, so dass die IF-Trägerfrequenz, welche durch die DLL erzeugt wird, leicht gegenüber der Periode des Nachbildungs-PN-Codes versetzt ist, und, während die Phase für den Satelliten-PN-Code der IF-Daten sich verschiebt, wird die Phase, in welcher eine signifikante und intensive Korrelation auftritt, für alle Phasen in den Trägerfrequenzen in einem Bereich mehrerer kHz und in der PN-Code-Länge von 1023 Chips im schlechtesten Fall ermittelt, wodurch eine ziemlich lange Zeit bis zur Einrichtung der Synchronisation erforderlich ist.
Im Gegensatz dazu hat bei der oben erläuterten Ausführungsform der Synchronisationshalteabschnitt 30, der den gleichen Grundsatzaufbau hat, bei dem die Costas-Schleife 31 und DLL 32 wie vorher verwendet werden, den gleichen Anfangswert der Phase des Satelliten-PN-Codes, der durch den Synchronisationshalteabschnitt 30 empfangen wird, und den Anfangswert der IF-Trägerfrequenz, welche lediglich leicht gegenüber den wahren Werten abweichen, so dass die Phase, welche eine signifikante und intensive Korrelation hat, immer in der Nähe der Anfangswerte existiert, wenn der Fehler in betracht gezogen wird.
Der Synchronisationshalteabschnitt 30 schaltet zuerst die Schaltschaltungen 212 und 324 ab, um die NCOs 208 und 323 der Costas-Schleife 31 bzw. der DLL 32 in den Zustand zu versetzen, indem die Steuerung durch die Schleifenfilter 207 und 322 nicht freigegeben ist, nämlich in den Zustand, in welchem die Schleifen offen sind und sucht danach einer signifikanten intensiven Korrelation, wobei die NCOs 208 und 323 in der Nähe der Anfangswerte gesteuert werden. Wenn eine derartige Korrelation gefunden wird, schaltet der Synchronisationshalteabschnitt 30 die Schaltschaltungen 212 und 324 ein, um dadurch die Schleifensteuerung von den Schleifenfiltern 207 und 322 der DLL 32 bzw. der Costas-Schleife 31 zu bewirken.
Folglich werden die Synchronisationseinrichtung der Phase des PN-Codes in der DLL 32 und die Synchronisationseinrichtung der Phase des IF-Trägers in der Costas-Schleife 31 in einer signifikant kurzen Zeit ausgeführt, wodurch ermöglicht wird, die Synchronisation nachfolgend zu halten.
In diesem Fall kann der Anfangswert der IF-Trägerfrequenz mit einer Genauigkeit von mehreren 10 Hz beispielsweise festgelegt werden, so dass die Bandbreite des Tiefpassfilters und des Schleifenfilters der Costas-Schleife 31 und der DLL 32 vom Anfang an eng sein können, wodurch die Synchronisation mit einem hohen S/N eingerichtet wird.
Wenn der Synchronisationshalteabschnitt 30 in Bezug auf den Takt von 1,023 MHz × 16 = 16,368 MHz beispielsweise betrieben wird, und die Phase des PN-Codes mit einer Zeitauflösung von 1/16,368 MHz in der DLL 32 ermittelt wird, kann der Pseudobereich zwischen GPS-Satelliten und dem GPS-Empfänger aus der Phase des PN-Codes mit einer Genauigkeit eines Chips von 1/16 berechnet werden. Wenn der NCO 208 der Costas-Schleife 31 so konfiguriert ist, um auf einer Basis von 1 Hz gesteuert zu werden, wird die Auflösung der IF-Trägerfrequenz zu 1 MHz, wodurch erlaubt wird, dass die DLL 32 und die Costas-Schleife 31 ihrer Synchronisation mit dieser Genauigkeit halten.
Andere Ausführungsformen
Bei der oben erläuterten Ausführungsform werden die Ermittlungsergebnisse vom Synchronisationserwerbsabschnitt 20 über die CPU 41 zum Synchronisationshalteabschnitt 30 geleitet. Es ist ebenfalls praktikabel, die Ermittlungsergebnisse von dem Synchronisationserwerbsabschnitt 20 unmittelbar zum Synchronisationshalteabschnitt 30 zu leiten.
Bei der oben erläuterten Ausführungsform wird das digitale angepasste Filter für den Synchronisationserwerbsabschnitt 20 verwendet. Der Synchronisationserwerbsabschnitt 20 ist jedoch nicht auf das digitale angepasste Filter begrenzt, da eine der Aufgaben dieser Erfindung derart ist, dass der schlechte Synchronisationserwerb durch den Synchronisationserwerbsabschnitt ausgeführt wird, und das Ergebnis des Synchronisationserwerbs zum Synchronisationshalteabschnitt geleitet wird, um die Verarbeitung bis zur Einrichtung der Synchronisation zu beschleunigen.
Das digitale angepasste Filter wird nicht lediglich durch die FFT wie oben beschrieben bei den oben erläuterten Beispielen realisiert, sondern auch durch das Transversalfilter, wie oben beschrieben.
Es sei ebenfalls angemerkt, dass die vorliegende Erfindung nicht auf den GPS-Empfänger begrenzt ist, der aus dem Synchronisationserwerbsabschnitt und dem Synchronisationshalteabschnitt besteht. Die vorliegende Erfindung ist auch bei einem GPS-Empfänger anwendbar, bei dem eine Synchronisation für den Träger ermittelt wird und der Spreizcode, durch die gleitende Korrelation, welche die Frequenzsuche beinhaltet, und der Synchronisationserwerb und der Synchronisationshaltebetrieb mittels der DLL und der Costas-Schleife ausgeführt werden.
Obwohl bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Verwendung spezieller Begriffe beschrieben wurden, dient die Beschreibung lediglich für einen beispielhaften Zweck, und es soll verstanden sein, dass Änderungen und Variationen durchgeführt werden können, ohne den Rahmen der folgenden Ansprüche zu verlassen.

Claims

GPS-Empfangsverfahren (globales Positionssystem-Empfangsverfahren), welches folgende Schritte aufweist: Erwerben – in einem Synchronisation-Erwerbsabschnitt eines Empfängers – eines Signals, welches von einem GPS-Satelliten empfangen wird, unter Verwendung einer Zwischenfrequenz-Trägerfrequenz, welche durch einen Referenzoszillator des Empfängers erzeugt wird; Weiterleiten des erworbenen Signals an einen Synchronisationshalteabschnitt des Empfängers, der mehrere Kanäle hat, und Zuteilen des erworbenen Signals einem der Kanäle; Halten des erworbenen Signals in einem Synchronisations-Haltezustand unter Verwendung des zugeteilten Kanals des Synchronisationshalteabschnitts; Erlangen der Satelliten-Orbitinformation des GPS-Satelliten vom erworbenen Signal im Synchronisations-Haltezustand, wobei die Satelliten-Orbitinformation einen Positions- und Geschwindigkeitswert des GPS-Satelliten aufweist; Berechnen eines Zwischenfrequenz-Trägerfehlers der Zwischenfrequenz-Trägerfrequenz, welche durch den Referenzoszillator erzeugt wird, auf Basis einer Frequenzdifferenz zwischen dem Referenzoszillator und einer Zwischenfrequenz-Trägerfrequenz des erworbenen Signals, welches im Synchronisationshalteabschnitt gehalten wird, wobei die Berechnung von einem Positions- und einem Geschwindigkeitswert, der von der Satelliten-Orbitinformation erlangt wird, der laufenden Zeit und der Position des Empfängers abhängt; Korrigieren der Zwischenfrequenz-Trägerfrequenz, welche durch den Referenzoszillator erzeugt wird, unter Verwendung des berechneten Zwischenfrequenz-Trägerfehlers; Sequentielles Erwerben von Signalen, welche von anderen GPS-Satelliten empfangen werden, unter Verwendung des Synchronisationserwerbungsabschnitts unter Verwendung der korrigierten Zwischenfrequenz-Trägerfrequenz, Weiterleiten der erworbenen Signale an den Synchronisationshalteabschnitt, Zuteilen der erlangten Signale den entsprechenden Kanälen des Synchronisationshalteabschnitts und synchrones Halten der erworbenen Signale parallel in den jeweiligen Kanälen.
GPS-Empfangsverfahren nach Anspruch 1, wobei mehrere Zwischenfrequenz-Trägerfehler, welche für Signale erlangt werden, von mehreren GPS-Satelliten gemittelt werden, und die Zwischenfrequenz-Trägerfrequenz durch den gemittelten Fehler korrigiert wird, und ein Signal, welches von einem anderen GPS-Satelliten empfangen wird, unter Verwendung der korrigierten Zwischenfrequenz-Trägerfrequenz erworben wird.
GPS-Empfangsverfahren nach Anspruch 1, wobei die Zwischenfrequenz-Trägerfrequenz durch den Zwischenfrequenz-Trägerfehler, der für ein Signal erlangt wird, welches einen höchsten Empfangssignalpegel unter den mehreren Signalen hat, welche von einer entsprechenden Vielzahl von GPS-Satelliten empfangen werden, korrigiert wird, und ein Signal, welches von einem anderen GPS-Satelliten empfangen wird, durch Verwendung der korrigierten Zwischenfrequenz-Trägerfrequenz erworben wird.
GPS-Empfangsverfahren nach Anspruch 1, wobei die Zwischenfrequenz-Trägerfrequenz durch einen gemittelten Wert des Zwischenfrequenz-Trägerfehlers, der für ein Signal, welches einen Empfangssignalpegel hat, der größer ist als ein vorher festgelegter Schwellenwert, unter mehreren Signalen erlangt wird, welche von einer entsprechenden Vielzahl GPS-Satelliten empfangen werden, korrigiert wird, und ein Signal von einem anderen GPS-Satelliten unter Verwendung der korrigierten Zwischenfrequenz-Trägerfrequenz erworben wird.
GPS-Empfangsverfahren nach Anspruch 1, wobei die Zwischenfrequenz-Trägerfrequenz unter Verwendung des erlangten Zwischenfrequenz-Trägerfehlers beim Erwerben eines Signals, welches von einem anderen GPS-Satelliten empfangen wird, korrigiert wird, wenn die Anzahl der GPS-Satelliten, von denen Signale im Synchronisations-Haltezustand sind, kleiner ist als vier.
GPS-Empfänger, der aufweist: einen Referenzoszillator; eine Synchronisationseinheit, welche einen Synchronisations-Erwerbsabschnitt (20) hat, um Signale, welche von GPS-Satelliten empfangen werden, unter Verwendung einer bestimmten Zwischenfrequenz-Trägerfrequenz synchron zu erwerben, welche unter Verwendung des Referenzoszillators erzeugt wird; und einen Synchronisationshalteabschnitt (30) zum synchronen Halten der erworbenen Signale und zum Erlangen der Satelliten-Orbitinfor mation des GPS-Satelliten vom erworbenen Signal im Synchronisation-Haltezustand, wobei die Satelliten-Orbitinformation einen Position- und einen Geschwindigkeitswert des GPS-Satelliten umfasst, wobei der Synchronisationserwerbsabschnitt (20) die Signale sequentiell erlangt und die erworbenen Signale an den Synchronisationshalteabschnitt (30) weiterleitet, um parallel auf entsprechenden Kanälen des Synchronisationshalteabschnitts gehalten zu werden; eine Fehlerberechnungseinheit (40) zum Berechnen eines Zwischenfrequenz-Trägerfehlers eines Zwischenfrequenzträgers, der durch den Referenzoszillator erzeugt wird, auf Basis einer Frequenzdifferenz zwischen dem Referenzoszillator und einer Zwischenfrequenz-Trägerfrequenz eines erworbenen Signals, welches im Synchronisationshalteabschnitt (30) gehalten wird, wobei die Berechnung von einer Position und einem Geschwindigkeitswert abhängt, die von der Orbitinformation erlangt werden, welche durch den Synchronisationshalteabschnitt (30), der aktuellen Zeit und der Position des Empfängers erlangt wird; und eine Korrektureinheit zum Korrigieren der Zwischenfrequenz-Trägerfrequenz durch den Zwischenfrequenz-Trägerfehler, der durch die Fehlerberechnungseinheit berechnet wurde, und zum Liefern der korrigierten Zwischenfrequenz-Trägerfrequenz zur Synchronisationseinheit zur Verwendung beim Erwerben nachfolgender Signale von GPS-Satelliten.
GPS-Empfänger nach Anspruch 6, wobei die Fehlerberechnungseinheit mehrere Zwischenfrequenz-Trägerfehler, welche für Signale erlangt werden, welche von einer entsprechenden Vielzahl von GPS-Satelliten empfangen werden, mittelt und den gemittelten Zwischenfrequenz-Trägerfehler zur Korrektureinheit liefert.
GPS-Empfänger nach Anspruch 6, wobei die Fehlerberechnungseinheit den Zwischenfrequenz-Trägerfehler, der für ein Signal erlangt wird, welches einen höchsten Signalpegel unter mehreren Signalen hat, welche von einer entsprechenden Vielzahl von GPS-Satelliten empfangen werden, zur Korrektureinheit liefert.
GPS-Empfänger nach Anspruch 6, wobei die Fehlerberechnungseinheit einen Durchschnittswert des Zwischenfrequenz-Trägerfehlers, der für ein Empfangssignal erlangt wird, welches einen Signalpegel hat, der größer ist als ein vorher festgelegter Schwellenwert unter mehreren Signalen, welche von einer entsprechenden Vielzahl GPS-Satelliten empfangen werden, zur Korrektureinheit liefert.
GPS-Empfänger nach Anspruch 6, wobei die Zwischenfrequenz-Trägerfrequenz unter Verwendung des erlangten Zwischenfrequenz-Trägerfehlers beim Erwerben eines Signals korrigiert wird, welches von einem anderen GPS-Satelliten empfangen wird, wenn die Anzahl von GPS-Satelliten, bei denen Signale im Synchronhaltezustand sind, kleiner ist als vier.