DE602005005340T2

DE602005005340T2 - Gps-empfänger und diesbezügliches verfahren und diesbezügliche vorrichtung

Info

Publication number: DE602005005340T2
Application number: DE602005005340T
Authority: DE
Inventors: Michael D. c/o Philips Redhill JAMES
Original assignee: Geotate BV
Current assignee: U Blox AG
Priority date: 2004-08-18
Filing date: 2005-08-11
Publication date: 2009-07-02
Anticipated expiration: 2025-08-12
Also published as: JP2008510160A; ATE389189T1; EP1782088A1; DE602005005340D1; US20080094279A1; EP1782088B1; CN101010598A; JP5101281B2; US7916079B2; KR20070048788A; GB0418357D0; CN101010598B; WO2006018803A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen GPS-Empfänger, der eine GPS-Antenne und eine GPS-HF-Eingangsvorrichtung, die einen Analog-zu-Digital-Wandler zum Abtasten empfangener GPS-Signale enthält, sowie einen Prozessor zum Ausgeben der GPS-Signalabtastwerte umfasst.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf ein entsprechendes Verfahren der Bereitstellung einer Positionsangabe, das die Schritte des Empfangens von GPS-Signal-Abtastwerten von einem GPS-Empfänger und des Verarbeitens der GPS-Signalabtastwerte zum Bestimmen einer Positionsangabe umfasst; und auf ein Computerprogramm, ein computerlesbares Speichermedium und eine Vorrichtung für dasselbe.
Der Artikel "Real-Time software radio architectures for GPS receivers" von Akos u. a. (GPS World, Juli 2001) offenbart "Software-GPS", bei dem viel GPS-Signalverarbeitung mittels eines programmierbaren Mikroprozessors oder eines digitalen Signalprozessors bewerkstelligt wird, im Gegensatz zu analogen oder diskreten, festverdrahteten Komponenten. Wie in 2 dieses Artikels dargestellt ist, ist ein vereinfachter GPS-Empfänger vorgesehen, der aus einer GPS-Antenne und einer GPS-HF-Eingangsvorrichtung für eine GPS-Signal-Vorverarbeitung (die Filterung, Verstärkung und Frequenzabwärtswandlung enthält) und eine Analog-zu-Digital-Wandlung besteht. Die vom GPS-Empfänger ausgegebenen GPS-Signalabtastwerte werden dann in einen modernen PC oder einen Laptop-Rechner eingegeben, auf dem geeignete GPS-Signal-Verarbeitungssoftware läuft, um die GPS-Signale zu verarbeiten und eine Positionsangabe zu bestimmen. Die Autoren dieses Artikels haben den GPS-Empfänger als ein "Einsteck"-Modul betrachtet, d. h. als "Dongle"-Typ-Vorrichtung, die aufgrund ihrer einfachen Architektur kostengünstig hergestellt werden könnte, um somit eine breite Einführung zu erleichtern. Selbstverständlich ist die GPS-Signal-Verarbeitungssoftware, die sich auf dem PC befindet, von Natur aus kostengünstig zu vervielfältigen.
Um eine GPS-Empfänger unter Verwendung einer solchen Anordnung zu verfolgen, würde eine erste Positionsangabe normalerweise (bei Fehlen von AGPS-Daten) die Erfassung und Verfolgung der GPS-Signale über etwa 30 s erfordern, um den Empfang der GPS-Wochenzeit (TOW, time of week) und aktueller Ephemeriden-Daten sicherzustellen.
Anschließend würden normalerweise nicht kontinuierlich GPS-Signale verfolgt, da man vielleicht einen herkömmlichen, hardware-basierten GPS-Empfänger hat, sondern man würde periodisch neu abtasten und kleine Blöcke von GPS-Signalen (gewöhnlich als "Schnappschüsse" bezeichnet) zeitlich abstempeln und die GPS-Signale für jeden Block erfassen. Eine Positionsangabe beruhend auf solch kleinen Schnappschüssen ist möglich, da die Zeitdifferenz zwischen aufeinanderfolgenden Schnappschüssen (unter Verwendung der Zeitstempel) bekannt ist und somit eine Messung der GPS-Zeit für einen früheren Schnappschuss dann extrapoliert werden kann, um eine Schätzung der GPS-Zeit für einen späteren Schnappschuss zu erhalten, für den die Neuerfassung noch stattfinden muss. Außerdem können die Ephemeride und Schätzungen der GPS-Zeit verwendet werden, um den Erfassungsprozess zu vereinfachen, da Annahmen über beobachtete Doppler- und Code-Phasen der GPS-Signale in einem bestimmten Schnappschuss gemacht werden können.
Eine GPS-HF-Eingangsvorrichtung des beschriebenen Typs würde daher typischerweise einen relativen Zeitstempel ausgeben (d. h. unter Verwendung der Zeitbasis der GPS-Empfänger-Eingangsvorrichtung), unmittelbar gefolgt von einem Echtzeit-GPS-Signalabtastwertstrom, der in einem Computer als Schnappschuss zwischengespeichert werden kann und anschließend verarbeitet werden kann.
Eine Alternative wäre, Zeitinformationen parallel zu einem GPS-Signal-Abtastwertstrom bereitzustellen, jedoch ist der Pfad, der den GPS-Signal-Abtastwertstrom trägt, häufig der einzige synchronisierte Signalpfad zwischen der GPS-HF-Eingangseinrichtung und dem Computer. Andere Pfade können Zeitunsicherheiten aufweisen, z. B. Unterbrechungsanschlüsse oder Eingangs/Ausgangs-Anschlüsse, so dass es schwierig ist, Zeitinformationen mit beliebiger Genauigkeit über einen parallelen Signalpfad weiterzuleiten.
US-Patent 6449485 offenbart eine mobile Einheit, die empfangene GPS-Signale für die erneute Übermittlung zu einer Basisstation abtastet und zeitlich abstempelt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein GPS-Empfänger geschaffen, der eine GPS-Antenne und eine GPS-HF-Eingangsvorrichtung umfasst, die einen Analog-zu-Digital-Wandler zum Abtasten empfangener GPS-Signale und einen Prozessor zum Ausgeben eines Stroms der GPS-Signal-Abtastwerte und wiederholter Instanzen von Zeitablaufdaten (die optional Synchronisationscodewörter enthalten), die den Zeitablauf der Abtastung der GPS-Signale angeben, enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitablaufdaten anstelle einiger der GPS-Signalabtastwerte in den Strom eingesetzt sind.
Ferner wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Verfahren der Bereitstellung einer Positionsangabe geschaffen, das die Schritte umfasst: Empfangen eines Stroms von GPS-Signal-Abtastwerten von einem solchen GPS-Empfänger; Identifizieren von wiederholten Instanzen von Zeitablaufdaten, die den Zeitablauf der Abtastung der GPS-Signale angeben, im Strom der GPS-Signalabtastwerte; und Verarbeitung der GPS-Signalabtastwerte unter Verwendung der Zeitablaufdaten, um eine Positionsangabe zu bestimmen; zusammen mit einem Computerprogramm, einem computerlesbaren Speichermedium und einer Vorrichtung für dasselbe.
Der Erfinder hat erkannt, dass es nicht notwendig ist, solche Zeitablaufinformationen auf einem separaten physikalischen oder virtuellen Kanal oder in einem Kopf, der einer Schnappschussnutzlast vorangeht, zu senden. Stattdessen können diese Daten direkt in den GPS-Signalabtastwertstrom eingesetzt werden, d. h. unter Verwendung eines einzelnen Kanals und Vermeidung der Notwendigkeit eines zusätzlichen Kanals oder eines Multiplexens.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die wiederholten Instanzen der Zeitablaufdaten verwendet werden können, um die Unversehrtheit der Schnappschüsse zu prüfen. Wenn z. B. Zeitablaufdaten nicht dort vorhanden sind, wo sie im GPS-Signalabtastwertstrom erwartet werden, ist dies ein Zeichen dafür, dass der GPS-Signalabtastwertstrom beschädigt worden ist.
Der Verlust von GPS-Signalabtastwerten hat eine minimale Auswirkung, wobei es in der Tat perfekt möglich ist, einen Block von GPS-Signalabtastwerten, der einen oder mehrere Zeitstempel enthält, kohärent zu korrelieren, um GPS-Signale zu erfassen.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden lediglich beispielhaft und mit Bezug auf die beigefügte Figur beschrieben, die schematisch einen Laptop-PC zeigt, der mit einem GPS-Empfänger verbunden ist, wobei beide entsprechend der vorliegenden Erfindung betrieben werden.
Wie in der beigefügten Figur gezeigt ist, ist der Laptop-PC über einen USB-PC-Anschluss und ein entsprechendes Kabel mit dem GPS-Empfänger 10 verbunden, der aus einer GPS-HF-Eingangsvorrichtung Rx und einer GPS-Antenne besteht. Während der GPS-Empfänger eine "Dongle"-Typ-Vorrichtung sein kann, um somit das Kabel wegzulassen, erleichtert das Kabel die Positionierung des GPS-Empfängers (einschließlich der Antenne) an einer markanten Position, um somit die Aussichten auf eine Erfassung von GPS-Signalen zu erhöhen. Zum Beispiel kann der GPS-Empfänger nahe einem Fenster platziert werden, wenn er in Innenräumen betrieben wird.
Wenn der GPS-Empfänger in Betrieb ist, empfängt er NAVSTAR-SPS-GPS-Signale über seine Antenne und verarbeitet diese vor, typischerweise mittels passiver Bandpassfilterung zum Minimieren von Außer-Band-HF-Störungen, Vorverstärkung, Abwärtswandlung auf eine Zwischenfrequenz (ZF) und Analogzu-Digital-Wandlung. Die resultierenden GPS-Signalabtastwerte enthalten das ZF-Signal, das moduliert bleibt und immer noch alle Informationen von den verfügbaren Satelliten enthält.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die GPS-Signalabtastwerte vom GPS-Empfänger über die USB-Verbindung in den (nicht gezeigten) PC-Speicher übertragen, wobei anstelle einiger der GPS-Signalabtastwerte periodisch Zeitab laufdaten in den Strom eingefügt werden, die den Zeitablauf der Abtastung der GPS-Signale anzeigen (relativ zur Zeitbasis der GPS-HF-Eingangsvorrichtung).
Unter Verwendung von Laptop-PC-basierter GPS-Signal-Verarbeitungssoftware werden dann die GPS-Signalabtastwerte unter Verwendung von Zeitstempeln verarbeitet (wie auf der obigen Seite 2 beschrieben), so dass GPS-Signale zum Zweck der Herleitung von Pseudoentfernungsinformationen erfasst werden können, aus denen die Position des PC unter Verwendung herkömmlicher Navigationsalgorithmen bestimmt werden kann. Ein solche GPS-Signalerfassung und Pseudoentfernungsverarbeitung ist wohl bekannt, siehe z. B. GPS Principles and Applications (Editor Kaplan), ISBN 0-89006-793-7, Artech House.
Eine Instanz von Zeitablaufdaten kann identifiziert werden, indem im Strom der GPS-Signalabtastwerte nach einer erwarteten Instanz von Zeitablaufdaten auf der Grundlage einer vorher identifizierten Instanz von Zeitablaufdaten gesucht wird, oder alternativ, wo ein Synchronisationscodewort verwendet wird, indem im Strom der GPS-Signalabtastwerte nach einem solchen Synchronisationscodewort gesucht wird. Idealerweise, wenn ein Synchronisationscodewort verwendet wird, wird dieses so gewählt, dass es mit einer sehr geringen Wahrscheinlichkeit in einem GPS-Signalabtastwertstrom erscheint.
Obwohl die vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit einem Laptop-PC dargestellt worden ist, ist sie selbstverständlich gleichermaßen auf eine andere Vorrichtung anwendbar, die fähig ist, GPS-Signalverarbeitungssoftware zu unterstützen, und mit der ein GPS-Empfänger gemäß der vorliegenden Erfindung verbunden werden kann. Zum Beispiel kann die Erfindung mit mobilen Vorrichtungen verwendet werden, wie z. B. PDAs und Telephonen, oder allgemein ortsfesten Objekten, wie Fernsehempfängern oder TV-Aufsatzgeräten.
Während ferner die Verbindung zwischen dem GPS-Empfänger und der GPS-Signalverarbeitungssoftware im obigen Beispiel vollständig drahtgebunden ist, ist es vorstellbar, eine drahtlose Verbindung zu verwenden.
Während schließlich die Erfindung im Zusammenhang mit NAVSTAR-GPS beschrieben worden ist, dem Weltraum-basierten Altwetter-Navigationssystem, das vom US-Verteidigungsministerium entwickelt und derzeit betrieben wird, ist offensichtlich, dass die Erfindung gleichermaßen auf andere globale Positionierungssysteme anwendbar ist, einschließlich GLONASS und Galileo, sowie Hybriden hiervon.

Claims

GPS-Empfänger (10), der eine GPS-Antenne und eine GPS-HF-Eingangsvorrichtung umfasst, die einen Analog-zu-Digital-Wandler zum Abtasten empfangener GPS-Signale und einen Prozessor zum Ausgeben eines Stroms der GPS-Signal-Abtastwerte und wiederholter Instanzen von Zeitablaufdaten, die den Zeitablauf der Abtastung der GPS-Signale angeben, enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitablaufdaten anstelle einiger der GPS-Signalabtastwerte in den Strom eingesetzt sind.
GPS-Empfänger (10) nach Anspruch 1, wobei die Zeitablaufdaten ein Synchronisationscodewort enthalten.
Verfahren der Bereitstellung einer Positionsangabe, das die Schritte umfasst: Empfangen eines Stroms von GPS-Signal-Abtastwerten von einem GPS-Empfänger (10) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, Identifizieren von wiederholten Instanzen von Zeitablaufdaten, die den Zeitablauf der Abtastung der GPS-Signale angeben, im Strom der GPS-Signalabtastwerte; und Verarbeiten der GPS-Signalabtastwerte unter Verwendung der Zeitablaufdaten, um eine Positionsangabe zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei eine Instanz der Zeitablaufdaten identifiziert wird, indem im Strom der GPS-Signalabtastwerte nach einer erwarteten Instanz der Zeitablaufdaten auf der Grundlage einer vorher identifizierten Instanz der Zeitablaufdaten gesucht wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei eine Instanz der Zeitablaufdaten identifiziert wird, indem im Strom der GPS-Signalabtastwerte nach einem Synchronisationscodewort gesucht wird.
Computerprogramm, gekennzeichnet durch Anweisungen zur Durchführung eines Verfahrens nach irgendeinem der Ansprüche 3 bis 5.
Computerlesbares Speichermedium, dadurch gekennzeichnet, dass es darauf aufgezeichnete Daten aufweist, die Anweisungen zur Durchführung eines Verfahrens nach irgendeinem der Ansprüche 3 bis 5 enthalten.
Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass sie dafür konfiguriert ist, ein Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 3 bis 5 auszuführen.
Vorrichtung nach Anspruch 8, die dafür konfiguriert ist, mit einem GPS-Empfänger (10) des in Anspruch 1 oder Anspruch 2 beanspruchten Typs zu verbinden.