DE69013855T2

DE69013855T2 - Verfolgungsverfahren bezüglich Satelliten-Radiosignalen in GPS-Empfängern.

Info

Publication number: DE69013855T2
Application number: DE69013855T
Authority: DE
Inventors: Hitoshi Ando
Original assignee: Pioneer Electronic Corp
Current assignee: Pioneer Corp
Priority date: 1989-11-22
Filing date: 1990-08-28
Publication date: 1995-05-24
Anticipated expiration: 2010-08-29
Also published as: JPH03163381A; EP0429769A2; EP0429769B1; EP0429769A3; US5036329A; DE69013855D1; JPH073463B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auffinden von Satellitensignalen für einen GPS-Empfänger (GPS:Global Positioning System).

2. Beschreibung der Erfindung

Die derzeitig sich in Betrieb befindlichen Positionierungssysteme, welche künstliche Satelliten verwenden, schließen ein sogenanntes globales Positionierungssystem (GPS) mit ein. Dieses Positionierungssystem wird, wie der Name sagt, die gesamte Oberfläche des Globus durch insgesamt 24 geodätische Satelliten abdecken, wenn diese alle auf sechs Orbits, welche ungefähr 20200 km über der Erde liegen, betriebsbereit sind, wobei vier geodätische Satelliten jedem Orbit zugeordnet sind. Jeder geodätische Satellit überträgt ein GPS-Signal, welches Navigationsdaten zur Berechnung an die Erde unter Verwendung eines Breitspektrumsystems überträgt. Die Berechnung wird auf dem Boden, auf See genauso wie in der Luft ausgeführt, indem GPS- Signale von einer Vielzahl an geodätischen Satelliten empfangen werden, beispielsweise durch Empfang der GPS-Signale von drei geodätischen Satelliten zur zweidimensionalen Positionierung und von vier geodätischen Satelliten zur dreidimensionalen Positionierung. Auf diese Weise kann, basierend auf den Navigationsdaten, welche in dem GPS-Signal von jedem geodätischen Satelliten enthalten sind, eine Positionsinformation an dessen Empfangspunkt, wie geographische Breite, geographische Länge und Höhe, in Echtzeit berechnet werden.
Dieses GPS-System wurde ursprünglich zur Verwendung beim US- Militär entwickelt, jedoch wurde ein Teil des GPS-Signals (C/A Code) für eine zivile Verwendung verfügbar gemacht. Daher ist es möglich, ein Navigationssystem für Fahrzeuge, Schiffe und Flugzeuge durch Verwendung des GPS-Signals zu errichten.
Ein GPS-Empfänger, welcher für eine fahrzeugmontierte Navigationsausrüstung verwendet wird, beginnt eine Suchoperation zum Wiedereinfangen des GPS-Satelliten, wenn das Fahrzeug beispielsweise in einen Tunnel eintritt und der Empfang der GPS- Signale von den GPS-Satelliten für mehr als eine bestimmte Zeitdauer (beispielsweise 1 Minute) unterbrochen ist. Ein schematisches Ablaufdiagramm für ein solches Verfahren wird in Fig. 1 gezeigt.
Die GPS-Satelliten übertragen Signale mit einer Frequenz von 1575,42 MHz, die Empfangsfrequenz kann jedoch, da es sich nicht um geostationäre Satelliten handelt, aufgrund des Dopplereffektes verschoben sein. Die Dopplerfrequenzverschiebung, welche durch die sich in Umlaufbahn befindlichen GPS-Satelliten hervorgerufen wird, beträgt ungefähr ± 5 KHz am Boden.
Die Bewegung des GPS-Empfängers selbst oder, im Falle eines auf einem Fahrzeug montierten GPS-Empfängers, die Bewegung des Fahrzeuges können ebenfalls den Dopplereffekt hervorrufen. Die maximale Dopplerfrequenzverschiebung kann ± 600 Hz werden, wenn das Fahrzeug sich mit einer Geschwindigkeit von 60 m/sec bewegt. Es gibt ferner eine Frequenzverschiebung von ± 3 KHz in einem Oszillator des GPS-Empfängers. Wenn diese Frequenzverschiebungen addiert werden, ist die resultierende Gesamtfrequenzverschiebung 5000 + 600 + 3000 = 8600 Hz. Dies bedeutet, daß die Frequenz des empfangenen Satelliten sich in einem Ausmaß von maximal ± 8600 Hz verschiebt.
Folglich ist es für den GPS-Empfänger notwendig, falls ein Versuch zum Wiedereinfangen des verlorenen GPS-Satelliten durch den GPS-Empfänger unternommen wird, nach dem Satellitensignal innerhalb eines maximalen Frequenzbereiches von ± 8600 Hz mit einer Mittenfrequenz von 1575,42 MHz zu suchen, indem er die Suchfrequenz in einem weitem Bereich wechselt.
Der GPS-Empfänger enthält einen Phasenregelkreis (PLL) in dem Empfangsschaltkreis zur genauen Einstellung der Empfangsfrequenz des GPS-Empfängers auf die GPS-Satellitenfrequenz. Es besteht kein Problem, falls ein Einfangbereich der PLL-Schaltung weit genug festgelegt wird, um den maximalen Frequenzverschiebungsbereich von ± 8600 Hz abzudecken. In der Praxis muß jedoch der Einfangbereich der PLL-Schaltung eng bei ± 150 Hz = 300 Hz sein aufgrund struktureller Beschränkungen des Schaltungsaufbaus sein.
Daher ist es notwendig, um die Satellitensignale beim Suchen durch den maximalen Frequenzverschiebungsbereich von ± 8600 Hz bei der Empfangsfrequenz einzufangen, die Suchfrequenz der PLL- Schaltung in mehrere Einfangbereiche zu unterteilen und mehrere Suchschritte zum Abdecken des Gesamtfrequenzbereiches durchzuführen. Es wird beispielsweise angenommen, daß bei einem PLL- Einfangbereich mit einem Bereichsumfang von ± 150 Hz = 300 Hz eine Anzahl der beim Suchen auszuführenden Schritte 8600/300 = 28,66 beträgt. D.h., die Suchfrequenz sollte für alle 28 Schritte für eine Seite der Übertragungsfrequenz des GPS-Satelliten gewechselt werden, und insgesamt 56 Schritte sind erforderlich zum Abdecken des Gesamtsuchbereiches für beide Seiten.
Wie bereits erwähnt, sollte das empfangene Signal zuerst entstreut werden zur Identifizierung, ob das empfangene Signal von dem Ziel-GPS-Satelliten übertragen wurde oder nicht, da das Satellitensignal entsprechend dem Streuspektrumsystem übertragen wird. Diese Identifizierung benötigt ungefähr 1 Sekunde, demgemäß benötigen die 56 Schritte der Suchoperation mindestens 56 Sekunden, und die eigentliche Berechnung zur Positionierung kann innerhalb dieser Zeitdauer nicht ausgeführt werden.
Darüber hinaus muß der GPS-Empfänger wenigstens drei, wünschenswerterweise vier GPS-Satelliten zur Positionierung einfangen und auffinden. Bei der geeignetsten Anordnung des GPS- Empfängers wird ein Empfangskanal jedem GPS-Satelliten zugeteilt. Dies ist jedoch für öffentliche Geräte, wie eine fahrzeugmontierte Navigationsausrüstung, in bezug auf Anforderungen wie Positionierungsgenauigkeit, niedrige Herstellungskosten, Miniaturisierung und dergleichen nicht praktizierbar. Daher wird normalerweise ein einzelner Empfangskanal in der fahrzeugmontierten Navigationsausrüstung verwendet und dabei der einzelne Empfangskanal im Zeitmultiplex betrieben, um es dem GPS- Empfänger zu ermöglichen, Satellitensignale von einer Vielzahl an GPS-Satelliten in Folge zu empfangen. Im Falle des Wiedereinfangens von beispielsweise N-Satelliten zum Auffinden bei Verwendung eines GPS-Empfängers vom sequentiellen Empfangstyp sind mindestens 56 x N Sekunden notwendig, um eine Runde der Wiedereinfangoperation für alle N-GPS-Satelliten durchzuführen, wie in Fig. 2 gezeigt ist.
Wenn beispielsweise die PLL-Suchfrequenz auf die Empfangsfrequenz des GPS-Satelliten eingestellt ist, und es passiert, daß das Signal von dem GPS-Satelliten durch Gebäude unterbrochen wird, wenn das Fahrzeug bei einem Stoppsignal hält, kann es noch weitere 56 x N Sekunden dauern die Suchfrequenz erneut auf die GPS-Satellitenfrequenz einzustellen. Es bestand auf diese Weise hier ein Problem für GPS-Empfänger nach dem Stand der Technik, da eine beträchtliche Zeit benötigt wird zum Wiedereinfangen der verlorenen GPS-Satelliten, und die Positionierungsberechnung mit übermäßiger Verzögerung wieder startet.
Es ist daher eine Aufgabe dieser Erfindung, das Problem, auf das die GPS-Empfänger nach dem Stand der Technik gestoßen sind, zu beseitigen und ein Verfahren zum Auffinden eines Satellitensignals zu schaffen, durch welches verlorengegangene GPS-Satelliten innerhalb der kürzestmöglichen Zeit eingefangen werden können.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung enthält ein Verfahren zum Auffinden eines Satellitensignals für einen GPS- Empfänger einen Schritt zur Durchführung einer Suche für Satellitensignale, indem eine PLL-Suchfrequenz innerhalb des maximalen Frequenzbereiches des Satellitensignals variiert wird, wenn der Empfang eines Signals von dem aufzufindenden GPS-Satelliten für mehr als eine bestimmte Zeitdauer unterbrochen ist. Wenn die Satellitensignale verlorengegangen sind, werden die Satellitensignale gesucht. Als erstes wird eine Schmalbandsuche durch Veränderung der Suchfrequenz innerhalb eines Bereiches der Dopplerfrequenzverschiebung, welche aus der Bewegungsgeschwindigkeit des GPS-Empfängers bestimmt wird, durchgeführt, beispielsweise innerhalb eines Frequenzbereiches von ± 600 Hz im Falle eines fahrzeugmontierten GPS-Empfängers, wobei der Mittelpunkt der Veränderung bei der Schmalbandsuche sich bei der Frequenz befindet, bei der die Satellitensignale empfangen wurden, bevor der Kontakt mit den GPS-Satelliten verlorenging, und die Schmalbandsuche wird fortgesetzt für eine bestimmte Zeitdauer, welche bestimmt wird durch Teilung eines PLL-Einfangbereiches durch die Dopplerverschiebungsrate für die Empfangsfrequenz des Satellitensignals. Als zweites, wenn es nicht gelingt, die Satellitensignale durch die Schmalbandsuche einzufangen, wird eine Breitbandsuche durchgeführt, indem der Suchmodus von der Schmalbandsuche auf Breitbandsuche wechselt, wobei die Breitbandsuche durchgeführt wird, indem die PLL-Suchfrequenz sukzessive entlang der Gesamtbreite des maximalen Frequenzbereiches der Satellitensignalempfangsfrequenz geändert wird.
Bei einem fahrzeugmontierten GPS-Empfänger gemäß der vorliegenden Erfindung beträgt der maximale Frequenzwechselbereich der Satellitensignalempfangsfrequenz um ± 8600 Hz, wie oben bereits erwähnt. Die Dopplerverschiebungsrate der Empfangsfrequenz, welche durch die Relativbewegung zwischen dem GPS-Satelliten und dem Fahrzeug hervorgerufen wird, beträgt maximal ungefähr 40 Hz pro Minute. Einer der Gründe für die Veränderung der Empfangsfrequenz ist eine Frequenzverschiebung eines Oszillators in dem GPS-Empfänger, die oszillierende Frequenz des Oszillators kann jedoch während einer langen Zeitperiode langsam driften, und eine Frequenzverschiebungsrate ist als nahezu Null für eine kurze Zeitdauer wie mehrere Minuten anzunehmen, daher ist sie im Vergleich mit der Dopplerverschiebungsrate vernachlässigbar.
Falls angenommen wird, daß der PLL-Einfangbereich ± 150 Hz beträgt, kann die Satellitensignalempfangsfrequenz 150/40 = 3 Minuten und 45 Sekunden (225 Sekunden) benötigen, den PLL-Einfangbereich von ± 150 Hz bei Variation zu überschreiten.
Mit anderen Worten, es besteht eine sehr hohe Wahrscheinlichkeit für das Vorhandensein der Empfangsfrequenz innerhalb eines Bereiches von ± 600 Hz + ± 150 Hz = ± 750 Hz, welcher zentriert um die letzte Frequenz herum gelegen ist, welche vor dem Verstreichen der 3 Minuten und 45 Sekunden, nachdem die Unterbrechung aufgetreten ist, empfangen wurde.
Diese Erfindung basiert auf dieser Tatsache und ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Schmalbandsuche für Satellitensignale für eine bestimmte Zeitdauer durchgeführt wird, welche dadurch gegeben ist, daß der PLL-Einfangbereich durch die Dopplerverschiebungsrate der Satellitensignalempfangsfrequenz geteilt wird, indem die Suchfrequenz innerhalb eines Bereichs der Dopplerfrequenzverschiebung gewechselt wird, wobei die Verschiebung aus der Bewegungsgeschwindigkeit des GPS-Empfängers bestimmt wird und die letzte Frequenz, bei welcher die Satellitensignale verlorengingen, als den Mittelpunkt aufweist.
Wenn keiner der GPS-Satelliten innerhalb der spezifizierten Zeitdauer, welche durch den PLL-Einfangbereich und die Dopplerverschiebungsrate wie oben beschrieben bestimmt ist, gefunden wird, besteht die ziemliche Wahrscheinlichkeit, daß die Satellitensignal-Empfangsfrequenz außerhalb des PLL-Einfangbereiches aufgrund des Dopplereffektes verschoben ist.
Daher wird gemäß der Erfindung, wenn die vorbestimmte Zeitdauer verstrichen ist, der Suchmodus von der Schmalbandsuche hin zur Breitbandsuche gewechselt, wobei die PLL-Suchfrequenz innerhalb der Gesamtbreite des maximalen Bereiches der Veränderung der Satellitensignalempfangsfrequenz zur Suche der Satellitensignale verändert wird.
Da der Schmalbandsuchmodus als erster im Verlauf des GPS-Satellitensuchbetriebes durchgeführt wird, wird die Zeit, welche der GPS-Empfänger zum Wiedereinfangen der verlorenen Satelliten benötigt, stärker verkürzt als bei dem konventionellen Verfahren, bei dem lediglich die Breitbandsuche durchgeführt wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Es zeigen:
Fig. 1 ein Ablaufdiagramm der Betriebsschritte, wie sie bei einem konventionellen Verfahren durchgeführt werden;
Fig. 2 ein Diagramm eines herkömmlichen Verfahrens zum Suchen einer Suchfrequenz;
Fig. 3 ein Diagramm eines Verfahrens zum Wechseln einer Suchfrequenz gemäß der Erfindung; und
Fig. 4 ein Ablaufdiagramm der Betriebsschritte, wie sie in der Ausführungsform der Fig. 3 ausgeführt werden.

BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Fig. 3 ist ein Diagramm, welches ein Verfahren zum Wechseln der Suchfrequenz gemäß der Erfindung zeigt, und Fig. 4 ein Ablaufdiagramm, welches die Betriebsschritte zeigt, welche durch das Verfahren gemäß Fig. 3 durchgeführt werden, wobei ein GPS-Empfänger sich in einem Zustand des Auffindens eines GPS-Satelliten bei einer Empfangsfrequenz fr befindet.
Falls ein Fahrzeug, welches einen GPS-Empfänger trägt, hinter ein Gebäude fährt, während es Signale von einem gewünschten GPS-Satelliten mit der Frequenz fr empfängt, und den Satellitensignalempfang (Schritt [1] in Fig. 4) für eine bestimmte Zeitdauer verliert, beispielsweise 1 Minute (Schritt [2]), beginnt der GPS-Empfänger das Wiedereinfangen oder den Betrieb des Wiederauffindens des Satelliten zum Zeitpunkt T1 genau nachdem 1 Minute vergangen ist, durch eine Schmalbahnsuche, welche die Erfindung charakterisiert.
D.h., wenn man annimmt, daß ein PLL-Einfangbereich eines GPS- Empfängers ± 150 Hz = 300 Hz und die Dopplerverschiebungsrate der Satellitensignalempfangsfrequenz 40 Hz pro Minute, wie oben erwähnt, beträgt, wird die PLL-Suchfrequenz aufeinander innerhalb eines Schmalbandbereiches von ± 600 Hz mit der letzten Empfangsfrequenz als Mittelpunkt, bei welcher die Satellitensignale durch die Unterbrechung verlorengingen, für eine Zeitdauer von 2 Minuten und 45 Sekunden vom Zeitpunkt T1 bis zum Zeitpunkt T2, wie in Fig. 3 gezeigt, gewechselt, zur Durchführung einer Schmalbandsuche der Satellitensignale lediglich innerhalb eines Bereiches von ± 600 Hz.
Falls der GPS-Satellit innerhalb 3 Minuten 45 Sekunden, nachdem der Satellitensignalempfang verlorenging, gefunden wird, besteht keine Notwendigkeit zur Durchführung der Breitbandsuche, und auf diese Weise beendet der GPS-Empfänger den Satellitenwiedereinfangbetrieb (Schritt [4]), "nein").
Andererseits, falls es dem GPS-Empfänger nicht gelingt, den GPS-Satelliten innerhalb der 3 Minuten 45 Sekunden wiedereinzufangen, geht das Programm zu Schritt [5] (Schritt [4), "ja"), bei dem der GPS-Empfänger den Suchmodus auf Breitbandsuche, wie in Fig. 2 gezeigt ist, wechselt. Im Breitbandsuchmodus wird die PLL-Suchfrequenz sukzessive innerhalb des maximalen Bereiches der Gesamtempfangsfrequenzverschiebung von ± 8600 Hz zur Suche der Satellitensignale gewechselt.
Wie oben beschrieben wurde, wird gemäß der vorliegenden Erfindung, wenn der Empfang der aufzufindenden Satellitensignale verlorengeht, als erstes die Schmalbandsuche für die Satellitensignale für diejenige Zeitdauer durchgeführt, welche dadurch bestimmt wird, daß der PLL-Einfangbereich durch die Dopplerverschiebungsrate der Satellitensignalempfangsfrequenz geteilt wird, und durch Veränderung der Suchfrequenz innerhalb des Bereiches der Dopplerfrequenzverschiebung, welche aus der Bewegungsgeschwindigkeit des GPS-Empfängers bestimmt wird, wobei die letzte Frequenz, bei welcher die Satellitensignale verlorengingen, sich bei dessen Mittelfrequenz befindet. Als zweites, wenn es mit der Schmalbandsuche nicht gelingt, die Satellitensignale wiedereinzufangen, wird dann der Suchmodus auf den Breitbandsuchmodus zum Wiedereinfangen der GPS-Satelliten gewechselt. Dieses Verfahren erlaubt ein schnelles Wiedereinfangen der GPS-Satelliten und gestattet es damit dem GPS- Empfänger, die Positionierung in der kürzestmöglichen Zeit erneut zu beginnen.

Claims

1. Verfahren zum Auffinden eines Satellitensignals für einen GPS-Empfänger, welches folgende Schritte aufweist: Ausführen einer Schmalbandsuche für Satellitensignale, wenn das Satellitensignal eines aufgefundenen GPS-Satelliten für mehr als eine bestimmte Zeitperiode unterbrochen ist;

und Umschalten von der Schmalbandsuche auf Breitbandsuche zum Suchen der Satelligensignale, wenn es mit der Schmalbandsuche nicht gelingt, eines der Satellitensignale innerhalb einer vorbestimmten Zeitdauer wiedereinzufangen, wobei die Schmalbandsuche zentriert um die letzte Empfangsfrequenz des Satellitensignals erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Schmalbandsuche durch aufeinanderfolgenden Wechsel einer PLL-Suchfrequenz innerhalb eines Bereichs der Dopplerfrequenzverschiebung durchgeführt wird, welche aus der Bewegungsgeschwindigkeit des GPS-Empfängers ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Schmalbandsuche innerhalb der Zeitdauer durchgeführt wird, welche durch Dividieren eines PLL-Einfangbereiches durch die Dopplerverschiebungsrate der Satellitenempfangssignalfrequenz bestimmt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Breitbandsuche innerhalb des maximalen Bereiches der Gesamtempfangsfrequenzverschiebung zur Suche der Satellitensignale durchgeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Dopplerverschiebungsbereich ± 600 Hz beträgt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die bestimmte Zeitperiode eine Minute beträgt.

7. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Zeitdauer drei Minuten und 45 Sekunden beträgt.

8. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Breitbandsuche durch aufeinanderfolgenden Wechsel der PLL-Suchfrequenz innerhalb des maximalen Bereichs der Gesamtempfangsfrequenzverschiebung zur Suche der Satellitensignale durchgeführt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Gesamtempfangsfrequenzverschiebung ± 8600 Hz beträgt.