DE69420641T2

DE69420641T2 - Suchverfahren mit Satelliten zum Verbessern der Zeit für die erste Ortungsbestimmung in einem GPS Empfänger

Info

Publication number: DE69420641T2
Application number: DE69420641T
Authority: DE
Inventors: Paul W. Mcburney; Lynn Weber
Original assignee: Trimble Navigation Ltd
Current assignee: Trimble Inc
Priority date: 1993-07-22
Filing date: 1994-07-07
Publication date: 2000-06-08
Anticipated expiration: 2014-07-08
Also published as: CA2127737A1; EP0635728A1; JPH07191127A; JP2892941B2; US5402347A; DE69420641D1; EP0635728B1

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Suchverfahren zum Erfassen eines Signals, das von einem GPS-Satelliten mit einem Mehrkanal-GPS-Empfänger kommt, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, und betrifft einen Mehrkanal-GPS-Empfänger gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 4.

Beschreibung des Standes der Technik

Empfänger eines globalen Positionierungssystems verwenden Signale, die typischerweise von drei oder mehreren über Kopf befindlichen Satelliten empfangen werden, um Navigationsdaten zu bestimmen, z. B. Position und Geschwindigkeit, wobei derartige Systeme auch die geographische Höhe und die Zeit liefern können. GPS-Signale sind weltweit ohne Kosten verfügbar und können zum Bestimmen des Standorts eines Fahrzeugs, z. B. eines Automobils, innerhalb eines Wohnblocks oder noch genauer verwendet werden. Doppelfrequenzträger-GPS-Empfänger erfassen typischerweise zwei Funkträger L1 und L2, die den GPS- Satelliten zugeordnet sind, um akkumulierte Deltabereich- Messungen (ADR) von einer P-Code-Modulation auf diesen Trägerfrequenzen zu erzeugen und gleichzeitig den C/A-Code des Trägers L1 nachzusteuern, um Codephasenmessungen zu erzeugen. Die Trägerfrequenz L1 beträgt 1575,42 MHz und die zweite Trägerfrequenz L2 liegt bei 1227,78 MHz. Preiswerte Empfänger können nur auf eine Trägerfrequenz abgestimmt werden und besitzen deshalb nicht die angemessene Information, um die örtlichen ionosphärischen Verzögerungen zu berechnen, die als Positionsfehler in Erscheinung treten. Bei derartigen Frequenzen breiten sich die Funkträgersignale in Sichtlinie aus. Folglich können Gebäude, Berge und der Horizont den Empfang blockieren.
Die Konstellation der GPS-Satelliten im Orbit über der Erde umfassen zur Zeit etwa 17 einzelne Satelliten. Jeder sendet einen von 32 einzigartigen Identifizierungscodes in einer Codeanordnung mit Mehrfachzugriff. Dies ermöglicht allen der vielen GPS-Satelliten, in einem Spreizspektrumsmode auf der gleichen Frequenz (plus oder minus einer Doppler- Frequenzverschiebung dieser Frequenz aufgrund der relativen Geschwindigkeit des Satelliten) zu senden. Spezielle Satelliten werden aus dem Mischmasch der Signale und aus dem Rauschen aussortiert, und zwar mittels Korrelieren eines 1023-"Chip"-Codes auf einen der 32 Pseudozufallszahlencodes (PRN-Codes), die den einzelnen GPS-Satelliten zugeordnet sind. Diese Codes werden nicht unbedingt in Phase miteinander gesendet. Deshalb beinhaltet das "Auffinden" eines GPS- Satelliten am Anfang das Suchen verschiedener Trägerfrequenzen, um die Doppler-Frequenzverschiebung und die Oszillator-Ungenauigkeiten zu berücksichtigen, und das Suchen nach einer Codeübereinstimmung unter Verwendung von 1023 unterschiedlichen Codephasen und 20 oder mehr möglichen Korrelations-Code-Modellen.
In großen Städten mit vielen hohen Gebäuden kann einer oder mehrere der GPS-Satelliten, die durch einen bestimmten Empfänger erfaßt werden, zeitweise blockiert sein. In einigen Situationen kann eine derartige Blockierung, alle über Kopf GPS-Satelliten betreffen, wobei derartige Ausfälle mehrere Minuten anhalten können. Ferner sind GPS-Signale für sich in Tunneln bewegende Fahrzeuge nicht erhältlich.
Wenigstens ein bekannter GPS-Empfänger mit fünf Kanälen richtet beim anfänglichen Anschalten alle seine Kanäle darauf, sich auf einen Satelliten zu konzentrieren, wie dieser durch die Benutzeranzeige an derartigen Empfängern angezeigt wird. Dies führt zu dem Problem der Unsicherheit über die Satellitensignalfrequenz, die aufgrund des Doppler- Effektes und der Ungenauigkeiten des örtlichen Oszillators im Empfänger vorhanden sind. Eine Suche nach einem bestimmten Satelliten im erscheinenden Doppler-Frequenzspektrum wird parallel dadurch durchgeführt, daß das mögliche Doppler- Frequenzspektrums in so viele Segmente aufgeteilt wird, wie es Empfängerkanäle gibt, und in dem jedem Kanal der verschiedenen Empfängerkanäle die Suche innerhalb eines jeweiligen Segments zugeteilt wird.
Das Suchen zum Erfassen eines Signals von einem GPS- Satelliten mit einem GOPS-Empfänger mit mehreren Kanälen ist aus der EP-A-0 442 341 bekannt. Der Doppler- Frequenzsuchbereich wird in drei Bereiche geteilt. Jeder Bereich wird gleichzeitig durch einen separaten Empfängerkanal abgesucht.
Ein Suchverfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein GPS-Empfänger mit einer Vielzahl von Kanälen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 4 sind aus der EP-A-0 429 783 bekannt. Der Doppler-Frequenzsuchbereich wird in zwei Bereiche geteilt, jeder Bereich wird gleichzeitig durch einen separaten Empfängerkanal gesucht. Almanac-Daten, die vor einer Signalunterbrechung gespeichert wurden, werden dazu verwendet, den Satelliten mit dem größten Erhebungswinkel zu erfassen.
Wenn eine Suche begonnen hat, stammt die größte mögliche Unsicherheit von der zufälligen Frequenz von typischen örtlichen Oszillatoren bei der Anlaufphase. Deshalb ist die erscheinende Doppler-Frequenz völlig unbekannt, ungeachtet dessen, ob die Ist-Doppler-Frequenz bekannt ist, wie sie erhältlich ist, wenn die aktuelle Position bekannt ist.

Zusammenfassung der vorliegenden Erfindung

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein System und ein Verfahren zum Verringern der Dauer, die notwendig für eine erste Fixierung nach dem Anschalten eines GPS-Empfängers ist, bereitzustellen.
Die Erfindung wird in den Ansprüchen 1 und 4 definiert.
Kurz, eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt einen GPS-Empfänger, der bis zu acht GPS- Satelliten im gleichen Zeitintervall erfassen kann. Die in dem GPS-Empfänger umfaßte Firmware umfaßt in Computer implementierte Verfahren zum parallelen Suchen, aufgespaltenem Suchen und Vorberechnen. Das parallele Suchverfahren bewirkt, daß das erscheinende Doppler- Frequenzspektrum in mehrere Abschnitte aufgeteilt wird und daß gleichzeitig nach einem ersten GPS-Satellitensignal in jedem der Abschnitte oder Segmente gesucht wird. Wenn der erste GPS-Satellit nach einer abgelaufenen vorbestimmten Zeit nicht gefunden wurde, wird es bei anderen Satelliten versucht, bis einem ersten Satellitensignal nachgesteuert wird.
Die Information aus der parallelen Suche wird dazu verwendet, die Geschwindigkeit zur Erfassung der aufeinanderfolgenden Satelliten zu erhöhen. Wenn nicht genügend Satelliten zum Erhalten einer ersten festen Position nach einer vorbestimmten Zeit erfaßt worden sind, wird eine aufgeteilte Suche durchgeführt. Das Suchverfahren ermöglicht, daß ein preiswerterer örtlicher Oszillator verwendet werden kann, dem es an der Temperaturstabilität früher verwendeter Oszillatoren mangelt. Das aufgeteilte Suchverfahren bewirkt, daß die Hälfte der verfügbaren Kanäle dafür eingeteilt werden, nach einem ersten Satz GPS-Satelliten zu suchen, während ein zweiter Satz GPS-Satelliten mittels den verbleibenden Kanälen gesucht wird. Das Vorberechnungsverfahren bestimmt, welche GPS-Satelliten über die nächsten folgenden Stunden an höchster Himmelstelle erwartet werden, und bereitet eine Suchliste dieser möglichen GPS-Satelliten für den Einsatz vor, wenn der GPS demnächst angeschaltet wird. Wenn die Zeit zwischen dem Ausschalten und dem Wiedereinschalten des GPS-Empfängers nur wenige Stunden beträgt, wird die vorberechnete mögliche Suchliste indiziert, um eine Identität des GPS-Satelliten zu beschaffen, was zu schnellem Auffinden nach einer relativ kurzen Suche führen sollte.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß diese ein Verfahren zum Verkürzen der Zeitdauer auch für die erste Fixierung für einen GPS-Empfänger bereitstellt.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß ein System bereitgestellt wird, daß die Suchverzögerungen vermindert, die auftreten, wenn ein GPS- Empfänger den Signalempfang für mehrere Minuten verweigert, und zwar zu dem Zeitpunkt, wenn der GPS-Empfänger das erste Mal angeschaltet wird.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß ein System bereitgestellt wird, das zwei Listen möglicher GPS-Satellitensignalquellen sucht, wobei eine Liste die letzte festgestellte Position betrifft und die zweite Liste mit der ersten verschachtelt ist, welche die verbleibenden Positionen in der Welt für ihre Positionsannahmen verwendet.
Ein anderer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß ein System bereitgestellt wird, das zukünftige Erfassungsmöglichkeiten berechnet und somit beim Suchen nach GPS-Satelliten Zeit spart, um diesen nachzusteuern, wenn sie nach einer kurzen Zeitdauer in ausgeschalteten Betrieb neu gestartet werden.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß ein System bereitgestellt wird, das eine parallele Suche bereitstellt, welches die meiste Suchleistung um eine Nennfrequenz in Anspruch nimmt und dann die Suche außerhalb bewirkt, nachdem der innere Bereich schnell durchsucht wurde.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß ein System bereitgestellt wird, das eine aufgespaltene Suche umfaßt, um die Zeit für die erste Fixierung zu vermindern, wenn die Empfängerantenne beim Hochfahren bedeckt oder blockiert ist, während noch ermöglicht wird, daß der Empfänger, während er ausgeschaltet ist, über große Distanzen bewegt wird, wobei nicht ganz auf die letzte Position vertraut wird.
Diese und andere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden ohne Zweifel einem gewöhnlichen Fachmann nach dem Lesen der nachstehenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen ersichtlich, die in verschiedenen Zeichnungen dargestellt werden.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines GPS-Empfängers der vorliegenden Erfindung, die einen Satz in einen Computer implementierter Verfahren in Firmware (hardware) umfaßt;
Fig. 2A ein Diagramm des Funkspektrums und des in zwei Suchbereiche geteilten erscheinenden Doppler- Frequenzspektrums;
Fig. 2B ein Diagramm des Funkspektrums und des erscheinenden Doppler-Frequenzspektrums, welche eine sogenannte Ping-Pong-Sequenz innerhalb eines typischen Suchbereichs aus Fig. 2A zeigt;
Fig. 3A ein Flußdiagramm des Parallelsuchverfahrens, das als Computer-Subroutine in der Firmware des GPS- Empfängers aus Fig. 1 umfaßt wird;
Fig. 3B ein Flußdiagramm eines Satellitenauswahlverfahrens, das in dem in Fig. 3A gezeigten Flußdiagramm umfaßt wird;
Fig. 4 ein Flußdiagramm des aufgeteilten Suchverfahrens, das als Computer-Subroutine in der Firmware des GPS-Empfängers aus Fig. 1 umfaßt wird; und
Fig. 5 ein Flußdiagramm der Vorberechnung des Verfahrens für zukünftige Erfassungsmöglichkeiten, die als Computer-Subroutine in der Firmware des GPS- Empfängers aus Fig. 1 umfaßt wird.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Fig. 1 stellt die Ausführungsform eines Empfängers eines globalen Positionserfassungssystems (GPS) der vorliegenden Erfindung dar, welches hierin allgemein mit dem Bezugszeichen 10 versehen ist. Der GPS-Empfänger 10 weist sechs Kanäle auf und umfaßt eine Flächenantenne 12 oder Patchantenne, einen Verstärker 14 mit geringem Rauschen, einen Bandpaßfilter (BPF) 16, einen Mischer 18, einen örtlichen oder lokalen Oszillator (L0) 20, eine Zwischenfrequenzstufe (IF) 22, einen Phasendemodulator 24, einen Mehrkanal-GPS-Codekorrelator 26 und einen GPS-Navigationscomputer 28 mit einem Firmware- Speicher 30. Bis auf einige Teile der Firmware 30 kann der GPS-Empfänger 10 eine käuflich erwerbbare Einheit umfassen, z. B. einen tragbaren GPS-Empfänger mit drei Kanälen, der von Trimble Navigation (Sunnyvale, CA) unter der Marke "ENSIGN" vertrieben wird.
Die Firmware 30 umfaßt Computerinstruktionen (Programme), die für das Bestimmen der geographischen Lage und Geschwindigkeit des GPS-Empfängers 10 zusammen und der Zeit notwendig ist. Derartige Programme sind üblich und umfassen Funktionen, um den Frequenzausgang von L0 20 zu verändern, um über das erscheinende Doppler-Frequenzspektrum zu laufen, und die Signale zu finden, die über die Antenne 12 von den GPS-Satelliten empfangen werden. Der Korrelator 26 wird mit einer Vielzahl von Pseudozufallskorrelationscodes (PRN) und -phasen gespeist, um die Information in der Verbindung im ausgebreiteten Frequenz-Spektrum zu demodulieren. Der GPS-Navigationscomputer 28 berechnet die Pseudobereiche für eine Anzahl von sichtbaren GPS-Satelliten und verwendet die Orbit-Ephemeriden und den Satelliten- Almanac, die periodisch vom GPS-Satelliten empfangen werden, um eine Positionsfeststellung durch Triangulation mit den vorbestimmten Positionen der GPS-Satelliten zu bestimmen.
Wenn der GPS-Empfänger 10 zuerst hochgefahren wird, kann nur eine Schätzung vorgenommen werden, welche GPS-Satelliten in der Nähe sind, und zwar basierend auf der letzten Position und dem Almanac. Eine Suche durch eine Liste möglicher PRN- Korrelationscodes muß durchgeführt werden, um diese GPS- Satelliten zu identifizieren und zu erfassen, die tatsächlich verfügbar sind. Nachdem genügend GPS-Satelliten für eine Fixierung erfaßt worden sind, können die GPS-Satelliten, nach denen gesucht wird, genau vorbestimmt werden, wobei keine Unsicherheit über den jeweiligen Horizontwinkel von dem Satelliten bleibt. Wenigstens drei GPS-Satelliten müssen typischerweise für ein Positionsbestimmungsausgangssignal vom GPS-Navigationscomputer 28 erfaßt worden sein.
Eine Doppler-Frequenzverschiebung der gesendeten Trägerfrequenz des GPS-Satelliten tritt auf, die von der relativen Geschwindigkeit (Vektor plus Eigen-Geschwindigkeit) relativ zum GPS-Empfänger 10 abhängig ist. Diese tatsächliche Doppler-Frequenzverschiebung erzeugt eine mehrere Kilohertz betragende Unsicherheit um die zugeordnete L1-Trägerfrequenz, die durch Suchlauf durch das Funkspektrum zum Auffinden des gewünschten Signals überwunden wird. Die Almanac-Information kann dazu verwendet werden, vorzubestimmen, welche Frequenz die Dopplerfrequenz haben soll, wobei so die Suche eingeengt werden kann.
Jedoch können Ungenauigkeiten beim absoluten Frequenzausgangssignal von LO 20 bewirken, daß das Spektrum der erscheinenden Doppler-Frequenzen breiter ist als es anders der Fall wäre, z. B. plus oder minus 10 Kilohertz. Der Stand der Technik erreicht schnelleres Suchen im erscheinenden Doppler-Frequenzspektrum durch Verwendung qualitativ sehr hochwertiger temperaturkompensierter Kristallsozillatoren (TCXO). Derartige qualitativ hochwertige lokale Oszillatoren sind teuer und erhöhen merklich die Kosten für den GPS-Empfänger 10. Diese Oszillatoren weisen Stabilitäten in einer Größenordnung von 1 bis 2 Teile pro Million (ppm) auf. Preiswerte Oszillatoren können um 20 ppm variieren. Deshalb wird traditionell ein Kompromiß zwischen den Kosten des örtlichen Oszillators und der erforderlichen Zeit bis zur ersten Frequenz-Fixierung geschlossen, die zum Durchsuchen des erscheinenden Doppler-Frequenzspektrums benötigt wird.
Der GPS-Empfänger 10 braucht nur innerhalb etwa 300 Hz des GPS-Satellitensignals zu überstreichen, um zu einer Verriegelung (Anbindung) an der Trägerfrequenz zu gelangen. Ein derartiges Überstreichen der Frequenz wird dadurch implementiert, daß der Navigationscomputer 28 dazu gebracht wird, eine Vielzahl von Teilerwerten für die numerisch gesteuerten Oszillatoren (NCO) zu laden, die einen Teil von LO 20 bilden. Der Schaltkreis der Phasenverriegelungsschleifen (PLL-Schaltkreis), der üblich für derartige Einrichtungen in LO 20 liegt, bildet die Fähigkeit, innerhalb eines begrenzten Bereichs die Frequenz einzufangen und zu verriegeln. Wenn nach einem Signal von einem GPS-Satelliten gesucht wird, wird deshalb eine wie in den Fig. 2A und 2B dargestellte Strategie verwendet.
In Fig. 2A ist ein GPS-Empfänger mit drei Kanälen darauf ausgerichtet, seine drei Kanäle (CH0, CH1 und CH2) Schulter an Schulter in einem ersten Satz (S1) von "Silos" anzuordnen, die in der Mitte einer Nennmittenfrequenz liegen. Fig. 2B zeigt eine sogenannte "Ping-Pong"-Suchstrategie, die innerhalb eines jeden Silos (Platzes) verwendet wird, um das Signal des GPS-Satelliten zu lokalisieren. Am Anfang beginnt die Suche dicht an einer Seite (z. B. die Phasenseite +) der Nennmittenfrequenz des jeweiligen Silos (Platzes) und springt im engen Abstand zu der gegenüberliegenden Seite (der Minusseite - in diesem Beispiel). Beim Vor- und Zurückspringen wird ein immer breiteres Feld innerhalb jedes Silos (Platzes) abgesucht, bis das ganze Silo (Platz) abgesucht worden ist. (Fig. 2A). Wenn die drei Silos (Plätze) von S1 fertig durchsucht sind, wird als nächstes ein zweiter Satz (S2) von "Silos" (Plätzen) durchsucht. In Fig. 2A werden CH0 und CH1 an den nächsten zwei frequenzhöheren Plätzen jenseits S1 zugeordnet, und CH2 wird dem nächsten Platz unterhalb S1 zugeordnet. Die Wahl, welche Kanäle für den Einsatz verwendet werden und welche Seite den ungradzahlig verbleibenden Kanal bekommt, ist beliebig. Um den ungradzahligen Kanal, der oberhalb der Nennfrequenz in S2 verwendet wird, auszugleichen, hat ein Satz 3 (S3) zwei Plätze unterhalb und einen oberhalb der Nennmittelfrequenz. Es gibt viele bekannte Suchstrategien zum Auffinden eines Signals innerhalb eines Bereichsgrenzenpaares und viele sind mit der Ausführungsform der Makrosuchstrategie der vorliegenden Erfindung, wie sie hierin beschrieben wird, kompatibel. Die vorliegende Erfindung ist deshalb nicht auf die gerade beschriebene Suche nach dem Ping-Pong-Prinzip oberhalb und unterhalb der Frequenz begrenzt.
Ein paralleles, in einen Computer implementiertes Suchverfahren 40, das durch die Flußdiagramme in den Fig. 3A und 3B dargestellt wird, bewirkt, daß der GPS- Navigationscomputer 28 das erscheinende Doppler- Frequenzspektrum in mehrere Abschnitte zerlegt (z. B. eins bis drei Suchbereiche in Fig. 2A) und paralleles Suchen innerhalb jedes Abschnitts unter Einsatz der Vielzahl der verfügbaren GPS-Empfängerkanälen ausführt. Im Falle eines tragbaren GPS- Empfängers mit drei Kanälen, der für den GPS-Empfänger 10 benutzt wird, wird ein Teil des erscheinenden Doppler- Frequenzspektrums in ein unteres, ein Nenn- und ein oberes Frequenzsegment geteilt. Es wird genügend Zeit für paralleles Suchen innerhalb jedes Frequenzsegmentes gegeben, um mit einer Genauigkeit von mehr oder weniger als einem Kilohertz zu suchen. Wenn kein GPS-Satellitensignal gefunden wird, werden der obere und untere Kanal weiter verlegt, so daß jeder Empfängerkanal ein weiteres Segment von plus oder minus ein Kilohertz absuchen kann.
Das Verfahren 40 umfaßt einen Hochfahrschritt 41, einen Schritt 42, der einen Satelliten auswählt, nach dem gesucht werden soll, einen Schritt 43, der für den gewählten Satelliten eine Nennmittenfrequenz vorbestimmt, einen Schritt 44, der das Funkfrequenzspektrum aufteilt und die verfügbaren GPS-Empfängerkanäle zuordnet, so daß sie sich um die Nennmittenfrequenz verteilen. Ein Schritt 45 bewirkt, daß jeder der GPS-Empfängerkanäle einen ersten Satz der entsprechenden Frequenzbänder parallel absucht (S1 in Fig. 2A). Jedoch kann das erscheinende Doppler-Frequenzspektrum, das durchsucht werden soll, breiter sein als S1. Eine Abfrage wird in Schritt 46 vorgenommen, ob ein Signal gefunden worden ist. Wenn nicht, wird in Schritt 47 abgefragt, ob eine Suchbegrenzung überschritten worden ist. Die Suchbegrenzung kann z. B. eine Zeitbegrenzung und/oder eine Frequenzbegrenzung sein. Wenn die Suchbegrenzung überschritten worden ist, geht die Steuerung zurück zu Schritt 42, um einen anderen Satelliten auszuwählen. Andernfalls ordnet Schritt 48 die verfügbaren Kanäle einem nächsten Satz der Frequenzbänder zu. Ein Schritt 49 schätzt den Oszillatorfehler auf der Grundlage der vorhergesagten und der gemessenen Dopplerfrequenz ab. Dann wird eine aufgeteilte Suche durchgeführt. Alle nachfolgenden Suchvorgänge vor der ersten Fixierung verwenden diese Abschätzung, um den Suchbereich für andere Satelliten zu verfeinern, in Grenzen zu halten oder zu minimieren. Wenn z. B. die Ist-Doppler- Frequenz für einen Satelliten ein Kilohertz (KHz) und der Oszillatorfehler 10 KHz beträgt, beträgt für jeden Satelliten die Suchbegrenzung z. B. 10 KHz. Folglich wird der 10 KHz- Bereich nur einmal schnell abgesucht.
Schritt 42 in Fig. 3B umfaßt einen Schritt 50, in dem die Anbindung mit dem höchststehenden GPS-Satelliten ausprobiert wird. Wenn ein Signal von diesen GPS-Satelliten aufgefunden wurde, führt ein Schritt 51 die Programmsteuerung zum Ende oder Ausgang. Andernfalls wählt ein Schritt 52 den nächst hochststehenden GPS-Satelliten aus, der noch nicht zur Anbindung ausprobiert wurde. Wenn ein Signal von diesem GPS- Satelliten gefunden wurde, führt ein Schritt 53 die Programmsteuerung zum Ende. Andernfalls probiert ein Schritt 54 wieder die Anbindung mit dem höchsten GPS-Satelliten aus. Wenn ein Signal von diesem GPS-Satelliten gefunden wurde, führt ein Schritt 55 die Programmsteuerung zum Ende. Andernfalls wählt ein Schritt 56 den nächst hochststehenden GPS-Satelliten aus, der an der Horizontgrenze erscheint. Ein Schritt 57 überprüft, um zu sehen, ob die Anbindung mit allen verfügbaren GPS-Satelliten ausprobiert wurde. Wenn das nicht der Fall ist, geht die Steuerung zurück zu Schritt 50. Andernfalls führt ein Schritt 58 einen Rücksetzbefehl aus. Wenn z. B. sechs GPS-Satelliten SV1 bis SV6 mit jeweils einem Erhebungswinkel von 70º, 40º, 10º, -5º, -15º und -90º vorhanden sind, lautet die gerade beschriebene Auswahlordnung SV1, SV2, SV1, SV5, SV1, SV3, SV1, SV4, SV1 und SV6. Nach einem Rücksetzen als Ergebnis aus Schritt S8, wird die Reihenfolge wie folgt sein, SV1, SV2, SV1, SV5, SV1, SV3, SV1, SV4, SV1 und SV6. Die Überprüfung wird eventuell alle Satelliten ohne Rücksicht auf den Höhenstand erfassen.
Wenn der Doppler-Frequenzfehler klein ist, wie es gewöhnlich der Fall ist, kann er bei der vorliegenden Erfindung schneller gefunden werden als beim Stand der Technik. Dies ergibt sich aus der Plazierung einer größeren Suchfähigkeit nahe der vorhergesagten Frequenz, die oftmals sehr dicht an der Ist-Frequenz ist. Wenn z. B. die Ist- Frequenz bei -4 KHz und die Nennfrequenz bei -8 KHz liegt, kann die vorliegende Erfindung das Signal beim ersten Durchlauf finden. Es wird eine maximale Suchzeit zum Finden des Signals für eine nicht vorberechnete oder nicht gemittelte alternative Technik in Anspruch genommen.
Mit steigender Anzahl der GPS-Empfängerkanäle, die im GPS-Empfänger 10 zur Verfügung stehen, können mehrere Suchbereiche parallel zur gleichen Zeit abgesucht werden. Mit einer geraden Anzahl von Kanälen, z. B. sechs Kanälen, sind die Suchbereiche vorzugsweise so in den Frequenzen positioniert, daß die Nennfrequenz nahe der Mitte eines der beiden mittleren Suchbereiche liegt, und nicht entlang einer Grenze zwischen ihnen. Obwohl dies den Suchbereich um die Nennfrequenz in Schieflage bringt, ist die Möglichkeit, daß ein GPS-Satellitensignal gefunden wird, etwas besser bei der Nennfrequenz und eine Suche wird schneller beendet, da die Suchvorgänge typischerweise in der Mitte jedes Suchbereichs und nicht an den Rändern beginnt. Fig. 2A ist typisch für den Ablauf derartiger Suchvorgänge von S1 bis S3 und darüber hinaus.
Wenn die Antenne 12 (Fig. 1) abgedeckt ist, wenn der GPS-Empfänger 10 erst angeschaltet wird, verwirft typischerweise der Navigationscomputer 28 alle Annahmen oder vorberechneten Informationen, die er gehabt haben kann, etwa welche GPS-Satelliten in der Nähe verfügbar sind. Nachdem eine Suche fehlgeschlagen ist, um derartige GPS-Satelliten zu erfassen, wird die Anbindung an andere GPS-Satelliten ausprobiert. Beim Stand der Technik wird der ursprüngliche Satz GPS-Satelliten so lange nicht wieder ausprobiert, bis alle anderen im Orbit um die Welt zunächst ausprobiert worden sind. Die sogenannte Round-Robin-Zeit einer solchen Suche kann sehr lange dauern und kann bewirken, daß ein Benutzer annimmt, daß der GPS-Empfänger 10 ungeeignet ist oder nicht funktioniert. Bekannte GPS-Empfänger haben derartige Probleme dadurch vermieden, daß dem Benutzer aufgegeben wird, die Einheit in Gang zu setzen, indem die aktuelle Position abgefragt wird. Dieses ist bei Benutzern unpopulär, da von einem GPS-Empfänger angenommen wird, daß er eine Position angibt und nicht danach gefragt werden muß. Deswegen wurden derartige Stationsaufforderungen entfernt, jedoch bleibt die Unsicherheit bestehen.
Ein geteiltes in einem Computer implementiertes Suchverfahren 60 wird in Fig. 4 dargestellt. Bei einem Schritt 62 werden die acht GPS-Satelliten mit der höchsten Erhebung, basierend auf einer Positionsschätzung ausgewählt. Es kann jedoch der Fall sein, daß der angenommene Horizont falsch ist. Bei einem Schritt 64 wird eine Abfrage vorgenommen, ob eine ausreichende Anzahl von GPS-Satelliten erfaßt werden kann, um eine aktuelle Positionsfixierung zu erhalten. Wenn das nicht der Fall ist, überprüft ein Schritt 66, um zu sehen, ob seit dem Hochfahren eine Auszeit überschritten worden ist und eine nicht ausreichende Anzahl von GPS-Satelliten vorhanden sind, um eine Fixierung zu berechnen. Wenn z. B. 5 Minuten abgelaufen sind, tritt Schritt 68 in Kraft. Andernfalls geht die Steuerung zurück auf Schritt 64, um eine größere Zeitdauer zu ermöglichen. Schritt 68 berechnet wieder die Höhen der GPS-Satelliten alle 30 Sekunden und beginnt eine Suche, bei der eine Hälfte der GPS- Satelliten basierend auf der Position und die anderen ohne Rücksicht auf die Position verwendet werden. Beispielsweise werden GPS-Satelliten unter dem sichtbaren Horizont hinsichtlich einer Suche nach ihren Signalen ausprobiert.
Wie bezüglich Fig. 2A und 2B erwähnt, wird anfangs nur ein Satz der Suchbereiche oder "Silos" berechnet, und zwar basierend auf der letzten Position, Zeit und Almanac, bis eine 5-minütige Auszeit auftritt. Danach wird mit dem "Aufteilungs"-Aspekt begonnen. Eine erste Suchliste umfaßt vorzugsweise die am höchsten stehenden Satelliten, die vom Navigationscomputer 28 vorhergesagt worden sind, wobei der GPS-Almanac und die letzte Positionsfixierung verwendet werden, die am wahrscheinlichsten für eine Nachsteuerung zur Verfügung steht. Eine zweite Liste kann die Satelliten umfassen, die durch den Navigationscomputer 28 mittels einer sequentiellen Suche nach Satelliten unabhängig von der Position vorhergesagt wurden, folglich können ihre Erhebungswinkel negativ sein, da auf der vorliegenden Position basierend, die fehlerhaft sein kann. Diese Strategie basiert auf der Annahme, daß, wenn der GPS-Empfänger 10 seit der letzten Betriebsperiode bewegt worden ist, es wahrscheinlicher ist, daß die Reise kurz war, als daß sie lang war, und deshalb ist es wahrscheinlicher, daß der Horizont der früheren Fixierung zutrifft als daß man sich auf der gegenüberliegenden Seite der Welt befindet.
Man kann mehr als drei Sekunden nach dem Anschalten des GPS-Empfängers 10 brauchen, um dem Navigationscomputer 28 zu ermöglichen, zu berechnen, welche PRNs zu benutzen sind, und zwar basierend auf der aktuellen Zeit, einem aktuellen Almanac und einer vorhergehenden Positionsfixierung, die in einem Speicher gespeichert ist. Ein in Fig. 5 dargestelltes Vorberechnungsverfahren 80 kann, nachdem der Empfänger mit dem Berechnen der Positionen angefangen hat, periodisch ablaufen. Das Verfahren 80 bildet in einem Schritt 82 eine Tabelle bestimmter PRNs, die für verschiedene Zeitpunkte in naher Zukunft verwendet werden sollten. Wenn der GPS- Empfänger 10 runtergefahren und einige Stunden später wieder hochgefahren wird, kann der GPS-Navigationscomputer deshalb die Liste der PRNs, die vorher in Schritt 84 berechnet wurden, indizieren und verwenden und somit Zeit für eine erste Fixierung sparen. Die Ephemeris-Information, die während vorhergehender Betriebsperioden erhalten wurden, sind frisch genug und sinnvoll für nur fünf oder sechs Stunden nach dem Sammeln. Die Almanac-Information hat einen sinnvollen Bestand von etwa 4 Wochen. Wenn jedoch die Ausschaltdauer mehrere Stunden übersteigt, müssen die neu gesammelten Ephimeris-Daten verarbeitet werden und der Vorteil der Vorberechnung vermindert sich proportional. Deshalb umfaßt das Vorberechnungsverfahren 80 die weiterlaufende Hintergrundroutine 82, die eine Tabelle darüber bildet, welche PRNs für verschiedene Zeitpunkte in der nahen Zukunft verwendet werden sollten, und, indexiert jedes PRN in der Zeit. Die Inizialisierungssubroutine 84, die beim Hochfahren des GPS-Empfängers 10 ausgeführt wird, holt sich die PRNs aus der Tabelle gemäß der aktuellen Zeit.
Wenn ein erstes GPS-Satellitensignal gefunden worden ist, kann die erscheinende Doppler-Frequenz beim Suchen nach weiteren Satelliten eingegrenzt werden, was die Geschwindigkeit der Suche für diese zusätzlichen Satelliten erhöht und die benötigte Zeit zur Berechnung für eine erste Positionsfixierung verkürzt. Dies tritt auf, wenn die Oszillatorungenauigkeit viel größer ist als die Dopplerfrequenz, die durch die relative Bewegung zwischen dem Satelliten und dem Empfänger verursacht wird.
Wenn der zuerst gesuchte Satellit nicht gefunden wurde, nachdem eine Zeitdauer abgelaufen ist, die ausreichend wäre, um das gesamte Doppler-Frequenzspektrum abzusuchen, wird bei der vorliegenden Erfindung eine erste Annahme, daß der erste Satellit bei einer angenommenen, wahrscheinlichen Position sichtbar sein sollte, verworfen. Danach wird eine zweite Annahme gemacht, die bewirkt, daß der Satellit mit der nächst niedrigeren Höhe gesucht wird. (Satelliten mit höheren Höhen tendieren dazu, daß sie die stärksten Signale und eine minimale Doppler-Frequenzverschiebung aufweisen.) Wenn die zweite Annahme scheitert, wird die erste Annahme erneut ausprobiert, danach wieder gefolgt durch die zweite Annahme und dann durch eine dritte Annahme, die bewirkt, daß der Satellit mit der nächst niedrigeren Höhe gesucht wird. Jede Annahme dauert typischerweise 20 Sekunden.
Jedes vierte Mal wird ein Satellit jenseits des Horizonts ausprobiert, in dem Fall, wenn der Empfänger über eine große Distanz bewegt worden ist. Die Annahme, welche Satelliten sichtbar sind, können fehlerhaft werden, wenn ein GPS-Empfänger seit dem letzten Mal, als er angeschaltet war und ein Signal erfassen konnte, über eine große Strecke transportiert worden ist. Jedoch können solche Annahmen nicht zu schnell oder dauerhaft verworfen werden, da zeitliche Probleme eine Weile in Anspruch nehmen, gelöst zu werden und die Anfangsannahmen korrekt sein könnten. So könnte z. B. einem GPS-Empfänger in einem Kraftfahrzeug, das in einer großen Garage geparkt wird, die Verfügbarkeit eines GPS- Signals nach dem Anschalten für mehrere Minuten verneint werden, während der Wagen aus dem Gebäude herausfährt.
Die vorliegende Erfindung liefert ferner eine Vorberechnung, darüber, welche GPS-Satelliten, zu verschiedenen Zeitpunkten in naher Zukunft sichtbar sein werden. Dies ermöglicht, daß ein GPS-Empfänger ausgeschaltet wird und dann nach mehreren Stunden wieder eingeschaltet wird und die Identität der GPS-Satelliten verwendet, die sich höchstwahrscheinlich an ihrer höchsten Erhebung befinden und somit die am sichtbarsten bei einer Anfangssuche sind.
Nach Erfassung des ersten Satelliten wird eine geteilte Suche durchgeführt, wenn eine Positionsfixierung nach Ablauf einer Zeitdauer nicht gefunden wird, die ausreicht, das gesamte Doppler-Frequenzspektrum basierend auf der aktuellen Position abzusuchen. Bei einer gegeben Anzahl "n" von verfügbaren Empfängerkanälen wird die Hälfte der Kanäle benutzt um eine erste Annahme fortzuführen, daß der erste Satellit bei einer angenommenen Position sichtbar sein sollte. Die andere Hälfte der verfügbaren Kanäle wird für eine zweite Annahme verwendet, die bewirkt, daß ein Satellit mit der nächst niedrigeren Höhe gesucht wird. Wenn die zweite Annahme scheitert, wird eine dritte Annahme ausprobiert, die bewirkt, daß der Satellit mit der nächst niedrigeren Höhe gesucht wird, und zwar in der zweiten Hälfte der verfügbaren Kanäle.

Claims

1. Suchverfahren zum Erfassen eines von einem GPS- Satelliten kommenden Signals, wobei ein Vielkanal-GPS- Empfänger einen lokalen Oszillator mit einer Frequenzunbestimmtheit aufweist, wobei ferner ein Doppler-Frequenzsuchbereich in einzelne Bereiche geteilt wird und jeder Bereich parallel mit einem separaten Empfängerkanal abgesucht wird und Almanac-Daten vor einer Signalunterbrechung gespeichert werden; mit folgenden Verfahrensschritten:

Vorberechnen einer Tabelle mit Pseudozufallszahlencodes (PRN-Codes), die den GPS- Satelliten zugeordnet sind von denen man weiß, daß sie zu einer Vielzahl von zukünftigen Zeitpunkten sichtbar sein werden, und zwar auf der Grundlage der Almanac Daten für den aktuellen Zeitpunkt und für die GPS- Satelliten sowie der vorbestimmten geographischen Position des GPS-Empfängers; und

Auslesen eines PRN-Codes von der Tabelle gemäß einem Zeitpunkt, bei dem der GPS-Empfänger wieder hochgefahren wird, nach einer Periode im nicht betriebsbereiten Zustand, die dem Schritt des Vorberechnens der Tabelle nachfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, das ferner folgende Schritte umfaßt:

paralleles Suchen nach einem Signal von einem ersten GPS-Satelliten, der dem ausgelesenen PRN-Code zugeordnet ist, wobei die vielen Kanäle des GPS- Empfängers derart benutzt werden, daß ein erster Suchbereich mittig zu der Nennfrequenz des GPS- Satellitensignals positioniert ist und ein erster Kanal festgelegt wird, um den ersten Suchbereich zu suchen und ein zweiter Kanal festgelegt wird, um parallel einen zweiten Suchbereich zu suchen, der zum ersten Suchbereich benachbart ist, und

Aufteilen der vielen Kanäle zwischen dem Suchen nach dem ersten GPS-Satelliten und einem zweiten GPS- Satelliten, wenn das erste GPS-Satellitensignal nicht gefunden worden ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorberechnen der Tabelle Beiinformation umfaßt, die vor dem Zeitraum des Außerbetriebszustandes erhalten worden ist, und daß die Tabelle sich zeitlich vorwärts erstreckt, und zwar für einen Zeitraum, der durch die Gültigkeit der Beiinformation begrenzt wird.

4. GPS-Empfänger mit einer Vielzahl von Kanälen, der folgendes umfaßt:

eine GPS-Empfängereinrichtung mit einer Vielzahl von Kanälen, die in Doppler-Frequenzsuchbereiche geteilt werden;

eine Speichereinrichtung für die Almanac-Daten;

eine Funkempfängereinrichtung zum parallelen Suchen eines Signals von einem ersten GPS-Satelliten, der einem ersten PRN-Code zugeordnet ist, wobei die vielen Kanäle des GPS-Empfängers derart benutzt werden, daß ein erster Suchbereich mittig zur Nennfrequenz des GPS- Satellitensignals positioniert wird und ein erster Kanal festgelegt wird, um den ersten Suchbereich zu durchsuchen und ein zweiter Kanal festgelegt wird, um parallel einen zweiten Suchbereich zu durchsuchen, der zu dem ersten Suchbereich benachbart ist,

gekennzeichnet durch:

eine GPS-Navigationscomputereinrichtung (28) zum Vorberechnen einer Tabelle mit Pseudozufallszahlencodes (PRN-Codes), die den GPS-Satelliten zugeordnet sind, von denen man weiß, daß sie bei einer Vielzahl von zukünftigen Zeitpunkten sichtbar sein werden, und zwar auf der Grundlage der Almanac-Daten für einen aktuellen Zeitpunkt, und für den GPS-Satelliten und bezogen auf eine bestimmte geographische Position;

eine Tabellenindizierungseinrichtung zum Auslesen eines PRN-Codes aus der Tabelle gemäß einem Zeitpunkt, bei welchem der GPS-Empfänger wieder hochgefahren wird, und zwar nach einem Zeitraum eines nicht betriebsbereiten Zustandes, der dem Schritt des Vorberechnens der Tabelle nachfolgt;

und wobei der Vielkanal-GPS-Empfänger in der Lage ist, die vielen Kanäle zwischen dem Suchen nach dem ersten GPS-Satelliten und einem zweiten GPS-Satelliten aufzuspalten, wenn das erste GPS-Satellitensignal nicht gefunden worden ist.