DE69817101T2

DE69817101T2 - Erfassung von Satellitensignalen für einen Empfänger

Info

Publication number: DE69817101T2
Application number: DE1998617101
Authority: DE
Inventors: Christian Lamiraux; Jean-Pierre Raffegeau
Original assignee: MLR Electronique
Current assignee: Mitac International Corp
Priority date: 1997-06-30
Filing date: 1998-06-29
Publication date: 2004-06-09
Anticipated expiration: 2018-06-30
Also published as: DE69817101D1; ES2205409T3; EP0893702A1; EP0893702B1

Description

Die Erfindung betrifft einen Empfänger zur Erfassung von Funksignalen, insbesondere von Signalen, die von Satelliten ausgesendet wurden, der im wesentlichen eine Antenne zum Empfang der Signale, eine Korrelationsvorrichtung mit mindestens einem Filter-Korrelationskanal zur Erfassung der von einem Satelliten ausgesendeten Signale, einen Prozessor, um dem Kanal die Mittelfrequenz für die Erfassung der Signale anzugeben, sowie eine Pilotoszillator-Vorrichtung enthält.
In derartigen Empfängern, beispielsweise Empfängern des GPS-Systems, erzeugt der Pilotoszillator durch Frequenzsynthese die Umsetzungssignale, die es erlauben, zu empfangende Signale in einen relativ niedrigen Frequenzbereich und in ein ausreichend schmales Frequenzband umzusetzen, um Signale aus dem Rauschen extrahieren zu können.
Es zeigt sich, daß in einem GPS-Empfänger die endgültige Frequenzgenauigkeit typisch bei ± 500 Hz liegen muß, da die Länge der GPS-Pseudo-Zufallskodierung im Kode CA eine Dauer von 1 Sekunde besitzt. Da die Trägerfrequenz L1 des GPS-Signals 1,5 GHz beträgt, liegt die erforderliche Genauigkeit für den Oszillator typisch bei ± 500/(1,5 10⁹) oder ± 3,3·10^–7.
Um diese Genauigkeit zu gewährleisten, rüstet man bisher GPS-Empfänger mit einem relativ teueren Pilotoszillator aus. Da bekanntlich die Qualität des Oszillators insbesondere mit dem internen Kompensationsprozeß für die Frequenzabweichung des Oszillatorquarzes abhängig von der Temperatur zusammenhängt und die Alterungsstabilität des Quarzes gegenüber der thermischen Stabilität relativ hoch ist, verwendet man Oszillatoren, die hinsichtlich der Temperatur kompensiert sind. Gerade diese Maßnahme erhöht aber die Kosten des Oszillators.
Eine andere oft gewählte Lösung besteht darin, einen weniger genauen Oszillator zu verwenden und bei der Inbetriebnahme die Suche nach einem ersten Satelliten auf mehreren Frequenzbändern durchzuführen, die jeweils Abstände von 1 kHz besitzen. Dies bedeutet aber einen Verlust hinsichtlich der Erfassungszeit, die auf die Inbetriebnahme eines Empfängers folgt, und verringert die Erfassungssicherheit des GPS-Korrelators um eine Millisekunde.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist ein Empfänger der oben angegebenen Art, der die oben erwähnten Nachteile der bekannten Empfänger behebt.
Um dieses Ziel zu erreichen, enthält der Pilotoszillator einen Quarz ohne interne Kompensation der Temperaturveränderungen, und dem Oszillator ist dafür eine Temperaturmeßsonde zugeordnet. Der Prozessor enthält Mittel zur Justierung der der Korrelationsvorrichtung anzugebenden Mittelfrequenz des Erfassungskanals abhängig von der Umgebungstemperatur des Pilotoszillators.
Gemäß einem vorteilhaften Merkmal der Erfindung bestehen die Mittel zur Justierung der Mittelfrequenzen des Erfassungskanals aus einer Eich-Software mit einer Zuordnungstabelle zwischen der thermischen Frequenzabweichungen des Oszillators und dessen Umgebungstemperatur.
Die Erfindung und weitere Ziele, Merkmale, Einzelheiten und Vorzüge werden nun anhand der beiliegenden schematischen Zeichnungen näher erläutert, die lediglich beispielshalber zwei Ausführungsformen eines solchen Empfängers erläutern.
1 zeigt das Blockdiagramm einer ersten Ausführungsform gemäß dem Stand der Technik.
2 zeigt das Blockdiagramm einer zweiten Ausführungsform gemäß der Erfindung.
Wie die Figuren zeigen, enthält ein Empfänger zur Erfassung von Funksignalen, insbesondere solchen, die von Satelliten ausgesendet wurden, im wesentlichen eine Antenne 1 zum Empfang der zu erfassenden Signale, eine Einheit 2 aus einer gewissen Anzahl von Erfassungskanälen, um die von mehreren Satelliten ausgesendeten Signale gleichzeitig erfassen zu können, einen Prozessor 3 zur Steuerung der Erfassungseinheit 2 und eine Pilotoszillator-Vorrichtung 4.
Die Erfassungseinheit enthält in Reihe eine Vorrichtung 6 mit Verstärkern und Filtern und eine Korrelationsvorrichtung 7 mit einer bestimmten Anzahl von Erfassungskanälen, die je einen digitalen Filter-Korrelator besitzen. Diese Vorrichtungen sind an sich bekannt und werden nicht im Detail erläutert werden.
Der Eingangsvorrichtung 6 mit Verstärkern und Filtern ist in an sich bekannter Weise eine Umsetzungsvorrichtung mit Oszillatoren zugeordnet, die vom örtlichen Oszillator 4 gesteuert wird, wie dies durch Pfeillinien angedeutet ist. Diese Vorrichtung dient zur Bildung der für die Umsetzung der von der Empfangsantenne 1 empfangenen Frequenzen auf einen relativ niedrigen Frequenzwert und in ein ausreichend schmales Frequenzband erforderlichen Frequenzen, um die Extraktion des Nutzsignals aus dem Rauschen in der Korrelationsvorrichtung 7 zu ermöglichen, auf die der Pilotoszillator 4 unmittelbar einwirkt.
Die Oszillatorvorrichtung 4 gemäß der Erfindung enthält einen nackten Quarz 9, also einen Quarz ohne interne Wärmekompensation. Diesem Oszillator ist eine Sonde 10 zur Messung der Umgebungstemperatur zugeordnet.
In der Ausführungsform gemäß dem Stand der Technik und gemäß 1 werden die gemessenen Werte an einen Analog/Digitalwandler 11 übermittelt, der sie in digitaler Form dem Prozessor 3 zuführt. Eine solche Vorrichtung ist aus der Druckschrift JP 07-218612 bekannt.
In der Ausführungsform der Erfindung und gemäß 2 ist der Analog/Digitalwandler 11 durch einen Niederfrequenzoszillator 13 ersetzt. Dieser enthält ein logisches Tor 24, beispielsweise vom Typ 74 HC 14, dessen Ausgang mit dem Prozessor 3 verbunden ist, während sein Eingang über einen Kondensator 15 an Masse liegt. Eingang und Ausgang des Tors 14 sind über eine Parallelschaltung aus einerseits einem Widerstand 16 und andrerseits der Serienschaltung eines Thermistors 17 und eines Widerstands 18 miteinander verbunden. In dieser Ausführungsform bildet der Thermistor 17 die Sonde zur Messung der Umgebungstemperatur.
Der Oszillator 13 arbeitet in einem Frequenzbereich zwischen 100 und 400 kHz, um den Schwankungsbereich der Temperatur des Thermistors zu umfassen, der die Frequenz des Oszillators linear beeinflußt. Der Prozessor 3, der Frequenzmeßmittel oder programmierte Mittel besitzt, um diese Funktion zu erfüllen, ermittelt einen digitalen Wert, der für die Temperatur des Thermistors repräsentativ ist. Die Kennlinie des Thermistors kann abhängig von den Temperaturschwankungen der Komponenten des Oszillators bestimmt werden.
Die Verwendung des niederfrequenten Oszillators 13 hat den Vorteil, wesentlich billiger zu sein als der Analog/Digitalwandler 11, da er nur preiswerte Standardbauelemente enthält.
Aufgrund der Temperaturmeßsonde 10 oder 17 erstellt man eine Tabelle der Frequenzabweichungen des Pilotoszillators 9 abhängig von der Umgebungstemperatur des Oszillators.
Die Tabelle wird durch eine Software erstellt, die vom Prozessor verwaltet wird. Hierzu achtet man darauf, daß die von der Sonde 10 und dem Wandler 11 gebildete Einheit Signale erzeugt, die weitgehend für den Arbeitstemperaturbereich, der beispielsweise zwischen –20°C und 70°C liegt, linear sind, und daß der Datentransfer mit einer Genauigkeit von etwa 1 Bit je Grad erfolgen kann, sodaß etwa 100 unterschiedliche Temperaturwerte überwacht werden können. Eine solche von der Software erzeugte Tabelle kann beispielsweise 256 Zeilen entsprechend 256 möglichen Zuständen enthalten, von denen jeder durch ein Wertepaar einer Temperatur und einer durch diese Temperatur hervorgerufenen Frequenzabweichung gebildet wird.
Nachfolgend werden die Erzeugung der Tabelle und der Betrieb des erfindungsgemäßen Empfängers beschrieben.
Bei der Inbetriebnahme des Empfängers werden die beiden Gruppen von Werten auf null gesetzt. Die Oszillatorfrequenz wird auf mindestens 250 Hz genau justiert, und man bringt die Temperatur des Quarzes auf einen Mittelwert von beispielsweise 25°C während der Zeitdauer, in der der Empfänger die sichtbaren Satelliten erfaßt, die geographische Position des Empfängers erstellt, die Daten des GPS-Almanachs notiert und den Wert der Abweichung der Oszillatorfrequenz erstellt.
Während dieser ersten Betriebsphase des Empfängers, deren Aufgabe es ist, die Eichung des Empfängers auf definierte Bedingungen zu gewährleisten, wird eine Marke der Software auf den digitalen Wert null gesetzt. Nach der Eichung setzt die Bedienungsperson eine Speichermarke auf den Wert 1, was den Start der Software für die Erstellung der oben erwähnte Tabelle freigibt. Der ursprüngliche Abweichungswert des Oszillators wird in eine zentrale Zeile der Tabelle eingetragen, und der Empfänger wird dann einer Temperaturrampe von beispielsweise –20°C bis 70°C unterworfen, wobei jeder Schritt zur Eintragung eines Paars von einen Zustand kennzeichnenden Wörtern in die Tabelle führt.
Im Normalbetrieb nach der Erstellung der Tabelle liest die Software bei Erfassung eines Satelliten und gegebenenfalls periodisch während des Betriebs Meßwerte für die Umgebungstemperatur des Oszillators 9 und sucht für die gemessene Temperatur die Frequenzabweichung des Oszillators in der Tabelle. Unter Berücksichtigung dieses Werts liefert der Prozessor 3 der Korrelationsvorrichtung die Mittelfrequenzen der Erfassungskanäle der Satellitensignale. Folglich kann, selbst wenn die Frequenz des Oszillators aufgrund einer Änderung der Umgebungstemperatur gegenüber dem Bezugswert variiert, die Erfassung des Satelliten schnell erfolgen.
Wenn die Erfassung nicht erfolgt, bewirkt der Prozessor eine Durchstimmung der Mittelfrequenz des betrachteten Erfassungskanals in einem Bereich von beispielsweise 500 Hz um den in der Tabelle angegebenen Wert herum. Wenn die Mittelfrequenz, die schließlich bei der Durchstimmung gefunden wurde, einen Schwellwert einer zulässigen Abweichung überschreitet, beispielsweise 150 Hz bezüglich des in der Tabelle angegebenen Werts, dann kann das Programm die Tabelle im laufenden Betrieb aktualisieren. Diese Aktualisierung könnte in Form einer Verschiebung aller in die Tabelle eingetragenen Werte um den festgestellten Abweichungswert erfolgen. Diese Verschiebung der ganzen Tabelle könnte bereits bei einer ersten festgestellten Abweichung oder erst nach einer gewissen Anzahl von Abweichungen stattfinden, indem berücksichtigt wird, daß es sich dann um eine Abweichung aufgrund der Alterung des Oszillators handelt.
Die Beschreibung des erfindungsgemäßen Empfängers anhand der 2 zeigt, daß die Erfindung die Geschwindigkeit der Erfassung der ausgewählten Funksignale erhöht, die Kosten und den Platzbedarf für den Empfänger verglichen mit den bekannten Empfängern aufgrund der Verwendung eines nackten Quarzoszillators, einer Temperaturmeßsonde in Verbindung mit dem Oszillator und der beschriebenen Software senkt, während beim Stand der Technik Systeme mit einem kompensierten oder hinsichtlich der Temperatur stabilisierten Oszillator erforderlich war.

Claims

Empfänger zur Erfassung von Funksignalen, insbesondere von Signalen, die von Satelliten ausgesendet wurden, der im wesentlichen eine Antenne zum Empfang der Signale, eine Korrelationsvorrichtung mit mindestens einem Filter-Korrelationskanal zur Erfassung der empfangenen Signale, einen Prozessor, um dem Erfassungskanal die Mittelfrequenz für die Erfassung der Signale anzugeben, sowie eine Pilotoszillator-Vorrichtung enthält, wobei der Pilotoszillator einen Quarz ohne interne Wärmekompensation und eine Temperaturmeßsonde aufweist, die dem Oszillator zugeordnet ist, um die in der Umgebung des Oszillator herrschende Temperatur zu messen, und wobei der Prozessor Mittel zur Justierung der dem Erfassungskanal zuzuweisenden Mittelfrequenz abhängig von einer gemessenen Änderung der Umgebungstemperatur des Pilotoszillators (4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur-Meßsonde von einem Thermistor (17) gebildet wird, der Teil eines Niederfrequenzoszillators (13) ist, welcher ausgangsseitig mit dem Prozessor (3) verbunden ist.
Empfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Justierung der Mittelfrequenz des Erfassungskanals der Korrelationsvorrichtung (7) von einer Eich-Software gebildet werden, die eine Tabelle mit den Temperaturwerten in der Umgebung des Oszillators und den durch Temperaturänderungen hervorgerufenen Frequenzabweichungen enthält.
Empfänger nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Analog/Digitalwandler der Temperaturmeßsonde (10) zugeordnet ist, um die Temperaturmeßwerte dem Prozessor (3) in Form digitaler Daten zuzuführen.
Empfänger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Niederfrequenzoszillator (13) ein logisches Tor (14) sowie zwischen den Eingangs- und Ausgangsklemmen dieses Tors eine Parallelschaltung einerseits aus einem Widerstand (16) und andrerseits dem Thermistor (17) und einem Widerstand (18) in Reihe aufweist, wobei der Eingang des Tors über einen Kondensator (15) an Masse liegt.
Empfänger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die den Oszillator (13) bildenden Bauelemente preiswerte Standard-Bauelemente sind.
Empfänger nach einem der Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Prozessor Mittel zur Messung der Frequenzen aufweist und einen digitalen Wert bildet, der für die Temperatur des Thermistors (17) repräsentativ ist.
Empfänger nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Tabelle eine bestimmte Anzahl von Zeilen enthält, die je zwei Wörter enthalten, von denen das eine einen Wert der Temperaturveränderung und das andere einen Wert der dadurch hervorgerufenen Frequenzabweichung im Vergleich zu Standardbedingungen darstellt.
Empfänger nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Standardbedingungen bei der Erfassung der Signale von einem Satelliten ermittelt werden, während der Quarz des Oszillators sich bei einer vorbestimmten Umgebungstemperatur befindet.
Empfänger nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Prozessor den Wert der Mittelfrequenz, der einem Erfassungskanal anzugeben ist, bilden kann, indem in der Tabelle der Wert der Frequenz abweichung gesucht wird, der dem Wert der von der Temperaturmeßsonde (10) im Erfassungszeitpunkt gemessenen Temperatur zugeordnet ist.
Empfänger nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzabweichungen, die in der Tabelle enthalten sind, insgesamt verschoben werden können, wenn bei einer Erfassung eines Signals der Abstand zwischen der tatsächlichen Mittelfrequenz bei der Erfassung und der vom Prozessor abhängig von der Tabelle gelieferten Mittelfrequenz um einen vorbestimmten Wert abweicht.