ES2284635T3 - Determinacion de tiempos en un receptor gps. - Google Patents

Abstract

Un método para determinar el tiempo en un receptor de Sistema de Posicionamiento Global (GPS), incluyendo capturar (304) datos GPS de un mensaje GPS durante un período de tiempo predeterminado; caracterizado por: localizar (308) una configuración de datos esperada en dichos datos GPS capturados correlacionando los datos capturados con la configuración de datos esperada; y determinar (311) un tiempo desfasado entre un tiempo de inicio de dicho período de tiempo predeterminado y un tiempo de llegada de dicha configuración de datos esperada, donde dicho mensaje GPS es de un satélite GPS y donde el paso de determinar incluye corregir dicho desfase de tiempo para compensar un tiempo de propagación de señal entre dicho satélite GPS y dicho receptor GPS y donde el paso de corregir incluye modificar dicho desfase de tiempo corregido para compensar un tiempo desfasado de reloj de satélite.

Description

Determinación de tiempos en un receptor GPS.

Referencia cruzada a solicitudes relacionadas

La presente solicitud reivindica prioridad y el beneficio de la fecha de presentación de la Solicitud de Patente de Utilidad de Estados Unidos pendiente número de serie 09/253.318, presentada el 19 de febrero de 1999, de la Solicitud de Patente de Utilidad de Estados Unidos pendiente número de serie 09/253.662, presentada el 19 de febrero de 1999, y de la Solicitud de Patente de Utilidad de Estados Unidos pendiente número de serie 09/253.679, presentada el 19 de febrero de 1999.

Campo de las invenciones

La presente invención se refiere en general a un receptor GPS, y más en particular a un aparato GPS.

Antecedentes de las invenciones

El Sistema de Posicionamiento Global (GPS) es un sistema basado en satélite desarrollado por el Departamento de Defensa de Estados Unidos para dar información posicional exacta a un receptor GPS en cualquier lugar del mundo. Por lo tanto, un receptor GPS adecuadamente equipado puede ser usado en cualquier entorno en el que se desee la posición, y produce típicamente coordenadas posicionales en tres dimensiones. El sistema GPS es habilitado por una constelación de satélites orbitales formada por 24 o más satélites en órbita alrededor de la tierra en órbitas de 12 horas. Los satélites están dispuestos en seis planos orbitales, conteniendo cada uno cuatro satélites. Los planos orbitales están espaciados sesenta grados, y están inclinados aproximadamente cincuenta y cinco grados del plano ecuatorial. Esta constelación asegura que de cuatro a doce satélites sean visibles en cualquier momento en cualquier punto de la tierra con una clara visión del cielo.

Los satélites GPS transmiten datos a usar por receptores GPS, incluyendo datos de posición de satélite (datos de efemérides) y datos de corrección de reloj de satélite. La señal GPS incluye una señal portadora que es modulada en bifase con un código de ensanchamiento Gold de 1023 bits de largo a una frecuencia de segmentos de 1,023 Mhz (intervalo de repetición de 0,001 segundo). También es modulada por bits de datos en una tasa de 50 bits por segundo (BPS) (transmitida en una tasa de veinte milisegundos por bit de datos). Los datos de 50 BPS incluyen información para determinar una hora a base de GPS (es decir, un tiempo de reloj del satélite GPS) e información para determinar la posición geográfica.

Información detallada acerca de los datos contenidos dentro de la señal GPS está disponible en Interface Control Document ICD-GPS-200, revisado en 1991, publicado por Rockwell Internacional Corporation e incorporado aquí por referencia.

El tiempo de reloj incluido en el mensaje GPS es una señal de tiempo absoluto que es sincronizada exactamente en el satélite. Es decir, todos los satélites de la constelación GPS son sincronizados por estaciones de referencia en tierra que tienen en cuenta el tiempo de propagación de la señal del satélite a la estación terrestre. De esta manera, cada satélite en la constelación es sincronizado en el tiempo en el satélite, el error de tiempo absoluto es controlado exactamente dentro de unos pocos nanosegundos a decenas de nanosegundos.

La señal de tiempo absoluto puede ser usada por un receptor GPS con el fin de determinar exactamente la posición. Una vez que la posición es conocida aproximadamente, el tiempo absoluto en el receptor también puede ser conocido desfasando el tiempo exacto observado por el receptor en el mensaje enviado por el satélite por el retardo de propagación computable entre el receptor y el satélite.

El conocimiento de tiempo absoluto en el receptor es un parámetro importante porque los satélites GPS se mueven aproximadamente cuatro metros por milisegundo. Si el tiempo de medición de rango tiene un error de un milisegundo, los rangos medidos pueden tener un error de hasta cuatro metros. Este error de rango se multiplica entonces por un factor de geometría (GDOP, o Dilución Geométrica de Precisión) que se traduce en un error posicional adicional que puede ser muchas veces los cuatro metros del error de rango adicional.

Un campo de datos de Tiempo de la Semana (TOW) incluido en los datos de 50 BPS, en unión con la señal de tiempo absoluto, permite a un receptor GPS determinar exacta y fiablemente el tiempo local. Los datos TOW son transmitidos por todos los satélites en intervalos de seis segundos. La detección de los datos TOW depende de la magnitud de la señal. Por debajo de un cierto nivel de magnitud de la señal es posible obtener una medición de rango, pero no es posible decodificar los datos TOW. Por ejemplo, para niveles de señal inferiores a aproximadamente 30 dB-Hz, es imposible decodificar bits de mensajes individuales del mensaje de 50 BPS. Es posible, sin embargo, obtener correlación de señal en señales sustancialmente por debajo de 30 dB-Hz, hasta niveles inferiores a 20 dB-Hz. Las técnicas empleadas por las solicitudes de Motorola S/N 09/253.318, S/N 09/253.662, y S/N 09/253.679 pueden ser usadas para ampliar la sensibilidad de la detección de correlación a estos niveles. Así, lo que se necesita es un método de determinar el tiempo a niveles de señal inferiores a 30 dB-Hz.

El receptor GPS no siempre puede determinar fiablemente el tiempo local a partir de los datos transmitidos por satélite GPS. Las funciones GPS son muy útiles y como resultado se han incorporado en varios dispositivos, incluyendo, por ejemplo, teléfonos celulares, y otros dispositivos electrónicos de mano. Debido a su naturaleza portátil, tales dispositivos se encuentran a menudo en vehículos que se mueven en cañones urbanos, o son llevados a edificios u otros obstáculos. Como resultado natural, la señal GPS puede ser bloqueada o recibirse pobremente. Esto puede hacer que la recepción de la señal de tiempo absoluto de 50 BPS sea poco fiable. En tales casos, es deseable que un aparato GPS obtenga una medición exacta del tiempo de modo que se disponga de mediciones posicionales. Dado que los satélites GPS se mueven a una tasa de aproximadamente 4 metros por milisegundo, si el tiempo de una medición de rango no es conocido con exactitud, la medición de rango y por lo tanto la medición posicional resultante contendrá un error proporcional. Por ejemplo, si el tiempo de medición contiene un error de 20 milisegundos, la medición de rango puede tener un error de hasta 80 metros, y la medición de posición resultante puede tener un error de varios cientos de metros dependiendo de la geometría.

En algunos dispositivos telefónicos celulares, tal como teléfonos celulares CDMA (acceso múltiple por división de código), la infraestructura es sincronizada y cada estación base recibe un tiempo exacto de un receptor GPS de red. La estación base CDMA sincroniza entonces los dispositivos móviles transmitiendo el tiempo a los dispositivos móviles, permitiendo que el tiempo en el teléfono CDMA sea conocido con una exactitud del orden de un microsegundo (más un retardo de transmisión).

En dispositivos GPS no sincronizados, como, por ejemplo, teléfonos celulares del Sistema Global para Comunicaciones Móviles (GSM), la información de tiempo exacta es deseable pero generalmente no está disponible a partir de las señales que emanan de la red. Sin embargo, es inviable y caro modificar las redes existentes para sincronizarlas añadiendo hardware y/o software apropiados.

La técnica relacionada ha intentado resolver el problema de varias formas. Un primer esquema lo expone Krasner, Patente de Estados Unidos número 5.812.087. Krasner usa una memoria digital de ficheros imagen en un aparato para capturar un conjunto aleatorio de datos y transmitirlo a una estación base. La estación base usa un receptor GPS convencional para medir el tiempo de llegada de una porción de los bits de datos de 50 BPS capturados en la memoria digital de ficheros imagen. Los bits de datos medidos por la estación base tienen un tiempo de llegada conocido y son correlacionados con los bits de datos desconocidos capturados en la memoria digital de ficheros imagen. Cuando se obtiene una correlación máxima, se puede determinar el tiempo de captura de datos en la memoria del móvil.

Sin embargo, el inconveniente de Krasner es que se requiere un receptor GPS de estación base remota. El receptor GPS de estación base remota debe medir una secuencia de datos GPS 50 corrientes de uno o múltiples satélites GPS y después transmitirla a la unidad móvil. Alternativamente, la unidad móvil puede transmitir a la base los datos de correlación post-detección. De cualquier manera, el esquema requiere la transmisión de gran número de bits entre la estación base y la unidad móvil (por ejemplo, tiempo de 12 satélites de 50 bits cada uno), y requiere que el aparato guarde una muestra de los datos recibidos para posterior correlación con la configuración observada y comunicada desde la estación base.

En un segundo esquema de la técnica relacionada, se colocan unidades de medición de posición (LMUs) en toda una red no sincronizada. La finalidad de la LMU es medir el desfase de tiempo entre un tiempo mantenido por una red de comunicaciones no sincronizada y el tiempo GPS. Una LMU individual mide el tiempo de llegada de bits de mensajes de cada estación base y determina el desfase de tiempo relativo de cada estación base. Esto lo realiza un receptor GPS dentro de una LMU, y con el conocimiento de la posición de cada estación base y la posición del LMU (al objeto de determinar un tiempo de propagación).

Sin embargo, el segundo esquema de la técnica relacionada es costoso porque requiere componentes adicionales en una red de comunicaciones. También es una solución complicada. En un tercer esquema de la técnica relacionada, la secuencia de datos de 50 BPS es observada en un lugar maestro fijo. Los datos de tiempo son transmitidos del lugar maestro a una unidad móvil. La unidad móvil puede usar la configuración de datos conocida y su tiempo de llegada conocido (observado por el lugar maestro) para estrechar la anchura de banda de adquisición por debajo de la tasa de datos de 50 BPS.

De nuevo, un inconveniente principal es que la secuencia de datos de 50 BPS medida debe ser transmitida a la unidad móvil, y la unidad móvil debe ser capaz de recibir y demodular los datos.

US 4.872.164 describe compensar desplazamientos Doppler en el retardo de ráfagas de datos enviadas por una estación terrestre a un satélite. En particular, US 4.872.164 describe realizar una comparación de fase entre un pulso de reloj recuperado de un preámbulo de ráfaga y un pulso de reloj del sistema del satélite.

US 5.798.732 describe un método para alinear un reloj local con tiempo GPS sincronizando un flujo de bits de réplica que tiene un mensaje GPS esperado con un flujo de bits GPS. US 5.798.732 describe estimar el error de tiempo en base a los desplazamientos Doppler medidos, y corregir el tiempo local usando el error de tiempo estimado.

Por lo tanto, subsiste en la técnica la necesidad de una determinación de tiempo de medición en un aparato GPS que es parte de una red no sincronizada, tal como el sistema GSM.

Resumen de la invención

En un primer aspecto, la presente invención proporciona un método para determinar el tiempo en un receptor de Sistema de Posicionamiento Global (GPS), según la reivindicación 1.

En otro aspecto, la presente invención proporciona un aparato según la reivindicación 9.

Se reivindican otros aspectos en las reivindicaciones dependientes.

Las anteriores y otras características y ventajas de la presente invención se entenderán mejor por la descripción siguiente de sus realizaciones preferidas, tomada en unión con los dibujos acompañantes.

Breve descripción de los dibujos

La figura 1 representa una palabra de datos GPS.

Las figuras 2A-2B muestran el uso de una trama de tiempo de captura de un segundo usada para capturar un segmento de datos de la palabra de datos GPS.

La figura 3 representa un diagrama de flujo de una primera realización del método de la presente invención.

La figura 4 representa un diagrama de flujo de una segunda realización del método de la presente invención.

La figura 5 representa un diagrama de flujo de una tercera realización del método de la presente invención.

La figura 6 representa un diagrama de flujo de una cuarta realización del método de la presente invención.

La figura 7 representa un diagrama de bloques de una primera realización de un aparato para determinar el tiempo en un aparato GPS.

La figura 8 representa cómo se correlacionan las señales A y B para producir una señal de salida C.

La figura 9 representa cómo la magnitud integrada máxima indica el inicio de la configuración de datos prevista.

Y la figura 10 representa un diagrama de bloques de una segunda realización del aparato, sin el uso de una memoria de captura de señal FI.

Descripción detallada de las invenciones

Un método de bajo costo de determinar el tiempo en un aparato GPS no sincronizado se realiza sin la necesidad de enlaces de comunicaciones y transferencia de datos con receptores externos o dispositivos de temporización independientes. La estructura predecible de la señal de satélite GPS proporciona asistencia al determinar el tiempo en el aparato.

Hay al menos tres segmentos de los datos transmitidos por satélite (uno de los cuales se repite cada 6 segundos) en los que la configuración de datos de 50 BPS o secuencia de datos es conocida exactamente o es computable exactamente como una función del tiempo (es decir, determinista). Estas secuencias de datos o configuraciones de datos conocidas y predecibles pueden ser correlacionadas a través de múltiples bits de datos y usadas para determinar el tiempo exacto, incluso cuando la señal GPS es demasiado débil para permitir la demodulación de los bits individuales del mensaje de 50 BPS de datos.

La figura 1 representa la palabra de datos GPS 100 que es transmitida cada 6 segundos por cada satélite GPS. La palabra de datos GPS 100 incluye un preámbulo 102, una palabra HOW 105, y una ID de subtrama 106. El preámbulo 102 contiene un identificador de ocho bits predeterminado que es el mismo para cada satélite, repitiéndose la misma configuración cada seis segundos. Además, los dos bits precedentes de la subtrama anterior siempre son los mismos (00), así un total de diez bits siempre son los mismos para cada satélite. En el resto de este documento, el término "preámbulo" se entiende en el sentido de incluir la secuencia de diez bits con los dos últimos bits de la subtrama precedente (00) y la secuencia de ocho bits en el inicio de la subtrama corriente. El preámbulo 102 tarda 200 milisegundos en ser transmitido por cada satélite en base a la tasa de datos de 50 BPS. La palabra HOW 105 es una palabra de diecisiete bits de largo que define el tiempo de la semana del primer bit de la subtrama siguiente. La ID de subtrama 106 es un campo de tres bits que define el contenido de cada una de las cinco subtramas posibles. La palabra HOW 105 tarda 340 milisegundos en transmitirse, y la ID de subtrama 106 tarda 60 milisegundos en trans-
mitirse.

Como resultado, el preámbulo de diez bits 102 siempre es el mismo y conocido, y la palabra HOW de diecisiete bits 105 y la ID de subtrama de tres bits 106 son predecibles en función del tiempo. Dado que una palabra HOW nueva 105 y la ID de subtrama 106 aparecen en un mensaje a intervalos de seis segundos, el conocimiento del tiempo local dentro de tres segundos en el aparato permite el conocimiento de la configuración exacta de la palabra HOW de diecisiete bits 105 y la ID de subtrama de tres bits 106 para cada subtrama. Mantener el tiempo local del aparato dentro de tres segundos es fácil dentro de las capacidades de los relojes de tiempo real de bajo costo y baja potencia que ya son parte de cada aparato digital.

Cada bit del mensaje de 50 BPS es coherente con el código Gold de ensanchamiento de 1023 bits que es transmitido a 1,023 MHz, que también es coherente con relación al reloj de satélite exacto. El código Gold se repite veinte veces por cada bit de datos, requiriendo un período de tiempo de aproximadamente veinte milisegundos para decodificar las veinte apariciones de cada bit de código Gold.

Dado que todo el mensaje de 50 BPS es síncrono con el reloj de satélite, el tiempo de transmisión del satélite de cada bit del mensaje de 50 BPS es controlado y conocido exactamente, y puede ser usado para indicar el tiempo exacto. Como se ha mencionado antes, el segmento de control terrestre GPS mantiene (es decir, dirige) el reloj exacto en cada satélite a una exactitud de unos pocos nanosegundos. Como resultado, el tiempo de transmisión del satélite del preámbulo 102, la palabra HOW 105, y la ID de subtrama 106 es conocido exactamente. La sincronización al tiempo de recepción de estas configuraciones de bits de datos conocidas o predecibles permite la transferencia del tiempo local absoluto exacto del satélite GPS al receptor GPS añadiendo el tiempo de vuelo de la señal (el retardo de propagación entre el satélite y el receptor) y el error de reloj de satélite al tiempo de recepción de los bits previstos. El retardo de propagación y los errores de reloj de satélite son computables en el receptor por conocimiento de los datos de corrección de reloj y efemérides transmitidos del satélite, que también son necesarios para calcular la posición a partir de las mediciones de rango.

El tiempo de llegada de la palabra de datos GPS 100 puede ser usado para calibrar un reloj local libre dentro del aparato GPS. El método de calibración se describe en la Patente de Estados Unidos número 5.893.044 de King, incorporada aquí por referencia. El tiempo de llegada (TOA) del preámbulo 102, y/o la palabra HOW 105, y/o la ID de subtrama 106 puede ser usado para medir el tiempo de medición de los rangos de satélite al vuelo, u opcionalmente, puede ser usado para medir el tiempo de captura en una memoria. El método al vuelo de captura y correlación de la señal GPS puede ser usado en casos donde la señal GPS es fuerte y el método de memoria de captura y correlación de la señal GPS puede ser usado cuando la señal es débil o poco fiable.

Si se usa una memoria, la memoria es preferiblemente mayor que la necesaria para contener uno o todos los segmentos de datos. El tiempo de captura es controlado preferiblemente por un reloj de tiempo real local libre que es recalibrado periódicamente por la técnica de la presente invención, o por la técnica descrita en la Patente de Estados Unidos número 5.893.044 de King, o por el uso de alguna otra referencia de tiempo aproximada tal como un pulso o mensaje enviado desde la red al aparato. Lo importante es que el tiempo de inicio del intervalo de captura sea de suficiente exactitud para poder distinguir el inicio de una configuración de datos de subtrama de la otra, o un error de a lo sumo 3 segundos. Una vez que un segmento de datos es capturado en memoria (o memoria FI para precorrelación o postcorrelación), el tiempo exacto de llegada del segmento de datos puede ser medido directamente, estableciendo así el tiempo de captura de datos, y por ello el tiempo de medición de rango. Esto se puede hacer sin necesidad de modificar extensamente el hardware de dispositivos celulares GSM existentes, sin necesidad de añadir componentes adicionales a una red de comunicaciones existente, o sin necesidad de mensajes de red especiales.

El receptor o aparato GPS puede tener su propio reloj interno. Sin embargo, este reloj interno puede no tener una exactitud necesaria con el fin de rastrear exactamente el tiempo de llegada de los datos de señal GPS. En cambio, el reloj interno puede ser recalibrado periódicamente extrayendo el tiempo de llegada del mensaje de datos GPS 100 y usando el tiempo de llegada medido para recalibrar periódicamente el reloj interno. Se anticipa que en el peor caso un reloj de tiempo local real en el aparato GPS puede usar un oscilador de 32 kHz que tiene un error de aproximadamente 50 partes por millón (PPM), que precisa recalibración aproximadamente dos veces al día (una deriva de exactitud de 1 segundo).

Naturalmente, cuando varíe el reloj de tiempo real local en el aparato, el tiempo de llegada medido del mensaje de datos GPS 100 variará, pero debido a la variación relativamente pequeña en el reloj de tiempo real local (cuya tasa de cambio de tiempo también puede ser calibrada por GPS), el tiempo de llegada medido puede ser usado para determinar una deriva que es útil para recalibrar el reloj de tiempo real local. Por ejemplo, en la figura 1 la línea vertical que representa la subtrama anterior y la subtrama corriente puede indicar dónde espera el aparato GPS que empiece el mensaje de datos GPS 100. Por lo tanto, medir la diferencia entre el inicio real y cuando espera el inicio el aparato GPS da un desfase de tiempo que puede ser usado para recalibrar el tiempo de reloj del aparato GPS y la tasa de cambio de tiempo.

Para el caso en el que el reloj de tiempo real local no ha sido calibrado, se utiliza un proceso de búsqueda para muestrear un segmento, examinar en él la configuración o secuencia de datos conocida, y deslizar entonces el intervalo de examen a otra longitud de segmento y repetir hasta que se halle la configuración o secuencia de datos conocida deseada.

Las figuras 2A-2B muestran el uso de una trama de tiempo de captura de 1 segundo 200 para capturar un segmento de datos. Una señal GPS entrante es capturada durante un período de un segundo en esta realización. Otras tramas de tiempo de captura pueden ser usadas a voluntad. En la figura 2A el preámbulo 102 llega antes del tiempo de inicio esperado del aparato GPS (debido a desfase del reloj). Sin embargo, debido al tamaño de la trama de tiempo de captura 200, todo el preámbulo 102 es capturado y almacenado. Se prefiere una trama de tiempo de captura de 1 segundo de modo que los datos GPS antes y después del tiempo de inicio esperado del preámbulo sean capturados. Por lo tanto, los datos capturados pueden ser examinados para hallar exactamente cuándo empieza el preámbulo.

En la figura 2B el preámbulo 102 llega después del tiempo de inicio esperado. Usando una trama de tiempo de captura de un segundo 200 el reloj del aparato local puede estar apagado un bit y, sin embargo, todo el preámbulo 102 puede ser capturado.

La figura 3 representa un diagrama de flujo 300 de una primera realización del método para determinar el tiempo en un aparato GPS. En el paso 304 se capturan datos GPS durante un período de tiempo predeterminado. En la realización preferida, los datos GPS son capturados durante aproximadamente un segundo como se representa en la figura 2A y la figura 2B, aunque se puede usar otros períodos de tiempo. El tiempo de inicio y la duración del evento de captura son controlados por un reloj de tiempo real local. El reloj de tiempo real local ha sido previamente calibrado (por el método descrito aquí o por técnicas tradicionales de procesado de señal GPS), y puede desfasarse.

La exactitud del reloj de tiempo real local depende de la estabilidad de un oscilador de activación, tal como, por ejemplo, un oscilador de referencia del aparato. En aparatos GSM y CDMA el oscilador de referencia del aparato tiene típicamente una estabilidad de aproximadamente 0,05 PPM (es decir, el oscilador puede variar aproximadamente más o menos 5 oscilaciones por cada 100.000.000 de oscilaciones). El reloj de tiempo real local también puede ser movido por un simple oscilador libre de 32 KHz.

En el paso 308, una configuración de datos esperada con características deterministas o predeterminadas (por ejemplo, una réplica de código de un preámbulo, palabra HOW, ID de subtrama, etc) está situada en los datos capturados. En la realización preferida, éste es el preámbulo 102 representado en la figura 1. Sin embargo, se puede usar otras configuraciones de datos esperadas con características deterministas o predeterminadas, tal como la palabra HOW 105.

En el paso 311 se determina un desfase de tiempo del inicio de la captura al tiempo de llegada de la configuración de datos o secuencia de datos esperada.

En el paso 315 se aplica el retardo de propagación de la señal del satélite y el receptor y la corrección del reloj desfasado del satélite, creando una medida exacta del tiempo local. Este desfase de tiempo puede ser usado para recalibrar el reloj en el aparato GPS, de modo que sea la base para el sello de tiempo de las mediciones de rango del satélite.

La figura 4 representa un diagrama de flujo 400 de una segunda realización del método para determinar el tiempo en un aparato GPS. El diagrama de flujo 400 difiere del diagrama de flujo 300 de la primera realización solamente en que el método se realiza al vuelo. Por lo tanto, en el paso 404, en lugar de capturar datos GPS como en el paso 304, el método captura datos GPS coherentes post-correlación. El paso 408 es equivalente al paso 308; el paso 411 es equivalente al paso 311.

Se deberá entender que se puede usar el diagrama de flujo 300 o el diagrama de flujo 400. Se prefiere el método de tiempo real, al vuelo, pero alternativamente se puede almacenar una señal GPS en memoria y posteriormente procesar. La memoria se usa generalmente en los casos donde el receptor ha perdido un bloqueo de correlación y ya no se puede correlacionar la señal en tiempo real, tal como se recibe. Esto se puede hacer con el fin de mejorar o mantener la recepción de señal, mejorar la intensidad de la señal recibida, reducir el consumo de potencia, o ensanchar la carga computacional en el tiempo.

La figura 5 representa un diagrama de flujo 500 de una tercera realización del método para determinar el tiempo en un aparato GPS. En el paso 501, un mensaje GPS recibido es convertido hacia abajo a una frecuencia intermedia. Esto es conocido comúnmente en la técnica y se realiza para facilitar el procesado de datos y el manejo.

En el paso 504, la frecuencia intermedia es muestreada para obtener una pluralidad de muestras digitales. El muestreo se hace normalmente en un período predeterminado de tiempo tal como, por ejemplo, un segundo, y como resultado en la realización preferida se crean doscientas muestras.

En el paso 507, se almacenan las muestras digitales FI. En la realización preferida, se almacenan en una memoria general tal como, por ejemplo, una memoria de acceso aleatorio. Sin embargo, las muestras digitales FI pueden ser almacenadas en cualquier tipo de dispositivo de almacenamiento digital.

En el paso 510, se determina una fase de código para cada satélite visible para el que se han recibido datos.

En el paso 512, se determina un desplazamiento Doppler (o de frecuencia) para datos recibidos para cada satélite visible. El sistema GPS emplea veinticuatro satélites distribuidos en órbita alrededor de la tierra y generalmente al menos cuatro satélites son visibles desde cualquier punto de la tierra con una visión clara del cielo.

En el paso 517 se elige la señal más intensa para procesado. Dado que el método está diseñado para determinar un tiempo exacto durante períodos cuando la recepción de señales GPS es relativamente pobre, la selección de la señal más intensa da la mayor fiabilidad y la mayor probabilidad de éxito. También reduce el tiempo computacional y su consumo de potencia resultante procesando solamente el número mínimo de señales necesarias para la determinación del tiempo, que es una señal de satélite. Naturalmente, la señal más intensa no es absolutamente necesaria para determinar el tiempo exacto. Adicionalmente (pero de forma subóptima), se podría procesar múltiples señales para determinar el tiempo en el receptor.

En el paso 522 se mide y almacena una característica en fase de la señal coherente post-correlación. En el paso 527 se mide y almacena una característica de cuadratura de la señal coherente post-correlación. Los pasos 522 y 527 se realizan preferiblemente de forma simultánea.

En el paso 531, las características en fase y cuadratura determinadas en los pasos 522 y 527 están correlacionadas coherentemente a una configuración de datos esperada. En una realización preferida, éste es el preámbulo 102, la palabra HOW 105, y/o la ID de subtrama 106. En efecto, el paso 531 compara características en fase y cuadratura de la señal recibida a la configuración de datos esperada para determinar cuando la configuración de datos esperada empieza en la secuencia de datos recibidos.

En el paso 534, se determina un desfase de tiempo a partir del máximo de correlación. La correlación del paso 531 producirá un pico (que se puede ver en la figura 9), y este pico es el punto de correlación máxima, es decir, el punto en que los datos entrantes corresponden a la configuración de datos esperada. Por lo tanto, el tiempo entre el inicio de la captura de datos y el pico da el desfase de tiempo en el que tiene lugar el inicio de la configuración de datos esperada.

En el paso 538, el tiempo de captura se determina a partir del desfase de tiempo determinado en el paso 534, la fase de código y la posición del satélite seleccionado, la corrección de reloj correspondiente al satélite (estándar en cualquier receptor GPS), el tiempo de llegada conocido del segmento de datos GPS particular (preámbulo 102, palabra HOW 105, y/o ID de subtrama 106), y la posición geográfica del aparato. La posición del aparato puede ser calculada por iteración de una conjetura inicial, siendo por ejemplo la conjetura inicial la posición de la estación celular más próxima (cada estación celular base tiene una latitud y longitud conocidas). Estos datos son suficientes para determinar el desfase de tiempo. El desfase de tiempo puede ser usado entonces para recalibrar el reloj de tiempo real del aparato para mantener la sincronicidad de tiempo con el sistema GPS del satélite.

La figura 6 representa un diagrama de flujo 600 de una cuarta realización del método para determinar el tiempo en un aparato GPS. El diagrama de flujo 600 difiere del diagrama de flujo 500 de la tercera realización en que, para el paso 607, el diagrama de flujo 600 correlaciona de forma no coherente muestras GPS contra cada código de Ruido Pseudoaleatorio (PRN) de satélite visible (es decir, un identificador único para cada satélite, también conocido como un código Gold) y cada característica Doppler de satélite visible. Los otros pasos representados en la figura 6 son análogos a sus pasos contrapartida en la figura 5. De forma similar al método de la figura 4, el método de la figura 6 es una determinación de desfase de tiempo al vuelo, no requiriendo una memoria FI digital.

Se deberá entender que se puede usar el diagrama de flujo 500 o el diagrama de flujo 600. Se prefiere el método de tiempo real al vuelo, pero alternativamente se puede almacenar una señal GPS en memoria y procesar posteriormente. La memoria es usada normalmente en los casos donde el receptor ha perdido un bloqueo de correlación y ya no puede correlacionar la señal en tiempo real, tal como es recibida. Esto se puede hacer con el fin de mejorar o mantener la recepción de señal, mejorar la intensidad de la señal recibida, reducir el consumo de potencia, o prolongar el procesado en el tiempo.

La figura 7 representa un diagrama de bloques de una primera realización de un aparato 700 para determinar el tiempo en un aparato GPS. El aparato 700 incluye una antena 704, un convertidor hacia abajo GPS 709, un convertidor analógico a digital (ADC) 711, un conmutador FI digital pre-correlación 713, un reloj de tiempo real local 715, una memoria FI digital 721, datos auxiliares de adquisición 724, un correlacionador GPS no coherente 726, un correlacionador GPS coherente 729, un conmutador de almacenamiento de memoria coherente post-correlación 732, una memoria de muestras 735, una mezcladora de limpieza 738, un correlacionador 742, una configuración de datos esperada prevista prealmacenada 744, un expansor de tiempo 748, un retardo de tiempo 750, un integrador coherente 754, un determinador de magnitud 757, una memoria de magnitud en función de retardo 762, y un determinador de magnitud de integración máxima 766.

La antena 704 recibe una señal GPS y la pasa al convertidor hacia abajo GPS 709. El convertidor hacia abajo GPS 709 convierte la señal de datos GPS a una frecuencia intermedia (FI) y la pasa al ADC 711. El ADC 711 convierte los datos FI en datos FI digitales y envía los datos FI digitales al conmutador FI digital 713. El conmutador FI digital 713, bajo control del reloj de tiempo real local 715, toma muestras periódicas de los datos FI digitales, almacenándose las muestras periódicas (pre-correlación) en la memoria FI digital 721.

Con el fin de garantizar que los bits deseados sean capturados adecuadamente en la memoria de N-milisegundos de longitud, la exactitud del reloj de tiempo real 715 se debe mantener dentro de (N-M)/2 milisegundos. Dado que en la realización preferida N es 1 segundo y M es 200 milisegundos, el reloj puede desfasarse hasta aproximadamente más o menos 400 milisegundos y todavía ser útil al capturar la secuencia de datos deseada.

Sin embargo, el reloj de tiempo real local 715 debe ser recalibrado periódicamente. La recalibración se puede hacer a través de varios métodos, incluyendo: 1) aplicar el método descrito aquí con cada petición de localización de posición GPS, 2) recalibración automática cuando se prevé que el reloj de tiempo real 715 se desfase una cantidad predeterminada inaceptable, 3) cuando el aparato tiene una vista clara del cielo y el GPS tradicional puede extraer el tiempo de las señales GPS directas, 4) obtener tiempo de un detector de señal GPS tradicional en tiempos en que el aparato tiene potencia remota, tal como al cargar y obtener el tiempo directamente de la señal GPS cuando está disponible, 5) transferir el tiempo desde un equipo de coche al aparato de un sensor GPS embebido incorporado en el equipo de coche o desde el vehículo propiamente dicho mediante una interfaz inalámbrica tal como Bluetooth, por ejemplo, 6) transmitir el tiempo a través de la red no sincronizada.

El correlacionador GPS no coherente 726 determina una característica de fase de código, una característica Doppler, y una intensidad de señal de las señales de satélite GPS recibidas almacenadas en la memoria FI digital 721. Se deberá entender que el hardware indicado hasta este punto es capaz de recibir múltiples señales de satélite GPS, con los datos FI digitales almacenados en la memoria FI digital 721 conteniendo datos para varias señales de satélite. Como se ha indicado previamente, un mínimo de cuatro satélites GPS estarán a la vista del aparato GPS en cualquier tiempo, y posiblemente más. Por lo tanto, pueden estar presentes al menos cuatro señales de datos GPS.

El correlacionador GPS no coherente 726 también recibe información de los datos auxiliares de adquisición 724, incluyendo efemérides de satélite, tal como posiciones de satélite conocidas y esperadas. Estos datos auxiliares de adquisición 724 permiten que el correlacionador GPS no coherente 726 distinga entre señales de satélite, y determine la fase de código (desfase de tiempo de 0 a 1 milisegundo) y la frecuencia Doppler (+/- 4 KHz) de cada señal de satélite detectable.

El correlacionador GPS no coherente 726 puede ser un correlacionador de dominio de tiempo, donde el correlacionador suma coherentemente sucesivas salidas a 1 milisegundo. Un ejemplo de tal correlacionador se muestra en la Patente de Estados Unidos número 5.148.452 de Kennedy y colaboradores, incorporada aquí por referencia. Alternativamente, el correlacionador GPS no coherente 726 puede ser un correlacionador de dominio de frecuencia como el descrito por Krasner en la Patente de Estados Unidos número 5.663.734 o como el descrito por Ma y colaboradores en la Patente de Estados Unidos número 4.998.111, que se incorporan aquí por referencia. Es importante observar que un correlacionador no coherente no requiere conocimiento de la configuración de datos de 50 BPS y puede extraer la fase de código y el desplazamiento Doppler de las señales en entornos en los que no lo logran las técnicas tradicionales de procesado de señal GPS. Además, el correlacionador GPS no coherente 726 puede ser implementado por hardware dedicado o puede ser creado por software codificado en un procesador de señal digital programable.

El correlacionador GPS coherente 729 está conectado igualmente a la memoria FI digital 721 y también está conectado al correlacionador GPS no coherente 726. Los datos de la memoria FI digital 721 son alimentados al correlacionador GPS coherente (monocanal) 729, y el correlacionador GPS coherente 729 hace mediciones en fase y cuadratura de un milisegundo de la señal en la fase de código predeterminada y Doppler. El correlacionador GPS coherente 729 es un correlacionador monocanal y produce mediciones en fase y cuadratura de la señal de datos GPS más intensa recibida del correlacionador GPS no coherente 726. En este punto, se ha elegido una señal GPS más intensa y se usa desde este punto en adelante con el fin de aumentar la fiabilidad y probabilidad de obtener una determinación de tiempo. Es importante observar que el correlacionador no coherente 726 y el correlacionador coherente 729 pueden ser el mismo correlacionador, usado en dos modos diferentes.

De forma análoga al correlacionador GPS no coherente 726, el correlacionador GPS coherente 729 puede ser implementado por hardware dedicado o puede ser creado por software codificado en un procesador de señal digital programable.

Al correlacionador GPS coherente 729 está conectado el conmutador de almacenamiento de memoria post-correlación 732 que conecta con la memoria de muestra 735 y crea palabras muestra de medición en fase y cuadratura que son almacenadas en la memoria de muestras 735. El conmutador de almacenamiento de memoria 732 en la realización preferida toma muestras de un milisegundo y crea N palabras de datos complejos de las mediciones en fase y cuadratura, correspondientes a los N milisegundos de datos almacenados en la memoria FI digital 721. Las muestras de 1 milisegundo han sido desensanchadas (la señal GPS es una señal de espectro ensanchado), están aproximadamente a Doppler cero, y así la única señal restante en las palabras de muestra es la configuración de datos de 50 BPS
(y ruido).

A la memoria de muestras 735 está conectada la mezcladora de limpieza 738 que quita cualquier característica Doppler restante de las mediciones en fase y cuadratura almacenado (la memoria de muestras 735 contiene medición en fase y cuadratura en la que todo o casi todo el Doppler se ha quitado de las muestras). Esto se puede realizar usando múltiples técnicas de manera iterativa, dado que las muestras post-correlación ya están almacenadas en memoria y pueden ser reproducidas. Un método, por ejemplo, implica escalonar iterativamente la frecuencia de eliminación Doppler restante sobre múltiples correlaciones del conjunto de muestras almacenadas en la memoria de muestras 735 con el fin de hallar la frecuencia de eliminación Doppler que maximiza la señal máxima en la memoria de magnitud en función de retardo 762. Con el fin de hacerlo mejor, la frecuencia Doppler estimada usada para eliminar la mayor parte de la señal Doppler en el correlacionador coherente 729 se deberá mantener constante mientras se llena la memoria de muestras 735. De esta forma, se puede usar una frecuencia de eliminación Doppler restante constante, o para el caso de un receptor que experimenta dinámica, también se puede intentar una frecuencia de eliminación Doppler restante de chirrido (no constante, cambiada a una tasa constante de cambio de frecuencia) como parte de las pruebas
iterativas.

El correlacionador 742 está conectado a la mezcladora de limpieza 738 y a la configuración de datos esperada 744. El correlacionador 742 correlaciona las mediciones en fase y cuadratura contra la configuración de datos esperada 744.

En la realización preferida la configuración de datos esperada 744 es el preámbulo 102, la palabra HOW 105, y/o la ID de subtrama 106 del mensaje de datos GPS 100. La configuración de datos esperada 744 está conectada a un expansor de tiempo 748 que expande cada bit de 1 milisegundo a 20 milisegundos en duración, y el expansor de tiempo 748 está conectado además a un retardo 750. El retardo 750 está conectado al correlacionador 742. Por lo tanto, la configuración de datos de 50 BPS prevista es convertida a una configuración de datos de 200 milisegundos de longitud (para el caso del preámbulo 102) con el fin de adaptar la longitud de las palabras muestra almacenadas en la memoria de muestras 735. El correlacionador 742 correlaciona coherentemente los datos recibidos y almacenados contra esta configuración de datos esperada y produce valores más altos cuando las configuraciones datos se correlacionan. Esto se representa en la figura 8, donde las señales A y B son correlacionadas para producir una señal de salida C. Por lo tanto, la señal C contiene un uno digital cuando las señales A y B tienen el mismo valor, y contiene un cero digital cuando las señales A y B difieren. Esto puede ser realizado por puertas O exclusivo en hardware o por un algoritmo de microprocesador almacenado en su memoria.

El integrador coherente 754 está conectado al correlacionador 742 e integra la salida de correlación para producir una salida de integración. Se deberá indicar que gran parte del trabajo para llevar a cabo las integraciones coherentes N-M retardadas se puede hacer con un algoritmo recursivo almacenado en un microprocesador o en hardware dedicado, reduciendo así en gran medida el número de operaciones necesarias. Además, las operaciones de multiplicación son todas por +1 o -1, simplificando en gran medida la aritmética.

El determinador de magnitud 757 está conectado al integrador coherente 754 y detecta una magnitud del resultado de integración. Una pluralidad de magnitudes de integración del determinador de magnitud 757 se almacenan en la memoria de magnitud en función de retardo 762. En la realización preferida, se produce un total de N-M valores de magnitud y se almacenan en la memoria de magnitud en función de retardo 762. El parámetro N es el tamaño en palabras de la memoria de muestras 735, reflejando N el número de milisegundos de datos capturados en la memoria FI digital 721. Para el caso de que la memoria FI digital contenga 1 segundo de datos (es decir, 1000 muestras), el parámetro N es 1.000. El parámetro M es la longitud de la configuración de datos conocida. Si el preámbulo 102 ha de ser capturado, el parámetro M es 200 milisegundos de largo. Igualmente, para la palabra HOW 105 el parámetro M es 340 milisegundos de largo. El número de magnitudes de integración corresponde al número de muestras en los datos FI originales capturados después del ADC 711.

El determinador de magnitud de integración máxima 766 usa entonces los datos almacenados en la memoria de magnitud en función de retardo 762 para determinar el punto en que se logra un resultado de integración máximo. Esto se representa en la figura 9, donde la magnitud integrada máxima indica el inicio de la configuración de datos prevista. El desfase de tiempo entre el tiempo de un inicio de captura de señal (el punto de tiempo cero) y el tiempo de la magnitud integrada máxima medido (el pico) es el desfase de tiempo buscado. El desfase de tiempo puede ser usado entonces (junto con la fase de código y la posición del satélite seleccionado, y su corrección de reloj de satélite correspondiente) para determinar el tiempo real (local) y recalibrar el reloj de tiempo real del aparato, como se ha explicado anteriormente en unión con el paso 538 de la figura 5 y el paso 638 de la figura 6.

De manera similar, una segunda realización de un aparato para determinar el tiempo en un aparato GPS como se representa en la figura 10 se usa para el que las muestras digitales FI memoria 721 y el conmutador FI 713 representado en la figura 7 se han eliminado. Con referencia a la figura 10, el reloj de tiempo real local 1015 controla directamente el conmutador de tiempo de captura 1032 de las muestras en fase y cuadratura post-correlación almacenadas en la memoria de muestras 1035. El resto del aparato es el mismo que el descrito con referencia a la figura 7. Por lo tanto, el aparato 1000 está diseñado para procesar señales GPS al vuelo con el fin de determinar el desfase de tiempo.

Se deberá indicar que los elementos 732 a 766 y los elementos 1032 a 1066 pueden ser realizados preferiblemente en un algoritmo de software que funciona en un microprocesador de control y así no requiere hardware adicional.

Claims (9)

1. Un método para determinar el tiempo en un receptor de Sistema de Posicionamiento Global (GPS), incluyendo capturar (304) datos GPS de un mensaje GPS durante un período de tiempo predeterminado; caracterizado por:

localizar (308) una configuración de datos esperada en dichos datos GPS capturados correlacionando los datos capturados con la configuración de datos esperada; y

determinar (311) un tiempo desfasado entre un tiempo de inicio de dicho período de tiempo predeterminado y un tiempo de llegada de dicha configuración de datos esperada,

donde dicho mensaje GPS es de un satélite GPS y donde el paso de determinar incluye corregir dicho desfase de tiempo para compensar un tiempo de propagación de señal entre dicho satélite GPS y dicho receptor GPS y donde el paso de corregir incluye modificar dicho desfase de tiempo corregido para compensar un tiempo desfasado de reloj de satélite.

2. El método de la reivindicación 1, donde dicho desfase de tiempo se usa para calibrar (315) un reloj de dicho receptor GPS.

3. El método de la reivindicación 1, donde dicha configuración de datos esperada es un preámbulo de mensaje GPS (102).

4. El método de la reivindicación 1, donde dicha configuración de datos esperada es una palabra de transferencia (105).

5. El método de la reivindicación 1, donde dicha configuración de datos esperada es una ID de subtrama (106).

6. El método de la reivindicación 1, donde dicha configuración de datos esperada se selecciona del grupo que consta de un preámbulo de mensaje GPS (102), una palabra de transferencia (105), e ID de subtrama (106), y sus combinaciones.

7. El método de la reivindicación 1, donde dicho período de tiempo predeterminado es aproximadamente un segundo.

8. El método de la reivindicación 1, donde el paso de capturar incluye los pasos de:

convertir hacia abajo (501, 601) una señal GPS a una frecuencia intermedia predeterminada;

muestrear (504, 604) dicha señal GPS convertida hacia abajo para producir una pluralidad de muestras; y

almacenar (507, 607) dicha pluralidad de muestras en una memoria.

9. Aparato adaptado para llevar a la práctica el método según cualquier reivindicación precedente.