ES2330757T3 - Receptor y procesador de señales para radiolocalizacion. - Google Patents
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Abstract
Procesador de señal (20) para un receptor de radiolocalización (100), para procesar señales emitidas por uno o más satélites de radiolocalización y moduladas por secuencias predeterminadas de códigos de determinación de distancia, teniendo el procesador de señal acceso a una señal de reloj principal (37); comprendiendo el procesador de señal (20) medios de adquisición y seguimiento para buscar en la señal de entrada la presencia de las secuencias de códigos de determinación de distancia en las señales recibidas y para determinar las fases relativas de estas secuencias de códigos de determinación de distancia; en el que el procesador de señal incluye (20) medios de cálculo (26) dispuestos para determinar los valores probables de las fases de las secuencias de códigos de determinación de distancia después de una interrupción de la señal de reloj principal (37) basándose en una señal de referencia de tiempo auxiliar (38) disponible para el receptor, caracterizado por un temporizador de referencia auxiliar (40) obtenido de la señal de tiempo auxiliar (38), en el que los medios de cálculo (26) están dispuestos para muestrear el tiempo del temporizador de referencia auxiliar (40), y de un temporizador de referencia (39) obtenido de la señal de reloj principal (37), para grabar muestras espaciadas en el tiempo (170), del temporizador de referencia auxiliar (40) y del temporizador de referencia (39) y la fase relativa de los picos de correlación (121a-121d); y para determinar las fases probables de las secuencias de códigos pseudoaleatorios después de un periodo latente (z) basándose en cualquiera de los valores muestreados grabados (170, 175).
Description
Receptor y procesador de señales para
radiolocalización.
La invención actual se refiere a dispositivos de
radiolocalización por satélite, por ejemplo, dispositivos para
determinar el tiempo exacto y la localización geográfica mediante
las señales recibidas de una constelación de satélites. Más en
particular, la presente invención se refiere a un dispositivo de
radiolocalización por satélite en el que el consumo de energía
puede reducirse apagando subsistemas seleccionados del receptor.
Los sistemas de radiolocalización por satélite,
como GPS (Sistema de Posicionamiento Global), GLONASS o Galileo, se
basan en la recepción de señales de radio emitidas desde varios
satélites en órbita y usan la información contenida en estas
señales para determinar las distancias, o alcances, desde el
receptor hasta cada uno de los satélites recibidos. Al conocerse
las órbitas de los satélites, puede entonces determinarse
geométricamente el tiempo absoluto y la localización del receptor
GPS.
En el contexto de la presente invención los
términos "receptor" y "receptor GPS" pueden designar un
dispositivo receptor autónomo completo, pero también un módulo
incluido en una entidad compleja, por ejemplo un módulo GPS en un
teléfono celular, una alarma de coche, un PDA (Asistente Digital
Portátil), y demás. Los términos anteriores también pueden indicar
un módulo conectable, que puede conectarse con un dispositivo
anfitrión por medio de un bus apropiado, por ejemplo una tarjeta
GPS PC.
También debe entenderse que los términos
"receptor" y "receptor GPS", en el contexto de la presente
invención, incluyen uno o más circuitos integrados, dispuestos para
producir un receptor GPS completo o un módulo GPS completo, como se
definió anteriormente.
La siguiente descripción se refiere sobre todo
al Sistema de Posicionamiento Global GPS. Sin embargo, la invención
no está limitada a este sistema particular, sino que también puede
emplearse en receptores para sistemas de radiolocalización basados
en los mismos principios, por ejemplo el sistema GLONASS y el
sistema GALILEO.
El funcionamiento general de un dispositivo de
radiolocalización por satélite es bien conocido y se resumirá
brevemente en la descripción. Se hace referencia a las solicitudes
de patente EP1198068 y WO050038 a nombre del solicitante.
En el caso del sistema de radiolocalización GPS,
cada uno de los satélites GPS operacionales transmite una señal de
radio de microondas compuesta de dos frecuencias portadoras, a las
que se hace referencia como frecuencias "L1" y "L2" y
situadas a 1572.42 MHz y 1227.60 MHz respectivamente. Las portadoras
L1 y L2 son moduladas por dos secuencias de códigos de
determinación de distancia digitales, denominadas el código C/A y el
código P. Actualmente el código C/A, que es usado por el receptor
GPS comercial, es modulado en la frecuencia L1 y la L2, mientras
que el código P, cuyo uso está restringido sobre todo al gobierno y
el ejército de los EE.UU. Los códigos C/A, que son únicos para cada
satélite GPS, son códigos de Gold pseudoaleatorios que comprenden
una repetición de 1023 bits, o "chips", con una velocidad de
transición de 1.023 MHz. El código C/A se repite así cada
milisegundo. Las secuencias de códigos de determinación de distancia
están sincronizadas con una referencia de tiempo exacto común, el
"tiempo GPS" que se mantiene mediante relojes exactos a bordo
de cada satélite, sincronizados con un reloj maestro.
Otros sistemas de radiolocalización, por
ejemplo, el sistema Galileo propuesto, también emplean estructuras
de señales similares o equivalentes, basadas en códigos de
determinación de distancia sincronizados con un tiempo estándar o
absoluto común. En adelante, se usa el término "tiempo GPS"
para designar tanto el estándar de tiempo absoluto del sistema GPS
como el estándar de tiempo de otros sistemas satelitales de
radiolocalización, cuando la invención se aplica a tales
sistemas.
Ambas portadoras L1 y L2 también son moduladas
por un mensaje de navegación de 50 bps, el código NAV. El mensaje
de navegación contiene, junto con otra información, las coordenadas
de los satélites GPS como una función de tiempo, correcciones de
reloj y datos atmosféricos.
Para adquirir estos códigos y realizar una
fijación de posición un receptor GPS genera, para cada satélite
recibido, una réplica local del código C/A, ajustado a un oscilador
controlado numéricamente (NCO) local que funciona a una frecuencia
cercana a 1.023 MHz, teniendo en cuenta el desplazamiento Doppler
del satélite recibido. Luego el código es desplazado en el tiempo y
correlacionado con la señal recibida en un motor de correlación del
receptor, hasta que se obtiene un pico del valor de correlación, que
indica que el código local está sincronizado con el código del
satélite. La cantidad de desplazamiento de tiempo necesaria para
lograr la correlación óptima, o pseudodistancia, es una indicación
de la distancia entre el satélite y el receptor GPS. El reloj
interno del GPS se ve afectado normalmente por un gran error con
respecto a los relojes del satélite GPS. Para resolver este error
un receptor GPS debe adquirir al menos cuatro satélites para
proporcionar una fijación de posición que comprenda las tres
coordenadas espaciales x, y, z y el
tiempo t.
tiempo t.
Las frecuencias portadoras de señales GPS se ven
asimismo desplazadas respecto a la frecuencia nominal por un
desplazamiento Doppler desconocido. La adquisición de señales GPS es
un procedimiento que inherentemente lleva mucho tiempo, y que
conlleva buscar un pico de correlación en un espacio paramétrico
tridimensional, cuyos ejes corresponden a la identidad del
satélite, frecuencia y desplazamiento temporal del código de Gold
pseudoaleatorio. Para cada búsqueda, dirigida a un satélite
específico, puede que se tengan que intentar todas las fases de
código más todas las frecuencias posibles en el circuito de
correlación hasta que se encuentre un pico. El procedimiento de
búsqueda es particularmente largo cuando no se dispone de
conocimiento previo y puede prolongarse hasta varios segundos en el
peor caso. Una vez que se encuentra el pico, en la fase de
seguimiento, el sistema sólo tiene que seguir su desviación, lo que
normalmente se hace con menos dificultad o retraso.
Este largo tiempo de adquisición es un factor
limitador en muchas aplicaciones del GPS. En particular, en ciertas
aplicaciones de baja velocidad y bajo consumo, como, por ejemplo,
los servicios de localización en redes de telecomunicaciones
portátiles y similares, donde sería deseable suministrar al receptor
GOS sólo durante cortos periodos de tiempo.
En particular, la mayoría de las aplicaciones
sólo solicitan una velocidad moderada de fijaciones de posición. En
un sistema de navegación de automóvil, se consideran estándar
velocidades de una fijación por segundo a una fijación cada cinco
segundos. En aplicaciones de velocidad más baja, por ejemplo, en
seguimiento de peatones, las fijaciones pueden estar aún más
espaciadas en el tiempo, por ejemplo, una vez por minuto. Por lo
tanto, sería posible reducir más el consumo de energía del receptor
apagando una parte seleccionada del receptor en el intervalo entre
fijaciones. Sin embargo, para funcionar en modo intermitente el
receptor debe poder readquirir inmediatamente aquellos satélites
que habían sido seguidos en la fijación precedente, sin realizar
una búsqueda completa del pico de correlación cada vez. Por esta
razón, algunos elementos del receptor, por ejemplo, el reloj
principal y el motor de correlación, no se apagan en el modo
intermitente.
La patente de EE.UU. 5594453 describe un
receptor GPS con un oscilador de reloj en tiempo real que se usa,
al encender el receptor, para calcular la posición real y la
frecuencia de los satélites GPS.
Un fin de la presente invención es proporcionar
un receptor para un sistema de radiolocalización que supere la
limitación anterior y, además, un fin de la presente invención es
proporcionar un receptor para un sistema de radiolocalización que
presente bajo consumo de energía apagando componentes seleccionados
de una manera
intermitente.
intermitente.
Según la invención, estos fines se logran por
medio de un procesador de señal para procesar la señal en un
receptor de radiolocalización por satélite que tiene la capacidad de
readquisición directa de las señales de satélite a continuación de
una interrupción de la señal de reloj principal, según la
reivindicación independiente 1.
La invención comprende además un receptor de
radiolocalización por satélite completo que comprende tal procesador
de señal, ya sea como unidad autónoma o como unidad modular que ha
de ser interconectada a un sistema anfitrión, como un PDA o un
teléfono celular.
Además, la presente invención abarca un
procedimiento para la readquisición de señales de satélite en un
receptor de radiolocalización por satélite a continuación de una
interrupción de una señal de reloj principal que tiene las
características reivindicadas en la reivindicación de procedimiento
independiente correspondiente, y un programa informático para
llevar a cabo el mismo procedimiento.
La invención se comprenderá mejor con la ayuda
de la descripción de una realización ofrecida a modo de ejemplo e
ilustrada por las figuras, en la que:
La Figura 1 muestra, de una manera esquemática
simplificada, la estructura de un dispositivo de radiolocalización
por satélite.
La Figura 2 representa esquemáticamente la
estructura de un motor de pseudodistancia de un dispositivo de
radiolocalización según la invención.
La Figura 3a muestra un diagrama de tiempo de
las señales de temporización de un dispositivo de radiolocalización
según la invención.
La Figura 3b representa un diagrama de tiempo
relativo a una fase de seguimiento del dispositivo de
radiolocalización de la invención.
Las Figuras 3c y 3d representan
diagramáticamente un muestreo de una referencia de tiempo auxiliar
del dispositivo de radiolocalización de la invención.
La Figura 3e representa un diagrama de tiempo
relativo a una fase de readquisición del dispositivo de
radiolocalización de la invención.
Según la figura 1, el dispositivo de
radiolocalización 100 de la presente invención comprende un módulo
de radiofrecuencia 70, cuya función, que no se analizará
detalladamente aquí, es procesar las señales recibidas desde los
satélites de radiolocalización por la antena 71. El circuito de
radiofrecuencia comprende un receptor de radio heterodino de
conversión simple o múltiple y proporciona a su salida 75 una señal
de frecuencia intermedia, por ejemplo, una señal de frecuencia
intermedia (FI) baja a 4.092 MHz o, alternativamente, una señal de
banda base
digital.
digital.
Según el esquema de modulación de la
constelación de satélites recibidos, la salida 75 comprenderá varias
componentes angulares de la señal. En el caso del GOS, por ejemplo,
se necesitan dos componentes desplazados 90º, y se denominan
convencionalmente componente I (en fase) y Q (en cuadratura). Otros
esquemas de modulación, por ejemplo, la modulación propuesta para
el sistema GALILEO, requieren más de dos componentes angulares.
El módulo de RF 70 está conectado a un generador
de base de tiempo 36, que proporciona una referencia de base de
tiempo estable para el dispositivo de radiolocalización 100, por
ejemplo, una base de tiempo de 32.734 MHz. Como el generador de
base de tiempo 36 debe ser relativamente preciso y estable para
permitir la adquisición y seguimiento de la señal GPS, comprende
generalmente un oscilador de cristal con compensación de temperatura
de alta calidad o TCXO.
La salida 75 del módulo de RF 70 es suministrada
a un procesador de señal 20, también denominado motor de
pseudodistancia 20 que, a su vez, proporciona instrucciones de
control 76 al circuito de RF 70. La función del motor de
pseudodistancia 20 es desensanchar las señales recibidas desde los
satélites, generando, para cada satélite recibido, una réplica
local del código de modulación (el código C/A en el caso de un
receptor GPS comercial) que está alineada en el tiempo con
precisión con la señal recibida. Los desplazamientos de código, o
pseudodistancias 77, generados por el motor de pseudodistancia 20
son transmitidos al motor de navegación 60, que calcula una
fijación para las coordenadas de posición y tiempo x, y, z, t. El
motor de navegación también dirige el motor de pseudodistancia 20
mediante instrucciones de búsqueda apropiadas 78. La fijación
posicional se obtiene normalmente por filtros iterativos de Kalman,
y el motor de navegación puede tener que seguir los datos de
pseudodistancia 77 a lo largo de varios periodos de código hasta que
se encuentre una solución satisfactoria.
Preferentemente, el motor de pseudodistancia 20
y el módulo de RF 70 se realizan como dos circuitos integrados
separados o como un solo circuito integrado común.
En una variante preferida de la invención el
motor de navegación 60 es parte de un sistema anfitrión 90, que
también comprende software de navegación de aplicación 80 y
periféricos apropiados 85 para interacción con un usuario. El
dispositivo de radiolocalización 100 de la invención es, en este
caso, una extensión del sistema anfitrión, por ejemplo, en forma de
tarjeta o módulo de extensión para un teléfono celular, un PDA, una
consola de juegos, un ordenador personal o cualquier otro
dispositivo anfitrión adecuado. Sin embargo, la invención también
comprende aparatos autónomos que incorporan motor de navegación,
software de aplicación y periféricos junto con el módulo de RF y el
motor de pseudodistancia.
A continuación se describe más detenidamente un
motor de pseudodistancia 20 según la invención, con referencia a la
figura 2. El motor se pseudodistancia 20 comprende un motor de
correlación que comprende una serie de correladores 25 que reciben
la señal de FI o de banda base 75 procedente del circuito de RF 70 y
un procesador digital 26, por ejemplo, un procesador de
procesamiento de señales digitales (DSP). Se usa una memoria 90,
cuya organización no se especifica aquí, para grabar datos e
instrucciones.
Según un aspecto de la invención, cada
correlador 25 comprende un generador de portadora local, y una fase
de conversión de frecuencia, no representada, para conversión
adicional de la señal de FI y generar una señal de banda base de
dos componentes.
Cada correlador también comprende al menos un
generador de código de Gold pseudoaleatorio local 28, para
proporcionar una réplica local del código C/A que corresponde a un
satélite GPS particular. El generador de código 28 puede generar
internamente códigos de Gold pseudoaleatorios, por ejemplo, mediante
un registro de desplazamiento en derivación o, equivalentemente,
traerlos de una tabla precargada o mediante cualquier otra técnica.
Según una variante de la invención, el generador de código
pseudoaleatorio genera un código que se obtiene a partir del código
C/A que corresponde a un satélite GPS particular, por ejemplo, una
transformada de Fourier de un código C/A.
El generador de código 28 comprende un reloj C/A
independiente, controlado numéricamente, a aproximadamente 1.023
MHz, conectado a la señal de base de tiempo 37. Las frecuencias
exactas de la portadora local y del código C/A local son ajustadas,
por el procesador 26 o bajo instrucciones del motor de navegación
60, para compensar el desplazamiento Doppler sobre la señal de
satélite y la desviación y polarización del oscilador local. La
señal de FI entrante es multiplicada por las componentes en fase (I)
y en cuadratura (Q) de la portadora local y por dos versiones
desplazadas en el tiempo de la réplica del código UA. El resultado
de estas operaciones es integrado durante un periodo de tiempo
programable en el integrador 27 para generar un valor de correlación
integrado, que es accesible al procesador 26 y al motor de
navegación 60.
En una posible variante de la invención, además
del valor de correlación inmediato, los correladores 25 también
pueden estar programados para generar, para cada satélite adquirido,
valores de correlación tardíos y valores de correlación
anticipados, que se obtienen, por ejemplo, multiplicando la señal
GPS con una versión retrasada 1/2 chip y adelantada un chip de la
réplica local del código. Estos valores de correlación tardía y
anticipada se emplean para determinar la forma del pico de
correlación y, en el algoritmo de seguimiento, para seguir la
posición del pico de correlación.
Según otra variante, los generadores de código
28 tienen múltiples derivaciones, con separación fija o programable,
y los correladores pueden, por lo tanto, ocuparse en paralelo de un
intervalo de correlación significativo en fase de código, por
ejemplo, un intervalo de \pm 15 chips de código, que corresponde a
un lapso de tiempo de \pm 15 microsegundos. Preferentemente, la
anchura y granularidad de las ventanas de correlación son
programables, de manera que el sistema puede proporcionar perfiles
de correlación de longitud arbitraria y que tienen un incremento de
1 chip, 1/2 chip, 1/4 de chip, etcétera, según las necesidades.
La descripción del motor de pseudodistancia
anterior se refiere a una arquitectura clásica con correladores.
Sin embargo, éste no es el único procedimiento posible, y la
presente invención también puede aplicarse a otro tipo de receptor
GPS, por ejemplo, a un receptor GPS basado en un procedimiento de
transformada rápida de Fourier (FFT). En este caso la posición y
forma de los picos de correlación se determinan procesando una
transformación FFT de la señal recibida. La correlación con los
códigos pseudoaleatorios de Gold se lleva a cabo en el dominio del
tiempo, como antes, o en el dominio de la frecuencia. En el segundo
caso el generador de código 28 puede estar dispuesto para
proporcionar directamente una transformada de Fourier de la
secuencia de código de Gould para un satélite particular.
En posibles variantes de la invención podrían
combinarse los dos procedimientos descritos anteriormente, la
arquitectura basada en correladores y la arquitectura basada en FFT.
Por ejemplo, podría llevarse a cabo una primera adquisición con un
motor de adquisición basado en correladores, para aquellos satélites
que presentan una señal fuerte y pueden adquirirse fácilmente,
luego podría hacerse una nueva adquisición de señales más débiles
mediante un sistema de procesamiento basado en FFT.
En otra posible variante de la invención, la
adquisición de los satélites podría hacerse mediante un sistema de
procesamiento basado en FFT. Una vez que se ha identificado un
número suficiente de satélites, y se conoce la posición de fase de
los picos de correlación relativos, el seguimiento de estos
satélites se continúa sin embargo en un banco de correladores en
el dominio del tiempo, para ahorrar energía y recursos de
cálculo.
Además de la señal de base de tiempo principal
37, el motor de pseudodistancia 20 también tiene acceso a una
referencia de tiempo auxiliar 38. En una variante preferida de la
invención, la referencia de tiempo auxiliar 38 se obtiene mediante
un reloj de tiempo real de bajo consumo interno al motor de
pseudodistancia. El reloj de tiempo real comprende un oscilador de
bajo consumo, por ejemplo, un oscilador de 32 KHz, y un registro de
tiempo que cuenta las oscilaciones del oscilador de bajo consumo. La
referencia de tiempo auxiliar no necesita una alta precisión o
estabilidad.
Preferentemente, la referencia de tiempo
auxiliar 38 está hecha de manera que extraiga una corriente
insignificante, y pueda mantenerse en funcionamiento todo el tiempo
mientras otras partes del dispositivo de radiolocalización de la
invención están apagadas o en modo de bajo consumo. La señal de
referencia de tiempo auxiliar se acumula en el temporizador de
referencia auxiliar 40 que puede estar activo y contando aunque el
reloj del GPS principal esté apagado. Sin embargo, puede ser
posible encender la referencia de tiempo auxiliar sólo cuando se
necesite, por ejemplo, poco antes de una interrupción del reloj
principal.
En otra variante de la invención, la referencia
de tiempo auxiliar puede ser externa al motor de pseudodistancia 20
y puede ser un módulo autónomo, o un elemento del circuito de RF 70,
o del sistema anfitrión 90. En otras posibles variantes, la
referencia de tiempo auxiliar puede basarse en una señal de tiempo
externa, o en una referencia de frecuencia externa, disponible
continuamente para el dispositivo de radiolocalización. Por ejemplo,
la referencia de tiempo auxiliar puede ser una señal de reloj del
sistema anfitrión 90, por ejemplo, un reloj de ordenador personal;
si el dispositivo GPS es parte de un teléfono portátil celular, la
referencia de tiempo auxiliar puede obtenerse de una señal de
sincronización de trama de la red telefónica celular.
A continuación se describirán el propósito y uso
de la referencia de tiempo auxiliar de la invención con referencia a
las figuras 3a a 3e.
La figura 3a representa la señal de reloj del
GPS principal 37, denominado también el reloj de referencia 37, y
la referencia de tiempo auxiliar más lenta 38 que se cuenta en el
temporizador de referencia auxiliar 40. La señal 39 es un
temporizador de referencia obtenido del reloj del GPS principal 37 y
usado para medir el tiempo GPS. Este temporizador de referencia
comprenderá típicamente dos componentes, un contador de épocas, que
cuenta periodos de código y un contador de ciclos, que mide el
desfase dentro del periodo de código, es decir, en ausencia de
cualquier desviación o movimiento del satélite o receptor los picos
de correlación del satélite recibido siempre se producirán en la
misma fase de código del temporizador de referencia 39 sometido a
pequeñas variaciones causadas por la estabilidad y exactitud del
reloj del GPS principal. En condiciones de funcionamiento reales,
la fase de código de los picos de correlación varía según el
movimiento de los satélites en relación con el receptor.
La figura 3a representa la situación en la que,
después de haber seguido la señal GPS durante un cierto tiempo
(secciones b y c), y haber obtenido una o más fijaciones
posicionales, el receptor de radiolocalización se pone en un estado
latente de bajo consumo (sección z), en el que el reloj del GPS
principal 37 y el temporizador de referencia 39 están inactivos.
Tras la activación (secciones d y e), el reloj del GPS 38 y el
temporizador de referencia 39 no tienen relación con su estado
anterior al estado latente e incluso pueden ser reiniciados en la
activación. La señal de tiempo auxiliar 38 y el temporizador de
referencia auxiliar 40, por otra parte, están activos durante todo
el tiempo representado en la figura 3a, abarcando algo de tiempo
antes y después del periodo latente (z).
La figura 3b se refiere a la sección (b) de la
figura 3a y representa, esquemáticamente, una operación de
seguimiento del dispositivo de radiolocalización. Aquí se supone que
el dispositivo ha adquirido satisfactoriamente al menos cuatro
satélites e identificado la fase relativa de los picos de
correlación correspondientes 121a a 121d. El motor de
pseudodistancia seguirá entonces los picos y proporcionará datos
válidos al motor de navegación que, a su vez, emite la instrucción
de búsqueda 78 al motor de pseudodistancia hasta que se logra que
los datos converjan a una solución de fijación. Una vez que el
motor de pseudodistancia ha detectado los picos de algún satélite,
la instrucción de búsqueda procedente del motor de navegación para
ese satélite sería ignorada, pero el motor de pseudodistancia
entraría en cambio de manera autónoma en modo de seguimiento para
éstos.
En esta situación la relación entre el
temporizador de referencia 39 y el tiempo GPS es conocida por el
sistema y el sistema es capaz de predecir la posición futura
esperada de los picos de correlación, 122a a 122d, a partir de los
valores reales de velocidad relativa de los satélites con respecto
al receptor. Al mismo tiempo, el sistema también puede predecir el
desplazamiento Doppler futuro y las frecuencias portadoras para cada
satélite adquirido.
Según la figura 3c, que hace referencia a la
sección (c) de la figura 3a, el dispositivo de radiolocalización
realiza, mientras el reloj del GPS principal 37 está activo, un
muestreo del temporizador de referencia auxiliar 40. En esta
operación, el flanco delantero de la referencia de tiempo auxiliar
es muestreado 170, y en ese momento el valor del temporizador de
referencia auxiliar 40 se almacena con la precisión del reloj del
GPS 37, por ejemplo, un reloj de referencia de 32.734 MHz, por lo
tanto con una incertidumbre de 30 ns. El muestreo 170 también
incluye el valor del temporizador de referencia 39. Los valores del
temporizador de referencia auxiliar 40 y del temporizador de
referencia 39 se toman en el mismo instante, o en instantes
diferentes separados por un desfase de tiempo conocido, por
ejemplo, un desfase de tiempo fijo.
En el ejemplo presentado el muestreo 170 se hace
sobre el flanco delantero de la señal de tiempo auxiliar cuadrada
38. Sin embargo, el sistema podría muestrear, de manera equivalente,
otras características de la señal de tiempo auxiliar 38, por
ejemplo, el flanco posterior, en el caso de una señal cuadrada, o en
correspondencia de cualquier otra característica definida de la
señal de tiempo auxiliar 38, en el caso de una señal de forma
genérica.
Preferentemente, el sistema almacena al menos
dos muestras espaciadas del temporizador de referencia auxiliar 40
y el temporizador de referencia 39. En una realización sencilla, el
sistema, mientras está en estado activado, graba periódicamente,
cada segundo o cada pocos segundos, una muestra del temporizador de
referencia auxiliar 40 y del temporizador de referencia 39, y
guarda los dos últimos pares de muestras grabados. Sin embargo, son
posibles otros esquemas.
En la sección (d) de la figura 3a el reloj del
GPS principal 37 y el temporizador de referencia 39 se reinician
después del periodo latente (z). La fase del reloj del GPS principal
37 y el valor del temporizador de referencia 39 pueden no tener
relación con su estado anterior a la interrupción. En este punto los
correladores son incapaces de predecir la posición de los picos de
correlación 122a a 122d. Según la figura 3d, el sistema lleva a cabo
un nuevo muestreo 175 del temporizador de referencia auxiliar 40 y
el temporizador de referencia 39. Típicamente, el muestreo 175 es
activado por un suceso de sincronización de GPS periódico, por
ejemplo, cada milisegundo.
En una variante, el sistema GPS puede estar
temporalmente desactivado durante el periodo latente (z), mientras
que el reloj del GPS principal sigue funcionando, por ejemplo,
porque está siendo usado en otra parte del sistema. En este caso,
el temporizador de referencia exacta 39 pierde la relación conocida
con el tiempo GPS.
El dispositivo de radiolocalización de la
invención puede usar los dos pares de muestras 170 del temporizador
de referencia auxiliar 40 y el temporizador de referencia 39 tomadas
antes de la interrupción (z), conjuntamente con la nueva medición
175 para calcular cuál habría sido el temporizador de referencia 39
si el reloj de referencia del GPS hubiera funcionado continuamente
y el sistema GPS hubiera permanecido activado y por lo tanto
calcular el cambio en la fase de código de los correladores con
respecto al último seguimiento satisfactorio del pico de
correlación y el nuevo estado del temporizador de referencia.
Los valores de la referencia de tiempo auxiliar
40 y del temporizador de referencia 39 tomados en los pares de
muestras antes y después de la interrupción (z) permiten recalcular
la relación entre el temporizador de referencia 39 y el tiempo GPS
a continuación de la interrupción del funcionamiento (z) del
temporizador de referencia 39.
\newpage
Al muestrear el temporizador de referencia
auxiliar 40 y el temporizador de referencia 39 es ventajoso
muestrear la fase de los picos de correlación aproximadamente al
mismo tiempo, ya que esto simplifica la extrapolación de sus
posiciones esperadas 123a-123d después del
reinicio.
Según la invención, el sistema también podría
muestrear otras cantidades, junto con el temporizador de referencia
auxiliar 40 y el temporizador de referencia 39, por ejemplo, los
desplazamientos Doppler de la portadora y el código pueden ser
muestreados en los puntos de muestreo y ser usados posteriormente
para predecir el efecto Doppler de la portadora y el código
probable después del periodo latente (z). De esta manera se mejora
más la búsqueda de los picos de correlación de los satélites
después del periodo latente (z).
El dispositivo de radiolocalización de la
invención puede estimar, como se ilustra en la figura 3e, para cada
satélite seguido antes del periodo latente (z) las posiciones de los
picos más probables 123a a 123d y los parámetros de frecuencia
Doppler de la portadora y el código basándose en los valores previos
cuando el satélite fue seguido por última vez antes del periodo
latente (z), la velocidad a la que estaban cambiando y las muestras
medidas del temporizador de referencia auxiliar 40 y el temporizador
de referencia 39. Por lo tanto, el procesador 26 puede buscar
inmediatamente picos de correlación en ventanas alrededor de las
posiciones de los picos predichas, con una alta probabilidad de
detectar rápidamente las señales de los satélites.
Preferentemente, el muestreo 170, 175 del
temporizador de referencia auxiliar 40 y el temporizador de
referencia 39, y la estimación posterior de la fase de los picos de
correlación (123a-123d) son realizadas por el
procesador 26, interno al motor de pseudodistancia 20.
Ventajosamente, la posición de los picos
predicha 123a-123d puede obtenerse mediante una
simple extrapolación lineal de sus valores antes de la
interrupción, suponiendo que sus últimas velocidades de cambio
conocidas han sido aproximadamente constantes durante el periodo
(z). De esta manera, el motor de pseudodistancia estadísticamente
podrá readquirir rápida y autónomamente muchos satélites antes de
que el motor de navegación proporcione nuevos parámetros de
búsqueda y ahorrar así energía y tiempo significativos requeridos al
buscar. Sin embargo, son posibles otras disposiciones, por ejemplo,
en las que la estimación de posiciones de los picos
123a-123d se hace en un módulo de software externo
del sistema anfitrión 90. En este caso, el algoritmo de predicción
podría ser mucho más sofisticado.
Para mejorar aun más el rendimiento el sistema
anfitrión 90 puede predecir la fase de código esperada y los
desplazamientos Doppler del código y la portadora antes de que el
sistema entre en un modo de ahorro de energía. En este caso, por
ejemplo, el sistema anfitrión también puede tomar en consideración
el movimiento actual del usuario y otros parámetros para aumentar
la probabilidad de detección rápida.
Cuando se usa un oscilador de cristal de bajo
consumo sin compensar, las variaciones en la señal de tiempo
auxiliar 38 y el error correspondiente en la referencia de tiempo
auxiliar 40 estarán dominadas por la desviación de temperatura. Sin
embargo, el gradiente de temperatura normalmente es bastante bajo
dentro de un circuito GPS operacional después del periodo de
encendido inicial. Por lo tanto, es factible ignorar el cambio de
temperatura a lo largo de cortos periodos de tiempo y aun así
mantener una resolución adecuada en las ventanas de correlación
predichas 123a a 123d.
Si es necesario, el desfase y la desviación del
reloj de referencia de tiempo auxiliar pueden ser corregidas
automáticamente, sobre la base del tiempo GPS exacto. Esto puede
resultar útil, por ejemplo, si la señal de referencia auxiliar es
compartida por otros dispositivos, por ejemplo, en un ordenador
personal.
También el desplazamiento Doppler y la velocidad
de cambio de las ventanas de correlación 123a a 123d derivarán en
su mayor parte, para aplicaciones típicas, al movimiento del
satélite. De nuevo, la regularidad de la órbita asegura que no sea
probable que la velocidad relativa del satélite cambie radicalmente
durante un periodo de algunos minutos. Por lo tanto, cuando los
correladores son reiniciados existe una alta probabilidad de que
sean readquiridos rápidamente un número adecuado de satélites.
Como ejemplo, supongamos que el sistema muestrea
el temporizador de referencia auxiliar 40 y el temporizador de
referencia 39 cada cinco segundos mientras realiza el seguimiento,
con una incertidumbre de tiempo de 30 ns. El intervalo de cinco
segundos se conoce entonces con un error de 30+30 ns = 60 ns.
Supongamos ahora que el reloj del GPS y los
correladores se apagan durante cinco minutos, y luego activados
para calcular otra fijación. Se toma otro par de muestras con un
error de 30 ns del temporizador de referencia auxiliar 40 y el
temporizador de referencia 39 y las ventanas de correlación 123a a
123d se recalculan mediante una extrapolación lineal basada en el
tiempo transcurrido medido. Ignorando la desviación de frecuencia de
la propia referencia de tiempo auxiliar, entonces el error es 60 x
60 ns = 3,6 \mus.
De este modo, dadas unas ventanas de correlación
de \pm 15 microsegundos, la fase del pico de correlación puede
predecirse con suficiente exactitud para casi garantizar que los
correladores 25 detectarán el satélite antes de las instrucciones
del motor de navegación. En este caso, puede lograrse un
funcionamiento intermitente con ciclos de trabajo del orden del 1
al 2%, lo que representa un valioso ahorro de energía en el
seguimiento de peatones.
Además, una vez que se readquieren las señales
de los satélites GPS y se dispone de una fijación, se restablece la
relación entre el temporizador de referencia 39 y el tiempo GPS. El
sistema puede obtener el error entre las posiciones de los picos
predichas 123a-123d, y los desfases reales de los
picos de correlación, esto puede usarse para corregir más el
cálculo de las frecuencias relativas de los dos osciladores y
mejorar la precisión de la estimación durante periodos más
prolongados de funcionamiento intermitente.
El procesador de señal 20 podría sufrir periodos
repetidos de modo de ahorro de energía o periodos latentes (z), por
ejemplo, según un ciclo periódico de
encendido-apagado, o de otro modo. En tales casos,
el procedimiento de la invención puede repetirse, como se discutió
anteriormente, después de cada periodo de modo de ahorro de
energía, usando un par de muestras del temporizador de referencia
auxiliar 40 y el temporizador de referencia 39 tomadas antes del
periodo del modo de ahorro de energía, y un par de muestras del
temporizador de referencia auxiliar 40 y el temporizador de
referencia 39 tomadas después del periodo del modo de ahorro de
energía.
Claims (25)
1. Procesador de señal (20) para un receptor de
radiolocalización (100), para procesar señales emitidas por uno o
más satélites de radiolocalización y moduladas por secuencias
predeterminadas de códigos de determinación de distancia, teniendo
el procesador de señal acceso a una señal de reloj principal (37);
comprendiendo el procesador de señal (20) medios de adquisición y
seguimiento para buscar en la señal de entrada la presencia de las
secuencias de códigos de determinación de distancia en las señales
recibidas y para determinar las fases relativas de estas secuencias
de códigos de determinación de distancia; en el que el procesador de
señal incluye (20) medios de cálculo (26) dispuestos para
determinar los valores probables de las fases de las secuencias de
códigos de determinación de distancia después de una interrupción de
la señal de reloj principal (37) basándose en una señal de
referencia de tiempo auxiliar (38) disponible para el receptor,
caracterizado por
un temporizador de referencia auxiliar (40)
obtenido de la señal de tiempo auxiliar (38), en el que los medios
de cálculo (26) están dispuestos para muestrear el tiempo del
temporizador de referencia auxiliar (40), y de un temporizador de
referencia (39) obtenido de la señal de reloj principal (37), para
grabar muestras espaciadas en el tiempo (170), del temporizador de
referencia auxiliar (40) y del temporizador de referencia (39) y la
fase relativa de los picos de correlación
(121a-121d); y para determinar las fases probables
de las secuencias de códigos pseudoaleatorios después de un periodo
latente (z) basándose en cualquiera de los valores muestreados
grabados (170, 175).
2. Procesador de señal (20) según la
reivindicación precedente, que además comprende uno o más
generadores de código (28) dispuestos para generar secuencias de
códigos locales relacionadas con las secuencias de códigos de
determinación de distancia de las señales emitidas por los satélites
de radiolocalización, un motor de correlación (25) dispuesto para
desfasar y comparar las secuencias de códigos locales con las
secuencias de códigos de determinación de distancia moduladas en la
señal recibida y proporcionar valores de correlación entre las
secuencias de códigos de locales desfasadas y la señal recibida.
3. Procesador de señal (20) según la
reivindicación 1, en el que los medios de adquisición y seguimiento
están dispuestos para realizar una transformación FFT de las
señales recibidas y para determinar las fases relativas de las
secuencias de códigos de determinación de distancia actuando sobre
las transformada FFT de las señales recibidas.
4. Procesador de señal (20) según cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, dispuesto para proporcionar picos
de correlación (121a-121d) indicativos de las fases
relativas de las secuencias de códigos de determinación de
distancia.
5. Procesador de señal (20) según la
reivindicación 1, que además comprende uno o más generadores de
código (28) dispuestos para generar secuencias de códigos locales
relacionadas con las secuencias de códigos de determinación de
distancia de las señales emitidas por los satélites de
radiolocalización, un motor de correlación (25) dispuesto para
desfasar y comparar las secuencias de códigos locales con las
secuencias de códigos de determinación de distancia moduladas en la
señal recibida y proporcionar valores de correlación entre las
secuencias de códigos de locales desfasadas, en el que los medios
de adquisición y seguimiento están dispuestos además para realizar
una transformación FFT de las señales recibidas, y en el que el
procesador de señal está dispuesto para determinar las fases
relativas de las secuencias de códigos de determinación de distancia
a partir de los valores de correlación proporcionados por los
correladores o actuando sobre la transformada FFT de la señal
recibida.
6. Procesador de señal (20) según la
reivindicación 1, en el que los medios de cálculo (26) están
programados para muestrear el temporizador de referencia auxiliar
(40) en correspondencia con una característica definida de la señal
de referencia de tiempo auxiliar (38) y para muestrear el
temporizador de referencia (39), siendo muestreados el temporizador
de referencia auxiliar (40) y el temporizador de referencia (39)
simultáneamente o en dos instantes separados por un retardo
conocido.
7. Procesador de señal (20) según la
reivindicación 6, en el que los medios de cálculo (26) están
programados para muestrear periódicamente el temporizador de
referencia auxiliar (40) y el temporizador de referencia (39).
8. Procesador de señal (20) según cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, en el que los medios de cálculo
(26) están dispuestos para calcular una relación entre el
temporizador de referencia (39) y el tiempo GPS cuando está
establecida una fijación de posición.
9. Procesador de señal según la reivindicación
8, en el que los medios de cálculo (26) están dispuestos para medir
el temporizador de referencia auxiliar (40) según la relación entre
el temporizador de referencia (39) y el tiempo GPS.
10. Procesador de señal (20) según la
reivindicación 9, en el que los medios de cálculo (26) están
dispuestos para recalcular la relación entre el temporizador de
referencia (39) y el tiempo GPS a continuación de una interrupción
de funcionamiento (z) del temporizador de referencia (39) basándose
en el valor del temporizador de referencia
auxiliar (40).
auxiliar (40).
11. Procesador de señal (20) según cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, en el que los medios de cálculo
(26) están dispuestos para proporcionar picos de correlación
(121a-121d) indicativos de las fases relativas de
las secuencias de códigos de determinación de distancia y para
determinar la posición de los picos de correlación después de una
interrupción de la señal de reloj principal (37) o el temporizador
de referencia (39) basándose en los tiempos de los impulsos
grabados (170, 175) y los tiempos de los picos de correlación
grabados (122a-122c) antes de la interrupción de la
señal de reloj principal (37).
12. Procesador de señal (20) según la
reivindicación precedente, en el que los medios de cálculo (26)
también determinan la posición de los picos de correlación después
de una interrupción de la señal de reloj principal (37) o el
temporizador de referencia (39) basándose en la velocidad de cambio
de los picos de correlación (122a-122c) antes de la
interrupción de la señal de reloj principal (37), o el temporizador
de referencia (39).
13. Procesador de señal (20) según la
reivindicación precedente, que comprende uno o más generadores de
código (28) dispuestos para generar secuencias de códigos locales
relacionadas con las secuencias de códigos de determinación de
distancia de las señales emitidas por los satélites de
radiolocalización, un motor de correlación (25) dispuesto para
desfasar y comparar las secuencias de códigos locales con las
secuencias de códigos de determinación de distancia moduladas en la
señal recibida y proporcionar valores de correlación entre las
secuencias de códigos de locales desfasadas y la señal recibida, en
el que los generadores de código (28) generan secuencias de códigos
locales a velocidades de salida controlables, estando las
velocidades de salida adaptadas constantemente para dar cuenta de
un desplazamiento Doppler en las señales recibidas, en el que los
medios de cálculo (26) determinan las velocidades de salida después
de una interrupción de la señal de reloj principal (37) basándose en
los tiempos de los impulsos grabados (170, 175).
14. Procesador de señal (20) según cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, conectable a un sistema anfitrión
(90) que proporciona la señal de referencia de tiempo auxiliar
(38).
15. Procesador de señal (20) según cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, realizado como un solo circuito
integrado.
16. Procesador de señal (20) según cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, que tiene un estado de bajo
consumo en el que el motor de correlación (25) y/o el procesador
(26) y/o el reloj principal (37) temporalmente pueden apagarse o
ponerse en un estado de funcionalidad reducida para limitar el
consumo de energía.
17. Receptor de radiolocalización por satélite
(100) que contiene un procesador de señal (20) según cualquiera de
las reivindicaciones precedentes.
18. Receptor de radiolocalización por satélite
(100) según la reivindicación anterior, conectable a un sistema
informático anfitrión (90), por ejemplo conectable a un ordenador
personal, un teléfono celular o un PDA.
19. Receptor de radiolocalización por satélite
(100) según la reivindicación 17, que comprende un módulo de
radiofrecuencia (70), medios de cálculo para ejecutar software de
navegación (60) y periféricos (85) para interacción con un
usuario.
20. Receptor de radiolocalización por satélite
(100) según cualquiera de las reivindicaciones 17 a 19, en el que
el reloj principal (37) se detiene periódicamente y/o el procesador
de señal (20) se pone periódicamente en un estado de bajo consumo
para limitar el consumo de energía.
21. Receptor de radiolocalización por satélite
(100) según cualquiera de las reivindicaciones 17 a 20, en el que
los correladores (25) y/o el procesador (26) y/o el reloj principal
(37) se apagan o se ponen en una funcionalidad reducida en el
estado de bajo consumo.
22. Procedimiento para la readquisición de
señales de satélite en un receptor de radiolocalizadión por satélite
(100) después de un periodo latente (z); comprendiendo el
procedimiento las etapas de:
- a)
- determinar una posición más probable de los picos de correlación (123a-123d) para cada uno de los satélites adquiridos antes del periodo latente (z) basándose en una señal de referencia de tiempo auxiliar (38) disponible para el receptor (100);
- b)
- buscar los picos de correlación de los satélites en ventanas de fase alrededor de las posiciones más probables (123a-123d),
en el que la etapa (a) comprende
las etapas
de:
- -
- muestrear, antes del periodo latente (z), un temporizador de referencia auxiliar (40) disponible para el receptor, en relación con el temporizador de referencia (39);
- -
- grabar muestras espaciadas en el tiempo (170), del temporizador de referencia auxiliar (40) y del temporizador de referencia (39) y la fase relativa de los picos de correlación (121a-121d);
- -
- obtener una muestra adicional (175) del temporizador de referencia auxiliar (40) y el temporizador de referencia (39) después del periodo latente (z);
- -
- determinar una posición más probable de los picos de correlación (123a-123d) para cada uno de los satélites adquiridos antes del periodo latente (z).
23. Procedimiento según la reivindicación 22, en
el que la etapa (a) comprende además la etapa de calcular la
relación entre el temporizador de referencia (39) y el tiempo GPS en
cada serie de mediciones y usar este valor para establecer una base
de tiempo común para las series de mediciones.
24. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 22-23 en el que la información
adicional, como el efecto Doppler de la portadora y el código se
muestrea en los puntos de muestreo y se usa posteriormente para
predecir el efecto Doppler de la portadora y el código probable
después del periodo latente (z) y para mejorar la búsqueda de los
picos de correlación de los satélites después del periodo latente
(z).
25. Soporte de programa informático, que
comprende código de software para llevar a cabo las etapas del
procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones
22-24 cuando el código de software está cargado en
el procesador de un ordenador.
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