FI106580B - GPS-seurantajärjestelmä - Google Patents

Description

106580 GPS-seurantajärjestelmä - GPS-foljningssystem

Keksinnön kohteena on yleisesti navigointijäijestelmät ja erityisesti jäijestelmä ra-dioluotainten, äänipoijujen, lentokoneiden, laivojen, maakulkuneuvojen ja muiden 5 maan pinnalla tai maan pinnan lähellä olevien kohteiden paikanmääritykseen käyttäen apuna satelliitteja, jotka kuuluvat koko maailman kattavaan paikanmääritysjär-jestelmään, Global Positioning System (GPS). GPS on moninkertaissatelliitteihin perustuva radiopaikanmääritysjärjestelmä, jossa jokainen GPS-satelliitti lähettää tietoa, joka antaa käyttäjälle mahdollisuuden mitata valitun GPS-satelliitin etäisyy- 10 den laitteensa antennista, jolloin laite laskee aseman, nopeuden ja ajan parametrit erittäin tarkasti, tunnettua kolmiomittaustekniikkaa hyväksikäyttäen. GPS:n aikaansaamat signaalit voidaan vastaanottaa sekä koko maailman kattavasti että jatkuvasti. GPS käsittää kolme pääsegmenttiä, jotka tunnetaan avaruus-, ohjaus- ja käyttäjä-segmentteinä.

15 Avaruussegmentti, ollessaan täysin toimintavalmiina, käsittää 21 toimivaa satelliittia ja kolme varasatelliittia. Nämä satelliitit sijaitsevat tietyssä konstellaatiossa siten, että tyypillisesti seitsemän, mutta ainakin neljä, satelliittia on käyttäjän havaittavissa missä tahansa maan pinnalla tai sen läheisyydessä. Jokainen satelliitti lähettää kah-dentaajuista signaalia LI (1575.42 MHz) ja L2 (1227.6 MHz), käyttäen peitto- 20 spektritekniikkaa, jossa käytetään kahdentyyppistä peittotoimintaa. C/A- ja P-pseu-dosatunnaiskohinakoodeja (PRN) lähetetään taajuudella LI ja P-koodia lähetetään vain taajuudella L2. C/A-koodi (coarse/acquisition) on kaikkien käyttäjien, sotilas- - ja siviilikäyttäjien, tavoitettavissa, mutta P-koodi on vain siihen oikeutettujen sotilas- ja siviilikäyttäjien käytettävissä. Sekä P- että C/A-koodit sisältävät tietoa, joka 25 antaa käyttäjälle mahdollisuuden määritellä satelliitin ja käyttäjän välisen etäisyyden. Sekä P- että C/A-koodeissa on päällekkäin asetettu navigointiviesti (Nav). Nav-viesti käsittää 1) GPS-järjestelmän ajan; 2), siirtosanan, jota käytetään siinä yhteydessä, kun siirrytään C/A-koodiseurannasta P-koodiseurantaan; 3) efemeeristä tietoa - .. kustakin seurannassa olevasta satelliitista; 4) almanakkatietoa kaikista konstellaa- 30 tiossa olevista satelliiteista, sisältäen informaatiota koskien satelliittien kuntoa, ionosfäärisen viivemuodon kertoimia C/A-koodin käyttäjille ja kertoimia, joita käytetään laskettaessa yleismaailmallisesti koordinoitua aikaa, universal coordinated time (UTC).

Ohjaussegmentti käsittää pääohjausaseman, master control station (MCS), ja joukon • · 35 monitoriasemia. Monitoriasemat seuraavat passiivisesti kaikkia GPS-satelliitteja tar- 2 106580 koituksena kerätä etäisyystietoa ja kellotietoa jokaiselta satelliitilta. Tämä informaatio siirtyy MCSiään, jossa satelliittien tulevat efemeerit ja kellon ryömintä ovat ennustetut. Päivitetyt efemeridit ja kellotiedot syötetään jokaiseen satelliittiin, jotta ne voidaan lähettää takaisin jokaisessa satelliitin navigointiviestissä. Ohjaussegmentin 5 tarkoituksena on varmistaa se, että satelliiteista lähetetty informaatio on niin luotettavaa kuin mahdollista.

GPS on suunniteltu käytettäväksi laajalla sovellusalueella, käsittäen avaruus-, ilma-, meri- ja maakohteiden navigoinnin, tarkan paikanmäärityksen, ajan välityksen, kor-keusreferenssit, tutkimuksen jne. GPS.ää käytetään lukuisissa siviili- ja sotilasorga-10 nisaatioissa kaikkialla maailmassa. Joukko tekniikan tason mukaisia GPS-vastaan-ottimia on kehitetty täyttämään eri käyttäjäryhmien tarpeet. Nämä tekniikan tason GPS-vastaanottimet ovat hyvinkin erityyppisiä, joihin kuuluu sekventiaaliseuranta-, jatkuvasti vastaanottavat, multipleks-, kaikki näkyvissä olevat, ajan siirto- ja tutki-musvastaanottimet.

15 GPS-vastaanottimeen kuuluu joukko alajäijestelmiä, käsittäen antenniryhmän, RF-ryhmän ja GPS-prosessoriryhmän. Antenniryhmä vastaanottaa L-kaistan GP-signaa-lin ja vahvistaa sen ensi sijassa kytkettäväksi RF-iyhmään.

RF-ryhmä sekoittaa L-kaistan GPS-signaalin sopivaksi IF-taajuudeksi. Erilaisia tunnettuja tekniikoita hyödyntäen PRN-koodi, joka moduloi L-kaistan signaalin, jäljite-20 tään koodin korjauksen avulla ja se mittaa satelliitista tulevien signaalien siirtoajan.

Vastaanotetun L-kaistan signaalin doppler-siirtymä mitataan myöskin kantoaallon seurantasilmukan avulla. Koodin korrelaatio- ja kantoaallon seurantatoiminta voidaan toteuttaa käyttämällä joko analogista tai digitaalista käsittelyä.

Koodin ja kantoaallon seurantasilmukan ohjaus aikaansaadaan GPS-prosessoriryh-25 män avulla. Erottamalla tämä mittaus vastaanottoajalla, kuten vastaanottajan kellolla määritetään, voidaan siten määrittää vale-etäisyys vastaanottimen ja seurattavan satelliitin välillä. Tämä pseudoetäisyys käsittää sekä etäisyyden satelliittiin että vastaanottajan kellon vaihtelun GPS-pemsaikaviitteestä. Pseudoetäisyysmittauksia ja navigointitietoja neljästä satelliitista käytetään kolmidimensionaalisen aseman las-30 kentaan ja nopeuden toteamiseen ja vastaanottajan kellon vaihtelun kalibroimiseen ja aikaansaamaan GPS-ajan lukema.

Vastaanottimen prosessoriohjauskäsittelyyn (RPC) ja muistitoimintoihin, jotka toteuttaa tyypillinen GPS-vastaanotin, kuuluu esimerkiksi monitorointikanavatila ja ** ohjaus, signaalin keruu ja uudelleenkeruu, koodin ja kantoaallon seurantasilmukat, 3 106580 pseudoetäisyyden (PR) ja deltaetäisyyden (DR) mittausten laskenta, tietojen reuna-ajoitusten määrittäminen, satelliittien lähettämien almanakka- ja efemeeristen tietojen keruu ja säilyttäminen, prosessoriohjaus ja -ajoitus, osoitteen ja komennon dekoodaus, ajoitettu keskeytysluonti, keskeytetty kuittauksen valvonta ja GPS-ajoitus.

5 Nämä toiminnot ovat kiinteän pisteen toimintoja, eivätkä ne vaadi mitään liukuvan pisteen rinnakkaisprosessoria.

Navigaatiokäsittelyyn ja muistitoimintoihin, jotka toteuttaa tyypillinen GPS-vastaan-otin, kuuluu esimerkiksi satelliittien radan laskenta ja satelliitin valinta, ilmakehän kulkuajan korjauslaskennat, navigoinnin ratkaisulaskenta, kellon vaihtelujen ja mää-10 rien arvioinnit, tulostusinformaation laskenta ja avusteinformaation esikäsittely ja koordinoitu muuntaminen. Nämä toiminnot vaativat merkittävän määrän käsittelyjä ja muistia ja ne toteutetaan normaalisti käyttäen liukuvan pisteen rinnakkaisprosessoria.

GPS-standardipaikanmäärityspalvelu aikaansaa navigointitarkkuuden 100 m, 15 2dRMS. Joukko GPS-sovelluksia vaatii korkeamman tarkkuustason. Tämä tarkkuus voidaan saavuttaa käyttämällä tekniikkaa, joka tunnetaan differentiaali-GPS:nä (DGPS). Tämä tekniikka ottaa mukaan toimintaan tunnetulla alueella olevan GPS-vastaanottimen. Käyttäen oikeita satelliitin ennalta tunnettuja pseudoetäisyyksiä vastaanotin laskee satelliitin pseudoetäisyyden korjaustiedot, jotka sitten lähetetään 20 sillä maantieteellisellä alueella oleville käyttäjille. Pseudoetäisyyden korjaukset liitetään toisen GPS-vastaanottimen navigoinnin ratkaisuun, jolloin se korjaa havaitun satelliitin pseudoetäisyyden mittaukset, mikä parantaa samalla määritettävän sijainnin tarkkuutta. Normiasemalla ja käyttäjän paikalla todettujen virheiden korrelaatio *·* riippuu niiden välisestä välimatkasta, mutta normaalisti ne korreloivat erittäin hyvin 25 niiden käyttäjien suhteen, jotka ovat 350 km sisällä normiasemasta.

Eräs vaihtoehto tekniikan tason tuntemalle GPS-vastaanottimelle on esim. GPS-muuntaja (-translator) tai digitaalikoodain (transdigitizer), jollaisia selitetään US-pa-tenttijulkaisussa 4 622 557. Nämä muuntajat tai digitaalikoodaimet käsittävät tyypil-' ... lisesti vain antenniryhmän ja GPS-vastaanottimen RF-ryhmän osia. Muuntajia käy- 30 tetään tyypillisesti ohjusten seurantasovelluksissa, joissa vaaditaan pieniä, hyvin ke-veitä käyttötunnistimia. GPS:n C/A-koodin peittospektrisignaaleihm, jotka kääntäjä vastaanottaa, yhdistetään ohjauskantoaalto ja se lähetetään S-kaistan taajuuksilla (2200 - 2400 MHz). GPS-muuntajaprosessori, joka sijaitsee kaukomittausseuranta-paikassa, vastaanottaa nämä GPS:n C/A-koodisignaalit ja arvioi kohteen sijainnin ! 35 sekä nopeuden. Digitaalikoodain lähettää uudelleen digitaalisen otoksen kautta saa dun GPS-signaalin, 2 Mbps, käyttäen poikittaisvaihemodulointia, 149 - 170 MHz.

4 106580 GPS-muuntajan tunnettuja muunnoksia ovat digitaalimuuntaja tai digitaalikoodain. Kohdeluontainen GPS-digitaalimuuntaja tai -digitaalikoodain muuttavat GPS:n C/A-koodin peittospektrisignaalit kantataajuuskaistalle ja toteuttavat vaiheessa olevaa ja poikittaisvaiheista otantaa suunnilleen 2 MHz:n nopeudella. Digitaalikoodatut tai 5 muunnetut GPS-signaalit käsitellään maassa olevassa muuntajakäsittelyjärjestelmäs-sä samalla tapaa kuin GPS-signaalit.

GPS:n kolmas muunnos on kooditon GPS-vastaanotin, kuten US-patenttijulkaisussa 4 754 283 selitetään. Tämä vastaanotin jättää huomioimatta kaksivaihekoodin ja se kattaa kaikkien satelliittien kantoaaltotaajuuden vastanottoantennin huomioon otta-10 en. Kaukomittauslähetin lähettää signaalin, joka sisältää GPS-kantoaaltotaajuus-informaatiota maassa olevalle kaukomittausvastaanottimelle. Tätä tietoa käytetään ilmaisemaan sondin nopeutta. Koska GPS-koodia ei seurata, ei sondin sijaintia voida laskea tätä menetelmää käyttäen. Tämä järjestelmä käyttää 403 MHz kaukomitta-uslinkkiä, jonka kaistanleveys on 20 KHz ja sen etuna on se, että se vaatii vähem-15 män kaistanleveyttä kuin digitaalikoodain, mutta haittapuolena on se, että se tuottaa vain nopeustietoa sen sijaan että se tuottaisi sekä sijainti- että nopeustietoa.

Yhteenvetona voidaan todeta, että GPS-vastaanottimet voivat olla yksi kolmesta mallista. Ensimmäisessä mallissa tapahtuvat kaikki navigoinnin käsittelytoiminnot vastaanottimessa, joka tulostaa seurattavan kohteen sijainnin ja nopeuden käyttäen 20 joko yksittäistä tietokonetta tai RPC- ja navigointitietokonetta, joissa on olennainen sisäinen kytkentä RPC-toimintojen ja navigointitoimintojen välillä satelliittien valitsemiseksi ja radioyhteyden saamiseksi. GPS-vastaanottimen toisessa mallissa etä-käsitellään GPS-signaalia muuntamalla tai muuttamalla se ja signaalia seurataan maassa olevin käsittelylaittein, joilla kohteen sijainti ja nopeus saadaan johdetuksi. 25 Tämän viimeksi mainitun lähestymismallin mukaan vaaditaan tyydyttävä kaistanleveys muunnetun signaalin lähettämiseksi. Kolmannessa mallissa mitataan GPS-signaalin kantoaallon taajuus ja lähetetään uudelleen maassa olevaan käsittelylaitteeseen, jossa vain kohteen nopeus voidaan johtaa.

.. Tämän keksinnön periaatteellisena tavoitteena on aikaansaada huokea seurantajär- 30 jestelmä radioluotaimia, äänipoijuja, lentokoneita, laivoja, maakulkuneuvoja ja muita kohteita varten GPS-satelliitteja käyttämällä, joka jäijestely kykenee määrittämään moninkertaiskohteiden sijainnin ja nopeuden tarvitsematta 2 MHz:n kaistan-levyistä tietoyhteyttä.

, Tämä ja muut tavoitteet saavutetaan tämän keksinnön piirustuksessa esitetyn edulli- 35 sen suoritusmuodon mukaan aikaansaamalla GPS-tunnistinmoduuli, joka tuottaa sitä 5 106580 tietoa, jota tarvitaan tietyn kohteen paikanmääritykseen, yksisuuntainen kaukomit-tauslinkki ja tietojenkäsittelyasema tietojen käsittelemiseksi ja kohteen sijainnin ja nopeuden näyttämiseksi. GPS-tunnistinmoduuliin kuuluu antenni ja tunnistin. Tunnistin toimii itsenäisesti seuraten toimitehon sovellusta. Tunnistin kerää näkyvissä 5 olevista satelliiteista digitaalisesti signaalit ja säilyttää tämän tiedon digitaalisessa puskurissa. Tunnistin ei toteuta mitään käsittelytoimintoja, jolloin sen kustannukset alenevat huomattavasti. Satelliitin raakapuskurissa säilytettävä tieto, johon limittyy muuta kaukomittaustietoa luotaimesta tai muusta kohteesta, siirretään takaisin tie-donkäsittelyasemalle. Tätä raakaa satelliittitietomäärää käyttämällä voidaan määrit-10 tää tunnistimen sijainti ja nopeus sillä hetkellä, kun tunnistin rekisteröi tiedon, tarkkuuden ollessa 100 m. Mikäli tietojenkäsittelyasema tuottaa myöskin differentiaali-koijauksia, voidaan sijainnin tarkkuutta parantaa paremmaksi kuin 10 m. Jos käytetään 20 kHz:n tietoyhteyttä ja jos GPS-signaalit kerätään nopeudella 2 megabittiä/s, 1 sekunnin joukko GPS-tietoa voidaan aikaansaada joka 100. sekunti, tai 0,5 sekun-15 nin joukko GPS-tietoa voidaan aikaansaada joka 50. sekunti tai 0,1 sekunnin tieto-joukko joka 10. sekunti. Tämän keksinnön periaatteellinen etu on sen mahdollisuus saavuttaa äärettömän tarkka sijainti-, nopeus- ja aikainformaatio radioluotaimia, ää-nipoijuja ja muita kohteita varten käyttämällä huokeaa tunnistinta ja tavanomaista tiedon kaukomittauslinkkiä. Kun eliminoidaan pois kaikki tekniikan tason GPS-tun-20 uistimissa toteutetut käsittelytoiminnot, saavutetaan huomattavat kustannusten alentumiset verrattuna tämänhetkisiin GPS-vastaanotinmalleihin. Alentamalla tietoyhteyden kaistanleveyttä 2 MHzistä, jonka tekniikan tason digitaalikoodaimet vaativat, voidaan tällöin käyttää tavanomaisia kaukomittauslinkkejä tiedon uudelleen-lähettämiseksi. Huokeisiin tiedon sovelluksiin, kuten äänipoijuihin tai radioluotai-25 miin, tarvitaan sijainnin ja nopeuden määritys vain alhaisessa määrin (esim. joka 10. sekunti), joka vaatimus voidaan toteuttaa tämän keksinnön avulla.

Keksintöä selitetään oheisiin piirustuksiin viitaten, joissa kuvio 1 esittää lohkokaaviona keksinnön mukaisen GPS-kohteenseurantajärjes- telmän primaarikomponentteja, 30 kuvio 2 esittää lohkokaaviona kuvion 1 mukaisessa GPS-kohteenseurantajärjes-telmässä käytettävää tunnistinta, kuvio 3A esittää lohkokaaviona kuvion 2 mukaisen tunnistimen RF/IF-lohkon erästä suoritusmuotoa, kuvio 3B esittää lohkokaaviona kuvion 2 mukaisen tunnistimen RF/IF-lohkon 35 toista suoritusmuotoa, v - kuvio 4 esittää lohkokaaviona kuvion 2 mukaisessa tunnistimessa käytettävää digitaalista tietopuskuria, 6 106580 kuvio 5 esittää käsittelykulkukaaviota, jota käytetään GPS-mittauksen määrittelyyn kaukomittaustiedosta ja kuvio 6 esittää nopean korreloinnin kulkukaaviota ja kompleksisen kertolaskun algoritmiä, jota käytetään kuvion 5 mukaisen kulkukaavion kahdessa 5 toimintalohkossa.

Keksinnön kohteena on laite ja menetelmä monien huokeilla tunnistimilla varustettujen kohteiden sijainnin ja nopeuden laskemiseksi käyttämällä tietojenkäsittelyase-maa. GPS-satelliittisignaalit kerätään samojen tekniikoiden mukaan, joita käytetään tavanomaisissa digitaalisissa GPS-vastaanottimissa, ja tieto tallennetaan ajoittain 10 digitaaliseen tietopuskuriin. Sen jälkeen tämä tieto limittyy muuhun seurattavasta kohteesta tulevaan kaukomittaustietoon, joka lähetetään käyttäen tavanomaista kau-komittauslinkkiä, jonka tyypillinen kaistanleveys on 20 KHz. GPS-tietojakso tallennetaan ja käsitellään tietojenkäsittelyasemalla tunnistimen sijainnin ja nopeuden laskemiseksi sillä hetkellä, kun tiedon otanta tapahtui. Tietojenkäsittelyasema aikaan-15 saa siis differentiaali-GPS-korjaukset sijainnin laskennan tarkkuuden parantamiseksi.

Kuvion 1 lohkokaavioon viitaten keksinnön mukaiseen kohteen seurantajärjestelmään kuuluu ensi sijassa tunnistin 10, tietopuskuri 20, kaukomittauslinkki 30, johon kuuluu kaukomittauslähetin 25 ja kaukomittausvastaanotin 40, GPS-tietoprosessori 20 50, GPS-normivastaanotin 60 ja tietojenkäsittelyasema 70.

Tunnistinten 10 tyypillinen toteutus käyttää taajuussynteesin yksinkertaista menetelmää, lämpötilakompensoitua kideoskillaattoria (TXCO) 21 tai jotain muuta huokeata oskillaattoria ja digitaalista tietopuskuria (DDB) 20. Eritellyt tunnistimen 10 lohkokaaviot esitetään kuvioissa 2 ja 3 A. Tunnistimen 10 avulla aikaansaatava taa-25 juussynteesi perustuu oskillaattorin taajuuteen (FO) 6,1539 MHz, jonka tuottaa lämpötilakompensoitu kideoskillaattori 21. Paikallinen oskillaattorin taajuus (LO), jonka tuottaa paikallinen oskillaattori 23, on 256 x FO = 1575,3984 MHz. Kahden kertojan (256) teho yksinkertaistaa vaihelukitun piirin (PLL) 25, jota käytetään lu-,, kitsemaan paikallisen oskillaattorin 23 taajuus taajuuskideoskillaattorin 21 vastaa- 30 vaan arvoon. Tuloksena oleva keskimääräinen taajuus (IF) on 1575,42 MHZ - 256 FO = 21,6 kHz. Tämä ZF on tarpeeksi kaukana OC:n yläpuolella erotuksen mahdollistamiseksi positiivisen ja negatiivisen doppler-siirtymien välillä. Mutta se on myös riittävän lähellä DCrtä, jotta tuloksena on minimi aluekorrelaation kohinan kasvu, johtuen spektrimäisestä kohinan taittumisesta. Keruun kello, jota digitaalinen *· 35 tietopuskuri 20 käyttää, on FO/3 = 2,01513 MHz, joka taajuus on ideaalinen siinä, että se ei liity 1,023 megabittiä/s sirun nopeuteen. Raa'an GPS-tiedon ajankeruu 7 106580 säilytetään digitaalisessa tietopuskurissa 20 ja se siirretään alemmalla nopeudella GPS-tietoprosessoriin 50. Kuviossa 3B esitetään tunnistimen RF/IF-lolikon vaihtoehtoista suoritusmuotoa. Lähtöantenni on kaistanpäästösuodatettu ja vahvistettu esi-vahvistimen avulla. Esivahvistimen lähtö on kaistarajattu C/A:n spektrille 2 MHz. 5 Kaistarajattu signaali digitaalikoodataan 1-bitillä analogiseksi digitaalimuuttajan suhteen.

Tietoa siirretään tunnistimen 10 ja GPS-tietoprosessorin 50 välillä tavanomaisen tietojen kaukomittauslinkin 30 avulla. Esimerkkejä tavanomaisista kaukomittauslin-keistä, joita voidaan käyttää tähän tarkoitukseen, ovat ne, jotka toimivat 403 MHz:n 10 meteorologisella taajuuskaistalla. GPS-tietoprosessoriin 50 kuuluu esim. hyvin nopea digitaalinen signaalinkäsittelykortti, joka on suljettu tietojenkäsittelyasemaan 70. Tietojenkäsittelyasema 70 käsittelee tunnistimen 10 tallentamaa GPS-tieto-lohkoa ja aikaansaa pseudoetäisyyden ja deltaetäisyyden mittauksia kaikkia tieto-jenkäsittelyasemalle 70 näkyvissä olevia GPS-satelliitteja varten.

15 Tietojenkäsittelyasema 70 käyttää sitä tietoa, jonka GPS-normivastaanotih 60 ja GPS-tietoprosessori 50 aikaansaavat, kohteen (tunnistimen 10) sijainnin ja nopeuden laskentaan.

Kuvion 4 mukaan säilyttää kaksi GPS-tietopuskuria 200, 202 jakson Ι-bittisiä ana-logia-digitaali 2 MHz otantoja muistipuskurissa. GPS-tietopuskureihin 200, 202 20 kuuluu 2567Kx8-bittiset muistilaitteet, jotka on muodostettu kaksoispuskurointi-jäijestelmäksi, joka mahdollistaa toisen niistä ottaa vastaan GPS-tietoa, kun taas toinen siirtää GPS-tietoa.

Logiikankehitinkelloyksikkö 204 kehittää ajastinsignaaleja, joita käytetään synkronointia varten. Signaalit, jotka määrittelevät tarkasti ohjauskellon käynnit, syötetään 25 logiikankehittämiskelloyksikköön 204. Yksi näistä syöttösignaaleista ilmaisee sen nopeuden, jolla GPS-tietoa on luettava A/D-otantalaitteesta ja säilytettävä muisti-puskurissa. Toinen näistä signaaleista ilmaisee sen nopeuden, jolla GPS-tietoa otetaan muistipuskurista ja siirretään vastaanottoasemalle kaukomittauslinkin 30 välityksellä. Logiikankehitinkelloyksikkö kehittää signaalin, jota käytetään järjestelmän 30 ajastimen käyttämiseen.

Pääohjauslogiikkayksikkö 206 aikaansaa ohjaussignaaleja piirin loppuosaan, johon kuuluu tietopuskuri 20. Se hyödyntää niitä kellon signaaleja, joita logiikankehitinkelloyksikkö 204 kehittää käyttääkseen sen ajoitus- ja peräkkäistoimintoja. Ne toi- minnot, joita pääohjauslogiikkayksikkö 206 aikaansaa, ovat 1) laitteen valinta rin- > 1 8 106580 nan/sarjassa olevan lähetinlaitteen lataamiseksi; 2) laitteen kytkentä rinnan/sarjassa olevan vastaanotinlaitteen purkamiseksi; 3) tarkoituksenmukaisen kellonkäynnin kytkentä GPS-tietopuskurin osoitteenlaskimeen; ja 4) muistipuskurien valinta radioyhteyden keruuta ja siirtämistä varten.

5 Siirtorekisterit 208 vastaanottavat GPS-sarjatietoa ja sen pakkauksen 8 bitin tietopakettiin. Pääohjanslogiikkayksikkö 206 sijoittaa sitten tietopaketin esillä olevaan, valittuun vastaanotetun tiedon muistipuskuriin. Siirtorekisteri 208 ottaa siis 8 bitin tietopaketin esillä olevasta, valitusta laitteesta (ylätunnistin, järjestelmäaika, analoginen tieto tai GPS-tieto) ja sijoittaa sen lähetinlaitteeseen lähettääkseen sen ulos 10 saijoittain.

Järjestelmän ajoitinta 210, jota logiikankehitinkelloyksikkö 204 käyttää, käytetään esillä olevan, siirrettävän tiedon merkitsemiseen siten, että se aika, jolloin tieto kerättiin, voidaan yksilöidä.

Ylätunnistinkehitin 212 kehittää ainutkertaisen binäärisen merkkiyhdistelmän, jota 15 käytetään uuden tietueen aloituksen määrittämiseen. Tämä mahdollistaa vastaanottoaseman tunnistaa sen, että uusi tietue on lähetetty.

Analoginen tietomuunnin 214 helpottaa analogisen tiedon mukaanlukemista, joka kootaan joistain erillään olevista tunnistimista 10. Tämä tieto voi olla juuri yhdestä useammasta sellaisesta tunnistimesta 10, jotka ovat aikalimitettyjä.

20 GPS-tieto, joka otetaan vastaan tunnistimen 10 avulla, limitetään muun digitaalisen kaukomittaustiedon kanssa, kuten paineen, lämpötilan ja kosteuden kanssa, ja se siirretään sitten tietolohkona määrittävän ylätunnistimen ja ajan merkin kanssa kau-komittauslinkin 30 välityksellä. Tämän keksinnön edullisessa suoritusmuodossa tallennetaan 25 ms (50 kb) GPS-tietojakso. Tämä GPS-tieto voidaan sitten välittää 25 maahan 1 sekunnissa käyttäen 50 kb/s tietoyhteyttä, tai 10 sekunnissa käyttäen 5 kb/s tietoyhteyttä, tai 100 sekunnissa käyttäen 500 kb/s tietoyhteyttä. Keksinnön vaihtoehtoisissa suoritusmuodoissa voidaan valita pienempiä tietolohkoja, joita siro-·*. teilaan väliin säännöllisin aikavälein. Tämä on yhtäpitävä limitetyn GPS-vastaan- ottimen lähestymisen suhteen, jossa tiedon 5 ms segmentit kerätään, eroteltuna 20 30 ms aikavälein. Tämä lähestyminen aikaansaa parantuneen toteutuksen hyvässä kiih-tyvyysympäristössä. Erikokoisia lohkoja ja tiedon siirron taajuuksia voidaan panna täytäntöön, olosuhteista ja saatavissa olevasta tiedon kaistanleveydestä riippuen.

Kuvion 5 mukaan vastaanottaa kaukomittausvastaanotin 40 (kuvio 1) kaukomittaus-tiedot ja ne välitetään käsittelyä varten GPS-tietoprosessorille 50. Keksinnön edulli- 9 106580 sessa suoritusmuodossa käsittää GPS-tietoprosessori 50 digitaalisesti signaaleja käsittelevän mikrotietokonekortin, joka sijaitsee IBM-henkilökohtaisessa tietokoneessa. GPS-tietolohko erotetaan ensin kaukomittaustiedosta erilleen ja sitten se käsitellään hyödyntämään GPS-pseudoetäisyyden ja deltaetäisyyden mittauksia. Tämän 5 käsittelyn ensimmäinen vaihe on GPS-signaalien keruu. Näkyvien satelliittien ID luettelo ja niiden otaksutun taajuudenvaihdon laskelmat ja koodivaihe aikaansaadaan tietojenkäsittelyasemalla 70 GPS-normivastaanottimen 60 jälkeen. Tätä informaatiota käytetään GPS-satelliittien signaalien hakuun. Haku tallennetun GPS-tietolohkon läpi toistetaan eri koodivaihein ja -taajuuksin, kunnes signaali on kerät-10 ty. Ohjelmisto kytkee sitten seurantatoimintatavan koodivaiheen ja -taajuuden mittaamiseksi käyttäen siinä koko GPS-tietolohkoa, jota on alustettu vaiheen ja taajuuden hakualgoritmista saatavissa olevalla karkealla laskennalla.

Kuvion 6 mukaan on tämän keksinnön avainominaisuus hyvin nopea koodin korrelaatio ja kompleksinen kertolaskualgoritmi. Hyvin nopean haun toteuttamiseksi on 15 tarpeellista toteuttaa monia koodin korrelaatioita koodin eri vaiheissa GPS-signaalin ilmaisemiseksi. Kuviossa esitetty algoritmi toteuttaa nämä toiminnot yhdensuuntaisena ohjelmistona. Käyttäen TMS-320C40-sirua voidaan yhdeksää korrelaattoria käyttää rinnakkain reaaliajassa. Käyttämällä 10 ms:n pysäytysaikaa voidaan täydet 2046 mahdollista puolisiru-C/A-koodivaihetta hakea 2,27 sekunnissa. Kun signaali 20 on aluksi kerätty aloitettaessa, vaatii uudelleenkeruu merkitsevästi pienemmät haku-ikkunat ja se voidaan toteuttaa sekunnin murto-osassa jokaisen uuden tietolohkon kohdalla.

Samaa hyvin nopeaa koodin korrelaatiota ja kompleksista kertolaskualgoritmia käy-·* tetään toteuttamaan koodin ja kantoaallon seurantaa. Yhden millisekunnin akkumu- 25 loituneiden, vaiheessa olevien ja poikittaisten signaalien kohteena ovat aikaiset, myöhäiset ja täsmälliset koodivaiheet, hakutaulukkotekniikkaa käyttäen. Ensimmäinen vaihe on laskea senhetkinen koodivaihe ja hakea siinä vaiheessa oleva C/A-koodin sekvenssi muistissa säilytettävästä taulukosta. Tälle 8-bittiselle C/A-koodille suoritetaan sitten poissulkeva-käsittely (exclusive-ored) GPS-tietojen 8 bitillä koo-·· 30 din korrelaation toteuttamiseksi. Sen jälkeen käytetään toista hakutaulukkoa tulok seksi syntyvien bittien summan laskemiseksi seuraavasti: 8 code_sum = taulukko (Y) = Σ yi i=l • · 35 ίο 106580 jossa y on osoitteen Y i:s bitti. Tämä akkumuloitunut summa kerrotaan sitten kompleksisesti senhetkisellä arvioidulla kantoaallon taajuudella, käyttäen jälleen taulukkohakua osoitteilla code_sum ja vaihe. Tuloksena on akkumuloitunut I- ja Q-signaali, pakattuna 32-bittiseen sanaan. I- ja Q-signaalit sisältävät vakiosiirtymän 5 sen takaamiseksi, että ne ovat aina positiivisia, seuraavien yhtäläisyyksien mukaan: [I | Q] = taulukko (X) X = [code sum | vaihe] I = Codesum * cos(vaihe) + vakio Q = Codesum * sin(vaihe) + vakio 32 bitin I/Q-sana lisätään sitten ajosummaan akkumuloituakseen 1 millisekuntiin. 10 [Is | Qs] = [Is I Qs] + [I I Q]· Yhdessä millisekunnissa näiden I:n 16 bitin ja Q:n 16 bitin maskit poistuvat ja akkumuloitunut I/Q-siirtymä on vähentynyt pois antaakseen 2 sekunnin komplementtitulokset. Näitä 1 ms I- ja Q-summia käsitellään sitten koodin ja kantoaallon silmukoissa. Käsittely toistetaan aikaisten, myöhäisten ja täsmällisten koodien vaiheille. Aikaiset ja myöhäiset I/Q-otokset käsitellään sulkemaan 15 koodin kantoaallon silmukat ja aikaansaamaan PR-mittaukset, kuten tavanomaisen-kin GPS-vastaanottimen kohdalla toteutetaan. Täsmälliset I/Q-otokset käsitellään sulkemaan koodin kantoaallon silmukat ja aikaansaamaan deltaetäisyyden (DR) tai dopplerin mittauksia, kuten tavanomaisenkin GPS-vastaanottimen kohdalla toteutetaan.

20 Edellä selitetty algoritmi toteuttaa ne funktiot, jotka aikaansaadaan tavanomaisen GPS-vastaanottimen tai -muuntajan käsittelyjärjestelmän digitaalilaitteistossa. Edellä selitetty hyvin nopea algoritmi mahdollistaa näiden funktioiden toteuttamisen : reaaliajassa käyttäen prosessorilla varustettua digitaalista signaalin käsittelykorttia, kuten TMS320C40. Tämä lähestyminen aikaansaa sen joustavuuden, jota tarvitaan 25 niiden GPS-tietolohkojen hakuun, keräämiseen ja seurantaan, jotka vastaanotetaan kaukomittauslinkin 30 välityksellä. GPS-tietolohkot ja PR- sekä DR-mittaukset välitetään tietojenkäsittelyasemalle 70, jossa ne tallennetaan ja tunnistimen 10 sijainti sekä nopeus lasketaan. Se tieto, joka saadaan GPS-normivastaanottimesta 60 käyte-.. tään aputietojen aikaansaamiseksi GPS-tietoprosessorille 50 näkyvissä olevien sa- 30 telliittien ID, esisijoituskoodi vaiheiden ja kantoaallon dopplerin ja 50 b/s-navigointi-tietojen aiheuttamien vaihemuutosten muodossa. Myöskin differentiaalikorjauksia voidaan järjestää parantamaan GPS-navigointiratkaisujen tarkkuutta.

Keksinnön edullisessa suoritusmuodossa on kussakin tietolohkossa 25 millisekuntia tietoa. Se aikaansaa doppler-laskelman tarkkuudella 0,1 m/s ja PR-mittauksen tark-35 kuudella 20 m.

106580 π 50 kb/s kaukomittauslinkillä aikaansaadaan sijainti ja nopeus 1 Hz:n nopeudella. Käyttämällä Kalman-suodatinta tietojenkäsittely asemalla 70 aikaansaadaan 10 s:n kuluttua nopeusinformaatiota tarkkuuteen 0,1 m/s ja sijaintitietoa tarkkuuden ollessa parempi kuin 10 m, alhaisen kiihtyvyyden ollessa vähemmän kuin 1 m/s/s.

5 Tämän keksinnön GPS-seurantajäqestelmän edullista suoritusmuotoa on selitetty edellä radioluotaimiin liittyen, mutta todettakoon tässä, että tätä keksintöä voidaan käyttää esim. äänipoijujen, sekä pinta- että vedenalaisten alusten, ilma-alusten, kuten pallojen, tavanomaisten lentokoneiden ja satelliittien ja maakulkuneuvojen, sekä yhtä hyvin niin ihmisten kuin eläintenkin seurantaan. 1 « « ·

Claims (10)

12 106580

1. Seurantajärjestelmä, käyttäen GPS-paikanmääritysjärjestelmän satelliitteja yhden tai useamman kohteen seuraamiseksi, johon järjestelmään kuuluu: kuhunkin seurattavaan kohteeseen asennettu tunnistin (10), joka vastaanottaa signaa-5 leita, jotka ovat lähtöisin joukosta näkyvissä olevia GPS-satelliitteja, ja joka tallentaa ja puskuroi (20) periodisesti ennalta määrätyn aikavälin kuluessa otettuja raaka-satelliittisignaaleja sisältävää tunnistintietoa; työasemalaite (40-70) mainitun tunnistintiedon vastaanottamiseksi ja säilyttämiseksi ja sijaintitietojen laskemiseksi siitä yhden tai useamman kohteen suhteen; ja 10 tiedon kaukomittauslinkki, joka yhdistää mainitun tunnistimen ja mainitun työase-malaitteen, mainitun kaukomittauslinkin siirtäessä tallennettua ja puskuroitua tietoa mainitulta tunnistimelta (10) mainitulle työasemalle (40-70) sellaisella siirtonopeudella, joka on alhaisempi kuin se nopeus, jolla mainittu tunnistin tekee raakasatelliit-tisignaalien otoksia, 15 tunnettu siitä, että mainittu työasema (40-70) sisältää lisäksi GPS-normivastaanottimen (60), joka tuottaa avusteinformaatiota näkyvissä olevien satelliittien ID:n muodossa, esipaikan-nuksen koodivaiheen ja kantoaallon Doppler-siirtymän, sekä 50-bps:n navigointi-tiedon aiheuttamat vaihemuutokset tietoprosessorille (50) tunnistimen (10) vastaan-20 ottamien raakasatelliittisignaalien etsimisen, hakemisen ja seuraamisen helpottamiseksi, ja että mainitussa työasemassa (40-70) on myös toiminnot hyvin nopean koodin korrelaation ja kompleksisen kertolaskualgoritmin suorittamiseksi, joka sisältää monikertaisen koodin korreloimisen rinnakkaisesti erilaisissa koodivaiheissa, raakasatelliittisignaa-25 Iin havaitsemiseksi saamalla 1 millisekunnin vaiheessa olevien (I) ja poikittaisten (Q) signaalien summan ja toistuvasti prosessoimalla 1 millisekunnin I- ja Q- summan pseudoetäisyys- ja deltaetäisyystiedon saamiseksi.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen seurantamenetelmä, tunnettu siitä, että tun-nistintieto sisältää lisäksi valikoitua etäisyydenmittausdataa, johon on lisäksi lomi- .. 30 tettu raakaa satelliittisignaalia. 1 Patenttivaatimuksen 1 mukainen seurantamenetelmä, tunnettu siitä, että mainitussa työasemassa (40-70) on myös toiminnot tunnistintiedon prosessoimiseksi siten, että saadaan laskettua pseudoetäisyys- ja deltaetäisyystietoa periodisesti tapahtuvaa laskemista varten ja mainituista pseudoetäisyys- ja deltaetäisyystiedoista no- v 35 peustietoa suhteessa yhteen tai useampaan kohteeseen ja näiden lisäksi vielä paikkatietoa. 13 106580

4. Seurantaprosessi, käyttäen GPS-paikanmääritysjärjestelmän satelliitteja yhden tai useamman kohteen seuraamiseksi, johon prosessiin kuuluu: tunnistimen (10) asentaminen kuhunkin seurattavaan kohteeseen; lukuisien tunnistimelle (10) näkyvien GPS-satelliittien välittämien raakasatelliitti-5 signaalien vastaanottaminen tunnistimella (10); periodisesti ennalta määrätyn aikavälin kuluessa otettujen näytteiden ottaminen raa-kasatelliittisignaalista tunnistintiedon muodostamista varten; tunnistintiedon tallentaminen ja puskuroiminen (20) tunnistimessa; tallennetun ja puskuroidun tunnistintiedon lähettäminen (25) kaukomittauslinkkiä 10 (30) käyttäen sellaisella siirtonopeudella, joka on alhaisempi kuin se nopeus, jolla raakasatelliittisignaalien otoksia tehdään; ja lähetetyn tunnistintiedon vastaanottaminen keskeisesti sijoitetulla GPS-työasemalla (40-70), tunnettu lisäksi siitä, että prosessiin kuuluu vaiheita, joissa:

15 GPS-työasema varustetaan GPS-tietoprosessorilla (50), prosessoidaan prosessorissa (50) tallennettua ja puskuroitua tunnistintietoa ja suoritetaan hyvin nopeaa koodin korrelaatiota ja kompleksista kertolaskualgoritmia, joka sisältää monikertaisen koodin korreloimisen rinnakkaisesti erilaisissa koodivaiheissa, raakasatelliittisignaalin havaitsemiseksi muodostamalla yhden millisekunnin vaiheessa olevien (I) ja poikit-20 täisten (Q) signaalien summan ja toistuvasti prosessoimalla yhden millisekunnin I-ja Q- summan pseudoetäisyys- ja deltaetäisyystiedon saamiseksi raakasatelliittisignaalien otoksiin käytetyn aikaikkunan kuluessa; varustetaan GPS-työasema GPS-normivastaanottimella (60), tuotetaan GPS-normi-vastaanottimessa avusteinformaatiota näkyvissä olevien satelliittien ID:n muodossa, : 25 esipaikannuksen koodivaiheen ja kantoaallon Doppler-siirtymän sekä 50-bps:n na- vigointitiedon aiheuttamat vaihemuutokset tietoprosessorille (50) prosessoimista varten tunnistimen (10) vastaanottamien raakasatelliittisignaalien etsimisen, hakemisen ja seuraamisen helpottamiseksi; prosessoidaan laskettuja GPS-pseudoetäisyys- ja -deltaetäisyysmittauksia keskeisesti 30 sijoitetussa GPS-työasemassa (70) ja lasketaan siinä yhden tai useamman kohteen paikka raakasatelliittisignaalien otoksiin käytetyn aikaikkunan kuluessa.

5. Patenttivaatimuksessa 4 mainittu seurantaprosessi, tunnettu siitä, että mainittu prosessi sisältää lisäksi vaiheen periodisesti otetun raakasatelliittisignaalin lomitta-miseksi valitun kaukomittaustiedon kanssa tunnistintiedon muodostamista varten.

6. Patenttivaatimuksessa 5 mainittu seurantaprosessi, tunnettu siitä, että GPS- ** tietoprosessorin (50) tallennetun ja puskuroidun tunnistintiedon prosessoiminen si- 14 106580 sältää toistuvan (kuva 6) vastaanotetun kaukomittaustiedon prosessoinnin jokaisen tunnistimen (10) näkemän satelliittijoukon satelliitin koodivaiheen ja kantoaallon taajuuden laskemiseksi.

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen seurantaprosessi, tunnettu siitä, että vastaan-5 otetun kaukomittaustiedon toistuvaan käsittelyvaiheeseen kuuluu kompleksiset kertolaskuvaiheet ja hakutaulukon avulla toteutettu akkumulointi.

8. Patenttivaatimuksen 6 mukainen seurantakäsittely, tunnettu siitä, että akkumu-lointivaiheeseen kuuluu kahden 16 bitin sanan akkumulointi, joka toteutetaan yhden 32 bitin lisäys vaiheena.

9. Patenttivaatimuksen 4 mukainen seurantakäsittely, tunnettu lisäksi siitä, että keskeisesti sijoitetulla GPS-työasemalla (70) prosessoidaan laskettuja GPS-pseudo-etäisyys- ja -deltaetäisyysmittauksia ja lasketaan siinä yhden tai useamman kohteen paikka raakasatelliittisignaalien otoksiin käytetyn aikaikkunan kuluessa.