FI110292B - Menetelmä vertailuajan virheen määrittämiseksi ja elektroniikkalaite - Google Patents

Description

110292

Menetelmä vertailuajan virheen määrittämiseksi ja elektroniikkalaite

Nyt esillä oleva keksintö kohdistuu oheisen patenttivaatimuksen 1 johdanto-osan mukaiseen menetelmään vertailuajan virheen määrittämi-5 seksi, oheisen patenttivaatimuksen 7 johdanto-osan mukaiseen paikannusjärjestelmään, sekä oheisen patenttivaatimuksen 14 johdanto-I osan mukaiseen elektroniikkalaitteeseen.

j

Eräs tunnettu paikannusjärjestelmä on GPS-järjestelmä (Global Posi-10 tioning System), joka käsittää tällä hetkellä yli 20 satelliittia, joista samanaikaisesti vastaanottimen näkyvissä on maksimissaan 12. Nämä satelliitit lähettävät mm. satelliitin ratatietoa (Ephemeris data) sekä tietoa satelliitin kellonajasta. Sijainnin määrityksessä käytettävä vastaanotin päättelee sijaintinsa normaalisti siten, että vastaanottimessa laske-15 taan useammasta paikannusjärjestelmään kuuluvasta satelliitista samanaikaisesti lähetettävän signaalin kulkuaika vastaanottimeen. Sijainnin määrittämiseksi on vastaanottimen vastaanotettava tyypillisesti vähintään neljän näkyvissä olevan satelliitin signaali, jotta sijainti voidaan laskea.

20

Jokainen GPS-järjestelmän toimiva satelliitti lähettää ns. L1-signaalia . . 1575,42 Mhz:n kantoaaltotaajuudella. Tätä taajuutta merkitään myös • 154f0, missä f0=l0,23 MHz. Lisäksi satelliitit lähettävät L2-signaalia | 1227,6 Mhz:n kantoaaltotaajuudella, eli 120f0. Satelliitissa suoritetaan ••’•£5 näiden signaalien modulointi ainakin yhdellä valesatunnaissekvenssillä.

Kullakin satelliitilla tämä valesatunnaissekvenssi on erilainen. Modu-‘"•i loinnin tuloksena muodostuu koodimoduloitu laajakaistasignaali. Käy-tetty modulointitekniikka mahdollistaa sen, että vastaanottimessa pystytään erottamaan eri satelliittien lähettämät signaalit, vaikka lähe-.-. 30 tyksessä käytettävät kantoaaltotaajuudet ovat olennaisesti samat.

.···! Tästä modulointitekniikasta käytetään nimitystä koodijako-monikäyttö-'·'[ tekniikka (CDMA, Code Division Multiple Access). Kussakin satelliitissa :.i.: L1-signaalin moduloinnissa käytetään valesatunnaissekvenssinä mm.

:...: ns. C/A-koodia (Coarse/Acquisition code), jona käytetään Gold-koodia.

.-. 35 Jokainen GPS-satelliitti lähettää signaalia käyttämällä yksilöllistä C/A-koodia. Koodit muodostetaan kahden 1023-bittisen binäärisekvenssin modulo-2 summana. Ensimmäinen binäärisekvenssi G1 on muodos 110292 2 tettu polynomilla X10+X3+1 ja toinen binäärisekvenssi G2 on muodostettu viivästämällä polynomia X10+X9+X8+X6+X3+X2+1 siten, että kullakin satelliitilla viive on erilainen. Tämä järjestely mahdollistaa sen, että eri C/A-koodit voidaan muodostaa samanlaisella koodigeneraattorilla.

5 C/A-koodit ovat siis binäärikoodeja, joiden kellotusnopeus (Chipping rate) GPS-järjestelmässä on 1,023 Mhz. C/A-koodi käsittää 1023 alibit-tiä (Chip), jolloin koodin toistoaika (koodijakso, epoch) on 1 ms. L1-signaalin kantoaaltoa moduloidaan vielä navigointi-informaatiolla 50 bit/s bittinopeudella. Navigointi-informaatio käsittää tietoa satelliitin ’’tervey-10 dentilasta” (health), radasta, aikatietoa jne.

Satelliitit tarkkailevat laitteistonsa kuntoa toimintansa aikana. Satelliitit voivat käyttää esim. ns. vahtikoiratoimintoja joidenkin laitteistoon mahdollisesti tulleiden vikojen havaitsemiseen ja ilmoittamiseen. Virheet ja 15 toimintahäiriöt voivat olla hetkellisiä tai pidempiaikaisia. Terveydentila-tietojen perusteella voidaan mahdollisesti osa virheistä kompensoida tai jättää vikaantuneen satelliitin lähettämä informaatio kokonaan huomioimatta. Lisäksi tilanteessa, jossa useamman kuin neljän satelliitin signaali on vastaanotettavissa, voidaan terveydentilatietojen 20 perusteella painottaa eri satelliiteista vastaanotettua informaatiota eri tavalla. Tällöin epäluotettavalta vaikuttavien satelliittien mahdollisesti ·. : aiheuttamia virheitä mittauksiin voidaan minimoida.

! Satelliittien signaalien havaitsemiseksi ja satelliittien tunnistamiseksi on ]£5 vastaanottimen suoritettava tahdistus, jossa vastaanotin etsii kulloinkin kunkin satelliitin signaalin ja pyrkii tahdistumaan tähän signaaliin, jotta signaalin mukana lähetettävä data voidaan vastaanottaa ja demodu-loida.

: ‘ . S30 Sijainninmääritysvastaanottimen on suoritettava tahdistus mm. silloin, I · kun vastaanotin kytketään päälle ja myös tilanteessa, jossa vastaanotin ei ole pitkään aikaan pystynyt vastaanottamaan minkään satelliitin sig-naalia. Mm. kannettavissa laitteissa tällainen tilanne voi syntyä helposti, koska laite liikkuu ja laitteen antenni ei aina ole optimaali-:-,535 sessa asennossa satelliitteihin nähden, mikä heikentää vastaanotti-·...; meen tulevan signaalin voimakkuutta. Myös kaupunkialueilla rakennukset vaikuttavat vastaanotettavaan signaaliin ja lisäksi voi syntyä ns.

110292 3 monitie-etenemistä, jossa lähetetty signaali saapuu vastaanottimeen eri kulkureittejä, esim. suoraan satelliitista (line-of-sight) ja lisäksi rakennuksista heijastuneena. Tämä monitie-eteneminen aiheuttaa sen, että sama signaali vastaanotetaan useina eri vaiheisina signaaleina.

5

Sijainninmääritysjärjestelylle on kaksi pääasiallista tehtävää: 1. vastaanottimen pseudo-etäisyyden laskenta eri GPS-satel- liitteihin, ja 10 2. vastaanottimen sijainnin määritys, jossa käytetään lasket tuja pseudo-etäisyyksiä sekä satelliittien sijaintitietoa. Satelliittien kulloinenkin sijaintitieto voidaan laskea satelliiteista vastaanotettujen ephemeris- ja aikakorjaustietojen perusteella.

15

Etäisyyksiä satelliitteihin nimitetään pseudo-etäisyyksiksi, koska aika ei vastaanottimessa ole tarkasti tiedossa. Tällöin sijainnin ja ajan määritystä toistetaan, kunnes on saavutettu riittävä tarkkuus ajan ja sijainnin suhteen. Koska aikaa ei tiedetä absoluuttisen tarkasti, on paikka ja aika 20 selvitettävä esimerkiksi linearisoimalla yhtälöryhmä jokaista uutta ite-raatiota varten.

• · • · ] ! Pseudo-etäisyyden laskenta voidaan suorittaa mittaamalla eri satelliit-! ! tien signaalien keskinäiset, näennäiset kulkuviiveet.

';”;25 Lähes kaikki tunnetut GPS-vastaanottimet käyttävät korrelaatiomene-telmiä koodiin tahdistumiseen (acquisition) ja seurantaan (tracking). Si-jainninmääritysvastaanottimessa on tallennettu tai generoidaan paikallisesti vertailukoodit ref(k), eli eri satelliittien valesatunnaissekvenssit.

: ‘ , ,30 Vastaanotetulle signaalille suoritetaan muunto välitaajuudelle (Down ·*·; Conversion), minkä jälkeen vastaanotin suorittaa vastaanotetun signaalin kertomisen tallennetulla valesatunnaissekvenssillä. Kertolaskun tuloksena muodostunut signaali integroidaan tai alipäästösuodatetaan, '·;· jolloin tuloksena saadaan tieto siitä, onko vastaanotetussa signaalissa :\335 ollut jonkin satelliitin lähettämä signaali. Vastaanottimessa suoritettava ·;·· kertolasku toistetaan siten, että kullakin kerralla siirretään vastaanottimeen tallennetun valesatunnaissekvenssin vaihetta. Oikea vaihe pää- 110292 4 tellään korrelaatiotuloksesta edullisesti siten, että korrelaatiotuloksen ollessa suurin, on oikea vaihe löytynyt. Tällöin vastaanotin on oikein tahdistunut vastaanotettuun signaaliin. Sen jälkeen, kun koodiin tahdistuminen on suoritettu, suoritetaan vielä taajuuden hienosäätö ja 5 vaihelukitus.

Edellä mainittu tahdistus ja taajuudensäätöprosessi on suoritettava kullekin sellaisen satelliitin signaalille, jota vastaanottimessa vastaanotetaan. Joissakin vastaanottimissa voi olla useampia vastaanottokanavia, 10 jolloin kullakin vastaanottokanavalla pyritään tahdistumaan kulloinkin yhden satelliitin signaaliin ja suorittamaan tämän satelliitin lähettämän informaation selvitys.

Sijainninmääritysvastaanotin vastaanottaa satelliittien lähettämää in-15 formaatiota ja suorittaa vastaanotetun informaation perusteella sijain-ninmäärityksen. Sijainninmäärityksen suorittamiseksi on vastaanottimen vastaanotettava vähintään neljän eri satelliitin lähettämä signaali, jotta x-, y-, z-koordinaatit sekä aikatieto voidaan selvittää. Vastaanotettua navigointi-informaatiota tallennetaan muistiin, jolloin tätä tallenne-20 tusta informaatiosta voidaan käyttää mm. satelliittien ratatietojen selvittämiseen.

; ! Kuvassa 1 on esitetty periaatekaaviona sijainnin määritystä neljän sa- ! ! telliitin SV1, SV2, SV3, SV4 lähettämän signaalin avulla sijainninmääri- ’; ‘25 tysvastaanottimessa MS. GPS-järjestelmässä satelliitit lähettävät rata-:···: tietoa sekä aikatietoa, joiden perusteella sijainninmääritysvastaanotti- messa voidaan suorittaa laskentaa satelliitin kulloisenkin sijainnin määrittämiseksi. Tämän ratatiedon ja aikatiedon lähettäminen suoritetaan kehyksissä, jotka on vielä jaettu alikehyksiin. Kuvassa 2 on eräs :*·.{30 esimerkki tällaisesta kehysrakenteesta FR. GPS-järjestelmässä kukin ·”; kehys käsittää 1500 bittiä, jotka on jaettu viiteen 300 bittiä käsittävään alikehykseen. Koska yhden bitin lähetys kestää 20 ms, kunkin alike-hyksen lähetys kestää tällöin 6 s, ja koko kehys lähetetään :···: 30 sekunnissa. Alikehykset on numeroitu 1—5. Kussakin alikehyk- : -.35 sessä 1 lähetetään mm. aikatietoa, joka ilmoittaa alikehyksen lähetys- hetken sekä tietoa satelliitin kellon poikkeamasta GPS-järjestelmän kellonaikaan nähden.

110292 5

Alikehyksiä 2 ja 3 käytetään ratatiedon lähetykseen. Alikehys 4 sisältää muuta järjestelmäinformaatiota, kuten yleisen aikatiedon (UTC, Universal Time, Coordinated). Alikehys 5 on tarkoitettu kaikkien satelliittien 5 almanakkatietojen lähetykseen. Näiden alikehysten ja kehysten muo-j dostamaa kokonaisuutta nimitetään GPS-navigointisanomaksi (GPS

navigation message), joka käsittää 25 kehystä eli 125 alikehystä. Navi-gointisanoman pituus on tällöin 12 min 30 s.

10 GPS-järjestelmässä aikaa mitataan sekunteina viikon alusta. GPS-jär-jestelmässä viikon alkuhetki on lauantain ja sunnuntain välinen keskiyö. Kussakin alikehyksessä lähetetään tieto siitä, minä GPS-viikon ajanhetkenä kyseinen alikehys on lähetetty. Tällöin aikatieto ilmaisee tietyn bitin lähetyshetken, eli GPS-järjestelmässä kyseisen alikehyksen 15 viimeisen bitin lähetyshetken. Aikaa satelliiteissa mitataan erittäin tarkkojen atomikellojen avulla. Tästä huolimatta GPS-järjestelmän ohjaus-keskuksessa (ei esitetty) valvotaan kunkin satelliitin toimintaa ja suoritetaan mm. aikavertailu satelliittien kellovirheiden havaitsemiseksi ja tämän tiedon välittämiseksi satelliittiin.

20

Sijainninmäärityksen tarkkuudelle on suuri merkitys sillä, kuinka tar- ·. ; kasti vastaanottimessa on tiedossa todellinen GPS-aika. Käytännössä ' ! tarkka GPS-aika voidaan selvittää sijainninmäärityslaskennan jälkeen, ] jossa määritetään vastaanottimen kellovirhe GPS-aikaan nähden. Kui- • » *; Έ5 tenkin aivan ensimmäisessä sijainninmäärityslaskennassa käytetään GPS -aika-arviota, koska todellinen GPS-aika ei vastaanottimessa välttämättä ole selvillä. GPS-aika-arvio ajanhetkellä k voidaan johtaa !.,.·· kolmen aikaelementin mittauksen perusteella seuraavan kaavan mukaisesti:

:\0O

•:··: Γ,/„(*)=Γ™(*)+Γΐ(*)+Γ4(*)+0,078 (1) * % f missä

* I

* » :\B5 TT0Wj = viimeisimmän vastaanotetun alikehyksen sisältämä aika-·:·*: tieto sekunteina (time of week), 110292 6

Tl(k) = viimeisimmän vastaanotetun alikehyksen alun jälkeen vastaanotettujen C/A-koodijaksojen lukumäärää vastaava aika sekunteina,

Tjhip(k) = viimeisimmän koodijakson (epoch) vaihtumisen jälkeen vas- 5 taanotettujen kokonaisten alibittien lukumäärää (0—1022) ja koodivaihetta vastaava aika sekunteina, ja j = vastaanottokanavan indeksi.

Kaavassa 1 on käytetty signaalin keskimääräisenä kulkuaikana (ToF, 10 Time of Flight) satelliitista vastaanottimeen 78 ms. Referenssinä voidaan käyttää mitä tahansa sellaista vastaanottokanavaa, jossa signaali-kohinasuhde (SNR, Signal-to-Noise Ratio) on riittävä.

Aikatieto (ToW) lähetetään navigaatiosanomassa kuuden sekunnin 15 välein ja se ilmaisee ajan, joka on kulunut viimeisimmästä GPS-viikon vaihtumisesta. Aikatiedon arvoalue on siis yhden viikon jakojäännös. Vastaavasti TJ,s(k) on kuuden sekunnin jakojäännös ja T/hip{k) on yhden millisekunnin jakojäännös. Kaavan (1) kolmea ensimmäistä termiä voidaan käyttää myös signaalin saapumisajan ToA (Time-of-Arrival) 20 mittauksessa.

*·.: Heikoissa vastaanotto-olosuhteissa, joissa navigaatiodataa ei saada • * ilmaistua johtuen mm. korkeasta bittivirhesuhteesta (BER, Bit Error ·. : Rate), ei aikatiedon ToW puuttumisen vuoksi voida kaavaa 1 käyttää • · < , :..25 suoraan GPS-ajan selvittämiseen. Kuitenkin koodivaihe on tavallisesti silti mitattavissa.

UM» * t • * '··' Kaavassa 1 kolme ensimmäistä termiä määrittävät vastaanotetun signaalin lähetyshetken fjoT (Time-of-Transmission).

•'•'30

I ) I

Oheisessa kuvassa 3 on havainnollistettu tätä eräällä sijainninmääri-. tyshetkellä vastaanotetun signaalin lähetyshetken arvioimisessa käytet- tyä kaavaa ja sen eri termejä. On selvää, että kuva 3 on yksinkertais-tettu todelliseen tilanteeseen nähden, koska mm. yksi koodijakso käsit-!· '35 tää 1023 alibittiä, joten niiden esittäminen tarkasti ei ole järkevää. Si- * t * ♦ * » » 110292 7 jainninmäärityshetkeä esittää pistekatkoviiva, joka on merkitty viitteellä SM.

On tärkeää laskea vastaanotetun signaalin lähetyshetki kullekin seurat-5 tavalle signaalille, koska vastaanottimen paikallinen vertailuaika, joka I on muodostettu vastaanottimen paikallisoskillaattorilla, on kytketty näi den arvojen perusteella GPS-aikaan. Lisäksi eri satelliiteista vastaanotettujen signaalien erilaiset kulkuajat voidaan päätellä näistä mitatuista arvoista, koska kukin satelliitti lähettää saman alibitin olennaisesti 10 samalla hetkellä. Vaikka eri satelliittien ajoituksissa voikin olla pieniä eroja, niitä tarkkaillaan, ja virhetieto välitetään GPS-navigointisano-massa, kuten jo edellä on mainittu.

Hyvissä vastaanotto-olosuhteissa ja käytettäessä edullista satelliitti-15 konstellaatiota käyttäjän sijainti ja aikavirhe voidaan ratkaista hyvin tarkasti. Hyvä satelliittien konstellaatio merkitsee sitä, että sijainninmääri-tyksessä käytettävät satelliitit on valittu siten, että vastaanottimesta katsottuna ne sijaitsevat selvästi eri suunnissa, eli avaruuskulmat, joissa eri satelliiteista lähetetyt signaalit saapuvat vastaanottimeen, poikkea-20 vat selvästi toisistaan.

·, : Sen sijaan tilanteessa, jossa vastaanotettu signaali on heikkoa, ei vas- ' taanotettua navigointisanoman sisältämää tietoa voida välttämättä ! ! käyttää hyväksi. Tällöin ainoat kantataajuisesta signaalista suoritettavat [25 käyttökelpoiset mittaukset ovat alibittien lukumäärä ja koodivaihe. Jos vastaanottimessa ei ole kunnollista ratatietoa ja vertailukelloa käytettä- vissä, ei sijaintia kuitenkaan voida laskea pelkästään alibittien •”\i lukumäärän ja koodivaiheen perusteella. Vanha ratatieto ei myöskään anna riittävän tarkkaa satelliittien sijaintia, jolloin sijainninmäärityksen : ’ ·, j30 tarkkuus huononee. Pahimmassa tapauksessa vastaanottimessa ei ole » » ollenkaan navigointitietoa, mikä merkitsee sitä, että signaalien lähetys-·. aikojen laskentaa ei voida tehdä, ja sijainnin määritys ei onnistu. Vastaavasti vertailukellon puuttuminen tekee nykyisin tunnetuilla menetelmillä mahdottomaksi suorittaa GPS-ajan arviointi, vaikka rata-,*’•,,35 tietoa olisikin käytettävissä. Tämä merkitsee sitä, että ratatieto on selvi-tettävä jostakin muusta lähteestä kuin vastaanotetusta satelliittien lähettämästä signaalista, mikäli sijainninmääritys halutaan suorittaa.

110292 8 Käytännön sovelluksissa vastaanottimen reaaliaikakellon RTC tarkkuus voi vaihdella. Vastaavasti, matkaviestinverkon tukiasemasta BS lähetettävä ja vastaanottimessa BS vastaanotettava aikatieto voi olla mer-5 kiitävässä määrin, jopa useita minuutteja, viivästynyt. Kuitenkaan tämä viive ei ole vastaanottimessa tiedossa ja lisäksi viive voi vaihdella aika-tiedon eri lähetyskerroilla. Jos vastaanotin ei myöskään pysty dekoo-daamaan navigointisanomassa lähetettyä informaatiota, ei vastaanotin ! voi saada tietoa GPS-ajasta. Väärä GPS-aika-arvio voi aiheuttaa mer- 10 kiitäviäkin virheitä sijainninmääritykseen. Virheellinen GPS-aika-arvio j aiheuttaa sen, että satelliittien laskettu sijainti on virheellinen, mikä voi aiheuttaa useiden millisekuntien virheen pseudoetäisyyksissä, jolloin myös vastaanottimen laskettu sijainti on virheellinen. Lisäksi satelliittien nopeudet arvioidaan mahdollisesti virheellisesti, jolloin vastaanotti-15 messa Doppler-siirtymän arvioidaan mahdollisesti väärin aiheuttaen virheitä myös vastaanottimen liikenopeusmääritykseen ja mahdollisesti estää seurantasilmukan luotettavan toiminnan. Virheellisestä GPS-aika-arviosta johtuen vastaanotin ei voi hyödyntää bitin reunan ennustusta ja koherenttia integrointia, jolla signaaliin moduloidun navigointi-20 datan vaikutus lukittumiseen ja seurantaan voitaisiin eliminoida. Myöskään moduloivan bitin kestoaikaa pidempi koherentti integrointi ei ole . . mahdollista, jos vastaanotin ei pysty selvittämään bitin reunan ajoituk- • ; siä. Vastaanotin ei myöskään voi käyttää niin kapeaa etsintäikkunaa koodivaiheen selvittämisessä kuin mikäli aika-arvio olisi oikea.

•;‘;25

Patenttijulkaisussa GB 2 330 717 esitetään maailmanlaajuisen tiedon-siirtojärjestelmän aikaeron korjaus esimerkiksi navigointisatelliiteista lähetetyn C/A-koodin ja kantoaallon vaihe-eron perusteella. Julkaisun mukaisessa laitteessa käytetään korrelaattoria ilmaisemaan eri satel-:\80 liittisignaaleiden C/A-koodien vaihe-erot. Pelkällä C/A-koodien vaihe-.···’. erotiedolla ei kuitenkaan voida varmuudella selvittää kulkuaikaeroja, koska erot voivat olla suurempia kuin yhden koodin pituus, eli yli 1 ms GPS-järjestelmässä.

;\85 Patenttijulkaisussa US 6,084,544 on esitetty yriteajan ja satelliiteista lä-hetetyn tiedon käyttö oikean ajan määrittelyä varten. Yriteajan perusteella lasketaan neljän satelliitin avulla yritepaikka. Tämän jälkeen 110292 9 määritetään viidettä satelliittia käyttäen se, että onko yritepaikka mahdollisesti oikea paikka ja jos se ei ole oikea niin tällöin valitaan uusi yriteaika. Julkaisussa mainitaan laskettu korjausvektori, joka määritetään tunnetun sijainnin ja satelliitin välisen lasketun geometrisen etäi-5 syyden sekä määritettävän paikan ja satelliitin välisen mitatun etäisyyden välisen erotuksen avulla. Lasketun ja mitatun arvon erotus määritetään oletetun paikan laskemiseksi ainakin neljän satelliitin avulla ja näiden lisäksi oletetun paikan tarkistamiseksi vielä viidenteen satelliittiin, ja jos lasketun ja mitatun arvon erotus poikkeaa nollasta viidennen 10 satelliitin osalta niin tällöin valitaan siis uusi yriteaika.

Kansainvälisessä hakemusjulkaisussa WO 99/53338 on esitetty menetelmä ja laitteisto satelliittijärjestelmän aikatiedon selvittämiseksi. Järjestelmässä lasketaan sijainti useammalla kuin yhdellä aika-arviolla 15 ja määritetään virhearvo kullakin aika-arviolla. Oikea aika pyritään löytämään etsimällä virheen minimiarvo.

Nyt esillä olevan keksinnön eräänä tarkoituksena on aikaan saada menetelmä aikatiedon epätarkkuuksien vaikutuksen vähentämiseksi vas-20 taanottimen sijainnin määrityksessä myös signaalinvoimakkuuden ollessa niin heikko, että navigointi-informaatiota ei saada vastaanotettua.

. . Keksinnön tarkoituksena on myös aikaansaada sijainninmääritysvas-’ taanotin. Keksintö perustuu siihen ajatukseen, että aikatieto selvitetään ] kahdessa eri vaiheessa, jolloin yhdessä vaiheessa selvitetään sijain-‘’25 ninmäärityksessä käytettävä aikatieto ja toisessa vaiheessa selvitetään satelliittien sijaintihetken aikatieto. Nämä kaksi eri aikatietoa selvitetään toisistaan riippumatta. Kummallakin tavalla selvitettyjen aikatietojen avulla pyritään löytämään sellainen aikatiedon arvo, jolla sijainninmää-ritystiedoista arvioitu virhe on olennaisesti minimissä. Nyt esillä olevan /.30 keksinnön mukaiselle menetelmälle on pääasiassa tunnusomaista se, .··! mitä on esitetty oheisen patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

Nyt esillä olevan keksinnön mukaiselle paikannusjärjestelmälle on ·:·: pääasiassa tunnusomaista se, mitä on esitetty oheisen patenttivaati- muksen 7 tunnusmerkkiosassa. Nyt esillä olevan keksinnön mukaiselle ./.35 elektroniikkalaitteelle on vielä pääasiassa tunnusomaista se, mitä on .!..: esitetty oheisen patenttivaatimuksen 14 tunnusmerkkiosassa.

i 110292 10

Nyt esillä olevalla keksinnöllä saavutetaan merkittäviä etuja tunnetun tekniikan mukaisiin menetelmiin ja sijainninmääritysvastaanottimiin verrattuna. Keksinnön mukaista menetelmää sovellettaessa voidaan si- jainninmäärityksen tarkkuutta parantaa, koska aikatiedon virhe voidaan 5 minimoida. Lisäksi keksinnön erään edullisen suoritusmuodon mukaisessa menetelmässä voidaan sijainninmääritystä nopeuttaa, koska aikatiedon virhe saadaan tarkemmin selville ja tätä tietoa voidaan käyttää uusissa sijainninmäärityksissä hyväksi.

10 Keksinnön erään edullisen suoritusmuodon mukaisessa menetelmässä sijainninmäärityksessä tarvittavat laskennat suoritetaan pääosin tiedonsiirtoverkkoon tiedonsiirtoyhteydessä olevassa laskentapalvelimessa, jolloin laskenta voidaan suorittaa huomattavasti nopeammin kuin tunnetun tekniikan mukaisissa ratkaisuissa.

15

Lisäksi keksinnön erään edullisen suoritusmuodon mukaisella verkkopohjaisella toteutuksella on vielä lisäetuja verkkoavusteiseen vastaanottimeen nähden. Suoritettaessa sijainninmäärityslaskenta vastaanottimen sijasta tiedonsiirtoverkossa, ei tiedonsiirtoverkon tarvitse lähettää 20 mitään sijainninmäärityksessä käytettävää avustedataa, kuten ephe-meristietoa, vastaanottimelle. Tällöin vähentynyt tiedonsiirtotarve vähentää myös tiedonsiirtoverkon kuormitusta.

• · ’ Joissakin tilanteissa voi ensimmäinen sijainninmääritys (TTFF, time to '· '25 first fix), esim. sijainninmääritysvastaanottimen päälle kytkemisen jäl-keen, olla nopeampaa verkkopohjaisessa toteutuksessa kuin verkko-avusteisessa toteutuksessa, koska verkkopohjaisessa toteutuksessa sijainninmääritysvastaanottimen tarvitsee lähettää laskentapalvelimelle vain mitatut alibitti- ja koodivaihemittaukset. Näiden mittausten siirtoon :\30 tarvitaan huomattavasti vähemmän bittejä kuin avustedatan lähettämi-.···. seksi tiedonsiirtoverkosta sijainninmääritysvastaanottimelle. Etenkin, jos tiedonsiirtoverkko on kuormittunut, voi verkkoavusteisen menetel-:·|·: män sijainninmääritys viivästyä avustedatan viivästyessä verkossa.

Sen sijaan verkkopohjaisessa toteutuksessa sijainninmääritys on las-/.,.35 kettavissa olennaisesti välittömästi sen jälkeen kun palvelin on vas-....: taanottanut alibitti- ja koodivaihemittaukset sijainninmääritysvastaanot- timelta. Tästä on merkittävää etua etenkin hätätapauksissa vastaanot- 110292 11 timen laskettu paikka on olennaisesti välittömästi tiedossa, eikä sitä tarvitse odottaa sijainninmääritysvastaanottimelta.

Nyt esillä olevalla keksinnöllä saavutetaan merkittäviä etuja tunnetun 5 tekniikan mukaisiin menetelmiin ja sijainninmääritysvastaanottimiin verrattuna. Keksinnön mukaista menetelmää sovellettaessa voidaan si-jainninmääritys suorittaa myös silloin, kun vastaanotetun signaalin voimakkuus on hyvin heikko, esim. rakennusten sisätiloissa. Keksinnön mukaisella menetelmällä saadaan parannettua vastaanotetussa sig-10 naalissa bittien alkukohtien ja arvon havaitsemista.

Keksintöä selostetaan seuraavassa tarkemmin viitaten samalla oheisiin kuviin, joissa 15 kuva 1 esittää yksinkertaistettuna periaatekaaviona sijainnin määri tystä neljän satelliitin lähettämän signaalin avulla tiedonsiirtoverkossa, kuva 2 esittää esimerkkiä GPS-järjestelmässä käytettävästä kehys-20 rakenteesta, . . kuva 3 havainnollistaa eräällä sijainninmäärityshetkellä vastaanote- • tun signaalin lähetyshetken arvioimisessa käytettyä tunne- | tun tekniikan mukaista kaavaa ja sen eri termejä, -.--25 kuvat 4a ja 4b havainnollistavat tasokuvauksena keksinnön erään edullisen suoritusmuodon mukaisella menetelmällä saavutettavaa sijainninmäärityksen tarkkuuden paranemista, ja •.‘•.30 kuva 5 esittää pelkistettynä lohkokaaviona vastaanotinta, jossa keksinnön mukaista menetelmää voidaan soveltaa.

• ••35 Keksinnön mukaisen menetelmän toiminnan selvittämiseksi tarkastel- • »· .!..· laan seuraavassa ensin sijainninmääritystä ja siinä käytettäviä mittaus- 110292 12 ja laskutoimituksia kuvan 5 mukaisessa sijainninmääritysvastaanotti-messa MS.

Kuvan 5 sijainninmääritysvastaanottimessa MS ensimmäisen antennin 5 1 kautta vastaanotettava signaali muunnetaan sopivimmin välitaajuu- delle tai suoraan kantataajuudelle muunninlohkoissa 2a—2d. Kuvan 5 mukainen vastaanotin MS käsittää neljä vastaanottokanavaa, joissa kussakin on oma muunninlohkonsa 2a—2d, mutta on selvää, että kanavia voi olla eri määrä kuin tässä esitetty. Muunninlohkoissa 2a—2d 10 välitaajuudelle tai kantataajuudelle muunnettu signaali käsittää sinänsä tunnetusti kaksi komponenttia: I- ja Q-komponentit, joiden välillä on 90° vaihe-ero. Nämä välitaajuudelle muunnetut analogiset signaalikompo-nentit digitoidaan. Digitoinnissa signaalikomponenteista otetaan vähintään yksi näyte jokaisesta alibitistä, eli GPS-järjestelmässä otetaan täl-15 löin vähintään 1 023 000 näytettä sekunnissa. Lisäksi digitoidun signaalin I- ja Q-komponentit kerrotaan ensimmäisen numeerisesti ohjatun oskillaattorin 5 (NCO, Numerically Controlled Oscillator) muodostamalla signaalilla. Tämä ensimmäisen numeerisesti ohjatun oskillaattorin 5 signaali on tarkoitettu korjaamaan Doppler-siirtymästä ja 20 vastaanottimen 1 paikallisoskillaattorin (ei esitetty) taajuusvirheestä johtuva taajuuspoikkeama. Muunninlohkoissa 2a—2d muodostetut . signaalit, jotka on merkitty kuvaan 5 viitteillä Q(a),l(a)—Q(d),l(d), johde-' *; taan edullisesti digitaaliseen signaalinkäsittely-yksikköön 3. Lohkossa .’I 16 muodostetaan myös kulloinkin vastaanotettavien satelliittien koodi- *· *25 moduloinnissa käytettyjä koodeja vastaavat vertailukoodit ref(k).

Vastaanotin MS pyrkii mm. tämän vertailukoodin ref(k) avulla löytä-mään kullakin vastaanottokanavalla vastaanotettavan satelliitin signaali”: Iin koodivaiheen ja taajuuspoikkeaman käytettäväksi tahdistuksen jäl keisissä toiminnoissa.

:\β0 .···. Eräs edullinen sijainninmääritysvastaanotin MS käsittää yhden ·” muunninlohkon 2a, jossa signaali muunnetaan sopivimmin hyvin :;j;: pienelle välitaajuudelle (lähes kantataajuudelle), jolle suoritetaan ana- logia/digitaalimuunnos. Tämän jälkeen digitaalien, I- ja Q-komponent-;'.,β5 teihin jaettu signaali jaetaan N vastaanottokanavaan jatkokäsittelyä varten.

110292 13

Ohjauslohkolla 7 ohjataan mm. koodivaiheilmaisinta 9, jonka avulla numeerisesti ohjatun oskillaattorin 5 taajuutta säädetään tarvittaessa. Tahdistusta ei tässä selityksessä ole tarkemmin käsitelty, vaan se on sinänsä tunnettua tekniikkaa. Sen jälkeen kun vastaanottokanava on 5 tahdistunut jonkin satelliitin SV1, SV2, SV3, SV4 signaaliin, voidaan tarvittaessa aloittaa signaalissa lähetetyn navigointi-informaation ilmaisu ja tallennus, mikäli mahdollista. Digitaalinen signaalinkäsittely-yksikkö 3 tallentaa navigointi-informaatiota edullisesti muistiin 4. Nyt esilläolevan keksinnön ensimmäisen edullisen suoritusmuodon mukai-10 sessa menetelmässä ei tätä navigointi-informaatiota tarvitse ilmasta ja tallentaa, vaan sijainninmääritysvastaanottimen MS on selvitettävä satelliiteista vastaanotettujen signaalien alibitti- ja koodivaihe.

Sijainninmääritysvastaanotin MS käsittää myös välineet langattoman 15 viestimen toimintojen suorittamiseksi, kuten toisen antennin 10, radio-osan 11, audiovälineet, kuten koodekin 14a, kaiuttimen 14b ja mikrofonin 14c, näytön 12 ja näppäimistön 13.

Seuraavaksi selostetaan keksinnön edullisen suoritusmuodon mukaista 20 menetelmää. Selostuksessa on oletettu, että laskennat suoritetaan sijainninmääritysvastaanottimessa MS, mutta on selvää, että menetel-.. . mää voidaan soveltaa myös siten, että ainakin osa laskennasta suori- * : tetaan erillisessä laskentapalvelimessa S tai vastaavassa. Menetel- •«* * · [ mässä suoritetaan sijainninmäärityksen lisäksi aikatiedon selvitys ' · [25 kaksivaiheisena. Menetelmä käsittää siis 4-dimensioisen (paikka-aika: x,y,z,t) ratkaisun suorittamisen sijasta 5-dimensioisen (paikka-aika-aika: x,y,z,t1,t2) -ratkaisun suorittamisen. Tämä voidaan toteuttaa esimerkiksi siten, että suoritetaan ensin 4-dimensioinen paikka-aika -ratkaisu, jossa saadaan ensimmäinen aika-arvio. Tämän jälkeen aika-•.‘•.pO arviota täsmennetään toisen vaiheen aikamäärityksen avulla. Tämä toisen vaiheen aikamääritys voidaan suorittaa esim. siten, että " vastaanotetusta signaalista pyritään havaitsemaan signaaliin modu- • loidun navigaatiodatan jonkin bitin reuna esim. symboli-ilmaisimella 18 :: (Symbol Rate Detector) tai vastaavalla.

:\f35

Mainittu 4-dimensioinen paikka-aika -ratkaisu voidaan suorittaa esim. siten, että määritetään vastaanotetuista signaaleista satelliittien arvioitu 110292 14 sijainti signaalien lähetyshetkellä, minkä jälkeen voidaan laskea pseu-doetäisyydet vastaanottimesta näihin satelliitteihin. Tässä käytetään vastaanottimessa olevaa aikatietoa, joka voi siis olla merkittävässä määrin virheellinen. Lisäksi lasketaan arvio siitä, kuinka suuri virhe 5 kyseisen aikatiedon mukaan määritetyissä pseudoetäisyyksissä on. Tämän jälkeen rekursiivisesti muutetaan aikatietoa ja lasketaan uudelleen pseudoetäisyydet ja virheet. Näitä vaiheita toistetaan, kunnes on saavutettu pienin virhe, mitä vastaavaa aikatietoa käytetään GPS-ajan oletusarvona. Tämän jälkeen menetelmässä etsitään jollakin kanavalla 10 vastaanotetusta signaalista bitin reunoja. Sen jälkeen kun bitin reuna on löytynyt, eli symboli-ilmaisin on lukittunut vastaanotettuun signaaliin, voidaan näiden bitin reunojen esiintymishetkeä käyttää aikatiedon hienosäädössä.

15 Alibitti- ja koodivaiheen Tc[ip{k) selvittäminen tehdään sopivimmin olennaisesti samanaikaisesti kaikille vastaanottokanaville, jolloin kullakin vastaanottokanavalla vastaanotetun signaalin vastaanottohetki on olennaisesti sama.

20 Jos vastaanottimessa MS ei ole käytettävissä riittävästi navigointi-informaatiota, keksinnön edullisen suoritusmuodon mukaisessa menetelmässä vastaanotettujen signaalien lähetyshetki määritetään ’ ! vastaanotetun signaalin koodijakson vaihtumisen jälkeen vastaanotettujen alibittien lukumäärää ja koodivaihetta vastaava aika TJhip(k) sekun- \\i25 teinä sekä sijainninmääritysvastaanottimessa MS olevan navigointi-« · ’···’ informaation perusteella. Tämä navigointi-informaatio käsittää alma-] : nakkatietoa, jolloin sijainninmääritysvastaanotin MS voi selvittää kunkin satelliitin sijainnin tietyllä ajanhetkellä. Ongelmana on kuitenkin siis se, että sijainninmääritysvastaanotin MS ei välttämättä ole tarkasti synkro-noituneena todelliseen GPS-aikaan.

• * * · t X Periaatteessa sijainti voidaan laskea usealla eri tavalla, mutta tässä esitetään vain yksi menetelmä: pienimmän neliösumman menetelmä *·:·’ (LMS, Least Mean Squares). Yksinkertaisuuden vuoksi on seuraa-: * ·. ΪΒ5 vassa jätetty huomioimatta joitakin perustoimintoja, kuten satelliitin ·:·: SV1, SV2, SV3, SV4 kellon virheen korjaus, ionosfäärikorjaukset jne.

110292 15

Lisäksi oletetaan, että sijainninmääritysvastaanottimessa MS ei ole saatavilla aikaisempia sijainninmääritystietoja ja että kaikki mittaukset suoritetaan samalla hetkellä, eli kussakin vastaanottokanavassa näytteenotto suoritetaan rinnakkaisesti samalla hetkellä. Vastaanotetut 5 signaalit tallennetaan muistiin, joten niiden jatkokäsittely voidaan suorittaa eriaikaisesti.

Vertailukello 15 on muodostettu esim. sijainninmääritysvastaanottimen MS reaaliaikakellolla (RTC, Real-Time Clock) tai se voidaan muodos-10 taa myös ulkoisella kellolla (ei esitetty) tai aikatieto voidaan saada ulkoisesta verkosta, kuten matkaviestinverkosta.

Lähetysajan ToT määrittämiseksi vain koodijakson vaihtumisen jälkeen vastaanotettujen alibittien lukumäärää ja koodivaihetta vastaava aika 15 sekunteina Tjhip{k) voidaan määrittää tilanteessa, jossa vastaanotettavan signaalin voimakkuus on heikko. Tällä parametrilla on mahdollista mitata vain alibittitason (<1 ms) eroja eri satelliittien SV1, SV2, SV3, SV4 signaaleissa, koska sama koodi toistuu koodijakson (=1 ms) välein. Koska kunkin satelliitin ja vastaanottimen välinen etäisyys voi , , 20 olla merkittävästi erilainen, voi eri satelliiteista vastaanotettujen signaa- * lien kulkuajoissa olla suuriakin eroja, jopa yli 10 ms. Tällöin ei alibittitason erojen määritys ole riittävä. Yksi millisekunti ajassa merkitsee n. 300 km:n etäisyyttä signaalin edetessä olennaisesti valonnopeudella. Vastaavasti yksi alibitti (n. 1 ps=1 ms/1023) merkitsee n. 300 metriä.

25 * Tällaisessa tilanteessa on eri vastaanottokanavissa millisekuntien erot selvitettävä satelliittien SV1, SV2, SV3, SV4 ja vastaanottimen MS etäisyyksien perusteella. Yleisessä tapauksessa ei kuitenkaan ole välttämättä tiedossa vastaanottimen MS arvioitua sijaintia. Vastaanottimen 30 MS sijainti voidaan aluksi arvioida. Tällöin voidaan satelliitin ja vastaan-ottimen MS arvioidun sijainnin välisen etäisyyden laskenta suorittaa ; , seuraavasti.

1 (2) , .' c .·’ 35 110292 16 missä merkintä f.] ilmaisee pyöristystä ylöspäin lähimpään kokonaislukuun, ja viiva muuttujan yläpuolella osoittaa, että kyseessä on vektori. Vastaanottimessa on jonkinlainen arvio GPS-ajasta fGPS, esim. vertai- lukellon 15 aika, joka siis voi tässä vaiheessa olla useita sekunteja, 5 jopa minuutteja väärässä.

Sen jälkeen kun kaikille vastaanottokanaville on suoritettu kaavan 2 mukainen ajallisen etäisyyden N,l(k) laskenta, voidaan signaalien lähetyshetket arvioida seuraavan kaavan perusteella.

10 fir(k) = TL(k)-NL(k) + T,{r(k) (3)

Minkä tahansa satelliitin signaalin lähetyshetken mittausarvo voidaan valita vertailuajaksi. Satelliitin aika signaalin vastaanottohetkellä k, eli 15 GPS-aika, fGPS(k), voidaan tämän jälkeen arvioida lisäämällä vertailuajaksi valitun mittauksen perusteella saatuun lähetysaikaan ToT arvioitu siirtoviive, eli signaalin kulkuaika satelliitista vastaanottimeen. Siir-toviiveen arviona tässä, kuten kaavassa 1, käytetään 78 ms.

20 7^) = 7^)+0.078 (4) • ·

Sen jälkeen, kun GPS-aika on alustavasti määritetty, voidaan mitatut *: *'; pseudoetäisyydet määrittää vähentämällä lasketut signaalin lähetyshet- ·.-j ket GPS-ajan arviosta ja kertomalla tulos valonnopeudella seuraavasti: :"’25 •h p (5) • · • · • · · jossa c tarkoittaa valon nopeutta tyhjiössä, yläindeksi j ilmaisee sen, : minkä satelliitin signaalista mitattu arvo on (esim. 1—4), ja alaindeksi m .---30 ilmaisee, että kyseessä on mitattu, ei arvioitu, pseudoetäisyys.

:.i : Arvioidut pseudoetäisyydet lasketaan suhteessa käyttäjän vastaanotti- men sijaintiin xu sekä satelliittien sijainteihin ^(f^) arvioidulla lähe- tyshetkellä ToT. Satelliittien sijainnit lasketaan sinänsä tunnettujen ..,.35 yhtälöiden avulla ajan funktiona. Tässä näitä arvioituja pseudoetäi-syyksiä on yksinkertaisuuden vuoksi esitetty seuraavalla kaavalla: 110292 17 fi=f{tops>\) (6) sen ilmaisemiseksi, että arvioidut pseudoetäisyydet perustuvat vain ar-5 vioituun GPS-aikaan ja arvioituun käyttäjän sijaintiin. Kaavassa (6) termi f merkitsee (voimakkaasti) epälineaarista funktiota, alaindeksi p ilmaisee sitä, että kyseessä on arvio, ja xu on arvioitu käyttäjän sijainti, jossa viiva muuttujan yläpuolella merkitsee sitä, että kyseessä on vektori.

10 Käyttäjän sijainti xu sekä arvioidun GPS-ajan ja todellisen GPS-ajan välinen ero voidaan laskea esimerkiksi pienimmän neliösumman menetelmällä iteratiivisesti. Tämä menetelmä on sinänsä tunnettu. Pienimmän neliösumman menetelmässä ratkaistaan seuraava yhtälöjoukko: 15

Pm + -M (7)

Tavoitteena on löytää sellainen sijaintitieto xu ja aikavirhe Atu, jotka parhaiten sopivat M kappaleeseen mittauksia. Tämän yhtälöryhmän 20 ratkaisu on sinänsä suoraviivainen: ·:··: ={htH)' HTKp (8) ·. : lAj • « · • · · jossa ί,.έδ :...; Ap = pj;-p;j=i...M (9) tdu on sijainnin korjausvektori,

Atu on aikavirheen korjaus • · · • · ·* ja : :'30 H = pisteessä xu arvioitujen pseudoetäisyyksien linearisoitu

Jacobin matriisi.

* ; Pienimmän neliösumman menetelmän antama ratkaisu on optimaali nen virheiden neliöiden summan (SSE, sum of squared errors) suhteen 110292 18 tarkasteltuna. Tämä virheiden neliöiden summa voidaan arvioida kaavalla: f γμ Ti 7 Γμ Ti SSE= Ap-H u Ap-H " (10)

v L^uJJ I LAiJJ

5 Järjestämällä termejä uudelleen ja käyttämällä hieman erilaisia ilmaisuja termeille voidaan kaava (7) kirjoittaa seuraavasti: PL(TGPs) = XSV^GPs)~Xu +Ctu,j — (11) 10

Sulkumerkintä merkitsee sitä, että kyseinen termi perustuu suluissa esitettyyn parametriin. Tällaista esitystapaa käyttäen voidaan selvästi havaita, että mitatut pseudoetäisyydet ovat todellisen GPS-ajan funktioita ja muut ovat arvioidun GPS-ajan funktioita. Jos vertailukellon aika-15 tieto on olennaisesti sama kuin todellinen GPS-aika, voidaan vastaanottimen aikavirhe esittää seuraavan kaavan mukaisena aikaerona: = AT = TGPS - TGPS (12) \ 20 Epätarkan vertailukellon 15 vaikutus sijainninmääritykseen on havaitta- .‘..j vissa edellä esitetyistä kaavoista 11 ja 12. Jos vertailukellon 15 aika- • · . . tieto poikkeaa merkittävästi todellisesta GPS-ajasta, ei kaavan 11 en- *;./ simmäinen termi perustu todelliseen GPS-aikaan. Vastaanottimen ai- ···[ kavirhettä ei tässä tilanteessa myöskään voida esittää kaavan 12 mu- '"’25 kaisena aikaerona. Tällöin kellovirhe Atu ei ole välttämättä sama kuin todellisen ja arvioidun GPS-ajan välinen ero, vaan se kuvaa alibittita-solla havaittavissa olevia aikaeroja. Nämä aikaerot, jotka alibittitasolla voidaan havaita, ovat kuitenkin alle 1 ms:n mittaisia eroja, joten pelkäs-·"; tään näillä alibittitason mittauksilla ei voida selvittää vertailukellon 15 ;.30 epätarkkuudesta aiheutuvia, jopa satojen sekuntien mittaisia eroja.

'·;· Vertailukellon 15 epätarkkuus aiheuttaa myös sen, että edellä esitetty-jen kaavojen perusteella lasketut satelliittien SV1—SV4 sijainnit eivät ·:··: myöskään välttämättä vastaa niiden todellista sijaintia, mikä samalla 110292 19 merkitsee, että vastaanottimen MS sijainninmääritys voi olla merkittävästi virheellinen. Tämän vuoksi on kellovirhe pyrittävä selvittämään mahdollisimman tarkasti.

5 Kaavassa 12 AT esittää tätä todellista kellovirhettä arvioidun ajan, fGPS, ja todellisen GPS-ajan, TGPS, välillä. Tämä todellinen kellovirhe AT on siis pyrittävä selvittämään. Nyt esillä olevan keksinnön mukaisessa menetelmässä käytetään optimointia. Tämän toteuttamiseksi määritetään sijainninmääritykselle virhearvo, joka kuvaa sitä, miten hy-10 vin sijainninmääritys vastaa todellista sijaintia. Optimoinnilla pyritään minimoimaan tämä virhearvo ikään kuin liuottamalla satelliitteja niiden ratatietojen perusteella ja etsimällä sellainen aikatieto, jota vastaavilla satelliittien sijainneilla saavutetaan pienin virhe. Seuraavassa keksinnön erään edullisen suoritusmuodon mukaisen menetelmän kuvauk-15 sessa virhearvoksi on esimerkinomaisesti valittu kaavalla 10 muodostettava virheiden neliöiden summa SSE.

Sen jälkeen kun laskentapalvelimessa S on laskettu sijainti ainakin yhden kerran jollakin kellovirheen AT arvolla, lasketaan myös tämä vir-20 hearvo SSE ja tallennetaan se muistiin. Seuraavaksi muutetaan satelliittien sijaintitietoa jonkin verran. Tämä voidaan tehdä siten, että muutetaan arvioitua GPS-aikaa (kellovirhe AT muuttuu), minkä jälkeen tämän muutetun GPS-ajan ja satelliittien ratatietojen perusteella lasketaan satelliittien sijainnit ja vastaanottimelle uusi (4-dimensioinen) ’.25 paikka-aika -ratkaisu (kaavat 7, 8, 9). Tämän jälkeen voidaan suorittaa \ virhearvon SSE laskenta uudelleen kaavalla 10 uudelle vertailukellon virhearvolle AT käyttämällä tätä uutta paikka-aika -ratkaisua. Verra-···’ taan tallennettua virhearvoa SSE nyt laskettuun arvoon. Jos virhearvo SSE kasvoi, muutetaan satelliittien sijaintitietoa toiseen suuntaan ja :.-·30 lasketaan jälleen virhearvo SSE ja suoritetaan vertailu tallennetun ja lasketun virhearvon välillä. Jos virhearvo SSE pieneni, tallennetaan . j·. uusi virhearvo SSE muistiin. Lisäksi muutetaan satelliittien sijaintitietoa » · · edelleen samaan suuntaan, lasketaan virhearvo SSE ja suoritetaan vertailu tallennetun ja lasketun virhearvon välillä. Edellä esitettyjä \'·35 vaiheita toistetaan, kunnes on löydetty virhearvolle SSE olennaisesti pienin arvo. Tämän pienimmän arvon etsimiseksi voidaan haun 110292 20 tarkentuessa pienentää arvioidun GPS-ajan muutosta, jolloin iteratiivisesti voidaan päästä haluttuun tarkkuuteen minimin löytämisessä. Edellä esitetyn virhearvon SSE optimoimiseksi tunnetaan useita muitakin eri mahdollisuuksia ja ne ovat alan asiantuntijan tuntemaa tekniik-5 kaa, joten niiden tarkempi käsittely tässä yhteydessä ei ole tarpeen.

Sen jälkeen kun minimi halutulla tarkkuudella on löydetty, on tiedossa aikavirhe AT. Tämän aikavirheen AT määritystarkkuuteen voi vaikuttaa mm. aikavirheen määrityksessä käytettyjen satelliittien konstellaatio 10 ja signaaliin sekoittunut kohina. Tällöin aikavirheessä voi vielä olla muutaman millisekunnin virhe.

Sijainninmääritysvastaanottimessa MS pyritään vielä tarkentamaan paikallista aikatietoa bittien reunojen perusteella edullisesti seuraavasti. 15 Sinänsä tunnetulla symboli-ilmaisimella 18 pyritään synkronoitumaan ainakin yhden vastaanottokanavan signaaliin bittien reunojen ilmaisemiseksi. Tällaisella symboli-ilmaisimella 18 on useissa tilanteissa mahdollista selvittää bittien vaihtumiskohta, vaikka itse bittien arvoja ja sitä, mikä bitti kulloinkin on kyseessä, ei esim. huonosta signaali-kohi-20 nasuhteesta johtuen voisikaan selvittää. Edellä esitetyn karkeamman aikatiedon selvittämisen jälkeen sijainninmääritysvastaanottimessa MS

. . on kuitenkin selvillä se, mikä on muuttujan TTOWi arvo. Symboli-ilmaisin • · .‘..J voi käsittää esim. vaihelukitun silmukan (ei esitetty) tai vastaavan.

. . Symboli-ilmaisimelta 18 on lukittumisen jälkeen mahdollista saada :.]Ϊ5 vertailuaika johonkin bitin reunaan. Signaalin moduloinnissa kukin bitti '···; käsittää 20 koodijaksoa, eli bitin pituus on 20 ms. Kun tiedetään bitin pituus, tiedetään myös se, millä diskreeteillä ajanhetkillä bitti voi vaih-tua. Lisäksi sijainninmääritysvastaanottimessa MS on tiedossa, mikä on vastaanotetun signaalin viimeisimmän koodijakson vaihtumisen :/.30 jälkeen vastaanotettujen kokonaisten alibittien lukumäärä ja koodi-·"*; vaihe. Nyt voidaan aika-arviota täsmentää tämän bitin reunan perus-\ teella, koska oletetaan, että aikatiedon virhe on alle 20 ms (=yhden bitin pituus).

.-/.55 Tämän jälkeen voidaan sijainninmääritysvastaanottimen MS vertailu-·:·· kello 15 asettaa laskettua GPS-aikaa vastaavaan aikaan ja suorittaa uusi sijainnin laskenta käyttämällä tarkennettua aikatietoa.

110292 21

Aika-arvion täsmentämisen suorittamiseksi riittää, että bitin reuna saadaan ilmaistua yhdellä vastaanottokanavalla. Tällöin, mikäli muilla vastaanottokanavilla ei saada bitin reunan ilmaisemiseksi riittävän 5 hyvälaatuista signaalia, voidaan yhden kanavan avulla määrittää GPS-aika ja käyttää tätä tietoa tämän jälkeen muiden vastaanottokanavien bittien reunojen ennustamiseen.

Eräs vaihtoehto minimikohdan löytämiseksi on suodatus, jossa joka 10 sijainninmäärityskerralla ratkaistaan aikavirhe ΔΓ uudestaan ja suoritetaan aikavirheelle numeerinen suodatus, esim. siten, että keskiarvote-taan eri kerroilla saadut aikavirheet. Tällöin aikavirhe alkaa lähestyä oikeaa arvoa. Tällä tavalla voidaan mittauksissa mahdollisesti esiintyneen kohinan vaikutusta pienentää.

15

Kuvissa 4a ja 4b on esitetty vielä kaksiulotteisena kuvauksena tätä keksinnön edullisen suoritusmuodon mukaisen menetelmän periaatetta. Kuvassa on esitetty kolme satelliittia SV1, SV2, SV3. Katkoviivoi-tetuilla nuolilla D1, D2, D3 on kuvattu näiden satelliittien liikeratoja. Ku-20 kin ympyrä C1, C2, C3 kuvaa sitä aluetta, jossa ao. satelliitin perusteella laskettu sijainninmääritysvastaanottimen MS sijainti on. Tällöin ·. : sijainninmääritysvastaanottimen MS sijainti on näiden kolmen satelliitin • · ‘ : perusteella määritettyjen ympyröiden leikkausalueella, joka on merkitty ! viitteellä X. Kuvan 4a tilanteessa aikavirhe on vielä melko suuri, mutta ‘25 kuvan 4b tilanteessa on aikavirhettä tarkennettu keksinnön mukaisella menetelmällä, jolloin sijainnin epätarkkuus on jo melko pieni.

j Sen jälkeen kun sijainnimääritysvastaanottimen MS vastaanottokanava on tahdistunut jonkin satelliitin SV1, SV2, SV3, SV4 signaaliin, voidaan •.‘•,$30 sijainnimääritysvastaanottimessa MS aloittaa signaalissa lähetetyn na-.··*: vigointi-informaation ilmaisu ja tallennus, mikäli mahdollista. Digitaali nen signaalinkäsittely-yksikkö 3 tallentaa navigointi-informaatiota edulli- sesti muistiin 4.

: -,.35 Keksintöä voidaan soveltaa myös sellaisessa järjestelmässä, jossa sa-telliittien avulla suoritettavan sijainninmäärityksen ohella käytetään esim. matkaviestinjärjestelmää apuna. Tällöin voidaan matkaviestinjär- 110292 22 jestelmän kolmen tai useamman tukiaseman BS, BS’, BS”, joiden sijainti tunnetaan, avulla selvittää vastaanottimen MS sijainti jollakin, tyypillisesti GPS-paikannusta jossain määrin huonommalla tarkkuudella käyttämällä matkaviestinjärjestelmän kulkuaikamittaustoimintoja sig-5 naalin kulkuajan tukiasemasta ja vastaanottimeen määrittämiseksi. Näiden kulkuaikamittausten avulla voidaan selvittää vastaanottimen MS ajallinen etäisyys eri tukiasemista, jolloin vastaanottimen MS sijainti on selvitettävissä.

10 Eräänä toisena vaihtoehtona on se, että selvitetään signaalin saapu-miskulmat a, a1, a" (Angle-Of-Arrival, AOA) matkaviestimestä MS kahteen tai useampaan tukiasemaan BS, BS', BS" ja välitetään laskennan suorittavaan laitteeseen, kuten laskentapalvelimeen S tai vastaanottimeen MS näitä määritettyjä signaalin saapumiskulmatietoja. Tällöin 15 voidaan määrittää vastaanottimen MS suunta ainakin kahteen tukiase maan BS, BS1, BS" nähden signaalin saapumiskulmien perusteella.

Vielä eräänä vaihtoehtona on mm. se, että selvitetään sekä signaalin kulkuaika että saapumiskulma a, a', a" (kuva 1) matkaviestimestä 20 ainakin yhteen tukiasemaan BS, BS', BS" ja välitetään laskennan suorittavaan laitteeseen, kuten vastaanottimeen MS näitä määritettyjä ·. : signaalin kulkuaika- ja saapumiskulmatietoja. Tällöin voidaan määrittää ‘ vastaanottimen MS suunta ja etäisyys d, d’, d” ainakin yhteen tukiase-! maan BS, BS', BS" nähden signaalin kulkuajan ja saapumiskulman ; '25 perusteella.

Tätä järjestelyä voidaan hyödyntää esim. silloin, kun vastaanottimella J MS ei saada vastaanotettua satelliittien lähettämää signaalia, tai sig- naalinvoimakkuus on niin heikko, että alibittitason mittauksia ei saada :\30 suoritettua. Tällöin tilanteessa, jossa satelliittipaikannusta voidaan jäi-• · leen käyttää, oletussijainniksi voidaan valita esim. mainittujen tukiase-\ mien perusteella määritetty vastaanottimen MS sijainti.

| :···: Edellä esitettyjä laskutoimituksia suoritetaan keksinnön erään edullisen :\35 suoritusmuodon mukaisessa menetelmässä edullisesti digitaalisessa signaalinkäsittely-yksikössä 3 ja/tai ohjauslohkossa 7. Tätä varten on sovellusohjelmistoon muodostettu tarvittavat ohjelmakäskyt sinänsä 110292 23 tunnetusti. Laskutoimitusten tuloksia ja mahdollisesti tarvittavia välituloksia tallennetaan muistiin 4, 8. Sijainninmäärityksen suorituksen jälkeen voidaan sijainninmääritysvastaanottimen määritetty sijainti esittää edullisesti näytöllä 12 esim. koordinaattimuodossa. Näytöllä 12 voidaan 5 esittää myös sen alueen karttatietoja, jossa käyttäjän sijainninmääritys-vastaanotin MS sillä hetkellä sijaitsee. Nämä karttatiedot voidaan ladata esim. matkaviestinverkon kautta edullisesti siten, että sijainnin-määritysvastaanottimen MS matkaviestintoiminnoista lähetetään määritetyt sijaintitiedot tukiasemaan BS, joka välittää ne edelleen käsiteltä-10 väksi, esim. matkaviestinkeskukseen (ei esitetty). Tarvittaessa matkaviestinverkosta otetaan yhteys esim. Internet-verkon kautta sellaiseen palvelimeen (ei esitetty), jossa ao. alueen karttatietoja on tallennettuna. Tämän jälkeen karttatiedot lähetetään matkaviestinverkon kautta tukiasemaan BS ja edelleen sijainninmääritysvastaanottimeen MS.

15

Vaikka edellä on keksintöä kuvattu sijainninmääritysvastaanottimen MS yhteydessä, on selvää, että keksintöä voidaan soveltaa myös muun tyyppisissä elektroniikkalaitteissa, joissa on välineet elektroniikkalaitteen sijainninmäärityksen suorittamiseksi. Tällöin nämä välineet elekt-20 roniikkalaitteen sijainninmäärityksen suorittamiseksi käsittävät keksin nön edullisen suoritusmuodon mukaisen sijainninmääritysvastaanotti- ·. : men MS.

«» • a a • * · a · | Keksintöä voidaan vielä soveltaa myös muiden langattomien tiedonsiir-• · toverkkojen kuin matkaviestinverkkojen yhteydessä. Tällöin jonkin, si-jainninmääritysvastaanottimen läheisyydessä olevan tunnetun pisteen * sijainti voidaan vastaanottaa langattoman tiedonsiirtoverkon kautta.

• · » a

On selvää, että nyt esillä olevaa keksintöä ei ole rajoitettu ainoastaan :\30 edellä esitettyihin suoritusmuotoihin, vaan sitä voidaan muunnella » a oheisten patenttivaatimusten puitteissa.

a • · a » · a 1 a a i »»taa a >

Claims (15)

110292 24

1. Menetelmä vastaanottimen (MS) vertailuajan (15) virheen määrittämiseksi sijainninmääritysvälineissä (S, MS), jossa menetelmässä vas-5 taanotetaan satelliittien (SV1—SV4) lähettämää koodimoduloitua signaalia, joka muodostetaan kullekin satelliitille (SV1—SV4) yksilöllisellä koodilla, ja koodimoduloitua signaalia moduloidaan ainakin binäärisellä modulointi-informaatiolla, jossa menetelmässä selvitetään sijainninmäärityksessä käytettävästä satelliitista vastaanotetun 10 signaalin lähetyshetki (f7koT), jota käytetään satelliitin sijainnin määrityksessä, tunnettu siitä, että vertailuajan virheen määrittämiseksi suoritetaan sijainninmääritys, ja lasketaan määritetyn sijainnin perusteella virhearvo (SSE), että menetelmässä etsitään virhearvon minimikohta määrittämällä vastaanottimen (MS) sijainti 15 ainakin kahdella eri signaalin lähetyshetkeä vastaavalla satelliittien sijainnilla ja laskemalla virhearvo (SSE) mainituille ainakin kahdelle määritetylle vastaanottimen (MS) sijainnille, jolloin vertailuajan virhe määritetään etsityn virhearvon minimikohdan perusteella, että vastaanottimessa suoritetaan lisäksi modulointi-informaation bitin 20 vaihtumishetken selvitys, ja että mainittua bitin vaihtumishetkeä käytetään vertailuajan virheen tarkentamiseen.

• « ·:··: 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että moduloinnissa käytettävä koodi muodostetaan joukosta alibittejä, jolloin 25 mainitulla joukolla alibittejä moduloitu signaali muodostaa koodijakson, jota koodimoduloinnissa toistetaan, että vastaanottimessa (MS) käyte-,···, tään kunkin satelliitin yksilöllistä koodia vastaavaa vertailukoodia ’···’ (ref(k)) koodijakson vaihtumisen ja koodivaiheen (Tjhip(k)) selvittämi- . seksi, jolloin vastaanottimessa (MS) selvitetään 30 sijainninmäärityshetkeä edeltävän koodijakson vaihtumisen jälkeen • vastaanotettujen alibittien lukumäärä ja koodivaihe {Tjhip{k)). * ·

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, , että bitin vaihtumishetken määritys suoritetaan symboli- ::: 35 ilmaisimella (18). 110292 25

4. Patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen menetelmä, jossa tietoa lähetetään alikehyksissä, ja ainakin yhdessä alikehyksessä lähetetään lähetetään tietoa kellonajasta, tunnettu siitä, että bitin vaihtumishetken perusteella lasketaan aika, joka on kulunut 5 viimeisimmän vastaanotetun alikehyksen alusta, ja että vertailuajan virheen täsmentäminen suoritetaan mainitun lasketun ajan perusteella.

5. Jonkin patenttivaatimuksen 1—4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sijainninmäärityksessä käytetään ainakin neljän satelliitin 10 (SV 1 —SV4) lähettämää signaalia.

6. Jonkin patenttivaatimuksen 1—5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että satelliitteina (SV1—SV4) käytetään GPS-järjestelmän satelliitteja. 15

7. Paikannusjärjestelmä, joka käsittää vastaanottimen (MS), joka käsittää ainakin välineet (15) vertailuajan muodostamiseksi, ja välineet (1, 2a—2d) satelliittien (SV1—SV4) lähettämän koodimoduloidun signaalin vastaanottamiseksi, joka koodimoduloitu signaali on muodostettu 20 kullekin satelliitille (SV1—SV4) yksilöllisellä koodilla, ja koodimoduloitua signaalia on moduloitu ainakin binäärisellä modulointi-informaatiolla, ja joka paikannusjärjestelmä (S, MS) käsittää välineet (3,5,7,9) sijainninmäärityksessä käytettävästä satelliitista .·. : vastaanotetun signaalin lähetyshetken (ffoT) selvittämiseksi, ja välineet ;··. 25 (3,7) satelliitin sijainnin määrittämiseksi, tunnettu siitä, että paikannusjärjestelmä käsittää lisäksi sijainninmääritysvälineet (S, MS, 3,4) vastaanottimen (MS) sijainnin (xu) määrittämiseksi, välineet (3, 4, 7) määritetyn sijainnin (xu) perusteella virhearvon (SSE) .... laskemiseksi, välineet (3,7) virhearvon minimikohdan etsimiseksi 30 määrittämällä vastaanottimen (MS) sijainti (xu) ainakin kahdella eri signaalin lähetyshetkeä vastaavalla satelliittien sijainnilla (jcjv) ja ; laskemalla virhearvo (SSE) mainituille ainakin kahdelle määritetylle ...: vastaanottimen (MS) sijainnille (*„), jolloin vertailuajan virhe on : järjestetty määritettäväksi etsityn virhearvon minimikohdan perusteella, 35 ja että vastaanotin (MS) käsittää lisäksi välineet (18) modulointi- informaation bitin vaihtumishetken selvittämiseksi, ja välineet mainitun 110292 26 bitin vaihtumishetken käyttämiseksi vertailuajan virheen tarkentamiseen.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen paikannusjärjestelmä, tunnettu 5 siitä, että moduloinnissa käytettävä koodi on muodostettu joukosta ali- bittejä, jolloin koodijakso on muodostettu mainitulla joukolla alibittejä moduloidusta signaalista, jota koodimoduloinnissa toistetaan, että vastaanotin (MS) käsittää välineet (16) vertailukoodin (ref(k)) muodostamiseksi, välineet koodijakson vaihtumisen ja 10 sijainninmäärityshetkeä edeltävän koodijakson vaihtumisen jälkeen vastaanotettujen alibittien lukumäärän ja koodivaiheen (T(jhip(k)) selvittämiseksi mainitun vertailukoodin perusteella.

9. Patenttivaatimuksen 7 tai 8 mukainen paikannusjärjestelmä, 15 tunnettu siitä, että välineet (18) modulointi-informaation bitin vaihtumishetken selvittämiseksi käsittävät symboli-ilmaisimen.

10. Patenttivaatimuksen 7, 8 tai 9 mukainen paikannusjärjestelmä, jossa tietoa on järjestetty lähetettäväksi alikehyksissä, ja ainakin 20 yhdessä alikehyksessä on järjestetty lähetettäväksi tietoa kellonajasta, tunnettu siitä, että paikannusjärjestelmä käsittää välineet (3,7) viimeisimmän vastaanotetun alikehyksen alusta kuluneen ajan ·:··; laskemiseksi bitin vaihtumishetken perusteella, ja välineet (3,7) vertailuajan virheen täsmentämiseksi mainitun lasketun ajan ,:··! 25 perusteella.

11. Jonkin patenttivaatimuksen 7—10 mukainen paikannusjärjestelmä, ’*··* tunnettu siitä, että sijainninmäärityksessä on käytetty ainakin neljän satelliitin (SV1—SV4) lähettämää signaalia. 30

12. Jonkin patenttivaatimuksen 7—11 mukainen paikannusjärjestelmä, ! : tunnettu siitä, että vastaanotetut signaalit ovat GPS-järjestelmän sa- .: · ·! telliittien lähettämiä signaaleja.

13. Jonkin patenttivaatimuksen 7—12 mukainen paikannusjärjestelmä, tunnettu siitä, että vastaanotin käsittää välineet (10, 11, 12, 13, 14a, 14b, 14c) matkaviestintoimintojen suorittamiseksi. 27 110292

14. Elektroniikkalaite (MS), joka käsittää ainakin välineet (15) vertailu-ajan muodostamiseksi, ja vastaanottimen (MS), joka käsittää välineet (1, 2a—2d) satelliittien (SV1—SV4) lähettämän koodimoduloidun sig-5 naalin vastaanottamiseksi, joka koodimoduloitu signaali on muodostettu kullekin satelliitille (SV1—SV4) yksilöllisellä koodilla, ja koodimoduloitua signaalia on moduloitu ainakin binäärisellä modulointi-informaatiolla, välineet (3, 5, 7, 9) sijainninmäärityksessä käytettävästä satelliitista vastaanotetun signaalin lähetyshetken (7/or) selvit- 10 tämiseksi, ja välineet (3,7) satelliitin sijainnin määrittämiseksi, tunnettu siitä, että elektroniikkalaite (MS) käsittää lisäksi sijainninmääritysvälineet (S, MS, 3, 4) vastaanottimen (MS) sijainnin (xu) määrittämiseksi, välineet (3,4,7) määritetyn sijainnin (iH) perusteella virhearvon (SSE) laskemiseksi, välineet (3,7) virhearvon 15 minimikohdan etsimiseksi määrittämällä vastaanottimen (MS) sijainti (jcJ ainakin kahdella eri signaalin lähetyshetkeä vastaavalla satelliittien sijainnilla (χ$ν) ja laskemalla virhearvo (SSE) mainituille ainakin kahdelle määritetylle vastaanottimen (MS) sijainnille (xu), jolloin vertailuajan virhe on järjestetty määritettäväksi etsityn virhearvon 20 minimikohdan perusteella, ja että vastaanotin (MS) käsittää lisäksi ·. ; välineet (18) modulointi-informaation bitin vaihtumishetken ] ! selvittämiseksi, ja välineet mainitun bitin vaihtumishetken käyttämiseksi ! ! vertailuajan virheen tarkentamiseen. : · t · · 110292 28