JP4191605B2 - 低電力動作の間にgps信号を取得する校正された実時間クロック - Google Patents
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Description
(発明の分野)
本発明は概して全地球的測位システム(GPS;Global Positioning System)受信機に関する。特に低電力動作期間において正確なGPS受信機クロック回路を維持することに関する。
全地球的測位システム(GPS;Global Positioning System)は、24個の地球軌道を周回する衛星の集まりである。各GPS衛星は、地表からほぼ11,000マイル上空の正確な軌道上を移動する。GPS受信機は、正確な位置を決定するために少なくとも3個の衛星を補足する。各衛星は、独自の擬似雑音(PN;Pseudo Noise)符号を用いて変調された信号を送る。各PN符号は、1.023メガヘルツ(MHz;Mega Hertz)のチップレートに一致するミリ秒(ms;milli second)毎に繰り返される1023のチップの系列である。各衛星は、同一の周波数で信号を送信する。民間利用には、周波数がL1として知られ、その周波数は1575.42MHzである。GPS受信機は、受信機から見える衛星群からの送信信号が混合した信号を受信する。受信機は、受信した信号と特定の衛星のPN符号をシフトしたものとの相関をとることで、その特定の衛星の送信信号を検出する。相関の水準が十分に高く、特定のシフトとPN符号で得られる相関の水準にピークがある場合、受信機はその特定のPN符号に対応する衛星からの送信信号を検出する。そして受信機は、そのシフトされたPN符号を用いてその衛星から順次送られてくる送信信号との同期を獲得する。
GPS受信機ユニットの位置を計算するために使用される衛星情報をGPS受信機ユニットが積極的に取得しない期間は、選択された構成要素の動作を停止することで、全地球的測位システム(GPS;Global Positioning System)受信機ユニットの電力が節約される。低電力時刻保持回路に搭載されたK32(典型的には通常 32,768 Hz)発振器は、選択された構成要素が動作を停止している間も、GPS時刻を正確に保持する。
1.GPS環境の概要
図1は全地球的測位システム(GPS;Global Positioning System)受信機の動作環境の例を示す。図1はGPS受信機ユニット100と4つのGPS衛星102、104、106および108を示す。衛星102、104、106および108はいずれも、GPS受信機ユニット100に信号を送信している。衛星102はGPS受信機ユニット100へ向かう方向に視線(LOS;line of site)110に沿って速度νa +で移動している;衛星104はGPS受信機ユニット100から離れる方向にLOS112に沿って速度νb −で移動している;衛星106はGPS受信機ユニット100から離れる方向にLOS106に沿って速度νc −で移動している。その結果として、搬送波周波数をλと仮定すると、衛星102からの送信信号は正のドップラーシフトνa +/λを経験する;衛星104からの送信信号は負のドップラーシフトνb −/λを経験する;衛星106からの送信信号は負のドップラーシフトνc −/λを経験する。
図2は低電力時刻保持回路200を備えるGPS受信機ユニット100の選択された構成要素を図示するブロック図である。GPS受信機ユニット100は少なくとも無線202、ローカルGPS発振器204、温度センサ206、複数のGPS信号プロセッサチャネル208(1からNまで)、航行プロセッサ210、マッチドフィルタ212、A/D変換機214、ローカルGPSクロック生成器216、エッジ整列比率カウンタ218、メモリ220および低電力時刻保持回路200を備える。メモリ220はさらに起動アラームロジック222とGPSクロック低電力時刻保持(LPTK;Low Power Time Keeping)回路誤差の温度/周波数誤差表224の割り当て位置を備える。図2は一般的に本発明の動作および機能に関連するこれら構成要素を図示することに限定される。図示されない他の構成要素はGPS受信機ユニット100に含まれる。これら省略された構成要素の動作および機能は、必ずしも本発明に関連のあるものではないため、これらの省略された構成要素は図2にも図示されないし、詳細についても記述されない。
接続238を経由して、温度センサ206はローカルGPS発振器204の動作温度を検出する。感知された温度情報は接続240を通じてA/D変換器214へ供給される。A/D変換器214は動作温度情報を適切な形式に変換し、接続242を経由してその情報を航行プロセッサ210へ供給する。温度センサ206およびA/D変換器214は温度検出の技術分野で良く知られた構成要素および技術を用いることで実装されるだろう。温度センサ206および/またはA/D変換器214によって実施される温度感知機能は、温度感知の技術分野において通常用いられるどのような種類の電気的な、電子部品を用いた、および/またはファームウェアの類の温度センサあるいは手段を用いても実装されるだろう。本発明において用いられるそのような温度センサは、温度感知の技術分野で通常用いられる構成要素および技術を用いたソフトウェアおよびファームウェアの組み合わせによって実装される。個別の構成要素を含む温度センサ206およびA/D214の詳細な動作は、発明の動作および機能を理解するために必要な程度以上には詳細に記述されない。当該技術分野の技量を有する者は、本発明の機能および動作から実質的に離れることなく、温度センサ206およびA/D変換器214は良く知られた種々のデバイスを用いて実装されるだろうことに気付くだろう。
図3は低電力時刻保持回路200を備えるGPS受信機ユニット100の詳細を付加的に図示したブロック図である。低電力時刻保持回路200は、少なくともK32発振器302、信号ラッチ304、温度センサ308および低電力クロック306をさらに備えている。
電力を節約するために、多くのGPS受信機ユニット100の構成要素、およびGPSデバイスの他の構成要素は、電力を切られる。スリープ期間あるいはスリープモードと呼ばれる、電力を節約するために構成要素の電力が切られている期間の間、後述するように本発明は正確にGPS時刻を捕捉し続ける。それゆえ、例えば「起動イベント」に応じて、あるいは特定された位置を示す他の信号に応じて、GPS受信機ユニット100がスリープモードを脱するとき、GPS時刻は正確に維持されており、GPS衛星を捕捉してGPS受信機ユニット100の位置を特定するために要求される時間は最短となる。
起動コマンドが起ち上げを開始するとき、ローカルGPSクロック生成器216(図2)によって供給されるクロック信号(例えばT20エポック)は、GPS受信機ユニット100(図1)が、GPS衛星の距離を計測する目的で共通のGPS時刻フレームを再推定するために、最初の衛星信号を再取得して6秒間のデータサブフレームを収集することなく、位置を更新することが可能な正確さの範囲には存在しないだろう。しかしながら、低電力時刻保持回路200によって保持された時刻に基づいて、電力低減期間の終了以降に航行プロセッサ210(図2)によって推定されたPN符号および入力されるPN符号が、入力されるGPS衛星信号の実際のPN符号時刻の± 0.5 ms以下の精度に維持され得る場合、GPS衛星信号は迅速に再取得され、共通のローカルGPS時刻フレームに関する計測は、GPS衛星信号を取得して共通の時刻フレームを推定する従来の処理を実施することなく、実行され航行に使用されるだろう。
起動コマンドが受信されるといつでも、K32クロック信号はM11クロック信号の更新に使用される。しかしながら、K32発振器302(図3)から得られるK32クロック信号は、K32発振器302の周波数が温度に依存することによる幾らかの誤差をこうむる。すなわち、動作温度が異なると、K32発振器302の周波数も異なる。一つの実施形態では、温度センサ308はK32発振器302の動作温度を感知する。航行プロセッサ210は検出されるK32発振器302の動作温度と、低電力クロック温度/周波数誤差表224(図3)を比較する。定期的な起動コマンドの時間間隔とK32発振器302の検出される動作温度に基づいて、誤差修正係数が決定され、K32の時刻とレートはK32発振器302の動作温度を補償するよう修正される。すなわち、K32クロック信号は誤差係数によってK32発振器302の実際の動作温度を補償するよう修正される。上述のように、一つの実施形態では、低電力クロック温度/周波数誤差表224のデータは実際の動作中に修正されるデータ履歴に基づいており、それゆえ高度に正確である。
図4、5および6はK32クロック信号を使用してM11クロック信号を更新する処理と、推定されるGPS時刻がGPS受信機ユニット100(図1、2および3)の位置を取得するうえで十分に正確か否かの決定のフローチャートを図示している。電力低減期間の間に航行プロセッサ210(図2)によって推定されるPN符号と入力されるPN符号の時刻誤差が、入力されるGPS衛星信号の実際のPN符号時刻の± 0.5 ms以下である場合、K32クロック信号とM11クロック信号は更新される。図4から図6の処理が完了するころには、GPS受信機ユニット(図1)は、検出されたGPS衛星情報を用いて、例えばGPS発振器204(図2)に関連するM11クロック信号や、K32発振器302(図3)に関連するK32クロック信号といった、クロック信号の更新を既にしているだろう。更新の後、GPS受信機ユニット100はスリープモードに戻る。
GPS受信機ユニット100(図1〜3)の上述の実施形態は、GPS発振器204(図2)が電力を低減している間にも正確なGPS時刻が維持されるように、K32発振器302(図3)から得られるK32クロック信号と、GPS発振器204から得られるM11クロック信号を更新するように、一般的に記述されている。他の実施形態は、GPS衛星からの位置の特定に関連する種々の他のクロック信号を更新する。さらにGPS発振器204は、実質的に 11 MHzに等しい発振周波数を備える信号を供給するように記述されている。同様にK32発振器302は、実質的に 32 kHzの発振周波数を備える信号を生成するように記述されている。GPS受信機ユニットの他の実施形態は、GPS発振器204およびK32発振器302の発振周波数とは異なる発振周波数を備えるGPS発振器および/または低電力時刻保持回路の発振器で実装されてもよい。さらに、低電力時刻保持回路は、構成要素の電力がオフの期間にもGPS時刻の正確さを維持するために使用される、実質的に32kHzのクロック信号を供給するように記述されている。他の実施形態では、低電力時刻保持回路200から供給されるクロック信号は、クロック信号をGPS受信機ユニットに存在する他の構成要素に供給するために使用される。しかしながらそれらの構成要素は、本発明の動作および機能を理解するために必要な範囲以上には詳細に記述されない
図面の構成要素は必ずしも一定の縮尺ではなく、代わりに本発明の原理を明示するために強調が用いられている。さらに、図面中では、同一参照番号は異なる図面を通して対応する部分を示す。
Claims (13)
- 正確な全地球的測位システム(GPS)時刻を維持するシステムであって、
GPS発振器信号を供給するように構成されており、動作の停止と再開が可能なGPS発振器と、
GPS発振器が動作を停止している間、GPS時刻と対応付けられている低電力クロック信号を供給するように構成されている低電力クロックと、
GPS発振器信号と低電力クロック信号をカウントしてそれぞれのカウンタ値を生成し、GPS発振器信号のエッジと低電力クロック信号のエッジが所定の許容範囲内で整列したときにそれぞれのカウンタ値をラッチするように構成されたエッジ整列比率カウンタを備えており、
GPS発振器が動作を再開した後に、エッジ整列比率カウンタを用いて、GPS発振器信号と低電力クロック信号を対応付けることを特徴とするシステム。 - 低電力クロックに結合された温度センサと、
低電力クロックの温度と発振周波数に対応するデータを記憶するように構成された第1のメモリユニットと、
第1のメモリユニットと温度センサに結合され、
誤差修正量が決定されるように、温度センサによって感知された温度と、低電力クロックの温度と発振周波数に対応するデータとを比較するように構成され、
さらに低電力クロックによって供給される低電力クロック信号を修正するように構成されたプロセッサをさらに備えることを特徴とする請求項1のシステム。 - GPS発振器に結合されたGPS発振器温度センサと、
プロセッサに結合された第2のメモリユニットをさらに備えており、
第2のメモリユニットは、GPS発振器の温度と発振周波数に対応するデータを記憶するように構成され、
プロセッサはさらに、GPS発振器の誤差修正量が決定されるように、GPS発振器温度センサによって感知されるGPS発振器温度と、GPS発振器の発振周波数と温度に対応するデータを比較するように構成され、さらにGPS発振器によって供給されるGPS発振器信号を修正するように構成されていることを特徴とする請求項2のシステム。 - GPS受信機ユニット内にある選択された構成要素の動作を停止させる手段と、
その選択された構成要素とGPS発振器を作動させるように構成されているアラームユニットをさらに備えることを特徴とする請求項1のシステム。 - アラームユニットは選択された構成要素を定期的に作動させることを特徴とする請求項4のシステム。
- アラームユニットは位置の問い合わせに応じて選択された構成要素を作動させることを特徴とする請求項4のシステム。
- 正確な全地球的測位システム(GPS)時刻を維持する方法であって、
予め定められた期間の開始時点で、GPS発振器信号を供給するように構成されているGPS発振器の動作を停止する工程と、
その予め定められた期間の間、GPS時刻と対応付けられた低電力クロック信号を供給するように構成されている低電力クロックの動作を継続する工程と、
その予め定められた期間の終了時点で、GPS発振器の動作を再開する工程と、
GPS発振器信号と低電力クロック信号をカウントしてそれぞれのカウンタ値を生成し、GPS発振器信号のエッジと低電力クロック信号のエッジが所定の許容範囲内で整列したときにそれぞれのカウンタ値をラッチするように構成されたエッジ整列比率カウンタを用いて、GPS発振器信号と低電力クロック信号を対応付ける工程を備える方法。 - 低電力クロックの温度を検出する工程と、
低電力クロックの検出された温度に関する誤差修正係数を決定する工程と、
決定された誤差修正係数に従って低電力クロック信号を修正する工程をさらに備えるこ とを特徴とする請求項7の方法。 - 低電力クロック内にある発振器の周波数を感知する工程と、
複数の検出された温度それぞれにおいて感知された発振器の周波数に対応する発振器のデータの表を作成する工程と、
誤差修正係数が決定されるように、発振器のデータに基づいて周波数対温度の修正係数を決定する工程をさらに備えることを特徴とする請求項8の方法。 - GPS発振器の温度を検出する工程と、
検出されたGPS発振器の温度に関するGPS誤差修正係数を決定する工程と、
決定されたGPS誤差修正係数に従ってGPS発振器信号を修正する工程をさらに備えることを特徴とする請求項8の方法。 - GPS発振器の周波数を感知する工程と、
複数の検出された温度のそれぞれにおける感知されたGPS発振器の周波数に対応するGPS発振器のデータの表を作成する工程と、
GPS誤差修正係数が決定されるように、GPS発振器のデータに基づいて周波数対温度の修正係数を決定する工程をさらに備えることを特徴とする請求項10の方法。 - 予め定められた期間の終了時点でアラーム信号を生成する工程と、
GPS発振器信号をGPS時刻と対応付けるためにGPS受信機ユニットの選択された構成要素を作動する工程と、
GPS発振器信号がGPS時刻と対応付けられた後に選択された構成要素の動作を停止する工程をさらに備えることを特徴とする請求項7の方法。 - 検出された温度に従って予め定められた期間を変更する工程をさらに備えることを特徴とする請求項12の方法。
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