KR20070037628A - 저전력 ｇｐｓ 수신기들에 대한 타임 키핑 정확도의 개선 - Google Patents

저전력 ｇｐｓ 수신기들에 대한 타임 키핑 정확도의 개선 Download PDF

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Abstract

이동 디바이스는 수신 신호들의 타이밍 분석에 의해 위치를 결정하는 위치확인 디바이스를 포함하며, 상기 위치확인 디바이스는 타이밍 정확도를 결정하는 시스템을 포함하며, 상기 시스템은 위치확인 디바이스가 비활성인 동안에, 제 1 클록 신호를 연속적으로 발생하는 제 1 신호 발생 수단과, 복수의 이격된 시간 기간들 동안에 제 2 클록 신호를 불연속적으로 발생하는 제 2 신호 발생 수단과, 그리고 제 2 클록 신호로부터의 타이밍 데이터를 이용하여 제 1 클록 신호의 정확도를 결정하는 정확도 결정 수단을 포함하며, 상기 위치확인 디바이스는 제 1 클록의 결정된 타이밍 정확도를 이용하여 위치를 결정하도록 구성된다.
위치확인 디바이스, 시스템 클록, 휴면 클록, 타이밍 정확도, 카운터.

Description

저전력 ＧＰＳ 수신기들에 대한 타임 키핑 정확도의 개선{ENHANCING TIME KEEPING ACCURACY FOR LOW POWER GPS RECEIVERS}
본 발명은 타임 키핑 정확도(time keeping accuracy)를 개선하는 것에 관한 것으로서, 특히 셀룰러 폰들에서 사용되는 저전력 글로벌 위치확인 시스템(GPS) 수신기들에 대한 타임 키핑 정확도를 개선하는 것에 관한 것이다.
위성 위치확인에 기반한 위치확인 시스템들에서, 위치확인 수신기는 삼각측량 기법들을 이용하여, 적어도 4개의 선회하는 위성들로부터의 신호들에 기초하여 자신의 위치를 검출하는 시도를 한다. 위성들은 수신기에 수신될 코드 분할 다중 접속(CDMA) 신호들을 송신한다. 각 CDMA 신호에는 1024비트 길이의 의사 랜덤 잡음(PRN) 코드 시퀀스들이 내장되며, 1Mchip/s의 속도로 연속적으로 송신된다. 각각이 300비트들인 5개 서브프레임들에 50 bit/s로 구조화된 텔레메트리 데이터가, BPSK 변조(배타적 OR)에 의해 PRN 코드상에 중첩된다. 칩(chip)은 PRN 코드의 일 송신 비트에 등가하며, 1 마이크로세컨드 동안 지속된다. 데이터 비트의 길이는 PRN 시퀀스가 20회 반복하게 될 20ms 길이이다. 반송파 위상으로부터 PRN 비트 위치로, 그리고 50 bit/s 변조 에지들 및 추산 위치표(ephemeris)와 기타 위성 매체 데이터를 포함하는 서브프레임들로 확장하는 타이밍 정보는, 모두 정밀한 타이밍과 관련되며, 위성 매체의 내장된(embedded) 원자 시계로부터 도출된다.
정확한 시간 및 PRN 코드 시퀀스들과의 관계가 지상-기반 GPS 수신기에 알려져 있는 것으로 가정하면, 수신 PRN 코드 시퀀스의 시간 천이가 비행 시간(time of flight) 또는 무선 주파수(RF) 전파 지연을 결정하는데에 사용될 수 있는데, 이는 단순히 광 속도로 곱함으로써 위성과 수신기간의 거리를 계산하는데에 사용될 수 있다. GPS 시간의 함수로서 된 위성들의 위치가 50 bit/s 텔레메트리로 송신되기 때문에, 수신기가 또한 정확한 GPS 시간을 알고 있는 경우에, 임의의 시간 순간에서의 정확한 궤도 위치가 계산될 수 있다.
만일 3개의 위성의 x, y 및 z 좌표들이 수학적으로 조합되는 경우에, 이론상으로, 삼각측량 기법들을 통해 GPS 수신기의 위치를 결정할 수 있다. 이것은 GPS 수신기가 위성 원자 시계들에 동기화된 정확한 GPS 시간을 알고 있는 것으로 가정한다. 비용과 크기에 의해, 이동 핸드셋에서 이러한 매우 정확한 시간 기준들을 사용할 수 없기 때문에, GPS에 의해 제 4 위성 측정이 이루어지는데, 여기서, GPS 수신기는 4개의 연립 방정식들에서 x, y 및 z 변수들과 함께 시간이 또 하나의 변수로서 해석되게 한다. 이 식들의 솔루션 결과는 포지션 픽스(position fix) 및 서브-마이크로세컨드 정확도로 알려진 GPS 시간이다. 따라서, 정확한 시간은 포지션 픽스를 획득한 결과이다.
만일 추가적인 고정 위치들이 요구되는 경우에, 정확한 시간은 정확하게 유지되어야 한다. 위치 수신기의 내부 클록 신호는 이전의 픽스(fix) 이후에 경과된 시간을 결정하는데에 사용된다. 만일 클록 신호에 부정확성이 있는 경우에, 텔레메 트리 데이터의 가장 근접한 비트 에지 또는 심지어 프레임 에지에의 부정확한 재동기화 크기에 대한 의존이 또 하나의 포지션 픽스가 발생할 수 있기 이전에 요구될 수 있다. 이는 이러한 재-획득(re-acquisition)에 요구되는 시간 및 에너지의 관점에서 매우 값비쌀 수 있다. 더욱이, 빌딩들 또는 밀림과 같은 저 신호 영역들에서, 0.5ms보다 큰 시간 에러는 비트 에지들 위치를 결정하는데에 필요한 보다 높은 신호 강도 때문에, 트랙킹(tracking)을 유지할 수 없게 됨을 의미한다.
위치확인 디바이스들의 전력 소모 감소는 특히, GPS 수신기가 이동 전화기에 포함되어 있는 경우에, 설계자들의 주요 관심사가 된다. 보다 낮은 전력 소모는 보다 작은 배터리가 사용될 수 있으며, 이에 따라 보다 소형의, 보다 경량의 이동 전화기들이 설계될 수 있음을 의미한다.
일부 GPS 수신기들은 픽스들 간에서 GPS 시간을 유지하도록 실행되는 매우 정확한 시스템 클록을 유지하지만, 그 고주파는 발진기가 단독으로 밀리암페어 범위의 전류 소모를 차지할 것이며, 이는 네비게이션 및 위치 기반 응용들에 대해, 95% 시간 동안에 쉽게 이루어질 수 있음을 의미한다. 이는 사용되는 에너지량 때문에 명백히 바람직하지 않게 될 것이며, 따라서, 배터리 크기가 요구된다.
일반적으로, GPS 수신기에서 사용되는 RTC(실시간 클록) 발진기는 셀룰러 엔진 내에서 연속적으로 동작하는 32768Hz 음차(tuning fork) 타입의 수정(crystal)으로부터 얻어질 수 있으며, 휴면 클록(Sleep clock)으로 칭해지는데, 이는 종종 셀룰러 엔진의 휴면 상태에서 실행하는 유일한 클록이기 때문이다. 이것은 그 저전력 소모 때문에 선택될 것이며, 연속적으로 동작하지만, 이러한 저주파 수정들이 전형적으로 온도당 3 ppm(백만분율)의 온도 변화에 의해 주파수가 변할 수 있으며, +/= 20 ppm(백만분율) 초기 에러를 갖는다는 점에서, 하나의 주요한 결함이 있다. 이와 같은 픽스들 간의 온도 변화는 셀룰러 RF 전력 증폭기 또는 셀룰러 단말기의 배터리 충전 회로로 인해 예상될 수 있으며, 이에 따라 GPS 엔진이 위성 신호들을 재-획득하는데에 실패하는 최악의 경우의 시나리오에 있게 됨을 의미할 수 있다. 최상의 경우의 시나리오는, 셀룰러 엔진이 동작 모드의 변경이 온도 변화를 야기할 것이라는 자신의 지식에 기초하여, GPS 엔진에 잠재적으로 증가하는 타임 키핑 에러를 통지하는 것이 될 것이다. 명세서 전체에서, 용어들 '셀룰러 엔진' 및 'GPS 엔진'은 셀룰러 전화기 및 GPS 수신기 각각의 (임의의 동작 소프트웨어를 포함하는) 능동형 전자기기들을 지칭하는데에 사용된다. 이후에, GPS 수신기는 이에 따라 자신의 타임 빈 서치(time bin search)를 확장할 수 있지만, 이는 보다 긴 시간이 걸릴 것이며, 보다 많은 전력을 소모할 것이다.
전형적인 응용예들은 위치가 느리게 변하게 되는 야외 활동들을 포함하는 운송(navigation) 또는 밀집된 장소에서 친구들의 위치를 추적할 수 있다. 이러한 응용들은 매 수 분(minute)마다 포지션 픽스를 요구할 수 있으며, 이는 타임 키핑(time keeping)에 대한 가장 큰 요구를 하게 되는데, 이는 호출로 인한 온도 변화가 RTC 발진기에서 70ppm 쉬프트를 야기할 수 있기 때문이다.
본 발명의 실시예들의 목적은 상술한 문제들 중 하나 이상에 적어도 부분적으로 대처하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 수신 신호들의 타이밍 분석에 의해 위치를 결정하기 위한 위치확인 디바이스를 포함하는 이동 디바이스가 제공되는데, 상기 위치확인 디바이스는 타이밍 정확도를 결정하는 시스템을 포함하며, 상기 시스템은 위치확인 디바이스가 비활성인 동안에, 제 1 클록 신호를 연속적으로 발생하는 제 1 신호 발생 수단과; 복수의 이격된 시간 기간들 동안에 제 2 클록 신호를 불연속적으로 발생하는 제 2 신호 발생 수단과; 그리고 제 2 클록 신호로부터의 타이밍 데이터를 이용하여, 제 1 클록 신호의 정확도를 결정하는 정확도 결정 수단을 포함하며; 상기 위치확인 디바이스는 제 1 클록의 결정된 타이밍 정확도의 사용에 의해 위치를 결정하도록 구성된다.
본 발명을 더 잘 이해하기 위해 그리고 본 발명이 어떻게 수행되는지에 관하여, 단지 예로써 첨부 도면들을 참조할 것이다.
도 1은 GPS 시스템을 개관한다.
도 2는 위치확인 디바이스에서 타이밍 정확도를 개선하는 회로를 도시한다.
도 3은 도 2의 위치확인 디바이스에서의 클록 신호들의 예를 도시한다.
도 4는 누적된 클록 에러 및 전체 교정 에러를 도시하는 그래프이다.
본 발명의 실시예들은 이동 전화기에 포함되는 GPS 위치확인 디바이스의 환경에서 설명될 것이다. 그러나, 본 발명은 포지션 픽스(position fix)를 위해 정확한 시간 데이터가 요구되거나, 높은 클록 정확도가 요구되는 이동 디바이스의 임의 의 위치확인 시스템에 적용가능한 것임이 자명할 것이다. 더욱이, 본 발명의 실시예들은 범유럽 이동 통신 시스템(GSM 표준)에서 동작하는 이동 디바이스의 환경에서 설명되지만, 본 발명은 TDMA 네트워크에서의 시분할 다중접속(TDMA), CDMA 네트워크에서의 코드분할 다중접속(CDMA), 또는 PDC 네트워크에서의 개인용 디지털 셀룰러(PDC)와 같은 다른 셀룰러 공중 인터페이스들을 사용하는 이동 디바이스에 동일하게 포함될 수 있다.
도 1은 글로벌 위치확인 시스템의 개관을 도시하는데, 여기서, 이동 디바이스(MS)는 4개의 위성들(SV1, SV2, SV3 및 SV4)로부터 수신된 CDMA 신호들에 기초하여 자신의 위치를 결정할 수 있는 빌트인(built in) GPS 수신기를 갖고 있다. 도 1의 실시예에서, 이동 디바이스(MS)는 이동 교환국(MSC)에 접속되어 있는 기지국(BS)에 대한 무선 접속을 통해 범유럽 이동 통신 시스템(GSM) 기반 통신망에 액세스를 갖는 이동 무선 통신 디바이스이다. GPS 시스템에서, 위성들은 시간 데이터뿐만 아니라 추산 위치 데이터를 송신하는데, 이동 디바이스 내의 위치확인 디바이스는 이에 기반하여 자신의 위치 및 정확한 시간을 결정하기 위한 계산들을 수행할 수 있다. 추산 위치 데이터 및 시간 데이터는 추가적으로 서브프레임들로 나뉘어지는 프레임들(미도시)에서의 CDMA 신호들을 통해 전송된다. GPS 시스템에서, 각 프레임은 각각이 300비트들인 5개의 서브프레임들로 나뉘어지는 1500 비트들을 포함한다. 일 비트를 송신하는데에 20 ms가 걸리기 때문에, 따라서, 각 서브프레임을 송신하는데에 6 s가 걸릴 것이며, 전체 프레임은 30 초 내에 송신될 것이다.
위성 신호들을 검출함과 아울러 위성들을 식별하기 위해, 수신기는 획 득(acquisition)을 수행해야 하며, 이에 의해, 수신기는 각 위성으로부터의 CDMA 신호를 검색함과 아울러 이 신호에 록킹(lock on)하는 시도를 하며, 이에 따라 신호와 함께 송신된 정보가 수신 및 복조될 수 있다.
위치확인 디바이스는 2개의 주요 기능들을 갖는다:
1. 수신기와 다른 GPS 위성들간의 의사 거리(pseudo range)를 계산한다.
2. 계산된 의사 거리들 및 위성들의 위치 데이터를 이용함으로써, 수신기의 위치를 결정한다. 각 시간에서 위성들의 위치 데이터는 위성들로부터 수신된 추산 위치표 및 시간 보정 데이터에 기반하여 계산될 수 있다.
위성들에 대한 거리들은 의사 거리들로 칭해지는데, 이는 시간이 수신기에서 정확하게 알려져 있지 않기 때문이다. 따라서, 위치와 시간의 결정들은 위치 및 시간에 대하여 충분한 정확도가 달성될 때까지 반복된다. 시간이 절대적인 정밀도로 알려져 있지 않기 때문에, 위치 및 시간은 예를 들어, 각 새로운 반복에 대해 식들의 세트를 선형화함으로써 결정될 수 있다.
일단 픽스가 획득되면, GPS 수신기는 정확한 타임 키핑 및 일부 데이터 저장에 필요한 것을 제외한 모든 전력 소모 회로를 턴 오프할 수 있다.
상술한 바와 같이, 픽스들 간에 정확한 타이밍이 유지되지 않는 경우에, 재-획득이 요구될 수 있다. 재-획득(Hot Start) 성능은 픽스들 간에서 시간이 얼마나 잘 유지되는지에 의존하여, 시간 및 에너지 사용 모두의 관점에서 크게 변할 수 있다. 만일 타이밍이 +/- 511 칩들(+/- 0.5ms) 정확도보다 양호하게 유지되는 경우에, 수신기는 의사 랜덤 잡음(PRN) 코드 시퀀스 내의 자신의 현재 위치와 위성의 위치가 매칭하도록 보정하는데에만 필요한 텔레메트리 데이터의 20ms 넓이 (=50bps) 비트 에지들과 동기화를 유지할 것이다. GPS 수신기는 매칭된 필터들을 갖는데, 여기서, 위성 PRN 코드의 정확한 복제가 위성으로부터 수신된 PRN 코드에 대해 비교된다. GPS 수신기의 내부 PRN 코드는 일 비트씩 쉬프트되거나 회전되며, 이것과 수신 PRN 코드가 정렬되는 때에, 검출가능 에너지 펄스가 매칭된 필터로부터 발생되며, 이는 상관관계가 발생하였음을 나타낸다. 만일 +/- 10ms(+/- 1비트의 절반)까지의 정확도가 유지되는 경우에, 위치확인 디바이스는 최근접 비트 에지에 재동기화하도록 요구될 것이다. +/- 10ms보다 큰 타이밍 에러가 있는 경우에, 위치확인 디바이스는 프레임 재동기화(이는 6초 또는 300비트 데이터(= 1 서브프레임)까지의 수신을 의미할 수 있음)를 수행하도록 요구될 것이다. 현재에, 시장의 위치확인 수신기들은 높은 레벨들의 에너지 소모 없이, +/- 0.5ms 또는 이보다 양호한 타이밍 정확도를 유지하기 위한 적절한 클록 정확도를 거의 유지할 수 없게 되어 있다.
GPS 수신기들, 특히 이동 디바이스들에 포함된 것들에서 에너지 사용을 최소화하는 것이 바람직한데, 이는 이것이 요구되는 배터리 크기 및 따라서, 디바이스 무게를 감소시키거나, 이는 대안적으로, 동일한 크기의 배터리에 대해 배터리 충전들 간의 개선된 배터리 수명을 허용하기 때문이다. 따라서, 픽스들 간의 시간 유지는 또한 저 에너지 사용을 포함해야 한다. 일 솔루션은 매우 정확한 시스템 클록 실행을 유지함과 아울러 시스템 클록들 및 프로세서들과 같은 모든 전력 소모 회로를 턴 오프하는 것이 될 것이지만, 발진기의 고주파는 배터리-전원공급 GPS 자착 전화기에 대해, 위치 픽스들을 제공하는데에 소모되는 것보다 휴면 모드에서 시간을 유지하는데에 보다 많은 에너지가 소모됨을 의미할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 매우 정확한 셀룰러 시스템 클록을 사용하여 연속적인 교정에 의해, 높은 레벨들의 타임 키핑 정확도를 유지하는 것을 목적으로 하고 있다. 32 kHz 휴면 클록이 연속적으로 유지된다. 이동 디바이스가 스위치 온 되었지만 호출이 아닌 때에(이는 대기 모드로 지칭됨), 셀룰러 페이징 정보가 셀룰러 네트워크로부터 수신되는 동안에, 셀룰러 시스템 클록은 수 밀리세컨드 동안만 주기적으로 온(on) 된다. 이는 예를 들어, 대략 매 230ms마다 발생하며, 대략 580㎲의 지속기간을 가질 것이다. 이는 32 kHz 실시간 클록의 충분히 정확한 원-오프(one-off) 교정에 대해 너무 짧지만, 본 발명의 실시예들은 셀룰러 클록에 대해 32KHz 클록 주파수에서의 모든 변화들을 추적하는 이동(moving) 교정 프로파일을 형성하기 위해, 셀룰러 시스템 클록의 모든 활성 주기를 이용한다. GPS 엔진은 임의의 모드가 될 수 있지만, 클록 교정 하드웨어가 연속적인 과정으로서 실행되는 동안에, 전력을 보존하도록 정상적으로 휴면으로 될 것이며, 이는 결과가 필요할 때까지, 증가된 시간 정확도를 달성하게 된다. 그 결과는 이전의 정확한 시간 계산 이후에, GPS 엔진이 경과 시간을 계산하는데에 사용되는 셀룰러 시스템 클록 주기의 관점에서, 각 32KHz 클록 사이클의 평균 주기를 나타내는 수치값이다.
정확한 시간을 유지하기 위해, 도 1의 위치확인 디바이스(MS)에 포함된 회로의 일 실시예를 도시하는 도 2를 참조한다. 이 회로는 셀룰러 엔진(2)과, 각각이 (22, 12 및 14)로 표시된 카운터들(A, B 및 C)과, 그리고 GPS 중앙 처리 유 닛(CPU)(16)을 포함한다. 도 2의 셀룰러 엔진(2)은 제 1의 세트 리셋 SR 플립-플롭(4)을 포함하는데, 이는 휴면 클록(6)에 의해 클록되며, 라인(40)상에서 휴면 상태 표시기로부터 자신의 '세트' 입력을 수신한다. 동일한 클록(도 2에서 미도시)이 실시간(RTC, 실시간 클록) 및 휴면 타이밍(휴면 클록(6))을 유지하기 위해 셀룰러 엔진 RTC 로직에 의해 사용된다. 셀룰러 엔진 하드웨어(2)는 파워 서플라이(8) 및 셀룰러 시스템 클록(10)을 더 포함한다. 셀룰러 시스템 클록에 대한 파워 서플라이(8)는 제 1 SR 플립-플롭(4)의 'Q' 출력으로부터 수신되는 셀룰러 엔진(CE) 휴면 상태 신호에 의해 인에이블(enable)된다.
(22)로 표시된 카운터(A)는 라인(6)상의 자신의 입력에서 수신된 휴면 클록 신호의 상승 에지들을 카운트한다. 카운터(A)는 자신의 출력에서 휴면 클록의 상승 에지들에 동기화된 리딩(leading) 및 트레일링(trailing) 에지들을 갖는 게이팅 펄스를 제공한다. 휴면 상태 표시기의 리딩 에지 이후에, 게이팅 펄스의 리딩 에지의 지연이 있으며, 이 지연은 셀룰러 기준 클록의 정착화 시간으로 세팅된다. 하기에서 설명될 바와 같이, 교정 카운트를 정지하도록 (라인 (36)상의) 제어 마이크로프로세서에 의해 우선화되지 않는 경우에, 게이팅 펄스의 트레일링 에지는 휴면 상태 표시기의 트레일링 에지에 동기화된다. 게이팅 펄스는 휴면 클록을 교정하는데에 사용되는 교정 카운터들인, 각각이 (12 및 14)로 표시된 카운터들(B 및 C)을 인에이블 하는데에 사용된다. 게이팅 펄스는 라인(32)상에서 카운터(B)의 인에이블 입력에 제공된다. 이는 또한 그 출력이 카운터(C) 입력에 연결되는 제 1의 2-입력 AND 게이트(18)의 일 입력에 제공된다. 카운터(A)는 제 2의 2-입력 AND 게이트(20) 로부터의 출력 신호에 의해 리셋된다.
카운터(B)는 라인(30)상에서 카운터(B)로 제공되는, 셀룰러 시스템 클록(10)으로부터의 출력의 리딩 및 트레일링 에지들 모두를 카운트한다. 상술한 바와 같이, 카운터(B)는 카운터(A)로부터의 게이팅 펄스에 의해 인에이블 되며, 신호가 하이인 동안에만 카운트한다. 카운터(B)는 라인(34)상에서 GPS CPU(16)로부터 수신되는 리셋 신호 입력과, 그리고 GPS CPU(16)로 하여금 라인(38)상의 카운트 값을 판독하게 하는 제어 입력을 더 포함한다.
카운터(C)는 게이팅 펄스가 하이인 때에 제 1 AND 게이트(18)를 통해, 또한 클록 디스에이블(disable) 고장을 방지하는 제 2 SR 플립-플롭(26)을 통해 제공되는 휴면 클록의 리딩 에지들을 카운트한다. SR 플립-플롭(26)은 카운터(A)의 게이팅 펄스 제어하에서 카운터(C)에 휴면 클록 펄스들을 게이팅하는 AND 게이트(18)와 휴면 클록(6)간에 필요한 지연을 삽입한다. 이러한 지연이 없는 경우에, 상승 휴면 클록 에지는 카운터(A)로부터의 게이팅 펄스 트레일링 에지가 이를 디스에이블하기 이전에, 카운터(C)로 전파될 것이며, 이는 카운터(C)의 에러 증가를 야기하게 된다. 이것은 게이팅 펄스 에지들이 또한 휴면 클록의 상승 에지들에 동기화되며, 동일한 에지가 또한 카운터(C)를 클록하기 때문이다. 이 SR 플립-플롭은 시스템 클록에 의해 클록되며, 그 'Q' 출력은 AND 게이트(18)의 제 2 입력에 연결된다.
GPS CPU(16)는 라인(34)상의 리셋 신호를 통해 카운터(B 및 C)를 리셋할 수 있다. 이는 또한 카운터들(B 및 C) 각각으로부터의 제어 라인(38)을 통해 카운트 값들을 판독할 수 있다. 더욱이, GPS CPU(16)는 제 3 SR 플립-플롭(24)의 '세트' 입력에 연결되는 시작/정지 교정 라인(36)을 통해 카운터(A)를 리셋할 수 있다. 이 제 3 플립-플롭은 휴면 클록에 의해 클록되며, 제 2 AND 게이트(20)의 일 입력에 연결된 자신의 출력을 갖는다. 제 2 AND 게이트의 타 입력은 제 1 SR 플립-플롭(4)의 출력으로부터의 셀룰러 엔진 휴면 상태 신호에 연결된다. 따라서, 카운터(A)는 라인(28)상의 휴면 상태 신호 및 라인(36)상의 시작/정지 신호가 하이인 때에만 활성이 되고, 그렇지 않은 경우에, 리셋된다.
도 2의 회로의 동작 시퀀스는 이벤트들이 발생하는 순서로 설명될 것이다.
1. GPS 엔진은 포지션 픽스의 획득으로부터 정확한 GPS 시간을 획득한다. 자신의 실시간 클록(RTC) 카운터 값과 대응하는 GPS 시간의 스냅샷(snapshot)이 메모리에 보유된다.
2. 교정 카운터들(A 및 B)의 리셋 이후에, 라인(36)상의 RTC 교정 시작/정지 제어가 시작으로(하이로) 세팅된다.
3. GPS 엔진이 자신의 휴면 주기로 들어간다.
4. 이후에, 셀룰러 엔진이 페이징 채널을 수신하도록 기상하는 때에, 셀룰러 하드웨어는 라인(40)상의 자신의 휴면 제어 신호를 '1'로 세팅하는데, 이는 파워 서플라이(8)로부터의 전력이 셀룰러 시스템 클록(10)에 제공되게 할 수 있다. 페이징 채널은 기지국으로부터 정기적으로 송신되는 논리 채널이며. 그 기능들 중 하나는 인입 호출이 있는 때에, 이동 디바이스에 신호화하는 것이다.
5. 카운터(A)가 라인(28)상에서 하이(high) 휴면 신호를 검출한 때에, 이는 더 이상 리셋 상태가 아니며, 이에 따라 휴면 클록 펄스들의 카운트를 시작한다. 카운터는 x개 카운트들을 증가한 이후에, 게이팅 펄스를 출력하며, 시스템 클록 카운터(B) 및 휴면 클록 카운터(C) 모두는 휴면 클록과 동일한 상승 에지상에서 시작된다. x개 카운트 값은 프로그램가능하며, 셀룰러 시스템 클록에 대한 정착화 주기를 고려한다. 만일 전형적인 정착화 시간이 3ms이며, 각 휴면 클록이 30us인 경우에, 이는 예를 들어, 100 클록 사이클들이 될 수 있다.
6. 휴면 클록의 추가적인 y개 카운트들 이후에, 라인(28)상의 셀룰러 휴면 상태 표시기 신호는 휴면 클록의 상승 에지상에서 '0'으로 복귀된다. y개 카운트 값은 휴면 클록(6)에 의해 정의되며, 셀룰러 엔진이 얼마나 오랫동안 기상되는지에 의존할 것이다. Y개 카운트 동안에, 카운터(B)는 셀룰러 시스템의 리딩 및 트레일링 에지들을 카운트하며, 카운터(C)는 휴면 클록들의 리딩 에지들을 카운트한다. 게이팅 출력은 휴면 상태 표시기에 의해 리셋된 때에, '0'으로 복귀한다. 이는 셀룰러 엔진이 휴면 모드로 들어가기 때문에, 시스템 클록 및 휴면 클록 카운터들 모두를 정지시킨다.
7. 단계들(4 내지 6)은 셀룰러 엔진이 대기 모드에 있는 동안에 반복되며, 카운터들(B 및 C)은 게이팅 펄스가 하이인 동안에 계속해서 카운트할 것이다.
8. GPS 위치 픽스(location fix)가 셀룰러 엔진에 의해 요구되는 때에, 라인(36)상의 RTC 교정 시작/정지 제어는 정지(로우)로 세팅되며, 이는 게이팅 펄스가 로우로 되게 한다.
9, 카운터(B 및 C)는 라인들(38)상의 GPS CPU(16)에 의해 판독된다.
10. GPS CPU(16)는 이후에 휴면 클록(RTC 클록) 주기를 결정할 수 있다. GPS CPU(16)는 정확한 시간을 결정하기 위해, 이전의 정확한 시간 계산 이후의 RTC 주기들의 개수 및 휴면 클록 주기를 사용할 수 있다. 단계(1)에서 설명된 바와 같이, 휴면 클록 카운터 값 및 대응하는 GPS 시간의 스냅샷이 메모리(도 2에서 미도시)에 보유된다.
도 2의 실시예에서의 클록들의 타이밍 신호들(스케일에 맞게 도시되지 않음)을 도시하는 도 3을 참조한다. 셀룰러 클록 신호는 제 1 구형파(50)에 의해 도시된다. 도시된 바와 같이, 도 2의 카운터(A)로부터의 게이팅 펄스(52) 출력은 휴면 클록(54)에 의해 클록되며, 따라서, 그 리딩 및 트레일링 에지들은 셀룰러 시스템 클록과 동기화되지 않는다. 상술한 바와 같이, 셀룰러 시스템 클록 신호(50)의 각 리딩 및 트레일링 에지는 도 2의 카운터(B)에 의해 카운트되며, 따라서, 게이팅 주기의 동기식 리딩 및 트레일링 에지로 인한 에러는 일 클록 사이클의 절반에서 최대가 되는데, 이는 포지티브(positive) 또는 네거티브가 될 수 있다. 휴면 클록 에지(RTC)는 도 3에서 주파수 32768Hz를 갖는 파형(54)에 의해 도시된다. 도시된 예에서, 게이팅 주기의 리딩 에지상의 포지티브 에러는 트레일링 에지상의 네거티브 에러에 의해 약간은 균형화된다. 중요한 사항으로서, 포지티브 또는 네거티브 에러 확률의 정상 분포로 인해, 평균 에러가 제로(0)로 되는 경향이 있다.
도 3의 3개의 파형들(56, 58 및 60)은 휴면 상태 표시기 신호(도 2의 라인(28)), 휴면 클록 및 셀룰러 시스템 클록을 도시한다. 본 예에서 도시된 바와 같이, 휴면 상태 표시기 신호가 하이로 된 이후에, 셀룰러 시스템 클록이 시작하는 기간(x)이 있으며, 따라서, 카운터들(B 및 C)은 활성이 아니다. 이 기간은 카운 터(A)에 의해 제공되는데, 카운터(A)는 x개 카운트들(휴면 클록의 소정의 개수의 클록 에지들) 이후에만 하이(high) 게이팅 펄스를 출력한다. 값(x)은 GPS CPU(16)에 의해 프로그래밍되며, 셀룰러 클록을 시작(start-up)하는데에 요구되는 시간에 의존할 것이다. 시작 지연 이후에, 카운터(B)는 기간(y) 동안에 셀룰러 시스템 클록(60)의 상승 및 하강 에지들을 카운트하며, 카운트(C)는 휴면 클록(58)의 상승 에지들을 카운트한다.
하기에서, 휴면 클록 주기의 계산이 설명될 것이다. 카운트되는 시스템 클록 하프 사이클들의 총 개수는 시스템 클록 카운터(B)로부터 직접적으로 판독될 수 있다. 대응하는 카운트되는 휴면 클록 사이클들의 개수는 휴면 카운터(C)로부터 판독된다. 평균 셀룰러 시스템 클록 주파수-대-평균 휴면 클록 주파수의 비율은, 시스템 클록 카운터의 더블 에지 클록(double edged clocking)을 고려하는 이들의 각 카운트 값들의 비율이다. 휴면 클록(RTC) 주기 계산은 하기와 같다.
Figure 112007009252627-PCT00001
여기서, TRTC는 휴면 클록 주기이며, Nref는 시스템 클록 카운트이며, NRTC는 휴면 클록 카운트이며, Tref는 시스템 클록 주기이다.
교정 주기당 최대 에러는 하기와 같다.
Figure 112007009252627-PCT00002
예를 들어, 포지션 픽스 이후에, GPS 엔진이 휴면 주기에 들어가며, 이후에 후속 픽스가 요구되기 이전에, 3 번 기상하는 것으로 가정한다. 만일 셀룰러 시스템 클록의 누적 카운트(예를 들어, 1MHz임)가 30400이며, 휴면 클록의 누적 카운트(32768Hz가 됨)가 510인 경우에, 주기(TRTC) 값을 위한 제 1 공식을 사용하면, (30400*0.5*0.000001)/520= 0.0292ms가 될 것이다. 만일 휴면 클록이 정확하며, 주기가 0.0304ms가 되는 것으로 가정하면, 이는 상기 주기에 대해 0.676ms 에러를 제공하며. 이것은 수신기로 하여금 CDMA 신호의 20ms(초당 50비트) 비트 에지에 재동기화 되도록 요구하게 될 것이다. 그러나, 이 에러를 알게 되면, GPS CPU는 이에 따라 시간을 조정할 수 있다. 이는 예를 들은 것이며, 실제상으로, 셀룰러 클록은 전형적으로 10MHz를 초과하게 될 것이다.
하기의 표는 종래 공지 시스템들과 비교할 때에, 도 2에서 도시된 회로에서 사용되는 전기 에너지(쿨롱(coulomb))의 일 예를 제공한다. 값들은 100mA 유효 전류 및 타임 키핑에 사용되는 클록에 의존하는 0.1mA 또는 2mA 휴면 전류에 기초한다. 제 1 로우는 도 2의 실시예에 사용되는 쿨롱의 일 예를 도시하는데, 이는 가장 빠른 재-획득 시간 및 따라서, 배터리 충전의 최저 사용을 달성하기 위해, 높은 정밀도 셀룰러 클록에 대해 교정되는 저전력 휴면 클록을 이용한다.
GPS 휴면 기간 동안의 기준 시간 90초 이후의 클록 드리프트 및 시간 에러 휴면 전류 재획득 및 핫 스타트 시간(GPS 활성 주기) GPS 휴면에서 사용되는 쿨롱 GPS 활성에서 사용되는 쿨롱 총 사용되는 쿨롱
교정된 32768Hz 휴면 클록 90초 기간에 대해 2ppm = 180us 0.1mA 0.2초 90*0.1mA =9mC 2*100mA =20mC 9+20 =29mC
비-교정된 32768Hz 휴면 클록 90초 기간에 대해 70ppm = 180us 0.1mA 8초 90*0.1mA =9mC 8*100mA =800mC 9+800 =809mC
GPS 시스템 클록 90초 기간에 대해 2ppm = 180us 2mA 0.2초 90*2mA =180mC 2*100mA =20mC 180+20 =200mC
도 4는 데이터의 랜덤 샘플을 위한 시간에 따른 클록 교정 에러의 그래프를 도시한다. 교정 주기들의 수가 증가함에 따라, (70)으로 표시된 누적 클록 사이클 에러들은 임의의 순(net) 포지티브 또는 네거티브 경향 없이 랜덤으로 변하게 됨을 그래프로부터 알 수 있다. 대략 10 클록 사이클들인 작은 포지티브 누적 에러는, 단지 8백만개에 대해, 94초 이후의 총 클록 사이클 카운트에서 일 시점(perspective)으로 고려되어야 하는 랜덤 바이어스가 된다. 라인(72)에 의해 도시되는 전체 교정 에러는 게이팅으로 인한 높은 초기 에러를 보이지만, 이는 2개의 커브(74 및 76)에 의해 바운드된 것에 의해 알 수 있는 바와 같은 조여지는 한계들을 갖는 GPS 재-획득에 대한 요건들 내에서 잘 적합하게 되도록 급속하게 감소한다. 계산들은 +/- 0.3ms보다 양호하게 되는데 필요한 재-획득 시간에 기초한다. 그러나, 입력 데이터가 랜덤이기 때문에, 모든 시뮬레이션 실행이 다르게 보이게 됨을 주목해야 한다.
실시간 클록의 타임 키핑 정확도를 개선하기 위해, 동일한 교정 하드웨어가 셀룰러 엔진 베이스-밴드(base-band) 응용 특정 집적회로(ASIC)에 구현될 수 있다. 교정으로부터 결정되는 휴면 클록 사이클 주기는 시간당 다수의 클록 사이클들을 가산하거나 감산하는 RTC 클록 보정 로직에 대한 보정 인자를 계산하는데에 사용될 수 있다.
본 발명의 개별 특징들 또는 이들의 조합들이 기술분야의 당업자의 관점에서 전체적으로 본 명세서에 기초하여 수행될 수 있는 정도로, 이러한 특징들 및 특징들의 조합들이 본원에서 개시된 모든 문제들을 해결하는지에 관계없이, 그리고 청구범위의 범주에 제한을 가함이 없이, 본 출원은 본원에서 독자적으로 설명되는 각 개별 특징 및 2개 이상의 이러한 특징들의 임의의 조합을 개시한다. 출원인은 본 발명의 양상들이 임의의 이러한 특징 또는 특징들의 조합으로 구성될 수 있음을 나타낸다. 전술한 설명의 관점에서, 다양한 변형들이 본 발명의 범주 내에서 이루어질 수 있음이 기술분야의 당업자에게 자명할 것이다.

Claims (23)

  1. 수신 신호들의 타이밍 분석에 의해 위치를 결정하는 위치확인 디바이스- 여기서, 상기 위치확인 디바이스는 타이밍 정확도를 결정하는 시스템을 포함하며 -를 포함하는 이동 디바이스로서, 상기 시스템은:
    상기 위치확인 디바이스가 비활성인 동안에, 제 1 클록 신호를 연속적으로 발생하는 제 1 신호 발생 수단과;
    복수의 이격된 시간 기간들 동안에 제 2 클록 신호를 불연속적으로 발생하는 제 2 신호 발생 수단과; 그리고
    상기 제 2 클록 신호로부터의 타이밍 데이터를 이용하여 상기 제 1 클록 신호의 정확도를 결정하는 정확도 결정 수단을 포함하며,
    여기서, 상기 위치확인 디바이스는 상기 제 1 클록의 상기 결정된 타이밍 정확도를 이용하여 위치를 결정하는 것을 특징으로 하는 이동 디바이스.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 시스템은 상기 복수의 이격된 시간 기간들 동안에만, 상기 제 1 클록 신호에 관한 제 1 타이밍 데이터를 수집하여 저장하는 제 1 타이밍 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동 디바이스.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 제 1 타이밍 회로는 상기 제 1 클록 신호의 클록 에지들을 카운트하는 제 1 카운터를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동 디바이스.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 제 1 타이밍 데이터는 상기 복수의 이격된 기간들 동안에, 상기 제 1 카운터에 의해 카운트되는 상기 제 1 클록 신호의 클록 주기들의 누적된 수인 것을 특징으로 하는 이동 디바이스.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 시스템은 상기 복수의 이격된 시간 기간들 동안에만, 상기 제 2 클록 신호에 관한 제 2 타이밍 데이터를 수집하여 저장하는 제 2 타이밍 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동 디바이스.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 제 2 타이밍 회로는 상기 제 2 클록 신호의 클록 에지들을 카운트하는 제 2 카운터를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동 디바이스.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 제 2 타이밍 데이터는 상기 복수의 이격된 시간 기간들 동안에, 상기 제 2 카운터에 의해 카운트되는 상기 제 2 클록 신호의 리딩(leading) 및 트레일링(trailing) 에지들의 누적된 수인 것을 특징으로 하는 이동 디바이스.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 정확도 결정 수단은 상기 제 1 및 제 2 카운터들로부터의 저장된 제 1 및 제 2 타이밍 데이터에 기반하여, 상기 제 1 클록 신호의 일 주기 길이의 정확한 추정치를 결정하는 것을 특징으로 하는 이동 디바이스.
  9. 제 7항 또는 제 8항에 있어서, 상기 시스템은 상기 제 1 클록 신호에 관한 제 3 타이밍 데이터를 연속적으로 수집하여 저장하는 제 3 타이밍 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동 디바이스.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 제 3 타이밍 회로는 상기 제 1 클록 신호의 클록 에지들을 연속적으로 카운트하는 제 3 카운터를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동 디바이스.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 제 3 타이밍 데이터는 상기 제 3 카운터에 의해 카운트되는 상기 제 1 클록 신호의 클록 주기들의 개수인 것을 특징으로 하는 이동 디바이스.
  12. 제 11항에 있어서, 정확한 시간이 상기 위치확인 디바이스에 알려진 때에, 상기 제 1의, 제 2의, 그리고 제 3의 카운터들은 리셋되며, 상기 정확한 시간은 메모리에 저장되는 것을 특징으로 하는 이동 디바이스.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 정확도 결정 수단은 상기 제 1 클록 신호의 일 주기 길이의 정확한 추정치와 상기 제 3 카운터로부터의 상기 제 3 타이밍 데이터에 기초하여, 상기 제 1의, 제 2의, 그리고 제 3의 카운터들이 마지막으로 리셋된 이후 에 경과된 시간의 정확한 추정치를 결정하는 것을 특징으로 하는 이동 디바이스.
  14. 제 13항에 있어서, 상기 위치확인 디바이스는 상기 제 1의, 제 2의, 그리고 제 3의 카운터들이 마지막으로 리셋된 이후에 경과된 시간, 및 메모리에 저장된 상기 정확한 시간에 기초하여 현재 시간을 결정하는 것을 특징으로 하는 이동 디바이스.
  15. 전술한 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 위치확인 디바이스는 위성 위치확인 시스템 디바이스인 것을 특징으로 하는 이동 디바이스.
  16. 전술한 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 클록 신호는 상기 이동 디바이스가 휴면 모드 동작에 있는 때에 발생되는 휴면 클록 신호인 것을 특징으로 하는 이동 디바이스.
  17. 전술한 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2 클록 신호는 시스템 클록 신호인 것을 특징으로 하는 이동 디바이스.
  18. 제 17항에 있어서, 상기 시스템 클록 신호는 상기 이동 디바이스의 통신 회로에 사용되는 시스템 클록인 것을 특징으로 하는 이동 디바이스.
  19. 전술한 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이격된 시간 기간들은 상기 이동 디바이스가 통신망으로부터 페이징 정보를 수신하는 기간들인 것을 특징으로 하는 이동 디바이스.
  20. 제 19항에 있어서, 상기 통신망은 GSM 표준을 사용하는 범유럽 이동 통신 시스템(GSM) 네트워크인 것을 특징으로 하는 이동 디바이스.
  21. 제 19항에 있어서, 상기 통신망은 시분할 다중접속(TDMA) 네트워크인 것을 특징으로 하는 이동 디바이스.
  22. 제 19항에 있어서, 상기 통신망은 코드-분할 다중접속(CDMA) 네트워크인 것을 특징으로 하는 이동 디바이스.
  23. 제 19항에 있어서, 상기 통신망은 개인용 디지털 셀룰러(PDC) 네트워크인 것을 특징으로 하는 이동 디바이스.
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