TWI386676B - Get the accuracy of the global positioning system signal tracking frequency method - Google Patents
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Description
本發明係關於一種得到全球定位系統訊號的方法，特別是一種得到全球定位系統訊號之精準追蹤頻率的方法。
全球定位系統(Global Positioning System, GPS)是一個中距離圓型軌道衛星導航系統。它可以為地球表面絕大部分地區(98%)提供準確的定位、測速和高精度的時間標準。全球定位系統係由美國國防部研製和維護，可滿足位於全球任何地方或近地空間的軍事用戶連續精確的確定三維位置、三維運動和時間的需要。該系統包括太空中的24顆GPS衛星；地面上的1個主控站、3個數據注入站和5個監測站及作為用戶端的GPS接收機。最少只需其中4顆衛星，就能迅速確定用戶端在地球上所處的位置及海拔高度；所能收聯接到的衛星數越多，解碼出來的位置就越精確。
由於GPS具有不受天氣影響、全球高覆蓋率(98%)與可移動定位等特性，因此除了軍事用途外，大量用於民生的導航(例如：飛機導航、船舶導航與行車導航等)與定位(例如：車輛防盜、行動通訊裝置的定位等)等。
由於衛星係圍繞著地球運轉，因此全球定位系統在接收衛星所發出之衛星訊號時，會隨著衛星所在的位置而使得全球定位系統所接收到的衛星訊號強弱不一，例如：衛星在全球定位系統的正上方時，訊號較強，當衛星在靠近地平面時，訊號會較弱。同
時，衛星訊號也會受到其他電磁輻射等干擾而使得全球定位系統的收訊不佳。同時，根據都普勒定律，衛星所發出的訊號會受GPS與衛星的相對運動或其他干擾因素影響，而使得GPS所能接收到的衛星訊號的頻率與衛星所發出的訊號的頻率會有些許的頻率差異。
因此GPS為了能精準的接受到衛星訊號，係以一既定頻率範圍內的多個追蹤頻率來偵測衛星，以接收衛星所發出的衛星訊號。並且，利用前一筆導航資料所得的相位差來修正追蹤頻率以得到下一筆的追蹤頻率。換言之，係以單筆資料的相位差疊代逼近追蹤頻率。
但是在衛星訊號微弱或是雜訊干擾過的情形下，單筆導航資料的相位差並不能反映真實的頻率變化，因此修正追蹤頻率再多次也無法得到精準的追蹤頻率。
本發明提供一種得到全球定位系統訊號之精準追蹤頻率的方法，可以避免因為衛星訊號微弱或雜訊的影響，而無法得到精準的追蹤頻率。
根據本發明所揭露之得到全球定位系統訊號之精準追蹤頻率的方法包含有：步驟一：連續接收一衛星的多筆資料，每一筆資料具有一追蹤頻率；步驟二：計算已接收到的多筆資料的多個相位差；步驟三：計算已計算得的多個相位差的相位差平均值；步驟四：由計算得的相位差平均值與頻率固定參數計算頻率差；步驟五：由計算得的頻率差與已接收到的多筆資料中最後一筆資料
的追蹤頻率計算新的追蹤頻率；以及步驟六：以新的追蹤頻率接收下一筆資料。
其中，步驟一可包含：以一既定頻率範圍中的多個追蹤頻率偵測一衛星，以得到多個衛星訊號；以既定頻率範圍下所得到之多個衛星訊號中能量反應最大的衛星訊號的追蹤頻率作為初始追蹤頻率；以初始追蹤頻率接收衛星的衛星訊號，以得到多筆資料中之第一筆資料；計算第一筆資料的相位差；由計算得的第一筆資料的相位差與頻率固定參數計算第一頻率差；由計算得的第一頻率差與初始追蹤頻率計算第二追蹤頻率；以及以第二追蹤頻率接收衛星的衛星訊號，以得到多筆資料中之第二筆資料。
其中，步驟二可包含：計算已接收到的多筆資料中最後一既定數量筆資料的多個相位差。步驟四可包含：計算已計算得的相位差平均值與頻率固定參數的乘積以得到頻率差。步驟五可包含：加總計算得的頻率差與已接收到的多筆資料中最後一筆資料的追蹤頻率的和以得到新的追蹤頻率。
其中，多個相位差中每兩相鄰相位差的間隔時間可為1ms。頻率固定參數可係為159.155。
上述之根據本發明所揭露之得到全球定位系統訊號之精準追蹤頻率的方法更可包含有：於接收下一筆資料後，回到步驟二接續執行步驟二到步驟六。其中，步驟二可包含有：計算已接收到的多筆資料中最後一既定數量筆資料的多個相位差。
根據本發明所揭露之得到全球定位系統訊號之精準追蹤頻率的方法，先行連續接收一衛星以得到多筆資料，再由已接到的多
筆資料得到一相位差平均值。利用相位差平均值與一頻率固定參數計算以得到一頻率差，再由頻率差與已接收到的多筆資料中最後一筆資料的追蹤頻率計算得到新的追蹤頻率。然後由新的追蹤頻率接收下一筆資料。藉由不斷重複以最後一既定數量的資料所得到的相位差平均值來得到新的追蹤頻率，再以新的追蹤頻率來接收下一筆資料的步驟，可以避免因為衛星訊號微弱或雜訊的影響，並得到最精準的追蹤頻率。
有關本發明的特徵與實作，茲配合圖示作最佳實施例詳細說明如下。
「第1圖」係為根據本發明第一實施例之得到全球定位系統訊號之精準追蹤頻率的方法流程圖。
請參照「第1圖」，本實施例之得到全球定位系統訊號之精準追蹤頻率的方法包含有：連續接收一衛星的多筆資料，且每一筆資料具有一追蹤頻率(步驟一)；計算已接收到的多筆資料的多個相位差(步驟二)；計算已計算得的多個相位差的相位差平均值(步驟三)；由計算得的相位差平均值與頻率固定參數計算頻率差(步驟四)；由計算得的頻率差與已接收到的多筆資料中最後一筆資料的追蹤頻率計算新的追蹤頻率(步驟五)；以及以新的追蹤頻率接收下一筆資料(步驟六)。
由於衛星係圍繞著地球運轉，因此全球定位系統在接收衛星所發出之衛星訊號時，會隨著衛星所在的位置而使得全球定位系統所接收到的衛星訊號強弱不一，例如：衛星在全球定位系統的
正上方時，所需要穿過的大氣層厚度較薄，因此訊號會較強，當衛星在靠近地平面時，所需要穿過的大氣層厚度較後，因此訊號會較弱。同時，衛星訊號也會受到其他電磁輻射等干擾而使得全球定位系統的收訊不佳。根據都普勒定律，衛星所發出的訊號會受GPS與衛星的相對運動或其他干擾因素影響，而使得GPS所能接收到的衛星訊號的頻率與衛星所發出的訊號的頻率會有些許的頻率差異。
因此GPS為了能精準的接受到衛星訊號，係以一既定頻率範圍內的多個追蹤頻率來偵測衛星，以接收衛星所發出的衛星訊號。而在既定頻率範圍內的多個追蹤頻率皆可偵測到衛星，但惟有能接收到的衛星訊號最強的追蹤頻率才是最接近受到都普勒效應等影響後的衛星訊號的頻率。
因此根據本發明之得到全球定位系統訊號之精準追蹤頻率的方法：步驟一係先行以一既定頻率範圍搜尋衛星(例如：搜尋到三個衛星，可以得知全球定位系統所在位置的經緯度；搜尋到四個衛星，可以得知全球定位系統的經位度與海拔高度等)。當全球定位系統搜尋到衛星後，會以能接收最大強度之衛星訊號的追蹤頻率來連續接收衛星所發出的衛星訊號，以得到多筆導航資料。其中，得到的每一筆導航資料具有一追蹤頻率。
接著，計算所接收得到的多筆資料中的多個相位差(步驟二)，並將計算得的相位差疊加後，除以多個相位差的數目以得出一相位差平均值(步驟三)。
於此實施例中，藉由多筆資料來計算用以修正追蹤頻率的相
位差平均值，可大幅減少雜訊的干擾，以得到更精準的追蹤頻率，並可觀察出頻率變化的趨勢。
其中，在計算相位差時，可係為計算已接收到的多筆資料中最後一既定數量筆資料的相位差。其中，最後一既定數量筆的資料可為最後2筆資料、最後3筆資料或最後4筆以上的資料。
用以計算相位差平均值的資料筆數可係由全球定位系統出廠時設定，當然亦可由使用者自行設定。所取的既定數量筆資料的總數若是太少，當因為衛星訊號微弱或大雜訊的影響時，則還是有可能會有誤判的可能。而所取的既定數量筆資料的總數若是太多，則會拉長定位時間，並可能造成系統的負荷。因此，可依據全球定位系統所接收的衛星訊號強度來決定所取的所取的既定數量筆資料。換言之，可依據全球定位系統的應用區域來決定所取資料的筆數。
其中，每兩相鄰的相位差之間的間隔時間可為1ms。換言之，每筆資料的時間週期係為1 ms。
接著，於步驟四可將相位差平均值與一頻率固定參數相乘積，來得到頻率差。當連續接收多筆資料的間隔時間為1ms(亦即得到每一相鄰的兩相位差之間的間隔時間為1ms)時，頻率固定參數可係為159.155。
然後，加總計算頻率差與已接收到的多筆資料中最後一筆資料的追蹤頻率的和，以得到新的追蹤頻率(步驟五)。
最後，再以新的追蹤頻率來接收衛星訊號，以接收下一筆資料(步驟六)。
藉由多筆資料來計算新追蹤頻率以接收衛星訊號，可以大幅減少雜訊所造成的干擾，觀察出頻率變化的趨勢。
「第2圖」係為根據本發明第二實施例之得到全球定位系統訊號之精準追蹤頻率的方法流程圖。
請參照「第2圖」，並合併參照前述實施例。得到全球定位系統訊號之精準追蹤頻率的方法可更包含有：於接收下一筆資料後，回到步驟二接續執行步驟二到步驟六(步驟七)。
於此實施例中，可不斷重複計算最後一既定數量的資料的相位差平均值，並且以計算得的相位差平均值、頻率固定參數和最後一筆資料的追蹤頻率來重新得到新的追蹤頻率，再以新的追蹤頻率來接收下一筆資料，藉以於每一筆資料接收到時，重新計算下一筆資料的追蹤頻率。換言之，於此係透過以多筆資料的相位差所求得的頻率差多次疊代法逼近精準的追蹤頻率，因此可避免因為衛星訊號微弱或雜訊的影響，並得到精準的追蹤頻率。
「第3圖」係為根據本發明第三實施例之得到全球定位系統訊號之精準追蹤頻率的方法流程圖。
為方便說明，於此以計算最後5筆資料為例。
請參照「第3圖」，於全球定位系統開機時，會先以一既定頻率範圍中的多個追蹤頻率偵測一衛星，以得到多個衛星訊號(步驟11)。
然後，以於此既定頻率範圍下所得到之多個衛星訊號中能量反應最大的衛星訊號的追蹤頻率作為初始追蹤頻率(步驟12)。
以初始追蹤頻率接收衛星的衛星訊號，以得到第一筆資料(步
驟13)。
計算第一筆資料的相位差(步驟14)。
再計算第一筆資料的相位差與頻率固定參數的乘積以得到第一頻率差(步驟15)。
然後計算第一頻率差與初始追蹤頻率的和以得到第二追蹤頻率(步驟16)。
再以第二追蹤頻率接收衛星的衛星訊號，來得到第二筆資料(步驟17)。
於得到第二筆資料後，則透過計算最後一筆資料與已接收到的資料的相位差平均值和頻率固定參數的乘積的和來得到下一筆資料的追蹤頻率。如此反覆計算新的追蹤頻率，直到得到第五筆資料。
換句話說，於得到第二筆資料後，計算第二筆資料的追蹤頻率與第一筆資料和第二筆資料的相位差平均值與頻率固定參數的乘積的和，來得到第三追蹤頻率。並且，以第三追蹤頻率接收衛星的衛星訊號，來得到第三筆資料。
於接收到第三筆資料後，透過計算第三追蹤頻率與第一筆資料、第二筆資料和第三筆資料的相位差平均值與頻率固定參數的乘積的和，來得到第四追蹤頻率。並且，以得到的第四追蹤頻率接收衛星的衛星訊號，來得到第四筆資料。
於接收到第四筆資料後，透過計算第四追蹤頻率與第一筆資料、第二筆資料、第三筆資料和第四筆資料的相位差平均值與頻率固定參數的乘積的和，來得到第五追蹤頻率。並且，以得到的
第五追蹤頻率接收衛星的衛星訊號，來得到第五筆資料。
於接收到第五筆資料後，透過計算第五追蹤頻率與第一筆資料、第二筆資料、第三筆資料、第四筆資料和第五筆資料的相位差平均值與頻率固定參數的乘積的和，來得到第六追蹤頻率。並且，以得到的第六追蹤頻率接收衛星的衛星訊號，來得到第六筆資料。
然後，於接收到第六筆資料之後，則透過計算最後一筆資料與已接收到之最後五筆資料的相位差平均值和頻率固定參數的乘積的和來得到下一筆資料的追蹤頻率。如此反覆計算新的追蹤頻率，以更新後續資料的追蹤頻率。
換句話說，於接收到第六筆資料後，透過計算第六追蹤頻率與第二筆資料、第三筆資料、第四筆資料、第五筆資料和第六筆資料的相位差平均值與頻率固定參數的乘積的和，來得到第七追蹤頻率。並且，以得到的第七追蹤頻率接收衛星的衛星訊號，來得到第七筆資料。
於接收到第七筆資料後，透過計算第七追蹤頻率與第三筆資料、第四筆資料、第五筆資料、第六筆資料和第七筆資料的相位差平均值與頻率固定參數的乘積的和，來得到第八追蹤頻率。並且，以得到的第八追蹤頻率接收衛星的衛星訊號，來得到第八筆資料。以此類推。
由於根據本發明之得到全球定位系統訊號之精準追蹤頻率的方法係透過頻率差疊代法逼近精準的追蹤頻率，相較於習知技術的單筆資料的相位差疊代法，具有簡易且快速取得精準追蹤頻率
的功效。如「表一」所示，當所接收到的衛星訊號較強時，如強度在-120dBm時，以根據本發明之得到全球定位系統訊號之精準追蹤頻率的方法僅需要5筆的資料筆數即可得到精準的追蹤頻率，而習知技術需要疊代10次才可得到精準的追蹤頻率；當所接收到的衛星訊號較弱時，如強度在-136dBm時，以根據本發明之得到全球定位系統訊號之精準追蹤頻率的方法僅需要200筆的資料筆數即可得到精準的追蹤頻率，而習知技術因需要疊代的次數太多，而導致追蹤失敗。
於此，根據本發明的得到全球定位系統訊號之精準追蹤頻率的方法可應用於具有全球定位系統的電子裝置，例如：手機、筆記型電腦等攜帶式電子裝置或單機裝置(例如：GPS接收器)。
其中，具有全球定位系統的電子裝置可具有天線、儲存單元與處理器。根據本發明的得到全球定位系統訊號之精準追蹤頻率的方法可透過軟體或韌體程式內建儲存單元中。天線用以接收多個衛
星的衛星訊號。再由處理器執行內建的軟體或韌體程式，以在接收衛星訊號中的資料後判讀多個資料中的相位差平均值以計算出頻率差，最後將頻率差疊代回最後一筆衛星訊號的追蹤頻率，而得到新的追蹤頻率。
於此，根據本發明的得到全球定位系統訊號之精準追蹤頻率的方法，係利用已接到的多筆資料得到一相位差平均值，然後由相位差平均值與一頻率固定參數計算出一頻率差，再由頻率差與最後一筆資料的追蹤頻率計算新的追蹤頻率，藉以利用新的追蹤頻率接收下一筆資料。如此一來，可以大幅減少雜訊所造成的干擾，以得到最精準的追蹤頻率，並且可觀察出頻率變化的趨勢。
雖然本發明以前述之較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習相像技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。
第1圖係為根據本發明第一實施例之得到全球定位系統訊號之精準追蹤頻率的方法流程圖；第2圖係為根據本發明第二實施例之得到全球定位系統訊號之精準追蹤頻率的方法流程圖；以及第3圖係為根據本發明第三實施例之得到全球定位系統訊號之精準追蹤頻率的方法流程圖。
Claims (9)
- 一種得到全球定位系統訊號之精準追蹤頻率的方法，包含有：步驟一：連續接收一衛星的複數筆資料，每一該筆資料具有一追蹤頻率；步驟二：計算已接收到的該複數筆資料的複數個相位差；步驟三：計算已計算得的該複數個相位差的一相位差平均值；步驟四：由計算得的該相位差平均值與一頻率固定參數計算一頻率差；步驟五：由計算得的該頻率差與已接收到的該複數筆資料中最後一筆資料的該追蹤頻率計算一新的追蹤頻率；以及步驟六：以該新的追蹤頻率接收下一筆資料。
- 如請求項1所述之得到全球定位系統訊號之精準追蹤頻率的方法，其中該複數個相位差中每兩相鄰相位差的間隔時間為1ms。
- 如請求項1所述之得到全球定位系統訊號之精準追蹤頻率的方法，其中該頻率固定參數係為159.155。
- 如請求項1所述之得到全球定位系統訊號之精準追蹤頻率的方法，其中該步驟一包含：以一既定頻率範圍中的複數個追蹤頻率偵測該衛星，以得到複數個衛星訊號；以該既定頻率範圍下所得到之該複數個衛星訊號中能量反應最大的該衛星訊號的追蹤頻率作為一初始追蹤頻率；以該初始追蹤頻率接收該衛星的該衛星訊號，以得到該複 數筆資料中之第一筆資料；計算該第一筆資料的相位差；由計算得的該第一筆資料的該相位差與該頻率固定參數計算一第一頻率差；由計算得的該第一頻率差與該初始追蹤頻率計算一第二追蹤頻率；以及以該第二追蹤頻率接收該衛星的該衛星訊號，以得到該複數筆資料中之第二筆資料。
- 如請求項1所述之得到全球定位系統訊號之精準追蹤頻率的方法，其中該步驟二包括：計算已接收到的該複數筆資料中最後一既定數量筆資料的該複數個相位差。
- 如請求項1所述之得到全球定位系統訊號之精準追蹤頻率的方法，更包括：於接收該下一筆資料後，回到該步驟二接續執行該步驟二到該步驟六。
- 如請求項6所述之得到全球定位系統訊號之精準追蹤頻率的方法，其中該步驟二包括：計算已接收到的該複數筆資料中最後一既定數量筆資料的該複數個相位差。
- 如請求項1所述之得到全球定位系統訊號之精準追蹤頻率的方法，其中該步驟四包括：計算已計算得的該相位差平均值與該頻率固定參數的乘積 以得到該頻率差。
- 如請求項1所述之得到全球定位系統訊號之精準追蹤頻率的方法，其中該步驟五包括：加總計算得的該頻率差與已接收到的該複數筆資料中最後一筆資料的該追蹤頻率的和以得到該新的追蹤頻率。
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