TWI388873B - 定位方法和導航裝置 - Google Patents

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Description

定位方法和導航裝置
本發明係有關於一種全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System，GNSS)，更特別地，係有關於一種定位方法和導航裝置。
第1圖係先前技術的導航裝置100。導航裝置100可為行動裝置(例如PDA或手機)的一部分，用以基於衛星信號，例如全球定位系統(global positioning system，GPS)虛擬電碼，進行自身定位。首先經由天線102接收衛星信號#RF，然後藉由RF前端104將衛星信號#RF解調為數位信號#D。導航裝置100可藉由多個通道關聯器110同時處理多顆衛星的衛星信號，其中每個通道關聯器110專用於處理一顆或多顆衛星的衛星信號。根據此基本結構，在空間中有多顆衛星發送嵌入座標資訊的衛星信號。通道關聯器110是導航裝置100的硬體通道，專用於處理一顆或多顆衛星的衛星信號，換言之，用以搜尋衛星。搜尋結果#S1 至#Sn 儲存於記憶體裝置106中，處理器108可相應地執行進一步定位追蹤。
搜尋進程主要包括在一搜尋空間內的多次相干/不相干(coherent/incoherent)積分，該搜尋空間係由組合所有可能的頻率偏移對電碼相位(frequency offsets versus code phases)而形成。通常，一次相干/不相干積分將數位信號#D的相干/不相干關聯性和一對可能的頻率偏移和電碼相位進行累加，該積分時間被稱為延續時間(dwell time)。相干/不相干積分可重複執行多次，且所有的積分結果累加到一起以構成一個關聯矩陣，從而促進峰值(peak)的偵測。換言之，需要數微秒(mini-second)去累加一關聯矩陣。
第2a圖係在良好SNR(Signal to Noise Ratio)環境下的可視化關聯矩陣。在x-y平面上，搜尋空間係由頻率偏移對電碼相位形成，其中，一個搜尋空間相應於一顆衛星，且在z軸上，相干/不相干積分結果進行累加以產生關聯和，其中相干/不相干積分結果對應於每對頻率偏移和電碼相位。一個關聯矩陣代表一搜尋空間的所有關聯和。當衛星信號分別具有高品質時，在關聯矩陣中可找到一個顯著峰值，例如節點P1。為了確保節點P1是一個正確結果，將節點P1與第二大節點P2進行比較。如果P1對P2的比率超出預設值，則節點P1肯定是正確結果，且與節點P1相關的一對頻率偏移和電碼相位也肯定是搜尋進程的解法，然後使用該解法進行定位追蹤。
第2b圖係在不良SNR環境下的可視化關聯矩陣。當接收衛星信號遭遇困難時，SNR可降低到一定程度以致顯著峰值並不明顯。如第2b圖所示，節點P1、節點P2和節點P3可具有大致(subsequently)相同的接近於雜訊值的值，其中很難辨認一峰值。為了增加靈敏度用以從雜訊中辨別出峰值，存在各種習知的方法去增加該等未定峰值之間的差異。一種普通的解法是當形成關聯矩陣時，增加用於相干/不相干積分的延續時間。換言之，對於延續時間，靈敏度是一種折衷。
第3圖係使用固定延續時間的多個搜尋進程的三個同作序列(concurrent sequence)。搜尋進程分為多個同作序列，例如同作序列310、同作序列320和同作序列330，每個同作序列由一相應的通道關聯器110執行。例如，第一通道關聯器110在同作序列310中重複搜尋衛星1至衛星10(如圖所示的S1至S10)，第二通道關聯器110在同作序列320中重複搜尋衛星11至衛星20(如圖所示的S11至S20)，以此類推。用於每顆衛星的搜尋進程均等地消耗持續時間Dt 。持續時間Dt 是延續時間的倍數，在持續時間Dt 內執行多次相干/不相干積分用以累加出一個關聯矩陣。當為一顆衛星產生出一個關聯矩陣時，進行下一個搜尋進程以搜尋下一顆衛星。檢查該關聯矩陣以找出如第2a圖所示的峰值，這一步驟也稱作GPS捕獲。
由於距離和路徑(path)的變化，接收自不同衛星的信號可具有可變的強度。因為導航裝置100通常使用於動態環境中，所接收的信號的品質也可時常改變。搜尋進程的靈敏度取決於延續時間。當在低SNR環境下產生關聯矩陣時，更長的延續時間可幫助減少雜訊成分，並加強所需要的成分，然而，時間消耗是一種折衷。相反，當衛星信號呈現高SNR，就無需使用長延續時間去執行緩慢的搜尋進程。因為上述原因，固定的延續時間似乎不足以滿足上述的行動應用，因此需要改進。
有鑑於此，本發明提供一種定位方法和導航裝置以解決上述問題。
本發明提供一種定位方法，用於一行動裝置，該定位方法包括：從至少一衛星接收多個衛星信號；藉由使用一可調節積分時間，對該多個衛星信號執行至少一種搜尋進程；以及當在該至少一種搜尋進程中捕獲該至少一衛星時，執行一定位追蹤。
本發明另提供一種導航裝置，用於處理接收自多顆待搜尋衛星的衛星信號，該導航裝置包括：至少一通道關聯器，每個通道關聯器專用於搜尋一顆或多顆衛星；一記憶體裝置，耦接該至少一通道關聯器，用以儲存獲取自該至少一通道關聯器的多個搜尋結果；一處理器，耦接該記憶體裝置，用以基於該多個搜尋結果進行一定位追蹤；以及一控制器，耦接該至少一通道關聯器，用以根據一排程表提供不同的積分時間至該至少一通道關聯器；其中，該控制器分別安排每個通道關聯器使用至少一積分時間重複地搜尋該一顆或多顆衛星；當從該至少一通道關聯器捕獲一足夠數量的衛星時，該處理器執行該定位追蹤。
本發明提供的定位方法和導航裝置，對於不同的衛星信號可使用不同的積分時間進行搜尋，從而在較短時間內有效地捕獲衛星。
在說明書及後續的申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定元件。所屬領域中具有通常知識者應可理解，製造商可能會用不同的名詞來稱呼同一個元件。本說明書及後續的申請專利範圍並不以名稱的差異來作為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來作為區分的準則。在通篇說明書及後續的請求項當中所提及的“包括”和“包含”係為一開放式的用語，故應解釋成“包含但不限定於”。
第4a圖係根據本發明的一實施例的導航裝置400的示意圖。增加一控制器402以調節通道關聯器110的靈敏度。首先，RF前端104經由天線102從多顆衛星接收衛星信號#RF，以輸出數位信號#D。提供多個通道關聯器110以同時搜尋多顆衛星。例如，總共需搜尋41顆衛星，則總共有三個或四個通道關聯器110參與同時搜尋任務。從通道關聯器110所獲得的搜尋結果#S1至#Sn儲存於記憶體裝置106中，處理器108基於該等搜尋結果執行定位追蹤。本實施例的控制器402根據一排程表，藉由發送控制信號#T1至#Tn而調整通道關聯器110中的延續時間，也就是說，通道關聯器110的延續時間是可調節的。控制器402可提供兩種延續時間，即，長延續時間和短延續時間，且相應地配置通道關聯器110去搜尋衛星。具有長延續時間的搜尋進程將更慢，但對於弱衛星信號更靈敏。相反，具有短延續時間的搜尋進程將更快，但對於弱衛星信號更不靈敏，其特別適應於高SNR衛星。藉由合適地設置排程表，導航裝置400可適用於品質變化的環境中，且具有平衡的靈敏度和效率。
第4b圖係根據本發明的定位方法的流程圖。在步驟401中，接收多顆衛星的衛星信號。在步驟403中，對於該多顆衛星安排並執行一系列的搜尋進程。在步驟405中，確定是否從搜尋進程中捕獲了足夠的衛星。如果沒有，則重複步驟403。否則，在步驟407中執行進一步的定位追蹤。通常，需要至少三顆衛星追蹤位置，且如果捕獲更多的衛星，則將增加定位追蹤的精確度。當使用成功捕獲的衛星進行定位追蹤時，在步驟403中仍重複搜尋在搜尋進程中未捕獲的衛星。使用成功捕獲的衛星進行定位追蹤，然而，對衛星的搜尋進程仍持續地執行。換言之，在導航裝置400中，步驟403和步驟407可同時進行。由於定位追蹤是已知的技術，在此不再詳細介紹。
第5圖係根據第4a圖和第4b圖的搜尋進程的流程圖。本實施例描述用於一個特定通道關聯器的搜尋進程。在步驟501中，控制器402初始化多個通道關聯器110中的一個，即初始化一搜尋進程，用以處理數位信號#D。在此階段，形成如第2a圖和第2b圖所示的搜尋空間。在步驟503中，控制器402配置該通道關聯器110以使用短延續時間去執行該搜尋空間的相干/不相干積分，從而產生一關聯矩陣。短延續時間定義一次相干積分的持續時間，且分別執行多次相干/不相干積分，並將積分的結果累加在一起產生該關聯矩陣。
在步驟505中，確定是否存在如第2a圖所示的節點P1一樣的顯著峰值，也就是說，將是否出現顯著峰值作為一個標準。如果存在，也就是滿足該標準，則確定已捕獲到一顆衛星，並輸出其相應的頻率偏移和電碼相位以供進一步的定位追蹤。如果在步驟505中的捕獲失敗，則進入步驟507。
在步驟507中，控制器402配置通道關聯器110以使用長延續時間執行相干/不相干積分。同樣地，在步驟509中根據數位信號#D產生一關聯矩陣，檢查該關聯矩陣以找到一個顯著峰值，也就是說，將是否出現顯著峰值作為一個標準，如果存在，也就是滿足該標準，則確定已捕獲到一顆衛星。使用長延續時間的搜尋進程更慢，但更靈敏，所以具有更高的可能性去捕獲一顆低SNR衛星。如果沒有找到峰值，則返回步驟503，從而再次使用短延續時間。如果捕獲成功，則進入步驟511，並結束該搜尋進程。儘管第5圖的流程圖引入短延續時間和長延續時間的使用，通道關聯器110並不僅限於搜尋僅一顆衛星。對於不同衛星，可以以各種選擇次序安排使用非一種搜尋進程，即，使用不同延續時間的搜尋進程。
第6a圖係使用不同延續時間的混合搜尋進程的一序列。序列600代表與多個通道關聯器110的一個相關的時間線。在第一期間PS ，安排使用短延續時間的多個搜尋進程(如圖所示的S1 至Sn )，其中每個搜尋進程消耗持續時間Dt1 。持續時間Dt1 是短延續時間的倍數，取決於在每個搜尋進程中重複執行的相干/不相干積分的次數。搜尋尺寸(dimension)也是確定持續時間Dt1 的一個參數。如果搜尋尺寸包括四個頻帶，則持續時間Dt1 為4*相干*非相干(4*coherent*incoherent)。例如，如果設定短延續時間為2ms，且重複次數為10次，則對於一個搜尋進程，持續時間Dt1 為2ms*4*10=80ms。當在期間PS 內已執行所有的搜尋進程，則在期間PL 使用長延續時間重新安排未捕獲的衛星進入長搜尋進程(如圖所示的L1 至Ln )。需注意的是，如果短搜尋進程S2 成功，則不需要相應的長搜尋進程L2 ，所以在期間PL 中無須安排長搜尋進程L2 。如果長延續時間為8ms，相干/不相干積分可重複32次。因此，每個長搜尋進程所消耗的持續時間Dt2 將為8*32*搜尋尺寸(ms)。在期間PL 之後，類似地，使用長延續時間和短延續時間遞迴地(recursively)重新安排未捕獲的衛星。
第6b圖係使用不同延續時間的混合搜尋進程的同作序列。在此實施例中存在三個序列，序列610、序列620和序列630，每個序列與一個通道關聯器110相關，其中，安排30個搜尋進程(如圖所示的S1 至S30 )。序列610、序列620和序列630中的搜尋進程都是單獨且同時進行的。首先，在期間PS1 中進行一種短搜尋進程，如圖所示的搜尋進程S1 至S10 ，在期間PS2 中進行一種短搜尋進程，如圖所示的搜尋進程S11 至S20 ，在期間PS3 中進行一種短搜尋進程，如圖所示的搜尋進程S21 至S30 。期間PS1 、期間PS2 和期間PS3 都實際相同，因為每個期間均等地包含10個搜尋進程。在序列610中，期間PS1 之後緊跟期間PL1 。如果沒有在搜尋進程S1 至S10 中成功捕獲衛星，在期間PL1 中，安排一種長搜尋進程(如圖所示的L1 至L10 )以再次搜尋衛星，其中在期間PS1 搜尋的衛星稱作第一衛星組，在期間PL1 搜尋的衛星稱作第二衛星組。在序列620中，期間PS2 之後緊跟期間PL2 ，類似地，將藉由期間PL2 中的長搜尋進程對期間PS2 中未捕獲的衛星進行搜尋。在序列630中，期間PS3 之後緊跟期間PL3 。例如，如果在期間PS3 中僅僅沒有捕獲衛星21和衛星30，則在期間PL3 中安排兩個長搜尋進程L21 和L30 。衛星總數並不僅限於30，且期間的安排同樣可改變。在此實施例中，使用兩種搜尋進程(長搜尋進程和短搜尋進程)，也就是說，使用兩種不同的延續時間，也可進一步修改為多種搜尋進程，也就是說，使用多種延續時間。因為搜尋進程的靈敏度對於延續時間是一個折衷，所以在對於低SNR衛星信號而使用長搜尋進程之前，混合搜尋進程可在較短時間內有效地捕獲高SNR通道。
上述之實施例僅用來例舉本發明之實施態樣，以及闡釋本發明之技術特徵，並非用來限制本發明之範疇。任何習知技藝者可依據本發明之精神輕易完成之改變或均等性之安排均屬於本發明所主張之範圍，本發明之權利範圍應以申請專利範圍為準。
100．．．導航裝置
102．．．天線
104．．．RF前端
110．．．通道關聯器
106．．．記憶體裝置
108．．．處理器
310、320、330．．．同作序列
S1-S30．．．衛星
400．．．導航裝置
402．．．控制器
401-407．．．步驟
501-511．．．步驟
600．．．序列
S1 -Sn ．．．搜尋進程
L1 -Ln ．．．長搜尋進程
610、620、630．．．序列
S1 -S30 ．．．搜尋進程
L1 -L30 ．．．長搜尋進程
第1圖係先前技術的導航裝置；
第2a圖係在良好SNR環境下的可視化關聯矩陣；
第2b圖係在不良SNR環境下的可視化關聯矩陣；
第3圖係使用固定延續時間的多個搜尋進程的三個同作序列；
第4a圖係根據本發明的一實施例的導航裝置的示意圖；
第4b圖係根據本發明的定位方法的流程圖；
第5圖係根據第4a圖和第4b圖的搜尋進程的流程圖；
第6a圖係使用不同延續時間的混合搜尋進程的一序列；
第6b圖係使用不同延續時間的混合搜尋進程的同作序列。
501-511．．．步驟

Claims (12)

  1. 一種定位方法，用於一行動裝置，該定位方法包括：從至少一衛星接收多個衛星信號；藉由使用一可調節積分時間，對該多個衛星信號執行至少一種搜尋進程；以及當在該至少一種搜尋進程中捕獲該至少一衛星時，執行一定位追蹤。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之定位方法，其中，進一步包含分別安排多個衛星組進入多種搜尋進程，其中每種搜尋進程具有不同的積分時間。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之定位方法，其中，執行該至少一種搜尋進程的步驟包括對於一第一衛星組執行一第一種搜尋進程，執行該第一種搜尋進程的步驟包含：形成相應於該第一衛星組的一衛星的一第一搜尋空間；在該第一搜尋空間內，使用一第一積分時間去重複執行一次或多次相干/不相干積分；將來自該一次或多次相干/不相干積分的多個結果相加，用以獲得一第一關聯矩陣；以及當該第一關聯矩陣滿足一第一標準時，評定已捕獲該第一衛星組的該衛星。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之定位方法，其中，執行該至少一種搜尋進程的步驟進一步包括對於一第二衛星組執行一第二種搜尋進程；以及重新安排在該第二種搜尋進程中搜尋該第一種搜尋進程中未捕獲的衛星。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之定位方法，其中，該第二種搜尋進程包含：形成相應於該第二衛星組的一衛星的一第二搜尋空間；在該第二搜尋空間內，使用一第二積分時間去重複執行一次或多次相干/不相干積分；將來自該第二積分時間中執行的該一次或多次相干/不相干積分的多個結果相加，用以獲得一第二關聯矩陣；以及當該第二關聯矩陣滿足一第二標準時，評定已捕獲該第二衛星組的該衛星。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之定位方法，其中，進一步包含：重新安排在該第一種搜尋進程和該第二種搜尋進程中未捕獲的衛星進入一新排程表；以及根據該新排程表，重複該第一種搜尋進程和該第二種搜尋進程。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之定位方法，其中，執行該定位追蹤的步驟包含追蹤一足夠數量的已捕獲衛星以定位該行動裝置。
  8. 一種導航裝置，用於處理接收自多顆待搜尋衛星的衛星信號，該導航裝置包括：至少一通道關聯器，每個通道關聯器專用於搜尋一顆或多顆衛星；一記憶體裝置，耦接該至少一通道關聯器，用以儲存獲取自該至少一通道關聯器的多個搜尋結果；一處理器，耦接該記憶體裝置，用以基於該多個搜尋結果進行一定位追蹤；以及一控制器，耦接該至少一通道關聯器，用以根據一排程表提供不同的積分時間至該至少一通道關聯器；其中，該控制器分別安排每個通道關聯器使用至少一積分時間重複地搜尋該一顆或多顆衛星；當從該至少一通道關聯器捕獲一足夠數量的衛星時，該處理器執行該定位追蹤。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之導航裝置，其中，當該至少一通道關聯器的一通道關聯器配置為具有一第一積分時間時，該通道關聯器形成相應於一衛星的一第一搜尋空間；該通道關聯器使用該第一積分時間在該第一搜尋空間重複執行一次或多次相干/不相干積分；以及該通道關聯器將來自該第一搜尋空間重複執行的該一次或多次相干/不相干積分的多個結果相加，用以獲得一第一關聯矩陣，其中，當該第一關聯矩陣滿足一第一標準時，評定已捕獲該衛星。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之導航裝置，其中，如果該通道關聯器使用該第一積分時間並未捕獲到該顆衛星，該控制器安排該通道關聯器使用一第二積分時間去搜尋該顆衛星。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之導航裝置，其中，當該通道關聯器配置為具有一第二積分時間時，該通道關聯器形成相應於該衛星的一第二搜尋空間；該通道關聯器使用該第二積分時間在該第二搜尋空間重複執行一次或多次相干/不相干積分；以及該通道關聯器將來自該第二搜尋空間重複執行的該一次或多次相干/不相干積分的多個結果相加，用以獲得一第二關聯矩陣，其中，當該第二關聯矩陣滿足一第二標準時，評定已捕獲該衛星。
  12. 如申請專利範圍第8項所述之導航裝置，其中，該處理器追蹤已捕獲的該足夠數量的衛星，用以定位該導航裝置。
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