專(zhuān)利名稱(chēng)：全球定位系統(tǒng)定位方法和全球定位系統(tǒng)接收裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及全球定位系統(tǒng)(GPS)定位方法和應(yīng)用該方法的GPS接收裝置。
其中使用稱(chēng)為GPS衛(wèi)星的多個(gè)人造衛(wèi)星來(lái)測(cè)量移動(dòng)物體的位置的GPS系統(tǒng)中，擴(kuò)展頻譜調(diào)制系統(tǒng)被用作為針對(duì)來(lái)自人造衛(wèi)星的信號(hào)波的調(diào)制系統(tǒng)。例如，在用戶(hù)GPS接收器中，從GPS衛(wèi)星(Navistar)接收稱(chēng)為C/A碼(航向探測(cè)碼)的擴(kuò)頻信號(hào)波，以便執(zhí)行定位算術(shù)運(yùn)算。
該C/A碼由發(fā)送信號(hào)速率為1.023MHz的PN(偽隨機(jī)噪聲)系列的碼形成，例如由金色碼形成。該P(yáng)N序列的碼以1023碼片提供的一個(gè)周期重復(fù)地出現(xiàn)(因此一個(gè)周期=1毫秒)，如

圖13A所示。
該C/A碼的PN序列的碼在不同衛(wèi)星當(dāng)中不同，但是它能由GPS接收器預(yù)先檢測(cè)任何給定的PN序列的碼被哪個(gè)衛(wèi)星使用了。此外，以下描述的這種導(dǎo)航信息使GPS接收器可以識(shí)別該GPS接收器在該地點(diǎn)和在該時(shí)刻能從哪個(gè)衛(wèi)星接收信號(hào)。因此，如果試圖使用GPS接收器執(zhí)行例如三維的定位，則該GPS接收器從四個(gè)或更多的能在該定點(diǎn)和靠近時(shí)間捕捉的衛(wèi)星接收無(wú)線電波，并且執(zhí)行該無(wú)線電波的頻譜解擴(kuò)，以及定位算術(shù)運(yùn)算，以便確定該GPS接收器本身的位置。
如圖13B所示，衛(wèi)星信號(hào)數(shù)據(jù)的一個(gè)比特被作為PN序列的碼發(fā)送20周期，即以20毫秒為單位。換句話說(shuō)，數(shù)據(jù)傳輸速率是50bps。當(dāng)該比特是"1"時(shí)，用于一個(gè)周期的PN序列的碼的1,023個(gè)碼片具有與比特是"0"時(shí)的那些碼片相反的值。
如圖13C所示，在GPS系統(tǒng)中，一個(gè)碼字是由30比特(600毫秒)形成的。如圖13D所示，一個(gè)子幀(6秒)是由10個(gè)碼字形成的。如圖13E所示，通常具有規(guī)定比特模式的前置碼即使當(dāng)數(shù)據(jù)被更新時(shí)也被插入在一個(gè)子幀的頂端碼字中，并且數(shù)據(jù)被跟隨該前置碼發(fā)送。
而且，一幀(30秒)是由5個(gè)子幀形成的。導(dǎo)航信息按一幀的數(shù)據(jù)單位來(lái)發(fā)送。一幀數(shù)據(jù)的前3個(gè)子幀包括對(duì)各衛(wèi)星來(lái)說(shuō)是唯一的信息，被稱(chēng)為空間位置參數(shù)信息(ephemeris information)。該信息包括用于確定衛(wèi)星軌道和來(lái)自衛(wèi)星的信號(hào)的信令時(shí)間的參數(shù)。
具體地說(shuō)，該空間位置參數(shù)信息的三個(gè)子幀的第二個(gè)碼字包括來(lái)自一周的時(shí)間信息，稱(chēng)為T(mén)OW(周時(shí)間)。因此，每一子幀的TOW是每間隔6秒更新的信息。
所有的GPS衛(wèi)星都包括原子鐘，使用共同的時(shí)間信息，并且信號(hào)是以原子鐘的一秒為單位來(lái)自每一衛(wèi)星信令的信號(hào)。而且，每一衛(wèi)星的PN序列的碼與該原子鐘同步地產(chǎn)生。
空間位置參數(shù)信息的軌道信息在每幾小時(shí)之后更新，并且該信息保持不變，直到其被更新。但是，如果空間位置參數(shù)信息的軌道信息被存儲(chǔ)在GPS接收器的存儲(chǔ)器中，則同一信息能以高等級(jí)的精確度被使用好幾個(gè)小時(shí)。應(yīng)該指出，來(lái)自每一衛(wèi)星的信號(hào)的信令時(shí)間在每一秒之后即被更新。
一幀數(shù)據(jù)的剩余兩個(gè)幀的導(dǎo)航信息是稱(chēng)為年鑒信息(almanac information)的信息，它是從所有的衛(wèi)星共同發(fā)送的信息。該年鑒信息必須收集25幀，以便獲得所有的信息，并且包括每一衛(wèi)星的大致位置信息以及表示哪個(gè)衛(wèi)星能被使用的信息。該年鑒信息在每幾個(gè)月之后被更新，但是保持同一信息直到其被更新為止。但是，如果年鑒信息被存儲(chǔ)在GPS接收器的存儲(chǔ)器中，則同一信息能以高等級(jí)的精確度被使用好幾個(gè)月。
為了接收GPS衛(wèi)星信號(hào)，在GPS接收器中準(zhǔn)備的并且與由將要被接收的GPS衛(wèi)星使用的C/A碼的PN序列相同的PN序列碼被用于建立與來(lái)自該GPS衛(wèi)星的信號(hào)的C/A碼的相位同步性，以捕捉該衛(wèi)星信號(hào)，并且該衛(wèi)星信號(hào)被頻譜解擴(kuò)。在下文中把PN序列的碼稱(chēng)作PN碼。隨著建立與C/A碼相位同步性和進(jìn)行解擴(kuò)，比特被檢測(cè)，并且因此能從GPS衛(wèi)星信號(hào)中獲得包括時(shí)間信息的導(dǎo)航信息等。
通過(guò)C/A碼的相位同步性搜索而捕捉衛(wèi)星信號(hào)。在相位同步性搜索中，搜索的是在GPS接收器的PN碼和來(lái)自GPS衛(wèi)星的接收信號(hào)的PN碼之間的相關(guān)性，并且當(dāng)該相關(guān)性高于預(yù)先確定的相關(guān)值時(shí)，即判定該P(yáng)S碼處于互相同步。如果判定該P(yáng)S碼不處于互相同步，則連續(xù)逐一碼片地移動(dòng)GPS接收器的PN碼的相位，同時(shí)針對(duì)每一相位檢測(cè)GPS接收信號(hào)的該P(yáng)N碼對(duì)于該GPS接收器的PN碼的相關(guān)性，以便檢測(cè)能利用其建立同步的相位。
在此情況下，GPS衛(wèi)星的PN碼以很高精度頻率的時(shí)鐘來(lái)驅(qū)動(dòng)。因此，如果用于驅(qū)動(dòng)GPS接收器中準(zhǔn)備的PN碼的發(fā)生器的時(shí)鐘具有實(shí)質(zhì)上等于衛(wèi)星時(shí)鐘的精確度，如果該GPS接收器的PN碼移動(dòng)經(jīng)過(guò)1,023碼片，即該P(yáng)N碼的一個(gè)重復(fù)周期，則與某些相位獲得相位同步性，并且能從該衛(wèi)星捕捉擴(kuò)頻電波。
用于驅(qū)動(dòng)GPS接收器的PN碼發(fā)生器的時(shí)鐘通常是通過(guò)劃分該GPS接收器中準(zhǔn)備的基準(zhǔn)頻率振蕩器的頻率而獲得的。高精度石英振蕩器被用作為基準(zhǔn)頻率振蕩器。但是，GPS接收器的基準(zhǔn)頻率振蕩器的振蕩頻率通常由于溫度變化或老化而變動(dòng)。因此，PN碼的碼片頻率可能會(huì)在衛(wèi)星信號(hào)和GPS接收器信號(hào)之間移動(dòng)。因此，考慮到內(nèi)置的基準(zhǔn)頻率振蕩器的振蕩頻率變化，GPS接收器執(zhí)行頻率搜索，以使內(nèi)置的基準(zhǔn)頻率振蕩器的振蕩頻率可被調(diào)整到來(lái)自GPS衛(wèi)星的該擴(kuò)頻信號(hào)的頻率。
圖14說(shuō)明上述的這種頻率搜索。具體地說(shuō)，當(dāng)用于驅(qū)動(dòng)GPS接收器的PN代碼發(fā)生器的時(shí)鐘信號(hào)頻率是確定的頻率f1時(shí)，執(zhí)行如上所述的這種相位同步性搜索。隨后，如果在執(zhí)行相位同步性搜索的所有1023個(gè)碼片中的相位搜索未找到檢測(cè)同步的相位，則來(lái)例如自基準(zhǔn)頻率振蕩器的信號(hào)劃分比例將被改變，把驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘信號(hào)的頻率改變到另一頻率f2。隨后，類(lèi)似地執(zhí)行對(duì)于1023個(gè)碼片的相位搜索。如圖14所示，此過(guò)程通過(guò)連續(xù)地逐步改變驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘信號(hào)的頻率來(lái)重復(fù)。描述的操作是頻率搜索。
能被考慮允許同步的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘信號(hào)的頻率通過(guò)頻率搜索來(lái)檢測(cè)，并且以時(shí)鐘脈沖頻率來(lái)進(jìn)行PN碼的最終相位同步。因此，即便石英頻率振蕩器的振蕩頻率有些移動(dòng)，也能捕捉到衛(wèi)星信號(hào)。
以此方式，為了對(duì)于GPS接收器執(zhí)行定位算術(shù)運(yùn)算，必須確定衛(wèi)星和接收器之間的距離。具體地說(shuō)，GPS接收器測(cè)量時(shí)間間隔，即測(cè)量信號(hào)到達(dá)時(shí)間間隔，直到從衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的信號(hào)在確定的時(shí)間到達(dá)該GPS接收器為止，并且把該時(shí)間間隔乘以光速3×108m/s，以便計(jì)算距離。
為了測(cè)量信號(hào)到達(dá)時(shí)間間隔，需要與來(lái)自衛(wèi)星的信號(hào)建立精確的時(shí)間同步，并且測(cè)量?jī)蓚€(gè)時(shí)間間隔。兩個(gè)時(shí)間間隔之一是比通過(guò)建立該C/A碼相位同步性而獲得的擴(kuò)展碼的一個(gè)周期更短的時(shí)間信息，即比1毫秒還要短的時(shí)間信息。另一個(gè)時(shí)間間隔是比擴(kuò)展碼的一個(gè)周期長(zhǎng)的時(shí)間信息，即比1毫秒長(zhǎng)的時(shí)間信息。
比1毫秒更短的時(shí)間信息被獲得作為一個(gè)定時(shí)，以該定時(shí)建立C/A碼的相位同步性，以便捕捉GPS衛(wèi)星信號(hào)。具體地說(shuō)，衛(wèi)星的擴(kuò)展碼(PN碼)與其原子鐘同步，如果在GPS接收器上建立該P(yáng)N碼的相位同步性，即如果建立C/A碼的同步，則獲得比來(lái)自衛(wèi)星的無(wú)線電波到達(dá)時(shí)間間隔的1毫秒更短的信息。
但是，只有當(dāng)建立C/A碼的同步時(shí)，才僅獲得比1毫秒更短的時(shí)間信息，但是未獲得比1毫秒長(zhǎng)的時(shí)間信息。因此，比1毫秒長(zhǎng)的時(shí)間信息是必要的。通常，通過(guò)從該GPS衛(wèi)星信號(hào)中獲得包括的導(dǎo)航信息來(lái)獲得比1毫秒長(zhǎng)的時(shí)間信息。具體地說(shuō)，通過(guò)建立與導(dǎo)航信息中的前置碼型的相位同步性、并且參考該TOW而獲得比1毫秒長(zhǎng)的時(shí)間信息，以便證實(shí)相位同步性定時(shí)。
如上所述，在普通的GPS接收器中，為了捕捉衛(wèi)星信號(hào)，由于提供在該GPS接收器之中的基準(zhǔn)頻率振蕩器的溫度變化或老化的原因，所以要求頻率搜索。由于一般需要比較多的時(shí)間用于頻率搜索，所以存在的問(wèn)題是，需要許多時(shí)間執(zhí)行定位算術(shù)計(jì)算，以便最終測(cè)定目前GPS接收器的位置。
在使用上述普通的時(shí)間同步方法的場(chǎng)合下，存在的問(wèn)題是，按子幀單位來(lái)獲得用于獲得比1毫秒長(zhǎng)的時(shí)間信息的前置碼和TOW的信息，即在6秒中僅獲得一次。此外，為了防止錯(cuò)誤的鎖定，通常最好兩次或多次證實(shí)前置碼等信息。因此，即便該GPS接收器具有的時(shí)間信息是有效的，但在來(lái)自衛(wèi)星的信號(hào)和該C/A碼之間建立同步之后直到建立最終的時(shí)間同步為止所需要的時(shí)間卻多于6秒鐘。
如果試圖縮短電源提供之后開(kāi)始定位算術(shù)運(yùn)算之前所需要的時(shí)間，那么比6秒鐘更多的時(shí)間將構(gòu)成障礙。而且，在打算把該GPS定位系統(tǒng)結(jié)合在便攜式裝置的場(chǎng)合，雖然要求省電，但是因?yàn)槿缟纤龅囊延屑夹g(shù)在開(kāi)始定位算術(shù)運(yùn)算之前需要許多時(shí)間，所以這種需要的省電不能被充分地實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明的目的是提供一種GPS定位方法和GPS接收裝置，通過(guò)該方法和裝置，例如能縮短GPS接收器在得到電源之后到建立同步之時(shí)為止的時(shí)間。
為了達(dá)到上述目的，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種GPS定位方法，包括以下步驟獲得由普通電波提供的高精度頻率信息，使用接收到的高精度頻率信息測(cè)量GPS接收器部分中使用的基準(zhǔn)頻率振蕩器的振蕩頻率或該振蕩頻率的頻率變化，并且利用該測(cè)量結(jié)果捕捉來(lái)自GPS衛(wèi)星的信號(hào)。
在該GPS定位方法中，即便該GPS接收器部分的基準(zhǔn)頻率發(fā)生器的振蕩頻率由于溫度變化或老化而被改變，也能根據(jù)由該被稱(chēng)為廣播時(shí)鐘的標(biāo)準(zhǔn)電波提供的該高精度頻率信息測(cè)量該頻率變化，并且該測(cè)量的結(jié)果被用于捕捉來(lái)自GPS衛(wèi)星的信號(hào)，以便能取消該頻率變化。因此，能迅速地捕捉該GPS衛(wèi)星信號(hào)而不使用在一個(gè)普通GPS定位方法中使用的頻率搜索。
最好是，該GPS定位方法還包括以下步驟獲得由該標(biāo)準(zhǔn)電波提供的高精度時(shí)間信息，并且使用該高精度時(shí)間信息取代從該GPS衛(wèi)星發(fā)送的時(shí)間信息來(lái)執(zhí)行定位算術(shù)運(yùn)算。
在該GPS定位方法中，由于該定位算術(shù)運(yùn)算是使用由該標(biāo)準(zhǔn)電波提供并且正常獲得的高精度時(shí)間信息來(lái)執(zhí)行，取代了從該GPS衛(wèi)星發(fā)送的時(shí)間信息，所以該定位算術(shù)運(yùn)算能比普通的GPS定位方法迅速地開(kāi)始。
作為一種選擇，該GPS定位方法可以進(jìn)一步包括第一檢測(cè)步驟，檢測(cè)有關(guān)來(lái)自該GPS衛(wèi)星的擴(kuò)頻信號(hào)的擴(kuò)展碼的同步定時(shí)，以便檢測(cè)比用于時(shí)間同步的該擴(kuò)展碼的一個(gè)周期短的時(shí)間成分，和第二檢測(cè)步驟，在第一檢測(cè)步驟中完成該擴(kuò)展碼的同步之后，從由該標(biāo)準(zhǔn)電波提供的該高精度時(shí)間信息檢測(cè)該擴(kuò)展碼的一個(gè)周期的邊界處的時(shí)間，并且根據(jù)該邊界的時(shí)間檢測(cè)比用于時(shí)間同步的該擴(kuò)展碼的一個(gè)周期長(zhǎng)的時(shí)間成分。
在該GPS定位方法中，類(lèi)似普通的GPS定位方法，比擴(kuò)展碼的1毫秒的一個(gè)周期短的時(shí)間成分通過(guò)建立該C/A碼的同步來(lái)確定。但是，就比1毫秒長(zhǎng)的時(shí)間成分而言，該擴(kuò)展碼的一個(gè)周期的邊界時(shí)間由能夠從標(biāo)準(zhǔn)電波獲得的該高精度時(shí)間信息來(lái)檢測(cè)。在此情況下，如果從射頻鐘獲得的時(shí)間信息具有比500微秒短的精確度，則能建立精確度充分高的時(shí)間同步。因此，通過(guò)按如上所述的類(lèi)似方式與三顆或四顆衛(wèi)星建立時(shí)間同步，就能夠迅速地開(kāi)始該定位算術(shù)運(yùn)算。
因此，利用該GPS定位方法，不需要象在一個(gè)普通GPS定位系統(tǒng)中那樣校驗(yàn)該導(dǎo)航信息的前置碼或TOW，從而能明顯縮短時(shí)間同步所需要的時(shí)間。
作為另一種選擇，該GPS定位方法可以進(jìn)一步包括第一檢測(cè)步驟，檢測(cè)有關(guān)來(lái)自該GPS衛(wèi)星的擴(kuò)頻信號(hào)的擴(kuò)展碼的同步定時(shí)，以便檢測(cè)比用于時(shí)間同步的該擴(kuò)展碼的一個(gè)周期短的時(shí)間成分，和第二檢測(cè)步驟，在第一檢測(cè)步驟中完成該擴(kuò)展碼的同步之后，檢測(cè)來(lái)自該衛(wèi)星的信息比特的邊界，利用由該標(biāo)準(zhǔn)電波提供的該高精度時(shí)間信息檢測(cè)該比特邊界的時(shí)間，并且根據(jù)該邊界的時(shí)間檢測(cè)比用于時(shí)間同步的該擴(kuò)展碼的一個(gè)周期長(zhǎng)的時(shí)間成分。
在該GPS定位方法中，類(lèi)似普通的GPS定位方法，比1毫秒短的時(shí)間成分通過(guò)建立該C/A碼的同步來(lái)確定。但是，就比1毫秒長(zhǎng)的時(shí)間成分而言，對(duì)應(yīng)于該擴(kuò)展碼的20個(gè)周期的比特邊界的時(shí)間由通過(guò)該標(biāo)準(zhǔn)電波提供的該高精度時(shí)間信息來(lái)檢測(cè)。在此情況下，如果由該GPS接收器獲得的時(shí)間信息具有比10微秒短的精確度，則能建立精確度充分高的時(shí)間同步。因此，通過(guò)按如上所述的類(lèi)似方式與三顆或四顆衛(wèi)星建立時(shí)間同步，就能夠迅速地開(kāi)始該定位算術(shù)運(yùn)算。
因此，利用該GPS定位方法，不需要象在普通的GPS定位系統(tǒng)中那樣校驗(yàn)該導(dǎo)航信息的前置碼或TOW，從而能明顯縮短時(shí)間同步所需要的時(shí)間，并且較低精確度的時(shí)間信息能被該GPS接收器部分使用。
最好是，即使當(dāng)給GPS接收器部分的電源斷開(kāi)時(shí)，也保持電源被提供到GPS接收器部分的頻率振蕩器，以便使用由接收到的標(biāo)準(zhǔn)電波提供的高精度頻率信息測(cè)量頻率振蕩器的頻率或該頻率的頻率變化。
在該GPS定位方法中，即使當(dāng)給GPS接收器的電源部分被斷開(kāi)，也能預(yù)先設(shè)置基準(zhǔn)頻率振蕩器的頻率變化。雖然GPS接收器通常顯示出大功率消耗，但是用該GPS定位方法，即便電源沒(méi)有被正常地提供到該GPS接收器，由于能預(yù)先測(cè)量該基準(zhǔn)頻率振蕩器的頻率變化，所以能夠降低從電源提供給該GPS接收器部分之后到衛(wèi)星無(wú)線電波被捕捉、以實(shí)際開(kāi)始捕獲該衛(wèi)星電波的時(shí)間。
總之，用該GPS定位方法，由于能以這樣的形式來(lái)捕捉衛(wèi)星信號(hào)，其中使用通過(guò)接收標(biāo)準(zhǔn)電波獲得的高精度頻率信息來(lái)去除在GPS接收器部分中提供的基準(zhǔn)頻率振蕩器的振蕩頻率的頻率變化，所以不需要執(zhí)行由于基準(zhǔn)頻率振蕩器的振蕩頻率的頻率變化而考慮的頻率搜索。因此，與已有技術(shù)相比較，在開(kāi)始進(jìn)行衛(wèi)星信號(hào)捕獲之后到衛(wèi)星信號(hào)能被實(shí)際上捕捉為止的時(shí)間能夠被縮短。
此外，由于使用從標(biāo)準(zhǔn)電波獲得的時(shí)間信息取代來(lái)自GPS衛(wèi)星的時(shí)間信息，所以作為定位算術(shù)運(yùn)算預(yù)處理的到建立時(shí)間同步之前的該時(shí)間也能被明顯降低。因此，利用該GPS定位方法，到開(kāi)始進(jìn)行定位算術(shù)運(yùn)算之前需要的時(shí)間能被明顯降低。
由于按此方式把提供電源之后到位置測(cè)量以前的時(shí)間被縮短，所以需要用于位置測(cè)量的該GPS接收器的驅(qū)動(dòng)時(shí)間被降低，這將有助于省電。而且，由于在提供電源之后到位置測(cè)量以前的時(shí)間變短，所以使用位置測(cè)量功能的用戶(hù)的壓力能夠被減小。
本發(fā)明上述和其它目的、特征及優(yōu)點(diǎn)在結(jié)合附圖的下面的描述和所附的權(quán)利要求書(shū)中將變得顯見(jiàn)，其附圖中的相同部分或單元由相同的標(biāo)號(hào)表示。
圖1是根據(jù)本發(fā)明最佳實(shí)施例的GPS接收裝置的結(jié)構(gòu)方框圖；圖2是說(shuō)明標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線電波的表格；圖3是圖1的GPS接收裝置的信號(hào)解調(diào)部分的結(jié)構(gòu)方框圖；圖4A和4B分別是表示從衛(wèi)星發(fā)送的無(wú)線電波及該無(wú)線電波接收定時(shí)的示意圖，并且說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明的一種時(shí)間同步方法；圖5是說(shuō)明圖4A和4B的時(shí)間同步方法的示意圖；圖6是表示用于執(zhí)行圖5的時(shí)間同步方法的一個(gè)裝置的方框圖；圖7是說(shuō)明圖6的裝置的操作的流程圖；圖8是比較于一個(gè)普通GPS接收裝置而言，說(shuō)明本發(fā)明的GPS接收裝置的省電性能的示意圖；圖9是表示根據(jù)本發(fā)明的GPS接收裝置的應(yīng)用例的示意圖；圖10是表示用于執(zhí)行圖5的時(shí)間同步方法的另一裝置的方框圖；圖11是說(shuō)明圖10的裝置的操作的流程圖；圖12是根據(jù)本發(fā)明另一最佳實(shí)施例的GPS接收裝置的結(jié)構(gòu)方框圖；圖13A到13E示出GPS衛(wèi)星信號(hào)的結(jié)構(gòu)；和圖14是說(shuō)明普通GPS接收器中的頻率搜索的示意圖。
首先參考圖1，其中示出應(yīng)用了本發(fā)明的GPS定位方法的本發(fā)明的一種GPS接收裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。該GPS接收裝置包括GPS接收器部分10、標(biāo)準(zhǔn)電波接收器部分20、和頻率測(cè)量部分30。
該GPS接收器部分10包括天線部分11，該天線部分接收GPS衛(wèi)星信號(hào)，并把該接收信號(hào)提供到射頻處理部分12。射頻處理部分12在下文中被簡(jiǎn)單地稱(chēng)之為RF部分12。RF部分12使用來(lái)自基準(zhǔn)頻率振蕩器13的頻率信號(hào)，以便把該接收信號(hào)的頻率轉(zhuǎn)換成幾MHz到幾十MHz的中頻信號(hào)，并且將該中頻信號(hào)輸出到解調(diào)及算術(shù)運(yùn)算部分14。解調(diào)及算術(shù)運(yùn)算部分14建立C/A碼的同步，以便通過(guò)頻譜解擴(kuò)執(zhí)行解調(diào)，并且建立時(shí)間同步，以執(zhí)行定位算術(shù)運(yùn)算。
解調(diào)及算術(shù)運(yùn)算部分14解調(diào)接收信號(hào)，以便獲得空間位置(ephemeris)信息以及年鑒(almanac)信息，并且把該信息存儲(chǔ)到存儲(chǔ)部分15。提供輸入/輸出部分16，以便把定位算術(shù)運(yùn)算的結(jié)果等輸出或取出所需信息。
利用來(lái)自頻率測(cè)量部分30的頻率信號(hào)而獲得的時(shí)鐘信號(hào)，解調(diào)及算術(shù)運(yùn)算部分14驅(qū)動(dòng)PN碼發(fā)生器，以便產(chǎn)生接收器端的PN碼，并且執(zhí)行在接收器端的PN碼和衛(wèi)星信號(hào)的PN碼之間的相位同步，以便捕捉衛(wèi)星信號(hào)。隨后，解調(diào)及算術(shù)運(yùn)算部分14執(zhí)行該捕捉衛(wèi)星信號(hào)的時(shí)間同步，并且執(zhí)行定位算術(shù)運(yùn)算。
隨后，如在下文中詳細(xì)描述的那樣，當(dāng)捕捉衛(wèi)星信號(hào)時(shí)，該解調(diào)及算術(shù)運(yùn)算部分14執(zhí)行基準(zhǔn)頻率振蕩器13的振蕩頻率的校正，以使由溫度變化或基準(zhǔn)頻率振蕩器13的老化引起的振蕩頻率的頻率變化可被忽略。因此，普通GPS接收器需要的頻率搜索能夠被省略。
具體地說(shuō)，在GPS接收裝置中，頻率測(cè)量部分30使用由該標(biāo)準(zhǔn)電波接收器部分20獲得的高精度頻率信息測(cè)量基準(zhǔn)頻率振蕩器13的振蕩頻率或該振蕩頻率的頻率變化，并且解調(diào)及算術(shù)運(yùn)算部分14使用該測(cè)量結(jié)果，以便執(zhí)行在捕獲來(lái)自GPS衛(wèi)星信號(hào)的捕獲電路系統(tǒng)中的該基準(zhǔn)頻率振蕩器13的振蕩頻率的校正，以使由于溫度變化或基準(zhǔn)頻率振蕩器13的老化引起的振蕩頻率的頻率變化可被忽略，以便捕捉來(lái)自GPS衛(wèi)星的信號(hào)。在下面描述的實(shí)例中，基準(zhǔn)頻率振蕩器13的振蕩頻率變化被測(cè)量，并且把測(cè)量的結(jié)果用于捕捉GPS衛(wèi)星信號(hào)。
與GPS接收裝置中的解調(diào)及算術(shù)運(yùn)算部分14的時(shí)間同步相關(guān)，類(lèi)似于已有技術(shù)中的方式，通過(guò)同步來(lái)自衛(wèi)星的擴(kuò)頻信號(hào)電波的C/A碼，獲得比時(shí)間同步的1毫秒更短的時(shí)間成分。但是，例如當(dāng)接上電源時(shí)或從丟失大量時(shí)間同步的狀態(tài)重新同步時(shí)，就比1毫秒時(shí)間信息更長(zhǎng)的時(shí)間成分來(lái)說(shuō)，使用來(lái)自該標(biāo)準(zhǔn)電波接收器部分20的高精度時(shí)間信息Tst，而不象已有技術(shù)中那樣使用導(dǎo)航信息的前置碼或TOW，精確地獲得在特定數(shù)據(jù)的邊界上的時(shí)間信息。
在GPS接收裝置中的標(biāo)準(zhǔn)電波接收器部分20具有射頻時(shí)鐘的結(jié)構(gòu)，接收長(zhǎng)波長(zhǎng)帶中的標(biāo)準(zhǔn)電波。具體地說(shuō)，目前在日本國(guó)內(nèi)，如圖2所示，利用使用例如5MHz、8MHz或10MHz的短波長(zhǎng)帶的載波的標(biāo)準(zhǔn)電波，以及另一使用40kHz的長(zhǎng)波長(zhǎng)帶的載波的標(biāo)準(zhǔn)電波。在該GPS接收裝置中，利用的是該波長(zhǎng)帶的標(biāo)準(zhǔn)電波，其頻率及時(shí)間間隔精確度高，無(wú)線電波的覆蓋區(qū)域?qū)挕?br> 具體地說(shuō)，標(biāo)準(zhǔn)電波接收器部分20的天線部分21接收長(zhǎng)波長(zhǎng)帶標(biāo)準(zhǔn)電波，并且把長(zhǎng)波長(zhǎng)帶標(biāo)準(zhǔn)電波的接收信號(hào)提供到長(zhǎng)波長(zhǎng)帶標(biāo)準(zhǔn)電波接收及解調(diào)部分22。長(zhǎng)波長(zhǎng)帶標(biāo)準(zhǔn)電波接收及解調(diào)部分22解調(diào)接收到的長(zhǎng)波長(zhǎng)帶標(biāo)準(zhǔn)電波，并且把該標(biāo)準(zhǔn)電波的解調(diào)輸出提供到頻率信息及時(shí)間信息提取部分23。如上所述，頻率信息及時(shí)間信息提取部分23從解調(diào)過(guò)的長(zhǎng)波長(zhǎng)帶標(biāo)準(zhǔn)電波中提取這種高精度頻率信息Fst和時(shí)間信息Tst。
隨后，該頻率信息及時(shí)間信息提取部分23把提取出的頻率信息Fst提供到頻率測(cè)量部分30，以便測(cè)量GPS接收器部分10的基準(zhǔn)頻率振蕩器的振蕩頻率的頻率移動(dòng)。在本實(shí)例中，頻率測(cè)量部分30檢測(cè)來(lái)自基準(zhǔn)頻率振蕩器13的頻率信號(hào)的多少周期數(shù)被包括在40kHz的精確頻率的信號(hào)中，以便測(cè)量基準(zhǔn)頻率振蕩器13的振蕩頻率，并且根據(jù)該測(cè)量結(jié)果，測(cè)量振蕩頻率的頻率移動(dòng)Δf的信息。隨后，該基準(zhǔn)頻率振蕩器13把該頻率移動(dòng)Δf的信息提供到GPS接收器部分10的解調(diào)及算術(shù)運(yùn)算部分14。
由頻率信息及時(shí)間信息提取部分23檢測(cè)到的時(shí)間信息Tst被提供到GPS接收器部分10的解調(diào)及算術(shù)運(yùn)算部分14，以便建立時(shí)間同步。以下描述捕獲衛(wèi)星信號(hào)的方法的實(shí)例，通過(guò)GPS接收器部分10的解調(diào)及算術(shù)運(yùn)算部分14來(lái)消除基準(zhǔn)頻率振蕩器13的頻率變化。
圖3示出捕捉及解調(diào)衛(wèi)星信號(hào)的GPS接收器部分10的RF部分12和解調(diào)及算術(shù)運(yùn)算部分14中的信號(hào)解調(diào)部分的結(jié)構(gòu)。
參考圖3，天線11接收到的擴(kuò)頻信號(hào)形式的衛(wèi)星信號(hào)被提供到RF部分12。同時(shí)，振蕩頻率被提供到本機(jī)振蕩電路41，在本實(shí)例中是從18.414MHz的石英頻率振蕩器形成的基準(zhǔn)頻率振蕩器13的輸出。因此，從本機(jī)振蕩電路41獲得相對(duì)于基準(zhǔn)頻率振蕩器13的輸出頻率有固定的頻率比的本機(jī)振蕩輸出。
本機(jī)振蕩輸出被提供到RF部分12，通過(guò)RF部分12把衛(wèi)星信號(hào)轉(zhuǎn)換成較低頻帶的第一中頻信號(hào)，利用該基準(zhǔn)頻率振蕩器13的振蕩輸出進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成更低的第二中頻(1.023MHz)的第二中頻信號(hào)Sif。
來(lái)自RF部分12的該第二中頻信號(hào)Sif被提供到二進(jìn)制數(shù)字化電路42，通過(guò)該電路42將其與預(yù)定門(mén)限值電平比較，以使其二進(jìn)制數(shù)字化。
該二進(jìn)制數(shù)字化電路電路42的二進(jìn)制輸出Sd被提供到由“異”電路形成的一個(gè)信號(hào)倍乘器43。
在圖3示出的信號(hào)解調(diào)部分中，所謂的tau高頻脈動(dòng)跟蹤方法被用于反饋環(huán)路50，用于進(jìn)行解擴(kuò)解調(diào)，同時(shí)科斯塔斯(costas)回路被用于反饋環(huán)路60，用于進(jìn)行數(shù)據(jù)比特解調(diào)。反饋環(huán)路50和反饋環(huán)路60具有數(shù)字化結(jié)構(gòu)，由微型計(jì)算機(jī)70通過(guò)軟件處理形成用于反饋環(huán)路50和反饋環(huán)路60的控制信號(hào)。
具體地說(shuō)，在用于進(jìn)行解擴(kuò)解調(diào)的反饋環(huán)路50中，參考數(shù)字51表示用于該接收器端產(chǎn)生PN碼的代碼發(fā)生器，從代碼發(fā)生器51獲得初期(早期的)碼Me和后期(遲后的)碼Md合成的PN碼，初期碼和后期碼相對(duì)于基準(zhǔn)PN碼的相位(基準(zhǔn)相位)具有等于預(yù)定偏移的相位差。該合成PN碼被提供到信號(hào)倍乘器43。在此情況下，通過(guò)每1毫秒切換該初期碼Me和后期碼Md而產(chǎn)生合成PN碼。
信號(hào)倍乘器43把該合成PN碼與來(lái)自二進(jìn)制數(shù)字化電路42的二進(jìn)制數(shù)字化中頻信號(hào)Sd相乘。
在此情況下，由數(shù)控變量頻率振蕩器(在下文中稱(chēng)作NCO)形成用于產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘的時(shí)鐘發(fā)生器52，用于控制來(lái)自該代碼發(fā)生器51的初期和后期PN碼的相位和頻率(碼片速率)。來(lái)自基準(zhǔn)頻率振蕩器13的基準(zhǔn)時(shí)鐘被提供到時(shí)鐘脈沖發(fā)生器52，并且該時(shí)鐘脈沖發(fā)生器52用18除基準(zhǔn)時(shí)鐘的18.414MHz，以便在微型計(jì)算機(jī)70的控制下，形成用于代碼發(fā)生器51的1.023MHz的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘。
在代碼發(fā)生器51中，以來(lái)自時(shí)鐘脈沖發(fā)生器52的具有受控相位和受控頻率的時(shí)鐘控制該初期和后期偽噪聲碼的相位和頻率。因此，控制來(lái)自代碼發(fā)生器51的PN碼，以使該相位和頻率可以與包括在來(lái)自基準(zhǔn)頻率振蕩器13的中頻信號(hào)Sd中的PN碼的相位和頻率一致，從而執(zhí)行解擴(kuò)。
用于解調(diào)數(shù)據(jù)比特的反饋環(huán)路60包括由NCO形成的載波發(fā)生器61、90移相器62、各自由“異”門(mén)形成的第一乘法器63和第二乘法器64、各自由計(jì)數(shù)器形成的一對(duì)低通濾波器65和66、和用于對(duì)載波發(fā)生器61形成控制信號(hào)的微型計(jì)算機(jī)70。該反饋環(huán)路由科斯塔斯(costas)環(huán)路形成。
來(lái)自基準(zhǔn)頻率振蕩器13的基準(zhǔn)時(shí)鐘被提供到載波發(fā)生器61。載波發(fā)生器61產(chǎn)生載波，適于該微型計(jì)算機(jī)70根據(jù)基準(zhǔn)時(shí)鐘數(shù)值控制NCO。
根據(jù)程序軟件，微型計(jì)算機(jī)70執(zhí)行圖3中由細(xì)線包圍部分中指示的功能塊的功能。具體地說(shuō)，結(jié)合圖3的功能塊來(lái)描述微型計(jì)算機(jī)70的處理功能。乘法裝置71把來(lái)自各自由計(jì)數(shù)器形成的低通濾波器65和66的計(jì)數(shù)值相乘，以便獲得對(duì)應(yīng)于在接收信號(hào)中的載波成分和來(lái)自載波發(fā)生器61的作為乘法輸出的載波之間的相位差的輸出，并把該乘法輸出提供到環(huán)路濾波器裝置72。
在GPS接收裝置中，來(lái)自標(biāo)準(zhǔn)電波接收器部分20的高精度頻率信息Fst和來(lái)自基準(zhǔn)頻率振蕩器13的頻率信號(hào)被提供到頻率測(cè)量部分30。如上所述，根據(jù)高精度頻率信息Fst，頻率測(cè)量部分30測(cè)量來(lái)自基準(zhǔn)頻率振蕩器13的頻率信號(hào)的頻率移動(dòng)Δf。隨后，頻率移動(dòng)信息Δf被提供到微型計(jì)算機(jī)70的環(huán)路濾波器裝置72。
根據(jù)乘法裝置71的乘法輸出和根據(jù)頻率測(cè)量部分30的頻移信息Δf，環(huán)路濾波器裝置72形成控制信號(hào)，用于控制該載波發(fā)生器61的輸出信號(hào)的頻率或相位，并將該控制信號(hào)提供到載波發(fā)生器61。上述乘法裝置71和環(huán)路濾波器裝置72形成科斯塔斯(costas)環(huán)路60的一部分。
絕對(duì)值檢測(cè)裝置73和74分別檢測(cè)低通濾波器65和66的計(jì)數(shù)值輸出，并且通過(guò)相加裝置75相加低通濾波器65和66的檢測(cè)輸出。因此相加裝置75輸出表示來(lái)自代碼發(fā)生器51的PN碼與接收信號(hào)的PN碼之間相關(guān)電平的信號(hào)，即相關(guān)性輸出。
來(lái)自相加裝置75的表示相關(guān)性電平的相關(guān)輸出信號(hào)被提供到環(huán)路濾波器裝置76。環(huán)路濾波器裝置76形式數(shù)值控制信號(hào)，用于控制時(shí)鐘脈沖發(fā)生器52的輸出信息塊的頻率或相位，根據(jù)該相關(guān)輸出信號(hào)產(chǎn)生針對(duì)代碼發(fā)生器51的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘。
如上所述，在GPS接收裝置中，即便基準(zhǔn)頻率振蕩器13的振蕩頻率因溫度變化或老化被變動(dòng)，但由于振蕩頻率變化被反映在載波發(fā)生器61的輸出信號(hào)上，所以現(xiàn)有技術(shù)中的頻率搜索是不必要的。隨后描述在GPS接收裝置中的時(shí)間同步方法。首先描述該時(shí)間同步方法的概要。
例如，根據(jù)原子鐘形式的GPS時(shí)鐘，以圖4A所示方式從衛(wèi)星發(fā)送無(wú)線電波。如圖4B所示，在到達(dá)時(shí)間Δta之后，發(fā)送無(wú)線電波被GPS接收器接收。
在圖4A和4B中，參照子幀的頂端時(shí)間點(diǎn)示出到達(dá)時(shí)間Δta。但是，即使不能識(shí)別子幀頂端的時(shí)間點(diǎn)，而如果特定數(shù)據(jù)的邊界時(shí)間，例如擴(kuò)展碼的一個(gè)周期的邊界、比特的邊界或碼字的邊界被精確地識(shí)別，并且識(shí)別子幀的何種數(shù)值的碼字的何種數(shù)字比特的數(shù)值信號(hào)出現(xiàn)時(shí)間是該邊界的時(shí)間點(diǎn)，則就等效于檢測(cè)到該子幀頂端的時(shí)間點(diǎn)。
因此，在該GPS接收裝置中，使用由該標(biāo)準(zhǔn)電波接收器部分20提取的高精確度時(shí)間信息，精確地判定特定數(shù)據(jù)的邊界時(shí)間，例如擴(kuò)展碼的周期邊界、比特的邊界或碼字的邊界，然后識(shí)別該子幀的何種數(shù)值碼字的何種數(shù)字比特的數(shù)值信號(hào)出現(xiàn)時(shí)間是邊界的時(shí)間點(diǎn)，即便沒(méi)有發(fā)現(xiàn)該導(dǎo)航信息中的前置碼或TOW，也檢測(cè)到比1毫秒長(zhǎng)的時(shí)間成分，以便建立時(shí)間同步。
能夠以下面的方式確定子幀的何種數(shù)值碼字的何種數(shù)字比特的數(shù)值信號(hào)出現(xiàn)時(shí)間是該邊界時(shí)間點(diǎn)。
從GPS接收器部分10的存儲(chǔ)部分15中存儲(chǔ)的衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)，能判定來(lái)自衛(wèi)星的無(wú)線電波的大致到達(dá)時(shí)間Δta。因此，如果在GPS接收器部分10從衛(wèi)星無(wú)線電波的接收時(shí)間減掉該到達(dá)時(shí)間Δta，則差值實(shí)質(zhì)上等于來(lái)自衛(wèi)星的信息子幀的頂端時(shí)間點(diǎn)。
因此，如果從邊界的時(shí)間點(diǎn)的時(shí)間減掉到達(dá)時(shí)間Δta，則相減產(chǎn)生的時(shí)間成為時(shí)間點(diǎn)信息，在該時(shí)間點(diǎn)從子幀的頂端經(jīng)過(guò)了時(shí)間Δtb，如圖4A所示。如果該相減產(chǎn)生的時(shí)間被該擴(kuò)展碼的比特或時(shí)鐘替換以便執(zhí)行計(jì)算，則能判定子幀的何種數(shù)值碼字的何種數(shù)字比特的數(shù)值信號(hào)出現(xiàn)時(shí)間是該邊界的時(shí)間點(diǎn)。
因此，如果能由GPS接收裝置利用的時(shí)間信息相對(duì)于GPS時(shí)鐘具有預(yù)定的精確度，則通過(guò)在該C/A碼的同步完成之后從時(shí)間信息獲得特定數(shù)據(jù)的邊界時(shí)間，就能建立準(zhǔn)確的時(shí)間同步而不必調(diào)查該導(dǎo)航信息的前置碼或TOW。
以此方式，能夠迅速地檢測(cè)擴(kuò)展碼的一個(gè)周期的邊界。而且，通過(guò)檢測(cè)在一個(gè)周期單位中的擴(kuò)展碼的反相，能夠檢測(cè)到比特邊界。但是，因?yàn)楦鞔a字內(nèi)容不同，所以難于檢測(cè)到碼字的邊界。這也適用于子幀的邊界。因此，在下面描述的GPS接收裝置中，使用的是擴(kuò)展碼的一個(gè)周期的邊界和比特的邊界。
如上所述，當(dāng)建立來(lái)自衛(wèi)星的C/A碼的同步時(shí)，由于C/A碼具有1毫秒的一個(gè)周期，所以能知道來(lái)自該衛(wèi)星的無(wú)線電波的到達(dá)時(shí)間，它是比1毫秒短的時(shí)間成分。換句話說(shuō)，當(dāng)建立同步時(shí)，在該時(shí)間的同步點(diǎn)擴(kuò)展碼(PN碼)相對(duì)于基準(zhǔn)相位的移動(dòng)量(根據(jù)基準(zhǔn)相位通過(guò)何種碼片數(shù)來(lái)移動(dòng)擴(kuò)展碼)是小于從衛(wèi)星到接收器的該電波到達(dá)時(shí)間的1毫秒的數(shù)量級(jí)的時(shí)間成分。它與已有技術(shù)相似。
在GPS接收裝置中使用的時(shí)間同步方法中，如上所述，GPS接收裝置能夠在標(biāo)準(zhǔn)電波接收器部分20獲得高精度時(shí)間信息。
在前面的描述中，為了檢測(cè)擴(kuò)展碼的一個(gè)周期的邊界，需要在500微秒的數(shù)量級(jí)的誤差上精確地檢測(cè)該邊界。同時(shí)，為了檢測(cè)比特邊界，僅需要能以10毫秒數(shù)量級(jí)誤差精確地檢測(cè)邊界。根據(jù)能由本實(shí)施例的GPS接收裝置獲得的時(shí)間信息的精確度中的差別，可用下面描述的兩個(gè)形式。
首先描述時(shí)間信息的精確度的問(wèn)題。
能由GPS接收裝置獲得的時(shí)間數(shù)據(jù)與正確時(shí)間數(shù)據(jù)之間的差別由Δt1表示。而且，如圖5所示，GPS接收裝置的大致位置由(ux1,uy1,uz1)表示，GPS接收裝置的準(zhǔn)確位置由(ux,uy,uz)表示，在時(shí)間t的衛(wèi)星的位置由(stx,sty,stz)表示，當(dāng)GPS接收裝置在時(shí)間t接收從衛(wèi)星發(fā)送的無(wú)線電波時(shí)的位置由(sx,sy,sz)表示，光速由c表示，則從圖5中，衛(wèi)星到GPS接收裝置無(wú)線電波的傳播時(shí)間的誤差Δt2計(jì)算表達(dá)式如下Δt2=|((sx-ux)2+(sy-uy)2+(sz-uz)2)1/2-((stx-ux1)2+(sty-uyl)2+(stz-uz1)2)1/2|/c與時(shí)間信息有關(guān)的誤差E是E=Δt1+Δt2。因此，根據(jù)能由GPS接收裝置使用的時(shí)間信息的誤差E值大小，有獲得比1毫秒更長(zhǎng)的時(shí)間成分的不同方式。在時(shí)間同步的第一形式中，從PN碼的一個(gè)周期的邊界的時(shí)間信息確定用于時(shí)間同步的比1毫秒長(zhǎng)的時(shí)間信息，該P(yáng)N碼是一個(gè)擴(kuò)展信號(hào)，即1023碼片的C/A碼。在此情況下，能夠由GPS接收裝置使用的時(shí)間信息的精確度必須為E=Δt1+Δt2＜500微秒其中，該標(biāo)準(zhǔn)電波接收器部分20獲得的時(shí)間信息滿足這個(gè)條件。
圖6示出在目前第一形式中的圖1的解調(diào)及算術(shù)運(yùn)算部分14的時(shí)間同步。參考圖6，在此情況下，解調(diào)及算術(shù)運(yùn)算部分14的全部或某些框能由微型計(jì)算機(jī)形成。
具體地說(shuō)，來(lái)自RF部分12的中頻信號(hào)被提供到解擴(kuò)部分141。用于解擴(kuò)的PN碼從包括PN代碼發(fā)生器51的C/A碼同步檢測(cè)部分143提供到該解擴(kuò)部分141。根據(jù)來(lái)自解擴(kuò)部分141的相關(guān)檢測(cè)信息，該C/A碼同步檢測(cè)部分143控制該P(yáng)N碼的產(chǎn)生相位，以便利用該C/A碼執(zhí)行同步檢測(cè)。隨后，C/A碼同步檢測(cè)部分143把PN碼的相位鎖定在同步建立的相位。
C/A碼的同步完成之后，已經(jīng)處在擴(kuò)展頻譜調(diào)制的狀態(tài)中的GPS衛(wèi)星信號(hào)以解調(diào)的形式從解擴(kuò)部分141獲得，并且被提供到數(shù)據(jù)解碼部分142。
數(shù)據(jù)解碼部分142解碼空間位置參數(shù)信息及該年鑒信息，并且輸出該解碼的信息。導(dǎo)航情報(bào)的信息例如被存儲(chǔ)到存儲(chǔ)部分15中，并且被提供到定位算術(shù)運(yùn)算部分145。
而且，C/A同步檢測(cè)部分143把表示該C/A的同步建立之時(shí)間的信號(hào)Lt提供到時(shí)間同步檢測(cè)部分144。而且，C/A同步檢測(cè)部分143把表示PN碼的一個(gè)周期的邊界的信號(hào)Ps以當(dāng)前形式提供到時(shí)間同步檢測(cè)部分144。應(yīng)該指出，表示C/A碼的同步建立的定時(shí)信號(hào)Lt由圖3中的微型計(jì)算機(jī)70產(chǎn)生。
從表示在C/A碼同步建立之時(shí)的信號(hào)Lt，該時(shí)間同步檢測(cè)部分144確定比1毫秒短的用于時(shí)間同步的時(shí)間信息。時(shí)間同步檢測(cè)部分144還根據(jù)信號(hào)Ps確定比1毫秒長(zhǎng)的用于時(shí)間同步的時(shí)間信息，以便建立用于定位算術(shù)運(yùn)算的同步。該信號(hào)Ps表示在該C/A的同步結(jié)束之后的PN碼的一個(gè)周期的邊界。
圖7示出該時(shí)間同步檢測(cè)部分144執(zhí)行的處理流程。
參考圖7，通過(guò)識(shí)別的是否已獲得信號(hào)Lt，時(shí)間同步檢測(cè)部分144首先判定C/A碼的同步是否完成(步驟S101)。隨后，如果判定該C/A碼的同步完成，則該時(shí)間同步檢測(cè)部分144確定比1毫秒短的用于時(shí)間同步的時(shí)間成分(步驟S102)。
隨后，該時(shí)間同步檢測(cè)部分144等待一個(gè)PN碼周期完成和出現(xiàn)該P(yáng)N碼周期的邊界(步驟S103)。隨后，在時(shí)間同步檢測(cè)部分144從表示該P(yáng)N碼一個(gè)周期的邊界的信號(hào)Ps證實(shí)該P(yáng)N碼的周期的邊界出現(xiàn)之后，時(shí)間同步檢測(cè)部分144根據(jù)來(lái)自標(biāo)準(zhǔn)電波接收器部分20的高精確度時(shí)間信息Tst來(lái)檢測(cè)時(shí)間ts(步驟S104)。
如上所述，時(shí)間同步檢測(cè)部分144隨后從時(shí)間ts中減掉衛(wèi)星無(wú)線電波的大致到達(dá)時(shí)間的無(wú)線電波傳播時(shí)間，隨后把相減結(jié)果的100微秒的數(shù)字值近似成整數(shù)，以便確定比1毫秒長(zhǎng)的用于時(shí)間同步的時(shí)間信息。隨后，時(shí)間同步檢測(cè)部分144根據(jù)該時(shí)間信息建立時(shí)間同步，并且將相同的結(jié)果發(fā)送到定位算術(shù)運(yùn)算部分145(步驟S105)。
其中，該無(wú)線電波傳播時(shí)間是來(lái)自衛(wèi)星的無(wú)線電波的到達(dá)時(shí)間，能夠由下面表達(dá)式表示((stx-ux1)2+(sty-ny1)2+(stz-uz1)2)1/2/c從而結(jié)束時(shí)間同步檢測(cè)部分144執(zhí)行的時(shí)間同步處理。
根據(jù)上述的時(shí)間同步信息，定位算術(shù)運(yùn)算部分145計(jì)算在衛(wèi)星與GPS接收裝置之間的距離。具體地說(shuō)，如上所述的這種時(shí)間同步被建立用于需要定位算術(shù)運(yùn)算的若干衛(wèi)星，即通常用于執(zhí)行二維位置定位的三個(gè)衛(wèi)星，但也用于執(zhí)行三維定位的四個(gè)衛(wèi)星。隨后，當(dāng)各個(gè)衛(wèi)星與GPS接收裝置之間的距離被計(jì)算出時(shí)，執(zhí)行定位算術(shù)運(yùn)算，并且輸出該定位算術(shù)運(yùn)算的結(jié)果。
當(dāng)以此方式完成C/A的同步然后檢測(cè)PN碼的一個(gè)周期的邊界時(shí)，在目前形式中，按照定位算術(shù)運(yùn)算的預(yù)先處理建立時(shí)間同步，然后能執(zhí)行定位算術(shù)運(yùn)算。因此，在與使用前置碼或TOW、而且僅以6秒的單位獲得位置的常規(guī)方法比較時(shí)，到位置被確定之前的時(shí)間能被縮短，其有助于省電。
此外，在目前形式中，由于不需要執(zhí)行考慮基準(zhǔn)頻率振蕩器13的振蕩頻率的頻率變化的頻率搜索，所以捕捉衛(wèi)星信號(hào)需要的時(shí)間通過(guò)頻率搜索所需的時(shí)間也被縮短。因此，在這點(diǎn)上，能進(jìn)一步縮短到定位算術(shù)運(yùn)算開(kāi)始之前的時(shí)間，從而導(dǎo)致省電。
例如，當(dāng)GPS接收裝置如圖8所示被間歇地驅(qū)動(dòng)時(shí)，利用普通的GPS接收裝置確定位置的時(shí)間長(zhǎng)而且有電力消耗，而在本發(fā)明中，在位置確定以前的時(shí)間被如上所述地縮短，圖8中的普通GPS接收裝置的其上添加斜線的幾個(gè)部分之內(nèi)電力消耗可被減小。
而且，以此方式能夠預(yù)期GPS接收器的省電，由于位置被識(shí)別之前的時(shí)間被縮短，所以用戶(hù)的等待時(shí)間減少，并且用戶(hù)的壓力減小。
而且，由于省電的原因，能減小驅(qū)動(dòng)GPS接收器需要的電池容量，所以GPS接收裝置能適合很小的定位和精度時(shí)間測(cè)量?jī)x器，例如圖9示出的手表型測(cè)量?jī)x器。在時(shí)間同步的第二形式中，根據(jù)擴(kuò)展頻譜解調(diào)數(shù)據(jù)的比特邊界的時(shí)間信息來(lái)確定比1毫秒長(zhǎng)的用于時(shí)間同步的時(shí)間信息。在目前第二形式中，能夠由GPS接收裝置使用的時(shí)間信息的精確度必須為E=Δt1+Δt2＜10毫秒圖10示出在目前第二形式中的圖1的解調(diào)及算術(shù)運(yùn)算部分14的時(shí)間同步。與第一形式類(lèi)似，示出的該解調(diào)及算術(shù)運(yùn)算部分14的全部或某些框能由微型計(jì)算機(jī)形成。應(yīng)該指出，與第一形式中的相同部分或元件由相同參考符號(hào)表示，以便省略說(shuō)明。
在當(dāng)前第二形式中，解調(diào)及算術(shù)運(yùn)算部分14被修改，與上述參照?qǐng)D描述的解調(diào)及算術(shù)運(yùn)算部分14的不同在于，其包括比特邊界檢測(cè)部分146和時(shí)間同步檢測(cè)部分147，取代了時(shí)間同步檢測(cè)部分144。來(lái)自解擴(kuò)部分141的擴(kuò)展頻譜解調(diào)數(shù)據(jù)和來(lái)自C/A碼同步檢測(cè)部分143的PN碼周期的邊界被提供到比特邊界檢測(cè)部分146。
如圖13所示，比特邊界檢測(cè)部分146利用比特對(duì)應(yīng)于PN碼的20個(gè)周期和比特是"0"時(shí)的C/A碼的相位被反相到比特是"1"時(shí)的該C/A碼的相位的事實(shí)，來(lái)檢測(cè)比特邊界并將表示該檢測(cè)的比特邊界的定時(shí)的信號(hào)Bs提供到時(shí)間同步檢測(cè)部分147。
類(lèi)似第一最佳實(shí)施例，表示定時(shí)的信號(hào)從C/A碼同步檢測(cè)部分143提供到時(shí)間同步檢測(cè)部分147，在該定時(shí)建立C/A的同步。
根據(jù)表示在C/A碼同步建立之時(shí)的定時(shí)信號(hào)Lt，定時(shí)同步檢測(cè)部分147確定比1毫秒短的用于時(shí)間同步的定時(shí)信息。時(shí)間同步檢測(cè)部分147根據(jù)信號(hào)Bs確定用于時(shí)間同步的比1毫秒長(zhǎng)的時(shí)間信息，而且建立用于定位算術(shù)運(yùn)算的同步。該信號(hào)Bs表示在該C/A碼同步結(jié)束而且建立時(shí)間同步之后的比特的邊界。
圖11示出該時(shí)間同步檢測(cè)部分147執(zhí)行的處理流程。
參考圖11，通過(guò)識(shí)別的是否已獲得信號(hào)Lt，時(shí)間同步檢測(cè)部分147首先判定C/A碼的同步是否完成(步驟S101)。隨后，當(dāng)時(shí)間同步檢測(cè)部分147判定該C/A碼的同步被完成時(shí)，同步檢測(cè)部分確定比毫秒短的用于時(shí)間同步的時(shí)間成分(步驟S202)。
隨后，時(shí)間同步檢測(cè)部分147等待比特邊界被檢測(cè)(步驟S203)。隨后，在時(shí)間同步檢測(cè)部分147根據(jù)表示比特邊界的信號(hào)Bs證實(shí)出現(xiàn)比特的邊界之后，則根據(jù)由標(biāo)準(zhǔn)電波接收器部分20獲得的高精度時(shí)間信息Tst來(lái)檢測(cè)時(shí)間ts(步驟S204)。
如上所述，時(shí)間同步檢測(cè)部分147從時(shí)間ts中減掉該無(wú)線電波傳播時(shí)間，該時(shí)間大致為從衛(wèi)星發(fā)送的無(wú)線電波的到達(dá)時(shí)間，并且從該相減的結(jié)果時(shí)間中加上或減去小于Δt1+Δt2的時(shí)間誤差，以便產(chǎn)生是20毫秒倍數(shù)的時(shí)間。隨后，時(shí)間同步檢測(cè)部分147根據(jù)該時(shí)間信息來(lái)建立時(shí)間同步，并且將同一個(gè)結(jié)果發(fā)送到定位算術(shù)運(yùn)算部分145(步驟S205)。從而結(jié)束該時(shí)間同步檢測(cè)部分147執(zhí)行的時(shí)間同步處理。
根據(jù)上述的時(shí)間同步信息，定位算術(shù)運(yùn)算部分145計(jì)算在衛(wèi)星與GPS接收裝置之間的距離。隨后，當(dāng)GPS接收裝置與多個(gè)衛(wèi)星的距離需要定位算術(shù)運(yùn)算時(shí)(即進(jìn)行兩維定位一般需要三個(gè)衛(wèi)星，而三維定位則需要四個(gè)衛(wèi)星)，執(zhí)行定位算術(shù)運(yùn)算并且把算術(shù)運(yùn)算的結(jié)果輸出。
當(dāng)以此方式完成該C/A的同步然后檢測(cè)比特的邊界時(shí)，在本形式中，按照定位算術(shù)運(yùn)算的預(yù)先處理建立時(shí)間同步，然后可執(zhí)行定位算術(shù)運(yùn)算。因此，當(dāng)與使用前置碼或TOW、而且僅以6秒的單位獲得位置的常規(guī)方法比較時(shí)，到位置被確定之前的時(shí)間能被縮短，與上述第一形式類(lèi)似，其有助于省電。
而且，在本第二形式中，除了由上述第一形式實(shí)現(xiàn)的效果之外，由該GPS接收裝置要求的時(shí)間精確度可以比該第一最佳實(shí)施例的時(shí)間精確度低。因此，把這種裝置應(yīng)用到圖9描述的手表型儀器更容易。
應(yīng)該指出，在上述兩個(gè)形式中，在同步保持穩(wěn)定的同時(shí)，定位算術(shù)運(yùn)算部分145執(zhí)行該導(dǎo)航信息的前置碼或TOW的檢測(cè)，以便獲得比1毫秒長(zhǎng)的用于時(shí)間同步的時(shí)間信息。而且，定位算術(shù)運(yùn)算部分145使用該時(shí)間信息執(zhí)行時(shí)間同步，以便執(zhí)行定位算術(shù)運(yùn)算。
另外，根據(jù)上述PN碼一個(gè)周期的邊界時(shí)間或比特邊界而不使用該前置碼或該TOW，可以自然地正常獲得用于時(shí)間同步的比1毫秒長(zhǎng)的時(shí)間信息。圖12示出根據(jù)本發(fā)明的另一GPS接收裝置的結(jié)構(gòu)。本實(shí)施例的GPS接收裝置是圖1的第一最佳實(shí)施例的一個(gè)改進(jìn)，并且包括該第一最佳實(shí)施例的GPS接收裝置的共同部件。但是，本實(shí)施例的GPS接收裝置與圖1的GPS接收裝置的不同在于，即使當(dāng)該GPS接收器部分關(guān)掉電源，也能把一個(gè)電源電壓正常地提供到該GPS接收器部分10的基準(zhǔn)頻率振蕩器13。而且，由頻率測(cè)量部分30測(cè)量的該基準(zhǔn)頻率振蕩器13的頻率移動(dòng)Δf的信息被提供到標(biāo)準(zhǔn)電波接收器部分20的頻率信息及時(shí)間信息提取部分23。
在圖12的GPS接收裝置中的該頻率信息及時(shí)間信息提取部分23不僅把時(shí)間信息Tst而且把從頻率測(cè)量部分30獲得的頻率移動(dòng)Δf的信息也提供到GPS接收器部分10的解調(diào)及算術(shù)運(yùn)算部分14。
因此，即便電源不被連接到具有大功率消耗的GPS接收器部分10，也能執(zhí)行涉及基準(zhǔn)頻率振蕩器13的頻率移動(dòng)Δf的測(cè)量，并且把測(cè)量的結(jié)果從標(biāo)準(zhǔn)電波接收器部分20傳送到GPS接收器部分10。因此，在電源提供給該GPS接收器部分10之后到開(kāi)始定位算術(shù)運(yùn)算之前的時(shí)間能被縮短。在上述最佳實(shí)施例中，雖然來(lái)自頻率測(cè)量部分30的頻率移動(dòng)Δf的信息被用于控制科斯塔斯(costas)環(huán)路60的載波發(fā)生器61，但是用于解擴(kuò)解調(diào)的反饋環(huán)路50的時(shí)鐘脈中發(fā)生器52也可以使用來(lái)自頻率測(cè)量部分30的頻率移動(dòng)Δf的信息來(lái)控制。
而且，在基準(zhǔn)頻率振蕩器13本身具有其頻率可控制的振蕩器結(jié)構(gòu)的場(chǎng)合下，基準(zhǔn)頻率振蕩器13本身的振蕩頻率可使用來(lái)自頻率測(cè)量部分30的頻率移動(dòng)Δf的信息來(lái)控制。
而且，雖然頻率測(cè)量部分30測(cè)量頻率移動(dòng)Δf，但是也有可不檢測(cè)該頻率移動(dòng)Δf，而可以使用來(lái)自該標(biāo)準(zhǔn)電波接收器部分20的高精度頻率信息Fst來(lái)測(cè)量基準(zhǔn)頻率振蕩器13的振蕩頻率，并且根據(jù)測(cè)量的結(jié)果來(lái)控制該代碼發(fā)生器51或該基準(zhǔn)頻率振蕩器13本身。
雖然使用具體的實(shí)例描述了本發(fā)明，但是這種描述僅是用于說(shuō)明的目的，應(yīng)該理解的是，在不背離權(quán)利要求的精神范圍的條件下可以進(jìn)行改變和變更。
權(quán)利要求
1．一種GPS定位方法，包括以下步驟獲得由標(biāo)準(zhǔn)電波提供的高精度頻率信息；使用接收的高精度頻率信息，測(cè)量在GPS接收器部分中使用的基準(zhǔn)頻率振蕩器的振蕩頻率或該振蕩頻率的頻率變化；及利用該測(cè)量結(jié)果捕捉來(lái)自GPS衛(wèi)星的信號(hào)。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的GPS定位方法，還包括以下步驟獲得由該標(biāo)準(zhǔn)電波提供的高精度時(shí)間信息；及使用該高精度時(shí)間信息取代從所述GPS衛(wèi)星發(fā)送的時(shí)間信息而執(zhí)行定位算術(shù)運(yùn)算。
3．根據(jù)權(quán)利要求2的GPS定位方法，還包括以下步驟第一檢測(cè)步驟，檢測(cè)有關(guān)來(lái)自所述GPS衛(wèi)星的擴(kuò)頻信號(hào)的擴(kuò)展碼的同步定時(shí)，以便檢測(cè)比用于時(shí)間同步的擴(kuò)展碼的一個(gè)周期短的時(shí)間成分；及第二檢測(cè)步驟，在第一檢測(cè)步驟中完成擴(kuò)展碼的同步之后，從由標(biāo)準(zhǔn)電波提供的高精度時(shí)間信息檢測(cè)該擴(kuò)展碼的一個(gè)周期的邊界處的時(shí)間，并且根據(jù)該邊界的時(shí)間檢測(cè)比用于時(shí)間同步的該擴(kuò)展碼的一個(gè)周期長(zhǎng)的時(shí)間成分。
4．根據(jù)權(quán)利要求2的GPS定位方法，還包括以下步驟第一檢測(cè)步驟，檢測(cè)有關(guān)來(lái)自所述GPS衛(wèi)星的擴(kuò)頻信號(hào)的擴(kuò)展碼的同步定時(shí)，以便檢測(cè)比用于時(shí)間同步的所述擴(kuò)展碼的一個(gè)周期短的時(shí)間成分；及第二檢測(cè)步驟，在第一檢測(cè)步驟中完成所述擴(kuò)展碼的同步后，檢測(cè)來(lái)自所述衛(wèi)星的信息比特的邊界，利用由所述標(biāo)準(zhǔn)電波提供的所述高精度時(shí)間信息檢測(cè)比特邊界的時(shí)間，并且檢測(cè)比用于時(shí)間同步的擴(kuò)展碼的一個(gè)周期長(zhǎng)的時(shí)間成分。
5．根據(jù)權(quán)利要求1的GPS定位方法，其中，即使當(dāng)給所述GPS接收器部分的電源斷開(kāi)時(shí)，也保持電源被提供到所述GPS接收器部分的頻率振蕩器，以便使用由接收標(biāo)準(zhǔn)電波提供的高精度頻率信息來(lái)測(cè)量所述頻率振蕩器的頻率或該頻率的變化。
6．根據(jù)權(quán)利要求1的GPS定位方法，其中，所述基準(zhǔn)頻率振蕩器的測(cè)量出的振蕩頻率或該振蕩頻率的測(cè)量出的頻率變化反映在用于從所述GPS衛(wèi)星捕獲信號(hào)的科斯塔斯(costas)環(huán)路的載波發(fā)生器的輸出信號(hào)上。
7．根據(jù)權(quán)利要求2的GPS定位方法，其中，基準(zhǔn)頻率振蕩器的測(cè)量出的振蕩頻率或該振蕩頻率的測(cè)量出的頻率變化反映在用于從所述GPS衛(wèi)星捕獲信號(hào)的科斯塔斯(costas)環(huán)路的載波發(fā)生器的輸出信號(hào)上。
8．一種GPS接收裝置，包括GPS接收器部分，用于從GPS衛(wèi)星接收無(wú)線電波，以便執(zhí)行定位算術(shù)運(yùn)算；標(biāo)準(zhǔn)電波接收器部分，用于接收標(biāo)準(zhǔn)電波，以便獲得高精度頻率信息；及頻率測(cè)量部分，用于測(cè)量在所述GPS接收器部分中使用的基準(zhǔn)頻率振蕩器的振蕩頻率，或使用由所述標(biāo)準(zhǔn)電波接收器部分獲得的高精確度頻率信息測(cè)量該振蕩頻率的頻率變化；所述GPS接收器部分利用由所述頻率測(cè)量部分測(cè)量的結(jié)果，捕捉來(lái)自所述GPS衛(wèi)星的信號(hào)。
9．根據(jù)權(quán)利要求8的GPS接收裝置，其中，所述標(biāo)準(zhǔn)電波接收器部分獲得高精度時(shí)間信息，并把該高精確度時(shí)間信息提供到所述GPS接收器部分；而所述GPS接收器部分使用該高精度時(shí)間信息取代從所述GPS衛(wèi)星發(fā)送的時(shí)間信息來(lái)執(zhí)行定位算術(shù)運(yùn)算。
10．根據(jù)權(quán)利要求9的GPS接收裝置，其中所述GPS接收器部分包括接收裝置，用于從所述GPS衛(wèi)星接收無(wú)線電波；存儲(chǔ)裝置，用于存儲(chǔ)所述GPS衛(wèi)星的至少軌道信息；同步檢測(cè)裝置，用于檢測(cè)由所述接收裝置從所述GPS衛(wèi)星接收到的擴(kuò)頻信號(hào)的擴(kuò)展碼的同步；及時(shí)間同步檢測(cè)裝置，用于確定由同步檢測(cè)裝置檢測(cè)的同步時(shí)間點(diǎn)，作為比用于時(shí)間同步的該擴(kuò)展碼一個(gè)周期短的時(shí)間成分，使用來(lái)自所述標(biāo)準(zhǔn)電波接收部分的該高精度時(shí)間信息獲得該擴(kuò)展碼一個(gè)周期邊界上的時(shí)間，根據(jù)獲得到的該邊界的時(shí)間確定比用于時(shí)間同步的該擴(kuò)展碼的二個(gè)周期長(zhǎng)的時(shí)間成分，并且建立該時(shí)間同步。
11．根據(jù)權(quán)利要求9的GPS接收裝置，其中，所述GPS接收器部分包括接收裝置，用于從所述GPS衛(wèi)星接收無(wú)線電波；存儲(chǔ)裝置，用于存儲(chǔ)所述GPS衛(wèi)星的至少軌道信息；同步檢測(cè)裝置，用于檢測(cè)由所述接收裝置從所述GPS衛(wèi)星接收到的擴(kuò)頻信號(hào)的擴(kuò)展碼的同步；比特邊界檢測(cè)裝置，用于檢測(cè)來(lái)自所述衛(wèi)星的信息比特的邊界；及，時(shí)間同步檢測(cè)裝置，用于確定由同步檢測(cè)裝置檢測(cè)到的同步時(shí)間點(diǎn)，作為比用于時(shí)間同步的該擴(kuò)展碼的一個(gè)周期短的時(shí)間成分，使用來(lái)自所述標(biāo)準(zhǔn)電波接收部分的高精度時(shí)間信息獲得由所述比特邊界檢測(cè)裝置檢測(cè)到的比特邊界的時(shí)間，根據(jù)獲得到的該邊界的時(shí)間確定比用于時(shí)間同步的該擴(kuò)展碼的一個(gè)周期長(zhǎng)的時(shí)間成分，并且建立該時(shí)間同步。
12．根據(jù)權(quán)利要求8的GPS接收裝置，其中，即使對(duì)所述GPS接收器部分?jǐn)嚅_(kāi)電源時(shí)，電源也被提供到所述頻率振蕩器，所述頻率測(cè)量部分使用由所述標(biāo)準(zhǔn)電波接收部分獲得到的高精確度頻率信息測(cè)量所述頻率振蕩器的振蕩頻率或該振蕩頻率的頻率變化。
13．根據(jù)權(quán)利要求8的GPS接收裝置，其中，所述基準(zhǔn)頻率振蕩器的振蕩頻率或由所述頻率測(cè)量部分測(cè)量到的該振蕩頻率的頻率變化反映在用于從所述GPS衛(wèi)星捕獲信號(hào)的科斯塔斯(costas)環(huán)路的載波發(fā)生器的輸出信號(hào)上。
14．根據(jù)權(quán)利要求9的GPS接收裝置，其中，所述基準(zhǔn)頻率振蕩器的振蕩頻率或由所述頻率測(cè)量部分測(cè)量到的振蕩頻率的頻率變化反映在用于從所述GPS衛(wèi)星捕獲信號(hào)的科斯塔斯(costas)環(huán)路的載波發(fā)生器的輸出信號(hào)上。
全文摘要
公開(kāi)一種GPS定位方法,能縮短電源提供之后到開(kāi)始定位算術(shù)運(yùn)算之前的需要時(shí)間。使用由標(biāo)準(zhǔn)電波提供的高精度頻率信息來(lái)測(cè)量GPS接收器部分中使用的基準(zhǔn)頻率振蕩器的振蕩頻率或振蕩頻率的頻率變化。利用測(cè)量結(jié)果捕捉來(lái)自GPS衛(wèi)星的信號(hào)。而且,檢測(cè)來(lái)自衛(wèi)星的擴(kuò)頻信號(hào)的擴(kuò)展碼的同步定時(shí),以便檢測(cè)用于時(shí)間同步的短時(shí)間成分。使用該檢測(cè)到的短時(shí)間成分及大于該短時(shí)間成分的時(shí)間成分建立時(shí)間同步。
文檔編號(hào)H04L7/00GK1299976SQ0013472
公開(kāi)日2001年6月20日 申請(qǐng)日期2000年10月15日 優(yōu)先權(quán)日1999年10月15日
發(fā)明者長(zhǎng)谷川浩二, 若森美貴雄, 金綱治男 申請(qǐng)人:索尼公司