全球定位系統定位方法和全球定位系統接收裝置的制作方法

專利名稱：全球定位系統定位方法和全球定位系統接收裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及全球定位系統(GPS)定位方法和應用該方法的GPS接收裝置。
其中使用稱為GPS衛星的多個人造衛星來測量移動物體的位置的GPS系統中，擴展頻譜調制系統被用作為針對來自人造衛星的信號波的調制系統。例如，在用戶GPS接收器中，從GPS衛星(Navistar)接收稱為C/A碼(航向探測碼)的擴頻信號波，以便執行定位算術運算。
該C/A碼由發送信號速率為1.023MHz的PN(偽隨機噪聲)系列的碼形成，例如由金色碼形成。該PN序列的碼以1023碼片提供的一個周期重復地出現(因此一個周期=1毫秒)，如

圖13A所示。
該C/A碼的PN序列的碼在不同衛星當中不同，但是它能由GPS接收器預先檢測任何給定的PN序列的碼被哪個衛星使用了。此外，以下描述的這種導航信息使GPS接收器可以識別該GPS接收器在該地點和在該時刻能從哪個衛星接收信號。因此，如果試圖使用GPS接收器執行例如三維的定位，則該GPS接收器從四個或更多的能在該定點和靠近時間捕捉的衛星接收無線電波，并且執行該無線電波的頻譜解擴，以及定位算術運算，以便確定該GPS接收器本身的位置。
如圖13B所示，衛星信號數據的一個比特被作為PN序列的碼發送20周期，即以20毫秒為單位。換句話說，數據傳輸速率是50bps。當該比特是"1"時，用于一個周期的PN序列的碼的1,023個碼片具有與比特是"0"時的那些碼片相反的值。
如圖13C所示，在GPS系統中，一個碼字是由30比特(600毫秒)形成的。如圖13D所示，一個子幀(6秒)是由10個碼字形成的。如圖13E所示，通常具有規定比特模式的前置碼即使當數據被更新時也被插入在一個子幀的頂端碼字中，并且數據被跟隨該前置碼發送。
而且，一幀(30秒)是由5個子幀形成的。導航信息按一幀的數據單位來發送。一幀數據的前3個子幀包括對各衛星來說是唯一的信息，被稱為空間位置參數信息(ephemeris information)。該信息包括用于確定衛星軌道和來自衛星的信號的信令時間的參數。
具體地說，該空間位置參數信息的三個子幀的第二個碼字包括來自一周的時間信息，稱為TOW(周時間)。因此，每一子幀的TOW是每間隔6秒更新的信息。
所有的GPS衛星都包括原子鐘，使用共同的時間信息，并且信號是以原子鐘的一秒為單位來自每一衛星信令的信號。而且，每一衛星的PN序列的碼與該原子鐘同步地產生。
空間位置參數信息的軌道信息在每幾小時之后更新，并且該信息保持不變，直到其被更新。但是，如果空間位置參數信息的軌道信息被存儲在GPS接收器的存儲器中，則同一信息能以高等級的精確度被使用好幾個小時。應該指出，來自每一衛星的信號的信令時間在每一秒之后即被更新。
一幀數據的剩余兩個幀的導航信息是稱為年鑒信息(almanac information)的信息，它是從所有的衛星共同發送的信息。該年鑒信息必須收集25幀，以便獲得所有的信息，并且包括每一衛星的大致位置信息以及表示哪個衛星能被使用的信息。該年鑒信息在每幾個月之后被更新，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在GPS接收器的存儲器中，則同一信息能以高等級的精確度被使用好幾個月。
為了接收GPS衛星信號，在GPS接收器中準備的并且與由將要被接收的GPS衛星使用的C/A碼的PN序列相同的PN序列碼被用于建立與來自該GPS衛星的信號的C/A碼的相位同步性，以捕捉該衛星信號，并且該衛星信號被頻譜解擴。在下文中把PN序列的碼稱作PN碼。隨著建立與C/A碼相位同步性和進行解擴，比特被檢測，并且因此能從GPS衛星信號中獲得包括時間信息的導航信息等。
通過C/A碼的相位同步性搜索而捕捉衛星信號。在相位同步性搜索中，搜索的是在GPS接收器的PN碼和來自GPS衛星的接收信號的PN碼之間的相關性，并且當該相關性高于預先確定的相關值時，即判定該PS碼處于互相同步。如果判定該PS碼不處于互相同步，則連續逐一碼片地移動GPS接收器的PN碼的相位，同時針對每一相位檢測GPS接收信號的該PN碼對于該GPS接收器的PN碼的相關性，以便檢測能利用其建立同步的相位。
在此情況下，GPS衛星的PN碼以很高精度頻率的時鐘來驅動。因此，如果用于驅動GPS接收器中準備的PN碼的發生器的時鐘具有實質上等于衛星時鐘的精確度，如果該GPS接收器的PN碼移動經過1,023碼片，即該PN碼的一個重復周期，則與某些相位獲得相位同步性，并且能從該衛星捕捉擴頻電波。
用于驅動GPS接收器的PN碼發生器的時鐘通常是通過劃分該GPS接收器中準備的基準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頻率振蕩器。但是，GPS接收器的基準頻率振蕩器的振蕩頻率通常由于溫度變化或老化而變動。因此，PN碼的碼片頻率可能會在衛星信號和GPS接收器信號之間移動。因此，考慮到內置的基準頻率振蕩器的振蕩頻率變化，GPS接收器執行頻率搜索，以使內置的基準頻率振蕩器的振蕩頻率可被調整到來自GPS衛星的該擴頻信號的頻率。
圖14說明上述的這種頻率搜索。具體地說，當用于驅動GPS接收器的PN代碼發生器的時鐘信號頻率是確定的頻率f1時，執行如上所述的這種相位同步性搜索。隨后，如果在執行相位同步性搜索的所有1023個碼片中的相位搜索未找到檢測同步的相位，則來例如自基準頻率振蕩器的信號劃分比例將被改變，把驅動時鐘信號的頻率改變到另一頻率f2。隨后，類似地執行對于1023個碼片的相位搜索。如圖14所示，此過程通過連續地逐步改變驅動時鐘信號的頻率來重復。描述的操作是頻率搜索。
能被考慮允許同步的驅動時鐘信號的頻率通過頻率搜索來檢測，并且以時鐘脈沖頻率來進行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，也能捕捉到衛星信號。
以此方式，為了對于GPS接收器執行定位算術運算，必須確定衛星和接收器之間的距離。具體地說，GPS接收器測量時間間隔，即測量信號到達時間間隔，直到從衛星轉發的信號在確定的時間到達該GPS接收器為止，并且把該時間間隔乘以光速3×108m/s，以便計算距離。
為了測量信號到達時間間隔，需要與來自衛星的信號建立精確的時間同步，并且測量兩個時間間隔。兩個時間間隔之一是比通過建立該C/A碼相位同步性而獲得的擴展碼的一個周期更短的時間信息，即比1毫秒還要短的時間信息。另一個時間間隔是比擴展碼的一個周期長的時間信息，即比1毫秒長的時間信息。
比1毫秒更短的時間信息被獲得作為一個定時，以該定時建立C/A碼的相位同步性，以便捕捉GPS衛星信號。具體地說，衛星的擴展碼(PN碼)與其原子鐘同步，如果在GPS接收器上建立該PN碼的相位同步性，即如果建立C/A碼的同步，則獲得比來自衛星的無線電波到達時間間隔的1毫秒更短的信息。
但是，只有當建立C/A碼的同步時，才僅獲得比1毫秒更短的時間信息，但是未獲得比1毫秒長的時間信息。因此，比1毫秒長的時間信息是必要的。通常，通過從該GPS衛星信號中獲得包括的導航信息來獲得比1毫秒長的時間信息。具體地說，通過建立與導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毫秒長的時間信息，以便證實相位同步性定時。
如上所述，在普通的GPS接收器中，為了捕捉衛星信號，由于提供在該GPS接收器之中的基準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間用于頻率搜索，所以存在的問題是，需要許多時間執行定位算術計算，以便最終測定目前GPS接收器的位置。
在使用上述普通的時間同步方法的場合下，存在的問題是，按子幀單位來獲得用于獲得比1毫秒長的時間信息的前置碼和TOW的信息，即在6秒中僅獲得一次。此外，為了防止錯誤的鎖定，通常最好兩次或多次證實前置碼等信息。因此，即便該GPS接收器具有的時間信息是有效的，但在來自衛星的信號和該C/A碼之間建立同步之后直到建立最終的時間同步為止所需要的時間卻多于6秒鐘。
如果試圖縮短電源提供之后開始定位算術運算之前所需要的時間，那么比6秒鐘更多的時間將構成障礙。而且，在打算把該GPS定位系統結合在便攜式裝置的場合，雖然要求省電，但是因為如上所述的已有技術在開始定位算術運算之前需要許多時間，所以這種需要的省電不能被充分地實現。
本發明的目的是提供一種GPS定位方法和GPS接收裝置，通過該方法和裝置，例如能縮短GPS接收器在得到電源之后到建立同步之時為止的時間。
為了達到上述目的，根據本發明的一個方面，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量GPS接收器部分中使用的基準頻率振蕩器的振蕩頻率或該振蕩頻率的頻率變化，并且利用該測量結果捕捉來自GPS衛星的信號。
在該GPS定位方法中，即便該GPS接收器部分的基準頻率發生器的振蕩頻率由于溫度變化或老化而被改變，也能根據由該被稱為廣播時鐘的標準電波提供的該高精度頻率信息測量該頻率變化，并且該測量的結果被用于捕捉來自GPS衛星的信號，以便能取消該頻率變化。因此，能迅速地捕捉該GPS衛星信號而不使用在一個普通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準電波提供的高精度時間信息，并且使用該高精度時間信息取代從該GPS衛星發送的時間信息來執行定位算術運算。
在該GPS定位方法中，由于該定位算術運算是使用由該標準電波提供并且正常獲得的高精度時間信息來執行，取代了從該GPS衛星發送的時間信息，所以該定位算術運算能比普通的GPS定位方法迅速地開始。
作為一種選擇，該GPS定位方法可以進一步包括第一檢測步驟，檢測有關來自該GPS衛星的擴頻信號的擴展碼的同步定時，以便檢測比用于時間同步的該擴展碼的一個周期短的時間成分，和第二檢測步驟，在第一檢測步驟中完成該擴展碼的同步之后，從由該標準電波提供的該高精度時間信息檢測該擴展碼的一個周期的邊界處的時間，并且根據該邊界的時間檢測比用于時間同步的該擴展碼的一個周期長的時間成分。
在該GPS定位方法中，類似普通的GPS定位方法，比擴展碼的1毫秒的一個周期短的時間成分通過建立該C/A碼的同步來確定。但是，就比1毫秒長的時間成分而言，該擴展碼的一個周期的邊界時間由能夠從標準電波獲得的該高精度時間信息來檢測。在此情況下，如果從射頻鐘獲得的時間信息具有比500微秒短的精確度，則能建立精確度充分高的時間同步。因此，通過按如上所述的類似方式與三顆或四顆衛星建立時間同步，就能夠迅速地開始該定位算術運算。
因此，利用該GPS定位方法，不需要象在一個普通GPS定位系統中那樣校驗該導航信息的前置碼或TOW，從而能明顯縮短時間同步所需要的時間。
作為另一種選擇，該GPS定位方法可以進一步包括第一檢測步驟，檢測有關來自該GPS衛星的擴頻信號的擴展碼的同步定時，以便檢測比用于時間同步的該擴展碼的一個周期短的時間成分，和第二檢測步驟，在第一檢測步驟中完成該擴展碼的同步之后，檢測來自該衛星的信息比特的邊界，利用由該標準電波提供的該高精度時間信息檢測該比特邊界的時間，并且根據該邊界的時間檢測比用于時間同步的該擴展碼的一個周期長的時間成分。
在該GPS定位方法中，類似普通的GPS定位方法，比1毫秒短的時間成分通過建立該C/A碼的同步來確定。但是，就比1毫秒長的時間成分而言，對應于該擴展碼的20個周期的比特邊界的時間由通過該標準電波提供的該高精度時間信息來檢測。在此情況下，如果由該GPS接收器獲得的時間信息具有比10微秒短的精確度，則能建立精確度充分高的時間同步。因此，通過按如上所述的類似方式與三顆或四顆衛星建立時間同步，就能夠迅速地開始該定位算術運算。
因此，利用該GPS定位方法，不需要象在普通的GPS定位系統中那樣校驗該導航信息的前置碼或TOW，從而能明顯縮短時間同步所需要的時間，并且較低精確度的時間信息能被該GPS接收器部分使用。
最好是，即使當給GPS接收器部分的電源斷開時，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準電波提供的高精度頻率信息測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，即使當給GPS接收器的電源部分被斷開，也能預先設置基準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，即便電源沒有被正常地提供到該GPS接收器，由于能預先測量該基準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星無線電波被捕捉、以實際開始捕獲該衛星電波的時間。
總之，用該GPS定位方法，由于能以這樣的形式來捕捉衛星信號，其中使用通過接收標準電波獲得的高精度頻率信息來去除在GPS接收器部分中提供的基準頻率振蕩器的振蕩頻率的頻率變化，所以不需要執行由于基準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，與已有技術相比較，在開始進行衛星信號捕獲之后到衛星信號能被實際上捕捉為止的時間能夠被縮短。
此外，由于使用從標準電波獲得的時間信息取代來自GPS衛星的時間信息，所以作為定位算術運算預處理的到建立時間同步之前的該時間也能被明顯降低。因此，利用該GPS定位方法，到開始進行定位算術運算之前需要的時間能被明顯降低。
由于按此方式把提供電源之后到位置測量以前的時間被縮短，所以需要用于位置測量的該GPS接收器的驅動時間被降低，這將有助于省電。而且，由于在提供電源之后到位置測量以前的時間變短，所以使用位置測量功能的用戶的壓力能夠被減小。
本發明上述和其它目的、特征及優點在結合附圖的下面的描述和所附的權利要求書中將變得顯見，其附圖中的相同部分或單元由相同的標號表示。
圖1是根據本發明最佳實施例的GPS接收裝置的結構方框圖；圖2是說明標準無線電波的表格；圖3是圖1的GPS接收裝置的信號解調部分的結構方框圖；圖4A和4B分別是表示從衛星發送的無線電波及該無線電波接收定時的示意圖，并且說明了根據本發明的一種時間同步方法；圖5是說明圖4A和4B的時間同步方法的示意圖；圖6是表示用于執行圖5的時間同步方法的一個裝置的方框圖；圖7是說明圖6的裝置的操作的流程圖；圖8是比較于一個普通GPS接收裝置而言，說明本發明的GPS接收裝置的省電性能的示意圖；圖9是表示根據本發明的GPS接收裝置的應用例的示意圖；圖10是表示用于執行圖5的時間同步方法的另一裝置的方框圖；圖11是說明圖10的裝置的操作的流程圖；圖12是根據本發明另一最佳實施例的GPS接收裝置的結構方框圖；圖13A到13E示出GPS衛星信號的結構；和圖14是說明普通GPS接收器中的頻率搜索的示意圖。
首先參考圖1，其中示出應用了本發明的GPS定位方法的本發明的一種GPS接收裝置的系統結構。該GPS接收裝置包括GPS接收器部分10、標準電波接收器部分20、和頻率測量部分30。
該GPS接收器部分10包括天線部分11，該天線部分接收GPS衛星信號，并把該接收信號提供到射頻處理部分12。射頻處理部分12在下文中被簡單地稱之為RF部分12。RF部分12使用來自基準頻率振蕩器13的頻率信號，以便把該接收信號的頻率轉換成幾MHz到幾十MHz的中頻信號，并且將該中頻信號輸出到解調及算術運算部分14。解調及算術運算部分14建立C/A碼的同步，以便通過頻譜解擴執行解調，并且建立時間同步，以執行定位算術運算。
解調及算術運算部分14解調接收信號，以便獲得空間位置(ephemeris)信息以及年鑒(almanac)信息，并且把該信息存儲到存儲部分15。提供輸入/輸出部分16，以便把定位算術運算的結果等輸出或取出所需信息。
利用來自頻率測量部分30的頻率信號而獲得的時鐘信號，解調及算術運算部分14驅動PN碼發生器，以便產生接收器端的PN碼，并且執行在接收器端的PN碼和衛星信號的PN碼之間的相位同步，以便捕捉衛星信號。隨后，解調及算術運算部分14執行該捕捉衛星信號的時間同步，并且執行定位算術運算。
隨后，如在下文中詳細描述的那樣，當捕捉衛星信號時，該解調及算術運算部分14執行基準頻率振蕩器13的振蕩頻率的校正，以使由溫度變化或基準頻率振蕩器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，在GPS接收裝置中，頻率測量部分30使用由該標準電波接收器部分20獲得的高精度頻率信息測量基準頻率振蕩器13的振蕩頻率或該振蕩頻率的頻率變化，并且解調及算術運算部分14使用該測量結果，以便執行在捕獲來自GPS衛星信號的捕獲電路系統中的該基準頻率振蕩器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，以便捕捉來自GPS衛星的信號。在下面描述的實例中，基準頻率振蕩器13的振蕩頻率變化被測量，并且把測量的結果用于捕捉GPS衛星信號。
與GPS接收裝置中的解調及算術運算部分14的時間同步相關，類似于已有技術中的方式，通過同步來自衛星的擴頻信號電波的C/A碼，獲得比時間同步的1毫秒更短的時間成分。但是，例如當接上電源時或從丟失大量時間同步的狀態重新同步時，就比1毫秒時間信息更長的時間成分來說，使用來自該標準電波接收器部分20的高精度時間信息Tst，而不象已有技術中那樣使用導航信息的前置碼或TOW，精確地獲得在特定數據的邊界上的時間信息。
在GPS接收裝置中的標準電波接收器部分20具有射頻時鐘的結構，接收長波長帶中的標準電波。具體地說，目前在日本國內，如圖2所示，利用使用例如5MHz、8MHz或10MHz的短波長帶的載波的標準電波，以及另一使用40kHz的長波長帶的載波的標準電波。在該GPS接收裝置中，利用的是該波長帶的標準電波，其頻率及時間間隔精確度高，無線電波的覆蓋區域寬。
具體地說，標準電波接收器部分20的天線部分21接收長波長帶標準電波，并且把長波長帶標準電波的接收信號提供到長波長帶標準電波接收及解調部分22。長波長帶標準電波接收及解調部分22解調接收到的長波長帶標準電波，并且把該標準電波的解調輸出提供到頻率信息及時間信息提取部分23。如上所述，頻率信息及時間信息提取部分23從解調過的長波長帶標準電波中提取這種高精度頻率信息Fst和時間信息Tst。
隨后，該頻率信息及時間信息提取部分23把提取出的頻率信息Fst提供到頻率測量部分30，以便測量GPS接收器部分10的基準頻率振蕩器的振蕩頻率的頻率移動。在本實例中，頻率測量部分30檢測來自基準頻率振蕩器13的頻率信號的多少周期數被包括在40kHz的精確頻率的信號中，以便測量基準頻率振蕩器13的振蕩頻率，并且根據該測量結果，測量振蕩頻率的頻率移動Δf的信息。隨后，該基準頻率振蕩器13把該頻率移動Δf的信息提供到GPS接收器部分10的解調及算術運算部分14。
由頻率信息及時間信息提取部分23檢測到的時間信息Tst被提供到GPS接收器部分10的解調及算術運算部分14，以便建立時間同步。以下描述捕獲衛星信號的方法的實例，通過GPS接收器部分10的解調及算術運算部分14來消除基準頻率振蕩器13的頻率變化。
圖3示出捕捉及解調衛星信號的GPS接收器部分10的RF部分12和解調及算術運算部分14中的信號解調部分的結構。
參考圖3，天線11接收到的擴頻信號形式的衛星信號被提供到RF部分12。同時，振蕩頻率被提供到本機振蕩電路41，在本實例中是從18.414MHz的石英頻率振蕩器形成的基準頻率振蕩器13的輸出。因此，從本機振蕩電路41獲得相對于基準頻率振蕩器13的輸出頻率有固定的頻率比的本機振蕩輸出。
本機振蕩輸出被提供到RF部分12，通過RF部分12把衛星信號轉換成較低頻帶的第一中頻信號，利用該基準頻率振蕩器13的振蕩輸出進一步轉換成更低的第二中頻(1.023MHz)的第二中頻信號Sif。
來自RF部分12的該第二中頻信號Sif被提供到二進制數字化電路42，通過該電路42將其與預定門限值電平比較，以使其二進制數字化。
該二進制數字化電路電路42的二進制輸出Sd被提供到由“異”電路形成的一個信號倍乘器43。
在圖3示出的信號解調部分中，所謂的tau高頻脈動跟蹤方法被用于反饋環路50，用于進行解擴解調，同時科斯塔斯(costas)回路被用于反饋環路60，用于進行數據比特解調。反饋環路50和反饋環路60具有數字化結構，由微型計算機70通過軟件處理形成用于反饋環路50和反饋環路60的控制信號。
具體地說，在用于進行解擴解調的反饋環路50中，參考數字51表示用于該接收器端產生PN碼的代碼發生器，從代碼發生器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于基準PN碼的相位(基準相位)具有等于預定偏移的相位差。該合成PN碼被提供到信號倍乘器43。在此情況下，通過每1毫秒切換該初期碼Me和后期碼Md而產生合成PN碼。
信號倍乘器43把該合成PN碼與來自二進制數字化電路42的二進制數字化中頻信號Sd相乘。
在此情況下，由數控變量頻率振蕩器(在下文中稱作NCO)形成用于產生驅動時鐘的時鐘發生器52，用于控制來自該代碼發生器51的初期和后期PN碼的相位和頻率(碼片速率)。來自基準頻率振蕩器13的基準時鐘被提供到時鐘脈沖發生器52，并且該時鐘脈沖發生器52用18除基準時鐘的18.414MHz，以便在微型計算機70的控制下，形成用于代碼發生器51的1.023MHz的驅動時鐘。
在代碼發生器51中，以來自時鐘脈沖發生器52的具有受控相位和受控頻率的時鐘控制該初期和后期偽噪聲碼的相位和頻率。因此，控制來自代碼發生器51的PN碼，以使該相位和頻率可以與包括在來自基準頻率振蕩器13的中頻信號Sd中的PN碼的相位和頻率一致，從而執行解擴。
用于解調數據比特的反饋環路60包括由NCO形成的載波發生器61、90移相器62、各自由“異”門形成的第一乘法器63和第二乘法器64、各自由計數器形成的一對低通濾波器65和66、和用于對載波發生器61形成控制信號的微型計算機70。該反饋環路由科斯塔斯(costas)環路形成。
來自基準頻率振蕩器13的基準時鐘被提供到載波發生器61。載波發生器61產生載波，適于該微型計算機70根據基準時鐘數值控制NCO。
根據程序軟件，微型計算機70執行圖3中由細線包圍部分中指示的功能塊的功能。具體地說，結合圖3的功能塊來描述微型計算機70的處理功能。乘法裝置71把來自各自由計數器形成的低通濾波器65和66的計數值相乘，以便獲得對應于在接收信號中的載波成分和來自載波發生器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路濾波器裝置72。
在GPS接收裝置中，來自標準電波接收器部分20的高精度頻率信息Fst和來自基準頻率振蕩器13的頻率信號被提供到頻率測量部分30。如上所述，根據高精度頻率信息Fst，頻率測量部分30測量來自基準頻率振蕩器13的頻率信號的頻率移動Δf。隨后，頻率移動信息Δf被提供到微型計算機70的環路濾波器裝置72。
根據乘法裝置71的乘法輸出和根據頻率測量部分30的頻移信息Δf，環路濾波器裝置72形成控制信號，用于控制該載波發生器61的輸出信號的頻率或相位，并將該控制信號提供到載波發生器61。上述乘法裝置71和環路濾波器裝置72形成科斯塔斯(costas)環路60的一部分。
絕對值檢測裝置73和74分別檢測低通濾波器65和66的計數值輸出，并且通過相加裝置75相加低通濾波器65和66的檢測輸出。因此相加裝置75輸出表示來自代碼發生器51的PN碼與接收信號的PN碼之間相關電平的信號，即相關性輸出。
來自相加裝置75的表示相關性電平的相關輸出信號被提供到環路濾波器裝置76。環路濾波器裝置76形式數值控制信號，用于控制時鐘脈沖發生器52的輸出信息塊的頻率或相位，根據該相關輸出信號產生針對代碼發生器51的驅動時鐘。
如上所述，在GPS接收裝置中，即便基準頻率振蕩器13的振蕩頻率因溫度變化或老化被變動，但由于振蕩頻率變化被反映在載波發生器61的輸出信號上，所以現有技術中的頻率搜索是不必要的。隨后描述在GPS接收裝置中的時間同步方法。首先描述該時間同步方法的概要。
例如，根據原子鐘形式的GPS時鐘，以圖4A所示方式從衛星發送無線電波。如圖4B所示，在到達時間Δta之后，發送無線電波被GPS接收器接收。
在圖4A和4B中，參照子幀的頂端時間點示出到達時間Δta。但是，即使不能識別子幀頂端的時間點，而如果特定數據的邊界時間，例如擴展碼的一個周期的邊界、比特的邊界或碼字的邊界被精確地識別，并且識別子幀的何種數值的碼字的何種數字比特的數值信號出現時間是該邊界的時間點，則就等效于檢測到該子幀頂端的時間點。
因此，在該GPS接收裝置中，使用由該標準電波接收器部分20提取的高精確度時間信息，精確地判定特定數據的邊界時間，例如擴展碼的周期邊界、比特的邊界或碼字的邊界，然后識別該子幀的何種數值碼字的何種數字比特的數值信號出現時間是邊界的時間點，即便沒有發現該導航信息中的前置碼或TOW，也檢測到比1毫秒長的時間成分，以便建立時間同步。
能夠以下面的方式確定子幀的何種數值碼字的何種數字比特的數值信號出現時間是該邊界時間點。
從GPS接收器部分10的存儲部分15中存儲的衛星軌道數據，能判定來自衛星的無線電波的大致到達時間Δta。因此，如果在GPS接收器部分10從衛星無線電波的接收時間減掉該到達時間Δta，則差值實質上等于來自衛星的信息子幀的頂端時間點。
因此，如果從邊界的時間點的時間減掉到達時間Δta，則相減產生的時間成為時間點信息，在該時間點從子幀的頂端經過了時間Δtb，如圖4A所示。如果該相減產生的時間被該擴展碼的比特或時鐘替換以便執行計算，則能判定子幀的何種數值碼字的何種數字比特的數值信號出現時間是該邊界的時間點。
因此，如果能由GPS接收裝置利用的時間信息相對于GPS時鐘具有預定的精確度，則通過在該C/A碼的同步完成之后從時間信息獲得特定數據的邊界時間，就能建立準確的時間同步而不必調查該導航信息的前置碼或TOW。
以此方式，能夠迅速地檢測擴展碼的一個周期的邊界。而且，通過檢測在一個周期單位中的擴展碼的反相，能夠檢測到比特邊界。但是，因為各碼字內容不同，所以難于檢測到碼字的邊界。這也適用于子幀的邊界。因此，在下面描述的GPS接收裝置中，使用的是擴展碼的一個周期的邊界和比特的邊界。
如上所述，當建立來自衛星的C/A碼的同步時，由于C/A碼具有1毫秒的一個周期，所以能知道來自該衛星的無線電波的到達時間，它是比1毫秒短的時間成分。換句話說，當建立同步時，在該時間的同步點擴展碼(PN碼)相對于基準相位的移動量(根據基準相位通過何種碼片數來移動擴展碼)是小于從衛星到接收器的該電波到達時間的1毫秒的數量級的時間成分。它與已有技術相似。
在GPS接收裝置中使用的時間同步方法中，如上所述，GPS接收裝置能夠在標準電波接收器部分20獲得高精度時間信息。
在前面的描述中，為了檢測擴展碼的一個周期的邊界，需要在500微秒的數量級的誤差上精確地檢測該邊界。同時，為了檢測比特邊界，僅需要能以10毫秒數量級誤差精確地檢測邊界。根據能由本實施例的GPS接收裝置獲得的時間信息的精確度中的差別，可用下面描述的兩個形式。
首先描述時間信息的精確度的問題。
能由GPS接收裝置獲得的時間數據與正確時間數據之間的差別由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接收裝置的準確位置由(ux,uy,uz)表示，在時間t的衛星的位置由(stx,sty,stz)表示，當GPS接收裝置在時間t接收從衛星發送的無線電波時的位置由(sx,sy,sz)表示，光速由c表示，則從圖5中，衛星到GPS接收裝置無線電波的傳播時間的誤差Δt2計算表達式如下Δt2=|((sx-ux)2+(sy-uy)2+(sz-uz)2)1/2-((stx-ux1)2+(sty-uyl)2+(stz-uz1)2)1/2|/c與時間信息有關的誤差E是E=Δt1+Δt2。因此，根據能由GPS接收裝置使用的時間信息的誤差E值大小，有獲得比1毫秒更長的時間成分的不同方式。在時間同步的第一形式中，從PN碼的一個周期的邊界的時間信息確定用于時間同步的比1毫秒長的時間信息，該PN碼是一個擴展信號，即1023碼片的C/A碼。在此情況下，能夠由GPS接收裝置使用的時間信息的精確度必須為E=Δt1+Δt2＜500微秒其中，該標準電波接收器部分20獲得的時間信息滿足這個條件。
圖6示出在目前第一形式中的圖1的解調及算術運算部分14的時間同步。參考圖6，在此情況下，解調及算術運算部分14的全部或某些框能由微型計算機形成。
具體地說，來自RF部分12的中頻信號被提供到解擴部分141。用于解擴的PN碼從包括PN代碼發生器51的C/A碼同步檢測部分143提供到該解擴部分141。根據來自解擴部分141的相關檢測信息，該C/A碼同步檢測部分143控制該PN碼的產生相位，以便利用該C/A碼執行同步檢測。隨后，C/A碼同步檢測部分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，已經處在擴展頻譜調制的狀態中的GPS衛星信號以解調的形式從解擴部分141獲得，并且被提供到數據解碼部分142。
數據解碼部分142解碼空間位置參數信息及該年鑒信息，并且輸出該解碼的信息。導航情報的信息例如被存儲到存儲部分15中，并且被提供到定位算術運算部分145。
而且，C/A同步檢測部分143把表示該C/A的同步建立之時間的信號Lt提供到時間同步檢測部分144。而且，C/A同步檢測部分143把表示PN碼的一個周期的邊界的信號Ps以當前形式提供到時間同步檢測部分144。應該指出，表示C/A碼的同步建立的定時信號Lt由圖3中的微型計算機70產生。
從表示在C/A碼同步建立之時的信號Lt，該時間同步檢測部分144確定比1毫秒短的用于時間同步的時間信息。時間同步檢測部分144還根據信號Ps確定比1毫秒長的用于時間同步的時間信息，以便建立用于定位算術運算的同步。該信號Ps表示在該C/A的同步結束之后的PN碼的一個周期的邊界。
圖7示出該時間同步檢測部分144執行的處理流程。
參考圖7，通過識別的是否已獲得信號Lt，時間同步檢測部分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，則該時間同步檢測部分144確定比1毫秒短的用于時間同步的時間成分(步驟S102)。
隨后，該時間同步檢測部分144等待一個PN碼周期完成和出現該PN碼周期的邊界(步驟S103)。隨后，在時間同步檢測部分144從表示該PN碼一個周期的邊界的信號Ps證實該PN碼的周期的邊界出現之后，時間同步檢測部分144根據來自標準電波接收器部分20的高精確度時間信息Tst來檢測時間ts(步驟S104)。
如上所述，時間同步檢測部分144隨后從時間ts中減掉衛星無線電波的大致到達時間的無線電波傳播時間，隨后把相減結果的100微秒的數字值近似成整數，以便確定比1毫秒長的用于時間同步的時間信息。隨后，時間同步檢測部分144根據該時間信息建立時間同步，并且將相同的結果發送到定位算術運算部分145(步驟S105)。
其中，該無線電波傳播時間是來自衛星的無線電波的到達時間，能夠由下面表達式表示((stx-ux1)2+(sty-ny1)2+(stz-uz1)2)1/2/c從而結束時間同步檢測部分144執行的時間同步處理。
根據上述的時間同步信息，定位算術運算部分145計算在衛星與GPS接收裝置之間的距離。具體地說，如上所述的這種時間同步被建立用于需要定位算術運算的若干衛星，即通常用于執行二維位置定位的三個衛星，但也用于執行三維定位的四個衛星。隨后，當各個衛星與GPS接收裝置之間的距離被計算出時，執行定位算術運算，并且輸出該定位算術運算的結果。
當以此方式完成C/A的同步然后檢測PN碼的一個周期的邊界時，在目前形式中，按照定位算術運算的預先處理建立時間同步，然后能執行定位算術運算。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方法比較時，到位置被確定之前的時間能被縮短，其有助于省電。
此外，在目前形式中，由于不需要執行考慮基準頻率振蕩器13的振蕩頻率的頻率變化的頻率搜索，所以捕捉衛星信號需要的時間通過頻率搜索所需的時間也被縮短。因此，在這點上，能進一步縮短到定位算術運算開始之前的時間，從而導致省電。
例如，當GPS接收裝置如圖8所示被間歇地驅動時，利用普通的GPS接收裝置確定位置的時間長而且有電力消耗，而在本發明中，在位置確定以前的時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部分之內電力消耗可被減小。
而且，以此方式能夠預期GPS接收器的省電，由于位置被識別之前的時間被縮短，所以用戶的等待時間減少，并且用戶的壓力減小。
而且，由于省電的原因，能減小驅動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間測量儀器，例如圖9示出的手表型測量儀器。在時間同步的第二形式中，根據擴展頻譜解調數據的比特邊界的時間信息來確定比1毫秒長的用于時間同步的時間信息。在目前第二形式中，能夠由GPS接收裝置使用的時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的解調及算術運算部分14的時間同步。與第一形式類似，示出的該解調及算術運算部分14的全部或某些框能由微型計算機形成。應該指出，與第一形式中的相同部分或元件由相同參考符號表示，以便省略說明。
在當前第二形式中，解調及算術運算部分14被修改，與上述參照圖描述的解調及算術運算部分14的不同在于，其包括比特邊界檢測部分146和時間同步檢測部分147，取代了時間同步檢測部分144。來自解擴部分141的擴展頻譜解調數據和來自C/A碼同步檢測部分143的PN碼周期的邊界被提供到比特邊界檢測部分146。
如圖13所示，比特邊界檢測部分146利用比特對應于PN碼的20個周期和比特是"0"時的C/A碼的相位被反相到比特是"1"時的該C/A碼的相位的事實，來檢測比特邊界并將表示該檢測的比特邊界的定時的信號Bs提供到時間同步檢測部分147。
類似第一最佳實施例，表示定時的信號從C/A碼同步檢測部分143提供到時間同步檢測部分147，在該定時建立C/A的同步。
根據表示在C/A碼同步建立之時的定時信號Lt，定時同步檢測部分147確定比1毫秒短的用于時間同步的定時信息。時間同步檢測部分147根據信號Bs確定用于時間同步的比1毫秒長的時間信息，而且建立用于定位算術運算的同步。該信號Bs表示在該C/A碼同步結束而且建立時間同步之后的比特的邊界。
圖11示出該時間同步檢測部分147執行的處理流程。
參考圖11，通過識別的是否已獲得信號Lt，時間同步檢測部分147首先判定C/A碼的同步是否完成(步驟S101)。隨后，當時間同步檢測部分147判定該C/A碼的同步被完成時，同步檢測部分確定比毫秒短的用于時間同步的時間成分(步驟S202)。
隨后，時間同步檢測部分147等待比特邊界被檢測(步驟S203)。隨后，在時間同步檢測部分147根據表示比特邊界的信號Bs證實出現比特的邊界之后，則根據由標準電波接收器部分20獲得的高精度時間信息Tst來檢測時間ts(步驟S204)。
如上所述，時間同步檢測部分147從時間ts中減掉該無線電波傳播時間，該時間大致為從衛星發送的無線電波的到達時間，并且從該相減的結果時間中加上或減去小于Δt1+Δt2的時間誤差，以便產生是20毫秒倍數的時間。隨后，時間同步檢測部分147根據該時間信息來建立時間同步，并且將同一個結果發送到定位算術運算部分145(步驟S205)。從而結束該時間同步檢測部分147執行的時間同步處理。
根據上述的時間同步信息，定位算術運算部分145計算在衛星與GPS接收裝置之間的距離。隨后，當GPS接收裝置與多個衛星的距離需要定位算術運算時(即進行兩維定位一般需要三個衛星，而三維定位則需要四個衛星)，執行定位算術運算并且把算術運算的結果輸出。
當以此方式完成該C/A的同步然后檢測比特的邊界時，在本形式中，按照定位算術運算的預先處理建立時間同步，然后可執行定位算術運算。因此，當與使用前置碼或TOW、而且僅以6秒的單位獲得位置的常規方法比較時，到位置被確定之前的時間能被縮短，與上述第一形式類似，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現的效果之外，由該GPS接收裝置要求的時間精確度可以比該第一最佳實施例的時間精確度低。因此，把這種裝置應用到圖9描述的手表型儀器更容易。
應該指出，在上述兩個形式中，在同步保持穩定的同時，定位算術運算部分145執行該導航信息的前置碼或TOW的檢測，以便獲得比1毫秒長的用于時間同步的時間信息。而且，定位算術運算部分145使用該時間信息執行時間同步，以便執行定位算術運算。
另外，根據上述PN碼一個周期的邊界時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間同步的比1毫秒長的時間信息。圖12示出根據本發明的另一GPS接收裝置的結構。本實施例的GPS接收裝置是圖1的第一最佳實施例的一個改進，并且包括該第一最佳實施例的GPS接收裝置的共同部件。但是，本實施例的GPS接收裝置與圖1的GPS接收裝置的不同在于，即使當該GPS接收器部分關掉電源，也能把一個電源電壓正常地提供到該GPS接收器部分10的基準頻率振蕩器13。而且，由頻率測量部分30測量的該基準頻率振蕩器13的頻率移動Δf的信息被提供到標準電波接收器部分20的頻率信息及時間信息提取部分23。
在圖12的GPS接收裝置中的該頻率信息及時間信息提取部分23不僅把時間信息Tst而且把從頻率測量部分30獲得的頻率移動Δf的信息也提供到GPS接收器部分10的解調及算術運算部分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，也能執行涉及基準頻率振蕩器13的頻率移動Δf的測量，并且把測量的結果從標準電波接收器部分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之后到開始定位算術運算之前的時間能被縮短。在上述最佳實施例中，雖然來自頻率測量部分30的頻率移動Δf的信息被用于控制科斯塔斯(costas)環路60的載波發生器61，但是用于解擴解調的反饋環路50的時鐘脈中發生器52也可以使用來自頻率測量部分30的頻率移動Δf的信息來控制。
而且，在基準頻率振蕩器13本身具有其頻率可控制的振蕩器結構的場合下，基準頻率振蕩器13本身的振蕩頻率可使用來自頻率測量部分30的頻率移動Δf的信息來控制。
而且，雖然頻率測量部分30測量頻率移動Δf，但是也有可不檢測該頻率移動Δf，而可以使用來自該標準電波接收器部分20的高精度頻率信息Fst來測量基準頻率振蕩器13的振蕩頻率，并且根據測量的結果來控制該代碼發生器51或該基準頻率振蕩器13本身。
雖然使用具體的實例描述了本發明，但是這種描述僅是用于說明的目的，應該理解的是，在不背離權利要求的精神范圍的條件下可以進行改變和變更。
權利要求
1．一種GPS定位方法，包括以下步驟獲得由標準電波提供的高精度頻率信息；使用接收的高精度頻率信息，測量在GPS接收器部分中使用的基準頻率振蕩器的振蕩頻率或該振蕩頻率的頻率變化；及利用該測量結果捕捉來自GPS衛星的信號。
2．根據權利要求1的GPS定位方法，還包括以下步驟獲得由該標準電波提供的高精度時間信息；及使用該高精度時間信息取代從所述GPS衛星發送的時間信息而執行定位算術運算。
3．根據權利要求2的GPS定位方法，還包括以下步驟第一檢測步驟，檢測有關來自所述GPS衛星的擴頻信號的擴展碼的同步定時，以便檢測比用于時間同步的擴展碼的一個周期短的時間成分；及第二檢測步驟，在第一檢測步驟中完成擴展碼的同步之后，從由標準電波提供的高精度時間信息檢測該擴展碼的一個周期的邊界處的時間，并且根據該邊界的時間檢測比用于時間同步的該擴展碼的一個周期長的時間成分。
4．根據權利要求2的GPS定位方法，還包括以下步驟第一檢測步驟，檢測有關來自所述GPS衛星的擴頻信號的擴展碼的同步定時，以便檢測比用于時間同步的所述擴展碼的一個周期短的時間成分；及第二檢測步驟，在第一檢測步驟中完成所述擴展碼的同步后，檢測來自所述衛星的信息比特的邊界，利用由所述標準電波提供的所述高精度時間信息檢測比特邊界的時間，并且檢測比用于時間同步的擴展碼的一個周期長的時間成分。
5．根據權利要求1的GPS定位方法，其中，即使當給所述GPS接收器部分的電源斷開時，也保持電源被提供到所述GPS接收器部分的頻率振蕩器，以便使用由接收標準電波提供的高精度頻率信息來測量所述頻率振蕩器的頻率或該頻率的變化。
6．根據權利要求1的GPS定位方法，其中，所述基準頻率振蕩器的測量出的振蕩頻率或該振蕩頻率的測量出的頻率變化反映在用于從所述GPS衛星捕獲信號的科斯塔斯(costas)環路的載波發生器的輸出信號上。
7．根據權利要求2的GPS定位方法，其中，基準頻率振蕩器的測量出的振蕩頻率或該振蕩頻率的測量出的頻率變化反映在用于從所述GPS衛星捕獲信號的科斯塔斯(costas)環路的載波發生器的輸出信號上。
8．一種GPS接收裝置，包括GPS接收器部分，用于從GPS衛星接收無線電波，以便執行定位算術運算；標準電波接收器部分，用于接收標準電波，以便獲得高精度頻率信息；及頻率測量部分，用于測量在所述GPS接收器部分中使用的基準頻率振蕩器的振蕩頻率，或使用由所述標準電波接收器部分獲得的高精確度頻率信息測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量部分測量的結果，捕捉來自所述GPS衛星的信號。
9．根據權利要求8的GPS接收裝置，其中，所述標準電波接收器部分獲得高精度時間信息，并把該高精確度時間信息提供到所述GPS接收器部分；而所述GPS接收器部分使用該高精度時間信息取代從所述GPS衛星發送的時間信息來執行定位算術運算。
10．根據權利要求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衛星接收無線電波；存儲裝置，用于存儲所述GPS衛星的至少軌道信息；同步檢測裝置，用于檢測由所述接收裝置從所述GPS衛星接收到的擴頻信號的擴展碼的同步；及時間同步檢測裝置，用于確定由同步檢測裝置檢測的同步時間點，作為比用于時間同步的該擴展碼一個周期短的時間成分，使用來自所述標準電波接收部分的該高精度時間信息獲得該擴展碼一個周期邊界上的時間，根據獲得到的該邊界的時間確定比用于時間同步的該擴展碼的二個周期長的時間成分，并且建立該時間同步。
11．根據權利要求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衛星接收無線電波；存儲裝置，用于存儲所述GPS衛星的至少軌道信息；同步檢測裝置，用于檢測由所述接收裝置從所述GPS衛星接收到的擴頻信號的擴展碼的同步；比特邊界檢測裝置，用于檢測來自所述衛星的信息比特的邊界；及，時間同步檢測裝置，用于確定由同步檢測裝置檢測到的同步時間點，作為比用于時間同步的該擴展碼的一個周期短的時間成分，使用來自所述標準電波接收部分的高精度時間信息獲得由所述比特邊界檢測裝置檢測到的比特邊界的時間，根據獲得到的該邊界的時間確定比用于時間同步的該擴展碼的一個周期長的時間成分，并且建立該時間同步。
12．根據權利要求8的GPS接收裝置，其中，即使對所述GPS接收器部分斷開電源時，電源也被提供到所述頻率振蕩器，所述頻率測量部分使用由所述標準電波接收部分獲得到的高精確度頻率信息測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．根據權利要求8的GPS接收裝置，其中，所述基準頻率振蕩器的振蕩頻率或由所述頻率測量部分測量到的該振蕩頻率的頻率變化反映在用于從所述GPS衛星捕獲信號的科斯塔斯(costas)環路的載波發生器的輸出信號上。
14．根據權利要求9的GPS接收裝置，其中，所述基準頻率振蕩器的振蕩頻率或由所述頻率測量部分測量到的振蕩頻率的頻率變化反映在用于從所述GPS衛星捕獲信號的科斯塔斯(costas)環路的載波發生器的輸出信號上。
全文摘要
公開一種GPS定位方法,能縮短電源提供之后到開始定位算術運算之前的需要時間。使用由標準電波提供的高精度頻率信息來測量GPS接收器部分中使用的基準頻率振蕩器的振蕩頻率或振蕩頻率的頻率變化。利用測量結果捕捉來自GPS衛星的信號。而且,檢測來自衛星的擴頻信號的擴展碼的同步定時,以便檢測用于時間同步的短時間成分。使用該檢測到的短時間成分及大于該短時間成分的時間成分建立時間同步。
文檔編號H04L7/00GK1299976SQ0013472
公開日2001年6月20日 申請日期2000年10月15日 優先權日1999年10月15日
發明者長谷川浩二, 若森美貴雄, 金綱治男 申請人:索尼公司