專利名稱：基于數(shù)字信號(hào)處理器全球定位系統(tǒng)處理器的內(nèi)存減少方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及GPS接收機(jī)，尤其是涉及與基站一并運(yùn)行的GPS接收機(jī)。
GPS接收機(jī)可以在三維空間確定位置方位(positional fix)。這可通過(guò)接收到四顆或更多顆GPS衛(wèi)星信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)。每個(gè)接收到的衛(wèi)星信號(hào)都包含唯一一個(gè)與特定的衛(wèi)星相關(guān)的標(biāo)識(shí)符。這些標(biāo)識(shí)符代碼通常被稱為(戈登)Gold碼，使得GPS接收機(jī)可以識(shí)別從不同的衛(wèi)星傳送來(lái)的信號(hào)。信號(hào)中還包括包含諸如軌道布局和衛(wèi)星時(shí)間(所有的GPS衛(wèi)星信號(hào)都包含一個(gè)公共的同步時(shí)間)在內(nèi)的衛(wèi)星星歷表。該時(shí)間信號(hào)允許GPS接收機(jī)檢測(cè)接收的時(shí)間，并由此測(cè)量信號(hào)的傳輸時(shí)間。然后，通過(guò)傳輸時(shí)間可使GPS接收機(jī)確定到衛(wèi)星的距離(稱為偽距)。

圖1中表示了到一顆衛(wèi)星的偽距D。偽距沒(méi)有給出到一個(gè)特定地點(diǎn)的簡(jiǎn)單距離。從一顆特定衛(wèi)星到GPS接收機(jī)的偽距可表示了地球上的一個(gè)圓(如果衛(wèi)星在正上方)，或者更可能地，表示一個(gè)弧，例如在地球曲面上的一條拋物線。
圖2表示三顆GPS衛(wèi)星A、B與C。每顆衛(wèi)星產(chǎn)生一條偽距曲線，三條曲線交于一點(diǎn)。這三條(或更多)曲線可以用來(lái)解出交點(diǎn)的位置方位(即接收機(jī)的位置方位)。三顆這樣的GPS衛(wèi)星可以確定在地球表面上的位置，而四顆則產(chǎn)生一個(gè)三維的確定信息。
另一個(gè)重要的衛(wèi)星特征是多普勒(Doppler)特征。當(dāng)電磁波源相對(duì)于接收機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)，電磁波的頻率升高或降低。這被稱為Doppler效應(yīng)。Doppler效應(yīng)由GPS接收機(jī)觀測(cè)，當(dāng)GPS衛(wèi)星位于地平線上低仰角時(shí)最為明顯。在正上方的GPS衛(wèi)星(圖2中的衛(wèi)星A)相對(duì)于觀測(cè)者幾乎不動(dòng)(即零Doppler效應(yīng))，而以與衛(wèi)星A相同速度運(yùn)行的衛(wèi)星B在地平線上的位置較低，相對(duì)于觀測(cè)者運(yùn)動(dòng)速度較快。因此，每顆衛(wèi)星相對(duì)于地面上的一點(diǎn)以不同的速度運(yùn)動(dòng)，結(jié)果就產(chǎn)生了唯一的Doppler特征。因此，衛(wèi)星C的Doppler信號(hào)遠(yuǎn)比衛(wèi)星B的大。這些Doppler信號(hào)可以用來(lái)計(jì)算用戶的速度矢量。
GPS衛(wèi)星發(fā)送GPS接收機(jī)利用的信號(hào)，包括識(shí)別數(shù)據(jù)、衛(wèi)星位置數(shù)據(jù)(星歷表數(shù)據(jù))和衛(wèi)星時(shí)鐘校正數(shù)據(jù)。GPS信號(hào)中包括一個(gè)具有碼片速率為1.023Mhz(即重復(fù)間隔為0.001秒)的、長(zhǎng)度為1023比特的Gold擴(kuò)展碼進(jìn)行雙相位調(diào)制的載波信號(hào)。它還被各數(shù)據(jù)位以每秒50比特(BPS)的速率進(jìn)行調(diào)制(速率傳輸為每個(gè)數(shù)據(jù)位20毫秒)。50BPS的數(shù)據(jù)包含確定GPS時(shí)間(即GPS衛(wèi)星時(shí)鐘的時(shí)間)的信息和確定地理位置的信息。
GPS信號(hào)的數(shù)據(jù)中包含的詳細(xì)信息可以參考“Interface ControlDocument ICD-GPS-200，revised in 1991，publised by RockwellInternational Corporation”(Rockwell國(guó)際公司出版的1991修正版《接口控制文件ICD-GPS-200》)，該文件在此被引用結(jié)合進(jìn)來(lái)。
現(xiàn)有技術(shù)的GPS接收機(jī)100如圖3所示，Krasner的美國(guó)專利No.5,663,734中對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)介紹?，F(xiàn)有技術(shù)的GPS接收機(jī)100包括一個(gè)天線102、一個(gè)降頻器105、一個(gè)參考振蕩器107、一個(gè)時(shí)鐘發(fā)生器112、一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)114、一個(gè)動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取(DRAM)內(nèi)存118、一個(gè)內(nèi)存序列發(fā)生器122、一個(gè)混頻器127、一個(gè)數(shù)字控制振蕩器(NOC)133、一個(gè)雙端口堆棧RAM136、一個(gè)數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)140和一個(gè)本地DSP結(jié)果RAM144。
現(xiàn)有技術(shù)的GPS接收機(jī)100的天線102接收GPS信號(hào)，并將其降頻為中頻信號(hào)(IF信號(hào))。IF信號(hào)被送入A/D 114，將其變換為數(shù)字GPS信號(hào)。然后，得到的數(shù)字GPS信號(hào)連續(xù)存儲(chǔ)入DRAM118?，F(xiàn)有技術(shù)的DRAM118非常大，典型情況下包含約16Mbit(16兆比特)內(nèi)存。通常需要這樣大的內(nèi)存來(lái)捕獲1秒的GPS數(shù)據(jù)。一旦DRAM118內(nèi)存儲(chǔ)了整1秒的采樣數(shù)據(jù)，就要被一個(gè)可編程的信號(hào)處理器讀出并處理，以為存儲(chǔ)在DRAM118內(nèi)的所有可見(jiàn)衛(wèi)星信號(hào)抽取出信號(hào)偽距和Doppler移動(dòng)特性。
1秒的數(shù)字式GPS數(shù)據(jù)段是按照順序方式事后處理的(post-processed)?，F(xiàn)有技術(shù)的方案中沒(méi)有對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。其原因之一是通過(guò)存儲(chǔ)大量的GPS數(shù)據(jù)采樣信號(hào)(即1秒)，DSP140無(wú)需具有跟蹤輸入數(shù)據(jù)的吞吐量。典型的情況下，現(xiàn)有技術(shù)的GPS接收機(jī)100的運(yùn)行方式是采集1秒的采樣信號(hào)，然后用3到10秒處理采樣信號(hào)。在處理時(shí)間段內(nèi)，接收到的GPS信號(hào)干脆不處理或不利用。這樣的GPS定位結(jié)果自然比較粗糙。定位信息在時(shí)間上有一個(gè)延遲，而且不能適應(yīng)經(jīng)常的位置變化，而這在移動(dòng)場(chǎng)合的應(yīng)用中尤其重要。這些缺點(diǎn)在將定位信息用于采集數(shù)據(jù)時(shí)尤為尖銳，例如地理勘探或農(nóng)業(yè)取樣等應(yīng)用。
現(xiàn)有技術(shù)的另一個(gè)缺點(diǎn)是大規(guī)模的DRAM118導(dǎo)致GPS接收機(jī)增加了不必要的花費(fèi)或在GPS接收機(jī)中包含設(shè)備。例如，這樣的設(shè)備可能是一個(gè)蜂窩電話或?qū)ず魴C(jī)。
在現(xiàn)有技術(shù)的處理方案中，為了處理4到8顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)(一般情況下，地球上任何地點(diǎn)在任何時(shí)間都有4到8顆衛(wèi)星可見(jiàn))，按照順序方式運(yùn)行的現(xiàn)有技術(shù)的GPS接收機(jī)需要一個(gè)吞吐量達(dá)到500MIP(每秒百萬(wàn)條指令)的處理器。這當(dāng)然是一個(gè)非常高的吞吐量要求，如果用這樣的處理器將會(huì)非常昂貴并且產(chǎn)生大量的熱。
因此，在現(xiàn)有技術(shù)中，存在對(duì)具有減少內(nèi)存要求并實(shí)時(shí)處理接收到的GPS數(shù)據(jù)的GPS接收機(jī)的需求。
根據(jù)本發(fā)明的第二個(gè)方面，提出一種GPS接收機(jī)裝置。該裝置包括第一開(kāi)關(guān)，第一開(kāi)關(guān)接收數(shù)字GPS數(shù)據(jù)，第一內(nèi)存，與第一內(nèi)存并聯(lián)的第二內(nèi)存，第一開(kāi)關(guān)選擇向第一內(nèi)存或第二內(nèi)存寫入數(shù)字GPS數(shù)據(jù)，第二開(kāi)關(guān)選擇從第一內(nèi)存或第二內(nèi)存中取出數(shù)字GPS數(shù)據(jù)，連接到第二開(kāi)關(guān)上的混頻器，混頻器進(jìn)一步與數(shù)字控制振蕩器連接，向數(shù)字控制振蕩器提供預(yù)先確定的Doppler特征信號(hào)，混頻器能夠從數(shù)字GPS數(shù)據(jù)中分離出Doppler特征信號(hào)，與混頻器相連的堆棧RAM，堆棧RAM能夠累積預(yù)先確定的來(lái)自混頻器的數(shù)字GPS數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔，連接到堆棧RAM上的數(shù)字信號(hào)處理器，數(shù)字信號(hào)處理器能夠接收數(shù)字GPS數(shù)據(jù)并為每個(gè)可見(jiàn)的GPS衛(wèi)星產(chǎn)生偽距和Doppler特征信號(hào)，其中GPS信號(hào)處理方式是當(dāng)?shù)诙?nèi)存被寫入時(shí)從第一內(nèi)存中讀取數(shù)字GPS數(shù)據(jù)，而當(dāng)?shù)谝粌?nèi)存被寫入時(shí)，從第二內(nèi)存中讀取數(shù)字GPS數(shù)據(jù)，第一內(nèi)存與第二內(nèi)存允許數(shù)字GPS數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理。
根據(jù)本發(fā)明的第三個(gè)方面，提出一個(gè)GPS接收機(jī)裝置。該裝置包括第一開(kāi)關(guān)，第一開(kāi)關(guān)接收數(shù)字GPS數(shù)據(jù)，第一內(nèi)存，與第一內(nèi)存并聯(lián)的第二內(nèi)存，第一開(kāi)關(guān)選擇向第一內(nèi)存或第二內(nèi)存寫入數(shù)字GPS數(shù)據(jù)，第二開(kāi)關(guān)選擇從第一內(nèi)存或第二內(nèi)存中取出數(shù)字GPS數(shù)據(jù)，連接到第二開(kāi)關(guān)上的混頻器，混頻器進(jìn)一步與數(shù)字控制振蕩器連接，向數(shù)字控制振蕩器提供預(yù)先確定的Doppler特征信號(hào)，混頻器能夠從數(shù)字GPS數(shù)據(jù)中分離出Doppler特征信號(hào)，與混頻器相連的堆棧RAM，堆棧RAM能夠累積預(yù)先確定的來(lái)自混頻器的數(shù)字GPS數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔，連接到堆棧RAM上的多個(gè)并聯(lián)的相關(guān)器，多個(gè)并聯(lián)的相關(guān)器從一個(gè)基站接收多個(gè)預(yù)先確定的Gold碼，其中每個(gè)Gold碼都是唯一的并對(duì)應(yīng)于一個(gè)可見(jiàn)的GPS衛(wèi)星，多個(gè)并聯(lián)的相關(guān)器中的每個(gè)相關(guān)器都可將相對(duì)于數(shù)字GPS與一個(gè)唯一Gold碼相關(guān)聯(lián)，連接到多個(gè)并聯(lián)的相關(guān)器的多個(gè)并聯(lián)的不相干積分器，能夠?qū)γ總€(gè)相關(guān)的輸出進(jìn)行積分以提供多個(gè)偽距和Doppler特征輸出，其中GPS信號(hào)處理方式是當(dāng)?shù)诙?nèi)存被寫入時(shí)從第一內(nèi)存中讀取數(shù)字GPS數(shù)據(jù)，而當(dāng)?shù)谝粌?nèi)存被寫入時(shí)，從第二內(nèi)存中讀取數(shù)字GPS數(shù)據(jù)，第一內(nèi)存與第二內(nèi)存允許實(shí)時(shí)處理數(shù)字GPS數(shù)據(jù)，其中多個(gè)并聯(lián)的相關(guān)器和多個(gè)并聯(lián)的不相干積分器處理每個(gè)可見(jiàn)GPS衛(wèi)星的數(shù)字GPS數(shù)據(jù)。
根據(jù)本發(fā)明的第四個(gè)方面，提出一種用于具有內(nèi)存容量減少的GPS接收機(jī)中存儲(chǔ)并處理數(shù)字GPS信號(hào)的方法。該方法包括的步驟有在第一預(yù)先確定的時(shí)間周期內(nèi)將數(shù)字GPS數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于第一內(nèi)存，在向第一內(nèi)存存儲(chǔ)數(shù)字GPS信號(hào)的同時(shí)，從第二內(nèi)存中讀取已經(jīng)存儲(chǔ)的第一數(shù)字GPS數(shù)據(jù)段，在接下來(lái)的預(yù)先確定的時(shí)間周期內(nèi)，存儲(chǔ)步驟在第一內(nèi)存與第二內(nèi)存之間交替進(jìn)行，而讀取步驟在第二內(nèi)存與第一內(nèi)存之間交替進(jìn)行。
根據(jù)本發(fā)明的第五個(gè)方面，提出一種用于具有內(nèi)存容量減少的GPS接收機(jī)中存儲(chǔ)并處理數(shù)字GPS信號(hào)的方法。該方法包括的步驟有在第一預(yù)先確定的時(shí)間周期內(nèi)將數(shù)字GPS數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于第一內(nèi)存，在向第一內(nèi)存存儲(chǔ)數(shù)字GPS信號(hào)的同時(shí)，從第二內(nèi)存中讀取已經(jīng)存儲(chǔ)的第一數(shù)字GPS數(shù)據(jù)段，為所屬的可見(jiàn)衛(wèi)星產(chǎn)生一個(gè)預(yù)先確定的Doppler信號(hào)，將預(yù)先確定的Doppler特征信號(hào)與第一存儲(chǔ)的數(shù)字GPS數(shù)據(jù)段進(jìn)行混頻以從第一存儲(chǔ)的數(shù)字GPS數(shù)據(jù)段中分離出Doppler特征信號(hào)，將所屬的可見(jiàn)衛(wèi)星的Gold碼與第一存儲(chǔ)的數(shù)字GPS數(shù)據(jù)段進(jìn)行關(guān)聯(lián)，產(chǎn)生相關(guān)輸出，對(duì)相關(guān)輸出進(jìn)行積分以產(chǎn)生偽距輸出和Doppler輸出，其中對(duì)每顆衛(wèi)星進(jìn)行重復(fù)經(jīng)過(guò)混頻步驟的信號(hào)發(fā)生步驟，在接下來(lái)的預(yù)先確定的時(shí)間周期內(nèi)，存儲(chǔ)步驟在第一內(nèi)存與第二內(nèi)存之間交替進(jìn)行，而讀取步驟在第二內(nèi)存與第一內(nèi)存之間交替進(jìn)行。
根據(jù)本發(fā)明的第六個(gè)方面，提出一種使具有多個(gè)相關(guān)和積分的衛(wèi)星處理分支的GPS接收機(jī)的GPS衛(wèi)星搜索時(shí)間最小的方法。該方法包括的步驟有計(jì)算估計(jì)GPS接收機(jī)位置和估計(jì)GPS接收機(jī)時(shí)鐘精度的初始條件，計(jì)算初始距離估計(jì)(range estimate)并計(jì)算最優(yōu)的衛(wèi)星搜索順序，計(jì)算出的最優(yōu)衛(wèi)星搜索順序可以使搜索空間和尋找可見(jiàn)GPS衛(wèi)星所需的搜索時(shí)間最小。
本發(fā)明的所述以及其它特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)可以從后面對(duì)它的優(yōu)選施例的說(shuō)明以及附圖得到更好的理解。
圖4所示為本發(fā)明的GPS接收機(jī)的第一個(gè)優(yōu)選施例400。GPS接收機(jī)400可能包含于蜂窩電話或?qū)ず魴C(jī)內(nèi)，必須作為網(wǎng)絡(luò)的一部分運(yùn)行，其中某些數(shù)據(jù)由基站提供，例如可見(jiàn)GPS衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，包括唯一識(shí)別每個(gè)GPS衛(wèi)星的偽隨機(jī)噪聲(PRN)或Gold碼?；具€提供諸如校準(zhǔn)當(dāng)?shù)貢r(shí)間、所有可見(jiàn)衛(wèi)星的Doppler特征信息以及有利于識(shí)別可見(jiàn)GPS衛(wèi)星的其它衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)，諸如Doppler特征的GPS信號(hào)的特征信息，碼相位延遲特征，并提供GPS位置方位。這個(gè)數(shù)據(jù)可利用例如無(wú)線傳輸?shù)姆绞絹?lái)從基站接收?；蛘呃媒频臅r(shí)間、天文年歷、星歷和近似的位置信息，可以在接收機(jī)內(nèi)計(jì)算出這個(gè)數(shù)據(jù)。全部的或者任何數(shù)據(jù)都可以發(fā)送到接收機(jī)或者被其內(nèi)部使用。
接收機(jī)400用第一開(kāi)關(guān)402、第一內(nèi)存409(A-RAM)、第二內(nèi)存410(B-RAM)和第二開(kāi)關(guān)416取代了現(xiàn)有技術(shù)中非常大的DRAM118。如下面討論的，第一開(kāi)關(guān)402和開(kāi)關(guān)2 416工作于相反的狀態(tài)以對(duì)內(nèi)存進(jìn)行寫入以及同時(shí)進(jìn)行讀取數(shù)據(jù)。
為了提高內(nèi)存效率，內(nèi)存409和410最好如同在現(xiàn)有技術(shù)中一樣選用動(dòng)態(tài)RAM(DRAM)。但是，內(nèi)存409和410也可以換成其它類型的內(nèi)存，例如靜態(tài)RAM(SRAM)、光介質(zhì)內(nèi)存、線性移位寄存器等等。
第一內(nèi)存409和第二內(nèi)存410優(yōu)選地具有相同的容量，每個(gè)都必須至少有處理輸入數(shù)據(jù)所需的最小容量。內(nèi)存409和410最好選取為能存儲(chǔ)大約2到20毫秒的連續(xù)GPS數(shù)據(jù)。用于確定內(nèi)存容量的算法將在下面與圖9一并介紹，它是DSP可以達(dá)到的MIP與內(nèi)存成本的函數(shù)。
圖5所示為內(nèi)存409和410中交替存儲(chǔ)并讀取數(shù)據(jù)的方式。當(dāng)接收到的數(shù)字GPS信號(hào)數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)于第一內(nèi)存409(A-RAM)時(shí)，存儲(chǔ)于第二內(nèi)存410(B-RAM)內(nèi)的數(shù)字GPS信號(hào)數(shù)據(jù)段同步地被讀取并被處理。這在一個(gè)預(yù)先確定的時(shí)間周期內(nèi)完成，在優(yōu)選施例中預(yù)先確定的時(shí)間周期為大約20毫秒。在預(yù)先確定的時(shí)間周期末尾，過(guò)程進(jìn)行切換，接收到的數(shù)字GPS信號(hào)數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)入第二內(nèi)存410，與此同時(shí)，存儲(chǔ)于第一內(nèi)存409內(nèi)的數(shù)字GPS數(shù)據(jù)段被讀取并被處理。應(yīng)當(dāng)理解，根據(jù)內(nèi)存409和410的容量，可以使用其它的時(shí)間周期。
圖6所示為本發(fā)明的方法的第一個(gè)優(yōu)選施例的流程圖600。在步驟604中，接收到的數(shù)字GPS數(shù)據(jù)被存入內(nèi)存。內(nèi)存可以是第一內(nèi)存409或者第二內(nèi)存410。
在步驟608中，從另一個(gè)內(nèi)存即所述步驟604中未用的內(nèi)存中讀取已經(jīng)存儲(chǔ)的數(shù)字GPS數(shù)據(jù)段。因此，如果步驟604中將數(shù)據(jù)存入第一內(nèi)存409，那么在步驟608中從第二內(nèi)存410中讀取數(shù)據(jù)段。反之，如果步驟604中將數(shù)據(jù)存入第二內(nèi)存410，那么在步驟608中從內(nèi)存以409中讀取數(shù)據(jù)段(見(jiàn)圖5)。
在步驟611中，預(yù)先確定的時(shí)間周期已經(jīng)結(jié)束，存儲(chǔ)和讀取步驟在內(nèi)存裝置間進(jìn)行切換。在這種方式下，GPS接收機(jī)400可以在處理已收到的信號(hào)的同時(shí)存儲(chǔ)正接收到的GPS數(shù)據(jù)，而對(duì)內(nèi)存容量的要求小得多。
圖7所示為本發(fā)明的GPS接收機(jī)的第二實(shí)施例。在第二實(shí)施例700中，信號(hào)處理步驟可以通過(guò)一個(gè)單獨(dú)的順序處理每顆衛(wèi)星的可編程數(shù)字信號(hào)處理器140完成，產(chǎn)生存儲(chǔ)于本地DSP結(jié)果RAM144內(nèi)的多路輸出。
圖7中，配置開(kāi)關(guān)402用來(lái)向A-RAM409內(nèi)寫入，配置開(kāi)關(guān)416用于處理B-RAM410內(nèi)的內(nèi)容。DSP處理器140可以配置為在另一個(gè)RAM正在被寫入時(shí)串行處理一個(gè)RAM內(nèi)的全部可見(jiàn)衛(wèi)星(只要DSP處理器140的處理速度足以在向RAM中寫入新數(shù)據(jù)的時(shí)間內(nèi)完成任務(wù))。圖7中，開(kāi)關(guān)704、705和706配置為可以在B-RAM被處理的時(shí)間周期內(nèi)(典型情況下為2到20秒)對(duì)可見(jiàn)的GPS衛(wèi)星SV1到SV8進(jìn)行串行處理。
當(dāng)開(kāi)關(guān)416第一次被配置為讀取B-RAM410的輸出時(shí)，開(kāi)關(guān)704、705和706被配置為接收SV1數(shù)據(jù)。開(kāi)關(guān)704被設(shè)置為使數(shù)字控制振蕩器(NCO)133產(chǎn)生用于SV1的Doppler信號(hào)拷貝。然后，B-RAM410中的內(nèi)容被從B-RAM410中順序地讀出，并通過(guò)開(kāi)關(guān)410送入混頻器127，在此從GPS數(shù)據(jù)信號(hào)中分離出SV1的Doppler估計(jì)信號(hào)，并作為數(shù)據(jù)壓入堆棧RAM136。再次強(qiáng)調(diào)的是堆棧RAM將存儲(chǔ)于B-RAM內(nèi)的2到20毫秒的數(shù)據(jù)壓縮至相當(dāng)于1毫秒。在堆棧操作完成后，開(kāi)關(guān)705被配置為使得FFT相關(guān)器760將堆棧RAM136中的內(nèi)容與表示衛(wèi)星SV1的PN碼進(jìn)行相關(guān)。FFT相關(guān)器760的輸出是一串對(duì)應(yīng)在每一種可能的PN碼的碼相位延遲處的信號(hào)幅值的數(shù)據(jù)點(diǎn)。FFT相關(guān)器760輸出得到的“頻譜”在幅值平方塊762中進(jìn)行幅值平方運(yùn)算(元素乘元素)，然后在本地DSP結(jié)果RAM144內(nèi)進(jìn)行不相干積分。積分結(jié)果存儲(chǔ)于SV1內(nèi)存扇區(qū)768內(nèi)。
不相干積分是通過(guò)將對(duì)應(yīng)于碼相位延遲為零的內(nèi)存元素(存儲(chǔ)于內(nèi)存768)與FFT相關(guān)器760發(fā)出的最近的碼相位延遲為零的平方幅值元素相加實(shí)現(xiàn)的。類似地，768內(nèi)碼相位延遲為一的內(nèi)存元素與FFT相關(guān)器760發(fā)出的最近的碼相位延遲為一的平方幅值元素相加。不相干積分過(guò)程繼續(xù)進(jìn)行，直至SV1的內(nèi)存扇區(qū)768內(nèi)最后的碼相位延遲的內(nèi)存元素與FFT相關(guān)器760發(fā)出的最后的碼相位延遲的最近的平方幅值元素相加。在優(yōu)選施例中，在用于向A-RAM409存儲(chǔ)新信息的時(shí)間內(nèi)，共有8顆或更多的衛(wèi)星被檢測(cè)，典型情況下這個(gè)過(guò)程為期2到20毫秒的持續(xù)時(shí)間。
可以把這8個(gè)連續(xù)過(guò)程(SV1到SV8)視為8次尋找GPS信號(hào)的機(jī)會(huì)?？梢苑峙涿總€(gè)搜索時(shí)隙以搜尋一個(gè)單獨(dú)的衛(wèi)星，或者將搜索時(shí)隙分配給為以不同的Doppler速率的衛(wèi)星信號(hào)。在這種方式下，就可能在如何做得最好的方向下設(shè)計(jì)(tailor)搜索過(guò)程，例如，首先以許多不同的Doppler頻率搜索相同的衛(wèi)星來(lái)快速降低Doppler距離的不確定度。
一旦衛(wèi)星SV1的整個(gè)過(guò)程結(jié)束，開(kāi)關(guān)704、705和706被切換至處理衛(wèi)星SV2的數(shù)據(jù)。重復(fù)依照所述的過(guò)程，然后開(kāi)關(guān)704、705和706被配置處理其余的從SV3到SV8全部衛(wèi)星，全部過(guò)程在將下一個(gè)N毫秒內(nèi)的采樣數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在A-RAM409所花費(fèi)的時(shí)間內(nèi)完成。
需要說(shuō)明的是，F(xiàn)FT相關(guān)器760可以是頻域相關(guān)器，例如Ma與Durboraw在美國(guó)專利NO.4,998,111中提出的基于軟件的FFT相關(guān)器；也可以是Motorla MC92307數(shù)據(jù)表中介紹的基于硬件的快速并行2048點(diǎn)復(fù)數(shù)FFT相關(guān)器；或者是時(shí)域硬件相關(guān)器，例如King在美國(guó)專利NO.5,148,452中介紹的。
在圖7所描述的順序處理中需要澄清的是，處理能力必須能跟隨數(shù)據(jù)采集。這就為這樣的高速數(shù)字信號(hào)處理器設(shè)置了處理能力的限制。還需要澄清的是，處理時(shí)間僅僅是控制數(shù)字處理的時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)鐘速率的函數(shù)，而不是輸入數(shù)據(jù)速率的函數(shù)。因此，可以確信隨著時(shí)間推移這種結(jié)構(gòu)仍維持一樣，由于數(shù)字集成電路技術(shù)的時(shí)鐘速率持續(xù)提高，可以增加更多的搜索可能(在上文討論了8個(gè)衛(wèi)星搜索的能力)。最后，利用實(shí)現(xiàn)Doppler消除(133，127)運(yùn)算的高速函數(shù)、堆棧內(nèi)存136、相關(guān)器760、幅值平方塊762、不相干積分功能塊764和本地結(jié)果RAM768，可以實(shí)現(xiàn)GPS星座內(nèi)的所有衛(wèi)星和所有Doppler窗(bins)的同步搜索。建立這樣一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)在所有可能的Doppler效應(yīng)和碼相位延遲的接收機(jī)，將消除對(duì)進(jìn)行本地傳送或計(jì)算本Doppler、碼相位或用于接收機(jī)的SVID輔助信息。
一種解決處理負(fù)擔(dān)問(wèn)題(直到一個(gè)高速串行處理器可以完成的時(shí)間)的方法是增加N個(gè)并聯(lián)的處理分支(典型的情況下N為8或更多)。圖8表示了具有多個(gè)處理分支822的優(yōu)選施例三800，其中一個(gè)處理分支800包括一個(gè)混頻器843，一個(gè)NCO845，一個(gè)堆棧RAM846，一個(gè)幅值平方塊843和一個(gè)不相關(guān)積分器858。多個(gè)處理分支分散并降低了處理負(fù)擔(dān)。因此，衛(wèi)星搜索過(guò)程可以并行完成，允許每個(gè)并聯(lián)的處理分支為一個(gè)專門的衛(wèi)星搜索器，其可以是另外的時(shí)間限制以按照順序觀測(cè)增加的衛(wèi)星(例如當(dāng)A-RAM409被寫入時(shí))。在所述提到的所有優(yōu)選施例中，需要明確的是，在A及B內(nèi)存后的處理單元可以用單獨(dú)的可編程數(shù)字信號(hào)處理器、多個(gè)可編程數(shù)字信號(hào)處理器、專用的硬件處理器或者可編程數(shù)字信號(hào)處理器與專用硬件的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。
圖9表示本發(fā)明的第二種方法的流程圖900。在步驟903中，正接收到的數(shù)字GPS數(shù)據(jù)被存入內(nèi)存。內(nèi)存可能是第一內(nèi)存409或者第二內(nèi)存410。
在步驟905中，從另一個(gè)內(nèi)存即所述步驟903中未用的內(nèi)存中讀取已經(jīng)存儲(chǔ)的數(shù)字GPS數(shù)據(jù)段。因此，如果步驟903中將數(shù)據(jù)存入第一內(nèi)存409，那么在步驟905中從第二內(nèi)存410中讀取數(shù)據(jù)段。反之，如果步驟903中將數(shù)據(jù)存入第二內(nèi)存410，那么在步驟905中從內(nèi)存以409中讀取數(shù)據(jù)段(見(jiàn)圖5)。
在步驟910中，GPS接收機(jī)獲取預(yù)先確定的每顆可見(jiàn)衛(wèi)星的Doppler特征信號(hào)。預(yù)先確定的Doppler特征信號(hào)最好從無(wú)線基站獲取，或者通過(guò)根據(jù)本地存儲(chǔ)的星歷圖、接收機(jī)的近似位置和近似的時(shí)間計(jì)算出Doppler特征信號(hào)。因?yàn)镚PS接收機(jī)的功能本質(zhì)上就是作為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的移動(dòng)單元，GPS接收機(jī)通過(guò)從GPS信號(hào)中推導(dǎo)所需要的全部數(shù)據(jù)而無(wú)需花費(fèi)資源和處理器時(shí)間。取而代之的是，基站可確定可見(jiàn)衛(wèi)星的Gold碼、衛(wèi)星時(shí)間等等，并將這個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)中的全部移動(dòng)站。因此，GPS接收機(jī)接收全部可見(jiàn)衛(wèi)星的Gold碼和近似的(預(yù)期的)Doppler頻移。
在步驟916中，預(yù)先確定的全部可見(jiàn)GPS衛(wèi)星的Doppler特征信號(hào)與讀出的數(shù)據(jù)段進(jìn)行混頻(復(fù)數(shù)乘)，以從接收到的GPS信號(hào)中分離出Doppler頻移。
在步驟918中，去除了Doppler信息的GPS信號(hào)數(shù)據(jù)堆入堆棧RAM136。處理第一內(nèi)存409或第二內(nèi)存410內(nèi)的GPS信號(hào)數(shù)據(jù)，使得第一個(gè)毫秒內(nèi)的第一個(gè)采樣值與第二個(gè)毫秒內(nèi)的第一個(gè)采樣值相加，再與第三個(gè)毫秒內(nèi)的第一個(gè)采樣值相加，等等，直到第一內(nèi)存或第二內(nèi)存最后一個(gè)值。優(yōu)選施例內(nèi)有整數(shù)個(gè)毫秒的存儲(chǔ)量，總計(jì)達(dá)并且包括在第一內(nèi)存和二中存儲(chǔ)的20毫秒GPS信號(hào)數(shù)據(jù)。因此，優(yōu)選施例中，共有20個(gè)采樣被加到或堆在一起并被存儲(chǔ)于堆棧RAM136內(nèi)的第一個(gè)毫秒的存儲(chǔ)區(qū)間。因此，第一內(nèi)存和二最好用2到20的因子壓縮，這取決于堆棧RAM的容量。第一內(nèi)存和二中其后的采樣數(shù)據(jù)用類似的方式處理，即將一特定毫秒內(nèi)的GPS信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行或相加。這個(gè)過(guò)程一直持續(xù)到第一內(nèi)存或二被清空而且堆棧RAM136被填滿。然后在寫入和讀出的操作間進(jìn)行切換。
這種累積過(guò)程具有一些好處。第一，處理更多的數(shù)據(jù)可以產(chǎn)生附加的信號(hào)處理增益。第二，降低了下行信號(hào)處理器的處理速率。第三，能減少處理信號(hào)所需的FFT相關(guān)器數(shù)目。
在步驟923中，用多個(gè)并聯(lián)的相關(guān)器對(duì)累積的信號(hào)段進(jìn)行相關(guān)。相關(guān)器用一個(gè)預(yù)先確定的Gold碼對(duì)接收到的GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)，通過(guò)將GPS信號(hào)內(nèi)的Gold碼與預(yù)先確定的Gold碼進(jìn)行比較而奏效。每個(gè)相關(guān)器以及每個(gè)并聯(lián)的電路分支因此識(shí)別出唯一的、預(yù)期的GPS衛(wèi)星信號(hào)。
每個(gè)相關(guān)的輸出為每個(gè)可見(jiàn)GPS衛(wèi)星產(chǎn)生了一個(gè)脈沖，在衛(wèi)星時(shí)間(衛(wèi)星時(shí)間從網(wǎng)絡(luò)基站接收)之后的一個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)出現(xiàn)一個(gè)脈沖。時(shí)間間隔是從衛(wèi)星到該衛(wèi)星的GPS接收機(jī)的傳送時(shí)間。這些時(shí)間間隔被GPS接收機(jī)800用來(lái)獲取位置方位。
在步驟929中，相關(guān)輸出被多個(gè)并聯(lián)的不相干積分器進(jìn)行積分，以產(chǎn)生更強(qiáng)的、更容易被檢測(cè)的相關(guān)輸出脈沖。合成的偽距信號(hào)(輸出脈沖時(shí)間間隔)被下行處理器(a downstream processor)用來(lái)計(jì)算最終的位置方位(每個(gè)輸出711A-711H對(duì)應(yīng)于唯一一個(gè)可見(jiàn)GPS衛(wèi)星)。
在步驟935中，預(yù)先確定的時(shí)間周期臨近末尾，存儲(chǔ)和讀取步驟在內(nèi)存裝置間進(jìn)行切換。在這種方式下，GPS接收機(jī)可以在處理已收到的信號(hào)的同時(shí)存儲(chǔ)接收到的GPS數(shù)據(jù)。方法900減少了對(duì)內(nèi)存容量的要求，而且能夠?qū)邮盏降腉PS信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。
圖10所示為內(nèi)存容量與處理器速度之間的關(guān)系示意圖。由圖可見(jiàn)，在內(nèi)存容量于處理器速度間存在確定的折衷。對(duì)于本發(fā)明的雙內(nèi)存方法，為具有800Kbit的內(nèi)存容量傳輸要求的大約100MIPS吞吐量。第二個(gè)例子是，內(nèi)存容量約為150Kbit時(shí)，需要處理器的速度約為800MIPS。直到可編程數(shù)字信號(hào)處理器技術(shù)在低功率下持續(xù)并有效地達(dá)到這個(gè)MIPS水平之前這確實(shí)是一個(gè)問(wèn)題。事實(shí)上，目前DSP芯片可達(dá)到的處理MIPS能力已經(jīng)超過(guò)1000MIPS，例如Motorola MC92307的硬件FFT加速器可以作為外圍設(shè)備來(lái)補(bǔ)足DSP的性能，以容易地獲得所要求的吞吐量水平。
另外一種推算所要求的實(shí)時(shí)處理器MIPS的方法是，使用在于可編程信號(hào)處理器上的已知的運(yùn)FFT運(yùn)行時(shí)間中的運(yùn)行時(shí)間測(cè)量值。這種方法來(lái)自Durboraw和Ma的美國(guó)專利NO.4,998,111，F(xiàn)FT相關(guān)器的處理步驟包括一個(gè)包含前向2048點(diǎn)的復(fù)數(shù)FFT的FFT相關(guān)器，一個(gè)點(diǎn)乘函數(shù)和一個(gè)2048點(diǎn)的復(fù)數(shù)逆FFT函數(shù)。大部分處理時(shí)間被用于2048點(diǎn)復(fù)數(shù)FFT和逆FFT處理功能，因此可以用FFT運(yùn)行的時(shí)間度量要求的MIPS負(fù)擔(dān)。Motorola DSP56002數(shù)字信號(hào)處理器的數(shù)據(jù)表中指出，當(dāng)運(yùn)行于80MHz時(shí)DSP為40MIPS的處理器。數(shù)據(jù)表中指出，這個(gè)數(shù)字信號(hào)處理器能夠在59,898個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)計(jì)算1024點(diǎn)復(fù)數(shù)FFT。如果用80MHz時(shí)鐘速率進(jìn)行度量，1024點(diǎn)復(fù)數(shù)FFT可以在0.748毫秒內(nèi)完成。利用FFT的運(yùn)算時(shí)間增長(zhǎng)與N*LOG(N)成正比的關(guān)系，可以用所述運(yùn)算時(shí)間對(duì)要求的2048點(diǎn)復(fù)數(shù)FFT的運(yùn)行時(shí)間近似度量，其中N為FFT處理的點(diǎn)數(shù)。因此，可以近似得到從1024點(diǎn)FFT到2048點(diǎn)FFT運(yùn)算時(shí)間增加的倍數(shù)為比例(2048*log(2048))/(1024*log(1024))，即約為0.748毫秒的2.2倍，即1.496毫秒。設(shè)定每個(gè)FFT相關(guān)需要一個(gè)前向FFT與一個(gè)逆FFT，則FFT與逆FFT的總運(yùn)算時(shí)間約為2.992毫秒。設(shè)定與前向FFT和逆FFT過(guò)程相比，點(diǎn)乘運(yùn)算的數(shù)目很小，則足以說(shuō)明40MIPS的DSP能夠在不超過(guò)4毫秒內(nèi)計(jì)算一個(gè)2048點(diǎn)的復(fù)數(shù)FFT相關(guān)。設(shè)定本發(fā)明使用2048點(diǎn)復(fù)數(shù)FFT信號(hào)處理元件，則從Motorola DSP56002數(shù)據(jù)表中預(yù)測(cè)的FFT處理時(shí)間可以用來(lái)度量實(shí)時(shí)模式下、使用本發(fā)明的A和B內(nèi)存(第一內(nèi)存和二)時(shí)所需的吞吐量。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，并考慮到最后的不相干求和(幅值平方并相加)，保守一些可以假設(shè)選用了50MIPS的DSP處理器，使得能夠在開(kāi)始預(yù)期的4毫秒內(nèi)完成從頭至尾的任務(wù)。作為實(shí)例，在使用50MIPS的DSP處理器時(shí)，可以確定在一個(gè)N毫秒的采樣時(shí)間內(nèi)能夠處理多少次FFT相關(guān)函數(shù)(進(jìn)而確定并聯(lián)的衛(wèi)星信號(hào)個(gè)數(shù))。設(shè)定在N毫秒的時(shí)間間隔內(nèi)，需要的結(jié)構(gòu)能夠處理至少8個(gè)并聯(lián)的衛(wèi)星相關(guān)，下面將介紹這種關(guān)系的建立。
在前述的DSP56002處理器中對(duì)FFT的測(cè)量中，能夠在大約4毫秒內(nèi)完成一次由DSP實(shí)現(xiàn)的2048點(diǎn)復(fù)數(shù)FFT相關(guān)以及一次最終的不相關(guān)積分，以用50MIPS的DSP實(shí)現(xiàn)這樣一個(gè)循環(huán)。
累積過(guò)程可以用DSP或?qū)Ｓ糜布?shí)現(xiàn)。專用硬件更快一些，能夠在約2048*N_ms*Tc秒內(nèi)完成這個(gè)任務(wù)。定義N_ms為存儲(chǔ)于第一內(nèi)存或二內(nèi)1毫秒時(shí)間間隔的個(gè)數(shù)N，Tc是系統(tǒng)的時(shí)鐘速率。在第一次近似中，與FFT、逆FFT、點(diǎn)乘和不相干積分的時(shí)間相比，這個(gè)累積時(shí)間很小并可以被忽略。因此，T_total＝8*(FFT_Integration_Time)； (1)T_total＝N_ms*0.001秒； (2)FFT_Integration_Time＝(0.004毫秒*50)/MIPS； (3)式中MIPS為要求的DSP性能。因此，求解這三個(gè)簡(jiǎn)單的方程(1)-(3)可以得到如下與第一內(nèi)存或二的存儲(chǔ)要求有關(guān)的公式MIPS＝1600/N_ms；(4)式中方程(4)為要跟蹤第一內(nèi)存或二中N毫秒容量所需要的處理器運(yùn)算量MIPS。等價(jià)的公式為N_ms＝1600/MIPS；(5)式中方程(5)產(chǎn)生為了與期望的處理器MIPS容量匹配，存儲(chǔ)于第一內(nèi)存或二所必須的毫秒數(shù)N_ms。例如，方程(4)與(5)表明，如果A與BRAM存儲(chǔ)了10毫秒的GPS信號(hào)數(shù)據(jù)，則處理器實(shí)時(shí)跟蹤8顆衛(wèi)星所要求的處理量約為160MIPS。
為了使搜索時(shí)間最小，需要優(yōu)化衛(wèi)星分配為有限個(gè)可用的搜索窗(search bin)。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，需要在搜索空間內(nèi)考察規(guī)模、形狀和其它動(dòng)特性以及互相的依賴關(guān)系。例如，每顆衛(wèi)星的Doppler搜索空間是預(yù)測(cè)衛(wèi)星軌道動(dòng)態(tài)的星歷圖的精度的函數(shù)。眾所周知，若用戶已知他的當(dāng)前位置，更新的衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)可以被用來(lái)可靠地預(yù)測(cè)衛(wèi)星的Doppler頻率，精度可達(dá)1Hz以下。但在用戶不知道他的位置時(shí)，實(shí)例中僅知道近似位置(例如X米以內(nèi))，則可以按照每公里位置誤差引起Doppler變化1Hz來(lái)估計(jì)GPS衛(wèi)星的Doppler精度。因此，作為實(shí)例，若用戶無(wú)法以好于100Km的精度確定他的位置，則任一個(gè)或所有衛(wèi)星的Doppler參數(shù)可能與通過(guò)星歷圖及近似位置和時(shí)間所預(yù)測(cè)的值相差100Hz。
如果GPS接收機(jī)知道它在那個(gè)城市，一般可以獲得100Km的位置誤差。一般情況下可以用單元區(qū)ID法獲得，也可以用其它在特定區(qū)域內(nèi)識(shí)別特定的手持裝置單元方法來(lái)獲得，例如操作ID碼，它可以將手持裝置限定于特定的區(qū)域內(nèi)。依賴于接收機(jī)搜索衛(wèi)星信號(hào)所需的帶寬，這個(gè)Doppler的估計(jì)可能離被估計(jì)的搜索窗(bin)相差一個(gè)或多個(gè)搜索窗(bin)。
例如，如果接收機(jī)利用相干積分獲取1毫秒預(yù)先檢波積分間隔(PDI)，技術(shù)上眾所周知的是，只要Doppler落入它所測(cè)試的Doppler頻率+/-500HZ范圍之內(nèi)(而且信號(hào)對(duì)檢波而言足夠長(zhǎng))，接收機(jī)就可以檢波出信號(hào)。同樣地，如果相干積分的時(shí)間間隔為10毫秒，Doppler測(cè)試窗口寬度為+/-50Hz。再舉第二個(gè)實(shí)例，若給定初始位置估計(jì)誤差為100Km，則可能發(fā)生檢波失鎖，這是因?yàn)镈oppler窗口寬度僅為+/-50Hz，而信號(hào)的Doppler誤差可達(dá)100Hz。這就要求接收機(jī)被設(shè)計(jì)為能夠同步或串行地在大量Doppler測(cè)試窗(bin)中進(jìn)行搜索。
另一個(gè)影響Doppler搜索精度(并因此影響需要被測(cè)試的搜索窗)的參數(shù)是時(shí)間估計(jì)。在時(shí)間被修正的過(guò)程中，星歷數(shù)據(jù)和初始位置估計(jì)共同產(chǎn)生精確的Doppler讀數(shù)。GPS衛(wèi)星軌道使得Doppler的變化速率達(dá)到每秒1Hz，因此，1分鐘的時(shí)間誤差最大可以引起達(dá)60Hz的Doppler頻率誤差。
最后，最后一個(gè)影響Doppler頻率誤差(也是在某些應(yīng)用中到目前為止最大的)的因素是GPS接收機(jī)的參考振蕩器誤差。眾所周知，參考振蕩器誤差(即偏離設(shè)計(jì)的標(biāo)稱條件)對(duì)每顆觀測(cè)的衛(wèi)星產(chǎn)生常值的共模Doppler誤差。一旦計(jì)算位置導(dǎo)航方程及位置的變化速率就能確定這個(gè)共模偏差，但是它的值在搜索的初始階段通常無(wú)法確知。例如，如果參考振蕩器中存在偏離于預(yù)期值百萬(wàn)分之1(PPM)的誤差，將造成L-波段Doppler頻率的百萬(wàn)分之1的偏移，即1575Hz。這些誤差源的總和將擴(kuò)大或縮小Doppler搜索空間?？梢杂孟辔慌c/或頻率鎖定，或者用更高精度的參考振蕩器對(duì)Doppler參考振蕩器進(jìn)行頻率校準(zhǔn)的方法來(lái)有效地減小Doppler搜索空間。例如眾所周知的是，CDMA手機(jī)對(duì)CDMA蜂窩電話的參考振蕩器在信號(hào)從基站到手機(jī)傳送的0.05PPM內(nèi)進(jìn)行內(nèi)部校準(zhǔn)。這樣，為了大幅度降低GPS信號(hào)的Doppler搜索空間，可以用這個(gè)更精確的CDMA電話的參考振蕩器對(duì)GPS的參考振蕩器進(jìn)行鎖定或校準(zhǔn)。
較大的Doppler搜索空間需要更長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)尋找信號(hào)，而較小的Doppler搜索空間需要較短的時(shí)間來(lái)尋找信號(hào)。絕對(duì)的時(shí)間間隔是用于這個(gè)問(wèn)題的獨(dú)立的衛(wèi)星搜索器個(gè)數(shù)的函數(shù)。
從Doppler搜索的觀點(diǎn)出發(fā)，可以總結(jié)出影響Doppler搜索模式的不同因素，歸納如下時(shí)間誤差1Hz/秒位置誤差1Hz/1Km位置誤差振蕩器誤差1575Hz每PPM振蕩器誤差(共模)。需要明確的是最大的誤差來(lái)自振蕩器誤差。
好的搜索策略可以減小Doppler搜索空間的規(guī)模。一種優(yōu)化的搜索策略是利用搜索資源尋找第一顆衛(wèi)星。一旦一個(gè)搜索器資源找到了一顆衛(wèi)星，則對(duì)于下面所有搜索到的衛(wèi)星，振蕩器誤差項(xiàng)成為已知的。因此，搜索過(guò)程實(shí)際上可能是動(dòng)態(tài)的，并可能選擇一個(gè)優(yōu)化的搜索次序(即用多少個(gè)搜索器來(lái)尋找第一顆衛(wèi)星，哪一顆衛(wèi)星是最佳的)，哪顆衛(wèi)星應(yīng)該第二個(gè)被尋找、第三個(gè)被尋找，以此類推。
動(dòng)態(tài)衛(wèi)星搜索序列的選擇過(guò)程由對(duì)參考振蕩器頻率了解的程度以及接收機(jī)對(duì)時(shí)間和它的初始位置估計(jì)的精度的了解程度決定。圖11表示了衛(wèi)星搜索序列的選擇過(guò)程如何得到精煉的流程圖1100。在步驟1105中，初始狀態(tài)由計(jì)算得出。例如，可以用已知的最近GPS方位(精度可達(dá)10米)以及這個(gè)位置上次計(jì)算的時(shí)間來(lái)確定初始位置的估計(jì)。因此，由位置誤差引起的Doppler誤差可以被簡(jiǎn)化為距離上次定位的時(shí)間和某個(gè)假設(shè)的最大速度的貢獻(xiàn)，或者可以表示的更為精確，方法是通過(guò)將Doppler誤差模型表示為星座中每顆衛(wèi)星的位置誤差的函數(shù)，并單獨(dú)地動(dòng)態(tài)設(shè)置每顆衛(wèi)星的Doppler搜索距離，選擇尋找Doppler搜索距離可能最小的第一顆衛(wèi)星。
假定對(duì)特定的問(wèn)題可以分配有限個(gè)GPS衛(wèi)星信號(hào)搜索器(例如，圖8所示的8個(gè)處理分支)，依賴于振蕩器的不確定度，最優(yōu)方案可能是利用全部搜索器來(lái)尋找第一顆衛(wèi)星。一旦第一顆衛(wèi)星被發(fā)現(xiàn)，剩余全部衛(wèi)星的Doppler不確定度減小至一個(gè)小得多的數(shù)值。然后，剩余的搜索器(即發(fā)現(xiàn)第一顆衛(wèi)星的搜索器將不再用)可以被繼續(xù)用于搜索余下的7顆可見(jiàn)衛(wèi)星之一。在優(yōu)化算法的驅(qū)動(dòng)下，產(chǎn)生了一個(gè)N步過(guò)程，根據(jù)最小的Doppler搜索距離(或仰角)選擇第一顆衛(wèi)星或(第一批衛(wèi)星)。發(fā)現(xiàn)剩余的全部衛(wèi)星，以用最少時(shí)間獲得所存衛(wèi)星。
在步驟1110中，通過(guò)識(shí)別出編碼相位搜索距離是初始位置誤差和手持裝置時(shí)鐘的時(shí)間誤差的函數(shù)，可以用類似的方式計(jì)算并優(yōu)化編碼相位搜索距離的維度。還需要了解的是，編碼相位誤差積分是Doppler誤差的函數(shù)，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)數(shù)值越來(lái)越大。也可能將編碼相位搜索距離與Doppler搜索距離一起優(yōu)化，從而使尋找第一顆或第一批衛(wèi)星的總空間為最小，進(jìn)而大幅度降低其余衛(wèi)星的搜索空間。
在步驟116中，計(jì)算出優(yōu)化的衛(wèi)星搜索次序。如前所述，發(fā)現(xiàn)的第一顆GPS衛(wèi)星可能是具有最小的Doppler搜索距離(例如在最正上方的衛(wèi)星)。另外，第一顆衛(wèi)星也可以通過(guò)選擇仰角的方法尋找。
給出一個(gè)實(shí)例，其中手持裝置的時(shí)間不是很精確(例如只有10秒)，已知初始位置精度為10Km內(nèi)。在初始階段對(duì)衛(wèi)星的編碼相位一無(wú)所知，但是，由于相對(duì)延遲可以從初始位置、星歷圖和時(shí)間衛(wèi)星時(shí)鐘的修正參數(shù)可知，已知它們之間的相對(duì)延遲(例如，已知SV1與SV2相比編碼相位落在最大約為+/-20Km范圍內(nèi))。因此，對(duì)于第一顆衛(wèi)星需要搜索完整的編碼相位搜索空間，但是此后，可以計(jì)算相對(duì)延遲距離來(lái)尋找其余的衛(wèi)星。
可以按照下屬步驟得到使對(duì)編碼和Doppler搜索空間最小的搜索算法a)計(jì)算初始位置估計(jì)和不確定度；b)計(jì)算時(shí)間估計(jì)和時(shí)間不確定度；c)計(jì)算振蕩器頻率估計(jì)和不確定度；d)用初始位置、時(shí)間、星歷圖和時(shí)鐘修正數(shù)據(jù)計(jì)算衛(wèi)星位置和Doppler；e)計(jì)算衛(wèi)星的距離估計(jì)；f)計(jì)算衛(wèi)星的Doppler搜索距離估計(jì)；和g)計(jì)算分配衛(wèi)星的最優(yōu)搜索次序，計(jì)算有限個(gè)搜索器的Doppler搜索窗(bin)和編碼相位搜索窗(bin)使得整個(gè)搜索時(shí)間最小。
圖12表示第三個(gè)優(yōu)選施例800的裝置如何用于優(yōu)化的衛(wèi)星搜索中的流程圖1200。在步驟101中，多個(gè)處理分支822設(shè)置為尋找第一顆衛(wèi)星。這可能是用圖11的方法1100確定的第一顆衛(wèi)星。這加快了獲取第一顆衛(wèi)星的速度。
在步驟1204中，成功的搜索處理分支822(搜索器)被從可用的處理分支組中去除。
在步驟1206中，檢查搜索過(guò)程是否結(jié)束。當(dāng)全部可見(jiàn)衛(wèi)星被發(fā)現(xiàn)或所有處理分支都發(fā)現(xiàn)了一顆衛(wèi)星時(shí)，搜索過(guò)程結(jié)束。如果未結(jié)束，其余的搜索器繼續(xù)搜索。
權(quán)利要求
1.盡管已圖示并介紹了本發(fā)明的特定的實(shí)施例，應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明不受其限制，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不背離由權(quán)利要求書(shū)限定的本發(fā)明的主旨和范圍的情況下，可以進(jìn)行許多修改、改變、變化、替換和等同替換；一種GPS接收機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置，其包括第一開(kāi)關(guān)，所述第一開(kāi)關(guān)接收數(shù)字GPS數(shù)據(jù)；第一內(nèi)存；與所述第一內(nèi)存并聯(lián)的第二內(nèi)存，所述第一內(nèi)存和所述第二內(nèi)存被所述第一開(kāi)關(guān)選擇寫入所述數(shù)字GPS數(shù)據(jù)；和可以在所述第一內(nèi)存和所述第二內(nèi)存之間選擇讀出所述數(shù)字GPS數(shù)據(jù)的第二開(kāi)關(guān)；其中GPS信號(hào)處理在所述第二內(nèi)存被寫入時(shí)從所述第一內(nèi)存讀取數(shù)字GPS數(shù)據(jù)，在所述第一內(nèi)存被寫入時(shí)從所述第二內(nèi)存讀取數(shù)字GPS數(shù)據(jù)。
2.如權(quán)利要求1的裝置，其中所述第一內(nèi)存和所述第二內(nèi)存允許數(shù)字GPS數(shù)據(jù)被實(shí)時(shí)處理；如權(quán)利要求1的裝置，其中所述第一開(kāi)關(guān)進(jìn)一步與所述數(shù)字GPS數(shù)據(jù)源連接；如權(quán)利要求1的裝置，其中所述第二開(kāi)關(guān)進(jìn)一步與一個(gè)下行數(shù)字信號(hào)處理裝置連接。
3.如權(quán)利要求1的裝置，其中所述第一內(nèi)存和所述第二內(nèi)存具有存儲(chǔ)預(yù)先確定大小的數(shù)據(jù)的能力。
4.如權(quán)利要求1的裝置，其中所述第一內(nèi)存和所述第二內(nèi)存存儲(chǔ)預(yù)先確定大小的數(shù)字GPS數(shù)據(jù)。
5.如權(quán)利要求1的裝置，其中所述第一內(nèi)存和所述第二內(nèi)存的容量取決于下行數(shù)字信號(hào)處理器的吞吐量。
6.如權(quán)利要求1的裝置，其中第一內(nèi)存的容量和第二內(nèi)存的容量取決于下行相干積分器裝置的吞吐量。
7.如權(quán)利要求1的設(shè)備，其中下行數(shù)字信號(hào)處理器速度與第一內(nèi)存的容量和第二內(nèi)存的容量存在反比關(guān)系。
8.一種GPS接收機(jī)裝置，其包括第一開(kāi)關(guān)，所述第一開(kāi)關(guān)接受一個(gè)數(shù)字GPS數(shù)據(jù)；第一內(nèi)存；與所述第一內(nèi)存并聯(lián)的第二內(nèi)存，所述第一內(nèi)存和所述第二內(nèi)存被所述第一開(kāi)關(guān)選擇寫入所述數(shù)字GPS數(shù)據(jù)；可以在所述第一內(nèi)存和所述第二內(nèi)存之間選擇讀出所述數(shù)字GPS數(shù)據(jù)的第二開(kāi)關(guān)；連接至所述第二開(kāi)關(guān)并進(jìn)一步連接到數(shù)字控制振蕩器的混頻器，所述數(shù)字控制振蕩器被提供給預(yù)先確定的Doppler特征信號(hào)，所述混頻器可以從所述數(shù)字GPS數(shù)據(jù)中分離出所述預(yù)先確定的Doppler特征信號(hào)；連接至所述混頻器的堆棧RAM，所述堆棧RAM可以累積從所述混頻器發(fā)出的預(yù)先確定的時(shí)間間隔的所述數(shù)字GPS數(shù)據(jù)；連接至所述堆棧RAM的相關(guān)器，所述相關(guān)器也接收預(yù)先確定的Gold碼，所述相關(guān)器能夠?qū)⑺鲱A(yù)先確定的Gold碼與所述數(shù)字GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算；連接至所述相關(guān)器的幅值平方塊，所述幅值平方塊對(duì)相關(guān)輸出進(jìn)行平方運(yùn)算以產(chǎn)生平方的積分輸出；和連接至所述幅值平方塊的不相干積分器，能夠?qū)λ銎椒椒e分輸出進(jìn)行積分運(yùn)算以獲得偽距和Doppler特征輸出；其中GPS信號(hào)處理在所述第二內(nèi)存被寫入時(shí)從所述第一內(nèi)存讀取數(shù)字GPS數(shù)據(jù)，在所述第一內(nèi)存被寫入時(shí)從所述第二內(nèi)存讀取數(shù)字GPS數(shù)據(jù)，其中所述第一內(nèi)存和所述第二內(nèi)存允許所述數(shù)字GPS數(shù)據(jù)被實(shí)時(shí)處理；其中所述數(shù)字控制振蕩器能夠被提供給用于選定的可見(jiàn)GPS衛(wèi)星的Doppler特征信號(hào)，所述相關(guān)器能夠被提供給所述選定的可見(jiàn)GPS衛(wèi)星的相應(yīng)的Gold碼，使得所述裝置能夠處理所述選定的可見(jiàn)GPS衛(wèi)星的數(shù)字GPS數(shù)據(jù)。
9.如權(quán)利要求10的裝置，其中所述多個(gè)相關(guān)器中的一個(gè)相關(guān)器是一個(gè)快速傅里葉變換相關(guān)器。
10.如權(quán)利要求10的裝置，其中所述唯一的預(yù)先確定的Doppler特征信號(hào)是一個(gè)估計(jì)。
11.如權(quán)利要求10的裝置，其中所述第一開(kāi)關(guān)進(jìn)一步連接至一個(gè)所述數(shù)字GPS數(shù)據(jù)源。
12.如權(quán)利要求10的裝置，其中所述第一內(nèi)存和所述第二內(nèi)存具有存儲(chǔ)預(yù)先確定大小的數(shù)據(jù)的能力。
13.如權(quán)利要求10的裝置，其中所述第一內(nèi)存和所述第二內(nèi)存儲(chǔ)存預(yù)先確定大小的數(shù)字GPS數(shù)據(jù)。
14.如權(quán)利要求10的裝置，其中所述第一內(nèi)存和所述第二內(nèi)存的容量取決于下行數(shù)字信號(hào)處理器的吞吐量。
15.如權(quán)利要求10的裝置，其中第一內(nèi)存的容量和第二內(nèi)存的容量取決于下行相干積分器裝置的吞吐量。
16.如權(quán)利要求10的裝置，其中下行數(shù)字信號(hào)處理器速度與第一內(nèi)存的容量和第二內(nèi)存的容量存在反比關(guān)系。
17.如權(quán)利要求10的裝置，其中所述混頻器接收用于每顆可見(jiàn)GPS衛(wèi)星的預(yù)先確定的Doppler特征信號(hào)。
18.如權(quán)利要求10的裝置，其中所述堆棧RAM是雙端口堆棧RAM。
19.如權(quán)利要求10的裝置，其中所述數(shù)字信號(hào)處理器的吞吐速率與所述第一內(nèi)存和所述第二內(nèi)存的數(shù)字GPS數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量成反比。
20.如權(quán)利要求10的裝置，進(jìn)一步包括能夠存儲(chǔ)用于所述每顆可見(jiàn)GPS衛(wèi)星的多個(gè)數(shù)字GPS數(shù)據(jù)的結(jié)果RAM。
21.一種用于在內(nèi)存容量減少的GPS接收機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)并處理數(shù)字GPS信號(hào)的方法，其包括步驟在第一預(yù)先確定的時(shí)間周期內(nèi)將所述數(shù)字GPS信號(hào)存儲(chǔ)于第一內(nèi)存；在向所述第一內(nèi)存存儲(chǔ)入所述數(shù)字GPS信號(hào)的同時(shí)，從第二內(nèi)存中讀取已經(jīng)存儲(chǔ)的第一數(shù)字GPS數(shù)據(jù)段；其中在接下來(lái)的預(yù)先確定的時(shí)間周期內(nèi)，所述存儲(chǔ)步驟在所述第一內(nèi)存與所述第二內(nèi)存之間交替進(jìn)行，而讀取步驟在所述第二內(nèi)存與所述第一內(nèi)存之間交替進(jìn)行。
22.如權(quán)利要求23的方法，其中所述存儲(chǔ)過(guò)程由能夠交替將所述數(shù)字GPS數(shù)據(jù)存入所述第一內(nèi)存和所述第二內(nèi)存的第一開(kāi)關(guān)執(zhí)行。
23.如權(quán)利要求23的方法，其中所述讀取過(guò)程由能夠交替將存儲(chǔ)的數(shù)字GPS數(shù)據(jù)段從所述第一內(nèi)存和所述第二內(nèi)存讀出的第二開(kāi)關(guān)執(zhí)行。
24.一種用于在內(nèi)存容量減少的GPS接收機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)并處理數(shù)字GPS信號(hào)的方法，其包括步驟在第一預(yù)先確定的時(shí)間周期內(nèi)將所述數(shù)字GPS信號(hào)存儲(chǔ)于第一內(nèi)存；在向所述第一內(nèi)存存儲(chǔ)入所述數(shù)字GPS信號(hào)的同時(shí)，從第二內(nèi)存中讀取已經(jīng)存儲(chǔ)的第一數(shù)字GPS數(shù)據(jù)段；為一顆所屬的可見(jiàn)衛(wèi)星產(chǎn)生預(yù)先確定的Doppler特征信號(hào)；將所述預(yù)先確定的Doppler特征信號(hào)與所述存儲(chǔ)的第一數(shù)字GPS數(shù)據(jù)段進(jìn)行混頻以從所述存儲(chǔ)的第一數(shù)字GPS數(shù)據(jù)段中分離出Doppler特征信號(hào)；將所述所屬的可見(jiàn)衛(wèi)星的Gold碼與所述存儲(chǔ)的第一數(shù)字GPS數(shù)據(jù)段進(jìn)行關(guān)聯(lián)，以產(chǎn)生相關(guān)輸出；和對(duì)所述相關(guān)輸出進(jìn)行積分以產(chǎn)生偽距輸出和Doppler輸出；其中對(duì)每顆衛(wèi)星進(jìn)行重復(fù)所述發(fā)生步驟至所述混頻步驟，其中在接下來(lái)的預(yù)先確定的時(shí)間周期內(nèi)，所述存儲(chǔ)步驟在所述第一內(nèi)存與所述第二內(nèi)存之間交替進(jìn)行，而讀取步驟在所述第二內(nèi)存與所述第一內(nèi)存之間交替進(jìn)行。
25.如權(quán)利要求26的方法，其中所述存儲(chǔ)過(guò)程由能夠交替將所述數(shù)字GPS數(shù)據(jù)存入所述第一內(nèi)存和所述第二內(nèi)存的第一開(kāi)關(guān)執(zhí)行。
26.如權(quán)利要求26的方法，其中所述讀取過(guò)程由能夠交替將存儲(chǔ)的數(shù)字GPS數(shù)據(jù)段從所述第一內(nèi)存和所述第二內(nèi)存讀出的第二開(kāi)關(guān)執(zhí)行。
27.如權(quán)利要求26的方法，其中從一基站接收所述預(yù)先確定的Doppler特征信號(hào)。
28.如權(quán)利要求26的方法，其中所述相關(guān)運(yùn)算由多個(gè)并聯(lián)的FFT相關(guān)器執(zhí)行。
29.如權(quán)利要求26的方法，其中所述相關(guān)運(yùn)算由8個(gè)并聯(lián)的FFT相關(guān)器執(zhí)行。
30.如權(quán)利要求26的方法，其中所述積分運(yùn)算由多個(gè)并聯(lián)的不相干積分器執(zhí)行。
31.如權(quán)利要求26的方法，其中所述積分運(yùn)算由8個(gè)并聯(lián)的不相干積分器執(zhí)行。
32.一種使在具有多個(gè)相關(guān)和積分的衛(wèi)星處理分支的GPS接收機(jī)中的GPS衛(wèi)星搜索時(shí)間最小的方法，其包括步驟計(jì)算估計(jì)所述GPS接收機(jī)的位置和估計(jì)GPS接收機(jī)時(shí)鐘精度的初始條件；計(jì)算初始距離估計(jì)；和計(jì)算最優(yōu)的衛(wèi)星搜索順序，計(jì)算出所述最優(yōu)衛(wèi)星搜索順序以使搜索空間和尋找可見(jiàn)GPS衛(wèi)星所需的搜索時(shí)間最小。
33.如權(quán)利要求34的方法，其中所述初始條件包括初始位置估計(jì)，初始位置不確定度，時(shí)間估計(jì)，時(shí)間不確定度，振蕩器頻率估計(jì)，和振蕩器頻率不確定度。
34.如權(quán)利要求34的方法，其中所述方法進(jìn)一步包括步驟利用所述初始條件來(lái)計(jì)算GPS衛(wèi)星位置和Doppler特征。
35.如權(quán)利要求34的方法，其中所述初始距離估計(jì)包括距離估計(jì)和一個(gè)Doppler搜索距離估計(jì)。
36.如權(quán)利要求34的方法，其中所述計(jì)算最優(yōu)的衛(wèi)星搜索順序的步驟進(jìn)一步包括步驟利用預(yù)先確定的搜索準(zhǔn)則和可用的處理分支從正接收到的GPS數(shù)據(jù)信號(hào)中尋找第一個(gè)GPS衛(wèi)星；從一組可用的處理分支中去除一個(gè)找到所述第一顆GPS衛(wèi)星的成功的處理分支；和用剩余的處理分支重復(fù)處理所述的正接收到的GPS數(shù)據(jù)信號(hào)，從所述一組可用的處理分支中去除每個(gè)成功的處理分支，直至處理結(jié)束。
37.如權(quán)利要求38的方法，其中所述預(yù)選確定的搜索準(zhǔn)則是一顆GPS衛(wèi)星的仰角。
38.如權(quán)利要求38的方法，其中所述預(yù)選確定的搜索準(zhǔn)則是一顆最小Doppler搜索距離。
全文摘要
根據(jù)本發(fā)明提出一種用于GPS接收機(jī)中(圖4)確定位置的方法與裝置。該裝置包括第一開(kāi)關(guān)(402)，第一開(kāi)關(guān)(402)接收數(shù)字GPS數(shù)據(jù)，第一內(nèi)存(409)，與第一內(nèi)存并聯(lián)的第二內(nèi)存(410)，第一開(kāi)關(guān)(402)選擇向第一內(nèi)存或第二內(nèi)存寫入數(shù)字GPS數(shù)據(jù)，第二開(kāi)關(guān)(416)選擇從第一內(nèi)存(409)或第二內(nèi)存(410)中讀取數(shù)字GPS數(shù)據(jù)，其中GPS信號(hào)處理(140)是當(dāng)?shù)诙?nèi)存被寫入時(shí)從第一內(nèi)存(409)中讀取數(shù)字GPS數(shù)據(jù)，而當(dāng)?shù)谝粌?nèi)存被寫入時(shí)，從第二內(nèi)存(410)中讀取數(shù)字GPS數(shù)據(jù)，其中第一內(nèi)存(409)與第二內(nèi)存(410)允許數(shù)字GPS數(shù)據(jù)被實(shí)時(shí)處理。
文檔編號(hào)G01S1/00GK1457435SQ02800376
公開(kāi)日2003年11月19日 申請(qǐng)日期2002年2月5日 優(yōu)先權(quán)日2001年2月22日
發(fā)明者托馬斯·邁克爾·金 申請(qǐng)人:摩托羅拉公司