專利名稱：全球定位系統(tǒng)的接收機(jī)及其接收方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及諸如汽車導(dǎo)航系統(tǒng)之類的移動(dòng)裝置的導(dǎo)航系統(tǒng)，更具體地說(shuō)，涉及可以在短時(shí)間內(nèi)完成GPS(全球定位系統(tǒng))位置測(cè)量的GPS接收機(jī)和GPS接收方法。
GPS系統(tǒng)是已開(kāi)發(fā)的允許諸如飛行器或船舶之類的移動(dòng)裝置利用在高層空間飛行的GPS衛(wèi)星實(shí)時(shí)地確定其在地球上的位置或移動(dòng)裝置的速度的一種位置測(cè)量系統(tǒng)。近來(lái)，除了移動(dòng)裝置的位置測(cè)量外，GPS系統(tǒng)廣泛地應(yīng)用在測(cè)定地球上不同點(diǎn)之間的距離或方向的靜態(tài)測(cè)量領(lǐng)域和其它類似的領(lǐng)域。為了利用GPS系統(tǒng)，使用接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的無(wú)線電波的GPS接收機(jī)。


圖10A示出普遍應(yīng)用的GPS系統(tǒng)的大體結(jié)構(gòu)圖，并且圖10B說(shuō)明常規(guī)的GPS位置測(cè)量操作。首先參照?qǐng)D10A，GPS衛(wèi)星200發(fā)送1.57542 GHz的擴(kuò)頻信號(hào)。在取決于GPS衛(wèi)星200與GPS接收機(jī)210之間距離的一段傳播時(shí)間之后，GPS接收機(jī)210的天線部分211接收該發(fā)送的信號(hào)。由天線部分211接收的信號(hào)由射頻(RF)部分212向下變頻為預(yù)定的中頻信號(hào)，然后提供給信號(hào)同步解調(diào)部分213。中頻信號(hào)由信號(hào)同步解調(diào)部分213去擴(kuò)頻為解調(diào)數(shù)據(jù)。該解調(diào)數(shù)據(jù)由信號(hào)處理部分214用于位置測(cè)量計(jì)算。按這種方式，從GPS衛(wèi)星200發(fā)送的信號(hào)由GPS接收機(jī)接收并用于位置測(cè)量計(jì)算。
圖10B說(shuō)明由GPS接收機(jī)210執(zhí)行的常規(guī)GPS位置測(cè)量操作。首先，當(dāng)向GPS接收機(jī)210供電使之工作時(shí)，執(zhí)行頻率搜索。執(zhí)行頻率搜索，以便同步由GPS接收機(jī)210中的頻率振蕩器215產(chǎn)生的低精度并有一定誤差的頻率與從GPS衛(wèi)星200發(fā)送的高精度頻率信號(hào)。如果檢測(cè)到頻率間的某些相關(guān)性，則GPS接收機(jī)210執(zhí)行用于調(diào)整相位的PLL(鎖相環(huán))操作，使其內(nèi)部頻率與來(lái)自GPS衛(wèi)星200的信號(hào)頻率完全同步。接著，在檢測(cè)到一個(gè)比特邊界的邊緣并因此可以獲取數(shù)據(jù)之后，則確認(rèn)時(shí)間信息。具體地說(shuō)，可以獲取位于分層導(dǎo)航消息中的一個(gè)子幀的第二個(gè)字和代表一周之內(nèi)以6秒為周期的時(shí)間信號(hào)的TOW(周時(shí)間)。在獲取TOW之后，開(kāi)始位置測(cè)量計(jì)算。完成位置測(cè)量計(jì)算之后，輸出位置測(cè)量數(shù)據(jù)，從而最終計(jì)算出當(dāng)前位置。
按這種方式，GPS位置測(cè)量方法需要用于捕獲來(lái)自GPS衛(wèi)星200的信號(hào)的頻率振蕩器215，并且為了建立與GPS衛(wèi)星200發(fā)送的高精度信號(hào)頻率的同步，要求頻率振蕩器215具有高精度。但是，頻率振蕩器215的振蕩頻率一般隨著溫度或時(shí)間的變化而波動(dòng)。這種波動(dòng)妨礙通過(guò)使用頻率振蕩器215容易地捕獲來(lái)自GPS衛(wèi)星200的信號(hào)，從而，必須另外提供一種頻率搜索方案。由于頻率搜索通常需要很長(zhǎng)時(shí)間，所以需要相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間才能最終計(jì)算出當(dāng)前位置。
另外，在常規(guī)的GPS位置測(cè)量方法中，即使在最好的條件下并使時(shí)間最小化的熱啟動(dòng)的情況下，在捕獲到GPS衛(wèi)星200的信號(hào)之后，一直到得到包括在信號(hào)中的所有絕對(duì)時(shí)間信息時(shí)所必需的時(shí)間大約為6秒鐘，但是，一般需要數(shù)十秒的時(shí)間。還有，由于是使用得到的絕對(duì)時(shí)間信息來(lái)執(zhí)行位置測(cè)量計(jì)算的，所以需要相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間才能最終計(jì)算出當(dāng)前位置。
此外，在常規(guī)的GPS位置測(cè)量方法中，當(dāng)經(jīng)過(guò)大于固定時(shí)間間隔的時(shí)間之后再次執(zhí)行位置測(cè)量時(shí)，需要用于獲取新的導(dǎo)航信息的時(shí)間。從而，需要相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間才能計(jì)算出當(dāng)前位置。
由于上述原因，在GPS位置測(cè)量需要花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間的地方，比如在汽車導(dǎo)航系統(tǒng)中，在供電之后不可能立即判別其當(dāng)前位置。這就產(chǎn)生一個(gè)問(wèn)題，即由于自身包含的導(dǎo)航誤差使得不能快速判定到目的地的路徑或者不能決定其當(dāng)前位置，并且這也增加了判定其正確位置的時(shí)間。另外，在GPS裝配在或者與近來(lái)的便攜式信息終端相連的類型的裝置中時(shí)，試圖主要在用戶行走時(shí)使用該裝置，由于不能快速判定其當(dāng)前位置，所以用戶必須將裝置拿在手中在一個(gè)地方等待，直到完成位置測(cè)量，非常不方便。
另一方面，通?？偙３止╇妼?shí)現(xiàn)位置測(cè)量也是一種可行的構(gòu)思，但是這導(dǎo)致裝置的耗電量非常大。在裝置受到電量消耗特定限制的地方，比如汽車導(dǎo)航系統(tǒng)或便攜式導(dǎo)航系統(tǒng)，保持通?？偣╇姴⒉皇亲罴堰x擇。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種GPS接收機(jī)和GPS接收方法，其中可以在短時(shí)間內(nèi)完成GPS位置測(cè)量，而不必等待來(lái)自GPS衛(wèi)星的周期時(shí)間信息。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種GPS接收機(jī)和GPS接收方法，其中使功耗最小，并且使位置測(cè)量時(shí)間最短。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，應(yīng)用本發(fā)明的GPS接收機(jī)保持頻率精度、時(shí)間精度和導(dǎo)航信息，并且考慮到其保持待機(jī)狀態(tài)時(shí)的誤差累積增加而重復(fù)進(jìn)行啟動(dòng)和待機(jī)操作。具體來(lái)說(shuō)，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種GPS接收機(jī)，包括接收裝置，用于接收GPS衛(wèi)星發(fā)送的時(shí)間信息；保持裝置，用于保持由接收裝置接收的時(shí)間信息；待機(jī)模式設(shè)置裝置，用于將接收裝置設(shè)置為待機(jī)模式；和啟動(dòng)條件設(shè)置裝置，用于在接收裝置由待機(jī)模式設(shè)置裝置設(shè)置為待機(jī)模式后，在預(yù)定時(shí)間經(jīng)過(guò)之后啟動(dòng)接收裝置。
對(duì)于該GPS接收機(jī)，可以減少位置測(cè)量所必需的時(shí)間，而沒(méi)有必要等待來(lái)自GPS衛(wèi)星的周期時(shí)間信息。另外，在減少位置測(cè)量時(shí)間的同時(shí)，還減少了GPS接收機(jī)的功耗。
最好是，待機(jī)模式設(shè)置裝置通過(guò)切斷電源將接收裝置設(shè)置為待機(jī)模式，并且啟動(dòng)條件設(shè)置裝置根據(jù)一定的時(shí)間間隔啟動(dòng)接收裝置，在該時(shí)間間隔內(nèi)保持在保持裝置中的時(shí)間信息可以保持預(yù)定的時(shí)間精度。在時(shí)間信息誤差維持在允許范圍之內(nèi)時(shí)，本發(fā)明有益地允許GPS接收機(jī)的啟動(dòng)/待機(jī)接收操作重復(fù)進(jìn)行。
應(yīng)該指出的是，接收裝置可以接收來(lái)自GPS衛(wèi)星的與導(dǎo)航信息在一起的高精度頻率信號(hào)，并且除了時(shí)間信息之外，保持裝置將導(dǎo)航信息與內(nèi)置在GPS接收機(jī)中的頻率振蕩器之間的頻差作為偏差保持。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種GPS接收機(jī)，包括天線，用于接收來(lái)自GPS衛(wèi)星的具有高精度頻率信號(hào)的信號(hào)；包含頻率振蕩器的GPS模塊，用于產(chǎn)生頻率，并且可操作地使用來(lái)自頻率振蕩器的頻率讀出位于GPS衛(wèi)星信號(hào)中與該信號(hào)同步的軌道信息并使自己進(jìn)入待機(jī)模式；以及具有定時(shí)器功能的GPS控制模塊，用于在進(jìn)入待機(jī)模式之后，根據(jù)定時(shí)器功能使GPS模塊恢復(fù)激活模式。
同樣，對(duì)于該GPS接收機(jī)，可以減少位置測(cè)量所需的時(shí)間，而沒(méi)有必要等待來(lái)自GPS衛(wèi)星的周期時(shí)間信息。另外，在減少位置測(cè)量時(shí)間的同時(shí)，還減少了GPS接收機(jī)的功耗。
最好是，GPS接收機(jī)還包括存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)作為偏差的GPS衛(wèi)星信號(hào)的頻率信號(hào)和預(yù)定同步頻率之差，并且其中當(dāng)GPS模塊由GPS控制模塊促使進(jìn)入激活模式時(shí)，GPS模塊更新存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的偏差。該GPS接收機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在于，正常更新的偏差值存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，并且比如在GPS接收機(jī)的用戶向GPS接收機(jī)加電使GPS接收機(jī)可以使用之后，馬上可以顯示GPS接收機(jī)當(dāng)前的精確位置。具體來(lái)說(shuō)，切斷電源之后在經(jīng)過(guò)預(yù)定時(shí)間時(shí)，頻率振蕩器的振蕩頻率是波動(dòng)的，并且這使得為振蕩頻率與GPS接收機(jī)的解調(diào)器的預(yù)定同步頻率之差的偏差也波動(dòng)。但是，在該GPS接收機(jī)中，由于存儲(chǔ)器正常保持更新的偏差值，所以在向GPS接收機(jī)供電之后馬上可以顯示GPS接收機(jī)的當(dāng)前精確位置。
最好是，GPS模塊連續(xù)給GPS控制模塊發(fā)送指示時(shí)間間隔的設(shè)置信號(hào)，一直到GPS模塊被啟動(dòng)為止；并且在GPS控制模塊收到來(lái)自GPS模塊的設(shè)置信號(hào)后，GPS控制模塊給GPS模塊發(fā)送待機(jī)信號(hào)。這允許GPS控制模塊執(zhí)行GPS接收機(jī)的啟動(dòng)/待機(jī)控制，并因此提供的優(yōu)點(diǎn)在于，可以防止GPS模塊的任何不再能啟動(dòng)或不再能待機(jī)的麻煩。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種用于GPS接收機(jī)的GPS接收方法，包括以下步驟從多個(gè)GPS衛(wèi)星中的每一個(gè)接收分層導(dǎo)航信息；將接收的導(dǎo)航信息存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器；在預(yù)定時(shí)間內(nèi)重復(fù)進(jìn)行GPS接收機(jī)的啟動(dòng)和待機(jī)操作，以實(shí)現(xiàn)GPS接收機(jī)的位置測(cè)量，從這些GPS衛(wèi)星更新存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的導(dǎo)航信息；以及在加電的GPS接收機(jī)成為由該GPS接收機(jī)的用戶可以使用的以后，根據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的導(dǎo)航信息，馬上輸出GPS接收機(jī)的當(dāng)前位置，而無(wú)須執(zhí)行從這些GPS衛(wèi)星中的任何一個(gè)接收導(dǎo)航信息。
同樣，對(duì)于該用于GPS接收機(jī)的GPS接收方法，可以減少位置測(cè)量所必需的時(shí)間，而沒(méi)有必要等待來(lái)自GPS衛(wèi)星的周期時(shí)間信息。另外，同樣在減少位置測(cè)量時(shí)間的同時(shí)，還減少了GPS接收機(jī)的功耗。
應(yīng)該指出的是，在重復(fù)進(jìn)行的啟動(dòng)和待機(jī)操作的預(yù)定時(shí)間內(nèi)，待機(jī)時(shí)間最好考慮比如數(shù)據(jù)精度的惡化、可見(jiàn)衛(wèi)星個(gè)數(shù)的下降及其他情況來(lái)確定。
從下面結(jié)合附圖的描述和所附權(quán)利要求中，將使本發(fā)明的上述和其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)變得更加清楚，在各附圖中相同部件或部分用相同的標(biāo)號(hào)表示，其中圖1是表示應(yīng)用本發(fā)明的GPS接收機(jī)的總體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是表示GPS接收機(jī)中的GPS模塊和GPS控制模塊的詳細(xì)結(jié)構(gòu)方框圖；圖3是說(shuō)明GPS模塊和GPS控制模塊的操作及它們之間的通信內(nèi)容的示意圖；圖4是說(shuō)明在GPS模塊中的處理流程的流程圖；圖5是說(shuō)明在GPS控制模塊中的處理流程的流程圖；圖6是說(shuō)明GPS接收機(jī)中位置測(cè)量操作的示意圖7是說(shuō)明GPS接收機(jī)中的頻率發(fā)生器的時(shí)間誤差與精度之間的關(guān)系的圖；圖8是說(shuō)明由溫度變化引起的頻率發(fā)生器的精度變化的示意圖；圖9是說(shuō)明導(dǎo)航信息有效期的表；和圖10A和圖10B分別表示常規(guī)GPS系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)示意圖和說(shuō)明常規(guī)的GPS位置測(cè)量操作。
參照?qǐng)D1，表示應(yīng)用本發(fā)明的GPS接收機(jī)的總體結(jié)構(gòu)。所示GPS接收機(jī)包括GPS模塊1和GPS控制模塊2。GPS模塊1包括GPS天線部分9，用于接收位于大約20,000千米高空的GPS衛(wèi)星發(fā)送的1,575.42MHz的無(wú)線電波；射頻(RF)部分10，用于通過(guò)使用圖1未表示的頻率振蕩器的頻率來(lái)將GPS天線部分9接收的無(wú)線電波轉(zhuǎn)換為中頻信號(hào)；和數(shù)字部分20，用于解調(diào)來(lái)自RF部分10的中頻無(wú)線電波信號(hào)、從中頻電波信號(hào)中提取所需數(shù)據(jù)及根據(jù)提取的數(shù)據(jù)計(jì)算GPS接收機(jī)的當(dāng)前位置。
另外，GPS接收機(jī)由時(shí)鐘或具有內(nèi)置時(shí)鐘功能的微型計(jì)算機(jī)構(gòu)成，可以以預(yù)定周期發(fā)送預(yù)定信號(hào)。GPS模塊1向GPS控制模塊2發(fā)送表示時(shí)間間隔的設(shè)置信號(hào)，在此時(shí)間間隔之后應(yīng)該啟動(dòng)GPS模塊1。當(dāng)收到該設(shè)置信號(hào)時(shí)，GPS控制模塊2設(shè)置將要發(fā)送的啟動(dòng)信號(hào)的周期。GPS控制模塊2向GPS模塊1發(fā)送啟動(dòng)/待機(jī)信號(hào)。當(dāng)收到該啟動(dòng)/待機(jī)信號(hào)時(shí)，GPS模塊1可以自己?jiǎn)?dòng)或待機(jī)。
圖2表示GPS模塊1和GPS控制模塊2的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。參照?qǐng)D2，GPS天線部分9接收的信號(hào)由GPS模塊1中RF部分10的放大器(AMP)11放大。RF部分10中具有設(shè)置在其中的頻率振蕩器(TCXO)12。將頻率振蕩器12的頻率信號(hào)乘以N，并且然后由混頻器14將其與放大器11放大的信號(hào)混頻，以便將來(lái)自放大器11的信號(hào)轉(zhuǎn)換為中頻信號(hào)。該中頻信號(hào)由放大器15放大，然后由AD轉(zhuǎn)換器(ADC)16轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。該數(shù)字信號(hào)輸入到數(shù)字部分20。
數(shù)字部分20包括用于控制GPS模塊1的CPU(中央處理單元)21、用于解調(diào)中頻信號(hào)的解調(diào)器22、正常工作提供時(shí)間信息的實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)23、RAM 24、ROM 25和傳感器26。解調(diào)器22包括壓控振蕩器(VCO)27，其振蕩頻率根據(jù)所施加的電壓變化。在本實(shí)施例的GPS接收機(jī)中，可以將施加到解調(diào)器22的中頻頻率和VCO 27的同步頻率之差作為偏差存儲(chǔ)到RAM24中。解調(diào)器22完成下述功能，即根據(jù)該偏差改變施加到VCO 27的電壓，以控制VCO 27的頻率為預(yù)定的同步頻率，從而建立起與來(lái)自RF部分10的GPS頻率的同步。RAM 24可以不僅存儲(chǔ)該偏差，而且可以存儲(chǔ)時(shí)間信息和獲取的導(dǎo)航信息。存儲(chǔ)在RAM24中的時(shí)間信息反映了實(shí)時(shí)時(shí)鐘23的時(shí)間信息。在ROM 25中存儲(chǔ)各種類型的控制信息和其他必要的信息。傳感器26檢測(cè)GPS模塊1所處環(huán)境的環(huán)境溫度。因此，待機(jī)時(shí)間可以如下文所述根據(jù)檢測(cè)的環(huán)境溫度來(lái)設(shè)置。
GPS控制模塊2包括用于控制GPS控制模塊2的CPU 31、定時(shí)器32及用于保持從GPS模塊1獲得的高精度時(shí)間的時(shí)鐘33。
本實(shí)施例的GPS接收機(jī)還包括向GPS模塊1和GPS控制模塊2供電的電源30。電源30受CPU21控制，以便使其向或不向GPS模塊1供電。
圖3表示模塊1和模塊2的操作及它們之間通信的內(nèi)容。參照?qǐng)D3，從GPS模塊1發(fā)送在一個(gè)時(shí)間間隔以后GPS模塊1將被下一次啟動(dòng)的時(shí)間間隔的設(shè)置信號(hào)指示到GPS控制模塊2。GPS控制模塊2接收該發(fā)送的設(shè)置信號(hào)并給GPS模塊1發(fā)待機(jī)信號(hào)。然后，GPS控制模塊2啟動(dòng)并檢查定時(shí)器32。在GPS控制模塊2根據(jù)檢查結(jié)果判定經(jīng)過(guò)預(yù)定時(shí)間后，向GPS模塊1發(fā)送啟動(dòng)信號(hào)。
圖4示出GPS模塊1的處理流程。在此，描述GPS模塊1的保持頻率精度、保持時(shí)間精度及保持導(dǎo)航信息的操作。
加電的GPS模塊1首先執(zhí)行第一次位置測(cè)量(步驟S101)。作為位置測(cè)量結(jié)果，將從GPS衛(wèi)星的高精度頻率確定的中頻頻率和來(lái)自內(nèi)置于解調(diào)器22的VCO 27的同步頻率之間的差值作為偏差存儲(chǔ)到RAM 24(步驟S102)。然后，將通過(guò)第一次位置測(cè)量獲得的高精度時(shí)間信息存儲(chǔ)到RAM 24(步驟S103)。相類似，將通過(guò)第一次位置測(cè)量獲得的導(dǎo)航信息存儲(chǔ)到RAM 24(步驟S104)。
在執(zhí)行完這些存儲(chǔ)后，GPS模塊1給GPS控制模塊2發(fā)送設(shè)置信號(hào)(步驟S105)。設(shè)置信號(hào)包括表示在一個(gè)時(shí)間間隔以后GPS模塊1將被啟動(dòng)的時(shí)間間隔的指示通知、已經(jīng)獲得各頻率之間差值的偏差的指示通知、存儲(chǔ)時(shí)間已經(jīng)完成和時(shí)間的通知以及導(dǎo)航消息的存儲(chǔ)已經(jīng)完成的通知。然后，GPS模塊1等待來(lái)自GPS控制模塊2的待機(jī)信號(hào)(步驟S106)。接著，如果收不到待機(jī)信號(hào)，則重復(fù)進(jìn)行位置測(cè)量。也就是說(shuō)，GPS模塊1重復(fù)進(jìn)行步驟S101至S105中的處理過(guò)程。如果收到待機(jī)信號(hào)，則GPS模塊1切斷電源并進(jìn)入待機(jī)模式(步驟S107)，然后等待接收來(lái)自GPS控制模塊2的啟動(dòng)信號(hào)(步驟S108)。然后，在步驟S108中收到來(lái)自GPS控制模塊2的啟動(dòng)信號(hào)時(shí)，GPS模塊1自啟動(dòng)(步驟S109)，因此，在收到啟動(dòng)信號(hào)之前，GPS模塊1保持待機(jī)模式。
圖5表示GPS控制模塊2的處理流程。首先，GPS控制模塊2等待發(fā)送自GPS模塊1的設(shè)置信號(hào)(步驟S111)。當(dāng)收到設(shè)置信號(hào)時(shí)，GPS控制模塊2根據(jù)GPS模塊1發(fā)送的準(zhǔn)確時(shí)間校正時(shí)鐘33的時(shí)間(步驟S112)，并啟動(dòng)定時(shí)器32(步驟S113)。然后，GPS控制模塊2給GPS模塊1發(fā)送待機(jī)信號(hào)(步驟S114)。接著，GPS控制模塊2判定定時(shí)器32的時(shí)間計(jì)數(shù)是否結(jié)束(步驟S115)。重復(fù)進(jìn)行該判定，一直到定時(shí)器32的時(shí)間計(jì)數(shù)結(jié)束。在定時(shí)器32的時(shí)間計(jì)數(shù)結(jié)束后，即在GPS模塊1設(shè)置的時(shí)間間隔經(jīng)過(guò)后，GPS控制模塊2給GPS模塊1發(fā)送啟動(dòng)信號(hào)(步驟S116)。GPS模塊1接收該啟動(dòng)信號(hào)，并從上述的待機(jī)模式退出以啟動(dòng)它自己。因此，GPS模塊1可以重復(fù)進(jìn)行在預(yù)定時(shí)間間隔之后的自身啟動(dòng)/待機(jī)操作，從而反復(fù)更新頻率偏差、時(shí)間信息和導(dǎo)航消息，并且可以保持高精度的頻率偏差和時(shí)間信息以及最新的導(dǎo)航消息。
如上所述，在本實(shí)施例的GPS接收機(jī)中，對(duì)于頻率精度來(lái)說(shuō)，雖然GPS模塊1處于待機(jī)模式期間，頻率振蕩器12的誤差逐漸增加。但是，由于GPS模塊1在預(yù)定時(shí)間間隔之后啟動(dòng)其自身并執(zhí)行位置測(cè)量，所以始終是可以將相對(duì)于因誤差而上升的預(yù)定同步頻率的差值判定為偏差。同樣，對(duì)于時(shí)間精度來(lái)說(shuō)，雖然GPS模塊1處于待機(jī)模式期間，GPS控制模塊2中的實(shí)時(shí)時(shí)鐘23的誤差逐漸增加。但是，由于GPS模塊1在預(yù)定時(shí)間間隔之后啟動(dòng)其自身并執(zhí)行位置測(cè)量，所以始終可以校正GPS控制模塊2中的實(shí)時(shí)時(shí)鐘23。另外，對(duì)于導(dǎo)航信息來(lái)說(shuō)，如果待機(jī)模式持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)，則可能會(huì)找不到用于前一次測(cè)量的衛(wèi)星，或者高精度的導(dǎo)航信息可能會(huì)受到位移的影響。但是，由于GPS模塊1在預(yù)定時(shí)間間隔之后啟動(dòng)其自身并執(zhí)行位置測(cè)量，所以可以防止這類位移問(wèn)題的發(fā)生。
圖6表示本實(shí)施例的GPS接收機(jī)的位置測(cè)量操作。雖然如圖10B所示那樣在加電后常規(guī)的GPS接收機(jī)首先執(zhí)行頻率搜索，但是本實(shí)施例的執(zhí)行高速位置測(cè)量的GPS接收機(jī)不用執(zhí)行頻率搜索，這是因?yàn)樗赗AM 24中連續(xù)保持高精度的頻率。因此，本實(shí)施例的GPS接收機(jī)略去了圖10B所示的頻率搜索，并如圖6所示那樣使用PLL立即執(zhí)行相位調(diào)整。然后，在完成相位調(diào)整之后，檢測(cè)解調(diào)數(shù)據(jù)的邊緣。在這種檢測(cè)之后，雖然如圖10B所示那樣常規(guī)的GPS接收機(jī)執(zhí)行時(shí)間信息確認(rèn)操作，但是本實(shí)施例的執(zhí)行高速位置測(cè)量的GPS接收機(jī)不用執(zhí)行時(shí)間信息確認(rèn)，這是因?yàn)樗B續(xù)保持高精度的時(shí)間。結(jié)果，如圖6所示，本實(shí)施例的GPS接收機(jī)可以立即執(zhí)行位置測(cè)量計(jì)算并輸出位置數(shù)據(jù)的結(jié)果。
另一方面，在位置測(cè)量剛開(kāi)始的時(shí)間點(diǎn)上沒(méi)有導(dǎo)航信息可以保持時(shí)，或時(shí)間經(jīng)過(guò)使導(dǎo)航信息失效時(shí)，在GPS位置測(cè)量操作中，用于捕獲導(dǎo)航信息的額外時(shí)間是必需的。但是，在本實(shí)施例的GPS接收機(jī)中，由于一直將導(dǎo)航信息更新為最新的信息，所以可以將捕獲導(dǎo)航信息的操作從位置測(cè)量中略去。因此，可以明顯減少位置測(cè)量的時(shí)間。
這里，進(jìn)一步檢驗(yàn)頻率精度。一般認(rèn)為，如果在硬件中目標(biāo)頻率落入±500Hz的范圍之內(nèi)，則常規(guī)的GPS接收機(jī)不用執(zhí)行頻率搜索。對(duì)于1,575.42MHz的GPS信號(hào)來(lái)說(shuō)，相應(yīng)頻率的精度大約為±0.3ppm。在此，頻率振蕩器12的精度為±2.3ppm，如果允許精度值約高出一位數(shù)字(digit)，則不用執(zhí)行頻率搜索。換句話說(shuō)，對(duì)于高速位置測(cè)量來(lái)說(shuō)，頻率精度最好小于±0.3ppm。
對(duì)于時(shí)間精度，為了獲取包括TOW的時(shí)間信息，必須等待，直到寫在子幀第二個(gè)字的TOW出現(xiàn)，這需要大概6秒的時(shí)間。因此，如果多于一個(gè)周期的C/A代碼的時(shí)間信息始終是可以利用的，則不再需要確認(rèn)時(shí)間信息的等待時(shí)間。此處所需的時(shí)間精度可以簡(jiǎn)單地是比C/A代碼的1毫秒周期的一半小的時(shí)間精度，并且這個(gè)時(shí)間精度消除了等待子幀中TOW的6秒的必要性。此外，由于在導(dǎo)航信息1比特的20毫秒之內(nèi)，1毫秒的C/A代碼的相位不會(huì)出現(xiàn)反相，所以使用20毫秒的比特邊界可以使所需的時(shí)間精度進(jìn)一步降低。在此種情況下，如果能夠達(dá)到±10毫秒的時(shí)間精度，則使用比特邊界就可以測(cè)試準(zhǔn)確的時(shí)間，并消除了等待子幀中TOW的6秒的必要性。換句話說(shuō)，對(duì)于高速位置測(cè)量來(lái)說(shuō)，時(shí)間精度最好小于±10毫秒。
這里，研究可以維持時(shí)間信息精度的等待時(shí)間間隔。
在GPS接收機(jī)中，實(shí)時(shí)時(shí)鐘23正常工作。這里，用ΔTrtc代表實(shí)時(shí)時(shí)鐘23的精度，在其中可以維持高速位置測(cè)量所必需的時(shí)間精度ΔTreq的時(shí)間Tk，可以用下式代表Tk=ΔTreq/ΔTrtc具體地，當(dāng)高速位置測(cè)量所必需的時(shí)間精度ΔTreq為±10毫秒時(shí)，以及考慮實(shí)時(shí)時(shí)鐘23的精度ΔTrtc為等于在其中使用的石英振蕩器的精度±50ppm，那么上面表達(dá)式的時(shí)間Tk為Tk=-10mm/50ppm=200(s)因此，在使用的實(shí)時(shí)時(shí)鐘23具有上面提到的精度時(shí)，需要大概每3分鐘后啟動(dòng)一次實(shí)時(shí)時(shí)鐘23以接收時(shí)間信息。應(yīng)該指出的是，在實(shí)時(shí)時(shí)鐘23具有較高精度時(shí)，可以降低該時(shí)間間隔。
圖7表示頻率振蕩器12的精度與時(shí)間誤差之間的關(guān)系。在圖7中表示出代表時(shí)間(秒s)的橫軸和代表時(shí)間誤差(ms)的縱軸，并且表示出頻率振蕩器12的精度值為1ppm、10ppm和100ppm時(shí)的三種關(guān)系。從圖7中可以看出，隨著測(cè)量時(shí)間的增加，時(shí)間誤差線性增加。具體地說(shuō)，可以認(rèn)為，在頻率振蕩器12具有10ppm的精度時(shí)，如果以1秒的時(shí)間間隔執(zhí)行測(cè)量，則出現(xiàn)10微秒的誤差，而如果以100秒的時(shí)間間隔執(zhí)行測(cè)量，則出現(xiàn)1毫秒的誤差。換句話說(shuō)，可以認(rèn)為，比如在把10毫秒的時(shí)間誤差作為基準(zhǔn)時(shí)，如果頻率振蕩器12具有100ppm的精度，則在10秒內(nèi)達(dá)到10毫秒的時(shí)間誤差；如果頻率振蕩器12具有10ppm的精度，則在1,000秒內(nèi)達(dá)到；而如果頻率振蕩器12具有1ppm的精度，則在10,000秒內(nèi)達(dá)到。本實(shí)施例的GPS接收機(jī)可以如此構(gòu)造，以便參照上述的時(shí)間誤差根據(jù)GPS接收機(jī)中的頻率振蕩器12的精度來(lái)設(shè)置啟動(dòng)時(shí)間。
圖8表示溫度變化引起的頻率振蕩器12的精度變化。在圖8中，橫軸代表GPS接收機(jī)所處的環(huán)境溫度(℃)，縱軸代表誤差(ppm)，并且表示出頻率振蕩器12使用5個(gè)不同的頻率振蕩器((1)至(5))的測(cè)量結(jié)果。在GPS接收機(jī)安裝在汽車中作為汽車導(dǎo)航裝置時(shí)，它必須在-20℃至80℃的溫度范圍內(nèi)能夠正常工作。正如從圖8中所清楚看到的，可以認(rèn)為，頻率振蕩器12的精度隨著溫度的變化而變化。比如可以認(rèn)為，在25℃時(shí)大約為0ppm的精度下降為-20℃時(shí)2ppm的精度。在本實(shí)施例的GPS接收機(jī)中，在GPS模塊1中安裝有傳感器(溫度傳感器)26，從而GPS模塊1可以將考慮了汽車溫度影響而確定的表示時(shí)間間隔的設(shè)置信號(hào)發(fā)送給GPS控制模塊2。結(jié)果，GPS控制模塊2可以在適當(dāng)?shù)拇龣C(jī)時(shí)間后啟動(dòng)，以響應(yīng)GPS接收機(jī)所處的環(huán)境溫度。
圖9示出導(dǎo)航信息的有效期。導(dǎo)航信息的有效期間受導(dǎo)航信息數(shù)據(jù)精度的惡化和可見(jiàn)衛(wèi)星的數(shù)目限制。在圖9中，示出了在不同時(shí)間時(shí)可見(jiàn)衛(wèi)星的內(nèi)容。正如從圖9中所看到的，可以認(rèn)為，隨著時(shí)間的過(guò)去，可見(jiàn)衛(wèi)星的數(shù)目減少。比如，在13:10可以看到18、13、7、10、24、27、19和4號(hào)共8顆衛(wèi)星，但是3個(gè)小時(shí)以后，在16:45，只能看到13、10、24和27號(hào)共4顆衛(wèi)星，而其他4顆衛(wèi)星18、7、19和4號(hào)衛(wèi)星移出了視野。而GPS位置測(cè)量至少需要4顆衛(wèi)星，在衛(wèi)星的分布不是最佳時(shí)，位置測(cè)量的精度極差，以至于使用4顆衛(wèi)星不能執(zhí)行位置測(cè)量。這些可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)目的變化是由下述事實(shí)引起的，即GPS衛(wèi)星按6個(gè)軌道×4顆衛(wèi)星圍繞地球安排，并且它們的周期為12小時(shí)。因此，在本實(shí)施例的GPS接收機(jī)中，提供包括用于安全的邊界在內(nèi)的大約2小時(shí)的有效期，并且在有效期過(guò)后，重新獲取導(dǎo)航信息的數(shù)據(jù)。換句話說(shuō)就是，為了正常保持有效的導(dǎo)航信息，上文中提到的待機(jī)時(shí)間最好小于2小時(shí)。
在此種情況下，對(duì)于本實(shí)施例的GPS接收機(jī)，可以總是保持高精度的頻率基準(zhǔn)、高精度的時(shí)間信息和最新的導(dǎo)航信息，甚至在用戶為GPS接收機(jī)加電后，就立即可以在短時(shí)間內(nèi)輸出當(dāng)前的位置。因此，可以簡(jiǎn)單、可靠地提供具有高性能的導(dǎo)航系統(tǒng)。
下面分析本實(shí)施例的GPS接收機(jī)的功耗。在此，啟動(dòng)時(shí)間用Ton表示，GPS接收機(jī)的功耗用Wgps表示，平均功耗Wavg可以用下式表示W(wǎng)avg=(Wgps×Ton)/Tk具體地，如果假定啟動(dòng)時(shí)間Ton為60秒，GPS接收機(jī)的功耗Wgps為580毫瓦，則Wavg=(580mW×60s)/200s=174mW因此，對(duì)于每200秒的睡眠接收(待機(jī)后接收)方式，可以用174毫瓦的平均功耗實(shí)現(xiàn)高速位置測(cè)量。
應(yīng)該指出的是，如果提高上述的石英振蕩器的精度，則等待時(shí)間可以進(jìn)一步增加，并且當(dāng)與另一種由電源30正常供電的情況相比時(shí)，功耗可以降到很低。由于在此種情況下功耗可以降到很低，使用GPS的位置檢測(cè)和導(dǎo)航可以長(zhǎng)時(shí)間執(zhí)行。此外，可以減少GPS接收機(jī)的電池容量，并因此可以實(shí)現(xiàn)使裝置最小和減輕其重量。
盡管使用特定例子描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但是此描述僅出于說(shuō)明的目的，并且應(yīng)該理解的是，在不脫離所附權(quán)利要求的構(gòu)思和范圍的情況下，可以對(duì)其進(jìn)行各種修改和變化。
權(quán)利要求
1．一種GPS(全球定位系統(tǒng))接收機(jī)，包括接收裝置，用于接收GPS衛(wèi)星發(fā)送的時(shí)間信息；保持裝置，用于保持由接收裝置接收的時(shí)間信息；待機(jī)模式設(shè)置裝置，用于將接收裝置設(shè)置為待機(jī)模式；和啟動(dòng)條件設(shè)置裝置，用于在接收裝置由待機(jī)模式設(shè)置裝置設(shè)置為待機(jī)模式后，在預(yù)定時(shí)間過(guò)去后啟動(dòng)接收裝置。
2．如權(quán)利要求1所述的GPS接收機(jī)，其中所述待機(jī)模式設(shè)置裝置通過(guò)切斷電源將所述接收裝置設(shè)置為待機(jī)模式，以及所述啟動(dòng)條件設(shè)置裝置根據(jù)一定的時(shí)間間隔啟動(dòng)所述接收裝置，在該時(shí)間間隔內(nèi)保持在所述保持裝置中的時(shí)間信息可以保持預(yù)定的時(shí)間精度。
3．一種GPS接收機(jī)，包括天線，用于接收來(lái)自GPS衛(wèi)星的具有高精度頻率信號(hào)的信號(hào)；包括頻率振蕩器的GPS模塊，用于產(chǎn)生頻率，并且可操作地使用所述頻率振蕩器的頻率讀出位于所述GPS衛(wèi)星信號(hào)中與該信號(hào)同步的軌道信息，并使自己進(jìn)入待機(jī)模式；以及具有定時(shí)器功能的GPS控制模塊，用于在進(jìn)入待機(jī)模式之后，根據(jù)定時(shí)器功能使所述GPS模塊恢復(fù)激活模式。
4．如權(quán)利要求3所述的GPS接收機(jī)，進(jìn)一步包括存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)所述GPS衛(wèi)星信號(hào)的頻率信號(hào)和預(yù)定同步頻率之差作為偏差，并且其中當(dāng)所述GPS模塊由所述GPS控制模塊促使進(jìn)入激活模式時(shí)，所述GPS模塊更新存儲(chǔ)在所述存儲(chǔ)器中的偏差。
5．如權(quán)利要求3所述的GPS接收機(jī)，其中所述GPS模塊連續(xù)給所述GPS控制模塊發(fā)送表示時(shí)間間隔的設(shè)置信號(hào)，直至所述GPS模塊被啟動(dòng)為止；并且在所述GPS控制模塊收到來(lái)自所述GPS模塊的設(shè)置信號(hào)后，所述GPS控制模塊給所述GPS模塊發(fā)送待機(jī)信號(hào)。
6．一種用于GPS接收機(jī)的GPS接收方法，包括步驟從多個(gè)GPS衛(wèi)星中的每一個(gè)接收分層導(dǎo)航信息；將接收的導(dǎo)航信息存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器；在預(yù)定時(shí)間內(nèi)重復(fù)進(jìn)行所述GPS接收機(jī)的啟動(dòng)和待機(jī)操作，從所述GPS衛(wèi)星中更新存儲(chǔ)在所述存儲(chǔ)器中的導(dǎo)航信息，實(shí)現(xiàn)所述GPS接收機(jī)的位置測(cè)量；以及在所述GPS接收機(jī)用戶向所述GPS接收機(jī)供電之后，根據(jù)存儲(chǔ)在所述存儲(chǔ)器中的導(dǎo)航信息，馬上輸出所述GPS接收機(jī)的當(dāng)前位置，而無(wú)須執(zhí)行從GPS衛(wèi)星中的任何一個(gè)接收導(dǎo)航信息。
全文摘要
一種GPS(全球定位系統(tǒng))接收機(jī),可以在短時(shí)間內(nèi)完成位置測(cè)量而無(wú)須等待來(lái)自GPS衛(wèi)星的周期時(shí)間信息,同時(shí)降低GPS接收機(jī)的功耗。該GPS接收機(jī)包括:天線,用于接收來(lái)自GPS衛(wèi)星的具有高精度頻率信號(hào)的信號(hào);包含頻率振蕩器的GPS模塊,用于產(chǎn)生頻率,并且可操作地使用頻率振蕩器的頻率讀出位于GPS衛(wèi)星信號(hào)中與該信號(hào)同步的軌道信息并使自己進(jìn)入待機(jī)模式;和具有定時(shí)器功能的GPS控制模塊,用于在進(jìn)入待機(jī)模式后根據(jù)定時(shí)器功能使GPS模塊恢復(fù)激活模式。
文檔編號(hào)G08G1/0969GK1311568SQ01102899
公開(kāi)日2001年9月5日 申請(qǐng)日期2001年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月2日
發(fā)明者長(zhǎng)谷川浩二 申請(qǐng)人:索尼公司