(57)【要約】      （修正有）【解決手段】衛星無線位置特定受信機用疑似距離処理装置２０は、補助基準タイマ４０を刻時するために使用される補助クロック３８にアクセスすることができる。補助基準タイマ４０は、主クロックによって保持されているＧＰＳ時刻に関連して、追尾中に定期的に標本抽出される。処理装置は、相関器２５及び主クロック３７が作動していない低電力休眠モードの期間同士の間における間欠動作を可能にする。覚醒と同時に新しい標本が補助基準タイマ４０から取得され、この新しい標本が相関ピーク１２３ａ〜ｃの最もありそうな位置の推定を可能にする。【効果】高い即時再捕捉確率で、適切な符号位相ウィンドウ内でピークを直接に探索し始めることができる。【選択図】図３ｄ
2007155707.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一つ以上の無線位置特定衛星によって送られ且つ予め決められている測距符号系列によって変調されている信号を処理するための、無線位置特定受信機（１００）用信号処理装置（２０）であって、
この信号処理装置は主クロック信号（３７）にアクセスすることができ、
前記信号処理装置（２０）は、受信信号中における前記測距符号系列の存在を求めて入力信号を探索するためと、前記測距符号系列の相対位相を決定するためとの、捕捉及び追尾手段を具備しており、
前記信号処理装置（２０）は、前記受信機に利用可能な補助時刻基準信号（３８）に基づいて前記測距符号系列の位相のありそうな値を前記主クロック信号（３７）の中断後に決定する様に構成されている計算手段（２６）を含んでいる、信号処理装置（２０）。
【請求項２】
前記無線位置特定衛星によって送られる前記信号の前記測距符号系列に関連づけられている局部符号系列を発生させる様に構成されている一つ以上の符号発生器（２８）と、
前記局部符号系列を移相し、前記受信信号中で変調されている前記測距符号系列と比較して、前記移相された局部符号系列と前記受信信号との間の相関値を提供する様に構成されている、一つの相関エンジン（２５）と
を更に具備する、請求項１に記載の信号処理装置（２０）。
【請求項３】
前記捕捉及び追尾手段は、前記受信信号の高速フーリエ変換を行い、前記受信信号の前記高速フーリエ変換に従うことによって前記測距符号系列の相対位相を決定し、前記測距符号系列の前記相対位相を示す相関ピーク（１２１ａ〜１２１ｄ）を提供する様に、構成されており、
前記信号処理装置（２０）は、前記無線位置特定衛星によって送られる前記信号の前記測距符号系列に関連づけられている局部符号系列を発生させる様に構成されている一つ以上の符号発生器（２８）と、前記局部符号系列を移相し、前記受信信号中で変調されている前記測距符号系列と比較して、前記移相された局部符号系列同士の相関値を提供する様に構成されている、一つの相関エンジン（２５）とを、更に具備しており、
前記捕捉及び追尾手段は、前記受信信号の高速フーリエ変換を行う様に更に構成されており、
前記信号処理装置は、前記相関器によって提供される前記相関値からかまたは前記受信信号の前記高速フーリエ変換に従うことによって、前記測距符号系列の相対位相を決定する様に構成されている、請求項１に記載の信号処理装置（２０）。
【請求項４】
補助時刻信号（３８）から得られる補助基準タイマ（４０）を更に具備しており、
前記計算手段（２６）は、前記補助基準タイマ（４０）の時刻と前記主クロック信号（３７）から得られる基準タイマ（３９）の時刻とを標本抽出し、前記記録された標本値（１７０、１７５）の何れかに基づいて休眠期間（ｚ）後の前記疑似ランダム符号系列のありそうな位相を決定する様に、構成されている、請求項１に記載の信号処理装置（２０）。
【請求項５】
前記計算手段（２６）は、前記補助時刻基準信号（３８）の定義されている特徴と一致する前記補助基準タイマ（４０）と前記基準タイマ（３９）との少なくとも二つの離隔している標本（１７０）を記録し、前記基準タイマ（３９）を標本抽出する様に、プログラムされており、
前記補助基準タイマ（４０）及び前記基準タイマ（３９）は、同時に、または既知の時間遅延だけ離隔している二つの瞬間に、標本抽出される、請求項４に記載の信号処理装置（２０）。
【請求項６】
前記計算手段（２６）は、位置決定が確立される時の前記基準タイマ（３９）とＧＰＳ時刻との間の関係を計算し、前記基準タイマ（３９）と前記ＧＰＳ時刻との間の前記関係に従って前記補助基準タイマ（４０）を測定し、この補助基準タイマ（４０）の値に基づいて前記基準タイマ（３９）の動作の中断（ｚ）に続く前記基準タイマ（３９）と前記ＧＰＳ時刻との間の関係を再計算する様に、構成されている、請求項１に記載の信号処理装置（２０）。
【請求項７】
前記計算手段（２６）は、前記測距符号系列の前記相対位相を示す相関ピーク（１２１ａ〜１２１ｄ）を提供し、前記主クロック信号（３７）の中断前における前記記録されているパルス時刻（１７０、１７５）と前記記録されている相関ピーク時刻（１２２ａ〜１２２ｃ）とに基づいて前記主クロック信号（３７）または前記基準タイマ（３９）の中断後における前記相関ピークの位置を決定する様に、構成されている、請求項１に記載の信号処理装置（２０）。
【請求項８】
電力消費を制限するために、前記相関エンジン（２５）及び／または前記処理装置（２６）及び／または前記主クロック（３７）が一時的にスイッチを切られるかまたは低減機能状態にされることができる低電力状態を有する、請求項１に記載の信号処理装置（２０）。
【請求項９】
休眠期間（ｚ）の後の衛星無線位置特定受信機（１００）中における衛星信号の再捕捉方法であって、
ａ）前記受信機（１００）に利用可能な補助時刻基準信号（３８）に基づいて、前記休眠期間（ｚ）の前に捕捉された各々の前記衛星毎に、相関ピークの最も確からしい位置（１２３ａ〜１２３ｄ）を決定する段階と、
ｂ）前記最も確からしい位置（１２３ａ〜１２３ｄ）の周りの位相ウィンドウ内で前記衛星の前記相関ピークを探索する段階と
を具備する方法。
【請求項１０】
前記段階（ａ）が、
前記休眠期間（ｚ）の前に、基準タイマ（３９）に関連して、前記受信機に利用可能な補助基準タイマ（４０）を標本抽出する段階と、
前記補助基準タイマ（４０）及び前記基準タイマ（３９）の離隔している標本（１７０）と前記相関ピーク（１７０）の相対位相とを記録する段階と、
前記休眠期間（ｚ）の後に前記補助基準タイマ（４０）及び前記基準タイマ（３９）の更なる標本（１７５）を得る段階と、
前記休眠期間（ｚ）の前に捕捉された各々の前記衛星毎に、前記相関ピークの最も確からしい位置（１２３ａ〜１２３ｄ）を決定する段階と
を含む請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記段階（ａ）が、
前記休眠期間（ｚ）の前に、基準タイマ（３９）に関連して、前記受信機に利用可能な補助基準タイマ（４０）を標本抽出する段階と、
前記補助時刻基準（４０）及び前記基準タイマ（３９）の離隔している標本（１７０）と前記相関ピーク（１７０）の相対位相とを記録する段階と、
各測定組において前記基準タイマ（３９）とＧＰＳ時刻との間の関係を計算し、前記測定組用の共通の時刻基準を確立するためにこの値を使用する段階と、
前記休眠期間（ｚ）の後に前記補助基準タイマ（４０）及び前記基準タイマ（３９）の更なる標本（１７５）を得る段階と、
前記休眠期間（ｚ）の前に捕捉された各々の前記衛星毎に、前記相関ピークの最も確からしい位置（１２３ａ〜１２３ｄ）を決定する段階と
を更に含む請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、衛星無線位置特定装置、例えば一群の衛星から受信される信号によって正確な時刻と地理的な位置とを決定するための装置、に関するものである。もっと詳細に述べると、本発明は、受信機のうちの選択されたサブシステムのスイッチを切ることによって電力消費を低減させることのできる衛星無線位置特定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＧＰＳ（全地球測位システム）、ＧＬＯＮＡＳＳまたはＧａｌｉｌｅｏの様な衛星無線位置特定システムは、一群の周回衛星から放送される無線信号の受信に依存しており、受信機からその受信された衛星の各々までの間隔つまり距離を決定するためにこれらの信号中に含まれている情報を使用している。衛星の軌道が知られているので、絶対時刻とＧＰＳ受信機の位置とを幾何学的に決定することができる。
【０００３】
本発明の文脈中では、『受信機』という用語や『ＧＰＳ受信機』という用語は、完全な自己充足的な受信機装置だけでなく、複合物中に含まれているモジュール、例えば携帯電話、自動車警報装置、ＰＤＡ（携帯情報端末）等の中のＧＰＳモジュール、を意味することもある。上記の用語は、適切なバス、例えばＧＰＳ  ＰＣ−カード、によってホスト装置と接続されることがある差し込み可能モジュールを指すこともある。
【０００４】
『受信機』という用語や『ＧＰＳ受信機』という用語は、本発明の文脈中では、上記に定義されている様な完全なＧＰＳ受信機または完全なＧＰＳモジュールを実現する様に構成されている一つ以上の集積回路をも含むと理解されるべきである。
【０００５】
以下の説明は、大部分はＧＰＳ全地球測位システムに関連している。しかし、本発明は、この特定のシステムに限定されず、同じ原理に基づく無線位置特定システム、例えばＧＬＯＮＡＳＳシステムまたはＧＡＬＩＬＥＯシステム、用の受信機中で用いることもできる。
【０００６】
衛星無線位置特定装置の一般的な機能は、周知であり、以下の説明中では簡潔に要約される。本出願人の名義の特許出願ＥＰ１１９８０６８及び特許出願ＷＯ０５００３８０７が参照され、これらの出願がこの参照によって本明細書中に組み込まれている。
【特許文献１】欧州特許出願第１１９８０６８号明細書
【特許文献２】国際特許出願ＷＯ０５００３８０７号明細書
【０００７】
ＧＰＳ無線位置特定システムの場合には、『Ｌ１』周波数及び『Ｌ２』周波数と呼ばれており夫々１５７２．４２ＭＨｚ及び１２２７．６０ＭＨｚである二つの搬送波周波数で構成されているマイクロ波無線信号を、可動ＧＰＳ衛星の各々が送信する。Ｌ１搬送波及びＬ２搬送波は、Ｃ／Ａコード（粗捕捉符号）及びＰコード（精密符号）と呼ばれている二つのデジタル測距符号系列によって変調されている。現在のところ、商用ＧＰＳ受信機によって使用されている粗捕捉符号はＬ１周波数及びＬ２周波数中で変調されているが、精密符号の使用は主に米国政府及び米国軍に限定されている。各ＧＰＳ衛星毎に一意である粗捕捉符号は、遷移速度が１．０２３ＭＨｚである１０２３ビットつまり１０２３『チップ』の繰り返しを含む疑似ランダムＧｏｌｄ符号である。従って、粗捕捉符号は１ミリ秒毎に自分自身を繰り返している。測距符号系列は、共通の正確な時刻基準、つまり各衛星の基板上の正確なクロックによって保持されている『ＧＰＳ時刻』、に同期されており、主クロックに同期されている。
【０００８】
その他の無線位置特定システム、例えば提案されているＧａｌｉｌｅｏシステムも、絶対時刻の共通標準に同期されている測距符号に基づく類似のまたは同等の信号構造を用いている。ＧＰＳシステムとその他の無線位置特定衛星システムとに本発明が適用される場合には、ＧＰＳシステムの絶対時刻標準とその他の無線位置特定衛星システムの時刻標準との両方を意味するために、『ＧＰＳ時刻』という用語が以下において使用されている。
【０００９】
Ｌ１搬送波とＬ２搬送波との両方は、５０ｂｐｓの航法メッセージつまりＮＡＶ符号によっても変調されている。この航法メッセージは、他の情報と共に、時刻の関数としてのＧＰＳ衛星の座標と、クロック修正値と、大気データとを含んでいる。
【００１０】
これらの符号を捕捉して位置決定を行うために、ＧＰＳ受信機は、受信された各衛星毎に、受信された衛星のドップラー偏移を考慮に入れて、１．０２３ＭＨｚに近い周波数で作動している局部数値制御発振器に調節されている粗捕捉符号の局部複製を発生させる。次に、この符号は、受信機の相関エンジン中で、局部符号が衛星の符号と同期していることを示す相関値のピークが得られるまで、時間偏移されて受信信号と相関される。最適相関を達成するのに必要な時間偏移の量つまり疑似距離が、衛星とＧＰＳ受信機との間の間隔の表示である。ＧＰＳの内部クロックは、通常はＧＰＳ衛星のクロックに関する大きな誤差によって影響を受ける。この誤差を解決するためには、ＧＰＳ受信機は少なくとも四つの衛星を捕捉して三つの空間座標ｘ、ｙ、ｚと時刻ｔとを含む位置決定を与えなければならない。
【００１１】
更に、ＧＰＳ信号の搬送波周波数は、未知のドップラー偏移によって公称周波数から偏移されている。ＧＰＳ信号の捕捉は、三次元パラメータ空間の軸が衛星の識別つまり疑似ランダムＧｏｌｄ符号の周波数偏移と時間偏移とに対応しているこの三次元パラメータ空間内における相関ピークを探索することを伴う本来的に時間のかかる過程である。特定の衛星に向けられる各探索毎に、ピークが見つかるまで、考えられる総ての符号位相と考えられる総ての周波数とが相関回路中で試みられなければならないかもしれない。この探索過程は、先行情報を利用できないときに特に長くて、最悪の場合には数秒に達することがある。ピークが見つかると、追尾段階中は、システムはその動きを追跡しさえすればよく、これを行うための困難または遅延は通常はもっと少ない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
この長い捕捉時間はＧＰＳの多くの応用における制限因子である。詳細に述べると、例えば、短期間しかＧＰＳ受信機を供給しないことが望ましい、携帯通信ネットワーク等における位置サービスの様な幾つかの低速、低電力応用ではそうである。
【００１３】
詳細に述べると、殆どの応用は中程度の速度の位置決定しか要求しない。自動車のナビゲーションシステムでは、１秒当たり１回の位置決定から５秒毎に１回の位置決定までの速度が標準であると考えられている。もっと低速の応用、例えば歩行者の追尾では、位置決定は時間的にもっと長い間隔、例えば１分当たり１回でもよい。従って、位置決定同士の合間に受信機の選択された部分のスイッチを切ることによって、受信機の電力消費を更に低減させることが可能である。しかし、間欠モードで作動するためには、その都度相関ピークの完全探索を行うことなく、先行の位置決定で追尾されていた衛星を受信機が直ちに再捕捉できなければならない。このため、受信機の幾つかの要素、例えば主クロックと相関エンジンは、間欠モードでスイッチを切られない。
【００１４】
上述の制限を克服する無線位置特定システム用の受信機を提供することが本発明の目的であり、更に、選択された構成部分のスイッチを間欠的に切ることによって低消費電力を呈する無線位置特定システム用の受信機を提供することが本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明によると、独立請求項１中に記載されている様に、主クロック信号の中断後における衛星信号の直接再捕捉能力を有する衛星無線位置特定受信機中で信号を処理するための信号処理装置によって、これらの目的が達成される。
【００１６】
本発明は、更に、独立型装置としてかまたはＰＤＡや携帯電話の様なホストシステムにインタフェースされる組合せ型装置としてのその様な信号処理装置を含む完全な衛星無線位置特定受信機を含んでいる。
【００１７】
更に、本発明は、対応する独立方法請求項中に記載されている特徴有しており主クロック信号の中断後における衛星無線位置特定受信機中での衛星信号の再捕捉のための方法と、この方法を実行するためのコンピュータプログラムとを含んでいる。
【００１８】
本発明は、実施例として与えられており且つ図面によって図解されている実施形態の記載の助けによって一層十分に理解される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１によると、本発明の無線位置特定装置１００は無線周波数モジュール７０を含んでおり、その機能は、本明細書では詳細には述べないが、アンテナ７２によって無線位置特定衛星から受信される信号を処理することである。無線周波数回路は、単一または複数の変換ヘテロダイン無線受信機を含んでおり、その出力７５に中間周波数信号、例えば４．０９２ＭＨｚの低−中間周波数信号か、その代わりにデジタル基底帯域信号を、提供する。
【００２０】
受信された衛星群の変調体系によって、出力７５はその信号の幾つかの角度成分を含む。ＧＰＳの場合には、例えば、９０°だけ偏移されている二つの成分が、必要であって、従来からＩ（同相）成分及びＱ（直角位相）成分と呼ばれている。その他の変調体系、例えばＧＡＬＩＬＥＯシステム用に提案されている変調は、二よりも多い角度成分を必要とする。
【００２１】
無線周波数モジュール７０は、無線位置特定装置１００のために安定な時刻基準、例えば３２．７３４ＭＨｚの時刻基準を提供する主時刻基準発生器３６に接続されている。時刻基準発生器３６はＧＰＳ信号の捕捉及び追尾を可能にするために比較的正確で且つ安定していなければならず、この時刻基準発生器３６は通常は高品質な温度補償された水晶発振器つまりＴＣＸＯを含んでいる。
【００２２】
無線周波数モジュール７０の出力７５は疑似距離エンジン２０とも呼ばれている信号処理装置２０へ送り込まれ、この信号処理装置２０は今度は無線周波数回路７０へ制御命令７６を供給する。疑似距離エンジン２０の機能は、受信された各衛星毎に、受信信号に正確に時刻合わせされている変調符号（商用ＧＰＳ受信機の場合には粗捕捉符号）の局部複製を発生させることによって、衛星から受信された信号を復元することである。疑似距離エンジン２０によって発生された符号偏移つまり疑似距離７７は航法エンジン６０へ送られ、この航法エンジン６０は位置決定座標及び時間座標ｘ、ｙ、ｚ、ｔを計算する。航法エンジンは適切な探索命令７８によって疑似距離エンジン２０の操縦も行う。位置決定は通常は反復カルマンフィルタによって得られ、満足な解が見つかるまで航法エンジンは幾つかの符号期間を通して疑似距離データ７７を追跡する必要があるかもしれない。
【００２３】
疑似距離エンジン２０及び無線周波数モジュール７０は、二つの別個の集積回路としてまたは単一の共通の集積回路として実現されていることが好ましい。
【００２４】
本発明の好ましい変形では、航法エンジン６０はホストシステム９０の一部であり、このホストシステム９０は応用航法ソフトウェア８０及び使用者との相互作用のための適切な周辺機器８５をも含んでいる。本発明の無線位置特定装置１００は、この場合、例えば、携帯電話、ＰＤＡ、ゲーム機、パーソナルコンピュータまたはその他の任意の適切なホスト装置用の拡張カードまたは拡張モジュールの形態での、ホストシステムの拡張である。しかし、本発明は、航法エンジン、応用ソフトウェア及び周辺機器並びに無線周波数モジュール及び疑似距離エンジンを組み入れている独立型装置をも含んでいる。
【００２５】
図２に関連して、本発明による疑似距離エンジン２０がもっと詳細に説明されている。この疑似距離エンジン２０は、無線周波数回路７０とデジタル処理装置２６例えばＤＳＰ処理装置とから中間周波数信号または基底帯域信号７５を受け取る相関器２５の配列を含む相関エンジンを含んでいる。構成がここでは指定されていないメモリ９０が、データ及び命令を記録するために使用されている。
【００２６】
本発明の一つの形態によると、各々の相関器２５は、局部搬送波発生器と、示されてはいないが、中間周波数信号を更に変換して二成分基底帯域信号を発生させるための周波数変換段とを含んでいる。
【００２７】
各々の相関器は、特定のＧＰＳ衛星に対応する粗捕捉符号の局部複製を提供するための少なくとも一つの局部Ｇｏｌｄ疑似ランダム符号源２８をも含んでいる。この符号源２８は、例えばタップ付きシフトレジスタによってＧｏｌｄ疑似ランダム符号を内部的に発生させることができるか、または、等価的に、予め読み込まれている表からもしくはその他の任意の技術によってＧｏｌｄ疑似ランダム符号をフェッチすることができる。本発明の変形によると、この疑似ランダム符号源は、特定のＧＰＳ衛星に対応する粗捕捉符号から得られる符号、例えば粗捕捉符号のフーリエ変換、を発生させる。
【００２８】
この符号源２８は、時刻基準信号３７に接続されている約１．０２３ＭＨｚの独立数値制御粗捕捉クロックを含んでいる。局部搬送波の正確な周波数及び局部粗捕捉符号の正確な周波数は、衛星信号についてのドップラー偏移と局部発振器のドリフト及びバイアスとを補償するために、処理装置２６によってまたは航法エンジン６０の命令を受けて調節されている。到来中間周波数信号は、局部搬送波の同相（Ｉ）成分及び直角位相（Ｑ）成分と複製粗捕捉符号の二つの時間偏移版とで乗算される。これらの演算の結果は、処理装置２６及び航法エンジン６０に理解し易い積分相関値を発生させるために、積分器２７中で、プログラム可能期間の間、積分される。 
【００２９】
本発明の考えられる変形では、即時相関値に加えて、例えばＧＰＳ信号を局部複製符号の１／２チップ遅延版及び１／２先進版と乗算することによって得られる遅行相関値及び先行相関値を、捕捉された各衛星毎に発生させる様に相関器２５をプログラムすることもできる。これらの遅行相関値及び先行相関値は、相関ピークの形状を決定するためと、追尾アルゴリズムにおいて相関ピークの位置を追跡するためとに、用いられる。
【００３０】
別の変形によると、符号源２８には固定の間隔またはプログラム可能な間隔で複数のタップがあり、従って相関器は符号位相中のかなりの相関範囲、例えば±１５マイクロ秒の時間的期間に対応する±１５符号チップの範囲を並列的に処理することができる。任意の長さであって必要に応じて１チップ、１／２チップ、１／４チップ等の段階を有する相関プロファイルをシステムが提供できる様に、相関ウィンドウの幅及び細分性はプログラム可能であることが好ましい。
【００３１】
上記の疑似距離エンジンの説明は、相関器付きの古典的な構成に当てはまる。しかし、これが考えられる唯一のアプローチではなく、その他の型のＧＰＳ受信機、例えば高速フーリエ変換アプローチに基づくＧＰＳ受信機にも本発明は適用可能である。この場合、相関ピークの位置及び形状は、受信信号の高速フーリエ変換を処理することによって決定される。Ｇｏｌｄ疑似ランダム符号との相関は、上述の様な時間領域かまたは周波数領域かの何れかにおいて実行される。後者の場合には、特定の衛星用のＧｏｌｄ符号系列のフーリエ変換を直接に供給する様に、符号源２８が構成されていてよい。
【００３２】
本発明の考えられる変形では、上述の二つのアプローチつまり相関器系の構成と高速フーリエ変換系の構成とを結合することができる。例えば、強い信号を呈して容易に捕捉することのできる衛星については、最初の捕捉を相関器系の捕捉エンジンで実行することができ、その後にもっと弱い信号の更なる捕捉を高速フーリエ変換系の処理システムによって行うことができる。
【００３３】
本発明の考えられる別の変形では、高速フーリエ変換系の処理システムによって衛星を捕捉することができる。しかし、十分な数の衛星が識別され且つ相対的な相関ピークの位相位置が知られていれば、エネルギーと計算資源とを節約するためにこれらの衛星の追尾は時間領域において相関器のバンク中で続けられる。
【００３４】
主時刻基準信号３７に加えて、疑似距離エンジン２０は補助時刻基準３８にもアクセスすることができる。本発明の好ましい変形では、この補助時刻基準３８は疑似距離エンジン内の低電力実時間クロックによって得られる。この実時間クロックは、低電力発振器、例えば３２ｋＨｚの発振器と、この低電力発振器の発振を計数する計時レジスタとを含んでいる。補助時刻基準には高い精度も安定性も必要ない。
【００３５】
補助時刻基準３８は、僅かな電流しか伴わない様にされており、且つ本発明の無線位置特定装置の他の部分がスイッチを切られるかまたは低電力モードにされている間ずっと流れ続けることができることが、好ましい。この補助時刻基準信号は、主ＧＰＳクロックのスイッチが切られても作動していて計数していることができる補助基準タイマ４０中で、累算される。しかし、必要なときにのみ、例えば主クロックの中断中とその直前とにのみ、補助時刻基準のスイッチを入れることが可能であってよい。
【００３６】
本発明の別の変形では、補助時刻基準は、疑似距離エンジン２０の外部にあってよく、独立型モジュールまたは無線周波数回路７０もしくはホストシステム９０の要素であってよい。考えられるその他の変形では、無線位置特定装置にとって連続的に利用可能な外部の時刻信号または外部の周波数基準に、補助時刻基準が依存してよい。例えば、補助時刻基準はホストシステム９０のクロック信号、例えばＰＣクロックであってよく、もしＧＰＳ装置が携帯電話の一部であれば、この補助時刻基準は携帯電話網のフレーム同期信号から得られてよい。
【００３７】
本発明の補助時刻基準の目的及び使用を、図３ａ〜３ｅに関連して説明する。
【００３８】
図３ａは、基準クロック３７とも呼ばれる主ＧＰＳクロック信号３７と、補助基準タイマ４０中で計数される遅行補助時刻基準３８とを表している。信号３９は、主ＧＰＳクロック３７から得られてＧＰＳ時刻を測定するために使用される基準タイマである。この基準タイマは、一般に二つの構成部分、つまり、符号期間を計数するＥｐｏｃｈカウンタと符号期間中へのオフセットを測定する周期カウンタとを含んでおり、衛星または受信機の如何なる動きもない場合には、主ＧＰＳクロックの安定性及び精度に起因する変動が殆どないことを条件として、受信された衛星の相関ピークは常に基準タイマ３９の同じ符号位相で生じる。実際の動作状態では、相関ピークの符号位相は、受信機に対する衛星の動きに従って変動する。
【００３９】
図３ａは、ある時間（区画ｂ及び区画ｃ）にＧＰＳ信号を追尾し且つ一つ以上の位置決定を得た後に、主ＧＰＳクロック３７と基準タイマ３９とが作動していない低電力休眠状態に無線位置特定受信機がされている（区画ｚ）、状況を示している。覚醒時（区画ｄ及び区画ｅ）には、ＧＰＳクロック３７及び基準タイマ３９は、休眠状態の前のそれらの状態とは何の関係もなく、覚醒と同時にリセットさえされるかもしれない。一方、補助時刻信号３８及び補助基準タイマ４０は、図３ａ中に示されており休眠期間（ｚ）の前後の幾らかの時間に亙る全時間の間で、作動している。
【００４０】
図３ｂは、図３ａの区画（ｂ）のことを指しており、無線位置特定装置の追尾動作を概略的に示している。ここでは、この装置が首尾よく少なくとも四つの衛星を捕捉し且つ対応する相関ピーク１２１ａ〜１２１ｄの相対位相を識別したと仮定されている。次に、疑似距離エンジンがそれらのピークを追尾して有効なデータを航法エンジンに提供し、位置決定解に収束するためのデータが達成されるまで、今度は航法エンジンが疑似距離エンジンに探索命令７８を発する。疑似距離エンジンが何れかの衛星のピークを検出すれば、その衛星用に航法エンジンから来る探索命令は無視され、その代わりに、疑似距離エンジンはこれらのピークに対する追尾モードに自律的に入る。
【００４１】
この状況では、基準タイマ３９とＧＰＳ時刻との関係はシステムに知られており、受信機に関する衛星の相対速度の実際の値から、相関ピーク１２２ａ〜１２２ｄの予想される将来の位置を、システムは予測することができる。同時に、捕捉された各衛星についての将来のドップラー偏移及び搬送周波数も、システムは予測することができる。
【００４２】
図３ａの区画（ｃ）のことを指している図３ｃによると、主ＧＰＳクロック３７が作動している間、無線位置特定装置は補助基準タイマ４０の標本抽出を行う。この動作では、補助時刻基準の前縁が標本抽出され１７０、その時に、ＧＰＳクロック３７の精度で、例えば３２．７３４ＭＨｚの基準クロックで、従って３０ナノ秒の不確実性で、補助基準タイマ４０の値が記憶される。標本抽出１７０は基準タイマ３９の値も含む。補助基準タイマ４０の値と基準タイマ３９の値とが、同じ瞬間か、または既知の時間オフセット、例えば固定の時間オフセット、だけ離れている異なる瞬間に、取得される。
【００４３】
提示されている実施例では、矩形補助時刻信号３８の前縁で標本抽出１７０が行われている。しかし、同等な方法で、補助時刻信号３８のその他の特徴、例えば矩形信号の場合には後縁や、または一般的な形状の信号の場合には補助時刻信号３８の定義されているその他の任意の特徴を、システムは標本抽出することができる。
【００４４】
補助基準タイマ４０及び基準タイマ３９の少なくとも二つの離隔している標本をシステムが記憶することが好ましい。簡単な実現では、システムは、覚醒状態では、定期的につまり毎秒または数秒毎に補助基準タイマ４０及び基準タイマ３９の標本を記録して、最後の二つの標本対を記録しておく。しかし、その他の体系も可能である。
【００４５】
図３ａの区画（ｄ）で、主ＧＰＳクロック３７と基準タイマ３９とが休眠期間（ｚ）後に再開されている。主ＧＰＳクロック３７の位相と基準タイマ３９の値とは、中断前のそれらの状態とは何の関係もなくてよい。この時点では、相関ピーク１２２ａ〜１２２ｄの位置を、相関器は予測することができない。図３ｄによると、補助基準タイマ４０と基準タイマ３９との新しい標本抽出１７５を、システムが実行する。一般に、定期的なＧＰＳ同期事象によって、例えば１ミリ秒毎に、標本抽出１７５が引き起こされる。
【００４６】
一つの変形では、ＧＰＳシステムは休眠期間（ｚ）中に一時的に無効にされてよいが、主ＧＰＳクロックは例えばシステム中のどこかほかで使用されているので作動させ続ける。この場合、正確な基準タイマ３９はＧＰＳ時刻との既知の関係を喪失している。
【００４７】
もしＧＰＳ基準クロックが連続的に作動しており且つＧＰＳシステムが有効なままであれば、基準タイマ３９が何であったのかを計算するために、従って相関ピークの最後の成功した追尾と新しい基準タイマ状態とに関する相関器の符号位相における変化を計算するために、本発明の無線位置特定装置は、中断（ｚ）の前に取得された補助基準タイマ４０と基準タイマ３９との二つの標本対１７０を、新しい測定値１７５と共に使用することができる。
【００４８】
中断（ｚ）の前後の標本対中に取得されている補助時刻基準４０の値及び基準タイマ３９の値が、基準タイマ３９と基準タイマ３９の動作の中断（ｚ）に続くＧＰＳ時刻との関係を再計算することを可能にする。
【００４９】
補助基準タイマ４０と基準タイマ３９とを標本抽出する時には、殆ど同時に相関ピークの位相を標本抽出すればこれらの相関ピークの再開後の予想される位置１２３ａ〜１２３ｄの推定が簡単になるので、上述の殆ど同時の標本抽出が有利である。
【００５０】
本発明によると、システムは補助基準タイマ４０及び基準タイマ３９と共に他の量も標本抽出することができ、例えば搬送波と符号ドップラー偏移とを標本抽出時点で標本抽出して休眠期間（ｚ）後にありそうな搬送波及び符号ドップラーを予測するためにその後に使用することができる。この様にして、休眠期間（ｚ）後の衛星の相関ピークの探索が更に改善されている。
【００５１】
図３ｅ中に図解されている様に、本発明の無線位置特定装置は、休眠期間（ｚ）前に衛星が最後に追尾された時の以前の値と、これらの以前の値が変化していた速度と、補助基準タイマ４０及び基準タイマ３９の測定された標本とに基づいて、休眠期間（ｚ）前に追尾された各衛星毎に、最もありそうなピーク位置１２３ａ〜１２３ｄと搬送波及び符号のドップラー周波数パラメータとを推定することができる。従って、予測されるピーク位置の周囲のウィンドウ中における相関ピークを、衛星の信号を迅速に検出する高い確率で、処理装置２６が直ちに探索することができる。
【００５２】
補助基準タイマ４０及び基準タイマ３９の標本抽出１７０、１７５と、相関ピーク（１２３ａ〜１２３ｄ）の位相のその後の推定とは、疑似距離エンジン２０の内部の処理装置２６によって行われることが好ましい。
【００５３】
好都合なことに、ピーク位置の最後に知られた変化速度が期間（ｚ）中殆ど一定であると仮定すれば、中断前のピーク位置の簡単な線形外挿法によって、予測されるピーク位置１２３ａ〜１２３ｄを得ることができる。この様にして、疑似距離エンジンは、統計的に、航法エンジンが新しい探索パラメータを提供する前に多くの衛星を迅速且つ自律的に再捕捉することができ、従って探索時に必要なかなりの電力及び時間を節約することができる。しかし、その他の構成、例えばピーク１２３ａ〜１２３ｄの位置の推定がホストシステム９０の外部のソフトウェアモジュール中で行われる構成、が可能である。この場合、予測アルゴリズムを遥かに精巧にすることができる。
【００５４】
性能を更に改善するために、システムが節電モードに入る前に、予想される符号位相と符号及び搬送波のドップラー偏移とをホストシステム９０が予測してよい。この場合、迅速な検出の確率を高めるために、例えば、使用者の現在の動き及びその他のパラメータをもホストシステムが考慮してよい。
【００５５】
補償されていない低電力水晶発振器が使用される場合には、補助時刻信号３８における変動と補助時刻基準４０における対応誤差とは温度ドリフトが支配的である。しかし、電源初期投入期間に続く可動ＧＰＳ回路内では、温度勾配は通常は非常に低い。従って、短期間の温度変化を無視して、予測される相関ウィンドウ１２３ａ〜１２３ｄに対して十分な分解能を今まで通り維持することが、可能である。
【００５６】
必要であれば、補助時刻基準クロックが、オフセット及びドリフトに備えて、正確なＧＰＳ時刻に基づいて自動的に修正されてよい。例えば、もし補助基準信号が他の装置によって、例えばＰＣ内で、共有されていれば、このことは有用であるかもしれない。
【００５７】
ドップラー偏移及び相関ウィンドウ１２３ａ〜１２３ｄの変化速度も、一般の応用にとっては、主に衛星の動きに由来する。また一方、衛星の相対速度が数分間ではおそらく根本的には変化しないであろうことを、軌道の規則性が確実にしている。従って、相関器が再開される時には、十分な数の衛星が迅速に再捕捉されるという高い確率がある。
【００５８】
一例として、システムが、追尾中に３０ナノ秒の時間不確実性で５秒毎に補助基準タイマ４０と基準タイマ３９とを標本抽出すると仮定する。そして、５秒間隔には３０＋３０ナノ秒＝６０ナノ秒の誤差のあることが分かる。
【００５９】
今、ＧＰＳクロックと相関器とが５分間スイッチを切られ、次に別の位置決定を計算するために覚醒する、と仮定する。３０ナノ秒の誤差のある別の標本対が補助基準タイマ４０と基準タイマ３９とについて取得され、測定された経過時間に基づく線形外挿法によって相関ウィンドウ１２３ａ〜１２３ｄが再計算される。補助時刻基準自体の周波数ドリフトを無視すれば、誤差は６０＊６０ナノ秒＝３．６マイクロ秒である。
【００６０】
従って、±１５マイクロ秒の相関ウィンドウが与えられれば、航法エンジンの命令の前に相関器２５が衛星を検出することを殆ど保証するのに十分な正確さで、相関ピークの位相を予測することができる。この場合には、歩行者の追尾では貴重な節電を示す１〜２％程度の使用率の間欠動作を達成することができる。
【００６１】
更に、ＧＰＳ衛星の信号が再捕捉され且つ位置決定が利用可能になれば、基準タイマ３９とＧＰＳ時刻との関係が再記憶される。システムは予測されたピーク位置１２３ａ〜１２３ｄと相関ピークの実際の位相オフセットとの間の誤差を得ることができ、二つの発振器の相対周波数の計算を更に修正するためと、間欠動作のもっと長い期間に亙る推定の精度を改善するためとに、この誤差を使用することができる。
【００６２】
信号処理装置２０は、例えば周期的なオンオフサイクルに従ってまたは別の方法で、繰返しの節電モードの期間つまり休眠期間（ｚ）に会うことができる。その様な場合には、上述の様に、節電モードの各期間後に、節電モードの期間の前に取得された補助基準タイマ４０及び基準タイマ３９の一対の標本と節電モードの期間の後に取得された補助基準タイマ４０及び基準タイマ３９の一対の標本とを使用することによって、本発明の方法を繰り返すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】衛星無線位置特定装置の構造の概略図である。
【図２】本発明による無線位置特定装置の疑似距離エンジンの構造の概略図である。
【図３ａ】本発明による無線位置特定装置のタイミング信号の時間図である。
【図３ｂ】本発明の無線位置特定装置の追尾段階に関連する時間図である。
【図３ｃ】本発明の無線位置特定装置の補助時刻基準の標本抽出の線図である。
【図３ｄ】本発明の無線位置特定装置の補助時刻基準の標本抽出の線図である。
【図３ｅ】本発明の無線位置特定装置の再捕捉段階に関連する時間図である。
【図１】
2007155707.tif 000003
【図２】
2007155707.tif 000004
【図３ａ】
2007155707.tif 000005
【図３ｂ】
2007155707.tif 000006
【図３ｃ】
2007155707.tif 000007
【図３ｄ】
2007155707.tif 000008
【図３ｅ】
2007155707.tif 000009
【外国語明細書】
1  Title of Invention
Radiolocalization Receiver and Signal Processor
2  Detailed Description of Invention
Field of the invention
The current invention relates to satellite radiolocalization
devices, for example devices for determining exact time and geographic location
by the signals received from a constellation of satellites. More in particular
the present invention relates to a satellite radiolocalization device in which
the power consumption can be reduced by switching off selected sub-systems of
the receiver.
Description of related art
Satellite radiolocalization systems such as GPS (Global
Positioning System), GLONASS or Galileo rely on the reception of radio signals
broadcast from a number of orbiting satellite and use the information contained
in these signals to determine the distances, or ranges, from the receiver to
each of the received satellites. The orbits of the satellites being known,
absolute time and the location of the GPS receiver can then be determined
geometrically.
In the context of the present invention the terms "receiver"
and "GPS receiver" can designate a complete self-contained receiver
device, but also a module, included in a complex entity, for example a GPS
module in a cellular phone, a car alarm, a PDA (Portable Digital Assistant) and
so forth. The terms above may also indicate a pluggable module, which may be
connected with a hosting device by means of an appropriate bus, for example a
GPS PC-card.
The terms "receiver" and "GPS receiver" should
also be understood, in the context of the present invention, as including one
of more integrated circuits, arranged to realize a complete GPS receiver or a
complete GPS module, as defined above.
The following description relates mostly to the GPS Global Positioning
System. The invention is not however limited to this particular system but can
also be employed in receivers for radiolocalization systems based on the same
principles, for example the GLONASS system or the GALILEO system.
The general functioning of a satellite radiolocalization devices
are well known and will be resumed briefly in the description. Reference is
made to patent applications EP 1198068 and WO05003807 in the name of the
applicant, which are hereby incorporated by reference.
In the case of GPS radiolocalization system, each of the
operational GPS satellites transmits a microwave radio signal composed of two
carrier frequencies, referenced as "L1" and "L2"
frequencies and situated at 1572.42 MHz and 1227.60 MHz respectively. The L1 and
L2 carriers are modulated by two digital ranging code sequences, called the C/A
code and the P code. Presently the C/A code, which is used by commercial GPS
receiver, is modulated in the L1 and in the L2 frequency, while the P code,
whose usage is mostly restricted to the US government and military. The C/A
codes, which are unique for each GPS satellite, are pseudo-random Gold codes
comprising a repetition of a 1023 bits, or "chips", with a transition
rate of 1.023 MHz. The C/A code thus repeats itself every millisecond. The
ranging code sequences are synchronized to a common precise time reference, the
"GPS time" which is held by precise clocks on board of each satellite,
and which are synchronized to a master clock.
Other radiolocalization systems, for example the proposed Galileo
system, also employ similar or equivalent signal structures, based on ranging
codes synchronized to a common standard of absolute time. The term "GPS
time" is used in the following to designate both the absolute time
standard of the GPS system and the time standard of other radiolocalization
satellite systems, when the invention is applied to such systems.
Both L1 and L2 carriers are also modulated by a 50 bps navigation
message, the NAV code. The navigation message contains, along with other
information, the coordinates of the GPS satellites as a function of time, clock
corrections, and atmospheric data.
In order to acquire these codes and perform a position fix a GPS
receiver generates, for each received satellite, a local replica of the C/A
code, adjusted to a local NCO running at a frequency close to 1.023 MHz, taking
into account the Doppler shift of the received satellite. The code is then
time-shifted and correlated with the received signal in a correlation engine of
the receiver, until a peak of correlation value is obtained, indicating that
the local code is synchronized with the code of the satellite. The amount of
time-shift needed to achieve optimal correlation, or pseudo-range, is an
indication of the distance between the satellite and the GPS receiver. The
internal clock of the GPS is usually affected by a large error with respect to
the GPS satellite clocks. In order to resolve this error a GPS receiver must
acquire at least four satellites to provide a position fix comprising the three
space coordinates x, y, z and time t.
The carrier frequencies of GPS signals are, in addition, shifted
from the nominal frequency by an unknown Doppler shift. The acquisition of GPS
signals is an inherently time consuming process which involves searching for a
correlation peak in a three-dimensional parameter space, whose axes correspond
to the satellite identity; frequency and temporal shift of the pseudo-random
Gold code. For each search, aimed at a specific satellite, all possible code
phases plus all possible frequencies may have to be tried in the correlation
circuit until a peak is found. The search process is particularly long when no
prior knowledge is available and can extend to several seconds in the worst
case. Once the peak is found, in the tracking phase, the system has only to
follow its drift, which is usually done with less difficulty or delay.
This long acquisition time is a limiting factor in many
applications of GPS. In particular in certain low-rate, low power applications,
like for example location services in portable telecommunication networks and
the like, where it would be desirable to supply the GPS receiver only for short
periods of time.
In particular most applications only request a moderate rate of
position fixes. In a car navigation system rates from one fix per second to one
fix every five seconds are considered standard. In lower-speed applications,
for example in pedestrian tracking, the fixes can be spaced even further in
time, for example once per minute. It would be therefore possible to further
reduce the power consumption of the receiver by switching off selected part of
the receiver in the interval between fixes. In order to work in intermittent
mode the receiver should, however, be able to re-acquire immediately those
satellites which had been tracked in the precedent fix, without performing a
full search for the correlation peak each time. For this reason some elements
of the receiver, for example the main clock and the correlation engine, are not
switched off in intermittent mode.
It is an aim of the present invention to provide a receiver for a radiolocalization
system which overcomes the above limitation and, furthermore is an aim of the
present invention to provide a receiver for a radiolocalization system which
exhibits low power consumption by switching off selected components in an
intermittent fashion.
Brief summary of the invention
According to the invention, these aims are achieved by means of a
signal processor for processing the signal in a satellite radiolocalization
receiver having the capacity of direct reacquisition of the satellite signals
after an interruption of the main clock signal, as claimed in independent claim
1.
The invention further comprises a complete satellite radiolocalization
receiver comprising such a signal processor, either as standalone unit or as
modular unit to be interfaced to a host system, like a PDA or a cellphone.
Furthermore the present invention encompasses a method for the
reacquisition of satellite signals in a satellite radiolocalization receiver
after an interruption of a main clock signal having the features claimed in the
corresponding independent method claim, and a computer program for carrying out
the same method.
The invention will be better understood by with the aid of the
description of an embodiment given by way of example and illustrated by the
figures.
Detailed Description of possible embodiments of the Invention
According to figure 1, the radiolocalization device 100 of the
present invention comprises a radiofrequency module 70, whose function, which
will not be discussed in detail here, is to process the signals received from
the radiolocalization satellites by the antenna 71. The radiofrequency circuit
comprises a simple- or multiple-conversion heterodyne radio receiver and
provides at his output 75 an intermediate frequency signal, for example a
low-IF signal at 4.092 MHz or, alternatively, a digital baseband signal.
According to the modulation scheme of the received satellite
constellation, the output 75 will comprise several angular component of the
signal. In the case of GPS, for example, two components shifted by 90° are needed, and are conventionally
referred to as the I (In-phase) and Q (Quadrature) component. Other modulation
schemes, for example the modulation proposed for the GALILEO system, call for
more than two angular components.
The RF module 70 is connected to a main timebase generator 36,
which provides a stable timebase reference for the radiolocalization device
100, for example a 32.734 MHz timebase. Since timebase generator 36 must be
relatively precise and stable to allow acquisition and tracking of the GPS
signal, it comprises generally a high-quality temperature compensated crystal
oscillator or TCXO.
The output 75 of the RF module 70 is fed to a signal processor 20,
also called pseudo-range engine 20 which, in turn, provides control
instructions 76 to the RF circuit 70. The function of the pseudo-range engine
20 is to de-spread the signals received from the satellites, by generating, for
each received satellite, a local replica of the modulation code (the C/A code
in the case of a commercial GPS receiver) which is precisely time-aligned with
the received signal. The code shifts, or pseudo-ranges 77, generated by the
pseudo-range engine 20 are transmitted to the navigation engine 60, which
calculates a fix for position and time coordinates x, y, z, t. The navigation
engine also steers the pseudo-range engine 20 by appropriate search instructions
78. The positional fix is usually obtained by iterative Kalman filters, and the
navigation engine may need to follow the pseudo-range data 77 along several
code periods until a satisfactory solution is found.
Preferably the pseudo-range engine 20 and the RF module 70 are
realized as two separate integrated circuits or as a single common integrated
circuit.
In a preferred variant of the invention the navigation engine 60
is part of a host system 90, which also comprises application navigation software
80 and appropriate peripherals 85 for interaction with a user. The radiolocalization
device 100 of the invention is, in this case, an extension of the host system,
for example in the form of an extension card or module for a cellular phone, a
PDA, a game console, a personal computer or any other suitable host device. The
invention comprises however also standalone apparatuses which incorporate
navigation engine, application software and peripherals together with the RF
module and pseudo-range engine.
A pseudo-range engine 20 according to the invention is now
described more closely, with reference to figure 2. The pseudo-range engine 20
comprises a correlation engine comprising an array of correlators 25 receiving
the IF or baseband signal 75 from the RF circuit 70 and a digital processor 26,
for example a DSP processor. A memory 90, whose organization is not specified
here, is used for recording data and instructions.
According to an aspect of the invention each correlator 25
comprises a local carrier generator, and a frequency conversion stage, not
represented, for further converting the IF signal and generating a
two-component baseband signal.
Each correlator comprises also at least one local Gold
pseudorandom code source 28, for providing a local replica of the C/A code
corresponding to a particular GPS satellite. The code source 28 can generate
internally Gold pseudorandom codes, for example by a tapped shift register, or,
equivalently, fetch them from a preloaded table or by any other technique.
According to a variant of the invention, the pseudorandom code source generates
a code which is derived from the C/A code corresponding to a particular GPS
satellite, for example a Fourier transform of a C/A code.
The code source 28 comprises an independent numerically controlled
C/A clock at about 1.023 MHz connected to the timebase signal 37. The exact
frequencies of the local carrier and of the local C/A code are adjusted, by the
processor 26 or under instruction of the navigation engine 60, to compensate
for Doppler shift on the satellite signal and local oscillator drift and bias.
The incoming IF signal is multiplied by the in-phase (I) and quadrature (Q)
components of the local carrier and by two time-shifted versions of the replica
C/A code. The result of these operations is integrated for a programmable
period of time, in the integrator 27 to generate an integrated correlation
value, which is accessible to the processor 26 and to the navigation engine 60.
In a possible variant of the invention, in addition to the prompt
correlation value, the correlators 25 can also be programmed to generate, for
each acquired satellite, late correlation values and early correlation values,
which are obtained, for example, by multiplying the GPS signal with a 1/2 chip
delayed and a 1/2 chip advanced version of the local replica code. These late
and early correlation values are employed to determine the shape of the
correlation peak and, in the tracking algorithm, to follow the position of the
correlation peak.
According to another variant the code sources 28 have multiple
taps, with fixed or programmable spacing, and the correlators are therefore
able to deal in parallel with a significant correlation range in code phase,
for example a range of ± 15 code chips, which corresponds to a time span of ± 15
microseconds. Preferably, the width and granularity of the correlation windows
are programmable, so that the system can provide correlation profiles of
arbitrary length and having a step of 1 chip, 1/2 chip, 1/4 chip, and so on,
according to the needs.
The description of the pseudo-range engine above refers to a
classical architecture with correlators. This is not, however, the only
possible approach, and the present invention can also be applied to other type
of GPS receiver, for example to a GPS receiver based on a FFT approach. In this
case the position and shape of the correlation peaks are determined by
processing a FFT transformation of the received signal. The correlation with
the Gold pseudo-random codes is carried out either in the time domain, as
above, or in the frequency domain. In the latter case the code source 28 may be
arranged to directly provide a Fourier transform of the Gold code sequence for
a particular satellite.
In possible variants of the invention the two approaches described
above, the correlators-based architecture and the FFT-based architecture could
be combined. For example a first acquisition could be carried out with a correlators-based
acquisition engine, for those satellites which exhibit a strong signal and can
be readily acquired, then a further acquisition of weaker signals could be done
by a FFT-based processing system.
In another possible variant of the invention, the acquisition of
the satellites could be done by a FFT-based processing system. Once a
sufficient number of satellites has been identified, and the phase position of
the relative correlation peaks is known, however, the tracking of these
satellites is continued in a bank of correlators in the time domain, in order
to save energy and computing resources.
In addition to the main time base signal 37, the pseudo-range
engine 20 has also access to an auxiliary time reference 38. In a preferred
variant of the invention, the auxiliary time reference 38 is obtained by a low-power
real-time clock internal to the pseudo-range engine. The real-time clock
comprises a low-power oscillator, for example a 32 kHz oscillator, and a time
register which counts the oscillations of the low-power oscillator. The
auxiliary time reference need not have high precision or stability.
Preferably the auxiliary time reference 38 is made in a manner as
to draw negligible current, and can be kept running all the time while other
parts of the radiolocalization device of the invention are switched off or put
into low-power mode. The auxiliary time reference signal is accumulated in the
auxiliary reference timer 40 which can be active and counting even if the main
GPS clock is switched off. It may be possible, however to switch on the auxiliary
time reference only when it is needed, for example shortly before and
interruption of the main clock.
In another variant of the invention the auxiliary time reference
may be external to the pseudo-range engine 20 and may be a standalone module, or
an element of the RF circuit 70, or of the host system 90. In other possible
variants, the auxiliary time reference may rely on an external time signal, or
on an external frequency reference, continuously available to the radiolocalization
device. For example, the auxiliary time reference may be a clock signal of the
host system 90, for example a PC clock; if the GPS device is part of a cellular
portable phone, the auxiliary time reference may be derived from a frame
synchronization signal of the cell phone network.
The purpose and use of the auxiliary time reference of the
invention will now be described with reference to figures 3a to 3e.
Figure 3a represents the main GPS clock signal 37, also referred
as the reference clock 37, and the slower auxiliary time reference 38 which is
counted in the auxiliary reference timer 40. Signal 39 is a reference timer
derived from the main GPS clock 37 and used to measure the GPS time. This
reference timer will typically comprise two components, an Epoch counter, which
counts code periods and a cycle counter, which measures the offset into the
code period, i.e. in absence of any drift or motion of the satellite or
receiver the correlation peaks of the received satellite would always occur at
the same code phase of the reference timer 39 subject to small variations
caused by the stability and accuracy of the main GPS clock. In real operating
conditions, the code phase of the correlation peaks varies according to the
motion of the satellites relative to the receiver.
Figure 3a represents the situation in which, after a having
tracked the GPS signal for a certain time (sections b and c), and having
obtained one or more positional fixes, the radiolocalization receiver is put in
a low-power sleep state (section z), in which the main GPS clock 37 and the
reference timer 39 are inactive. Upon wake-up (sections d and e), the GPS clock
38 and reference timer 39 have no relationship with their state prior to the
sleep state and may even be reset on wake-up. The auxiliary time signal 38 and
auxiliary reference timer 40, on the other hand are active for the whole time
represented in figure 3a, spanning some time before and after the sleep period
(z).
Figure 3b refers to section (b) of figure 3a and represents,
schematically, a tracking operation of the radiolocalization device. It is assumed
here that the device has successfully acquired at least four satellites and
identified the relative phase of the corresponding correlation peaks 121a to
121d. The pseudo-range engine will then track the peaks and provide valid data
to the navigation engine which, in turn, issues search instruction 78 to the
pseudo-range engine until the data to converge to a fix solution is achieved. Once
the pseudo-range engine has detected the peaks of any satellite, the search
instruction coming from the navigation engine for that satellite would be
ignored, instead the pseudo-range engine would enter track mode for these
autonomously.
In this situation the relation between reference timer 39 and GPS
time is known to the system and the system is capable to predict the expected
future position of the correlation peaks, 122a to 122d, from the actual values
of relative speed of the satellites with respect to the receiver. At the same
time, the system can also predict future Doppler shift and carrier frequencies
for each acquired satellite.
According to figure 3c, referring to section (c) of figure 3a, the
radiolocalization device performs, while the main GPS clock 37 is active, a
sampling of the auxiliary reference timer 40. In this operation the leading
edge of the auxiliary time reference is sampled 170, and at that time the value
of the auxiliary reference timer 40 is stored with the precision of the GPS clock
37, for example a 32.734 MHz reference clock, thus with a 30 ns uncertainty.
The sampling 170 also includes the value of the reference timer 39. The values
of the auxiliary reference timer 40 and of the reference timer 39 are taken at
the same instant, or at different instant separated by a known time offset, for
example a fixed time offset.
In the presented example the sampling 170 is done on the leading
edge of the square auxiliary time signal 38. The system could however sample,
in an equivalent way, other features of the auxiliary time signal 38, for
example the trailing edge, in the case of a square signal, or in correspondence
of any other defined feature of the auxiliary time signal 38, in the case of a
signal of generic shape.
Preferably the system stores at least two spaced-apart samples of
the auxiliary reference timer 40 and reference timer 39. In a simple
realization, the system, while in the wake-up state, records periodically,
every second or every few seconds a sample of the auxiliary reference timer 40
and of reference timer 39, and keeps the last two sample pairs recorded. Other
schemes are however possible.
At section (d) of figure 3a the main GPS clock 37 and reference
timer 39 are restarted after the sleep period (z). The phase of the main GPS clock
37 and the value of the reference timer 39 may have no relationship with their
state prior to the interruption. At this point the correlators are unable to
predict the position of the correlation peaks 122a to 122d. According to figure
3d, the system carries out a new sampling 175 of the auxiliary reference timer
40 and reference timer 39. Typically the sampling 175 is triggered by a
periodic GPS synchronization event, for example every millisecond.
In a variant, the GPS system may be temporarily disabled during
the sleep period (z), whilst the main GPS clock keeps running, for example
because it is used elsewhere in the system. In this case the exact reference
timer 39 loses the known relationship with GPS time.
The radiolocalization device of the invention can use the two
samples pairs 170 of the auxiliary reference timer 40 and reference timer 39
taken prior to the interruption (z), in conjunction with the new measurement
175 to calculate what the reference timer 39 would have been if the GPS
reference clock had run continuously and the GPS system remained enabled and
therefore calculate the change on code phase of the correlators with respect to
the last successful tracking of the correlation peak and the new reference
timer state.
The value of the auxiliary time reference 40 and of the and
reference timer 39 taken in the sample pairs prior and after the interruption
(z) allow to re-calculate the relationship between the reference timer 39 and
GPS time following the interruption of operation (z) of the reference timer 39.
When sampling the auxiliary reference timer 40 and reference timer
39 it is advantageous to sample the phase of the correlation peaks at
approximately the same time, as this simplifies the extrapolation of their
expected positions 123a-123d after restart.
According to the invention, the system could also sample other
quantities, together with the auxiliary reference timer 40 and the reference
timer 39, for example the carrier and code Doppler shifts can be sampled at the
sampling points and subsequently used to predict likely carrier and code
Doppler after the sleep period (z). In this way the searching the correlation
peaks of the satellites after the sleep period (z) is further improved.
The radiolocalization device of the invention is able to estimate,
as illustrated in figure 3e, for each satellite tracked before the sleep period
(z) the most likely peak positions 123a to 123d and carrier and code Doppler
frequency parameters based on the previous values when the satellite was last
tracked prior to the sleep period (z), the rate at which they were changing and
the measured samples of the auxiliary reference timer 40 and reference timer
39. The processor 26 can therefore immediately search for correlation peaks in
windows around the predicted peak positions, with a high probability of rapidly
detecting the satellites' signals.
Preferably the sampling 170, 175 of the auxiliary reference timer
40 and reference timer 39, and the subsequent estimation of the phase of the
correlation peaks (123a-123d) are performed by the processor 26, internal to
the pseudo-range engine 20.
Advantageously, the predicted peak position 123a-123d can be
obtained by a simple linear extrapolation of their values prior to the
interruption, assuming that their last known rates of change have been
approximately constant during the period (z). In this way the pseudo-range
engine will statistically be able to rapidly and autonomously reacquire many
satellites prior to the navigation engine providing new search parameters and
thus save significant power and time required when searching. Other
arrangements are however possible, for example in which the estimation of
positions of peaks 123a-123d is done in an external software module of the host
system 90. In this case the prediction algorithm could be much more
sophisticated.
To further improve the performance the host system 90 may predict
the expected code phase and code and carrier Doppler shifts prior to the system
entering a power saving mode. In this case, for example the host system may
also take into consideration the user's current motion and other parameters to
increase the probability of rapid detection.
When an uncompensated, low-power crystal oscillator is used,
variations in the auxiliary time signal 38 and the corresponding error in the
auxiliary time reference 40 will be dominated by temperature drift. However the
temperature gradient is usually quite low inside an operational GPS circuit
following the initial power on period. It is therefore feasible to ignore the
change in temperature over short periods of time and still maintain adequate
resolution to the predicted correlation windows 123a to 123d.
lf needed, the auxiliary time reference clock may be automatically
corrected for offset and drift, on the base of the accurate GPS time. This may
be useful, for example, if the auxiliary reference signal is shared by other
devices, for example in a PC.
Also Doppler shift and rate of change of the correlation windows
123a to 123d will derive mostly, for typical applications, to the motion of the
satellite. Again the regularity of the orbit ensures that the satellite's
relative speed is not likely to change radically over a period of some minutes.
Therefore when the correlators are restarted there is a high probability that
an adequate number of satellites will be rapidly reacquired.
As an example, assume that the system samples the auxiliary
reference timer 40 and the reference timer 39 every five seconds while tracking,
with a time uncertainty of 30 ns. The five-second interval is then known with
an error of 30+30 ns = 60 ns.
Assume now that the GPS clock and correlators are switched off for
five minutes, and then wake up to calculate another fix. Another sample pair
with an error of 30 ns is taken of the auxiliary reference timer 40 and the
reference timer 39 and the correlation windows 123a to 123d are recalculated by
a linear extrapolation based on the measured elapsed time. Ignoring the
frequency drift of the auxiliary time reference itself the error is then 60 *
60 ns = 3.6 μs.
Thus, given a correlation windows of ± 15 microseconds the phase
of the correlation peak can be predicted with sufficient accuracy to almost
guarantee that correlators 25 will detect the satellite prior to the
instructions of the navigation engine. In this case an intermittent operation
with duty cycles of the order of 1-2% can be achieved, which represents a
valuable power saving in pedestrian tracking.
Additionally, once the signals of the GPS satellites are
reacquired and a fix available, the relationship between the reference timer 39
and GPS time is restored. The system can obtain the error between the predicted
peak positions 123a-123d, and the actual phase offsets of the correlation peaks,
this can be used to further correct the calculation of the relative frequencies
of the two oscillators and improve the precision of the estimation over longer
periods of intermittent operation.
The signal processor 20 could undergo repeated periods of
power-saving mode or sleep periods (z), for example according to a periodic on-off
cycle, or otherwise. In such cases the method of the invention can be repeated,
as discussed above, after each period of power-saving mode, by using the a pair
of samples of the auxiliary reference timer 40 and reference timer 39 taken
prior to the period of power-saving mode, and a pair of samples of the
auxiliary reference timer 40 and reference timer 39 taken after the period of
power-saving mode.
3  Brief Description of Drawings
Figure 1 shows, in a simplified schematic way, the structure of a
satellite radiolocalization device.
Figure 2 represents schematically the structure of a pseudo-range
engine of a radiolocalization device according to the invention.
Figure 3a shows a time diagram of the timing signals of a radiolocalization
device according to the invention.
Figure 3b represents a time diagram relative to a tracking phase
of the radiolocalization device of the invention.
Figures 3c and 3d represent diagrammatically a sampling of an
auxiliary time reference of the radiolocalization device of the invention.
Figure 3e represents a time diagram relative to a reacquisition
phase of the radiolocalization device of the invention.
1.  Signal processor (20) for a radiolocalization receiver (100), for
processing signals emitted by one or more radiolocalization satellites and
modulated by predetermined ranging code sequences, the signal processor having
access to a main clock signal (37); the signal processor (20) comprising
acquisition and tracking means for searching the input signal for the presence
of the ranging code sequences in the received signals and for determining the
relative phases of these ranging code sequences; wherein the signal processor
includes (20) computing means (26) arranged to determine the likely values of
the phases of the ranging code sequences after an interruption of the main
clock signal (37) on the base of an auxiliary time reference signal (38)
available to the receiver.
2.  Signal processor (20) according to claim 1, further comprising one or
more code generators (28) arranged for generating local code sequences related
to the ranging code sequences of the signals emitted by the radiolocalization
satellites, one correlation engine (25) arranged to phase-shift and compare the
local code sequences with the ranging code sequences modulated in the received
signal and provide correlation values between the phase-shifted local code
sequences and the received signal.
3.  Signal processor (20) according to claim 1, wherein the acquisition
and tracking means are arranged for performing an FFT-transformation of the
received signals and for determining the relative phases of the ranging code
sequences by acting on the FFT-transform of the received signals and for
providing correlation peaks (121a-121d) indicative of the relative phases of
the ranging code sequences, the signal processor (20) further comprising one or
more code generators (28) arranged for generating local code sequences related
to the ranging code sequences of the signals emitted by the radiolocalization
satellites, one correlation engine (25) arranged to phase-shift and compare the
local code sequences with the ranging code sequences modulated in the received
signal and provide correlation values between the phase-shifted local code
sequences, wherein the acquisition and tracking means are further arranged for
performing an FFT-transformation of the received signals, and wherein the signal
processor is arranged for determining the relative phases of the ranging code
sequences either from the correlation values provided by the correlators or by
acting on the FFT-transform of the received signal.
4.  Signal processor (20) according to claim 1, further comprising an
auxiliary reference timer (40) derived from the auxiliary time signal (38),
wherein the computing means (26) are arranged to sample the time of the
auxiliary reference timer (40), and of a reference timer (39) derived from the
main clock signal (37) and to determine the likely phases of the pseudorandom
code sequences after a sleep period (z) on the base of any of the recorded
sampled values (170, 175).
5.  Signal processor (20) according to the preceding claim, wherein the
computing means (26) are programmed to record at least two spaced-apart samples
(170) of the auxiliary reference timer (40) and the reference timer (39) in
correspondence with a defined feature of the auxiliary time reference signal
(38) and to sample the reference timer (39), the auxiliary reference timer (40)
and the reference timer (39) being sampled simultaneously or at two instants
separated by a known time delay.
6.  Signal processor (20) according to claim l wherein the computing means
(26) are arranged to calculate a relationship between the reference timer (39)
and GPS Time when a position fix is established, to measure the auxiliary
reference timer (40) according to the relationship between the reference timer
(39) and GPS time, and to re-calculate the relationship between the reference
timer (39) and GPS time following an interruption of operation (z) of the
reference timer (39) based on the value of the auxiliary reference timer (40).
7.  Signal processor (20) according to claim 1, wherein the computing means
(26) are arranged for providing correlation peaks (121a-121d) indicative of the
relative phases of the ranging code sequences and for determining the position
of the correlation peaks after an interruption of the main clock signal (37) or
the reference timer (39) on the base of the recorded pulse times (170, 175) and
the recorded correlation peaks times (122a-122c) prior to the interruption of
the main clock signal (37).
8.  Signal processor (20) according to claim 1, having a low-power state
in which the correlation engine (25) and/or the processor (26) and/or the main
clock (37) can be temporarily switched off or put in a reduced functionality
state to limit power consumption.
9.  Method for the reacquisition of satellite signals in a satellite radiolocalization
receiver (100) after a sleep period (z); the method comprising the steps of:
a)  determining a most probable position of the correlation peaks
(123a-123d) for each of the satellites acquired before the sleep period (z), on
the base of an auxiliary time reference signal (38) available to the receiver
(100);
b)  searching the correlation peaks of the satellites in phase windows
around the most probable positions (123a-123d).
10.  Method according to the previous claim, wherein step (a) comprises the
steps of:
-    sampling, prior to the sleep period (z), an auxiliary
reference timer (40) available to the receiver, in relation to the reference
timer (39);
-    recording spaced-apart samples (170), of the auxiliary
reference timer (40) and of the reference timer (39) and relative phase of the
correlation peaks (170);
-    obtaining a further sample (175) of the auxiliary reference
timer (40) and reference timer (39) after the sleep period (z);
-    determining a most probable position of the correlation
peaks (123a-123d) for each of the satellites acquired before the sleep period
(z).
11.  Method according to claim 9, wherein step (a) further comprises the
steps of:
-    sampling, prior to the sleep period (z), an auxiliary
reference timer (40) available to the receiver, in relation to the reference
timer (39);
-    recording spaced-apart samples (170) of the auxiliary time
reference (40), and of the reference timer (39) and relative phase of the
correlation peaks (170);
-    calculating the relationship between the reference timer
(39) and GPS time at each measurement set and using this value to establish a
common timebase for the measurement sets;
-    obtaining a further sample (175) of the auxiliary reference
timer (40) and reference timer (39) after the sleep period (z);
-    determining a most probable position of the correlation
peaks (123a-123d) for each of the satellites acquired before the sleep period
(z).
1  Abstract
Pseudo-range processor (20) for a satellite radiolocalization
receiver (100) having access to an auxiliary clock (38) used to clock an
auxiliary reference timer (40). The auxiliary reference timer (40) is
periodically sampled (170) during tracking, in relation to the GPS time kept by
the main clock. The processor allows intermittent operations, between periods
in a low-power sleep mode during which correlators (25) and main clock (37) are
inactive. On wake-up a new sample is taken of the auxiliary reference timer
(40), which allows an estimation of the most likely position of the correlation
peaks (123a-c). The correlation engine can therefore directly start to search
for peaks in appropriate code phase windows, with a high probability of
immediate reacquisition.
2  Representative Drawing   Fig.3d
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