DE102013003265A1

DE102013003265A1 - Verfahren und vorrichtung zur synchronisation und genauen zeitberechnung für gnss-empfänger

Info

Publication number: DE102013003265A1
Application number: DE102013003265A
Authority: DE
Inventors: Phanikrishna Sagiraju; Steven Gronemeyer
Original assignee: Cambridge Silicon Radio Ltd
Current assignee: Qualcomm Technologies International Ltd
Priority date: 2012-03-30
Filing date: 2013-02-27
Publication date: 2013-10-02
Also published as: GB2500971B; GB2500971A; GB201301954D0; US9322926B2; US20130257647A1

Abstract

Gemäß bestimmten Aspekten umfasst die Erfindung die Verwendung von Akquisitionskanalergebnissen von einer Anzahl von Satelliten zur Erzielung einer zusammengesetzten Schwach-Akquisition. Gemäß bestimmten anderen Aspekten umfasst die Erfindung außerdem das Auflösen nach einer verbesserten Positionsschätzung und mit einer ausreichend genauen entweder anfänglichen oder verbesserten Positionsschätzung auch das Auflösen nach GPS-Systemzeit unter Verwendung einer Zusammensetzung beschaffter Signale von einer Vielzahl von Satelliten. Innerhalb von üblicherweise auftretenden anfänglichen Positions- und Zeitunbestimmtheiten sind die geometrischen Entfernungsänderungen relativ linear, wodurch der Punkt der Konvergenz von Entfernungen zur Auflösung nach GPS-Position und nachfolgend nach Zeit mit vernünftiger Genauigkeit ermöglicht wird, was dem Erhalten von Rahmensynchronisation ganz ohne Datendemodulation oder Präambel-Vergleich äquivalent ist.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Im Allgemeinen betrifft die vorliegende Erfindung das Erhalten von Navigationslösungen unter Verwendung von durch GNSS-Empfänger verarbeiteten Signalen und insbesondere die Erzielung von Synchronisation und genauer Zeitberechnung, was der Erzielung von Rahmensynchronisation äquivalent ist, unter Verwendung von Codeoffsets von mehreren Akquisitions- oder Track-Kanälen, statt durch Datendemodulation oder Präambel-Vergleich.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Mit der Entwicklung von Funk- und Raumtechnologien wurden bereits mehrere auf Satelliten basierende Navigationssysteme (d. h. Satellitenpositionsbestimmungssysteme oder ”SPS”) gebaut und es werden in der nahen Zukunft weitere in Gebrauch sein. Die Systeme mit voller globaler Abdeckung werden manchmal als globale Navigationssatellitensysteme (”GNSS”) bezeichnet. SPS-Empfänger, wie zum Beispiel Empfänger, die das Global Positioning System (”GPS”) verwenden, das auch als NAVSTAR bekannt ist, sind alltäglich geworden. Zu anderen Beispielen für SPS und/oder GNSS gehören, aber ohne Beschränkung darauf, das Navy Navigation Satellite System (”NNSS”) der Vereinigten Staaten (”US”) (auch als TRANSIT bekannt), LORAN, Shoran, Decca, TACAN, NAVSTAR, das russische Gegenstück zu NAVSTAR, das als das globale Navigationssatellitensystem (”GLONASS”) bekannt ist, etwaige zukünftige westeuropäische SPS wie etwa das vorgeschlagene ”Galileo”-Programm oder etwaige andere existierende oder zukünftige Systeme wie etwa die chinesischen Systeme ”Beidou” oder ”Compass”. Beispielsweise wird das US-NAVSTAR-GPS-System in GPS Theory and Practice, fünfte Auflage, revidierte Auflage von Hofmann-Wellenhof, Lichtenegger und Collins, Springer-Verlag Wien New York, 2001, beschrieben, das hiermit durch Bezugnahme vollständig aufgenommen wird.
Das US-GPS-System wurde von dem Verteidigungsministerium der Vereinigten Staaten gebaut und wird von diesem betrieben. Das System verwendet 24 oder mehr Satelliten, die sich auf einer Höhe von etwa 11.000 Meilen mit einer Periode von etwa 12 Stunden im Orbit um die Erde befinden. Diese Satelliten sind in sechs verschiedenen Orbits platziert, so dass zu jedem Zeitpunkt mindestens sechs Satelliten an einem beliebigen Ort auf der Oberfläche der Erde mit Ausnahme der Polarregion sichtbar sind. Jeder Satellit sendet ein Zeit- und Positionssignal, das auf einen Atom-Zeitgeber bezogen ist. Ein typischer GPS-Empfänger verriegelt sich mit diesem Signal und extrahiert die darin enthaltenen Daten. Unter Verwendung von Signalen von einer ausreichenden Anzahl von Satelliten kann ein GPS-Empfänger seine Position, Geschwindigkeit, Höhe und Zeit berechnen.
In Umgebungen, in denen Satellitensignale verschlechtert sind, stößt ein GPS-Empfänger jedoch beim Einrasten (bzw. Einstellen) auf die Signale, die für die Berechnung von Position, Geschwindigkeit, Höhe und Zeit benötigt werden, auf Probleme. In einer verschlechterten Signalumgebung können Satellitensignale schwach sein oder es kann anderweitig für GPS-Empfänger schwierig sein, auf sie einzurasten. Ein Beispiel für eine verschlechterte Signalumgebung ist ein Tunnel, durch den ein mit einem GPS-Empfänger ausgestattetes Auto fährt. Während sich der GPS-Empfänger in dem Tunnel befindet, werden die Satellitensignale völlig blockiert, und es kann keine Einrastung erzielt werden. Folglich kann der GPS-Empfänger seine Position und andere Navigationsdaten (wie Geschwindigkeit, Höhe und Zeit) nicht genau berechnen, während sich das Auto in dem Tunnel befindet. Da GPS-Empfänger typischerweise Positionsbestimmungsalgorithmen benutzen, die Navigationsfilter verwenden, die die letzten bekannten Positionen der GPS-Empfänger berücksichtigen, kann die Positionsberechnung des GPS-Empfängers, wenn das Auto aus dem Tunnel herauskommt, auch weniger genau sein, da während der Zeit, in der sich das Auto in dem Tunnel befand, keine genauen Positionsberechnungen durchgeführt wurden.
Verschlechterte Signalumgebungen werden häufig in städtischen Bereichen angetroffen, wie etwa in Städten mit hohen Gebäuden. Eine Großstadt mit vielen hohen Gebäuden kann ”städtische Canyons” enthalten, die Umgebungen sind, in denen Straßen durch dichte Blöcke von Strukturen wie Hochhäusern verlaufen. In städtischen Canyons sind Satellitensignale, zum Beispiel weil die Signale teilweise oder voll von Gebäuden blockiert werden, häufig nicht sichtbar oder verschlechtert. Das Problem ungenauer Positionsberechnungen durch GPS-Empfänger in verschlechterten Signalumgebungen ist dementsprechend in städtischen Bereichen besonders akut. Andere verschlechterte Umgebungen wären Tunnel, Garagen und innerhalb von Gebäuden.
Datenbitsynchronisation und Rahmensynchronisation in Schwachsignalumgebungen wurden unter Verwendung von kombinierten Daten von mehreren Satelliten erzielt, wie in der gleichzeitig anhängigen Anmeldung Nr. 12/276,987 und in dem US-Patent Nr. 7,924,220 beschrieben. Diese Techniken verwenden Datenbit-Stripping auf der Grundlage bekannter oder angenommener Datenbitwerte. Weitere Techniken zur kollektiven Verarbeitung mehrerer GPS-Signale werden in B. Bradley et al., "Performance Analysis of Collective Detection of Weak GPS Signals", 23rd International Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation, 21.–24.9.2010, S. 3041–3053, und in P. Axelrad et al., "Enhancing GNSS Acquisition by Combining Signals from Multiple Channels and Satellites", 22nd International Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation, 22.–25.9.2009, S. 2617–2628, beschrieben. Dessen ungeachtet verbleiben bestimmte Probleme, die andere und/oder zusätzliche neuartige Ansätze erfordern.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß bestimmten Aspekten umfasst die Erfindung die Verwendung von Akquisitionskanalergebnissen von einer Anzahl von Satelliten zur Erzielung von zusammengesetzter Schwach-Akquisition. Gemäß bestimmten anderen Aspekten umfasst die Erfindung außerdem das Auflösen nach einer verbesserten Positionsschätzung und mit einer ausreichend genauen, entweder anfänglichen oder verbesserten Positionsschätzung, auch das Auflösen nach GPS-Systemzeit unter Verwendung einer Zusammensetzung beschaffter Signale von mehreren Satelliten. Innerhalb von gewöhnlich auftretenden Anfangspositions- und Zeitunbestimmtheiten sind die geometrischen Entfernungsänderungen relativ linear, wodurch der Punkt der Konvergenz von Entfernungen zur Auflösung nach GPS-Position und nachfolgend nach Zeit mit vernünftiger Genauigkeit möglich wird, was dem Erhalten von Rahmen-Synchronisation ganz ohne Datendemodulation oder Präambel-Vergleich äquivalent ist.
Um diese und andere Aspekte zu verfolgen, umfasst ein Verfahren gemäß Ausführungsformen der Erfindung ein Identifizieren von Korrelationsspitzen in einer Vielzahl von Akquisitionskanälen für eine entsprechende Vielzahl von Satelliten; Ausführen einer Positionsdomänensuche, um eine Position zu bestimmen, bei der Entfernungen zu allen Satelliten konvergieren; und Justieren der resultierenden Codeoffsets auf der Grundlage der bestimmten Position, wobei der verbleibende Positionsfehler auf nahezu null verringert werden kann, während gleichzeitig die GPS-Zeitmehrdeutigkeit aufgelöst wird, um dadurch eine genaue GPS-Zeit zu erhalten, was dem Erklären von Rahmensynchronisation äquivalent ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Diese und andere Aspekte und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden für Durchschnittsfachleute bei Begutachtung der folgenden Beschreibung spezieller Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Figuren ersichtlich. Es zeigen:
1 ein Blockdiagramm einer beispielhaften Implementierung von Ausführungsformen der Erfindung;
2 ein Blockdiagramm von Konzepten der zusammengesetzten Schwach-Akquisition gemäß Ausführungsformen der Erfindung;
3 ein Blockdiagramm von Konzepten des Berechnens einer genauen Zeit gemäß Ausführungsformen der Erfindung;
4A und 4B Graphen von Aspekten des Berechnens genauer Zeit/des Erzielens von Rahmensynchronisation unter Verwendung von mehreren Satellitensignalen gemäß Ausführungsformen der Erfindung;
5 ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Erhalten von Akquisition und Berechnen genauer Zeit/Erzielen von Rahmensynchronisation unter Verwendung mehrerer Satellitensignale gemäß Ausführungsformen der Erfindung;
6A und 6B graphische Darstellungen eines beispielhaften Prozesses zum Erhalten einer schwachen zusammengesetzten Akquisition gemäß der Erfindung;
7 ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Erhalten einer schwachen zusammengesetzten Akquisition gemäß Ausführungsformen der Erfindung;
8 eine graphische Darstellung, die graphisch das in Verbindung mit 7 beschriebene Verfahren darstellt;
9 ein Flussdiagramm eines weiteren beispielhaften Verfahrens zum Erhalten von schwacher zusammengesetzter Akquisition gemäß Ausführungsformen der Erfindung;
10 eine graphische Darstellung, die das in Verbindung mit 9 beschriebene Verfahren graphisch darstellt;
11 eine graphische Darstellung eines beispielhaften Zwischenschritts des Filterns von SV während der schwachen zusammengesetzten Akquisition gemäß Ausführungsformen der Erfindung; und
12 ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Erhalten von genauer GPS-Zeit/Erzielen von Rahmensynchronisation unter Verwendung von Signalen von mehreren SV gemäß Ausführungsformen der Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die vorliegende Erfindung wird nun ausführlich mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, die als Anschauungsbeispiele bereitgestellt werden, um so Fachleuten zu ermöglichen, die Erfindung auszuüben. Es ist zu beachten, dass die nachfolgenden Figuren und Beispiele den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung nicht auf eine einzige Ausführungsform beschränken sollen, sondern andere Ausführungsformen mittels Austausch bestimmter oder aller der beschriebenen oder dargestellten Elemente möglich sind. Wenn bestimmte Elemente der vorliegenden Erfindung teilweise oder ganz unter Verwendung bekannter Komponenten implementiert werden können, werden darüber hinaus nur die Teile solcher bekannten Komponenten beschrieben, die für ein Verständnis der vorliegenden Erfindung notwendig sind, und eine ausführliche Beschreibung anderer Teile solcher bekannter Komponenten wird nicht gegeben, um die Erfindung nicht zu verschleiern. Ausführungsformen, die als in Software implementiert beschrieben werden, sollten nicht darauf beschränkt werden, sondern können Ausführungsformen umfassen, die in Hardware oder Kombinationen von Software und Hardware implementiert werden und umgekehrt, wie Fachleuten ersichtlich sein wird, sofern es hier nicht anders angegeben wird. In der vorliegenden Beschreibung sollte eine Ausführungsform, die eine singuläre Komponente zeigt, nicht als Beschränkung betrachtet werden; stattdessen soll die Erfindung andere Ausführungsformen einschließen, die eine Vielzahl derselben Komponente umfassen und umgekehrt, sofern es hier nicht ausdrücklich anders angegeben wird. Darüber hinaus beabsichtigt die Anmelderin nicht, dass irgendein Ausdruck in der Beschreibung oder in den Ansprüchen eine unübliche oder spezielle Bedeutung zugeschrieben bekommt, sofern es nicht ausdrücklich dementsprechend dargelegt wird. Ferner umfasst die vorliegende Erfindung derzeitige und zukünftige bekannte Äquivalente der hier zur Veranschaulichung erwähnten bekannten Komponenten.
1 zeigt eine beispielhafte Implementierung von Ausführungsformen der Erfindung. Wie in 1 gezeigt, umfasst ein beispielhaftes GNSS-System 100 GPS-Satelliten (d. h. Satellitenfahrzeuge oder SV) 114, 116, 118 und 120, die Signale 106, 108, 110 bzw. 112 ausstrahlen, die vom Empfänger 122 im Handapparat 102 empfangen werden, der sich an einer Benutzerposition an irgendeiner Stelle relativ nahe der Oberfläche 104 der Erde befindet.
Der Handapparat 102 kann ein Mobil- oder andersartiges Telefon mit eingebauter GPS-Funktionalität sein (z. B. iPhone, Blackberry, Android Smartphone usw.), oder kann ein Notebook oder Tablet-Computer (z. B. iPad, Galaxy usw.) mit ähnlicher eingebauter Positionsbestimmungsfunktionalität sein, oder kann eine persönliche Navigationsvorrichtung (PND z. B. von Garmin, TomTom usw.) oder eine in Tracking-Anwendungen (z. B. Kraftfahrzeug-Tracking von Trimble, Paket- oder Flottenverwaltungstracking von FedEx, Kinderlokalisierungs-Trackinganwendungen usw.) eingebettete GPS-Vorrichtung sein.
Der Empfänger 122 kann unter Verwendung einer beliebigen Kombination von Hardware und/oder Software implementiert werden, darunter GPS-Chipsätze wie SiRFstarIII GSD3tw, SiRFstarIV GSD4t oder SiRFstarV von CSR Technology und BCM4750 von Broadcom Corp., die mit Funktionalität gemäß der vorliegenden Erfindung angepasst und/oder ergänzt werden, wie hier ausführliche beschrieben werden wird. Insbesondere werden Fachleute in der Lage sein, an Hand der vorliegenden Beschreibung zu verstehen, wie die vorliegende Erfindung durch Anpassung und/oder Ergänzung solcher Chipsätze und/oder Software mit den Schwach-Akquisitions-Verbesserungstechniken der vorliegenden Erfindung zu implementieren ist.
Die Signale 106, 108, 110 und 112 sind wohlbekannte GPS-Signale, bei denen drei Binärcodes die gesendete L1- und/oder L2-Frequenzträgerphase des Satelliten verschieben. Insbesondere moduliert der C/A Code (Grobe Akquisition) die L1-Trägerphase. Der C/A-Code ist ein sich wiederholender 1-MHz-Pseudozufallsrausch-(PRN-)Code. Dieser rauschartige Code moduliert das L1-Trägersignal, wodurch das Spektrum über eine Bandbreite von 1 MHz ”gespreizt” wird. Der C/A-Code wiederholt sich alle 1023 Chips (eine Millisekunde). Für jedes SV liegt ein anderer C/A-Code PRN vor. GPS-Satelliten werden oft durch ihre PRN-Nummer, die eindeutige Kennung für jeden Pseudozufallsrauschcode, identifiziert. Der C/A-Code, der den L1-Träger moduliert, ist die Grundlage für die zivilen Verwendungen von GPS.
Der Empfänger 122 produziert die C/A-Codesequenz für ein spezielles SV mit einer bestimmten Form eines C/A-Codegenerators. Modemempfänger speichern gewöhnlich eine vollständige Menge im Voraus berechneter C/A-Codechips im Speicher, es kann aber auch eine Hardwareschieberegister-Implementierung verwendet werden. Der C/A-Codegenerator produziert für jede Phasenabgriffseinstellung eine andere 1023-Chipsequenz. Bei einer Schieberegister-Implementierung werden die Codechips zeitlich durch Slewing des Takts, der die Schieberegister steuert, verschoben. Bei einem Speichernachschlagschema werden die erforderlichen Codechips aus dem Speicher abgerufen. Der C/A-Codegenerator wiederholt jede Millisekunde dieselbe 1023-Chip-PRN-Codesequenz. PRN-Codes werden für bis zu 1023 Satellitenidentifikationsnummern definiert (37 sind für Satellitenkonstellationsverwendung im ICD definiert, aber eine Systemmodernisierung kann mehr verwenden). Der Empfänger verschiebt ein Duplikat des Codes zeitlich, bis Korrelation mit dem SV-Code besteht.
Bekanntlich sind gewöhnlich Signale von mindestens vier SV notwendig, bevor der Empfänger 122 eine dreidimensionale Navigationslösung bereitstellen kann (für eine zweidimensionale Navigationslösung sind z. B. durch Verwendung bekannter Höhe nur drei Satelliten erforderlich). Dementsprechend tritt der Empfänger 122 typischerweise in eine herkömmliche Sequenz ein, um die erforderlichen Daten aus jedem der Signale 106, 108, 110 und 112 zu beschaffen und zu extrahieren. In einem ersten Schritt, der typischerweise als Akquisition bezeichnet wird, beschafft der Empfänger 122 die Signale 106, 108, 110 und 112 durch Korrelieren des eindeutigen C/A-Codes, der dem SV 114, 116, 118 und 120 entspricht, mit empfangener HF-Energie an der Antenne des Handapparats 102 und Bestimmen, dass diese empfangenen Signale ausreichende Stärke (z. B. Träger-zu-Rauschdichte-Verhältnis C/N0) für die Verwendung bei der nachfolgenden Verarbeitung aufweisen. In einem nächsten Schritt, der typischerweise als Tracking bezeichnet wird, rastet der Empfänger 112 auf den C/A-Code für jedes beschaffte SV ein, was sich alle 1 ms wiederholt. In einem nächsten Schritt, der typischerweise als Bitsynchronisation bezeichnet wird, synchronisiert sich der Empfänger 112 mit dem Datenbit in jedem Signal 106, 108, 110 und 112, was über 20 ms einmal auftritt. In einem letzten Schritt, in dem die genaue GPS-Zeit berechnet wird, was typischerweise als Rahmensynchronisation bezeichnet wird, bestimmt der Empfänger 112 die Rahmengrenze der empfangenen Datenbit in den Signalen 106, 108, 110 und 112. An diesem Punkt kann die Navigation beginnen, zum Beispiel durch Trilaterationstechniken und Verwendung von PVT-Filtern und Algorithmen, die Fachleuten bekannt sind.
Es sollte angemerkt werden, dass in bestimmten Anwendungen wie etwa synchronisationsfreier Navigation die Rahmensynchronisation (und manchmal auch die Bitsynchronisation) weggelassen wird (obwohl Bitsynchronisation für optimalen Betrieb immer noch erwünscht ist, da Tracking-Schleifen über ein exaktes Datenbit hinweg integrieren müssen, um auf das Tracking angewandte Signalenergie zu maximieren). Darüber hinaus können verschiedene verbesserte Verfahren verwendet werden, um Datenbitsynchronisation und Rahmensynchronisation durchzuführen, die von herkömmlichen Verfahren verschieden sind, wie etwa die in der gleichzeitig anhängigen Anmeldung Nr. 12/276,987 und in dem US-Patent Nr. 7,924,220 beschriebenen, deren beider Inhalt hiermit durch Bezugnahme aufgenommen wird. Die Einzelheiten davon werden jedoch aus Gründen der Klarheit der Erfindung hier ausgelassen.
Ein herkömmlicher Rahmensynchronisationsprozess verarbeitet jedes SV, das getrackt wird, getrennt und benötigt typischerweise mindestens zwei komplette Subrahmen (d. h. mindestens zwei Vielfache von 6 Sekunden), um die sich wiederholende 8-Bit-Präambel zu finden, die jeden Subrahmen beginnt, und bei schwachen Signalpegeln (z. B. 20 dB-Hz oder 15 db-Hz oder darunter) sogar länger.
Die vorliegenden Erfinder erkennen, dass die Notwendigkeit genauer Ortshilfe in Situationen (z. B. Fahren in der Stadt, innen), bei denen Signalpegel sehr schwach sind (z. B. sogar nur –165 dBm), eine besonders akute Notwendigkeit ist.
Im Allgemeinen stellt die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verwendung von Akquisitionskanalergebnissen von einer Anzahl von Satelliten zur Erzielung von zusammengesetzter Schwach-Akquisition bereit. Gemäß bestimmten anderen Aspekten stellt die Erfindung außerdem ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Auflösen nach GPS-Zeit unter Verwendung einer Zusammensetzung beschaffter Signale von einer Vielzahl von Satelliten bereit, wenn sowohl die Benutzerposition als auch die Satellitenposition bekannt sind. In dem verfügbaren Suchraum und der zu durchsuchenden Zeitunbestimmtheit sind die geometrischen Entfernungen relativ linear, wodurch der Punkt der Konvergenz von Entfernungen zum Auflösen nach GPS-Zeit mit vernünftiger Genauigkeit möglich wird, was dem Erhalten von Rahmensynchronisation äquivalent ist.
Gemäß bestimmten Aspekten erkennen die vorliegenden Erfinder, dass das Konzept der Kreuzsatellitendetektion zur Durchführung von Akquisition in Anwendungen wie dem Mikroleistungsmodus bereits benutzt worden ist. Einige der zum Durchführen von Kreuzsatellitenakquisitionen in diesen Fällen verwendeten Annahmen sind: Benutzer ist nahezu statisch, kann GPS-Zeit bis auf +/–125 μs vorhersagen, kann TCXO-Frequenz bis auf +/–30 ppb vorhersagen, kann Codephase bis auf +/–1 Chip vorhersagen und kann Doppler bis auf +/–3 Hz vorhersagen. Die Kreuzsatellitendetektion, die im Mikroleistungsmodus verwendet wird, kann also nicht verwendet werden, falls sich der Benutzer zu schnell bewegt.
Die vorliegenden Erfinder haben ferner erkannt, dass die Konzepte sowohl der Kreuzsatelliten- als auch Positionsdomänensuche auf neue und unerwartete Weisen zu einer zusammengesetzten Schwach-Akquisitionstechnik kombiniert werden können, die in der Lage ist, Akquisition bis herunter zu ~12 dBHz mit Grobhilfeinformationen, so wie sie für 3GPP verfügbar sind (2 Sekunden Zeitunbestimmtheit, 3 km Positionsunbestimmtheit und 0,2 ppm Frequenzunbestimmtheit) durchzuführen.
Bestimmte allgemeine Aspekte der Erfindung werden nun in Verbindung mit den Zeichnungen beginnend mit 2 beschrieben.
2 zeigt einen ersten Schritt, der im Allgemeinen als zusammengesetzte Schwach-Akquisition bezeichnet wird. In diesem Schritt wird die Positionsdomäne unter Annahme fester Satellitenorte durchsucht, um zu sehen, wo alle Entfernungen konvergieren. Dies ergibt einen groben Benutzerort innerhalb eines Chips oder +/–150 m. Insbesondere zeigt 2 ein Beispiel, bei dem ein Empfänger Signale von fünf Satelliten SV1, SV2, SV3, SV4 und SV5 beschafft hat, (typischerweise sind Signale von mindestens vier Satelliten für eine dreidimensionale Position erforderlich, und drei Satelliten für eine zweidimensionale Position).
3 zeigt einen nächsten Schritt, der im Allgemeinen als Rahmensynchronisation/Berechnung genauer Zeit bezeichnet wird. In diesem Schritt werden die Satelliten getrackt und die Bitflanke ist bekannt, so dass die Entfernungen zu den Satelliten auch bekannt sind. Es wird angenommen, dass der Satellitenpfad während der Zeitunbestimmtheit von +/– zwei Sekunden linear ist. Die Satellitenbewegung wird durch Justieren der Entfernungen unter Verwendung der Entfernungsraten berücksichtigt. Die Entfernungen werden unter Verwendung der Satellitenentfernungsraten mit 20-ms-Zeitinkrementen justiert, um zu sehen, zu welchem Zeitpunkt alle Entfernungen konvergieren. Der Punkt der Konvergenz ist der wahre Benutzerort, und ähnlich ist die Zeit, zu der alle Entfernungen konvergieren, die wahre GPS-Zeit. Kenntnis der wahren GPS-Zeit ist das Äquivalent davon, über Rahmensynchronisation zu verfügen.
4A und 4B sind zwei verschiedene Arten der Darstellung desselben Verfahrens zum Auflösen nach Zeitkonvergenz. 4A zeigt den Punkt der Konvergenz, indem tatsächlich die justierte SV-Abgriffsausrichtung in Metern aufgrund von Satellitenbewegung in der gegebenen Zeitunbestimmtheit von +/– zwei Sekunden unter Verwendung der Entfernungsraten gezeigt wird. Der Schnittpunkt der Linien ist der Punkt der Konvergenz. 4B zeigt das Finden des Punkts der Konvergenz durch Nehmen der Differenz zwischen maximalen und minimalen Abgriffsausrichtungswerten. In jedem Beispiel muss die Zeit um 1,02 Sekunden korrigiert werden. Es sollte beachtet werden, dass das Auflösen von Zeit oder Finden eines Punkts der Konvergenz nicht auf das dargestellte Verfahren beschränkt sind und hier aus Gründen der Klarheit der Erfindung andere Verfahren weggelassen werden.
Es werden nun beispielhafte Implementierungen der Erfindung gemäß bestimmten der obigen allgemeinen Aspekte ausführlicher beschrieben.
Wie in der in 5 gezeigten beispielhaften Implementierung gezeigt, wird vor dem Durchführen der zusammengesetzten Schwach-Akquisition gemäß Ausführungsformen der Erfindung vorzugsweise eine Anzahl von Schritten ausgeführt. Um die richtigen Akquisitionskanaltypen einzurichten, müssen die Zeit-, Positions- und Frequenzhilfsunbestimmtheiten entweder aus internen oder externen Quellen bekannt sein. Die Hilfe kann in einer beliebigen Reihenfolge erhalten werden, so dass die hier angegebene Reihenfolge nur ein mögliches Beispiel ist. Im Schritt S502 wartet das Verfahren, bis externes/internes Time Aiding (Zeithilfe) bis auf +/–2 Sekunden erhalten ist. Zum Beispiel können mit RTC-Zeit-Temperatur-Kalibration unter Verwendung eines Temperatursensors zwei Sekunden Zeitunbestimmtheit für eine lange Zeit, wie etwa viele Stunden oder Tage, aufrechterhalten werden. Gemäß bestimmten Aspekten ist, wenn die Zeithilfe grob ist, Bitsynchronisation auf einem der SV notwendig, so dass die Codephasenunbestimmtheit alleine von der Positionshilfe abhängt. In einem nächsten Schritt S504 wartet das Verfahren, bis Coarse Position Aiding (Grob-Positionshilfe) von weniger als +/–3 km erhalten ist, was für die meisten standardisierten Testfälle mit grober Hilfe der Fall ist. Bei beispielhaften Ausführungsformen beträgt die Kanalgröße +/–64 Chips mit ¼ Chipabstand, woraus der 512-Abgriffe-Kanal gebildet wird. Das Ausmaß der Positionsunbestimmtheit, die ein Kanal unter Verwendung von +/–64 Chips abdecken kann, beträgt somit +/–18 km, also mehr als bei einer normalen Grob-Hilfe-Position.
In einem nächsten Schritt S506 wartet das Verfahren, bis internes oder externes Coarse Frequency Aiding von weniger als 0,2 ppm erhalten wird. Falls beispielsweise TCXO/XO/DSXO Frequenz-Temperatur-Kalibration mit einem Temperatursensor aufweist, kann interne Hilfe ausreichen. Bei beispielhaften Ausführungsformen wie etwa der in 5 gezeigten ist es, falls die Frequenzunbestimmtheit größer als 0,2 ppm ist, nicht möglich, alle SV im ersten Durchgang (der nicht genug Kanäle zum Abdecken aller Codes und Frequenzen für alle SV aufweist) zu durchsuchen, was zu einem letztendlichen Fehlschlag führt. Wenn die Unbestimmtheiten groß sind und nicht alle SV im ersten Durchgang durchsucht werden können, werden die SV, die gefunden werden, in den Tracking-Zustand überführt. In einem nächsten Schritt S508 wartet das Verfahren, bis Bitsynchronisation für wenigstens ein SV erhalten wird. Ein Grund für die Aufnahme dieses Schritts in Ausführungsformen der Erfindung besteht darin, dass, wenn die Bitflanke bekannt ist, dann Unbestimmtheiten von weniger als 20 ms null sind und der Hauptbeitrag zu den Unbestimmtheiten unter 1 ms aus Positionsunbestimmtheit kommt. Wenn wenigstens vier Tracking-Messungen verfügbar sind, von denen wenigstens eine bitsynchronisiert ist, können sie als die Eingabe für zusammengesetzte Verarbeitung verwendet werden, statt der Verwendung von Akquisitionsdaten.
Im Schritt S510 werden, nachdem alle anfänglichen Schritte S502 bis S508 bestätigt wurden, Akquisitionsmeldungen für Signale von einer Vielzahl n von SV ermittelt. Vorzugsweise werden Meldungen von wenigstens vier Kanälen verwendet (d. h. n = 4). Zum Beispiel werden anfängliche Ergebnisse aus allen Akquisitionskanälen mit einem Schwellenwert der Signalstärke oder mit abgeschlossener maximaler Integrationszeit in Betracht gezogen und nach SNR eingestuft.
Als Nächstes wird im Schritt S512 zusammengesetzte Schwach-Akquisition durchgeführt, wie später ausführlicher beschrieben werden wird. Eine Nichterzielung der erforderlichen Werte für anfängliche Positions-, Zeit- und Frequenzunbestimmtheit oder von genug Messungen entweder aus Akquisition und/oder Tracking würde zusammengesetzte Schwach-Akquisition verhindern.
Nachdem schwache zusammengesetzte Akquisition erzielt ist, wird im Schritt S514 durch Berechnung einer genauen GPS-Zeit Rahmensynchronisation erhalten, wie später ausführlicher beschrieben werden wird.
Es werden nun beispielhafte Implementierungen des Durchführens einer zusammengesetzten Schwach-Akquisition, wie etwa der im Schritt S512 durchgeführten, gemäß Aspekten der Erfindung beschrieben. Das Konzept der Kreuzsatellitendetektion, wenn die Position nicht genau bekannt ist, wird nachfolgend in Verbindung mit 6(a) und 6(b) beschrieben, die in Form einer graphischen Darstellung Aspekte beispielhafter Prozesse der zusammengesetzten Schwach-Akquisition gemäß der Erfindung zeigen.
Wie in 6(a) dargestellt, sind, wenn die Position nicht genau bekannt ist, die Korrelationsspitzen in den Akquisitionskanälen für die SV signifikant mit Bezug auf den Korrelationsabgriff versetzt, an dem die Spitze erwartet worden wäre, wenn die Positionsschätzung die wahre Position gewesen wäre. Genauer gesagt zeigt 6(a) in Form einer graphischen Darstellung Empfänger-Akquisitionskanäle 602 für acht verschiedene Satelliten SV1 bis SV8. In diesem Beispiel deckt jeder Kanal +/–64 Chips mit ¼ Chipbeabstandung ab, wodurch ein 512-Abgriffe-Kanal gebildet wird. Die Menge an Positionsunbestimmtheit, die ein Kanal unter Verwendung von +/–64 Chips abdecken kann, beträgt +/–18 km, also mehr als die für eine normale Grob-Hilfe-Position erforderliche Reserve.
Mit einer perfekten Positionsschätzung weisen alle Kanäle 602 ihre wahren Spitzen an einem gemeinsamen Codeabgriff auf. 6(a) zeigt, dass ohne perfekte Zeit- und Positionsschätzung der Mittenabgriff jedes Kanals bezüglich Codephase von einem hypothetischen gemeinsamen Mittenabgriff 255, der Nullpositions- und Zeitfehler entspricht, versetzt ist.
Mit ordnungsgemäßer Justierung der Position richten sich die Kanäle 602 alle an demselben Codephasenabgriff aus, wie in 6(b) gezeigt. 6(b) zeigt die Kanäle, die sich an einem beispielhaften Abgriff 290 ausrichten, um Aspekte der zusammengesetzten Schwach-Akquisition gemäß der Erfindung zu veranschaulichen, die die geschätzte Position justiert, so dass sich die Kanäle an einem anderen gemeinsamen Abgriff als 255 (der der Mittenabgriff ist, wenn weder Zeit noch Positionskorrekturen vorgenommen werden müssen) ausrichten.
Um die schwache zusammengesetzte Akquisitionstechnik der vorliegenden Erfindung weiter zu veranschaulichen, folgt eine beispielhafte Menge realer Daten, die aus einem GPS-Empfänger mit Akquisitionskanälen wie oben beschrieben gesammelt wurden. In diesem Beispiel sind Daten aus den Kanälen, die neun SV mit den acht höchsten 16-Bit-Korrelationsspitzenwerten entsprechen, und ihre entsprechenden Codeabgriffswerte gezeigt. Für jeden Satelliten sind die Azimut- und Elevationswerte auf der Grundlage der anfänglichen Schätzung der Position (internen/externen Position und Ephemeridenhilfe) nachfolgend in Grad gezeigt (d. h. ”AzEl(x)”, wobei x die dem Satelliten zugeordnete Kanalnummer ist), sowie die obersten acht Spitzen-16-Bit-Korrelationspitzenwerte (d. h. ”pks(x)”) und ihre entsprechenden Codeabgriffe (d. h. ”taps(x)”) in dem 512-Abgriffe-Kanal. Die redundanten Abgriffsnummern sind auf mehrere Frequenz-Bins zurückzuführen. Es ist zu sehen, dass die Abgriffe mit den Spitzenwerten alle voneinander verschieden sind. In dem in den folgenden Daten gezeigten Beispiel sind sie nach Justierung um den Abgriff 290 herum ausgerichtet, wie auch in 6(b) abgebildet.
AzEl(13,:) = [310, 53];
taps(13,:) = [263, 263, 262, 261, 261, 261, 262, 262];
pks(13,:) = [15469, 15801, 16199, 16398, 18521, 18786, 19648, 20179];
AzEl(6,:) = [116, 40];
taps(6,:) = [314, 312, 314, 314, 313, 312, 313, 313];
pks(6,:) = [13662, 13993, 14126, 14358, 14557, 14657, 16315, 16481];
AzEl(3,:) = [138, 39];
taps(3,:) = [158, 47, 330, 328, 330, 329, 329, 329];
pks(3,:) = [13262, 13312, 13357, 13589, 13622, 14054, 14684, 15447];
AzEl(20,:) = [214, 18];
taps(20,:) = [141, 125, 420, 233, 66, 336, 47, 66];
pks(20,:) = [13183, 13249, 13270, 13303, 13316, 13403, 13415, 13581];
AzEl(7,:) = [282, 18];
taps(7,:) = [187, 314, 274, 276, 275, 275, 276, 276];
pks(7,:) = [13239, 13508, 13542, 13641, 13674, 14669, 14736, 14835];
AzEl(19,:) = [160, 15];
taps(19,:) = [54, 369, 305, 153, 351, 350, 173, 350];
pks(19,:) = [13224, 13258, 13285, 13318, 13390, 13457, 13484, 13689];
AzEl(32,:) = [192, 10];
taps(32,:) = [51, 257, 50, 154, 307, 339, 446, 446];
pks(32,:) = [13150, 13150, 13166, 13204, 13204, 13303, 13535, 13768];
AzEl(23,:) = [206, 80];
taps(23,:) = [297, 296, 296, 298, 298, 297, 297, 297];
pks(23,:) = [13117, 14117, 15117, 16117, 17117, 18117, 19117, 20117];
AzEl(30,:) = [50, 40];
taps(30,:) = [255, 254, 254, 256, 256, 255, 255, 255];
pks(30,:) = [13117, 14117, 15117, 16117, 17117, 18117, 19117, 20117];
Als Ergebnis von schwacher zusammengesetzter Akquisition gemäß Aspekten der Erfindung wird das Ausmaß der für jedes SV vorzunehmenden Codephasenkorrektur oder -justierung bestimmt. Diese Justierung betrifft im Allgemeinen die Pseudoentfernung für das SV, wie durch die nachfolgende Formel gegeben: –ρ = –cos(Az)·cos(El)·ΔN – sin(Az)·cos(El)·ΔE
Dabei ist ρ die Pseudoentfernungsänderung zu dem Satelliten, für den Codephase zu justieren ist, Az und El sind Azimut und Elevation des Satelliten und ΔN und ΔE^{ΔN and ΔE} sind die Delta-Nord- und Delta-Ost-Suchpunkte auf einem um den wahren Ort herum zentrierten Gitterpunkt, bestimmt durch schwache zusammengesetzte Akquisition.
Im Folgenden werden zwei beispielhafte Verfahren beschrieben, um den Betrag zu bestimmen, um den die Codephasen gemäß Ausführungsformen der zusammengesetzten Schwach-Akquisition der Erfindung justiert werden. Fachleuten werden nach Durchsicht dieser Beispiele weitere mögliche Ausführungsformen und Alternativen einfallen.
Ein erstes beispielhaftes Verfahren wird hier als ”Positionsdomänensuche” bezeichnet. Bei diesem beispielhaften Verfahren wird eine Positionsgittersuche durchgeführt, indem der gesamte Unbestimmtheitsbereich abgedeckt wird, und der Gitterpunkt mit der maximalen kombinierten während der Suche bestimmten Korrelationsspitze wird verwendet, um den Ort genau zu bestimmen. Satellitenpositionen und GPS-Zeit werden für diese Phase der Suche auf der nominalen Zeitschätzung festgehalten. Zum Beispiel beginnt der wie in 7 gezeigte Prozess im Schritt S702 mit dem Erzeugen eines Gitters in der Nord- und Ostrichtung von der geschätzten anfänglichen Position aus mit ΔN- und ΔE-Gitterpunkten. Beispielsweise erhält man die geschätzte Position durch externe Hilfe. In diesen und anderen Beispielen wird die Suche so durchgeführt, dass jeder ΔN- und ΔE-Gitterpunkt um einen zwei Chip breiten Abstand, d. h. 586,5 m, getrennt ist. Im Schritt S704 werden Az und El an der geschätzten Position für jeden Satelliten, für den Daten gesammelt werden, berechnet. Zum Beispiel können mit normaler Grobhilfegenauigkeit Az und El auf der Grundlage der nominalen Werte der anfänglichen Positions- und Zeitschätzungen konstant bleiben, da das Ausmaß der Änderung über diese Unbestimmtheiten klein genug ist.
Die Suche wird im Schritt S706 gestartet, indem angenommen wird, dass ΔN und ΔE^{ΔN and ΔE} beide null sind. Dies wird die unbekannte wahre Position sein, an der der Empfänger die Signale gesammelt hat, d. h. der wahre Benutzerort. An dieser Position werden die Codephasenabgriffe und ihre entsprechenden Korrelationsspitzenmeldungen für alle SV durch die ursprünglichen Akquisitionsmeldungen gegeben. In dem oben angegebenen Beispiel für tatsächliche Daten umfassen diese die obersten acht Codeabgriffspositionen (d. h. ”taps(x)”) und die diesen zugeordneten entsprechenden Korrelationsspitzenwerte (d. h. ”pks(x)”). Bei diesen handelt es sich um die Werte bei ΔN = 0 und ΔE = 0. Die (etwaigen) Spitzenwerte von mehreren SV, die in dasselbe Codeabgriffsfenster fallen, werden im Schritt S708 miteinander summiert. Ein Codeabgriffsfenster ist ein Gleitfenster, das abhängig von dem Ausmaß der in den ΔN- und ΔE-Gitterpunkten vorgenommenen Justierungen eine kleine Anzahl von angrenzenden Abgriffen umfasst. In dem gegebenen Beispiel werden ΔN und ΔE um 586,5 m justiert, was zwei Chips oder acht Codeabgriffen äquivalent ist. Im Schritt S710 wird die aktuelle Summe mit der aktuellen Maximalspitzenwertsumme verglichen, und wenn es sich um ein neues Maximum handelt, wird es im Schritt S712 zusammen mit den entsprechenden ΔN- und ΔE-Werten behalten.
Als Nächstes wird im Schritt S714 bestimmt, ob der gesamte Gitterbereich durchsucht worden ist. Wenn der Gitterbereich noch nicht voll durchsucht ist, was im Schritt S714 bestimmt wird, geht im Schritt S716 die Suche weiter, indem von ΔN und ΔE^{ΔN and ΔE} eines in jeder Richtung um 586,5 m justiert wird. Im Schritt S718 werden die Codephasen an diesem Delta-Ort auf der Grundlage von Azimut und Elevation des Satelliten unter Verwendung der nachfolgenden Formel justiert: –ρ = –cos(Az)·cos(El)·ΔN – sin(Az)·cos(El)·ΔE wobei ρ die Pseudoentfernungsänderung zu einem bestimmten SV für eine gegebene Änderung von Positions-ΔN und -ΔE ist.
Genauer gesagt wird für ein gegebenes ΔN und ΔE beispielsweise +586,5 m N und +586,5 m E der Wert von ρ für ein bestimmtes SV unter Verwendung der Eingaben Azimut (Az) und Elevation (El) des bestimmten SV in die obige Formel berechnet. Der ursprüngliche Codeabgriffswert für das SV wird in Meter umgewandelt und dann um den berechneten Wert von ρ in Metern justiert. Der neue Codeabgriffswert für das SV an dem neuen ΔN- und ΔE-Ort wird dann durch Umwandeln des justierten Werts in Meter in Codeabgriffseinheiten abgeleitet.
Der Prozess wird im Schritt S708 wie oben beschrieben wieder aufgenommen, bis der gesamte Suchbereich durchsucht ist.
Wenn der gesamte Gitterbereich durchsucht worden ist, wird der höchste abgespeicherte Summenspitzenwert über den gesamten Bereich bestimmt und das diesem höchsten Summenspitzenwert zugeordnete ΔN und ΔE wird bestimmt als der Ort der besten Positionsschätzung (BEP) (Schritt S720). Nun ist ein Referenzort bekannt, der der BEP-Ort ist. Dementsprechend wird im Schritt S722 der wahre Ort bestimmt, indem der BEP-Ort um ΔN, ΔE^{ΔN and ΔE} justiert wird, um die Position wieder zurück auf den wahren Empfängerort zu justieren. Anders ausgedrückt wird die anfängliche Schätzung der Position aus Hilfe um negatives ΔN und negatives ΔE justiert, um die wahre Position des Benutzers zu finden.
8 zeigt graphisch ein Beispiel dafür, wie das in Verbindung mit 7 beschriebene Verfahren funktioniert. In diesem Beispiel entsprechen die x- und y-Richtung des dreidimensionalen Graphen dem gegebenen Positionssuchfenster, von der wahren Position versetzt. Die Mitte der Positionssuche in der x-y-Domäne ist die unbekannte wahre Position. Die Spitzen 802 in der z-Richtung von 8 entsprechen den summierten Spitzen an jedem Gitterpunkt in der Suche. Die höchste Spitze 804 entspricht der anfänglichen Positionsschätzung aus der Hilfe, wie oben bestimmt. Wie ersichtlich, ist die x-y-Position dieser Spitze 804 aufgrund des Fehlers in der anfänglichen Schätzung der Position von der Mitte des Gitters versetzt.
Ein zweites äquivalentes Verfahren, um zu bestimmen, wie die Codephasen zu justieren sind, wird hier als ”Auflösen nach dem Schnittpunkt von Linien” bezeichnet. In dem in 9 gezeigten beispielhaften Flussdiagramm beginnt der Prozess im Schritt S902 mit der Berechnung von Az und El an der geschätzten Position für jeden Satelliten zum Zeitpunkt des Sammelns von Daten. Zum Beispiel werden ähnlich wie bei dem obigen Verfahren Az und El auf der Grundlage der anfänglichen Schätzung für Position und Zeit unter Verwendung verfügbarer Ephemeridendaten oder Almanacdaten berechnet (Almanac kann typischerweise verwendet werden, wenn der Almanac höchstens eine Woche alt ist). Darüber hinaus wird ähnlich wie bei dem obigen Verfahren die geschätzte Position zum Beispiel durch externe Hilfe erhalten.
Als Nächstes wird beachtet, dass, wenn es n SV SV₁ bis SVn gibt, ihre zugeordneten Pseudoentfernungsänderungen gegeben werden durch:
Dabei ist für SV_i, ρ_i = Pseudoentfernungsänderung und Az_i = Azimut, und El_i = Elevation wie oben im Schritt S902 berechnet.
Die Erfinder merken ferner an, dass sich für einen gewissen zu bestimmenden gemeinsamen Ort alle Codephasen an einem gemeinsamen Abgriff ausrichten. Die Werte von ΔE und ΔN in der obigen Gleichung sind somit die Positionsoffsets von dem wahren Ort zu dem anfänglichen geschätzten Ort.
Als Nächstes bestimmt das Verfahren im Schritt S904 für jedes SVi die gemessenen Codephasen M_i, an denen der Spitzenabgriffswert gefunden wird. Ferner erkennen die vorliegenden Erfinder:
Es sei cos(Az₁)·cos(El₁)A₁ und sin(Az₁)·cos(El₁) sei B₁. Ähnlich sei cos(Az₂)·cos(El₂)A₂, und sin(Az₂)·cos(El₂) sei B₂ und so weiter. Dies ergibt:
Es wird angemerkt, dass das Positions-ΔN und -ΔE in den obigen Gleichungen der BEP-Ort sind im Fall M₁ – ρ₁ = M₂ – ρ₂ = M_n – ρ_n
Somit folgt:
Wenn die obige Menge von Gleichungen im Matrixformat geschrieben wird, entsteht die folgende Formation:
Oder anders geschrieben, wie im Schritt S906 durchgeführt:
Im Schritt S908 wird die obige Matrixgleichung nach ρ₁, ΔN und ΔE aufgelöst^{ΔN and ΔE}.
Als Nächstes wird im Schritt S910, ΔN und ΔE in die anderen Gleichungen eingesetzt, um die Pseudoentfernungsänderungen für alle anderen Satelliten zu bestimmen. Damit kann man ferner bestätigen, dass das ΔN und ΔE die Position sind, an der sich alle Abgriffe von verschiedenen SV ausrichten.
10 ist ein Graph, der dabei hilft, zu erklären, wie die SV-Codephasen in der gegebenen Positionsdomäne auf der Grundlage ihres Azimuts und ihrer Elevation an dem speziellen Delta-Nord und Delta-Ost von der wahren Position aus justiert werden, die die Mitte des Gitters ist. Der Schnittpunkt 1002 der SV-Codephasen entspricht der anfänglichen Positionsschätzung. Die Distanz zwischen der Mitte des Gitters und dem Schnittpunkt aller SV ist das Delta-Positionsoffset von der wahren Position zu der anfänglichen Positionsschätzung. Anders ausgedrückt würden sich, falls die anfängliche geschätzte Position die wahre Empfängerposition wäre, alle beschafften Codephasen an einem gemeinsamen Abgriff des Codephasen-Suchbereichs ausrichten. Da die BEP-Position nicht die wahre Position ist, liegen die Spitzencodephasen an verschiedenen Abgriffen des Suchbereichs. Um das Ost-Nord-Offset zwischen der anfänglichen Position und der wahren Position zu entdecken, werden die Codephasen-Abgriffsnummern jedes SV durch die obige Pseudoentfernungs-Justierungsformel unabhängig justiert, bis sich alle beschafften Codephasen zu demselben Abgriffsindex an einem gemeinsamen Wert der Ost-Nord-Positionsjustierung verlagert haben. Subtrahieren dieses Ost-Nord-Offsets von der anfänglichen Position stellt eine Schätzung der wahren Position bereit.
Bei Ausführungsformen umfasst die Erfindung einen oder mehrere Zwischenschritte, um die Leistungsfähigkeit der zusammengesetzten Schwach-Akquisition vor dem Justieren der Codeabgriffe in der Positionsdomäne weiter zu verbessern.
Ein möglicher Schritt ist das Umwandeln etwaiger Tracking-Messungen in Akquisitionsmeldungen, so dass mehr SV zum Durchführen einer zusammengesetzten Schwach-Akquisition vorliegen. Es ist vorzuziehen, reale Signalspitzenmeldungen (d. h. die höchsten acht Korrelationsspitzenwerte und ihre entsprechenden Codeabgriffe) für die Kreuzsatellitendetektion aufzunehmen, statt nur einige wenige unbekannte Spitzenmeldungen zu verwenden. Die Umwandlung einer Tracking-Messung in eine Akquisitionsmeldung geschieht durch Propagieren der Codephase in einem Tracking-Befehl zu der Prä-Positions-Zeit, die zum Starten aller Akquisitionskanäle verwendet wird. Das Propagieren der Codephase stellt sicher, dass alle Meldungen über alle SV hinweg auf der gemeinsamen Prä-Positions-Zeit basieren.
Wenn bei allen möglichen SV Akquisitionsmeldungen verfügbar sind (SV im Akquisitions- oder Tracking-Zustand), werden die Meldungen nach Signalleistung von höchster zu niedrigster sortiert.
In einem anderen möglichen Zwischenschritt erkennen die vorliegenden Erfinder, dass zwei Satelliten mit dichten Azimuten einen breiteren, weniger genauen Schnittpunkt in Richtung gemeinsamer Codephasen in der Positionsdomäne aufweisen, wodurch der Schnitt über einen größeren Bereich diffus wird. Um den Konvergenzbereich der verschiedenen Codephasen zu minimieren, wird deshalb die Azimutebene vorzugsweise in Azimutsektoren von 16 Grad auf der Grundlage des Satelliten-Azimuts aufgeteilt. Somit wird die gesamte Ebene in 23 Sektoren aufgeteilt, 22 gleiche Sektoren 1102 von 16 Grad und der letzte 1104 beträgt nur 8 Grad, wie in 11 gezeigt.
An diesem Punkt werden nun also alle Akquisitionsmeldungen von mehreren SV sortiert und mit ihren jeweiligen Azimutsektoren markiert. Die Bestimmung der Justierung an den Codeabgriffen erfolgt auf der Grundlage eines der oben beschriebenen Verfahren.
Die Positionsdomänensuche kann entweder durch Durchsuchen des gesamten Gitters durch Justieren des ΔN und ΔE oder durch Verwendung des Linienschnittpunktverfahrens erreicht werden. Das Durchsuchen des gesamten Gitters kann zeitaufwändig und durchsatzintensiv sein, und dasselbe Ergebnis lässt sich typischerweise unter Verwendung des Schnittpunktverfahrens mit einem Bruchteil der Ressourcen erzielen. Bei dem Linienschnittpunktverfahren sind die SV bereits nach Spitzenamplitude sortiert, und durch Wählen der obersten vier SV mit guter Azimuttrennung kann ein genauerer Schnittpunkt mit der geringsten rechnerischen Last gefunden werden.
Falls zwei SV in demselben Azimutsektor 1102 anwesend sind, wird bei diesem Verfahren nur das stärkste SV aus diesem Sektor betrachtet und das andere wird weggelassen, um die Diffusion der Codephasen am Schnittpunkt zu minimieren.
Sobald zusammengesetzte Schwach-Akquisition unter Verwendung entweder von Positionsdomänensuche oder des Linienschnittpunktverfahrens geschehen ist, gibt es drei verschiedene Werte, der Abgriffswert, an dem maximale Leistung vorlag, und die entsprechenden Delta-N- und Delta-E-Werte. Die Delta-N- und Delta-E-Werte werden verwendet, um die einzelnen Codekorrekturen für jedes SV zu berechnen. Die Codekorrekturen werden dann verwendet, um den Codeabgriffsindex aus der Akquisitionsmeldung zu korrigieren und zu sehen, ob sich alle justierten Codeabgriffe nun ausrichten.
Um die Wahrscheinlichkeit von Falschalarm (pfa) der zusammengesetzten Schwach-Akquisition zu minimieren, wird bevorzugt, dass sich mindestens vier SV an demselben Codeabgriff ausrichten. Wenn sich vier oder mehr ausrichten, kann die Akquisition als erfolgreich erklärt werden. Die Akquisitionsmeldung von der Spitze, die sich ausrichtet, kann als Codephaseninitialisierung zum direkten Starten jedes Tracking verwendet werden.
Für SV, die sich nicht ausrichten, zeigt dies an, dass ihre Akquisitionsmeldungen Fehlschläge waren. Es ist aber immer noch möglich, Trackings an diesen durch Verwendung des Abgriffs höchster Amplitude von den ausgerichteten SV zu starten und die Codejustierung aus dem Delta-N und Delta-E zu verwenden, um den korrekten Codeabgriff für das nichtausgerichtete SV zu bestimmen. Dann können der neue Codeabgriff und die neue Frequenz verwendet werden, um ein Tracking zu starten.
Wieder mit Bezug auf 5 wurden im Schritt S512 durch Schwach-Akquisition unter Verwendung beliebiger der oben beschriebenen Verfahren die Werte von Delta-N und Delta-E bestimmt. Als die tatsächlichen Korrekturen von der anfänglichen Positionsschätzung auf den wahren Positionsort werden sie zum Aktualisieren der anfänglichen Position auf den wahren Ort verwendet. Nachdem die anfängliche Position auf den wahren Ort aktualisiert wurde, der innerhalb von 1/4 Chipauflösung liegt, wurde die Positionsunbestimmtheit auf innerhalb von < 150 m reduziert. Es verbleibt jedoch immer noch eine Zeitunbestimmtheit von zwei Sekunden.
Dementsprechend wird vorzugsweise nach der Positionsdomänensuche im Schritt S514 das Berechnen einer genauen Zeit/Erzielen von Rahmensynchronisation durchgeführt.
Die Zeit ist genau bekannt, nachdem herkömmliche Rahmensynchronisation abgeschlossen ist. Die vorliegenden Erfinder erkennen jedoch, dass dasselbe Ergebnis sogar auch ohne Erzielung herkömmlicher Rahmensynchronisation erzielt werden kann. Dies kann unter der Annahme von grober Hilfe (Ephemeriden- und Zeitunbestimmtheit von 2 s) und von Bitsynchronisation für ein SV, und dass die Benutzerposition bis auf < 150 m bekannt ist, geschehen, was wahr ist, nachdem die zusammengesetzte Signal- und Positionsschätzung erreicht ist oder nachdem die synchronisationsfreie Nav. für starke Signale verfügbar ist.
Nachdem die Benutzerposition bis auf < 150 m bekannt ist und unter Verwendung bekannter Satellitenentfernungsraten, bleibt, ein lineares Problem in der Zeit zu lösen. Durch Justieren der GPS-Zeit in 20-ms-Inkrementen kann der verbleibende Positionsfehler unter gleichzeitiger Auflösung der GPS-Zeitmehrdeutigkeit auf nahezu null verringert werden. Genauer gesagt durch Umwandeln der Tracking-Messungen in Codeabgriffsoffset und Anwenden der Entfernungsraten der SV, um die Offsets unter Verwendung von 20-ms-Zeitinkrementen zu justieren. Der Zeitpunkt, zu dem die verbleibenden kleinen Codeabgriffsoffsets konvergieren, ist äquivalent, über Rahmensynchronisation zu verfügen.
Wie in 12 gezeigt werden nach zusammengesetzter Signal- und Positionsschätzung und unter Kenntnis von Bitsynchronisation für mindestens eines der SV effektiv alle Satelliten getrackt. Dementsprechend werden in einem ersten Schritt S1202 die Tracking-Codephasen in Akquisitions-Äquivalenz-Codeabgriffe umgewandelt. Diese Abgriffswerte entsprechen alle einer gemeinsamen anfänglichen Schätzung der GPS-Zeit, die bis auf +/– zwei Sekunden genau ist. Das Ziel dieses Algorithmus ist das Entfernen des Zeitoffsets und Verfeinern der Positionsschätzung. Es wird angenommen, dass der Satellitenorbitalpfad während der Zeitunbestimmtheit von +/– zwei Sekunden ungefähr linear ist. In einem nächsten Schritt S1204 werden die Satellitenentfernungsraten aus den Ephemeridendaten berechnet. Es können Almanacdaten verwendet werden, wenn sie neu genug sind, z. B. weniger als eine Woche alt. Diese Raten werden bei der anfänglichen GPS-Zeitschätzung berechnet und sind im Wesentlichen über das Zeitunbestimmtheitsintervall konstant. Als Nächstes wird im Schritt S1206 die anfängliche GPS-Versuchszeit auf die früheste GPS-Zeit im Zeitunbestimmtheitsintervall gesetzt. Außerdem wird der anfängliche Root-Mean-Square-Fehler der anfänglichen Codeabgriffsoffsets auf einen anfänglichen Wert gesetzt, wie etwa 300 m. Als Nächstes wird im Schritt S1208 die Sichtlinien(LOS)-Satellitenbewegung jedes SV durch Justieren des Codeabgriffsoffsets jedes SV unter Verwendung der im Schritt S1204 bestimmten Entfernungsraten und der aktuellen Versuchszeit berücksichtigt. In einem nächsten Schritt S1210 wird bestimmt, ob die Codeabgriffsoffsets für alle SV mit kleinerem Root-Mean-Square-Fehler als der vorherige beste Wert konvergieren. Im Fall weniger wird der Wert als der neue minimale Wert mit seiner entsprechenden Zeit abgespeichert. In einem nächsten Schritt S1212 wird bestimmt, ob alle Zeitwerte durchsucht wurden. Falls nicht, wird im Schritt S1214 die Versuchszeit um 20 ms inkrementiert, und der Prozess kehrt zum Schritt S1208 zurück. Andernfalls wird im Schritt S1216 die Zeit, die dem kleinsten Root-Mean-Square-Fehler entspricht, ausgegeben. Die anfängliche Schätzung der GPS-Zeit wird um diese Versuchszeit justiert, um die wahre GPS-Zeit zu erhalten. Wie bereits erwähnt, ist die Kenntnis der wahren GPS-Zeit äquivalent, über Rahmensynchronisation zu verfügen.
Gemäß bestimmten Aspekten spart die Verwendung der vorliegenden Erfindung drei bis neun Sekunden zum Erhalten von Rahmensynchronisation in einer Starksignalumgebung, wobei die Datensammlung in einem einzigen Durchgang erzielt werden kann. Unter Schwachsignalbedingungen wird herkömmliche Rahmensynchronisation möglicherweise nicht erzielt, da die Datensammlung nicht möglich ist, während sie unter Verwendung der vorliegenden Erfindung erzielt werden kann.
Obwohl die vorliegende Erfindung insbesondere mit Bezug auf ihre bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wurde, ist für Durchschnittsfachleute ohne Weiteres ersichtlich, dass Änderungen und Modifikationen von Form und Details vorgenommen werden können, ohne vom Gedanken und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Es ist beabsichtigt, dass die angefügten Ansprüche solche Änderungen und Modifikationen einschließen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 7924220 [0006, 0029]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

GPS Theory and Practice, fünfte Auflage, revidierte Auflage von Hofmann-Wellenhof, Lichtenegger und Collins, Springer-Verlag Wien New York, 2001 [0002]
B. Bradley et al., ”Performance Analysis of Collective Detection of Weak GPS Signals”, 23rd International Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation, 21.–24.9.2010, S. 3041–3053 [0006]
P. Axelrad et al., ”Enhancing GNSS Acquisition by Combining Signals from Multiple Channels and Satellites”, 22nd International Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation, 22.–25.9.2009, S. 2617–2628 [0006]

Claims

Verfahren, umfassend: Identifizieren von Korrelationsspitzen in einer Vielzahl von Akquisitionskanälen für eine entsprechende Vielzahl von Satelliten; Durchführen einer Positionsdomänensuche, um eine Position zu bestimmen, an der Entfernungen zu allen Satelliten konvergieren; und Justieren der Akquisitionskanäle auf der Grundlage der bestimmten Position.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Durchführen der Positionsdomänensuche umfasst: Herstellen einer Vielzahl von Gitterorten um eine geschätzte Position herum; und Durchsuchen der Vielzahl von Gitterorten, um die Position zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Durchsuchen umfasst: Bestimmen eines Offsets, das einem der Gitterorte entspricht; Summieren von Spitzenwerten in den Akquisitionskanälen in einem Codephasenfenster, das dem Offset entspricht; und Identifizieren des einen Gitterorts als die Position, falls die Summe der Spitzenwerte ein Maximum ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Durchführen der Positionsdomänensuche ein Bestimmen eines Schnitts einer Vielzahl von Linien, die Entfernungen aller Satelliten entsprechen, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Bestimmen des Schnitts von Linien umfasst: Identifizieren von Abgriffen, die den Korrelationsspitzen in den Akquisitionskanälen entsprechen; Bestimmen von Azimut und Elevation jedes der Satelliten; Bilden einer Menge von Gleichungen unter Verwendung der Abgriffs-, Azimut- und Elevationswerte als bekannte Werte und der Position als unbekannten Wert; und Auflösen der Menge von Gleichungen nach der Position.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: Identifizieren bestimmter der Satelliten, die bezüglich Azimut nahe zusammen sind; und Verwenden von Daten aus Akquisitionskanälen für einen ausgewählten der bestimmten Satelliten beim Durchführen der Positionsdomänensuche.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: Auflösen nach der GPS-Zeit unter Verwendung von Daten aus den justierten Akquisitionskanälen.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Auflösen umfasst: Identifizieren einer Vielzahl von Zeitversuchen in einem Bereich von Zeitunbestimmtheit; Bestimmen von justierten Entfernungen zu den Satelliten an den Zeitversuchen; Bestimmen eines Root-Mean-Square-Fehlers der Codeoffsets unter Verwendung der justierten Entfernungen; und Identifizieren eines der Zeitversuche mit dem niedrigsten Root-Mean-Square-Fehler.
Verfahren nach Anspruch 7, das ferner ein Identifizieren von Bitsynchronisation für wenigstens einen der Vielzahl von Satelliten umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner ein Warten mit dem Durchführen der Positionsdomänensuche umfasst, bis eines oder mehrere von Bitsynchronisation für einen der Vielzahl von Satelliten erzielt ist, Zeithilfe bis auf +/– zwei Sekunden erhalten wird, Positionshilfe bis auf +/–3 km erhalten wird und Frequenzhilfe bis auf 0,2 ppm erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner eine Verwendung einer Kombination von Akquisitions- und Tracking-Kanälen für die Vielzahl von Satelliten umfasst, wobei die Codephasenmessungen aller Kanäle modifiziert werden, um sich auf eine gemeinsame lokale Referenzzeit zu beziehen.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei Bitsynchronisation unter Verwendung eines der Vielzahl von Kanälen, der ein Tracking-Kanal ist, erzielt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, das ferner eine feinere Gittersuche über die Position und Zeit umfasst, um das Empfängertakt-Zeitbias mit hoher Präzision aufzulösen.