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Dokumentenidentifikation DE10015258B4 04.12.2008
Titel GPS-Empfänger mit einem Prozeß zur Rahmen-oder Framesynchronisation zwischen Satelliten
Anmelder Denso Corp., Kariya-shi, Aichi-ken, JP
Erfinder Yamashita, Yuzo, Kariya, JP
Vertreter WINTER, BRANDL, FÜRNISS, HÜBNER, RÖSS, KAISER, POLTE, Partnerschaft, 85354 Freising
DE-Anmeldedatum 28.03.2000
DE-Aktenzeichen 10015258
Offenlegungstag 12.10.2000
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 04.12.2008
Veröffentlichungstag im Patentblatt 04.12.2008
IPC-Hauptklasse G01S 5/10(2006.01)A, F, I, 20060331, B, H, DE

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft einen GPS-Empfänger, der Radio- oder Funksignale von GPS-Sateliten (GPS = Global Positioning System) empfängt und seine (Eigen-)Position aus den empfangenen Signalen ermittelt. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Verarbeiten von GPS-Satellitendaten zur Positionsberechnung mittels eines GPS-Empfängers.

GPS-Signale werden vielfach verwendet, um die Positionen beweglicher Körper, beispielsweise von Kraftfahrzeugen zu erfassen oder zu erkennen. Genauer gesagt, anhand der momentanen Zeit und der vorhandenen Position eines in einem Kraftfahrzeug angeordneten GPS-Empfängers wird ein sich im Orbit befindlicher GPS-Satellit gesucht. Die Signalempfangsfrequenz wird aus der Orbitinformation des GPS-Satelliten unter Berücksichtigung des Einflusses des Doppler-Effekts bestimmt. Wenn drei oder mehr derart gesuchte GPS-Satelliten vorhanden sind, wird es möglich, eine Positionsberechnung durchzuführen, d. h., die Position des Kraftfahrzeuges unter Verwendung von Satellitenorbitdaten zu berechnen oder zu bestimmen, die in den GPS-Signalen (Satellitendaten) enthalten sind, welche von den erreichten GPS-Satelliten übertragen werden. Es ist notwendig, die Positionsberechnung mit den Satellitendaten zu synchronisieren. Mit anderen Worten, in den Satellitendaten enthaltene Zeitdaten werden entnommen und der Abstand zwischen dem Satelliten und dem GPS-Empfänger wird auf der Grundlage der entnommenen Zeit und der momentanen Zeit seitens des GPS-Empfängers berechnet. Die Position des GPS-Satelliten wird aus den detaillierten Orbitinformationen (Ephemeriden) berechnet, die in den Satellitendaten enthalten sind. Diese Positionsberechnung wird an drei (bevorzugt vier) Satelliten durchgeführt, so dass die momentane Position des Kraftfahrzeuges aus der Position und der Datenübertragungszeit eines jeden Satelliten berechenbar ist.

Die detaillierte Orbitinformation ist für gewöhnlich für ungefähr vier Stunden wirksam. Es ist daher nicht notwendig, die detaillierten Orbitinformationen neu aufzunehmen, selbst dann, wenn eine Energieversorgung zu dem GPS-Empfänger für eine kurze Zeitdauer unterbrochen wird, solange die detaillierten Orbitinformationen in einem Backup-Speicher seitens des GPS-Empfängers gespeichert sind. Beispielsweise ist in der EP 635 728 A1 beschrieben, wie die Zeit verbessert (verkürzt) werden kann, die für die erste Ortsbestimmung in einem GPS-Empfänger benötigt wird. Orbitinformationen von GPS-Satelliten werden hierzu vor einer Signalunterbrechung in einer Tabelle gespeichert.

Im Ergebnis ist der GPS-Empfänger in der Lage, die Positionsberechnung unmittelbar nach der kurzen Energieversorgungs-Abschaltperiode zum Zeitpunkt der erneuten Energieversorgung wieder zu beginnen, da der GPS-Empfänger nur die Zeitinformation aus den Satellitendaten entnehmen muss. Dieser Neustart oder Neubeginn des Betriebs wird allgemein als "Heißstart" ("Hot Start") bezeichnet. Es ist jedoch nach wie vor notwendig, die Positionsberechnung des GPS-Empfängers mit den Satellitendaten zu synchronisieren, wenn die Zeitinformation bei dem Heißstart-Berechnungsvorgang entnommen werden muss. Mit anderen Worten, es ist notwendig, den Startpunkt der Satellitendaten genau zu bestimmen.

Die Satellitendaten werden für gewöhnlich so formatiert, dass sie in einem Rahmen oder Frame fünf Unterrahmen oder Subframes haben. Ein Unterrahmen (6 Sekunden) beinhaltet 10 Worte. Das Kopfwort in jedem Unterrahmen ist ein TLM-Wort und das folgende Wort ist ein HOW (Hand-Quer Word). Somit erscheinen TIM und HOW alle 6 Sekunden, was ein Zeitintervall eines jeden Unterrahmens während der Datenübertragung ist.

Für die Positionsberechnung des GPS-Empfängers ist es notwendig, die Datensynchronisation bezüglich eines jeden Unterrahmens zu überprüfen. Somit ist es notwendig, einen Präambel-Code im TIM am Kopf des Unterrahmens, einen Unterrahmen-Identifikatinscode (ID), eine Parität im HOW etc. zu überprüfen. Im Ergebnis dauert die Synchronisations-Bestimmungsbearbeitung eines jeden Rahmens oder Frames mindestens 6 oder mehr Sekunden, was einem Unterrahmen entspricht. Mit anderen Worten, die Überprüfung wird durch Erhalt des Präambel-Codes und der Parität durchgeführt, welche alle 6 Sekunden aufscheinen. Hierbei benötigt der Erhalt von TIM und HOW 1,2 Sekunden, da ein Wort 0,6 Sekunden entspricht. Somit benötigt man wenigstens 7,2 Sekunden, um die Präambel-Codes und Paritäten von zwei Rahmen zur Überprüfung der Übereinstimmung von Daten in den von jedem GPS-Satellit übertragenen Satellitendaten zu ermitteln.

Die US 5 365 450 A beschreibt einen GPS-Empfänger, der bei einem Heißstart auf gespeicherten Orbitinformationen aufsetzt und die DE 197 05 740 A1 beschreibt eine Rahmensynchronisation eines GPS-Satelliten. Diese ist erreichbar, wenn für jeden „sichtbaren" Satelliten eine Präambel erkannt wird.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen GPS-Empfänger zu schaffen, der in der Lage ist, seine Positionsberechnung mit Satellitendaten zu synchronisieren, wobei die Zeitdauer, die zum Beginn der Positionsberechnung notwendig ist, verkürzt werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die vorliegende Erfindung die im Anspruch 1 bzw. 7 angegebenen Merkmale vor, wobei die jeweiligen Unteransprüche vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt haben.

Gemäß der vorliegenden Erfindung führt ein GPS-Empfänger eine Rahmen- oder Framesynchronisations-Bestimmungsberechnung zwischen einzelnen Satelliten durch, um eine Synchronisation von Satellitendaten zu erhalten, welche von einer Mehrzahl von GPS-Satelliten übertragen werden. Genauer gesagt, bei der Rahmensynchronisations-Bestimmungsberechnung zwischen (einzelnen) Satelliten wird eine Übereinstimmung zwischen bestimmten Daten in den übertragenen Satellitendaten überprüft, wenn auf die Mehrzahl von GPS-Satelliten, deren detaillierte Orbitinformationen in einem Speicher hinterlegt sind, innerhalb einer bestimmten Zeitdauer zugegriffen wird.

Bevorzugt führt der GPS-Empfänger eine Rahmensynchronisations-Bestimmungsberechnung für einen einzelnen Satelliten durch, wenn er die Rahmensynchronisation zwischen den Satelliten nicht aufbauen kann, oder wenn er nicht auf die Mehrzahl von GPS-Satelliten zugreifen kann, von denen auf die detaillierten Orbitinformationen im Speicher nicht innerhalb der bestimmten Zeitdauer zugegriffen werden kann. Bei der Rahmensynchronisations-Bestimmungsberechnung für einen einzelnen Satelliten überprüft der GPS-Empfänger hinsichtlich einer Übereinstimmung zwischen bestimmten Daten einer Mehrzahl von Rahmen in den Satellitendaten, die von einem bestimmten der Satelliten übertragen werden zum Aufbau oder Erhalt einer Rahmensynchronisation der Satellitendaten.

Weiterhin speichert der GPS-Empfänger bevorzugt allgemeine Orbitdaten, welche aus den Satellitendaten entnommen worden sind, sowie eine momentane Position und sucht nach GPS-Satelliten auf der Grundlage der abgespeicherten allgemeinen Orbitdaten, der momentanen Position und der momentanen Zeit.

Weitere Einzelheiten, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung.

Es zeigt:

1 ein Blockdiagramm eines GPS-Empfängers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

2 ein Flussdiagramm der GPS-Daten-Empfangsverarbeitung im GPS-Empfänger von 1;

3 ein Flussdiagramm der Verarbeitung an jedem Satelliten, wie sie in der GPS-Daten-Empfangsverarbeitung von 2 durchgeführt wird;

4 ein Flussdiagramm der Bearbeitung für einen Satellitenzugriff in der Bearbeitung von 3;

5A bis 5C Diagramme der Formate von Satellitendaten; und

6A und 6B Zeitdiagramme zur Veranschaulichung von Arbeitsweisen eines herkömmlichen GPS-Empfängers und eines GPS-Empfängers der vorliegenden Erfindung.

Bezugnehmend zunächst auf 1, so weist ein GPS-Empfänger 2 eine Antenne 12 zum Empfang von Radio- oder Funksignalen von einer Mehrzahl von GPS-Satelliten (nicht gezeigt), einen Hochfrequenz-Prozessorschaltkreis 14, einen Daten-Demodulatorschaltkreis 16, eine Speichereinheit 18, eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) 20 und eine Echtzeituhr (RTC = Real Time Clock) 22 auf.

Der Hochfrequenz-Prozessorschaltkreis 14 verstärkt die durch die Antenne 12 von den GPS-Sateliten empfangenen Radio- oder Funksignale und wandelt die empfangenen Hochfrequenzsignale in entsprechende Signale einer Mittelfrequenz um, welche niedriger als die Hochfrequenz ist. Der Daten-Demodulatorschaltkreis 16 weist 8 Kanäle auf, so dass Radio- oder Funksignale, welche von maximal 8 GPS-Satelliten übertragen werden, separat oder parallel demoduliert werden können.

Die Speichereinheit 18 enthält ein ROM 18a (Lesespeicher) in welchem Programme zur Durchführung verschiedener Bearbeitungen oder Verarbeitungen durch die CPU 20 gespeichert sind, sowie ein RAM 18b (Speicher mit wahlfreiem Zugriff), in welchem Variable gespeichert sind, die bei der Positionsberechnung verwendet werden, und ein backup-RAM 18c in welchem die empfangenen Satelitendaten und Positionsdaten abgespeichert bleiben, auch dann, wenn die Energieversorgung unterbrochen wird. Die empfangenen Satellitendaten enthalten detaillierte Orbitinformationen (Ephemeriden), allgemeine Orbitinformationen (Almanach) etc..

Die Satellitendaten sind wie in den 5A bis 5C formatiert. Die Satellitendaten werden alle 30 Sekunden übertragen. Gemäß 5A besteht ein Rahmen (30 Sekunden) aus 5 Unterrahmen und jeder Unterrahmen (6 Sekunden) besteht aus 10 Worten (300 Bit). Das Kopfwort eines jeden Unterrahmens ist ein TLM-Wort und das folgende Wort ist ein HOW (Hand-Quer Word). Die verbleibenden Worte sind die detaillierten Orbitinformationen (Ephemeriden) in den ersten bis dritten Unterrahmen und die allgemeinen Orbitinformationen (Almanach) und weitere Informationen in den vierten und fünften Unterrahmen.

Das TLM-Wort hat an seinem Kopf einen Präambel-Code (8 Bits in Hexadezimal), der ein Kopfindikationscode des Unterrahmens ist, wie in 5B gezeigt. Dem Präambel-Code folgt die TLM-Nachricht, ein Reservierungsbit, ein Paritätsbit etc. Das HOW hat an seinem Kopf eine TOW-Nachricht, welche die Zeit der Übertragung des Unterrahmens definiert und um eins inkrementiert wird, wie in 5C gezeigt. Der TOW-Nachricht folgt eine Unterrahmen-Identifikation, ein Einstellbit, ein Paritätsbit etc. Die Parität im HOW besteht aus sechs Bits vom fünfundzwanzigsten zum dreißigsten Bit. Das neunundzwanzigste und dreizigste liegen bleibend auf "0". Das Einstellbit ist zum Festsetzen des neunundzwanzigsten und dreißigsten Bit.

Der GPS-Empfänger 2 und hier insbesondere die CPU 20 ist so programmiert, dass sie die Abläufe gemäß der 2 bis 4 durchführt. Die CPU 20 beginnt. mit dem Ablauf gemäß 2, wenn die Energieversorgung eingeschaltet wird.

Zunächst weist die CPU 20 im Schritt 100 die GPS-Satelliten, auf welche zugegriffen werden soll, den Kanälen CH0 bis CH7 des DatenDemodulatorschaltkreises 16 zu. Mit anderen Worten CH0 bis CH7 werden denjenigen GPS-Satelliten zugewiesen, von denen angenommen wird, dass sie über dem GPS-Empfänger 2 vorhanden sind oder erscheinen. Diese Satelliten werden aus der momentanen Zeit der Echtzeituhr RTC 22, den allgemeinen Orbitinformtionen (Almanach), die im back-up-Speicher 18c gespeichert sind und der Position des GPS-Empfängers (grob bestimmte momentane Position) bestimmt; die entsprechenden Daten wurden das letzte Mal während des Betriebs des GPS-Empfängers 2 ermittelt und im back-up-Speicher 18c gespeichert. Jeder Satellit wird durch Berechnung seines Elevations- oder Höhenwinkels bestimmt. Diese Satelliten werden ohne erheblichen Fehler bestimmt, solange der GPS-Empfänger 2 nach Unterbrechung der Energieversorgung an dem GPS-Empfänger 2 nicht bewegt worden ist und die Zeit der RTC 22 im wesentlichen korrekt ist. Die Anzahl von GPS-Satelliten, nach welchen gesucht wird und auf welche zugegriffen wird, kann weniger als 8 betragen. Die CPU 20 liest dann im Schritt 200 die detaillierten Orbitinformationen der GPS-Satelliten aus, welche wie oben beschrieben zugewiesen worden sind, oder ermittelt diese Informationen, wenn derartige Informationen im back-up-Speicher 18c als Ergebnis eines vorherigen Betriebs des GPS-Empfängers 2 gespeichert sind. In manchen Fällen können die detaillierten Orbitinformationen aller GPS-Satelliten verfügbar sein, in anderen Fällen können jedoch nur Informationen einiger GPS-Satelliten oder gar keine Informationen verfügbar sein.

Die CPU 20 führt dann in den Schritten 300 und 400 für jeden Kanal (für jeden Satelliten I = 1 bis N, auf welche zugegriffen wird) eine Satelliten-Zugriffsverarbeitung durch. Genauer gesagt, ein Zugriff auf GPS-Satelliten und eine Datensammlung werden aufeinanderfolgend im Schritt 400 gemäß 3 für I = 1 bis I = N durchgeführt.

Im Schritt 401 überprüft die CPU 20, ob die detaillierte Orbitinformation des GPS-Satelliten im back-up-RAM 18c gespeichert gehalten ist. Wenn dies der Fall ist (JA), prüft die CPU 20 im Schritt 402, ob auf den GPS-Satelliten zugegriffen worden ist. Wenn bislang noch kein Zugriff erfolgt ist (NEIN), führt die CPU 20 im Schritt 408 eine Satelliten-Suchbearbeitung durch. Diese Suchbearbeitung ist in 4 im Detail gezeigt.

Zunächst setzt die CPU 20 im Schritt 4081 die Satellitenfrequenz auf eine vorhergesagte Frequenz. Hierbei wird die Frequenz eines Trägersignals (Empfangsfrequenz f0), welches von jedem GPS-Satelliten, auf welchen zugegriffen wird, zu empfangen ist, berechnet. Die Empfangsfrequenz f0 wird ebenfalls aus der momentanen Zeit der RTC 22, der allgemeinen Orbitinformation (Almanach) im Speicher 18c und der Position des GPS-Empfängers (grobe momentane Position) berechnet, wobei diese Daten das letzte Mal erhalten wurden, während der GPS-Empfänger 2 in Betrieb war und welche im back-up-Speicher 18c gespeichert worden sind. Es erfolgt somit der gleiche Ablauf wie bei der Berechnung des Höhenwinkels.

Im Schritt 4082 sucht dann die CPU 20 nach einer C/A-Code-Synchronphase. Navigationsnachrichten werden von dem GPS-Satelliten als Signal mit gespreiztem Spektrum übertragen. Der C/A-Code ist einer von Codes, die verwendet werden, die Navigationsnachricht zu modulieren und besteht aus 1023 Bits von "1" und "0", die in einer bestimmten Weise angeordnet sind. Jedes "1" und "0" wird Chip genannt. Es ist notwendig, zu erkennen, in welcher Phase der C/A-Code auf der Trägerwelle getragen wird. Zu diesem Zweck wird ein C/A-Code, der vom gleichen Typ wie der C/A-Code des Satelliten ist, auf welchen zugegriffen wird, in dem Daten-Demodulatorschaltkreis 16 erzeugt und ein Korrelationswert zwischen dem erzeugten C/A-Code und dem empfangenen Signal mit gespreiztem Spektrum wird berechnet, während die Phase des erzeugten C/A-Codes im Daten-Demodulatorschaltkreis 16 geändert wird.

Die CPU 20 prüft im Schritt 4083, ob die beiden Signale synchronisiert sind. Wenn beide eine synchrone Beziehung haben (JA), geht der Ablauf zum Schritt 500 in 2 weiter. Wenn die beiden Signale nicht in einer synchronen Beziehung sind (NEIN), ändert die CPU 20 im Schritt 4084 die Empfangsfrequenz. Beim Ändern der Empfangsfrequenz wird die Frequenz auf eine geringfügig höhere Frequenz f1 angehoben, welche ungefähr um 1 kHz höher als die anfänglich im Schritt 4081 gesetzte Frequenz f0 ist. Wenn beide Signale immer noch nicht synchronisiert werden können, wird die Empfangsfrequenz auf eine etwas niedrigere Frequenz f2 verringert, welche ungefähr um 1 kHz niedriger als die Empfangsfrequenz f0 ist. Wenn die beiden Signale immer noch nicht synchronisiert werden können, erfolgt eine Erhöhung auf eine noch höhere Frequenz f3, welche höher als die Frequenz f1 ist. Bevorzugt wird die obige Suche periodisch ausgehend von der anfänglich gesetzten Empfangsfrequenz f0 wiederholt, wenn die geänderte Frequenz zu sehr von der Empfangsfrequenz f0 abweicht.

Wie oben beschrieben, wird bei dem Schritt 408, in welchem die Satelliten-Suchbearbeitung durchgeführt wird (3 und 4), die Empfangsfrequenz eines jeden Satelliten bestimmt, die Phase des C/A-Codes wird bezüglich einer jeden bestimmten Empfangsfrequenz überprüft und die Empfangsfrequenz wird geändert, wenn keine Synchronität vorliegt. Somit erfolgen das Suchen nach der Trägerfrequenz und das Suchen nach der synchronen Phase des C/A-Codes parallel, d. h. gleichzeitig an einer Mehrzahl oder für eine Mehrzahl von GPS-Satelliten.

Zurückkommend auf 3, so überprüft die CPU 20 im Schritt 403, ob Synchronisationsdaten zum Erhalt einer Synchronisation gesammelt worden sind, wenn im Schritt 402 bestimmt worden ist, dass auf einen Satelliten zugegriffen worden ist (JA). Hierbei beinhalten die Synchronisationsdaten den Präambel-Code im TIM-Wort, die TOW-Nachricht, die Identifikation des Unterrahmens und das neunundzwanzigste und dreißigste Paritätsbit (= 0) in HOW. Diese Anteile sind in dem Satellitendatenformat enthalten, wie in den 5A bis 5C gezeigt. Es wird weiterhin überprüft, ob sämtliche Paritäten in TIM und HOW korrekt oder normal sind.

Wenn die Synchronisationsdaten noch nicht gesammelt worden sind (NEIN), sammelt die CPU 20 die Daten im Schritt 407. Wenn die Synchronisationsdaten gesammelt worden sind (JA), bestimmt die CPU 20 im Schritt 404, dass dieser GPS-Satellit für eine Positionsberechnung vorläufig zur Verfügung steht. Diese Bestimmung wird im RAM 18a als vorläufiges Verfügbarkeitsflag des entsprechenden GPS-Satelliten gespeichert.

Es kann unter Umständen vorkommen, dass die Positionsberechnung oder -bearbeitung nicht zum frühest möglichen Zeitpunkt durch den Rahmensynchronisationsprozess zwischen den Satelliten begonnen werden kann. Von daher führt die CPU 20 eine Rahmensynchronisationsbearbeitung für einen einzelnen Satelliten durch. Genauer gesagt, im Schritt 405 wird überprüft, ob die Zeitdaten gesammelt worden sind. Wenn die Zeitdaten. gesammelt worden sind (JA), bestimmt die CPU 20 im Schritt 406, dass der GPS-Satellit für die Positionsberechnung zur Verfügung steht. Diese Bestimmung wird im RAM 18a als abschliessendes Verfügbarkeitsflag gespeichert. Wenn keine Sammlung bislang erfolgt ist (NEIN), wiederholt die CPU 20 die Schritte 300 und 400. Wenn die CPU 20 im Schritt 401 bestimmt, dass die detaillierten Orbitinformationen des entsprechenden GPS-Satelliten nicht im back-up-Speicher 18c gespeichert sind (NEIN), überprüft sie im Schritt 409, ob auf den GPS-Satelliten zugegriffen worden ist. Wenn noch nicht auf den Satelliten zugegriffen worden ist (NEIN), führt die CPU 20 im Schritt 413 die Satellitensuchbearbeitung auf gleiche Weise wie im Schritt 408 (4) durch.

Wenn auf den Satelliten zugegriffen worden war (JA), prüft die CPU 20 im Schritt 410, ob die detaillierten Orbitinformationen gesammelt worden sind. Wenn diese Informationen noch nicht gesammelt worden sind (NEIN), fährt die CPU 20 mit der entsprechenden Sammlung im Schritt 412 fort. Wenn sie gesammelt worden sind (JA), bestimmt die CPU 20 im Schritt 411, dass dieser betreffende GPS-Satellit für die Positionsberechnung zur Verfügung steht.

Nach den obigen Bearbeitungsabläufen (Schritte 300 und 400 in 2) an jedem GPS-Satellit überprüft die CPU 20 im Schritt 500, ob zumindest drei GPS-Satelliten vorhanden sind, welche für die Positionsberechnung als verfügbar bestimmt worden sind (Schritt 400). Wenn wenigstens drei GPS-Satelliten zur Verfügung stehen (JA), prüft die CPU 20 im Schritt 600, ob die Synchronisationsdaten (Präambel-Code im TIM-Wort und TOW-Nachricht, Identifikation des Unterrahmens und neunundzwanzigstes und dreißigstes Paritätsbit (= 0) in HOW) von diesen GPS-Satelliten, welche als vorläufig verfügbar bestimmt worden sind, übereinstimmen.

Wenn die Synchronisationsdaten nicht übereinstimmen (NEIN), löscht die CPU 20 im Schritt 700 die detaillierten Orbitinformationen dieser vorläufig verfügbaren GPS-Satelliten aus dem back-up-Speicher 18c. In diesem Falle werden die flags, welche die vorläufige Verfügbarkeit anzeigen und im RAM 18a gespeichert sind, ebenfalls gelöscht. Die CPU 20 führt nach dem Schritt 700 wieder die Schritte 300 und 400 durch.

Wenn die Synchronisationsdaten übereinstimmen (JA), beginnt die CPU 20 im Schritt 800 mit der Positionsberechnung, um die Lage des GPS-Empfängers 20 in einem abgekürzten oder short-cut-Modus zu berechnen. Genauer gesagt, es wird bestimmt, dass die Rahmensynchronisation zwischen den GPS-Satelliten, auf welche zugegriffen worden ist, erhalten worden ist, um mit der Positionsberechnung auf abgekürzte Weise (short-cut) fortzufahren, wenn die Synchronisationsdaten wenigstens dreier GPS-Satelliten übereinstimmen. Bei dieser abgekürzten Positionsberechnung zur Berechnung der momentanen Position des GPS-Empfängers 2 können die detaillierten Orbitinformationen aus dem back-up-Speicher 18c verwendet werden, ohne auf die Übertragung dieser Information von den GPS-Satelliten warten zu müssen.

Wenn im Schritt 500 bestimmt wird, dass weniger als drei GPS-Satelliten als vorläufig verfügbar bestimmt werden (NEIN), überprüft die CPU 20 im Schritt 900, ob es drei oder mehr GPS-Satelliten gibt, welche als endgültig verfügbar bestimmt worden sind. Wenn es weniger als drei verfügbare GPS-Satelliten gibt (NEIN), führt die CPU 20 die Schritte 300 und 400 wieder durch.

Wenn mindestens drei GPS-Satelliten als endgültig verfügbar bestimmt werden (JA), beginnt die CPU 20 im Schritt 1000 die Positionsberechnung in einem normalen Modus. Genauer, es wird überprüft, ob die an den Köpfen einer Mehrzahl von Unterrahmen des gleichen Satelliten vorhandenen Synchronisationsdaten übereinstimmen. Wenn diese Daten übereinstimmen, wird bestimmt, dass die Rahmensynchronisation hergestellt ist, so dass die Positionsberechnung durchgeführt wird.

Wie oben beschrieben ist der GPS-Empfänger 2 in der Lage, einen "Heißstart"-Rechenvorgang durchzuführen, in dem die detaillierten Orbitinformationen, welche vorher entnommen worden sind, gespeichert werden. Auch in diesem Fall ist es notwendig, den Betrieb des GPS-Empfängers 2 mit den Satellitendaten zu synchronisieren, um die Zeitinformation von den Satellitendaten zu erhalten oder aus diesen zu entnehmen. Es wird daher bestimmt, dass die Synchronisation hergestellt worden ist, wenn die Rahmensynchronisation eines jeden Satelliten als Ergebnis der Bearbeitung an jedem Satellit innerhalb einer bestimmten Zeitdauer erhalten worden ist. Insbesondere wird die Rahmensynchronisation als hergestellt bestimmt, wenn auf drei oder mehr verfügbare GPS-Satelliten (spezifische Satelliten, deren detaillierte Orbitinformationen gespeichert sind und deren Synchronisationsdaten gesammelt worden sind) zugegriffen wird (JA im Schritt 500) und wenn die jeweiligen Synchronisationsdaten dieser Satelliten übereinstimmen (JA im Schritt 600).

Durch Durchführung des oben beschriebenen Rahmensynchronisationsbestimmungsprozesses zwischen den Satelliten kann die Rahmensynchronisation zu einem früheren Zeitpunkt als bei dem Einzelsatelliten-Rahmensynchronisationsbestimmungsprozess realisiert werden, der üblicherweise an bestimmten Daten durchgeführt wird, welche vom gleichen Satelliten übertragen werden. Bei der herkömmlichen Bearbeitung wird die Rahmensynchronisation dadurch erhalten, dass eine Übereinstimmung zwischen bestimmten Daten aus einer Mehrzahl von Rahmen überprüft wird, welche Satellitendaten bilden, welche vom gleichen Satelliten übertragen werden.

Diese Unterscheidung läßt sich am besten anhand der 6A und 6B verstehen. In einem üblichen Fall, wie er in 6A gezeigt ist, benötigt man mindestens 7,2 Sekunden, um die in den Unterrahmen enthaltenen Synchronisationsdaten zu entnehmen. Dies deshalb, als der Unterrahmen alle sechs Sekunden erscheint und es mindestens 1,2 Sekunden dauert, zwei Wörter TIM und HOW zu entnehmen.

Bei der obigen Ausführungsform, welche den Rahmen-Synchronisationsbestimmungsprozess zwischen den Satelliten durchführt, wird gemäß 6B überprüft, ob die Synchronisationsdaten, welche in den Satellitendaten einer Mehrzahl von GPS-Satelliten enthalten sind, übereinstimmen. Von daher kann die Zeitdauer von sechs Sekunden, welche bei der üblichen Bearbeitung notwendig ist, verkürzt werden, nämlich so kurz gemacht werden, dass sie einer Zeitdifferenz von Übertragungen von Satellitendaten einer Mehrzahl von GPS-Satelliten entspricht, obgleich es 1,2 Sekunden dauert, zwei Wörter, nämlich TIM und HOW zu entnehmen, wie beim herkömmlichen Verarbeitungsvorgang. Diese Zeitdifferenz betrifft ungefähr 20 Millisekunden, was zu einer Realisierung der Rahmensynchronisation ungefähr sechs Sekunden früher führt und die Zeitdauer verkürzt, die zum Starten der Positionsberechnung zur Berechnung der Position des GPS-Empfängers 2 notwendig ist.

Die obige Zeitdifferenz von 20 Millisekunden wird aus der Distanz zwischen einem GPS-Satelliten und einem GPS-Empfänger berechnet. Die Distanz beträgt ungefähr 20,200 Kilometer bis 25,800 Kilometer. Änderungen in der Zeit, die für das Radio- oder Funksignal notwendig sind, diese Differenzstrecke von 5,600 Kilometer zu durchlaufen, betragen ungefähr 18,7 Millisekunden. Änderungen in den Taktzeiten zur Synchronisation unter dem GPS-Satelliten werden auf weniger als eine Millisekunde einreguliert. Im Ergebnis beträgt eine maximale Zeitdifferenz der Satellitendatenübertragung von einer Mehrzahl von GPS-Satelliten 19,7 Millisekunden.

In der obigen Ausführungsform wird zuerst die Rahmensynchronisations-Bestimmungsberechnung oder der Rahmen-Synchronisationsbestimmungsprozess zwischen den Satelliten durchgeführt und dann wird der herkömmliche Synchronisationsbestimmungsprozess durchgeführt, wenn der Rahmensynchronisationsprozess nicht möglich ist. Selbst im Falle der Unmöglichkeit eines Rahmensynchronisationsbestimmungsprozesses kann die Positionsberechnung auf übliche Weise begonnen werden.

In der obigen Ausführungsform ist es theoretisch möglich, nur zwei GPS-Satelliten zur Durchführung des Rahmensynchronisationsbestimmungsprozesses zwischen den Satelliten zu verwenden. Es ist jedoch vorteilhaft, drei oder mehr GPS-Satelliten zu verwenden, welche als vorläufig verfügbar bestimmt werden, um den Rahmen-Synchronisationsprozess vom Standpunkt einer höheren Genauigkeit beim Erhalt der Synchronisation durchzuführen.

Zusammenfassend weist somit ein GPS-Empfänger eine Mehrzahl von Daten-Demodulatorschaltkreisen auf, welche einer Mehrzahl von GPS-Satelliten zugewiesen sind, sowie einen Datenspeicher, der detaillierte Orbitinformationen der GPS-Satelliten speichert. Der GPS-Empfänger sucht nach Satelliten, deren detaillierte Orbitinformationen vorab in dem Speicher gespeichert worden sind. Wenn auf diese GPS-Satelliten zugegriffen wird, führt der GPS-Empfänger eine Rahmensynchronisations-Bestimmungsberechnung zwischen den betreffenden Satelliten durch, um eine Übereinstimmung zwischen bestimmten Daten zu überprüfen, welche in Satellitendaten enthalten sind, welche von den GPS-Satelliten übertragen werden und auf die zugegriffen wird. Wenn auf die GPS-Satelliten, nach welchen gesucht wird, nicht zugegriffen werden kann, oder wenn die bestimmten Daten nicht übereinstimmen, führt der GPS-Empfänger eine Einzelsatelliten-Rahmensynchronisationsbestimmungsberechnung durch, um eine Übereinstimmung bestimmter Daten in einer Mehrzahl von Rahmen der Satellitendaten zu überprüfen. Der GPS-Empfänger beginnt mit Positionsberechnung in Antwort auf den Erhalt der Übereinstimmung, um die Position oder Lage zu berechnen.

Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt, sondern es ist eine Vielzahl von Modifikationen und Abwandlungen möglich, ohne vom Gegenstand der vorliegenden Erfindung abzuweichen, wie er in den nachfolgenden Ansprüchen definiert ist.


Anspruch[de]
Ein GPS-Empfänger (2) mit:

einer Zugriffsvorrichtung (12, 14, 16) mit einer Mehrzahl von Kanälen (CH0–CH7) zum Zugriff auf eine bestimmte Anzahl von GPS-Satelliten, indem durch jeden der Kanäle nach einem entsprechenden GPS-Satelliten gesucht wird;

einer Zeitzählvorrichtung (22) zum Zählen der momentanen Zeit oder Echtzeit;

einer Abstandsmessvorrichtung (20) zur Entnahme von Zeitinformationen aus den Satellitendaten, welche von den GPS-Satelliten übertragen werden, auf welche zugegriffen wird und zur Messung eines Abstandes einer momentanen Position zum GPS-Satelliten, der die Satellitendaten übertragen hat, auf der Grundlage der entnommenen Zeitinformation und der gezählten momentanen Zeit;

einer Positionier- oder Positionsbestimmungsvorrichtung (20) zur Entnahme detaillierter Orbitinformationen (Ephemeriden) aus den Satellitendaten, um eine Position des Satelliten zu berechnen und um eine momentane Position aus der berechneten Satellitenposition und der gemessenen Distanz zu berechnen;

einer Speichervorrichtung (18c) zum Speichern der detaillierten Orbitinformation, so dass die Positioniervorrichtung einen Heißstart durchzuführen vermag, bei welchem die momentane Position unter Verwendung der gespeicherten detaillierten Orbitinformation berechnet wird; und

einer Synchronisationsvorrichtung (20) zur Durchführung eines Rahmen- oder Framesynchronisationsbestimmungsprozesses zwischen den Satelliten, um eine Synchronisation der Satellitendaten zu erhalten, indem auf eine Übereinstimmung zwischen bestimmten Daten überprüft wird, die in den Satellitendaten enthalten sind, welche von der Mehrzahl von GPS-Satelliten übertragen werden, wenn auf die Mehrzahl von GPS-Satelliten innerhalb einer bestimmten Zeitdauer zum Zeitpunkt der Durchführung des Heißstartes zugegriffen wird, deren detaillierte Orbitinformationen in der Speichervorrichtung gespeichert sind.
GPS-Empfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Speichervorrichtung (18c) gespeicherte detaillierte Orbitinformation gelöscht wird und auf eine neue detaillierte Orbitinformation zugegriffen wird, wenn auf die Mehrzahl von GPS-Satelliten entsprechend den gespeicherten detaillierten Orbitinformationen innerhalb der bestimmten Zeitdauer zugegriffen wird, jedoch die in den Satellitendaten enthaltenen Daten der GPS-Satelliten, auf welche zugegriffen wird, nicht übereinstimmen. GPS-Empfänger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Synchronisationsvorrichtung (20) einen Einzelsatelliten-Rahmen- oder -Framesynchronisationsbestimmungsprozess durchführt, wenn die Zugriffsvorrichtung nicht in der Lage ist, auf die Mehrzahl von GPS-Satelliten zuzugreifen, so dass deren detaillierte Orbitinformationen nicht aus der Speichervorrichtung erhaltbar sind, wobei der Einzelsatelliten-Synchronisationsbestimmungsprozess eine Überprüfung hinsichtlich einer Übereinstimmung bestimmter Daten einer Mehrzahl von Unterrahmen durchzuführen vermag, die in den Satellitendaten enthalten sind, welche von einem bestimmten der Satelliten übertragen werden und um eine Rahmensynchronisation der Satellitendaten zu erhalten. GPS-Empfänger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugriffsvorrichtung (12, 14, 16,) wenigstens vier Kanäle hat. GPS-Empfänger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugriffsvorrichtung (12, 14, 16) für den Rahmensynchronisationsbestimmungsprozess zwischen den Satelliten auf wenigstens drei Satelliten zugreift. GPS-Empfänger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichervorrichtung (18c) allgemeine Orbitdaten speichert, welche aus den Satellitendaten entnommen werden, sowie die durch die Postioniervorrichtung berechnete momentane Position speichert; und dass die Zugriffsvorrichtung (12, 14, 16) auf der Grundlage der gespeicherten allgemeinen Orbitdaten der momentanen Position und der gezählten Zeit nach GPS-Satelliten sucht. Ein Verfahren zum Verarbeiten von GPS-Satellitendaten zur Positionsberechnung mittels eines GPS-Empfängers (2), wobei das Verfahren aufweist:

Suchen (100400) nach und Zugriff auf eine Mehrzahl von GPS-Satelliten, deren Erscheinen über dem GPS-Empfänger auf der Grundlage von detaillierten Orbitinformationen abgeschätzt wird, welche vorab in einem Speicher (18c) des GPS-Empfängers (2) gespeichert worden sind;

Empfangen (400) von Satellitendaten aus der Mehrzahl von GPS-Satelliten, auf welche durch den GPS-Empfänger (2) zugegriffen wird;

Entnehmen (400) bestimmter Daten (TIM), welche in einem Kopfteil jeder empfangenen Satellitendaten enthalten sind;

Prüfen (600) auf eine Übereinstimmung zwischen den entnommenen bestimmten Daten (TIM) der Mehrzahl von GPS-Satelliten, auf welche zugegriffen worden ist; und

Beginnen (800) des Positionsbestimmungsprozesses, um die Lage des GPS-Empfängers (2) zu berechnen, in dem andere bestimmte Daten verwendet werden, welche in den empfangenen Satellitendaten der Mehrzahl von GPS-Satelliten enthalten sind.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem sämtliche Satellitendaten eine Mehrzahl von Unterrahmen beinhalten und Daten (TIM) des ersten Unterrahmens entnommen werden, um auf Übereinstimmung überprüft zu werden. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem das Suchen und Zugreifen (100400) an wenigstens drei GPS-Satelliten durchgeführt wird. Verfahren nach Anspruch 9, weiterhin mit: Entnehmen (400) bestimmter Daten, die in einer Mehrzahl von Unterrahmen der empfangenen Satellitendaten von einem der GPS-Satelliten enthalten sind, auf die zugegriffen wird, wenn die Übereinstimmung der entnommenen bestimmten Daten nicht vorhanden ist.






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