提高低能耗GPS接收器的记时精确度.pdf

一种移动设备，包括用于通过对接收的信号进行定时分析来确定位置的定位设备，所述定位设备包括用于确定定时精确度的系统，所述系统包括：第一信号生成装置，用于在定位设备未激活时，持续生成第一时钟信号、第二信号生成装置，用于在多个间隔的时间周期期间，非持续地生成第二时钟信号、以及精确度确定装置，用于使用来自第二时钟信号的定时数据来确定第一时钟信号的精确度，所述定位设备被配置为通过使用确定的第一时钟的定时精确度来确定位置。

1.  一种移动设备，包括用于通过对接收的信号进行定时分析来确定位置的定位设备，所述定位设备包括用于确定定时精确度的系统，所述系统包括：
第一信号生成装置，用于在所述定位设备未激活时，持续生成第一时钟信号；
第二信号生成装置，用于在多个间隔的时间周期期间，非持续地生成第二时钟信号；以及
精确度确定装置，用于使用来自所述第二时钟信号的定时数据来确定所述第一时钟信号的精确度；
所述定位设备被配置为通过使用确定的所述第一时钟的定时精确度来确定位置。

2.  根据权利要求1所述的移动设备，其中所述系统包括第一定时电路，用于仅在所述多个间隔的时间周期期间，采集并存储与所述第一时钟信号相关的第一定时数据。

3.  根据权利要求2所述的移动设备，其中所述第一定时电路包括：第一计数器，用于为所述第一时钟信号的时钟边沿进行计数。

4.  根据权利要求3所述的移动设备，其中所述第一定时数据为由所述第一计数器在所述多个间隔的周期期间计数的所述第一时钟信号的时钟周期的累积数量。

5.  根据权利要求4所述的移动设备，其中所述系统包括第二定时电路，用于仅在所述多个间隔的时间周期期间，采集并存储与所述第二时钟信号相关的第二定时数据。

6.  根据权利要求5所述的移动设备，其中所述第二定时电路包括：第二计数器，用于为所述第二时钟信号的时钟边沿进行计数。

7.  根据权利要求6所述的移动设备，其中所述第二定时数据为由所述第二计数器在所述多个间隔的时间周期期间计数的所述第二时钟信号的前沿和后沿的累积数量。

8.  根据权利要求7所述的移动设备，其中所述精确度确定装置被配置为基于来自所述第一和第二计数器的、存储的所述第一和第二定时数据，确定所述第一时钟信号的一个周期的长度的精确估计。

9.  根据权利要求7或8所述的移动设备，其中所述系统包括：第三定时电路，用于持续采集并存储与所述第一时钟信号相关的第三定时数据。

10.  根据权利要求9所述的移动设备，其中所述第三定时电路包括：第三计数器，用于持续为所述第一时钟信号的时钟边沿进行计数。

11.  根据权利要求10所述的移动设备，其中所述第三定时数据为由所述第三计数器计数的所述第一时钟信号的时钟周期的数量。

12.  根据权利要求11所述的移动设备，其中当所述定位设备获知了精确的时间时，复位所述第一、第二和第三计数器，并且将所述精确时间保存在存储器中。

13.  根据权利要求12所述的移动设备，其中所述精确度确定装置基于所述第一时钟信号的一个周期的长度的所述精确估计，以及来自所述第三计数器的所述第三定时数据，来确定自从所述第一、第二和第三计数器最后一次复位所经过的所述时间的精确估计。

14.  根据权利要求13所述的移动设备，其中所述定位设备被配置为基于存储器中存储的所述精确时间，以及自从所述第一、第二和第三计数器最后一次复位所经过的所述时间，来确定当前时间。

15.  根据任意前述权利要求所述的移动设备，其中所述定位设备为卫星定位系统设备。

16.  根据任意前述权利要求所述的移动设备，其中所述第一时钟信号为休眠时钟信号，其当所述移动设备操作在休眠模式时生成。

17.  根据任意前述权利要求所述的移动设备，其中所述第二时钟信号为系统时钟信号。

18.  根据权利要求17所述的移动设备，其中所述系统时钟信号为用于所述移动设备中的通信电路的所述系统时钟。

19.  根据任意前述权利要求所述的移动设备，其中所述间隔的时间周期为其中所述移动设备从电信网络接收寻呼信息的周期。

20.  根据权利要求19所述的移动设备，其中所述电信网络为使用GSM标准的全球移动通讯系统(GSM)网络。

21.  根据权利要求19所述的移动设备，其中所述电信网络为时分多址(TDMA)网络。

22.  根据权利要求19所述的移动设备，其中所述电信网络为码分多址(CDMA)网络。

23.  根据权利要求19所述的移动设备，其中所述电信网络为个人数字蜂窝(PDC)网络。

提高低能耗GPS接收器的记时精确度
技术领域
本发明涉及提高记时精确度，特别是提高蜂窝电话中的低能耗全球定位系统(GPS)的记时精确度。
背景技术
在基于卫星定位的定位系统中，位置接收器根据来自于至少四颗轨道卫星的信号，使用三角测量技术来检测自身位置。卫星传输由接收器接收的码分多址(CDMA)信号。在每个CDMA信号中嵌入了长度为1024比特的伪随机噪声(PRN)代码序列，并以1Mchip/s的速率持续传输。由BPSK调制(异或)叠加在PRN代码上的是50bit/s的遥测数据，该遥测数据以5个各为300比特的子帧构成。码片相对于PRN代码的一个传输比特并且持续1微秒。数据比特长度为20ms，在此期间PRN序列将重复20次。从载波相位跨过PRN比特的位置到达50bit/s调制的边沿的定时信息以及包括星历和其它的人造卫星数据的子帧全都是精确定时相关的并且从人造卫星上的原子钟导出。
假设基于地面的GPS接收器获知了精确的时间及该时间与PRN代码序列之间的关系，然后可以使用接收的PRN代码序列的时间偏移以确定射频(RF)的传播延迟和传播时间，这可以简单地被用来通过将该传播时间与光速相乘而计算出卫星与接收器之间的距离。因为作为GPS时间功能的卫星的位置以50bit/s的遥测数据被传输，假设接收器也知晓精确的GPS时间，可以计算出在任意时刻的精确的轨道位置。
如果三颗卫星的x，y和z坐标数学地相互组合，则在理论上有可能通过三角测量技术确定GPS接收器的位置。前提是假设GPS接收器能够获知与卫星原子钟同步的精确的GPS时间。因为出于成本和尺寸的限制，在移动手持设备上不可能使用如此高精确度的时间基准，可以在GPS接收器上采用第四卫星度量，这允许将时间解释为在四个同时的方程式中与x，y和z变量一起的另一变量。这些方程式的计算结果是精确到微秒内的定位(fix)和GPS时间。因此，通过获得定位能够得到精确的时间。
如果需要进一步的定位，则必须要保持精确的时间。位置接收器的内部时钟信号用于确定自从先前定位后所经过的时间。如果时钟信号不精确，则在进行另一个定位之前，可能需要根据不精确的程度，重新同步到遥测数据的最近的比特边沿或帧边沿。但这种重新同步需要付出大量的时间和能量。此外，在弱信号区域，例如建筑物内或茂密的丛林中，超过0.5ms的时间误差可能意味着无法进行位置追踪，因为需要更高的信号强度来确定比特边沿的位置。
减少定位设备的能耗是设计者所关心的一个重要问题，特别是如果GPS接收器被设置于移动电话中。低能耗意味着可以使用较小的电池，因此能够设计出较小较轻的移动电话。
一些GPS接收器为保持定位之间的GPS时间，而运行高精度的系统时钟，但其高频率意味着振荡器自身将占用毫安范围内的电流消耗，并且这可以容易地占用导航和定位应用中95％的时间。由此而带来的能耗和电池的大小的需求显然是难以接受的。
一般来说，用于GPS接收器上的RTC(实时时钟)振荡器来源于蜂窝引擎中的32768Hz音叉型晶体的持续运行，并且经常被称为休眠时钟，因为它是唯一运行于蜂窝引擎休眠状态下的时钟。因为其低能耗和能够持续运行而被使用，但是这样的低频晶体的主要缺点在于，温度每发生1度变化，通常会导致频率的3ppm(百万分之)的变化，带来+/-20ppm的初始误差。由于蜂窝终端中的蜂窝RF电源放大器或电池充电电路，定位之间的这样的温度变化是可预见的，并且在最差的情况下，这意味着GPS引擎会无法重新获得卫星信号。在最好的情况下，蜂窝引擎能够，基于获知操作模式的变化将造成温度变化，通知GPS引擎潜在的记时误差的增加。在本申请中全文使用术语“蜂窝引擎”和“GPS引擎”以指代蜂窝电话和GPS接收器各自的激活电子装置，包括任意操作软件。GPS接收器能够相应地扩展其时间二进制搜索，但是这会耗费更多时间和电能。
典型的应用示例是追踪在拥挤的人群中的朋友的位置或涉及户外活动的导航，其中位置缓慢地变化。这一应用可能要求每隔几分钟进行一次定位，这为记时提出了最高的要求，因为由于打一个电话会导致的温度变化可以引起RTC振荡器70ppm的偏移。
发明内容
本发明实施例的目的在于至少部分地解决前述问题中的一个或多个。
本发明的一个实施例提供了一种移动设备，包括用于根据对接收的信号进行定时分析来确定位置的定位设备，所述定位设备包括用于确定定时精确度的系统，该系统包括：第一信号生成装置，用于在定位设备未激活时，持续生成第一时钟信号；第二信号生成装置，用于在多个间隔的时间周期期间，非持续地生成第二时钟信号；以及精确度确定装置，用于使用来自第二时钟信号的定时数据来确定第一时钟信号的精确度；所述定位设备被配置为通过使用确定的第一时钟的定时精确度来确定位置。
附图说明
为更好地理解本发明及本发明如何实现，现在只以示例的方式参考附图，其中：
图1说明了GPS系统的概括图；
图2示出了用于在定位设备中提高定时精确度的电路；
图3说明了图2所示定位设备中时钟信号的示例；以及
图4示出了说明积累的时钟误差和全部的校准误差的曲线图。
具体实施方式
本发明的实施例是在被置于移动电话中的GPS定位设备的背景下得以描述的。然而很明显，本发明可应用在移动设备中的任意定位系统，所述定位系统需要使用精确的时间数据进行定位，或者要求高的时钟精确度。此外，本发明的实施例是在全球移动通讯系统(GSM)标准中操作的移动设备的背景下得以描述的，然而，本发明同样能够被置于使用不同的蜂窝空中接口的移动设备，所述空中接口例如为TDMA网络中的时分多址TDMA、CDMA网络中的码分多址CDMA、或PDC网络中的个人数字蜂窝PDC。
图1说明了全球定位系统的概括图，其中移动设备MS具有内置的GPS接收器，所述接收器能够基于从四颗卫星SV1、SV2、SV3和SV4接收到的CDMA信号来确定自身位置。图1的实施例中的移动设备MS是移动无线通讯设备，该设备经由到基站BS的无线连接接入到基于全球移动通讯系统(GSM)的电信网络，所述基站与移动交换中心MSC相连接。在GPS系统中，卫星传输时间数据以及星历数据，基于这些数据移动设备中的定位设备可以执行计算以确定自身位置和精确的时间。所述星历数据和时间数据在CDMA信号以帧(附图中并未示出)进行传输，所述帧又可进一步划分为子帧。在GPS系统中，每帧包含1500比特，其被分为5个300比特的子帧。因为1比特的传输需要20ms，则每个子帧的传输需要6秒，并且整个帧的传输需要30秒。
为了检测卫星信号和识别卫星，接收器必须进行获取，因而接收器搜索每颗卫星的CDMA信号，并试图跟踪该信号，使该信号所传输的信息得以接收和解调。
定位设备有两个主要的功能：
1.计算接收器和不同的GPS卫星间的伪距；以及
2.利用计算出的伪距和卫星的位置数据确定接收器的位置。基于从卫星接收到的星历和时间的校正数据可以计算每次的卫星的位置数据。
到卫星的距离称为伪距，因为接收器中不知道精确的时间。因此，在得到足够精确的时间和位置之前，需要反复确定时间和位置。因为无法得到绝对精确的时间，必须例如通过对每个新的反复的等式组进行线性化来确定位置和时间。
一旦获得了定位，GPS接收器就可以关掉除了用于精确记时和一些数据存储之外的所有能耗电路。
如上所述，如果在定位之间无法保持精确的定时，需要进行重新获取。取决于在定位之间的时间保持的情况，重新获取(热启动)的性能可以在时间和能量的使用两个方面有很大的差异。如果定时保持在好于+/-511码片(+/-0.5ms)的精确度，则接收器就已经保持了与遥测数据的边沿20ms位宽(＝50bps)比特边沿的同步，只需在伪随机噪声PRN代码序列内校正其自身的当前位置，以与卫星匹配。GPS接收器具有匹配的过滤器，其中卫星PRN代码的精确复本被与内容是从卫星接收到的PRN代码的精确复制进行比较。GPS接收器中内部的PRN代码被进行逐位偏移或循环，并且当该PRN代码以及接收到的PRN代码被排列时，由匹配的滤波器生成可检测的能量脉冲，表示已经进行了相关。如果精确度保持在+/-10ms(+/-半个比特)，则定位设备将被请求与最近的比特边沿重新同步。如果定时误差超过了+/-10ms，定位设备将被请求执行帧的再同步，这意味着要接收大到6秒或300比特的数据(＝1个子帧)。目前市场上的位置接收器，在避免高能耗的前提下，无法提供足够的时钟精确度来保持+/-0.5ms及以上的定时精确度。
GPS接收器，尤其是置于移动设备中的GPS接收器，所期望的是要求尽量减少能耗，因为这会减小所需电池的大小，以及因此设备的重量，或可选择地，这将允许对于相同大小的电池提高电池充电之间的电池寿命。因此，在定位之间的时间保持也涉及低能耗。一个解决办法是保持高精度的系统时钟运行，并关掉例如系统时钟和处理器的所有耗电电路，然而，振荡器的高频对于配备了以电池为能源的GPS电话来说，在保持时间的休眠状态消耗了比提供定位所消耗的更多的能量保持。
本发明的实施例旨在，通过使用高精确度蜂窝系统时钟进行不断地校准，而实现高级别记时精确度。持续运行32kHz的休眠时钟。当移动设备被打开但不是处于通话中(称为待机模式)时，蜂窝系统时钟仅仅周期性地持续几毫秒，同时从蜂窝网络中接收蜂窝寻呼信息。例如，大约每230ms持续约580μs。这样的时间对于足够精确地一次性校准32kHz的实时时钟是太短暂了，然而本发明的实施例利用了每个蜂窝系统时钟的激活周期以建立移动的校准配置文件，该配置文件能够跟踪与蜂窝时钟相关的32kHz时钟频率的任意变化。GPS引擎能够处于任意模式，但在一般情况下，会保持休眠以节约能源，同时时钟校准硬件作为连续过程运行，以随着时间实现增加的精确度直到需要的结果。该结果为数字值，其代表在从GPS引擎使用的蜂窝系统时钟周期方面的每个32kHz时钟周期的平均值，以计算自从先前的精确时间计算后所经过的时间。
现在参考图2，该图示出了用于保持精确时间的、置于图1的定位设备MS中的电路的一个实施例。该电路包括蜂窝引擎2、分别标注为22、12和14的计数器A、B和C以及GPS中央处理单元CPU 16。图2中的蜂窝引擎2包括第一设置复位SR触发器4，该触发器由休眠时钟6计时，并从线路40上的休眠状态指示器接收其“设置”输入。蜂窝引擎RTC逻辑使用相同的时钟(图2中未示出)来保持实际时间(RTC，实时时钟)和休眠定时(休眠时钟6)。蜂窝引擎硬件2进一步包括电源8和蜂窝系统时钟10。蜂窝系统时钟的电源8由蜂窝引擎(CE)休眠状态信号激活，该休眠状态信号是从第一SR触发器4的“Q”输出接收的。
标注为22的计数器A，计数在其线路6上的输入处接收的休眠时钟信号的上升沿。计数器A在其输出利用与休眠时钟的上升沿同步的前沿和后沿来提供选通脉冲。在休眠状态指示器的前沿之后，选通脉冲的前沿有延迟，并且这个延迟设置到蜂窝基准时钟的稳定时间。选通脉冲的后沿与休眠状态指示器的后沿同步，除非如下所述地由控制微处理器超驰(在线路36上)暂停校准计数。选通脉冲用于激活分别标注为12和14的计数器B和C，所述计数器B和C是用于校准休眠时钟的校准计数器。线路32上的选通脉冲用于激活计数器B的输入。该选通脉冲也被提供到第一双输入与门18的一个输入，所述第一双输入与门的输出与计数器C的输入相连。计数器A由来自第二双输入与门20的输出信号复位。
当计数器B激活时，在线路30上计数从蜂窝系统时钟10输出的前沿和后沿，其在线路30上被提供给计数器B。如上所述，计数器B被计数器A的选通脉冲激活，并且仅在信号为高时才进行计数。计数器B进一步包括通过在线路34上从GPS CPU 16接收的复位信号输入，以及允许GPS CPU 16在线路38上读取计数值的控制输入。
计数器C计数休眠时钟的前沿，该休眠时钟在选通脉冲为高电平时经由第一与门18提供，并还经由阻止时钟故障的第二SR触发器提供。SR触发器26在休眠时钟6和与门18之间插入必要的延迟，所述与门18在计数器A的选通脉冲控制下，将休眠时钟脉冲选通到计数器C。如果没有所述延迟，在来自计数器A的选通脉冲的后沿被禁止之前，该上升的休眠时钟的边沿会通过计数器C传播，导致计数器C错误地增加。这是因为选通脉冲边沿同样与休眠时钟的上升沿同步，并且同样的边沿也会导致计数器C对时钟计时。SR触发器由系统时钟计时，该触发器的“Q”输出与与门18的第二输入相连接。
GPS CPU 16通过线路34上的复位信号对计数器B和C进行复位。GPS CPU 16也可以通过控制线路38从每个计数器B和C中读取计数值。此外，GPS CPU 16可以通过开始/停止校准线路36对计数器A进行复位，所述校准线路36与第三SR触发器24的“设置”输入相连接。所述第三触发器由休眠时钟计时，并且其输出与第二与门20的一个输入相连接。所述第二与门的另一个输入与来自第一SR触发器4的输出的蜂窝引擎休眠状态信号相连接。因此，只有当线路28上的休眠状态信号和线路36上的开始/停止信号都为高电平时，计数器A才为活动状态，否则被复位。
下面按照事件发生的顺序描述图2所示电路的操作序列：
1.GPS引擎需要精确的GPS时间以获得定位。其自身的实时时钟RTC计数器值和相应的GPS时间的快照被保留在存储器中。
2.在对校准计数器A和B进行复位后，线路36上的RTC校准开始/结束控制被设置为开始(高电平)。
3.GPS引擎进入休眠周期。
4.当蜂窝引擎再次唤醒以接收寻呼信道时，蜂窝硬件把线路40上的休眠控制信号设置为“1”，使电源供给8向蜂窝系统时钟10供电。寻呼信道是以规则的方式从基站传输的逻辑信道，并且其功能之一是在有呼入呼叫时向移动设备发送信号。
5.当检测到线路28上有高电平休眠信号时，计数器A脱离复位状态，并开始对休眠时钟脉冲计数。当计数器计数增量x时，输出选通脉冲，并且系统时钟计数器B和休眠时钟计数器C在相同的休眠时钟上升沿上同时开始运行。x计数值是可编程的，并允许用于稳定蜂窝系统时钟的周期。例如可以为100个时钟周期，如果典型的稳定时间是3ms，则每个休眠时钟是30μs。
6.在休眠时钟的进一步y个计数后，线路28上的蜂窝休眠状态指示器信号在休眠时钟的上升沿返回到“0”。y个计数的值根据休眠时钟6定义，并且依赖于蜂窝引擎被唤醒的时间长度。在y个计数期间，计数器B为蜂窝系统时钟的前沿和后沿计数，计数器C为休眠时钟的前沿计数。选通输出被休眠状态指示器复位，返回到“0”，这停止了系统时钟和休眠时钟计数器，因为蜂窝引擎进入休眠模式。
7.当蜂窝引擎处于待机模式中，重复执行步骤4至6，并且当选通脉冲为高时计数器B和C将继续计数。
8.当蜂窝引擎需要进行GPS定位时，线路36上的RTC校准开始/停止控制被设置为停止(低电平)，导致选通脉冲变为低。
9.由GPS CPU 16在线路38上读取计数器B和C的值。
10.GPS CPU 16可以使用休眠时钟周期和自从先前的精确时间计算以来的RTC的周期的数量，以确定当前时间。如步骤1中所述，休眠时钟计数器值和相应的GPS时间的快照被保留在存储器中(图2中未示出)。
参考图3，该图为说明了在图2所的示实施例中的时钟的时间定时信号(未按比例绘制画出数值范围)。第一方波50为示出了蜂窝时钟信号。如图中所示，从图2中的计数器A输出的选通的脉冲52由休眠时钟54计时，并且因此，该脉冲的其前沿和后沿与蜂窝系统时钟并不同步。如以上所述，蜂窝系统时钟信号50的每个前沿和后沿由图2中的计数器B计数，并且因此，由于同步门选通的周期的同步前沿和后沿造成的误差是半个时钟周期的最大值，该值可能是正的，也可能是负的。图3中由所示的波54示出的为休眠时钟(RTC)，其频率为32768Hz。在该所示出的示例中，选通门周期的前沿上的正误差正误差被后沿上的负误差所略微抵消。关键在于，由于正或负误差的正常分布概率，平均误差将趋近于零。
图3中的三个波形56、58和60分别表示休眠状态指示器信号(图2中的线路28)、休眠时钟和蜂窝系统时钟。如图中所示，休眠状态指示器信号变为高之后，存在周期x，在此期间蜂窝系统时钟启动，并且因此，图2中的计数器B和C都不运行。该周期由计数器A提供，该计数器A仅在x个计数之后输出高选通脉冲，x个计数为预设定的休眠时钟的时钟边沿的数量。GPS CPU 16可对x的值编程，并且该值取决于蜂窝系统时钟的启动所需要的时间。在启动延迟之后，计数器B为周期y对蜂窝系统时钟60的上升和下降沿进行计数，并且计数器C为休眠时钟58的上升沿进行计数。
下面解释休眠时钟周期的计算。计数的系统时钟半周期的总数量能够直接从系统时钟计数器B中读出。计数的相应的休眠时钟周期的数量能够从休眠计数器C中读取。考虑到系统时钟计数器的双边沿计时，平均蜂窝系统时钟频率与平均休眠时钟频率的比值为它们各自的计数值的比值。休眠时钟(RTC)周期计算因此为：
T RTC = 0.5 * N ref N RTC T ref ]]>
其中，T_RTC是休眠时钟周期，N_ref是休眠时钟计数，N_RTC是休眠时钟计数，T_ref是系统时钟周期。
每个校准周期的最大误差为：
Error ( ppm ) = + / - 0.5 * T ref T RTC * N RTC * 10 6 ]]>
例如，假设在定位之后，GPS引擎进入休眠周期，并且随后在请求下一次定位之前被唤醒三次。如果蜂窝系统时钟(例如为1MHz)的累积计数为30400，并且休眠时钟(其为32768Hz)的累积计数为510，用第一公式计算周期T_RTC的值为：(30400*0.5*0.000001)/520＝0.0292ms。如果休眠时钟是精确的，假设该周期应为0.0304ms，这就在该周期上造成了0.676ms的误差，接收器需要与CDMA信号的20ms(每秒50bits)比特边沿重新同步。然而，获知这个误差后，GPS CPU可以相应地调整时间。当然，这仅仅是示例的方式，实际上，蜂窝时钟通常会超过10MHz。
下表给出了将图2所示电路中使用的、以库仑为单位的电能与现有已知系统所使用的电能进行比较。表中的值基于100mA有效电流，以及0.1mA或2mA的休眠电流，休眠电流取决于所使用的记时时钟。第一行示出了图2的实施例使用的库仑的示例，其利用了低能耗的休眠时钟校准，而没有使用高精度的蜂窝时钟，从而得到了最短的重新获取时间和最低的电池负荷的使用：