用于补偿诸如振荡器的频率发生器的频率不精确度的方法和装置与流程

本发明涉及补偿环境影响，具体但不仅仅涉及补偿由诸如温度的环境因素引起的分量的生成频率。

背景技术：

在诸如全球定位系统(gps)或galileo的全球导航卫星系统(gnss)中，可被gnss接收器使用的卫星广播信号用于确定gnss接收器的位置。

为了确定位置，接收器必须首先获取从卫星广播的信号，然后跟踪该信号。在获取过程中，接收器获取从卫星广播的信号和在接收器处生成的信号之间的相位差。该相位差对应于信号从卫星传播到接收器所花费的时间，因此对应于接收器相对于卫星的位置。一旦获取到信号，就可以跟踪相位差。

来自四个以上的卫星的信号的获取和跟踪以及接收器相对于那些卫星的相关位置使得接收器精确定位其位置。当然，应该理解，在一些情况下，获取和跟踪的一些信号可具有陆地起源(terrestrialorigins)。

为了获取卫星信号，生成本地信号以确定与卫星信号的相位差。本地生成的信号的任何频率误差都将导致获取卫星信号所花费时间的增加，因为接收器不仅要搜索相位差而且还要搜索潜在的频率差。

接收器处的诸如晶体振荡器的频率发生器的精度会影响导航系统的速度和精度。

技术实现要素：

根据第一方面，提供了一种装置，包括：输入部，用于接收具有第一频率分量和第二频率分量的生成频率；滤波器模块，具有描述第二频率分量与环境特性之间的关系的滤波器系数，滤波器被配置为基于环境特性预测第一频率分量，并基于预测的第一频率分量与对应于第一频率分量的接收频率之间的偏移来更新滤波器系数。

滤波器可以是卡尔曼滤波器。环境特性可以是生成所生成频率的温度的指示。第一频率分量可以是理想频率分量。第二频率分量可以是非理想频率分量。第二频率分量可以是由非理想环境特性引起的频率分量。

滤波器可被配置为实时更新系数。可以响应于接收到环境特性的指示来更新系数。该接收频率可以是从外部频率发生器接收的信号的频率且对应于第一频率分量。该接收频率可形成全球导航卫星系统信号的部分。该接收频率可以从全球导航卫星系统发射器接收。

第二频率分量可由振荡器的由于温度所导致的非理想行为引起。第二频率分量可进一步由提供温度的指示的热阻器的行为与生成所生成频率时的温度之间的非理想关系引起。

滤波器系数可被配置为响应于温度基于振荡器和热阻器的行为描述第二频率分量与温度的指示之间的关系。

滤波器模块可包括：第一滤波器，具有描述通过振荡器响应于温度对第二频率分量的贡献的系数；以及第二滤波器，具有描述通过热阻器响应于温度对第二频率分量的贡献的系数。

根据第二方面，提供了一种设备，包括：第一方面的装置；振荡器；以及环境传感器，被配置为测量振荡器的环境特性。

该设备可以为全球导航卫星系统接收器。

根据第三方面，提供了一种方法，包括：接收具有第一频率分量和第二频率分量的生成频率；通过滤波器模块基于环境特性预测生成频率的第一频率分量，其中，滤波器模块包括描述第二频率分量与环境特性之间的关系的滤波器系数；以及基于预测的第一频率分量与对应于第一频率分量的接收频率之间的偏移来更新滤波器系数。

附图说明

将参照附图描述实施例，其中：

图1是示出一些实施例的接收器的示意图；

图2是示出一些实施例的方法步骤的流程图；

图3是示出根据又一些实施例的方法步骤的流程图；

图4是示出函数收敛的示图；

图5是示出补偿频率的收敛的示图；以及

图6是示出一些实施例的装置的示意图。

具体实施方式

可通过使用晶体振荡器在gnss接收器处本地生成信号。然而，这种振荡器不总是在所有条件下均生成稳定频率。例如，在接收器处由振荡器生成的频率可能被接收器的温度所影响。一些系统试图通过硬件(例如通过实施温控晶体振荡器(tcxo))来校正这种不精确。tcxo可具有一些基于温度调整振荡器所生成的频率的能力。这可以帮助减轻外部条件(诸如温度)对振荡器的频率精度的影响。

然而，tcxo的部件成本会加重系统的整体成本。振荡器的精度越高，需要考虑的成本越昂贵。此外，这种振荡器会要求附加硬件，并且会增加接收器的总体尺寸。

本发明的实施例的目的在于提供用于补偿频率发生器(诸如用于频率不精确的振荡器)的方法和装置。可使用例如以软件实施的算法来补偿这些不精确。频率不精确可能是例如环境因素(诸如温度)的结果。附加地或可选地，频率误差可能由于振荡器本身的不精确。

在一些实施例中，可以补偿与频率补偿器相关联的硬件的其他不精确。例如，可通过热阻器测量振荡器的温度，并且可以附加地或可选地补偿热阻器测量与温度之间的非线性关系。

在实施例中，可以使用对温度指示与振荡器生成的频率之间的关系进行建模的模型。该模型可提供振荡器的由温度引起的非理想行为的指示。该模型可用于确定将应用于振荡器所生成的频率的补偿，以提供为振荡器的任何非理想行为进行补偿的频率。

可以确定补偿频率与振荡器的目标频率之间的偏移。该偏移可用于更新模型，以使补偿频率接近目标频率。

对振荡器的非理想行为补偿的频率可认为是振荡器在理想条件下生成的频率的预测。目标频率可认为是期望振荡器在理想条件下生成的频率。在实施例中，预测频率与目标频率进行比较以确定偏移，该偏移可用于提高预测频率的精度。

在一些实施例中，可以在gnss接收器中或者与gnss接收器相关联地进行频率补偿。振荡器可被配置为生成将用于获取和/或跟踪gnss信号的频率。目标频率可认为是gnss信号的频率，并且可以补偿振荡器所生成的频率以提供预测频率。

图1示出了包括频率补偿器102的gnss接收器的实例。应该理解，在一些实施例中，可以在软件中实施频率补偿。例如，可以在软件中补偿频率，并且可以以软件来执行接收器100的跟踪和获取功能的至少一部分。

图1示出了gnss接收器100，其具有获取和跟踪块101以及频率补偿器102。接收器100可进一步包括振荡器103(例如，晶体振荡器)和温度传感器104，其用于感测振荡器103所经历的温度。在一些实施例中，温度传感器104可以是热阻器。

应该理解，虽然在该实施例中将振荡器示为晶体振荡器103，但振荡器可以是用于生成频率信号的任何适当的装置。温度传感器104可耦合至振荡器103，并且可以设置为与振荡器独立的部件。换句话说，振荡器和温度传感器不是必须集成为单个部件(例如tcxo)。

获取和跟踪块101可在105处接收gnss卫星信号。应该了解，该信号105可以不是从诸如卫星的发射器直接接收，而是可以首先被其他电路或与接收器100相关联地处理。例如，信号105可以被降频转换和/或进行噪声预处理。

补偿器102可从振荡器103接收频率信号106、从温度传感器104接收温度的指示107、以及接收偏移108。

频率补偿器102可利用对振荡器的温度的指示与在该温度下对振荡器生成的频率应用的补偿量之间的关系进行建模的模型。应该理解，这可以表示振荡器生成的频率与振荡器的温度之间的关系。在其他实施例中，该模型可进一步表示温度传感器值和温度之间的非线性关系。

频率补偿器102可基于该模型和所接收到的温度的指示来补偿振荡器103生成的频率，以提供预测频率109。预测频率109可用于获取和跟踪gnss信号。频率补偿器102还可以基于偏移108更新模型的精度。

偏移108可以是预测频率109与目标频率之间的测量差值。应理解，目标频率是振荡器在理想条件下生成的频率。在这种情况下，gnss信号的频率可认为是目标频率。偏移108可认为是预测指示或补偿误差或频率补偿器102的不精确。

在操作中，振荡器103可被设计或期望为生成具有第一频率分量的信号。振荡器可被期望在理想条件下生成该信号。关于这点，第一频率分量可认为是振荡器103的目标频率。

在一些实施例中，第一频率分量可对应于接收到的gnss信号105的频率。gnss信号的频率可接近在理想条件下生成的频率，因为该信号可以从卫星或地面站(其中实施高精度(昂贵)的振荡器)接收。

然而，由于环境和/或制造因素，gnss接收器的振荡器103可生成具有第一频率分量和第二频率分量的信号。第二频率分量可对应于由于振荡器103的非理想行为所引起的频率误差。

因此，振荡器103所生成的信号的频率可包括对应于目标频率的第一分量和对应于由于振荡器的非理想条件所引起的误差分量的第二分量。然后，振荡器103可将该频率提供给频率补偿器102。

同时，接收器100可接收gnss信号105。gnss信号的频率可对应于振荡器103生成的频率的第一频率分量。gnss信号可以不包括由于用于生成gnss信号的振荡器的类型所引起的振荡器频率的第二分量。例如，可通过具有高精度振荡器的卫星来生成gnss信号。然而，应该理解，gnss信号的频率可能不完全等于第一频率分量，然而其可以良好地近似第一频率分量。

应该理解，gnss信号的频率还可以包括非理想分量。然而，对于信号获取而言，振荡器和频率补偿器生成的频率应该尽可能地接近所接收的gnss信号频率。通过将gnss信号的频率设置为目标频率，频率补偿器还可以考虑gnss频率的非理想分量。然而，应该理解，在一些实施例中，可以忽略gnss频率的非理想频率分量。

频率补偿器102可基于振荡器的温度的指示和模型来预测目标频率。

可确定频率补偿器102生成的预测频率109与gnss信号105的频率所表示的目标频率之间的偏移108并将其提供给频率补偿器102。应该理解，在一些实施例中，代替接收偏移108，频率补偿器可以自身执行该确定。在其他实施例中，可以在别处确定该偏移。

偏移108可指示预测/补偿模型中的误差，因为预测频率和目标频率可能不对应。这种缺乏对应性可指示目标频率的预测不会完全消除第二频率分量的效果，或者换句话说，不是完全精确。偏移108可用于更新模型。

因此，补偿器102接收振荡器工作的温度的指示并使用其来预测目标频率。补偿器102可通过为第二或非理想频率分量补偿振荡器103生成的频率来预测目标频率。

补偿器102可进一步接收或确定预测频率109与目标频率之间的偏移108，并更新用于预测频率的模型的系数。

频率补偿器102可使用对应于振荡器针对给定温度的期望频率误差的模型。该频率误差可对应于应用于振荡器频率的补偿量。例如，在较高温度下，模型可预测较大误差或第二频率分量。模型可预测应该应用于振荡器103生成的频率的补偿以使该频率接近目标频率。

在一些实施例中，模型可对应于例如多项式但不限于此的函数，并且对振荡器在不同温度条件下的行为进行建模。具体地，函数可描述在不同条件下要求的补偿。可通过一组系数来描述函数，并且这些系数可基于偏移108来更新。

可以滤波器的形式来实施函数。在滤波器的实例中，滤波器可包括两个方面。第一方面可涉及振荡器的频率的补偿。在这种情况下，滤波器用于基于振荡器的当前温度预测目标频率。这种预测可用于向振荡频率应用补偿。换句话说，预测模式或滤波器的方面可用于为由于振荡器的温度条件所引起的非理想频率行为补偿振荡器频率。

第二模式或滤波器的方面被配置为更新滤波器的系数。可通过将预测频率与目标频率进行比较来确定偏移108。可通过gnss信号105的频率来提供目标频率。偏移可用于更新滤波器系数。第二模式或方面可认为是滤波器的更新模式并且可包括预测、比较和更新。

图2示出了根据一些实施例的可被执行以更新模型的方法步骤的实例。

在图2的步骤201中，补偿器102具有用于频率补偿的初始模型。应该理解，该初始模型可通过振荡器的期望行为的理论近似来生成和/或可根据来自其他接收器的实际测量来生成。然而，应该理解，该初始模型可能不完全精确，因为每个振荡器103由于环境因素和制造差异可具有独立的特性。

在步骤202中，在振荡器的第一温度下测量频率补偿器预测的频率与目标频率(例如gnss信号的频率)之间的偏移。

在步骤203中，可以更新振荡器的温度指示与预测频率相对于目标频率的偏差的关系的模型，以将这些新数据点考虑在内。

在步骤203中，该方法可返回到步骤202，可以执行更多测量。应该理解，可以周期性地执行这些测量或者在接收器100专用的特定时刻执行这些测量。

在一个实例中，在一些实施例中，可以约每1分钟执行这些测量，但是根据所实施的系统可以为任何时间度量。对允许改变温度同时仍然在关键温度点捕获数据(生成频率)的时间周期具有平衡。在一些实施例中，时间周期可以在10秒至1分钟的范围内。在一些实施例中，在晶体振荡器的寿命内，存在一些性能上的劣化。在一些实施例中，这可以被频率补偿算法所考虑，以忘记具有长期历史的数据点。例如，算法可以仅考虑最近的n个数据点。

应该理解，在一些实施例中，图2的方法可包括频率补偿器102使用模型和从振荡器103接收的频率补偿从振荡器103接收的频率以提供预测频率109的步骤。

使用数据点来更新应用于频率的补偿量的一种方式为，在表格中存储数据点并参考它们。例如，给出模型的预测误差的数据点可用于通过查找表格中的调整值来调整模型的预测。然而，这种表格的使用潜在是不精确的，并且会占用存储器的额外空间以及附加的计算步骤。

在本发明的实施例中，通过实时的递归算法来实现模型，其中，数据点被输入至模型并使得模型系数被更新。在这种情况下，不需要存储数据点的表格。在这种算法中，可以过滤数据点，从而更新滤波器的系数。

这种算法例如可以为线性二次估计算法或卡尔曼滤波器。在这种情况下，卡尔曼滤波器或线性二次估计可用于提供由系数所限定的模型。模型的系数可描述振荡器频率关于振荡器的温度的行为。

在初始模型中，系数可描述不是完全精确近似的行为。卡尔曼滤波器可提供接受包括测量温度和偏移的一系列数据点并使用这些数据点来提供系数的更加精确估计的算法。实施例的卡尔曼滤波器可递归操作并在生成每个数据点时对其进行处理。换句话说，在一些实施例中，数据点不需要存储在表格中，而是可以在生成数据点时被卡尔曼滤波器处理以更新系数。卡尔曼滤波器可递归操作。

图3示出了可通过卡尔曼滤波器实现的频率补偿器所实施的方法的实例。在该实施例中，卡尔曼滤波器可包括由多项式提供的模型，然而应该理解，可以实施适合振荡器和/或热阻器的温度行为的函数。

卡尔曼滤波器可以对具有初始系数集合的多项式进行初始化。多项式可描述振荡器103关于理论近似的行为。例如，该初始多项式可通过在不同的温度条件下测试其他振荡器的行为来明确确定。可选地或附加地，可以理论地确定多项式。在一些情况下，可根据由振荡器的制造者提供的信息来确定初始多项式。在步骤301中示出了多项式的初始化。

在步骤302中，滤波器可接收温度的指示和偏移测量值。在步骤303中，卡尔曼滤波器算法可利用这些测量值运行以更新多项式的系数。

可周期性地或在设置时刻接收测量值，并且方法返回到步骤302。应该理解，可以响应于接收到温度的指示和偏移测量值来执行步骤302和303。

应该理解，根据本发明的一个实例，使用具有对应于多项式的模型的卡尔曼滤波器。然而，频率补偿器102可实施考虑到接收器的线性和非线性行为的模型。

例如，在一些实施例中，通过系数描述的模型可用于附加地或可选地补偿生成频率的非线性误差项。在其他实施例中，可以在附接至振荡器的硬件中补偿这些非线性误差项，并且滤波器可以使用多项式。

例如，返回参照图1的接收器100，温度传感器104可以为热阻器。在一些实施例中，热阻器104可被配置为生成表示振荡器的温度的模拟值，并且该值可被数字化并发送给频率补偿器102。

然而，热阻器测量值与温度可不具有线性关系。热阻器测量值和温度之间的关系例如可以通过具有由热阻器的制造者提供的系数的等式来描述。例如可理论性地确定和/或通过明确测试来确定这些系数，然而它们可能不完全精确。

例如，热阻器与温度之间的关系可描述为：

其中，rt是热阻器的值或温度的指示；

t是热阻器的当前温度；以及

rt0、β和t0是可由热阻器的制造者提供的系数。

在一些实施例中，频率补偿器可在其频率补偿中考虑热阻器的这种非线性行为。例如，模型可对热阻器值rt与应用于振荡器103生成的频率的补偿量之间的关系进行建模。偏移108可用于更新模型系数，其可固有地考虑热阻器的一些非理想行为。

在一些实施例中，模型可因此通过考虑由于热阻器值引起的偏移108中的非线性误差分量和由于温度对振荡器的影响所引起的偏移108中的线性分量的函数来实施。

在另一实施例中，频率补偿器可实施两个模型：描述温度和振荡器频率之间的关系的第一模型(例如多项式)和描述热阻器值和温度之间的关系的第二模型(例如，基于等式(i))。

在这两个模型实施例中，卡尔曼滤波器可基于描述两个模型的两个函数将频率误差(例如对应于偏移108)分为多个误差状态。卡尔曼滤波器可将频率误差分为描述与振荡器行为相关的模型的函数的系数，以及将频率误差分为用于描述与热阻器测量不精确相关的模型的函数的系数。应该理解，当描述变量(误差状态)的等式(描述振荡器不精确的函数和描述热阻器测量不精确的函数)在不同的温度和频率具有不同行为时，卡尔曼滤波器可将频率误差分为不同状态。

在一些情况下，热阻器等式与描述振荡器行为的函数之间的一些关系可能重叠并且可能不可分离，除非达到温度极限。在这种重叠中，可以使用用于两个行为的单个模型。

图4示出了用于描述振荡器103生成的频率与振荡器103的操作温度的指示之间的关系的初始函数和更新函数的示图。

图4示出了在步骤301中使用的初始函数(init)401的曲线。示出了振荡器103的实际行为(truth)的函数在402处示出。可以看出，在振荡器的操作的初始点处，建模行为401完全偏离实际行为402。

随着温度和偏移测量值被提供给卡尔曼滤波器，卡尔曼滤波器算法更新初始函数401以反映进行的实际测量。可以在接收到每个数据点(温度和偏移测量值)时更新函数的系数。

除初始函数401和实际行为(truth)402之外，图4还示出了第一更新函数403、第二更新函数404、第三更新函数405、第四个更新函数406和第五更新函数407。每个函数均表示前一函数的更新版本。

例如，图4示出了由函数403、404、405、406和407表示的建模行为朝向振荡器的实际行为(truth)402的行进。

卡尔曼滤波器102可具有对振荡器103的行为进行建模的初始函数401。应该理解，在又一些实施例中，该函数可考虑对振荡器的温度影响以及热阻器的非线性。在一些实施例中，该函数还由两个函数组成，一个用于对振荡器的温度影响，一个用于热阻器的非线性。

在步骤302中，可以接收包括温度指示和偏移的第一数据点。卡尔曼滤波器可响应于此更新初始函数401的系数以提供第一更新函数403。由于只有一个数据点可用于更新，所以可以看出，第一更新函数403类似于初始函数。

在一定时间周期之后或在设置点处，卡尔曼滤波器102可接收包括第二温度测量值和偏移的第二数据点。卡尔曼滤波器可更新第一更新函数403的系数，从而以第二数据点的形式反映新信息。更新第一更新函数403创建了第二更新函数404。

类似地，当接收到第三数据点时，第二更新函数404被更新以提供第三更新函数405。当接收到第四数据点时，第三更新函数405被更新以创建第四更新函数406。当接收到第五数据点时，第四更新函数406被更新以提供第五更新函数407。

可以从图4中看出，随着包括温度和偏移信息的新数据点的接收，被卡尔曼滤波器使用的函数开始收敛于描述振荡器的实际行为和/或热阻器测量值与温度的关系的函数。第五更新函数407与初始函数401接近实际模型(truth)402，因为第五更新函数407考虑到表示振荡器和/或热阻器103行为的更多的数据点。

在该实例中，将每个函数403、404、405和406描述为基于接收到的数据点更新前一函数，然而应该理解，每个示出的函数都可以将两个以上数据点与之前示出的函数分开。例如，每个函数都可以代表卡尔曼滤波器接收的两个以上的数据点。卡尔曼滤波器可以在接收到每个数据点时对其进行处理以更新函数。

图5示出了卡尔曼滤波器102提供的补偿频率的实例。图5是针对理想或期望频率501(freq)的振幅对时间的曲线图，其中使用初始函数401补偿第一补偿频率502(freq2)，以及使用第五更新函数407补偿第二补偿频率503(freq3)。可以看出，通过更新卡尔曼滤波器102使用的函数，补偿频率开始收敛于理想或期望频率。

图6示出了根据一些实施例的装置的实例。装置600可包括处理器601和存储器602。处理器601和存储器602可被配置为实施一些实施例的卡尔曼滤波器。该装置可包括用于接收温度指示、偏移、振荡器生成的频率和/或gnss信号中的一个或多个的输入端。应该理解，在一些实施例中，该装置可基于振荡器生成的频率和gnss频率确定偏移。在一些实施例中，该装置可接收这些输入的数字化版本。在一些实施例中，该装置可根据gnss接收器执行处理。例如，该装置可进一步在软件中执行跟踪和获取和/或位置确定操作。

应该理解，虽然前面例示了为由于温度引起的频率误差补偿频率，但在一些实施例中，可以基于其他或附加环境因素来补偿频率。例如，温度传感器可被另一种环境传感器所代替。

应该理解，本发明的实施例可结合到gnss接收器中。例如，接收器在gps或galileo全球导航卫星系统中。在这些实施例中，应该理解，根据一些实施例的装置可包括gnss接收器硬件，并且可被配置为基于来自振荡器103的补偿频率执行gnss接收器的功能。应该理解，这种gnss接收器例如可以为单独的设备，或者可以结合到另一设备(例如移动电话、便携式电脑、平板电脑或其他移动计算设备)中。

返回参照图6，装置600可包括诸如存储器602以及一个或多个处理单元601的设备/部件，适合于执行图2和/或图3的流程图的功能或在本说明书中描述的方法步骤。这些设备/部件可以为软件、硬件或它们的组合。应该理解，在装置600中，可以以一个或多个物理或逻辑实体来实施模块和存储器。装置600还可以包括用于接收和/或发送信息的输入-输出接口。

应该理解，在一些实施例中，振荡器可以不被配置为生成与gnss信号的频率相匹配的频率，而是被配置为生成作为其因素的频率。振荡器硬件可被配置为缩放该生成频率以对应于期望频率。应该理解，在一些实施例中，振荡器可以生成期望频率而不进行任何缩放。期望频率可以是期望振荡器生成的频率，例如gnss接收器进行解码所要求的频率。振荡器生成的期望频率可包括第一频率分量。

当加载到适当的数据处理装置上时，适当改写的计算机程序代码产品可用于实施实施例，例如用于补充频率误差。用于提供操作的程序代码产品可通过适当的承载介质来存储、设置和具体化。适当的计算机程序可在计算机可读存储介质上具体化。可经由数据网络下载程序代码产品。通常，在硬件或专用电路、软件、逻辑或任何它们的组合中实施各个实施例。因此，本发明的实施例可以在诸如集成电路模块的各个部件中实现。通过大型自动处理来进行集成电路的设计。复杂且强大的软件工具可用于将逻辑等级设计转换为准备蚀刻并形成在半导体衬底上的半导体电路设计。

这里还应该注意，虽然上面描述了本发明的实施例，但在不背离本发明的范围的情况下，可以对所公开的解决方案进行各种变化和修改。