专利名称：卫星定位系统中的辅助的制作方法
技术领域：
本发明涉及卫星定位系统(SPS)接收器，特别涉及通过向接收器提供信息以校正在各接收器的振荡器和卫星的振荡器之间的频率偏置而增加SPS接收器的精确度。
背景技术：
卫星定位系统(SPS)接收器，如全球定位系统(GPS)(也称为NAVSTAR)接收器，从基于卫星的无线电导航系统接收无线电传输，并且使用这些接收的传输确定SPS接收器的位置。SPS接收器的位置可通过应用公知的交叉点(intersection)概念在从SPS接收器到3个已知卫星位置的SPS卫星的距离来确定。
一般地，基于卫星的无线电导航系统中的每个卫星广播一包含其位置信息和轨道信息的无线电传输。更具体地，GPS系统中的每个轨道卫星包含4个高度精确的原子钟两个铯钟和两个铷钟。这些时钟提供精度定时脉冲用于产生传输到地面的两个唯一的二进制码(也称为伪随机噪声“PRN”或者伪噪声“PN”码)。PN码标识星群中的特定卫星。卫星还传输完全定义卫星的精确轨道的一组数字编码的推算表(ephemeris)数据。该推算表数据指示卫星在任何给定时间的所在，并且其位置可以精确的经纬度测量中的卫星地面轨道形式规定。该推算表数据中的信息被编码并且从卫星传输，以提供在任何给定时间地面上方的卫星的准确位置的精确指示。
虽然原子钟非常精确，稳定性在一天期间大约1013之1到2，但微小的误差(通称为时钟漂移)可随时间在时钟中产生，导致卫星时钟误差大约每天8.64到17.28ns，对应范围误差2.59到5.18米。为了补偿该误差，从GPS控制系统中的地面站持续监视卫星原子钟的精确度，而卫星时钟中的任何检测的误差和漂移可由卫星作为部分导航消息以三系数的二阶多项式形式计算和传输。
在GPS情形，额定具有24个地上工作卫星的星群。每个卫星具有单独的PN码、接近圆的轨道，对赤道倾斜55°，地上高度10,898海里(20,200公里)，而轨道周期大约12小时。每个GPS卫星传输导航消息和两个数字码调制的两个载波频率组成的微波无线电信号。两个载波频率称为“L1”和“L2”载波，并且分别在1,572.42兆赫兹(MHz)和1,277.60MHz传输。两个GPS码称为粗获取(coarse acquisition，C/A码)和精细(P码)。每个码包括0和1(称为比特或者“码片”)的二进制数字流。C/A码和P码通称为PN码，因为它们看来像类随机噪声(random noise-like)信号。目前，C/A码仅仅在L1载波上调制而P码在L1和L2载波上调制。
C/A码具有1.023MHz的码片率(chipping rate)，因为其是每毫秒重复其自身的1,023二进制数字的流。每个卫星被分配一个唯一C/A码，这使GPS接收器能识别哪个卫星正在传输特定代码。C/A码范围测量比P码相对不精确，但它还减少了复杂性并且对所有用户可用。P码多数限于用在美国政府和军事。
每个卫星还传输GPS导航消息，其是加入L1和L2载波作为在50千比特/秒(kbps)的二进制双相位调制的数据流。导航消息包含作为时间的函数的GPS卫星的坐标、卫星健康状态、卫星时钟校正、卫星年鉴(almanac)和大气数据以及其它信息。每个卫星传输其自身的导航消息与有关其它卫星的如大约位置和健康状态的信息。
通过接收这些从卫星发射的无线电信号，GPS接收器可通过确定GPS接收器接收从卫星传输的信号而花费的时间来计算其与卫星的距离。例如，GPS接收器可能通过确定其与3个卫星的距离来计算其二维位置(经度和纬度或者X和Y)。类似地，GPS接收器可能通过测量其与4个卫星的距离来计算其三维位置(经度、纬度和高度或者X、Y和Z)。
不幸地，该方法假定测量的从GPS接收器到卫星的距离是非常精确的而不存在偏离误差(bias error)。然而实际上，GPS接收器和每个卫星之间测量的距离通常具有恒定的未知偏离，因为GPS接收器时钟(GPS-CLK)通常不同于GPS卫星时钟。为了解决该偏离误差，通常还多需要一个卫星传输来计算GPS接收器的位置。
一般地，为了接收卫星传输的信号，GPS接收器的GPS-CLK应该与GPS卫星的GPS-CLK同步。时钟之间的任何同步误差将导致GPS接收器的定位测量的不准确。像在GPS卫星上发现的，原子钟是非常昂贵的，一般铷钟价值几千美元而铯钟价值几万美元。因此，它们用于一般的消费GPS接收器是不实际的。不贵的精确度比较差的时钟，如晶体钟，一般在GPS接收器中用作为GPS-CLK。然而，除非确定GPS-CLK的不准确度并且进行校正，与卫星的原子钟的GPS-CLK的同步将部分中断，并且由GPS接收器计算的结果距离测量将是部分不准确的。因此，GPS-CLK的误差还是必须确定以精确确定GPS接收器的位置的另一个未知变量。
除了精确度，关联于有关GPS卫星时钟的GPS-CLK误差的另一个问题是对GPS接收器的结果获取时间，通常称为到第一定位的时间(time to first fix，TTFF)。对许多应用，如E911，GPS接收器必须能在GPS接收器开机后的短时间内提供定位方案。不幸地，GPS-CLK在开机后的前几分钟期间可具有大频率漂移。大频率漂移可导致TTFF性能的显著恶化，并且甚至可导致弱信号环境中缺失导航定位。
除了GPS-CLK中的频率漂移，还存在可影响TTFF性能的许多其它因素。虽然存在位于地球大气上方的大量GPS卫星，但GPS接收器不总是可能从计算GPS接收器的位置需要的要求数量的GPS卫星接收精确的传输。任何数量的问题可阻止GPS接收器接收必要数量的信号，或者由于传输或接收器误差而不能接收精确的信号。这些问题可导致高的TTFF时间。
例如，由于地球上或者大气中的物理障碍，GPS接收器可能不能接收必要数量的GPS传输。或者，即使GPS接收器可能不能接收必要的信号，信号也可能由于以下任何原因而不精确(i)卫星时钟的误差；(ii)接收器时钟的误差；(iii)计算的卫星位置的误差；(iv)由电离层或者对流层引起的大气误差；(v)由反射信号的接收引起的多径误差；(vi)接收器测量误差和/或(vii)选择性误差，或者人为误差。这些不精确可导致可能超过30秒的TTFF时间，因为GPS接收器需要从GPS系统自身获得推算表数据，并且GPS接收器一般需要强信号来可靠获取推算表数据。
从GPS的开始，已经并且仍然在发展各种方法以减少误差并增强GPS系统的精确度。进而，正在实施许多不同方法以提供替代手段，用于向GPS接收器提供有关系统中的不确定性或未知变量的信息，使得不总是要求系统从所有卫星接收卫星传输信号或者接收精确的传输数据。
已经引入来辅助消除GPS系统的误差的一种技术是差分GPS。使用差分GPS，具有已知位置的接收器接收GPS信号并且从接收的信号计算其位置。然后比较计算的位置与接收器的实际已知位置。然后已知位置和计算的位置之间的差分可用于计算传输信号的误差。然后这些误差可传输到未知位置的接收器(“移动接收器”)并且由移动接收器用于以更好的精确度计算其自身的位置。
差分GPS一般用于校正非接收器或者多径误差的误差。然而，以类似差分GPS的方式，校正数据可发送到GPS接收器以校正接收器误差。例如，已经用于校正GPS-CLK的误差的一种方法已经要从如基站的第二源发送精确载波频率信号到GPS接收器。在此应用中，GPS接收器设计为接收精确载波频率信号，然后校准和/或锁定GPS-CLK为精确载波频率。然而，该方法一般涉及使用附加的复杂电路，其首先锁定和/或校准GPS-CLK为精确载波频率，然后保持GPS-CLK和精确载波频率之间的动态同步。
因此，需要一种补偿由GPS-CLK的漂移产生的误差的方法，以便以动态方式改进TTFF和提高位置精确度，而不利用附加的复杂电路并且不显著改变现有硬件。
发明内容
本发明涉及无线设备中的辅助全球定位系统(GPS)子系统。该无线设备包括能够从无线网络接收信号的无线处理部分，和具有能够接收GPS卫星信号的射频(RF)前端的GPS子系统。无线设备的无线处理器部分接收外部时钟，并且确定无线处理部分中的时钟和外部时钟之间的偏置。然后GPS子系统接收来自无线处理部分的偏置信息、无线处理部分时钟和有关无线处理部分时钟的额定频率的信息。使用GPS子系统中的GPS时钟和该信息，GPS子系统确定有关GPS时钟和网络时钟之间的频率偏置的获取信号。然后GPS子系统通过使用获取信号在获取单元中获取GPS卫星信号。
通过审查下面的附图和详细描述，本发明的其它系统、方法、特征和优点对本领域技术人员将会或者变得清楚。其意图在于所有这样的附加系统、方法、特征和优点包括在此说明中，包括在本发明的范围中，并且由随附权利要求保护。
参照附图可更好地理解本发明。附图中的各部件不必比例化(scale)，而重点是根据本发明的原理说明可进行替换。附图中，相同的标号指示不同图的相应部分。
图1是使用具有GPS接收器位于无线设备内的无线设备的GPS系统的示例实现。
图2是图1所示的无线设备的框图的示例实现。
图3是图2所示用于产生GPS-STD-OFFSET的GPS子系统内的偏置电路的总框图。
图4说明图2的GPS子系统的基本框图。
图5是图4的GPS处理器部分的示例实现的框图。
图6是GPS频率源的示例实现的框图。
图7是使用直接转换的GPS RF前端的示例实现的简化框图。
图8说明获取单元的示例实现的简化框图。
图9说明与RF前端经由ADC进行信号通信的获取单元和RF前端的另一示例实现的框图。
图10说明与RF前端经由ADC进行信号通信的获取单元和RF前端的另一示例实现的框图。
图11说明GPS载波和代码产生器的示例实现的框图。
图12说明GPS时钟处理器的示例实现的框图。
图13是说明GPS子系统执行的过程的流程图。
具体实施例方式
图1是使用具有GPS接收器(未显示)位于无线设备102内的无线设备102的GPS系统100的示例实现。如图1所示，在操作期间，无线设备102经由基站106与无线网络104和无线传输路径108进行信号通信，并且经由信号通信路径112与GPS卫星群110的至少一个卫星进行信号通信。
无线设备102包括GPS接收器(未显示)和无线处理部分(未显示)。无线设备102内的GPS接收器可从GPS卫星群110经由信号通信路径112接收GPS信号，而无线设备102的无线处理部分可从无线网络104经由信号通信路径108和基站106接收无线通信信号。在一些实现中，无线设备102还可以经由信号通信路径108和基站106发送无线通信信号到无线网络104。无线设备102可以是无线手机，如蜂窝电话(cellular telephone，也称为cellphone或者移动电话(mobile telephone，mobile phone))或者任何其它类型移动设备，包括但不限于个人数字助理(PDA)、呼机、计算机、双向无线电接收器、截短无线电接收器(trunked radio)、专用移动无线电接收器(SMR)、或者任何其它希望确定位置信息的设备。在蜂窝电话的情形，无线设备102可利用工作于任何射频(RF)频带的蜂窝转发器，其利用任何传输方案，包括但不限于CDMA、CDMA-2000、W-CDMA、TDMA、FDMA、GSM、UMTS、AMPS、蓝牙、Wi-Fi、和/或这些传输方案或者类似方案的任何组合或扩展。
图2是图1所示的无线设备102的框图的示例实现。如图2可见，无线设备102包括无线处理部分200和GPS子系统202。无线处理部分200对无线应用执行处理功能，并且可包括无线转发器。例如，在蜂窝电话情形，无线设备102会包括具有蜂窝转发器的呼叫处理部分。GPS子系统包括GPS接收器(未显示)，用于从卫星205接收卫星传输204；和GPS引擎(未显示)，用于对无线设备102执行位置计算功能。通过集成具有GPS子系统202的技术的无线设备102的技术，无线设备102提供两个主要服务系统无线设备的服务，如蜂窝电话服务；以及GPS接收器的服务，用于提供无线设备102的位置信息。本领域技术人员知道，此集成提供包括满足联邦通信委员会(FCC)的E911要求的许多优点。
在无线设备102内，或者可替代地，在无线设备102和无线设备102的外部附属设备(未显示)之间，发生无线处理部分200和GPS子系统202之间的通信。这些通信允许从无线处理部分200传送信号给GPS部分202，并且可发生在串行或者并行通信链路206(如RS-232串行通信链路)和硬件线路208上，但如果需要也可使用其它连接。
例如，在另一个示范实施例中，无线处理部分200和GPS子系统202可共享相同数字处理器(未显示)和/或其它电子线路。在这样的情形，无线处理部分200和GPS子系统202之间的通信可通过任务间通信进行，并且一定数据传送，如无线处理部分200和GPS子系统202之间的任何时间或频率传送，不会使用硬件线路208，而会在电子线路内，或者会依赖于电路设计而可能不需要传送。
如图2所示，GPS卫星205传输在无线设备102接收的扩展频谱信号204。为了说明目的，卫星205表示GPS系统中的卫星205的群。如果无线设备102能够接收足够强的信号204，那么无线设备102中的GPS子系统202可计算无线设备102的位置，如在独立GPS系统中一般所进行的。但是，GPS子系统202经常不能接收足够强的信号204，或者不能从足够可用的GPS卫星205接收信号204来自动计算无线手机102的位置。这导致高的到第一定位时间(TTFF)值。但是，无线设备102仍然可能够与基站106通信。因此，基站106可经由信号108与无线设备102通信信息，这允许无线设备102改善其TTFF并计算其位置，或者允许在某些应用中(虽然本发明的实现不要求)从无线设备102到基站106通信信息，以允许无线网络104的服务器(未显示)在与基站106的信号通信中计算无线设备102的位置。在基站106传输信息到无线设备102以允许无线设备102计算其位置时，其一般称为“辅助的GPS”。
如图2进一步所示，基站106和无线设备102的无线处理部分200和GPS子系统202具有由内部时钟电路产生的内部时钟。为了说明目的，无线处理部分200的时钟将称为“WPS-CLK”210，而GPS子系统202的时钟将称为“GPS-CLK”212。一般地，WPS-CLK 210和GPS-CLK 212是由晶体振荡器产生的廉价时钟，晶体振荡器与GPS卫星205的原子钟相比不是高度精确的。因此，为了降低TTFF并且精确计算无线设备102的位置，应该计入GPS-CLK212的误差。相比WPS-CLK 210和GPS-CLK 212，基站106时钟是高度精确的。在CDMA无线网络情形，基站106时钟会与GPS卫星205的原子钟同步。为了说明目的，该基站106时钟将称为“BS-CLK”214或者“标准时钟”(STD-CLK)214。在操作中，STD-CLK 214经由信号通信路径108传输到无线手机102的无线处理部分200。如下面更详细说明地，无线手机102的无线处理部分200计算第一偏置值(称为“STD-WPS-OFFSET”)，其对应STD-CLK 214和WPS-CLK 210之间的频率差。然后将STD-WPS-OFFSET与WPS-CLK 210和GPS-CLK 212一起向使用STD-WPS-OFFSET的GPS子系统202通信，以估计GPS-CLK 212和STD-CLK 214之间的第二偏置值(称为“GPS-STD-OFFSET”)。然后GPS子系统202使用GPS-STD-OFFSET来获取从GPS卫星205接收的GPS信号。
图3是图2所示用于产生GPS-STD-OFFSET的GPS子系统202内的偏置电路300的总框图。偏置电路300可包括偏置计数器302和与偏置计数器302进行信号通信的偏置组合器304。偏置电路300与位于无线处理部分200内的无线子处理器306进行信号通信。无线子处理器306接收STD-CLK 214和WPS-CLK 210，并且响应产生包括有关WPS-CLK 210的额定频率(称为“N-WPS-CLK”)的信息的WPS初始化消息，以及包括有关STD-WPS-OFFSET的信息的WPS周期消息。N-WPS-CLK信息经由第一偏置总线308传递给偏置计数器302，而STD-WPS-OFFSET经由第二偏置总线310传递给偏置组合器304。偏置计数器302接收经由第一总线308的N-WPS-CLK信息、GPS-CLK 212和WPS-CLK 210。作为响应，偏置计数器302产生包括有关GPS-CLK 212和WPS-CLK 210之间的频率差(称为“GPS-WPS-OFFSET”)的信息的偏置信号(或消息)，并且经由第三偏置总线312传递该偏置信号给偏置组合器304。然后偏置组合器304组合STD-WPS-OFFSET和GPS-WPS-OFFSET的信息，并且产生STD-GPS-OFFSET，其经由消息总线(或信号路径)314传递给GPS子系统202的其它部分。
图4说明图2的GPS子系统202的基本框图。图4中，GPS子系统202包括GPS-CLK 212和经由信号总线402从无线处理部分200接收至少一个信号的GPS处理器部分400。无线处理部分200从无线网络104(图1)接收通信数据，包括STD-CLK 214(图2)。然后无线处理部分200产生STD-WPS-OFFSET消息，其代表STD-CLK 214和WPS-LO 210之间的频率差。STD-WPS-OFFSET消息经由信号总线402传送给GPS处理器部分400。GPS处理器部分400响应接收STD-WPS-OFFSET和GPS-CLK 212，产生STD-GPS-OFFSET，其在被输入GPS处理器部分400中的获取单元(未显示)时辅助获取接收的GPS卫星信号。
图5是图4的GPS处理器部分400的示例实现的框图。如图5所示，GPS处理器部分400可包括射频(RF)前端500、GPS时钟处理器502、GPS代码和载波产生器504、模拟-数字转换器(ADC)506和获取单元508。GPS频率源510发送频率参考给RF前端500、GPS代码和载波产生器504和ADC506。RF前端500可以是标准GPS RF前端。在操作中，RF前端500接收GPS卫星信号，并且将其解调(也称为下变换)以从在GPS卫星信号上传输的数据去除载波频率。通过将接收的GPS卫星信号与GPS频率源510混合来完成解调。然后产生的解调GPS卫星信号从RF前端500传送给ADC 506。在ADC 506，解调的GPS卫星信号一般通过各种公知的采样技术数字化为比特流采样。然后产生的比特流采样传送给获取单元508。本领域技术人员知道，GPS频率源510可以是本地振荡器(LO)(未显示)，其包括通过许多公知技术锁定在GPS-CLK 212的锁相环(PLL)(未显示)的压控晶体振荡器(VCXO)(未显示)或者压控振荡器(VCO)(未显示)。
获取单元508从ADC 506接收比特流采样，完成解调比特流采样，(如果RF前端500仅仅将接收的卫星信号下变换为中间频率“IF”)并且将其解码，这一般通过利用一层(bank)相关器(未显示)或匹配滤波器(未显示)。如果获取单元508从IF频率下变换比特流采样，获取单元508就可具有混合级，其混合来自GPS代码和载波产生器504的多普勒校正频率信号和比特流采样。来自混合器的结果将会是对载波多普勒频移校正的新的比特流采样。
相关器或匹配滤波器将来自ADC 506的比特流采样与不同的卫星码PN码相关。在卫星的对应PN码相对接收的卫星信号的比特流采样相关时，获取单元508产生检测信号。
PN码由GPS代码和载波产生器504产生。GPS代码产生器504可包括产生PN码的数字控制振荡器(NCO)(未显示)以及校正载波和代码的多普勒频移的其它电路(未显示)。GPS时钟处理器502能够确定STD-GPS-OFFSET。一旦STD-GPS-OFFSET已经由GPS时钟处理器502产生，就将其传递给GPS代码和载波产生器504。然后GPS代码和载波产生器504组合STD-GPS-OFFSET与对多普勒频移的校正，并且利用组合的结果去除IF载波并为获取单元508产生PN码。
GPS代码和载波产生器504试图校正接收的卫星信号的载波和代码的多普勒频移的效应。一般地，卫星运动在GPS接收器对信号的处理具有影响，因为输入频率作为多普勒效应的结果而移动。卫星运动导致载波频率上和粗略/获取(coarse/acquisition，C/A)码上的多普勒频移。卫星的角速度和速率可从卫星轨道的大致半径计算，并且大致是1.458×10-4弧度/秒和3,874米/秒。多普勒频移由朝向GPS接收器的卫星速度分量引起。一般地，最大多普勒速度发生在卫星处于水平位置时，并且从此轨道速率，沿着水平方向的最大多普勒速度大致是2,078英里/小时。该速率相当于高速军用飞机。因此，由地面交通工具引起的多普勒频移经常很小，即使运动直接朝向卫星来产生最高的多普勒效应。对于由C/A信号调制的L1频率，最大多普勒频移大致是4.9KHz。因此，对于静止的观察者，最大多普勒频移大致是±5KHz。为了由交通工具单独创造±5KHz的多普勒频移，交通工具必须朝向卫星以大致2,078英里/小时运动。这样，如果GPS接收器用于低速交通工具，多普勒频移可近似为±5KHz。
图6是图5的GPS频率源510的示例实现的框图。GPS频率源510可包括GPS-CLK 212和PLL 600。可知，GPS-CLK 212一般可由具有晶体振荡器602的定时电路(未显示)产生。PLL 600可通过本领域普通技术人员公知的多种方法来实现。作为例子，PLL 600的基本部件包括相位检测器(未显示)、环滤波器(未显示)和其频率由外部电压控制并且锁定在GPS-CLK 212的频率上的VCO(未显示)。在此示例实现中，GPS代码和载波产生器504和GPS时钟处理器502使用GPS-CLK 212作为基本参考并且产生其自身的各频率。RF前端500和ADC 506使用来自PLL 600的频率，因为它们一般以同步方式相关或者使用是另一个的倍数的频率值。
图7是使用直接转换的GPS RF前端500的示例实现的简化框图。RF前端500可包括天线700和混合器702。混合器702与PLL 600和ADC 506进行信号通信。混合器702基本是乘法器，其通过取接收的卫星信号与PLL 600提供的频率信号的乘积，解调(或者下变换，即去除载波频率信号)信号路径704上的接收的卫星信号。如果接收的卫星信号载波704的频率和PLL 600的频率同步，即为相同频率，那么混合器的输出是直流(DC)分量信号，其具有可使用低通滤波器(未显示)滤出的第二阶谐振。作为例子，如果信号路径704上的信号是“x(t)cos(ωt)”，其中“ω”是角频率而“t”是时间，那么PLL 600产生“cos(ωt)”的解调信号606，其馈送入混合器702，混合器产生的输出708会是x(t)cos2(ωt)，其等于x(t)(1+cos(2ωt))/2或者x(t)/2+cos(2ωt)/2。
如果接收的卫星信号载波704的频率和PLL 600的频率不同步，那么不存在DC分量。作为另一个例子，如果信号路径704上的信号是“x(t)cos(ωt)”，并且PLL 600产生解调信号606“cos(ω1t)”，那么混合器产生的输出608会是x(t)cos(ωt)cos(ω1t)。如果“ω1”接近ω但相差一小量“Δω”，那么关系可表示为ω＝ω1±Δω。在此情形，x(t)cos(ωt)cos(ω1t)将等于x(t)cos(ωt)cos(ωt±Δωt)。此问题可通过调整要与卫星信号载波频率同步的PLL 600的频率来解决。但是，调整PLL 600的频率不会计入还以动态方式影响接收的卫星载波信号的感知(perceived)频率的多普勒频移。不是校正RF前端的解调级的频率，而是可在获取级即在获取单元508进行校正，这将包括多普勒频移的校正。
图8说明获取单元508的示例实现的简化框图。在获取单元508，多普勒频移误差和PLL 600通过GPS代码和载波产生器504中和PLL 600产生的频率变化的调整来校正。获取单元508可包括多个相关器或者匹配滤波器。为了简单，使用一个相关器800来说明获取单元508，但本领域技术人员知道，将最可能提供多层相关器。在操作中，获取单元508从ADC 506接收可能对应接收的卫星信号的比特流采样。获取单元508将比特流采样置于一堆(bank)相关器或者匹配滤波器，并且从GPS代码和载波产生器504接收PN码。然后PN码移过此堆相关器，并且产生输出，表示(signify)卫星信号已经由无线设备102接收时。一般地，已经调整从GPS代码和载波产生器504接收的PN码以对各卫星补偿任何多普勒频移。然而，在此情形，GPS代码和载波产生器504和PLL 600也已经补偿了GPS-CLK 212的任何频率误差。
图9说明与RF前端900经由ADC 904进行信号通信的获取单元902和RF前端900的另一示例实现的框图。在该例子中，RF前端900是多级接收器，其首先将在天线906的接收卫星信号经由混合器910下变换为如96KHz的中间频率(IF)信号908，然后经由混合器914变换为基带(即解调为零)信号912。然后基带信号912可经过ADC 904到获取单元902。在获取单元902中，ADC采样基带信号经由混合器916校正多普勒载波频移，并且传递给一堆相关器918或者匹配滤波器(未显示)。频率源918和920可由频率产生器922产生，频率产生器922(以多种公知技术的任一)乘或除锁定在GPS-CLK 212的PLL 924产生的频率信号。类似地，使用GPS-CLK 212的GPS载波和代码产生器926可产生补偿载波多普勒频移和驱动相关器918或匹配滤波器(未显示)的信号928和930。
图10说明与RF前端1000经由ADC 1004进行信号通信的获取单元1002和RF前端1000的另一示例实现的框图。在该例子中，RF前端1000仅仅具有混合器级。接收的卫星信号在天线1006接收，并且在混合器1010与IF频率1008混合。IF频率1008由频率产生器1012产生，并且与接收的卫星信号在混合器1010混合以将接收的卫星信号下变换为如96KHz的中间下变换信号1014。中间下变换信号1014经过ADC 1004到获取单元1002。ADC 1004以比特流采样数字化中间下变换信号，并且将其传递给获取单元1002。在获取单元1002，比特流采样馈送给第二混合器1016，其将采样与产生已经校正载波多普勒频移的下变换比特流采样的载波多普勒校正信号1018混合。混合器1016的输出馈送入一堆相关器1020或者匹配滤波器，并且如果已经获取了卫星就产生检测信号。如前，频率产生器1012相关PLL频率1026，并且PLL和GPS载波和代码产生器1022都相关GPS-CLK 212。
图11说明GPS载波和代码产生器504的示例实现的框图。GPS载波和代码产生器504可包括多普勒预测模型1100、偏置组合器1102、NCO寄存器1104和NCO 1106。在操作中，多普勒预测模型1100产生组合STD-GPS-OFFSET的多个多普勒校正值。这些校正值输入控制NCO 1106的NCO寄存器1104。然后NCO 1106发送多普勒校正的载波信号和PN码到获取单元508。
图12说明GPS时钟处理器502的示例实现的框图。GPS时钟处理器502可包括偏置计数器1200和偏置组合器1202。作为例子，偏置计数器1200可接收来自GPS-CLK 212的信号1204和来自无线处理部分200的至少一个信号1212。然后偏置计数器1200产生表示GPS-WPS-OFFSET的偏置信号。可将该偏置信号作为消息经由信号路径1206传输到偏置组合器1202。然后偏置组合器1202组合来自经由信号路径1206接收的偏置信号的信息与从无线处理部分200经由信号路径1208接收的表示STD-WPS-OFFSET的消息。偏置组合器1202的输出是表示STD-GPS-OFFSET的偏置信号1210。该偏置信号1210输入图11的组合器1102。
作为操作的例子，偏置计数器1200用于测量WPS-CLK 210和GPS-CLK212之间的相对频率偏置。偏置计数器1200的门信号可由GPS-CLK 212经由信号路径1204产生。也可称为门时间的脉冲宽度通过计数固定数量的GPS-CLK 212时钟脉冲来确定。偏置计数器1200还经由信号路径1212接收WPS-CLK 210。然后偏置计数器1200在门时间期间计数来自WPS-CLK 210时钟的脉冲。一般地，偏置计数器1200应该计数WPS-CLK 210时钟脉冲(“predicted count”or“count predicted”(预测的计数))等于WPS-CLK 210的频率乘以门时间，或者换言之预测的计数＝频率×门时间。
例如，在一秒间隔期间，偏置计数器1200应该累计来自假定有25MHzWPS-CLK 210频率的如振荡器的频率源的25百万脉冲。因此，频率偏置(freq_offset)可确定为实际计数读取(count_reading)数量减预测的计数，该数量除以WPS-CLK 210的频率乘以门时间的乘积。表示为数学关系，则频率偏置是freq_offset＝(count_reading-预测的计数)/(频率×门时间)。
本领域技术人员知道，为了计算预测的计数，需要额定WPS-CLK 210和GPS-CLK 212时钟频率。GPS-CLK 212时钟频率经由信号路径1204施加。为了避免GPS子系统202源代码中的编译时间参数，无线处理部分200指定WPS-CLK 210额定频率。一般地，这通过从无线处理部分200经由信号路径1214发送周期频率校准消息到偏置计数器1200来完成，周期频率校准消息包括WPS-CLK 210额定频率参数，N-WPS-CLK。然后GPS时钟处理器502可计算相对频率误差而先前不知道WPS-CLK 210时钟特性。
为了减少偏置计数器1200硬件的复杂性，偏置计数器1200的全部计数范围可远小于总计数，只要偏置计数器1200以其范围为模来计数，并且其值范围小于偏置计数器1200的全部范围。例如，如果全部范围是百万分之5(ppm)，WPS-CLK 210频率是20MHz，并且门时间是一秒，那么偏置计数器1200范围可以小到5e-6×20e6＝100。
预测的计数和实际计数读取之间的差用于如下计算GPS-CLK 212频率偏置。首先，预测的计数和实际计数之间的差不仅是由于WPS-CLK 210频率误差(δfwps-lo)，而且是由于门时间误差和偏置计数器1200分辨率。假定偏置计数器1200门时间是由GPS-CLK 212时钟控制的t秒，那么由GPS-CLK 212时钟频率(δfgps-lo)引起的门时间的误差(δt)是δt＝δfgps-lo×t。那么，freq_offset＝δfwps-lo+δfgps-lo+计数误差/(t×fwps-lo)。
偏置计数器1200测量的值是(δfgps-lo+δfwps-lo)。理论上，GPS-CLK 212时钟不能校准得好于WPS-CLK 210时钟，并且扩展门时间可提高(δfgps-lo+δfwps-lo)的测量精度。但是，使用太长的门时间一般是不实际的。因此，最小门时间一般预定为使相对频率偏置估计误差在希望的设计限制内。
图13是说明GPS子系统200执行的过程的流程图。过程开始于1300，由图5的GPS时钟处理器502在图13的1302接收GPS-CLK、WPS-CLK和STD-WPS-OFFSET。然后GPS时钟处理器502确定GPS-WPS-OFFSET并且在1306组合GPS-WPS-OFFSET和STD-WPS-OFFSET以产生STD-GPS-OFFSET。然后STD-GPS-OFFSET传递给GPS载波和代码产生器504，在此STD-GPS-OFFSET在1308与多普勒预测组合以创建校正信号。校正信号在1310用于在GPS载波和代码产生器中调整NCO。然后NCO输出在1312馈入获取单元508，并且作为响应获取单元在1314通过使用校正信号获取接收的卫星信号。然后过程在1316结束。
图14中的过程可由硬件或者软件执行。如果使用硬件，过程可由控制器(未显示)在无线处理部分200或者GPS处理器部分400中执行。控制器可选择为任何通用处理器，如Intel XXX86、Motorola 68XXX或者PowerPC，或者能够运行位于控制器上的软件指令(未显示)的其它等效的或者GPS和/或蜂窝专用处理器。可替代地，GPS专用电路或者定向设备也可选择使用。可知，控制器也可选择集成入信号半导体芯片，如应用专用集成芯片(ASIC)或者精减指令集计算机(RISC)，或者可通过数字信号处理器(DSP)芯片实现。
如果过程由软件执行，那么该软件可位于无线设备102(在无线处理部分200和/或GPS子系统202)中或者无线104上的服务器的软件存储器(未显示)中。软件存储器中的软件可包括用于实现逻辑功能(即“逻辑”，其可实现为如数字电路或源代码的数字形式，或者实现为如模拟电、声或视频信号的模拟电路或模拟源的模拟形式)的可执行指令的顺序列表，可选择实现为任何计算机可读(或信号承载)介质，其用于或者相关于指令执行系统、装置或设备，如可从此指令执行系统、装置或设备选择地取指令并且执行这些指令的基于计算机的系统、包含处理器的系统或其它系统。在本文档的环境中，“计算机可读介质”和/或“信号承载介质”是可包含、存储、通信、传播或者传输程序的任何装置，此程序用于或者相关于指令执行系统、装置或设备。计算机可读介质可选择为例如但不限于电子、磁、光、电磁、红外或者半导体系统、装置、设备或传播介质。计算机可读介质的更具体的示例“非穷举列表”将会包括如下具有一或多条线的电连接“电子”、便携计算机盘(磁)、RAM(电子)、只读存储器“ROM”(电子)、可擦写可编程只读存储器(EPROM或闪存)(电子)、光纤(光)以及便携致密盘只读存储器“CDROM”(光)。注意，计算机可读介质甚至可以是其上印刷了程序的纸或其它适当介质，因为程序可经由例如纸或其它适当介质的光扫描而被电子捕获，然后被编译、解释或者在必要时以适当方式被处理，然后存储在计算机存储器中。
如上所述，本发明的GPS系统可以包含入任何数量的无线移动应用中。类似地，GPS系统可有关能够接收频率信息的任何数量的地理位置服务而使用。这样的GPS系统可关联地用于移动设备，其工作于网络辅助模式或者基于网络的服务模式，或者其工作于多模式，从而能够同时切换于孤立模式、网络辅助模式、基于网络的服务或者允许设备从如基站的二次源接收频率信息的其它模式。
虽然已经说明了本发明的各种实施例，但本领域普通技术人员将会明白，在本发明的范围内可能有更多的实施例和实现。因此，除非根据权利要求及其等效，本发明不受限制。
权利要求
1.一种无线设备内的辅助全球定位系统(GPS)子系统，其中无线设备具有能够从无线网络接收信号的无线处理部分，并且GPS子系统具有能够接收GPS卫星信号的射频(RF)前端，该辅助GPS子系统包括GPS时钟；以及GPS处理器部分，其从无线处理部分接收GPS时钟和至少一个信号，并且响应产生至少一个由获取单元用于获取GPS卫星信号的获取信号。
2.根据权利要求1所述的辅助GPS子系统，其中来自无线处理部分的至少一个信号可包括数字消息。
3.根据权利要求1所述的辅助GPS子系统，其中GPS处理部分包括GPS时钟处理器，其从无线处理部分接收GPS时钟和至少一个信号，并且产生偏置信号，该偏置信号表示GPS时钟和无线设备外部的网络时钟之间的差；以及GPS载波和代码产生器，其产生至少一个获取信号，以响应从GPS时钟处理器接收偏置信号。
4.根据权利要求3所述的辅助GPS子系统，其中来自无线处理部分的至少一个信号可包括数字消息。
5.根据权利要求3所述的辅助GPS子系统，其中GPS时钟处理器包括偏置计数器，其从无线处理部分接收GPS时钟和至少一个信号并且产生偏置计数器输出信号，该偏置计数器输出信号表示GPS时钟和无线处理部分内的时钟之间的差。
6.根据权利要求5所述的辅助GPS子系统，其中来自无线处理部分的至少一个信号包括有关无线处理部分内的时钟的信息。
7.根据权利要求6所述的辅助GPS子系统，其中有关无线处理部分内的时钟的信息包括时钟信号。
8.根据权利要求7所述的辅助GPS子系统，其中有关无线处理部分内的时钟的信息还包括具有有关时钟的额定频率的信息的消息。
9.根据权利要求5所述的辅助GPS子系统，还包括偏置组合器，其产生第二偏置信号，以响应组合偏置计数器输出信号和来自无线处理器的第一偏置信号，第一偏置信号表示无线处理部分内的时钟和网络时钟之间的差。
10.根据权利要求9所述的辅助GPS子系统，其中GPS载波和代码产生器包括多普勒预测模型，其产生多普勒校正值；以及偏置组合器单元，其组合多普勒校正值和第二偏置信号，并且产生总偏置信号，该总偏置信号由GPS载波和代码产生器用于产生至少一个获取信号。
11.根据权利要求3所述的辅助GPS子系统，其中GPS载波和代码产生器包括多普勒预测模型，其产生多普勒校正值；以及偏置组合器单元，其组合多普勒校正值和第二偏置信号，并且产生总偏置信号，该总偏置信号由GPS载波和代码产生器用于产生至少一个获取信号。
12.一种无线设备内的辅助全球定位系统(GPS)子系统，其中无线设备具有能够从无线网络接收信号的无线处理部分，并且GPS子系统具有能够接收GPS卫星信号的射频(RF)前端，该辅助GPS子系统包括GPS时钟；以及接收装置，其从无线处理部分接收GPS时钟和至少一个信号；以及产生装置，其响应接收装置产生至少一个由获取单元用于获取GPS卫星信号的获取信号。
13.根据权利要求12所述的辅助GPS子系统，其中来自无线处理部分的至少一个信号可包括数字消息。
14.根据权利要求12所述的辅助GPS子系统，其中GPS处理部分包括接收装置，其从无线处理部分接收GPS时钟和至少一个信号；产生偏置信号的装置，该偏置信号表示GPS时钟和无线设备外部的网络时钟之间的差；以及产生至少一个获取信号的装置，以响应从接收装置接收偏置信号。
15.根据权利要求14所述的辅助GPS子系统，其中偏置信号产生装置包括从无线处理部分接收GPS时钟和至少一个信号的偏置计数器，并且产生偏置计数器输出信号，该偏置计数器输出信号表示GPS时钟和无线处理部分内的时钟之间的差。
16.根据权利要求15所述的辅助GPS子系统，还包括偏置组合器，其产生第二偏置信号，以响应组合偏置计数器输出信号和来自无线处理器的第一偏置信号，第一偏置信号表示无线处理部分内的时钟和网络时钟之间的差。
17.根据权利要求16所述的辅助GPS子系统，其中产生获取信号的装置包括产生多普勒校正值的装置；以及组合装置，其组合多普勒校正值和第二偏置信号，并且产生总偏置信号，该总偏置信号由GPS载波和代码产生器用于产生至少一个获取信号。
18.一种辅助无线设备内的全球定位系统(GPS)子系统的方法，其中无线设备具有能够从无线网络接收信号的无线处理部分，并且GPS子系统具有能够接收GPS卫星信号的射频(RF)前端，该方法包括接收GPS时钟、无线处理部分时钟、具有有关无线处理部分时钟额定频率的信息的消息、以及具有有关偏置的信息的消息，该偏置产生于无线处理部分时钟和无线设备外部的网络时钟之间；确定获取信号，以响应接收GPS时钟、无线处理部分时钟、无线处理部分时钟额定频率消息以及偏置消息，其中该获取信号有关GPS时钟和网络时钟之间的频率偏置；在利用该获取信号的获取单元中获取GPS卫星信号。
19.根据权利要求18所述的方法，其中该获取信号包括数字消息，该数字消息具有有关GPS时钟和网络时钟之间的频率偏置的信息。
20.根据权利要求18所述的方法，其中确定获取信号还包括确定GPS时钟和无线处理部分时钟之间的偏置；以及从GPS时钟和无线处理部分之间的偏置以及无线处理部分时钟和网络时钟之间的偏置，确定GPS时钟和网络时钟之间的频率偏置。
21.根据权利要求20所述的方法，其中确定获取信号还包括组合GPS时钟和网络时钟之间的频率偏置与多普勒校正值。
22.根据权利要求21所述的方法，还包括使用组合的GPS时钟和网络时钟之间的频率偏置与多普勒校正值来调整数字控制振荡器(NCO)。
23.根据权利要求22所述的方法，其中获取包括使用相关器获取接收的GPS卫星信号。
24.根据权利要求22所述的方法，其中获取包括使用匹配滤波器获取接收的GPS卫星信号。
25.一种具有用于辅助无线设备内的全球定位系统(GPS)子系统的软件的信号承载介质，其中无线设备具有能够从无线网络接收信号的无线处理部分，并且GPS子系统具有能够接收GPS卫星信号的射频(RF)前端，该信号承载介质包括接收逻辑，用于接收GPS时钟、无线处理部分时钟、具有有关无线处理部分时钟额定频率的信息的消息、以及具有有关偏置的信息的消息，该偏置产生于无线处理部分时钟和无线设备外部的网络时钟之间；确定逻辑，用于确定获取信号，以响应接收GPS时钟、无线处理部分时钟、无线处理部分时钟额定频率消息以及偏置消息，其中该获取信号有关GPS时钟和网络时钟之间的频率偏置；获取逻辑，用于在利用该获取信号的获取单元中获取GPS卫星信号。
26.根据权利要求25所述的信号承载介质，其中获取GPS卫星信号的逻辑包括数字消息，该数字消息具有有关GPS时钟和网络时钟之间的频率偏置的信息。
27.根据权利要求25所述的信号承载介质，其中确定获取信号的逻辑还包括确定GPS时钟和无线处理部分时钟之间的偏置的逻辑；以及从GPS时钟和无线处理部分时钟之间的偏置以及无线处理部分时钟和网络时钟之间的偏置，确定GPS时钟和网络时钟之间的频率偏置的逻辑。
28.根据权利要求27所述的信号承载介质，其中确定获取信号的逻辑还包括组合GPS时钟和网络时钟之间的频率偏置与多普勒校正值。
29.根据权利要求28所述的信号承载介质，还包括以下逻辑使用组合的GPS时钟和网络时钟之间的频率偏置与多普勒校正值来调整数字控制振荡器(NCO)。
30.根据权利要求29所述的信号承载介质，其中获取逻辑包括使用相关器获取接收的GPS卫星信号的逻辑。
31.根据权利要求29所述的信号承载介质，其中获取逻辑包括使用匹配滤波器获取接收的GPS卫星信号的逻辑。
全文摘要
本发明涉及无线设备中的辅助全球定位系统(GPS)子系统。该无线设备包括能够从无线网络接收信号的无线处理部分，和具有能够接收GPS卫星信号的射频(RF)前端的GPS子系统。无线设备的无线处理部分接收外部时钟，并且确定无线处理部分中的时钟和外部时钟之间的偏置。然后GPS子系统接收来自无线处理部分的偏置信息、无线处理部分时钟和有关无线处理部分时钟的额定频率的信息。使用GPS子系统中的GPS时钟和该信息，GPS子系统确定有关GPS时钟和网络时钟之间的频率偏置的获取信号。然后GPS子系统通过使用获取信号在获取单元中获取GPS卫星信号。
文档编号G01S5/14GK1685244SQ03815942
公开日2005年10月19日 申请日期2003年5月22日 优先权日2002年5月22日
发明者莱昂内尔-雅克·加林, 彭国樑, 张更生, 尼古拉斯·P·范塔朗 申请人:SiRF技术公司