专利名称：用于实时钟的电力不足检测的方法及设备的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及全球定位系统(GPS)接收机。特别的、本发明涉及在由于电力不足导致实时钟变得不精确时的精确检测。
背景技术：
全球定位系统(GPS)是24颗环地轨道卫星的集合。每一颗GPS卫星在地球表面上方大约11,000英里的精确轨道中运行。GPS接收机锁定所述卫星中的至少三颗卫星以确定其精确位置。每一卫星发送利用唯一的伪随机(PN)码所调制的信号。每一PN码是和1,023兆赫兹(MHz)的码片速率一致的、每毫秒重复的1023码片的序列。每颗卫星以相同的频率发送。对于民用应用，所述频率被称为L1并且为1575.42MHz。GPS接收机接收对于接收机来说为可见的卫星的发送的混合的信号。接收机通过使所接收的信号和该卫星的PN码的移位版本相互关联来检测特定卫星的发送。如果相关性的级别足够高以致于在针对特定移位和PN码所获得的相关性中出现峰值，则接收机检测对应于特定PN码的卫星的发送。接收机然后使用所移位的PN码以获得和该卫星的随后发送的同步。
GPS采用独特的时间保持系统。按照从1980年1月6日起的秒和周来保持GPS时间。每一周具有604,800秒。因此，GPS时间由周时间(TOW)和周数来表达。TOW的范围从0到604800，对应于在一周中的秒数。周数从在1980年1月6日的第零周开始，并且当前超过了一千周。TOW可具有小数部分，特别是在振荡器提供一秒的1/32,768的分辨率(32千赫兹，或kHz的振荡频率)时，或在根据相对于特定时钟时间点(clock epoch)的距离测量(range measurement)来计算GPS时间时。GPS时间可以具有几十纳秒级别的精度。GPS时间是GPS系统的基础。
在GPS接收机单元位置的初始确定期间，启动“冷启动”过程。对于冷启动，GPS接收机在不知道GPS时间、GPS位置或GPS卫星轨道的天体位置表数据(ephemeris data)的情况下开始探测过程。因此，GPS接收机单元在较宽的可能频率的范围上搜索所有卫星。在某些情形下，对于GPS卫星，天文年历数据(almanac data)也是未知的。最后，在多秒之后，获得至少四颗卫星的信号。卫星的PN编码信号标识了每一颗卫星，并且每一卫星发送天体位置表数据。天体位置表数据包括精确的轨道信息，例如，作为GPS时间的函数的、该卫星的轨道位置。
如果某些信息在探测之前已知，则从GPS卫星获取足够的用于导航的信息的时间一般可以减少。例如，如果天文年历数据、大概的GPS时间和大概的接收机位置使得可以计算大约的卫星位置和多普勒频偏(Doppler shift)，则可以使用“温启动”过程。如果天体位置表、大概的GPS时间和大概的接收机位置已知以致于可以计算大概的卫星位置和多普勒频偏并且可以避免用于收集天体位置表数据的时间，则可以使用“热启动”。然而，需要来自至少一颗卫星的完整的六秒的数据子帧，从而以足够的精确度来建立时间来计算导航解(navigation solution)。
GPS接收机单元通过确定来自每一卫星的发送的码相位来确定其距离每一卫星的距离。码相位(CP)是以码片或码片的部分表达的延迟，是当卫星发送传播从该卫星到接收机的大约11,000英里的距离时所经历的延迟。在每一卫星上，每一PN码片的发送时间被控制到几个纳秒。结果，知道精确的GSP时间使得GPS接收机单元准确地知道在任何给定时间卫星的波形的什么码片正在被发送。如果相对于本地定时时间点(诸如T20时间点)来测量在接收机上的给定码片的到达，则然后该码片从所述卫星到GPS接收机单元的传播时间可以如同在已知的T20时间点上的GSP时间一样精确地被测量。如果相对于相同的T20时间点来测量从4颗卫星的每一颗的传播时间，则GPS接收机单元可以计算接收机在三维空间中的位置、以及在参考T20时间点上的GSP时间值中的误差。
GPS接收机单元通过将时间延迟和来自卫星的发送的速率相乘来精确地确定到该卫星的距离。GPS接收机单元同时知道每一卫星的精确轨道。每一卫星将卫星的位置的更新发送到接收机。这是通过将低频(50Hz)数据信号调制到从卫星发送的PN码上来实现的。数据信号对在天体位置表数据子帧中的卫星的时间相关的位置信息和在机载时钟中的时间误差进行编码。相对于在下一子帧的开始处的参考码片，在每一个6秒的数据子帧中给出每一卫星的发送的精确时间。
理论上，接收机使用所估计的到卫星的距离来定义在该接收机必须定位于其上的卫星周围的球体。该球体的半径等于接收机已经从码相位中确定的到卫星的距离。接收机对至少三颗卫星执行该过程。接收机根据在其已定义的所述至少三个球体之间的交点得到其精确位置。如果接收机知道在其位置处的高度(altitude)，则从三颗卫星进行测量是足够的，当高度是未知时，需要从四颗卫星进行测量以便可以求出高度，以及纬度、经度和在本地时钟测量时间点中的误差(即，在T20时间点处的GPS时间)。
对来自每一卫星的信号的检测可以根据在下列文献中所公开的GPS信号检测器来完成，所述文献例如(但不限于)在1999年3月30日提交的、序号为09/281,566、名称为“采用相干积分的信号检测器(Signal DetectorEmploying Coherent Integration)”的美国专利申请，其被在此包含作为参考。在此公开的信号检测器可以使用相关机制，例如匹配滤波器和用于检测合适的卫星信号的相关积分方案。
一旦检测到卫星信号，则被调制到从卫星接收的PN码信号上的低频率50Hz数据被解码以确定GPS接收机单元的精确位置。传统位置确定过程要求几秒时间完成。这些传统方案一般连续地运行，因而消耗宝贵的处理器资源。这在具有非常有限的功率资源的GPS接收机单元，诸如便携式GPS接收机单元的情况中特别不利。可以设计便携式GPS接收机单元以便在用户未向GPS接收机单元询问位置期间，可使所选择的部件停止运行，或使其断电(power down)。当用户(或自动过程)询问该GPS接收机单元时，该GPS接收机单元重新激活被断电的部件并且重新获得卫星数据以确定当前位置。如果用户的位置没有显著变化，和/或如果停止运行时段已经足够短，则有可能重新获取先前的卫星信号并且获得码相位数据的紧密的直接相关性(而不是与热、温或冷启动过程相关联的几秒到几分钟)。码相位数据的紧密的直接相关性节省了几秒时间，从而在便携式GPS接收机单元中节省了相当多的可用的有限能量。
然而，利用码相位的紧密的直接相关性的卫星信号的重新获得要求在接收机被关断期间的精确的时间保持。更具体地，GPS振荡器和定时系统必须将在GSP接收机单元中的各种时钟信号的精度维持到±0.5ms之内以避免丢失对在重新获取时整个GPS信号结构中的哪个PN码周期希望被接收机接收进行的跟踪。这个0.5ms的临界值对应于1ms的码周期的一半。而且，GPS接收机单元的移动引入可能与PN码信号的定时相关联的误差。如果时钟信号的精确度加上由GPS接收机单元的移动引入的误差可以被维持在输入PN码信号的±0.5ms之内，则可以避免通过使用热、温或冷启动过程来确定位置的时间消耗和功率消耗过程，这是因为GPS接收机单元的匹配滤波器可以立即锁定到四个先前所获得的卫星的PN码信号并且知道已经获得了信号结构的那些PN码时段。否则，在所选择的接收机部件或整个接收机被断电的时候，必须根据保存的以前信息(例如，天文年历、天体位置表、GPS时间和接收机位置)使用热、温或冷启动过程。
一般地，传统实时钟(RTC)电路可以被用于维持粗GPS时间，同时GPS电路的其余部分被关断。典型的RTC电路可以在延长的时段上维持几秒的精确度。这样的精确度足够用于热和温启动。然而，传统实时钟的精确度由于一般的低成本、低功率RTC电路的温度特性和低稳定性而迅速地降到+/-0.5ms以下。因此，甚至在非常短的时间之后，也需要热启动。
如果在导航更新之间振荡器被断电，则利用传统GPS振荡器和定时系统来将在GPS接收机单元中的各种时钟信号的精确度维持在±0.5ms(1ms的码周期的一半)之内是不可能的。然而，由于GPS振荡器和相关联的定时系统消耗相当多的功率，在便携式GPS接收机单元中对这些部件断电是非常值得的以便节约能量资源。
在某些情形下，实时钟可能由于本地能量资源的部分或全部损耗而完全停止运行。如果RTC完全没有运行，则很明显，在启动时应当使用冷启动过程来探测卫星。在其它情形下，RTC可能在启动时象是在正常操作，但是由于其经过了部分能量损耗，或导致RTC丢失周期的电力不足的情况，所以可能不精确。例如，由于用于对RTC供电的电池接近其使用寿命的终点或由于其经受超过其操作范围的温度，所以其可能提供不充足的功率电平。当来自RTC的时间被传递到GPS时钟方案以支持快速探测时，这是特别成问题的。如果依赖于不正确的RTC时间，则得到不正确的距离测量结果。在导航求解中使用不正确的距离测量导致不正确的位置计算。
一种现有技术的RTC故障检测器包括在应用RTC备用电源时正确设置状态(status)触发器的电路。通常，该备用电源是小电池。因此，电路可以精确地检测到何时替换备用电池。这是一种相对无用的特征。用户知道电池正在被替换。在电池替换之后可以调用设置例程以设置时间。
当电池接近其使用寿命的终点或当电池经受在温度中的宽范围的变化时，实质上监视电压电平的RTC故障检测的现有技术的方法是特别不完善的。例如，GPS接收机可被置于在寒冷环境下的汽车中。在该环境下电池电压和电流容量可能减小以致于RTC振荡器停止运行。用户然后可能拿着该接收机，将其放置在夹克的口袋中以及进行长途行走。接收机暖和到足够使得电池恢复其容量并且振荡器重新启动。当用户试图使用该接收机时，接收机进行通常的检查。由于时间正在增加，所以RTC似乎是正在运行。电池支持的RAM(通常在与RTC相同的电池上)具有正常的校验和，这是因为RAM保持其内容的电压比RTC振荡器操作所需的电压低得多。RTC振荡器的故障FF指示正常状态，这是因为电压没有降到复位门限之下并且这是因为逻辑可以在比振荡器操作所需的电压低的电压上保持其有效状态。因此，接收机试图使用该RTC值(假定其是正常的)，并且由于时间实际上是错误的而产生不正确的解。接收机花费更长的时间来产生解，或更糟糕的是，继续产生坏的解。
理论上，如果状态触发器的故障检测电压门限可以被精确地设置，则将可以检测到该故障。由于许多原因，这是困难的。人们需要将门限设置得尽可能低以便电池寿命被最大化。这意味着门限必须精确并且它必须对不同振荡器的振荡要求进行响应。这些不同条件可以是特定晶体、随制造工艺变化而变化的温度和电路参数变化等等的函数。因此，必须在门限中提供余量(margin)，这缩短了有用的电池寿命。但是基于统计，即使使用余量，还是可能发生某些故障。
期望具有用于GPS导航的方法和装置，其可被操作以通过在所选择部件不处于使用中时对它们断电来节约能量、还可以通过使用连续运行的实时钟来在启动时迅速探测卫星。还期望具有在不影响电池寿命的情况下可靠地检测振荡器故障的RTC时钟故障检测电路。
发明内容
一种低功率的实时钟(RTC)在全球定位系统(GPS)接收机单元中连续运行。通过在GPS接收机单元没有主动获取用于计算GPS接收机单元的位置的卫星信息期间停止运行所选择部件来在GSP接收机单元中节约能量。存在于低功率时间保持电路中的K32(一般标称为32,768Hz)振荡器在所选择部件被停止运行时精确地保持GPS时间。K32振荡器产生RTC或低功率时钟。在此，术语低功率时钟和RTC可以互换使用。
公开了一种用于确定是否RTC足够精确以在启动时被使用的方法和装置。在一个实施例中，检测到RTC时钟周期，诸如在电力不足期间的实际丢失。在一个实施例中，RTC时钟振荡器的输出是半波整流的并且被置于在具有所计算的RC时间常数的阻容(RC)电路的输入端上。RC电路的输出被置于电压比较器的一个输入端上。参考电压被置于该电压比较器的另一输入端上。如果RTC振荡器丢失预定数量的周期，则在电压比较器上的RC电路的输出电压衰减并且比较器检测到时钟周期的丢失，这反映在电压比较器的输出上。
附图中的部件不必按比例画出，而是将重点放在图解本发明的原理上。
图1是全球定位系统(GPS)接收机的操作的示范性环境的方框图；图2是GPS接收机的一个实施例的方框图；图3是GPS接收机的实施例的另一方框图；图4是GPS接收机的实施例的再一方框图；图5是电力不足检测电路的实施例的方框图；图6是图解一个实施例的电力不足检测过程的流程图；和图7A、7B和7C是图解包括使用RTC时钟信号以更新GPS时钟信号，和确定是否所估计的GPS时间足够精确以获取GPS接收机的位置的过程的一个实施例的流程图。
具体实施例方式
图1图解了全球定位系统(GPS)接收机的操作的示例环境。图1示出了GPS接收机单元100和四颗GPS卫星102、104、106和108。每颗卫星102、104、106和108正在向GPS接收机单元100进行发射。卫星102正以速度va+沿着视线(LOS)110向GPS接收机单元100移动；卫星104正以速度vb-沿着LOS 112离开GPS接收机单元100；而卫星106正以速度vc-沿着LOS 114离开GPS接收机单元100。因此，假定载波波长为λ，则来自卫星102的发送经历 的正多普勒频偏；而来自卫星104的发送经历 的负多普勒频偏；而来自卫星106的发送经历 的负多普勒频偏。
类似地，卫星108正以速度vd-沿着LOS 116离开GPS接收机单元100。由第四卫星116提供的信息在某些应用中可以被用于确定接收机的高度值中的误差，如果该高度值预先未知的话。这四颗卫星必须具有充分的几何条件以便提供能够求出纬度、经度、高度和时间误差的测量。当卫星几何条件不好时，为了求出这四个未知量，可能需要来自多于最小量的四颗可见卫星的距离测量。
图2是根据一个实施例的GPS接收机单元100的方框图。GPS接收机单元100包括存在于RF芯片103上的在此示出的射频(RF)功能。GPS接收机单元100还包括存在于基带芯片105上的在此示出的基带功能。将以在此的特定结构来说明执行各种功能的各种部件，但是所公开的本发明包括替换结构。例如，如所示出的，基带芯片105可以包括导航处理器210和存储装置220。在其它实施例中，导航处理器和存储装置可能不在基带芯片220上，而是可能通过例如外围接口与基带芯片220通信。仍在其它实施例中，所有的所示出部件和所描述功能存在于一个芯片上。
RF芯片103包括GPS振荡器204，其是用于保持GPS时间的高精度振荡器。下面是对根据一个实施例的GPS接收机单元100的一般操作的概述。下面将示出和说明在下列概述中命名的部件。通过在GPS接收机单元没有正在主动获取用于计算GPS接收机单元的位置的卫星信息期间，使包括GPS振荡器204的所选择部件停止运转来在GPS接收机单元100中节约能量。存在于低功率时间保持电路中的K32(一般标称为32,768Hz)振荡器在所选择部件被关断时精确地保持GPS时间。
GPS振荡器204产生时钟信号(被称为M11时钟信号)，其被用于根据从多颗卫星检测到的信号来精确地确定GPS时间。边缘对准率计数器利用空转计数器(free running counter)对K32和M11时钟信号连续地监视，并且当K32时钟信号的边缘和M11时钟信号的边缘在预定的小容许误差的范围之内对准时，锁存K32和M11计数器值。由于GPS定时发生器产生由M11时钟驱动的T20时间点(T20 epoch)，空转M11计数器也可以在T20时间点被锁存以建立在该计数器和该T20时间点之间的关系。因此，GPS接收机单元100能够将K32时钟信号和GPS M11时钟信号的定时和速率与T20定时点相关联。相关联的K32时钟信号、GPS M11时钟信号的定时和速率与T20时间点被提供到导航处理器210以便计算在T20时间点的GPS时间的足够精确的估计值以使得能够确定在所获得的卫星PN码信号的信号结构中的PN码周期。
在GPS接收机单元的操作期间，在各个操作温度上检测本地GPS振荡器和K32振荡器的频率以便为两个振荡器定义温度/频率。用于两个温度/频率表的数据被存储在一个存储器中。
包括GPS振荡器的存在于GPS接收机单元上的所选择部件然后被停止运转(使无效)以节约能量。低功率时间保持电路保持接通。周期地，在预定的时间段之后，系统响应于由报警单元所产生的唤醒命令而被加电。根据K32振荡器的实际操作温度和来自K32时钟的温度/频率表的数据来重新校准来自低功率时间保持电路的K32时钟信号。因而，K32时钟速率被周期地更新以更加精确地跟踪GPS时间。
在时间中的特定点，根据特定系统应用的要求来执行导航更新。被周期性地重新校准的K32时钟信号和来自GPS时钟的温度/频率表的数据被用于设置M11时钟信号的速率和GPS时间。然后估计GPS卫星的位置以便可以从所接收的卫星信号迅速地确定实际的GPS时间。一旦从所检测的卫星信号确定精确的GPS时间，则如上所述，在T20时间点，M11和K32信号被一起锁存并且与实际GPS时间相关联以进一步改进和更新它们的温度校准表。所选择的部件然后被再次停止运行以节约能量。
上述过程按照需要而被重复以便由低功率时间保持电路维持精确的GPS时间。当GPS接收机单元的用户请求位置信息时，GPS接收机单元更迅速地从GPS卫星确定位置，这是因为根据更精确的时间保持、以高精确度估计了GPS卫星位置和距离。也就是说，避免了用于通过使用传统过程来检测子帧数据和确定子帧定时以将GPS时间设置得足够精确以估计与GPS卫星的距离的功率消耗和时间消耗过程。
再次参考图2，RF芯片103和基带芯片105通过系统接口109通信。在一个实施例中，系统接口109是串行外围(SPI)接口，而在另一实施例中，系统接口可以是任何合适的消息收发方案。RF芯片103通过天线107从可见的卫星接收信号。卫星信号被采样并且在SIGN/MAG线上作为串行流被发送到导航处理器。基带芯片105和其部件利用从GPS振荡器晶体产生的、并且一般具有为F0的倍数的频率的ACQCLK信号来工作。如所示出的，各种其它信号通过系统接口被交换。加电(PWRUP)信号被发送到RF芯片103以对在获取和导航之前的断电的RF芯片103的部件加电。SPI_CLK信号被从基带芯片105发送到RF芯片103，以用于同步。数据线SPI_DI和SPI_DO来回携载数据。芯片使能信号(RFRST)在RFRST线上被发送到RF芯片103，而复位信号(SRESET_N)在RFRST线上被发送到基带芯片105。在其它实施例中，使用各种不同的协议来在RF芯片103和基带芯片105之间交换信息。
图3是图解GPS接收机单元100的所选择部件的方框图，包括低功率时间保持电路200。GPS接收机单元100至少包括无线电装置202、本地GPS振荡器204、温度传感器206、多个GPS信号处理器信道208(1到N)、导航处理器210、匹配滤波器212、A/D转换器214、本地GPS时钟发生器216、边缘对准率计数器218、存储器220和低功率时间保持电路200。存储器220还包括唤醒报警逻辑222和用于GPS时钟和低功率时间保持电路的温度/频率误差表224的所分配部分。图3一般限于图解那些与本发明的操作和功能相关的部件。在GPS接收机单元100中包括未示出的其它部件。由于对其操作和功能的讨论对于本公开来说不是必须的，因此省略这些部件。
无线电装置202检测来自例如但不限于图1的卫星102、104、106和108的多颗卫星的多个GPS信号。在一个实施例中，无线电装置202选择GPS L1频带(1575.42MHz)。然而，其它实施例可以选择其它合适的信号。无线电装置202也经由连接206从本地GPS振荡器204接收定时信号。在一个实施例中，定时信号是由存在于本地GPS振荡器204中的晶体(未示出)产生的，并且被称为M11时钟信号，所述本地GPS振荡器204大致在10.949兆赫兹(MHz)振荡。其它实施例可以在实质上不脱离本发明的操作和功能的情况下，采用在不同频率的时钟信号上操作的本地GPS振荡器。
所接收的GPS信号和M11定时信号被提供给多个GPS信号处理器208和匹配滤波器212。所述多个GPS信号处理器208的每一个对应于特定的信号信道。图3指示存在N个GPS信号处理器。例如，GPS接收机单元100的一个例证性实施例可以采用被配置成并行处理12个信号信道的12个GPS信号处理器(N＝12)。
信号处理器208和匹配滤波器212经由连接230从导航处理器210接收一序列的预定位命令，所述预定位命令指示每一信号处理器将要搜索的特定GPS PN码。由导航处理器210提供的信息也可以包括多普勒校正值、GPS振荡器误差校正值、PN码相位信息和/或有关输入卫星信号的其它相关信息。
在一个实施例中，匹配滤波器212确定所检测信号的当前PN码相位并且将该信息提供给信号处理器208以使得信号处理器信道能够更快地获取该信号。当信号处理器208之一检测在信道上的信号以致于PN码、码相位和频率校正值与输入GPS信号之一的PN码、码相位和频率校正值匹配时，GPS信号处理器和该输入卫星信号同步并且跟踪该卫星信号。另一实施例仅仅采用匹配滤波器212以确定位置(虽然由于匹配滤波器212在时间中的一点上确定信号的当前码相位并且不连续跟踪它，所以具有较低的精确度)。匹配滤波器的当前实施例也允许对使得能够连续、精确地跟踪所有的所获得卫星信号的匹配滤波器的快速复用。
匹配滤波器212和/或GPS信号处理器208分别经由连接234和/或232向导航处理器210提供关于所获得信号的码相位信息。导航处理器210然后在由匹配滤波器212和/或GPS信号处理器208已经提供了来自至少四个GPS卫星信号的充足的信息之后，计算GPS接收机单元100的位置。该位置信息然后被输出到接口系统(未示出)以便用户可以了解GPS接收机单元100的位置。
本地GPS振荡器204提供具有预定义的振荡频率的信号。例如，但是不限于，存在于本地GPS振荡器204的一个实施例中的晶体(未示出)的振荡频率被配置成等于10.949296.875兆赫兹(MHz)。这里，振荡器频率的精确标称值等于137F0/128。F0是等于10.23MHz的GPS系统的基本参数。所接收的GPS信号的GPS L1频率是154F0。在商用系统中使用的清除/获取GPS PN码的码片速率s是F0/10。GPS振荡器204的一个实施例被称为输出M11时钟信号，其中术语“M11”对应于10.949296.875MHz的137F0/128频率。包括军用接收机所使用的频率和代码的GPS系统的其它信号也与F0相关。
本地GPS振荡器204经由连接234向本地GPS时钟发生器216提供M11时钟信号。本地GPS时钟发生器216从M11时钟信号得出多个时钟信号。这些时钟对应于本地GPS时基(time-base)。在特定关注点之中，所述多个时钟之一被称为本地定时时间点(timing epoch)，T20时钟。所述T20时钟的名称来源于下列事实它是在时钟报时信号(clock tick)之间的20ms。在GPS信号处理器208和匹配滤波器212中测量的许多码相位参照公共的T20时间点。所选择的由本地GPS时钟发生器216产生的时钟信号在连接236上被提供给GPS信号处理器208和匹配滤波器212。
在下面详细描述的低功率时间保持电路200通过连接252向边缘对准率计数器218提供时钟信号。在一个实施例中，时钟信号速率由基本上在32.768千赫兹(kHz)振荡的晶体来提供并且被称为K32时钟信号。而且，低功率时间保持电路200向导航处理器210提供信息(未示出连接)。一般，由低功率时间保持电路200提供给导航处理器210的信息是在T20时间点上的GPS时间的估计。其它实施例在实际上不脱离本发明的操作和功能的情况下可以采用不同频率的时钟信号。
下面参照图5和6更详细说明的电力不足检测电路235检测RTC时钟周期的丢失。电力不足检测电路235检测其中RTC时钟周期的丢失已经使得RTC过于不精确以致于在启动时不能使用并且相应地通知导航处理器的情形，如在下面所详细描述的。
边缘对准率计数器218(通过连接244)向本地GPS时钟发生器216、(通过连接246)向匹配滤波器212以及(通过连接248)向低功率时间保持电路200提供输入。为了便于说明，连接244、246和248被图解为分开的连接。但是，这些连接的一个或多个可以被实现为单个连接。边缘对准率计数器218还通过连接250向导航处理器210提供信息。边缘对准率计数器218连续地计数和监视K32和M11时钟信号，并且当K32时钟信号的边缘和M11信号的边缘在预定的小容许误差之内对准时，锁存K32和M11计数器值。在锁存时，边缘对准率计数器218向本地GPS时钟发生器216提供信号以便当前T20时钟计数被锁存以将K32和M11计数与T20时间点相联系。以相同的方式，边缘对准率计数器218通过连接248向低功率时间保持电路200提供信号，这使得当前低功率时间保持电路200估计要被锁存的GPS时间。因而，GPS接收机单元100能够将K32时钟信号的定时和速率、GPS M11时钟信号的定时和速率与T20时间点和当前低功率时间保持电路200的GPS时间相关联。当相关联的K32时钟信号的定时和速率、GPS M11时钟信号的定时和速率以及低功率时间保持电路200的GPS时间和T20时间点计数被提供到导航处理器210时，可以计算在T20时间点的低功率时间保持电路200的GPS时间的估计值，并且可以从在边缘对准率计数器218中的两个时钟的计数比值来估计这两个时钟的相对速率。为了估计相对时钟频率，计算来自连续的边缘对准事件的两组计数器值的差值并且得到这些差值的比。
注意所有时钟的速率和定时相位可以被精确地关联。EARC空转M11计数器和T20时间点发生器都由M11时钟来驱动。因此，在T20时间点锁存M11计数器将该计数器值和T20时间点相关联起来。RTC时间和EARC空转K32计数器两者都由K32时钟来驱动。因此，在RTC报警事件时锁存K32计数器将该计数器值和RTC时间相关联。RTC具有报警电路，所述报警电路在期望的RTC时间产生用作锁存信号的脉冲。在边缘对准事件时使用EARC对空转K32和M11计数器进行锁存将K32和M11计数器值相关联。计算来自两个对准事件的相应K32和M11计数器值的差值使得K32和M11时钟速率的比值相关联。最终，当GPS信号正在被跟踪时，对GPS求解的计算在T20时间点提供了精确的GPS时间，并且T20时间点的速率与GPS时间相关。因此，K32和M11时钟速率可以与GPS时钟速率相关，而RTC和T20时间点时间可以与GPS时间相关。
本领域技术人员将理解GPS接收机单元100的上述操作被认为是GPS接收机单元的实施例所使用的一个系统的一般描述。由于某些部件可能不一定与本发明有关时，所以并不描述或图解所有的GPS接收机单元部件。因而，对上述存在于GPS接收机单元100中的部件的描述一般限于将这些部件的操作和功能描述到理解本发明所需的程度。而且，采用本发明的GPS接收机单元或其它处理器系统可以具有以与图3中所示不同的顺序和方式连接的、图3中所示的部件，或可以不包含图3中所示的所有部件，或可以包括以某种方式与图3中所示的部件连接的其它部件。在利用本发明的GPS接收机单元或处理器系统中的任何这样的变化被认为是落在本公开的范围之内并且通过所附权利要求进行保护。
温度传感器206通过连接238来检测本地GPS振荡器204的操作温度。所感测的温度信息然后在连接240上被提供到A/D转换器214。A/D转换器214将所感测的操作温度信息转换成合适的格式并且将该信息通过连接242提供给导航处理器210。温度传感器206和A/D转换器214可利用在检测温度的技术领域中所采用的众所周知的部件和技术来实现。可以利用在感测温度的技术领域中通常所采用的任何类型的电子、固态和/或固件类型的温度传感器或装置来实现由温度传感器206和/或A/D转换器214执行的温度感测功能。在本发明中所采用的这种温度传感器可以通过使用在感测温度的技术领域中通常所采用的部件和技术的软件和固件的组合来实现。除了达到理解本发明的操作和功能所需的程度之外，没有对温度传感器206和A/D转换器214，包括它们各自的部件的详细操作进行详细说明。本领域技术人员将认识到在基本上不脱离本发明的操作和功能的情况下，温度传感器206和A/D转换器214可以利用各种众所周知的器件来实现。
导航处理器210处理所接收的温度信息以便确定由本地GPS振荡器204的操作温度导致的在GPS振荡器信号中的频率误差。确定这个频率误差的一个例证性过程采用具有针对操作温度范围的温度和频率误差信息的表。在一个实施例中，GPS时钟的温度/频率误差表224存在于非易失性存储器220中。最初，频率/温度误差算法(诸如作为典型振荡器晶体的温度的函数的频率误差的多项式表达)被采用来近似温度相关的频率误差。当GPS接收机单元100随时间而操作时，用于GPS时钟数据的温度/频率误差表224的部分被填充有本地GPS振荡器204的特定操作温度上的更加精确的频率误差信息，所述信息基于在各个操作温度上的距离变化率测量和基于GPS卫星距离的频率误差测量。对GPS导航方程的求解使得能够确定接收机空间速率和本地振荡器频率误差(GPS时间误差的变化率)，以及空间位置和GPS时间误差。如此确定的振荡器频率误差与当前振荡器温度成为一对以作为在温度/频率误差表224中的新更新点。
在进入导航模式之前，接收机利用温度/频率误差表224以帮助卫星探测过程。一旦接收到当前操作温度，导航处理器210查找存在于温度/频率误差表224中的GPS时钟的表信息。本地GPS振荡器204的实际操作温度与在温度/频率误差表224中的数据相关联以估计在由本地GPS振荡器204产生的信号中的频率误差。该GPS时钟频率误差信息通过连接230被提供给GPS信号处理器208和匹配滤波器212。此外，当温度/频率误差表224仅仅被部分地填充并且没有包含足够的用于精确的当前操作温度的数据时，可以使用频率/温度误差归纳或插值算法来估计由本地GPS振荡器204的操作温度引起的在GPS振荡器信号中的误差。该算法使用在该表中最接近于当前操作温度的温度上的点以及使用的这种类型GPS时钟振荡器晶体的标称温度对频率的曲线的形状。
图4是图解GPS接收机单元100的附加细节的方框图。低功率时间保持电路200还至少包括K32振荡器302、信号锁存器304、温度传感器308和低功率时钟或实时钟(RTC)306。
K32振荡器302经由连接310输出RTC时钟信号，所述时钟信号也被称为K32时钟信号，具有基本上等于32.768kHz的频率。由于K32振荡器302提供具有32768赫兹的时间分辨率的K32时钟信号(其大约等于30毫秒)，所以K32振荡器302提供具有正好在单个PN码周期的±0.5ms分辨率之内的频率的时钟信号。
RTC时钟信号在连接310上被发送到电力不足检测电路235。将在后面详细说明电力不足检测电路235。
K32振荡器302向在低功率时钟306中的计数器和边缘对准率计数器218提供其输出(K32时钟信号)。当边缘对准率计数器218确定K32时钟信号的边缘和M11信号的边缘在预定的小容许误差之内对准时，经由连接248向信号锁存器304提供锁存信号。当经由连接248接收到边缘对准信号时，在信号锁存器304中锁存低功率时钟计算器306的当前值。在信号锁存器304中的锁存值经由连接314被提供给导航处理器210。在连接316上的信号因而是低功率时钟信号或RTC时钟信号。边缘对准率计数器218向导航处理器210提供在对准事件时间点的在边缘对准率计数器中的M11和K32计数器的所锁存的值。因为T20时间点可以被直接和GPS振荡器M11时钟(未示出)相关，所以在边缘对准率计数器218中的M11计数器值可以与在低功率时钟306中的K32计数器值相关作为特定数量的整数的M11时钟报时信号的偏移。由于在K32和M11时钟边缘在小的误差(忽略不计)窗口中对准时计数器值全部被获取，所以时钟报时信号的数量是整数(没有小数时钟报时信号分量)，由于低功率时钟306已经被精密地校准至GPS系统时间的时间和速率。所以知道在本地GPS时间线中的低功率时钟306的值和与特定T20时间点的偏移使得低功率时间保持电路200的GPS时间可被准确地传递到T20时间点。由于所有GPS的测量信号处理与T20时间点有关，因此现在可以使得这些测量与精确的本地GPS时间估计相关。
K32振荡器302和低功率时钟306是相对的、非常低的功耗的装置，特别是在与存在于GPS接收机单元100中的所选择的部件相比时，其中所选择的部件以下述方式被断电。而且，K32振荡器302和低功率时钟306是商业可得到和相对便宜的。另外，并且优选的，K32振荡器302和低功率时钟306可以被集成到GPS装置100中以提供更加低成本的、较小尺寸的和更加精确的时间传递性能。
如图4中所图解的，温度传感器308通过连接318检测K32振荡器302的操作温度。所感测的温度信息然后通过连接320被提供给A/D转换器214。A/D转换器214将所感测的温度信息转换成合适的格式并且将该K32操作温度信息通过连接242提供给导航处理器210。温度传感器308可以通过使用在检测温度的技术领域中采用的众所周知的部件和技术来实现。由温度传感器308执行的温度感测功能可以利用在感测温度的技术领域中所通常采用的任何类型的电子、固态或固件类型的温度传感器或装置来实现。在本发明中采用的这样的温度传感器308可以通过使用在感测温度的技术领域中所通常采用的部件和技术的软件和固件的组合来实现。除了达到理解本发明的操作和功能所需要的程度之外，不对温度传感器308的详细操作进行详细描述。本领域技术人员将认识到在基本上不脱离本发明的功能和操作的情况下，温度传感器308可以使用各种众所周知的装置来实现。任何这样的被采用作为本发明的一部分的温度传感器308的实施例被认为落在本公开的范围中，并且通过所附权利要求进行保护。
被包含在存储器220中的温度/频率误差表224的一部分被用于存储K32振荡器302的温度/频率数据。导航处理器210根据K32振荡器302的当前操作温度来计算与来自K32振荡器302的信号相关联的频率误差，非常类似于上述的本地GPS振荡器204的频率误差。当GPS接收机单元100随时间操作时，温度/频率误差表224被填充有在K32振荡器302的特定操作温度上的频率误差的更加精确的信息，所述信息基于在各个操作温度上的频率误差的测量。和M11 GPS振荡器的情况不同，导航处理器210不具有测量在K32振荡器中的误差的直接装置。但是，在导航时，导航处理器210可以精确地估计在来自GPS振荡器302中的M11信号中的误差，并且然后使用边缘对准率计数器218在具有与T20时间点的接近整数数量的M11报时信号的已知偏移的K32报时信号上将根据T20时间点的GPS时间传递给低功率时钟值。由于GPS距离测量相关于T20时间点而产生，所以T20时间点具有在根据GPS测量而获得导航解时已知的准确地GPS时间误差。在导航期间将T20时间点的GPS时间的精度传递给低功率时钟306校准了在当前的K32振荡器302的温度处的K32时钟信号。
另外，当温度/频率误差表224中的K32振荡器302的数据仅仅被部分地填充时，本发明的一个实施例采用温度/频率误差算法，诸如作为典型的K32振荡器晶体302的温度的函数的频率误差的多项式表达，以根据归纳或插值从最接近的温度值或具有有效表值的值来近似K32时钟信号的温度相关的频率误差。这样的算法数学地将频率误差和操作温度相关联。
为了节约能量，许多GPS接收机单元100的部件和GPS装置的其它部件被断电。在称为睡眠时段或睡眠模式的部件被关断以节约能量的时段期间，本发明精确地保持对GPS时间的跟踪，如下所述。因而，当GPS接收机单元100离开睡眠模式时，例如响应于“唤醒事件”或响应于指示要被确定的位置的其它信号，GPS时间被精确地维持从而需要最小时间量来跟踪GPS卫星以确定GPS接收机单元100的位置。
例如，但不限于，本地GPS振荡器204、无线电装置202、本地GPS时钟发生器216和/或GPS信号处理器208可能已经被导航处理器210断电以节约能量。当不要求所选择的部件主动地处理输入GPS卫星信号时，对所选择的部件断电，减少了GPS接收机单元100的整个能量消耗，从而延长了在便携GPS接收机单元100中的有限的电源寿命。通常，选择在操作期间消耗相对大量能量的部件以断电。可以理解，GPS接收机单元100的设计者在断电过程期间选择要被关断的部件。由于在GPS接收机单元100中存在大量可以被断电的部件，它们中的许多部件没有被描述，所以本领域技术人员将认识到可以被断电的部件的详细描述和清单太多以致于不能详细地列出和描述。根据本发明的被断电的部件的任何这样的组合被认为是落在本公开的范围之内并且通过所附权利要求进行保护。
在传统GPS接收机中对所选择部件断电导致GPS卫星信号跟踪的丢失。当这种传统GPS接收机在丢失GPS卫星信号之后加电时，通过使用那些信号来重新获得GPS卫星信号和/或建立对于导航足够精确的GPS时间需要几秒。在传统GPS接收机中的卫星信号和时间的重新获得所需要的时间导致相应的功率使用。因此，在睡眠时段期间精确地维持GPS时间的低功率时间保持电路200使得GPS接收机单元100能够更迅速地重新获得GPS卫星信号，由此节约能量资源。
周期地将唤醒命令提供给GPS接收机单元100。在周期的唤醒命令之间的时间根据其中已实现低功率时间保持电路200的GPS接收机单元100的特定结构或应用来确定。选择在唤醒命令之间的时间以便在断电时段之后由导航处理器210估计的本地复制PN码相位和输入的PN码之间累积的时间误差小于或等于输入的GPS卫星信号的实际PN码相位的±0.5ms。在由导航处理器210估计的PN码超过±0.5ms的标准时，导航处理器210启动传统过程以获取GPS卫星信息。典型地，接收机100必须估计可能的误差累积和相应地选择校正算法。由于该选择的算法可能过于优化(使用快速获取而不是传统获取)，导航处理器210必须通过比较得到的位置和时间误差解和先验假设值来验证时间精度假设。如果组合的时间和时间等效位置误差实际超过±0.5ms，则由于可识别的大误差，所得到的解将一般不同于先验值。如果误差不大于±0.5ms，则GPS时间已经由低功率时间保持电路200以足够的精度维持。
报警单元324执行实现周期性唤醒命令的功能(也被称为周期性导航更新)。报警单元324至少包括报警寄存器326和比较器238。在一个实施例中，在断电之前，导航处理器210运行唤醒报警逻辑222以定义报警单元324将唤醒GSP接收机单元100的周期时间。在另一实施例中，预定义该时间周期。
通过连接330，在发出唤醒命令时定义的这些周期被提供给报警寄存器326。在一个实施例中，以GPS时间单位(TOW和周数)来定义时间周期。在另一实施例中，诸如实时间之类的其它合适时间周期被用于定义时间周期。
一旦GPS接收机单元100被置于睡眠模式中，则报警单元324监视由(在睡眠模式期间不停止运行的)低功率时钟306提供的K32时钟信号以确定当前睡眠模式时间。比较器328比较当前睡眠模式时间和报警单元324将唤醒GPS接收机单元100的周期时间。当当前睡眠模式时间和周期时间匹配时，报警单元324产生周期性唤醒命令。该周期性唤醒命令启动对在睡眠时段期间被断电的部件的加电。
在一个实施例中，周期性唤醒命令通过使用特定用途的、专门的硬件来启动加电。例如，唤醒命令致动一个或多个电源开关以便对在睡眠时段期间被断电的部件提供能量。在另一实施例中，唤醒命令被提供给导航处理器210以便运行唤醒报警逻辑22以唤醒在睡眠时段期间被断电的部件。
报警单元324和其相关部件可以通过使用在产生唤醒命令的技术领域中采用的众所周知的部件和技术来实现。除了达到理解本发明的操作和功能所需要的程度之外，不对报警单元324及其相关部件的详细操作进行详细描述。本领域技术人员将认识到在基本上不脱离本发明的功能和操作的情况下，可以通过使用众所周知的装置来实现报警单元324及其相关部件。被采用作为本发明的一部分的报警单元324及其相关部件的任何这样的实施例被认为是落在本公开的范围中并且通过所附权利要求进行保护。
替代实施例可以采用其它用于执行断电和加电功能的合适处理器(未示出)。这样的处理器及其相关部件在睡眠时段期间将不被断电。这样的替换处理器将被配置成产生周期性唤醒命令。该处理器可以是存在于GPS接收机单元100中的另一系统的部件(在图3和4中未示出)，或存在于GPS接收机单元100中的单独的专用处理器。在GPS接收机单元100中实现的用于执行产生周期性唤醒命令的功能的任何这样的替换实施例被认为是落在本公开的范围之内并且通过所附权利要求进行保护。
而且，一旦接收到手动起始的、对应于位置询问的唤醒命令，用户可以指示GPS接收机单元100对部件加电。例如，当GPS接收机单元100的用户想要被告知GPS接收机单元100的当前位置时，该用户启动手动唤醒命令。对用户提供合适的装置以对GPS接收机单元100询问。用于手动启动唤醒命令的装置可以通过使用在激活装置的技术领域中所采用的众所周知的部件和技术来实现。除了达到对本发明的操作和功能理解所需要的程度之外，不对手动启动唤醒命令的装置的详细操作进行详细描述。本领域技术人员将会认识到在基本上不脱离本发明的功能和操作的情况下，可以通过使用众所周知的装置来实现用于手动启动唤醒命令的装置。被采用来作为本发明的一部分的用于手动启动唤醒命令的装置的任何这样的实施例被认为是落在本公开的范围之内并且通过所附权利要求进行保护。
当唤醒命令开始启动时，由本地GPS时钟发生器216提供的时钟信号(例如，T20时间点)将不会落在使得GPS接收机单元100能够执行位置更新而不需要首先重新获取卫星信号和收集日期的六秒的子帧来重新建立用于GPS卫星距离测量的公共本地GPS时间帧所需的精度中。然而，如果在断电时段结束之后由导航处理器210根据由低功率时间保持电路200保持的时间所估计的PN码，以及输入PN码可以被维持在小于或等于输入GPS卫星信号的实际PN码时间的±0.5ms，则迅速地重新获取GPS卫星信号，并且与公共本地GPS时间帧有关的测量可以进行并且被用在导航中而不需要执行获取GPS卫星信号和建立公共时间帧的传统处理。
在断电之前，在K32、M11和GPS时钟信号之间的时间和速率关系已知。通过维持K32时钟信号的精度，边缘对准率计数器218使用K32时钟信号来锁存K32时钟信号和M11信号，由此重新校准M11信号和从其得到的T20时间点。因而，重新校准GSP振荡器204。导航处理器210然后设置匹配滤波器或信号处理器信道以获取所计算的、可见的卫星的PN码相位。匹配滤波器或信号处理器信道设置利用先前存储的GPS振荡器对温度数据来补偿在GPS振荡器中的频率误差。当获得码相位测量结果时，根据正被接收的PN码时段中的哪些码片的已知部分，将这些值变换到正被接收的整个GPS信号结构中的那些PN码片。通过使用假定的当前GPS时间和接收机位置来进行该变换以计算整个信号结构的那些PN码片应当正到达接收机，并且假定实际正到达的码片是在PN码时段中最接近应当正好到达接收机的码片的该码片的实例。如果组合的本地GPS时间估计和时间等效的接收机位置误差的假设是正确的，则到整个GPS信号结构的转换将是正确的并且将确定符合的一组GPS距离测量值。换句话说，如果在断电时段结束之后(在离开睡眠模式之后)由导航处理器210估计的PN码和输入PN码的误差小于或等于输入GPS卫星信号的实际PN码时间的±0.5ms，则位置信息被正确地校正。所计算的位置和时间必须和先验估计值比较以确认误差实际上小于±0.5ms。如果确认失败，则必须收集6秒的子帧来为测量建立公共的时间帧。
由GPS接收机单元100获得的位置和时间信息然后被用于更新M11和K32时钟误差。GPS振荡器204和K32振荡器302针对频率误差被更新。K32低功率时钟306被更新以校正GPS时间。GPS接收机单元100然后被置回睡眠模式以节约能量。然后在接收到下一唤醒命令时重复上述过程。因此，该周期性更新在维持时钟信号的精确度以便GPS单元不必通过传统过程重新获取卫星位置的同时节约能量。
只要接收到唤醒命令，K32时钟信号就被用来更新M11时钟信号。但是，从K32振荡器302得到的K32时钟信号在该K32振荡器302的频率中所经受的误差是温度相关的。也就是说，K32振荡器302的频率对于不同的操作温度是不同的。在一个实施例中，温度传感器308感测K32振荡器302的操作温度。导航处理器210比较所检测到的K32振荡器302的操作温度和存在于LP时钟的温度/频率误差表322中的信息。根据在周期性唤醒命令之间的时间和所感测的K32振荡器302的操作温度，确定误差校正因子以便K32时间和速率被校正以计算K32振荡器302的操作温度。也就是说，K32时钟信号的时间通过该误差因子来校正以计算K32振荡器302的实际操作温度。如上所述，在一个实施例中，在LP时钟的温度/频率误差表322中的数据基于在实际操作期间所收集的历史数据，并因而是非常精确的。
一旦K32时钟信号被重新校准，则与M11信号相关联的时间被重新校准。在一个实施例中，温度传感器206感测GPS振荡器206的温度。导航处理器210比较所检测到的GPS振荡器206的操作温度和存在于GPS时钟的温度/频率误差表224中的信息。软件然后使用该速率校正值作为时间步进值(timeprogress)以伸缩在基于M11时钟的T20时间点之间的间隔以维持在每一时间点的正确的GPS时间估计值。而且，在刚好在唤醒之后T20时间点的GPS时间的初始值通过下列方式来确定即如前所述的通过使用边缘对准率计数器218将GPS时间从K32低功率时钟306传递到基于M11的T20时间点。由于M11振荡器在睡眠模式期间被断电，所以其经历的时间在K32低功率时钟304所经历的时间时不能被伸缩。如上所述，在一个实施例中，在温度/频率误差表224中的数据是基于在实际操作期间所收集的历史数据并且因此是非常精确的。然后，当K32时钟信号(当前被温度校正的)被用于更新M11时钟信号(也是被温度校正的)，在断电时段之后由导航处理器210所估计的PN码小于或等于输入GPS卫星信号的实际PN码时间的±0.5ms。
在替换实施例中，可以对唤醒事件编程以比导航更新所要求的更频繁地发生。这样的唤醒事件将仅仅为了采样K32振荡器的当前温度的目的。基于当前和先前唤醒事件的温度的平均值，在两个唤醒事件之间所经历的时间按比例伸缩以校正在温度中的变化。所得到的校正值既可以被施加到低功率时钟306，或者也可以只是存储在非易失性存储器中直到将来的计算要求使用这些校正值为止。而且，该替换实施例可以被改进以提供动态的唤醒时段。也就是说，在唤醒命令之间的时间可以根据所遇到的特定操作环境来改变。如果在断电时段期间K32振荡器302中的总温度变化超过预定义的门限，则在唤醒命令之间的时间段被减少合适的时间量。另一方面，如果总温度变化小于预定义的温度门限，则在唤醒命令之间的时间间隔被增加某一合适的时间量。因而，被消耗来维持精确的温度的能量被相对于温度的当前环境的动态变化的要求而最小化。
作为上述替换实施例的改进，由于最新周期性唤醒命令和当前周期性唤醒命令，所以导航处理器210可以考虑在K32振荡器的操作温度中的总变化。如果温度变化超过预定义门限，则导航处理器210可以立即启动导航更新过程以重新获取GPS卫星信号，从而确保低功率时钟306的完整性被维持在可接受的限度内。
图5是根据一个实施例的电力不足检测电路235的一个实施例的方框图。电力不足检测电路235包括检测电路237和状态电路239。在线310上，RTC时钟信号被输入到检测电路237。RTC时钟信号是由示出的二极管所整流的半波。被半波整流的RTC时钟信号被输入到包括所示出的元件R1、R2和电容的阻容(RC)电路。在线241上的RC电路的输出(在此被称为衰减电压)是电压比较器281的一个输入。
只要RTC振荡器正在运行，则检测器237在比较器输入端上维持某一平均DC电压。电压比较器281的另一输入是参考电压243，其是由VDD和电阻R3形成的分压器的输出。对于接近该使用寿命的终点的电池电压的较小范围，测定该电压参考值。这也保证了所滤波的整流时钟电压将攀升到该门限之上，除非该时钟被关断相当多数量的周期。为了实现这一点，使得RC时间常数相对较长。这使得检测电路237对精确的电池电压不敏感。长时间常数也减少了电路237的能量消耗，这是因为从振荡器到检测电路237需要相对少的能量。
状态电路239包括触发器283。触发器283在其输出端259指示低或高逻辑值。如刚才所说明的，检测电路的输出在RTC不正常时清除触发器283。设置触发器283以通过在设置输入端257上的信号来指示RTC正常(GOOD)。
当首先被施加电源时，检测器电路237和触发器238将在比振荡器加电所花的时间短的时间内响应，并因而在比较器281的输入上的检测到的电压将超过该门限。因而，在电池已经被移去并且被替换时，状态电路将被复位为不正常(NOT GOOD)。
如果RTC振荡器时钟停止足够长，则比较器输入电压将降到门限之下并且对触发器清零以表示RTC时钟不正常(NOT GOOD)。
通过具有在不能使用RTC时间的情况下初始地探测GPS卫星和产生时间和位置解的职责的导航处理器或其它处理器设置触发器238的状态以指示RTC时钟为正常(GOOD)。一旦处理器已经产生时间和位置解，该处理器则设置RTC，确认该RTC正在正确地传播时间，并且最后设置触发器238以指示RTC时钟为正常(GOOD)。只要RTC振荡器继续操作和产生RTC时钟，电压将保持在门限之上并且RTC状态将保持正常(GOOD)。
如果RTC振荡器出现故障达某一时段，则在比较器输入上的电压逐渐衰减。在足够数目的丢失时钟之后，设置触发器238以指示RTC时钟不正常(NOT GOOD)。触发器238保持在该状态中直到处理器再次重新建立时间。检测电路235的主要目的之一是解决由于电池的使用寿命结束和/或温度变化而导致的振荡器停止问题。如果问题是使用寿命结束，则备用电池很可能在振荡所需的门限之下。如果问题是温度，则与温度相关的时间常数相对较慢。而且，一旦振荡器由于电池经受低温度而停止，则振荡器将很可能需要比正在其停止时被提供的电压(和电流)高的电压用于重新启动。因而，甚至需要几千周期的时间常数也是可接受的。
在不同实施例中，可以以各种方式写入和读出检测电路235。例如，在一些实施例中，检测电路235存在于RF芯片103上，而在其它实施例中，存在于基带芯片105上，状态电路239的输出259可以通过使用根据总线或接口协议的命令被读取，或被直接监视。类似地，状态电路239的设置输入端257可以通过根据实施例的特定结构的任何软件或硬件结构来锁定(toggle)。
例如，微处理器总线接口可以读和写触发器283。在该情形下，读触发器283可以要求外围总线选通处于有效，写入线处于无效，要求外围选择解码以使合适的选择信号有效，以及本地RTC时钟解码以维持“RTG_GOOD”信号。例如，当电力不足检测电路存在于基带芯片上时，根据总线协议读和写触发器283是可预期的。
在另一实施例中，RTC振荡器和电力不足检测电路235存在于RF芯片上。这允许更安静的用于振荡器的环境，增加了精确校准RTC振荡器的能力和为了校准目的，将该振荡器放置到更接近温度传感器的位置。在这种情况下，对触发器283的接口将会不同。例如来自串行IO端口的消息解码将选择触发器283用于读取和将该位锁存在消息中，随后在端口上将锁定的位(clocked)输出到基带芯片上的处理器。
许多电路变形落入所公开的电力不足检测电路的范围之内。示出的特定电路部件只是用于实现期望的功能的一个实施例。许多其它电路也是可能的并且对于特定环境是可行的。例如，在检测器电路中的电容器必须非常小以用于混合信号的积分。因此，简单的RC时间常数可以通过附加电子设备来替换以放大有效的电容值。类似地，对触发器283的异步设置接口实际上可以是来自处理器总线的同步设置接口。这些是通过减少电路尺寸或能量消耗来改进设计的已知电路技术。
图6是示出根据一个实施例的电力不足检测电路235的操作的流程图。在GPS接收机100的启动时(如在602所示)，导航处理器210在602读取RTC。在604，该RTC时间被传送给EARC。在608，通过读检测器235的输出259来检查RTC的状态。如果RTC为正常(GOOD)，则导航处理器进入在610的使用所传送的RTC时间以开始获取。如果RTC为不正常(NOTGOOD)，则在612，导航处理器210的一个操作的过程继续冷启动。在614，导航处理器210产生时间和位置解。利用时间解，导航处理器210在616设置RTC。导航处理器210在618确认RTC时钟正在运行。如果RTC时钟被确认，则导航处理器210在620通过向状态电路239发送信号来将RTC状态设置为正常(GOOD)。如果RTC时钟没有被确认，则导航处理器210在618再次尝试确认RTC时钟正在运行。
在图6中所图解的电力不足检测过程是和在此描述的其它过程一起执行的过程的一个实施例。例如，图7A、7B和7C图解了被预期来利用图6的过程来执行的过程的实施例。现在参照图7A、7B和7C，流程图400图解了包括使用K32时钟信号来更新M11时钟信号的过程的实施例。流程图400的过程还包括确定所估计的GPS时间是否足够精确以获取GPS接收机单元100的位置。如果在断电时段期间由导航处理器210所估计的PN码和输入PN码之间的时间误差小于或等于输入GPS卫星信号的实际PN码时间的±0.5ms，K32时钟信号和M11时钟信号被更新。流程图400的过程还包括利用所检测的GPS卫星信息来更新与GPS振荡器204相关联的M11时钟信号和与K32振荡器302相关联的K32时钟信号。在更新之后，GPS接收机单元100然后返回睡眠、或断电模式。
流程图400还图解了唤醒报警逻辑222的一个实施例。在某些替换实现中，所述的功能可以不按在流程图400中所标注的顺序出现，所述功能可以同时发生，所述功能的某一些可被删除，或可以包含附加功能。
该过程开始于方框402，其中，报警单元324产生唤醒命令。此外，该过程也可以在用户询问GPS接收机单元100提供位置信息(“导航更新”)时开始。
在方框404，确定加电的原因是唤醒命令还是来自用户的位置询问。如果加电的原因是报警单元324产生唤醒命令以便GPS接收机单元100将根据由低功率时间保持电路200保持的时间来更新K32，则该过程进入方框406。然而，如果加电的原因是响应于来自用户的位置询问而提供位置信息，则GPS接收机单元100通过进入方框422而启动导航更新。
在方框406，在如下所述的K32时钟信号的重新校准中所采用的所选择部件被加电。GPS接收机单元100的其它部件在方框406没有被加电以节约能量。例如，GPS接收机单元100可以包括显示器(未示出)，该显示器向用户指示至少所确定的位置信息。如果GPS接收机单元100正在执行周期性的导航更新，则用户可能对于知道该装置正在执行导航更新或知道位置信息不感兴趣。因而，在方框406对显示器不加电，由此节约能量。
在方框408，温度传感器308测量K32振荡器302的温度。在方框410，在GPS接收机单元100处于睡眠模式期间，对K32振荡器302确定平均温度。在方框412，访问由低功率时间保持电路200维持的基于K32的时间。在方框414，根据时间误差、根据在温度/频率误差表224中的信息，如上所述的校正因子被应用于所确定的基于K32的时间。在方框416，该校正因子然后被用于校正由低功率时间保持电路200维持的基于K32的时间。
在一个实施例中，用于下一唤醒命令的时间在方框418确定。因此，在报警寄存器326中更新唤醒时间。另外，其它实施例采用在周期性唤醒命令之间的预定义的时间间隔和/或提供来自其它部件的周期唤醒命令。
在方框420，所选择的加电部件(在方框406)被断电。因为由低功率时间保持电路200维持的基于K32的时间已经被更新，所以这些所选择的部件被断电以节约能量资源。该过程返回方框402以等待下一唤醒命令或来自用户的位置询问。
如果在方框404接收到位置询问，则GPS接收机单元100理解其将精确地确定GPS接收机单元100的位置和向用户指示该位置，并且过程进入方框422。也就是说，用户要求导航更新。
因此，下面描述的GPS接收机单元100的部件在方框422被加电。与基于M11的时间的更新相关联的部件在方框422被加电。例如，无线电装置202、GPS振荡器204、温度传感器206、导航处理器210、匹配滤波器212、A/D转换器214、本地GPS时钟发生器216、边缘对准率计数器218和/或存储器220被重新加电。
而且，GPS接收机单元100可以包括与基于M11的时间的更新没有关联的、在方框422被加电的附加部件。例如，可以使用显示器(未示出)和相关电路来向用户指示所确定的位置信息。因而，显示器必须被加电。相反，显示器在方框406不需要被加电，这是因为在如上所述的基于K32的时间的更新期间(方框406-416)不显示位置信息。在一个实施例中，在方框406。这些附加部件和上述部件同时被加电。
在另一实施例中，这些附加部件的加电被延迟直到完成导航更新。因此，通过对附加部件的加电，方框422将被示出为两个分开的方框，并且以被插在流程图400中的随后的点处的新方框来示出。在GPS接收机单元100已经确定更新的位置之后，这些附加的被选择部件被加电以便所更新的位置被指示给用户。例如，GPS接收机单元100可以包括向用户指示至少所确定的位置信息的显示器(未示出)和相关电路。这样的、仅在请求位置更新时延迟对附加的所选择部件重新加电的替换实施例特别有利于节约能量。也就是说，如果所选择的附加部件不需要时钟的重新校准和相关的导航更新，则在接收到唤醒命令时将所选择部件维持在睡眠模式中进一步节约了能量。
在方框424中，温度传感器308测量K32振荡器302的温度并且通过使用利用上述的在方框408-416中的过程、从温度/频率误差表224确定的校正因子校正时间，来校正由低功率时间保持电路200所维持的基于K32的时间。也就是说，针对在睡眠时段期间发生的任何温度/频率偏差来校正基于K32的时间。
在方框426，通过边缘对准率计数器218将更新的基于K32的时间传递到基于M11的时间。因而，GPS接收机单元100已经对其部件加电并且使用来自低功率时间保持电路200的被校正的、基于K32的时钟以精确地更新由GPS振荡器204提供的来自M11时钟信号的GPS时间。然而，在一个实施例中，可能由于GPS振荡器204的温度变化而导致已经产生了在M11时钟信号中的误差。因此，在方框428，温度传感器206测量GPS振荡器204的温度。在方框430，确定当前GPS振荡器204的温度。在方框432，从温度/频率误差表确定M11频率误差。
在方框436，更新的T20时间点被用于估计可见GPS卫星102、104、106和/或108的位置和多普勒效应。在方框438，根据估计的可见卫星102、104、106和/或108的估计位置，GPS接收机单元100采用匹配滤波器212或GPS信号处理器208来测量可见卫星102、104、106和/或108的PN码相位(以1ms为模)。然后，在方框440，所估计的T20时间点被用于计算每一卫星102、104、106和/或108的所期望的当前全PN码相位，作为周数(TOW)。也就是说，GPS接收机单元100已经使用来自GPS振荡器204的更新的M11时钟信号来精确地估计以1ms为模的PN码相位以计算所期望的完整PN码相位作为周数。
在方框443，校正全码相位以匹配所测量的PN码相位(以1ms为模)。在方框444，根据所估计的被校正的全PN码相位来计算导航解。接着，在方框446，比较所计算的导航解和以时间为单位的先前的导航解。
在方框448，确定是否所计算的GPS接收机单元100的位置已经从先前导航解时间变化了小于±0.5ms(小于1个PN码)。如果所确定的变化大于±0.5ms(否(NO)情况)，过程进入方框450以便GPS接收机单元100收集来自每一GPS卫星102、104、106和/或108的完整的6秒的子帧来建立GPS时间。在方框452，GPS接收机单元100采用传统方法来更新导航解，从而精确地确定GPS接收机单元100的位置。
然而，如果在方框448，在位置中的变化被确定为小于或等于±0.5ms(是(YES)情况)，则GPS接收机单元100已经精确地利用低功率时间保持电路200维持了GPS时间。因此，该过程进入方框454，以便所校正的T20时间用于利用边缘对准率计数器218、以上述方式来更新低功率时间保持电路200的时间。因此，K32时钟信号和精确确定的GPS T20时间相关联以为下一断电时段做准备。
在一个实施例中，存在于温度/频率误差表224中的数据被利用上述收集的温度和频率信息来更新。也就是说，该实施例采用所获取的温度和频率数据来连续地更新温度/频率误差表224的数据。由此改进由温度/频率误差表224确定的随后的校正因子的精确度。
在方框458，确定是否GPS接收机单元100处于通电状态。如果GPS接收机单元100处于通电状态(是(YES)情况)，则过程进入方框460以便GPS接收机单元100执行其它功能。由于这些其它功能可能与在断电时段期间精确地维持时间不是必然相关，因此在此对这样的其它功能不详细描述。在已经执行这些功能之后，该过程返回方框418，以便如上所述确定下一次唤醒命令的时间。
如果在方框458中，确定对于GPS接收机单元100不存在处于通电状态的原因(否(NO)情况)，则过程直接进入方框418。也就是说，该过程进入方框418以便GPS接收机单元100被断电以在低功率时间保持电路200精确地维持GPS时间的同时节约能量。
GPS接收机单元100的上述实施例一般被描述为更新从K32振荡器302得到的K32时钟信号和从GPS振荡器204得到的M11时钟信号以便在当GPS振荡器204被断电的时段期间维持精确的GPS时间。其它实施例更新来自GPS卫星的、与位置的确定相关联的各种其它时钟信号。而且，GPS振荡器204被描述为提供具有基本上等于11MHz的振荡频率的信号。类似地，K32振荡器302被描述为产生具有基本上等于32kHz的振荡频率的信号。GPS接收机单元的其它实施例可以利用GPS振荡器和/或存在于低功率时间保持电路中的GPS振荡器来实现，所述振荡器具有不同于GPS振荡器204和K32振荡器302的振荡频率的振荡频率。而且，低功率时间保持电路被描述为提供基本上在32kHz的、被用于在部件被断电的时段期间维持GPS时间的精确度的时钟信号。在其它实施例中，从低功率时间保持电路200提供的时钟信号被用于向存在于GPS接收机单元中的其它部件提供时钟信号。然而，除了达到理解本发明的操作和功能所需的程度之外，并不详细描述这样的部件。
在一个替换实施例中，温度传感器206和308被适当地定位的单个温度传感器所替换或被并入到所述单个温度传感器中，以便GPS振荡器204和K32振荡器302的操作温度被检测到。这样的温度传感器还可以被配置成提供直接到导航处理器210的信号。该实施例减少了部件的数量，并且可以提供在成本、尺寸和功率消耗上的相应减少。
为了便于在图3和图4中的图解，并且为了便于说明本发明的操作和功能，对所感测温度的处理和计算在来自K32振荡器302和GPS振荡器204中的信号中的总频率误差被描述和被示出为正由导航处理器210的逻辑的运行所执行，这样的逻辑作为唤醒报警逻辑222的一部分而存在。另外，该处理可以由不同的处理器执行。而且，用于处理所感测温度的逻辑和用于计算在来自K32振荡器302的信号中的总频率误差的逻辑可以存在于专用逻辑模块(未示出)中，所述专用逻辑模块存在于存储器220或其它合适的存储器中。而且，为了方便，LP时钟的温度/频率误差表322和/或GPS时钟的温度/频率误差表224被示出为存在于存储器220中。所感测的温度表508可以存在于替换位置和/或合适的替换存储介质中。任何这样的替换实施被认为是落在本公开的范围中并且通过所附权利要求进行保护。
虽然已经描述了本发明的各种实施例，但是对于本领域技术人员来说，可得到各种修改，所述各种修改落在由权利要求所限定的本发明的范围中。
权利要求
1.一种全球定位系统(GPS)接收系统，包括GPS时钟，当GPS接收机系统正在通过使用GPS卫星数据导航时，所述GPS时钟被校准至GPS时间，其中所述GPS时钟被配置成在GPS接收机系统不在导航时被关断；实时钟(RTC)，其使用明显小于GPS时钟的功率，其中RTC被配置成在GPS时钟被关断时保持时间；电力不足检测电路，连接到所述RTC，其中所述电力不足检测电路被配置成，接收RTC时钟信号；检测RTC时钟周期的丢失；和输出指示RTC时钟周期的丢失超过预定门限的RTC状态信号。
2.如权利要求1所述的GPS接收机系统，其中，所述电力不足检测电路包括检测电路，用于接收RTC时钟信号和确定是否所述RTC时钟正在丢失周期，其中，所述检测电路被校准以确定是否周期的丢失超过预定的门限；和状态电路，用于存储由检测电路所输出的信号，以及输出表示RTC时钟为正常和不正常之一的状态信号。
3.如权利要求2所述的GPS接收机系统，其中所述检测电路包括具有预定时间常数的电阻器-电容器(RC)时间常数部件，其中所述RC时间常数部件接收RTC时钟信号并且输出衰减的电压，其中，所衰减的电压的电平指示是否周期的丢失超过预定的门限。
4.如权利要求3所述的GPS接收机系统，还包括导航处理器，被连接以接收状态信号，其中所述导航处理器根据状态信号来确定是否使用RTC时钟来探测卫星。
5.如权利要求4所述的GPS接收机系统，还包括边缘对准率计数器(EARC)，连接到RTC和GPS时钟，其中，在用于卫星探测的GPS接收机系统的启动时，通过使用EARC由RTC时钟所保持的时间被传递到GPS时钟，并且其中，如果状态信号指示RTC为正常，则所传递的RTC时间被用于探测。
6.一种用于全球定位系统(GPS)导航的系统，包括基带芯片；和射频(RF)芯片，其中所述RF芯片和基带芯片通过接口连接，并且其中所述RF芯片包括GPS时钟，在GPS接收机系统正在使用GPS卫星数据导航时被校准到GPS时间，其中，所述GPS时钟被配置成在GPS接收机系统不在导航时被关断；实时钟(RTC)，其使用明显小于GPS时钟的功率，其中RTC被配置成在GPS时钟被关断时保持时间；和电力不足检测电路，连接到所述RTC，其中所述电力不足检测电路被配置成检测RTC时钟周期的丢失。
7.如权利要求6所述的系统，其中所述RF芯片还包括温度传感器，连接到所述RTC；和模拟数字(A/D)转换器，连接到所述温度传感器。
8.如权利要求7所述的系统，其中所述基带芯片包括导航处理器，被连接以通过接口从所述RF芯片接收信号，所述信号包括指示是否所述RTC时钟信号应当被用于卫星探测的RTC状态信号；边缘对准率计数器(EARC)，被连接以接收GPS时钟信号和所述RTC时钟信号，并且被配置成以高精确度将相应的GPS时钟信号和RTC时钟信号对准，并且用于将由RTC时钟保持的时间传递给GPS时钟；和存储设备，连接到A/D转换器和RTC，并且被配置成存储将温度和RTC时钟的频率相关联的表。
9.如权利要求7所述的系统，所述电力不足检测电路包括检测电路，用于接收RTC时钟信号和确定是否RTC时钟正在丢失周期，其中所述检测电路被校准以确定是否周期的丢失超过预定门限；和状态电路，用于存储由所述检测电路输出的信号，并且输出指示RTC时钟是正常和不正常之一的状态信号。
10.如权利要求9所述的系统，其中所述检测电路包括具有预定时间常数的电阻器-电容器(RC)时间常数部件，其中所述RC时间常数部件接收RTC时钟信号和输出衰减的电压，其中所衰减电压的电平指示是否周期的丢失超过预定门限。
11.如权利要求7所述的系统，所述接口包括串行外围接口。
12.如权利要求8所述的系统，其中所述导航处理器通过所述接口发送命令到请求RTC的状态的电力不足检测电路，并且其中，所述电力不足检测电路通过经由接口发送RTC状态来进行响应。
13.一种用于全球定位系统(GPS)导航的系统，包括射频(RF)芯片，其中所述RF芯片包括GPS时钟，在GPS接收机系统正在使用GPS卫星数据导航时被校准到GPS时间，其中，所述GPS时钟被配置成在GPS接收机系统不在导航时被关断；和基带芯片，其中所述基带芯片和所述RF芯片通过系统接口连接，并且其中所述基带芯片包括实时钟(RTC)，其使用明显小于GPS时钟的功率，其中RTC被配置成在GPS时钟被关断时保持时间；和电力不足检测电路，连接到所述RTC，其中所述电力不足检测电路被配置成检测RTC时钟周期的丢失。
14.如权利要求13所述的系统，其中所述基带芯片还包括温度传感器，连接到所述RTC；和模拟数字(A/D)转换器，连接到所述温度传感器。
15.如权利要求14所述的系统，其中所述基带芯片还包括边缘对准率计数器(EARC)，被连接以接收GPS时钟信号和所述RTC时钟信号，并且被配置成以高精确度将相应的时钟信号对准，并且用于将由RTC时钟保持的时间传递给GPS时钟。
16.如权利要求15所述的系统，其中所述基带芯片通过外围接口连接到处理器和存储设备，其中所述存储设备，连接到A/D转换器和RTC，并且被配置成存储将温度和RTC时钟的频率相关联的表；和处理器，被配置成通过所述外围接口接收信号，所述信号包括指示是否所述RTC时钟信号应当被用于卫星探测的RTC状态信号。
17.如权利要求13所述的系统，所述电力不足检测电路包括检测电路，用于接收RTC时钟信号和确定是否RTC时钟正在丢失周期，其中所述检测电路被校准以确定是否周期的丢失超过预定门限；和状态电路，用于存储由所述检测电路输出的信号，并且输出指示RTC时钟是正常和不正常之一的状态信号。
18.如权利要求17所述的系统，其中所述检测电路包括具有预定时间常数的电阻器-电容器(RC)时间常数部件，其中所述RC时间常数部件接收RTC时钟信号和输出衰减的电压，其中所衰减电压的电平指示是否周期的丢失超过预定门限。
19.如权利要求13所述的系统，其中所述系统接口包括串行外围接口。
20.如权利要求16所述的系统，其中所述处理器通过所述外围接口发送命令到请求RTC的状态的电力不足检测电路，并且其中，所述电力不足检测电路通过经由所述外围接口发送RTC状态信号来进行响应。
21.一种用于检测在时钟信号发生设备中的时钟周期的丢失的装置，所述装置包括检测电路，用于接收来自所述时钟信号发生设备的时钟信号，并且确定是否所述时钟信号发生设备正在丢失周期，其中所述检测电路被校准以确定是否周期的丢失超过预定门限；和状态电路，用于存储由所述检测电路输出的信号，并且输出指示时钟信号发生设备是正常和不正常之一的状态信号。
22.如权利要求21所述的装置，其中所述检测电路包括具有预定时间常数的电阻电容(RC)时间常数部件，其中所述RC时间常数部件接收时钟信号和输出衰减的电压，其中所衰减电压的电平指示是否周期的丢失超过预定门限。
23.如权利要求22所述的装置，其中所述状态电路包括锁存器件；和所述检测电路还包括电压比较器，连接到所述锁存器件，其中所述电压比较器比较所衰减的电压和参考电压，并且输出在周期的丢失超过预定门限时复位所述锁存器件的结果信号。
24.一种在全球定位系统(GPS)接收机中确定实时钟(RTC)的状态的方法，所述方法包括在检测电路中接收RTC时钟信号；检测何时RTC正在丢失时钟信号以致于时钟周期的丢失超过预定门限；存储RTC的状态，其中所述状态是正常和不正常之一；如果时钟周期的丢失超过预定门限，则将RTC的状态设置为坏；和在使用RTC时钟信号用以探测卫星之前，检查RTC的状态。
25.如权利要求24的方法，其中所述检测包括在具有所计算的RC时间常数的电阻器-电容器(RC)电路中接收RTC时钟信号以便在时钟周期的丢失超过预定门限时，所述RC电路的输出电压衰减到预定电平以下。
26.如权利要求25的方法，其中存储状态包括根据RC电路的输出电压电平来存储状态位，其中所述状态位的第一逻辑值指示正常，而状态位的第二逻辑值指示“坏”。
27.如权利要求26的方法，还包括，在GPS接收机的启动时，在RTC被加电的间隔期间设置状态位以指示正常。
28.如权利要求27的方法，还包括在GPS接收机的启动时，通过使用边缘对准率计数器(EARC)来将RTC保持的时间传递给GPS时钟；检查RTC的状态；和如果RTC的状态为正常，则使用所传递的时间来探测卫星。
全文摘要
本发明提供一种用于实时钟电力不足检测的方法及设备。在全球定位系统(GPS)接收机中，低功率实时钟(RTC)连续运行以在一些接收机部件被断电的同时保持时间。在各种实施例中，如果RTC时钟周期的丢失超过预定门限以致于RTC对于GPS导航来说不可靠，则RTC状态信号指示该情况。
文档编号G01S1/00GK1809727SQ200480017286
公开日2006年7月26日 申请日期2004年6月10日 优先权日2003年6月20日
发明者斯蒂文·A·格罗尼迈耶 申请人:SiRF技术公司