一种使用晶振的物联网GNSS定位方法与流程

本发明涉及一种定位方法，具体涉及一种使用晶振的物联网gnss定位方法，属于电子设备和器件
技术领域：
。这里物联网包括所有的蜂窝通信协议，例如nb-iot,cat.1,cat.m，等等。
背景技术：
：物联网终端近年来得到广泛的应用。其中，大量的物联网终端有定位的要求，如资产跟踪，共享单车，电动车，可穿戴设备，等等。即将大量商用的mmtc包括nb-iot,cat.1等低功耗广域网技术。和传统广域无线通信终端相比，物联网终端需要很低的成本来支持海量连接。而其中的nb-iot设备的一大优势是其极低的成本。很多物联网终端会有定位的需求。精度要求在200米以内的应用需要用gnss信号(例如，gps信号,北斗信号)。物联网gnss定位终端把物联网接收机(例如nb-iot)和gnss接收机做在同一个终端里，可以用单一终端提供定位和通信两种功能。物联网gnss定位终端已经在电瓶车、牛联网、各种资产跟踪这些领域中得到应用。这些终端设备首先通过gnss接收机进行定位，然后把设备位置(即经纬度)通过物联网(例如nb-iot)传输给服务器，达到跟踪或者监控的目的。和其它电子设备类似，物联网gnss定位终端需要时钟源。一般有两种最基本的时钟源：晶振(xo)和温度补偿晶振(tcxo)。第一种是晶振(xo)，由晶体和震荡电路组成。其输出频率随温度变化很大，一般的曲线见图1所示。为了能够输出稳定的频率，温度补偿晶振(tcxo)应运而生。tcxo在xo的基础上，内置了温度补偿芯片，能够调整输出频率在一个很小的范围(一般能在标称频率+/-5ppm或者更好)。”ppm”指的是”partspermillion”,即1e-6。例如，对于38.4mhz,1ppm就是38.4mhz*1e-6＝38.4hz。本文档中，“偏差”的单位是ppm。由于对时钟频率稳定性有很高的要求，传统gnss需要使用tcxo做为时钟源。tcxo的价格在物联网终端中相对较贵，对于成本有较大影响，并偶尔会有供货困难的问题。晶振(xo)成本很低，而且供应商众多，供货充足。由于这些原因，设备厂商有很强的意愿使用xo而不用tcxo。然而，xo不适用于gnss接收机，这是由于晶振频率偏差随温度变化幅度很大会导致gnss定位时间过长而不可用。下表示举例nb-iot接收机捕获基站信号和gnss接收机捕获gnss信号在用tcxo和xo情况下的时间。从表中可见，nb-iot对选用tcxo或者xo在搜星时间上差别并不大，而gnss在用xo的时候，会导致定位时间大幅增加，会带来用户体验的急剧变差，并且功耗会增大很多。用tcxo用xonb-iot信号捕获时间300毫秒400毫秒gnss信号捕获时间3秒12秒本申请提出在物联网(例如nb-iot)gnss定位终端上使用晶振(xo)，并用一种新的方案解决gnss使用xo信号捕获以及定位时间过长的问题。技术实现要素：本发明正是针对现有技术中存在的问题，提供一种使用晶振的物联网gnss定位方法，该技术方案提出使用晶振(xo)来给物联网(例如nb-iot)gnss定位终端提供时钟源，解决了gnss使用xo信号捕获以及定位时间过长的问题。为了实现上述目的，本发明的技术方案如下，一种使用晶振的物联网gnss定位方法，所述方法包括以下步骤:步骤1：物联网接收机高频时钟产生电路(phaselockloop,pll，即锁相环)的输入为晶振频率；pll频率控制驱动程序用0频偏或者已知的频偏来调节输出信号频率，物联网接收机用预设的频率搜索范围来捕获基站发出的下行信号；步骤2：物联网接收机用捕获到的下行信号频率来估计晶振当前的频率；步骤3：物联网接收机把估计的晶振频偏通知给pll频率控制驱动程序，驱动程序根据此估计频偏信息来调节gnss高频时钟产生电路(phaselockloop,pll，即锁相环)，使pll的输出频率很接近标准值(即输出频率偏差接近于0)；步骤4：gnss接收机使用调整后的pll输出信号做为时钟源，这样gnss接收机不会受到晶振频偏的影响，从而达到和tcxo同样或者更小的频率搜索范围；步骤5：频率控制驱动程序根据此估计频偏信息来调节物联网接收机高频时钟产生电路pll，使pll的输出频率很接近标准值(即输出频率偏差接近于0)；物联网接收机使用调整后的pll输出信号做为时钟源，这样物联网接收机不会受到晶振频偏的影响，从而达到和tcxo同样或者更小的频率搜索范围。作为本发明的一种改进，步骤1：具体如下：所述物联网接收机(例如nb-iot接收机)的功能是和基站进行通信，基站由运营商管理并提供服务，基站的无线下行信号一般频率误差在很小的范围内(+/-0.5ppm)。物联网接收机首先在一个很大的频率范围搜索基站的下行信号，这个搜索范围应该包括基站下行信号的频率范围(例如+/-0.5ppm)，终端内xo的频率范围(例如+/-20ppm),以及终端的可能最大速度(例如+/-0.5ppm)。在这个例子中，如果物联网接收机想要接收频率是f＝800mhz的下行信号，它需要在频率范围是f*(1-p)到f*(1+p)，其中p＝21ppm＝21e-6,这样搜索的频率范围就是从800mhz–16.8khz到800mhz+16.8khz，一共有33.6khz的频率搜索空间；物联网接收机的时钟源由pll硬件提供，pll的输入是xo的频率(偏差为d)，这里采用分数倍锁相环(fractional-npll)，可以调整输出频率达到很精确的步长，pll的输出频率一般是输入频率的数倍，这个倍数在图2和图3中用参数a和参数b表示。pll频率驱动程序负责调整pll的输出频率，可以将pll的输出频偏纠正一个特定的偏移，在xo频率信息未知的情况下，驱动程序用0频偏来纠正pll的输出频率，即不做任何纠正，这时候pll输出频偏和xo的频偏一样大，都是d(单位是ppm)。而在xo频率信息已有估计值的情况下，驱动程序用此估计值来纠正pll的输出频率，这时候pll输出频率会很接近目标频率，即频偏接近于0，远小于xo的频偏；基站的下行信号一般含有一个已知的导频信号，物联网接收机搜索过程举例如下：将需要搜索的频率范围分为若干个小频率槽(例如每个频率槽是2khz,前面例子里33.6khz的搜索空间一共有17个频率槽),对每个频率槽，接收机产生一个本地的导频信号，然后用本地的导频信号和接收到的信号进行时域相关(即模式匹配)，如果相关结果能量超过一个门限，说明匹配上了，就可以判定捕获到一个有效的下行信号，搜索成功；如果相关结果能量没有超过一个门限，就对下一个频率槽继续进行时域相关。作为本发明的一种改进，所述步骤2中，物联网接收机在搜索捕获信号成功后，一般还需要通过一个频率跟踪环路(frequencytrackingloop,ftl)来更准确的估计信号频率；把xo的真实频偏表示为d,单位是ppm,当物联网接收机通过捕获和/或跟踪得到到信号频率是f1之后(已知这个信号从基站发射出来的频率是f)，那么它可以估计出xo的频偏是d1＝(f1-f)/f*1e6,单位是ppm.一般来说，物联网接收机对频偏的估计会比较准确，d1和真实值d之间的差距会在+/-1ppm范围内。在上面的例子中，假设xo的真实频偏是d＝14.3ppm,如果ftl估计的信号频率是f1＝(800mhz+12khz)，那么估计的频偏＝(f1-f)/f*1e6＝(800mhz+12khz-800mhz)/800mhz*1e6＝15ppm.和xo真实的频偏14.3ppm相比，估计的误差只有0.7ppm，非常接近了。物联网终端可以搜索很宽的范围(例如+/-21ppm),是由于基站的无线下行信号一般较强所以搜索时间很短。例如，其信号搜索时间从tcxo的300毫秒增加到xo的400毫秒，对用户体验没有影响。在大多数应用中，启动gnss之前一般会有物联网接收机的连接活动，这之间温度变化不会很大，所以可以认为物联网接收机估计的xo频偏d1就是gnss启动时的xo的频偏。作为本发明的一种改进，所述步骤3中，在启动gnss之前，物联网接收机已经通过上面的步骤估计了xo的频偏为d1(真实值为标准值+d)，gnss接收机的时钟源由pll硬件提供，pll的输入是xo的频率(偏差为d)；这里采用分数倍锁相环(fractional-npll)，可以调整输出频率达到很精确的步长，pll的原理框图如图4所示。pll接收参考频率信号(一般由时钟源，例如晶振，产生)做为输入，产生一个更高频率的输出时钟信号，输出信号的频率(f_vco)和输入信号的频率(f_ref)由参数n配置决定，即f_vco＝f_ref*n。例如，一个应用要求pll输出信号频率为f_vco＝1560mhz，选用的时钟源是标称频率为26mhz的晶振。如果此晶振频偏为0，即输出频率正好是f_ref＝26mhz，那么在pll内部把参数n配置为60,我们得到26*60＝1560mhz的输出信号频率。如果温度变了，我们知道新温度下的频偏为+20ppm,即晶振的实际频率是f_ref＝26*(1+20e-6)，那么在pll内部我们可以把参数n配置为59.9988,得到26*(1+20e-6)*59.9988＝1560mhz。这样虽然晶振有20ppm的频偏，通过调节pll的内部分频参数n,把这个频偏在pll的输出信号里去掉了。由于gnss接收机看到的频偏直接由pll决定，如果不对pll做出调整，那么gnss接收机看到的频偏就是d，可能会很大，就需要很大的搜索范围(例如+/-20ppm)，导致很长的搜索时间。这个时候由于对xo的频率有一个估计(d1),物联网接收机把这个频率估计通知给pll的驱动程序。pll的驱动程序会根据d1,调整pll的输出频率(偏置量是-d1)，pll的输出频率偏差就会从d变为约为(d–d1)。gnss接收机看到的频偏就从d变为(d–d1)。例如，d＝14.3ppm,d1＝15ppm的情况下，pll输出频率偏差会从14.3ppm(调整前)变为-0.7ppm(调整后)。gnss接收机看到的频偏会从14.3ppm(调整前)变为-0.7ppm(调整后)。gnss搜索信号是，范围只要大于0.7ppm，就可以包括时钟的偏差范围了。这比调整前要包括14.3ppm的情况小很多。作为本发明的一种改进，所述步骤4中，因为pll输出的时钟频率偏差在一个很小的范围内，gnss搜索信号时候的频率范围很小，花费的时间也就很少了。也就是说，通过这种方法，用xo的终端的信号捕获时间可以和用tcxo的终端的信号捕获时间保持一致，甚至更少,gnss搜索信号的实施和物联网接收机的搜索类似，也可以通过本地产生的信号和接收到的信号进行时域相关，然后用相关结果的能量大小做判定。作为本发明的一种改进，所述步骤5中，当物联网接收机已经通过上面的步骤估计了xo的频偏为d1(标准值+d)之后，在随后的物联网接收机运行中，频率控制驱动程序随后根据此估计频偏信息来调节物联网接收机高频时钟产生电路(phaselockloop,pll，即锁相环)，使pll的输出频率很接近标准值(即输出频率偏差接近于0)。这个过程和上面的对gnsspll的调整方法一样。物联网接收机使用调整后的pll输出信号做为时钟源，这样物联网接收机不会受到晶振频偏的影响，从而达到和tcxo同样或者更小的频率搜索范围。相对于现有技术，本发明具有如下优点，1)该技术方案使得物联网gnss终端可以采用晶振(xo)达到温补晶振(tcxo)的性能,从而替代温补晶振(tcxo),大幅降低了物联网gnss终端的成本；2)该技术方案仅改动时钟产生机制(即只调整pll输出频率)，gnss接收机内部软件和硬件无需任何改动；3)对xo频率随温度变化曲线没有任何要求，进一步降低了xo生产成本和增多了设备制造商对xo供应商的选择。4)该技术方案对整体的软件和硬件改动很小，研发和生产成本都很低。附图说明图1为xo频偏随温度变化曲线；图2为使用xo的物联网gnss终端原理图；图3为使用xo的物联网gnss终端详细原理图；图4为锁相环(pll)原理框图。具体实施方式：为了加深对本发明的理解，下面结合附图对本实施例做详细的说明。实施例1：参见图1，一种使用晶振的物联网gnss定位方法，所述方法包括以下步骤:步骤1：物联网接收机高频时钟产生电路(phaselockloop,pll，即锁相环)的输入为晶振频率；pll频率控制驱动程序用0频偏或者已知的频偏来调节输出信号频率，物联网接收机用预设的频率搜索范围来捕获基站发出的下行信号；步骤2：物联网接收机用捕获到的下行信号频率来估计晶振当前的频率；步骤3：物联网接收机把估计的晶振频偏通知给pll频率控制驱动程序，驱动程序根据此估计频偏信息来调节gnss高频时钟产生电路(phaselockloop,pll，即锁相环)，使pll的输出频率很接近标准值(即输出频率偏差接近于0)；步骤4：gnss接收机使用调整后的pll输出信号做为时钟源，这样gnss接收机不会受到晶振频偏的影响，从而达到和tcxo同样或者更小的频率搜索范围；步骤5：频率控制驱动程序根据此估计频偏信息来调节物联网接收机高频时钟产生电路pll，使pll的输出频率很接近标准值(即输出频率偏差接近于0)；物联网接收机使用调整后的pll输出信号做为时钟源，这样物联网接收机不会受到晶振频偏的影响，从而达到和tcxo同样或者更小的频率搜索范围。步骤1：具体如下：所述物联网接收机(例如nb-iot接收机)的功能是和基站进行通信，基站由运营商管理并提供服务，基站的无线下行信号一般频率误差在很小的范围内(+/-0.5ppm)。物联网接收机首先在一个很大的频率范围搜索基站的下行信号，这个搜索范围应该包括基站下行信号的频率范围(例如+/-0.5ppm)，终端内xo的频率范围(例如+/-20ppm),以及终端的可能最大速度(例如+/-0.5ppm)。在这个例子中，如果物联网接收机想要接收频率是f＝800mhz的下行信号，它需要在频率范围是f*(1-p)到f*(1+p)，其中p＝21ppm＝21e-6,这样搜索的频率范围就是从800mhz–16.8khz到800mhz+16.8khz，一共有33.6khz的频率搜索空间；物联网接收机的时钟源由pll硬件提供，pll的输入是xo的频率(偏差为d)，这里采用分数倍锁相环(fractional-npll)，可以调整输出频率达到很精确的步长，pll的输出频率一般是输入频率的数倍，这个倍数在图2和图3中用参数a和参数b表示。pll频率驱动程序负责调整pll的输出频率，可以将pll的输出频偏纠正一个特定的偏移，在xo频率信息未知的情况下，驱动程序用0频偏来纠正pll的输出频率，即不做任何纠正，这时候pll输出频偏和xo的频偏一样大，都是d(单位是ppm)，在xo频率信息已有估计值的情况下，驱动程序用此估计值来纠正pll的输出频率，这时候pll输出频率会很接近目标频率，即频偏接近于0，远小于xo的频偏；基站的下行信号一般含有一个已知的导频信号，物联网接收机搜索过程举例如下：将需要搜索的频率范围分为若干个小频率槽(例如每个频率槽是2khz,前面例子里33.6khz的搜索空间一共有17个频率槽),对每个频率槽，接收机产生一个本地的导频信号，然后用本地的导频信号和接收到的信号进行时域相关(即模式匹配)，如果相关结果能量超过一个门限，说明匹配上了，就可以判定捕获到一个有效的下行信号，搜索成功；如果相关结果能量没有超过一个门限，就对下一个频率槽继续进行时域相关。所述步骤2中，物联网接收机在搜索捕获信号成功后，一般还需要通过一个频率跟踪环路(frequencytrackingloop,ftl)来更准确的估计信号频率；把xo的真实频偏表示为d,单位是ppm,当物联网接收机通过捕获和/或跟踪得到到信号频率是f1之后(已知这个信号从基站发射出来的频率是f)，那么它可以估计出xo的频偏是d1＝(f1-f)/f*1e6,单位是ppm.一般来说，物联网接收机对频偏的估计会比较准确，d1和真实值d之间的差距会在+/-1ppm范围内。在上面的例子中，假设xo的真实频偏是d＝14.3ppm,如果ftl估计的信号频率是f1＝(800mhz+12khz)，那么估计的频偏＝(f1-f)/f*1e6＝(800mhz+12khz-800mhz)/800mhz*1e6＝15ppm.和xo真实的频偏14.3ppm相比，估计的误差只有0.7ppm，非常接近了。物联网终端可以搜索很宽的范围(例如+/-21ppm),是由于基站的无线下行信号一般较强所以搜索时间很短。例如，其信号搜索时间从tcxo的300毫秒增加到xo的400毫秒，对用户体验没有影响。在大多数应用中，启动gnss之前一般会有物联网接收机的连接活动，这之间温度变化不会很大，所以可以认为物联网接收机估计的xo频偏d1就是gnss启动时的xo的频偏。所述步骤3中，在启动gnss之前，物联网接收机已经通过上面的步骤估计了xo的频偏为d1(标准值+d)，gnss接收机的时钟源由pll硬件提供，pll的输入是xo的频率(偏差为d)；这里采用分数倍锁相环(fractional-npll)，可以调整输出频率达到很精确的步长，pll的原理框图如图4所示。pll接收参考频率信号(一般由时钟源，例如晶振，产生)做为输入，产生一个更高频率的输出时钟信号，输出信号的频率(f_vco)和输入信号的频率(f_ref)由参数n配置决定，即f_vco＝f_ref*n。例如，一个应用要求pll输出信号频率为f_vco＝1560mhz，选用的时钟源是标称频率为26mhz的晶振。如果此晶振频偏为0，即输出频率正好是f_ref＝26mhz，那么在pll内部把参数n配置为60,我们得到26*60＝1560mhz的输出信号频率。如果温度变了，我们知道新温度下的频偏为+20ppm,即晶振的实际频率是f_ref＝26*(1+20e-6)，那么在pll内部我们可以把参数n配置为59.9988,得到26*(1+20e-6)*59.9988＝1560mhz。这样虽然晶振有20ppm的频偏，通过调节pll的内部分频参数n,把这个频偏在pll的输出信号里去掉了。由于gnss接收机看到的频偏直接由pll决定，如果不对pll做出调整，那么gnss接收机看到的频偏就是d，可能会很大，就需要很大的搜索范围(例如+/-20ppm)，导致很长的搜索时间。这个时候由于对xo的频率有一个估计(d1),物联网接收机把这个频率估计通知给pll的驱动程序。pll的驱动程序会根据d1,调整pll的输出频率(偏置量是-d1)，pll的输出频率偏差就会从d变为约为(d–d1)。gnss接收机看到的频偏就从d变为(d–d1)。例如，d＝14.3ppm,d1＝15ppm的情况下，pll输出频率偏差会从14.3ppm(调整前)变为-0.7ppm(调整后)。gnss接收机看到的频偏会从14.3ppm(调整前)变为-0.7ppm(调整后)。gnss搜索信号是，范围只要大于0.7ppm，就可以包括时钟的偏差范围了。这比调整前要包括14.3ppm的情况小很多所述步骤4中，因为pll输出的时钟频率偏差在一个很小的范围内，gnss搜索信号时候的频率范围很小，花费的时间也就很少了。也就是说，通过这种方法，用xo的终端的信号捕获时间可以和用tcxo的终端的信号捕获时间保持一致，甚至更少,gnss搜索信号的实施和物联网接收机的搜索类似，也可以通过本地产生的信号和接收到的信号进行时域相关，然后用相关结果的能量大小做判定。所述步骤5中，当物联网接收机已经通过上面的步骤估计了xo的频偏为d1(标准值+d)之后，在随后的物联网接收机运行中，频率控制驱动程序随后根据此估计频偏信息来调节物联网接收机高频时钟产生电路(phaselockloop,pll，即锁相环)，使pll的输出频率很接近标准值(即输出频率偏差接近于0)。这个过程和上面的对gnsspll的调整方法一样。物联网接收机使用调整后的pll输出信号做为时钟源，这样物联网接收机不会受到晶振频偏的影响，从而达到和tcxo同样或者更小的频率搜索范围。需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替代均落入本发明权利要求所保护的范围。当前第1页12