DE19633477A1

DE19633477A1 - Verfahren zur Initialisierung eines Empfängers und Empfänger von Positionssignalen

Info

Publication number: DE19633477A1
Application number: DE19633477A
Authority: DE
Inventors: Friedrich-Wilhelm Bode; Volkmar Dr Tanneberger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1996-08-20
Filing date: 1996-08-20
Publication date: 1998-02-26
Also published as: EP0920638B1; ES2192687T3; US6184824B1; DE59709317D1; EP0920638A1; JP2000516717A; WO1998008109A1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Initialisierung eines Empfängers und einem Empfänger von Positionssignalen nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs.

Bei der zunehmenden Verbreitung von Verkehrstelematik und Navigationsgeräten z. B. in Kraftfahrzeugen gewinnt die Ortungsfunktionalität immer mehr an Bedeutung. Verstärkt kommen hierbei Ortungsempfänger, z. B. für das NAVSTAR, Global Positioning System (GPS), zum Einsatz, die durch Laufzeitmessung zu mehreren GPS-Satelliten eine dreidimensionale Positionsbestimmung erlauben. Neben einer möglichst hohen Positionsgenauigkeit und Verfügbarkeit wird für die Empfänger eine möglichst kurze "Time to first fix" (TTFF), d. h. die Zeit, die nach dem Einschalten des Empfängers bis zur ersten Berechnung und Ausgabe einer Position vergeht, gefordert. Gewöhnlich wird die TTFF bei GPS-Empfängern für verschiedene Startmodi spezifiziert. Man unterscheidet dabei zwischen Warm- und Kaltstart. Beim Kaltstart liegen im Empfänger keine aktuellen Systemdaten und Betriebsparameter vor, oder die Daten sind veraltet und stimmen eventuell nicht mehr mit den tatsächlichen Systemdaten bzw. Betriebsparametern überein. Aufgrund der fehlenden Information können im Empfänger nicht die sichtbaren bzw. günstig zu empfangenden Satelliten bestimmt werden, weshalb der Empfänger darauf angewiesen ist, einzelne der 32 in der GPS-Systemspezifikation vorgesehenen Satelliten durchzuprobieren. Dabei wird der Empfänger entsprechend der Anzahl der parallel zur Verfügung stehenden Kanäle mit sogenannten Search-Sets initialisiert, die ein mehr oder weniger geordnetes Durchsuchen der Satelliten ermöglichen. Es ist bekannt, bei einem Achtkanalempfänger pro Search-Set 8 verschiedene Satellitenkennungen zu verwenden. Dabei werden die Satellitenkennungen, die als PRN-Nummern aufgelistet sind, der Reihenfolge nach durchsucht. Dadurch kann je nach Position des Empfängers eine lange Zeit vergehen, bis ein Satellit gefunden wird, der zur Kommunikation zur Verfügung steht.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs hat dem gegenüber den Vorteil, daß eine spezielle Folge von Senderkennungen, ein spezielles Search-Set gewählt wird, das mit hoher Wahrscheinlichkeit einen aktiven und empfangbaren Satelliten enthält. Dabei werden solche Satellitenkennungen für die Suchdurchläufe gewählt, deren Sender sich bekanntermaßen auf nahezu senkrecht aufeinander stehenden Umlaufbahnen bewegen. Durch diese Maßnahme werden schon nach dem ersten Search-Set mit hoher Wahrscheinlichkeit erfolgreich zu empfangende Satelliten gefunden.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen ist eine vorteilhafte Weiterbildung und Verbesserung des im unabhängigen Patentanspruch angegebenen Verfahrens möglich.

Besonders vorteilhaft ist es, daß nach dem Auffinden des ersten aktiven Senders die Übertragung der gesamten Senderkenndaten begonnen wird und daß nach vollständiger Übertragung dieser Senderkenndaten die aktuelle Folge von Senderkennungen, die aktuelle Liste der Search-Sets, errechnet wird, die beim nächsten Kaltstart des Empfängers verwendet werden kann. Bei der Berechnung der aktuellen Liste der Search-Sets ist es wiederum vorteilhaft, daß die Bewegungsebenen der Sender nahezu senkrecht aufeinander liegen. So erhöht sich die statistische Wahrscheinlichkeit, daß bei einem Kaltstart möglichst schnell, zu empfangende Sender gefunden werden.

Weiterhin ist es von Vorteil, daß nach dem Auffinden erster empfangbarer Satelliten und der damit verbundenen Reduzierung der Anzahl von frei verfügbaren Empfängerkanälen die Search-Sets auch teilweise geladen und abgearbeitet werden. In diesem Fall werden aus der Liste der Search-Sets eine der Anzahl der Empfängerkanäle entsprechende Zahl von Satellitenkennungen geladen und den freien Empfängerkanälen zugewiesen. Es ist dafür zu sorgen, daß alle Satellitenkennungen in der Reihenfolge, die durch die Liste der Search-Sets festgelegt ist, abgearbeitet werden.

In einem abschließenden Verfahrensschritt wird die Berechnung der Suchfolgen in einem residenten Speicher abgelegt, damit bei der nächsten Initialisierung des Empfängers sofort auf ein erstes, aktualisiertes Search-Set zurückgegriffen werden kann. Das Verfahren hat den Vorteil, daß die Kaltstartzeit, die "Time to first fix"-Zeit verkürzt wird. Dadurch werden die Navigationsdaten des Empfängers nach dem Einschalten schneller verfügbar. Durch die Aktualisierung der Suchdaten ist eine schnelle und problemlose Anpassung des Empfängers an die tatsächlichen Gegebenheiten der Sender möglich. Es ist sehr einfach, auf den Ausfall eines Satellitensenders oder den Austausch eines Satelliten zu reagieren.

Es von Vorteil, daß die im Speicher hinterlegten Daten des Search-Sets nicht nur nach jedem Kaltstart, sondern in vorgegebenen Zeitabständen aktualisiert werden.

Weiterhin ist es möglich, die gespeicherten Daten durch Informationen über Initialposition und letztem verwendeten Satz von Senderkennungen zu erweitern. Dadurch ist eine noch schnellere Initialisierung des Empfängers möglich.

Der erfindungsgemäße Empfänger mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs hat den Vorteil, daß eine Liste von Search-Sets im Empfänger abgelegt wird, wobei die Senderkennungen der einzelnen Search-Sets zu Sendern gehören, die sich in nahezu senkrecht aufeinander stehenden Bahnebenen bewegen.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen ist eine vorteilhafte Weiterbildung und Verbesserung des im unabhängigen Anspruch angegebenen Empfängers möglich. Es ist von Vorteil, daß der Empfänger Mittel aufweist, die zur Berechnung einer aktuellen Liste von Search-Sets dienen.

Weiterhin ist es von Vorteil, daß im Empfänger die aktuellen Search-Sets gespeichert werden können.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 Satellitenbahnen, Fig. 2 die Einteilung der Satelliten auf den unterschiedlichen Bahnen, Fig. 3 die Kennung der Satelliten, Fig. 4 der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens und Fig. 5 einen erfindungsgemäßen Empfänger.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel verwendet zur Positionsbestimmung die NAVSTAR GPS-Satelliten. Fig. 1 zeigt den Verlauf der Bahnen, auf denen jeweils vier Satelliten positioniert sind. Es stehen bei NAVSTAR somit 24 Satelliten aktuell als Sender zur Verfügung. Fig. 2 zeigt die aktuelle Verteilung der Satelliten auf den jeweiligen Satellitenbahnen A bis F im Juni 1996. Die jeweils vier Satelliten befinden sich auf einer Umlaufbahn, deren Ebene um 60° gegenüber der Äquatorebene geneigt ist. Der Winkel zwischen den einzelnen Ebenen beträgt ebenfalls 60° und ist über der R-Achse aufgetragen. Die einzelnen Satelliten können nach Fig. 3 durch ihren unterschiedlichen PRN-Code im Empfänger identifiziert werden. Für den Kaltstart nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wählt man aus den PRN-Nummern für die Search-Sets möglichst senkrecht aufeinander stehende Ebenen und dabei sämtliche Satelliten dieser Ebene aus. So hat man auch, ohne Kenntnis der Initialposition, an jedem Punkt der Erde die größtmögliche Wahrscheinlichkeit, mindestens einen sichtbaren Satelliten dieses Sets zu empfangen. Für einen Achtkanalempfänger könnte das erste Search-Set z. B. aus Satelliten der Ebene C und A, das zweite Search-Set aus den Satelliten der Ebene B und D und das dritte Search-Set aus den Satelliten der Ebene E und F bestehen.

Eine typische Initialisierung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in Fig. 4 dargestellt. Nach dem Einschalten des GPS-Empfängers 1 beginnt der Startmodus 2. Hier muß zunächst unterschieden werden, ob ein Warmstart W oder ein Kaltstart K vorliegt. Nach einem Warmstart kann der Empfänger aufgrund der Betriebsparameter gezielt auf die Suche nach Satelliten gehen, was aber nicht den Gegenstand der Erfindung betrifft. Nach dem Kaltstart K befinden sich keine aktuellen Betriebsparameter, und aktuelle Satellitenkennungen im Speicher. Daher liest der Empfänger aus seinem residenten Speicher ein erstes nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgebautes Search-Set 4 aus. Mit Hilfe des ersten Search-Set 4, das bei einem Achtkanalempfänger aus acht PRN-Nummern von möglichen Satellitensendern besteht, beginnt die Suche 5 nach einem Satelliten, der für den Empfänger sichtbar ist. Sobald der Empfänger das Signal des ersten Satelliten empfangen hat, beginnt er mit der Abfrage der aktuellen Almanach-Daten 6. Die Almanach-Daten enthalten alle aktuellen Bahn- und Betriebsparameter der aktiven Satelliten. Der erste aktive Satellit überträgt an den Empfänger fünf Datenrahmen, wovon die ersten drei Datenrahmen Informationen über Position, Absolutzeit usw. enthalten. Im vierten Datenrahmen wird der Almanach übertragen. Die Informationen über die einzelnen Satelliten werden in fünf Unterrahmen übertragen, wobei die Übertragungsrate 50 Baud beträgt. Die Übertragung der Daten für insgesamt 32 mögliche Satellitenkennungen, von denen entsprechend der Systemspezifikation im Regelfall 24 Satellitenkennungen den aktiven Satelliten zugewiesen sind, benötigt maximal 12,5 Minuten. Aus dem Almanach berechnet der Empfänger anschließend die aktuelle Belegung der verschiedenen Bahnebenen durch die Satelliten, und generiert nach dem erfindungsgemäßen Verfahren die Liste der gültigen Search-Sets 7.

Nach der Berechnung der aktuellen Search-Sets aus den aktuellen Almanach-Daten werden die so berechneten Sets im residenten Speicher 8 abgelegt. Der Empfänger beginnt nun seinen stationären Betrieb 9 bis zum Abschalten. Die aktuellen Daten müssen während des Betriebs des Empfängers nicht aktualisiert werden. Erst beim nächsten Kaltstart werden die Search-Sets anhand des aktuellen Almanachs der Satelliten aktualisiert. Eine weitere Ausführungsform ermöglicht es, eine zyklische Wiederholung der Berechnung für Search-Sets, z. B. alle 24 Stunden durchzuführen. Damit auch für GPS-Empfänger im Dauerbetrieb die Generierung von aktuellen adaptiven Search-Sets sichergestellt. Zusätzlich zu der hier dargelegten Berechnung und residenten Speicherung von Search-Sets ist auch die residente Speicherung von Initialposition und Almanach aus dem jeweils letzten Betrieb mit Ausgabe der Navigationsdaten des GPS-Empfängers denkbar. In diesem Fall können bei einem späteren Kaltstart nach Empfang des ersten Satelliten sofort benachbarte Satelliten aus dem resident gespeicherten Almanach berechnet und eine gezielte Suche gestartet werden. Mit einer solchen Ausführungsform wird die lange Aquisitionsphase der Übertragung des Almanachs abgekürzt. Nach einer längeren Betriebspause besteht in diesem Fall jedoch die Möglichkeit, daß der Almanach mehr oder weniger veraltet ist. Daher müssen Entscheidungskriterien für die Verwendung alter Almanach-Daten berücksichtigt werden. Ein Kriterium ist z. B. der Zeitraum, indem der Empfänger nicht aktiv war. Man kann sich vorstellen, daß innerhalb eines Tages oder einer Woche auf die Betriebsdaten, nach dieser Zeit auf die gespeicherten Search-Sets zugegriffen werden wird.

Nach Fig. 5 empfängt der Empfänger 13 Signale 14 der Satelliten. Die Empfangseinheit 10 gibt die Signale an eine Auswerteeinheit 11 weiter. Dort werden die aktuellen Search-Sets berechnet und im Speicher 12 abgelegt. Bei einem Neustart kann auf die Folgen von Kennungen im Speicher 12 zurückgegriffen werden. Die Ergebnisse der Positionsbestimmung, die von der Auswerteeinheit berechnet werden, können grafisch ausgegeben 15 werden oder gehen zur weiteren Verarbeitung in ein Navigationssystem ein.

Es ist auch eine Ausgestaltung des Verfahrens denkbar, mit dem Informationen des Almanach bereits genutzt werden, während der Almanach noch übertragen wird. Werden z. B. Bahndaten eines benachbarten Satelliten zu einem bereits empfangenen Satelliten frühzeitig empfangen, so kann mit einem Empfängerkanal mit der gezielten Suche nach diesem Satelliten begonnen werden, während mit den restlichen Empfangskanälen weiterhin mit der durch die Search-Sets festgelegten Reihenfolgen gesucht wird.

Claims

1. Verfahren zur Initialisierung eines Empfängers (13) von globalen Positionssignalen nach dem Einschalten, wobei der Empfänger (13) mehrere Folgen von Senderkennungen in einem nichtflüchtigen Speicher (12) für die Suche nach zu empfangenden Sendern (14) enthält, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Folgen von Senderkennungen aus dem Speicher (12) abgearbeitet werden, wobei die Kennungen jeder einzelnen Folge von Sendern stammen, die sich in nahezu senkrecht aufeinander stehenden Ebenen um die Erde bewegen.

2. Verfahren zur Initialisierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach Auffinden des ersten zu empfangenden Senders zunächst aktuelle Senderkennungen und -daten aller anderen Sender übertragen werden, und anschließend daraus aktuelle Folgen von Senderkennungen berechnet werden, wobei die Senderebene der Sender in den einzelnen Folgen in etwa senkrecht zueinander liegen.

3. Verfahren zur Initialisierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach Berechnung der Folgen von Senderkennungen für die aktuell zu empfangenden Sender diese Folgen in einem residenten Speicher (12) abgelegt werden.

4. Verfahren zur Initialisierung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Empfänger (13) die Folgen teilweise und/oder nicht mit allen zur Verfügung stehenden Empfängerkanälen abgearbeitet werden.

5. Verfahren zur Initialisierung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger in fest vorgegebenen Zeitabständen initialisiert wird.

6. Verfahren zur Initialisierung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu den aktualisierten Folgen von Senderkennungen Initialisierungsdaten im Empfänger gespeichert werden.

7. Verfahren zur Initialisierung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß nach bestimmten Auswahlkriterien entweder auf die gespeicherten Folgen von Senderkennungen oder auf die Initialisierungsdaten zugegriffen wird.

8. Empfänger zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Folge von Senderkennungen in einem Speicher (12) abgelegt ist und vom Empfänger (13) bei der Initialisierung von einer Auswerteeinheit (11) abgearbeitet werden, wobei die Folgen von Senderkennungen von Sendern (14) stammen, die in nahezu senkrecht aufeinander stehenden Ebenen, positioniert sind.

9. Empfänger nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger eine Auswerteeinheit (11) aufweist, die eine Berechnung aktueller Folgen von Senderkennungen ermöglicht.