專(zhuān)利名稱(chēng)：Gps系統(tǒng)中g(shù)ps信號(hào)的快速捕獲的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，更具體說(shuō)，是涉及采用無(wú)線通信技術(shù)來(lái)增強(qiáng)信號(hào)檢測(cè)靈敏度的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。
衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，例如全球定位系統(tǒng)(GPS)，包括一組發(fā)送GPS信號(hào)的一個(gè)衛(wèi)星星座，該GPS信號(hào)能被無(wú)線終端用來(lái)確定該無(wú)線終端的位置。衛(wèi)星軌道被安排在多個(gè)平面內(nèi)，以便在地球上任何位置都能從至少四個(gè)衛(wèi)星接收該種信號(hào)。更典型的情形是，在地球上絕大多數(shù)地方都能從六個(gè)或八個(gè)衛(wèi)星接收該種信號(hào)。


圖1畫(huà)出現(xiàn)有技術(shù)的GPS系統(tǒng)100。在現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)100中，衛(wèi)星星座的一個(gè)或多個(gè)衛(wèi)星101，發(fā)送GPS信號(hào)102，被無(wú)線終端103接收。本領(lǐng)域熟知，定位操作通過(guò)從三個(gè)或更多衛(wèi)星接收GPS信號(hào)102而實(shí)現(xiàn)。確定位置的基本方法，是根據(jù)對(duì)每個(gè)衛(wèi)星獲知的時(shí)間差。對(duì)一個(gè)衛(wèi)星的時(shí)間差，是指GPS信號(hào)102從衛(wèi)星始發(fā)到被無(wú)線終端103接收所需的時(shí)間。當(dāng)三個(gè)衛(wèi)星的GPS信號(hào)102同時(shí)被接收，便能確定一個(gè)“兩維”(緯度和經(jīng)度)的位置。當(dāng)四個(gè)或更多衛(wèi)星的GPS信號(hào)102同時(shí)被接收，便能夠確定一個(gè)“三維”(緯度、經(jīng)度、和高度)的位置。
無(wú)線終端103通常包括GPS接收機(jī)105，它通過(guò)GPS天線107接收GPS信號(hào)102。GPS接收機(jī)105與每個(gè)衛(wèi)星之間的測(cè)量距離，稱(chēng)為“偽距離”，可根據(jù)相應(yīng)的信號(hào)傳播時(shí)間確定。因?yàn)楦餍l(wèi)星上的互同步時(shí)鐘與GPS接收機(jī)105內(nèi)的本機(jī)時(shí)鐘之間，通常存在時(shí)間偏差，所以該測(cè)量距離被稱(chēng)為偽距離。要確定一個(gè)三維的位置，需要求解代表時(shí)間偏差與代表無(wú)線終端103三維位置的四個(gè)未知數(shù)，至少需要四個(gè)GPS信號(hào)。
衛(wèi)星發(fā)送的GPS信號(hào)的性質(zhì)，本領(lǐng)域是熟知的。每個(gè)衛(wèi)星發(fā)送兩個(gè)擴(kuò)頻的L頻帶載波信號(hào)，稱(chēng)為L(zhǎng)1和L2信號(hào)。如果要消除電離層可能引起被發(fā)送信號(hào)折射的誤差，需要兩個(gè)信號(hào)。每個(gè)衛(wèi)星的L1信號(hào)，是用兩個(gè)90°相位差的偽隨機(jī)噪聲(PN)碼進(jìn)行二進(jìn)制相位鍵控(BPSK)調(diào)制的。偽隨機(jī)噪聲碼序列是一數(shù)列，因?yàn)橐呀?jīng)接收的數(shù)的知識(shí)，不能對(duì)預(yù)測(cè)下一個(gè)接收的數(shù)提供任何幫助，在這種意義下該數(shù)列是隨機(jī)的。此外，使用二進(jìn)制PN碼調(diào)制載波信號(hào)的相位，可以產(chǎn)生抑制載波的擴(kuò)頻信號(hào)。每個(gè)衛(wèi)星的L2信號(hào)只用一個(gè)PN碼進(jìn)行BPSK調(diào)制。PN碼的使用，允許同時(shí)利用多個(gè)GPS信號(hào)來(lái)確定接收機(jī)位置，并提供衛(wèi)星專(zhuān)用的導(dǎo)航信息。通過(guò)對(duì)某個(gè)特定衛(wèi)星的PN碼進(jìn)行發(fā)生操作和匹配操作，或稱(chēng)相關(guān)操作，可以選出該特定衛(wèi)星發(fā)送的GPS信號(hào)。一些PN碼是已知的，并且能在GPS接收機(jī)105中發(fā)生或存儲(chǔ)在GPS接收機(jī)105中。別的PN碼不為公眾所熟知。
每個(gè)衛(wèi)星的第一種熟知的PN碼，是“粗捕獲”碼或C/A碼。每個(gè)衛(wèi)星的第二種熟知的PN碼，是“精確”碼或P碼。C/A碼有助于快速GPS信號(hào)捕獲和轉(zhuǎn)移至P碼。C/A碼是相對(duì)短的，粗粒度的碼。C/A碼在它重復(fù)之前長(zhǎng)度較短。另一方面，P碼是相對(duì)長(zhǎng)的，細(xì)粒度的碼。完整的P碼長(zhǎng)度有259天，每個(gè)衛(wèi)星發(fā)送完整P碼唯一的一部分。一個(gè)給定衛(wèi)星發(fā)送的該部分P碼，在該部分重復(fù)之前，長(zhǎng)度精確地等于一星期。
在GPS接收機(jī)105中，與該已知C/A碼和P碼對(duì)應(yīng)的信號(hào)，可以按在衛(wèi)星中相同的方式產(chǎn)生。通過(guò)對(duì)準(zhǔn)相位，對(duì)從給定衛(wèi)星接收的L1和L2信號(hào)解調(diào)，即，用從該衛(wèi)星接收的碼來(lái)調(diào)整本機(jī)發(fā)生的碼的定時(shí)。為達(dá)到相位對(duì)準(zhǔn)，用本機(jī)發(fā)生的碼的復(fù)制本，與接收的GPS信號(hào)進(jìn)行相關(guān)操作，直至相關(guān)操作的輸出信號(hào)達(dá)到峰值。因?yàn)樾l(wèi)星發(fā)送PN碼序列的每個(gè)特定比特的時(shí)間是確定的，所以能用某個(gè)特定比特的接收時(shí)間作為到衛(wèi)星距離的測(cè)量。因?yàn)镃/A碼和P碼對(duì)每個(gè)衛(wèi)星是唯一的，可以根據(jù)接收的GPS信號(hào)與本機(jī)發(fā)生的C/A碼和P碼復(fù)制本之間的相關(guān)操作結(jié)果，識(shí)別某個(gè)特定的GPS衛(wèi)星。發(fā)生C/A碼和P碼的方法，在各種公開(kāi)可買(mǎi)到的出版物中都有敘述。
L1信號(hào)的C/A碼分量是供商業(yè)用的。已經(jīng)發(fā)展許多在GPS接收機(jī)中復(fù)制C/A碼的技術(shù)。因?yàn)镃/A碼近似每毫秒重復(fù)一次，在缺乏C/A碼每個(gè)比特的傳輸時(shí)間的精確知識(shí)情形下，也可以在GPS接收機(jī)上進(jìn)行相關(guān)操作。P碼的捕獲，一般首先要鎖定在C/A碼上才能獲得。一旦已經(jīng)獲得了C/A碼，單用L1信號(hào)載波的C/A碼調(diào)制載波分量，就可以給出滿意的測(cè)量。但是，當(dāng)要求作快速的高分解力的測(cè)量時(shí)，還必須再用L2載波信號(hào)。當(dāng)L1和L2載波兩個(gè)都使用時(shí)，可以確定L1和L2載波未知的大氣延時(shí)。
借助本機(jī)發(fā)生的每種碼的復(fù)制本，包括P碼和C/A碼，與每個(gè)輸入信號(hào)的相關(guān)操作，可以恢復(fù)GPS信號(hào)。當(dāng)調(diào)制信號(hào)是與P碼或C/A碼匹配的PN碼序列時(shí)，該相關(guān)操作的結(jié)果使GPS信號(hào)中的載波全部恢復(fù)。在時(shí)間上調(diào)整本機(jī)發(fā)生的PN碼，以給出與輸入信號(hào)最佳的相關(guān)操作。于是，相關(guān)操作的輸出是以載波頻率為中心的單個(gè)窄帶峰。相關(guān)操作恢復(fù)的載波給出最好的可用信噪比。
獲得GPS導(dǎo)航性能的關(guān)鍵，是處理一個(gè)或多個(gè)每一個(gè)都載運(yùn)著粗捕獲碼的GPS信號(hào)，以完成這些GPS信號(hào)的碼捕獲。
有兩種眾所周知的途徑用于C/A碼捕獲處理在頻域內(nèi)的碼捕獲和在時(shí)域內(nèi)的碼捕獲。頻域碼捕獲方案以快速Fourier變換為基礎(chǔ)。時(shí)域碼捕獲方案是把輸入GPS碼與本機(jī)復(fù)制碼在一個(gè)碼片內(nèi)對(duì)準(zhǔn)的過(guò)程，或等價(jià)地說(shuō)，是在約一微秒內(nèi)對(duì)準(zhǔn)的過(guò)程，因?yàn)镚PS C/A碼的碼片率是1.023MHz。
對(duì)常規(guī)的無(wú)線終端，要在時(shí)域取得碼捕獲，通常要進(jìn)行許多次相關(guān)操作，每次都要在一個(gè)可能的Doppler頻率上搜索一個(gè)可能的碼相位。在一個(gè)C/A PN碼中，總共有1023個(gè)碼片，而GPS信號(hào)的Doppler頻率范圍在(-5000,+5000)Hz。因此，碼相位搜索步驟的最大數(shù)目是2046，而Doppler搜索步驟的最大數(shù)目是200。對(duì)每次搜索步驟，可以把碼相位增加半個(gè)碼片，或者可以把Doppler頻率增加500Hz。結(jié)果是，捕獲時(shí)間正比于碼相位搜索步驟數(shù)與載波頻率搜索步驟數(shù)的乘積。
如果衛(wèi)星的Doppler頻率已知或能夠預(yù)測(cè)，可以在時(shí)域和頻域兩種途徑上，用已知或預(yù)測(cè)的Doppler頻率來(lái)縮減信號(hào)檢測(cè)的捕獲時(shí)間。如果衛(wèi)星的碼相位或距離已知或能夠預(yù)測(cè)，只要無(wú)線終端已建立精確的定時(shí)基準(zhǔn)，則已知或預(yù)測(cè)的碼相位或距離，對(duì)時(shí)域碼捕獲方案是很有用的。但是，頻域碼捕獲方案不依賴(lài)于衛(wèi)星的碼相位信息，因而加于無(wú)線終端的計(jì)算量比時(shí)域碼捕獲方案更為繁重。此外，無(wú)線終端用頻域碼捕獲方案找出自身位置，要花更長(zhǎng)時(shí)間。
本發(fā)明提出一種改進(jìn)的碼捕獲方案，用于更快速捕獲GPS“粗捕獲”(C/A)碼。該C/A碼的更快速捕獲，導(dǎo)致GPS信號(hào)的更快速檢測(cè)，從而使無(wú)線終端以更短的時(shí)間確定它的位置。提出的方案是時(shí)域碼捕獲方案與頻域碼捕獲方案的組合。提出的方案用頻域碼捕獲技術(shù)檢測(cè)一個(gè)GPS信號(hào)和建立精確的定時(shí)基準(zhǔn)，然后，用時(shí)域碼捕獲技術(shù)更快速地檢測(cè)同一衛(wèi)星或其他衛(wèi)星的其他GPS信號(hào)。提出的方案的優(yōu)點(diǎn)是能供任何無(wú)線通信系統(tǒng)使用，而無(wú)需在該無(wú)線終端維持一個(gè)精確的定時(shí)基準(zhǔn)，也無(wú)需繁重的計(jì)算資源，該種計(jì)算資源通常用頻域碼捕獲方案的系統(tǒng)是必須的。
按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，提供一種無(wú)線GPS信息服務(wù)器(WGIS)，該服務(wù)器通過(guò)無(wú)線的或陸線的鏈路與無(wú)線終端通信。WGIS維護(hù)有關(guān)視野內(nèi)所有衛(wèi)星的信息。該信息包括每個(gè)衛(wèi)星的被調(diào)制在相應(yīng)GPS信號(hào)上的導(dǎo)航數(shù)據(jù)。然后，WGIS用導(dǎo)航數(shù)據(jù)流和解調(diào)的導(dǎo)航數(shù)據(jù)的已知特性，預(yù)測(cè)一個(gè)或多個(gè)碼相位(或等價(jià)地預(yù)測(cè)的距離)和一個(gè)或多個(gè)Doppler頻率。然后，該服務(wù)器把預(yù)測(cè)的碼相位和預(yù)測(cè)的Doppler頻率轉(zhuǎn)發(fā)至無(wú)線終端。
無(wú)線終端用頻域的常規(guī)碼捕獲技術(shù)，檢測(cè)至少一個(gè)GPS信號(hào)。從WGIS接收的預(yù)測(cè)的Doppler頻率，通過(guò)令頻率搜索倉(cāng)(bin)變窄，促進(jìn)該檢測(cè)過(guò)程。在檢測(cè)了一個(gè)衛(wèi)星的一個(gè)GPS信號(hào)之后，就測(cè)量了該GPS信號(hào)的碼相位或無(wú)線終端到衛(wèi)星的偽距離。然后計(jì)算從WGIS接收的先前預(yù)測(cè)的碼相位與實(shí)際測(cè)量的碼相位之差。然后，根據(jù)已知GPS信號(hào)頻率，把碼相位之差轉(zhuǎn)換為時(shí)間單位。例如，碼相位的1023個(gè)碼片等于1ms的時(shí)間。然后，用計(jì)算的時(shí)間單位調(diào)整無(wú)線終端的時(shí)間基準(zhǔn)，建立精確的定時(shí)基準(zhǔn)。
于是，無(wú)線終端可以把精確的定時(shí)基準(zhǔn)用于時(shí)域碼捕獲技術(shù)，以相對(duì)短的時(shí)間檢測(cè)同一衛(wèi)星或其他衛(wèi)星的其他GPS信號(hào)。該其他GPS信號(hào)可以是先前存儲(chǔ)的GPS信號(hào)或后續(xù)GPS信號(hào)。一般說(shuō)，WGIS提供給無(wú)線終端的衛(wèi)星Doppler頻率，誤差小于50Hz。這樣，無(wú)線終端的碼捕獲過(guò)程，不再需要把所有可能的頻率都嘗試的步驟。捕獲時(shí)間的縮減正比于碼相位搜索的實(shí)際步驟數(shù)。此外，WGIS還向無(wú)線終端提供衛(wèi)星的碼相位信息，因而，無(wú)線終端只需在定時(shí)精度限定的可能碼相位內(nèi)搜索。因此，該無(wú)線終端的優(yōu)點(diǎn)是更快速的碼捕獲和更低的計(jì)算要求。例如，如果無(wú)線終端已建立準(zhǔn)確到幾微秒級(jí)的精確的本機(jī)定時(shí)基準(zhǔn)，該無(wú)線終端需要搜索的GPS信號(hào)只在少數(shù)碼相位碼片之內(nèi)，從而，無(wú)線終端可以在較短的時(shí)間內(nèi)獲得后續(xù)GPS信號(hào)。
在另一個(gè)實(shí)施方案中，碼相位和Doppler頻率的預(yù)測(cè)由無(wú)線終端內(nèi)提供。在該實(shí)施例中，WGIS接收GPS信號(hào)，把GPS信號(hào)上被調(diào)制的導(dǎo)航數(shù)據(jù)解調(diào)，并把解調(diào)的導(dǎo)航數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至無(wú)線終端。無(wú)線終端從WGIS接收解調(diào)的導(dǎo)航數(shù)據(jù)，并預(yù)測(cè)一個(gè)碼相位和一個(gè)Doppler頻率。剩余的步驟是在頻域檢測(cè)GPS信號(hào)、測(cè)量實(shí)際的碼相位、比較預(yù)測(cè)的碼相位與實(shí)際的碼相位、計(jì)算兩種碼相位之差、把碼相位之差轉(zhuǎn)換為時(shí)間單位、建立精確的定時(shí)基準(zhǔn)、以及在時(shí)域檢測(cè)其他GPS信號(hào)，這些步驟依舊與第一實(shí)施例相同。
本發(fā)明的其他的方面、性能、和優(yōu)點(diǎn)，從下面詳細(xì)的敘述、附于后面的權(quán)利要求書(shū)、以及附圖，將變得更加清楚，附圖有圖1畫(huà)出現(xiàn)有技術(shù)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；圖2畫(huà)出按照本發(fā)明一個(gè)示例性實(shí)施例的無(wú)線衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；圖3是方框圖，按照本發(fā)明第一實(shí)施例畫(huà)出無(wú)線GPS信息服務(wù)器(WGIS)的主要部件；圖4是方框圖，按照本發(fā)明第一實(shí)施例畫(huà)出無(wú)線終端的主要部件；圖5是方框圖，按照本發(fā)明第二實(shí)施例畫(huà)出WGIS的主要部件；圖6是方框圖，按照本發(fā)明第二實(shí)施例畫(huà)出無(wú)線終端的主要部件；
圖7是流程圖，畫(huà)出本發(fā)明第一實(shí)施例中涉及的各個(gè)步驟；和圖8是流程圖，畫(huà)出本發(fā)明第二實(shí)施例中涉及的各個(gè)步驟；圖2按照本發(fā)明一個(gè)示例性實(shí)施例，畫(huà)出無(wú)線衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)200。無(wú)線衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)200包括常規(guī)的衛(wèi)星星座(即多個(gè)GPS衛(wèi)星101)，無(wú)線終端203，和無(wú)線GPS信息服務(wù)器(WGIS)205。衛(wèi)星星座101最好是GPS系統(tǒng)，該系統(tǒng)本領(lǐng)域是眾所周知的。本領(lǐng)域熟練人員將了解在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)而不是GPS系統(tǒng)下如何實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。
WGIS205通過(guò)電信鏈路204與無(wú)線終端203通信，該電信鏈路可以是無(wú)線鏈路或陸線鏈路。本示例性實(shí)施例的一個(gè)目的是建立精確的定時(shí)基準(zhǔn)，使系統(tǒng)中的無(wú)線終端不用另外維持精確的定時(shí)基準(zhǔn)而能進(jìn)行時(shí)域碼捕獲處理。
按照該示例性實(shí)施例，無(wú)線終端203對(duì)信號(hào)捕獲和信號(hào)處理的要求，因使用WGIS 205而降低。具體說(shuō)，要求常規(guī)無(wú)線終端執(zhí)行的GPS碼捕獲和GPS信號(hào)處理的任務(wù)，在無(wú)線終端203和WGIS205之間分擔(dān)。在完成無(wú)線終端203與WGIS205之間處理任務(wù)分擔(dān)的部分時(shí)，如果需要，部分處理過(guò)的信號(hào)的信息能夠通過(guò)電信鏈路204在該兩者之間來(lái)回交換。
因?yàn)槊總€(gè)衛(wèi)星101發(fā)送的GPS信號(hào)載運(yùn)著衛(wèi)星的位置數(shù)據(jù)及有關(guān)時(shí)鐘定時(shí)信息，所以能夠把處理任務(wù)在無(wú)線終端203與WGIS 205之間分配。更具體說(shuō)，GPS信號(hào)被數(shù)字信息調(diào)制，調(diào)制方式類(lèi)似于例如蜂窩電話的無(wú)線電信號(hào)被語(yǔ)音數(shù)據(jù)調(diào)制。該信息能被任何適合于檢測(cè)和解調(diào)的接收機(jī)所檢測(cè)和解調(diào)。通過(guò)該接收機(jī)重建的位置數(shù)據(jù)，是發(fā)射機(jī)用于調(diào)制信號(hào)的信息的精確復(fù)制本(除因噪聲、失真等引起的可能誤差外)，且對(duì)所有接收機(jī)是一樣的，不管它們的位置在何處。該位置數(shù)據(jù)將被稱(chēng)為“關(guān)于衛(wèi)星的天文歷信息”。
在GPS系統(tǒng)中，GPS信號(hào)的定時(shí)內(nèi)還有重要的信息。正在發(fā)送的衛(wèi)星按照一些精確的基準(zhǔn)，小心地調(diào)整被發(fā)送的GPS信號(hào)的定時(shí)，使該信號(hào)的定時(shí)被無(wú)線終端接收時(shí)，載運(yùn)著關(guān)于正在發(fā)送的衛(wèi)星與該無(wú)線終端之間的距離信息。從一個(gè)終端到另一個(gè)終端，該信息是不同的，且只能供該無(wú)線終端自身使用。該信息將被稱(chēng)為“測(cè)距信息”。
例如，因?yàn)槊總€(gè)衛(wèi)星101發(fā)送包含有關(guān)無(wú)線終端203及WGIS205兩者的兩類(lèi)信息的GPS信號(hào)102，所以，WGIS205能夠獲得一些或全部有關(guān)衛(wèi)星天文歷的信息，雖然WGIS205獲得的測(cè)距信息只與WGIS205的位置有關(guān)，而與無(wú)線終端203的位置無(wú)關(guān)。
但是，WGIS205可以大致知道無(wú)線終端203的位置(例如，通過(guò)無(wú)線終端所在小區(qū)和扇區(qū)獲知)。因此，WGIS205可以把該知識(shí)與已獲得的測(cè)距信息及衛(wèi)星的天文歷信息結(jié)合，預(yù)測(cè)供無(wú)線終端203使用的測(cè)距信息(特別是預(yù)測(cè)供無(wú)線終端203使用的碼相位和Doppler頻率)。這些預(yù)測(cè)，連同衛(wèi)星的天文歷信息，通過(guò)電信鏈路204發(fā)送至無(wú)線終端203，幫助無(wú)線終端203縮減其他GPS信號(hào)的信號(hào)捕獲時(shí)間。
由于使無(wú)線終端203從獲取一些或全部關(guān)于衛(wèi)星天文歷信息的任務(wù)中解放出來(lái)，又輕易地得到預(yù)測(cè)的測(cè)距信息，因而，無(wú)線終端203能夠用預(yù)測(cè)信息建立精確的定時(shí)基準(zhǔn)，然后利用時(shí)域的碼捕獲技術(shù)，以較短的時(shí)間獲取其他GPS信號(hào)。
圖3是方框圖，按照本發(fā)明第一實(shí)施例畫(huà)出WGIS205的主要部件。在該實(shí)施例中，WGIS205包括GPS天線209、GPS接收機(jī)301、粗位置預(yù)測(cè)器303、衛(wèi)星可見(jiàn)性預(yù)測(cè)器305、Doppler預(yù)測(cè)器307、碼相位預(yù)測(cè)器309、電信系統(tǒng)管理器311、和電信收發(fā)器313。
一般說(shuō)，WGIS205使用它的GPS接收機(jī)301(或另外的GPS接收機(jī)網(wǎng)絡(luò)(未畫(huà)出))，按熟知的方式用粗捕獲(C/A)碼，也可能用精確(P)碼，從水平面以上的每個(gè)衛(wèi)星獲取測(cè)距信息和關(guān)于該衛(wèi)星的天文歷信息。在處理獲得的測(cè)距和衛(wèi)星天文歷信息時(shí)，除別的事項(xiàng)外，WGIS205還用它的GPS接收機(jī)301確定(1)每個(gè)衛(wèi)星的50-bps被調(diào)制的比特流，(2)在水平面以上(相對(duì)于終端)的衛(wèi)星的標(biāo)識(shí)，(3)每個(gè)衛(wèi)星的PN同步(即每個(gè)衛(wèi)星發(fā)送的PN碼的準(zhǔn)確定時(shí))，和(4)每個(gè)衛(wèi)星的Doppler頻移。
當(dāng)WGIS205是一無(wú)線電信系統(tǒng)的一部分時(shí)，該電信系統(tǒng)又把某個(gè)地理區(qū)域劃分為許多稱(chēng)為“小區(qū)”的鑲嵌區(qū)域，那么，WGIS205知道無(wú)線終端203是在哪一個(gè)小區(qū)，從而知道其位置精確到幾英里之內(nèi)。電信系統(tǒng)管理器311把無(wú)線終端203所在的小區(qū)通知粗位置預(yù)測(cè)器303。粗位置預(yù)測(cè)器303使用電信系統(tǒng)管理器311提供的信息，預(yù)測(cè)無(wú)線終端203位置的經(jīng)度和緯度。
對(duì)來(lái)自水平面以上的衛(wèi)星101的每個(gè)GPS信號(hào)，GPS接收機(jī)301確定信號(hào)的準(zhǔn)確到達(dá)時(shí)間(即它的PN同步)。GPS接收機(jī)301對(duì)每個(gè)獲得的信號(hào)解調(diào)，恢復(fù)其50-bps被調(diào)制的比特流。衛(wèi)星可見(jiàn)性預(yù)測(cè)器305從收到的被調(diào)制的比特流抽取衛(wèi)星天文歷信息，并根據(jù)粗位置預(yù)測(cè)器303預(yù)測(cè)的緯度及經(jīng)度，估算無(wú)線終端203在其位置上可見(jiàn)到哪一個(gè)衛(wèi)星。Doppler預(yù)測(cè)器307根據(jù)預(yù)測(cè)的無(wú)線終端203的緯度及經(jīng)度，預(yù)測(cè)供無(wú)線終端203使用的Doppler頻率。類(lèi)似地，碼相位預(yù)測(cè)器309根據(jù)從50-bps被調(diào)制的比特流抽取的衛(wèi)星天文歷信息，預(yù)測(cè)供無(wú)線終端203使用的碼相位。
在經(jīng)過(guò)WGIS 205處理的至少一個(gè)GPS信號(hào)上，電信收發(fā)器313在電信信道204上向無(wú)線終端203發(fā)送(1)預(yù)測(cè)的碼相位，(2)預(yù)測(cè)的Doppler頻率，和(3)解調(diào)的50-bps被調(diào)制的比特流。該類(lèi)信息統(tǒng)稱(chēng)“導(dǎo)航消息數(shù)據(jù)”。
圖4是方框圖，畫(huà)出無(wú)線終端203的主要部件，包括GPS天線207、GPS接收機(jī)401、處理器403、定時(shí)校正器405、和電信收發(fā)器407。最好是，但不是必須，無(wú)線終端203能執(zhí)行所有與典型無(wú)線終端(如蜂窩電話)有關(guān)的功能。此外，無(wú)線終端最好能具有與WGIS205雙向通信的能力。無(wú)線終端203通過(guò)電信收發(fā)器407接收WGIS205發(fā)送的導(dǎo)航消息數(shù)據(jù)，把導(dǎo)航消息數(shù)據(jù)傳送至處理器403。無(wú)線終端203還通過(guò)GPS接收機(jī)401，從可見(jiàn)的衛(wèi)星接收直接序列擴(kuò)頻C/A碼信號(hào)。然后，無(wú)線終端203在WGIS205提供的衛(wèi)星Doppler頻率幫助下，用常規(guī)的頻域碼捕獲技術(shù)檢測(cè)GPS信號(hào)之一。
處理器403計(jì)算與檢測(cè)的GPS信號(hào)有關(guān)的實(shí)際的碼相位。然后，處理器403把該碼相位與WGIS205提供的預(yù)測(cè)碼相位比較，計(jì)算實(shí)際碼相位與預(yù)測(cè)碼相位之差。然后，處理器403把實(shí)際碼相位與預(yù)測(cè)碼相位之差轉(zhuǎn)換為時(shí)間單位，并把該信息轉(zhuǎn)發(fā)至定時(shí)校正器405。定時(shí)校正器405用計(jì)算的時(shí)間單位，調(diào)整無(wú)線終端內(nèi)保持的本機(jī)時(shí)鐘的定時(shí)，建立精確的定時(shí)基準(zhǔn)。
之后，無(wú)線終端便能使用時(shí)域碼捕獲技術(shù)來(lái)檢測(cè)其他GPS信號(hào)，該信號(hào)可以對(duì)應(yīng)于同一個(gè)衛(wèi)星，也可以對(duì)應(yīng)于不同的衛(wèi)星。
圖5按照本發(fā)明第二實(shí)施例，畫(huà)出WGIS205的主要部件。在該實(shí)施例中，WGIS205包括GPS天線209、GPS接收機(jī)501、粗位置預(yù)測(cè)器503、衛(wèi)星可見(jiàn)性預(yù)測(cè)器505、電信系統(tǒng)管理器511、和電信收發(fā)器513，其中每一個(gè)執(zhí)行的功能，與圖3第一實(shí)施例中WGIS205的相應(yīng)部件相似。但是，在第二實(shí)施例中，電信收發(fā)器513通過(guò)電信鏈路204，把解調(diào)的50-bps比特流和預(yù)測(cè)的無(wú)線終端位置轉(zhuǎn)發(fā)至無(wú)線終端203。
圖6按照本發(fā)明第二實(shí)施例，畫(huà)出無(wú)線終端203的主要部件。無(wú)線終端203包括GPS天線207、GPS接收機(jī)601、處理器603、定時(shí)校正器605、電信收發(fā)器607、Doppler預(yù)測(cè)器609、和碼相位預(yù)測(cè)器611。電信收發(fā)器607從WGIS205接收已解調(diào)的50-bps比特流和無(wú)線終端的近似位置，而預(yù)測(cè)器609和611分別利用該信息，預(yù)測(cè)碼相位和Doppler頻率。
GPS接收機(jī)601利用頻域碼捕獲技術(shù)檢測(cè)GPS信號(hào)，并把GPS信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)至處理器603，后者確定實(shí)際的碼相位。然后，處理器603比較預(yù)測(cè)的碼相位與實(shí)際的碼相位，確定該兩個(gè)碼相位的差。然后，處理器603把兩個(gè)碼相位的差轉(zhuǎn)換為時(shí)間單位，同時(shí)，定時(shí)校正器605調(diào)整無(wú)線終端內(nèi)的本機(jī)時(shí)鐘，建立精確的定時(shí)基準(zhǔn)。
圖7是流程圖，按照與圖3-4對(duì)應(yīng)的本發(fā)明第一實(shí)施例，畫(huà)出涉及GPS信號(hào)捕獲的各個(gè)步驟。在該方法中，WGIS接收GPS信號(hào)(步驟701)，確定衛(wèi)星的天文歷信息(步驟703)。WGIS還根據(jù)無(wú)線終端所在的小區(qū)及扇區(qū)，計(jì)算無(wú)線終端的近似位置(步驟705)。然后，WGIS預(yù)測(cè)供該無(wú)線終端使用的碼相位和Doppler頻率(步驟707)。然后，WGIS把預(yù)測(cè)的碼相位和預(yù)測(cè)的Doppler頻率轉(zhuǎn)發(fā)至無(wú)線終端(步驟709)。
無(wú)線終端通過(guò)它的GPS接收機(jī)接收預(yù)測(cè)的碼相位和Doppler頻率，還用頻域碼捕獲技術(shù)檢測(cè)來(lái)自相應(yīng)衛(wèi)星的GPS信號(hào)(步驟711)。預(yù)測(cè)的Doppler頻率有助于GPS信號(hào)的檢測(cè)。然后，無(wú)線終端計(jì)算與被檢測(cè)的GPS信號(hào)有關(guān)的實(shí)際的碼相位(步驟713)。然后，無(wú)線終端比較實(shí)際的碼相位與預(yù)測(cè)的碼相位，找出兩個(gè)碼相位之差(步驟715)。然后，無(wú)線終端把碼相位之差轉(zhuǎn)換為時(shí)間單位(步驟717)并用計(jì)算的時(shí)間單位調(diào)整它的定時(shí)，建立精確的定時(shí)基準(zhǔn)(步驟719)。這樣，無(wú)線終端便能用時(shí)域碼捕獲技術(shù)檢測(cè)其他的GPS信號(hào)(步驟721)。其他的GPS信號(hào)可以對(duì)應(yīng)于同一衛(wèi)星，也可以對(duì)應(yīng)于不同的衛(wèi)星。
圖8按照與圖5-6對(duì)應(yīng)的本發(fā)明第二實(shí)施例，畫(huà)出有關(guān)的各個(gè)步驟。WGIS接收GPS信號(hào)(步驟801)，確定衛(wèi)星的天文歷信息(步驟803)。WGIS還計(jì)算無(wú)線終端的近似位置(步驟805)。然后，WGIS把衛(wèi)星的天文歷信息和近似位置信息轉(zhuǎn)發(fā)至無(wú)線終端(步驟807)。
無(wú)線終端利用衛(wèi)星天文歷和近似位置信息，預(yù)測(cè)碼相位和Doppler頻率(步驟809)。無(wú)線終端還用頻域碼捕獲技術(shù)檢測(cè)GPS信號(hào)(步驟811)，并計(jì)算實(shí)際的碼相位(步驟813)。圖8中的步驟815-821，與圖7的步驟715-721類(lèi)似，這些步驟計(jì)算實(shí)際碼相位與預(yù)測(cè)的碼相位之差，并建立精確的定時(shí)基準(zhǔn)。如在圖7一樣，無(wú)線終端于是能用時(shí)域碼捕獲技術(shù)檢測(cè)其他GPS信號(hào)。
在圖7和8兩個(gè)實(shí)施例中，可以說(shuō)，WGIS把“定時(shí)基準(zhǔn)輔助信息”發(fā)送至無(wú)線終端。在圖7的實(shí)施例中，定時(shí)基準(zhǔn)輔助信息包括預(yù)測(cè)的碼相位和預(yù)測(cè)的Doppler頻率，在該實(shí)施例中，WGIS根據(jù)無(wú)線終端的近似位置，產(chǎn)生預(yù)測(cè)的碼相位和Doppler頻率。在圖8的實(shí)施例中，定時(shí)基準(zhǔn)輔助信息包括無(wú)線終端的近似位置，然后，無(wú)線終端從該無(wú)線終端近似位置產(chǎn)生預(yù)測(cè)的碼相位和Doppler頻率。
本發(fā)明的一個(gè)目的，是降低常規(guī)的無(wú)線終端對(duì)信號(hào)捕獲和信號(hào)處理的要求，使按照本發(fā)明的無(wú)線終端能更快速和用比現(xiàn)有技術(shù)的無(wú)線終端更弱的GPS信號(hào)，確定它的位置。
為了解釋本發(fā)明，已經(jīng)說(shuō)明和演示了本發(fā)明各部分的細(xì)節(jié)、材料、和布局，應(yīng)當(dāng)指出，本領(lǐng)域熟練人員，在不偏離本發(fā)明下述權(quán)利要求書(shū)的情形下，可以對(duì)上述各部分作各種改變。
權(quán)利要求
1．一種檢測(cè)來(lái)自一個(gè)或多個(gè)衛(wèi)星的兩個(gè)或更多信號(hào)的方法，包括的步驟有(a)接收與來(lái)自第一衛(wèi)星的被檢測(cè)的第一信號(hào)對(duì)應(yīng)的定時(shí)基準(zhǔn)輔助信息；(b)檢測(cè)來(lái)自衛(wèi)星的第二信號(hào)；(c)根據(jù)被檢測(cè)的第二信號(hào)，確定實(shí)際的碼相位；和(d)根據(jù)實(shí)際的碼相位與定時(shí)基準(zhǔn)輔助信息指出的預(yù)測(cè)碼相位，產(chǎn)生精確的定時(shí)基準(zhǔn)。
2．按照權(quán)利要求1的發(fā)明，其中第二信號(hào)來(lái)自第一衛(wèi)星。
3．按照權(quán)利要求1的發(fā)明，其中第二信號(hào)來(lái)自與第一衛(wèi)星不同的第二衛(wèi)星。
4．按照權(quán)利要求1的發(fā)明，其中第二信號(hào)用頻域碼捕獲技術(shù)檢測(cè)。
5．按照權(quán)利要求4的發(fā)明，其中定時(shí)基準(zhǔn)輔助信息中根據(jù)被檢測(cè)的第一信號(hào)而指出的預(yù)測(cè)的Dopper頻率，在檢測(cè)第二信號(hào)時(shí)被用于加速頻域碼捕獲技術(shù)。
6．按照權(quán)利要求5的發(fā)明，其中的定時(shí)基準(zhǔn)輔助信息包括預(yù)測(cè)的Doppler頻率。
7．按照權(quán)利要求5的發(fā)明，其中預(yù)測(cè)的Doppler頻率由定時(shí)基準(zhǔn)輔助信息產(chǎn)生。
8．按照權(quán)利要求1的發(fā)明，還包括步驟(e)根據(jù)精確的定時(shí)基準(zhǔn)，檢測(cè)一個(gè)或多個(gè)其他信號(hào)。
9．按照權(quán)利要求8的發(fā)明，其中的一個(gè)或多個(gè)其他信號(hào)，用一種或多種時(shí)域碼捕獲技術(shù)檢測(cè)。
10．按照權(quán)利要求9的發(fā)明，其中第二信號(hào)用頻域碼捕獲技術(shù)檢測(cè)。
11．按照權(quán)利要求8的發(fā)明，其中的一個(gè)或多個(gè)其他信號(hào)，包括來(lái)自除第一衛(wèi)星之外的一個(gè)或多個(gè)衛(wèi)星的一個(gè)或多個(gè)信號(hào)。
12．按照權(quán)利要求8的發(fā)明，其中的一個(gè)或多個(gè)其他信號(hào)，包括來(lái)自第一衛(wèi)星的后續(xù)信號(hào)。
13．按照權(quán)利要求8的發(fā)明，還包括確定位置的步驟，該步驟以被檢測(cè)的第二信號(hào)和來(lái)自兩個(gè)或更多其他衛(wèi)星的兩個(gè)或更多其他被檢測(cè)的信號(hào)為基礎(chǔ)。
14．按照權(quán)利要求1的發(fā)明，其中第一信號(hào)是來(lái)自第一GPS衛(wèi)星的第一GPS信號(hào)；和第二信號(hào)是來(lái)自第一GPS衛(wèi)星的第二GPS信號(hào)。
15．按照權(quán)利要求1的發(fā)明，其中的定時(shí)基準(zhǔn)輔助信息包括預(yù)測(cè)的碼相位。
16．按照權(quán)利要求1的發(fā)明，其中預(yù)測(cè)的碼相位根據(jù)定時(shí)基準(zhǔn)輔助信息產(chǎn)生。
17．一種終端，用于檢測(cè)來(lái)自一個(gè)或多個(gè)衛(wèi)星的兩個(gè)或更多的信號(hào)，該終端包括(a)衛(wèi)星接收機(jī)，被配置用于從一個(gè)或多個(gè)衛(wèi)星接收兩個(gè)或更多的信號(hào)；(b)電信接收機(jī)，被配置用于接收來(lái)自與被檢測(cè)的第一衛(wèi)星的第一信號(hào)對(duì)應(yīng)的定時(shí)基準(zhǔn)輔助信息；(c)處理器，被配置用于處理來(lái)自衛(wèi)星接收機(jī)的兩個(gè)或更多信號(hào)和來(lái)自電信接收機(jī)的定時(shí)基準(zhǔn)輔助信息；和(d)定時(shí)校正器，被配置用于產(chǎn)生供終端使用的精確的定時(shí)基準(zhǔn)，其中衛(wèi)星接收機(jī)檢測(cè)來(lái)自衛(wèi)星的第二信號(hào)；處理器根據(jù)被檢測(cè)的第二信號(hào)，確定實(shí)際的碼相位；和定時(shí)校正器根據(jù)實(shí)際碼相位與定時(shí)基準(zhǔn)輔助信息指出的預(yù)測(cè)碼相位，產(chǎn)生精確的定時(shí)基準(zhǔn)。
18．按照權(quán)利要求17的發(fā)明，其中的第二信號(hào)來(lái)自第一衛(wèi)星。
19．按照權(quán)利要求17的發(fā)明，其中的第二信號(hào)來(lái)自與第一衛(wèi)星不同的第二衛(wèi)星。
20．按照權(quán)利要求17的發(fā)明，其中的衛(wèi)星接收機(jī)用頻域碼捕獲技術(shù)檢測(cè)第二信號(hào)。
21．按照權(quán)利要求20的發(fā)明，其中定時(shí)基準(zhǔn)輔助信息中根據(jù)被檢測(cè)的第一信號(hào)而指出的預(yù)測(cè)的Doppler頻率，在檢測(cè)第二信號(hào)時(shí)被該終端用來(lái)加速頻域碼捕獲技術(shù)。
22．按照權(quán)利要求21的發(fā)明，其中的定時(shí)基準(zhǔn)輔助信息包括預(yù)測(cè)的Doppler頻率。
23．按照權(quán)利要求21的發(fā)明，其中的處理器從定時(shí)基準(zhǔn)輔助信息產(chǎn)生預(yù)測(cè)的Doppler頻率。
24．按照權(quán)利要求17的發(fā)明，其中的衛(wèi)星接收機(jī)根據(jù)精確的定時(shí)基準(zhǔn)，檢測(cè)一個(gè)或多個(gè)其他信號(hào)。
25．按照權(quán)利要求24的發(fā)明，其中的衛(wèi)星接收機(jī)用一種或多種時(shí)域碼捕獲技術(shù)，檢測(cè)該一個(gè)或多個(gè)其他信號(hào)。
26．按照權(quán)利要求25的發(fā)明，其中的衛(wèi)星接收機(jī)用頻域碼捕獲技術(shù)檢測(cè)第二信號(hào)。
27．按照權(quán)利要求24的發(fā)明，其中該一個(gè)或多個(gè)其他信號(hào)，包括來(lái)自除第一衛(wèi)星之外的一個(gè)或多個(gè)衛(wèi)星的一個(gè)或多個(gè)信號(hào)。
28．按照權(quán)利要求24的發(fā)明，其中該一個(gè)或多個(gè)其他信號(hào)，包括來(lái)自第一衛(wèi)星的后續(xù)信號(hào)。
29．按照權(quán)利要求24的發(fā)明，其中的處理器根據(jù)被檢測(cè)的第二信號(hào)和來(lái)自兩個(gè)或更多其他衛(wèi)星的兩個(gè)或更多其他被檢測(cè)的信號(hào)，確定該終端的位置。
30．按照權(quán)利要求17的發(fā)明，其中終端是無(wú)線電信網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線終端；第一信號(hào)是來(lái)自第一GPS衛(wèi)星的第一GPS信號(hào)；和第二信號(hào)是來(lái)自第一GPS衛(wèi)星的第二GPS信號(hào)。
31．按照權(quán)利要求17的發(fā)明，其中的定時(shí)基準(zhǔn)輔助信息，包括預(yù)測(cè)的碼相位。
32．按照權(quán)利要求17的發(fā)明，其中的處理器根據(jù)定時(shí)基準(zhǔn)輔助信息產(chǎn)生預(yù)測(cè)的碼相位。
全文摘要
一種改進(jìn)的碼捕獲方案,用于更快速捕獲GPS“粗捕獲”(C/A)碼,導(dǎo)致GPS信號(hào)的更快速檢測(cè),從而使無(wú)線終端以更短的時(shí)間確定它的位置。該方案是頻域碼捕獲技術(shù)與時(shí)域碼捕獲技術(shù)的組合。該方案用頻域碼捕獲技術(shù)檢測(cè)一個(gè)GPS信號(hào),并在無(wú)線終端建立精確的定時(shí)基準(zhǔn),然后用時(shí)域碼捕獲技術(shù)更快速地檢測(cè)同一衛(wèi)星或其他衛(wèi)星的其他GPS信號(hào)。該方案的優(yōu)點(diǎn)是能供任何無(wú)線通信系統(tǒng)使用,而無(wú)需在該無(wú)線終端內(nèi)維持一個(gè)精確的定時(shí)基準(zhǔn),也無(wú)需繁重的計(jì)算資源。
文檔編號(hào)G01S1/00GK1323991SQ0111721
公開(kāi)日2001年11月28日 申請(qǐng)日期2001年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2000年5月3日
發(fā)明者達(dá)人, 基歐瓦尼·范努西 申請(qǐng)人:朗迅科技公司