專利名稱:利用傳播天文歷的廣域參考網(wǎng)定位移動接收機的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及GPS接收機中的信號處理。特別是,本發(fā)明涉及一種用于傳送衛(wèi)星數(shù)據(jù)到GPS接收機以使GPS接收機能夠在低信號強度環(huán)境(例如,在室內(nèi))中捕獲和鎖定到GPS衛(wèi)星信號的方法和裝置。
背景技術(shù):
傳統(tǒng)的GPS接收機需要過量的時間來捕獲和鎖定衛(wèi)星信號。然后,一旦鎖定,GPS接收機就從該信號中提取遙測數(shù)據(jù)(年歷和天文歷)。從這些數(shù)據(jù)中GPS接收機可以計算可以增強其鎖定衛(wèi)星信號能力的信息。相對較高信號強度的衛(wèi)星信號是使該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)初始鎖定所必需的。一旦捕獲到GPS信號,信號強度必須持續(xù)很高,同時年歷和/或天文歷數(shù)據(jù)可以從衛(wèi)星信號中提取出來。任何信號的嚴重衰減都會導致失鎖而且信號將需要再次捕獲。因而,該系統(tǒng)具有一固有循環(huán),使得GPS接收機難以或不可能在低信號強度環(huán)境中捕獲信號。
為了幫助初始捕獲衛(wèi)星信號,許多GPS接收機存儲一份年歷數(shù)據(jù),從中可以計算出衛(wèi)星信號期望的多普勒頻率。已經(jīng)開發(fā)的一些技術(shù)在一單獨的GPS接收機計算有用信息,然后將此數(shù)據(jù)傳送到另一個GPS接收機。2000年5月16日授權(quán)的美國專利6,064,336收集一單獨GPS接收機的年歷數(shù)據(jù),然后將該年歷數(shù)據(jù)傳送到移動接收機。然后該移動接收機利用該年歷數(shù)據(jù)計算衛(wèi)星信號期望的多普勒頻率,從而幫助初始的信號捕獲。
接收年歷的優(yōu)點在于每個GPS衛(wèi)星重復地傳送包含用于完整GPS星座的軌道信息的完整年歷,從而跟蹤任何衛(wèi)星的單個GPS接收機可以收集和傳播用于星座中所有衛(wèi)星的年歷。利用該年歷的缺點在于它是衛(wèi)星軌道和衛(wèi)星時鐘誤差相當粗略的模型,因此該年歷僅對降低頻率不確定性有用,但無法用于通過縮小代碼延遲不確定的搜索窗來增強接收機靈敏度。
如果一GPS接收機在嘗試鎖定這些衛(wèi)星之前就具有一整套的視野中所有衛(wèi)星的天文歷數(shù)據(jù),則該接收機將具有顯著改進的捕獲時間和增高的靈敏度。這是因為該天文歷數(shù)據(jù)包含衛(wèi)星位置、速率和時鐘誤差的精確描述;而且GPS接收機可以通過顯著縮小頻率不確定性和代碼延遲不確定性的搜索窗來利用此數(shù)據(jù)提高靈敏度。天文歷的缺點在于每個衛(wèi)星僅傳送它自己的天文歷;因此單個GPS接收機無法收集和傳播星座中所有衛(wèi)星的天文歷。
因此需要一種技術(shù)用于GPS接收機系統(tǒng),該系統(tǒng)能夠為星座中的所有衛(wèi)星傳播衛(wèi)星天文歷,從而增強移動接收機的捕獲速率和信號靈敏度。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明包括一種利用中心位置和GPS接收機的廣域網(wǎng)之間的通信鏈路分配和傳送全球定位系統(tǒng)(GPS)衛(wèi)星天文歷的方法和裝置。該GPS接收機的廣域網(wǎng)收集由衛(wèi)星發(fā)射的天文歷數(shù)據(jù)和將該數(shù)據(jù)傳遞到中心位置。該中心位置傳送天文歷到移動接收機。該移動GPS接收機利用該傳送數(shù)據(jù)以兩種方式增強它的靈敏度。第一,該數(shù)據(jù)允許接收機檢測到該接收機通常不能檢測到的非常弱的信號,第二,GPS接收機不必在能計算位置之前長時間地跟蹤該衛(wèi)星信號。
在本發(fā)明的一個實施例中,衛(wèi)星天文歷數(shù)據(jù)重傳,而不必以任何方式變換該數(shù)據(jù)。然后該GPS接收機就可以精確地利用此數(shù)據(jù)就好象該接收機已經(jīng)從衛(wèi)星接收到該數(shù)據(jù)。在另一個實施例中,在中心位置從天文歷數(shù)據(jù)中計算出衛(wèi)星的偽范圍模型,此偽范圍模型傳送到該GPS接收機。偽范圍模型特征在于此模型比完整的天文歷更簡明。因而,該GPS接收機在使用偽范圍模型時不必執(zhí)行與使用完整天文歷一樣多的計算。
通過結(jié)合附圖考慮下文的詳細描述,本發(fā)明的教義可以很容易理解,其中圖1描述了一種根據(jù)本發(fā)明的廣域基準站網(wǎng)的結(jié)構(gòu);圖2描述了一種GPS軌道球面;圖3描述了三個基準站的GPS軌道球面和水平面的交叉;圖4A和4B描述了四個基準站的GPS軌道球面和水平面的交叉;圖5描述了一種生成偽范圍模型的方法的流程圖;圖6說明移動GPS接收機的時間(偽范圍)和頻率(偽范圍速率)不確定性,以及通過降低這兩個不確定性獲得的靈敏度的改進;圖7描述了一種通過時間(偽范圍)和頻率(偽范圍速率)窗口進行搜索的方法的流程圖;和圖8描述了一種利用具有高信號強度的衛(wèi)星的偽范圍信息來改進從具有低信號強度的衛(wèi)星接收的信號的接收機靈敏度的方法。
具體實施例方式
為了幫助理解,該說明書的結(jié)構(gòu)如下概述,引入本發(fā)明的每個組件和描述它們彼此的關(guān)系。
全球跟蹤網(wǎng),描述跟蹤站的全球網(wǎng)如何構(gòu)造和配置成確保能夠始終跟蹤所有的衛(wèi)星。
天文歷處理,描述了本發(fā)明的一個實施例,即提供了衛(wèi)星天文歷的一種更緊湊和更簡單的模型。
信號檢測,描述重發(fā)的衛(wèi)星天文歷數(shù)據(jù)如何用于GPS接收機來檢測其它方式檢測不到的信號。
靈敏度增強,描述兩個最強的衛(wèi)星信號如何用于在移動接收機計算時間和相關(guān)器偏移。而此信息又用于增強移動接收機接收的較弱GPS信號的靈敏度。
概述圖1描述了全球定位系統(tǒng)(GPS)衛(wèi)星數(shù)據(jù)分配系統(tǒng)100的一個實施例,包括a)基準站網(wǎng)絡(luò)102包括通過通信網(wǎng)105彼此連接的多個跟蹤站1041、1042、…104n。基準站104在廣闊的地區(qū)配置并包括GPS接收機126,因此天文歷可以從在衛(wèi)星的全球網(wǎng),例如全球定位系統(tǒng)(GPS)內(nèi)的所有衛(wèi)星106收集。天文歷信息包括900比特的分組,該分組包括衛(wèi)星位置和時鐘信息。
b)從跟蹤站104收集天文歷的中心處理位置108包括天文歷處理器128,該天文歷處理器128去除重復出現(xiàn)的相同天文歷,并向移動GPS接收機114和118提供最新的天文歷數(shù)據(jù)用于重新分配。
c)通信鏈路120,從中心處理位置到移動GPS接收機114。該鏈路120可以是陸上通信線110或其它直接通信路徑,該鏈路將移動GPS接收機114直接連接到中心處理位置108?;蛘撸随溌肪哂袔讉€部分,例如到無線發(fā)射機116的陸上通信線112,和從發(fā)射機116到移動接收機118的無線鏈路122。
d)移動GPS接收機114或118,利用重新分配的天文歷數(shù)據(jù)(或其改良型)來幫助接收機檢測來自衛(wèi)星星座中的衛(wèi)星106的GPS信號。
e)位置處理器130,其計算GPS接收機114或118的位置。這可以是GPS接收機本身、中心處理位置108或移動GPS接收機將從衛(wèi)星106獲得的測量數(shù)據(jù)發(fā)送到的其它位置。
操作中,每一個衛(wèi)星106連續(xù)地廣播與特定衛(wèi)星有關(guān)的天文歷信息。為了全面和同時捕獲星座中所有衛(wèi)星106的天文歷數(shù)據(jù),網(wǎng)絡(luò)106擴展到全世界。
為了獲得所有的天文歷數(shù)據(jù),需要三個或更多的跟蹤站104。28顆衛(wèi)星的每一個都具有相對地球赤道55度傾斜的軌道。因而,沒有衛(wèi)星在軌道球面正負55度以外運轉(zhuǎn)。因此,120度分開放置并正好處于地球赤道上的三個站將看到所有的衛(wèi)星。但是,將基準站放在赤道上的精確位置或附近是不切實際的。為了將基準站放在全世界的大城市,能看到所有衛(wèi)星106的實際最小數(shù)目是四個。
每個跟蹤站104都包括一GPS接收機126,該GPS接收機126捕獲和跟蹤來自所看到所有衛(wèi)星106的衛(wèi)星信號。站104提取天文歷信息,該天文歷信息唯一地識別每個衛(wèi)星的位置以及衛(wèi)星時鐘信息,例如具有GPS信號的900比特分組。該天文歷信息例如經(jīng)陸地線網(wǎng)絡(luò)105連接到中心處理位置108。
中心處理位置108將所有或部分天文歷信息發(fā)送到一個或多個移動GPS接收機114和118。如果中心處理位置知道移動GPS接收機的大致位置,則中心處理位置108只能發(fā)送目前(或?qū)⒁?看到的移動GPS接收機114或118的衛(wèi)星天文歷信息。該天文歷信息可以通過陸地線110或其他的通信路徑(例如,互聯(lián)網(wǎng)、電話、光纜等等)直接連接。或者,該天文歷信息可以通過無線系統(tǒng)116,例如蜂窩電話、無線互聯(lián)網(wǎng)、無線電、電視等等連接到移動GPS接收機118。天文歷信息的處理和利用描述如下(參見天文歷處理和信號檢測)。
全球跟蹤網(wǎng)全球GPS參考網(wǎng)102具有這樣的跟蹤站104,即網(wǎng)絡(luò)102中的跟蹤站104一直都能看到所有的衛(wèi)星。因而,每個衛(wèi)星106的天文歷可以實時地用于該網(wǎng)絡(luò),因此該網(wǎng)絡(luò)可使天文歷或?qū)С龅膫畏秶P陀糜谛枰鼈兊娜魏我苿咏邮諜C。
參考站最小的完整網(wǎng)絡(luò)包括三個站,大致平均的放置在地球赤道上或附近。圖2表示圍繞地球204的GPS軌道球面202,和衛(wèi)星所有軌道的表示206。圖3表示3個跟蹤站(表示成A、B和C)的水平面與GPS軌道球面的交集。圖3中,軌道球面在一個跟蹤站水平面上的任何區(qū)域涂上灰色。軌道球面在兩個跟蹤站水平面上的區(qū)域涂上略黑的顏色。軌道球面在沒有GPS衛(wèi)星的高于和低于55度的區(qū)域是白色。從圖3中,顯然任何GPS軌道上的任一點總在至少一個基準站A、B或C的水平面上。
但是將基準站放置在赤道附近在商業(yè)或技術(shù)上是不實際的。優(yōu)選位置是具有良好通信基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的大城市,以使天文歷能夠經(jīng)可靠的網(wǎng)絡(luò)連接到控制處理位置。當基準站離開赤道時,需要三個以上的站一直覆蓋所有的衛(wèi)星。但是,有可能創(chuàng)建只有四個基準站的網(wǎng)絡(luò),就能一直完全覆蓋所有的GPS衛(wèi)星,其中這四個站位于大城市或大城市附近。例如,這些站可以放置在夏威夷檀香山(美國)、布宜諾斯艾利斯(阿根廷)、特拉維夫(以色列)和佩思(澳大利亞)。圖4A和4B表示這些站的水平面與GPS軌道球面的交叉。任何GPS軌道的任一點總在至少一個基準站的水平面上。圖4A和4B表示從空間上的兩點看去的軌道球面,一點(圖4A)大致在西班牙上的空間,另一個(圖4B)在球體的相對側(cè),大致在新西蘭上。此圖以與圖3類似的方式填色?;疑硎綠PS軌道球面在至少一個跟蹤站水平面上的區(qū)域,暗灰色區(qū)域表示兩個站能達到的軌道球面的部份。
天文歷處理天文歷用于計算衛(wèi)星偽范圍和偽范圍速率的模型。從偽范圍速率,移動GPS接收機可以計算用于衛(wèi)星信號的多普勒頻移。偽范圍模型的計算可在移動接收機或中心處理位置進行。在優(yōu)選實施方式中,偽范圍模型在中心位置計算如下。
圖5描述用于產(chǎn)生偽范圍模型的方法500的流程圖。在步驟502,所有跟蹤站的天文歷數(shù)據(jù)帶到中心處理位置。天文歷數(shù)據(jù)由所有衛(wèi)星連續(xù)傳送,主要是重復的數(shù)據(jù);新的天文歷通常每2小時傳送一次。天文歷用表示成TOE的“天文歷的時間”標記。此標記表示天文歷有效的時間。天文歷計算在TOE 2小時內(nèi)非常精確。一衛(wèi)星首先提前TOE2小時傳送天文歷,因此任何天文歷在最多四個小時內(nèi)非常精確。
在步驟506,中心處理位置保持最接近時間T的TOE的所有天文歷數(shù)據(jù),在時間T移動接收機要求天文歷(或偽范圍模型)。時間T由移動接收機在步驟504提供。通常T是當前的實際時間,但是它也可以是用于移動接收機的將來直到4小時的時間,該移動接收機在需要天文歷/偽范圍模型之前就收集它們。T還可以是過去的時間,由移動接收機用于處理先前存儲的數(shù)據(jù)。
在步驟508,中心處理位置計算在時間T的衛(wèi)星位置。在優(yōu)選實施例中,這利用GPS接口控制文件,ICD-GPS-200-B提供的方程執(zhí)行。
在步驟512,中心處理位置獲得移動GPS接收機的大致位置。在優(yōu)選實施例中,移動GPS接收機通過無線通信鏈路,諸如雙向?qū)ず艟W(wǎng)、或移動電話網(wǎng)、或相似的雙向無線網(wǎng)與中心處理位置通信。這種雙向無線網(wǎng)具有接收幾英里區(qū)域信號的通信塔。該中心處理位置獲得無線塔的參考ID,該參考ID用于從移動GPS接收最近的通信。然后該中心處理位置從一數(shù)據(jù)庫中獲得此無線塔的位置。此位置用作近似的移動GPS位置。
在一備選實施例中,移動GPS接收機的大致位置可能只是由用于實現(xiàn)本發(fā)明的特定通信網(wǎng)提供服務(wù)的區(qū)域中心。
在另一個備選實施例中,移動GPS接收機的大致位置可能是所述接收機最近獲知的點,該點保持在中心處理位置的數(shù)據(jù)庫。
當然上述方法的許多組合和變型都可用來近似移動GPS接收機的位置。
已經(jīng)計算衛(wèi)星位置和獲得近似用戶位置以后,該中心處理位置計算(在步驟510)哪個衛(wèi)星在或不久將在移動GPS接收機的水平面上。對于只需要重新分配天文歷數(shù)據(jù)的應(yīng)用,在步驟514,中心處理位置輸出用于水平面上或?qū)⒁谒矫嫔系哪切┬l(wèi)星的天文歷。
在優(yōu)選實施例中,計算偽范圍模型,包括時間T、和用于水平面上或?qū)⒁谒矫嫔系拿總€衛(wèi)星衛(wèi)星PRN號、偽范圍、偽范圍速率、和偽范圍加速度。
為了計算偽范圍模型,中心處理位置首先在步驟516計算在移動GPS接收機水平面上或?qū)⒁谒矫嫔系乃行l(wèi)星的偽范圍。偽范圍是介于衛(wèi)星和近似GPS位置中間,加上天文歷所述衛(wèi)星時鐘偏移的幾何范圍。
在步驟518,偽范圍速率可以從衛(wèi)星速率和時鐘漂移計算。衛(wèi)星速率可以通過求衛(wèi)星位置方程(在ICD-GPS-200-B)對時間的微分來直接獲得。在備選實施例中,衛(wèi)星速率可以通過計算在兩個不同時間的衛(wèi)星位置,然后差分該位置來間接地計算。
在另一個備選實施例中,偽范圍速率可以通過計算在兩個不同時間的偽范圍,然后區(qū)分這些偽范圍來間接地計算。
在步驟520,偽范圍加速度以類似的方式計算(通過求衛(wèi)星速率和時鐘漂移對時間的微分或通過差分偽范圍速率)。
然后完整的偽范圍模型在步驟522打包成一種結(jié)構(gòu)并輸出到移動GPS接收機。
移動GPS接收機可將偽范圍模型用于得出它的天文歷的有效期。為了在時間T之后的某一時間應(yīng)用該偽范圍模型,移動接收機利用包含在偽范圍模型的速率和加速度數(shù)據(jù)向前傳播偽范圍和偽范圍速率。
在備選實施例中,中心處理位置傳播未變的天文歷519,在移動GPS接收機推導偽范圍模型和偽范圍速率。
Krasner(美國專利6,064,336)已經(jīng)教導通過降低頻率不確定性,多普勒信息可用于幫助移動GPS接收機。美國專利6,064,336描述了一種系統(tǒng)和方法,用于傳送從中得出多普勒的移動接收機年歷信息;或傳送從年歷得出的等同信息;或從接近移動接收機的基站傳送多普勒測量本身。在本發(fā)明的另一個備選實施例中,天文歷可用來得出多普勒信息。在(信號檢測)之后的部分中,可以理解此多普勒信息將用于幫助信號捕獲到偽范圍速率不確定性,即要搜索的頻率箱(frequency bin)降低的程度,但是多普勒信息不會降低偽范圍的不確定性(即代碼延遲)。
信號檢測天文歷數(shù)據(jù)(或得出的偽范圍模型)有多種方式可用于幫助移動GPS接收機的信號捕獲和靈敏性,如下所述。
天文歷或偽范圍模型可預計到衛(wèi)星的仰角,允許接收機集中捕獲高仰角衛(wèi)星信號,該信號通常較少受到阻礙。計算在水平面以下(負仰角)的衛(wèi)星可以忽視。此衛(wèi)星選擇還可以利用衛(wèi)星軌道信息的年歷來進行,但提供模型或從中可以產(chǎn)生模型的天文歷,消除移動接收機內(nèi)年歷非易失性存儲的必要性。因此,天文歷在此方面提供某種優(yōu)點,但是本發(fā)明的主要優(yōu)點在于改進信號捕獲和接收機靈敏度,如下所述。
“重新發(fā)射”或“重新廣播”天文歷信息以兩種方式改進移動接收機的操作。
首先,移動接收機不需要從衛(wèi)星收集天文歷。該天文歷每30秒從衛(wèi)星廣播并需要18秒發(fā)射。為了在不利用本發(fā)明的情況下接收天文歷,移動接收機在正在發(fā)射天文歷的整個18秒的間隔內(nèi)需要清楚、不受阻的衛(wèi)星接收。根據(jù)環(huán)境和接收機的使用,在情況允許收集天文歷之前可能有幾分鐘,在許多應(yīng)用,例如室內(nèi)使用中,移動接收機從未無阻礙地看到衛(wèi)星。為了消除數(shù)據(jù)收集延遲,本發(fā)明將天文歷數(shù)據(jù)直接提供到移動接收機。
第二,如上所述,天文歷用于形成在移動接收機接收的衛(wèi)星信號的偽范圍模型。這些模型可以多種方式加速捕獲過程。
該模型預計接收信號的偽范圍和偽范圍速率。如果近似用戶位置相當精確,則這些模型將非常精確的估算偽范圍和偽范圍速率。利用該模型,該接收機可以集中期望信號附近的相關(guān)過程。
圖6表示用于移動GPS接收機的通常頻率和時間不確定性的圖601。在Y軸602上,各行表示不同的偽范圍速率,在X軸604上各列表示不同的偽范圍。如果沒有精確模型,諸如利用本發(fā)明可得到的,范圍速率的可能性將相當大地變化,因為大范圍的衛(wèi)星運行都是可能的,而且范圍可能性也將隨著PN代碼的許多周期而變化。利用天文歷信息提供的精確模型,不確定性可以縮小為由黑網(wǎng)孔606描述的小范圍。許多接收機將能在單個過程搜索這個小范圍,該過程消除了耗時的順序檢索,并允許利用更好靈敏度的較長的時間,正如現(xiàn)在要描述的。
更好的靈敏度如下實現(xiàn)GPS接收機的靈敏度是接收機可以積分相關(guān)器輸出的時間量的函數(shù)。靈敏度和積分時間之間的關(guān)系由圖608表示。如果有許多箱要搜索,則積分時間610等于總的可用搜索時間除以搜索箱的數(shù)目。如果只有單個箱要搜索,則積分時間612等于總的可用搜索時間加上如608所示的靈敏度。
應(yīng)當注意在一些接收機中,可以從偽范圍模型預計的偽范圍和偽范圍速率不會精確,因為缺乏本地時鐘的同步。在這種情況下,最初仍然需要在很寬的不確定性范圍內(nèi)搜索,但只是對于最強的衛(wèi)星。如果已知本地時鐘精確到大致一秒的GPS時間內(nèi),則任何一個衛(wèi)星都足以同步本地相關(guān)器偏移。此后,對于剩余的衛(wèi)星可以精確地計算期望的偽范圍和偽范圍速率。如果不知道本地時鐘在大致一秒內(nèi),則兩個衛(wèi)星必須用于計算兩個要求的時鐘參數(shù)本地時鐘和相關(guān)器偏移。需要兩個衛(wèi)星的事實是一個經(jīng)常被誤會的點。在GPS文獻中,經(jīng)常提到一個衛(wèi)星足以求解出未知的時鐘偏移,而不必實現(xiàn)它,這只對本地時鐘已經(jīng)大致與GPS時間同步的系統(tǒng)成立。在連續(xù)跟蹤GPS信號的傳統(tǒng)GPS接收機中,本地時鐘與GPS時間同步到了比一秒精確度好得多的程度。在一些更現(xiàn)代的實施(例如,美國專利6,064,336)中,本地時鐘與網(wǎng)絡(luò)時間參考同步,該網(wǎng)絡(luò)時間參考與GPS時間同步。但是,本發(fā)明具體用來操作在沒有與GPS時間同步的本地時鐘的實施中。人們求解這些時鐘參數(shù)的方式如下詳細描寫。
一旦已經(jīng)計算出未知的時鐘參數(shù),則參數(shù)可用于調(diào)整用于剩余的、較弱的衛(wèi)星的偽范圍模型,以便將不確定性范圍縮小到較窄的區(qū)域;因此當需要高靈敏度,即用于檢測較弱的衛(wèi)星信號時,增強靈敏度精確性。
在其它接收機中,本地時鐘和時鐘速率可以十分精確。例如,如果時鐘信號由與GPS時間同步的無線媒介(例如,雙向?qū)ず艟W(wǎng)絡(luò))得出,則時鐘參數(shù)通常很精確。在這種情況下,沒有時鐘影響,從開始就可以使用較窄的搜索區(qū)域。
為了量化本發(fā)明的好處,考慮到這樣一種例子,即用戶位置在雙向?qū)ず羲慕邮瞻霃?2英里)內(nèi)是知道的。在這種情況下,偽范圍(用毫秒表示)可以預先計算到百分之一毫秒的精確度。如果沒有本發(fā)明,則GPS接收機將搜索所有可能代碼延遲的全部一毫秒,以鎖定到衛(wèi)星發(fā)射的代碼。利用本發(fā)明,搜索窗縮小了一百倍,使得GPS接收機更快,更重要的是,允許利用更長的積分時間(如上所述),使接收機能夠檢測較弱的信號,諸如發(fā)生在室內(nèi)。
在移動接收機具有天文歷或得出的偽范圍模型的另外的優(yōu)點在于識別真實相關(guān)的過程更強壯,因為且不說如上所述增加了積分時間,如果只考慮發(fā)生在期望范圍以內(nèi)的相關(guān),則識別“錯誤峰值”的機會將大大縮小。
通過利用天文歷(或得出的偽范圍模型)增強靈敏度的一個實施例進一步參照圖7描述。
圖7是信號搜索的方法700的流程圖。該方法從步驟702開始,輸入偽范圍模型。如前所述,此偽范圍模型由天文歷計算,或者在移動接收機本身或者在中心處理位置。在步驟704,該模型應(yīng)用在移動裝置的當前時間并用于估算GPS衛(wèi)星信號的期望的當前頻率和時間,以及這些量期望的不確定性,以便為每個衛(wèi)星形成頻率和代碼延遲搜索窗。此窗口的中心在頻率和延遲的最佳估計值,但允許最佳估計值的真實偏離,該偏離是由于模型建立過程中的誤差,包括大致用戶位置的不精確、從無線載波傳送的時間和頻率誤差等等。此外,頻率不確定性被分成多個頻率搜索箱,以覆蓋頻率搜索窗。如圖6所示,利用偽范圍模型可以急劇減少搜索箱的數(shù)目。
在步驟706,檢測和測量過程設(shè)置成編程載波校正到第一搜索頻率。在步驟708,啟動代碼相關(guān)器以在延遲窗口的延遲范圍內(nèi)搜索信號相關(guān)性。這種代碼相關(guān)器是標準技術(shù),但是本發(fā)明急劇減少了相關(guān)器必須搜索的可能的代碼延遲數(shù)目,從而增加每個代碼延遲的積分時間,和接收機的靈敏度。
在步驟710,方法700查詢是否檢測信號。如果沒有信號檢測到,則在步驟712將載波校正設(shè)置成下一個搜索頻率,該搜索繼續(xù)直到發(fā)現(xiàn)信號或頻率搜索箱用完。
如果在步驟710,方法700肯定回答了查詢,則在步驟714該信號用于進一步改進時鐘時間延遲和時鐘頻率偏移的估計。在步驟716此信息用于為剩余的、未檢測的衛(wèi)星重新計算頻率和延遲搜索窗。在步驟718,該過程繼續(xù)直到檢測到所有的衛(wèi)星或搜索窗已經(jīng)用盡。
圖7的方法說明了可用于根據(jù)能夠估計時間和頻率的GPS信號處理引導搜索過程的各種算法的一種。另外,該算法可以變成包括各種重試機制,因為這些信號自己可能被衰減或阻隔。
靈敏度增強為了增強接收機的靈敏度(如圖6所述),本發(fā)明利用移動裝置的大致位置計算期望的偽范圍,這降低了偽范圍不確定性。但是,在本發(fā)明的接收機可以計算期望的偽范圍之前,需要以下三項1.移動裝置的大致位置(在真實位置幾英里內(nèi))2.在移動裝置的近似時間(在真實時間的大致一秒內(nèi))3.在移動裝置的相關(guān)器時鐘偏移(在真實偏移的幾微秒內(nèi))這三項的每一個知道得越精確,本發(fā)明約束偽范圍不確定性就越精確,因此靈敏度越大(參見圖6)。在優(yōu)選實施例中,移動裝置的大致位置從該裝置最后使用的無線塔的已知位置確定。雙向?qū)ず魴C和蜂窩電話的無線塔的接收半徑通常是3千米。因此移動裝置的大致位置已知在3千米內(nèi),偽范圍估計導致的誤差不超過3千米。參照圖6,注意用于無助GPS接收機的全部偽范圍不確定性等于一個代碼出現(xiàn)時間(epoch),大致是300千米。因此,甚至知道粗略到3千米的大致位置可以降低偽范圍不確定性一百倍。
計時誤差還會導致期望偽范圍的誤差。為了計算期望的偽范圍,接收機必須計算空間的衛(wèi)星位置。地球上任何位置的衛(wèi)星范圍以正負800米/秒的速率變化。因此每秒的時間誤差將導致最多800米的范圍誤差(和偽范圍誤差)。
該移動裝置相關(guān)器延遲偏移導致偽范圍測量的直接誤差,正如GPS文獻中所公知的。每微秒的未知相關(guān)器延遲偏移導致范圍測量的300米的誤差。
因此,為了將偽范圍估計保持在幾千米的范圍內(nèi)(如圖6所示),本發(fā)明的接收機需要估計上述范圍的位置、時間和相關(guān)器延遲偏移。
在這樣一種實施方式中,即移動裝置的實際時間不知道幾秒好多少,而且相關(guān)器延遲偏移不知道,則利用兩個衛(wèi)星測量人們對此求解如下。
偽范圍誤差與兩個時鐘誤差有關(guān)的方程是y=c*dtc-rangeRate*dts(1)
其中y是“偽范圍余量”,即期望的偽范圍和測量的偽范圍之間的差值;c是光速;dtc,是相關(guān)器延遲偏移;和dts,是實際時間估計的偏移。
圖8描述了用于改進時鐘參數(shù),然后改進接收機靈敏度的方法800的流程圖。方法800包括步驟802.利用最公知的時鐘參數(shù),為所有的衛(wèi)星計算期望的偽范圍。
步驟804.測量具有最高信號強度的兩個最強衛(wèi)星的偽范圍。
步驟806.利用這兩個測量值,求解方程(1)的兩個未知數(shù)dtc和dts。
步驟808.利用dtc和dts改進對于剩余(較弱)衛(wèi)星的期望偽范圍的估計值。
步驟810.利用這些改進的期望偽范圍降低偽范圍不確定性,因此改進接收機的靈敏度,如圖6所示。
盡管并入本發(fā)明的的各種實施例已經(jīng)在這里示出和詳細描述,但是本領(lǐng)域技術(shù)人員可以很容易地設(shè)計出仍然并入這些教義的許多其它變化的實施例。
權(quán)利要求
1.一種用于定位位置的方法,包括接收來自衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)星座中所有衛(wèi)星的衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù);將接收到的衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)傳遞到中心處理位置;將選定的衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)傳播到移動接收機;和利用所述選定的衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)在所述移動接收機捕獲至少一個衛(wèi)星信號。
2.如權(quán)利要求1的方法,其特征在于,選定的衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)包括移動接收機所看到每個衛(wèi)星的天文歷數(shù)據(jù)。
3.如權(quán)利要求2的方法,其特征在于,選定的衛(wèi)星數(shù)據(jù)包括從天文歷數(shù)據(jù)得出的偽范圍模型,該模型表示移動接收機所看到每個衛(wèi)星的相對位置。
4.如權(quán)利要求2的方法,其特征在于,選定的衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)包括從衛(wèi)星天文歷數(shù)據(jù)得出的多普勒測量值。
5.如權(quán)利要求1的方法,其特征在于,所述捕獲步驟進一步包括利用選定的衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)來使頻率不確定性和代碼不確定性變窄。
6.如權(quán)利要求1的方法,其特征在于,所述接收步驟利用四個衛(wèi)星信號接收機實現(xiàn)。
7.如權(quán)利要求1的方法,其特征在于,還包括利用所述選定的衛(wèi)星數(shù)據(jù)計算所述移動接收機的位置。
8.如權(quán)利要求7的方法,其特征在于,所述計算步驟在移動接收機內(nèi)執(zhí)行。
9.如權(quán)利要求7的方法,其特征在于,所述計算步驟在遠離所述移動接收機的位置執(zhí)行。
10.如權(quán)利要求1的方法,其特征在于,所述至少一個衛(wèi)星信號是具有高信號強度的信號,所述捕獲步驟還包括利用至少一個捕獲的衛(wèi)星信號來幫助接收具有低信號強度的其它衛(wèi)星信號。
11.如權(quán)利要求10的方法,其特征在于,所述至少一個捕獲的衛(wèi)星信號用于生成時鐘和相關(guān)器延遲偏移。
12.如權(quán)利要求10的方法,其特征在于,所述至少一個捕獲的衛(wèi)星信號用于改進對于具有低信號強度的衛(wèi)星信號的估計偽范圍計算。
13.一種用于定位位置的方法,包括接收來自衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)星座中多個衛(wèi)星的衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù);將接收到的衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)傳遞到中心處理位置;得出偽范圍模型,該模型包括偽范圍、偽范圍速率和偽范圍加速度;將偽范圍模型傳播到移動接收機;和利用所述偽范圍模型在所述移動接收機捕獲至少一個衛(wèi)星信號。
14.如權(quán)利要求13的方法,其特征在于,所述捕獲步驟還包括從所述偽范圍模型計算多普勒。
15.如權(quán)利要求13的方法,其特征在于,所述衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)包括衛(wèi)星時鐘信號和衛(wèi)星位置信息。
16.如權(quán)利要求13的方法,其特征在于,偽范圍模型從衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)得出,該衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)包括移動接收機所看到每個衛(wèi)星的天文歷數(shù)據(jù)。
17.如權(quán)利要求16的方法,其特征在于,衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)包括從衛(wèi)星天文歷數(shù)據(jù)得出的多普勒測量值。
18.如權(quán)利要求13的方法,其特征在于,所述捕獲步驟進一步包括利用偽范圍模型來使頻率不確定性和代碼不確定性變窄。
19.如權(quán)利要求13的方法,其特征在于,所述接收步驟利用四個衛(wèi)星信號接收機實現(xiàn)。
20.如權(quán)利要求13的方法,其特征在于,還包括利用所述偽范圍模型計算所述移動接收機的位置。
21.如權(quán)利要求20的方法,其特征在于,所述計算步驟在移動接收機內(nèi)執(zhí)行。
22.如權(quán)利要求20的方法,其特征在于,所述計算步驟在遠離所述移動接收機的位置執(zhí)行。
23.如權(quán)利要求13的方法,其特征在于,所述至少一個衛(wèi)星信號是具有高信號強度的信號,所述捕獲步驟還包括利用至少一個捕獲的衛(wèi)星信號來幫助接收具有低信號強度的其它衛(wèi)星信號。
24.如權(quán)利要求13的方法,其特征在于,所述至少一個捕獲的衛(wèi)星信號用于生成時鐘和相關(guān)器延遲偏移。
25.如權(quán)利要求13的方法,其特征在于,所述至少一個捕獲的衛(wèi)星信號用于改進對于具有低信號強度的衛(wèi)星信號的估計偽范圍計算。
26.用于定位移動接收機位置的裝置,包括多個衛(wèi)星信號接收機,用于接收全球定位衛(wèi)星星座中所有衛(wèi)星的衛(wèi)星信號;通信網(wǎng),連接到所述多個衛(wèi)星信號接收機中每一個所述衛(wèi)星信號接收機;衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理器,連接到所述通信網(wǎng);和移動接收機,連接到所述衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理器。
27.如權(quán)利要求26的裝置,其特征在于,所述通信網(wǎng)包括三個或更多的衛(wèi)星信號接收機。
28.如權(quán)利要求26的裝置,其特征在于,還包括無線網(wǎng)用于將所述衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳遞到所述移動接收機。
29.如權(quán)利要求26的裝置,其特征在于,所述衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理器為每個移動接收機生成一種偽范圍模型并將偽范圍模型傳遞到移動接收機。
30.如權(quán)利要求26的裝置,其特征在于,定位所述多個衛(wèi)星信號接收機的位置以從衛(wèi)星星座的每個衛(wèi)星接收遙測數(shù)據(jù)。
31.如權(quán)利要求23的裝置,其特征在于,所述衛(wèi)星星座是全球定位系統(tǒng)(GPS)衛(wèi)星星座。
32.用于向移動接收機提供衛(wèi)星數(shù)據(jù)的裝置,包括多個跟蹤站,用于從衛(wèi)星接收遙測數(shù)據(jù);和通信網(wǎng),用于將遙測數(shù)據(jù)從所有的衛(wèi)星傳播到數(shù)據(jù)處理器。
33.如權(quán)利要求32的裝置,其特征在于,所述數(shù)據(jù)處理器將所述數(shù)據(jù)傳送到移動接收機。
34.如權(quán)利要求32的裝置,其特征在于,所述數(shù)據(jù)處理器利用所述遙測數(shù)據(jù)生成偽范圍模型。
35.如權(quán)利要求32的裝置,其特征在于,多個跟蹤站包括至少三個站。
36.接收全球定位系統(tǒng)(GPS)衛(wèi)星信號的方法,包括在第一位置接收衛(wèi)星天文歷;將衛(wèi)星天文歷傳遞到在第二位置的移動GPS接收機;和利用該天文歷處理在移動GPS接收機接收的衛(wèi)星信號,以降低移動GPS接收機的時間和頻率不確定性,改進移動GPS接收機的捕獲靈敏度。
37.如權(quán)利要求36的方法,其特征在于,所述通信步驟通過無線路徑執(zhí)行。
38.如權(quán)利要求36的方法,其特征在于,還包括從所述衛(wèi)星天文歷生成偽范圍模型和將該偽范圍模型傳遞到移動接收機。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用中心位置(108)和移動GPS接收機(114,118)之間的通信鏈路分配和傳送全球定位系統(tǒng)(GPS)衛(wèi)星(106)遙測數(shù)據(jù)的方法和裝置。中心位置(108)連接到從所有衛(wèi)星發(fā)送遙測數(shù)據(jù)到中心位置的基準衛(wèi)星接收機的網(wǎng)絡(luò)。移動GPS接收機(114,118)利用傳送的遙測數(shù)據(jù)來幫助它捕獲GPS衛(wèi)星信號。衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)的可用性增強了移動接收機的信號接收靈敏度。
文檔編號G01S19/06GK1465015SQ01814680
公開日2003年12月31日 申請日期2001年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2000年7月13日
發(fā)明者弗蘭克·V·蒂吉林 申請人:環(huán)球定位公司