專利名稱：解擴gps信號的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對由GPS接收機接收到的GPS擴頻信號進行解擴的方法，并且涉及GPS接收機以及包含這種用于同樣目的的GPS接收機在內(nèi)的移動通信設(shè)備(特別是移動蜂窩電話)。
眾所周知，可以提供GPS接收機，其中連續(xù)地生成復制GPS衛(wèi)星偽隨機噪聲(PRN)碼信號，并且與接收到的GPS信號進行相關(guān)，從而可以得到這些GPS信號。典型地，由于復制碼的碼相位可能與所接收到的GPS信號的相位不同，而且還由于接收機和軌道衛(wèi)星之間的多譜勒頻移會導致頻率的不同，因此需要采用二維碼頻率/相位掃描，從而這種掃描最終會導致輸入PRN碼與本地生成的復制碼具有相同的頻率和碼相位。如果可以檢測到，則可以對該碼捕獲和跟蹤，并且可以獲得偽距信息，通過使用常規(guī)導航算法，可以從該信息中計算出接收機的位置。
還眾所周知，可以提供包含這種GPS接收機在內(nèi)的移動蜂窩電話，用于如下目的使蜂窩電話網(wǎng)絡(luò)的運營商能夠根據(jù)所實施呼叫，特別是針對緊急業(yè)務(wù)的緊急呼叫，來確定定位。當然對緊急呼叫來說，期望可以盡快得到呼叫定位信息，然而根據(jù)“冷啟動”(即GPS接收機沒有訪問最新的星歷數(shù)據(jù))，或者甚至更壞，根據(jù)“出廠冷啟動”(即GPS接收機沒有最新的日期年歷)，首次定位時間(TTFF)可以是介于30秒到5分鐘之間的任何取值。
為了減小TTFF，以更快地捕獲GPS信號，可以為GPS接收機配備基站輔助。這種輔助可以包含由基站向接收機提供用于對GPS接收機內(nèi)使用的本地振蕩器進行校準的精確載波頻率參考信號，可用來確定可見衛(wèi)星的多普勒頻移的最新衛(wèi)星年歷以及星歷數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)消息；以及當前PRN碼相位。借助于此，可以只對已知目標PRN碼所用的縮窄范圍的頻率和碼相位進行掃描，由此可以減小需要被校驗的碼實例的數(shù)量，并且減小碼捕獲的時間。在美國專利5841396和5874914中進一步描述了這種基站輔助，在此引入作為參考。
需要被校驗的碼實例數(shù)量的大大降低能夠增加每次校驗的停留時間，而不會顯著地影響整體捕獲時間。這樣的好處在于停留時間的增加可以提高捕獲弱GPS信號的概率。例如，對于各個信號碼實例或停留來說，相關(guān)可以出現(xiàn)在10ms的時段內(nèi)，這大概等于10個PRN碼的重復(C/A模式)，或出現(xiàn)在由10個10ms各個相關(guān)時段的非相干相加所構(gòu)成的100ms的時段內(nèi)。
本發(fā)明的一個目的是提供解擴由GPS接收機接收的GPS擴頻信號的方法，其中捕獲微弱信號的概率被提高，特別是但并非只是當采用擴展的停留時間來捕獲這種微弱信號時。
根據(jù)本發(fā)明，提供這種方法，包括步驟提供涉及由GPS接收機在目標信號上觀測到的多普勒頻移中的變化的估計的并且可歸因于GPS衛(wèi)星的運動的多普勒信息；將目標信號與含有對應(yīng)于目標信號中的PRN碼序列的PRN碼序列的參考信號相關(guān)，其中在單獨停留的過程中，相關(guān)被修改為多普勒信息的一個函數(shù)。這可以通過例如在相關(guān)之前修改目標信號或參考信號作為多普勒信息的函數(shù)而產(chǎn)生。
通過已知和補償這種錯誤源，其對于信號捕獲過程的有害影響可以被避免或者至少減輕，從而有助于捕獲微弱的GPS信號。當在試圖捕獲其余的微弱信號中采用非常長的停留時間(例如相當于單個10ms相關(guān)相加的1ms)時，尤其是這樣。利用理想的頻率匹配，理論上可以對一個無限周期積分以捕獲一個無線的微弱信號。不過，應(yīng)歸于衛(wèi)星運動的多普勒頻移中的變化典型地在大約每秒1Hz，其沒有補償這種多普勒變化，將有用的積分周期限制在大約0.5s(即～1/2f，其中f是頻率變化)。
可以根據(jù)GPS接收機的上次已知的定位或者當GPS接收機包括在適合于與附近的通信基站通信的移動通信設(shè)備中時，基于通信基站提供的定位來計算多普勒頻移。例如，一個定位對應(yīng)于通信基站的位置。
以下結(jié)合附圖舉例描述本發(fā)明的用于蜂窩電話網(wǎng)中的包括GPS接收機的移動蜂窩電話的實施例，在附圖中

圖1給出蜂窩電話網(wǎng)絡(luò)的地理分布；圖2更加詳細地給出圖1中的移動蜂窩電話MS1；圖3更加詳細地給出圖1中的基站BS1；以及圖4更加詳細地給出GPS接收機以及移動蜂窩電話MS1的處理器。
圖1中概要給出常規(guī)蜂窩電話網(wǎng)絡(luò)1的地理分布。網(wǎng)絡(luò)中包含多個基站BS，其中給出7個位于各個相互地理位置分開的基站BS1-BS7。這些基站當中的每個基站都包含由任意位置或業(yè)務(wù)區(qū)域內(nèi)的集群系統(tǒng)控制器所操作的整套無線發(fā)射機和接收機。這些基站的各個業(yè)務(wù)區(qū)域SA1到SA7是相互重疊的，如截面線所示，它們共同為圖中所示的整個區(qū)域提供覆蓋。系統(tǒng)中還包括配備分別連接到每個基站BS1到BS7的雙向通信鏈路CL1到CL7的系統(tǒng)控制器SC。這些通信鏈路中的每個鏈路可以例如是專用地面電纜。系統(tǒng)控制器SC還可以被連接到公共交換電話網(wǎng)(PSTN)，使得可以在移動蜂窩電話MS1與該網(wǎng)絡(luò)的用戶之間進行通信?？梢蕴峁┒鄠€移動蜂窩電話MS，其中給出三個移動電話MS1、MS2和MS3，每個MS都能夠自由地在整個區(qū)域內(nèi)，以及在區(qū)域外進行漫游。
參考圖2，更加詳細地給出移動蜂窩電話MS1，其中包括連接到通信天線20并且受通信微處理器(Comm μc)22控制，用于與所其注冊的基站BS1進行通信的通信發(fā)射機(Comm Tx)和接收機(Comm Rx)。這種在蜂窩電話網(wǎng)絡(luò)內(nèi)用于雙向通信的電話的設(shè)計和制造都是公認已知的，在此不再對未組成本發(fā)明內(nèi)容的那些部分進行闡述。
除了移動電話的常規(guī)部件之外，電話MS1內(nèi)還包含連接到GPS天線23并且受接收從軌道GPS衛(wèi)星發(fā)出的GPS擴頻信號的GPS微處理器(GPS μc)25控制的GPS接收機(GPS Rx)24。操作時，GPS接收機24可以通過天線23接收NAVSTAR SPS GPS信號，并且對其進行預處理，其中典型地包括為了最小化帶外RF干擾可以采用無源帶通濾波、到中頻(IF)的下變頻轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換。結(jié)果得到的經(jīng)過數(shù)字化的IF信號保持被調(diào)制，其中仍然包含來自可用衛(wèi)星的所有信息，并且被送到GPS微處理器25的存儲器內(nèi)。然后，出于根據(jù)利用常規(guī)導航算法所確定的移動電話的位置，得到偽距信息的目的，在若干數(shù)字接收機信道中(典型地最多為12個)的任意信道內(nèi)可以捕獲并且跟蹤GPS信號。這種用于GPS信號捕獲和跟蹤的方法是公認已知的，例如參見Artech House出版的，題為“GPS Principles and Applications(GPS原理與應(yīng)用)”(ISBN 0-89006-793-7)一書的第四章(GPSsatellite signa1 characteristics“GPS衛(wèi)星信號特性”)和第五章(GPS satellite signal acquisition and tracking “GPS衛(wèi)星信號捕獲和跟蹤”)。GPS微處理器25可以以通用微處理器、可選地與通信微處理器22相同或者嵌入在GPS專用集成電路(ASIC)中的微處理器的形式來實現(xiàn)。
圖3中概要給出蜂窩電話網(wǎng)絡(luò)基站BS1。除了基站的常規(guī)元素之外，其中還包含基本上連續(xù)操作的GPS天線34、接收機35和微處理器36，由此基站能夠擁有最新的GPS衛(wèi)星信息。該信息內(nèi)包括哪一個軌道衛(wèi)星目前可見(這種衛(wèi)星為相等宏區(qū)、旁邊的掩星的電話和相關(guān)基站所共有)；GPS數(shù)據(jù)消息內(nèi)包括最新的年歷和星歷數(shù)據(jù)以及衛(wèi)星時鐘校正數(shù)據(jù)，還有基站所觀測到的GPS衛(wèi)星信號的多譜勒頻移和當前碼相位。
眾所周知，在移動蜂窩電話MS1用戶發(fā)出緊急呼叫，并且經(jīng)過上行通信鏈路CL1受系統(tǒng)控制器SC的控制的情況下，基站BS1可以為電話提供這種信息，由此只要求對已知目標PRN碼所占用的縮小范圍中的頻率和碼相位進行掃描，以確保能夠?qū)崿F(xiàn)快速碼捕獲以及TTFF。然后，把定位從電話傳送回基站，并且再傳送給緊急業(yè)務(wù)運營商，在美國稱作公共安全應(yīng)答點(PSAP)。
參考圖4，概要給出實施偽隨機碼(PRN)掃描的、電話MS1的GPS微處理器25，其中連續(xù)生成衛(wèi)星PRN碼的提前(E)、當前(P)以及滯后(L)復制碼，并且與由接收機接收到的輸入衛(wèi)星PRN碼進行比較。為了從存儲在GPS微處理器25內(nèi)的信號樣值中恢復偽距信息，必須通過利用載波生成器41去生成同相相位(I)和正交相位(Q)復制載波信號的接收機，實現(xiàn)消除載波。通常采用載波鎖相環(huán)(PLL)去準確地復制接收載波的頻率。為了捕獲碼相位的鎖定，需要由碼生成器42連續(xù)地生成提前(E)、當前(P)以及滯后(L)復制碼。然后，復制碼與I和Q信號進行相關(guān)，生成三個同相相位的相關(guān)分量(IE、IL、IP)以及三個正交相位的相關(guān)分量(QB、QL、QP)，再典型地通過積分器43進行積分。計算碼鑒相器，作為相關(guān)分量和應(yīng)用于碼鑒相器的門限測試的函數(shù)；如果碼鑒相器為高，則宣布碼匹配，如果不為高，則碼生成器利用相位偏移生成下一系列復制碼。線性相位掃描最終會導致輸入PRN碼與本地生成的復制碼同相，從而實現(xiàn)碼捕獲。
根據(jù)本發(fā)明，移動電話MS1的GPS處理器25可以以隨后實例中任意一種實例中所描述的方式，去捕獲輸入GPS信號。
實例其中GPS信號接收通常較差的建筑物內(nèi)的移動蜂窩電話MS1的用戶進行到緊急服務(wù)(在美國稱作“公共安全應(yīng)答點”)的緊急呼叫。經(jīng)過雙向通信鏈路CL1受系統(tǒng)控制器SC的控制，基站BS1提供最新的年歷和星歷數(shù)據(jù)，以及由基站當前觀測到的GPS衛(wèi)星信號中的多譜勒頻移。
GPS接收機對100ms的GPS信號進行采樣，然后利用基站所提供的衛(wèi)星信息，GPS處理器25在捕獲GPS信號的嘗試中，采用常規(guī)的提前減滯后的相關(guān)結(jié)構(gòu)。利用100ms被采樣GPS信號價值中的10ms的一部分進行采樣，GPS處理器25只對已知目標PRN碼占用的縮窄的頻率范圍進行掃描，并且在此操作期間，盡力捕獲兩個具有相對強的信號噪聲比的GPS信號。這可以出現(xiàn)在如下的情況中，例如各個GPS衛(wèi)星可以通過建筑物的窗口與GPS接收機之間存在直線視距。然后，完成其它GPS信號的非成功掃描之后，還要求兩個信號，以得到位置定位，GPS接收機采用修正的捕獲過程，其中(1)利用當前所捕獲的信號之一，GPS處理器25在100ms的GPS信號樣值內(nèi)，測量由GPS接收機觀測到的信號的頻率變化。這可以通過如下來實施，或者在所有100ms的樣值序列中，利用該若干10ms的停留時段，重復地捕獲該信號；或者利用100ms樣值序列的初始10ms部分，捕獲該信號之后，在100ms樣值序列內(nèi)跟蹤該信號。變化典型地歸因于本地振蕩器的漂移，GPS接收機測量頻率的參考，以及由于手持設(shè)備和衛(wèi)星移動所引起的多譜勒頻移的變化。
(2)頻率變化概況可以被修改以便排除那些歸因于由衛(wèi)星運動導致的多普勒頻移的與捕獲的信號相關(guān)的頻率變化，所述頻率變化能夠被根據(jù)基站提供的天文歷數(shù)據(jù)或者根據(jù)先前捕獲的GPS信號、諸如基于上次已知的定位或者由通信基站提供的定位以及可以從一個GPS衛(wèi)星和定位估計獲得的GPS時間而容易地計算出。
(3)為了有助于捕獲其它GPS信號，可以再修改頻率變化概況，以補償由于與該信號(即目標信號)相關(guān)的衛(wèi)星的移動所引起的多譜勒頻移而造成的可預見的頻率變化。同樣再次，它也可以根據(jù)基站所提供或從GPS信號中得到的星歷數(shù)據(jù)，位置估計以及GPS時間的知識中簡單地計算得到。
(4)利用GPS信號樣值的整個100ms上的停留時間，GPS處理器25再次只掃描已知目標PRN碼占用的縮小范圍的頻率。但是，這次要根據(jù)步驟(3)修改之后的頻率變化概況，修改用于捕獲該信號的相關(guān)過程。也就是，手持設(shè)備移動以及本地振蕩器漂移的影響都被消除或至少被減輕。這可以按照如下方式中的任意一種來完成在以常規(guī)方式處理數(shù)據(jù)之前，將其與表示被檢測頻率變化的數(shù)據(jù)進行混合；或者代替與作為部分常規(guī)搜索機制的將數(shù)據(jù)與固定頻率偏移信號混合，使用一個以包括測量的頻率變化的方式調(diào)整的可變頻率信號。
在上面的例子中，在兩個相對強的信號被捕獲之后在相對弱的信號的捕獲過程中，多普勒中的變化被考慮。當例如天文歷數(shù)據(jù)、移動電話位置的估計以及當前GPS時間被由基站提供給蜂窩電話時，這種變化還被考慮以便捕獲第一信號。
此外，作為提前-滯后相關(guān)方法的候選方案，為了獲得PRN碼，可以使用快速卷積方法，以及特別是包含快速付立葉變換(FFT)在內(nèi)的方法。在Robert G Davenport的、題為“FFT processing of directsequence spreading codes using modern DSP microprocessors(利用現(xiàn)代DSP微處理器的直接序列擴頻碼的FFT處理)”的文章(IEEE1991國家航空和電子會議NAECON 1991，第一卷，98-105頁)內(nèi)，以及在美國批準專利5,663,734中描述了這種卷積方法。本發(fā)明的方法同樣可適用于這種卷積方法，至少因為如上所述，即在執(zhí)行FFT卷積之前，任意載波可以被從信號中剝離出來。
主要在由美國國防部開發(fā)和目前運行的全天候的基于分隔的導航系統(tǒng)NAVSTAR GPS中描述了本發(fā)明。但是，應(yīng)當理解，GPS的一般基礎(chǔ)原理通用的并且不只限于NAVSTAR。因此，GPS旨在指包括處于不同位置的多個擴頻無線電發(fā)射機以及根據(jù)無線電發(fā)射機的發(fā)射的到達時間來確定其位置的一個接收機的任何定位系統(tǒng)。
通過閱讀本公開內(nèi)容，其它修改對于本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見的并且可以包括其它特征，這些其它特征在GPS接收機及其部件的設(shè)計、制造和使用中是已知的并且可以被用來代替或者補充以上描述的特征。盡管在本申請中將權(quán)利要求闡明為特定的特征組合，但是應(yīng)當理解，本申請公開內(nèi)容的范圍還包括這里明確或隱含公開的任何新穎特征或者任何新穎特征的組合，而不管它是否涉及與在任何權(quán)利要求中要求相同的發(fā)明或者它是否減輕了與本發(fā)明相同的任何或者所有問題。因此，申請人指出在本申請或者從中獲得的任何進一步的申請的執(zhí)行過程中，新的權(quán)利要求可以被闡明為這種特征和/或這種特征的組合。
權(quán)利要求
1.一種解擴含有偽隨機噪聲(PRN)碼序列并且由GPS接收機接收的目標GPS擴頻信號的方法，該方法包括步驟-提供涉及多普勒頻移中的變化的估計的多普勒信息，所述多普勒頻移中的變化是由GPS接收機在目標信號上觀測到的并且歸因于GPS衛(wèi)星的運動的；以及-將目標信號與含有相應(yīng)PRN碼序列的參考信號相關(guān)，其中，在單個停留時間過程中，相關(guān)被修改為多普勒信息的一個函數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中目標信號在被與參考信號相比較之前，被修改為多普勒信息的一個函數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中參考信號在被與目標信號相比較之前，被修改為多普勒信息的一個函數(shù)。
4.根據(jù)前面任何一個權(quán)利要求的方法，其中多普勒頻移的估計被根據(jù)GPS接收機的上次已知定位而計算。
5.根據(jù)權(quán)利要求1到3的任何一個的方法，其中GPS接收機被包括在一個適合于與附近通信基站通信的移動通信設(shè)備中；并且其中多普勒頻移的估計被根據(jù)通信基站提供的定位而計算。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中定位對應(yīng)于通信基站的位置。
7.一種能夠利用根據(jù)前面任何一個權(quán)利要求的方法解擴由GPS接收機接收的GPS擴頻信號的GPS接收機。
8.一種包括根據(jù)權(quán)利要求7的GPS接收機的移動電話。
全文摘要
公開了一種解擴含有偽隨機噪聲(PRN)碼序列并且由GPS接收機(24)接收的GPS擴頻信號的方法、一種GPS接收機(24)和一種移動通信設(shè)備(MS1)(特別是移動蜂窩電話)。所述方法包括步驟提供涉及多普勒頻移中的變化的估計的多普勒信息，所述多普勒頻移中的變化是由GPS接收機在目標信號上觀測到的并且歸因于GPS衛(wèi)星的運動的；將目標信號與含有相應(yīng)PRN碼序列的參考信號相關(guān)，其中，在單個停留時間過程中，相關(guān)被修改為多普勒信息的一個函數(shù)。
文檔編號G01S19/25GK1455876SQ02800228
公開日2003年11月12日 申請日期2002年2月4日 優(yōu)先權(quán)日2001年2月6日
發(fā)明者S·R·多利, A·T·于勒 申請人:皇家菲利浦電子有限公司