專利名稱：高靈敏度衛(wèi)星定位系統(tǒng)接收機(jī)和接收方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及導(dǎo)航衛(wèi)星接收機(jī)，更具體地說，涉及在微弱信號(hào)電平環(huán)境中操作導(dǎo)航衛(wèi)星接收機(jī)的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
全球定位系統(tǒng)(GPS)是美國國防部花了超過130億美元建造和運(yùn)行的基于衛(wèi)星的無線電導(dǎo)航系統(tǒng)。衛(wèi)星定位系統(tǒng)(SPS)包括GPS和俄羅斯GLONASS導(dǎo)航系統(tǒng)。日本和歐共體提出了其他導(dǎo)航系統(tǒng)。
在GPS系統(tǒng)中，24個(gè)在20,200km高度上環(huán)繞地球的衛(wèi)星相隔在這樣的軌道上、使得客戶任何一次都會(huì)至少看到六顆衛(wèi)星。每一個(gè)這樣的衛(wèi)星都發(fā)送精確的時(shí)間和位置信號(hào)。GPS接收機(jī)測(cè)量到達(dá)它的信號(hào)的時(shí)間延遲，并由此算出接收機(jī)-衛(wèi)星的表觀距離。像這樣的由至少4個(gè)衛(wèi)星的測(cè)量使GPS接收機(jī)可以算出它的三維位置、速度和系統(tǒng)時(shí)間。
剛接通的導(dǎo)航衛(wèi)星接收機(jī)并不知道它所看到的衛(wèi)星準(zhǔn)確的軌道位置，接收機(jī)本身何在，其晶體振蕩器誤差有多大，因而不知道它的調(diào)諧頻率的誤差有多大，也不知道當(dāng)前的時(shí)間。但是，在幾秒或更小的誤差范圍內(nèi)可以知道時(shí)間以及在一百公里的誤差范圍內(nèi)知道其大概的位置。這樣的先行知識(shí)，盡管如此粗糙，但也大有用處。
準(zhǔn)確的系統(tǒng)時(shí)間和所述衛(wèi)星發(fā)出的表觀載波頻率是接收機(jī)找出并鎖定發(fā)射所必需的，因此最初一般都需要搜索所有可能性?？s小可能性的范圍直接導(dǎo)致更快的初始化。完全在一般客戶有限的耐心范圍內(nèi)進(jìn)行第一次位置固定是這樣的設(shè)備的制造商的商業(yè)需要。
與蜂窩電話相聯(lián)系的或可以通過因特網(wǎng)進(jìn)行通信的GPS接收機(jī)可以用許多方法得到聯(lián)接到已經(jīng)完成衛(wèi)星鎖定和跟蹤的其他GPS接收機(jī)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的幫助?？梢岳秒娫捇蚓W(wǎng)絡(luò)通信信道來向?qū)Ш叫l(wèi)星接收機(jī)提供信息的關(guān)鍵位，以便幫助它更迅速地初始化。本發(fā)明者之一，Paul McBurney等人已經(jīng)提交了幾份與協(xié)助GPS接收機(jī)客戶有關(guān)的美國專利。這在表1中進(jìn)行了匯總，而且所有這樣的專利申請(qǐng)都轉(zhuǎn)讓給同一受讓人，并包括在此作參考。
表1
GPS衛(wèi)星發(fā)射50bps(位/秒)的導(dǎo)航(NAV)數(shù)據(jù)消息，每12.5分鐘重復(fù)一次。它包括對(duì)GPS接收機(jī)取得信號(hào)鎖定和產(chǎn)生導(dǎo)航解很關(guān)鍵的系統(tǒng)時(shí)間、衛(wèi)星的星歷表和年鑒信息。共有25幀，每幀占30秒，每幀有5個(gè)子幀，每個(gè)子幀10個(gè)字。每個(gè)子幀開始時(shí)的z-計(jì)數(shù)給出它從衛(wèi)星發(fā)射的時(shí)間。星歷表是前三個(gè)子幀，子幀4-5是散布在50頁上的年鑒數(shù)據(jù)。一個(gè)完整的數(shù)據(jù)幀的NAV數(shù)據(jù)是1500位長，因而要占用30秒來發(fā)送。
若其數(shù)據(jù)電平太弱，則NAV數(shù)據(jù)不能可靠地接收和解調(diào)。這可能出現(xiàn)在戶內(nèi)或在甲板下。于是高靈敏度接收機(jī)需要通過不同的信道從第三方獲得信息上的協(xié)助，以便取得當(dāng)前的NAV數(shù)據(jù)。若已知本地接收機(jī)的系統(tǒng)時(shí)間，則可以把z計(jì)數(shù)信息插入從這樣的第三方獲得的在其他方面一般的NAV數(shù)據(jù)消息中。
每個(gè)數(shù)據(jù)幀分成5個(gè)子幀1-5，而且每個(gè)子幀長300位，例如，10個(gè)30位字。于是它占用6秒來發(fā)射每個(gè)300位、10個(gè)字的子幀。每個(gè)子幀以30位的遙測(cè)(TLM)字開始，后跟30位的轉(zhuǎn)交字(HOW)。兩個(gè)30位字都包括24位的數(shù)據(jù)和6位奇偶性。每個(gè)子幀有8個(gè)字的數(shù)據(jù)有效負(fù)載。
每個(gè)300位的子幀前面的TLM字有8位前導(dǎo)。前導(dǎo)使子幀的起始可以被識(shí)別，其后提供接收機(jī)同步用的初始機(jī)制。
第一個(gè)300位子幀在TLM字和HOW之后發(fā)送人造衛(wèi)星(SV)時(shí)鐘校正數(shù)據(jù)。第二個(gè)子幀發(fā)送人造衛(wèi)星星歷表數(shù)據(jù)的第一部分。第三個(gè)子幀發(fā)送人造衛(wèi)星星歷表數(shù)據(jù)的第二部分。第4和5子幀用來發(fā)送系統(tǒng)數(shù)據(jù)的不同頁。第四幀也以TLM字和HOW開始，而數(shù)據(jù)有效負(fù)載12.5分鐘循環(huán)一次，以便關(guān)于發(fā)送電離層、UTC和其他數(shù)據(jù)的漫長的信息。一個(gè)完整的25幀的組，例如125子幀，構(gòu)成完整的導(dǎo)航消息，它在這樣的12.5分鐘周期中發(fā)送。第五子幀以TLM字和HOW開始，它的數(shù)據(jù)有效負(fù)載也是12.5分鐘循環(huán)一次，以便發(fā)送相當(dāng)大的年鑒。
時(shí)鐘數(shù)據(jù)參數(shù)描述人造衛(wèi)星時(shí)鐘以及它與GPS時(shí)間的關(guān)系。星歷表數(shù)據(jù)參數(shù)描述衛(wèi)星軌道短段的人造衛(wèi)星軌道。一般，接收機(jī)每小時(shí)收集新的星歷表數(shù)據(jù)，但是它可以使用舊的數(shù)據(jù)直至4小時(shí)也沒有很大的誤差。星歷表參數(shù)與一種算法一起使用，所述算法計(jì)算在由星歷表參數(shù)組描述的軌道周期內(nèi)人造衛(wèi)星任何時(shí)間的位置。年鑒是所有人造衛(wèi)星用的近似的軌道數(shù)據(jù)參數(shù)。十參數(shù)年鑒描述在長時(shí)間周期內(nèi)人造衛(wèi)星的軌道，有時(shí)可以用幾個(gè)月。
GPS接收機(jī)起動(dòng)時(shí)信號(hào)采集時(shí)間可以由于具有可用的當(dāng)前年鑒而顯著加速。近似的軌道數(shù)據(jù)用來以星座中每一個(gè)人造衛(wèi)星的近似位置和載波多普勒頻率預(yù)置接收機(jī)。
在2001年5月29日頒發(fā)的美國專利6,239,742 B1“用于基于時(shí)間測(cè)量的衛(wèi)星定位系統(tǒng)的方法和設(shè)備”中，Norman F.Krasner描述一種處理由于載波信號(hào)電平太弱而無法讀出的NAV數(shù)據(jù)消息的方法。基站用來記錄部分NAV數(shù)據(jù)消息，并且把這些消息與來自遠(yuǎn)程GPS接收機(jī)的類似數(shù)據(jù)比較。所述遠(yuǎn)程GPS接收機(jī)直接從它可見的衛(wèi)星接收部分NAV數(shù)據(jù)消息。由所述基站記錄的NAV數(shù)據(jù)包括它的正確的時(shí)間標(biāo)識(shí)，所以匹配兩個(gè)時(shí)間上重疊的部分即可協(xié)助遠(yuǎn)程SPS接收機(jī)找出它的正確系統(tǒng)時(shí)間。這樣的比較并不在所述遠(yuǎn)程移動(dòng)接收機(jī)進(jìn)行，而是回到基站進(jìn)行。
發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種用于協(xié)助導(dǎo)航衛(wèi)星接收和接收機(jī)初始化的方法和系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一目的是提供一種用于減少GPS和SPS接收機(jī)初始化所需時(shí)間的方法和系統(tǒng)。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供一種效能價(jià)格合算的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。
簡(jiǎn)單地說，本發(fā)明的導(dǎo)航衛(wèi)星接收機(jī)方法實(shí)施例確定接收機(jī)接通時(shí)手頭上有什么導(dǎo)航數(shù)據(jù)(navData)、存在何種程度的時(shí)間不確定性和有多大的位置不確定性。采用可以改變其搜索窗口及停留時(shí)間以便增大接收機(jī)靈敏度的室內(nèi)和室外搜索引擎。所接收的信號(hào)存儲(chǔ)在幾個(gè)重放回路中，所述重放回路可以并行操作以便在時(shí)間和頻率上面對(duì)巨大的不確定性而能增大搜索靈敏度，而且仍能縮短第一次固定的時(shí)間。甚至在navData太弱以致無法讀出時(shí)仍能通過向服務(wù)器請(qǐng)求幫助實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星采集。
本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，提供一種系統(tǒng)和方法，所述系統(tǒng)和方法在本來無法初始化的衰減后的信號(hào)的衰減電平下提供導(dǎo)航衛(wèi)星接收機(jī)的初始化。
本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是提供一種降低與蜂窩移動(dòng)電話相聯(lián)系的導(dǎo)航衛(wèi)星接收機(jī)的成本的系統(tǒng)和方法。
對(duì)于本專業(yè)的普通技術(shù)人員來說，在閱讀對(duì)圖解說明于各附圖中的推薦的SPS接收機(jī)的以下詳細(xì)描述之后，無疑將明白本發(fā)明的這些和其他目的和優(yōu)點(diǎn)。
圖1是本發(fā)明網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)施例的原理框圖；圖2是對(duì)圖1的系統(tǒng)有用的本發(fā)明的方法實(shí)施例的流程圖；圖3是也對(duì)圖1的系統(tǒng)有用的本發(fā)明的廣義的方法實(shí)施例的流程圖；圖4是本發(fā)明的導(dǎo)航衛(wèi)星接收機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)施例中的自動(dòng)客戶、半客戶、瘦客戶和多用途客戶的原理框圖；以及圖5表示本發(fā)明的衛(wèi)星定位系統(tǒng)接收機(jī)和支持系統(tǒng)實(shí)施例，其中高靈敏度接收機(jī)遭受不影響服務(wù)器的信號(hào)衰減。
具體實(shí)施例方式
圖1舉例說明本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中的網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)航系統(tǒng)100，它包括基準(zhǔn)站服務(wù)器系統(tǒng)102、GPS測(cè)量平臺(tái)104、和諸如因特網(wǎng)等居中的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)106。服務(wù)器系統(tǒng)102包括導(dǎo)航衛(wèi)星接收機(jī)，它鎖定在并跟蹤導(dǎo)航人造衛(wèi)星(SV)的星座108、110和112。這些人造衛(wèi)星中某些人造衛(wèi)星也可能是GPS測(cè)量平臺(tái)104可見的。另一個(gè)導(dǎo)航衛(wèi)星星座包括客戶系統(tǒng)104可見的114和116。GPS測(cè)量平臺(tái)104包括它自己的導(dǎo)航衛(wèi)星接收機(jī)，但它尚未能鎖定和跟蹤它的導(dǎo)航衛(wèi)星星座112，114和116。
本發(fā)明的導(dǎo)航衛(wèi)星接收機(jī)方法實(shí)施例確定所述接收機(jī)接通時(shí)手頭上有什么navData、存在什么程度的時(shí)間不確定性和有多大的位置不確定性。采用能夠改變其搜索窗口和停留時(shí)間以便提高接收機(jī)靈敏度的室內(nèi)和室外搜索引擎。所接收的信號(hào)存儲(chǔ)在幾個(gè)可以并行操作的重放回路中，以便在面對(duì)時(shí)間和頻率巨大的不確定性的情況下提高搜索靈敏度，還要縮短首次定位時(shí)間。即使在navData太弱難以讀出時(shí)仍能通過請(qǐng)求服務(wù)器的幫助而實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星采集。
一般說來，按測(cè)量平臺(tái)能在多大程度上獨(dú)立于服務(wù)器而運(yùn)行進(jìn)行分類，本發(fā)明有4種類型的GPS測(cè)量平臺(tái)實(shí)施例。自主客戶只需從服務(wù)器102獲得最少的幫助，例如，微分校正數(shù)據(jù)，即能工作并向用戶提供導(dǎo)航解決方案。半客戶需要較多的幫助，例如，可簡(jiǎn)化星歷表和時(shí)間偏置計(jì)算的多項(xiàng)式模型。瘦客戶幾乎所有導(dǎo)航計(jì)算都依賴服務(wù)器102，基本上只提供從它的SV星座觀點(diǎn)看的觀測(cè)結(jié)果。若有客戶而且想看，則返回導(dǎo)航解供本機(jī)顯示。第四種客戶是作為客戶104連接的高靈敏度GPS接收機(jī)，這里稱作多用途客戶(omni)。
圖2表示本發(fā)明的利用接收機(jī)采集和跟蹤導(dǎo)航衛(wèi)星的搜索方法實(shí)施例，這里用總標(biāo)號(hào)200標(biāo)記。許多本文在以下討論中用到的并非本領(lǐng)域技術(shù)人員一般技巧部分的技術(shù)和術(shù)語，在包括于此作為參考的幾個(gè)美國專利中有詳細(xì)解釋。
方法200以導(dǎo)航接收機(jī)接通電源開始。步驟2 02確定有什么數(shù)據(jù)可用，存在多大的總的時(shí)間不確定性(sigmaTime)，有關(guān)本接收機(jī)當(dāng)前位置的總的位置不確定性(sigmaPos)有多大。步驟202中所涉及的數(shù)據(jù)包括關(guān)于這些衛(wèi)星(SV)的年鑒和星歷表信息。數(shù)據(jù)的可用性取決于可否連接到服務(wù)器以及任何存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)新到什么程度。
數(shù)據(jù)源的質(zhì)量分成幾級(jí)a.所有SV的當(dāng)前星歷表處于最佳情況，而且這發(fā)生在能與覆蓋全世界的服務(wù)器通信時(shí)。這樣的更新之后，接收機(jī)可以自主運(yùn)行4-6小時(shí)。由于星歷表起的作用與年鑒相似，所以這樣的數(shù)據(jù)便允許計(jì)算高度最高的衛(wèi)星(高-N)。
b.接收機(jī)最近跟蹤過并存儲(chǔ)了從以前的服務(wù)器對(duì)話或跟蹤對(duì)話獲得的其他星歷表，接收機(jī)中有某些SV的當(dāng)前星歷表和其他SV的下求模(down-moded)星歷表。這樣可以使用長達(dá)4-6小時(shí)或更長時(shí)間，用以形成高-N和預(yù)測(cè)多普勒數(shù)據(jù)。
c.沒有當(dāng)前星歷表，但是仍有完整的年鑒，允許采集但不能固定，因?yàn)闆]有足夠的SV位置和時(shí)鐘準(zhǔn)確度。若在室外，則不必利用服務(wù)器也可收集新的星歷表；以及d.啟動(dòng)之后并且在與服務(wù)器通信之前以及一般的冷啟動(dòng)時(shí)，客戶中沒有數(shù)據(jù)。
存在幾種不同程度的時(shí)間不確定性(sigmaTime)a.在1ms以內(nèi)，在未經(jīng)校正地運(yùn)行了不到一天的實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)的情況下這是可能的；b.從navData譯碼的實(shí)測(cè)z計(jì)數(shù)或者模式匹配可以把任何時(shí)間不確定性減少到10ms，這已經(jīng)好到足以在沒有U-dot V-DT項(xiàng)的情況下使位置解收斂；c.20ms內(nèi)，在未經(jīng)校正地運(yùn)行了幾天至一周的實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)的情況下這是可能的，而這一般已經(jīng)好到足以避免無z固定；d.網(wǎng)絡(luò)延遲估計(jì)值和利用服務(wù)器作為時(shí)基，可以把sigmaTime減小到20-50ms，而這允許無z固定和利用經(jīng)典的固定類型；e.sigmaTime在一秒水平時(shí)，為提高完整性，大于一秒的大的DT估計(jì)值可能失去無z固定的資格；f.人工輸入的粗糙的時(shí)間或RTC準(zhǔn)確度差到5分鐘，這好到足以采集高-N的sV，并取得合理的多普勒數(shù)據(jù)，因而好到足以開始搜索，但需要z計(jì)數(shù)、模式匹配或延遲時(shí)間源來開始固定；以及g.根本沒有時(shí)間信息可用，這是基準(zhǔn)站啟動(dòng)和其他冷啟動(dòng)時(shí)的缺省情況。
位轉(zhuǎn)換時(shí)間(BTT)是整數(shù)毫秒的不足20毫秒部分的估計(jì)值。它可以用來對(duì)利用模式匹配算出的整數(shù)毫秒進(jìn)行過濾或作為獨(dú)立的校驗(yàn)器。通過收集NAV數(shù)據(jù)來測(cè)量Z計(jì)數(shù)和BTT。BTT用來清除代碼相位roll-over。一般說來，不足20毫秒部分應(yīng)該一致。有一位對(duì)BTT的噪音比z計(jì)數(shù)大。但是，z計(jì)數(shù)可能在短的時(shí)間周期內(nèi)在接近代碼相位roll-over處出現(xiàn)1毫秒的誤差。
有三種等級(jí)的位置不確定性(sigmaPos)a.小于150km，在這種情況下即使沒有每個(gè)SV的位轉(zhuǎn)換時(shí)間(BTT)或z計(jì)數(shù)也可以固定；b.大于150km但小于3000km，在這種情況下通過預(yù)測(cè)高-N SV的預(yù)測(cè)多普勒數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)某些改善；c.大于3000km，在這種情況下高-N和預(yù)測(cè)的多普勒信息是如此之差，以致還不如假定沒有位置。
150km的閾值是在完成一個(gè)完整的C/A碼序列所用時(shí)間內(nèi)微波離開GPS衛(wèi)星行進(jìn)的物理距離的結(jié)果。若已知客戶的位置優(yōu)于150km不確定性，則不會(huì)有代碼相位整數(shù)二義性的問題。但是，若未知客戶的位置優(yōu)于150km不確定性，則必須解決代碼相位整數(shù)二義性問題。結(jié)果，這150km閾值高度依賴于偽隨機(jī)數(shù)(PRN)碼長的長度及其重復(fù)周期或時(shí)間片速率。GPS系統(tǒng)C/A碼每毫秒重復(fù)一次，但是精確碼(P碼)具有長得多的長度，而且實(shí)際上沒有整數(shù)二義性問題。其他導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)，例如，俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)將會(huì)具有不同的閾值。
3000km的閾值是移動(dòng)中的衛(wèi)星多普勒效應(yīng)的結(jié)果。若位置不確定性已知優(yōu)于3000km，則以此為基礎(chǔ)的多普勒估計(jì)會(huì)是有用的。但是若未知位置不確定性優(yōu)于3000km，則以此不確定性水平為基礎(chǔ)的多普勒估計(jì)可能是有害的。因此，3000km閾值是GPS系統(tǒng)及其衛(wèi)星的特性。其他系統(tǒng)和應(yīng)用可能會(huì)有不同的適當(dāng)?shù)拈撝怠?br>
若位置不確定性小于150km，則沒有z計(jì)數(shù)也能獲得固定。位置不確定性小于150km，而且在SV上沒有整數(shù)毫秒(intMs)可用時(shí)，可以采用GridFix方法。SigmaTime大于10ms時(shí)最好采用無z固定類型。
從SV接收的信號(hào)的信噪比(SNR)質(zhì)量可以隨著每一個(gè)SV而改變。定義了5個(gè)等級(jí)的SNR一個(gè)室外(OD)和4個(gè)室內(nèi)(ID1-ID4)。
表信號(hào)衰減電平
在接收機(jī)信噪比(SNR)至少為-142dBm的情況下存在室外(OD)信號(hào)衰減電平。這里采用室外搜索法進(jìn)行人造衛(wèi)星采集，采用時(shí)間跟蹤狀態(tài)機(jī)(TSM)進(jìn)行跟蹤。不必使用室內(nèi)搜索法，從而可以避免要求接收機(jī)有額外的時(shí)間和工作。這樣的SNR產(chǎn)生可靠的navData，例如，星歷表、z計(jì)數(shù)和BTT。
第一室內(nèi)信號(hào)衰減電平(ID1)存在于SNR處于-145dBm和-142dBm之間。采用室內(nèi)搜索法進(jìn)行人造衛(wèi)星采集，轉(zhuǎn)交給TSM中的跟蹤。轉(zhuǎn)交過程之后使室內(nèi)搜索法停止，以節(jié)省電力。用TSM可以獲得navData，例如，某些星歷表、z計(jì)數(shù)和BTT。
SNR處于-150dBm和-145dBm之間時(shí)，存在第二室內(nèi)搜索法(ID2)。采用室內(nèi)搜索法進(jìn)行人造衛(wèi)星采集，從室內(nèi)搜索法，DLL運(yùn)行的載波環(huán)路4載波轉(zhuǎn)交給TSM中的跟蹤。這樣可以獲得BTT和某些模式匹配，但一般說來，信號(hào)太弱，難以可靠收集navData。
SNR處于-155dBm和-150dBm之間時(shí)，存在第三室內(nèi)搜索法(ID3)。采用室內(nèi)搜索法進(jìn)行人造衛(wèi)星采集。信號(hào)太弱，不能進(jìn)行跟蹤轉(zhuǎn)交，因而不能可靠地收集navData、BTT和z計(jì)數(shù)。
SNR弱于-150dBm時(shí)，定義第四室內(nèi)搜索法(ID4)，并等價(jià)于整個(gè)信號(hào)被障礙。信號(hào)這樣弱，幾乎無法進(jìn)行人造衛(wèi)星采集和跟蹤，從室內(nèi)搜索法，DLL運(yùn)行的載波環(huán)路4載波轉(zhuǎn)交給TSM中的跟蹤。
因此這里描述的本發(fā)明的SPS接收機(jī)把信號(hào)強(qiáng)度的有用范圍向下擴(kuò)展到SPS接收機(jī)的-150dBm。
并非任何一刻都需要把所有可見的人造衛(wèi)星套入5個(gè)信號(hào)衰減電平分類，例如，OD和ID1-ID4。但若室外無障礙，類似于基準(zhǔn)站，則超過高度幾度的所有人造衛(wèi)星都可以歸入室外信號(hào)衰減電平模型。相反，若接收機(jī)確實(shí)深藏于室內(nèi)，則來自所有人造衛(wèi)星的信號(hào)都可以歸入受障礙的ID4組。更一般地說，SNR環(huán)境可能是混合的。
例如，當(dāng)接收機(jī)工作在深峽谷時(shí)，就可能出現(xiàn)直接人造衛(wèi)星(室外，OD)、衰減人造衛(wèi)星(ID1-ID3)和障礙人造衛(wèi)星(ID4)的結(jié)合。在這樣的環(huán)境下，頭頂上強(qiáng)的人造衛(wèi)星可能由于窄帶室內(nèi)搜索而對(duì)弱的和受障礙的人造衛(wèi)星引起有害的交叉相關(guān)。交叉相關(guān)峰可能比被搜索的人造衛(wèi)星還強(qiáng)。最好首先采用室外搜索法(ODSM)。ODSM帶寬較寬，而且靈敏度較低。隨著頻率窗口增大交叉相關(guān)的幾率增大。使這樣的幾率減到最小的最佳途徑是搜索可能的最小頻率窗口。
在建筑物內(nèi)，但高于信號(hào)衰減電平ID4時(shí)，可能某些人造衛(wèi)星可能呈現(xiàn)較強(qiáng)的接收信號(hào)電平。但交叉相關(guān)問題的幾率降低，因?yàn)閷?shí)際上沒有直接人造衛(wèi)星，即使是高度高的人造衛(wèi)星，其直接波束也經(jīng)受某種程度的衰減。在這樣的環(huán)境下，室內(nèi)搜索法工作得很好。
兩個(gè)基本假設(shè)是可能的，H0sigmaPos＜150km和時(shí)間誤差足夠小，使得多普勒數(shù)據(jù)正確；和H1H0是錯(cuò)誤的。
兩個(gè)搜索方法和引擎都用在本發(fā)明的接收機(jī)實(shí)施例中，室內(nèi)搜索法/引擎(ODSM)和室外搜索法/引擎(IDSM)。
在ODSM中，采用4種搜索假定類型H0，H0&H1，H1a和H1na。H0高度可信信號(hào)假定采用±2kHz頻率搜索，只用高-8，多普勒數(shù)據(jù)和軟件補(bǔ)償晶體振蕩器(SCXO)對(duì)中。它針對(duì)最高靈敏度進(jìn)行調(diào)諧，并只用高-N衛(wèi)星。
對(duì)于ODSM H0&H1，H0仍有某種可信度，但是也嘗試H1。它采用以高-8多普勒數(shù)據(jù)和晶體振蕩器對(duì)中的±2kHz頻率搜索，針對(duì)中靈敏度進(jìn)行調(diào)諧。它搜索所有24個(gè)其他SV，高-8，并在發(fā)射和不發(fā)射組字之間利用滿±4kHz擴(kuò)頻。高-N也可以用相同的寬頻率窗口進(jìn)行搜索，其他字中不包括這些SV。至少首先嘗試高-N，但再對(duì)它們進(jìn)行嘗試是浪費(fèi)時(shí)間。
對(duì)于ODSM H1a，不論時(shí)間還是位置都不知道。當(dāng)前發(fā)射的SV從年鑒已知。關(guān)于24個(gè)SV的信息散布在3組字中。對(duì)于最優(yōu)任何位置搜索時(shí)間，關(guān)于軌道平面的某些知識(shí)是有用的。
ODSM H1na與ODSM H1a相同，只是沒有年鑒可用。這發(fā)生在帶電池后備的存儲(chǔ)器的自主客戶上。
可以為了較高靈敏度或快時(shí)間完成而調(diào)節(jié)每一個(gè)搜索參數(shù)。
ODSM測(cè)量轉(zhuǎn)交給TSM進(jìn)行跟蹤。OD模式在ODSM和TSM中工作得相當(dāng)好。可能有混合SNR的某些情況，較弱的SV在IDSM中采集，而在TSM中跟蹤較強(qiáng)的SV。一般客戶也是如此。
在IDSM中，采用六種類型的搜索假定。IDSM零假定(H0)搜索是正常的IDSM，帶有最小的合理頻率窗口和最長合理停留時(shí)間。這樣一般在手頭上有良好的先有數(shù)據(jù)時(shí)采用。IDSM零假定擴(kuò)展頻率搜索(HOEf)在晶體不確定性模式已經(jīng)太樂觀時(shí)擴(kuò)展頻率窗口。IDSM零假定擴(kuò)展停留時(shí)間搜索(HOEd)由于衰減電平比前面首先講的嚴(yán)重因而需要較高的接收機(jī)靈敏度。IDSM零假定擴(kuò)展頻率和停留時(shí)間搜索(HOEfd)擴(kuò)展頻率和停留時(shí)間。當(dāng)數(shù)據(jù)可信度較低或沒有連接到服務(wù)器時(shí)，IDSM零假定擴(kuò)展頻率和縮短停留時(shí)間搜索(HOEfRd)增大頻率范圍，但是縮短停留時(shí)間。沒有星歷表，以非常長的停留時(shí)間進(jìn)行搜索是沒有價(jià)值的，因?yàn)镾V不能使用，因此無法收集NAV數(shù)據(jù)。
IDSM替代假定(H1)搜索是當(dāng)ODSM H1不能采集時(shí)，用于改善接收機(jī)靈敏度的后援。采用較大的頻率窗口和較短的停留時(shí)間。對(duì)于兩個(gè)縮短停留時(shí)間的因素中的每一個(gè)，搜索可以把頻率窗口加大一倍。例如，從1秒變?yōu)?50毫秒，就從-153dBm變到-150dBm，增大3dB?？梢栽谝?秒停留時(shí)間進(jìn)行搜索1kHz窗口的同時(shí)搜索4kHz窗口。這是自然電平，因?yàn)檫@是可以求出BTT的極限。但是我們?cè)谶@里也不能取得NAV數(shù)據(jù)。這樣進(jìn)一步把停留時(shí)間縮短至80毫秒，達(dá)到-148.5dBm，兩個(gè)中額外因素可以用來較快地搜索。IDSM H1搜索要求客戶監(jiān)視IDSM狀態(tài)，并確定何時(shí)完成所有8個(gè)SV的窗口。必須針對(duì)不能采集的時(shí)間片，提交另一組SV，并重復(fù)直至所有24或32個(gè)SV完成。
在圖2中，若sigmaPos可信度高，例如，優(yōu)于150km，則步驟204進(jìn)行IDSM H0。當(dāng)ID1至ID4 為真時(shí)，這是正確的路徑。當(dāng)我們至少有一個(gè)強(qiáng)SV時(shí)，若OD為真，則應(yīng)該關(guān)心交叉相關(guān)。若OD為真，而且更快到TSM，則ODSM會(huì)是比較好。若超時(shí)之后沒有固定，而且數(shù)據(jù)被信任，則繼續(xù)在當(dāng)前多普勒中心嘗試同一SV。但若飄移估計(jì)是錯(cuò)誤的，則增大頻率窗口。若所述模型錯(cuò)誤，則搜索永遠(yuǎn)找不到SV，于是嘗試ODSM H1。若OD為真，則恢復(fù)所述搜索，但若是室內(nèi)，則不恢復(fù)所述搜索。在沒有采集到一個(gè)SV時(shí)某些超時(shí)之后，所有模式至少應(yīng)該嘗試一次ODSM H1。高度低的強(qiáng)SV可以表示包括所述高-NSV組是錯(cuò)誤的。采集在當(dāng)前位置和時(shí)間看不到的SV表示所述數(shù)據(jù)是錯(cuò)誤的。這樣應(yīng)該根據(jù)強(qiáng)跟蹤SV的星歷表沉淀平均SV位置。
在步驟204，在選定的時(shí)間(Tsec)或周期數(shù)(Ncycles)嘗試IDSMH0。若不成功，則步驟206嘗試IDSM H0e并把飄移不確定性和/或停留時(shí)間增大Tsec或Ncycles。若這也不成功，則步驟208嘗試IDSMH1a，并把飄移不確定性和/或停留時(shí)間增大Tsec或Ncycles。若仍舊采集不到SV，則返回步驟204。若任何一個(gè)步驟成功，則轉(zhuǎn)交給跟蹤步驟212，例如，TSM。
或者，若sigmaPos可信度高，則首先嘗試ODSM H0并轉(zhuǎn)交給TSM。若成功，則只需要TSM212。若只采集到3-4個(gè)SV，則首先使用IDSM。但若能采集到5-6個(gè)SV，則可避免IDSM。當(dāng)OD為真時(shí)，則實(shí)現(xiàn)最快的到采集時(shí)間(TimeToACQ)。當(dāng)ID為真時(shí)，如圖2所示，TimeToACQ比利用步驟204-210慢。若超時(shí)之后沒有固定，則擴(kuò)大頻率不確定性定期嘗試ODSM H1。
總而言之，另一種可供選擇的策略在步驟204進(jìn)行ODSM H0。一次嘗試?yán)门cIDSM H0相同的頻率不確定性模型。然后在步驟206在某一段時(shí)間(Tsec)和/或若干個(gè)周期(Ncycles)，代之以IDSM H0。步驟208增大飄移不確定性，和/或把停留時(shí)間增大Tsec或Ncycles，代之以IDSM HOEfd。最后，在步驟210、在Tsec或Ncycles，利用ODSM H1作為另一種可供選擇的假定。
參見圖2，若來自步驟202的sigmaPos可信度中等，例如，在150km和3000km之間，則步驟214進(jìn)行IDSM H0。要求全偽距固定，意味著在固定中必須對(duì)每個(gè)SV測(cè)量整數(shù)毫秒。對(duì)每一個(gè)SV需要BTT和至少一個(gè)z計(jì)數(shù)。于是，信號(hào)至少必須-150dBm，例如，ID2或更強(qiáng)。對(duì)只有BTT可用的SV利用一種算法預(yù)測(cè)整數(shù)毫秒，并且至少有一個(gè)SV有z計(jì)數(shù)和BTT。整數(shù)毫秒已經(jīng)限定63-85毫秒的范圍。較小的范圍只出現(xiàn)在高度低的SV上。于是，對(duì)于強(qiáng)SV，所述范圍小于20毫秒。利用BTT可信度高的SV幫助避免可能由BTT噪音引起的模300km線性化PR誤差。
一般說來，對(duì)于SNR優(yōu)于-150dBm的SV，OD，IDl和ID2可獲得BTT。Z計(jì)數(shù)是可能的，但在ID2的情況下不可靠。然而，利用譯碼z計(jì)數(shù)或在這里提到的附此作參考的公開中描述的模式匹配技術(shù)可以直接獲得z計(jì)數(shù)。
對(duì)于所有的接收機(jī)，NAV數(shù)據(jù)模式匹配均可用來嘗試以高于-145dBm的靈敏度進(jìn)行操作。由于必須利用全偽距解決方案，所以中等位置可信度策略永遠(yuǎn)不嘗試無z解決方案，零假定比其他任何一種都更似為真，故首先利用手頭上最高靈敏度搜索給出的數(shù)據(jù)。
若有可用的星歷表，或者可以從幾個(gè)服務(wù)器連接中獲得模型，則為了仍舊取得BTT和整數(shù)毫秒，在不能完善地收集數(shù)據(jù)的電平下進(jìn)行搜索是有意義的。
以為ID2配置的IDSM，例如高達(dá)-150dBm開始。較短的停留時(shí)間允許同樣長的一段時(shí)間里，例如IDSM H0 ID2利用較寬的頻率范圍。若這失敗了，則或者假定的衰減是錯(cuò)誤的或者數(shù)據(jù)是錯(cuò)誤的。若頻率窗口擴(kuò)大給定的位置不確定性，則在衰減比原來假定的更嚴(yán)重時(shí)采集最可能失敗。這時(shí)，可以把停留時(shí)間擴(kuò)大至較高靈敏度，仍舊保持同樣的頻率范圍。
因此，在Tsec和/或Ncycles中數(shù)據(jù)良好的情況下，步驟214利用IDSM H0，ID3電平。若采集失敗，則步驟216嘗試IDSM HOEf ID3。然后在步驟218嘗試IDSM HOEd ID2一段時(shí)間Tsec和/或Ncycles。最后在步驟220進(jìn)行的嘗試?yán)肙DSM H1。若步驟220失敗，則返回步驟214，再次嘗試這整個(gè)序列。
當(dāng)接收機(jī)位置無可信度可言時(shí)，步驟202轉(zhuǎn)交步驟222。位置無可信度可言的原因可能是數(shù)據(jù)，最后的位置就是取得的太老，太陳舊了。在步驟222檢查看服務(wù)器是否有數(shù)據(jù)可用，幫助提供必要的數(shù)據(jù)。若服務(wù)器可用，則利用IDSM HOEf室內(nèi)衰減水平2(ID2)進(jìn)行搜索一段時(shí)間Tsec和/或Ncycles。還可以嘗試IDSM H0。若失敗，則用ODSM H1進(jìn)行搜索。
在步驟224，完全沒有數(shù)據(jù)、時(shí)間或位置信息。這樣便無法產(chǎn)生H0假定。若有完整的年鑒，則搜索必須直接進(jìn)到ODSM H1a，否則利用ODSM H1na。搜索的差異是明顯的，搜索32個(gè)SV，而不是24個(gè)，把努力和時(shí)間加大25％。對(duì)于沒有電池后援RAM存儲(chǔ)器(BBRAM)的基準(zhǔn)站，直接用ODSM H1開始是有意義的。對(duì)于靈敏度高的冷啟動(dòng)，IDSMH1是有意義的。
步驟226認(rèn)識(shí)到完全缺先驗(yàn)數(shù)據(jù)，例如，冷啟動(dòng)。于是有兩種搜索方案可選。首先是假定OD為真，運(yùn)行ODSM。對(duì)于冷啟動(dòng)的基準(zhǔn)站，這是最好的。第二個(gè)選項(xiàng)是利用寬的頻率窗口、或許用較短的停留時(shí)間，運(yùn)行IDSM。然后利用一小組prePos循環(huán)SV的整個(gè)過程，以便搜索全部SV。
圖3表示本發(fā)明一般狀態(tài)機(jī)方法實(shí)施例，本文中用總的標(biāo)號(hào)300標(biāo)識(shí)。方法300對(duì)所有客戶類型都管用，包括基準(zhǔn)站。在步驟302，狀態(tài)矩陣是針對(duì)基于位置sigmaPos，(x)，例如，(a)x＜/＝150km，(b)150km＜x＜/＝3000km和(c)X＞3000km等所有3種搜索類型定義的。在步驟304，搜索的數(shù)目和類型可以在搜索類型矩陣范圍內(nèi)獨(dú)立定義?？梢远x每種狀態(tài)的時(shí)間長度，以便運(yùn)行最小時(shí)間周期和最小周期數(shù)。監(jiān)視狀態(tài)看哪一種搜索重新開始。搜索類型是ODSMH0，H0&H1，H1a，H1na；和IDSMH0，HOEf，HOEd，HOEfd，H1。在步驟306定義一個(gè)元素作為已經(jīng)到達(dá)所述狀態(tài)之后開始的循環(huán)的點(diǎn)。所述元素成為循環(huán)點(diǎn)的終點(diǎn)。在步驟308，另一個(gè)元素定義為跳轉(zhuǎn)以便開始循環(huán)的點(diǎn)。所述元素定義循環(huán)起點(diǎn)。在步驟310，若它在所述路徑上已經(jīng)執(zhí)行，則在所述循環(huán)狀態(tài)下跳過任何元素，以便尋找循環(huán)的第一元素。在步驟312，每個(gè)狀態(tài)只用3位來定義循環(huán)起點(diǎn)、循環(huán)終點(diǎn)和狀態(tài)跳躍。在步驟314，一旦遇到第一次固定，便放棄狀態(tài)機(jī)直至位置不確定性增大到150km為止。重新進(jìn)入所述狀態(tài)，并重新初始化。
圖4表示本發(fā)明OMNI客戶導(dǎo)航衛(wèi)星接收機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)施例，本文中用總的標(biāo)號(hào)400標(biāo)識(shí)。OMNI客戶導(dǎo)航衛(wèi)星接收機(jī)網(wǎng)絡(luò)包括至少一個(gè)由網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器404支持的導(dǎo)航平臺(tái)402。
每一個(gè)GPS測(cè)量平臺(tái)402一般都包括GPS天線406、低噪音放大器(LNA)408、GPS表面聲波(SAW)濾波器410、帶有中頻(IF)SAW濾波器414的射頻(RF)應(yīng)用專用集成電路(ASIC)412、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)416、基準(zhǔn)晶體418和基準(zhǔn)晶體溫度傳感器420。
自主客戶(auto)422在幾乎沒有來自服務(wù)器404的幫助的情況下可以工作并向客戶提供導(dǎo)航解。半自主(demi)客戶4214需要幫助，例如，簡(jiǎn)化星歷表和時(shí)間偏置計(jì)算的多項(xiàng)式模型。瘦(thin)客戶426不能讓本身的主機(jī)承擔(dān)導(dǎo)航解處理的重?fù)?dān)。它把幾乎所有的導(dǎo)航計(jì)算任務(wù)都推給服務(wù)器404，基本上只提供從其SV星座的觀點(diǎn)看的觀測(cè)結(jié)果。若有客戶，而且想看導(dǎo)航解，則將其返回本機(jī)顯示。在瘦客戶426中，DSP是與某些其他的非GPS應(yīng)用共享的。因此，在所述客戶中不必使用多線程應(yīng)用程序，只須執(zhí)行簡(jiǎn)單的程序循環(huán)。
在OMNI客戶427中，運(yùn)行幾乎是完全自動(dòng)化的，但是定期通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)收集完整的一套星歷表。在掉電期間，有電力后援時(shí)，它仍在運(yùn)行，以便使其位置不確定性、sigmaPos保持低于150km。這個(gè)條件使其可以高靈敏度運(yùn)行，其中采用細(xì)小得多的搜索步距，找到信號(hào)功率，而且每一步停留時(shí)間都長。若晶體振蕩器418利用由溫度傳感器420測(cè)得的溫度測(cè)量值進(jìn)行軟件補(bǔ)償，則OMNI客戶427還會(huì)得到很大的好處。實(shí)時(shí)時(shí)鐘保持運(yùn)行，它準(zhǔn)確到優(yōu)于每次導(dǎo)航平臺(tái)402通電時(shí)的真實(shí)時(shí)間的1毫秒。
本機(jī)基準(zhǔn)晶體振蕩器418具有隨著溫度而變化的頻率飄移誤差?；鶞?zhǔn)晶體溫度傳感器420周來測(cè)量本機(jī)基準(zhǔn)晶體振蕩器418的溫度。第一個(gè)用途是收集數(shù)據(jù)以便在對(duì)導(dǎo)航平臺(tái)402進(jìn)行初始化并跟蹤SV時(shí)在生產(chǎn)標(biāo)定過程中建立曲線。隨后的用途是提供索引值，使得可以根據(jù)存儲(chǔ)的系數(shù)計(jì)算9階多項(xiàng)式方程，而同時(shí)對(duì)導(dǎo)航平臺(tái)402進(jìn)行初始化并嘗試鎖定在它的第一個(gè)SV上。
服務(wù)器404一般包括若干基準(zhǔn)站天線428和430，天線428和430提供輸入基準(zhǔn)站管理器432的GPS信號(hào)。位置服務(wù)器434可以向半自主(demi)客戶424、瘦(thin)客戶426和OMNI客戶427提供支持信息，以改善首次定位時(shí)間和位置質(zhì)量。在運(yùn)行于高靈敏度方式的OMNI客戶427的情況下，所收集的星歷表信息和由服務(wù)器404提供的信息使得無論任何地方都可以用來自SV的低于-150dBm的信號(hào)電平進(jìn)行固定。
本發(fā)明方法實(shí)施例確定如何和何時(shí)服務(wù)器404與OMNI客戶，例如客戶104及導(dǎo)航平臺(tái)402接觸。服務(wù)器接觸必須不頻繁，并在許多情況下達(dá)到最少，因?yàn)槊孔止?jié)的通信費(fèi)用高，或者所述網(wǎng)絡(luò)只是定期可訪問的。
信號(hào)強(qiáng)度高時(shí)，z計(jì)數(shù)和BTT實(shí)際上是通過收集NAV數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量的。BTT周來清除任何代碼相位roll-overs。一般低于20ms部分應(yīng)該一致。有一位對(duì)BTT的噪音比對(duì)z計(jì)數(shù)大。但是，在接近代碼相位roll-overs的地方z計(jì)數(shù)可以短時(shí)間關(guān)閉1ms。
OMNI客戶需要良好的時(shí)間源，來把sigmaTime減少到1毫秒以下。50Hz的NAV數(shù)據(jù)可以用來進(jìn)行模式匹配，并間接求出時(shí)間。當(dāng)z計(jì)數(shù)無法譯碼時(shí)，這樣便可以向GPS接收機(jī)提供適當(dāng)?shù)臅r(shí)間源。若在模式匹配中有足夠的可信度，還可以在一臺(tái)SV上確定整數(shù)毫秒、intMs。
若起始時(shí)間不確定性sigmaTime大于±10ms，則補(bǔ)助費(fèi)解決固定中必須使用所謂大ΔT項(xiàng)(DT)。這樣把要求的SV數(shù)目加大1。當(dāng)SV上的位置不確定性sigmaPos低于150km，而且沒有intMs可用時(shí)，可以采用gridFix方法。當(dāng)sigmaTime大于10毫秒時(shí)，采用無z類型。
由服務(wù)器發(fā)送完整的GPS年鑒highAccAlm，帶上星歷表而不是所有GPS的SV的年鑒?？梢杂煞?wù)器發(fā)送另一套完整的GPS年鑒mixAccAlm，包括當(dāng)前不跟蹤的較老的星歷表。
最好實(shí)現(xiàn)具有全部GPS星座連續(xù)可觀測(cè)性的全球服務(wù)器(WWserver)。它具有足夠的空間適當(dāng)分布的基準(zhǔn)站，以便在同一時(shí)間在全世界看到所有SV。
服務(wù)器404代表局部區(qū)域服務(wù)器(Laserver)，它具有只能觀測(cè)全部GPS的SV星座的一個(gè)子集的一個(gè)或多個(gè)基準(zhǔn)站。因此，LaserVer無法提供highAccAlm，只能提供mixAccAlm。
接通電源之后，年鑒將包括星歷表，后者實(shí)際上是年鑒。一個(gè)12小時(shí)的周期之后，年鑒將由基于星歷表的年鑒代替。
來自GPS的SV的NAV數(shù)據(jù)可以直接收集電平低達(dá)-145dBm的信號(hào)。因此，在這個(gè)電平上可以推算出星歷表、z計(jì)數(shù)和BTT。在這個(gè)電平上的SV可以獨(dú)立于服務(wù)器運(yùn)行，而且還可以用于對(duì)啟動(dòng)位置準(zhǔn)確度無要求的固定，例如在任何位置的固定。在-145dBm下開始時(shí)需要模式匹配，并能在降到象-150dBm這樣低的電平下進(jìn)行。從而可以獲得z計(jì)數(shù)或intMs，使得SV可以用在任何地方的固定中。但是，在這樣的信號(hào)電平下，需要通過網(wǎng)絡(luò)106從服務(wù)器102或它們的可供選擇的源獲得星歷表。信號(hào)電平低于-150dBm時(shí)，NAV數(shù)據(jù)不能可靠到足于進(jìn)行模式匹配。必須從服務(wù)器102或104獲得NAV數(shù)據(jù)，而信號(hào)這樣弱的SV只有在不確定性小于150km時(shí)才能參與固定。
在初始SV采集過程中，不需要星歷表級(jí)準(zhǔn)確度。年鑒或降級(jí)的星歷表宜用來預(yù)測(cè)預(yù)定位(preposition)所必須的數(shù)據(jù)。星歷表級(jí)準(zhǔn)確度也并非固定所必要的。為用于定位的星歷表年齡定義超時(shí)。若適當(dāng)?shù)貙?duì)準(zhǔn)確度隨著時(shí)間而降低的函數(shù)建模，則這樣的閾值可以放松并且仍舊維持相當(dāng)好的預(yù)定位。年齡閾值可能是一個(gè)可控的參數(shù)，使得客戶可以選擇所需的性能等級(jí)。
第一次固定或設(shè)置時(shí)間需要來自服務(wù)器102的NAV數(shù)據(jù)子幀數(shù)據(jù)。此后客戶不再要求子幀。由客戶譯碼的NAV數(shù)據(jù)可以發(fā)送給服務(wù)器102供服務(wù)器進(jìn)行模式匹配。
當(dāng)有3個(gè)或3個(gè)以上的SV信號(hào)電平全都優(yōu)于-145dBm時(shí)，OMNI客戶104不必連接服務(wù)器。若必須收集星歷表，則首次定位時(shí)間(TTFF)將較長。在某些情況下，以前收集的星歷表可以使用。
當(dāng)手頭上有以前收集的SV星歷表而且sigmaPos小于150km時(shí)，OMNI客戶104不必連接服務(wù)器。需要的SV最小數(shù)目取決于sigmaTime。用對(duì)溫度飄移進(jìn)行軟件補(bǔ)償?shù)膶?shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)可以減少這樣的時(shí)間不確定性。于是采用這樣的RTC需要3個(gè)SV，而沒有RTC則需要4個(gè)SV。
否則，求出一個(gè)固定將需要OMNI客戶104接觸服務(wù)器102并要求某些信息。SV信號(hào)為-145dBm至-150dBm而sigmaPos＞150km時(shí)，需要NAV數(shù)據(jù)子幀。它們需要這些SV的intMs來參與第一次固定。若只有3個(gè)-145dBm或更弱的SV可用，而且沒有其他更好的準(zhǔn)確時(shí)間的手段，可以使用模式匹配。有4個(gè)SV則采用所謂無z計(jì)數(shù)。
當(dāng)SV的信號(hào)不強(qiáng)于-145dBm而且它們的星歷表已經(jīng)超時(shí)時(shí)，就需要請(qǐng)求星歷表。在這樣的情況下，最快的TTFF可能是需要的。
主程序應(yīng)用可以定期地接通GPS接收機(jī)，并取得固定。這樣決定從最后一次固定之后接收機(jī)已經(jīng)移動(dòng)了多遠(yuǎn)，或者就決定GPS是否仍停留在預(yù)定的區(qū)域內(nèi)。選擇兩次固定之間的時(shí)間間隔，以便使sigmaPos保持在150km以內(nèi)，使得在-145dBm下的弱SV上不需要intMs。這樣擴(kuò)展了在不必連接服務(wù)器以請(qǐng)求NAV數(shù)據(jù)子幀的情況下保持高靈敏度固定的能力。服務(wù)器請(qǐng)求的定時(shí)是自適應(yīng)的。當(dāng)沒有它也有適當(dāng)性能時(shí)，這是提供寂靜的客戶/服務(wù)器連接所必需的。
OMNI客戶必須評(píng)價(jià)它具有的數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)的年齡和采集成功的幾率，例如，SV的數(shù)目和信號(hào)電平。然后OMNI客戶決定是否進(jìn)行連接以及請(qǐng)求什么數(shù)據(jù)。可以使自適應(yīng)性失效，并用明確的命令連接服務(wù)器。主應(yīng)用可以決定每一小時(shí)連接服務(wù)器。這樣，對(duì)于每5分鐘進(jìn)行一次的固定，第12次固定要連接服務(wù)器。
在主應(yīng)用收集數(shù)據(jù)然后將其通過API推入客戶時(shí)，可以使用廣播型星歷表服務(wù)。任何時(shí)候在對(duì)話過程中客戶可以被授權(quán)連接服務(wù)器。
本發(fā)明某些實(shí)施例使客戶至服務(wù)器的轉(zhuǎn)交過程可控制和可選擇。向主應(yīng)用的狀態(tài)發(fā)送消息，它包括(a)星歷表的年齡和當(dāng)前高-N的某些SV是否已經(jīng)超時(shí)，(b)SV的跟蹤分類或子幀是否需要任何SV和(c)sigmaTime和sigmaPos。
只要有正在被跟蹤的SV星歷表可用，而且位置不確定性小于150km，使得不用z計(jì)數(shù)即可獲得固定，就可以維持室內(nèi)、高靈敏度運(yùn)行。最好采用諸如實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)等準(zhǔn)確的時(shí)間源，因?yàn)闊oz固定方法使SV的數(shù)目增大1。例如，三維固定要用5個(gè)SV，而二維固定要4個(gè)SV。位置固定可以利用信號(hào)測(cè)量值計(jì)算，不然它就太弱難以對(duì)50bps的GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)流解調(diào)。
為了獲得合理的首次定位時(shí)間(TTFF)，應(yīng)該包括軟件補(bǔ)償?shù)木w振蕩器(SCXO)。若TTFF不這樣重要，則頻率搜索窗口可以擴(kuò)大，以便搜索出一個(gè)較大的頻率誤差。若信號(hào)強(qiáng)到足以可靠地解調(diào)接收機(jī)中的數(shù)據(jù)，則位置范圍可以擴(kuò)大到150km以外。
上述附此作參考的美國專利申請(qǐng)中描述的RTC，即使客戶應(yīng)用沒有運(yùn)行，一般可以維持從以前固定獲得的1ms等級(jí)的準(zhǔn)確度。其代價(jià)只是休眠功率消耗略有增加。
在本發(fā)明的實(shí)施例中，若信號(hào)足夠強(qiáng)，則導(dǎo)航數(shù)據(jù)可以獨(dú)立解調(diào)。在目前的STI或全球定位設(shè)計(jì)中，這樣是不可能的，除非它們也增加傳統(tǒng)的跟蹤能力。
不用服務(wù)器，高靈敏度位置固定只有在像進(jìn)行了最近的，例如，在最近4小時(shí)內(nèi)的觀測(cè)的像室外那樣的信號(hào)的條件下才能實(shí)現(xiàn)。這是因?yàn)榭梢娦l(wèi)星是不斷改變的，由以前的SV軌道獲得的星歷表準(zhǔn)確度會(huì)退化。每個(gè)軌道的退化程度是一個(gè)重要的問題。航天飛機(jī)的軌道和衛(wèi)星時(shí)鐘的軌跡都必須準(zhǔn)確建模。某些歷史模型可以把星歷表的可用性擴(kuò)大到12-16小時(shí)的范圍。這樣便可以在某種程度上改善性能，但是固定的準(zhǔn)確度仍難以預(yù)測(cè)。
圖5表示本發(fā)明的衛(wèi)星定位系統(tǒng)(SPS)接收機(jī)和支持系統(tǒng)的實(shí)施例，這里總體用標(biāo)號(hào)500表示。例如，由美國政府運(yùn)行的全球定位系統(tǒng)(GPS)和由俄羅斯政府運(yùn)行的GLONASS系統(tǒng)都是這樣的SPS系統(tǒng)。
所述系統(tǒng)500從SPS衛(wèi)星502的頭頂星座接收微波信號(hào)傳輸。信號(hào)504在其室外視線飛行過程中被衰減(506)，例如，被建筑物衰減而強(qiáng)度減弱。但高靈敏度SPS接收機(jī)508能夠用這樣的信號(hào)工作，盡管它已被強(qiáng)烈地衰減。衰減的結(jié)果之一是，50Hz數(shù)據(jù)消息可能無法辨別或不可靠。這樣在本發(fā)明的某些SPS接收機(jī)中它可能必須由另一種裝置獲得。全強(qiáng)度信號(hào)510由基準(zhǔn)站512接收，因此基準(zhǔn)站512可以并可靠地對(duì)50Hz NAV數(shù)據(jù)消息進(jìn)行解調(diào)。這樣的基準(zhǔn)站512還可以有一個(gè)實(shí)測(cè)位置，使之能將其SPS位置解與其真實(shí)位置進(jìn)行比較。這樣的比較將求出不同誤差，例如，電離層和對(duì)流層造成的誤差的大小和方向。
若已經(jīng)有NAV數(shù)據(jù)消息信息，則SPS接收機(jī)508可以直接測(cè)量偽距。這是因?yàn)榇a分多址(CDMA)解調(diào)技術(shù)允許收集長的采樣周期，并能利用相關(guān)處理增益的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行工作。無線電接收機(jī)514調(diào)諧到這樣的發(fā)射，而相關(guān)處理器516測(cè)量到可見衛(wèi)星的不同偽距。
在一個(gè)實(shí)施例中，導(dǎo)航處理器518從實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)520和來自NAV數(shù)據(jù)合成器522的z計(jì)數(shù)、星歷表和年鑒數(shù)據(jù)信息獲得時(shí)間信息。2002年2月19日提交的序列號(hào)為10/079253的美國專利申請(qǐng)書較詳細(xì)地提供了這樣一種RTC的結(jié)構(gòu)和使用。否則，時(shí)間、z計(jì)數(shù)、星歷表和年鑒數(shù)據(jù)信息采用傳統(tǒng)方法獲得。
NAV數(shù)據(jù)合成器522重構(gòu)適當(dāng)?shù)?5幀NAV數(shù)據(jù)消息，若衰減不如此嚴(yán)重，這本來應(yīng)該是由無線電接收機(jī)514接收的。遠(yuǎn)程基準(zhǔn)站512不向客戶524提供時(shí)間信息，而只提供當(dāng)前的星歷表和年鑒數(shù)據(jù)。因?yàn)榕c遠(yuǎn)程基準(zhǔn)站的通信信道一般帶寬比50Hz高得多，所以當(dāng)前的星歷表和年鑒數(shù)據(jù)可以用比衛(wèi)星502傳輸它所需的正常的12.5分鐘短得多的時(shí)間傳輸。
客戶524接收星歷表、年鑒、NAV數(shù)據(jù)和其他信息。Z計(jì)數(shù)和定時(shí)信息由NAV數(shù)據(jù)合成器522通過從RTC 520讀取時(shí)間來計(jì)算。NAV數(shù)據(jù)合成器522把結(jié)合后的信息格式化為導(dǎo)航處理器518可以接收并自然地用以工作的消息。
RTC 520準(zhǔn)確到3秒，于是z計(jì)數(shù)可以正確地寫入合成后的NAV數(shù)據(jù)，因而避免整數(shù)的二義性。因此從導(dǎo)航處理器526可以獲得位置解的輸出526。當(dāng)結(jié)合已經(jīng)附此作參考的本發(fā)明人的其他發(fā)明和開發(fā)的技術(shù)時(shí)，尤為如此。
遠(yuǎn)程基準(zhǔn)站512包括它自己的完整的導(dǎo)航衛(wèi)星接收機(jī)528，它例行公事地并且連續(xù)地跟蹤導(dǎo)航衛(wèi)星星座502。在12.5分鐘消息傳輸時(shí)間過程中提取整個(gè)NAV數(shù)據(jù)消息530，然后將其存儲(chǔ)在本機(jī)存儲(chǔ)器中。時(shí)間分離器532去掉時(shí)間信息，例如，z計(jì)數(shù)。星歷表和年鑒NAV數(shù)據(jù)534被提取并可供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器536使用。網(wǎng)絡(luò)的其他通信系統(tǒng)連接538允許客戶524請(qǐng)求信息，這將幫助它初始化和/繼續(xù)計(jì)算位置解。
通信系統(tǒng)的連接538可能并不是總能得到的，于是本發(fā)明的SPS接收機(jī)可以通過與遠(yuǎn)程基準(zhǔn)站512的不頻繁的連接進(jìn)行工作。
在本發(fā)明的商業(yè)模型實(shí)施例中，SPS接收機(jī)508的擁有者/使用者對(duì)這樣的NAV導(dǎo)航輔助信息承擔(dān)由所述遠(yuǎn)程基準(zhǔn)站512的運(yùn)營者收取的每次使用的費(fèi)用或訂金。
結(jié)果，本發(fā)明的接收機(jī)對(duì)室內(nèi)使用和信號(hào)電平降到-145dbm以下的地方特別適用。
本發(fā)明SPS接收機(jī)的接收機(jī)初始化方法包括室內(nèi)搜索法(IDSM)和室外搜索法(ODSM)。室內(nèi)搜索法處理來自軌道SPS衛(wèi)星的強(qiáng)烈衰減信號(hào)，所述信號(hào)弱到對(duì)傳統(tǒng)的SPS接收機(jī)沒有任何用處。室內(nèi)搜索法和室外搜索法中的每一個(gè)都作為嵌入專用集成電路(ASIC)中的搜索引擎或作為微型計(jì)算機(jī)的軟件實(shí)現(xiàn)。
轉(zhuǎn)交(hand off)機(jī)制用來根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度、時(shí)間信息、網(wǎng)絡(luò)訪問等在室內(nèi)方法和室外方法之間進(jìn)行選擇。于是關(guān)鍵參數(shù)用來定義時(shí)間和頻率初始搜索的大小。關(guān)鍵衰減電平用來定義在每個(gè)電平上信號(hào)如何獲取和跟蹤。
當(dāng)它強(qiáng)到足以進(jìn)行時(shí)間跟蹤時(shí)，為了提高測(cè)量產(chǎn)出，每個(gè)SV都轉(zhuǎn)交到TSM。但是它仍然保持在IDSM內(nèi)部，以便在TSM找出BTT并完整地傳送TSM的整體時(shí)提供測(cè)量值。對(duì)于非常弱的SV，有時(shí)頻率環(huán)路可能需要較長時(shí)間推入，甚至完全不推入。于是，兩個(gè)機(jī)器都并行操作，以避免在跟蹤狀態(tài)機(jī)之間轉(zhuǎn)換過程中丟失任何SV。
時(shí)間跟蹤狀態(tài)機(jī)(TSM)跟蹤相位準(zhǔn)確到足以觀察180度載波相位逆轉(zhuǎn)。跟蹤NAV數(shù)據(jù)，而Z計(jì)數(shù)可以從子幀提取。這使從衛(wèi)星傳遞時(shí)間，黃金定時(shí)基準(zhǔn)成為可能。
理想的是，約-145dbm或更強(qiáng)的衛(wèi)星的所有長期跟蹤都在時(shí)間跟蹤引擎中進(jìn)行。這樣做的好處是，可以觀測(cè)導(dǎo)航數(shù)據(jù)，而且任何地方客戶都可以利用自主定位能力，因?yàn)檎麄€(gè)偽距都可以確定。TSM采用高更新率載波頻率跟蹤回路，AFC或PLL，帶有鑒相器，可以觀測(cè)由NAV數(shù)據(jù)引起的180度相移。通過在代碼相位上加上估計(jì)的毫秒移動(dòng)時(shí)間，例如，給接收到的z計(jì)數(shù)加上時(shí)間標(biāo)簽，即可完成偽距。
另一個(gè)好處是，代碼相位和頻率是平均了的。定量誤差減小了，因?yàn)榻邮諜C(jī)的處理是在低于其他空間中的誤差(errors-in-space)的情況下進(jìn)行的。這樣的測(cè)量提供最佳準(zhǔn)確度，因?yàn)橄辔缓皖l率允許在真實(shí)相位附近抖動(dòng)。這些相位是平均了的，以便產(chǎn)生其平均相位相當(dāng)準(zhǔn)確的測(cè)量值。每個(gè)SV的功率消耗降到最低，因?yàn)槊總€(gè)SV只需一次重放，而且使用的相關(guān)器數(shù)目最小。
當(dāng)啟動(dòng)自動(dòng)上升方式(auto-upmode)、自動(dòng)分配(auto-allocation)邏輯時(shí)，TSM具有獨(dú)立的輸入，并直接從客戶處或從其他狀態(tài)機(jī)接收預(yù)定位信息。自動(dòng)上升方式是可以配置的。對(duì)于瘦客戶這些模式有一些好處，機(jī)器之間傳輸延遲時(shí)間短?？晒┻x擇的方法是，客戶必須監(jiān)視每個(gè)消息是否成功，并根據(jù)哪一個(gè)信號(hào)對(duì)資源最有利來顯式地控制12個(gè)TSM工作空間。
若對(duì)先驗(yàn)信息略有信心，則可以用室外狀態(tài)機(jī)(ODSM)對(duì)許多衛(wèi)星進(jìn)行快速搜索。對(duì)晶體振蕩頻率偏置需要有良好的估計(jì)，因?yàn)檫@為所有搜索設(shè)置了中心頻率。對(duì)于頻率和代碼中心非常準(zhǔn)確的衛(wèi)星，直接進(jìn)入IDSM或TSM的前提是高的可信度、較小的搜索，取決于預(yù)期的信號(hào)電平。
ODSM采用一組輸入消息。通過設(shè)置3個(gè)32位組字中的一個(gè)的位，例如高-N、發(fā)射或不發(fā)射來定義SV。
表ODSM特性
室外采集引擎在客戶代碼中產(chǎn)生ODSM prePos參數(shù)值不同的4種方式。例如，SNR的OD SNR假設(shè)至少為-142dbm，位置不確定性假設(shè)可以是Ho位置誤差＜150km，時(shí)間誤差小，使得多普勒數(shù)據(jù)正確H1Ho是錯(cuò)誤的。
可以進(jìn)行4種類型的搜索Ho，Ho&H1，H1a和H1na。Ho高可信度單一假設(shè)采用±2kHz頻率搜索，只帶高-8、多普勒數(shù)據(jù)和對(duì)中的SCXO。調(diào)節(jié)最高靈敏度并且只采用高-N組字。
對(duì)于Ho&H1，對(duì)Ho尚有某種可信度，但也要嘗試H1。它采用±2kHz，帶高-8多普勒數(shù)據(jù)和對(duì)中的SCXO，調(diào)節(jié)中等靈敏度。它搜索其他SV中的所有24個(gè)SV，高-8，在發(fā)射和不發(fā)射組字中間采用全±4kHz擴(kuò)展。也可以用相同的頻率窗口，在其他字中不包括這些SV的情況下搜索高-N。至少首先嘗試高-N，但再次對(duì)它們進(jìn)行嘗試是浪費(fèi)時(shí)間。
對(duì)于H1a，時(shí)間和位置未知。當(dāng)前發(fā)射的SV由年鑒得知。24散布在3組字中。對(duì)最優(yōu)任何位置搜索時(shí)間，關(guān)于軌道平面的某些知識(shí)可能有用。
H1na和H1a相同，但沒有年鑒可用。這發(fā)生在具有沒有電池備份的存儲(chǔ)器的自主客戶中。
可以為高靈敏度或快時(shí)間完成(fast-time-to-completion)調(diào)節(jié)每個(gè)搜索參數(shù)。
ODSM測(cè)量值轉(zhuǎn)交給TSM進(jìn)行跟蹤。OD方式在ODSM和TSM中工作得相當(dāng)好。其中有某些混合SNR的情況，在IDSM中采集較弱的SV，而在TSM中跟蹤較強(qiáng)的SV。
對(duì)于每個(gè)請(qǐng)求的代碼相位和頻率假設(shè)，IDSM固件都引導(dǎo)數(shù)字處理器進(jìn)行非常長的積分。
IDSM有兩個(gè)輸入，組信息包和各個(gè)prePos。組prePos的接收使?fàn)顟B(tài)機(jī)完全復(fù)位。各個(gè)prePos可以取空時(shí)時(shí)隙或重寫相同的SV。若所述SV正在跟蹤，則若不強(qiáng)制則可忽略所述prePos。所述prePos或者以全代碼窗口和特定頻率數(shù)目進(jìn)行搜索或者用15個(gè)頻率一個(gè)weakMeas窗口進(jìn)行搜索，就像采用室內(nèi)測(cè)量機(jī)器那樣，把大小相同的搜索窗口應(yīng)用于所述組輸入信息包。積分或停留時(shí)間對(duì)于所有SV來說都是相同的。當(dāng)所觀測(cè)的功率超過閾值時(shí)強(qiáng)SV早完成。搜索范圍也一般化，每個(gè)SV搜索多達(dá)256個(gè)頻率步距/SV。若允許，強(qiáng)的SV可以方式上升為timeTrack。弱測(cè)量跟蹤具有不等間隔，以便在最佳頻率估計(jì)值上設(shè)置較多的濾波器，但也覆蓋進(jìn)行同步函數(shù)積分所必需的范圍。
若某些可以依靠的關(guān)鍵GSP參數(shù)可用，則可采用室內(nèi)搜索方法。例如，位置誤差約小于200km，而GSP時(shí)間誤差小于10秒。但是，時(shí)間和位置不確定性這樣高，就必須進(jìn)行全代碼搜索。而對(duì)于這樣的代碼量，則必須采用搜索數(shù)字信號(hào)處理器方式，它以31/64時(shí)間片間隔建立代碼。
使用當(dāng)前的GSP數(shù)據(jù)計(jì)算衛(wèi)星位置和速度。衛(wèi)星多普勒數(shù)據(jù)可以以每米位置誤差1.14e-4m/s的位置誤差進(jìn)行預(yù)測(cè)。于是，對(duì)于100km，最大測(cè)距速率誤差為11.4M/s，約60Hz。
必須考慮基準(zhǔn)晶體振蕩器的不確定性，例如，27.456MHz晶體。假定對(duì)于每個(gè)晶體存在精確的單獨(dú)的模型(SCXO模型)，準(zhǔn)確度約0.5ppm。在L1，1575.42MHz下，百萬分之一(ppm)的一半是788Hz。
某些客戶的動(dòng)態(tài)過程必須考慮，但是這些影響通常比晶體振蕩器不確定性的影響要小得多。車輛以100mph(160kph)的速度運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生45m/s＝236Hz?？梢詫⑵渑c最壞情況的頻率誤差788+60+236＝1084Hz相比。
利用粗略的估計(jì)，假定晶體振蕩器不確定性為0.5PPM，則接收機(jī)在室內(nèi)模式下必須每個(gè)SV搜索±1kHz，盡管這比模型短10％。從這個(gè)觀點(diǎn)看，車輛運(yùn)動(dòng)和所有SV同符號(hào)的多普勒誤差結(jié)合的幾率是相當(dāng)小的。
室內(nèi)搜索和跟蹤狀態(tài)機(jī)并行地并且以較長的積分時(shí)間對(duì)8個(gè)SV搜索任意的頻率窗口。搜索可以是±1kHz，或者若允許占用較長時(shí)間，則可以較大。IDSM中較寬的搜索可以采用較短的停留時(shí)間。在位置不確定性大于150km和停留時(shí)間較短而靈敏度逐漸退化的地方，需要BTT和z計(jì)數(shù)進(jìn)行全偽距。較短的停留時(shí)間一般可以采集SV高達(dá)ID2(-150dBm)。但若不如此，則可以延長停留時(shí)間以改善SV的采集。
有6種IDSM搜索是有用的。IDSM Ho搜索是正常的IDSM搜索，合理頻率窗口最小，合理停留時(shí)間最長。這一般用在手頭上有良好的初始數(shù)據(jù)的時(shí)候。當(dāng)晶體不確定性模型過于樂觀時(shí)，IDSM HoEd搜索擴(kuò)大頻率窗口。IDSM HoEd搜索延長停留時(shí)間是因?yàn)樗p電平比最初預(yù)期的嚴(yán)重，或者要求接收機(jī)有更高的靈敏度。IDSM HoEfd搜索既擴(kuò)大頻率又延長停留時(shí)間。當(dāng)數(shù)據(jù)可信度較低或不連接到服務(wù)器時(shí)，IDSM HoEfRd搜索擴(kuò)大頻率范圍，但縮短停留時(shí)間。沒有星歷表，以很長的停留時(shí)間進(jìn)行搜索是沒有意義的，因?yàn)镾V不能用，因此NAV數(shù)據(jù)無法收集。
當(dāng)不采集ODSM H1搜索時(shí)，IDSM H1搜索是改進(jìn)接收機(jī)靈敏度的后備手段。采用較大的頻率窗口和較短的停留時(shí)間。對(duì)于縮短停留時(shí)間的兩個(gè)因素中的每一個(gè)因素，搜索頻率窗口可以擴(kuò)大一倍。例如，從1秒到250毫秒，從高達(dá)-153dbm到取得-150dbm，給出3db。可以在以1秒停留時(shí)間搜索1kHz窗口的同時(shí)搜索4kHz窗口。這是自然水平，因?yàn)檫@是BTT可以找到的限度。但是，我們?cè)谶@里也無法取得NAV數(shù)據(jù)。這樣進(jìn)一步把停留時(shí)間縮短到80ms，把我們帶到-148.5dbm，因而可以利用所述兩個(gè)額外因素來加快搜索。IDSM H1搜索要求客戶監(jiān)測(cè)IDSM狀態(tài)并確定何時(shí)完成所有8個(gè)SV窗口。另一組SV必須提交不采集的時(shí)隙，并重復(fù)直至所有24或32個(gè)SV都完成為止。
有3個(gè)基本的接收信號(hào)強(qiáng)度電平，例如，(1)優(yōu)于-145dbm，(2)在-145dbm和-150dbm之間，和(3)弱于-150dbm。在接收信號(hào)強(qiáng)度優(yōu)于-145dbm的情況下，可以可靠地收集NAV數(shù)據(jù)，提取星歷表、z計(jì)數(shù)和位轉(zhuǎn)換時(shí)間(BTT)。在接收信號(hào)強(qiáng)度在-145dbm和-150dbm之間的情況下，若有良好的拷貝用來匹配，則剛好強(qiáng)到足以對(duì)NAV數(shù)據(jù)進(jìn)行模式匹配。這樣的匹配允許確定z計(jì)數(shù)和整數(shù)毫秒，因而允許把特定的人造衛(wèi)星用于“任何位置”的固定。但是，在這種情況下，星歷表信息必須從第三方來源獲得，因?yàn)樾盘?hào)這樣弱，在本機(jī)無法可靠地接收星歷表。若接收信號(hào)強(qiáng)度弱于-150dbm，則位置不確定性必須小于150km，而NAV數(shù)據(jù)必須由第三方來源，例如，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器貢獻(xiàn)。
對(duì)于頻率不確定性模型，要用的搜索頻率是預(yù)期的多普勒數(shù)據(jù)加上客戶速度作用和漂移模型中的誤差的結(jié)合。
SigmaSvDoppler項(xiàng)考慮來自位置誤差的方向余弦中的誤差引起的多普勒誤差所引起的誤差。頻率誤差的典型值作為位置誤差的函數(shù)，10km＝6Hz，100km＝60Hz，150km＝90Hz，300km＝180Hz，600km＝360Hz，3,000km＝1800Hz，約在中途點(diǎn)上，其中多普勒誤差是總搜索的一半，而6,000km＝3600Hz，這是一個(gè)SV平均SV位置的最壞情況。對(duì)于200km的車輛，max速度＝380Hz。優(yōu)于0.5ppm的晶體模型導(dǎo)致750Hz。當(dāng)位置誤差小于150km時(shí)，±1kHz頻率窗口是合適的。不知道位置和時(shí)間，需要±4kHz頻率搜索以便與SV的多普勒Sigma配合。
理想的是，約-145dbm和更強(qiáng)的所有長期的衛(wèi)星跟蹤都用時(shí)間跟蹤引擎進(jìn)行。這樣的方法可以觀測(cè)導(dǎo)航數(shù)據(jù)，因而利用客戶的任何位置自主定位能力，因?yàn)樗龇椒梢源_定總的偽距。TSM采用高更新速率載波頻率跟蹤回路(AFC或PLL)，帶鑒相器，允許用來觀測(cè)由NAV數(shù)據(jù)引起的180度相移。偽距通過用加有時(shí)間標(biāo)簽的接收z計(jì)數(shù)把估計(jì)的毫秒移動(dòng)時(shí)間加在代碼相位而完成。
求代碼相位和頻率的平均值，因此所述方法可以把接收機(jī)處理引起的定量誤差減小到其他空間中的誤差(error-in-space)以下。這是因?yàn)樗龇椒ㄔ试S相位和頻率在真實(shí)的相位周圍抖動(dòng)，而且所述方法求這些相位的平均值，以便產(chǎn)生其平均相位相當(dāng)準(zhǔn)確的測(cè)量值。
把每個(gè)SV的功率消耗減到最小，因?yàn)樗龇椒總€(gè)SV只需要一次重放，而且所述方法使用的相關(guān)器數(shù)目最小。
盡管已經(jīng)根據(jù)當(dāng)前推薦的SPS接收機(jī)描述了本發(fā)明，但顯然，本公開不應(yīng)被解釋為限制。本專業(yè)的普通技術(shù)人員閱讀上面的公開之后，各種變化和修改無疑都會(huì)變得顯而易見，因此，后附權(quán)利要求書理應(yīng)被解釋為覆蓋落在本發(fā)明的“真正”精神和范圍內(nèi)的所有變化和修改。
權(quán)利要求
1.一種導(dǎo)航接收機(jī)操作方法，所述方法包括以下步驟把導(dǎo)航衛(wèi)星接收機(jī)的位置不確定性(sigmaPos)分類為A類，其中沒有整數(shù)二義性問題要解決；B類，其中可以應(yīng)用有用的多普勒估計(jì)值；和C類，其中位置具有如此大的不確定性、以致于為零的初始多普勒估計(jì)值可以產(chǎn)生較快的位置解的結(jié)果；根據(jù)所述sigmaPos符合所述3類中的哪一類，按照不同于直接從軌道SV獲得的途徑獲得人造衛(wèi)星(SV)的星歷表、年鑒和系統(tǒng)時(shí)間；以及根據(jù)所述sigmaPos符合所述3類中的哪一類，直接從所述軌道SV采集微波信號(hào)傳輸。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于若所述分類步驟產(chǎn)生所述A類的sigmaPos，則進(jìn)一步包括以下步驟；在不首先獲得有關(guān)每個(gè)SV的位轉(zhuǎn)換時(shí)間(BTT)或z計(jì)數(shù)的情況下求出位置固定。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于若所述分類步驟產(chǎn)生所述B類的sigmaPos，則進(jìn)一步包括以下步驟；通過預(yù)測(cè)任何一個(gè)高-N SV預(yù)期的多普勒數(shù)據(jù)，求出位置固定。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于若所述分類步驟產(chǎn)生所述C類的sigmaPos，則進(jìn)一步包括以下步驟；假定根本就沒有位置，求出位置固定。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述采集步驟還包括以下步驟通過讀出本機(jī)實(shí)時(shí)時(shí)鐘來減小任何初始時(shí)間不確定性。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述采集或獲得步驟還包括以下步驟采用通過對(duì)導(dǎo)航數(shù)據(jù)消息進(jìn)行解碼來獲得任何一個(gè)SV的z計(jì)數(shù)的方法，減小任何初始時(shí)間不確定性。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述獲得步驟還包括以下步驟采用通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行模式匹配來獲得任何一個(gè)SV的z計(jì)數(shù)的方法，減小任何初始時(shí)間不確定性。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述獲得步驟還包括以下步驟通過獲得由網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器提供的包括網(wǎng)絡(luò)延遲時(shí)間計(jì)算的時(shí)間估計(jì)值來減小任何初始時(shí)間不確定性。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述采集步驟還包括以下步驟按照取決于室外或室內(nèi)操作的假定的衰減電平，搜索來自SV的信號(hào)。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述采集步驟還包括以下步驟若衰減電平是這樣的、使得接收的信噪比強(qiáng)于大約-142dbm，則利用室外搜索方法(ODSM)來搜索來自SV的信號(hào)；以及在不利用室內(nèi)搜索方法(IDSM)的情況下，收集可靠的導(dǎo)航數(shù)據(jù)。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述采集步驟還包括以下步驟若衰減電平是這樣的、使得接收的信噪比弱于大約-142dbm，則利用室內(nèi)搜索方法(IDSM)來搜索來自SV的信號(hào)；以及借助于服務(wù)器幫助，間接地接收至少某些導(dǎo)航數(shù)據(jù)。
12.一種導(dǎo)航衛(wèi)星接收機(jī)網(wǎng)絡(luò)，它包括GPS測(cè)量平臺(tái)，用以接收來自軌道GPS衛(wèi)星的信號(hào)并提供來自這樣的信號(hào)的導(dǎo)航固定；網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，用以接收來自軌道GPS衛(wèi)星的信號(hào)并通過網(wǎng)絡(luò)提供來自這樣的信號(hào)的導(dǎo)航信息，以便幫助GPS測(cè)量平臺(tái)提供所述導(dǎo)航固定；第一處理器，它包括在所述GPS測(cè)量平臺(tái)中，用以把位置不確定性(sigmaPos)分類為3類中的一類，包括小于大約150km的第一sigmaPos、在150km和3000km之間的第二sigmaPos和大于大約3000km的第三sigmaPos；以及第二處理器，它包括在所述GPS測(cè)量平臺(tái)中，用以根據(jù)sigmaPos符合所述3類中的哪一類，從所述軌道GPS衛(wèi)星采集信號(hào)。
13.一種衛(wèi)星定位系統(tǒng)(SPS)接收機(jī)和支持系統(tǒng)，它包括高靈敏度SPS接收機(jī)，用以從軌道GPS衛(wèi)星接收已被衰減的信號(hào)并由這樣的信號(hào)提供導(dǎo)航固定；基準(zhǔn)站，用以從軌道GPS衛(wèi)星接收信號(hào)并從這樣的信號(hào)提供導(dǎo)航信息，以便輔助所述高靈敏度SPS接收機(jī)提供所述導(dǎo)航固定；導(dǎo)航數(shù)據(jù)合成器，它包括在所述高靈敏度SPS接收機(jī)中，用以利用來自所述軌道GPS衛(wèi)星的、已經(jīng)過分強(qiáng)烈衰減而無法直接獲得的所述提供的導(dǎo)航信息來重構(gòu)導(dǎo)航數(shù)據(jù)消息。第一處理器，它包括在所述GPS測(cè)量平臺(tái)中，用以把位置不確定性(sigmaPos)分類為3類中的一類，包括小于大約150km的第一sigmaPos、在150km和3000km之間的第二sigmaPos和大于大約3000km的第三sigmaPos；以及第二處理器，它包括在所述GPS測(cè)量平臺(tái)中，用以根據(jù)符合所述3類sigmaPos中的哪一類，從所述軌道GPS衛(wèi)星采集信號(hào)。
14.一種操作衛(wèi)星定位系統(tǒng)(SPS)接收機(jī)的方法，所述方法包括以下步驟把導(dǎo)航衛(wèi)星接收機(jī)的位置不確定性(sigmaPos)分類為3類中的一類，所述3類包括小于大約150km的第一sigmaPos、在150km和3000km之間的第二sigmaPos和大于大約3000km的第三sigmaPos；以及根據(jù)符合所述3類sigmaPos中的哪一類，從所述人造衛(wèi)星(SV)發(fā)射中采集信號(hào)。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于若所述分類步驟產(chǎn)生所述第一sigmaPos，則還包括以下步驟在不首先獲得每個(gè)SV的位轉(zhuǎn)換時(shí)間(BTT)或z計(jì)數(shù)的情況下求出位置固定。
16.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于若所述分類步驟產(chǎn)生所述第二sigmaPos，則還包括以下步驟通過預(yù)測(cè)每個(gè)高-NSV預(yù)期的多普勒數(shù)據(jù)求出位置固定。
17.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于若所述分類步驟產(chǎn)生所述第三sigmaPos，則還包括以下步驟假定根本沒有位置，求出位置固定。
18.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于所述采集步驟還包括以下步驟通過讀取本機(jī)實(shí)時(shí)時(shí)鐘來減小任何初始的時(shí)間不確定性。
19.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于所述采集步驟還包括以下步驟采用通過對(duì)導(dǎo)航數(shù)據(jù)消息進(jìn)行解碼來獲得對(duì)任何SV的z計(jì)數(shù)的方法，減小任何初始的時(shí)間不確定性。
20.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于所述采集步驟還包括以下步驟采用通過對(duì)由服務(wù)器提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行模式匹配來獲得對(duì)任何SV的z計(jì)數(shù)的方法，減小任何初始的時(shí)間不確定性。
21.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于所述采集步驟還包括以下步驟通過獲得由網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器提供的包括網(wǎng)絡(luò)延遲計(jì)算的時(shí)間估計(jì)值來減小任何初始的時(shí)間不確定性。
22.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于所述采集步驟還包括以下步驟根據(jù)取決于是室內(nèi)還是室外操作的衰減電平，搜索來自SV的信號(hào)。
23.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于所述采集步驟還包括以下步驟若衰減電平是這樣的、使得接收的信噪比強(qiáng)于大約-142dbm，則利用室外搜索法(ODSM)搜索來自SV的信號(hào)；以及不利用室內(nèi)搜索法(IDSM)獲得可靠的導(dǎo)航數(shù)據(jù)。
24.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于所述采集步驟還包括以下步驟若衰減電平是這樣的、使得接收的信噪比弱于大約-142dbm，則利用室內(nèi)搜索法(IDSM)搜索來自SV的信號(hào)；以及借助于服務(wù)器，間接地獲得至少某些導(dǎo)航數(shù)據(jù)。
全文摘要
一種導(dǎo)航衛(wèi)星接收機(jī)方法確定接收機(jī)接通電源時(shí)手頭上有什么navData、存在何種程度的時(shí)間不確定性和何種位置不確定性。利用室內(nèi)和室外搜索引擎，它可以改變其搜索窗口和停留時(shí)間，以便提高接收機(jī)的靈敏度。所接收的信號(hào)存儲(chǔ)在幾個(gè)重放回路中，這些回路在面對(duì)時(shí)間和頻率點(diǎn)巨大的不確定性的情況下，可以并行操作以便提高搜索的靈敏度，還能縮短首次定位時(shí)間。即使在navData數(shù)據(jù)太弱無法讀出，也可以請(qǐng)求服務(wù)器幫助，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星采集。
文檔編號(hào)G01S1/00GK1503003SQ200310116380
公開日2004年6月9日 申請(qǐng)日期2003年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月19日
發(fā)明者P·W·麥克博尼, P W 麥克博尼 申請(qǐng)人:伊萊德公司, 精工愛普生株式會(huì)社