專(zhuān)利名稱(chēng)：全球定位系統(tǒng)位置測(cè)量方法和位置測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種GPS位置測(cè)量方法和GPS位置測(cè)量系統(tǒng)，用于通過(guò)處理來(lái)自衛(wèi)星的信號(hào)，然后計(jì)算終端位置，獲得若干個(gè)衛(wèi)星和漫游接收終端之間的偽距。接收終端還通過(guò)接收和利用基站或服務(wù)器發(fā)送的輔助信息取得比常規(guī)獨(dú)立GPS接收器高的靈敏度。這樣的系統(tǒng)常稱(chēng)為輔助GPS系統(tǒng)，以使其與常規(guī)獨(dú)立接收器區(qū)分開(kāi)來(lái)。
背景技術(shù)：
許多GPS衛(wèi)星繞地球軌道運(yùn)行，并連續(xù)以相同載波頻率發(fā)送信號(hào)。對(duì)各衛(wèi)星不同的周期性偽隨機(jī)噪聲(PN)碼(稱(chēng)為GPSC/A碼)由衛(wèi)星以載波的雙相PSK調(diào)制的形式發(fā)送。在GPS信號(hào)中，C/A PN碼的一幀(或周期)為1毫秒長(zhǎng)，如圖1所示，這種幀連續(xù)重復(fù)發(fā)送。包括例如衛(wèi)星軌道參數(shù)信息的導(dǎo)航數(shù)據(jù)，也從衛(wèi)星以50比特/秒的雙相PSK調(diào)制的形式發(fā)送。這種數(shù)據(jù)每一位為20毫秒長(zhǎng)，并包含20個(gè)連續(xù)C/A碼調(diào)制周期，C/A碼調(diào)制在數(shù)據(jù)位值為-1時(shí)反轉(zhuǎn)，而在數(shù)據(jù)位值為1時(shí)不進(jìn)行反轉(zhuǎn)。
可在美國(guó)專(zhuān)利5663734中找到提高靈敏度的常規(guī)輔助GPS位置測(cè)量系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)例。在該系統(tǒng)中，如圖14所示，接收單元104具有配備了GPS接收天線(xiàn)105的RF到IF轉(zhuǎn)換器106、將來(lái)自RF到IF轉(zhuǎn)換器106的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換器107、記錄A/D轉(zhuǎn)換器107輸出的存儲(chǔ)器(數(shù)字快照存儲(chǔ)器)108及處理來(lái)自存儲(chǔ)器108的信號(hào)的通用可編程數(shù)字信號(hào)處理電路109(稱(chēng)為DSP電路)。
接收單元104還具有連接到DSP電路109的程序EPROM存儲(chǔ)器110、頻率合成器111、電源穩(wěn)壓器112、寫(xiě)地址電路113、微處理器114、RAM存儲(chǔ)器115、EEPROM存儲(chǔ)器116、以及具有發(fā)射/接收天線(xiàn)117并連接到微處理器114的調(diào)制解調(diào)器118。
此常規(guī)輔助GPS系統(tǒng)的操作如下基站101命令接收單元104通過(guò)數(shù)據(jù)通信鏈路119發(fā)送的消息進(jìn)行測(cè)量?；?01發(fā)送的消息包含通過(guò)衛(wèi)星ID號(hào)識(shí)別的可見(jiàn)衛(wèi)星列表以及基站101上接收的各衛(wèi)星的多普勒頻移。該消息由接收單元104中的調(diào)制解調(diào)器118接收，并存儲(chǔ)在與微處理器114相連的RAM存儲(chǔ)器115中。微處理器114控制寫(xiě)地址電路113和調(diào)制解調(diào)器118之間的數(shù)據(jù)信息傳送，并控制接收單元104中的電源管理功能。
當(dāng)接收單元104接收命令(例如，從基站101)以開(kāi)始處理GPS信號(hào)時(shí)，還接收可見(jiàn)衛(wèi)星的多普勒頻移信息。此多普勒信息保存在RAM存儲(chǔ)器115中，微處理器114隨后根據(jù)命令激活電源穩(wěn)壓器電路112。電源穩(wěn)壓器電路112接著通過(guò)電源線(xiàn)120a到120e激活RF到IF轉(zhuǎn)換器106、A/D轉(zhuǎn)換器107、存儲(chǔ)器108、DSP電路109以及頻率合成器111。通過(guò)GPS接收天線(xiàn)105接收的來(lái)自GPS衛(wèi)星的信號(hào)在從RF下變頻到IF頻率后，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器107數(shù)字化，隨后將數(shù)字化后的信號(hào)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器108中。所存儲(chǔ)的信號(hào)通常具有100毫秒到1秒(或更長(zhǎng))的持續(xù)時(shí)間。
DSP電路109處理存儲(chǔ)器108中存儲(chǔ)的信號(hào)，以獲得所考慮的的每個(gè)衛(wèi)星的偽距。DSP電路109可利用快速傅里葉(FFT)算法來(lái)大大加快偽距計(jì)算速度，這需要在本地生成的參考PN碼與接收GPS信號(hào)的PN碼之間進(jìn)行許多次互相關(guān)運(yùn)算。正如本技術(shù)領(lǐng)域所熟知的那樣，F(xiàn)FT可以以比時(shí)域相關(guān)方法快得多的速度計(jì)算這些互相關(guān)。
當(dāng)DSP電路109完成各衛(wèi)星的偽距計(jì)算時(shí)，此信息通過(guò)互連總線(xiàn)122傳送到微處理器114。微處理器114接著利用調(diào)制解調(diào)器118通過(guò)數(shù)據(jù)通信鏈路119將偽距數(shù)據(jù)傳送到基站101，以便用于最終的位置計(jì)算。
除偽距數(shù)據(jù)之外，時(shí)間延遲也可同時(shí)傳送到基站101。此延遲是從存儲(chǔ)器108中的數(shù)據(jù)收集開(kāi)始到通過(guò)數(shù)據(jù)通信鏈路119傳送偽距數(shù)據(jù)的時(shí)延。知道此時(shí)延使基站101能夠確定數(shù)據(jù)收集實(shí)際開(kāi)始的時(shí)間，這是計(jì)算該時(shí)刻快速移動(dòng)的衛(wèi)星的位置所必需的。這些位置用在偽距計(jì)算中，該計(jì)算結(jié)果又由定位算法用于獲得漫游接收器的精確位置。
調(diào)制解調(diào)器118利用分設(shè)的發(fā)送/接收天線(xiàn)117通過(guò)數(shù)據(jù)通信鏈路119發(fā)送和接收消息。調(diào)制解調(diào)器118包括通信接收器和通信發(fā)送器，它們都連接到發(fā)送/接收天線(xiàn)117。類(lèi)似地，基站101使用分設(shè)的發(fā)送/接收天線(xiàn)103來(lái)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)鏈路消息?；?01可通過(guò)分設(shè)的GPS接收天線(xiàn)102連續(xù)接收GPS信號(hào)。
根據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器108中的數(shù)據(jù)量和DSP電路109(或者必要時(shí)為若干個(gè)DSP電路)的速度，期望DSP電路109執(zhí)行偽距計(jì)算所必需的時(shí)間少于幾秒。
如前所述，存儲(chǔ)器108捕獲對(duì)應(yīng)于較長(zhǎng)一段時(shí)間(可能是100毫秒到1秒或更長(zhǎng))的信號(hào)記錄?？衫迷撓嗤拇蟠鎯?chǔ)數(shù)據(jù)塊計(jì)算所有可見(jiàn)GPS衛(wèi)星偽距，這允許足夠的處理增益，以取得比使用標(biāo)準(zhǔn)的連續(xù)跟蹤技術(shù)更高的靈敏度。從而在低信號(hào)接收電平(因阻塞信號(hào)的建筑物、樹(shù)木等所致)條件下取得優(yōu)良的性能。但是，與標(biāo)準(zhǔn)接收器相比，需要更多處理。這種處理可以通過(guò)利用FFT或其它快速卷積方法等高效率技術(shù)完成。
由DSP電路109執(zhí)行信號(hào)處理的目的是為了確定接收PN碼波形相對(duì)于本地產(chǎn)生的類(lèi)似PN碼波形的延遲。所接收的GPS信號(hào)(C/A碼)由重復(fù)的偽隨機(jī)PN幀組成，各幀由標(biāo)稱(chēng)碼片速率為1.023×106碼片/秒的1023個(gè)碼片組成。因此，每幀持續(xù)時(shí)間為1毫秒。
圖15A至圖15E說(shuō)明由DSP電路109執(zhí)行的信號(hào)處理步驟。圖15A顯示接收PN碼的重復(fù)幀及其與導(dǎo)航消息數(shù)據(jù)位的關(guān)系。雖然每個(gè)導(dǎo)航數(shù)據(jù)位實(shí)際上有20個(gè)PN幀，但為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，圖15A只顯示了每位4個(gè)幀。如果某位為0，則使該位內(nèi)4個(gè)PN幀的極性反轉(zhuǎn)(此時(shí)應(yīng)該想到該位值為-1)，而如果該位為1，則不反轉(zhuǎn)。第一處理步驟是將每個(gè)數(shù)據(jù)位內(nèi)的4個(gè)(實(shí)際為20個(gè))PN幀進(jìn)行相干相加，以得到圖15B所示的結(jié)果。此過(guò)程(也稱(chēng)相干同步求和)將4個(gè)(實(shí)際上是20個(gè))PN幀中的每個(gè)幀的對(duì)應(yīng)碼片進(jìn)行相加，以得到仿佛每個(gè)導(dǎo)航數(shù)據(jù)位對(duì)應(yīng)單個(gè)PN幀的結(jié)果，其中如果數(shù)據(jù)位為0(-1)，則反轉(zhuǎn)該幀極性，而數(shù)據(jù)位為1，則不反轉(zhuǎn)。
為了簡(jiǎn)化說(shuō)明，圖15假定已知導(dǎo)航數(shù)據(jù)位邊界位置，以便將正確成組的4個(gè)PN幀同步相加。實(shí)際上，位邊界位置不是已知的。這可能引起問(wèn)題。例如，如果要同步求平均的所述4幀中的第一幀為圖15A中的幀2，則導(dǎo)航數(shù)據(jù)從0變到1(在幀4的開(kāi)始處發(fā)生)將使幀4和幀5抵消幀2和幀3。在例示本文所述系統(tǒng)的美國(guó)專(zhuān)利5663734中，沒(méi)有規(guī)定確定導(dǎo)航數(shù)據(jù)位邊界位置。這是一個(gè)缺點(diǎn)，因?yàn)楫?dāng)幀成組使得組中某些幀的導(dǎo)航數(shù)據(jù)位為0(-1)，而其它幀的導(dǎo)航數(shù)據(jù)位為1時(shí)，由于上述抵消，使處理器增益顯著降低。因此，此問(wèn)題需要一種解決方案。
在將每個(gè)4 PN幀組同步相加后，將圖15B所示各1毫秒結(jié)果波形與PN碼復(fù)制進(jìn)行相關(guān)，以得到圖15C所示的相關(guān)函數(shù)。注意，當(dāng)同步求和結(jié)果的極性與接收器的復(fù)制PN碼極性相同時(shí)，相關(guān)函數(shù)的峰值極性為正，而當(dāng)極性相反時(shí)為負(fù)。
圖15D顯示圖15C所示相關(guān)結(jié)果幅值，它始終為正，且不反映由導(dǎo)航數(shù)據(jù)位引起的極性變化。隨后將作為幅值獲得的相關(guān)計(jì)算結(jié)果同步相加，得到圖15E所示的結(jié)果(這個(gè)過(guò)程常稱(chēng)為非相干同步相加)。
此時(shí)，通過(guò)對(duì)許多組PN幀(例如，1秒信號(hào)數(shù)據(jù)內(nèi)的1000幀)進(jìn)行相干同步相加，接著進(jìn)行互相關(guān)，然后對(duì)互相關(guān)函數(shù)的幅值進(jìn)行非相干同步求和，從而極大地提高了靈敏度(S/N比率)。
下面將描述美國(guó)專(zhuān)利6329946中給出的另一種常規(guī)GPS位置測(cè)量系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)與前述系統(tǒng)相似，即漫游終端從A/D轉(zhuǎn)換器捕獲部分GPS信號(hào)(可能是100毫秒到1秒或更長(zhǎng))。所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)包含各可見(jiàn)衛(wèi)星的C/A碼的重復(fù)幀，并且如前所述，一些幀的極性已經(jīng)根據(jù)GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)位的符號(hào)被反轉(zhuǎn)。但是，此系統(tǒng)與前一系統(tǒng)的不同之處在于在此系統(tǒng)中，基站(服務(wù)器)檢測(cè)由漫游終端接收的相同的導(dǎo)航數(shù)據(jù)位序列，并將其傳送到漫游終端，從而允許該終端從其存儲(chǔ)信號(hào)中消除數(shù)據(jù)調(diào)制。此過(guò)程稱(chēng)為均化(homogenization)，它使所有PN碼幀極性相同，并允許對(duì)所有接收幀進(jìn)行同步求和。與對(duì)每數(shù)據(jù)位僅20幀的相關(guān)同步求和相比較，由此得到的處理增益比其它可能方式大得多，并使漫游接收終端有非常高的靈敏度。
但是，由服務(wù)器和終端接收的導(dǎo)航數(shù)據(jù)位序列不一定是時(shí)間上對(duì)準(zhǔn)的，因?yàn)榉?wù)器到終端的通信鏈路存在未知和可變的延遲。解決這一問(wèn)題的一種方法將會(huì)是讓GPS位置測(cè)量系統(tǒng)的接收終端發(fā)送定時(shí)信號(hào)到服務(wù)器，服務(wù)器接著向該終端回送定時(shí)信號(hào)，以允許終端確定通信延遲。知道通信時(shí)延將允許確定來(lái)自基站的導(dǎo)航數(shù)據(jù)和在終端收集的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)的相位差。從而前一位序列可以與后者在時(shí)間上對(duì)準(zhǔn)，以允許在終端將PN幀均化。在均化之后，接著可通過(guò)同步求和實(shí)現(xiàn)理想的噪聲抑制。
但是，在許多通信鏈路如因特網(wǎng)或分組通信中，通信延遲高度可變，并且是未知的，從而影響以上解決方案的效率。在這種情況下，必須移到許多不同時(shí)間位置上重復(fù)掃描服務(wù)器發(fā)送到接收終端的數(shù)據(jù)位序列，以便實(shí)現(xiàn)正確的時(shí)間對(duì)準(zhǔn)。對(duì)于各移位值，必須重復(fù)所有相關(guān)求和以檢測(cè)信號(hào)。這會(huì)大大增加獲取接收終端位置所需的響應(yīng)時(shí)間。因此，這是一個(gè)極大的缺陷，即在沒(méi)有嚴(yán)格要求知道通信電路中的通信時(shí)延的情況下，不能在實(shí)際響應(yīng)時(shí)間內(nèi)執(zhí)行接收器信號(hào)處理，以進(jìn)行高靈敏度的位置確定。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明目的是提供一種GPS位置確定方法以及一種GPS位置測(cè)量系統(tǒng)，其中，以超高靈敏度和很短的響應(yīng)時(shí)間測(cè)量接收終端的位置，即使服務(wù)器-終端通信鏈路具有變化很大的通信延遲，而且衛(wèi)星信號(hào)在例如大樓里接收，即衛(wèi)星信號(hào)受到衰減。
此目的是根據(jù)本發(fā)明通過(guò)包括權(quán)利要求1、2或4所述特征的GPS位置測(cè)量方法和GPS位置測(cè)量系統(tǒng)來(lái)解決的。更為詳細(xì)的實(shí)施例參見(jiàn)從屬權(quán)利要求3和5。


下面將參考附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行描述，附圖中圖1是GPS接收信號(hào)的PN碼結(jié)構(gòu)說(shuō)明圖；圖2是說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例概要的框圖；圖3是顯示GPS接收終端組件的框圖；圖4是說(shuō)明存儲(chǔ)器的不同部分及其功能的說(shuō)明圖；圖5是說(shuō)明IF信號(hào)轉(zhuǎn)換成I和Q基帶信號(hào)(從而消除了載波)、A/D轉(zhuǎn)換器以及捕獲數(shù)字化基帶信號(hào)的RAM存儲(chǔ)器部分(快照存儲(chǔ)器)的說(shuō)明圖；圖6是說(shuō)明消除載波后通過(guò)I和Q基帶信號(hào)的多普勒校正獲得PN信號(hào)的過(guò)程的說(shuō)明圖；圖7是說(shuō)明從接收GPS信號(hào)到獲得偽距的各步驟的流程圖；圖8是RAM快照存儲(chǔ)器的內(nèi)容圖，它說(shuō)明作為樣本存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的信號(hào)結(jié)構(gòu)組織；圖9是顯示處理所捕獲的GPS信號(hào)的起始點(diǎn)的1毫秒位移(距離導(dǎo)航數(shù)據(jù)位邊界最近的最佳點(diǎn))的說(shuō)明圖；圖10是用來(lái)獲得確定偽距所用的最終相關(guān)函數(shù)結(jié)果的過(guò)程說(shuō)明圖；圖11是顯示在處理所捕獲的GPS信號(hào)中的第一計(jì)算塊部分和第二計(jì)算塊部分的說(shuō)明圖；圖12是對(duì)PN碼幀進(jìn)行均化處理的導(dǎo)航數(shù)據(jù)位極性修改計(jì)算塊部分的說(shuō)明圖；圖13是顯示用來(lái)獲得最終相關(guān)函數(shù)結(jié)果的同步求和塊部分和相關(guān)計(jì)算塊部分的說(shuō)明圖；圖14是說(shuō)明常規(guī)輔助GPS位置測(cè)量系統(tǒng)的框圖；以及圖15A至圖15E是常規(guī)輔助GPS位置測(cè)量系統(tǒng)的說(shuō)明圖。
具體實(shí)施例方式
參考附圖，現(xiàn)在說(shuō)明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。
圖1是PN信號(hào)結(jié)構(gòu)(當(dāng)信號(hào)是GPS信號(hào)時(shí)，也稱(chēng)為C/A碼)的說(shuō)明圖，而圖2是本發(fā)明的GPS位置測(cè)量系統(tǒng)的說(shuō)明框圖。
在本發(fā)明中，在接收PN信號(hào)時(shí)，載波可分層或不分層。
參考圖2，本發(fā)明是一種GPS位置測(cè)量系統(tǒng)和方法，其中，接收器終端11接收來(lái)自多個(gè)衛(wèi)星的信號(hào)，并利用在預(yù)定時(shí)間間隔T(可能是0.5秒到1秒或更多)期間捕獲的接收衛(wèi)星信號(hào)，計(jì)算到各個(gè)衛(wèi)星的偽距。
在圖2中，S1，S2，S3和S4代表用于定位的衛(wèi)星，1代表基站?；?配備了連接到能清楚檢測(cè)到衛(wèi)星的接收天線(xiàn)2的GPS參考接收器3。
GPS參考接收器3從所接收的衛(wèi)星GPS信號(hào)中提取多普勒信息4，而且還確定衛(wèi)星位置以及衛(wèi)星和接收天線(xiàn)2之間的偽距。發(fā)送部分5將這些信息連同基站的已知位置通過(guò)通信裝置L傳送到接收器終端11。這種傳送通常通過(guò)廣播來(lái)完成，其中從基站到接收器終端的傳送是單向的。通信裝置L可以是任何可獲得的電磁裝置，包括但不限于蜂窩電話(huà)電路、地面廣播、衛(wèi)星廣播或因特網(wǎng)電路。
通過(guò)GPS接收器終端11的接收部分12接收多普勒信息4、基站位置6、衛(wèi)星位置以及衛(wèi)星與基站之間的偽距。
當(dāng)來(lái)自基站的廣播信號(hào)的頻率接近GPS信號(hào)的頻率時(shí)，接收部分12也可用作GPS接收部分13。本發(fā)明是用來(lái)使許多終端11同時(shí)通過(guò)通信裝置L接收信號(hào)。
GPS接收器終端11包含連接到GPS接收天線(xiàn)14的GPS接收部分13。雖然GPS天線(xiàn)14可能位于衛(wèi)星S直接可視的地方，但它也可能位于GPS信號(hào)相當(dāng)弱的地方，例如樹(shù)底下或大樓里。
終端11的接收部分13通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器將所接收的模擬GPS信號(hào)放大并變換成數(shù)字基帶形式。包含衛(wèi)星的PN碼的基帶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在RAM存儲(chǔ)器15中。
以上所述的結(jié)構(gòu)廣泛用于傳統(tǒng)GPS技術(shù)中，所以省略該結(jié)構(gòu)的詳細(xì)說(shuō)明。
接收器終端11還配備了信號(hào)處理部分21和包含用于定位的各衛(wèi)星的PN碼的復(fù)制品(偽模式)的偽模式部分22。偽模式A(后面將描述)是預(yù)先存儲(chǔ)的和信號(hào)處理部分21。信號(hào)處理部分21具有多普勒校正部分16、PN極性修改裝置17、同步求和相關(guān)計(jì)算裝置18、偽距檢測(cè)裝置19以及位置計(jì)算裝置20。
圖3是GPS接收器終端11的硬件框圖，表示用來(lái)完成圖2所示功能的硬件。GPS天線(xiàn)14和塊12、13、15、21以及22對(duì)應(yīng)于圖2中具有相同標(biāo)號(hào)的項(xiàng)目。
在圖3中，來(lái)自GPS衛(wèi)星的信號(hào)在GPS天線(xiàn)14接收，并進(jìn)入GPS接收器部分13，在這里，信號(hào)在高頻RF放大器32中放大，在混頻器33中變換到較低的中頻(IF)，然后通過(guò)I信號(hào)轉(zhuǎn)換器35和Q信號(hào)轉(zhuǎn)換器36轉(zhuǎn)換成I和Q基帶信號(hào)?；祛l器以及I和Q信號(hào)轉(zhuǎn)換器需要的固定頻率的本地振蕩器正弦波由頻率合成器34提供。作為產(chǎn)生I和Q基帶信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)做法，I和Q信號(hào)轉(zhuǎn)換器的本地振蕩器頻率是相同的，但Q信號(hào)轉(zhuǎn)換器的波形通過(guò)移相器37按90度移相。來(lái)自I和Q信號(hào)轉(zhuǎn)換器的輸出信號(hào)分別由A/D轉(zhuǎn)換器38和39進(jìn)行數(shù)字化。
來(lái)自A/D轉(zhuǎn)換器38和39的、共同形成復(fù)合信號(hào)樣本序列的數(shù)字化I和Q信號(hào)存儲(chǔ)在RAM存儲(chǔ)器15中，以便由信號(hào)處理部分21作進(jìn)一步處理。所存儲(chǔ)的復(fù)合信號(hào)的持續(xù)時(shí)間是預(yù)定的，其典型值為從0.5秒到1秒或更長(zhǎng)。
信號(hào)處理部分21由數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)部分41、中央處理單元(CPU)42、偽模式部分22(它是存儲(chǔ)衛(wèi)星的C/A碼PN序列的只讀存儲(chǔ)器(ROM))、用于DSP部分41的ROM 44以及用于CPU 42的RAM45和ROM 46組成。
通信接收器部分12接收來(lái)自基站1的信息，輔助接收器終端11獲得高靈敏度和快速響應(yīng)時(shí)間。通信接收器部分12接收的信息存儲(chǔ)在由CPU 42控制的RAM 45中。
現(xiàn)在將更詳細(xì)說(shuō)明圖3的各種塊的功能。天線(xiàn)部分14接收按1575.42MHz載波頻率傳送并且按各衛(wèi)星唯一的C/A碼調(diào)制的GPS信號(hào)。來(lái)自天線(xiàn)部分14的信號(hào)通過(guò)高頻RF放大器32放大和濾波，然后通過(guò)混頻器下變頻為IF頻率。頻率合成器34提供本地振蕩器頻率給產(chǎn)生比1575.42MHz低得多的IF信號(hào)輸出頻率的混頻器33。為后面具體起見(jiàn)，假定IF頻率為70MHz，盡管也可采用其它IF頻率。70MHz IF信號(hào)接著轉(zhuǎn)換成由分別通過(guò)I信號(hào)轉(zhuǎn)換器35和Q信號(hào)轉(zhuǎn)換器36產(chǎn)生的I(實(shí)部)和Q(虛部)分量組成的復(fù)合基帶信號(hào)。除了信號(hào)多普勒頻移，基帶信號(hào)處于零頻率，因此向基帶的轉(zhuǎn)換消除了信號(hào)的載波分量，而只留下由50比特/秒導(dǎo)航數(shù)據(jù)所調(diào)制的PN碼序列。
圖5更詳細(xì)說(shuō)明向基帶的轉(zhuǎn)換。I信號(hào)轉(zhuǎn)換器35由乘法器47和低通濾波器(LPF)49組成。相似地，Q信號(hào)轉(zhuǎn)換器36也包含乘法器48和LPF 50。I信號(hào)轉(zhuǎn)換器35中乘法器47的輸入為70MHz IF信號(hào)和來(lái)自頻率合成器34的70MHz本地振蕩器信號(hào)(圖3)。70MHz本地振蕩器信號(hào)具有數(shù)學(xué)表達(dá)式cosωt，這里ω＝2π(70×106)弧度/秒。IF信號(hào)具有數(shù)學(xué)表達(dá)式PN·cos[(ω+Δω)t+Φ]，這里PN代表PN碼調(diào)制。Δω代表信號(hào)的多普勒頻移，而Φ代表信號(hào)相位。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，已省略導(dǎo)航數(shù)據(jù)調(diào)制，并假定70MHz本地振蕩器信號(hào)沒(méi)有頻率誤差(如果有這種誤差，則會(huì)簡(jiǎn)單地表現(xiàn)為信號(hào)上另外的多普勒頻移)。Q信號(hào)轉(zhuǎn)換器中乘法器48的輸入為70MHz IF信號(hào)和具有移相器37提供的90度相移的70MHz本地振蕩器信號(hào)(圖3)。在這種情況下，本地振蕩器信號(hào)表示為sinωt。采用公知的三角恒等式，可看出乘法器47的輸出均包含以零頻率附近為中心的基帶分量和IF頻率的兩倍附近的頻率分量(即140MHz附近)。低通濾波器38和39設(shè)計(jì)成只通過(guò)基帶信號(hào)分量，在I信號(hào)轉(zhuǎn)換器的LPF 49的輸出端為12·PN·cos(Δωt+Φ),]]>而在Q信號(hào)轉(zhuǎn)換器的LPF 50的輸出端為-12·PN·sin(Δωt+Φ).]]>這兩個(gè)信號(hào)是復(fù)合分析信號(hào)的相互正交的實(shí)部和虛部，從中消除了載頻，但保留了多普勒頻移Δω。
在低通濾波器的輸出端的I和Q信號(hào)通過(guò)圖5所示的A/D轉(zhuǎn)換器38和39分別轉(zhuǎn)換成數(shù)字樣本，而數(shù)字樣本存儲(chǔ)在RAM存儲(chǔ)器15。為了節(jié)省存儲(chǔ)器，一般做法是以大約2dB SNR損耗為代價(jià)來(lái)采用1位A/D轉(zhuǎn)換器。所存儲(chǔ)樣本的時(shí)間間隔標(biāo)稱(chēng)為1秒，但可能大于或小于這個(gè)值。為具體起見(jiàn)，假定時(shí)間間隔為1秒(等同于50比特/秒導(dǎo)航數(shù)據(jù)中50位的段)。
前面所提到的高頻RF放大器32、混頻器33、頻率合成器34、I信號(hào)轉(zhuǎn)換器(消除載波)35、Q信號(hào)轉(zhuǎn)換器(消除載波)36、移相器37以及A/D轉(zhuǎn)換器38和39是通用部件并被廣泛使用。
再參考圖3，數(shù)字信號(hào)處理部分21處理存儲(chǔ)在RAM存儲(chǔ)器15中的信號(hào)數(shù)據(jù)，并在執(zhí)行這個(gè)處理時(shí)，使用從基站(服務(wù)器)接收的數(shù)據(jù)。這個(gè)數(shù)據(jù)可從連接到CPU 42的通信接收器12得到，CPU 42將數(shù)據(jù)傳送到RAM存儲(chǔ)器45。連接到ROM 44和偽模式部分22的DSP41執(zhí)行RAM存儲(chǔ)器15中數(shù)據(jù)的處理，偽模式部分22是包含各衛(wèi)星的復(fù)制PN碼的ROM存儲(chǔ)器。當(dāng)處理各衛(wèi)星信號(hào)時(shí)，該衛(wèi)星的PN碼復(fù)制品可提供給DSP 41。CPU 42、RAM 45以及ROM 46共同作為微處理器工作，微處理器控制由DSP 41、ROM 44以及偽模式部分22執(zhí)行的信號(hào)處理，也執(zhí)行位置計(jì)算和其它通用功能。
數(shù)字信號(hào)處理部分21執(zhí)行圖2所示的接收器終端11內(nèi)的功能塊，即，多普勒校正部分16、極性修改裝置17、同步求和相關(guān)裝置18、偽距檢測(cè)裝置19以及位置計(jì)算裝置19。
圖7表示由軟件來(lái)執(zhí)行圖2中數(shù)字信號(hào)處理部分21的功能塊的流程圖。現(xiàn)在更詳細(xì)地說(shuō)明這些功能。圖7中的大功能塊，即，多普勒校正部分16、極性修改裝置17、同步求和相關(guān)計(jì)算裝置18、偽距檢測(cè)裝置19以及位置計(jì)算裝置20對(duì)應(yīng)于圖2中數(shù)字信號(hào)處理部分21中的那些裝置。F1到F10是較大功能塊內(nèi)的軟件過(guò)程。
首先，從存儲(chǔ)器15取得1秒的接收GPS信號(hào)段。這個(gè)數(shù)據(jù)具有如下形式的I和Q分量12·PN·cos(Δωt+Φ)]]>和-12·PN·sin(Δωt+Φ),]]>而且先前由圖3的A/D轉(zhuǎn)換器38和39進(jìn)行了數(shù)字化。該數(shù)據(jù)包括多普勒頻移Δω。離散值t＝0∶Δw∶W×T。這意味著t是按照樣本間隔Δt從0到W×T的離散值。抽樣頻率為fKHz。在本例中f＝N。T＝1毫秒而W＝1023。抽樣間隔Δt等于1/f。
接著，從基站1收集多普勒頻率Δω(過(guò)程F2)。多普勒頻率Δω可從圖2中基站1(服務(wù)器)通過(guò)GPS接收器終端11的接收部分12獲得。Δω通過(guò)CPU部分42接收并存儲(chǔ)在RAM 45。
然后，通過(guò)軟件執(zhí)行多普勒校正(過(guò)程F3)，如圖6所示。通過(guò)乘法器26到29以及加法器30和31執(zhí)行數(shù)學(xué)運(yùn)算。乘法器和加法器容易以軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。來(lái)自存儲(chǔ)器15的I分量12·PN·cos(Δωt+Φ)]]>是乘法器27和乘法器28的信號(hào)輸入，而Q分量-12·PN·sin(Δωt+Φ),]]>是乘法器26和乘法器29的信號(hào)輸入。乘法器26到29的剩余輸入分別是cosΔωt、sinΔωt、cosΔωt和-sinΔωt，其中Δω的值已從服務(wù)器獲得。乘法器26和乘法器27的輸出分別是-12·PN·sin(Δωt+Φ)cosΔωt]]>和12·PN·cos(Δωt+Φ)sinΔωt,]]>它們?cè)诩臃ㄆ?0中相加而產(chǎn)生Q輸出-14·PN·sinΦ.]]>乘法器28和29的輸出分別是12·PN·cos(Δωt+Φ)cosΔωt]]>和12·PN·sin(Δωt+Φ)sinΔωt,]]>它們?cè)诩臃ㄆ?1相加而產(chǎn)生I輸出14·PN·cosΦ.]]>Q輸出信號(hào)-14·PN·sinΦ]]>和I輸出信號(hào)14·PN·cosΦ]]>現(xiàn)在已被針對(duì)多普勒頻移作了補(bǔ)償并具有固定相位Φ。這些信號(hào)存儲(chǔ)在圖4中的存儲(chǔ)器部分51和61(過(guò)程F4)。
圖8表示經(jīng)多普勒補(bǔ)償?shù)腎信號(hào)數(shù)據(jù)如何通過(guò)過(guò)程F4安排在存儲(chǔ)器中的示例(該安排對(duì)于Q信號(hào)數(shù)據(jù)是相同的)。此安排由1000行N列信號(hào)樣本組成，這里N為GPSC/A碼的一個(gè)周期間隔的樣本數(shù)目。N最好是1023到2046，而圖8中為說(shuō)明目的是1023。假定1023KHz抽樣速率，每行1023個(gè)樣本等于1毫秒長(zhǎng)的1幀C/A碼。總共有1000行，因?yàn)榧俣ú杉臄?shù)據(jù)所跨的時(shí)間間隔為1秒。
使用以下符號(hào)來(lái)標(biāo)識(shí)圖8所示的I(或Q)存儲(chǔ)器的各部分較方便。D(M1:M2，N1:N2)表示位于行M1到行M2、列N1到列N2的樣本集。D(M，N1:N2)表示位于行M、在列N1到N2中的樣本，而D(M1:M2，N)表示位于列N、在行M1到M2的樣本。因此，圖8的樣本的完整序列表示為D(1:1000，1:N)(圖8中N＝1023)。
下一步由稱(chēng)為第一輸入信號(hào)的各導(dǎo)航數(shù)據(jù)位內(nèi)的20個(gè)PN碼幀，在全部1秒的所捕獲數(shù)據(jù)(50位)上的相干同步求和組成。各數(shù)據(jù)位內(nèi)的20幀相加的結(jié)果是1毫秒持續(xù)時(shí)間的單個(gè)“壓縮”P(pán)N碼幀。這樣，有50個(gè)這種稱(chēng)為第二輸入信號(hào)的壓縮幀，第二輸入信號(hào)產(chǎn)生于1秒所捕獲的數(shù)據(jù)。相干同步求和過(guò)程提供大約13dB的處理增益。
因?yàn)椴恢缹?dǎo)航數(shù)據(jù)位邊界的位置，所以關(guān)于各組的20個(gè)PN幀(第一輸入信號(hào))相加的適當(dāng)起點(diǎn)有不確定性。如果導(dǎo)航數(shù)據(jù)位在各組中間附近改變極性，將可能發(fā)生處理增益的嚴(yán)重降低。由于這個(gè)原因，采用位于圖4的I存儲(chǔ)器51和Q存儲(chǔ)器61的經(jīng)多普勒補(bǔ)償?shù)臄?shù)據(jù)中的不同起始點(diǎn)，上述相干同步求和過(guò)程實(shí)際上執(zhí)行20次。圖9表示處理的相關(guān)起始點(diǎn)。20個(gè)起始點(diǎn)間隔1毫秒，以便起始點(diǎn)之一在0.5毫秒的數(shù)據(jù)位邊界內(nèi)，因此幾乎是最佳的(作為例子，圖9的第三個(gè)起始點(diǎn)離數(shù)據(jù)位邊界最近，并由星號(hào)標(biāo)識(shí))。這個(gè)最佳起始點(diǎn)保證數(shù)據(jù)位極性的任何變化只可能發(fā)生在各組中同步求和的20個(gè)PN周期的第一個(gè)或最后一個(gè)內(nèi)。因?yàn)橥耆喔赏角蠛瓦^(guò)程執(zhí)行20次(每個(gè)起始點(diǎn)一次)，所以最好是并行地執(zhí)行這些處理，以便減少計(jì)算所需的總時(shí)間。
相干同步求和的過(guò)程可通過(guò)再參考圖8來(lái)說(shuō)明，圖8表示圖4中包含數(shù)字化I多普勒補(bǔ)償后的信號(hào)的I存儲(chǔ)器51的內(nèi)容(在Q存儲(chǔ)器61的內(nèi)容上執(zhí)行相同處理)。為簡(jiǎn)化說(shuō)明，假定存儲(chǔ)器左上方的樣本D(1，1)是出現(xiàn)在數(shù)據(jù)位邊界之后的第一個(gè)樣本。因?yàn)槊啃写鎯?chǔ)器包含一幀PN碼，因此前20行代表一位導(dǎo)航數(shù)據(jù)內(nèi)的20幀。這些行中的數(shù)據(jù)，即D(1:20，1:1023)沿如下各列同步求和第一個(gè)和為D(1，1)+D(2，1)+...+D(20，1)。第二個(gè)和為D(1，2)+D(2，2)+...+D(20，2)，依此類(lèi)推。最后和為D(1，1023)+D(2，1023)+...+D(20，1023)。這樣獲得的1023個(gè)數(shù)中每一個(gè)是20個(gè)PN幀中相應(yīng)碼片的和，并形成包含1023個(gè)樣本的單個(gè)1毫秒壓縮幀。
接下來(lái)的20行是下一個(gè)數(shù)據(jù)位內(nèi)的20個(gè)PN幀，它們則以相似的方式同步求和，跟著是下一組20 行的同步求和，等等。當(dāng)完成所有求和時(shí)，就會(huì)有50個(gè)壓縮幀。一些壓縮幀的極性通過(guò)數(shù)據(jù)位調(diào)制而反轉(zhuǎn)，但不會(huì)有處理增益損失。
前面所述，已假定導(dǎo)航數(shù)據(jù)位邊界正是出現(xiàn)在圖8中詳細(xì)說(shuō)明的、圖4的I信號(hào)存儲(chǔ)器51(或Q存儲(chǔ)器61)中的樣本D(1，1)之前。因?yàn)閷?shí)際上不知道數(shù)據(jù)位邊界的位置，全部同步求和過(guò)程執(zhí)行20次，如上所述，第一次從樣本D(1，1)開(kāi)始，在1毫秒后從樣本D(2，1)開(kāi)始發(fā)生第二次，在2毫秒后從樣本D(3，1)開(kāi)始發(fā)生第三次，...，而在19毫秒后從樣本D(20，1)開(kāi)始發(fā)生第20次。圖11中圖解說(shuō)明該過(guò)程，并在圖10的塊A中執(zhí)行該過(guò)程。當(dāng)20個(gè)重復(fù)同步求和進(jìn)行時(shí)，以1毫秒增量來(lái)增加起始點(diǎn)延遲，最后數(shù)據(jù)位中的幀求和需要圖8中存儲(chǔ)器的1秒內(nèi)容之外的20毫秒附加數(shù)據(jù)。一種解決方法是從1秒到1.02秒延長(zhǎng)數(shù)據(jù)捕獲的長(zhǎng)度?；蛘?，可省略最后數(shù)據(jù)位的幀求和，而處理增益損耗忽略不計(jì)。
需要簡(jiǎn)化的數(shù)學(xué)說(shuō)明，以便更完全理解相干同步求和過(guò)程以及后續(xù)處理。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，只考慮最初20個(gè)起始時(shí)間。盡管對(duì)于各起始時(shí)間均有50個(gè)相干同步求和(每個(gè)求和包含20個(gè)PN幀)，這50個(gè)求和過(guò)程是相同的，因此只考慮排列在圖8所示存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)的前20幀的求和，并假定樣本D(1，1)是在數(shù)據(jù)位邊界后的第一個(gè)樣本。還假定每個(gè)C/A碼片有一個(gè)樣本。存儲(chǔ)器的第一行包含如下信號(hào)DATA×CA+NOISE (1)其中DATA具有行內(nèi)所有1023個(gè)樣本的常數(shù)值+1或-1(實(shí)際上，對(duì)于存儲(chǔ)器的前20行，DATA具有這個(gè)常數(shù)值，這個(gè)事實(shí)將在后面使用)。CA代表由1023個(gè)值組成的一幀C/A PN碼，每個(gè)值為+1或-1。NOISE也由來(lái)自方差為σ2的零平均值高斯分布的1023個(gè)獨(dú)立隨機(jī)值組成。雖然存儲(chǔ)器中的樣本是1位樣本，但將其視為未量化的較為方便。行2到行20的每行也包含由(1)給出的形式的信號(hào)，這里DATA×CA等同于第一行中的DATA×CA。但是，這20行的NOISE樣本都是隨機(jī)的，但有相同的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。當(dāng)前20行被同步求和時(shí)，結(jié)果為1023個(gè)樣本的壓縮幀SIG2＝20×DATA×CA+NOISE’ (2)這里NOISE’樣本是獨(dú)立的，每個(gè)樣本有方差20σ2。符號(hào)SIG2用來(lái)標(biāo)識(shí)作為第二輸入信號(hào)的壓縮幀。
由(2)給出的壓縮信號(hào)幀接著在圖10的塊B內(nèi)處理，這里它與PN碼復(fù)制器互相關(guān)并進(jìn)行數(shù)據(jù)位極性的校正。
圖12詳細(xì)說(shuō)明圖10的塊B內(nèi)的處理。首先，(2)給出的壓縮PN碼幀與正在處理信號(hào)的衛(wèi)星的PN碼復(fù)制品(偽模式)進(jìn)行相關(guān)。這個(gè)由1023個(gè)碼片(每碼片一個(gè)樣本)組成的偽模式稱(chēng)為偽模式A。偽模式A的各樣本具有值+1或-1。參考圖12，相關(guān)過(guò)程包括以1碼片的增量(總共1023個(gè)移位位置)延遲偽模式A，以及對(duì)于各移位位置，把壓縮信號(hào)幀樣本與對(duì)應(yīng)的移位后偽模式A的樣本相乘。圖12中，表達(dá)式(2)給出標(biāo)識(shí)為“輸入來(lái)自塊A”的壓縮信號(hào)幀，而且壓縮信號(hào)幀與各個(gè)包含在塊A1到A1023中的1023個(gè)偽模式A的移位形式相乘。在塊25a進(jìn)行這種相乘。(這些塊稱(chēng)為除法器，這等同于乘法器，因?yàn)閭文Ｊ酱a片具有+1或-1值。在這種情況下，相乘產(chǎn)生與相除相同的結(jié)果)。
包含在A(yíng)1到A1023中的偽模式A的1023個(gè)延遲位置是循環(huán)的，這指的是碼片“纏繞”。例如，如果未移位的偽模式是
，則延遲1碼片的模式是[10100110001110...10]，而延遲2碼片的模式是
，(為簡(jiǎn)化符號(hào)，0代表值-1)。
以簡(jiǎn)單形式數(shù)學(xué)表達(dá)相關(guān)操作如下CORR＝(1/N)∑(SIG2×A)＝(1/N)∑[(20×DATA×CA+NOISE’)×A]＝(1/N)×20×DATA×∑(CA×A)+(1/N)∑(NOISE’×A)(3)這里CORR代表相關(guān)值，求和索引從1到1023。如圖12指出，相關(guān)運(yùn)算(3)在壓縮信號(hào)SIG2上執(zhí)行1023次，各相關(guān)利用偽模式A的不同循環(huán)移位。這樣，CORR和A可通過(guò)適當(dāng)移位來(lái)索引，但是，為簡(jiǎn)化目的，已省略這個(gè)索引。注意(3)的相關(guān)按照數(shù)值1/N進(jìn)行縮放。雖然N可能是任何正整數(shù)，但值N＝20×1023比較方便，這個(gè)看來(lái)短些。
下一個(gè)處理步驟是消去來(lái)自(2)給出的壓縮信號(hào)(第二輸入信號(hào))的導(dǎo)航數(shù)據(jù)調(diào)制。這個(gè)稱(chēng)為數(shù)據(jù)極性均化的過(guò)程通過(guò)將壓縮信號(hào)與1023個(gè)相關(guān)值中每一個(gè)相乘來(lái)完成，從而獲得均化信號(hào)SIG3SIG3＝SIG2×CORR (4)圖12中的乘法器25c執(zhí)行相乘。為理解這個(gè)過(guò)程如何消除數(shù)據(jù)位極性變化，假定偽模式A與所接收的PN序列CA對(duì)齊。接著乘積CA×A＝1，因?yàn)橄鄳?yīng)碼片是都為+1或都為-1。表達(dá)式(3)還可簡(jiǎn)化為CORR＝(1/N)×20×DATA×∑(CA×A)+(1/N)∑(NOISE’×A)＝(1/N)×20×DATA×1023+(1/N)∑(NOISE’×A)＝(1/N)×20×DATA×1023+NOISE” (5)因?yàn)閭文Ｊ紸具有值+1或-1，表達(dá)式(5)中的序列NOISE’×A具有與NOISE’相同的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，因此由1023個(gè)獨(dú)立零平均值樣本組成，每個(gè)的方差為20σ2。這樣，NOISE”是方差為(1023×20σ2)/N2的隨機(jī)變量。將數(shù)值N＝20×1023代入這個(gè)表達(dá)式以及表達(dá)式(4)，得到CORR＝DATA+NOISE” (6)這里DATA是值為+1或-1的單個(gè)數(shù)，而NOISE”是方差為σ2/(20*1023)的零平均值隨機(jī)變量。
將表達(dá)式(6)代入表達(dá)式(4)，明顯看出導(dǎo)航數(shù)據(jù)位如何從信號(hào)中消去(或均化)SIG3＝SIG2×CORR＝(20×DATA×CA+NOISE’)×(DATA+NOISE”)＝20×DATA×CA×DATA+20×DATA×CA×NOISE”+NOISE’×(DATA+NOISE”)＝20×CA+NOISE (7)這里利用了事實(shí)DATA×DATA＝1。從(7)看出，導(dǎo)航數(shù)據(jù)極性現(xiàn)在始終是1。在圖12中，從1023個(gè)相應(yīng)的乘法器25c得到SIG3信號(hào)，每個(gè)SIG3信號(hào)對(duì)應(yīng)于相關(guān)CORR的1023個(gè)值中的各個(gè)值。各乘法器的輸出由50個(gè)壓縮信號(hào)組成，每個(gè)壓縮信號(hào)是同步相加20個(gè)1毫秒數(shù)據(jù)幀的結(jié)果，而且每個(gè)壓縮信號(hào)已消去導(dǎo)航數(shù)據(jù)極性變化(均化)。
如圖13所示，在塊C中進(jìn)行下一級(jí)處理。剛才所述的50個(gè)壓縮的均化信號(hào)在同步相加塊9中同步求和，產(chǎn)生進(jìn)一步壓縮的單個(gè)1毫秒信號(hào)幀(這樣的塊有1023個(gè)，每個(gè)塊同步相加來(lái)自圖12的塊B的對(duì)應(yīng)乘法器輸出的輸出)。同步求和的結(jié)果存儲(chǔ)在圖4的存儲(chǔ)器部分53和63(圖7中的過(guò)程F6)。
這個(gè)同步求和過(guò)程與前面在圖11的塊A中執(zhí)行的求和類(lèi)型相同，只是對(duì)50個(gè)幀進(jìn)行求和而不是20個(gè)。按照1023個(gè)樣本行存儲(chǔ)這50幀，每個(gè)樣本在存儲(chǔ)器中可標(biāo)識(shí)為D(1:m，1:s)，這里m＝50和s＝1023。同步求和的結(jié)果是單個(gè)幀，該結(jié)果標(biāo)為SUM，由1023個(gè)樣本組成。SUM的第k個(gè)樣本可數(shù)學(xué)表達(dá)為SUM(k)=Σj=150D(j,k),k=1,2,...,1023---(8)]]>已知同步求和將信號(hào)幅度與噪聲標(biāo)準(zhǔn)偏差(即SNR)之比乘以因數(shù) 在這種情況下是 表示大約17dB的處理增益。在前面所執(zhí)行的塊A同步求和中，m的值為20，因此那里SNR改善了 倍或大約13dB的處理增益。假定數(shù)據(jù)位極性在塊B處理中正確地均化(圖10)，來(lái)自?xún)蓚€(gè)同步求和級(jí)的SNR的總增加有20×50=1000]]>倍，表示17dB+13dB＝30dB的處理增益。但是，這個(gè)增益量通常沒(méi)有完全實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樾盘?hào)太弱而不能正確檢測(cè)到塊B處理中的導(dǎo)航數(shù)據(jù)位的極性。
圖13中相關(guān)計(jì)算塊10執(zhí)行下一級(jí)處理。這里已存儲(chǔ)在圖4的存儲(chǔ)器部分53和63中的塊9中同步求和的結(jié)果與接收器終端11準(zhǔn)備的復(fù)制PN序列(與偽模式A相同的序列)進(jìn)行互相關(guān)。I信號(hào)的互相關(guān)結(jié)果存儲(chǔ)在圖4的存儲(chǔ)器部分54，而Q信號(hào)的互相關(guān)結(jié)果存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器部分64。
I和Q相關(guān)函數(shù)分別是復(fù)值相關(guān)函數(shù)的實(shí)部和虛部，它們結(jié)合而形成相關(guān)函數(shù)的大小，該大小存儲(chǔ)在圖4的存儲(chǔ)器部分70。為形成該大小，I和Q相關(guān)函數(shù)的對(duì)應(yīng)樣本平方和相加，并計(jì)算和的平方根。對(duì)應(yīng)于圖13所示的1023個(gè)I(和Q)相關(guān)的總共有1023個(gè)這樣的大小函數(shù)。
盡管相關(guān)計(jì)算是公知的，這里仍簡(jiǎn)述這些計(jì)算。塊9中同步求和的輸出包含繞地球軌道運(yùn)行的多個(gè)GPS衛(wèi)星所發(fā)送的一個(gè)周期的C/A PN碼。各個(gè)衛(wèi)星發(fā)送不同的碼，但所有碼具有相同周期(1毫秒)。在衛(wèi)星中，以1575.42MHz的L1頻率對(duì)載波進(jìn)行碼雙相調(diào)制，這對(duì)所有衛(wèi)星是相同的。通過(guò)該碼調(diào)制載波，產(chǎn)生比傳送導(dǎo)航數(shù)據(jù)調(diào)制所需的頻譜更寬的信號(hào)頻譜。由于這個(gè)原因，這些信號(hào)稱(chēng)為擴(kuò)頻信號(hào)。在接收器終端11(也可以在基站參考GPS接收器)，疊加來(lái)自所有衛(wèi)星的信號(hào)。雖然這些信號(hào)在接收器中表現(xiàn)為加性組合，但它們可通過(guò)稱(chēng)為解擴(kuò)頻的過(guò)程進(jìn)行分離。為說(shuō)明目的，假定接收器終端11接收來(lái)自?xún)蓚€(gè)衛(wèi)星S1和S2的信號(hào)。各衛(wèi)星的C/A碼是已知的，各碼的復(fù)制品存儲(chǔ)在接收器終端。在本發(fā)明中，復(fù)制碼存儲(chǔ)在圖3的信號(hào)處理部分21的ROM 46。接收器將所接收的信號(hào)移到基帶(即零頻率)，這就消除了載波并只留下從衛(wèi)星接收的C/A碼(加上導(dǎo)航數(shù)據(jù)調(diào)制)。為了恢復(fù)來(lái)自衛(wèi)星S1的信號(hào)，基帶信號(hào)與所存儲(chǔ)的該衛(wèi)星的復(fù)制碼進(jìn)行互相關(guān)。如果x(n)表示所接收的基帶數(shù)據(jù)(I或Q)的樣本，而h(n)表示所存儲(chǔ)的C/A碼的樣本，則相關(guān)過(guò)程根據(jù)下列公式產(chǎn)生輸出樣本序列y(k)y(k)=Σn=1Nx(n)h(n+k),k=1,2,...,N---(9)]]>輸出序列y(k)稱(chēng)為所接收信號(hào)與復(fù)制碼的互相關(guān)函數(shù)。整數(shù)k表示復(fù)制碼的循環(huán)時(shí)間移位。對(duì)于一些移位值k，移位后的復(fù)制碼h(n+k)對(duì)齊接收信號(hào)x(n)中包含的相同碼序列。當(dāng)發(fā)生這種情況時(shí)，所接收碼中的各個(gè)碼片具有與移位后的復(fù)制碼相同的極性，而(9)的總和增加到與采用其它移位獲得的值相比來(lái)說(shuō)較大的值。假定噪聲樣本是不相關(guān)的相同分布的隨機(jī)變量，眾所周知，對(duì)于這個(gè)具體k值，與接收信號(hào)的任何單個(gè)樣本x(n)相比，輸出樣本y(k)的信噪比(SNR)將增大到 倍。在本發(fā)明的說(shuō)明中，N＝1023，因此SNR增大到 倍，處理增益大約為30dB。(9)中的相關(guān)計(jì)算也可通過(guò)快速傅里葉變換方法來(lái)完成，但這里所示的傳統(tǒng)計(jì)算用來(lái)說(shuō)明原理。
假設(shè)數(shù)據(jù)位的極性可以可靠地均化，本發(fā)明的總處理增益是來(lái)自?xún)蓚€(gè)同步求和過(guò)程(如前面計(jì)算的13+17＝30dB)加上最終相關(guān)(30dB)的增益，這等于60dB。SNR電壓增益是20×50×1023=1,023,000≅1,012.]]>這些計(jì)算假定捕獲T＝1秒的信號(hào)數(shù)據(jù)。這個(gè)處理增益的量保證可測(cè)量到嵌在噪聲里的極弱GPS信號(hào)的延遲以提供位置。
現(xiàn)在回到信號(hào)處理的說(shuō)明，一旦已經(jīng)計(jì)算了相關(guān)函數(shù)大小并將大小存儲(chǔ)在圖4的存儲(chǔ)器部分70，下一步是計(jì)算到衛(wèi)星的偽距。圖10中的偽距檢測(cè)塊19執(zhí)行這個(gè)操作(這個(gè)塊也表示在圖2的接收器終端11內(nèi)的信號(hào)處理塊21中)。偽距是衛(wèi)星與GPS接收器終端11之間的距離，包括由于接收器時(shí)鐘偏差引起的誤差。通過(guò)找出所有1023個(gè)相關(guān)大小函數(shù)中的最大峰值來(lái)確定偽距，以及該峰值出現(xiàn)處的延遲τ(相關(guān)函數(shù)大小的1023個(gè)樣本中每一個(gè)對(duì)應(yīng)于一個(gè)延遲值)。一旦得出最大峰值的延遲τ，就可得出偽距。
應(yīng)該記住，所述所有處理必須重復(fù)20次，對(duì)應(yīng)于處理的起始時(shí)間的20個(gè)時(shí)間移位。如前文所述，為保證在20個(gè)實(shí)例之一中，在同步求和以形成第二信號(hào)期間數(shù)據(jù)位極性不變化，這是必要的。這樣，剛才所述的對(duì)相關(guān)大小函數(shù)峰值的查找必須包含對(duì)所有20個(gè)實(shí)例的查找。
處理中的最后步驟是計(jì)算接收器終端的位置，圖2的位置計(jì)算裝置20執(zhí)行該步驟。該裝置使用如上所述的到衛(wèi)星的偽距，以及來(lái)自基站1的附加信息以得出位置。這個(gè)附加信息包括基站位置、衛(wèi)星位置以及從基站到衛(wèi)星的偽距。位置計(jì)算方法是公知的并且容易實(shí)現(xiàn)。
此時(shí)，總結(jié)一下本發(fā)明的前述內(nèi)容。事實(shí)上，雖然利用傳統(tǒng)GPS接收器不可能確定許多大樓里的位置，但本發(fā)明可顯著增強(qiáng)GPS接收器終端11的靈敏度到這樣的程度即便大樓里非常弱的信號(hào)也可用來(lái)定位。而且，利用只有1秒的所捕獲的GPS信號(hào)可達(dá)到這種高靈敏度。
本發(fā)明通過(guò)存儲(chǔ)0.5秒到1秒或更多的經(jīng)多普勒補(bǔ)償?shù)腉PS接收信號(hào)數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行工作。該數(shù)據(jù)接著在50個(gè)20毫秒塊中進(jìn)行同步求和，提供具有相干處理增益的50個(gè)1毫秒壓縮信號(hào)。按照1毫秒增量的20個(gè)起始延遲執(zhí)行同步求和，以便保證起始延遲之一在導(dǎo)航數(shù)據(jù)位邊界附近，從而保證所有20毫秒數(shù)據(jù)塊位于數(shù)據(jù)位內(nèi)。
接著，壓縮信號(hào)(包含同步求和數(shù)據(jù)的第二信號(hào))與存儲(chǔ)在接收器終端11的復(fù)制PN碼(偽模式A)的1023個(gè)移位位置進(jìn)行相關(guān)。然后對(duì)于各個(gè)移位，壓縮信號(hào)與相關(guān)值相乘。這個(gè)過(guò)程修改(均化)導(dǎo)航數(shù)據(jù)位的極性，產(chǎn)生沒(méi)有導(dǎo)航位極性變化的壓縮信號(hào)(均化信號(hào))。
接著，均化信號(hào)被同步求和以得到更多處理增益，獲得極大增強(qiáng)的從完全信號(hào)捕獲間隔(T＝1秒)導(dǎo)出的1毫秒信號(hào)。這個(gè)信號(hào)由于同步求和過(guò)程而具有極大改進(jìn)的SNR。該信號(hào)與存儲(chǔ)在接收器終端11中的復(fù)制PN碼進(jìn)行相關(guān)，而偽距是從相關(guān)值峰值的延遲得到的。
雖然本發(fā)明的說(shuō)明中采用的信號(hào)捕獲間隔T為1秒，但它可能是其它值，可能從0.5秒到大于1秒。較短時(shí)間提高處理速度，但是以較低靈敏度為代價(jià)。較長(zhǎng)時(shí)間是優(yōu)選的，因?yàn)樘幚碓鲆孑^大且增強(qiáng)靈敏度。但是，需要更多存儲(chǔ)空間和較長(zhǎng)處理時(shí)間。
本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)是不需要來(lái)自外部源(例如基站)的導(dǎo)航數(shù)據(jù)位序列的傳輸，以便在接收器終端中從信號(hào)中消除極性反轉(zhuǎn)。而是，接收器終端自身檢測(cè)各數(shù)據(jù)位的極性，并使用檢測(cè)到的極性來(lái)均化信號(hào)。這允許在全部信號(hào)捕獲間隔上進(jìn)行同步求和，接著進(jìn)行相關(guān)，從而獲得高靈敏度，要在大樓內(nèi)或信號(hào)非常弱的任何地方獲得可靠定位，就需要這種高靈敏度。
除了所述實(shí)施例，其它實(shí)施例也可能是較佳的，取決于可獲得的硬件和軟件技術(shù)。例如，雖然以軟件實(shí)現(xiàn)說(shuō)明了圖2的多普勒校正部分16、極性修改裝置17、同步求和相關(guān)計(jì)算裝置18以及偽距檢測(cè)裝置19，但是這些功能可以由硬件或硬件與軟件的組合來(lái)組成。
同樣，本發(fā)明不限于配合GPS信號(hào)來(lái)使用，本發(fā)明可用于任何采用周期PN信號(hào)的定位系統(tǒng)，例如，用于伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中。
權(quán)利要求
1.一種GPS位置測(cè)量方法，其中，接收器終端(11)從衛(wèi)星(S)接收信號(hào)，并通過(guò)捕獲具有預(yù)定持續(xù)時(shí)間(T)的一部分所述接收衛(wèi)星信號(hào)，計(jì)算所述衛(wèi)星(S)和所述接收器終端(11)之間的偽距，所述方法包括以下步驟從具有預(yù)定持續(xù)時(shí)間(T)的所述接收衛(wèi)星信號(hào)獲得預(yù)定數(shù)量的第一輸入信號(hào)，每個(gè)第一輸入信號(hào)具有等效于一位導(dǎo)航數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度；并利用數(shù)據(jù)處理起始的多個(gè)延遲(i)，所述延遲的間隔比導(dǎo)航數(shù)據(jù)位的持續(xù)時(shí)間短；對(duì)所述第一輸入信號(hào)進(jìn)行同步求和以得到第二輸入信號(hào)；極性校正計(jì)算過(guò)程，其中，將所述接收器終端(11)準(zhǔn)備的偽模式(A)應(yīng)用到所述第二輸入信號(hào)上，以使所述導(dǎo)航數(shù)據(jù)位的極性均勻；對(duì)通過(guò)所述極性校正計(jì)算過(guò)程從具有預(yù)定持續(xù)時(shí)間(T)的所述接收衛(wèi)星信號(hào)獲得的信號(hào)進(jìn)行同步求和；對(duì)所述獲得的同步求和信號(hào)與所述接收器終端(11)準(zhǔn)備的復(fù)制PN碼進(jìn)行相關(guān)計(jì)算；利用所述相關(guān)計(jì)算的結(jié)果來(lái)檢測(cè)所述信號(hào)延遲值；以及利用所述延遲值計(jì)算所述偽距。
2.一種GPS位置測(cè)量方法，其中接收器終端(11)從衛(wèi)星(S)接收信號(hào)并通過(guò)捕獲具有預(yù)定持續(xù)時(shí)間(T)的一部分所述接收衛(wèi)星信號(hào)來(lái)計(jì)算所述衛(wèi)星(S)和所述接收器終端(11)之間的偽距，所述方法包括以下步驟對(duì)具有預(yù)定持續(xù)時(shí)間(T)的所述接收衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行早期信號(hào)處理，其中，從具有預(yù)定持續(xù)時(shí)間(T)的所述接收衛(wèi)星信號(hào)獲得預(yù)定數(shù)量的第一輸入信號(hào)，每個(gè)第一輸入信號(hào)具有20毫秒的長(zhǎng)度；以及利用了數(shù)據(jù)處理起始的多個(gè)延遲，所述延遲的間隔比導(dǎo)航數(shù)據(jù)位的長(zhǎng)度短；對(duì)所述第一輸入信號(hào)進(jìn)行同步求和以得到第二輸入信號(hào)；極性校正計(jì)算過(guò)程，其中所述第二輸入信號(hào)乘以或除以所述接收器終端(11)準(zhǔn)備的偽模式(A)且通過(guò)其求平均所得的結(jié)果進(jìn)一步與所述第二輸入信號(hào)相乘；對(duì)通過(guò)所述極性校正計(jì)算過(guò)程獲得的信號(hào)進(jìn)行同步求和；對(duì)所述同步求和后的信號(hào)與所述接收器終端(11)準(zhǔn)備的復(fù)制PN碼進(jìn)行相關(guān)計(jì)算；利用所述相關(guān)計(jì)算結(jié)果檢測(cè)所述延遲值；以及利用所述延遲值計(jì)算所述偽距。
3.如權(quán)利要求1或2所述的GPS位置測(cè)量方法，其特征在于所述極性校正計(jì)算過(guò)程中的所述偽模式(A)是與來(lái)自所述衛(wèi)星(S)的信號(hào)的單位幀等效的預(yù)定位數(shù)的數(shù)據(jù)列，并且由分別依次改變一位的與所述預(yù)定位數(shù)相同數(shù)量的數(shù)據(jù)列組構(gòu)成。
4.一種GPS位置測(cè)量系統(tǒng)，其中接收器終端(11)從衛(wèi)星(S)接收信號(hào)，并利用具有預(yù)定持續(xù)時(shí)間(T)的所述接收衛(wèi)星信號(hào)計(jì)算所述衛(wèi)星(S)和所述接收器終端(11)之間的偽距，其包括具有如下配置的接收器終端(11)第一計(jì)算塊部分(23)，用于從具有預(yù)定持續(xù)時(shí)間(T)的所述接收衛(wèi)星信號(hào)獲得預(yù)定數(shù)量的第一輸入信號(hào)，每個(gè)第一輸入信號(hào)具有等效于一位導(dǎo)航數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度；并利用數(shù)據(jù)處理起始的多個(gè)延遲，所述延遲間隔較一位導(dǎo)航數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度短；第二計(jì)算塊部分(24)，用于對(duì)所述第一輸入信號(hào)進(jìn)行同步求和以得到第二輸入信號(hào)；極性校正計(jì)算塊部分(25)，其中所述第二輸入信號(hào)乘以或除以所述接收器終端(11)準(zhǔn)備的偽模式(A)且通過(guò)其求平均所得的結(jié)果進(jìn)一步與所述第二輸入信號(hào)相乘；同步求和塊部分(9)，用于對(duì)通過(guò)所述極性校正計(jì)算過(guò)程從具有預(yù)定持續(xù)時(shí)間(T)的所述接收衛(wèi)星信號(hào)獲得的信號(hào)進(jìn)行同步求和；相關(guān)計(jì)算塊部分(10)，用于對(duì)所述獲得的同步求和信號(hào)與所述接收器終端(11)準(zhǔn)備的復(fù)制PN碼進(jìn)行相關(guān)計(jì)算；以及偽距檢測(cè)塊部分(19)，用于利用所述相關(guān)計(jì)算結(jié)果檢測(cè)延遲值并利用所述延遲值計(jì)算所述偽距。
5.如權(quán)利要求4所述GPS位置測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于所述極性校正計(jì)算塊部分(25)具有乘/除部分(25a)，用于將所述第二輸入信號(hào)乘以或除以所述接收器終端(11)準(zhǔn)備的所述偽模式(A)；平均計(jì)算部分(25b)，用于對(duì)所述乘/除部分(25a)的結(jié)果求平均；以及極性校正計(jì)算部分(25c)，用于將所述第二輸入信號(hào)與所述平均計(jì)算部分(25b)的結(jié)果相乘。
全文摘要
一種GPS定位方法，通過(guò)捕獲具有預(yù)定持續(xù)時(shí)間的一部分接收衛(wèi)星信號(hào)，獲得接收終端(11)和衛(wèi)星(S)之間的偽距。獲得預(yù)定數(shù)量的第一輸入信號(hào)，其中每個(gè)信號(hào)長(zhǎng)度等效于一位導(dǎo)航數(shù)據(jù)，且處理起始點(diǎn)具有不同延遲。對(duì)第一輸入信號(hào)進(jìn)行同步求和來(lái)獲得第二輸入信號(hào)。接收終端(11)準(zhǔn)備的復(fù)制PN碼(偽模式)作用于第二輸入信號(hào)以檢測(cè)導(dǎo)航位極性并校正位極性，以便第二輸入信號(hào)位極性總為正。對(duì)從全部捕獲信號(hào)導(dǎo)出的結(jié)果信號(hào)進(jìn)行同步求和，然后利用接收終端(11)準(zhǔn)備的復(fù)制PN碼對(duì)所得的同步求和信號(hào)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，檢測(cè)信號(hào)延遲值，并利用相關(guān)計(jì)算結(jié)果獲得偽距。
文檔編號(hào)G01S1/00GK1624491SQ20041010010
公開(kāi)日2005年6月8日 申請(qǐng)日期2004年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月1日
發(fā)明者岸本信弘, 平田誠(chéng)一郎 申請(qǐng)人:岸本信弘, 平田誠(chéng)一郎