使用具有交錯式偽隨機碼碼相位跟蹤的gnss系統(tǒng)及方法
【專利說明】使用具有交錯式偽隨機碼碼相位跟蹤的GNSS系統(tǒng)及方法 相關(guān)申請的交叉引用
[0001] 本申請主張2013年8月13日申請的第13/966, 142號美國專利申請以及2012年 9月17日申請的第61/702, 031號美國臨時專利申請的優(yōu)先權(quán)，兩個申請以引用的方式并入 本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明主要涉及全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS)接收器技術(shù)，且尤其是涉及使用平行 相關(guān)內(nèi)核模塊及跟蹤信號（例如L2C)以用于穩(wěn)固性以及改進特定在接收器操作中斷期間 的基于GNSS的定位、弱信號及影響接收器性能的其它條件。
【背景技術(shù)】
[0003] 全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS)包含全球定位系統(tǒng)（GPS)，其由美國政府建立及操 作且采用在近似20, 200km的海拔處的明確界定的軌道中的24個或24個以上衛(wèi)星的星 座。這些衛(wèi)星在三個頻帶中持續(xù)發(fā)射微波L帶無線電信號，三個頻帶集中在1575. 42MHz、 1227. 60MHz及1176. 45MHz，分別表示為L1、L2及L5。所有GNSS信號包含相對于衛(wèi)星的機 載精密時鐘的計時模式（其通過地面站而保持同步）以及提供衛(wèi)星的精確軌道位置的導(dǎo)航 消息。GPS接收器處理無線電信號，計算到GPS衛(wèi)星的范圍，及通過三角測量這些范圍，GPS 接收器確定其位置及其內(nèi)部時鐘誤差?？扇Q于所使用的可觀察量及所采用的校正技術(shù)來 實現(xiàn)不同的準(zhǔn)確度水平。舉例來說，可使用具有單頻率或雙頻率（LI及L2)接收器的實時 動態(tài)（RTK)方法來實現(xiàn)在約2cm內(nèi)的準(zhǔn)確性。
[0004] GNSS還包含伽利略（Galileo)(歐洲）、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GLONASS、俄羅斯）、 北斗（Beidou)(中國）、指南針（Compass)(提議）、印度區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（IRNSS)及 QZSS(日本、提議）。伽利略將發(fā)射集中在表示為Ll或El的1575. 42MHz、表示為E5a 的1176. 45MHz、表示為E5b的1207. 14MHz、表示為E5的1191. 795MHz及表示為E6的 1278. 75MHz的信號。GLONASS發(fā)射大致集中在分別表示為GLl及GL2的1602MHz及1246MHz 的FDM信號群組。QZSS將發(fā)射集中在LU L2、L5及E6的信號。GNSS信號群組在本文分組 為"超帶"。
[0005] 為了獲得可通過使用GNSS而實現(xiàn)的準(zhǔn)確度的較佳理解，有必要了解可從GNSS衛(wèi) 星獲得的信號的類型。一種類型的信號包含調(diào)制Ll無線電信號的粗糙獲?。–/A)代碼以 及調(diào)制Ll及L2無線電信號兩者的精密（P)代碼兩者。這些代碼為提供與模式的接收器版 本相比可為已知模式的偽隨機數(shù)字代碼。通過測量對準(zhǔn)偽隨機數(shù)字代碼所需的時間移位， GNSS接收器能夠計算到衛(wèi)星的明確的偽范圍。C/A及P代碼兩者具有分別為約300米（1 微秒）及30米（1/10微秒）的相對較長的"波長"。因此，使用C/A代碼及P代碼得到僅在 相對粗糙分辨率水平的位置數(shù)據(jù)。
[0006] 用于位置確定的第二類型的信號是載波信號。如本文所使用的術(shù)語"載波"指在移 除經(jīng)調(diào)制偽隨機數(shù)字代碼（C/A及P)所引起的光譜含量之后保持在無線電信號中的主要頻 譜分量。LI及L2載波信號分別具有約19及24厘米的波長。GNSS接收器能夠"跟蹤"這 些載波信號，并且在這樣做時，使載波相位的測量值精確到完整波長的小部分，從而準(zhǔn)許范 圍測量值精確到小于一厘米的準(zhǔn)確性。
[0007] 在不參考附近參考接收器的情況下確定接收器的位置坐標(biāo)的獨立GNSS系統(tǒng)中， 位置確定的過程經(jīng)受來自許多源的誤差。這些誤差包含衛(wèi)星的時鐘參考誤差、軌道衛(wèi)星 的位置、電離層誘發(fā)的傳播延遲誤差及對流層折射誤差。這些誤差源的更詳細論述提供于 Yunck等人的第5, 828, 336號美國專利中。
[0008] 為了克服獨立GNSS的誤差，許多動態(tài)定位應(yīng)用利用多個GNSS接收器。定位于具 有已知坐標(biāo)的參考站點的參考接收器與通過遠程接收器接收信號同時接收衛(wèi)星信號。取決 于分離距離，上述誤差中的許多將針對兩接收器而同等地影響衛(wèi)星信號。通過獲取在參考 站點及在遠程位置兩者接收的信號之間的差，這些誤差得以有效地消除。這有助于相對于 參考接收器的坐標(biāo)而準(zhǔn)確確定遠程接收器的坐標(biāo)。差分信號的技術(shù)在此項技術(shù)中已知為差 分GNSS (DGNSS)。DGNSS與載波相位的精確測量值的組合導(dǎo)致小于一厘米均方根（厘米級 定位）的位置準(zhǔn)確性。當(dāng)利用載波相位的DGNSS定位在遠程接收器潛在地運動時實時進行 時，常常稱為實時動態(tài)（RTK)定位。
[0009] 有效地提供GPS系統(tǒng)中的較多測量值的一種方法將使用雙頻（DF)接收器用于與 L1C/A代碼產(chǎn)生碼相位測量值同時來跟蹤來自Ll及L2載波上的P代碼調(diào)制的δ距離測 量。Ll及L2載波通過同時離開GNSS衛(wèi)星的代碼來調(diào)制。由于電離層產(chǎn)生用于不同頻率的 無線電載波的不同延遲，所以此類雙頻接收器可用以獲得在各個接收器位置的電離層延遲 的實時測量值。組合Ll及L2測距測量值以創(chuàng)建具有與Ll偽距中的電離層延遲相同的正 負號的電離層延遲的新Ll測距測量值。準(zhǔn)確的電離層延遲信息在用于位置解決方案中時 可幫助產(chǎn)生較多準(zhǔn)確性。在不存在此類實時電離層延遲測量值的情況下，通常使用其它校 正技術(shù)，例如差分GNSS (DGNSS)、在付費訂購基礎(chǔ)上可用的專有第三方衛(wèi)星擴增系統(tǒng)（SAS) 服務(wù)、或美國贊助的廣域擴增系統(tǒng)（WAAS)。類似方法及對應(yīng)設(shè)備配置可用于其它GNSS系 統(tǒng)，包含上文所識別的那些系統(tǒng)。
[0010] 相比于單頻（通常LI)接收器系統(tǒng)，先前雙頻接收器系統(tǒng)由于其用于適應(yīng)L2測量 值的額外組件而傾向于相對昂貴。此外，額外組件傾向于消耗較多功率及所需額外空間。再 者，雙頻接收器應(yīng)適用于供所有存在及計劃的GNSS使用，發(fā)射可分組為大體在約1160MHz 到1250MHz及1525MHz到1613MHz范圍內(nèi)的無線電信號頻率的兩"超帶"的信號。因此，優(yōu) 選多頻接收器應(yīng)為：單個專用集成電路（ASIC);可編程用于降頻轉(zhuǎn)換各個頻率對；最低限 度地設(shè)定大??；及能夠用最小功率操作。例如且不限于可供本發(fā)明使用的組件的概括性，在 第8, 217, 833號美國專利中展示及描述合適的ASIC，所述專利轉(zhuǎn)讓給共同或聯(lián)合擁有的受 讓人且以引用的方式并入本文中。
[0011] 美國的全球定位系統(tǒng)（GPS)在1995年7月17日首先達到完全操作能力。在幾乎 二十年之后，技術(shù)的進步及新需求已引起使GPS系統(tǒng)現(xiàn)代化的努力。部分的現(xiàn)代化是將在 不同于Ll頻率（1575.42MHz)的頻率上發(fā)射的新民用導(dǎo)航信號。此信號由于其是L2頻率 (1227. 6MHz)上的民用信號廣播而變得被稱為L2C信號。其通過所有封閉式IIR-M及新一 代的衛(wèi)星來發(fā)射。
[0012] 懷特黑德（Whitehead)等人的第6, 744, 404號美國專利展示用于減少GPS中的多 路徑的未偏置碼相位估計器，及以引用的方式并入本文中。美國海岸警衛(wèi)隊導(dǎo)航中心、"GPS FAQ"、美國國土安全部；及Navstar全球定位系統(tǒng)、"接口規(guī)格-ICD-GPS-200"、Navstar GPS 聯(lián)合項目辦公室也以引用的方式并入本文中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 本發(fā)明涉及與新的L2C信號相關(guān)的跟蹤算法。更具體來說，利用兩平行相關(guān)內(nèi)核 模塊用于基于未知特性的同時處理，例如導(dǎo)航數(shù)據(jù)位D的正及負值。根據(jù)導(dǎo)航數(shù)據(jù)位D的 正負號的分辨率，形成對應(yīng)的碼相位及載波相位鑒別符且發(fā)送到代碼及載波相位跟蹤環(huán)路 以驅(qū)動本地副本以遵循傳入信號。
[0014] L2C明顯地簡化雙頻設(shè)計。在L2C之前，不存在L2頻率上的民用代碼且僅軍事信 號L2P存在于此頻率上。已知L2P的結(jié)構(gòu)，然而為了拒絕對此軍事信號的未授權(quán)的訪問，通 過稱作Y代碼的另一未知信號來調(diào)制L2P。Y代碼使民用雙頻接收器的設(shè)計明顯地復(fù)雜。 必須采用半無代碼或無代碼技術(shù)來跟蹤L2P (Y)代碼，所述技術(shù)造成性能下降（尤其在較低 SNR情形下）。與此對比，L2C代碼的結(jié)構(gòu)是完全已知的。預(yù)期L2C的代碼噪聲性能類似于 L1C/A。L1C/A上的L2C的優(yōu)點在于L2C具有導(dǎo)頻音調(diào)，其可通過純的鎖相環(huán)路而非科斯塔 斯（Costas)環(huán)路來跟蹤。與科斯塔斯跟蹤環(huán)路（其為L1C/A載波的情況）相比，形成器具 有6dB跟蹤閾值的優(yōu)點。穩(wěn)固的L2載波跟蹤可輔助其它跟蹤環(huán)路，例如L2P、LlP及LlC/ A。其還將頻率分集引入到計數(shù)器電離層閃爍效應(yīng)，作為Ll及L2兩者不大可能同時發(fā)生的 強衰退。具有L2C跟蹤的接收器將導(dǎo)致較少接收器操作中斷及較多穩(wěn)固完整性。
【附圖說明】
[0015] 圖1為用于產(chǎn)生L2C信號的基于GPS衛(wèi)星的電路的框圖。
[0016] 圖2為L2C計時關(guān)系的圖。
[0017] 圖3a為L2C民用長（CL)代碼的圖。
[0018] 圖3b為L2C民用中型（CDM)代碼的圖。
[0019] 圖4為展示數(shù)據(jù)依賴性的L2C代碼的圖。
[0020] 圖5a及5b展示具有體現(xiàn)本發(fā)明的方面的多路徑減輕的復(fù)合代碼檢測系統(tǒng)的框 圖。
[0021] 圖6a為當(dāng)導(dǎo)航數(shù)據(jù)D = 1時的L2C代碼的圖。
[0022] 圖6b為當(dāng)導(dǎo)航數(shù)據(jù)D = 0或（-1)時的L2C代碼的圖。
【具體實施方式】 I.介紹及環(huán)境
[0023] 根據(jù)需要，本文中揭示了本發(fā)明的詳細實施例；然而，應(yīng)理解，所揭示的實施例僅 是本發(fā)明的示范性的，本發(fā)明可以各種形式體現(xiàn)。因此，未將本文中所揭示的特定結(jié)構(gòu)及功 能細節(jié)解釋為限制性的，而是僅作為權(quán)利要求書的基礎(chǔ)及作為用于教示本領(lǐng)域技術(shù)人員以 實際上任何適當(dāng)詳細結(jié)構(gòu)來不同地采用本發(fā)明的代表性基礎(chǔ)。
[0024] 將為方便起見，僅以參考而不將以限制方式在以下描述中使用某些術(shù)語。舉例來 說，上、下、前、后、右及左指本發(fā)明根據(jù)正參照的視圖而定向。詞"向內(nèi)"及"向外"分別指朝 向及遠離所描述實施例及其指定部分的幾何中心的方向。所述術(shù)語將包含特別提及的詞、 其派生詞及類似意義的詞。
[0025] 全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS)經(jīng)廣泛地定義以包含全球定位系統(tǒng)（GPS、美國）、伽利 略（提議、歐洲）、GLONASS(俄羅斯）、北斗（中國）、指南針（提議）、印度區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系 統(tǒng)（IRNSS)、