[其他]數字全球定位接收機中多普勒搜索的方法及裝置

在審

• 申請號: 101986000005364
• 申請日: 1986-09-03
• 公開（公告）號: CN1005520B
• 公開（公告）日: 1989-10-18
• 發明（設計）人: 羅伯特·溫森特·詹克;斯蒂溫·查理斯·扎斯普
• 申請（專利權）人: 莫托羅拉公司
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利代理部
• 代理人: 李勇

描述的是用于接收ＧＰＳＣ／Ａ碼信號的數字接收機。本發明的接收機使用四個分離的接收機信道同時接收和跟蹤若干顆衛星。本發明的ＧＰＳ接收機包括用于選擇和對收到的ＧＰＳ信號進行頻率變換的模擬前端。該接收機還包括用于恢復ＧＰＳ信號的解擴展數據的高速數字信號處理器。基帶信號由用于信號搜索、跟蹤和數據恢復操作的通用數字信號處理進行處理。微處理器提供整個接收機的控制以及與ＧＰＳ接收機操縱員的接口。

一般來說，本發明所涉及的是無線電導航接收機領域，特別是多普勒搜索技術，該技術適用于全球定位系統（GPS）的導航系統。本發明的多普勒搜索技術能使GPS接收機迅速獲得鎖定狀態。

無線電導航系統用來為飛機駕駛員、海員、甚至地面運載工具，比如卡車、公共汽車、和警車等提供有用的地理位置信息。最初的無線電導航系統使用發射機路標技術，該技術依賴于若干地面上的、地理位置上分開的發射機送來的相位及定時信息。目前常用的無線電導航系統為勞蘭系統（雙曲線遠程導航系統），它也是依賴地面發射機提供系統信號的。最新的無線電導航系統被稱之為全球定位系統（GPS），該系統由美國政府來管理。

GPS導航系統依賴的是不停地圍繞地球旋轉的衛星。當該系統全部投入使用時，地球上任何地方任何一個GPS用戶都可以得到包括三維位置速度和日時在內的準確導航信息。該系統預計于一九八八年全部投入使用，有十八顆在軌衛星。用GPS進行導航定位的方法是測量GPS信號從在軌衛星傳播到用戶的傳播時延遲。一般來說，要在四維空間（緯度、經度、高度和時間）得到精確的位置測定就需要接收來自四顆衛星的信號。一旦接收機測得各信號的傳播時延，與各衛星間的距離可通過把每個時延與光速相乘來算得，然后，通過求解一組含有所所測距離和衛星已知位置在內的四個方程式便可得到位置和時間。該系統高準確之能力是靠每顆衛星上的星載原子鐘以及連續監測并修正衛星時鐘及軌道參數的地面跟蹤站作保證的。

每個GPS衛星在L波段發送兩個直接-序列-編碼的擴展頻譜信號;即：載頻1.57542 CHZ的L₁信號和載頻1.2276GHZ的L₂信號。L₁信號有兩個以90°相位差調制的移相鍵控（PSK）擴展頻譜信號;P碼信號（P代表準確）和C/A碼信號（C/A表示粗略/捕獲或消除/存取）。L₂信號只包含P碼信號。P和C/A碼為調制到載波上的重復的多位（按擴展頻譜的術語稱之為“基片”Chips）的偽隨機序列。這些碼的類似時鐘的特性被接收機用以進行時延測量。各衛星的編碼是不同的，以便使接收機能區分來自不同衛星的信號，即使這些信號都在同一載波頻率上。調制到各載波的還有一個50比特/秒的數據流（各衛星的數據流也不相同），該數據流中包含有關系統狀態和衛星軌道參數的信息，而這些在導航計算中是需要的。P碼信號加了密，僅供保密用戶使用。

C/A信號供所有用戶使用。

GPS接收機完成的功能大部分是任何直接-序列擴展頻譜接收機通常所完成的功能。偽隨機編碼調制的擴展效應必須在稱為“解擴展”（despreading）處理過程中，通過將每一信號乘以時間對準的、本地產生的該信號碼的復制碼移除。由于準確的時間對準（或碼時延），在接收機啟始時未必知道，所以就必須在最初的捕獲階段進行搜尋。一經找到，在接收機操作的“跟蹤”狀態期間一定要保持正確的碼時間對準，因為用戶在四處移動。提供這種對準的機械稱之為延遲鎖定環。

經解擴展，各信號只是一個在某一中頻的50比特/秒的PSK信號。該頻率有些不確定，這是由于衛星與用戶間相對移動所產生的多普勒效應，以及由于接收機本地時鐘誤差而導致的。在信號最初的捕獲階段，必須搜尋這個多普勒頻率，因為捕獲前該頻率往往是未知的。多普勒頻率一經大致確定，便可使用從平方或科斯達斯（Costas）載波恢復環路得到的本地載波信號來進行載波解調。為使載波恢復器和延遲鎖定環的動態特性在信號強度變化時保持在一恒定狀態，GPS接收機通常裝有自動增益控制（AGC）。載波解調后，數據的位定時由位同步環得到，最后檢測出數據流。一經獲得并鎖定了來自四顆衛星的信號，進行了必要的時延和多普勒測量以及收到足夠的數據位（多到足以確定GPS“系統”時間和軌道參數），便可進行導航計算。