[發明專利]利用輔助計算的衛星定位

無效

• 申請號: 201210180838.4
• 申請日: 2012-05-31
• 公開（公告）號: CN102809753A
• 公開（公告）日: 2012-12-05
• 發明（設計）人: 安德魯·于爾;伊恩·西蒙斯;理查德·霍茲沃思
• 申請（專利權）人: 瑞士優北羅股份有限公司
• 主分類號: G01S19/37
• 分類號: G01S19/37;G01S19/23;G01S19/30
• 代理公司: 北京同達信恒知識產權代理有限公司 11291
• 代理人: 黃志華

技術領域

本發明涉及全球導航衛星系統(GNSS)的接收器和處理該接收器所接收的衛星信號的方法。本發明尤其涉及全球定位系統(GPS)。

背景技術

GPS是由6個不同軌道平面中的高達32顆軌道衛星(稱為航天器，“SV”)的網絡所組成的基于衛星的導航系統。系統設計需要24顆衛星，但更多的衛星提供增加的覆蓋范圍。衛星不停地移動，僅在不到24小時內產生圍繞地球的兩個完整軌道。

衛星所發射的GPS信號為俗稱的直接序列擴頻的形式，直接序列擴頻使用以規則方式不斷重復的偽隨機碼。衛星利用不同的擴頻碼廣播若干信號，所述不同的擴頻碼包括免費向公眾提供的粗/捕獲碼或C/A碼和通常為軍事應用保留加密的精碼或P碼。C/A碼為以1.023MHz的碼片率廣播的每一毫秒重復一次的1023位長的偽隨機碼。每個衛星發射可以唯一確定該衛星的獨特的C/A碼。

每個衛星將數據消息調制在C/A碼的頂部，該數據消息包括重要信息，例如發射衛星的詳細的軌道參數(稱為星歷)、衛星時鐘內的誤差信息、衛星的狀態(正常或不正常)、當前日期和時間。該信息對于GPS接收器確定精確位置來說是至關重要的。每個衛星僅發射其自身的星歷和詳細的時鐘修正參數，因此獨立的GPS接收器必須處理其打算在位置計算中使用的每個衛星的適當部分的數據消息。

數據消息也包括所謂的歷書，歷書包括關于全部其它衛星的不太精確的信息且不頻繁更新。歷書數據使GPS接收器能夠估計每個GPS衛星在一天的任何時間所應在的位置，使得接收器可以更有效地選擇搜索哪些衛星。每個衛星發射示出系統中每個衛星的軌道信息的歷書數據。

常見的實時GPS接收器讀取所發射的數據消息并保存星歷、歷書和其它數據，為不斷使用做準備。

為了確定位置，GPS接收器將衛星發射信號的時間與該GPS接收器接收信號的時間進行比較。時間差告訴GPS接收器該特定衛星有多遠。那個衛星的星歷使GPS接收器能夠精確地確定該衛星的位置。通過結合多個衛星的距離測量值和多個衛星的位置，使用三邊測量法可以獲得位置。最少利用三個衛星，GPS接收器可以確定緯度/經度位置(二維定位)。利用四個或更多衛星，GPS接收器可以確定包括緯度、經度和高度的三維位置。從衛星接收的信息也可以用于設置(或校準)GPS接收器內的實時時鐘(RTC)。

通過處理來自衛星的信號的明顯的多普勒頻移，GPS接收器也可以精確地提供行進的速度和方向(分別指“地面速度”和“地面軌跡”)。

來自衛星的完整的數據信號包括37500位的導航電文，該導航電文以50bps發射要花費12.5分鐘。將數據信號分成25個30s的幀，每幀具有1500位且將每幀分成5個6s的子幀。將每個6s的子幀分成10個30位的字。定位所需要的全部信息(星歷等)包含在每幀內，因此GPS接收器從所謂的冷啟動開始，通常將花費約30s來產生定位。這通常被稱為“首次定位時間”(TTFF)。

第一子幀給出時鐘校正數據，第二子幀和第三子幀給出星歷數據，歷書數據在第四子幀和第五子幀中。

SV全部以相同的頻率廣播。為了區分來自特定衛星的信號，接收器需要產生已知為該衛星所使用的C/A碼的副本并校準該副本，使得該副本與輸入信號同步，主要由于所述信號在該衛星傳輸至接收器的傳輸時間(通常約0.07s)，該輸入信號將被延遲未知量。通常，接收器不可能精確地預測使得該副本與輸入信號同步所需要的校準，所以需要某種形式的搜索，依次嘗試大量校準并選擇最佳的匹配。評估大量的候選校準的這個過程通常被稱為相關，因為接收器依次執行接收信號與每個衛星的已知C/A碼之間的相關函數，以確定所述接收信號是否包括具有來自特定SV的C/A碼的部分。必須對于多個相關計時計算該相關函數，且當找到相關峰時，該相關峰對應于特定計時和特定SV。所找到的計時又對應于距所述SV的特定距離。

由于接收器所觀測的衛星信號的表觀頻率將變化，所以對于每個衛星的C/A碼的搜索是復雜的。變化的主要起源是：衛星移動所導致的多普勒效應；接收器移動所導致的多普勒效應；以及接收器的頻率合成器內的本地振蕩器(LO)單元的漂移和偏移。這意味著，C/A碼的窮盡搜索要求對于頻移范圍中的每一頻移，在相位(瞬時)位移的范圍內計算該相關函數。