[发明专利]卫星定位系统中使用距变率量测确认位置的方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及卫星定位系统，更具体地说，涉及一种卫星定位系统中使用距变率量测(range-rate measurement)确认位置的方法和装置。

背景技术

卫星定位系统(SPS)接收器使用来自多个卫星的测量数据计算位置。SPS接收器通常通过计算从卫星发射的信号的发送时间和由地球上或靠近地球的接收器接收到的该信号的接收时间之间的时延(time delay)来确定其所在位置。上述时延与光速的乘积给出了从接收器到位于所述接收器范围内的每个卫星之间的距离。典型的卫星定位系统包括全球定位系统(GPS)、欧洲伽利略(GALILEO)系统和俄罗斯全球导航卫星定位系统(GLONASS)。

在GPS中，具有商业用途的每个信号使用由唯一的伪随机噪声(PN)码(即粗捕获(C/A)码)定义的具有1.023MHz扩展率的直序扩频信号。每个PN码双相调制1575.42MHz的载波信号(即L1载波)并唯一地标识特定卫星。PN码序列长度是1023个码片(chip)，对应于1毫秒时间段。1023个码片的一个循环周期被称为一个PN帧或PN元。

GPS接收器通过比较接收到的PN码信号序列和内部生成时的PN码信号序列之间的时移(time shifts)来确定信号的发射和接收之间的时延。测量所得的时延被称为“亚毫秒伪距”，因为已知所述时延以1毫秒PN帧边界为模。如果针对特定卫星标识出了数据位边缘(date bit edges)，则已知该伪距以数据位周期为模，例如在当前的GPS系统中数据位周期为20ms。不同的卫星导航系统，以及GPS系统中将有的变化可提供不同的数据位周期。一般而言，如果已知伪距以N ms为模，则将其称做“分数伪距(fractional pseudorange)”。通过求解与每个卫星的每次时延相关联的毫秒的整数位，便可获得真正的、准确的伪距。一组4个伪距，加上已知的GPS信号发送的绝对时间和与这些绝对时间相关的卫星位置，足以用于求出GPS接收器的位置。为了确定在发送时GPS卫星的位置，进而确定GPS接收器的位置，发送(或接收)的绝对时间时是必需的。

因此，每个GPS卫星广播卫星轨道模型和时钟数据作为卫星导航电文(satellite navigation message)。该卫星导航电文是50位每秒(bps)的数据流，所述数据流以2为模加入PN码，且位边界(bit boundary)与PN帧的头部对准。每个数据位周期(20毫秒)有20个PN帧。卫星导航电文包括卫星定位数据，又称做“星历(ephemeris)”数据，其用于标识卫星和它们的轨道，以及与卫星信号相关的绝对时间信息(在此称做“GPS系统时间”)。GPS系统时间信息采用第二星期信号(week signal)的形式，被称做星期时间(TOW)。这一绝对时间信号允许接收器明确地确定每个接收到的信号分别何时由各个卫星发送的时间标签。

GPS卫星以约3.9km/s的速率移动，这样从地面上看，卫星的距离最大以±800m/s改变。绝对定时误差导致针对每个毫秒的定时误差有高达0.8m的距离误差。这些距离误差在GPS接收器位置上产生类似的尺寸误差。因此，针对大约10m的位置精度，10ms的绝对时间精度已经足够。多于10ms的绝对时间误差将导致很大的位置误差，因此典型的GPS接收器所需的绝对时间要具有大约10毫秒的精度或更好的精度。

与GPS定位密切相关的另一时间参数是在用于测量亚毫秒伪距的时间基准中的亚毫秒偏移量。这个偏移量平等地影响所有的测量，并因此被称作“共模误差”。该共模误差不能与绝对时间误差混淆。如上所述，1毫秒的绝对误差导致高达0.8m的距离误差，而1微秒的绝对误差将导致小于1毫米的难以察觉的距离误差。然而，1微秒的共模误差导致的误差为1微秒的伪距与光速的乘积(也就是300米)。共模误差对伪距计算具有很大的影响，而且实际上很难校准共模误差。因此，一旦在特定的接收器测得的伪距数量足够多时，传统的GPS接收器把共模误差当作未知的，并将其和位置一起求解。