[发明专利]卫星定位系统信号的处理

说明书

技术领域

本发明涉及诸如GPS的卫星定位系统，并且具体地，涉及对这种系统内的信号的处理。

背景技术

全球定位系统是基于卫星的导航系统，由在6个不同轨道面中的多达32颗轨道卫星(称为空间飞行器，“SV”)组成。系统设计需要24颗卫星，然而更多的卫星提供了改进的覆盖。卫星稳定地移动，正好在24小时内沿着地球完成两个完整的轨道。

每一颗卫星在若干频率上进行发射。民用GPS接收机当前使用1575.42MHz的“L1”频率。卫星轨道大致距离地心25000公里，或者距离地表20000公里。这些卫星的轨道路径使其大致在北纬60度到南纬60度之间。

卫星发射的GPS信号采用了通常被称为直接序列扩频的形式，直接序列扩频使用了以有规律的方式连续地重复的伪随机码。卫星使用不同的扩频码来广播若干信号，这些不同的扩频码包括可为公众免费使用的粗/捕获(或C/A)码以及通常为军事应用保留的受限制的精码(或P码)。C/A码是以1.023MHz的码片速率进行广播的1023比特长的伪随机码，每毫秒重复一次。每颗卫星发送截然不同的C/A码，这使得可以唯一地识别该卫星。

每颗卫星在C/A码之上对数据消息进行调制，该数据消息包含了重要的信息，如正在发射的卫星的详细轨道参数(称为星历)、关于卫星时钟中的差错的信息、卫星的状态(健康或不健康)、当前日期和时间。信号中的这部分对于GPS接收机确定准确的位置来说是必不可少的。每颗卫星仅发送针对自身的星历和详细的时钟校正参数，从而，未受协助的GPS接收机必须对每颗卫星的数据消息中需要在位置计算中使用的适当部分进行处理。

数据消息还包含了所谓的历书，历书中包括了与所有其它卫星有关的较不精确的信息，并被较不频繁地更新。历书数据允许GPS接收机估计全天中的任何时间每颗GPS卫星应该在什么位置，以使得接收机可以更有效地选择将要搜索的卫星。每颗卫星都发射历书数据，历书数据示出了针对系统中每颗卫星的轨道信息。

常规的GPS接收机读取所发射的数据消息，并保留星历、历书和其它数据用于连续使用。也可以将该信息用来设置(或校正)GPS接收机内的时钟。

为了确定位置，GPS接收机将卫星发射信号的时间与GPS接收机接收到信号的时间相比较。时间差使得GPS接收机知道距离特定卫星有多远。通过合并来自多颗卫星的距离测量，可以通过三边测量术获得位置。使用最少3颗卫星，GPS接收机就能够确定维度/经度位置(2D定位)。使用4颗或更多卫星，GPS接收机能够确定包括纬度、经度和海拔高度在内的3D位置。

通过对来自卫星的信号的明显的多普勒偏移进行处理，GPS接收机还可以准确地提供行进的速度和方向(称为“地速”和“地面轨迹”)。

来自卫星的完整数据信号由37500比特的导航消息构成，以50bps的速率花12.5分钟来发送。数据信号划分成25个30秒的帧，每个帧具有1500比特，并且每帧被划分成5个6秒的子帧。将每个6秒的子帧划分成10个30比特的字。将所有定位所必需的信息(星历等)包含在每帧之内，因此GPS接收机从所谓的冷启动开始典型地将花费大约30秒来产生定位。

每一个6秒子帧的第一个字包含前同步码，用以使得接收机能够识别子帧的开始。下一个字是切换字，给出了从GPS时间的最后一次重启(在每一个星期六/星期天的午夜发生)以来的定时信息。剩下的8个字提供星历、历书和时钟信息，具体取决于子帧。

第一子帧给出了时钟校正数据，第二和第三子帧给出了星历数据，以及历书数据在第四和第五子帧中。

SV都在相同的频率上广播。为了区分来自特定卫星的信号，接收机需要生成已知卫星正在使用的C/A码的拷贝，并将其进行对准，以使得其与输入信号同步，该输入信号将由于从卫星到接收机的传播中的飞行时间而被显著地延迟未知量(典型地，大约0.07秒)。总的来说，接收机不可能精确地预测为了获得与输入信号同步的拷贝而需要的校准，因此需要某种形式的搜索，依次尝试很多校准并选择最匹配的。通常将这种估计多个候选校准的过程术语化为相关，因为接收机依次执行接收到的信号与针对每颗卫星的已知C/A码之间的相关函数，以确定接收到的信号是否包括具有来自特定SV的C/A码的分量。必须针对多个相对定时计算相关函数，并且当发现相关峰值时，这对应了特定的定时和特定的SV。所发现的定时依次与距离SV的特定距离相对应。