[发明专利]有相机辅助的全球导航卫星系统方法和接收器

说明书

技术领域

本发明涉及一种便携式信号无线电定位接收器，其集成到另一主机系统(如，例如通用计算机、PDA或手机)中，所述主机系统使用由相机提供的数据以便帮助定位过程。

背景技术

全球导航卫星系统(GNSS)，例如GPS(全球定位系统)、GLONASS或伽利略依赖于接收从多个绕轨道运行的卫星广播的无线电信号，且使用这些信号中含有的信息来确定从接收器到所接收的卫星中的每一者的距离或范围。在已知卫星的轨道的情况下，于是可用几何方式确定GPS接收器的绝对时间和位置。

与GNSS无线电定位系统相反，已开发出惯性导航系统(INS)以便用独立的方式基于允许导出速度方向和速度的嵌入式传感器信息来提供定位信息。INS系统通常包含专用惯性测量单元(IMU)，例如加速计和螺旋仪。通常，INS系统能够提供更加可靠的定位信息，但也相当昂贵且需要较高的处理能力。

以下描述主要涉及GPS全球定位系统，如GNSS系统。然而，本发明不限于此特定系统，而是也可在基于相同原理的无线电定位系统(例如，GLONASS系统或GALILEO系统)的接收器中使用，且可延伸到本发明可适用于的其它未来无线电定位系统。

在原始GPS无线电定位系统的情况下，操作GPS卫星(也指示为宇宙飞船或SV)中的每一者在分别参考为“L1”和“L2”且位于1572.42MHz和1227.60MHz的两个载波频率下发射导航无线电信号。L1和L2载波由两个数字测距代码序列调制，所述两个数字测距代码序列称为C/A(粗捕获)代码和P(Y)代码，后者主要限于美国政府和军队。

由商用GPS接收器使用的C/A代码在L1和L2载波中调制。对于每一GPS卫星唯一的C/A代码是伪随机Gold代码，其包括1023个位或“码片”的重复，其中转变速率为1.023MHz，且所述代码通常简称为PRN。C/A代码因此每毫秒自身重复。测距代码序列与共用精确时间参考(由每一卫星上装载的精确时钟保持且与主时钟同步的“GPS时间”)同步。使用C/A代码的PSK调制的效果是在1MHz的带宽上扩展经调制的信号的频谱。

L1和L2载波两者进一步携载50bps导航消息——NAV代码。所述导航消息含有GPS卫星的坐标(作为时间的函数)、时钟校正和大气数据，以及其它信息。通过每当NAV位为“1”时反转C/A代码的逻辑值且否则使其保持不变来对NAV消息进行编码。

为了捕获这些代码和执行位置确定，GPS接收器针对每一所接收的卫星产生C/A代码的一局部复本——PRN代码，其被调整为在接近于1.023MHz的频率下运行的局部NCO。随后将所述代码时间移位、在接收器的相关引擎中与接收到的信号相关，且在可根据噪声电平而或长或短的时间内集成，直到针对特定值的时间移位获得相关值的峰值为止，所述特定值的时间移位取决于接收器与卫星之间的距离。

实现最优相关所需的时间移位量(或伪距离)是卫星与GPS接收器之间的距离的指示。GPS的内部时钟通常受到相对于GPS卫星时钟的较大误差的影响。为了解决此误差，GPS接收器必须捕获至少四个卫星以提供位置确定，包括三个空间坐标x、y、z和时间t。

GPS接收器试图在不太清楚或不知道卫星信号的位置的情况下在相位偏移-多普勒位移空间中定位足够数目的卫星信号的阶段通常称为“捕获”状态。由于宇宙飞船和接收器的运动的缘故，所以一旦找到峰值，其多普勒频率和相位偏移便不断改变。在“追踪”状态下，系统必须跟随相关峰值的漂移，以便提供有效的位置确定。

随GPS和其它GNSS系统出现的一个问题是信号强度(其对于地球表面上的GPS信号通常为-130dBmW)在每当天空的视线受到阻碍时(且特别是在建筑物内)进一步衰减时变得过弱。所达到的电平远远低于噪声底限，因此只能通过使用统计技术来接收所述信号，且因此需要更多处理能力。在GPS信号接收质量较差且因此信噪比(SNR)过高的区域(也叫做城市峡谷)中，GPS信号可能丢失。

为了克服此问题，已提出无缝导航系统，以便处理暂时无法获得GPS信号的情况。

第WO2004/070号国际专利申请案揭示了一种基于紧密GPS/INS集成的导航解决方案，其中卡尔曼(Kalman)滤波器处理来自相关传感器系统(例如惯性测量单元或IMU)和GPS的数据，所述数据先前已通过共用时钟单元同步。此解决方案确实提供了导航的更好的准确性和弹性，但另一方面其内在地意味着用于同步的大量硬件额外开销，且需要大量处理能力。此解决方案因此不适合处理能力和空间有限的小型便携式装置。