[发明专利]用于SPS接收机的卫星时间确定

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2008年2月29日提交且题为“IMPLIED TIME SETTINGFOR GPS RECEIVER（用于GPS接收机的隐含式时间设定）”的美国临时申请No.61/032,852的权益，其全部内容通过援引纳入于此。

背景

许多无线通信系统利用直接序列扩频来传达信息。用来扩展信号的码典型情况下是伪随机码。接收机典型情况下通过将扩展码与本地生成的码相关来恢复潜藏的信息。

接收机有时可利用与这些码相关联的时间偏移来建立定时参考，定时参考可被用来执行定位。基于从经伪随机扩展的信号建立的定时的位置确定在各种定位系统中执行。

全球定位系统（GPS）导航系统是采用位于环地轨道中的卫星的卫星定位系统（SPS）的示例。GPS的任何用户无论其在地球上哪里均可推导出包括三维位置、三维速度、以及时间的精确导航信息。GPS系统包括最多达32颗卫星，这些卫星部署在关于赤道倾斜55°且彼此间隔120°的六个平面中的半径为26,600千米的圆形轨道中。典型情况下，在这六个轨道平面之中的每个轨道平面内有4到6颗卫星均匀间隔。使用GPS的位置测量是基于对从这些轨道卫星向GPS接收机广播的GPS信号的传播延迟时间的测量。正常情况下，在4个维度（纬度、经度、海拔和时间）上的精确位置确定需要接收来自4颗卫星的信号。一旦接收机已测得相应各个信号传播延迟，就通过将每个延迟乘以光速来演算至每颗卫星的距离。接着，通过求解纳入了这些测得距离和这些卫星的已知位置的具有四个未知量的四元方程组来找到位置和时间。GPS系统的精确能力是借助于每颗卫星的机载原子钟以及藉由持续监视并校正卫星时钟和轨道参数的地面跟踪站来维持的。

每颗GPS卫星在L频带中发射至少两个经直接序列编码的扩频信号。即1.57542GHz载波频率处的L1信号和1.2276GHz处的L2信号。L1信号由以相位正交的方式调制的两个相移键控（PSK）扩频信号构成。即P码信号（P代表精确）和C/A码信号（C/A代表粗略/捕获）。L2信号仅包含P码信号。P码和C/A码是被调制到载波上的重复性伪随机位（亦称为“码片”）序列。这些码的类时钟本质被接收机在作出时间延迟测量时加以利用。每颗卫星的码是唯一性的，从而即使这些码全都在相同的频率，仍允许接收机能区分出哪颗卫星发射了给定码。还被调制到每个载波上的是包含关于为导航演算所需的系统状态和卫星轨道参数的信息的50位/秒数据流。P码信号被加密，并且一般不可为商业和私人用户所用。C/A信号则可供所有用户使用。

在GPS接收机中所执行的操作绝大部分是在任何直接序列扩频接收机中所执行的那些操作中的典型操作。伪随机码调制的扩展效果必须在称为解扩的过程中通过将每个信号乘以该码的时间对准的本地生成的副本的方式来从该信号移除。由于在接收机启动时不太可能已知恰适的时间对准或码延迟，因而必须在GPS接收机操作的初始“捕获”阶段期间通过搜索来确定恰适的时间对准或码延迟。一旦确定，就在GPS接收机操作的“跟踪”阶段期间维持正确的码时间对准。

一旦收到信号被解扩，每个信号就由中频载波频率处的50位/秒PSK信号构成。由于卫星与终端单元之间的相对运动导致的多普勒效应以及本地接收机GPS时钟参考误差，因而此信号的确切频率是不确定的。在初始信号捕获期间，还必须搜寻此多普勒频率，因为其在捕获之前通常是未知的。一旦多普勒频率被恰适地确定，接着就进行载波解调。

在载波解调之后，藉由位同步环路来推导数据位定时并最终检出数据流。一旦已捕获到并锁定到来自4颗卫星的信号、已作出必要的时间延迟和多普勒测量、并且已接收到充分数目个数据位（足以确定GPS时间参考和轨道参数），就可以着手进行导航演算。

用于位置确定的GPS系统并且一般而言绝大多数SPS系统的一个缺点在于初始信号捕获阶段需要很长时间。如以上所提及的，在能够跟踪到4个卫星信号之前，必须先要在二维搜索“空间”中搜寻这4个卫星信号，该二维搜索空 间的维度为码相位延迟和多普勒频移。典型情况下，如果对信号在此搜索空间内的位置没有先验知识（在接收机“冷启动”之后就会是这种情形），那么必须为要被捕获和跟踪的每颗卫星搜索大量码延迟（约2000个）和多普勒频率（或许15个或更多）。因此，对于每个信号而言，必须检查搜索空间中的最多达30,000个或更多个位置。典型情况下，以一次一个的方式顺序检查这些位置，这是个可能花费数分钟的过程。如果落入接收天线视野内的4颗卫星的身份（即，PN码）是未知的，那么捕获时间就被进一步延长。