[发明专利]码空间搜索中的多相关处理

说明书

背景

许多无线通信利用直接序列扩频来传达信息。用于扩展信号的码通常是伪随机码。接收机通常通过将扩展码域本地生成的码相关来恢复潜藏信息。

接收机常常可利用与这些码相关联的时间偏移量来建立可用来执行定位的时基参考。基于根据伪随机扩展信号建立的时基的定位在各种定位系统中执行。

全球定位系统(GPS)导航系统采用位于环地轨道中的卫星。在地球上任何地方的任何GPS用户可推导包括3维位置、速率和一天中的时间的精确导航信息。GPS系统包括部署在关于赤道倾斜55°并且彼此间距60°的6个平面中半径为26,600千米的中间环地轨道中的至少24个卫星。这6条轨道路径中的每一条之内的4个卫星是等间距的。使用GPS的位置测量是基于对GPS信号从环地轨道卫星广播至GPS接收机的传播延迟时间的测量的。通常，进行4个维度(纬度、经度、海拔和时间)上的精确定位要求接收来自4个卫星的信号。一旦接收机已测量出相应的信号传播延迟，就通过将每一个延迟乘以光速来计算至每一个卫星的距离。随后通过求解包含这些测得距离和卫星的已知位置的有4个未知数的一组4个方程来找出位置和时间。GPS系统的精确能力借助于用于每一个卫星的机载原子时钟以及借助于持续地监视和校正卫星时钟和轨道参数的地面跟踪站来维持。

每一个GPS卫星在L带中的多个载波上发射若干直接序列编码的扩频信号。L1信号位于1.57542GHz的载波频率上，L2信号位于1.2276GHz上，L3信号位于1.38105GHz上，L4信号位于1.379913GHz上，以及L5信号位于1.17645GHz上。在定位和导航的上下文中最感兴趣的是在L1、L2和L5频率上发射的民用可获得信号。

L1信号包括相位正交地调制的两个相移键控(PSK)扩频信号。P码信号(P代表精确)、以及C/A码信号(C/A代表粗略/捕获)。L2信号既包含P码信号又包含L2C民用可获得信号。P码和C/A码是被调制到这些载波上的比特(也称为“码片”)的重复伪随机序列。L2C信号包含两个全异的PRN序列。称为CM信号(代表民用适度长度码)的第一信号的长度为10,230比特，其每20毫秒重复。CL(代表民用长长度码)为767,250比特，其每1500毫秒重复。

这些码的类时钟特质被接收机用来进行时延测量。用于每个卫星的码是唯一的，从而使得接收机能区别哪个卫星发射了给定码，即使这些码全部在相同的载波频率上亦然。还被调制到每一个C/A载波上的是包含关于导航计算需要的系统状态和卫星轨道参数的信息的50比特/秒数据流。CM信号用带有前向纠错的25比特/秒的导航消息来调制，而CL信号是非数据序列。P码信号被加密，并且不是对商业和私人用户通用的。C/A信号是对所有用户可用的。

GPS接收机中执行的操作对应任何直接序列扩频接收机中执行的那些操作中典型的大部分。在称为解扩展的过程中，必须通过将每一个信号乘以伪随机码的时间对准的、本地生成的副本来从每一个信号中移除伪随机码调制的扩展效应。由于恰适的时间对准或码延迟在接收机启动时不大可能是已知的，因此必须通过在GPS接收机的操作的初始“捕获”阶段期间进行搜索来确定。一旦被确定，就在GPS接收机操作的“跟踪”阶段期间维持恰当的码时间对准。

一旦收到C/A信号被解扩展，每一个信号就包含中间载波频率上的50比特/秒PSK信号。由于卫星与终端单元之间的相对移动导致的多普勒效应以及由于本地接收机GPS时钟基准误差，该信号的确切频率是不确定的。在初始信号捕获期间，还必须搜索此多普勒频率，因为其在捕获之前通常是未知的。一旦大致确定了多普勒频率，载波解调就继续。

在载波解调之后，通过比特同步循环来推导数据比特时基，并且最终检测出数据流。一旦已捕获和锁定到来自4个卫星的信号、已作出必要的时延和多普勒测量、并且已收到充分数目的数据比特(足以确定GPS时间基准和轨道参数)，就可着手导航计算。

GPS系统进行定位的一个缺点在于初始信号捕获阶段所需要的时间较长。如以上提及的，在能跟踪到4个卫星信号之前，必须在二维搜索“空间”中对它们进行搜索，其中该空间的维度是码相延迟和多普勒频移。通常，如果缺乏对信号在此搜索空间内的位置的预先知识(在接收机“冷启动”之后就是这样的情形)，就必须针对要捕获和跟踪的每个卫星搜索大量码延迟(约2000个)和多普勒频率(约15个)。由此，对于每一个信号，必须检查搜索空间中最多达30,000个位置。通常顺序地每次一个地检查这些位置，其过程可能花费5到10分钟。如果接收天线视线内的4个卫星的身份(即PN码)是未知的，则捕获时间可能被进一步加长。