[发明专利]利用预测的混合式卫星定位

说明书

技术领域

本发明涉及全球导航卫星系统(GNSS)的接收器和处理该接收器所接收的卫星信号的方法。本发明尤其涉及全球定位系统(GPS)。

背景技术

GPS是由6个不同轨道平面中的高达32颗轨道卫星(称为宇宙飞船，“SV”)的网络所组成的基于卫星的导航系统。系统设计需要24颗卫星，但更多的卫星提供增加的覆盖范围。卫星不停地移动，仅在不到24小时内产生围绕地球的两个完整轨道。

卫星所发射的GPS信号为俗称的直接序列扩频的形式，直接序列扩频使用以规则方式不断重复的伪随机码。卫星利用不同的扩频码广播若干信号，所述不同的扩频码包括免费向公众提供的粗/捕获码或C/A码和通常为军事应用保留加密的精码或P码。C/A码为以1.023MHz的码片率广播的每一毫秒重复一次的1023位长的伪随机码。每个卫星发射可以唯一确定独特的C/A码。

每个卫星将数据消息调制在C/A码的顶部，该数据消息包括重要信息，例如发射卫星的详细的轨道参数(称为星历)、卫星时钟内的误差信息、卫星的状态(健康或不健康)、当前日期和时间。该信息对于GPS接收器确定精确位置来说是至关重要的。每个卫星仅发射其自身的星历和详细的时钟校正参数，因此独立的GPS接收器必须处理其打算在位置计算中使用的每个卫星的适当部分的数据消息。

数据消息也包括所谓的历书，历书包括关于全部其它卫星的不太精确的信息且不频繁更新。历书数据使GPS接收器能够计算每个GPS卫星在一天的任何时间所应在的位置，使得接收器可以更有效地选择搜索哪些卫星。每个卫星发射示出系统中每个卫星的轨道信息的历书数据。

常见的实时GPS接收器读取所发射的数据消息并保存星历、历书和其它数据，用于持续使用。

为了确定位置，GPS接收器将卫星发射信号的时间与该GPS接收器接收信号的时间进行比较。时间差告诉GPS接收器该特定卫星有多远。那个卫星的星历使GPS接收器能够精确地确定该卫星的位置。通过结合多个卫星的距离测量值和有关多个卫星的位置的消息，使用三边测量法可以获得位置。最少利用三个卫星，GPS接收器可以确定纬度/经度位置(二维定位)。利用四个或更多卫星，GPS接收器可以确定包括纬度、经度和高度的三维位置。从卫星接收的信息也可以用于设置(或校准)GPS接收器内的实时时钟(RTC)。

通过处理来自卫星的信号的明显的多普勒频移，GPS接收器也可以精确地提供行进的速度和方向(分别指“地面速度”和“地面轨迹”)。

来自卫星的完整的数据信号包括37500位的导航电文，该导航电文以50bps发射要花费12.5分钟。将数据信号分成25个30s的帧，每帧具有1500位且将每帧分成5个6s的子帧。将每个6s的子帧分成10个30位的字。定位所需要的全部信息(星历等)包含在每帧内，因此GPS接收器从所谓的冷启动开始，通常将花费约30s来产生定位。这通常被称为“首次定位时间”(TTFF)。

第一子帧给出时钟校正数据，第二子帧和第三子帧给出星历数据，历书数据在第四子帧和第五子帧中。

SV全部以相同的频率广播。为了区分来自特定卫星的信号，接收器需要产生已知为该卫星所使用的C/A码的副本并校准该副本，使得该副本与输入信号同步，主要由于所述信号在从该卫星传输至接收器的飞越时间(通常约0.07s)，该输入信号将被延迟未知量。通常，接收器不可能精确地预测使得该副本与输入信号同步所需要的校准，所以需要某种形式的搜索，并且依次尝试大量校准并选择最好的匹配。评估大量的候选校准的这个过程通常被称为相关，因为接收器依次执行接收信号与每个卫星的已知C/A码之间的相关函数，以确定所述接收信号是否包括具有来自特定SV的C/A码的部分。必须对于多个相关计时计算该相关函数，且当找到相关峰值时，该相关峰值对应于特定计时和特定SV。所找到的计时又对应于距所述SV的特定距离。

由于接收器所观测的卫星信号的表观频率将变化，所以对于每个卫星的C/A码的搜索是复杂的。变化的主要起源是：卫星移动所导致的多普勒效应；接收器移动所导致的多普勒效应；以及接收器的频率合成器内的本地振荡器(LO)单元的漂移和偏移。这意味着，C/A码的穷尽搜索要求对于频移范围中的每一频移，在相位(瞬时)位移的范围内计算该相关函数。