專利名稱：無助室內(nèi)全球定位系統(tǒng)接收機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及基于衛(wèi)星的導(dǎo)航接收機(jī)，更具體地，涉及在微弱信號條件和/ 或室內(nèi)操作下的導(dǎo)航信號的有效跟蹤和重新獲取。
背景技術(shù)：
全球定位系統(tǒng)(GPS)是由美國國防部建立和操作的基于衛(wèi)星的無線電 導(dǎo)航系統(tǒng)。俄羅斯政府操作的"GLONASS"和歐盟提出的"Galileo"是其它 兩種重要的基于衛(wèi)星的導(dǎo)航系統(tǒng)。
GPS允許系統(tǒng)的用戶確定他或她在地球表面上的位置。該系統(tǒng)由在大約 11,000英里的高度、以大約12小時(shí)的周期環(huán)繞地球的24顆衛(wèi)星組成。由于 GPS星群(constellation)中一些備用衛(wèi)星的存在，可以具有多于24顆衛(wèi)星。 這些衛(wèi)星放置在6種不同的軌道種，使得在任何時(shí)間，最小6顆以及最大多 于11顆衛(wèi)星對除了兩極區(qū)域外的地球表面上的任何用戶可見。每顆衛(wèi)星發(fā)送 參照原子鐘的精確時(shí)間和位置信號。典型的GPS接收機(jī)鎖定該信號并且提取 該信號中包含的數(shù)據(jù)，并且利用來自足夠數(shù)量的衛(wèi)星的信號，GPS接收機(jī)能 夠計(jì)算其位置、速率、高度和時(shí)間。
一些GPS接收機(jī)被要求在如樹叢中(in foliage )或室內(nèi)的非常微弱的信 號條件下操作。在當(dāng)前的實(shí)踐中，接收機(jī)可以以從服務(wù)器或基站、或基于因 特網(wǎng)另外獲取幫助消息的形式獲得"幫助"。但是提供該類型的幫助要求另外 的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，并且可能不是在全部地方可用。同樣，接收機(jī)要求另外的硬件 來接收該幫助消息。因此，存在對開發(fā)在微弱或室內(nèi)信號條件下、以"單機(jī) (standalone)"模式操作的GPS接收機(jī)的需要。此外，還存在如在E911 (增 強(qiáng)911)情形下、對于GPS信號的快速獲取的需要。除此以外，接收機(jī)中的 省電也是重要要求。
大多數(shù)的單機(jī)高靈敏度GPS接收機(jī)基于長非相干積分，其涉及平方 (squaring)損失，因此在微弱信號條件下花長時(shí)間來獲取衛(wèi)星信號的同時(shí)減 少了可能的增益。美國專利No. 6,725,157公開了一種處理，其中GPS接收機(jī)首先獲取衛(wèi)星信號并且開始計(jì)算室外位置，然后如果可能的話，在移到室內(nèi)
時(shí)維持該鎖定。美國專利No. 6,757,610公開了一種存儲(chǔ)如時(shí)鐘多普勒和接收 機(jī)速率的一些跟蹤/重新獲取幫助參數(shù)的方法。然而，這些參數(shù)只幫助減少搜 索頻率帶寬。美國專利No. 6,683,564公開了一種使用導(dǎo)航數(shù)據(jù)字HOW的已 知內(nèi)容的模式匹配的技術(shù)，但是該方法涉及從本地服務(wù)器獲得HOW。美國專 利No. 5,768,319討論了一種多幀疊加以改進(jìn)靈敏度的方法。該疊加在最后階 ^殳進(jìn)行，并且不使用I和Q分量。美國專利No. 6,661,756預(yù)測長時(shí)間積分的 導(dǎo)航數(shù)據(jù)。該預(yù)測的數(shù)據(jù)主要包括星期的時(shí)間、星期號等。該預(yù)測的數(shù)據(jù)用 于去除數(shù)據(jù)調(diào)制。美國專利No. 6,295,023公開了 一種改進(jìn)靈敏度的時(shí)序幫助 方案。該幫助可以來自網(wǎng)絡(luò)或來自許多衛(wèi)星，但是不是將如本發(fā)明所示的通 過至少一個(gè)衛(wèi)星，并且實(shí)現(xiàn)方法不同于將在本發(fā)明中呈現(xiàn)的方案。美國專利 No. 6,424,890要求保護(hù)一種以各種時(shí)間標(biāo)記用于衛(wèi)星軌道確定的插值的方 法。但是沒有公開基于多項(xiàng)式的星歷表(ephemeris)提取方法。美國專利No. 5，731,787和美國專利No.5,587，716公開了只在DGPS取消(blank-out)期間 使用多項(xiàng)式來預(yù)測數(shù)據(jù)。美國專利No. 5,430,657公開了 一種使用多個(gè)接收機(jī) 預(yù)測衛(wèi)星位置的方法。這不涉及預(yù)測星歷表而只用于測試星歷表是否被損壞。 此外，公開的美國專利申請2005/0035904公開了 一種基于表格的星歷表預(yù)測。 最后，美國專利No. 4,601,005公開了使用FFT技術(shù)的單個(gè)衛(wèi)星跟蹤。
因此，現(xiàn)有技術(shù)顯示沒有技術(shù)可用于特別是在室內(nèi)環(huán)境中以單機(jī)模式跟 蹤和重新獲取GPS信號，并且需要減少成本和網(wǎng)絡(luò)接口問題的方法。此外， 目前GPS接收機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)沒有處理在室內(nèi)環(huán)境中的微弱信號條件下的高動(dòng)力 學(xué)環(huán)境。
因此，存在對在^L弱信號條件下、特別是在室內(nèi)環(huán)境中能夠跟蹤和重新 獲取GPS信號的單機(jī)GPS接收機(jī)的需要。這種單機(jī)GPS還將通過不從外部 服務(wù)器或網(wǎng)絡(luò)請求幫助來減少成本和網(wǎng)絡(luò)接口問題。還存在對具有有效省電 模式同時(shí)能夠在需要時(shí)下載星歷表和年歷(almanac )的單機(jī)GPS接收機(jī)的需 要。此外，存在對能夠在微弱信號條件下在高動(dòng)力學(xué)環(huán)境中操作的單機(jī)GPS 接收機(jī)的需要。
在許多應(yīng)用中需要GPS信號的快速獲取。因此，存在對更新接收機(jī)中的 星歷表數(shù)據(jù)、預(yù)測用于模式匹配的數(shù)據(jù)等的需要，該星歷表數(shù)據(jù)有助于用于 多普勒估計(jì)的從接收機(jī)到衛(wèi)星的距離的精確估計(jì)。還存在對替代耗時(shí)的非相干積分的長相干積分的需要。當(dāng)可見衛(wèi)星列表改變時(shí)，衛(wèi)星的連續(xù)跟蹤也是 重要的。當(dāng)沒有直接衛(wèi)星信號可用時(shí)，存在對基于較不精確的多徑信號的位 置計(jì)算裝置的需要。此外，還存在為更好精確度利用過期星歷表而不是年歷 的需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供能夠在室內(nèi)環(huán)境中跟蹤非常微弱的GPS信號、而不需要來自 外部服務(wù)器或網(wǎng)絡(luò)的幫助的GPS接收機(jī)。
在優(yōu)選實(shí)施例中，提供了 一種單機(jī)GPS接收機(jī)，該GPS接收機(jī)通過在休 眠狀態(tài)和喚醒狀態(tài)之間切換接收機(jī)來省電，通過一直跟蹤至少一個(gè)衛(wèi)星以得 到GPS時(shí)鐘來快速重新獲取衛(wèi)星信號，并且GPS接收機(jī)在斷電期間利用室內(nèi) 環(huán)境來預(yù)測時(shí)鐘和代碼漂移(code drift )。在該實(shí)施例中，GPS接收機(jī)最初在 室外獲取并鎖定到GPS衛(wèi)星信號以計(jì)算接收機(jī)位置。該GPS接收機(jī)然后在室 內(nèi)跟蹤至少一個(gè)衛(wèi)星信號以維持GPS信號的快速獲取的獲取參數(shù)。為了省電， 該接收機(jī)自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)并周期性喚醒(即，通電)，以維持所述至少一個(gè) 衛(wèi)星信號跟蹤。在喚醒狀態(tài)期間，該接收機(jī)測試接收信號的信號強(qiáng)度。如果 信號強(qiáng)度足夠強(qiáng)，則當(dāng)星歷表數(shù)據(jù)需要被更新用于GPS信號的快速獲取時(shí)， 繼續(xù)從所述至少一個(gè)衛(wèi)星信號收集星歷表數(shù)據(jù)。此外，該接收機(jī)使用來自所 述至少一個(gè)衛(wèi)星信號跟蹤的星歷表數(shù)據(jù)來導(dǎo)出時(shí)鐘校準(zhǔn)參數(shù)，以維持接收機(jī) 時(shí)鐘與GPS系統(tǒng)時(shí)鐘的同步，這有助于GPS信號的快速獲取。
在另 一 實(shí)施例中，該接收機(jī)使用長積分獲取微弱GPS信號。
在另 一實(shí)施例中，電源保持關(guān)閉比電源打開長得多的時(shí)間以實(shí)現(xiàn)大的省電。
在另一實(shí)施例中，如果信號強(qiáng)度對于星歷表數(shù)據(jù)收集不夠強(qiáng)，則接收機(jī) 進(jìn)入休眠狀態(tài)，并且在固定量的時(shí)間后再次嘗試以重新獲取信號。
在另一實(shí)施例中，如果星歷表數(shù)據(jù)不可用，則接收機(jī)使用多項(xiàng)式外插 (polynomial extrapolation)來予貞觀'J星歷表凄t才居。
在另一實(shí)施例中，通過疊加連續(xù)的導(dǎo)航數(shù)據(jù)幀和/或若干導(dǎo)航數(shù)據(jù)幀的多 數(shù)表決(voting)提取星歷表數(shù)據(jù)。
在另一實(shí)施例中，接收機(jī)使用如Z計(jì)數(shù)、HOW等的已知模式的模式匹 配來^f更利長相干積分和^t正疊加。在另一實(shí)施例中，當(dāng)目前衛(wèi)星進(jìn)行到地平線以下時(shí)，接收機(jī)改變跟蹤的 衛(wèi)星。
在另一實(shí)施例中，當(dāng)存在由于高動(dòng)力學(xué)導(dǎo)致的寬頻率擺動(dòng)時(shí)，使用快速
傅立葉變換(FFT)技術(shù)確定載頻。這也允許接收機(jī)在高動(dòng)力學(xué)信號接收環(huán) 境中操作。
在另一實(shí)施例中，滑動(dòng)窗技術(shù)被用于減少FFT計(jì)算的時(shí)間。 當(dāng)結(jié)合附圖描述時(shí)，本發(fā)明的上面的和其它的優(yōu)點(diǎn)將從以下更具體的描 述中變得明顯。意圖在于，上面的優(yōu)點(diǎn)能夠通過本發(fā)明的不同方面分開地實(shí) 現(xiàn)，并且本發(fā)明的另外的優(yōu)點(diǎn)將包括上面獨(dú)立的優(yōu)點(diǎn)的各種組合，使得從組 合的技術(shù)中可以獲得增強(qiáng)效果。


圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的GPS接收機(jī)的功能方塊圖。 圖2是顯示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的GPS信號獲取和跟蹤的流程圖。 圖3是顯示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例、在省電模式下的至少一個(gè)衛(wèi)星信號的跟 蹤的流程圖。
具體實(shí)施例方式
圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的GPS接收機(jī)的功能方塊圖。RF前端100處 理在天線(未顯示)處接收的RF信號。傳統(tǒng)RF前端100的操作包括放大、 下轉(zhuǎn)換、以及模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換。RF前端IOO從其模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC) 輸出(未顯示)輸出中間頻率(IF)信號101到接收機(jī)的基帶部分。RF前端 100將接收的RF下轉(zhuǎn)換為中間頻率(IF)用于基帶處理。使得IF信號101 對兩路徑可用，該兩路徑的一個(gè)是同相(I)而另一個(gè)是正交(Q)。在I路徑 中，IF信號101在IF混頻器102中與由直接數(shù)字頻率合成器(DDFS) 106 生成的本地頻率信號同相相乘，以產(chǎn)生同相(I)分量107。在Q路徑中，IF 信號101與DDFS頻率正交(即，具有卯度的相移)相乘，以產(chǎn)生正交(Q) 分量108。 DDFS 106由載波數(shù)控振蕩器(NCO) 105驅(qū)動(dòng)。此外，載波NCO 105從處理器113接收相位和頻率校正。因?yàn)樵撔Ｕ?，所以DDFS頻率和相 位幾乎與IF信號101的頻率和相位相同。結(jié)果，由IF混頻器102和103產(chǎn) 生的I和Q信號接近零載波頻率。換句話說，IF混頻器102和103的輸出I 107和Q 108從載波(IF)剝離或去除。I和Q信號可以被低通濾波以移除等于 IF頻帶兩倍的高頻分量。
I分量107和Q分量108分別在相關(guān)器109和110中與由偽隨機(jī)(PN) 發(fā)生器111生成的本地生成的PN序列相關(guān)。該P(yáng)N序列對應(yīng)在該時(shí)間正由基 帶部分處理的信道。PN序列發(fā)生器lll由代碼NCO 112驅(qū)動(dòng)。通過從處理 器113到代碼NCO 112的校正反饋，使得本地代碼發(fā)生器頻率等于I和Q路 徑的代碼率。此外，處理器113發(fā)送信號到PN代碼發(fā)生器111以設(shè)置本地生 成的代碼的啟動(dòng)相位。NCO 112提供正確的時(shí)鐘信號給相關(guān)器109和110。 例如，NCO 112提供時(shí)鐘信號以在信號獲取階段在每PN芯片生成兩個(gè)樣本， 而在跟蹤階段期間在每PN芯片生成三個(gè)樣本。SYS CLK 104給NCO 105和 NCO 112提供共同的時(shí)鐘同步信號。各相關(guān)器輸出值然后以毫秒間隔、以1 ms 樣本的形式被發(fā)送到處理器113，其中每個(gè)lms樣本為1023芯片長度的一個(gè) PN序列的相關(guān)的結(jié)果。處理器113可以使用數(shù)字信號處理器(DSP)核心實(shí) 現(xiàn)。優(yōu)選地，處理器能夠執(zhí)行快速數(shù)學(xué)加強(qiáng)操作。如以下將詳細(xì)描述的，信 號的隨后處理在處理器113中發(fā)生。接收機(jī)基帶部分的額外細(xì)節(jié)可以在于 2005年5月6日才是交的、名為"Efficient And Flexible GPS baseband Architecture"的美國專利申請序列No. 11/123,861中找到，其說明書在此通 過引用全文并入。
處理器113從上述GPS基帶部分接收1毫秒積分的(相關(guān)的)I和Q值。
為了獲取處理器113中的GPS信號，搜索所有停留(dwell)(即，各對載頻
和代碼相位值)。這是二維搜索。相干積分和非相干積分是用于獲取GPS信
號的兩種常用積分方法。在相干積分中，I和Q分量^皮分開地相加，而在非
相干積分中，各值被平方并相加。因此，非相干積分涉及平方損失，因此效
率較低。另一方面，相干積分要求低的剩余載頻或更多頻率庫(bin)用于搜
索。因此，對于相等的積分時(shí)間，在更大計(jì)算負(fù)載的成本下相干積分提供更
好的信號增益。因此，在實(shí)踐中使用了相干和非相干積分的組合。如果接收
的信號微弱或具有低的信噪比，則要求相干和非相干積分的長的組合。因此， 相干和非相干積分的持續(xù)時(shí)間依賴于接收信號的信噪比。信噪比越低，積分
時(shí)間越長。
GPS星群中的每個(gè)衛(wèi)星以50位/秒的速率傳輸導(dǎo)^<數(shù)據(jù)流，也已知為Nav (導(dǎo)航)數(shù)據(jù)。導(dǎo)航數(shù)據(jù)流包括關(guān)于衛(wèi)星的位置(星歷表)、衛(wèi)星的健康、GPS時(shí)間的校正、以及電離層和對流層傳播校正參數(shù)的信息、以及關(guān)于其它
衛(wèi)星位置(年歷)的不太精確的信息，所有都以50位/秒連續(xù)傳輸。該數(shù)據(jù) 流可以被分組為子幀、幀和超幀，每個(gè)子幀包含300位，每個(gè)幀包含5個(gè)連 續(xù)子幀，以及每個(gè)超幀包含25幀。因此，子幀的傳輸持續(xù)時(shí)間為6秒，并且 幀為30秒，而超幀具有12.5分鐘的持續(xù)時(shí)間。每個(gè)子幀包括10個(gè)字，每個(gè) 字中有30位。每個(gè)30位字加之前字的最后兩位被編碼為具有32個(gè)符號和 26個(gè)信息位的擴(kuò)展?jié)h明(Hamming) (32,26)塊碼。這里，只有24位是真實(shí) 信息位。在所有子幀中的第一字是TLM (遙測)字。該TLM字的前8位是 由10001011表示的前同步碼(preamble )。該字的其它位沒有使用。類似地， 任何子幀的下一個(gè)字為HOW (移交字)字。也已知為HOW字的前17位為 截取的19位的TOW (星期時(shí)間)。它表示以Z計(jì)數(shù)( 一個(gè)Z計(jì)數(shù)為1.5秒) 形式的下一子幀的開始的GPS時(shí)間，或者表示從星期的開始起的子幀的數(shù)目。 從子幀到子幀這應(yīng)當(dāng)增加1，因此用作對正確同步的^r查。任何子幀的第二 字的下兩位是同步和動(dòng)量(momentum)標(biāo)志，并且通常不使用。下三位是子 幀ID(可能的值為1、 2、 3、 4、 5或001、 010、 011、 100和101 )。這些數(shù) 據(jù)將用于子幀匹配。第二字中的其它位涉及校驗(yàn)位，在位置29和30的最后 兩位總是"0",標(biāo)識解碼的數(shù)據(jù)位的正確極性需要它。第一子幀的第三字的 前IO位提供星期號并且在一個(gè)星期中是恒定的。因此，除了前同步碼外，這 IO位可以在一個(gè)星期時(shí)間段中用于模式匹配。但不同于前同步碼，該模式在 30秒內(nèi)只重復(fù)一次。
現(xiàn)在將描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的GPS接收機(jī)的操作。在電源打開時(shí)，假 設(shè)GPS接收機(jī)處于室外環(huán)境、或處于信號對于初始獲取足夠強(qiáng)的環(huán)境。 一旦 接收機(jī)已經(jīng)獲取足夠數(shù)量的衛(wèi)星信號并且計(jì)算了接收機(jī)位置，接收機(jī)將可以 被移到室內(nèi)。然而，該初始獲取也可以利用非常微弱的衛(wèi)星信號來完成。在 移到室內(nèi)后，接收機(jī)跟蹤至少一個(gè)衛(wèi)星信號。室內(nèi)環(huán)境的特性之一是較小的 動(dòng)力學(xué)，其導(dǎo)致由于接收機(jī)運(yùn)動(dòng)的多普勒位移的非常小的改變，以及具有低 SNR的較小的溫度變化。因此，可以使用長積分維持至少一個(gè)衛(wèi)星信號的跟 蹤。當(dāng)信號足夠強(qiáng)時(shí)，該衛(wèi)星信號的連續(xù)跟蹤提供其它GPS衛(wèi)星信號的非常 快的重新獲取所需的實(shí)時(shí)時(shí)鐘。為了省電，接收機(jī)自動(dòng)進(jìn)入斷電(休眠)模 式，并且周期性通電(喚醒)以維持至少一個(gè)衛(wèi)星跟蹤。為了節(jié)省顯著電力， 休眠時(shí)間段與喚醒時(shí)間段相比大。如代碼相位、載波頻率偏置等的獲取參數(shù)的在先估計(jì)，使用在通電或喚醒時(shí)間段期間的收集的溫度補(bǔ)償晶體振蕩器
(TCXO )計(jì)數(shù)和延遲鎖相環(huán)(DLL )進(jìn)行補(bǔ)償。關(guān)于TCXO計(jì)數(shù)和DLL補(bǔ) 償?shù)倪M(jìn)一步細(xì)節(jié)能夠在與本申請相同日期提交的、名為"Timing Calibration For Fast Signal Reacquisition In Navigational Receivers"的共同未決美國專利申 請序列號xx/xxx,xxx中找到，其說明書在此通過引用全文并入。
跟蹤中涉及的步驟的流程圖。在步驟201，例如120毫秒長的信號樣本的大 量相關(guān)的1 ms樣本被收集和存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中用于進(jìn)一步處理。如以下在步驟 202中所述的，這些存儲(chǔ)的樣本被用于長相干積分以獲取GPS信號。
輸入信號的長相干積分要求大量的頻率庫或低的殘留載波頻率。如果相 干積分時(shí)間為Tc秒，則載波頻率應(yīng)當(dāng)小于1/2TcHz。除了該低的頻率要求外， 在積分時(shí)間多于20毫秒時(shí)還必須移除信號中的導(dǎo)航數(shù)據(jù)位。如果這些數(shù)據(jù)位 沒有被移除，則樣本的反轉(zhuǎn)可能出現(xiàn)并且積分結(jié)果沒有用，因?yàn)槌霈F(xiàn)了總和 中的抵消。
因此，必須移除嵌入的數(shù)據(jù)位。但是如之前解釋的，這些數(shù)據(jù)位的大多 數(shù)不是已知的先驗(yàn)(apriori)，除了在每個(gè)子幀的開始的前同步碼。此外，導(dǎo) 航數(shù)據(jù)位邊緣與一微秒樣本同步，即，數(shù)據(jù)位邊緣將在樣本之一在20毫秒間 隔內(nèi)呈現(xiàn)。當(dāng)然，這^(艮設(shè)在該間隔內(nèi)存在數(shù)據(jù)位極性改變，因?yàn)樵诓荒軝z測 到導(dǎo)航數(shù)據(jù)位邊緣的情況下具有相同極性的連續(xù)數(shù)據(jù)位是可能的。因此，前 同步碼起始與每個(gè)連續(xù)的 一毫秒樣本對齊作為起始點(diǎn)，并且執(zhí)行要求的相干 積分。當(dāng)接收的信號中的數(shù)據(jù)匹配在一毫秒樣本之一的該本地前同步碼時(shí)， 相干積分得到大的值。閾值能夠通過大量先前試驗(yàn)確定。因此，無論何時(shí)相 干積分超過該閣值，都可以采取本地復(fù)制與接收的信號的對齊。由于星期號 通常已知，還可以使用10位的星期號替代前同步碼或使用這兩者。當(dāng)時(shí)間信 息可用時(shí)，也可以使用HOW字。當(dāng)使用星期號或HOW字時(shí)，可以確定分 開的閾值。因此，導(dǎo)航數(shù)據(jù)的已知的前同步碼或HOW字或星期號在延伸超 過若干NAV數(shù)據(jù)位的持續(xù)時(shí)間上的相干積分中被采用。由于閾值可以由先前 試驗(yàn)或?qū)嶒?yàn)確定，所以當(dāng)計(jì)算的積分值高于預(yù)定閾值時(shí)，前同步碼或HOW 字或星期號被標(biāo)識。在此情形中，因?yàn)楦蓴_或噪聲，可能獲得超過一個(gè)具有 大于閾值的積分值的位置。在前同步碼或HOW重復(fù)時(shí)，實(shí)際的位置可以在6 秒后通過相干積分確定。但是HOW的值將增加l。例如，當(dāng)積分和6秒后的類似積分都超過閾值時(shí)，可以確定實(shí)際位置。另一方面，當(dāng)使用星期號時(shí)，
相干積分應(yīng)當(dāng)在30秒后重復(fù)，30秒為星期號的重復(fù)時(shí)間。積分可能不得不
重復(fù)若干次以便確認(rèn)單個(gè)位置。因此，通過以規(guī)則的預(yù)定時(shí)間間隔積分若干
次確認(rèn)了前同步碼或HOW或星期號同步，預(yù)定時(shí)間間隔為^^莫式的重復(fù)時(shí)間。 因此，通過使用導(dǎo)航數(shù)據(jù)前同步碼或已知HOW字或星期號并且采用長 相干積分，在步驟202中獲取了 GPS信號。如果信號不能獲取，則接收機(jī)可 以進(jìn)入休眠模式，并且在一些時(shí)間延遲(例如，15分鐘)后喚醒并嘗試獲取 信號。如果存儲(chǔ)的星歷表超過例如2小時(shí)，則在步驟203中可以從信號收集 新的星歷表。唯一不同于年歷的是，跟蹤的衛(wèi)星的星歷表能夠被收集。但是 所有衛(wèi)星的年歷可以從單個(gè)衛(wèi)星信號收集。在步驟203,接收機(jī)可以收集并 存儲(chǔ)每個(gè)可見衛(wèi)星的星歷表。 一旦獲取并跟蹤了足夠數(shù)量的衛(wèi)星，接收機(jī)的 位置就被計(jì)算和存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，如在步驟204中所示。優(yōu)選地，存儲(chǔ)器為 不要求電源來保持存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)的非易失性閃存。在步驟205中，接收機(jī)然后 進(jìn)入至少一個(gè)衛(wèi)星跟蹤模式。在至少一個(gè)衛(wèi)星跟蹤模式中，接收機(jī)跟蹤至少 一個(gè)衛(wèi)星信號并在休眠模式和喚醒模式之間切換以省電。以下將參照圖3詳 細(xì)討論至少一個(gè)衛(wèi)星跟蹤模式。在步驟206中，如果接收機(jī)在至少一個(gè)衛(wèi)星 跟蹤模式中退出休眠模式后長時(shí)間不能跟蹤任何衛(wèi)星，則在步驟207中接收 機(jī)嘗試使用存儲(chǔ)在接收機(jī)中的舊的星歷表或年歷來重新獲取信號。在步驟207 中，如果接收機(jī)不能重新獲取信號，則接收機(jī)可以進(jìn)入休眠例如15分鐘，并 且再次嘗試。除了這些功能外，接收機(jī)可以搜索從地平線出現(xiàn)的新衛(wèi)星。要 求這個(gè)以便在當(dāng)前衛(wèi)星移出視線外時(shí)切換到新衛(wèi)星。為了新衛(wèi)星的獲取，接 收機(jī)使用存儲(chǔ)的星歷表。此外，為了新衛(wèi)星的獲取，當(dāng)星歷表不可用時(shí)接收 機(jī)可以使用年歷。另一方面，如果舊的星歷表可用，則通過外插可用的過期 值可以獲得更好的星歷表值。因此，當(dāng)星歷表不能下載或過期時(shí)，可以通過 預(yù)測星歷表的值獲得更好的近似。用于預(yù)測的若干方法是可能的。在現(xiàn)有技 術(shù)中要求保護(hù)了基于表格的方法，因此這里采用了使用多項(xiàng)式外插預(yù)測過期 星歷表的值。多項(xiàng)式階數(shù)依賴于星歷表參數(shù)。這些參數(shù)的一些可以改變非常 小，而另外一些可以改變大的值。
圖3是用于維持用于快速獲取或重新獲取的GPS時(shí)鐘的至少一個(gè)衛(wèi)星跟 蹤模式的流程圖。在步驟301，接收機(jī)收集星歷表持續(xù)例如18 (或30)秒， 并且信號的快速獲取所需的時(shí)鐘校準(zhǔn)參數(shù)被計(jì)算和存儲(chǔ)在接收機(jī)上的存儲(chǔ)器中。時(shí)鐘校準(zhǔn)參數(shù)也可以稍后計(jì)算。如何計(jì)算時(shí)鐘校準(zhǔn)參數(shù)以及其它獲取參
數(shù)的細(xì)節(jié)在與本申請相同日期提交的、名為"Timing Calibration For Fast Signal Reacquisition In Navigational Receivers" 的共同未決美國專利申"i青序歹'J號 xx/xxx，xxx中給出，其說明書之前已通過引用并入。簡單來說，星歷表和 存儲(chǔ)的、在移到室內(nèi)前于室外采集的接收機(jī)位置被用于計(jì)算用于GPS信號的 快速獲取或重新獲取的時(shí)鐘校準(zhǔn)參數(shù)和其它獲取參數(shù)。
在步驟302，接收機(jī)進(jìn)入休眠狀態(tài)例如732 (或720)秒，其中732 (或 720) + 18 (或30)等于750秒，這是一個(gè)超幀的持續(xù)時(shí)間(12.5分鐘)，并 且時(shí)間T—OFF被設(shè)置為0。T—OFF在步驟308中遞增直到其達(dá)到732(或720 ) 秒。在步驟303中，在處于休眠模式732 (或720 )秒后，在步驟304中，接 收機(jī)"通電"并使用存儲(chǔ)的參數(shù)來預(yù)測獲取參數(shù)(即時(shí)鐘和代碼相位)以重 新獲取衛(wèi)星信號。如果在例如5秒后重新獲取不成功，則在步驟309接收機(jī) 再次進(jìn)入休眠狀態(tài)5分鐘或更多，并且再次嘗試重新獲取信號。該過程持續(xù) 直到獲取成功。 一旦接收機(jī)獲取了信號，在步驟306中它跟蹤衛(wèi)星信號18秒 (或30秒)。同時(shí)，在步驟307，如果存儲(chǔ)的星歷表是舊的，則如果新的星 歷表可用接收機(jī)就可以下載特定的衛(wèi)星星歷表。否則，在步驟303中接收機(jī) 再次存儲(chǔ)重新獲取參數(shù)并進(jìn)入休眠狀態(tài)732 (或720 )秒。定時(shí)器T—OFF如 在步驟310中被適當(dāng)設(shè)置或如在步驟308中遞增。
一旦信號已經(jīng)被獲取，就必須提取嵌入的星歷表數(shù)據(jù)。因?yàn)镾NR(信噪 比)可能非常低，所以可能不可以確定所有數(shù)據(jù)位的確切的數(shù)據(jù)極性。可能 存在可能小于0.001的小概率的位錯(cuò)誤。在這種情況下，導(dǎo)航數(shù)據(jù)幀的各位 的相加結(jié)果給出真實(shí)位值的較好估計(jì)。該相加可以以積分的I和Q分支兩者 執(zhí)行。因此收集了若干導(dǎo)航數(shù)據(jù)幀，其每個(gè)包括具有30秒的幀持續(xù)時(shí)間的5 個(gè)子幀。由于不同幀中的相同位為錯(cuò)誤的概率非常低，所以通過在接收機(jī)中 的同相和正交路徑兩者中的若干連續(xù)導(dǎo)航數(shù)據(jù)幀的疊加改進(jìn)了信噪比。還可 以分開檢查若干幀上的每個(gè)位并做出決定。因此，可以基于對每個(gè)位的若干 連續(xù)導(dǎo)航數(shù)據(jù)幀的多數(shù)表決，通過多數(shù)表決決定改進(jìn)信噪比。隨著信噪比降 低，位錯(cuò)誤的概率增加，所以需要更大量的幀來做出正確決定。因此，使用 的導(dǎo)航數(shù)據(jù)的數(shù)量依賴于信噪比。當(dāng)進(jìn)行若干幀的疊加以提取數(shù)據(jù)位時(shí)，必 須正確對齊各幀。因?yàn)樽訋械那巴酱a是已知的，所以前同步碼可用于各 幀的正確疊加。下述情況是可能的前同步碼中的一位可能為錯(cuò)誤，并且為了處理這種情況任何預(yù)定或已知的導(dǎo)航數(shù)據(jù)字可用于各幀的正確疊加。在其
它預(yù)定字中，該另外的模式或字包括星期號或HOW。
接收機(jī)能夠處于喚醒或休眠狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間依賴于時(shí)鐘信息維持得如 何。定時(shí)信息精確度越好，斷電時(shí)間可以越長，并且相關(guān)的電力浪費(fèi)可以減 少。此外，利用精確的參數(shù)重新獲取也可以更快。為了維持良好的定時(shí)信息， 實(shí)現(xiàn)了時(shí)間匹配和補(bǔ)償方案。
在跟蹤期間，當(dāng)由于高動(dòng)力學(xué)而存在寬的頻率變化時(shí)，例如長的快速傅
立葉轉(zhuǎn)換(FFT)的適當(dāng)頻域技術(shù)可以用來確定載波頻率。因此，長的FFT 被計(jì)算，并且峰值確定載波頻率。因?yàn)榈玫降拇罅款l率分量，所以高動(dòng)力學(xué) 信號能夠被容易地跟蹤。長的FFT得到更好精度頻率分量。然而，用于長的 FFT計(jì)算的樣本可能不得不收集長的時(shí)間段。為了減少FFT計(jì)算的時(shí)間，頻 域技術(shù)可以是基于滑動(dòng)窗的。該技術(shù)使用用于之前的FFT計(jì)算的舊的樣本與 稍后收集的新的樣本。例如，該技術(shù)可以使用128個(gè)舊的樣本與128個(gè)新的 樣本，使得每128毫秒而不是256毫秒計(jì)算FFT。該滑動(dòng)比或新的樣本與舊 的樣本的比依賴于接收機(jī)動(dòng)力學(xué)。在FFT的計(jì)算中，對每個(gè)樣本補(bǔ)償由于以 往的變化多普勒而導(dǎo)致的隨后的樣本的相位位移。
在優(yōu)選實(shí)施例中，由處理器113執(zhí)行積分、數(shù)據(jù)位提取和FFT。優(yōu)選地， 處理器113在能夠執(zhí)行如本領(lǐng)域所知的快速數(shù)學(xué)增強(qiáng)操作的DSP核心上實(shí) 現(xiàn)。
盡管已經(jīng)以當(dāng)前優(yōu)選實(shí)施例的形式描述了本發(fā)明，但是要理解的是，本 公開不要被解釋為限制。在已經(jīng)閱讀了上述公開后，各種替代和修改將毫無 疑問地對本領(lǐng)域技術(shù)人員變得明顯。因此，旨在權(quán)利要求書被解釋為覆蓋所 有落入本發(fā)明"真實(shí)"的精神和范圍內(nèi)的所有替代和修改。
權(quán)利要求
1.一種用于在微弱信號條件下操作基于衛(wèi)星的導(dǎo)航接收機(jī)的方法，包括使用長積分獲取衛(wèi)星信號；在休眠狀態(tài)和喚醒狀態(tài)之間切換接收機(jī)以省電；在喚醒狀態(tài)期間跟蹤至少一個(gè)衛(wèi)星信號；當(dāng)為快速獲取需要更新星歷表數(shù)據(jù)時(shí)，嘗試在喚醒狀態(tài)期間從所述至少一個(gè)衛(wèi)星信號中收集星歷表數(shù)據(jù)；以及如果接收機(jī)在喚醒狀態(tài)期間不能獲取所述至少一個(gè)衛(wèi)星信號，則將接收機(jī)切換到休眠狀態(tài)，并且在預(yù)定時(shí)間段之后重新嘗試重新獲取所述至少一個(gè)衛(wèi)星信號。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，還包括使用來自所述至少一個(gè)衛(wèi)星信號的 星歷表數(shù)據(jù)來將接收機(jī)時(shí)鐘與GPS時(shí)間同步。
3. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中所述長積分包括長相干積分。
4. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中所述長積分包括長非相干積分。
5. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述長積分的持續(xù)時(shí)間依賴于衛(wèi)星信 號的信噪比。
6. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中休眠狀態(tài)的時(shí)間段在(720到730秒) ^的范圍內(nèi)，其中n是整數(shù)，而喚醒狀態(tài)的時(shí)間段在18到30秒的范圍內(nèi)。
7. 如權(quán)利要求1所述的方法，還包括當(dāng)接收機(jī)不再能夠跟蹤所述至少一 個(gè)衛(wèi)星信號時(shí)，切換到新的衛(wèi)星信號。
8. 如權(quán)利要求1所述的方法，還包括通過疊加所述至少一個(gè)衛(wèi)星信號中 的多個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)幀，提取星歷表數(shù)據(jù)。
9. 如權(quán)利要求8所述的方法，其中接收機(jī)具有同相和正交路徑，并且連 續(xù)的導(dǎo)航幀在同相和正交路徑中疊加。
10. 如權(quán)利要求8所述的方法，還包括使用數(shù)據(jù)幀中的前同步碼來正確 地疊加所述多個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)幀。 '
11. 如權(quán)利要求8所述的方法，還包括使用數(shù)據(jù)幀中的預(yù)定的字來正確 地疊加所述多個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)幀。
12. 如權(quán)利要求8所述的方法，其中數(shù)據(jù)幀的數(shù)量依賴于所述至少一個(gè) 衛(wèi)星信號的信噪比。
13. 如權(quán)利要求l所述的方法，還包括基于所述至少一個(gè)衛(wèi)星信號中多 個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)幀的多數(shù)表決提取星歷表數(shù)據(jù)。
14. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中在星歷表數(shù)據(jù)不可用時(shí)，接收機(jī)使 用年歷數(shù)據(jù)。
15. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中當(dāng)接收機(jī)在室內(nèi)操作時(shí)，所述至少 一個(gè)衛(wèi)星信號的跟蹤發(fā)生。
16. 如權(quán)利要求l所述的方法，還包括當(dāng)長積分延長超過幾個(gè)導(dǎo)航數(shù)據(jù) 位的持續(xù)時(shí)間時(shí)，采用前同步碼、HOW字或星期號。
17. 如權(quán)利要求16所述的方法，還包括當(dāng)長積分具有大于預(yù)定閾值的值 時(shí)，標(biāo)識所述前同步碼、HOW字或星期號。
18. 如權(quán)利要求16所述的方法，還包括通過以預(yù)定時(shí)間間隔積分幾次， 將長積分與所述前同步碼、HOW字或星期號同步。
19. 如權(quán)利要求l所述的方法，還包括使用頻域技術(shù)來處理由于高動(dòng)力學(xué)導(dǎo)致的寬的頻率變化。
20. 如權(quán)利要求19所述的方法，其中頻域技術(shù)包括計(jì)算快速傅立葉變換。
21. 如權(quán)利要求20所述的方法，其中快速傅立葉變換計(jì)算基于滑動(dòng)窗。
22. 如權(quán)利要求l所述的方法，還包括當(dāng)星歷表數(shù)據(jù)不可用時(shí)，預(yù)測星 歷表數(shù)據(jù)。
23. 如權(quán)利要求22所述的方法，其中使用多項(xiàng)式外插來預(yù)測星歷表數(shù)據(jù)。
24. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中長積分為長相干積分并且導(dǎo)航數(shù)據(jù) 被用于便利長相干積分。
25. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中衛(wèi)星信號從GPS衛(wèi)星傳輸。
26. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中衛(wèi)星信號從GLONASS或Galileo 導(dǎo)航系統(tǒng)傳輸。
27. —種導(dǎo)航4妾收機(jī)，包括 射頻前端，用于接收衛(wèi)星信號；基帶部分，用于將接收的衛(wèi)星信號處理為相關(guān)的值；以及 處理器，用于積分所述相關(guān)的值以獲取衛(wèi)星信號，其中所述處理器在休 眠狀態(tài)和喚醒狀態(tài)之間切換接收機(jī)，所述處理器嘗試在喚醒狀態(tài)時(shí)獲取至少 一個(gè)衛(wèi)星信號，并且當(dāng)為快速獲取需要更新存儲(chǔ)在接收機(jī)中的星歷表數(shù)據(jù)時(shí)， 所述處理器從所述至少一個(gè)衛(wèi)星信號中收集星歷表數(shù)據(jù)。
28. 如權(quán)利要求27所述的導(dǎo)航接收機(jī)，其中處理器計(jì)算室內(nèi)的接收機(jī)位 置，并且將接收機(jī)位置存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中。
29. 如權(quán)利要求28所述的導(dǎo)航接收機(jī)，其中處理器從收集的星歷表數(shù)據(jù) 和存儲(chǔ)的接收機(jī)位置中計(jì)算獲取參數(shù)。
30. 如權(quán)利要求27所述的導(dǎo)航接收機(jī)，其中處理器對所述相關(guān)的值執(zhí)行 長相干積分。
31. 如權(quán)利要求29所述的導(dǎo)航接收機(jī)，其中所述長積分的持續(xù)時(shí)間依賴 于衛(wèi)星信號的信噪比。
32. 如權(quán)利要求27所述的導(dǎo)航接收機(jī)，其中休眠狀態(tài)的時(shí)間段在(720 到730秒)*n的范圍內(nèi)，其中n是整數(shù)，而喚醒狀態(tài)的時(shí)間段在18到30秒 的范圍內(nèi)。
33. 如權(quán)利要求27所述的導(dǎo)航接收機(jī)，其中在接收機(jī)不再能夠跟蹤所述 至少一個(gè)衛(wèi)星信號時(shí)，處理器切換到新的衛(wèi)星信號。
34. 如權(quán)利要求27所述的導(dǎo)航接收機(jī)，其中處理器通過疊加所述至少一 個(gè)衛(wèi)星信號中的多個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)幀，提取星歷表數(shù)據(jù)。
35. 如權(quán)利要求34所述的導(dǎo)航接收機(jī)，其中基帶部分具有同相和正交路 徑，并且處理器在同相和正交路徑中疊加連續(xù)的導(dǎo)航幀。
36. 如權(quán)利要求34所述的導(dǎo)航接收機(jī)，其中處理器使用各數(shù)據(jù)幀中的前 同步碼來正確地疊加所述多個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)幀。
37. 如權(quán)利要求34所述的導(dǎo)航接收機(jī)，其中處理器使用各數(shù)據(jù)幀中的預(yù) 定的字來正確地疊加所述多個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)幀。
38. 如權(quán)利要求34所述的導(dǎo)航接收機(jī)，其中數(shù)據(jù)幀的數(shù)量依賴于所述至 少一個(gè)衛(wèi)星信號的信噪比。
39. 如權(quán)利要求27所述的導(dǎo)航接收機(jī)，其中處理器基于所述至少一個(gè)衛(wèi) 星信號中多個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)幀的多數(shù)表決提取星歷表數(shù)據(jù)。
40. 如權(quán)利要求27所述的導(dǎo)航接收機(jī)，其中在星歷表數(shù)據(jù)不可用時(shí)，處 理器使用年歷數(shù)據(jù)。
41. 如權(quán)利要求27所述的導(dǎo)航接收機(jī)，其中當(dāng)接收機(jī)在室內(nèi)操作時(shí)，處 理器跟蹤至少 一個(gè)衛(wèi)星信號。
42. 如權(quán)利要求27所述的導(dǎo)航接收機(jī)，其中當(dāng)長積分延長超過幾個(gè)導(dǎo)航 數(shù)據(jù)位的持續(xù)時(shí)間時(shí)，處理器采用前同步碼、HOW字或星期號。
43. 如權(quán)利要求42所述的導(dǎo)航接收機(jī)，其中當(dāng)長積分具有大于預(yù)定閾值 的值時(shí)，處理器標(biāo)識所述前同步碼、HOW字或星期號。
44. 如權(quán)利要求42所述的導(dǎo)航接收機(jī)，其中處理器通過以預(yù)定時(shí)間間隔 積分幾次，將長積分與所述前同步碼、HOW字或星期號同步，所述預(yù)定時(shí)間 間隔為所述前同步碼、HOW字或星期號的重復(fù)時(shí)間。
45. 如權(quán)利要求27所述的導(dǎo)航接收機(jī)，其中處理器使用頻域技術(shù)來處理 由于高動(dòng)力學(xué)導(dǎo)致的寬的頻率變化。
46. 如權(quán)利要求46所述的導(dǎo)航接收機(jī)，其中頻域技術(shù)包括計(jì)算快速傅立 葉變4灸。
47. 如權(quán)利要求46所述的導(dǎo)航接收機(jī)，其中快速傅立葉變換計(jì)算基于滑 動(dòng)窗。
48. 如權(quán)利要求27所述的導(dǎo)航接收機(jī)，其中當(dāng)星歷表數(shù)據(jù)不可用時(shí)，處 理器使用多項(xiàng)式外插來預(yù)測星歷表數(shù)據(jù)。
49. 如權(quán)利要求27所述的導(dǎo)航接收機(jī)，其中衛(wèi)星信號從GPS衛(wèi)星傳輸。
50. 如權(quán)利要求27所述的導(dǎo)航接收機(jī)，其中衛(wèi)星信號從GLONASS或 Galileo導(dǎo)4元系統(tǒng)傳輸。
全文摘要
本發(fā)明提供了特別是在室內(nèi)環(huán)境下能夠跟蹤非常微弱GPS信號、而不需要來自外部服務(wù)器或網(wǎng)絡(luò)的幫助的GPS接收機(jī)。在優(yōu)選實(shí)施例中，GPS接收機(jī)最初獲取并鎖定GPS衛(wèi)星信號以計(jì)算室外的接收機(jī)位置。該GPS接收機(jī)然后跟蹤室內(nèi)的至少一個(gè)衛(wèi)星信號，以維持用于GPS信號的快速獲取的獲取參數(shù)。為了省電，接收機(jī)自動(dòng)地進(jìn)到休眠狀態(tài)并且周期性地喚醒(即，通電)，以便維持所述至少一個(gè)衛(wèi)星信號跟蹤。在喚醒狀態(tài)期間，當(dāng)為GPS信號的快速獲取需要更新星歷表數(shù)據(jù)時(shí)，接收機(jī)從所述至少一個(gè)衛(wèi)星信號中收集星歷表數(shù)據(jù)。
文檔編號G01S19/29GK101410725SQ200680053597
公開日2009年4月15日 申請日期2006年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月29日
發(fā)明者施賴德哈拉·庫德雷撒亞, 王希欽, 俊 莫, 邱宗德 申請人:SiRF技術(shù)公司