專利名稱：用于在定位系統(tǒng)中弱數(shù)據(jù)位同步的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及 定位系統(tǒng)，并且尤其涉及在衛(wèi)星定位系統(tǒng)信號，如GPS信號中，同步數(shù) 據(jù)位的方法和裝置。
背景技術(shù)：
隨著無線電和空間技術(shù)的發(fā)展，一些基于衛(wèi)星的導(dǎo)航系統(tǒng)(即，衛(wèi)星定位系統(tǒng)或 稱為“SPS”)已經(jīng)建立并且更多的系統(tǒng)也會在不久的將來投入使用。SPS接收機，例如使用 全球定位系統(tǒng)(“GPS”)的接收機，也被稱為NAVSTAR的，已變得非常常見。SPS系統(tǒng)的其他 例子包括但不限于美國(“U. S. ”)海軍導(dǎo)舷衛(wèi)星系統(tǒng)(“NNSS”)(也被稱為TRANSIT)、羅 蘭(LORAN)、肖蘭(Shoran)、臺卡(Decca)、塔康(TACAN)、授時與測距導(dǎo)航系統(tǒng)(NAVSTAR)、 俄羅斯與NAVSTAR相應(yīng)的被稱為全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(“GL0NASS”)，以及未來的西歐的SPS， 例如提出的“伽利略(Galileo)”計劃。作為例子，在霍夫曼-韋勒霍夫、里斯頓艾格，科 林斯《GPS理論與實踐》第五次修訂版，施普林格出版社維也納紐約，2001 (GPS Theory and Practice, Fifth ed. , revised editon byHofmann-ffellenhof> Lichtenegger and Collins, Springer-Verlag Wien NewYork, 2001) 一書中描述美國 NAVSTAR GPS 系統(tǒng)，在此 全文引用作為參考。美國GPS系統(tǒng)由美國國防部建立和運轉(zhuǎn)。該系統(tǒng)使用24顆或更多的圍繞地球飛 行的衛(wèi)星，這些衛(wèi)星高度約為11，000英里、周期約為12小時。這些衛(wèi)星分布在6個不同的 軌道以便在任何時間在地球表面除極地地區(qū)外的任何位置都可以看到最少6顆衛(wèi)星。每顆 衛(wèi)星發(fā)射一個以原子鐘為基準(zhǔn)的時間和位置信號。典型的GPS接收機鎖定到此信號上并提 取信號中包含的數(shù)據(jù)。使用來自足夠數(shù)量衛(wèi)星的信號，GPS接收機能夠計算出其位置、速度、 高度和時間。一個GPS接收機為了導(dǎo)出位置和時間，一般地必須要捕獲并鎖定到至少4個衛(wèi)星 信號上。通常，GPS接收機有許多平行的信道，每個信道接收來自一個可見GPS衛(wèi)星的信號。 衛(wèi)星信號的捕獲包括載波頻率和偽隨機(PRN)碼相位的二維搜索。每個衛(wèi)星發(fā)射使用唯一 的1023碼片長的PRN碼的信號，該碼每毫秒重復(fù)一次。接收機在本地產(chǎn)生載波副本以便去 除殘留的載波頻率和產(chǎn)生PRN碼序列的副本以便與數(shù)字化接收的衛(wèi)星信號序列相關(guān)。對大 多數(shù)導(dǎo)航衛(wèi)星信號接收機來說，在捕獲階段，碼相位的搜索步驟是半碼片的。因此碼相位的 全部搜索范圍包括2046個以半碼片間隔的備選碼相位。載波頻率搜索范圍取決于由于衛(wèi) 星和接收機之間的相對運動產(chǎn)生的多普勒頻率。其他的頻率變化可能由本地振蕩器的不穩(wěn) 定性造成。導(dǎo)航衛(wèi)星的信號以50位每秒(即20毫秒1位)的速率與導(dǎo)航數(shù)據(jù)調(diào)制。該導(dǎo) 航數(shù)據(jù)包括星歷(印hemeris)、年歷(almanac)、時間信息、時鐘和其他校正系數(shù)。該數(shù)據(jù)流 以子幀、幀和超幀的格式編排。一個子幀包括300位的數(shù)據(jù)，因此需發(fā)射6秒。在該子幀中 以30位為一組形成一個字，字的最后6位作為奇偶校驗位。因此，一個子幀包括10個字。 每幀數(shù)據(jù)包括5個子幀，發(fā)射30秒。一個超幀包括25幀，相繼發(fā)射12. 5分鐘。
一個子幀的第一個字總是相同的，被稱為TLM字，該TLM字的前8位是用于幀同步 的前導(dǎo)位。巴克(Barker)序列因為其優(yōu)秀的相關(guān)特性而用來作為前導(dǎo)。該第一個字的其 他位包含遙測位，在位置計算中不使用。任何幀的第二個字是HOW (Hand Over Word，切換 位)字，并且包括TOW (Time Of Week，一周中的時間)、子幀ID、同步標(biāo)志和奇偶校驗的最后 兩位永遠(yuǎn)是“0”的奇偶校驗位。這兩個“0”幫助識別導(dǎo)航數(shù)據(jù)位的正確極性。第一子幀的 第3-10個字包含時鐘校正系數(shù)和衛(wèi)星質(zhì)量指示。子幀2和3的第3-10個字包含星歷。這 些星歷用來精確確定GPS衛(wèi)星的位置。這些星歷每兩小時上傳一次，并在4到6小時內(nèi)有 效。子幀4的第3-10個字包含電離層和UTC時間校正以及衛(wèi)星25-32的年歷。這些年歷 與星歷類似，但給出衛(wèi)星的較不精確的位置，并在6天內(nèi)有效。子幀5的第3-10個字僅包 含在不同幀中不同衛(wèi)星的星歷。超幀包含25個連續(xù)的幀。而除了 TOW和每兩小時星歷的 偶然變化之外，子幀1、2、3的內(nèi)容在超幀的每一幀中重復(fù)。因此來自某顆衛(wèi)星的特定信號 的星歷僅包含在每個子幀中重復(fù)的那顆衛(wèi)星的星歷。但是，不同衛(wèi)星的年歷在給定衛(wèi)星的 導(dǎo)航數(shù)據(jù)信號的不同幀中輪流傳播。因此，上述25幀在子幀5中發(fā)射所有的24顆衛(wèi)星的 年歷。任何其他不用的衛(wèi)星年歷被包含在子幀4中。年歷和星歷用來計算給定時刻衛(wèi)星的 位置。因此，從前述的內(nèi)容清楚的知道，鎖定和同步到來自定位系統(tǒng)衛(wèi)星的信號的過程， 特別是能夠從上述信號中提取有用數(shù)據(jù)的過程，是在能夠開始使用上述信號確定位置和進(jìn) 行導(dǎo)舷之前的一個重要過程。因為傳統(tǒng)的同步方案有時是很耗時的，一個稱作“同步自由導(dǎo)航(Sync FreeNav)” 的方法已被使用。但是，這個方法通常要求捕獲和跟蹤來自5顆衛(wèi)星的信號，這不總是可行 的。此外，使用同步自由導(dǎo)航有時會導(dǎo)致初始位置性能的降低，因為同步自由導(dǎo)舷有一個時 間偏移，這會導(dǎo)致由于衛(wèi)星運動造成的位置誤差。因此，不管同步自由導(dǎo)航還使用與否，仍然需要能夠快速和有效地同步到來自定 位系統(tǒng)衛(wèi)星的信號的方法和裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及定位系統(tǒng)，并且尤其涉及在定位系統(tǒng)信號中，數(shù)據(jù)位同步的方法和裝 置。根據(jù)第一個方面，本發(fā)明通過對粗略輔助情形在整個位同步計算中允許高Pfa(例如 ΙΟ"2)來提高數(shù)據(jù)位同步的速度。根據(jù)其他方面，本發(fā)明合并和排列用于位同步計算的來自 多顆衛(wèi)星的信號(例如，用于改進(jìn)敏感性和速度)。這些和其他方面的進(jìn)一步，在定位系統(tǒng)中同步一個或多個信號的一個示例性方法 包括對于信號中的第一信號，累加在多個時間偏移處的各個第一功率值，對于信號中的第 二信號，累加在多個時間偏移處的各個第二功率值，時間對準(zhǔn)該第一和第二信號，在時間對 準(zhǔn)之后組合累加的在多個時間偏移處的第一和第二功率值，識別位于多個時間偏移中的一 個時間偏移處的組合功率峰值，并確定該組合功率峰值是否對應(yīng)于成功的同步。在上述及其他方面的再進(jìn)一步中，在定位系統(tǒng)中同步一個或多個信號的另一個示 例性方法包括對于信號中的第一信號，累加在多個時間偏移處的各個第一功率值，識別 位于多個時間偏移中的一個時間偏移處的第一功率峰值，并確定該功率峰值是否對應(yīng)于第 一信號的成功同步，對于信號中的第二信號，累加在多個時間偏移處的各個第二功率值，時間對準(zhǔn)第一和第二信號，在時間對準(zhǔn)之后組合累加的在多個時間偏移處的第一和第二功率 值，識別位于多個時間偏移中的一個處的組合功率峰值，并確定該組合功率峰值是否對應(yīng) 于組合信號的成功同步，其中組合信號成功的閾值低于第一信號成功的閾值。


本發(fā)明的這些和其他方面和特點通過瀏覽下面結(jié)合附圖描述的發(fā)明的具體實施 例將使本領(lǐng)域普通技術(shù)人員更為清楚，其中圖1是本發(fā)明原理實現(xiàn)示例的框圖；圖2是涵蓋本發(fā)明在內(nèi)的典型接收機序列的框圖；圖3是依據(jù)本發(fā)明的弱數(shù)據(jù)位同步器的框圖；圖4是說明根據(jù)本發(fā)明可以執(zhí)行的組合位同步方法的一個例子的流程圖；圖5A和5B分別說明了使用位排列和不使用位排列在20毫秒間隔下的累加的I 和Q值；以及圖6說明了依據(jù)本發(fā)明檢測與位轉(zhuǎn)換關(guān)聯(lián)的功率峰值的例子。
具體實施例方式下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述，其中附圖作為說明本發(fā)明的例子以便于 本領(lǐng)域技術(shù)人員實踐本發(fā)明。特別地，下面的附圖和例子并不將本發(fā)明的范圍局限到單一 的實施例，而是通過替換部分或全部所描述或說明的元件的其他的實施例也是可能的。此 夕卜，對于本發(fā)明的某些元件可以部分地或整個地使用已有組件實現(xiàn)，僅僅那些已有組件中 對于理解本發(fā)明有必要的部分才會在此描述，并且那些已有組件其他部分的詳細(xì)描述將省 略以便不混淆本發(fā)明。除非在此明確說明，對本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的是，描述為用軟件 實現(xiàn)的實施例不應(yīng)局限于此，而能夠包括在硬件中實現(xiàn)的實施例，或者軟硬件結(jié)合實現(xiàn)的 實施例，反之亦然。在本說明書中，示出單一組件的實施例也不應(yīng)被認(rèn)為是限制性的；而是， 本發(fā)明有意包括包含多個相同組件的其他實施例，反之亦然，除非在此明確說明。此外，除 非明確提出，申請人不認(rèn)為本說明書和權(quán)利要求中的任何術(shù)語歸于非普遍或特定含義。而 且，本發(fā)明包括在此舉例涉及的已知組件的當(dāng)前和未來已知的等效物。圖1說明本發(fā)明實施例的實現(xiàn)的一個例子。如圖1所示，GPS衛(wèi)星(S卩，SV) 114、 116、118和120分別廣播信號106、108、110和112，信號被手持終端102上的接收機122接 收，手持終端位于相對接近地球表面104的用戶位置處。手持終端102可以是個人導(dǎo)航設(shè)備(PND，例如來自Garmin，TomTom,等等)或者 可以是內(nèi)置了 GPS功能的蜂窩或者其他類型的電話，或者任何嵌入了跟蹤應(yīng)用的GPS設(shè)備 (例如，來自Trimble的自動跟蹤，來自Fedex的包裹或車隊管理的跟蹤，兒童定位器跟蹤應(yīng) 用等)。接收機122的實現(xiàn)可以使用任何硬件和/或軟件的組合，包括GPS芯片集，例如 SiRF 科技公司的 SiRFstarIII GSD3tw 或者 SiRFstar GSC3e 和 Broadcom 公司的 BCM4750， 作為依照本發(fā)明的功能的改裝和/或補充，在此更詳細(xì)地描述。更特別的，在本說明書的教 導(dǎo)下，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解利用本發(fā)明的數(shù)據(jù)位同步技術(shù)怎樣通過對這些芯片和/或 軟件進(jìn)行改裝和/或補充來實現(xiàn)本發(fā)明。
信號106、108、110和120是所熟知的GPS信號，其中將衛(wèi)星發(fā)射的Ll和/或L2 頻率載波相位偏移三個二進(jìn)制碼。其中特別應(yīng)注意的，C/A碼(粗捕獲)調(diào)制Ll載波相位。 C/A碼是一個重復(fù)的IMHz偽隨機噪聲(PRN)碼。這個噪聲類碼調(diào)制Ll載波信號，“擴展”頻 譜到IMHz帶寬上。C/A碼每1023位(1毫秒)重復(fù)。每一個SV有一個不同的C/A碼PRN。 GPS衛(wèi)星經(jīng)常是由他們的PRN號來標(biāo)識，該PRN號對每個偽隨機噪聲碼是唯一的標(biāo)識。調(diào)制 Ll載波的C/A碼是民用GPS的基礎(chǔ)。接收機122用某些形式的C/A碼生成器對某個特定的SV產(chǎn)生C/A碼序列。調(diào)制 解調(diào)器接收器通常在內(nèi)存中存儲預(yù)先計算的C/A碼片的全集，但是也可使用硬件的移位寄 存器實現(xiàn)。C/A碼生成器對每個相位抽頭設(shè)置(phase tap setting)產(chǎn)生不同的1023碼 片序列。在移位寄存器實現(xiàn)中，通過回轉(zhuǎn)控制移位寄存器的時鐘，碼片在時間上被移位。在 內(nèi)存查找方案中，所需的碼片從內(nèi)存中獲取。C/A碼生成器每毫秒重復(fù)相同的1023碼片的 PRN碼序列。PRN碼被定義用于多達(dá)1023個衛(wèi)星識別號(在I⑶中，使用37個用于定義衛(wèi) 星星座，但現(xiàn)代化系統(tǒng)可使用更多)。接收機在時間上移動碼副本直到與SV碼相關(guān)。眾所周知，在接收機122能夠提供一個3維導(dǎo)航解之前，至少需要4顆SV的信號 (對于例如使用已知高度的2維導(dǎo)航解，僅需要3顆衛(wèi)星)。因此，如圖2所示，接收機122 一般輸入預(yù)定的一個序列來從信號106、108、110和112的每一個中捕獲和提取需要的數(shù) 據(jù)。第一步，捕獲202，通過將與SV 114、116、118和120相對應(yīng)的唯一的C/A碼與在手持終 端102的天線處接收的RF能量相關(guān)，以及確定這些接收到的信號具有在后續(xù)處理中使用的 足夠的強度(例如，載波噪聲比C/N0)，接收機122捕獲信號106、108、110和112。下一步， 跟蹤204，接收機112鎖定到每個捕獲的每1毫秒重復(fù)一次的SV的C/A碼。步驟206，接收 機112同步20毫秒發(fā)生一次的每個信號106、108、110和112的數(shù)據(jù)位。然后在步驟208， 接收機112確定信號106、108、110和112中接收的位的幀邊界。此時在步驟210可以開始 導(dǎo)航，例如通過本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的三角測量技術(shù)。從圖2中需要注意的是，在一些應(yīng)用中，例如同步自由導(dǎo)航(sync free nav)(盡 管位同步206作為優(yōu)化操作仍然是需要的，因為跟蹤循環(huán)需要在精確的數(shù)據(jù)位上積分，以 便最大化應(yīng)用到跟蹤的信號能量)，幀同步步驟208是省略的(并且有時還省略步驟206)。 不過，通過利用本公開的改進(jìn)位同步206，在所有類型的應(yīng)用中，獲取位置解的整個過程得 到加速，同時信號更加靈敏，不論是否使用同步自由導(dǎo)航。此外，盡管本公開涉及確定數(shù)據(jù) 位同步206的實施例，但其他傳統(tǒng)的和新的技術(shù)也可以被用于執(zhí)行捕獲202、跟蹤204、幀同 步208(參見，例如共同未決的申請No. [SRF-103]，在此引用作為參考)和導(dǎo)航210，但為了 本發(fā)明清楚起見，有關(guān)詳細(xì)內(nèi)容在此省略。參考圖2，跟蹤完成后，接收機嘗試同步來自每個SV的信號的數(shù)據(jù)位。具體地，在 跟蹤204之后，接收機鎖定到每1毫秒重復(fù)一次的每個SV的C/A碼。然而，由于數(shù)據(jù)位僅 每20毫秒發(fā)生一次，接收機仍然需要解決數(shù)據(jù)位發(fā)生在哪個1毫秒間隔內(nèi)并且精確設(shè)置接 收機時間。一個常規(guī)的數(shù)據(jù)位同步過程單獨處理每個被跟蹤的SV，并使用接收到的位的樣本 (例如從5直到200)。算法的成功取決于采樣中位轉(zhuǎn)換的實際次數(shù)——也就是，相鄰位具 有相反極性的概率。通過觀察，長期來看這種概率大約50%。也即，大約50%的時間，下一 位將具有與當(dāng)前位相同/不同的極性。然而，在使用相對較短的樣本的情況下，這種長期平
8均值不可信。這種算法的性能取決于采樣中位轉(zhuǎn)換的實際概率。注意正位的數(shù)目與負(fù)位的 數(shù)目沒有實際意義，只與位轉(zhuǎn)換有關(guān)系。算法對整個采樣中的20個1毫秒I和Q相關(guān)值求和，然后將積分時間偏移1毫秒 并重復(fù)這個過程，然后將積分偏移2毫秒、3毫秒，等等，直到19毫秒。在這個過程的最后， 得到每20毫秒加和的幅值Vn (η = 0到19)。 該過程在連續(xù)的20毫秒周期上重復(fù)，并且各個和Vn被累加直到某個和Vn中的一 個與其他的相比滿足預(yù)定的標(biāo)準(zhǔn)。更特別的，這些和中的一個，例如Vtl，保證精確跨越1個 位周期。剩下的,V1到V19，在2個位周期的部分上已進(jìn)行積分，因此位轉(zhuǎn)換更可能已經(jīng)相互 消除。這方面更詳細(xì)的舉例說明是在圖5Α和5Β。在每20毫秒周期上的對于偏移0. . . 19 毫秒的積分是一個相干積分過程(在I和Q中都是)。為了獲得與數(shù)據(jù)位邊沿理想的毫秒 對準(zhǔn)，典型的相干過程將看到在20毫秒周期上單獨的I和Q的總和的幅值如圖5Α所示線 性增長。注意I和Q總和可能正增長或負(fù)增長，取決于相對于輸入衛(wèi)星信號的載波相位，這 種加或減的求和效果在在20毫秒周期結(jié)尾進(jìn)行的信號幅值計算中通過函數(shù)sqrt (I2+Q2)被 移除。在圖5A的例子中，該幅值將持續(xù)增長直到20毫秒間隔的結(jié)尾，結(jié)果導(dǎo)致在該間隔的 結(jié)尾產(chǎn)生峰值。相比較而言，舉一個不精確的位對準(zhǔn)的例子(即，位轉(zhuǎn)換發(fā)生在20毫秒間隔內(nèi))， I和Q值將停止線性增長并開始線性下降，如圖5B所示。與圖5A相比，因此，在20毫秒間 隔的結(jié)尾，該幅值將比最大值小。當(dāng)該概率超過某個閾值，也就是這些和中的一個(即，V0)對應(yīng)于數(shù)據(jù)位的1毫秒 C/A偏移位置時，該過程停止并且數(shù)據(jù)位同步已經(jīng)實現(xiàn)。該概率能夠表達(dá)為虛警概率Pfa或 者判決概率Pd。成功的數(shù)據(jù)位同步的常規(guī)測量是當(dāng)Pfa < 10_4時。在對于所有被跟蹤的 SV都實現(xiàn)數(shù)據(jù)位同步之后，幀同步可以開始，并且可以執(zhí)行最終的導(dǎo)航。上述傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)位同步過程存在一個問題對一個或多個SV，Pfa達(dá)到小于10_4 需要花費許多秒，特別是在弱信號環(huán)境中(例如，對于載波噪聲比(CNO)小于20dB-Hz的情 形，長達(dá)8秒鐘)。同時，一些GPS應(yīng)用(例如，用于GSM手持終端)，要求快速的首次定位 時間(time-to-first-fix,即，TTFF)(例如，參見GSM手持終端的3GPP標(biāo)準(zhǔn))。在這種情 形下，整個時間序列必須被優(yōu)化，并且一般要求位同步發(fā)生在少于2秒內(nèi)。按照一個方面，在某些關(guān)于時間和/或位置的先驗信息已知的情況下(例如網(wǎng)絡(luò) 輔助或粗略輔助情況)，本發(fā)明通過在位同步計算中允許更高的Pfa(例如，10_2)，加速位同 步過程。按照另一方面，本發(fā)明在位同步運算中將衛(wèi)星組合在一起(改善靈敏度和速度)。需要注意的是本發(fā)明進(jìn)一步加速了圖2所示的整個流程。同步自由導(dǎo)航主要指的 是跳過幀同步步驟(步驟208)。這里所述的本發(fā)明涉及加速位同步步驟206，同樣對同步 自由導(dǎo)航開或關(guān)的情況均可以起到加速作用。實際來說，當(dāng)關(guān)掉同步自由導(dǎo)航時，改進(jìn)的位 同步速度和靈敏度有助于恢復(fù)性能(速度和靈敏度)，而對于同步自由導(dǎo)航的情況，同樣也 有改進(jìn)。本發(fā)明因此既可以用于同步自由導(dǎo)航打開的情形，也可以用于加速同步自由導(dǎo)航 關(guān)閉的情形。需要進(jìn)一步注意的是本發(fā)明的所有方面可以一般地適用于衛(wèi)星之間的未知時間 偏移量大約小于以1毫秒為模的半毫秒的不確定性的任何情形中。這意味著只要時間偏移量對于所有的衛(wèi)星均相似，時間偏移量就可以比較大(如由網(wǎng)絡(luò)定時或者接收機RTC、實時 時鐘提供的)。第二個標(biāo)準(zhǔn)是要知道的位置好于大約150公里(按照光速0. 5毫秒)。對 于GSM網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)輔助，這種定位輔助誤差一般小于30公里。GSM中網(wǎng)絡(luò)輔助情況一般 被稱為粗略輔助操作(因為通過網(wǎng)絡(luò)給出時間誤差小于2秒并且位置誤差小于30km)。本發(fā)明可應(yīng)用的另一個重要情況是所熟知的“熱”啟動。“熱”指接收機最近開機 過(例如，過去1小時內(nèi))但已經(jīng)關(guān)機并且使用RTC電路保持時間。當(dāng)電源重新打開，接收 機已經(jīng)有一些上次打開時的星歷數(shù)據(jù)(注意這是沒有網(wǎng)絡(luò)輔助的情形)。那么由于RTC的 精度，現(xiàn)在時間已經(jīng)漂移，并且基于假定的用戶運動模型(例如，假設(shè)最大運動50米/秒)， 估算位置誤差。時間精度偏移對于所有的衛(wèi)星均相同，并且只要假定的位置誤差模型漂移 不超過大概0.5毫秒(150公里)，本發(fā)明描述的技術(shù)就可以使用。本發(fā)明的技術(shù)也可以應(yīng) 用在更準(zhǔn)確的輔助信息可用的情況。仍需進(jìn)一步注意的是，依照一些方面，本發(fā)明的技術(shù)可以克服發(fā)生在諸如同步自 由導(dǎo)航的某些方法中的、由衛(wèi)星運動產(chǎn)生的誤差。具體地，假設(shè)星歷信息對每個被跟蹤的衛(wèi) 星已知(這是粗略輔助GSM和熱啟動的情形)，并且大概的位置固定(例如，小于30公里)。 進(jìn)一步假設(shè)時間偏移是2秒。衛(wèi)星相對用戶的最大運動是大約1公里/秒或者1米/毫秒， 因此如果時間已知在2秒內(nèi)，那么衛(wèi)星位置也已知在大約2公里誤差范圍內(nèi)。當(dāng)衛(wèi)星位置用 于位置確定時，誤差被乘以位置精度衰減因子(position dilution of precision,PDOP) 0 PDOP是衛(wèi)星幾何對位置確定精度的影響。在最差情況下，所有的衛(wèi)星位于空間上同一點，那 么偽距上的任何誤差將導(dǎo)致無限的位置確定誤差，因為方程式是不清楚的。PDOP —般為3， 因此由于每個衛(wèi)星的時間不確定性產(chǎn)生的誤差大約是3米/毫秒。該時間誤差可以通過正 確的位同步和幀同步避免，使得衛(wèi)星之間的時間誤差為0。這里詳細(xì)描述的位同步算法，通 過假設(shè)建立的第一個位同步對于所有其他的衛(wèi)星是正確的(假設(shè)以1毫秒為模，解纏已知 用戶到衛(wèi)星的距離)或者使用多個衛(wèi)星來計算位同步，使得位同步誤差在所有的衛(wèi)星之間 都相同。如果位同步對所有的衛(wèi)星有1毫秒的錯誤，那么其在導(dǎo)航方程中變成接收機時間 偏移常量，并不引起導(dǎo)舷誤差。一般來說，如圖3所示，按照本發(fā)明的實施例，弱數(shù)據(jù)位同步器300包括單獨的SV 位同步模塊302-1到302-4，組合的SV位同步模塊304，和位同步檢測器306。在操作中，數(shù) 據(jù)位同步器300使用兩個不同的Pfa閾值。單獨的SV位同步模塊302-1到302-4使用傳 統(tǒng)的高Pfa閾值，而組合的SV位同步模塊304使用較低的Pfa閾值。檢測器306將檢測何 時弱位同步首先觸發(fā)，并且第二位同步閾值將繼續(xù)改進(jìn)結(jié)果，但這對初始的導(dǎo)航并不必要。在實施例中，單獨的SV位同步模塊302-1到302-4運行上述的位同步算法。同時， 對20X 1毫秒功率求和中的每一個，組合的位同步模塊304將各衛(wèi)星的功率和相加。多個 衛(wèi)星的功率和然后被用來使用較低的Pfa閾值(例如，10_2)進(jìn)行位同步判決。需要注意的 是較低的Pfa不是必須的，而是多衛(wèi)星組合也能用于在維持較高的閾值的同時提高性能， 因此發(fā)明并不局限于此例。在下面將要詳細(xì)描述的實施例中，組合的位同步模塊304使用來自所有被跟蹤的 SV的信息執(zhí)行組合的位同步計算。然而，其他的實施例也是可能的。例如，如果每個衛(wèi)星 的CNO沒有在給定的閾值(例如，彼此大約3dB)內(nèi)，模塊304可基于每個衛(wèi)星的CNO使用 一個優(yōu)化的組合算法。例如，如果2顆衛(wèi)星的CNO = 21dB-Hz，并且另外2顆衛(wèi)星的CNO =
1015dB-Hz，那么最佳的組合是基于21dB-Hz的2顆衛(wèi)星，而15dB-Hz的兩顆衛(wèi)星不宜用于多 衛(wèi)星組合位同步算法。其他的組合也是可能的。例如，單一的高CNO衛(wèi)星在粗略輔助情況 下，可用于為所有的衛(wèi)星設(shè)置位同步。在任何情況下，模塊304在所有20個可能的毫秒偏 移中形成組合的位同步功率和。需要注意的是，按照發(fā)明的各方面，這里的位同步算法僅需要如圖3所示的4個SV 就能完成同步，而不是一些其他應(yīng)用中要求的5個或更多。然而，這也不是必然的，發(fā)明也 可以用附加的SV來實施。圖4說明了組合的SV位同步模塊304的檢測方法的示例。每20毫秒，每個單獨的SV位同步模塊302-s(s = 1，2，3，4)提供了 20個1毫秒 和Vns的集合，如下所示I =Σ Ik(k = 1. . . 20)Q=E Qk(k = 1. . . 20)Vns =V/2+β2，(《二 0...19)步驟S402中，模塊304從模塊302接收對于給定的20毫秒周期的和Vns的全集。步驟S404中，在對功率和求和之前，模塊304通過調(diào)整每個衛(wèi)星信號轉(zhuǎn)換時間，將 來自不同衛(wèi)星的功率和在時間上對準(zhǔn)。轉(zhuǎn)換時間得自衛(wèi)星的位置(通過星歷信息獲知)與 用戶位置(從粗略輔助系統(tǒng)獲知)之間的差。更具體地，除此之外，本發(fā)明還認(rèn)識到，粗略輔助系統(tǒng)(例如，GSM網(wǎng)絡(luò)輔助應(yīng)用) 提供大約30km內(nèi)的用戶位置(即，XU，YU，ZU)，并且還提供所有衛(wèi)星的星歷(即，XS，YS，ZS)。 還存在一個士2秒的時間不確定度，因此位同步和幀同步在非同步自由導(dǎo)航情形下，被要 求將時間分辨為好于1毫秒。在這種情形下，可計算所有被跟蹤的衛(wèi)星的偽距I3R PRs = SQRT ((Xs-Xu)2+ (Ys-Yu)2+ (Zs-Zu)2)其中 S=I，2，3，4然后容易地獲得每個衛(wèi)星信號的轉(zhuǎn)換時間TS = PRs/c，其中c是光速(約3X IO8 米/秒，或者約300公里每毫秒)。需要注意的是，電離層效應(yīng)可單獨考慮，但一般不大(小 于100米)。同時，諸如多普勒的參數(shù)與相對位置變化相關(guān)，所以作為衛(wèi)星位置誤差考慮，因 為衛(wèi)星已移動。每個衛(wèi)星的時間可以容易地以毫秒對準(zhǔn)，例如對來自第一個衛(wèi)星SVl的AT2 = (T2-T1)/lmsec+ 余數(shù) 2AT3 = (T3-T1)/lmsec+ 余數(shù) 3AT4 = (T4-T1)/lmsec+ 余數(shù) 4為了對準(zhǔn)功率和的目的，僅僅考慮偏移的1毫秒部分，并且余數(shù)部分忽略。顯而易見的，對于步驟S404的第一次迭代，由于每個SV的轉(zhuǎn)換時間的不同，在為 第一組20毫秒時間周期的進(jìn)行的對準(zhǔn)發(fā)生之前，可能需要為每個衛(wèi)星獲取多于一組的和 Vns。在時間對準(zhǔn)功率和之后，對于每個η = 0. . . 19，組合的1毫秒和Vn可以對來自SVs(s = 1到4)的所有Vns求和獲得Vn=E Vns在步驟S406中，這些新的和Vn與來自先前20毫秒周期的任何先前的和Vn分別累 加在一起 同傳統(tǒng)過程相似，各個和Vn在相繼的20毫秒周期上累加，直到其中的一個和Vn與其他相比滿足預(yù)定的標(biāo)準(zhǔn)。更具體地，如步驟S408中所示，確定其中的一個和，例如Vtl，對 應(yīng)于數(shù)據(jù)位的1毫秒C/A偏移位置的概率。還與傳統(tǒng)過程相似的是，該概率也可被表達(dá)為 虛警概率Pfa。在實施例中，在步驟408中，作為具有最高累加值的相應(yīng)的1毫秒功率和(例如， V0)和具有次高累計值的相應(yīng)的1毫秒功率和(例如，V1或V19)之間差的函數(shù)確定Pfa。雖 然圖4顯示步驟S408在每次迭代中均被執(zhí)行，但應(yīng)理解的是實際中并不必要。例如，最高 峰(例如，V0)的閾值或者最高峰值與次最高峰值的閾值比可從仿真中得出(可能在存在 噪聲、頻率偏移等的情況下)。這種仿真的一個示例結(jié)果是\的閾值Pthresh。ld，其中Pth sh。ld 是通過仿真確定的以給出可接受的Pd和Pfa，這種情況下Pfa< 10_2。本領(lǐng)域技術(shù)人員將 熟知各種仿真方法和技術(shù)，均可用來為任何合適的應(yīng)用確定Pthresh。ld。此外，本領(lǐng)域技術(shù)人 員將理解怎樣運行與傳統(tǒng)的技術(shù)中的仿真相類似的這些仿真，但選擇導(dǎo)致產(chǎn)生顯著減弱的 Pfa的閾值，或者基于通過本說明書所教導(dǎo)的多衛(wèi)星組合可獲得的提高的信號能量選擇不 同閾值。在步驟S410中，累加的組合功率和的峰值Vn(例如，V0)，同預(yù)先確定的閾值相比 較，例如上述的Pthresh。ld。如果該功率值等于或者超過該閾值，則如步驟S412中所示，弱數(shù) 據(jù)位同步已完成。這種情況與關(guān)于在20毫秒C/A碼中數(shù)據(jù)位的確定位置的信息一起被報 告給位同步檢測器306。圖6說明了整個位同步求和(對多個位進(jìn)行sqrt(I2+Q2)求和，所示情況為200 位)的示例結(jié)果。結(jié)合圖4所描述的位同步算法的一個示例實現(xiàn)是選取對應(yīng)于圖6的峰 值的1毫秒間隔，并將其累加值與預(yù)先確定的閾值Pthreshtjld比較。另外的或作為替代的，峰 值與次峰值的比率可以被檢查，這有效地檢查是否已經(jīng)有足夠的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換(如果沒有數(shù)據(jù) 轉(zhuǎn)換發(fā)生，圖6中在0. .. 19上會是平坦的)?；氐綀D4，如果同步尚未完成，下一個20毫秒周期的處理在步驟S414中繼續(xù)，直到 超過預(yù)先確定的閾值?；氐綀D3，如上面所討論的，當(dāng)模塊304檢測到弱數(shù)據(jù)位同步時，這被報告給位同 步檢測器306，位同步檢測器306提供有關(guān)弱數(shù)據(jù)位同步(例如，高Pfa的數(shù)據(jù)位同步)的 信號給后續(xù)的處理。同時，進(jìn)一步的處理可由每個SV位同步模塊302執(zhí)行，直到它們分別 為具有較低Pfa(例如，小于10_4)的各個SV信號確定數(shù)據(jù)位同步。雖然在弱數(shù)據(jù)位同步之后總有一些概率出現(xiàn)位同步錯誤，這種情況下，位同步錯 誤引起 3XN米的定位誤差(其中N = 1. . . 10)，如上所述，由于衛(wèi)星的運動導(dǎo)致的最大誤 差約30米。盡管這里參考優(yōu)選的實施例對本發(fā)明進(jìn)行了特別描述，但對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員 顯而易見的是，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍情況下，可以進(jìn)行形式和內(nèi)容上的變化和修 改。希望后附的權(quán)利要求包括了這些變化和修改。
權(quán)利要求
一種用于在定位系統(tǒng)中同步一個或多個信號的方法，該方法包括對于信號中的第一信號，累加在多個時間偏移處的各個第一功率值；對于信號中的第二信號，累加在所述多個時間偏移處的各個第二功率值；時間對準(zhǔn)所述第一和第二信號；在時間對準(zhǔn)后，組合累加的在所述多個時間偏移處的第一和第二功率值；識別在所述多個時間偏移中的一個時間偏移處的組合功率峰值；以及確定該組合功率峰值是否對應(yīng)于成功的同步。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該多個時間偏移是對應(yīng)于GPS信號中的20毫秒數(shù)據(jù) 位間隔的20個1毫秒的間隔。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第一和第二功率值分別對應(yīng)于得自于所述第一 和第二信號的組合的I和Q值。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述時間對準(zhǔn)的步驟包括 確定所述第一和第二信號的各自傳送時間的差；基于所確定的差，對準(zhǔn)所述第一和第二信號的所述多個時間偏移。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述時間對準(zhǔn)的步驟包括 獲得所述第一和第二信號的各自發(fā)射機的估計位置；獲得所述第一和第二信號的公共接收機的估計位置；基于獲得的這些估計位置，確定所述第一和第二信號的各自傳送時間的差；基于所確定的差，對準(zhǔn)所述第一和第二信號的所述多個時間偏移。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中所估計的位置是從網(wǎng)絡(luò)獲取的。
7.如權(quán)利要求5所述的方法，其中各自的發(fā)射機由各自的衛(wèi)星飛行器攜帶。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括 識別所述一個或多個信號的信號質(zhì)量；在組合步驟之前，基于識別出的信號質(zhì)量，從信號中選擇所述第一和第二信號。
9.一種用于在定位系統(tǒng)中同步一個或多個信號的方法，該方法包括 接收估計的位置信息和估計的時間；利用接收到的估計的位置信息和估計的時間，對所述信號中的兩個或更多個信號，累 加多個時間偏移處的各個功率值；識別該多個時間偏移中的一個時間偏移處的功率峰值； 確定該功率峰值是否對應(yīng)于成功的同步，其中如果接收到的估計的位置信息和估計的時間滿足給定的標(biāo)準(zhǔn)，使用較低的成功閾值。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中該多個時間偏移是對應(yīng)于GPS信號中的20毫秒數(shù) 據(jù)位間隔的20個1毫秒的間隔。
11.如權(quán)利要求9所述的方法，其中功率值對應(yīng)于得自所述信號的組合的I和Q值。
12.如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述信號包括第一和第二信號，該方法進(jìn)一步包括確定從所述第一和第二信號的各自的發(fā)射機到所述第一和第二信號的公共接收機的 所述第一和第二信號的各自傳送時間的差；基于所確定的差，對準(zhǔn)所述第一和第二信號的所述多個時間偏移。
13.如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述信號包括第一和第二信號，該方法進(jìn)一步包括從估計的位置信息中獲得所述第一和第二信號的各自發(fā)射機的估計位置； 從估計的位置信息中獲得所述第一和第二信號的公共接收機的估計位置； 基于獲得的這些估計位置，確定所述第一和第二信號的各自傳送時間的差； 基于所確定的差，對準(zhǔn)所述第一和第二信號的所述多個時間偏移。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中該估計的位置是從網(wǎng)絡(luò)獲取的。
15.如權(quán)利要求13所述的方法，其中該估計的位置是從存儲的信息中獲取的，該信息 是在所述公共接收機的“熱”啟動中獲取的。
16.一種用于在定位系統(tǒng)中同步一個或多個信號的方法，該方法包括 對于所述信號中的第一信號，累加在多個時間偏移處的各個第一功率值； 識別在該多個時間偏移中的一個時間偏移處的第一功率峰值；以及確定該第一功率峰值是否對應(yīng)于該第一信號的成功的同步；對于所述信號中的第二信號，累加在該多個時間偏移處的各個第二功率值；時間對準(zhǔn)所述第一和第二信號；在時間對準(zhǔn)之后，組合在該多個時間偏移處的累加的第一和第二功率值； 識別在該多個時間偏移中的一個時間偏移處的組合功率峰值；以及 確定該組合功率峰值是否對應(yīng)于組合信號的成功同步， 其中，該組合信號成功的閾值低于該第一信號成功的閾值。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中該多個時間偏移是對應(yīng)于GPS信號中的20毫秒數(shù) 據(jù)位間隔的20個1毫秒的間隔。
18.如權(quán)利要求16所述的方法，其中該第一和第二功率值分別對應(yīng)于得自所述第一和 第二信號的I和Q值。
19.如權(quán)利要求16所述的方法，其中時間對準(zhǔn)的步驟包括確定從所述第一和第二信號各自的發(fā)射機到所述第一和第二信號的公共接收機的所 述第一和第二信號的各自傳送時間的差；基于所確定的差，對準(zhǔn)所述第一和第二信號的所述多個時間偏移。
20.如權(quán)利要求16所述的方法，其中時間對準(zhǔn)的步驟包括 獲得所述第一和第二信號的各自發(fā)射機的估計位置；獲得所述第一和第二信號的公共接收機的估計位置； 基于獲得的這些估計位置，確定第一和第二信號的各自傳送時間的差； 基于所確定的差，對準(zhǔn)所述第一和第二信號的所述多個時間偏移。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其中該估計位置是從網(wǎng)絡(luò)獲取的。
22.一種用于在定位系統(tǒng)中同步一個或多個信號的方法，該方法包括通過在兩個或更多個信號中識別位于多個對準(zhǔn)的時間偏移中的一個時間偏移處的組 合功率峰值并將其與一個低成功閾值相比較，同步到所述信號中共同的20毫秒數(shù)據(jù)位間 隔；并且通過在所述信號中的一個信號中識別位于多個單個的時間偏移中的一個時間偏移處的單個功率峰值并將其與較高的成功閾值相比較，同步到所述信號中的所述20毫秒數(shù)據(jù) 位間隔。
23.一種執(zhí)行權(quán)利要求1所述方法的裝置。
24.一種執(zhí)行權(quán)利要求9所述方法的裝置。
25.一種執(zhí)行權(quán)利要求16所述方法的裝置。
26.一種執(zhí)行權(quán)利要求22所述方法的裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及位置定位系統(tǒng)，并且尤其涉及在定位系統(tǒng)信號中同步數(shù)據(jù)位的方法和裝置。依據(jù)第一方面，本發(fā)明對粗輔助情形通過允許在整個位同步計算中使用高Pfa(例如，10-2)加快了數(shù)據(jù)位同步。依據(jù)另一方面，本發(fā)明組合并對準(zhǔn)來自衛(wèi)星的信號以用于位同步計算中(例如，為改善靈敏度和速度)。
文檔編號G01S19/27GK101937089SQ200910217180
公開日2011年1月5日 申請日期2009年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月24日
發(fā)明者G·賴寧 申請人:Sirf科技控股公司