專利名稱：增強gps系統的信號檢測性能的制作方法
技術領域：
本發明涉及衛星導航系統，尤其涉及使用調制方案來增強信號檢測靈敏度的衛星導航系統。
衛星導航系統如全球定位系統(GPS)包括傳送GPS信號的一群衛星，該信號能夠由無線終端使用以確定無線終端的位置。
圖1是現有技術的GPS系統100的示意圖。在現有技術系統100中，衛星群(Satellite constellation)的一個或多個衛星101傳送由無線終端103接收的GPS信號102。如本領域公知的，通過接收來自三個或更多個衛星的GPS信號102來完成定位操作。確定位置的基本方法基于公知的每個衛星的時差。每個衛星的時差是GPS信號102從衛星開始到無線終端103接收所需的時間。當同時接收來自三個衛星的GPS信號102時，可以確定“兩維”位置(緯度和經度)。當同時接收來自四個或更多的衛星的GPS信號102時，可以確定“三維”位置(緯度，經度，高度)。
每個衛星101以公知的速度環繞地球并且定位在離其他衛星公知的距離上。每個衛星101傳送唯一的GPS信號102，該信號包括使用與特定的衛星101有關的唯一的偽隨機噪聲(PN)碼和導航數據調制的公知頻率f的載波信號，其中PN碼包括唯一的PN碼片序列而導航數據包括衛星標識符、時間信息和軌道數據如仰角αj和方位角φj。
無線終端103一般包括GPS接收機105用于接收GPS信號102；多個相關器107用于檢測GPS信號102；以及具有軟件的處理器109使用導航數據來確定位置。GPS接收機105借助于PN碼檢測GPS信號102。檢測GPS信號102包括相關處理，其中相關器107用于在載波頻率維和代碼相位維搜索PN碼。實時地將調制為復制的載波信號的相移復制的PN碼乘以接收的GPS信號102來完成這種相關處理，然后是積分和轉儲處理。
在載波頻率維，GPS接收機105復制載波信號以當GPS信號102到達GPS接收機105時匹配于GPS信號102的頻率。然而，由于多普勒效應，在GPS信號102到達GPS接收機105之前傳送GPS信號102的頻率f改變一個未知量Δfj-即當每個GPS信號102到達GPS接收機105時它應該具有頻率f+Δfj。為了說明多普勒效應，GPS接收機105在f+Δfmin到f+Δfmax的頻譜f頻譜范圍復制載波信號直到復制的載波信號的頻率匹配于接收的GPS信號102的頻率為止，其中Δfmin和Δfmax是由于多普勒效應，當GPS信號102從衛星101到達GPS接收機105時在頻率上經受的最小和最大的改變，即Δfmin≤Δfj≤Δfmax。
在代碼相位維，GPS接收機105復制與每個衛星101有關的唯一的PN碼。復制的PN碼的相位在代碼相位頻譜Rj(頻譜)上移動直到具有復制的PN碼的復制的載波信號完全與GPS接收機105接收的GPS信號102相關，其中每個代碼相位頻譜Rj(頻譜)包括對于相關PN碼的每個可能的相移。如本領域公知的，當GPS信號102被相關器107檢測時，GPS接收機105從檢測的GPS信號102提取導航數據ND并且使用導航數據來確定GPS接收機105的位置。
相關器107被配置來在頻譜f頻譜和代碼相位頻譜Rj(頻譜)上完成多個PN碼的并行搜索。換句話說，多個相關器107的每一個專用于在f+Δfmin到f+Δfmax之間和每個可能用于該PN碼的頻率的每個可能的頻率上搜索特定的PN碼。當相關器107完成它對PN碼的搜索時，相關器107在f+Δfmin到f+Δfmax之間的每個可能的頻率和每個可能用于該PN碼的相移搜索另一個PN碼。這個過程繼續直到由多個相關器107共同搜索到所有的PN碼為止。例如，假設有十二個衛星101，那么就有十二個唯一的PN碼。如果GPS接收機105具有六個相關器107，則GPS接收機105將使用它的相關器107一次搜索兩組六個不同的PN碼。特別地，相關器107搜索第一組六個PN碼，即第一相關器搜索PN-1，第二相關器搜索PN-2等。一旦完成第一組六個PN碼的搜索，相關器107搜索下一組六個PN碼，即第一相關器搜索PN-7，第二相關器搜索PN-8等。
為了搜索每個PN碼，相關器107對于該PN碼的頻率和相移的每個組合完成積分和轉儲處理。例如，假設頻譜f頻譜包括50個用于載波信號的可能的頻率，對于一個PN碼的代碼相位頻譜Rj(頻譜)包括2,046個可能的半個碼片相移。為了搜索該PN碼的頻率和半個碼片相移的每個可能的組合，相關器107需要完成102,300次積分。對于相關器107典型的積分間隔是1ms，當無線終端能夠清楚地觀察到天空或具有到衛星101的直接視距時，1ms一般足夠用于GPS接收機105來檢測GPS信號102。這樣，對于上述例子，為了搜索一個PN碼的頻率和半個碼片相移的每個可能的組合，一個相關器107需要102.3秒鐘。
現有技術的一個缺點是如果GPS信號102被建筑物或其他的障礙物衰減，則無線終端不可能從確定無線終端的位置所需的最小數量的衛星接收到足夠強的GPS信號。這導致位置確定的中斷。為了補償較弱的GPS信號和增強GPS信號102的檢測，相關器107可以配置較長的積分間隔。換句話說，通過較長的積分間隔使檢測更加準確。
然而，導航數據的存在限制了無線終端的信號檢測能力，將積分間隔的長度限制在20ms內。
如果無線終端能夠獨立地得到導航數據，它就可以利用這種數據來延長它的積分間隔在20ms以上。例如，如果無線終端可以接收來自一個源而不是GPS信號源(即傳送的衛星)的導航數據，無線終端可以使用這個信息來完成“數據擦除(data wipe-off)”操作。“數據擦除”是積分和轉儲處理之前在輸入的原始RF數據上簡單的符號操作。“數據擦除”操作基于導航數據位的值。例如，如果導航數據位是1，則輸入的原始RF數據的符號保留。但是，如果導航數據位是0，則輸入的原始RF數據的符號被翻轉。在數據擦除操作之后，無線終端可以延長它的積分間隔在20ms以上并且因此增加了它的信號檢測性能。
在本發明中，提供了利用導航數據而不限制積分間隔的設備和方法。一些本發明的實施例能夠確定無線終端的位置同時避免與現有技術定位系統有關的太多成本和限制。特別地，一些本發明的實施例比現有技術的無線終端花費少。另外，一些本發明的實施例能夠比現有技術的無線終端接收和使用更弱的信號。另外，一些本發明的實施例能夠比現有技術的無線終端更快地確定位置。
在第一實施例中，根據本發明的原理，提供了WAG(無線輔助GPS)服務器。WAG服務器經過無線鏈路與無線終端通訊。WAG服務器接收來自衛星的GPS信號并且將調制到GPS信號的導航數據解調。然后，它利用導航數據流的公知的特性和解調的導航數據來產生估計的導航數據，它然后傳送到無線終端。無線終端使用這個估計的導航數據來完成在隨后的GPS信號的數據擦除操作，使得積分間隔增加到20ms以上，因此增加了總的信號檢測靈敏度。隨后的GPS信號可以對應于衛星群中相同的衛星或不同的衛星。
在第二實施例中，WAG服務器僅解調導航數據并且轉送解調的數據到無線終端。實際的估計發生在無線終端內。無線終端使用估計的導航數據來完成數據擦除并且擴大隨后來自不同衛星的GPS信號的積分間隔。
在第三個實施例中，省去了WAG服務器并且在無線終端內完成解調、估計、數據擦除和積分間隔擴大的步驟。在這種情況下，對于隨后來自不同衛星的GPS信號擴大了積分間隔。
在另一個實施例中，本發明是一種處理用導航數據調制的GPS信號的方法，包括下面的步驟(a)恢復來自GPS系統的第一衛星傳送的第一GPS信號中的導航信號；(b)根據恢復的導航數據產生估計的導航數據；以及(c)根據估計的導航數據完成在隨后的GPS信號的數據擦除操作。
在另一個實施例中，本發明是用于GPS系統的服務器，包括(a)GPS接收機被配置來接收用導航數據調制的和從GPS系統的第一衛星傳送的第一GPS信號；(b)解調器被配置來恢復來自接收的第一GPS信號的導航數據；以及(c)估計器被配置來由恢復的導航數據產生估計的導航數據，其中服務器被配置來傳送估計的導航數據，由無線終端接收，無線終端被配置為根據估計的導航數據來完成數據擦除操作。
由下面的詳細描述、附加的權利要求書以及附圖可以更全面地理解本發明的其他方面、特性和優點，其中圖1是現有技術GPS系統的示意圖；圖2說明具有輔助系統的GPS系統；圖3是說明本發明第一實施例的GPS系統的方框圖；圖4是說明本發明第二實施例的GPS系統的方框圖；圖5是說明本發明第三個實施例的GPS系統的方框圖；圖6是說明本發明一個實施例中包括的各個步驟的流程圖。
圖2表示具有一群衛星101、無線終端203以及輔助系統201的GPS衛星系統。輔助系統201在GPS天線209接收來自一個或多個衛星101的GPS信號并且解調調制到GPS信號的導航數據。然后，輔助系統201經過無線鏈路205轉送該信息到無線終端203。無線終端203使用解調的導航數據來完成數據擦除操作，使得能夠增加積分間隔(例如，在20ms以上)，因此增加了在無線終端203的總的信號檢測性能。
在圖2的GPS系統中，從輔助系統201解調導航數據的時間到無線終端203將這個信息應用于數據擦除操作的時間存在一個延遲。無線終端203將GPS信號存儲在存儲器中，同時等待來自輔助系統201的相應的解調導航數據信息到達。因此，在無線終端203的位置確定中存在延遲。這種技術還要求無線終端203具有大存儲器來存儲從衛星101接收的GPS信號。
圖3是說明本發明第一實施例的方框圖。在圖3中，存在一個衛星群(即多個衛星101)能夠發送GPS信號到無線終端303。還存在經過通訊鏈路305連接到無線終端303的無線輔助GPS(WAG)服務器301。根據該應用，通訊鏈路305可以是無線鏈路或有線鏈路。WAG服務器301包括GPS接收機309、導航數據解調器311以及數據估計器313。
WAG服務器301輔助配置為短的或長的積分時間的GPS接收機105來檢測GPS信號102。通過減少搜索GPS信號102由相關器完成的積分次數使WAG服務器301便于檢測GPS信號102。通過將搜索的頻率范圍和代碼相位范圍變窄來減少積分次數。特別地，WAG服務器301限制在特定的頻率上搜索GPS信號102并且限制代碼相位的范圍小于代碼頻譜Rj(頻譜)。
WAG服務器301中的GPS接收機309獲得從衛星101傳送的GPS信號102。然后，導航數據解調器311處理GPS信號以解調調制到GPS信號的導航數據。然后，這個解調的導航數據轉送到位于WAG服務器301內的數據估計器313。
數據估計器313接收當前解調的導航數據并且估計未來的導航數據。這種估計基于當前的和過去的導航數據的測量以及關于導航數據公知的格式標準的一般知識。例如，導航數據包括多個實際上重復的導航數據位是公知的。數據估計器313一般通過這些公知的參數和情況來編程，以幫助創建估計的導航數據。
然后，估計的導航數據經過通訊鏈路305轉送到無線終端303。無線終端303包括GPS接收機315和數據擦除處理器317。GPS接收機315用于接收來自一個或多個傳送衛星101的GPS信號。數據擦除處理器317使用從WAG服務器301接收的相應的估計導航數據以完成在隨后的GPS信號的數據擦除操作。隨后的GPS信號可以對應于相同的衛星或不同的衛星。然后，積分間隔可以增加到20ms以上以增加總的信號檢測靈敏度。
無線終端303可以實時地完成數據擦除操作。這樣，避免了現有技術的延遲問題。另外，因為沒有等待周期來接收衛星導航數據信息，所以也減少了在無線終端303對現有技術的存儲要求。
這樣，通過本發明原理的使用，無線終端303可以實時地獲得來自衛星的GPS信號，甚至當它們相對較弱時。在現有技術的無線終端不能操作的低信噪比的衰減條件下，無線終端303可以獲得導航數據。
WAG服務器301可以是地面設備、機載設備或圍繞地球軌道的衛星。數據估計器313可以根據公知的導航估計算法或某些其他的估計機理編程來創建估計的導航數據。本發明原理實質上是靈活的并且本發明實際上可以使用各種數據估計方案。
另外，既使圖3說明數據估計能力在WAG服務器301中，但在第二實施例中，數據估計能力也可以在無線終端內。
圖4是說明本發明第二實施例的方框圖。在這個實施例中，WAG服務器401包括GPS接收機409和導航數據調制器411。數據估計器413位于無線終端403內。無線終端403包括GPS接收機415和數據擦除處理器417。
WAG服務器401獲得來自衛星的GPS信號，解調調制到GPS信號的導航數據并且傳送解調的數據到無線終端403。
在無線終端403內，數據估計器413估計未來的導航數據，數據擦除處理器417使用估計的導航數據在隨后來自不同衛星的GPS信號上完成數據擦除操作。
圖5是說明本發明第三個實施例的方框圖。在這個實施例中，去除了WAG服務器，解調、估計、數據擦除和積分間隔擴大的步驟都在無線終端內完成。
如圖5所示，在這個實施例中，無線終端503包括GPS接收機515、導航數據解調器511、數據估計器513以及數據擦除處理器517。
圖6是通過使用本發明第一實施例的估計的導航數據，說明增強信號檢測能力中包括的各個步驟的流程圖。這種方法在一個或多個GPS信號的強度被建筑物大大衰減和其他對于無線終端遮蔽的環境的情況下是特別有用的。公開的方法使用來自強GPS信號的導航數據信息來檢測弱的GPS信號。
在這種方法中，首先，無線終端嘗試檢測由它的GPS接收機接收的GPS信號(方框601)。在這種嘗試中，強GPS信號被檢測和記錄(方框603)。WAG服務器還經過它的GPS接收機接收和記錄來自衛星的強GPS信號(方框605)。然后，WAG服務器解調調制到強GPS信號的導航數據(方框609)。WAG服務器還檢索一般在GPS系統中公知的導航數據流的有關資料(方框611)。然后，WAG服務器利用解調的導航數據和導航數據的有關資料來估計未來的導航數據用于隨后的信號(方框613)。隨后的信號可以對應于相同的衛星或不同的衛星。
接著，WAG服務器轉送估計的導航數據到無線終端，該終端利用估計的導航數據在隨后的GPS信號上完成數據擦除操作(方框617)。然后，無線終端擴大它的積分間隔(方框619)。然后，無線終端使用擴大的積分間隔檢測弱的GPS信號(方框621)。
可以修改圖6所示的方法以采用或者不采用圖3的WAG服務器。當WAG服務器存在時，導航數據解調和導航數據估計步驟可以通過WAG服務器完成，實際的數據擦除和信號檢測步驟可以由無線終端完成。在一個實施例中，解調步驟可以由WAG服務器完成，導航數據估計、數據擦除和信號檢測步驟可以由無線終端完成。在另一個實施例中，WAG服務器可以完全去除，信號檢測、導航數據解調和導航數據估計步驟與數據擦除和信號檢測步驟一起在無線終端內完成。
可以利用本發明原理來進一步增強當前可使用定位技術的準確度。雖然常規的技術確定無線位置具有某種程度的準確度，但是在大氣(例如電離層)中的波動和傳送GPS信號中的抖動阻止以高準確度地確定無線終端的位置。本發明可以用于擴大積分間隔和減輕這些因素的影響來改進準確度，這樣可以準確地確定無線終端的位置。
說明實施例的一個目的也是減少常規的無線終端的信號捕獲和信號處理要求，使得根據本發明原理的無線終端可以更快地確定它的位置并且與現有技術的無線終端相比可以使用更弱的GPS信號。
應該理解已經描述和說明的在細節、材料和部件安排上的各種變化是為了解釋本發明的特性，本領域的技術人員可以進行各種修改而不背離如下面權利要求書表達的本發明的范圍。
權利要求
1．一種處理采用導航數據調制的GPS信號的方法，包括步驟(a)從GPS系統的第一衛星傳送的第一GPS信號恢復導航數據；(b)根據恢復的導航數據產生估計的導航數據；以及(c)根據估計的導航數據在隨后的GPS信號上完成數據擦除操作。
2．如權利要求1所述的本發明，其中隨后的GPS信號由第一衛星傳送并且步驟(a)在GPS系統的服務器完成。
3．如權利要求2所述的本發明，其中服務器傳送恢復的導航數據到無線終端并且步驟(c)在無線終端完成。
4．如權利要求2所述的本發明，其中步驟(c)在服務器完成并且服務器傳送估計的導航數據到無線終端。
5．如權利要求1所述的本發明，其中隨后的GPS信號由GPS系統的第二衛星傳送。
6．如權利要求5所述的本發明，其中步驟(a)和步驟(b)在GPS系統的服務器完成。
7．如權利要求6所述的本發明，其中服務器傳送恢復的導航數據到無線終端并且步驟(c)在無線終端完成。
8．如權利要求6所述的本發明，其中步驟(c)在服務器完成并且服務器傳送估計的導航數據到無線終端。
9．如權利要求5所述的本發明，其中步驟(a)、步驟(b)和步驟(c)在無線終端完成。
10．如權利要求1所述的本發明，其中無線終端擴大它的積分間隔以在數據擦除操作之后檢測隨后的GPS信號。
11．如權利要求10所述的本發明，其中擴大的積分間隔大于20ms。
12．如權利要求10所述的本發明，其中無線終端檢測隨后的GPS信號而不必緩存隨后的GPS信號。
13．如權利要求1所述的本發明，其中隨后的GPS信號由第一衛星傳送，步驟(a)和步驟(b)在GPS系統的服務器完成，服務器傳送恢復的導航數據到無線終端并且步驟(c)在無線終端完成。
14．如權利要求1所述的本發明，其中隨后的GPS信號由第一衛星傳送，步驟(a)和步驟(b)在GPS系統的服務器完成，步驟(c)在服務器完成并且服務器傳送估計的導航數據到無線終端。
15．如權利要求1所述的本發明，其中隨后的GPS信號由GPS系統的第二衛星傳送，步驟(a)和步驟(b)在GPS系統的服務器完成，服務器傳送恢復的導航數據到無線終端并且步驟(c)在無線終端完成。
16．如權利要求1所述的本發明，其中隨后的GPS信號由GPS系統的第二衛星傳送，步驟(a)和步驟(b)在GPS系統的服務器完成，步驟(c)在服務器完成并且服務器傳送估計的導航數據到無線終端。
17．如權利要求1所述的本發明，其中隨后的GPS信號由GPS系統的第二衛星傳送，步驟(a)、步驟(b)和步驟(c)在無線終端完成。
18．一種用于GPS系統的服務器，包括(a)GPS接收機，被配置來接收用導航數據調制并且從GPS系統的第一衛星傳送的第一GPS信號；(b)解調器，被配置從接收的第一GPS信號恢復導航數據；以及(c)估計器，被配置從恢復的導航數據產生估計的導航數據，其中服務器被配置來傳送估計的導航數據用于無線終端接收，無線終端被配置為根據估計的導航數據來完成數據擦除操作。
19．如權利要求18所述的本發明，其中估計的導航數據對應于第一衛星。
20．如權利要求18所述的本發明，其中估計的導航數據對應于GPS系統的第二衛星。
21．一種用于GPS系統的無線終端，包括(a)GPS接收機，被配置來接收采用導航數據調制的GPS信號；以及(b)數據擦除處理器，被配置來根據估計的導航數據完成對通過GPS系統的衛星傳送的GPS信號的數據擦除操作。
22．如權利要求21所述的本發明，其中無線終端接收來自GPS系統的服務器的估計的導航數據。
23．如權利要求22所述的本發明，其中估計的導航數據對應于先前來自衛星的GPS信號。
24．如權利要求22所述的本發明，其中估計的導航數據對應于先前來自GPS系統另一個衛星的GPS信號。
25．如權利要求21所述的本發明，其中無線終端還包括被配置來從恢復的導航數據產生估計的導航數據的估計器。
26．如權利要求25所述的本發明，其中無線終端接收來自GPS系統的服務器的恢復的導航數據。
27．如權利要求26所述的本發明，其中恢復的導航數據對應于先前來自衛星的GPS信號。
28．如權利要求26所述的本發明，其中恢復的導航數據對應于先前來自GPS系統另一個衛星的GPS信號。
29．如權利要求25所述的本發明，其中無線終端還包括被配置以產生對應于從GPS系統另一個衛星接收的GPS信號的恢復的導航數據的解調器。
30．如權利要求25所述的本發明，其中無線終端擴大了它的積分間隔，以便在數據擦除操作以后檢測GPS信號。
31．如權利要求30所述的本發明，其中擴大的積分間隔大于20ms。
32．如權利要求30所述的本發明，其中無線終端檢測GPS信號而不必緩存GPS信號。
全文摘要
估計的全球定位系統(GPS)導航數據用于增加信號積分間隔。在一個實施例中,WAG(無線輔助GPS)服務器接收GPS信號并且解調調制到GPS信號的導航數據。WAG服務器利用解調的導航數據公知的特性來產生用于衛星的估計的導航數據。這種估計可以提前幾秒鐘或幾分鐘完成。無線終端使用這種估計的導航數據來完成數據擦除操作,使得積分間隔能夠增加(例如,20ms以上),因此增加了在無線終端的總的信號檢測靈敏度。
文檔編號G01S1/00GK1319955SQ0110336
公開日2001年10月31日 申請日期2001年2月2日 優先權日2000年2月4日
發明者達人, 吉奧瓦尼·萬努西 申請人:朗迅科技公司