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CN1319955A - 增强gps系统的信号检测性能 - Google Patents

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CN1319955A CN01103367A CN01103367A CN1319955A CN 1319955 A CN1319955 A CN 1319955A CN 01103367 A CN01103367 A CN 01103367A CN 01103367 A CN01103367 A CN 01103367A CN 1319955 A CN1319955 A CN 1319955A
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Abstract

估计的全球定位系统(GPS)导航数据用于增加信号积分间隔。在一个实施例中,WAG(无线辅助GPS)服务器接收GPS信号并且解调调制到GPS信号的导航数据。WAG服务器利用解调的导航数据公知的特性来产生用于卫星的估计的导航数据。这种估计可以提前几秒钟或几分钟完成。无线终端使用这种估计的导航数据来完成数据擦除操作,使得积分间隔能够增加(例如,20ms以上),因此增加了在无线终端的总的信号检测灵敏度。

Description

增强GPS系统的信号检测性能
本发明涉及卫星导航系统，尤其涉及使用调制方案来增强信号检测灵敏度的卫星导航系统。
卫星导航系统如全球定位系统(GPS)包括传送GPS信号的一群卫星，该信号能够由无线终端使用以确定无线终端的位置。
图1是现有技术的GPS系统100的示意图。在现有技术系统100中，卫星群(Satellite constellation)的一个或多个卫星101传送由无线终端103接收的GPS信号102。如本领域公知的，通过接收来自三个或更多个卫星的GPS信号102来完成定位操作。确定位置的基本方法基于公知的每个卫星的时差。每个卫星的时差是GPS信号102从卫星开始到无线终端103接收所需的时间。当同时接收来自三个卫星的GPS信号102时，可以确定“两维”位置(纬度和经度)。当同时接收来自四个或更多的卫星的GPS信号102时，可以确定“三维”位置(纬度，经度，高度)。
每个卫星101以公知的速度环绕地球并且定位在离其他卫星公知的距离上。每个卫星101传送唯一的GPS信号102，该信号包括使用与特定的卫星101有关的唯一的伪随机噪声(PN)码和导航数据调制的公知频率f的载波信号，其中PN码包括唯一的PN码片序列而导航数据包括卫星标识符、时间信息和轨道数据如仰角αj和方位角φj。
无线终端103一般包括GPS接收机105用于接收GPS信号102；多个相关器107用于检测GPS信号102；以及具有软件的处理器109使用导航数据来确定位置。GPS接收机105借助于PN码检测GPS信号102。检测GPS信号102包括相关处理，其中相关器107用于在载波频率维和代码相位维搜索PN码。实时地将调制为复制的载波信号的相移复制的PN码乘以接收的GPS信号102来完成这种相关处理，然后是积分和转储处理。
在载波频率维，GPS接收机105复制载波信号以当GPS信号102到达GPS接收机105时匹配于GPS信号102的频率。然而，由于多普勒效应，在GPS信号102到达GPS接收机105之前传送GPS信号102的频率f改变一个未知量Δfj-即当每个GPS信号102到达GPS接收机105时它应该具有频率f+Δfj。为了说明多普勒效应，GPS接收机105在f+Δfmin到f+Δfmax的频谱f频谱范围复制载波信号直到复制的载波信号的频率匹配于接收的GPS信号102的频率为止，其中Δfmin和Δfmax是由于多普勒效应，当GPS信号102从卫星101到达GPS接收机105时在频率上经受的最小和最大的改变，即Δfmin≤Δfj≤Δfmax。
在代码相位维，GPS接收机105复制与每个卫星101有关的唯一的PN码。复制的PN码的相位在代码相位频谱Rj(频谱)上移动直到具有复制的PN码的复制的载波信号完全与GPS接收机105接收的GPS信号102相关，其中每个代码相位频谱Rj(频谱)包括对于相关PN码的每个可能的相移。如本领域公知的，当GPS信号102被相关器107检测时，GPS接收机105从检测的GPS信号102提取导航数据ND并且使用导航数据来确定GPS接收机105的位置。
相关器107被配置来在频谱f频谱和代码相位频谱Rj(频谱)上完成多个PN码的并行搜索。换句话说，多个相关器107的每一个专用于在f+Δfmin到f+Δfmax之间和每个可能用于该PN码的频率的每个可能的频率上搜索特定的PN码。当相关器107完成它对PN码的搜索时，相关器107在f+Δfmin到f+Δfmax之间的每个可能的频率和每个可能用于该PN码的相移搜索另一个PN码。这个过程继续直到由多个相关器107共同搜索到所有的PN码为止。例如，假设有十二个卫星101，那么就有十二个唯一的PN码。如果GPS接收机105具有六个相关器107，则GPS接收机105将使用它的相关器107一次搜索两组六个不同的PN码。特别地，相关器107搜索第一组六个PN码，即第一相关器搜索PN-1，第二相关器搜索PN-2等。一旦完成第一组六个PN码的搜索，相关器107搜索下一组六个PN码，即第一相关器搜索PN-7，第二相关器搜索PN-8等。
为了搜索每个PN码，相关器107对于该PN码的频率和相移的每个组合完成积分和转储处理。例如，假设频谱f频谱包括50个用于载波信号的可能的频率，对于一个PN码的代码相位频谱Rj(频谱)包括2,046个可能的半个码片相移。为了搜索该PN码的频率和半个码片相移的每个可能的组合，相关器107需要完成102,300次积分。对于相关器107典型的积分间隔是1ms，当无线终端能够清楚地观察到天空或具有到卫星101的直接视距时，1ms一般足够用于GPS接收机105来检测GPS信号102。这样，对于上述例子，为了搜索一个PN码的频率和半个码片相移的每个可能的组合，一个相关器107需要102.3秒钟。
现有技术的一个缺点是如果GPS信号102被建筑物或其他的障碍物衰减，则无线终端不可能从确定无线终端的位置所需的最小数量的卫星接收到足够强的GPS信号。这导致位置确定的中断。为了补偿较弱的GPS信号和增强GPS信号102的检测，相关器107可以配置较长的积分间隔。换句话说，通过较长的积分间隔使检测更加准确。
然而，导航数据的存在限制了无线终端的信号检测能力，将积分间隔的长度限制在20ms内。
如果无线终端能够独立地得到导航数据，它就可以利用这种数据来延长它的积分间隔在20ms以上。例如，如果无线终端可以接收来自一个源而不是GPS信号源(即传送的卫星)的导航数据，无线终端可以使用这个信息来完成“数据擦除(data wipe-off)”操作。“数据擦除”是积分和转储处理之前在输入的原始RF数据上简单的符号操作。“数据擦除”操作基于导航数据位的值。例如，如果导航数据位是1，则输入的原始RF数据的符号保留。但是，如果导航数据位是0，则输入的原始RF数据的符号被翻转。在数据擦除操作之后，无线终端可以延长它的积分间隔在20ms以上并且因此增加了它的信号检测性能。
在本发明中，提供了利用导航数据而不限制积分间隔的设备和方法。一些本发明的实施例能够确定无线终端的位置同时避免与现有技术定位系统有关的太多成本和限制。特别地，一些本发明的实施例比现有技术的无线终端花费少。另外，一些本发明的实施例能够比现有技术的无线终端接收和使用更弱的信号。另外，一些本发明的实施例能够比现有技术的无线终端更快地确定位置。
在第一实施例中，根据本发明的原理，提供了WAG(无线辅助GPS)服务器。WAG服务器经过无线链路与无线终端通讯。WAG服务器接收来自卫星的GPS信号并且将调制到GPS信号的导航数据解调。然后，它利用导航数据流的公知的特性和解调的导航数据来产生估计的导航数据，它然后传送到无线终端。无线终端使用这个估计的导航数据来完成在随后的GPS信号的数据擦除操作，使得积分间隔增加到20ms以上，因此增加了总的信号检测灵敏度。随后的GPS信号可以对应于卫星群中相同的卫星或不同的卫星。
在第二实施例中，WAG服务器仅解调导航数据并且转送解调的数据到无线终端。实际的估计发生在无线终端内。无线终端使用估计的导航数据来完成数据擦除并且扩大随后来自不同卫星的GPS信号的积分间隔。
在第三个实施例中，省去了WAG服务器并且在无线终端内完成解调、估计、数据擦除和积分间隔扩大的步骤。在这种情况下，对于随后来自不同卫星的GPS信号扩大了积分间隔。
在另一个实施例中，本发明是一种处理用导航数据调制的GPS信号的方法，包括下面的步骤：(a)恢复来自GPS系统的第一卫星传送的第一GPS信号中的导航信号；(b)根据恢复的导航数据产生估计的导航数据；以及(c)根据估计的导航数据完成在随后的GPS信号的数据擦除操作。
在另一个实施例中，本发明是用于GPS系统的服务器，包括(a)GPS接收机被配置来接收用导航数据调制的和从GPS系统的第一卫星传送的第一GPS信号；(b)解调器被配置来恢复来自接收的第一GPS信号的导航数据；以及(c)估计器被配置来由恢复的导航数据产生估计的导航数据，其中服务器被配置来传送估计的导航数据，由无线终端接收，无线终端被配置为根据估计的导航数据来完成数据擦除操作。
由下面的详细描述、附加的权利要求书以及附图可以更全面地理解本发明的其他方面、特性和优点，其中：
图1是现有技术GPS系统的示意图；
图2说明具有辅助系统的GPS系统；
图3是说明本发明第一实施例的GPS系统的方框图；
图4是说明本发明第二实施例的GPS系统的方框图；
图5是说明本发明第三个实施例的GPS系统的方框图；
图6是说明本发明一个实施例中包括的各个步骤的流程图。
图2表示具有一群卫星101、无线终端203以及辅助系统201的GPS卫星系统。辅助系统201在GPS天线209接收来自一个或多个卫星101的GPS信号并且解调调制到GPS信号的导航数据。然后，辅助系统201经过无线链路205转送该信息到无线终端203。无线终端203使用解调的导航数据来完成数据擦除操作，使得能够增加积分间隔(例如，在20ms以上)，因此增加了在无线终端203的总的信号检测性能。
在图2的GPS系统中，从辅助系统201解调导航数据的时间到无线终端203将这个信息应用于数据擦除操作的时间存在一个延迟。无线终端203将GPS信号存储在存储器中，同时等待来自辅助系统201的相应的解调导航数据信息到达。因此，在无线终端203的位置确定中存在延迟。这种技术还要求无线终端203具有大存储器来存储从卫星101接收的GPS信号。
图3是说明本发明第一实施例的方框图。在图3中，存在一个卫星群(即多个卫星101)能够发送GPS信号到无线终端303。还存在经过通讯链路305连接到无线终端303的无线辅助GPS(WAG)服务器301。根据该应用，通讯链路305可以是无线链路或有线链路。WAG服务器301包括GPS接收机309、导航数据解调器311以及数据估计器313。
WAG服务器301辅助配置为短的或长的积分时间的GPS接收机105来检测GPS信号102。通过减少搜索GPS信号102由相关器完成的积分次数使WAG服务器301便于检测GPS信号102。通过将搜索的频率范围和代码相位范围变窄来减少积分次数。特别地，WAG服务器301限制在特定的频率上搜索GPS信号102并且限制代码相位的范围小于代码频谱Rj(频谱)。
WAG服务器301中的GPS接收机309获得从卫星101传送的GPS信号102。然后，导航数据解调器311处理GPS信号以解调调制到GPS信号的导航数据。然后，这个解调的导航数据转送到位于WAG服务器301内的数据估计器313。
数据估计器313接收当前解调的导航数据并且估计未来的导航数据。这种估计基于当前的和过去的导航数据的测量以及关于导航数据公知的格式标准的一般知识。例如，导航数据包括多个实际上重复的导航数据位是公知的。数据估计器313一般通过这些公知的参数和情况来编程，以帮助创建估计的导航数据。
然后，估计的导航数据经过通讯链路305转送到无线终端303。无线终端303包括GPS接收机315和数据擦除处理器317。GPS接收机315用于接收来自一个或多个传送卫星101的GPS信号。数据擦除处理器317使用从WAG服务器301接收的相应的估计导航数据以完成在随后的GPS信号的数据擦除操作。随后的GPS信号可以对应于相同的卫星或不同的卫星。然后，积分间隔可以增加到20ms以上以增加总的信号检测灵敏度。
无线终端303可以实时地完成数据擦除操作。这样，避免了现有技术的延迟问题。另外，因为没有等待周期来接收卫星导航数据信息，所以也减少了在无线终端303对现有技术的存储要求。
这样，通过本发明原理的使用，无线终端303可以实时地获得来自卫星的GPS信号，甚至当它们相对较弱时。在现有技术的无线终端不能操作的低信噪比的衰减条件下，无线终端303可以获得导航数据。
WAG服务器301可以是地面设备、机载设备或围绕地球轨道的卫星。数据估计器313可以根据公知的导航估计算法或某些其他的估计机理编程来创建估计的导航数据。本发明原理实质上是灵活的并且本发明实际上可以使用各种数据估计方案。
另外，既使图3说明数据估计能力在WAG服务器301中，但在第二实施例中，数据估计能力也可以在无线终端内。
图4是说明本发明第二实施例的方框图。在这个实施例中，WAG服务器401包括GPS接收机409和导航数据调制器411。数据估计器413位于无线终端403内。无线终端403包括GPS接收机415和数据擦除处理器417。
WAG服务器401获得来自卫星的GPS信号，解调调制到GPS信号的导航数据并且传送解调的数据到无线终端403。
在无线终端403内，数据估计器413估计未来的导航数据，数据擦除处理器417使用估计的导航数据在随后来自不同卫星的GPS信号上完成数据擦除操作。
图5是说明本发明第三个实施例的方框图。在这个实施例中，去除了WAG服务器，解调、估计、数据擦除和积分间隔扩大的步骤都在无线终端内完成。
如图5所示，在这个实施例中，无线终端503包括GPS接收机515、导航数据解调器511、数据估计器513以及数据擦除处理器517。
图6是通过使用本发明第一实施例的估计的导航数据，说明增强信号检测能力中包括的各个步骤的流程图。这种方法在一个或多个GPS信号的强度被建筑物大大衰减和其他对于无线终端遮蔽的环境的情况下是特别有用的。公开的方法使用来自强GPS信号的导航数据信息来检测弱的GPS信号。
在这种方法中，首先，无线终端尝试检测由它的GPS接收机接收的GPS信号(方框601)。在这种尝试中，强GPS信号被检测和记录(方框603)。WAG服务器还经过它的GPS接收机接收和记录来自卫星的强GPS信号(方框605)。然后，WAG服务器解调调制到强GPS信号的导航数据(方框609)。WAG服务器还检索一般在GPS系统中公知的导航数据流的有关资料(方框611)。然后，WAG服务器利用解调的导航数据和导航数据的有关资料来估计未来的导航数据用于随后的信号(方框613)。随后的信号可以对应于相同的卫星或不同的卫星。
接着，WAG服务器转送估计的导航数据到无线终端，该终端利用估计的导航数据在随后的GPS信号上完成数据擦除操作(方框617)。然后，无线终端扩大它的积分间隔(方框619)。然后，无线终端使用扩大的积分间隔检测弱的GPS信号(方框621)。
可以修改图6所示的方法以采用或者不采用图3的WAG服务器。当WAG服务器存在时，导航数据解调和导航数据估计步骤可以通过WAG服务器完成，实际的数据擦除和信号检测步骤可以由无线终端完成。在一个实施例中，解调步骤可以由WAG服务器完成，导航数据估计、数据擦除和信号检测步骤可以由无线终端完成。在另一个实施例中，WAG服务器可以完全去除，信号检测、导航数据解调和导航数据估计步骤与数据擦除和信号检测步骤一起在无线终端内完成。
可以利用本发明原理来进一步增强当前可使用定位技术的准确度。虽然常规的技术确定无线位置具有某种程度的准确度，但是在大气(例如电离层)中的波动和传送GPS信号中的抖动阻止以高准确度地确定无线终端的位置。本发明可以用于扩大积分间隔和减轻这些因素的影响来改进准确度，这样可以准确地确定无线终端的位置。
说明实施例的一个目的也是减少常规的无线终端的信号捕获和信号处理要求，使得根据本发明原理的无线终端可以更快地确定它的位置并且与现有技术的无线终端相比可以使用更弱的GPS信号。
应该理解已经描述和说明的在细节、材料和部件安排上的各种变化是为了解释本发明的特性，本领域的技术人员可以进行各种修改而不背离如下面权利要求书表达的本发明的范围。

Claims (32)

1．一种处理采用导航数据调制的GPS信号的方法，包括步骤：
(a)从GPS系统的第一卫星传送的第一GPS信号恢复导航数据；
(b)根据恢复的导航数据产生估计的导航数据；以及
(c)根据估计的导航数据在随后的GPS信号上完成数据擦除操作。
2．如权利要求1所述的本发明，其中随后的GPS信号由第一卫星传送并且步骤(a)在GPS系统的服务器完成。
3．如权利要求2所述的本发明，其中服务器传送恢复的导航数据到无线终端并且步骤(c)在无线终端完成。
4．如权利要求2所述的本发明，其中步骤(c)在服务器完成并且服务器传送估计的导航数据到无线终端。
5．如权利要求1所述的本发明，其中随后的GPS信号由GPS系统的第二卫星传送。
6．如权利要求5所述的本发明，其中步骤(a)和步骤(b)在GPS系统的服务器完成。
7．如权利要求6所述的本发明，其中服务器传送恢复的导航数据到无线终端并且步骤(c)在无线终端完成。
8．如权利要求6所述的本发明，其中步骤(c)在服务器完成并且服务器传送估计的导航数据到无线终端。
9．如权利要求5所述的本发明，其中步骤(a)、步骤(b)和步骤(c)在无线终端完成。
10．如权利要求1所述的本发明，其中无线终端扩大它的积分间隔以在数据擦除操作之后检测随后的GPS信号。
11．如权利要求10所述的本发明，其中扩大的积分间隔大于20ms。
12．如权利要求10所述的本发明，其中无线终端检测随后的GPS信号而不必缓存随后的GPS信号。
13．如权利要求1所述的本发明，其中随后的GPS信号由第一卫星传送，步骤(a)和步骤(b)在GPS系统的服务器完成，服务器传送恢复的导航数据到无线终端并且步骤(c)在无线终端完成。
14．如权利要求1所述的本发明，其中随后的GPS信号由第一卫星传送，步骤(a)和步骤(b)在GPS系统的服务器完成，步骤(c)在服务器完成并且服务器传送估计的导航数据到无线终端。
15．如权利要求1所述的本发明，其中随后的GPS信号由GPS系统的第二卫星传送，步骤(a)和步骤(b)在GPS系统的服务器完成，服务器传送恢复的导航数据到无线终端并且步骤(c)在无线终端完成。
16．如权利要求1所述的本发明，其中随后的GPS信号由GPS系统的第二卫星传送，步骤(a)和步骤(b)在GPS系统的服务器完成，步骤(c)在服务器完成并且服务器传送估计的导航数据到无线终端。
17．如权利要求1所述的本发明，其中随后的GPS信号由GPS系统的第二卫星传送，步骤(a)、步骤(b)和步骤(c)在无线终端完成。
18．一种用于GPS系统的服务器，包括：
(a)GPS接收机，被配置来接收用导航数据调制并且从GPS系统的第一卫星传送的第一GPS信号；
(b)解调器，被配置从接收的第一GPS信号恢复导航数据；以及
(c)估计器，被配置从恢复的导航数据产生估计的导航数据，其中服务器被配置来传送估计的导航数据用于无线终端接收，无线终端被配置为根据估计的导航数据来完成数据擦除操作。
19．如权利要求18所述的本发明，其中估计的导航数据对应于第一卫星。
20．如权利要求18所述的本发明，其中估计的导航数据对应于GPS系统的第二卫星。
21．一种用于GPS系统的无线终端，包括：
(a)GPS接收机，被配置来接收采用导航数据调制的GPS信号；以及
(b)数据擦除处理器，被配置来根据估计的导航数据完成对通过GPS系统的卫星传送的GPS信号的数据擦除操作。
22．如权利要求21所述的本发明，其中无线终端接收来自GPS系统的服务器的估计的导航数据。
23．如权利要求22所述的本发明，其中估计的导航数据对应于先前来自卫星的GPS信号。
24．如权利要求22所述的本发明，其中估计的导航数据对应于先前来自GPS系统另一个卫星的GPS信号。
25．如权利要求21所述的本发明，其中无线终端还包括被配置来从恢复的导航数据产生估计的导航数据的估计器。
26．如权利要求25所述的本发明，其中无线终端接收来自GPS系统的服务器的恢复的导航数据。
27．如权利要求26所述的本发明，其中恢复的导航数据对应于先前来自卫星的GPS信号。
28．如权利要求26所述的本发明，其中恢复的导航数据对应于先前来自GPS系统另一个卫星的GPS信号。
29．如权利要求25所述的本发明，其中无线终端还包括被配置以产生对应于从GPS系统另一个卫星接收的GPS信号的恢复的导航数据的解调器。
30．如权利要求25所述的本发明，其中无线终端扩大了它的积分间隔，以便在数据擦除操作以后检测GPS信号。
31．如权利要求30所述的本发明，其中扩大的积分间隔大于20ms。
32．如权利要求30所述的本发明，其中无线终端检测GPS信号而不必缓存GPS信号。
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