CN101526598A

CN101526598A - Gps快速热启动方法

Info

Publication number: CN101526598A
Application number: CN200910029624A
Authority: CN
Inventors: 杨军; 秦奋; 刘新宁; 时龙兴
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2009-04-08
Filing date: 2009-04-08
Publication date: 2009-09-09

Abstract

一种GPS快速热启动方法，接收机热启动开机后，利用本地实时时钟单元RTC(Real Time Clock)的辅助，捕获状态时，进行扩频码－载波频率的二维捕获，将本地C/A码与接收到的码流基本对齐，偏差在0.5码片以内，载波频率与接收到的载波频率相差不超过100Hz，一旦捕获到信号后，即进行比特同步，以发现20ms的电文比特边界，一旦完成，将进入跟踪状态，使得本地扩频码发生器和本地载波发生器实时“跟踪”接收到的GPS码信号和载波信号，完成首次的快速定位，不必等待完成基带子帧同步过程，直接进入定位解算环节，计算卫星在轨位置和伪距，通过最小二乘法解算接收机位置，完成快速定位。本方法还通过热启动失效检测机制来保证该方法的有效性。

Description

GPS快速热启动方法

技术领域

本发明涉及GPS接收机的热启动开机，尤其是一种GPS快速热启动方法，属于GPS通信技术领域。

背景技术

GPS系统，是直接序列扩频(DSSS，Direct Sequence Spread Spectrum)通信系统。它的主要特点在于，采用伪随机噪声码(Pseudo Random Noise Code)对载波进行扩频调制。所以，GPS接收机需要完成解扩和解调的操作后，获得卫星星历和伪距解算出接收机坐标。

GPS接收机的热启动开机过程，是在接收机概略位置、卫星星历和卫星历书均有效的基础上，多个通道并行进行基带信号处理，计算出多个卫星坐标和伪距，从而实现首次定位解算。在已有的方案中，通常每个通道都需要包括捕获(载波和C/A码)、比特同步、跟踪、子帧同步等主要基带信号处理环节，才能获得精确跟踪状态下的卫星信号的发射时刻。有了精确的卫星信号的发射时刻，就能获得卫星坐标和伪距，完成定位。按照上述过程，常规热启动方案的最长时间为8s，平均时间为5s。其中，子帧同步所占用的时间最长为6s，平均为3s，在整个开机时间中所占比重最大。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有GPS热启动过程时间较长的缺陷，提供一种GPS快速热启动方法，用于GPS接收机中热启动模式下，加快接收机热启动的首次定位速度，以实现接收机的快速定位。其发明点在于考虑到满足用户对接收机首次开机时间性能要求，充分利用同样具有时间信息的本地实时时钟单元RTC辅助热启动开机，不必等待基带子帧同步过程，计算卫星在轨位置和伪距，通过最小二乘法解算接收机位置，完成快速定位，以缩短首次定位时间。因为子帧同步过程，实际上是为了更新卫星发射时刻的历元时间信息。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：一种GPS快速热启动方法，设有包括信号捕获、比特同步、跟踪、子帧同步过程，其特征是：接收机热启动开机后，首先从本地实时时钟单元RTC读出当前的时间，判断上次关机时存储的星历和历书信息是否过期，如果星历和历书信息有效，并且也存有上次关机时刻的接收机坐标，那么就符合热启动的条件，进入热启动的基带信号处理环节；捕获状态时，进行扩频码-载波频率的二维捕获，将本地C/A码与接收到的码流基本对齐，偏差在0.5码片以内，载波频率与接收到的载波频率相差不超过100Hz，一旦捕获到信号后，即进行比特同步，以发现20ms的电文比特边界，一旦完成，将进入跟踪状态，使得本地扩频码发生器和本地载波发生器实时“跟踪”接收到的GPS码信号和载波信号。跟踪卫星信号之前，接收机先完成了比特同步，即完成了对20ms数据边界的判定，获得了卫星发射时刻20ms以内的时间精度。使用本地RTC，基于接收机和卫星概率距离，判定卫星发射时刻20ms以上的时间精度，那么就能够不需要等待子帧同步，完成首次的快速定位。

本地实时时钟单元，是一个记录并实时更新本地时间的数字电路模块。在上次关机时刻，根据最后一次的定位结果求出本地时间的偏差，校准本地时间；当热启动开机后，根据读出的时间信息，判断热启动条件，同时辅助进行首次定位解算。

在稳定跟踪状态下，根据本地实时时钟单元的时间信息及有效的卫星星历获得卫星的概略位置和20ms以内的卫星发射时间，获得准确的卫星信号发射时刻；获得卫星信号发射时刻后，重新计算准确的卫星坐标和卫星到接收机的伪距；当接收机获得至少4颗以上卫星的坐标和卫星到接收机的伪距时，通过最小二乘法解算接收机的坐标，完成首次热启动定位；重复上述过程，间隔一定时间后，进行下一次的解算。

本发明的优点及显著效果：本设计采用本地实时时钟单元辅助热启动开机，不必等待完成基带子帧同步过程，直接进入定位解算环节，计算卫星在轨位置和伪距，通过最小二乘法解算接收机位置，完成快速定位。实现对卫星发射时间的准确估计，并提供了失效检测的方案，保证系统稳定工作。

附图说明

图1是GPS系统模型图；

图2是GPS接收机的系统结构框图；

图3是多通道基带信号处理引擎的工作链路；

图4是快速热启动的接收机工作流程图；

图5是快速热启动的失效检测流程图。

具体实施方式

参看图1，所示为GPS系统模型图，其中包含：地面GPS接收机101、接收机到卫星的伪距102、发射时刻的GPS卫星103、接收时刻的卫星104。主要过程是，GPS信号经过天线发射，穿越大气层，存在散射，折射等影响，到达接收机天线。由于存在星钟偏差、相对论效应、卫星间群延迟、电离层延迟、对流层延迟等，造成了接收机扩频码测量的距离，存在了延迟。接收机所测定的距离，不光含有卫星与接收机的视线距离，还加含了各种延迟所造成的距离，称为“伪距”。

其中，接收机进入到跟踪状态后，扩频码跟踪环能够准确跟踪GPS信号。热启动过程中，通过实时时钟单元的辅助，能够获得准确的卫星发射时刻。于是根据有效的星历和卫星发射时间信息，计算出至少4颗以上卫星的伪距和卫星坐标，这样，就可以通过最小二乘法结算出接收机的坐标。

图2是GPS接收机整机高层系统结构框图。其中包含：天线、低噪声放大器、射频模块、TCXO时时钟源、基带信号处理引擎、定位解算、人机界面、电源等等。信号从天线端接收，先经过低噪声放大器，以减小噪声的干扰，接着是射频模组。射频模组的主要功能，是信号的载波频率由L1频段＝1575.42MHz下变频到中频附近，并加以带通滤波器减小带外噪声干扰。典型情况下，需要通过两级下变频电路，变至中频。本地振荡器是根据接收机设计方案中的频率方案由基准振荡器经频率合成器导出的。混频过程之后，保留了载波多普勒和扩频码，只是载波频率降低了。通过后续的基带信号处理过程，进行扩频码和载波频率的二维捕获，之后跟踪上卫星信号，从中正确、连续解调出导航电文，用于定位解算。定位后，通过NMEA协议与上位机通讯，通过人机界面，加载地图数据库信息，进行导航定位等。

快速热启动方案，主要集中在基带信号处理环节展开。基带信号处理环节中，处于跟踪状态下，20ms以内的卫星发射时刻信息已经获知。快速热启动不再等待子帧同步，在跟踪状态下，直接利用本地实时时钟单元获得概略卫星位置后计算出20ms以上的卫星发射时刻信息。这样，就计算出精确的卫星发射时刻。

图3是多通道基带信号处理引擎的工作链路图，数字中频信号来源于射频采样信号，主要过程包括有捕获、比特同步、跟踪、RTC辅助计算卫星发射时刻和解算接收机坐标等环节。

GPS捕获，又称为粗同步，是使本地参考扩频码与接收到的码相位之差小于半个码片，同时本地载波振荡器的输出频率精确到使解扩后的信号频谱在中频滤波器的通带之类，保证解调器正常工作。在GPS系统中，信号捕获是一个搜索过程。这一搜索过程和跟踪过程相类似，为了捕获卫星信号，需要同时复现卫星的码和载波，即成功的信号匹配是二维的

接收机初始工作时，由于本地C/A码发生器与接收到的码流没有对齐，同时，载波频率也由于存在多普勒效应的影响，那么需要捕获过程，进行扩频码-载波频率的二维捕获。捕获的结果，往往是本地码与接收到的码偏差在0.5码片内，载波频率与接收到的载波频率相差不超过100Hz。一旦捕获到信号后，接下来的工作，就是比特同步过程。每比特的电文，周期为20ms，所以必须找出比特边界；找到比特边界后，进入跟踪状态，码相位和载波频率进一步对准。跟踪状态下，有了实时时钟单元RTC的辅助，可以开始首次解算过程。

实时时钟单元RTC的辅助，并不代表着省去子帧同步过程。随着时间的推移，本地时间的准确性将随之降低，这样计算出的概略伪距和卫星时间都将不再准确，所以仍然需要子帧同步，获得准确的卫星发射历元信息。只不过，需要RTC辅助开机后的若干次定位，达到快速的目的。

图4是快速热启动的接收机工作流程图，主要包括了开机后判断热启动过程、基带过程(捕获、比特同步、跟踪)、RTC辅助、伪距和卫星坐标计算、定位计算。上电开机，从Flash Rom等非易失性存储器中，读出关机时的接收机位置、卫星星历和历书有效性，判断其有效性，进入快速热启动。

接收机热启动开机，由本地RTC保持着目前相对准确的时间信息，此时从RTC读出的时间为t_RTC。卫星信号从卫星发送到接收机的时间在60ms到90ms左右，那么在快速热启动过程中，可以认为此时的观测时刻t＝t_PTC。卫星坐标的求解过程可以抽象为一个函数名为Sat_Pos_Calculate的函数。函数的输入变量是(t，E)，t是指观测时刻历元，E是指卫星的星历参数。将(t_RTC，E)带入到Sat_Pos_Calculate函数中。这时，获得开机某一颗卫星的概略位置

卫星i的发射时刻可以认为由20ms以上时间信息量t_{int eger_20ms_i}和20ms以内时间信息量t_{fraction_20ms_i}共同决定。进入跟踪状态后，已经找到比特边界，所以获得了20ms以内时间信息量t_{fraction_20ms_i}。卫星i的发射时刻，可以表示为：

T_i＝20ms*t_{int eger_20ms_i}+t_{fraction_20ms_i}

设定本地时钟偏差t_u不超过10ms。由于概略卫星i坐标

和本地用户的概略位置

已知，估算出卫星i到接收机的几何距离：

{\tilde{ρ}}_{i} = \sqrt{{({\tilde{x}}_{u} - {\tilde{x}}_{i})}^{2} + {({\tilde{y}}_{u} - {\tilde{y}}_{i})}^{2} + {({\tilde{z}}_{u} - {\tilde{z}}_{i})}^{2}}

因此，使用估算出的卫星到接收机几何距离，可以计算出20ms以上时间信息量t_{int eger_20ms_i}：

t_{integer_20 ms_i} = ceil ((T_{RTC} - {\tilde{ρ}}_{i} / c - 10 ms - t_{fraction_20 ms_i}) / 20 ms)

这样，得到了卫星i的发射时刻T_i。

采用这种快速热启动方法获得卫星发射时间系统时间的卫星数目达到四颗及其以上时，接收机将能够顺利进入到解算用户坐标的环节，即最小二乘法解算过程。

图5是快速热启动的失效检测流程图。在图4快速热启动原理图中，对实时时钟单元提供的本地时间具有时间精度限制，本地钟差的大小如果大于10ms则判定快速热启动失败。原理在于，如果本地钟差大于10ms，那么上述方法计算出的卫星发射时刻，有20ms的不确定度，仅仅依靠t_{fraction_20ms_i}无法唯一确定；此外，如果本地时间的偏差过大，卫星的概略位置在估计过程中误差太大，造成的概略伪距不准确，同样会导致无法获得正确的卫星信号发射时刻。因此，首次定位结果计算出后，如果判断本地时间偏差大于10ms，判定快速热启动失败。反之，则判定成功定位。

Claims

1、一种GPS快速热启动方法，设有包括信号捕获、比特同步、跟踪、子帧同步过程，其特征是：接收机热启动开机后，首先从本地实时时钟单元RTC读出当前的时间，判断上次关机时存储的星历和历书信息是否过期，如果星历和历书信息有效，并且也存有上次关机时刻的接收机坐标，那么就符合热启动的条件，进入热启动的基带信号处理环节；捕获状态时，进行扩频码一载波频率的二维捕获，将本地C/A码与接收到的码流基本对齐，偏差在0.5码片以内，载波频率与接收到的载波频率相差不超过100Hz，一旦捕获到信号后，即进行比特同步，以发现20ms的电文比特边界，一旦完成，将进入跟踪状态，使得本地扩频码发生器和本地载波发生器实时“跟踪”接收到的GPS码信号和载波信号，完成首次的快速定位。

2、根据权利要求1所述的GPS快速热启动方法，其特征是：稳定跟踪状态下，根据本地实时时钟单元的时间信息及有效的卫星星历获得卫星的概略位置和20ms以内的卫星发射时间，获得准确的卫星信号发射时刻；获得卫星信号发射时刻后，重新计算准确的卫星坐标和卫星到接收机的伪距；当接收机获得至少4颗以上卫星的坐标和卫星到接收机的伪距时，通过最小二乘法解算接收机的坐标，完成首次热启动定位；重复上述过程，间隔一定时间后，进行下一次的解算。